LED智能照明系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì)

　　隧道照明中心控制器硬件設(shè)計(jì)

　　硬件設(shè)計(jì)的任務(wù)是根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在所選定的微處理器芯片和其他元器件的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出系統(tǒng)的電路原理圖，還包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、印制板設(shè)計(jì)等。在設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行試驗(yàn)，以便對(duì)其不合理的部分進(jìn)行修正，并最終確定硬件設(shè)計(jì)方案和完成印制電路板。中心控制器電路主要包括以下幾個(gè)部分：（1） 電路核心部分：ARM微處理器、復(fù)位電路、晶振電路和電源電路。（2）JTAG電路：實(shí)現(xiàn)程序下載與在線調(diào)試。（3） 外圍電路：CAN總線通信電路、USB接口、存儲(chǔ)電路、LCD液晶顯示、鍵盤電路、串行通訊電路。

　　核心電路設(shè)計(jì)

　　中心控制器的微處理器引腳圖如圖3．2所示，它主要包括芯片中所使用的各個(gè)接口的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)及與外圍電路的連接方式。

　　圖3．2STM32F103VBT6引腳圖

　　電源電路設(shè)計(jì)

　　電源電路如圖3．3所示。

　　圖3．3中心控制器電源電路

　　STM32的工作電壓為2．0V．3．6V，通過(guò)內(nèi)置的電壓調(diào)節(jié)器提供所需的1．8V電源。當(dāng)主電源掉電后，通過(guò)VBAT腳為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）和備份寄存器提供電源。5v電源通過(guò)J2端口接入電路，并通過(guò)SPXlll7M3．3．3將電源穩(wěn)壓至3．3V。VDDA與VSSA必須分別連到VDD與VSS，這是為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率。SPXI 1l 7M3．3．3輸出電流可達(dá)800mA，輸出電壓的精度在正負(fù)百分之一之間，具有電流限制和熱保護(hù)功能。P6KE6．8A為瞬態(tài)抑制二極管，它有效地保護(hù)電子線路中的精密元器件，免受各種浪涌脈沖的損壞。電源不僅是核心電路的供電電源，而且還要負(fù)責(zé)給其他外圍電路供電，電源和地之間的電容是用來(lái)去耦的，它提高了系統(tǒng)的抗干擾性。

　　復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　STM32F103VBT6支持三種復(fù)位形式，分別為系統(tǒng)復(fù)位、上電復(fù)位和備份區(qū)域復(fù)位。除了時(shí)鐘控制寄存器RCC CSR寄存器中的復(fù)位標(biāo)志位和備份區(qū)域中的寄存器以外，系統(tǒng)復(fù)位將復(fù)位所有寄存器至它們的復(fù)位狀態(tài)。外部復(fù)位電路如圖3．4所示。

　　圖3-4中心控制器復(fù)位電路

　　SP809EK．3．1／TR為單功能復(fù)位監(jiān)控器件。當(dāng)系統(tǒng)上電或電源電壓跌落至閾值電壓，SP809的復(fù)位信號(hào)RESET就會(huì)產(chǎn)生140ms的復(fù)位脈沖，保證系統(tǒng)可靠有效的復(fù)位。它的輸出典型值為上拉低電平，因此要在RESET--與“電源電壓之間加一個(gè)上拉電阻Rl。此電路為外部復(fù)位，CRESET連接至lJSTM32F103VBT6的NRST引腳上．低電平有效。

　　語(yǔ)音識(shí)別被認(rèn)定是未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的基礎(chǔ)需求之一，甚至將會(huì)無(wú)處不在，詳情請(qǐng)點(diǎn)擊進(jìn)入》》》

　　晶振電路設(shè)計(jì)

　　在STM32中，三種不同的時(shí)鐘源可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí)鐘（SYSCLK）：HSI振蕩器時(shí)鐘、HSE振蕩器時(shí)鐘和PLL時(shí)鐘。高速外部時(shí)鐘信號(hào)（HSE）由以下兩種時(shí)鐘源產(chǎn)生：HSE外部晶體／陶瓷諧振器和HSE用戶外部時(shí)鐘。HSI時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部8MHz的RC振蕩器產(chǎn)生，可直接作為系統(tǒng)時(shí)鐘或在2分頻之后作為PLL輸入。LSE（低速外部時(shí)鐘信號(hào)）晶體是一個(gè)32．768KHz的低速外部晶體或陶瓷諧振器。晶振電路如圖3．5所示。

　　圖3．5中心控制器晶振電路

　　左圖為L(zhǎng)SE時(shí)鐘，它采用32．768kHz夕b部晶振，為實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）提供一個(gè)低功耗且精確的時(shí)鐘源。LSE晶體通過(guò)在備份域控制寄存器里的LSEON位啟動(dòng)和關(guān)閉。右圖為HSE時(shí)鐘，采用8MHz夕b部晶振，負(fù)載電容值根據(jù)所選晶振選取，為系統(tǒng)提供更為精確的主時(shí)鐘。為了減少時(shí)鐘輸出的失真和縮短啟動(dòng)穩(wěn)定時(shí)間，晶體和負(fù)載電容必須盡可能地靠近振蕩器引腳。

　　JTAG電路設(shè)計(jì)

　　JTAG是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議（IEEEl 149．1兼容），主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試?，F(xiàn)在多數(shù)高級(jí)器件都支持JTAG協(xié)議。JTAG g路如圖3．6所示，這里使用的是20針JTAG接口。各引腳名稱及功能如下：1腳為VTrefH標(biāo)板參考電壓，接電源；2腳為VCC電源；3腳為nTRST‘狽0試系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)；5腳為TDI鋇IJ試數(shù)據(jù)串行輸入；7腳為TMS、狽IJ試模式選擇；9腳為TCK測(cè)試時(shí)鐘：1 1腳為RTCK測(cè)試時(shí)鐘返回信號(hào)，不使用時(shí)可以直接接地；1 3腳為TDO測(cè)試數(shù)據(jù)串行輸出；15腳為nSRSTg［標(biāo)系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)，與目標(biāo)板上的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)（NRST）相連，；4、6、8、10、12、14、16、18、20腳為GND接地；17、19腳未定義。

　　圖3．6中心控制器JTAG電路

　　為了避免任何未受控制的I／O電平，STM32F103VBT6；（EJTAG輸入腳上嵌入了內(nèi)部上拉和下拉。JINTRST（PB4）內(nèi)部上拉，JTDI（PAl5）內(nèi)部上拉，JTMS（PAl3）內(nèi)部上拉，JTCK（PAl4）內(nèi)部下拉。（JTAG IEEE標(biāo)準(zhǔn)建議對(duì)TDI、TMS和nTRST上拉，而對(duì)TCK沒有特別建議，但在STM32F 1 03VBT6中，JTCK引腳帶有下拉）。

　　R1、R2、R3均為下拉電阻，令系統(tǒng)復(fù)位以后，STM321為部JTAG接口使能，JTAG就可仿真調(diào)試。ARM通過(guò)JTAG電路與主機(jī)的并口連接，先下載程序到FLASHI勾再在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制程序的運(yùn)行，由JTAG接口讀取片內(nèi)信息供調(diào)試使用的方法進(jìn)行開發(fā)。這種方式不需要仿真器和編程器，大大縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

　　外圍電路設(shè)計(jì)

　　STM32具有先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)和優(yōu)秀的功耗控制，并且具有性能出眾的片上外設(shè)。其USB接口可達(dá)12Mbit／s，USART接口高達(dá)4．5Mbit／s。它采用基于ARMv7．M體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)處理器Cortex．M3，是專門為微控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等功耗和成本敏感的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)的。

　　鍵盤電路設(shè)計(jì)

　　圖3．7中心控制器鍵盤電路

　　本部分采用簡(jiǎn)單的矩陣式鍵盤設(shè)計(jì)，電路如圖3．7所示，這樣不僅減少I／O UI的占用，而且便于以后的擴(kuò)展。這里采用行掃描法，進(jìn)行按鍵識(shí)別。首先，判斷鍵盤中有無(wú)鍵按下：將全部行線（KEY3、KEY4、KEY5）置低，然后檢測(cè)列線（KEYl、KEY2）的狀態(tài)。

　　人機(jī)界面接口

　　本系統(tǒng)中的LCD顯示模塊主要用于中心控制器脫離上位機(jī)獨(dú)立工作時(shí)的命令發(fā)送與處理。選用清達(dá)光電技術(shù)有限公司的HGl286419-SYH．LSV型號(hào)的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模組，它支持串行和并行兩種接口，點(diǎn)陣數(shù)為128“64，內(nèi)置芯片為EPL651 32，可方便的與各種微處理器相連接。

　　圖3．8中心控制器液晶顯示電路

　　LCD模塊的接口電路如圖3．8所示。其工作電壓為3．3V，與STM32SE作電壓相同，因此可以直接使用電源電路的輸出電壓，無(wú)需額外電源電路設(shè)計(jì)。它的顯示像素為藍(lán)黑色，顯示背景為黃綠色。采用模擬串行通信與ARM芯片連接，連接引腳為SDO（串行數(shù)據(jù)輸出）、SCL（串行時(shí)鐘）、SI（串行數(shù)據(jù)輸入）分別接蛩jSTM32上的PC9、PC8、PC7引腳上。LCD RES為復(fù)位信號(hào)，低電平有效。LCD PS用來(lái)選擇數(shù)據(jù)傳輸接口，高電平為并行接口，低電平串行接口。LCD CSl和LCD CS2為片選信號(hào)。LCD C86用來(lái)選擇時(shí)序，高電平為6800時(shí)序，低電平為8080日‘-j序。LCD A0用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)還是命令，高電平為數(shù)據(jù)，低電平為命令。LCD RW用來(lái)選擇讀寫信號(hào)，當(dāng)為6800時(shí)序時(shí)，高電平為讀信號(hào)，低電平為寫信號(hào)，當(dāng)為8080Bt序時(shí)為寫信號(hào)。LCD E為6800時(shí)序的使能信號(hào)或8080時(shí)序的讀信號(hào)。LEDA腳和LEDK腳為L(zhǎng)ED背光源輸入，LEDA接3．3V，LEDK應(yīng)接地。此處由LCD BKL控制晶體管導(dǎo)通．然后控帶rJLEDK的電平。

　　RS232串行接口電路

　　本系統(tǒng)采用的是標(biāo)準(zhǔn)的DB．9接口，電路如圖3．9所示。由于RS．232．C標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，與STM32F103VBT6的LVTTL電路所定義的高低電平信號(hào)完全不同，所以要用SP3232進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換，SP3232的工作電壓為+3．0¨5．OV，將EIA／TIA．232電平轉(zhuǎn)換為TTl或CMOS電平。這里有兩路串行通信接口，U0和U1。

　　CAN總線通信電路

　　圖3．10中心控制器CAN通信電路

　　CAN總線通信電路如圖3．10所示。由于系統(tǒng)中心控制器要與節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行通信，因此硬件部分包括CAN通信模塊設(shè)計(jì)，采用CTMl040T是一款帶隔離的高速CAN收發(fā)器芯片，該芯片內(nèi)部集成了所有必需的CAN隔離及CAN收、發(fā)器件。該芯片的主要功能是將CAN控制器的邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差分電平并且具有DC2500V的隔離功能及ESD保護(hù)作用。T1為高頻扼流圈，因?yàn)樗淼览锃h(huán)境復(fù)雜，高頻扼流圈可以濾除高頻干擾，使電路穩(wěn)定。

　　USB接口電路

　　圖3．1 1中心控制器USB接口電路

　　USB且P串行通用總線，通常使用一個(gè)4針插頭作為標(biāo)準(zhǔn)插頭，其電路設(shè)計(jì)如圖3．1l所示。USB的D+與D．是差分輸入線，使用的3．3V電壓。而電源與地線可向設(shè)備提供5V電壓，最大電流為500mA。USB—EN用于控制是否使能USB通信功能，控制D+和D．的電平。

　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路

　　由于隧道照明需要存儲(chǔ)操作記錄，包括調(diào)光值、操作時(shí)間、操作組別等信息，因此使用AT45DB041D存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，電路如圖3．12所示。它通過(guò)SPI總線與ARM處理器通信，在需要的時(shí)候可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)送命令讀取歷史記錄，并且歷史記錄存儲(chǔ)會(huì)自動(dòng)定期清除。CS為芯片選擇引腳，CS腳由高到低的電平轉(zhuǎn)換時(shí)開始對(duì)芯片進(jìn)行操作，反之，由低到高時(shí)結(jié)束操作。SCK是串行時(shí)鐘，SO是串行數(shù)據(jù)輸出，SI是串行數(shù)據(jù)輸入。WP是寫保護(hù)，WP引腳已經(jīng)內(nèi)置上拉，在不使用時(shí)，將它接到高電平上。RESET是復(fù)位，只要RESET恢復(fù)到低電平即可對(duì)芯片進(jìn)行正常操作，芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位電路，不使用此引腳時(shí)將它接到高電平上。

　　系統(tǒng)主要包括上位機(jī)監(jiān)控中心、檢測(cè)設(shè)備、中心控制器、節(jié)點(diǎn)控制器和LED驅(qū)動(dòng)電源。通過(guò)檢測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，然后傳遞給上位機(jī)監(jiān)控中心，上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之后，向中心控制器發(fā)送命令，中心控制器以廣播形式向節(jié)點(diǎn)控制器發(fā)送命令，通過(guò)調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)電源的輸入電壓控制LED燈的亮度。中心控制器與節(jié)點(diǎn)控制器采用CAN總線通信，中心控制器與上位機(jī)采用串口通信。

　　制定了中心控制器、節(jié)點(diǎn)控制器與上位機(jī)之間的通信協(xié)議，并對(duì)中心控制器和節(jié)點(diǎn)控制器進(jìn)行了硬件電路設(shè)計(jì)，主要包括微處理器的選型、通信模塊設(shè)計(jì)、DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)、液晶顯示設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)、放大電路設(shè)計(jì)，并給出了部分電路的詳細(xì)原理圖。