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简单电路设计方案范文1
针对目前课堂教学的现状,提出自主式课题教学法。其基本理念就是改革课堂教学,即在课堂上系统地讲授电路设计方法,而不是仅仅教会学生解题。此外,将学生分成若干个学习小组,给每个小组布置不同的电路模块设计课题,通过完成自己的课题达到初步实践电路设计方法的目的。同时,由于学生都是带着设计课题听课的,这样也会提高学生自主学习理论知识的积极性。具体实施步骤如下:
在课程教学初期,指导学生自由组成学习小组,提供若干模块设计课题供各小组挑选。选定的模块设计任务伴随该小组整个课程学习过程。这个阶段的教学要点如下:①尽量保证学生按照自己的意愿组合形成学习小组,这样小组成员在课题设计过程中才能有较好的默契,相互配合,依靠团队的力量完成设计任务。②该阶段是课程教学初期,学生对各个模块设计课题还不了解,教师应占用一定的课堂时间对课题进行解释和指点,充分激发学生自主学习的积极性,使学生自发地利用课余时间收集资料,选定设计方案。③当学习小组初步完成课题资料的收集和整理后,则安排一次课堂报告,由各个小组制作幻灯片向全班同学汇报其对课题的理解以及初步选定的设计方案,并由任课教师进行点评,指出其下一步工作重点。④模块设计课题应涵盖所讲授课程的各个章节,这样利于在讲课过程中通过讲解各个模块设计方法串联课程各章节的知识点。同时,讲课内容与学生正在进行的设计任务相关联,容易调动学生自主学习的积极性。
在课程教学中期,将模块设计课题融入到各个章节的课堂教学中,教会学生具体的电路设计方法,同时在实验课上指导学生进行电路调试以及指标测试。这个阶段的教学要点如下:①要求各小组通过课堂学习不断改进自己初期拟定的电路设计方案以及元器件参数计算方法。充分体现了自主式课堂教学法的教学理念,即激发学生的学习主动性,从而自主采用课堂讲授方法改进自己的电路设计,使其感受到如何将课堂所学理论知识运用到实际的电路设计中。②向学生灌输团队设计的理念,针对电路设计和调试过程中团队成员间的沟通和讨论,使学生认识到如何进行团队协作,同时在教师和团队间建立畅通的交流渠道,使学生的问题能得到解答,从而有信心完成课题设计任务。③安排课堂报告,各小组制作幻灯片向全班同学汇报课题设计进展,由任课教师对学生的设计进行中期考核并指出下一步工作重点。
在课堂教学后期,对各学习小组制作的模块电路进行验收和总结。这个阶段的教学要点如下:①督促各学习小组做好指标测试工作,验证自己设计的电路是否达到设计要求,同时总结整个设计过程的经验教训。②安排课堂报告,各小组制作幻灯片向全班同学汇报课题制作成果,由任课教师对设计成果进行总结。③各小组提交课题设计报告,详细介绍整个电路设计原理、参数计算过程,并记录系统的性能指标,总结电路调试过程中发现问题、解决问题的经验教训。
自主式课题教学法的应用实例
我们在通信电子线路课上使用了这种教学法。首先,根据整个课程内容设计8个模块的设计课题,将该课程的主要知识点都融合在这几个课题中,课题名称。
第一阶段:由学生自由组合形成学习小组并从这8个课题中选择一个,作为该小组在课程学习期间的设计任务。由小组成员相互配合进行资料收集以及设计方案的论证。在课程开始后的第二个教学周,组织各小组制作幻灯片报告该小组拟定的设计方案以及设计时间安排。需要说明的是,各小组进行方案设计的时候,相应的知识点还没有在课堂上进行系统地讲授,完全由学生先自学各自课题相关基础知识,然后进行资料收集整理,通过内部讨论,最终确定课题的初步设计方案。这个阶段需要学生充分发挥自己的主观能动性去熟悉课题、讨论方案以及确定初步方案。从实际情况来看,学生在这个阶段常常表现出很大的学习积极性,进行方案汇报时的现场气氛也很热烈。此外,由于设计课题涵盖了这门课程的主要知识点,相应课题方案的初步确定过程也是学生对课程知识的预习阶段。这样可以充分激发他们的求知欲,当教师在课堂上讲到相应的知识点时,能抓住学生的注意力,获得较好的教学效果。
第二阶段:主要完成各个章节知识点的讲授,这一阶段应该注意在课上重点讲解如何充分运用教材中的知识完成模块设计课题,让学生意识到,这些书本知识并不是抽象的理论知识,只要稍加变通就可以有效地指导生产实际。例如在讲到求解高频功率放大器的题目时,计算电路输出功率用到公式(1):200cmVPR=(1)其中P0为电路输出功率,Vcm为电路输出电压幅值,R0为电路负载电阻。而在真正设计功放电路时,电路的输出功率及输出电压幅值常常是已知条件(见表1),而具体的电路以及电路中所采用元器件的参数如电阻阻值是需要进行计算的。因此只需要将公式(1)转化为公式(2):200cmVRP=(2)转化后即可用于电路中所采用负载电阻的计算。整个课程讲授过程都要将知识点具体化,让学生意识到,只要将这些公式进行简单的变化(常常是翻转)就可以用于电路设计过程中元器件的参数计算,从而使学生可以一边学习课堂知识,一边将所学知识应用起来,真正做到活学活用。此外,在实验课中要指导各小组的电路焊接以及调试工作,并监督其设计进度,从而掌握学生对所学内容的理解程度。在这个阶段,真正实现了本教学法所强调的理论联系实际,即学生可以做到边学习,边使用,边检验,整个课程的教学效果良好。最后一个阶段是课程的结束阶段,主要做好各小组课题的验收工作,并对各小组所设计的模块进行点评,最后安排一次期终汇报作为整个课堂教学的结束。本教学法已经实践了两年,学生对这种教学法的满意度较高。此外,学生的平时成绩与模块设计课题制作情况挂钩,因此各学习小组都投入了较多精力用于电路模块制作,成功率也较高。并且学生通过电路模块的制作过程也了解到了如何运用课堂所学知识进行电路设计。
简单电路设计方案范文2
关键词：数字B超；时间增益控制；硬件电路
中图分类号：TP399 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）04-0867-03
在超声诊断设备中，由探头产生的超声波在人体组织传播时，由于组织对声波的散射、吸收以及声束自身的扩散等因素，其能量（振幅，声强等）会随距离的增大而逐渐衰减，反射的回波信号也会逐渐减弱，这样在纵向深度上，不同深度的同一组织器官将以不同的灰度值显示，不能反映真实反射体的本质。因此，必须采用时间增益控制器（TGC）补偿超声波在传播过程中的衰减，本质上就是利用一定的电压曲线控制回波放大器的增益，实验表明，人体组织对超声波的衰减呈指数规律，补偿电压曲线也为一条指数函数曲线。
1 方案设计
TGC以一条指数曲线进行增益补偿，但在实际使用中，诊断医生医师需要调整局部增益，以获得更高的图像细节来查看感兴趣的部位，补偿曲线并不是一成不变的，所以，在设计出基础TGC曲线后，需要根据使用情况，以该曲线为基础进行调节，该文采用单片机+FPGA的设计方案，如图1所示。
单片机片内ROM中存储TGC基础曲线波形表，通过偏移量采集电路获取用户对该TGC的控制信息，并在基础曲线上进行重新计算更新波形表，将新的波形表通过IO口以自定义协议传输给FPGA，FPGA将接收到的TGC波形表存储于片内Ram，在B超扫描同步信号的作用下控制DAC完成数模转换，形成模拟电压曲线，再通过放大器调节至压控放大器所需要的电压范围。输出曲线可以通过修改单片机内部基础曲线波形表以及调整算法修正，具有灵活性好的特点。
2 硬件电路设计
2.1 TGC信号发生电路的设计
信号发生电路主要包括FPGA部分的逻辑电路、D/A变换器、放大电路等。FPGA产生对D/A的控制信号，D/A输出STC曲线，再经过放大输出。
系统要求D/A的转换速率至少在4MHz以上，选择TI的TLC5602，该D/A的最小转换速率为20MHz，+5V电源供电，而且功耗极低，典型功耗为80mW，该文中D/A的参考电压为+4.02V，其输出电压范围为4V～5V，所以其电压精度为1/256=4 mV，很好的满足了系统的要求。设计电路如图2所示。
由于D/A的输出范围为4V～5V，而所需要的STC电压调节曲线范围在0～2V，因此需要通过模拟电路将电压变换到0～2V，设计将信号加上-4V后，信号范围为0～1V，放大2倍即得到0～2V，为了提高带负载能力，增加一级电压跟随器，电路如图3所示。
2.2 偏移量采集电路设计
TGC调节有9个，即8个分段调节以及1个总体调节，8个分段调节通过滑动变阻器进行实现，偏移量的采集需要AD完成，该文选择TLC5510集成A/D转换器，AD部分电路设计如图4所示。
由于TLC5510是单通道采样，而所需采集的电压有8个通道，在此采用一个模拟开关CD4051来进行通道选择，以实现对8个通道的分时采样，该部分是模拟电路，对纹波要求比较高，需要考虑将模拟部分与数字部分隔离开来，以提高抗干扰能力。该文采取将电源和地单点相接的方法，用一个零欧姆电阻将模拟电源与数字电源及模拟地与数字地隔开。
由于单片机是3.3V供电，而A/D的输出是5V的电平，控制CD4051也需要5V的电压，因此，设计中采用了74LVC245ADR实现电平转换。74LVC245是一个可以选择电平转换方向的电平转换芯片，当DIR接高电平时候，是从A端的5V转换到B端的3.3V，而当DIR接低电平的时候，是从B端的3.3V转换到A端的5V。
TGC的总体调节由旋转编码器实现。其电路设计如图6所示旋转编码器的A端接在单片机的外部中断管脚上，EB端接单片机普通I/0，采用下降沿触发，当旋转编码器时，会产生一个下降沿的中断，判断B端的高低电平就可以知道是正传或者反转。如果为高电平则为正转，否则为反转。
2.3 单片机与FPGA系统
在该TGC设计方案中，单片机和FPGA是整个系统的处理核心，常用的单片机类型多种多样，考虑到开发的容易和安全性能，采用加密性较强的STC12LE5A60S2单片机，为传统8051单片机划时代升级换代产品，管脚完全兼容，可以直接取代传统89C51/89S51系列单片机，单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8～12 倍。FPGA则选用ACTEL公司IGLOO系列的AGL060，该以Flash为工艺为基础功，可重编程FPGA，不需要配置芯片，上电即可运行，低功耗，安全性高。
3 结束语
采用FPGA和单片机加辅助电路相结合的方式完成数字B超TGC，具有结构简单，易于扩展，灵活性高的特点，电路设计中尽可能采用集成器件具备较好的抗干扰性能，能很好满足应用需求。
参考文献：
[1] 冯若.超声诊断设备原理与设计[M].北京：中国医药科技出版社，1993.
简单电路设计方案范文3
关键词：小功率LED；驱动电源；电路；变压器
1 引言
在全球“节能减排”大背景下，LED作为一种节能型新光源在城市景观、交通指示和公众广告等行业都有着相当广泛地应用。LED具有高效、长寿命、低功耗和安全等优点。LED光源与其他光源主要区别在于LED光源需要一个恒流源驱动电源。
2 方案比较选择
升压式有源功率因数校正方案具有输出电流纹波小、效率高、磁性元器件设计简单等优点。但电路结构复杂、成本较高不适于大批量生产。
反激式有源功率因数校正方案只需要一级就可以实现功率因数校正和输出恒压/恒流的要求。具有电路结构形式简单、成本低等优点。
临界模式在照明和其他低功率应用中很常见，成本低廉，设计简单，适合大批量生产。综合成本、生产性等因素，选用临界反激模式有源功率因素校正方案。
3 电路设计
该电源设计重点为变压器设计，驱动芯片为L6561。本文侧重介绍变压器理论推导和主要参数设计。主要参数包括：输入电压 ＝176VAC～264VAC，输出功率Po（max）＝17W，输出电流Io＝0.34A～0.36A，输出电压 ＝25VDC～50VDC，效率 ≥85%，功率因素PF≥0.95。
变压器设计需进行理论分析，理论分析中所涉及参数及其意义分别如下所示： 、 、 分别为初级、次级与辅助绕组匝数， 为匝比， 为输入功率， 为磁芯电感系数， 为输入电压有效值， 为初级电感量， 为初级电流有效值， 为初级电流峰峰值， 分别为开关管周期、导通时间和关断时间
……输出电压； ……驱动电源效率。
由功率与电压电流关系推导初级峰值电流：
4 变压器主要参数设计
（1）初级电感量设计
L6561芯片最小驱动频率 ,考虑到EMI设计要求，选取 ,综合考虑次级反射电压、初次级电流峰峰值等要求，取 =4， =170V， =51V。根据3.1推论的结论可知：
5实验结果
根据以上设计，制作了原理样机。常温时测试驱动电源参数，当=220VAC，Io=0.355A， =47.8V时，主要测试参数如下：PF≥0.967， ≥86.7%。
6 结论
简单电路设计方案范文4
关键词：单片机 真值表 集成芯片 测试仪
1引言
在高校的教学实验环节中，需要大量使用TTL74,54系列和CMOS4000,4500系列数字集成芯片。目前，市场上存在一种可以对TTL，CMOS数字集成芯片进行检测的工程应用型测试仪，但是其价格较贵，难满足学生人手一台；另外，该测试仪器是面向工程单位的，不能测试实验室中的很多数字芯片。因此，从节约经费、提高利用率的角度出发，本文采用AT89C51单片机设计了集成芯片测试系统。该测试系统能够实现对高校实验室中常用的TTL，CMOS系列芯片的功能检测。同时通过RS232串行口与PC机相连，可以在PC机上直接对测试系统进行操作。
2 设计方案以及方案比较
2.1 设计方案
方案1：以AT89C52单片机，并行扩展接口8155，显示驱动，键盘输入等测试。由图1可知，该测试仪的硬件电路由AT89C52单片机，并行扩展接口8155，显示驱动，键盘输入，看门狗和复位电路以及串行接口电路组成。
方案2：以单片机为核心，配合控制程序和电路测试。如图2所示，该IC测试系统是以单片机为核心，配合控制程序和扩展电路来全面模拟被测芯片的综合功能，通过程序生成所需的激励信号送给待测芯片，并将待测芯片的输出响应与单片机程序中的标准结果进行比较，从而判断被测芯片功能的好坏。
2.3 方案比较
两种方案各有优点和缺点：方案1、该测试仪设计简单，占用硬件资源少，有良好的人机对话功能，便于携带、操作、能够满足课程教学实验的要求，但是操作起来较为麻烦，且对电路要求精确度高。方案2、设计硬件电路简单、成本低廉、性能稳定,具有良好的人机交互界面,在高校学生以及实验室等场合较为实用。相比较来说方案2较为合适。
3 硬件电路设计
本系统以单片机为核心，有键盘、LCD602显示器、电源控制等模块组成。根据系统硬件框图设计出单片机控制系统原理图。根据AT89C51中的P0口与P1口的特点，本设计采用AT89C51的P0口和P1口作为测试芯片的接口。其中，P3 口中的P3.3和P3.0用于控制13和7管脚电源的GND与信号线的转换，P3口中的P3.1和P3.6用于控制14和16管脚电源VCC与信号线的转换。
1）单片机与测试芯片之间需要加510欧的电阻。首先，串接电阻的目的是对AT89C51起限流保护的作用。假设P1.0输出高电平，此时测试芯片又为非门，将引起灌电流现象，只是P1.0口线上的电流非常大，对AT89C51有害；其次，可以保证逻辑电平的正确，在连接线上串接几百欧的电阻而不接几千欧的电阻的原因在于：假设让P1.0为逻辑低电平，这样基极将是高电平，又有P1口上的上拉电阻为3KΩ左右，如果连接线上的电阻也取3KΩ，将使P1.0输出逻辑高电平，此时逻辑电平是错误的；如果连接的电阻为510Ω左右，P1.0口仍然能够正确地输出逻辑低电平，这样就保证了逻辑电平的正确性。
2）测试芯片从14到16管脚时电源管脚位置改变，所以存在供电管脚转换的问题。本设计中P1.0，P0.4，P1.3，P0.7管脚是被转换的对象。用P3.0和P3.3管脚电平的高低来控制P1.3和P0.7管脚接VCC与否。这个电路时利用晶体三极管来实现的。当P3.0和P3.6置高电平时，P1.0接GND，P0.7接VCC，此时能测14管脚的芯片；当只有P3.6置高电平时，P0.7接VCC，由于芯片插座的第8管脚始终接GND，此时测试16管脚的芯片。所以，只要在每个芯片测试子程序中设置相应管脚为供电管脚即可解决芯片供电问题。
4 程序设计
系统软件由主程序和若干子程序构成，其中子程序有显示子程序、键盘扫描子程序、测试子程序。系统开机后，首先执行主程序，完成系统初始化工作，然后调用显示子程序，在LCD1602显示器上显示“test”,告诉操作者系统已经准备好。由于自动检测是采用穷举法进行型号匹配，这样花费的扫描时间被手动时间长。
5 集成芯片测试
按照芯片测试插座旁边的指向，插入待测数字芯片，根据LCD1602显示的提示内容进行按键操作。通过键盘和LCD1602配合使用来循环选择所需测试的芯片型号，再按一下“TEST”键，单片机将调用相应的测试子程序，并将结果送到LCD1602显示器上显示（“GOOD”或者“Bad”）。
6 扩展应用
该芯片测试仪不仅能偶检测TTL，CMOS系列芯片，对于其他系列芯片的检测只需增加少量电源切换电路和相应的测试子程序即可完成测试任务。
7 结束语
本设计硬件电路简单、成本低廉、性能稳定，具有良好的人机交互界面，在高校学生以及实验室等场合较为实用。经过测试试验证明，本系统的测试正确率在98%以上，可靠性强。
参考文献：
【1】刘征宇，电子电路设计与制作[M]。福建：福建科学技术出版社，2003:50-55
【2】苏凯，刘庆国，陈国平，MC-51系列单片机系统原理与设计[M]北京：冶金工业出版社，2003；
简单电路设计方案范文5
关键词：GSM模块；设计方案；系统硬件；核心器件
随着社会物质财富的日益增长，安全防盗已成为社会问题。目前，电子密码防盗锁用密码代替钥匙，从根本上解决了普通门锁保密性差的缺点。新颖的多功能电子锁，集电子锁、防盗报警器等功能于一身，而且还具有定时器呼唤，断电自动报知，显示屋内有无人和自动留言等诸多附加功能。多功能电子密码锁以其新颖的功能，低廉的价格，必将受到广大使用者的欢迎。本设计的电子密码防盗锁利用串行E2PROM存储器，将设置的密码存入E2PROM中，从而克服了旧式电子密码锁电路断电后所设置密码丢失的缺点。另外，该锁还具有报警等辅助功能，是典型的机电一体化产品。
一、本设计所要实现的目标
本设计采用单片机作为主控制器，当电路通电后，单片机首先检测外部数据存储器24C02芯片是否存有密码，如果没有的话，则把初始密码“123”存入外部数据存储器，再检测外部数据存储器是否键入手机号码，如果没有，则提示用户输入目标手机号码。检测完密码和手机号码后单片机就开始检测模块。首先检测GSM模块是否上电，待GSM模块上电后检测模块是否插入SIM卡，并发送字符格式命令，设置TE字符格式为UCS2格式。检测完毕后，模块自动向目标手机发送“模块已上线！”的短信内容，告知用户系统处于正常运行状态。信息发送完后，系统进入授权码输入状态，液晶显示“请输入授权码！”提示我们输入授权码。为了提高安全性，系统授权码的输入并不是简单的数字输入，而是汉字、数字、字母、标点符号结合的输入，打破了传统的密码设计输入，提高了安全性。当系统工作时，用户通过按键输入授权码，按下“确认”键后，单片机将输入密码与设定密码进行比较，若密码不正确，则向目标手机号发短信，提醒用户。若用户同意授权，则系统发出开锁信号，将锁打开；若密码不正确，系统就提示用户，要求重新输入。重新输入次数不能超过3次，若3次输入都不正确，则发出报警信号，并且每次输入都会通过短信的形式向用户手机实施报警。锁打开后可通过按下“修改/重置”功能键，重新设置新密码或目标手机号，但必须经过授权才可修改。
二、总体设计方案
本系统采用以51单片机为核心的控制方案，利用单片机灵活的编程设计和丰富的I/O端口，及其控制的准确性，不但能实现基本的密码锁功能，还能添加声光提示功能甚至还能添加掉电存储和遥控控制功能等，能在很大程度上扩展功能，方便对系统进行升级。主要由单片机控制电路为核心，包括液晶显示电路、I2C（即断电不掉密码集成块）、TC35i模块、独立式键盘、光敏二极管控制电路、电源电路、功放电路等部分的设计。电子密码锁的设计主要是要通过独立式键盘输入密码，经过单片机以及一些电路对键盘输入的键码信号进行加密、识别处理，再与内部预定的密码进行对比判断，若密码不相符就发出声光报警。
三、系统硬件设计
系统硬件的设计主要就是电路的功能单元设计以及选择电子元件，主要有开锁机构电路设计、按键电路设计、密码锁的电源电路设计、掉电存储系统电路设计以及总体电路图的设计，这些电路图的设计主要是应用所学过的Protel软件，根据设计方案画出实际电路图，再通过调试、检测电路是否可行方可使用。
四、系统软件设计
系统软件设计主要就是对51单片机的使用，了解51单片机的基本特点，根据电路图对电子密码锁要实现的功能进行编程，只有在程序编好的情况下，51单片机核心才能够对硬件进行控制，所以说只有设计好了系统软件，也就是整个电子密码锁的核心系统，整个系统才可以使用，软件设计是基础也是根本。
五、核心器件的介绍
1.芯片ATMEL89S52的介绍：
AT89S52单片机是美国ATMEL公司的，它与Intel公司MCS-51系列单片机兼容，采用CMOS工艺制造，节电性能好。AT89S52提供了以下的标准功能：片内含8KB字节的可重编程闪速存储器E2PROM和256字节的内部RAM、32位I/O引线、3个16位定时器/计数器、1个6向量2级中断结构、1个全双工串行口、1个精密模拟比较器以及片内振荡器和时钟电路。另外还具有低功耗空载的特点和掉电保存方式供选用。20脚双列直插封装也能达到体积的要求，是对嵌入式控制应用提供的一个高度灵活和成本低的解决方案。控制系统的设计充分利用了AT89C2051的上述优点和功能，加以必要的辅助硬件电路。
2.GSM模块介绍
目前，在远程监控领域，SMS是广泛采用的通信方式，其作为GSM网络的基本业务，得到越来越多的系统运营商和开发商的重视。基于SMS业务可开发出多种极具发展前景的应用。本设计采用的是西门子TC35系列的TC35i。这种无线模块在功能上与TC35i兼容，设计紧凑，大大缩小了电路的体积。
3.外部程序存储器W29C011
W29C011A是台湾Winbond公司生产的128k×8bitsCMOS闪速存储器芯片，共有32个引脚，有DIP、SOP、PLCC 3种封装结构。该芯片在5V电源的系统中可以在线编程和擦除，不需要外加专门的编程电压，读写操作方便。
参考文献：
[1]刘志平.电子密码锁.投资指南，2006（16）：55.
[2]李明喜.新型电子密码锁的设计.机电产品开发与创新，2004，17（3）：40.
[3]王宽仁.可靠安全的智能密码锁.电子技术应用，2005（16）：33.
简单电路设计方案范文6
关键词： 无线收发电路； 低功耗； STM32L芯片； 通信模块
中图分类号： TN92?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）21?0135?04
Design of low?power consumption wireless transceiver circuit
ZHANG Hong?wen
（Communication Office， China Railway Fourth Survey and Design Group Co.， LTD.， Xi’an 710043， China）
Abstract： At present， the wireless communication technology is developed rapidly， which causes the demands of the low?power consumption system. In recent years， the low?power consumption technology in wireless communication network are stu?died deeply， so energy conservation has become an important direction of the wireless communication development. The design of low?power wireless transceiver circuit system is carried out in this paper， in which STM32L151 series ultra low power chip and UTC4432 series wireless communication module are taken as the core circuit system to realize the function of the low power transceiver circuit system through software design and debugging. The results show that the suitable micro contro0 引 言
无线通信网摆脱了密密麻麻的连线制约，这是它的一个重要优势。它是由微小的传感器、微控制单元和无线通信模块通过组网形成的无线网络，利用数据处理单元来检测感知到的信息并经过有效处理后发送给对方。无线收发电路系统是无线通信网络的基本组成部分，其在不同应用中有不同的设计，但基本原则一致，都是尽可能采用低功耗的器件和尽可能使用节省的信号处理。其中核心处理器应当采用功耗相对较低的电路。无线通信模块负责两点之间的无线通信，是整个结构中最耗能的部分，无线通信模块可配合核心处理器根据不同功能切换不同工作模式，从而降低功耗。所以，对低功耗无线通信模块的选取与编程控制是一个非常值得注意的方向。
1 系统方案
本文设计了由MCU开发板和无线通信模块组成的低功耗无线收发电路系统的方案。该系统由发射方和接收方两组模块组成，发射方经软件编程控制将数据发送出去，接收方通过天线接收到数据经处理后在开发板上显示出来，从而实现该电路系统的近距离低功耗无线通信。
为大幅度降低系统功耗，本设计采用的两个重要模块均具有低功耗特性。硬件电路基于低功耗微控制器的电路开发板，此硬件电路自行设计，通信模块与该开发板通过相关引脚直接相连。软件设计基于RealView MDK软件设计平台，然后通过编程对整个电路系统进行调试。接收方和发送方所用的芯片开发板相同，通信模块及其配置也相同，双方通过无线通信模块的天线进行相互通信。其系统框架如图1所示。
图1 系统框架图
对于本设计，要实现低功耗，就必须选用低功耗的硬件模块。并且，为了最大限度地节约成本和材料，需要选用的硬件设备体积必须尽可能小。以下给出三种实施方案。
方案一：MCU选用单片机MSP430F135，无线通信模块选用AT86RF211S收发电路。但是AT86RF211S收发电路需要自行设计，造成系统电路比较复杂，影响运行速度[2]。
方案二：MCU选用STM32F103系列芯片，无线通信模块选用杭州威步公司的UTC4432B1_V6。
方案三：MCU选用STM32L151系列芯片，无线通信模块的选用与方案二相同。其中STM32L是在STM32F基础上推出的一款超低功耗的芯片。
硬件模块的比较如表1，表2所示。
通过比较发现，STM32L151芯片功耗最低，且硬件电路设计简单。无线通信模块UTC4432B1_V6无需自行设计，其功耗低、传输距离远，并且易于软件编程。因此本设计采用第三个方案。
表1 控制模块的比较
[控制模块＼&运行时最低电流消耗＼&电路＼&成本＼&MSP430F135单片机＼&160 μA＼&比较简单＼&较低＼&STM32F103 ＼&1.06 mA＼&比较简单＼&较低＼&STM32L151 ＼&60 μA＼&比较简单＼&较低＼&]
表2 无线通信模块的比较
[模块名称＼&最低电流
功耗 /μA＼&最远通信
距离 /m＼&工作频率
/MHz＼&有无
唤醒＼&AT86RF211S
收发电路＼&1～10＼&800＼&433.8＼&有＼&UTC?4432B1_V6＼&2～20＼&2 000＼&420～450＼&有＼&]
2 硬件电路设计
硬件电路是整个系统的支撑，硬件电路设计并焊接的成功与硬件模块选择的正确是最终软件调试成功的基础。本设计硬件模块主要包括STM32L核心板和无线通信模块。本文主要介绍芯片电路的设计以及PCB版图的设计。整个硬件电路原理图使用Altium Designer软件来设计，如图2所示。
本设计采用输出为5 V的开关电源适配器供电，通过AMS1117正向低压降稳压器输出3.3 V电压，为STM32L151芯片提供电压。AMS1117稳压器分为固定电压输出和可调电压输出两个版本，本设计采用固定电压输出稳压器，输出电压为3.3 V，具有1%的精度，由于内部有限流电路和过热保护，使得AMS1117稳压器具有很强的稳定性。因此该电源供电电路选用AMS1117?3.3作为稳压器。
晶振可以为整个电路提供基本的时钟信号，有了它就有了稳定的频率。如果没有晶振，数字电路就失去了处理数据的节拍，也就无法正常处理任何数据了。晶振的频率越高，程序运行的速度就越快，STM32L上电后，默认使用内部晶振，外部如果接8 MHz晶振，就可以通过切换使用外部晶振，最终通过PLL分频和倍频可以达到72 MHz。
通过了解该模块的特性，设计出芯片与无线通信模块的接口连线方案，如图3所示。通过软件编程控制各个引脚使其切换不同的工作模式，最终实现两模块之间的无线收发功能。
图3 STM32L与UTC4432连接示意图
根据设计的PCB图制作的实物板如图4所示。
图4 实物正面图
3 软件设计
硬件电路设计无误并焊接成功后，便要对整个系统进行软件调试，调试首先要进行的工作就是软件设计。
图5为发送模块程序流程图。发送模块的工作流程为：首先对系统进行初始化，初始化包括对时钟、引脚、中断、定时器、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后将时间间隔设置为1 s，打开串口、向串口发送引脚写入数据并在二极管上显示。但是成功接收数据的前提是无线通信模块必须配置正确，如果配置正确，无线通信模块将会作出应答并显示在软件调试环境的相关对话框中。最后无线通信模块通过天线向空中信道发送从MCU接收到的数据。
图6为接收模块程序流程图。接收模块的工作流程为：首先对系统进行初始化，包括对引脚、中断、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后无线通信模块从空中信道接收数据，若其配置正确则接收成功，成功接收后又通过该模块发送引脚向MCU发送数据。最后通过响应中断使MCU接收数据并在二极管上显示出来。发送模块与接收模块的硬件系统上均有3只二极管，于是3只二极管便可以显示8种状态，通过观察两模块上二极管的状态是否一致来判断通信是否成功。
需要注意的是，发送与接收无线通信模块的参数配置应当一致。因为本设计仅仅用到A、B两类总线，所以软件编程时仅仅可以使这两类总线使能，其他总线均关闭。
图5 发送模块程序流程图
图6 接收模块程序流程图
4 功耗测量
本设计使用Agilent34410数字万用表测量系统功耗，实质是测量系统电流，因为系统输入电压始终为5 V。测试电路连接如图7所示。
图7 测试电路连接图
利用软件平台编写不同程序完成对芯片不同工作模式的操作。室温下测量STM32L在不同模式及不同参数下的电流消耗如表3，表4所示（说明：测量时发现在不同的发射功率下，系统只有工作在低功耗运行模式和低功耗睡眠模式时电流消耗不同，其余均相同）。
表3 发送模块下的功耗
[无线通信模块
发射功率 / dBm＼&MCU工作模式＼&电压 /V＼&实测电流＼&19＼&运行模式＼&5＼&19.1 mA＼&19＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&9.06 mA＼&19＼&停止模式（RTC运行）＼&5＼&21.3 μA＼&19＼&停止模式（无RTC运行）＼&5＼&4.5 μA＼&19＼&待机模式（RTC运行）＼&5＼&12.1 μA＼&19＼&待机模式（无RTC运行）＼&5＼&3.27 μA＼&14＼&运行模式＼&5＼&18 mA＼&14＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&6.45 mA＼&8＼&运行模式＼&5＼&15 mA＼&8＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&2.39 μA＼&1＼&运行模式＼&5＼&11 mA＼&1＼&低功耗睡眠模式＼&5＼&860 μA＼&]
表4 接收模块下的功耗
[无线通信模块
发射功率 /dBm ＼&MCU工作模式 ＼&电压 /V ＼&实测电流 ＼&1 ＼&运行模式 ＼&5 ＼&10.6 mA ＼&1 ＼&低功耗睡眠模式 ＼&5 ＼&849 μA ＼&1＼&停止模式（RTC运行） ＼&5 ＼&20.1 μA ＼&1 ＼&停止模式（无RTC运行） ＼&5 ＼&4.35 μA ＼&1 ＼&待机模式（RTC运行） ＼&5 ＼&11.9 μA＼&1 ＼&待机模式（无RTC运行） ＼&5 ＼&3 μA＼&]
由表3，表4可以看出，芯片在不同工作模式下的功耗不同，处于运行模式时功耗最高，待机模式时功耗最低。并且可以发现系统的功耗随发射功率的减小而减小，这是因为无线通信模块在整个系统中是耗能的重要部分。需要说明的是，发射功率越大，通信距离越远。
整个系统无论处于何种模式，供电电压均为5 V，最大电流消耗不到20 mA，与其他一些无线通信系统的设计相比较，功耗已经大大降低。本设计是在用STM32作为微控制器实现通信技术的基础上完成的，但STM32系统并未考虑如何大幅度降低功耗，其正常运行时电流消耗最大为38.3 mA，最小为25.8 mA，此前，也有不少有关低功耗无线通信系统的设计，但其电流消耗大部分都大于20 mA。因此，在软件编程的控制下，将STM32L系列芯片作为微控制器并结合UTC4433系列无线通信模块时，可以使整个系统的功耗大幅度降低。
5 结 语
本文详细分析了整个系统的设计方案，并对设计方案中涉及的两大模块MCU和无线通信模块做重点介绍，说明了两模块的连接方式以及采用何种工作模式可使系统功耗降到最低，对STM32L这一新型超低功耗微控制器使用的恰到好处，同时也凸显出本设计方案的特点所在。实现了基于RealView MDK软件平台的软件程序设计。结合理论知识并熟练掌握软件操作方法，在μVision4集成开发环境下用C语言编写程序完成软件设计。然后通过与硬件电路系统相连反复调试实现两模块之间的无线通信。最后测量系统功耗，经比较表明，本次设计成功完成了对无线接收电路系统的低功耗设计，对低功耗无线通信模块设计具有借鉴意义。
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