【《基于单片机的某电脑钥匙的硬件和软件系统设计案例》7500字（论文）】

基于单片机的某电脑钥匙的硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u1364基于单片机的某电脑钥匙的硬件和软件系统设计案例 1257101.电脑钥匙的硬件电路设计 1133621.1CPU系统设计 1105211.1.1系统时钟电路 2234181.1.2电源电路 361541.1.3复位电路 447261.1.4存储电路 5208111.2人机交互系统设计 638871.3语音系统设计 862171.4电池充放电管理系统 10242831.4.1锂离子电池保护电路 1199681.4.2锂电池充放电管理电路 12304651.4.3锂离子电池状态检测电路 13232501.5锁具控制系统设计 1432021.5.1常见箱柜与五防锁具 1452431.5.2锁具控制电路 17184691.6本章小结 1887912.电脑钥匙软件设计 19277442.1STM32平台开发环境 1971282.2软件分析与设计 20241692.3与微机防误系统上位机的通信 22303972.4本章小结 23217213.电脑钥匙功能调试及测试 24122043.1电脑钥匙界面 24164903.2电脑钥匙执行操作票 25267493.3电脑钥匙开锁控制 26电脑钥匙的硬件电路设计CPU系统设计STM32F103C8T6是一款的32位的双核微处理器，以旧的armcortex-m3为外部工作核心（arm公司将arm11以后更多地将它改用了新的cortex-m3来为其命名，并将其类别分成了核心a、r和a和m三类，M系列有M0、M0+、M3、M4、M7)，采用LQFP48封装，由意法半导体公司（ST）推出，属于STM32系列（ST公司还有SPC5X系列微控制器）。其中程序存储器flash容量分别是64kb(64kx8bit),ram容量分别是20kb(20kx8bit),2个12bitadc合计12路通道（外部通道只有pa0到pa7、pb0到pb1，并不是18路通道）,37个外部通用i/o口（pa0-pa15、pb0-pb15、pc13-pc15、pd0-pd1),4个16bit的定时器（tim1（高级控制定时器，带有死区插入，常被广泛应用于生产pwm控制电机）,tim2、tim3、tim4),2*iic,2*spi,3*usart,1*can，在2v~3.6v内正常运行，工作环境温度范围为－40°c~85°c，系统标准时钟为8MHz，最高可到72MHz（一般是由8MHz的外部时钟经锁相环9倍频到72MHz)。STM32F103C8T6管脚图如图3-1所示。图3-1STM32F103C8T6管脚图单片机STM32F103C8T6外围电路构成的最小系统，保证核心处理器稳定运行的最简功能配置。其组成部分有：系统时钟电路、复位电路、外接电源电路、存储扩展电路。系统时钟电路系统时钟是整个电脑钥匙系统的基础时钟。系统时钟不仅仅能够同步各个外设的正常运行，还决定CPU、内存等硬件工作频率。本文采用主振荡器作为基础时钟源，标准晶振8.000MHz满足芯片正常工作的需要；电脑钥匙关机状态下，需要使用32.768KHz的时钟频率。系统时钟电路原理图如图3-2所示。图3-2系统时钟电路图电源电路STM32F103C8T6为2V~3.6V，常见的USB输入电压为5V，由低压差线性稳压器LM2940T-5将5V转换为3.3V，为单片机供电。电源电路原理图如图3-3所示。图3-3电源电路图复位电路主控制芯片stm32f103c8t6是一个低电平的复位（由NRST控制）。有很多方法可以重置系统。常用的复位模式主要有硬件按键复位、软件按键复位、看门狗计数终止复位等，本文通过采用硬件按键复位实现了对系统的复位。其中，电容器c7的功能主要是为了消除键盘的抖动，防止键刚接触/释放时的高压电平抖动而引起的误操作（键盘闭合/释放接触时的反应过程通常会产生大约10ms的高压电平抖动，这足以在较短的时间内对各个主控制单元芯片的i/o控制执行多次复位的动作）。由于电容器的电压并不会突然发生变化，所以采用电容滤波器防止抖动复位故障。复位电路图如图3-4所示。图3-4复位电路图存储电路电脑钥匙的存储系统不仅需要存储防误主机下发的操作票，而且还要动态地生成操作票回传信息。考虑到内部的容量有限，为了最大限度地减小内部开销，提高主控芯片的操作稳定性，本文采用外扩存储器的方式为系统增大存储空间。32Mb串列式闪存W25X32作为系统主存储器，其容量能够满足电脑钥匙的存储需要。图所示外扩存储器电路，该芯片支持标准的接口：串行时钟，片选信号，串行数据输入/输出和串行数据输出。存储扩展电路原理图如图3-5所示。图3-5存储扩展电路人机交互系统设计为辅助电脑钥匙操作，本文设计了一个简洁、友好直观的人机交互环境，包括液晶显示界面和按键电路。本文选用了液晶显示屏LM9033A构成液晶显示电路，它属于128*96点阵显示，内置升压电路可选择、供电，支持蓝底白字显示汉字和图像。液晶屏LM9033A支持SPI(SerialPeripheralInterface）通信协议，包括了：使能控制信号、数据处理信号、串口输入输出，串行时钟。LM9033A液晶显示屏提供了一个独立的管脚，实现的背光控制。液晶显示电路原理图如图3-6所示。图3-6液晶显示电路图根据电脑钥匙的操作要求，按键系统设置了七个功能键：上、下、左、右方向键，返回键，确定键，开锁操作键。这些按键与单片机STM32F103C8T6连接，系统采用中断响应方式查询是否有按键操作（低电平有效）。当按键按下，根据按键的来源不同执行相应的操作，从而实现电脑钥匙的页面选择、菜单操作等功能。按键电路的原理框图如下文的图3-7所示。图3-7按键电路图语音系统设计语音存储与回放系统的硬件主要有两种方式，一种是采用分立器件（普通模拟电路），另一种是采用专用语音芯片（集成电路）。模拟电路设计的系统结构复杂，体积庞大，可靠性低。因此，在实际应用中，它是由语音芯片组成的[21]。ISD公司自主研发生产的一款语音处理器芯片ISD1820因其具有优越的工作特点性能与语音声道的高质量而备受专业设计师与用户的喜爱。其中电压范围为3~5v，可简单控制单段录音和播放。内置麦克风放大直通功能可用作扬声器模块。isd1820通过边缘/电平触发器进行播放。内置8欧姆喇叭作为驱动器的放大控制电路，可直接用来驱动8欧姆0.5w小喇叭。该芯片不仅仅是简单地需要一个单片机的参加就已经可以完成记录回放的功能，还有一个芯片可以通过外部的振荡电阻来调节采样频率和记录回放的时间。录音的时间可通过外部的电阻来进行调节，实现8~20秒的视频录制和回放。输入的时间越短，音质也就越好。输入的时间越长，音质就会变得越差。芯片ISD1820通过I/O口和CPU系统连接。芯片共有14个管脚，管脚图如图3-8所示。图3-8ISD1820引脚及封装图ISD1820主要管脚功能如下；（1）REC管脚：控制录音，只要接入高电平就能录音；（2）PLAYE管脚：边沿触发放音。此管脚出现上升沿时，芯片开始放音，直至语音片段结束；（3）PLAYL音频管脚：通过音频电平转换方式进行触发的音频放音。此端从高或低电平转换成高或低电平时，芯片就应该会自动开始暂停进行连续放音；但是当此端播放时如果此端回到了一个低电平，则在这个芯片上就会暂停进行放音。由于这种电脑钥匙同时具有便携式和小型化的特点，本文设计中主要采用ISD1820芯片组合来构成一个语音播报系统，具体的软硬件工作原理框图设计如下文的图3-9所示。图3-9语音播报电路图语音控制系统外挂存储电脑钥匙的语音信息，结合到电脑钥匙的具体操作和相关语音信息，加载的具体语音信息及对应存储的语音硬件地址见表3-1。例如，语音地址00H对应语音文件内容表示播放的第0段语音，其语音内容为电脑钥匙开机提示。作为设备防误操作中的引导性操作组成部分，语音系统更加强大地为了工作人员及时提供对操作的指导性服务：当使用计算机钥匙对设备锁具进行辨认和识别时，程序一旦确认锁具正确，就会自动启用语音控制程序并对其调用相应的语音地址01H，扬声器就会发出"位置正确请开锁"的信号进行语音提示；如果判断锁具位置错误，语音控制芯片将转入到地址02H，扬声器将输出一个语音"位置错误请检查"。表3-1语音信息表语音信息表语音地址语音文件内容00H电脑钥匙开机提示01H位置正确请开锁02H位置错误请检查03H操作结束准备回传04H接收正确05H接收错误06H请将设备操作到合位07H请将设备操作到分位08H设备已到合位09H设备已到分位10H请检查设备确在合位11H请检查设备确在分位12H锁号正确...备用电池充放电管理系统执行操作票时，通常需要拿着电脑钥匙去现场进行倒闸开锁操作。这时，一般需要使用锂离子电池给电脑钥匙供电。所以对电脑钥匙内锂离子电池的充放电过程进行系统的管理[22]。锂离子电池保护电路锂离子电池的充放电必须要设计良好的充放电保护电路，确保这种电路在被广泛应用的过程中具备很好的容错性和保护能力，很多时候情况下，如果没有一个保护电路，就很可能会因为充放电的过程中对电池造成严重损坏，因此，设计一种电池的保护电路必不可少，本文通过RT9545芯片来实现对电池的保护，电路原理图如图3-10所示。图3-10电池保护电路图用于电池电源保护的控制电路实际上就可以相当于一个施密特触发器，在其中对于电源输入输出电压的变化负向电流递减和正向电压递增两种不同的电压变化响应方向都可以具有不同的干扰阈值以及输出输入电压，从而也就可以直接使得其电路产生较强的电源抵抗性和干扰性。工作时我们需要分别进行设置设定充电整流电压值的阈值和设置放电整流电压值的阈值，两个位于功率场的电效应器的晶体管电压Q1和电流Q2分别可以作为过电阈和极值检测控制器的开关，同时又是对过电流量信号进行阈值检测的重要元件。例如，当额定充电器的电压不应高于开关阀值额定电压因而即使当VDD过大时，芯片内部的电压比较放大器VD1输出为高的低电平，VD4输出相应为低的高电平最终就会导致开关的输出为低，开关Q2截止，防止填充电池被用作人工或过量填充；额定放电阀的额定电压不应小于额定放电电压阈值的额定电压因而即使当VDD较小时，VD2输出低电平，VD输出低电平最终导致DOUT为低，开关Q1截止；当出现过流时，芯片RT9545内部短路电路检测模块将会拉低VDD电平使得COUT为低，此时开关Q2截止，起到过流保护作用。锂电池充放电管理电路芯片BQ24230是具有动态电源管理和过压保护的USB友好型0.5A锂离子电池充电器，可以选择最大100毫安和500毫安。输入电流最大限值为100毫安，符合USB-IF标准，可根据输入动态电源管理（VIN-DPM）保护USB电源免受冲击。带过压保护的输入额定值为28V。DPPM功能可以集成为独立的供电和单机自动充电，并且可以支持高达500毫安的充电电流和输入的电流监控输出（ISET)。普通适配器的可编程输入电流极限高达500毫安，具有快速可编程输出预充电及快速可编程充电安全定时器等功能，提供逆向电流、短路保护及加热保护。NTC热敏电阻的输入能够实现在充放电过程中的高温防护，特殊启动次序可以限制波形中的浪涌电流。良好的供电源及状态指示灯，显示充电工作已经完成。芯片BQ24230构成的电池充放电管理电路图如图3-11所示。图3-11锂电池充放电管理电路图锂离子电池状态检测电路为了大大提高蓄电池的利用率及全面准确掌握蓄电池的运转状态，要实时监视和检查电池的工作电压、剩余功耗、估计供电时间、温度等各种信号，根据这些类别来决定其控制策略，从而大大提高蓄电池系统正常运行的可靠性。通常，在电池的放电处理过程中，电池的输出电压和其剩余容量、工作时间之间都不是一个线性的关系，所以我们不能简单地采用电压取样、函数来计算其剩余容量。本文电池状态检测通过BQ27410芯片实现，设计的电路图如图3-12所示。图3-12电池状态采集电路图BQ27410是一种具有直接与电池连接的功能系统端电量监测计，适用于锂离子电池的应用。其中参考建模的电池充放电曲线能够准确地报告充放电状态，可根据老化的电池、温度/速率下的电池老化、电池的自放电和温度/速率等变化来自动调整。具有低值传感电阻器（5mΩ或20mΩ），可配合嵌入式或可拆卸电池组工作。芯片内部含有LDO，使器件能直接通过电池组供电。锁具控制系统设计常见箱柜与五防锁具变电站内常见且需要上锁的箱柜如下：端子箱：一种转接施工线路的接线装置，为敷设电缆、布线和查线提供方便。端子箱实物图如图3-13所示。图3-13端子箱实物图机构箱：一次装置的一个组成部分，是一次装置存放断路器和隔离开关等各种机械传动元素的箱体用来保护操作机构避免日晒雨淋，一般放在室外，对抵抗冲击和粉尘及水侵入的防护等级较高。其实物图如图3-14所示。图3-14机构箱实物图保护屏柜：保护屏柜主要用来存放变电站里的二次保护设备和通信设备，一般放在室内，对抵抗冲击和粉尘及水侵入的防护等级要求不高。保护屏柜实物图如图3-15所示。图3-15保护屏柜实物图五防锁有很多种。所有锁具均配备RFID射频识别标签（全球唯一编码）。码片的码值就是锁的身份，可以通过电脑钥匙来识别。挂锁：主要用于直接或通过附件锁定各种手动设备。适用于各种类型移动设备机械的日常操作保护部件，例如空气隔离器和开关，临时用的接地线，接地板和刀闸，网门。挂锁实物图如图3-16所示。图3-16挂锁实物图平面锁：可自由地安装在壳体的前凹处，底座端用十字断枢轴铰接到锁轴的前端手柄；以及一种带有驱动枢轴弹簧的手柄，其位置设置在锁轴和手柄之间，以枢轴为驱动中心，以突出方向旋转的手柄；与手柄前端带扣轴承部分和手柄扣爪轴承部分相连接或扣动脱离的锁定轴承部分，与手柄前端相连接或分开；所述锁的手柄体是位于机械壳体的另外两个端，所述的锁的手柄体就是弹簧，用来将弹簧向前压到机械手柄方向上的锁的手柄体；并且，当转子处于锁定位置时，可将锁总成推入锁体与锁体之间的差方向，但转子处于锁定位置时不能推入转子，并且设置操作部件。当被推时，操作部分驱动锁闩体向锁爪扣和手柄的扣轴承部分的方向后退；锁组件位于壳体的另一端，并将锁总成滑动到壳体前部并反弹回弹簧。常用于保护屏柜的闭锁。平面机柜锁实物图及开锁示意图分别如图3-17a、3-17b所示。图3-17a平面机柜实物图图3-17b平面锁开锁示意图锁具控制电路开锁电路是电脑钥匙中最主要的控制电路，幵锁的成功与否直接决定着供电设备的具体操作。电脑钥匙釆用机械幵锁方式，开锁继电器控制系统的外挂机械钥匙。主控芯片判断开锁条釆用给出开锁信号引起继电器动作，从而完成机械开锁操作，最终实现一把电脑钥匙解锁全站闭锁设备。继电器的触发信号必须需要一定的驱动能力，这样才能保证继电器的正常通断切换。由于智能电脑钥匙主控控制芯片的每个I/O管理引脚最大驱动电流为8毫安，其最大驱动出的电流有限并且不够大，所以在系统设计中应该大大地考虑提高对每个触发控制信号的最大驱动性。芯片TPS60110是一款低噪声电压变换器，稳定提供5V±4%的输出电压和最大的电流，能够方便地应用于单片机驱动信号的电压转换特殊的电流控制电路能够减少启动电流，降低单片机的功耗。芯片MAX662ACSA也可以说是一款高频电压转换器，它可以把输入5V电压提高到12V±5%，输出的电流可以达到30毫安。本文先用芯片TPS60110将单片机的输出信号转换为恒定的5V/300mA，再通过MAX662ACSA芯片输出能够驱动继电器的12V的开锁信号。电脑钥匙的锁具控制电路原理图如图3-19所示。图3-19锁具控制电路图本章小结本章详细阐述了电脑钥匙各个功能单元的需求分析及硬件选型，设计了各个系统的硬件电路并给出了相应的电路原理图。电脑钥匙软件设计STM32平台开发环境平台化技术是嵌入式开发的发展趋势，开发平台的硬件接口为系统的功能扩展提供可能，平台化软件的应用类开发大幅提高了开发效率。STM32开放开发环境（STM32ODE）基于STM3232位微控制器系列，通过扩展板连接可与其他最先进的意法半导体元件结合，为开发创新的设备和应用提供开放、灵活、简单、经济的方法。它能够使用先进的元件快速建立原型，并快速转换为最终设计。STM32ODE包括下述五个单元：(1)STM32Nucleo开发板。适用范围宽、价格实惠的软件开发板，适用于所有STM32微控制器产品系列，具备无限的统一和可扩展性，并且具备完全集成化的调试器/程序语言。(2)STM32nucleo扩展模块。这种板块具有了一个更多的功能，并且可以根据自己的需要，增加各种传感器、控制器、连接器、供电、音频或者其他各种功能。此扩展板已经安装和插入STM32nucleo开发板之上。较为复杂的功能则是通过堆放更多扩展板而实现(3）使用STM32cube软件。它是能够快速、方便地在STM32上进行自主研制开发的一套完整的免费工具和嵌入式软件模块，其中包括硬件抽象层、中间件和STM32cubemx基于PC的配置器和源代码产生器。(4)STM32ube扩展管理器。扩展软件是一个为STM32nucleus的扩展板，免费使用和提供，与STM32ube的软件框架完全相兼容。(5)STM32ODE功能包。功能案例集合包含一些最常见的应用样例，这些案例均利用STM32N开发leo开发板和扩展板、STM32Cube软件和扩展的模块化和互操作性构建。STM32开放式的应用软件开发工作环境软件可以同时运行兼容许多种的ide，其中主要包括keiarewarm、keilmdk、mbed和基于gcgcc的开发环境。软件分析与设计电脑钥匙软件设计主要包括：初始化系统、电脑钥匙的开锁控制、操作票的执行等等。STM32F103C8T6芯片采用中断响应方式控制外围各个功能模块，通过按键进行各项操作的选择和执行。SprStep(）函数完成了具体的工作票执行功能，它主要涉及到了下列几个功能函数：Read_Step()：初始化变量StepCnt，根据StepCnt数据读取外部FLASH具体地址的数据。ShowStepch()：将Read_Step(）读取的数据解析为具体操作步骤信息，上位机下发的操作票中包含了80个字符的提示内容，ShowStepch(）函数借助LCD液晶屏显示该提示内容。LockNumRight()：操作票的操作有提示性操作和开锁操作，具有判断操作性质并利用识别锁号的功能。Open_5V()：该函数为继电器提供电压，实现电脑钥匙的开锁功能。在每完成一个步骤的操作后，都会自加直至执行完该操作票，而且程序会自动设定中对应设备的开关状态编码，为上传该设备状态做准备。操作票执行流程图如图4-1所示。图4-1操作票执行流程图与微机防误系统上位机的通信在防误系统“常用操作”下点击“通讯配置”按键，弹出“客户端选择”窗口，如图4-2所示。图4-2客户端选择勾选需要配置的客户端，然后点击确认，进入该客户端“通道配置”界面，如图4-3所示。图4-3通道配置配置新的通讯通道需要点击防误系统内“添加通道”。在左边的“通道名称”中可以调整通道的简称，在“规约名称”的下拉框中选择规约，如图4-4所示。图4-4规约选择选定规约后，点击按键，对规约进行配