AVR042 AVR硬件設(shè)計

1、avr042 avr硬件設(shè)計 avr042: avr硬件設(shè)計 主要內(nèi)容 數(shù)字和模擬部分充分供電 reset 信號線的連接 spi 接口的在系統(tǒng)編程 使用外部晶體振蕩器或陶瓷振蕩器 1. 介紹 這篇應(yīng)用筆記是為了回答一些問題和開頭設(shè)計 avr 單片機時面對的一些疑問而寫的，從每章的標題可以知道說明的問題。文章介紹了在設(shè)計中可能遇到的問題，而不是說明怎樣使用使用 avr 單片機。這篇文檔的問題是從已有的 avr 文檔中收集出來的，并結(jié)合了一些現(xiàn)在的新資料。 在開頭新設(shè)計之前高度推舉閱讀應(yīng)用筆記 avr040 - “emc 設(shè)計參考”，特殊是對于需要開發(fā)針對有emc需求的商業(yè)應(yīng)用（或類似有此要求的歐

2、洲國家）。此應(yīng)用筆記可以在 atmel 的官方網(wǎng)站 上找到。 2. 電源供電 電源供電設(shè)計有兩點要考慮：avr的離散/數(shù)字元件；esd 愛護和噪聲。兩者在應(yīng)用筆記 avr040 中都具體說明白，這里只是簡潔概括。 2. 1數(shù)字電路供電 查看avr單片機的數(shù)據(jù)手冊，沒有人會信任電源供電是不重要的。芯片有一個寬的電壓范圍，并且只從電源中吸取很少的電流。但是和全部的數(shù)字電路一樣，電流是一個平均值。在時鐘的沿有特別短的尖峰吸取電流，假如 i/o 口進行開關(guān)，尖峰電流會更大。假如全部的 io 端口同時轉(zhuǎn)變，電源線上的電流脈沖可能達到幾百毫安。假如 i/o 端口沒有使用，那么脈沖可能只有幾個納安。 這種尖

3、峰電流不能通過長電源線進行傳送，所以主電源需要使用退耦電容。 圖2-1. 不正確的退耦 圖2-1 顯示了一個不好的退耦的例子。電容離單片機太遠了，產(chǎn)生了一個大電流回路。這里的電源層和地線層就是大電流回路的一部分，因此噪聲更簡單傳導(dǎo)到其他芯片，電磁輻射也增加了，整個地線層還成為了噪聲信號的天線。當單片機的電源和地引腳直接連接到電源和地線層就會消失這個狀況（典型是過孔安裝的元件），退耦電容的連接也是同樣的。同樣的狀況常常在表面安裝的元件的電路板上常?？吹?，假如整個電路放在電路板的一邊而退耦電容在另外一邊。 圖2-2 顯示了電容更好的放置方法，大電流回路不是電源或地線層的一部分。這很重要，由于電源和

4、地線層會傳導(dǎo)大量的噪聲。圖中也顯示了退耦的另外一種改進，一個電感用于削減電源的開關(guān)噪聲。電感的等效電阻要足夠小，保證沒有大的直流壓降。 圖2-2. 使用電感退耦 通常，avr 單片機的電源和地線引腳相互靠近（如 atmega8535），這樣比標準引腳的芯片（如 atmega8515）有更好的退耦效果，標準封裝的電源和地線引腳在dip的對角線。這個缺點可以使用 tqfp 封裝來克服，它可以使得退耦電容特別靠近。對于有多個電源和地的芯片，基本上每 對電源和地都需要自己的退耦電容。 主電源需要使用容量有數(shù)uf的鉭電容進行穩(wěn)定。 2. 2模擬電路供電 avr 單片機內(nèi)置的 adc 有獨立的模擬供電引腳

5、 avcc，這個分開的供電使模擬部分削減了數(shù)字電路部分的開關(guān)噪聲影響。同樣，模擬地 agnd 也是獨立與數(shù)字地的。 為了使 adc 獲得更好的精度，模擬電源必需單獨退耦。模擬地應(yīng)當和數(shù)字地分開，它們應(yīng)當只在一點連接，例如電源的地。 3. reset 引腳的連接 avr 單片機的 reset（復(fù)位）腳在低電平常有效，設(shè)置這個為低電平將使得單片機復(fù)位。復(fù)位有兩個目的： 1. 釋放全部端口成為三態(tài)（除了 xtal 引腳），初始化全部端口寄存器和設(shè)置程序指針為0。 2. 進入編程模式。此外，上拉 reset 到很高電壓可以進入高電壓/并行編程模式，很高電壓指 11.5 12.5v （參考數(shù)據(jù)手冊）。

6、reset 引腳有內(nèi)部上拉電阻，但是假如有很強的環(huán)境噪聲可能會偶然引起復(fù)位。參考數(shù)據(jù)手冊中指定型號的上拉電阻參數(shù)。 可以使用不同方式來避開意外的復(fù)位，可以使用外部管理或外部監(jiān)控電路來掌握 reset 管腳。假如外部管理電路如應(yīng)用筆記avr180中說明的，可以不用再考慮怎樣連接 reset 引腳。假如avr單片機有內(nèi)置的電壓監(jiān)視電路，那么可以省去外部電路。 連接 reset 是為了能既進入高電壓編程，也能通過上拉電阻進入一般的低電壓復(fù)位，這個上拉電阻保證了復(fù)位引腳不會意外變?yōu)榈碗娖健Ｉ侠娮枥碚撋峡梢允侨我獯笮?，但是為了能使用?stk500/avrisp 等編程工具，上拉電阻不能太小，以免不能

7、將 reset 信號拉低。推舉使用 4.7k 的電阻或更大的（使用 stk500 編程時）。 為了削減 reset 上的噪聲，最好通過一個電容連接 reset 到地線。自從avr 內(nèi)置了低通濾波器消退尖峰和噪聲后這已經(jīng)不是必需的了，但外部電容可以供應(yīng)額外的愛護。假如不使用高電壓編程，推舉添加一個 esd 愛護二極管從 reset 到 vcc，由于為了高壓編程沒有內(nèi)置愛護二極管。元件應(yīng)當盡量靠近 reset 引腳，圖3-1 顯示了推舉的電路。 圖3-1. 推舉的 reset 連接方式 4. 連接isp信號線 在系統(tǒng)編程（isp）信號線用于編程 avr 單片機的 flash、eeprom、鎖定位和

8、大部分熔絲位（除了 attiny11 和attiny28 外）。 這個特點使得可以在產(chǎn)品的最終階段對用戶板進行編程，或者在以后重新編程（假如發(fā)覺問題），或者進行軟件升級。高度推舉在用戶板上總是保留一個 isp 接口。 atmel isp 編程器有兩種標準連接方式：6 芯和 10 芯接口。如圖4-1。需要連接數(shù)據(jù)線（mosi 和 miso）以及總線時鐘（sck），用戶電壓 vtg，gnd 和 reset（rst）。 圖4-1. stk500, avr isp 和 stk200/stk300 的標準 isp 連接 一些 isp 編程器由用戶板供應(yīng)電源，這時比較簡單適應(yīng)用戶系統(tǒng)的電平。其他的 isp

9、 編程器，如 stk500，可以通過 vtg 給用戶板供電，這時肯定要留意不要打開用戶板的電源開關(guān)。閱讀 isp 編程器的用戶手冊，找出你編程器的性能和接口。 isp 信號線在大多數(shù)芯片上位于相同的引腳，作為串行接口設(shè)備（spi），或其他多功能引腳。參考芯片的數(shù)據(jù)手冊查明 isp 使用的管腳。當有其他芯片連接到 avr 的 isp 上時，需要進行愛護，防止轉(zhuǎn)變信號狀態(tài)。這對于 spi 總線尤其重要。在 spi 線上串聯(lián)電阻，如圖4-2 中那樣，是最簡潔的方法。avr 在編程狀態(tài)下不會驅(qū)動 spi 引腳，當保持 avr 的 reset 進入編程模式 avr 全部的引腳都是三態(tài)的。 圖4-2. 連

10、接 spi 到 isp 接口 一個系統(tǒng)中的多個 avr 可以通過同樣的 isp 接口進行編程。但是假如沒有特別的設(shè)計，全部的 avr 單片機都會對 isp 指令做出響應(yīng)。在只設(shè)計一個 isp 接口時，可以設(shè)計為一次只給一個 avr 單片機供應(yīng) spi 時鐘，全部其他的 spi 線可以共享。在這個方式下，全部 avr 單片機都在相同的愛護電阻之后，isp 的時鐘信號可以用跳針來連接。假如設(shè)計多個 isp 接口，每 個都應(yīng)當如圖4-2 那樣連接。 5. 使用晶體和陶瓷振蕩器 大多數(shù) avr 單片機可以使用不同的時鐘源。典型外部時鐘源是 rc 振蕩器、晶體和陶瓷振蕩器。晶體和陶瓷振蕩器在一些應(yīng)用中使

11、用引起問題是由于沒有正確理解這些時鐘，這一章將特地介紹晶體和陶瓷振蕩器的使用，關(guān)注于它們的使用而不是理論。 5.1 使用時鐘源 avr 使用的時鐘源通過熔絲進行選擇，大多數(shù) isp 和并行編程器可以對熔絲位進行編程，來選擇合適的時鐘。在 avr 的 flash 被擦除時熔絲位并沒有被擦除，只有在需要修改相關(guān)設(shè)置時才對熔絲位進行編程。每次編程熔絲無需將單片機的內(nèi)容擦除和再編程，與這篇文檔相關(guān)的時鐘選項有： 外部低頻晶體 外部晶體振蕩器 外部陶瓷振蕩器 可以選擇其它一些與啟動相關(guān)的子參數(shù)設(shè)置，但是 3 種時鐘選項是應(yīng)當被關(guān)注的基本設(shè)置。時鐘選項在不同的 avr 單片機之間有所不同 不是全部的型號都

12、支持各種外部時鐘的。查看相關(guān)型號的數(shù)據(jù)手冊來打算詳細使用的時鐘。 應(yīng)當知道假如選擇了實際不支持的時鐘，單片機可能無法運行，由于沒有相應(yīng)的內(nèi)部振蕩器電路。由于在擦除 flash 時不清除熔絲，所以假如選擇了錯誤的設(shè)置就會引起故障。 5.2 關(guān)于晶體和陶瓷振蕩器 avr 單片機使用的典型晶體是平行切割的振蕩晶體。陶瓷振蕩器特別類似于平行切割的晶體，可以認為它是成本和精度更低的晶體。陶瓷振蕩器的q值比較低，這既是優(yōu)點也是缺點。由于q值低，陶瓷振蕩器的頻率更簡單調(diào)整，但是對溫度和負載變化也更加敏感，引起不盼望的頻率變化。陶瓷振蕩器的優(yōu)點是起振速度比晶體快。 在石英晶體和陶瓷振蕩器之間沒有顯著的區(qū)分。在

13、這一章中，振蕩器一般同時指這兩者。 來達到必要的相位移動和維持振蕩頻率，基本振蕩器電路如圖5-1。虛線部分的電路是 avr 單片機內(nèi)置的。 圖5-1. 等價的基本反向電路 留意： (a) 用于頻率大于400khz的晶體或陶瓷振蕩器的振蕩電路 (b) 低頻電路 (32.768khz) (不是全部 avr 都支持) 簡化 avr 內(nèi)置的振蕩器電路，它們可以看做如圖5-1的反相器電路。頻率大于 400khz 時使用了電路 (a)，這時必需接外部電容。電路 (b) 用于低頻，一些 型號的 avr 單片機為典型頻率 - 32.768khz 做了優(yōu)化。它內(nèi)置了需要的電容和電阻，電阻rb用于振蕩器的偏置和限

14、制電流，電阻 rf（約1m歐姆）供應(yīng)反饋并偏置反相器到線性區(qū)。查看數(shù)據(jù)手冊了解指定型號的單片機是否內(nèi)置了低頻振蕩電路。 當使用了振蕩器，就需要供應(yīng)（外部）電容以促進振蕩。假如容性負載不足，一個平面振蕩器將不能穩(wěn)定振蕩。假如容性負載太大，可能不能起振，由于驅(qū)動電平依靠于負載。找出合適的容性負載參數(shù)需要肯定的技巧，在數(shù)據(jù)手冊中用 cl 表示這個參數(shù)（在振蕩器的最終部分）。cl 包括寄生電容和 xtal 引腳的電容，可以用閱歷打算，或者用公式5-1來計算。 公式 5-1. 這里 cl1 和 cl2 可以參考圖5-1，cs 是 xtal 引腳和 pcb 寄生電容的總和。cs 可以估量為 5-10pf，

15、假如cl1 = cl2 那么外部電容可以用公式5-2 來計算： 公式5-2. 5.3 平安系數(shù) 為了避開晶體過載，造成不能起振，需要驗證振蕩器的平安系數(shù)（包括特別晶體）。過載是造成陶瓷振蕩器不能啟動的緣由。為了驗證振蕩器的平安系數(shù)，必需打算振蕩器負載（或晶體振蕩范圍）。串聯(lián)電阻（rq）到晶體（臨時）， 如圖5-2，可以打算振蕩器負載。 圖5-2. 串聯(lián) rq 到晶體來打算振蕩器負載 測試的方法是轉(zhuǎn)變外部的電容，從小電容開頭漸漸增加，始終到使振蕩器停止振蕩。確保電容安裝堅固 避開使用任何插座。 將 cl1 和 cl2 從 1-2pf 開頭啟動 avr 單片機，驗證振蕩器是否真實起振。假如有示波器

16、探針，可以用于晶體檢測?；蛘呔帉懸粋€小程序，周期轉(zhuǎn)變一個 i/o 端口（譯者：最好是驅(qū)動一個led，這樣更直觀）也可以達到這個目的。增加 cl1 和 cl2 直到振蕩器停止振蕩。用公式5-3 打算平安系數(shù)，推舉使用比平安系數(shù)小 3-5 的容性負載。 公式 5-3. 這里負載 rl 由公式5-4 打算： 公式 5-4. 這里 r1 和 c0 是從數(shù)據(jù)手冊中的電阻和cl 查表并通過公式5-1 計算得出的。 用優(yōu)化的平安系數(shù)曲線得出容性負載，應(yīng)當意識到不推舉使用平安系數(shù)曲線的頂點，而是選取曲線開頭下降的點。曲線應(yīng)當如圖5-3 所示。 圖5-3. 平安系數(shù)rq曲線 圖5-3 的例子中陰影區(qū)就是平安區(qū)。

17、通常狀況下平安系數(shù)大于 3 認為是平安的，其它系數(shù)也可以被考慮：最小需要容性負載、推舉和最大驅(qū)動電平。 5.4 推舉電容參數(shù) 這里推舉的參數(shù)在大多數(shù)狀況都可以很好的工作，但是沒有一種方法可以保證電容參數(shù)對全部的振蕩器都合適。 當使用時鐘選項 “外部晶體振蕩器”，晶體頻率從 400 khz 到更高，對于這樣的標準 “高” 頻晶體推舉電容參數(shù)在 22-33pf。 對于時鐘選項 “外部低頻晶體” 的 32.768khz 晶體，內(nèi)部振蕩器電路可能已經(jīng)供應(yīng)了需要的容性負載。編程 ckopt 熔絲，用戶可以允許 xtal1 和 xtal2 的內(nèi)部電容，內(nèi)部電容典型值是 20pf，但是可能會不同。這樣可以省

18、掉外部電容，否則就需要使用外部電容。此時容性負載參數(shù)，由晶體制造商給出。外部電容可以由公式5-2 計算。使用外部電容時 ckopt 熔絲必需不被編程。 請參考數(shù)據(jù)手冊確定指定型號的芯片是否有內(nèi)部電容，工作電壓在 1.8-5.5v 的芯片沒有內(nèi)部電容（除了 atmega162）。留意 at90s8535, atmega163 和 atmega103 等型號沒有 ckopt 熔絲，但是它們有專用引腳（tosc1-tosc2），用來連接 32.768khz 手表晶體。 使用時鐘選項 “外部陶瓷振蕩器” 時劇烈推舉參考數(shù)據(jù)手冊打算使用的電容?？偸鞘褂猛婆e的電容參數(shù)，由于陶瓷振蕩器對容性負載特別敏感。

19、5.5 拉動額定頻率 振蕩器頻率依靠于電容負載，應(yīng)用數(shù)據(jù)手冊中指定的電容負載將得到特別接近于額定頻率的頻率（目標頻率）。假如使用其它電容負載，頻率將發(fā)生變化。電容負載削減，頻率將增加；電容 負載增加，頻率將降低。頻率拉動力量 振蕩器頻率能夠被強制轉(zhuǎn)變多少 依靠于振蕩器的類型或振蕩器的q值。典型晶體有很高的 q 值，意味著振蕩器頻率拉動力量很低。一些晶體有特殊高的q值，如 32.768khz 晶體，所以它被用于計時。陶瓷振蕩器的q值不高，對電容負載更加敏感。 不管振蕩器類型是什么頻率都能被轉(zhuǎn)變電容負載而拉動，但是使用大電容負載要保證在任何狀況下振蕩器能夠啟動。假如振蕩器過載，振蕩器將不能啟動；而一旦振蕩器啟動后，很少會由于過載而停止工作。用手指或探針觸摸沒有啟動的振蕩器的引腳能夠啟動振蕩器，可以通過它來識別過載問題。 為了判定振蕩器的拉動力量需要知道振蕩器的 “運動” 電容。這個參數(shù)在全部的晶體數(shù)據(jù)