嵌入式论文

1引言

1.1论文研究背景及意义

现今社会测试成本不断增加，测试系统也越来越复杂、测试人员环境的改变、智能设备的兴起，导致原来方便的PC机犹如传统仪器一样笨重，不方便即时的测量特性参数。我们本次设计的基于Android的晶体管特性曲线设计虽然没有达到工业化的稳定级别，但是经过测试，其稳定性已经接近市场上传统的晶体管测试仪的准确度。其小巧方便的外形和Andro id平台丰富的界面显示。使得本设计的未来发展趋势很好，符合TI提出的仪器趋于虚拟化的要求，符合现在的发展趋势。

1.2晶体管图示仪发展简史及趋势

晶体管图示仪是科研人员和技术人员为了了解三极管的特性参数所开发的显示仪器。它能显示三极管的输出和输入特性曲线，帮助科研人员和技术人员了解三极管的特性，在应用中找到最合适的三极管。传统的晶体管图示仪是由物理器件搭建而成，通过用户手动改变基极电流和集电极扫描电压范围来测试三极管的特性参数，然后在荧光屏幕上显示。如图1-1所示即为传统的晶体管图示仪器。

图1-1 传统的晶体管测试仪

传统的晶体管图示仪体积庞大，按钮繁多。使用起来非常不方便，后来TI提出了虚拟仪器的概念，通过现在精准的AD采集模块和软件的物理量回归，把回归后的数据在事先编写好的程序上显示。替代原先的物理仪器，大大的降低了传统仪器所占用的空间和仪器的使用难度。随着虚拟仪器的普遍性，传统仪器所暴露出来的缺点越来越多。现在本设计就是基于Andr-oid 平台而开发的虚拟仪器，用于测量晶体管特性参数。以后的趋势会越来越趋于智能设备，精确的AD采集和优质的画面显示。会使得科研人员和技术人员更加好的使用晶体管，更优化的开发产品。

1.3 Android智能设备在测量上的应用

在近几年，研究生和公司的研究方向有一部分是朝着Android智能设备测量的方向走。科研讨论会上，演示人员通过两个夹子夹在双手中指上，再通过身边的Android系统的智能手机，显示了演示人员实时的心跳图。其原理是通过传感器采集身体上微弱的心电信号，通过隔离和放大后经过蓝牙传送给手机平台。手机经过后台的运算，把运算后的结果显示在手机界面上。这样就实现了一个Android智能设备上的测量应用。我们的三极管特性曲线测量也采用了这种方法。

1.4 论文内容概要

1.4.1 论文的主要研究内容

本论文主要研究内容分为硬件电路、软件系统和显示系统搭建三个方面。具体研究内容如下：

1）晶体管测量电路的搭建。

2）晶体管集电极电流的采集电路搭建。

3）数据的通信方式。

4）如何在Android平台显示。

5）采集数据的精确性。

2晶体管图示仪系统方案

2.1 系统结构

本设计整体结构包括硬件系统、下位机软件系统、上位机软件系统和Andr-oid手持设备。这四个结构组成了本设计的晶体管图示仪。图2-1描述了整个系统结构的原理。细致结构分为电源模块、控制面板、基级阶梯波电流发生器、集电极扫描电压发生器、测量电路及蓝牙通讯模块等模块构成。

图2-1 晶体管特性曲线测量系统总框图

2.2 晶体管图示仪系统方案

2.1 晶体管图示仪测量原理

晶体管共发射极输出特性曲线是描述基极电流IB为特定常量时，集电极电流IC与集电极和发射极之间的电压UCE之间的函数关系，即

对于每一个确定的IB，都有一条确定的曲线与之对应，因此当IB改变时，相应的曲线亦随之变化，进而输出特性是一族曲线。

2.3系统硬件组成

本设计硬件系统主要通过Cortex-M0+主控芯片控制，通过Cortex-M0+主控芯片产生集电极扫描电压和基极阶梯波电流。具体原理参见第三章系统硬件设计和第四章系统软件设计。本设计硬件系统主要难点在于集电极扫描电压和基极阶梯波电流的产生，在设计的时候为了能达到晶体管图示仪的要求，加强了调理电路使得电压的稳定性得到提高，输出的集电极电流比较稳定。采集电路方面，运用了Cortex-M0+主控芯片自带的A/D模块，其精度达到16位采样精度。采集到的集电极电流精度非常高，滤波后显示出来的曲线干扰很低，线条很平滑。符合晶体管图示仪的基本要求。

曲线的显示采用Android平台，Android平台现在普遍用于很多智能手持设备上。几乎人人都有一部或一部以上的智能手持设备。通常智能手机都配备蓝牙设备，只要下载应用程序，

与本设计的晶体管图示仪通过蓝牙连接。即可在任何Android设备上显示晶体管输出特性曲线。本设计具有功耗低、方便携带和显示精度高等优点。硬件系统中很多采用了最新的数控电位器和数控开关。比以往的晶体管图示仪更加智能化，下面章节会具体介绍硬件系统的实现。如图2-3。

图2-3 硬件系统流程图

2.4系统软件方案

本设计的软件方案针对于Cortex-M0+主控芯片程序的编写和Android平台应用程序的编写。Cortex-M0+主控芯片内部程序主要是控制数字电位器、机械开关器、采集数据、产生集电极扫描电压和传输数据等任务，第四章会详细介绍。控制框架图如图2-4所示。软件电路的搭建完成使得硬件电路产生我们需要的。对于嵌入式开发，硬件和软件是结合一起的。通过对软件和硬件的构造，才能完成任务。

图2-4 控制框架图

A ndroid平台上的应用程序实现了虚拟晶体管图示仪的显示。应用环境的方便性和通用性,使得我们所开发的晶体管图示仪即精准又方便。针对开源的And-roid平台发展的趋势，慢慢会趋于在智能设备上开发虚拟仪器。其Android平台上运用了蓝牙的库和绘制表格的库。

3. 微控制器MCU

M CU（微控制器）是单片微型计算机（单片机）的简称，是指在微小的芯片上包含中央处理单元（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器及多种输入输出（I/0）接口的比

较完整的数字处理系统。图3-1给出了典型的MCU组成框图。

图3-1 一个典型的MCU内部框图

基极阶梯波电流发生器为晶体管输出特性曲线的测量提供工作基础，其性能的好坏对曲线的准备性起到关键作用。从图3-4可知，基极阶梯波电流发生器电路由电压基准、极性转换、V/I转换三部分电路组成。

集电极扫描电压发生器由D/A模块、功率放大等电路构成。对于测量三极管的输出特性曲线提供了集电级电压。随着集电级电压的改变，IC也随之改变。当三极管在饱和区时，I C不仅与IB有关，而且明显随UCE增大而增大；三极管达到放大区后，IC就只与IB有关系，与UCE无关了。足够大的UCE为输出特性曲线的描述起关键作用，如果UCE太小那么放大区曲线就太短，放大区不明显。不能很好的了解三极管输出特性曲线。下面将介绍集电极扫描电压发生器的搭建，硬件电路图如3-8所示。

图3-8 集电极扫描电压发生器

4.微控制器软件设计

4.1编译环境

本设计微控制器的软件开发语言使用的C语言，开发环境是飞思卡尔推出的免费开发环境CodeWarrior。CodeWarrior最新版本为10.5，可以在飞思卡尔官网下载。本设计使用的是CodeWarrior10.4，相对于刚刚出来的版本较为稳定和熟悉。

4.2微控制器与MCP41100通信

4.2.1 通信接口基本原理

通信接口是指中央处理器和标准通信子系统之间的接口。在本设计使用的KL25上，提供了SPI、I2C、USB和UART四种通信接口。因为我们使用的数字电位器MCP41100的通信方式是SPI通信。所以我们根据KL25上的SPI模块进行编程。通过了解其寄存器的配置方法和通信协议，来与MCP41100进行通信。从而达到控制MCP41100输出的电阻值来改变基极电流的作用。

4.2.2 蓝牙通讯模块设计