LM35D系統(tǒng)整體硬件設計方案畢業(yè)設計

1 1 引言 當今社會是數(shù)字化的社會， 也 是數(shù)字集成電路廣泛應用的社會 。而 數(shù)字集成電路本身 也 在不斷地進行更新?lián)Q代 ，不斷的進步創(chuàng)新。 它由早期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路 ， 發(fā)展到超大規(guī)模集成電路 （ 萬門以上 ） 以及具有許多特定功能的專用集成電路 （ 。 并且在現(xiàn)代高新電子產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)中， 數(shù)字集成電路 技術(shù)和現(xiàn)代電子設計技術(shù)是相互促進、相互推動又相互制約的兩個技術(shù)環(huán)節(jié)。前者的進步就表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術(shù)，即半導體工藝技術(shù)的發(fā)展上；而后者的核心則是 子設計自動化）技術(shù)，它使得設計 者的工作僅限于軟件的方式，即利用硬件描述語言（本文只涉及到 免了硬件電路在搭接時所出現(xiàn)的問題。 編程邏輯器件 發(fā)展 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設計與制造集成電路的任務 已經(jīng) 不 再 由 某個大規(guī)模的生產(chǎn)廠商 來獨 自 承擔 了，更甚至于 系統(tǒng)設計師們 都 愿意自己設計專用集成電路 （ 芯片，而且希望 設計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設計出合適的 片，并且立即投入實際應用之中 。也就是這種現(xiàn)場可用的思想促成 了現(xiàn)場可編程邏輯器件（ 出現(xiàn) ，其中應用最廣泛的當屬現(xiàn)場可編程門陣列 （ 和復雜可編程邏輯器件 （ 。 對于電子系統(tǒng)設計來說，在以前的很長一段時間里，設計某個電子控制系統(tǒng)大多數(shù)情況下是用指令少、功能單一的單片機，但是用其開發(fā)出來的硬件系統(tǒng)及其電路結(jié)構(gòu)龐大而復雜、成本高、經(jīng)常容易發(fā)生電路方面的故障，并且由于系統(tǒng)是針對某一個特定的功能而設計的，對今后系統(tǒng)的升級和功能擴展都非常困難。顯然這樣的單片機在某種程度上已經(jīng)不能再滿足設計要求了。而 片作為一種新興的設計器件，在技術(shù)上與 單片機相比有很多優(yōu)勢，光說其 實現(xiàn) 的 工藝 就 有反熔絲技術(shù)、 術(shù)和 。實現(xiàn)了電可 擦 除、電可改寫 和紫外線擦除 ，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設計具有很強的靈活性。這些 件的一個共同特點 ，就 是可以實現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能， 可見用這種 需要增加少量的外圍電路，并結(jié)合可控制它的豐富的指令集合，就可以獲得功能強大的控制系統(tǒng)。又由于這種芯片內(nèi)含有可下載程序固定接口和 此，開發(fā)出來的系統(tǒng)具有可升級性 (內(nèi)部程序可擦除，進行重新燒寫 )，用戶可以根據(jù)需要對其進行功能擴展，既可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，又可以減少開資。 利用 術(shù)（ 行電子系統(tǒng)設計的最終目標，是完成專用集成電路設計和實現(xiàn)，而在電子科技高速發(fā)展的當今，再加上上述 雜 可編程邏輯器件 /現(xiàn)場可編程門陣列 ）的各種優(yōu)點，它以成為實現(xiàn)這一途徑的主流器件。其特點是直接面向用戶，具有極大的靈活性和通用性，使用方便，硬件測試和實現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，成本低，上市時間短，技術(shù)維護簡單，工作可靠性能好。 例如 2 新 生產(chǎn) 的 列 這是一種基于 結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的 本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的 由于配置時間極短，上電就可以工作，所以對用戶來說，感覺不到配置過程，可以 與 傳統(tǒng)的 樣使用，加上容量和傳統(tǒng) 以 它歸作 還有像 是使用了同樣的原理，將外部配置芯片集成到內(nèi)部 ， 在使用方法上和 似，但是因為容量大，性能和傳統(tǒng) 與 是 以 總之，由于以上的各種 突出優(yōu)點， 片已成為大多數(shù)電子設計工程師進行電子設計的首選器件。 現(xiàn)系統(tǒng)控制 把以 片為核心，作為主控制器開發(fā)出來的各種測量及控制系統(tǒng)，作為家用電子產(chǎn)品的一個組成部分嵌入某個系統(tǒng)中，使其更具智能化、擁有更多功能，便于人們操作和使用，從而更具時代感，這也是家用電子產(chǎn)品的發(fā)展方向和趨勢所在。有的家用電器領(lǐng)域要求增加顯示、報警和自動診斷等功能。這就要求我們生產(chǎn)的產(chǎn)品具有自動控制系統(tǒng)。而所謂的自動控制功能的實現(xiàn)主要是由計算機來完成的，可用的方法主 要有兩種：離線控制和在線控制。離線控制包括利用計算機實現(xiàn)對控制系統(tǒng)總體的分析、設計、仿真及建模等工作；在線控制就是以計算機代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使控制系統(tǒng)“軟化”，讓計算機位于其中，并成為控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)及信號處理系統(tǒng)的一個組成部分。這類控制由于需要有像計算機一樣的智能控制系統(tǒng)身處其中，因此對控制系統(tǒng)有體積小、功耗低、價格低廉以及控制功能強大等要求，而為了滿足這些要求，就應當使用可編程邏輯器件的具體芯片來實現(xiàn)。例如：本文所研究的課題就是利用 主控芯片，來 實現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能的。 然而，由于 控制對象聯(lián)系密切，所以設計一個系統(tǒng)，不但對 片的性能要求高，而且對設計者的要求也很高。他們不但要熟練掌握 且還要了解控制對象，懂得傳感器技術(shù)，具有一定的控制理論知識等。還拿本文所研究的課題為例，除了利用 用到了傳感器， A/實現(xiàn)完成了系統(tǒng)總體功能 檢測室溫顯示，并實現(xiàn)報警。 2 系統(tǒng)原理和部分方案比較 一個完整的系統(tǒng)，必須經(jīng)過系統(tǒng)整體原理分析和各部分的方案比較，選擇最佳最優(yōu)的實現(xiàn)方法，才能完 美而立于不敗之地。 統(tǒng)原理概述 當今社會，隨著現(xiàn)代測量、控制和自動化技術(shù)的發(fā)展，信息采集的方法越來越多，而在所有信息的采集途徑中，用的最普遍、最基礎(chǔ)的，就是傳感器。如果把電子計算機比作人的“大腦” ,那么傳感器則酷似人的“五官”（視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺）了。其重要性則可一目了然，不過對傳感器的要求可要比人的五官的要求高得多，并且傳感器的 3 種類也在日益增多，涉及到的范圍也日益變廣。如 6/37，它主要應用于環(huán)境控制系統(tǒng)、過熱保護、工業(yè)過程控制、火 災報警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)監(jiān)控以及儀器散熱風扇的控制等。還有 理的溫度測量控制器 主要應用于個人計算機及服務器的硬件及系統(tǒng)的溫度監(jiān)控、辦公室設備、電子測試設備等。以及 此， 測量外界溫度 的 方法 有 很多種 ，然而， 由于 熱敏電阻 及其放大電路受到環(huán)境的影響，在不同的條件下會出現(xiàn)不同的測溫偏差 ，而 6/37， 在相同條件下，由于測溫精度、處理精度等多方面的因素，不同的通道也會出現(xiàn)不同的偏差，因此必須采用一種靈活的修正方式 ，這便用到了電壓型的溫度傳感器 的線性好（ 10）， 寬量程（ 0， 精度高 （ + ），低成本，而且采集到的是電壓型信號，易于處理，使得電路簡單實用 3 。 如上所述，本課題的設計就是利用溫度傳感器 采集溫度信號的，隨后將采集到的微弱模擬電壓信號經(jīng)過放大器 （ ，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后， 再傳給 里用到的型號是 即該系統(tǒng)的 核心 部件 ， 通過硬件描述語言（ 程進行信號處理，然后經(jīng)過預先設置好的端口將數(shù)字信號傳送給 74 經(jīng)實驗調(diào)試，用該方法對 0 范圍的溫度測量時，測量誤差 為 +，可靠性好、抗干擾性能強 。 采用 為核心監(jiān)控器對外界溫度進行測量 ， 這樣，既可以降低對溫度傳感器和放大電路的要求，從而降低成本，又可以針對不同外部環(huán)境或不同通道 對溫度顯示 的顯示監(jiān)控 設定進行靈活修改 ，實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。 題總體要求 (1) 利用電壓型溫度傳感器 為信息采集器件采集室溫并產(chǎn)生 10的電壓信號； (2) 利用 驅(qū)動后面電路； (3) 利 用 A/系統(tǒng)處理； (4) 將數(shù)字信號送入 (5) 時時顯示轉(zhuǎn)換后的室溫，進行監(jiān)控 ； (6) 溫度超過警戒溫度時，進行報警。 統(tǒng)各部分方案比較 號采集方案比較 在目前，信號采集有多種方法，而可用于本系統(tǒng)的溫度的信號采集大致有三種方法，下面分別介紹各種方法的優(yōu)缺點，討論它們的可行性。 方案一：采用熱敏電阻采集室內(nèi)溫度信號。用此方法可滿足 40 的測量范圍，但熱敏電阻的精度、重復性及其可靠性都比較差，并且對于檢測小于 1 的溫度信號時， 4 誤差大、不可靠，所以此方法不可取。 方案二：利用電流型溫度傳感器 集室內(nèi)溫度信號。 有較高精度和重復性（重復性優(yōu)于 ），其良好的非線性可以保證優(yōu)于 +的測量精度，利用其重復性較好的特點，通過 非線性補償，可以達到 +測量精度。 電流型溫度傳感器 二端器件，它采用了一種獨特的電路結(jié)構(gòu)，利用最新的薄膜激光微調(diào)技術(shù)作最后的定標，因而具有很高的精度。且其靈敏度為 1，具有很寬的工作電源電壓范圍和很高的輸入阻抗。作為一種高阻電流源，我們不需要考慮其傳輸線上的電壓信號損失和噪聲干擾的問題，因此特別適合做遠距離測量或控制應用。出于同樣的道理， 不必考慮選擇開關(guān)或 但是，由于 號，所以在將數(shù)據(jù)傳給 須先把電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，在此期間不但造成了一定的信號損失，又影響了精度，這就要求我們在 A/樣一來，用 集室溫的電路就顯得很復雜。而且，在高精度測溫電路中，還必須考慮 此也放棄使用本方案。 方案三：采用電壓型溫度傳感器 集溫度信號。 精密集成電路溫度傳感器，它的輸出電壓與攝氏溫度線性成比例， 比例關(guān)系是 10。并且， 來提供 的常用的室溫精度， 就把信號損失減少到了最小。而又因為它的線性性極好，所以編程時很容易實現(xiàn)。因此，對于本課題來說，選用此方案。 擬信號數(shù)字化處理方案 由于整個系統(tǒng)主要是處理數(shù)字信號而進行工作的，所以當由傳感器采集到模擬信號后，必須先進行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能夠使整個系統(tǒng)運行工作。而對于模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的選擇，本課題用的是 系統(tǒng)采用 數(shù)轉(zhuǎn)換器 作為模擬信號數(shù)字化的器件，進行數(shù)字化處理，為系統(tǒng)提供數(shù)字信號量的。 號處理方案 本系統(tǒng)利用 行信號處理。 將經(jīng)過 A/而根據(jù)已經(jīng)編好的程序（程序見附錄）處理溫度的數(shù)字信息，進一步時時顯示室內(nèi)溫度和報警，達到時時監(jiān)控的目的。也就是說采用 示部分方案比較 方案一： 以前的 電子工程師們進行電子設計時，大部分都使用單片機 通過串口通信線，再加移位寄存器 74現(xiàn) 示功能，如圖 2樣一來，使得每一個 4得電路比較麻煩，并 且與單片機接口的編程程序不易實現(xiàn) ， 所以本課題放棄使用次方案。 5 2 通過串口通信線 方案二： 近年來，國內(nèi)外有許多基于串行總線方式的 些芯片與另一種功能更強、速度更快的控制芯片連接，可實現(xiàn)以往單片機不能實現(xiàn)的多種功能，并且具有占用 I/O 口線少，進行功能擴展方便，使用起來十分容易等特點，這就是用 因此本系統(tǒng)選用此方案。 在選用 選用 3個共陰極的 8段數(shù)碼顯示管（ 實現(xiàn)動態(tài)顯示，用 4以實現(xiàn)溫度顯示的功能。 統(tǒng)報警方案設計 在設計開始時，想要的系統(tǒng)功能之一，是想讓在室溫達到并超過警戒溫度時，系統(tǒng)可實現(xiàn)報警，給人以提示。在此，可用一個風鳴器和一個三極管放大電路來實現(xiàn)報警功能。具體的電路分析，詳述見下文中。 3 系統(tǒng)整體硬件設計方案 統(tǒng)工作原理流程 根據(jù)課題設計要求可知，該系統(tǒng)需要利用電壓型溫度傳 感器采集室內(nèi)溫度，產(chǎn)生10 的電壓信號，隨后，將該信號送入放大器進行放大，再把此放大后的信號送給A/D 轉(zhuǎn)換器進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后由 片編程處理，即通過 片編程設定上下限報警溫度，并顯示轉(zhuǎn)換后的室溫。具體流程圖如圖 3 圖 3統(tǒng)流程圖 44制電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 放大電路 傳感器控制電路 譯碼驅(qū)動電路 顯示電路 報警電路 6 在溫度信號采集電路中采用方案三，使用線性成比例（ 10）的電壓型溫度傳感器采集信號，之后 ，將微弱電壓信號經(jīng)過整個硬件與軟件系統(tǒng)放大 100 倍后的電壓信號使其顯示就是室溫。首先，使采集到的電壓信號經(jīng)過放大電路放大十倍后送入 A/D 轉(zhuǎn)換器（ 。在此，將 于它為 8位轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部轉(zhuǎn)換關(guān)系將輸入信號擴大 50倍后，才將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。之后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號傳給 通過 00倍的信號縮小 5倍，即可將輸入的微弱電壓信號最終放大 100 倍，現(xiàn)在的電壓值便是室溫值。然后經(jīng)過設置的 I/傳送給 74 而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設計功能。 感器及放大電路 壓型溫度傳感器 圖 3一般傳感器的工作原理方框圖。 圖 3感器原理框圖 本系統(tǒng)的設計所用的傳感器為 它 是 一種， 是精密集成電路溫度傳感器， 其 輸出電壓與攝氏溫度線性成比例 （ ） ，如圖 33。 U(V) 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 T( ) 圖 3感器溫度電壓關(guān)系曲線 因而 優(yōu)于用開爾文 作為 標準的線性溫度傳感器， 在 額定工作溫度范圍 內(nèi)精度 為 3/4 。其 密封適合用 適合 用 塑料 其特性 如下： (1) 直接用攝氏溫度校準 ， 線性 + 比例因數(shù) ； (2) 在 +150 額定范圍 內(nèi) 保證 精度（在 +25 時）； (3) 適用于遙控設備 ， 因晶體片微調(diào)而低費用； 敏感元 件 轉(zhuǎn)換元件 測量電路 輔助電源 非電量 電量 7 (4) 工作在 4 30V， 小于 60A 漏泄電流 ，有 較低自熱，在靜止空氣中 ； (5) 只有 1/4 非線性值 ， 低阻抗輸出， 1 V 20V，故可直接用溫控電路的電源，但要加一個隔離二極管及平滑電容 C。 100 ，輸出電壓直接與 攝氏溫度成比例，靈敏度為 10 。 將其 輸出電壓接 2讀出 的 分辨率為 的溫度讀數(shù)。 例 如 ：室內(nèi)溫度是 那么其轉(zhuǎn)換關(guān)系是 10 =287 （ 則 表上 的 讀數(shù) 就 為 287 反映室內(nèi) 溫度 ： 。 集成溫度傳感器 成一個集成溫度傳感器，它的 外形與封裝 如下圖（見圖 3 輸出電壓與攝氏溫度成正比例的溫度傳感器，精度為 1。最大線性誤差為 靜態(tài)電流為 80器件如塑封三極管（ 該溫度傳感器最大的特點是使用時無需外圍元件，也無需調(diào)試和較正（標定）。如下圖所示（圖 3 圖 3圖 3 3 8 在圖 3 5 的電阻和 1濾除其他的雜質(zhì)信號，使采集到的與 溫度成比例（ 10）的電壓信號更加穩(wěn)定，之后再將溫度信號經(jīng)過放大器送給 大電路設計 圖 3系統(tǒng)的放大電路部分 如圖 3示，為系統(tǒng)的放大電路部分，電壓型溫度傳感器 集到的室溫為很微弱的模擬量。例如：若室溫為 26，那么經(jīng) ，這樣一個微弱的電壓信號，既不利于處理又容易產(chǎn)生誤差且不穩(wěn)定。所以我們需要將此信號在整個硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)中放大 100倍（如前所述），之后將其送入驅(qū)動電路，即可在 ，達到目的。如圖所示，在放大電路中，取 1K 是為了好計算放大倍數(shù)， 20K 的滑動變阻器使這個 的微弱電壓信號可以在 0此，將其放大 10 倍，因此需要將 至 10K。這樣經(jīng)放大器 大后從第 6 腳輸出的電壓信號就為放大十倍的 樣就足以驅(qū)動后面的電路進行工作，達到系統(tǒng)設計的目的。 ，特別是計算機技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測領(lǐng)域中，為提高系統(tǒng)的性能指標，對信號的處理 無不廣泛的采用了數(shù)字計算機。但由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量（如溫度、壓力、位移、圖象等），所以要使計算機或數(shù)字儀表能識別和處理這些信號，首先就必須將這些模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，這樣就需要一種能將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ A/而為了將時間和幅值都連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)化為時間和幅值都離散的數(shù)字信號，一般要經(jīng)過四個過程 5，如圖 3 9 圖 3模數(shù)轉(zhuǎn)換流程 而在實際電路中，上述四個過程中有的是合并進行的。例如，取樣和保持、量化和編碼，往往都是在轉(zhuǎn)化過程中同 時實現(xiàn)的。具體介紹如下： (1) 取樣與保持 取樣是將隨時間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時間離散的模擬量（這里要注意的是取樣以后信號依然是模擬量）。取樣的過程示意圖如圖 3示。 圖 3取樣過程 圖中的傳輸門受取樣信號 S（ t）的控制，在 S（ t）的脈寬期間，傳輸門導通，輸出信號 t）為輸入信號 Vi(t)，即 Vo(t)=Vi(t)，而在（ ）期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號 t） =0。可見，取樣就是在一個固定的時間點上采集一個模擬信號的具體值，而要將取樣得來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號得經(jīng) 過一段時間，所以有必要將取樣電路每次取得的信號通過保持電路保持一段時間，以便給后續(xù)的量化編碼提供一個穩(wěn)定值，即使用保持電路使整個系統(tǒng)更加協(xié)調(diào)穩(wěn)定。 (2) 量化與編碼 數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個數(shù)字量的大小只能是某個規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為了將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在 A/必須將取樣 某種近似方式歸化到與之相應的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡稱量化。量化后的數(shù)值最后還必須用某一個代碼表示出來，這個過程就叫做編碼。經(jīng)編碼 得到的代碼就是 A/是表示模擬信號大小的數(shù)字信號量。 ， A/種性能優(yōu)異的 A/期的 A/在一些采用 線的新型 A/大地豐富了 A/ A/般情況下，由于客觀條件的影響，電路設計中 A/辨取 樣 保 持 量 化 編 碼 模擬信號 數(shù)字信號 Vo(t) Vi(t) (t) 10 率。假如，我們要測量一組電源電壓，其電壓的輸出范圍是 0 10V，如要求精確到 分辨率為 0=1%,那么在實際應用中我們選擇分辨率為 1/256= 8位 A/然， A/辨率也就越高，但是成本也就隨之愈高。因此在實際電路的設計中，選擇 A/該在滿足系統(tǒng)性能指標的前提下，追求最高的性能價格比。 目前，被廣泛使用的 A/接口協(xié)議上分為串行和并行兩種方式。串行接口的 A/，主要采用的協(xié)議有 2序設計較并行接口略顯繁瑣，典型的芯片有 543等等。并行接口的 A/行的有 本課題的設計使用的是 面就來介紹 A/D 轉(zhuǎn)換芯片的硬件設計方法。 ，是 A/中 位 8通道 A/。它的主要技術(shù)指標是： 8位分辨率， 1/2換時間典型值為 100鐘頻率為 640電源電壓為單電源 5V。其引腳中 位數(shù)字信號輸出端 (即轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量 )， 6腳接的是放大器送出的溫度信號量。 信號從 腳送入， 3通過 9腳（ 地與 4腳（ 內(nèi)部電路提供時鐘信號，以給 其正確工作。 如果從 量程 為 000 ，那么由于 0 11 以及經(jīng)過放大器 傳到 I+的電壓信號為 10V，再經(jīng)過下）放大 50倍 (此 50倍為數(shù)字量的 50倍 )： （ ） *256 ( 其中“ *”符號表示乘的意思， 電壓，即 時可以更改）。如下圖（圖 3 A/ x （ 1000）（ 0100）（ 0110）（ 0111） t 圖 3A/ 在硬件設計中，我們 將基準電壓（ 至 10056/5 50倍，將其送入電路的信息處理部分 利用軟件的方法將結(jié)果除以 5便可達到最終的放大目的，之后送入驅(qū)動電路使其顯示出最大溫度為100 。由于 A/，我們將最高溫度設為 100 的話，可得它的測量精度為 100/256=。那么如果將最高溫度設為 50 ，我們可得它的溫度范圍為0，測量精度為 50/256=。為了提高精度，我們將最高報 警溫度設為 50 。 還如前面的例子，如果室溫為 26 ，那么經(jīng)放大電路放大后傳到 I+的電壓信號為 其代入上公式則可得 56/5 50倍的二進制數(shù)，將其送入系統(tǒng)的主控制器，我們再利用軟件的方法將結(jié)果除以 5便可得送入驅(qū)動電路使其顯示出的溫度為 26 。在這個轉(zhuǎn)換電路中， 是將模擬量轉(zhuǎn)換為二進制的數(shù)字量，二是將此輸入信號在放大電路放大 10倍后再放大 50倍。 與 作的流程圖如圖 3 經(jīng) 后面編程控制，使其縮小 5倍，然后顯示室溫。 電平有效。 別為寫、讀端，將其與 端相連。 其為高電平時表示轉(zhuǎn)換完成，之后，送中斷信號給單片機，等待 見，在整個系統(tǒng)中， A/著至關(guān)重要的作用。它的設計好壞直接影響著整個系統(tǒng)的工作性能。 12 圖 3統(tǒng)主控制器選擇 述 集成電路的發(fā)展大大促進了 而使電路設計從傳統(tǒng)的“自上而下”的設計方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤白韵露稀钡脑O計方法。設計師們都希望自己設計的芯片能夠反映自己的思想，并且能夠及時的投入生產(chǎn)使用，這都有益于可編程邏輯器件（ 出現(xiàn)。 現(xiàn)在應用最廣泛的 復雜可編程邏輯器件（ 7 9 。 可編程邏輯器件（ 發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以下幾個階段： (1) 20世紀 70年代，熔絲編程的 (2) 20世紀 70年代末，對 (3) 20世紀 80年代初， 更靈活的 (4) 20世紀 80年代中期， 時生產(chǎn)出世界上第一塊 且， 之 用電或紫外線擦除。 (5) 20世紀 80年代末， 出一系列具備系統(tǒng)可編 程能力的 實現(xiàn)更復雜的邏輯功能。 (6) 20 世紀 90 年代，可編程邏輯集成電路技術(shù)進入飛速發(fā)展時期，器件的可用邏輯門超過百萬門，并出現(xiàn)了內(nèi)嵌發(fā)展功能模塊 (如加法器、乘法器、 據(jù)地址初始化 啟動 S=0？ 數(shù)據(jù)區(qū)地址加一 8 個通道采集結(jié)束 讀 A/D 轉(zhuǎn)化結(jié)果到數(shù)據(jù)存儲區(qū) 結(jié)束 是 是 否 否 13 等 )的 總的說來， 件是廠家作為一種通用型器件生產(chǎn)的半定制電路，用戶可通過對器件編程實現(xiàn)所需要的邏輯功能。并且它是一種用戶可配置的邏輯器件，其成本比較底，使用靈活，設計周期短，而且可靠性高，風險小，因而很快得到普及應用，發(fā)展非成迅速。從 20 世紀 70 年代發(fā)展到現(xiàn)在， 經(jīng)在各個方面的工藝上取得了突破和不斷發(fā)展。經(jīng)歷了從 中 所于簡單的 們結(jié)構(gòu)簡單，設計靈活 ，對開發(fā)軟件的要求低，但是規(guī)模都很小，難以實現(xiàn)復雜的邏輯功能，所以隨著技術(shù)的發(fā)展，種種弊端也暴露出來，因此， 向著高密度，高速度，低功耗以及結(jié)構(gòu)體系更靈活、通用范圍更廣的方向發(fā)展。 復雜可編程邏輯器件（ 雜 稱將集成度達到一定程度的 件叫做 ，是 20 世紀 80 年代末 司提出的在線可編程（ In 術(shù)以后，于 20 世紀 90 年代初出現(xiàn)的。它是在 用 增加了內(nèi)部連線，對邏輯宏單元和 I/編程邏輯宏單元，可編程 I/型的器件有 列， 7000 和 9500 系列， 隨著數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能復雜化 程度的不斷加大 ， 集成 芯片正朝著超大規(guī)模、高密度的方向發(fā)展。與此同時，人們發(fā)現(xiàn) 一 個超大規(guī)模的數(shù)字時序系統(tǒng)芯片在工作時從時間軸上來看，并不是每一瞬間系統(tǒng)的各個部分都 在工作，而系統(tǒng)是各個局部模塊功能在時間鏈上的總成。同時還發(fā)現(xiàn)，基于 過存儲于存儲器中不同的目標系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重新下載，來實現(xiàn)芯片邏輯功能的改變。正是基于這個稱之為靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的技術(shù)，有人設想利用芯片的這種分時復用特性，用較小規(guī)模的 芯片來實現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)字時序系統(tǒng)。在研究過程中 人們卻 發(fā)現(xiàn)常規(guī)的 能實現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)。因為該芯片功能的重新配置大約需要數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒量級的時間；而在重新配置數(shù)據(jù)的過程中，舊的邏輯功能失去，新 的邏輯功能尚未建立，電路邏輯在時間軸上斷裂，系統(tǒng)功能無法動態(tài)連接。要實現(xiàn)高速的動態(tài)重構(gòu)，要求芯片功能的重新配置時間縮短到納秒量級，這就需要對 部組成 結(jié)構(gòu)進行革新 。 在早期的 結(jié)構(gòu)相同的邏輯陣列組成宏單元模塊。對一個邏輯陣列單元來說，輸入項由專用的輸入端和 I/自 I/通過 I/O 結(jié)構(gòu)控制模塊的反饋選擇，也可以由 I/O 端直接輸入，也可以是本單元輸出的內(nèi)部反饋。所有的輸出項都經(jīng)過緩沖器驅(qū)動，并輸出其輸入的原碼及補碼?？梢钥闯?，早期 是用 元。和 樣， 實現(xiàn)擦除和再編程功能。在基本結(jié)構(gòu)中，每個 14 或門有 8 個固定乘積項，也就是說邏輯陣列單元中的或門陣列是固定的、不可編程的，當遇到復雜的組合邏輯時，需要的乘積項可能超過 8 個，這就要用兩個或多個邏輯單元來實現(xiàn)，致使器件的利用率不高。為此，目前的 要表現(xiàn)在以下兩個方面： (1) 乘積項數(shù)目不同的邏輯陣列單元 對于復雜的邏輯器件來說，邏輯函數(shù)往往需要附加乘積項 。以便利用其他宏單元以提供以提供所需的邏輯資源，還可以利用其結(jié)構(gòu)中具有的共享和并聯(lián)擴展乘積項。達到盡可能的少占資源，并且盡可能的加快工作速度的目的。 (2) 具有兩個或項輸出的邏輯陣列單元 每個邏輯陣列單元可以共享相鄰單元中的乘積項，也可以使本單元中的兩個或項都可用于相鄰的兩個單元中，這樣，既提高了器件內(nèi)部各單元的利用率，又可實現(xiàn)更為復雜的邏輯功能。 ，根據(jù)器件的類型和功能的不同，可有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但基本上每個模塊都由輸出極性轉(zhuǎn)換電路、觸發(fā)器和輸出三態(tài)緩沖器三部分及于它們相關(guān) 的選擇電路組成。各個生產(chǎn)廠家可以根據(jù)不同的用途和使用對象的不同進行選擇生產(chǎn)，以求達到最佳的生產(chǎn)和使用目的。 主要生產(chǎn)廠家是 自都有自己的產(chǎn)品特點。 (1) 在我國有著較多的用戶，該公司的 集程度、高性價比、低功耗等特點。主要型號有膠合（ 輯類的 價位的 、高速 密度的 后來又推出的 能更加優(yōu)越。 在眾多的產(chǎn)品系列中， 司推出的新型低成本 件 列的主要特點為：密度范圍大，從 1萬到 10萬門（ 56,000到 257,000系統(tǒng)門）；配備鎖相環(huán)（ 術(shù)，與 64 位、 66品系列從原 供系統(tǒng)速度超過 115以， (2) 985年首次推出 后不斷的推出新的集程度更高、速度更快、價格更低的 主要的 中 絡和計算機等產(chǎn)品中。該系列器件采用快閃存技術(shù)，比 術(shù)工藝的速度更快，功耗更低。目前， 司 單元數(shù)可達 288 個，系統(tǒng)時鐘可達 200列器件支持 線規(guī)范和 界掃描測試功能，具有在系統(tǒng) 可編程（ 力。該系 15 列有 核電壓分別為 5V、 就如前所說，其功耗很低。 (3) 20世紀 90年代以來， 將 產(chǎn)品主要有 程度在 1萬門到 其 I/V、 用于高位的數(shù)字系統(tǒng)中，準確率很高。 其中 列器件又分為四個系列： 列、 列、可以滿足復雜程度很高的邏輯功能設計。 根據(jù)以上所述，各個廠家生產(chǎn)的 能都很齊全，而在本系統(tǒng)的設計中，對 片的選擇是選用了 司 列的為本人在平時的實踐訓練中用的多數(shù)都是此芯片，有較多的關(guān)于資料可以查詢，對 大多性能都有了一定的了解，用起來可以得心應手，并且與其他的 片比起來， 一型號的優(yōu)點也很多，功能也很強大，故選擇該器件。 腳圖見附錄 2）是 一共有 208個管腳，其中 I/24個， 0個， 1個， 4個， 外還有時鐘、數(shù)據(jù)輸入、專用程序下載口等一共是 37個。在此芯片上有如此多的 I/目的就是為了方便用戶可以任意定義信號的輸入輸出口，從而實現(xiàn)復雜的邏輯功能。這也是 復雜功能所在，更是 警電路 圖 3報警電路 16 由于由 此，需要將其放大，才能帶動蜂鳴器使其工作。 報警電路的輸入引腳由 片輸出端給，我們在系統(tǒng)中設的下限報警溫度 為 10，上限報警溫度為 30。在軟件設計中，當由 0 50的范圍，令1”，則可實現(xiàn)蜂鳴器報警，如圖 3 碼、驅(qū)動電路 圖 3譯碼、驅(qū)動電路 如圖 3碼器 74中， 譯碼器的輸入相接， C 為高位， A 為地位。對四個共陰極數(shù)碼管實現(xiàn)位選。 在一個控制測試系統(tǒng)中，對共陰極 示器的控制采用“接地方式”，即通過控制 腳的電平高低來達到選通的目的，該引腳即通常所說的位選線。例如：我們想要讓第三位數(shù)碼管工作，那么需要使 就是使譯碼器輸出中的 0，其他為 1。本系統(tǒng)中，我們采用動態(tài)顯示方式，因此，需要不斷的片選，而共陰極 示器的發(fā)光二極管負極接地，當發(fā)光二極管的正極為高電平時，發(fā)光二極管被點亮。這就需要用 如：要顯示 0字形時，需要 個發(fā)光二極管“ a， b， c， d， e， f， g” 七個字段中的“ a， b， c， d， e， f” 亮，那么，就需要使 出中的 A、 B、 C、 D、 E、 F 為高電 17 平。這是 3 表 3示電路（ 碼管的選擇 在一個控制應用系統(tǒng)中，顯示是人機通道的重要組成部分。目前廣泛使用的顯示器件主要有 極管顯示器）、 晶顯示器）和 空熒光管）等。 核心控制設備接口方便靈活，技術(shù)上易于實現(xiàn)，但只能顯示阿拉伯數(shù)字和少數(shù)字符，通常用于對顯示 要求不高的場合。 可以顯示包括漢字在內(nèi)的多種字符，甚至是復雜的圖形和曲線，并且耗電極省，可廣泛用于各種終端設備，如 機、觸摸屏等等。本文主要介紹 式，及本系統(tǒng)的選擇顯示方式。 般的控制電路系統(tǒng)中經(jīng)常采用的是八段顯示器，即 個發(fā)光二極管，代表“ a， b， c， d，e， f， g”七個字段和一小數(shù)點“ 。再者 陰極 發(fā)光二極管的正極為高電平時，發(fā)光二極管被點亮。而共陽極 光二極管正極相連，當二極管的負極為低電平時，發(fā)光二極管被點亮。 在一個電子控制系統(tǒng)中，對共陰極 地方式”，即通過控制腳的電平高低來達到選通的目的，該引腳即通常所說的位選線。共陽極 種控制方式中，共陰極 能用在小尺寸的 于大尺寸 大屏幕計時器）一般使用共陽極方式。 D C B A G F E D C B A 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 18 接口上分又有并行和串行兩種，這要視接口和驅(qū)動芯片而定。常用的并行 155、 8255 以及鍵盤和顯示專用芯片 8279等。而與并行方式相比，串行方 式僅占用 。在靜態(tài)顯示方式中，多個 位并行口連接，公共端則根據(jù) 陰或共陽）連接到“ “ 上。假如有四位靜態(tài) 么每個 位 I/以在同一時間內(nèi)顯示不同的字符。靜態(tài) 功耗大，占用 ，成本也