淺析數(shù)據(jù)采集PCB板的設(shè)計(jì)(doc 26頁).doc

數(shù)據(jù)采集PCB板的設(shè)計(jì)摘 要“基于C51的數(shù)據(jù)采集電路PCB的設(shè)計(jì)與制作”是針對(duì)現(xiàn)代水利行業(yè)水情數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)制作的電路PCB。同時(shí)，也是為了響應(yīng)國家提出的數(shù)字水利這樣一個(gè)大背景下，把水利信息化盡快的實(shí)現(xiàn)、完善、壯大起來。本設(shè)計(jì)講述了電子電路設(shè)計(jì)軟件Protle99的基本功能，而后逐一介紹開發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的步驟：需求分析、系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)維護(hù)。需求分析介紹了針對(duì)水利行業(yè)而進(jìn)行了本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)分析中分析了電子電路設(shè)計(jì)功能的各種元?dú)饧δ芎透鞣N連線要完成的功能，以及整個(gè)要完成的功能。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，詳細(xì)的展現(xiàn)了系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊、原理圖繪制、PCB的完成所需的準(zhǔn)備步驟。在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中，給出了一個(gè)滿足系統(tǒng)功能的完整PCB。通過反復(fù)的測(cè)試，我們得出結(jié)果，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的，可以應(yīng)用到所有的水利行業(yè)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。關(guān)鍵字：PCB；數(shù)據(jù)采集；電子電路；數(shù)字水利 The Design and Implementation of Data Acquisition Circuit Based on C51Abstract“The design and implementation of data acquisition circuit based on C51” is the circuit PCB designed and implemented according to data of water situation of modern conservancy industry. At the same time, in order to response to the digital conservancy raised by our country, it makes the conservancy informationization implement, perfect and grow. This paper discusses the basic function of electronic circuit design software-Protle99. It takes this system for example to introduce the development steps of this system one by one: demand analysis, system analysis, system design, system implementation and system maintenance. Demand analysis introduces the design of this system focusing on conservancy industry. It analyses functions of various components and various connections of electronic circuit design in system analysis, as well as the function of completion. In the design of this system, it shows the preparing steps of every functional module, drawing of principle chart, and completion of PBC of this system. In the implementation of this system, it gives a complete PBC matched for the function of the system. After repeated tests, the result is that the design of this system is successful and it can be applied to all conservancy industries to collect data.Key words：PCB; data collection; electronic circuit; digital conservancy目 錄論文總頁數(shù)：23頁1 引言12 開發(fā)概述12.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概述12.2 目前水利現(xiàn)狀分析23 需求分析33.1 需求調(diào)研33.2 組織結(jié)構(gòu)的分析33.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)43.4 開發(fā)運(yùn)行環(huán)境43.5 新數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)加防雷特性：54 系統(tǒng)設(shè)計(jì)54.1 Protel99 簡(jiǎn)介54.1.1 Protel99的組成54.1.2 原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)54.1.3 Protel99主要特色64.1.4 Protel99主要特性64.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖74.3 原理圖工作過程及主要元?dú)饧榻B84.3.1 MAX813L芯片84.3.2 MC1403 芯片94.3.3 HCNR201 芯片104.3.4 MAX1659 芯片114.3.5 AT89C51 芯片124.3.6 AD1705 芯片134.4 新特性防雷設(shè)計(jì)介紹154.5 主要元?dú)饧庋b形式174.6 元件布局184.7 元件布線194.8 生成的PCB圖195 系統(tǒng)測(cè)試205.1 搭建測(cè)試環(huán)境205.2 得到結(jié)果20結(jié) 論20參考文獻(xiàn)211 引言水利行業(yè)在我國有著悠久的歷史，隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，水利工程在國民經(jīng)濟(jì)中所起的作用越來越大，防汛更是直接影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一個(gè)重要方面。目前，國家提出了建設(shè)“數(shù)字水利”的目標(biāo)。全面實(shí)施大型水庫遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。防汛抗洪工作逐步從被動(dòng)抗洪向主動(dòng)防汛轉(zhuǎn)變。為進(jìn)一步提高防汛抗洪決策的有效性和可靠性，實(shí)施防汛遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)，可及時(shí)對(duì)可能或正在發(fā)生的汛情、險(xiǎn)情、災(zāi)情進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)視，隨時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，以便采取相應(yīng)的預(yù)防和補(bǔ)救措施確保水庫安全運(yùn)行。對(duì)領(lǐng)導(dǎo)決策和減少洪水災(zāi)害，緩解城市的防洪壓力，保障人民生命財(cái)產(chǎn)的安全具有重要作用。信息化是當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大趨勢(shì)。水利信息化是水利現(xiàn)代化的基礎(chǔ)和重要標(biāo)志。在水利現(xiàn)代化建設(shè)中，要大力推進(jìn)水利信息化進(jìn)程，利用水利信息化推動(dòng)水利現(xiàn)代化。要充分利用科學(xué)技術(shù)發(fā)展創(chuàng)造的有利條件，堅(jiān)持用高新技術(shù)對(duì)水利傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，特別要注意采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)及自動(dòng)化技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)水利信息化。小結(jié):通過以上的背景意義,我們根據(jù)當(dāng)今水利行業(yè)的現(xiàn)狀,認(rèn)真分析了我們選題的重要性,所以我們力爭(zhēng)開發(fā)出一個(gè)最好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),讓它為水利部門提供最好、最穩(wěn)定的系統(tǒng)。2 開發(fā)概述2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集是“數(shù)字水利”的重要基礎(chǔ)。無論如何理解“數(shù)字水利”，數(shù)據(jù)采集都是“數(shù)字水利”得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。水利工作的基礎(chǔ)信息以十分復(fù)雜的方式分布在流域空間中，目前采集的數(shù)據(jù)無論在時(shí)空分布上，還是在要素類型上，都十分不足。因此，應(yīng)用和發(fā)展以“高新”技術(shù)為主體的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，是十分重要和必要的。另外，流域內(nèi)信息種類繁多，必須弄清相互關(guān)系，分清采集責(zé)任，進(jìn)行多行業(yè)協(xié)作。水文信息、工情信息、水環(huán)境信息等水利專業(yè)數(shù)據(jù)的采集是“數(shù)字水利”的建設(shè)內(nèi)容，而基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)交換從測(cè)繪部門獲得。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)工作的不間斷系統(tǒng)，其建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用均很高，但又是不可缺少的重要基礎(chǔ)。因此，如何保障這一系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，將影響“數(shù)字水利”的成敗。過去水利系統(tǒng)也建設(shè)過一些當(dāng)時(shí)處于先進(jìn)水平的信息系統(tǒng)，最終大多沒有發(fā)揮應(yīng)有的作用，主要原因是信息的嚴(yán)重不足。近年來，在國家防汛指揮系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和建設(shè)中，均優(yōu)先考慮了水情等信息采集系統(tǒng)的建設(shè)，并將極其有限的資金主要投入到水情采集示范區(qū)的建設(shè)中，說明數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)地位已經(jīng)在水利行業(yè)得到應(yīng)有的認(rèn)識(shí)和足夠的重視。同樣，“數(shù)字水利”建設(shè)必須將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設(shè)置于優(yōu)先考慮的基礎(chǔ)地位。 2.2 目前水利現(xiàn)狀分析水利部委員會(huì)提出“數(shù)字水利”，“數(shù)字水利”是水利行業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略導(dǎo)向，充分反映了信息時(shí)代對(duì)水利行業(yè)發(fā)展的要求，也是水利行業(yè)發(fā)展現(xiàn)代化的必由之路，從空間方面看，“數(shù)字水利” 涉及到水利行業(yè)工作的各個(gè)方面，從時(shí)間角度看，“數(shù)字水利”是一個(gè)不斷發(fā)展的歷史過程。因此，不能用傳統(tǒng)水利工程建設(shè)的方法來規(guī)劃和設(shè)計(jì)“數(shù)字水利”。鑒于“數(shù)字水利”發(fā)展的戰(zhàn)略性和整體性，必須先行研究制定其發(fā)展的總體戰(zhàn)略及階段發(fā)展規(guī)劃，而不是總體建設(shè)規(guī)劃。在“數(shù)字水利”發(fā)展規(guī)劃的基礎(chǔ)上，再制定專項(xiàng)建設(shè)規(guī)劃，并采用“急用先建，基礎(chǔ)先行，應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，逐步發(fā)展”的發(fā)展策略，把“數(shù)字水利”與水利行業(yè)信息化有機(jī)地結(jié)合起來。狹義地說，水利工作的任何方面應(yīng)用了數(shù)字技術(shù)，其應(yīng)用都是“數(shù)字水利”的組成部分，如果在水利工作的所有方面或主要方面都廣泛而有效地應(yīng)用了數(shù)字技術(shù)，則標(biāo)志著“數(shù)字水利”這一歷史過程在技術(shù)層面的完成。“數(shù)字水利”的發(fā)展結(jié)果是生產(chǎn)力的發(fā)展，必然引發(fā)與生產(chǎn)關(guān)系的矛盾，因此，協(xié)調(diào)生產(chǎn)力與生產(chǎn)關(guān)系的矛盾必然成為“數(shù)字水利”的另一個(gè)重要方面，從某種意義上可認(rèn)為是“數(shù)字水利”成敗的關(guān)鍵。所以，“數(shù)字水利”只能是發(fā)展戰(zhàn)略，是多方面高度關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)工程，而不是單一的工程建設(shè)。從信息技術(shù)的角度看，應(yīng)用是不斷發(fā)展變化的，而數(shù)據(jù)是相對(duì)穩(wěn)定的，因此，以應(yīng)用為先導(dǎo)建設(shè)的種種信息系統(tǒng)，必須將數(shù)據(jù)從應(yīng)用中剝離出來，才能保障系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展。所有水利信息系統(tǒng)應(yīng)用所剝離出來的數(shù)據(jù)，構(gòu)成“數(shù)字水利”的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，也是“數(shù)字水利”存在的基本條件。 如果不站在發(fā)展戰(zhàn)略和系統(tǒng)工程的高度來理解和建設(shè)“數(shù)字水利”，必然將“數(shù)字水利”等同于基于目前信息技術(shù)的各類水利信息系統(tǒng)建設(shè)的組合，難免陷入難以把握、難以推進(jìn)、難以協(xié)調(diào)，從而難以持續(xù)發(fā)展的境地。從技術(shù)層面看，“數(shù)字水利”所面臨的主要問題包括數(shù)字化程度不高,導(dǎo)致的信息資源嚴(yán)重不足，非統(tǒng)一規(guī)劃和建設(shè)導(dǎo)致的有限的信息資源卻形成了一個(gè)個(gè)的“信息孤島”，各式各樣的專業(yè)應(yīng)用帶來大量的重復(fù)建設(shè)，并形成事實(shí)上的“資源壁壘”，從而導(dǎo)致信息資源開發(fā)困難，系統(tǒng)整體水平不高。概括起來，主要是資源嚴(yán)重不足、資源共享困難和資源開發(fā)利用水平不高。為了解決上述問題，需要盡快從根源做起，抓住規(guī)劃這一龍頭，盡快編制“數(shù)字水利”發(fā)展規(guī)劃及“數(shù)字水利”建設(shè)項(xiàng)目建議書。小結(jié)：先說明數(shù)據(jù)采集對(duì)當(dāng)今水利行業(yè)的重要性，然后再把數(shù)字信息化采集在水利行業(yè)的重要性加入進(jìn)去，最后分析目前我國的水利行業(yè)對(duì)信息化建設(shè)的迫切要求的現(xiàn)狀，更體現(xiàn)出有一套完善的水利行業(yè)信息化建設(shè)特別是信息化數(shù)據(jù)采集的重要性。3 需求分析3.1 需求調(diào)研假設(shè)以某某水利部門為例。該水利部門是一個(gè)大型的水電站，同時(shí)還有很多下屬的小水電站，這些水電站承擔(dān)著這個(gè)地區(qū)的災(zāi)情預(yù)報(bào)，關(guān)系著整個(gè)地區(qū)廣大人民的切身利益，是人民生活中不可缺少的重要組成部分。下面簡(jiǎn)單地介紹一下該水利部門的現(xiàn)狀：（下圖是該水利部門的各個(gè)組成部門,一些系統(tǒng)未涉及的部門沒有包括在內(nèi)）水利部門（中心站）Internet水電站1水電站2水電站N水情工情水情工情水情工情圖3-1 水利部門組成略圖這個(gè)水利部門的工作主要是由各個(gè)水電站負(fù)責(zé)水情、雨量數(shù)據(jù)信息的采集，隨時(shí)關(guān)注數(shù)據(jù)信息的更新和當(dāng)前數(shù)據(jù)最新數(shù)據(jù)的分析、處理，做到確保對(duì)數(shù)據(jù)采集、分析、整理、精確度方面更高質(zhì)量的要求。3.2 組織結(jié)構(gòu)的分析下圖是水電站需完成任務(wù)組成結(jié)構(gòu)：水 電 站W(wǎng)物業(yè)公司物業(yè)公司水電站1數(shù)據(jù)采集水電站2數(shù)據(jù)采集水電站3數(shù)據(jù)采集水電站N數(shù)據(jù)采集圖3-2 水電站組織圖3.3 系統(tǒng)功能特點(diǎn)分為以下幾個(gè)方面：l 采用485總線可同時(shí)支持兩路水位信號(hào)（或其他信號(hào)）的采集，每路信號(hào)可單獨(dú)控制l 可支持雨量信號(hào)的采集 l 采用124大屏幕中文液晶顯示屏，中文菜單，獨(dú)特背光設(shè)計(jì)，直觀易讀，操著方便 l 可就地和遠(yuǎn)程修正/設(shè)置水位流量對(duì)應(yīng)關(guān)系、起始高程、采數(shù)間隔、北京時(shí)間等，并可顯示包括電池電壓在內(nèi)的上述各種參數(shù)l 市電(或太陽能)和蓄電池雙備份供電功能。低功耗設(shè)計(jì)，無市電時(shí)6V12AH蓄電池可用3個(gè)月以上，休眠時(shí)工作電流可降至1mA以下 l 對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行故障(如傳感器損壞)能自動(dòng)向中心站和管理人員報(bào)警l 可存儲(chǔ)一年以上的水情或雨量數(shù)據(jù)。并具有掉電保護(hù)功能l 具有1路報(bào)警輸出接口l 采用uC/OS-II操作系統(tǒng)證l 采用64K的I2C存儲(chǔ)器，增加了數(shù)據(jù)的安全性金l 大部分元件改用貼片元件，增加了系統(tǒng)的可靠性，降低了生產(chǎn)成本 3.4 開發(fā)運(yùn)行環(huán)境 開發(fā)此系統(tǒng)電腦所需的基本軟、硬件環(huán)境為：l Windows9X、 Windows2000 或WindowsNT/2003/XPl Protel99l Pentium100及以上檔次的IBM PC及其兼容機(jī)l 128M以上內(nèi)存l 5000M以上可用硬盤空間l 高密軟盤驅(qū)動(dòng)器l VGA顯示器此系統(tǒng)在WindowsXP操作系統(tǒng)下，以中文版(漢化版) Protel99為開發(fā)工具，進(jìn)行電子電路設(shè)計(jì)、原理圖設(shè)計(jì)和PCB的生成。3.5 新數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)加防雷特性為適應(yīng)野外環(huán)境，特別是雷電產(chǎn)生的大磁場(chǎng)，對(duì)于一些元?dú)饧菀桩a(chǎn)生損壞，我們加入了防雷電路（即三級(jí)保護(hù)電路）?？梢杂行Х乐估纂妿淼挠绊?。小結(jié)：以一個(gè)水利部門為分析對(duì)象，確定該部門的組織結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)功能特點(diǎn)后，擬確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能，以確定系統(tǒng)的主要模塊，也簡(jiǎn)單介紹了該系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和運(yùn)行條件。4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 Protel99簡(jiǎn)介4.1.1 Protel99的組成原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)信號(hào)模擬仿真系統(tǒng)可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)Protel99內(nèi)置編輯器4.1.2 原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)是用于原理圖設(shè)計(jì)的Advanced Schematic系統(tǒng)。這部分包括用于設(shè)計(jì)原理圖的原理圖編輯器Sch以及用于修改、生成零件的零件庫編輯器SchLib。印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)：印刷電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)是用于電路板設(shè)計(jì)的Advanced PCB。這部分包括用于設(shè)計(jì)電路板的電路板編輯器PCB以及用于修改、生成零件封裝的零件封裝編輯器PCBLib。信號(hào)模擬仿真系統(tǒng)：信號(hào)模擬仿真系統(tǒng)是用于原理圖上進(jìn)行信號(hào)模擬仿真的SPICE 3f5系統(tǒng)?？删幊踢壿嬙O(shè)計(jì)系統(tǒng)：可編程邏輯設(shè)計(jì)系統(tǒng)是基于CUPL的集成于原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)的PLD設(shè)計(jì)系統(tǒng)。Protel99內(nèi)置編輯器：這部分包括用于顯示、編輯文本的文本編輯器Text和用于顯示、編輯電子表格的電子表格編輯器Spread。4.1.3 Protel99主要特色Protel99是基于Win95/Win NT/Win98/Win2000的純32位電路設(shè)計(jì)制版系統(tǒng)。Protel99提供了一個(gè)集成的設(shè)計(jì)環(huán)境，包括了原理圖設(shè)計(jì)和PCB布線工具，集成的設(shè)計(jì)文檔管理，支持通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行工作組協(xié)同設(shè)計(jì)功能。4.1.4 Protel99主要特性(1) Protel99系統(tǒng)針對(duì)Windows NT4/9X作了純32位代碼優(yōu)化，使Protel99設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定而且高效。(2) SmartTool（智能工具）技術(shù)將所有的設(shè)計(jì)工具集成在單一的設(shè)計(jì)環(huán)境中。(3) SmartDoc（智能文檔）技術(shù)將所有的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)文件儲(chǔ)存在單一的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫中，用設(shè)計(jì)管理器來統(tǒng)一管理。設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫以.ddb為后綴方式，在設(shè)計(jì)管理器中統(tǒng)一管理。使用設(shè)計(jì)管理器統(tǒng)一管理的文檔是在Protel99中新提出來的，以前版本中沒有。(4) SmartTeam（智能工作組）技術(shù)能讓多個(gè)設(shè)計(jì)者通過網(wǎng)絡(luò)安全地對(duì)同一設(shè)計(jì)進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)，再通過工作組管理功能將各個(gè)部分集成到設(shè)計(jì)管理器中。(5) PCB自動(dòng)布線規(guī)則條件的復(fù)合選項(xiàng)極大的方便了布線規(guī)則的設(shè)計(jì)。(6) 用在線規(guī)則檢查功能支持集成的規(guī)則驅(qū)動(dòng)PCB布線。(7) 繼承的PCB自動(dòng)布線系統(tǒng)最新的使用了人工智能技術(shù)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊專家系統(tǒng)、模糊理論和模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，即使對(duì)于很復(fù)雜的電路板其布線結(jié)果也能達(dá)到專家級(jí)的水平。(8) 對(duì)印刷電路板設(shè)計(jì)時(shí)的自動(dòng)布局采用兩種不同的布局方式，即Cluster Placer（組群式）和基于統(tǒng)計(jì)方式（Statistical Placer）。在以前版本中只提供了基于統(tǒng)計(jì)方式的布局。(9) Protel99新增加了自動(dòng)布局規(guī)則設(shè)計(jì)功能，Placement標(biāo)簽頁是在Protel99中新增加的，用來設(shè)置自動(dòng)布局規(guī)則。(10) 增強(qiáng)的交互式布局和布線模式，包括“Push-and-shove”（推擠）。(11) 電路板信號(hào)完整性規(guī)則設(shè)計(jì)和檢查功能可以檢測(cè)出潛在的阻抗匹配、信號(hào)傳播延時(shí)和信號(hào)過載等問題。Signal Integrity標(biāo)簽頁也是在Protel99中新增加的，用來進(jìn)行信號(hào)完整性的有關(guān)規(guī)則設(shè)計(jì)。(12) 零件封裝類生成器的引入改進(jìn)了零件封裝的管理功能。(13) 廣泛的集成向?qū)Чδ芤龑?dǎo)設(shè)計(jì)人員完成復(fù)雜的工作。(14) 原理圖到印刷電路板的更新功能加強(qiáng)了Sch和PCB之間的聯(lián)系。(15) 完全支持制版輸出和電路板數(shù)控加工代碼文件生成。(16) 可以通過Protel Library Development Center升級(jí)廣泛的器件庫。(17) 可以用標(biāo)準(zhǔn)或者用戶自定義模板來生成新的原理圖文件。(18) 集成的原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)收集了超過60000元器件。(19) 通過完整的SPICE 3f5仿真系統(tǒng)可以在原理圖中直接進(jìn)行信號(hào)仿真。(20) 可以選擇超過60中工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)電路板布線模板或者用戶可以自己生成一個(gè)電路板模板。(21) Protel99開放的文檔功能使得用戶通過API調(diào)用方式進(jìn)行三次開發(fā)。(22) 集成的（Macro）宏編程功能支持使用Client Basic編程語言。4.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路原理圖圖4-1 電路原理圖4.3 原理圖工作過程及主要元?dú)饧榻B水情終端數(shù)據(jù)采集傳感器采集420mA信號(hào)經(jīng)過長距離傳輸后，由于在條件十分惡劣，容易受到外界，特別是雷電和雷電感應(yīng)的襲擊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)經(jīng)常把傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊擊毀，為了避免這種情況，在420mA信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓后用HCNR201進(jìn)行隔離，這樣就避免了遭受雷擊的厄運(yùn)。15V的電壓經(jīng)過AD7705模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由AT89S51處理和發(fā)送，而發(fā)送部分則由485總線網(wǎng)絡(luò)傳輸。4.3.1 MAX813L芯片幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對(duì)復(fù)位電路的基本要求是：在單片機(jī)上電時(shí)可靠復(fù)位，在下電時(shí)能防止程序亂飛導(dǎo)致EEPROM中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時(shí)器（有些單片機(jī)無看門狗定時(shí)器）外，還需另外加個(gè)看門狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是很隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時(shí)能告知單片機(jī)。MAXIM公司推出的MAX813L剛好能滿足這些要求，下面具體介紹該芯片的性能特點(diǎn)及使用方法。 圖4-2 MAX813L芯片結(jié)構(gòu)圖MAX813L有雙列直插和貼片兩種封裝形式，其雙列直插如圖4中的圖1所示，引腳功能如下：第(1)腳為手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效；第(2)、(3)腳分別為電源和地；第(4)腳為電源故障輸入；第(5)腳為電源故障輸出；第(6)腳為看門狗輸入，第(7)腳為復(fù)位輸出，第(8)腳為看門狗輸出。MAX813L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4中的圖2所示，由圖可知該芯片具有以下主要性能特點(diǎn)：（1）復(fù)位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第(7)腳產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復(fù)位門限的典型值為4.65V。（2）看門狗電路輸出。如果在1.6s內(nèi)沒有觸發(fā)該電路（即第(6)腳無脈沖輸入），則第(8)腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。（3）手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效，即第(1)腳輸入一個(gè)低電平，則第(7)腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。（4）1.25V時(shí)，第(5)腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。具有1.25V門限值檢測(cè)器，第4腳為輸入，第5腳為輸出。MAX813L的典型應(yīng)用電路如圖4中的圖3所示。圖中單片機(jī)以AT89C51為例，MAX813L的第(1)腳與第(8)腳相連。第(7)腳接單片機(jī)的復(fù)位腳（AT89C51的第(9)腳）；第(6)腳與單片機(jī)制P1.0相連。在軟件設(shè)計(jì)中，P1.0不斷輸出脈沖信號(hào)，如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則P1.0無脈沖輸出。于是1.6s后在MAX813L的第(8)腳輸出低電平，該低電平加到第(1)腳，使MAX813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于限值4.65V時(shí)，MAX813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低進(jìn)單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。電源故障輸入PFI通過一個(gè)電阻分壓器監(jiān)測(cè)未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1.25V時(shí)，電源故障輸出腳第5腳PFO變低，可引起AT89C51中斷進(jìn)行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對(duì)電源故障告警。結(jié)束語:MAX813L是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡(jiǎn)單、方便。它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場(chǎng)合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。4.3.2 MC1403芯片MC1403是美國摩托羅拉公司生產(chǎn)的高準(zhǔn)確度、低溫漂、采用激光修正的帶隙基準(zhǔn)電壓源。MC1403是低壓基準(zhǔn)芯片。一般用作812bit的D/A芯片的基準(zhǔn)電壓等一些需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場(chǎng)合。 輸出電壓: 2.5 V /- 25 mV 輸入電壓范圍: 4.5 V to 40 V 輸出電流: 10 mA .Vin. |1.8|.NC.Vout |2.7|.NC.GND. |3.6|.NC.NC. |4.5|.NC圖 4-3 MC1403芯片引腳圖因?yàn)檩敵鍪枪潭ǖ模噪娐泛芎?jiǎn)單。就是Vin接電源輸入，GND接底，Vout加一個(gè)0.1uf1uf的電容就可以了。Vout一般用作812bit的D/A芯片的基準(zhǔn)電壓。4.3.3 HCNR201芯片圖 4-4 HCNR201芯片結(jié)構(gòu)圖其中1、2引作為隔離信號(hào)的輸入，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出。1、2引腳之間的電流記作IF，3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。輸入信號(hào)經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，IPD1和IPD2基本與IF成線性關(guān)系，線性系數(shù)分別記為K1和K2,即圖 4-5 線形系數(shù)計(jì)算公式K1與K2一般很?。℉CNR200是0.50%），并且隨溫度變化較大（HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間），但芯片的設(shè)計(jì)使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外圍電路設(shè)計(jì)中，真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3,線性光耦正利用這種特性才能達(dá)到滿意的線性度的。采用HCNR201進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示：* 線性度：HCNR201：0.05%；* 線性系數(shù)K3：HCNR201：5%；* 溫度系數(shù)： -65ppm/oC；* 隔離電壓：1414V；* 信號(hào)帶寬：直流到大于1MHz。4.3.4 MAX1659芯片MAX1659：低壓差線形穩(wěn)壓器（low-dropout linear regulators）Low-dropout：指穩(wěn)壓器輸入端和輸出端之間的電壓差圖 4-6 MAX1659芯片內(nèi)部原理圖雙模式工作：1、穩(wěn)壓器：輸出3.3V（1658）；5V（1659）2、調(diào)壓器：輸出1.2V16V輸入電壓范圍：2.7V16.5V（Wide Input Voltage Range: 2.7V to 16.5V）Low, 490mV Dropout at 350mA Output Current(MAX1659)30A Supply Current1A Max Shutdown Current High-Power(1.2W) 8-Pin SO Package熱過載保護(hù)（Thermal Overload Protection）限流保護(hù)（Current-Limit Protection）反向電壓保護(hù)（Reverse Battery Protection）引腳：圖 4-7 MAX1659引腳圖1，SET：外電壓輸入。SET接地選擇出廠預(yù)先設(shè)置的5V輸出電壓；調(diào)壓時(shí)SET連接到一個(gè)阻抗式電壓分配器OUT到GND。2，SHDN：關(guān)閉輸入。低電平時(shí)，裝置關(guān)閉并且供應(yīng)0.1微安的典型電流。3，6，7，IN：輸入無規(guī)定的電壓。2.7V到16.5V輸入范圍?？勺錾幔╤eatsinks）。4，5，OUT：穩(wěn)壓輸出。輸出固定3.3V（1658）、5V（1659），或調(diào)壓從1.25V到16V。源電流達(dá)350微安。為穩(wěn)定工作，在OUT和GND之間加旁路用一個(gè)10微法，低阻（0.2歐姆）電容。為了改良的負(fù)荷-瞬時(shí)響應(yīng)，用大的低阻電容。8，GND：接地。典型應(yīng)用（穩(wěn)壓、調(diào)壓）：圖 4-8 MAX1659應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖解4.3.5 AT89C51芯片AT89C51是一款8位單片機(jī)，他完全兼容傳統(tǒng)的8051，8031的指令系統(tǒng)，也就是說程序可以直接移植過去而不用做任何修改，但是他的運(yùn)行速度要比8051快，最高支持達(dá)33MHz的晶體震蕩器，比8051多一個(gè)定時(shí)器，而且價(jià)格便宜。簡(jiǎn)介：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗(WDT)，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí),S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。圖 4-9 AT89C51芯片引腳圖4.3.6 AD7705芯片AD7705是AD公司新推出的16位-A/D轉(zhuǎn)換器。器件包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，-調(diào)制器，可編程數(shù)字濾波器等部件。能直接將傳感器測(cè)量到的多路微小信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這種器件還具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)，非常適合儀表測(cè)量、工業(yè)控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。它采用三線串行接口,有兩個(gè)全差分輸入通道,能達(dá)到0.003%非線性的16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出，其增益和數(shù)據(jù)輸出更新率均可編程設(shè)定，還可選擇輸入模擬緩沖器，以及自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)方式。工作電壓3V或5V。3V電壓時(shí)，最大功耗為1 mW，等待模式下電源電流僅為8A。 AD7705是完整的16位A/D轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。若外接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容，即可連續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。它采用了成本較低但能獲得極高分辨率的-轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以獲得16位無誤碼數(shù)據(jù)輸出。這一點(diǎn)非常符合對(duì)分辨率要求較高但對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)字要求不高的應(yīng)用，例如數(shù)字音頻產(chǎn)品和智能儀器儀表產(chǎn)品等。下面對(duì)該器件幾個(gè)重要部分和特性作簡(jiǎn)要說明。 增益可編程放大器AD7705包括兩個(gè)全差分模擬輸入通道。片內(nèi)的增益可編程放大器PGA可選擇1、2、4、8、16、32、64、128八種增益之一，能將不同擺幅范圍的各類輸入信號(hào)放大到接近A/D轉(zhuǎn)換器的滿標(biāo)度電壓再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，這樣有利于提高轉(zhuǎn)換質(zhì)量。當(dāng)電源電壓為5 V，基準(zhǔn)電壓為2.5 V時(shí)，器件可直接接受從020 mV至02.5 V擺幅范圍的單極性信號(hào)和從020 mV至02.5 V范圍的雙極性信號(hào)。必須指出：這里的負(fù)極性電壓是相對(duì)AIN()引腳而言的，這兩個(gè)引腳應(yīng)偏置到恰當(dāng)?shù)恼娢簧稀Ｔ谄骷娜魏我_施加相對(duì)于GND為負(fù)電壓的信號(hào)是不允許的。輸入的模擬信號(hào)被A/D轉(zhuǎn)換器連續(xù)采樣，采樣頻率fS由主時(shí)鐘頻率fCLK和選定的增益決定。增益（16128）是通過多重采樣并利用基準(zhǔn)電容與輸入電容的比值共同得到的。圖 4-10 AD7705內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖數(shù)字濾波和輸出更新速率模擬信號(hào)由-調(diào)制器變換為占空比被模擬電壓調(diào)制(調(diào)寬)的數(shù)字脈沖串，然后在片內(nèi)使用低通數(shù)字濾波器將其解釋成16位二進(jìn)制數(shù)碼并濾去噪聲，以完成A/D轉(zhuǎn)換。采用一個(gè)(sinNx/sinx)3函數(shù)低通數(shù)字濾波器，其振幅頻率特性如下：圖 411 AD7705芯片頻率計(jì)算公式式中：N為調(diào)制速率與輸出更新速率之比。 需要指出器件產(chǎn)生的噪聲源主要來自半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲，PGA放大量和濾波器第一凹口頻率越低，則輸出的半導(dǎo)體噪聲和量化噪聲越小，A/D轉(zhuǎn)換器的實(shí)際分辨率越高。 校準(zhǔn)和自校準(zhǔn)為提高A/D轉(zhuǎn)換質(zhì)量，AD7705提供自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)兩種功能選擇。每當(dāng)環(huán)境溫度和工作電壓發(fā)生變化，或者器件的工作狀態(tài)改變?nèi)巛斎胪ǖ狼袚Q、增益或數(shù)字濾波器第一凹口頻率變動(dòng)、信號(hào)輸入范圍變化等任一項(xiàng)發(fā)生時(shí)，必須進(jìn)行一次校準(zhǔn)。對(duì)于自校準(zhǔn)方式，校準(zhǔn)過程在器件內(nèi)部一次完成。AD7705內(nèi)部設(shè)置AIN(+)端和AIN()端為相同的偏置電壓，以校準(zhǔn)零標(biāo)度；滿標(biāo)度校準(zhǔn)是在一內(nèi)部產(chǎn)生的VREF電壓和選定的增益條件下進(jìn)行的。系統(tǒng)校準(zhǔn)則是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增益誤差和偏移誤差，包括器件內(nèi)部誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。在選定的增益下，先后在外部給AIN(+)端施加零標(biāo)度電壓和滿標(biāo)度電壓，先校準(zhǔn)零標(biāo)度點(diǎn)，然后校準(zhǔn)滿標(biāo)度點(diǎn)。根據(jù)零標(biāo)度和滿標(biāo)度的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，片內(nèi)的微控制器計(jì)算出轉(zhuǎn)換器的輸入輸出轉(zhuǎn)換函數(shù)的偏移和增益斜率，對(duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。 數(shù)字接口AD7705的串行數(shù)據(jù)接口包括5個(gè)接口，其中片選輸入CS、串行時(shí)鐘輸入SCLK、數(shù)據(jù)輸入DIN、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出口DOUT用于傳輸數(shù)據(jù)，狀態(tài)信號(hào)輸出口用于指示什么時(shí)候輸出數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒。當(dāng)為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可用；當(dāng)為高電平時(shí)，輸出寄存器正在更新數(shù)據(jù)，不能讀取數(shù)據(jù)。器件的A/D轉(zhuǎn)換過程是按設(shè)定的數(shù)據(jù)輸出更新速率連續(xù)進(jìn)行的。任何操作都需要對(duì)相應(yīng)片內(nèi)寄存器送入新的編程指令。片內(nèi)寄存器AD7705包括8個(gè)寄存器，均通過器件串行口訪問。第一個(gè)是通信寄存器，它的內(nèi)容決定下一次操作是對(duì)哪一個(gè)寄存器進(jìn)行讀操作還是寫操作，并控制對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行采樣。所有與器件的通信都必須先寫通信寄存器。上電或復(fù)位后，器件默認(rèn)狀態(tài)為等待指令數(shù)據(jù)寫入通信寄存器。它的寄存器選擇位RS2RS0確定下次操作訪問哪一個(gè)寄存器，而輸入通道選擇位CH1，CH0則決定對(duì)哪一個(gè)輸入通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換或訪問校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。第2個(gè)是設(shè)置寄存器，它是一個(gè)可讀/寫8位寄存器，用于設(shè)置工作模式、校準(zhǔn)方式、增益等等。第3個(gè)是時(shí)鐘寄存器，它也是一個(gè)可讀/寫的8位寄存器，用于設(shè)置有關(guān)AD7705運(yùn)行頻率參數(shù)和A/D轉(zhuǎn)換輸出更新速率。第4個(gè)是數(shù)據(jù)寄存器，它是一個(gè)16位只讀寄存器，它存放AD7705最新的轉(zhuǎn)換結(jié)果。值得注意的是，數(shù)據(jù)手冊(cè)上雖然說明它是一個(gè)16位的寄存器，但實(shí)際上它是由兩個(gè)8位的存貯單元組成的，輸出時(shí)MSB在前，如果接收微控制器需要LSB在前，例如8051系列，讀取的時(shí)候應(yīng)該分兩次讀，每次讀出8位分別倒序，而不是整個(gè)16位倒序。其他的寄存器分別是測(cè)試寄存器、零標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器、滿標(biāo)度校準(zhǔn)寄存器等，用于測(cè)試和存放校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可用來分析噪聲和轉(zhuǎn)換誤差。4.4 新特性防雷設(shè)計(jì)介紹4.5 主要元?dú)饧庋b形式表 41 主要元器件封裝表元?dú)饧€(gè)數(shù)封裝內(nèi)型電容C12RAD0.1電容CE11RB.2/.4電阻R16AXIAL0.4電阻R7、R8210K電阻R4、R5220K電阻R31100MAX813L1DIP8二極管7RB.1/.2J11CH2.54-4PAD7705BN1DIP1689C511DIP40SN75LBC1841DIP8L7805C1TO-220AMAX16592SO8HE77KM241HE77KM12 HEADER1SIP12SN74ALS573CDW (20)1S02OWSW-DIP81DIP16MC14031DIP8HCNR2011DIP84.6 元件布局 通過了前期大量的準(zhǔn)備工作，現(xiàn)在我們終于可以開始進(jìn)行PCB的相關(guān)工作了，首先我們進(jìn)入Protel99的PCB版面，我們首先應(yīng)該確定我們制作的板子的物理大小，知道了物理大小后，我們可以在Mechanical層先固定板子實(shí)際大小，然后我們?cè)诠潭姎鈱哟笮?，電氣層大小，就是我們把所有元?dú)饧旁谝?guī)定的大小內(nèi)?，F(xiàn)在我們就可以把元?dú)饧砑舆M(jìn)來了，Protel99有元件自動(dòng)布局功能，但是自動(dòng)布局的效果不是很好，所以我們最好還是手動(dòng)布局。手動(dòng)布局我們應(yīng)該注意以下問題： 1、元?dú)饧捻樞驊?yīng)該盡量按照流程圖，按流程來排版； 2、元?dú)饧g的距離，應(yīng)盡量分布均勻； 3、不要把散熱大的元?dú)饧旁谝黄穑?4、上下、左右之間的距離應(yīng)該適中； 5、把連線較多，距離短的元?dú)饧旁谝黄穑?6、雙面板應(yīng)盡量把元?dú)饧旁谝幻嫔希?以上布局注意事項(xiàng)綜合考慮，是一個(gè)很難解決好的問題，要布局很好的效果圖來，是非常不容易的，但是只要我們肯花精力、時(shí)間、慢慢的、不焦不躁的認(rèn)真去完成，相信我們必定會(huì)畫出一個(gè)比較滿意的布局出來。4.7 元件布線 當(dāng)我們把所有的元?dú)饧季植己靡院螅覀兙涂梢蚤_始我們的布線工作了，如果你想你制作的PCB板子能夠最穩(wěn)定、最快速、最好的服務(wù)，那么你的布線工作就尤其重要了。當(dāng)然我們可以利用Protel99的自動(dòng)布線功能，但是自動(dòng)布線的結(jié)果差強(qiáng)人意。所以，我們只能手動(dòng)布線，以求達(dá)到最好的效果。 手動(dòng)布線我們可以先布電源線，因?yàn)殡娫词俏覀冋麄€(gè)PCB板子工作的核心，所以我們可以從電源先布線，為了達(dá)到好的效果，電源線和地線都應(yīng)該比其他元?dú)饧木€更粗，各元?dú)饧g布線的距離盡可能的大，這要看我們板子的大小和元?dú)饧亩嗌?，總之要盡可能的大，且布線均勻，還有就是布線我們不應(yīng)該用九十度的折線，我們要用四十五度的折線，避免噪音。 所有元?dú)饧季€工作完成后，我們可以進(jìn)行規(guī)則檢查，看看是不是所有元?dú)饧鱾€(gè)引腳都已連上，根據(jù)