低功耗设计论文范文
时间：2023-03-25 11:50:01
导语：如何才能写好一篇低功耗设计论文，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
2月7日~11日在旧金山举办的2010 ISSCC,以“感知未来”为主题,向观众展示了集成电路的前沿进展、未来的技术方向以及“后CMOS时代”硅半导体技术的替代者。
集成电路发展的见证者
时至今日,由IEEE(国际电气电子工程师协会)举办的ISSCC已经走过了57个年头。集成电路历史上一些里程碑式的创新大都会在ISSCC上首次公布:从1962年仙童公司的TTL(晶体管-晶体管逻辑)电路开辟了数字电路的集成时代,到1968年泰克公司的集成放大器将模拟电路带入集成时代,再到1974年英特尔公司的8位处理器开启了计算普及之门;更不用说多核、高性能CPU、低功耗技术、视频处理器、可编程DSP(数字信号处理器)、WiFi、蓝牙、CCD图像传感器等人们耳熟能详的信息技术。
本次会议设有10个议题:低功耗数字技术、高性能数字技术、存储器、模拟、射频、数据转换器、无线、有线、图像/显示/微电子机械系统/医疗和技术方向。
根据ISSCC公布的论文统计,来自世界多个国家和地区的半导体企业和高校等研究机构共向大会提交了638篇论文,其中有210篇被大会录用。这两个数字分别略高于2009年的582篇和203篇,稍低于2008年的656篇和237篇。从地域上看,北美和欧洲的论文数在国际金融危机最为严重的2008年也处于谷底,分别为78篇和52篇,而今年则达到86篇和59篇。从机构分布上看,在会议上达到或超过4篇的共有15家,其中英特尔以13篇位居其首,而产业界和学术界分别以51%和49%的比例在论文数量上平分秋色。
从注册观众上,今年的观众数量较2009年提高了一成。集成电路产业历来是整个IT产业的风向标,此次会议在论文和观众数量上都有所回升,这对于整个IT产业是个好消息。
我国内地是在2005年、2006年和2008年分别由新涛科技(上海)有限公司、中科院半导体所和清华大学实现了企业、研究机构和高校在ISSCC上论文的零突破。
高性能处理器龙争虎斗
高性能处理器依旧是ISSCC的热门之一,英特尔与AMD、IBM与Sun这两对“冤家对手”,各自在会议上亮出自家的“镇山之宝”。
32nm处理器成为英特尔与AMD比武的擂台。英特尔在其《Westmere:32nm IA处理器家族》的论文中,披露了32nm 处理器Westmere系列的技术细节。Westmere在性能上从45nm处理器Nehalem的4内核/8线程提升到6内核/12线程,L3 缓存从8MB提升到12MB,晶体管数量则从7.31亿个增加到11.7亿个。得益于32nm制程技术,6个内核的Westmere的芯片面积(240mm2)甚至略小于4个内核的Nehalem(262mm2)。Westmere还在电源输入端引入了反谐振电路和LC滤波器,以降低电源噪声对QPI总线和DDR时钟的干扰。
AMD没有出现在ISSCC统计的论文达到或超过4篇的统计名单中,它在《32nm SOI CMOS下实现的x86-64内核》的论文中介绍了未来AMD 32nm处理器内核的一些特征:采用SOI技术,主频超过3GHz,单个内核的功耗控制在2.5W~25W之间。
在RISC处理器上,IBM了性能较之上代产品POWER 6有近5倍提升的处理器POWER 7,这种计算性能的大幅提升,在当今处理器的更新换代中还是罕见的。POWER 7拥有8个内核,每个内核含4个线程。POWER 7采用45nm SOI工艺,它将原有外置的L3缓存集成到芯片上,每个内核拥有4MB的L3缓存,整个芯片的L3缓存高达32MB,芯片面积为467mm2。
被Oracle纳入旗下的Sun在会上介绍了UltraSPARC家族的下一代产品的技术特征:采用40nm制程、16内核、128线程。这一信息的披露给UltraSPARC的用户带来些许的安慰,但Sun能否将其付诸实施,那还要Oracle说了算。
英特尔还在会上介绍了采用SoC(片上系统)技术的48内核处理器Message passing。这款被称之为“SCC”(单芯片云计算)的处理器,除了在数据吞吐方面独具匠心外,其工作频率和电压分别设有28档和8档,可以分别独立调节,从而有效地降低了功耗。
综观高端处理器设计,各家都有自己的独门绝技,而各家共同关注的依旧是在降低功耗的同时通过增加内核数量来提升整体性能。
低功耗处理器跨越1GHz门槛
与高端处理器将对性能的追求放在首位不同,降低功耗成为低功耗处理器的第一诉求。如今,伴随着智能手机、消费电子产品以及其他嵌入式应用的发展,性能的提升已经成为低功耗处理器亟待解决的问题。
以未来智能手机的需求为例,它要求具有主频到达GHz量级,高达100Mbps的数据传输率,而且智能手机的总功耗应该限制在1W水平上。通常,功耗和计算性能如同鱼与熊掌一样不可兼得。于是,一些创新的技术被引入低功耗处理器的设计之中。
英特尔在本次ISSCC上介绍了一种采用45nm工艺的自适应处理器原型。这种处理器内核应用错误诊断和错误恢复电路,实现了降低电压和提高主频两个目的,该处理器在0.8伏这个超低的、接近门限电压的工作电压下,性能提高了22%。与此同时,该芯片1.3GHz的主频也使得低功耗处理器的主频突破了1GHz的门槛。
英国ARM公司介绍了Razor技术,Razor具有时序错误探测、错误恢复和电压-频率调节功能。采用这一技术的65nm ARM ISA处理器,工作在1GHz主频和1.1伏时,可在功耗降低52%的同时保持性能不变。
篇2
论文摘要：功耗问题正日益变成VLSI系统实现的一个限制因素。对便携式应用来说，其主要原因在于电池寿命，对固定应用则在于最高工作温度。由于电子系统设计的复杂度在日益提高，导致系统的功耗得到其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为依据，突出实现SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。
引言
从20世纪80年代初到90年代初的10年里，微电子领域的很多研究工作都集中到了数字系统速度的提高上，现如今的技术拥有的计算能力能够使强大的个人工作站、复杂实时语音和图像识别的多媒体计算机的实现成为可能。高速的计算能力对于百姓大众来说是触指可及的，不像早些年代那样只为少数人服务。另外，用户希望在任何地方都能访问到这种计算能力，而不是被一个有线的物理网络所束缚。便携能力对产品的尺寸、重量和功耗加上严格的要求。由于传统的镍铬电池每磅仅能提供20W.h的能量，因而功耗就变得尤为重要。电池技术正在改进，每5年最大能将电池的性能提高30%，然而其不可能在短期内显著地解决现在正遇到的功耗问题。
虽然传统可便携数字应用的支柱技术已经成功地用于低功耗、低性能的产品上，诸如电子手表、袖珍计算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便携的应用一直在增长。例如，笔记本计算机就代表了计算机工业里增长最快的部分。它们要求与桌上计算机一样具有同样的计算能力。同样的要求在个人通信领域也正在迅速地发展，如采用了复杂语音编解码算法和无线电调制解调器的带袖珍通信终端的新一代数字蜂窝网。已提出的未来个人通信服务PCS（PersonalCommunicationServices）应用对这些要求尤其明显，通用可便携多媒体服务是要支持完整的数字语音和图像辨别处理的。在这些应用中，不仅语音，而且数据也要能在无线链路上传输。这就为实现任何人在任何地方的任何时间开展任何想要的业务提供了可能。但是，花在对语音、图像的压缩和解压上的功耗就必须附加在这些可便携的终端上。确实，可便携能力已经不再明显地和低性能联系在一起了；相反，高性能且可便携的应用正在逐步得到实现。
当功率可以在非便携环境中获得时，低功耗设计的总理也变得十分关键。直到现在，由于大的封装、散热片和风扇能够轻而易举地散掉芯片和系统所产生的热，其功耗还未引起多大的重视。然而，随着芯片和系统尺寸持续地增加，要提供充分的散热能力就必须付出重要代价，或使所提供的总体功能达到极限时，设计高性能、低功耗数字系统方法的需求就会变得更为显著。幸好，现在已经发展了许多技术来克服这些矛盾。
由于可以高度集成，并具有低功耗、输入电流小、连接方便和具有比例性等性质，CMOS逻辑电路被认为是现今最通用的大规模集成电路技术。下面研究CMOS集成电路的功耗组成，概述实现集成电路——SoC（SystemonChip）系统的低功耗设计的诸多方法。目的在于揭示当今电子系统结构复杂度、速度和其功耗的内在联系，在及在数字电子系统设计方向上潜在的启示。
1CMOS集成电路功耗的物理源
要研究SoC的低功耗设计，首先要物理层次上弄清该集成电路的功耗组成，其次，才能从物理实现到系统实现上采用各种方法来节省功耗，达到低功耗设计的目的。图1为典型CMOS数字电路的功耗物理组成。
（1）动态功耗
动态功耗是由电路中的电容引起的。设C为CMOS电路的电容，电容值为PMOS管从0状态到H状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例，当该电压为Vdd时，从0到H状态变化（输入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存储在电容之中，另一半的能量扩展在PMOS之中。对于输出端来说，它从H到0过程中，不需要Vdd的充电，但是在NMOS下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每个时钟跳变过程之中，所有的CMOS电容都会进行一次转换（除了时钟缓冲器），所以最后要再加上一个概率因子a。电路活动因子a代表的是，在平均时间内，一个节点之中，每个时钟周期之内，这个节点所变化的几率。最终得到的功耗表达式为：Psw=aCVdd2f。
（2）内部短路功耗
CMOS电路中，如果条件Vtn<Vin<Vdd-|Vtp|（其中Vtn是NMOS的门限电压，Vtp是PMOS的门限电压）成立，这时在Vdd到地之间的NMOS和PMOS就会同时打开，产生短路电流。在门的输入端上升或者下降的时间比其输出端的上升或者下降时间快的时候，短路电流现象会更为明显。为了减少平均的短路电路，应尽量保持输入和输出在同一个沿上。
一般来说，内部短路电流功耗不会超过动态功耗的10%。而且，如果在一个节点上，Vdd<Vtn+|Vtp|的时候，短路电流会被消除掉。
（3）静态漏电功耗
静态漏电掉的是二极管在反向加电时，晶体管内出现的漏电现象。在MOS管中，主要指的是从衬底的注入效应和亚门限效应。这些与工艺有关，而且漏电所造成的功耗很小，不是考虑的重点。
（4）小结
通过设计工艺技术的改善，Pint和Pleak能被减小到可以忽略的程度，因而Psw也就成为功耗的主要因素。后面所做的功耗优化大部分是围绕这一个公式来进行的。对于SoC来说，所有的方法都是围绕着动态功耗来做文章的，因为在电路信号变化时，功耗消耗主要在电路中电容的充放电过程。如果从各个层次、各个方面尽量减少电路的充放电，将是我们关心的主题。
2降低集成电路SoC功耗的方法
功耗对于一个便携式SoC数字系统来说尤为重要。事实上，很多便携式SoC系统的设计，是先进行功耗分析，由功耗分析的结果再来划分设计结构。可以说，功耗将可能决定一切。现在要做的是，根据功耗分析的结果，评判SoC结构，改进设计，优化方案。
SoC系统的功耗所涉及的内容十分广泛，从物理实现到系统实现都可以采用各种方法来节省和优化功耗。通过对国外大量文献的查阅，我们得到了常用的实现低功耗设计的各种较为有效的方法，
（1）系统级功耗管理
这一部分实际上是动态功耗管理。主要做法是在没有操作的时候（也就是在SoC处于空闲状态的时候），使SoC运作于睡眠状态（只有部分设备处于工作之中）；在预设时间来临的时候，会产生一个中断。由这个中断唤醒其它设备。实际上，这一部分需要硬件的支持，如判断，周期性的开、关门控时钟（gateclock）等。
（2）软件代码优化
软件代码优化是针对ARM嵌入式处理器而言的。对于编译器来说，所起的使用不到1%，而对于代码的优化则可以产生高达90%的功耗节省。Simunic等人曾分别做过用各种针对ARM处理器的编译器进行的试验。比此的实验结果发展，风格比较好的代码产生的效果远比用ARM编译器优化的效果好。
（3）Clock控制
这是在ASIC设计中行之有效的方法之一。如果SoC芯片在正常工作，有很大一部分模块（它们可能是用于一些特殊用途中，如调试Debug、程序下载等）是乖于空闲状态的，这些器件的空运作会产生相当大的功耗。这一部分应使用时钟控制，即clockenable&disable。
（4）RTL级代码优化
与软件相似，不同的RTL（RegisterTransferLevel，寄存器传输级）代码，也会产生不同的功耗，而且RTL代码的影响比软件代码产生的影响可能还要大。因为，RTL代码最终会实现为电路。电路的风格和结构会对功耗产生相当重要的影响。
RTL级代码优化主要包括：
①对于CPU来说，有效的标准功耗管理有睡眠模式和部分未工作模块掉电。
②硬件结构的优化包括能降低工作电压Vdd的并行处理、流水线处理以及二者的混合处理。
③降低寄存电容C的片内存储器memory模块划分。
④降低活动因子a的信号门控、减少glitch（毛刺）的传播长度、Glitch活动最小化、FSM（有限状态机）状态译码的优化等。
⑤由硬件实现的算法级的功耗优化有：流水线和并行处理、Retiming(时序重定)、Unfolding（程序或算法的展开）、Folding(程序或算法的折叠)等等基本方法以及其组合。
（5）后端综合与布线优化
既然SoC的功耗与寄生电容的充放电有很大的关系，作为后端综合与布线，同样也可采取一些措施来减少寄存器电容。可以优化电路，减少操作（电路的操作），选择节能的单元库，修改信号的相关关系，再次综合减少毛刺的产生概率。
实际上，这一部分与使用的工具有关。与软件部分有相同之处，后端综合与布线同软件的编译差不多。软件编译的结果是产生可执行的机器代码；而RTL的综合与布线是把RTL代码编译成真实的电路。但是，后端综合与布线优化比较编译优化有更好的效果。这是因为一段RTL代码所对应的电路是可以有多种形式的；同时现有些编译器会根据设计者提供的波形，智能地修改电路（前提是最终电路的效果还是一样的），编译器就会进行相关的优化。但是后端综合的优化与RTL级代码优化和时钟控制相比，同样的RTL级与时钟优化所产生的影响要远大于用编译工具所产生的影响。
（6）功耗的精确计算
后端综合与布线工具不但可以根据基本单元提供的功耗参数进行优化，还可以根据这些参数估算出整个SoC的功耗。正因为有这样一些工具，使我们可以精确地知道我们所设计的是否达到设计要求。万一设计功耗不符合总体要求，则可能要求从系统级到物理综合布线都要做出检查与分析，做出可能的改进，尽可能地减少功耗以达到设计要求。
（7）小结
从上面的各种降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系统的拉耗优化涉及到从物理实现到系统实现的方方面面，是芯片设计中一个十足的系统工程。可以说，功耗可以决定一切。
结语
本文首先分析了CMOS集成电路的功耗物理组成，得到了其主要功耗成分。其次，以该主要功耗成分数学表达式为指导，突出了SoC低功耗设计的各种级别层次的不同方法。不管是现在还是将来，该领域的重要性将会日益显著。在下面的一些发展方向还将会有较大的发展：
①实现SoC系统设计的变换以及映射技术的进一步探索。
②将各种低功耗设计手段按照各性质最佳综合起来，以便使用基于人工智能的技术（如遗传算法和启发式算法等等）来研究。
③发展以实现低功耗为目的CPU指令程序的改写技术，以将其扩展到复杂SoC系统的设计中。
④进一步研究应用于SoC低功耗设计的编码和信号表示技术。
篇3
【关键词】救生舱；温湿度；SHT75
Abstract：Rescue capsule as underground emergency shelter for the cabin temperature and humidity monitoring and control，you can extend the survival time of the trapped miners.Systems based on the importance of rescue capsule and SHT75 temperature and humidity monitoring with high accuracy，small size，etc.，designed a SHT75 temperature and humidity detection system is based，and temperature and humidity testing SHT75 compensate calculated values to ensure that the rescue capsule temperature and humidity testing.
Keywords：Rescue capsule；Temperature and humidity；SHT75
1.引言
救生舱作为井下紧急避难场所，其舱内温度和湿度的实时监测与控制，是延长被困矿工生存的工作之一。为延长救生舱备用电池的工作时间，因此要求各用电设备均低功耗。
SHT75温湿度传感器克服了传统传感器在检测时温度变化对湿度产生的影响且测量结束时可自动进行休眠模式，大大减小系统功耗，因此本文采用SHT75[4]作为井下救生舱温湿度检测传感器并对其工作原理、电路以及数据的补偿进行了详细分析与设计。
2.SHT75温湿度传感器
2.1 SHT75温湿度传感器概述
SHT75是一款集温度、湿度于一体的传感器，采用CMOSens技术，具有体积小、抗干扰能力强、功耗低等优点。采用两线数字化接口，可与单片机直接相连，大大减小了电路。其内部结构图如图1所示。
图1 SHT75内部结构
SHT75具有较宽的温湿度测量范围。分别为-40℃～123.8℃和0～100%RH。若芯片工作在非正常条件下，则会导致采集的信号暂时性漂移，需要对传感器进行校正。在温度为100～105℃，相对湿度小于5%RH的条件下保持10小时即可自动校正；或者在温度为20～30℃，相对湿度大于75%RH的条件下保持12小时。
SHT75在默认条件下，温湿度测量分辨率分别为14bit和12bit，但在高速测量或者超低功耗情况下，温度和湿度采样分辨率可分别下降为12bit和8bit。
2.2 SHT75温湿度传感器工作原理
SHT75温湿度传感器芯片上设计有传感器稳压电路、信号运算处理电器、标定数据存储器、温湿度传感元件、14位AD转换电路和两线数字串行接口电路，输出信号是经过全量程标定和补偿的数字信号。以I2C总线的通信方式与单片机相连，芯片内部OPT存储器保存有校准系数。
3.SHT75与MSP430单片机电路设计
为降低系统功耗，本设计采用美国TI公司的超低功耗型号为MSP430F149的16位单片机与SHT75温湿度传感器相连接[1]，通过两个普通IO口模拟I2C总线与传感器通信。根据需要，在救生舱内可安装多个传感器挂在IIC总线上。SHT75与MSP430F149单片机电路连接如图2所示。
图2 SHT75与MSP430F149单片机电路连接图
4.温湿度数据检测
4.1 SHT75寄存器操作
单片机通过模拟I2C总线与SHT75进行数据传输，通过写入不同的指令实现对SHT75的寄存器操作。SHT75寄存器指令代码如表2所示。
4.2 温湿度数据处理与补偿计算
SHT75传感器数字信号输出时通过8bit CRC[5]校验保证数据传输的正确性。由于通过SHT75检测的温湿度信号曲线为非线性，因此需要对检测的数据进行补偿，补偿公式如下：
RHliner=c1+c2・SORH+c3・SORH2 （式1）
式中，RHliner表示检测的线性湿度值，SORH表示从SHT75中读取的温度值，在测量精度为12bit时，c1为-4，c2为0.0405，c3为-2.8・10-6；在测量精度为8bit时，c1为-4，c2为0.648，c3为-7.2・10-4；
由于温度对湿度测量会产生较大影响，因此在所测温度点进行补偿运算，补偿运算公式如式2所示。
RHtrue=（ToC-25）（t1+t2・SORH）+RHliner （式2）
式中，RHtrue为实际测量的相对湿度值，ToC为实际测量的温度值，在测量精度为12bit时，t1为0.01，t2为0.00008；在测量精度为12bit时，t1为0.01，t2为0.00128；
在进行温度测量时，由于温度传感器具有很好的线性，可直接使用式3进行处理计算。
式中，ToC为校正后温度读数，SOT为直接读取的温度数据，参数d1功能供电电压有关，具体如表3所示。
参数d2在测量精度为14bit时，d2为0.01℃或为0.018；在测量精度为12bit时，d2为0.04℃或为0.072。
5.结语
本文基于SHT75温湿度传感器及超低功耗的MSP430F149单片机构建井下救生舱的温湿度检测系统，整个系统可以较大范围的监测救生舱内温湿度，体积小、测量精度高和功耗低等，满足井下救生舱的特殊要求。
参考文献
[1]蒋正义，朱善安，韩东芳.基于MSP430和nRF401的无线自动抄表系统[J].集成电路应用，2004，11：74-77.
[2]孙继平.煤矿安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报， 2010，35（11：1925-1929.
[3]王建军，陈光柱，夏晓东.煤矿井下救生舱体结构设计与分析[J].煤矿机械，2011，32（12）：13-15.
[4]杨景景，黄亮.数字式湿温度传感器SHT75的应用[J].常州工学院学报，2009，22（1）：31-33.
篇4
【关键词】 桌面虚拟化 云终端 ARM IMX6Q
一、绪论
1.1 云终端概述
云终端是桌面云应用的终端硬件承载侧，它运用自身的VDP技术，通过网络访问后端服务器主机，将服务器的音频视频流通过云终端的显示端输出并且利用鼠标键盘等设备进行交互，使得用户看起来独立拥有一套完整的操作系统硬件和软件。服务器侧具有强大的运算能力，一台服务器一般可以虚拟出十几个甚至上百个操作系统。
1.2 IMX6Q芯片简介
IMX6Q系列芯片是Freescale 半导体公司最新推出的高性能低功耗CPU，该系列芯片包含S/D/Q等几个不同型号，分别表示单/双/四核芯片。芯片基于ARM CortexTM-A9架构，兼容DDR 3-1066M、LVDDR 3-1066M、LPDDR2-1066M（单通道或双通道）等内存设备接口，被广泛应用于：笔记本、手持设备、多媒体播放等视频终端设备。
IMX6Q具备1.2GHz主频，32KB L1，1MB L2（共享于所有CPU核心，双核/四核），96K超大启动ROM，内部特有的16K加密RAM，多达128个GPIO口，2D/3D图形视频加速处理器引擎，独立的多媒体处理器引擎IPU，独立的视频处理器单元VPU，性能非常强大。
二、云终端的总体设计
2.1 云终端的总体结构
云终端作为桌面云应用的终端承载体，主要的功能就是接收服务器端通过网络传过来的音视频流，本地不需要太强的运算能力。所以，CPU具有视频流硬件解码能力是非常重要的。而ARM类型的CPU，其本身的计算能力不强，功耗非常低，且一般都配有GPU单元，能够轻易的对视频流进行硬件解码。
2.2 云终端的硬件技术
对于ARM架构的CPU，只要CPU的频率在1GHz左右，并且具有GPU能力，就完全可以用来做云终端的主控CPU。论文中使用的硬件是基于IMX6Q进行开发的。IMX6Q开发板里包含了非常丰富的外设，根据云终端的需求，去掉开发板中多余的模块。
2.3 云终端的软件技术
由于各种云桌面协议客户端的特性，Linux云终端至少需要有如下的要求：1、需要支持各种解码库，最好能在库里实现硬件解码功能。2、需要支持X11。3、需要有很好的视频播放组件。
三、基于IMX6Q处理器构建云终端
3.1 硬件改进
针对DEMO板和云终端的一般结构，提出如下硬件改进方案：
1、IMX6Q具有两个USB2.0接口。但是一般的云终端至少需要4个或以上的USB口，所以采用一个USB口外接4口USB HUB芯片来满足。
2、IMX6Q支持两路10M/100M/1000M以太网接口，支持MII/RMII/GMII/RGMII接口，于是采用RMII接口及PHY芯片RTL8201F完成。
3、云终端一般配合显示器使用，所以要有一个VGA接口。所以，采用THS8200芯片将IMX6Q的一路HD视频信号转化为VGA信号来实现。其中，VGA信号接入时，采用IMX6Q的I2C来读取外部显示器的EDID信息。
4、电源按键设计，给单板供电的12V全部通过mos管来控制，mos管的栅极通过按键和CPU的IO口相与来控制，这样，在上电后，按下按键后，mos管导通，单板供电，CPU工作后，第一时间通过IO口控制mos的栅极，已达到持续供电的目的。
3.2 软件改进
IMX6Q的DEMO板已经带了UBOOT、Linux内核和简单的文件系统，基于这些已有的代码，再结合2.4节的需求，需要移植一套X11图形管理系统。
Ubuntu上软件非常丰富，而且完全开源，出现问题后能够充分的利用开源资源解决，非常适合做为云终端的承载OS。目前市面上的Linux云终端，也有很多都是利用的Ubuntu操作系统。
结论：本文首先分析了云K端的硬件架构与软件架构，然后基于Freescale的IMX6Q处理器和DEMO板，从硬件、软件两方面进行改进，最终实现一个具备连接RDP与Citrix服务器功能的云终端。
参 考 文 献
篇5
【关键词】MP3；SOPC；Nios II；硬件实现
1.引言
MP3(MPEG Audio Layer3)是高品质的音频压缩标准，因其在音质，复杂度与压缩比的完美折中，占据着广阔的市场，目前在便携式设备领域深受人们喜爱。而随着消费电子的快速发展，MP3在各种场合的需求越来越多，同时针对MP3解码器的设计也越来越多。其中主要有以下三种方式：①以专用MP3编解码芯片为核心加上必要电路的VLSI实现；②DSP处理器加外部存储器，数模转换等器件实现；③以低速核心处理器（CPU/RISC）与其他硬件加速模块的SOPC设计加上器件实现。而第三种实现方式相对于前两种方式在功耗和性价比方面有着明显的优势，本文是基于SOPC技术来实现MP3解码器的设计，其中MP3文件数据用SD卡来存放[1]。
2.MP3解码流程分析
MP3解码流程如图1所示，解码的主要过程包括同步提取码流(以帧为单位)哈夫曼解码，比例因子解码，反量化，重排列，立体声处理，混叠重建，IMDCT变换，子带综合滤波合成，最后输出原始的PCM数据。
在解码过程中，耗时比较多的主要是IMDCT和子带综合滤波这两部分。在编译后它们占据着相当多的硬件资源，功耗特高，所以在设计时针对这两个计算量大的算法IMDCT，子带综合滤波器做了硬件加速处理，来提高整个系统的性能。在IMDCT算法中有长块和短块，计算时长块输入是18点而短块输入是6点，长短块输入的值都是非2的n次方，所以可以采用Szu Wei Lee快速算法，此算法对输入点数越大的运算，其速度提升就越明显。传统的IMDCT算法，在计算长块时需要的是36*18次乘法和36*17的加法，采用Szu Wei Lee算法后，长块的计算只需要43次乘法和115次加法，程序的运算速度显著提高了。在设计子带综合滤波时，直接计算则需要执行32*64次乘法和31*64次加法，两声道采样率为44.1KHz，乘法运算量为（44100/32）*(64*32+512)*2=7056000次/秒，而系统时钟一般都采用的是50MHz，单个周期内占着整个解码时间的58.2%，严重影响了整个系统解码的速率。所以可以根据余弦函数的对称性，并结合Byeong Gi Lee快速DCT算法来进行改进，改进后子带综合滤波则只需要进行384次乘法和376次加法，大大提升了运算速度[2]。
3.系统的硬件设计
基于Nios II的嵌入式系统主要是由三部分组成：IP库（NiosII软核处理器，Avalon总线，设备接口等），GNUPro软件编译器，SOPC Builder开发工具。本文在硬件设计时使用Altera公司的Cyclone II FPGA芯片，型号为EP2C70F896C6，主要设备包括片外SDRAM存储器、SD卡、音频芯片WM8731、LCD等，其中FPGA芯片完成对各个硬件模块和数据流的控制，片外存储器存放程序数据和执行代码，SD卡存放MP3文件，音频芯片将PCM数据流转换输出，LCD显示系统状态，IP核的复用是SOPC设计的关键[3]。其硬件系统结构如图2所示。
而FPGA内部逻辑设计是以Quartus II为开发环境，以Verilog语言编程实现音频控制，SD卡的读写，液晶显示驱动等功能模块的设计。用SOPC Builder配置并产生NiosII软核处理器以及必要的外设，然后在再通过编译，下载到FPGA的配置芯片中，形成硬件逻辑电路的连接，最后验证系统，从而实现MP3音频文件的输出。除了音频模块、SD卡控制模块、LCD显示驱动模块外其他模块都可以通过SOPC Builder来添加IP核构建。
至于MP3解码算法中的子带综合滤波，IMDCT变换两部分处理起来特耗时，针对这类耗时问题，可以采用软硬件协同处理(软件中耗时较多的部分进行硬件加速后，往往会比原先软件处理时的速度快上好几倍。)来提高整个系统运行的时间。通过这种设计方法，在综合时可以确定系统软件和硬件之间的相互制约关系，从而保证系统的确定性，高效性。
4.SOPC片上系统的实现
在FPGA中搭建SOPC系统时，需要用到如下图3所示的软核处理器和Avalon总线结构和外设接口等，其中，系统时钟c0由外部晶振50MHz倍频后得到的，c1为100MHz外设SDRAM时钟，c2为音频芯片提供的18.51MHz工作时钟。timer用于系统内部时间的产生，time_stamp用于记录指令的运行时间。片外SDRAM存储芯片是作为程序存储器及数据存储器。本系统自定义了AUDIO模块，该模块主要用于与WM8731音频芯片数字接口进行数据传输。
5.实现结果
本文是基于SOPC技术实现MP3解码器的设计，其优势在于系统功能改进的灵活性，即不改变硬件平台的情况下，可以随便的对系统进行增删和优化，降低系统的成本，这是其他方案很难比拟的地方。而本设计是在在DE2-70开发板上实现的，硬件解码系统采用Verilog HDL语言进行描述，经过RTL级仿真和验证后，在Cyclone II EP2C70F896C6器件内资源占用率为8%，总的寄存器为3335个，系统频率可达到72MHz，经过实际测试，本设计达到了预期的效果。但还存在着一些地方不够完善和有待改进，这同时也是以后MP3播放器设计需要改进和研究的重点：
(1)本设计功能比较简单，编译后FPGA芯片资源占用的比较少，可进一步增加其它功能，如图像显示。
(2)如何改进更有效的算法，提高系统运行时间，降低功耗，以达到便携式高性能、低功耗的要求，这是未来MP3设计研究的重点。
参考文献
[1]毛丽萍.MP3音频编解码运算中IMDCT算法研究及其FPGA实现[D].[硕士学位论文].华东师范大学,2007.
篇6
【关键词】高塔预警;倾斜角;低功耗;无线传输
引言
在电力设施建设过程中，高塔是重要的供电辅助设备;在移动通信网络建设过程中，高塔是重要的移动通信辅助设备。由于一些自然现象，以及矿山的开采、工程质量、人为破坏等原因造成塔体倾斜，会导致电力传输的中断和通信的中断。高塔塔体的倾斜，有两种情况，一种是由于气象导致的临时性倾斜，例如刮风造成的倾斜，风过后，可以恢复;另一种是永久倾斜，例如地基沉降造成的。而高塔倾斜的监测需要监测永久倾斜的情况，这就需要根据气象参数区分永久倾斜和临时倾斜。传统的监测单纯依靠巡检人员携带经纬仪，水平仪进行对倾斜度测量、标定，对垂直度超标，通过长期不间断的观察，进行针对性调整。本文针对高塔倾斜安全方面监控，采用传感器技术，对高塔倾斜度以及风速、风向进行数据采集、存储，并通过无线将监测数据传输至监控电脑，及时提供不间断的观察数据，为后续的高塔预警系统提供依据。
1.系统的总体构架
该系统由数据采集终端和数据接收上位机两部分组成。数据采集终端由高精度倾斜角、风速、风向和温度传感器、单片机、SD卡存储模块、无线传输模块和太阳能供电模块组成，用于实现传感器数据的采集、存储、传输。数据接收上位机软件实现对数据的接收、显示和对采集终端的远程控制。
2.高塔倾斜监测系统的硬件设计
系统以STM32单片机为核心，传感器实现对高塔的状态参量的采集，SD卡实现对数据的存储，WIFI模块实现对数据的传输。
2.1 数据采集模块
系统针对高塔安装的行业标准，垂直度必须保证在0.1%的精度。在标准测试条件下，通过精度达到0.6″的高精度倾斜角校验台，进行线性度校准，可以使倾斜角传感器在±30°全量程范围内误差小于0.003°。
风速传感器输出信号为脉冲，直接连入单片机。该传感器分辨率为0.1m/s，产品功耗50mW。
风向传感器输出信号为电压，通过ADC口连入单片机。该传感器的准确度为±3度，产品功耗5.5mW。
单片机采用的是低功耗的stm32单片机，超低功耗可以保证太阳能供电系统在阴雨天气的续航能力。
2.2 数据存储模块
高塔自动监测数据采集终端需要长期、连续、自动的记录各种检测数据。需要配备大容量、不挥发、高可靠的数据存储介质，选用MMC/SD数据存储卡。数据存储格式为XML格式。
2.3 无线传输模块
无线模块支持串口通信，模块与单片机串口连接。模块内部有TCP/IP协议栈，单片机可以直接将数据转换为TCP/IP数据包发送和接收TCP/IP数据包。
2.4 太阳能供电系统
系统采用太阳能供电。白天，太阳能板所输出的电能存储在蓄电池里，同时供给负载使用;当蓄电池电量达到规定限度时，停止对蓄电池充电。晚上和阴雨天，蓄电池里存储的电能供给负载使用。
3.高塔倾斜监测系统的软件设计
系统的软件设计包括两部分：基于KEIL软件平台的单片机控制程序编写;基于C++语言的上位机软件。
3.1 单片机控制程序
单片机主要采用C语言编写，主程序流程是对系统时钟、GPIO口、中断的配置以及定时器、ADC、串行通讯模块和文件操作系统的初始化;系统根据设定的时间间隔，将数据写入XML文件，并存入SD卡，如果所采集的数据超过预设警戒线，则将此时的日期、时间写入警报文件;根据上位机指令，进行时间校准、预警线设置、倾斜角清零。
3.2 上位机监测系统
上位机软件采用C++语言开发，共有四个页面。
数据采集：上位机与采集终端的连接与断开;数据文件的接收;实时数据的监测与显示;采集终端时间校准。
历史数据：根据输入日期，获取该日期下的数据，同时数据列表中标示出报警数据。
报警数据：显示历史所有报警数据，可在数据列表中显示当天的历史数据。
设置：设置文件存储路径、预警线的设置、倾斜角传感器清零。
4.结论与结束语
本项研究取得了如下成果：
（1）系统集成了倾斜角、风速、风向、温度等气象条件综合参数，具备自动采集功能，采集间隔可设置，监测到超过预警值，可以加密采集;
（2）整个系统具有数据日常存储与无线通讯获取数据功能，可存储至少10年的数据;
（3）系统采用xml格式进行存储，使得数据可读性提高，方便导入导出数据库;
（4）上位机实现了数据接收、Wi-Fi工作状态切换、采集终端时间校准、倾斜角清零、预警线设置。
本文进行了高塔的状态监测与预警系统的设计，传感器对高塔的状态参量采集，sd卡存储，利用无线网络传输，通过上位机对数据进行解析，提高了效率，降低成本。随着我国电力设施与网络设备的不断建设和发展，高塔监测将越来越精确、智能。同时，此系统在建筑业等其他方面也有很广阔的市场。
参考文献
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论文摘要:根据当今移动终端设备多功能、低功耗、易于移植的要求,分别从硬件和软件系统 2 方面提出了一种基于三星μS3C2440 芯片的嵌入式多媒体娱乐控制器的解决方案,同时介绍了利用 CLinux 构造嵌入式系统的方法,并提出了基于MiniGUI开发多媒体娱乐软件的基本方案。通过测试,系统能够满足用户在文字、音视频处理以及常用有线、无线数据交换等多方面的要求。
由于移动通信技术的高速发展,移动电话早已超出原有的进行语音通信的领域,正逐步成为手持娱乐终端的中心。手机用户希望自己的手机在完成通信基本功能的同时还能作为 PDA、MP3 播放器、数码相机、摄像机、视频播放机等。因此,设计出多功能、低功耗的多媒体终端至关重要。ARM+Linux系统具有低功耗、易移植、便于定制的特点,所以我们采用其作为系统设计的理想平台。
系统设计
本方案由硬件系统和软件系统2 部分构成,其中硬件系统采用三星的具有 ARM920T 核的 16/32 位多功能、低功耗的嵌入式处理器 S3C2440。S3C2440 是韩国三星公司推出的一款高档的,可用于手持设备、智能家电等便携产品开发的嵌入式微处理器,其主频处理速度达到400 MHz,完全可以满足音频和视频的处理要求。其主控制芯片及丰富的接口电路可用于创建连接各类设备的集成化驱动程
序和协议堆栈,如读写 USB 的接口、MMC/ CF 多媒体卡接口、AC97 音频接口、无线网络接口、IrDA 红外接口等,给用户提供了多种与其他系统进行信息交互的功能,可以自由地实现文字、声音和图像资料的交换。软件系统包括μCLinux操作系统、图形用户接口 GUI,方便用户根据自身的需要,开发相应的多媒体应用程序。uCLinux 操作系统高效稳定,提供了完成嵌入功能的基本地内核,能够处理嵌入式任务和用户界面,更由于其开发源码、定制方便以及易于移植,并不需要 MMU 的支持,可广泛地用于各种嵌入式系统中。
1 硬件系统
硬件系统S3C2440构成核心电路系统,该芯片采用RISC结构,除具有一般嵌入式芯片所具有的总线,SDRAM控制器以外,还具有丰富的扩展功能接口,内部集成了TFT/ STN LCD和触摸屏控制器、 USB Slave ,USB Host , Ir2DA红外接口、 SD & MMC存储卡接口、 AC97数字音频接口等大量的功能模块。同时,通过外扩的PCI总线,使得系统具有很强的扩展和升级能力,提供了极其丰富的人机交互接口。该芯片采用1. 2 V的工作电压,功耗很低,能够满足消费类电子电源对功耗的要求。同时,电源管理模块能够提供系统多种电压供电,包括芯片内核电压采用1. 8 V供电,芯片的I/ O部分采用3. 3 V供电,而片外的一些常规集成电路又采用5 V供电。智能电源管理模块很好地解决了对系统各个部分供电要求的不同,降低了功耗,减少了不同电源之间的干扰噪声,提高了系统的集成度。由于S3C2440芯片内部没有实现PCI总线,为了使系统具有更强的扩展和升级能力,通过的PCI总线控制器芯片实现系统总线的扩展。该芯片支持PCI2. 1协议规范,在33 MHz的总线时钟频率下,其峰值传输速度可达133 MB/ s ,完全可以满足数据传输的要求。通过PCI总线实现蓝牙接口和无线网络接口,满足用户远距离数据传输和无线网络的要求。同时,系统可以连接2.5英寸或者1. 8英寸的小型硬盘,实现用户信息的移动存储,用户可以根据需要扩大存储容量。由于在系统中采用了PCI总线控制器,扩展出了PCI总线,使得系统在某种意义上相当于一台小型PC机,用户可以很方便地进行硬件系统的扩展和升级。为了满足有些场合的人机交互,不同于一般的PC机系统,要求快捷、 方便的操作要求,我们采用6. 4英寸高亮度彩色TFT LCD触摸屏,用户与上层多媒体处理软件的交互直接通过触摸屏方式实现,提供了良好的人机接口。
图1为系统的硬件结构框图。
SHAPE \* MERGEFORMAT
嵌入式多媒体控制器硬件结构框图
2、软件部分
软件系统由μCLinux 操作系统、 嵌入式图形用户界面支持系统 MiniGUI构成。 μCLinux操作系统包括引导装载程序、 嵌入式Linux 内核、 必要的设备驱动程序、 文件系统J FFS2 等,具有高度模块化、 易于定制、 可移植性好等优点。引导装载程序Boot Loader 是系统加电后运行的第一段软件代码。通过这段小程序,可以初始化硬件设备、 建立内存空间的映射图,从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态,以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。每种不同的 CPU 体系结构都有不同的 Boot Loader ,Boot Loader 是严重依赖于硬件而实现的。本系统采用基于ARM920T核的Boot Loader ,且根据系统硬件设备的实际配置修改了Boot Loader 的源程序,使他能够运行到我们的系统上。所设计的系统提供了最大128 M可选的 SDRAM和最大128 M可选的 FLASH存储器,系统运行小型的,经过裁剪的Linux 微内核。微内核由内存管理、 进程管理和事务处理构成,包括了所有核心的操作系统功能在内。μCLinux 操作系统本身的微内核体系结构相当简单,系统要求的网络协议和文件系统以模块形式置于微内核的上层,驱动程序和其他部件可在运行时作为可加载模块编译或是添加到内核,这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法。用户可以结合定制的驱动程序和应用程序来实现自己的附加功能,大大减小了内核的体积,便于维护和移植。其中,采用J FFS2 日志闪存文件系统管理非易失性存储中的结构化文件数据,J FFS2 是专门为像闪存芯片那样的嵌入式设备创建的,所以他的整个设计提供了更好的闪存管理,为掉电或系统崩溃等突发事件提供了很好的数据保护机制。
MiniGUI 是一种面向嵌入式系统或实时系统的图形用户界面支持系统,是遵循
L GPL 条款的纯自由软件,提供了完备的多窗口机制,多字符集和多字体支持,BMP , GIF ,J PEG,PCX,TGA 等常见图像文件的支持等。他是建立在比较成熟的图形引擎之上的,比如 SVGALib 和 LibGGI ,系统开发的重点在于窗口系统、 图形接口之上,MiniGUI提供了大量的图形应用编程接口,包含全部功能的库文件大小仅为 300 k左右,特别适合用在嵌入式系统上开发控制台图形用户界面的应用程序。同时,由于图形抽象层( GAL)和输入抽象层( IAL)概念的引入,将底层图形硬件和上层的图形操作和输入处理分离开来,大大提高了 MiniGUI 的可移植性。利用 GAL 和 IAL ,MiniGUI可以在许多图形引擎上运行,可以很方便地移植到基于ARM920T核的S3C2440系统上。
3 、多媒体娱乐应用软件的方案设计
基于 MiniGUI的嵌入式娱乐系统软件,应该最大限度满足视听娱乐的要求。能提供视频播放、 音频播放等多媒体处理软件,个人信息管理软件及无线网络服务。其中,音频应能支持 MP3 ,WMA , WAV 等格式,视频支持 AVI(XviD &DivX4. 0 &5. 0)格式。个人信息管理程序提供备忘录、 记事本、 名片夹等多种功能。无线网络服务提供全功能的 Web 浏览器。用户通过触摸屏与应用软件进行交互,提供了友好的人机界面。
图2 基于 MiniGUI的多媒体处理软件架构
SHAPE \* MERGEFORMAT
基于 MiniGUI的多媒体处理软件架构该系统中的所有应用程序都以J FFS2 进程的形式执行,MiniGUI提供应用程序管理功能。所有的应用程序都运行在同一个地址空间,这样大大提高了程序之间的通讯效率。当应用程序之间需要通讯时,可以通过 MiniGUI 提供的 request/ response 接口实现。我们使用消息驱动作为应用程序的创建构架,触摸屏的按击由 MiniGUI支持系统,窗口管理器收集,将其以事先约定的格式翻译为特定消息,每一个多媒体处理应用程序都包含有自己的消息队列,支持系统将消息发送到应用程序的消息队列中,应用程序建立一个消息循环,在这个循环中读取消息,应用程序同时提供一个处理消息的标准函数,在消息循环中,系统调用此函数,在此函数中处理相应的消息,完成用户的请求。
篇8
论文摘要：可编程外围器件PSD应用于单片机系统后，简化了单片机外围电路的设计，增加了系统的可靠性；利用PSD与单片机组成的系统，通过计算机串口对FPGA进行实时在线编程、仿真和配置。
随着单片机的广泛应用，其性能不断提高，集成度也日益提高。然而，传统的单片机系统设计需要众多分离器件（如地址锁存器、译码器、RAM、EPROM、PLD等），使得系统复杂、可靠性低，并且调试繁琐、效率较低。可编程门阵列（FPGA）需要外置存储器，且配置存储器多为OTP型，价格较高；加之，利用FPGA的JTAG口配置FPGA距离有限，调试不甚方便。
本文主要介绍一种基于闪烁存储器的在线可编程微处理器外围器件PSD813F2组成的单片机系统，同时利用该系统配置FPGA。即通过计算机串口将FPGA（本文以Altera公司10K系列为例）设计在线下载到单片机系统，由PSD813F2配置FPGA，实现IAP（In Application Programming）的功能。
1 PSD813F2性能特点
PSD813F2是PSD（Programmable System Devices）家庭的新成员，是基于闪烁存储器的在线可编程外围器件。它将单片机系统所需的外围器件集成在一起，并能与单片机进行无缝连接，因而简化了调度，提高了可靠性；同时，它与当前流行的众多单片机有极简单的接口，便于实现简单、灵活的嵌入式设计；它还集成了优化的“微控制器宏单元”逻辑结构，使得系统地址/数据总线可以与内部寄存器直接互连，简化了控制总线的设计。此外，PSD813F2还具有以下一些特性：
①内部数据总线为8位，可方便地与各类8位单片机直接相连。如要与16位单片机相连，需用2片PSD813F2构成16位的多路复用接口，并且地址必须循环移位，以保证MCU工作时能同时正确接收不同PSD813F2 ROM中的信息。
②内部包含1Mbit的大容量Flash ROM，这分为8个大小相同的块（如128K×8bit或64K×8bit），由用户规定的地址访问；另外还有256K的Flash OPT ROM及16KB的SRAM，其中SRAM可配置为2K×8bit或16K×1bit。
③内存（Flash ROM）或Flash OPT ROM可同时编程，即在执行来自一个存储器的代码时可同时对另一个存储器编程。
④带有16个输出宏单元和24个输入宏单元，能方便实现多种逻辑组合功能，包括内外的状态信号产生、地址译码等。
⑤带有27个可重建的I/O端口，可以用作不同的I/O端口，如单片机的I/O、PLD的I/O；最多可提供19个外部片选信号，其中16个I/O可配置为漏极输出。
⑥具有可编程电源管理功能（PMU），加之低功耗的CMOS技术，使得其工作时功耗很低；另外还具有自动检测控制器工作的功能，使之在不工作时将PSD转入低功耗状态。
由于PSD813F2具有以下特性，因而能方便实现I/O重建、扩展，并具有通过编程改变设计的灵活性，方便与各类不同单片机实现无缝连接。其内部框图如图1所示。
2 系统设计
整个设计是利用计算机将FPGA的相关设计经单片机传送存储器，由单片机配置PSD813F2，再由PSD813F2配置FPGA，实现IAP的功能，特别适于较远距离在线编程、仿真。另外，利用计算机的串行口可以与单片机进行较长距离的通信。
此外，由于PSD813F2片内有编程逻辑宏单元（CPLD），所以在MCU与PSD813F2之间不需要地址锁存器及外部程序存储器；并且PSD与LCD、FPGA的接口地直接用其PA、PB口连接，只需在软件设计和MCU程序中相应设计为I/O模式或地址锁存模式。
另外，FPGA的使用中通常需要时钟信号，并可能需用好几路同的时钟信号。在系统中采用ICS公司的ISC501倍频芯片，可实现2×～8×共8种倍频方式，最高可实现160MHz时钟；加之使用内部分频，可以满足多数设计需要。
3 MCU与PSD813F接口设计
PSD813F2具有大容量Flash ROM、16个输出宏单元和24个输入宏单元，因而在与单片机组成系统时很少需要外围分立器件，多数通过PSD813F2中的宏单元逻辑组合产生与单片机连接的地址总线、数据总线、控制总线；同时，通过内部的逻辑译码产生对3块独立存储区片选信号。另外，单片机与PSD813F2D内部宏单元的D触发器直通，使得设计计数器、外围逻辑控制极为方便。
PSD813F2内部包含3块并行、相互独立的存储器区，独立或并行的单片机在任何时候都可以从一块存储器执行擦写另一块存储器的操作。这使得单片机能够在执行程序期间，通过改变PSD内控制器的内容，而动态改变程序和数据空间的地址范围；同时，系统也能对逻辑资源、扩展输入和输出端口进行编程，使系统具有实时ISP的能力。
4 PSD813F2与FPGA接口设计
PSD813F2可以配置Altera或Xilinx的FPGA（本文以Altera的为例）。Altera公司的EPF10K10/20是其万门级FPGA的代表，原来需要外置存储器，且配置存储器EPC1441是OTP型，价格较高；而PSD813F2具有很好的在线编程功能，并且擦写次数10万次，同时，1片PSD813F2可以配置10片EPF10K10，因而其具有良好的性价比。
用PSD813F2配置Altera公司的EPF10K系列FPGA，主要有以下信号：
DCLK——输入移位时钟；
DATA——数据；
nSTATUS——状态信号；
CONF_DONE——配置是否成功信号；
nCONFIG——开始配置信号。
转贴于
在实际配置电路中采用FPGA的被动串行方式，因而EPF10K系列FPGA的MSE0、MSE1均接地；同时nSTATUS、CONF_DONE、nCONFIG均需通过上拉电阻接电源。配置接口的信号线只需由PSD813F2的PA或PB口配置即可，如图3所示。
5 软件设计
PSD813F2编程是在硬件基础上，利用专用开发软件PSDsoft进行系统开发的；而PSDsoft是一套在Windows环境下运行的软件工具，运用可视化界面进行编程，具有人机交互功能，其一般开发流程如图4所示。
然而对于单片机系统，更熟悉的是采用C51或汇编进行编程。利用单片机对PSD813F2进行配置时，所使用的C51程序中最主要的是对PSD813F2进行初始化的子程序：
void InitPSD813F2(void){ ；初始化程序
//PA0 LCD_R/W ；定义PA0为LCD读写
//PA1 LCD_RS ;定义PA1为LCD复位
//PA2 FPGA_DCLK ；定义PA2为FPGA时钟
PSDPACtrlReg=0x03 ；//设定PA口的读写模式
PSDPADir=0xff;
PSDPADri=0x00;
//PB0 FPGA-CON_DONE
//PB1 FPGA-nSTATUS
//PB2 FPGA-DATA
//PB3 FPGA-nCONFIG
//PB4 LCD-CS_LCD
PSDPBCtrlReg=0x00 ；//设定PB为MCU的读写
PSDPBDir=0x0fc ；//设定PB读写模式
PSDPBDri=0x00；
}
完整的PSD源程序请见网络补充版（dpj.com.cn）。
篇9
论文摘要:本文首先介绍无线传感器网络的基本概念，对无线传感器网络应用于深空探测所必须解决的一些关键技术做出较详细的分析，并从理论上给出了能量问题的解决方案。
0概述
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌人式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作实时监测感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息盈过无线方式被发送，并以自组织多跳的网络方式传送到处理终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通. mems支持下的微小传感器技术和节点间的无线通信能力为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景，在深空探测方面，无线传感器网络有着得天独厚的技术优势。借助于航天器布撒的无线传感器网络节点实现对星球表明长时间的监测，应该是一种经济可行的方案。nasa的jpl ( jetpropulsion laboratory)实验室研制的sensorwebs’ 就是为将来的火星探测进行技术准备的，已在佛罗里达宇航中心周围的环境监测项目中进行测试和完善。本文首先介绍无线传感器网络的基本概念，然后对无线传感器网络应用于深空探测所必须解决的一些关键技术做出较详细的分析，并从理论上给出了能量问题的解决方案。
1无线传感器网络的基本概念
图1所示为一个典型的传感器网络的系统结构，包括分布式传感器节点(群)、接收发送器、无线网络和远程控制管理中心等。其中，传感器网络节点的基本组成包括如下4个基本单元:传感单元(由传感器和模数转换功能模块组成)、处理单元(包括cpu，存储器、嵌入式操作系统等)、通信单元(由无线通信模块组成)以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括:定位系统、移动系统以及电源自供电系统等。在传感器网络中，节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络，以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息，并通过多跳网络将数据经由sink节点(接收发送器)链路将整个区域内的信息传送到远程控制管理中心。反之，远程管理中心也可以对网络节点进行实时控制和操纵。
传感器网络节点为一个微型化的嵌人式系统，构成了无线传感器网络的基础层支持平台。目前国内外已经出现了许多种网络节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信或协议方式，比如采用自定义协议、802. 11协议、zigbee协议、蓝牙协议以及uwb通信方式等。典型的节点包括berkeley motes，sensoria wins，berkeley pico-nodes， mit uamps，smartmesh dust mote，intelimote以及intel xscale nodes, ictcas/hkust的buds等。
2无线传感器网络应用于深空探测的一些关键技术
2.1物理层
物理层的研究主要涉及无线传感器网络采用的传输媒体、频段选择以及调制方式。目前，采用的传输媒体主要有:无线电、红外线、光波等。
无线电传输是目前无线传感器网络采用的主流传输方式，需要解决的问题有:频段选择、节能的编码方式、调制算法设计等。在频段选择方面，ism频段由于具有无需注册、具有大范围的可选频段、没有特定的标准、可以灵活使用的优点，被人们普遍采用。与无线电传输相比，红外线、光波传输则具有不需要复杂的调制解调机制，接收器电路简单，单位数据传输功耗小等优点。但由于不能穿透非透明物体，只能在一些特殊的系统中使用。
外层空间是一个非常恶劣的环境，由于没有地球大气层和臭氧层的保护，空间温差变化很大，各种辐射强烈，大大小小的流星横行，用于深空探测的无线传感器网络必须能够在恶劣环境(振动、加速度、高真空、低温、粒子辐射等)下工作。因此用于深空探测的无线传感器网络物理层一个极其重要的研究方向是:研究抗强电磁干扰、抗大冲击、高过载、能够适应极高、极低的温度环境的无线传感器网络电路设计方法。
2. 2传输层
现阶段对传输控制的研究主要集中于错误恢复机制。参考文献分析了端到端错误恢复机制在无线多跳网络中的性能。仿真表明，随着无线信道质量的下降(信道错误率从i%上升到50%),端到端错误恢复机制的性能下降很快(发送成功率从90%下降到接近0)。
目前，用于深空探测的无线传感器网络传输层的研究迫切需要解决的间题有:如何在深空振动、加速度、高真空、低温、粒子辐射等恶劣环境下，在拓扑结构、信道质量动态变化的条件下，为上层应用提供节能、可靠、实时性高的数据传输服务。
2. 3能量问题
能源问题是无线传感器网络面临的最大挑战，传感器节点的小尺寸限制了其携带的能量，进而限制了网络的使用寿命。用于深空探测的无线传感器节点处于无法接近的场所，导致无法频繁的更换节点的电源。
深空环境下能源问题的解决有以下两个研究方向:
第一个方向是采用再生能源为节点供电。但是节点所处的环境对再生能源的获取有很大的影响，必须根据不同的环境设计不同的获取再生能源的方法。
①对于围绕恒星运转，无阴阳面之分的星球和如月球等有阴阳面之分的星球的阳面，可以考虑利用太阳能电池和温差效益发动机来为节点提供能量。
②对于布散在有阴阳面之分的星球阴面的节点，由于不能接受到恒星的能量、常年温度很低，前面所说的太阳能源和温差效益在这种情况下无法利用，可以考虑如图2的一种获取能量的方法:
如示意图2所示，布散在阴面的节点，可以利用人造行星反射恒星能量，然后利用太阳能源来获得节点的供电。
另外一个方向是从系统的角度采用采取节能措施，可以从以下两方面考虑:
①考虑到深空环境的温差变化很大，最低温度可能接近绝对零度。在这种情况下，可以考虑利用半导体材料的超导现象，节约能量。
②采用低功耗的能源高效器件、节能措施，从物理层面上延长节点使用寿命。低功耗与能源高效的区别是:低功耗用于度量每种时钟器件所消耗的功率，能源高效则用于度量执行每条指令器件所消耗的功率。
从系统角度出发节省功耗，需要实现的关键技术有:
(1)动态功率管理(dynamic power manage-ment，简称dpm)。
在多数传感器网络的应用中，监测事件具有很强的偶然性，节点上所有的工作单元没有必要时刻保持正常工作状态，处于休眠状态，甚至完全关闭，必要时加以唤醒是一种有效的系统节能方案。
(2)动态电压调度
在文献中，有c. lm等人提出的动态电压调度策略的主要原理是基于负载状态动态调节供电电压来减少系统功耗，并被应用到pda之类的个人移动设备上。在文献中，提出了如图3所示的功率控制原理图。节点上的嵌人式操作系统负责调度来自不同任务队列的请求接受任务，并实时监控处理器的利用率和任务队列的长度，负载观测器依据这两参数的序列计算负载的标称值w，直流/直流变换器参照该值输出幅度为a的电压，支持处理器的正常工作。这构成了一个典型的闭环反馈系统。控制理论中成熟的方法可以为该系统各个模块的设计提供有力的支持。
2. 4其他关键技术
除了以上问题外，还有许多关键技术必须注意，主要集中在网络拓扑协议和应用相关的共性技术上。文章由于篇幅的限制，在此不做详细的说明。
3结论
篇10
【关键词】倾斜度传感器；全景图；GPS模块；自动生成定位
0 引言
全景图是一种能360°覆盖周边场景的大视角的图像。由于全景图具有立体的、多角度，实用性强，更具真实感，制作较为方便等特点[1]，被广泛应用于航空卫星、医学图像处理、考古研究等方面，例如对历史保护建筑的还原，需要建立整个建筑体系的模型，这时便可运用全景图技术完成建模[2，3]。同时与基于几何建模的3D技术构建三维场景进行的复杂的建模和渲染以及大量的计算相比[4]，全景图更易制作，比普通地图更加直观，制作的成品也更为美观，全景图在生活中也被广泛应用，能方便地记录查找某个地方及其周边情况，也可以用来制作某个地区的全景地图。
目前生成全景图的方法大概分为用特殊的相机或者图像拼接：利用专业的全景相机或者折反射系统一次性得到所需的全景信息，但是这样整套的系统价格昂贵，操作复杂且不易携带[5]；利用普通数码产品拍摄一组相邻图像间有重叠的图像序列，然后使用全景拼接软件将所有的离散图拼接为一副广角图，但拍摄过程中很容易因为地面不平、手持相机不稳等因素导致一组图片在角度等方面出现问题，使全景拼接困难，生成效果较差。人们需要一种方便携带易于操作生成效果又好全景图生成装置。
针对以上问题，本文所介绍的全景图生成装置具有以下特点：
（1）采用背包式，将较重的电源、嵌入式微处理器和存储器放在背包里，便于携带；
（2）前后左右上5个广角镜头同时拍下照片，能让四周的画面不存在死角，方便微处理器运用现有的全景图生成技术后续拼接的处理；
（3）能通过显示屏实时观测倾斜传感器检测到的倾斜角度，通过调整拍摄杆到水平位置，使拍出的照片处于最好状态，方便拼合；
（4）由于添加了全球定位系统GPS导航模块，能够定位获取拍摄地的经纬度，这样对于做大型的全景图更具有帮助。
1 全景图生成装置系统结构设计
便携式全景图生成装置包括支杆、背包、全景图生成模块，其中，如图1所示，全景图生成模块由控制器、倾斜度传感器、LCD显示屏、GPS模块、拍摄按钮、开关按钮、存储器、嵌入式微处理器、电源、摄像头组成。
嵌入式微处理器：采用X31系列微型工控机，CPU采用酷睿i5，高速运行；6路USB接口高速传输，存储器接入更为方便，图片生成速度更加流畅；全铝合金，高效散热。节能低功耗使用时间较长。对整个系统的控制，实现图片的接收、拼接合成，用于采集摄像头图像，在软件的配合下生成全景图实现全景图的生成。
控制器：选用低压电、超低功耗的MSP430f149单片机。该单片机具有高效的查表处理方法及较高的处理速度，在8MHZ晶振工作时，指令速度可达8MIPS。较丰富的模块更加方便与其他传感器等协调使用，实现对整个拍摄过程的控制，采集GPS数据，倾斜度传感器数据，响应开关按钮，拍摄按钮。
倾斜度传感器：采用MPU-6050模块，可准确追踪快速与慢速动作，用于检测支杆倾角度。该模块相当于三轴陀螺仪和三轴加速器的整合，三轴陀螺仪检测三轴的角速度，三轴加速度传感器检测三个轴向运动的加速度，通过读取传感器测量的数据然后通过串口输出。模块内部配合卡尔曼滤波算法，能将姿态测量精确到0.01度，稳定性极高。
GPS模块：采用全球定位系统 GPS导航模块，可以实时获取拍摄地点的经纬度数据，保证在任意时刻任意一点采集到该观测点的经纬度和高度。
存储器：主要用于存储拍摄的全景图文件，存储嵌入式微处理器处理得到的完整的全景图，采用固态硬盘，具有较高的稳定性。
摄像头：本装置配有5个120°广角摄像头，分别分布在拍摄杆上方的前后左右以及上方。一次性全方位采集5幅画面，这样使拍摄点的四周不存在死角，也便于图片拼接生成全景图。
LCD显示屏：用于显示各种系统状态，包括 GPS系统采集到的经纬度数值，倾斜度传感器检测到的角度值。在显示屏显示参数之后，然后根据显示屏上的参数对拍摄装置进行调整。该LCD显示屏只有在按动开关按钮时，才被会开启。
拍摄按钮：本装置采用微动开关作为拍摄按钮，当LCD显示屏显示的角度数值符合要求的时候，按动拍摄按钮可以采集并生成全景图。
开关按钮：当长时间按动时，关闭和启动系统；短时按动时，只关闭和打开LCD显示器并且能休眠和换醒控制器。
电源：采用大容量锂电池，是可充电电源，能够反复使用，直接与嵌入式未处理相连接，为装置提供电能。
2 全景图生成装置硬件结构设计
3 系统软件设计
系统软件主要是包括角度平衡检测环节、拍摄环节和图片合成环节，整个软件控制流程图如图3所示。
操作过程：检查拍摄杆与微处理器两处的线插头是否正确连接，再将嵌入式微处理器处线插头的每条连接线插入微处理器上的串口和USB接口，并将电源和嵌入式微处理器与相连，为整个装置通电；
通电确定无误后，长按开关按钮，启动系统，LCD显示屏显示启动、控制器被唤醒；启动过程中检测并显示摄像头，GPS模块，倾斜度传感器，嵌入式微处理器软件的状态；倾斜度传感器检测到摄像头的倾斜角度、GPS系统采集到经纬度值并显示到LCD显示屏上。
显示屏有数显示时，持有者根据在LCD显示屏上显示支杆的倾斜角度，用手调节支杆，当显示的数值表示水平时，按下拍摄按钮，即生成一幅全景图。需注意持有者拍摄照片时应当观察四周光线，尽量使5个摄像头拍到图在同一曝光度下，这样生成的全景图会更为美观。当更换拍摄地点时，持有者不需关闭系统，只需短按开关按钮，关闭LCD显示屏，休眠控制器；换到新拍摄地点时，再短按开关按钮打开LCD显示屏和控制器。如果持有者长时不使用时，可长按开关按钮关闭系统，下次需要长按才能重启系统。
4 结语
随着全景技术在各大领域的发展，为提高拍摄得到的照片的精度和加快制作速度，同时随着全景图更多被了解，人们已经不满足于二维地图和普通的3D地图，我们需要能拍摄没有任何角度偏差、能自动添加定位的全景图装置。本文设计的全景图生成装置是一种便于携带，改进了拍摄过程，也方便后续的图片拼接，能让全景图更为美观。同时能获取拍摄地点的经纬度值，也使全景图更为直观。
【参考文献】
[1]田军，孙梅，王萍. 全景图生成技术研究[J].科技视界，2014（11）.
[2]金淼，易爱华，朱家文，谢永健.历史保护建筑的三维全景展示研究[J].土木建筑工程信息技术，2013（2）.
[3]梁弼，肖丽利，薛文.古建筑文物三维全景展示的设计与实现[J].微型机与应用，2014（16）.