电磁辐射探测器

电磁波,又称电磁辐射,是指同相振荡,且互相垂直的电场与磁场,在空间中以波的形式传递能量和动量,其传播方向垂直于电场与磁场的振荡方向。温度大于绝对零度的物体,都可以发射电磁辐射。人眼可接收到的电磁波,波长大约在380至780nm之间,称为可见光。电子产品在运行时也会发出不同频率的电磁波,如果没有明显的声音、发热、灯光、显示屏或电机动作,我们是很难感知电子产品在运行,也无法看到电子产品发射出来的电磁波。当电磁波通过电感线圈时,会在电路中产生电动势产生电压。当然普通电器发射出来的电磁波是很微弱的。

根据这个原理可以设计一个小巧简单的电路用于探测电子产品发射出来的电磁辐射。Q1-Q3组成放大电路,驱动LED进行显示。当开关SW按下时,电路通电,Q1的B极在上电初时电压为0,Q1关闭,Q2的B级经过R1得到电压后导通,Q3则处于关闭,LED不亮,此时C1通过R4得到充电,一定时间后C1正极达到阀值电压,同时也通过R5,给C2充电,Q1的B极得到电流,经过Q2Q3放大后,LED被点亮。当Q3工作后,这时C1处的电压会降下来,Q1的B级电流减少,LED熄灭,周期循环,形成振荡电路。LED以一定的频率闪动。频率大小可以修改C1、C2、R5、R4的值来改变。而当电感感应到电磁波时产生自感,从而改变Q1的B级电流周期变化频率,让LED的闪烁周期改变,达到探测的目的。如果把LED换成蜂鸣器,则可以用“滴滴”声来提示探测结果。

接下来做个实验板。电路简单,就用洞洞板随便焊了一个。

 

电感的大小会影响探测的灵敏度。从废置的空气开关中拆出一个电磁铁线圈。

 

最后的实验板子。

在电脑和台灯下测试的视频。

在运动相机附近测试的视频。把电路的灵敏度提高则可以用于搜寻隐藏的电子设备或输电线之类的。

常用串行EEPROM的编程应用(三)

SPI总线

SPI总线(Serial Peripheral Interface串行外围设备接口总线)是三线式的串行总线,是由摩托罗拉公司所研发,使用三线进行数据传输,分别是SCK时钟引脚,SI数据输入引脚和SO数据输出引脚,另外还有CS片选引脚可以对同一总线上的芯片进行选通使用,SPI总线已被广泛使用在EEPROM、单片机和各种设备中。常用串行EEPROM中的25XX系列芯片就是使用兼容SPI总线结构,采用先进COMS技术,体积小,是一种理想的低功耗非易失性存储器,广泛使用在各种家电、通讯、交通或工业设备中,通常是用于保存设备或个人的相关设置数据。ATMEL公司生产的25系列的EEPROM存储容量从1K位到256K位。其它一些芯片也会用到SPI总线,如常用的CPU监控芯片X5043、X5045就带有512字节的SPI界面EEPROM,常用于单片机系统的看门狗电路,同时也可以提供小数据量的存储,给电路设计带来很多的方便。此文将用X5045为例讲述SPI的编程应用和X5045的一些其它功能。X5045由Xicor公司出品,电压范围有2.7V到5.5V和4.5V到5.5V二个版本,擦写次数可达一百万次,最高时钟频率可达3.3MHz。图一是X5045的PID封装实物图。

图一

图二

图二是X5045的引脚定义图。CS/WDI是片选和看门狗复位输入,当CS为高时SO引脚变为高阻态,这时可以允许其它器件共用SPI总线,同时芯片也处于休眠状态,当CS为低时芯片被选中,并从休眠状态中唤醒,可以进行读写操作。SO是串行数据输出,在读芯片时数据从此脚输出。WP是写保护引脚,当WP为低时芯片写保护,不能对芯片写操作,但其它功能不受影响。Vss是电源地。SI是串行数据输入,接收来自控制器的数据和地址。SCK是串行时钟输入,RESET是复位输出,Vcc是电源。在25芯片中还有一个HOLD引脚,此引脚的功能是保持输入脚,ATMEL公司生产25芯片的HOLD引脚是低电平有效。不用此功能时,HOLD引脚要保持高电平。在芯片正在串行传输时,将HOLD拉为低电平,可以暂停进一步的传送,具体方法是SCK变低后,将HOLD也拉低,不然在下一个SCK变低前不能暂停传送,要恢复串行传送,必须在SCK为低电平时将HOLD拉高。芯片处于暂停时,SI,SO,SCK脚为高阻状态,任何时刻只要HOLD被拉低时,SO都会处于高阻状态。

限于文章的篇幅,下面内容只着重介绍X5045芯片的SPI总线对EEPROM单元的编程应用。在X5040芯片中有6个指令,它和25系列芯片的指令是兼容的,也就是说在25系列芯片中使用时基本上是不需要改变的,具体见表一。

 

指 令 指令格式 说 明
WREN 0000 0110 写入允许
WRDI 0000 0100 写入禁止
RSDR 0000 0101 读状态寄存器
WRSR 0000 0001 写状态寄存器,用于操作区块写保护标识和看门狗标识
READ 0000 A8011 读数据
WRITE 0000 A8010 写数据

注:A8用于数据地址的第9位。

表一 指令集

写入允许和禁止
X5045芯片内部有一个写入使能寄存器,在需要向芯片写入数据时,需要先用WREN指令使片内写入使能寄存器先置位,写入数据后可以用WRDI指令使寄存器复位到禁止状态。当上电、WRSR指令执行、WRITE指令执行、WP拉低也会使写入使能寄存器复位到禁止状态。图三是WREN/WRDI指令的操作时序图。首先要把CS拉低,输入数据,向SCK输入时钟信号,数据在时钟的上升沿有效,时钟上升后至少数据至少保持30ns。数据是串行的,所以在每个时钟周期的上升沿发送一个位。在操作这两个指令时,SO是处于高阻状态的。

图三 写入使能时序

 

读写状态寄存器

X5045片内有一个状态寄存器,用于指于芯片的状态和设置,可以读写,芯片出厂时状态寄存器值为30H。具体每位的功能请看表2。WIP写入保护位,是只读位,指示芯片是否正忙于写入操作。当WIP为“1”时,说明写入正在进行,为“0”时表示没有进行写入。在编程时,写入数据操作后,可以查询WIP位,当WIP为0后才进行下一次的写入操作,这样可以避免写入出错。WEL写入使能状态位,是只读位。WEL位的状态由WREN和WRDI指令确定,WREN成功执行后WEL为“1”指示允许写入数据,WRDI指令成功执行后WEL为“0”指示禁止写入数据。在编程时可以先查询WEL位的状态,如为0时则要执行WREN后才可以进行写入操作。BL0、BL1设置当前保护的区块地址,是可读写位,这两个位的设置和区块地址的关系如表3,区块的内容被保护后,就只能读出而不能写入了。25系列芯片中不同型号的芯片容量不一样,BL设置所保护的范围也不一样。WD1、WD0看门狗设置位是X5045/43特有的设置位,是可以读写位,在25系列芯片中这两个位是保留位,在X5045中有看门狗功能,这两个位就用于设置MCU喂狗的时间,表4是看门狗位的设置时间。状态寄存器的第6和第7位是保留位。读状态寄存器时,发送完RSDR指令后,SO由高阻态转为输出数据,从数据位的高位开始。写状态寄存器,发送完WSDR指令后,再发一个字节的状态数据就可以了,其中只读位可以是“1”也可以是“0”,它们不会被WSDR指令所更改。图5、图6是读写状态寄存器的时序图。

 

7 6 5 4 3 2 1 0
0 0 WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP
0 0 看门狗位1 看门狗位0 区块保护1 区块保护0 写入使能状态位 写入保护位

表2 状态寄存器定义

BL1 BL0 保护地址范围
0 0 无保护
0 1 180H-1FFH
1 0 100H-1FFH
1 1 000H-1FFH

表3 BL设置位

 

WD1 WD0 喂狗时间
0 0 1.4秒
0 1 600毫秒
1 0 200毫秒
1 1 功能禁用(出厂设置)

表4 看门狗设置位

图四 读状态寄存器时序

图五 写状态寄存器时序

读数据

图六是读数据时的时序,先拉低CS选中芯片,先要把需读取的地址的第9位加到指令字节的第4个字节中,发送完指令字节就发送地址字节的前8位,这时SO就会由高阻态转为输出数据。每当一个字节的数据传送完毕后,芯片内部的地址指针自动加1,指向下一个数据地址,这时如仍有时钟脉冲时,数据会被继续输出,CS脚拉高后输出才会终止。当最高位地址的数据被读出后,地址指针指向00H。

图六 读数据时序

写数据

在向芯片写入数据之前,写使能寄存器必须处于置位状态,一般可以不必查询写使能寄存器的状态,而直接用WREN置位写使能寄存器。在发送完WREN指令后,必须把CS拉高,在CS拉高之前写使能寄存器并没有置位,这时向芯片传送数据是不会被写入的。写使能寄存器置位后,再将CS拉低,把需读取的地址的第9位加到指令字节的第4个字节中,发送完指令字节就发送地址字节的前8位,然后发送需写入的数据。WRITE指令可以连续写入16个字节,但这16个字节的地址必须在同一页中。每一页的地址由[xxxxx0000]开始,到[xxxxx1111]结束。操作方法就是在发送完每一个地址和数据后,继续发后面的数据,芯片内部的地址指针会自动累加,当达到页中最后一个字节时,时钟仍在继续,则内部地址指针回到页中第一个地址重新开始累加,并覆盖以前写入的数据。要注意的是,在操作过程中CS不能拉高,只有在数据字节的最后一个位传送完成后才可以拉高CS,不然写入操作将不完全。在写入数据或写状态寄存器指令写送后,芯片会进入一次非易失性写操作,这会花费一定的时间,最大约为10ms,在这个时间内可以用读状态寄存器,并检查WIP位,当WIP为1时则说明写入还在进行中,只有当WIP位为0时才可以进行下一次的读写数据操作,否则将会使写入不完全。

图七 写数据时序

下面我们用AT89C2051和X5045为主做一个密码控制器实验。使用X5045的看门狗功能可以使电路在受到干扰或特殊情况死机后,可以自动复位重启电路,使电路保持正常工作。使用X5045的数据读写功能,可以保存密码,也可以修改密码。本文附带的实例程序演示X5045的状态寄存器的读写、存储位的读写,里面的功能函数可以直接移植到别的程序中。电路上电后,红色LED亮,当按下按键时绿色LED闪亮一下,当按下“3,1,5,8,1,8”,密码正确,红色LED灭,绿色LED亮,继电器打开,10秒后回到上电时的状态。当按下第一次按键后20秒内没有按下正确的键值,则会进行下一次键值输入。程序可以方便修改成可以方便更改密码的程序,也可以加入记录工作次数的程序等等,升级成更实用的程序。图9是笔者用万用板搭建成的实验电路。在上一篇提供的EEPROM读写器电路及程序也支持25系列芯片和X5043/45芯片,可以直接使用它来读写。

X5045演示程序下载–》c3

图八 电路图

图九 制作实验

常用串行EEPROM的编程应用(二)

Microwire总线

Microwire总线是美国国家半导体公司研发的一种简单的串行通讯接口协议,该总线是采用三线进行数据传输。Microwire总线和SPI总线一样数据输入输出分别使用一根引线,同样可以提供同步数据传输方式,可以适用在多种微控制器、EEPROM或ADC等场合。常用EEPROM的93系列芯片就是采用该总线的芯片,采用COMS技术,体积小巧,和24、25系列芯片一样也是一种理想的低功耗非易失性存储器。常见的93系列EEPROM存储器容量从256位到16K位。93芯片广泛使用在各种家电、通讯、交通或工业设备中,通常是用于保存设备或个人的相关设置数据。如最常见到网卡上的93芯片就是用于保存网卡的MAC物理地址、供应商名称以及相关配置。生产93系列芯片的公司也有很多。如ATMEL公司生产的93C46芯片是该公司生产的93系列芯片的一种,它有1K位的存储空间,93系列有二种数据输入输出模式,分别为8位和16位数据模式,1K位的存储位就可以分为128×8和64×16,它的电压范围是2.7V到5.5V和1.8V到5.5V,可以适应低电压的应用,在5V的电压下最高时钟频率可以达到2M,芯片可以进行一百万次的擦写,数据可以保存一百年。图一是93C46的PID封装和用于网卡的93LC46芯片。

图一

图二

图二是ATMEL公司的93C46的PID封装引脚图。CS引脚为片选引脚,高电平为有效,用于同一总线上不同芯片的选择。在执行每一个指令之前先要把CS拉高,指令完成后把CS拉低使芯片进入复位休眠状态,CS为低时,芯片保持复位状态。在连续操作多个指令时,指令与指令间,CS必须要有不小于一个TCS时间的低电平保持,使芯片复位。ATMEL公司的93C46芯片工作电压2.7V-5.5V的型号TCS不能小于250ns,工作电压1.8V-5.5V的型号TCS不能小于1000ns。SK是串行时钟输入引脚。DI是串行数据输入引脚,接收微控制器传向芯片的数据、地址和命令数据。DO是串行数据输出引脚。ORG引脚是内部数据结构选择输入引脚,该脚为高电平时数据结构为×16,低电平时数据结构为×8,DC是空脚。

图三

图三是93C46芯片的MicroWire总线时序图。在编写驱动程序前,先要分析一下这个时序图。从图中可以看到,在CS被拉高至少tCSS时间(CS初始时间)后,才能开始在SK上传送时钟信号,时钟的正半周和负半周时间不能小于tSKH和tSKL。最后一个时钟的正半周发送完后CS仍要保持tCSH时间(CS保持时间)后才可以拉低CS,tCSH的最小值可为0。指令输入时数据在SK的负半周低电平时开始设置,图中的tDIS(DI设置时间),在SK的高电平时至少保持tDIH时间(DI保持时间)。在图中第四条时序线图中则可以看到在芯片读操作时DO输入1或0时的时序,可以看出在SK上升沿开始后tPD0或tPD1时,DO才输出数据,在编写驱动时就要注意读DO时可在SK拉高好延时tPD0(tPD1)后才读取DO的值,否则会造成误读。第五条时序线图则时指芯片编程时在CS上升沿开始tSV时间后DO输出状态值,tDF是指CS下降沿开始到tDF时间后才进入高阻态。因为不同的芯片型号、工作电压和工作频率这么参数值都会有所不同,93C46的具体参数可以参看光盘中的芯片资料。

93C46有7个操作指令,微处理器就是靠发送这几个指令来实现芯片的读写等功能。表一是93C46的指令表。在93C的其它型号中指令基本是一样,所不同的是地址位的长度,在使用时要查看相关芯片资料,得知地址位长度后再编写驱动程序。因为93C的数据结构有两种,所以地址位和数据位会有x8\x16两种模式,这在编程时也是要注意的。在ERASE、WRITE、ERAL、WRAL指令之前必须先发送EWEN指令,使芯片进入编程状态,在编程结束后发EWDS指令结束编程状态。

指令 起始位 命令代码 地址位 数据位 说明
x8 x16 x8 x16
READ 1 10 A6-A0 A5-A0     读取指定地址数据
EWEN 1 00 11xxxxx 11xxxx     擦写使能
ERASE 1 11 A6-A0 A5-A0     擦除指定地址数据
WRITE 1 01 A6-A0 A5-A0 D7-D0 D15-D0 把数据写到指定地址
ERAL 1 00 10xxxxx 10xxxx     擦除所有数据,只在Vcc为4.5V-5.5V有效
WRAL 1 00 01xxxxx 01xxxx D7-D0 D15-D0 写指定数据到所有地址,只在Vcc为4.5V-5.5V有效
EWDS 1 00 00xxxxx 00xxxx     擦写禁止

表一

READ(读数据)

所有的指令的第一位为START(起始位),芯片确认起始位的条件是:CS和DI为高电平时,SK的第一个脉冲高电平时DI仍为高电平。微控制器发送完起始位后就可以输入7种指令所需的命令代码、地址码和数据来完成指令操作。READ指令在发送完地址码AN-A0后(地址码位数位要根据型号和所选用的数据结构来确定),DO从高阻态变为低电平,在随后的一个SK脉冲后在DO输出DN-DO的数据(数据位数由所选用的数据结构来确定),微控制器在这时读取DO取得数据,读取完数据后拉低CS结束指令。

图四

EWEN(擦写使能)

芯片上电后就进入EWDS擦写禁止状态,这时要进行擦写指令,微控制器必须先要发送EWEN指令,使能芯片进入允许擦写的状态,否则操作任何擦写指令都是无效的。在完成擦写操作后发送EWDS指令,使芯片进入禁止擦写的状态,这样可以防止因干扰或其它原因造成的数据错误。要注意的是:在第一个EWEN指令后芯片一直保持在擦写允许状态,直到使用EWDS或开断电源,芯片才会重新进入擦写禁止状态。

图五

EWDS(编程禁止)

图六

WRITE(写入数据)

WRITE指令在发送完数据位后,CS至少拉低tCS时间再拉高,这时DO会从高阻态变为低电平来指示芯片正在进行编程,微控制器应在这时检测DO,当DO再次拉高时芯片编程完成芯片进行就绪状态,这时才可以进行下一个指令。芯片编程所需的时间为tWP,这个时间最大为10MS,所以微控制器在对芯片编程时最好用一个循环检测DO,当检测到高电平时,说明写入过程结束,应该退出循环体。如果循环体循环10MS后仍然没有检测到高电平时,说明有故障引起操作超时,这时要退出循环体,以免进入死循环。这样的代码在前面文章的例子中也是有使用的。WRAL指令和WRITE指令对写入过程的处理方式是一样的,不一样的是WRAL是把数据写入到所有地址中,时间会长点,而且要求电源在4.5-5.5V。

图七

WRAL(全部写入)

图八

ERASE(擦除数据)

ERASE指令可以说是另一种形式的写入指令,所不同的是它不用发送数据,它会把指定地址的所有数据位都置‘1’,也就是相当于用WRITE写入‘FF’。而ERAL指令就是相当于用WRAL写入‘FF’,同样ERAL也需要工作在4.5-5.5V电源下。

图九

ERAL(擦除所有数据)

图十

在这里笔者把上一篇文章的电路更改了一下,使它不但能完成本篇的实验外,还能配合笔者编写的上位机程序,成为一个简单实用的串行EEPROM读写器,它不单单可以支持93C系列的芯片,同时也可以支持24C、25系列等多种芯片。图中的芯片插座IC2的1到7脚连接取AT89C2051的P1.1至P1.7,因为P1.2-P1.7内部是有上位的,所以可以不用在外部加上拉电阻,而P1.0/P1.1是需要外部上拉的,所以在P1.1上加R7进行上拉。如不加这个电阻的话93C46的读写实验就无法成功了。J1使用DB9的孔式接头,连接电脑时可以使用一根串口延长线。图12是笔者用万用电路板制作的实验电路,这个电路最大的特点就制作简单、体积小巧、无需外接电源,使用到单片机使其性能稳定,而且可以进行程序的修改使其增加更多的芯片支持。图十二是笔者用万用板制作的实验电路。

图十一

图十二

对93C46的串口通讯实验方法和上一篇文章的方法是一样的,这里不再多做介绍了,只是93C46多了一个擦除命令的实验,命令代码是02 00 00 00,发送这个代码后擦除成功后就返回00,不成功返回01。要注意的是擦除命令只在VCC在4.5-5.5V有效。

作者编写的上位机程序软件界面如图十三,使用此程序就可以用这个电路读写24C、93C、25系列的串行EEPROM芯片。首先要把EEPROM.hex文件烧写到AT89C2051中,连接PC串口就可以使用EEPROM.exe软件进行读写了。

示例程序以及烧写器的HEX和上位程序下载 -》hex

图十三