數(shù)字鐘設(shè)計(jì)方案ppt課件

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任務(wù) 一 數(shù)字鐘,功能要求 整體方案調(diào)研 整體方案論證 硬件電路設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì),功能要求,功能要求： （1）正常顯示系統(tǒng)時(shí)間。 （2）可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)間。 （3）計(jì)時(shí)誤差：1天誤差±10s。 （4）由用電設(shè)備提供+6V電源。 （5）低價(jià)位。,二、 整體方案調(diào)研,不論是設(shè)計(jì)練習(xí)或是一個(gè)實(shí)際的工程項(xiàng)目，在明確其性能要求的基礎(chǔ)上，首先要做的應(yīng)該是調(diào)研相關(guān)情況，了解與該項(xiàng)目相關(guān)的成果，以便吸收前人的成功經(jīng)驗(yàn)，開闊自己的思路。在網(wǎng)絡(luò)高度發(fā)達(dá)的今天，利用網(wǎng)絡(luò)查詢無疑是最便捷、最全面的方法。,三、 整體方案論證,根據(jù)設(shè)計(jì)題目的功能要求，采用自頂向下的拼湊法可以構(gòu)成如圖1所示的方框圖。 自頂向下法（Top to Down） 首先從系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)開始，根據(jù)系統(tǒng)級(jí)所描述的該系統(tǒng)應(yīng)具備的各項(xiàng)功能，將系統(tǒng)劃分為單一功能的子系統(tǒng)，再根據(jù)子系統(tǒng)任務(wù)劃分各部件，完成部件設(shè)計(jì)后，最后才是元件級(jí)設(shè)計(jì)。 優(yōu)點(diǎn)：避開具體細(xì)節(jié)，有利于抓住主要矛盾。 適用于大型的、復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計(jì),,整體方案論證,[方案一] 直接利用專用時(shí)鐘芯片計(jì)時(shí)。,,整體方案論證,該方案的優(yōu)點(diǎn)是各器件的功能清晰。缺點(diǎn)是所用芯片數(shù)多、PCB面積大、接線多、焊點(diǎn)多。因此可靠性略差，而且成本也較高，不符合低價(jià)位的要求。 低價(jià)位是所有電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)在保證性能的前提下都必須認(rèn)真考慮的因素，有時(shí)它直接關(guān)于產(chǎn)品能否推廣應(yīng)用。,整體方案論證,[方案二] 圖9.1.2電路中的虛線內(nèi)部分完全可以由CPLD或FPGA來實(shí)現(xiàn)。這也是參考文獻(xiàn)中采用的一個(gè)方法。 這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路大為簡(jiǎn)化，系統(tǒng)可靠性高。最大的問題是CPLD或FPGA的成本高，做為這種低端產(chǎn)品，其價(jià)格難以接受。,整體方案論證,[方案三] 以MCU為核心來構(gòu)架整個(gè)電路。時(shí)鐘產(chǎn)生，秒信號(hào)、分信號(hào)形成均可利用MCU片內(nèi)資源解決。分減法計(jì)時(shí)利用程序完成。LED的譯碼也可以由軟件完成。至于按鍵的設(shè)置，則可以更加靈活，并將鍵數(shù)減至最少。 這一方案的最大優(yōu)點(diǎn)是充分發(fā)揮了MCU軟件的功能，并使電路簡(jiǎn)化到可以和CPLD或FPGA相媲美。,整體方案論證,電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要原則是：“安軟勿硬”。即能用軟件解決的同一問題，則不用硬件。這主要是因?yàn)檐浖膲勖皇芟拗?，而且軟件的編制如果完美無暇的話，其可靠性也是硬件無法比擬的。何況又能降低硬件開消。這一方案符合這一原則。 MCU的品種繁多，適合這種低端應(yīng)用的芯片也不少，其價(jià)位已低到MSI的水平，所以應(yīng)該是最低價(jià)位的方案。 很明顯，方案三是合適的。,四、 硬件電路設(shè)計(jì),1．MCU的選擇 2．資源分配 3．程序流程圖 4 ．容錯(cuò)設(shè)計(jì) 5．軟件的簡(jiǎn)單抗干擾措施 6．計(jì)時(shí)精度 7．程序清單,硬件電路設(shè)計(jì),9.1.4 硬件電路設(shè)計(jì) 1．MCU的選擇 為降低價(jià)位和節(jié)省使用MCU的端口數(shù)，LED宜采用共陰極動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)方式，它共需八根段位口線，兩根陰極驅(qū)動(dòng)口線，即LED需要十根MCU I/O口線。 按鍵可以減少到只要兩個(gè)：功能切換和預(yù)置時(shí)間加一鍵。功能鍵完成二個(gè)任務(wù)：移動(dòng)預(yù)置時(shí)間的個(gè)位和分位；啟動(dòng)計(jì)時(shí)。它需要二根I/O口線，而且最好接在外接中斷輸入端，以便按鍵可以用中斷或查詢兩種辦法處理。 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件通斷負(fù)載需要一根口根。 即共需MCU13根口線。,硬件電路設(shè)計(jì),系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)可以由MCU的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器完成。一般低端MCU均有二個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，可以滿足要求。 整個(gè)課題對(duì)指令執(zhí)行的速度沒有什么要求，不要求執(zhí)行速度快的MCU，一般低端MCU至少可以工作在12MHz的時(shí)鐘下，速度不成問題。,硬件電路設(shè)計(jì),LED數(shù)碼管采用應(yīng)用最廣的0.5英寸，高亮度紅色的共陰極器件。動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)時(shí)每個(gè)筆段平均IF0.5mA已可明亮顯示。 若VF=1.5V，每筆段的限流電阻為2kΩ，則LED點(diǎn)亮?xí)r每筆段IF≈1.75mA，動(dòng)態(tài)掃描時(shí)每個(gè)筆段的平均電流約為0.875mA，滿足亮度要求?？紤]到MCU口線的IOH較小，限流電阻應(yīng)接為上拉形式。 八段筆劃直接由P1口驅(qū)動(dòng)。被點(diǎn)亮LED數(shù)碼管的最大電流為8×1.75=14mA，利用P3.0、P3.1的IOL是可以承受的。,硬件電路設(shè)計(jì),按鍵共設(shè)兩個(gè)：功能切換鍵“S”，和加鍵“+”。分別接至INT0（P3.2）和INT1（P3.3）。 設(shè)計(jì)的功能為：上電后，定時(shí)器處于等待時(shí)間設(shè)置狀態(tài)，隱含時(shí)間10分。按下“S”鍵，分個(gè)位LED閃爍。按“+”鍵，可設(shè)置分個(gè)位值。設(shè)好后，再按“S”鍵，分個(gè)位LED停止閃爍，分十位LED開始閃爍，再按一次“S”鍵，分十位LED停止閃爍，定時(shí)器啟動(dòng)，設(shè)置的時(shí)間值存儲(chǔ)，并開始倒計(jì)數(shù)。兩只10kΩ的上拉電阻，保證鍵按下低電平有效，相應(yīng)的硬件電路如圖9.1.3所示。,硬件電路設(shè)計(jì),數(shù)字定時(shí)器硬件電路,,硬件電路設(shè)計(jì),考慮到上電過程中不允許用電設(shè)備瞬間動(dòng)作，強(qiáng)電執(zhí)行部件應(yīng)為低電平驅(qū)動(dòng)，它由P3.4完成。 強(qiáng)電執(zhí)行部件選用價(jià)格低的小型電磁繼電器，而不用性能雖好，但價(jià)格較高的SSR。根據(jù)負(fù)載以及+12V供電的情況可選用JQX-14F12V的電磁繼電器（特性見表2.6.1）。其電氣壽命達(dá)105次，應(yīng)能滿足用電設(shè)備的要求。相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路如圖9.1.3所示。 AT89C2051采用簡(jiǎn)單的RC復(fù)位電路。,硬件電路設(shè)計(jì),MCU時(shí)鐘頻率直接影響指令執(zhí)行速度與芯片的功耗。本課題對(duì)執(zhí)行速度并不要求快，而且希頻率低一點(diǎn)可降低功耗，故選為6MHz，由于機(jī)器周期為時(shí)鐘頻率的1/12，即2μs，為整數(shù)值，定時(shí)器中斷時(shí)間亦為2μs的整數(shù)倍，對(duì)計(jì)時(shí)精度有利，何況6MHz的石英晶振為長(zhǎng)線器件，價(jià)格較低。,硬件電路設(shè)計(jì),+12V供電由7805降至+5V供系統(tǒng)使用。按LED所有筆段全亮，所需電流約12.5mA。 JQX－14F通電時(shí)線圈耗電約45mA，AT89C2051 5V供電時(shí)工作電流約12.5mA，電路總電流約70mA。 7805壓降為7V，管耗為0.49W。其熱阻℃/W，即使不加散熱片，其相對(duì)環(huán)境溫度的溫升約22℃。即使在+50℃環(huán)境溫度下，結(jié)溫才72℃。,五、 程序設(shè)計(jì),1．確定整體的程序結(jié)構(gòu) 硬件電路采用的動(dòng)態(tài)掃描方式，編程序時(shí)要不停地掃描它。由于只有兩位LED數(shù)碼管，若掃描頻率選為50Hz，則每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮的時(shí)間為10ms。,程序設(shè)計(jì),（1）最常用的程序結(jié)構(gòu) 圖9.1.4為設(shè)計(jì)人員最喜歡采用的主程序流程圖。主程序執(zhí)行它初值化以后，即進(jìn)入循環(huán)的顯示掃描程序。其它所有的功能模塊，如設(shè)置命令、設(shè)置時(shí)間的輸入、計(jì)時(shí)等統(tǒng)統(tǒng)以中斷的方式切入。如果初值化以后只是一個(gè)簡(jiǎn)單的循環(huán)等待，這種方式從可靠性和程序編寫上都是很可取的。,程序設(shè)計(jì),但是本設(shè)計(jì)中的兩個(gè)按鍵，由于本身固有的抖動(dòng)特性（如歐姆龍公司B3F-4055按鍵開關(guān)的抖動(dòng)時(shí)間10ms），一般均采用軟件去抖，即查覺按鍵動(dòng)作后，先軟件延時(shí)20ms，躲過抖動(dòng)時(shí)間再接著處理按鍵相應(yīng)的功能。 在軟件延遲的時(shí)間里，顯示掃描被打斷，會(huì)導(dǎo)致顯示閃動(dòng)的不良現(xiàn)象。,程序設(shè)計(jì),（2）RTOS 多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS，如μC/OS-Ⅱ）可以很好的解決這一并行請(qǐng)求的矛盾。然而這似乎“殺雞用牛刀”。況且89C2051的程序存儲(chǔ)器容量也有限。,程序設(shè)計(jì),（3）以系統(tǒng)時(shí)鐘為核心的程序結(jié)構(gòu) 我們統(tǒng)計(jì)一下本設(shè)計(jì)要使用的幾個(gè)時(shí)間量：10ms－每個(gè)數(shù)碼管顯示時(shí)間；20ms－按鍵去抖時(shí)間；0.5s－分個(gè)位LED小數(shù)點(diǎn)亮/滅時(shí)間；1s－計(jì)時(shí)的單位時(shí)間。,程序設(shè)計(jì),選擇其最短的時(shí)間10ms做系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)。即利用MCU的定時(shí)器每10ms中斷一次。然后確定每個(gè)時(shí)鐘需完成的任務(wù)： ① 輪流點(diǎn)亮LED一次； ②判有無鍵按下，若有鍵按下激活一個(gè)標(biāo)志，并記錄鍵按下的時(shí)間； ③檢查鍵標(biāo)志，并檢查是否已到去抖時(shí)間（20ms，二個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)間），若已到則判定哪個(gè)鍵按下并做相應(yīng)處理。因?yàn)槊總€(gè)時(shí)鐘均訪問LED一次，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)得以保證。而進(jìn)行鍵功能處理，有10ms的時(shí)間足矣！,程序設(shè)計(jì),至于0.5s和1s時(shí)鐘事件處理可以由計(jì)另一時(shí)時(shí)鐘來完成，它承擔(dān)每0.5s設(shè)置位LED閃爍和1s計(jì)時(shí)信號(hào)產(chǎn)生的任務(wù)，分為二個(gè)計(jì)時(shí)器可以使程序編寫起來更容易一些。,程序設(shè)計(jì),2．資源分配 （1）硬件資源分配 功能鍵KS，邊沿觸發(fā)； 加鍵KAD，邊沿觸發(fā) P1.0~P1.7 LED段碼輸出，高電平有效 P3.0 LED數(shù)碼管分十位陰極，低電平有效，K1 P3.1 LED數(shù)碼管分十位陰極，低電平有效，K2 P3.4 繼電器驅(qū)動(dòng)輸出，低電平輸出有效，J T0 16位計(jì)時(shí)器，系統(tǒng)時(shí)鐘，10ms中斷一次 T1 16位計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)時(shí)鐘，0.1ms中斷一次,程序設(shè)計(jì),（2）寄存器資源分配 （3）標(biāo)志位資源分配與功能 以上兩項(xiàng)請(qǐng)直接參閱程序清單,程序設(shè)計(jì),3．程序流程圖 圖9.1.5為主程序流程圖。,程序設(shè)計(jì),圖9.1.6為系統(tǒng)時(shí)鐘程序流程圖。其中在進(jìn)行分個(gè)位或分十位值加一時(shí)，有可能分個(gè)位或分十位正處于消隱期，即此值為20，這樣會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的時(shí)間。故必須在加之前調(diào)時(shí)間值，加完以后再存入時(shí)間值。,程序設(shè)計(jì),圖9.1.7為顯示子程序流程圖。顯示分個(gè)位還是分十位由DSS標(biāo)志值決定，由于每顯示一次DSS取反，所以分個(gè)位和分十位得以輪流顯示。因?yàn)樵谠O(shè)置時(shí)間時(shí)，設(shè)置的那一位LED 0.5s閃爍一次，故程序首先判定是否消隱或正常顯示，這要由閃爍標(biāo)志位FMF決定。,程序設(shè)計(jì),圖9.1.8為計(jì)時(shí)時(shí)鐘程序流程圖。在設(shè)置時(shí)間時(shí)，用閃爍控制標(biāo)志FMF決定是否閃爍，通過SFF來決定在顯示時(shí)是消隱還是正常顯示。在計(jì)時(shí)時(shí)，停止時(shí)間閃爍，用DP取反的辦法，使分個(gè)位小數(shù)點(diǎn)每秒閃動(dòng)一次。,程序設(shè)計(jì),圖9.1.9（a）和（b）分別是功能鍵和加鍵的中斷子程序X0和X1。這兩個(gè)中斷程序只執(zhí)行將有鍵按下的標(biāo)志位KEY置1的同一語句。程序短到無可再短，當(dāng)然不會(huì)因中斷影響顯示，更不會(huì)影響其它程序的參數(shù)。,程序設(shè)計(jì),4．容錯(cuò)設(shè)計(jì) 允許錯(cuò)誤存在，并能防止它對(duì)系統(tǒng)正常工作的破壞，稱為“容錯(cuò)”。 人為操作失誤是造成系統(tǒng)工作失敗的最重要的因素。世界上許多次嚴(yán)重的事故，如切爾諾貝利核洩漏，就是錯(cuò)誤操作造成的。,程序設(shè)計(jì),4．容錯(cuò)設(shè)計(jì) 一個(gè)沒有考慮容錯(cuò)的設(shè)計(jì)，包括一個(gè)程序，不能算一個(gè)完美的設(shè)計(jì)。 上述數(shù)字定時(shí)器程序就至少?zèng)]有考慮二種人-機(jī)交互易產(chǎn)生的錯(cuò)誤： （1）上電后，顯示10分隱含時(shí)間。正常操作應(yīng)當(dāng)是：不設(shè)新時(shí)間；或者先按功能鍵，設(shè)分個(gè)位。再按功能鍵，設(shè)分十位。再按一次功能鍵正常倒計(jì)時(shí)。但是如果上電后直接按加鍵，則分個(gè)位將動(dòng)作，這將導(dǎo)致功能鍵動(dòng)作次數(shù)紊亂。 （2）倒計(jì)時(shí)開始后，如果按任何一鍵，也將出現(xiàn)非正常情況。,程序設(shè)計(jì),4．容錯(cuò)設(shè)計(jì) 對(duì)于第一種情況，可以在系統(tǒng)時(shí)鐘程序檢測(cè)到“+”鍵時(shí)，先判別一下功能鍵次數(shù)是否為零，若是則不做加法而直接退出，見下面所列程序。 對(duì)于第二種情況，可以在開始計(jì)時(shí)后關(guān)閉外部中斷，而在計(jì)時(shí)結(jié)束后再重新允許外部中斷。,程序設(shè)計(jì),5．軟件的簡(jiǎn)單抗干擾措施 （1）指令冗余 現(xiàn)以CK0程序中的含有冗余指令的幾個(gè)語句為例簡(jiǎn)單說明一下它的抗干擾原理。語句如下：（具體程序見程序清單）,程序設(shè)計(jì),（1）指令冗余 程序正常運(yùn)行時(shí)，程序計(jì)數(shù)器（PC）指針在執(zhí)行JMP MPRO語句時(shí)指向095H，這條指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼為80H，25H。前者是指令碼，后者為相對(duì)跳轉(zhuǎn)地址，即執(zhí)行此指令后程序指針應(yīng)跳轉(zhuǎn)到25H加下條指令的PC值，即跳至OBCH。后面的三條空操作冗余指令對(duì)程序運(yùn)行毫無影響。,程序設(shè)計(jì),（1）指令冗余 倘若程序計(jì)數(shù)器的值受到了外界干擾，指向25H（如虛線所示），如果不加冗余指令，則25H被當(dāng)做指令碼，將執(zhí)行ADD A, data addr，即執(zhí)行累加器ACC加一個(gè)數(shù)據(jù)地址為緊跟其后的20H。下一條指令，由于PC指向B2H，將執(zhí)行CPL bit addr，即對(duì)18H這個(gè)位地址了反。可見程序被完全破壞。,程序設(shè)計(jì),（1）指令冗余 如果干擾后指針仍是指向25H，但下面有三條NOP指令，程序執(zhí)行的是ADD A，00H，累加器的值會(huì)改變。但PC下一個(gè)指向的二個(gè)NOP，再下一個(gè)指向的將是正常的JB KS， RCKO語言。至少減少了程序被破壞的程度，能接著恢復(fù)正常運(yùn)行。 冗余指令NOP通常加在2字節(jié)或3字節(jié)指令的后面。,程序設(shè)計(jì),5．軟件的簡(jiǎn)單抗干擾措施 （2）軟件陷阱 程序的長(zhǎng)度總是小于程序存儲(chǔ)器的容量，本課題中程序長(zhǎng)度為170H（368 Byte），而89C2051內(nèi)部Flash memory的容量為2kB（800H），有大片的內(nèi)存的FFH剩余區(qū)。FFH為MCS-51內(nèi)核的指令代碼MOV A，R7。在剩余區(qū)里可以安排若干跳轉(zhuǎn)到初值化地址的指令，以便程序跳飛時(shí)能被這些陷阱所捕獲，還原到初值化或其它程序，請(qǐng)參看程序清單。,程序設(shè)計(jì),5．軟件的簡(jiǎn)單抗干擾措施 （3）監(jiān)視定時(shí)器 監(jiān)視定時(shí)器（Watch Dog Timer-WDT）俗稱“看門狗”，是一種最常用的很有效的抗干擾方法。它的工作原理可以用圖9.1.10來說明。,,程序設(shè)計(jì),監(jiān)視定時(shí)器是一個(gè)時(shí)間計(jì)數(shù)器，復(fù)位以后，每隔一個(gè)固定的時(shí)間tWDT由Q端發(fā)生一個(gè)進(jìn)位脈沖，迫使MCU復(fù)位。MCU在程序正常運(yùn)行時(shí)，啟動(dòng)WDT，并每隔tWDT的時(shí)間通過I/O口向WDT發(fā)送復(fù)位信號(hào)，所以WDT永遠(yuǎn)沒有強(qiáng)迫MCU復(fù)位的可能。當(dāng)程序受到干擾，“跑飛”以后，程序不能正常的向WDT發(fā)送，于是在跑飛tWDT時(shí)間以后，MCU復(fù)位，程序又納入正常運(yùn)行。 WDT可以用外部器件自行設(shè)計(jì)，也可以使用具有WDT功能的IC，如X5045?，F(xiàn)在已經(jīng)有不少M(fèi)CU內(nèi)部已帶有WDT，只需程序控制其運(yùn)行即可。 對(duì)低端產(chǎn)品的本設(shè)計(jì)而言還沒有必要使用WDT。,程序設(shè)計(jì),6．計(jì)時(shí)精度 既然課題提出了對(duì)時(shí)間精度的要求，設(shè)計(jì)時(shí)就必須予以考慮。 本設(shè)計(jì)是利用MCU的定時(shí)器軟件計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)誤差首先取決于MCU的時(shí)鐘。 （1）MCU時(shí)鐘引起的計(jì)時(shí)誤差 MCU的fosc=6MHz，是由石英晶體振蕩器產(chǎn)生的，其頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10－6，有時(shí)可達(dá)10－11。按10－6計(jì)算，每秒變化6μs，100分的變化僅0.036s，故此變化可以忽略。,程序設(shè)計(jì),6．計(jì)時(shí)精度 （2）中斷響應(yīng)時(shí)間造成的誤差 計(jì)時(shí)定時(shí)器的初填值，是按下式計(jì)算出來的 式中為計(jì)時(shí)器的容量，這里是65536，TINT為中斷（計(jì)數(shù)溢出）的時(shí)間，TC為機(jī)器周期，這里TC=2μs。0.1s中斷的初填值為15536（3CB0H）。由TC為整數(shù)，此初填值是無誤差的。,,程序設(shè)計(jì),6．計(jì)時(shí)精度 但是由于中斷請(qǐng)求到執(zhí)行中斷服務(wù)程序的第一條指令是需要幾個(gè)TC的時(shí)間，即中間響應(yīng)時(shí)間。何況執(zhí)行第一條執(zhí)令填入TL1還需要三個(gè)TC。若中斷響應(yīng)時(shí)間為3TC，0.1s內(nèi)的計(jì)時(shí)誤差為6T=12μs，100分計(jì)時(shí)誤差為－0.72s，完全滿足計(jì)時(shí)精度要求。 如果將初填值補(bǔ)償（加大）6個(gè)字，則可使精度大大提高。,程序設(shè)計(jì),7．程序清單 （略）,