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  • Vishay推出小型铝电容器,可提高系统设计灵活性,并节省电路板空间

    Vishay推出小型铝电容器,可提高系统设计灵活性,并节省电路板空间

    宾夕法尼亚、MALVERN — 2020年10月28日 —日前,Vishay Intertechnology, Inc.宣布,推出新系列低阻抗、汽车级小型铝电解电容器--- 170 RVZ,纹波电流高达3.8 A,可在+105 °C高温下工作,105°C条件下使用寿命长达10,000小时。 与上一代解决方案相比,Vishay BCcomponents 170 RVZ系列电容器阻抗更低,纹波电流提高10 %至15 %,设计人员可使用更少的元器件,从而提高设计灵活性并节省电路板空间。此外,器件符合AEC-Q200标准,从10 mm x 12 mm到18 mm x 40 mm,提供各种小型外形尺寸封装。 170 RVZ系列电容器采用径向引线,蓝色套筒绝缘的圆柱形铝外壳,额定电压最高达63 V,容量为100 µF至6800 µF,阻抗低。电容器具有防充放电功能。 本系列器件是采用非固态电解质的极性铝电解电容器,符合RoHS标准,适合用于工业、汽车、通信、医疗和消费电子应用中开关电源和DC/DC转换器的平滑、滤波和缓冲。 器件规格表: 170 RVZ系列电容器现可提供样品并已实现量产,供货周期为六周。

    时间:2020-10-28 关键词: Vishay 电容器 系统设计

  • 智能家居系统设计原则

    智能家居系统设计原则

      有粉丝向千家小编留言,表示对智能家居的系统设计比较有兴趣,但不知道如何下手去了解,这次就带大家来探讨该如何设计智能家居系统。   首先了解,何为智能家居系统?   简单来说,就是用户可以通过手机、智能面板等终端,对音视频设备、照明系统、窗帘控制系统、空调控制系统、安防系统、数字影院系统等进行联网和集中智能控制,从而提升生活舒适度、降低能源消耗的智能化系统。   智能家居系统的使用,不是说它的智能化系统的多少、系统的先进性或集成度,而是取决于系统的设计和配置是否经济、方便、合理。换句话说,就是如何以最少的投入、最简便的实现途径来换取最大的功效,实现便捷高质量的生活。   为了实现上述目标,智能家居系统设计时要遵循以下原则:   ◆ ◆ ◆   实用性   智能家居最基本的目标是为人们提供一个舒适、安全、方便和高效的生活环境。对智能家居产品来说,最重要的是以实用为核心,摒弃掉那些华而不实,只能充作摆设的功能,产品以实用性、易用性和人性化为主。   在设计智能家居系统时,应根据用户对智能家居功能的需求,整合以下最实用最基本的功能:包括智能家电控制、智能灯光控制、电动窗帘控制、防盗报警、门禁对讲、煤气泄露等,同时还可以拓展诸如三表抄送、视频点播等服务增值功能。   智能家居的控制方式很丰富多样,比如:本地控制、遥控控制、集中控制、手机远程控制、感应控制、网络控制、定时控制等等,其本意是让人们摆脱繁琐的事务,提高效率,如果操作过程和程序设置过于繁琐,容易让用户产生排斥心理。   所以在对智能家居的设计时一定要充分考虑到用户体验,注重操作的便利化和直观性,最好能采用图形图像化的控制界面,让操作所见即所得。   ◆ ◆ ◆   稳定性   智能家居系统的稳定性主要包括分控模块的产品稳定、系统运行的稳定、线路结构的稳定、集成功能的稳定、运行时间的稳定等。   整个建筑的各个智能化子系统应能二十四小时运转,系统的安全性、可靠性和容错能力必须予以高度重视。对各个子系统,以电源、系统备份等方面采取相应的容错措施,保证系统正常安全使用、质量、性能良好,具备应付各种复杂环境变化的能力。   ◆ ◆ ◆   标准兼容性   智能家居系统方案的设计应依照国家和地区的有关标准进行,确保系统的扩充性和扩展性,在系统传输上采用标准的TCP/IP协议网络技术,保证不同产商之间系统可以兼容与互联。   系统的前端设备是多功能的、开放的、可以扩展的设备。如系统主机、终端与模块采用标准化接口设计,为家居智能系统外部厂商提供集成的平台,而且其功能可以扩展,当需要增加功能时,不必再开挖管网,简单可靠、方便节约。设计选用的系统和产品能够使本系统与未来不断发展的第三方受控设备进行互通互连。   ◆ ◆ ◆   方便性   布线安装是否简单直接关系到成本,可扩展性,可维护性的问题,一定要选择布线简单的系统,施工时可与小区宽带一起布线,简单、容易;设备方面容易学习掌握、操作和维护简便。   系统在工程安装调试中的方便设计也非常重要。家庭智能化有一个显著特点,就是安装、调试与维护的工作量非常大,需要大量的人力物力投入,成为制约行业发展的瓶颈。   针对这个问题,系统在设计时,就应考虑安装与维护的方便性,比如系统可以通过Internet远程调试与维护。通过网络,不仅使住户能够实现家庭智能化系统的控制功能,还允许工程人员在远程检查系统的工作状况,对系统出现的故障进行诊断。   这样,系统设置与版本更新可以在异地进行,从而大大方便了系统的应用与维护,提高了响应速度,降低了维护成本。   ◆ ◆ ◆   扩展性   在满足用户现有需求的前提下,设计时应充分考虑各种智能化适应技术迅猛发展的趋势,不仅在技术上保持最先进和适度超前,而且更注重采用最先进的技术标准和规范,以使整个系统可以随着技术的发展和进步,具有更新、扩充和升级的能力。   系统设计遵循开放性原则,软件、硬件、通信接口、网络操作系统和数据库管理系统等符合国际标准,使系统具备良好的兼容性和扩展性。   以上的几大原则是智能家居系统设计必须遵循的,如有想了解更多关于智能家居、智能建筑其他内容,欢迎留言给千家小编哦。

    时间:2020-08-26 关键词: 智能家居 智能建筑 系统设计

  • 为什么设计复杂系统如此之难?浅谈利用仿真攻克汽车系统设计

    当今汽车行业所面临的挑战与电信行业十多年前所经历的类似。混合动力电动汽车和燃料电池汽车等新技术也促进了研发活动的日趋活跃,正如我们在手机演变成多媒体设备的进程中所看到的一样。同样,电信业面临着功耗和芯片尺寸限制的问题,而汽车设计师正努力将更多技术运用到过去仅仅是机械的设备中。 电子、电气、机械,硬件和软件组件以及将其相连接的网络正大力推动汽车设计的发展。车载电子设备数量的比重目前为40%,而且在不断上升,与此同时,电子控制单元的数量也在日益增加,并被分布到整个系统中,用以控制新应用的精密性和复杂性。电子控制单元能包含数百个软件组件,促使系统更多地采用多路复用技术,也提升了通信方面的要求。 不仅一般系统设计在整体上有所扩大,可以满足不断增加的功能和性能要求,而且这些设计必须无缝地整合模拟和数字硬件以及控制软件。成功地整合相互协调的系统组件并完成验证已被证明会耗费大量时间、资金和设计资源。同时这对缩短开发周期也提出了更高的要求。 要满足新的要求就需要采用新的流程和开发工具。尤其是对这些复杂系统中计算机模型的开发和智能化运用(曾被视为是奢侈的事情)正在成为整个开发流程成功与否的关键。 为什么设计复杂系统如此之难?让我们来看看设计流程的界限在哪里。 广泛、多层次的供应链提供的组件组装成了汽车系统。将系统组件装入子系统,子系统再注入系统的这一过程跨越了很多行业界限。这些界限为知识产权筑起了保护壁垒,可以防止或阻止设计信息在供应链上下端的传播。原始设备制造商领域里的系统设计师能够从全面的子系统和组件性能信息中获益。透露相关信息可能会使竞争对手利用逆向工程技术对他们的设计进行改进,因而供应商对此十分谨慎。同样,一旦原始设备制造商公布了规格,他们的供应商也可以得到有关整个系统环境的详细信息,但原始设备制造商也担心他们在系统设计上的创新可能被供应链上的竞争对手所利用。既需要传播关键的性能和内容信息,也要保护重要的设计知识产权,这两者之间的冲突形成了汽车系统设计流程中的一个主要界限。 另一个界限是设计流程信息分布于全球各地设计中心引出的交流界限。我们需要跨越时区和语言来管理系统和组件设计,必须随时为有需求者提供全面的规格和性能数据。此外,数据的收发者必须明确清楚地了解这些数据,无论这些信息采用的是不是他们的母语。 技术专业化是第三个界限。在各个子系统中,甚至在许多组件中,必须将多种技术结合成一个整体。为此,需要综合电子、磁性、机械和液压等技术,而且需要跨越不同工程学科在设计流程和术语上的差异。 再就是车载软件在内容上的不断增加和相对重要性上的提升所带来的额外挑战。许多子系统不仅需要将硬件整合到车辆结构中,还要将软件整合到车辆网络/加工基础设施中。硬件/软件协同验证的问题突显出技术专业化界限的一个新层面。 在系统整合阶段会有常见的瓶颈出现。在分布式系统中,数据来自不同的内部资源,如电子控制单元来自不同的公司,不同的电子控制单元有不同的算法,这些都必须得到协调,而分布式系统的本质就是需要大量的协调。 更糟糕的是,目前公认的设计和分析方法无法使人了解在实验室中不受控制或无法观察到的设计工作。将不同的子系统和组件整合到一个统一系统中是一个具有风险、易出现麻烦且不可预知的过程。这时候如果项目中出现了意外问题,子系统和组件就需要重新设计,甚至系统要求也要进一步完善,而这往往会耽误大量的时间。 整合系统时的重要难题之一就是具有通信能力的网络基础设施。尽管可选的网络技术很多,但这些技术往往用于强调追求最大能力和性能的创新任务。以模型化形式设计网络,并分析其在极端运行环境中的特点有助于揭示问题的所在——以及优化带宽和安全边际,这样就能够在设计过程中尽早避免代价高昂的返工和重大的生产延误。 以模型为驱动的设计和分析,包括系统建模和仿真,能够解决这些大量问题。在系统工程领域,分析方法往往有许多形式。许多企业目前使用Excel应对复杂的问题,但迄今为止电子表格对设计师而言用途有限。真正的系统建模可提供一个交互式环境,设计师能够验证整个难题中的一小部分,而在整个难题中,任何微小的变动都会影响最终的结果。 仿真通常被认为是有助于使系统中某个具体方面的设计自动化的工具,能够从概念到实施过程连续验证新设计。利用基于模型的设计方法,系统设计师能够利用基于转换功能、RTL、计算规则甚至是规格的模型。组件设计师能够以设计过程中混合水平验证方式来验证原创高级系统模型环境下的设计实施(如电路、作用机制、逻辑或核心)。系统和组件设计师能够携手以最终设计的详细验证方式来验证具体实施过程中的完整系统。随着设计工作的开展,对概念和组件的不断验证能够使尽早发现和解决问题的机会增加,从而节约时间和金钱。 基于模型设计的另一个好处就是支持稳定性设计(如六西格玛设计)。单独的组件模型能够表征制造和环境的变动,因此整合系统模型将反映总体可变性。精准度叠加能够得到评估,合理的系统界限也可以建立,降低质保成本的末端效应也能够实现。 最重要的好处是仿真作为学习平台的价值,尽管这个好处比较微妙,不太明确,但却能够得到验证。人们很难给从研究系统设计、变动参数值、尝试各种激励和负荷状态和测试其它配置与变量等过程中获得的知识、直觉和见解定价。探索和学习恰恰是所有创新的基础。 建模整体系统变化也能够有助于防止设计师优化组件却忽视整体系统。例如,也许通过放低精准度要求来减少一个组件的成本,但其连锁反应可能最终导致另一个组件的调整成本更高,为抵消对整个系统的变动而付出更高代价。只要了解这个影响,就可以在这种变动在不能取消之前就被驳回。 仿真可以做到实物硬件不能做到的事情,看到实物硬件不能看到的结果。比如,设计人员可以仿真一个在过高电压或温度值运行的系统,查看某个设备内部的电流、通量或其它状态的变量。另一个例子就是仿真能够演练嵌入式控制器在其硬件外围设备(如A/D转换器、D/A转换器、计时器等)环境下的运行。这就类似于现实世界中使用的电路内模拟器,只不过在现实世界中使用者可以在断点处真的把计时器停掉,而不仅仅是执行代码。 针对VHDL-AMS语言的IEEE 1076.1标准与多语言仿真器相结合,填补了汽车系统设计工艺的空白。利用建模和仿真技术,汽车系统设计人员可以减少知识产权保护相关问题、增进全球各地设计相关人员之间的沟通并对各种技术内容加以整合。模型兼容性可在从最初的概念探索到最终的硬件软件验证的设计过程各阶段得以保持。 借助VHDL-AMS,硬件建模非常适合用来进行网络信号完整性分析。这包括收发机的模拟、数字和混合信号方面的建模,以及双绞传输线、连接器和网络物理层其它组件运转情况的建模。模型由组件供应商提供,通常在采购初期就可以拿到。最初的模型基于预期性能,但是随着模块设计的发展,模型也得以不断更新和细化,到最后甚至包含了精确的制造精度。 由于使用的技术以行为模型为基础,因此不包含有关内部设备结构设计详情的数据,供应商也愿意与供应链上的其他成员分享。因此,设计人员可以利用模型来组装或分散完整的系统测试平台,所有供应商也可以探索和验证用于提高质量的创新方法。它还为原始设备制造商提供了一个有效的平台,通过它传达整体系统要求和个别组件的规格。 以VHDL-AMS语言编写的模型能够在任何支持该标准的仿真器上运行,从而提供了仿真产品选择余地,通过工具厂商之间的竞争取得价格、性能和功能集方面的优势,所有这些都有利于汽车行业的发展。 尽管专门或专有的建模和仿真技术在单独的设计活动中仍有一定用处,但成功的系统设计离不开广泛合作、使用新技术以及接受相应短期过渡成本的意愿。 基于原有可执行规范的虚拟系统级整合和验证主要是演练提供一个丰富工具整合环境。可在获得实体硬件之前就开始进行系统整合,通过将各种技术相结合建立一个系统模型。这可能包括机械、磁、液压和热效应,或其它任何可用代数或微分方程描述的技术。虽然明显具有较高的价值,但这些优势只有当众多工作在系统和组件领域以及所有工程领域的设计人员都开始使用系统建模技术的时候才会在汽车系统设计上明显表现出来。  

    时间:2020-07-29 关键词: 仿真 vhdl 系统设计

  • 在5G系统设计方面将遇到哪些问题?

    在5G系统设计方面将遇到哪些问题?

      Poloar码之后,中国公司在3GPP会议上再传捷报。中国移动成功牵头5G系统设计,项目名为R15“5G System Architecture”,该项目将制定《5G系统总体架构及功能》及《5G系统基本流程》两个基础性标准。   2015年10月,中国移动牵头的“下一代系统架构设计”已经在3GPP系统架构组会议上正式通过,历经一年多的前期研究,中国移动牵头的5G系统架构在本次会议上开启正式标准化。   该项目得到了60多家厂商的支持,几乎涵盖了全球通信领域的所有厂家。“5G系统设计,是一个很大的课题,不适合由设备商牵头,运营商更适合,”知情人士介绍,“在几大国际运营商中,移动的技术实力比大部分都强一些,能够获得绝大多数人的认可。”该项目将由来自全球的设备商、运营商共同推动,中国移动负责掌舵。此前,中国移动曾牵头TD-SCMDA、PTN两大项目,且均被采纳为国际标准。   除了中国移动之外,华为牵头的Polar码方案也在本次3GPP会议上正式被采纳为5G eMBB控制信道的编码方案。不过,在被大量媒体解读为“拿下5G时代”之后,华为的这个主角,却当得如履薄冰。   多位业内人士表示:“标准博弈从来都是产业之间的正常妥协,但不当的解读却很可能造成标准分裂,这是谁都不愿意看到的。”   标准之争   每一次的标准之争,都必然经历长期的腥风血雨,但最终却都是相互妥协的产物。而与其他任何产业不同,通信行业需要在全球范围内达成统一标准,以建立可以在全球互联的网络,这也意味着,需要在全球利益方达成一致的通信标准比其他行业需要更多的妥协。   2G时代,全球拥有GSM、CDMA两个标准体系,3G时代则出现了WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大标准,4G时代则由TD-LTE、FDD LTE平分秋色。不得不说,分裂的标准大幅提高了通信行业的整体成本。   事实上,在3G时代,全球已经有统一标准的呼声。3GPP致力于推动WCDMA成为统一标准,但1998年,高通牵头成立3GPP2,推动CDMA2000成为国际标准。通信行业话语权逐步提升的中国也适时推出TD-SCDMA标准。   从目前来看,只有WCDMA能称为“商业成功”。以CDMA2000为例,知情人士介绍:“因为利益方少,标准不需要太多妥协,所以标准方案的复杂度低,是好标准。但带来的问题就是使用的人也不多。可以视为‘标准成功、商业失败’。”   目前,CDMA2000基本只有中国电信采用,3GPP2标准组织也基本已经休眠。中国牵头的TD-SCDMA标准最终也需要免费开放专利来吸引全球产业的支持。   3G的标准分裂给4G的推广带来极高的成本。以中国移动为例,为了使4G手机能够在全球畅通,其手机必须支持GSM、WCDMA、TD-SCDMA、FDD LTE、TD-LTE五种标准体系,一位手机行业人士表示:“最初,只有高通能提供这种芯片,这种手机的成本在最初比支持其中三种模式的高出一大截。”但对中国电信而言,由于其手机必须支持CDMA2000,很长时间内其手机成本要高出联通、移动,大幅提高了电信4G的推广成本。   也正是因此,5G伊始,全球各国机构均明确表示希望推动统一标准出台,3G时代,用户红利仍在,但4G后期通信行业的天花板已经愈发明显,而5G之后,整个通信行业都需要考虑降低通信成本来扩大市常   博弈与妥协   事实上,5G时代的通信行业也比以往任何时期都需要更多的妥协。   在此次中国移动牵头的5G系统设计中,基于服务的模块化设计将成为5G系统架构的主要特征,业内人士介绍,“确切来说,这可以理解为面向互联网应用的网络架构,与以往的标准体系存在颠覆性变革。”   在4G时代,系统架构主要考虑的是语音、数据业务场景。但在目前5G的畅想中,5G还需要承担无人驾驶、IOT、VR、远程机器人等一系列更广泛的应用,而这也需要通信行业重新设计网络架构。3G时代,多个国际运营商巨头的通信网络曾被蜂拥而至的移动互联网流量冲垮,在国内,中国移动还曾因“微信消耗大量网络资源”寻找解决方案。当时的互联网公司,因为“占了网络”、“抢了用户”而被电信行业视为大敌。   基于服务的设计会避免这些问题。但需要指出,虽然这一设计得到了60多个单位的支持,但仍然受到了“来自保守势力的巨大挑战”。   而这还只是刚刚开始。60多个支持单位中主要是通信企业,只有阿里巴巴一家互联网公司。一位支持单位人士表示:“下一步,这些设计肯定还需要面向Facebook、Netflix这样的公司,还有汽车企业。”目前,Facebook、通用汽车等代表公司均也已加入3GPP。虽然作为新来者,这些企业尚未成为标准里的主流公司,但“通用汽车表现很积极”,上述人士告诉记者:“接下来,整个通信行业都需要尽量满足这些公司的需求,以保证他们的利益能够在5G时代得以体现,也确保5G的畅想能够被其他行业接受。”   事实上,目前处于5G宣传期的通信企业都把宣传重点面向诸多传统行业,在爱立信、华为、高通的宣传方案中,车联网、船联网、机器人、智能家居远比通信话题占据更多资源。   不过,在引入传统产业、互联网公司的过程中,数据、用户必然是争论的焦点,也必然会在标准过程中掀起腥风血雨,届时,通信界会面临比今天更复杂的博弈、妥协。

    时间:2020-07-22 关键词: 机器人 5G 系统设计

  • 电话的LED驱动器解析

    电话的LED驱动器解析

    城市离不开LED灯的装饰,相信大家都见过LED,它的身影已经出现在了我们的生活的各个地方,也照亮着我们的生活。LED已经成为移动电话中电影照明和相机闪光灯的标准解决方案。对于更高画质和更高分辨率的需求,要求更亮的闪光灯LED解决方案。 所面临的挑战是如何通过实现最高效率的解决方案来从电池中挤压出最佳的光通量。这样一来,从电池吸收大电流的运行,要求具备许多省电运行特性以及一种稳健的系统设计。本文将介绍一种系统层闪光灯LED驱动器设计,以及能够确保系统安全运行和集成的一些特性。高分辨率相机在最低光照环境下,要求有高亮度的闪光来完成照相。客户要求提供一种闪光灯解决方案作为手机的标准功能。安装闪光灯的移动电话已经成为一种有吸引力的卖点。这种特性需要高光通量,从而给高效LED驱动器系统设计带来了挑战。 系统设计 移动电话中闪光灯LED的高正向电压和电流以及给定的电池电压,让升压转换器成为最佳的解决方案。驱动大电流时,基于电感的升压转换器呈现出令人满意的效率。LED必须为电流驱动,因为正向电压不仅仅随温度而变化,而且也有其自身的差异。正向电压的这种变化源自于其生产过程,其变化范围为±20%,请参见图1。     图1闪光灯LEDVF/IF图 将闪光灯LED与一个电流检测电阻串联,然后通过一个升压转换器来驱动,这是一种简单的方法。图1描述了这种方法。     图2使用外部电流检测电阻的简单LED驱动方法 对升压调节器的输出电压进行控制,以匹配通过外部电阻检测的设定LED电流。不幸的是,这样做会让设计人员背离要从电池提供的有限电能中挤压出最高光通量的目标。外部电流检测电阻带有高功耗,其大小受到控制,目的是在低电流状态下也可以提供可用的裕量电压,从而为持续的电影照明提供驱动。另一方面,如果电流增加,则电流检测电阻的压降升高,带来大量的功耗。另外,具有理想功耗额定值的高精度电阻较昂贵,且会增加解决方案的体积,从而每条LED通道都要求一个电阻。 因此,更好的解决方案是一个集成在LED驱动器中的有源电流阱或者电流源,如图3所示。我们可使用一种压降和由此产生的功耗都得到降低的方法对内部电流检测电阻进行调节,具体调节情况取决于LED电流的大小。如果为低LED电流,则压降可以维持足够的高以获得精确的检测信号。     图3使用自适应电流阱和检测的改进型LED驱动方案 电流阱不仅仅检测LED电流,通过动态调节电阻,其还可以对LED电流进行调节。所产生的电流阱压降作为动态调节升压转换器输出电压所需的信息,旨在任何电流电平下都能够将功耗控制在一个可接收的最低限度。     图4有源电流检测与电阻式电流检测比较 图4显示了使用一个1Ω电阻检测电流和使用一个调节至400mv压降的有源电流检测方法之间的比较情况。受益于低功耗,有源电流检测方法明显有助于更高的系统效率。 从电池挤压出光通量 过去,RFPA从移动电话电池吸取最高的脉冲电流。随着过去5年间多功能手机的发展,处理器供电和本文重点介绍的闪光灯LED供电吸取了最高的电流。例如,如果要驱动1.5A的LED电流,从电池吸取的电流可高达3A,这是因为升压转换器的电压比。如此高的电流会使电池电压急剧下降。欠压阈值检测机制会防止系统在这种情况下出现故障。在闪光灯开启时由于低电池电压电话会彻底关机,这是一种非常糟糕的用户体验。常用的解决方案是在低电池电压状态时让相机软件关闭闪光灯,相比之下不使用闪光的用户体验还不至于太坏。PMIC 提供的缓慢电池电压信息刷新率、电池温度和老化效应以及更严重的不准确性放宽了安全的界限。 如果闪光灯驱动器本身能够防止电池电压下降过多,那么就可以保持较小的安全界限。通过使用一个受控转换率升高LED电流,并在上升期间持续监控电池电压可以实现这一目标。 TI拥有一种监控电池电压的闪光灯驱动器技术。要获得稳定的LED电流波形并且避免过多的电池压降,闪光灯驱动器要主动控制LED电流上升/下降顺序。在上升阶段(上升斜率为25mA/12μs),要对输入电压进行监控。如果输入电压降至某个设定阈值以下,则器件即刻停止让LED电流进一步上升至该设定阈值,并将闪光灯电流保持在实际电平,参见图5。     图5电池压降监控 因此,可以保证安全界限非常小,并且手机不会关机。电池周期中的不可逆电池压降得到避免,并且增加了电池总体工作时间。 安全系统集成 驱动高脉冲电流时,聚光灯为安全无故障运行。移动电话厂商迫切要求一种无缝系统集成解决方案。因此这就要求一种特性集,而不仅仅是标准安全运行特性,例如:电感电流限制、欠压保护等。TPS61310闪光灯LED驱动器拥有这种特性集,可以用于这种高要求的运行。 LED故障检测 不仅仅在生产过程中,在器件运行期间也必须检测到LED短路,以避免出现危险状态。检测这种状态的一种方法是强制几毫安的电流正向流动。这种电流可以在亚照明范围测试LED,因此终端用户不会察觉到亮度。但是这种方法有一些缺点:LED厂商通常不会测试亚照明范围。由于生产的工艺差异,不仅在LED类型之间即使在单个LED类型中都存在巨大的不准确性差异。这可能会带来漏检测某个短路LED,或者伪错误检测。TPS61310则不一样。如果一个或者多个LED工作时出现短路状态,低侧电流阱LED1、LED2、LED3便按照视频照明模式或者闪光灯模式各自的设定,限制最大输出电流,增加其输入电阻来防止吸取电流过多。另外,这一过程受到监控,并且通过I2C接口将短路LED状态反映给生产期间的测试设备,或者反映给工作中的相机引擎。利用类似方法,也可以对开路状态进行检测。 过温检测 一种吸引人的移动电话产品设计在某些情况下却并不符合最佳热设计要求。高功耗闪光灯LED具备有限的允许脉冲处理能力。如果电话暴露在高温下,和/或由于前面的闪光操作LED温度上升,电容式热敏电阻可能会无法处理LED功率损耗,从而导致85°C以上高温下发光效率的不可逆下降,使用寿命缩短,甚至熄灭。为了消除散热设计和功能/诱人设计急需之间的差距,TPS61310允许使用一个NTC检测电阻测定一个或多个LED温度。如果超出关键温度,则通过软件降低LED开/关时间脉冲比,从而让LED可以在闪光灯工作间隙冷却下来。这种特性也可以用作手指烫伤保护功能。 TPS61310芯片温度也同样受到监控。除了标准的热关机功能以外,TPS61310还可以向相机引擎提供早期预警功能,以避免热关机功能被意外触发,从而为器件冷却提供空间。 TPS61310电影照明/闪光灯驱动器 TPS61310能够驱动一个1.5A的单、双或者三闪光灯LED应用。诸如电池电压监控、省电运行功能、可靠LED短路检测的专有特性让其成为闪光灯驱动和电影照明的简单集成解决方案。通过高速I2CI/F实现可编程以后,器件拥有最高的跨平台设计灵活性。作为一种选项,专用逻辑输入可用于零延迟触发。 2x2mm2芯片级封装以及无需通过外部组件编程设定电流或闪光灯导通时间带来了极小的解决方案体积。相信在未来的科学技术更加发达的时候,LED会以更加多种类的方式为我们的生活带来更大的方便,这就需要我们的科研人员更加努力学习知识,这样才能为科技的发展贡献自己的力量。

    时间:2019-09-29 关键词: 电池电压 电源技术解析 LED驱动 系统设计

  • DC-DC程序与系统设计的11大定律

    理论与实践总是相得益彰才完美,当然嵌入式程序设计与实际电源系统设计也要统一才能做出高效优质的DCDC直流转换电源。有时候搞嵌入式的工程师们往往把单片机、ARM、DSP、FPGA搞的得心应手,而一旦进行系统设计,到了给电源系统供电,虽然也能让其精心设计的程序运行起来,但对于新手来说,有时可能效率低下,往往还有供电电流不足或过大引起这样那样的问题,本文十一大金律轻松搞定DCDC电源转换电路设计。  第一条、搞懂DC/DC电源怎么回事?  DC/DC电源电路又称为DC/DC转换电路,其主要功能就是进行输入输出电压转换。一般我们把输入电源电压在72V以内的电压变换过程称为DC/DC转换。常见的电源主要分为车载与通讯系列和通用工业与消费系列,前者的使用的电压一般为48V、36V、24V等,后者使用的电源电压一般在24V以下。不同应用领域规律不同,如PC中常用的是12V、5V、3.3V,模拟电路电源常用5V 15V,数字电路常用3.3V等,现在的FPGA、DSP还用2V以下的电压,诸如1.8V、1.5V、1.2V等。在通信系统中也称二次电源,它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输入电压,经DC/DC变换以后在输出端获一个或几个直流电压。  第二条、需要知道 的DC/DC转换电路分类  DC/DC转换电路主要分为以下三大类:  ①稳压管稳压电路。②线性 (模拟)稳压电路。③开关型稳压电路  第三条、最简单的 稳压管电路设计方案  稳压管稳压电路电路结构简单,但是带负载能力差,输出功率小,一般只为芯片提供基准电压,不做电源使用。比较常用的是并联型稳压电路。选择稳压管时一般可按下述式子估算:(1)Uz=Vout;(2)Izmax=(1.5-3)ILmax;(3)Vin=(2-3)Vout这种电路结构简单,可以抑制输入电压的扰动,但由于受到稳压管最大工作电流限制,同时输出电压又不能任意调节,因此该电路适应于输出电压不需调节,负载电流小,要求不高的场合,该电路常用作对供电电压要求不高的芯片供电。  第四条、基准电压源芯片稳压电路  稳压电路的另一种形式,有些芯片对供电电压要求比较高,例如AD DA芯片的基准电压等,这时常用的一些电压基准芯片如TL431、MC1403,REF02等。TL431是最常用基准源芯片,有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。  第五条、串联型稳压电源的电路认识  串联型稳压电路属直流稳压电源中的一种,其实是在三端稳压器出现之前比较常用的直流供电方法,在三端稳压器出现之前,串联稳压器通常有OP放大器和稳压二极管构成误差检测电路,一般电路中OP放大器的反向输入端子与输出电压的检测信号相连,正向输入端子与基准电压Vref相连,Vs=Vout*R2/(R1+R2)。由于放大信号ΔVs为负值,控制晶体管的基级电压下降,因此输出电压减小在正常情况下,必有Vref=Vs=Vout*R2/(R1+R2),调整R1,R2之比可设定所需要的输出电压值。其实负载大小可以把三极管换成达林顿管等等,这种串联型稳压电路做组成的直流稳压电源处理不当,极易产生振荡。现在没有一定模拟功底的工程师,一般现在不用这种方法,而是直接采用集成的三端稳压电路,进行DC/DC转换电路的使用。  第六条、 线性(模拟)集成稳压电路常用设计方案  线性稳压电路设计方案主要以三端集成稳压器为主。三端稳压器,主要有两种:  一种输出电压是固定的,称为固定输出三端稳压器,三端稳压器的通用产品有78系列(正电源)和79系列(负电源),输出电压由具体型号中的后面两个数字代表,有5V,6V,8V,9V,12V,15V,18V,24V等档次。输出电流以78(或79)后面加字母来区分。L表示0.1A,M表示0.5A,无字母表示1.5A,如78L05表求5V 0.1A。  另一种输出电压是可调的线性稳压电路,称为可调输出三端稳压器,这类芯片代表是是LM317(正输出)和LM337(负输出)系列。其最大输入输出极限差值在40V,输出电压为1.2V-35V(-1.2V--35V)连续可调,输出电流为0.5-1.5A,输出端与调整端之间电压在1.25V,调整端静态电流为50uA。  其基本原理相同,均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中,由于三端稳压器只有三个引出端子,具有外接元件少,使用方便,性能稳定,价格低廉等优点,因而得到广泛应用。  第七条 、DCDC转换开关型稳压电路设计方案  上面所述的几种DCDC转换电路都属于串联反馈式稳压电路,在此种工作模式中集成稳压器中调整管工作在线性放大状态,因此当负载电流大时,损耗比较大,即转换效率不高。因此使用集成稳压器的电源电路功率都不会很大,一般只有2-3W,这种设计方案仅适合于小功率电源电路。  采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。  DCDC转换开关型稳压电路设计方案,采用开关电源芯片设计的DCDC转换电路转化效率高,适用于较大功率电源电路。目前得到了广泛的应用,常用的分为非隔离式的开关电源与隔离式的开关电源电路。当然开关电源基本的拓扑包括降压型、升压型、升降压型及反激、正激、桥式变化等等。  第八条、 非隔离式DCDC开关转换集成电路芯片电路设计方案  DC-DC开关转换集成电路芯片,这类芯片的使用方法与第六条中的LM317非常相似,这里用L4960举例说明,一般是先使用50Hz电源变压器进行AC-AC变换,将~220V降至开关电源集成转换芯片输入电压范围比如1.2~34V,由L4960进行DC-DC变换,这时输出电压的变化范围下可调至5V,上调至40V,最大输出电流可达2.5A(还可以接大功率开关管进行扩流),并且内设完善的保护功能,如过流保护、过热保护等。尽管L4960的使用方法与LM317差不多,但开关电源的L4960与线性电源的LM317相比,效率不可同曰而语,L4960最大可输出100W的功率(Pmax=40V*2.5A=100W),但本身最多只消耗7W,所以散热器很小,制作容易。与L4960类似的还有L296,其基本参数与L4960相同,只是最大输出电流可高达4A,且具有更多的保护功能,封装形式也不一样。这样的芯片比较多,比如,LM2576系列,TPS54350,LTC3770等等。一般在使用这些芯片时,厂家都会详细的使用说明和典型电路供参考。  第九条 、隔离的DCDC开关电源模块电路设计方案  常用的隔离DC/DC转换主要分为三大类:1.反激式变换。2.正激式变换。3.桥式变换  常用的单端反激式DC/DC变换电路,这类隔离的控制芯片型号也不少。控制芯片典型代表是常用的UC3842系列。这种是高性能固定频率电流的控制器,主要用于隔离AC/DC、DC/DC转换电路。其主要应用原理是:电路由主电路、控制电路、启动电路和反馈电路4 部分组成。主电路采用单端反激式拓扑,它是升降压斩波电路演变后加隔离变压器构成的,该电路具有结构简单,效率高,输入电压范围宽等优点。控制电路是整个开关电源的核心,控制的好坏直接决定了电源整体性能。这个电路采用峰值电流型双环控制,即在电压闭环控制系统中加入峰值电流反馈控制。这类方案选择合适的变压器及MOS管可以把功率做的很大,与前面几种设计方案相比电路结构复杂,元器件参数确定比较困难,开发成本较高,因此需要此方案时可以优先选择市面上比较廉价的DC/DC隔离模块。  第十条、 DC-DC开关集成电源模块方案  很多微处理器和数字信号处理器(DSP)都需要内核电源和一个输入/输出(I/O)电源,这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和I/O电压源的相对电压和时序,以符合制造商规定的性能规格。如果没有正确的电源排序,就可能出现闭锁或过高的电流消耗,这可能导致微处理器I/O端口或存储器、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或数据转换器等支持器件的I/O端口损坏。为了确保内核电压正确偏置之前不驱动I/O负载,内核电源和I/O电源跟踪是必需的。现在有专门的电源模块公司量身定做 一些专用的开关电源模块,主要是那些对除去常规电性能指标以外,对其体积小,功率密度高,转换效率高,发热少,平均无故障工作时间长,可靠性好,更低成本更高性能的DC/DC电源模块。这些模块结合了实现即插即用(plug-and-play)解决方案所需的大部分或全部组件,可以取代多达40个不同的组件。这样就简化了集成并加速了设计,同时可减少电源管理部分的占板空间。  最传统和最常见的非隔离式DC/DC电源模块仍是单列直插(SiP)封装。这些开放框架的解决方案的确在减少设计复杂性方面取得了进展。然而,最简单的是在印刷电路板上使用标准封装的组件。  第十一条、DCDC电源转换方案的选择注意事项  最后一条也是最重要的一条,文中我们主要大致介绍了DCDC电源转换的稳压管稳压、线性(模拟)稳压、DCDC开关型稳压三种电路模式的几种常用的设计方法方案。①需要注意的是稳压管稳压电路不能做电源使用,只能用于没有功率要求的芯片供电;②线性稳压电路电路结构简单,但由于转化效率低,因此只能用于小功率稳压电源中;③开关型稳压电路转化效率高,可以应用在大功率场合,但其局限性在电路结构相对复杂(尤其是大功率电路),不利于小型化。因此在设计过程中,可根据实际需要选择合适的设计方案。

    时间:2019-01-16 关键词: 电源技术解析 dc-dc程序 系统设计

  • 基于LPC2292和μC/OS-II的无线数据采集系统设计

    基于LPC2292和μC/OS-II的无线数据采集系统设计

    无线数据采集系统的应用范围非常广泛,涉及电力、水利、交通和安防等行业。通用分组无线业务GPRS(General Packet Radio Service),由Nokia、Ericsson等公司开发。该技术建立在GSM网络的基础上,被称为2.5代移动通信技术,它将无线通信与Internet紧密结合,是一种先进的、全新的无线网络承载手段,具有独特优势。随着GPRS技术在移动通信领域的发展,为数据采集传输及监控提供了一种新的高性价比的数据通信方案[1-2]。同时,嵌入式系统以其高效的开发、低廉的成本、方便的使用和维护等优点受到信息业界的广泛推崇。嵌入式系统在工农业控制领域主要用于对现场的监视和控制。而传统监控产品的设计目标往往为保护大型企事业单bit的安全,不同程度地使用了凌乱的布线和较大型的硬件,其造价高昂、安装繁琐、操作复杂,必须有人长时间专门值守,且不具备远程控制功能。这些缺点使它们很难走进中小型工农企业和家庭中。因此开发一种小型的、模块化的、无须专人随时维护、能够方便地使用无线网络进行操作的采集监控系统,已成为必然的趋势,并拥有巨大的需求[2]。随着系统复杂度的提高,应用嵌入式操作系统是一个流行的趋势。本文方案是采用ARM核的微控制器LPC2292、嵌入式实时操作系统μC/OS-II、明基的GPRS芯片M23和模拟式温湿度传感器CHTM-02A相结合的一种数采方案。1 LPC2292、M23和CHT M-02A简介 LPC2292是PHILIPS公司生产的一个支持实时仿真和跟踪的32 bit ARM7内核的微控制器,片内带有16 kB的静态RAM和256 kB的高速Flash存储器,128 bit宽度的存储器接口和独特的加速结构使32bit代码能够在最大时钟速率下运行。满足了系统对存储空间的要求, 不需要扩展存储空间,减少了系统的能耗以及成本。LPC2292运算速度快、精度高、功耗低,且片内外设丰富(如UART、10bitADC、PWM、CAN控制器等),由于内置了宽范围的具有16B接收FIFO和16 B发送FIFO,结构及寄存器符合16C550工业标准串口通信接口,也非常适用于通信网关、协议转换器、嵌入式modem以及其他各种类型的应用[3]。 明基M23是内置TCP/IP议协的900/1800/1900 三频GPRS模块。其设计及开发符合ETSI GSM Phase2+标准。发送频率为1 850 MHz~1 910 MHz;接收频率1 930 MHz~1 990 MHz;工作状态温度范围为-20℃~+55℃。它具有话音/数据/传真/短信息功能。其中GPRS数据特性:GPRS Class4(Class10)代码为CS1~CS4;短信息服务功能特性:文字及PDU,点对点(MT/MO),小区广播[4]。CHTM-02A是西博臣科技有限公司生产的模拟式温湿度传感器,其测温元件是LM35,输出电压为0~1 V。其湿度敏感元件是高分子湿敏电阻“CHR-01”, 供电电压为5 V(±5%),工作温度范围为0~60℃,湿度变送范围为0~100%RH,精度±5%,输出信号为0~3 V。该温湿度传感器性价比较高,且使用方便,可广泛适用于工业机械、电气自动化、气象和农业等行业[5]。 2 硬件设计总体硬件框图如图1所示2.1 GPRS接口电路设计 M23与LPC2292之间的接口设计较易实现。使用UART1控制GPRS模块,GPRS所需的+5 V、+12 V电源和地,直接由MCU开发板提供。M23模块正常工作需要正确连接GPRS天线。2.2 CHTM-02A温湿度传感器接口电路设计 LPC2292和 CHTM-02A的接口部分只需要4根线,其中第1根接5V电源;第2根接地;第3根接LPC2292的一路A/D输入,本设计中使用AIN1,即P0.28引脚,测量环境湿度;第4根接LPC2292的另一路A/D输入P0.27,测量环境温度。3 软件设计 本系统软件设计可分为数采终端(测量节点)和控制中心两大部分,它们构成一个最基本的点对点网络。当然,需要这个系统可以方便地扩容,包括数采终端的数量和可采集信息的种类。且每个数采终端由其唯一的SIM卡号区别身份,组网便利。本设计中控制中心可以是任意一个GPRS终端,例如手机或者连接有GPRS终端的电脑。而数采终端要完成实现GPRS编程控制、环境参数的采集、预处理等工作。采用常规的前/后台系统(foreground/background)编程极其复杂,选择嵌入式实时操作系统μC/OS-II作为软件系统平台,将各个处理模块分成单独的任务,能够较好地完成系统需求[6]。详细的移植可参考文献[6]。在数采终端软件系统设计中,涉及到的主要任务有:LPC2292初始化、GPRS模块初始化、通信、采集传感器信息、看门狗等12个任务。 3.1 数采终端主任务设计 数采终端有两种工作模式:一是由控制中心控制,数采终端判断控制中心GPRS地址(本设计由唯一的手机号码确定)和读取温湿度值,在数采终端与控制中心建立链接之后,数采终端将适时地通过无线网络把温湿度数据信息传输给控制中心。数采终端在整个系统中起到一个采集、预处理数据和发送的作用。实际测试发现,当SIM卡上存有过多短信息时,会干扰系统正常通信。故程序中在判断完每个新收到的短信后将其删除。二是定时发送节点信息,此模式相对简单一些。下面主要分析第一种工作模式。第一种工作模式下主程序流程图如图2所示。 3.2 GPRS初始化任务设计 在对GPRS模块操作前,要运行GPRS模块进行初始化。它包括复bitGPRS模块、读缓冲区大小和设定信息中心号码等。上面介绍的每一步操作都有相应的AT指令,程序中执行指令的步骤是一样的。LPC2292通过串口1使用AT指令操作GPRS模块,例如AT+CMGF=1:设置为文本模式,不支持中文。 常用的与短信息操作相关的AT指令有: AT+CNMA:新信息确认应答。 AT+CNMI:新信息指示。这个命令选择如何从网络上接收短信息。 AT+CMGR:读短信。信息从+CPMS命令设定的存储器读取。 AT+CMGS:发送信息。 AT+CMGD:删除短信息。删除一个或多个短信息。 AT+CSCA:短信服务中心地址。GPRS初始化至关重要,如果初始化不成功,将直接影响下面程序的执行。为提高系统的稳定性,在设计中把相关部分都封装成带返回参数的函数形式。设定信息中心号码是初始化的关键,不同地区的信息中心号码是不同的,这一点要引起注意。并且信息中心号码只需要设置一次就可以了。中国移动短信中心服务号码的编码规则是:+861380 + 开户地四bit长途区号 + 500,长途区号不足四bit的在后面加"0"补齐(如北京为+8613800100500,四川绵阳的信息中心号码是+8613800816500)。3.3 数据采集任务设计 前面已经介绍过,数据采集包括温度和湿度的采集,选用的温湿度传感器是CHTM-02A,该器件的转换速度快,线性度非常理想。图3为采集湿度的流程图。 在湿度采集程序流程图中,提到了初始化,它包括对LPC2292的 A/D转换器和I/O的初始化。MCU从传感器接收的是与温湿度的值相应的电压值,根据传感器使用手册将接收到的电压转换成所需要的数字量。为了得到更加接近于现实的真实值,使用增强型均值滤波,即将采集的8次外部电压值去除最大和最小值后取平均值,这个平均值即为滤波后的电压。温度采用相似的方式进行处理。 该传感器可测量温度范围为0~100℃,湿度测量的范围为0%RH~100%RH,当出现异常情况时,程序中做出相应的处理。 3.4 控制中心程序设计 控制中心可以是任一GPRS终端,本设计为手机。在系统中有发送控制命令和接收测量节点采集的环境信息的作用。本系统综合运用了无线通信技术、MCU控制技术、温湿度传感器技术和嵌入式实时操作系统μC/OS-II,以模块化完成,实现了温湿度采集模块化、无线通信模块化。通过对该数采系统的应用,发现GPRS模块工作正常,温湿度值传输准确、稳定。以温湿度计作为标准,与测试所得的温湿度值作对比,误差小:常温下湿度±5RH%,温度±0.5℃。且系统硬件接口电路简单,软硬件系统稳定,模块化程度高,具有很好的可操作性和维护性。

    时间:2018-10-23 关键词: 数据采集 电源技术解析 lpc2292 μc/os-ii chtm-02a 系统设计

  • 一种程控高压充电系统设计

    一种程控高压充电系统设计

    充电系统广泛应用于物理试验、开关技术等研究课题。早期的充电系统主要是通过手动调节调压器来改变高压电源的输出,充电过程易受操作人员主观影响,稳定度低,难以实现整个实验过程的自动控制;部分系统采用了电动调压器,通过控制电机带动调压器进行电压调节,调节过程中滞后现象明显,且电动调压器体积功率普遍较大,不利于小型充电系统使用;基于串联谐振的高频高压充电电源体积小、效率高,但成本高,线路复杂;充电设备多用于高电压、大电流的场合,瞬时放电产生的空间干扰和地线干扰相当严重,对示波器等精密测试仪器有一定的影响。因此,研制稳定可靠的程控高压充电系统很有必要。 1 系统概述 某试验需要一台充电设备,要求单极性充电,充电电压-20~-80 kV连续可调,充电时间小于100 s,储能设备为电容器,充放电过程不允许人员在场,所有操作必须在屏蔽间完成。 2 系统设计 程控高压充电系统的硬件结构如图1所示。主控部分位于屏蔽间内,包括触摸屏和信号转换电路,实现高压设置,充电启停,接地泻放等控制命令的发送,以及充电系统工作状态和实际电压的显示;充电系统位于实验间,包括信号转换,PLC,调压模块,高压采样等,通过接收主控部分的控制命令,完成储能电容充电等动作。为实现屏蔽间和实验间的完全隔离,采用光纤作为数据传输介质。 2.1 触摸屏 屏蔽间内除了放置程控高压充电系统的主控部分,还包括操作台,示波器等其他物理实验需要的仪器设备,从而要求程控高压充电系统的主控部分体积小,易于观测,操作简便。用触摸屏作为监控系统的人机界面,除节省PLC的I/O点数之外,还提高了生产监控能力,简化了操作面板。综合比较后采用IO英寸的触摸屏作为主控设备,并嵌入操作台,和其他仪器设备的操作窗口位于一个平面,方便操作人员的使用。图2为触摸屏控制界面,具有指针和数字两种实际电压显示方式,通过键盘输入设置电压,控制按键按照功能互锁,避免误操作。需要注意的是,为了有效提高触摸屏和PLC之间的数据传输效率,在触摸屏编程过程中,最好将使用的数据区设置为一段连续的PLC寄存器地址。 2.2 充电控制 PLC是整个充电控制的核心,充电开始后,首先输出一个0~10 V的直流信号到调压模块,控制调压模块输出一个0~220 V交流电压到高压电源,经过高压电源升压整流后给储能电容充电,再通过高压侧并联的高压分压器,把0~-80 kV的高压信号转换为0~-8 V的低压信号,隔离调理后送到PLC,PLC获取后和设置电压对比,调整输出的直流信号,实现充电过程的闭环控制。但是,从PLC输出直流信号到高压电源稳定输出高压,有一个滞后时间,如果采用简单闭环控制,会造成控制过程失调,高压输出震荡,无法达到指标要求。因此,系统使用了PID控制方法。 PID调节的实质就是根据输入的偏差值,按比例、积分和微分的函数关系进行运算,其运算结果用以输出控制,从而减小时滞,防止超调,获得稳定的输出数据。但由于被控对象的工作过程具有多样性,使得PID参数的正确获取较为复杂,需要通过反复调试,获取尽可能多的实验数据后确定。PID控制在PLC中既可用PID硬件模块实现,也可用软件实现,应根据实际的控制系统规模以及成本等因素选取。本系统采用的是S7-200系列的PLC,实际编程中直接使用PLC内部的PID控制指令,主要解决高压过冲和振荡两个问题。 单相交流调压模块集同步变压器、相位检测电路、移相触发电路和输出可控硅于一体,当改变控制电压的大小,就可改变输出可控硅的触发相角,即实现单相交流电的调压。考虑到电网电压的波动和负载在启动时一般都比其额定电流大几倍,及晶闸管芯片抗电流冲击能力较差等因素,在选取模块电流规格时应留出适当裕量。阻性负载的模块标称电流应为负载额定电流的2倍;感性负载的模块标称电流应为负载额定电流的3倍。另外,调压模块的过电压能力差,若模块内部未自带过电压保护线路,可以外接阻容吸收回路或压敏电阻进行保护。 光电隔离模块的作用是将高压地和控制地分开,从而保护后端的模拟采样等控制线路。选用时要选择合适的频带范围和驱动能力,确保不影响正常的数据传送。 按照模拟量隔离模块的接线方式,其输入端等效电阻和高压分压器的低压臂电阻并联,当输入端等效电阻不能明显大于高压分压器的低压臂电阻时,就会影响到高压分压器的分压比。除了选择较大输入阻抗的隔离模块外,还可以使用运放设计中间电路,利用其高输入阻抗的特性进行匹配,或者通过软件校正。 2.3 信号转换电路 S7-200PLC支持多种通信协议,比如点到点接口协议(PPI)、多点接口协议(MPI)、Profibus协议、用户定义的协议等。触摸屏和PLC之间采用RS 485协议通讯,为避免实验过程中储能电容放电产生的高压脉冲干扰通过串行总线耦合到屏蔽间内部,设计了针对RS 485协议的光电/电光转换电路,实现串口数据的光纤传输。由于RS 485属于半双工协议,标准的协议转换芯片都需要控制数据流方向,一般采用的方式是用一根信号线来控制,实现收发的切换,这种方式不但需要增加电路,还需要进行编程控制。本系统采用的思路则巧妙的由硬件本身完成了接收和发送的自动转换,电路简单,抗干扰能力强,可靠实现了RS 485信号和TTL信号的转换。 1414T和2412T是一对标准的光电收发器件,最高数据传输速度为5 Mb/s,传输距离超过1 km,完全满足RS 485信号的传输要求。对于1414T光发射器必须提供足够的正向驱动电流才能发出所需光功率,而2412T是集电极开路输出,通过一个上拉电阻即可获得光信号经光电二极管转换成的电信号。根据光电收发器件的电器特性,增加必要的驱动、反向等电路后,系统能够可靠进行TTL信号的光纤传送和转换,从而实现RS 485信号的长距离光纤传输。电路原理图如图3所示,其中Q1应根据使用的串口通讯速度选取合适的开关管,并根据光纤的长度来调节R3的阻值,以改变光发射功率,确保光传输稳定可靠。 3 结 语 此程控充电系统完全满足设计要求,已经应用于多项物理实验,抗干扰能力强,可靠性好。简单修改触摸屏和PLC程序,可以配合不同指标的高压电源组成各种充电系统,通用性好,使用范围广。通过修改通讯协议,还可以用计算机替代触摸屏,将充电系统纳入整个实验控制系统进行统一管理。系统中使用的RS 485光传输电路,可以广泛用于高压大电流场合,有效提高主控设备的抗干扰能力。 编辑:博子

    时间:2018-10-22 关键词: 电源技术解析 程控 高压充电 系统设计

  • 无线紧急呼救系统的设计

    无线紧急呼救系统的设计

    现代社会,老人独自在家出现紧急的情况时,不能打电话或者呼救。本文设计一个无线紧急呼救系统,这样可以使家中的老人出现意外时,在手持端一键即可自动接通子女的电话,并通过手持端及时与子女通话。该系统由单片机AT89C51构成主控部分,进行主要的信息处理,并接收外部操作指令形成各种控制信号。 1 系统的硬件设计 当出现紧急险情,按下无线紧急呼救控制器的紧急按扭,无线紧急呼救器发出急呼救信号。这个呼救信号是作为紧急呼救器的触发开关信号,它使与家中电话线相连接的无线呼救系统的主控端开始工作。无线紧急呼救系统被触发工作之后,单片机就会把存储于其中的电话号码逐一调出,通过由MT8880双音多频电路把这些数字号码转换成双音多频信号,最后再将这一双音多频信号发向电话网络中,通过电话网络使无线紧急呼救系统可以与电话网络中另一个用户之间通话,报告紧急情况。如果无线紧急呼救系统发出的第一个号码或前几个号码无人接听或无法接通,无线紧急呼救系统将会按照设定的规则继续把存储于单片机内的电话号码拨出,就这样循环下去直到电话网络中的用户有人接听为止。该系统以单片机为核心,由DTMF拨号电路、遥控发射及接收电路、电话号码存储电路和免提通话电路四部分组成。当有险情发生时,按下呼救器或遥控器上的紧急按钮,单片机检测到该信号后,将存储在单片机内的电话号码或手机号码发送出去,接通电话后可以实现呼救器与电话的免提对讲。此外,由于该系统存储在一片带IC总线接口的E2PROM芯片中,所以该号码可以随时修改。1.1 无线紧急呼救系统的手持端 无线紧急呼救系统由无线发射电路(图1(a))和无线接收电路(图1(b))两部分组成。由图1(a)可知当按下S2按钮时,可以使MC13175/13176的Imod端得到一个脉冲信号,通过MC13175/13176的调制后发射出去,触发无线紧急呼救系统的话机端工作,实现无线紧急呼救。它最大输出功率可达到+10 dBm。当通过无线紧急呼救系统的紧急呼救时,可以使用此部分电路中的MCROPHONE拾音并发射出去,与无线紧急呼救系统的话机端实现无线通话。而由话机端送来的语音信号由接收电路RX3400接收,并由SPEADKER转换为声音。1.2 无线紧急呼救系统的座机端 无线紧急呼救系统的话机端由无线发射部分、无线接收部分和单片机控制部分三部分组成。当无线接收部分的天线接收到无线紧急呼救系统手持端发来的触发信号时,处理后送向单片机,单片机调出存储在其内的电话号码,送向单片机控制部分的MT8880双音多频芯片,通过电话网络系统可以与用户的电话或手机进行通话。在这个通话过程中,由无线接收部分把有电话网络发来的语音信号发射出去与手持端实现无线通信。单片机接有4个按键,其中第一个按键是修改存储在单片机内号码的第一个号码的功能键,第二个按键是修改存储在单片机内号码的第二个号码的功能键,第三个按键是修改存储在单片机内号码的第三个号码的功能键,第四个按键是单片机的复位键,实现单片机的复位。 1.3 MT8880接收电路 当MT8880作为DTMF接收器时,DTMF信号经由IN+和IN-输入。MT8880接收部分自带片内运算放大器接收到的信号被放大后再经过高通滤波器、低通滤波器和350~440 Hz的陷波电路,分别进入高频群解码电路和低频群解码电路。当两个解码电路检测到一个有效的双音频对时,EST脚输出高电平,从而启动接收延时电路对电容C2充电。当St/GT脚的电压充到阈值电压VTST时,St/GT脚也驱动到高电平。同时与有效双音频对相应的位代码被锁存到接收数据寄存器、Receive Data Register状态寄存器中的接收标志位置。通过数字计数的方式检出DTMF信号的频率,并且通过译码器译成4位二进制码。4位二进制编码被锁存在接收数据寄存器中,此时状态寄存器中的延时控制识别位复位,状态寄存器中的接收数据寄存器满标识位置位,对外而言,当寄存器中的延时控制识别位复位时,IRQ/CP由高电平变为低电平。1.4 MT8880发送电路 发送部分使用开关电容D/A转换器,可以选择突发模式Burst Mode和连续模式两种模式。在突发模式下,音频输出使能只要写发送,数据寄存器对应的双音频信号就从TONE脚发送出,持续时间为511 ms,然后暂停511ms。这时一个数据发送完毕,状态寄存器的发送标志位置表示可以发送下一个数据。在该模式下只能发送DTMF、信号,而不能接收DTMF信号。 2 系统软件设计 软件采用结构化和模块化设计。其主要模块有:主程序、号码修改模块、数据接收模块、数据发送模块。软件主程序包括主程序和号码修改,其流程图分别如图2和图3所示。MT8880的数据接收程序设计和MT8880的数据接收程序中用到了相应的串口发送程序。 3 结 语 本文通过单片机(AT89C51)和双音多频(MT8880)技术的应用,对无线紧急呼救技术做了初步探讨,充分利用了单片机和双音多频技术的优点及其应用特点。AT89C51和MT8880使DTMF信号的收发功能于一体,完成数据和语音信号的处理和传输。该设计极大地简化了设汁的复杂性,可以降低成本,减小体积。

    时间:2018-10-12 关键词: dtmf 电源技术解析 双音多频 mc13175 系统设计

  • 基于JXTA的P2P远程学习系统的设计与实现

    基于JXTA的P2P远程学习系统的设计与实现

    1 引言 随着网络技术的发展和网络应用的普及,远程教育被认为是网络时代新的教育模式,正在迅速发展。在该教育模式下,教学活动突破了学习时间和空间的局限性,教师与学生之间的关系发生巨大改变,教学和学习过程体现为教师一学生和学生一学生之间的资源共享和交流互动。然而,当今主要使用的基于B/S结构的远程学习系统暴露出许多缺陷:(1)只依靠服务器端存储信息和根据用户请求进行分发,信息仓储基本保持静止;(2)以服务器为中心,容易产生服务器瓶颈问题;(3)用户处于一种被动接受状态,而不能提供信息。 P2P(Peer-to-Peer)计算提供一种全新方式,P2P网络认为所有节点在共享信息方面能力平等,每个用户可提供分布信息仓储,弱化了服务器客户机的概念,这一特点符合现代教育模式中的教师一学生关系;从目前应用看,P2P在大范围的共享、搜索方面具有较大优势,不经服务器就可实现对等节点间的资源传递,避免发生服务器瓶颈问题,这恰好符合了现代教育中的学生一学生关系。因此,将P2P技术引入到远程学习系统可发挥其在协同、搜索方面的优势,扩展远程学习系统在现代教育中的应用,并能理想地解决传统B/S结构应用系统的种种弊端。 2 基于JXTA技术的P2P网络JXTA项目是由SUN公司发起的开放源代码项目,主要用于提供P2P系统所需的基础服务,由一系列简单的、开放的协议组成。通过这些协议,连接到网络的任何设备都能够相互通信、协作和资源共享。JXTA技术致力于创建一个通用平台,以简单而有效的方式构建特定的对等式和分布式服务与应用,从而使开发者无需过多考虑如何解决对等计算的技术问题,集中精力实现和完善可扩展、互操作性强、可靠性好的高层应用。2.1 JXTA应用程序的体系结构 JXTA应用程序的体系结构如图1所示,从下至上划分为3个层次,分别为核心层、服务层和应用层。(1)核心层(JXTA Core)该层封装了最根本的东西,为P2P服务和应用提供核心支持。包括对等节点创建、对等组创建、Peer发现、Peer通信、Peer监视和相关的安全原语。(2)服务层(JXTA Services) 该层扩展核心层的功能,为P2P应用程序提供可选通用服务,如索引、文件共享、分布式信息检索、对等节点认证、代码缓存和内容缓存机制。 (3)应用层(JXTA Application)该层为创建各种类型的P2P应用系统提供相关的应用程序,主要有信息内容管理、分布式存储以及实时信息传输等应用程序。2.2 JXTA协议 JXTA协议采用XML标准的数据格式定义消息,独立于具体的编程语言和传输协议,使得它更易于理解和获得更多的支持。它可在TCP/IP、HTTP、 BlueTooth、HomePNA或其他传输协议之上建立一个虚拟JXTA网,使得节点位于由防火墙和NAT设备分隔开的网络的不同部分或者处于异构网络协议的环境之间都同样可以相互通信。这一优点正是当前远程学习系统最需要的。 3 远程学习系统的设计与实现 3.1 远程学习系统的架构设计 构建的基于JXTA的P2P远程学习系统采用混合P2P模式,各个参与学习的站点分为3种不同角色:学生对等节点(Student Peer,SP)、教师对等节点(Teaeher Peer,TP)、教务管理对等节点(ManagerbPeer,MP)。MP在学习系统中起到管理、组织、协调各参与者的作用,并负责创建课程组,记录各个课程组的资源索引,在课程组间提供搜索路由的功能,管理维护教学网站中的BBS、电子白板、聊天室、资源下载区、教师信息、学生信息、内部电子邮件系统等栏目;TP节点从属于某一课程组,主要协调、组织、评价本课程组内参与学习者的学习过程,维护本课程组内资源的索引信息,并将资源索引的变动信息传递给MP;SP找到相应课程组后可加人到其中,利用课程组中提供的课件、参考资料等共享资料进行自主学习;当碰到疑难问题时,可与在线人员进行两两学习交流,或展开多人共同探讨;若遇到难题无法解决时,可联系课程组教师通过电子白板实现虚拟教室,进行及时在线辅导讲课。整个远程学习系统的架构如图2所示。3.2 远程学习系统的实现 系统应用的开发工具是NetBeans5.5、JDK5.0、JXTA2.0、 Sun Java System Application Server Enterprise Edition 8服务器,数据库采用由纯Java语言编写的小型数据库PointBase,它对平台的支持性强,并可直接过渡到其他数据库。通过使用面向对象的程序设计方法,根据远程学习系统的工作原理和主要功能设计以下3个主要的类:(1)Manager类该类代表系统中的MP,负责为MP设置JXTA环境及完成与TP的通信连接,将加入对等网的TP分配至合适的课程组;能够创建一个新的课程组,当某一课程组资源点击人数低于某值时,删除该课程组。主要方法有:启动JXTA环境startJXTA(),创建课程组createCourseGroup()、删除课程组deleteCourseCroup()、发布提供的远程学习服务discoverySvc()、获取节点在线状态pipeAdv()、创建一个通信管道inputPipe()、信息发送sendMessage()、发布节点的在线状态publishPipeAdv(),创建信息发送管道 createInputPipe()和运行主方法main()等。(2)Teaeher类该类代表系统中的TP,负责为TP设置JXTA环境以及建立到MP的通信连接,并完成在学习系统中教师的功能。主要方法有:启动 JXTA环境startJXTA(),发现教务对等节点在线状态discoverManagerPipeAdv(),创建连接到MP的管道 createManagerPipes()、发布TP节点的在线状态pub-lishTeacherPipeAdv(),创建发送会话消息到MP的通信通道createTeaeherInputPipe()、MP确认TP发送的答案accept()、创建新会话requestNewSession()、读取TP的输入getUserRe-sponse()、获取TP对MP的响应sendToManager()、问题信息处理processMessage ()、获取对等节点问传输信息中的文本字符串getElementValue()、建立与MP节点的连接connectMan-ager()、断开与MP 节点之间的连接disconnectManager()、请求一个新会话run()和运行主方法main()等。另外,Teacher类的main()方法中还定义一个InputPipeMsgListener类实现PipeMsgListener接口来获得管道中的消息。(3)Student类该类代表系统中的SP,负责为SP设置JXTA环境以及建立与TP的通信连接,并完成在学习系统中学生的功能。主要方法有:启动JXTA环境 startJXTA(),发现教师对等节点在线状态discoverTeacherPipeAdv(),创建连接到,TP的管道 createTeacherPipes()、发布SP节点的在线状态publishStudentPipeAdv(),创建发送问题答案到TP的通信通道 createStudentInputPipe()、TP确认SP发送的答案accept()、创建新会话requestNewSession()、读取 SP的输入getUserRe-sponse()、获取SP对TP的响应sendToTeacher()、问题信息处理processMessage ()、获取对等节点间传输信息中的文本字符串getElementValue()、建立与TP节点的连接connectTeacher()、断开与TP节点之间的连接disconnectTeacher()、请求一个新会话run()和运行主方法main()等。 (4)Agent类该类负责收集问题和答案,对学生对等节点收集的答案进行评估响应,并在“问题——答案”会话结束后根据该学生的回答给出相应的学习建议。主要方法有:问题和答案集合创建initProblems(),获得发送问题的总数get-TotalNumberOf Questions(),为SP提供下一个问题get-NextProblem(),处理答案processAnswer(),接收最后一个答案 getLastAnswer()、判断问题是否结束hasMoreProblems(),获得正确答案总数getTotalAnswersCorrect ()和获得学习建议getSuggestions()等。此外,Agent类还定义了一个Problem类。这个类使用了三个方法:获得特定问题编号的 getNumber()方法、获得问题内容的getQuestion()方法和获得问题答案的getAnswer()方法。(5)AgentFactory类 该类主要负责创建Agent对象。主要方法有:获得Agent对象(getAgent)。系统开发完成后,进行了各种功能测试,证明该系统均能顺利完成工作。 4 结束语 JXTA项目使得P2P应用程序的开发者能将一个应用程序中与P2P相关的特定功能交给JXTA去实现,大大提高了P2P应用程序的开发效率。同时,由于JXTA是一个开放源代码项目,可以根据自己的需要进行适当修改,使得所开发的应用程序具有高可扩展性。与传统的分布式系统相比,P2P与JXTA技术具有无可比拟的优势,将它们引入远程教育应用系统开发有着广阔的应用前景。这里在分析了JXTA的体系结构及核心协议后,利用JXTA技术设计和开发了一个简单的并且具有可扩展、互操作性强及高可用性的P2P远程学习系统。通过该系统,学生可以更充分更有效地利用远程教学过程中的共享资料进行自主学习,更加方便学生和教师之间的交流,提高学生的学习积极性,促进学生学习成绩的提高;同时也有利于教师在教育过程中角色的转变,使教师从课堂主讲人转向学生学习的组织者和指导者,帮助辅导学生进行自主学习,提高学生的学习水平。

    时间:2018-10-12 关键词: sun p2p http 电源技术解析 jxta 系统设计

  • 一种智能电源监控系统的设计

    一种智能电源监控系统的设计

    0 引言 UPS供电系统是电力、通信、银行等行业的必备电源,从产生到现在已有几十年的发展历程,在技术不断发展和改进的过程中,其保护功能也在不断地发生变化。UPS根据主机内逆变器的工作状态可分为:后备式、在线式及在线互动式。他们的作用是对市电进行滤波、稳压调整,以便向负载提供更为稳定的电压,同时,通过充电器把电能转变为化学能储存在蓄电池内,一旦电力中断、电网电压或电网频率超出UPS的输入范围,可在极短的时间内开启自身的储备电源,向负载供电。 本文所设计的UPS智能监控系统具备以下环节和功能:能在各种复杂的电网环境下运行;在运行中不会对市电产生附加的干扰;输出电性能指标应该是全面的、高质量的,能满足负载的各项要求;UPS本身应具有很高的效率,有接近实际市电的输出能力;是一台智能化程度很高的设备,有高度智能化的自检功能,自动显示、报警、状态记忆功能以及通讯功能。 1 总体设计 该设计由主监控单元、交流检测单元、电池检测与巡检单元、馈线检测及调压单元、绝缘监察及接地选线单元等单元模块组成。这些模块之间通过内部RS485进行通信,实现对电源柜的交流配电、蓄电池充放电过程、电池状态、调压状态、母线对地电阻、馈出线开关状态的实时监测、控制和报警处理。整个系统通过RS232和上位机进行通信以进行历史数据的查询和统计。 2 各单元介绍 2.1 主监控单元 主监控单元调度整个系统的运行。主监控单元由主监控板、320x240点阵液晶显示屏、键盘及指示灯等组成,完成蓄电池充放电管理,运行及控制参数的设定和显示,告警记录的存储、查询,通过RS232和上位机通信,通过RS485控制内部各单元。 2.2 交流检测单元 该单元主要完成三相交流电压、电流及频率的采集;同时具有交流失电、缺相、过压、欠压等告警功能;告警时继电器告警接点闭合。通过调节板上电位器可校正三相交流电压显示值。 2.3 电池检测与巡检单元 该单元由电池检测板和电池巡检板组成(可选),主要完成电池组电压(合母电压)、充/放电电流、环境温度及单体电池电压的采集;电池熔丝状态检测;可通过输出模拟电压、电流给定来控制其他厂家的模块或相控电源三相触发板的电压或电流给定(具体情况与厂家协商),提高了系统的兼容性;按时计量;同时完成合母过欠压、电池过充、电池馈电及单体电池失效告警等功能;通过调节电池检测板和电池巡检板上的电位器可分别校正合母电压和单体电池电压显示值。如图2中所示。 2.4 馈线检测及硅链调压单元 由馈线检测CPU板、开关量输入板组成,实时检测合母和控母的馈线开关状态。通过开关量扩展口,可以检测24路馈线。当出现开关变位或控母电压越限时告警并通过硅链自动调节控母电压(最多7节硅链凋压)。通过调节馈线检测板上电位器可校整控母电压显示值。 2.5 绝缘监察及接地选线单元 由绝缘监察检测板和接地选线扩展板组成,主要功能是实时监测母线对地电阻,自定位接地支路。当母线对地电阻低于告警设定值时,告警继电器闭合;通过接地选线扩展口连接接地选线,最多支持24路选线。 3 关键电路单元设计 3.1 电流检测电路 电池充放电电流的大小尤为关键。电路图如图1所示,因为是既检测充电电流也检测放电电流,故在小电阻上的电压又是两个方向,在电路检测中用两个通道分别检测,这样也便于分别进行信号的调理,同时也便于用A/D转换器的一个输入通道来测量。 3.2 合母电压的监测 合母电压监测电路如图2所示。合母电压流过电阻R16、R17、R54,在电阻R17上取样,故而电阻R17应选用高精度电阻。R16和R54因为要比电阻R17大得多,又是出现在分母上,故而不必选用高精度电阻。LL的作用是抑制共模干扰。可以通过调节电位器Rp的大小来使所要监测电压的大小符合A/D转换器输入电压要求。 3.3 A/D转换 A/D转换芯片采用TLV1544。TLVl544的主要特点是:宽范围的单电源供电,VCC可为2.7~5.5V;芯片内部有着较高的转换速率,转换时间小于10μs;芯片提供4路外部输入通道,通过编程给芯片不同的状态字设置可以任意选择4个输入通道之一;芯片有4个端口作为同步串行接口,通过SPI总线的形式与微处理器连接;11位A/D转换,足以满足系统的要求。如图3所示。 控制对从选定的通道中输入的模拟信号的采样开始。由高变低开始模拟输入信号的采样;由低变高使采样和保持功能处于保持状态,并开始模/数转换。独立于输入/输出时钟信号,当为高时,开始工作。为低的持续时间控制开关电容阵列采样周期的持续时间。当不用时,接高电平。引脚(E0C)在A/D转换结束时变为高电平来表明转换完成。本单元通过查询EOC电平来判断是否转换完成从而进行数据的读取。 3.4 通信电路设计 整个系统内部通过RS485进行通信。具体电路如图4所示。因为控制芯片都采用AT89C52,作为主监控单元CPU只有一个串口,而其并口也没有充分利用起来,故通过可编程串行接口芯片8250扩展串口,用并口来模拟串口。 3.5 X5045电路设计 X5045电路的设计如图5所示。本器件将四种功能合于一体:上电复位控制、看门狗定时器、降压管理以及具有块保护功能的串行EEPROM。它有助于简化应用系统的设计,减少印制板的占用面积,提高可靠性。将其与CPC以SPI总线方式连接,读写简单,其内部的EEPROM还可以保护一些重要数据。 3.6 系统时钟设计 采用功能齐全的时钟芯片DS1306。DS1306的时间、日历和报警器可以通过写相应的寄存器位来设置和初始化。通过读相应寄存器就可获得日历和时间。DSl306的电源供给有三种运行方式,本系统采用可充电电池的方式,如图6所示。 4 结语 (1)本智能电源监控系统根据电池的特点进行智能电池充放电管理,在实际使用中起到了延长电池使用寿命的作用; (2)各模块的485通信使得系统具有完善的告警处理及事故追忆功能从而可以全面掌握系统运行状态。发布者:博子

    时间:2018-10-08 关键词: 监控系统 电源技术解析 ups 系统设计

  • 高压开关触头温度实时无线监测系统的设计与实现

    高压开关触头温度实时无线监测系统的设计与实现

    0 引 言 高压开关柜是发电厂和变电站的重要电器设备,其内部通常有六组动静触头和多处母排接头。由于这些连接部件长期处于高电压、大电流的工作状态,只要触头或接头的接触电阻有微小的增大,都将引起触头或接头处温度升高,如果没有及时处理,将会产生恶性循环,最终导致烧毁高压开关柜,甚至直接影响电力系统正常供电而造成巨大的经济损失。因此,对高压开关柜中触头和接头的温度进行实时监测,对于保障高压开关柜的安全运行,乃至电网的正常运转具有十分重要意义。 在高电压、大电流环境下,实现温度的在线监测需要解决高压隔离和抗强电磁干扰的难题。现有高压开关触头温度在线监测技术主要有多种: (1)在母排接头和开关触点的表面涂一层随温度变化而改变颜色的材料(如感温腊),通过观察其颜色变化来大致确定温度范围。这种方法准确度低、可读性差,不能进行定量和实时测量,方法原始并对员工的要求高。 (2)利用红外测量仪,操作人员定时手持仪器对准母排接头和高压开关触点进行测量。这种方法在0~200℃之间的温度值误差小、准确度高,但是,仍然无法做到实时测量,而且价格高、光学器件在高压场合使用不便。 (3)采用光纤的方式,这种方法具体实现又分为两种,一种是采用光纤光栅温度传感器,另一种是仅利用光纤传输温度信号,两者都利用了光纤耐高压、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点,该技术的最大缺陷是被测高压带电体与测量设备需要通过光纤连接,因此不能解决污闪的问题,严格地说该技术的安全性值得商榷;本文采用无线通信技术使温度变送器与数据集中显示器之间实现无线数据传输,可不改变开关柜内部的物理结构,就很好地解决高压隔离的问题,同时采用低功耗设计和屏蔽技术解决由此带来了温度变送器使用寿命和抗强电磁干扰的问题。 1 系统结构简介 本系统结构如图1所示,由若干无线温度变送器(以下简称变送器)、数据集中显示器(以下简称DI)、监控中心的上位机和通信链路四部分组成。变送器贴附于母排接头表面和接近开关触头的触臂上,变送器通过无线通信方式将温度数据传送给DI;DI安装于高压开关柜面板上,收集来自各变送器的温度数据并进行处理、存储、显示和实现相应的报警控制功能,所有DI通过RS 485总线与监控中心的上位机构成分布式监测系统。2 变送器设计 2.1 硬件电路设计 变送器的结构如图2所示,主要由MCU、温度传感器、无线模块nRF905、电源电路和包裹有屏蔽层和绝缘层的外壳组成。变送器采用PIC16LF628A单片机作为处理器,该处理器具有抗电磁干扰能力强、低功耗、体积小等特点。温度传感器选用DS18B20,其测量范围为-55~125℃,精度±0.5℃,通过单总线传送数字温度信号,具有使用简单、可靠、体积小等优点。变送器电路设计如图3,温度传感器U3的输出连接到单片机的RB5引脚,U3的地连接到单片机的RB4引脚,用于控制温度传感器工作状态,当单片机进入休眠时,停止温度传感器工作,以降低功耗;无线模块U4选用nRF905无线链路控制器设计,用于在变送器和DI之间建立无线数据传输通道,通过SPI接口与单片机连接。为了确保变送器可靠运行,必须保证变送器和无线模块电源电压的稳定,采用3.6 V的高效锂电池经电容C1~C6滤波后给变送器供电。 2.2 软件设计 变送器主要执行温度采集、数据处理和数据传送工作。为了保证变送器能可靠工作5年以上,变送器的低功耗设计是本系统的一项关键技术,除了硬件上选用低功耗元器件外,重点是变送器的工作机制。主程序流程如图4所示,主程序运行一次循环后进入休眠,采用单片机硬件“看门狗”唤醒机制,1 s唤醒一次,对看门狗复位次数进行计数,由计数值可得到时间的累加,在一定时间间隔内(约5 s)启动温度传感器并采回其数据。 其中数据采集模块包含温度采集控制算法和温度采集。由于温度传感器的转换时间较长(约1 s),分为两步采集:第一步启动并开始转换;第二步读取温度并置相关标志。有采集标志时,单片机在第一次唤醒执行第一步,在第二次唤醒执行第二步,这样单片机大部分时间处于休眠状态,以降低功耗。当不进行采集时,通过抬高温度传感器的地,关断其工作电源,进一步降低温度传感器消耗的功耗。 其中数据处理模块包含温度数据处理和数据传送。数据处理流程如图5所示,当前温度若超标或与之前一次的温度数据比较差值(温升)超标,变送器立即向DI发送最新温度值;否则,直到采集达到12次,再向主机发送温度值,即60 s发送一次,这样设计的目的是为了让DI判断变送器是否在线,又能降低变送器功耗。数据传送中包含载波检测、数据发送和发送超时处理,载波检测可以防止处于同一频道的多个变送器同时发送数据引起的冲突。 2.3 无线通信协议设计 无线通信容易受到干扰,发送的数据越长受到干扰的程度越大,同时功耗也越大,所以设计中遵循的原则是:即要满足应用需求又要保证数据的可靠和低功耗。对变送器无线模块的配置:可配置频道达170个,频道的选择与DI地址绑定,就可以确保各个DI所组成的网络不冲突;工作频段为433 MHz;发射功率为-10 dBm,实测传送距离可达50 m,已满足现场应用需求;为了提高稳定性,开启自动重发功能;发送和接收地址都为1 B,发送和接收字节都为4 B;禁止参考时钟输出,以降低功耗;CRC校验为8 b模式;虽然无线数据包中已经包含了地址匹配和CRC校验,但是为了数据传输更可靠,数字帧中加入DI地址和变送器地址作为数据包的识别码;则变送器发送至DI无线数据包格式如表1所示。 2.4 低功耗设计 变送器中功耗最大的是无线模块,其他器件耗电量很小,而且大部分时间工作在休眠状态下。当nRF905处于接收状态时,工作电流约为9 mA;处于发送状态时,工作电流约为12.5 mA(输出功率为-10 dBm时)。如果无线模块一直运行,那么电池很快就会被耗尽。为了降低功耗,同时又保证数据通信畅通,根据系统对温度测量的需求,变送器只发送数据不接收数据,无数据发送时,无线模块进入休眠状态,无线模块休眠时功耗小于2μA;发送数据采用间歇式工作,当温度数据无异常,1 min上传一次数据,当温度数据异常时,立即上传数据;无线模块的休眠至开始发送数据时间tstart-up<0.2 ms,前导码发送时间tpreamble<0.2 ms,无线数据包长度N all="6" B,传输速率BR=50 Kb/s,数据发送完毕至无线模块休眠时间toff<0.2 ms,则发送一次数据包时间Tsend为: 无线模块的平均工作电流(μAh)=发送电流·Tsend·次数+休眠功耗=12.5×1.46×60/3 600+2=2.31μAh 单片机休眠时功耗小于2μA,变送器的静态平均电流小于4.31μA,因此若变送器平均工作电流以5μh计算: 使用时间(年)=电池容量(Ah)/365(天)/24 h/平均电流(μAh)×1 000 000=1/365/24/5×1 000 000△22.8(年) 因此,理论计算用1 Ah的电池可供变送器工作22.8年。 经实测,变送器发送一次数据的总时间T总=唤醒时间+Tsend+进入休眠时间=1.6 ms,发送数据时的电流为14 mA,静态时的平均电流为5.5μA,则1 Ah的电池可供变送器工作19年,已满足设计需求。 2.5 抗电磁干扰设计 变送器贴附于母排接头表面和接近开关触头的触臂上,而母排或触臂上有大电流流过,会形成较大的电磁场,对变送器造成很大的电磁干扰,因此,必须采取一定的屏蔽措施来保证变送器的可靠运行。变送器的实物剖面图如图6所示,除天线外接,其他所有电路包装于一屏蔽的盒内,最大程度减少电磁辐射对变送器的干扰;温度传感器贴附在导热片上,变送器的导热片一面贴于被测量的监测点上,盒内空间全部灌胶;为了提高绝缘性能,用热缩管包裹整个变送器。 3 数据集中显示器(DI)的设计 DI主要完成对各变送器的数据收集、处理、存储、LCD显示、报警信号输出和与监控中心通信等功能。其结构如图7所示,处理器选用具有ARM7内核的32位高性能微处理器LPC2136;存储模块用于存储系统的配置信息和各种数据;实时时钟为系统提供精确时间;ID设置用于设置本机ID;无线模块nRF905实时侦听是否有变送器的数据;电源适配器将220 V市电转换成+12 V和+5 V,给DI供电;RS 485用于与监控中心的PC机通信;系统报警输出所需的声光报警经继电器隔离实现;LCD人机交互用于显示当前各变送器的温度数据信息和DI的重要信息,现场用户可执行输入、输出操作,如变送器信息查询和设置,DI运行日志查询和配置等。为了实现对各种功能方便可靠操作,软件设计上移植了实时性较好的μC/OS-Ⅱ作为操作系统。 4 应用效果 监控中心PC机客户端软件监控主界面如图8所示,从图中可以看出实时刷新温度值均在33℃左右。图9为DI管理界面,可修改DI的基本信息、控制信息和配置信息;图10为历史数据查询曲线图,为高压柜101的A相接触点250条历史记录曲线。 5 结 语 本系统结合现场应用条件,采用锂电池供电和无线数据传输方式,并且采取了绝缘和抗电磁干扰措施,很好地解决了高低压隔离、低功耗和抗强电磁干扰的技术难题,使本系统在可靠性、扩展性、成本低和安装维护方便等方面均具有突出优势,可广泛应用于高电压环境的温度在线监测领域。

    时间:2018-09-11 关键词: 开关 无线监测 电源技术解析 di 触头 系统设计

  • 基于ARM与DSP的智能仪器系统设计

    基于ARM与DSP的智能仪器系统设计

    关键词:DSP, ARM, 系统设计, 智能仪器, 嵌入式1 引言随着智能仪器及控制系统对实时性信号处理的要求不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展。越来越迫切的要求有一种高性能的设计方案与之相适应,将DSP技术和ARM技术结合起来应用于嵌入式系统中,将会充分发挥两者优势以达到智能控制系统中对数据的实时性、高效性的通信要求。该嵌入式系统要求实时响应,具有严格的时序性。其工作环境可能非常恶劣,如高温、低温、潮湿等,所以系统还要求非常高的稳定性。2 嵌入式系统的总体设计2.1 核心器件的主要功能ARM和DSP分别选用Cirrus Logic公司的EP7312、TI公司的TMS320VC5402。充分利用ARM丰富的片上资源和DSP强大的信号处理功能,实现高效性、实时性的信号处理及网络通信功能。EP7312是专为高性能、超低功耗产品而设计的微处理器,采用ARM7TDMI处理器内核,具有8kB高速缓冲存储器,支持存储器管理单元,片内集成了液晶显示器控制器,键盘扫描器,数字音频接口,完全的JTAG等功能,广泛地应用于嵌入式领域。TMS320C54xDSP提供了McBSPs(多通道缓冲串口);6通道的DMA控制器;可以与外部处理器直接通信的8位增强HPI(主机接口)。选择这样的SOC(片上系统)作为该系统的核心器件,使得其稳定可靠并具有广泛的扩展功能。2.2 系统总体设计及工作原理系统总体设计框图如图1所示。本系统主要是实现信号的实时性处理及传输,满足工业现场及各种测量仪器的高可靠性要求。ARM有丰富的片上资源,适合嵌入式系统的开发,在该嵌入式系统中,ARM主要负责操作系统的运行、任务管理和协调以及DSP的控制任务,完成数据的远程通信。扩展了外部扩展了多种外设,如通用串口、LCD显示屏,以太网接口。通过连接以太网控制器实现网络化功能。在ARM中移植了Linux操作系统和实现了系统外部硬件接口的驱动程序。由DSP执行计算密集型操作,实现多种信号处理算法,然后将处理后的数字信号通过主机口接口(HPI)与ARM通信。再由ARM通过以太网控制器将数据传输到网络,实现了远程控制与监测。图1 系统总体硬件框图3 系统硬件具体设计方案3.1 ARM与DSP的接口设计EP7312和TMS320VC5402连接的接口电路如图2所示。VC5402通过HPI与ARM进行连接。ARM先向DSP写入控制字,设置工作模式,然后将访问地址写入地址寄存器(HPIA),再对数据锁存器(HPID)进行读写,即可读出和写入指定的存储单元。主机由两根地址线A2、A1可以寻址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和数据寄存器;由HBIL、HCNTL1、HCNTL0区分16位数据的高、低字节。当向HBIL=0的地址写入数据时,表示是第一个字节,向HBIL=1的地址写入数据表示第二个字节。寻址过程中HCS要为低电平。图2 EP7312与TMS320VC5402的连接DSP的HPI接口片选信号使用EP7312扩展片选信号nCS4,HPI各个特殊功能寄存器的映射地址如下:#define HPIC0 *(volatile unsigned char*)0x40000000#define HPIC1 *(volatile unsigned char*)0x40000001#define HPIA0 *(volatile unsigned char*)0x40000004#define HPIA1 *(volatile unsigned char*)0x40000005#define HPID0 *(volatile unsigned char*)0x40000006#define HPID1 *(volatile unsigned char*)0x40000007设置好DSP的状态后,DSP向ARM发送中断,通知ARM已将数据准备好,等待ARM发中断,DSP在中断中对接收的数据进行处理。ARM在初始化后,等待DSP发送中断通知ARM数据已经准备好。ARM在检测到中断后,先判断中断是否有效,再从HPI口读写数据,在完成向HPI口发送数据后,向DSP发送中断通知DSP接收数据。ARM通过控制端口信号模拟接口时序,来完成对HPI口寄存器的访问。由于DSP在BOOT过程中向ARM发送了中断,所以ARM在初始化时要清除这个中断,并且在数据交互之前要设置控制寄存器中的BOB位,指示高地址在前还是低地址在前。这一步在程序初始化时由ARM来完成。3.2 ARM与以太网控制器之间的通信设计系统平台实现了以太网接口。提供了以太网芯片的驱动,支持网络功能。以太网控制芯片的数据、地址和控制信号与EP7312的总线相连,如图3所示。片选信号使用EP7312的扩展片选信号nCS2。图3 以太网接口原理图RTL8019默认的I/O基地址是300H,用到的地址空间为300H~3FFH,因此使用到EP7312的低4位地址线,将RTL8019上的SA19~SA10和SA7~SA5接为地,SA9、SA8接为VCC。RTL8019AS使用的是16位数据总线方式,因此,将RTL8019上的IOCS16B引脚通过10K的上拉电阻接为VCC;通过IO模式读写以太网控制器,所以SMEMRB和SMEMWB引脚通过上拉电阻接为VCC。当EP7312向网上发送数据时,先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区,然后发出传送命令;当RTL8019AS完成了上一帧的发送后,再开始此帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后,由FIFO存到接收缓冲区;收满一帧后,以中断的方式通知EP7312。FIFO逻辑对收发数据作16字节的缓冲,以减少对本地DMA请求的频率。以太网控制器有两个指针寄存器来控制缓冲区的存储过程,当前页面指针curr和边界指针bnry。curr指向新接收到帧的起始页面,即接收缓冲环的写页面指针;bnry指向读过的最后一个页面,即接收缓冲环读页面指针。自定义指针next_page,表示存储分组缓冲区的边界,初始值为next_page=bnry,读取一页数据后由软件执行bnry加1,curr自动加1。curr不等于bnry时,表示有新的数据包在缓冲区中,读取一包的前四个字节,前四个字节并不是以太网数据包的内容。分别表示数据包存放的页地址和已接收的数据的字节数。如果curr=0,表示读取出错,返回null。如果bnry>0x7f,则bnry=0x4c。4 嵌入式系统软件设计4.1 BootLoader的设计该嵌入式系统引入了Linux操作系统,可以给系统下的任务提供调度机制,简化任务中的需求操作,当需求变化时只需要改变任务内容,然后重新和操作系统发布即可。本系统中EP7312采用的是外部启动方式,也就是从CS[0]片选的外部NORFLASH启动,系统启动后,执行启动代码,即初始化CPU、内存控制器以及片上设备,然后配置存储映射。启动代码随后执行一个引导装载程序bootloader,将内核从FLASH中解压到SRAM中,然后跳转到内核的第一条指令处执行,内核运行。bootloader完成从硬件启动到操作系统启动的过渡,用于初始化硬件和启动操作系统。在内核运行之前需要bootloader作为系统驱动程序完成加载内核和一些辅助性的工作,然后跳转到内核代码的起始地址并执行。对于该系统来说选择EP7211所使用的bootloader—Shoehorn,然后做一些改动。如调整系统各个寄存器的地址值;设定SDRAM控制器;调整UART1的波特率等。Shoehorn代码分为host端和target端两部分,一部分由eth.c、serial.c、shoehorn.c和util.c组成,由这些文件编译生成host端的可执行文件shoehorn;另一部分由ini.s和loader.c组成,编译生成一个小于2KB的文件loader.bin,这个二进制文件会被下载到target端的SRAM中用来引导系统的启动。通过一系列的主机与开发板之间的握手通信、下载程序的方式使得代码相对分散,减小开发板上起始代码的大小,以满足目标板上下载代码的限制。4.2 内核的配置该嵌入式系统选择了较成熟稳定的Linux-2.4.13版本内核。为了避免修改内核定制代码时造成代码的不稳定和失去代码的灵活性,可以通过选择合适的版本内核,修改该配置文件,裁剪不必要的功能,再编译出符合新配置的内核,得到既满足应用功能要求同时体积又小的内核,产生一个隐藏文件/usr/src/linux/.config。该文件记录了对内核具体功能模块的选择和配置。内核配置时,大部分的选项都可以使用缺省值,只有小部分需要根据需求选择,将与内核关系比较近且经常用到的功能代码直接编译进内核;将不经常用到的代码编译为可加载模块,有利于减小内核的长度,增加灵活性。4.3 驱动程序的设计在Linux操作系统中驱动程序是操作系统内核与硬件设备直接的接口。驱动程序屏蔽了硬件的细节。在应用程序看来硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序可以设计模块化方式。不必编译进内核,而是被分别编译并链接成一组目标文件,这些文件可以被载入正在运行的内核,或从正在运行的内核中卸载。可以减少内核的长度,具有很大的灵活性。4.4 DSP中信号处理算法的实现多数传感器对于温度、湿度、电源的波动等环境因素都存在着交叉灵敏度,产生较大的误差,测量精度和稳定性都受到一定的影响。在DSP中采用数据融合技术可以消除干扰,提高传感器的测量精度。数据融合是通过组合,将传感器数据之间进行相关,以从输出元素获得更多的信息。保证在环境干扰变化很大的情况下也可以有较高的测量精度和稳定性。采用软件方法对传感器数据融合处理被证明是一种很好的方法。该系统的网络功能可以将多个功能相同或不同的嵌入式智能仪器连接在一起组成智能传感器网络。每个智能仪器节点都具有数据采集、数据处理和通信的功能。信息融合技术可以将来自多个传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理,从而产生新的有意义的信息,而这种新信息是任何单一传感器所无法获得的准确度更高的表征客观环境的信息。这种技术在传感器网络中有着举足轻重的作用。5 结束语该嵌入式智能仪器系统的设计,为仪器仪表方便有效的接入以太网提供了很好的解决方案,实现了远程控制和实时性的数据传输。由于采用并发多任务技术处理该嵌入式系统复杂的外部事件,以及控制软件系统的复杂性,保证了系统的实时性能。该嵌入式系统的软硬件配置精简,抗干扰能力符合环境要求;装配结构便于检修。这种嵌入式智能仪器系统的实现使嵌入式设计在数据处理及检测控制领域里得到了很好的应用。

    时间:2018-09-06 关键词: DSP ARM 嵌入式 嵌入式处理器 智能仪器 系统设计

  • 电动汽车电池管理系统设计

    电动汽车电池管理系统设计

    随着能源紧缺、石油涨价、城市环境污染的日益严重,替代石油的新能源的开发利用越来越被各国政府所重视。在新能源体系中,电池系统是其中不可或缺的重要组成部分。近年来,以锂电池为动力的电动自行车、混合动力汽车、电动汽车、燃料电池汽车等受到了市场越来越多的关注。动力电池在交通领域的应用,对于减少温室气体的排放、降低大气污染以及新能源的应用有着重要的意义。其中锂电池以高能量密度、高重复循环使用次数、重量轻以及绿色环保等优势越来越受到人们的关注,所以在手机、笔记本电脑、电动工具等便携式手持设备中已经得到广泛的应用,并已经开始进入电动车、电动汽车等大功率的应用中,成为全球电动汽车发展的热点 但是由于锂电池在加热、过充/过放电流、振动、挤压等滥用条件下可能导致电池寿命缩短以致损坏,甚至会发生着火、爆炸等事件,因此安全性问题成为动力锂电池商业化推广的主要制约因素。安全型、低成本、长寿命锂离子电池的安全标准、安全评价方法、电池制造过程的安全与可靠性控制以及通过正负极材料、电解质与隔膜优选改善电池安全与可靠性是实现确保大型动力锂离子电池安全可靠,实用化的关键。而电池管理系统作为电池保护和管理的核心部件,不仅要保证电池安全可靠的使用,而且要充分发挥电池的能力和延长使用寿命,作为电池和车辆管理系统以及驾驶者沟通的桥梁,电池管理系统对于电动汽车性能起着越来越关键的作用。 电池管理系统的主要功能 电池管理系统与电动汽车的动力电池紧密结合在一起,对电池的电压、电流、温度进行时刻检测,同时还进行漏电检测、热管理、电池均衡管理、报警提醒,计算剩余容量、放电功率,报告SOC&SOH状态,还根据电池的电压电流及温度用算法控制最大输出功率以获得最大行驶里程、以及用算法控制充电机进行最佳电流的充电,通过CAN总线接口与车载总控制器、电机控制器、能量控制系统、车载显示系统等进行实时通讯。图1为电池管理系统的简单框图。图1:为电池管理系统的简单框图电池管理系统的基本功能:1)监测单体电芯的工作状况,例如单体电池电压、工作电流、环境温度等。2)保护电池,避免电池工作在极端的条件下发生电池寿命缩短,损坏,甚至发生爆炸、起火等危害人身安全的事故。 一般而言,电池管理系统必须具备以下电路保护功能:过压和欠压保护、过流和短路保护、过高温和过低温保护、为电池提供多重保护以提高保护和管理系统的可靠性(硬件执行的保护具有高可靠性、软件执行的保护具有更高的灵活性、管理系统关键元器件失效的保护为用户提供第三重保护)。这些功能可以满足大部分手机电池、电动工具和电动自行车应用的需要。 电动汽车对电池管理系统提出更高挑战 电动汽车电池集成系统是一个开放的动力系统,它通过汽车级CAN总线进行通信,和车辆管理系统、充电机、电机控制器协同工作,以满足汽车以人为本的安全驾驶理念。因此汽车级电池管理系统必须做到:满足TS16949 和汽车电子的要求、实现高速数据采集和高可靠性、汽车级CAN总线通讯、高抗电磁干扰的能力(最高级别的EMI/EMC要求)、在线诊断功能。 其主要功能为:电池电压和温度等信息的高速采集;实现电池高效率均衡,充分发挥电池集成系统的容量从而提高电池集成系统的寿命,同时减小热量的产生;电池的健康状况和剩余电量的估算和显示;高可靠的通讯协议(汽车级CAN通讯网络);动力总成技术要保证电池发生任何安全使用的前提下,充分发挥电池的潜力,保证电池的性能,提高电池的寿命;电池的温度和散热管理,是电池系统工作在温度相对稳定的环境条件;漏电检测以及复杂的地线设计。 由于电动汽车中电池的分布环境非常复杂,处于高压大功率的工作状态,对EMI/EMC要求非常高,这就为电池管理系统的设计带来了更大的挑战。 电动汽车电池系统的层次化、模块化设计 由于电动车电池系统是由成百上千个电芯单元集成,考虑到汽车的空间、重量的分配和安全的要求,这些电芯单元被划分成标准的电池模块,分布在汽车底盘不同的位置,由动力总成和中央处理单元统一管理;每个标准电池模块也是有多个电芯通过并联和串联组成,由模块的电控单元进行管理,通过CAN总线把电池模块的信息汇报给中央处理器和动力总成单元,中央处理器和动力总成单元把这些信息经过处理以后,把最终的有关集成系统的信息如剩余电量、健康状况以及电池的能力相关信息等通过CAN总线汇报给车辆管理系统。电动汽车电池系统的层次化,模块化的设计就要求电池管理系统设计的层次化、模块化(图2)。 图2:层次化、模块化的电动汽车电池管理系统设计。 电池管理系统的芯片集成技术 汽车电池系统的可靠性要求极高,特别是高压监控部分,电池均衡部分,由于集成的解决方案少,很多方案采用分立元件搭配而成,导致:元件匹配度不好,信号采集的精度下降;外部节点增多,难以做到自动化测试,提高测试成本,降低测试覆盖率,系统可靠性低;外部元件的功耗很难控制;系统尺寸大,成本高。 凹凸科技(O2Micro)为全球提供首颗支持>5节电池串联单芯片保护和检测的方案OZ89xx,该方案还支持多芯片级联的应用。目前采用该芯片的电池管理系统方案已成功用于纯电动车和混合动力车电池模块电控单元中。 表1以标准电池模块为例介绍分立方案和集成方案的比较。由此可见,集成芯片的解决方案对提高系统的可靠性,降低成本具有十分重要的作用,他是电池集成技术中硬件设计技术的核心。 本文小结 未来,动力锂电池在电动汽车领域中具有广阔的前景,而电池管理系统将对于电池安全使用,以及和车辆管理的沟通起着关键的桥梁作用。电池管理技术包括硬件设计技术和软件设计技术,而其中高压混合信号处理技术及芯片设计是硬件设计核心,不仅是保证在汽车环境下实现高可靠、高速、高精度信号采集和处理的关键,也是提高测试覆盖率、支持在线检测和降低成本的关键;而软件的核心则包括电池管理的算法,通讯协议的支持以及动力总成的相关技术等。凹凸科技(O2Micro)是全球主要电池管理解决方案的供应商之一,凭借其在电池保护和管理多年的芯片设计和方案设计的经验,掌握了具有国际先进水平的电池管理技术,为全球电池厂商,系统厂商提供了高品质技术服务,为中国电动车的发展贡献了自己的力量。 编辑:博子

    时间:2018-08-29 关键词: 锂电池 电源技术解析 can总线 电池管理 系统设计

  • 基于FPGA的数字交换系统的设计与实现

    基于FPGA的数字交换系统的设计与实现

    专用交换机过于强大专业的功能,以及昂贵的价格,并非小型建网的理想选择;同时,传统的PBX的模拟交换方式存在着失真大、欠灵活以及随规模增大而复杂度剧增的不足。本文提出的方案,有别于常用PBX的模拟交换,是一种适用于一定规模局域网的数字交换机。FPGA的使用在保证了性能提高的同时,在复杂度和扩展性方面也有了明显的改进。 一 、系统结构 本系统实现了带有16路内线电话、同时具备4路外线接口的数字交换机,系统结构如图1。(1)用户接口及PCM编码部分 用户接口电路选用IDT公司的821611芯片,该芯片与编码芯片IDT821034配合良好。用户线各对应一片821611,四路用户接入一片821034(可调增益的四路PCM编码芯片),最终4片821034的PCM信号(16路)一起挂接在PCM总线上,送入FPGA。要注意的是, 821034采用的类似SPI (Serial Peripheral InteRFace)的串行控制接口,使我们能采用带SPI的单片机(例如,Analog公司的Aduc812),很方便地实现对多片IDT821034的控制。 (2)外线接口 外线接口一部分负责外线的铃流检测和变压器(仅通过语音)接入。铃流检测采用了SGS公司的LS1240。每当铃流进入,向FPGA送出高电平,从而测知外线的呼入。另一部分为与内线中的SLIC和CODEC类似的语音编解码部分,负责将交换后的数字信号转为语音送到外线(或者将外线语音及DTMF编码后送入FPGA)。 (3) DTMF接收及提示语音产生 系统中,20路电话(含4路外线)复用4路DTMF收号芯片进行收号。FPGA将待收号话路的PCM信号送到当前空闲的收号模块。DTMF的接收由MT8870完成, FPGA与MT8870之间,有一片MT8965(单通道语音编解码芯片),将FPGA送出数字信号转为模拟信号由MT8870读取。而交换过程的提示语音则选用ISD4004(语音录放芯片,SPI控制),将其语音输出接在MT8965的语音输入端,再以PCM的编码形式送入FPGA。每路DTMF接收和语音送出均为固定时隙,交换控制在FPGA中完成。 (4) FPGA FPGA作为核心部分,负责数字交换、信号音产生及控制、收号控制、提示音控制、外线接口控制、时钟产生等功能。为了与外围器件配合,选用兼容5V接口的FPGA(如Altera的ACEX 1K)。详细说明在后面给出。 (5)MCU MCU(这里选用Analog公司的Aduc812,具有包括SPI在内的的灵活的用户接口)负责整个系统运行过程的调度及流程控制。软件设计的一些细节也将在后面进行说明。 二、PGA逻辑设计 系统内的PCM信号(用户语音、外线语音、提示语音3种语音的PCM编码信号)需要处理和交换;电话所需的信号音(拨号、提示、忙等)需要产生;MCU虽然负责整个系统的配置控制,但它与器件之间还需要控制逻辑;同时,系统还需要特定的时钟和定时信号。上述的这些功能,都由FPGA来完成。图3是FPGA的顶层硬件框图。 MCU对各功能块的相关操作均通过以总线读写寄存器的方式进行。 (1)总线控制(BUS-TRAN) 本功能块将MCU的总线(高8位地址线和低8位数据地址复用线)转换为分开的地址与数据总线(以BUS表示)。 (2) SPI片选生成(SPI-/CS) 图4中除/SS之外的信号均由MCU产生,只有/SS信号需要FPGA提供。通过对功能块内寄存器的写操作,生成外围器件的SPI-/SS信号。 (3) DTMF收号(DTMF-REC) FPGA与8870有DATA0-DATA3(数据)、StD(状态线)、TOE(片选有效)等6线相连,FPGA在MCU控制下查询StD状态,有正脉冲时,通过TOE使8870输出有效,再由DATA0-DATA3读取收号结果。同时, 还要产生MT8965的控制线( CA,/F1i, CSTI)以配合收号和送提示音过程。 (4)外线检测(EXTERNAL-DET) 这里只需要对外线接口送来的状态线进行查询(读寄存器方式),以测知是否有外线呼入。 (5)时钟产生(TIMING-GEN) 将系统时钟分频,得到PCM-FS、 PCM-Clock 、MCLK(For 821034)、OSC(For 8870)、C2i(For 8965)等时钟信号。 (6)数字交换(PCM-SWITCH) 这是逻辑设计中的核心部分,其框图如图5所示。 图5中INNER指内线用户,EXTERNAL指外线用户,DTMF指收号模块,AUDIO指提示语音模块。同时,RAM-D用来存放PCM数据,RAM-ADD用来存放控制RAM-D读出的地址。 各路PCM信号在用来标识时隙的SLOT-CLOCK上升沿顺序写入对应的RAM-D内,RAM的大小均为32×2 byte(可容两帧),确保送上一帧数据时,不影响当前帧写入。RAM-ADD为32 byte的RAM,存放着对应通路的交换信息,例如,RAM-ADD(IN-IN)中的0地址处存放的是内线交换时希望0时隙内线用户收到的时隙的标号,这些信息由MCU总线写入。同时,在SLOT-CLOCK上升沿,FPGA将RAM-ADD顺序读出的输出作为地址来读取RAM-D,从而实现了交换功能。基于这样的原理,系统实现了内线、外线、DTMF收号、提示语音这几块之间的灵活交换(DTMF和提示语音为单向信号,实际在同一PCM总线上)。 (7) 信号音产生(SIGNAL-GEN) 信号音频率均为450 Hz,仅以通断时间来区分。我们在FPGA中建立了一张450 Hz、8k采样的正弦表(PCM编码后),工作时循环读出并进行并串转换。利用定时器和三态门对其进行处理,从而形成了通断时间不同的各种信号音。将各种信号音通过三态门挂接在用 户的PCM总线上,需要时只要打开对应的三态门,就可以将正确的信号音送到当前的时隙上。 三、工作流程及软件设计 FPGA为MCU提供了与其他器件间的接口,使其能够以简短的指令实现原本复杂的底层操作。限于篇幅,这里只作简要的介绍。 1. 内线通话 内线摘机:如果该用户主叫,向该时隙送拨号音(到拨号为止),同时将主叫话路送到当前有闲的DTMF模块(如果没有,送忙音)的时隙上,收号完成再从DTMF时隙拿掉(或超时拆线),根据收号结果,看被叫用户状态,忙则将忙音送主叫时隙,否则向主叫时隙送回铃音,同时令被叫振铃;如果该用户被叫,则切掉该用户振铃,同时取消主叫时隙的回铃音,将这两个时隙的话路交换,建立连接。 内线挂机:如果通话在连接状态,则取消通话连接,送对端时隙忙音;如果无通话连接,则取消对方振铃(如果存在的话),并拿掉本时隙上的所有信号。 2. 外线通话 外线呼入:当测知有外线呼入时,如果没有空闲收号模块,则等待直到出现空闲为止;否则,将呼入外线的编码信号送至DTMF模块的时隙,同时将提示拨分机号的提示语音编码信号送至呼入外线的时隙,等待拨号完成(或超时拆线)。后面的过程与内线通话类似,唯一不同的是向外线送忙音只需拿掉送至呼入外线时隙的所有信号即可,而送给外线的回铃音是由提示语音来替代的。 呼叫外线:在内线摘机后的收号过程中,当用户拨号第一位为某特定数字(例如“0”),认为是呼叫外线,将该话路由收号时隙拿掉,并寻找一路空闲外线(若无则送忙音),将话路时隙与外线时隙进行交换,建立通话,后续过程与内线通话相似,但仅需处理内线端即可。 需要注意的是, 821034的串行控制接口与标准的SPI略有不同,在/SS有效前需要1个SCLK,拉高后需要2个SCLK,所以编程中在写SPI的前后,各进行了一次伪写(即在未拉低/SS的情况下,写SPI)操作,以确保操作的正确。 四、结语 系统中,除语音至PCM编码段外,其余话路部分实现了完全数字化,可以显著提高内线通话质量(特别是内部网具一定规模的情况下)。同时,将原本IC实现的功能集成在单一的FPGA中实现,减小了系统复杂度,降低了成本,增加了系统的稳定性,并且这使系统的升级相较于传统的PBX变得更为方便灵活,用户可以根据要求在不改动硬件的情况下以编程方式实现较自由的功能扩展。特别地,随着规模的增大,本方案的上述优势会愈发明显。 参考文献 [1]叶敏.程控数字交换与交换网[M].第二版.北京:北京邮电大学出版社,2003. [2]Application Note(AN-408)[Z].IDT,2003. [3]ACEX 1K Programmable Logic Device Family[Z].Altera,2001. [4]Aduc812 Handbook[Z].Analog Devices,2003. 编辑:博子

    时间:2018-08-28 关键词: FPGA 电源技术解析 数字交换 系统设计

  • 手机体温充电系统的设计

    手机体温充电系统的设计

    1 引言 手机已成为人们生活中不可缺少的通信工具。目前手机都是由可充电的锂离子电池供电,在野外或无市电的情况下,手机随时可能没电,这给使用者带来许多不便。经研究人体与环境之间总是存在温差,利用温差电技术可实现真正意义上的手机永不断电。温差电技术是绿色环保的发电技术,是一种新的能源替换方式,可将低品位热源的热量有效地转化为电能,同时减少能量消耗,缓解环境污染问题。因此,微型温差电器件将有美好的应用前景,手机体温充电系统对于新能源开发必定具有重要的实际意义。 2 手机体温充电的原理 2.1 人体的能量正常情况下,人体发出的红外波长为8~12μm,人体基础代谢24 h内所产生的热能为8 059.8 kJ,一个成年人的皮肤展开后其表面积约为2 m2,以每平方米体表面积为衡量标准,能量代谢在1 h内产生的平均热量约167.9 kJ/(m2·h)。人体的主要散热部位是皮肤,当环境温度低于体温时,大约70%的体热通过皮肤的辐射、传导和对流散热消耗掉。四肢末稍皮肤温度最低,越接近躯干、头部,皮肤温度越高。在寒冷环境中,随着气温下降,手、足的皮肤温降低最显著,但头部皮肤温度变动相对较小。可以看出,头部皮肤温度最高,且随环境温度变动相对较小。因此手机体温充电系统适合安装在帽子内部,可提高充电效率。 手机的锂离子电池可通过充电或添加能量物质重复使用,其额定电压容量一般为3.6 V(也有的为3.7 V)。如AA800 mAh的锂离子电池平均工作电压为3.6 V,则其能量为2.88 Wh,而人体皮肤单位面积单位时间辐射的热量约为32.65 W/m2,由能量转换可知,面积为1 m2的人体皮肤辐射1 h的能量约为32.65 Wh,如果以0.2 C(160 mA)的充电率给锂离子电池充电,则需要5 h可充满能量为2.88 Wh的锂离子电池,其能量转化效率的理论值约为1.76%,泰柯斯(Telkes)在1947年研制出一台温差发电器,其发电效率为5%。因此,该转化效率在很久以前就可满足要求,人体的体温为手机充电在能量转换方面是完全可以实现的。2.2 塞贝克效应 温差发电可直接将热能转换成电能,只要存在温差,温差发电模块就能产生电压。人体与环境温度常存在温差,利用温差电技术可转化为电能为手机充电。研究发现将两种半导体结合,并使其一端处于高温状态(热源),而另一端开路并且处于低温状态(冷源),则在冷源端会产生开路电压△U,称为温差电动势,也称为赛贝克电动势,赛贝克电压△U与热冷两端温度差△T成正比: △U=s△T=s(tH-tL) (1) 式中,s称为塞贝克系数,其单位是V/K或μV/K。塞贝克系数由材料本身的电子能带结构决定。 3 手机体温充电系统 如图1所示,手机体温充电系统主要包括3部分:直流电产生模块、升压稳压电路模块和手机充电接口。直流电产生模块主要利用半导体温差电池组产生直流电能,只要环境与人体皮肤之间存在温差,温差电池组两端便产生电压。半导体温差电池组产生的电压较小,为了减少温差电池的数量,拟采用升压电路实现升压,满足手机充电要求。由于环境温度不稳定,则两者之间的温差很难稳定,则半导体温差电池组产生的电压就很难稳定,不满足锂离子电池充电电路的要求,为此必须对电压进行稳压处理后才可给锂离子电池充电电路提供电能。 3.1 直流电产生模块 根据塞贝克效应,利用半导温差电池组将热能转换成电能,产生直流电。热电材料是一种能够将热能和电能相互转换的功能材料,其参数如表1所示,选择多晶硅材料制作热电偶,其相对于10μm波长的光源可显示出90%以上的高吸收率。考虑到材料优值系数对发电效率的影响至关重要,而半导体材料的温差电优值系数最高。所以它是制造温差电池的首选材料。最简单的半导体温差发电单元(图2)由N型和P型半导体电偶臂以及负载电阻RL构成,通过金属材料(通常是铜)相连接,工作在高温热源和低温冷源之间,形成回路后就有电流流过负载电阻。 从制造的难易程度和成本等方面考虑,半导体温差电池组由单个发电单元构成是不合理的,这样其输出功率很低。通过优化设计,在相同的半导体用料情况下,用串联方式将若干较小的N-P电偶相连接,形成如图3所示的半导体温差电池(热电堆)。在温差电池中,每个电偶对都工作在相同的温差下,他们的作用也相同,因此整个温差电池的输出功率就是单个N-P电偶输出功率乘以总的对数,一个拥有N对热电偶的半导体温差电池(热电堆)的热电电压U为 U=Ns(tH-tL) (2) 从结构可看出,半导体热电偶对在电路上是串联的,但在传热上是并联的。温差电池的两端维持在环境与人体之间的温差下,电流就会在回路中连续流动。描述半导体温差电池热电转换性能的主要参数有发电效率和输出功率。当负载电阻RL和温差电池本身的电阻R相匹配时,负载能够从半导体温差电池中获得最大的输出功率,材料的优值系数Z对于半导体温差电池的发电效率和输出功率都很重要,而Z主要与半导体电偶臂的性质有关,对于材料温差电特性一定的温差电偶,优值并不是一个常数,而是与温差电偶的几何尺寸有关。电偶臂的长度小于1 mm时,输出功率和发电效率均随电偶臂长度的增加而提高;而当其长度超过5 mm后,输出功率和发电效率均趋于定值。用多晶硅形成热电偶,串联组成热电堆,采用0.8 V低启动电压的升压器件,可计算出人体体温经该升压器件给手机充电需要约809个热电偶,将这些热电偶阵列串联组成热电堆。假设环境与人体的温差为9℃,转化效率为15%,只需要面积约为0.012 721 m2的人体皮肤,即只用到人体皮肤总面积的1/158。为了满足手机锂离子电池的充电要求,还需进一步提高温差产生的电压和电流,可将半导体温差电池进行串联和并联形成温差电池组,将半导体温差电池作为电源,其串并联的情况与其他电源的串并联并无本质区别。 在1片长方形绝缘基片上采用热电堆的生产工艺,将P型半导体和N型半导体材料镀到基板上,制成1片包含有数百只热电偶的单元,在其两端镀上连接点形成热电堆(温差电池),再将若干个热电堆串并联组成温差电池组,两边焊好引线接到升压稳压电路模块。半导体温差电池组的热电堆之间留有一定间隙,该间隙是为使配备者舒适而设置的排汗孔道,把温差电池组缝到特制的马夹上或帽子里边,穿戴在身上,让热电偶的热端面紧贴皮肤,冷端面暴露在空气中,此时直流电产生模块就开始输m电压。3.2 升压稳压模块 体温与外界环境之间的温差较小,热电偶产生的电压也较小,而为手机充电需要4.2 V电压,如果全部由热电偶转换,则需要很多热电偶。采用升压器件可解决这个问题。 根据塞贝克效应,直流电产生模块两边的温差不稳定,输出电压也会不稳定。因为很难将环境温度(冷端的温度)控制在一个固定值,所以输出电压需经过稳压后才能送入手机。根据手机充电要求,选择升压DC/DC转换器件PT1301实现升压稳压电路,如图4所示。输出电压由两个外部电阻设定,即调整R1、R2的阻值,使输出电压U0稳定在4.2 V,输出电流为160 mA。 4 手机体温充电系统的工艺 手机体温充电系统的关键部分是直流电产生模块,该模块主要是由809个半导体热电偶形成的热电堆。热电堆的制造工艺主要涉及材料的切割成形和预处理,以及组件的整体焊接组装等过程。根据前面的分析,热电堆的制造工艺有下列要求:接触电阻和接触热阻应尽可能小;具有较高的可靠性和较强的机械承受力;容易实现与散热器和人体表面的良好热接触;尽可能低的生产成本。(1)材料的切割及预处理 目前最常用的温差电材料Bi2Te3及其合金材料是采用熔体生长法制备的。由于这类材料具有极易解理和各向异性的特点,在将晶锭切割成设计所需面长比的条状温差电偶臂时,必须注意选择材料的切割方向,使温差电偶的长度方向沿材料的生长方向,从而保证温差电偶处于优值最大的方向。对于尺寸较小的温差电偶臂,采用线切割或电火花切割可在很大程度上减小材料的损伤和切割损耗。然而这种方式切割速率较慢。 Bi2Te3及其合金具有斜方晶体结构,通常难以与常用的几种锡类焊料具有较好的可焊性,因而难于实现温差电偶与导流片的直接焊接。常用的解决方法是在温差电偶臂的端面上挂一层过渡焊料,通常采用Bi95Sb5,除了尽可能选择接触性能较好的焊料外,还需要适当的工艺。焊接前,最好对各焊接表面进行化学清洗(腐蚀法),焊接时则需要选择适当的焊接温度和时间,都可以在一定程度上提高热电堆的接头导电和导热特性。 (2)器件的组装焊接 陶瓷金属化技术是目前最常用的热电堆制造技术。该技术采用热导率较高和电绝缘较好的陶瓷片作为基片,根据热电堆导流片设计图,采用筛网印制和高温烧结的方法在陶瓷片上形成局部金属化区域,然后在该区域形成铜导流片,之后就可将温差电偶臂焊接在两陶瓷片之间构成热电堆。常用的陶瓷片有氧化铝(Al2O3)和氧化铍(BeO),普通的应用要求多采用氧化铝材料。 5 试验结果 直流电产生模块利用半导体温差电池组将冷面和热面之间的温差转化为电压,试验装置如图5所示。在半导体温差电池组的热面加热水,冷面加冷水,使其两边形成温差,为把热水的热量很好的传给半导体温差电池组,半导体温差电池组和金属隔板之间的接触面涂上一层薄导热硅胶,排走接触面的空气,让温差电池组表面与金属导热隔板充分接触。实验测得可调直流电源经升压器件给手机充电时其电压约0.911 V,电流约70 mA,则等效输入内阻为13.01Ω。因此.试验采用由127对N-P半导体热电偶组成1片温差电池.其外形尺寸为40 mm×40 mm×4 mm,测得内阻约为3.8 Ω,采用4片做不同的串并联试验,外接负载为15 Ω电阻,使其等效为经过升压器件给手机充电。图6为在不同温差下的试验结果,表2列出了温差为9 K时的实验数据。 6 结论 根据理论分析设计了手机体温充电系统,试验结果表明,4片半导体温差电池串联时等效内阻和负载电阻达到匹配,输出功率最大,在相同温差下利用半导体温差电池的串联可以提高电压和电流,以满足升压稳压电路模块的启动条件,从而满足手机充电要求。理论分析和试验结果均证明利用体温为手机充电是可行的,只要进一步提高热电偶的转化效率,将实现手机真正意义上的永不断电。 编辑:博子

    时间:2018-08-27 关键词: 手机 电源技术解析 体温充电 系统设计

  • 基于ARM和DSP的嵌入式智能仪器系统

    基于ARM和DSP的嵌入式智能仪器系统

    1 引言随着智能仪器及控制系统对实时性信号处理的要求不断提高和大规模集成电路技术的迅速发展。越来越迫切的要求有一种高性能的设计方案与之相适应,将DSP技术和ARM技术结合起来应用于嵌入式系统中,将会充分发挥两者优势以达到智能控制系统中对数据的实时性、高效性的通信要求。该嵌入式系统要求实时响应,具有严格的时序性。其工作环境可能非常恶劣,如高温、低温、潮湿等,所以系统还要求非常高的稳定性。2 嵌入式系统的总体设计2.1 核心器件的主要功能ARM和DSP分别选用Cirrus Logic公司的EP7312、TI公司的TMS320VC5402。充分利用ARM丰富的片上资源和DSP强大的信号处理功能,实现高效性、实时性的信号处理及网络通信功能。EP7312是专为高性能、超低功耗产品而设计的微处理器,采用ARM7TDMI处理器内核,具有8kB高速缓冲存储器,支持存储器管理单元,片内集成了液晶显示器控制器,键盘扫描器,数字音频接口,完全的JTAG等功能,广泛地应用于嵌入式领域。TMS320C54xDSP提供了McBSPs(多通道缓冲串口);6通道的DMA控制器;可以与外部处理器直接通信的8位增强HPI(主机接口)。选择这样的SOC(片上系统)作为该系统的核心器件,使得其稳定可靠并具有广泛的扩展功能。2.2 系统总体设计及工作原理系统总体设计框图如图1所示。本系统主要是实现信号的实时性处理及传输,满足工业现场及各种测量仪器的高可靠性要求。ARM有丰富的片上资源,适合嵌入式系统的开发,在该嵌入式系统中,ARM主要负责操作系统的运行、任务管理和协调以及DSP的控制任务,完成数据的远程通信。扩展了外部扩展了多种外设,如通用串口、LCD显示屏,以太网接口。通过连接以太网控制器实现网络化功能。在ARM中移植了Linux操作系统和实现了系统外部硬件接口的驱动程序。由DSP执行计算密集型操作,实现多种信号处理算法,然后将处理后的数字信号通过主机口接口(HPI)与ARM通信。再由ARM通过以太网控制器将数据传输到网络,实现了远程控制与监测。图1 系统总体硬件框图3 系统硬件具体设计方案3.1 ARM与DSP的接口设计EP7312和TMS320VC5402连接的接口电路如图2所示。VC5402通过HPI与ARM进行连接。ARM先向DSP写入控制字,设置工作模式,然后将访问地址写入地址寄存器(HPIA),再对数据锁存器(HPID)进行读写,即可读出和写入指定的存储单元。主机由两根地址线A2、A1可以寻址到HPI接口的所有控制寄存器、地址寄存器和数据寄存器;由HBIL、HCNTL1、HCNTL0区分16位数据的高、低字节。当向HBIL=0的地址写入数据时,表示是第一个字节,向HBIL=1的地址写入数据表示第二个字节。寻址过程中HCS要为低电平。图2 EP7312与TMS320VC5402的连接DSP的HPI接口片选信号使用EP7312扩展片选信号nCS4,HPI各个特殊功能寄存器的映射地址如下:#define HPIC0 *(volatile unsigned char*)0x40000000#define HPIC1 *(volatile unsigned char*)0x40000001#define HPIA0 *(volatile unsigned char*)0x40000004#define HPIA1 *(volatile unsigned char*)0x40000005#define HPID0 *(volatile unsigned char*)0x40000006#define HPID1 *(volatile unsigned char*)0x40000007设置好DSP的状态后,DSP向ARM发送中断,通知ARM已将数据准备好,等待ARM发中断,DSP在中断中对接收的数据进行处理。ARM在初始化后,等待DSP发送中断通知ARM数据已经准备好。ARM在检测到中断后,先判断中断是否有效,再从HPI口读写数据,在完成向HPI口发送数据后,向DSP发送中断通知DSP接收数据。ARM通过控制端口信号模拟接口时序,来完成对HPI口寄存器的访问。由于DSP在BOOT过程中向ARM发送了中断,所以ARM在初始化时要清除这个中断,并且在数据交互之前要设置控制寄存器中的BOB位,指示高地址在前还是低地址在前。这一步在程序初始化时由ARM来完成。3.2 ARM与以太网控制器之间的通信设计系统平台实现了以太网接口。提供了以太网芯片的驱动,支持网络功能。以太网控制芯片的数据、地址和控制信号与EP7312的总线相连,如图3所示。片选信号使用EP7312的扩展片选信号nCS2。图3 以太网接口原理图RTL8019默认的I/O基地址是300H,用到的地址空间为300H~3FFH,因此使用到EP7312的低4位地址线,将RTL8019上的SA19~SA10和SA7~SA5接为地,SA9、SA8接为VCC。RTL8019AS使用的是16位数据总线方式,因此,将RTL8019上的IOCS16B引脚通过10K的上拉电阻接为VCC;通过IO模式读写以太网控制器,所以SMEMRB和SMEMWB引脚通过上拉电阻接为VCC。当EP7312向网上发送数据时,先将一帧数据通过远程DMA通道送到RTL8019AS中的发送缓存区,然后发出传送命令;当RTL8019AS完成了上一帧的发送后,再开始此帧的发送。RTL8019AS接收到的数据通过MAC比较、CRC校验后,由FIFO存到接收缓冲区;收满一帧后,以中断的方式通知EP7312。FIFO逻辑对收发数据作16字节的缓冲,以减少对本地DMA请求的频率。以太网控制器有两个指针寄存器来控制缓冲区的存储过程,当前页面指针curr和边界指针bnry。curr指向新接收到帧的起始页面,即接收缓冲环的写页面指针;bnry指向读过的最后一个页面,即接收缓冲环读页面指针。自定义指针next_page,表示存储分组缓冲区的边界,初始值为next_page=bnry,读取一页数据后由软件执行bnry加1,curr自动加1。curr不等于bnry时,表示有新的数据包在缓冲区中,读取一包的前四个字节,前四个字节并不是以太网数据包的内容。分别表示数据包存放的页地址和已接收的数据的字节数。如果curr=0,表示读取出错,返回null。如果bnry>0x7f,则bnry=0x4c。4 嵌入式系统软件设计4.1 BootLoader的设计该嵌入式系统引入了Linux操作系统,可以给系统下的任务提供调度机制,简化任务中的需求操作,当需求变化时只需要改变任务内容,然后重新和操作系统发布即可。本系统中EP7312采用的是外部启动方式,也就是从CS[0]片选的外部NORFLASH启动,系统启动后,执行启动代码,即初始化CPU、内存控制器以及片上设备,然后配置存储映射。启动代码随后执行一个引导装载程序bootloader,将内核从FLASH中解压到SRAM中,然后跳转到内核的第一条指令处执行,内核运行。bootloader完成从硬件启动到操作系统启动的过渡,用于初始化硬件和启动操作系统。在内核运行之前需要bootloader作为系统驱动程序完成加载内核和一些辅助性的工作,然后跳转到内核代码的起始地址并执行。对于该系统来说选择EP7211所使用的bootloader—Shoehorn,然后做一些改动。如调整系统各个寄存器的地址值;设定SDRAM控制器;调整UART1的波特率等。Shoehorn代码分为host端和target端两部分,一部分由eth.c、serial.c、shoehorn.c和util.c组成,由这些文件编译生成host端的可执行文件shoehorn;另一部分由ini.s和loader.c组成,编译生成一个小于2KB的文件loader.bin,这个二进制文件会被下载到target端的SRAM中用来引导系统的启动。通过一系列的主机与开发板之间的握手通信、下载程序的方式使得代码相对分散,减小开发板上起始代码的大小,以满足目标板上下载代码的限制。4.2 内核的配置该嵌入式系统选择了较成熟稳定的Linux-2.4.13版本内核。为了避免修改内核定制代码时造成代码的不稳定和失去代码的灵活性,可以通过选择合适的版本内核,修改该配置文件,裁剪不必要的功能,再编译出符合新配置的内核,得到既满足应用功能要求同时体积又小的内核,产生一个隐藏文件/usr/src/linux/.config。该文件记录了对内核具体功能模块的选择和配置。内核配置时,大部分的选项都可以使用缺省值,只有小部分需要根据需求选择,将与内核关系比较近且经常用到的功能代码直接编译进内核;将不经常用到的代码编译为可加载模块,有利于减小内核的长度,增加灵活性。4.3 驱动程序的设计在Linux操作系统中驱动程序是操作系统内核与硬件设备直接的接口。驱动程序屏蔽了硬件的细节。在应用程序看来硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序可以设计模块化方式。不必编译进内核,而是被分别编译并链接成一组目标文件,这些文件可以被载入正在运行的内核,或从正在运行的内核中卸载。可以减少内核的长度,具有很大的灵活性。4.4 DSP中信号处理算法的实现多数传感器对于温度、湿度、电源的波动等环境因素都存在着交叉灵敏度,产生较大的误差,测量精度和稳定性都受到一定的影响。在DSP中采用数据融合技术可以消除干扰,提高传感器的测量精度。数据融合是通过组合,将传感器数据之间进行相关,以从输出元素获得更多的信息。保证在环境干扰变化很大的情况下也可以有较高的测量精度和稳定性。采用软件方法对传感器数据融合处理被证明是一种很好的方法。该系统的网络功能可以将多个功能相同或不同的嵌入式智能仪器连接在一起组成智能传感器网络。每个智能仪器节点都具有数据采集、数据处理和通信的功能。信息融合技术可以将来自多个传感器的数据进行多级别、多方面、多层次的处理,从而产生新的有意义的信息,而这种新信息是任何单一传感器所无法获得的准确度更高的表征客观环境的信息。这种技术在传感器网络中有着举足轻重的作用。5 结束语该嵌入式智能仪器系统的设计,为仪器仪表方便有效的接入以太网提供了很好的解决方案,实现了远程控制和实时性的数据传输。由于采用并发多任务技术处理该嵌入式系统复杂的外部事件,以及控制软件系统的复杂性,保证了系统的实时性能。该嵌入式系统的软硬件配置精简,抗干扰能力符合环境要求;装配结构便于检修。这种嵌入式智能仪器系统的实现使嵌入式设计在数据处理及检测控制领域里得到了很好的应用。

    时间:2018-06-21 关键词: DSP ARM 嵌入式 嵌入式开发 智能仪器 系统设计

  • ADSP-TS201的系统设计及外部总线接口的技术

    ADSP-TS201的系统设计及外部总线接口的技术

     1 引言随着雷达技术发展,大带宽高分辨力、多种信号处理方式的采用,使得实时信号处理对数据的处理速度大大提高。同时在雷达信号处理中运算量大,数据吞吐量急剧上升,对数据处理的要求不断提高。随着大规模集成电路技术的发展,作为数字信号处理的核心数字信号处理器(DSP)得到了快速的发展和应用。ADSP-TS201DSP是美国模拟器件(ADD公司继TSl01之后推出的一款高性能处理器。此系列DSP性价比很高,兼有FPGA和ASIC信号处理性能和指令集处理器的高度可编程性,适用于大存储量、高性能、高速度的信号处理和图像处理。如雷达信号处理、无线基站、图像音频处理等。2 ADSP-TS201简介ADSP-TS201采用超级哈佛结构,静态超标量操作适合多处理器模式运算,可直接构成分布式并行系统和共享存储式系统。其性能如下:(1)最高工作主频可达600 MHz,指令周期为1.67 ns。支持单指令多数据(SIMD)操作。(2)支持IEEE32位、40位浮点数据格式和8位、16位、32位和64位定点数据格式。(3)4条128位的数据总线与6个4 Mb的内部RAM相连。(4)32位的地址总线提供4 G的统一寻址空间。(5)对与多片处理器的无缝互连提供片上仲裁。ADSP-TS201处理器由处理器核和IO接口两部分组成,结构框图如图l所示。其中处理器核由两个计算块、两个整型算术逻辑单元、程序控制器组成。IO接口由内部存储器、外部设备接口、14通道的DMA控制器、全双工的LVDS链路口、IEEEll49.1JTAG接口组成。内部存储器为24 Mb DRAM,外部设备接口包括SDRAM控制器、EPROM接口、主机接口、多处理器接口。3 系统设计应用ADSP-TS201进行系统设计时,有一些特别需要注意的地方,如:电源设计、时钟设计、JTAG接口、未使用的管脚如何处理等。下面就这几个方面分别进行讨论。3.1 电源设计ADSP-TS201处理器共有4组电源,分别是核电源(VDD)、模拟PLL 电源(Vm-1)、内部DRAM电源(VDD-DRAM)、IO电源(VDD-K),并且在不同的工作频率下供电要求不同。以600 MHz为例,电源工作参数如表1所示。因此设计电源的时候要选择符合电压电流要求的电源。ADSP-TS201在上电的时候有上电顺序的要求,这点在电源设计的时候必须考虑到。其上电顺序如图2所不,要求tVDD_ DRAM大于O ms,保证DRAM的上电在最后,而且上电时间也要有所保证。所以在选取电源芯片时应该选择带有关断功能的芯片,如MAX8869等。在电源芯片的SHUTDOWN管脚接一个电容到地,利用电容的充放电作用,在上电开始使能SHUTDOWN管脚,使电源芯片处于关断状态。随着电容充电至电源电压,SHUTDOWN为高电平,此时电源芯片开始工作,输出1.6 V的电压,为DRAM供电。另外ADSP-TS201电源管脚需要旁路电容去耦。在PCB设计时旁路电容的顺序分别是:VDD A到VSS的旁路电容;VDD到VSS的旁路电容;VDD-DRAM到VSS的旁路电容; VDD-IO到VSS的旁路电容。3.2 时钟设计ADSP-TS201有2个时钟参考电压管脚,SCLK_VREFl和SCLK_ VREF2,这两个管脚应该连在一起,为系统时钟供电电压的一半。SCLKl和SCLK2是时钟输入端,最大系统时钟是核时钟的1/4。同时SCLK也为外部接口总线提供时钟。ADSP一TS201内部有一个PLL,通过设置SCLKRATE2~0引脚将SCLK倍频到所需的核时钟。在设计过程中,为了保证时钟的同步,可以采用时钟驱动芯片,可以同时输出多路时钟,为TS201 SDRAM提供系统时钟。3.3 JTAG接口ADSP-TS201 JTAG仿真器是一个14脚的母头,第3脚是没有任何连接的。在调试过程中第3脚必须拔出来。在JTAG接口设计时要注意以下方面:正确的上下拉电阻,数据(TDI,TMS,TDO,TRST,EMU)驱动、时钟驱动如74系列的驱动芯片。3.4 未使用管脚的处理ADSP-TS201包含有3个NC管脚,在设计中不要有任何连接。对于没有用到的管脚,应根据是单片系统还是多片互连系统进行处理,可以悬空的管脚悬空,不能悬空的管脚一定要接上拉电阻或者下拉电阻。特别是没有用到的链路口的输入管脚的处理,主要参考ADI网站中所给出的数据手册。另外TS201支持多片DSP互连,最多可达8片。通过链路口完成片与片之间的通信,电路连接简单。4 外部总线接口技术ADSP-TS201外部总线支持各种不同的通用/专用协议,并且可以通过编程进行配置。外部总线接口支持流水线协议,SDRAM协议和慢速设备协议。TS20l可以采用流水线协议访问存储系统,数据传送速度非常快。另外TS20l有片上的SDRAM控制器,支持SDRAM协议。以下就是这两种协议的应用。4.1 SDRAM接口ADSP-TS201处理器有一个专用的SDRAM接口.可以实现与标准SDRAM 6 Mb,64 Mb,128 Mb.256 Mb.512 Mb的无缝连接。支持1 024-,512-,256字的页面长度,通过对SDRCON寄存器的编程可实现页面长度的选择。同时SDRAM占用TS201的外部存储空间地址,通过设置/MSSD3~0来确定SDRAM的地址空间范围。本设计选用的SDRAM是HY57V561620B,页面长度为512字,将两片SDRAM拼接成32位的总线宽度,实现与TS201的无缝接口。根据不同的总线宽度,TS201的地址总线与SDRAM的连接有所不同。(1)对于32位数据总线其连接方式如下:SDRAM地址Bit9~0与TS201 ADDR9~0相连;SD RAM地址Bitl0与TS201的SDA10管脚相连;SDRAM地址Bitl5~11与TS201 ADDRl5~11相连。(2)对于64位数据总线,连接方式如下:SDRAM地址Bit9~0与TS201 ADDRl0~1相连,TS201 ADDR0悬空;SDRAM地址Bitl0与TS201的SDAl0管脚相连;SDRAM地址Bitl4~11与TS201 ADDRl5~12相连。另外对于标准的SDRAM(3.3 V),TS201的地址线ADDRl5∽11都可以作为BANK的选择线。对于低功率的SDRAM(2.5 V),只有ADDRl5~14可以作为BANK的选择线。因此在进行接VI设计时一定要注意所选择SDRAM的电参数。4.2 ADSP-T$201与FPGA接口本文设计的系统需要将FPGA连接在TS201的外部总线上,采用DMA中断,通过总线的方式从FPGA的外挂RAM(乒乓存储)中读取数字下变频后的I,Q两路数据,其连接方式如图3所示。其中MS0,MS1是片选信号,RD和WRL分别是读和写信号。在一个PRF周期内FPGA进行数字下变频,将I,Q数据存储到SRAM中,然后向 TS201发出DMA请求,TS201将SRAM的数据采用流水线协议通过总线读入片内RAM中,进行后续的处理。再将处理完的数据以总线方式写入到FPGA内部RAM中,以便进行在线仿真或者进行后续的输出。5结 语本文主要结合ADI公司的高性能ADSP-TS201的结构特点,讨论了在系统设计的过程中应该重点注意的几个问题和ADSP-TS201的外部接口技术,并给出了其与SDRAM,FPGA的连接实例,对基于TigerSHARC系列DSP的应用设计具有实用的参考价值。

    时间:2018-06-19 关键词: adsp-ts201 总线与接口 外部总线接口 系统设计

  • 一种基于DSP的并行信号处理系统的设计

    一种基于DSP的并行信号处理系统的设计

    自数字计算机问世以来,计算机的处理能力已经增长了100 k倍以上。然而,现有性能最高的计算机的计算能力仍远远不能满足人类对计算速度无止境的追求。在科学计算、地质分析、气象预测、仿真模拟、图像处理以及实时信号处理领域,对计算机处理速度的要求尤为迫切。随着半导体技术的迅速发展,采用超大规模集成电路设计的处理单元功能越来越强,然而单处理器性能的提高受到了诸多限制。因此,满足对运算速度的巨大需求目前只能通过并行处理技术来实现。?1 概述本文中设计了一种并行信号处理系统,其主要特点是:(1)具有强大的处理能力,可以完成多种信号处理模式。(2)信号处理功能通过大量信号处理芯片(DSP)的并行计算完成。(3)信号处理功能的改变通过软件实现。图1所示的是动目标检测雷达信号处理机的主要组成部分,虚线中的处理模块是本文要完成的工作。2 幅相计算、CFAR检测、M/N检测2.1 幅相计算幅相计算指从复数据计算其幅度和相位,假使:2.2 CFAR检测和M/N检测雷达信号的检测总是在干扰背景上进行的,为了在强干扰中提取信号,不仅要求有一定的信噪比,而且必须有恒虚警处理设备,恒虚警处理的目的是保持信号检测时的虚警率恒定,这样才能使处理机不致因虚警太多而过载。(1)单元平均恒虚警(CFAR)检测器已经知道,在低分辨率的脉冲雷达中,海浪和雨雪等分布杂波可以看作很多独立照射单元回波的迭加,因而杂波包络的分布服从瑞利分布,如果检测背景中存在此类杂波,检测门限可以通过计算杂波的均值得到,但是由于杂波在空间分布的未知性,求杂波均值只能从被检测目标邻近单元来获得,这就是比较常用的单元平均CFAR检测器。为了减少这类检测器在杂波边缘内侧虚警显著增大问题,一般采用其改进电路—两侧单元平均选大电路,如图2所示。在被检测单元的两边,为了防止目标本身对门限值的影响各空出了一个保护单元。(2)二维CFAR检测器当雷达工作于FFT方式时,CFAR检测器的输入数据包括距离和频率2个变量,所以需要采用二维CFAR,如图3所示。除0?# 滤波器输出送杂波图处理外,其他多卜勒滤波器输出各接一个单元平均CFAR检测器。各CFAR检测的结果合起来作为目标判断。(3)M/N检测M/N检测在CFAR检测后进行,其中,N为积累脉冲数,M为小于N的值。我们设定M/N检测的准则为2/3,即相同距离门的信号在3个脉冲重复周期里至少2次过门限判定有目标。?2.3 杂波图杂波图技术就是将雷达周围的二维平面分成许多方位距离单元,把方位距离单元的接收信号存入一个存储器中,每个存储单元对应一个方位距离单元,并且随着天线的扫描,每个单元存储的信号进行递推更新:其中:K是一个小于1的因子,xn和yn分别代表输入、输出。所以天线多圈扫描以后,杂波图中存贮的是相应方位距离单元的杂波均值。检测门限H根据式(5)计算,如果被检测信号xn大于门限H,我们就判为有目标,否则就判无目标。H=Cyn(5)其中:C为一个门限乘子,C的大小决定着检测概率的虚警概率。?3 系统的设计并行处理的目的是通过采用多个处理单元同时对任务处理来减少任务的执行时间,如何能以最短的时间完成任务成为并行处理机设计者最关心的问题,对这一问题的反映表现在处理机的2个基本性能指标:加速比和并行效率。而并行处理机的这2个基本性能决定于组成并行处理机的3个要素:处理单元、并行处理机网络结构、并行算法程序和任务分配方法。三者之间紧密联系,互相依赖。3.1 处理单元的选择处理单元的性能可以说是决定处理机性能最基本的因素,高性能的处理单元可以提高系统性能、减少系统体积和功耗、降低结构复杂性和提高软件可维护性。处理单元按应用范围大致可分为中央处理单元、专用ASIC芯片、FPGA/EPLD、数字信号处理器。在实时数字信号处理应用上,DSP仍具备明显优势。在并行处理中,更强调DSP是否具有适于构成并行处理机的特殊功能,如高速通信口的通信能力、共享存贮器的接口功能等。TMS320C40和ADSP21060在结构功能上有很多相似之处,相比较而言,综合性能较好地并行DSP是ADSP21060,他的运算速度、数据吞吐能力、片内存贮器容量都远优于TMS320C40,相对于其他类型DSP。他的突出特点是:FFT速度快、片内存贮器容量大,很好地共享存贮器接口。各种兼容型号ADSP2106X的选择余地也较大,他还与最新推出的ADSP21160代码兼容,结构与接口形式也类似。3.2 并行处理机互联结构并行处理机互联网络的主要功能是为各处理单元提供数据交换的通路并负责子任务传送和控制调度信号的传递。处理单元之间的网络结构大致可分成2类:(1)共享总线(共享存贮器)系统,称为紧耦合式并行系统。(2)处理单元有各自独立的数据存贮器而通过通信口相连的分布式并行系统,又称松耦合式系统。紧耦合式的共享总线系统在处理单元个数较少的情况下,以其无需数据通信而能获得较高的加速比。当处理单元个数很多时,共享总线将造成频繁的总线冲突和等待,而且共享总线结构的可扩充性和灵活性不及分布式系统,不适于大规模并行处理系统,可重构能力和容错能力都远不如分布式系统。通用并行DSP的通信口速度在30~60 MHz,这为在处理单元数目很多的大规模并行处理采用分布式系统设计创造了条件。TMS320C40或ADSP21060提供的多达6个高速通信口的总通信能力与其指令速度或平均运算能力相当,而同时TMS320C40或ADSP21060都提供了共享数据总线的接口,TMS320C40有2套独立的总线,其中一套可以用于和其他TMS320C40共享数据,而ADSP21060的片内具有共享总线仲裁逻辑,可以在无需添加外部控制电路的情况下,将不多于6个ADSP21060直接相连。以上分析表明,分布式并行系统更适合于大规模并行系统,而共享总线式系统在小规模的并行处理机上可以得到较高的性能。以ADSP21060为例,当处理单元小于5时共享总线系统的效率较高;反之,分布式并行系统将更好。3.3 并行算法、任务分配和软件编程并行算法的好坏主要以其并行度高低来衡量,并行算法和并行程序的设计复杂度远大于传统的串行算法和串行程序设计,他更多地依赖于处理机结构,现有的并行算法远不能满足并行处理的需要,而且目前还缺乏一种有效的并行开发系统和并行设计语言,但对于雷达信号处理这一领域来说,信号处理任务的类型基本上是确定的,这就缩小了设计者的设计范围,从而大大减少了程序设计的难度。采用上文所述的并行DSP作为处理单元构成的信号处理机将是完全可编程和软件可重载的,根据需要可以对不同并行子模块重新进行功能定义。算法软件以标准模块存放在DSP的RAM或ROM中,当处理单元的功能改变时,可调用相应的软件模块。任务分配和调度仍是并行处理系统设计的一个难题,至今尚无实用的任务自动分配方法,而任务分配所带来的成本又太高。根据雷达信号处理固有的特点,可以将其定义成带有输入参数的软件模块,每个模块随着其输入参数的不同,其输出参数如运算时间、数据通信时间、数据通信路径都将不同。采用数据流全驱动的方式是将处理过程中的全部数据分割成一定大小的数据包,在每个数据包中,除了实际数据还包括有如下信息:数据包长度、处理方式、数据描述、校验码。处理方式中含有足够的处理信息,用于指示DSP或子模块如何处理此包数据,即选择多普勒滤波、MTI、CFAR等。数据描述信息详细地给出了此包数据的特点,包括距离门起止号、多普勒号、通道号等。DSP接收到一个数据包后,如果此包数据的处理相对于其他数据包是独立的,他就立即进行处理,否则等待其他包数据到齐或者向其他DSP转发。?4 系统的实现首先估计一下单元平均恒虚警检测的运算量:整个距离(最大120 km,7 MHz采样率)数据量为5.6 k个复数,1片ADSP2106X处理需要的时间大约是3.6 ms,由于相干处理周期为1 ms,因而我们在距离上分成4段,分别用4片ADSP2106X处理,这样还有0.1 ms的空闲时间。这里为了每片DSP处理数据方便,需要每段处理相互独立,因此段间要有重叠,以保证每一段CFAR的左右单元平均可以独立进行。(1)对于恒虚警检测的处理来说,只有2种工作方式:MTI和MTD,分别对应单元平均恒虚警检测和二维恒虚警检测。(2)系统内各部分均采用数据流方式驱动,数据包的格式为:先是4个字的模式控制字,然后是实际数据。每一种工作方式及相应参数由每一数据包前面的模式控制字给出,对应于模式控制字中的工作方式及参数等各共用部分,我们在所有运算单元中对其进行解释,以便转入相应的子程序。(3)系统初始化方式有两种,一种是EPROM加载方式,此方式有利于在整个系统调试或固定雷达工作方式后,脱开计算机进行。另一种加载方式就是通过计算机接口以Link口加载方式进行加载。为了使用时调整雷达信号处理方式,采用计算机加载方式。4.1 系统硬件根据运算量和恒虚警检测所需的存储量,估计出设备量为5片DSP,如图4所示。由于雷达信号处理流水进行的特点,可以按处理流程将整个系统划分成若干功能块,所以拟采用分布式并行处理系统。分布式并行处理系统由标准的并行子模块构成,恒虚警检测子模块由4个单元构成,M/N检测汇总子模块为1个单元,并行子模块之间由高速通信口相连,每对通信口间数据传输速率可达40 Mb/s。所有DSP都有通信口通过电路板插座连接到外部,利用数据流格式和相应的软件配置在邻近电路板间建立数据通路,这样减少了电路板间信号耦合。4.2软件处理及实现分析程序部分完成:CFAR、幅相计算、M/N检测等功能,需要5片DSP。整个距离分4段,分别在4片DSP中进行CFAR、幅相计算等处理。段间有重叠,以保证每一段CFAR的左右单元平均可以独立进行。最后将4段的结果在下一片DSP进行合并、M/N检测,把目标信息后送。(1)CFAR,幅相计算杂波图恒虚警检测的主要功能是利用相应方位的杂波图输出作为门限,对零号滤波器各距离单元进行检测。其他滤波器输出采用单元平均CFAR处理方法对每个距离单元进行检测,同一个距离门的?N-1个多卜勒通道检测结果选大作为CFAR检测结果,并与杂波图检测输出经或门后作为最终检测结果。检测结果有目标输出时,保留其幅值、相位信息。程序流程分别从LINKX接收各自段的数据,先对数据作CFAR处理,检测到目标后,保存对应距离/多普勒单元信息,等到所有数据都处理完后,把结果通过LINKX送往下一级,主程序流程如图5所示。其中IRQ0是相干处理周期的起始信号,模式字的有效性通过校验码实现,高速通信口LINKX工作在DMA方式。输入与输出的数据格式输入数据先是4个字的模式,接着是实、虚部交替的复数,个数同模式有关,每个复数对应一个距离/多普勒单元。CFAR检测结果格式,先是以4个字的模式,逐个字地检测到目标的个数,接着是各目标单元信息。由于这一级在最不利的32点FFT情况下存储量大约为90 k个复数,所以DSP芯片选取了内存较大的ADSP21060。(2)汇总与M/N检测这一级的汇总任务是把4段的CFAR检测结果合并到一起,只要把各段中各个目标单元依据距离门的位置加以修整,然后搬到另一处缓冲区即可。这时目标信息排列的顺序是按距离门号依次递增的,先搬整个距离段上距离门号最小的第1段,再搬第2,3,4段。M/N检测在相干处理周期间进行,其准则是相邻3个相干处理周期内至少有2次在同一个距离门上检测到目标,确认为相对应距离单元上有目标输出,这时保留相应单元上最新的幅值作为检测结果。程序流程如图6所示。分别从LINK2,LINK3,LINK1,LINK5接收4个距离段上的检测结果,把4段的结果合并在一起,形成整个距离段完整的结果。然后和以前2次检测的结果进行M/N检测,最后把M/N检测的结果通过LINK0发往接口板。四段的输入数据格式相同先是4个字的模式,逐个字地检测到目标的个数,接着是各目标单元信息。存储量不大,选取了内存较小的ADSP21062。4.3 运算量、内存、通讯资源占用情况在CFAR检测中,包括零多卜勒通道各距离门利用相应波位的杂波图作为门限进行检测,剩余滤波器在距离上的单元平均恒虚警检测。其运算量主要集中在单元平均恒虚警中,这里除了第1个距离单元两端各项需经L个数据平均外,在第2个距离门后的其余距离单元检测时,前后各L个数平均只需加上1个新移进的值,减去移出的值即可,这样对每个距离门检测来说只需约8条指令。汇总部分运算量不大。由于汇总要处理前一级众多DSP芯片数据,因此此处数据通信充分利用互连网络的各通讯支路进行数据转发,其前一级运算部分在缓存及时间上要给此部分留有一定余量。CFAR一级在32点MTD模式下存储压力较大,因此采取了以下措施:输入/输出以及中间结果都是短字定点格式,在开始CFAR检测前要先转换成长字的浮点格式进行各种运算,最后把CFAR结果经过定浮点转换作为16 B定点格式保存下来,其余部分的运算也需要先把CFAR结果转换成32 B浮点格式,不过是在所调用的子程序内部完成的。作为运算的中间结果,目标单元幅值的存储使用了循环寻址方式,因为一批数据在一边被进行处理的同时一边会被新来的数据覆盖掉,这一过程是以距离门的顺序进行的,而CFAR检测也是沿着距离门滑动的,在对第18号距离门检测时,第0号距离门的数据就没有任何用途了,这样就可以把第18号距离门的幅值存到第0号距离门的位置。同样地第19号距离门的幅值也可以存到第1号距离门的位置,从而构成了循环寻址存储方式。其他一些中间结果也采用了这种存储方式,有效地节省了内存资源。CFAR一级包括单元平均恒虚警检测和幅相计算2部分,运算量主要集中在前一部分,占90%左右,到后面的数据量已经大大减少了。汇总一级的运算量主要集中在M/N检测部分,但总的运算量不大。5 结语本文讨论了一种恒虚警检测的并行处理系统的设计,选取通用并行DSP作为核心处理单元,通过高速数据通信口构成了松耦合的分布式并行系统,在处理单元数目较多的情况下获得了很高的性能。结合雷达信号处理的特点对任务进行分配,运用数据流驱动方式增强了信号处理系统的通用性和易维护性,整个系统具有良好的可编程、可扩展和升级能力。

    时间:2018-06-18 关键词: DSP 嵌入式开发 并行信号 系统设计

  • 运用32位高集成度混合信号微控制单元简化系统设计

    运用32位高集成度混合信号微控制单元简化系统设计

    ARM Cortex内核改变了MCU产品的传统形态,毕竟通用的标准有助于减少整体系统成本、降低设计复杂度并缩短开发时间。开发人员在为特定设计选择MCU时需考虑诸多因素,如存储大小、输入输出引脚数量、通信接口等。然而,在多种基于ARM标准内核的MCU产品都满足基本需求的情况下,SILICon Labs认为开发人员可从下列因素中进一步缩小选择范围,例如:混合信号集成度、可配置性、功耗和开发难度等。Silicon Labs期望通过Precision32系列产品,重塑32位MCU产品领域的多功能、一体化、高能效和易用特性。 集成多种外设降低系统成本 Precision32结合了Cortex-M3 CPU和多种模拟组件,主要包括:两个12位ADC、两个10位DAC、一个振荡器、一个16通道触摸传感器,以及Flash闪存、定时器、计数器和串行接口等(图1),适用于包括便携式医疗装置、销售终端外设、电机控制、工业监控、条码扫描仪、光学触摸屏接口、传感控制器和家庭自动化系统等应用在内的各种领域。     图1,Precision32 MCU框图。 据介绍,该系列产品外设集成度较高,集成了先进锁相环(PLL)的精密振荡器,而无需昂贵的8MHz晶体,可为无外部晶体的USB操作提供所需的高精度时钟,同时内核可以独立工作在1MHz~80MHz任何频率;内部5V电压调节器使MCU可直接从USB或5V电源供电,无需外部稳压器;六个高驱动I/O(每个高达300mA),可直接驱动高功率LED、小马达、蜂鸣器和功率MOSFET,并可以作为升压转换控制器;电容触摸通道多达16个,减少按键、滑动条或滚轮应用中额外需要的触摸传感器IC;Precision32系列产品提供完整的USB2.0 PHY和模拟前端,可直接连接到USB控制器接口,而其他大多数MCU需要外部USB上拉电阻和终端电路。通过集成以上片上外设,大大减少了外围元器件数量和系统成本(图2),可节省BOM成本达1.34美元。     图2,典型的基于MCU设计中,高集成度Precision32芯片能替代多个外围元器件。 延续 8位MCU优势 据Silicon Labs公司单片机产品线总经理MikeSalas 介绍, 该公司在开发8位MCU产品方面已有十多年经验,因此在研发Precision32时,延续了前代产品的诸多优势: 首先是低功耗设计方面,通过Silicon Labs专利的低功耗设计技术降低了每个MCU区块功耗,与其它同类32位方案相比,工作电流减少达33%(在80MHz时22mA或275μA/MHz),休眠电流降低100倍(0.35μA,启动RTC并且4KB RAM内容保留)。此外,多种电源模式和时钟选项也能够在特定性能水平下,优化设计并达到最低功耗。 其次, 在架构的选择方面,继续优化其8位MCU的Crossbar架构(图3),并通过与拖拽式的GUI结合,可使开发人员更加容易地选择所需模拟和数字外设,并为外设分配引脚。而同类MCU通常需预定义外设位置和引脚,导致潜在引脚冲突,迫使他们不得不改变设计或是使用更大、更昂贵的封装。     图3,专利Crossbar架构可确保最大灵活性。 此外,在无外部晶体以及ADC的设计方面,都继续发挥了已有优势。Mike Salas认为,竞争对手在MCU开发过程中可能更注重闪存和RAM等等,而Silicon Labs的独特之处在混合信号的处理和集成方面,Precision32系列产品的模拟外设具有全温度和电压(低至1.8V)范围内的额定特性。 MCU产品策略解读 在众多MCU厂商纷纷推出基于ARM Cortex-M4的产品时,SiliconLabs为何仍对Cortex-M3情有独钟?跳过16位MCU,直接推出32位产品,又是出于怎样的考虑? Mike Salas表示,经过深入的市场调查,Silicon Labs认为Cortex-M3的市场并未饱和,仍有大量的发展空间,从这一内核起步会是一个不错的选择。而之所以跳过16位的产品,主要是因为Silicon Labs在8位MCU时代已推出一些能够与16位MCU相媲美的高性能产品,因此不再着重开发16位产品,而是在32位MCU领域抢占更多市场机会,通过8位与32位共同发展的策略来布局MCU市场。Mike Salas说:“混合信号的整合和处理一直是Silicon Labs创新的重中之重,包括在混合信号处理方面的遥感器、无线的控制器等等。我们会在多方面实现创新,不光是在内核处理方面,还有低功耗、高功效的外设集成。

    时间:2018-04-18 关键词: CPU ARM 嵌入式开发 系统设计

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