时钟电路范文

导语：如何才能写好一篇时钟电路，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：实时时钟 RTC 晶振

1 RTC结构特点

实时时钟的基本功能是保持跟踪时间和日期等信息，但许多RTC还提供有多种附加功能，如：看门狗定时器、系统复位、非易失存储器（NV RAM）、序列号、方波输出、涓流充电等。因此，在进行电路设计时，选择RTC芯片出了需要考虑其时间和日期跟踪功能外，通常还需要针对具体应用来对RTC的功能、成本、尺寸等要求进行综合考虑。

1.1 接口方式

从接口要求入手选择RTC可以大大缩小芯片的选择范围。RTC芯片提供有多种接口方式，其中并行接口可实现存储器的快速访问或有较大的存储容量，适合于那些对价格、尺寸要求不是很荷刻的系统，许多采用并行接口的实时时钟芯片还与晶振和电池封装在一起构成一个完整的时钟模块，从而简化了硬件设计。并行接口包括复用总线（数据与地址总线复用）和独立的地址、数据总线。一般用于时间保持的NV RAM都采用与SRAM相同的控制信号，并可以方便地与常用的微处理器容量。另外，有些Phantom实时时钟还将时钟数据隐含在备用电池支持的RAM内，以便利用64位软件协议来访问时钟数据。

一般情况下，串行接口时钟芯片都具有外形尺寸较小、成本低廉等优势，但这类芯片的通信速率一般较低，因而比较适合便携式产品。这类芯片通常包括1-Wire接口、2线、3线、4线或SPI接口，而许多处理器也包括2线或SPI接口，当然，也有些处理器（如8051及其派生产品）则支持复用的地址和数据总线。

1.2 备用电池

在有些应用中（如VCR），时钟和日期信息在系统掉电时将会丢失，而在大多数应用中要求系统主电池断电时仍保持时钟和日期有效。为保持时钟振荡器持续运转，可采用主/辅电池结构或大电容配合主电源为时钟电路供电，这样，RTC芯片内部还必须提供两组电源的切换电路。如果用电池（如Li+电池）作为备份电源，RTC设计还应该注重低功耗指标，以使其在电池供电时具有尽可能低的功耗。电源切换控制电路通常由主电源供电，需要时可切换到电池供电，并将RTC置为低功耗模式，电池供电时，可禁止微处理器与RTC之间的通信（通常被称为写保护），以使电池电流降至最小，同时避免数据被破坏。

在采用电池为电池系统供电时，时钟电路耗电最大的部件是振荡器，对于那些嵌入了晶振和电池的时钟模块（如DS12C887），由于振荡器在出厂时处于禁止状态，因此电池的损耗电流主要是电池的自放电，室温下，电池自放电每年的消耗能量大约占电池容量的0.5%。有些时间保持NV RAM模块利用时钟来控制IC和SRAM，出厂时，振荡器处于禁止状态、SRAM与电池断开，只有模块在主电源供电并第一次与时钟电路断开时，电池才与SRAM接通。这一功能常被称作电池保鲜。Dallas Semiconductor的绝大多数RTC都提供有一个电池输入引脚和一个内部反向充电保护电路。由于Li+电池的额定温度是-40℃～+85℃，因此，使用时应确保环境温度不要超出+85℃。

1.3 时钟格式

在电路设计中使用的时钟格式主要有三种：BCD码、二进制码、未格式化的二进制计数值。其中BCD码比较通用，因为它的时间和日期可以直接显示，且不需要进行数据转换，每8位寄存器表示一个二位数，对于某些特殊的时间和日期，由于不占用全部8位数据，因此，不用位可以充当一些特殊功能（如用作读/写位），也可以在硬件读取时时终保持固定状态（1或0）。二进制码格式与BCD码一样具有独立的秒、分钟、小时、星期、日、月、年寄存器，在一些提供BCD码格式的RTC中，常常也提供可选择的二进制码格式。时间和日期寄存器每秒钟更新一次，日期循环与月、年有关。星期寄存器与其它寄存器的变化关系不大，在子夜更新数据，数据从7至1循环变化，程序中可以用1表示任何一个特定的星期数，只要在整个程序中指定数值保持一致即可。在12小时制与24小时制或BCD码与二进制码之间进行转换时，时间、日期、闹钟寄存器需要重新进行初始化。二进制计数码用一个多字节（一般为32位）寄存器来存储时间信息，时间信息用一个秒计数值表示，并可通过软件将秒计数值转换为合理的时间和日期。

另外，在选择RTC时，还需要考虑千年（Y2K）兼容性问题，Y2K兼容的RTC包含有世纪信息（提供世纪数值或世纪位），并可正确地计算润年，Dallas Semiconductor提供的RTC均兼容于Y2K，而且不存在日期敏感的逻辑。

2 设计考虑

2.1 晶振与精度

晶体振荡器在固定频率振荡器中能够提供较高的精度，绝大多数RTC采用32.768kHz的晶体，晶体振荡器输出经过分频后会产生1Hz的基准来刷新时间和日期。RTC的精度主要取决于晶振的精度，温度变化时，音叉晶振所具有的抛物线型的频率响应特性曲线如图1所示，23ppm的温漂大约每月产生1分钟的时钟误差。晶振一般在特定的电容负载下，其调谐振荡在正确的频点，而当晶振调谐于12.5pF负载的RTC电路中时，使用6pF负载的晶振将会使时钟变快。Dallas Semiconductor提供的所有RTC均采用内部偏置网络，因而晶振可直接连接到RTC的X1、X2引脚，而不需要额外的元件。由于RTC的晶振输入电路具有很高的输入阻抗（大约109Ω），因此，它与晶振的连线犹如一个天线，很容易耦合系统其余电路的高频干扰。而干扰信号被耦合到晶振引脚将导致时钟数的增加或减少。考虑到线路板上大多数信号的频率高于32.768kHz，所以，通常会产生额外的时钟脉冲计数。因此，晶振应尽可能靠近X1、X2引脚安装，同时晶振、X1/X2引脚的下方最好布成地平面。图2是一个推荐的晶振布线图，其数字信号引脚需远离晶振和振荡器引脚，对于那些会产生明显的射频辐射的元件，设计时应加以屏蔽，并使其远离晶振，特点是低功耗晶振，它对邻近的射频干扰非常敏感，往往会导致时钟加快。

另外，由于振荡器启动时间、晶振的性能以及线路板的布局有关。实际上，较大的等效串联电阻（ESR）和过大的电容负载都会延长振荡器的启动时间，而且，ESR较大时，还会造成较大的功率损耗。因此，设计时应按照对晶振特片参数的要求来选择晶振，同时应提供合理的线路板布局以便使启动时间能够控制在1秒钟以内。

2.2 功耗问题

许多实时时钟都采用电池供电，典型应用是利用一块小的锂电池在主电源掉电时直接驱动振荡器和时钟电路。为有效延长电池的使用寿命，振荡器必需消耗尽可能少的能量。为了保证这一点，应谨慎考虑振荡器的设计。典型的高频振荡电路ESR较低，但设计中一般会留出5倍、甚至10倍的ESR裕量，而低频晶振则具有较高的ESR。对于一个RTC振荡器，或许留出2倍的负阻裕量即可，振荡器的负阻裕量越小、耗电越低，但是，这种电路对寄生参数、噪声非常敏感。此外，振荡电路的负载电容对功耗也有一定影响，虽然12.5pF内部负载的RTC的耗电要比6pF负载的RTC大，但是，它通常具有更高的抗干扰能力。

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卫星接收机中系统时钟电路的正常工作，是确保整机能够正常工作的前提。在MPEG-2解码方案的DVB系统时钟电路中，绝大多数采用27MHz的系统时钟。主要为接收机中的解复用和解码器提供系统基准时钟和视频时钟，接收机所需的其他时钟（除LAN电路外）如252MHz的CPU工作时钟，均由27MHz时钟经芯片内部的PLL电路分倍频产生。

PCR时钟恢复功能

1. PCR时钟恢复功能原理

为了保持时钟频率的稳定性，数字接收机都应该具有PCR时钟恢复功能。因为数字电视系统是一个实时传输系统，为了保证收发端的正常工作，接收端与发送端的频率和相位一致，必须建立收发端的PCR（Program Clock Peference：节目参考时钟）时钟恢复功能。如果没有这个功能，接收机工作较长时间后，时钟误差就会累积，累积到一定程度就会出现接收画面停帧或丢帧现象。

PCR时钟恢复功能原理如图1所示，在发送端的视频编码器中，有一个由硬件时钟电路产生的27MHz时钟，编码过程中不断读取27MHz时钟。同时利用计数器对系统时钟计数，形成PCR，然后每隔一段时间将PCR随基本流数据一起放入传送流编码器中，在传送流编码器中汇同音频帧、视频帧等一起编码成以188字节为1包、符合MPEG-2标准的TS流，传送出去。

接收端有一个正在工作的本地系统27MHz时钟，其额定频率与发送端时钟相等，同样也有一个计数器对它计数形成一个本地PCR。接收端将从发送端获取的TS流经过传送流解码器解码后，将取得的PCR与本地PCR比较，并用比较结果形成的控制电压经低通滤波器滤波后，产生一个直流电压去控制27MHz压控振荡（VCO）电路，VCO电路调整本地27MHz时钟，使之与发送端时钟同步，这样就完成PCR时钟的恢复，实现收发端声音和图像完全同步。

2. PCR时钟恢复功能的实现

对于DVB系统传输来说，恢复PCR时钟是一个基本要求，因为只有PCR时钟正确，接收机才能恢复基准27MHz（±30ppm）时钟。在DVB系统时钟电路中，通过增设对27MHz时钟电路中的VCO闭路锁相的硬件控制，来达到PCR时钟恢复的目的。

一些普及型卫星接收机为节省硬件成本，并未采用VCXO电路，而是通过系统软件程序避免这种情况，或让这种情况出现时不那么明显。不过在DM500S原厂机和早期仿制机中，均运用了普通晶振＋压控晶振（VCXO：Voltage Control X-tal Oscillator）芯片的解决方案。

VCXO芯片简介

1. PLL502-02芯片简介

在电路板上印刷标记为P502（U23）芯片，是美国Phaselink公司压控晶振专用PLL502系列芯片中的一种，为PLL502-02二倍频芯片，其典型可调频率范围是±250ppm，额定工作电源电压为3.3V。采用SOIC（Small Outline IC：小输出线集成电路）封装方式，引脚功能如图2所示。

其中1、8脚接晶振两端， 6脚接+3.3V电源，4脚接地，3脚VCON接CPU的PWM信号控制端，5脚为27MHz输出端。在PLL502-02内部（图3），主要由VCXO电路和PLL（锁相环）电路构成，其中PLL电路部分由基准频率、相位检波器、电荷泵、环路滤波器、压控振荡器VCO和分频器组成。

晶体振荡电路配合外部的晶振产生基准频率，相位检波器用于比较基准频率信号和反馈信号的相位，环路滤波器对由相位检波器的电荷泵所产生的电流脉冲进行积分，以生成施加于VCO的调谐控制电压。VCO输出通过分频器负反馈到相位检波器，迫使VCO在达到平衡时产生与基准频率两倍相等的频率。当VCO的输出频率和相位都与基准频率和相位相等时，就认为PLL处于“锁定”状态。

与PLL502-02芯片功能结构相同的还有美国一些公司的产品，如ICS公司的MK3727、AMI半导体公司（AMIS）的FS6128、Pericom半导体公司的PI6CX100-35、TLSI公司的T83027 A-02等，可以直接代换。

2. T73227芯片简介

美国TLSI公司的T73227芯片，是一款高精度压控晶振专用芯片。输入标准的27MHz晶振信号，输出27MHz的时钟信号，其典型可调频率范围是±150ppm，额定工作电源电压为3.3V。有SOIC和MSOP两种封装方式封装，引脚功能如图4所示。

T73227芯片内部结构如图5所示。

系统时钟电路

DM500S接收机所采用的系统时钟电路，主要有PLL502-02芯片＋13.5MHz晶振和T73227芯片＋27MHz晶振两种方案，其电路原理是一样的。

1. PLL502-02＋13.5MHz方案

图6是采用PLL502-02＋13.5MHz方案的系统时钟部分电路板。

该方案系统时钟电路电路绘制如图7所示。

在该电路中，由13.5 MHz晶振（Y2）和负载电容C217、C218和PLL502-02（U23）芯片内部的VCXO电路构成时钟振荡，再经过芯片内部的PLL锁相、缓冲整形输出27MHz的系统时钟，这也是机器刚开始复位工作时本地的强制时钟。

一旦接收机接收到信号并成功锁定后，则通过主芯片U15在软件的控制下，实时地解析出PCR与本地PCR的差值后，再通过主芯片内部的PWM（脉宽调制）单元输出PWM控制信号，经过外部的R205、C215组成的低通滤波器，滤掉PWM输出的高频信号，保留低频的直流分量，送到U23的3脚，调节片内的变容二极管，使产生的本地系统时钟频率，使之与发送端节目的系统时钟频率同步。

2. T73227＋27MHz方案

图8是采用T73227＋27MHz方案的系统时钟部分电路板，实际上T73227芯片和PLL502-02芯片完全兼容，因此组成的电路也完成相同，只是将晶振由13.5MHz更换为27MHz即可。

3. 74HCU04＋27MHz方案

后期的DM500S灰壳机采用74HCU04＋27MHz晶振方案，如图9所示。

74HCU04是74系列逻辑集成电路中一种六反相器，芯片含有6个非门，该方案系统时钟电路绘制如图10所示。

该电路采用皮尔斯振荡电路，使用74HCU04（U23）芯片中的F6、F2两个反相器，其中F6和27MHz晶振以及C217、C218构成27MHz时钟振荡电路，F6在电路中起反相激励振荡作用，F2为输出的振荡波形进行缓冲和整形。

C217、C218为负载电容，与晶振一起决定负载谐振频率，负载电容常用标准值有12pF、16pF、20pF和30pF等。

R203、R204为负载电阻，其中R203和晶振并联，在电路上起反馈作用，以保证反相器输入端的工作点电压在VDD/2；这样在振荡信号反馈在输入端时，能保证反相器工作在适当的工作区，使得振荡幅度趋于稳定。如果用芯片中的反相器来作振荡，必须外接这个电阻，对于CMOS芯片而言，该反馈电阻一般选取≥1MΩ阻值。R204和晶振串联，作为驱动电位调整之用，预防止晶振被过分驱动而引起频率上升，导致晶振早期失效。

该电路输出的是固定的27MHz本地系统时钟，不能够随发送端的时钟作同步调节。

系统时钟电路故障检修

对于系统时钟电路的故障，在相关接收机的硬件问题上，主要表现在电路未启振和时钟频率偏移这两种现象。

1. 电路未启振

电路未启振的故障现象是：开机电视屏幕无反应，任何操作也均无效，呈死机状态。

可用30M示波器测27MHz晶振引脚有无振荡波形产生，如果没有，说明系统时钟电路未产生振荡，应该重点检查晶振是否损坏，U23的8脚有无3.3V电源以及U23是否损坏等故障。例如采用PLL502-02芯片的时钟电路，检查1、8脚应该有13.5MHz的波形，而8脚有27MHz的波形，具体如图11所示。

如是业余维修，没有示波器，可使用数字万用表测量晶振引脚两端的电压。根据一般经验，晶振两端电压其中一端略低于为电源电压一半，另外一端略高于电源电压的一半（多见于频率较高的晶振电路），则晶振工作正常。

如DM500S在正常工作时，其PLL502-02芯片引脚测试电压值如表1仅供参考）。

注意，用普通数字万用表测试芯片5、8脚时，会因为万用表的内阻低，导致时钟电路不能正常工作而引起接收机死机。

2. 时钟频率偏移

由于时钟频率偏移而产生的故障现象较多，主要有如下几种：

（1）图像有马赛克现象

27MHz时钟不仅作为系统的恢复时钟，而且还作为视频编码的基准时钟，频率必须保持稳定，不能漂移过多。视频编码器是在此前提下，才能正常工作的。若漂移严重，可产生图像有马赛克，甚至无图像等现象。

例如一台DM500S接收机，图像不时有马赛克现象，用万用表检测27MHz晶振两个脚电压，发现与正常值有偏差，经检查发现负载电容C217漏电，更换30pF普通瓷片电容，故障排除。

（2）声像不同步

一般来讲，采用普通晶振的系统时钟电路，容易产生声像不同步现象，因为它没有PCR时钟恢复功能。PCR是系统时钟的抽样值，如果在某一段时间内，节目编码的时钟和本地的27MHz系统时钟相差太多，而又没有实时地恢复，会导致回放的音频、视频在时间上相差过大，出现声音在前口不动或口动声音却在后的问题，这种现象对于采用74HCU04＋27MHz方案部分DM500S灰壳机来讲，尤其严重。而采用晶振＋VCXO芯片的系统时钟电路则很少会出现这个问题，如果有这个问题，则一般是晶振或负载电容的温度稳定性差所致，可更换优质的元件试一试。

例如有烧友反映，一台采用T73227＋27MHz方案DM500S接收机，用电视机固定一个台观看，看3个小时后出现音像不同步现象，越往后不同步越严重，当工作到8小时后就会出现马赛克形象，而每次刚换台后的一段时间却很正常。同步用电脑通过Web网页收看，对比发现，当电视机有马赛克时，电脑上却没有马赛克现象。

烧友根据网上搜索了好多资料，分析都是说内存的问题，但更换内存后一点效果也没有，我们建议更换27MHz晶振，问题得以解决。这就是27MHz晶振温度稳定性差所致，当刚换台时，接收机的锁相环（PLL）电路要重新锁定PCR及其它时钟，所以能图像正常；过一段时间后，PLL电路由于27MHz时钟频率偏移过大而失锁，就会有马赛克现象。用电脑收看没有马赛克是因为电脑接收的是数字码流，是通过电脑的软件解码实现的，和接收机的27MHz晶振电路没有关系；而电视接收到的是模拟信号，模拟信号是经过DM500S主芯片内的视频编码单元将数字视频转成而成的，PLL失锁会影响视频编码单元，一般更换性能好的27MHz晶振即可解决问题。

有烧友询问：一些采用T73227＋27MHz方案DM500S接收机，其系统时钟电路中并未采用C217、C218负载电容，而工作却很正常。自己照葫芦画瓢，也将自己有声像不同步故障接收机上的C217、C218去掉，其结果不但没有改善，反而不同步现象更加严重，不知是何原因？

要知道此晶振非彼晶振，对于未采用负载电容的接收机主要是所选用晶振（如HC-49S晶振，参数为27MHz、20pF/±25ppm）要求的负载电容和T73227芯片内置的负载电容容量相配，已能够谐振27MHz到频率上，因此无需外置负载电容。而对一般的DM500S接收机来讲，所用的晶振的负载电容并非能和T73227片内电容容量一致，如果去掉这两个负载电容，必会影响晶振的起振或导致振荡频率的偏移，出现上述在使用中的问题。

3. 关于更换晶振的问题

如果经过检查确实是晶振质量问题，可以进行更换。不过在更换晶振时应该注意该晶振厂家推荐的负载电容值，这样振荡电路所产生的频率才会和晶振标称值相同。不准确的容值会影响到晶振的谐振频率和输出幅度，例如一个参数为4.0000MHz、16pF/±25ppm的晶振，负载电容推荐值是16pF。如果选取负载电容为10pF时，振荡频率就可能会是4.0003MHz；选取负载电容为20pF时，振荡频率就可能会是3.9997MHz；可见负载电容对频率精度的重要性。

因此有条件的烧友在更换晶振时可配合30MHz示波器作试验，在PCB板上用不同的电容或并联一个可调电容来微调频率，使得示波器上呈现出最佳和最大输出幅度的振荡波形。

4. VCXO芯片损坏的更换

对于采用PLL502-02芯片＋13.5MHz晶振或T73227芯片＋27MHz晶振的接收机，如果PLL502-02或T73227芯片损坏但没有配件可更换者，可采用常见27MHz的VCXO晶振代替，如图12所示。

常见的VCXO晶振是一个四端铁壳器件，内部主要由石英晶体振荡器、变容二极管和振荡电路组成。其中1端VT为调谐电压控制端，5端OUT为频率输出端，8、4脚分别为+3.3V电源端VCC和接地端GND。

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分频就是用同一个时钟信号通过一定的电路结构转变成不同频率的时钟信号。

二分频就是通过有分频作用的电路结构，在时钟每触发2个周期时，电路输出1个周期信号。

比如用一个脉冲时钟触发一个计数器，计数器每计2个数就清零一次并输出1个脉冲，那么这个电路就实现了二分频功能。

（来源：文章屋网 ）

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【关键词】数字视频广播通用接口；条件接收；机卡分离；高性能系统总线

1.引言

在数字视频广播(Digital Video Broadcast，DVB)的一系列标准中，条件接收(Conditional Access，CA)用来控制广播业务的接收[1]。外置式解密系统采用了欧洲的多密技术，可使用户接收不同的加密算法所加密的节目，即用一台机顶盒能够接收不同CA节目的技术。机顶盒与外部CA模块之周通过数字视频广播通用接口连接，完成外部模块到机顶盒的通信，并实现节目解密，解扰[2]。本文给出了一种数字视频广播通用接口到高性能系统总线(Advanced High performance Bus，AHB)转换电路的实现，能广泛使用于各种CA系统中。

2.外置式机卡分离接口技术

外置式机卡分离技术的基本思想是将解扰、CA以及其它需要保密的专有功能集中于一个可拆卸的模块中。如图1所示，外置式机卡分离技术由主机(又称机顶盒)和外部CA模块两部分组成，在主机和CA模块之间依靠一个标准的数字视频广播通用接口（Digital Video Broadcast-Conditional Interface，DVB-CI）进行连接和通信[3]。

采用这种方案的优点在于，同一机顶盒可接收任意CA系统加扰控制的节目。当选择更换CA时只需换用相应的CA模块，机顶盒可以保持不变。一般机顶盒扩展有多个DVB-CI，可同时与多个CA模块相连[4]。并自动或在人机交互的基础上识别哪个CA模块应处于工作状态。采用多密技术，从用户角度讲．不会因购买一家CA的机顶盒而与此CA绑定死，用户还有选择其他CA服务的可能性，同时CA系统的更新升级也十分方便。

3.从DVB-CI到AHB的转换实现方法

目前在数字音视频SOC系统中很多采用高级微控制器总线架构(Advan

-ced Microcontroller Bus Architecture，AMBA)，本设计实现了从标准的DVB-CI数据格式到AMBA规范中AHB部分的转换，并支持3路串行同时输入或1路并行输入。

3.1 DVB-CI接口格式

标准的DVB-CI接口数据格式如图2所示。

前级芯片的时钟是一个总是在跑不停的时钟，如图2所示，CLK为了适应频率的差别可能会跳过几个前级芯片时钟脉冲。所有的输出信号都在CLK的上升沿保持稳定，在下降沿变化。一个完整的包数据包含188个数据，需要204个时钟周期，其中188个时钟用于数据接收，16个时钟用于奇偶校验[5]。

3.2 系统框图及测试框架

如图3所示，给出了DVB-CI的系统实现及验证方法。DVB-CI由3个串行采样电路、一个并行采样电路、4个写先入先出(First In First Out，FIFO)时序转换电路和1个FIFO控制器组成。数据的来源是外部的DVB-CI标准信号，本设计测试时用3个串行输入模型和1个并行输入模型来模拟外部的DVB-CI输入信号做系统验证。系统采样外部DVB-CI输入的数据，然后经过写FIFO时序转换电路的把数据格式转换成写FIFO的时序格式。FIFO控制器实现FIFO数据的写和读控制并发起占用总线请求。

FIFO控制器实现各路信号的控制，可支持3路串行数据同时接收或则1路并行数据接收。该电路为了减少芯片面积，只采用被划成四片的1个单口FIFO，各片分别代表3路串行的输入和1路并行的输入，FIFO的读写时间分配如如图4所示。

因为系统时钟频率高于接口时钟频率的6倍，3路串行输入可同时传输，而并行和串行不能同时输入。当并行输入时数据传输率最高，最高可达320Mbit/s。把24个系统时钟周期分成一个时间片，其中8个时钟用来给FIFO写，16个时钟用来给FIFO读，每个时钟读写都是8bit。可以得到FIFO写的速度和读的速度都比接口速度要高，而FIFO读速度比FIFO写的数据要高。也就是说只要是接口接收到的数据都能写入FIFO，写入FIFO的数据都有时间读出去。

对于从FIFO读出来的数据到AHB总线的实现电路如图5所示。有4个预读取寄存器分别保存从4个FIFO读取的数据。当某片FIFO的数据不为空并且该片对应的预读取寄存器里没数据时，预读取寄存器会读取FIFO里的一个数据保存下来以便发送。当下个周期预读寄存器里的数据被读走时若FIFO里还有数据，则会自动读取FIFO里的数据。

4片FIFO每片FIFO都会向内部仲裁器发起请求占用总线，发送请求类型根据每片FIFO数据个数分别发送INCR16、INCR8、INCR4、INCR请求方式。仲裁器会根据优先级仲裁各片FIFO发送的请求。仲裁的优先级顺序从高低的分别为：INCR16、INCR8、INCR4、INCR。当各片FIFO处在同一个请求方式时，仲裁的优先级顺序从高低的分别为：S3、S2、S1、S0。总裁其除了要实现请求的总裁外，还要把数据转换成AHB的传输格式发送到AHB总线上。

4.系统优点

（1）系统面积小，FIFO利用率高。系统采用一个单口的FIFO，占用更少的芯片面积资源，降低了成本。把一个单口的FIFO划分成四片，每片大小根据需要软件可配。如图5所示，如果只接收S0路，则把整个FIFO都分给S0路；如果同时接收两路，则可把FIFO平均分成两个单元。与传统采用四个FIFO相比，减小了系统面积，提高了FIFO利用率。

（2）出错率低。因为FIFO划分为四片，大小可变化。同样大小的FIFO，这种变化，可根据传输情况对每一片的FIFO单元配置一定的存储空间，使FIFO合理有效利用，使出现FIFO溢出的概率更小，数据不易丢失。

（3）传输速度快，支持猝发传输。满足系统时钟频率高于接口时钟频率的6倍的情况下，能够实现低误码传输，即使在总线仲裁器里处在低优先级也不易产生数据丢失。

（4）多路传输性和可扩展性。可支持三路串口同时传输，也可支持并口传输，并且随着系统时钟的提高，在此基础上可灵活扩展更多路的输入。

5.结束语

本方案给出了一种从DVB-CI数据格式到AHB总线数据格式转换的方法，在满足一定系统时钟频率的情况下支持把三路串行输入或一路并行输入的DVB-CI数据发到AHB总线上。已经过数字仿真软件的详细仿真，功能全部实现，可集成于数字音视频SOC产品中。

参考文献

[1]彭文俊,杨斌.DVB通用接口的关键技术及实现方法[J].微计算机信息,2007.

[2]潘睁,苏凯雄.DVB条件接收系统公共接口(CI)的研究[J].福建电脑,2004(1):24-25.

[3]吴好.一种基于DVB的数据广播接收系统的设计和实现[D]福州大学,2006.

[4]朱倩,黄焱.DVB条件接收系统结构研究[J].中国有线电视,2005(02).

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【关键词】单片机；D型触发器；事件寄存器；仿真

Abstract：Single chip microcomputer based on microprocessor is widely used in all walks of life，It is generally in the intermittent working mode for the low power consumption，An interrupt signal is generated by an external event，will be dormant or power-down state of the processor into operation state，In order to save processor interrupt resource，simplify the data acquisition hardware and software development，Design of an event by D Flip-Flop consisting of（interrupt）register circuit，the event after storage for the processor to read.The event register circuit design are given in this paper，PROTEUS circuit simulation results are consistent with the design goals，The circuit has been successfully applied to low power system based on PC104 processor etc.

Keywords：Single Chip Microcomputer；D Flip-Flop；event register；simulation

1.引言

自微处理器面世以来，各种基于微处理器的单片机应运而生，随着科技的发展，国内单片机得到更深更广的开发与应用，同时单片机被要求有更多的硬件资源，更强的数据处理能力，更短的开发周期，更好的后期软件升级维护，其处理器经历了从MCS48，51系类单片机到自带操作系统的单片机、嵌入式处理器阶段，工作功耗也从10mA级到几百mA甚至A级@5vdc。单片机常用低功耗设计方法是在软硬件资源符合应用系统的需求前提下，选择低功耗的MCU；同种类型的MCU，选择用电电压较低的；尽量关闭MCU内部不用的资源，尽量使用MOS电路的器件，在不影响存取速率允许下，选择FLASH器件，在它不工作的时候处在掉电状态。为进一步降低单片机的功耗，可以使之在空闲时进入休眠或掉电状态，用外部事件（中断信号）使处理器进入运行状态。但处理器本身中断引脚有限，经常存在多个外部中断源共享一条中断线的情况，由于各个中断源产生的事件彼此独立，必须采用软件或硬件方法对中断源优先权排列和多级中断嵌套等问题进行管理[1]。导致软硬件设计复杂，设备可靠性降低，本文设计一个事件寄存器电路，将各种中断源作为事件储存，处理器用数据总线直接查询事件并对相应的事件进行处理，处理完成后进入休眠或掉电状态，节约处理器的中断资源，简化单片机软硬件开发。

2.D型触发器

寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的，一个触发器可以储存一位二进制代码，触发器根据逻辑功能不同，可分为RS、JK、D、T、T’几种，为提高电路稳定性，希望触发器的次态仅取决于CLK的上升沿（或下降沿）到达时刻的输入信号的状态，与CLK的其它时刻的信号无关，所以选择常用的正边沿触发器——D型触发器；按器件的工艺和电传导性来分[2]，有TTL，PMOS，NMOS，CMOS等，其中TTL和COMS最为常用，COMS集成电路因低功耗，工作电压宽，抗干扰能力强，输入阻抗高，所以选择满足单片机的事件（中断源）触发频率的CMOS器件，综上选用高速COMS器件74HC74作为寄存器的基本结构，74HC74是双上升沿D触发器[3]，输入输出逻辑如表1所示。

将D与S相连后与VCC连接，如图1：事件寄存电路图，图1中的初始状态Q在CLK上升沿时，与D状态一样，即为5V（H），仅当CLR为L时，Q为L状态，所以CLK上升沿的状态在CLR不为L时，一直是高电平，将事件（中断）信号转换成上升沿脉冲输入到CLK端，Q输出信号为1（H），电路实现了事件脉冲信号锁存的功能，在处理器处理完事件后，对CLR发低电平，事件信号清零，等待下一个事件的触发，如仿真图2所示，电路输入输出波形。

3.事件寄存器电路设计

处理器大多数情况在休眠状态，且所有信号不可能一到便即刻处理，因此需引入缓冲电路用来暂存数据，等待正确时序进行处理，缓冲电路包括寄存器与锁存器两种结构，从寄存数据的角度来看，两者功能是相同的，它们的区别在于寄存器是同步时钟控制，而锁存器是电平信号控制.可见，寄存器和锁存器的应用场合，取决于控制方式以及控制信号数据之间的时间关系[4]，选用CMOS同相三态缓冲器/线驱动器74HC244构成三态数据缓冲器，增强驱动能力，避免处理器数据口烧坏，把单片机的事件编成测试、通信、时钟、人工等事件编成EVENT1，EVENT2，EVENT3，EVENT4等，事件寄存器电路如图3所示。

电路工作过程：处理器开始处于休眠或掉电状态，事件寄存器处于守候状态，当有事件触发时，激活处理器启动，同时事件寄存器将事件暂存等候处理器处理，处理器启动完成后，接管整个采集系统，通过三态驱动数据口读取事件编码后去处理相应事件，处理完成后，清除事件寄存器，进入休眠或掉电状态，等待下一个事件。

4.仿真验证结果与事件流程分析

图3中的4路事件寄存电路相同，所以对事件EVENT1的电路进行PROTEUS仿真，就可以表明其它3路的运行情况，选用模拟事件的频率为15HZ的方波（A），CLR频率为10HZ的方波（B），选通信号OE频率为5HZ的方波（C），其频率远高于实际事件发生的频度，所以仿真结果可以确定电路是否可行，仿真输入输出的波形如图4所示。

图4中的模拟的事件波形为A，D型触发器的清零端为B，三态驱动器的选通信号的波形为C，D为输出波形。A的上升沿表示有事件触发，只有当B为高电平保持，C低电平选通，才会形成有效的事件电平D，与设计目标一致。由于采集事件的发生存在偶然性，事件的发生可能存在：1）处理器处在休眠或掉电状态；2）处理器在启动状态；3）处理器正常工作状态。在1）2）状态下B、C的信号不发生变化，事件状态不变，无影响；第三种状态时，只需处理器在清除事件前查询一遍有无事件即可。

5.结束语

本文将事件（中断信号）用D型触发器电路来储存，已成功应用在基于PC104处理器的单片机中，低功耗单片机的开发，间歇工作方式一直是设计的基本方法，应根据处理器的实际，采用合适的触发数字电路，在节省处理器的中断资源的同时可追溯中断来源，降低单片机的整体软硬件设计难度。

参考文献

[1]侯卫民，张骋，陈丹平，蔡惠智.基于周期性中断源的多串口管理[J].测控技术，2007（10）.

[2]苏长赞.CMOS集成D触发器的原理与应用[J].仪器与未来，1990（6）.

[3]74HC74 Semiconductor Components Industries，LLC， 2007 February，2007-Rev.0.

篇6

（赤峰学院 物理与电子信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

摘要：本文利用QuartusⅡ集成开发环境来完成译码器、LCD、流水灯等电路的设计，以FPGA实验开发板为运行载体，FPGA开发板FA280核心器件为Altera CycloneⅡ系列的EP2C8Q208，通过开发板上的USB Blaster将程序下载到开发板，实现VHDL硬件语言设计的译码器、LCD及数码管显示接口电路的运行显示.

关键词 ：QuartusⅡ；译码器；显示接口

中图分类号：G642文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）05-0059-02

1 引言

在信息时代的今天，科技飞速发展，电子产品更新换代迅速，传统的设计方法再也不能满足市场需求，因此EDA技术在一些电子领域取得了惊人的成绩.当然，紧随科技脚步的高校自然也不会落后，由此EDA技术便在电子信息类专业中发展起来了.但传统的授课方式，让我们只能在课堂上通过老师的讲解来接触到EDA技术，抽象的知识让学生很难去深入理解和探索，这样理论与实践相结合就显得尤为重要了.EDA是将计算机技术应用到电子电路设计中，在QuartusⅡ环境中，运用输入原理图或硬件语言进行编译与仿真的技术.在开发板上可以实现数码管、LCD、流水灯、蜂鸣器等显示和发声的效果.

2 EDA教学实验开发板概述

本文用到的实验板是FPGA开发板FA280，FA280板载有SDRAM，flash以及USB Blaster下载线电路.利用QuartusⅡ集成开发环境来完成前期设计，以FPGA实验开发板为运行载体，来完成VHDL、Verilog HDL等一些硬件语言的运行显示.

FPGA开发板FA280，其核心器件为Altera CycloneⅡ系列的EP2C8Q208，是包含192个引脚，其中I/O口有183个，板载存储器包括SDRAM HY57V641620和Bytes,FLASH AM29LV320，存储空间分别为8M和4MBytes.SDRAM与系统总线速度同步，可避免不必要的等待周期.

接口包括：PS2接口、VGA接口、RS232串口、USB下载接口.开发板具有USB Blaster下载线电路，插上USB线即可进行下载，通过拨动USB下载接口开关选择JTAG或AS下载方式.

显示设备包括6位7段红光数码管，8位绿色LED发光二极管，LCD1602和LCD12864显示屏接口插座.

复位电路由一个复位按键和一个复位芯片组成的，可以将电路恢复到起始状态（相当于清零按钮）.复位芯片为MAX811R，可将输出脉冲宽度为140ms、门限为2.63V的低电平有效复位脉冲信号提供给FA280.

电源部分包括1117-3.3和1117-1.2各一片，从功能板分别引入3.3V和1.2V的直流电源作为EP2C8的核心电源电压，并在核心板上加入滤波电容，以确保芯片和电源系统的稳定性.

其他还包括一个蜂鸣器、4位独立按键、电源插座和开关、SD卡座、扩展总线（GPIO）和有源晶振.

3 EDA技术的应用软件及开发流程

3.1 硬件描述语言VHDL

高级硬件描述语言VHDL已成为IEEE标准，适用于行为级和RTL级的描述，最适于描述电路行为，并在设计时可以不了解电路的结构细节.VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口，其设计的基本点是将设计实体分成内、外部分.完整的VHDL程序要包含库、程序包、实体、构造体和配置等部分，它的描述语句和常用语句都有其固定的格式，并且有自己的语法，不允许不同类型的数据在表达式中自由组合.

3.2 开发流程

QuartusⅡ作为一个综合性的开发平台，可以完成多种功能的实现.QuartusⅡ的设计流程：首先输入HDL等形式的设计文本，接着根据设计要求设定编译方式和策略，然后进行设计校验（仿真和定时分析），最后进行编程与验证（将编程文件配置到PLD中）.设计过程中，如果出现错误，则回到设计输入阶段改错，然后重复以上步骤.

设计输入：设计输入可以用HDL方式或原理图录入方式.一般可以使用原理图来设计最顶层，将整个设计的结构描述清楚，具体实现各模块时用HDL.对于HDL方式的设计输入，可以采用Verilog和VHDL，我们这里采用VHDL语言来实现.

综合：综合工具将设计转换成包含逻辑单元和逻辑单元间连接的网表文件.

功能仿真：对已经综合的电路的功能进行验证，功能仿真不涉及任何时序方面的内容.

配置：将综合产生的网络表中的逻辑单元映射到CPLD/FPGA器件中的LE，这里还包含器件中LE间连接和路由的选择.

时序分析和时序仿真：通过分析配置后的电路各个路径上的传输延时，获得电路的性能情况.这里的时序仿真将结合器件时间参数，与前面的功能仿真不同，功能仿真只关注与源程序的逻辑是否正确.

编程：在CPLD/FPGA器件内实现设计，包括逻辑单元和逻辑单元间的连接.

在做一个设计时，通常要对功能进行模块划分，每个模块对应一个源文件，用一个唯一的顶层文件将这些模块源文件组合起来，形成一个整体设计.顶层文件完成模块的例化工作，顶层文件可以用HDL语言编写，也可以用原理图的方式.

4 译码器与显示接口电路设计

4.1 3线-8线译码器

3线-8线译码器的仿真过程：运行Quartus II软件，建立工程项目，工程命名为lq.建立一个VHDL文件，命名为lq，文件后缀为.vhd，再将程序写入并保存，然后编译，确保没有错误后进行仿真，周期设为100ns.将输入端A2、A1、A0三位二进制代码按照真值表设定好；S_0、S_1、S_2为控制输入端，当s_0 and (not s_1)and (not s_2)为1时，译码器工作，当它为0时，译码器全为高电平；输出端Z-n7到Z-n0.在对端口进行设定，将A2、A1、A0和总控制端S设定为K1、K2、K3、K4四位独立按键作为输入端，其端口依次为I/O74、I/O72、I/O75、I/O76.输出端Z-n7~Z-n0对应的是LED8~LED1，其端口依次是I/O181、I/O175、I/O171、I/O169、I/O170、I/O173、I/O180、I/O182.设定好之后，再次进行编译仿真，没有错误即可进行配置，可以实现输入四位二进制代码，按照其原意翻译成相应的输出信号，体现在LED灯上.仿真波形如图1所示.

4.2 LCD显示

LCD的仿真过程：运行Quartus II软件，建立工程项目，工程命名为lcd1602.建立一个VHDL文件，命名为lcd1602，文件后缀为.vhd，再将程序写入并保存，然后编译，确保没有错误后进行仿真.先进行端口说明，输入端为：start - 启动显示、cmd - 命令、dat_i - 等显示的字符数据、clk - 时钟、rst - 复位信号（低电平有效）.输出端为：lcd_e - lcd1602使能、lcd_rw - lcd1602读取有效、lcd_di - lcd1602数据/命令选择信号、lcd_dat - lcd1602数据、ok .完成对lcd1602的驱动，使lcd1602初始化，并显示字符.

然后以同样步骤建立名为lcddemo_ctrl的工程，到编译仿真.再进行端口说明，输入端为：ack -接收数据方已确认（上升沿有效）、init_ok-显示屏初始化完成、clk-时钟输入、rst-复位信号输入.输出端为：stb-输出数据通知信号，上升沿有效、dat-输出数据.还要对列出文本文件的内容进行设定（参考），就可以完成在lcd1602上显示两行字符“made by liu qin”.当然也可以显示其他内容，根据AsciI字符表编辑想要显示的代码，便可显示想要的字符.

4.3 流水灯

流水灯的设计主要由三个模块和一个顶层文件组成，其模块划分及功能说明如表1、表2：

FA280开发板硬件具有8位LED，为低电平驱动方式，即低电平点亮高电平熄灭.

本实验中实现以提供低电平方式点亮8个LED中的某一个或多个，其点亮模式代表了数据0~9和A~F，两次点亮的时间间隔为1s，以15s的周期循环重复.流水灯点亮方案如表2.流水灯显示仿真过程是对三个模块和一个顶层文件进行编译仿真，具体操作步骤如上两个实例.运行Quartus II软件，分别建立工程项目、VHDL文件，再将程序写入并保存，然后编译，确保没有错误后进行仿真.并对各模块的端口进行说明，实现其具体功能，完成流水灯的显示.

5 结语

本设计应用QuartusⅡ 9.0软件，采用VHDL语言，按照开发流程完成3线-8线译码器、LCD和流水灯的设计，得到相应的仿真波形并下载到实验开发板上观察显示实验结果.这个过程让学生熟悉了EDA技术和实验开发板的功能，及相关软件的应用.

参考文献：

〔1〕廖超平，EDA技术与VHDL实用教程.高等教育出版社，2007.

〔2〕闫石.数字电子技术基础.高等教育出版社，2006.

〔3〕汪国强.华成英，EDA技术与应用.电子工业出版社，2005.

〔4〕侯伯亨.VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计.西安电子科技大学出版社，2009.

〔5〕潘松.EDA技术与应用.清华大学出版社，2005.

篇7

我在实验教学中使用的朗威DISLabV6.5系统提供了20多种物理量传感器，在电子电路实验中常用的传感器有电压传感器、电流传感器、磁传感器和微电流传感器等。DISLab的软件分为专用软件和通用软件。专用软件用于完成预先设计好的演示实验和学生实验，针对不同的实验提供各具特色的数据记录、分析和演示界面。通用软件的功能丰富，支持实验数据的手动或自动记录，可以选择数据的采集频率和显示方式（数字、仪表和示波等），同时具有绘图、拟合、运算等数据分析功能。在电子电路实验中，我们常用通用软件模块。

2DISLab在电子电路实验教学中的优势

2.1有助于深入研究电路相关知识

DISLab具有强大的绘图和图像处理功能，通过“组合图线”窗口可以实现绘图、图线分析、图线控制和图线回放等功能，为直观揭示各种电路现象与电路物理量之间的关系创造了极好的条件。DISLab设有两个“组合图线”窗口，可同时观察不同的物理量之间的关系，如同一个实验中电流、电压与时间的关系、电压与电流的关系等。通过图线分析功能，可对图线进行多种拟合、求导、积分等分析和处理。通过图线控制功能，可实现图像的横向、纵向自由缩放，既可展示图线的具体细节，又能把握数据变化的全过程。通过图线回放功能，可重新播放做过的实验图线，以便仔细观察和进一步研究。通过图线“锁定”功能，可将图线作为历史参照保留在窗口内，当改变实验条件重复实验时，可将新获得的图线与参照图线进行比较，总结实验条件改变对实验结果的影响。如在“三极管输出特性曲线”实验中，先将基极电流IB保持为恒定，得到一条ICE-IC曲线，再调整基极电流IB并保持为恒定，可得到第二条UCE-IC曲线。如果在绘制第二条UCE-IC曲线之前锁定第一条曲线，我们可同时看到两组曲线。借助于这样的技术支撑，我们能直观地观察出相关物理量之间的关系，并对物理现象进行多角度的认识和深入研究。

2.2DISLab拓宽了传统演示实验的领域

DISLab依靠高灵敏度的传感器和高速数据采集器，使过去令老师只能“黑板”上谈兵的瞬间变化或可见度小的实验过程变得显而易见，比如电容的充放电、双稳态电路、振荡电路、自感现象等。DISLab中，数据采集器可将大量的数据在非常短的时间内记录并传送到电脑中，并通过配套的软件直接处理和显示，使得在传统实验设备中不容易检测与观察的物理量直观地表现出来，增加了学生的体验和感受，同时激发了试验探究和和探求知识的欲望。例如：在电容充放电实验中，因为电流的变化速度很快，如果用传统的实验仪器和手段测量电流误差很大，而且无法观察其变化规律。而利用DISLab后，实验过程简便直观，探测灵敏度提高，实验结果直观，激发了学生的探究兴趣。1）实验过程：（1）将电压和电流传感器分别接入数据采集器；（2）按照图1所示的实验原理图连接实验装置；（3）对传感器“调零”；（4）按“组合图线”按钮启动图线功能，添加“U1-t、I1-t”图线；（5）点击“开始”按钮，开始记录实验数据；（6）将开关拨到1（充电）位置；（7）当充电曲线稳定后，再把开关拨到2（放电）位置。完成以上几个步骤后，在“组合图线”窗口中可以看到如图2所示的实验曲线。2）实验结论：当开关拨到1位置时，电容开始充电，电容两端的电压逐渐增加并趋于稳定，最终等于电源电动势。在开关接通的瞬间电流很大，但电流随着电压的增加而逐渐减小，最终等于零。当开关拨到2位置时，电容开始放电，电容两端的电压逐渐减小并最终等于零。在开关接通2位置的瞬间，电路中产生很大的反向电流，但电流随着电压的减小而逐渐减小，最终等于零。该实验中，DISLab直观地显示电流和电压的瞬间变化，顺利突破了教学难点，使学生轻松掌握电容的工作原理，显著提升了教学效率。DISLab优化和挖掘传统实验仪器的测量和记录功能，使得原来无法测量和无法观察的实验过程变得易如反掌，有效地延伸了人的感官功能，提升了实验教学效果，在数字化实验领域引领了革命性的变革。

2.3DISLab支持自制教具和实验内容的扩充

DISLab提供的多种传感器和功能丰富的软件平台，为教师发挥自己的主观能动性、自助设计和制作教具提供了有力支持，为实验课的教与学增添了活力，提高了实验教学效果和质量。在实际教学中，我们还可以不断地优化和创新实验内容，通过把传感器跟传统实验仪器、设备有效地组合，开发更多的学生实验和演示实验。通过优化实验过程和内容、自制高效的实验教具，还能不断地扩充实验平台的功能，为学生提供更加直观、形象和生动的示范和创造性的学习环境。

3结语

篇8

关键词：语音控制；语音识别芯片；单片机；

文章编号：1674-3520（2015）-09-00-03

一、课题背景

学校常会组织我们到贵阳市盲聋哑学校送爱心，与残障孩子亲密互动，今年也不例外。那些残章的孩子来到这个世界，只能用他们仅存的方式去感知世界万物，在他们的世界里只有一种颜色，那就是黑色。我不禁想，在学校还有老师的照拂，可他们总有一日要长大，要开启自己的人生旅程。要是我能为他们做哪怕一点点事，就算只是为他们的家庭生活提供一些帮助也是好的。我想，如果能利用我在机器人社中学到的传感器、电子电路、单片机等专业知识，对家庭电路进行智能化改造，让家庭的电路“聪明”起来，使他们能够听得懂主人的指令而进行相应的操作，那就可以对有残障的人和对一些不良于行的病人或老人的家庭生活都能提供很大的便利。于是，有了我的这个设计――基于LD3320的语音识别系统在家庭电路中的模拟应用。

二、模型设计

（一）模块功能

（二）模型组成

（三）主要电子元件工作原理与功能说明

1、LD3320语音识别芯片

LD3320语音识别芯片采用的是ASR（Auto Speech Recognitio）技术，是YS-LD语音识别模块的核心。它是对大量的语音数据经语言学家语音模型分析，建立数学模型，并经过反复训练提取基元语音的细节特征，以及提取各基元间的特征差异，得到在统计概率最优化意义上的各个基元语音特征，最后才由资深工程师将算法以及语音模型转换成硬件芯片并应用在嵌入式系统中。

LD3320有两种使用模式，即“触发识别模式”和“循环识别模式”。可以通过编程，设置两种不同的使用模式。

触发识别模式：系统的主控MCU在接收到外界一个触发后，启动LD3320芯片的一个定时识别过程，在这个定时过程中说出要识别的语音关键词语。这个过程结束后，需要再次触发才能再次启动一个识别过程。

循环识别模式：系统的主控MCU反复启动识别过程。如果没有人说话就没有识别结果，则每次识别过程的定时到时后再启动一个识别过程；如果有识别结果，则根据识别作相应处理后再启动一个识别过程。

根据本案模型的设计特点，采用语音触发识别模式。LD3320芯片最多支持50个识别条目，每个识别条目是标准普通话的汉语拼音（小写），每2个字（汉语拼音）之间用1个空格间隔。例如表1，只需要把识别的关键词语以汉语拼音字符串的形式传送进芯片，该芯片已封装了基于标准普通话的语音模型数据和语音识别算法，无需进行任何语音训练即可投入开发应用。

2、STM32单片机控制单元

本案模拟系统主控单元采用意法半导体ARM-Cortex架构的STM32F1系列超低功耗单片机作为控制核心。

该单元完成几大功能：

向LD3320模块提供时钟振荡信号，以驱动片上DSP（数字信号处理器 ）工作；

通过SPI（串行外设接口）串行通信方式向LD3320模块写入预定义的控制命令拼音串，并读取语音模块返回的识别结果编码；

根据识别结果驱动负载电路（LED单元（发光二极管）、继电器单元）的动作。

当LD3320模块完成一次识别过程后，通过中断请求方式通知主控单元处理，主控单元获知中断请求后会暂时中止当前的任务执行，转而跳转到中断服务例程（ISR Route），在该例程中通过SPI总线从LD3320模块读取识别编码，根据识别编码的不同执行对应控制功能。通过点亮、熄灭指令对应发光二极管或驱动继电器接通主回路得到运行结果。

3、LED显示单元

本案模拟系统用六个共阳极发光二极管（LED）来模拟家庭中厨房、工作间、卧室、走廊、卫生间、阳台的灯泡开关状况，工作时主控单片机则根据语音命令，采用输出低电平方式进行驱动点亮。

4、继电器输出单元

继电器输出单元可接收主控单片机的高低电平控制信号以接通或断开主回路。主回路根据实际需求可以用于大电压，交、直流供电的负载驱动。本案模拟系统用继电器单元实现家庭电扇的通断控制。

（四）系统软件开发环境

本案模拟系统的软件开发只针对STM32F103主控单元进行，软件代码完成以下功能：

LD3320底层驱动（对其内部寄存器的读写、时序的控制）；

STM32F103硬件单元和用户变量的初始化；

用户语音命令拼音串的写入；

中断服务ISR（完成负载电路的驱动控制）。

软件开发基于ARM公司的Keil开发环境，完成从代码编辑到编译、调试、烧写一系列过程。

（五）设备成本

三、设备实测

（一）控制命令

LD3320语音识别芯片中最多可以写入50条语音控制指令，可以根据用户需要定制个性化的语音控制功能。本案设备的设计初衷是为了探索LD3320语音识别芯片在家庭电路中的模拟应用，故只写入了比较基本的18条指令。

（二）设备测试

在写入程序，完成硬件连线并加电复位后，系统即进入运行状态。向系统说出控制命令（尽可能用普通话， 不过实测时对贵阳本地方言还是有较高识别率），比如说“厨房打开”、“走廊关闭”、“电扇启动”、“运行流水灯”等命令后，系统会根据识别结果执行对应动作，点亮/熄灭LED或者通/断电扇运行。

为了更好的检测语音识别效果，实验中选择多个不同音色的人在家庭（比较安静）环境下分别进行测试，每个词语测试50遍。部分非特定人的语音命令测试的正确识别数据比例见表4：由上表可知，在家庭（比较安静）环境下，对于语音命令的平均识别率可达到90%以上。

四、设备优势与应用展望

（一）设备优势

1、本案设备成本低、语音辨识率高、响应快速，可以直接安装于家庭电路中实现语音智能控制。

2、由于LD3320 可以动态编辑的识别关键词语列表，因此其可以应用的范围大大超过了那些不可以改变识别列表的芯片。

3、可以根据用户的需求进行控制命令写入，实现可定制、个性化的智能控制。

（二）应用展望

1、应对家庭生活突发状况

在本语音识别系统中只是初步尝试了对用电器通、断电控制，而在现在社会中有很多的空巢老人，他们独自生活，如果在家中出现意外或突发疾病，随时都有可能危及生命。如果在本案系统中可以添加“紧急呼叫”的语音控制，当出现突发状况时可以使用该功能触发电话自动拨打物管、救护车、亲属等重要联系人。或者该控制与小区物管相连，每当有人有紧急呼叫时，物管的终端紧急呼叫灯亮起，并触发扬声器发出警报声，使物管人员迅速到场解决问题。

2、实现家用电器的语音控制

（1）电磁炉/微波炉/智能家电操作

在现在的家电中，各种各样的设置越来越繁复。用户在使用过程中，还要不断地对家电进行功能切换。在引入LD3320 芯片后，可以用语音直接控制这些家电。比如用语音来控制电磁炉把火力调整到“煎炸”或者是“慢炖”。

（2）数码像框

数码像框中存放了许多的照片和视频，同时又具有多种播放的方式。一般是通过按键或者遥控器的方式来对其进行操作，但是这样的操作并不方便。在引入了LD3320 提供的语音识别功能后，用户可以最自然地用语音去点播想要显示的照片，或者改变数码像框的显示方式。使得这样的数码产品更加具有人性化的操作界面。

3、机顶盒/彩电遥控器

随着数字电视的普及，家庭中可以收看到的电视节目也越来越丰富。大家也就苦于在众多的频道中迅速选择到自己想要看的频道。在把LD3320 语音识别芯片集成进机顶盒/彩电遥控器后，用户只需要对着遥控器说出想要看的电视频道的名字，就可以快速地选择。比如用户可以说出“奥运体育”，就可以转到体育频道来观看精彩的体育比赛了。

4、智能玩具/对话玩具

在电视购物中曾经出现过可以人机对话的玩具，比如金福猪，金福狗等。这些玩具采用的语音识别只能支持固定的10 条左右的语音命令，比如“你好”，“我想听歌”等等。采用LD3320 芯片，可以利用其动态编辑识别关键词语列表的性能，让玩具实现及其复杂的对话脚本。避免了玩具的严重同质化。

（三）公共服务设施的语音控制

1、自动售货机、地铁自动售票机等销售型服务设施

在自动售货机、地铁自动售票机等销售型服务设施中安装语音操作模块。人们可以对着售货机说出要买的商品，比如“可口可乐”或者“面巾纸”投币后商品就自动售出。在北京、上海等大都市中，外地旅客较多，对地铁线路不熟悉导致买票时不知道票价也不知道如何购买。有了语音操作界面后，只需要对着售票机说出要去的地方或者想要到达的站点，根据屏幕提示放入纸币，就可以方便地买到车票。

2、公共照明系统、辅助设施的语音控制

在公共场合帮助残疾人士、行动不便的老人或小孩非接触地去控制公共照明系统或辅助设施（地下通道轮椅台等）的运行。

3、楼宇电视的广告点播

目前分众传媒等公司的楼宇广告设施，遍布几乎所有的写字楼，也在广告投放上取得了良好的效果。但是目前用户在接受广告时，都是被动地去接受信息。对于其中感兴趣的广告，只能是等待下次再看到时进行仔细地了解，没有办法进行主动式地广告查询。

引入LD3320 语音识别芯片后，用户可以用语音去方便地查询想要了解的广告信息。比如操作楼宇广告“重新播放”“上一条”来重新观看一条广告。或者“汽车”来点播想要看的汽车广告。

这样的语音操作，不需要增加额外的键盘输入和触摸屏输入，又可以让用户与广告充分互动，取得更佳的效果。

五、结语

使用LD3320 芯片可以在一定程度上完成这样的语音控制系统，给人们的生活带来更便利的语音交互界面。作为一种新的人机交互界面，会逐步地走入人们的日常生活，在适合用语音控制的地方给人们提供更多的便利。

参考文献：

[1]陈喜春.基于LD3320语音识别专用芯片实现的语音控制，[J]. 电子技术设计与应用. 2011年11月

篇9

多数学生对家庭电路中由于电流过大造成的火灾等事故没有感性认识，可能只是偶尔会从新闻里看到这样的实例，多数学生对家庭电路中的“电”有恐惧心理.因此教师先播放城市里近期发生的由于用电不当造成的火灾事故视频，让学生认识到我们几乎每时每刻离不开电，在使用过程中有可能造成危害。教师演示实验时使用低压电源，消除学生的对“电”的恐惧心理，从而更好的分析家庭电路中电流过大的原因。

本节的教学重点又是难点：分析理解短路和用电器总功率过大是造成家庭电路中电流过大的原因。

为了突出重点和突破难点：我准备通过三个演示实验：

一、[演示实验]： 用电器总功率过大造成电流过大

1.利用如下图保险丝A、B接线柱部位换成裸铜丝，在E、F处接入功率较小的“6V、3W”灯泡时电路正常工作。再在E、F接入“6V，21W”的灯泡时电路总电流超过导线允许通过的2A的电流，总功率过大时导线C、D上的绝缘皮冒少量烟，后迅速断开电路。

2.引导学生分析导线C、D上的绝缘皮冒少量演的原因：学生会说用电器功率过大，这是要追问是一个用电器功率过大还是总功率过大，学生会说是用电器总功率过大。然后引导学生结合前面学过的知识导出电路中电流过大的原因即I=P/U ；U 一定 P=P1+P2+P3+……Pn ，越大，I越大。

3.学以致用

炎炎夏日即将来临，明明家新购置了一台1 kW的空调。已知他家原有用电器的总功率是5 600 W，电能表上标有“220 V 10（40）A”的字样。请你通过计算说明：

（1）使用这台空调时，通过它的电流是多少？

（2）从安全用电的角度考虑，明明家的电路是否允许安装这样一台空调？

找一个学生板演，其他学生在练习本上完成，老师巡视过程中发现第二问有两种解法时通过课件展示两种解法的解题过程。利用所学知识解决实际问题，提高学生的应用能力。并尝试一题多解，提高学生灵活运用知识的能力。

[提出问题]：有时候家庭电路中用电器的总功率并不是很大，但是也会产生电流过大的现象，你认为原因可能是什么？

二、[演示实验]：短路是家庭电路中电流过大的另一个原因

1.利用如下图保险丝A、B接线柱部位换成裸铜丝， E、F处接入铜导线，闭合开关，因短路时电流过大导线C、D上的绝缘皮冒大量烟，CD金属丝被烧红，后迅速断开电路。并问灯泡是否被烧坏，将EF处导线移除，重新闭合开关，观察等灯是否发光。

2.引导学生分析导线C、D上的绝缘皮冒大量烟，CD金属丝被烧红的原因；然后引导学生结合前面学过的知识导出电路中电流过大的原因即I=U/R；U一定时，R越小，I越大。

3.学生阅读教材110页找出家庭电路发生短路的原因；即由于改装电路时不小心、或绝缘皮破损或老化等原因使火线和零线直接连通，用电器潮湿进水造成短路，使得电流过大。

[提出问题]：如何防止总功率过大或短路对家庭电路的危害？

三、[演示实验]：保险丝熔断保护电路

1.将A、B处裸铜丝拆下来，安装保险丝（或保险管）接入电路分别演示短路和总功率过大等电流较大时，保险丝熔断，而导线和铜丝等不会损坏。可见，在电流较大时，保险丝会先行熔断，自动切断电路，对整个电路起到保护作用。

2.展示各种规格的保险丝。为了起到保险作用，保险丝应该具有什么样的材料特点？保险丝与用电器的连接方式应该是怎样的？引导学生阅读教材111页二、三自然段找出以上内容。

（1）材料特点：熔点低，电阻大

（2）作用：保险丝会先行熔断，自动切断电路，对整个电路起到保护作用。

（3）连接方式：串联

（4）原理：电流的热效应

3.[提出问题，引导学生讨论]若保险丝熔断，能否用其他导线，如铜丝或铁丝代替保险丝？为什么保险丝粗细不同？在讨论的基础上完成教材112页第二题。

4.你还知道哪些新型保险装置？一些新建楼房采用空气开关作为保险装置。

四、[演示实验]： 演示：自制线路板演示灯泡短路时空气开关“跳闸”的现象

为保证实验效果制作线路板上的空气开关选用6A的规格，外加漏电保护器。其实这一现象在很多习题中出现，如家庭电路中其他用电器正常工作时，接入一个台灯，插头插入插座时保险丝熔断，问是谁的故障？学生不太理解，因为没见过，所以用自制线路板演示，学生对其原因一目了然。

通过演示实验形象直观地通过现象引导学生运用物理知识分析出短路和用电器功率过大造成家庭电路中电流过大的原因，并结合众所周知的生活实例让学生明白短路的危害，培养学生运用知识分析解决实际问题的能力。培养安全用电的意识。

参考文献：

篇10

    电子线路CAD实验,基于ORCAD软件

    目标:对传统数字电路实验中的逻辑电路、时序电路、以及对称CMOS电路进行特性分析。

    主要内容:1.编辑原理图  ,2.仿真波形,与传统实验仿真结果进行比较。