第3章 最小系統(tǒng)

1、第三章 最小系統(tǒng)設計3.1 最小系統(tǒng) 概述 一個嵌入式處理器自己是不能獨立工作的，必須給它供電、加上時鐘信號、提供復位信號，如果芯片沒有片內(nèi)程序存儲器，則還要加上存儲器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器芯片才可能工作。這些提供嵌入式處理器運行所必須的條件的電路與嵌入式處理器共同構(gòu)成了這個嵌入式處理器的最小系統(tǒng)。而大多數(shù)基于ARM處理器核的微控制器都有調(diào)試接口，這部分在芯片實際工作時不是必需的，但因為這部分在開發(fā)時很重要，所以也把這部分也歸入最小系統(tǒng)中。 3.1 最小系統(tǒng) 框圖嵌入式控制器時鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復位及其配置系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源)可選，因為許多面向嵌入式領(lǐng)域的微控制器內(nèi)部集成了程序和數(shù)據(jù)

2、存儲器可選，但是在樣品階段通常都會設計這部分電路嵌入式控制器時鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復位及其配置系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源)嵌入式控制器時鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復位及其配置系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介電源供電系統(tǒng)(電源) 電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎，具有極其重要的地位，但卻往往被忽略。如果電源系統(tǒng)處理得好，整個系統(tǒng)的故障往往減少了一大半。 各部件簡介電源嵌入式控制器時鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復位及其配置系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源)供電系統(tǒng)(電源)設計電源時要考慮的因素：1.輸出的電壓、電流、功率；2.輸入的電壓、電流；3.安全因素；4.輸出紋波；5.電磁兼容和電磁干擾

3、；6.體積限制；7.功耗限制；8.成本限制。 各部件簡介電源1.分析需求 LPC1700系列芯片需要4組電源輸入：數(shù)字3.3V、模擬3.3V、RTC電源VBAT3.3V和片內(nèi)的ADC和DAC的參考電壓VREF。因此，理想情況下電源系統(tǒng)需要提供4組獨立的電源。如果系統(tǒng)的其它部分還有其它電源需求，則還需要更多的末級電源。但如果不使用LPC1768的AD功能，或?qū)D的要求不高，模擬電源和數(shù)字電源可以不分開供電，同時參考電壓也直接使用模擬電壓，RTC模塊直接由內(nèi)部供電或者外加一個電池作為掉電后的供電。 各部件簡介電源2.設計末級電源電路 整個系統(tǒng)在3.3V上消耗的電流與外部條件有很大的關(guān)系，這里假設

4、電流不超過200mA，這樣，電源系統(tǒng)3.3V能夠提供600mA電流即可。 分析得到以下參數(shù)：3.3V電源設計最大電流：600mA； 各部件簡介電源2.設計末級電源電路 在了解功率消耗之后，需要選擇合適的器件。 因為系統(tǒng)對這兩組電壓的要求比較高，且其功耗不是很大，所以不適合用開關(guān)電源，應當用低壓差模擬電源（LDO）。合乎技術(shù)參數(shù)的LDO芯片很多，1117系列芯片是一個較好的選擇，它的性價比較好，且多個廠家生產(chǎn)，減少采購風險。 各部件簡介電源SPX1117主要特點：0.8A穩(wěn)定輸出電流；1A穩(wěn)定峰值電流；3V可調(diào)節(jié)；低靜態(tài)電流；過流及溫度保護；多種封裝供選擇。Vin1GND2Vout3U12SPX

5、1117M3-3.3C33104C610uF/16V+5VVDD3.3Vin1GND2Vout3U11SPX1117M3-1.8C44104C710uF/16V+5VVDD1.8 各部件簡介電源3.設計前級電源電路 盡管1117允許的輸入電壓可達20V（參考芯片數(shù)據(jù)手冊），但太高的電壓使芯片的發(fā)熱量上升，散熱系統(tǒng)不好設計，同時影響芯片的性能。這樣，就需要前級電路調(diào)整一下。如果系統(tǒng)可能使用多種電源（如交流電和電池），各種電源的電壓輸出不一樣，就更需要前級調(diào)整以適應末級的輸入。通過之前的分析，前級的輸出選擇為5V。選擇5V作為前級的輸出有兩個原因：這個電壓滿足1117的要求；目前很多器件還是需要5

6、V供電的，這個5V可以兼做前級和末級了。 各部件簡介電源3.設計前級電源電路 根據(jù)系統(tǒng)在5V上消耗的電流和體積、成本等方面的考慮，前級電路可以使用開關(guān)電源，也可以使用模擬電源。 它們的特別如下：開關(guān)電源：效率較高，可以減少發(fā)熱量，因而在功率較大時可以減小電源模塊的體積；模擬電源：電路簡單，輸出電壓紋波較小，并且干擾較開關(guān)電源小得多。 各部件簡介電源嵌入式控制器時鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復位及其配置系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介時鐘 目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要

7、嚴格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時鐘信號。 時鐘系統(tǒng) 各部件簡介時鐘 目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要嚴格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時鐘信號。 LPC1700X1X2CCXtalLPC1700X1X2CClock使用內(nèi)部振蕩器使用外部時鐘源可以使用穩(wěn)定的時鐘信號源，如有源晶振等。 各部件簡介時鐘嵌入式控制器時鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復位及其配置系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介存儲器系統(tǒng) 對于大部分微控制器來說，存儲器系統(tǒng)不是必需的，但如果微控制器沒有片

8、內(nèi)程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，就必須設計存儲器系統(tǒng)，這一般通過微控制器的外部總線接口實現(xiàn)。存儲器系統(tǒng) 各部件簡介存儲器系統(tǒng)LPC2210存儲器系統(tǒng)P2.22/D221P2.23/D2310P2.24/D2411P2.25/D2512P2.26/D26/BOOT013P2.27/D27/BOOT116P2.28/D28/RD617P2.29/D29/TD618P2.30/D30/AIN419P2.31/D31/AIN520P3.29/BLS2/AIN627P3.28/BLS3/AIN728P3.27/WE29P3.26/CS130P3.23/A23/XCLK40P3.22/A2241P3.21/A

9、2144P3.20/A2045P3.19/A1946P3.18/A1847P3.17/A1748P3.16/A1653P3.15/A1555P3.14/A1456P3.13/A1362P3.12/A1263P3.11/A1164P3.10/A1065P3.9/A966P3.8/A871P3.7/A772P3.6/A673P3.5/A574P3.4/A480P3.3/A381P3.2/A287P3.1/A188P3.0/A089P1.1/OE90P1.0/CS091P3.31/BLS096P3.30/BLS197P2.0/D098P2.1/D1105P2.2/D2106P2.3/D3108P2.

10、4/D4109P2.5/D5114P2.6/D6115P2.7/D7116P2.8/D8117P2.9/D9118P2.10/D10120P2.11/D11124P2.12/D12125P2.13/D13127P2.14/D14129P2.15/D15130P2.16/D16131P2.17/D17132P2.18/D18133P2.19/D19134P2.20/D20136P2.21/D21137P3.25/CS2/RD635P3.24/CS3/TD636LPC2210C?A01A12A23A34A45CE6I/O07I/O18I/O29I/O310Vcc11Vss12I/O413I/O51

11、4I/O615I/O716WE17A518A619A720A821A922A1023A1124A1225A1326A1427NC28I/O829I/O930I/O1031I/O1132Vcc33Vss34I/O1235I/O1336I/O1437I/O1538BLE39BHE40OE41A1542A1643A1744U5IS61LV25616ALD0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17nBLS0nBLS1nWEnCS1nOEVDD3.3C14104A18A151A142A13

12、3A124A115A106A97A88A199NC10WE11NC12NC13NC14NC15A1816A1717A718A619A520A421A322A223A124A025CE26Vss27OE28DQ029DQ830DQ131DQ932DQ233DQ1034DQ335DQ1136Vdd37DQ438DQ1239DQ540DQ1341DQ642DQ1443DQ744DQ1545Vss46NC47A1648U6SST39VF160D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A

13、18A19nWEnOEnCS0C15104VDD3.3A20A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12A13A14A15A16A17A18A19D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15nCS0nCS1nBLS0nBLS1nOEnWER24.7KR110KVDD3.3LPC2210SRAMFLASH嵌入式控制器時鐘系統(tǒng)調(diào)試測試接口復位及其配置系統(tǒng)存儲器系統(tǒng)供電系統(tǒng)(電源) 各部件簡介調(diào)試與測試接口 調(diào)試與測試接口不是系統(tǒng)運行必須的，但現(xiàn)代系統(tǒng)越來越強調(diào)可測性，調(diào)試、測試接口的設計也要重視了。LPC1700有一個內(nèi)置JTAG調(diào)試接口，通過這個接口可以

14、控制芯片的運行并獲取內(nèi)部信息。 調(diào)試測試接口 各部件簡介調(diào)試與測試接口 各部件簡介復位電路 各部件簡介串口電路一 各部件簡介串口電路二 各部件簡介按鍵電路 各部件簡介指示燈電路 各部件簡介指示燈電路 各部件簡介AD采集電路 各部件簡介液晶顯示電路 各部件簡介芯片電路 各部件簡介外擴接口第三章補充內(nèi)容：數(shù)碼管和按鍵本講重點：本講重點：LED顯示接口（動態(tài)與靜態(tài)，硬件譯碼與顯示接口（動態(tài)與靜態(tài)，硬件譯碼與 軟件譯碼，電路與編程應用）軟件譯碼，電路與編程應用）鍵盤接口（鍵盤種類鍵盤接口（鍵盤種類, ,矩陣鍵盤和獨立鍵盤的矩陣鍵盤和獨立鍵盤的 編程）編程）數(shù)碼管接口擴展一、一、LEDLED顯示器的擴展

15、顯示器的擴展( (結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) )LEDLED數(shù)碼管的數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：共陽與共陰共陽與共陰 微控制器微控制器系統(tǒng)擴展系統(tǒng)擴展LEDLED數(shù)碼管時數(shù)碼管時多用多用共陽共陽LEDLED: :共陽數(shù)碼管每個段筆畫是用低電平共陽數(shù)碼管每個段筆畫是用低電平( (“0 0”) )點亮的點亮的, ,要求驅(qū)動要求驅(qū)動功率很小；而共陰數(shù)碼管段筆畫是用高電平功率很小；而共陰數(shù)碼管段筆畫是用高電平( (“0 0”) )點亮的，點亮的，要求驅(qū)動功率較大。要求驅(qū)動功率較大。 通常每個段筆畫要串一個數(shù)百歐姆的通常每個段筆畫要串一個數(shù)百歐姆的降壓電阻降壓電阻。公共公共陽陽極極h g f e d c b ah g f e d

16、 c b aa ab bc cd dg ge ef fh h公共公共陰陰極極h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh hh g f ah g f a高電平點亮高電平點亮低電平點亮低電平點亮接高電平接高電平接地接地LEDLED數(shù)碼管的數(shù)碼管的譯碼譯碼：硬件譯碼與軟件譯碼硬件譯碼與軟件譯碼共陰共陰LEDa ab bc cd dg ge ef fh hg gf fe ed dc cb b a aD DC CB BA AP1.3P1.3P1.2P1.2P1.1P1.1P1.0P1.0CD4511CD4511MCUMCU74LS48/CD4

17、51174LS48/CD4511是是“BCDBCD碼碼七段七段共陰共陰譯碼譯碼/ /驅(qū)動驅(qū)動”IC; IC; 74LS4774LS47是是“BCDBCD碼碼七段七段共陽共陽譯碼譯碼/ /驅(qū)動驅(qū)動”ICIC一、一、LEDLED顯示器的擴展顯示器的擴展( (結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)) )硬件譯碼特點硬件譯碼特點: :采用專用的譯碼采用專用的譯碼/ /驅(qū)動器件驅(qū)動器件, ,驅(qū)動功驅(qū)動功率較大率較大; ;增加了硬件的開銷增加了硬件的開銷; ;軟件軟件編程簡單編程簡單; ;字型固字型固定定( (比如比如: :只有七段只有七段, ,只可譯數(shù)字只可譯數(shù)字, ,字型不好看字型不好看) )。一、一、LEDLED顯示器的擴展顯示

18、器的擴展( (軟件譯碼軟件譯碼) )LEDLED數(shù)碼管的譯碼：數(shù)碼管的譯碼：軟件譯碼軟件譯碼軟件譯碼特點軟件譯碼特點: : 不用專用的譯碼不用專用的譯碼/ /驅(qū)動器件，驅(qū)動驅(qū)動器件，驅(qū)動功率較小功率較??；不增不增加加硬件的開銷；軟件硬件的開銷；軟件編程較復雜編程較復雜；字型；字型靈活靈活( (比如：比如：有八段，只可譯多種字符，字型好看有八段，只可譯多種字符，字型好看) )。共陽共陽LEDa ab bc cd dg ge ef fh hP1.0P1.0P1.1P1.1P1.2P1.2P1.3P1.3P1.4P1.4P1.5P1.5P1.6P1.6P1.7P1.7+5V+5VMCUMCULEDL

19、ED數(shù)碼管的軟件譯碼數(shù)碼管的軟件譯碼八段八段LEDLED數(shù)碼管數(shù)碼管段代碼編碼表段代碼編碼表( (連線不同可有多種表連線不同可有多種表):):公共陽極公共陽極h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh h公共陰極公共陰極h g f e d c b ah g f e d c b aa ab bc cd dg ge ef fh hh g f ah g f a高電平點亮高電平點亮低電平點亮低電平點亮接高電平接高電平接地接地字形字形0123456789黑黑共陽共陽0C00F90A40B09992820F880900FF共陰共陰3F065B4

20、F666D7D077F6F00一、一、LEDLED顯示器的擴展顯示器的擴展( (顯示方式顯示方式) )LEDLED數(shù)碼管的數(shù)碼管的顯示方式顯示方式：靜態(tài)與動態(tài)靜態(tài)與動態(tài)動態(tài)顯示特點動態(tài)顯示特點: : 有閃爍有閃爍，用，用元器件少元器件少，占占I/OI/O線少線少，必須掃描必須掃描，花費花費CPUCPU時間時間，編程復雜。編程復雜。( (有多個有多個LEDLED時尤為突出）時尤為突出）靜態(tài)顯示特點靜態(tài)顯示特點: : 無閃爍無閃爍，用，用元器件多元器件多，占占I/OI/O線多線多，無須掃描無須掃描，節(jié)省節(jié)省CPUCPU時間時間，編程簡單。編程簡單。靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示: : 各數(shù)碼管在顯示過程中各數(shù)碼

21、管在顯示過程中持續(xù)持續(xù)得到送顯信號，與各數(shù)碼管接口得到送顯信號，與各數(shù)碼管接口的的I/OI/O口線口線是是專用專用的。的。動態(tài)顯示動態(tài)顯示: : 各數(shù)碼管在顯示過程中各數(shù)碼管在顯示過程中輪流輪流得到送顯信號，與各數(shù)碼管接口得到送顯信號，與各數(shù)碼管接口的的I/OI/O口線口線是是共用共用的。的。A AB BCLKCLKh g f e d c b ah g f e d c b aCLRCLRA AB BCLKCLKCLRCLRA AB BCLKCLKCLRCLR+5V+5VVCCVCCTxDTxDRxDRxD MCU74LS16474LS16474LS164h g f e d c b ah g f

22、 e d c b ah g f e d c b ah g f e d c b a+5V+5V共陽共陽LED數(shù)碼管數(shù)碼管LEDLED數(shù)碼管數(shù)碼管靜態(tài)靜態(tài)顯示舉例顯示舉例有幾個有幾個LEDLED就要幾個就要幾個74LS16474LS164，但只要數(shù)據(jù)不變，但只要數(shù)據(jù)不變，送一次就保持住了，且不閃爍，編程十分簡單。送一次就保持住了，且不閃爍，編程十分簡單。LEDLED數(shù)碼管數(shù)碼管動態(tài)動態(tài)顯示舉例顯示舉例P1.5 P1.5 P1.4P1.4P1.3P1.3P1.2P1.2P1.2P1.2P1.0P1.0P0.7 P0.7 P0.6 P0.6 P0.5 P0.5 P0.4 P0.4 P0.3 P0.3

23、P0.2 P0.2 P0.1 P0.1 P0.0P0.07406 OC7406 OC門門 X 3X 3上拉上拉電阻電阻1414+5V+5VMCU工作原理工作原理：從從P0P0口送段代碼口送段代碼,P1,P1口送位選信號口送位選信號。段碼雖同時。段碼雖同時到達到達 6 6個個LEDLED，但，但一次僅一個一次僅一個LEDLED被選中被選中。利用。利用“視覺暫視覺暫留留”，每送一個字符并選中相應位線，延時一會兒，每送一個字符并選中相應位線，延時一會兒, ,再送再送/ /選下一個選下一個循環(huán)掃描循環(huán)掃描即可。即可。共陰共陰 數(shù)碼管數(shù)碼管位位選選線線段段代代碼碼擴展鍵盤接口二、鍵盤接口鍵盤鍵盤 單片機

24、系統(tǒng)中完成控制參數(shù)輸入及修改的單片機系統(tǒng)中完成控制參數(shù)輸入及修改的基本輸基本輸入設備入設備，是人工干預系統(tǒng)的重要手段。，是人工干預系統(tǒng)的重要手段。單片機與計算機在鍵盤規(guī)模單片機與計算機在鍵盤規(guī)模/ /鍵符設置等方面差別鍵符設置等方面差別很大。很大。鍵盤分類鍵盤分類 按鍵值按鍵值編碼方式編碼方式分分 ( (硬件硬件) )編碼鍵盤編碼鍵盤與與非非( (硬件硬件) )編碼鍵盤編碼鍵盤。 按鍵組按鍵組連接方式連接方式分分 獨立連接鍵盤獨立連接鍵盤與與矩陣連接鍵盤矩陣連接鍵盤。編碼鍵盤編碼鍵盤: : 采用專用的編碼采用專用的編碼/ /譯碼譯碼器件器件, ,被按下的鍵被按下的鍵由該器件譯碼輸出相應的由該器件譯碼輸出相應的鍵碼鍵碼/ /鍵值鍵值。特點：特點：增加了硬件開銷，編碼因選用器件而異，編增加