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簡單電路設計方案范文1
針對目前課堂教學的現狀,提出自主式課題教學法。其基本理念就是改革課堂教學,即在課堂上系統地講授電路設計方法,而不是僅僅教會學生解題。此外,將學生分成若干個學習小組,給每個小組布置不同的電路模塊設計課題,通過完成自己的課題達到初步實踐電路設計方法的目的。同時,由于學生都是帶著設計課題聽課的,這樣也會提高學生自主學習理論知識的積極性。具體實施步驟如下:
在課程教學初期,指導學生自由組成學習小組,提供若干模塊設計課題供各小組挑選。選定的模塊設計任務伴隨該小組整個課程學習過程。這個階段的教學要點如下:①盡量保證學生按照自己的意愿組合形成學習小組,這樣小組成員在課題設計過程中才能有較好的默契,相互配合,依靠團隊的力量完成設計任務。②該階段是課程教學初期,學生對各個模塊設計課題還不了解,教師應占用一定的課堂時間對課題進行解釋和指點,充分激發學生自主學習的積極性,使學生自發地利用課余時間收集資料,選定設計方案。③當學習小組初步完成課題資料的收集和整理后,則安排一次課堂報告,由各個小組制作幻燈片向全班同學匯報其對課題的理解以及初步選定的設計方案,并由任課教師進行點評,指出其下一步工作重點。④模塊設計課題應涵蓋所講授課程的各個章節,這樣利于在講課過程中通過講解各個模塊設計方法串聯課程各章節的知識點。同時,講課內容與學生正在進行的設計任務相關聯,容易調動學生自主學習的積極性。
在課程教學中期,將模塊設計課題融入到各個章節的課堂教學中,教會學生具體的電路設計方法,同時在實驗課上指導學生進行電路調試以及指標測試。這個階段的教學要點如下:①要求各小組通過課堂學習不斷改進自己初期擬定的電路設計方案以及元器件參數計算方法。充分體現了自主式課堂教學法的教學理念,即激發學生的學習主動性,從而自主采用課堂講授方法改進自己的電路設計,使其感受到如何將課堂所學理論知識運用到實際的電路設計中。②向學生灌輸團隊設計的理念,針對電路設計和調試過程中團隊成員間的溝通和討論,使學生認識到如何進行團隊協作,同時在教師和團隊間建立暢通的交流渠道,使學生的問題能得到解答,從而有信心完成課題設計任務。③安排課堂報告,各小組制作幻燈片向全班同學匯報課題設計進展,由任課教師對學生的設計進行中期考核并指出下一步工作重點。
在課堂教學后期,對各學習小組制作的模塊電路進行驗收和總結。這個階段的教學要點如下:①督促各學習小組做好指標測試工作,驗證自己設計的電路是否達到設計要求,同時總結整個設計過程的經驗教訓。②安排課堂報告,各小組制作幻燈片向全班同學匯報課題制作成果,由任課教師對設計成果進行總結。③各小組提交課題設計報告,詳細介紹整個電路設計原理、參數計算過程,并記錄系統的性能指標,總結電路調試過程中發現問題、解決問題的經驗教訓。
自主式課題教學法的應用實例
我們在通信電子線路課上使用了這種教學法。首先,根據整個課程內容設計8個模塊的設計課題,將該課程的主要知識點都融合在這幾個課題中,課題名稱。
第一階段:由學生自由組合形成學習小組并從這8個課題中選擇一個,作為該小組在課程學習期間的設計任務。由小組成員相互配合進行資料收集以及設計方案的論證。在課程開始后的第二個教學周,組織各小組制作幻燈片報告該小組擬定的設計方案以及設計時間安排。需要說明的是,各小組進行方案設計的時候,相應的知識點還沒有在課堂上進行系統地講授,完全由學生先自學各自課題相關基礎知識,然后進行資料收集整理,通過內部討論,最終確定課題的初步設計方案。這個階段需要學生充分發揮自己的主觀能動性去熟悉課題、討論方案以及確定初步方案。從實際情況來看,學生在這個階段常常表現出很大的學習積極性,進行方案匯報時的現場氣氛也很熱烈。此外,由于設計課題涵蓋了這門課程的主要知識點,相應課題方案的初步確定過程也是學生對課程知識的預習階段。這樣可以充分激發他們的求知欲,當教師在課堂上講到相應的知識點時,能抓住學生的注意力,獲得較好的教學效果。
第二階段:主要完成各個章節知識點的講授,這一階段應該注意在課上重點講解如何充分運用教材中的知識完成模塊設計課題,讓學生意識到,這些書本知識并不是抽象的理論知識,只要稍加變通就可以有效地指導生產實際。例如在講到求解高頻功率放大器的題目時,計算電路輸出功率用到公式(1):200cmVPR=(1)其中P0為電路輸出功率,Vcm為電路輸出電壓幅值,R0為電路負載電阻。而在真正設計功放電路時,電路的輸出功率及輸出電壓幅值常常是已知條件(見表1),而具體的電路以及電路中所采用元器件的參數如電阻阻值是需要進行計算的。因此只需要將公式(1)轉化為公式(2):200cmVRP=(2)轉化后即可用于電路中所采用負載電阻的計算。整個課程講授過程都要將知識點具體化,讓學生意識到,只要將這些公式進行簡單的變化(常常是翻轉)就可以用于電路設計過程中元器件的參數計算,從而使學生可以一邊學習課堂知識,一邊將所學知識應用起來,真正做到活學活用。此外,在實驗課中要指導各小組的電路焊接以及調試工作,并監督其設計進度,從而掌握學生對所學內容的理解程度。在這個階段,真正實現了本教學法所強調的理論聯系實際,即學生可以做到邊學習,邊使用,邊檢驗,整個課程的教學效果良好。最后一個階段是課程的結束階段,主要做好各小組課題的驗收工作,并對各小組所設計的模塊進行點評,最后安排一次期終匯報作為整個課堂教學的結束。本教學法已經實踐了兩年,學生對這種教學法的滿意度較高。此外,學生的平時成績與模塊設計課題制作情況掛鉤,因此各學習小組都投入了較多精力用于電路模塊制作,成功率也較高。并且學生通過電路模塊的制作過程也了解到了如何運用課堂所學知識進行電路設計。
簡單電路設計方案范文2
關鍵詞：數字B超；時間增益控制；硬件電路
中圖分類號：TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）04-0867-03
在超聲診斷設備中，由探頭產生的超聲波在人體組織傳播時，由于組織對聲波的散射、吸收以及聲束自身的擴散等因素，其能量（振幅，聲強等）會隨距離的增大而逐漸衰減，反射的回波信號也會逐漸減弱，這樣在縱向深度上，不同深度的同一組織器官將以不同的灰度值顯示，不能反映真實反射體的本質。因此，必須采用時間增益控制器（TGC）補償超聲波在傳播過程中的衰減，本質上就是利用一定的電壓曲線控制回波放大器的增益，實驗表明，人體組織對超聲波的衰減呈指數規律，補償電壓曲線也為一條指數函數曲線。
1 方案設計
TGC以一條指數曲線進行增益補償，但在實際使用中，診斷醫生醫師需要調整局部增益，以獲得更高的圖像細節來查看感興趣的部位，補償曲線并不是一成不變的，所以，在設計出基礎TGC曲線后，需要根據使用情況，以該曲線為基礎進行調節，該文采用單片機+FPGA的設計方案，如圖1所示。
單片機片內ROM中存儲TGC基礎曲線波形表，通過偏移量采集電路獲取用戶對該TGC的控制信息，并在基礎曲線上進行重新計算更新波形表，將新的波形表通過IO口以自定義協議傳輸給FPGA，FPGA將接收到的TGC波形表存儲于片內Ram，在B超掃描同步信號的作用下控制DAC完成數模轉換，形成模擬電壓曲線，再通過放大器調節至壓控放大器所需要的電壓范圍。輸出曲線可以通過修改單片機內部基礎曲線波形表以及調整算法修正，具有靈活性好的特點。
2 硬件電路設計
2.1 TGC信號發生電路的設計
信號發生電路主要包括FPGA部分的邏輯電路、D/A變換器、放大電路等。FPGA產生對D/A的控制信號，D/A輸出STC曲線，再經過放大輸出。
系統要求D/A的轉換速率至少在4MHz以上，選擇TI的TLC5602，該D/A的最小轉換速率為20MHz，+5V電源供電，而且功耗極低，典型功耗為80mW，該文中D/A的參考電壓為+4.02V，其輸出電壓范圍為4V～5V，所以其電壓精度為1/256=4 mV，很好的滿足了系統的要求。設計電路如圖2所示。
由于D/A的輸出范圍為4V～5V，而所需要的STC電壓調節曲線范圍在0～2V，因此需要通過模擬電路將電壓變換到0～2V，設計將信號加上-4V后，信號范圍為0～1V，放大2倍即得到0～2V，為了提高帶負載能力，增加一級電壓跟隨器，電路如圖3所示。
2.2 偏移量采集電路設計
TGC調節有9個，即8個分段調節以及1個總體調節，8個分段調節通過滑動變阻器進行實現，偏移量的采集需要AD完成，該文選擇TLC5510集成A/D轉換器，AD部分電路設計如圖4所示。
由于TLC5510是單通道采樣，而所需采集的電壓有8個通道，在此采用一個模擬開關CD4051來進行通道選擇，以實現對8個通道的分時采樣，該部分是模擬電路，對紋波要求比較高，需要考慮將模擬部分與數字部分隔離開來，以提高抗干擾能力。該文采取將電源和地單點相接的方法，用一個零歐姆電阻將模擬電源與數字電源及模擬地與數字地隔開。
由于單片機是3.3V供電，而A/D的輸出是5V的電平，控制CD4051也需要5V的電壓，因此，設計中采用了74LVC245ADR實現電平轉換。74LVC245是一個可以選擇電平轉換方向的電平轉換芯片，當DIR接高電平時候，是從A端的5V轉換到B端的3.3V，而當DIR接低電平的時候，是從B端的3.3V轉換到A端的5V。
TGC的總體調節由旋轉編碼器實現。其電路設計如圖6所示旋轉編碼器的A端接在單片機的外部中斷管腳上，EB端接單片機普通I/0，采用下降沿觸發，當旋轉編碼器時，會產生一個下降沿的中斷，判斷B端的高低電平就可以知道是正傳或者反轉。如果為高電平則為正轉，否則為反轉。
2.3 單片機與FPGA系統
在該TGC設計方案中，單片機和FPGA是整個系統的處理核心，常用的單片機類型多種多樣，考慮到開發的容易和安全性能，采用加密性較強的STC12LE5A60S2單片機，為傳統8051單片機劃時代升級換代產品，管腳完全兼容，可以直接取代傳統89C51/89S51系列單片機，單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12 倍。FPGA則選用ACTEL公司IGLOO系列的AGL060，該以Flash為工藝為基礎功，可重編程FPGA，不需要配置芯片，上電即可運行，低功耗，安全性高。
3 結束語
采用FPGA和單片機加輔助電路相結合的方式完成數字B超TGC，具有結構簡單，易于擴展，靈活性高的特點，電路設計中盡可能采用集成器件具備較好的抗干擾性能，能很好滿足應用需求。
參考文獻：
[1] 馮若.超聲診斷設備原理與設計[M].北京：中國醫藥科技出版社，1993.
簡單電路設計方案范文3
關鍵詞：小功率LED；驅動電源；電路；變壓器
1 引言
在全球“節能減排”大背景下，LED作為一種節能型新光源在城市景觀、交通指示和公眾廣告等行業都有著相當廣泛地應用。LED具有高效、長壽命、低功耗和安全等優點。LED光源與其他光源主要區別在于LED光源需要一個恒流源驅動電源。
2 方案比較選擇
升壓式有源功率因數校正方案具有輸出電流紋波小、效率高、磁性元器件設計簡單等優點。但電路結構復雜、成本較高不適于大批量生產。
反激式有源功率因數校正方案只需要一級就可以實現功率因數校正和輸出恒壓/恒流的要求。具有電路結構形式簡單、成本低等優點。
臨界模式在照明和其他低功率應用中很常見，成本低廉，設計簡單，適合大批量生產。綜合成本、生產性等因素，選用臨界反激模式有源功率因素校正方案。
3 電路設計
該電源設計重點為變壓器設計，驅動芯片為L6561。本文側重介紹變壓器理論推導和主要參數設計。主要參數包括：輸入電壓 ＝176VAC～264VAC，輸出功率Po（max）＝17W，輸出電流Io＝0.34A～0.36A，輸出電壓 ＝25VDC～50VDC，效率 ≥85%，功率因素PF≥0.95。
變壓器設計需進行理論分析，理論分析中所涉及參數及其意義分別如下所示： 、 、 分別為初級、次級與輔助繞組匝數， 為匝比， 為輸入功率， 為磁芯電感系數， 為輸入電壓有效值， 為初級電感量， 為初級電流有效值， 為初級電流峰峰值， 分別為開關管周期、導通時間和關斷時間
……輸出電壓； ……驅動電源效率。
由功率與電壓電流關系推導初級峰值電流：
4 變壓器主要參數設計
（1）初級電感量設計
L6561芯片最小驅動頻率 ,考慮到EMI設計要求，選取 ,綜合考慮次級反射電壓、初次級電流峰峰值等要求，取 =4， =170V， =51V。根據3.1推論的結論可知：
5實驗結果
根據以上設計，制作了原理樣機。常溫時測試驅動電源參數，當=220VAC，Io=0.355A， =47.8V時，主要測試參數如下：PF≥0.967， ≥86.7%。
6 結論
簡單電路設計方案范文4
關鍵詞：單片機 真值表 集成芯片 測試儀
1引言
在高校的教學實驗環節中，需要大量使用TTL74,54系列和CMOS4000,4500系列數字集成芯片。目前，市場上存在一種可以對TTL，CMOS數字集成芯片進行檢測的工程應用型測試儀，但是其價格較貴，難滿足學生人手一臺；另外，該測試儀器是面向工程單位的，不能測試實驗室中的很多數字芯片。因此，從節約經費、提高利用率的角度出發，本文采用AT89C51單片機設計了集成芯片測試系統。該測試系統能夠實現對高校實驗室中常用的TTL，CMOS系列芯片的功能檢測。同時通過RS232串行口與PC機相連，可以在PC機上直接對測試系統進行操作。
2 設計方案以及方案比較
2.1 設計方案
方案1：以AT89C52單片機，并行擴展接口8155，顯示驅動，鍵盤輸入等測試。由圖1可知，該測試儀的硬件電路由AT89C52單片機，并行擴展接口8155，顯示驅動，鍵盤輸入，看門狗和復位電路以及串行接口電路組成。
方案2：以單片機為核心，配合控制程序和電路測試。如圖2所示，該IC測試系統是以單片機為核心，配合控制程序和擴展電路來全面模擬被測芯片的綜合功能，通過程序生成所需的激勵信號送給待測芯片，并將待測芯片的輸出響應與單片機程序中的標準結果進行比較，從而判斷被測芯片功能的好壞。
2.3 方案比較
兩種方案各有優點和缺點：方案1、該測試儀設計簡單，占用硬件資源少，有良好的人機對話功能，便于攜帶、操作、能夠滿足課程教學實驗的要求，但是操作起來較為麻煩，且對電路要求精確度高。方案2、設計硬件電路簡單、成本低廉、性能穩定,具有良好的人機交互界面,在高校學生以及實驗室等場合較為實用。相比較來說方案2較為合適。
3 硬件電路設計
本系統以單片機為核心，有鍵盤、LCD602顯示器、電源控制等模塊組成。根據系統硬件框圖設計出單片機控制系統原理圖。根據AT89C51中的P0口與P1口的特點，本設計采用AT89C51的P0口和P1口作為測試芯片的接口。其中，P3 口中的P3.3和P3.0用于控制13和7管腳電源的GND與信號線的轉換，P3口中的P3.1和P3.6用于控制14和16管腳電源VCC與信號線的轉換。
1）單片機與測試芯片之間需要加510歐的電阻。首先，串接電阻的目的是對AT89C51起限流保護的作用。假設P1.0輸出高電平，此時測試芯片又為非門，將引起灌電流現象，只是P1.0口線上的電流非常大，對AT89C51有害；其次，可以保證邏輯電平的正確，在連接線上串接幾百歐的電阻而不接幾千歐的電阻的原因在于：假設讓P1.0為邏輯低電平，這樣基極將是高電平，又有P1口上的上拉電阻為3KΩ左右，如果連接線上的電阻也取3KΩ，將使P1.0輸出邏輯高電平，此時邏輯電平是錯誤的；如果連接的電阻為510Ω左右，P1.0口仍然能夠正確地輸出邏輯低電平，這樣就保證了邏輯電平的正確性。
2）測試芯片從14到16管腳時電源管腳位置改變，所以存在供電管腳轉換的問題。本設計中P1.0，P0.4，P1.3，P0.7管腳是被轉換的對象。用P3.0和P3.3管腳電平的高低來控制P1.3和P0.7管腳接VCC與否。這個電路時利用晶體三極管來實現的。當P3.0和P3.6置高電平時，P1.0接GND，P0.7接VCC，此時能測14管腳的芯片；當只有P3.6置高電平時，P0.7接VCC，由于芯片插座的第8管腳始終接GND，此時測試16管腳的芯片。所以，只要在每個芯片測試子程序中設置相應管腳為供電管腳即可解決芯片供電問題。
4 程序設計
系統軟件由主程序和若干子程序構成，其中子程序有顯示子程序、鍵盤掃描子程序、測試子程序。系統開機后，首先執行主程序，完成系統初始化工作，然后調用顯示子程序，在LCD1602顯示器上顯示“test”,告訴操作者系統已經準備好。由于自動檢測是采用窮舉法進行型號匹配，這樣花費的掃描時間被手動時間長。
5 集成芯片測試
按照芯片測試插座旁邊的指向，插入待測數字芯片，根據LCD1602顯示的提示內容進行按鍵操作。通過鍵盤和LCD1602配合使用來循環選擇所需測試的芯片型號，再按一下“TEST”鍵，單片機將調用相應的測試子程序，并將結果送到LCD1602顯示器上顯示（“GOOD”或者“Bad”）。
6 擴展應用
該芯片測試儀不僅能偶檢測TTL，CMOS系列芯片，對于其他系列芯片的檢測只需增加少量電源切換電路和相應的測試子程序即可完成測試任務。
7 結束語
本設計硬件電路簡單、成本低廉、性能穩定，具有良好的人機交互界面，在高校學生以及實驗室等場合較為實用。經過測試試驗證明，本系統的測試正確率在98%以上，可靠性強。
參考文獻：
【1】劉征宇，電子電路設計與制作[M]。福建：福建科學技術出版社，2003:50-55
【2】蘇凱，劉慶國，陳國平，MC-51系列單片機系統原理與設計[M]北京：冶金工業出版社，2003；
簡單電路設計方案范文5
關鍵詞：GSM模塊；設計方案；系統硬件；核心器件
隨著社會物質財富的日益增長，安全防盜已成為社會問題。目前，電子密碼防盜鎖用密碼代替鑰匙，從根本上解決了普通門鎖保密性差的缺點。新穎的多功能電子鎖，集電子鎖、防盜報警器等功能于一身，而且還具有定時器呼喚，斷電自動報知，顯示屋內有無人和自動留言等諸多附加功能。多功能電子密碼鎖以其新穎的功能，低廉的價格，必將受到廣大使用者的歡迎。本設計的電子密碼防盜鎖利用串行E2PROM存儲器，將設置的密碼存入E2PROM中，從而克服了舊式電子密碼鎖電路斷電后所設置密碼丟失的缺點。另外，該鎖還具有報警等輔助功能，是典型的機電一體化產品。
一、本設計所要實現的目標
本設計采用單片機作為主控制器，當電路通電后，單片機首先檢測外部數據存儲器24C02芯片是否存有密碼，如果沒有的話，則把初始密碼“123”存入外部數據存儲器，再檢測外部數據存儲器是否鍵入手機號碼，如果沒有，則提示用戶輸入目標手機號碼。檢測完密碼和手機號碼后單片機就開始檢測模塊。首先檢測GSM模塊是否上電，待GSM模塊上電后檢測模塊是否插入SIM卡，并發送字符格式命令，設置TE字符格式為UCS2格式。檢測完畢后，模塊自動向目標手機發送“模塊已上線！”的短信內容，告知用戶系統處于正常運行狀態。信息發送完后，系統進入授權碼輸入狀態，液晶顯示“請輸入授權碼！”提示我們輸入授權碼。為了提高安全性，系統授權碼的輸入并不是簡單的數字輸入，而是漢字、數字、字母、標點符號結合的輸入，打破了傳統的密碼設計輸入，提高了安全性。當系統工作時，用戶通過按鍵輸入授權碼，按下“確認”鍵后，單片機將輸入密碼與設定密碼進行比較，若密碼不正確，則向目標手機號發短信，提醒用戶。若用戶同意授權，則系統發出開鎖信號，將鎖打開；若密碼不正確，系統就提示用戶，要求重新輸入。重新輸入次數不能超過3次，若3次輸入都不正確，則發出報警信號，并且每次輸入都會通過短信的形式向用戶手機實施報警。鎖打開后可通過按下“修改/重置”功能鍵，重新設置新密碼或目標手機號，但必須經過授權才可修改。
二、總體設計方案
本系統采用以51單片機為核心的控制方案，利用單片機靈活的編程設計和豐富的I/O端口，及其控制的準確性，不但能實現基本的密碼鎖功能，還能添加聲光提示功能甚至還能添加掉電存儲和遙控控制功能等，能在很大程度上擴展功能，方便對系統進行升級。主要由單片機控制電路為核心，包括液晶顯示電路、I2C（即斷電不掉密碼集成塊）、TC35i模塊、獨立式鍵盤、光敏二極管控制電路、電源電路、功放電路等部分的設計。電子密碼鎖的設計主要是要通過獨立式鍵盤輸入密碼，經過單片機以及一些電路對鍵盤輸入的鍵碼信號進行加密、識別處理，再與內部預定的密碼進行對比判斷，若密碼不相符就發出聲光報警。
三、系統硬件設計
系統硬件的設計主要就是電路的功能單元設計以及選擇電子元件，主要有開鎖機構電路設計、按鍵電路設計、密碼鎖的電源電路設計、掉電存儲系統電路設計以及總體電路圖的設計，這些電路圖的設計主要是應用所學過的Protel軟件，根據設計方案畫出實際電路圖，再通過調試、檢測電路是否可行方可使用。
四、系統軟件設計
系統軟件設計主要就是對51單片機的使用，了解51單片機的基本特點，根據電路圖對電子密碼鎖要實現的功能進行編程，只有在程序編好的情況下，51單片機核心才能夠對硬件進行控制，所以說只有設計好了系統軟件，也就是整個電子密碼鎖的核心系統，整個系統才可以使用，軟件設計是基礎也是根本。
五、核心器件的介紹
1.芯片ATMEL89S52的介紹：
AT89S52單片機是美國ATMEL公司的，它與Intel公司MCS-51系列單片機兼容，采用CMOS工藝制造，節電性能好。AT89S52提供了以下的標準功能：片內含8KB字節的可重編程閃速存儲器E2PROM和256字節的內部RAM、32位I/O引線、3個16位定時器/計數器、1個6向量2級中斷結構、1個全雙工串行口、1個精密模擬比較器以及片內振蕩器和時鐘電路。另外還具有低功耗空載的特點和掉電保存方式供選用。20腳雙列直插封裝也能達到體積的要求，是對嵌入式控制應用提供的一個高度靈活和成本低的解決方案?？刂葡到y的設計充分利用了AT89C2051的上述優點和功能，加以必要的輔助硬件電路。
2.GSM模塊介紹
目前，在遠程監控領域，SMS是廣泛采用的通信方式，其作為GSM網絡的基本業務，得到越來越多的系統運營商和開發商的重視。基于SMS業務可開發出多種極具發展前景的應用。本設計采用的是西門子TC35系列的TC35i。這種無線模塊在功能上與TC35i兼容，設計緊湊，大大縮小了電路的體積。
3.外部程序存儲器W29C011
W29C011A是臺灣Winbond公司生產的128k×8bitsCMOS閃速存儲器芯片，共有32個引腳，有DIP、SOP、PLCC 3種封裝結構。該芯片在5V電源的系統中可以在線編程和擦除，不需要外加專門的編程電壓，讀寫操作方便。
參考文獻：
[1]劉志平.電子密碼鎖.投資指南，2006（16）：55.
[2]李明喜.新型電子密碼鎖的設計.機電產品開發與創新，2004，17（3）：40.
[3]王寬仁.可靠安全的智能密碼鎖.電子技術應用，2005（16）：33.
簡單電路設計方案范文6
關鍵詞： 無線收發電路； 低功耗； STM32L芯片； 通信模塊
中圖分類號： TN92?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）21?0135?04
Design of low?power consumption wireless transceiver circuit
ZHANG Hong?wen
（Communication Office， China Railway Fourth Survey and Design Group Co.， LTD.， Xi’an 710043， China）
Abstract： At present， the wireless communication technology is developed rapidly， which causes the demands of the low?power consumption system. In recent years， the low?power consumption technology in wireless communication network are stu?died deeply， so energy conservation has become an important direction of the wireless communication development. The design of low?power wireless transceiver circuit system is carried out in this paper， in which STM32L151 series ultra low power chip and UTC4432 series wireless communication module are taken as the core circuit system to realize the function of the low power transceiver circuit system through software design and debugging. The results show that the suitable micro contro0 引 言
無線通信網擺脫了密密麻麻的連線制約，這是它的一個重要優勢。它是由微小的傳感器、微控制單元和無線通信模塊通過組網形成的無線網絡，利用數據處理單元來檢測感知到的信息并經過有效處理后發送給對方。無線收發電路系統是無線通信網絡的基本組成部分，其在不同應用中有不同的設計，但基本原則一致，都是盡可能采用低功耗的器件和盡可能使用節省的信號處理。其中核心處理器應當采用功耗相對較低的電路。無線通信模塊負責兩點之間的無線通信，是整個結構中最耗能的部分，無線通信模塊可配合核心處理器根據不同功能切換不同工作模式，從而降低功耗。所以，對低功耗無線通信模塊的選取與編程控制是一個非常值得注意的方向。
1 系統方案
本文設計了由MCU開發板和無線通信模塊組成的低功耗無線收發電路系統的方案。該系統由發射方和接收方兩組模塊組成，發射方經軟件編程控制將數據發送出去，接收方通過天線接收到數據經處理后在開發板上顯示出來，從而實現該電路系統的近距離低功耗無線通信。
為大幅度降低系統功耗，本設計采用的兩個重要模塊均具有低功耗特性。硬件電路基于低功耗微控制器的電路開發板，此硬件電路自行設計，通信模塊與該開發板通過相關引腳直接相連。軟件設計基于RealView MDK軟件設計平臺，然后通過編程對整個電路系統進行調試。接收方和發送方所用的芯片開發板相同，通信模塊及其配置也相同，雙方通過無線通信模塊的天線進行相互通信。其系統框架如圖1所示。
圖1 系統框架圖
對于本設計，要實現低功耗，就必須選用低功耗的硬件模塊。并且，為了最大限度地節約成本和材料，需要選用的硬件設備體積必須盡可能小。以下給出三種實施方案。
方案一：MCU選用單片機MSP430F135，無線通信模塊選用AT86RF211S收發電路。但是AT86RF211S收發電路需要自行設計，造成系統電路比較復雜，影響運行速度[2]。
方案二：MCU選用STM32F103系列芯片，無線通信模塊選用杭州威步公司的UTC4432B1_V6。
方案三：MCU選用STM32L151系列芯片，無線通信模塊的選用與方案二相同。其中STM32L是在STM32F基礎上推出的一款超低功耗的芯片。
硬件模塊的比較如表1，表2所示。
通過比較發現，STM32L151芯片功耗最低，且硬件電路設計簡單。無線通信模塊UTC4432B1_V6無需自行設計，其功耗低、傳輸距離遠，并且易于軟件編程。因此本設計采用第三個方案。
表1 控制模塊的比較
[控制模塊＼&運行時最低電流消耗＼&電路＼&成本＼&MSP430F135單片機＼&160 μA＼&比較簡單＼&較低＼&STM32F103 ＼&1.06 mA＼&比較簡單＼&較低＼&STM32L151 ＼&60 μA＼&比較簡單＼&較低＼&]
表2 無線通信模塊的比較
[模塊名稱＼&最低電流
功耗 /μA＼&最遠通信
距離 /m＼&工作頻率
/MHz＼&有無
喚醒＼&AT86RF211S
收發電路＼&1～10＼&800＼&433.8＼&有＼&UTC?4432B1_V6＼&2～20＼&2 000＼&420～450＼&有＼&]
2 硬件電路設計
硬件電路是整個系統的支撐，硬件電路設計并焊接的成功與硬件模塊選擇的正確是最終軟件調試成功的基礎。本設計硬件模塊主要包括STM32L核心板和無線通信模塊。本文主要介紹芯片電路的設計以及PCB版圖的設計。整個硬件電路原理圖使用Altium Designer軟件來設計，如圖2所示。
本設計采用輸出為5 V的開關電源適配器供電，通過AMS1117正向低壓降穩壓器輸出3.3 V電壓，為STM32L151芯片提供電壓。AMS1117穩壓器分為固定電壓輸出和可調電壓輸出兩個版本，本設計采用固定電壓輸出穩壓器，輸出電壓為3.3 V，具有1%的精度，由于內部有限流電路和過熱保護，使得AMS1117穩壓器具有很強的穩定性。因此該電源供電電路選用AMS1117?3.3作為穩壓器。
晶振可以為整個電路提供基本的時鐘信號，有了它就有了穩定的頻率。如果沒有晶振，數字電路就失去了處理數據的節拍，也就無法正常處理任何數據了。晶振的頻率越高，程序運行的速度就越快，STM32L上電后，默認使用內部晶振，外部如果接8 MHz晶振，就可以通過切換使用外部晶振，最終通過PLL分頻和倍頻可以達到72 MHz。
通過了解該模塊的特性，設計出芯片與無線通信模塊的接口連線方案，如圖3所示。通過軟件編程控制各個引腳使其切換不同的工作模式，最終實現兩模塊之間的無線收發功能。
圖3 STM32L與UTC4432連接示意圖
根據設計的PCB圖制作的實物板如圖4所示。
圖4 實物正面圖
3 軟件設計
硬件電路設計無誤并焊接成功后，便要對整個系統進行軟件調試，調試首先要進行的工作就是軟件設計。
圖5為發送模塊程序流程圖。發送模塊的工作流程為：首先對系統進行初始化，初始化包括對時鐘、引腳、中斷、定時器、串口以及無線通信模塊等相關參數進行配置。然后將時間間隔設置為1 s，打開串口、向串口發送引腳寫入數據并在二極管上顯示。但是成功接收數據的前提是無線通信模塊必須配置正確，如果配置正確，無線通信模塊將會作出應答并顯示在軟件調試環境的相關對話框中。最后無線通信模塊通過天線向空中信道發送從MCU接收到的數據。
圖6為接收模塊程序流程圖。接收模塊的工作流程為：首先對系統進行初始化，包括對引腳、中斷、串口以及無線通信模塊等相關參數進行配置。然后無線通信模塊從空中信道接收數據，若其配置正確則接收成功，成功接收后又通過該模塊發送引腳向MCU發送數據。最后通過響應中斷使MCU接收數據并在二極管上顯示出來。發送模塊與接收模塊的硬件系統上均有3只二極管，于是3只二極管便可以顯示8種狀態，通過觀察兩模塊上二極管的狀態是否一致來判斷通信是否成功。
需要注意的是，發送與接收無線通信模塊的參數配置應當一致。因為本設計僅僅用到A、B兩類總線，所以軟件編程時僅僅可以使這兩類總線使能，其他總線均關閉。
圖5 發送模塊程序流程圖
圖6 接收模塊程序流程圖
4 功耗測量
本設計使用Agilent34410數字萬用表測量系統功耗，實質是測量系統電流，因為系統輸入電壓始終為5 V。測試電路連接如圖7所示。
圖7 測試電路連接圖
利用軟件平臺編寫不同程序完成對芯片不同工作模式的操作。室溫下測量STM32L在不同模式及不同參數下的電流消耗如表3，表4所示（說明：測量時發現在不同的發射功率下，系統只有工作在低功耗運行模式和低功耗睡眠模式時電流消耗不同，其余均相同）。
表3 發送模塊下的功耗
[無線通信模塊
發射功率 / dBm＼&MCU工作模式＼&電壓 /V＼&實測電流＼&19＼&運行模式＼&5＼&19.1 mA＼&19＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&9.06 mA＼&19＼&停止模式（RTC運行）＼&5＼&21.3 μA＼&19＼&停止模式（無RTC運行）＼&5＼&4.5 μA＼&19＼&待機模式（RTC運行）＼&5＼&12.1 μA＼&19＼&待機模式（無RTC運行）＼&5＼&3.27 μA＼&14＼&運行模式＼&5＼&18 mA＼&14＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&6.45 mA＼&8＼&運行模式＼&5＼&15 mA＼&8＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&2.39 μA＼&1＼&運行模式＼&5＼&11 mA＼&1＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&860 μA＼&]
表4 接收模塊下的功耗
[無線通信模塊
發射功率 /dBm ＼&MCU工作模式 ＼&電壓 /V ＼&實測電流 ＼&1 ＼&運行模式 ＼&5 ＼&10.6 mA ＼&1 ＼&低功耗睡眠模式 ＼&5 ＼&849 μA ＼&1＼&停止模式（RTC運行） ＼&5 ＼&20.1 μA ＼&1 ＼&停止模式（無RTC運行） ＼&5 ＼&4.35 μA ＼&1 ＼&待機模式（RTC運行） ＼&5 ＼&11.9 μA＼&1 ＼&待機模式（無RTC運行） ＼&5 ＼&3 μA＼&]
由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，處于運行模式時功耗最高，待機模式時功耗最低。并且可以發現系統的功耗隨發射功率的減小而減小，這是因為無線通信模塊在整個系統中是耗能的重要部分。需要說明的是，發射功率越大，通信距離越遠。
整個系統無論處于何種模式，供電電壓均為5 V，最大電流消耗不到20 mA，與其他一些無線通信系統的設計相比較，功耗已經大大降低。本設計是在用STM32作為微控制器實現通信技術的基礎上完成的，但STM32系統并未考慮如何大幅度降低功耗，其正常運行時電流消耗最大為38.3 mA，最小為25.8 mA，此前，也有不少有關低功耗無線通信系統的設計，但其電流消耗大部分都大于20 mA。因此，在軟件編程的控制下，將STM32L系列芯片作為微控制器并結合UTC4433系列無線通信模塊時，可以使整個系統的功耗大幅度降低。
5 結 語
本文詳細分析了整個系統的設計方案，并對設計方案中涉及的兩大模塊MCU和無線通信模塊做重點介紹，說明了兩模塊的連接方式以及采用何種工作模式可使系統功耗降到最低，對STM32L這一新型超低功耗微控制器使用的恰到好處，同時也凸顯出本設計方案的特點所在。實現了基于RealView MDK軟件平臺的軟件程序設計。結合理論知識并熟練掌握軟件操作方法，在μVision4集成開發環境下用C語言編寫程序完成軟件設計。然后通過與硬件電路系統相連反復調試實現兩模塊之間的無線通信。最后測量系統功耗，經比較表明，本次設計成功完成了對無線接收電路系統的低功耗設計，對低功耗無線通信模塊設計具有借鑒意義。
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