官方文檔-AVR042_AVR硬件設(shè)計

1、AVR042: AVR硬件設(shè)計 翻譯：邵子揚(yáng)精選AVR應(yīng)用筆記AVR042: AVR硬件設(shè)計翻譯：邵子揚(yáng) 2006年6月7日shaoziyang主要內(nèi)容l 數(shù)字和模擬部分充分供電l RESET 信號線的連接l SPI 接口的在系統(tǒng)編程l 使用外部晶體振蕩器或陶瓷振蕩器1. 介紹這篇應(yīng)用筆記是為了回答一些問題和開始設(shè)計 AVR 單片機(jī)時面對的一些疑問而寫的，從每章的標(biāo)題可以知道說明的問題。文章介紹了在設(shè)計中可能遇到的問題，而不是說明怎樣使用使用 AVR 單片機(jī)。這篇文檔的問題是從已有的 AVR 文檔中收集出來的，并結(jié)合了一些現(xiàn)在的新資料。在開始新設(shè)計之前高度推薦閱讀應(yīng)用筆記 AVR040 - “

2、EMC 設(shè)計參考”，特別是對于需要開發(fā)針對有EMC需求的商業(yè)應(yīng)用（或類似有此要求的歐洲國家）。此應(yīng)用筆記可以在 ATMEL 的官方網(wǎng)站 上找到。2. 電源供電電源供電設(shè)計有兩點(diǎn)要考慮：AVR的離散/數(shù)字元件；ESD 保護(hù)和噪聲。兩者在應(yīng)用筆記 AVR040 中都詳細(xì)說明了，這里只是簡單概括。2. 1數(shù)字電路供電查看AVR單片機(jī)的數(shù)據(jù)手冊，沒有人會相信電源供電是不重要的。芯片有一個寬的電壓范圍，并且只從電源中汲取很少的電流。但是和所有的數(shù)字電路一樣，電流是一個平均值。在時鐘的沿有非常短的尖峰汲取電流，如果 I/O 口進(jìn)行開關(guān)，尖峰電流會更大。如果所有的 IO 端口同時改變，電源線上的電流脈沖可能

3、達(dá)到幾百毫安。如果 I/O 端口沒有使用，那么脈沖可能只有幾個納安。這種尖峰電流不能通過長電源線進(jìn)行傳送，所以主電源需要使用退耦電容。圖2-1. 不正確的退耦圖2-1 顯示了一個不好的退耦的例子。電容離單片機(jī)太遠(yuǎn)了，產(chǎn)生了一個大電流回路。這里的電源層和地線層就是大電流回路的一部分，因此噪聲更容易傳導(dǎo)到其他芯片，電磁輻射也增加了，整個地線層還成為了噪聲信號的天線。當(dāng)單片機(jī)的電源和地引腳直接連接到電源和地線層就會出現(xiàn)這個情況（典型是過孔安裝的元件），退耦電容的連接也是同樣的。同樣的情況經(jīng)常在表面安裝的元件的電路板上經(jīng)?？吹?，如果整個電路放在電路板的一邊而退耦電容在另外一邊。圖2-2 顯示了電容更好

4、的放置方法，大電流回路不是電源或地線層的一部分。這很重要，因為電源和地線層會傳導(dǎo)大量的噪聲。圖中也顯示了退耦的另外一種改進(jìn)，一個電感用于減少電源的開關(guān)噪聲。電感的等效電阻要足夠小，保證沒有大的直流壓降。圖2-2. 使用電感退耦通常，AVR 單片機(jī)的電源和地線引腳相互靠近（如 ATmega8535），這樣比標(biāo)準(zhǔn)引腳的芯片（如 ATmega8515）有更好的退耦效果，標(biāo)準(zhǔn)封裝的電源和地線引腳在DIP的對角線。這個缺點(diǎn)可以使用 TQFP 封裝來克服，它可以使得退耦電容非?？拷?。對于有多個電源和地的芯片，基本上每對電源和地都需要自己的退耦電容。主電源需要使用容量有數(shù)uF的鉭電容進(jìn)行穩(wěn)定。2. 2模擬電

5、路供電AVR 單片機(jī)內(nèi)置的 ADC 有獨(dú)立的模擬供電引腳 Avcc，這個分開的供電使模擬部分減少了數(shù)字電路部分的開關(guān)噪聲影響。同樣，模擬地 AGND 也是獨(dú)立與數(shù)字地的。為了使 ADC 獲得更好的精度，模擬電源必須單獨(dú)退耦。模擬地應(yīng)當(dāng)和數(shù)字地分開，它們應(yīng)當(dāng)只在一點(diǎn)連接，例如電源的地。3. RESET 引腳的連接AVR 單片機(jī)的 RESET（復(fù)位）腳在低電平時有效，設(shè)置這個為低電平將使得單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位有兩個目的：1. 釋放所有端口成為三態(tài)（除了 XTAL 引腳），初始化所有端口寄存器和設(shè)置程序指針為0。2. 進(jìn)入編程模式。此外，上拉 RESET 到很高電壓可以進(jìn)入高電壓/并行編程模式，很高電壓

6、指 11.5 12.5V （參考數(shù)據(jù)手冊）。Reset 引腳有內(nèi)部上拉電阻，但是如果有很強(qiáng)的環(huán)境噪聲可能會偶然引起復(fù)位。參考數(shù)據(jù)手冊中指定型號的上拉電阻參數(shù)?？梢允褂貌煌绞絹肀苊庖馔獾膹?fù)位，可以使用外部管理或外部監(jiān)控電路來控制 RESET 管腳。如果外部管理電路如應(yīng)用筆記AVR180中說明的，可以不用再考慮怎樣連接 RESET 引腳。如果AVR單片機(jī)有內(nèi)置的電壓監(jiān)視電路，那么可以省去外部電路。連接 RESET 是為了能既進(jìn)入高電壓編程，也能通過上拉電阻進(jìn)入普通的低電壓復(fù)位，這個上拉電阻保證了復(fù)位引腳不會意外變?yōu)榈碗娖?。上拉電阻理論上可以是任意大小，但是為了能使用?STK500/AVRISP

7、 等編程工具，上拉電阻不能太小，以免不能將 RESET 信號拉低。推薦使用 4.7k 的電阻或更大的（使用 STK500 編程時）。為了減少 RESET 上的噪聲，最好通過一個電容連接 RESET 到地線。自從AVR 內(nèi)置了低通濾波器消除尖峰和噪聲后這已經(jīng)不是必須的了，但外部電容可以提供額外的保護(hù)。如果不使用高電壓編程，推薦添加一個 ESD 保護(hù)二極管從 RESET 到 Vcc，因為為了高壓編程沒有內(nèi)置保護(hù)二極管。元件應(yīng)當(dāng)盡量靠近 RESET 引腳，圖3-1 顯示了推薦的電路。圖3-1. 推薦的 Reset 連接方式4. 連接ISP信號線在系統(tǒng)編程（ISP）信號線用于編程 AVR 單片機(jī)的 F

8、lash、EEPROM、鎖定位和大部分熔絲位（除了 ATtiny11 和ATtiny28 外）。 這個特點(diǎn)使得可以在產(chǎn)品的最后階段對用戶板進(jìn)行編程，或者在以后重新編程（如果發(fā)現(xiàn)問題），或者進(jìn)行軟件升級。高度推薦在用戶板上總是保留一個 ISP 接口。Atmel ISP 編程器有兩種標(biāo)準(zhǔn)連接方式：6 芯和 10 芯接口。如圖4-1。需要連接數(shù)據(jù)線（MOSI 和 MISO）以及總線時鐘（SCK），用戶電壓 VTG，GND 和 RESET（RST）。圖4-1. STK500, AVR ISP 和 STK200/STK300 的標(biāo)準(zhǔn) ISP 連接 一些 ISP 編程器由用戶板提供電源，這時比較容易適應(yīng)用

9、戶系統(tǒng)的電平。其他的 ISP 編程器，如 STK500，可以通過 VTG 給用戶板供電，這時一定要注意不要打開用戶板的電源開關(guān)。閱讀 ISP 編程器的用戶手冊，找出你編程器的性能和接口。ISP 信號線在大多數(shù)芯片上位于相同的引腳，作為串行接口設(shè)備（SPI），或其他多功能引腳。參考芯片的數(shù)據(jù)手冊查明 ISP 使用的管腳。當(dāng)有其他芯片連接到 AVR 的 ISP 上時，需要進(jìn)行保護(hù)，防止改變信號狀態(tài)。這對于 SPI 總線尤其重要。在 SPI 線上串聯(lián)電阻，如圖4-2 中那樣，是最簡單的方法。AVR 在編程狀態(tài)下不會驅(qū)動 SPI 引腳，當(dāng)保持 AVR 的 RESET 進(jìn)入編程模式 AVR 所有的引腳都

10、是三態(tài)的。圖4-2. 連接 SPI 到 ISP 接口一個系統(tǒng)中的多個 AVR 可以通過同樣的 ISP 接口進(jìn)行編程。但是如果沒有特殊的設(shè)計，所有的 AVR 單片機(jī)都會對 ISP 指令做出響應(yīng)。在只設(shè)計一個 ISP 接口時，可以設(shè)計為一次只給一個 AVR 單片機(jī)提供 SPI 時鐘，所有其他的 SPI 線可以共享。在這個方式下，所有 AVR 單片機(jī)都在相同的保護(hù)電阻之后，ISP 的時鐘信號可以用跳針來連接。如果設(shè)計多個 ISP 接口，每個都應(yīng)當(dāng)如圖4-2 那樣連接。5. 使用晶體和陶瓷振蕩器大多數(shù) AVR 單片機(jī)可以使用不同的時鐘源。典型外部時鐘源是 RC 振蕩器、晶體和陶瓷振蕩器。晶體和陶瓷振蕩

11、器在一些應(yīng)用中使用引起問題是因為沒有正確理解這些時鐘，這一章將專門介紹晶體和陶瓷振蕩器的使用，關(guān)注于它們的使用而不是理論。5.1 使用時鐘源AVR 使用的時鐘源通過熔絲進(jìn)行選擇，大多數(shù) ISP 和并行編程器可以對熔絲位進(jìn)行編程，來選擇合適的時鐘。在 AVR 的 Flash 被擦除時熔絲位并沒有被擦除，只有在需要修改相關(guān)設(shè)置時才對熔絲位進(jìn)行編程。每次編程熔絲無需將單片機(jī)的內(nèi)容擦除和再編程，與這篇文檔相關(guān)的時鐘選項有：l 外部低頻晶體l 外部晶體振蕩器l 外部陶瓷振蕩器可以選擇其它一些與啟動相關(guān)的子參數(shù)設(shè)置，但是 3 種時鐘選項是應(yīng)當(dāng)被關(guān)注的基本設(shè)置。時鐘選項在不同的 AVR 單片機(jī)之間有所不同

12、不是所有的型號都支持各種外部時鐘的。查看相關(guān)型號的數(shù)據(jù)手冊來決定具體使用的時鐘。應(yīng)當(dāng)知道如果選擇了實際不支持的時鐘，單片機(jī)可能無法運(yùn)行，因為沒有相應(yīng)的內(nèi)部振蕩器電路。因為在擦除 Flash 時不清除熔絲，所以如果選擇了錯誤的設(shè)置就會引起故障。5.2 關(guān)于晶體和陶瓷振蕩器AVR 單片機(jī)使用的典型晶體是平行切割的振蕩晶體。陶瓷振蕩器非常類似于平行切割的晶體，可以認(rèn)為它是成本和精度更低的晶體。陶瓷振蕩器的Q值比較低，這既是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。因為Q值低，陶瓷振蕩器的頻率更容易調(diào)節(jié)，但是對溫度和負(fù)載變化也更加敏感，引起不希望的頻率變化。陶瓷振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是起振速度比晶體快。在石英晶體和陶瓷振蕩器之間沒有顯著的

13、區(qū)別。在這一章中，振蕩器一般同時指這兩者。表5-1.陶瓷振蕩器和石英晶體之間的差異陶瓷振蕩器石英晶體老化±3000 ppm±10 ppm頻率公差±2000-5000 ppm±20 ppm頻率溫度特性±20-50 ppm/C±0.5 ppm/C頻率拉動能力±100-350 ppm/pF±15 ppm/pF振蕩器起振時間0.01-0.5 ms1-10 ms品質(zhì)系數(shù)（Q值）100-5000103-5·105用于電路中的平面振蕩器，一般相關(guān)的元件是電容。這種電路依賴于元件之間的聯(lián)合和振蕩器來達(dá)到必要的相位移動和維

14、持振蕩頻率，基本振蕩器電路如圖5-1。虛線部分的電路是 AVR 單片機(jī)內(nèi)置的。圖5-1. 等價的基本反向電路注意： (A) 用于頻率大于400KHz的晶體或陶瓷振蕩器的振蕩電路 (B) 低頻電路 (32.768kHz) (不是所有 AVR 都支持)簡化 AVR 內(nèi)置的振蕩器電路，它們可以看做如圖5-1的反相器電路。頻率大于 400KHz 時使用了電路 (A)，這時必須接外部電容。電路 (B) 用于低頻，一些 型號的 AVR 單片機(jī)為典型頻率 - 32.768kHz 做了優(yōu)化。它內(nèi)置了需要的電容和電阻，電阻Rb用于振蕩器的偏置和限制電流，電阻 Rf（約1M歐姆）提供反饋并偏置反相器到線性區(qū)。查看

15、數(shù)據(jù)手冊了解指定型號的單片機(jī)是否內(nèi)置了低頻振蕩電路。當(dāng)使用了振蕩器，就需要提供（外部）電容以促進(jìn)振蕩。如果容性負(fù)載不足，一個平面振蕩器將不能穩(wěn)定振蕩。如果容性負(fù)載太大，可能不能起振，因為驅(qū)動電平依賴于負(fù)載。找出合適的容性負(fù)載參數(shù)需要一定的技巧，在數(shù)據(jù)手冊中用 CL 表示這個參數(shù)（在振蕩器的最后部分）。CL 包括寄生電容和 XTAL 引腳的電容，可以用經(jīng)驗決定，或者用公式5-1來計算。公式5-1.這里 CL1 和 CL2 可以參考圖5-1，CS 是 XTAL 引腳和 PCB 寄生電容的總和。CS 可以估計為 5-10pF，如果CL1 = CL2 那么外部電容可以用公式5-2 來計算：公式5-2.

16、5.3 安全系數(shù)為了避免晶體過載，造成不能起振，需要驗證振蕩器的安全系數(shù)（包括特殊晶體）。過載是造成陶瓷振蕩器不能啟動的原因。為了驗證振蕩器的安全系數(shù)，必須決定振蕩器負(fù)載（或晶體振蕩范圍）。串聯(lián)電阻（RQ）到晶體（臨時）， 如圖5-2，可以決定振蕩器負(fù)載。圖5-2. 串聯(lián) RQ 到晶體來決定振蕩器負(fù)載測試的方法是改變外部的電容，從小電容開始逐漸增加，一直到使振蕩器停止振蕩。確保電容安裝牢固 避免使用任何插座。將 CL1 和 CL2 從 1-2pF 開始啟動 AVR 單片機(jī)，驗證振蕩器是否真實起振。如果有示波器探針，可以用于晶體檢測?；蛘呔帉懸粋€小程序，周期改變一個 I/O 端口（譯者：最好是驅(qū)

17、動一個LED，這樣更直觀）也可以達(dá)到這個目的。增加 CL1 和 CL2 直到振蕩器停止振蕩。用公式5-3 決定安全系數(shù)，推薦使用比安全系數(shù)小 3-5 的容性負(fù)載。公式5-3.這里負(fù)載 RL 由公式5-4 決定：公式5-4.這里 R1 和 C0 是從數(shù)據(jù)手冊中的電阻和CL 查表并通過公式5-1 計算得出的。用優(yōu)化的安全系數(shù)曲線得出容性負(fù)載，應(yīng)當(dāng)意識到不推薦使用安全系數(shù)曲線的頂點(diǎn)，而是選取曲線開始下降的點(diǎn)。曲線應(yīng)當(dāng)如圖5-3 所示。圖5-3. 安全系數(shù)RQ曲線圖5-3 的例子中陰影區(qū)就是安全區(qū)。通常情況下安全系數(shù)大于 3 認(rèn)為是安全的，其它系數(shù)也可以被考慮：最小需要容性負(fù)載、推薦和最大驅(qū)動電平。5

18、.4 推薦電容參數(shù)這里推薦的參數(shù)在大多數(shù)情況都可以很好的工作，但是沒有一種辦法可以保證電容參數(shù)對所有的振蕩器都合適。當(dāng)使用時鐘選項 “外部晶體振蕩器”，晶體頻率從 400 kHz 到更高，對于這樣的標(biāo)準(zhǔn) “高” 頻晶體推薦電容參數(shù)在 22-33pF。對于時鐘選項 “外部低頻晶體” 的 32.768kHz 晶體，內(nèi)部振蕩器電路可能已經(jīng)提供了需要的容性負(fù)載。編程 CKOPT 熔絲，用戶可以允許 XTAL1 和 XTAL2 的內(nèi)部電容，內(nèi)部電容典型值是 20pF，但是可能會不同。這樣可以省掉外部電容，否則就需要使用外部電容。此時容性負(fù)載參數(shù)，由晶體制造商給出。外部電容可以由公式5-2 計算。使用外部

19、電容時 CKOPT 熔絲必須不被編程。請參考數(shù)據(jù)手冊確定指定型號的芯片是否有內(nèi)部電容，工作電壓在 1.8-5.5V 的芯片沒有內(nèi)部電容（除了 Atmega162）。注意 AT90S8535, Atmega163 和 Atmega103 等型號沒有 CKOPT 熔絲，但是它們有專用引腳（TOSC1-TOSC2），用來連接 32.768kHz 手表晶體。使用時鐘選項 “外部陶瓷振蕩器” 時強(qiáng)烈推薦參考數(shù)據(jù)手冊決定使用的電容?？偸鞘褂猛扑]的電容參數(shù)，因為陶瓷振蕩器對容性負(fù)載非常敏感。5.5 拉動額定頻率振蕩器頻率依賴于電容負(fù)載，應(yīng)用數(shù)據(jù)手冊中指定的電容負(fù)載將得到非常接近于額定頻率的頻率（目標(biāo)頻率）。

20、如果使用其它電容負(fù)載，頻率將發(fā)生變化。電容負(fù)載減少，頻率將增加；電容負(fù)載增加，頻率將降低。頻率拉動能力 振蕩器頻率能夠被強(qiáng)制改變多少 依賴于振蕩器的類型或振蕩器的Q值。典型晶體有很高的 Q 值，意味著振蕩器頻率拉動能力很低。一些晶體有特別高的Q值，如 32.768kHz 晶體，所以它被用于計時。陶瓷振蕩器的Q值不高，對電容負(fù)載更加敏感。不管振蕩器類型是什么頻率都能被改變電容負(fù)載而拉動，但是使用大電容負(fù)載要保證在任何情況下振蕩器能夠啟動。如果振蕩器過載，振蕩器將不能啟動；而一旦振蕩器啟動后，很少會因為過載而停止工作。用手指或探針觸摸沒有啟動的振蕩器的引腳能夠啟動振蕩器，可以通過它來識別過載問題。為了判定振蕩器的拉