基于飞思卡尔cortex-m0微控制器的计步器设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于飞思卡尔cortex-m0微控制器的计步器设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

期性型终端点。 其中控制终端点主要用于 USB 设备的枚举和虚拟串口的波特率和数据类型（数据位数、停止位和起始位）设置的通信。 输出方向的非同步终端点用于主机向从设备发送数据，相当于传统物理串口中的 TXD 线（从微控制器的角度 14 看），输入方向的非同步终端点用于从设备向主机发送数据，相当于传统物理串口中的 RXD 线。 这样即可保证与上位机的正常通信。 图 CDC 分类 15 3 系统硬件设计 硬件整体设计 为尽可能的降低功耗，可只引出使用到的一些端口，未使用的资源一律不引出。 对于功耗高的模块，可通过 一个 IO 口 控制 P 沟道 MOS 管 的通断，从而控制对模块的供电。 为方便调试程序，增加了无线模块，故需要预留 SPI 接口。 表 列出了计步器最小系统所 使用的硬件资源。 表 最小系统 资源使 用表 功能分类 引脚名 引脚序号 功能描述 电源 VDD 7,38,60 电源 VSS 8,39,59 地 VREGIN 12 USB 模块的参考电压 （ 5V） 复位 nRST 42 复位引脚。 拉低可使芯片复位 时钟 EXTAL0， XTAL0 40,41 时钟输入输出引脚 RTC RTC_CLKIN 56 时钟输入引脚 ，可 实现日历，时间功能 下载接口 SWD_CLK 26 JTAG 时钟 SWD_IO 29 JTAG 数据输入、输出 为了实现远程监控计步器的工作状态，确保计步器正常工作，同时 为了直观的快捷的观测传感器数据，本设计增加了 NRF24L01 模块和 UART 接口作为系统的调试接口。 表 列出了系统调试工具所占用的资源。 表 系统调试资源使用表 功能分类 引脚名 引脚序号 功能描述 串口 UART0_RX,TX 79,80 用于 UART 收发数据，用于 调试程序 无线模块接口 SPI0_PCS0,SCK,MOSI,MISO 61,62,63，64 硬件 SPI PTD3 76 复用为外部中断功能 PTC10 67 控制无线模块的工作模式 PTD2 75 控制对无线模块的供电 表 列出了系统所有外设所使用的 微控制器的引脚。 16 表 外设资源使用表 功能分类 引脚名 引脚序号 功能描述 三轴加速度传感器 I2C0_SCL,SDA 24,25 硬件 I2C PTA2,PTA1 28,27 复用 为中断引脚 唤醒 LLWU_P14 77 复用为唤醒引脚 液晶屏 接口 PTB1,PTB2,PTB3, PTB8,PTB9, 44,45,46,47,48 模拟串行总线协议 PTB10 49 控制对液晶屏的供电 PTB11 50 控制液晶屏的背光 电容 触摸 按键 TSI0_CH0,10,11,13,15 43,52,53,55,57 五个触摸按键功能分别为：切换、进入、退出、＋、－ 温湿度传感器 接口 PTD5 78 模拟单总线协议 PTE0 1 控制对温湿度传感器的供电 USB 通讯 USB_DP,USB_DM 9,10 USB 的差分信号线 确定 了 所使用的微控制器的引脚资源后，我们就可以着手设计 硬件电路。 各模块设计与分析 最小系统电路 最小系统电路由以下几部分组成：电源电路， SW 下载电路，复位电路，系统时钟电路， RTC 时钟电路和滤波电路。 本设计采用聚合物锂电池供电，故需要低压差稳压器件。 MIC5203 是一种低压差稳压器（ LDO），最低压差可达到 ，完全满足本设计要求，同时我们又设计了简易的充电电路，可通过 USB 方便地为锂电池充电。 电路如 图 所示。 图 电源电路 17 复位引脚低电平可导致该 MCU 复位。 电阻 R4 的作用是防止复位按键按下时，电容放电电流过大。 电路如 图 所示。 由于飞思卡尔的这一款芯片支持 SW 下载方式，故预留了下载接口，电路如 图 所示。 多组 VSS/VDD 可保证内部信号完整性，故芯片电源引 脚的滤波电容要尽量靠近其引脚，电源线中的电流应先通过滤波电容，再通过芯片引脚，如此有利于抑制高频噪音，电路如 图 所示。 图 系统复位电路 图 下载接口电路图 图 芯片电源滤波电路 无源晶振是有两个引脚的无极性元件，需借助时钟电路（即晶振谐振器）才能产生震荡信号，自身无法振荡起来。 有源晶振一般有四个引脚，它是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件。 本设计系统时钟电路采用无源晶振，电路如 图 所示。 RTC 时钟电路采用有源晶振电路，电路如 图 所示。 图 系统时钟电路 图 RTC 时钟电路 电容触摸按键电路 电容式触摸按键的硬件电路仅将 TSI 引脚 连接到一定面积的覆铜区即可。 在 PCB 制作过程中，应注意以下几点： （ 1） 应尽量使触摸按键到 MCU 触摸引脚的走线尽量短和细（建议 7~10 mil），以保证信号的稳定性。 如 图 为理想的布线方式和不理想的布线方式。 图 TSI 理想走线与不理想走线 （ 2） 走线间的间距尽量保持两倍以上距离，最小不能小于 7mil，如果空间允 18 许尽量大。 （ 3） 同一条线尽量不使用过孔，若要 使 用不要超过两个以上，避免干扰源增加。 （ 4） 触摸按键 走线尽量远离其他元件和走线，尤其是远离信号线（如 IIC， SPI，高频通信线）， 因为信号线会产生一个变化的磁场，变化的磁场产生电流，若触摸按键走线与信号线相邻，那么就会影响触摸按键的充放电，从而 影响触摸按键的性能，在没有办法避免的情况下，让 两条线垂直布线， 而 不能走平行线。 如 图 和 图 分别为传感线与通讯线在同层与不同层的分布示范。 图 传感线与通讯线在同层的分布 图 传感线与通讯线在不同层的分布 （ 5） 不推荐将传感器的走线放在任何电源层上。 充 满在传感器下面的地层或电源层会增加对地的寄生电容，并降低灵敏度。 当将地层放在传感器下面时，地层必须使用十字交叉形以保证铜的覆盖率小于 40%，并置于最远的一层，以降低对地的寄生电容，同时保证较好的屏蔽效果。 本次设计在按键背面采用网格铺地。 按键与地层之间的间隔设定，若间隔太大，触摸按键的基本电容值越小， RC 震荡的频率越大，灵敏度也越高，地对电场的约束越小，干扰越大。 若间隔太小，基本电容值越大，灵敏度越低，且电场对地的约束太大，一般建议在 ~，若 PCB 允许，则建议在 1mm 以上的间隔。 本次 PCB 设计中按键与地层之间的距离在 左右。 （ 6） 关于 按键形状设计。 任何形状的按键均可用于电容感应式触摸中，如 图 所示。 不同的形状不会影响感应的性能，仅与板子的美观程度有关。 本次设计采用圆形按键和锯齿条状按键。 19 图 各种触摸按键形状 按键的尺寸大小与其灵敏度息息相关，若按键太小，触摸电容较低，导致灵敏度降低。 若按键太大则不会显著提高触摸电容。 只有当按键面积 增大至与触摸物（手指）相当时，触摸电容才能达到最大值，推荐按键大小 8mm~15mm。 单个按键之间的距离推荐大于 ，以避免相邻按键的影响。 对于滑动条来说，各个按键之间的距离最好保持在 ~ 的范围。 滑动条与周围地层的间距最好与按键相同，那么两者之间的边缘电容可降至足够低，从而对感应的影响非常小。 滑动条设计如所示。 图 滑动条 根据以上分析，本项目设计了如 图 和 图 所示的 电容 触摸按键的 PCB设计。 本次触摸按键设计考虑到了传感线走线，避免了与通讯线相邻且平行的情况，考虑了地层与触摸按键之间的关系，使寄生电容对触摸按键的影响降到最低值，还考虑了按键形状，使人手触摸后的效果达到最大化，整个设计最终取得了灵敏度高、功耗低等效果。 20 图 TSI 设计（顶层） 图 TSI 设计（底层） 液晶显示接口电路 LCD5110 是一块集成了低功耗 CMOS LCD 控制驱动器的液晶屏，分辨率为8448，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有 8 条。 支持多种串行通信协议（如 AVR 单片机的 SPI、 MCS51 的串口模式 0 等），传输速率高达 4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。 模块的体积很小，采用 低电压供电，正常显示时的工作电流在 200181。 A 以下，传输速度快，是 LCD12864 的 40 倍，是 LCD 的 20 倍。 表 列出了 LCD5110 引脚的功能。 表 LCD5110 引脚功能表 引脚 SDIN SCLK D/C SCE RES 功能 串行数据线 串行时钟线 模式选择 芯片使能 复位实时时钟模块 本设计采用 P 沟道 MOS 管控制对液晶的供电，采用 N 沟道 MOS 管控制液晶的背光。 如此可根据实际需要控制液晶的 工作 状态，从而达到降低功 耗的目的。 接口电路如 图 所示。 图 液晶 LCD5110 接口电路 21 传感器接口电路 本设计舍弃了市面上广泛使用的振动传感器，优先选择功耗极低，分辨率较高的三轴加速度传感器，具体型号为 MMA8451Q。 传感器外围电路非常简单，如 图 所示。 其中 I2C 数据线需要有上拉电阻拉高， SA0 引脚用来选择传感器的节点地址。 图 MMA8451Q 电路 如 图 所示，为本系统的温湿度传感器 DHT11 的接口， DHT11 传感器采用的是单总线的传输方式，由主机发起读信息指令，通过单总线完成信号传输，这种传感器的缺点是传输速度慢，耗时长，功耗高，所以在硬件设计的时候，增加了 MOS管 控制温湿度 传感器 的工作状态 ，达到控制功耗的效果。 图 DHT11 接口 通讯接口电路 为了在设计计步算法时， 为 获取步伐的真实数据，我们增加了无线模块作为辅助调试手段，这样可以加快调试进度。 同时我们设计了 用 一个 P 沟道 MOS 管来控制对它的供电，以避免正常工作状态下不必要的功率消耗。 如 图 所示。 22 图 无线模块接口电路 USB 接口 电路如 图 ， USB 是差分信号传输。 这种传输方式可以增强 USB数据传输的抗干扰能力。 为实现 阻抗匹配， 在数据线上 各串联一个 33Ω 的电阻 ，防止 差分信号 在高速传输过程中 ，由于阻抗不匹配，造成 信号反射。 图 USB 接口 电路 小结 硬件设计不是一蹴而就的，需要反复 验证方案的可行性，同时要充分考虑到所需的硬件资源。 由于传感器为 QFN 封装，腐蚀板达不到 它的 精度要求。 我们的 PCB是发给 PCB 厂商做的，一共做了两次。 第一次一味追求紧凑、小巧，导致 TSI 触摸按键太小，干扰也很大。 此外，芯片封装偏小，非常不利于手工焊接。 由于对芯片资源了解的不够清晰，还有个别引脚连接错误，最后被迫跳了几根线。 还有丝印层偏小、覆铜间距偏小、 RTC 晶振选型错误等等问题，如 图 和 图 所 示。 “吃一堑长一智” ， 第二个版本完美地解决了上述问题，使得我对这一款 MCU 的硬件资源了解地更加透彻，同时自己的 PCB制作能力也得到了很大地提升。 如 图 和 图 所示。 23 图 计步器 正面 图 计步器 背面 图 计步器 正面 图 计步器 背面 24 4 系统软件设计 软件整体设计 设计思路 本次设计主要有 6 个功能，即计步算法的实现， Flash 存储 运动数据 ， USB 与上位机的通信，温湿度传感器的实现， TSI 电容触摸按键的实现，及人机界面的设计。 首先上电之后， 主界面 显示当前时间和温 湿度。 之后设置个人参数，输入性别、步长、体重。 随后切换界面，进入计步状态，加速度计正常工作，实时显示当前步数、距离和 消耗的热量。 计步完成 后 ， 可以将 信息存储起来，下次上电之后可以调出该信息，计步器可记录七天的运动 信息。 将计步器与上位机 通过 USB 数据线 连接后，可以通过上位机发送指令获取计步信息，使其在上位机显示出来。 在没有按键按下一段时间内系统关屏以降低功耗，在加速度计不工作时且没有其他操作，系统经过一段时间自动进入低功耗模式。 本项目软件部分采用模块化设计的思想，把系统分为七个模块，然后每个模块对外留出接口，方 便其他模块与其通信，每个模块之间无不干扰，相对独立。 设计流程图 图 为主程序流程图。 首先初始化系统时钟、 RTC 时钟 ，配置 液晶屏 的初始界面，以及 加速度传感器、温湿度传感器、 USB、 Flash 和个人信息配置 等初始化工作，并 取得电容触摸按键无遮挡状态下的电容值。 然后进入任务循环， 根据当前的按键操作调用相应的功能函数，如 若 在主界面，则正常显示日期、时间，环境的温湿度； 要开始运动， 则 使 加速度传感器 处于激活状态，并开始计步；若要 存 储运动信息，则调用 Flash 读写函数。 最后 若一段时间没有使用计步器。