嵌入式微型航姿系统硬件电路设计
南 京 理 工 大 学
毕业设计说明书(论文)
作 者:
雷宇 学 号： 0710200321 学院(系):
自动化学院 专 业:
自动化 题 目:
嵌入式微型航姿系统硬件电路设计
指导者：
(姓 名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓 名) (专业技术职务)
2011年 5 月
讲师 陈帅
毕业设计说明书（论文）中文摘要
毕业设计说明书（论文）外文摘要
目次
1 引言 (1)
1.1 研究原理综述 (1)
1.2 惯性导航意义 (4)
2 设计原理和系统硬件框图 (5)
3 航姿系统芯片和应用 (6)
3.1 微处理器lpc2119 (6)
3.2 惯性测量单元ADIS16355 (8)
3.3 三轴数字罗盘HMC5843 (9)
3.4 电源系统 (13)
3.5 通用CAN隔离收发器CTM8251 (16)
3.6 +3.0V到+5.5V RS-232收发器SP3232E (18)
3.7 低电容双向ESD保护二极管 (18)
3.8 单总线数字温度计DS1820 (18)
3.9 单片机复位芯片MAX811 (19)
3.10 芯片功能汇总 (19)
4 航姿系统硬件电路设计 (20)
4.1 设计原理图 (20)
4.2 PCB设计 (23)
致谢 (28)
参考文献 (29)
1 引言
1．1 研究原理综述
1.1.1 惯性导航系统综述
惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)是随着惯性传感器发展起来的一门导航综合技术，用于对运动体的姿态和位置等参数的确定，它完全自主、不受干扰、输出信息量大、输出信息实时性强等优点，即不需要引入外界的信息便可实现导航与制导，是实现运动体自主式控制和测量的最佳手段。引起了人们的广泛重视，现已广泛应用于军用和民用的众多技术领域中，如飞船、飞机、导弹、火箭、舰船等各种运载工具以及资源勘测、地形测量、海洋考察等方面。
惯性导航的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，利用惯性测量元件(加速度计、陀螺仪)测量载体相对于惯性空间的运动参数，并经过计算后实施导航任务的。由陀螺测量载体的角运动和由加速度计测量载体的加速度，在给定运动初始条件下，经转换、处理，输出载体的航姿和航向。惯性导航系统通常由惯性测量单元IMU、导航计算机、控制显示装置等组成。关键是惯性测量单元，它的精度决定了整个导航系统的精度。惯性测量单元包括3个加速度计和3个单自由度陀螺仪，前者用来测量载体沿导航坐标系三个轴向的线加速度，后者用来测量载体绕三个轴向的转动以构成一个物理平台或“数字平台”。
按惯性测量单元在载体上的安装方式，惯性导航系统可分为捷联式惯导系统和平台式惯导系统。平台式惯导系统是将惯性测量元件安装在惯性平台(物理平台)的台体上，它虽然精度较高，但是，其结构复杂、成本高、体积大，可靠性差。而捷联式惯导系统则不需要实体的导航平台，它是把惯性测量元件直接安装在载体上，用计算机数学平台来代替传统的机械平台，具有结构简单、可靠性高且维护方便等优点，但计算量较大。因此导航系统一般都选用捷联式。
1.1.2 航姿系统工作原理
载体的姿态测量是载体进行预计轨迹运动的基础。通常捷联惯导系统是利用惯性敏感器—陀螺仪和加速度计直接固定在运载体上，精确测量载体的旋转运动角速率和直线运动加速度信息，然后送至运载体机载计算机中进行实时的姿态矩阵解算，通过姿态矩阵把惯性导航系统中加速度计测量到的运载体沿体纵、横轴的加速度信息，转换到导航用的运动参考坐标系轴向，然后再进行导航计算，并
从捷联矩阵的有关元素中提取机体的姿态角(导航学中常用航向角ψ、俯仰角θ和倾斜角γ作为载体的姿态角。)。
载体在空间中的航向和姿态用机体坐标系（b系）相对于地理坐标系(t系END轴)的运动表示，运动角度被称为载体的姿态角。捷联航姿系统由于没有机械平台，不能直接测出姿态角，因此要得到姿态角，必须在导航计算机中建立“数学平台”。
图1.1 载体运动坐标系
航向角ψ:飞行器纵轴在水平面上的投影与地理子午线之间的夹角，数值以地理北向为起点顺时针方向为正，定义域为O一360°。飞行器纵轴在水平面上的投影与地磁子午线之间的夹角称为磁航向角。
俯仰角θ:飞行器的纵向轴和当地水平面之间的夹角，向上为正，向下为负。
倾斜角γ:飞行器的横向轴与当地水平面之间的夹角，右倾为正，左倾为负。
1.1.3 航姿系统硬件设计
航姿系统首先定时采集三轴微陀螺仪、三轴微加速度计以及三轴磁阻传感器的信号，分别得到三维空间中角速度分量、加速度分量以及地磁场分量，经模/数转换后将传感器组输出的模拟量转换成数字量，由同步串行总线送入微处理器；微处理器接收传感器信号后，将其进行信号处理，并将它们从串口输出。
1.1.4 嵌入式系统综述
嵌入式系统是设计和完成复杂功能的硬件和软件，并使其紧密耦合在一起的计算机系统。它以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式
在许多产业中得到了广泛的应用并逐步改变着这些产业，包括工业自动化、国防、运输和航空领域。在日常生活中几乎所有带有一点“智能”的家电（全自动洗衣机等）都是嵌入式系统。嵌入式系统的核心是嵌入式处理器。
（1）嵌入式微处理器（EMPU），嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，值保留嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减少系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准的微处理器基本是一样的，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性方面一般都有所增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术上保密性也较差。
（2）嵌入式控制器（MCU）,嵌入式微控制器又称为单片机，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、WatchDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM、EEPROM 等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器目前是嵌入式系统工业的主流。
(3)嵌入式DSP处理器（EDSP）,DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正在从通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到嵌入式DSP处理器。
(4) 嵌入式片上系统（System On Chip）,随着EDI的推广和VLSI设计的普及化及半导体工艺的迅速发展，在一个硅片上实现一个更为复杂的系统的时代已来临，这就是System On Chip，各种通用处理器内核作为SOC设计公司的标准库，和许多其它嵌入式系统外设一样。成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。用户只需要定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导体公司制作样品。这种除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中区，应用系统电路板变得很简洁，对于减少体积和功耗、提高可靠性非常有利。
1.1.5 Protel 99 SE综述
Protel 99 SE是一个Client/Server型的应用程序，它提供了一个基本的框架窗口和相应的Protel 99 SE组件之间的用户接口，在运行主程序时各服务器程序可在需要的时间调用，从而加快了主程序的启动速度，而且极大地提高了软件本身的可扩展性。Protel 99 SE中的这些服务程序基本上可以分为5大组件，即原理图设计组件、PCB设计组件、布线组件、可编程逻辑器件组件和仿真组件。其中原理图设计组件和PCB设计组件是一般设计工作中的重点，而其他组件可以说是为这两个组件服务的。
1．2 惯性导航意义
通过测量飞行器的加速度(惯性)，并自动进行积分运算，获得飞行器瞬时速度和瞬时位置数据的技术。组成惯性导航系统的设备都安装在飞行器内，工作时不依赖外界信息，也不向外界辐射能量，不易受到干扰，是一种自主式导航系统。1942年德国在V-2火箭上首先应用了惯性导航原理。1954年惯性导航系统在飞机上试飞成功。1958年舡鱼号潜艇依靠惯性导航在北极冰下航行21天。惯性导航系统通常由惯性测量装置、计算机、控制显示器等组成。惯性测量装置包括加速度计和陀螺仪，又称惯性导航组合。3个自由度陀螺仪用来测量飞行器的3个转动运动；3个加速度计用来测量飞行器的3个平移运动的加速度。计算机根据测得的加速度信号计算出飞行器的速度和位置数据。控制显示器显示各种导航参数。按照惯性导航组合在飞行器上的安装方式，分为平台式惯性导航系统(惯性导航组合安装在惯性平台的台体上)和捷联式惯性导航系统(惯性导航组合直接安装在飞行器上)；后者省去平台，所以结构简单、体积小、维护方便，但仪表工作条件不佳(影响精度)，计算工作量大。
惯性导航系统属于一种推算导航方式．即从一已知点的位置根据连续测得的运载体航向角和速度推算出其下一点的位置．因而可连续测出运动体的当前位置。惯性导航系统中的陀螺仪用来形成一个导航坐标系使加速度计的测量轴稳定在该坐标系中并给出航向和姿态角；加速度计用来测量运动体的加速度经过对时间的一次积分得到速度，速度再经过对时间的一次积分即可得到距离。惯性导航系统有如下主要优点．（1）由于它是不依赖于任何外部
信息．也不向外部辐射能量的自主式系统．故隐蔽性好且不受外界电磁干扰的影响；（2）可全天侯全球、全时间地工作于空中地球表面乃至水下．（3）能提供位置、速度、航向和姿态角数据，所产生的导航信息连续性好而且噪声低．（4）数据更新率高、短期精度和稳定性好．其缺点是：（1）由于导航信息经过积分而产生，定位误差随时间而增大，长期精度差；（2）每次使用之前需要较长的初始对准时间；（3）设备的价格较昂贵；（4）不能给出时间信息。
在本课题中，最后设计出来的航姿系统具有自主导航的功能，可运用于航海航空等领域。
2 设计原理和系统硬件框图
航姿系统首先定时采集三轴微陀螺仪、三轴微加速度计以及三轴磁阻传感器的信号，分别得到三维空间中角速度分量、加速度分量以及地磁场分量，经模/数转换后将传感器组输出的模拟量转换成数字量，由同步串行总线送入微处理器；微处理器接收传感器信号后，将其进行信号处理，并将结果输出。
在实际设计中，处理器选择LPC2119。而惯性检测系统采用集成了三轴陀螺仪、三轴加速度计的ADIS16355，而磁力计采用的是HMC5843。ADIS16355与处理器通过SPI进行通信，HMC5843与处理器通过进行通讯。ADIS16355和HMC5843测得的数据经过LPC2119处理后，通过串口输出。由于LPC2119与RS232接口的电平方式不同，需要一个电平转换芯片，这儿使用SP3232EEN。
综上所述，该电路设计的主体框图如下：
图2.1 系统硬件框图
3 航姿系统芯片和应用
3. 1 微处理器LPC2119
3.1.1 概述
LPC2119/2129 是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32 位ARM7TDMI-STM CPU，并带有128/256 k 字节(kB)嵌入的高速Flash 存储器。128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16 位Thumb 模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。
由于 LPC2119/2129 非常小的64 脚封装、极低的功耗、多个32 位定时器、4 路10 位ADC、2 路CAN、PWM 通道、46 个GPIO 以及多达9 个外部中断使它们特别适用于汽车、工业控制应用以及医疗系统和容错维护总线。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。
3.1.2 结构框图
图3.1 LPC2119结构框图
3.1.3 部分功能描述
（1） CAN 控制器和验收滤波器
LPC2119/2129 分别包含2 个CAN 控制器。控制器局域网络（CAN）是一个串行通信协议，它能有效支持高安全等级的分布实时控制。CAN 的应用范围很广，从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN。
（2） UART
LPC2119/2129 包含2 个UART。一个UART 提供一个完全的调制解调器控制握手接口，另一个UART只有发送和接收数据线。
（3） I2C 接口
I2C 是一个双向总线，它使用两条线：串行时钟线(SCL) 和串行数据线(SDA) 实现互连芯片的控制。每个器件都通过一个唯一的地址来识别，这些器件可以是只接收器件（例如LCD 驱动器），或是可以发送和接收信息的发送器（例如存储器）。发送器和/或接收器可以操作为主或从模式，这取决于芯片是启动数据的发送还是只被寻址。I2C 是一个多主总线，它可以由超过一个总线主控器进行控制。LPC2119/2129 所包含的I2C 功能支持400kbit/s（快速I2C）。
（4）实时时钟
当选择正常或空闲模式时，实时时钟(RTC)提供一套用于测量时间的计数器。RTC 消耗的功率非常低，这使其适合于由电池供电的，CPU 不连续工作(空闲模式)的系统。
（5）复位定时器
LPC2119/2129 有2个复位源： RESET 管脚和看门狗复位。RESET 管脚是一个施密特触发输入管脚，带有附加的干扰滤波器。任何复位源所导致的芯片复位都会启动唤醒定时器（见下面描述的唤醒定时器），复位状态将一直保持到外部复位撤除，振荡器开始运行。振荡器运行经过固定数目的时钟后Flash 控制器完成其初始化。当内部复位撤除后，处理器从复位向量地址 0 开始执行。此时所有的处理器和外设寄存器都被初始化为预设的值。
3.1.4 特性
（1） 16/32 位ARM7TDMI-S 核，超小LQFP64 封装。
（2） 16 kB 片内静态RAM。
（3） 128/256 kB 片内Flash 程序存储器，128 位宽度接口/加速器可实现高达
60 MHz 工作频率。
（4）通过片内boot 装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。
512 字节行编程时间为1ms。单扇区或整片擦除时间为400ms。
（5） EmbeddedICE-RT 可实现断点和观察点。当使用片内RealMonitor 软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行。
（6）嵌入式跟踪宏单元（ETM）支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。（7） 2 个互连的CAN 接口，带有先进的验收滤波器。
（8） 4 路10 位A/D 转换器，转换时间低至2.44μs。
（9）多个串行接口，包括2 个16C550 工业标准UART、高速I2C 接口（400 kbit/s）和2 个SPI 接口。
（10）通过片内PLL 可实现最大为60MHz 的 CPU 操作频率。
（12）向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。
（13） 2 个32 位定时器（带4 路捕获和4 路比较通道）、PWM 单元（6 路输出）、实时时钟和看门狗。
（14）多达46 个通用I/O 口（可承受5V 电压），9 个边沿或电平触发的外部中断引脚。
（15）片内晶振频率范围：1～30 MHz。
（16）2 个低功耗模式：空闲和掉电。
（17）通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。
（18）可通过个别使能/禁止外部功能来优化功耗。
（19）双电源
－CPU 操作电压范围：1.65～1.95 V(1.8 V± 0.15 V)
－I/O 操作电压范围：3.0～3.6 V(3.3 V± 10%)，可承受5V 电压。
3. 2 惯性测量单元ADIS16355
3.2.1 概述
ADIS16355/ADIS16355温度校准i Sensor?提供完全的三轴惯性检测角度运动与线性运动，它是一个小体积模块，适合系统集成。ADIS16355/ADIS16355内核采用ADI公司的i MEMS?传感器技术，内置嵌入式处理用于传感器校准与调谐。SPI接口允许简单的系统接口与编程。SPI端口提供对以下传感器的访问：X、Y 与Z轴的角速度；X、Y与Z轴的线性加速度；内部温度；电源；辅助模拟输入。
惯性传感器沿着轴向精密排列，并在温度范围内对偏移与灵敏度进行了校准。利用以下的可编程特性可以简化系统接口：
1在系统自动偏压校正
2数字滤波和采样率
3电源管理
4 环境监测
5数字I/O补偿
6超小型模块尺寸：22.7mmx23.2mmx22.9mm, 可进行安装扩展
3.2.2 结构框图
图3.2 ADIS16355结构框图
3.2.3 特性
（1）带宽：350Hz
（2）嵌入式温度传感器
（3）工厂已校准灵敏度与偏移
（4） SPI兼容串行接口
（5）数字控制滤波与采用速率
（6）可编程条件监控，报警
（7）上电2000g冲击生存能力
3. 3 三轴数字罗盘HMC5843
由于ADIS16355只能测量三轴线加速度和三轴角加速度，定不能测量三轴磁
阻。所以本系统需要加入一个用于测量三轴磁阻的元件，选用的就是HMC5843。
3.3.1 概述
霍尼韦尔 HMC5843 是一种表面安装的多芯片件模块，专门为带有一个数字接口的低场磁传感器而设计，应用于诸如低成本罗盘和测磁学领域。HMC5843 包括霍尼韦尔最先进的1043 系列磁阻传感器，以及霍尼韦尔研制的ASIC 包括放大型、带驱动器、偏置消除、12-bit ADC 和一个I2C 系列总线接口的ASIC。HMC5843 被表面安装在一个4.0×4.0×1.3mm 的无引线芯片载体(LCC)中。HMC5843 的应用范围包括消费者电子设备、汽车导航系统、个人导航系统和磁力计。HMC5843 采用霍尼韦尔的各向异性磁阻(AMR)技术，这一技术带来的好处是其他磁传感器技术无法企及的。这些传感器的主要特点在于轴向高灵敏度和线性、固相结构、垂直轴间低灵敏度，用于测量地球磁场的方向和磁力，从十万分之几高斯到 6高斯(gauss)。霍尼韦尔的磁传感器位于行业内灵敏度最高和可靠性最好的低强度磁场传感器之列。
3.3.2 插脚配置
图3.3 HMC5843底视图
(箭头表示施加磁场的方向，该磁场在一个SET脉冲后生成一个正输出电压。) 插脚名称描述
1 SCL 串行时钟- I2C总线主/从时钟
2 SDAP 串行数据负载电阻-50千欧姆到VDD
3 SCLP 串行时钟负载电阻-50千欧姆到VDD
4 NC 无连接
5 NC 无连接
6 OFFP 偏置带正
7 OFFN 偏置带负
8 NC 无连接
9 SETP 设置/重置带正-S/R电容( C2)连接
10 SETN 设置/重置带负-测试点
11 SVDD 传感器供电电源-测试点
12 DGND 数字电源接地/返回
13 C1 储存电容器(C1)连接
14 SETC S/R电容器( C2)连接-驱动侧
15 DVDD 数字正电源
16 VREN 调压器启用，（接地=双电源，AVDD =单电源）
17 AGND 模拟电源接地/返回-连接到系统接地
18 AVDD 模拟正电源
19 DRDY 数据准备就绪-测试点
20 SDA 串行数据- I2C总线主/从数据
3.3.3 结构框图
图3.4HMC5843结构框图
霍尼韦尔HMC5843磁阻传感器电路是三重传感器并应用特殊辅助电路用来测
量磁场。通过施加供电电源，传感器可以将量测轴方向上的任何入射磁场转变成一种差动电压输出。磁阻传感器是由一个镍铁(坡莫合金)薄膜放置在硅片上，并构成一个带式电阻元件。在磁场存在的情况下，桥式电阻元件的变化将引起跨电桥输出电压的相应变动。这些电阻元件相互对齐，形成一个共同的量测轴(如插脚引线上的箭头所示)，随着磁场在量测方向上磁力不断增强，电压发生正向变动。因为输出只与一维轴(各向异性原理)的磁力成正比，并且另外的传感器位于正交方向，而使任意方向的磁场强度精确测量成为可能。
3.3.4 I2C 通信协议
HMC5843 通过两线I2C 总线系统作为一个从动装置进行通信。通过这一文件，HMC5843 使用简单的协议与接口协议定义的I2C 总线规格。数据传输速率是标准模式100kbps 或400kbps 速率，如I2C 总线规格中所规定。总线位格式是一个8 位数据/地址传送和1 位应答位。格式的数据字节（有效载荷）应区分大小写的ASCII 字符或二进制数据的HMC5843 从动机，以及返回的二进制数据。负二进制值将以2 的补充形式。默认（工厂） HMC5843 7 位从动机地址为0x3C 的写入操作，或0x3D 的读出操作。HMC5843 串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线具有可选内部负载电阻器，但需要主机装置（通常是主机微处理器）和HMC5843 之间装有负载电阻（Rp）。建议负载电阻值约的10 千欧姆标称1.8V 数字供电电压（DVDD）。其他I2C 总线规格中规定的值也可用或也可用连接到DVDD 的为50 千欧姆的内部负载电阻（SDAP ，SCLP）。总线规格的SCL 和 SDA 线可以连接到装置的主机。总线可以是一个单一主机到多个从动机，也可以是一个多个主机配置。所有数据传输均由负责产生时钟信号的主机激起，以及数据传输是8 位长。所有装置都由I2C 唯一的7 位地址标注。在每8 位传输之后，主机装置产生一个第9 个时钟脉冲，并释放SDA 的线。接收装置（指向的从动机）将SDA 线拉至低位确认（ACK）传输成功或使SDA 线处于高位表示否定确认（NACK ）。按I2C 规格，所有SDA 线中的传输必须发生在SCL 低时。这一要求导致两个独特的条件，在总线上与SDA 传送时，SCL 处于高位。主机将拉SDA 拉低，而SCL 线是高，表明开始(S)的条件，停止(P)的情况是，当 SDA 的线被拉高而SCL 处于高位。在I2C 总线协议还允许重新启动的条件，其中主机在没有发出停止时发出第二次启动条件。所有总线传送从主机发出启动序列开始，其次是从动机地址字节。地址字节包含从动机地址;上7 位 (bits7 - 1)和最低有效位(LSB 的)。如果指定的运作
是一个读出(LSb 的= 1)或写入(LSb 的= 0)，地址的LSb 字节会标志出来。在第9 个时钟脉冲，接收装置会发出ACK(或NACK)。这些总线事件以后，主机将发送数据字节以便写入操作，或从动机在读出操作时打出时间。所有总线的传送在主机发出停止序列时终止。I2C 总线控制或可用任何硬件逻辑也可在软件中实现。典型的硬件设计将释放SDA 和SCL 适当地允许从动机操纵这些线路。在软件执行时，必须注意执行这些任务的代码。
3.3.5 特性
（1）三轴磁阻传感器和 ASIC 封装在同一个插件中
（2）低成本
（3）4.0×4.0×1.3mm 低高度外形件无引线芯片载体(LCC)表面封装件
（4）低电压运行(2.5-3.3V)
（5）内置带驱动电路
（6）I2C 数字接口
（7）无引线封装结构
（8）磁场强度变化范围广(+/-6 Oe)
（9）可选择带式或卷轴式包装
（10）小尺寸的高度集成产品。只需添加一个微控制器接口，外加两个外部SMT 电容器
（11）专为大批量、对成本高度灵感的OEM 生产而设计
（12）易于装配并与高速SMT 装配件兼容
（13）适用于电池供电的应用场合
（14）设置/重置和偏置带驱动器用于消磁、自测试和偏移补偿
（15）消费者电子设备应用中流行的双线串行数据接口
（16）符合现行环境标准
（17）传感器可以用于强磁场环境
（18）大批量的OEM(原始设备制造厂)组件
3. 4 电源系统
本航姿系统中需要用到5V、3.3V、1.8V的电压，而外部无法直接提供这样的电压，所以要求在系统中使用电压转换装置。本系统选用常用的LM2576将电压转换成5V，用LM1117将5V转换成3.3V和1.8V。
3.4.1 开关型降压稳压器LM2576
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路。LM2576系列包括LM2576（最高输入电压40V）及LM2576HV
（最高输入电压60V）二个系列。各系列产品均提供有3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、12V（-12）、15V（-15）及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。
图3.6 LM2576典型应用图
（1）VIN—输入电压端，为减小输入瞬态电压和给调节器提供开关电流，此管脚应接旁路电容CIN；
（2）OUTPUT—稳压输出端，输出高电压为（VIN－VSAT），输出低电压为-0.5V。（3）GND—电路地；
（4）FEEDBACK—反馈端；
（5）ON/OFF—控制端，高电平有效，待机静态电流仅为75μA。
（6）输入电容CIN：
要选低ESR的铝或钽电容作为旁路电容，防止在输入端出现大的瞬态电
压。还有，当你的输入电压波动较大，输出电流有较高，容量一定要选用
大些，470μF--10000μF都是可行的选择；电容的电流均方根值至少要
为直流负载电流的1/2；基于安全考虑，电容的额定耐压值要为最大输入电压的1.5倍。千万不要选用瓷片电容，会造成严重的噪声干扰！Nichicon 的铝电解电容不错。
（7）续流二极管：
首选肖特基二极管，因为此类二极管开关速度快、正向压降低、反向恢复时间短，千万不要选用1N4000/1N5400之类的普通整流管！
（8）储能电感：
建议好好看看datasheet中的电感选择曲线，要求有高的通流量和对应的电感值，也就是说，电感的直流通流量直接影响输出电流。为什么呢？
LM2576既可工作于连续型也可非连续型，流过电感的电流若是连续的为
连续型，电感电流在一个开关周期内降到零为非连续型。
（9）输出端电容COUT：
推荐使用1μF--470μF之间的低ESR的钽电容。若电容值太大，反而会在某些情况（负载开路、输入端断开）对器件造成损害。COUT用来输出滤波以及提高环路的稳定性。如果电容的ESR太小，就有可能使反馈环路不稳定，导致输出端振荡。这几乎是稳压器的共性，包括LDO等也有这一现象。
LM2576特性：
(1) 最大输出电流：3A
(2) 最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V
(3) 输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选
(4) 振动频率：52kHz
(5) 转换效率：75%～88%（不同电压输出时的效率不同）
3.4.2 稳压器电路LM1117
LM1117是一款正电压输出的低压降三端线性稳压电路，在1A输出电流下的压降为1.2V。LM1117分为两个版本，固定电压输出版本和可调电压输出版本。固定输出电压1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V和可调版本的电压精度为1％；固定电压为1.2V的产品输出电压精度为2％。LM1117内部集成过热保护和限流电路，适用于各类电子产品。
图3.7 LM1117典型应用图
LM1117是一个低漏失电压调整器，它的稳压调整管是由一个PNP驱动的NPN 管组成的，漏失电压定义为： VDROP = VBE+ VSAT。LM1117有固定和可调两个版本可用，输出电压可以是：1.2V，1.5V，1.8V，2.5V， 3.3V，和5.0V。片内过热切断电路提供了过载和过热保护，以防环境温度造成过高的结温。为了确保
LM1117的稳定性，对可调电压版本，输出需要连接一个至少22μF的钽电容。对于固定电压版本，可采用更小的电容，具体可以根据实际应用确定。通常，线性调整器的稳定性随着输出电流增加而降低。
LM1117特性：
（1）固定输出电压为1.5V、1.8V、2.5V、3.3V、5.0V 可调版本的电压精度为1％（2）固定电压为1.2V 的输出电压精度为2％
（3）低漏失电压：1A 输出电流时仅为 1.2V
（4）限流功能
（5）过热切断
（6）温度范围：40°C~ 125°C
3．5 通用CAN隔离收发器 CTM8251
3.5.1 概述
CTM8251是一款带隔离的通用CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的CAN隔离及CAN收、发器件，这些都被集成在不到3平方厘米的芯片上。芯片的主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平并且具有DC 2500V 的隔离功能。该芯片符合ISO 11898标准，因此，它可以和其他遵从ISO 11898标准的CAN收发器产品互操作。
3.5.2 管脚和典型应用
图3.8 CTM8251典型应用图
引脚号引脚名称引脚含义
1 Vin +5V输入
2 GND 电源地
3 TXD CAN控制器发端
4 RXD CAN控制器接端