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现代电子系统课程设计

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1 辽宁工程技术大学

现代电子系统设计课程设计报告

题 目 SPI总线研究

指 导 教 师 白立春

院（系、部） 电信学院

专 业 班 级

学 号

姓 名

日 期 2013年6月7日

2 一、 摘要

单片机本身的数据传输接口过去主要为8位并行数据接口或异步串行通信接口，但电子技术的迅速发展使得许多新的数据传输接口标准不断涌现，大多数的51单片机并没有在硬件中集成这些新的数据传输接口。随着单片机应用技术的发展，单片机的应用模式也在不断变化，一方面，单片机系统的规模越来越大，其外未连接了种类繁多的外设；一方面，单片机进入了计算机网络系统，工业控制系统多采用多机分布式系统。同时单片机的嵌入式系统应用模式使其体积越来越小且器件数目越来越少。近年来，串行接口设备凭借其控制灵活，接口简单、占用资源少等优点在工业控制、仪器仪表等领域被广泛应用。这些发展趋势更加使得串行通信功能加强了，同时带有串行接口器件也被广泛使用。本课题就是对不同总线方式进行研究，并选取带有一种总线接口的器件进行系统设计。对于现在的嵌入式系统而言并行接口占用CPU资源太多，然而串行接口设备凭借其控制灵活，接口简单、占用资源少等优点在工业控制、仪器仪表等领域被广泛应用。目前并行接口芯片已经不常使用，各厂家研究各种串行总线方式，并生产出带有各种总线方式接口的芯片，方便了系统集成设计，节省了资源。进而串行总线已成为了发展趋势。

二、 综述

SPI（Serial Peripheral Interface），是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便，它是一种串行同步通讯协议，由一个主设备和一个或多个从设备组成，主设备启动一个与从设备的同步通讯，从而完成数据的交换。SPI 接口由SDI（串行数据输入），SDO（串行数据输出），SCK（串行移位时钟），CS（从使能信号）四种信号构成，CS 决定了唯一的与主设备通信的从设备，如没有CS 信号，则只能存在一个从设备，主设备通过产生移位时钟来发起通讯。通讯时，数据由SDO 输出，SDI 输入，数据在时钟的上升或下降沿由SDO 输出，在紧接着的下降或上升沿由SDI 读入，这样经过8/16 次时钟的改变，完成8/16

位数据的传输。要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续 3 传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。

SPI总线是由Motorola公司提出的一种同步串行外围接口，采用三或四根信号线 。它包括1根串行同步时钟信号线以及2根数据线。SPI模块为了和外设进行数据交换，根据外设工作要求，其输出串行同步时钟极性和相位可以进行配置，时钟极性（CPOL）对传输协议没有重大的影响。如果CPOL=0，串行同步时钟的空闲状态为低电平；如果CPOL=1，串行同步时钟的空闲状态为高电平。时钟相位（CPHA）能够配置用于选择两种不同的传输协议之一进行数据传输。如果CPHA=0，在串行同步时钟的第一个跳变沿（上升或下降）数据被采样；如果CPHA=1，在串行同步时钟的第二个跳变沿（上升或下降）数据被采样。SPI主模块和与之通信的外设音时钟相位和极性应该一致。

三、 方案设计与分析

1、RS232接口是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行二进制数据交换接口技术标准”。该标准规定采用一个25个脚的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，出现了代替DB25的DB9接口，现在都把RS232接口叫做DB9。RS-232是现在主流的串行通信接口之一。由于RS232接口标准出现较早，难免有不足之处，主要有以下四点：

○1接口的信号电平值较高，易损坏接口电路的芯片，又因为与TTL电平不兼容故需使用电平转换电路方能与TTL电路连接。

○2传输速率较低，在异步传输时，波特率为20Kbps；因此在“南方的老树51CPLD开发板”中，综合程序波特率只能采用19200，也是这个原因。

○3接口使用一根信号线和一根信号返回线而构成共地的传输形式，这种共地传输容易产生共模干扰，所以抗噪声干扰性弱。 4 ○4传输距离有限，最大传输距离标准值为50英尺，实际上也只能用在15米左右。

2、II2C总线是Philips公司开发的总线方式，是一个半双工、多主总线，该总线网络有一个或几个主控器件和很多个从器件。信息由两条串行线传输：串行数据线(SDA)和串行时钟线(SCL)。图1显示了使用两个主控和三个从器件相连接的例子。 网络中的每一个器件都预指定一个7位或10位的地址。飞利浦会给器件制造商分配地址，也有一个特定的地址用于高速通信，以及一个通用呼叫地址用于与网络中所有器件的通信。10位寻址的优点是允许更多的器件(高达1024个)布置在网络中。然而，总线中器件的数目取决于总线的电容量，必须限制在400pF以内。 主控器件发起数据传送，并提供用于通信的时钟信号。通信开始于SCL为高电平时SDA由高到低的转换，紧接着是一个7位或10位的从地址，一个数据方向位(R/W)，一个应答位和停止状态。停止状态定义为在时钟信号为高时数据线电平由低到高的转换。每一个数据字节长度为8位，单次传送的字节数并没有限制。 由于I2C是一个多主总线，因此可能有两个或更多的主控器件同时试图访问总线，在时钟信号为高电平时在总线上置“1”的主控器件赢得总线仲裁。 I2C有三种不同的运行模式：标准、快速和高速模式。在使用快速和高速模式时，可能某个从属器件不能像主控器件那么快地处理数据。此时，从属器件会将SCL线拉至低电平来保持总线，这迫使主控器件进入等待状态，直至从属器件准备就绪。数据方向和通信速度，数据传输首先从最高位开始。I2C总线设计用于三种数据传输速度，每个都向下兼容性： 低速，数据传输率为0到100kbps；快速，数据传输率可以高达400kbps；高速，数据传输率可以高达3.4Mbps。

3、wire单总线是Maxim全资子公司Dallas的一项专有技术与目前多数标准串行数据的通信方式，如SPI/I C/MICROWIRE不同 它采用单根信号线 既传输时钟 又传输数据而且数据传输是双向的 它具有节省 I/O 口线资源结构简单

成本低廉便于总线扩展和维护等诸多优点, I-wire单总线适用于单个主机系统

能够控制一个或多个从机设备，当只有一个从机位于总线上时，系统可按照单节点系统操作，而当多个从机位于总线上时，则系统按照多节点系统操作，为了较为全面地介绍单总线系统，将系统分为三个部分讨论：硬件结构、命令序列和信 5 号方式 信号类型和时序。

4、MicroWire总线是国家半导体开发的一种三线串行接口总线。一为数据输出线，二为数据输入线，三为时钟线。线上只有一台机为主机，其余为从机。MicroWire／plus是增强型。各型号功能各异。

5、CAN控制器区域网络是一个多主异步串行总线。由于它具有优良的错误处理机制以及可靠的数据传送性能，该总线在汽车得到普及。 CAN最初由德国的Robert Bosch公司开发，提供给汽车电子系统所用的低成本通信总线，现在已经成为国际标准，被采用为高速应用的ISO11898标准和用于低当总线空闲时，任何CAN节点都可以开始数据发送。如果两个或更多的节点同时开始发送，就使用标识符来进行按位仲裁以解决访问冲突。CAN是一个广播类型的总线，所有节点都接收总线上的数据，硬件上的过滤机制决定消息是否提供给该接点用。五种消息帧的类型：○1数据帧：该帧从一个发送器承载数据到一个接收器。根据CAN规范有两种数据帧格式，它们的唯一本质区别在于标识符的长度。○2CAN标准帧，也称为CAN2.0A，支持11位长度的标识符；另一个是CAN扩展帧，也称为CAN2.0B，支持29位长度的标识符。显示了两种规范的CAN数据帧。○3远程帧：此帧由一个接收CAN节点发送，用来请求带有远程帧中规定的标识符的数据帧。○4错误帧：此帧将任何总线错误通知其它单元，在接收到这个帧时发送器会自动进行消息重发。○5超载帧：超载帧由一个忙的CAN节点送出，以请求在前后数据帧之间增加一个额外的延迟。CAN硬件术语是基本CAN(Basic CAN)控制器：这是一种廉价的CAN控制器，具有有限的发送/接收消息缓冲器，以及有限的CAN消息过滤机制。

完全CAN(Full CAN)控制器：完全CAN是一个高成本、高性能的CAN控制器，具有能缓冲8个或更多消息的缓冲器用于接收和发送。例如，富士通的集成CAN微控速应用的ISO11519标准。CAN通信制器能提供16个消息缓冲器用于接收和发送。此外，富士通的MB90443微控制器能灵活地将两个CAN控制器的消息缓冲器组合在一个中，以形成能缓冲32个消息的缓冲器。 标准CAN控制器：该CAN控制器能够处理仅有11位标识符的消息。

四、 方案综合评价与结论

SPI总线接口一般用于主从分布式的通信网络【1】，在SPI传输时，数据由MOSI输出，MISO输入，数据在时钟的上升或下降沿由MOSI输出，在紧接着的 6 下降或上升沿由MOSI读入，这样经过 8/16 次时钟的改变，完成 8/16 位数据的传输，即完成了一次SPI时序。SPI总线使用的最为广泛的是SPI0和SPI3方式【2】，同时SPI 是一个环形总线结构【3】，主要是在主机的时钟控制下，两个双向移位寄存器进行数据交换。本文正是采用了这种环形结构，设计了16位寄存器，在16次时钟变换后，主机与从机数据得以交换。

1、m序列

m序列是最长线性反馈移位寄存器序列的简称【4】，m序列码的主要特点为：每个周期中，“1”码出现 2n-1 次，“0”码出现 2n-1 次，即 0、1 出现概率几乎相等；序列中连1的数目是n，连0的数目是n-1；分布无规律，具有与白噪声相似的伪随机特性。m序列的均衡性以及它的游程分布特性【5】使得m序列码在通信、雷达、系统可靠性测试等方面获得了广泛地应用。 本文正是基于m序列的这些特点采用Verilog HDL【6】生成m序列，用于验证SPI总线设计的正确性。

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电力电子课程设计

电力电子课程设计

电力电子 课程设计

一、课程目标

知识目标：

1. 让学生掌握电力电子器件的基本原理、分类及其在电路中的应用；

2. 使学生了解电力电子变换器的工作原理，掌握常见电力电子变换器的电路拓扑及控制方法；

3. 引导学生理解电力电子技术在能源转换、电力系统中的应用及发展趋势。

技能目标：

1. 培养学生能够运用所学知识分析、设计和搭建简单的电力电子电路；

2. 提高学生运用电力电子器件和变换器解决实际问题的能力；

3. 培养学生运用电力电子技术进行能源转换和电力系统优化的技能。

情感态度价值观目标：

1. 培养学生对电力电子技术产生兴趣，激发学生学习积极性；

2. 培养学生具备团队协作、沟通交流的能力，增强合作意识；

3. 使学生认识到电力电子技术在节能减排、可持续发展中的重要性，树立环保意识。

分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程目标旨在让学生在掌握电力电子基础知识的基础上，提高实际应用能力，培养学生解决实际问题的综合素质。通过本课程的学习，学生能够具备以下具体学习成果：

1. 能够列举并解释常见电力电子器件的原理和特点；

2. 能够绘制并分析常见电力电子变换器的电路图； 3. 能够运用电力电子技术进行实际案例分析，提出优化方案；

4. 能够关注电力电子技术的发展趋势，认识到其在节能环保领域的作用。

二、教学内容

本章节教学内容依据课程目标，结合教材，科学系统地组织以下内容：

1. 电力电子器件：

-PN结、晶体管、晶闸管等基本原理和特性；

-电力MOSFET、IGBT等现代电力电子器件的结构和特点。

2. 电力电子变换器：

-AC-DC、DC-AC、DC-DC等变换器的工作原理及分类；

-常见电力电子变换器电路拓扑及其控制方法。

3. 电力电子技术应用：

-电力电子技术在电力系统、新能源发电、电动汽车等领域的应用案例；

-电力电子器件和变换器在节能、环保等方面的作用。

教学大纲安排如下：

第一周：电力电子器件的基本原理和特性；

西电电子课程设计报告

西电电子课程设计报告

西电电子课程设计报告

一、课程目标

知识目标：

1. 学生能够掌握电子电路的基本原理，理解并应用基础电子元件的功能与特性。

2. 学生能够描述并分析常见电子电路的组成、工作原理及其在实际应用中的作用。

3. 学生能够解释并运用数字逻辑电路基础知识，进行简单逻辑电路的设计和分析。

技能目标：

1. 学生能够运用所学知识，设计简单的电子电路，并进行仿真测试。

2. 学生能够运用电子设计自动化（EDA）工具进行电路图绘制和电路仿真。

3. 学生能够通过课程项目实践，培养动手能力，团队协作能力和问题解决能力。

情感态度价值观目标：

1. 学生能够培养对电子科学的兴趣，认识到电子技术在现代社会中的重要作用。

2. 学生在学习过程中能够树立创新意识，培养探究精神和科研态度。

3. 学生通过小组合作，培养团队协作精神，学会尊重他人意见，共同解决问题。

课程性质分析： 本课程为电子技术实践课程，旨在通过理论与实践相结合的方式，帮助学生深入理解电子电路原理，培养实际动手能力。

学生特点分析：

考虑到学生为高中年级，已具备一定的物理和数学基础，对电子技术有一定了解，课程设计将注重知识深度和实际应用。

教学要求：

1. 理论与实践相结合，注重培养学生的实际操作能力。

2. 创设情境，引导学生主动探究，培养创新思维。

3. 关注学生个体差异，提供个性化指导，确保学习效果。

二、教学内容

1. 电子元件基础知识：介绍电阻、电容、电感等基础元件的原理与特性，对应教材第一章内容。

2. 基本电子电路：分析并实践放大电路、滤波电路、振荡电路等，对应教材第二章内容。

3. 数字逻辑电路：讲解逻辑门、组合逻辑电路、时序逻辑电路等原理，对应教材第三章内容。

4. 电子电路仿真：运用Multisim、Proteus等软件进行电路仿真，对应教材第四章内容。

5. 课程项目实践：分组进行电子电路设计与制作，如音频放大器、数字时钟等，综合应用前三章知识。

eda技术实训课程设计

eda技术实训课程设计

eda技术实训课程设计

一、课程目标

知识目标：

1. 理解EDA技术的基本概念、原理及其在电子设计中的应用；

2. 掌握EDA工具的使用方法，如原理图绘制、印制电路板(PCB)设计等；

3. 学会利用EDA技术进行简单电路系统的设计、仿真与验证；

4. 了解EDA技术的发展趋势及其在现代电子工程领域的地位和作用。

技能目标：

1. 能够使用EDA工具完成原理图绘制、PCB布线等基本设计任务；

2. 培养学生运用EDA技术解决实际电子工程问题的能力；

3. 提高学生的团队协作能力和沟通能力，通过项目实训，掌握项目管理和时间规划技巧；

4. 培养学生独立思考和创新能力，能够针对特定需求提出电子设计方案。

情感态度价值观目标：

1. 培养学生对电子设计的兴趣，激发学习热情，树立良好的学习态度；

2. 增强学生的实践操作能力，培养勇于尝试、善于克服困难的品质；

3. 培养学生的创新意识和团队精神，提高职业素养，为未来从事电子工程设计奠定基础；

4. 强化学生的环保意识，认识到电子设计在环保方面的重要性，培养绿色设计理念。

本课程针对高年级电子工程及相关专业学生，结合课程性质、学生特点和教学要求，将目标分解为具体的学习成果。通过本课程的学习，使学生掌握EDA技术的基本知识，具备实际电子工程设计能力，为未来从事相关工作打下坚实基础。同时，培养学生积极的学习态度、团队协作精神和创新能力，提高职业素养。

二、教学内容

1. EDA技术概述

- EDA技术发展历程

- EDA技术的基本概念与分类

- EDA技术在现代电子工程领域的应用

2. EDA工具介绍

- 常用EDA工具软件特点及功能对比

- EDA工具的基本操作与使用方法

- EDA工具在实际电子设计中的应用案例

3. 原理图绘制

- 电路原理图的基本元素与绘制方法

- 元器件库的创建与管理

- 原理图的层次化设计方法

4. 印制电路板(PCB)设计

- PCB设计的基本流程与方法

电子票务系统课程设计

电子票务系统课程设计

电子票务系统课程设计

一、课程目标

知识目标：

1. 学生能够理解电子票务系统的基本概念、原理及其在现代社会中的应用。

2. 学生掌握电子票务系统中关键技术的实现方法，如数据加密、用户认证、支付流程等。

3. 学生了解我国电子票务行业的发展现状及趋势。

技能目标：

1. 学生能够运用所学知识，设计并实现一个简易的电子票务系统，具备基本的购票、支付、验票功能。

2. 学生具备分析电子票务系统存在的问题，并提出改进措施的能力。

3. 学生能够通过小组合作，有效沟通，共同完成电子票务系统的设计任务。

情感态度价值观目标：

1. 学生培养对电子票务系统及其相关技术的兴趣，激发学习信息技术的热情。

2. 学生认识到电子票务系统在方便人们生活、提高社会效率方面的作用，增强社会责任感。

3. 学生通过课程学习，培养团队协作、共同解决问题的能力，树立正确的价值观。

课程性质：本课程为信息技术课程，结合实际应用，培养学生的实践能力和创新精神。

学生特点：本课程面向初中年级学生，学生对电子票务系统有一定了解，具备一定的信息技术基础，对新鲜事物充满好奇心。

教学要求：注重理论与实践相结合，关注学生个体差异，激发学生学习兴趣，提高学生的实际操作能力。在教学过程中，注重引导学生发现问题、解决问题，培养学生的创新思维和团队协作能力。通过课程目标的实现，为学生后续学习信息技术相关课程打下坚实基础。

二、教学内容

1. 电子票务系统概述

- 了解电子票务系统的基本概念、发展历程及应用场景。

- 学习电子票务系统的基本组成部分和功能。

2. 电子票务系统关键技术

- 数据加密技术：学习对称加密和非对称加密的原理及应用。

- 用户认证技术：了解常见的用户认证方式，如用户名密码、短信验证码等。

- 支付流程：学习电子支付的基本流程，了解第三方支付平台的作用。

3. 电子票务系统设计与实现

- 分析电子票务系统的需求，明确系统功能模块。