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硬件設(shè)計(jì)論文:硬件產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)論文

1工藝設(shè)計(jì)流程及內(nèi)容

工藝設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行工藝過程的設(shè)計(jì)時(shí)一般先需要如下原始資料：產(chǎn)品裝配圖和零件圖，企業(yè)的制造相關(guān)信息。產(chǎn)品裝配圖有助于工藝設(shè)計(jì)師了解零件在產(chǎn)品上的位置，所起到的作用以及工作的條件情況；零件圖則表明了該零件的尺寸和精度要求；了解企業(yè)的制造相關(guān)信息有利于工藝設(shè)計(jì)師根據(jù)生產(chǎn)廠的生產(chǎn)條件，生產(chǎn)廠現(xiàn)有的設(shè)備規(guī)格，型號(hào)及性能，物資供應(yīng)狀況等信息設(shè)計(jì)出更加符合本企業(yè)的產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)。這些原始資料是制定工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)工藝設(shè)計(jì)流程和工藝設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，可以把工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)分為四個(gè)階段活動(dòng)。第一階段：工藝性分析階段，工藝設(shè)計(jì)人員從產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)人員處獲得新產(chǎn)品的CAD圖，對(duì)CAD圖進(jìn)行工藝性分析，審查圖紙上的視圖、尺寸和技術(shù)要求是否完整、統(tǒng)一、正確；找出重要的技術(shù)要求結(jié)合企業(yè)的加工能力分析是否能達(dá)到要求，分析零件的結(jié)構(gòu)工藝性，是否存在不合理的結(jié)構(gòu)或者可以改進(jìn)的地方，與產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員協(xié)商。只有對(duì)零件的結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行充分分析，才能清楚零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，加工表面與非加工表面、重要表面與非重要表面、技術(shù)要求的高低等直接影響零件加工性的因素，才能制定出最合理的工藝設(shè)計(jì)方案；第二階段：確定毛坯及其制造方式，通過圖紙的審查之后，設(shè)計(jì)人員開始確定毛坯及其制造方式，毛坯的確定是工藝設(shè)計(jì)過程中的重要內(nèi)容，選擇不同的毛坯就會(huì)有不同的加工工藝，采用的設(shè)備，工裝也不同從，從而對(duì)生成率和成本有影響。因此必須正確的選擇毛坯類型和制造方法，確定毛坯精度及余量，之后繪制毛坯圖；第三階段：擬定產(chǎn)品的工藝路線，工藝路線是指用各種方法將毛坯加工成零件的整個(gè)加工路線。在毛坯確定后，根據(jù)零件的技術(shù)要求、表面形狀、已知的各種機(jī)床加工工藝范圍、刀具的用途，就可以初步擬定零件表面的加工方法，工序的先后順序，工序的集中還是分散。工藝路線的擬定不但影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且影響工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，影響設(shè)備投資，車間面積，生產(chǎn)成本等，因此擬定工藝路線是工藝設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵階段；第四階段：進(jìn)行工序詳細(xì)設(shè)計(jì)，工藝路線擬定之后確定各工序的具體內(nèi)容。包括確定各工序加工余量、計(jì)算各工序尺寸及公差，選擇各工序使用的機(jī)床與工藝設(shè)備，確定各工序的切削用量及時(shí)間定額。工序設(shè)計(jì)應(yīng)該是在保證質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，這個(gè)階段最終形成加工工序卡片。當(dāng)過程流程圖，加工工序卡片都通過審核之后形成將文件，整理文件保存，整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中的工藝設(shè)計(jì)到此結(jié)束。之后將文件下發(fā)，指導(dǎo)一線工人進(jìn)行生產(chǎn)。

2工藝設(shè)計(jì)過程的要素模型

質(zhì)量管理體系國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將過程定義為：一組將輸入轉(zhuǎn)化為輸出的相互關(guān)聯(lián)或相互作用的活動(dòng)[7]。過程方法是指組織內(nèi)各過程的系統(tǒng)的應(yīng)用，連同這些過程的識(shí)別和相互作用及其管理。過程構(gòu)成要素模型，如圖2所示。根據(jù)過程定義并結(jié)合圖2過程構(gòu)建要素模型可知:一個(gè)過程包括輸入、輸出、相關(guān)轉(zhuǎn)換活動(dòng)、所需資源、過程所處的環(huán)境以及檢測(cè)評(píng)價(jià)等六要素。其中輸入是實(shí)施過程的開始，而輸出是完成過程的結(jié)果，通過使用合理的資源和科學(xué)的管理，來對(duì)處于一定的環(huán)境的過程進(jìn)行增值轉(zhuǎn)換活動(dòng)。為了確保過程的結(jié)果質(zhì)量，對(duì)輸入過程的要素、環(huán)境要求和輸出的結(jié)果（有形的或者無形的）以及在過程中的適當(dāng)階段應(yīng)進(jìn)行必要的監(jiān)控和評(píng)價(jià)。工藝設(shè)計(jì)過程中的轉(zhuǎn)化活動(dòng)是由一系列按照時(shí)序要求展開的活動(dòng)，首先是包括審查圖紙、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及技術(shù)分析、工藝性評(píng)價(jià)的工藝性分析活動(dòng)，之后是選擇毛坯精度確定余量、繪制毛坯圖的確定毛坯及其制造方式活動(dòng)，然后是劃分加工階段及確定工序順序的擬定產(chǎn)品的工藝路線活動(dòng)，最后是確定工序余量計(jì)算工序尺寸及公差，選擇切削用量，計(jì)算時(shí)間額定，選擇加工設(shè)備及工藝裝備的詳細(xì)的工序設(shè)計(jì)活動(dòng)。

3工藝設(shè)計(jì)過程影響因素分析

工藝設(shè)計(jì)過程是指工藝設(shè)計(jì)相關(guān)的一切活動(dòng)，信息，數(shù)據(jù)，資源的總和。它是由一系列子過程工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)組成。由于每個(gè)過程活動(dòng)的任務(wù)和目標(biāo)不一樣，如表1所示。使得不同階段的活動(dòng)所需的資源，輸入輸出，環(huán)境等要素也不同。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性工藝審查，毛坯的選擇，工藝方案設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)，工裝設(shè)計(jì)，材料與工時(shí)定額等活動(dòng)時(shí)要綜合考慮企業(yè)自身?xiàng)l件，生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)能力，生產(chǎn)環(huán)境，工藝相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，工具相關(guān)信息，設(shè)備相關(guān)參數(shù)，加工人員技術(shù)水平信息等影響因素，還要結(jié)合所處的環(huán)境和資源等因素，如環(huán)保規(guī)則，加工生產(chǎn)條件，安全條件，經(jīng)濟(jì)性等方面。最后輸出最經(jīng)濟(jì)，最可行，最合理的工藝設(shè)計(jì)方案等文件內(nèi)容指導(dǎo)企業(yè)生產(chǎn)制造。

4工藝設(shè)計(jì)缺陷因素結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建

為了更好的表達(dá)缺陷因素與工藝設(shè)計(jì)過程的關(guān)系，避免工藝設(shè)計(jì)缺陷的產(chǎn)生，并參考多數(shù)企業(yè)的工藝設(shè)計(jì)流程，采用過程方法構(gòu)建的工藝缺陷因素結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，如圖3所示。從圖3可以看出硬件產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)過程是一個(gè)多層次，多步驟和分階段的設(shè)計(jì)過程。整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過程涉及的影響因素因不同階段而不同，分布于產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)過程各個(gè)階段的活動(dòng)中。工藝缺陷影響因素結(jié)構(gòu)關(guān)系模型不僅表達(dá)出工藝設(shè)計(jì)過程中各設(shè)計(jì)階段間的邏輯順序關(guān)系，理順了工藝設(shè)計(jì)階段的各個(gè)活動(dòng)的輸入、輸出，而且還清晰地呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)資源、環(huán)境等缺陷因素與工藝設(shè)計(jì)過程的關(guān)系，為以后的工藝設(shè)計(jì)缺陷的預(yù)防和控制提供了理論基礎(chǔ)。然而，從整個(gè)模型可以看出，影響工藝缺陷的因素比較多，在具體的工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)中，往往是由于模型中缺陷因素不能合理有效的控制這些因素，增加了工藝設(shè)計(jì)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需要進(jìn)一步定量掌握工藝設(shè)計(jì)階段的影響因素對(duì)工藝設(shè)計(jì)活動(dòng)的影響程度，以及因素之間的互相影響關(guān)系，以便更好的，有針對(duì)性地采取措施來優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)過程，提高工藝設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5工藝缺陷影響因素定量化分析

5.1基于DEMATEL方法的工藝設(shè)計(jì)缺陷因素分析

DEMATEL（decisionmakingtrialandevaluationlaboratory）決策實(shí)驗(yàn)室分析法，是20世紀(jì)70年代出現(xiàn)的運(yùn)用圖論與矩陣論原理進(jìn)行系統(tǒng)因素分析的方法，它通過系統(tǒng)中各因素之間的邏輯關(guān)系構(gòu)建直接影響矩陣，計(jì)算各因素對(duì)其他因素的影響度以及被影響度，從而計(jì)算各因素的中心度和原因度，然后，根據(jù)因素所對(duì)應(yīng)的中心度和原因度，得出該因素所屬的種類（原因性因素還是結(jié)果性因素）。DEMATEL方法關(guān)注的不僅是因素之間的兩兩直接影響關(guān)系，還考慮了所有因素之間的間接影響關(guān)系，從而獲取眾多因素中的關(guān)鍵因素。采用DEMATEL方法對(duì)影響工藝設(shè)計(jì)缺陷因素進(jìn)行量化分析，分析過程直觀、明晰，其結(jié)果不僅可以表達(dá)各缺陷因素之間的量化因果關(guān)系，還能根據(jù)量化結(jié)果對(duì)影響因素集進(jìn)行因果分類和重要程度排序，為缺陷因素控制管理以及識(shí)別提供科學(xué)依據(jù)。

5.2基于DEMATEL方法的工藝設(shè)計(jì)缺陷因素分析步

驟如下（1）構(gòu)建各因素間的直接影響矩陣。工藝設(shè)計(jì)缺陷影響因素表示為Tx，其中x=1，2，3……n，如果因素Ti對(duì)因素Tj有影響，則表示為tij。設(shè)定影響關(guān)系評(píng)價(jià)標(biāo)度(如根據(jù)較強(qiáng)，強(qiáng)，一般，弱，無五個(gè)等級(jí)分別賦值)，定義：當(dāng)i=j時(shí)，tij=0表示因素自身對(duì)自己無影響；當(dāng)因素Ti對(duì)因素Tj影響很弱時(shí)，tij=1；當(dāng)因素Ti對(duì)因素Tj影響一般時(shí)，tij=2；當(dāng)因素Ti對(duì)因素Tj影響較強(qiáng)時(shí)，tij=3；當(dāng)因素Ti對(duì)因素Tj影響很強(qiáng)時(shí)，tij=4。構(gòu)造因素間的影響矩陣G。影響度Hi為綜合影響矩陣D中i行的行和，表示因素Ti對(duì)其他所有元素的綜合影響值。被影響度Lj為綜合影響矩陣T中j列的列和，表示Tj受其他所有因素的綜合影響值。中心度Mi為綜合影響矩陣T中第i行的行和與第i列的列和之和，表示該因素在系統(tǒng)中的重要性程度。原因度Ui為綜合影響矩陣T中的第i行之和與第i列之和的差，表示該因素與其他因素的因果邏輯關(guān)系程度，若為正，表示該因素對(duì)其他因素的影響大，稱為原因因素;若為負(fù)，則表示該因素受其他因素的影響大，稱為結(jié)果因素。（5）根據(jù)第四步計(jì)算的結(jié)果，以Ui為縱軸，Mi為橫軸，繪制因素的原因—結(jié)果圖，得出各缺陷因素的影響度和被影響度排序。

5.3舉例分析

以某雨彈發(fā)射架的工藝設(shè)計(jì)為例，影響雨彈發(fā)射架工藝設(shè)計(jì)缺陷的因素眾多、關(guān)系復(fù)雜。按上述方法，從與工藝設(shè)計(jì)有關(guān)過程活動(dòng)的角度來考慮，同時(shí)考慮輸入輸出類、資源類、環(huán)境類以及監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)四大類工藝缺陷影響因影響因素體系，構(gòu)建了雨彈發(fā)射架工藝設(shè)計(jì)缺陷因素表以及按DEMATEL方法步驟計(jì)算出綜合數(shù)據(jù)，如表2所示。（1）缺陷因素的原因—結(jié)果圖根據(jù)綜合影響關(guān)系表，以Ui為縱軸，Mi為橫軸，繪制因素的原因—結(jié)果圖，得出各缺陷因素的影響度和被影響度排序。應(yīng)用SPSS軟件將各雨彈發(fā)射架工藝設(shè)計(jì)影響因素標(biāo)注在坐標(biāo)系上，如圖4所示。（2）分析結(jié)果由以上結(jié)果從整體所有因素可以看到：（1）雨彈發(fā)射架工藝設(shè)計(jì)的原因因素有24個(gè)位于0線以上，依次f1、f2、f3、f4、f5、f7、f8、f10、f11、f13、f14、f15、f17、f21、f23、f24、f25、f28、f30、f32、f35、f37、f39、f40，它們是導(dǎo)致雨彈發(fā)射架工藝設(shè)計(jì)缺陷的主導(dǎo)因素。根據(jù)20/80原則，影響度大小排序前五位為f10（工藝流程圖）、f13（工序操作指導(dǎo)卡片）、f5（現(xiàn)有生產(chǎn)能力資料）、f7（毛坯方案）、f2（組件明細(xì)）、所以，必須采取針對(duì)性的措施。（2）結(jié)果因素有16個(gè)位于0線以下，依次為f6、f9、f12、f16、f18、f19、f20、f22、f26、f27、f29、f31、f33、f34、f36、f38，這些因素受其他因素影響比較大。按被影響度大小排序前三位為f38（成本約束）、f22（毛坯的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)）、f12（工序卡片），它們極易受到其他因素的影響，必須加以重視。（3）從工藝設(shè)計(jì)缺陷因素原因—結(jié)果圖中也可以分別按類中的因素比較，如輸入輸出類缺陷因素（正方形表示）中的f10（工藝流程圖）、f13（工序操作指導(dǎo)卡片）、f5（現(xiàn)有生產(chǎn)能力資料）中心度值較大，是輸入輸出類最可能導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)缺陷的致因因素；從圖4可以看出輸入輸出類因素相對(duì)其他類因素大部分都在0線以上，這說明此類因素中原因因素較多，應(yīng)該給予一定控制。資源類缺陷因素(圓圈表示)中f22（毛坯的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)）原因度第二小，說明受其他因素影響最大。環(huán)境類缺陷因素（正三角形表示）中f38（成本約束）原因度最小，中心度第三大，說明成本約束不僅受其他因素影響大外，自身影響其他因素也大，應(yīng)給予控制。監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)類成本約束（倒三角形表示）f39，f40，都在0線以上，說明此類缺陷因素影響其他因素較多。（4）從整體來看缺陷因素f5（現(xiàn)有生產(chǎn)能力資料）、f10（工藝流程圖）、f12（工序卡片）、f13（工序操作指導(dǎo)卡片）、f22（毛坯的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)）、f38（成本約束）相對(duì)離散，應(yīng)重點(diǎn)控制監(jiān)測(cè)。以上結(jié)果只是針對(duì)雨彈發(fā)射架工藝設(shè)計(jì)，對(duì)其他硬件產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)缺陷因素分析可參照此方法，但分析結(jié)果因產(chǎn)品而異。

6結(jié)論

采用過程方法，分析了影響硬件產(chǎn)品工藝缺陷的設(shè)計(jì)各個(gè)階段影響因素。從輸入、輸出、所需資源、所處環(huán)境、增值轉(zhuǎn)化活動(dòng)及監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)過程六要素全面系統(tǒng)地構(gòu)建了工藝缺陷的結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，彌補(bǔ)了以往產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)工藝設(shè)計(jì)缺陷影響因素關(guān)注的不足，直觀展現(xiàn)了影響因素、工藝設(shè)計(jì)階段與工藝缺陷之間的作用關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，利用DEMATEL法對(duì)工藝缺陷活動(dòng)的影響因素之間定量化分析，得出各因素的影響大小和因素之間的因果關(guān)系，以此來針對(duì)性的控制。最后在雨彈發(fā)射架工藝設(shè)計(jì)中得到應(yīng)用。研究成果對(duì)其他企業(yè)預(yù)防和控制硬件產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)缺陷起到重要指導(dǎo)意義。

作者：劉衛(wèi)東 余為鋒 鄭慧萌 肖承地 單位：南昌大學(xué)

硬件設(shè)計(jì)論文:四旋翼飛行器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

近年來，隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，以及新能源、新材料的廣泛應(yīng)用，使四旋翼無人飛行器的控制算法與工程應(yīng)用得到了優(yōu)化與創(chuàng)新。國(guó)防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)等學(xué)者提出了基于Backstepping方法、自抗擾控制、滑膜技術(shù)的控制［1，2］。斯坦福大學(xué)的STARMAC工程研發(fā)的四旋翼飛行器系統(tǒng)具有可靠完全自主航點(diǎn)跟蹤的能力，具備多飛行器協(xié)同飛行水平［3］。麻省理工學(xué)院無人機(jī)集群健康管理計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了通過地面操作實(shí)現(xiàn)多個(gè)無人機(jī)對(duì)動(dòng)態(tài)環(huán)境感知、重建并規(guī)劃飛行［4］?？紤]到四旋翼飛行器具有非線性、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，要通過無刷電調(diào)控制4個(gè)無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)由4個(gè)輸入量，6個(gè)自由度的欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制［5］。在四旋收稿日期:2014—06—05*基金項(xiàng)目:浙江省科技廳公益項(xiàng)目(2012C21082)翼飛行器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中對(duì)飛行原理進(jìn)行定性定量的分析，可以減少飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建時(shí)間，也可為電源模塊、飛行控制模塊的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)四旋翼飛行器的自穩(wěn)控制，通過陀螺儀、大氣壓力傳感器、三軸加速度傳感器采集到的數(shù)據(jù)對(duì)飛行姿態(tài)進(jìn)行解析，但是飛行時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)體震動(dòng)、溫漂、零漂所帶來的誤差以及外界環(huán)境的干擾［6］，使位置姿態(tài)的估計(jì)與飛行高度的保持產(chǎn)生了較大的困難。對(duì)此，本文在飛行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)加速度傳感器與陀螺儀融合使用，解析姿態(tài)數(shù)據(jù)的過程中使用卡爾曼濾波算法，不但有效地減弱了陀螺儀的溫漂、零漂現(xiàn)象，還使得多傳感器間的優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ)，提高了四旋翼飛行器的控制精度。

1飛行原理與機(jī)械結(jié)構(gòu)

四旋翼飛行器的旋翼對(duì)稱地安裝在呈十字交叉的支架頂端，位置相鄰的旋翼旋轉(zhuǎn)方向相反，同一對(duì)角線上的旋翼旋轉(zhuǎn)方向相同，以此確保了飛行系統(tǒng)的扭矩平衡［7］，如圖1所示。四旋翼飛行器旋翼的旋轉(zhuǎn)切角是固定值，因此，要通過調(diào)節(jié)每個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)六自由度的飛行姿態(tài)控制。增大或減少4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來完成垂直方向上的升降運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)1，3旋翼的轉(zhuǎn)速差來控制仰俯速率和進(jìn)退運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)2，4旋翼的轉(zhuǎn)速差來控制橫滾速率和傾飛運(yùn)動(dòng)，調(diào)節(jié)2個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)和2個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電機(jī)的相對(duì)速率來控制偏航運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)飛行原理的分析，把可行性、低成本、易維護(hù)作為主要考慮因素，設(shè)計(jì)的樣機(jī)如圖2所示。機(jī)臂由鏤空工程塑料材料PA66和30%玻璃纖維制成，質(zhì)量相對(duì)較輕，強(qiáng)度大，對(duì)稱電機(jī)軸距55cm，為保證水平起飛與平穩(wěn)著陸，四旋翼飛行器底部安裝起落架。電機(jī)旋翼等具體參數(shù)為:機(jī)體質(zhì)量為857g;最大負(fù)載約為300g;機(jī)身高度為31cm;飛行時(shí)間約為8min。在整機(jī)安裝過程中盡量保證重心在機(jī)械機(jī)構(gòu)的對(duì)稱中心，實(shí)際飛行實(shí)驗(yàn)證明了系統(tǒng)動(dòng)力設(shè)備與機(jī)械結(jié)構(gòu)的可行性。

2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以飛控板為核心，搭載動(dòng)力設(shè)備、電源模塊與遙控模塊。圖3描述了以ATMEGA644P—AU為核心芯片搭載多傳感器的飛行控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖，整體系統(tǒng)利用11．1V鋰電池供電，飛控與無刷電調(diào)以I2C總線數(shù)據(jù)傳輸來調(diào)節(jié)4個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速;在遙控模塊中，2．4MHz的控制信號(hào)通過PPM解碼板與飛控板進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;在多傳感器系統(tǒng)中，大氣壓力感器用于飛行高度檢測(cè)，陀螺儀與加速度計(jì)的融合使用用于姿態(tài)解算。

3電源模塊

四旋翼飛行器由2200MAh，11．1V，持續(xù)放電倍率30C鋰電池供電，通過穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)對(duì)不同電路進(jìn)行供電，確保各模塊正常穩(wěn)定的工作?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)需要5，3V兩種電平供電，電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。由鋰電池提供的11．1電壓經(jīng)兩塊7805穩(wěn)壓芯片后轉(zhuǎn)為5V電壓，一部分用于飛控板供電，一部分向預(yù)留的外部接口供電。經(jīng)7805輸出的5V電壓經(jīng)過2個(gè)MCP1700T穩(wěn)壓芯片輸出3V電壓，一部分供給控制系統(tǒng)的數(shù)字電路，一部分供給控制系統(tǒng)的模擬電路。330μF/25V電解電容器，10nF/16V鉭電容器，貼片電容器的并聯(lián)使用起到了防止電壓抖動(dòng)與濾波的作用。

4多傳感器控制模塊

為了準(zhǔn)確地控制四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)，需要在控制系統(tǒng)中加入不同的傳感器，加速度傳感器與三個(gè)陀螺儀來測(cè)量三軸加速度與角速度，大氣壓力傳感器通過測(cè)量起始位置與飛行位置的氣壓差對(duì)飛行高度控制，為自主導(dǎo)航功能提供支持。大氣壓力傳感器選擇的是Freescale公司的MPX4250A，在該集成傳感器芯片上，除具有壓阻式壓力傳感器外，還有用作溫度補(bǔ)償?shù)谋∧る娮杈W(wǎng)絡(luò)，測(cè)壓范圍為20～250kPa，輸出電壓為0．2～4．9V，工作溫度范圍為－40～+125℃。電路如圖5所示，可以根據(jù)壓力的大小，通過控制P_1和P_2選擇不同的放大倍數(shù)，提高采樣的精度。LIS344ALH是一種低功耗、高性能、高精度的三軸加速度傳感器，通過模擬輸出為外部電路提供直接測(cè)量信號(hào)，加速度傳感器的工作電壓為2．2～3．6V，檢測(cè)量程可以在±2gn或±4gn間選擇。其中，VREF為通過穩(wěn)壓芯片MCP1700T轉(zhuǎn)換為3V的穩(wěn)定電壓輸入。應(yīng)用電路如圖6所示，選擇100nF的貼片電容器作為VCC端的解耦電容，在輸出端使用1μF的濾波電容減小噪聲?？紤]到振動(dòng)誤差無法通過加速度傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，因此，陀螺儀選型的過程中把機(jī)械性能作為重要的考慮因素，選擇了可以在單芯片上實(shí)現(xiàn)完整單軸角速度響應(yīng)的ADXRS610陀螺儀傳感器。3個(gè)ADXRS610陀螺儀分別安裝于垂直于機(jī)體坐標(biāo)系的XYZ軸來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)三軸角速度的測(cè)量。

5實(shí)驗(yàn)與仿真

四旋翼飛行器在姿態(tài)解算時(shí)，陀螺儀傳感器直接測(cè)量的是角速度，在積分得到角度的過程中隨著時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生累計(jì)積分誤差，積分誤差產(chǎn)生的原因一方面是積分時(shí)間，另一方面，由于自身的機(jī)械特性會(huì)產(chǎn)生零漂溫漂等現(xiàn)象［8］。在陀螺儀的使用過程中融合加速度傳感器，不僅為陀螺儀提供了絕對(duì)參考系，而且使加速度傳感器優(yōu)秀的靜態(tài)性能與陀螺儀良好的動(dòng)態(tài)性能相結(jié)合［9］，較好地抑制了外界干擾。數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波算法處理后，可有效地降低數(shù)據(jù)噪聲。圖8為加速度傳感器采樣數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)比較，可以明顯地看到噪聲信號(hào)減小了，但是仍有少量的擾動(dòng)存在。圖9的曲線表明了陀螺儀采集角速度數(shù)據(jù)存在零漂、溫漂現(xiàn)象，當(dāng)確定零漂為0．05°，靜態(tài)輸出電壓為2．63V時(shí)，從波形圖中可以觀察到通過卡爾曼濾波處理后的積分?jǐn)?shù)據(jù)平滑收斂，不但對(duì)零點(diǎn)漂移進(jìn)行了補(bǔ)償，而且對(duì)累計(jì)積-10-5051015角度/（°）012345時(shí)間/s卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)加速度計(jì)采集數(shù)據(jù)圖8加速度計(jì)采樣數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)圖Fig8DatadiagramofsamplingdatasofaccelerometerprocessedbyKalmanfiltering分誤差，溫漂有較好的抑制作用。-10-5051015角度/（°）012345時(shí)間/s卡爾曼濾波后的陀螺儀數(shù)據(jù)陀螺儀積分?jǐn)?shù)據(jù)采集角速度數(shù)據(jù)。

6結(jié)論

本文從四旋翼飛行器的飛行原理入手，整合各個(gè)功能模塊并通過對(duì)主要傳感器的選型完成四旋翼飛行器控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了飛行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建，多次飛行實(shí)驗(yàn)證明了硬件系統(tǒng)的可行性，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。在加速度傳感器與陀螺儀的融合使用過程中，通過卡爾曼濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，有效地抑制了在硬件電路設(shè)計(jì)中無法避免的零漂、溫漂等干擾因素，仿真結(jié)果證明了該方法的有效性。

作者:李運(yùn)堂 單位: 中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

硬件設(shè)計(jì)論文:靜止無功發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì)論文

一、靜止無功發(fā)生器的工作原理與基本結(jié)構(gòu)

靜止無功發(fā)生器硬件電路主要包括:整流電路、逆變電路、智能功率模塊IPM的驅(qū)動(dòng)電路、過零檢測(cè)電路，電流調(diào)理電路，鎖相環(huán)電路。逆變電路采用了IPM，該芯片內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路，報(bào)警電路等獨(dú)特結(jié)構(gòu)，一方面提高了系統(tǒng)的可靠性;另一方面也避免了保護(hù)電路的另外設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了硬件裝置的設(shè)計(jì)。主電路主要由整流部分和逆變部分組成。整流部分通過三相不可控整流橋?qū)⑷嘟涣麟妷恨D(zhuǎn)換為三相直流電壓，在經(jīng)過電容濾波后得到穩(wěn)定的直流電壓。逆變部分采用SPWM控制技術(shù)來控制IPM內(nèi)部IGBT的開斷從而獲得所需的補(bǔ)償電流。將整流輸出的直流電逆變轉(zhuǎn)化為交流電回饋到電網(wǎng)。IPM內(nèi)含保護(hù)電路，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，IPM的自保能力使得IGBT的損壞率較低，提高了系統(tǒng)的可靠性。

二、SVG各硬件電路組成

(一)整流電路。整流電路采用三相不可控整流橋，輸出的三相直流電通過電容穩(wěn)壓、濾波獲得穩(wěn)定的直流電壓。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，直流側(cè)電容取用4個(gè)2200μF/450V的電解電容，兩并兩串接進(jìn)電路。電路組成如圖2所示。為了避免大電流燒壞整流裝置，電容需要通過一個(gè)充電電阻對(duì)不可控整流橋的輸出端進(jìn)行充電，直到充滿在直接接到不可控整流橋的輸出端。另外，為避免故障發(fā)生，在不使用整流電路時(shí)要對(duì)濾波電容進(jìn)行放電。根據(jù)計(jì)算的電壓、電流，選用二極管整流模塊6RI30G－160G－120即(30A，1200V)。

(二)IPM及其外圍驅(qū)動(dòng)電路。通過計(jì)算智能功率模塊(IPM)參數(shù)，選用型號(hào)為PM25CLA120的IPM(25A，1200V)，內(nèi)部有IGBT，內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路。通過資料得知IPM驅(qū)動(dòng)電路的控制電源電壓范圍為13．5V～16．5V，本文選用4路隔離的l5V直流電源。利用DSP發(fā)出PWM信號(hào)經(jīng)光耦器件隔離后作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)IPM進(jìn)行控制。

(三)電流調(diào)理電路。該電路可將18A的電網(wǎng)電流相量轉(zhuǎn)換成0～3Vpp的電壓信號(hào)并實(shí)現(xiàn)過零點(diǎn)檢測(cè)功能。該電路與電壓調(diào)理電路的組成基本一致，不同之處在于互感器TVA1421－01用作電流互感器，采樣電阻取59Ω。若一次側(cè)電流為18A，二次側(cè)輸出(－0．5～+0．5)V的正弦波;經(jīng)放大電路，輸出電壓(－1．5～+1．5)V的正弦波;最后經(jīng)過加法電路輸出(0V～3．00V)的電壓信號(hào)。同時(shí)大于50Hz的正弦信號(hào)被濾除。過零比較電路在正弦波的過零時(shí)刻輸出下降沿跳變。

(四)鎖相環(huán)電路。本文采用了由TI公司生產(chǎn)的CD7H4C4046型鎖相環(huán)芯片對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行跟蹤，避免了利用固定頻率采樣時(shí)產(chǎn)生的誤差。本系統(tǒng)中，鎖相環(huán)的輸出信號(hào)有兩大作用:一是作為ADC模塊的轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào);二是作為事件管理器A(EVA)的時(shí)鐘輸入信號(hào)。通過鎖相環(huán)電路使其產(chǎn)生跟隨電網(wǎng)頻率變化的SP-WM波，從而精確控制后級(jí)逆變器。

三、結(jié)語

本文論述了靜止無功發(fā)生器的基本原理，實(shí)現(xiàn)了SVG的硬件電路設(shè)計(jì)，主要包括:逆變電路、整流電路的設(shè)計(jì)及儲(chǔ)能電容的選擇、電流調(diào)理電路、鎖相環(huán)電路、IPM及其外圍驅(qū)動(dòng)電路，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，各級(jí)電路的輸出符合實(shí)驗(yàn)要求。

作者:崔瑋瑋韋鈺陳宇晨王凱劉昱彤單位:上海工程技術(shù)大學(xué)

硬件電路設(shè)計(jì)論文

AD9883A是高性能的三通道視頻ADC可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)RGB三色信號(hào)的實(shí)時(shí)采樣。系統(tǒng)采用32位浮點(diǎn)芯片ADSP-21160來處理數(shù)據(jù),能實(shí)時(shí)完成伽瑪校正、時(shí)基校正,圖像優(yōu)化等處理,且滿足了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能需求。ADSP-21160有6個(gè)獨(dú)立的高速8位并行鏈路口,分別連接ADSP-21160前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9883A和后端的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7125。ADSP-21160具有超級(jí)哈佛結(jié)構(gòu),支持單指令多操作數(shù)(SIMD)模式,采用高效的匯編語言編程能實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)處理,不會(huì)因?yàn)樘幚頂?shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)而出現(xiàn)延遲。

系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用不同的鏈路口完成輸入和輸出,可以避免采用總線可能產(chǎn)生的通道沖突。模擬視頻信號(hào)由AD9883A完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9883A是個(gè)三通道的ADC,因此系統(tǒng)可以完成單色的視頻信號(hào)處理,也可以完成彩色的視頻信號(hào)處理。采樣所得視頻數(shù)字信號(hào)經(jīng)鏈路口輸入到ADSP-21160,完成處理后由不同的鏈路口輸出到ADV7125,完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADV7125是三通道的DAC,同樣也可以用于處理彩色信號(hào)。輸出視頻信號(hào)到灰度電壓產(chǎn)生電路,得到驅(qū)動(dòng)液晶屏所需要的驅(qū)動(dòng)電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標(biāo)志腳,可用于接受外部控制信號(hào),給系統(tǒng)及其模塊發(fā)送控制信息,以使整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定有序地工作。例如,ADSP-21160為灰度電壓產(chǎn)生電路和液晶屏提供必要的控制信號(hào)。另外,系統(tǒng)還設(shè)置了一些LED燈,用于直觀的指示系統(tǒng)硬件及DSP內(nèi)部程序各模塊的工作狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)采用從閃存引導(dǎo)的方式加載DSP的程序文件,閃存具有很高的性價(jià)比,體積小,功耗低。由于本系統(tǒng)中的閃

存既要存儲(chǔ)DSP程序,又要保存對(duì)應(yīng)于不同的伽瑪值的查找表數(shù)據(jù)以及部分預(yù)設(shè)的顯示數(shù)據(jù),故選擇ST公司的容量較大的M29W641DL,既能保存程序代碼,又能保存必要的數(shù)據(jù)信息。

圖2為DSP與閃存的接口電路。因?yàn)椴捎?位閃存引導(dǎo)方式,所以ADSP-21160地址線應(yīng)使用A20-A0,數(shù)據(jù)線為D39—32,讀、寫和片選信號(hào)分別接到閃存相應(yīng)引腳上。

系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用ADSP-21160完成伽瑪校正、時(shí)基校正、時(shí)鐘發(fā)生2S、圖像優(yōu)化和控制信號(hào)的產(chǎn)生等功能。

1伽瑪校正原理

在LCD中,驅(qū)動(dòng)IC/LSI的DAC圖像數(shù)據(jù)信號(hào)線性變化,而液晶的電光特性是非線性,所以要調(diào)節(jié)對(duì)液晶所加的外加電壓,使其滿足液晶顯示亮度的線性,即伽瑪(Y)校正。Y校正是一個(gè)實(shí)現(xiàn)圖像能夠盡可能真實(shí)地反映原物體或原圖像視覺信息的重要過程。利用查找表來補(bǔ)償液晶電光特性的Y校正方法能使液晶顯示系統(tǒng)具有理想的傳輸函數(shù)。未校正時(shí)液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線呈S形。伽瑪表的作用就是通過對(duì)ADC進(jìn)來的信號(hào)進(jìn)行反S形的非線性變換,最終使液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線滿足實(shí)際要求。

LCD的Y校正圖形如圖3所示,左圖是LCD的電光特性曲線圖,右圖是LCD亮度特性曲線和電壓的模數(shù)轉(zhuǎn)換圖。

2伽瑪校正的實(shí)現(xiàn)

本文采用較科學(xué)的Y校正處理技術(shù),對(duì)數(shù)字三基色視頻信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字Y校正(也可以對(duì)模擬三基色視頻信號(hào)分別進(jìn)行Y校正)。在完成v校正的同時(shí),并不損失灰度層次,使全彩色顯示屏圖像更鮮艷,更逼真,更清晰。

某單色光Y調(diào)整過程如圖4所示,其他二色與此相同。以單色光v調(diào)整為例:ADSP-21160首先根據(jù)外部提供的一組控制信號(hào),進(jìn)行第一次查表,得到Y(jié)調(diào)整系數(shù)(Y值)。然后根據(jù)該Y值和輸入的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行第二次查表,得到經(jīng)校正后的顯示數(shù)據(jù)。第一次查表的Y值是通過外部的控制信號(hào)輸入到控制模塊進(jìn)行第一次查表得到的。8位顯示數(shù)據(jù)信號(hào)可查表數(shù)字0～255種灰度級(jí)顯示數(shù)據(jù)(Y校正后)。

3圖像優(yōu)化

為了提高圖像質(zhì)量,ADSP-21160內(nèi)部還設(shè)計(jì)了圖像效果優(yōu)化及特技模塊,許多在模擬處理中無法進(jìn)行的工作可以在數(shù)字處理中進(jìn)行,例如,二維數(shù)字濾波、輪廓校正,細(xì)節(jié)補(bǔ)償頻率微調(diào)、準(zhǔn)確的彩色矩陣(線性矩陣電路),黑斑校正、g校正、孔闌校正、增益調(diào)整、黑電平控制及雜散光補(bǔ)償、對(duì)比度調(diào)節(jié)等,這些處理都提高了圖像質(zhì)量。

數(shù)字特技是對(duì)視頻信號(hào)本身進(jìn)行尺寸、位置變化和亮,色信號(hào)變化的數(shù)字化處理,它能使圖像變成各種形狀,在屏幕上任意放縮,旋轉(zhuǎn)等,這些是模擬特技無法實(shí)現(xiàn)的。還可以設(shè)計(jì)濾波器來濾除一些干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)等,使圖像的清晰度更高,更好地再現(xiàn)原始圖像。所有的信號(hào)和數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部,由它內(nèi)部產(chǎn)生的時(shí)鐘模塊和控制模塊實(shí)現(xiàn)的。

4時(shí)基校正及系統(tǒng)控制

由于ADSP-21160內(nèi)部各個(gè)模塊的功能和處理時(shí)間不同,各模塊之間存在一定延時(shí),故需要進(jìn)行數(shù)字時(shí)基校正,使存儲(chǔ)器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴(yán)格對(duì)齊,而不會(huì)出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。數(shù)字時(shí)基校正主要用于校正視頻信號(hào)中的行,場(chǎng)同步信號(hào)的時(shí)基誤差。首先,將被校正的信號(hào)以它的時(shí)基信號(hào)為基準(zhǔn)寫入存儲(chǔ)器,然后,以TFT-LCD的時(shí)基信號(hào)為基準(zhǔn)讀出,即可得到時(shí)基誤差較小的視頻信號(hào)。同時(shí)它還附加了其他功能,可以對(duì)視頻信號(hào)的色度、亮度、飽和度進(jìn)行調(diào)節(jié),同時(shí)對(duì)行、場(chǎng)相位、負(fù)載波相位進(jìn)行調(diào)節(jié),并具有時(shí)鐘臺(tái)標(biāo)的功能。

控制模塊主要負(fù)責(zé)控制時(shí)序驅(qū)動(dòng)邏輯電路以管理和操作各功能模塊,如顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的管理和操作,負(fù)責(zé)將顯示數(shù)據(jù)和指令參數(shù)傳輸?shù)轿?負(fù)責(zé)將參數(shù)寄存器的內(nèi)容轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的顯示功能邏輯。內(nèi)部的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生控制信號(hào)及地址,根據(jù)水平和垂直顯示及消隱計(jì)數(shù)器的值產(chǎn)生控制信號(hào)。此外,它還可以接收外部控制信號(hào),以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,從而使該電路的功能更加強(qiáng)大,更加靈活。此外,ADSP21160的內(nèi)部還設(shè)計(jì)了I2C總線控制模塊,模擬FC總線的工作,為外部的具有I2C接口的器件提供SCLK(串行時(shí)鐘信號(hào))和SDA(雙向串行數(shù)據(jù)信號(hào))。模擬I2C工作狀態(tài)如圖5和圖6所示。

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

在軟件設(shè)計(jì)如圖7所示,采用Matlab軟件計(jì)算出校正值,并以查找表的文件形式存儲(chǔ),供時(shí)序的調(diào)用。系統(tǒng)上電

開始,首先要完成ADSP-21160的一系列寄存器的設(shè)置,以使DSP能正確有效地工作。當(dāng)ADSP-21160接收到有效的視頻信號(hào)以后,根據(jù)外部控制信息確定Y值。為適應(yīng)不同TFT-LCD屏對(duì)視頻信號(hào)的顯示,系統(tǒng)可以通過調(diào)整Y值,以調(diào)節(jié)顯示效果到最佳。再如圖4所示,對(duì)先前預(yù)存的文件進(jìn)行查表,得到所需的矯正后的值,然后暫存等待下一步處理。系統(tǒng)還可以根據(jù)視頻信號(hào)特點(diǎn)和用戶需要完成一些圖像的優(yōu)化和特技,如二維數(shù)字濾波、輪廓校正、增益調(diào)整、對(duì)比度調(diào)節(jié)等。這些操作可由用戶需求選擇性使用。利用ADSP-21160還可以實(shí)現(xiàn)圖像翻轉(zhuǎn)、停滯等特技。最后進(jìn)行數(shù)字時(shí)基校正,主要用于校正視頻信號(hào)中的行、場(chǎng)同步信號(hào)的時(shí)基誤差,使存儲(chǔ)器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴(yán)格對(duì)齊,而不會(huì)出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。除了以上所述的主要功能以外,ADSP-21160還根據(jù)時(shí)序控制信號(hào),為灰度電壓產(chǎn)生電路和TFT-LCD屏提供必要的控制信號(hào)。另外,ADSP-21160還能設(shè)置驅(qū)動(dòng)通用I/O腳配置的LED燈,顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。

結(jié)束語

本文介紹了基于ADSP-21160的液晶驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)電路能完成伽馬校正、圖像優(yōu)化及時(shí)基校正等功能,并能提供具有足夠驅(qū)動(dòng)能力的時(shí)序和邏輯控制信號(hào),能驅(qū)動(dòng)大部分的TFT—LCD。用ADSP-21160設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)時(shí)性好、通用性強(qiáng)、速度快且高效,而且還能在ADSP-21160中嵌入其他功能模塊控制,增強(qiáng)系統(tǒng)的功能。這樣不僅充分利用了ADSP-21160資源,又節(jié)省了外部資源,簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)。作者將SONY的LCX029CPT顯示屏應(yīng)用在本文所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路上,顯示出質(zhì)量很高的圖像,因此該設(shè)計(jì)滿足驅(qū)動(dòng)液晶顯示器的要求。

硬件設(shè)計(jì)論文:變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器硬件設(shè)計(jì)論文

摘要：變壓器的冷卻裝置是將變壓器在運(yùn)行中由損耗所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，以保證變壓器可以安全正常的運(yùn)行。本文所進(jìn)行的主要核心部分就是對(duì)控制模塊進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其中包括了可以對(duì)主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶的要求而變化。

關(guān)鍵詞：變壓器；冷卻控制系統(tǒng)；硬件

1變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì)總體思想

本文所進(jìn)行的就是對(duì)變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括了可以對(duì)主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶的要求而變化。在傳統(tǒng)控制方式中，風(fēng)扇投切的溫度限制值是不能改變的，此外，風(fēng)扇電機(jī)的啟動(dòng)和停止溫度有一余量，不像傳統(tǒng)的控制方式中是一個(gè)定值，避免了頻繁啟動(dòng)的缺陷，此外還有運(yùn)行、故障保護(hù)及報(bào)警等信號(hào)的顯示及其與控制中心或調(diào)度中心的通訊，上傳這些信息，如變壓器油溫、風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)有無故障等。至于風(fēng)扇的分組投切設(shè)置是為了節(jié)約電能，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義，但這個(gè)分組數(shù)不宜過多，以免控制復(fù)雜，且散熱效果不佳。

控制器主要由AT89CS1單片機(jī)、A/D轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制芯片，輸出模塊、通訊模塊以及自動(dòng)復(fù)位電路等組成，其中單片機(jī)是控制器的核心，AID轉(zhuǎn)換器是把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

2變壓器風(fēng)扇控制系統(tǒng)的硬件接線

基于以上的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的風(fēng)扇控制器的硬件線路圖如下頁圖1所示。變壓器風(fēng)扇控制中對(duì)控制模塊進(jìn)行改進(jìn)是本文研究的重點(diǎn)，其中包括主要芯片的選用以及一些抗干擾元件的使用。所以在本章節(jié)中，我們重點(diǎn)將要介紹變壓器風(fēng)扇冷卻控制模塊中的主要硬件芯片的作用、選用以及它們之間的連接力一法。

（1）單片機(jī)AT89C51（如圖1）。

AT89C51是Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗，高性能的8位單片機(jī)，具有8k的flash可編程只讀存儲(chǔ)器，它采用Atmel公司的高密度不易丟失的存儲(chǔ)器技術(shù)，并且和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80c51和80c52的指令集合插腳引線兼容，其集成的flash允許可編程存儲(chǔ)器可以在系統(tǒng)或者通用的非易失性的存儲(chǔ)器編程中進(jìn)行重新編程。AT89C51集成了一個(gè)8位的CPU，8K的flash。256字節(jié)的EDAM，32位的I/0總線。三個(gè)16字節(jié)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩級(jí)六中段結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行口，振蕩器及時(shí)鐘電路。AT89C51是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制的核心，所有其它器件都受其控制或?yàn)槠浞?wù)。

在本文中，經(jīng)過TLC1543A/D轉(zhuǎn)換器后輸出的數(shù)字量輸入到AT89C51單片機(jī)中，同時(shí)在進(jìn)行了溫度參數(shù)的設(shè)置以后，進(jìn)行它的輸出控制，其中包括了變壓器的溫度顯示、狀態(tài)顯示、以及聲音報(bào)警設(shè)備等等，也就是我們所研究的變壓器冷卻控制系統(tǒng)的核心部分。

（2）變壓器的溫度采集及溫度處理模塊。在變壓器的風(fēng)扇冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)中，第一步進(jìn)行的就是對(duì)變壓器上層油溫進(jìn)行的溫度采集工作。變壓器的溫度采集是由變壓器的溫度控制器來實(shí)現(xiàn)的，其中包括鉑電極、傳感器以及變送器。經(jīng)過溫度控制器輸出的信號(hào)進(jìn)入變送器，變送器送出一個(gè)4一20毫安的電流信號(hào)，然后將此電流信號(hào)通過控制芯片上的電阻元件實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓是在0.4一2（伏特）之間，然后將此電壓信號(hào)輸入到TLC1543數(shù)模轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行信號(hào)處理。變送器輸出信號(hào)有電流和電壓信號(hào)兩種，考慮到變壓器安裝的位置（室外）距本控制裝置（室內(nèi)）有一定的距離，電流信號(hào)不易損失，故選擇了4一20毫安的電流信號(hào)。（3）11通道10位串行A/D轉(zhuǎn)換器丁LC1543。

TLC1543A/D轉(zhuǎn)換器是美國(guó)TI公司生產(chǎn)的眾多串行A/D轉(zhuǎn)換器中的一種，它具有輸入通道多、轉(zhuǎn)換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種高性價(jià)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。TLC1543是CMOS，10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有三個(gè)輸入端和一個(gè)3態(tài)輸出端：片選（CS），輸入/輸出時(shí)鐘（I/0CLOCK），地址輸入和數(shù)據(jù)輸出（DATAOUT）。這樣通過一個(gè)直接的四線接口與卞處理器或外圍的串行口通訊。片內(nèi)還有14通道多路選擇器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)三個(gè)內(nèi)部自測(cè)試（self-test）電壓中的一個(gè)。

（4）BC7281128段LED顯示及64鍵鍵盤控制芯片。

BC7281是16位LED數(shù)碼管顯示器鍵盤接口專用控制芯片，通過外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等），最多可以控制16位數(shù)碼管顯示或128支獨(dú)立的LED。BC7281的驅(qū)動(dòng)輸出極性及輸出時(shí)序均為軟件可控，從而可以和各種外部電路配合，適用于任何尺寸的數(shù)碼管。

BC7281各位可獨(dú)立按不同的譯碼方式譯碼或不譯碼顯示，譯碼方式顯示時(shí)小數(shù)點(diǎn)不受譯碼影響，使用方便；BC7281內(nèi)部還有一閃爍速度控制寄存器，使用者可隨時(shí)改變閃爍速度。

BC7281芯片可以連接最多64鍵C8*8）的鍵盤矩陣，內(nèi)部具有去抖動(dòng)功能。它的鍵盤具有兩種工作模式，BC7281內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)特殊（控制）寄存器，所有的操作均通過對(duì)這26個(gè)寄存器的訪問完成。

BC7281采用高速二線接口與MCU進(jìn)行通訊，只占用很少的I/O資源和主機(jī)時(shí)間。

BC7281在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動(dòng)變壓器溫度顯示的LED以及顯示風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)的指示燈。

前已提及，BC7281芯片內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)特殊功能寄存器，共用一段連續(xù)的地址，其地址范圍是OOH-19H，其中OOH-OFH為顯示寄存器，其余為特殊寄存器。

（5）使用MAX232實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊。

①M(fèi)AX232芯片簡(jiǎn)介

MAX232芯片是1VIAX工M公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器，適用于各種E工A-232E和V.28；V.24的通信接口，1VIAX232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源變換成RS-2320輸出電平所需±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。

我們的設(shè)計(jì)電路中選用其中一路發(fā)送/接收，RlOUT接MCS一51的RXD，T1工N接MCS一51的TXD，TlOUT接PC機(jī)的RD，Rl工N接PC機(jī)的TD1。因?yàn)镸AX232具有驅(qū)動(dòng)能力，所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。

系統(tǒng)中使用了此技術(shù)之后就實(shí)現(xiàn)了變壓器風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，工作人員可以在控制室對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以達(dá)到方便、準(zhǔn)確、快捷的日的，這也是我們對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)扇冷卻控制系統(tǒng)而做的一個(gè)重要的改進(jìn)。

②串行通訊

在此實(shí)現(xiàn)中，我們必須要對(duì)MCS-51串行接日和PC機(jī)串行接日的串行通訊要有一定的了解，串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的，它的優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線進(jìn)行傳送信息，囚此其成本低，適用于遠(yuǎn)即離通信；它的缺點(diǎn)是傳送速度低；串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方一式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復(fù)雜；而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50到19200波特之間，是比較常用的傳送方式，本文中使用的就是異步通訊方式。

（6）“看門狗”電路DS1232

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，為了避免因干擾或其他意外出現(xiàn)的運(yùn)行中的死機(jī)的情況，“看門狗電路”DS1232會(huì)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，并且能夠重讀EEPROM中的設(shè)置，以保證系統(tǒng)可以安全正常的運(yùn)行。

美國(guó)Dallas公司生產(chǎn)的“看門狗”（WATCHDOG）集成電路DS1232具有性能可靠、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，應(yīng)用在單片機(jī)產(chǎn)品中能夠很好的提高硬件的抗干擾能力。

DS1232具有以下特點(diǎn)：

①具有8腳DIP封裝和16腳SOIC貼片封裝兩種形式，可以滿足不同設(shè)計(jì)要求；

②在微處理器失控狀態(tài)卜可以停止和重新啟動(dòng)微處理器；

③微處理器掉電或電源電壓瞬變時(shí)可自動(dòng)復(fù)位微處理器；

④精確的5%或10%電源供電監(jiān)視；

在本變壓器冷卻控制系統(tǒng)中，DS1232作為一定時(shí)器來起到自動(dòng)復(fù)位的作用，在DS1232內(nèi)部集成有看門狗定時(shí)器，當(dāng)DS1232的ST端在設(shè)置的周期時(shí)間內(nèi)沒有有效信號(hào)到來時(shí)，DS1232的RSR端將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)以強(qiáng)迫微處理器復(fù)位。這一功能對(duì)于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機(jī)是非常有效的，因?yàn)榭撮T狗定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間由DS1232的TD引腳確定，在本設(shè)計(jì)中，我們將其TD引腳與地相接，所以定時(shí)時(shí)間一般取為150ms。

3結(jié)論

本裝置實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)自動(dòng)控制冷卻器的各種運(yùn)行狀態(tài)并能精確監(jiān)測(cè)變壓器的油溫和冷卻器的各種運(yùn)行、故障狀態(tài)，顯示了比傳統(tǒng)的控制模式的優(yōu)越性。（1）能夠?qū)ψ儔浩饔蜏剡M(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制；（2）實(shí)現(xiàn)了變壓器冷卻器依據(jù)不同油溫的分組投切，延長(zhǎng)了冷卻器的使用壽命，有較好的經(jīng)濟(jì)意義；（3）實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的各種狀況，如油溫、風(fēng)扇投切和故障等信息的上傳，便于值班員、調(diào)度員隨時(shí)掌握情況。

由于固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)了變壓器的無觸點(diǎn)控制，解決了傳統(tǒng)的控制回路的弊端，同時(shí)此控制裝置具有電機(jī)回路斷相與過載的保護(hù)功能。由于使用了單片機(jī)，因而具有一定的智能特征，實(shí)現(xiàn)了油溫、風(fēng)扇的投入、退出和故障等信號(hào)的顯示以及上傳等。通過實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置的研制是比較成功的。但今后，我們還應(yīng)該對(duì)固態(tài)繼電器本身的保護(hù)進(jìn)行一些研究，以免主回路因電流過大而造成固態(tài)繼電器的損壞，以使變壓器風(fēng)扇冷卻控制回路更加完善。

硬件設(shè)計(jì)論文:PCI加密卡硬件設(shè)計(jì)分析論文

摘要：介紹基于PCI總線加密卡的硬件組成部分。該加密卡汲取了現(xiàn)代先進(jìn)的加密思想，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度加密功能。

關(guān)鍵詞：加密卡PCI總線PCI9052ISP單片機(jī)

加密是對(duì)軟件進(jìn)行保護(hù)的一種有效手段。從加密技術(shù)的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢(shì)來看，加密可大體劃分為軟加密和硬加密兩種。硬加密的典型產(chǎn)品是使用并口的軟件狗，它的缺點(diǎn)是端口地址固定，容易被邏輯分析儀或仿真軟件跟蹤，并且還占用了有限的并口資源。筆者設(shè)計(jì)的基于PCI總線的加密卡具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，PCI總線是當(dāng)今計(jì)算機(jī)使用的主流標(biāo)準(zhǔn)總線，具有豐富的硬件資源，因此不易受資源環(huán)境限制；第二，PCI設(shè)備配置空間采用自動(dòng)配置方式，反跟蹤能力強(qiáng)；第三，在PCI擴(kuò)展卡上易于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的加密算法。

1總體設(shè)計(jì)方案

基于PCI總線的加密卡插在計(jì)算機(jī)的PCI總線插槽上（5V32Bit連接器），主處理器通過與加密卡通信，獲取密鑰及其它數(shù)據(jù)。加密卡的工作過程和工作原理是：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分配給加密卡4字節(jié)I／O空間，被加密軟件通過驅(qū)動(dòng)程序訪問該I／O空間；加密卡收到訪問命令后，通過PCI專用接口芯片，把PCI總線訪問時(shí)序轉(zhuǎn)化為本地總線訪問時(shí)序；本地總線信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換處理后，與單片機(jī)相連，按約定的通信協(xié)議與單片機(jī)通信。上述過程實(shí)現(xiàn)了主處理器對(duì)加密卡的訪問操作。

圖1硬件總體設(shè)計(jì)方案

下面以主處理器對(duì)加密卡進(jìn)行寫操作為例，闡述具體的實(shí)現(xiàn)方法。加密卡采用PLX公司的PCI9052作為PCI總線周期與本地總線周期進(jìn)行轉(zhuǎn)換的接口芯片。PCI9052作為PCI總線從設(shè)備，又充當(dāng)了本地總線主設(shè)備，對(duì)其配置可通過EEPROM93LC46B實(shí)現(xiàn)。主處理器對(duì)加密卡進(jìn)行寫操作，PCI9052把PCI總線時(shí)序轉(zhuǎn)化為8位本地?cái)?shù)據(jù)總線寫操作。這8位本地?cái)?shù)據(jù)總線通過Lattice公司的ispLSI2064與單片機(jī)AT89C51的P0口相連，2064完成PCI9052本地總線與AT89C51之間的數(shù)據(jù)傳輸、握手信號(hào)轉(zhuǎn)換控制等功能。2064對(duì)8位本地?cái)?shù)據(jù)總線寫操作進(jìn)行處理，產(chǎn)生中斷信號(hào)。該中斷信號(hào)與AT89C51的INT0＃相連，使AT89C51產(chǎn)生中斷。AT89C51產(chǎn)生中斷后，檢測(cè)與其P2口相連的本地讀寫信號(hào)WR＃、RD＃、LW／R＃。當(dāng)WR＃為低電平、LW／R＃為高電平時(shí)，AT89C51判斷目前的操作是否為寫操作。確認(rèn)是寫操作后，AT89C51把P0口上的8位數(shù)據(jù)取下來，然后用RDY51＃（經(jīng)2064轉(zhuǎn)換后）通知PCI9052的LRDYi＃，表明自己已經(jīng)把當(dāng)前的8位數(shù)據(jù)取走，可以繼續(xù)下面的工作。PCI9052收到LRDYi＃有效后，結(jié)束當(dāng)前的8位數(shù)據(jù)寫操作。PCI總線的一次32位數(shù)據(jù)寫操作，PCI9052本地總線需要四次8位數(shù)據(jù)寫操作，通過字節(jié)使能LBE1＃、LBE0＃區(qū)分當(dāng)前的8位數(shù)據(jù)是第幾個(gè)字節(jié)有效。

加密卡硬件總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2硬件各組成部分說明

2．1PCI9052部分

PCI9052是PCI總線專用接口芯片，采用CMOS工藝，160引腳PQFP封裝，符合PCI總線標(biāo)準(zhǔn)2．1版。其總線接口信號(hào)與PCI總線信號(hào)位置對(duì)應(yīng)，因此可直接相連，易于PCB實(shí)現(xiàn)。PCI9052的最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)132MB／s；本地時(shí)鐘最高可至40MHz，且無需與PCI時(shí)鐘同步；可通過兩個(gè)本地中斷輸入或軟件設(shè)置產(chǎn)生PCI中斷。它支持三種本地總線工作模式，實(shí)際設(shè)計(jì)采用地址和數(shù)據(jù)線非復(fù)用、8位本地?cái)?shù)據(jù)總線、非ISA模式。

PCI9052內(nèi)部有一個(gè)64字節(jié)PCI配置空間，一個(gè)84字節(jié)本地配置寄存器組。對(duì)PCI9052的配置可由主機(jī)或符合3線協(xié)議的串行EEPROM完成（注：ISA模式必須由串行EEPROM完成配置）。實(shí)際設(shè)計(jì)采用Microchip公司的93LC46B存放配置信息。系統(tǒng)初始化時(shí)，自動(dòng)將配置信息裝入PCI9052，約需780μs。如果EEPROM不存在或檢測(cè)到空設(shè)備，則PCI9052設(shè)置為默認(rèn)值。

在設(shè)計(jì)中，EEPROM用到的配置項(xiàng)目有：設(shè)備ID：9050；廠商ID：10B5；分類代碼：0780；子系統(tǒng)ID：9050；子系統(tǒng)廠商ID：10B5；支持INTA＃中斷，PCI3C：0100；分配4字節(jié)本地I／O空間：（例LAS0RR）0FFFFFFD；其它本地地址空間未使用：00000000；4字節(jié)本地I／O空間基地址（模4對(duì)齊）：（LAS0BA）01200001（僅為示例）；4字節(jié)本地I／O空間描述符：（LAS0BRD）00000022（非猝發(fā)、LRDYi＃輸入使能、BTERM＃輸入不使能、不預(yù)取、各內(nèi)部等待狀態(tài)數(shù)均為0、8位本地?cái)?shù)據(jù)總線寬度、小Endian模式）；中斷控制／狀態(tài)，Local4C：00000143（LINTi1使能、LINTi1邊沿觸發(fā)中斷選擇使能、LINTi2不使能、PCI中斷使能、非軟件中斷、ISA接口模式不使能）；UserI／O、從設(shè)備應(yīng)答、串行EEPROM、初始化控制，Local50：00024492。有兩點(diǎn)要注意：一是設(shè)計(jì)中采用PLX公司推薦使用的串行EEPROM93LC46B按字（16bit）為單位組織；二是EEPROM開發(fā)器編輯輸入與手工書寫的順序?qū)?yīng)關(guān)系，以廠商ID：10B5為例，在開發(fā)器編輯輸入的是b510，而不是10B5。

PCI9052本地信號(hào)的含義是：LAD[7．．0]：本地8位數(shù)據(jù)總線；WR＃：寫有效；RD＃：讀有效；LW／R＃：數(shù)據(jù)傳輸方向，高電平為寫操作，低電平為讀操作；LBE1＃和LBE0＃：字節(jié)使能，表明當(dāng)前LAD[7．．0]上的數(shù)據(jù)是第幾個(gè)字節(jié)（0到3）；BLAST＃：PCI9052寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或讀數(shù)據(jù)已取走；LRDYi＃：外部設(shè)備（此設(shè)計(jì)指單片機(jī)）已把PCI9052寫操作數(shù)據(jù)取走或讀操作數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好；LINTi1：外部設(shè)備通過LINTi1向主機(jī)發(fā)送INTA＃中斷，當(dāng)單片機(jī)驗(yàn)證密鑰正確，向主處理器發(fā)送請(qǐng)求，表明可以開始從中讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

需注意的是，PCI9052在使用時(shí)，某些引腳要加阻值為1kΩ～10kΩ的下拉或上拉電阻。因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)，給MODE、LHOLD、LINTi1引腳加下拉電阻，CHRDY、EEDO、LRDYi＃引腳加上拉電阻。

圖2PCI9052本地寫時(shí)序

以主處理器向單片機(jī)寫數(shù)據(jù)為例，圖2給出了PCI9052的本地寫時(shí)序。

2．2ispLSI2064部分

為降低數(shù)據(jù)被解析的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)盡量減少使用分離元件。因此在設(shè)計(jì)中選用了Lattice公司的CPLDispLSI2064。該芯片采用EECMOS技術(shù)，100引腳TQFP封裝，擁有2000個(gè)PLD門，64個(gè)I／O引腳另加4個(gè)專用輸入，64個(gè)寄存器，3個(gè)全局時(shí)鐘，TTL兼容的輸入輸出信號(hào)。2064具有在系統(tǒng)可編程ISP（In－SystemProgrammable）功能，可方便實(shí)現(xiàn)硬件重構(gòu)，易于升級(jí)，降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，并且安全性能高。PCI9052與單片機(jī)之間的8位數(shù)據(jù)線進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸，不能簡(jiǎn)單地直接相連，需要進(jìn)行傳輸方向控制和數(shù)據(jù)隔離。故用2064作為PCI9052本地信號(hào)與單片機(jī)信號(hào)進(jìn)行信號(hào)傳遞的接口，圖3給出了8位數(shù)據(jù)信號(hào)雙向傳輸?shù)脑韴D。2064的開發(fā)軟件ispDesignExpert8．2版支持VHDL、VerilogHDL、Abel等語言及原理圖輸入，且通過專用下載電纜可把最終生成的JEDEC文件寫入2064，實(shí)現(xiàn)編程。在設(shè)計(jì)時(shí)采用了原理圖輸入的方法。

原理圖中用到的BI18的功能描述為：當(dāng)OE＝1時(shí)，XB為輸出，A為輸入，即XB＝A；當(dāng)OE＝0時(shí)，XB為輸入，Z為輸出，即Z＝XB。FD28的功能描述為：8位D觸發(fā)器（帶異步清除）。結(jié)合PCI9052本地讀寫時(shí)序，可以分析得出，在進(jìn)行讀寫操作時(shí)，圖3實(shí)現(xiàn)了LAD[7．．0]與D[7．．0]之間正常的數(shù)據(jù)傳輸；在非讀寫時(shí)，雙方數(shù)據(jù)處于正常隔離狀態(tài)。

2．3單片機(jī)AT89C51部分

單片機(jī)采用ATMEL公司的AT89C51。這是一個(gè)8位微處理器，采用CMOS工藝，40引腳DIP封裝。它含有4K字節(jié)Flash和128字節(jié)RAM，且自身具有加密保護(hù)功能。單片機(jī)不進(jìn)行外部存儲(chǔ)器和RAM的擴(kuò)展，程序存儲(chǔ)和運(yùn)行均在片內(nèi)完成，有效地保證了加密強(qiáng)度。

單片機(jī)的P0口接圖3的D[7．．0]，并加10kΩ的上拉排阻。WR＃、RD＃、W／R＃、BE1＃、BE0＃作為單片機(jī)輸入信號(hào)接P2口。PCI9052寫數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好或讀數(shù)據(jù)已取走信號(hào)REQ9052＃作為單片機(jī)輸入信號(hào)接P3．2（INT0＃);寫數(shù)據(jù)單片機(jī)已取走或讀數(shù)據(jù)單片機(jī)準(zhǔn)備好信號(hào)RDY51＃作為單片機(jī)輸出信號(hào)接P1．0;接P1．1的OVER51＃作為單片機(jī)輸出信號(hào)，經(jīng)2064接PCI9052的LINTi1，通過LINTi1向主機(jī)發(fā)送INTA＃中斷請(qǐng)求。

基于PCI總線的加密卡，依照PCI總線標(biāo)準(zhǔn)2．1版，通過動(dòng)態(tài)分配4字節(jié)I／O空間，實(shí)現(xiàn)主處理器與卡上單片機(jī)之間的握手通信。被加密軟件通過訪問加密卡，獲取軟件正常執(zhí)行的相關(guān)權(quán)限。在加密卡不存在的情況下，被加密軟件因得不到相關(guān)授權(quán)而無法運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)了加密功能。在單片機(jī)的存儲(chǔ)器里，除了存放密鑰之外，設(shè)計(jì)者還可以把被加密軟件的部分程序、算法或常數(shù)寫入單片機(jī)的存儲(chǔ)器，在加密卡不存在的情況下，被加密軟件的功能是不完整的，從根本上防止了軟件破解。

硬件設(shè)計(jì)論文:壓縮卡軟硬件設(shè)計(jì)管理論文

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)視頻的應(yīng)用越來越廣。但視頻通常由于數(shù)據(jù)量巨大，應(yīng)用受到不少限制。為解決視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，唯一途徑就是對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。結(jié)合目前實(shí)際需求，給出了一種基于PCI總線的MPEG－I壓縮卡的軟件、硬件實(shí)現(xiàn)方案。

關(guān)鍵詞：PCI總線WDM驅(qū)動(dòng)MPEG－1壓縮卡

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術(shù)的高速發(fā)展，人們生活水平的提高，對(duì)計(jì)算機(jī)視頻的需求和應(yīng)用越來越多，如視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議、計(jì)算機(jī)視覺等。計(jì)算機(jī)視頻提供給人的信息很多，但是視頻的數(shù)據(jù)量很大，不利于傳輸和存儲(chǔ)，使其應(yīng)用受到不少限制。為解決視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸，唯一途徑就是對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。

目前常見的視頻壓縮方法有MPEG－1、MPEG－2、MPEG－4、H．261、H．263等?？紤]壓縮技術(shù)的成熟度和該壓縮卡的主要用途，本文采用MPEG－1作為壓縮標(biāo)準(zhǔn)，研制了基于PCI總線的MPEG－I壓縮卡。該卡適用于視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等多種應(yīng)用場(chǎng)合。該卡加上一臺(tái)主機(jī)、攝像頭和軟件可構(gòu)成一個(gè)完整的視頻采集壓縮系統(tǒng)。

1系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）支持BNC、RCA、S－VIDEO視頻接口；

（2）支持PAL和NTSC制式；

（3）可對(duì)視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽，最大分辨率可達(dá)720×576×32；

（4）可對(duì)聲音進(jìn)行同步監(jiān)聽；

（5）可對(duì)音、視頻信號(hào)進(jìn)行MPEG－I壓縮，生成MPEG文件和VCD文件；

（6）用戶可編程MPEG－1編碼設(shè)置，可支持CBR和VBR；

（7）可一機(jī)多卡同時(shí)工作；

（8）可從動(dòng)態(tài)影像中捕獲單幀，生成JPG和BMP文件；

（9）支持Win98／Win2000。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2．1系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)主要由視頻解碼、音頻解碼、壓縮核心和PCI接口等組成，其總體框圖如圖1所示。

2．2視頻解碼設(shè)計(jì)

視頻解碼部分主要完成模擬視頻到數(shù)字視頻的處理，以供后面預(yù)覽、壓縮用。視頻解碼芯片常用的有SAA7110、SAA7113和SAA7114等。本方案中采用Philips公司的SAA7114。SAA7114有六路模擬輸入，內(nèi)置模擬源選擇器可構(gòu)成6×CVBS、2×Y／C2×CVBS、1×Y／C和4×CVBS；兩路模擬預(yù)處理通道，內(nèi)有抗混迭濾波器；CVBS或Y／C通道含完全可編程靜態(tài)增益控制或自動(dòng)增益控制功能，對(duì)CVBS、Y／C通道可進(jìn)行自動(dòng)鉗位控制；能自動(dòng)檢測(cè)50Hz／60Hz場(chǎng)頻，并可自動(dòng)在PAL和NTSC制式進(jìn)行切換；能將PAL、NTSC和SECAM信號(hào)解碼及模數(shù)變換得到符合ITU－601／ITU－656的數(shù)字電視信號(hào)。該芯片是目前視頻解碼芯片中接收視頻源的寬容性及視頻解碼圖像質(zhì)量最好的一種。其通過I2C接口，進(jìn)行初始化設(shè)置。

本系統(tǒng)采用ImagePort作為數(shù)字視頻輸出端口，數(shù)字視頻格式采用ITU－656AI11（PIN20）作為BNC／RCA輸入腳，AI12、AI22作為S－VIDEO輸入腳。

圖2SAA7146A方框圖

2．3音頻解碼設(shè)計(jì)

音頻解碼的數(shù)據(jù)一部分提供給SAA7146A作聲音監(jiān)聽用，另一部分用于壓縮?？紤]到成本，本系統(tǒng)采用BURR－BROWN公司的PCM1800E。該芯片是雙聲道單片ΔΣ型20位ADC單＋5V電源供電，信噪比為95dB（典型值），動(dòng)態(tài)范圍95dB（典型值），內(nèi)嵌高通濾波器，支持四種接口方式和四種數(shù)據(jù)格式。其采樣頻率為32kHz、44．1kHz和48kHz可選。

本系統(tǒng)采用從模式，20位I2S數(shù)據(jù)格式。主時(shí)鐘由SAA7114提供。

2．4MPEG－1壓縮部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中MPEG－I壓縮芯片選用ZAPEX公司的SZ1510。該芯片基于TI的TMS320C54xDSP內(nèi)核，能對(duì)ITU－601／ITU－656數(shù)字電視信號(hào)和PCM音頻流進(jìn)行MPEG－1實(shí)時(shí)壓縮，可生成多種流，如音頻基本流、視頻基本流、音視頻復(fù)合流等。

該芯片外接27MHz晶振，可支持多種主機(jī)接口，可工作在復(fù)用或非復(fù)用、Intel或Motorola類型總線。通過輸入管腳HCONFIG1：0和SysConfig寄存器可設(shè)置成六種總線接口類型：Intel8051類型的數(shù)據(jù)／地址復(fù)用的8位總線、Motorola類型的數(shù)據(jù)／地址復(fù)用的8位總線、Intel8051類型的非復(fù)用的8位數(shù)據(jù)總線、Motorola類型的非復(fù)用的8位數(shù)據(jù)總線、Intel8051類型的非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線和Motorola類型的非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線。支持I2S聲音接口。

本系統(tǒng)中采用Intel8051類型的非復(fù)用的16位數(shù)據(jù)總線。

2．5PCI接口部分設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中PCI接口芯片選用SAA7146A，該芯片并不是通用的PCI接口芯片，而是一個(gè)多媒體橋（MultimediaBridge）。方框圖如圖2。該芯片符合PCI2．1規(guī)范。它有八個(gè)DMA通道，三個(gè)視頻，四個(gè)音頻，一個(gè)DEBI（DataExpansionBusInterface）。還具有兩路視頻通道，可對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放，一路可無級(jí)縮放HPS（HighPerformaceScaler，其縱向可達(dá)1：1024、橫向可達(dá)1：256；另一路有級(jí)縮放BRS（BinaryRatioScaler支持CIF和QCIF格式。

音頻接口以I2S為基礎(chǔ)，通過編程控制以支持MSB－FIRST的不同格式及不同的時(shí)序格式。

本系統(tǒng)中該部分主要實(shí)現(xiàn)功能如下：

（1）通過DEBI接收SZ1510產(chǎn)生的MPEG－1數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絻?nèi)存；

（2）通過視頻接口，接收SAA7114輸出的視頻解碼信號(hào)，并進(jìn)行亮度、色度、飽和度的控制，并實(shí)現(xiàn)無級(jí)縮放功能實(shí)現(xiàn)視頻預(yù)覽功能；

（3）通過音頻接口，接收PCM1800E輸出的PCM編碼信號(hào)，傳輸?shù)絻?nèi)存，實(shí)現(xiàn)聲音監(jiān)聽功能；

（4）提供符合PCI2．1規(guī)范的接口，將板上數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)內(nèi)存。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用層的API設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)程序主要負(fù)責(zé)與硬件打交道，應(yīng)用層API主要負(fù)責(zé)與驅(qū)動(dòng)程序接口。由于設(shè)計(jì)了應(yīng)用層的API，應(yīng)用程序可很容易在上面進(jìn)行開發(fā)。

3．1驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

為了支持Windows2000和Windows98采用WDMWindowsDriverModel驅(qū)動(dòng)程序。WDM作為微軟的最新驅(qū)動(dòng)程序模型與傳統(tǒng)的Win3．x和Win95使用的VxD驅(qū)動(dòng)完全不同。WDM可支持電源管理、自動(dòng)配置和熱插拔等。WDM驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)可以采用DriverStudioDS、Windriver、DDKDriverDeviceKit等。本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采用Windows2000DDK借助VC6．0設(shè)計(jì)。

3．1．1MPEG－I壓縮部分

在驅(qū)動(dòng)中，重置SZ1510后，就可以裝載相應(yīng)工作模式的微碼；根據(jù)需要，設(shè)置好相應(yīng)寄存值后就可以啟動(dòng)SZ1510對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG－1編碼。每當(dāng)產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)超過SZ1510內(nèi)部的FIFO門限后，SZ1510產(chǎn)生相應(yīng)中斷，內(nèi)核調(diào)用中斷例程，在中斷例程中調(diào)用中斷延遲例程DPC，在中斷延遲例程中接收產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)。SZ1510提供兩種方式提取數(shù)據(jù)，一種用I2C總線接口方式，另一種用DEBI方式。

在本系統(tǒng)中，采用DEBI進(jìn)行壓縮數(shù)據(jù)的傳輸?？紤]到壓縮數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度，本系統(tǒng)開了32頁大小的緩沖區(qū)，在中斷延遲例程中填充該緩沖區(qū)。每當(dāng)填滿8頁大小后，產(chǎn)生一個(gè)事件通知應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。通過這種方式，可以避免壓縮數(shù)據(jù)的丟失。

其流程圖如圖3所示。

在驅(qū)動(dòng)中，壓縮數(shù)據(jù)的提取方式將極大地影響生成MPEG文件的質(zhì)量。如果處理不當(dāng)，將導(dǎo)致馬賽克、跳幀等現(xiàn)象。

3．1．2驅(qū)動(dòng)程序中用戶緩沖區(qū)的訪問

驅(qū)動(dòng)程序訪問用戶內(nèi)存主要通過緩沖I／O和直接I／O。緩沖I／OI／O管理器創(chuàng)建一個(gè)內(nèi)核模式拷貝緩沖區(qū)，并把用戶緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到該緩沖區(qū)中，并在IRP首部的AssociateIrp．SystemBuffer域中存儲(chǔ)該非分頁內(nèi)存地址。驅(qū)動(dòng)程序可簡(jiǎn)單地讀寫該塊內(nèi)存。直接I／O，I／O管理器為輸入數(shù)據(jù)提供一個(gè)內(nèi)核模式拷貝緩沖區(qū)，對(duì)輸出數(shù)據(jù)提供一個(gè)內(nèi)存描述符（MDL）。為了使用緩沖I／O或直接I／O在創(chuàng)建設(shè)備時(shí)，必須設(shè)置設(shè)備對(duì)象的Flags域中的DO＿BUFFERED＿IO標(biāo)志位來使用緩沖I／O或設(shè)置DO＿DIRECT＿IO標(biāo)志位來使用直接I／O。

在本驅(qū)動(dòng)中由于緩沖I／O和直接I／O都被使用，DO＿BUFFERED＿IO標(biāo)志位和DO＿DIRECT＿IO標(biāo)志位都被設(shè)置。

在定義IOCTL碼中，對(duì)緩沖I／O使用METHOD＿BUFFEERED對(duì)直接I／O使用METHOD＿OUT＿DIRECT。

3．2應(yīng)用層API設(shè)計(jì)

應(yīng)用層對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的訪問通過調(diào)用Win32I／O函數(shù)（如ReadFile、WriteFile和DeviceIoControl）訪問。當(dāng)應(yīng)用層調(diào)用Win32I／O函數(shù)以請(qǐng)求I／O后，該請(qǐng)求由內(nèi)核的I／O系統(tǒng)服務(wù)接收，I／O管理器對(duì)該請(qǐng)求構(gòu)造合適的IRP包，并將其傳給驅(qū)動(dòng)程序棧，IRP在棧中進(jìn)行傳遞，傳到驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行處理，并將結(jié)果返回給應(yīng)用程序。

通過應(yīng)用層API，在其上面可進(jìn)一步開發(fā)各類應(yīng)用程序。

本系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的要求，能夠在音視頻采集過程中對(duì)視頻、音頻進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)覽、監(jiān)聽。壓縮生成的文件可在標(biāo)準(zhǔn)媒體播放器上播放，并可對(duì)生成的VCD文件進(jìn)行刻錄，然后由VCD機(jī)播放.

硬件設(shè)計(jì)論文:硬件地址識(shí)別設(shè)計(jì)分析論文

摘要：在通信和控制系統(tǒng)中，常使用異步串行通信控制器(UART)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輔助信息的傳輸。為實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信，通常用軟件識(shí)別發(fā)往本站點(diǎn)或其它站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這會(huì)加大CPU的開銷。介紹了一種基于FPGA的UARTIP，由硬件實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信時(shí)的數(shù)據(jù)過濾功能，降低了CPU的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：UART多點(diǎn)通信FPGA知識(shí)產(chǎn)權(quán)

在通信和控制系統(tǒng)中，常使用異步串行通信實(shí)現(xiàn)多塊單板之間的輔助通信，各個(gè)單板通過總線方式連接。為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，需要由軟件定義一套較復(fù)雜的通信協(xié)議，過濾往來的數(shù)據(jù)，消耗了CPU較多的時(shí)間。89C51單片機(jī)有一種九位通信方式，采用一位地址位來實(shí)現(xiàn)通信對(duì)象的選擇，只對(duì)發(fā)往本地址的地址發(fā)生中斷進(jìn)而接收數(shù)據(jù)。通用的UART芯片如16C550和89C51等構(gòu)成總線式的通信系統(tǒng)時(shí)，需要由CPU通過軟件處理接收到的地址和產(chǎn)生九位的數(shù)據(jù)。本文介紹的UART采用VerilogHDL硬件描述語言設(shè)計(jì)，可以用FPGA實(shí)現(xiàn)，可應(yīng)用于SoC設(shè)計(jì)中。其主要特性如下：

·全硬件地址識(shí)別，過濾數(shù)據(jù)不需要CPU的介入；支持一個(gè)特殊地址，可用于監(jiān)聽和廣播。

·支持查詢和中斷兩種工作方式，中斷可編程。

·接收和發(fā)送通路分別有128ByteFIFO，每個(gè)接收字節(jié)附帶狀態(tài)信息。

·設(shè)計(jì)采用VerilogHDL語言，全同步接口，可移植性好。

·支持自環(huán)測(cè)試功能。

·波特率可以編程，支持八位或者九位兩種數(shù)據(jù)格式。

設(shè)計(jì)的UART的九位串行數(shù)據(jù)格式如圖1所示。在空閑狀態(tài)，數(shù)據(jù)線處于高電平狀態(tài)?？偩€由高到低跳變，寬度為一個(gè)波特率時(shí)間的負(fù)脈沖為開始位，然后是8bit的數(shù)據(jù)位。數(shù)據(jù)位后面是lbit的地址信息位。如果此位是1，表示發(fā)送的字節(jié)是地址信息；如果此位是0，傳輸?shù)氖钦?shù)據(jù)信息。地址指示位后是串行數(shù)據(jù)的停止位。

1UART設(shè)計(jì)

UART采用模塊化、層次化的設(shè)計(jì)思想，全部設(shè)計(jì)都采用VerilogHDL實(shí)現(xiàn)，其組成框圖如圖2所示。整個(gè)UARTIP由串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、串行數(shù)據(jù)接收模塊、接收地址識(shí)別模塊、接收和發(fā)送HIFO、總線接口邏輯、寄存器和控制邏輯構(gòu)成。串行發(fā)送模塊和接收完成并/串及串/并的轉(zhuǎn)換，接收地址的識(shí)別由接收地址識(shí)別模塊完成。發(fā)送和接收HIFO用于緩存發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)?？偩€接口邏輯用于連接UARTIP內(nèi)部總線和HOST接口。寄存器和控制邏輯實(shí)現(xiàn)UARTIP內(nèi)部所有數(shù)據(jù)的收發(fā)、控制和狀態(tài)寄存器、內(nèi)部中斷的控制及波特率信號(hào)的產(chǎn)生。以下詳細(xì)說明主要部分的設(shè)計(jì)原理。

1.1串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將數(shù)據(jù)或地址碼由并行轉(zhuǎn)換為串行，并從串行總線輸出。設(shè)計(jì)采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，分為空閑、取數(shù)、發(fā)送三個(gè)狀態(tài)。其狀態(tài)遷移如圖3所示。各個(gè)狀態(tài)說明如下：

空閑狀態(tài)：狀態(tài)機(jī)不斷檢測(cè)發(fā)送使能位、UART使能位和發(fā)送FIFO空/滿標(biāo)志位，如果使能位為高、UART使能打開且FIFO空標(biāo)志位為低，串行發(fā)送進(jìn)入取數(shù)狀態(tài)。

取數(shù)狀態(tài)：在此狀態(tài)，分兩個(gè)周期從發(fā)送FIFO中取出待發(fā)送的數(shù)據(jù)或者地址，然后進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。

發(fā)送狀態(tài)：在此狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)按照九位串行數(shù)據(jù)的格式依次發(fā)送開始位、數(shù)據(jù)位、地址指示位。待停止位發(fā)送完畢后，返回空閑狀態(tài)。一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，進(jìn)行下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的發(fā)送流程。

1.2串行數(shù)據(jù)接收模塊

串行數(shù)據(jù)接收模塊用于檢測(cè)串行數(shù)據(jù)的開始位，將串行總線上的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行數(shù)據(jù)并輸出。接收邏輯也采用有限狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)，分為空閑狀態(tài)、尋找開始位、接收數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù)四個(gè)狀態(tài)。其狀態(tài)遷移圖如圖4所示。各個(gè)狀態(tài)說明如下：

空閑狀態(tài)：在此狀態(tài)，不斷檢測(cè)接收使能、UART使能和串行輸入信號(hào)的狀態(tài)。如果串行輸入信號(hào)出現(xiàn)由高到低的電平變化且UART使能和接收使能都為高，則將采樣計(jì)數(shù)器復(fù)位，并進(jìn)入尋找開始位狀態(tài)。

尋找開始位：在此狀態(tài)，狀態(tài)機(jī)等待半個(gè)波特率的時(shí)間，然后重新檢測(cè)串行輸入的電平。如果為低，則判斷收到的開始位有效，進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)；否則認(rèn)為數(shù)據(jù)總線上出現(xiàn)干擾，開始位無效，重新返回空閑狀態(tài)。

接收數(shù)據(jù)：在此狀態(tài)，依次接收串行數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)位、地址指示位和停止位，結(jié)束后進(jìn)入保存數(shù)據(jù)狀態(tài)。

保存數(shù)據(jù)：此狀態(tài)將收到的串行數(shù)據(jù)以并行方式從接口的并行總線輸出，然后返回空閑狀態(tài)，準(zhǔn)備進(jìn)行下一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的搜索和接收。

為提高對(duì)串行輸入上突發(fā)干擾的抵抗能力，對(duì)于接收數(shù)據(jù)，在脈沖的中間位置連續(xù)采樣三次，較多的電平作為接收的有效數(shù)據(jù)。所有接收數(shù)據(jù)的采樣頻率為接收波特率的16倍。

1.3硬件地址識(shí)別模塊

硬件地址識(shí)別模塊用于從接收到的數(shù)據(jù)中判斷出地址和數(shù)據(jù)，在地址識(shí)別功能打開時(shí)，選擇數(shù)據(jù)通過或者丟棄；而該功能關(guān)閉時(shí)，所有數(shù)據(jù)都會(huì)通過。地址識(shí)別模塊是一個(gè)有兩個(gè)狀態(tài)的有限狀態(tài)機(jī)，分為地址和數(shù)據(jù)兩個(gè)狀態(tài)。其狀態(tài)遷移圖如圖5所示。狀態(tài)說明如下：

地址狀態(tài)：在此狀態(tài)時(shí)，判斷接收到的數(shù)據(jù)以及地址識(shí)別使能位。如果地址識(shí)別功能沒有打開，對(duì)于接收的任何地址，都進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)。如果地址識(shí)別功能打開，則將收到的地址和本地地址比較，如果相等，則保存此地址，進(jìn)入數(shù)據(jù)狀態(tài)；否則繼續(xù)在此狀態(tài)接收數(shù)據(jù)和地址，將收到的數(shù)據(jù)忽略。

數(shù)據(jù)狀態(tài)：將接收到的數(shù)據(jù)輸出，直到收到地址位時(shí)，返回地址狀態(tài)，處理地址。

為實(shí)現(xiàn)監(jiān)聽和廣播功能，將地址255作為特殊地址，它可以和任何地址匹配。若本站的地址為255，此站點(diǎn)可以接收任何地址的數(shù)據(jù)，此功能可以用于監(jiān)聽總線上的數(shù)據(jù)；若發(fā)送數(shù)據(jù)的目的地址為255，則任何站點(diǎn)都會(huì)接收到此數(shù)據(jù)，此功能可以用于發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。

1.4FIFO設(shè)計(jì)

FIFO由控制邏輯和雙口RAM組成，控制邏輯用來實(shí)現(xiàn)將一個(gè)雙口RAM轉(zhuǎn)換成兩個(gè)FIFO的功能，這兩個(gè)FIFO分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)緩存；中斷控制用于在中斷工作方式時(shí)管理UART內(nèi)部的中斷狀態(tài)和控制信息。

為減少所需塊RAM的數(shù)量，接收和發(fā)送FIFO使用同一個(gè)塊RAM實(shí)現(xiàn)，使用仲裁機(jī)制保證兩個(gè)FIFO的四個(gè)端口，在同一時(shí)刻最多只有兩個(gè)操作，不影響對(duì)FIFO的讀寫。

1.5總線接口

UART采用同步接口，所有信號(hào)都在系統(tǒng)時(shí)鐘的上升沿采樣，設(shè)備的握手用一位應(yīng)答信號(hào)完成。

數(shù)據(jù)總線寬度采用8+2的方式。和16位或者32位寬度的數(shù)據(jù)總線連接時(shí)，可以一次讀取接收數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)和地址指示位，減少總線操作次數(shù)；若和8位系統(tǒng)連接，可以只連接低8位數(shù)據(jù)線，接收數(shù)據(jù)的地址信息可以通過內(nèi)部的狀態(tài)寄存器讀取。

1.6寄存器和控制邏輯

寄存器部分實(shí)現(xiàn)UART內(nèi)部所有數(shù)據(jù)的收發(fā)、控制和狀態(tài)寄存，用于設(shè)置UART的數(shù)據(jù)格式、收發(fā)波特率、FIFO控制、本地地址、地址識(shí)別、中斷控制和狀態(tài)寄存，實(shí)現(xiàn)對(duì)UART工作的控制。

控制邏輯產(chǎn)生所需的所有波特率信號(hào)及對(duì)應(yīng)的上升和下降沿指示信號(hào)，并根據(jù)實(shí)際工作所選擇的波特率輸出與系統(tǒng)時(shí)鐘同步的對(duì)應(yīng)信號(hào)。波特率產(chǎn)生邏輯的組成框圖如圖6所示。

2功能和時(shí)序仿真

首先結(jié)合功能仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)的仿真平臺(tái)。仿真平臺(tái)如圖7所示。系統(tǒng)仿真平臺(tái)和仿真激勵(lì)采用VerilogHDL語言設(shè)計(jì)，可同時(shí)用于功能仿真和時(shí)序仿真，不能用于二者的綜合。寄存器級(jí)模型為用于UARTIP設(shè)計(jì)的RTL描述，全部采用可以綜合的VerilogHDL語句編寫。仿真使用的軟件為ModelSim。

功能仿真包括以下幾個(gè)方面：

(1)基本模塊連線時(shí)序的仿真。首先用描述方式設(shè)計(jì)UART的接口模型，利用仿真激勵(lì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的讀寫操作，設(shè)計(jì)出仿真激勵(lì)信號(hào)和系統(tǒng)仿真平臺(tái)。然后結(jié)合仿真激勵(lì)信號(hào)逐步完成UART的各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)。仿真時(shí)，需要逐步觀察UART接口信號(hào)的波形、UART內(nèi)部模塊的接口信號(hào)波形、各種狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)遷移和數(shù)據(jù)指針的值以及狀態(tài)位的值，逐步完成寄存器傳輸級(jí)的UART設(shè)計(jì)。

(2)UART的工作仿真。完成RTL的寄存器傳輸級(jí)模型后，根據(jù)系統(tǒng)軟件工作的模式，用HDL設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)收發(fā)的仿真激勵(lì)，打開自環(huán)功能，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。仿真可以分為仿真查詢和中斷兩種工作方式。對(duì)于中斷工作方式，需要用HDL語言模擬軟件的中斷機(jī)制，

進(jìn)行中斷工作方式的仿真。最后打開地址識(shí)別功能，發(fā)送不同目的地址的數(shù)據(jù)，觀察UART的硬件地址識(shí)別情況。

完成功能仿真后，將設(shè)計(jì)進(jìn)行布局布線，生成Ver-ilogHDL形式的時(shí)序仿真模型和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)延文件，利用與功能仿真相同的仿真平臺(tái)進(jìn)行時(shí)序仿真。時(shí)序仿真只需要仿真工作方式。功能仿真和時(shí)序仿真使用相同的仿真平臺(tái)和激勵(lì)向量，這樣便于比較二者的差異，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)代碼存在的問題。

3綜合和測(cè)試結(jié)果

本設(shè)計(jì)用Synplicity公司的SynplifyPro作為綜合工具，用XilinxISE5.2作為布局布線工具，采用器件為XC2S100IIE-7。綜合結(jié)果顯示，該UARTIP占用資源情況為:SLICE275個(gè)、內(nèi)部塊RAM1個(gè)、I/O24個(gè)，HOST總線可以達(dá)到的頻率為73.2MHz。

測(cè)試程序參考仿真激勵(lì)的生成，用C語言在vxWorks操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)。測(cè)試所用方法和工作仿真完全相同，只是仿真激勵(lì)對(duì)應(yīng)測(cè)試程序，而RTL模型對(duì)應(yīng)實(shí)際的FP-GA器件。

多點(diǎn)測(cè)試使用了五塊單板，采用半雙工總線方式，定義簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)包格式，用于檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤并返回?cái)?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包的格式為地址開頭，后面是最大255Byte的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)部分包括發(fā)送方的地址、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和及包的長(zhǎng)度。另外，還定義簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)程序格式，完成基本數(shù)據(jù)的收發(fā)和控制，然后在上層加載多點(diǎn)通信協(xié)議。其中的一塊加載主設(shè)備程序，其它單板加載從設(shè)備程序。主設(shè)備周期性地向其它從設(shè)備發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)等待接收目標(biāo)單板的數(shù)據(jù)。從設(shè)備軟件只接收發(fā)給本單板的數(shù)據(jù)，如果校驗(yàn)正確，將收到的數(shù)據(jù)發(fā)給主設(shè)備；如果有錯(cuò)誤，則不進(jìn)行任何操作。主設(shè)備若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)無法接收從設(shè)備的數(shù)據(jù)或者接收數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，則判斷通信異常，進(jìn)行下一個(gè)設(shè)備的測(cè)試。

測(cè)試時(shí)，數(shù)據(jù)包長(zhǎng)為240Byte，波特率為115200。常溫和高低溫環(huán)境下的測(cè)試結(jié)果表明，UARTIP工作穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

本UARTIP全部采用VerilogHDL設(shè)計(jì)，可以在采用FPGA實(shí)現(xiàn)的通訊和控制系統(tǒng)中作為系統(tǒng)多點(diǎn)通訊控制器，也可以用于片上系統(tǒng)(SoC)的設(shè)計(jì)。用于多點(diǎn)通信時(shí)，可以有效降低CPU的額外負(fù)擔(dān)，提高CPU系統(tǒng)的利用率。由于采用語言描述，移植性強(qiáng)，可以用于不同廠家、不同型號(hào)的FPGA芯片中，提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)速度和效率。

硬件設(shè)計(jì)論文:路由器硬件設(shè)計(jì)研究論文

摘要：介紹了VoIP語音卡在路由器中的應(yīng)用，詳細(xì)描述了一款應(yīng)用于路由器的語音卡的硬件結(jié)構(gòu)及其工作方式。

關(guān)鍵詞：VoIPPCIFXS路由器語音壓縮

1VoIP在路由器中的應(yīng)用

近年來，VoIP（VoiceoverInternetProtocol）給通信市場(chǎng)帶來了強(qiáng)大的沖擊。IP語音業(yè)務(wù)推出后，由于其在通話費(fèi)用上比傳統(tǒng)電話具有突出的優(yōu)勢(shì)，因而受到了廣泛歡迎。VoIP技術(shù)在路由器中應(yīng)用，可以大大節(jié)省有多個(gè)部門在不同地方辦公的企業(yè)或機(jī)構(gòu)的電話費(fèi)用。圖1為一個(gè)VoIP路由器在公安分局與派出所間應(yīng)用的方案。

派出所網(wǎng)點(diǎn)的路由器DCR－2501V和DCR－2509V使用FR（幀中繼）或DDN線路同分局的DCR－3660實(shí)現(xiàn)互連，各網(wǎng)點(diǎn)的計(jì)算機(jī)可通過路由器連接分局的局域網(wǎng)或Internet，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；同時(shí)，DCR－2501V或DCR－2509V通過FXS語音端口連接普通電話機(jī)，分局路由器通過E＆M接口和PBX連接，這樣既可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各部門間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)還可進(jìn)行零費(fèi)用的語音通話。

VoIP在費(fèi)用上呈現(xiàn)巨大優(yōu)勢(shì)的原因在于其利用了計(jì)算機(jī)通訊的分組化、數(shù)字化傳輸技術(shù)，先對(duì)語音數(shù)據(jù)按照一定的語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮編碼處理，然后把這些數(shù)據(jù)按IP相關(guān)協(xié)議打包，再將數(shù)據(jù)包通過IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇邮斩?，接收端將這些以不同順序到達(dá)的數(shù)據(jù)包按其本身順序串起來，并經(jīng)過解碼解壓恢復(fù)出原來的語音信號(hào)。與傳統(tǒng)的語音業(yè)務(wù)相比，VoIP在時(shí)間延遲、話音質(zhì)量等方面存在缺陷。可以采用一些先進(jìn)的協(xié)議如資源預(yù)留協(xié)議（RSVP）和不同類型服務(wù)（Diffserv）等方案來盡可能的優(yōu)化語音數(shù)據(jù)包的傳輸，以減少傳輸延遲和擁塞。

目前，VoIP的標(biāo)準(zhǔn)主要有國(guó)際電信聯(lián)盟技術(shù)部（ITU－T）建議的H．323系統(tǒng)和IETF建議的會(huì)話發(fā)起協(xié)議（SessionInitiationProtocol，SIP）系統(tǒng)兩種。前者主要在電信網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)多媒體業(yè)務(wù)制訂，技術(shù)已趨成熟。后者基于動(dòng)態(tài)的Internet模式建網(wǎng)，是基于軟交換技術(shù)的面向網(wǎng)絡(luò)會(huì)議和電話的簡(jiǎn)單信令協(xié)議。在我國(guó)，主要選用H．323技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)VoIP，在H．323系列標(biāo)準(zhǔn)中，音頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)有G．711、G．722、G．723和G729等。

本文將介紹一種已經(jīng)應(yīng)用于路由器產(chǎn)品中的VoIP語音卡的硬件設(shè)計(jì)和工作原理。

2VoIP語音卡硬件結(jié)構(gòu)

該語音卡基于AudioCodes公司的VoPP（VoiceOverPacketProcessor，即語音包處理器）AC48302設(shè)計(jì)，采用PCI接口界面，可提供兩個(gè)FXS（ForeignExchangeStation）語音／傳真接口，可以方便靈活地應(yīng)用于本公司開發(fā)的系列路由器中，實(shí)現(xiàn)VoIP功能。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，以下介紹各部分硬件的原理和作用。

2．1PCI接口

路由器主板與語音卡之間通過PCI總線連接，便于通用。采用了PCI接口芯片PLX9030實(shí)現(xiàn)語音卡本地總線（HPI）與PCI總線之間的轉(zhuǎn)換。由于語音卡上數(shù)據(jù)流量不大，不需要利用如DMA方式主動(dòng)向路由器主板上的Memory空間傳遞數(shù)據(jù)。因此，語音卡工作于PCI的從模式方式，AC48302通過中斷方式接收或發(fā)送語音數(shù)據(jù)，PCI總線的數(shù)據(jù)寬度和速度為32位／33MHz。

2．2CPLD部分

AC48302采用8位并行的主處理器接口HPI與外部CPU（即路由器CPU）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在本設(shè)計(jì)中，HPI接口與PLX9030的本地總線接口時(shí)序稍有差別，經(jīng)過CPLD進(jìn)行調(diào)整。另外，路由器CPU還可通過CPLD控制CODEC和SLIC芯片。

2．3AC48302芯片

AC48302是AudioCodes公司推出的一款低功耗、低價(jià)格的雙通道語音包處理器，其內(nèi)部集成了一個(gè)DSP內(nèi)核。該芯片的主要特性如下：

·支持兩個(gè)通道的語音壓縮編碼，語音壓縮標(biāo)準(zhǔn)包括G．729A、G．723．1、G．727、G．726、G．711。

·兼容T．38或FRF．11傳真中繼（2．4～14．4kbps）。

·呼叫ID產(chǎn)生和檢測(cè)，呼叫進(jìn)程和用戶定義語音的檢測(cè)和產(chǎn)生。

·兼容G．168的25ms回聲消除。

·高性能的有效語音檢測(cè)（VAD）和舒適噪聲產(chǎn)生（CNG）。

·DTMF檢測(cè)和產(chǎn)生。

·A律／μ律可選的Codec接口，具有輸入輸出增益控制。

·PCMHighway接口。

·并行的主處理器接口（HPI）。

AC48302各部分硬件接口如圖3所示。

圖4AC48302HPI存儲(chǔ)器的映射關(guān)系

2．3．1語音接口（VoiceInterface）

語音接口提供未壓縮的語音、傳真數(shù)據(jù)的輸入輸出通道。語音接口對(duì)外提供四根信號(hào)線構(gòu)成PCM總線，直接連接外部CODEC芯片的PCMHighway。這四根信號(hào)線為PCMIN、PCMOUT、PCMCLK、PCMFS。PCMIN輸入從CODEC送來的PCM信號(hào)，AC48302內(nèi)部的DSP按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)（如G．729）壓縮后從HPI給路由器CPU轉(zhuǎn)發(fā)。PCMOUT則相反，AC48302將路由器CPU送來的語音數(shù)據(jù)按照合適的標(biāo)準(zhǔn)解壓縮，然后從PCMOUT口送到外部CODEC，CODEC經(jīng)過數(shù)／模轉(zhuǎn)換后恢復(fù)成語音信號(hào)?熏通過用戶接口送給用戶端。PCMCLK提供2．048MHz的比特同步時(shí)鐘，而PCMFS提供8kHz的幀同步時(shí)鐘。

2．3．2HPI接口

在本設(shè)計(jì)中，路由器CPU與AC48302通過HPI口進(jìn)行通信。路由器CPU和DSP通過AC48302的片內(nèi)共享的雙口存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。片內(nèi)共享存儲(chǔ)器的映射關(guān)系見圖4。

HPI接口包括1根8位數(shù)據(jù)總線和幾根控制總線。路由器CPU通過三個(gè)寄存器（HPIC、HPIA和HPID）控制AC48302及訪問片內(nèi)存儲(chǔ)空間。HPIC為控制寄存器，用來選擇AC48302的高低字節(jié)順序、產(chǎn)生和接收中斷。HPIA為地址寄存器，用來尋址片內(nèi)的2K存儲(chǔ)空間。HPID為數(shù)據(jù)寄存器，用來緩存每次讀寫的兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，外部CPU可以單個(gè)Word或塊數(shù)據(jù)方式訪問HPID，當(dāng)以塊數(shù)據(jù)方式訪問時(shí)，HPIA寄存器自動(dòng)累加，這樣可以減少外部CPU寫HPIA寄存器的開銷。AC48302的內(nèi)部寄存器和存儲(chǔ)器為16位寬度，因此外部CPU每次訪問AC48302必須以兩個(gè)字節(jié)為基本單位，信號(hào)線HI／LO用來選擇高低字節(jié)，信號(hào)HRS1、HRS0指示當(dāng)前訪問的是哪個(gè)寄存器。

除了以上兩個(gè)重要的接口外，AC48302內(nèi)部還包含一個(gè)PCM時(shí)鐘發(fā)生器、一個(gè)用于測(cè)試的JTAG接口以及一個(gè)用于訪問外部SRAM及處理信道輔助信令的Memory＆I／O接口。

2．4CODEC接口芯片

CODEC芯片負(fù)責(zé)對(duì)DSP解壓縮后送來的PCM數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，并將濾波后的模擬語音信號(hào)送到用戶線接口芯片SLIC，SLIC對(duì)其進(jìn)行2－4線轉(zhuǎn)換后送給用戶端；同時(shí)，CODEC還負(fù)責(zé)將SLIC送來的模擬語音信號(hào)進(jìn)行PCM編碼，然后送到DSP芯片進(jìn)行壓縮處理。

本設(shè)計(jì)中，CODEC芯片采用IDT公司的4通道PCM編解碼芯片IDT821034。該芯片具有可編程增益設(shè)置、主時(shí)鐘可選（2．048MHz、4．096MHz和8．192MHz）、最大可支持128個(gè)可編程時(shí)隙、A律／μ律可選、內(nèi)置數(shù)字濾波器、串行控制接口、低功耗等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中選用主時(shí)鐘為2．048MHz（E1幀模式），可劃分為32個(gè)相等的時(shí)隙（Slot0～Slot31），4個(gè)通道的接收和發(fā)送時(shí)隙可通過向串行控制口寫入控制字進(jìn)行動(dòng)態(tài)選擇。各時(shí)隙的位置都以8kHz的幀同步時(shí)鐘信號(hào)為參考，在IDT821034中，時(shí)隙0相對(duì)幀同步脈沖的位置有延遲模式和非延遲模式（圖6即為非延遲模式）。

PCM主時(shí)鐘（BCLK）、幀同步時(shí)鐘（FS）、接收數(shù)據(jù)（DR）和發(fā)送數(shù)據(jù)（DX）一起構(gòu)成PCMHighway信號(hào)，與AC48302進(jìn)行連接。BCLK與FS分別對(duì)應(yīng)AC48302的PCMCLK和PCMFS，這兩個(gè)時(shí)鐘信號(hào)都由AC48302產(chǎn)生；DR和DX分別對(duì)應(yīng)AC48302的PCMOUT和PCMIN。PCMHighway信號(hào)時(shí)序以及時(shí)隙與幀同步信號(hào)的關(guān)系分別如圖5、圖6所示。為了CODEC與DSP芯片間正確收發(fā)數(shù)據(jù)，一般選擇CODEC芯片在BCLK的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)DX，下降沿采樣數(shù)據(jù)DR，而在另一端的AC48302，則在時(shí)鐘下降沿采樣PCMIN，上升沿發(fā)送PCMOUT。

2．5用戶線接口（SLIC）芯片

設(shè)計(jì)中為了使語音卡能夠提供FXS接口功能，采用了愛立信公司的新型SLIC芯片PBL83710連接用戶接口。在該芯片內(nèi)部能夠產(chǎn)生高電壓鈴流信號(hào)及提供自動(dòng)電池饋電切換，具有環(huán)流振鈴和地鍵檢測(cè)功能及2－4線轉(zhuǎn)換功能。該芯片將許多傳統(tǒng)的振鈴繼電器、鈴流發(fā)生器等器件集成在一個(gè)片內(nèi)，節(jié)省了印制板空間和成本。

3VoIP語音卡硬件驅(qū)動(dòng)流程

硬件驅(qū)動(dòng)程序主要完成以下功能：

（1）初始化PLX9030芯片，配置相關(guān)寄存器，選擇本地總線工作方式。

（2）初始化AC48302芯片，啟動(dòng)AC48302內(nèi)部的DSP內(nèi)核到正常工作狀態(tài)。AC48302的啟動(dòng)步驟按順序分為以下幾步：核代碼（Kernel）下載；程序代碼（Program）下載；初始化模式；啟動(dòng)運(yùn)行。

（3）驅(qū)動(dòng)語音卡的正常操作。接收處理摘掛機(jī)中斷，將SLIC置于正確狀態(tài)；配置CODEC芯片的各通道收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)隙以及CODEC芯片的增益控制；接收處理AC48302數(shù)據(jù)包處理中斷，AC48302每處理完一個(gè)語音數(shù)據(jù)包就通過中斷方式通知路由器CPU讀取當(dāng)前Buffer中的數(shù)據(jù)或向Buffer寫入下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

本文采用的是FXS接口，只要對(duì)CODEC后面部分電路稍加改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)FXO或E＆M接口功能。目前，該語音卡方案在路由器產(chǎn)品中已獲廣泛采用。

硬件設(shè)計(jì)論文:高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)概述

摘要：隨著目前新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，高速單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣，對(duì)硬件的可靠性問題便提出更高的要求。本文將從硬件的可靠性角度描述高速單片機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：高速單片機(jī) 可靠性 特性阻抗 SI PI EMC 熱設(shè)計(jì)

引 言

隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號(hào)速度的不斷提高，而信號(hào)的幅度卻不斷降低，原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng)，現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤，分析原因，又找不出問題所在。另外，由于市場(chǎng)的需求，產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢?

硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn)，來判定是否滿足需求。這方面的資料相當(dāng)多，這里就不敘述了。硬件可靠性設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在電氣、熱等關(guān)鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設(shè)計(jì)等5個(gè)部分。

1 特性阻抗

近年來，在數(shù)字信號(hào)速度日漸增快的情況下，在印制板的布線時(shí)，還應(yīng)考慮電磁波和有關(guān)方波傳播的問題。這樣，原來簡(jiǎn)單的導(dǎo)線，逐漸轉(zhuǎn)變成高頻與高速類的復(fù)雜傳輸線了。

在高頻情況下，印制板（PCB）上傳輸信號(hào)的銅導(dǎo)線可被視為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導(dǎo)線路，如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應(yīng)，會(huì)得到以下公式：

式中Z0即特性阻抗，單位為Ω。

PCB的特性阻抗Z0與PCB設(shè)計(jì)中布局和走線方式密切相關(guān)。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。

在PCB的特性阻抗設(shè)計(jì)中，微帶線結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有4種：表面微帶線（surface microstrip）、嵌入式微帶線（embedded microstrip）、帶狀線（stripline）、雙帶線（dual-stripline）。下面只說明表面微帶線結(jié)構(gòu)，其它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶線模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Z0的計(jì)算公式如下：

對(duì)于差分信號(hào)，其特性阻抗Zdiff修正公式如下：

公式中：

——PCB基材的介電常數(shù)；

b——PCB傳輸導(dǎo)線線寬；

d1——PCB傳輸導(dǎo)線線厚；

d2——PCB介質(zhì)層厚度；

D——差分線對(duì)線邊沿之間的線距。

從公式中可以看出，特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過控制以上4個(gè)參數(shù)，可以得到相應(yīng)的特性阻抗。

2 信號(hào)完整性（SI）

SI是指信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中的信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC，則該電路具有較好的信號(hào)完整性。反之，當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí)，就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。從廣義上講，信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面：延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲和電磁兼容性。

延遲是指信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸，信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端，其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。

當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí)，信號(hào)到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去，使信號(hào)波形發(fā)生畸變，甚至出現(xiàn)信號(hào)的過沖和下沖。如果信號(hào)在傳輸線上來回反射，就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。

由于PCB板上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€之間都存在互容和互感，因此，當(dāng)一個(gè)器件或一根導(dǎo)線上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，其變化會(huì)通過互容和互感影響其它器件或?qū)Ь€，即串?dāng)_。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件及導(dǎo)線的幾何尺寸和相互距離。

信號(hào)質(zhì)量表現(xiàn)為幾個(gè)方面。對(duì)于大家熟知的頻率、周期、占空比、過沖、振鈴、上升時(shí)間、下降時(shí)間等，在此就不作詳細(xì)介紹了。下面主要介紹幾個(gè)重要概念。

①高電平時(shí)間（high time），指在一個(gè)正脈沖中高于Vih_min部分的時(shí)間。

②低電平時(shí)間（low time），指在一個(gè)負(fù)脈沖中低于Vil_max部分的時(shí)間，如圖3所示。

③建立時(shí)間（setup time），指一個(gè)輸入信號(hào)（input signal）在參考信號(hào)（reference signal）到達(dá)指定的轉(zhuǎn)換前必須保持穩(wěn)定的最短時(shí)間。

④保持時(shí)間（hold time），是數(shù)據(jù)在參考引腳經(jīng)過指定的轉(zhuǎn)換后，必須穩(wěn)定的最短時(shí)間，如圖4所示。

⑤建立時(shí)間裕量（setup argin），指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立時(shí)間與接收端芯片所要求的最小建立時(shí)間的差值。

⑥保持時(shí)間裕量（hold argin），指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保持時(shí)間與接收端芯片所要求的最小保持時(shí)間之間的差值。

⑦時(shí)鐘偏移（clock skew），指不同的接收設(shè)備接收到同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)輸出之間的時(shí)間差。

⑧Tco（time clock to output，時(shí)鐘延遲），是一個(gè)定義包括一切設(shè)備延遲的參數(shù)，即Tco=內(nèi)部邏輯延遲 （internal logic delay） + 緩沖器延遲（buffer delay）。

⑨最大經(jīng)歷時(shí)間（Tflightmax），即final switch delay，指在上升沿，到達(dá)高閾值電壓的時(shí)間，并保持高電平之上，減去驅(qū)動(dòng)所需的緩沖延遲。

⑩最小經(jīng)歷時(shí)間（Tflightmin），即first settle delay，指在上升沿，到達(dá)低閾值電壓的時(shí)間，減去驅(qū)動(dòng)所需的緩沖延遲。

時(shí)鐘抖動(dòng)（clock jitter），是由每個(gè)時(shí)鐘周期之間不穩(wěn)定性抖動(dòng)而引起的。一般由于PLL在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性引起，同時(shí)，時(shí)鐘抖動(dòng)引起了有效時(shí)鐘周期的減小。

串?dāng)_（crosstalk）。鄰近的兩根信號(hào)線，當(dāng)其中的一根信號(hào)線上的電流變化時(shí)（稱為aggressor，攻擊者），由于感應(yīng)電流的影響，另外一根信號(hào)線上的電流也將引起變化（稱為victim，受害者）。

SI是個(gè)系統(tǒng)問題，必須用系統(tǒng)觀點(diǎn)來看。以下是將問題的分解。

端接技術(shù)等

3 電源完整性PI

PI的提出，源于當(dāng)不考慮電源的影響下基于布線和器件模型而進(jìn)行SI分析時(shí)所帶來的巨大誤差，相關(guān)概念如下。

電子噪聲，指電子線路中某些元器件產(chǎn)生的隨機(jī)起伏的電信號(hào)。

地彈噪聲。當(dāng)PCB板上的眾多數(shù)字信號(hào)同步進(jìn)行切換時(shí)(如CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線等)，由于電源線和地線上存在阻抗，會(huì)產(chǎn)生同步切換噪聲，在地線上還會(huì)出現(xiàn)地平面反彈噪聲

(簡(jiǎn)稱地彈)。SSN和地彈的強(qiáng)度也取決于集成電路的I/O特性、PCB板電源層和地平面層的阻抗以及高速器件在PCB板上的布局和布線方式。負(fù)載電容的增大、負(fù)載電阻的減小、地電感的增大、同時(shí)開關(guān)器件數(shù)目的增加均會(huì)導(dǎo)致地彈的增大。 回流噪聲。只有構(gòu)成回路才有電流的流動(dòng)，整個(gè)電路才能工作。這樣，每條信號(hào)線上的電流勢(shì)必要找一個(gè)路徑，以從末端回到源端。一般會(huì)選擇與之相近的平面。由于地電平面（包括電源和地）分割，例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當(dāng)數(shù)字信號(hào)走到模擬地線區(qū)域時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生地平面回流噪聲。

斷點(diǎn)，是信號(hào)線上阻抗突然改變的點(diǎn)。如用過孔（via）將信號(hào)輸送到板子的另一側(cè)，板間的垂直金屬部分是不可控阻抗，這樣的部分越多，線上不可控阻抗的總量就越大。這會(huì)增大反射。還有，從水平方向變?yōu)榇怪狈较虻?0°的拐點(diǎn)是一個(gè)斷點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生反射。如果這樣的過孔不能避免，那么盡量減少它的出現(xiàn)。

在一定程度上，我們只能減弱因電源不完整帶來的系列不良結(jié)果，一般會(huì)從降低信號(hào)線的串繞、加去耦電容、盡量提供完整的接地層等措施著手。

4 EMC

EMC包括電磁干擾和電磁抗干擾兩個(gè)部分。

一般數(shù)字電路EMS能力較強(qiáng)，但是EMI較大。電磁兼容技術(shù)的控制干擾，在策略上采用了主動(dòng)預(yù)防、整體規(guī)劃和“對(duì)抗”與“疏導(dǎo)”相結(jié)合的方針。

主要的EMC設(shè)計(jì)規(guī)則有：

① 20H規(guī)則。PowerPlane（電源平面）板邊緣小于其與GroundPlane（地平面）間距的20倍。

② 接地面處理。接地平面具有電磁學(xué)上映象平面(ImagePlane) 的作用。若信號(hào)線平行相鄰于接地面，可產(chǎn)生映像電流抵消信號(hào)電流所造成的輻射場(chǎng)。PCB上的信號(hào)線會(huì)與相鄰的接地平面形成微波工程中常見的Micro-strip Line（微帶線）或Strip Line（帶狀線）結(jié)構(gòu)，電磁場(chǎng)會(huì)集中在PCB的介質(zhì)層中，減低電磁輻射。

因?yàn)椋琒trip Line的EMI性能要比Micro-strip Line的性能好。所以，一些輻射較大的走線，如時(shí)鐘線等，最好走成Strip Line結(jié)構(gòu)。

③ 混合信號(hào)PCB的分區(qū)設(shè)計(jì)。第一個(gè)原則是盡可能減小電流環(huán)路的面積；第二個(gè)原則是系統(tǒng)只采用一個(gè)參考面。相反，如果系統(tǒng)存在兩個(gè)參考面，就可能形成一個(gè)偶極天線；而如果信號(hào)不能通過盡可能小的環(huán)路返回，就可能形成一個(gè)大的環(huán)狀天線。對(duì)于實(shí)在必須跨區(qū)的情況，需要通過，在兩區(qū)之間加連接高頻電容等技術(shù)。

④ 通過PCB分層堆疊設(shè)計(jì)控制EMI輻射。PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧，通過合適的疊層也可以降低EMI。

從信號(hào)走線來看，好的分層策略應(yīng)該是把所有的信號(hào)走線放在一層或若干層，這些層緊挨著電源層或接地層。對(duì)于電源，好的分層策略應(yīng)該是電源層與接地層相鄰，且電源層與接地層的距離盡可能小，這就是我們所講的“分層＂策略。

⑤ 降低EMI的機(jī)箱設(shè)計(jì)。實(shí)際的機(jī)箱屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱及觀察要求，其上一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。一般來說，孔縫泄漏量的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線性尺寸、頻率及孔的深度。

⑥ 其它技術(shù)。在IC的電源引腳附近合理地安置適當(dāng)容量的電容，可使IC輸出電壓的跳變來得更快。然而，問題并非到此為止。由于電容呈有限頻率響應(yīng)的特性，這使得電容無法在全頻帶上生成干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需要的諧波功率。除此之外，電源匯流排上形成的瞬態(tài)電壓在去耦路徑的電感兩端會(huì)形成電壓降，這些瞬態(tài)電壓就是主要的共模EMI干擾源。為了控制共模EMI，電源層要有助於去耦和具有足夠低的電感，這個(gè)電源層必須是一個(gè)設(shè)計(jì)相當(dāng)好的電源層的配對(duì)。問題的答案取決于電源的分層、層間的材料以及工作頻率(即IC上升時(shí)間的函數(shù))。通常，電源分層的間距是0.5mm（6mil），夾層是FR4材料，則每平方英寸電源層的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小電容越大。

5 熱設(shè)計(jì)

電子元件密度比以前高了很多，同時(shí)功率密度也相應(yīng)有了增加。由于電子元器件的性能會(huì)隨溫度發(fā)生變化，溫度越高其電氣性能會(huì)越低。

(1)數(shù)字電路散熱原理

半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的熱量來源于芯片的功耗，熱量的累積必定導(dǎo)致半導(dǎo)體結(jié)點(diǎn)溫度的升高。隨著結(jié)點(diǎn)溫度的提高，半導(dǎo)體器件性能將會(huì)下降，因此芯片廠家都規(guī)定了半導(dǎo)體器件的結(jié)點(diǎn)溫度。在高速電路中，芯片的功耗較大，在正常條件下的散熱不能保證芯片的結(jié)點(diǎn)溫度不超過允許工作溫度，因此需要考慮芯片的散熱問題。

在通常條件下，熱量的傳遞通過傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射3種方式進(jìn)行。

散熱時(shí)需要考慮3種傳熱方式。例如使用導(dǎo)熱率好的材料，如銅、鋁及其合金做導(dǎo)熱材料，通過增加風(fēng)扇來加強(qiáng)對(duì)流，通過材料處理來增強(qiáng)輻射能力等。

簡(jiǎn)單熱量傳遞模型： 熱量分析中引入一個(gè)熱阻參數(shù)，類似于電路中的電阻。如果電路中的電阻計(jì)算公式為R=ΔE/I，則對(duì)應(yīng)的熱阻對(duì)應(yīng)公式為R=Δt/P（P表示功耗，單位W；Δt表示溫差，單位℃）。熱阻的單位為℃/W，表示功率增加1W時(shí)所引起的溫升?？紤]集成芯片的熱量傳遞，可以使用圖5描述的溫度計(jì)算模型。

也就是說，當(dāng)Tc實(shí)測(cè)值小于根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)所提供數(shù)據(jù)計(jì)算出的最大值時(shí)，芯片可正常工作。

(2)散熱處理

為了保證芯片能夠正常工作，必須使Tj不超過芯片廠家提供的允許溫度。根據(jù)Tj=Ta+P×R可知，如果環(huán)境溫度降低，或者功耗減少、熱阻降低等都能夠使Tj降低。實(shí)際使用中，對(duì)環(huán)境溫度的要求可能比較苛刻，功耗降低只能依靠芯片廠家技術(shù)，所以為了保證芯片的正常工作，設(shè)計(jì)人員只能在降低熱阻方面考慮。

如圖5所示，可變的熱阻由芯片外殼與散熱器間的熱阻（接觸熱阻）、散熱器到環(huán)境的熱阻組成。這就要求設(shè)計(jì)人員減少接觸熱阻，比如選用接觸熱阻小的導(dǎo)熱膠，考慮大的接觸面積等。散熱器方面還要選擇熱傳導(dǎo)率高的散熱器材，考慮使用風(fēng)冷、水冷等對(duì)流散熱措施，增強(qiáng)輻射能力，擴(kuò)展散熱面積等措施。

結(jié) 語

以上提到的高速單片機(jī)設(shè)計(jì)思想和方法，目前已經(jīng)在國(guó)外的公司得到實(shí)踐和發(fā)展，但是國(guó)內(nèi)這方面的研究和實(shí)踐還很少。該設(shè)計(jì)思想在我們公司實(shí)踐、摸索，提高了產(chǎn)品可靠性。在這里推薦給各位同行，期望共同探討。

硬件設(shè)計(jì)論文:新型數(shù)字式高壓保護(hù)裝置硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

摘要：隨著現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高壓微機(jī)保護(hù)裝置性能要求的不斷提高，以及軟、硬件技術(shù)發(fā)展的自身需要，在總結(jié)和繼承微機(jī)保護(hù)裝置成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了運(yùn)算DSP加邏輯MPU控制單元的新型硬件平臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了DSP運(yùn)算能力強(qiáng)和MPU邏輯功能強(qiáng)、外圍資源豐富等各自優(yōu)點(diǎn)，且采用大容量外圍存儲(chǔ)芯片，從而保證了高壓保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)高速采樣、實(shí)時(shí)并行計(jì)算、程序面向?qū)ο竽K化編程、故障處理報(bào)告詳細(xì)全程跟蹤、采用復(fù)雜先進(jìn)保護(hù)原理等功能，并且具有足夠的硬件資源冗余度。本文詳細(xì)介紹了該硬件平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、技術(shù)特點(diǎn)和工作原理，最后介紹了基于此硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高壓微機(jī)線路保護(hù)的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù)；硬件平臺(tái)

中圖分類號(hào)：

1 引言

目前，微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品在繼承常規(guī)保護(hù)成熟的技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，其智能化的特點(diǎn)日益突出，這不僅更好地滿足了電力系統(tǒng)對(duì)可靠性和安全性的要求，而且為保護(hù)的測(cè)試試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)帶來了更多的便利，因此，智能化微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。按照文獻(xiàn)[4]的劃分，微機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)歷了三代的發(fā)展，許多傳統(tǒng)保護(hù)中無法實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)在目前的數(shù)字保護(hù)裝置中得以成功的應(yīng)用。盡管如此，隨著電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置性能的要求不斷提高、保護(hù)原理和算法的研究和發(fā)展、硬件產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步，以及微機(jī)保護(hù)運(yùn)行環(huán)境的更為復(fù)雜和嚴(yán)酷，研究設(shè)計(jì)新型的、高可靠的硬件平臺(tái)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急；硬件平臺(tái)系統(tǒng)作為保護(hù)原理的載體和實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)全部功能的基礎(chǔ)，其研制和開發(fā)必將推動(dòng)繼電保護(hù)領(lǐng)域整體技術(shù)水平的提高，從而為國(guó)家電力系統(tǒng)智能化建設(shè)作出重要貢獻(xiàn)。

我們?cè)诜治龊臀諊?guó)內(nèi)外同行廠家微機(jī)保護(hù)裝置先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一套適用于高壓保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DSP （TMS320C32）+MPU（MC68332）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩者通過雙口RAM來交互協(xié)同工作。本文將系統(tǒng)地闡述此平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想、整體結(jié)構(gòu)、組織原理，并介紹了所選運(yùn)算DSP和邏輯MPU芯片的特點(diǎn)。最后通過實(shí)例：基于此硬件平臺(tái)開發(fā)的高壓線路保護(hù)裝置的試驗(yàn)及動(dòng)模情況，說明了此平臺(tái)的先進(jìn)性。

2 硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1 整體平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓保護(hù)裝置一般都采用多保護(hù)板加通訊處理板模式，通過內(nèi)部通訊網(wǎng)來聯(lián)系各板信息。隨著時(shí)代、技術(shù)等方面的不斷發(fā)展，保護(hù)功能要求越來越高，保護(hù)原理越來越完善，同時(shí)為便于事故后分析，報(bào)告、故障電量等信息要求越來越詳細(xì)，以求確切地感知不同階段保護(hù)中各模塊的響應(yīng)行為。上述種種原因決定了目前各有功能傾向的單CPU結(jié)構(gòu)不能很好地滿足實(shí)際需求，鑒于此我們?cè)O(shè)計(jì)了雙CPU（DSP+MPU）結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)圖如圖1所示。

硬件平臺(tái)系統(tǒng)主要包括兩部分：基于TMS320C32的運(yùn)算處理單元和基于MC68332的邏輯控制單元。運(yùn)算處理單元任務(wù)定位于模擬量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、功能模塊運(yùn)算等功能；邏輯控制單元定位于保護(hù)邏輯判斷、開入量檢測(cè)、開出控制，以及監(jiān)控等功能。采用這種MPU+DSP結(jié)構(gòu)，充分利用了DSP適于數(shù)據(jù)處理優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也充分發(fā)揮了MPU豐富的I/O引腳、較強(qiáng)的邏輯處理能力，以及強(qiáng)大的通訊處理功能。

2.1.1 運(yùn)算單元區(qū)設(shè)計(jì)方案

運(yùn)算單元區(qū)主要由TMS320C32、RAM、FLASH、A/D、EPLD等器件構(gòu)成。此區(qū)核心器件TMS320C32芯片為TMS320C3X系列中的一款，是TI公司1995年推出的32位浮點(diǎn)型DSP。該芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、特殊的并行指令、專用的硬件乘法器等適宜于數(shù)據(jù)運(yùn)算的設(shè)計(jì)，這種特殊的硬件結(jié)構(gòu)使得TMS320C32的處理能力達(dá)到60MFLOPS/30MIPS(每秒60兆次浮點(diǎn)運(yùn)算或30兆條指令)。它采用增強(qiáng)型存儲(chǔ)器接口，并具有靈活的數(shù)據(jù)/地址總線，可充分利用存儲(chǔ)空間，增加了設(shè)計(jì)的靈活性，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

運(yùn)算單元區(qū)的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用MAXIM公司生產(chǎn)的14位逐次逼近型、2×4通道、帶采樣保持器的A/D芯片。改變了原來的多路開關(guān)切換的方式，減小了各模擬量之間不同步性。此單元區(qū)的譯碼、AD定時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)等功能完全由可編程邏輯器件EPM7128實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了印制版的設(shè)計(jì)，提高了電路設(shè)計(jì)的靈活性，又簡(jiǎn)化了程序軟件的邏輯設(shè)計(jì)。從而在保證采樣高可靠性的同時(shí)，節(jié)省了DSP的處理時(shí)間。

2.1.2 邏輯控制單元區(qū)設(shè)計(jì)方案

邏輯控制單元區(qū)主要由MC68332、RAM、FLASH、EEPROM、EPLD、秒脈沖對(duì)鐘電路、標(biāo)準(zhǔn)232維護(hù)口、開入開出電路，以及通信電路構(gòu)成。此區(qū)核心器件MC68332是由MOTOROLA公司生產(chǎn)的32位微處理器，它采用HCMOS技術(shù)和精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）技術(shù)，數(shù)據(jù)處理能力達(dá)32位，因而具有較高的執(zhí)行速度、較高的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的邏輯處理能力。軟件看門狗、豐富的I/O口、可掉電保持的2K片上RAM、QSPI等豐富的控制功能使MC68332是一款非常適合控制領(lǐng)域的高性能芯片。

邏輯控制單元區(qū)的開出電路由EPLD和光電隔離器構(gòu)成。通信電路由UART芯片及EPLD硬件設(shè)計(jì)的HDL協(xié)議構(gòu)成的FDK_BUS（本公司自主開發(fā)的一種局域總線)板間通信網(wǎng)絡(luò)。秒脈沖對(duì)鐘電路利用TPU口檢測(cè)秒脈沖的觸發(fā)沿獲得GPS秒脈沖，保證了板級(jí)對(duì)鐘精度，為系統(tǒng)的故障分析提供了統(tǒng)一的時(shí)鐘。FLASH用于保存程序代碼，EEPROM用于保存定值、程序的CRC校驗(yàn)碼、故障報(bào)告、擾動(dòng)數(shù)據(jù)和裝置的事件記錄等。標(biāo)準(zhǔn)232維護(hù)口為程序調(diào)試提供了方便。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

采用這種DSP+MPU的平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照設(shè)計(jì)的功能分工：DSP來完成數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，如：數(shù)字濾波、相量計(jì)算、故障分量提取等，以及保護(hù)功能相對(duì)獨(dú)立模塊的處理，如：六個(gè)阻抗的計(jì)算、各序量方向元件計(jì)算、各阻抗區(qū)域判別等；而MPU來完成電力系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)，根據(jù)不同的狀態(tài)，按照保護(hù)邏輯方案來組織運(yùn)算單元的計(jì)算結(jié)果以及開入量等，最終根據(jù)邏輯結(jié)果作相應(yīng)控制，另外此單元區(qū)還實(shí)現(xiàn)所有的監(jiān)控功能。兩CPU相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)兩者相互監(jiān)視是否正常運(yùn)行；兩者之間唯一的聯(lián)絡(luò)方式通過雙口RAM來完成。由此有機(jī)地組成一個(gè)功能分布、協(xié)同運(yùn)行的整體系統(tǒng)。

系統(tǒng)具體的組織方式為：運(yùn)算單元區(qū)A/D所有通道轉(zhuǎn)換完成后以中斷方式激發(fā)DSP采樣中斷，DSP響應(yīng)外部中斷用DMA的方式讀走原始采樣數(shù)據(jù)；DSP在獲得采樣數(shù)據(jù)后，將采樣數(shù)據(jù)精加工，并利用最新數(shù)據(jù)運(yùn)算所有的功能模塊，然后將采樣數(shù)據(jù)、加工后數(shù)據(jù)，以及各模塊接口信息放到雙端口RAM中；運(yùn)算處理單元通過郵箱機(jī)制，使雙端口RAM在對(duì)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)中斷電平通知邏輯控制單元；邏輯控制單元在響應(yīng)外部中斷電平后，將雙端口RAM中信息讀出，置于自身數(shù)據(jù)區(qū)域中；最后邏輯控制單元采用最新數(shù)據(jù)執(zhí)行所有的邏輯控制。

通過這樣的平臺(tái)設(shè)計(jì)和任務(wù)分配，在大幅度提高采樣頻率的同時(shí)，能夠保證保護(hù)軟件功能在一個(gè)采樣間隔執(zhí)行一遍，從而真正實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，最終提高了保護(hù)裝置的整體性能。 3 平臺(tái)在高壓線路保護(hù)中的應(yīng)用

此硬件平臺(tái)系統(tǒng)豐富的硬件資源和冗余設(shè)計(jì)符合當(dāng)今各保護(hù)裝置硬件平臺(tái)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思想，滿足于各種高壓保護(hù)產(chǎn)品開發(fā)。為檢測(cè)此平臺(tái)系統(tǒng)的可行性，以及其各方面的性能指標(biāo)，我們以高壓線路保護(hù)裝置（DF3621）的實(shí)際開發(fā)經(jīng)歷來加以說明。

DF3621適用于220kV~500kV輸電線路，包括縱聯(lián)距離構(gòu)成的全線速動(dòng)主保護(hù)，三段式相間距離和接地距離及四段靈敏段和兩段不靈敏段的零序方向保護(hù)構(gòu)成的后備保護(hù)，并可配備綜合自動(dòng)重合閘功能。在硬件分配上具有創(chuàng)新特色：

整套裝置保護(hù)采用兩塊完全一樣的保護(hù)插件I和II雙重配置，即主、后備保護(hù)集成于一體。重合閘采用單獨(dú)保護(hù)插件III來實(shí)現(xiàn)。這樣配置既保證了現(xiàn)有高壓線路保護(hù)裝置中的啟動(dòng)采用三取二方式的優(yōu)點(diǎn)，又能夠保證最大程度上的熱備用，即使插件I和II之一因故退出后，仍具備完整的保護(hù)功能。

由于硬件平臺(tái)運(yùn)算能力的極大提高，以及外圍存儲(chǔ)器件空間的富裕，DF3621采用面向?qū)ο竽K化編程，對(duì)各功能子模塊實(shí)行封裝，邏輯控制MPU僅能訪問模塊的接口信息，確保了整體可靠性。為提高裝置對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)能力，以及滿足某些智能算法和邏輯控制的要求，裝置模擬通道采用2000Hz的采樣速率。另外，為了便于分析保護(hù)的動(dòng)作行為，保護(hù)故障處理程序采用透明化報(bào)告機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)各功能模塊的狀態(tài)跟蹤，為故障后保護(hù)動(dòng)作行為分析提供了有利信息。

此線路保護(hù)裝置已經(jīng)順利通過電磁兼容測(cè)試，RTDS數(shù)字動(dòng)模和傳統(tǒng)動(dòng)模測(cè)試，表明此硬件平臺(tái)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足于高壓保護(hù)裝置的要求。

4 結(jié)語

本文提出了一套適合于高壓保護(hù)裝置的新型的運(yùn)算單元加邏輯控制單元的硬件平臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既充分發(fā)揮了DSP適于各種數(shù)據(jù)處理的功能，又充分發(fā)揮MPU豐富的I/O引腳和強(qiáng)大邏輯控制能力的特點(diǎn)，為保護(hù)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、采用高級(jí)語言，以及引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了必要的硬件基礎(chǔ)。本文就此平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、各功能區(qū)部件的選擇和實(shí)現(xiàn)，以及整體組織方式給予了詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上給出了此平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例。

總結(jié)微機(jī)保護(hù)裝置開發(fā)、設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，我們深刻感受到，適應(yīng)時(shí)代、技術(shù)等方面不斷發(fā)展的需求，在繼承傳統(tǒng)產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)新型的硬件平臺(tái)系統(tǒng)是必要的。在保證可靠性、快速性、穩(wěn)定性等原則的前提下，提供更豐富的硬件資源，使保護(hù)裝置開發(fā)中的先進(jìn)保護(hù)原理以及更高要求的實(shí)現(xiàn)不再受硬件條件的限制、滿足各種保護(hù)裝置的開發(fā)、為維護(hù)和升級(jí)提供了極大便利。

硬件設(shè)計(jì)論文:嵌入式GSM短信息接口的軟硬件設(shè)計(jì)

摘要：SMS短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)已得到越來越多的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應(yīng)用。本文給出一個(gè)小型的嵌入式SMS中/英文短信息接口的設(shè)計(jì)，并詳細(xì)討論P(yáng)DU模式的短信息格式和中文短信息軟件解碼的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：GSM SMS UTF-8 GB-2312 無線通信 無線數(shù)傳 遙控 中文編碼

引 言

SMS（Short Message Service）短信息服務(wù)是GSM（Global System for Mobile Communication）系統(tǒng)中提供的一種GSM終端（手機(jī)）之間，通過服務(wù)中心(Service Center)進(jìn)行文本信息收發(fā)的應(yīng)用服務(wù)，其中服務(wù)中心完成信息的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能。短信息服務(wù)作為GSM網(wǎng)絡(luò)的一種基本業(yè)務(wù)，已得到越來越多的系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商和系統(tǒng)開發(fā)商的重視，基于這種業(yè)務(wù)的各種應(yīng)用也蓬勃發(fā)展起來。以GSM網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，可以開發(fā)出多種前景極其樂觀的各類應(yīng)用，如無線數(shù)據(jù)的雙向傳送、無線遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制等。典型的應(yīng)用有：變電站、電表、水塔、水庫或環(huán)保監(jiān)測(cè)點(diǎn)等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的無線傳輸和無線自動(dòng)警報(bào)；遠(yuǎn)程無線控制高壓線路斷電器、加熱系統(tǒng)、防洪攔阻系統(tǒng)或其它機(jī)電系統(tǒng)的啟動(dòng)和關(guān)閉；車隊(duì)交通管理和控制指揮系統(tǒng)；控制和監(jiān)測(cè)香煙、食品和飲料自動(dòng)售貨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和存貨水平等等。

由于GSM網(wǎng)絡(luò)在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，具有網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，用戶無需另外組網(wǎng)，在極大提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時(shí)為客戶節(jié)省了昂貴建網(wǎng)費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用。同時(shí)，它對(duì)用戶的數(shù)量也沒有限制，克服了傳統(tǒng)的專網(wǎng)通信系統(tǒng)投資成本大，維護(hù)費(fèi)用高，且網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的覆蓋范圍和用戶數(shù)量有限的缺陷。比起傳統(tǒng)的集群系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋上具有無法比擬的優(yōu)勢(shì)，加上GSM的SMS本身具備的數(shù)據(jù)傳送功能，都使得這些應(yīng)用得到迅速的普及。利用GSM短信息系統(tǒng)進(jìn)行無線通信還具有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。

1 SMS短信息的無線數(shù)傳監(jiān)視和控制

通常情況，基于SMS短信息服務(wù)的無線數(shù)傳監(jiān)視和控制系統(tǒng)為一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的遠(yuǎn)程無線雙向數(shù)據(jù)通信和控制系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)的中心點(diǎn)為數(shù)據(jù)或監(jiān)控指揮中心，由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫、電子地圖和GSM通信接口組成。監(jiān)控中心主要完成各種信息和數(shù)據(jù)的收發(fā)和整理：一方面，接收各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)上傳的信息和數(shù)據(jù)，并把它們放入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫和分發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控和管理；另一個(gè)方面，監(jiān)控中心響應(yīng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的控制信息，并且把這些信息下發(fā)到相應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)上，從而達(dá)到對(duì)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制的目的。

2 GSM無線通信控制終端

GSM無線通信控制終端為一個(gè)MC3的嵌入式系統(tǒng)，具有如圖2所示的測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、控制、無線通信功能。GSM無線通信控制終端通過GSM網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心進(jìn)行雙向的信息傳輸。它將測(cè)量和采集到的數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控中心，同時(shí)接收監(jiān)控中心的控制數(shù)據(jù)，對(duì)設(shè)備實(shí)施相應(yīng)的控制。

3 GSM通信接口的硬件實(shí)現(xiàn)

GSM無線通信控制終端的通信接口一般采用目前在市場(chǎng)上提供的可供二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的GSM模塊，如TC35、FALCOM、WISMO3等。這些通信模塊都具備GSM無線通信的全部功能，并提供標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口，支持GSM 07.05所定義的AT命令集的指令。因此，MCU能非常方便地通過UART接口與GSM模塊連接，并直接使用AT命令就可以方便簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)短信息的收發(fā)、查尋和管理。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的GSM無線通信控制終端中，采用的GSM通信模塊為FALCOM A2D，MCU使用的是Atmel公司的高速8位微控制器ATmage128。ATmega128芯片為64個(gè)引腳，內(nèi)部集成了4K字節(jié)的RAM、4K字節(jié)的EEPROM、128K字節(jié)的Flash以及2個(gè)UART串行接口等。由于采用了高性能的MCU，省掉了大量的外圍器件，如外擴(kuò)RAM、ROM存儲(chǔ)器等，使硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，提高了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的硬件框圖如圖3所示。

4 基于GSM通信的軟件接口

市場(chǎng)上提供的可供二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)的GSM模塊都支持GSM 07.05所定義的AT命令集的指令。因此，MCU通過UART串行接口直接向GSM模塊下發(fā)AT命令，就可以方便簡(jiǎn)潔地實(shí)現(xiàn)基于GSM的短信息SMS的收發(fā)、查尋和管理。表1列出了與SMS相關(guān)的一些常用的GSM AT指令。

表1 與SMS相關(guān)的常用GSM AT命令

AT指令功 能

AT+CMGD刪除一條保存在SIM卡內(nèi)的短信息AT+CMGF選擇短信息格式：0為PDU方式：1為文本方式AT+CMGL列出SIM卡中的保存短信息AT+CMGR讀取SIM卡中指定一條短信息的內(nèi)容AT+CMGS發(fā)送一條短信息AT+CSCA設(shè)置短信息服務(wù)中心地址

根據(jù)GSM 07.05的定義，SMS短信息的發(fā)送和接收模式共有三種：Block模式、基于AT命令的Text模式和基于AT命令的PDU模式。使用Block模式需要模塊生產(chǎn)廠家提供驅(qū)動(dòng)支持；而用于中英文短信息傳送應(yīng)使用PDU模式，只傳送英文短信息（純文本格式）使用Text模式。Text模式的短信息發(fā)送和接收比較簡(jiǎn)單，如不需要傳送中文則最好采用Text模式發(fā)送和接收短信息。

5.1 PDU數(shù)據(jù)包格式

PDU數(shù)據(jù)包由兩部分構(gòu)成，短信息服務(wù)中心地址（SMSC address）和TPDU，表2為PDU數(shù)據(jù)包的格式，其中一個(gè)數(shù)據(jù)單元為一個(gè)字節(jié)。

其中短信息服務(wù)中心號(hào)碼、發(fā)送源號(hào)碼、日期以及時(shí)間采用壓縮BCD碼表示，低位在前，高位在后。在本文的網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版中給出了通過讀取短信息的AT命令（AT+CMGR=1）從GSM模塊讀到的一條PDU模式的短信息，并給出常見的數(shù)值與解釋。

5.2 PDU模式的純英文短信息解碼

PDU模式的純英文短信息編碼使用GSM字符集的7位編碼，此時(shí)TP-DCS的值為00。如短信息內(nèi)容為英文字符“Hi”，首先將各個(gè)字符轉(zhuǎn)換為7位的標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制ASCII碼，然后要將后面字符的低位逐位調(diào)整到前面，補(bǔ)齊前面的差別。例如：“H”的二進(jìn)制ASCII碼為1001000，“i” 二進(jìn)制ASCII碼為1101001；顯然H的二進(jìn)制編碼不足八位，那么就將后面字符i的最后一位補(bǔ)足到H的前面，就成了11001000（C8），i剩下六位110100，前面再補(bǔ)兩個(gè)0，變成00110100（34），于是“Hi”就變成了兩個(gè)八進(jìn)制數(shù) C834。由于PDU模式的純英文短信息采用7位編碼，解碼不方便，因此對(duì)于只需發(fā)送和接收純英文字符和數(shù)字符號(hào)的應(yīng)用，最好采用Text模式發(fā)送和接收短信息。

5.3 中文短信息的解碼

由于中文字的編碼是采用2個(gè)字節(jié)的編碼，因此發(fā)送和接收中文或中英文混合的短信息只能采用PDU模式。但在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，中文編碼采用UTF-8的編碼，不是目前國(guó)內(nèi)常用的GB-2312編碼，故還需要進(jìn)行中文編碼的轉(zhuǎn)換，才能與采用GB-2313漢字庫相配合顯示漢字字型。

由于UTF-8和GB-2312編碼之間不存在一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系，因此只能采用查表的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。下面給出一個(gè)由UTF-8到GB-2312編碼轉(zhuǎn)換的算法。

① 建立UTF-8和GB-2312兩個(gè)中文編碼表，表中數(shù)據(jù)項(xiàng)為2個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度的十六進(jìn)制的數(shù)，代表一個(gè)中文編碼。兩個(gè)表的長(zhǎng)度分別為14 890字節(jié)（2×7445）。UTF-8編碼表按數(shù)據(jù)項(xiàng)值從小到大排序，而在GB-2312編碼表中，與UTF-8相同位置處為相同漢字的GB-2312碼字，如圖4所示。

② 軟件解碼過程為：每次從PDU模式SMS數(shù)據(jù)包的TP-UD中取出兩個(gè)字節(jié)，采用二分法快速數(shù)據(jù)查找算法，在UTF-8編碼表中找到其所在位置，然后在GB-2312表的相同位置處讀取相對(duì)應(yīng)的GB-2312編碼。解碼流程如圖5所示。

③ 二分法的最壞查找次數(shù)為lg2(n+1)，UTF-8表的長(zhǎng)度n為7445，固最壞查找次數(shù)為13次，就是說一個(gè)中文編碼由UTF-8到GB-2312的轉(zhuǎn)換最多經(jīng)過13次比較查找就可完成。 這比采用簡(jiǎn)單的順序查表要快的多，大大減少了查表所花費(fèi)的時(shí)間，非常適合在一般的嵌入式系統(tǒng)中使用。

④ 盡管兩個(gè)漢字編碼表要占用近30 KB（如還需要GB-2312到UTF-8的轉(zhuǎn)換，則還要增加兩個(gè)表，共占60 KB），但由于采用了ATmega128單片機(jī)，其片內(nèi)有128KB的程序存儲(chǔ)器，因此可將程序與表格放在一起。去掉60 KB的表格，仍有近70 KB的容量用于系統(tǒng)程序，因此完全不用外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器（漢字字庫除外），大大簡(jiǎn)化了硬件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)。

結(jié) 語

本文的設(shè)計(jì)方案已應(yīng)用在我們研發(fā)的產(chǎn)品“車船載GPS-GSM衛(wèi)星定位無線通信移動(dòng)終端”上，經(jīng)過多年的運(yùn)行和使用，證明系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。2001年10月，在美國(guó)著名計(jì)算機(jī)應(yīng)用雜志《CIRCUIT CELLAR》舉辦的世界性電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽“Design Logic 2001 Contest”中，該產(chǎn)品獲得三等獎(jiǎng)。

硬件設(shè)計(jì)論文:嵌入式短程無線通信工程系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

摘要：在醫(yī)療、工業(yè)、智能建筑、消費(fèi)電子等領(lǐng)域，短程無線通信工程設(shè)備設(shè)備應(yīng)用日益廣泛，并呈現(xiàn)強(qiáng)的增長(zhǎng)勢(shì)頭。本文較為詳細(xì)地從元器件選擇、原理圖設(shè)計(jì)、PCB板設(shè)計(jì)、接口吸系統(tǒng)傳輸距離等方面介紹嵌入式短程無線通信工程系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：短程無線通信工程 MAX1472 MAX1473 接口 通信距離

引言

在短程無線通信工程系統(tǒng)中，常見的有基于802.11的無線局域網(wǎng)WLAN、藍(lán)牙（blueTooth）、HomeRF及歐洲的HiperLAN(高性能無線局域網(wǎng))。但其硬件設(shè)計(jì)、接口方式、通信協(xié)議及軟件堆棧復(fù)雜，需專門的開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)成本高、周期長(zhǎng)，最終產(chǎn)品成本也高。因此，這些技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中并未得到廣泛應(yīng)用相反，普通RF產(chǎn)品就不存在這些問題，加之短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)成熟，功能簡(jiǎn)單、攜帶方便，使得其在嵌入式短程無線產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，如醫(yī)療、工業(yè)、智能建筑、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。這些產(chǎn)品一般均工作在無執(zhí)照（Unlicensed）無線接入頻段，如出一轍15/433/868/915MHz頻段。本文討論的嵌入式短程無線通信系統(tǒng)，一般包括無線射頻RF前端、微控制器（MCU）、I/O接口電路及其它外圍設(shè)備等。

1 元器件選擇

（1）微控制器的選擇

嵌入式系統(tǒng)選擇處理器時(shí)主要需要考慮以下幾個(gè)方面：處理器性能，所支持的開發(fā)工具，所支持的操作系統(tǒng)，過去的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，處理器成本、功耗、代碼兼容性及算法復(fù)雜性等。

（2） 射頻芯片的選擇

通常，射頻芯片的功能框圖如圖形卡所示。隨著無線技術(shù)的發(fā)展，無線收發(fā)芯片的集成度、性能都大幅度提供，芯片性能也各有特色。因而，無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。正確的選擇可以減小開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期、降低成本、更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。目前，生產(chǎn)此類芯片的廠家主要有Nordic、XEMICS、Chipcon、TI、Maxim等。選擇無線收發(fā)芯片時(shí)，應(yīng)考慮以下幾個(gè)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、傳輸速度、從待機(jī)模式到工作模式的喚醒時(shí)間、收發(fā)芯片所需的外圍元件數(shù)量、芯片成本等；同時(shí)還須注意當(dāng)?shù)氐臒o線電管理規(guī)定。

（3） 分立元件的選擇

所有的RF芯片制造商都在努力提高芯片的集成度但仍然有一些元件很難或者根本無法集成到芯片中去。常將這些分立元件安放在芯片外部，如晶振、PLL環(huán)路濾波器、VCO的電感等。在射頻電路中，電磁波的波長(zhǎng)已可以與分立元件的尺寸相比擬，普通應(yīng)用于DC和低頻集總參數(shù)系統(tǒng)的基爾霍夫類型的電流、電壓定律已不再適用，須考慮這些分立元件的高頻特性及其分布參數(shù)。因此，在詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)多參考所選用芯片資料及相關(guān)元件的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

2 系統(tǒng)原理圖設(shè)計(jì)

嵌入式短程無線通信系統(tǒng)硬件的關(guān)鍵在于其射頻電路。這里采用Maxim公司的MAX1472和MAX1473芯片進(jìn)行射頻電路設(shè)計(jì)。圖2是發(fā)射器射頻電路，圖3是接收器射頻電路。

MAX1472是一微型3mm×3mm的引腳SOT-23封裝的VHF/UHF基于鎖相環(huán)ASK發(fā)射機(jī)。當(dāng)工作電壓降至2.1V的脫離節(jié)鋰電池工作，待機(jī)模式時(shí)僅耗電100nA。在發(fā)射過程中，MAX1472發(fā)射功率為-10dBm～+10dBm。工作電壓3.3V；發(fā)射功率+10dbm時(shí)，工作電流僅9.1mA。最高數(shù)據(jù)速率達(dá)100kbps。

MAX1473是一個(gè)300～450MHz，采用28引腳，SSOP封裝的超外差A(yù)SK接收機(jī)；具有-114dBm的高靈敏度，高于50dB的用戶可選擇中心頻率鏡像抑制并可選擇3.3V或5V電源工作電壓。在關(guān)斷模式下電流低于1.5mA,接收時(shí)電流為5.2mA；數(shù)據(jù)速率達(dá)100kbps；從關(guān)斷模式到有效數(shù)據(jù)輸出的過渡時(shí)間小于250μs 。

MAX1473包含一個(gè)一級(jí)自動(dòng)增益控制（AGC）電路，在射頻輸入信號(hào)功率大于-57dBm時(shí)，可降低低哭聲放大器（LNA）35dB的增益。接收機(jī)使用帶有接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）的10.7MHz中頻濾波器，內(nèi)置片上集成的鎖相環(huán)與VCO、基帶數(shù)據(jù)恢復(fù)電路。

在原理圖設(shè)計(jì)時(shí)，為提高系統(tǒng)的靈敏度，要特別注意天線、低哭聲放大器（LNA）和晶振的適配，如圖3中標(biāo)有1、2、3的三處。

3 PCB板設(shè)計(jì)

高頻信號(hào)很容易由于幅射而產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致振鈴（ringing）、反射（reflection）串?dāng)_(crosstalk)等；而RF電路對(duì)此又特別敏感，因此在PCB板設(shè)計(jì)時(shí)，必須加以重視。為此電源設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在條件許可下采用多層板，提供專用的電源層和地線層。如采用電源總線方式，應(yīng)盡可能地加粗電源線和地線；盡量減少板上的通孔（包括插件元件的引腳、過孔等）；多增加一些地線；分開模擬電源與數(shù)字電源；隔離敏感元件；在信號(hào)線邊上可放置電源線，以最小化信號(hào)環(huán)路面積，減少環(huán)路數(shù)量。傳輸互布線應(yīng)盡量滿足以下規(guī)則：避免傳輸線阻抗不連續(xù)（阻抗不連續(xù)點(diǎn)是傳輸先突變點(diǎn)，如直拐角、過孔等，它將產(chǎn)生信號(hào)的反射。為此，布線時(shí)應(yīng)避免走線的直拐角，可采用45°角或弧線走線，盡可能地少用孔）；不要用樁線。其次，要減少串?dāng)_。串?dāng)_是信號(hào)間產(chǎn)生的耦合，分容性串?dāng)_和感性串?dāng)_兩種，通常感性串?dāng)_遠(yuǎn)大于容性串?dāng)_。串?dāng)_可通過一些簡(jiǎn)單的辦法抑制：①由于容性串?dāng)_和感性串?dāng)_的大小隨負(fù)載阻抗的增大而增大，所以應(yīng)對(duì)串?dāng)_引起的干擾敏感信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩私?。②增大信?hào)線間的距離，以減小容性串?dāng)_。③為減小容性串?dāng)_，可在相鄰信號(hào)線間插入1根地線；但須注意，此地線每1/4波長(zhǎng)要接入線層。④對(duì)感性串?dāng)_，應(yīng)盡量減小環(huán)路面積，如允許，應(yīng)消除次環(huán)路。⑤避免信號(hào)共用回路。最后，隨著電路速度的提高，電磁干擾（EMI）越發(fā)嚴(yán)重，還須減小EMI。減小EMI的途徑通常有：屏蔽、濾波、消除電流環(huán)路和盡量降低器件速度。濾波通常有三種選擇：去耦電容、EMI濾波器、磁性元件。最常見的是去耦電容，去耦電容用于電源線路濾波。通常在電源接入電路板處放置一個(gè)1μF～10μF的去耦電容，以濾除低頻噪聲；在板上每個(gè)源器件的電源引腳處放置0.01μF～0.1μF的去耦電容，以濾除高頻噪聲。對(duì)去耦電容，要注意其放置位置。

4 RF芯片與MCU接口

通過RF芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。接收端MCU采集RF芯片輸出信號(hào)通常有三種辦法：重復(fù)采樣（over sampling）、脈沖邊沿檢測(cè)（edge detection）、使用MCU的通用串行通信口（UART）。

重復(fù)采樣時(shí)，用一個(gè)三倍于比特率的速率對(duì)RF芯

片輸出信號(hào)復(fù)復(fù)采樣，采用采樣加權(quán)表。對(duì)噪音有抑制作用的，適合適應(yīng)于距離要求較長(zhǎng)、可靠性要求較高的場(chǎng)合；但時(shí)序要求嚴(yán)格，軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)較為復(fù)雜。RF芯片與MCU接口可采用MCU的輸入輸出口。脈沖邊沿檢測(cè)使用數(shù)字信號(hào)脈沖實(shí)現(xiàn)同步，用RF芯片輸出信號(hào)作為MCU的中斷請(qǐng)求信號(hào)。中斷程序計(jì)算每一比特的采樣時(shí)間，可處理各種速率的數(shù)據(jù)流；但每比特僅采樣一次，對(duì)噪音較敏感，實(shí)現(xiàn)算法比重復(fù)采樣方式更復(fù)雜。RF芯片與MCU接口可采用MCU的中斷系統(tǒng)及輸入輸出口。

為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，可使用MCU的通用串行通信接口（UART）。UART對(duì)噪聲較敏感，但可在軟件設(shè)計(jì)中加以解決，因此通常采用這種接口形式。

5 系統(tǒng)傳輸距離

（1） 無線通信距離計(jì)算

這里給出自由空間傳播時(shí)的無線通信距離的計(jì)算方法。所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播，是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān)。

自由空間下電波傳播的損耗：

Los=32.44+20lgd+20lgf

Los—傳播損耗，單位dB;d—距離，單位km;f—工作頻率，單位MHz。

如一個(gè)工作頻率為433。92MHz,發(fā)射功率為+10dBm(10mW),接收靈敏度為-105dBm的系統(tǒng)在自由空間的傳播距離：①由發(fā)射功率+10dBm，接收靈敏度為-105dBm，得Los=115dB。②由Los、f計(jì)算得出d=31km。

這是理想狀況下的傳輸距離，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)低于該值。這是因?yàn)闊o線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗。將上述損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似通信距離。假定大氣、遮擋等造成的損耗為25dB，可以計(jì)算得出通信距離為：d=1.7km。

（2） 增加無線通信距離

在工作頻率固定的情況下，影響通信距離的主要因素有：發(fā)射功率、接收/發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收機(jī)靈敏度等。對(duì)設(shè)計(jì)者而言，有的因素是無法選擇、改變的，如傳播損耗、多徑損耗、路徑損耗、周圍環(huán)境吸收等；而有的因素是設(shè)計(jì)者可以控制的，如發(fā)射功率、接收/發(fā)射天線增益、接收機(jī)靈敏度等。通過調(diào)整這些因素，可增加無線通信系統(tǒng)的傳輸距離。為增加傳輸距離，設(shè)計(jì)者常會(huì)想到增加發(fā)射功率。但增加發(fā)射功率會(huì)帶來一些不利因素。如：由于功率放大器的轉(zhuǎn)換效率低，增加發(fā)射功率會(huì)大大增加系統(tǒng)的功耗，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)來說是很不利的；加大發(fā)射功率會(huì)產(chǎn)生較大的諧波干擾和噪聲，并對(duì)通信信道產(chǎn)生其它影響，有時(shí)反而會(huì)影響通信距離。因此，在嵌入式系統(tǒng)中并不提倡采用增加發(fā)射功率的辦法來增加傳輸距離。增加傳輸距離的比較好的辦法是，增加接收/發(fā)射天線增益一般是選用高增益天線。采用高增益天線具有集成天線、體積小、成本低，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，無需增加額外功耗和元器件等優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)語

對(duì)一完整的無線系統(tǒng)而言，還有天線設(shè)計(jì)、MCU及外圍電路設(shè)計(jì)等。此外，由于射頻鏈路的可靠性、誤碼率（BER，Bit Error Rate）等都比常規(guī)有線系統(tǒng)高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，嵌入式短程無線通信系統(tǒng)一定要加強(qiáng)系統(tǒng)測(cè)試，特別是系統(tǒng)誤碼率（BER）的測(cè)試。要把贊成過多誤碼的背景哭聲點(diǎn)找出來，提高系統(tǒng)的性能。限于篇幅，本文不過夜此類問題。

硬件設(shè)計(jì)論文:智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)中的硬件設(shè)計(jì)

摘要：從理解產(chǎn)品要求和設(shè)計(jì)局限出發(fā)，講述智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信部件和協(xié)議。通過全盤考慮存儲(chǔ)器執(zhí)行訪問速度、網(wǎng)絡(luò)、重啟各種因素對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的影響，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成功率。 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng) 100Base-T MBPS RTOS

引言

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了與傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)全然不同的挑占。其中包括從處理器和存儲(chǔ)器的選擇到產(chǎn)品環(huán)境的考慮。在理解產(chǎn)品設(shè)計(jì)的許多復(fù)雜方面和影響后，呵以直接提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功的幾率，對(duì)于設(shè)計(jì)者，僅僅了解需要什么部件來完成一個(gè)設(shè)計(jì)是不夠的，還要考慮部件之間如何交互、何種要素會(huì)帶來影響和設(shè)計(jì)的產(chǎn)品將在何種環(huán)境中運(yùn)行等問題。

本文試圖用合適的視角來盾待這些問題，為設(shè)計(jì)工程師們提供指導(dǎo)和幫助，從所有的層面上幫助它們?yōu)榻窈蟮脑O(shè)計(jì)項(xiàng)目做更好的準(zhǔn)備。

1 理解產(chǎn)品要求和設(shè)計(jì)局限

在創(chuàng)造一個(gè)智能的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)備時(shí)，第一步是要理解這個(gè)嵌入式產(chǎn)品本身內(nèi)含的規(guī)格要求，大同小異不僅僅是產(chǎn)品的功能要求?；镜脑?，如處理器類型，會(huì)對(duì)吞吐量、可裁剪性和開發(fā)周期的長(zhǎng)短產(chǎn)生廣泛的影響。這一點(diǎn)一定在事先就了然于胸。同樣重要的成本，因?yàn)槎鄶?shù)嵌入式產(chǎn)品對(duì)成本是敏感的。因此，材料清單的成本需要比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)低很多。典型的具有以太網(wǎng)能力的嵌入式產(chǎn)品生產(chǎn)的材料清單的花費(fèi)為$45～$100元。這些限制要求對(duì)性價(jià)比做很好的分析。

對(duì)于串口、USB、I2C接口的設(shè)計(jì)決定也會(huì)對(duì)性價(jià)比產(chǎn)生影響。找到帶集成接口的處理器并不難，比如帶以太網(wǎng)口、串口、USB及其它接口。在合適的價(jià)位找到這樣的處理器，并且還能提供產(chǎn)品的可裁剪性，就不那么容易了。

還有2個(gè)重要的事項(xiàng)有時(shí)會(huì)被忽略，就是電源要求和溫度潿。如果產(chǎn)品是電池供電，要考慮系統(tǒng)所有部件的電流消耗；如果產(chǎn)品本身要求滿足工業(yè)級(jí)溫度要求，那么這個(gè)盒子中的所有部件都要是工業(yè)級(jí)的。最后一點(diǎn)，由于本文的焦點(diǎn)在硬件，需要記住，產(chǎn)品可裁剪性取決于軟件。

除了辨別一個(gè)產(chǎn)品的功能要求外，對(duì)于該產(chǎn)品功能環(huán)境的理解也同樣重要。這個(gè)產(chǎn)品將在何處度過它的整個(gè)生命周期，那里的環(huán)境是否有特殊性？這樣的問題，設(shè)計(jì)者可以利用環(huán)境的先天優(yōu)勢(shì)，同時(shí)為最壞的情形做打算。如考慮暴露情況、環(huán)境污梁情況、溫度極限和更多的將影響性能和潛在的生命周期的情況。

人機(jī)交互同樣是重要因素。如程序改動(dòng)的頻繁度、產(chǎn)品可能維護(hù)計(jì)劃等。一定要關(guān)注技術(shù)環(huán)境。比如，如果一個(gè)智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接到一個(gè)局域網(wǎng)上，相關(guān)的信息流量會(huì)如何影響周圍的設(shè)備？如果該產(chǎn)品是一個(gè)串口到以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，只負(fù)責(zé)從串口得到數(shù)據(jù)然后將它轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)包，反之亦然，那么不僅要考慮最大的數(shù)據(jù)延時(shí)允許網(wǎng)包，還要考慮有多少數(shù)據(jù)要傳送。雖然延時(shí)對(duì)許多應(yīng)用不是一個(gè)主要考慮因素（如當(dāng)一個(gè)產(chǎn)品只是不時(shí)地收集數(shù)據(jù)，定期地被取走），但在一些應(yīng)用中，延時(shí)是以太網(wǎng)拓?fù)渲械南拗埔蛩?。在需要?duì)緊急情況作出立即反應(yīng)的地址，如工廠地面上的閥門控制、通信和反應(yīng)，一定要真正實(shí)時(shí)地完成。

2 通信、部件和協(xié)議

在基于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中有2個(gè)常用術(shù)語是10BaseT和100BaseT。為了高效地設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，理解這些術(shù)語的含義是很必要的。10BadeT和100BaseT是線速度。線速度和能占用的持續(xù)速度是不同的。通常意義上講，10BaseT線速度是10Mbit/s，100BaseT線速度是100Mbit/s。作為一個(gè)共享的資源，所有局域網(wǎng)上的設(shè)備都要能互相通信。因此，設(shè)備沒有能力百分之百地?fù)碛腥康膸?。如果真的存在這種情況，其它設(shè)備就不能進(jìn)行任何通信了。由此可知，在100BaseT的連接中，設(shè)備可以用100BaseT的解碼機(jī)制進(jìn)行通信，而不是維持100Mbit/s的速度?？偼掏铝靠梢员灰曌骼碚撏掏铝?，而凈吞吐量可以視為實(shí)際的流量。

許多應(yīng)用在設(shè)計(jì)時(shí)遵循所謂的“30%規(guī)則”。簡(jiǎn)單講，在有其它設(shè)備共享網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中，一個(gè)設(shè)備應(yīng)被設(shè)計(jì)為能使用30%的帶寬。在一個(gè)100BaseT的網(wǎng)絡(luò)中，這意味著30Mbit/s。很明顯，智能化設(shè)備網(wǎng)絡(luò)意味著設(shè)計(jì)一個(gè)嵌入式產(chǎn)品應(yīng)用到一個(gè)已存在的網(wǎng)絡(luò)中。在這里，設(shè)計(jì)得必須面對(duì)此設(shè)計(jì)要素，即必須估計(jì)在這個(gè)水平上，將不得不在什么條件下進(jìn)行工作。

網(wǎng)絡(luò)的布線費(fèi)用通常是網(wǎng)絡(luò)中比較貴的部分。由于這個(gè)費(fèi)用，許多其它介質(zhì)和協(xié)議，尤其是無線，正在被研究用于承載通信。802.11和藍(lán)牙是2個(gè)無線的協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備本身的價(jià)格在不斷地下落。由于這個(gè)原因，許多應(yīng)用著眼于現(xiàn)存的線路來保持以太網(wǎng)布線。這在樓宇控制應(yīng)用系統(tǒng)中是很常見的。因?yàn)閿?shù)公里長(zhǎng)的485或422的線路已經(jīng)存在，這些線路通常保留。因?yàn)橐蜆怯羁刂仆庠O(shè)進(jìn)行通信。因此，應(yīng)用系統(tǒng)作為網(wǎng)關(guān)，用軟件來橋接遺留的串口協(xié)議和以太網(wǎng)之間的通信。

如今，在許多建筑的物理布線中通常包含標(biāo)準(zhǔn)的、屏蔽或非蔽的雙絞線。不管屏蔽的還是非屏蔽的，雙絞線在抗電磁干擾上是很有效的?；镜牟顒e在于（不比較成本）屏蔽的雙絞線能提供更好的噪音保護(hù)。除了從設(shè)施中現(xiàn)有部件產(chǎn)生的噪音外，比如電力線、變壓器和發(fā)電機(jī)等，線路自身的數(shù)據(jù)傳輸也會(huì)產(chǎn)生噪音。這一情況使得安裝和調(diào)試一個(gè)新硬件成為一種挑戰(zhàn)。在最壞情況下的可能影響，包括從傳輸燈亮?xí)r網(wǎng)絡(luò)的不穩(wěn)定，到高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

一種特殊級(jí)別的雙絞線名叫5類電纜，可以用于許多普通雙絞線難于應(yīng)付的情況。5類線支持100Mbit/s數(shù)據(jù)傳輸，而出錯(cuò)概率很低。光纖線路也在以太網(wǎng)絡(luò)中得到應(yīng)用，特別是在電磁干擾敏感的環(huán)境中，光纖是抗電磁干擾的，沒有輻射，防竊聽，完全適合極高速率的數(shù)據(jù)傳輸。

需要強(qiáng)調(diào)的是，以太網(wǎng)拓?fù)渑c其它網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎啾仁欠浅２灰粯拥?。拓?fù)溥x擇將影響布線的費(fèi)用。以太網(wǎng)不是基于多跳的網(wǎng)絡(luò)，比如10Base-2的雛菊鏈網(wǎng)。以太網(wǎng)拓?fù)浣M成的是星狀的配置。星上的每一個(gè)設(shè)備在物理上要么連在一個(gè)集線器上，要么連在一個(gè)交換機(jī)上。在以太網(wǎng)上，一個(gè)設(shè)備與另一個(gè)設(shè)備的通信起處于發(fā)送設(shè)備端，然后到它連接的集成器或交換機(jī)。

以太網(wǎng)有2種基于類型：平面式和多層結(jié)構(gòu)式。在一個(gè)平面式的以太網(wǎng)，連接在一個(gè)集線路上的所有設(shè)備可以看到這個(gè)集線器接角到的所有數(shù)據(jù)包。這還包括相互連接在一起的集線器上的所有設(shè)備。在多層結(jié)構(gòu)式以太網(wǎng)中，由于集線路之間由交換機(jī)連接，只有連接在一個(gè)集一器上的設(shè)備可以看到那些包，此外，交換機(jī)還能決定哪些設(shè)備可以看到包，而哪些不能。

值得注意的是，不管是平面式還是多層結(jié)構(gòu)式，以太網(wǎng)一個(gè)共同的好處是不會(huì)受故障設(shè)備所牽連；而在雛菊鏈網(wǎng)絡(luò)中，一旦1個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備貪婪工作，其它網(wǎng)上設(shè)備的通信就無法進(jìn)行了。在以太網(wǎng)的多層結(jié)構(gòu)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)沖突被最小化了。但它的最大不足就是線路總量和安裝總費(fèi)用增加了。3 存儲(chǔ)器的考慮

對(duì)一個(gè)系統(tǒng)來講，選擇RAM是設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的方面，它會(huì)影響到產(chǎn)品的使用環(huán)境以及產(chǎn)品的全面的功能需求。應(yīng)用本身往往會(huì)確定使用何種存儲(chǔ)器。其它因素和成本、實(shí)性、產(chǎn)品穩(wěn)定性也會(huì)影響RAM的選擇。靜態(tài)RAM以使用方便和速度快而著稱。例如，SRAM的脈沖，通常由1個(gè)2-1-1-1的周期組成，意味著它要用2個(gè)時(shí)鐘周期來取第1個(gè)長(zhǎng)字，然后每1個(gè)時(shí)鐘周期取1個(gè)。在設(shè)計(jì)中，SRAM也易于實(shí)現(xiàn)。受限制的因素包括低密度的封裝以及較高的價(jià)格。

EDORAM和DRAM在老一點(diǎn)的設(shè)計(jì)中徑常見到。但由于這些類型的RAM曼慢被淘汰，現(xiàn)在很少能見到了。而且,EDORAM很難找到適合嵌入式設(shè)計(jì)的通用密度（1、2或8MB）。

SDRAM是今天的智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中最常見的RAM。SDRAM可用性很好，與SRAM相比，每兆字節(jié)的成本比也不錯(cuò)。處理器易于和SDRAM交互，而且SDRAM也能提高效率。SDRAM的脈沖周期如果為3-1-1-1，但SDRAM第1個(gè)指令獲取之后，每下一個(gè)獲取必須與時(shí)鐘的上升沿步。DRAM在信號(hào)產(chǎn)生上有很地址和列地址之分。行地址和列地址在DRAM類型中都要給出來定位一個(gè)存儲(chǔ)器地址。DRAM還有刷新周期，SDRAM有列地址延遲的值，以及需要存儲(chǔ)器控制器控制的其它信號(hào)。在處理器中集成一個(gè)SRAM、DRAM和SDRAM的控制器在做嵌入式設(shè)計(jì)時(shí)絕對(duì)會(huì)讓你受益非淺。

許多處理器需要一個(gè)負(fù)責(zé)內(nèi)存遇像保存和程序執(zhí)行的外部存儲(chǔ)器子系統(tǒng)。對(duì)于映像存儲(chǔ)，許多設(shè)備使用Flash。Flash有2個(gè)大的供應(yīng)商AMD和Intel。Flash本身與RAM來講是相對(duì)較慢的，因此，多數(shù)應(yīng)用中，程序在Flash中的執(zhí)行效率不高——特別是在實(shí)時(shí)應(yīng)用中。在大多數(shù)的設(shè)計(jì)中，16位的Flash用來降低成本，而通過在RAM中執(zhí)行映像文件，這種結(jié)構(gòu)被采用后可以不影響產(chǎn)品的運(yùn)行。

另一種非易失內(nèi)存為電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器。EEPROM在許多應(yīng)用中被用于為設(shè)備保存配置信息。這些參數(shù)通常至少包括MAC地址和IP地址。其它參數(shù)可包括子網(wǎng)掩碼、序列號(hào)、網(wǎng)關(guān)、波特率或其它板級(jí)參數(shù)。EEPROM可以作為一個(gè)簡(jiǎn)單靜態(tài)RAM類型設(shè)備來被設(shè)置和訪問。雖然EEPROM通常很慢，但它一般不會(huì)影響到嵌入式設(shè)備，因?yàn)樗闹饕猛臼窃趩?dòng)時(shí)提供參數(shù)。為了高效地選取Flash適應(yīng)產(chǎn)品，F(xiàn)lash的密度要決定好。決定一個(gè)系統(tǒng)中Flash的大小，實(shí)際上就決定了設(shè)備的材料消耗費(fèi)（BOM）。在Flash的問題上界限要很好地劃定：太少，則限制了軟件角度上的可裁剪性；太多，則為產(chǎn)品帶來了成本上不必要的增加。

4 增加價(jià)值的特性

許多工程開始就有一些限定的要求——使一個(gè)產(chǎn)品更快地投放市場(chǎng)和保持一個(gè)合理的成本。當(dāng)產(chǎn)品經(jīng)受住市場(chǎng)的考驗(yàn)時(shí)，產(chǎn)品修正需要從現(xiàn)存的硬件得到支持。這包括了在保證了附加軟件的設(shè)計(jì)中，能增加價(jià)值的特性。

錄找一個(gè)TCP/IP層內(nèi)存需求羅小的操作系統(tǒng)，有助于將材料成本保持在一個(gè)較低的價(jià)位，因?yàn)樗鼘?duì)內(nèi)存的需求減少了。比如，使用NetSilicon的NET+OS集成的硬件和軟件解決方案，操作系統(tǒng)和?；旧现徽加?40 KB的內(nèi)存。加上Web服務(wù)器和FTP服務(wù)器，整個(gè)系統(tǒng)只需310KB就可以啟動(dòng)了。

當(dāng)有嵌入式Web服務(wù)器的時(shí)候，對(duì)于Web頁面的構(gòu)建需要仔細(xì)考慮。普通的頁面設(shè)計(jì)，用來控制和監(jiān)視，350KB以內(nèi)的Flash仍能滿足使用。但當(dāng)動(dòng)態(tài)的GIF文件、復(fù)雜的徽標(biāo)和JPEG文件被引進(jìn)時(shí)，內(nèi)存的需求會(huì)急劇增加。許多設(shè)計(jì)帶FTP、HTTP和Email功能，加上客戶的應(yīng)用，0.5MB甚至更少的Flash仍然放得下。放1MB的Flash在板子上可以在板子不用重新設(shè)計(jì)布線的情況下增加有意義的特性。

RAM用來執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存。因此，最小的RAM也要是Flash的大小加上數(shù)據(jù)內(nèi)存和以太緩沖區(qū)的大小。有其它能影響RAM大小的考慮，比如，產(chǎn)品要不要在線升級(jí)。在有的機(jī)制中，比如NetSilicon公司的Net+Works方案提供的FTP可升級(jí)特性，RAM的大小需要是程序映像大小的2倍。比如，剛提到的FTP實(shí)現(xiàn)需要的一個(gè)保存新程序的緩沖區(qū)。這個(gè)緩沖區(qū)會(huì)通過網(wǎng)絡(luò)接收1個(gè)新的映像文件，然后將它保存在RAM的1個(gè)區(qū)里。升級(jí)例程然后會(huì)將新映像燒到Flash中。因此，在這個(gè)例子中，內(nèi)存需求的增加包括可執(zhí)行代碼的大小、另外增加的用于暫時(shí)保存升級(jí)程序的緩沖區(qū)以及為數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)緩沖區(qū)增加的空間。

最后，堆的大小一定要考慮，堆的大小會(huì)有很多職能，如對(duì)每一個(gè)Socket連接分配內(nèi)存。具體的例子，如NET+OS中，每一個(gè)Socket連接需要大約400字節(jié)。在這種情況下，通常用將執(zhí)行文件大小加倍的方案來確定RAM的大小。

5 執(zhí)行、訪問和速度

在Flash中執(zhí)行，對(duì)許多低端應(yīng)用來說并不壞。如一個(gè)簡(jiǎn)單的串口到以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在Flash中運(yùn)行通常不需要性能上的補(bǔ)償。有一些處理器，如NET+ARM，可以利用內(nèi)部產(chǎn)生的與Flash相關(guān)的信號(hào)來獲得效率。例如，對(duì)于一個(gè)16位的AMD Fash設(shè)備，F(xiàn)lash的片選可以接地，從而在100%的時(shí)間內(nèi)，它都是活動(dòng)的。當(dāng)電源可以承擔(dān)這樣的消耗，此特性可以提高Flash的效率。寫使能和輸出使能信號(hào)可以直接從處理器得到。例如，NET+ARM處理器有5個(gè)可用的片選。一個(gè)普通的寫使能和輸出使能存在于內(nèi)存外設(shè)中。片選0通常用于Flash。我們不將NET+ARM的片選0接到Flash上，也就是不用NET+ARM的片選0的輸出使能和寫使能。與此對(duì)應(yīng)，將Flash上的片選使能接地，而同時(shí)寫使能和輸出使能用NET+ARM的26、27地址線來驅(qū)動(dòng)。這樣，數(shù)據(jù)有效是依賴輸出使能而不是片選使能。從而，就可以繞過與Flash設(shè)備相關(guān)的幾個(gè)慢速訪問周期。

除了理解不同的類型和內(nèi)存需求，找到正確的內(nèi)存大小依賴于內(nèi)存允許的訪問時(shí)間。內(nèi)存速度直接影響傳輸率性能，而傳輸率直接影響到處理器能處理多少數(shù)據(jù)。內(nèi)存慢導(dǎo)致取指令慢，接著就降低了整個(gè)產(chǎn)品效率。理解這些產(chǎn)品需求中的依賴性對(duì)建造一個(gè)嵌入式產(chǎn)品是必不可少的。要理解內(nèi)存速度的需求，需要對(duì)NET+ARM了解得更詳細(xì)一些。NET+ARM的系統(tǒng)周期在它的總線主控制者之間共享。也就是說，系統(tǒng)時(shí)鐘周期在ARM7內(nèi)核和內(nèi)部10通道的DMA控制器之間分享。在這樣的設(shè)計(jì)中，ARM內(nèi)核每得到一個(gè)時(shí)鐘周期，DMA也同樣得到一個(gè)時(shí)鐘周期，在將總線交回下一個(gè)控制者之間，總線主控制者被允許可以突發(fā)至4個(gè)長(zhǎng)字。

下一個(gè)較關(guān)鍵的性能是時(shí)鐘速度。NET+ARM通常使用33MHz的時(shí)鐘。這樣就給它的處理時(shí)間差據(jù)周期的單位數(shù)，將結(jié)果乘上30ns，再將所得結(jié)果乘2，就得到了整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期的時(shí)間。請(qǐng)注意每一個(gè)總線控制者都可以突發(fā)至4個(gè)字長(zhǎng)或16個(gè)字節(jié)。整個(gè)系統(tǒng)周期基本上是ARM、DMA1、ARM、DMA2，依次類推。我們看一下DMA通道1（以太網(wǎng)接收通道），可以簡(jiǎn)單地將每個(gè)系統(tǒng)周期移動(dòng)16個(gè)字節(jié)轉(zhuǎn)換成每秒多少兆字節(jié)。

除了Flash，附加的NVRAM有時(shí)會(huì)被忽略。許多RTOS廣商推薦使用一些如EEPROM的小型NVRAM設(shè)備來存儲(chǔ)配置信息。為了增強(qiáng)易用性，NetSilicon推薦用EEPROM來保存如MAC地址、序列號(hào)、IP地址一類的設(shè)備配置。當(dāng)產(chǎn)品的IP地址或配置設(shè)定被改動(dòng)時(shí)，程序可以簡(jiǎn)單地將新的值寫到EEPROM中，而不需要保

存配置信息的Flash的該扇區(qū)重新擦寫。由于需要的EEPROM的容量通常較小，使用的NVRAM設(shè)備也是小設(shè)備。在NetSilicon公司的NET+ARM開發(fā)包中，有針對(duì)MAC地址、IP配置、序列號(hào)的程序。利用這些工具可以大大地節(jié)省時(shí)間和開發(fā)精力。板級(jí)部件之間的通信有一個(gè)通用的機(jī)制是內(nèi)存映射。處理器通常有一個(gè)系統(tǒng)總線，由地址和數(shù)據(jù)總線組成，它們都會(huì)被用來與外設(shè)進(jìn)行通信。內(nèi)存，如Flash和SDRAM，一般會(huì)駐留在處理器的系統(tǒng)總線上。其它的外圍部件，如FPGA、LCD顯示、編碼器、其它類型的設(shè)備等，也會(huì)需要添加到這個(gè)總線上。

這一類型的實(shí)現(xiàn)通常有2個(gè)原因：效率和易用性。與許多其它類型的接口比較，系統(tǒng)總線上的效率是非常重要的。需要慎重考慮的是，究竟是何種其它外設(shè)是通過系統(tǒng)總線進(jìn)行通信的。如果有許多高帶寬的部件要進(jìn)行通信，那么總線爭(zhēng)用就會(huì)出現(xiàn)。從易用性角度出發(fā)，所有系統(tǒng)總線上的設(shè)備基本上類似于內(nèi)存。使用智能的內(nèi)存處理器，可以使得應(yīng)用的硬件之間的通信容易得如同訪問一內(nèi)存區(qū)。

緩存的概念，就是檢查每一次內(nèi)存訪問，看它是否在緩沖區(qū)中。如果不是，一個(gè)常規(guī)的內(nèi)存訪問會(huì)進(jìn)行。如果該地址出現(xiàn)在在緩沖區(qū)中，指令或數(shù)據(jù)會(huì)直接在緩存中存取，而不需要嘗試總線來進(jìn)行外部的訪問。這樣一來，DMA控制器就可以繼續(xù)使用總線而ARM內(nèi)核直接從緩存控制器中取得指令。

6 其它網(wǎng)絡(luò)因素

以太網(wǎng)通信所需的包含MAC、PHY、1個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器和1個(gè)連接器。選擇一個(gè)集成了MAC的處理器是非常有益處的，因?yàn)樵S多設(shè)計(jì)部件減少了。

在有外部MAC的情況下，有時(shí)附加的內(nèi)存是需要的。通過集成MAC，系統(tǒng)的成本也會(huì)跟著降低。MAC的主要任務(wù)包括處理以太網(wǎng)上的沖突情況。當(dāng)偵測(cè)到一個(gè)沖突時(shí)，MAC會(huì)將包放入發(fā)送單元，一直到將包發(fā)送出去為止。

許多應(yīng)用為了與其它外設(shè)進(jìn)行通信，既需要內(nèi)部接口，也需要外部接口。內(nèi)部接口通常是部件之間通信板級(jí)接口。許多情況下，處理器的系統(tǒng)總線會(huì)用來為外設(shè)做內(nèi)存映射，比如USB、LCD、FPGA、MPEG編碼器等。GPIO（通用I/O）可以用來構(gòu)造像串行EEPROM的接口設(shè)備。除了外部設(shè)備（如硬盤或相機(jī)）的接口，還可以用來做部件通信相關(guān)設(shè)備（如Modem、CODEC）接口。

對(duì)于很多類型的產(chǎn)品和部件，串行接口是常見的。串行拓?fù)?，如RS232、422、485，在與外部設(shè)備通信時(shí)經(jīng)常用到。用到485的有2個(gè)主要市場(chǎng)：工業(yè)自動(dòng)化和樓宇控制。而現(xiàn)在以太網(wǎng)成了很多應(yīng)用的常見連接方式，就像過去串行、并行連接一樣。無線以太網(wǎng)又增添了遠(yuǎn)程的應(yīng)用和功能，使得以太網(wǎng)可以延伸到那些不可能布線或布線成本太高的地點(diǎn)。802.11和藍(lán)牙技術(shù)正在被不斷地改進(jìn)。

7 重啟

重啟也是設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵因素。理解什么類型的重啟可用，它們將對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生保種影響，以幫助設(shè)計(jì)者利用特定的情況。在NET+ARM芯片中，有5種重啟可以使用：加電重啟、通過RESET引腳的硬重啟、看門狗重啟、ENI重啟和軟件重啟。

ENI重啟允許NET+ARM被一個(gè)外部處理器重啟。這是在NET+ARM作為一個(gè)協(xié)處理器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)通信的情況下使用的。加電重啟、硬重啟和看門狗重啟都會(huì)導(dǎo)致NET+ARM內(nèi)部模塊重啟。但ENI重啟卻不會(huì)影響到NET+ARM的內(nèi)存控制器和ENI模塊本身。軟件重啟不會(huì)影響ARM處理器、ENI和內(nèi)存模塊。通過了解可用的重啟類型，就可以在得啟個(gè)別部分時(shí)無須影響到整個(gè)系統(tǒng)。

有2點(diǎn)本文沒有討論，分別是電源的穩(wěn)定性和設(shè)備失效后的恢復(fù)。當(dāng)系統(tǒng)中只有一閃存設(shè)備時(shí)（在成本敏感的設(shè)計(jì)中往往如此），如果電源失效，閃存就會(huì)癱瘓。這種情況如果發(fā)生，就得被迫用另外的方式來訪問處理器。在NET+ARM的設(shè)計(jì)中，可選的方式包括JTAG連接，它允許編程者獲得處理器的控制來糾正閃存中映像。

8 結(jié)論

最有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)一定要看到未來的發(fā)展并有所計(jì)劃。近年來的半導(dǎo)體發(fā)展就反映了這個(gè)趨勢(shì)。1μm的半導(dǎo)體處理技術(shù)被分別由0.8、0.5、0.35、0.25和0.18μm處理技術(shù)代替。每一次處理尺寸的縮小，就帶來相關(guān)價(jià)格的降低和實(shí)現(xiàn)性能的提高。例如，早期的NET+ARM設(shè)計(jì)使用NET+12，現(xiàn)在就可以被NET+40或NET+50所代替。

如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，了解產(chǎn)品發(fā)展的未來路線和得到NetSilicon公司為客戶所做的硬件設(shè)計(jì)檢查，使用NET+ARM做設(shè)計(jì)時(shí)如果保證了這三點(diǎn)因素，客戶就可以選擇不同的NET+ARM產(chǎn)品而使用相同的板子。另外，額外的內(nèi)存和部件的布局設(shè)計(jì)也可以增加，確保整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更通用、能堅(jiān)持更長(zhǎng)的使用時(shí)間。通過了解產(chǎn)品需求、理解產(chǎn)品環(huán)境、精心選擇部件、利用集成的方案、在為今天的需求設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)能為明天的改進(jìn)計(jì)劃出相應(yīng)的路線，聰明的設(shè)計(jì)者可以最大限度地發(fā)揮產(chǎn)品的功效。這些因素會(huì)幫助你的設(shè)計(jì)和產(chǎn)品獲得成功。

硬件設(shè)計(jì)論文:高速單片機(jī)硬件關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)的概述

引 言

隨著單片機(jī)的頻率和集成度、單位面積的功率及數(shù)字信號(hào)速度的不斷提高,而信號(hào)的幅度卻不斷降低,原先設(shè)計(jì)好的、使用很穩(wěn)定的單片機(jī)系統(tǒng),現(xiàn)在可能出現(xiàn)莫名其妙的錯(cuò)誤,分析原因,又找不出問題所在。另外,由于市場(chǎng)的需求,產(chǎn)品需要采用高速單片機(jī)來實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)人員如何快速掌握高速設(shè)計(jì)呢?

硬件設(shè)計(jì)包括邏輯設(shè)計(jì)和可靠性的設(shè)計(jì)。邏輯設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)功能。硬件設(shè)計(jì)工程師可以直接通過驗(yàn)證功能是否實(shí)現(xiàn),來判定是否滿足需求。這方面的資料相當(dāng)多,這里就不敘述了。硬件可靠性設(shè)計(jì),主要表現(xiàn)在電氣、熱等關(guān)鍵參數(shù)上。我將這些歸納為特性阻抗、SI、PI、EMC、熱設(shè)計(jì)等5個(gè)部分。

1 特性阻抗

近年來,在數(shù)字信號(hào)速度日漸增快的情況下,在印制板的布線時(shí),還應(yīng)考慮電磁波和有關(guān)方波傳播的問題。這樣,原來簡(jiǎn)單的導(dǎo)線,逐漸轉(zhuǎn)變成高頻與高速類的復(fù)雜傳輸線了。

在高頻情況下,印制板(PCB)上傳輸信號(hào)的銅導(dǎo)線可被視為由一連串等效電阻及一并聯(lián)電感所組合而成的傳導(dǎo)線路,如圖1所示。只考慮雜散分布的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的效應(yīng),會(huì)得到以下公式:

式中Z0即特性阻抗,單位為Ω。

PCB的特性阻抗Z0與PCB設(shè)計(jì)中布局和走線方式密切相關(guān)。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有:銅線的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。

在PCB的特性阻抗設(shè)計(jì)中,微帶線結(jié)構(gòu)是最受歡迎的,因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有4種:表面微帶線(surface microstrip)、嵌入式微帶線(embedded microstrip)、帶狀線(stripline)、雙帶線(dual-stripline)。下面只說明表面微帶線結(jié)構(gòu),其它幾種可參考相關(guān)資料。表面微帶線模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Z0的計(jì)算公式如下:

對(duì)于差分信號(hào),其特性阻抗Zdiff修正公式如下:

公式中:

——PCB基材的介電常數(shù);

b——PCB傳輸導(dǎo)線線寬;

d1——PCB傳輸導(dǎo)線線厚;

d2——PCB介質(zhì)層厚度;

D——差分線對(duì)線邊沿之間的線距。

從公式中可以看出,特性阻抗主要由、b、d1、d2決定。通過控制以上4個(gè)參數(shù),可以得到相應(yīng)的特性阻抗。

2 信號(hào)完整性(SI)

SI是指信號(hào)在電路中以正確的時(shí)序和電壓作出響應(yīng)的能力。如果電路中的信號(hào)能夠以要求的時(shí)序、持續(xù)時(shí)間和電壓幅度到達(dá)IC,則該電路具有較好的信號(hào)完整性。反之,當(dāng)信號(hào)不能正常響應(yīng)時(shí),就出現(xiàn)了信號(hào)完整性問題。從廣義上講,信號(hào)完整性問題主要表現(xiàn)為5個(gè)方面:延遲、反射、串?dāng)_、同步切換噪聲和電磁兼容性。

延遲是指信號(hào)在PCB板的導(dǎo)線上以有限的速度傳輸,信號(hào)從發(fā)送端發(fā)出到達(dá)接收端,其間存在一個(gè)傳輸延遲。信號(hào)的延遲會(huì)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序產(chǎn)生影響。在高速數(shù)字系統(tǒng)中,傳輸延遲主要取決于導(dǎo)線的長(zhǎng)度和導(dǎo)線周圍介質(zhì)的介電常數(shù)。

當(dāng)PCB板上導(dǎo)線(高速數(shù)字系統(tǒng)中稱為傳輸線)的特征阻抗與負(fù)載阻抗不匹配時(shí),信號(hào)到達(dá)接收端后有一部分能量將沿著傳輸線反射回去,使信號(hào)波形發(fā)生畸變,甚至出現(xiàn)信號(hào)的過沖和下沖。如果信號(hào)在傳輸線上來回反射,就會(huì)產(chǎn)生振鈴和環(huán)繞振蕩。

由于PCB板上的任何兩個(gè)器件或?qū)Ь€之間都存在互容和互感,因此,當(dāng)一個(gè)器件或一根導(dǎo)線上的信號(hào)發(fā)生變化時(shí),其變化會(huì)通過互容和互感影響其它器件或?qū)Ь€,即串?dāng)_。串?dāng)_的強(qiáng)度取決于器件及導(dǎo)線的幾何尺寸和相互距離。

信號(hào)質(zhì)量表現(xiàn)為幾個(gè)方面。對(duì)于大家熟知的頻率、周期、占空比、過沖、振鈴、上升時(shí)間、下降時(shí)間等,在此就不作詳細(xì)介紹了。下面主要介紹幾個(gè)重要概念。

①高電平時(shí)間(high time),指在一個(gè)正脈沖中高于Vih_min部分的時(shí)間。

②低電平時(shí)間(low time),指在一個(gè)負(fù)脈沖中低于Vil_max部分的時(shí)間,如圖3所示。

③建立時(shí)間，指一個(gè)輸入信號(hào)(input signal)在參考信號(hào)(reference signal)到達(dá)指定的轉(zhuǎn)換前必須保持穩(wěn)定的最短時(shí)間。

④保持時(shí)間(hold time),是數(shù)據(jù)在參考引腳經(jīng)過指定的轉(zhuǎn)換后,必須穩(wěn)定的最短時(shí)間,如圖4所示。

⑤建立時(shí)間裕量，指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立時(shí)間與接收端芯片所要求的最小建立時(shí)間的差值。

⑥保持時(shí)間裕量(hold argin),指所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保持時(shí)間與接收端芯片所要求的最小保持時(shí)間之間的差值。

⑦時(shí)鐘偏移(clock skew),指不同的接收設(shè)備接收到同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)輸出之間的時(shí)間差。

⑧Tco(time clock to output,時(shí)鐘延遲),是一個(gè)定義包括一切設(shè)備延遲的參數(shù),即Tco=內(nèi)部邏輯延遲 (internal logic delay) + 緩沖器延遲(buffer delay)。

⑨最大經(jīng)歷時(shí)間(Tflightmax),即final switch delay,指在上升沿,到達(dá)高閾值電壓的時(shí)間,并保持高電平之上,減去驅(qū)動(dòng)所需的緩沖延遲。

⑩最小經(jīng)歷時(shí)間(Tflightmin),即first settle delay,指在上升沿,到達(dá)低閾值電壓的時(shí)間,減去驅(qū)動(dòng)所需的緩沖延遲。

時(shí)鐘抖動(dòng)(clock jitter),是由每個(gè)時(shí)鐘周期之間不穩(wěn)定性抖動(dòng)而引起的。一般由于PLL在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)的不穩(wěn)定性引起,同時(shí),時(shí)鐘抖動(dòng)引起了有效時(shí)鐘周期的減小。

串?dāng)_(crosstalk)。鄰近的兩根信號(hào)線,當(dāng)其中的一根信號(hào)線上的電流變化時(shí)(稱為aggressor,攻擊者),由于感應(yīng)電流的影響,另外一根信號(hào)線上的電流也將引起變化(稱為victim,受害者)。

SI是個(gè)系統(tǒng)問題,必須用系統(tǒng)觀點(diǎn)來看。以下是將問題的分解。

傳輸線效應(yīng)分析:阻抗、損耗、回流……

反射分析:過沖、振鈴……

時(shí)序分析:延時(shí)、抖動(dòng)、SKEW……

串?dāng)_分析

噪聲分析:SSN、地彈、電源下陷……

PI設(shè)計(jì):確定如何選擇電容、電容如何放置、PCB合適疊層方式……

PCB、器件的寄生參數(shù)影響分析

端接技術(shù)等

3 電源完整性PI

PI的提出,源于當(dāng)不考慮電源的影響下基于布線和器件模型而進(jìn)行SI分析時(shí)所帶來的巨大誤差,相關(guān)概念如下。

電子噪聲,指電子線路中某些元器件產(chǎn)生的隨機(jī)起伏的電信號(hào)。

硬件設(shè)計(jì)論文:變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)

摘要：變壓器的冷卻裝置是將變壓器在運(yùn)行中由損耗所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，以保證變壓器可以安全正常的運(yùn)行。本文所進(jìn)行的主要核心部分就是對(duì)控制模塊進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其中包括了可以對(duì)主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶的要求而變化。

關(guān)鍵詞：變壓器；冷卻控制系統(tǒng)；硬件

1變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制模塊的設(shè)計(jì)總體思想

本文所進(jìn)行的就是對(duì)變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括了可以對(duì)主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶的要求而變化。在傳統(tǒng)控制方式中，風(fēng)扇投切的溫度限制值是不能改變的，此外，風(fēng)扇電機(jī)的啟動(dòng)和停止溫度有一余量，不像傳統(tǒng)的控制方式中是一個(gè)定值，避免了頻繁啟動(dòng)的缺陷，此外還有運(yùn)行、故障保護(hù)及報(bào)警等信號(hào)的顯示及其與控制中心或調(diào)度中心的通訊，上傳這些信息，如變壓器油溫、風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)有無故障等。至于風(fēng)扇的分組投切設(shè)置是為了節(jié)約電能，具有一定的經(jīng)濟(jì)意義，但這個(gè)分組數(shù)不宜過多，以免控制復(fù)雜，且散熱效果不佳。

控制器主要由at89cs1單片機(jī)、a/d轉(zhuǎn)換器、鍵盤控制芯片，輸出模塊、通訊模塊以及自動(dòng)復(fù)位電路等組成，其中單片機(jī)是控制器的核心，aid轉(zhuǎn)換器是把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

2變壓器風(fēng)扇控制系統(tǒng)的硬件接線

基于以上的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的風(fēng)扇控制器的硬件線路圖如下頁圖1所示。變壓器風(fēng)扇控制中對(duì)控制模塊進(jìn)行改進(jìn)是本文研究的重點(diǎn)，其中包括主要芯片的選用以及一些抗干擾元件的使用。所以在本章節(jié)中，我們重點(diǎn)將要介紹變壓器風(fēng)扇冷卻控制模塊中的主要硬件芯片的作用、選用以及它們之間的連接力一法。

（1）單片機(jī)at89c51（如圖1）。

at89c51是atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗，高性能的8位單片機(jī)，具有8k的flash可編程只讀存儲(chǔ)器，它采用atmel公司的高密度不易丟失的存儲(chǔ)器技術(shù)，并且和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的80c51和80c52的指令集合插腳引線兼容，其集成的flash允許可編程存儲(chǔ)器可以在系統(tǒng)或者通用的非易失性的存儲(chǔ)器編程中進(jìn)行重新編程。at89c51集成了一個(gè)8位的cpu， 8k的flash。256字節(jié)的edam， 32位的i/0總線。三個(gè)16字節(jié)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩級(jí)六中段結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行口，振蕩器及時(shí)鐘電路。at89c51是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制的核心，所有其它器件都受其控制或?yàn)槠浞?wù)。

在本文中，經(jīng)過tlc 1543 a/d轉(zhuǎn)換器后輸出的數(shù)字量輸入到at89c51單片機(jī)中，同時(shí)在進(jìn)行了溫度參數(shù)的設(shè)置以后，進(jìn)行它的輸出控制，其中包括了變壓器的溫度顯示、狀態(tài)顯示、以及聲音報(bào)警設(shè)備等等，也就是我們所研究的變壓器冷卻控制系統(tǒng)的核心部分。

（2）變壓器的溫度采集及溫度處理模塊。在變壓器的風(fēng)扇冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)中，第一步進(jìn)行的就是對(duì)變壓器上層油溫進(jìn)行的溫度采集工作。變壓器的溫度采集是由變壓器的溫度控制器來實(shí)現(xiàn)的，其中包括鉑電極、傳感器以及變送器。經(jīng)過溫度控制器輸出的信號(hào)進(jìn)入變送器，變送器送出一個(gè)4一20毫安的電流信號(hào)，然后將此電流信號(hào)通過控制芯片上的電阻元件實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓是在0.4一2（伏特）之間，然后將此電壓信號(hào)輸入到tlc 1543數(shù)模轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行信號(hào)處理。變送器輸出信號(hào)有電流和電壓信號(hào)兩種，考慮到變壓器安裝的位置（室外）距本控制裝置（室內(nèi)）有一定的距離，電流信號(hào)不易損失，故選擇了4一20毫安的電流信號(hào)。

（3）11通道10位串行a/d轉(zhuǎn)換器丁lc1543。

tlc1543 a/d轉(zhuǎn)換器是美國(guó)ti公司生產(chǎn)的眾多串行a/d轉(zhuǎn)換器中的一種，它具有輸入通道多、轉(zhuǎn)換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種高性價(jià)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。tlc 1543是cmos，10位開關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有三個(gè)輸入端和一個(gè)3態(tài)輸出端：片選（cs），輸入/輸出時(shí)鐘（i/0 clock），地址輸入和數(shù)據(jù)輸出（dataout）。這樣通過一個(gè)直接的四線接口與卞處理器或外圍的串行口通訊。片內(nèi)還有14通道多路選擇器可以選擇11個(gè)輸入中的任何一個(gè)三個(gè)內(nèi)部自測(cè)試（self-test）電壓中的一個(gè)。

（4）bc7281 128段led顯示及64鍵鍵盤控制芯片。

bc7281是16位led數(shù)碼管顯示器鍵盤接口專用控制芯片，通過外接移位寄存器（典型芯片如74hc164， 74ls595等），最多可以控制16位數(shù)碼管顯示或128支獨(dú)立的led。 bc7281的驅(qū)動(dòng)輸出極性及輸出時(shí)序均為軟件可控，從而可以和各種外部電路配合，適用于任何尺寸的數(shù)碼管。

bc7281各位可獨(dú)立按不同的譯碼方式譯碼或不譯碼顯示，譯碼方式顯示時(shí)小數(shù)點(diǎn)不受譯碼影響，使用方便；bc7281內(nèi)部還有一閃爍速度控制寄存器，使用者可隨時(shí)改變閃爍速度。

bc7281芯片可以連接最多64鍵c8*8）的鍵盤矩陣，內(nèi)部具有去抖動(dòng)功能。它的鍵盤具有兩種工作模式，bc7281內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)特殊（控制）寄存器，所有的操作均通過對(duì)這26個(gè)寄存器的訪問完成。

bc7281采用高速二線接口與mcu進(jìn)行通訊，只占用很少的i/o資源和主機(jī)時(shí)間。

bc7281在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動(dòng)變壓器溫度顯示的led以及顯示風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)的指示燈。

前已提及，bc7281芯片內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)特殊功能寄存器，共用一段連續(xù)的地址，其地址范圍是ooh-19h，其中ooh-ofh為顯示寄存器，其余為特殊寄存器。

（5）使用max232實(shí)現(xiàn)與pc機(jī)的通訊。

①max232芯片簡(jiǎn)介

max232芯片是1viax工m公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙rs232發(fā)送/接收器，適用于各種e工a-232e和v.28； v.24的通信接口，1viax232芯片內(nèi)部有一個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5v電源變換成rs-2320輸出電平所需±10v電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5v電源就可以。

我們的設(shè)計(jì)電路中選用其中一路發(fā)送/接收，rlou t接mcs一51的rxd ， t 1工n接mcs一51的txd， tlout接pc機(jī)的rd，rl工n接pc機(jī)的td1。因?yàn)閙ax232具有驅(qū)動(dòng)能力，所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。

系統(tǒng)中使用了此技術(shù)之后就實(shí)現(xiàn)了變壓器風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，工作人員可以在控制室對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以達(dá)到方便、準(zhǔn)確、快捷的日的，這也是我們對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)扇冷卻控制系統(tǒng)而做的一個(gè)重要的改進(jìn)。

②串行通訊

在此實(shí)現(xiàn)中，我們必須要對(duì)mcs-51串行接日和pc機(jī)串行接日的串行通訊要有一定的了解，串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的，它的優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線進(jìn)行傳送信息，囚此其成本低，適用于遠(yuǎn)即離通信；它的缺點(diǎn)是傳送速度低；串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方一式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復(fù)雜；而異步通信應(yīng)用于傳送速度在50到19200波特之間，是比較常用的傳送方式，本文中使用的就是異步通訊方式。

（6）“看門狗”電路ds1232

在系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，為了避免因干擾或其他意外出現(xiàn)的運(yùn)行中的死機(jī)的情況，“看門狗電路”ds1232會(huì)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，并且能夠重讀eeprom中的設(shè)置，以保證系統(tǒng)可以安全正常的運(yùn)行。

美國(guó)dallas公司生產(chǎn)的“看門狗”（watchdog）集成電路ds1232具有性能可靠、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，應(yīng)用在單片機(jī)產(chǎn)品中能夠很好的提高硬件的抗干擾能力。

ds1232具有以下特點(diǎn)：

①具有8腳dip封裝和16腳soic貼片封裝兩種形式，可以滿足不同設(shè)計(jì)要求；

②在微處理器失控狀態(tài)卜可以停止和重新啟動(dòng)微處理器；

③微處理器掉電或電源電壓瞬變時(shí)可自動(dòng)復(fù)位微處理器；

④精確的5%或10%電源供電監(jiān)視；

在本變壓器冷卻控制系統(tǒng)中，ds1232作為一定時(shí)器來起到自動(dòng)復(fù)位的作用，在ds1232內(nèi)部集成有看門狗定時(shí)器，當(dāng)ds1232的st端在設(shè)置的周期時(shí)間內(nèi)沒有有效信號(hào)到來時(shí)，ds1232的rsr端將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)以強(qiáng)迫微處理器復(fù)位。這一功能對(duì)于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機(jī)是非常有效的，因?yàn)榭撮T狗定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間由ds1232的td引腳確定，在本設(shè)計(jì)中，我們將其td引腳與地相接，所以定時(shí)時(shí)間一般取為150ms。

3結(jié)論

本裝置實(shí)現(xiàn)了通過單片機(jī)自動(dòng)控制冷卻器的各種運(yùn)行狀態(tài)并能精確監(jiān)測(cè)變壓器的油溫和冷卻器的各種運(yùn)行、故障狀態(tài)，顯示了比傳統(tǒng)的控制模式的優(yōu)越性。（1）能夠?qū)ψ儔浩饔蜏剡M(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制；（2）實(shí)現(xiàn)了變壓器冷卻器依據(jù)不同油溫的分組投切，延長(zhǎng)了冷卻器的使用壽命，有較好的經(jīng)濟(jì)意義； （3）實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的各種狀況，如油溫、風(fēng)扇投切和故障等信息的上傳，便于值班員、調(diào)度員隨時(shí)掌握情況。

由于固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)了變壓器的無觸點(diǎn)控制，解決了傳統(tǒng)的控制回路的弊端，同時(shí)此控制裝置具有電機(jī)回路斷相與過載的保護(hù)功能。由于使用了單片機(jī)，因而具有一定的智能特征，實(shí)現(xiàn)了油溫、風(fēng)扇的投入、退出和故障等信號(hào)的顯示以及上傳等。通過實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置的研制是比較成功的。但今后，我們還應(yīng)該對(duì)固態(tài)繼電器本身的保護(hù)進(jìn)行一些研究，以免主回路因電流過大而造成固態(tài)繼電器的損壞，以使變壓器風(fēng)扇冷卻控制回路更加完善。

硬件設(shè)計(jì)論文:圖像處理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

【摘 要】采用ti公司的tms320dm642型號(hào)dsp作為圖像處理的算法實(shí)現(xiàn)平臺(tái)，選用xilinx公司的xc95144作為圖像采集的時(shí)序分配控制器件，在此硬件基礎(chǔ)上擴(kuò)充了sdram實(shí)現(xiàn)了圖像的存儲(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)了圖像時(shí)實(shí)處理。實(shí)際應(yīng)用證明，此方法達(dá)到了高速、實(shí)時(shí)、識(shí)別率高的要求。

【關(guān)鍵詞】tms320dm642；圖像采集系統(tǒng)；vport接口；dsp

圖像采集系統(tǒng)在日常生活、軍事、工業(yè)生產(chǎn)、科研中的作用越來越大.而紙幣清分、目標(biāo)跟蹤、干線交通監(jiān)視等應(yīng)用也極大地促進(jìn)了實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)的發(fā)展。tms320系列為代表的高性能dsp在實(shí)時(shí)圖像處理中也獲得了廣泛應(yīng)用[1]，由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，并且具有嚴(yán)格的幀、場(chǎng)時(shí)間限制， 如果能通過對(duì)dsp和cpld進(jìn)行軟件編程來控制數(shù)據(jù)采集頻率，充分發(fā)揮其性能就成為提高整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本文介紹的是基于tms320dm642的一種圖像采集方法[2]。

1 硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)

紙幣圖像識(shí)別需要依賴于一個(gè)穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性高、抗干擾能力強(qiáng)的硬件系統(tǒng)，這樣才能夠減輕識(shí)別算法的負(fù)擔(dān)，更好的實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的性能。紙幣圖像識(shí)別的整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

從圖中可以看到：接口電路以上的部分為紙幣圖像識(shí)別系統(tǒng)，以下部分為主控部分。紙幣圖像采集系統(tǒng)又分成圖像采集和dsp其它外設(shè)模塊部分。其中圖像采集包括光源、cis傳感器、偏值電路、放大電路、a/d變換、cpld，它所實(shí)現(xiàn)的功能是將紙幣通過傳感器。

采樣、量化后將數(shù)據(jù)傳給dsp的vport接口。dsp的其它模塊包括emif接口上的flash和sdram，用來實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；i2c接口上的eeprom，用來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的存儲(chǔ)；mcbsp接口與uart通信，這樣可以與pc機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；emu接口在開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)了在線仿真、調(diào)試功能。

2 圖像采集系統(tǒng)工作原理

圖2給出了圖像采集接線圖， 通過cis圖像傳感器采集出物體模擬圖像信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將放大的模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad9822轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)， 送入cpld緩存，最后通過edma通道輸入到dsp的ram中，在dsp中進(jìn)行圖像處理和識(shí)別[3]。

cpld是圖像采集的核心，它控制了整個(gè)采集過程的時(shí)序。當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到物體后會(huì)向cpld發(fā)送一個(gè)幀同步信號(hào)syn，在此同時(shí)物體會(huì)在傳感器的垂直方向上發(fā)生移動(dòng)，主機(jī)檢測(cè)到這個(gè)移動(dòng)量并發(fā)送給cpld[4]，這個(gè)信號(hào)就為物體的行同步plu。

根據(jù)控制相應(yīng)管腳的低電平來控制光源。sp為cis傳感器的行同步信號(hào)，cp為每個(gè)像素的時(shí)鐘同步，sig是采樣后的模擬量輸出。每當(dāng)sp發(fā)生從高到低的變化，cis傳感器會(huì)檢測(cè)到這個(gè)變化，重新計(jì)算cp的個(gè)數(shù)，每收到一個(gè)cp時(shí)鐘信號(hào)，就會(huì)把相應(yīng)的傳感器件采樣得到的電平通過sig管腳發(fā)送出去。

實(shí)際應(yīng)用中，我們選用ad9822作為 cis圖像傳感器進(jìn)行信號(hào)處理的a/d變換芯片。采用三通道運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)換頻率可以達(dá)到15msps。dsp在上電后初始化期間需要來配置a/d變換器來選擇工作模式，對(duì)ad9822內(nèi)部寄存器配置采用3線制串行通信接口，當(dāng)cpld檢測(cè)到了syn信號(hào)后準(zhǔn)備進(jìn)行圖像采集工作，當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)plu信號(hào)開始采集，通過正確控制cis傳感器的sp、cp的時(shí)序可以輸出每一個(gè)像素的模擬量sig， 然后再正確控制a/d變換器的clk、adck就可以輸出實(shí)際像素的數(shù)字量用8位數(shù)據(jù)線輸出為d

0-d7，最后控制dsp的vport接口的vctl、vclk時(shí)序，把數(shù)據(jù)讀到了dsp內(nèi)部[5-6]。

3 總結(jié)

本文通過分析tms320dm642和ad9822工作的特點(diǎn)，提出了一種新的數(shù)據(jù)采集時(shí)序設(shè)計(jì)，從而針對(duì)不同的信號(hào)能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)dsp和cpld進(jìn)行軟件編程來控制數(shù)據(jù)采集頻率，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)應(yīng)該在干線交通監(jiān)視方面取得了良好的效果。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文首先分析了ad工作的時(shí)序，通過對(duì) dsp和 cpld進(jìn)行軟件編程來控制ad9822的采集速度，從而達(dá)到可以根據(jù)實(shí)際情況靈活地改變ad9822的數(shù)據(jù)采集頻率，提出了一種新的數(shù)據(jù)采集時(shí)序設(shè)計(jì)。