交通信號燈控制器設計畢業論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。　　MSP430 系列單片機能在25MHz晶體的驅動下，實現40ns的指令周期。16位的數據寬度、40ns的指令周期以及多功能的32位硬件乘法器（能實現乘加運算）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如 FFT 等）。　　MSP430 單片機之所以有超低的功耗，是因為其在降低芯片的電源電壓和靈活而可控的運行時鐘方面都有其獨到之處。首先，MSP430 電壓。因而可使其在1MHz 的時鐘條件下運行時，芯片的電流最低會在165μA左右，RAM 。其次，獨特的時鐘系統設計。在 MSP430 系列中有兩個不同的時鐘系統：基本時鐘系統、鎖頻環（FLL 和FLL+）時鐘系統和DCO數字振蕩器時鐘系統。可以只使用一個晶體振蕩器（32768Hz），也可以使用兩個晶體振蕩器。由系統時鐘系統產生 CPU 和各功能所需的時鐘。并且這些時鐘可以在指令的控制下，打開和關閉，從而實現對總體功耗的控制。由于系統運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實時時鐘模式下， ，在RAM 保持模式下， 。　　MSP430 系列單片機的各系列都集成了較豐富的片內外設。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時器A0（Timer_A0）、定時器A1（Timer_A1）、定時器B0（Timer_B0）、UART、SPI、I2C、硬件乘法器、液晶驅動器、10位/12位ADC、16位ΣΔ ADC、DMA、I/O端口、基本定時器（Basic Timer）、實時時鐘（RTC）和USB控制器等若干外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時迅速復位；模擬比較器進行模擬電壓的比較，配合定時器，可設計出 A/D 轉換器；16 位定時器（Timer_A 和 Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計數、時序發生、 PWM 等；有的器件更具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實現多機通信等應用；具有較多的 I/O 端口，P0、PP2 端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；10/12位硬件 A/D 轉換器有較高的轉換速率，最高可達200kbps ，能夠滿足大多數數據采集應用；能直接驅動液晶多達 160 段；實現兩路的 12 位 D/A 轉換；硬件I2C串行總線接口實現存儲器串行擴展；以及為了增加數據傳輸速度，而采用的DMA模塊。MSP430 系列單片機的這些片內外設為系統的單片解決方案提供了極大的方便。 　　 另外，MSP430 系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統處于省電的低功耗狀態時，中斷喚醒只需5μs。MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開發手段不同。對于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器開發成功之后燒寫或掩膜芯片；對于 FLASH 型則有十分方便的開發調試環境，因為器件片內有 JTAG 調試接口，還有可電擦寫的 FLASH 存儲器，因此采用先下載程序到 FLASH 內，再在器件內通過軟件控制程序的運行，由 JTAG 接口讀取片內信息供設計者調試使用的方法進行開發。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調試器，而不需要仿真器和編程器。開發語言有匯編語言和 C 語言。MSP430F5438A具有256KB 閃存、16KB RAM、12 位 ADC、4 個 USCI、32 位 HW 乘法器，其芯片引腳圖如圖42所示。圖42 MSP430F5438A 28nm Cyclone174。 V—FPGACyclone174。 FPGA系列是Altera公司推出的超低成本型芯片。Cyclone V器件是目前市場上功耗最低、成本最低的28nm FPGA。該系列通過集成，前所未有的同時實現了高性能、低系統成本和低功耗，非常適合工業、無線、固網、軍事和汽車等市場應用。Cyclone V系列完成了Altera的28nm定制系列產品的全系列發售，提供多種器件以滿足用戶的各類設計需求——從最大帶寬到最低功耗。Cyclone V系列采用了TSMC的28nm低功耗(28LP)工藝進行開發，滿足了目前大批量低成本應用對最低功耗、最低成本，以及最優性能水平的需求。與前幾代產品相比，該系列總功耗降低了40%，靜態功耗降低了30%。Cyclone V FPGA提供功耗最低的串行收發器，每通道在5 Gbps時功耗只有88mW，處理性能高達4,000MIPS。此外，該系列集成了豐富的硬核知識產權模塊，例如，支持400MHz DDR3和PCI Express Gen2硬核IP模塊的多功能硬核存儲器控制器等，幫助工程師降低系統成本和功耗，縮短設計時間，同時突出產品優勢。(請觀看“采用Cyclone V FPGA降低設計、制造和調試成本”網播，了解詳細信息)。為保護寶貴的IP投入，該系列還提供最全面的設計保護功能，包括支持易失和非易失密鑰的256位高級加密標準(AES)。圖43 Cyclone V系列 IA4432—無線通信SILicon Labs公司的ISM頻段收發一體芯片，最大輸出功率達到了+20 dBm(100mW)，具有距離之王的美譽(空曠距離可達2 000 m)。IA4432具有特有的連續頻率覆蓋范圍(240 MHz～960 MHz)、寬工作電壓(+ V~+ V)、高靈敏度(在BER0．1％， kb/s時為118 dBm)等特點，還集成了一些可節省應用成本的特性，如喚醒定時器、溫度傳感器、發射和接收數據FIFO、高性能ADC[2]，這些特性可大幅簡化系統設計師的工作，并允許使用低端的微控制器。高集成度使得外圍僅需一個30 MHz的晶體和幾個用于匹配/濾波的無源器,因此非常適用于對尺寸和成本敏感的大批量生產中的應用。其芯片引腳圖如圖44所示。圖44 IA4432 HMC5843—3軸數字羅盤霍尼韋爾 HMC5843是一種表面安裝的多芯片件模塊，專門為帶有一個數字接口的低場磁傳感器而設計，應用于諸如低成本羅盤和測磁學領域。HMC5843 包括霍尼韋爾最先進的1043系列磁阻傳感器，以及霍尼韋爾研制的ASIC 包括放大型、帶驅動器、偏置消除、12bit ADC和一個I2C系列總線接口的ASIC。HMC5843 (LCC)中。HMC5843的應用范圍包括消費者電子設備、汽車導航系統、個人導航系統和磁力計。 HMC5843 采用霍尼韋爾的各向異性磁阻(AMR)技術，這一技術帶來的好處是其他磁傳感器技術無法企及的。這些傳感器的主要特點在于軸向高靈敏度和線性、固相結構、垂直軸間低靈敏度，用于測量地球磁場的方向和磁力，從十萬分之幾高斯到6高斯(gauss)。霍尼韋爾的磁傳感器位于行業內靈敏度最高和可靠性最好的低強度磁場傳感器之列。其芯片引腳圖如圖45所示。圖45 HMC5843 TRF7970A—射頻識別TRF7970A是TI(德州儀器)公司推出的高頻(13．56MHz)多標準射頻識別(RFID)閱讀器IC產品系列之一。TRF7960采用超小32pin QFN的高級封裝設計，支持ISO／IEC 14443A／B、ISO／IEC 1569ISO／IEC 180003以及TI公司的非接觸支付商務與TagIt應答器產品系列。采用TRF7960的讀卡器為微控制器提供了內部時鐘，只需1個13．56 MHz的晶振就能工作，而不需要2個標準晶體，從而有助于降低終端讀卡器產品的總物料單成本。由于組件很少，讀卡器IC耗電、占用的空間也很少，因此可以解決敏感度和噪聲衰減問題。其他集成功能還包括故障檢查、數據格式化、成幀以及適合多讀卡器環境的防碰撞支持等。TRF7960與微控制器之間通信可以使用8位并行或者串行(SPI)的靈活的通信方式。該芯片還具有寬泛的操作電壓(2．7～5．5 V)。TRF7960非常適用于安全訪問控制、產品認證以及非接觸支付系統等應用。其芯片引腳圖如圖46所示。圖46 TRF7970A 系統各功能模塊硬件設計 主控制器電路實現主控制器電路部分由FPGA芯片構成的主控制電路和無線收發模塊組成。FPGA芯片的功能實現將在第四章介紹，無線收發模塊由IA4432無線收發芯片和UPG2214天線分集開關組成。FPGA模塊與無線收發模塊之間通信傳輸使用SPI通信協議。SPI(Serial Peripheral Interface串行外設接口)總線系統是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設備以串行方式進行通信以交換信息。該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCLK）、主機輸入/從機輸出數據線MISO、主機輸出/從機輸入數據線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS(有的SPI接口芯片帶有中斷信號線INT、有的SPI接口芯片沒有主機輸出/從機輸入數據線MOSI)。其時序如圖47所示。圖47 SPI時序U803為FPGA主控芯片與IA4432的接口，C101103構成電源濾波電路，L802L804，C810，C811構成匹配濾波電路GPIO_1,GPIO_2控制天線分集開關UPG2214，IA4432內置分集算法。主控制器電路如圖48所示。 圖48 主控制器電路圖 交通信號燈控制電路實現交通信號燈控制電路部分由MSP430F5438A，IA4432，交通燈及喇叭電路，SR410561K數碼管顯示電路組成。IA4432部分實現在上一節已經介紹，交通燈及喇叭只給出電路圖，下面介紹MSP430F5438A及數碼管顯示電路。MSP430F5438A部分由晶體振蕩器，JTAG接口，SPI接口，交通信號燈控制IO端口，電源濾波電路組成。SPI接口協議在上文已經介紹，下面介紹JTAG接口協議。JTAG(Joint Test Action Group。聯合測試行動小組)是一種國際標準測試協議（IEEE ），主要用于芯片內部測試。現在多數的高級器件都支持JTAG協議，如DSP、FPGA器件等。標準的JTAG接口是4線：TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數據輸入和數據輸出線。JTAG編程方式是在線編程，傳統生產流程中先對芯片進行預編程現再裝到板上因此而改變，簡化的流程為先固定器件到電路板上，再用JTAG編程，從而大大加快工程進度。JTAG接口可對PSD芯片內部的所有部件進行編程 。具有JTAG口的芯片都有如下JTAG引腳定義：TCK——測試時鐘輸入；TDI——測試數據輸入，數據通過TDI輸入JTAG口；TDO——測試數據輸出，數據通過TDO從JTAG口輸出；TMS——測試模式選擇，TMS用來設置JTAG口處于某種特定的測試模式。可選引腳TRST——測試復位，輸入引腳，低電平有效。晶體振蕩器起振電容計算見式（31），起振電路見圖49。圖49 起振電路C1=C2=2(CLCS) (41)式中 CL——負載電容CS——寄生電容SR410561K為共陽型數碼管，低電平亮，高電平滅，見圖310。引腳右起逆時針排序，見圖410，411。圖410 共陽型圖411 SR410561K交通信號燈控制框圖如圖412所示，詳細電路圖見附錄。圖412 交通信號燈控制框圖 傳感器控制電路實現傳感器控制電路部分由MSP430F5438A，IA4432，TRF7970A，HMC5843，THS3202組成。IA4432部分實現在上一節已經介紹，下面介紹其余部分。MSP430F5438A與上文相似，去掉交通信號燈控制IO端口，具有兩個SPI接口與IA443TRF7970A通信，一個JTAG接口，一個I2C接口與HMC5843通信。出電路圖，下面只介紹I2C接口。I2C（Inter－Integrated Circuit）總線是由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設備。是微電子通信控制領域廣泛采用的一種總線標準。它是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優點。I2C接口只有兩條總線：一條串行數據線SDA，一條串行時鐘線SCL。其時序見圖413。圖413 I2C時序HMC5843與MSP430間的I2C傳輸總線須接上拉電阻，見圖414。圖414 I2C上拉電阻射頻讀卡器由TRF7970A及高頻運放組成。TRF7970A TX端由L501，L502，C508，C509，C517構成濾波匹配網絡，網絡使用了一個T型網絡和一個π型網絡，這種多個網絡的組合可有效濾除不必要的高次諧波分量，使阻抗逐級變換，達到高頻運放與天線匹配的目的。濾波匹配網絡見圖415，TRF7970A電路見圖4—16。圖415 濾波匹配網絡圖416 TRF7970A高頻運放由二級運放射頻放大電路與單級運放選頻編碼電路組成。二級運放射頻放大電路見圖417，頻響圖見418。單級運放選頻編碼電路見圖419，其選頻公式見式（42）。傳感器系統框圖見圖420，詳細電路見附錄。圖417 二級運放射頻放大電路圖418 40dB RF amplifier response圖419 單級運放選頻編碼電路=/(2RC) (42)式中 ——負載電容 —— R ——為圖419中電阻阻值R C ——為圖419中電容容值C圖420 傳感器系統框圖第5章 交通信號燈控制器軟件實現 軟件整體設計思路程序分為與硬件實現相對應的三大部分，分別是主控制器程序，傳感器驅動程序，交通信號燈控制器驅動程序。主控制器采用FPGA芯片控制