硬件知識及調(diào)試（一）

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    上個星期師兄們要求我對硬件知識及調(diào)試作培訓，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，希望對他們找工作有幫忙。

一、原理圖設計

1、  最小系統(tǒng)：

（1）       電源模塊

     目前微處理器設計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

    設計電源模塊考慮問題：

1）  輸入輸出電壓要求。一般輸入輸出電壓相差比較大時應用DC-DC，LDO要求輸入輸出低壓差；

2）  功耗。

3）  成本。DC-DC成本相對LDO貴一些，同時性能也好；

一般還會考慮所帶負載要求及散熱、封裝等要求。

（2）       時鐘電路

     微處理器需要時鐘才能夠正常運行，微處理器的時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。

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

串口、定時器、I2C、SPI、A/D、D/A等都需要時鐘才能夠正常運行。          

設計時鐘時應注意問題：

1）  微處理器系統(tǒng)的最大運行時鐘，這與PLL中分頻系數(shù)和倍頻系統(tǒng)相關，對軟件設計時時鐘初始化；

2）  根據(jù)所掛載的設備適當設置各個時鐘頻率，如在TMS320C6713中，可設置CPU時鐘225M，外設模塊時鐘112.5M，外部存儲器時鐘90M；

（3）       復位電路

微處理器一般有復位引腳對系統(tǒng)進行復位，常用的有簡單的按鍵進行復位和芯片（看門狗）復位電路。

1）  簡單復位電路

簡單復位電路是通過對微處理器復位引腳置高電平或低電平來實現(xiàn)復位。

1）  看門狗復位

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

看門狗實現(xiàn)原理：系統(tǒng)開始運行時對看門狗進行“喂狗”操作，即按一定的時間間隔給看門狗的復位引腳輸出高電平或低電平脈沖，以保證正常運行。當程序跑飛后系統(tǒng)復位引腳就沒有看門狗所需要的脈沖，于是就產(chǎn)生一個復位信號輸出給微處理，重啟系統(tǒng)。

     復位電路設計應注意的問題：

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

2）  外部的看門狗在調(diào)試時也可先不使用；

（4）       JTAG接口

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

JTAG接口設計一般比較固定，按照數(shù)據(jù)手冊上要求即可。

以上四部分基本為最小系統(tǒng)，同時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行時能夠正確顯示，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的導通電流一般為2-10Ma, 而二極管導通時的電壓為1.7V，設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的導通電流范圍內(nèi)即可。

2、  存儲器

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

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

FLASH、ROM、E2PROM是非易失性存儲器，重新上電后數(shù)據(jù)會一直保留，除非用程序命令擦除，否則將一直保存。

外部存儲器電路設計一般較固定，但在微處理器和存儲器地址連接時應當注意地址偏移的問題。

E2PROM與FLASH及SDRAM連接不同，通過I2C總線進行數(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之間的關系，對TMS320C6713的啟動過程分析：

3、  其它外設

（1）       A/D和D/A

A/D一般是對輸入模擬信號采樣、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設計時需要考慮的參數(shù)：

1）              分辨率（位數(shù)）。若一個8位的A/D口，其分辨率為1/256。像單片機、ARM等微處理器集成了A/D口，可以對輸入模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但一般位數(shù)為8位、10位或12位，對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)換時間。完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時間。通常與該芯片的采樣頻率相關。

3）              參考電壓。參考電壓是對需要進行模數(shù)轉(zhuǎn)換電壓的基準。如一個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，采樣值最大時為4095，其對應的電壓為5*4095/4096v，采樣值最小為0，其對應的電壓為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都需要經(jīng)過一個放大器使其在參考電壓范圍內(nèi)。

A/D設計時值得注意的是A/D位數(shù)越多，采樣精度就準確，但并非位數(shù)越多越好，位數(shù)增加，則完成一次A/D轉(zhuǎn)換的時間也就越多，芯片支持的采樣頻率也就相對降低，同時位數(shù)越高，成本也會提高。因此選擇適當?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行通信的接口，它們通信遵守特定的時序或協(xié)議，從而使主對從進行讀或?qū)懙炔僮鳌?/span>

1）  I2C總線

I2C通過兩根線SCL和SDA進行通信，SCL為時鐘線，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為微處理器與主機之間進行通信的接口，對于微處理器來說，3V左右為高，0V左右為低，而對于主機，高電平為-15v—3v，低電平為15v-3v（負電平表示），因此兩種電平無法兼容，需要對進行轉(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，可實現(xiàn)CAN設備之間的通信。如果微控制器內(nèi)部集成CAN控制模塊，只須接外部驅(qū)動電路即可：

     4、  集成運放

   集成運放的兩個特點：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）       反饋和負反饋

（6）       直流負反饋和交流負反饋的判斷

（7）       電壓負反饋和電流負反饋

判斷方法：令負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反饋；若反饋量依然存在，則說明電路中引入了電流負反饋。

（8）       串聯(lián)反饋和并聯(lián)反饋

判斷方法：反饋信號與輸入信號同一節(jié)點輸入，則為并聯(lián)反饋；反饋信號與輸入信號不同節(jié)點輸入，則為串聯(lián)反饋。