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电子板书系统的设计研究,文娟,王振凯,本设计基于超声波定位原理,由单片机完成控制,通过USB设备将所测得的数据信息传输到PC机上,经过PC机运算、处理,实现二维定位。��
山国科技义在线 同吋也是设计超声测量仪器的关键和难点。在发射方面,由单片枞控制外部电路使发射波形 有良好的重复性若发射波形是随机的则每次情米的误差也将会是随机的。在接收方面,前 置放大级将采用牛联谐振回路,其中心频率为,从而有效地抑制 以外的各 种频率成分干扰,并使用程控可变增益敚大电路对信号放大。亏外选用低噪声器件,采取合 理的电路布局,并注意进行屏蔽也将在一定程度上提高测距精度 系统硬件设计方案 该单片札应用系统包括单片机基木系统和各和通道接口。其中包括单片机最小系统和打 展部分,通道接口又有前向通道、后向通道、人机通道、和相互通道。 目标系统设计框图如卜图 矿通 AD转按器 通滤波 可变增益放大龄 超;i换铙器 模数转换 温度传感眷 ,于 发射电 倍号拎取 门片机 超换能器 AD)转挨器 通滤淑 USB US3I 以缆按 PDIUSBDI2 相瓦迫道 冬电子板书系统设计结构图 应用系统通道设计 前向通道设计 前向通道用于单片机应用系统的信号采集,是被测信号输出到单片机数据总线的输入通 道。前向通道需要完成从信号传感、变换到单片机输入,在设计需考虐信号的拾取、调节、 转换、抗干扰等许多方面的问题。 电子板书系统的前冋通道设计方案包括超声波接受、温度测量功能单元,该部分框图如 图所示 山国科技义在线 AD器 通諶波 变增寂人界+1超换能器 单片 转换 信∵樹 一福传越器 图前向通道设计框图 超声波接收功能单元 ①信号拾取 超声波传感器,可将超声波转换为电信号 目标系统采用中心频率为 超声波传感器。它具有高灵敏度、高可靠 性、高稳定性、耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、耐振动的特点。 ②信号调节 信号调节的日的是将传感器输出的电信号转换成可以满足单片机或转换输入要求 的标准电信号,包含小信号放大、滤波、岺点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量 程切换等任务 目标系统中由」超声波在空气中的哀减很快,因而需要可由程序设定放大倍数的增益可 变的放大电路,且有很宽的可变范围,使输入信号得到适当的放大,为下·环节的转 换打好基础。 由变换器和宽带放大器组成的程控增益放大器,具有电路简单、调整方便、使用 灵活等突出优点。 考虑刭目标系统对时间的要求,以及产品的小型化,本系统采用位并行带有数据寄存 器、片选信号、写信号的电流输出型转挨器 考虑到可变增益要达到的放大倍数可能很高,和放大尜本身要引入的噪声,应选择低噪 宽带的放大器。由电路设计的简洁出发,所选放大器最好是芯片内部自带补偿的。 程控增益放大电路的结构,如下图所示。 入 放人器 冬程控增益放大电路的结杓 放大器增益 ③模拟数字转换电路 山国科技义在线 大多数应用都是采用转换将外界输入模拟信号转换成计算机数据总线能接受的数 字信号。最终目标系统的转换器是集成在单片机 芯片内部的。其转换器原 理框图如图 控制 逻辑 M CCLK 图 转换器原理框图 温度测量功能单元 由于目标系统中,超声波速度受所在环境温度的影响,为保证所待数据的精度,系统需 要有温度测量环节以对所得数据进行必要的补偿、调节。因此,在前向通道,要加入非电参 量转换环节温度转换为电信号 考虑到目前传感器将信号敚大、调芍电路、敏感元件作为一体,可大大简化前向通道的 结构,目标系统确定采用传感器环节智能温度传感器 实现温度到电信号的转 换 后向通道设计 后向通道是单片机实施运算处理后,对控制对象的输出通道接口。 在后向通道的设计中,根据控制对象的要求应解决:功率驱动,即将单片机输出的信号 进行功率放大,以满足被控对象的功率要求;干扰防治,即伺服驱动系统通过信号通道、电 源及空间电磁场对单片机系统产生干扰,通常可用电源隔离、信号隔离等方法进行干扰防治; 数模转换,即对」二进制输出的信号量采用转换器,对」频率输出采用转换器转 换成模拟量。 目标系统的后向通道超声波发射电路框图,如图所示。 汇向通道 刀机 超点发射电 路 超卢换能得 图超声波发射电路框图 采用高压放电驱动的方法 这种方法的原理基于压电换能器的基本特性电致伸缩。由于功率 的驱动 简单开关速度快控制灵活所以采用 场效应管作开关元件效果将会比较好。 山国科技义在线 人机通道设计 日标系统呆用作为通电工作标志,通过计算机的显示器可显示运行结果。 相互通道设计 相互通道指的是单片机与微型机、微处理器或单片机系统之间进行通信的通道接口 目标系统是通过接口与计算机实现通讯的。其中接口的主要器件是 公司的 芯片。相互通道设计如图所示。 USB LSB4缆校山 制心汁 单片机 PDIUSBDI2 图相互通道设计框图 PDIUSBDI2 U/O PORT DATA N DATA WR RD N R 图 与单片机连接示意 单片机基本系统设计 目标系统的单片机是 公司的 采用了高性能的处理器结构,指令执行时间只需到个时钟周期。倍于 标准 器件。它集成了许多系统级的功能,这样可大大减少元件的数目、电路板面积 以及系统的成本。其引脚框图如图 口图司图 25 P0.2/CIN2A/KB(2/AD11 Pl5RST 6 24 P0.3/CINIE/KB13/AD12 P74|NLA/K月|4/A1A13 P3.1 XTAL1[8 I P89LPC935FA 2U5上hⅨB P3. 0/TAL2/CL<OUT 9 P1. 4/NT 20] P0.8/CMP1/KBIG P1 3/INTOISn411 Pn71KH了 OBN 图 引脚框图 时钟 山国科技义在线 提供儿个可由用户选择的振荡器选项来产生时钟,晶振可选择低、中 或高频晶振,频率范围为到 目标系统采用 外部晶振的振荡器 模数转换模块 目标系统中采用:固定通道,单次转换模式 选择单个输入通道进行转换。执行单次转换并将转换结果存放到所选输入通道对应的结 果寄存器中。如果中断使能,转换完成后产生中断。定时器触发启动定时器溢出时启动一 次转换。一旦转换过程被启动,其它的定时器触发操作均无效,直至转换过程结束。 定时器触发模式适用于所有工作模式。 中断 采用中断优宄级结构。其中有干扰抑制电路,而没有干扰抑 制电路。因而采用 定时器/计数器和 目标系统用其作为周期子程序和 周期子程序的定时中断触发。 实时时钟系统定时器 具有一个简单的实时时钟系统定时器。实时时钟是一个位的倒计数器。 目标系统用其作为时间数据的依据。 总线接口 总线用两条线,串行时钟()和串行数据(),在总线和器件之间传递信 息,支持种工作模式:主发送模式、从接收模式、从发送模式和从接收模式 总线配 置如图。 SDA C总线 SCL P1.3: SUA P1.2/SCL I 它器什与 其它器件与 IC总线的接叫T2总线的接口 图 总线配置 模拟比较器 有个模拟比较器,输入和输出选项允许将比较器配置成为不同模式。每 个比较器都可配置为当输出值发生改变时产生中断 比较器输入和输出的连接如下图所示。 比较器1 E1 ro+CNlAH P0.3)cN1BL」 - CMP1(F (P0. 5) CMPREF 区画 中断 CP2 较器? PO.1)CN2BH □cMFz(FC0 图比较器输入和输出的连接 山国科技义在线 目标系统的管脚分配 考虑到整体功能,各应用通道传输和控制和 可用的复用引脚后,确定目标 系统的 的管脚分配,如图,内圈为复用引脚选用,外圈为实际用途。 石E兰 TEMP P165m后25|P2CN2A 24PO3△0 SS 7 P89LPC935 CMPRE 图 的管脚分配 附加电路设计 带有的可字节擦除的程序存储器,字节数据存储器。 还包括一个字节的附加片内 无需扩展程序存储器和数据存储器。 复位电路的基本功能是系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后撤销复位信号。 为可靠起见电源稔定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分合 过程中引起的抖动而影响复位。 复位电路设计如图,仿真结果如图所小。 33 m RES 图 复位电路 接电源 按下复位开关,并空即抬起 注:时间轴 幅度轴 复位电路仿真结果 外部时钟电路部分设计如图 国科技论又在线 30pF XTAL1 12MH 30pF XTAL2 外部时钟电路 系统软件设计方案 软件编制流程图 总体方案流程图 开始 jPC逗立连接 「亦系统奸亻 10ms周期 测温 了程 测温所得 系统定时器重装 输PC 片动定时器 可变增益放大器 16CkH)子 释序 断调片 160H打了程序 启动系统1定时 了程序束 发射接收结朿 USB传送数 中断调用 10:n 结束 图总体方案流程图 周期子程序流程 山国科技义在线 中断开始 几以超庄按收记示 判断计数单元0是否溢 以舢发小次16Hz同期 子序|断 定时器时 强^疾的周則性 定小器1计时 川以超发封记永 判断计数单元!是否溢一 超声发射 效单元1加1 检测按收时需经此步骤判断, 柳定接到超信与后掠过此步 超声接收检测 判断超声接收端 是香妆到信号 定器 等待定时器I小断 元成MD)转 A/转换,储数据 定小器1 一判断是否需要 重置可变增数值 重置π变增益值 效单元川1 中断结束 图 周期子程序流程如图 结论 电子板书系统可以定义为一款数据采集输入系统,其设计基于超声波定位原理,利用两 个超声接收端接收来自一个可移动的超声发射端的信号,系统由单片机完成控制,并通过 设备将所测得的数据信息传输到札上,经过机运算、处理,在显示器上显示发 射端的移动轨迹,从而实现二维定位 本论文完成了总体方案设计,包括单片机系统设计,应用系统通道设计。其中,应用系 统通道划分为前向通道、后向通道、相互通道分别设计并阐述,完成了超声信号发射和接收 的模拟电路,自动增益控制电路,温度补偿电路等功能单元的设计。论文还完成了数字部分

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