简单的电路设计范文

导语：如何才能写好一篇简单的电路设计，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。

篇1

关键词：拉压力；倾斜角；单片机；STC90C5A60S2

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）09-0230-02

Abstract： This design is a fault detection system based on MCU. It uses modular， hierarchical design. It uses the pressure sensor to complete the acquisition of the tower stress. And it uses a tilt angle sensor to measure the tower inclination angle. The measured data contrasts with the original data through the microcontroller STC90C5A60S2. The fault pole number will be sent to the control center through the communication module. The system is simple and stable. The effect is ideal. It has the very high application value.

Key words： tension and pressure； inclination； MCU；STC90C5A60S2

杆塔顶部可用面积小，拉力采集装置放置在杆塔和绝缘子的连接处，通过杆塔和绝缘子的拉力来判断输电线的负载。倾斜角度采集装置放在杆塔顶端的平整位置，来确定杆塔是否倾斜（需给其一个初始角度的允许范围）。通过简单的单片机来完成本次设计，不仅能节省成本，而且效果理想，也是我们设计的一个重点。

1 设计内容

本次设计是依靠拉压力采集模块与倾斜角度采集模块及单片机最小系统来检测杆塔是否发生故障，一旦检测到故障的数据单片机STC90C5A60S2会发出一个关于故障的数字信号，再传输给通信模块SIM900A，发送提醒至控制中心。整个系统由测量部分（包括拉压力采集模块，倾斜角度采集模块），控制系统（单片机最小系统），通信部分（GSM模块）组成。设计图如下：

1.1 电源模块

电源电路的设计对本次设计有非常重要的作用。一般而言，整个系统会由大量的模拟电路和大量的数字电路组成，这两类电路对电源的具体要求是不一样的，往往数字电路会干扰到模拟电路的使用。因此，电源设计除了要有特定的输入、输出电压和输入、输出电流外，还要求能够拥有纹波小、体积小、效率高、噪声低、可靠性高以及一定的抗干扰能力和抗电磁兼容性等特性。

本次电路设计的电源模块选用的是12V输出的直流稳压电源给整个系统供电，之后经过降压模块给传感器，通信设备以及单片机最小系统供电。

1.2拉压力采集模块

QLLY拉压力传感器能输出杆塔的受压力情况，将采集的数据发送给单片机，单片机将数据进行分析，实现不间断的检测。拉压力传感器又称作电阻应变式传感器，是一种能够把物理信号转变成为可测量的电信号输出的装置。S型拉压力传感器通常用在指定的标准称量中，尤其在一些要求高精度的工业称量系统中使用广泛。因为QLLY拉压力传感器的高度可靠性以及密封设计，即使在恶劣环境下仍能长时间连续稳定的工作，所以我们在本次的电路设计中选择了这个传感器。杆塔常年曝晒在阳光下，要求传感器能适应各种气候条件，QLLY拉压力传感器能够很好的解决这个问题。同时此传感器的输出端有屏蔽信号干扰的作用，是测量更加准确。QLLY拉压力传感器连接到BSQ-2变送器进行模拟信号的放大。BSQ-2变送器的工作电压是12V，能产生10V的激励电压供给QLLY拉压力传感器供电，把QLLY拉压力传感器采集到的mV级的信号放大到V级，之后传输给单片机。

1.3 倾斜角度采集模块

ADXL335传感器是一种高精度、低功耗及单一的IC芯片加速度传感器，其电压在1.8V至3.6V之间，在C55°C 到125°C温度范围内，采用5×5×2 mm的LCC的封装。具有质量轻巧的特点，本产品PCB模块尺寸仅22mm×23mm。ADXL335传感器能够将杆塔相比于垂直情况的倾斜情况即时发送给单片机，如果倾斜角度与设定的角度偏差较大时，单片机通过通信模块将故障杆塔编号发送至终端。

1.4 通信模块

SIM900A模块是一款采用SMT封装，其体积更为小巧的GSM/GPRS模块，采用ARM926EJ-S架构，性能强大，可以内置客户应用程序，性能强大可靠。其GPRS模块，是以移动数据的形式完成信息的传输，对于网络信号不好的地方，会造成数据传输的失败，不能使用GPRS功能。所以我们选择以GSM模块来完成单片机与终端的数据传输，在终端会显示具体哪个杆塔出现问题，从而派工作人员前往事故现场，处理问题。

1.5 最小系统

最小系统选用的单片机型号为：STC90C5A60S2。这款单片机本生具有高速的运转，高可靠的性能、功耗低、抗静电、抗干扰能力强等优点，传统的8051的指令代码完全适用于这款单片机，但这款的反应速度更快，工作电压为3.5-5.5V，工作频率为0-35MHz，有自带的A/D装换，10位精度的ADC，能够减少硬件的使用，简化电路的硬件设计，使电路的体积更加小巧，轻便。

1.6 软件设计

整个设计的完成是依靠硬件电路与软件程序的配合，通过对硬件电路的定型使软件程序也一并确定下来了。整个软件程序是包括主程序和子程序两部分。主程序是完成对硬件电路的初始化的设置，子程序来完成其他模块的调用等功能。

我们在主程序中，完成了对QLLY拉压力传感器、ADXL335传感器的初始化设置，同时通过传感器输出信号经过单片机的处理通过SIM900A模块发送至控制中心。主程序模块框图如下：

2 结束语

本此设计是用来实现通过单片机来完成杆塔的故障检测控制的设计，在检测过程中是通过QLLY拉压力传感器，ADXL335传感器采集杆塔受力和倾斜角度，以单片机STC90C5A60S2为核心控制部件，并通过SIM900A模块实现和终端的数据传输。我们此次的设计实现了对单片机在杆塔监控中的应用，能够在其他方面进行更好的推广。

参考文献：

[1] 但小容， 陈轩恕， 刘飞. 智能复合杆塔倾角监测系统[J]. 2011（2）.

[2] 杨洪磊， 梁仕斌， 李川， 苗雪鹏， 昌明. 基于FBG的电力杆塔倾角传感器研究[J]. 2013（3）.

篇2

摘 要 国省干线一级收费公路的建设和还贷由于主体不同，在财务核算特别是还贷资金的核算上很难对接，如果衔接不好，极易出现“两张皮”现象，本文主要从建设单位和还贷单位（收费站）建设期和营运期债务和还贷的财务核算入手，在各节点上建立了一一对应的关系，使收费公路的债务余额在两个核算主体的财务账面上都能对应并明确地反映出来。

关键词 应收生产单位投资借款 债务本金 营运期利息

为了拉动内需，国家陆续出台了刺激经济发展的多项政策，其中对基础设施建设的投入是重中之重，公路交通作为主导产业，在国民经济中占有很大的比重。为了响应国家的政策号召，山西省委省政府果断决策提出在2012年底高速公路里程已突破5000公里的基础上，2013年再新建续建高速公路685公里，完成投资230亿元，续建改建国省干线公路500公里，完成投资40亿元。这些项目的开工建设，需要大量的资金，除去国家投入的资本金外，按照75%的银行贷款比例计算仅2013年新建续建的高速公路和国省干线公路就需筹措银行贷款202.5亿元。为了圆满完成工程建设目标，省交通运输厅多渠道筹集建设资金，除去资本金外，金融机构贷款仍是主要的资金来源。

目前，山西省高速公路建设经营和管理均实行公司化运作，项目建设前期成立建管处，建成后由高速公路公司运营管理，独立核算。而国省干线公路则在建设前通常由各公路建设单位成立专门的项目部对工程进行全方位的管理，工程建设资金由项目部财务单独建账，独立核算。如该项目按照收费还贷公路建设，则项目竣工经省政府批准后设立收费站收费还贷，收费站会计业务由各站单独核算。由于收费站和建设单位执行不同的会计制度，加之不在一套财务账中核算，如果在账务处理中不能很好的对接，极易形成账务与实际“两张皮”的现象。笔者根据实际工作中积累的经验，并参阅有关书籍，对国省干线公路建设单位和收费站财务对接的会计处理谈几点粗浅看法。

一、建设单位的会计处理

1、当收费公路工程建设项目竣工验收后，及时做好竣工财务决算工作，凭社会中介机构出具的竣工决算审计报告，做结转“交付使用资产”的会计分录：

借：交付使用资产

贷：建筑安装工程投资

其他投资

待摊投资

2、根据工程项目资金来源，按照项目资本金和贷款金额，做核销“交付使用资产”的会计分录：

①、核销资本金和基建拨款时：

借：基建拨款

项目资本

贷：交付使用资产

②、核销基建投资借款时：

借：应收生产单位投资借款

贷：交付使用资产

《建设单位会计制度》中规定，核销基建投资借款时，还有一个过渡科目“待冲基建支出”，规定核销基建投资借款时借：应收生产单位投资借款，贷：待冲基建支出，下年初资金转销时再借：待冲基建支出，贷：交付使用资产。至此，基建拨款和项目资本等这些无偿的资金来源已完成了建设使命，退出建设单位。

③、当工程竣工通车，收费站建成后，使用通行费收入返还款拨付建设单位还贷资金时：

借：银行存款

贷：应收生产单位投资借款

④、当建设单位用通行费拨款偿还银行贷款时：

借：基建投资借款-本金

贷：银行存款

⑤、当工程竣工验收，建设单位根据银行出具的营运期贷款利息单时：

借：应收生产单位投资借款

贷：基建投资借款-利息

当收到通行费拨付还贷资金和建设单位偿还贷款时，分别做以上第③和第④会计分录，无特殊原因，“应收生产单位投资借款”和“基建投资借款”科目记录的金额应当一致，当两科目的余额同时转为零时，表明该建设项目的所有债务已经还清。

二、收费站的会计处理

1、当公路通车收费站成立后，初始建账时，应按照建设单位项目竣工决算时银行贷款做如下会计分录，其金额应和建设单位“应收生产单位投资借款”相一致：

借：其他应收款-应收公路建设资金

贷：其他应付款-**公路建设欠款

2、按照规定，收费站作为收费还贷公路的还贷主体，理应承担偿还贷款的责任和义务，但根据目前收费站会计处理的一贯做法，通行费返回的还贷资金不通过收费站而直接拨付到建设单位偿还银行贷款，但需通知收费站列报还贷支出，当建设单位收到上级部门返还用于偿还贷款的通行费收入时应通知收费站做如下会计分录：

借：通行费支出-还贷

贷：上级拨入通行费

同时：

借：其他应付款-**公路建设欠款

贷：其他应收款-应收公路建设资金

3、年末，依据上级部门下达的通行费支出还贷计划，对实际还贷金额做出调整，当实际还贷大于计划还贷金额时，把超支金额做挂账处理，待以后年度核销，当实际还贷小于计划还贷时，做预提处理。

4、收到建设单位通知支付营运期贷款利息时：

借：其他应收款-应收公路建设资金

贷：其他应付款-**公路建设欠款

5、根据实际路况，如利用贷款资金对收费路段进行路面大修时，工程建设项目部财务根据工程竣工决算审计报告编制财务决算，并按照实际完成的投资金额通知收费站做增加债务余额的会计处理：

借：其他应收款-应收公路建设资金

贷：其他应付款-**公路路面大修建设欠款

当收费站账面记录“其他应收款-应收公路建设资金”与“其他应付款-**公路建设欠款”和“其他应付款-**公路路面大修建设欠款”科目金额同时转为零时，表明该条公路原始债务和后续债务已全部还清，收费站的使命已经完成，应予以撤销。

三、其他特殊事项的会计处理

在实际工作当中，为了减轻利息负担，有的单位会用自有资金垫资提前偿还贷款本息，账面记录的银行贷款虽已偿还完毕，但并不能减少该项目的债务余额，收费站应继续收费，直至通行费收入返还款还清垫资款才能撤销。还有一种情况当收费站通行费收入状况不好，未能完成上级部门下达的收入预算时，为了按照和贷款银行签订的贷款合同期限按时偿还贷款本息，建设单位需用其他银行的贷款资金（或自有资金）代为偿还借款，这属于借新债还旧债，也不能减少该项目的债务余额，下面对这两种情况下建设单位的会计处理说明如下：

1、当建设单位用借款或自有资金代为偿还银行贷款本息时：

借：基建投资借款

贷：其他应付款-垫资还贷

篇3

关键词：数字逻辑；VerilogHDL；FPGA；EDA；教学改革

中图分类号：TP302 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）35-0177-02

The teaching reform and practice of digital logic taking verilogHDL as the key points

ZHAO Tian-xiang， HE Jin-zhi

（Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473000， China）

Abstract：Aiming at the backward methods and old content in the traditional digital logic course， the reform and practice of the digital logic teaching with VerilogHDL and FPGA as the key points are carried out， and the new teaching mode of the experiment drive is discussed. Not only make the students come into contact with the latest digital circuit design method， but also make it have a wide range of application prospects of the new skills. The students in the completion of this course， can really do the design， application.

Key words： Digital logic； VerilogHDL； FPGA； EDA； teaching reform

承担《数字逻辑》这门课两个学期了，我发现传统的教学内容已经不适合现在社会的发展，并对此进行了教学内容的改革。在传统的教学内容中，逻辑表达式、真值表和波形图等这些老旧的数字电路设计方法，是教学的重点。而CPLD、FPGA和VHDL、VerilogHDL等现代化的数字电路设计方法仅仅是一个简单的介绍。这样的数字逻辑课程学完后，学生仅仅是对数字电路的设计有所了解，至于设计是无从谈起的，现在用逻辑表达式、真值表和波形图等去设计一个数字电路简直是可笑的。于是，我决定把基于VerilogHDL和FPGA的现代化的设计方法作为教学的重点，这样使学生学完这门课程后，真正能做设计，做应用。

1 VerilogHDL简单易学

VerilogHDL是一种硬件描述语言，使用这种语言只需要把我们想设计的数字电路的功能或结构描述出来，然后由计算机辅助电路设计软件综合出实际可用的数字电路出来。完全不用像传统的设计方法那样，用逻辑表达式或真值表那样一个逻辑门一个逻辑门的去设计。传统的设计方法，费时费力，在门数比较少的时候还可以。但在现在动辄数亿门的集成电路设计中几乎是不可能的。使用计算机辅助电路设计软件进行数字电路设计是时展的必然。

使用计算机辅助电路设计件进行数字电路设计就必须要用硬件描述语言，现在主流的硬件描述语言主要有两种，一种是VHDL，一种是VerilogHDL。VerilogHDL的风格非常接近计算机软件语言中的C语言，因此VerilogHDL比前者更容易被计算机专业的学生接受和理解。VerilogHDL和VHDL都是IEEE标准，功能和性能上没有太大的差异，在国内使用Verilog HDL的用户也比较多，因此我决定以VerilogHDL作为这门课的编程语言。VerilogHDL在语法，数据类型，控制语句等方面和C语言都有较多的相似性，学过C语言的计算机专业的学生很容易就可以理解和掌握这门语言。

VerilogHDL需要在计算机辅助电路设计软件中使用，现在这种软件已经非常成熟。我们使用的是Altera公司开发的Quartus II软件，Altera公司是世界第二大FPGA厂商，其产品在国内有广泛应用。FPGA是现场可编程逻辑阵列，可以通过编程变成我们想要的任意电路。我们用VerilogHDL做出设计，由Quartus II综合出电路，如图1所示。然后下载到FPGA，由FPGA实现验证，最后由半导体企业生产出来使用。也可以直接使用FPGA，使用FPGA和使用专用芯片几乎没什么差别。

图1 Quartus II综合VerilogHDL设计生成的电路原理图

2 实验驱动的教学模式

我在教学中采用实验驱动的教学模式，即通过大量可验证的实验，逐步把知识传授给学生。在传统的教学模式中，教师往往从基本的语法，原理讲起，等语法，原理讲完了，再讲复杂的应用。结果，前期讲理论时，学生觉得非常枯燥，后期讲应用时，前面的理论又忘得差不多了，教学效果不理想。实验驱动的教学模式即把理论教学和应用教学结合起来，穿插起来。前期不纯讲理论，而是以简单的实验，把理论融入实验，一一验证。每一个实验都是一个较为完整的应用，都可以通过软硬件验证，这样可以引发学生的学习兴趣。由简单到复杂，每一次实验都会有一些收获，跨度也不大，逐步深入，而且每一次实验都印证了学科的实用性，增强学生学习的信心和动力。

这些实验可以通过软件或硬件来验证，在Altera公司的Quartus II软件中自带了一个由Mentor Graphics公司为Altera定制的ModelSim-Altera软件。ModelSim-Altera是一个仿真分析软件。VerilogHDL包括分析测试的功能，我们写出的实验例程可以包含一个测试模块。在测试模块中，我们可以通过对输入端口赋值，设置时间点，对实验进行充分的测试验证。在ModelSim-Altera仿真过程中，可以输出虚拟示波器波形，对这些波形进行分析可以查找错误，验证功能。ModelSim-Altera还提供了丰富的系统任务和系统函数帮助我们分析电路功能，可以按时间点输出监控的参数数值。

ModelSim-Altera虽然是一个简单实用的好工具，但仿真还是有一些局限性的。这时候，一块FPGA的开发板就非常重要了。我们写的VerilogHDL设计，下载到FPGA开发板中，以硬件的方式进行验证，亲眼看到，非常有说服力。使用FPGA开发板还可以进行非常实用的应用开发，比如红外遥控、视频编码、VGA输出等。

3 FPGA应用前景广泛

使用VerilogHDL和FPGA不仅使数字电路设计简单方便，而且对于小规模的应用，我们根本就不需要把电路生产出来，直接把设计写入FPGA，直接用FPGA就行了。FPGA相对于单片机等传统控制器，有很多优点。例如：FPGA可以生成任何电路，大大简化了控制器周边的复杂度，一些译码器、编码器等芯片不需要了，降低了成本，提高了可靠度。FPGA纯硬件运行，没有CPU执行延时，响应速度非常快。在一些实时性要求非常高的场合有着传统控制器无法比拟的优势。比如：实时的视频采集，高速运动装置的控制等。

4 结束语

以VerilogHDL和FPGA为重点的数字逻辑课程教学改革，经过我这两个学期的实践，使原本边缘化的一门传统课程，焕发出新的活力。不但使学生接触到最新的数字电路设计方法，而且使学生掌握了一门有广泛应用前景的新技能，为其以后的发展又增添了一条新的选择。今后我将继续在实用化，现代化的教学实践中探索前进。

⒖嘉南祝

[1] 马朝，李颖，杨明.用Verilog-HDL设计数字逻辑系统[J].计算机工程，2015，26（12）：110-112.

[2] 何清平，刘佐濂，江建钧.Verilog语言综合问题研究[J].广州大学学报，2006，5（5）：58-61.

[3] 徐莹隽. 基于开放教学模式的数字逻辑电路实验教学改革[J].电气电子教学学报，2006，28（6）：64-66.

[4] 艾明晶. 基于自动设计方法的数字逻辑课程改革研究与实践[J].实验技术与管理，2012，29（9）：151-154.

[5] 唐志强. 计算机专业数字逻辑实验的改革与创新[J].实验室研究与探索，2013，32（10）：182-183.

[6] 罗杰，康华光. 两种硬件描述语言VHDL/Verilog的发展及其应用[J].电气电子教学学报，2002，24（4）：1-5.

篇4

关键词：集成电路;异步电路;petri网;状态转移图和Petrify

中图分类号：TN710 文献标识码：B 文章编号：1004373X(2008)1601104

Design of Asynchronous Circuit Based on STG and Petrify

XIE Ye

(Electrical College,Jiangsu University,Zhenjiang,212013,China)

Abstract：With the advancement of design technics,the IC system will require asynchronous techniques in the future as the asynchronous method has more advantages than synchronous method.And the research of asynchronous technique is a hotspot.Asynchronous circuit design using Petri net is very effective because of the property of PN.The paper discusses the design of asynchronous circuit based on STG with the help of EDA tool petrify.

Keywords：integrated circuit;asynchronous circuit;petri net;STG and Petrify

1 引 言

随着集成电路技术发展进入深亚微米后，器件尺寸不断缩小，单芯片的集成容量不断扩大，同步集成电路设计将面临着在芯片中出现大量参数变异情况，因此不再能够有效控制时钟网络中的延迟以及其他的一些全局信号。相对于同步电路，异步电路具有以下的一些优良特性：无时钟偏斜、平均性能代替了最差性能、消除了全局时钟问题、良好的移植潜力、良好的环境适应能力以及很强的互斥性等。据国际半导体技术委员会（International Technology Roadmap on Semiconductors）预测,在未来嵌入式系统和片上系统的设计将会越来越多的采用异步技术的设计方法［1］。

异步电路设计方法的研究一直是业界和学术界的一个热点，现在已经提出了多种异步电路设计方法，在这些方法中有不少是采用petri网设计异步电路。因为petri网的一些内在属性使得它非常适合用于描述和分析并发系统，也就异步系统。Petri 网是常用于描述并发系统的一种形式化语言，非常适合表示系统内部事件之间的并发性、选择性和因果性。Petri网具有以下一些特性［2］：

（1） 一种理解简单，使用方便的图形表示法；

（2） 具有强大的模拟功能能够在不同的抽象级对各种异步系统进行行为级描述；

（3） 形式化的运算语法能够保证安全性及验证的正确性；

（4） 能够从网模型直接对电路进行综合。Petri 网已经广泛地用于：设计和描述异步电路、操作系统和分布计算的资源分配、并发程序的分析、性能分析和时序验证以及高级电路设计中。

2 petri网和STG的基本定义［3］

基本Petri网为四元组,N={P,T,F,M0}，其中P={P1,P2,…，Pm}为库所集，T={t1，t2，…，tn}为变迁集，F粒P×T）∪（T×P）为网的流关系，M0：P{0，1}为初始标识。记t={pO（p，t）∈F}为变迁的前置集，t′={pO（t ，p）∈F}为变迁的后置集。PN的库所中可能含有托肯（token），变迁在一定条件下可以激活，若t在标识M下是授权的，则t可激活，变迁激活后产生新的标识M′，记作M［t>M0′。

petri 网是一族相关网模型的总称，它并不是单个和已经精确定义了的模型。通常会根据某些实际应用情况给petri 网加上特定约束。信号转移图（Signal Transition Graph，STG）就属于petri网的一种约束类,STG是常用于描述异步电路行为特性的一类petri网, 它是一种1有界petri 网，只允许简单的输入选择。一个STG是一个三元方程组G=（N，Y，λ），N=（P，E，F，m0）表示的是一个PN；Y是一个非空的二进制信号组，λ：EY×{+，-，～}。y.+（y.-）表示信号y的上升沿（下降沿）（在4相信号中），而y.~表示y的一个信号跳变（在两相信号中）。因此，STG就是一个由二进制跳变标识PN的事件集合。

STG是具有以下这些特性的一类petri 网:

(1) 输入自由选择：多个输入的选择必须只能由互斥输入控制；

(2) 1有界：每个库所中托肯数量不超过1；

(3) 活性：必须保证STG不会进入死锁状态；

描述速度无关电路的一个STG必须具备以下一些特性:

(4) 一致状态赋值：在STG的任何执行过程中某个信号的跳变必须严格的在+和-之间进行；

(5) 持续性：如果某个信号跳变处于使能状态，则必须保证它会激发，即这个信号跳变不会因为别的信号跳变而变成不使能；

要使STG能够进行综合，则还必须具备以下这个特性：

(6) 完全状态编码（CSC）：在STG中不允许2个或2个以上的不同标识具有相同的信号值。否则还必须引入额外的状态变量，使不同的标识对应不同的状态。

3 STG描述电路的基本模块

STG基本可以用于描述各种复杂度异步电路的行为特性，但这些电路一般都是由以下4个基本构造块（fork，join，choice和merge）按照一定的组合方式实现。图1所示的是4个常用的构造块。图2所示的是一些基本门电路的PN模型。

图1 fork,join,choice和merge的Petri网描述常用的一些基本门电路对应的PN模型如图2所示［4］。

图3所示的由fork,join,choice和merge构成的一个PN的例子。从图3中可知，库所P1是一个选择库所（choice），它既可以通过变迁T1把托肯传送到库所P2，P3和P4中去也可以通过变迁T6把托肯传送给库所P9。当托肯传给库所P2，P3和P4后，接着通过变迁T2，T3和T4在分别把其中的托肯传给库所P5，P6和P7,然后一个变迁T5（Join），再把托肯传给库所P8；当迁T6把托肯传送给库所P9后经过T7然后把托肯传给库所P8。再经过一个Merge,经过变迁T8后把P8中的托肯传给P1。

图2 基本门电路的PN模型图3 由基本构造块构成的一个PN模型图3由基本构造块构成的一个PN模型由这些基本模块再加上一些其他的控制单元可以用于描述绝大部分的异步电路。用Petri网对电路进行描述后则可以通过一些相应的综合工具把描述转化成电路实现。

4 通过petrify来实现一个2位缓冲器电路

4.1 STG的综合步骤

对电路的综合是异步电路设计过程中最重要也最为复杂。采用STG描述电路后通过对其进行综合得出电路的实现。综合过程主要由以下几个步骤构成［5］：

（1） 采用STG准确描述电路的行为特性以及它的（虚拟）外部环境。

（2） 检验所得到的STG是否满足以下条件：1有限、一致状态赋值、活性、仅输入自由选择且受控选择、持续性以及完全状态编码（CSC）。

（3） 选择一个实现模块并且计算每个变量所对应的布尔表达式，如果采用的是状态保持元件则相应的要计算置位复位功能的布尔表达式。

（4） 计算出所采用的实现模块的布尔表达式。

（5） 手工修改实现，如通过一个确定的复位信号或初始化信号可以强制使电路进入一个期望的初始状态。

（6） 把设计输入到CAD工具进行仿真且对电路（或者是由电路组成的系统）进行布局布线。

由于要得到电路状态必须要知道电路中所有信号值大小，因此综合过程中的计算就可能会非常复杂，即使是很小的电路其计算量也可能会很大。所以一般都需要采用专门的EDA工具完成这个步骤，在这采用工具Petrify来完成综合过程。

4.2 用Petrify实现一个2位缓冲器

Petrify是一个用于综合有限petri网和逻辑综合异步控制器的设计工具。Petrify主要是可以对petri 网进行操作以及从STGs描述得到综合速度独立 (speedindependent, SI)控制电路，它是一个公开的工具。

petrify可以解释petri网成一个信号转移图(STG),此时事件是用数字信号的上升/下降跳变来表示。从STG开始，Petrify通过状态编码、逻辑综合、逻辑分解和工艺映射到门元件库等几个步骤可以综合成一个电路。在设计过程中还可以对要进行综合的petri网加上一些所需要的特性（如自由选择、惟一选择、纯petri 网和状态机分解等）。Petrify也可以由设计者或工具自动生成的时序假设条件对电路进行综合。

下面将用petrify实现一个简单的电路，用握手协议实现一个2位缓冲器电路。图4所示是这个电路的STG图和输入到petrify中的文本描述。

图4 2位缓冲器电路的STG和文本输入描述把电路的文本描述输入到petrify工具中，对其进行综合。首先petrify会判断STG描述是否满足CSC的条件，即STG中不允许2个或2个以上的不同标识具有相同的信号值。如果不满足这个条件,Petrify会自动的插入一些变量来使解决这个问题。以下所示便是petrify运行后的结果：

\#./petrify/usr/soft/examples_petrify/buf_2.g

State coding conflicts for signal a

State coding conflicts for signal b

The STG has no CSC.

Adding state signal:csc0

State coding conflicts for signal a

State coding conflicts for signal csc0

The STG has no CSC.

Adding state signal:csc1

State coding coflicts for signal a

State coding conflicts for signal csc0

The STG has no CSC.

Adding state signal:csc2

The STG has CSC.

由上可知，这个电路的在综合过程中，petrify首先提示信号a和信号b中出现了状态编码冲突问题，通过插入状态信号变量csc0，csc1和csc2达到CSC的要求。

在综合开始时设计者可以根据自己的需要选择不同电路实现方式：包括使用复杂门实现、标准C元实现和普通C元实现等多种方式。一旦选择了某种实现方式后，Petrify便可得出相应变量的布尔表达式。以下将给出这个2位缓冲器的普通C元实现和复杂门实现这2种方式。

4.2.1 两位缓冲器的普通C元实现方式

C元是异步电路实现的一个最基本的元件，广泛用于异步电路中。它包括普通C元和标准C元等。

\# more buf_2.gcnout.eqn

#EQN file for model buf_2

#Generated by./petrify 4.2(compiled 150ct03 at 3:06 PM)

#Outputs be tween brackets"\"indicate a feedback to input "out"

#Estimated area=27.00

INORDER=a b csc0 csc1 csc2;

OUTORDER=\ \ \ \ \;

\=csc0′ csc2+csc1′;

\=csc0′;

\=csc1 csc2;

\=a csc0′ csc2;

\=b csc1′ csc2;

\=csc2(\+csc0)+csc0\;#mappable onto gC

\=a(\+csc1)+csc1\;#mappable onto gC

\=b(\+csc1)+csc2\;#mappable onto gC

从petrify中得出的结果可以看到各个变量的布尔表达式（［a］=csc0′csc2+csc1′,［b］=csc0′）以及插入的状态变量csc0,csc1和csc2的值，同时还估计出电路的面积为27个单位

4.2.2 两位缓冲器的复杂们实现

复杂门实现是指电路不是由基本的门元件组合来实现而是采用一个复杂门实现。

#EQN file for model buf_2

#Generated by./petrify 4.2(compiled 15Oct03 at 3:06 PM)

#Outputs between brackets"\"indicate a feedback to input "out"

#Estimated ared=14.00

INORDER=a b csc0 csc1 csc2;

OUTORDER=\ \ \ \ \;

\=csc0′ csc2+csc1′;

\=csc0′;

\=csc2(csc0+csc1);

\=a(csc0′ csc2+csc1);

\=b(csc2+csc1′)

可以看出，采用不同的实现方式得出的结果也存在很大的不同，此时电路的中虽然变量a和b的布尔表达式是相同但实现过程完成不一样，而且插入的变量csc0，csc1和csc2的值也与前面那种实现方式不同；还可以看出估计的实现电路面积为14个单位，这大大小于普通C元实现方式。以上所示的是2位缓冲器的2种实现方式，设计者还可以选择其他的实现方式，或者建立自己的元件库，而通过调用元件库中实现电路。以上只是实现一个简单的例子,petrify还可以设计更为复杂的异步电路。

5 结 语

随着集成电路设计的发展，电路的规模越来越大，传统的同步技术将不能满足系统设计的要求，预计未来的系统设计将越来越多地采用异步技术。Petri网由于其内在的特性，非常适合用于异步电路设计的多个步骤中，也必将是异步电路设计方法研究的一个热点方向。

参 考 文 献

［1］Alain J Martin,Mika Nystrom.Asynchronous Techniques for SystemonChip Design［J］.Proceeding of the IEEE,2006,94(6):1 0891 090.

［2］Yakovlev A,Semenov A.Petrinet and Asynchronous Circuit Design.The Institution of Electrical Engineers,1996.

［3］R.大卫，H.奥兰.佩特利网和逻辑控制器图形表示工具（GRAFACE）\.黄建文，赵不贿,译.北京:电子工业出版社,1996.

［4］司玉娟,王万树.时序逻辑电路的petri网分析方法\.计算机学报,1996,19(7):492494.

［5］Jens Sparso,Steve Furber.Principles of Asynchronous Circuit DesignA System Perspective\.Kluwer Academic Publishers,2001.

篇5

关键词：高中物理；电路设计；实验能力

老师在对我们进行物理教学过程中，让我对电学实验设计产生了深厚的兴趣，在老师的引导下，我意识到了物理实验是整个高中物理学习的重难点。因此，我通过自身的思考，针对一些常规电路设计进行了分析。在老师的指导下，我对电路设计进行了一些改变，不仅提高了我自身的实验能力，同时还增强了我对物理知识学习的信心。

一、电路补偿设计方法，培养物理实验能力

我在进行电路设计学习时，发现许多同学都会遇到电流表和电压表只存在一种的情况。在这样的一个情况下，有的同学就会无法直接进行伏安法的应用。在老师地指导下，我发现在这样的情况下，我们可以利用并联或者串联电路所具有的特点，进行电路补偿设计。对于这种电路设计，我把其分为了两种不同的形式。第一种，在只提供电压表的情况下，我会考虑通过串联电路的形式来进行设计。然后我会利用好串联电流强度均等的特点，解决了没有电流表所带来的困难。比如：我现在拥有一只电压表，并且我已经知道内阻为RV，而另一外有一个电池，明确这个电池的电动势不会超过电压表量程，这样我就可以对内阻进行忽略。如果要求我利用这个电压表和电池，通过开关以及相关的实验器材来测量某个高值电阻RX。我会结合我以往的经验，绘制出相应的电路图（如图1所示）。并且会按照我自己的习惯对实验步骤进行简单地描述，同时写出RX的表达式。

我在对这个实验进行设计分析时，发现只有一只电压表，那么应该采用串联的形式来进行电路设计。利用好K1和K2的闭合，来读出电压数U1。如果我把K2进行闭合，打开K1时，就可以从电压表上读出电压数U2。那么RX的表达式应该是RX=（U1-U2）RV/U2。

第二种情况是只有一只电流表的情况，我在这种情况下，经常会以我的习惯来采用并联电路来进行设计。所利用的就是并联电路支路电压相等的特点，解决了没有电压表的问题。比如：我们针对一个已知的测量电阻的电路（如图2所示），RX为需要测量的电阻，并且在这个电路中，我们已经明确地知识了R的阻值。R1在这个电路中是保护电阻，但是其阻值未知识。E所代表的是电源，电动势未知。K1和K2是两个单刀双掷开关。A为电流表，不计内阻。

同样，按我自己的习惯，我会先对这个电路设计进行分析。因此这个实验只提供了电流表，我可以利用好并联电路的特点来进行设计。把K1和K2分别向a和d进行闭合，分别读出电流数I1和I2。这样就可以得出I1RX=I1R，从而可以得出RX=I2R/I。

二、特殊的半偏设计方法，拓展物理思维空间

除了上面所提到的设计方法之外，我个人还特别喜欢利用一些特殊的设计方法。这样可以有效地开拓我的思路，并且能够让我对物理电路实验的探索性，有一个更加深入地了解。下面我就给介绍一下我自己所经常使用的一种方法――半偏设计方法。这种设计方法，需要对电路中的某个部分的电阻进行替换，通过替换让第二次的电表的读精是第一次的1/2。结合电表中所表示的读数之间的关系，可以得出两次电阴间的关系，就可以实现得出相应的电阻。这种设计方法是一种较为另类的设计方法。并且在一些现在较为主流的实验册中，已经有了其中的一种方法的介绍。同样，半偏法也具有两种方式。一种是电流表半偏法，另一种则是电压表半偏法。当前主流的实验册中，只是针对电流表半偏法进行了介绍。对于电压表半偏法的介绍相对较少。下面我就针对我在采用半偏法进行电路设计的思路进行介绍。

比如：如图3所示，我们要对电压表V中的电阻RV进行测量，并且我们已经知道电压表的量程为15V，内阻为3000Ω。在整个实验过程中，我们拥有的是电流表A（0-0.6A）、电阻箱R1（0-9999.9Ω）、滑动电阻器R2、电池E。R2的最大阻值50Ω，额定电流1A。电池E的电动势为9V。要求写出RV的表达式。

我对这个实验进行了分析，并且按照图4进行了电路设计。通过闭合K1和K2来对R2进行调节，这样能够让电压表的指针产生一个很大的偏转。并且我要在这个时候记录下读数U。当我在断开K1时。在R2不变的情况下，对R1进行调节，让电压表的读数控制在U/2，然后记录下变阻箱的示数R1。这时就可以得出RV=R1。在这里值得一提的是，在实现这个结果，需要有一个必要的条件即：R2小于RV。

通过这样的一种特殊方式，我们就可以很容易地进行解题。不过我自己还总结出了一个更加简单的设计方法。

我通过思考设计出相应的电路图如图5所示，闭合K1和K2，记录下相应的读数U。当我断开K1并对R1进行调节时，保证电压表的读数在U/2。并记录下相应的变阻箱的读数R1，则更加快捷地得出RV=R1。

三、结语

总而言之，我在进行高中物理学习过程中，通过自己不断地思考，会针对不同的方法来进行测试。并且认真地对每一种方法进行总结，分析出其电路设计方法的可行性。在我不断地练习中发现，这样的我的这种学习方法，能够有效地提高我对物理知识的理解能力，同时也拓展了我自身的物理思维空间，不仅有利于物理知识结构的构建，还能够有效地提高电学实验的能力。（作者单位：湖南省益阳市一中1302班）

参考文献：

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关键字:数字电路;组合逻辑电路;时序逻辑电路

中图分类号:TN79文献标识码:A 文章编号:1673-0992(2010)06A-0042-01

众所周知,近年,科学技术的不断进步带动许多行业发生了翻天覆地的变化,电子信息行业走在了科学发展的前列,表现尤为突出的是数字电子技术,科学进步的浪潮中它迅速前进,已成为当前发展最快的学科之一,数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路(SSI)发展到目前的中、大规模集成电路(MSI、LSI)及超大规模集成电路(VLSI)。那么,逻辑器件的变化也会影响整个数字逻辑电路的发展。

一、数字电路的状态

数字电路顾名思义就是对数字信号进行算术运算和逻辑运算的电路,它只有两个状态就是0和1。在数字电路中,低电平用0表示,高电平用1表示,有时低电位也用字母L(Light)表示,而高电位用字母H(High)表示。另外在对0和1理解时,还会有时间限制,因为数字0、1表示电路状态,结合时间看电路时,要明白电路工作时序。

二、数字逻辑电路的基本定律

数字电路的设计在生活中使用非常广泛,但是怎样设计出符合要求的电路,这就是一门技术活了。因此理解数字电路设计,重点在基本概念和基本方法上。数字设计中逻辑代数基本定律、组合逻辑和时序逻辑的概念是分析和设计数字系统的基础,也是设计大规模集成芯片的基础,所以我们在说数字电路设计之前就要先了解逻辑代数的基本知识定律。逻辑代数是英国数学家乔治.布尔(Geroge . Boole)于1847年首先进行系统论述的,也称布尔代数。 所研究的是两值变量的运算规律,即0,1表示两种不同的逻辑状态,称这种只有两种对立逻辑状态的逻辑关系为二值逻辑。在逻辑代数中我们最先了解的就是进制的转换,计算机系统中一般二进制、八进制、十进制、十六进制是了解最多的,转换这些进制也是最容易的,掌握其中的计算方法就能得到。

三、数字电路设计―组合逻辑和时序逻辑

在做数字电路设计时主要就是组合逻辑电路设计和时序逻辑电路设计。从一方面说,这两种电路的设计是数字电路中的一个最基本的也是最重要的部分,只有会做这两种电路的设计才算是对数字电路入门了。所以我们先对这两种设计作下简单的介绍。

如果说逻辑电路设计是数字电路的最基础的组成部分,那么门电路就是带动这些部分运转的重要元素,就像是一部机器,门电路就是机器中的零件,大家都知道零件在机器的运转中起着不容小觑的作用,如果在某个部位因为一个小零件的出错,可能会导致整个机器出故障。逻辑电路中最基本的门电路通常是与门、或门、非门。与门是逻辑与运算的单元电路;或门是逻辑或运算的单元电路;非门,也叫反相器,是实现逻辑非运算的电路。在实际的应用中并不是把它们直接使用,而是将它们组合成复合逻辑运算与非、或非、与或非、异或、同或等常用的门来实现其功能。我们在日常生活中见得最多的就是交通灯的控制,就是用组合逻辑电路设计成的。在组合逻辑电路的设计中,利用门电路的组合完成的很多电路的设计,编码器、译码器就是组合逻辑电路中的器件,组成的液晶显示器LCD,数码显示器LED。

时序逻辑电路中,主要的零件就是集成触发器,在各种复杂的数字电路中不但需要对二值信号进行算术运算和逻辑运算,还经常需要将这些信号和运算结果保存起来,因此需要使用记忆功能的基本逻辑单元,而这种能储存信号的基本单元电路就是触发器。迄今为止,人们已经研制出了很多种触发器电路,根据电路结构形式的不同,可以分为基本RS触发器、同步RS触发器、主从触发器、边沿触发器等。这些触发器的研制都是在前一种触发器的基础上改进而来的,通俗的说是后人在前人的研究发明中不断提炼出的新器件。因此同步触发器是建立在基本RS触发器的基础上的,基本RS触发器输入信号可以直接控制触发器的状态翻转,而在实际应用中往往要求在约定脉冲信号到来时,触发器才能翻转,所以才有同步RS触发器的出现。但是同步RS触发器有空翻现象,不能正常计数,因此人们又研制了主从触发器,同样为了克服主从触发器的一次性变化,就有了边沿触发器的产生。

四、数字集成电路

在很多人看来,数字集成电路是非常空洞的东西,因为只是一块芯片,却能实现如此多的功能。那在数字集成电路中主要有哪些电路呢?常用的数字集成电路一般有CMOS电路和TTL电路两种。CMOS电路有消耗功率低,工作电压范围广和噪声容限大的特点,虽然在CMOS电路的输入端已经设置了保护电路,但由于保护二极管和限流电阻的几何尺寸有限,它们所能承受的静电电压和脉冲功率均有一定限度。CMOS集成电路在储存运输、组装和调试过程中难免会接触到某些带静电高压的物体,所以一般要对输入的静电进行保护,另外CMOS还会出现电路锁定效应,一般为了使用安全和方便,人们一直在研究从CMOS电路本身的设计和制造上克服锁定效应方法。当然,集成电路一般的要求都非常高,它需要预先对芯片进行设计,编制一定的程序,而我们往往使用现成的电路,对它只做了一定的分析。

通过对数字电路的基本知识的解读,当然这只是很浅的一方面。而数字电路涉及到的一些专用的集成电路。由于专用集成电路(ASIC)是近期迅速发展起来的新型逻辑器件,这些器件的灵活性和通用性使它们已成为研制和审计数字系统的最理想器件。因此数字电路的发展在今后还有很大的空间,但是在发展的同时,数字电路的基础的知识是不会改变的,只会在原来的基础上得到更大的改进,这需要新新的电子人来改进数字电路的不足地方,将它所存在的每一个缺点进行弥补,使各个部分它的作用发挥到最大。

数字电路在实际运用中将越来越广泛,现在在要求普及的数字电视已经进入了千家万户,数字化已经成了必然的趋势。但是任何技术知识,基础都是最根本,最主要的,数字电路的组成刚好是是基础。数字化的时代已经到来,打好基础知识是数字电路发展的前提条件。

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实则在教学中常常是学生的弱点,在各种考试中通过对电阻的测量的考察也可以反映出学生对电学基本知识掌握的情况,另外命题者还在不断的推陈出新,用不同的形式对学生进行考察。下面我们就对初中测量电阻的几种常用方法进行一个简单的总结,希望对同学们能有所帮助。

一、初中最基本的测电阻的方法

(1)伏安法测电阻

伏安法测电阻就是用一个电压表和一个电流表来测待测电阻,因为电压表也叫伏特表物理论文,电流表也叫安培表,因此,用电压表和电流表测电阻的方法就叫伏安法测电阻。它的具体方法是:用电流表测量出通过待测电阻Rx的电流I,用电压表测出待测电阻Rx两端的电压U,则可以根据欧姆定律的变形公式R=U/I求出待测电阻的阻值RX。最简单的伏安法测电阻电路设计如图1所示,

用图1的方法虽然简单,也能测出电阻,但是由于只能测一次,因此实验误差较大,为了使测量更准确,实验时我们可以把图1进行改进,在电路中加入滑动变阻器,增加滑动变阻器的目的是用滑动变阻器来调节待测电阻两端的电压,这样我们就可以进行多次测量求出平均值以减小实验误差,改进后的电路设计如图2所示。伏安法测电阻所遵循的测量原理是欧姆定律,在试验中,滑动变阻器每改变一次位置,就要记一次对应的电压表和电流表的示数,计算一次待测电阻Rx的值。多次测量取平均值,一般测三次。

(2)伏阻法测电阻

伏阻法测电阻是指用电压表和已知电阻R0测未知电阻Rx的方法。其原理是欧姆定律和串联电路中的电流关系,如图3就是伏欧法测电阻的电路图,在图3中,先把电压表并联接在已知电阻R0的两端,记下此时电压表的示数U1;然后再把电压表并联接在未知电阻Rx的两端,记下此时电压表的示数U2。根据串联电路中电流处处相等以及欧姆定律的知识有:

I1=I2

即:U1/R0=U2/RX

所以:

另外,如果将单刀双掷开关引入试题,伏阻法测电阻的电路还有图4、图5的接法,和图3比较,图4、图5的电路设计操作简单物理论文,比如,我们可以采用如图5的电路图。当开关掷向1时,电压表测量的是R0两端的电压U0;当开关掷向2时,电压表测量的是RX两端的电压Ux。故有:。同学们可以试一试按图4计算出Rx的值。

(3)安阻法测电阻

安阻法测电阻是指用电流表和已知电阻R0测未知电阻Rx的方法。其原理是欧姆定律和并联电路中的电压关系,如图6是安阻法测电阻的电路图,在图6中,我们先把电流表跟已知电阻R0串联,测出通过R0的电流I1;然后再把电流表跟未知电阻Rx串联,测出通过Rx的电流I2。然后根据并联电路中各支路两端的电压相等以及欧姆定律的知识有:

U0=UX

即:I1R0=I2RX

所以:

显然,如果按图6的方法试验,我们就需要采用两次接线,可能有的同学怕多次拆连麻烦的话,那我们还可以将单刀双掷开关引入电路图,这时我们可以采用如图7的电路设计。当开关掷向1时,电压表测量的是R0两端的电流I0;当开关掷向2时,电压表测量的是RX两端的电流Ix。通过计算就有:。

以上三种测电阻的方法是最简单的测电阻方法,也是必须掌握的方法,大家会吗,除此以外,还有常用的易于学生理解的测电阻的常用方法吗?当然还有:

二、特殊方法测电阻

(1)用电压表和滑动变阻器测量待测电阻的阻值

或者

用电压表和滑动变阻器测量待测电阻的阻值,我们也可以采取以下方法:

1.如图8所示,当滑动变阻器的滑片滑至b端时,用电压表测量出Rx两端的电压Ux,当滑动变阻器的滑片滑至a端时,用电压表测量出电源的电压U,根据串联电路的电流关系以及分压原理我们可以得到:。

2.如图9所示,当滑动变阻器的滑片滑至b端时,用电压表测量出电源的电压U,当滑动变阻器的滑片滑至a端时物理论文,用电压表测量出Rx两端的电压Ux,根据串联电路的电流关系以及分压原理我们可以得到:

(2)用电流表和滑动变阻器测量待测电阻的阻值

如图10所示,当滑动变阻器的滑片滑至b端时,用电流表测量出Rx和R滑串联时的电流I1,当滑动变阻器的滑片滑至a端时,用电流表测量出Rx单独接入电路时的电流I2,因为电源电压不变,可以得到:,故有:。

(3)用等效法测量电阻

如图11所示电路就是用等效法测量电阻的一种实验电路。其中Rx是待测电阻,R是电阻箱(其最大电阻值大于Rx)。其实验步骤简单操作如下:

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关键词 片上系统设计导论 集成电路设计 项目化教学

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）17-0010-02

随着半导体工艺和集成电路设计技术的发展，集成电路的规模可以达上亿个晶体管，已经发展到片上系统SoC（System on Chip）。现代片上系统（SoC）是利用IP核（Intellectual Property Core）复用和深亚微米技术，采用软件和硬件结合的设计和验证方法，在一块芯片上实现复杂的功能。它广泛应用于汽车、医疗设备、手机和其他消费电子，其应用领域的市场应用结构如图1所示。

图1 2013年集成电路设计市场应用结构

图2 2008-2014年集成电路行业的产值

2008年以来，我国集成电路产业总产值从2107亿元增长到2915亿元。2014年，据国家统计局统计，共生产集成电路1015.5亿块，同比增长12.4%，增幅高于上年7.1个百分点；集成电路行业销售产值同比增长8.7%，增幅高于上年0.1个百分点。集成电路行业的产值如图2所示。

近年来，半导体集成电路产业在国家政策支持下发展迅速，因此对人才的需求在不断增加。据权威机构报道，2010年以来，中国IC产业对设计工程师的需求将达到30万人以上，并且逐年增加，但目前国内实际人才数量相较于需求远远不够。高校是人才培养的摇篮，但高校大多数教授基础概念，并了解基本的设计流程和设计方法，远不能满足行业的要求。

针对这一现象，《片上系统（SoC）设计导论》课程将结合《固体物理》《半导体物理》《数字集成电路设计》《模拟集成电路设计》《VHDL语言》等多门课程，以项目化教学的形式进行教学，并且对其进行探讨。

一、采用项目化教学改善学生只会理论、不会设计的现状

（1）解决SoC设计与相关课程之间的内部联系，教学内容主要涉猎到相类似的部分，通过将一个大项目分解成几个小项目，通过逐渐加大项目的难度，使学生在项目中逐渐加深了对知识点的理解，并且将课程的主要内容相互衔接与融合，形成完整的SoC设计概念。例如通过对矩阵加法器的项目分解如下几个小项目来实现，具体项目如图3所示。通过这些项目设计过程完整地训练，既培养了较强的SoC设计能力，还提升了学生的择业面。

图3 项目流程图

（2）项目中会先有示例，然后引导学生对分解的小项目做设计，熟悉设计流程和设计方法，而且解决了理论教学与实践教学相脱节的问题，转变了传统的理论教学方式，达到较好的教学效果。

二、 通过PDCA戴明环的方式改善设计的产品不能用的问题

（1）在SoC设计的过程中，通过跟踪课内外学生设计中反应的问题，对项目难易度的进行调整，提高学生的综合素质，逐步锻炼和培养学生的自主学习、团结协作等能力。

（2）结合新的技术或者领域，对项目进行适当的调整，在基础层上让学生边学边做，在单个简单的模块中进行训练，最后实现复杂的项目要求的功能，达到SoC设计能力的提高。

通过PDCA戴明环的方式来持续改进教学方法，对教学内容和教学计划进行合理和高效的修改。PDCA戴明环如图4所示。

图4 PDCA循环

三、小结

教师指导学生设计一个完整的项目，其中包括需求、硬件设计、软件设计、验证等部分。学生不仅掌握了基本概念，也提高了设计实践能力，更提升了团队意识。《片上系统（SoC）设计导论》课程项目化教学改变了传统的理论课教学方式，以目标为导向，以设计作为考核标准，充分发挥了学生的能动性和协作能力，使学生理论与实践齐头并进，缩短了与集成电路设计人才的距离。

参考文献：

[1] 陈超，王心一，王成华. 基于PSoC的实验教学平台开发[J]. 实验室研究与探索， 2010，29（10）：110-113.

[2] 马仁杰，王荣科，左雪梅等. 管理学原理[M]. 北京：人民邮电出版社，2013，（9）.

[3]周殿凤.片上可编程系统项目化教学探讨[J].轻工科技， 2013，（5）：190-191.

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【关键词】C51单片机；电红外传感器；防盗报警

一、设计防盗报警系统的主要内容

本设计利用热释电红外传感器和单片机控制模块等器件，设计了基于热释电红外传感器的防盗报警系统。由于它利用的是人眼无法看到的人体发出的红外线作为信号源，组成一个无线的监控区域，所以具有极高的保密性和可靠性，只要有人非法侵入监控区域，人体发出的红外线就会被热释电传感器捕抓到，然后发出一个控制信号，这时电路就会给单片机控制系统输入信号，使整个报警系统工作，以引起相关人员注意，同时数码显示器点亮，显示报警地点。该报警系统由一台接收机和若干台信号探测器组成，根据防盗要求，发射机可设置在不同的需要的区域，接收机设置在一个固定的地方。首先，为系统设计方案划分功能模块。第一部分是电源模块；第二部分是红外探测模块（可以有多个红外探测器，置于多个需要的地方）；第三部分是主机模块（包括显示器，处理器，报警器等）。其次是确定硬件电路的设计，包括芯片选择，具体电路的设计（如红外探测电路，电源电路，主机电路，报警电路，显示电路等）。最后是软件部分的设计，软件的设计主要是以具体芯片以及理解具体的硬件电路的基础上，进行设计编程。

二、防盗报警系统的组成

防盗报警系统主要是由红外线人体入侵检测电路，编码与无线发射电路，无线接收与解码电路，单片机控制电路，显示电路，报警电路，遥控电路和电源电路。其框图如图1。

图1 防盗报警系统框图

其主要的原理为：红外线人体入侵检测电路的核心就是一个探测器，用来探测是否有人体非法入侵，如果没有人体入侵的话，就不输出信号或者输出的信号为0。当有人体入侵时，此探测器会根据人体的入侵速度发出1mV左右的脉冲电压信号（脉冲频率由入侵的人体的速度决定，在0.1Hz在10Hz之间）。之后，该电路对信号进行处理，滤除无用的信号和放大信号，使之能够为单片机直接采集到。单片机采集到信号后，根据信号发出控制信号。当采集到无人入侵时，使七段数码显示器显示“----”，报警电路不工作。当采集到诱人入侵信号时，使七段数码显示器显示相应的数据，如“1”、“2”，而且给报警电路发送控制信号，使报警电路工作，发出报警。电源电路为上面所诉的电路提供稳定的+5V的电压，而且，在电源电路中有一控制按钮，用来控制电源的通断，同时作为布防撤防按钮。在本设计中，当一处有报警信号时，显示器显示当前报警区域，当另外一处有报警信号时，显示器不显示报警区域，只有将系统撤防在布防后才能在此显示另外的报警电路。

三、硬件电路设计

1．电源电路设计。电源电路设计原理:考虑采用典型的变压器降压，全波整流，电容滤波及集成电路稳压的思路进行设计。由于单片机及其他电路等都用5V作为工作电源，所以在经整流和滤波电路后再用三端集成稳压电路进行稳压，为后续电路提供稳定可靠的5V直流电源，三端稳压集成电路采用LM7805。其中按键作为撤防/布防开关，控制系统的运行与停止。电源通过变压会使输入、输出电压不同，从而达到升压或降压的目的。具体电路图如图2。

图2 电源电路

2．信号采集电路设计。在探测技术中，所谓的“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠自然界的能量或者能量的变化来完成让车目的。被动式红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范的区域能移动时所引起的红外辐射变化，并能使主控电路产生相应控制信号，从而完成报警功能。图3所示为本设计采用的信号采集电路。

图3 信号采集电路原理图

其工作原理为：当人体辐射的红外线通过菲涅尔透镜被聚焦在热释电红外传感器的探测元上时，电路中的传感器将输出的电压信号，然后使该信号先通过由C1、C2、R1、R2组成的带通滤波器，该滤波器的上限截止频率为16Hz，下限截止频率为0.16Hz。犹豫热释电红外传感器输出的探测电压信号十分微弱（通常仅有1mV左右），而且是一个变化的信号。同时菲涅尔透镜的作用又使输出信号电压呈脉冲形式（脉冲电压的频率由被测物体的亚东速度决定，通常为0.1Hz~10Hz左右）。所以应对热释电红外传感器输出的电压信号进行放大。本设计运用集成放大器LM324进行两级放大，以使其获得足够的增益。当传感器探测到人体辐射信号的红外信号并通过放大后送给窗口比较器时，若信号幅度超过信号比较器的上下限，系统将输出高电平信号；无异常情况时这输出低电平信号。在该比较器中R8、R9、R10、R11用作参考电压，即参考电压分别为3.8V和1.2V。最后，这个信号将会传输给单片机P1口的相应引脚，为单片机提供源信号，使单片机发出相应控制信号，使整个系统作出相应的动作，从而完成系统任务。

3．主控电路设计。主控电路由处理模块，显示模块，报警模块三部分组成。处理模块即为单片机及其周边电路，报警模块即为蜂鸣器和红色LED灯组成的电路，显示模块即为7段数码显示器构成的显示电路。其工作原理是处理模块接受信号，判断其是那路信号采集电路的信号，然后产生相应的控制信号，控制显示器和报警器工作。本设计的报警电路才用的是简单的将发光二极管、报警器于单片机的P1.7引脚相接。因为一般情况下，单片机P1口为高电平，求，故P1.7通过一个非门取反后才与报警电路相接，使之能满足系统要。图4为报警电路的原理图。

图4 报警电路的原理图

本文简要介绍了防盗报警器的分类及主要内容，然后讨论了防盗报警系统的组成。在前面两个部分的基础上，本文对部分硬件电路进行了设计。包括电源电路设计、信号采集电路设计、报警电路设计。

参考文献

[1]丁明亮，唐前辉．51单片机应用设计与仿真――基于Keil C与Proteus[M]．北京：航空航天大学出版社，2008

[3]张毅刚．单片机原理及应用[M]．高等教育出版社,2003

[4]孙余凯，吴鸣山，项绮明．传感器应用电路300例[M]．电子工业出版社，2008

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【关键词】二线制；电源；TLC5615；MAX409A；功耗

1.引言

二线制仪表，是将工业现场的检测信号，如温度、压力、速度、流量等参数，转换为4-20mA的电流信号，传送到远距离外的控制室，以便于对生产过程进行控制。由于电流信号对噪声不敏感，不易受寄生热电偶和温漂的影响，普通双绞线上可以传输几百米距离，利用250Ω取样电阻就可以将4-20mA电流信号变为1-5V的电压信号，不受传输线的电阻影响。同时，二线制仪表符合本安防爆的要求，即24V/20mA的电流通断不足以引燃瓦斯爆炸，所以在化工、煤矿、石油天然气等领域的应用越来越广泛。同时二线制变送器具有布线简单的特点。

由于二线制仪表，本身由电流环路供电，所以电流环仅能提供4mA以下的电流为仪表供电，所以对仪表的功耗提出苛刻要求，不能采用常规的方法进行电路设计，为设计人员带来了困难，如何能设计出高性能、高精度的二线制智能仪表，是目前国内许多厂家迫切需要解决的问题。

本文对二线制仪表通用的电源设计和电流环电路设计，进行了详尽的理论分析，结合多年的工业现场的实际应用，提供了简洁实用的应用电路，采用此电路设计生产的二线制超声波物位计，经多家工业现场实际验证，性能稳定，产品输出电流精度满足设计要求。

2.二线制变送器系统方框图

如图1所示，4-20mA电流环路输入的24V电压，经过电源单元转换为5V精密电源，为整个系统供电。主控单元控制超声波的发射和回波信号处理，然后将处理的测量数据，通过D/A和V/I转换单元，输出4-20mA电流，接收端通过负载电阻（250欧姆）取出电压信号，同时与电流环24V电源地相连构成回路。

图1 二线制超声波测量系统框图

3.二线制变送器电源设计理论分析

二线制仪表的原理是利用了4-20mA信号为自身提供电能。如果仪表自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。因此一般要求二线制仪表自身耗电（包括传感器在内的全部电路）小于4mA。

（1）电压条件：在仪表电流环路中，一般取样电阻R=250Ω。当电流I=4-20mA变化时，取样电压为U=1-5V之间变化。考虑到可能会串接其他仪表，以及传输电缆的阻抗，线路阻抗R的最大值可取350Ω，因此在20mA时，仪表两端电压为（24V-20mA×350Ω）=17V.4mA时，仪表两端电压为（24V-4mA×350Ω）=22.6V，所以仪表的工作电压不能大于17V。

（2）电流条件：仪表中总功耗电流要小于4mA。

（3）功率条件：

20mA时，电流环提供的功率最大：

P=20mA×17V=340mW。

4mA时，电流环提供的功率最小：

P=4mA×22.6V=90.4mW。

所以仪表消耗的功率理论上不能大于90.4mw。

4.变送器电源单元设计

电路设计的关键是降低电源电压转换的功耗，转换效率要高，静态电流要小。

将电流环仪表两端的17V-22.6V电压，降压处理，有两种方法。

第一种是直接采用线性稳压芯片，将输入电压稳压到5V，这样会造成稳压芯片本身功耗太大，无法满足其它电路的功率要求。

第二是采用开关型DC/DC芯片，又称为BUCK降压开关电源，电源效率一般高于85%以上，但开关型电源芯片是利用储能电感储能，输出的5V电压是脉动的，电压纹波噪声不能满足D/A及CPU控制芯片的要求。

综合考虑，本电路设计采用“开关型DC/DC芯片+LDO线性稳压器”方式，即利用开关型DC/DC芯片，将电流环提供的高电压降低，然后利用低压差线性稳压器来提高仪表电源的纹波抑制比。同时选择的芯片器件要少，减少能量损耗；

设计电路如图2所示：

图2 电源模块电路图

图2中，L1为储能电感33μH，D1续流二极管，FB=1.25V。开关型降压DC/DC芯片为MAX1776，是MAXIM公司的新型低功耗芯片，静态电流为15uA电压转换效率为95%以上，输入电压范围：Vin=4.5V～24V，输出电压可以通过电阻R1和R2进行调节，输出电压可在1.25V～Vin之间变化。

Vout=1.25×（1+R1/R2）

本设计中，MAX1776输出电压为7V，按电源效率95%计算，可用功率=90.4mw×95%=85.8mW。

低压差线性稳压器，选择为MAX603，是MAXIM公司的超低功耗器件，静态电流15uA。MAX603输入电压范围是2.7V-11.5V，将引脚SET接地时，典型的输出电压为5V，输出电流200mA时，典型压差0.5V，为保证稳压电路可靠工作，考虑脉动成分，所以设定MAX1776输出电压为7V。

5.4-20mA电流环电路设计

4-20mA电流环输出信号，是用4mA表示零信号，用20mA表示信号的满刻度。

本部分电路由D/A和V/I变换部分组成，D/A部分选用美国德州仪器公司的具有串行接口的模数转换芯片TLC5615，它是超低功耗（1.75mW MAX）10位数据、3线串行接口，5V单电源工作，输出电压范围是基准电压的两倍，1.2MHZ更新速率的高精度D/A转换芯片；

V/I变换部分采用MAX409A芯片，是美国MAXIM公司的单电源、微功耗精密单运放，是现今唯一能以1.2μA供电电流工作的运算放大器。MAX409A主要参数：单电源供电2.5V-10V，增益带宽积150，稳定增益10，工作时静态电流1.2μA。

电流环输出模块原理图如图3所示：

图3 4-20mA电流输出电路

工作流程如下，主控CPU芯片将超声波测量单元，测得的二进制数据，通过D/A变换为0.5V～2.5V直流电压值，分别代表量程0和满量程，然后通过V/I变换电路实现4-20mA电流信号输出。

V/I变换原理：设定TLC5615输出电压为V，R3与R5的节点电压为V1，根据运放虚短原理及输入阻抗为无穷大，MAX409A的输入端电压为零电位，有，由于V1=-I×R5当R2=200KΩ，R5=50Ω，，通过调整R3阻值（80KΩ），将0.5V-2.5V输出电压转换成4-20mA电流输出；

经产品测试，采用此电路的超声波物位计的测量精度达到0.2%。

6.结论

二线制仪表的设计，是工业设计的一大难题，本文通过对二线制仪表的理论分析，提供了实用的电源设计方案，以及电流环的应用电路，通过采用超低功耗新型芯片，电路简洁，器件少，极大地降低了功耗，为整个系统的稳定工作和优化设计，提供了保证。采用此电路的二线制超声波物位计，经过工业现场实际应用，性能稳定，精度达到国际先进水平。

参考文献

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