單片機(jī)紅外遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)資料,單片機(jī),紅外,遙控,系統(tǒng),設(shè)計(jì),資料 房間電器綜合控制系統(tǒng) Control system of the electrisic in the room 摘 要 本設(shè)計(jì)的目的是尋找一種方法來實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)多種電器的綜合控制，采用了單片機(jī)與紅外遙控相結(jié)合的方式，制作出一種房間電器綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的核心由AT89S52單片機(jī)和紅外收發(fā)裝置構(gòu)成，整個(gè)系統(tǒng)包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分以AT89S52單片機(jī)為中心控制芯片，外圍擴(kuò)展了矩陣鍵盤，紅外發(fā)射電路以及電源電路；接收部分則以AT89S52單片機(jī)為核心，外圍擴(kuò)展了紅外接收電路，按鍵顯示電路，電源電路以及與按鍵相應(yīng)的繼電器控制家用電器電路。紅外信號(hào)的發(fā)射采用脈沖個(gè)數(shù)編碼的方式，根據(jù)不同的按鍵設(shè)定不同的編碼，通過軟件實(shí)現(xiàn)解碼，從而控制相應(yīng)電器的開和關(guān)。通過硬件和軟件相結(jié)合的方式，此設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了手持遙控器，按下一個(gè)按鍵，相應(yīng)的電器接通電源開始工作，并顯示按鍵號(hào)碼，再按一下，該電器切斷電源停止工作。此設(shè)計(jì)具有操作碼個(gè)數(shù)可隨意設(shè)定，編程靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；紅外；編碼解碼 ABSTRACT The aid of this ariticle is to search a way to Key Words：MCU;Inframed; 目 錄 1 引言 1 1.1智能家居的發(fā)展 1 1.2微處理器的功能及其應(yīng)用 1 1.3通信技術(shù)的發(fā)展及其前景 1 2 系統(tǒng)原理和部分方案比較 3 2.1系統(tǒng)原理綜述 3 2.2課題總體要求 5 2.3 系統(tǒng)各部分方案比較 6 2.3.1控制方式比較 6 2.3.2 信號(hào)處理方案 7 2.3.3 微處理器的選擇 8 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 9 3.1 系統(tǒng)工作原理流程 9 3.2 系統(tǒng)主控制器選擇 12 3.2.1 單片機(jī)（MCU）概述 12 3.2.2 MCU芯片簡(jiǎn)介及器件選擇 14 3.2.3 AT89S52簡(jiǎn)單介紹說明 15 3.3 信號(hào)的發(fā)射接收電路 9 3.3.1 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì) 9 3.3.2 紅外接收電路設(shè)計(jì) 9 3.4 遙控鍵盤電路 10 3.4.1 按鍵安裝方法 9 3.4.2 矩陣掃描 9 3.4.3 健功能 9 3.5數(shù)碼顯示電路 10 3.5.1 驅(qū)動(dòng)電路 9 3.5.2 數(shù)字顯示電路 9 3.6 繼電器控制家電輸出電路 9 3.6.1 繼電器原理 9 3.6.2 控制電路 9 4 程序控制 11 4.1系統(tǒng)軟件介紹 11 4.2總程序流程 11 4.3程序 11 4.4系統(tǒng)整體電路圖 11 5 開發(fā)環(huán)境及程序下載 3 5.1 開發(fā)環(huán)境 3 5.2 程序下載 5 5.2.1系統(tǒng)下載 6 5.2.2 外加軟件下載 7 6 系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)記錄 9 6.1 軟件測(cè)試 9 6.1.1 功能仿真 12 6.2.2 14 6.2 硬件測(cè)試及仿真 12 6.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄 12 7 課題相關(guān)技術(shù)發(fā)展前景 3 結(jié) 論 12 參考文獻(xiàn) 13 附錄1： 程序 14 附錄2： 系統(tǒng)電路圖 14 附錄3： 系統(tǒng)PCB圖 14 致 謝 15 1 引言 當(dāng)今社會(huì)是數(shù)字化的社會(huì)，也是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會(huì)。而數(shù)字集成電路本身也在不斷地進(jìn)行更新?lián)Q代，不斷的進(jìn)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（VLSIC，幾萬門以上）以及具有許多特定功能的專用集成電路（ASIC）。并且在現(xiàn)代高新電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中，數(shù)字集成電路技術(shù)和現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)技術(shù)是相互促進(jìn)、相互推動(dòng)又相互制約的兩個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。前者的進(jìn)步就表現(xiàn)在大規(guī)模集成電路加工技術(shù)，即半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展上；而后者的核心則是EDA（電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）技術(shù)，它使得設(shè)計(jì)者的工作僅限于軟件的方式，即利用硬件描述語(yǔ)言（本文只涉及到VHDL硬件描述語(yǔ)言）和EDA軟件來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的實(shí)現(xiàn)，避免了硬件電路在搭接時(shí)所出現(xiàn)的問題。 1.1 ASIC技術(shù)促使可編程邏輯器件發(fā)展 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)與制造集成電路的任務(wù)已經(jīng)不再由某個(gè)大規(guī)模的生產(chǎn)廠商來獨(dú)自承擔(dān)了，更甚至于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們都愿意自己設(shè)計(jì)專用集成電路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的設(shè)計(jì)周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計(jì)出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中。也就是這種現(xiàn)場(chǎng)可用的思想促成了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPLD）的出現(xiàn)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）了［１］~［２］。 對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，在以前的很長(zhǎng)一段時(shí)間里，設(shè)計(jì)某個(gè)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(jī)，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(fù)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(duì)某一個(gè)特定的功能而設(shè)計(jì)的，對(duì)今后系統(tǒng)的升級(jí)和功能擴(kuò)展都非常困難。顯然這樣的單片機(jī)在某種程度上已經(jīng)不能再滿足設(shè)計(jì)要求了。而CPLD（或FPGA）芯片作為一種新興的設(shè)計(jì)器件，在技術(shù)上與單片機(jī)相比有很多優(yōu)勢(shì)，光說其實(shí)現(xiàn)的工藝就有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)等。實(shí)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(shè)計(jì)具有很強(qiáng)的靈活性。這些PLD器件的一個(gè)共同特點(diǎn)，就是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，可見用這種CPLD芯片進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，只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(qiáng)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EEPROM、Flash。因此，開發(fā)出來的系統(tǒng)具有可升級(jí)性(內(nèi)部程序可擦除，進(jìn)行重新燒寫)，用戶可以根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行功能擴(kuò)展，既可以縮短系統(tǒng)開發(fā)周期，又可以減少開資。 利用EDA技術(shù)（CPLD/FPGA）進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)，是完成專用集成電路ASIC的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，而在電子科技高速發(fā)展的當(dāng)今，再加上上述CPLD/FPGA（復(fù)雜可編程邏輯器件/現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的各種優(yōu)點(diǎn)，它以成為實(shí)現(xiàn)這一途徑的主流器件。其特點(diǎn)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(cè)試和實(shí)現(xiàn)快捷，開發(fā)效率高，成本低，上市時(shí)間短，技術(shù)維護(hù)簡(jiǎn)單，工作可靠性能好。例如Altera公司最新生產(chǎn)的MAXII系列PLD ，這是一種基于FPGA（LUT）結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的PLD，在本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置時(shí)間極短，上電就可以工作，所以對(duì)用戶來說，感覺不到配置過程，可以與傳統(tǒng)的PLD一樣使用，加上容量和傳統(tǒng)PLD類似，所以Altera公司把它歸作PLD。 還有像Lattice公司的XP系列FPGA，也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PLD類似，但是因?yàn)槿萘看?，性能和傳統(tǒng)與FPGA相同，也是LUT架構(gòu)，所以Lattice仍把它歸為FPGA之列?？傊捎谝陨系母鞣N突出優(yōu)點(diǎn)，CPLD或FPGA芯片已成為大多數(shù)電子設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行電子設(shè)計(jì)的首選器件。 1.2 CPLD（FPGA）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制 把以CPLD（或FPGA）芯片為核心，作為主控制器開發(fā)出來的各種測(cè)量及控制系統(tǒng)，作為家用電子產(chǎn)品的一個(gè)組成部分嵌入某個(gè)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(shí)代感，這也是家用電子產(chǎn)品的發(fā)展方向和趨勢(shì)所在。有的家用電器領(lǐng)域要求增加顯示、報(bào)警和自動(dòng)診斷等功能。這就要求我們生產(chǎn)的產(chǎn)品具有自動(dòng)控制系統(tǒng)。而所謂的自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)主要是由計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)總體的分析、設(shè)計(jì)、仿真及建模等工作；在線控制就是以計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)位于其中，并成為控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)及信號(hào)處理系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。這類控制由于需要有像計(jì)算機(jī)一樣的智能控制系統(tǒng)身處其中，因此對(duì)控制系統(tǒng)有體積小、功耗低、價(jià)格低廉以及控制功能強(qiáng)大等要求，而為了滿足這些要求，就應(yīng)當(dāng)使用可編程邏輯器件的具體芯片來實(shí)現(xiàn)。例如：本文所研究的課題就是利用CPLD器件（EP1K100QC208-3）為主控芯片，來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體功能的。 然而，由于CPLD與控制對(duì)象聯(lián)系密切，所以設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)，不但對(duì)CPLD芯片的性能要求高，而且對(duì)設(shè)計(jì)者的要求也很高。他們不但要熟練掌握CPLD知識(shí)，而且還要了解控制對(duì)象，懂得傳感器技術(shù)，具有一定的控制理論知識(shí)等。還拿本文所研究的課題為例，除了利用CPLD具體芯片外，還用到了傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器以及放大顯示電路等，才實(shí)現(xiàn)完成了系統(tǒng)總體功能——檢測(cè)室溫顯示，并實(shí)現(xiàn)報(bào)警。 2 系統(tǒng)原理和部分方案比較 一個(gè)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(shí)現(xiàn)方法，才能完美而立于不敗之地。 2.1 系統(tǒng)原理概述 當(dāng)今社會(huì)，隨著現(xiàn)代測(cè)量、控制和自動(dòng)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(jì)算機(jī)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(duì)傳感器的要求可要比人的五官的要求高得多，并且傳感器的種類也在日益增多，涉及到的范圍也日益變廣。如AD公司生產(chǎn)的模擬電壓輸出型的溫度傳感器TMP35/36/37，它主要應(yīng)用于環(huán)境控制系統(tǒng)、過熱保護(hù)、工業(yè)過程控制、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、電源系統(tǒng)監(jiān)控以及儀器散熱風(fēng)扇的控制等。還有NATIONAL SEMICONDUCTOR生產(chǎn)的與微處理器相結(jié)合的測(cè)溫及溫度控制、管理的溫度測(cè)量控制器LM80，它主要應(yīng)用于個(gè)人計(jì)算機(jī)及服務(wù)器的硬件及系統(tǒng)的溫度監(jiān)控、辦公室設(shè)備、電子測(cè)試設(shè)備等。以及MAXIN公司生產(chǎn)的主要應(yīng)用于CPU冷卻控制的PWM風(fēng)扇控制器及遙控溫度傳感器MAX1669。因此，測(cè)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(huì)出現(xiàn)不同的測(cè)溫偏差，而TMP35/36/37，LM80，MAX1669這些傳感器的造價(jià)又太高，在相同條件下，由于測(cè)溫精度、處理精度等多方面的因素，不同的通道也會(huì)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LM35D。它的線性好（10mV/℃），寬量程（0--100℃），精度高（+0.4℃ ），低成本，而且采集到的是電壓型信號(hào)，易于處理，使得電路簡(jiǎn)單實(shí)用［3］。 如上所述，本課題的設(shè)計(jì)就是利用溫度傳感器LM35D來采集溫度信號(hào)的，隨后將采集到的微弱模擬電壓信號(hào)經(jīng)過放大器OP07放大十倍后送入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0804），將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，再傳給CPLD芯片（這里用到的型號(hào)是EP1K100QC208-3），即該系統(tǒng)的核心部件，通過硬件描述語(yǔ)言（VHDL）編程進(jìn)行信號(hào)處理，然后經(jīng)過預(yù)先設(shè)置好的端口將數(shù)字信號(hào)傳送給74LS138譯碼器以及驅(qū)動(dòng)器CD4511和報(bào)警器，使LED八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示室溫和實(shí)現(xiàn)報(bào)警。經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，用該方法對(duì)0℃--100℃范圍的溫度測(cè)量時(shí)，測(cè)量誤差為+0.4℃，可靠性好、抗干擾性能強(qiáng)。采用CPLD芯片作為核心監(jiān)控器對(duì)外界溫度進(jìn)行測(cè)量，這樣，既可以降低對(duì)溫度傳感器和放大電路的要求，從而降低成本，又可以針對(duì)不同外部環(huán)境或不同通道對(duì)溫度顯示的顯示監(jiān)控設(shè)定進(jìn)行靈活修改，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。 2.2 課題總體要求 (1) 利用電壓型溫度傳感器LM35D作為信息采集器件采集室溫并產(chǎn)生10mv/℃的電壓信號(hào)； (2) 利用OP07放大器將微弱的電壓信號(hào)放大預(yù)先設(shè)置好的倍數(shù)，以驅(qū)動(dòng)后面電路； (3) 利用A/D轉(zhuǎn)換器將放大后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供系統(tǒng)處理； (4) 將數(shù)字信號(hào)送入CPLD芯片進(jìn)行處理； (5) 時(shí)時(shí)顯示轉(zhuǎn)換后的室溫，進(jìn)行監(jiān)控； (6) 溫度超過警戒溫度時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。 2.3 系統(tǒng)各部分方案比較 2.3.1 信號(hào)采集方案比較 在目前，信號(hào)采集有多種方法，而可用于本系統(tǒng)的溫度的信號(hào)采集大致有三種方法，下面分別介紹各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，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(hào)。用此方法可滿足40℃--90℃的測(cè)量范圍，但熱敏電阻的精度、重復(fù)性及其可靠性都比較差，并且對(duì)于檢測(cè)小于1℃的溫度信號(hào)時(shí)，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AD590采集室內(nèi)溫度信號(hào)。AD590具有較高精度和重復(fù)性（重復(fù)性優(yōu)于0.1℃），其良好的非線性可以保證優(yōu)于+0.2℃的測(cè)量精度，利用其重復(fù)性較好的特點(diǎn)，通過非線性補(bǔ)償，可以達(dá)到+0.2℃測(cè)量精度。 電流型溫度傳感器AD590是二端器件，它采用了一種獨(dú)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(biāo)，因而具有很高的精度。且其靈敏度為1uA/K，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(hào)損失和噪聲干擾的問題，因此特別適合做遠(yuǎn)距離測(cè)量或控制應(yīng)用。出于同樣的道理，AD590也特別適用于多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)，而不必考慮選擇開關(guān)或CMOS多路轉(zhuǎn)換開關(guān)所引入的附加電阻造成的誤差。 但是，由于AD590采集到的信號(hào)是電流信號(hào)，所以在將數(shù)據(jù)傳給ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器之前，必須先把電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，在此期間不但造成了一定的信號(hào)損失，又影響了精度，這就要求我們?cè)贏/D轉(zhuǎn)換器前設(shè)計(jì)一個(gè)信號(hào)保持電路。這樣一來，用AD590來檢測(cè)、采集室溫的電路就顯得很復(fù)雜。而且，在高精度測(cè)溫電路中，還必須考慮AD590的輸出電流不被分流影響，因此也放棄使用本方案。 方案三：采用電壓型溫度傳感器LM35D采集溫度信號(hào)。LM35D是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10mV/℃。并且，LM35D無需外部校準(zhǔn)或微調(diào)來提供±0.4℃的常用的室溫精度，就把信號(hào)損失減少到了最小。而又因?yàn)樗木€性性極好，所以編程時(shí)很容易實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)于本課題來說，選用此方案。 2.3.2 模擬信號(hào)數(shù)字化處理方案 由于整個(gè)系統(tǒng)主要是處理數(shù)字信號(hào)而進(jìn)行工作的，所以當(dāng)由傳感器采集到模擬信號(hào)后，必須先進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換才能夠使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行工作。而對(duì)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器件的選擇，本課題用的是ADC0804，即系統(tǒng)采用ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為模擬信號(hào)數(shù)字化的器件，進(jìn)行數(shù)字化處理，為系統(tǒng)提供數(shù)字信號(hào)量的。 2.3.3 信號(hào)處理方案 本系統(tǒng)利用CPLD芯片進(jìn)行信號(hào)處理。將經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)送入CPLD芯片，進(jìn)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(jìn)一步時(shí)時(shí)顯示室內(nèi)溫度和報(bào)警，達(dá)到時(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。也就是說采用CPLD芯片作為系統(tǒng)信號(hào)處理主控制器。 2.3.4 顯示部分方案比較 方案一：以前的電子工程師們進(jìn)行電子設(shè)計(jì)時(shí)，大部分都使用單片機(jī)通過串口通信線TXD、RXD（P3.0、P3.1），再加移位寄存器74LS164來實(shí)現(xiàn)LED的顯示功能，如圖2-1所示。這樣一來，使得每一個(gè)LED數(shù)碼管都需要一片74LS164，使得電路比較麻煩，并且與單片機(jī)接口的編程程序不易實(shí)現(xiàn)，所以本課題放棄使用次方案。 LED LED 74LS164 74LS164 RXD TXD 圖2-1 通過串口通信線TXO 、RXD實(shí)現(xiàn)LED顯示功能 方案二：近年來，國(guó)內(nèi)外有許多基于串行總線方式的LED顯示器接口芯片不斷出現(xiàn)，這些芯片與另一種功能更強(qiáng)、速度更快的控制芯片連接，可實(shí)現(xiàn)以往單片機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的多種功能，并且具有占用I/O口線少，進(jìn)行功能擴(kuò)展方便，使用起來十分容易等特點(diǎn)，這就是用EDA技術(shù)來開發(fā)的CPLD芯片，因此本系統(tǒng)選用此方案。 在選用CPLD芯片后，再選用3個(gè)共陰極的8段數(shù)碼顯示管（TOD5201AE）來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，用CPLD已經(jīng)編好的程序來驅(qū)動(dòng)一片CD4511和一片74LS138就可以控制段碼和位選，以實(shí)現(xiàn)溫度顯示的功能。 2.3.5 系統(tǒng)報(bào)警方案設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)開始時(shí)，想要的系統(tǒng)功能之一，是想讓在室溫達(dá)到并超過警戒溫度時(shí)，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)報(bào)警，給人以提示。在此，可用一個(gè)風(fēng)鳴器和一個(gè)三極管放大電路來實(shí)現(xiàn)報(bào)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(shè)計(jì)方案 3.1 系統(tǒng)工作原理流程 根據(jù)課題設(shè)計(jì)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10mV/℃的電壓信號(hào)，隨后，將該信號(hào)送入放大器進(jìn)行放大，再把此放大后的信號(hào)送給A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，之后由CPLD芯片編程處理，即通過CPLD芯片編程設(shè)定上下限報(bào)警溫度，并顯示轉(zhuǎn)換后的室溫。具體流程圖如圖3-1所示。 CPU控制電路 A/D轉(zhuǎn)換電路 放大電路 傳感器控制電路 譯碼驅(qū)動(dòng)電路 顯示電路 報(bào)警電路 　　　　　　　　　 圖3-1 系統(tǒng)流程圖 在溫度信號(hào)采集電路中采用方案三，使用線性成比例（10mV/℃）的電壓型溫度傳感器采集信號(hào)，之后，將微弱電壓信號(hào)經(jīng)過整個(gè)硬件與軟件系統(tǒng)放大100倍后的電壓信號(hào)使其顯示就是室溫。首先，使采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過放大電路放大十倍后送入A/D轉(zhuǎn)換器（ADC0804）。在此，將ADC0804的基準(zhǔn)電壓設(shè)為2.5V，由于它為8位轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部轉(zhuǎn)換關(guān)系將輸入信號(hào)擴(kuò)大50倍后，才將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。之后，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)傳給CPLD芯片（EP1K100QC208-3），通過VHDL編程將擴(kuò)大了500倍的信號(hào)縮小5倍，即可將輸入的微弱電壓信號(hào)最終放大100倍，現(xiàn)在的電壓值便是室溫值。然后經(jīng)過設(shè)置的I/O口將數(shù)字信號(hào)傳送給74LS138譯碼器以及驅(qū)動(dòng)器CD4511和報(bào)警器，使LED八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示室溫和實(shí)現(xiàn)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能。 3.2 傳感器及放大電路 3.2.1 電壓型溫度傳感器LM35D 如圖3-2所示，是一般傳感器的工作原理方框圖。 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 測(cè)量電路 輔助電源 非電量 電量 圖3-2 傳感器原理框圖 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)所用的傳感器為L(zhǎng)M35D，它是LM35系列的一種，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（10.0mV/℃），如圖3-3所示其關(guān)系[3]。 U(V) 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 T(℃) 圖3-3 傳感器溫度電壓關(guān)系曲線 因而LM35系列有優(yōu)于用開爾文作為標(biāo)準(zhǔn)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TO-46晶體管封裝，也適合用塑料TO-92晶體管封裝。其特性如下： (1) 直接用攝氏溫度校準(zhǔn)，線性+10.0mV/℃比例因數(shù)； (2) 在-55～+150℃額定范圍內(nèi)保證0.5℃精度（在+25℃時(shí)）； (3) 適用于遙控設(shè)備，因晶體片微調(diào)而低費(fèi)用； (4) 工作在4～30V，小于60μA漏泄電流，有較低自熱，在靜止空氣中0.08℃； (5) 只有±1/4℃非線性值，低阻抗輸出，1mA負(fù)載時(shí)0.1Ω。 　 LM35系列中的LM35D的工作電壓為4V～20V，故可直接用溫控電路的電源，但要加一個(gè)隔離二極管及平滑電容C。LM35D測(cè)溫范圍0℃～100℃，輸出電壓直接與攝氏溫度成比例，靈敏度為10mV/℃。將其輸出電壓接2V直流電壓擋數(shù)字萬用表，可讀出的分辨率為0.1℃的溫度讀數(shù)。例如：室內(nèi)溫度是28.7℃，那么其轉(zhuǎn)換關(guān)系是 28.7℃×10 mV/℃=287mV （3.1） 則表上的讀數(shù)就為287mV，即反映室內(nèi)溫度：28.7℃。 圖3-4 LM35D的引腳及封裝 集成溫度傳感器LM35D是把測(cè)溫傳感器與放大電路做在一個(gè)硅片上，形成一個(gè)集成溫度傳感器，它的外形與封裝如下圖（見圖3-4）。圖3-4 LM35D是一種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±0.5℃，靜態(tài)電流為80uA。該器件如塑封三極管（TO-92）。該溫度傳感器最大的特點(diǎn)是使用時(shí)無需外圍元件，也無需調(diào)試和較正（標(biāo)定）。如下圖所示（圖3-5）是LM35D的典型測(cè)溫電路及其轉(zhuǎn)換電路的接口電路。 圖3-5 LM35D的典型測(cè)溫電路及與轉(zhuǎn)換電路接口 在圖3-5中，經(jīng)LM35D輸出端輸出的信號(hào)經(jīng)過了由75的電阻和1uF的電容構(gòu)成的積分濾波網(wǎng)絡(luò)，可濾除其他的雜質(zhì)信號(hào)，使采集到的與溫度成比例（10mV/℃）的電壓信號(hào)更加穩(wěn)定，之后再將溫度信號(hào)經(jīng)過放大器送給ADC0804進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 3.2.2 放大電路設(shè)計(jì) 圖3-6 系統(tǒng)的放大電路部分 如圖3-6所示，為系統(tǒng)的放大電路部分，電壓型溫度傳感器LM35D采集到的室溫為很微弱的模擬量。例如：若室溫為26℃，那么經(jīng)LM35D采集后得到的電壓信號(hào)為0.26 V，這樣一個(gè)微弱的電壓信號(hào)，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(hào)在整個(gè)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(dòng)電路，即可在LED數(shù)碼管上顯示室溫，達(dá)到目的。如圖所示，在放大電路中，取R6為1K是為了好計(jì)算放大倍數(shù)，R5用20K的滑動(dòng)變阻器使這個(gè)0.26 V的微弱電壓信號(hào)可以在0--20的放大倍數(shù)范圍內(nèi)可調(diào)，在此，將其放大10倍，因此需要將R5調(diào)至10K。這樣經(jīng)放大器OP07放大后從第6腳輸出的電壓信號(hào)就為放大十倍的2.6V。這樣就足以驅(qū)動(dòng)后面的電路進(jìn)行工作，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。 3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路部分分析 3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器 隨著數(shù)字技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測(cè)領(lǐng)域中，為提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對(duì)信號(hào)的處理無不廣泛的采用了數(shù)字計(jì)算機(jī)。但由于系統(tǒng)的實(shí)際對(duì)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(jì)算機(jī)或數(shù)字儀表能識(shí)別和處理這些信號(hào)，首先就必須將這些模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，這樣就需要一種能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的電路——模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）。而為了將時(shí)間和幅值都連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為時(shí)間和幅值都離散的數(shù)字信號(hào)，一般要經(jīng)過四個(gè)過程[5]，如圖3-7所示。 取 樣 保 持 量 化 編 碼 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 圖3-7 模數(shù)轉(zhuǎn)換流程 而在實(shí)際電路中，上述四個(gè)過程中有的是合并進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)的。具體介紹如下： (1) 取樣與保持 取樣是將隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換為時(shí)間離散的模擬量（這里要注意的是取樣以后信號(hào)依然是模擬量）。取樣的過程示意圖如圖3-8 所示。 Vo(t) Vi(t) TG S(t) 圖3-8 取樣過程 圖中的傳輸門受取樣信號(hào)S（t）的控制，在S（t）的脈寬τ期間，傳輸門導(dǎo)通，輸出信號(hào)Vo（t）為輸入信號(hào)Vi(t)，即Vo(t)=Vi(t)，而在（Ts－τ）期間，傳輸門關(guān)閉，輸出信號(hào)Vo（t）=0。可見，取樣就是在一個(gè)固定的時(shí)間點(diǎn)上采集一個(gè)模擬信號(hào)的具體值，而要將取樣得來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)得經(jīng)過一段時(shí)間，所以有必要將取樣電路每次取得的信號(hào)通過保持電路保持一段時(shí)間，以便給后續(xù)的量化編碼提供一個(gè)穩(wěn)定值，即使用保持電路使整個(gè)系統(tǒng)更加協(xié)調(diào)穩(wěn)定。 (2) 量化與編碼 數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)間上是離散的，而且在幅值上也是不連續(xù)的。任何一個(gè)數(shù)字量的大小只能是某個(gè)規(guī)定的最小數(shù)量單位的整數(shù)倍。為了將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，在A/D轉(zhuǎn)化過程中，還必須將取樣-保持電路的輸出電壓，按某種近似方式歸化到與之相應(yīng)的離散電平上。這一轉(zhuǎn)化過程稱為數(shù)值量化，簡(jiǎn)稱量化。量化后的數(shù)值最后還必須用某一個(gè)代碼表示出來，這個(gè)過程就叫做編碼。經(jīng)編碼得到的代碼就是A/D轉(zhuǎn)換器的最后輸出量，就是表示模擬信號(hào)大小的數(shù)字信號(hào)量。 3.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 近年來，A/D轉(zhuǎn)換器隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展而日新月異，各種性能優(yōu)異的A/D轉(zhuǎn)換器層出不窮。早期的A/D轉(zhuǎn)換器與CPU接口一般采用并行總線方式，現(xiàn)在一些采用I2C、SPI 總線的新型A/D轉(zhuǎn)換器相繼被國(guó)外一些公司推出，極大地豐富了A/D轉(zhuǎn)換器的種類。 A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)前向通道中被測(cè)量對(duì)象的精度有關(guān)。一般情況下，由于客觀條件的影響，電路設(shè)計(jì)中A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率要高于被測(cè)量對(duì)象的信號(hào)最低分辨率。假如，我們要測(cè)量一組電源電壓，其電壓的輸出范圍是0—10V，如要求精確到0.1V，即分辨率為0.1/10=1%,那么在實(shí)際應(yīng)用中我們選擇分辨率為1/256=0.4%的8位A/D轉(zhuǎn)換器便可滿足要求。當(dāng)然，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越多，分辨率也就越高，但是成本也就隨之愈高。因此在實(shí)際電路的設(shè)計(jì)中，選擇A/D轉(zhuǎn)換器也不能一味強(qiáng)調(diào)位數(shù)，應(yīng)該在滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的前提下，追求最高的性能價(jià)格比。 目前，被廣泛使用的A/D轉(zhuǎn)換器種類很多，從接口協(xié)議上分為串行和并行兩種方式。串行接口的A/D轉(zhuǎn)換器占用較少的CPU外部I/O資源，主要采用的協(xié)議有SPI和I2C等方式，程序設(shè)計(jì)較并行接口略顯繁瑣，典型的芯片有TI公司的TLC2543\1543等等。并行接口的A/D轉(zhuǎn)換器芯片目前仍占多數(shù)，流行的有ADC0804、ADC0809 、AD574等等。而本課題的設(shè)計(jì)使用的是ADC0804來完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變的。下面就來介紹A/D 轉(zhuǎn)換芯片的硬件設(shè)計(jì)方法。 3.3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 圖3-9 A/D轉(zhuǎn)換電路 如圖3-9 所示，是A/D轉(zhuǎn)換器ADC0804的硬件設(shè)計(jì)電路，其中ADC0804是逐次逼近型8位8通道A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的主要技術(shù)指標(biāo)是：8位分辨率，±1/2LSB的轉(zhuǎn)換精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為100us（時(shí)鐘頻率為640KHZ時(shí)），電源電壓為單電源5V。其引腳中DB0—DB7為8位數(shù)字信號(hào)輸出端(即轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量)，VCC為電源端，GND為接地端，VREF為參考電壓輸入端，CLK是時(shí)鐘信號(hào)輸入端，第6腳接的是放大器送出的溫度信號(hào)量。 信號(hào)從ADC0804的第6腳送入，R3與C3通過ADC0804的19腳（CLKR）接地與4腳（CLK）向內(nèi)部電路提供時(shí)鐘信號(hào)，以給ADC0804一個(gè)正確的時(shí)序，使其正確工作。 如果從量程為0--100℃LM35D采集到最高溫度100℃，那么由于LM35D靈敏度為10mV/℃以及經(jīng)過放大器OP07后放大十倍，則傳到ADC0804輸入腳VI+的電壓信號(hào)為10V，再經(jīng)過ADC0804內(nèi)部的輸入電壓與基準(zhǔn)電壓的公式（如下）放大50倍(此50倍為數(shù)字量的50倍)： （Ui/VREF*2）*256 (3.2) 其中“*”符號(hào)表示乘的意思，Ui表示為輸入電壓，即VI+，VREF為ADC0804內(nèi)部設(shè)定的基準(zhǔn)電壓（隨時(shí)可以更改）。如下圖（圖3-10）是A/D轉(zhuǎn)換過程： Ve Vx （1000）（0100）（0110）（0111） t 圖3-10 A/D轉(zhuǎn)換過程原理圖 在硬件設(shè)計(jì)中，我們將基準(zhǔn)電壓（VREF）調(diào)至2.5V，將VI+=10V代入上公式則可得ADC0804的輸出為10V電壓的256/5≈50倍，將其送入電路的信息處理部分—CPLD芯片，再利用軟件的方法將結(jié)果除以5便可達(dá)到最終的放大目的，之后送入驅(qū)動(dòng)電路使其顯示出最大溫度為100℃。由于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率為1/256=0.4%，我們將最高溫度設(shè)為100℃的話，可得它的測(cè)量精度為100/256=0.4℃。那么如果將最高溫度設(shè)為50℃，我們可得它的溫度范圍為0--50℃，測(cè)量精度為50/256=0.2℃。為了提高精度，我們將最高報(bào)警溫度設(shè)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ADC0804輸入角VI+的電壓信號(hào)為2.6V，將其代入上公式則可得ADC0804的輸出為2.6V電壓的256/5≈50倍的二進(jìn)制數(shù)，將其送入系統(tǒng)的主控制器，我們?cè)倮密浖姆椒▽⒔Y(jié)果除以5便可得送入驅(qū)動(dòng)電路使其顯示出的溫度為26℃。在這個(gè)轉(zhuǎn)換電路中，ADC0804起著兩個(gè)作用，一是將模擬量轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的數(shù)字量，二是將此輸入信號(hào)在放大電路放大10倍后再放大50倍。 ADC0804由CPLD芯片預(yù)設(shè)控制端啟動(dòng)，它與CPLD的接口電路工作的流程圖如圖3-11所示。 經(jīng)ADC0804轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)通過DB0---DB7端口傳CPLD芯片的預(yù)設(shè)輸入端，供后面編程控制，使其縮小5倍，然后顯示室溫。CS端為ADC0804的片選信號(hào)端，低電平有效。、分別為寫、讀端，將其與CPLD芯片的寫、讀端相連。INTR端為中斷口，當(dāng)其為高電平時(shí)表示轉(zhuǎn)換完成，之后，送中斷信號(hào)給單片機(jī)，等待CPLD芯片發(fā)出信號(hào)接收轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)?？梢?，在整個(gè)系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換電路起著至關(guān)重要的作用。它的設(shè)計(jì)好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。 通道、數(shù)據(jù)地址初始化 啟動(dòng)ADC0804 CS=0？ 數(shù)據(jù)區(qū)地址加一 8個(gè)通道采集結(jié)束 讀A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū) 結(jié)束 是 是 否 否 圖3-11 ADC0804工作流程圖 3.4 系統(tǒng)主控制器選擇 3.4.1 CPLD(FPGA)概述 集成電路的發(fā)展大大促進(jìn)了EDA的發(fā)展，從而使電路設(shè)計(jì)從傳統(tǒng)的“自上而下”的設(shè)計(jì)方法轉(zhuǎn)變?yōu)椤白韵露稀钡脑O(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)師們都希望自己設(shè)計(jì)的芯片能夠反映自己的思想，并且能夠及時(shí)的投入生產(chǎn)使用，這都有益于可編程邏輯器件（PLD）的出現(xiàn)。 現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的PLD主要是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield programmable Gate Array）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD，Complex Programmable Logic Device）［7］~［9］。 可編程邏輯器件（PLD，Programmable Logic Device）是ASIC的一個(gè)重要分支，其發(fā)展歷程大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段： (1) 20世紀(jì)70年代，熔絲編程的PROM和PLA器件是最早的可編程邏輯器件。 (2) 20世紀(jì)70年代末，對(duì)PLA進(jìn)行了改進(jìn)，AMD公司推出PAL器件。 (3) 20世紀(jì)80年代初，Lattice公司發(fā)明電可擦寫的，比PAL使用更靈活的GAL器件。 (4) 20世紀(jì)80年代中期，Xilinx公司提出現(xiàn)場(chǎng)可編程概念，同時(shí)生產(chǎn)出世界上第一塊 FPGA芯片，并且，Altera公司推出EPLD器件，較之Gal器件具有更高的集成度，可用電或紫外線擦除。 (5) 20世紀(jì)80年代末，Lattice公司又提出系統(tǒng)可編程技術(shù)，推出一系列具備系統(tǒng)可編 程能力的CPLD器件，能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的邏輯功能。 (6) 20世紀(jì)90年代，可編程邏輯集成電路技術(shù)進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)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、RAM、CPU核、DSP核、PLL等)的SOPC。 總的說來，PLD器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(duì)器件編程實(shí)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(shè)計(jì)周期短，而且可靠性高，風(fēng)險(xiǎn)小，因而很快得到普及應(yīng)用，發(fā)展非成迅速。從20世紀(jì)70年代發(fā)展到現(xiàn)在，PLD已經(jīng)在各個(gè)方面的工藝上取得了突破和不斷發(fā)展。經(jīng)歷了從PROM、PLA、PAL、GAL到CPLD（FPGA）、ispLSI等高密度的PLD發(fā)展過程。其中PAL和GAL都所于簡(jiǎn)單的PLD，它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，對(duì)開發(fā)軟件的要求低，但是規(guī)模都很小，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)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，CPLD等一系列的復(fù)雜PLD迅速的發(fā)展起來，并向著高密度，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(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD，復(fù)雜PLD。統(tǒng)稱將集成度達(dá)到一定程度的PLD器件叫做CPLD。），是20世紀(jì)80年代末Lattice公司提出的在線可編程（isp，In system programmability）技術(shù)以后，于20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的。它是在EPLD的基礎(chǔ)上，采用E2CMOS工藝制作發(fā)展起來的。與EPLD相比，它增加了內(nèi)部連線，對(duì)邏輯宏單元和I/O口都有重大的改進(jìn)。CPLD至少包括三個(gè)部分：可編程邏輯宏單元，可編程I/O單元和可編程內(nèi)部連線。典型的器件有Altera的MAX7000系列，Xilinx的7000和9500系列，Lattice的PLSI/ispLSI系列和AMD的MACH系列。 隨著數(shù)字邏輯系統(tǒng)功能復(fù)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(shí)，人們發(fā)現(xiàn)一個(gè)超大規(guī)模的數(shù)字時(shí)序系統(tǒng)芯片在工作時(shí)從時(shí)間軸上來看，并不是每一瞬間系統(tǒng)的各個(gè)部分都在工作，而系統(tǒng)是各個(gè)局部模塊功能在時(shí)間鏈上的總成。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，基于SRAM編程的CPLD/FPGA可以在外部邏輯的控制下，通過存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中不同的目標(biāo)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的重新下載，來實(shí)現(xiàn)芯片邏輯功能的改變。正是基于這個(gè)稱之為靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的技術(shù)，有人設(shè)想利用芯片的這種分時(shí)復(fù)用特性，用較小規(guī)模的CPLD（或FPGA）芯片來實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的數(shù)字時(shí)序系統(tǒng)。在研究過程中人們卻發(fā)現(xiàn)常規(guī)的SRAM的CPLD只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)。因?yàn)樵撔酒δ艿闹匦屡渲么蠹s需要數(shù)毫秒到數(shù)十毫秒量級(jí)的時(shí)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(shí)間軸上斷裂，系統(tǒng)功能無法動(dòng)態(tài)連接。要實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)重構(gòu)，要求芯片功能的重新配置時(shí)間縮短到納秒量級(jí)，這就需要對(duì)CPLD的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行革新。 在早期的CPLD中，由結(jié)構(gòu)相同的邏輯陣列組成宏單元模塊。對(duì)一個(gè)邏輯陣列單元來說，輸入項(xiàng)由專用的輸入端和I/O端組成，來自I/O端口輸入項(xiàng)，可通過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(xiàng)都經(jīng)過緩沖器驅(qū)動(dòng)，并輸出其輸入的原碼及補(bǔ)碼。可以看出，早期CPLD中的邏輯陣列結(jié)構(gòu)與PAL、GAL中的結(jié)構(gòu)極為類似，只是用EPROM單元取代了PAL中的熔絲和GAL中的EEPROM單元。和GAL一樣，CPLD可實(shí)現(xiàn)擦除和再編程功能。在基本結(jié)構(gòu)中，每個(gè)或門有8個(gè)固定乘積項(xiàng)，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(dāng)遇到復(fù)雜的組合邏輯時(shí)，需要的乘積項(xiàng)可能超過8個(gè)，這就要用兩個(gè)或多個(gè)邏輯單元來實(shí)現(xiàn)，致使器件的利用率不高。為此，目前的CPLD在邏輯陣列單元結(jié)構(gòu)方面做了很大的改進(jìn)，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： (1) 乘積項(xiàng)數(shù)目不同的邏輯陣列單元 對(duì)于復(fù)雜的邏輯器件來說，邏輯函數(shù)往往需要附加乘積項(xiàng)。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(kuò)展乘積項(xiàng)。達(dá)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(gè)或項(xiàng)輸出的邏輯陣列單元 每個(gè)邏輯陣列單元可以共享相鄰單元中的乘積項(xiàng)，也可以使本單元中的兩個(gè)或項(xiàng)都可用于相鄰的兩個(gè)單元中，這樣，既提高了器件內(nèi)部各單元的利用率，又可實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的邏輯功能。 CPLD的I/O口控制模塊，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(gè)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(gè)生產(chǎn)廠家可以根據(jù)不同的用途和使用對(duì)象的不同進(jìn)行選擇生產(chǎn)，以求達(dá)到最佳的生產(chǎn)和使用目的。 3.4.2 CPLD芯片簡(jiǎn)介及器件選擇 CPLD（或FPGA）的主要生產(chǎn)廠家是Altera公司、Xilinx、Lattice等，各自都有自己的產(chǎn)品特點(diǎn)。 (1) Altera公司CPLD的系列型號(hào) Altera公司多年來一直在PLD行業(yè)保持著領(lǐng)先地位，并在我國(guó)有著較多的用戶，該公司的PLD器件具有高性能、高集程度、高性價(jià)比、低功耗等特點(diǎn)。主要型號(hào)有膠合（glue）邏輯類的MAX系列，低價(jià)位的ACEX系列、高速FLEX系列、高密度的APEX系列等。而后來又推出的EPM系列和EPF系列的集程度更是大大提高，性能更加優(yōu)越。 在眾多的產(chǎn)品系列中，Altera公司推出的新型低成本CPLD器件—ACEX系列的主要特點(diǎn)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)（PLL）技術(shù)，與64位、66MHZ的PCI兼容；產(chǎn)品系列從原1.8v擴(kuò)展至2.5v；提供系統(tǒng)速度超過115MHZ的高性能功能。所以，ACEX系列是許多設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)選器件。 (2) Xilinx公司CPLD的系列型號(hào) Xilinx公司是在1985年首次推出CPLD器件的，隨后不斷的推出新的集程度更高、速度更快、價(jià)格更低的CPLD器件。其主要的CPLD器件以CoonRunner和XC9500兩大系列為代表。其中XC9500系列被廣泛應(yīng)用于通信、網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)等產(chǎn)品中。該系列器件采用快閃存技術(shù)，比E2CMOS技術(shù)工藝的速度更快，功耗更低。目前，Xilinx公司XC9500系列CPLD的tPD可達(dá)4ns，宏單元數(shù)可達(dá)288個(gè)，系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)200MHZ。XC9500系列器件支持PCI總線規(guī)范和JTAG邊界掃描測(cè)試功能，具有在系統(tǒng)可編程（isp）能力。該系列有XC9500、XC9500XV和XC9500XL三種類型，內(nèi)核電壓分別為5V、2.5V、3.3V，也就如前所說，其功耗很低。 (3) Lattice公司CPLD的系列型號(hào) Lattice公司是最早推出PLD器件的公司，20世紀(jì)90年代以來，Lattice公司首先發(fā)明了isp技術(shù)，并將E2CMOS與isp技術(shù)相結(jié)合，使CPLD的應(yīng)用領(lǐng)域有了巨大的發(fā)展。其產(chǎn)品主要有ispLSI、ispMACH等系列。集程度在1萬門到2.5萬門之間。工作電壓在3.3V，而其I/O口引腳可兼容5V、3.3V和2.5V等接口標(biāo)準(zhǔn)。可用于高位的數(shù)字系統(tǒng)中，準(zhǔn)確率很高。 其中ispLSI系列器件又分為四個(gè)系列：ispLSI1000系列、ispLSI2000系列、ispLSI6000系列和ispLSI8000系列。都可以滿足復(fù)雜程度很高的邏輯功能設(shè)計(jì)。 根據(jù)以上所述，各個(gè)廠家生產(chǎn)的CPLD芯片可謂各有各的優(yōu)點(diǎn)，功能都很齊全，而在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)CPLD芯片的選擇是選用了Altera公司ACEX1K系列的EP1K100QC208-3。因?yàn)楸救嗽谄綍r(shí)的實(shí)踐訓(xùn)練中用的多數(shù)都是此芯片，有較多的關(guān)于EP1K100QC208-3的資料可以查詢，對(duì)EP1K100QC208-3的大多性能都有了一定的了解，用起來可以得心應(yīng)手，并且與其他的CPLD芯片比起來，EP1K100QC208-3這一型號(hào)的優(yōu)點(diǎn)也很多，功能也很強(qiáng)大，故選擇該器件。 3.4.3 EP1K100QC208-3簡(jiǎn)單介紹說明 EP1K100QC208-3（管腳圖見附錄2）是Altera公司生產(chǎn)的ACEX1K系列中的一個(gè)型號(hào)。它一共有208個(gè)管腳，其中I/O口有124個(gè)，GNDIN有20個(gè)，VCCIN有11個(gè)，VCCIO有14個(gè)，VCC_CLK和GND_CLK各有一個(gè)，另外還有時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入、專用程序下載口等一共是37個(gè)。在此芯片上有如此多的I/O口，其目的就是為了方便用戶可以任意定義信號(hào)的輸入輸出口，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯功能。這也是CPLD的復(fù)雜功能所在，更是EP1K100QC208-3的用途所在。 3.5 報(bào)警電路 圖3-12 報(bào)警電路 由于由CPLD芯片的預(yù)設(shè)輸出口發(fā)出的電壓信號(hào)非常微弱，因此，需要將其放大，才能帶動(dòng)蜂鳴器使其工作。R8用一個(gè)滑動(dòng)變阻器使這個(gè)電壓信號(hào)的放大倍數(shù)可調(diào)，此報(bào)警電路的輸入引腳由CPLD芯片輸出端給，我們?cè)谙到y(tǒng)中設(shè)的下限報(bào)警溫度為10℃，上限報(bào)警溫度為30℃。在軟件設(shè)計(jì)中，當(dāng)由ADC0804采集到的溫度超出10—50℃的范圍，令CPLD芯片的固定輸出口為“1”，則可實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警，如圖3-12所示。 3.6 譯碼、驅(qū)動(dòng)電路 圖3-13 譯碼、驅(qū)動(dòng)電路 如圖3-13中所示，譯碼器74LS138與共陰極LED數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器CD4511是由CPLD的輸出口控制的，其中，P1、P2、P3與譯碼器的輸入相接，C為高位，A為地位。對(duì)四個(gè)共陰極數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)位選。在一個(gè)控制測(cè)試系統(tǒng)中，對(duì)共陰極LED顯示器的控制采用“接地方式”，即通過控制LED的“GND”引腳的電平高低來達(dá)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L3的位選線接低電平來達(dá)到目的，也就是使譯碼器輸出中的Y3為0，其他為1。本系統(tǒng)中，我們采用動(dòng)態(tài)顯示方式，因此，需要不斷的片選，而共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管負(fù)極接地，當(dāng)發(fā)光二極管的正極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。這就需要用CD4511來驅(qū)動(dòng)，例如：要顯示0字形時(shí)，需要LED顯示器的8個(gè)發(fā)光二極管“a，b，c，d，e，f，g”七個(gè)字段中的“a，b，c，d，e，f”亮，那么，就需要使CD4511輸出中的A、B、C、D、E、F為高電平。這是CD4511芯片內(nèi)部已設(shè)定好的，表3-1為CD4511芯片內(nèi)部的二進(jìn)制與輸入與輸出的對(duì)應(yīng)關(guān)系列表。 表3-1 CD4511輸入輸出邏輯對(duì)應(yīng)關(guān)系 D C B A dp 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 3.7 顯示電路（LED） 3.7.1 數(shù)碼管的選擇 在一個(gè)控制應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示是人機(jī)通道的重要組成部分。目前廣泛使用的顯示器件主要有LED（二極管顯示器）、LCD（液晶顯示器）和VFD（真空熒光管）等。LED顯示器造價(jià)低廉，與核心控制設(shè)備接口方便靈活，技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，但只能顯示阿拉伯?dāng)?shù)字和少數(shù)字符，通常用于對(duì)顯示要求不高的場(chǎng)合。LCD和VFD顯示器成本較高，但可以顯示包括漢字在內(nèi)的多種字符，甚至是復(fù)雜的圖形和曲線，并且耗電極省，可廣泛用于各種終端設(shè)備，如PDA、手機(jī)、觸摸屏等等。本文主要介紹LED顯示方式，及本系統(tǒng)的選擇顯示方式。 LED顯示器的基本結(jié)構(gòu)和原理：LED顯示器采用發(fā)光二極管顯示字段。一般的控制電路系統(tǒng)中經(jīng)常采用的是八段顯示器，即LED顯示器中有8個(gè)發(fā)光二極管，代表“a，b，c，d，e，f，g”七個(gè)字段和一小數(shù)點(diǎn)“dp ”。再者LED有共陰和共陽(yáng)兩種結(jié)構(gòu)。共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管負(fù)極接地，當(dāng)發(fā)光二極管的正極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。而共陽(yáng)極LED顯示器正好相反，發(fā)光二極管正極相連，當(dāng)二極管的負(fù)極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。 在一個(gè)電子控制系統(tǒng)中，對(duì)共陰極LED顯示器的控制采用“接地方式”，即通過控制LED的“GND”引腳的電平高低來達(dá)到選通的目的，該引腳即通常所說的位選線。共陽(yáng)極LED顯示器控制方式則相反。兩種控制方式中，共陰極LED控制方式受系統(tǒng)器件功耗限制，只能用在小尺寸的LED顯示器中。對(duì)于大尺寸LED顯示器的控制（如大屏幕計(jì)時(shí)器）一般使用共陽(yáng)極方式。 LED的顯示和接口方式：LED數(shù)碼管的顯示有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方式。從接口上分又有并行和串行兩種，這要視接口和驅(qū)動(dòng)芯片而定。常用的并行LED接口芯片有8155、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CPU少數(shù)幾根I/O口線便可實(shí)現(xiàn)LED顯示功能。在靜態(tài)顯示方式中，多個(gè)LED顯示器中的每一個(gè)段代碼都與一個(gè)獨(dú)立的8位并行口連接，公共端則根據(jù)LED的種類（共陰或共陽(yáng)）連接到“GND”或“VCC ”上。假如有四位靜態(tài)LED顯示電路中，那么每個(gè)LED的段代碼都要有獨(dú)立的并行8位I/O口線控制，可以在同一時(shí)間內(nèi)顯示不同的字符。靜態(tài)LED顯示方式的優(yōu)點(diǎn)是編程容易，但功耗大，占用CPU的I/O口線較多，成本也較高。因此在電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)中較多使用的還是動(dòng)態(tài)顯示方式。所謂動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)質(zhì)上就是各個(gè)不同的LED顯示器按照一定的順序輪流顯示。它利用了人眼的“視覺暫留現(xiàn)象”，只要多個(gè)LED顯示器的選通掃描速率足夠快，人眼就覺察不到數(shù)碼管的閃爍現(xiàn)象。在動(dòng)態(tài)掃描方式下，所有LED段選線并聯(lián)在一起，只由一個(gè)8位的I/O口控制，而各個(gè)LED的位選線則由另外一組I/O口控制。動(dòng)態(tài)LED顯示方式的優(yōu)點(diǎn)是功耗較低，占用CPU的I/O線少，外圍接口簡(jiǎn)單，所以本系統(tǒng)便是采用了動(dòng)態(tài)LED顯示方式。 3.7.2 顯示電路設(shè)計(jì) 由于測(cè)量室溫的精度為0.2℃，因此，顯示中會(huì)出現(xiàn)小數(shù)點(diǎn)，在這里我們選用四個(gè)數(shù)碼管，第一個(gè)備用，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)選用的測(cè)溫元件為L(zhǎng)M35D，測(cè)溫范圍為0～100℃，當(dāng)不需要很大精度時(shí)，可以通過軟件將顯示范圍調(diào)到0～+100℃，也就是可以將上限報(bào)警溫度設(shè)置為100℃，這樣，顯示最高溫度再加上小數(shù)點(diǎn)后一位，就是四位顯示。為簡(jiǎn)單起見，顯示電路中的第三個(gè)數(shù)碼管中的dp位我們可以將其接個(gè)200 的電阻之后接+5V電壓，這樣，當(dāng)片選L3時(shí)，L3中的小數(shù)點(diǎn)便總是亮的。 4 程序控制 對(duì)于一個(gè)電子控制系統(tǒng)來說，程序設(shè)計(jì)及其控制，對(duì)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣和功能體現(xiàn)是相當(dāng)重要的。程序開始的初始化，控制信號(hào)的輸入輸出及其時(shí)序的先后，以及系統(tǒng)邏輯功能在程序中體現(xiàn)，都必須經(jīng)過非常嚴(yán)密思考，才能在程序上微妙不差的表現(xiàn)出來，下面簡(jiǎn)單介紹一下本課題程序的設(shè)計(jì)思想和功能。 4.1 系統(tǒng)軟件介紹 對(duì)于一個(gè)控制系統(tǒng)來說，軟件部分就是其“思維”過程，就是其工作時(shí)序關(guān)系的體現(xiàn)，并且規(guī)定該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，而本設(shè)計(jì)的軟件部分主要用來實(shí)現(xiàn)的功能如下： (1) 輸出信號(hào)控制ADC0804啟動(dòng)； (2) 將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行BCD調(diào)整，輸出代表十進(jìn)制數(shù)的信號(hào)； (3) 設(shè)定測(cè)量溫度的上下限，超過此溫度報(bào)警； (4) 調(diào)整系統(tǒng)的放大倍數(shù)； (5) 控制譯碼管及驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示； 4.2 總程序流程圖 利用程序軟件來完成對(duì)系統(tǒng)放大倍數(shù)的調(diào)整，并轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值和判斷報(bào)警界限，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。 A/D轉(zhuǎn)換器的始能端、轉(zhuǎn)換標(biāo)志、轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志以及數(shù)據(jù)輸出始能端的信號(hào)(電壓的高低電平)都是由程序控制CPLD芯片給出的，并且經(jīng)程序設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)高低溫度報(bào)警。整體流程圖如圖4-1所示， 啟動(dòng)ADC0804 采集信號(hào)