1、常州工学院毕业设计- 1 -摘要本系统主要完成对炮台控制系统下达操作指令和火炮状态的检测，操作台与火炮控制系统之间的通信采用 CAN 方式。课题主要涉及硬件设计与软件设计，以C8051F040单片机为核心，介绍了C8051F040单片机及外围电路组成炮台的控制操作台系统，硬件设计包括以下部分，分别为液晶接口电路部分，44键盘电路部分，CAN总线接口驱动部分，开关电源部分，LED灯和继电器电路部分。根据系统是用于军事作战的控制系统，本设计设计时主要考虑技术可靠性、实用性、开发速度、可扩展性及性价比等因素，分析系统的构成，并对软件设计进行分别说明，详述了CAN通信模块。最后，在完成硬件原理图设计后
2、，需要进一步设计出该测控终端的PCB板并制作出可用电路板，以为系统调试提供硬件平台。最后对系统进行调试，系统软件采用C语言编写，保证了其良好的可维护性、可移植性和可读性。关键词：CAN 通信；C8051F040 单片机；硬件；软件常州工学院毕业设计- 2 -AbstractThis system mainly completes issued to fort control system instructions and artillery state detection, the communication between console and gun control system usi
3、ng the way of the CAN. Topic mainly involves the hardware design and software design, by C8051F040 microcontroller as the core,introduces the fort control console system made up by C8051F040 microcontroller and external circuit. The hardware design includes the following parts, parts for liquid crys
4、tal interface circuit, 4 4 keyboard circuit part, CAN bus interface driver part, switching power supply parts, LED lights and the relay circuit parts.According to the system is used for military operations control system, when design, it main considers factors such as technology reliability, availab
5、ility, development speed, scalability and performance. Then analysis of system structure, and separately the design of software, details CAN communication module. Finally, the completion of schematic design of the hardware, the need for further design of the control terminal of the PCB board and can
6、 be used to produce circuit boards that provide the hardware platform for system debugging. In the end,put the system through a test. System software using C language to ensure its good maintainability, portability and readability.常州工学院毕业设计- 3 -Keywords: CAN Communication；C8051F040；Hardware; Softwar
7、e 目 录摘要 1Abstract 2目 录 3第一章 绪论 51.1 课题来源 51.2 课题背景 51.3 国内外相关领域的研究现状 61.4 课题研究内容 71.5 研究意义 81.6 本章小结 8第二章 系统方案 102.1 方案选择 102.1.1 方案一 102.1.2 方案二 102.2 方案论证 112.3 本章小结 12第三章 设计概述 133.1 设计研究指标 133.2 系统结构 153.3 本章小结 16第四章 硬件电路设计 174.1 C8051F040 单片机介绍 .174.1.1 CIP-51TM 微控制器核 184.1.2 C8051F040 的引脚定义 .18
8、4.2 硬件设计概述 194.3 C8051F040 单片机外围电路设计 .214.3.1 JTAG 接口电路 .214.3.2 外部时钟电路 224.3.3 系统复位电路 234.4 系统终端硬件设计 234.4.1 CAN 控制器电路设计 .234.4.2 键盘接口电路设计 26常州工学院毕业设计- 4 -4.4.3 电源部分的设计 274.4.4 LED 灯和继电器电路设计 .284.4.5 液晶接口电路的设计 .294.5 PCB 的介绍 .314.6 本章小结 .32第五章 软件设计 335.1 系统总流程图 .335.2 液晶的软件设计 345.3 键盘的软件设计 .365.4 C
9、AN 通信的软件设计 .385.4.1 C8051F040 CAN 控制器构成 385.4.2 CAN 软件设计流程图 .395.5 其他软件设计 415.5. LED 指示灯 .415.52 炮控驱动器的使能 415.6 本章小结 41第六章 调试 426.1 调试 426.2 本章小结 43总 结 44致 谢 45附录 1.48附录 2.49附录 3.50附录 4.51常州工学院毕业设计- 5 -第一章 绪论1.1 课题来源我军现役的某型火炮由于装备了自动操作系统能实现自动操炮从而大大提高了武器系统的战技指标，但其结构也更加复杂使训练中的故障率事故率有所提高，不利于部队装备战斗力的尽快形成
10、，而操作空间比较狭小训练和指导都不方便，基于这种情况研制了一种针对战斗部分而言的开放式训练模拟器。研制的作战训练模拟器是一个由计算机控制的系统，包括硬件和软件2部分组成。硬件由多媒体计算机系统和火炮自动操瞄系统涉及的基本构件组成，包括计算机控制台、开关量输入/输出模块、模拟操作部件及它们的安装架硬件提供实际的操作输入，它直接输出到计算机用来实现设备故障的仿真计算机处理各种输入，并根据实际情况提供指导；软件是模拟器的关键部分，它模拟实现火炮操作的主要功能，并提供友好的人机界面软件分为2 部分：一个是底层与硬件的接口部分；另一个是上层的模拟平台接口部分，只涉及硬件的管理模拟平台实现模拟器的所有功能
11、内容包括演示功能训练指导功能考核评估功能和声像效果。1.2 课题背景从古至今，军事问题一直是每个国家的重点关注对象。一个国家的国防力量主要在于这个国家在军事方面的强弱。古代打仗都是刀、马，解放前的共产党也是小米加步枪，现在随着社会的发展科学在进步，武器在发展、精进，每常州工学院毕业设计- 6 -个国家都在研究核武器和精密武器装备等。综观人类社会发展史，世界性军事变革层出不穷。从冷兵器到热兵器，从人力化到机械化，从常规火药到热核聚变，从陆海作战到天空较量，每一次重大军事变革都是由于新技术在军事领域的应用而始，并由此引发观念、战略、战法、军备、军制等革命性变化。以信息技术为核心的高新技术的迅猛发展
12、，特别是诸多成熟的高新技术在军事领域的广泛应用。计算机从它诞生之日起，就开始应用于军事领域。随着军事科学、武器装备系统和计算机技术的发展，军用计算机已经成为军队作战能力的关键因素，军用计算机的研制、生产和应用水平是衡量一个国家国防现代化和军事实力的重要尺度。计算机在不断地改变着各种武器系统、军事指挥和控制系统、后勤支援系统和自动化管理系统的面貌。军用计算机已经成为各种现代化武器装备系统、军事电子信息系统以及国防科研系统中不可缺少的、到处可见的设备。目前，我国自行研制的常规兵器及检测器材中的嵌入式系统以加固型微机和专用计算机组件较为多见，而且以微处理器、总线和嵌入式软件等构成的智能控制系统已经发
13、展成为军事科技的主流之一。微处理器是军用计算机控制系统的核心，通常称为微型计算机，较多采用的是 MC51 系列X86 系列处理器体系结构，内部总线用于嵌入式计算机模块之间的互连，外部总线用于主机和外设之间的数据通信。CAN 总线由于价格优势及其技术的稳定性，是 当 今 自 动 化领 域 技 术 发 展 的 热 点 之 一 ,被 誉 为 自 动 化 领 域 的 计 算 机 局 域 网 ， 近年来也受到了高度关注，它 的 出 现 为 分 布 式 控 制 系 统 实 现 各 节 点 之 间 实 时 、 可 靠 的 数据 通 信 提 供 了 强 有 力 的 技 术 支 持 。 已在火炮控制系统、装甲车
14、电子系统中得到了应用。常州工学院毕业设计- 7 -1.3 国内外相关领域的研究现状CAN 是 ISO 国际标准化的串行通信协议。CAN 属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多 RS-485 基于R 线构建的分布式控制系统而言, 基于 CAN 总线的分布式控制系统在很多方面具有明显的优越性。CAN 总线也具有通信速率高、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单、扩展能力强、系统成本低等特点，越来越受到人们的关注。CAN 总线的应用已经汽车的电子行业扩展到机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械、家用电器及传感器等领域，给人们的生活带来
15、许多的方便。由于 CAN 总线是一种面向内容的编址方案,因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置。我们可以很容易地在 CAN 总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时,数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化,即总线上控制器需要测量数据时,可由网上获得,而无须每个控制器都有自己独立的传感器。CAN的应用层协议在国外已有很多方面的应用，受到了足够的重视。在欧潮，CAN协议已被广泛的应用于医疗装置中，并迸一步扩展应用到保安控制系统；在美国，CAN已经成为装载机械和公共运输设备的协议标准，同时应用于嵌入式系统的控制。目前，国外已有
16、许多大公司开发了CAN软件和硬件产品。近年来,CAN 总线的应用研究又有了一些新的发展，并且得到了进一步的扩展和完善,形成了国际标准。目前,我国对 CAN 总线的应用研究已开始起步。北京航空航天大学 706 教研室和中国微计算机学会单片机公共实验室已经做了一些探索性的工作,并准备向国内提供 CAN 总线芯片及带有 CAN 总线接口的控制器。常州工学院毕业设计- 8 -1.4 课题研究内容课题是设计一个火炮控制系统操作台，该设计是以 51 系 列 单 片 机C8051F040 为 核 心 ， 单 片 机 C8051F040 是 集 成 在 一 块 芯 片 上 的 混 合 信 号 系 统级 单 片
17、 机 ， 在 一 个 芯 片 内 集 成 了 构 成 一 个 单 片 机 数 据 采 集 或 控 制 的 智 能 节 点所 需 要 的 几 乎 所 有 模 拟 和 数 字 外 设 以 及 其 他 功 能 部 件 ， 代 表 了 目 前 8 位 单片 机 控 制 系 统 的 发 展 方 向 。 本 人 主 要 完 成 该 设 计 的 仿 真 ， 包 括 硬 件 和 软 件 ，硬件设计采用模块设计思想，包括五大部分,分为液晶显示部分,44 键盘部分,CAN 总线接口驱动部分，开关电源部分,LED 指示模块。该系统主要完成对炮台控制系统下达操作指令和火炮状态的检测，操作台与火炮控制系统之间的通信采用
18、 CAN 方式,实现功能如下：可以通过操作台上键盘输入的指令,利用 CAN 通信把指令传给火炮系统,来实现对火炮驱动器的位置控制性能调试，同时在火炮系统运转过程中,炮控计算机将模式选择(开环、闭环)、射速、射击长度、步长值、电机位置等参数不断的传给操作台并通过液晶显示。1.5 研究意义在实际的火炮控制操作中，为了满足作战需要，往往需要对火炮的模式选择(开环、闭环) 、射速、射击长度、步长值、电机位置等多个参数进行设置，以往的机械操作方式已经远远不能满足现代作战的需要，因此根据这些参数的要求，依据多方面、多角度的研究、和讨探总结，综合国内外相应控制系统的特点，决定研制一种新型的基于 CAN 总线
19、的炮控系统，该系统的研制成功将在火炮控制系统的研究上起到重要的作用，不但可以满足军事作战快捷迅速准确的需求，而且为科技技术在军事上的应用起到了促进作用。常州工学院毕业设计- 9 -1.6 本章小结本章主要对课题的来源、研究背景、研究意义、国内外相关领域的研究现状以及研究内容以及做出了简要的说明。常州工学院毕业设计- 10 -第二章 系统方案2.1 方案选择2.1.1 方案一此方案采用 DSP 芯片作为操作系统的控制核心。可编程 DSP 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的 DSP 指令，可以用来快速的实现各
20、种数字信号处理算法具有运算速度快、功能强等特点，在各个领域的应用得到越来越广泛。DSP 的指令执行时间在 ns 数量级，内部程序和数据存储器目前已达几十 K，并带有内部的硬件乘法器，这些都为 DSP 提供了广阔的应用空间，因此可选用 DSP 作为系统的 CPU。本方案的主要特点是充分利用了 DSP 芯片的技术特点：（1） 电路接口简单、方便，在硬件设计上容易实现；（2） 数字信号处理精度高，稳定性好；（3） 编程方便，容易实现复杂的算法；（4） DSP 芯片集成方便，现在都是将 DSP 芯核及其外围电路综合集成在单一芯片上，这种结构便于设计便携式高集成度的数字产品；（5） 支持流水线操作，使取
21、指、译码和执行等操作可以重叠执行；（6） 片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。2.1.2 方案二本方案采用 C8051F040 作为操作系统的控制核心。常州工学院毕业设计- 11 -C8051F040 是集成在一块芯片上的混合信号系统级单片机，其芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制的智能节点所需要的几乎所有模拟和数字外设以及其他功能部件，代表了目前 8 位单片机控制系统的发展方向，并且C8051F040 芯片上有与 MCS51 指令集完全兼容的高速 CIP51 内核，峰值速度可达 25MIPS，还有硬件实现的 UART 串行接口和完全支持 CAN2.0B 的 C
22、AN 控制器，因此可选用 C8051F040 作为系统的主控 CPU。本方案的主要特点是充分发挥了 C8051F040 芯片的特点，该芯片内部具有高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核，完全支持 CAN2.0B 的 CAN 控制器，而且还有全速、非侵入式的在系统调试接口。这些给系统设计带来许多方便，硬件电路设计简单，尤其是容易实现 CAN 驱动电路的设计，同时系统软件调试方便，可实时改变系统程序，完成相应的功能任务。2.2 方案论证本设计为 CAN 火炮控制操作台，是用于军事作战的控制系统，需要信息的实时处理，指令快速准确的传达，才能满足作战的需要。CAN 总线具有通信速率高
23、、开放性好、报文短、纠错能力强以及控制简单等特点，在分布式控制系统的设计中起到了重要作用。比较上述两种方案，DSP 芯片虽然具有许多优秀的特点，但是 DSP 芯片本身不具备支持 CAN 总线通信的控制器，其芯片的片外引脚一般采用地址线和数据线分离的设计方法，不再使用地址数据分时复用线，也没有 ALE 地址有效信号，这样就给 CAN 控制器与 DSP 的接口带来一定困难，并且与通用微处理器相比，DSP 芯片的其他通用功能相对较弱些。相比之下，由于 C8051F040 内部具有与 8051 兼容的 CIP-51 内核，支持CAN2.0A 和 CAN2.0B 的 CAN 控制器，使硬件电路的设计简单
24、，并且软件编程方常州工学院毕业设计- 12 -便，这样可发挥平时所学的知识，采用熟悉的单片机 C 语言即可实现软件编程。同时 C8051F040 内部存储容量大，带有软件调试模块，容易实现系统调试。因此采用 C8051F040 作为系统主控芯片，可充分发挥硬件资源，并且容易实现软件编程，降低设计成本更低。综合考虑采用方案二。2.3 本章小结本章主要内容是系统方案的论证。首先提出了两套可供选择的方案，并分别对其进行了相应说明。其次是根据系统的成本、工作性能和环境等因素对两套方案进行了对比，选定方案二作为系统的最终方案。常州工学院毕业设计- 13 -第三章 设计概述3.1 设计研究指标接口要求电源
25、接口：AC220V 输入与炮控驱动器的接口：采用圆形电连接器，其中，CAN 总线采用 CAN2.0 协议。驱动器使能电压：24V（4、5 芯之间） ；人机界面操作面板参考图如下：炮控系统操作台继电器 继电器指示液晶屏数码管1 2 3 45 6 7 89 0 A BC D E F4*4 键盘指示灯图 3.1 操作面板参考图其中：显示采用液晶屏；初始化状态时数码管显示“A8” ，液晶屏上有显示状态一：、状态二：、状常州工学院毕业设计- 14 -态三：，分别用英文表示为 state1:、state2:、state3:。按键操作：按“1”键，液晶屏上显示“open”(开环);按“2”键，显示“clos
26、e”（闭环） ，以上 2 个键按下去，数码管都显示“A1” ；按“3 键” ，继电器显示灯亮，继电器工作，按“4”键，灯灭，继电器不工作，2 个按键数码管状态为“A2” 。状态一操作:按“58”键，状态一分别显示“14”数值，数码管显示“A3”。状态二操作:按“9B”键，状态二分别显示“14”数值，数码管显示“A4”。状态三操作:按“CF”键，状态三分别显示“14”数值，数码管显示“A5”。显示要求液晶屏显示内容为：open 或 close(代表了开环或闭环)、state1:、state2:、state3：，具体参考图如下。open State1: State2: State3:图 3.2 液
27、晶屏显示内容实例除此之外，应具有指示灯显示，有继电器指示灯。分布图见图 3.1。与炮控驱动器的通信协议(1) CAN 总线通信协议常州工学院毕业设计- 15 -CAN 总线采用点对点的通信模式，波特率 1Mbps 或 500kbps。CAN 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求有高的位速率、抗电磁干扰性，而且要能够检测出总线的任何错误。当信号传输距离达 10km 时,CAN 仍可提供高达 50kbps 的数据传输速率。(2) 给炮控驱动器的使能高电平使能驱动器，低电平禁止驱动器，高电平电压为 24VDC。3.2 系统结构分析操作系统的技术要求，确定系统的设计方案，采用支持 CAN 总
28、线协议的单片机 C8051F040 作为火炮控制台的 CPU，硬件采用模块化设计思想，软件采用 C51 语言编程。本人主要负责硬件部分，硬件设计包括以下几部分，分别为液晶接口电路部分，44 键盘电路部分，CAN 总线接口驱动部分，开关电源部分，LED 灯和继电器电路部分，其组成结构部分如下图 3.3。各部分基本功能如下：(1) 液晶显示部分主要是将系统接收到的有关火炮的控制模式、射速设定值、设计长度、电机位置等数据显示给操作者，同时在键盘输入指令时，操作台上的指示灯同时点亮，表明指令的发送正确到位。(2) 液晶背光设计，火炮系统在野外进行作战时，可以根据光线的需求，开启和关闭背光亮度。(3)
29、键盘输入部分主要是用来设定火炮系统的使能、禁止、开环、闭环、射速、射长等工作指令，同时实现操作界面的切换。(4) 开关电源部分提供 CAN 驱动器和 CPU 的工作电压，以及液晶、键盘等终端操作硬件的工作电压。(5) CAN 总线驱动模块，采用点对点的通信模式，负责单片机与炮控驱动器的通信,完成数据的交换与命令的传输。常州工学院毕业设计- 16 -(6) LED 显示模块用来指示当前的操作模式，继电器用来控制 24V 电压的开启与关断。单片机 液晶显示开关电源驱动模块模块继电器键盘图 3.3 系统结构组成框图3.3 本章小结本章主要对炮控系统设计作了简要概述，介绍了系统设计的指标与实现的功能，
30、并且根据设计指标制定系统的结构框架，简要叙述了系统各个部分的基本功能。常州工学院毕业设计- 17 -第四章 硬件电路设计4.1 C8051F040 单片机介绍C8051F040 单片机与 51 单片机相比，功能更强大，它具备以下特征： 1 个 12 位 ADC 模块和 1 个 8 位 ADC 模块。12 位 ADC 带有一个 HVDA 通道，可接入最大差压为60V 的测量模拟信号，并有可编程增益运放； 2 个 12 位 DAC 模块，DAC 为电压输出型，与 DAC0832（电流型）不同，输出无需再接运放将电流转化为电压； 高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核（可达 25M
31、IPS）； 低电压供电（2.73.6V），输入端口兼容 5V 电平，输出有开漏和推挽模式； 多复位源，有开门狗复位、电源电平监视复位、时钟失步复位及比较器复位等，以满足各种需求； 可寻址64KB地址空间的外部数据存储器接口； 控制器局域网（CAN2.0B）控制器，具有32个消息对象，每个消息对象有其自己的标识； 5个通用的16位定时器，具有6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列； 处理器最高运行时钟可达 25MHz，课用片内时钟（误差2%），也可用外部时钟。外部时钟也提供了多种接法，既可接入高精度晶振高速稳定运行，也可接入 RC 振荡。低频运行可降低能耗，且可动态改变系统时钟源；常州工学
32、院毕业设计- 18 - 硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口； 全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。CIP51采用了流水线（pipe line）处理构架，不再分系统时钟和机器周期。指令直接按照时钟执行，而且大部分指令只需12个系统时钟即可完成。而且在执行当前指令时，还可能部分处理下一条指令，从而使得有些指令时间不是很确定，比
33、如说大部分判断指令可能是n个周期，也可能是n+1个周期。4.1.1 CIP-51TM 微控制器核C8051F040单 片 机 系 统 控 制 器 的 内 核 采 用 CIP-51微 控 制 器 ， 它 与 MCS-51指 令 集 完 全 兼 容 ， 可 以 使 用 标 准 803x/805x汇 编 器 和 编 译 器 进 行 软 件 开 发 。CIP-51内 核 具 有 标 准 8052的 所 有 外 设 部 件 ， 包 括 5个 16位 的 计 数 器 /定 时 器 、两 个 全 双 工 UART串 行 接 口 、 256字 节 内 部 RAM、 128字 节 特 殊 功 能 寄 存 器（
34、SFR） 地 址 空 间 及 8个 8位 宽 的 I/O端 口 。4.1.2 C8051F040 的引脚定义C8051F040是TQFP-100封装的C8051F0xx系列单片机，典型工作电压是3V，体现了微功耗的特点。其所需数字电源及模拟电源电压范围都为2.7V-3.6V，一般都提供3V就可以。它的IO端口也是3V系统，但可耐5V输入。所以整个单片机系统为3V系统，设计中采用3.3V稳压芯片给单片机供电。C8051F040的主要引脚功能如下：(1) 电源引脚：电源引脚分为数字电源引脚和模拟电源引脚。数字电源引常州工学院毕业设计- 19 -脚VDD和模拟电源引脚AV+的输入均为+3V；DGND
35、为数字地，AGND为模拟地；VREF当被配置为输入时输入电压值作为单片机的电压基准，否则以单片机内部电压基准驱动该脚；VREFA 为单片机内部AD转换器的参考电压输入。(2) 外部晶振引脚：XTAL1和XTAL2为外部晶振的引脚。在默认情况下单片机使用的是内部晶振。内部晶振频率可以通过对控制寄存器OSCICN写入控制字设置为2MHz、4MHz、8MHz和16MHz。外部晶振的使能可以通过控制寄存器OSCXCN写入控制字来实现。(3) 模拟输入输出：AIN0.0AIN0.7、AIN1.0AIN1.7及AIN2.0AIN2.7为模拟多路选择器的输入；CP0+、CP0-为比较器0的同相及反相输入脚，
36、CP1+、CP1-为比较器1的同相及反相输入脚。(4) 数字IO端口：P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7，P3.0P3.7，P4.0P4.7，P5.0P5.7，P6.0P6.7，P7.0P7.7共64位数字IO线。(5) CAN引脚：控制器局域网（CAN）控制器引脚CANTX和CANRX，数字输入，CANTX数据发送输出，CANRX数据发送输出。(6) 模拟输出引脚：DAC0、DAC1分别为单片机内部两个DA转换器的输出。(7) 与JTAG有关的引脚：数字输入TMS，TCK，TDI，及数字输出TDO。(8) 其他：/RST复位引脚；器件复位。内部VDD监视器的漏极开路输出。当
37、VDDVRST并且MONEN为高时被驱动为低电平。一个外部源可以通过将该引脚置为低电平启动系统复位；MONEN，VDD监视使能，该引脚接高电平时允许内部VDD监视器工作，当VDDVRST时强制系统复位。该引脚接低电平时内部VDD监视器被禁止。常州工学院毕业设计- 20 -4.2 硬件设计概述根据系统组成结构，硬件设计包括单片机外围相关电路，液晶显示电路部分，键盘电路部分，CAN驱动电路部分，LED和继电器电路部分，整个系统电源管理部分，共六大部分。主要端口结构如下图4.1。(1)单片机相关外围电路包括复位电路，JTAG 接口电路，外部时钟电路等三部分。(2)液晶显示部分所使用的是点阵图形式的L
38、CD模块，它的数据线和单片机通过并行接口连接起来，达到快速传送数据的效果，另外还有三条控制线，需要单片机提供13个通用IO口，本设计中单片机将P4和P5两个IO端口配置为通用IO端口提供给液晶显示部分。(3) 本设计中所用到的键盘为44的矩阵键盘，通过并行的方式占用单片机的一个IO端口P1。在键盘扫描程序采用行列扫描的方式来得到键码。(4) CAN驱动部分使用Philips公司的PCA82C250收发器与单片机的CANTX、CANRX口相接，PCA82C250可提高总线的差动发送和接收能力，为了提高系统干扰能力，通过由高速光耦6N137构成的隔离电路后再与PCA82C250相连。(5) LED
39、 和继电器电路部分与单片机的 P2 口相连，分别用来完成指示系统的工作模式和 24V 电压开关。(6)电源管理部分是系统的重要组成部分,由于系统工作电压由外接稳压电源提供 24V，而各个电路部分需要的工作电压不同，选用芯片 AS117 经过稳压变换，产生各个部分所需要的工作电压，以实现给系统各个部分同时正常供电的功能。常州工学院毕业设计- 21 -CANTXCANRXP5.0P5.7P4.3P2.3P4.6P4.4P4.5P1.0P1.7C8051F040CAN 驱动模块44键盘电 源管 理CAN 驱动模块44 键盘LED继电器P2.0P2.1P0.4LED 灯继电器DB0.DB7RDWRCS
40、A0LCD图 4.1 端口结构框图4.3 C8051F040 单片机外围电路设计4.3.1 JTAG 接口电路C8051F040内部有一个片内JTAG和调试电路，提供生产和在系统测试所需要的边界扫描功能，支持闪存的读和写操作以及非侵入式在系统调试。其电路如下图4.2所示。常州工学院毕业设计- 22 -1234567891 0J T A GJ 24 . 7 kT C KT M ST D OT D ID V 3R 5图4.2 系统JTAG接口电路JTAG接口使用单片机上的四个专用引脚，它们是：TCK、TMS、TDI和TDO，通过JTAG接口可以直接对闪速存储器编程，编程时要使用闪存控制、闪存数据、
41、闪存地址和闪存定时寄存器。4.3.2 外部时钟电路C8051F040支持外部振荡器，分为三种方式：晶体方式，RC方式和C方式。本设计采用C方式，晶振选择22.1184MHz,电容选用33pf。外部晶振电路如下图4.3所示。X T A L 1X T A L 23 3 p F3 3 p FY 12 2 . 1 8 4图4.3 系统外部晶振电路常州工学院毕业设计- 23 -4.3.3 系统复位电路C8051F040有7个复位源：上电、掉电、外部/RST引脚、外部CNVSTR0信号、软件命令、比较器0、时钟丢失检测器及看门狗定时器。本设计采用外部/RST引脚复位，在/RST引脚上加一个低电平有效信号将
42、导致MCU进入复位状态，同时提供一个外部上拉或对/RST引脚去耦以防止强噪声引起复位。其电路如下图4.4所示。s 00 . 1u f1 u f1 0 k1 kD V 3图4.4 系统复位电路4.4 系统终端硬件设计本系统硬件设计终端操作包括五大部分，分别为液晶显示电路部分，键盘电路部分，CAN 驱动电路部分，LED 和继电器电路部分，整个系统电源部分。以下具体介绍各部分的硬件设计。4.4.1 CAN 控制器电路设计C8051F040 内部集成有 CAN 控制器，主要由 CAN 内核、消息 RAM、消息处理常州工学院毕业设计- 24 -单元和控制寄存器组成。CAN 总线是控制器局域网(Contr
43、oller Area Network)总线的简称，它属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN 总线是目前国外最普及和实时性最高的现场总线。CAN属于总线式串行通讯网络，由于其采用了许多新技术及独特的设计，与一般的通讯总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：可以多主方式工作。CAN节点只需对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播方式发送和接收数据。CAN总线通信格式采用短帧格式。采用非破坏性总线仲裁技术。直接通信距离最大可达10km (速率5kb/s以下)，最高通信速率可
44、达1Mb/s (此时距离最长为40m)，节点数可达110个，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN总线采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。 CAN总线一般用在工业检测和控制现场，在本系统应用中，CAN总线完成系统操作与火炮控制之间的信息通信。下面对CAN通信物理层的电路做详细说明。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输。同一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。由于Cygnal内部的CAN控制器只是个协议控制器，不能提供物理层驱动，所以在使用时还需外加CAN总线收发器，常用的CAN总线收发
45、器有Philips公司的PCA82C250收发器、高速TJA1050收发器等。这里使用的是常州工学院毕业设计- 25 -PCA82C250收发器，它可提高总线的差动发送和接收能力。82C250的主要特性为：与ISO/DIS 11891标准完全兼容；最高速可达1Mbps；很强的抗瞬间干扰和保护总线的能力；降低射频干扰（RFI-Radio Frequency Interference）的斜率控制；热防护；防护电池与地之间发生短路；低电流待机方式；某一个节点掉电不会影响总线；可有110个节点相连接。为了进一步提高系统的抗干扰能力，在CAN控制器引脚CANTX、CANRX和收发器PCA82C250之间
46、并不是直接相连，而是通过由高速光耦6N137构成的隔离电路后再与PCA82C250相连，这样就可以很好的实现总线上各节点的电气隔离。这部分增加了节点的复杂性，但它却提高了节点的稳定性和安全性。CAN控制器电路如下图4.5所示。N CV F +V F -N CV C CV EV OG N DG N DV OV EV C CN CV F -V F +N CT X DG N DV C CR X DR SC A N HC A N LV R E FU 3U 4U 56 N 1 3 76 N 1 3 7P C A 8 2 C 2 5 012345J 4C O N 5C A N EC A N L2 4 V
47、G N DC A N 2 4 VC A N EC A N LV C CD V 3V C CD V 3C 1 80 . 1 u FR 1 24 . 7 KR 1 30 . 3 9 K12345678R 1 60 . 3 9 KC 2 00 . 1 u FL N T XL N R XR 1 40 . 3 9kC 1 90 . 1 u FR 1 50 . 3 9 K12345678C 2 10 . 1 u FR 1 74 . 7 KR 1 81 2 012345678常州工学院毕业设计- 26 -图4.5 CAN控制器电路在PCA80C250与CAN总线接口部分也采用了一些安全和抗干扰措施PCA82
48、C250的CANH和CANL引脚各自通过一个120的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，从而保护PCA82C250免受过流的冲击。在CANH和CANL与地之间各自接一个0.1uF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和防电磁辐射的能力。另外，为了保护PCA80C250在瞬间高电压情况下而不受损坏,可在PCA82C250的RS脚上接有一个下拉电阻。4.4.2 键盘接口电路设计在单片机应用系统中经常使用的键盘分为独立式和矩阵式两种。独立式实际上就是一组相互独立的按键，这些按键可直接与单片机的IO口连接，即每个按键独占一条IO口线，接口简单。 在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占
49、用，通常将按键排列成矩阵形式，如图4.6所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口就可以构成4*4=16 个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键） 。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。本系统采用矩阵式键盘接法是将行线和列线分别接到两个不同的并行口，通过设置个并行口的状态改变行线和列线的输入输出工作方式，但这样过多地占用了系统的硬件资源，必须进行相应调整。采用上图4.6所示的44行列式键盘，将总共8根行线与列线直接与单片机的通用输入输出口P3口相连，通过软件中的逻辑运算控制使同一个并行口的不同管脚工作在不同的输入输出方式下，来实现行列扫描的键盘识别操作。常州工学院毕业设计- 27 -v c cs 1 s 2 s 3 s 4s 5s 6s 7s 8s 9 s 1 0s 1 1s 1 2s 1 3s 1 4s 1 5s 1 6P 1 . 7P 1 . 6P 1 . 5P 1 . 4P 1 . 0P 1 . 1 P 1
