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基于单片机控制的智能电表抄表系统

摘 要

近年来，随着单片机成本的降低、通信技术的快速发展以及通信技术的多样化，单片机控制结合通信技术，被越来越频繁的运用到人们的生活中。随着我国电网建设不断的深入进行，家用电表数量急剧上升，传统的人力抄表方式费时效率低，而且准确性不高，这个传统的方式已经不符合当今电力改革的要求，研究出智能电表抄表系统是必然的趋势。
本论文研究的是“基于单片机控制的智能电表抄表系统”。电表抄表系统采用ST意法半导体单片机STM32F103C8T6和电力载波通信芯片ST7540，以及电力载波电路和电平转换电路等外围电路。在单片机控制下，结合FSK调制解调通信技术的电表抄表系统的硬件和软件实现，绘制对应的电路原理图并且实现、编写单片机代码和反复进行软硬件调试等一系列的相关工作，最终做成抄表电路板和软件管理系统。该系统具有可靠性高、可扩展性强、成本费用低、计量准确等特点。主要用于电能信息的自动抄录，实现了居民住宅的电量自动检测、收费和管理。

关键词：智能电表抄表系统；单片机STM32F103C8T6；ST7540；MAX232
Abstract

In recent years, with the rapid development of communication technology, the diversification to reduce chip cost and communication technology, microprocessor control with communication technology, is more and more frequently used in people's lives. With the deepening of China's power grid construction has been a sharp rise in the number of household electric meter, meter reading, human traditional time-consuming low efficiency, and the accuracy is not high, the traditional way can not meet the requirements of the reform of electric power, smart meter reading system is the inevitable trend of.
The research of this paper is the "smart meter reading system based on single chip microcomputer". Automatic meter reading system based on ST single chip microcomputer STM32F103C8T6 and meaning law semiconductor power load and power line carrier communication chip STM7540, circuit and voltage conversion circuit and so on. Under the control of the microcontroller, combined with the automatic meter reading system B-PSK modulation and demodulation of communication technology, the realization of hardware and software, circuit schematic drawing, and the corresponding program and repeated debugging of hardware and software of a series of related work, and ultimately make the meter reading circuit board and software management system. The system has high reliability, scalability, low cost, accurate measurement etc.. Mainly used in automatic transcribing electricity information, the automatic detection, residential electricity charge and management.

KeyWords：The smart meter reading system;  STM32F103C8T6 MCU;  ST7540; 
MAX232

目 录
1 绪论 1
2 总体方案设计 3
2.1 电表抄表系统功能介绍 3
2.2 电路模块设计 4
2.3 电路所涉主要元器件的功能介绍 5
2.3.1 STM32F103C8T6单片机芯片 5
2.3.2 ST7540电力线载波modem芯片的使用 8
2.3.3 MAX232电平转换芯片 18
3 硬件电路的设计 20
3.1 电路设计软件Cadence 介绍 20
3.2整体电路原理图 21
3.3各个电路模块设计解析 21
3.3.1晶振电路 21
3.3.2复位电路 22
3.3.3单片机启动模式选择电路 23
3.3.4 TTL/RS232电平转换电路 24
3.3.5单片机代码烧录电路 25
3.3.6 I2C访问EEPROM电路 25
3.3.7发送有源滤波电路 26
3.3.8发送无源滤波电路 27
3.3.9接收无源滤波电路 28
4 软件设计 30
4.1 单片机与ST7540的程序设计 30
4.1.1 ST7450初始化 31
4.1.2 写数据 31
4.1.3 读数据 32
4.1.4 解析数据帧 33
4.2 单片机与PC之间的通信 34
4.2.1 读数据 35
4.2.2 写数据 36
4.2.3 解析帧 37
4.3 读写电表数据 37
4.3.1 读电表数据程序 37
4.3.2写电表数据程序 38
5 软件调试 39
5.1软件调试使用的工具 39
5.2软件调试遇到的问题 39
5.2.1单片机与PC串口连线问题 39
5.1.2串口数据乱码问题 40
结 论 42
参 考 文 献 43
附录A 整体电路原理图 44

1 绪论
电力线载波通信是电力系统特有的通信手电，它以电力线作传输媒介，不需另外架设通信线路，电力线结构坚固，作为通信媒介使用可靠性很高、能与电力网建设同步等独有的有点。
通过电力线载波通信方式传送信息，其历史可追溯到20世纪初期；到20世纪中期，低频高压电力线通信技术已广泛用于监控、远程指示、设备保护以及语音传输等领域；我国从50年代开始引进苏联和捷克的载波设备，主要是满足生产调度的需要。20世纪50年代后至90年代早期的三十多年，电力线载波通信开始应用在中压和低压电网上，其开发工作主要集中在电力线自动抄表、电网负载控制和供电管理等领域；值得注意的是，在70年代期间，半导体技术迅速普及，在各个电子应用领域已经逐渐取代了体积大，功耗高的电子管，电力线载波机从电子管式向晶体管式转化也势在必行。20世纪90年代后期至今，电力线载波通信开始研发Internet应用产品，并取得试验应用【1】。
八九十年代以来，我国在电力事业方面，不管是理论研究，或者是操作实践都在不断地取得突破，电网的规模越做越大，各种电站、机组、超高压线路不断增加。我国研究技术虽然起步比较晚，但是发展的速度还是非常可观，有如下几方面：
（1）我国建设拥有全世界长度排名第二的电力输电线路，为将来发展电信互联网提供了坚实的基础。
（2）可实现载波电路长达1053km的两换流站的运行数据控制信息的传输。
（3）电力载波通信部分实现了“五化”，即频谱标准化、产品系列化、功能模块化、器件集成化、监测微机化。
（4）数字式电力线载波机( DPLC——Digital Power Line Carrier) 的开发研制也取得了实质性的进展。
传统低压电力线载波通信一般采用频带传输，利用载波调制将携带信息的数字信号的频谱搬移到较高的载波频率上。
基本的调制方式分为幅值键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。对于低压电力线载波通信而言，FSK系统要求传输带宽比较大，一般用于低速数据传输，PSK系统的综合性能最好，因此在载波通信技术中得到了广泛的应用。但ASK系统由于误码率指标很差，在实际中应用较少。
电力线载波通信技术发展现状存在的问题【5】：
（1） 电力线对数据传输的限制表现在配电变压器对信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。
（2） 三相电力线间有非常大的信号损失（大约在10dB-30dB），但一般只能在单相电力线上传送。
（3） 电力线信道本身存在严重的频率选择和噪声干扰。
电力线如今所表现出来的高衰减，高噪声，高失真等缺点，对于现今电网复杂程度越来越高、对载波通信质量的标准也不断提升，传统的技术已经没办法适应高速路、大容量的要求。
在国外，智能抄表系统技术起步的比较早并且研究深入，技术已经成熟，而我国的国情不同，不能照葫芦画瓢。虽然也有不少这方面的研究，但是技术限制还是非常大的。鉴于电力线载波通信存在的问题比较严重和复杂，本文研究的智能电表抄表系统是基于电力线载波通信技术上，加上相应的软件程序开发设计，使系统运行相对稳定，更重要的是电表计量的准确性方面的提高。
本文设计的系统优点：
（1）系统采用一对多的通信模式，PC管理平台作为主节点,其他终端节点为从节点,多，所有的控制命令都是通过主节点发出，相应的节点回应映，避免了通信冲突的问题，同时简化了复杂通信中的侦听冲突等问题。
（2）本系统按照一定的格式定义了PC和主板卡，以及主板卡和从板卡间通信数据帧，大大提高了通信可靠性，也为日后功能扩展提供了方便。
社会在发展，技术在更新，想象一下现在只要在控制中心电脑里，敲入一指令，就能将某个小区或者某一栋楼里用户家中的电表读数传回来，这是一个多么方便的事情。电力的抄表工人不用顶着太阳或冒着大雨在恶列的环境中挨家挨户去抄表,同时杜绝错抄，故意抄少抄多等个人行为。也为企业节省成本,提高效率。
所以本论文正是研究基于单片机控制抄表系统的设计与制作，希望这一研究能使实际生活变的更加便利和工作更有效率。

2 总体方案设计
2.1 电表抄表系统功能介绍

图2.1功能实现框图

抄表系统所具备的基本功能（见图2.1），详细功能介绍如下：
（1） 调制解调：通过ST7540芯片将单片机传过来的数据调制成B-PSK制式,并传到电力载波模块中或将电力载波传过来的数据解调，解调后传到单片机。
（2） 电力载波：首先电力载波是指以电力线为传输媒介载体,并在其上进行数据信息传输的一种通信方式,这里我们通过ST7540调制后的数据放到电力线上以及从电力线上接收数据信息通过ST7540进行解调。
（3）终端（电表）: 将当前的数据保存到EEPROM中，便于单片机读数，且掉电不会丢闪。
（4）抄表管理系统：安装在PC机上的管理软件，是抄表中心用来管理用户电表数据和发送指令的统一管理平台,管理平台是一个比较复杂的系统，这里使用串口助手来代替，可以在串口助手写入发送数据以及显示接收到的数据。
2.2 电路模块设计
根据图2-1的功能框图，可制定出相应的电路模块（见图2.2）。

图2.2电路模块设计框图

以上各个电路模块介绍如下：
（1）5V电源电路：为单片机、和ST7540提供所需的稳定5V工作电压。
（2） 外部8M晶振电路：给单片机提供工作频率，频率越高执行速度越快，但是这也是有上限的，当然也可以去掉这部分的电路，使用用单片机内部晶振。
（3） 复位电路：产生reset信号，单片机收到该信号之后，重新初始化，从头开始运行，相当PC机的的重启。
（4） 单片机烧录电路：将编译好的二进制程序通过烧录器写到单片机中。
（5） ST单片机：运行烧录的程序，是整个系统的控制中心。
（6） 电平转换电路：将单片机串口输出CMOS/TTL电平转为R232电平。
（7） PC机: 通过串口与单片机连接，接爱单片机传过来的数据，并向单片机发送指令。
（8） EEPROM读写电路：单片机通过i2C协议将eeprom里电表数据读回来,这里假设终端(电表)将数据存放在eeprom中。
2.3 电路所涉主要元器件的功能介绍
2.3.1 STM32F103C8T6单片机芯片
一、STM32F103C8T6介绍
电路中MCU采用 ST(意法半导体)单片机芯片STM32F103C8T6（见图2.3）。

图2.3 STM32F103C8T6
STM32F103C8T6【2】是ST公司103系列中的一个成员，使用LQFP48封装，顾名思义只有48只pin脚,它的内核使用的是ARM的Cortex™-M3内核，该内核ARM最新一代的嵌入式微处理器，它进一步降低了MCU的功耗和缩减的引脚数目,同时提供选择低成本的平台，与此同时拥有了卓越的计算性能和先进的中断系统响应。STM32F103C8T6是32位的ARM RISC处理器，它提供高效的代码效率，在8和16位系统的存储空间上充分发挥了ARM内核的高性能。STM32F103C8T6最大工作频率72MHz,片内集成了20k SRAM , 比起51单片机速度上快了很多,同时它具有64K 片内flash非易失性存储器，一般将重要的数据保存到flash中，就算突然断电，数据也不会丢失。STM32F103C8T6具下以下的标准功能：3个USART、 3个16位定时器和1个高级定时器、2个SPI、2个I2C、1个USB、1个CAN、1 个PWM定时器、1个ADC。另外STM32F103C8T6支持三种低功耗模式: 如睡眠模式、停机模式、待机模式。同时支持DMA,允许存储器到存储器、设备到存储器和存储器到设备的数据传输,通常运用于SPI、I2C、USART等。
二、 STM32F103C8T6各引脚介绍

图2.4 STM32F103C8T6引脚排列
STM32F103C8T6引脚排列、芯片采用LQFP48（见图2.4）
（1） VDD_x: 2.0～3.6V直流电源。注:x是指芯片多个VDD分别用1,2,3.....来区分。
（2） VSS_x：接地或者电源负极。
（3） VDDA：模拟电源,电压在2.0～3.6V之间，主要作用是为ADC、复位模块、 RC振荡器和PLL的模拟部分提供供电。使用ADC时， VDDA不得小于2.4V。 VDDA和VSSA必须分别连接到VDD和VSS。
（4） PD0_OSC_IN,PD1_OSC_OUT:即OSC_IN和OSC_OUT分别连接外部晶振和输入端和输出端。当使用内部晶振，因为该MCU使用的是48脚，所以这两个PIN脚各连接10K电阻接地(此方法可提高EMC性能)或者分别重映射OSC_IN和OSC_OUT至PD0和PD1，再配置PD0和PD1为推挽输出并输出'0'。此方法可以减小功耗并节省2个外部电阻。
（5）NRST:异步复位脚,NRST输入低电平的时，MCU处于复位状态，重设所有的内部寄存器，及片内几十KB的SRAM,NRST从低电平变高时，PC指针从0地址开始。
（6）BOOT0和PB2(BOOT1):启动运行模式,有三种：1.在片内的flash中运行。2.在片内的SRAM中启动运行。3.外部flash启动运行。这里直接将BOOT0连接电阻接高，也就是在片内的flash中动启动运行。
（7）RST：复位脚,高电平有效。单片机上电时，晶振向RST脚连续提供2 个机器周期高电平复位单片机。另外看门狗计时溢出后，连续向RST 脚输出高电平,复位单片机。
（8）PA2: 1.作为USART2_TX同步/异步发送器，接口的通信速率可达2.25兆位/秒。 USART接口具有硬件的CTS和RTS信号管理、支持IrDA SIR ENDEC传输编解码、兼容ISO7816的智能卡并提供LIN主/从功能。2.作为ADC12_IN2，表示表示这个引脚可以是ADC1_IN2或ADC2_IN2的模数转换器 3.它也可以作为TIM2_CH3，定时器2的第三通道。
（9）PA3: 1.作为USART2_RX同步/异步收接器，与PA2一起组合成完整的一对串口通信。2.作为ADC12_IN3，表示表示这个引脚可以是ADC1_IN3或ADC2_IN3的模数转换器 3.它也可以作为TIM2_CH4，定时器2的第四通道。
（10）PA9:同PA2,不同的地方是，它作为USART1_TX通信速率达到4.5兆位，但不具有ADC功能。
（11）PA10:同PA3一样，与PA9一样不具有ADC功能。
（12）PB6：1.I2C1_SCL 作为I2C的时钟控制线。2.TIM4_CH1 作为定时器4的第一通道。
（13）PB7: I2C1_SDA可作为I2C的数据线。TIM4_CH2作为定时器4的第二通道。
（14）PA13: 带上拉的输入 1.JTMS 作为JTAG烧录数据输入脚，配合JTCK可实现调式，程序烧录到单片机。2.SWDIO功能和JTMS相同，它主要用于SWD模式下。SWD 模式比 JTAG 在高速模式下面更加可靠。 在大数据量的情况下面 JTAG 下载程序会失败, 但是 SWD 发生的几率会小很多。所以一般建义用SWD模式。
（15）PA14:带下拉的输入 1.JTCK 作为JTAG的时钟输入线,需要和JTMS一起使用2.SWCLK作为SWD模式下的时钟输入线，同样需要配置SWDIO才能使用。
（16）Pxx:默认作为普通的I/O，电平为CMOS,但兼容TTL电平。注：xx是指A~~E。
2.3.2 ST7540电力线载波modem芯片的使用
ST7540【3】由意法半导体简称ST,设计生产的新型电力线通信收发芯片,它向上兼容了上一代的芯片ST7538,并且它支持EHS和KONNEX(EN50090)等多种独有或开放的FSK调制技术通信协议。ST7540主要应用于家庭和工业等领域。例如供电公司集中式远程智能抄表业务以及家电控制等。 该芯片内包括输出电流和电压控制回路,用来保证数据能够安全和可靠地传输。同时ST7540芯片内部集成了功率放大器和可选的多种附加功能,功能非常强大。其实物图见图2.5。

图2.5 ST7540实物图

一、 引脚说明（见图2.6和表格2.1）：

图2.6 ST7540引脚排列

序号
名称
类型
描述
1
CD_PD
数字输出
载波信号侦头检测输出、
1没有载波信号或者侦头检测输出
0有载波信号或者侦头检测输出
2
REG_DATA
内部断开下的数字输入
1 为控制寄存器  
0为主控制器
3
GND
供给
数字接地
4
RxD
数字输出
RX数据输出
5
RxTx
内部打开时的数字输出
1为RX session 0DX session
6
TX
内部断开下的数字输入
TX 数据输出
7
BU/THERM
数字输出
1为信号编程 
 0在TX模式下没有信号编程
8
CLR/T
数字输出
同步主存取时钟或者控制寄存器时钟
9
VDD
电源供给
数字供给电压或者3.3V电压控制输出
10
MCLK
数字输出
主时钟输出
11
RSTO
数字输出
电压打开或者 检测器复位输出
12
UART/SPI
内部断开下的数字输入
接口类型 串行外围接口
0  通用异步接收器/发送器接口
13
WD
内部断开下的数字输入
检测器输入。内部检测计数器在下界电压线是清零
14
PA-IN
模拟输入
电力线放大器反相输出
15
PA-OUT
电压输出
电力线放大器输出
16
VSS
供给
电压模拟接地
17
VCC
供给
电压源
18
PA_IN
模拟输入
电力线放大器无反相输出
19
TX_OUT
模拟输出
小信号模拟传送输出
20
SVSS
模拟输出
模拟信号接地
21
X1
模拟输出
晶体震荡器输出
22
X2
模拟输入
晶体震荡器输入或者内部时钟输入
23
VSENSE

24
CL

电流限制反馈在CL和SV之间的电阻来设置当前的电流值在这个引脚上为综合80pf滤波输入电容
25
RX_IN
模拟输入
模拟输入接收端
26
VDC

5V电压调节器
27
TEST1

测试投入时必须接地
28
TEST2
模拟输入
测试投入时必须接SV端
表2.1 引脚说明
二、ST7540的特征：
（1）采用单电源：工作在7.5～12.5V,内部集成线路驱动器和5V,3.3V两个线性调整器,电流高达50mA,数字电压为3.3V或5.0V。
（2）ST7540具有非常低的功耗,静态电流5mA。
（3）控制方面：ST7540芯片工作通过内部寄存器控制和同步串行接口来编 程。
（4）ST7540带有看门狗定时器、时钟输出、输出电压和电流控制、载波或前同步检测、可暂停工作和使用等功能。
（5）除了(4)提到的功能之外，ST7540还带有8个可编程发送频率,可编程
波特速率最高为4800B/s,接收灵敏度可达500μV(rms),同时具有UART/SPI主接
口,并且向下兼容前期的电力线收发芯片ST7538和ST7537,大大方便了用户的使用和升级。
（6）ST7540内置了很多模块，如：自动电平控制、电压及电流控制模块、振荡器模块、串行接口模块、滤波器、FSK调制解调模块等等。
三、应用范围：
电力抄表，城市路灯控制、工业现场数据传输、断缆监测，智能家电控制，楼宇智能灯光控制，消防及保安系统，舞台灯光音响控制,家电控制器等等。
四、工作原理:
1.与主机相关
表2.2 串口交换数据

REG_DATA
RxTx
数据传送
0
0
数据接收
0
1
控制寄存器读出
1
1
控制寄存器写入
1
0

1.1 ST7540与主机之间主要是通过串口来交换数据。REG_DATA和RxTx管脚主要控制管理数据的传输，RxD,TxD和CLR/T管脚传输数据。ST7540有四种工作模式：
(1)数据接收
(2)数据传送
(3)控制寄存器读
(4)控制寄存器写
1.2 ST7540与主机的两种通信接口方式【6】
SPI:管脚UART/SPI为低电平(0)时，RX和DX被选作SPI类型,工作于异步工作模式。
UART:管脚UART/SPI高电平(1)时，RX和DX被选作UART类型，主机和ST7540工作于同步工作模式。
另外当管脚REG_DATA=0和管脚RXTX=1时，ST7540处于接收工作模式。当没有数据传输时，管脚RxD处于空闲状态。RxD当前值取决于管脚UART/SPI，UART/SPI为”0”，它为”0”；UART/SPI为”1”,它为”1”。最后UART接口允许被连接到一个UART兼容设备而SPI接口允许被连接到一个SPI兼容设备。
1.3 异步工作模式:
在异步模式下,数据交换没有任何数据时钟参考。主机控制器在接收模式必须恢复时钟参考和在传输模式控制比特时间。如果RxTx线设置为“1”和 REG_DATA = " 0 "(数据接收),ST7540进入空闲状态。在TCC时间后，芯片将接收到的数据到RxD接收线上。如果RxTx线设置为“0”和 REG_DATA = " 0 "(数据),ST7540进入空闲状态,传输电路开启，TCC时间后，芯片将TxD线上的数据传送出去。连接图（见图2.7）：

图2.7 异步工作电路图

1.4 同步工作模式：
在同步模式ST7540的一直是通信主体。并通过CLR / T线的提供参考时钟。当ST7540的处于接收模式有内部的PLL恢复的时钟参考。在CLR /T上升沿时，RXD处于稳定状态。
当ST7540处于传送方式,并且是内部产生参考时钟，在CLR /T是上升沿时接收TXD线上的数据。如果RxTx=“1”和reg_data =“0”（接收数据），ST7540的进入空闲状态和CLR / T线置于低电平。在Tcc时间后，通过芯片接收到RXD线上的数据。如果RxTx设置为“0”和reg_data =“0”（数据传输），ST7540的进入空闲状态和传输线路接通。在Tcc时间后，将TXD线上数据传送出去。（见图2.8）

图2.8 同步工作电路图
1.5 接收模式
当控制端口RxTx=1且REG_DATA=0时，ST7540芯片处于接收状态。为了保证输入信号在比较低信噪的情况下，仍然拥有很宽的动态范围,信号经滤波后直接从RX_IN端口读入。这个模块中要对输入信号进行滤波,首先需要设置一个中心频率并使用选中的信道频率设定的窄带滤波器。ST7540 FSK【13】解调过程:首先变换信号的频率就是把输入的信号和芯片内置的正弦波发生器产生的正弦波形的频率进行混合，然后将混合的信号送入滤波器进行滤波，最后一步就是进行解调。以上的整个过程一共进行了三次滤波，这样做的目的是更好的减小噪声的干扰。另外ST7540芯片还有一点优势:就是芯片开始接受数据时，这时RxTx=1,芯片内信号发送模块的电路全部关闭，降低芯片的功耗和节省电能,避免电能浪费。内部图（见图2.9）：

图2.9 芯片接收模式内部图

1.6 传输模式
当控制端口RxTx=0且REG_DATA=0时，ST7540芯片处于发送状态。与接收模式不一样的是RxTx=0，与接收模式一样，为了减小芯片的功耗，芯片内将接受模块的电路包括其外界电路关闭，与传输相关的芯片内部FSK调制部分电路找开，使它处于工作状态。芯片内有两种信号传输模式可以由内部开关控制选择：
（1） 同步传输: 在CLR/T时钟信号上升沿时，从TXD端口读入数据并送至FSK调制器，发送时序并不是由主机控件，而是根据芯片内部波特率发送时序控制。
异步传输: 忽略CLK/T端的时序信号, TXD引脚将数据直接发送到FSK调制器。并且频率精度与外部的晶体频率在传输时始终保持相同的，发送时序由主机来管理。内部图（见图2.10）：
图2.10 传输模式内部图

五、工作时序图:
1.同步工作模式
数据接收：RxTx=1和REG_DATA=0，CLR/T高电平变为低电平(下降沿)，ST7540进入空闲状态，Tcc时间后，调制解调器开始将解调后的数据放到RxD线上。
数据发送：RxTx=0和REG_DATA=0，CLR/T高电平变为低电平(下降沿)，ST7540进入空闲状态，Tcc时间后，调制解调器开始将TxDA线上的数据调制之后放到电力线上。通信时序图（见图2.11、2.12）：
接收和发送数据/恢复的时钟定时:

图2.11 同步时序图-1
数据接收- >数据传输->数据接收:

图2.12 同步时序图-2
2. 控制寄存器访问时序图（见图2.13、2.14）:
控制寄存器访问只能使用同步方式，其中RxD,TxD与CLR/T及REG_DATA与主机链接。
数据发送：RxTx=0和REG_DATA=0，TxD数据首先发送到控制寄存器最高有效位即MSB，CLR/T上升沿时采样TxD,同时REG_DATA下降沿时更新控制寄存器的最高有效位，最大不能超过24bits,如果超过，只取最后24bits;
数据接收：RxTx=1和REG_DATA=1，CLR/T上升时，控制寄存将最高有效位MSB放到RxD线上，反复运行后，直到接收到控制器寄存器所有的内容。
数据接收- >控制寄存器读->数据接收:

图2.13 寄存器时序图-1

数据接收- >控制寄存器写->数据接收:

图2.14寄存器时序图-2

2.3.3 MAX232电平转换芯片
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5v单电源供电。

图2.15 MAX232实物图
一、引脚介绍（见图2.16）： 

图2.16 MAX232芯片引脚排列
第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。  
第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。  
第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。
二、主要特点： 
(1)符合所有的RS-232C技术标准    
(2)只需要单一 +5V电源供电。  
(3)片载电荷泵具有升压、电压极性反转能力，能够产生+10V和-10V电压V+、V- 
(4)功耗低，典型供电电流5mA    
(5)内部集成2个RS-232C驱动器。
(6)内部集成两个RS-232C接收器。
三、主要运用:
用于单片机和PC机通过串口进行通信,虽然单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过max232这种类似的芯片进行电平转换。

3 硬件电路的设计
3.1 电路设计软件Cadence 介绍
Cadence是一个大型的EDA软件，它几乎可以完成电子设计的方方面面，包括ASIC设计、FPGA设计和PCB板设计。Cadence在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着绝对的优势。Cadence包含的工具较多几乎包括了EDA设计的方方面面。下面主要介绍其产品线的范围。我们这里主要用到cadence电路设计软件orcad capture cis（见图3.1）。

图3.1 Cadence软件界面

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3.2整体电路原理图
Orcad capture cis软件设计好的电路原理图见附录1。
3.3各个电路模块设计解析
3.3.1晶振电路
晶振电路的作用: 为单片机提供工作时钟信号(外部)。为了使各部分保持同步，通常整个系统都是共用一个晶振。但是有些通讯系统的基频和射频使用了不一样的晶振，可以通过电子调率的方法保持同步。晶振电路一般要和锁相环电路一起配合使用，给系统提供所需的工作时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用用同一个晶振相连与不同锁相环来实现。这里我们使用了两个独立的晶振电路:
(1)单片机STM32F103C8T6晶振电路连接OSC_IN和OSC_OUT两个脚，提供8MHz的工作频率图（见图3.2）：

图3.2 晶振电路

(2) ST7540晶振电路连接OSC_IN和OSC_OUT两个脚，提供8MHz的工作频率图（见图3.3）：

图3.3 晶振电路

其中如图3.2单片机STM32F103C8T6晶振电路多一个电阻，这个就是反馈电阻，是为了使反相器输入端的工作点电压稳定在VDD/2，当振荡信号反馈在输入端时，可以使得反相器工作在适当的工作范围。如果将这个电阻去掉，振荡电路仍能正常工作。但示波器上显示振荡波形和原来的不一样了，这就有可能会造成振荡电路由于工作点不合适停振不工作。所以一般情况下不可以省略此电阻。该电阻主要是使逻辑反相器的器件工作在线性区获得增益, 因为在饱和区域是没有增益的, 这就意味着无法振荡的。如果使用芯片内部的反相器来作振荡,那么必须外接电阻,如果是CMOS可以用1M以上,相对于CMOS,TTL比较复杂,这就需要视不同类型(S,LS...)而决定。但是如果芯片已经指定的晶振引脚,象在某一些微处理器中, 通常是不需要添加的, 因为处理器内部已经集成了。
3.3.2复位电路
复位电路（见图3.4），就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器reboot按钮的作用一样，以便回到开机前状态，重新进行运行。STM32F103C8T6单片机复位信号是高电平(1)有效，通过nRST管脚输入。手动按SW3将产生一个复位信号，单片机”重启”了。

图3.4复位电路
3.3.3单片机启动模式选择电路
通过给单片机STM32F103C8T6的BOOT1和BOOT2管脚置高低电平来，控制自举的模式（如图3.5）。有三种模式可以选择：
（1）当BOOT1 = x 和 BOOT0 = 0,从芯片内置的Flash启动。
（2）当BOOT1 = 0 和 BOOT0 = 1,从芯片内置的RAM区，是指内存启动。
（3）当BOOT1 = 1 和 BOOT0 = 1,芯片内部一块特定的区域(系统存储器)，芯片出厂时厂家默认在某个区域预置了一段Bootloader程序，就是通常说的ISP程序。这个区域也就是ROM区，芯片出厂后不可以再作修改或擦除。单片机从这个区域启动，也即是运行Bootloader程序。

图3.5 启动模式选择电路图
3.3.4 TTL/RS232电平转换电路
TTL电平逻辑1（高电平通常>2.4V）一般为3.3V或者5V,逻辑0（低电平<0.4V）一般为0V,不同的芯片值有所不同。RS232逻辑1=-3V~-15V,逻辑0=+3~+15V。如果不加转换芯片，由于电平的不同会烧坏接口芯片。在这里我们选择了一款比较常的转换芯片MAX232，MAX232通过T2IN和R2OUT这路管脚连接单片机的PA2，PA3口，T2OUT和R2IN与PC串口链接，实现与单片机和PC之间的正常的串口通信。具体电路图见图3.6。

图3.6 电平转换电路

3.3.5单片机代码烧录电路
这里只使用到单片机JTCK和JTMS以及nRST接口，只要和ST-LINK烧录器对应的管脚连接一起就可以实现程序的下载和单步调试,烧录时可以选择JTAG或者SWD模式。具体电路图见