电子课程设计范例

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指导教师：

2013年月日

电子课程设计范例——智能车测速计

一、背景

为使同学们在做电子技术课程设计时有一个参考，专门撰写的此文档，介绍一个较完整的电路系统的设计方法。

智能汽车竞赛在赛前调车、赛时都需要对智能车进行计时测速。由于赛道短、车速快，导致竞争激烈，因此需要比较高精度的计时装置。计时精度要达到1毫秒，要达到这样的精度，只能由电路自动完成触发启动与停止。考虑到竞赛场地供电不方便，电路以电池供电并具有外接电源接口，以电池供电时至少能持续工作2小时。同时还要求测速仪安装、操作方法尽量简单。

二、电路设计

以CycloneⅡ系列FPGA为计时、控制核心，以激光光路阻断为触发方法，以6位数码管分时显示时间、速度信息。整体电路结构如图1所示。

图1 电路系统框图

1、FPGA核心板介绍

实验室的FPGA核心板采用的是Altera公司的CycloneⅡ系列芯片EP2C8T144C8N，该芯片功耗低、容量大、性价比高，有多达8k个逻辑单元。由于FPGA供电电路和下载、配置电路较复杂，所以核心板将这部分电路集成了，从而降低了使用FPGA的难度。课程设计中如需使用FPGA，可将FPGA核心板当作一颗芯片来使用。FPGA核心板在元件库lanfengdi.schlib中已经封装成一颗芯片，名字为EP2，lanfengdi.pcblib库中有相应的封装，可直接调用。

核心板上有两排插针，引出了大部分可用IO口和电源，插针的数字编号即是对应的IO 口编号，其它编号(名字)的插针是特殊功能的。

GND——地线。至少有一个GND脚要与主板相连，建议3个都连上。

VP——核心板电源输入口(+6~+12V，推荐使用+9V)，核心板上圆孔空心插座的中心触点与VP是连到一起的。

3.3V、+5V——辅助电源输出，可分别对外提供不超过100mA的直流电源，使用小电

流时可由此引出。

P2(nCSO)/P76(nCEO)是多功能引脚，且P2只能在Passive Serial配置模式下能作为普通IO使用，建议跳过不用。如果要将P76作普通IO使用，设置方法为“Assignments”

->“Settings”->“Device and Pin Options”->“Dual-Purpose Pins”->“Value”…

图2 FPGA核心板

核心板内建了一个50MHz的标准时钟，并且固定连接到了P17，可将之作为系统时钟。

JTAG插座(很抱歉，核心板上误写成JATG)是编程与调试接口，使用Quartus软件的Programmer工具与USB Blaster下载线可以对FPGA进行烧写（编程），使用后缀名为.sof 的文件。

AS插座是对配置芯片的烧写（编程）接口。JTAG方式下对FPGA芯片编程，芯片掉电后数据丢失，所以核心板上集成了配置芯片，如果配置芯片里写入了FPGA的配置信息，核心板上电后会自动从配置芯片读取配置信息对FPGA进行配置。使用Quartus软件的Programmer工具与USB Blaster下载线可以对配置芯片进行烧写（编程），使用后缀名为.pof 的文件。烧写前需将Programmer工具软件的模式设置成AS(Active Serial Programming)。2、触发电路

综合考虑成本、功耗、电路响应速度，决定选用双比较器芯片LM393作为信号整形电路。光敏二极管受到激光照射时反向电流大，压降小，比较器的反相输入脚电压小于同相端参考电压，故输出高电平(LM393为输出集电极开路结构，所以需要上拉电阻才能输出高电平)，FPGA的IO供电电压为3.3V，所以上拉到3.3V。智能车走过时遮挡激光光路，光敏二极管无光照，反向电流小，压降大，比较器的反相输入脚电压高于同相端参考电压，输出跳转为低电平。

因为比较器的输出是集电极开路结构，输出高电平时依靠上拉电阻提供电流，驱动能力有限，输出信号波形的上升沿不够陡峭；而输出低电平时由内部的晶体管驱动，驱动能力强，下降沿陡峭，所以，为了测量更加准确，取信号的下降沿作为触发。比较器的参考电压由电位器从电源分压获得，为减小噪声加入了一个100nF的高频旁路电容。为使得两个通道参数尽量一致，使用双比较器而不是两个单比较器。

细心的你可能发现了LM393的8脚(+5V)与地线之间接了个小电容，没错，这是电源上的滤波电容，用于滤除电源上的高频噪声。你可能还发现了LM393没有和我们模拟电路实验课上一样使用负电源，电路是单电源连接方式。运算放大器(比较器)本身没有单双电源的区分，这里需要考虑的是运算放大器的共模输入电压范围。LM393供电取+5V也有此考虑。

图3 传感器信号整形电路

3、显示电路

电路采用6位数码管显示信息。为得到较高的亮度以适应室外使用条件，采用静态显示。数码管内部的发光元件为LED，LED是非线性元件，FPGA的输出为电压型，所以必须要串联电阻以限制通过LED的电流（限制流出FPGA引脚的电流）。FPGA的每个IO最大可驱动15mA的电流。

FPGA输出高电平电压V OH为3.3V，数码管内部LED导通电压V R约为2V，取数码管每段电流为5mA，可算得限流电阻R= (3.3 - 2) / 5 = 0.26kΩ，取标称值270Ω的电阻，电流为(3.3 – 2) / 270 = 4.8mA < 15mA。1 个限流电阻上的功率P= (3.3 - 2)2 / 270 = 0.006W <

0.05W(最小功率电阻的允许耗散功率)，所以可不考虑电阻发热问题，可以任选小封装的元

件。

图4 显示电路

测速仪主要以电池供电，当有外接电源时，外接电源对电池充电。FPGA核心板约耗电50mA，模拟电路耗电10mA，显示部分耗电约240mA，总耗电300mA，选用6V/1.3Ah 的铅酸蓄电池，充满电可持续工作超过4小时。为能快速充电，外接电源应能提供1A以上的电流，电压9V~12V。

电路如图5所示，Q1与Q2、R1构成恒流电路，将最大充电电流限制在0.7A左右，TL431是电压基准芯片，提供2.5V参考电压，运放U1A对电池电压和参考电压进行比较，输出信号至功率晶体管Q1，控制充电状态。在充电的初始阶段，充电电流I CHG约为0.7A，R1上的功率P R1 = (I CHG)2×R1 = (0.7)2×1 = 0.49W. 比P R1大并且最接近P R1的电阻标称功率是0.5W，但是采用0.5W电阻的话，功率余量太小，为保证电路可靠，R1取标称值为1Ω/1W的。

双色发光二极管LED3是电池状态指示灯，红灯(橙红，根据电流设置，红绿同时亮时，红色光成份更多)表示电池电量低(如有外接电源，则同时表示正在充电)。充满电时U1A输出低电平，Q3关断，LED3红色管芯熄灭，LED3显示绿色，在即将充满时，红色管芯电流减小，LED显示由橙红色至黄色过渡为绿色。

运放U1B是电池低压检测电路，当电池电压低于5V时，U1B输出高电压通过D5对LED3供电，使双色LED的红色管芯点亮(此时U1A输出高电平，Q3导通)。LowPower接至FPGA告知系统电压低以采取低功耗措施。二极管D1/DS1防止外接电源无电时电池倒灌。DS2是钳位二极管，它可以使LowPower点最大电压为3.3V + 0.3V = 3.6V (FPGA的端口的最大电压)，以免FPGA端口过压而损坏。R12是使DS2钳位时电流不致过大的限流电阻。

电池长期在系统中，为使测速仪不开机也能充电，电池分压电阻直接接到电池上。为了减小电池的“漏电”，分压电阻尽量取大。关机时，通过分压电阻的放电电流Ioff = 7.2V / 300kΩ= 24μA，1.3Ah / 24μA = 54166h = 2256天= 6年。由于一般铅蓄电池的维护间隔通常小于6个月，所以分压电阻的漏电不会对蓄电池构成影响。

图5 电源电路