硬件知識(shí)及調(diào)試（一）

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    上個(gè)星期師兄們要求我對(duì)硬件知識(shí)及調(diào)試作培訓(xùn)，于是懷著忐忑的心情總結(jié)了這兩年作硬件可能遇到的問題，順便在網(wǎng)上收集一些資料，希望對(duì)他們找工作有幫忙。

一、原理圖設(shè)計(jì)

1、  最小系統(tǒng)：

（1）       電源模塊

     目前微處理器設(shè)計(jì)中常用電源電壓主要有+12V、-12V、+5V、-5V、3.3V、1.26V等，在電路中需要用電源芯片實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。常用的電源芯片分為兩類：LDO和DC-DC

LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器）：降壓，輸入輸出電壓差較小，外接元器件較少，一般外圍只有旁路電容，成本較低；常見的LDO有AMS1117系列、REF3012等

DC-DC（直流轉(zhuǎn)直流）:降壓、升壓、反相，外圍一般要求電感、二極管、電容等器件；

直流電源電路：

    變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓

    設(shè)計(jì)電源模塊考慮問題：

1）  輸入輸出電壓要求。一般輸入輸出電壓相差比較大時(shí)應(yīng)用DC-DC，LDO要求輸入輸出低壓差；

2）  功耗。

3）  成本。DC-DC成本相對(duì)LDO貴一些，同時(shí)性能也好；

一般還會(huì)考慮所帶負(fù)載要求及散熱、封裝等要求。

（2）       時(shí)鐘電路

     微處理器需要時(shí)鐘才能夠正常運(yùn)行，微處理器的時(shí)鐘源主要是外接晶振與內(nèi)部振蕩源，內(nèi)部振蕩源由于精度不高，因此微處理器外部一般都會(huì)接外部晶振：

     晶振分為有源晶振和無源晶振，有源晶振需要外部供電而無源則不需要。有源晶振的頻率精度較高且成本比無源高些。

具體參數(shù)的選擇參考該微處理器數(shù)據(jù)手冊(cè)。

    時(shí)鐘電路常與微處理器內(nèi)部的PLL（鎖相環(huán)）緊密相關(guān)，外部晶振通過PLL（分頻和倍頻）得到幾種時(shí)鐘頻率為CPU、外設(shè)等提供時(shí)鐘，這幾種時(shí)鐘就像幾條總線，外設(shè)和系統(tǒng)CPU則掛載在這幾條時(shí)鐘總線上。

串口、定時(shí)器、I2C、SPI、A/D、D/A等都需要時(shí)鐘才能夠正常運(yùn)行。          

設(shè)計(jì)時(shí)鐘時(shí)應(yīng)注意問題：

1）  微處理器系統(tǒng)的最大運(yùn)行時(shí)鐘，這與PLL中分頻系數(shù)和倍頻系統(tǒng)相關(guān)，對(duì)軟件設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)鐘初始化；

2）  根據(jù)所掛載的設(shè)備適當(dāng)設(shè)置各個(gè)時(shí)鐘頻率，如在TMS320C6713中，可設(shè)置CPU時(shí)鐘225M，外設(shè)模塊時(shí)鐘112.5M，外部存儲(chǔ)器時(shí)鐘90M；

（3）       復(fù)位電路

微處理器一般有復(fù)位引腳對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，常用的有簡單的按鍵進(jìn)行復(fù)位和芯片（看門狗）復(fù)位電路。

1）  簡單復(fù)位電路

簡單復(fù)位電路是通過對(duì)微處理器復(fù)位引腳置高電平或低電平來實(shí)現(xiàn)復(fù)位。

1）  看門狗復(fù)位

由于微處理器工作時(shí)受到電磁干擾影響，可能會(huì)出現(xiàn)程序跑飛，陷入死循環(huán)現(xiàn)象，手動(dòng)復(fù)位雖然也能夠重啟系統(tǒng)使之正常運(yùn)行，但是每次出現(xiàn)問題都需要手動(dòng)重啟比較麻煩，用看門狗電路則比較合適當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)能夠自動(dòng)重啟系統(tǒng)。常用看門狗有微處理器內(nèi)部看門狗和外部看門狗。

看門狗實(shí)現(xiàn)原理：系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)對(duì)看門狗進(jìn)行“喂狗”操作，即按一定的時(shí)間間隔給看門狗的復(fù)位引腳輸出高電平或低電平脈沖，以保證正常運(yùn)行。當(dāng)程序跑飛后系統(tǒng)復(fù)位引腳就沒有看門狗所需要的脈沖，于是就產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)輸出給微處理，重啟系統(tǒng)。

     復(fù)位電路設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題：

1）  微處理器內(nèi)部的定時(shí)器在進(jìn)行簡單的調(diào)試時(shí)最好先在程序中關(guān)看門狗；

2）  外部的看門狗在調(diào)試時(shí)也可先不使用；

（4）       JTAG接口

JTAG接口一般為仿真器與目標(biāo)板進(jìn)行連接的接口，主要進(jìn)行仿真、調(diào)試及程序燒寫的功能。

JTAG接口設(shè)計(jì)一般比較固定，按照數(shù)據(jù)手冊(cè)上要求即可。

以上四部分基本為最小系統(tǒng)，同時(shí)還需要在微處理器和芯片的電源和地的引腳加去耦電容（消除諧波，使電源平穩(wěn)），為了讓電源模塊正常運(yùn)行時(shí)能夠正確顯示，一般在每種電源處接發(fā)光LED，方便電源模塊的正確顯示。

值得注意的是電阻的選取，發(fā)光LED的導(dǎo)通電流一般為2-10Ma, 而二極管導(dǎo)通時(shí)的電壓為1.7V，設(shè)所選擇的電阻阻值為Rx，則通過的電流為Ix=(5-1.7)/Rx，讓Ix的值在發(fā)光LED的導(dǎo)通電流范圍內(nèi)即可。

2、  存儲(chǔ)器

存儲(chǔ)器分為內(nèi)部存儲(chǔ)器和外部存儲(chǔ)器，內(nèi)部存儲(chǔ)器包括微處理器內(nèi)部的RAM、ROM、FLASH（TMS320C6000內(nèi)部無FLASH，而TMS320F2812則有FLASH），外部存儲(chǔ)器是掛載在微處理器外部的存儲(chǔ)器，包括SDRAM、FLASH（NANDFLASH和NORFLASH）、E2PROM等。

RAM和SDRAM是易失性存儲(chǔ)器，重新上電后就容易將其中的數(shù)據(jù)丟失；

FLASH、ROM、E2PROM是非易失性存儲(chǔ)器，重新上電后數(shù)據(jù)會(huì)一直保留，除非用程序命令擦除，否則將一直保存。

外部存儲(chǔ)器電路設(shè)計(jì)一般較固定，但在微處理器和存儲(chǔ)器地址連接時(shí)應(yīng)當(dāng)注意地址偏移的問題。

E2PROM與FLASH及SDRAM連接不同，通過I2C總線進(jìn)行數(shù)據(jù)和地址的通信。

為了更好的理解外存內(nèi)存及RAM和ROM之間的關(guān)系，對(duì)TMS320C6713的啟動(dòng)過程分析：

3、  其它外設(shè)

（1）       A/D和D/A

A/D一般是對(duì)輸入模擬信號(hào)采樣、保持、量化、編碼，得到數(shù)字量，D/A則是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量輸出。

    A/D設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的參數(shù)：

1）              分辨率（位數(shù)）。若一個(gè)8位的A/D口，其分辨率為1/256。像單片機(jī)、ARM等微處理器集成了A/D口，可以對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但一般位數(shù)為8位、10位或12位，對(duì)于精度要求比較高的電路則無法滿足要求，A/D芯片選擇需要考慮精度要求。

2）              轉(zhuǎn)換時(shí)間。完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。通常與該芯片的采樣頻率相關(guān)。

3）              參考電壓。參考電壓是對(duì)需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓的基準(zhǔn)。如一個(gè)12位的A/D芯片，它的分辨率為1/4096，如果它的參考電壓為5V時(shí)，采樣值最大時(shí)為4095，其對(duì)應(yīng)的電壓為5*4095/4096v，采樣值最小為0，其對(duì)應(yīng)的電壓為0*4095/4096v。因此可見需要輸入電壓在0-5v范圍內(nèi)，一般得到的輸入信號(hào)都需要經(jīng)過一個(gè)放大器使其在參考電壓范圍內(nèi)。

A/D設(shè)計(jì)時(shí)值得注意的是A/D位數(shù)越多，采樣精度就準(zhǔn)確，但并非位數(shù)越多越好，位數(shù)增加，則完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)間也就越多，芯片支持的采樣頻率也就相對(duì)降低，同時(shí)位數(shù)越高，成本也會(huì)提高。因此選擇適當(dāng)?shù)奈粩?shù)，只要能夠滿足要求即可。

       2、I2C、SPI總線

            I2C、SPI總線接口電路一般較為固定，一般為微處理器與芯片或微處理器間進(jìn)行通信的接口，它們通信遵守特定的時(shí)序或協(xié)議，從而使主對(duì)從進(jìn)行讀或?qū)懙炔僮鳌?/span>

1）  I2C總線

I2C通過兩根線SCL和SDA進(jìn)行通信，SCL為時(shí)鐘線，而SDA為數(shù)據(jù)線。

2）  SPI總線

SPI總線三根傳輸線為MOSI、MISO、SCK。

      3、UART（串口）、CAN總線

                在介紹UART和CAN之前先需要對(duì)TTL電平和CMOS電平有簡單的了解。

       TTL電平電壓范圍0-3.6v，CMOS電平有的為5v有的為12v。

1）  UART

UART為微處理器與主機(jī)之間進(jìn)行通信的接口，對(duì)于微處理器來說，3V左右為高，0V左右為低，而對(duì)于主機(jī)，高電平為-15v—3v，低電平為15v-3v（負(fù)電平表示），因此兩種電平無法兼容，需要對(duì)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。常見的UART口有RS-485和RS-232：

2）  CAN

CAN總線常用于工業(yè)控制方面，可靠性比較高，可實(shí)現(xiàn)CAN設(shè)備之間的通信。如果微控制器內(nèi)部集成CAN控制模塊，只須接外部驅(qū)動(dòng)電路即可：

     4、  集成運(yùn)放

   集成運(yùn)放的兩個(gè)特點(diǎn)：虛短和虛斷

（1）       反相比例放大電路

（2）       同相比例放大電路

（3）       反相求和電路和同相求和電路

（4）       積分電路和微分電路 

（5）       反饋和負(fù)反饋

（6）       直流負(fù)反饋和交流負(fù)反饋的判斷

（7）       電壓負(fù)反饋和電流負(fù)反饋

判斷方法：令負(fù)反饋放大電路的輸出電壓uO為零，若反饋量也隨之為零，則說明引入了電壓負(fù)反饋；若反饋量依然存在，則說明電路中引入了電流負(fù)反饋。

（8）       串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

判斷方法：反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同一節(jié)點(diǎn)輸入，則為并聯(lián)反饋；反饋信號(hào)與輸入信號(hào)不同節(jié)點(diǎn)輸入，則為串聯(lián)反饋。