电路设计开发流程范文

导语：如何才能写好一篇电路设计开发流程，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：集成电路设计；版图；CMOS

作者简介：毛剑波（1970-），男，江苏句容人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，副教授；汪涛（1981-），男，河南商城人，合肥工业大学电子科学与应用物理学院，讲师。（安徽?合肥?230009）

基金项目：本文系安徽省高校教研项目（项目编号：20100115）、省级特色专业项目（项目编号：20100062）的研究成果。

中图分类号：G642?????文献标识码：A?????文章编号：1007-0079（2012）23-0052-02

集成电路（Integrated Circuit）产业是典型的知识密集型、技术密集型、资本密集和人才密集型的高科技产业，是关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业，是新一代信息技术产业发展的核心和关键，对其他产业的发展具有巨大的支撑作用。经过30多年的发展，我国集成电路产业已初步形成了设计、芯片制造和封测三业并举的发展格局，产业链基本形成。但与国际先进水平相比，我国集成电路产业还存在发展基础较为薄弱、企业科技创新和自我发展能力不强、应用开发水平急待提高、产业链有待完善等问题。在集成电路产业中，集成电路设计是整个产业的龙头和灵魂。而我国集成电路设计产业的发展远滞后于计算机与通信产业，集成电路设计人才严重匮乏，已成为制约行业发展的瓶颈。因此，培养大量高水平的集成电路设计人才，是当前集成电路产业发展中一个亟待解决的问题，也是高校微电子等相关专业改革和发展的机遇和挑战。[1-4]

一、集成电路版图设计软件平台

为了满足新形势下集成电路人才培养和科学研究的需要，合肥工业大学（以下简称“我校”）从2005年起借助于大学计划，和美国Mentor Graphics公司、Xilinx公司、Altera公司、华大电子等公司合作建立了EDA实验室，配备了ModelSim、IC Station、Calibre、Xilinx ISE、Quartus II、九天Zeni设计系统等EDA软件。我校相继开设了与集成电路设计密切相关的本科课程，如集成电路设计基础、模拟集成电路设计、集成电路版图设计与验证、超大规模集成电路设计、ASIC设计方法、硬件描述语言等。同时对课程体系进行了修订，注意相关课程之间相互衔接，关键内容不遗漏，突出集成电路设计能力的培养，通过对课程内容的精选、重组和充实，结合实验教学环节的开展，构成了系统的集成电路设计教学过程。[5，6]

集成电路设计从实现方法上可以分为三种：全定制（full custom）、半定制（Semi-custom）和基于FPGA/CPLD可编程器件设计。全定制集成电路设计，特别是其后端的版图设计，涵盖了微电子学、电路理论、计算机图形学等诸多学科的基础理论，这是微电子学专业的办学重要特色和人才培养重点方向，目的是给本科专业学生打下坚实的设计理论基础。

在集成电路版图设计的教学中，采用的是中电华大电子设计公司设计开发的九天EDA软件系统（Zeni EDA System），这是中国唯一的具有自主知识产权的EDA工具软件。该软件与国际上流行的EDA系统兼容，支持百万门级的集成电路设计规模，可进行国际通用的标准数据格式转换，它的某些功能如版图编辑、验证等已经与国际产品相当甚至更优，已经在商业化的集成电路设计公司以及东南大学等国内二十多所高校中得到了应用，特别是在模拟和高速集成电路的设计中发挥了强大的功能，并成功开发出了许多实用的集成电路芯片。

九天EDA软件系统包括ZeniDM（Design Management）设计管理器，ZeniSE（Schematic Editor）原理图编辑器，ZeniPDT（physical design tool）版图编辑工具，ZeniVERI（Physical Design Verification Tools）版图验证工具，ZeniHDRC（Hierarchical Design Rules Check）层次版图设计规则检查工具，ZeniPE（Parasitic Parameter Extraction）寄生参数提取工具，ZeniSI（Signal Integrity）信号完整性分析工具等几个主要模块，实现了从集成电路电路原理图到版图的整个设计流程。

二、集成电路版图设计的教学目标

根据培养目标结合九天EDA软件的功能特点，在本科生三年级下半学期开设了为期一周的以九天EDA软件为工具的集成电路版图设计课程。

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文文介绍了单片机控制的电动机Y-启动电路设计，该设计是一个以弱电控制强电的设计，有多方面的功能，为智能控制和精确控制电动机的启动提供了合理有效的解决方案。本文对系统的各个环节进行了详细的阐述，并论述了各环节中的硬件电路设计，针对软件设计与硬件的综合调试进行了全面的分析，以实现弱点控制强电为目的，并通过独立式键盘对电动机的启动进行调控，该设计经过调试和检测，实现了设计任务的各种指标。

【关键词】单片机 电动机启动 电路设计

在我们生活中的各个领域随处可见单机片的踪迹：计算机网络通信与数据传输、各种智能IC卡、轿车的安全系统、摄影机、飞机上的各种控制仪表，甚至电子宠物和程控玩具，都离不开单片机的应用。在工业中，电动机的星三角启动的应用十分广泛，随着技术自动化的普及，工业中也出现了很多自动机器，人们将原本需要人来控制的电动机启动的工作交给了单片机，不仅防止了很多意外的发生，同时也提高了电动机的生产效率。

1 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路的总体设计任务和选择

首先要设计一个单片机控制的电动机Y-Δ启动，设置3秒钟的启动时间，并通过按键设置电动机Y-Δ进行操作运行和终止。该设计的基本要求和主要内容有：控制器要采用STC89C52RC单机片；电动机的选择要用三相异步电动机；正5V电源需要选用LM7805三端不可调节的稳压集成器来实现；在弱电控制强电模块中选用DC5V继电器；在电动机运行模块中要采用220V的交流接触器；显示模块要用两位级联共阴数码管；设置模块需要通过独立式键盘来进行设置和调控；指示模块需选用不同颜色的发光二极管进行指示操控。

根据上述任务设计的要求，经分析探讨，基于单片机定时器系统的设计中包括的内容有：电源模块、定时模块、控制器模块、显示模块、设置模块以及指示模块。

2 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中系统各环节的硬件电路设计

2.1 电源模块电路

该设计通过+5V直流电压来供电，一般来说，直流稳压电源的组成部分有电源变压器、整流滤波电路和稳压电路。电源变压器是把交流电网中220V的电压转换成为比所需要的值，交流电压经过整流电路变为脉动的直流电压，因为脉动的直流电压中含有大幅度的纹波，当电网电压波动、温度和负载发生变化时稳压电路能够继续保持直流电压的稳定，选用输出电压为+5V的三端集成稳压器LM7805，变压器会将电网220V的电压转为+9V，通过发光二极管桥式整流之后，送入LM7805的输入端。

2.2 复位和晶振电路

单片机在平时复位端电平是0，单片机复位主要通过按键高电平复位，该设计中的复位电路既能用于操作复位，也能实现上电复位。通电时，电极两端可看做短路，RESET端电压逐渐下降，也就是低电平，此时单片机开始工作。LED发光二极管在复位电路中主要用来指示电路电源是否安全接通，晶振电路采用的是外部无源晶振，晶振值选用12MHz，两个谐振电容取值为30PF。

2.3 弱电控制强电电路

电气触头可通过电流，可以把强电接触器的线圈直接接在弱电继电器触头上，如果弱电继电器触头可通过电流，可在其上加一个中间继电器以控制强电。

2.4 电动机运行模块电路

电动机的电源通断可以通过单片机控制的接触器主触头加以控制，同时电机的星型启动三角运行的效果可由单片机的定时来转换。

2.5 电路设置

设置电路的过程中，电路可通过独立式键盘的设置和调控加以控制，采用P2口作为独立式键盘的行线，在这里不必加上拉电阻。

2.6 电路指示

此设计主要采用发光二极管作为指示灯，将发光二极管接在接口处，当两端的电压差超出自身导通压降时就会开始工作，此时的电流要满足电流和电压的要求，并与发光二极管的电流相适应，二极管才可以正常发光。在发光二极管的连接处接入一个电阻，此电阻能够通过对二极管图电流的限制以减小耗损。该设计在+5V的电压作用下采用510欧对电阻进行限流，二极管会在不超出单片机的最大限流的前提下正常工作。

3 单片机控制的电动机Y-Δ启动电路中的软件设计

3.1 系统主程序流程

系统设计的整个过程在系统主程序流程中的具体表现如下：

首先，可以对系统进行初始化，包括地址的常量定义、初始化单片机各端口、资源分配、初始化电动机的启动时间和定时器、设置推栈指针等。其次，能够调用启动时间处理程序，电动机的启动时间为十六进制数，存储在数据缓冲区中，如果要显示出数码管，就要进行十进制进行区分，并且每一位都存在不同的单元。最后，可以调用启动时间以显示程序，在显示程序当中，要对显示的数值进行灭0处理，当启动的时间十位是0的话，将不显示该位，以降低阅读差错。先控制数码管的位码，选中要点亮的数码管，此时将显示出段码。

3.2 程序设计和软件调试

程序流程图设计好之后就可以根据流程图编写程序了，该设计采用汇编语言编写，经调试，能够实现设计任务的要求。软件的调试通过应用KEIL软件和ISIS软件仿真电路进行操作和控制，应用KEIL软件调试后会生成HEX文件，先对设计中的各个环节进行调试，再对主程序进行调试，最后将各部分程序连接起来进行整体调试。

4 结论

综上所述，本设计开发了一种适用于人们的生产生活的，在单片机的基础上控制电动机星三角启动的定时装置。同时，对系统的各个环节进行了详细的阐述和分析，论述了各环节中的硬件电路设计，针对软件设计与硬件的综合调试进行了全面的分析，以实现弱点控制强电为目的，并通过独立式键盘对电动机的启动进行调控，该设计经过调试和检测，实现了设计任务的各种指标。

参考文献

[1]陆闯.一体化便携式高频逆变空气等离子切割机的研制[D].北京：北京工业大学，2013.

[2]郭庆.异步电动机直接转矩开环控制研究[D].陕西：西安科技大学，2013.

[3]黄开.基于AVR单片机的柜式空气净化器控制系统设计与研究[D].安徽：合肥工业大学，2013.

[4]孙爱如.基于单片机控制的三级式恒功率金卤灯电子镇流器[D].广东：华南理工大学，2012.

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关键词：汽车；自动空调控制系统；设计分析

引言

近年来，汽车市场消费呈现逐渐增长的趋势，消费者也越来越看重汽车的整体性能，要求尽可能的改善汽车的驾驶环境，提高驾车体验。汽车空调，作为汽车的一个关键舒适功能件，其当前的主要调控方式为手动控制和少量自动控制，总体上检测性不高，控制效果较差。针对这一问题，必须要强化对汽车自动空调控制系统的设计和开发力度，实现汽车自动空调控制系统性能的最优化。

1 汽车自动空调控制系统的基本构成分析

本研究中汽车自动空调控制系统的控制核心为PIC单片机，包括人机交互、执行驱动、传感器及控制芯片四个单元，在控制芯片和CAN总线的作用下，控制系统的执行驱动单元、传感器能够有效的联系起来。

同传统的汽车空调控制系统相比，研制的汽车自动空调控制系统一方面具有手动控制的功能，另一方面还应该具备良好的自动调控性能。当汽车自动空调控制系统处在自动调控的情况下，系统内部的传感器能够对汽车内/外部温度、光照强度、车内湿度、蒸发器及发动机水温等状况进行实时性的监测，综合把握多方面的状况，根据周围环境各项参数，对汽车内部的温度环境进行优化调整[1]。此外，当汽车内含有较多的有害物质或人工设置的温度状况与实际状况不统一时，在控制系统芯片的作用下，借助驱动单元能够使各个机构高效的运行，将相关参数一一呈现在汽车自动空调控制系统的显示面板中，便于更好的了解和掌握自动空调控制系统的实际状况。

2 汽车自动空调控制系统的硬件设计

2.1 温度检测电路设计

本研究中汽车自动空调控制系统的温度传感器动包括五路，分别发挥对车内部、外部温度进行实时性的采集，对发动机温度进行采集，对蒸发器温度进行采集的功能，除了发动机温度采集电路系统之外，其他的温度传感器电路相一致。由瑞士盛思锐企业所提供的SHT11系列贴片型温湿度传感器是温度监测电路的关键构成，该电路中设置的温湿度传感器为建立在CMOSensTM技术基础上的单片全校准温湿度传感器。汽车自动空调控制系统的温度检测电路可以将数字量通过直接的方式输出，聚合体湿度敏感、温度敏感两大元件共同构成了温度检测电路的芯片，前者为电容式，能够使湿度转变为电信号，而后者应用的原料为能带隙材料，电信号通过温度转化而来[2]。

在设计控制系统温度检测电路的过程中，在微弱电荷信号放大器的作用下，可以对电信号进行放大处理，之后利用模数转换器（14位）进行进一步的操作，最后到达单片机同步串口。

2.2 控制芯片设计

汽车自动空调控制系统中的控制芯片为pic18f2480-iso单片机，在接收由传感器传送的信号后，对其进行处理和有效的转化，生成操控系统部件的控制信号，对系统执行机构进行相应的控制，例如：新风、混合或模式风门，为系统控制功能的实现奠定坚实的基础[3]。自动空调控制电路中使用的单片机主要涵盖模数转换通道（分辨率为10位，共十三路）、可编程定时器/计数器（8位一个，16位3个）及输入捕捉/输出比较/脉宽调制模块（两路）。

2.3 鼓风机控制电路设计

鼓风机控制电路也是汽车自动空调控制系统设计的重要部分，该电路中使用的是直流鼓风电机，在实际调控风量的过程中，需要通过调节直流电机转速的方式来实现。本研究对电机运行转速进行控制的主要途径就是脉宽调制，脉宽调制信号能够从芯片脉冲宽度调制端口获取，该信号具有占空比可调的特点，直流电机正反转和调速军利用L298N进行调控，将电机的风速控制在有效的范围内。

2.4 空气质量检测电路设计

设计空气质量检测电路时，为了最大限度的降低车内有害物质对用户健康的损害，需要严格的监测有害气体的含量是否超出了标准的规定，并及时性的通风，增大空气的更换率[4]。可以应用新型的三电极体系电化学气体传感器，根据相应电阻数值的大小对二氧化碳、一氧化碳及碳氢化合物、氮氧化物等气体含量进行测试，提高空气的质量。

2.5 风门驱动控制电路设计

在系统风门驱动控制电路中，可以通过开关调节混合风门的方式，实现冷、热风比例的最优化，从而使用户设置的温度参数与实际状况相符，保证输出合理的温度。直流电机是混合风门的主要运行动力，该执行机构包括除霜、吹脚除霜、吹脚/头等多个档位，能够调整成内/外循环、百分之三十新风等新风风门档。电机位置信号信息可以被芯片所获得，如果电机实际状况同设置规定不符，会通过SH-2043芯片的控制指令做出相应的调整。

3 汽车自动空调控制系统的软件设计及测试结果

通过C语言编写程序对汽车自动空调控制系统进行开发设计，使得系统软件的后期升级操作简便化，方便进行调试，且可读性良好。汽车自动空调控制系统的关键控制程序分为以下几个部分：控制鼓风机、控制风门、检测参数/按键和初始化等。完成初始化操作后，系统要先对车内部和外部的温度进行检测，得到有关风门、蒸发器等部件的温度信息，对按键值进行扫描操作[5]。如果用户与实际的参数数据不同，需要应用到鼓风机、风门的调节子程序，使执行机构进行有效的运行。在制冷情况下，对控制系统进行测试，表明本研究中的控制系统能够对汽车内部的温度进行高效的调控。

综上所述，基于PIC单片机基础上的汽车自动空调控制系统具有良好的性能，通过相应的设计开发方案，可以保障系统的实用性，有效的提高了系统的整体可靠性，能够实现精细化的调控和管理，提高用户的满意度，获得了较大的效益。

参考文献

[1]周翼翔.基于P87C522单片机的汽车空调控制系统[J].制造业自动化，2009（8）：151-153.

[2]吴健，侯文，郑宾.基于STC89C52单片机的温度控制系统[J].电脑知识与技术，2011，7（2）：902-903.

[3]宁成军，张江霞.基于Proteus和Keil接口的单片机硬件电路仿真[J].现代电子技术，2006，29（18）：142-143.

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在系列产品开发过程中与企业进行项目合作,同行业一线专家一起进行技术开发,并共同进行课程开发和实验室建设,建立工厂化的专业实习实训基地;借助项目合作企业的连锁经营或者特许经营,所有学生自己制作的产品经检验合格后,都可以通过合作企业正式对外销售,达到产学合作的目的。从系统论角度研究,将人才培养系统设计分为顶层设计、中间层设计、底层设计三个部分。

1.1顶层设计—系统的结构设计

系统的结构设计可以设计为:信息采集、信息统计和人才培养方案设计的组织和实施部门为教务处,而实施部门为教学系部;课程标准设计的组织部门为教学系部,实施部门为相应教研室;课程教案设计与执行的组织部门为教研室,实施部门为教师,共同组成了教学系统。

1.2中间层设计—人才培养方案与课程体系设计

课程体系设计采用目标模式的任务分解的设计方法。基于目标模式的任务分解课程体系设计方法,目标分解然后具体化为任务,任务分解然后具体化为核心课程。这样来实现由宏观到微观,由抽象到具体的人才培养方案或课程体系设计过程。目标的实现要体现在具体任务的完成中,所以任务是目标的具体化。而任务的实现要体现到具体课程实现中,所以课程又是任务的具体化,如此完成课程体系的构造。实现目标的任务可以是不同的,这体现了异曲同工之效,因此就可在不同学校的同一个专业,通过任务设计的不同而体现各自的特色。人才培养方案设计中,总目标是提高运用知识解决实际问题的能力。该目标分解为基础能力目标、专业能力目标和社会能力目标。通过“系列产品(项目)驱动”、“校企合作、订单培养”等方式着重培养学生的专业能力;将社团、勤工助学、创业孵化基地等活动融入到社会能力课程模块,引导学生把情商相关理论知识用于实际过程,实现学生情商的提升,促进社会能力的培养;通过组织基础能力课程竞赛,将竞赛项目融入到课程教学全过程的方式,提高学生基础能力。这里的系列产品(项目)在具体设计时应该具有如下五个特点:①是在相关专业领域具有知识的综合性、可持续的技术先进性和一定竞争力的产品或项目;②具有完整的服务和使用功能且在关键部件上最好有自主知识产权;③通过一定的努力、协同和教师的指导,学生可以在三年内完成;④在设计、制作或开发上不需要投入过多资金;⑤在一定时间内具有良好的商业价值和市场前景。

1.3底层设计—课程标准设计

其主要的设计思路是:课程目标是教学生完成一个与课程相关的实际项目或任务。课程的组织是按照实际的项目或任务完成时的操作过程进行逐层的任务分解,以此构成有任务分解逻辑关系的实践系统,在此基础上,确定完成每个最底层的子项目或子任务需要的知识。这种设计保证了实践内容的系统性和完整性,而知识是根据最底层的子项目或子任务的需要确定的,它可能是不完整的或不系统的。

2产品或项目驱动描述

基于“无线传感网络控制模块系列产品”的开发流程,按照工程实际工作过程将开发流程分解成需求分析与系统设计、模块电路设计、PCB设计与制作、模块焊接安装调试、通信建模、模块控制与调试、开发应用等工序。然后将完成每一道工序的任务所需的技术和相关理论,设计一门或两门核心课程,并根据教育的规律,从基础到高级技能、从模块到综合系统安排教学内容。

2.1产品或项目的使用说明

1)系列产品概述。“无线传感网络控制模块”主要分为三个部分:控制模块、RF无线电发射模块和RF无线电接收模块,通过USB接口从计算机下载控制程序,利用串、并行的方式来发送数据信息、机器人控制信息及其他信息,从而实现远程无线遥控。

2)使用说明。以机器人为例,“无线传感网络控制模块”可以直接连接在控制板部分,机器人通过接口与RF无线模块通讯,使用RF无线模块发送数据就像通过串口发送数据一样,在一个简单的通信协议下可以实现多个机器人间的数据通信,组成无线传输网络。这样两个或更多的机器人在一起可以共享数据信息,如传感器信息,位置信息等,可以使多个机器人协同工作。RF信号的覆盖范围可达150米,这样便可通过无线传输网络实现远程机器人的控制。

2.2产品或项目的设计开发流程

“无线传感网络控制模块”系列产品,运用电路分析与设计技术、单片机技术、接口技术、传感与检测技术、通信技术、C语言编程技术、电子制板技术、生产工艺与品质管理技术,在通信技术专业生产领域具有知识的综合性,在技术上具有可持续的先进性和一定竞争力,有着良好的商业价值和市场前景。需求与功能分析,系统概要设计阶段:根据市场调研进行需求分析,产生需求规格说明书;根据需求分析进行可行性分析,产生可行性分析报告;由此进行确定产品的主要功能,根据产品功能需求对产品进行系统概要设计,建立系统的体系结构、进行模块划分,产生系统概要设计说明书;编写项目进度,进行项目管理。主要技术及相关理论知识:资料搜集与分析、项目管理技术、技术文档编辑规范等。模块电路设计阶段需对模块功能进行可行 性分析,据此设计电路,再根据工程计算结果、工程经验以及参考文献与技术手册选用合适的元器件,最后利用常用电子线路仿真软件对电路进行仿真,直至仿真结果满足功能需求。该阶段所需的技术与理论知识有:功能与可行性分析、元器件识别与选用、电路设计与仿真、文献查阅技术、电子线路知识、工程计算知识、电机控制知识。PCB设计与制作阶段需使用CAD软件进行电路的原理图绘制与PCB版图设计,若仿真结果正确,则输出PCB文件,根据PCB文件进行印制电路板的制作。该阶段所需的技术与理论知识有:CAD软件安装与使用、印制电路板制作设备的使用、计算机辅助设计方法与常用元器件库相关知识。模块焊接按照调试阶段需根据电路需要选购元器件,再进行电路的焊接,最后进行电路的硬件调试。该阶段所需的技术与理论知识有:电子产品制造技术、电子产品测量技术、电子产品调试技术、电子产品生产工艺知识、常用电子仪器仪表与电子产品焊装基本知识。模块控制与调试阶段需要对做好的模块电路进行控制程序的编写、编译、下载与调试。该阶段所需的技术与理论知识包括:单片机的C语言编程技术、编译与下载软件使用、软件调试工具的使用、单片机与接口技术等相关知识。通信建模主要构建无线通信传输模型,根据协议确定传输模式,进行编码算法设计。该阶段所需的技术与理论知识包括:信号与系统、通信协议、传输模式、软件调试工具的使用等相关知识。模块开发应用阶段需对整机电路功能进行分析,再根据功能进行编码算法设计、最后进行整机装配与调试,具体要求如下:(1)整机功能分析:根据需求规格说明书进行可行性分析,系统

架构设计、功能模块设计,并完成各部分相应文档的编写。该部分主要包括整机电路功能可行性分析、整机电路设计等方面的内容。(2)源代码开发与下载:是对系统功能的实现,主要进行程序的编码、算法实现、功能测试。为实现系统的功能此阶段所需的知识为:C语言程序设计、单片机应用技术、传感与检测技术等。(3)整机装配与调试:系统测试阶段主要是针对前段编码设计阶段模块单元测试和集成测试。测试所需的理论知识和技术为:测试计划、测试工具、整机电路装配与调试测试文档的编写、测试过程管理等。

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关键词：雨水井清掏机;STC89C52;遥控器

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.21.101

1 引言

国内雨水井的疏通一直沿用人工清掏的方式，一般应用大铁勺、铁铲等手工工具，也有采用一些较先进的手工清掏工具，如污泥铲、污泥钳等，但人工清掏工作效率低、劳动强度大。本文在清掏机械手机械设计及主控制器的基础上，进一步研究一种遥控装置，解决雨水井场地狭小，人员操作效率低和质量差等问题，提高使用的方便性。

2 机械手整体结构与控制方案

本文设计的清掏机机械结构采用铰链式方案，通过液压缸控制杆式铰链结构动作，以提高工作效率，它将清掏机安装于可转动的底座上，其转动的控制可以通过手动进行，也可使用液压缸对底座进行控制;由升降缸、伸缩缸组合控制抓斗的位置，抓斗升降缸控制抓取装置延井口上下移动，夹紧放松缸控制抓取机构动作，以实现清掏作业。因此，该设备至少需要使用5个电磁液压阀才可完成对各动作进行液动控制。控制方案中，定位、转动等采用手动助力控制，抓斗升降与抓取动作可采用手动和自动两种控制模式。

操作人员采用无线遥控方式，通过手持遥控器对机械手的动作进行控制，其中，抓取机构的上下运动和抓取动作需要配有点动或自动运行模式，其他为点动控制。遥控器上电后与主控部分进行通信对接，如果对接成功则相应的指示灯亮，遥控器的数码管上显示初始值，此时，可对设备进行相应的控制，也可对设备的相关参数进行设置。遥控器控制系统结构框图如图1所示：

3 控制器无线通信方式与协议

手持器采用带有休眠功能的JZ891微功率无线数传模块进行手持机与主机之间的数据传输，这样可有效延长工作时间;主控机采用不带休眠功能的数传模块。

JZ881数传模块是高集成度的微功率半双工的无线数传模块，其采用高性能射频芯片及高速单片机，模块提供8个频道，工作频率470-510MHz、传输距离1500米（1200bps）、GFSK 的调制方式、透明传输方式、内置看门狗，以保长期可靠运行、UART/TTL、RS232、RS485接口、方便、灵活的软件编程、超大的512bytes数据缓冲区、适合内置式的安装。本设计采用休眠模式的3V供电模块，电压为直流2.7-3.3V，通上电源，模块处于休眠状态，必须由用户控制模块的唤醒脚，模块才可进行收发数据。在软件设计时还增加校验校验检错模式，以便对错误资料重发，提高数据传输的安全性与可靠性。协议为两字节数据。

4 控制系统的硬件设计

4.1 CPU及存储器的确定

采用了STC公司生产的型号STC89LE54RD的单片机为摇控制设备的控制核心，工作电压3V。沿用了经典的MCS-51内核，较于传统的51单片机综合性能高，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。本系统选用11.0592MHz的晶体振荡器、12分频时，机器周期为1us。由于STC89C52芯片内部无能够在关电后继续存储数据的存储器，本文选用了能够在1.8V～6V范围进行擦写的存储器24C02作为设置与运行过程数据的存储。

4.2 数传模块引脚定义及硬件联接

JZ881 模块有J1 接口座，共有6 个引脚，与单片机联接关系定义如表1：

4.3 显示电路设计

选用了4位共阳LED数码管作为显示设备，采用动态显示方式驱动LED数码管。数码管的A-G引脚经过限流电阻与P0端口相连接。P0端口的功能是输出显示数据。P1端口的任务是选择数码管，具体由P1.0、P1.1、P1.2和P1.3控制。由于位控制的电流消耗较大，每位需选用一个PNP三极管驱动连接在数码管的两个公共端。当某位引脚为低电位，相对应的数码管会显示出端口的数据。

4.4 按键电路设计

遥控器按键需要有下降，上升，夹紧，放松，臂升，臂降六个操键，保存，+1，-1三个设置键和取消，设置，单周，自动四个功能键;本设计中，采用复用键模式，将电路设计为六个控制键和三个功能键共九个键，使用P3.2、P3.3、P3.4与P3.5、P3.6、P3.7组成矩阵键盘电路，用以检测，自带上拉电阻。

5 手持器的软件设计

5.1 手持器工作要求

打开电源开关，如控制板上电，测可实现与手持板握手，正常发送灯亮，否则错误发送灯亮;复位按键使程序初始化，并发出停止命令;上电后默认在控制状态，即下降，上升，夹紧，放松，臂升，臂降均处于手动点动控制状态，即按对应按键，控制板上的对应继电器动作;如在控制状态下按单周自动，则设备动作顺序为：下降-放松-下降-夹紧-提升-放松-夹紧;按设置键，设备进入单周自动运行的各时间段的时间设置模式。从1-4分别为：下降时间，上升时间，夹紧时间，移动时间依次增循环选择，按一次设置增1，到4后回1，在设置过程中，按下取消键，直接返回到控制状态;例如下降时间的设置：按设置键，尾数为7时为下降时间设置，此时读出原来的下降时间值，在此基础上，通过+1，-1键增减到所设定的值（差值为1秒）。此时，如按保存键则保存设置值并进入下一个参数，直到4个参数设置完成，即在显示6时，按下保存后进入控制状态，结束设置过程;如按取消键则不保存直接进入控制状态，结束设置过程;在设置状态下，被设置的那个参数通过数码管和下方的指示灯均有显示;开关接通后两分钟内没有操作，设备进入休眠状态，此时电源灯亮，如需操作，需先按一下复位键让设备重新开始运行。

5.2 手持器主程序流程

手持器主程序流程为上电后，首先对器件进行初始化操作，即完成寄存器初始值设定、部件初始化等系统配置;读取存储器的的设置数据，并配置。随后发送全停命令，以便与主机握手;随后可进行设制与控制，并将数据值转换为相应BCD码送至显示模块，在LED数码显示管上完成对数值的显示;采用查询方式对键盘进行扫描，通过按键控制向主控制器发送命令控制主机动作。

6 控制系统调试

系统调试包括硬件、软件调试两大部分，其目的是为了及时发现系统设计中的错误和不完善的地方，对其加以修改，以实现系统的正常运作。两台或多台881模块要进行通讯，则各台模块的频率和空中速率必须一致。模块与用户设备要进行通讯，则模块和用户设定的串口参数必须一致。在本设计的软件的编程过程，先使用调试助手对控制器的简单功能进行测试，完成后与主控制器联机调试，并对设备的性能进行进一步的改进，直到成功。

参考文献：

[1]梁景凯，盖玉先.机电一体化技术与设计[M].机械工业出版社，2014.

[2]李梦红，李捍东.基于STC89C52单片机的无线遥控小车设计[J].自动化与仪器仪表，2015（06）.

篇6

关键词：数模一体机；中频解调；模块化设计

引言

数模一体机可以同时接收模拟和数字广播电视信号。笔者参与研发的数模一体机采用晨星半导体公司解码芯片MSD209为核心，不需要外接机顶盒，只需要一条电视天线输入就可以同时接收数字和模拟电视信号。由于解码芯片内部包括对模拟和数字信号的解码，解码芯片的集成度比较高，元件比较少，机器操作界面简单明了。下面介绍该一体机的整机结构设计思路，希望对今后设计数模一体化液晶电视机有一定借鉴。

整机电路结构设计

整机电路设计

整机电路结构如图1所示。整机具有高清Full HD超薄LED背光显示屏，能够实现4：3和16：9信号自动识别功能；符合节能标准，待机功率小于1W；感应按键，自由操控，科技时尚；动态Gamma控制、肤色调整、黑电平延伸等，使图像层次分明、色彩鲜艳、时刻保持清晰视像：能够接收模拟信号制式和数字信号制式；内置数字多媒体播放器，可支持H.264、MPEG4等多种音视频格式。该机型具有3路AV输入，2路YPbPr输入，1路VGA输入，3路HDMI输入，2路USB输入，1路AV输出，1路耳机输出。伴音功放采用晨星半导体公司MSH9000，伴音功率8W×2：DDR采用512Mbit 2片：FLASH采用4Mbit；HDMI切换IC采用3选l通道设计的IC。

中频解调设计

模拟中频解调设计

电视机接收到模拟电视信号经过数模一体化高频头将模拟高频信号转换为模拟中频信号，再分别经过图像和伴音声表面波滤波器后，将信号输入模拟中频解调芯片，进行图像和伴音解调，经中频放大器分离出模拟CVBS全电视信号。

对于不同地区的模拟信号，通过数模一体化高频头转换为模拟中频信号频率也不相同，PAL／SECAM制式的模拟中频信号频率为38／38.9MHz，NTSC制式的模拟中频信号频率为45.75MHz。设计不同地区的数模一体机时，将图像和伴音声表面波滤波器，以及模拟中频解调芯片更换成与PAL／SECAM／NTSC制式相对应的元件，这大大减少了开发时间，提高了工作效率。

数字中频解调设计

电视机接收到数字信号经过数模一体化高频头将数字高频信号转换为数字中频信号，输入到数字中频解调芯片内，进行子带解调、取样率变换、整形和校正后，输出并行TS数字码流，如图2、图3所示。

对于不同地区的数字信号，通过数模一体化高频头转换为数字中频信号频率也不相同、ATSC制式的数字中频信号频率为44MHz，DVB-T制式的数字中频信号频率为45.75MHz。设计不同地区的数模一体机时，将数字中频解调芯片更换成与ATSC／DVB-T制式相对应的解调芯片。

解码模块设计

数字中频信号TS流经过视频缓存控制器后，通过解量化器、运动矢量算法设计，数字解码，最终得到10bit数字RGB信号。数字解码部分，由于数字信号的不同，解码方式也不相同，数字解码形式有MPGE2、MPEG4、H.264、AC3等，通过软件切换调用，实现不同数字信号的解码，如图4、图5所示。

为了支持PC和视频两路输入，芯片内设有一个3路10bit高精密视频ADC，上限可达165MHz；支持HDMI1.3的高速信号输入；多制式3D视频解码器，用于NTSC、PAL、SECAM制式；HDTV同步分离器、运动自适应解交织引擎：用以消除抖动效应的新型扫描变换装置SRC；内设USB单端主控器，适应USB2.0版本格式；另外，最终实现10bit LVDS全高清信号输出到LED液晶显示屏。

伴音模块设计

从MSD209输出1V音频信号，经过AZ4558音频放大器提升3.3倍后，输出给MSH9000，再经过功放放大，经过喇叭产生声音，如图6。

其中R1／R2=3.3、R3／R4=3.3，是左右声道音频放大器的放大倍数，MSH9000的放大倍数通过软件(软件接口为G0，G1)调节，从15db到31db，分四级。

MSH9000有两个音频声道，每个通道均可提供10w输出功率，芯片内的音频功放运行在D类工作状态，所以功放的功率很高，即使在播放音乐时，也不必使用散热器，其输出能与80hm阻抗的扬声器匹配。MSH9000还能有效抑制咔咔声和劈啪声，即使在低功率1W输出的条件下，也能播放高品质的音乐，其失真度THD小于1％。

整机软件设计

整机软件开发是基于8051内嵌MCU硬件架构体系，利用PC开发平台进行设计和开发。为了使系统软件更易于为人们所理解、设计、开发、测试和维护，整个软件开发采用模块化思想进行设计开发。整个软件的运行基于时间驱动，调用相应模块函数、实现各种电视接收、图像和声音处理以及显示等功能、架构见图7，流程见图8。

篇7

关键词：轨道车辆装备；控制系统；综合实践

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）12-0122-03

2012年国家基于提高工程技术人才竞争力的需求，提出了《卓越工程师》培养体系，本校轨道车辆专业由于之前的悠久历史、行业领先的业绩有幸首批入选该体系中。

综合实践课程是培养卓越工程师的非常重要的环节与手段，故此轨道车辆专业在教学培养计划上增加了轨道车辆装备综合实践、轨道车辆控制系统综合实践、轨道车辆测试技术综合实践、轨道车辆设计综合实践、轨道车辆制造与修理综合实践等实践性教学环节。轨道车辆技术的发展在近些年突飞猛进，技术更新非常快，以前的实验设备、实验规程均不能很好地满足综合实践的要求，因此_发适用的综合实践课程内容、研发适用的综合实践设备是摆在轨道车辆实验室面前的非常重要而紧迫的任务[1]。2015年学院自行开发的一套完整的、在最大程度上保证实验原理高度一致的基于网络控制技术的现代轨道车辆综合实验平台系统已经投入使用，并已经完成了2012级轨道车辆专业学生《轨道车辆装备综合实践》（16学时）、《轨道车辆控制综合实践》（16学时）的教学任务，通过实践教学，学生的动手能力、编程能力、对元器件及设备的认知都有了很大的提高[2]。

一、轨道车辆装备与控制系统综合实践的目的

在此实践训练中需要综合应用课堂所学基本理论和技术，应用平时实验已掌握的软硬件的基本设计、调试的方法，完成一个综合了多种设计技术、具有一定实用背景的应用系统的设计。通过这一设计过程，使学生熟悉和掌握轨道车辆装备与控制系统应用系统设计的基本方法，加深对课堂所学理论知识的理解，进一步提高学生的实践动手能力。

二、轨道车辆装备与控制系统综合实践的要求

1.基本要求。学生应在实践环节中完成一个轨道车辆装备应用系统的方案设计、软硬件系统设计与制作，系统功能综合调试，提交设计报告并完成系统功能演示。

2.阶段任务与要求。（1）选题。学生自由组合成设计小组，选择本实践环节中给出的基本题目作为小组设计题目。（2）方案设计。学生围绕小组的题目检索收集资料，进行调研，提出系统总体方案设计，选择最优方案。（3）软硬件系统设计与调试。总体方案确定后，设计完成硬件电路原理图，设计并连接好硬件系统。设计完成软件程序流程，并编写出相应的程序。完成软硬件系统的联机调试，实现选题的设计功能。（4）设计报告的编写。学生根据本小组的题目及设计过程撰写综合实践报告，陈述设计思想和系统工作原理，剖析解决问题的方案、方法，画出系统电路原理图、程序流程图；写出调试结果及分析；附参考文献。（5）答辩及演示。答辩内容应包括所设计题目的基本任务要求，系统总体方案设计，软硬件系统综合设计与调试，系统功能演示、总结。

三、备选的工作任务

根据轨道车辆装备与控制系统的基本组成模块，设计了五项任务，并制作综合试验箱，准备了相关的元器件、PC机及开发环境、数据采集卡等，学生可以自行选择任一任务来完成。

1.空调器致冷/致热转换控制实践[3]。（1）实践目的。①掌握半导体致冷器、电磁继电器、固态继电器的工作原理及应用方法。②掌握PLC或通用数据采集器数字I/O输出程序设计原理及半导体致冷器的致冷/致热转换控制实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②实验用到的半导体致冷器、散热片、散热风扇、电磁继电器、固态继电器、接线端子、面包板、导线。③PLC或通用数据采集器一个。（3）综合实践要求。本综合实践的内容为设计、搭建一能够根据用户操作进行空调器致冷/致热功能转换的控制装置。该控制装置要求如下[4]：①打开空调器的同时，必须打开通风机的开关，如通风机未打开，则空调器不能运行。②打开通风机时可以不必使空调器投入运行。③设置一转换开关，可由用户进行操作进行空调器致冷/致热/通风功能转换，根据空调器性能的要求，在从致冷工况向致热工况或致热工况向致冷工况转换时在两个工况之间必须自动加入若干时间的延时，以保护设备。④根据空调致冷/致热转换控制系统要求设计相关的控制电路图。（4）步骤。①仔细阅读实践要求，并依照要求进行电路设计。②按照已经完成的电路图对电路板进行联接。③编写程序，按照实验要求对系统进行调试。（5）实践报告。①写出实践内容及要求；②画出程序流程图；③写出程序清单，并加以注释；④写出程序执行结果及调试过程。（6）系统电路图（参考）。

2.供电网缺相故障检测断电控制实践。（1）实践目的。①掌握三相供电网缺相检测工作原理及对应处理方法；②掌握PLC或通用数据采集器数字I/O输入、输出程序设计原理及缺相检测编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器一个、课程设计实验电路板一块。③三相变压器（无中性线）、整流模块、滤波电容、手动开关等。（3）实践要求。本实践的内容为设计一个能够在三相供电系统中有某一相掉电时辨识缺失的相位信息并同步断电的装置。该装置要求如下：①在三相供电系统中无中性线，任意相掉电，检测装置应能够检测出掉电的相位信息并同步断电。②根据缺相检测控制系统要求设计相关的控制电路图。（4）系统电路图（参考）。

3.设备供电线路接地故障检测实践。（1）实践目的。①掌握设备供电线路接地故障检测工作原理及对应处理方法。②掌握PLC或通用数据采集器数字I/O输入、输出程序设计原理及电路电流平衡检测控制实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器。③三相变压器（无中性线）、整流模块、滤波电容、手动开关、直流漏电流传感器。（3）实践要求。①本实践的内容为设计一个能够在三相供电系统中有某一相供电线路故障接地时实时检测信息并同步断电的装置。该装置要求如下：能够在无漏电的情况下，无论电流多大，漏电指示装置无动作，用电设备的供电线路出现大于10mA漏电的情况下，迅速给出漏电信息并切断供电线路的装置。②根据供电线路故障接地检测控制系统要求设计相关的控制电路图。（4）系统电路图（参考）。

4.直流电动机调速控制实践。（1）实践目的。①掌握直流电动机调速控制工作原理。②掌握PLC或通用数据采集器模拟输出程序设计原理与实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器。③直流电源与PWM调压电源模块/变频器、直流电机、测速电机、继电器。（3）实践要求。①本实践的内容为设计、搭建一个能够通过控制软件与相关硬件组成的调速控制系统来对直流电动机进行开环调速控制[5]。该装置要求如下：通过软/硬操作面板上的控制开关可对电动机进行起停进行控制，通过软/硬操作面板上的{速旋钮可对电动机的转速进行控制。②根据电机调速控制系统要求设计相关的控制电路图。

5.轨道车辆温度自动测试系统综合实践。（1）实践目的。①掌握温度测试系统工作原理。②掌握PLC或通用数据采集器采集模拟输入程序设计原理与实验编程。（2）配备设备。①PC机一台。②PLC或通用数据采集器。③24V稳压电源、PT-100温度传感器、温度变送器（4―20mA恒流输出）、终端电阻，控制器（PLC或通用数据采集器）、半导体变温系统、标准温度表。（3）实践要求。①本实践的内容为设计、搭建一以PT-100温度传感器为基础的自动温度测试系统。系统要求如下：轴承的温度测量范围设定在0℃―100℃之间，车内温度的测量范围设定在0℃―50℃之间，车外温度测量范围设定在-50℃―50℃之间，在显示界面上显示当前测量温度，测量数据以每5秒钟的间隔存入硬盘，数据格式包括通道号（位置）、测量时间、测量数据（数据格式为电子报表格式，需对原始数据进行修正）。②根据温度测试系统要求设计相关的测试电路图。

2014、2015年完成的综合实践课程已取得了良好的效果，学生对于系统的构建、软硬件知识和应用都有了很大的提高，一部分学生对应用系统的开发产生了浓厚的兴趣，综合实践课程取得了良好的效果。

在总结经验的基础上，2016年对综合实践的硬件准备又进行了系统化的改进，设计开发并制作了更为完善的综合实训设备作为实践课程的基础，学生可根据自己所选任务方向、小组所确定的方案设计自行选择硬件模块和备选元器件，来搭建自己的硬件环境。2016年14级轨道车辆在校生将会使用更为完善的教学设备完成综合实践课程，综合实践会成为培养卓越工程师的有效而有趣的课程。

参考文献：

[1]宋瑞刚，杨检，方宇.城市轨道车辆电力牵引实验台测控系统设计[J].传感器与微系统，2012，31（9）：90-95.

[2]刘志明.霍凯轨道车辆控制实验与实践教程[M].北京：科学出版社，2016.

[3]杨琳.列车空调实验台监控系统[J].工业控制计算机，2004，17（4）：23-24.

篇8

【关键词】信号完整性 传输线 反射 串扰 仿真

随着材料、制作工艺等技术的飞速发展，应用处理器的运行速度越来越高，信号上升时间也是越来越快，这导致传输线的一些特性对电路的影响越来越突出，引发了反射、串扰、同步切换噪声、延迟等信号完整性问题。确保信号完整成为高速电路设计成功的关键，因此对高速电路进行有效的、准确的信号完整性分析与仿真变得至关重要。

1 信号完整性问题及解决措施

1.1 信号完整性概述

反射和串扰是引起信号完整性问题主要的两个方面，而它们都与传输线的特征阻抗密切相关，下面先从传输线概念及其特征阻抗展开讨论。

1.2 传输线及其特征阻抗

传输线是指电路中具有一定长度并组成电路回路的两个导体连接线，这两个导体，一个用来发送信号，另一个用来接收信号，或称为信号返回路径。

传输线的特征阻抗可通过下式（1）计算：

因为电容和电导的阻抗很大，式中电流I可以忽略不计，所以式（1）可以简化为：

（2）

如果频率比较低，可以省去上式虚部，那么特征阻抗可简化为：

（3）

如果频率比较高，可以省去式（2）中的实部，则特征阻抗简化为：

（4）

所以从式（3）和（4）可以看出特征阻抗如果在频率很低的情况下，就相当于导体的电阻，频率很高的情况下要考虑导体的电感和电容，所以这是为什么我们一般在高速电路中才会去考虑阻抗匹配的问题，在高速电路中阻抗的作用才会特别突出的表现出来，由上面分析可知，特征阻抗与信号工作频率、传输线上电阻、电感、电容、电导等参数有关，而与信号大小和传输线长度无关。传输线的重点之处是于在整个线路中要保持其特征阻抗连续或为一恒定值，这样的传输线才符合高速电路的要求。

在PCB中，常见的传输线有两种：一种是微带线，另一种是带状线。微带线和带状线的特征阻抗分别可用式（5）和式（6）计算：

（5）

（6）

其中，w代表传输信号导体的宽度，t代表传输信号导体的厚度，h传输信号导体与信号返回路径之间绝缘介质材料的厚度，εr表示该材料的介电常数。

2 信号完整性问题及其分类

信号完整性表现为电路中实际测得的信号波形与想象中的波形不一样，存在一些差异或失真，具体是指信号从驱动端出发沿着传输线传输到达接收端后其波形的完整程度。如果信号到达接收端后其波形在大小幅度上，在时序上，在保持时间上都符合要求，那就说明信号比较完整，反过来就说明电路可能存在信号完整性问题。信号完整性的主要问题表现在反射、串扰、同步切换噪声、延迟等几个方面，下面重点介绍反射和串扰。

2.1 反射（Reflection）

反射是指信号在传输线上传输时，当遇到的传输线特征阻抗有变化，比如：不连续，或者其与信号的源端阻抗、负载阻抗不匹配，信号就会在这个变化节点处产生反弹现象，从而导致信号波形变形，超过或达不到标准电平的情况发生，这一情况包括：过冲、下冲及振铃等现象。这种情况发生以后很容易造成器件的损坏，降低信号的噪声容限，增加了信号的稳定时间，影响系统时序。

为更好的说明反射原理，在传输线模型中加入信号源和负载，如图1所示，信号源自身含有内阻R0，传输线L的特征阻抗用Z0表示，RL代表负载，A点是传输线的源端，B点是传输线的负载端，VA是源端电压，VB是负载端电压。

如图1所示，如果RL≠Z0，即负载阻抗与传输线特征阻抗不相等时，那么信号在B点将会产生反射现象，这里用ρL表示反射的程度，它是反射电压与入射电压的比值，见下式（7）：

（7）

很明显，-1≤ρL≤+1。如果负载RL等于传输线特征阻抗Z0，那么ρL=0，这就表示没有反射现象产生。如果负载RL小于传输线特征阻抗Z0，那么ρL0，反射形成的反弹回波方向与源信号方向相同，也就是源信号中的一部分能量不能完全被传递或吸收，会反弹回源端，信号的幅度比源信号的大，出现过冲现象。

2.2 串扰（Cross Talk）

串扰是指信号在传输线上传播时，因由电磁耦合对临近传输线产生的不期望的电压噪声干扰。理论上，一个电路板中的任意两条线之间在有信号传输的情况下都会有这种串扰发生，但实际上还要看两者的距离以及相互位置关系，距离越远，串扰越小，一般重点考察相邻的信号线。两条相邻信号线，一条是信号源驱动线，把它叫做干扰线（Aggressor），另外一条是扰的信号线，把它叫做受害线（Victim）。因为信号源是从源端驱动到负载端，这里把距离源端较近的受害线的一端叫做近端，并把其所受的串扰值称作NEXT，把距离源端较远的受害线的一端叫做远端，并把其所受的串扰值称作FEXT。传输线间的电磁耦合分为两种，一种是感性耦合，另一种是容性耦合。

近端串扰系数NEXT取决于互感和互容，由下式决定：

（8）

远端串扰系数FEXT表示远端噪声电压与信号电压的比值，如式（9）：

（9）

式（8）和式（9）中， Vb为受害线后向电压噪声，Va为干扰线信号电压，kb是近端耦合系数CmL、LmL为单位长度的互容和互感，CL、LL为单位长度的电容和电感，Vf为受害线上的远端电压，Len是耦合的长度，RT为信号上升时间，kf是远端耦合系数，v为信号传播的速率。

2.3 信号完整性问题的解决方法

（1）反射的抑制方法。抑制反射一是要针对不同元器件的特点及其信号频率属性等因素选择合适的拓扑结构，另外一个是在布线时采用相应的端接匹配方式，常用的阻抗端接匹配根据端接位置可分为两种：一种是源端匹配，另一种是终端匹配。源端匹配包括串联匹配，终端匹配包括并联匹配，戴维南匹配，并行RC匹配和肖特基二极管匹配等，但究竟哪些拓扑结构和端接匹配方式是最优的？这需要进行实际仿真分析得到。

（2）串扰的减小方法。串扰的影响与信号线之间的间距成反比，与耦合长度成正比，即间距越小，串扰值越大，耦合长度越大，串扰值越大，所以要减小串扰可以扩大信号线之间的间距，以及缩短信号线之间的耦合长度。

相邻信号线之间的信号流向也是影响串扰的一个重要因素，方向相同时的串扰值要远远大于电流方向相反的串扰值。因此，在设计过程中，应避免高速信号在相邻叠层走线的方向平行，在同一层尽量避免相邻信号流向相同。

3 基于i.MX51的仿真与分析

3.1 硬件平台介绍

本文所采用的硬件平台是一款多媒体控制终端的核心部分。本核心板CPU采用的是基于ARM Cortex-A8内核的Freescale i.MX51，主频800MHz，内存芯片采用日本ELPIDA公司所产的EDE1116AE8G-6E-F，单片容量为1Gbits，规格是64M×16bits。因为i.MX51应用处理器支持标准的DDR2，位宽为32位，时钟为200MHz，工作电压为1.8V，所以本核心板采用4片，组成128M×32bits存储系统，即总512MB内存。此板属于一款典型的高速电路，其PCB设计方法与设计流程对于高速PCB板的设计实现具有一定的代表性。

本核心板框图如图2所示。

虽然i.MX51主频为800MHz，但这只是在CPU内部，而在CPU外部的最高频率是i.MX51到DDR2的时钟频率200MHz，这是由i.MX51所决定的，所以在仿真分析时要以200MHz的频率为准。

3.2 仿真环境和模型

SpecctraQuest/SigXplorer是Cadence公司为高速系统设计开发的仿真分析工具。开发工程师可以运用它以及相应的IBIS模型在布线前和布线后提取PCB中信号拓扑结构，对信号的时序，完整性，EMI等相关内容进行优化设计，在参数设置环境中，可以根据不同要求，调整如线宽，线距，信号延时，阻抗，耦合长度，过孔等物理及电气特性参数。

IBIS（Input/Output Buffer Information Specification）模型是一种定义输入/输出缓冲器I-V和V-T响应的一种模型，目的是提供一种集成电路制造商到EDA软件厂商再到设计工程师之间相互交换电子元件仿真数据的标准格式。IBIS模型不仅是某个特定的输入、输出缓冲器而是以元件为中心，它允许模拟整个元件。

3.3仿真设计与分析

3.3.1反射分析

以DDR2的时钟信号DRAM_SCLK为例进行反射分析，图3是DRAM_SCLK的拓扑结构。

图4是源端匹配电阻为0欧和33欧时，U15（DDR2）引脚J8的波形图。

如图4所示，红色线表示信号源端U10（CPU）引脚T3上的波形，即DRAM_SCLK信号，蓝色线表示负载端U15引脚J8上的波形，可以看出不加匹配电阻，即匹配电阻为0时，信号源端和负载端的波形很不好，有比较严重的振铃现象，但加入匹配电阻33Ω以后源端和负载端的波形明显改善很多，较之没有匹配时波形单调而且平滑。随着匹配电阻阻值的增加，波形越来越平滑，但由于受到端接电阻的影响，不可避免有些损耗以及分压作用，所以输出端信号的噪声容限有所降低。在综合考虑波形与噪声容限的情况下，选择33欧的电阻既可以减少反射现象，噪声容限也不低。

3.3.2 串扰分析

如图5是CPU与DDR2之间的数据线串扰模型，耦合的线长设定为1000mil，中间的一条TRACE2是受害线，上面和下面的TRACEl和TRACE3是干扰线。

输出端IO1和受害线输入端U15（DDR2）引脚C2的仿真波形见图6右边，可以看出U15的C2引脚上串扰值有331.362mV。显然这是不符合要求的。

信号线之间的间距以及耦合的长度是影响串扰的两个大的因素，由于板子空间和CPU、DDR2封装上的限制，不可能让间距很大，板子预设线间距为6mil，因此只能从耦合长度上考虑去寻找解决办法。

将耦合长度设定为400mil，仿真后得到的串扰波形如图6左边所示。可以看出，U15的C2引脚上的串扰值为172.378mV，已低于最高电平1.8V的10%，满足电平判断的要求。这就是表示在布线时，线间距为6mil的耦合线其耦合长度应小于400mil。当然在布线空间允许的区域，仍然要保证线间距足够宽，一般为2倍于线宽，这时的串扰影响将非常小。

4 结束语

通过对i.MX51核心板的仿真分析与设计，对比了采用和未采用信号完整性分析设计的情况，发现在成本和所耗费时间上，未采用信号完整性分析设计是采用信号完整性分析设计的3-4倍。本文所完成的工作对于基于信号完整性分析的高速PCB设计方法具有较好的借鉴作用，通过这种方法可以有效提高设计效率，加快开发周期，节省产品成本，具有一定的社会价值与实际意义。

参考文献

[1]李琳琳.高速数字电路设计与信号完整性分析[D].西安：西安电子科技大学，2009.

[2]Douglas Brooks著， 刘雷波，赵岩译，信号完整性问题和印制电路板设计[M].北京机械工业出版社，2005.

[3]Eric Bogatin著，李玉山，李丽平等译，信号完整性分析[M].北京：电子工业出版社，2005.

[4]Stephen H.Hall， Garrett W.Hall， James A McCall. High-Speed Digital System Design： a Handbook of Interconnect Theory and Design Practices[M]，John Wiley Sons.Inc，2000.

[5]周博远，于立新，褚军舰，IBIS建模和PCB信号完整性分析[J].微电子学与计算机，2010.

篇9

关键词：温湿度检测；单片机；串行显示；

中图分类号：S611文献标识码： A

引言

温湿度控制仪作为电力变电装置内部环境的监控仪器，它通过与电气柜内部的接口电路相连，能够对其温湿度进行检测并且发出控制命令，避免发生异常情况。由于它的保护功能，使得许多电力企业间接的避免了不少损失。并且温湿度控制仪具有警戒值可调功能，这让维护人员可以根据自己对温湿度的使用要求，随时修改警戒值，在温湿度超出用户的设定值时，控制仪可以自动进行加热或排风控制。电力变电装置一般都是用在高压室内，工作危险，条件艰苦。在采用温湿度控制仪以前，值班人员需不断的对电力装置的状态进行监控，并记下相关数据，工作强度大，而且还有很强的噪音，很容易使值班人员疲劳。采用温湿度控制仪使得“无人值守”变成可能，既提高了工作效率，又减少了人力物力资源。

一、总体方案设计

温湿度控制仪主要由温度信号采集电路、湿度信号采集电路、A/D转换电路、键盘控制电路、数码管显示电路、看门狗复位电路、加热和排风电路、开关电源等组成。工作原理：首先由传感器对温度和湿度进行检测，再经过A/D转换将采样到的数据送到微控制器内部处理，根据算法得到相应的控制量，当欠温度或过湿度时，启动加热元件；当过温度或欠湿度，启动排风元件。原理图如图1所示。

图1温湿度控制仪原理图

二、各单元方案的设计

1、传感器的选择

采用智能型温湿度传感器SHT10,它是一款含有已校准数字信号输出的复合式传感器。它不需要外部A/D转换电路，内部已集成了一个14位的A/D转换器，供电电源仅需要单片机的+5V电源，温度测量范围：-40℃～123.8℃，测量精度：±0.5℃。测湿范围：0%～100%RH，测量精度：±4.5%RH,它采用两线制串行接口和内部基准电压，超低功耗，工作起来稳定可靠，操作方便。

2、微处理器的选择

微处理器采用美国ATMEL公司推出的MCS-51系列单片机AT89S52作为主要器件，它是目前市场上的主流芯片，拥有价格低廉、低功耗、高性能等优点。AT89S52内部资源如下：8K字节在系统可编程Flash，256字节RAM,32个可编程I/O口线，看门狗定时器，3个16位定时器/计数器，8个中断源，一个向量2级中断结构，一个全双工异步串行口。

3、数码管显示模块的设计

在温湿度控制仪设计中，显示部分需要及时的把电力变电装置内部的温湿度信息直观的反映给工作人员，工作人员便可以根据自己的需要来进行相关的操作。考虑到以上因素，在设计时采用MAX7219串行驱动数码管，相对于并行驱动，节省了许多I/O引脚资源，便于以后拓展功能。

4、按键控制模块的设计

本系统的按键总共有4个，分别为温度＋1键，温度－1键，湿度＋1键，湿度－1键，因此键盘电路采用独立式按键设计，每个按键相互独立，一条输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态，适用于按键较少的系统。程序设计有中断法和查询法两种方法，本设计采用查询法，低电平有效。按键直接和AT89S52的I/O相连，通过读I/O口，来判定I/O的电平状态即可识别出按下的键。

5、加热与排风驱动控制模块的设计

采用开关量控制，如继电器、晶闸管双向可控硅等，控温快速，但是双向可控硅驱动电路比较麻烦，调试也麻烦。若用固态继电器（就是把双向可控硅和驱动电路做在一起）价格十分昂贵。本设计采用继电器来控制加热与排风电路，为了避免电感的反向电动势和开关触点对电源的影响，接了一个反向二极管来阻止扰动。

三、温湿度控制仪的硬件设计

1、传感器的接口电路设计

SHT10温湿度传感器采用两线制数字接口，输出的为标准电压信号，可直接跟单片机直接相连。但是在使用过程中，为了避免信号冲突，在单片机把DATA拉低后，需要一个外部的上拉电阻（例如10K欧）将信号拉至高电平。其典型连接图如图2。

图2 传感器连接图

2、按键的接口电路设计

本设计用到4个按键分别链接到单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3，按键程序采用查询法，即检测是否有键按下，若有键按下，则去除按键抖动判断按键号并转入相应的键处理。

4个键定义如下：

P1.0：湿度＋键，按此键湿度警戒值加1。

P1.1：湿度－键，按此键湿度警戒值减1。

P1.2：温度＋键，按此键温度警戒值加1。

P1.3：温度－键，按此键温度警戒值减1。

3、数码管显示电路

采用MAX7219与单片机的P2.3、P2.4、P2.5相连，显示采用两个4位共阴极数码管，分别显示温度的十位和个位、湿度的十位和个位。

4、加热和排风电路的接口设计

继电器在这个设计中作为单片机与加热和排风器件的中转站。当电力变电装置内部温湿度超过警戒值时，单片机发出低电平，控制继电器驱动加热和排风器件。

四、温湿度控制仪的软件设计

1、系统主程序流程图设计

程序启动后，首先对单片机和MAX7219初始化，然后设置温湿度警戒值，在单片机读取传感器发送的温湿度信息后，检测是否有键按下，判断当前的温湿度值是否超过警戒值，若是则单片机控制加热或排风；若不是则将温湿度值显示在数码管上。结束后再返回到读取温湿度子程序，进行下一轮检测，如此程序这样不断地循环下去。流程图如图3。

图3 系统主程序流程图

2、温湿度信号的检测与处理

程序首先由单片机给SHT10发送一个启动信号，SHT10开始采集当前温湿度信息，然后经过A/D转换和温湿度补偿处理，转换为精确数值发送给单片机。本温湿度控制仪采用默认A/D分辨率（温度14位，湿度12位），为了补偿温度传感器的精度以获取准确数值，还需使用如下公式（1）来修正读数。

Temperature=d1+d2.Sot(此为实际温度值) 公式（1）

其中d1参数根据电压进行选择，本设计中给传感器的供电电压5V,所以d1在此选择-40。Sot参数：为采样A/D数据值，温度采样分辨率使用14位d2在此选择0.01。

为了补偿湿度传感器的精度，采用以下公式（2）、公式（3）来修正读数。

RHlinear=C1+C2*SORH+SO2RH公式（2）

RHtrue=(temperature-25)*(T1+T2*SORH)+RHlinear 公式（3）

其中湿度分辨率使用12位在此选择-4，C2选择为0.0405，C3选择-2.8*10-6。

3、按键的检测与处理程序设计

定义4个按键S1、S2、S3和S4的功能分别为湿度+1、湿度-1、温度+1和温度-1。4个按键采用独立键盘，一端连接地，另一端连接单片机，检测按键时，首先把P1端口拉为高电平，当按键按下时，单片机端口返回值为低电平，判断为按键闭合。在该程序的设计中要注意按键的去抖动程序，按键本身是机械开关，由于机械触点的不稳定和电压突变等原因，在触点闭合或者是断开的瞬间会出现电压抖动的情况，所以本设计采用软件延时来躲过抖动时间，待信号稳定后在进行键扫描。

4、数码管显示程序设计

采用MAX7219串行输入驱动数码管显示，显示为温度值，湿度值，温度警戒值，湿度警戒值，只显示十位数据和个位数据，共用8个数码管。

MAX7219的编程主要分为3部分：芯片初始化、数据传送以及送显子程序。初始化程序主要是对MAX7219的显示模式、显示亮度、显示位数等进行初始化；数据传送子程序是根据器件的传送时序编写的子程序，其主要功能是串行传送数据。送显程序的功能是将显示的数值送到MAX7219的数据寄存器里使其显示出来。

5、加热与排风驱动控制程序的设计

首先由单片机来判定温湿度是否越过警戒值，若越过单片机的P2.0、P2.1端口则会发出低电平，继电器常开触点闭合，加热、排风控制电路启动。

6、系统的抗干扰设计

单片机系统的主要干扰源是来自于电源，在工作现场中，由电源而产生的噪声、电压突变、瞬时断电都会对单片机系统产生很大的干扰，为了解决此问题，本设计采用MAX813L看门狗芯片，专门用来对+5V电压进行检测,当+5V电源正常时，RESET为低电平，单片机正常运行；当电源电压降到+4.65V以下时，RESET输出高电平，对单片机进行复位。在程序运行时，CPU不能在1.6s内给出“喂狗”信号，/WDO则由高电平跳变为低电平，二极管导通，RESET输出复位脉冲，单片机复位。

五、结束语

本课题的设计开发工作经过3个月的坚持不懈努力，目前已基本达到规定的技术要求，也通过了最后的硬件和软件调试，得到结论如下：

1、系统的总体设计方案是正确的、可行的。所设计的智能型温湿度控制仪从硬件和软件上都已实现基本功能。从总体设计上分为微处理器模块、温湿度信号采集处理模块、按键控制模块、数码管显示模块和加热与排风驱动控制模块5个部分是合理的。

2、软硬件设计均采用模块化思想，硬件采用“模板连接”方式，每个模板能够执行各自的功能，相互独立互不干扰；软件是把每一个功能子程序做成一模块，硬件中加入了哪个模版，主程序会自动检测新硬件并调用相应的子程序。可见，模块化的设计为系统以后扩张功能提供了方便。

3、系统具有良好的人机界面功能，可让工作人员随时进行方便的操作和修改温湿度的警戒值。

4、智能化控制。当温湿度越过警戒值，系统能够自发进行加热和排风控制，让温湿度趋于正常值。

[1] 冀捐灶，石军勇，杨宝强.一种实用型温湿度控制仪的设计[J]，计算机测量与控制，2004，Vol 7：695～697.

[2] 徐武雄.温箱的温湿度控制系统设计[J]，农机化研究，2007，Vol 12：158～159.

[3] 郭天祥.51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.

篇10

【关键词】旅行箱单片机GSM RFID

随着社会经济和科学技术的发展，以智能化控制技术为基础的智能家居系统已经成为近年来各国在智能领域研究的重点，但是在智能化如此普及的今天，旅行箱的智能化设计却很少，传统的旅行箱已不能满足我们更高层次的需求，因此一款智能的旅行箱应运而生。本旅行箱是基于RFID和GSM无线通信模块，并由手机端软件控制，可实现人机交互。该系统具有以下两种功能：一、及时提醒用户遗漏的物品，例如行李整理完毕后，该系统进行清单核实发现有物品遗漏后，它会通过手机短信对用户进行提醒;二、可进行远端查询，如在用户不能或不方便打开行李箱的情况下，可通过手机终端对该系统发送一条查询指令，箱内物品的清单便会立刻显示在手机上。该系统具有低功耗、实用性好、适用范围性广等特点。此外，该系统可移植性强，可应用于智能家居产品中，具有极大的扩展性和发展前景。

一、系统功能原理

该系统由射频读卡器、GSM通信模块、单片机和电源组成。射频读卡器的作用是读取电子标签的序列码，GSM通信模块的作用是收发信息，单片机则控制其它各模块协调工作，处理信息。其工作流程是：先在手机终端的应用软件中设定所带物品信息，每件物品都对应一个电子标签的序列号，待衣物都放入箱内后，射频读卡器读取放入箱内的电子标签序列号并传送给单片机，然后通过GSM模块，以短信形式发送到手机终端，应用程序自动调取短信内的电子标签信息，并与预设物品对应的序列号进行核对，如能完全匹配则无衣物遗漏，否则有物品遗漏，并提示。当用手机发出查询指令时，箱内的GSM通信模块接收到指令后会将指令传给单片机，然后单片机再调用相关程序和射频读卡器，然后将读卡器读出的电子标签序列码再通过GSM模块发送给手机，然后手机端应用软件会将电子标签序列码对应的物品以清单的形式显示出来。

二、硬件电路设计

硬件部分主要包括射频读卡器、单片机和GSM通信模块GTM900B，其中射频读卡器将读出的电子标签的序列码通过相关接口传至单片机，再经由GSM模块发送至手机终端。

射频读卡器经过USB转TTL串口引出4个引脚，分别为RXD/TXD/VCC/GND，其中RXD/TXD引脚分别与单片机的对应引脚相连，以串行通信方式进行数据的传输。

单片机的p3.0/p3.1脚分别与GTM900的18/19脚（RXDO/TXDO）相连进行数据的传输，高电平有效。GTM900B的数据接口采用串行异步收发，其接口提供标准的UART接口，UART接口的信号除了RXDO/TXDO为高电平有效外，其余均为低电平有效，而且UART接口提供512byte的发送和接收FIFO，支持可编程的数据宽度，数据停止位，奇/偶校验或无校验，UART接口的最大支持速率为115.2kbps，GTM900的1-5脚与电源VCC相连，支持3.3-4.8 V，6-10脚与GND相连，24-29脚与SIM卡相连，此外GTM900可使用AT指令集，并且短消息模式支持TEXT和PDU模式，通过UART接口与外部CPU通信，实现无线传输，并且支持800/900/1800MHZ三频自动选择。具有体积小，质量轻，耗电少等优点。

三、控制电路的软件设计

3.1硬件控制程序工作流程

系统开机，等待短信指令，当接收到来自手机的查询或提醒指令时，单片机会给射频读卡器发送读取指令，读取电子标签的序列码，然后再调取短信发送程序，将返回的序列码通过GSM发送到手机终端

3.2射频数据读取指令

读写器与STC89C52串行通讯，通讯过程由单片机发送命令及参数给读写器，读写器将命令执行结果状态和电子标签UII数据返回给单片机。

3.2.1询问状态

发送十六进制aa020055若成功连接返回aa03000055

若连接失败无返回可能是端口设置不一样或者波特率不一样，模块默认的波特率为57600

3.2.2停止操作

发送十六进制：aa021255确认停止返回aa03120055失败无返回

3.2.3单标签循环识别：

发送十六进制：aa021055返回数据1模块确认收到指令：aa03100155

3.2.4多标签循环识别

发送十六进制：aa03110355返回确认指令aa03110155

3.3 GSM短信发送子程序

在该部分程序中，由主函数调用发送子函数send（），单片机通过串口依次发送相关的AT指令及要发送的信息内容到GSM通信模块，然后由GSM模块发送到指定的手机终端，从而实现信息的传输，部分指令如下

Serial_Init（）;pwon=O;Delay_ms （1000）; pwon=l; Send_command（”AT”）;Send_command（”AT+CMGF=1”）;Send_command（”AT+CMGS=手机号码”）;Send_command（”123”）;Send_Hex（Oxla）;

四、手机应用软件设计

4.1开发及运行环境

JDK7.0.250.17， Eclipse， Android Development Toolkit，Android 2.4及以上

4.2数据库设计

在本地建立Goods.db的数据库，用于存储物品信息，包括物品名称，物品编号及对应的序列码，提示信息等。

4.3软件功能及工作原理

原理：先在手机软件上预先选定箱内需带物品，然后放人物品，物品放入过程结束后，在软件上点击“检查”，软件自动给旅行箱的GSM模块发送检查指令，进入物品核查过程，并对旅行箱的GSM模块返回短信进行提取与解析，读出其中的电子标签序列码，与事先选定的物品所对应的序列码进行核对，检查有无遗漏。若有预选物品没有放入箱内，则会在手机上给出提醒。若需查询箱内物品，则点击“查询”，便自动给旅行箱发送查询指令，并将GSM返回的序列码所对应的物品以清单形式显示出来。

软件主要功能：物品预设、短信指令发送、短信内容提取与解析、数据对比。

五、结束语