基于MSP430G2211实现的风速测试仪林凯Word文件下载.docx
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图1.1风速测试仪硬件组成框图
1.2.2软件设计方案
如图1.2,首先初始化单片机的内部和外部资源和设备,这些设备包括看门狗、时钟、I/O、定时器和液晶模块,然后开启I/O上升沿中断和定时器的1s中断,之后程序进入等待中断状态。
当I/O口捕捉到光电传感器输出的已经过滤波和整形后的脉冲信号的上升沿就进入IO中断,在中断内进行脉冲周期计数。
当1s定时中断到达时由I/O中断得到的计数值计算风扇当前的转速、将计数值清0并调用液晶显示程序。
图1.2风速测试仪程序框图
第二章硬件系统的设计
2.1MSP430G2系列LaunchPad开发板组成及硬件资源情况介绍
首先,LaunchPad是一个完整的开发板。
开发板上包括仿真器和目标芯片,通过仿真器我们可以在线控制CPU的运行以及查看硬件寄存器;
目标芯片就是我们编写的代码要下载到的芯片。
在图2.1所示的开发板照片中,照片中得黄色方框出来的是仿真器,蓝色方框出来的是目标板,也就是我们编写的代码最终要运行的地方。
LaunchPad开发板的内容包括如下:
(1)Lauchpad开发板
(2)MinUSB电缆
(3)两块MSP430G系列芯片
-MSP430G2231:
低功耗16位单片机,片上拥有10位8通道的ADC、2K容量的Flash和128Bytes的RAM
-MSP430G2211:
低功耗16位单片机,包括一个片上比较器以及2K容量的Flash和128Bytes的RAM
(4)2排10针的排针和2排10针的插座
(5)1只32.768KHz的晶体
图2.1LaunchPad开发板
大家拿到开发板的时候可以看到在仿真器中最大的那块芯片也是一款1xx系列MSP430单片机,但我们的代码并不是在这块单片机上运行的,这块单片机其实是充当了仿真器的功能,代码真正还是在目标板上运行。
在初学阶段不需要在仿真器上花时间,仅仅把它当做工具使用即可。
通过图片可以看到,仿真器和目标板是通过跳线连接的,其实这暗示着LaunchPad上的仿真器不止可以下载Gxxx系列的芯片,它还可以调试下载eZ430-RF2500T开发板、eZ430-2012/F2013T开发板以及eZ430-Chronos手表。
他还有一个重要的功能就是提供了目标板串口到PC的链接,串口速率为9600。
仿真器使用的是minUSB接口,USB电缆在开发套件中包含。
可以利用IAR(ForMSP430)集成开发环境或者TI自己推出的CCS(CodeComposerStudio)对应用进行仿真、调试以及下载。
仿真器对全速硬件断点以及单步执行是完全支持的。
目标板介绍
目标板上有一个20针的DIP插座可以用于更换MSP430单片机,芯片所有管脚全部通过开发板两侧的排阵引出,可以比较方便地进行拓展实验,比如焊上排阵插座后就可以使用触摸板(LaunchPad套件本身不包含)。
板上有2个LED和一个通用按键,还有一个按键旁边标有Reset是复位按键。
板上有很多的跳线J1和J2是将IO引出的,J3是用于和eZ430开发板连接的跳线。
J4是仿真器和目标板间连接跳线其功能如表2.1所示:
表2.1仿真器和目标板间连接的跳线
跳线
端子
信号
描述
1
Test
编程和测试期间JTAG引脚/Spy-Bi-Wire测试时钟输入的测试模式
2
RST
复位/Spy-Bi-Wire测试数据输入/编程和测试期间输出
3
RXD
通用异步收发器接收数据输入
4
TXD
通用数据收发器发送数据输出
5
VCC
目标板电源(功耗测试跳线端)
J5选择MSP430的IO接口P1.0和P1.6与LED连接,J6可用于外部供电。
具体的连接可以参考附录中的电路图(MSP-EXP430G2LaunchPadExperimenterBoardUser'
sGuide的电路图部分)。
2.2传感器选型和性能指标参数介绍
查阅文献资料发现,现在市场上关于电机产品的测速最常用的有两种方案,一种是光电传感器,还有一种是霍尔传感器。
本风速测试仪的设计采用单光束反射式光电传感器(ST188)——
1.特点:
(1)采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
(2)检测距离可调整范围大,4-12mm可用。
(3)采用非接触检测方式。
(4)与方向判别电路ST288A相结合使用可判别被测物的运动方向及正反转速测量、行程测量等。
2.外形尺寸(单位:
mm)
图2.2ST188外形尺寸和内部电路图
3.极限参数(Ta=25℃)
表2.2ST188极限参数
项目
符号
数值
单位
输
入
正向电流
IF
50
mA
反向电压
Vr
6
V
耗散功率
P
75
mW
出
集-射电压
Vceo
25
射-集电压
Veco
集电极电压
Pc
工作温度
Topr
-20~+65
℃
储存温度
Tstg
-30~+75
4.光电特性
表2.3ST188光电特性
测试条件
最小
典型
最大
单位
输入
正向压降
VF
IF=20mA
_
1.25
1.5
反向电流
IR
VR=3V
-
10
uA
输出
集电极暗电流
Iceo
Vce=20V
集电极亮电流
IL
Vce=5V
IF=8mA
L3
0.30
-
L4
0.40
-
L5
0.50
饱和压降
VCE
IF=8mAIc=0.15mA
0.4
传输特性
响应时间
Tr
IF=20mA,Vce=5V
Rc=100Ω
5
us
Tf
s
注:
集电极电流IL、饱和压降VCE、响应时间是在红外光电传感器前端面与亮检测面距离7mm处测得,其数值受亮检测面的表面光洁度及平整度影响。
图2.3正向电流与正向压降关系
说明:
图2.3为传感器典型曲线,仅供参考,具体的传感器与该曲线有一定差异。
5.应用电路
图2.4ST188测速应用电路图
注:
由于刚开始并不知道所购的CPU风扇带有测速信号输出端,故设计了基于FT188的风扇测速电路,这是完全可行的!
但考虑到传感器的固定比较难的问题,最终决定采用风扇内部输出的测速信号,而放弃了此电路的使用。
2.3单元电路的介绍
1.电机供电模块
图2.5电机供电电源
如图2.5,J1为开关电源的插头,接上开关电源后将S1的可动端拨到2,这时开关电源指示灯亮,当将S1的可动端拨到3,开关电源停止对系统供电。
R1为分压、限流作用,使LED上的导通电压、电流分别为1.8V和20mA。
C2是用来滤除电源的高频尖峰,C1是用来滤除LM317输出端上的纹波电压。
调节电位器R2,可使得LM317的输出电压在1.2~10.2V之间变化,使电机的转速随着电位器的旋转而发生变化。
2.测速信号的处理模块
图2.6电机速度信号处理
上图Freq接CPU风扇的转速脉冲的输出脚,由于该脚是一个开漏输出脚,所以用R5将其上拉至电源电压,然后经过简单的一阶RC低通滤波(截止频率为
),输出类似三角波(曲边三角形)的信号,经过三极管的整形后就成为已滤除高频窄脉冲干扰的脉冲信号。
3.核心板和扩展板供电电源模块
图2.73.3V电源产生模块
本来可以使用LaunchPad上下载程序时所用的USB电缆给板子供电,但这样板子得始终跟电脑相连,断开后就无法运行了,为了使用方便,故设计了由开关电源输出电压(12V)转3.3V供电模块,使板子在接通开关电源的情况下就可自行供电了。
如图2.7,LM1117输入端接10uF的电容旁路到地,可以将12V开关电源输出电压中得高频“尖峰”滤除;
在LM1117的输出端又用一大小为10uF的电容旁路到地这是为了滤除输出电压中的纹波。
图2.8电源滤波器图2.9电源指示灯
将核心板上的电源引到扩展板上时需要用一个电源滤波电容,滤除干扰,使扩展板获得一个干净的供电电源。
当然有一个电源指示灯的话,就能清楚的看到当前电源的供电是否正常。
4.核心板与扩展板连接模块
图2.10核心板与扩展板的连接
扩展板需要与核心板进行信号和供电电源的传输,这里通过排针及其插槽将核心板的各引脚引入到扩展板上。
5.12864液晶显示模块
图2.11液晶显示模块接线端图2.12液晶模块V0和VEE引脚与电位器接法
为了减少对IO的开销,这里选用了可以进行串行数据传输的型号为12864M1的点阵液晶模块,以下是关于该液晶模块的说明
(1)实物图
图2.1312864M1实物图
(2)模块特性
(a)可由动态方式驱动128×
64点阵显示。
(b)低功耗,供电电压范围宽。
(c)提供8位、4位及串行接口可选
(d)64×
16位字符显示RAM(DDRAM最多16字符×
4行,LCD显示范围16×
2行)
(e)2M位中文字型ROM(CGROM),总共提供8192个中文字型(16×
16点阵)
(f)16K位半宽字型ROM(HCGROM),总共提供126个西文字符(16×
8点阵)
(g)64×
16位字符产生RAM(CGRAM)
(h)15×
16位总共240点得ICONRAM(ICONRAM)
(i)自动复位(RESET)功能
(j)绘图及文字画面混合显示功能
(k)提供包括画面清除、游标归位、显示开/关、游标显示/隐藏、字符闪烁、游标移位、显示移位、垂直画面旋转、反白显示和睡眠模式等多功能指令。
(3)引脚特性
表2.4液晶模块各引脚说明
管脚名称
符号
电平
功能描述
VSS
0V
接地(GND)
VDD
3.3V
电源电压
V0
接电位器
液晶显示驱动电压调整端
4
RS/CS
H/L
并口模式寄存器选择
H:
数据,L:
指令
串口片选指令
有效,L:
失效
R/W/SID
并口模式H:
读L:
写
串口数据线
E/SCLK
并口:
读/写起始脚
串口连续时钟输入
7~10
DB0~DB3
数据低4位,4位并口及串口是悬空
11~14
DB4~DB7
数据高4位,串口时悬空,
DB7可作BUSY标志
15
PSB
8/4位数据接口模式
L:
串行接口模式
由硬件设置时,此脚悬空
16
NC
悬空
17
复位信号,选择硬件复位时,
此脚悬空
18
VEE
液晶显示器驱动电压
19
BLA
背光正
20
BLK
背光负
本次设计中由于采用串口传送的方式可大大节省IO口的开销,只需将电源端和背光正引脚接正电源,接地引脚和背光负引脚接地,V0和VEE分别接1K电位器的可动端和一固定端,电位器的另一固定端接地。
由于串口液晶采用
的接口方式,所以只需两个IO口作为串口数据和连续时钟输出端口即可。
(4)原理图
图2.14液晶模块原理图
(5)最大工作范围
(a)逻辑工作电压(Vdd):
5V±
10%
(b)电源地(GND):
(c)LCD驱动电压(Vop):
6~9V
(d)输入电压:
0~Vdd
(6)电气特性(测试条件Ta=25,Vdd=5.0±
10%)
(a)输入高电平(Vih):
0.7Vdd~Vdd
(b)输入低电平(Vil):
0.6Vmax
(c)输出高电平(Voh):
0.8Vdd~Vdd
(d)输出低电平(Vol):
0.4Vmax
(e)模块工作电流:
2.2~3.0mA(不含背光)
(f)底黄绿光工作电流:
250mA
(g)侧白光工作电流:
30mA
(7)串口时序图
图2.15串行发送时序图
图2.15中接线端子从1到9分别对应液晶模块上的VSS(接地)、VDD(接正电源)、V0(接图2.12中电位器引脚2,引脚3接地,如图所示)、CS(直接接高)、SID(串行数据传送口,接单片机IO)、SCLK(时钟信号输入,接单片机IO)、VEE(接电位器引脚1,引脚3接地,如图2.12所示)、BLA(接正电源)和BLK(接地)这些引脚。
6.CPU风扇模块
图2.16CPU风扇在扩展板上的接线端
该CPU的风扇都是3针连接线缆.
各条电缆的说明如下:
(1)Freq:
CPU风扇转速脉冲信号输出I/O,风扇每转一圈,会输出一个脉冲信号。
另外它是一个开漏输出脚,需要一个电源上拉才能产生脉冲信号,否则是没有信号输出的,该端口与图2.6中的输入端相连接。
(2)Vout:
正电源,接图2.5中稳压器LM317的输出。
(3)Power:
接地。
(4)Vin:
代替开关电源的+12V外部电源的输入端。
(5)GND:
代替开关电源的外部电源的接地端。
2.4系统组成原理图和器件清单
2.4.1系统组成框图
系统的硬件组成框图如下图所示,具体说明见第一章,这里不再赘述。
图2.17系统组成框图
2.4.2系统组成原理图
该基于TI公司的LaunchPad(MSP430G2211为核心)的实例扩展板的最终原理图如下:
图2.18基于MSP430G2211实现的风速测试仪的原理图
2.4.3元器件清单
表2.5项目元件清单
2.5PCB板的设计要求及注意事项说明
2.5.1原理图的绘图
画原理图前先将自己构思的电路模块借助于Multisim或Proteus等电路仿真软件进行仿真,通过现象观察电路设计的可行性。
仿真通过后,再将设计电路在万用板上焊接出来或是在面包板上搭建出来,有些信号、信号的处理和检测在PCB未出来之时是无法直接得到和实现的,这时可以借助稳压源、信号发生器、示波器和万用表等进行模拟和测试,等全部实验通过之后再进行原理图的绘制。
当然,对于比较复杂的电路来说,通常是边绘制原理图,边进行仿真和实验,在这个过程中不断更改电路形式和电路中的参数,待仿真、实验都通过之时,原理图的绘制也宣告完毕。
画原理图的过程实际将自己设计的各电路模块在图纸上呈现出来并带上相应元件的封装和相应管脚的电气连接的过程。
Protel99SE或AltiumDesigner中的有自带的原理图库和封装库,当使用库中自带的元件或封装时,请注意检查、测量封装与实际所购元件的封装是否一致。
有些元件及其封装库中没有,那就要养成一个良好的习惯——创建属于自己的原理图库和封装库,然后将每次项目中用的元件和封装分别添加到这两个库中,积累多了以后,再设计原理图时好多元件和封装就手到拈来,效率就越来越快了
当然为了使原理图看起来条理清理,各模块应分开放置,在模块间需要连接的管脚上放上相同的网标即可;
为便于交流理解,可在相应的模块上加注文本说明。
原理图中如果使用的是层次设计,那就要注意各个文件最后要连接为一个整体。
还有就是原理图画完后要进行编译、查错,及时消除消除错误(不然等板子做好后焊接才发现问题那就太晚了),然后选择更新PCB文件,这样原理图(包括元件封装和电气连接)就倒成PCB了。
2.5.2PCB的绘制
通常的制版过程是这样的:
1.制作物理边框
在Keep-out层上用线根据电路板将来所要安装的机壳的尺寸或其他具体要求画出封闭的物理边框,这个物理边框就是我们进行后续元件布局和连线的基本平台。
如果电路板制成后是要往机壳上安装的话,这时一定要注意测量和绘制的精确性,否则以后出现安装问题麻烦可就大了。
还有就是拐角地方最好用圆弧,一方面可以避免尖角划伤工人,同时又可以减轻应力作用。
2.元件的布局
元件的布局与走线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容都有很大的影响,是应该特别注意的地方。
一般来说应该有以下一些原则:
(1)放置顺序
先放置与结构有关的固定位置的元器件,如电源插座、指示灯、开关、连接件之类,这些器件放置好后用软件的Lock功能将其锁定,使之以后不会被误移动。
再放置线路上的特殊元件和大的元器件,如发热元件、变压器、IC等。
最后放置小器件。
顺序是这样的,但大体上还是按照原理图上的模块来布局的,同一个模块的元件就近摆放,这样就不会无所规章,造成布局上无从下手!
(2)注意散热
元件布局还要特别注意散热问题。
对于大功率电路,应该将那些发热元件如功率管、变压器等尽量靠边分散布局放置,便于热量散发,不要集中在一个地方,也不要高电容太近以免使电解液过早老化。
3.布线
布线(Layout)是PCB设计者最基本的工作技能之一,走线的好坏直接影响到整个系统性能的好坏,这一点在高速PCB的设计中尤为重要。
首先,先讲讲导线宽度与间距的选择与确定:
根据印制电路板电流的大小,尽量加粗电源线宽度,减少环路电阻。
印制导线的最小宽度主要由导线与绝缘基扳间的粘附强度和流过它们的电流值决定。
如当铜箔厚度为0.050mm,宽度为1~1.5mm时,通过2A的电流,温度不会高于3℃,导线宽度为1.5mm可满足要求(PCB板的线宽、覆铜厚度与通过的电流对应的关系如表2.6所示)。
对于集成电路,尤其是数字电路,通常选0.02~0.3mm导线宽度。
当然,只要允许,还是尽可能用宽线.尤其是电源线和地线。
表2.6PCB板的线宽、覆铜厚度与通过的电流的对应关系
宽度(mm)
电流(A)
0.15
0.2
0.5
0.7
0.55
0.9
0.3
0.8
1.1
0.1
1.3
1.35
1.7
0.6
1.6
1.9
2.3
2.4
2.8
2.6
3.2
1.2
2.7
3.6
3.5
4.2
4.3
5.1
2.5
4.5
覆铜1OZ(0.035mm)
覆铜1.5OZ(0.050mm)
覆铜2OZ(0.07mm)
导线的最小间距主要由最坏情况下的线间绝缘电阻和击穿电压决定。
对于集成电路,尤其是数字电路,只要工艺允许,导线间距可小至5~8mm。
线宽太小,则印刷导线电阻大,线上的电压降也就大,影响电路的性能;
线宽太宽,则布线密度不高,板面积增加,除了增加成本外,也不利于小型化.
地线,电源线,信号线之间的关系:
地线>电源线>信号线,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(模拟电路的地不能这样使用)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。
但是对大电流的话,如果电流负荷以
计算,当覆铜箔厚度0.5mm时,(一般为这么多)则1mm(约40mil)线宽的电流负荷为1A,因此,线宽取1--2.54mm(40—100mil)能满足一般的应用要求,大功率设备板上的地线和电源,根据功率大小,可适当增加线宽,而在小功率的数字电路上,为了提高布线密度,最小线宽取0.254--1.27mm(10—15mil)就能满足.
按上面所说的计算,可以算出20A的电流要20mm,这是由于当电流密度确定后,线路的截面积必须与通过的电流成正比。
当流通的电流过大时,线路将发热而缩短寿命,严重时会影响周边元器件的的稳定性,或者被烧断。
然后,再介绍几种主要的走线方式及需要注意的地方:
(1)直线走线
直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况,也成为衡量布线好坏的标准之一。
从原理上说,直角走线会使传输线的线宽发生变化,造成阻抗的不连续。
其实不光是直角走线,钝角、锐角走线都可能造成阻抗变化的情况。
WW*1.414W*0.707WW*1.082W*2.613
图2.19不同走线角度的的拐角线宽变化
直角走线对信号的影响就是主要体现在三个方面:
(a)拐角可以等效为传输线上的容性负载,减缓上升时间;
(b)阻抗不连续会
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