實用電子系統(tǒng)的設(shè)計與制作——最小系統(tǒng)設(shè)計

1、實用電子系統(tǒng)的設(shè)計與制作設(shè)計報告設(shè)計題目單片機最小系統(tǒng)板制作年級專業(yè)學號姓名成績2015級電子科學與技術(shù)評語：完成日期：目錄一、原理分析- 2 -二、方案選擇- 2 -1.單片機選擇- 2 -2.原理圖和PCB圖繪制- 3 -3.PCB制板- 4 -三、電路原理圖繪制- 4 -1、復位電路- 4 -2、晶振電路- 4 -3、JTAG仿真接口- 5 -4、電源設(shè)計- 5 -5、總設(shè)計圖- 6 -四、PCB圖繪制- 7 -1.設(shè)計步驟- 7 -2.設(shè)計原則- 7 -3.PCB圖- 8 -五、綜合調(diào)試- 10 -1.軟件調(diào)試- 10 -2.硬件調(diào)試- 11 -六、總結(jié)- 12 -一、 原理分析單片機

2、就是將電子計算機的基本環(huán)節(jié)如中央處理器（CPU）、隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時器/計數(shù)器和一些輸入/輸出接口電路、總線等都集成在一塊芯片上的微型計算機，簡稱單片機。中央處理器包括運算器、控制器和寄存器，是單片機的核心。存儲器是用來存放數(shù)據(jù)和程序的，在單片機芯片中包含兩類存儲器：隨機存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。RAM可以被CPU隨機讀寫，但單片機斷電后，所保存的信息就會消失，一般用來存放臨時數(shù)據(jù)；ROM中的信息只能被CPU讀取，CPU不能對它進行操作，通常用于存放系統(tǒng)程序和固定的表格數(shù)據(jù)。ROM中的內(nèi)容只能通過專用的編程器事先對它寫入。輸入/輸出接口是單片機與外部

3、設(shè)備連接的橋梁，單片機和外部設(shè)備（如鍵盤、顯示器等）之間信息的傳送全部都通過輸入/輸出（I/O）接口來實現(xiàn)?？偩€就是連接各部件信號線的總稱，主要是用來傳送數(shù)據(jù)、地址和控制信息。最小系統(tǒng)有兩種形式：硬件最小系統(tǒng)由電源、主板和CPU、內(nèi)存組成.在這個系統(tǒng)中，沒有任何信號線的連接，只有電源到主板的電源連接，在判斷的過程中通過聲音來判斷這一核心組成部分是否可正常工作；軟件最小系統(tǒng)由電源,主板,CPU.內(nèi)存，顯示卡/顯示器.鍵盤和硬盤組成，這個最小系統(tǒng)主要用來判斷系統(tǒng)是否可完成正常的啟動與運行。二、 方案選擇1. 單片機選擇最小系統(tǒng)以Atmega16單片機為核心，其包括晶振電路、復位電路、電源電路、JT

4、AG下載口電路等。Atmega16的引腳定義與功能：VCC（引腳10）：芯片電源，接+5V。GND（引腳11、31）：接地端。XTAL1（引腳13）：內(nèi)部震蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶振的一個引腳。XTAL2（引腳12）：內(nèi)部震蕩電路反相放大器的輸出端，是外接晶振的另一個輸入引腳。RESET（引腳9）：復位端。PA0PA7（引腳4033）：雙向輸入/輸出端口。PB0PB7（引腳18）：雙向輸入/輸出端口。PC0PC7（引腳2229）：雙向輸入/輸出端口。PD0PD7（引腳1421）：雙向輸入/輸出端口。雙向輸入/輸出端口，當該端口不作為輸入/輸出端口使用時，每一個引腳也可以有第二功能。2

5、. 原理圖和PCB圖繪制晶振電路，在設(shè)計單片機系統(tǒng)電路時，是必不可少的。在計算機系統(tǒng)中，所有的工作都是在一個時鐘下同步工作的，這樣才不會出現(xiàn)沖突。時鐘的快慢決定系統(tǒng)的工作效率，通常所說的計算機的主頻就是指系統(tǒng)時鐘的頻率。而在計算機系統(tǒng)中，系統(tǒng)時鐘是由晶振電路來提供的。復位電路，在單片機系統(tǒng)中，是不可缺少的。單片機在正常工作前，必須要進行復位操作，目的是將CPU以及系統(tǒng)中其它部件都處于一個明確的初始狀態(tài)，便于系統(tǒng)啟動。JTAG仿真接口用于連接最小系統(tǒng)板和仿真器，實現(xiàn)仿真器對DSP的訪問，JTAG接口的連接需要和仿真器上的接口一致。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模

6、式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。PCB圖，先繪制Atmega16芯片底座、四腳開關(guān)、六腳開關(guān)、三角電源、JTAG接口等元件的封裝；在原理圖中執(zhí)行Design菜單中的Updata PCB，導入封裝；在Design中的Rules里定義PCB的規(guī)則，如最小間距、鋪銅間距、過孔及焊盤處理等、線寬等；畫板子外圍邊框；把各元件按就近原則排列布局；連線根據(jù)電流的大小定線的寬度，連線過程中要不斷改變、重新對器件進行布局；最后，補淚、覆銅。3. PCB制板根據(jù)PCB圖，利用鑿孔機進行打孔。對打完孔的

7、板子，進行打磨。利用專門的復寫紙張將設(shè)計完成的PCB圖通過噴墨打印機打印輸出，然后將印有電路圖的一面與銅板相對壓緊，最后放到熱交換器上進行熱印，通過在高溫下將復寫紙上的電路圖墨跡粘到銅板上。將含有墨跡的銅板放入其中，等三至四分鐘左右，等銅板上除墨跡以外的地方全部被腐蝕之后，將銅板取去，然后將清水將溶液沖洗掉。腐蝕后，打磨板子。腐蝕完畢后，可以焊接元件了。三、 電路原理圖繪制1、復位電路復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。片內(nèi)復位電路是復位引腳RST通常采用上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式，此電路系統(tǒng)采用的是按鍵手動復位電路，高電平時復位。當時鐘頻率選用8MHz時，C取0.1F，R約為10K。2、

8、晶振電路單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為8MHz，電容瓷片電容值為33pF。3、JTAG仿真接口JTAG仿真接口用于連接最小系統(tǒng)板和仿真器，實現(xiàn)仿真器對DSP的訪問，JTAG接口的連接需要和仿真器上的接口一致。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG引腳的定義：TCK測試時鐘輸入；

9、TDI測試數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)通過TDI輸入JTAG口；TDO測試數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)通過TDO從JTAG口輸出；TMS測試模式選擇，TMS用來設(shè)置JTAG口處于某種特定的測試模式。4、電源設(shè)計最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。電源電路中接入電源指示燈LED，通過六腳開關(guān)來控制，需要二極管和限流的1K電阻。5、總設(shè)計圖最小系統(tǒng)以Atmega16單片機為核心，其包括晶振電路、復位電路、電源電路、JTAG下載口電路等。四、 PCB圖繪制1. 設(shè)計步驟1) 元件封裝，根據(jù)與元件的尺寸畫封裝，原理圖的標號代表引腳功能，封裝的標號代表引腳位置，如At

10、mega16芯片底座、四腳開關(guān)、六腳開關(guān)、三角電源、JTAG接口等元件的封裝。2) 導入封裝，在原理圖中執(zhí)行Design菜單中的Updata PCB。3) 定義規(guī)則，在Design中的Rules里定義PCB的規(guī)則，如最小間距、鋪銅間距、過孔及焊盤處理等、線寬等。4) 畫板型，板子外圍邊框、定位孔、安裝孔等，畫在Keepout層。5) 布局，把各元件按就近原則排列布局，多次試探、總結(jié)、優(yōu)化擺出最優(yōu)的布局。6) 連線，連線時要根據(jù)電流的大小定線的寬度，連線過程中要不斷試探，不斷優(yōu)化，改變甚至重新對器件進行布局，隨時進行規(guī)則檢查。7) 補淚，連線完畢后，對焊盤做淚滴處理。8) 覆銅。2.

11、設(shè)計原則1) 電路中不允許有交叉電路，對于可能交叉的線條，可以用“鉆”、“繞”兩種辦法解決。即，讓某引線從別的電阻、電容、三極管腳下的空隙處“鉆”過去，或從可能交叉的某條引線的一端“繞”過去，在特殊情況下如何電路很復雜，為簡化設(shè)計也允許用導線跨接，解決交叉電路問題。2) 電阻、二極管、管狀電容器等組件有“立式”，“臥式”兩種安裝方式。立式指的是組件體垂直于電路板安裝、焊接，其優(yōu)點是節(jié)省空間，臥式指的是組件體平行并緊貼于電路板安裝，焊接，其優(yōu)點是組件安裝的機械強度較好。這兩種不同的安裝組件，印刷電路板上的組件孔距是不一樣的。3) 同一級電路的接地點應(yīng)盡量靠近，并且本級電路的電源濾波電容也應(yīng)接在該

12、級接地點上。特別是本級晶體管基極、發(fā)射極的接地點不能離得太遠，否則因兩個接地點間的銅箔太長會引起干擾與自激，采用這樣“一點接地法”的電路，工作較穩(wěn)定，不易自激。4) 總地線必須嚴格按高頻中頻低頻一級級地按弱電到強電的順序排列原則，切不可隨便翻來復去亂接，級與級間寧肯可接線長點，也要遵守這一規(guī)定。特別是變頻頭、再生頭、調(diào)頻頭的接地線安排要求更為嚴格，如有不當就會產(chǎn)生自激以致無法工作。調(diào)頻頭等高頻電路常采用大面積包圍式地線，以保證有良好的屏蔽效果。5) 強電流引線（公共地線，功放電源引線等）應(yīng)盡可能寬些，以降低布線電阻及其電壓降，可減小寄生耦合而產(chǎn)生的自激。6) 阻抗高的走線盡量短，阻抗低的走線可

13、長一些，因為阻抗高的走線容易發(fā)笛和吸收信號，引起電路不穩(wěn)定。電源線、地線、無反饋組件的基極走線、發(fā)射極引線等均屬低阻抗走線，射極跟隨器的基極走線、收錄機兩個聲道的地線必須分開，各自成一路，一直到功效末端再合起來，如兩路地線連來連去，極易產(chǎn)生串音，使分離度下降。3. PCB圖Atmage16的封裝JAPG接口的封裝四腳開關(guān)的封裝六腳開關(guān)的封裝三角電源的開關(guān)PCB圖五、 綜合調(diào)試1. 軟件調(diào)試程序#include <avr/io.h> #include <stdlib.h>/延時函數(shù)void Delay(void)unsigned char i,j;for(i=200;i&

14、gt;0;i-) for(j=200;j>0;j-); /主函數(shù)程序從這里開始運行void main(void)unsigned char position=0; PORTA=0xff;DDRA=0xff;while(1) inti=0; for(i=0;i<16;i+) PORTA=(1<<position);if (+position >=8) position=0; Delay(); Delay(); Delay(); Delay(); Delay(); Delay();for(;i>=16&i<32;i+) PORTA=(0x80>

15、;>position);if (+position>=8) position=0; Delay(); Delay(); Delay(); Delay();Delay(); position=1;Delay(); Delay(); Delay(); Delay();Delay(); 延時為5ms的avr流水燈程序，流水燈顯示結(jié)果如下圖。2. 硬件調(diào)試1) 用萬用表等工具檢查硬件電路連線是否與電路圖一致，有無短路、虛焊等現(xiàn)象，嚴防電源短路和極性接反。2) 檢查數(shù)據(jù)總線、地址線和控制總線是否存在短路的故障。3) 通電檢查時，觀察i/o口的動作情況，查看電路板上有無元件過熱、冒煙、異味等現(xiàn)象，各相關(guān)設(shè)備的動作是否符合要求，整個系統(tǒng)的功能是否符合要求。六、 總結(jié)在這次實驗中，加強了動手能力，并且培養(yǎng)了獨立思考能力。單片機最小系統(tǒng)的原理圖設(shè)計，分別設(shè)計了晶振電路、復位電路、電源電路、JTAG下載口電路等。在繪制Atmega16芯片底座、四腳開關(guān)、六腳開關(guān)、三角電源、JTAG接口等元件的封裝過程中，要嚴格按照元件尺寸來畫封裝。在制版打孔前，要仔細檢查原理圖、封裝、PCB圖。在