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毕业设计162苏州科技学院基于GPRS无线网络的数据监控采集终端的实现原理和实现设计
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电气电子毕业设计论文
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毕业设计162苏州科技学院基于GPRS无线网络的数据监控采集终端的实现原理和实现设计,电气电子毕业设计论文
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苏州科技学院毕业论文 I 摘 要 本课题主要研究基于 GPRS 无线网络的数据监控采集终端的实现原理和实现方法，其 目标是将基于 ARM7 内核的嵌入式系统和 GPRS 网络结合起来，利用 GPRS 网络实现无线数据传输。该系统可以同时实现多路数据的采集，以便对现场环境进行分布式、 网络化的 采集与监控，可应用于大气与水质环境监测、道路交通监测领域等。 该系统 由基于 32 位 ARM7 内核的 LPC2131 MCU、 GPRS 模块接口、串行通信接口、 LCD 接口以及 A/D 模块组成，可以将外部的模拟或数字信号通过GPRS 网络发送到中心服务器，同时可以在 LCD 上 显示。 本文 首先介绍了嵌入式系统的相关知识，重点说明 了本课题中所采用的LPC2131 MCU 的性能特点。在详细分析了系统功能需求的基 础上，提出了系统的总体设计原则及设计方案。 文章重点阐述了基于 32 位 ARM 内核的 MCU硬件系统设计方法， 详细介绍了各功能模块的硬件电路和 PCB（印刷电路板）的设计过程和调试方法， 并对基于 C/OS-II 实时操作系统（ RTOS）的软件系统设计方法也作了必要的介绍。 最后，总结了本文的主要研究工作，并结合当今信息产业的先进技术对该平台做了展望。 关键词 : 嵌入式系统 ; ARM; GPRS ； C/OS-II nts苏州科技学院毕业论文 II ABSTRACT The thesis mainly discusses the implementation principle and method of data acquisition and supervision terminal based on GPRS wireless network. It aims to utilize the embedded system, which is based on ARM7 core, and GPRS network to realize wireless data transmission. The system may collect multi-channel data so that it can acquire and monitor the environment parameters distributedly. Then the system can be applied to atmosphere and water quality monitoring and traffic supervising etc. The system is composed of the LPC2131 MCU using 32-bit ARM7 core, GPRS module interface, COM port, LCD and A/D module. The external analog signals or digital signals will be sent to center server by GPRS network, and also be displayed on the LCD. The paper first summarizes the relevant knowledge of the embedded system, with the mainly introduction of the function of LPC2131 MCU used in this design. After analyzing the functional requirement of this system in detail, the total principle and the plans of the system have been brought forward. Then the paper presents the hardware design plans of the MCU, and analyzes the design of the circuit and PCB in every functional module detailedly. The software design based on C/OS- II real-time operating system(RTOS) is also be introduced. Finally, the paper summarizes the main research work, and makes a prospect of the developing platform with the advanced technology of information industry. Key Words: Embedded System; ARM； GPRS； C/OS-IInts苏州科技学院毕业论文 I 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 核心器件的选型 . 1 1.2 LPC2131 的发展及特性 . 2 第 2 章 系统硬件平台设计 . 5 2.1 外围电路组成结构 . 5 2.2 电源电路 . 6 2.3 系统时钟电路 . 6 2.4 复位电路 . 7 2.5 JTAG 接口 . 8 2.6 串口及 GPRS 接口电路 . 9 2.7 LCD 显示屏电路 . 10 2.8 ADC 电路 . 11 2.9 GPRS 无线模块 . 12 第 3 章 PCB 设计 . 14 3.1 EDA 软件 . 14 3.2 制图规范步骤 . 14 3.3 原理图的绘制 . 16 3.4 PCB 板图的绘制 . 16 3.4.1 元器件的封装 . 17 3.4.2 元器件的布局 . 17 3.4.3 PCB 的布线 . 18 第 4 章 系统调试 . 20 4.1 电源部分、 JTAG 口、复位部件、系统时钟验证 . 20 4.2 串口及 GPRS 接口电路调试 . 21 4.3 A/D 转换测量电路 . 22 4.4 LCD 显示测试 . 22 4.5 调试中的问题及解决对策 . 25 第 5 章 总结及展望 . 27 致 谢 . 28 参考文献 . 29 附录 A . 30 附录 B 中文译文 . 33 附录 C 英文原文 41nts苏州科技学院毕业论文 1 第 1 章 绪论 嵌入式系统一般指非 PC 系统，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件可裁减，适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。典型的嵌入式系统开发一般由两部分组成：以微处理器 (MPU)或者微控制器(MCU)为核心的硬件设计和基于嵌入式应用的实时操作系统 (RTOS)的软件开发。 网络技术的发展，使得 Internet 已经成为社会的基础设施之 一，是信息流通的重要渠道，也是地球上最大、最普及的网络系统。如果各种嵌入式终端也能够接入 Internet，则可以方便、快捷、低廉地在世界上的任何一个地方通过网络进行过程控制和信息发布。另外它还有以下优点：不需要专用的通信线路，可以利用现成的全球网络，而且协议是标准的、公开的。 无线数据通信的广泛应用，促使无线传输需求的骤增，中国移动适时推出了 GPRS 业务，在一定程度上满足了用户无线接入互联网的需求。 GPRS 网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个 分组型数据网，支持 TCP IP 协议，无需经过 PSTN 等网络的转接，可直接与 Internet 网互通。因此 GPRS 业务在无线上网、环境监测、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。 本课题的主要目标是要以微处理器为核心，借助于 GPRS 网络，辅以周边 I/O设备的设计，在 C/OS-II 实时操作系统的控制下，实现远程的模拟 /数字信号的采集、转换，并在 LCD 上直观显示采集的数据，同时通过 GPRS 模块，将结果发送到指定的联网终端或中心服务器上。本课题的软件系统由马其刚同学完成，为了论文的完整性 ，对相关的软件设计也给出了必要的说明。 1.1 核心器件的选型 结合上述对目标电路的分析，核心器件 MCU 的选型要求如下： (1)必须具备强大的开发工具和操作系统的支持。 (2)需要全面支持 GPRS 模块的连接传输。 (3)设备能够实现小尺寸、微功耗和低成本 (4)外部资源丰富，开发成本低，可大量生产。 GPRS 模块的选型要求为： (1)接口简单 ，工作稳定，可适用范围大。 nts苏州科技学院毕业论文 2 (2)集成 PPP 和 TCP/IP 协议栈，联网方便。 (3)成本低 ，设定简单，性价比高。 基于以上原则，我们选择的 MCU 是 NXP 出产的 LPC2131 微控制器，它具有 RISC 体系的一般特点，如：具有大量的寄存器；绝大多数操作都在寄存器中进行，通过 Load/Store 的体系结构在内存和寄存器间传递数据；寻址方式简单；采用固定长度的指令格式 (32 位指令， 3 地址指令格式 )，除此之外， ARM7TDMI 系列微处理器在目前市场上应用最广的原因是因为它 100MIPS的性能 0. 25mW / MHz 的平均功耗 (最大功耗不超过 50 m W) 己经能够适应绝大多数嵌入式应用所需要的计算能力。在提高整机性能的同时大大降低整机功耗，而且多余的计算能力还可以 用在其他一些辅助的应用功能上，因此 ARM7TDMI 微处理器对于设计一般无线数据传输和处理系统来说具有足够的计算能力，能够提供高性能和低功耗的设计方案，因此能获得极佳的性价比。 GPRS 模块，我们选择了 广州致远电子有限公司出品的工业级外置式 GPRS 无线数传模块（ DTU）： ZWG-22A。它内部集成了 PPP 和 TCP/IP 协议栈，基于移动运营商现有的 GPRS 网络，可以方便的实现远程、无线、网络化的通信方式。具有覆盖范围广（移动网络覆盖范围，能使用移动电话的地方就可以使用）、组网方便快捷（安装即可使用）、运 行成本低（按流量计费）等诸多优点。可应用于电力系统自动化、工业监控、交通管理、气象、环境监控、金融证券、煤矿、石油等行业。通过该产品用户可以轻松实现串口设备的远程通信功能，节省大量人力物力和宝贵的开发时间，增强竞争力。 综上，系统设计方案如图 1-1。 图 1-1 系统设计方案 1.2 LPC2131的发展及特性 LPC2131 的内核 ARM7TDMI 是从 ARM6 核发展而来的。 ARM7 增加了 64 位nts苏州科技学院毕业论文 3 乘法指令 (带 M 后缀的 )、支持片上调试 (带 D 后缀的 )、高密 度 16 位的 Thumb 指令集扩展 (带 T 后缀的 )和 Embeded ICE 观察点硬件 (带 I 后缀的 )，形成了 LPC2131。其基本特性如下： (1)小型 LQFP64封装的 16/32位 ARM7TDMI-S微控制器。 8/16/32kB片内静态RAM。片内 Boot装载软件实现在系统 /在应用中编程（ ISP/IAP）。扇区擦除或整片擦除的时间为 400ms,1ms可编程 256字节。 (2) Embedded ICE RT和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片内 Real Monitor软件）和高速跟踪执行代码。 (3)1个 8路 10位 A/D转换器共包含 16个模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us。 (4) 2个 32位定时器 /计数器（带 4路捕获和 4路比较通道）、 PWM单元（ 6路输出）和看门狗。 (5)实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极大地降低了功耗。 (6)多个串行接口，包括 2个 16C550工业标准 UART、 2个高速 I2C接口（ 400kbit/s）、SPI和 SSP（具有缓冲功能，数据长度可变）。 (7)向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 (8)多达 47个 5V的通用 I/O口（ LQFP64封装）。 (9)9个边沿或电 平触发的外部中断引脚。 (10)通过片内 PLL可实现最大为 60MHz的 CPU操作频率， PLL的稳定时间为100us。 (11)片内晶振频率范围： 1 30 MHz。 (12)2个低功耗模式：空闲和掉电。 (13)可通过个别使能 /禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗。 (14)通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 (15)单个电源供电，含有上电复位（ POR）和掉电检测（ BOD）电路： CPU操作电压范围： 3.03.6 V (3.3 V+/ 10%)， I/O口可承受 5V的最大电压。 LPC2131设备处理器核心与外围器件的连接及接口如图 1-2所示，这为我们下面对系统硬件平台的各部分进行设计扫平了障碍。 nts苏州科技学院毕业论文 4 图 1-2 LPC2131的功能框图nts苏州科技学院毕业论文 5 第 2 章 系统硬件平台设计 2.1 外围电路组成结构 由于本课题是硬件设计，对于软件方面较少涉及，所以本设计精力主要放在围绕微处理器的周边电路设计上，主要分为：电源电路、复位电路、系统时钟和 JTAG 接口、串口及 Modem 接口、 LCD 显示屏控制、 A/D 转换测量电路。其具体设计为： 电源电路输出三路电压，其中一路 3.3V 供给 MCU，一路 5V 驱动 LCD 器件，另外一路为 可选输出，可作为测试电压。当然用户可以断开此路，接入外部模拟输入，达到实用目地。实际应用中 MCU 接到由 ADC 电路提供的参考电压和外部模拟输入后，进行 A/D 转换，将结果发送给 LCD 器件显示后，再通过GPIO 发送给 UART1，让它将 TTL 电平转换成 232 电平后，通过 GPRS 器件进行联网，发给远端服务器。这个操作过程中间， JTAG 口和 UART0 口起到了调试和通信的结果。整个外围电路的布局结构，如图 2-1。 图 2-1 外围电路连接图 在外围电路具体连接和作用确定了的情况下，下面进行系统各个模块电路的具体设计。 nts苏州科技学院毕业论文 6 2.2 电源电路 LPC2131 微处理器的内核和 I/O口使用同一电源电压，只需单电源 3.3V供电。但考虑到后面 LCD器件需要 5V电压驱动，所以设计成两组电源应用系统。首先，由 USB接口 CZ1输入 5V直流电源，电感 L1用于抑制瞬态电流，经过 C16、C20的滤波，然后通过 SPX1117M3.3将电源稳压至 3.3V，当正确连接电源后，POWER灯点亮。 LPC2131具有独立的模拟电源引脚 VDDA、 VSSA。为了降低噪声和出错几率，模拟电源和数字电源应该隔开。下图 2.3中， L2和 L3就是用于电源隔离的器件。（ 将数字电源的噪声隔离）。 SPX1117为一个低功耗正向电压调节器，其可以用在一些高效率，小封装的低功耗设计中。这款器件非常适合便携式电脑及电池供电的应用。 SPX1117有很低的静态电流，在满负载时其低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率。 SPX1117提供多种 3引脚封装： SOT-223， TO-252， TO-220及 TO-263。 我们根据实际情况，选择了 SOT-223的封装器件。一个 10uF的 输出电容可有效地保证稳定性。但实际上，用一个更小的电源即可，我们选择了一个 4.7F的 电容。具体电路见下图 2-2。 图 2-2 系统电源电路 2.3 系统时钟电路 LPC2131可使用外部晶振或外部时钟源，内部 PLL 电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快 (CPU 最大操作时钟为 60MHz)。倘若不使用片内 PLL 功能及 ISP 下载功能，则外部晶振频率范围是 1MHz 30MHz，外部时钟频率范围是nts苏州科技学院毕业论文 7 1MHz 50MHz；若使用了片内 PLL 功能或 ISP 下载功能，则外部晶振频率范围是 10MHz 25MHz，外部时钟频率范围是 10MHz 25MHz。 本设计使用了外部 11.0592MHz 晶振，用 11.0592MHz 晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能够支持 LPC2131芯片内部 PLL功能及 ISP功能。具体电路如图 2-3所示。 图 2-3 系统时钟电路 2.4 复位电路 由于 ARM 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。 CAT1025是基于微控制器系统的存储器和电源监控的完全解决方案，它利用低功耗 CMOS 技术将 2K 位的串行 EEPOM 和用于掉电保护的系统电源监控 电路集成在一块芯片内。存储器采用 400KHz 的 I2C 总线接口。 CAT1025 包含 1个精确的 Vcc 监控测电路和 2个开漏输出： RESET 和RESET 。当 Vcc 低于复位门槛电压时， RESET引脚将变为高电平， RESET 将变为低电平。 CAT1025 还包含一个写保护输入（ WP）。如果 WP连接高电平，则写操作被禁止。 CAT1025 的电源监控电路和复位电路用在系统上、下电时保护存储器和系统微控制器，防止掉电条件的产生。 CAT1024/25 都能够提供 5 种不同的复位门槛电压，可支持 5V， 3.3V 和 3V 的系统。如果系统电源超出范围，复位信号有效，禁止系统微控制器、 ASIC 或外围器件的操作。在电源电压超出门槛电压后的 200ms 内，复位信号仍保持有效。高电平有效和低电平有效的复位信号使 CAT1024/25 与微控制器和其它 IC 器件的连接变得很简单。另外， RESET 管脚或者独立的复位输入管脚 MR 都可以用作手动按键复位输入。 CAT1024/25 片内 2K 位的串口 EEPROM 构成 16 字节的页。另外， Vcc 电压监控电路提供nts苏州科技学院毕业论文 8 了硬件数据保护功能防止在 Vcc 降到低于复位门槛电压或上电时 Vcc 上 升到复位门槛电压之前对存储器的写操作，提高了系统的可靠性。 需要特别注意的是，使用 CAT1025芯片时，其 RESET引脚上的下拉电阻和下拉电阻是不能省略的。复位电路的连接如图 2-4所示。 图 2-4 复位电路 2.5 JTAG接口 采用 ARM 公司提出的标准 20 脚 JTAG 仿真调试接口。 根据 LPC2131的应用手册说明，在 RTCK 引脚接一个 4.7K的下拉电阻，使系统复位后 LPC2114 内部 JTAG 接口使能，这样就可以直接进行 JTAG 仿真调试了。如果用户需要使用 P1.26 P1.31作 I/O，不进行 JTAG 仿真调试，则可以在用户程序中通过设置 PINSEL2寄存器来使 LPC2131内部 JTAG接口禁止。 JTAG接口的电路图如图 2-5所示。 图 2-5 JTAG 仿真调试接口 nts苏州科技学院毕业论文 9 2.6 串口及 GPRS接口电路 由于系统是 3.3V 系统，所以使用了 SP3232E和 SP3243E进行 RS232电平转换， SP3232E是 3V工作电源的 RS232 转换芯片。 串口电路 UART0 使用了 SP3232E 芯片， SP3232E 系列是 RS232 收发器对便携式或手持式应用如笔记本或掌上型电脑 的一种解决方案。 SP3232E 系列有一个高效的电荷泵，工作电压为 3.3V 时只需 0.1F 电容就可进行操作。电荷泵允许 SP3232E 系列在 +3.3V 到 +5.0V 内的某个电压下发送符合 RS-232 的信号。SP3232E 系列是一个 2 驱动器 /2 接收器的器件，适用于便携式或手持式设备（如笔记本或掌上型电脑）。 SP3232E 器件的 ESD 保护使得驱动器和接收器的管脚可承受 15kV 人体放电模式和 IEC1000-4-2 气隙放电模式。 SP3222E 器件包含一种低功耗关断模式，该模式下器件的驱动器输出和电荷泵被禁止。关断状态下，电源电流低于 1A。串口 UART0 电路的连接如图 2-6 所示。 图 2-6 串口 UART0 电路连接 GPRS 接口电路的选择上，由于 LPC2131 的 UART1 没有完整的调制解调器 (MODEM) 接口， 所以要使用 8 路的 RS232 转换芯片 SP3243ECA。 SP3223E 和 3243E 是 RS-232 收发器，用于笔记本电脑和掌上电脑等便携式或手持式应用中。 3243E 采用一个内部高效的电荷泵，在 3.3V 的电源电压下只需要 0.1uF 的电容就可进行操作。这种电荷泵和 Sipex 的驱动器结构 允许 SP3243E 系列在 +3.3V +5.5V 范围内的某个电压下发送兼容 RS-232 特性的信号。 SP3243E 包含一个辅助接收器，当器件处于关断模式时，接收器仍能通过外部器件的铃响指示器向监控器报警。当器件连接了 RS-232 电缆且电缆连接的外设通电时，AUTO ON-LINE 特性可使器件从关断状态自动“唤醒”。如果不含该特性，器件将自动关闭，消耗的电流小于 1A。 另外， LPC2131的 ISP使能管脚 (P0.14口 )与 DCD1功能脚复用，在系统复位nts苏州科技学院毕业论文 10 时若 P0.14 口为低电平，则进入 ISP 状态 ；同样，在程序仿真调试过程中，若把 JP1 短接，则 DCD1 保持为低电平，影响 MODEM 接口正确使用。所以， P0.11和 P0.14口一定要接上拉电阻，倘若引脚悬空会引起误动作。连接如图 2-7所示。 图 2-7 GPPRS接口 UART1的电路连接 2.7 LCD显示屏电路 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常用 16*1， 16*2， 20*2 和 40*2 行等的模块。 我们根据实际情况，选择了常用的 6 字符 x 2 行 的 JDL162A 模块，其 字符点阵为 5 x 8 点 驱动方式为 1/16D。 它的接口功能如表 2-8 所示。 表 2-8 JDL162A 针脚功能图 针脚 符号 功能 1 VSS 电源接地 2 VCC +5V 电源 3 V0 LCD 对比度调节 4 RS 寄存器选择 H=数据选择 L=指令选择 5 R/W 读写信号 6 E 致能信号 7 14 DB0DB7 数据线 15 A LED+ 16 K LED- nts苏州科技学院毕业论文 11 第 1 脚： VSS 为地电源 第 2 脚： VCC 接 5V 正电源 第 3 脚： V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高，对 比度过高时会产生 “鬼影 ”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚： RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存 器。 第 5 脚： RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚： E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 7 14 脚： D0 D7 为 8 位双向数据线。 第 15 脚： LED 第 16 脚： LED 具体 JDL162A 的电路连接参考图 2-9。 图 2-9 JDL162A 的电路连接 2.8 ADC电路 LPC2131 具有一个 8 路 10 位 ADC 转换器，其参考电压由 Vref引脚提供，参考电压的精度会影响 ADC 转换结果。本设计提供了两路直流电压测量电路，可调电阻 RA1、 RA2 用于调整 ADC 的输入电压，可以在 CON5 测试点上用万能表检查当前电压值。 由于这是对精度要求不是很高的测量，所以参考电压直接由电源 3.3V提供。 nts苏州科技学院毕业论文 12 ADC电路如图 2-10所示。 图 2-10 ADC电路 2.9 GPRS无线模块 ZWG-22A 基于移动运营商现有的 GPRS 网络，可以方便的实现远程、无线、网络化的通信方式。 ZWG-22A的产品特性有： (1)透明数据传输与协议转换。 (2)支持多数据中心。 (3)支持数据中心动态域名或 IP 地址访问。 (4)数据终端永远在线等多种工作方式可选。 (5)RS232 DB9 接口。 (6)单 5V 35V 宽范围供电。 (7)工作电流最大 300mA 、休眠时 10mA。 (8)支持本地和远程图形界面配置与维护。 (9)支持短信配置与维护 。多重软硬件可靠设计，使设备安全运行 (10)支持本地和远程固件升级 通过 ZWG-22A 模块可以让远端的用户设备和管理中心的电脑进行透明数据通信。透明数据通信意思即为用户设备与 DTU 之间没有通信协议， DTU 将用户设备发送过来的数据不做修改的传送到目标 PC 上，运行于 PC 上的软件可以完整的接收到 DTU 发来的数据包。比如用户设备发送一个字节数据 0xAA，那么在 PC 端运行的软件就会收到一个字节数据 0xAA。从 PC 到用户设备的通nts苏州科技学院毕业论文 13 信过程与之相同。 ZWG-22A 的技术参数见表 2-11。 表 2-11 ZWG-22A 的技术参数 该产品可以使用 +5V 35V 的宽范围电压供电，电源纹波控制在 300mV 以内。该产品在进行无线通信时瞬间电流会很大，并且变化快速，所以外部电源的内阻要尽量小 。 该产品采用 DB9 接口，接口信号的电平符合 RS232 标准（ 12V），不能直接连接 TTL 电平，否则可能损坏外部器件（比如不使用 232 电平变换芯片，而直接将单片机与 DTU 连接）。电平接口方式如图 2-12 所示。 图 2-12 DTU 的接口电平 nts苏州科技学院毕业论文 14 第 3 章 PCB 设计 PCB 的设计是工程师最基本的工作技能之一。上一章设 计的电路设计要画成原理图，最终经过 PCB 设计得以实现并验证，而 PCB 布局、走线的好坏和电磁兼容性的考虑将直接影响到整个系统的性能。本章将重点介绍整个平台的PCB 设计。 3.1 EDA软件 随着计算机在国内的逐渐普及， EDA(Electronic Design Automatic,电路设计自动化 )软件在电路行业的应用也越来越广泛， 流行的软件大概有： PROTEL、ORCAD EDA、 PSPICE、 EWB、 WINBOARD、 WINDRAFT 和 IVEX SPICE等等。我们选用的是 PROTEL DXP 2004 版本。 PROTEL 是 PORTEL 公司在 20 世纪 80 年代末推出的电路行业的 CAD 软件，它当之无愧地排在众多 EDA 软件的前面，是电路设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率也最高，有些高校的电路专业还专门开设了课程来学习它。几乎所有的电路公司都要用到它。现在的 PROTEL 已发展到 PROTEL2004，是个庞大的 EDA 软件，是个完整的全方位电路设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动 布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server （客户 /服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如 ORCAD、 PSPICE、 EXCEL 等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度 PCB 的 100布通率。 3.2 制图规范步骤 在 PCB 的设计中，其实在正式布线前，还要经过很漫长的步骤，以下就是主要设计的流程： 首先要先规划出该电子设备的各项系统规格。包含了系统功能，成本限制，大小，运作情形等等。 (1)必须要制作出系统的功能方块图。 （这 个我们在第二章中已经实现） 方块间的关系也必须要标示出来。将系统分割几个 PCB 将系统 。 分割数个PCB 的话，不仅在尺寸上可以缩小，也可以让系统具有升级与交换零件的能力。系统功能方块图就提供了我们分割的依据。像是计算机就可以分成主机板、显nts苏州科技学院毕业论文 15 示卡、声卡、软盘驱动器和电源等等。 本设计中，由于整体布局较为紧凑，所以就实行了单块 PCB 板上的绘图。 (2)决定使用 的 封装和 PCB 的大小 。 当 PCB 使用的技术和电路数量都决定好了，接下来就是决定板子的大小了。如果设计的过大，那么封装技术就要改变，或是重新作分割的动作。在选择技术 时，也要将线路图的品质与速度都考量进去。 (3)绘出所有 PCB 的电路概图 。 概图中要表示出各零件间的相互连接细节。所有系统中的 PCB 都必须要描出来 。 (4)初步设计的仿真运作 。 为了确保设计出来的电路图可以正常运作，这必须先用计算机软件来仿真一次。这类软件可以读取设计图，并且用许多方式显示电路运作的情况。这比起实际做出一块样本 PCB，然后用手动测量要来的有效率多了。 (5)是 将零件放上 PCB。 零件放置的方式，是根据它们之间如何相连来决定的。它们必须以最有效率的方式与路径相连接。所谓有效率的布线，就是牵线 越短并且通过层数越少（这也同时减少导孔的数目）越好 。 正确运 用 部份计算机软件，可以检查各零件摆设的位置是否可以正确连接。如果电路设计有问题，在实地导出线路前，还可以重新安排零件的位置。 (6)导出 PCB 上线路 。 在概图中的连接，现在将会实地 做图 成布线的样子。这项步骤通常都是全自动的，不过一般来说还是需要手动更改某些部份。 图中 红色和蓝色的线条，分别代表 PCB 的零件层与焊接层。白色的文字与四方形代表的是网版印刷面的各项标示。红色的点和圆圈代表钻洞与导孔。 PCB 上的焊接面有金手指。这个PCB 的最终构图通常称为工作底 片（ Artwork）。 (7)使用 CAD 软件作 PCB 导线设计 。 每一次的设计，都必须要符合一套规定，像是线路间的最小保留空隙，最小线路宽度，和其它类似的实际限制等。这些规定依照电路的速度，传送信号的强弱，电路对耗电与噪声的敏感度，以及材质品质与制造设备等因素而有不同。如果电流强度上升，那导线的粗细也必须要增加。为了减少 PCB 的成本，在减少层数的同时，也必须要注意这些规定是否仍旧符合。如果需要超过 2 层的构造的话，那么通常会使用到电源层以及地线层，来避免信号层上的传送信号受到影响，并且可以当作信号层的防护罩。 (8)导线后电路测试 。 nts苏州科技学院毕业论文 16 为了确定线路在导线后能够正常运作，它必须要通过最后检测。这项检测也可以检查是否有不正确的连接，并且所有联机都照着概图走。 3.3 原理图的绘制 原理图的绘制强调的是电路原理的清晰化，直观化和模块化。本设计中LPC2131 有 64 个引脚，外围接口很多，如果不按照功能模块进行细分，很难分析清楚各个电路的功能。下面介绍使用 PROTEL DXP 2004 来绘制原理图的一些注意点和心得。 (1)采用主副图的绘制，将原理图按照功能分块，以主芯片 LPC2131 为基准，将其分为几个部分，每个部分分别对 应不同的功能模块。 (2)认真熟悉芯片的 Datasheet，它往往给出一些必要信息和经典电路，可作为电路设计的参考，另外网上资源比较丰富，有时可以借鉴别人的设计，拓宽自己的思路。 (3)输入输出表示明确，方向尽量保持一致，这样便于修改，别人也容易看懂。 (4)原理图绘制要特别注意电源和接地，如果电源和接地产生错误，很容易烧毁芯片和电路， LPC2131 3.3V 供电，而其它一些芯片是 3.3V 或 5V 供电，这样在绘制电路图时，必须各自分别设置一个相同名称的电源符号和接地符号，保证它们的连接。 (5)原理图是进行 PCB 设计的基础，在进行原理图绘制的时候就应考虑 PCB的抗干扰问题，要注意在系统电路原理图中划分数字、模拟电路及其相关电路，并注意各 IC 芯片电源和信号引脚的定位。 (6)绘制原理图还要考虑方便 PCB 布线为原则，例如一些引出插针的安排、I/O 口的分配等都要结合 PCB 布线而确定。 绘制好的系统原理图参见附录 A 3.4 PCB板图的绘制 采用 PROTEL DXP 进行平台 PCB 设计的具体流程如下 : (1)创建元器件封装库，并制作好所需器件的封装。 (2)建立电路板，确定其大小、机械层及元器件放置范围。 (3)设置约束 规则，按照规则准确布线。 (4)输入逻辑网表，经过 编译、链接、打包产生它的三个文件，分别为逻辑nts苏州科技学院毕业论文 17 网表、器件清单和器件封装信息，它们也可以是第三方软件按规定格式产生的各种文件。 (5)布局，有自动布局和交互布局两种。 (6)布线，有自动布线和交互布线两种。 (7)做大面积的电源层和地层。 (8)产生与加工生产直接相联系的 GERBER 格式文件。 3.4.1 元器件的封装 元器件的封装是联系原理图和 PCB 的桥梁。对于封装库中没有的器件，需要自己画封装。常用的封装类型有以下几种 : (1)通孔封装 a) DIP 双列直插式封装 :通常有 SDIP(收缩双列直插式 ), SK-DIP(膜状双列直插式 )、 SL-DIP(细长双列直插式 )，引脚数都为偶数，常见为 16, 24, 40 脚等。 b) SIP(单列直插式封装 ):此封装引脚排成一列，引脚数可为任意。 c) ZIP(Z 字形直插式封装 ):双列，两列引脚错开。 d) PGA(针栅阵列或柱形封装 ):芯片为四方形，引脚尺寸较小。 (2)表面安装封装 SO 封装 (Small Outline，小型封装 ):通常有 SOP 和 SOJ 两种形式，前者引脚呈翼型，后者引脚为“ J”型，各类存储器大多用此类封装。 下面总结了制作封装的 一些体会 : (1)画封装注意要量好尺寸，借助于游标卡尺测盘每个管脚的粗细、管脚与管脚之间的距离和外形的尺寸，管脚的排列顺序要弄清楚。 (2)PROTEL 为设计者制作封装提供了很大的自由空间，它不仅有典型封装的制作向导，还可以让设计者自由的手绘想要的封装，例如封装的外形、焊盘、阻焊尺寸和起始引脚等都可以由设计者自行设计，以满足不同 PCB 生产厂家的要求。 3.4.2 元器件的布局 调入网络表后，零件散布在编辑区里。这时要做的第一步是定义板框，根据元器件的多少和使用要求确定印刷电路板的大小。 PCB 尺寸过大，印刷线 条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加 :过小，则散热不好，且邻近线条nts苏州科技学院毕业论文 18 易受干扰。电路板的最佳形状为矩形，长宽比为 3:2 或 4:3。第二步划分数字、模拟和 DAA（ Data Access Arrangement)等电路在 PCB 板上的布线区域，数字、模拟元器件及其相应走线尽量远离并限定在各自的布线区域内。然后先确定特殊元件的位置，再根据电路的功能单元，对其它元器件进行布局。一般从接插件开始放置元器件，例如串口、并口、扩展插槽等。同时注意元器件放置方向和线路板结构所允许的元件最高尺寸，还要考虑到方便焊接的问题。 下 面是元件布局时应注意的细节问题及本设计的一些体会： (1)按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持方向一致。 (2)以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、整齐、紧凑地排列在 PCB 上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接。 (3)尽可能使元器件平行排列。这样不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。 (4)位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于 2mm。印刷电路板尺寸大于 200 X 15O mm 时，应考虑电路板所受的机械强度。排列器件的时候 注意焊点要尽量对齐，整齐的焊点看上去会美观一些。布局后可将关键几个芯片锁住来防止布线时移位。 综上，保证性能、方便布线、方便焊接、美观等是元器件布局应遵循的原则。 3.4.3 PCB 的布线 PROTEL DXP 的布线设计约束 Constraint 给设计者带来了很大方便。设计者可根据实际情况自行设定约束规范，还可以同时设定多组的设计规范，以应付复杂的设计需求。违规的设计会产生明显的错误提示信息。 PROTEL 下可以定义 Spacing Rules 和 Physical Rules Spacing Rules 可设定焊盘 、走线、孔之间保持的最小间距 :Physical Rules 可设定走线宽度和在布线中采用什么类型的贯穿孔。 PROTEL 具有强大的自动布线功能，设计者只要事先做好约束，自动布线布通的成功率非常高，但本设计中涉及的芯片引脚比较多，接口电路比较复杂，而且很多高频电路的设计需要根据理论知识和实际经验进行复杂的布线考虑，因此采用手动布线方式。 下面介绍手动布线时经常考虑的一些问题： (1)注意布线的优先次序。核心器件例如 CPU, RAM 等应优先布线，其它次nts苏州科技学院毕业论文 19 要器件要顾全整体来调整 :关键信号线如高速信号、时钟信号和同步信 号等优先布线，其它次要信号线不可以和关键信号线相抵触。 (2)注意布线安全间距的设定。 Constraint 可以设定走线、焊盘、孔等之间必须保持的距离。本设计中为了确保器件的布线成功，我设定了最小的间距为2.54mm，最小线宽为 10mil。 (3)布线完成后的检查修改工作也是十分必要的。不仅要产生 DRC(电气规则检查 )报告，还要注意 :电源线和地线的宽度是否合适，是否还有能让地线加宽的余地 ;对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度是否最短，输入线及输出线是否被明显分开，模拟和数字电路是否有各自独立的地线等 ;布 线后加在PCB 中的图形 (如图标、注释等 )是否会造成信号短路，摆放位置是否明确清晰 :在 PCB 上是否加有工艺线，阻焊是否符合生产工艺的要求，字符标志是否压在器件焊
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