USB充電器電路

1、5V-USB充電器電路圖,有詳細(xì)制作步驟USB充電器套件，又名MP3/MP4充電器，輸入AC160-240V,50/60Hz,額定輸出：DC 5V 250mA（標(biāo)簽貼紙為500mA,如果要長期輸出更大電流，請(qǐng)更換Q1為13003）。MP3和MP4在全國范圍大量流行，不過作為日常用品的充電器由于直接和220V高壓相連，具有故障率較高，容易損壞的特點(diǎn)，特別是買到那些不成熟的產(chǎn)品后，真是苦不看言。最后，受學(xué)校老師委托，我們聯(lián)系到了一款成熟量產(chǎn)的充電器套件，現(xiàn)在一同給廣大電子愛好者分享。傳輸文件進(jìn)行PCB打樣下面是對(duì)著實(shí)物繪制的電路原理圖：（電路板上有多種元件安裝方法，安裝請(qǐng)與原理圖、實(shí)物圖為準(zhǔn)，PC

2、B板上有些元件孔是不要安裝的，有些元件要裝在別的元件孔上，這點(diǎn)請(qǐng)注意?。┱f明：為了簡(jiǎn)化電路，達(dá)到學(xué)習(xí)目地，圖中用1歐的電阻F1起到保險(xiǎn)絲的作用，用一個(gè)二極管D1完成整流作用。接通電源后，C1會(huì)有300V左右的直流電壓，通過R2給Q1的基極提供電流，Q1的發(fā)射極有R1電流檢測(cè)電阻R1,Q1基極得電后，會(huì)經(jīng)過T1的（3、4）產(chǎn)生集電極電流，并同時(shí)在T1的（5、6）（1、2）上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，這兩個(gè)次級(jí)絕緣的圈數(shù)相同的線圈，其中T1（1、2）輸出由D7整流、C5濾波后通過USB座給負(fù)載供電；其中T1（5、6）經(jīng)D6整流、C2濾波后通過IC1（實(shí)為4.3V穩(wěn)壓管）、Q2組成取樣比較電路，檢測(cè)輸出電壓高低

3、；其中T1（5、6）、C3、R4還組成Q1三極管的正反饋電路，讓Q1工作在高頻振蕩，不停的給T1（3、4）開關(guān)供電。當(dāng)負(fù)載變輕或者電源電壓變高等任何原因?qū)е螺敵鲭妷荷邥r(shí)，T1（5、6）、IC1取樣比較導(dǎo)致Q2導(dǎo)通，Q1基極電流減小，集電極電流減小，負(fù)載能力變小，從而導(dǎo)致輸出電壓降低；當(dāng)輸出電壓降低后，Q2取樣后又會(huì)截止，Q1的負(fù)載能力變強(qiáng)，輸出電壓又會(huì)升高；這樣起到自動(dòng)穩(wěn)壓作用。本電路雖然元件少，但是還設(shè)計(jì)有過流過載短路保護(hù)功能。當(dāng)負(fù)載過載或者短路時(shí)，Q1的集電極電流大增，而Q1的發(fā)射極電阻R1會(huì)產(chǎn)生較高的壓降，這個(gè)過載或者短路產(chǎn)生的高電壓會(huì)經(jīng)過R3讓Q2飽和導(dǎo)通，從而讓Q1截止停止輸出防止

4、過載損壞。因此，改變R1的大小，可以改變負(fù)載能力，如果要求輸出電流小，例如只需要輸出5V100MA,可以將R1阻值改大。當(dāng)然，如果需要輸出5V500MA的話，就需要將R1適當(dāng)改小。注意：R1改小會(huì)增加燒壞Q1的可能性，如果需要大電流輸出，建議更換13003、13007中大功率管。C4、R5、D5起什么作用呢？T1變壓器是電感元件，Q1工作在開關(guān)狀態(tài)，當(dāng)Q1截止時(shí)，會(huì)在集電極感應(yīng)出很高的電壓，這個(gè)電壓可能高達(dá)1000伏以上，這會(huì)使Q1擊穿損壞，現(xiàn)在有了高速開關(guān)管D5,這個(gè)電壓可以給C4充電，吸收這個(gè)高壓，C4充電后可以立即通過R5放電，這樣Q1不會(huì)因集電極的高電壓擊穿損壞了，因此，這三個(gè)元件如有

5、開關(guān)或者損壞，Q1是非常危險(xiǎn)的，分分秒秒都可能會(huì)損壞。給的大家收到貨后，先熟悉一下電路原理圖，分析一下原理，再測(cè)量一下各元件，最后再小心來裝配。安裝注意事項(xiàng)：安裝之前請(qǐng)不要急于動(dòng)手，應(yīng)先查閱相關(guān)的技術(shù)資料以及本說明，然后對(duì)照原理圖，了解印刷電路板、元件清單，并分清各元件，了解各元件的特點(diǎn)、作用、功能，同時(shí)核對(duì)元件數(shù)量。注：Z1、D2、D3、D4,IC1本種組裝沒有配備，電路板是設(shè)計(jì)的多用途的，本套件只用到半波整流，只有一個(gè)1N4007整流，請(qǐng)大家不要自己多裝其它的二極管，參考圖中樣板做就行了，樣板已經(jīng)測(cè)試過是OK的，在工廠做過的朋友就知道，工廠都是按照樣板生產(chǎn)的。正確插入元件，按照從低到高、從

6、小到大的順利安裝，極性要符合規(guī)定。對(duì)于手工安裝，元件應(yīng)分批安裝。如此板先電阻二極管三極管電容變壓器USB座1、Q1、Q2千萬不要裝錯(cuò)，Q1應(yīng)選用耐壓500V以上具有開關(guān)特性的管子，Q2耐壓幾十伏就行了，Q2適合選放大特性好的管子，這兩種管子的管腳排列可能會(huì)不同常規(guī)，請(qǐng)以測(cè)量為準(zhǔn)。2、IC1、D6請(qǐng)千萬不要裝錯(cuò)，同樣是玻璃封裝的二極管，一個(gè)是4.3V的穩(wěn)壓二極管，一個(gè)普通二極管，其中IC1只是PCB板上的符號(hào)，二極管只占用兩個(gè)PCB元件孔。3、1N4007、FR107、1N5819請(qǐng)不裝錯(cuò)，1N4007是低頻二極管，F(xiàn)R107是高頻高壓二極管，1N5819是低電壓高頻肖特基二極管，都是不能裝錯(cuò)位

7、置的。（代換關(guān)系：FR107可以代替1N4007,反之則不行；而1N5819則不能用其它二極管代替，1N5819的導(dǎo)通電壓很低，相當(dāng)于鍺管的導(dǎo)通電壓，因此，低電壓整流效率很高，如果一定要用其它二極管代替，則出輸出功率下載，發(fā)熱嚴(yán)重，效率變低。）記?。篎R104（7）是高頻輸出整流二極管，1N4007才是電源整流二極管。通電測(cè)試線路板：仔細(xì)檢查線路板安裝無誤后，要通電試板時(shí)，可以在PCB板直接焊一個(gè)220V插頭線，為了安全起見，請(qǐng)大家先在電源串聯(lián)一個(gè)10W的白熾燈泡，以防止短路或者接錯(cuò)，千萬注意安全，還有，元件一不小心就燒壞了，燒壞了需要再買才行。如果安裝無誤，用萬用表可以測(cè)得USB1腳和4腳應(yīng)

8、有5V的電壓輸出，電源指示燈亮，確認(rèn)電路板裝配無誤。傳輸文件進(jìn)行PCB打樣手機(jī)充電器電路220V 交流輸入，一端經(jīng)過一個(gè)4007 半波整流，另一端經(jīng)過一個(gè)10 歐的電阻后，由10uF 電容濾波。這個(gè)10 歐的電阻用來做保護(hù)的，如果后面出現(xiàn)故障等導(dǎo)致過流，那么這個(gè)電阻將被燒斷，從而避免引起更大的故障。右邊的4007、4700pF 電容、82K電阻，構(gòu)成一個(gè)高壓吸收電路，當(dāng)開關(guān)管13003 關(guān)斷時(shí)，負(fù)責(zé)吸收線圈上的感應(yīng)電壓，從而防止高壓加到開關(guān)管13003 上而導(dǎo)致?lián)舸?3003 為開關(guān)管(完整的名應(yīng)該是MJE13003)，耐壓400V，集電極最大電流1.5A，最大集電極功耗為14W，用來控制原

9、邊繞組與電源之間的通、斷。當(dāng)原邊繞組不停的通斷時(shí)，就會(huì)在開關(guān)變壓器中形成變化的磁場(chǎng)，從而在次級(jí)繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電壓。傳輸文件進(jìn)行PCB打樣LED節(jié)能燈電路原理圖如圖為LED節(jié)能燈電路原理圖。該燈使用220V電源供電，220V交流電經(jīng)C1降壓電容降壓后經(jīng)全橋整流再通過C2濾波后經(jīng)限流電阻R3給串聯(lián)的38顆LED提供恒流電源。LED的額定電流為20mA。三種傳感電子電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種以CC2430為核心的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。其中，傳感器模塊包括有溫濕度傳感器SHTll、紅外傳感器BS520、光照度傳感器PGM5506.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是對(duì)周圍環(huán)境的溫度、濕度、光、加速度等

10、信息進(jìn)行監(jiān)控和管理的技術(shù)。這種無線傳感器節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置了傳感器、傳感器控制電路、CPU、無線通信模塊、天線、電源裝置等，通過Ad-Hoc通信技術(shù)，可以與周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)一起把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。本文介紹的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過匯聚節(jié)點(diǎn)上傳到遠(yuǎn)程主機(jī)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成 硬件電路的設(shè)計(jì) CC2430是Chipcon公司推出的用來實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)。CC2430只需要很少的外接元件就可以運(yùn)行，其內(nèi)部已集成了大量必要的電路，因此采用較少的外圍電路即實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能。圖2為CC2430基本電路設(shè)計(jì)。 圖2 CC2480基本電

11、路 圖2中C1，C2為22pF的電容，連接32MHz的晶振電路，此石英晶振用于正常工作使用。C3，C4為15pF的電容，連接32.768 kHz的晶振電路，此石英晶振用于休眠時(shí)工作，從而降低功耗。C5=O.1F，用于去除一些雜波干擾，防止單片機(jī)錯(cuò)誤復(fù)位。C6C8分別為100 nF，220nF，220 nF，用作濾波，去除雜波干擾使電壓更穩(wěn)定。C9=5.6 pF，電路中非平衡變壓器由電容C9和電感L1，L2，L3以及一個(gè)PCB微波傳輸線組成，整個(gè)結(jié)構(gòu)滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50)的要求，L1，L2，L3分別為8.2nH，22nH，1.8nH.C10，C11，C12，C13，C14為去耦合電容

12、，用于電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。偏置電阻器R1，R2分別為43 k，56 k，R1用于為32 MHz晶體振蕩器設(shè)置精密偏置電流。 由于CC2430芯片具有低功耗的特性，選用2節(jié)2 800 mAh的干電池為節(jié)點(diǎn)機(jī)供電。天線選用外置天線。CC2430與溫濕度傳感器SHTll，光照度傳感器PGM5506，紅外傳感器BS520連接原理圖如圖3所示，其中P0.O，P0.1，P0.6，P1.2和P1.3為CC2430的I/O端口。 SHTll采用兩線串行線和處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SCK數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)處理器和SHTll的通訊同步;DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng)DATA在低電平

13、。需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，圖3顯示CC2430的引腳P1.2用于SCK，P1.3用于DATA. 圖3 三種傳感器連接原理圖 光照度傳感器PGM5506實(shí)際就是一個(gè)光敏電阻，隨著周邊環(huán)境的光量而改變電阻值，從而輸入3 V電壓受到隨著光量而變化的光敏電阻的影響，因而輸出電壓值改變。在測(cè)定輸出電壓值的LIGHTOUT中，可以根據(jù)變化的電壓量感知光量。圖3顯示CC2430的引腳P0.0連接LIGHT OUT.紅外傳感器BS520，隨著紅外線的強(qiáng)弱輸出A/D也變化，因此CC2430處理器可以根據(jù)輸入的電流變化量來測(cè)定紅外線值。圖3顯示CC2430的引腳PO.1連接INFRARED AD

14、C，通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和對(duì)CC2430的了解，ZigBee技術(shù)未來的應(yīng)用前景被看好。未來的幾年里，它將在工業(yè)控制、汽車自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子等多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。 壓力傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器PGA900設(shè)計(jì)思路德州儀器(TI)日前推出了業(yè)內(nèi)最高分辨率壓力傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器PGA900，該款產(chǎn)品提供一個(gè)可編程內(nèi)核，可在很多壓力性橋式傳感應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)靈活線性化和溫度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓力、應(yīng)力、流量以及液體水平面等條件的快速精確的24位測(cè)量。怎樣才算一顆好的壓力傳感器眾所周知，傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器的主要目的是將前端非線性信號(hào)經(jīng)過處理變?yōu)榫€性輸出，線性度的好壞直接決定了精度的高低，它涉及內(nèi)部ADC量化

15、精度、用于非線性到線性的處理器內(nèi)核和輸出接口(0-5V還是工業(yè)類通用的4mA-20mA)等多個(gè)因素。此外，集成性對(duì)芯片也提出了很高的要求。PGA900不但集成了2個(gè)用于高分辨率信號(hào)采集的低噪聲24位ADC，最大可達(dá)到10ppm/的低漂移電壓基準(zhǔn)可在-40至150工作溫度范圍內(nèi)的實(shí)現(xiàn)高精度感測(cè)。還集成了一個(gè)可用來提供高線性模擬輸出的14位DAC以及多種輸出接口，包括模擬電壓、4-20mA電流回路、串行外設(shè)接口(SPI)、I2C、通用異步收發(fā)器(UART)和單線制接口(OWI)，可為設(shè)計(jì)人員提供可以針對(duì)不同應(yīng)用需求的選項(xiàng)。此外，PGA900內(nèi)置的ARMCortex-M0內(nèi)核使開發(fā)人員能夠用專有溫度

16、與非線性補(bǔ)償算法設(shè)計(jì)產(chǎn)品，單線制接口可以在不使用其它線路的情況下，通過電源引腳實(shí)現(xiàn)通信、配置和校準(zhǔn)，而集成的電源管理電路還可滿足3.3V至30V之間的外部電源電壓輸入需求。解讀PGA900設(shè)計(jì)思路之所以在PGA900內(nèi)部集成兩個(gè)24位ADC，TI半導(dǎo)體事業(yè)部中國區(qū)模擬業(yè)務(wù)拓展經(jīng)理朱文斌解釋稱，一個(gè)通道用來采集橋式應(yīng)變片的非線性壓力信號(hào)，另外一個(gè)則是用來做溫度的采集?！皽囟葘?duì)于壓力傳感器其實(shí)很重要?！彼f，曾經(jīng)有客戶做了一些成本較低的壓力傳感器芯片，由于沒有采用溫補(bǔ)措施，使得系統(tǒng)油壓溫度一度達(dá)到了150，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過60的正常溫度，導(dǎo)致關(guān)鍵系統(tǒng)失效。而對(duì)于選擇Cortex-M0MCU，TI半導(dǎo)體事業(yè)

17、部中國區(qū)業(yè)務(wù)拓展總監(jiān)吳健鴻認(rèn)為，這是“TI在認(rèn)真傾聽了客戶反饋后做出的正確選擇。”首先，PGA900只是把24位ADC做一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算就直接進(jìn)行輸出，M0這種有一點(diǎn)實(shí)時(shí)控制功能的內(nèi)核就足夠了，如果用M4就有點(diǎn)“大材小用”的感覺；其次，有些客戶會(huì)有自己的軟件IP和算法，采用M0內(nèi)核，會(huì)方便他們?cè)谧龇蔷€性處理時(shí)寫進(jìn)自己的一階、兩階甚至五階代碼，從而開發(fā)出來非常好的從非線性到線性校正的產(chǎn)品。TI在定義怎樣做好評(píng)估套件方面也頗費(fèi)了一番工夫，重大改進(jìn)包括支持30V電壓和4mA-20mA電流、多種輸入接口等。朱文斌表示，“這些改進(jìn)對(duì)于工業(yè)客戶而言非常重要?！庇捎诠钁?yīng)變片、陶器應(yīng)變片、合金應(yīng)變片基本都是通過

18、腐蝕、高溫工藝加工出來的，一致性不會(huì)特別好，某些國內(nèi)傳感器廠商的產(chǎn)品要保證做到每個(gè)電阻橋的誤差不超過5%都很難。這是因?yàn)榈统杀緫?yīng)變片每個(gè)電阻橋的初始誤差和溫漂差異很大，好的應(yīng)變片成本又很高，但如果使用前端高精度ADC加M0內(nèi)核去做補(bǔ)償，用戶對(duì)于前端傳感器的選擇范圍就會(huì)更寬，甚至可以是一些低成本、廉價(jià)的傳感器。壓力測(cè)量是PGA900最大的應(yīng)用市場(chǎng)，但其實(shí)只要前端傳感器是橋式應(yīng)變計(jì)(惠斯通電橋)，就都可以用PGA900來處理，包括加速度計(jì)、濕度傳感器等?！拔磥韼啄辏I(yè)對(duì)傳感器的需求會(huì)越來越高，在生產(chǎn)或機(jī)械手臂里會(huì)有幾十或幾百個(gè)傳感器。傳感器的數(shù)據(jù)可能需要遠(yuǎn)程傳輸。因此，整合MCU可以更方便地收集

19、數(shù)據(jù)并傳輸?shù)娇刂芃CU，如C2000。所以，在這個(gè)行業(yè)，工業(yè)自動(dòng)化特別看好整合的產(chǎn)品。”吳健鴻說。氣體傳感器PID脈寬恒溫控制電路設(shè)計(jì)1 引言在半導(dǎo)體電阻式氣體傳感器中，氣敏芯體對(duì)溫度非常敏感，在整個(gè)工作環(huán)境溫度波動(dòng)范圍內(nèi)溫度噪聲通常會(huì)完全掩蓋氣體濃度輸出的有效信號(hào)。另外氣體傳感器大多利用化學(xué)反應(yīng)性質(zhì)測(cè)量氣體濃度，化學(xué)性質(zhì)通常與溫度有關(guān)，為了獲得最佳響應(yīng)特性，敏感芯體通常需要工作在特定溫度，因而為氣敏芯體提供恒定的工作溫度環(huán)境顯得非常有意義。在電路設(shè)計(jì)理論里實(shí)現(xiàn)恒溫控制的方式有很多，傳感器的特殊應(yīng)用決定了低功耗、高精度、高可靠性的分立模擬電路實(shí)現(xiàn)方案非常適合。PID脈寬控制恒溫模擬電路具有非常

20、好的控溫精度，同時(shí)元器件簡(jiǎn)單且具有可靠的失效率參數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)可控，非常適合航天產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。2 電路框圖傳感器芯體上面集成了測(cè)溫電阻與加熱電阻，測(cè)溫電阻能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳感器芯體的當(dāng)前溫度，且反饋到控制電路的輸入端，作為溫度誤差信號(hào)的一個(gè)輸入端，形成閉環(huán)控制。 電路框圖如圖1 所示，測(cè)溫電路把當(dāng)前芯體溫度值轉(zhuǎn)化為電壓值，該值是一個(gè)微弱信號(hào)值，必須經(jīng)過高信噪比前置放大電路放 大到合適的電壓輸出值，再經(jīng)過系統(tǒng)放大，然后輸送給PID 環(huán)節(jié)進(jìn)行控制輸出，控制輸出產(chǎn)生寬度可調(diào)脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)加熱電路，給傳感器芯體加熱。傳感器當(dāng)前溫度與設(shè)定溫度溫差值越大，誤差電壓信號(hào)越大，經(jīng)過PID 控制輸出脈寬開通時(shí)間越長，加熱功

21、率越大，反之亦然，從而實(shí)現(xiàn)了恒溫控制。3.1 溫度與加熱功率傳感器芯體溫度與加載在芯體上的正熱能與負(fù)熱能大小有關(guān)。若傳感器芯體溫度維持在環(huán)境溫度以上，則傳感器芯體加載的正熱能來自電能，由焦耳定律可以知道若給定電阻R 上加熱電流為I，加熱時(shí)間為T，那么有I2 * R* T 的電能轉(zhuǎn)換成熱能; 而傳感器芯體加載的負(fù)熱能可以是傳感器芯體與周圍環(huán)境的溫度差而產(chǎn)生的熱對(duì)流及熱傳導(dǎo)帶來的熱能轉(zhuǎn)移。這種正熱能與負(fù)熱能對(duì)溫度的影響體現(xiàn)為傳感器芯體的 加熱功率與制冷功率，它們共同決定了傳感器芯體的穩(wěn)定溫度。假設(shè)傳感器芯體工作環(huán)境溫度為25，傳感器芯體氣體濃度響應(yīng)最佳溫度為80，因熱傳導(dǎo)和熱 對(duì)流損失的負(fù)熱能為某

22、個(gè)可測(cè)量值且保持恒定，那么該點(diǎn)環(huán)境下芯體溫度只與加熱功率有關(guān)。如上所述，給芯體合適電流，那芯體就可以維持設(shè)定點(diǎn)溫度，若環(huán)境溫 度上下波動(dòng)，芯體加熱與制冷的功率隨溫度發(fā)生變化，要使芯體繼續(xù)維持在設(shè)定點(diǎn)溫度，只需要調(diào)節(jié)芯體上電流的大小。在25環(huán)境下，實(shí)際測(cè)得加熱功率與芯體 溫度的關(guān)系如圖2 所示，加熱功率為0.45W 時(shí)芯體即可穩(wěn)定工作在設(shè)定溫度80。3.2 溫度測(cè)量為 了更加準(zhǔn)確地測(cè)量敏感芯體溫度場(chǎng)的溫度，在氫敏芯體上集成了一個(gè)測(cè)溫電阻與一個(gè)加熱電阻。測(cè)溫電阻、加熱電阻和氫敏電阻版圖設(shè)計(jì)經(jīng)過溫度場(chǎng)仿真實(shí)現(xiàn)最佳耦 合。因而測(cè)溫電阻能真實(shí)反映氫敏電阻當(dāng)前工作溫度。測(cè)溫電阻材料采用高純鉑電阻鍍膜而成，

23、實(shí)際測(cè)試的測(cè)溫電阻溫度特性如圖3 所示，從圖中可以看出測(cè)溫電阻具有良好的溫度線性關(guān)系。該測(cè)溫電阻的溫度系數(shù)因?yàn)椴捎帽∧こ练e工藝制備，溫度系數(shù)沒有標(biāo)準(zhǔn)PT100 大，但并不影響使用。 電阻經(jīng)過測(cè)溫電橋檢測(cè)，輸出反映溫度的電壓信號(hào)。這個(gè)信號(hào)在控制區(qū)域非常微弱，為了提高溫度測(cè)量精度，采用四線制檢測(cè)電路，減少測(cè)溫鉑電阻引線長度與鉑電阻通電電流對(duì)溫度測(cè)量的影響。3.3 溫度控制環(huán)路通常溫度系統(tǒng)是大慣性系統(tǒng)，具有較大的滯后性，往往需要具有超前調(diào)節(jié)的微分環(huán)節(jié)。氣體傳感器芯體體積很小，無論是加熱還是制冷，芯體對(duì)溫度都有快速響應(yīng)，采用比例積分控制就可以獲得不錯(cuò)的效果。3.3.1 比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)具有快速調(diào)節(jié)能力

24、，比例系數(shù)越大靜差越小，過大容易震蕩。電路如圖4 所示，其增益為 - RP1 /RP2，試驗(yàn)測(cè)試比例系數(shù)為- 4 時(shí)控制效果較好。 3.3.2 積分環(huán)節(jié)積 分環(huán)節(jié)可以消除系統(tǒng)靜差，當(dāng)系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，積分環(huán)節(jié)的輸出會(huì)持續(xù)增大使得控制作用加強(qiáng)，從而減小穩(wěn)態(tài)誤差。積分系數(shù)越小，積分作用越明顯，控制精度越 高。積分電路如圖5 所示，其增益為 1 /RI1 * CI1 * S，其中S 為拉式算子。經(jīng)調(diào)整時(shí)間常數(shù)RI1CI1為4.7s 比較合適。采用PWM 通斷控制模式，能最大化利用加熱功率。在導(dǎo)通瞬間，加熱電壓完全加載在加熱電阻上，電流峰值會(huì)比較大，因此需要控制加熱電阻合適的阻值。另外PWM 控制存在

25、完全導(dǎo)通的情況，雖然在本電路應(yīng)用中不會(huì)帶來壞的影響，但是為了調(diào)整最大加熱功率以達(dá)到控制最大加熱溫度的目的，在PID 輸出環(huán)節(jié)采用穩(wěn)壓二極管，控制PID 輸出電壓的幅度，保證PWM 能夠輸出一定寬度的死區(qū)。3.3.3 微分電路微分環(huán)境對(duì)輸入快速變化的情況具有較大的反應(yīng)輸出，能提高控溫系統(tǒng)對(duì)環(huán)境溫度波動(dòng)的快速響應(yīng)能力。微分環(huán)節(jié)具有超前調(diào)節(jié)的作用，具體電路如圖6 所示。 3.3.4 PWM 產(chǎn)生電路PWM 電路采用簡(jiǎn)單分立器件搭建，具體電路如圖7 所示，主要構(gòu)成有比較器產(chǎn)生限閾值翻轉(zhuǎn)波形，然后經(jīng)過積分電路充放電產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)鋸齒波，鋸齒波在與PID 環(huán)節(jié)輸出電壓比較，產(chǎn)生脈寬隨溫度誤差調(diào)整的波形，該波形輸

26、出給驅(qū)動(dòng)加熱電路。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果樣 機(jī)進(jìn)行了穩(wěn)定動(dòng)態(tài)過程的短時(shí)間測(cè)試和穩(wěn)定點(diǎn)長時(shí)間測(cè)試。短時(shí)間測(cè)試樣機(jī)溫度曲線如圖8 所示，其中可以看出樣機(jī)到達(dá)溫度設(shè)定點(diǎn)90% 的時(shí)間非常短，大概為120s，整體控溫精度在0.15以內(nèi)。當(dāng)環(huán)境溫度波動(dòng)時(shí)控溫點(diǎn)會(huì)隨著擾動(dòng)，很快就能回到設(shè)定的溫度值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？? 樣機(jī)控溫效果穩(wěn)定點(diǎn)長時(shí)間監(jiān)測(cè)曲線如圖9 所示，從該圖可知整體控溫精度在0.15以內(nèi)更加明顯，說明樣機(jī)電路控溫點(diǎn)不會(huì)隨時(shí)間飄移，也不隨環(huán)境緩慢變化的溫度波動(dòng)漂移。5 結(jié)束語PID 脈寬溫度控制電路，所用元器件較少，調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，控制精度可以達(dá)到0.15，完全滿足氣體傳感器應(yīng)用需求。在可行性、可靠性、安全性方

27、面特別適合航天產(chǎn)品的需求，可在氣體傳感器中應(yīng)用推廣。 無位置傳感器的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)引言傳統(tǒng)上把具有梯形波反電勢(shì)的永磁同步電機(jī)稱為直流無刷電機(jī)。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制需要轉(zhuǎn)子位置信息來實(shí)現(xiàn)有效的定子電流控制。而且，對(duì)于轉(zhuǎn)速控制，也需要速度信號(hào)，使用位置傳感器是直流無刷電機(jī)矢量控制的基礎(chǔ)，但是，位置傳感器的存在也給直流無刷電機(jī)的應(yīng)用帶來很多的缺陷與不便：首先，位置傳感器會(huì)增加電機(jī)的體積和成本;其次，連線眾多的位置傳感器會(huì)降低電機(jī)運(yùn)行的可靠性，即便是現(xiàn)在應(yīng)用最多的霍爾傳感器，也存在一定程度的磁不敏感區(qū);再次，在某些惡劣的工作環(huán)境、例如在密封的空調(diào)壓縮機(jī)中，由于制冷劑的強(qiáng)腐蝕性，常規(guī)的

28、位置傳感器根本無法使用;最后，傳感器的安裝精度還會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行性能，增加了生產(chǎn)的工藝難度。無位置傳感器控制技術(shù)是近30年來無刷直流電機(jī)(BLDCM)研究的一個(gè)重要方向。論述了國內(nèi)外BLDCM無位置傳感器控制的研究現(xiàn)狀。著重介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾種常規(guī)方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場(chǎng)合以及優(yōu)缺點(diǎn)等，并對(duì)它們作了綜合分析和比較。無位置傳感器控制就是在沒有機(jī)械式位置傳感器的情況下進(jìn)行的控制。此時(shí)，作為逆變器開關(guān)換向?qū)〞r(shí)序信號(hào)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)仍然是必不可少的，只不過不再由位置傳感器來提供，而應(yīng)該由新的位置信號(hào)檢測(cè)措施來代替，即以提高電路和控制的復(fù)雜性來降低電機(jī)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。目前，BLDCM無位

29、置傳感器控制研究的核心是構(gòu)架轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)電路，從軟硬件兩方面間接獲得可靠的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而觸發(fā)導(dǎo)通相應(yīng)的功率器件，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。到目前為止，在眾多的位置信號(hào)檢測(cè)方法中，應(yīng)用和研究較多的主要有定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢(shì)法、基波電勢(shì)換向法和狀態(tài)觀測(cè)器法等。1基于反電勢(shì)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方案無刷直流電機(jī)(BushlessDCMotor，BLDCM)具有無換向火花、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，因而在很多場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)的BLDCM需要一個(gè)附加的位置傳感器來控制轉(zhuǎn)子位置，這給其應(yīng)用帶來了很多不利的影響。BLDCM的無位置傳感器控制在近30年中一直是國內(nèi)外較為熱門的研究課

30、題1。目前，對(duì)于BLDCM的無位置傳感器控制，針對(duì)不同的性能要求和應(yīng)用場(chǎng)合，人們已經(jīng)提出了多種不同的控制理論和實(shí)現(xiàn)方法，例如定子電感法、速度無關(guān)位置函數(shù)法、反電勢(shì)法、基波電勢(shì)換向法、狀態(tài)觀測(cè)器法等。本文在簡(jiǎn)要論述BLDCM無位置傳感器控制研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了目前應(yīng)用和研究較多的幾類方法的基本原理、實(shí)現(xiàn)途徑、應(yīng)用場(chǎng)合及優(yōu)缺點(diǎn)。當(dāng)電機(jī)速度大于零時(shí)，每個(gè)電周期內(nèi)某相反電勢(shì)為零的位置只有兩個(gè)，可以從圖1所示通過過零點(diǎn)時(shí)反電勢(shì)的斜率來區(qū)分這些位置，每一段對(duì)應(yīng)電周期內(nèi)的60區(qū)間。換向發(fā)生在每一段的邊界處，反電勢(shì)過零點(diǎn)和需要換向的位置之間有30的偏移，需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。圖1反電勢(shì)過零點(diǎn)在任一時(shí)刻只有

31、兩相通電，且流經(jīng)這兩相的電流相反，圖2所示為W相用于反電勢(shì)檢測(cè)時(shí)的情況。當(dāng)U相內(nèi)流經(jīng)正向電流(定義為流向星型連接中心點(diǎn)的電流)，V相內(nèi)流經(jīng)負(fù)相電流時(shí)，對(duì)應(yīng)圖1中區(qū)間6Q和1Q時(shí)，此置位的1動(dòng)作。假設(shè)通電相的兩端總是對(duì)稱地分別連接到DC電源地兩個(gè)端點(diǎn)上，則星型連接中心點(diǎn)的電壓總是1/2VDC，與加在這兩個(gè)通電相繞組上的電壓極性無關(guān)。圖2 W相用于反電勢(shì)檢測(cè)上述方法很容易通過硬件實(shí)現(xiàn)，即通過分壓電路對(duì)三相的端電壓和VDC分別進(jìn)行采樣，并將采樣值送入比較器的比較端口，得到的過零點(diǎn)時(shí)刻即為1/2VDC的時(shí)刻。使用一個(gè)可用的定某相反電勢(shì)經(jīng)過時(shí)器測(cè)量60(即兩次反電勢(shì)過零點(diǎn)之間)的時(shí)間。2DSP控制方案的

32、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2.1TMS320LF240x芯片簡(jiǎn)介TMS320LF240x系列DSP是TI公司為滿足大范圍的數(shù)字電動(dòng)機(jī)控制(DMC)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該芯片具有高性能的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核，采用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，采用流水線操作，具有30MIPS的處理能力，大多數(shù)指令在單周期內(nèi)即可執(zhí)行完成。TMS320LF240x可以實(shí)現(xiàn)用軟件取代模擬器件，完成復(fù)雜的控制算法，方便地修改控制策略，修正控制參數(shù)，能滿足無傳感器直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)控制的要求。2.2DSP控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)DSP系統(tǒng)由TMS320LF2407A與仿真口(JTAG)等外圍電路構(gòu)成。DSP內(nèi)部已有32K字的Flas

33、hROM，但為了調(diào)試的方便(FlashROM中的程序不能設(shè)置斷點(diǎn)，且需專門的下載程序)，外加了程序RAM，在程序經(jīng)多次調(diào)試，成熟可靠時(shí)可寫人內(nèi)部的FlashROM，通過設(shè)置相應(yīng)的跳線，DSP復(fù)位時(shí)即可從內(nèi)部的FlashROM來執(zhí)行程序。DSP片上有544字的雙口RAM(DARAM)，全部配置到數(shù)據(jù)空間，將程序中頻繁存取的變量分配到這部分雙口RAM中，以提高處理的速度。DSP片上還有2K字的單口RAM(SARAM)配置到數(shù)據(jù)空間，也用來存放臨時(shí)變量。圖3是根據(jù)前述控制原理設(shè)計(jì)的基于DSP的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由直流無刷電機(jī)、功率變換器電路、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、各種保護(hù)電路以及以TM

34、S320LF240x為核心的數(shù)字控制器等構(gòu)成，其中功率變換器電路由整流濾波電路、逆變器電路(IPM功率模塊)和相應(yīng)的保護(hù)電路組成。圖3DSP控制系統(tǒng)逆變器電路中的IPM模塊集成了多種保護(hù)功能，如過電壓保護(hù)、欠電壓保護(hù)以及過流保護(hù)等，當(dāng)達(dá)到保護(hù)閾值時(shí)，IPM模塊通過FO引腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)，并將此低電平信號(hào)送入DSP的PDPINTx引腳，觸發(fā)功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)中斷，將所有PWM輸出引腳設(shè)置為高阻態(tài)，以此來關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)，起到保護(hù)電路的作用。轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路采用1/2電壓采樣法來實(shí)現(xiàn)，對(duì)電機(jī)的三相端電壓及直流母線電壓分別進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果送入比較器進(jìn)行比較，從而得到過零點(diǎn)的時(shí)刻，其結(jié)果送入DSP的捕

35、捉端口中。2.3DSP控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)本控制系統(tǒng)采用速度、電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)。由于采用了面向電機(jī)控制的高速DSP，無論是速度環(huán)的設(shè)計(jì)，還是電流環(huán)的實(shí)現(xiàn)，以及各種反饋信號(hào)的處理和PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生，均采用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，用軟件實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能，完成直流無刷電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括DSP初始化程序和電機(jī)控制程序兩部分。DSP初始化程序主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)定，中斷向量的定義，I/O端口的初始化，控制寄存器的設(shè)置以及各功能模塊的初始化等;電機(jī)控制程序主要負(fù)責(zé)電機(jī)的啟動(dòng)控制、速度電流雙閉環(huán)控制、系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理等，因此電機(jī)控制程序包括啟動(dòng)子程序、電流和位置檢測(cè)中斷服務(wù)子程

36、序、速度控制子程序、電流控制子程序、PWM調(diào)制子程序以及系統(tǒng)監(jiān)控和故障處理子程序等。進(jìn)行各種反饋信號(hào)的檢測(cè)是構(gòu)成雙閉環(huán)控制的前提。位置信號(hào)、電流信號(hào)的檢測(cè)分別由位置檢測(cè)中斷服務(wù)程序和電流檢測(cè)中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的檢測(cè)通過軟件計(jì)算間接獲得。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度。其控制環(huán)路簡(jiǎn)圖如圖4所示。圖4電流和速度控制環(huán)路PWM調(diào)制子程序根據(jù)檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電流信號(hào)通過事件管理器(EV)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)。通過定時(shí)器控制寄存器TxCON中的位模式將通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)模式設(shè)置為連續(xù)增/減計(jì)數(shù)模式以產(chǎn)生對(duì)稱的PWM波形。詳解TVS管在保護(hù)電路中的應(yīng)用在實(shí)際的電路中，如圖所示，在DC input

37、的時(shí)候，有時(shí)由于供電環(huán)境的變化會(huì)帶來一些瞬時(shí)脈沖。而要消除瞬時(shí)脈沖對(duì)器件損害的最好辦法，就是將瞬時(shí)電流從敏感器件引到地，一般具體做法是將TVS在線路板上與被保護(hù)線路并聯(lián)。這樣，當(dāng)瞬時(shí)電壓超過電路正常工作電壓后，TVS將發(fā)生雪崩擊穿，從而提供給瞬時(shí)電流一個(gè)超低阻抗的通路，其結(jié)果是瞬時(shí)電流通過TVS被短路到GND，從而避開被保護(hù)器件，并且在電壓恢復(fù)正常值之前使被保護(hù)回路一直保持截止電壓。而當(dāng)瞬時(shí)脈沖結(jié)束以后，TVS二極管再自動(dòng)恢復(fù)至高阻狀態(tài)，整個(gè)回路又回到正常電壓狀態(tài)。 典型的電路拓?fù)?本文主要講述通過在熱插拔電路保護(hù)和汽車電源線保護(hù)中典型應(yīng)用電路的實(shí)例，詳細(xì)探討如何正確應(yīng)用TVS管SMBJ5.0

38、CA和如何使其應(yīng)用效果達(dá)到最佳。SMBJ5.0CA具有15KV空氣放電和30KV接觸放電的ESD防護(hù)等級(jí)，小于1ps的響應(yīng)速率、600w的10/1000us、duty小于0.01%的尖峰能量浪涌能量容量，并且反向工作電壓為5V，65A下的鉗位電壓為9V，這些主要的電氣特性使其非常適合在接口保護(hù)中。 在智能儀表行業(yè)里一般采用RS-485通訊。下圖所示為RS-485通訊接口的典型應(yīng)用。在保護(hù)RS-485接口不被靜電或者浪涌損壞通常用SMBJ5.0CA來做接口保護(hù)如下圖3所示，當(dāng)靜電或者浪涌電壓高于5V時(shí)，SMBJ5.0CA會(huì)開始動(dòng)作，將電壓鉗位在很低的位置，如果電流超過了峰值電流IPP話，最終電壓

39、會(huì)被鉗位在9V左右，從而保護(hù)了后一級(jí)的器件不被損壞。 RS-485接口保護(hù)電路 集成運(yùn)放對(duì)外界電應(yīng)力非常敏感。因此，在使用運(yùn)放的過程中，如果因操作失誤或采取了不正常的工作條件，往往會(huì)出現(xiàn)過大的電壓或電流，特別是浪涌和靜電脈沖，從而很容易使運(yùn)放受損或失效。5V輸出的直流穩(wěn)壓電源，在其穩(wěn)壓輸出端加上SMBJ5.0CA，可以保護(hù)使用該電源的儀器設(shè)備，同時(shí)還可以吸收電路中晶體管的集電極到發(fā)射極間的峰值電壓，從而保護(hù)晶體管。因此建議在每個(gè)穩(wěn)壓源的輸出端增加一個(gè)SMBJ5.0CA管，這樣可以大幅度地提高整機(jī)的可靠性。 運(yùn)放的輸出級(jí)保護(hù) 直流穩(wěn)壓電源的輸出級(jí)保護(hù) 基于I2C總線圖像傳感器配置的FPGA實(shí)現(xiàn)基

40、于FPGA 的嵌入式圖像檢測(cè)系統(tǒng)因其快速的處理能力和靈活的編程設(shè)計(jì)使得它在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用非常廣泛，通常這些系統(tǒng)都是通過采集圖像數(shù)據(jù)流并對(duì)它實(shí)時(shí)處理得到所需的特征信息。圖像數(shù)據(jù)的獲取是整個(gè)系統(tǒng)的第一步，作為整個(gè)系統(tǒng)的最前端，它決定了原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量，是整個(gè)系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。CMOS 圖像傳感器采用CMOS 工藝，可以將圖像采集單元和信號(hào)處理單元集成到同一塊芯片上，因而在集成度、功耗、成本上具有很大優(yōu)勢(shì)，這使得它在嵌入式圖像處理領(lǐng)域的運(yùn)用越來越多。CMOS 圖像傳感器芯片大都把 I2C 總線的一個(gè)子集作為控制接口，用戶可以很方便地對(duì)芯片進(jìn)行編程操作，根據(jù)設(shè)計(jì)要求的不同配置圖像傳感器內(nèi)部寄存器數(shù)據(jù)，以獲

41、取期望的圖像。本文以Aptina 公司的MT9P031 圖像傳感器為例，用Verilog 硬件描述語言設(shè)計(jì)了I2C 總線的接口電路，以FPGA 作為核心控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)MT9P031 初始化操作，不僅驗(yàn)證了I2C 總線的配置效果，得到了理想的圖像數(shù)據(jù)，還為后續(xù)線結(jié)構(gòu)光圖像的處理系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。I2C 總線協(xié)議及MT9P031 配置過程介紹1.1 I2C 總線協(xié)議I2C(Inter-Integrated Circuit Bus) 總線是由PHILIPS 公司開發(fā)的兩線式用于芯片之間連接的總線，由于其接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，通信速率較高等特點(diǎn)，在單片機(jī)、串行EEPROM 等器件中有著廣泛的使用。I2

42、C 總線用兩根信號(hào)線來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，一根為串行數(shù)據(jù)（SDA, Serial Data），另一根為串行時(shí)鐘線（SCL, Serial Clock）。若干兼容器件（如存儲(chǔ)器、A/D、D/A、LCD 驅(qū)動(dòng)器等）可以共享I2C 總線。I2C 總線上所有器件依靠SDA 發(fā)送的地址信號(hào)尋址，不需要片選線。任何時(shí)刻總線只能由一個(gè)主器件控制，各從器件在總線空閑時(shí)啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸。1.2 MT9P031 配置時(shí)序分析由于檢測(cè)系統(tǒng)需求的不同，圖像傳感器可能要工作在不同的模式，因此需要通過外部控制器對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫操作，完成具體的配置。典型的寫MT9P031 寄存器時(shí)序如圖1 所示，起始信號(hào)過后，F(xiàn)PGA 先寫入

43、設(shè)備（即MT9P031）的地址0xBA，然后釋放SDATA 數(shù)據(jù)總線，隨后MT9P031 返回一個(gè)應(yīng)答信號(hào)ACK，F(xiàn)PGA 獲取應(yīng)答信號(hào)后，經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘周期再傳送待配置的寄存器地址0x09，在獲取應(yīng)答信號(hào)后再傳送16 位的寄存器數(shù)據(jù)，由于每次只能發(fā)送8 位數(shù)據(jù)，所以這16位的寄存器數(shù)據(jù)要分兩次才能發(fā)送完畢，先發(fā)送的是高八位數(shù)據(jù)，后發(fā)送的為低八位數(shù)據(jù)，每發(fā)送完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA均會(huì)獲取一位的應(yīng)答信號(hào)，然后結(jié)束一個(gè)傳送周期，完成一個(gè)寄存器的配置，即IDAddress+ SUB-Address + W-Data 總共32位的數(shù)據(jù)。重復(fù)上述過程可以對(duì)不同的寄存器進(jìn)行不同的參數(shù)配置。2 FPGA

44、模塊設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像傳感器的正確配置，必須嚴(yán)格按照MT9P031 的配置時(shí)序完成設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中I2C 總線配置模塊主要由三個(gè)小模塊構(gòu)成，它們分別是I2C_Clock_Generator、I2C_Controller 和Register_Value，各模塊之間的連接如圖2 所示。I2C_Clock_Generator 主要產(chǎn)生負(fù)責(zé)產(chǎn)生I2C 串行時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸有三種速度模式：正常模式100Kb/s、快速模式400Kb/s、高速模式3.4Mb/s，為了保證配置的準(zhǔn)確性和成功率，設(shè)計(jì)中采用了100Kb/ 的速度模式，即SCLK 的頻率為100KHz，因?yàn)镕PGA 外部輸入的時(shí)鐘為50M

45、Hz，所以需要對(duì)其分頻獲得。同時(shí)該模塊還負(fù)責(zé)產(chǎn)生數(shù)據(jù)傳輸有效信號(hào)，保證SDAT 的改變發(fā)生在SCLK 的低電平時(shí)段。Register_Value 其實(shí)一個(gè)查找表，負(fù)責(zé)保存MT9P031 內(nèi)部需要配置的寄存器地址和數(shù)據(jù)，查找表內(nèi)數(shù)據(jù)的位數(shù)都是24bit，單獨(dú)作為一個(gè)模塊的目的是為了方便用戶改變配置數(shù)據(jù)，決定圖像傳感器的不同工作狀態(tài)。I2C_Controller 是圖像傳感器配置設(shè)計(jì)的核心模塊，主要完成了啟停命令產(chǎn)生、字節(jié)發(fā)送和讀取、應(yīng)答信號(hào)采集等功能。同時(shí)，I2C_Controller 模塊還產(chǎn)生I2C讀寫時(shí)序，由狀態(tài)機(jī)嚴(yán)格按照I2C 協(xié)議實(shí)現(xiàn)，將Register Value 部分送出的24 位

46、操作碼I2C_DAT 轉(zhuǎn)化成為正確的I2C 時(shí)序。一個(gè)寄存器的數(shù)據(jù)傳輸完成后，模塊還將判斷寄存器配置數(shù)據(jù)是否發(fā)送順利，如果一切正常，LUT_INDEX 信號(hào)會(huì)自動(dòng)加一，控制Register Value 查找表產(chǎn)生下一個(gè)寄存器的地址和數(shù)據(jù)。3 I2C 接口的仿真及調(diào)試為了驗(yàn)證MT9P031 配置過程中I2C時(shí)序的正確性，本設(shè)計(jì)在Modelsim Se10.1c 版軟件平臺(tái)中對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行了功能仿真，在Test bench 中模擬了50MHz 控制時(shí)鐘以及復(fù)位信號(hào)，觀察最終輸出端的波形情況。圖3 是對(duì)MT9P031 的寄存器地址0x00 進(jìn)行讀操作的仿真波形圖，圖4是對(duì)寄存器地址0x01 寫入0x

47、01EA 的仿真波形圖。4 總結(jié)基于I2C總線的圖像傳感器配置在視頻圖像采集處理系統(tǒng)中非常普遍，本設(shè)計(jì)結(jié)合了FPGA 的可編程特性，采用模塊化的方法設(shè)計(jì)方法完成了I2C 配置電路的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)流程和實(shí)現(xiàn)方式，最后對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。綜合調(diào)試后占用資源極小，可靠性高，而且利用Verilog 硬件描述語言的設(shè)計(jì)使得可移植性很強(qiáng)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值?；贑AN總線的溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)引言CAN是Controller Area Network的縮寫，即控制器局部網(wǎng)，通常稱為CAN bus（CAN總線），是一種支持分布式控制的串行通信協(xié)議。CAN最初出現(xiàn)在汽車工業(yè)中

48、，是20世紀(jì)80年代德國Boech公司為汽車的監(jiān)控、控制系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，主要是解決汽車中的電子控制裝置之間的通信，減少不斷增加的信號(hào)線。CAN總線的直接通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10 km，此時(shí)通信速率為5 kbps以下；而通信速率最高可達(dá)1 Mbps，此時(shí)通信距離長為40 m。同時(shí)CAN總線的通信媒介采用雙絞線或光纖，選擇靈活，其結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，總線接口芯片支持8位、16位的CPU。由于CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，在標(biāo)準(zhǔn)格式中，短幀的字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因此傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)數(shù)據(jù)幀的時(shí)間短，并且每幀信息都有CBC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，這樣可以保證極低的數(shù)據(jù)出錯(cuò)率。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重時(shí)，可以

49、自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，使總線上的其它操作不受到影響。由于CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有卓越的特性及極高的可靠性，因而非常適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備互連，也是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于CAN總線的特點(diǎn)，使得其廣泛地應(yīng)用于電力、航空航天、治金、交通工具、機(jī)器人、醫(yī)療設(shè)備、環(huán)境監(jiān)控和家用電器等眾多領(lǐng)域。本文提出基于CAN總線的溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，其總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)由主站節(jié)點(diǎn)、分布式溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)兩部分組成。由于基于CAN總線的溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)是一種分布式、實(shí)時(shí)的通信系統(tǒng)，可采用主從方式通信，其特點(diǎn)就是系統(tǒng)中任一節(jié)點(diǎn)設(shè)一為主站節(jié)點(diǎn)，其余均為從站節(jié)點(diǎn)，主站節(jié)點(diǎn)通過C

50、AN總線與各個(gè)從站節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。我們只需設(shè)一個(gè)主站節(jié)點(diǎn)作為主監(jiān)控器，以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式進(jìn)行通信，其余的從站均為各個(gè)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)。各個(gè)節(jié)點(diǎn)都通過CAN總線實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的連接，各個(gè)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，具有工作可靠性、性能穩(wěn)定、測(cè)量精確、安裝調(diào)試方便、造價(jià)低廉等特點(diǎn)。圖1 分布式溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖2 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的硬件電路設(shè)計(jì)CAN總線溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)是溫度采集與CAN通信，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。硬件電路由微處理器STC89C52、總線控制器SJA10 00、總線驅(qū)動(dòng)器PCA82CS0和傳感器DS18B20四個(gè)部份組成。微處理器負(fù)責(zé)對(duì)SJA1000和DS18B20進(jìn)行初始化，通過總線控

51、制器SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。圖2 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)硬件電路結(jié)構(gòu)框圖2.1 溫度傳感器DS18B20DS18B20是美國DALLAS公司推出的第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器，該傳感器只需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信，就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)分布的應(yīng)用，具有低功耗、高性能、抗干擾強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。其傳感器的特性為：（1）溫度測(cè)量范圍寬，能測(cè)到-55125的溫度，在-10+85時(shí)精度為正負(fù)0.5。（2）提供912位的測(cè)量分辯率，對(duì)應(yīng)的溫度精度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，實(shí)現(xiàn)了高精度的測(cè)量。（3）接口方式獨(dú)特，僅需一條信號(hào)線就可以實(shí)現(xiàn)與微處理器的雙向通信。（4）測(cè)量出的溫度能直接

52、轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號(hào)供CPU處理，同時(shí)還傳送CRC校驗(yàn)碼，具有很強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。溫度傳感器的電路設(shè)計(jì)由單片機(jī)的引腳P3.5與傳感器DS18B20的DQ腳相連，實(shí)現(xiàn)微處理器與傳感器的雙向數(shù)據(jù)的通信。同時(shí)DQ單總線外接一4.7 k的上拉電阻。溫度傳感器的電路圖如圖3所示。圖3 溫度傳感器電路2.2 CAN通信電路的設(shè)計(jì)CAN通信電路是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信的關(guān)鍵部分，系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)控制器是通過CAN通信電路接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的，實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸。CAN通信電路采用STC89C52處理器、PHILIPS公司的總線控制器SJA1000、NXP公司的總線收發(fā)器82C250和高速光電耦合器6N137

53、等器件組成。在CAN通信電路中微處理器負(fù)責(zé)對(duì)SJA1000進(jìn)行初始化，各信號(hào)通過CAN總線控制器實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。同時(shí)為了增加CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，更好地實(shí)現(xiàn)了總線上各CAN節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離，SJA1000的TX和RX引腳通過連接光耦6N137后再與總線收發(fā)器PCA82C250相連，總線收發(fā)器82C250的TXD和RXD分別接光耦6N137的輸出OUT和輸入IN端，再通過具有差動(dòng)發(fā)送和接收功能的總線終端CAN_H和CAN_L連接入總線電纜中，完成通信的傳輸。3 溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括CAN總線初始化、發(fā)送子程序及中斷接收程序軟件設(shè)計(jì)和溫度傳感器

54、DS18B20的程序設(shè)計(jì)。其節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。3.1 CAN初始化程序CAN初始化即初始化CAN節(jié)點(diǎn)。要保證通信正確可靠則必須先對(duì)控制器SJA1000進(jìn)行初始化參數(shù)設(shè)置。初始化設(shè)置是通過微處理器對(duì)SJA1 000的寄存器進(jìn)行初始化，這些初始化包括控制寄存器的配置、命令寄存器的配置、狀態(tài)寄存器的配置、中斷管理寄存器的設(shè)置、總線定時(shí)寄存器的配置、輸出控制寄存器的設(shè)置以及時(shí)鐘分頻寄存器的設(shè)置等。系統(tǒng)上電后，對(duì)CAN初始化只有在復(fù)位模式下才可以開始，初始化設(shè)置完成后，CAN控制器就可以回到工作狀態(tài)，即進(jìn)入工作模式，執(zhí)行正常的通信任務(wù)。CAN控制器初始化流程圖如圖5所示。圖5 CAN 控制器初始化流

55、程圖3.2 CAN通信電路程序CAN總線節(jié)點(diǎn)要完成通信任務(wù)則還必須包括發(fā)送子程序及中斷接收程序。發(fā)送子程序負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送任務(wù)。發(fā)送時(shí)只需將待發(fā)送的數(shù)據(jù)信息按特定的格式組合成一幀報(bào)文，送入CAN控制器SJA1000的發(fā)送緩沖器中，啟動(dòng)SJA1000發(fā)送即可完成發(fā)送報(bào)文任務(wù)。在向SJA1000發(fā)送緩沖器發(fā)送報(bào)文之前，可先做一些判斷，判斷其是否正在接收數(shù)據(jù)、先前發(fā)送是否成功以及發(fā)送緩沖器是否鎖定等等，以確保數(shù)據(jù)發(fā)送的可靠性。中斷接收程序主要是負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收以及其它中斷情況的處理。當(dāng)進(jìn)入中斷后要進(jìn)行是否有數(shù)據(jù)的判斷，以防干擾誤中斷。3.3 溫度傳感器的程序設(shè)計(jì)溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)電路上電后也要進(jìn)行初

56、始化設(shè)置，初始化完成后，溫度測(cè)量節(jié)點(diǎn)中的溫度傳感器對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)處理、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并判斷采集的信息是否超過正常值，如出現(xiàn)異常，則報(bào)警提示并通過CAN通信電路進(jìn)行通信。4 結(jié)束語本設(shè)計(jì)應(yīng)用性很強(qiáng)，在實(shí)際應(yīng)用中表明，其溫度測(cè)量的精度和穩(wěn)定性都得到很好的提高，準(zhǔn)確地反應(yīng)了工作狀況和實(shí)際狀況，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。FPGA在智能壓力傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用設(shè)計(jì)引 言傳統(tǒng)氣體壓力測(cè)量?jī)x器的傳感器部分與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是分離的，抗干擾的能力較差，并且通常被測(cè)對(duì)象的壓力變化較快。因此不僅要求系統(tǒng)具有較快的數(shù)據(jù)吞吐速率，而且要能夠適應(yīng)復(fù)雜多變的工業(yè)環(huán)境，具有較好抗干擾性能、自我檢測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。在此，利用FPGA具有擴(kuò)展靈活，可實(shí)現(xiàn)片上系統(tǒng)(SoC)，同時(shí)具有多種IP核可供使用等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了能夠控制多路模擬開關(guān)、AD轉(zhuǎn)換、快速數(shù)據(jù)處理與傳輸、誤差校正、溫度補(bǔ)償?shù)闹悄軅鞲衅飨到y(tǒng)；同時(shí)將傳感器與數(shù)據(jù)采集處理控制系統(tǒng)集成在一起，使系統(tǒng)更加緊湊，提高了系統(tǒng)適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的能力。1 系統(tǒng)性能及元器件11 智能傳感器系統(tǒng)性能要求傳感器壓力測(cè)量范圍：05 MPa；系統(tǒng)精度：01FS；1通道模擬電壓輸入(壓力信號(hào))大于250 sampies通道s；采用串行RS 232C接口輸出。12 系統(tǒng)主要元器件及性能根據(jù)系統(tǒng)的精度指標(biāo)的要求選擇器件：FPGA芯片 選用Altera的Cyclon