基于物联网的无线安防系统硬件设计毕业论文.doc

基于物联网的无线安防系统硬件设计 摘要摘要 文中所设计安防系统硬件部分以我校自主研发的 ARM 嵌入式系统用户板 LPC1768 型用户板为开发平台 外部配有 LCM12864 显示屏 LED 显示模块 按键及各种通讯接口等 辅助设计了一款基于 ARM Cortex M0 微控制器 LPC11C14 设计的前端信息采集器 用于配合主控平台传送 处理各种传感器接收到的信号 外部配有按键 LED 指示灯 ADC 与 DAC 模块 无线通信模块 串行通信模块等 LPC1768 用户板开发平台主要应用了 ARM 的网络通信模块 液晶显示模块 及外部接口模块 网络通信模块用于与计算机的通信或者是利用局域网组建安防网 络 液晶显示模块用于显示当前系统信息和使用虚拟键盘控制安防系统 而外部接 口模块则是连接无线通信模块接收前端信息采集器传入的数据 辅助设计的前端信息采集器的串行通信模块用于远距离的通信 ADC 与 DAC 模块用于挂接各种传感器完成信息采集功能 无线通信模块用于在近距离通信范围 内与主控平台的数据通信 按键 LED 指示灯则是对信息采集器的功能升级 配合 相应的软体程式信息采集器可以实现更多人性化的功能 本文对所用芯片的工作特性 无线通信模块的工作原理 电路设计注意事项等 进行了详细的描述 实验测试结果表明 该无线安防系统能正常工作 适用于家用 安防 中小企业安防等中小型安防领域 关键词 关键词 ARM 嵌入式 无线通信 安防系统 硬件设计 Wireless security systems hardware design Based on the Internet of Things Abstract In this paper the hardware portion of the security system design independent research and development of the school board of ARM embedded system user LPC1768 type board as a development platform external with have LCM12864 display LED display module buttons and a variety of communication interfaces aided design of a front end based on the ARM Cortex M0 microcontroller LPC11C14 information collection used in conjunction with the master platform transmission processing the received signals of various sensors external with buttons LED indicators ADC and DAC module the wireless communication module serial communication modules LPC1768 user board development platform for applications ARM network communication module LCD module and an external interface module Network communication module for communication with the computer or LAN set up a security network the LCD module is used to display system information and use the virtual keyboard to control security systems and external interface module is connected to the wireless communication module to receive front end information acquisition incoming of data Aided design front end acquisition of the serial communication module for long distance communication ADC and DAC modules are used to mount a variety of sensors to complete the information collection function the wireless communication module is used to close the communication distance within and master platform data communications buttons and LED light upgrade the functions of information collection with a corresponding software program information collection can be achieved more user friendly features The operating characteristics of the chips used the working principle of the wireless communication module circuit design precautions were described in detail The test results show that the wireless security system can work apply to home security small and medium enterprises security and other small and medium sized field of security Keywords ARM embedded wireless communications security systems hardware design 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 I 目录目录 1绪论 1 1 1 技术背景 1 1 2 选题意义 1 1 3 研究现状 1 1 4 系统整体结构设计 2 2功能介绍 3 2 1 主控模块平台 3 2 2 前端信息采集器 3 2 2 1核心控制芯片 4 2 2 2JTAG 接口电路 20 针 5 2 2 3ADC 与 DAC 模块电路 5 2 2 4无线通信模块 6 2 2 5串行通信模块 6 3开发工具 7 3 1 Altium Designer 10 开发环境 7 3 1 1软件功能简介 7 3 1 2软件特点 7 3 1 3主要功能模块 8 3 1 4Altium Designer 10 开发界面 10 3 2 J Link 仿真器 11 3 2 1仿真器简介 11 3 2 2仿真器特点 11 3 2 3J Link 的主要特点 11 3 2 4J Link 支持的 ARM 内核 11 3 2 5产品规格 12 4前端信息采集器系统设计 13 4 1 核心电路设计 13 4 2 JTAG 接口电路设计 13 4 3 按键及 LED 指示灯电路设计 14 4 4 ADC 与 DAC 模块电路设计 15 4 5 无线通信模块电路设计 15 4 5 1NRF24L01 芯片参数 16 4 5 2NRF24L01 固件编程的基本思路 16 4 5 3Tx 与 Rx 的配置过程 17 4 6 串行通信模块电路设计 17 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 II 4 7 电源供给模块电路设计 19 5结论 20 5 1 电源 地线的处理 20 5 2 数字电路与模拟电路的共地处理 20 5 3 大面积导体中连接腿的处理 20 5 4 设计规则检查 20 5 5 元件布局基本规则 21 5 6 板面布线规则 21 5 7 提高电路抗干扰能力和电磁兼容性 21 致辞 24 参考文献 25 附录 26 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 1 1 绪论绪论 1 1 技术背景技术背景 在网络信息化技术不断发展的现代社会 信息的交流已不再局限于人与人之间 的沟通交流 随着传感器技术 RFID 射频识别技术和新一代网络技术 IPv6 的日 趋成熟 使得物与物的信息交流得以实现 这便引出了物联网 The Internet of things 这一概念 物联网是指通过射频识别 红外感应器 全球定位系统等信息传 感设备 按约定的协议 把任何物品与互联网连接起来 进行信息交换和通讯 以 实现智能化识别 定位 跟踪 监控和管理的一种网络 嵌入式系统是现代计算机发展的重要分支 是基于计算机科学技术的全功能 低功耗 微型化的 SOC 片上系统 嵌入式系统就是 32 位单片机 专用操作系统 的微型计算机系统 是计算机科学的重要分支 目前 嵌入式系统已得到广泛的应 用 涵盖网络 通信 多媒体 信息处理 工业测控 航空 航天等各种领域 1 2 选题意义选题意义 安防行业作为早期使用物联网的行业之一 国家物联网的发展战略为其带来了 新的机遇 安防系统也称安全防范系统 SPS security protection system 随着人类 社会的不断进步也在不断发展着 传统的安防系统包括入侵报警系统 视频安防监 控系统 出入口控制系统 防爆安全检查系统等 其中处于最前端的入侵警报系统 使用的传感器技术及短距离无线通信技术又是基础的支撑体系 在短距离无线通信 体系中主要有红外技术 蓝牙技术 802 11b 无线局域网标准技术 微功率短距离无 线通信技术等 这些短距离无线通信技术都有其各自合适的使用范围 课题中主要 使用的微功率短距离通信技术 1 3 研究现状研究现状 现在企业级大范围的安防系统中无线通信技术多用 Zigbee 技术 也有部分使用 蓝牙技术以满足中远距离的无线通信需求 配合 LAN 网络构成整体网络通信体系 而在未来家用中小型安防系统将成为一个新的市场 面对这样的市场需求无线通信 将成为其组网的首选 无线通信体系以中短距离通信为主 能够应对复杂的空间电 磁环境且具有很强的抗干扰能力和安全保密性 NRF24L01A 是 NORDIC 公司的一款无线通信芯片 采用 FSK 调制 125 信道 跳频设计有效提高数据传输中的安全系数 内部集成 NORDIC 自己的 Enhance Short Burst 协议 可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信 可以满足大部分情况下的家庭 安防组网需求 最高传输速度 2M S 内置 2 4G 天线体积小巧 具有自动重发功能 开发应用简单 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 2 1 4 系统整体结构设计系统整体结构设计 本次设计的安防系统框架图如下 图 1 1 安防系统主框架 系统主控电路和控制显示模块是基于学院自行研发的 ARM 嵌入式用户开发板 搭建的 此用户板使用 LPC1768 作为主控芯片外围模块有串行通信端口 LAN 网 络端口 触控显示模块 无线通信接收模块等 在本系统中主要完成信息数据的集 中处理 实现 Internet 网络通信 前端信息接收 系统功能控制等 前端信息采集器是本次硬件设计的重点 作为前端信息采集器其主要功能是完 成数据信号的采集 信号整形 信号的无线传输等功能 主体采用基于 ARM 的 Cortex M0 微控制器 LPC11C14 设计开发 此芯片和具有相同功能的单片机相比更 具有价格优势 可以通过 AD 功能模块很好的完成对已采集信号的整形处理 无线 通信模块使用的是 NORDIC 公司生产的 NRF24L01 无线通信芯片 其特点是可以在 产品研发中进行简单有效且灵活的无线功能搭载 价格较同类功能芯片也有较好的 优势 综上所述 这样的器件选用可以在不降低性能的前提下极大的压缩信息采集 器的生产和使用成本 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 3 2 功能介绍功能介绍 2 1 主控模块平台主控模块平台 在系统中主控模块承担的角色是安防系统的中央控制枢纽 主要完成的功能有 接受前端信号采集器送来的信息进行辨识 并做出相应的功能动作 通过网络端口 连接到局域网络或是因特网 实现网络通信或是远程控制 显示当前安防系统的工 作状态 实现对整体安防系统的功能控制 完成上述功能主要是使用学院自主研发的 嵌入式系统多功能用户板系列 中 的基于 LPC1768 芯片的 型多功能用户板 用户板集成的功能有 音频输入 输出 100M 网卡 红外收发 UART 与 LCM USB 端口 键盘 LED 指示灯 SD 存储 卡插槽等 安防系统中主要使用了用户板的触控屏控制显示 网络通信模块 外部 接口模块 图 2 1 LPC1768 型用户板 2 2 前端信息采集器前端信息采集器 前端信息采集器主要完成报警信号 模拟信号 的采集 处理和传输 在安防 系统中 这些信息采集器就像是一个个安全卫士一样可以看到 听到甚至嗅到来犯 之敌 让我们可以提早发现预防不安全的事件产生 也可以实施一些自动的安防措 施 比如发出声音提示警告 作为安防系统中最基础的硬件设备因其部署量大 要 求网络架构灵活且它的应用环境复杂等要求决定了它必须具有低廉的价格 高稳定 性和高性能的优势 本次设计的信息采集器正是充分考虑了这三方面因素结合物联 网的发展趋势加入了无线通信模块设计而成 无线通信的应用使得信息采集器的部 署更加的灵活方便 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 4 系统结构图如下 图 2 2 前端信息采集器电路主框架 2 2 1核心控制芯片核心控制芯片 核心控制芯片采用的是 NXP 的 LPC11C14 是一种基于 ARM Cortex M0 的 价格便宜的 32 位单片机 可以使用 8bit 16bit 微控制器应用程序的设计 提供高性 能 低功耗 简单的指令集 同现有的 8bit 16bit 位体系结构相比 减少了代码大小 芯片引脚配置及特性如下 图 2 3 LPC1114 引脚配置 系统特性 LPC11C14 运行的 CPU 频率达到 50 兆赫兹 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 5 ARM Cortex M0 内置嵌套向量化中断控制器 NVIC 串行线调试 系统计时器刻度线 内存参数 32kB 片上闪存编程内存 8kB SRAM 在系统编程 ISP 和在应用程序的编程 IAP 通过芯片上引导加载程序的软件 数字外围设备 多达 42 个可配置上 下拉电阻的一般目的 I O GPIO 针脚 GPIO 针脚可以用作边缘和敏感级别中断源 在 I O 引脚上加入高电流输出驱动程序 20mA 在快速模式中的两个 I2C 总线引脚上加入高电流接收器的驱动程序 20mA 四个通用计数器 定时器 共有四个捕获输入和 13 个匹配输出 可编程看门狗定时器 WDT 模拟外设 与输入多路复用 8 个引脚之间的 10 位模数转换器 2 2 2JTAG 接口电路 接口电路 20 针 针 JTAG Joint Test Action Group 联合测试行动小组 是一种国际标准测试协议 主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真 调试 JTAG 技术是一种嵌入式调试技 术 它在芯片内部封装了专门的测试电路 TAP Test Access Port 测试访问口 通 过专用的 JTAG 测试工具对内部节点进行测试 目前大多数比较复杂的器件都支持 JTAG 协议 如 ARM DSP FPGA 器件等 标准的 JTAG 接口是 4 线 TMS TCK TDI TDO 分别为测试模式选择 测试 时钟 测试数据输入和测试数据输出 本次设计采用的是 20 针标准的 JTAG 接口 用于硬件的调试及软体程式的升级 2 2 3ADC 与与 DAC 模块电路模块电路 在物联网技术中传感器技术是其中不可缺少的一部分 打个比方说 如果说把 物联网当成一个人的话 那么传感器便是这个人体神经网络末端的神经传感器 神 经传感器可以帮助人体获知周围环境的温度 嗅到周围环境中的气味 看到绚丽多 彩的世界 听到世界的声音 感受到品尝美食时食物给予味蕾的美好感觉 同样物 联网系统中的传感器也可以给系统的中央处理器带来类似的 感觉 随着传感器技术的发展 人们已经开始制造各式各样的传感器来帮助计算机系 统获知所在环境的信息 但它们共同特点都是将所获取的环境信息转变成了模拟信 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 6 号或者是数字信号传输给计算机进行处理 在本安防系统中传感器便是其 眼睛 耳朵 鼻子 配合相应的软体程式可以敏锐的捕捉到不安全的因素 并对这些 安全隐患进行处理 而前端信息采集器又好比是一张 脸 一个将这些功能各式各 样的传感器整合起来的设备 因此 为了精简设备 简化设备部署 降低成本 将 ADC 和 DAC 电路加入到了信息采集器当中 通过挂载不同的传感器 实现不同的 功能 以方便一机多用 提高利用率 2 2 4无线通信模块无线通信模块 无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种 通信方式 近些年信息通信领域中 发展最快 应用最广的就是无线通信技术 在安防领域无线通信技术的使用增加了安防系统部署的灵活性 降低了部署成 本 在很多情况中需要快速的部署和调整安防系统 以往通过有线电缆连接各种安 防设备 部署起来费时费力 一旦部署完成 想要再次调整更改更是繁琐 但是无 线通信技术的应用使这一问题得以解决 在本次设计的安防系统中大部分通信需求都是使用无线通信来完成的 设计中 使用的 NRF24L01 芯片是由 NORDIC 公司生产的一款无线通信芯片 采用 FSK 调 制 内部集成 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 协议 可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信 无线通信速度可以达到 2Mbps 2 2 5串行通信模块串行通信模块 串行通信是指 使用一条数据线 将数据一位一位地依次传输 每一位数据占 据一个固定的时间长度 其只需要少数几条线就可以在系统间交换信息 特别使用 于计算机与计算机 计算机与外设之间的远距离通信 串行通信有如下特点 节省传输线 这是显而易见的 尤其是在远程通信时 此特点尤为重要 这 也是串行通信的主要优点 数据传送效率低 与并行通信比 这也这是显而易见的 这也是串行通信的 主要缺点 例如 传送一个字节 并行通信只需要 1T 的时间 而串行通信至少需 要 8T 的时间 由此可见 串行通信适合于远距离传送 可以从几米到数千公里 对于长距离 低速率的通信 串行通信往往是唯一的选择 并行通信适合于短距离 高速率的数据传送 通常传输距离小于 30 米 在前端信息采集器中加入串行通信模块主要是考虑到在要求通信距离远且通行 要求较高时的通信解决方案 虽然较无线通信缺少了一些设备部署方面的灵活性 但是串行通信却是提高了一些通信的可靠性 延长了通信的距离 有助于安防系统 的大范围覆盖 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 7 3 开发工具开发工具 3 1 Altium Designer 10 开发环境开发环境 3 1 1软件功能简介软件功能简介 Altium Designer 提供了一款统一的应用方案 其具有 综合电子产品一体化开发所需的所有必须的技术和功能 Altium Designer 在单一设计环境中集成板级和 FPGA 系统 设计 基于 FPGA 和分立处理器的嵌入式软件开发以及 PCB 板图设计 编辑和制造 并集成了现代设计数据管理 功能 使得 Altium Designer 成为电子产品开发的完整解决方案 最新版本为 Altium Designer 10 3 1 2软件特点软件特点 新版本与过去以季节性主题 如 Winter09 Summer09 命名的方案不同 而是 采用新型的平实的编号形式来为新的发布版本进行命名 最新发布的 Altium Designer Release 10 将继续保持不断插入新的功能和技术的特点 使得设计师可以 更加方便轻松地创建下一代电子产品的设计 Altium 的统一的设计架构以将硬件 软件和可编程硬件等等集成到一个单一的应用程序中而闻名 它可以让设计师在一 个项目内 甚至是整个团队里自由地探索和开发新的设计创意和设计思想 团队中 的每个人都拥有对于整个设计过程的统一的设计视图 在软件解决方案的开发过程中 偶尔脑子里会跳出不断进化的创意 跳出的每 一个创意都在它能做什么 并且能给用户带来什么好处方面 带领软件的解决方案 到一个更高的台阶 Release 10 的到来是对于 Altium Designer 的又一个进化跳跃是 软件及其功能上的世代性的交替和革新 如果设计师愿意纵向追溯 其规模是自 DXP 平台推出以来 从未见过的以单一的统一模式交付的设计经验 此次飞跃的 亮点是收集了大量令人印象深刻而广泛且全面的新技术 旨在帮助进化设计师管理 设计信息的方式 而且还帮助设计师自动配置发布进程 Altium Designer Release 10 与 Altium Vault Server Altium 的另一解决方案 提 供了一个设计数据管理系统 它可以有效地识别并解决许多导致设计 发布和制造 等进程缓慢的各种问题 它是一种非常具有创造性和革命性的智能数据管理系统 该数据管理解决方案的重要组成部分是一个元器件管理系统 该元器件管理系 统提供了真正的生命周期追踪功能和器件检验的独立性 Altium Designer 10 提供了 一个强大的高集成度的板级设计发布过程 它可以验证并将设计师的设计和制造数 据进行打包 这些操作只需一键完成 从而避免了人为交互中可能出现的失误 发 布管理系统简化规范了发布设计师的设计项目的流程 或者更具体地说 使那些项 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 8 目中定义的配置更加直观 简洁而且稳定 更重要的是该系统可以被直接链接到设 计师的后台版本控制系统 新增的强大的预发布验证手段的组合 用以确保所有包含在发布中的设计文件 都是当前的 与存储在设计师的版本控制系统中的相应的文件 主人 保持同步的 文件 并且通过了所有特定的规则检查 ERC DRC 等等 从而使设计师可以在更 高层面上控制发布管理 并可保证卓越的发布质量 通过 Altium Designer 10 设计师可以利用完整的生命周期 从概念和设计 经 由原型和产品 到折旧和废弃 来开发并管理设计的电子产品 关于所有这些操作 的正确性设计师都有足够的信心 通过全新的安装和内容交付系统 以及 Altium Subscription 订阅计划可以让设 计师访问那些炫酷的新功能 并且随时保持更新 以可选择的插件方式交付各种功 能模块 设计师再也不需要为下一个主体 或附体 发布而等待 相反 如果设计 师愿意 可以通过一个内容流水线持续不断地从 Altium 获得最新的技术和解决方案 的更新 3 1 3主要功能模块主要功能模块 Altium Designer10 为提供了一个全新的管理元器件的方法 其中包括新的用途 系统 修改管理 新的生命周期和审批制度 实时供应链管理等 增强的封装比较和更新 做为使设计师们成功协作的重要工具 使得设计师们能够图形化地比较他们的 工作成果 然后合并以保留任何他们认为合适的更改 Altium Designer 已经提供了 在某一时间更新 PCB 到库元件的最新版本的功能 但 Release10 现在包含了一个功 能更强大的可视化比较工具 以协助 PCB 设计师完成在更新和改变控制流程方面的 工作 增强的多边形铺铜管理器 Altium Designer 的 Release10 中的多边形铺铜管理器对话框提供了更强大的功 能性增强 提供了关于管理设计人员的 PCB 板中所有多边形铺铜的附加功能 这些 附加功能包括创建新的多边形铺铜 访问对话框的相关属性和多边形铺铜删除 等 等都可以在这里进行操作 设计协作 随着现在集成电路设计的不断规模化发展 PCB 的设计工作量的不断增加已并 非是一个设计师可以独立完成的了 必须进行协同 PCB 设计 多个设计师可以同一 时间对同一电路板进行工作 然后把他们的结果合并在一起 Release10 就实现了这 种 PCB 设计过程中的协作 通过新的协作 在比较和合并面板设计师会了解 PCB 板当前的状态 设计师与协作同伴的结果进行比较 点击面板上的命令来显示差异 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 9 然后使用差异映射图得到关于谁在板上做了些什么的整体视图 在映射图中进行点 击以缩放到设计师感兴趣的区域 然后在工作区中使用右键单击命令来保留设计师 的更改 或拖拽其他人所做的更改到设计师的 PCB 板 甚至还有一个自动命令 可 以自动集成所有的与设计师的板子的当前版本不相冲突的更改 并且带来大量来自 其他设计师的布线成果 当设计师一切准备就绪 可以将更新保存下来 并提交到 储存库 每个设计师还可以定义工作区域 确保每个人都知道其他人在哪一块工作 以及不能在哪一块工作 PCB 中类的结构 在将设计从原理图转移到 PCB 的时候 Altium Designer 中已经提供了对于高质 量 稳定的类 器件类和网络类 创建功能的支持 Release10 将这种支持提升到一 个新的水平 可以在 PCB 文档中定义生成类的层次结构 从本质上讲 这使得设计 师可以按照图纸层次将元件或网络类组合到从那张图纸生成的一个母类 而这个母 类本身也可以是它上面的一个母类的子类 如此一路到设计师的设计中的顶层图纸 而顶层生成的母类 或叫特级类 从本质上来讲即是类的结构层次的源头 这些所 有生成的母类都被称为结构类 结构类 不仅允许在 PCB 领域中对原理图文档结构 进行繁衍和高级导航 而且也可用于逻辑查询 例如 设计规则的范围 或者设置 条件进行过滤查找 统一的光标捕获系统 Altium Designer 的 PCB 编辑器已经有了很好的栅格定义系统 通过可视栅格 捕获栅格 元件栅格和电气栅格等等都可以帮助设计师有效地放置设计对象到 PCB 文档 随着 Altium Designer 10 的发布 该系统已修整而且随着统一的光标捕获系统 的到来达到一个新的水平 该系统汇集了三个不同的子系统 共同驱动并达到将光 标捕获到最优选的坐标集 用户可定义的栅格 直角坐标和极坐标之间可按照喜好 选择 捕获栅格 它可以自由地放置并提供随时可见的对于对象排列进行参考的线 索 以及增强的对象捕捉点 使得放置对象的时候自动定位光标到基于对象热点的 位置 按照设计师觉得合适的方式 使用这些功能的组合 可确保设计师轻松地搞 定在 PCB 工作区的放置 PCB 3D 视频 为了提供给设计师的 PCB 板更为生动和更为有用的文档 Altium Designer 的 Release10 提供了生成 PCB 3D 视频文档的功能 从设计师的主管那边所看到的 PCB 3D 视频的内容 就是简单的一系列关于设计师的 PCB 板 3 维画面的快照截图 类 似于关键帧 对于这一系列按先后顺序排列起来的画面关键帧 设计师都可以调整 其缩放程度 平移或者旋转 调整这些所有相对之前的关键帧的设置 输出时 画 面帧的顺序采用强大的多媒体发布器导出为视频格式 一个可配置的输出媒介被单 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 10 独添加到 Release10 以用于生成 PCB 3D 视频 其结果就是一系列画面帧按顺序平滑 地内插到关键帧系列中 设计数据和发布管理设计数据管理系统 Altium Designer 的统一平台用一个统一的数据模型来代表所设计的系统已被有 效地运用 而且已有效地解决了在确保不断增长的产品性能增强和革新的要求的同 时 提供更高的数据完整性的问题 其结果是一个设计数据管理模式的执行 允许 关于设计师和最终负责构建实际产品的供应链这二者之间的链接进行正式的定义 统一的数据模型会将设计数据映射到供应链将实际构建的特定的产品条目 裸装配 板 有了这种模型 并且配以各种功能和技术的广泛支持 该软件可使设计师轻松 无痛苦地 流线式地 自动地传递来自设计领域的数据到产品领域以高集成度的 直观的方式一键生成数据的输出 3 1 4Altium Designer 10 开发界面开发界面 图 3 1 Altium Designer 10 开发界面 AD10 开发界面为浮动可调节的布局模式 可以方便设计师调整喜欢的工具布 局风格 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 11 3 2 J Link 仿真器仿真器 3 2 1仿真器简介仿真器简介 J Link 是 SEGGER 公司为支持仿真 ARM 内核芯片推出的 JTAG 仿真器 配合 IAR EWAR ADS KEIL WINARM RealView 等集成开发环境支持所有 ARM7 ARM9 内核芯片的仿真 通过 RDI 接口和各集成开发环境无缝连接 操作方 便 连接方便 简单易学 是学习开发 ARM 最好最实用的开发工具 3 2 2仿真器特点仿真器特点 J LINK 仿真器 V8 版 其仿真速度和功能远非简易的并口 WIGGLER 调试器可 比 J LINK 支持 ARM7 ARM9 ARM11 Cortex M3 核心 支持 ADS IAR KEIL 开发环境 V8 0 版本除拥有上一版本 V7 0 的全部功能外 软硬 件上都有改进 V8 0 版的 SWD 硬件接口支持 1 2 5 0V 的目标板 V7 0 只能支持 3 3V 的目 标板 V8 0 使用双色 LED 可以指示更多的工作状态 V7 0 只有 1 个 LED 指示灯 V8 0 增强了 JTAG 驱动能力 提高了目标板的兼容性 优化了固件结构 使应用程序区扩大 3 2 3J Link 的主要特点的主要特点 IAR EWARM 集成开发环境无缝连接 JTAG 仿真器 支持所有 ARM7 ARM9 内核的芯片 以及 cortex M3 包括 Thumb 模式 支持 ADS IAR KEIL WINARM REALVIEW 等几乎所有的开发环境 下载速度高达 ARM7 600kB s ARM9 550kB s 通过 DCC 最高可达 800kB s 最高 JTAG 速度 12MHz 目标板电压范围 1 2V 3 3V 5V 兼容 自动速度识别功能 监测所有 JTAG 信号和目标板电压 完全即插即用 使用 USB 电源 但不对目标板供电 带 USB 连接线和 20 芯扁平电缆 支持多 JTAG 器件串行连接 标准 20 芯 JTAG 仿真插头 选配 14 芯 JTAG 仿真插头 选配用于 5V 目标板的适配器 带 J Link TCP IP server 允许通过 TCP IP 网络使用 J Link 3 2 4J Link 支持的支持的 ARM 内核内核 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 12 ARM7TDMI Rev1 ARM7TDMI Rev3 ARM7TDMI S Rev4 ARM720T ARM920T ARM926EJ S ARM946E S ARM966E S ARM11 Cortex M3 3 2 5产品规格产品规格 电源 USB 供电 整机电流 50mA USB 接口 USB2 0 全速 12Mbps 目标板接口 JTAG 20P J Link 和目标板间的串行数据传输 最大 12MHz 支持的目标板电压 1 2 3 3V 5V 兼容 目标板供电电压 4 5 5V 由 USB 提供 5V 目标板供电电流 最大 300mA 具有过流保护功能 工作环境温度 5 C 至 60 C 存储温度 20 C 至 65 C 湿度 90 尺寸 不含电缆 100mm x 53mm x 27mm 重量 不含电缆 80g 电磁兼容 EN55022 EN55024 支持的操作系统 Microsoft Windows All 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 13 4 前端信息采集器系统设计前端信息采集器系统设计 4 1 核心电路设计核心电路设计 前端信息采集器其核心电路主要使用的是 NXP 公司的 LPC11C14 芯片 结合前 端信息采集器所需的功能设计开发了 JTAG 接口 键盘及指示灯接口 串行通信接 口 无线通信接口 ADC 与 DAC 接口等 外部时序是由 12MHz 的晶振实现 两个 27P 的电容有帮助启振和稳定频率作用 在其电源引脚对地端串联电容有助于滤除 直流电源中的高频成分 使芯片更加稳定的工作 核心电路如下 图 4 1 核心电路 4 2 JTAG 接口电路设计接口电路设计 标准 20 针 JTAG 接口定义引脚名称描述 1 脚接目标板参考电压 接电源 2 脚接 VCC 接电源 3 脚接 nTRST 测试系统复位信号 4 脚 6 脚 8 脚 10 脚 12 脚 14 脚 16 脚 18 脚 20 脚接 GND 接地 5 脚接 TDI 测试数据串行输入 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 14 7 脚接 TMS 测试模式选择 9 脚接 TCK 测试时钟 11 脚接 RTCK 测试时钟返回信号 13 脚接 TDO 测试数据串行输出 15 脚接 nRESET 目标系统复位信号 17 脚 19 脚接 NC 未连接 电路设计如下图 图 4 2 JTAG 接口电路 其中由 RS1 C11 R27 构成的复位电路可以产生一个低电平信号促使 CPU 复 位 重新开始执行程序 用于程序或电路工作异常时的复位 4 3 按键及按键及 LED 指示灯电路设计指示灯电路设计 键盘和指示灯电路的设计有助于使用者了解设备的工作状态和控制设备功能 其电路图如下 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 15 图 4 3 键盘及指示灯电路 其中键盘电路在对应按键按下时可以产生低电平信号传到 CPU 对应的 GPIO 引 脚 LED 指示灯在 CUP 的对应引脚发出低电平信号时点亮对应的指示灯 与 LED 灯串联的电阻有限流的作用 防止 LED 灯因电流过大而烧坏 4 4 ADC 与与 DAC 模块电路设计模块电路设计 根据信息采集器的应用功能和需求 为了节省生产成本和快速便捷的安装部署 设备 信息采集器电路中加入了 ADC 与 DAC 电路可以方便的与模拟信号类传感器 及数字信号类传感器进行连接 其电路图如下 图 4 4 ADC 与 DAC 电路 其中的 DAC7611 是 12 Bit 串行输入 DIGITAL TO ANALOG 变换器芯片 其性 能如下 功耗 2 5mW 快速稳定 7us 到 1LSB 12 BIT 线性度和单调性 可在工业温度范围正常工作 异步复位对 0V 3 WIRE 接口 高达 20MHz 时钟 4 5 无线通信模块电路设计无线通信模块电路设计 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 16 无线通信模块使用深圳云佳科技有限公司生产的基于 NRF24L01 射频芯片的无 线通信模块 与本次设计所用的 CPU 连接图如下 图 4 5 无线通信模块与核心电路连接图 芯片工作在 2 4GHz 2 5GHz 的 ISM 频段 无线收发器包括 频率发生器 增强 型 SchockBurst 模式控制器 功率放大器 晶体振荡器 调制器和解调器 输出 功率频道选择和协议的设置可以通过 SPI 接口进行设置 几乎可以连接到各种单片 机芯片 并完成无线数据传送工作 而且芯片还具有极低的电流消耗 当工作在发 射模式下发射功率为 0dBm 时电流消耗为 11 3mA 接收模式时为 12 3mA 掉电模 式和待机模式下电流消耗更低 4 5 1NRF24L01 芯片参数芯片参数 MCU 可通过 IRQ 引脚快速判断是否完成数据接收和数据发送 宽电压工作范围 1 9V 3 6V 输入引脚可承受 5V 电压输入 工作温度范围 40 80 工作频率范围 2 400GHz 2 525GHz 发射功率可选择为 0dBm 6dBm 12dBm 和 18dBm 数据传输速率支持 1Mbps 2Mbps 低功耗设计 接收时工作电流 12 3mA 0dBm 功率发射时 11 3mA 掉电模 式时仅为 900nA 126 个通讯通道 6 个数据通道 满足多点通讯和调频需要 增强型 SchockBurst 工作模式 硬件的 CRC 校验和点对多点的地址控制 数据包每次可传输 1 32Byte 的数据 4 线 SPI 通讯端口 通讯速率最高可达 8Mbps 适合与各种 MCU 连接 编 程简单 可通过软件设置工作频率 通讯地址 传输速率和数据包长度 4 5 2NRF24L01 固件编程的基本思路固件编程的基本思路 置 CSN 为低 使能芯片 配置芯片各个参数 配置参数在 Power Down 状 态中完成 如果是 Tx 模式 填充 Tx FIFO 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 17 配置完成以后 通过 CE 与 CONFIG 中的 PWR UP 与 PRIM RX 参数确定 NRF24L01 要切换到的状态 Tx Mode PWR UP 1 PRIM RX 0 CE 1 保持超过 10us 就可以 Rx Mode PWR UP 1 PRIM RX 1 CE 1 IRQ 引脚会在以下三种情况变低 Tx FIFO 发完并且收到 ACK 使能 ACK 情况下 Rx FIFO 收到数据 达到最大重发次数将 IRQ 接到外部中断输入引脚 通过中断程序进行处理 4 5 3Tx 与与 Rx 的配置过程的配置过程 Tx 模式配置过程 写 Tx 节点的地址 TX ADDR 写 Rx 节点的地址 RX ADDR P0 使能 AUTO ACK EN AA 使能 PIPE 0 EN RXADDR 配置自动重发次数 SETUP RETR 选择通信频率 RF CH 配置发射参数 低噪放大器增益 发射功率 无线速率 RF SETUP 选择通道 0 有效数据宽度 Rx Pw P0 配置 NRF24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG Rx 模式配置过程 写 Rx 节点的地址 RX ADDR P0 使能 AUTO ACK EN AA 使能 PIPE 0 EN RXADDR 选择通信频率 RF CH 选择通道 0 有效数据宽度 Rx Pw P0 配置发射参数 低噪放大器增益 发射功率 无线速率 RF SETUP 配置 NRF24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG 4 6 串行通信模块电路设计串行通信模块电路设计 串行通信模块的设计使信息采集器的通行距离加以延长 也使得长距离的通信 更加稳定 串行通信接口使用了 RS485 和 RS232 通信协议 根据其各自的特点既兼 顾了长距离通信又可以在需求可靠性前提下提供近距离的通信模式 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 18 RS485 最大的通信距离约为 1219m 最大传输速率为 10Mb S 传输速率与传输 距离成反比 在 100Kb S 的传输速率下 才可以达到最大的通信距离 如果需传输 更长的距离 需要加 485 中继器 RS 485 总线一般最大支持 32 个节点 如果使用 特制的 485 芯片 可以达到 128 个或者 256 个节点 最大的可以支持到 400 个节点 RS 232 C 标准规定 驱动器允许有 2500pF 的电容负载 通信距离将受此电容 限制 例如 采用 150pF m 的通信电缆时 最大通信距离为 15m 若每米电缆的电 容量减小 通信距离可以增加 传输距离短的另一原因是 RS 232 属单端信号传送 存在共地噪声和不能抑制共模干扰等问题 因此一般用于 20m 以内的通信 所采用的电路图如下 图 4 6 串行通信电路 其中 MAX485 芯片主要参数如下 工作模式 半双工 传输速率 2 5Mbps 限摆率 不支持 低电流关断模式 不支持 接收允许控制 支持 静态电流 300mA 负载个数 32 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 19 引脚数 8 SP3232 芯片主要参数如下 符合 EIA TIA 232 F 标准 电压 从 3 0V 到 5 5V 1 A 低功耗关断与接收机 IEC1000 4 2 空气放电 15kV IEC1000 4 2 接触放电 8kV 最低传输速率 460Kbps 图中的 CZ6 7 用于 RS485 模式或者 RS232 模式的选择 4 7 电源供给模块电路设计电源供给模块电路设计 电源模块电路设计采用两种供电模式 可以接 USB 端口供电也可以使用外接 9V 交流电源适配器供电经过 LM1117 5 后得到 5V 电压 二者都通过 LM1117 3 3 后得到系统供电电压 3 3V 电路图如下 图 4 7 电源电路 西安欧亚学院本科毕业论文 设计 20 5 结论结论 这次毕业设计使我学到了很多上课所学不到的东西 对今后学习和工作打下了 良好的基础 尤其是硬件的动手能力和软件的编写能力都有很大的提升 5 1 电源 地线的处理电源 地线的处理 即使在整个 PCB 板中的布线完成得都很好 但是由于电源和地线的考虑不周到 而引起的干扰会使设计的电路性能下降 有时甚至影响到所设计电路的成功率 所 以对电源和地线的布线要认真对待 把电源 地线所产生的噪音干扰降到最低限度 以保证所设计电路的质量 降低式抑制噪音是在电源 地线之间加上去耦合电容 尽量加宽电源 地线宽度 最好是地线比电源线宽 它们的关系是 地线宽度 电 源线宽度 信号线宽度 通常信号线宽为 0 2 0 3mm 最细宽度可达 0 05 0 07mm 电源线为 1 2 2 5mm 对数字电路的 PCB 可用宽的地导线组成一个 回路 即构成一个地网来使用大面积铜层作地线用 在印制板上把没被用上的地方 都与地相连接作为地线用 或是做成多层板电源 地线各占用一层 5 2 数字电路与模拟电路的共地处理数字电路与模拟电路的共地处理 现在有许多 PCB 板不再是单一功能电路 数字电路或模拟电路 而是由数字 电路和模拟电路混合构成的 因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题 特 别是地线上的噪音干扰 数字电路的频率高 模拟电路的敏感度强 对信号线来说 高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件 对地线来说 整个 PCB 板对外界只 有一个结点 所以必须在 PCB 内部进行处理数 模共地的问题 而在板内部数字地 和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连 只是在 PCB 与外界连接的接口处 如 插头等 数字地与模拟地有一点短接 5 3 大面积导体中连接腿的处理大面积导体中连接腿的处理 在大面积的接电 地 中 常用元器件的腿与其连 接 对连接腿的处理需要进行综合的考虑 就电气性能 而言 元件腿的焊盘与铜面满接为好 但对元件的焊接 装配就存在一些不良隐患如 焊接需要大功率加热器 容易造成虚焊点 所以兼顾电气性能与工艺需要做成十 字花焊盘 如右图 称之为热隔离 俗称热焊盘 这样 可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大