畢業(yè)論文---基于lpc2138無線終端控制器的硬件設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)題目：基于LPC2138無線終端控制器的硬件設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2010年6月5日</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1

2、</b></p><p><b>　　2系統(tǒng)概況2</b></p><p>　　2.1 硬件電路邏輯圖2</p><p>　　2.2 模塊功能簡(jiǎn)介2</p><p>　　2.3 系統(tǒng)硬件的邏輯流程3</p><p><b>　　3 電源單元3</b>&l

3、t;/p><p><b>　　3.1分析需求3</b></p><p><b>　　3.2電源類型4</b></p><p>　　3.3模擬電源電路設(shè)計(jì)4</p><p>　　3.4 LDO電源電路設(shè)計(jì)6</p><p>　　3.5電源去耦電路6</p>

4、<p>　　4 微處理器單元7</p><p>　　4.1 處理器芯片7</p><p>　　4.1.1對(duì)比分析7</p><p>　　4.1.2芯片分析8</p><p><b>　　4.1.3特性9</b></p><p>　　4.2 復(fù)位電路 ----處理器外圍電路

5、10</p><p>　　4.3 ISP控制電路----處理器外圍電路11</p><p>　　4.4 晶振電路----處理器外圍電路12</p><p>　　4.5 待機(jī)電路----處理器外圍電路13</p><p>　　5 UART通信單元14</p><p>　　5.1芯片分析14</p&g

6、t;<p>　　6 LED測(cè)試單元15</p><p>　　6.1電路分析15</p><p>　　7 EEPROM存儲(chǔ)單元16</p><p>　　7.1 電路分析16</p><p>　　8 GSM無線通信單元17</p><p>　　8.1 GSM芯片Q240317</p>

7、<p>　　8.2 GSM外圍電路18</p><p>　　9 輸出控制單元20</p><p>　　9.1 芯片分析20</p><p>　　9.2 電路分析21</p><p><b>　　10 總結(jié)22</b></p><p><b>　　附錄一23<

8、/b></p><p><b>　　附錄二24</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)24</b></p><p><b>　　致 謝25</b></p><p>　　基于LPC2138無線終端控制器的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　摘

9、 要：本文主要介紹了以WAVECOM Q2403A GSM 為無線通信模塊，ARM7 LPC2138為微處理器的無線終端控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，描述了各主要功能單元及器件的特點(diǎn)，畫出了系統(tǒng)的原理圖及PCB圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該硬件設(shè)計(jì)是可行的。用戶可以用手機(jī)短信控制無線終端控制器，終端控制器再通過繼電器控制其他電氣產(chǎn)品，繼電器的狀態(tài)可以通過短信返還給用戶，無線終端控制器也可以進(jìn)行定時(shí)設(shè)置。</p><p>　　關(guān)鍵

10、詞：ARM；Q2403；LPC2138；嵌入式系統(tǒng)；GSM無線通信模塊；</p><p>　　hardware design with wireless terminals based on LPC2138 controller </p><p>　　Abstract: In the text, I introduce mostly hardware design with wirel

11、ess terminals system based on telecommunication module of WAVECOM Q2403A GSM module based on controller of ARM7 LPC2138,describes the major functional unit and the device characteristics,draw a system diagram and the PCB

12、 map. The experimental results show that the hardware design is feasible.Users can control the wireless terminal controller with handset note, terminal controller control of other electrical products through th</p>

13、<p>　　Key Words: ARM;Q2403;LPC2138;Embedded System;GSM telecommunication module; </p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　電子行業(yè)日新月異，電子產(chǎn)品向著小型化，便捷化發(fā)展，方便快捷，性價(jià)比較高的無線終端控制系統(tǒng)受到重視。以GSM通信模塊為平臺(tái)，采用

14、短信收發(fā)數(shù)據(jù)，處理簡(jiǎn)單方便，以ARM為處理器，有較高的處理運(yùn)算能力，可以滿足一些常見的自動(dòng)控制場(chǎng)合，在工業(yè)和生活中應(yīng)用比較廣泛。</p><p><b>　　2系統(tǒng)概況</b></p><p>　　2.1 硬件電路邏輯圖</p><p>　　圖1 硬件邏輯電路圖</p><p>　　2.2 模塊功能簡(jiǎn)介</p>

15、;<p>　　ARM微處理器：運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)，各模塊的控制中心；</p><p>　　電源模塊：給各個(gè)模塊供電；</p><p>　　EEPROM存儲(chǔ)模塊：存儲(chǔ)可變更的數(shù)據(jù)；</p><p>　　GSM無線通信模塊：用于兩個(gè)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳送，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)對(duì)其子系統(tǒng)的控制；</p><p>　　繼電器控制模塊：將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槔^

16、電器開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)而控制其它器件的電氣特性。</p><p>　　UART通信單元：給ARM下載程序。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)硬件的邏輯流程</p><p><b>　　圖2 系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　電源模塊給各部分供電，用戶用手機(jī)給控制系統(tǒng)的GSM發(fā)短信，GSM再把短息的控制數(shù)據(jù)送到子系統(tǒng)的MC

17、U，MCU把重要信息存到EEPROM中，同時(shí)給鎖存器發(fā)送數(shù)據(jù)，待信號(hào)穩(wěn)定后，向鎖存器發(fā)命令，命令它將開關(guān)控制信息傳到光電隔離器，轉(zhuǎn)化為12V的電氣信號(hào)，控制繼電器，繼電器再控制其他電氣設(shè)備。</p><p><b>　　3 電源單元</b></p><p><b>　　3.1分析需求</b></p><p>　　LPC21

18、38需要電源輸入：數(shù)字3.3V和模擬3.3V。因此，理想情況下電源系統(tǒng)需要提供2組獨(dú)立的電源，它們需要單點(diǎn)接地或大面積接地。GSM無線模塊系統(tǒng)部分還電源需要3.7V。因?yàn)椴皇褂肔PC2138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，且其它部分對(duì)電源沒有特殊要求。這樣，末級(jí)只需要提供兩組電源，3.3V和3.7V電源。</p><p><b>　　3.2電源類型</b>&

19、lt;/p><p>　　模擬電源：即變壓器電源，通過鐵芯、線圈來實(shí)現(xiàn)，線圈的匝數(shù)決定了兩端的電壓比，鐵芯的作用是傳遞變化磁場(chǎng)，主線圈在50HZ頻率下產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)，這個(gè)變化的磁場(chǎng)通過鐵芯傳遞到副線圈，在副線圈里就產(chǎn)生了感應(yīng)電壓，于是變壓器就實(shí)現(xiàn)了電壓的轉(zhuǎn)變。[2]</p><p>　　開關(guān)電源：在電流進(jìn)入變壓器之前，通過晶體管的開關(guān)功能，將我們通常50HZ的電流頻率提升到數(shù)萬HZ，在這么高的

20、頻率下，磁場(chǎng)變化頻率也達(dá)到幾萬HZ，那么，就可以減少線圈匝數(shù)、鐵芯體積獲得同樣的電壓轉(zhuǎn)化比，由于線圈匝數(shù)、鐵芯體積的減少，損耗大大降低，一般開關(guān)電源效率達(dá)到90%，而體積可以做的非常小，并且輸出穩(wěn)定，所以開關(guān)電源具有模擬電源難以達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)。[1]</p><p>　　3.3模擬電源電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3 Arm單片機(jī)電源及其他芯片電源</p><p>　

21、　LPC2138微控制器的內(nèi)核和I/O使用同一電源電壓，只需單電源3.3V供電。電源板提供的5V直流電源。</p><p>　　C29,C30提供濾波功能，濾波電路常用于濾去整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負(fù)載電阻兩端并聯(lián)電容器C，或與負(fù)載串聯(lián)電感器L，以及由電容，電感組成而成的各種復(fù)式濾波電路。這里采用雙電容濾波，常用的濾波電路有無源濾波和有源濾波兩大類。此處為無源濾波，無源濾波電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易

22、于設(shè)計(jì)，但它的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負(fù)載而變化，因而不適用于信號(hào)處理要求高的場(chǎng)合。無源濾波電路通常用在功率電路中，比如直流電源整流后的濾波，或者大電流負(fù)載時(shí)采用LC（電感、電容）電路濾波。濾波電路盡可能減小脈動(dòng)的直流電壓中的交流成分，保留其直流成分，使輸出電壓紋波系數(shù)降低，波形變得比較平滑。[3]</p><p>　　然后經(jīng)過SPX1117M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3V。 LPC2138系列微控制3.3V消

23、耗電流的極限值為300mA。為了保證可靠性并為以后升級(jí)留下余量，則電源系統(tǒng)3.3V能夠提供的電流應(yīng)當(dāng)大于600mA。SPX1117M3-3.3是Sipex公司生產(chǎn)的LDO芯片，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓精度高，穩(wěn)定性高。SPX1117系列LDO芯片輸出電流可達(dá)800mA,輸出電壓的精度在+-1%以內(nèi)，還具有電流限制和熱保護(hù)功能，廣泛應(yīng)用在手持式儀表、數(shù)字家電、工業(yè)控制等領(lǐng)域。使用時(shí)，其輸出端需要一個(gè)至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和

24、穩(wěn)定性。[4]</p><p>　　盡管SPX1117允許的輸入電壓可達(dá)20V（參考芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)），但太高的電壓使芯片的發(fā)熱量上升，散熱系統(tǒng)不好設(shè)計(jì)，同時(shí)影響芯片的性能。這樣，就需要前級(jí)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(jí)調(diào)整以適應(yīng)末級(jí)的輸入。通過之前的分析，前級(jí)的輸出選擇為5V。選擇5V作為前級(jí)的輸出有兩個(gè)原因：</p><p>

25、;　　這個(gè)電壓滿足SPX1117的要求；</p><p>　　目前很多器件還是需要5V供電的，這個(gè)5V可以兼做前級(jí)和末級(jí)了。</p><p>　　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(shí)可以減小電源模塊的體積；</p><p>　　模擬電源：電路簡(jiǎn)單，輸出電壓紋波較小，并且干擾較開關(guān)電源小得多。</p><p>　　C21為100

26、uF鉭電容，來改善瞬態(tài)響應(yīng)和提高穩(wěn)定性。</p><p>　　L1和L2就是電源的隔離元件，將數(shù)字的高頻噪聲隔離。</p><p>　　模擬電路涉及弱小信號(hào)，但是數(shù)字電路門限電平較高，對(duì)電源的要求就比模擬電路低些。既有數(shù)字電路又有模擬電路的系統(tǒng)中，數(shù)字電路產(chǎn)生的噪聲會(huì)影響模擬電路，使模擬電路的小信號(hào)指標(biāo)變差，克服的辦法是分開模擬地和數(shù)字地。</p><p>　　如果

27、把模擬地和數(shù)字地大面積直接相連，會(huì)導(dǎo)致互相干擾。不短接又不妥，有四種方法解決此問題∶1、用磁珠連接；2、用電容連接；3、用電感連接；4、用0歐姆電阻連接。</p><p>　　左邊為數(shù)字地，右邊為模擬地。此處采用第三種解決方法，用電感連接，即L2,大小為uH。</p><p>　　DP3V3為數(shù)字電源，AP3V3為模擬電源，中間有L1隔離，大小為10uH。[1]</p>&l

28、t;p>　　3.4 LDO電源電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　圖4 GSM電源</b></p><p>　　U1為帶低有效使能控制的LDO，通過調(diào)節(jié)R1和R1使VOUT在3.7V左右為模塊供電。模塊對(duì)電源和地的處理要求較為嚴(yán)格，要求對(duì)電源和地做相應(yīng)的濾波處理，電源紋波控制在50mV左右，且不要給系統(tǒng)中的其他部分供電，否則將可能影響射頻性能，布線時(shí)電源線要大

29、于40mil, 并保證地線的完整。</p><p><b>　　3.5電源去耦電路</b></p><p>　　圖5 電源去耦電路原理圖</p><p>　　此處電容作為去耦和整形用的，可以把電源的不穩(wěn)定現(xiàn)象對(duì)電路的影響減弱，可以通過沖放電知識(shí)來理解。</p><p>　　在電路圖中，很多這種形式的模塊，一般接的是105

30、，104的電容，這些電容是作為芯片的去耦作用用的，一般情況下用0.01UF~0.1UF之間的電容。</p><p><b>　　4 微處理器單元</b></p><p>　　4.1 處理器芯片</p><p><b>　　4.1.1對(duì)比分析</b></p><p>　　(1) C51是8位的；AR

31、M是32位的；DSP有16位的，也有更高的。 </p><p>　　(2)所有說從運(yùn)算能力上看，C51最弱，DSP最強(qiáng)，ARM居中。 </p><p>　　(3)結(jié)構(gòu)差別較大，C51最簡(jiǎn)單，是一般的馮諾伊曼結(jié)構(gòu)；ARM9以上是哈佛結(jié)構(gòu)的RISC；DSP一般使用哈佛結(jié)構(gòu)。 </p><p>　　(4)C51一般芯片面積非常小，工作頻率很低（一般是10多MHz，有的是2

32、4MHz），所以功耗低。DSP則頻率很高(高的達(dá)到300MHz以上)，所以功耗大。ARM芯片面積也很小，ARM7是0.55平方毫米，功耗也比較小。頻率大約在（幾十到200MHz之間） </p><p>　　(5)所以一般C51主要應(yīng)用于不需要太多計(jì)算量的控制類系統(tǒng)。一般配有豐富的外圍module。DSP則主要應(yīng)用于需要進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算的高端系統(tǒng)，例如圖像處理，加密解密，導(dǎo)航系統(tǒng)等，外圍module一般較少。ARM是C

33、51和DSP之間的一個(gè)折衷。</p><p>　　(6)強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：C51的性能遠(yuǎn)不如ARM和DSP，但仍然占據(jù)重要的一席之地，原因就是性能價(jià)格比。因?yàn)樗墒炝?，太小了，太便宜了。而在一些需要?fù)雜計(jì)算的領(lǐng)域，DSP也不可或缺。ARM的成功就是他找到了一個(gè)折衷點(diǎn)，并且建立了一個(gè)非常靈活的商業(yè)模型。</p><p>　　我們從成本和功能的角度考慮，決定采用ARM7系列中的一款芯片LPC2138

34、芯片。下面對(duì)該芯片進(jìn)行分析。</p><p><b>　　4.1.2芯片分析</b></p><p>　　圖6 LPC2138芯片原理圖</p><p>　　ARM內(nèi)核采用RISC體系結(jié)構(gòu)，因此具有RISC的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：</p><p>　　具有大量的通用存儲(chǔ)器；</p><p>　　獨(dú)特的裝載/保

35、存（load-store）結(jié)構(gòu)；</p><p><b>　　簡(jiǎn)單的尋址模式;</b></p><p>　　統(tǒng)一和固定長(zhǎng)度的指令格式。</p><p>　　為了使ARM能夠更好地滿足嵌入式應(yīng)用的需要，ARM體系結(jié)構(gòu)還有以下特點(diǎn)：</p><p>　　每條數(shù)據(jù)處理指令可同時(shí)包含算術(shù)邏輯單元（ALU）的運(yùn)算和移位處理，實(shí)現(xiàn)A

36、LU和移位器的最大利用；</p><p>　　使用地址自增和自減的尋址方式優(yōu)化程序循環(huán)；</p><p>　　裝載/保存指令對(duì)數(shù)據(jù)的批量傳輸，實(shí)現(xiàn)最大數(shù)據(jù)吞吐量;</p><p>　　大多數(shù)指令的條件執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行。</p><p>　　較小的封裝和很低的功耗使LPC2131/2132/2134/2136/2138特別適用于訪問控

37、制和POS機(jī)等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和8/16/32kB的片內(nèi)SRAM，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件modem、語(yǔ)音識(shí)別、低端成像，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強(qiáng)大的處理功能。多個(gè)32位定時(shí)器、1個(gè)或2個(gè)10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47個(gè)GPIO以及多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。[3]</p><p><b&g

38、t;　　4.1.3特性</b></p><p>　　16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封裝。</p><p>　　8/16/32kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32/64/128/256/512kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率。</p><p>　　

39、通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)。</p><p>　　單個(gè)Flash扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms。256字節(jié)行編程時(shí)間為1ms。</p><p>　　EmbeddedICE RT和嵌入式跟蹤接口通過片內(nèi)RealMonitor軟件對(duì)代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試和高速跟蹤。</p><p>　　1個(gè)(LPC2131/32)或2個(gè)(LPC213

40、4/36/38)8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，共提供16路模擬輸入，</p><p>　　每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44us。</p><p>　　1個(gè)10位的D/A轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生不同的模擬輸出。(LPC2132/34/36/38)</p><p>　　2個(gè)32位定時(shí)器/外部事件計(jì)數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門狗。</p>

41、<p>　　低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和特定的32kHz時(shí)鐘輸入。</p><p>　　多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個(gè)高速I2C總線(400 kbit/s)、</p><p>　　SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的SSP。</p><p>　　向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級(jí)和向量地址。</p><p>

42、;　　小型的LQFP64封裝上包含多達(dá)47個(gè)通用I/O口(可承受5V電壓)。</p><p>　　多達(dá)9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。</p><p>　　通過片內(nèi)PLL(100us的設(shè)置時(shí)間)可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率。</p><p>　　片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為1～30 MHz，</p><p>　　與外

43、部振蕩器的操作頻率范圍高達(dá)50MHz。</p><p>　　低功耗模式：空閑和掉電。</p><p>　　可通過個(gè)別使能/禁止外部功能和外圍時(shí)鐘分頻來優(yōu)化功耗。</p><p>　　通過外部中斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒。</p><p>　　單電源，具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(cè)(BOD)電路：</p><p&g

44、t;　　CPU操作電壓范圍：3.0~3.6 V (3.3 V±10%)，I/O口可承受5V的電壓。[8]</p><p>　　4.2 復(fù)位電路 ----處理器外圍電路</p><p>　　圖7 復(fù)位電路原理圖</p><p>　　DP3V3表示給復(fù)位電路提供3.3V數(shù)字電源，R23為上拉電阻，減小電流，起保護(hù)作用，采用4.7K電阻。</p>

45、<p>　　開關(guān)采用SW-PB按鈕開關(guān)，Nikkai Switches 后面板襯套安裝方式使面板尺寸十分緊湊。</p><p>　　SW-PB開關(guān)可防止觸點(diǎn)損壞。</p><p>　　性能 0.5A.125V.AC; 0.5A125VAC; </p><p>　　SW_PB封裝 Nikkai Pushbutton Switche

46、s;</p><p>　　FB15ANEP2-RO;FB15ANEP4-RO;</p><p>　　FB15ANEP2/U-RO;SHUNTU;FB15ANP2-RO;</p><p>　　FB15ANP2/U-RO;FB-15ANEP2;FB15ANEP2;</p><p>　　FB-15ANEP2;FB-15AN;FB15AN;FB-15

47、ANE; </p><p>　　4.3 ISP控制電路----處理器外圍電路</p><p>　　圖8 ISP控制電路原理圖</p><p>　　用跳線帽控制是否進(jìn)入ISP狀態(tài)，接上跳線帽時(shí)，進(jìn)入ISP狀態(tài)，如果該引腳懸空將影響程序脫機(jī)運(yùn)行。R26為上拉電阻，起保護(hù)作用，采用10K歐姆電阻。</p><p>　　4.4 晶振電路----處

48、理器外圍電路</p><p>　　圖9 晶振電路原理圖</p><p>　　LPC2138系列ARM7微處理器可以使用外部晶振或外部時(shí)鐘源，內(nèi)部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快（CPU最大操作時(shí)鐘為60MHZ）。倘若不使用片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍是1MHZ-30MHZ，外部時(shí)鐘頻率范圍是1MHZ-50MHZ；若使用了片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能,則外

49、部晶振頻率范圍是10MHZ-25MHZ，外部時(shí)鐘頻率范圍是10MHZ-25MHZ。</p><p>　　C22和C23一般采用15-33pF,我們采用30pF的電容，晶振采用11.0592MHZ的石英晶體振蕩器，用11.0592MHZ晶振的原因是使串口波特率更精確，同時(shí)能夠支持LPC2138微處理器芯片內(nèi)部的PLL功能及ISP功能。</p><p>　　第二個(gè)晶振電路是為ARM內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)

50、鐘提供震蕩信號(hào)的，該晶振采用32.768MHZ，原理分析基本相同。[9]</p><p>　　4.5 待機(jī)電路----處理器外圍電路</p><p>　　圖10 待機(jī)電路原理圖</p><p>　　電池采用3.6V鋰離子電池，鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作。　</p><p><b>　　鋰離

51、子電池優(yōu)點(diǎn)：</b></p><p>　　電壓高，單體電池的工作電壓高達(dá)3.7-3.8V（磷酸鐵鋰的是3.2V），是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍 　　2） 比能量大，目前能達(dá)到的實(shí)際比能量為555Wh/kg左右，即材料能達(dá)到150mAh/g以上的比容量（3--4倍于Ni-Cd，2--3倍于Ni-MH），已接近于其理論值的約88%。 　　3） 循環(huán)壽命長(zhǎng),一般均可達(dá)到500次以上,甚至1000次以上，

52、磷酸鐵鋰的可以達(dá)到2000次以上。對(duì)于小電流放電的電器,電池的使用期限，將倍增電器的競(jìng)爭(zhēng)力。 　　4） 安全性能好,無公害,無記憶效應(yīng).作為L(zhǎng)i-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應(yīng)用領(lǐng)域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對(duì)環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應(yīng)”，嚴(yán)重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。 　　5） 自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲(chǔ)存1

53、個(gè)月后的自放電率為2%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 　　6)　可快速充放電，1C充電30分鐘容量可以達(dá)到標(biāo)稱容量的80%以上，現(xiàn)在磷鐵電池可以達(dá)到10分鐘充電到</p><p>　　此電路還是鋰離子電池的充放電電路，當(dāng)提供5V電源時(shí)，給電池充電，當(dāng)不提供5V電源時(shí)，電池放電，給ARM供電，提供待機(jī)用電。</p><p>　　電路分析：C27起到濾波作用

54、，大小為0.1uF，R33,R34為限流電阻，起保護(hù)電路作用，D13,D14,D15為降壓二極管，型號(hào)為IN4148，IN4148為硅晶體結(jié)構(gòu)開關(guān)二極管，反向電壓為75V,反向電流為150mA，特性：小玻璃結(jié)構(gòu)確保高可靠性，快速開關(guān)，低泄漏電流，高溫焊接有保證。[9]</p><p>　　5 UART通信單元</p><p><b>　　5.1芯片分析</b><

55、;/p><p>　　圖11 SP3232原理圖</p><p>　　串口通信采用SP3232芯片，SP3232滿足EIA/TIA-232-F標(biāo)準(zhǔn)，工作電壓為+3.0V到+5.5V,滿載最小數(shù)據(jù)速率：120Kbps 1uA的低功耗關(guān)斷模式，接收器（SP3222E）有效,可與RS-232共同使用，電源低至+2.7V。[7]</p><p>　　SP3222E/3232E系列

56、有一個(gè)高效的電荷泵，工作電壓為3.3V時(shí)只需0.1μF電容就可進(jìn)行操作。電荷泵允許SP3222E/3232E系列在+3.3V到+5.0V 內(nèi)的某個(gè)電壓下發(fā)送符合RS-232的信號(hào)。SP3222E/3232E系列是一個(gè)2驅(qū)動(dòng)器/2接收器的器件，SP3222E器件包含一種低功耗關(guān)斷模式，該模式下器件的驅(qū)動(dòng)器輸出和電荷泵被禁止。關(guān)斷狀態(tài)下，電源電流低于1μA。[6]</p><p><b>　　5.2 電路分

57、析 </b></p><p>　　SP3222E/3232E系列由3個(gè)基本電路模塊組成：</p><p>　　1. 驅(qū)動(dòng)器；2. 接收器；3. Sipex特有的電荷泵。 </p><p>　　電荷泵是Sipex的專利設(shè)計(jì)（5,306,954），相對(duì)其他早期產(chǎn)品的低效設(shè)計(jì)，它使用了一種獨(dú)特的方法。電荷泵仍然需要4個(gè)外接電容，但運(yùn)用一種4相電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，保持

58、輸出對(duì)稱的5.5V電源。內(nèi)部源電壓由一對(duì)可調(diào)節(jié)的電荷泵組成，即使輸入電壓（VCC）超過+3.0V到+5.5V的范圍，電荷泵仍提供5.5V輸出電壓，C11,C12,C18,C19為0.1uF。 </p><p><b>　　6 LED測(cè)試單元</b></p><p>　　圖12 LED電路原理圖</p><p><b>　　6.1電路分

59、析</b></p><p>　　該電路為L(zhǎng)ED測(cè)試電路，用來測(cè)試單片機(jī)的輸出電平或控制繼電器管腳的輸出電平，D1-D7為發(fā)光二極管，R1-R7為限流電阻，大小為330歐姆。</p><p>　　發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管，在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字

60、顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。</p><p>　　它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)ED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦?。?dāng)給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結(jié)附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。

61、當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管[2]。 </p><p>　　發(fā)光二極管的反向擊穿電壓約5伏。它的正向伏安特性曲線很陡，使用時(shí)必須串聯(lián)限流電阻以控制通過管子的電流。限流電阻R可用下式計(jì)算：R＝（E－UF）／IF[2] 　　</p><p>　　式中E為電源電壓，UF為L(zhǎng)ED的正向壓降，IF

62、為L(zhǎng)ED的一般工作電流。 </p><p>　　7 EEPROM存儲(chǔ)單元</p><p>　　圖13 EEPROM存儲(chǔ)器電路圖</p><p><b>　　7.1 電路分析</b></p><p>　　A0,A1,A2位地址碼，R8,R9為上拉電阻，CAT1640是一種電可擦可編程只讀存儲(chǔ)，一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)芯片

63、。 EEPROM 可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程。串行E2PROM是可在線電擦除和電寫入的存儲(chǔ)器，具有體積小、接口簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)保存可靠、可在線改寫、功耗低等特點(diǎn)，而且為低電壓寫入，在單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用十分普遍。支持標(biāo)準(zhǔn)和快速I2C協(xié)議、兼容SPI/Microwire總線，1~256K的高密度存儲(chǔ)，1.8V~6V的款電壓操作范圍。對(duì)全部存儲(chǔ)器進(jìn)行硬件寫保護(hù)，采用低功耗CMOS工藝，可編程/擦除100萬次，數(shù)據(jù)保存期100年。

64、</p><p>　　8 GSM無線通信單元</p><p>　　8.1 GSM芯片Q2403</p><p>　　圖14 GSM無線通信電路圖</p><p>　　GSM收發(fā)模塊采用法國(guó)WAVECOM公司的Q2403A。</p><p>　　Q24是WAVECOM推出的GSM/DCS 四頻模塊，帶GPRS 功能，主要

65、為語(yǔ)音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。Q24模塊成了完整的射頻電路和GSM 的基帶處理電路，及充電電路（不包括過充、過放電路），適合于開發(fā)一些GSM/GPRS無線應(yīng)用產(chǎn)品，如移動(dòng)電話、PDA、PCMCIA 無線MODEM 卡、USB 無線MODEM、無線POS 機(jī)、無線抄表、無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，無線公用電話、無線商務(wù)電話、監(jiān)控、調(diào)度、車載、遙控、遠(yuǎn)程測(cè)量、定位和導(dǎo)航等系統(tǒng)和產(chǎn)品，應(yīng)用范圍十分廣泛。[5]</p><

66、p>　　8.2 GSM外圍電路</p><p>　　圖15 SIM卡靜電保護(hù)電路圖</p><p>　　ESDALC6V1P6是一個(gè)靜電保護(hù)芯片，內(nèi)部由四個(gè)穩(wěn)壓二極管組成，并聯(lián)電路中，可以將靜電通過2,5管腳導(dǎo)走。</p><p>　　圖16 讀寫管腳電路圖</p><p>　　RXD1為讀管腳，TXD1為寫管腳，R4,R5為保護(hù)電阻，

67、防止電流過大。</p><p><b>　　圖17 復(fù)位電路圖</b></p><p>　　將P0.4的高電平，變?yōu)閺?fù)位信號(hào)的低電平。</p><p>　　圖18 發(fā)送接收聲音提示電路</p><p>　　LS1采用BUZZER，即蜂鳴器。二極管起保護(hù)作用，當(dāng)GSM突然掉電時(shí)，起放電作用，C21起高頻濾波作用，GSM3.

68、7V為模塊電源。</p><p>　　圖19 GSM工作提示電路</p><p>　　當(dāng)GSM工作時(shí)二極管不停閃爍。R10,R11，R12起限流作用，當(dāng)三極管基極為高電平時(shí)三極管導(dǎo)通，發(fā)光二極管放光，當(dāng)三極管基極為低電平時(shí)，三極管截止，LED不發(fā)光。</p><p><b>　　9 輸出控制單元</b></p><p>

69、　　圖20 繼電器控制電路一</p><p><b>　　9.1 芯片分析</b></p><p>　　74HC573八進(jìn)制3態(tài)非反轉(zhuǎn)透明鎖存器，器件的輸入是和標(biāo)準(zhǔn)CMOS輸出兼容的；加上拉電阻，他們能和LS/ALSTTL輸出兼容。</p><p>　　當(dāng)鎖存器使能端為高時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是透明的（也就是說輸出同步）。當(dāng)鎖存使能變低時(shí)，

70、符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。這個(gè)器件帶有保護(hù)電路，以免被高的靜電電壓或電場(chǎng)損壞，然而，對(duì)于高阻抗電路，必須要求采取預(yù)防以免工作在任何高于最大值范圍的條件下工作。[7]</p><p><b>　　9.2 電路分析</b></p><p>　　R36-R39為ARM管腳輸出的上拉電阻，防止對(duì)ARM產(chǎn)生太大的灌電流，R24為保護(hù)電阻，防止對(duì)ARM產(chǎn)生太大的下拉電

71、流，R14,R15,R16,R27為限流電阻，用來保護(hù)TPL181。</p><p>　　圖21 繼電器控制電路二</p><p>　　TPL181為東芝公司生產(chǎn)的光電隔離器，耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。光耦合器的主

72、要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，傳輸效率高。</p><p>　　圖22 繼電器控制電路三 </p><p>　　8550是電子電路中常用到的小功率PNP型硅晶體三極管。IN4148為硅晶體結(jié)構(gòu)開關(guān)二極管，利用它的單向?qū)ㄐ?。?dāng)ARM輸出低電平，鎖存器鎖存，當(dāng)鎖存器輸出使能為高電平時(shí)，輸出所存的信

73、號(hào)，光耦中的發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，使8550基極為低電平，PNP導(dǎo)通，輸出12V電壓。[10] </p><p><b>　　10 總結(jié)</b></p><p>　　該系統(tǒng)以ARM為內(nèi)核，對(duì)ARM的外圍電路完善，可以保證微處理器的穩(wěn)定工作，其中包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘晶振，程序的外部晶振，待機(jī)電路，復(fù)位電路，寫程序電路，EEPROM存儲(chǔ)器可以讓系統(tǒng)的應(yīng)用更方便靈活，GS

74、M的外圍電路有聲音提示，發(fā)光二極管提示，靜電保護(hù)等，繼電器控制方面使用了光耦，更好的實(shí)現(xiàn)了電氣隔離。將原理圖制成PCB圖，刻成板子焊接好器件，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是可行的。</p><p><b>　　附錄一</b></p><p>　　圖23 控制板整體PCB圖</p><p><b>　　附錄二</b>&l

75、t;/p><p>　　圖24 LED電路PCB圖</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 康華光，鄒壽彬．電子技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分（第四版）[M]．高等教育出版社，2000.7.</p><p>　　[2] 康華光，陳大欽．電子技術(shù)技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分（第四版）[M]．高等教育出版社，1999.

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77、天大學(xué)出版社,2006.12.</p><p>　　[6]潘永雄．新編單片機(jī)原理與應(yīng)用（第二版）[M]． 西安電子科技大學(xué)出版社，2007.2.</p><p>　　[7] 何洪波等.基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 南京: 電子工程師， 2006，（4）:23-31.</p><p>　　[8]周立功，等．ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出

78、版社,2005</p><p>　　[9]周立功，等．ARM嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)實(shí)例（一）[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004</p><p>　　[10] 陳伯時(shí)等.自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1981.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文的選題討論，方案分