（水聲工程專(zhuān)業(yè)論文）水聲浮標(biāo)系統(tǒng)電源管理和采集控制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 a b s t r a c t u n d e r w a t e ra c o u s t i c b u o y i s w i d e l y u s e di nu n d e r w a t e ra c o u s t i c e x p e r i m e n t a ld a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e t h es y s t e mi sb a s e do ns i n g l ev e c t o r h y d r o p h o n e i tp r o v i d e sd a t aa c q u i s i t i o na n ds t o r a g e i no r d e rt or e d u c et h ec o s to f p o w e r t h es y s t e ma d o p t st h ep o w e rm a n a g e m e n tc i r c u i t t h es y s t e mi s c o m p o s e do fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h eh a r d w a r ei s c o n s i s t e do fo n d u t yc i r c u i tb o a r d s i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i tb o a r da n da c q u i s i t i o n c o n t r o l d a t as t o r a g ec i r c u i tb o a r d t h e0 n d u t yc i r c u i tb o a r di sc o m p o s e do f c o n d i t i o n i n gc i r c u i t d e m o d u l a t i o nc i r c u i t c o m p a r a t o rc i r c u i ta n ds c m s i n g l e c h i pm i c y o c o a n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t i ti m p l e m e n t sd e t e c t i o no fs i g n a lo r n o i s ea n de l e c t r i f yt h ed i g i t a lc i r c u i t t h e r ei sa f o u r w a ys i g n a li n p u to nt h e s i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i tb o a r d w h i c hi m p l e m e n t ss i g n a lc o n d i t i o n i n ga n d a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n a c q u i s i t i o nc o n t r o l d a t as t o r a g ec i r c u i tb o a r di s c o n s i s t e do fd s p f p g aa n dt h e i rp e r i p h e r a lc i r c u i t t h es o f t w a r ei sp r o g r a m m e df o rt h ed e t e c t i o no fp u l s ew i d t h t h er t o s p c o s i i g c f sf i l es y s t e ma r et r a n s p l a n t e di nt h ed s pa sw e l la st h eg a i nc o d e t h es dc a r dd r i v e ra n dt h ed a t aa c q u i s i t i o n s t o r a g e p r o g r a m s t h ec a p a b i l i t yo fo n d u t yc i r c u i t d a t aa q c u i s i t i o na n ds t o r a g eh a sb e e nt e s t e d i nl a b o r a t o r y t h et a n kt r i a lr e s u l t sc o n f i r mt h a tt h eo v e r a l lf u n c t i o nr e a c h e st h e s y s t e mr e q u i r e m e n t sa n df u l l yf u l f i l st h ea n t i c i p a t e dt a r g e t k e yw o r d s u n d e r w a t e ra c o u s t i cb u o y o n d u t yc i r c u i t d s p f p g a g c o s i i 哈爾濱工程大學(xué) 學(xué)位論文原創(chuàng)性l 聲明 本人鄭重聲明 本論文的所有工作 是在導(dǎo)師的指導(dǎo) 下 由作者本人獨(dú)立完成的 有關(guān)觀點(diǎn) 方法 數(shù)據(jù)和文 獻(xiàn)等的引用已在文中指出 并與參考文獻(xiàn)相對(duì)應(yīng) 除文中 已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個(gè)人或集 體已經(jīng)公開(kāi)發(fā)表的作品成果 對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn) 的個(gè)人和集體 均已在文中以明確方式標(biāo)明 本人完全意 識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān) 作者 簽字 上 釜廷l 日期 凇嘭年歲月k 日 哈爾濱1 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 論文研究背景和意義 海洋中蘊(yùn)藏著極其豐富的各種資源 是2 1 世紀(jì)人類(lèi)社會(huì)發(fā)展新方向 迄 今為止聲波仍是唯一能在水下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳播的有效信息載體 因此 采集 水聲數(shù)據(jù)水聲研究的一個(gè)重要方向 水聲數(shù)據(jù)的獲取一般有以下兩種典型模 式 一種是將采集系統(tǒng)放在測(cè)控船上 這種方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)需要采集 到所需的聲學(xué)原始數(shù)據(jù) 靈活 可靠 缺點(diǎn)是測(cè)控船對(duì)水聲測(cè)設(shè)備有較大的 干擾 從而影響到采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性 另一種是采用水聲浮標(biāo) 這種方式的 優(yōu)點(diǎn)可以降低測(cè)控船自噪聲對(duì)浮標(biāo)采集系統(tǒng)的影響 獲得高信噪比的實(shí)驗(yàn)數(shù) 據(jù) 同時(shí)觀測(cè)記錄時(shí)間長(zhǎng) 有的將先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通訊模塊應(yīng)用到浮標(biāo)上 這樣 可以把采集的數(shù)據(jù)直接傳送到測(cè)控船 水聲浮標(biāo)系統(tǒng)在現(xiàn)代海洋科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 也是水聲研究和 水聲工程應(yīng)用中獲取聲學(xué)數(shù)據(jù)的重要手段 其中數(shù)據(jù)采集是浮標(biāo)電子系統(tǒng)最 重要的功能 水聲研究實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是非常寶貴的 應(yīng)把浮標(biāo)電子系統(tǒng)采集到的 原始數(shù)據(jù)或中間處理結(jié)果存儲(chǔ)起來(lái) 待浮標(biāo)回收后再對(duì)原始數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的 分析 處理和研究 因此設(shè)計(jì)具有低功耗和較強(qiáng)存儲(chǔ)能力的浮標(biāo)電子系統(tǒng)是 十分必要的川 1 2 浮標(biāo)采集系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn) 數(shù)據(jù)采集是獲取聲學(xué)數(shù)據(jù)不可缺少的一個(gè)環(huán)節(jié) 同時(shí)也是水聲浮標(biāo)系統(tǒng) 的重要組成部分 國(guó)內(nèi)國(guó)外有很多采集卡和采集器的生產(chǎn)廠(chǎng)家 國(guó)外如美國(guó) n i 公司 國(guó)內(nèi)如臺(tái)灣凌華科技公司 四川拓普公司 北京中泰公司生產(chǎn)的各 類(lèi)采集器和采集卡 這些采集器和采集卡大多數(shù)是通用型的 大多不適宜直 接應(yīng)用到浮標(biāo)上 有很多大學(xué)和研究所都有研制并成功應(yīng)用過(guò) 如哈爾濱工 程大學(xué)水聲工程學(xué)院 7 1 5 研究所等單位 這些應(yīng)用在浮標(biāo)上的采集系統(tǒng)特 點(diǎn)是把數(shù)據(jù)采集到d s p 上 由d s p 處理后 通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式把結(jié)果傳給測(cè) 控船或基站綜合處理機(jī) 此類(lèi)系統(tǒng)如哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院研制的無(wú) 線(xiàn)電水聲浮標(biāo)陣多目標(biāo)跟蹤定位系統(tǒng) 至于把先進(jìn)的通訊技術(shù)集成到浮標(biāo)上 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 進(jìn)行大數(shù)據(jù)量的傳輸 哈爾濱工程大學(xué)水聲工程學(xué)院做過(guò)這方面的研究 他 們是把成熟的無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)品網(wǎng)橋集成到浮標(biāo)上 做過(guò)十幾公里的拉距試驗(yàn) 取得了較好的效果 中科院聲學(xué)所在這方面做過(guò)研究 提出了基于d s p 技術(shù) g p s 技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的電子浮標(biāo)設(shè)計(jì)方案并成功實(shí)現(xiàn) 這些有關(guān)水聲浮 標(biāo)的成功嘗試對(duì)本文浮標(biāo)采集系統(tǒng)的研究提供了寶貴的依據(jù)心兒3 1 隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的發(fā)展 體積小 容量大 功耗低 高速的存儲(chǔ) 介質(zhì)不斷出現(xiàn) 如s d s e c u r ed i g i t a l 卡 c f c o m p a c tf l a s h 卡等 這樣 如果能夠把這些先進(jìn)的存儲(chǔ)介質(zhì)配備到浮標(biāo)采集系統(tǒng)上來(lái) 對(duì)改進(jìn)采集系統(tǒng) 的存儲(chǔ)功能無(wú)疑是有益的 由于測(cè)量的要求 浮標(biāo)系統(tǒng)在海上或湖上一般要 工作較長(zhǎng)時(shí)間 這就需要系統(tǒng)滿(mǎn)足低功耗要求 因此加入電源管理系統(tǒng) 可 以有效延長(zhǎng)浮標(biāo)系統(tǒng)的工作時(shí)間 減少更換電池次數(shù) 研制這種新的浮標(biāo)電 子系統(tǒng)的目的和意義在于能彌補(bǔ)現(xiàn)有浮標(biāo)采集系統(tǒng)的不足 即能降低船基或 岸基的干擾 能把采集到的原始數(shù)據(jù)存入s d 卡或c f 卡中 以便實(shí)驗(yàn)結(jié)束后 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理和研究 極大地降低測(cè)量成本 節(jié)約人力和物力 1 3 方案概述和技術(shù)指標(biāo) 本文是針對(duì)現(xiàn)有浮標(biāo)采集系統(tǒng)的一些不足加以改進(jìn) 以適應(yīng)新的研究和 應(yīng)用需要 具體任務(wù)是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)值班電路 對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)電源進(jìn)行管理 有 效降低系統(tǒng)功耗 改進(jìn)浮標(biāo)系統(tǒng)采集存儲(chǔ)控制 將數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)媒質(zhì)s d 卡 中 可以壓縮系統(tǒng)體積 通過(guò)簡(jiǎn)化電路和程序設(shè)計(jì) 增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性嗍 本文設(shè)計(jì)的浮標(biāo)方案要求是把單矢量水聽(tīng)器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾 波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后 進(jìn)入系統(tǒng)的采集控制電路 采集系統(tǒng)把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 到電子存儲(chǔ)卡中 另外為了能對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行定位 配備了g p s 羅經(jīng)儀 二者 的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口存儲(chǔ)到電子存儲(chǔ)卡 水聲浮標(biāo)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如下 主要有三部分構(gòu)成 值班電路板 信 號(hào)采集板和采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板 值班電路板的功能是調(diào)理后的矢量水聽(tīng) 器聲壓通道信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波電路得到該信號(hào)的包絡(luò)電壓 與噪聲門(mén)限電路的門(mén) 限值進(jìn)行比較 如果信號(hào)幅度大于門(mén)限值 比較器輸出高電平 然后再由處 理器進(jìn)行脈沖寬度檢測(cè) 如果是信號(hào) 就使能數(shù)字電源 啟動(dòng)主處理器進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集 如果不是信號(hào)重新檢測(cè)信號(hào) 信號(hào)采集板功能是將接收的矢量水 2 哈爾濱1 二稗大學(xué)碩十學(xué)位論文 聽(tīng)器信號(hào)進(jìn)行調(diào)理 信號(hào)調(diào)理包括放大和濾波 然后進(jìn)入a d 經(jīng)過(guò) d 轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào) 采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板完成信號(hào)采集控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能 值班電路板包括兩級(jí)放大 兩級(jí)低通濾波 三級(jí)放大 檢波 噪聲門(mén)限 電路 比較器和微控器m s p 4 3 0 f 1 4 9 信號(hào)采集板包括四路模擬通道 由前 放模塊 一級(jí)放大 衰減 二級(jí)放大 濾波 三級(jí)放大和a d 電路組成 采 集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板由a d 控制 數(shù)據(jù)緩沖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路組成 f p g a 中 實(shí)現(xiàn)a d 時(shí)序控制和四路f i f o 采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板的主處理器由一片 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 組成 完成從f p g a 的軟件f i f o 中讀出采集到的數(shù)據(jù) 把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到s d 卡中 軟件系統(tǒng)由單片機(jī)脈沖寬度檢測(cè)程序設(shè)計(jì) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)移植 文件系統(tǒng)的移植 s d 卡驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā) 數(shù)據(jù)采集控制 程序 串口控制程序 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序組成 系統(tǒng)框圖如圖1 1 所示 圖1 1 水聲浮標(biāo)系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo) 接收機(jī)的信號(hào)中心頻率為l k h z 四個(gè)模擬通道 針對(duì)單矢量水聽(tīng)器 信號(hào)采樣率 1 0 k s p s 四通道同時(shí)采樣 a d 輸入范圍 0 5 v 放大電路參數(shù) 1 單級(jí)放大倍數(shù) 1 0 倍 2 級(jí)數(shù) 3 級(jí) 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 供電方式 電池供電 值班時(shí)間 2 0 小時(shí) 1 4 論文內(nèi)容安排 本文研究的是基于矢量水聽(tīng)器的采集存儲(chǔ)系統(tǒng) 內(nèi)容上主要側(cè)重值班電 路 數(shù)據(jù)采集控制的設(shè)計(jì)及與實(shí)現(xiàn) 包括硬件和軟件兩方面 全文分為四章 第一章介紹了水聲信號(hào)采集的必要性 水聲浮標(biāo)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀和不足 根據(jù)實(shí)際需要 研究符合應(yīng)用要求的采集系統(tǒng) 第二章論述值班電路板和信號(hào)采集板與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的硬件設(shè)計(jì)思想和 各單元電路的特點(diǎn) 主要包括信號(hào)調(diào)理電路 檢波電路 噪聲門(mén)限電路和單 片機(jī) d s p 和f p g a 的外圍電路 以及器件的選擇和特性怎樣滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要 第三章說(shuō)明基于硬件的軟件程序編寫(xiě) 軟件重點(diǎn)介紹嵌入式操作系統(tǒng) p c o s i i 的移植 文件系統(tǒng)的移植和s d 卡驅(qū)動(dòng)編寫(xiě) 第四章介紹了系統(tǒng)各部分的功能測(cè)試 如值班電路功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能 水池試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)整體功能指標(biāo)和系統(tǒng)的穩(wěn)定性 并為系統(tǒng)進(jìn)一步改進(jìn)提供 可靠依據(jù) 4 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)f 7 論文 第2 章水聲浮標(biāo)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 2 1 硬件系統(tǒng)概述 圖2 1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 水聲浮標(biāo)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如上圖所示 主要包括三大部分 值班電路板 信號(hào)采集板和采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板 值班電路板由放大濾波電路 檢波電 路 噪聲門(mén)限電路 比較電路和單片機(jī)及外圍電路組成 信號(hào)采集板包括信 號(hào)調(diào)理電路以及a d 電路 采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板由兩片核心器件 一片 d s p 和一片f p g a 以及其外圍電路構(gòu)成 2 2 值班電路設(shè)計(jì) 矢量水聽(tīng)器聲壓通道的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器放大后送給值班電路 值班 電路的功能是判斷該信號(hào)是否是喚醒信號(hào) 分兩級(jí)值班 第一級(jí)值班負(fù)責(zé)幅 度檢測(cè) 脈沖寬度檢測(cè)是第二級(jí)值班 在微控器內(nèi)完成 系統(tǒng)采用觸發(fā)信號(hào) 為c w 脈沖 值班電路對(duì)c w 脈沖的幅度和寬度進(jìn)行判斷 當(dāng)喚醒信號(hào)幅度 達(dá)到門(mén)限值時(shí) 系統(tǒng)才進(jìn)入二級(jí)值班 如果脈沖寬度符合設(shè)定值 則將數(shù)字 電源使能端置低 啟動(dòng)主處理器進(jìn)行信號(hào)采集 采集完畢d s p 給微控器一個(gè) 信號(hào) 關(guān)閉電源 如果信號(hào)脈沖寬度不符 則重新檢測(cè)喚醒信號(hào) 值班電路 原理框圖如圖2 2 所示 值班電路工作原理如下 矢量水聽(tīng)器的聲壓通道輸出 哈爾濱下程大學(xué)碩十學(xué) 7 論文 經(jīng)過(guò)前置放大器后 進(jìn)入調(diào)理電路 調(diào)理電路包括放大電路和濾波電路 調(diào) 理后的一路信號(hào)通過(guò)檢波電路 得到該信號(hào)的包絡(luò)電壓 也就是信號(hào)的幅度 另一路通過(guò)噪聲門(mén)限電路產(chǎn)生門(mén)限值 二者進(jìn)入比較器 如果信號(hào)的幅值比 噪聲門(mén)限大 則比較器輸出高電平 完成一級(jí)值班 二級(jí)值班全部在微控器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 內(nèi)完成 負(fù)責(zé)檢測(cè)脈沖寬度 高電平持續(xù)時(shí)間超過(guò)設(shè)定值 則 圖2 2 值班電路原理框圖 認(rèn)為輸入是信號(hào) 控制器給出低電平的使能信號(hào) 數(shù)字電源開(kāi)始工作 系統(tǒng) 開(kāi)始采集 下面具體介紹值班電路各單元電路 2 2 1 模擬電源 浮標(biāo)系統(tǒng)通常工作在湖上或海上 因此需要由電池供電 考慮到模擬通 道低噪聲的要求 模擬電源和數(shù)字電源分開(kāi)供電 在電源附近一點(diǎn)共地 模 擬電池組提供 1 2 v 5 v 電壓 分別給前放模塊供電和其它模擬器件供電 2 2 2 調(diào)理電路 調(diào)理電路主要完成對(duì)喚醒信號(hào)的放大和濾波 主要技術(shù)指標(biāo)如下 單級(jí)放大倍數(shù) 1 0 倍 級(jí)數(shù) 3 級(jí) 其中最后一級(jí)可調(diào) 濾波器 低通濾波器 巴特沃斯型 濾波器截止頻率 3 k h z 電源范圍 5 v 5 v 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的調(diào)理電路包括三級(jí)放大電路和兩級(jí) 四階 低通濾波電路 其結(jié)構(gòu)框圖如圖2 3 所示 6 哈爾濱丁稃大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 3 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖 上圖中所示的放大電路和低通濾波電路均是由集成運(yùn)算放大器配以相應(yīng) 的電阻和電容搭建 集成運(yùn)放是構(gòu)成值班電路的主要元器件 不管系統(tǒng)采集 傳輸部分是否處于工作狀態(tài) 值班電路始終工作 所以選擇運(yùn)放時(shí)應(yīng)該考慮 低功耗問(wèn)題 這樣能有效降低系統(tǒng)的整體功耗 2 2 2 1 放大電路 放大電路是將微弱的電信號(hào)不失真的放大到所需量級(jí) 且功率增益大于 1 的電子線(xiàn)路 信號(hào)調(diào)理電路中共有三級(jí)放大 因此放大電路類(lèi)型的選用很 有講究 放大電路的構(gòu)成有基本的單端輸入和差動(dòng)比例放大電路兩種 所謂 差動(dòng)比例放大電路是集成運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端同時(shí)加入信號(hào) 輸出電壓 將與這兩個(gè)輸入信號(hào)之差成比例 差動(dòng)比例放大電路中有一種典型的同相并 聯(lián)型差動(dòng)測(cè)量放大電路 由于電路的平衡對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)使共模抑制比 失調(diào)及溫 度漂移等產(chǎn)生的誤差電壓具有抵消的作用壚1 本系統(tǒng)接收的矢量水聽(tīng)器的輸 出信號(hào)是單端信號(hào) 所以選擇單端輸入放大電路 放大電路的設(shè)計(jì)采用負(fù)反饋放大電路結(jié)構(gòu)形式 放大電路結(jié)構(gòu)如圖2 4 所示 融 圖2 4 負(fù)反饋放大電路圖 運(yùn)算放大器是構(gòu)成放大電路的主要器件 根據(jù)值班電路低功耗的要求 系統(tǒng)選用美國(guó)s t 公司的集成運(yùn)放l m 3 2 4 1 l m 3 2 4 主要特性如下 低功耗 靜態(tài)電流3 7 5 r t a 士5 v 供電功耗為4 m w 單位增益帶寬1 3 m h z 低噪聲 由l m 3 2 4 的特性可知 l m 3 2 4 具有較低的功耗 較寬的單位增益帶寬 低 7 哈爾濱 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 噪聲等特性 可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求 其功耗比一般運(yùn)放低得多 l f 3 5 3 在士5 v 供電功耗為1 0 0 m w o p 3 7 在士1 5 v 供電功耗為9 0 m w 2 2 2 2 低通濾波電路 濾波器是一種允許具有特定頻率范圍的信號(hào)通過(guò) 并且衰減其它所有信 號(hào)的設(shè)備 濾波器分無(wú)源濾波器和有源濾波器 無(wú)源濾波器是由電阻 電容 和感應(yīng)器構(gòu)成的 有源濾波器采用有源部件 例如晶體管和運(yùn)算放大器 并 帶有電阻 電容網(wǎng)絡(luò) 由于感應(yīng)器體積大 價(jià)格貴和不能用在大頻率范圍的特 點(diǎn) 所以無(wú)源濾波器使用相對(duì)較少 本系統(tǒng)采用有源濾波器 目前 隨著集 成電路的發(fā)展 濾波器芯片得到廣泛的應(yīng)用 設(shè)計(jì)方便靈活 通常有相應(yīng)的 設(shè)計(jì)軟件 如m a x 2 7 4 但是濾波器芯片功耗相對(duì)較大 而值班電路要求低 功耗 所以選用巴特沃斯型低通濾波器 巴特沃斯型濾波器也稱(chēng)最大值平坦濾波器 因?yàn)樵谒耐◣Х秶鷥?nèi) 對(duì) 不同頻率的信號(hào)增益有一個(gè)相對(duì)比較小的變化 其電路圖如圖2 5 所示 圖2 5 巴特沃斯低通濾波器二階節(jié) 其中 各元件的關(guān)系及取值如下 r 值通?？梢匀? 0 k q 但在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中 為了調(diào)試方便r 可由一個(gè) 阻值較小的電阻加一個(gè)滑動(dòng)變阻器取代 值班電路選用兩極低通濾波電路 其中c c 2 值可由公式 2 1 計(jì)算得出 c 1 2 瓦1 西 c 22 麗a i 2 1 2 硝z r2 刀 z r 7 式中z 為濾波器截止頻率 q a s 值為0 7 6 5 3 7 1 0 0 0 0 其它不同級(jí)數(shù) 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 濾波器設(shè)計(jì)可參考相關(guān)技術(shù)手冊(cè)p 1 值班電路四階低通濾波器實(shí)測(cè)指標(biāo) 增益為1 帶內(nèi)波紋寬度為l d b 帶外衰減為2 0 d b 左右 過(guò)渡帶寬3 k h z 2 2 3 噪聲門(mén)限電路 噪聲門(mén)限電路由一級(jí)放大電路 檢波電路和積分電路組成 噪聲門(mén)限電 路的工作過(guò)程如下 一級(jí)放大電路主要作用時(shí)把信號(hào)中的噪聲分量進(jìn)行放大 一般放大到2 3 倍 然后對(duì)放大的噪聲進(jìn)行檢波 最后再對(duì)檢波后的信號(hào)進(jìn) 行積分 檢波電路和積分電路組成和原理都比較簡(jiǎn)單 檢波電路利用二極管 兩端加正向電壓時(shí)導(dǎo)通 通過(guò)二極管對(duì)電容c 放電 加反向電壓時(shí)截止 電 容c 上電壓對(duì)電阻r 放電這一特性實(shí)現(xiàn)檢波的 引 積分電路由電阻r 和電容 c 組成 積分時(shí)間常數(shù)為r c 積分的輸入信號(hào)是檢波電路的輸出信號(hào) 包括 噪聲的直流分量和信號(hào)的直流分量 為了不讓觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)檢波電路后的直 流分量對(duì)噪聲門(mén)限產(chǎn)生影響 須令積分常數(shù)r c 盡量大些 取3 5 秒 這樣 一個(gè)幾毫秒寬的c w 脈沖信號(hào)就不會(huì)對(duì)積分電路的輸出電壓產(chǎn)生太大影響 也就是說(shuō) 經(jīng)過(guò)積分電路后所得到的電壓中只包含噪聲的直流分量p 1 2 2 4 比較電路 值班電路選用的比較器是美國(guó)m a x i m 公司生產(chǎn)的m a x 9 0 9 芯片 m a x 9 0 9 是一款低功耗比較器 單電源供電 供電電流值為7 0 0 t x a 輸出t t l 電平 輸入電壓范圍在 0 2 v 至l j 3 5 v 之間 輸出高電平為3 5 v 輸出低電平 a 撲訂 v c a a n d 圖2 6 比較電路連接圖 9 哈爾濱1 二稗大學(xué)碩十學(xué)位論文 為o 3 v 0 1 比較電路連接圖如圖2 6 所示 比較電路輸出端連接一個(gè)由小阻 值電阻和齊納二極管組成的穩(wěn)壓電路 防止比較器輸出電壓過(guò)大對(duì)單片機(jī)造 成損傷 2 2 5m s p 4 3 0 f 1 4 9 及其外圍電路 值班電路中處理器完成對(duì)信號(hào)的脈寬檢測(cè) 也就是二級(jí)值班 而且處理 器一直處于工作狀態(tài) 這需要處理器具有一定的處理速度 同時(shí)具有極低的 功耗 本系統(tǒng)選擇t i 公司的超低功耗單片機(jī)m s p 4 3 0 f 1 4 9 作為處理器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 是t i 公司推出的一款超低功耗微處理器 是m s p 4 3 0 x 1 4 x 系列單片機(jī)的一種 結(jié)構(gòu)框圖如圖2 7 所示 1 具有以下特點(diǎn) 低電源電壓范圍 1 8 v 3 6 v 超低功耗 1 6 0 1 x a 1 m h z2 2 v 1 6 位r i s c 結(jié)構(gòu) 1 5 0 n s 指令周期 基本時(shí)鐘模塊配置 高速晶振 最高8 m h z 低速晶振 3 2 7 6 8 l h z d c o 1 2 位2 0 0 k b p s a d 轉(zhuǎn)換器 自帶采樣保持 6 0 kf l a s hr o m 和2 k r a m 硬件乘法器 圖2 7m s p 4 3 0 x 1 4 x 系列單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 1 0 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)位論文 m s p 4 3 0 f 1 4 9 除了完成信號(hào)脈寬檢測(cè) 還需要控制數(shù)字電源的開(kāi)啟和關(guān) 閉 也就是說(shuō)在正確的 身份 識(shí)別后給數(shù)字電源芯片使能信號(hào) 讓數(shù)字電 源給數(shù)字電路部分上電 值班電路主要使用m s p 4 3 0 f 1 4 9 的輸入輸出端口p 1 p 2 以及定時(shí)器a 2 2 5 1m s p 4 3 0 的端口p 1 和p 2 的設(shè)置 m s p 4 3 0 的f l a s h 型芯片有兩類(lèi)i o 端口 p 1 和p 2 是一類(lèi) p 3 p 4 p 5 和p 6 是一類(lèi) 這兩類(lèi)i 0 端口都具有控制i o 方向 輸入 輸出的能力 p 1 p 2 具有中斷能力 每一引腳都可以單獨(dú)選擇中斷觸發(fā)沿 單獨(dú)允許中斷 通用端口p 1 和p 2 各有8 個(gè)引腳及各自的控制寄存器 每一引腳可以單 獨(dú)控制 并且每一引腳可作中斷源 p 1 p 2 各有一個(gè)中斷向量 p 1 0 p 1 7 產(chǎn)生同一個(gè)中斷 p 2 0 p 2 7 也產(chǎn)生同一個(gè)中斷 它們各有7 個(gè)寄存器用來(lái) 控制端口的引腳 包括端口方向選擇寄存器p n d i r 端口輸入寄存器p n l n 端口輸出寄存器p n o u t 端口中斷使能寄存器p n l e 端口中斷觸發(fā)沿選擇 寄存器p n i e s 端口中斷標(biāo)志寄存器p n l f g 和端口功能選擇寄存器p n s e l 各寄存器設(shè)定請(qǐng)參考相關(guān)手冊(cè) 刁 值班電路中使用了p 2 2 口和p 1 5 口 p 2 2 口作為信號(hào)輸入口 相應(yīng)位 設(shè)置為p 2 s e l 置1 p 1 5 口作為電源使能輸出口 p 1 d i r 5 置l 2 2 5 21 6 位定時(shí)器t i m e a 的使用 1 6 位定時(shí)器a 是m s p 4 3 0 所有系列器件都有的模塊 是一個(gè)用途非常廣 泛的通用1 6 位定時(shí)器 計(jì)數(shù)器 它有以下一些特點(diǎn) 1 6 位計(jì)數(shù)器 4 種工作 模式 多種可選的計(jì)數(shù)器時(shí)鐘源 具有多個(gè)可配置輸入端的捕獲 比較寄存 器 有8 種輸出模式的多個(gè)可配置的輸出單元 t i m e r a 具有中斷能力 中斷可以由計(jì)數(shù)器溢出引起 也可來(lái)自具有捕獲 或比較功能捕獲 比較寄存器 每個(gè)捕獲 比較寄存器可獨(dú)立編程 由捕獲 或比較外部信號(hào)以產(chǎn)生中斷 外部信號(hào)可以是上升沿 也可以是下降沿 也 可二者都有 對(duì)定時(shí)器a 的所有操作都是通過(guò)操作該模塊的寄存器完成的 定時(shí)器a 哈爾濱t 程大學(xué)碩士學(xué)位論文 的寄存器主要有控制寄存器t a c t l 1 6 位計(jì)數(shù)器內(nèi)容t a r 捕獲i l l 較控制 寄存器c c t l n 和捕獲 比較寄存器c c r n 引 使用t i m e a 定時(shí)器時(shí) 需要先對(duì)控制寄存器進(jìn)行初始化 在值班電路中 t i m e a 初始化如下 輸入時(shí)鐘源為輔助時(shí)鐘 采用連續(xù)計(jì)數(shù)模式 工作在捕 獲模式 選擇任意沿捕獲 初始化完畢后開(kāi)中斷使能 工作在捕獲模式時(shí) 滿(mǎn)足捕獲條件 硬件自動(dòng)將計(jì)數(shù)器t a r 中的數(shù)據(jù)寫(xiě) 入該寄存器 如果測(cè)量窄脈沖 高電平 的脈沖長(zhǎng)度 可定義上升沿和下降 沿都捕獲 在上升沿時(shí) 捕獲一個(gè)定時(shí)器數(shù)據(jù) 這個(gè)數(shù)據(jù)在捕獲寄存器中讀 出 再等待下降沿到來(lái) 在下降沿又捕獲一個(gè)定時(shí)器數(shù)據(jù) 那么兩次捕獲的 寄存器數(shù)據(jù)差就是窄脈沖的高電平寬度 2 2 5 3 電源模塊 值班電路中m s p 4 3 0 f 1 4 9 需要3 3 v 電壓 選用的電源芯片是美國(guó)t i 公 司的t p s 6 2 2 0 0 其主要特性有 輸出電壓范圍為o 7 v 輸入電壓 輸入電 壓范圍為2 5 v 6 0 v 靜態(tài)電流是1 5 b t a 4 1 圖2 8 是電源芯片管腳連接圖 圖2 8t p s 6 2 2 0 0 管腳連接圖 t p s 6 2 2 0 0 的可調(diào)輸出端的輸出電壓場(chǎng)的值是由電阻r 和電阻尼決定的 它們之間的關(guān)系如式 2 2 所示 o 5 1 夸 其中 r i r 2 1 m q c 1 和c 2 的值滿(mǎn)足下式 2 3 條件 c 1 c 2 里 c 1 2 萬(wàn) 1 0 x r lr 2 2 2 2 3 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文 2 2 6 值班電路調(diào)試中注意的問(wèn)題 在設(shè)計(jì)和調(diào)試值班電路時(shí) 需注意以下幾個(gè)問(wèn)題 1 電源退耦問(wèn)題 定要將模擬電路和數(shù)字電路的電源分開(kāi) 否則數(shù)字 信號(hào)在電源中引起的噪聲會(huì)對(duì)模擬電路產(chǎn)生嚴(yán)重影響 產(chǎn)生較大噪聲 而且 這種影響很難消除 針對(duì)電源上產(chǎn)生的低頻波紋和高頻波紋進(jìn)行退耦 一般 采用0 1 師和1 0 燈的鉭電容接在電源和地線(xiàn)之間 2 濾波器設(shè)計(jì)問(wèn)題 值班電路由于考慮到降低功耗問(wèn)題 所以采用集成 運(yùn)放搭配電阻電容方式設(shè)計(jì)濾波器 雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 方便 但是增加調(diào)試難 度 調(diào)試過(guò)程中 理論計(jì)算得電阻值由小阻值電阻和滑動(dòng)變阻器構(gòu)成 共需 要兩個(gè)滑動(dòng)變阻器 一個(gè)用來(lái)調(diào)節(jié)截止頻率 一個(gè)用來(lái)調(diào)節(jié)q 值 3 耦合電容與電阻的選擇 系統(tǒng)接收為低頻信號(hào) 二者阻抗之比盡量大 通常大于1 0 0 倍 否則信號(hào)會(huì)產(chǎn)生衰減 4 m s p 4 3 0 外圍電路設(shè)計(jì) 進(jìn)入m s p 4 3 0 之前的信號(hào)需加入穩(wěn)壓電路 防止輸入電壓過(guò)大 對(duì)單片機(jī)造成損壞 m s p 4 3 0 的j t a g 電路盡量靠近芯 片 以保證在線(xiàn)調(diào)試時(shí)程序運(yùn)行的穩(wěn)定性 5 m s p 4 3 0 f 1 4 9 片內(nèi)有f l a s h 在線(xiàn)調(diào)試時(shí) 程序通過(guò)并口線(xiàn)載入到f l a s h 當(dāng)?shù)綦姾蟪绦驎?huì)保存到f l a s h 中 不會(huì)丟失 當(dāng)系統(tǒng)再次上電 程序會(huì)自動(dòng) 加載 這給f l a s h 型單片機(jī)的開(kāi)發(fā)帶來(lái)便利 6 p c b 布線(xiàn)問(wèn)題 檢波電路中 經(jīng)過(guò)二極管到電阻和電容的走線(xiàn)盡量短 否則會(huì)影響檢波效果 p c b 中電源線(xiàn)和地線(xiàn)要加粗 同時(shí)使電源線(xiàn) 地線(xiàn)與 其導(dǎo)線(xiàn)的走向一致 這樣有助于增強(qiáng)抗干擾能力 2 3 采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路板設(shè)計(jì) 采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路板主要完成a d 采集控制 g p s 和羅經(jīng)儀數(shù)據(jù) 的讀取 對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ) 采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路板功能實(shí)現(xiàn)主 要由一片d s p 一片f p g a 一片s d r a m 和一片s d 卡完成 d s p 起主控 制器作用 由它完成對(duì)f p g a 和其它芯片的控制 硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 9 所示 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)何論文 圖2 9 采集控制與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路板框圖 下面章節(jié)將根據(jù)功能逐一介紹各個(gè)模塊電路 2 3 1 主控制器及其外圍電路 2 3 1 1 主控制器件的選型 一個(gè)系統(tǒng)的主控制器的選擇非常重要 這關(guān)系到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否 選擇系統(tǒng)的主控制器要考慮諸多方面的因素 當(dāng)前可供選擇作為主控處理器 的處理器芯片種類(lèi)很多 有單片機(jī) d s p 芯片 a r m 芯片和f p g a 現(xiàn)場(chǎng)可 編程陣列 芯片等 一般來(lái)說(shuō) 主要考慮以下幾個(gè)因素 1 芯片的運(yùn)算能力 d s p 芯片一般用于做數(shù)字信號(hào)處理算法的專(zhuān)用芯 片 運(yùn)算能力較強(qiáng) 主頻較高 a r m 芯片計(jì)算能力一般較弱 單片機(jī)主頻較 低 計(jì)算能力弱 適用于任務(wù)比較單一 沒(méi)有太復(fù)雜計(jì)算的控制應(yīng)用場(chǎng)合 2 芯片的控制能力 d s p 芯片控制能力一般要弱一些 a r m 芯片處理 能力比較強(qiáng) 控制能力強(qiáng) 單片機(jī)的控制功能比較強(qiáng) 3 芯片的開(kāi)發(fā)工具及難度 單片機(jī) d s p 芯片和a r m 芯片都是專(zhuān)用集 成電路芯片 都有自己的開(kāi)發(fā)工具 仿真工具 操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的支持 開(kāi)發(fā)起來(lái)難度一般不是很大 在很多系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 f p g a 芯片 是一種可編程的邏輯芯片 它的外圍控制器可根據(jù)系統(tǒng)的需要來(lái)進(jìn)行定制 可以使用現(xiàn)成的口核或自己編制 運(yùn)用起來(lái)比較靈活 但開(kāi)發(fā)難度比較大 開(kāi)發(fā)周期一般較長(zhǎng) 進(jìn)行充分地的調(diào)研 論證和評(píng)估 綜合芯片功耗 片源供應(yīng)和價(jià)格問(wèn)題 1 4 哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)何論文 系統(tǒng)選擇主控處理器是美國(guó)t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 以下簡(jiǎn)稱(chēng)c 5 5 0 9 a u s c 5 5 0 9 ad s p 是美國(guó)德州儀器公司生產(chǎn)的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片中的一 種 t m s 3 2 0 系列包括定點(diǎn) f i x e d p o i n t 浮點(diǎn) f l o a t i n g p o i n t 和多處理器 m u l t i p r o c e s s o r 等3 種類(lèi)型的數(shù)字信號(hào)處理器 d s p 它的結(jié)構(gòu)是專(zhuān)門(mén)針 對(duì)實(shí)時(shí) r e a l t i m e 信號(hào)處理而設(shè)計(jì)的 具有指令靈活 可操作性強(qiáng) 速度 快以及支持并行運(yùn)算和c 語(yǔ)言等特點(diǎn) 是一類(lèi)性?xún)r(jià)比較高的d s p 在通信設(shè) 備中得到了廣泛的應(yīng)用 c 5 0 0 0 系列的d s p 在移動(dòng)通信終端中應(yīng)用廣泛 其中c 5 4 x 最為成熟 它采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu) 并集成豐富的硬件邏輯和外部接口資源 不僅提高 了性能 也降低了成本和體積 c 5 5 x 是在c 5 4 x 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 具有 c 5 4 x 的全部?jī)?yōu)點(diǎn) 而且是目前功耗最低的新產(chǎn)品 c 5 5 x 低功耗的這一特點(diǎn) 正符合浮標(biāo)電子系統(tǒng)的低功耗要求 選用c 5 5 0 9 a 作為主控處理器另外一個(gè) 優(yōu)勢(shì)是c 5 5 0 9 a 具有s d m m c 卡控制器 為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì) 帶來(lái)許多方便 2 3 1 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 概述 6 4 k br o mli6 4 k bd a r a m1 1 9 2k bs a r a m i n s t r u c t i o ni d l ed o m a i n b u f f e ru n it r e g i s t e r a d v a n c e d p o w e rm g m t d u a l4 0b i t m a ca l u a e c u m u l a t i o n b a r r e ls h i f t e r 圖2 1 0t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍接口圖 1 5 一啪一 一眥一一一一一眥 一 一嘲 一眥 黼詈燕 哈爾濱t 程大學(xué)碩十學(xué)位論文 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 是美國(guó)t i 公司推出的一款c 5 5 x 產(chǎn)品 其主頻最高可 達(dá)2 0 0 m h z i o 電壓3 3 v 內(nèi)核電壓1 6 v n 6 1 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 有豐富的外圍接口 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍接口圖如圖2 1 0 所示 外圍接口包括兩個(gè)2 0 位的定時(shí)器 三個(gè)多通道緩沖串口 兩個(gè)s d m m c 控制器接口 六通道直接存儲(chǔ)器存儲(chǔ) 八個(gè)通用輸入輸出口和1 6 位并行存儲(chǔ) 接口 同時(shí)最大可訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器空間為8 m x1 6 b i t t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的外圍資源完全可以滿(mǎn)足本系統(tǒng)需要 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需 要一個(gè)定時(shí)器來(lái)作為操作系統(tǒng)的中斷源 兩個(gè)s d m m c 控制器來(lái)存儲(chǔ)采集到 的數(shù)據(jù) 可編程數(shù)字鎖相環(huán)時(shí)鐘產(chǎn)生器把主頻倍頻到2 0 0 m h z 四個(gè)d m a 控制器提高數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)s d 卡的速度 四個(gè)外部存儲(chǔ)器 四個(gè)外部存儲(chǔ)器分別 用來(lái)擴(kuò)展四路a d 采集 g p s 和羅經(jīng)儀數(shù)據(jù)的讀取 擴(kuò)展4 m x1 6 b i t 的 s d r a m 此外還需要一個(gè)g p i o 口作為f p g a 系統(tǒng)的控制信號(hào) 系統(tǒng)所選用 的t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 是l q f p 封裝 各外圍控制器的擴(kuò)展和使用將在以下部 分論述 2 3 1 3d s p 供電模塊設(shè)計(jì) t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 這款d s p 有兩種典型的電源引腳 c p u 內(nèi)核電壓1 6 v i o 電壓3 3 v 本系統(tǒng)選擇電源芯片t p s 7 6 7 d 3 0 1 作為d s p 的供電電源 其 是美國(guó)t i 公司生產(chǎn)的一款主要針對(duì)d s p 的供電芯片 主要指標(biāo)包括雙輸出 電壓 3 3 v 1 5 v 5 5 v 可調(diào) 輸入電壓 2 7 v i o v 輸出電流 0 i a 省電時(shí)靜態(tài)電流 l p a m l 本系統(tǒng)中d s p 電源芯片的輸入電壓是 5 v 輸出電壓一個(gè)是3 3 v 另一 個(gè)輸出電壓調(diào)至1 6 v t p s 7 6 7 d 3 0 1 有兩個(gè)輸入使能端1 e n 和2 e n 使能端 接到單片機(jī)的控制端 p o w e n a 只有當(dāng)使能端為低電平時(shí) 相應(yīng)電壓 值才會(huì)輸出 圖2 1 1 是t p s 7 6 7 d 3 0 1 電源芯片的管腳連接圖 電源芯片的可 調(diào)電壓輸出范圍由電阻r 和電阻r 2 決定 輸出電壓與二者之間的關(guān)系如式 2 4 所示 2 1 百k 2j 2 4 其中玩尸1 1 8 3 4 v 根據(jù)上式關(guān)系尺 和尺2 的值分別為1 1 0 k q 和3 9 k q 使 1 6 哈爾濱丁程大學(xué)碩十學(xué)位論文 輸出1 6 v 給d s p 提供內(nèi)核電壓 圖2 1 1t p s 7 6 7 d 3 0 1 電源芯片的管腳連接圖 2 3 1 4 復(fù)位電路 為了使系統(tǒng)被復(fù)位信號(hào)正確地初始化 系統(tǒng)復(fù)位時(shí)間必須滿(mǎn)足一定的時(shí) 間要求 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的復(fù)位時(shí)間必須大于l o o n s 復(fù)位電路可以使用分 離元件搭建也可以使用現(xiàn)成的復(fù)位芯片 設(shè)計(jì)中采用了a l l i a n c e 公司的集成 微處理器監(jiān)控復(fù)位電路芯片a s m 7 0 6 s 減少了監(jiān)控電路的元器件和復(fù)雜性 并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了復(fù)位功能 與分離器件組裝的電路比較起來(lái) 提高了系統(tǒng)的可 靠性和精確度 2 3 2d s p 程序燒寫(xiě)與引導(dǎo) 以d s p 為核心的應(yīng)用系統(tǒng) 要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的用戶(hù)軟件程序脫離仿真環(huán)境獨(dú) 立運(yùn)行 就需要在片外擴(kuò)展非易失性存儲(chǔ)器f l s a h e e p r o m 或者用上位 機(jī)向d s p 下載程序 系統(tǒng)上電復(fù)位后 用d s p 的引導(dǎo)加載器把應(yīng)用程序從 外部存儲(chǔ)器引導(dǎo)到d s p 芯片內(nèi)部雙訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ) d a r a m 單元或單訪(fǎng)問(wèn) s a r a m 單元或外部擴(kuò)展r a m 中 目前應(yīng)用最廣泛的閃存 具有存取速 度快 電可擦除 容量大 在線(xiàn)編程和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn) 已經(jīng)成為新一代d s p 中不可缺少的重要組成部分 在本系統(tǒng)中 使用a t m e l 公司閃存a t 2 5 f 2 0 4 8 作為t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的外部閃存 a t 2 5 f 2 0 4 8 是a t m e l 公司生產(chǎn)的一款 2 m b i t 高速s p i 串行閃存 其技術(shù)指標(biāo)和管腳圖請(qǐng)參考相關(guān)技術(shù)手冊(cè) 上電 一 一 哈爾濱丁程大學(xué)碩士學(xué)何論文 復(fù)位時(shí) 通過(guò)t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的m e b s p o 口把a(bǔ) t 2 5 f 2 0 4 8 閃存中程序代碼 和數(shù)據(jù)加載到外部擴(kuò)展的r a m 中 2 3 2 1b o o t l o a d e r 方式 所謂引導(dǎo)程序就是上電后把外部的數(shù)據(jù)代碼傳送到內(nèi)部或外部可編程存 儲(chǔ)器 這就使得這些代碼可以保留在低速的 不可改變的外部存儲(chǔ)器內(nèi) 然 后傳送到高速的存儲(chǔ)器內(nèi)執(zhí)行 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 的引導(dǎo)方式很多 主要有以下幾種 增強(qiáng)型主機(jī)接口引導(dǎo)方式 并行的1 6 位外部異步存儲(chǔ)器引導(dǎo)方式 標(biāo)準(zhǔn)串口 m s b s p 0 引導(dǎo)方式 s p ie e p r o m 串口 m s b s p o 引導(dǎo)方式 u s b 引導(dǎo)方式 程序裝載模式的選擇通過(guò)設(shè)置裝載模式選擇管腳b o o t m 0 3 b o o t m 管腳對(duì)應(yīng)d s p 的通用輸入輸出 g p i o 管腳 b o o t m 3 b o o t m 2 b o o t m l b o o t m 0 分別對(duì)應(yīng)g p l 0 0 g p l 0 3 g p l 0 2 g p l 0 1 g p l 0 4 作為有些引導(dǎo) 模式的握手信號(hào) 盡管這個(gè)管腳不作為模式選擇管腳 但應(yīng)該注意g p l 0 4 在 程序引導(dǎo)過(guò)程中有輸出信號(hào) 當(dāng)引導(dǎo)程序完畢后 這些g p i o 口可以改變功 能 引導(dǎo)模式選擇請(qǐng)參考t i 相關(guān)技術(shù)手冊(cè) 引 本系統(tǒng)采用的是s p ie e p r o m 2 4 b i t 地址 串口引導(dǎo)方式 g p i o 0 3 管腳設(shè)置為0 1 0 0 s p i 協(xié)議是一種主從配置的 支持一個(gè)主方 一個(gè)或多個(gè) 從方的串行通信協(xié)議 它一般由四個(gè)信號(hào)組成 即串行主方數(shù)據(jù)輸入從方數(shù) 據(jù)輸出m i s o 串行主方數(shù)據(jù)輸出從方數(shù)據(jù)輸入m o s i 移位時(shí)鐘s c k 和從 方使能s s t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 多通道緩沖串口 m c b s p 的時(shí)鐘停止模式可 以兼容s p i 主從協(xié)議 所謂m c b s p 的時(shí)鐘停止模式是指其時(shí)鐘會(huì)在每次數(shù)據(jù) 傳輸結(jié)束時(shí)停止 并在下次數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)始時(shí)立即啟動(dòng)或延遲半個(gè)周期后再啟 動(dòng) 而且 其接收器和發(fā)送器是同步的 c l k x 和f s x 分別與c l k r 和f s r 相連 在傳輸過(guò)程中 c l k x 和f s x 又分別作為s p i 中的移位時(shí)鐘s c k 和 從方使能s s t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 與a t 2 5 f 2 0 4 8 的接口連接如圖2 1 2 所示 1 8 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)何論文 r l 圖2 1 2t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 a 與a t 2 5 f 2 0 4 8 接口連接圖 在s p i 模式中閃存始終作為從器件與d s p 的m c b s p 0 串口相連 其串行 移位時(shí)鐘輸入由d s p 串口提供 d x 0 傳送數(shù)據(jù)到e e p r o m 的串口數(shù)據(jù)輸入 s i d r o 從e e p r o m 的串口數(shù)據(jù)輸出 s o 接收數(shù)據(jù) 此外 在燒寫(xiě)程 序時(shí) 需要將j p 的1 和2 管腳短接 在引導(dǎo)程序時(shí) 需要將j p 的2 和3 管 腳短接 2 3 2 2b o o t l o a d e r 實(shí)現(xiàn)方法 在實(shí)現(xiàn)程序燒寫(xiě)之前 需要首先生成目標(biāo)文件 目標(biāo)文件生成步驟如下 1 讀取d s p 工程文件中的m a p 文件 查看程序入口地址 2 創(chuàng)建c m d 文件 如b o o t c m d 具體格式為 t 1 o u t輸入的o u t 文件名 v 5 5 1 0 2c 5 5 x 引導(dǎo)表形式 e0 2 0 0 h程序入口地址 根據(jù)實(shí)際結(jié)果可以修改 t t i 形式 b o o t創(chuàng)建引導(dǎo)表 0t 1 h e x輸出文件名 3 執(zhí)行h e x 5 5b o o t c m d 生成t 1 h e x 4 執(zhí)行c o n v f o rt 1 h e xt 1 a s m 操作 生成t 1 a s m 文件 然后修改t 1 a s m 文件 在u l t r a e d i t 編輯器中去掉與b o o t 同行的 w o r d0 0 0 0 h 同時(shí)去掉最后 的 e n d t 1 a s m 即為目標(biāo)文件 對(duì)a t 2 5 f 2 0 4 8 進(jìn)行燒寫(xiě)操作 要執(zhí)行兩條獨(dú)立的指令 首先通過(guò)w r e n 指令使f l a s h 寫(xiě)使能 然后執(zhí)行編程 p r o g r a m 指令 編程燒寫(xiě)的時(shí)序 1 9 哈爾濱t 稗大學(xué)碩十學(xué)位論文 如圖2 1 3 所示 由此可以看出 在對(duì)f l a s h 編程的過(guò)程中 首先是c s 片選 信號(hào)有效 低電平 然后編程指令 o x 0 0 0 0 x o o 地址和待燒寫(xiě)的數(shù)據(jù)通過(guò) s i 引腳傳送 最后 當(dāng)c s 片選信號(hào)抬高 高電平 后 芯片內(nèi)部開(kāi)始編程 表2 1 是f l a s h 的指令格式 1 磺謦阿ed a t a q n 2 6 l hb y l td a t a 附 嗣刪 型幽八霹涮震鼢嘲嗣殛酗型嬰 曼 嬰八格囝歌 囝瞅弓 g 戮 列 圖2 1 3a t 2 5 f 2 0 4 8 編程時(shí)序 表2 1a t 2 5 f 2 0 4 8 指令格式 指令名稱(chēng)指令格式說(shuō)明 w r e h 0 0 0 0 x 1 1 0 設(shè)置寫(xiě)使能 i m l0 0 0 0x 1 0 0 清除寫(xiě)使能 r d s r0 0 0 0x 1 0 1 讀狀態(tài)寄存器 w r s r0 0 0 0x 0 0 l 寫(xiě)狀態(tài)寄存器 r e a d0 0 0 0x 0 1 1 讀數(shù)據(jù) p r o g r a m0 0 0 0x 0 1 0 寫(xiě)數(shù)據(jù) s e c t o re r a s e 0 1 0 1x 0 1 0 整段擦除 c h i pe r a s e 0 0 0 1x 1 0 1 全片擦除 r d i d0 0 0 1x 1 0 1讀廠(chǎng)商和器件編號(hào) 在實(shí)際編程過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題 1 由于寫(xiě)命令只能將內(nèi)部數(shù)據(jù)位由1 寫(xiě)成0 反之則不行 因此 在寫(xiě) 入數(shù)據(jù)前一定要先對(duì)內(nèi)部空間進(jìn)行擦除 將內(nèi)部所有數(shù)據(jù)位置1 否則將會(huì) 導(dǎo)致f l a s h 燒寫(xiě)失敗 2 編程指令只能對(duì)沒(méi)有被塊寫(xiě)保護(hù)指令保護(hù)的空間進(jìn)行寫(xiě)操作 2 0 哈爾濱工稗大學(xué)碩十學(xué)位論文 3 c s 片選信號(hào)由低到高的跳變要求必須在最后一個(gè)數(shù)據(jù)比特d o 傳送完 成后 緊跟著的s c k 移位時(shí)鐘為低的情況下產(chǎn)生 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 芯片多 通道緩沖串口 m c b s p 提供的時(shí)鐘停止模式 兼容s p i 即可滿(mǎn)足這種要 求 4 a t 2 5 f 2 0 4 8 支持單字節(jié)編程模式和2 5 6 字節(jié)的頁(yè)編程模式 芯片內(nèi)部 每頁(yè)2 5 6 字節(jié) 一條編程指令可以在一頁(yè)內(nèi)燒寫(xiě)1 到2 5 6 個(gè)連續(xù)的字節(jié) 燒 寫(xiě)的起始地址可以