电子元器件应用-单相电能计量芯片MCP3906及其应用


http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

单相电能计量芯片MCP3906及其应用
(东北电力大学袁 吉林 吉林 132012) 摘 要院 介绍了Microchip公司推出的单相电能计量芯片MCP3906的内部结构尧 工作原理和引 脚功能袁 提出了以AVR公司的Mega16微处理器为MCU的单相电能表的硬件和软件设计方法遥 关键词院 电能表曰 单相电能计量曰 MCP3906曰 ATMega16处理器

郝静袁 尹维春

0

引言
电能表作为电能计量的专用仪表袁 在电能管

输出袁 以及与瞬时功率成比例的高频输出用于电 可用于各种IB和IMAX电流和小分流器 (<200 滋赘)

表校准遥 MCP3906内部包含两个16位驻-撞 ADC袁 的电表设计遥 该芯片还包含一个超低温漂 (<15 ppm/毅C) 参考电压袁 通过特殊设计的带隙温度曲 线袁 可在整个工业级温度范围内使温度梯度达到 最小遥 固定功能的片上DSP模块可用于计算有功 功率袁 此外袁 片上还有驱动机械计数器的高输出 驱动器袁 可以减少现场故障和机械计数器咬合遥 芯片的空载门限模块可防止任何电流潜变 (Creep) 测量袁 而上电复位 (Power on Reset, POR) 模块则可在低电压时限制电表测量遥 因此袁 MCP3906是具备高现场可靠性的精密电能计量 MCP3906的内部结构及工作原理

理仪器仪表中占有很大比例袁 其性能直接影响着 电能管理的效率和科技水平遥 从产品的功能尧 性 能及经济效益等多方面来看袁 全电子电能表与传 统的感应式电能表相比袁 存在着明显的优势遥 而 且电能表作为计量管理和用电管理的终端袁 它所 提供的各种功能是实现电力系统自动化管理必不 可少的遥 传统的测量都是采用A/D转换电路袁 但 这种方法使部分电参量测量精度欠佳袁 性价比不 理想袁 且软件编程相对复杂袁 微控制器必须对采 样电路进行数据处理 (如电压尧 电流的平均值尧 产业的高速发展袁 测量电路的集成化尧 模块化成 为未来发展的趋势袁 各大器件公司也纷纷推出自 己的电能计量芯片遥 这种集成芯片不仅精确度 高袁 而且硬件尧 软件设计简单袁 价格便宜袁 性价 比高袁 极具市场潜力遥 本文给出了基于Microchip 公司的MCP3906单相电能计量芯片袁 并以AVR公 司的ATMega16为MCU设计开发的一款新型单相 电能表实现方案遥 与以往电能表相比袁 该方案具 有设计接口简单尧 结构紧凑尧 可靠性高等特点遥 有效值袁 有功尧 无功计算等)遥 而随着现代电子

1.1

IC袁 并采用业界标准的引脚配置遥

电路袁 其内部结构框图如图1所示遥

MCP3906是混合模拟/数字信号的CMOS集成 MCP3906可提供与有功功率成比例的频率输

MCLK/4的频率对输入进行采样袁 同时允许对动

它的两个通道均使用16位二阶驻-撞 ADC袁 能以

出和与瞬时功率成比例的高频输出来用于校准遥

态范围很宽的输入信号进行采样遥 可编程增益放 大器 (Programmable Gain Amplifier, PGA) 扩大了 电流输入通道 (通道0) 的可用范围遥 其有功功率 成袁 从而提高了其稳定性和温漂性能遥 的计算以及与计算有关的滤波均可在数字域中完 MCP3906的两个数字高通滤波器 ( HPF1和

1

MCP3906单相电能计量芯片
MCP3906是Microchip公司推出的单相电能计

量芯片袁 它支持国际电能计量标准技术规范

IEC62053袁 可提供与平均有功功率成比例的频率
收稿日期院2006-11-20

有功功率的计算不含任何电路或系统偏移量遥 经
www.ChinaECD.net 2007.3

HPF2) 可以滤除两个通道的系统偏移量袁 因此袁 1

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图1

MCP3906的结构框图

过高通滤波后袁 电压和电流信号相乘袁 即可得出 可有效利用求平均法 (Averaging Technique) 计算 瞬时功率信号包含的有功功率信息就是瞬时 功率的直流分量遥 求平均法可用于计算正弦和非 正弦波形袁 以及所有功率因数遥 瞬时功率经过低 通滤波器 (LPF) 就可以产生瞬时有功功率信号遥 通过MCP3906的DTF转换器可对瞬时有功功
图2 MCP3906引脚图

瞬时功率信号遥 此信号不含直流偏移分量袁 因此

出所需的有功功率输出遥

率与平均有功功率成比例遥 FOUT0 和FOUT1 输出的低 电机袁 以便显示实际消耗的有功功率遥 每个脉冲 对应于一个固定的有功电量值袁 其功能可由F2尧

率信息进行累加袁 以产生输出脉冲袁 此脉冲的频

频脉冲可用于设计驱动机电式计数器和双相步进

F1和F0的逻辑进行选择遥 HFOUT输出具有较高的 频率设定和较低的积分周期袁 可用于表征瞬时有 功功率信号遥 由于累加时间较短袁 该输出可使用 户在稳定的负载条件下进行快速的校准遥 1.2 MCP3906的引脚功能

图3

单相电能表的系统框图

用求平均法计算出所需的有功功率输出曰 然后通 过器件的DTF转换器对瞬时有功功率信息进行累 加袁 以产生输出脉冲袁 此脉冲的频率与平均有功 功率成比例袁 每个脉冲对应于一个固定的有功电 量值曰 再通过AVR单片机对该脉冲信号进行计 数袁 即可得出有功功率的数值曰 最后通过LCD显 示模块显示出来遥 系统的电能累计分为第一次上 电后的连续累计和时段累计两种遥 时段累计需要 对时间进行判断袁 即如果当前的时间处在某个时 段内袁 则对该时段进行电能累计曰 否则袁 不进行 电能累计遥 2.2 系统功能模块 (1) RTC实时时钟模块

如图2所示遥 各引脚的功能说明如表1所列遥

MCP3906采用24引脚SSOP封装袁 其引脚排列

2

MCP3906在单相电能表中的应用
利用MCP3906和AVR Mega16设计的单相电

2.1 单相电能表的系统组成

能表系统框图如图3所示遥 图中袁 MCP3906芯片 用于对输入的电压和电流进行计算遥 将经过高通 滤波后的电压和电流信号相乘袁 得出瞬时功率信 号袁 此瞬时功率经过低通滤波器即可产生瞬时有 功功率信号遥 此信号不含直流偏移分量袁 但可利 2
2007.3 www.ChinaECD.net

时钟是电能分时计量的基础袁 实时时钟分硬 时钟和软时钟两种袁 本设计选用硬时钟遥 当前应

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月 表1
引脚 编号 2 4 6 7 8 10 12 13 14 15 17 9 1 符号 DVDD AVDD CH0+ NC HPF 数字电源引脚 高通滤波器逻辑控制引脚 模拟电源引脚 无连接

新特器件应用
MCP3906的引脚功能表
功能

Vol.9 No.3 Mar. 2007

ROM (AT25C256) 和掉电保护电路组成袁 主要用 于存储计算出来的电压尧 电流尧 有功等实时值以

该功能模块主要由支持I2C总线的可擦写EEP鄄

及每个时段的有功电能值袁 还有掉电时间记录尧 电压电流越上下限报警记录和历史记录等等遥 如 果模块掉电袁 系统中的掉电保护电路会自动切换 到后备电池给外部RAM供电袁 以保证RAM里所有 的数据不丢失遥 (5) 电源 为确保电能表稳定可靠的运行袁 电源是电能

3 5

CH0CH1CH1+

通道0 (电流通道) 的正相模拟输入引脚 通道0 (电流通道) 的反相模拟输入引脚 通道1 (电压通道) 的反相模拟输入引脚 主复位逻辑输入引脚 通道1 (电压通道) 的正相模拟输入引脚

11

REFIN/OUT 参考电压输入/输出引脚 AGND F2 F1 G1 F0

MCLR

表设计的一个关键遥 本设计采用一路9 V电源和

模拟地引脚袁 内部模拟电路的返回路径 HFOUT频率控制的逻辑输入引脚 FOUT0/1频率控制的逻辑输入引脚 FOUT0/1频率控制的逻辑输入引脚

一路5 V电源来分别给AVR Mega16和RS485通信 单元供电遥 通信单元尧 计量单元和MCU之间的通 信采用光耦进行隔离袁 可提升整个系统的抗干扰 能力遥 众所周知袁 电能表的干扰源主要有电网的 电压波动尧 闪电冲击和变压器产生的电磁感应 等遥 本设计采用压敏电阻来吸收瞬间高压冲击遥 电源进线处则使用磁环来防止高频电磁脉冲对电 路的干扰和破坏遥 2.3 软件设计 整个电能表的软件程序由主程序尧 系统初始

增益控制逻辑输入引脚 增益控制逻辑输入引脚

16 18 19

OSC2 NEG HFOUT FOUT0 FOUT1 DGND NC

OSC1

G0

晶振连接引脚或时钟输入引脚 晶振连接引脚或时钟输出引脚 无连接 负功率逻辑输出引脚 数字地引脚袁 内部数字电路的返回路径 高频逻辑输出引脚 (设计用于校准) 机械计数器差分逻辑输出引脚 机械计数器差分逻辑输出引脚

20 21 23

22 24

示模块尧 通信模块等组成遥 通过主程序或通过中断 方式可以调用子程序袁 以实现系统的整体功能遥 其中主程序可用于完成启动和系统初始化 (包括FLASH尧 RAM尧 LCD的设置尧 SCI及RTC等 的初始化)袁 以及判定时段袁 在LCD上显示电量和 时间等遥 主程序的流程图如图4所示遥 而电量处理模块则用于读取计量芯片的有功 等电量数据袁 并进行复杂的处理袁 最后保存这些 电能参量遥 显示模块则用于完成LCD字段的显示袁 可通过

化尧 电量处理模块尧 数据存储尧 键盘中断尧 LCD显

本设计选用DS1302实时时钟芯片来为系统提供时 钟袁 可精确到年月日时分秒遥 该芯片内置可编程 日历时钟和31字节的RAM袁 工作电压范围为2.5耀 5.5 V袁 且功耗低遥 掉电后可由电池供电袁 其工作 寿命达10年以上遥 (2) LCD显示模块

用较为广泛的时钟芯片有PCF8583尧 DS1302等遥

电能表的显示一般可采用段式LCD显示器袁

这种显示器具有功耗低尧 寿命长尧 显示方式灵活 等优点遥 (3) 通信接口模块

按键中断模块主要用来处理按键中断遥 LCD

LCD显示屏轮流显示有功和总电量等参数遥

通讯处理模块是电能表系统与外界通讯的模 块袁 这是依据国标规程编写的一个软件模块遥 该 模块包括通讯接收处理尧 通讯命令处理及通讯发 送处理等部分遥 由于通讯信道有红外信道和 判断道底使用哪个信道遥 (4) 数据存储模块 RS485信道两个信道袁 故在通讯时袁 要由MCU来

通信模块主要按照通讯规约的要求袁 来实现 与抄表系统的可靠通讯遥 以便通过抄表系统来读 取用户的电量数据以及设置时间尧 费率和地址等 电表参数遥

3

结束语
通 过 本 文 基 于 MCP3906 电 能 芯 片 和 AT鄄
www.ChinaECD.net 2007.3

3

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications 参考文献 [1] [2] [3]

Vol.9 No.3 Mar. 2007

2005.

MCP 3905/3906 Data Sheet. Microchip Technology Inc,

耿德根袁宋建国袁马潮袁等援AVR高速嵌入式单片机原 金春林袁邱慧芳袁张皆喜援AVR系列单片机C语言编程

理与应用[M]援北京院北京航空航天大学出版社袁2001援 与应用实例[M]援北京院清华大学出版社袁2003援

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 MCP3906 美国微芯科技股份有限公司福州 高奇晶圆电子科技有限公司 电话院 0591-83375855 器件院 ATMega16微处理器 美国ATMEL公司
图4 电能表主程序流程图

上海办事处院 021-62809234 北京办事处院 010-62186224 器件院 DS1302芯片 深圳市世鹏电子科技有限公司 电话院 0755-83987638

Mega16单片机的单相电表可实现对单相电能的计

量遥 该系统性能稳定尧 功能完善尧 操作简单袁 非 常适用于单相电能的测量遥 其较高的性价比也为 计量机构和用户提供了更多的一种选择遥

4

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

基于TS101的嵌入式实时操作系统设计
(西安电子科技大学模式识别与智能控制研究所袁 陕西 西安 710071) 摘 要院 根据嵌入式实时操作系统的设计原理袁 介绍了ADI公司的TS101处理器芯片的主要特 点和功能结构袁 给出了参考源码公开的实时嵌入式操作系统滋C/OS-II并使用TS101DSP芯片设 计嵌入式实时操作系统的具体方法袁 该方法采用内存覆盖技术袁 可支持多任务并行操作袁 并 可实现实时操作遥 关键词院 嵌入式实时操作系统曰 中断处理曰 内存覆盖曰 TS101处理器

应陈克袁 胡文江

0

引言
随着半导体制造工艺的发展和计算机体系结

构的改进袁 DSP处理芯片的处理能力越来越强大袁

的寄存器组以用于数据寻址遥 此外袁 TS101中还 带有一个带指令对齐缓冲器 (IAB)袁 以及分支目 同时有三条相互独立的128 bit宽度的内部数据总 线以及片内6 MB SRAM曰 TS101提供有与主机处 理 器 尧 多 处 理 器 空 间 ( DSP) 尧 外 部 SRAM 和 SDRAM相连的外部端口和一个14通道DMA控制 JTAG接口可用于片上仿真遥 器尧 四个链路口尧 两个64 bit间隔定时器和定时 器计满引脚遥 芯片上一个与IEEE 1149.1兼容的 标缓冲器 (BTB) 和中断控制器的程序控制器袁

芯片中的双整数ALU (IALU) 均有自己的31个字

字的寄存器组及相关的数据对齐缓冲器 (DAB)遥

控制的外围设备越来越多袁 软件算法也越来越复 杂遥 对于DSP系统的软件开发袁 不仅要面对复杂 的软件算法袁 同时还要把大部分精力放在各种外 围设备和相关的硬件控制上袁 整个过程复杂而艰 辛遥 因此袁 为这一类系统开发小巧精致尧 便于移 植的嵌入式实时操作系统袁 具有实际的意义遥 本 文参考开放源代码实时操作系统uC/OS-II
[2]

作系统的设计和开发工作遥

(以下简称TS101) 系列DSP芯片的嵌入式实时操

成了基于ADI公司的ADSP-TigerSHARC101S

袁 完

[3] [4]

1

TS101芯片简介
TS101是美国ADI公司生产的一款高性能静态

2

基于TS101的嵌入式实时操作系统功能
本文介绍的基于TS101的嵌入式操作系统是

参考源码公开的实时操作系统uC/OS-II来设计 的袁 实际上袁 它和uC/OS-II一样袁 仅仅是一个实 时内核袁 而不具有像GUI尧 TCP/IP协议栈等功能 部件遥 它支持占先式多任务调度袁 并可提供有效 等)遥 同时袁 在uC/OS-II基础上可引入高级操作系 统中的进程和线程等概念
[1]

超标量处理器遥 ADSP-TS101S的内核指令周期为 点运算和6个浮点运算遥 内部有三条相互独立的 128 bit宽度的内部数据总线袁 每条总线各连接一 个2 MB内部存储器阵列袁 可提供4个字的数据尧 带宽遥 均包含一个ALU尧 乘法器尧 64-bit移位器和32个
收稿日期院2006-09-06

3.3 ns袁 每周期能够执行4条指令尧 24个16-bit定

的服务 (如信号量尧 邮箱尧 队列尧 延时尧 超时 遥 因此袁 本设计采用

指令及I/O访问袁 以及14.4Gbytes/s的内部存储器 在ADSP-TS101内部的双运算模块中袁 每个

了进程与线程结合的方式袁 即将实现不同功能的 任务视为进程袁 然后在任务内部进行细分袁 以划 分为不同的线程遥 进程间的调度与切换在TS101 内部存储区和外部扩展存储区 (例如SDRAM) 中 进行袁 而线程间的调度与切换则在TS101内部存
www.ChinaECD.net 2007.3

5

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

储区中实现遥 从本设计的整个TS101嵌入式实时 系统来看袁 它的基本功能主要包括任务管理尧 中 断管理尧 内存管理三方面内容遥 在TS101嵌入式实时系统的三大块功能中袁 任务管理功能模块基本上是uC/OS-II的简单移 植袁 本文主要针对中断处理和存储器管理 部分进行设计说明遥
[5]

BTB才能使用遥

4

操作系统中断处理的实现
在本操作系统中袁 对于用户中断服务程序的

两大

处理过程袁 其示意代码和功能如表1所列遥
表1
代码 (1) (2) (3)

程序代码及功能列表
功能

3

TS101的中断处理
TS101的中断处理包括硬件中断和软件中断

保存处理器的全部寄存器 调用OSIntEnter,OSIntNesting加1 执行用户代码做中断服务 调用OSIntExit () 恢复处理器所有寄存器 执行中断返回指令

Debug中断遥

两大类袁 其中软件中断又包括软件异常中断和

(4)

(5) (6)

3.1 硬件中断

将中断返回地址 (即RETIB) 值保存到堆栈中袁 这样袁 在从RETIB读出返回地址后袁 系统将自动 RETI时本应禁止全局中断使能袁 所以这是在程序 控制器将PC写入RETI时自动完成遥 如果系统不 支持嵌套的硬件中断袁 则无需把处理器状态保存 在堆栈中遥 中断一般根据寄存器RETI执行并在中 断后返回袁 而不需要再对硬件中断的全局禁止位 进行处理遥 3.2 软件中断 (异常) 的遥 使能异常中断时袁 可将PMASK [62] 置位袁 并将PC存 储于 RETS曰 而对 于仿 真异 常袁 则将 异常软件中断是在程序执行的过程中触发 开启全局中断使能遥 但在保存相关的寄存器和

栈指针遥 在允许嵌套中断的中断服务程序中袁 可

现场袁 器件中IALU的J尧 K寄存器都可以用作堆

TS101处理器不需要专门的堆栈指针来保存

时袁 操作系统需要知道用户在做中断服务袁 因 此袁 用户应该调用OS_Int_Enter_C () 将全局变量 断的设备了 [程序列表1中的 (3)]遥 由于该操作系 OSIntNesting [程序列表1中的 (2)] 直接加1遥 完 成上述两步以后袁 用户就可以开始服务于引发中

当前堆栈 [程序列表1中的 (1)]遥 在进行中断处理

事实上袁 用户应首先将处理器的寄存器压入

IntNesting遥 然而袁 为允许中断嵌套袁 在多数情况 下袁 用户应在开中断之前先清中断源遥 调用脱离 中断函数OS_Int_Exit_C ()

统允许中断嵌套袁 而且系统能跟踪嵌套层数OS鄄

标志着中断服务子程序的终结袁 同时OSIntExit () 会将中断嵌套层数计数器减1遥 当嵌套计数器减 到零时袁 所有中断袁 包括嵌套的中断便都完成 了遥 此时操作系统要判定有没有优先级较高的任 务被中断服务子程序 (或任一嵌套的中断) 唤醒遥 如果有高优先级的任务进入了就绪态袁 系统则返 回到那个高优先级的任务袁 OS_Int_Exit_C () 返 的值将在这时被恢复袁 然后在去执行中断返回指 令 [程序列表1中的 (6)]遥 应当注意的是袁 如果调 断的任务遥 度被禁止 (OSIntNesting>0)袁 系统将返回到被中 时中断来到了 [图1 (1)]袁 但还不能被处理器识 别袁 这也许是因为中断被操作系统或用户应用程 序关了袁 或者是因为处理器还没执行完当前的指 令遥 一旦处理器响应了这个中断 [图1 (2)]袁 处理 以上描述的详细解释如图1所示遥 图中袁 有 回到调用点 [程序列表1中的 (5)]遥 保存的寄存器

[程序列表1中的 (4)]

中断出现时袁 程序控制器将从寄存器IVSW指向 的地址取址袁 仿真异常则从EMUIR寄存器取址袁 同时将指令流水的指令清空遥 3.3 中断返回 中断返回是通过在中断服务程序中执行RTI 指令来实现的遥 当然袁 这要求在响应中断服务程 序时就将返回的地址保存在该寄存器中遥 通常要 求至少在执行该指令前的8个指令周期就将返回 地址放入在寄存器RETIB中袁 这样袁 分支缓冲 6
2007.3 www.ChinaECD.net

PMASK [63] 置位袁 PC存储于DBUG中遥 当异常

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

File.LDF) 中袁 可以手动划分各个内存分区的大 小遥 在TS101所提供的库函数中已经包含了比较 完 备 的 内 存 管 理 函 数 ( 如 常 用 的 calloc袁 free袁 malloc和realloc等函数)袁 可用于对内存进行基本 管理遥 在对操作系统进行设计的过程中袁 应将重心 放在内存的扩展上袁 以便有效地使用外部存储器 (例如SDRAM等)遥 为了实现内存扩展袁 本设计将 一个大型任务看作一个进程袁 再将一个进程划分 为不同的小线程遥 在系统的外部存储器中可以存 放多个进程袁 而每次只将一个读入到内存中来运 行遥 操作系统的主要管理对象是这个进程所划分 的多个线程遥 这样袁 在一个系统中就可以运行多
图1 中断服务

个进程袁 它们之间可以由程序进行由内存到外存 或由外存到内存的切换控制袁 但在切换过程中需 要花费一些时间代价遥 5.1 外部存储器堆区的使用 TS101为用户提供了堆区袁 并提供有calloc尧

器的 中断向量将跳转到 中断服务子程序 [ 图1 CPU context冤

(3)]遥 中断服务子程序在处理器寄存器 渊也叫做 中断服务子程序将通知操作系统进入中断服务子 程序袁 办法是通过调用OS_Int_Enter_C () 给OS鄄 IntNesting加1 [图1 (5)]遥 然后用户中断服务代码 务中做的事要尽可能地少袁 而把大部分工作留给 任务去做遥 用户中断服务完成以后袁 要调用 OS_Int_Exit_C () 出袁 对被中断的任务来说袁 如果没有高优先级的 [图1 (7)]遥 从时序图上可以看 任务被中断服务子程序激活而进入就绪态袁 OS_Int_Exit_C () 只占用很短的运行时间遥 在这 种情况下袁 CPU寄存器只是简单地恢复 [图1 (8)] 并执行中断返回指令 [图1 (9)]遥 而如果中断服务 子程序使一个高优先级的任务进入了就绪态袁 则 OS_Int_Exit_C () 将占用较长的运行时间袁 因为 器内容要恢复并执行中断返回指令 [图1 (12)]遥 [图1 (4)] 中一旦保存完毕袁 用户

malloc尧 realloc和free等函数来对其进行管理和使 用袁 同时用户可以通过手动修改链接描述文件以 获得相对较大的堆区遥 然而袁 在默认情况下袁 用 户所能使用的只是链接描述文件中所提供的那一 块堆区袁 这对用户来说是远远不够的遥 如果用户 在外部存储器上也能够像在内存中一样动态的开 辟存储空间来进行使用袁 那将会带来极大的方 便遥 幸运的是袁 TS101的编译系统提供了这一功 野ts_hdr.asm冶 文件袁 再用生成的 野ts_hdr.doj冶 文

开始执行 [图1(6)]遥 应当注意的是袁 用户中断服

能袁 用户只需要对系统提供的名为 野ts_hdr.asm冶 的汇编文件和链接描述文件进行修改并编译 件 代 替 链 接 描 述 文 件 中 的 野 ts_hdr_TS101冶 即 可遥 以下将对文件的修改过程做简要的介绍遥 下 面是TS101链接描述文件中对于默认堆区的描述袁 Defheapseg { 它定义了默认堆区的基址和堆区的大小院

这时要进行任务切换 [图1 (10)]遥 新任务的寄存

5

存储器管理
在TS101的C环境下袁 可将内存划分为代码区

(code)尧 数据区 (data)尧 堆 (heap) 区和栈 (stack) 区遥 代码区用来存放用户代码袁 数据区用来存放 全局变量和静态变量等数据袁 栈区用来存放临时 配遥 在编译器的链接描述文件 (Linker Descripton 变量等数据袁 堆区用来为用户提供动态内存分

ldf_defheap_base = .; ldf_defheap_size

(M1Heap) ;

=

MEMORY_SIZEOF

} >M1Heap

在 野ts_hdr.asm冶 汇编文件中可对默认堆区
2007.3

www.ChinaECD.net

7

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

进行操作袁 它的主要功能是为默认堆区规定ID号 0袁 以便有新的堆区存在时方便使用遥 ts_hdr.asm对默认堆栈进行编号的代码院

.var = ldf_defheap_base; .var = ldf_defheap_size; .var = 0;

对链接描述文件和汇编文件进行修改时袁 只

需要在链接描述文件中对新的堆区进行描述并在 defheapseg1 { 汇编文件中对其进行编号即可遥 代码如下院

图2

overlay的使用

在外部存储器中袁 overlay1和overlay2可在内存中 的同一区域中运行袁 而overlay3和overlay4也可以 在内存的同一区域中运行遥 当主函数调用 FUNC_B时袁 overlay2将被换入内存中运行袁 而当 主函数调用FUNC_A时袁 再用overlay1置换over鄄 lay2袁 overlay3和overlay4的使用与overlay1和over鄄 过DMA传输来实现遥

图2所示是overlay的使用结构图遥 由图可见袁

ldf_defheap1_base = .; ldf_defheap1_size

(SDRAM) ;

=

MEMORY_SIZEOF

} >SDRAM .var = 1;

.var = ldf_defheap1_base; .var = ldf_defheap1_size;

lay2相同遥 代码在内存与外存之间的置换主要通 内存覆盖管理器是用户编写的用来将函数或 数据载入内存的子程序袁 它们与链接器提供的 PLIT {} 指令配合使用可完成内存覆盖操作遥 内 存覆盖管理器除了负责由外部存储器向内存的载 入操作外袁 还应当负责建立堆栈保存寄存器的 值袁 检查需要调用的函数是否已经在内存之中袁 以及利用DMA操作在其它函数执行时运行内存覆 盖载入遥 作遥 此 操 作 需 定义 OVLY_one 和 OVLY_two 两 块 通过链接描述文件可对内存覆盖进行辅助操

号为1遥 按照以上步骤将文件修改完毕之后袁 用 户就可以在外部存储区中动态地使用内存了遥 编 译器还为动态内存的开辟提供了一系列的库函 数遥 其具体程序还在内部存储器中的默认堆区动 态开辟了大小为50的内存 [6 (1)]袁 并在外部存储 序如下院 int *x, *y;

存储器之中 (SDRAM)遥 并在新的堆栈中将其编

对新的堆栈区进行描述的代码可开辟于外部

区中动态开辟了大小为256的内存 [6 (2)]遥 其程 x = heap_malloc (0,50) ; 5.2 内存覆盖 (1) (2)

y = heap_malloc (1,256) ;

doj袁 而OVLY_two包含FUNC_B.doj和FUNC_C.doj袁

overlay 代码袁 其中OVLY_one 包含 函数FUNC_A.

它们共同在M0Code的同一内存区域运行遥 在链 接描述文件中对overlay进行操作的程序代码如 下院 .code

通过TS101可将数量极大的程序代码放入外 部存储器中遥 每次通过DMA传输方式读入少量的 程序代码到内存来执行袁 这样既扩展了内存空 间袁 又比将全部代码放入外部存储器节省时间袁 这种方式称为内存覆盖 (overlay)遥 内存覆盖是一 种多对一的内存映射技术袁 它可将多段代码存储 在外部存储器划定的不同位置袁 但也可以在内存 称为 野live冶 区袁 在内存中的运行区称为 野run冶 8
2007.3 www.ChinaECD.net

{ overlay_input { } >ovl_code

overlay_output ( OVLY_one.ovl )

input_section ( FUNC_A.doj (program ) Overlay_input { overlay_output ( OVLY_two.ovl ) input_section ( } >ovl_code FUNC_B.doj (

中的同一位置运行遥 代码在外部存储器的存储区

区遥

FUNC_C.doj ( program ) )

program

)

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用 6 结束语

Vol.9 No.3 Mar. 2007

} >M0Code

指令来协助内存覆盖操作的完成遥 当主函数调用 一个内存覆盖区的函数时袁 链接器将重新引导函 数调用并进行操作遥 例如当主函数调用了内存覆 盖函数FUNC_A时袁 链接器会将其自动转化为调 用.plt_FUNC_A操作遥 此操作在函数执行之前先 进行PLIT操作袁 并跳转到overlay管理器中执行袁 然后再执行函数A遥 下面是对PLIT进行操作的定 义代码院 { J4 = PLIT_SYMBOL_OVERLAYID;; J5 = PLIT_SYMBOL_ADDRESS;; } jump OverlayManager

在链接描述文件中袁 还可以通过定义PLIT {}

本文在对嵌入式实时操作系统进行研究的基 础上袁 完成了基于TS101DSP芯片的嵌入式实时 操作系统的设计遥 所设计的系统体系结构主要参 考的是开放源代码的实时操作系统uC/OS-II袁 并 在此基础上袁 根据芯片本身的特点和实际应用的 需要进行了创新和重设计袁 这主要体现在以下三 方面院 (1) 结合TS101芯片的特点袁 实现了中断处理 (2) 放弃了一般操作系统对内存采取每一任

部分的设计曰

务分配一块内存的方法袁 而是采用对内存进行分 块管理袁 并采取所有任务公用同一块内存袁 对同 一内存统一管理的方式曰 (3) 根据实际系统需要研究袁 并实现了内存 当然袁 任何嵌入式操作系统的设计都有一个 简单到详细的过程袁 需要逐步完善遥 本文只是完 成了TS101嵌入式实时操作系统基本功能的实现遥 相信经过长期的实际模拟运行袁 定能建立起功能 更加完善尧 结构更加稳固可靠的嵌入式实时操作 系统遥
参考文献 [1] [2] 陆松年,翁亮袁薛质等.操作系统教程[M].北京:电子工 业出版社袁2001.(7):3-184. 式操作系统[M].邵贝贝,译.北京院中国电力出版社袁 2001. ADSP -TS101 TigerSHARC 茵R Processor Hardware JEAN J.LABROSSE.uC/OS-II要源码公开的实时嵌入

5.3 内存扩展的实现

完成这一操作袁 该函数中的进程切换函数顺序代 码如下院 堆栈曰 (1) 将处于在内存中的进程的寄存器值压入

操作系统提供了OS_Process_Sched () 函数来

覆盖技术袁 扩展了系统的存储空间遥

由DMA方式放入外存曰

(2) 将处于内存中的进程的全部存储区内容

(3) 调用在外存中的进程的寄存器出栈函数曰 (4) 跳转到新的进程运行遥

入当前进程堆栈中进行保存 [顺序代码 (1)]袁 然

在进程调度中袁 一般首先将所有寄存器值压

后将内存进程存储区中的所有内容放入外部存储 器中保存袁 以便当该进程重新进入内存运行时能 够完全恢复原有运行环境 [顺序代码 (2)]遥 这里 的所有内容是指与当前进程有关的数据袁 包括进 程的堆栈尧 进程的全局变量尧 进程动态申请的内 存块等等遥 调用外部存储器中的进程寄存器出栈 覆盖技术来进行的袁 该寄存器的出栈函数一般放 在外部存储器中袁 操作时可通过调用它使链接器 跳转到内存覆盖管理器来完成外部存储器进程向 内存的加载遥 但在这里要对内存覆盖管理器进行 修改袁 并添加外部存储器中进程的全部数据的载 入函数袁 然后袁 程序才能跳转到新的进程中开始 运行 [顺序代码 (4)]遥 函数 [顺序代码 (3)] 主要是利用前面所述的内存

[3] [4] [5]

Reference.Analog Devices,INC.2004.

32-Bits Processors. Analog Devices,INC.2004. 译.北京院电子工业出版社袁2004.10.

VisualDSP++ 3.5 C/C++ Linker and Utilities Manual for Kris Kaspersky.代码优化院有效使用内存[M] 谭金明,

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 TS101 ADI公司

上海办事处院 021-51503000 北京办事处院 010-82782727
www.ChinaECD.net 2007.3

9

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

MAX5121及其在DSP系统中的应用
(黄石理工学院 电子与电气信息工程学院袁 湖北 黄石 435003) 摘 并以TI公司的TMS320LF2407 DSP芯片为例袁 给出了MAX5121在DSP系统中的硬件应用电路和 软件编程方法遥 最后说明了在DSP系统中使用串行接口器件比并行接口器件所具有的优势遥 关键词院 MAX5121曰 DSP曰 TMS320LF2407曰 串行外设接口 (SPI) 要院 介绍了MAXIM公司的新型12位串行D/A转换器MAX5121的性能尧 特点和工作原理遥

柯艳明

1

MAX5121型D/A转换器
MAX5121是美国MAXIM公司生产的12位低

功耗电压输出型串行数模转换器 (DAC)遥 该器件 基准参考电压源时袁 其最大输出电压为2.0475 V遥

具有灵活的三线串行接口袁 可以与SPI尧 QSPI和 MICROWIRE串行口实现无缝联接遥 在使用内部 MAX5121内部带有一个+1.25V基准参考电压 1.2

源袁 如用户需要袁 也可外接片外参考电压遥 此 外袁 它内部还包括一个16位的串行移位寄存器尧

一个输入寄存器尧 一个DAC寄存器和一个输出放 大器遥 其输出电压的计算公式为院 V OUT= (1.6384V REFCode/4095) -0.6384V OS (1)

0xFFF范围内的输入数字量袁 V OS为片外输入模拟 电压遥 正常工作模式 (电流500 滋A) 和关断工作模式 MAX5121数模转换器具有两种工作模式袁 即

式 中 袁 V REF 是 基 准 电 压 袁 Code 是 在 0x000 耀

3位控制位尧 12位数据位和1位子位遥 图2所示是 及功能描述遥
MSB噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎LSB 数据位 D11 D10噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎噎D0

MAX5121的编程控制由16位串行字组成袁 即

MAX5121的串行接口命令

图1 MAX5121的内部结构框图

其16位串行字格式袁 表2所列是其串行接口命令

控制位

子位 S0

(电流3 滋A)遥 当处于关断工作模式时袁 OUT输出 变为高阻态袁 但输入寄存器内容将被保存袁 以便 MAX5121被唤醒后能 野回忆冶 起进入关断模式前 的输出状态遥 16pin QSOP封装形式遥 MAX5121 采 用 +3 V 单 电 源 供 电 袁 封 装 为

C2 C1 C0

图2

MAX5121的16位串行字格式

1.3

使能MAX5121袁 然后从SCLK的上升沿开始将DIN

MAX5121在工作时袁 首先将CS置为低电平以

MAX5121的工作时序

1.1 MAX5121的内部结构及引脚功能

16bit串行移位寄存器遥 当CS为高电平后袁 串行移 位寄存器中的数据将被装入MAX5121内部的输入 寄存器或送入DAC寄存器袁 具体取决于16位串行 字中C2尧 C1尧 C0这三位的取值遥 MAX5121的最

上的串行数据一位接一位移入MAX5121内部的

列是该芯片的引脚功能说明遥
收稿日期院2006-11-16

MAX5121的内部结构框图如图1所示袁 表1所

高串行工作时钟频率为6.6 MHz遥 图3是MAX5121

10

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月 表1
序号 引脚名称 1 2 3 OUT RSTVAL OS

新特器件应用
MAX5121的引脚功能说明
功能描述 输出电压调整 模拟输出电压 1院 器件复位时输出电压为满度值的一半 0院 器件复位时输出电压为 器件关断允许 1院 允许 复位端 片选 串行数据输入 串行时钟输入 数字地 串行数据输出 用户可编程输出 (数字量输出) 器件关断输入袁 高电平有效袁 一旦PD置高电 平将器件关断袁 即使PD变为低电平也不能使 器件恢复为正常工作方式袁 除非出现由高到 低的跳变或用户编程退出关断模式 0院 不允许 复位输出电压选择

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图3

MAX5121的工作时序

字信号处理) 芯片遥 它将数字信号处理的高速运 算功能与面向电机的强大控制能力结合在一起袁 从而成为传统的多微处理器单元和多片设计系统 串行外设接口 (SPI) 模块遥 该SPI是一个高速尧 的理想替代品遥 TMS320LF2407内部有4个引脚的

4 5

PDL CLR DIN CS

6 8

7

11

10

9

DGND DOUT UPO PD AGND REF REFADJ VDD

SCLK

同步串行I/O口袁 它允许长度可编程的串行位流 (1耀16) 以可编程的位传输速度移出或移入器件遥 通常SPI用于DSP处理器和外部外设袁 以及其它处

理器之间的通信遥 其典型应用包括通过诸如移位

寄存器尧 显示驱动器尧 DAC袁 以及日历时钟等器 件所进行的外部I/O或器件的扩展遥 SPI的主/从操 括以下几点院 (1) 有主动或从动两种方式遥 TMS320LF2407 作模式均支持多处理器通信遥 SPI模块的特性包

12 13 14 15 16

模拟地 1.25V基准电压曰 当不使用内部基准参考电 压时袁 从该引脚输入片外参考电压 片内基准参考电压调整输入袁 外接参考电压 时接至VDD +3V电源 当使用内部基准参考电压时袁 该引脚输出

的SPI功能模块是一种真正的同步串行接口袁 可 以工作于主动和从动方式遥 当SPI工作在主动方 式时袁 SPICLK为时钟信号输出端袁 可与从器件的 TMS320LF2407的时钟信号遥 SPI数据传输则由如 动输入)尧 SPISIMO (从动输入主动输出)尧 SPISTE (从动发送使能)尧 SPICLK (串行时钟输入输出)曰 时钟信号输入引脚相连接袁 两者共用 下四个外部引脚完成袁 即SPISOMI (从动输出主 (2) 具有四种时钟方案遥 分别为无延时上升

的串行口工作时序遥

2

TMS320LF2407的SPI接口[2]
TMS320LF2407是美国TI公司推出的尧 专为

数字电机控制和其它控制应用系统而设计的一款 高性能尧 低功耗尧 高性价比的16位定点DSP (数
C2 0 0 C1 0 0 C0 1 0 D11 D10噎噎噎噎噎噎D0 伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊 12位DAC数据 12位DAC数据 16位串行字 S0 0 0

沿 (SPICLK信号上升沿发送数据袁 下降沿接收数

据)尧 有延时上升沿 (SPICLK信号上升沿半个周 期发送数据袁 上升沿接收数据)尧 无延时下降沿

表2 MAX5121的串行接口命令及功能
功能描述 空操作 装载输入寄存器袁 DAC寄存器不变 同时装载输入寄存器和DAC寄存器并退出关断模式 把输入寄存器内容装载DAC寄存器并退出关断模式 UPO引脚输出低电平 渊默认冤 UPO引脚输出高电平 DOUT在SCLK的上升沿发送数据 DOUT在SCLK的下降沿发送数据 关断器件 渊条件是PDL=1冤

0

0

1

1 1

1

1

0

0

1

1 1

1 1

0

1

0

伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊 伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊

0

伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊

0

0 1 1

1

0 0 伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊

1 伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊

伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊伊

0 0 0

0

0

www.ChinaECD.net

2007.3

11

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

期发送数据袁 下降沿接收数据)遥 一般情况下袁 从器件的工作方式曰

据)尧 有延时下降沿 (SPICLK信号下降沿半个周

(SPICLK 信号下降沿发送 数据袁 上升沿 接收 数

时钟频率不能超过6.6 MHz遥 4.2 软件设计 限于 篇幅 袁 图 5 仅给 出用 TMS320LF2407 向

当DSP作为主器件时袁 时钟模式的选择还要参考 (3) 有125种可编程波特率遥 TMS320LF2407

MAX5121发送一个16bit DAC数据的软件实现流 在DSP应用系统中的一般编程方法遥

程图 (用软件查询方式发送)袁 以表明出MAX5121

考外设的最大传输频率遥 设计时通过向波特率寄 存器写入设定值袁 可以得到不同的波特率曰 (4) TMS320LF2407数据字长度可以是1到16

进行通信袁 最大可达10 MHz遥 波特率的设定应参

中SPI模块灵活的波特率设置可以方便地与外设

位遥 收发数据的位数可由SPI的配置控制寄存器 决定曰 (5) 发送和接收可用中断或查询方式完成遥

3

MAX5121与TMS320LF2407的硬件接口
在设计TMS320LF2407与MAX5121的硬件接

口 电 路 时 袁 可 将 TMS320LF2407 作 为 SPI 主 机 袁

MAX5121作为从机遥 MAX5121只接受来自主机的 电压遥 由于MAX5121是在SCLK的上升沿接收SPI

数据袁 然后进行D/A转换并从OUT引脚输出模拟 线上的数据袁 因此袁 DSP应采用无延时的下降沿 来发送SPI数据袁 这样才能配合MAX5121的工作 时序遥 图4给出了TMS320LF2407与MAX5121的硬 件接口电路遥

图5

TMS320LF2407向MAX5121发送一个16bit 数据的软件实现流程图

5

结束语
利用DSP的SPI接口扩展各种串行接口的元器

件应具有接口简单尧 编程方便的优点遥 如今的串 行接口器件种类繁多 (有SPI语音芯片尧 LED驱动 芯片尧 A/D转换芯片尧 D/A转换芯片尧 EEPROM芯

片等)袁 这些器件给系统设计带来了更多的选择遥 因此袁 在实时性要求不高的场合袁 串行接口器件 的使用可以简化电路设计袁 提高系统设计的可靠 性遥

图4

4

TMS320LF2407与MAX5121的硬件接口电路

软件设计

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 MAX5121 MAXIM公司

4.1 SPI总线波特率的设置 由于不同SPI器件的最高工作频率有所不同袁 为了使SPI总线高效工作袁 应了解各个SPI器件最 高能接受的频率袁 然后取低频率的SPI器件的最 许时钟频率为6.6 MHz袁 因此袁 在TMS320LF2407 12
2007.3 www.ChinaECD.net

北京办事处院 010-62115199 上海办事处院 021-68765001 器件院 TMS320LF2407 TI公司 电话院 800-820-8682 深圳办事处院 0755-82968060

高频率作为通讯波特率遥 由于MAX5121的最高允

与MAX5121的应用系统设计中袁 SPI总线的最高

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

一种基于MSP430F1232的温湿度 检测系统
(南京航空航天大学袁 江苏 南京 210016) 摘 要院 介绍了基于MSP430F1232的温湿度检测系统的基本结构和总体设计方案袁 给出了以 软硬件设计方法遥 MSP430单片机为核心袁 采用集成温湿度传感器AD590和HM1500设计温湿度检测监控系统的

高翔袁 陈志辉

关键词院 MSP430F1232 曰 单片机曰 温湿度检测曰 AD590曰 HM1500

0

引言
随着社会经济的发展和科学技术的不断进

采用分别设计温度和湿度采样电路的方法袁 将集 成温度传感器AD590采集得到的电流信号和湿度 传感器HM1500采集到的电压信号转换为给定范 围内的电压信号遥 然后由单片机MSP430F1232的

步袁 许多情况下都需要对环境的温湿度进行限 定袁 因此袁 必须在某些特定环境安装温湿度报警 器以进行监控遥 为此袁 本文利用集成温湿度传感 器HM1500的测温快速尧 使用简便等特点袁 同时 结合MSP430单片机强大的功能袁 设计了一个监 控系统来对温湿度进行实时监控以进行超限报 警遥 本系统测量准确尧 调试方便尧 可实时记录报 警信息尧 方便工作人员排故袁 并可广泛应用于条 件恶劣尧 人员不便进入的场合遥

AD采样端口将该电压信号读入袁 如果温度小于 门限值或者湿度大于门限值就给出报警信号遥 门 限值可以通过按键进行设定遥 同时袁 系统还可以 通过中断方式按给定协议将采集到的温湿度值送 给上位机遥

2
2.1

器件选择
MSP430F1232单片机

1

系统结构和总体设计方案
本系统的总体设计方案如图1所示遥 本方案

MSP430系列单片机是TI公司推出的功能强大 的超低功耗16位混合信号处理器遥 该系列单片机 以其极低的功耗尧 强大的处理能力尧 丰富的片上 外围模块尧 方便高效的开发方式等特点袁 被广泛 应用于便携式仪表尧 智能传感器尧 实用检测仪 器尧 电机控制等领域遥 为了最大限度地利用单片 机端口和片内外设并降低设计成本袁 本设计选用 MSP430F1232袁 该单片机有3个并行端口袁 一个 RS485串行通讯口袁 同时内置10位AD采样器袁 可 完全满足温湿度采样的精度要求遥 2.2 AD590温度传感器

图1 系统总体结构图

度原电流传感器袁 该器件体积小尧 重量轻尧 性能
收稿日期院2006-11-14 2007.3

AD590 是美国AD公司生产的二端式集成温

稳定遥 测温范围为 -50~+150益曰 线性电流输出
www.ChinaECD.net

13

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

为员 滋粤/运曰 线性度好袁 测量精度为依0.3益曰 电源 电压范围为4~30 V遥 当电源电压在5~10 V之间袁 电压稳定度为1%时袁 其误差只有依0.1益遥 2.3 HM1500湿度传感器 线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采 用获得专利的湿敏电容HS1101设计制造袁 其湿度 测量范围为5%~99% (相对湿度)曰 相对湿度精度 为3%曰 工作温度为-30耀+60益曰 工作湿度范围为 0~100% (相对湿度)曰 供电电压为5V (最大电压 s袁 适用于工业级场合遥 DC16V)曰 可输出DC电压为1~ 4 V曰 响应时间为5

在2.5~0 V之间反向线性变化袁 调节R1的阻值大 小可以消除不同传感器的零点误差遥 3.2 湿度测量电路设计 集成湿度传感器HM1500的输出电压在1~4 V

间随湿度线性变化袁 考虑到本系统的单电源特 点袁 设计的湿度信号采集电路如图3所示袁 该电 路的测湿范围为0~100%遥

3

信号调理电路设计

3.1 温度测量电路设计 考虑到AD590温度传感器的输出电流源特 性袁 设计的温度信号测量电路如图2所示遥 该电 路的温度测量范围为-10~+50益遥 AD590采用15 V电压供电曰 电阻R1用于调整零点曰 电阻R3为精 密电阻袁 用来调整增益遥 运放的同向端输入2.50 入AD590的电流袁 OUT端输出为相应转换所得到 流为262.2 滋A袁 设计使这部分电流全部流过R1尧 电压为院 R2袁 而其后增加的电流均流过R3袁 OUT端的输出 V out=2.5-R 3(I-262.2)=2.5-39(I- 2.5 ) R 2+R 1 (1) 的电压遥 根据AD590的特性袁 在-10益时袁 流过电 V精密参考电压袁 该电压由TL431提供遥 IN端输
图3 湿度测量电路

k赘袁 用这四个电阻可调节增益遥 通过HM1500传 感器测量所得到的湿度电压信号从IN端输入袁 差 分的另一侧输入V s遥 由TL431提供2.5 V的精密电 R4 (V -V )= 5 (V -V ) R 3 in s 6 in s 压分压后可得到1.0 V左右的电压遥 并由此可以得 到输出电压的计算公式为院 V out= (2)

分式减法电路袁 精密电阻R 3=R 6=2.4 k赘袁 R 4=R 7=2

由于该电路中没有负压袁 电路的主体采用差

当温度在-10~+50益之间变化时袁 该电压就

就相应在0~2.5 V之间变化遥 调节R1可以消除不 同的湿度传感器的零点误差遥

若输入电压在1~4 V之间变化袁 则输出电压

4

显示存储和串行通讯电路设计
本系统采用3个独立按键和四位七段数码管

动态扫描显示的方式袁 数据存储采用EEPROM芯 片AT24C02来存储设定的温湿度传感器地址尧 温 湿度报警门限值袁 以及报警记录遥 采集到的各种 数据和存储的报警信息可以按照指定的协议传送 给上位主控制器进行处理遥 图4所示是该系统中的按键显示尧 数据存储
图2 温度测量电路 2007.3 www.ChinaECD.net

和串行通讯电路遥 图中袁 当单片机从ADIN1和

14

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

ADIN2口采集到温湿度数据以后袁 首先把湿度值 送到数码管显示袁 同时点亮湿度指示灯袁 表示现 在显示的是湿度遥 通过按2号键和3号键可以切换 温湿度显示袁 其中2号键显示湿度袁 3号键显示温 度袁 显示温度时同样会点亮相应的指示灯遥 如果 检测到温湿度超过门限袁 则点亮报警灯袁 以表示 数据超限遥 按1号键可以进行相应温湿度门限和 传感器地址的设定遥 数据设定完成以后袁 可通过 两个IO口编程模拟I2C总线协议以把数据存入指定

为了保证电平兼容袁 这部分电路均采用3.3V电压 供电遥 数据采集转换完成以后袁 系统可直接通过 单 片 机 的 UASRT ( 异 步 串 行 通 讯 口 ) 接 到 MAX3485通讯芯片袁 以便按照指定的协议把数据 传送给上位机遥

5

软件设计
本系统的软件设计采用C语言编写袁 主要通

位置袁 从而使断电后再开机时袁 数据能正常读 出遥 由于单片机IO口有限袁 该系统又采用两片 SN74HC373芯片扩展了8个IO口以满足设计要求遥

过MSP430F1232单片机的10位AD采样模块读入端 口温湿度电压信号袁 并按照相应转换公式转化成 实际温湿度数值并存储遥 然后根据需要将其送到

图4

按键显示尧 数据存储和串行通讯电路 www.ChinaECD.net 2007.3

15

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

数码管显示或者通过RS485串口送给上位机遥 另 外袁 该软件还可进行模拟I C总线的数据存储遥
2

调试使用方便尧 性价比高尧 可以单独使用袁 也可 以和上位机连接遥 为了确保整个系统运行的稳定 性袁 本系统还用硬件设计上采用了单片机上电复 位电路袁 而在软件设计中则加入了看门狗和软件 陷阱遥 实验证明袁 该装置运行可靠袁 测量误差 小袁 具有很好的应用效果袁 因此袁 可以广泛应用 于工业环境中对温度或者湿度有超限报警要求的 场合遥
参考文献 [1] [2] [3] [4] [5] [6] 余涛袁张爱明,等援MSP430系列单片机F149在遥测遥控 继电器中的应用[J]援低压电器袁2004,渊11冤院25-27. 逢玉台袁王团部援集成温度传感器AD590及其应用[J]援 国外电子元器件袁2002袁(7)院22要24援 MICROCONTROLLER, http://www.ti.com. MSP430x12x2, MSP430x11x2 MIXED SIGNAL

图5为该系统的主循环流程遥 系统上电以后袁

首先读取存在EEPROM中的地址和温湿度门限 值袁 然后进入循环状态进行温湿度信号采样袁 接 着对采集得到的数据进行处理并存储袁 同时在循 环中对按键标志位进行判断遥 如果被置位袁 则执 行相应的按键处理遥

沈建华袁杨艳琴,等援MSP430系列16位超低功耗单片机 原理与应用[M]援北京院清华大学出版社袁2004. 魏小龙援MSP430系列单片机接口技术与系统设计实 例[M]援北京院北京航空航天大学出版社袁2002. 谭浩强援C程序设计渊第二版冤[M]援北京院清华大学出版 社,1999.

图5 主循环流程图

图6为该系统的定时器中断流程遥 当系统进 入中断以后袁 首先通过判断相应的IO口输入电平 是否跳低来判断是否有键按下袁 如果有键按下袁 则进一步判断是哪一个键袁 接着存储该键位并将 按键标志位置位遥 之后再调用显示刷新程序袁 将 最新采集到的数据送到数码管显示遥 最后判断采 集到的数据是否超出门限袁 并相应点亮指示灯或 者报警灯遥 执行完以上操作后中断返回遥

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 MSP430 TI公司

电话院 800-820-8682 器件院 AD590 美国ADI公司

6

结束语
本系统最大的特点是测量准确尧 结构简单尧

上海代表处院 021-51503000 北京代表处院 010-82782727 器件院 HM1500 深圳市新世联科技有限公司 电话院 0755-83680810 器件院 AT24C02

深圳市东维电子有限公司 电话院 0755-83687771 器件院 SN74HC373

深圳市中立信电子科技有限公司 电话院 0755-82914791
图6 定时器中断流程图 2007.3 www.ChinaECD.net

16

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

单片机EM78P156的I/O口复用技巧
(厦门联创微电子袁 福建 摘

叶芯洲
厦门

361005)

O口实现多路驱动的设计方法遥 该方法通过巧妙的硬件设计袁 把软件操作系统的分时复用思 想应用到单片机编程中袁 然后利用软硬结合的分时复用方法实现了较少I/O口的多功能控制遥 关键词院 单片机曰 分时复用曰 I/O口扩展复用

EM78P156N单片机的5个I/O口同时作为6个LED灯驱动和2个按键输入为例袁 给出了用较少的I/

要院 为解决小家电控制板设计过程中经常遇到单片机I/O口不够用的情况袁 文中以

0

引言
大多单片机设计中都需要很多的引脚来实现

MHz(5 V)尧 DC耀8 MHz (3 V) 和DC耀4 MHz(2.5 V)曰 V)袁 DC耀4 MHz (3 V) 和DC耀4 MHz (2.5 V) ; 工作在休眠模式时的工作电流1 滋A; 殷 有5级堆栈深度曰 殷 具有双向I/O口曰 殷 带有1 K伊13 B程序空间曰 殷 低功耗院 工作在5 V/4 MHz时工作电流小

而在外部RC振荡时的频率范围为院 DC耀4 MHz (5 于2 mA袁 工作在3 V/32 kHz时的工作电流20滋A袁

各种各样的输入检测和输出显示或控制功能遥 这 在引脚数不能再增加的前提下袁 常常会显得引脚 数不够遥 所以能否把芯片的固有资源发挥到极 致袁 往往是决定此系统性价比的关键遥 本文借鉴 软件操作系统的分时复用原理袁 来把任务分成多 个时间片袁 在不同的时间片执行不同的任务遥 从 而实现了较少I/O口的多功能控制遥

1

EM78P156N单片机的主要功能
EM78P156N是台湾义隆公司推出的8位单片 殷 工作电压院 2.5耀5.5 V曰

8个可编程横漏极开路输入脚袁 2个可编程R-op鄄 tion脚遥

殷 有8个可编程上拉脚袁 7个可编程下拉脚袁

机袁 图1所示是该芯片的引脚排列图遥 该器件的 主要功能如下院

2

硬件电路的总体设计
本设计中控制电路的MCU部分如图2所示遥

殷 工作温度范围院 -40益耀85益曰

图2中的单片机采用外部RC振荡袁 振荡频率为4

殷 工作频率在晶振模式时的范围为院 DC耀20

MHz遥 其 中 LED1 耀LED6 和 按 键 K2尧 K3 共 用 了 P61耀P65五个I/O口遥 在该电路设计时袁 要注意按 键按下时不能影响LED的正常点亮袁 所以在I/O口 与按键之间串了一个2 k赘的电阻袁 这样即使按住 按键不放袁 LED也能正常点亮遥 每一路LED灯的 I/O口则作为正常的输入尧 输出控制遥

点亮须由两个I/O口同时控制袁 一路置高尧 一路 置低袁 使LED产生正向压降才能点亮遥 而其余的

图1

EM78P156N的引脚排列

3

程序流程
本文以按键输入尧 LED输出为例袁 按键K2控
www.ChinaECD.net 2007.3

收稿日期院2006-11-21

17

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图2 单片机I/O口复用控制电路

制第一组LED1耀3做跑马灯变化袁 按键K3控制第 二组LED4~6做跑马灯变化袁 第一组与第二组灯 中每次只能同时亮一个遥 这里的复用实际上是利 用人眼的视觉暂留功能袁 实际LED是闪烁的袁 只 是人眼分辨不出来而已遥 每组灯点亮的周期为20 ms袁 按键检测占用的时间为10 滋s左右袁 在这么 短的时间内袁 人眼不可能察觉到LED的变化遥 所 以在实际电路设计中袁 显示和按键等人机接口部 LED4的I/O口的工作波形如图3所示遥 将按键检测 分的 功能 最容 易实 现分 时 复用 遥 点 亮LED1 与

如图4所示遥 候袁 P6.2尧 P6.3尧 P6.4必须输出高电平袁 或者作 为输入口打开内部上拉 (如图3中的P6.2)遥 这样 可以避免LED在这时被点亮形成鬼影袁 而影响整 个系统的显示效果遥 当然也可以将LED驱动换成 带三极管驱动的继电器遥 但因为继电器的吸合或 断开需要几毫秒的响应过程袁 而按键检测所需的 10 滋s时间绝对不足以让继电器发生状态跳变遥 这里需要注意的是袁 在作为按键检测的时

的值送到keybuf中袁 并做20 ms的延时比较检测袁

主要是为了增加按键检测的可靠性遥 其程序逻辑

图3

点亮LED1和LED4时的I/O口波形图 2007.3 www.ChinaECD.net

图4 程序流程图

18

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用
KEYREAD:

Vol.9 No.3 Mar. 2007

4

程序介绍
下面给出本系统的显示部分子程序院
FLAG1,F_DISM

MOV A,@0FFH IOW IOC6 MOV A,@01CH MOV PORT6,A NOP NOP NOP JBC BC PORT6,1

DISPLAY: JBS BC

;P6口置为输入状态

JMP DISPLAY1

DISPLAY1: JBS

JMP DISPLAYA

FLAG1,F_DISM

;延时确保按键输入状态稳定

CALL KEYREAD JMP DISPLAY3

FLAG4,DISSTATE

;调用按键状态扫描子程序 ;显示LED4耀6

JMP KEYREAD2 JMP KEYREAD3 BS

FLAG4, KEYBUF1

DISPLAYA: JBS BC

JMP DISPLAY2 FLAG4,DISSTATE

;显示LED1耀3

KEYREAD2: KEYREAD3: JBC BC

FLAG4,KEYBUF1

;P6,1状态送到KEYBUF1

JMP DISPLAYB JMP DISPLAY1 BS

FLAG4,DISSTATE ;显示标志位DISSTATE置低

JMP KEYREAD4

PORT6,5

DISPLAYB:

DISPLAY2:

JMP DISPLAY1 MOV A,@0C0H IOW IOC6 MOV A,@0C1H MOV PORT6,A

FLAG4,DISSTATE ;显示标志位DISSTATE置高

KEYREAD4: BS

JMP KEYREADEND

FLAG4,KEYBUF2

KEYREADEND: ;P1~5输出模式

FLAG4,KEYBUF2

;P6,5状态送到KEYBUF2

MOV A,@00H IOW IOC6 MOV A,@00H

MOV A,DISBUF1 AND A,@0DFH MOV PORT6,A BC BS PORT6,5 PORT6,1

RET

MOV PORT6,A

;扫描结束P6口改为输出状态袁 置0

5
;根据DISBUF1输出显示

结束语
利用本文所介绍的方法复用后就能节省大量

DISPLAY3:

JMP DISPLAYEND MOV A,@0C0H IOW IOC6 MOV A,@0C1H MOV PORT6,A MOV A,DISBUF2 AND A,@0FDH MOV PORT6,A BC BS PORT6,5 PORT6,1

的I/O引脚遥 但设计时需要考虑输入和输出的隔 离袁 而不能相互影响袁 并且即使输出对象允许在 人眼无法察觉的情况下出现瞬间跳变袁 也不能不 影响输出控制的效果遥
参考文献 [1] 张明峰.PIC单片机入门与实战 [M] .北京院 北京航空

;P1~5输出模式

航天大学出版社,2004.

DISPLAYEND: RET

JMP DISPLAYEND

;根据DISBUF2输出显示

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 EM78P156N 台湾义隆公司

下面是系统中的按键扫描部分子程序院

电话院 0755-26010565
www.ChinaECD.net 2007.3

19

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

基于ARM 芯片S3C2410的TFT-LCD 驱动方法
(西安电子科技大学袁 陕西 西安 710071) 摘 要院 介绍了S3C2410芯片上的LCD数据和控制管脚袁 给出了LCD的控制流程和TFT-LCD的 设置规则遥 参照TFT-LCD PD064VT5的逻辑要求和时序设计了驱动电路袁 并对各主要LCD寄 存器进行了设置遥 开发了PD064VT5在嵌入式系统LINUX下的显示驱动程序遥 实验表明院 该设 计通用性好袁 能驱动大部分的TFT-LCD且可移植性强袁 经过少许修改还可应用在其它嵌入式 系统遥 关键词院 显示技术曰 TFT-LCD曰 Linux 驱动程序曰 ARM嵌入式曰 S3C2410

童庆平袁 刘笃仁

0

引言
S3C2410是三星公司生产的基于ARM920T内

核的RISC微处理器袁 主频率可达203 MHz袁 适用 移动终端等领域遥 其中袁 集成的LCD控制器具有 通用性袁 可与大多数的LCD显示模块接口遥 PD064VT5是一种用非晶硅TFT作为开关器件
图1 S3C2410的LCD控制端口

于信息家电尧 Smart Phone尧 Tablet尧 手持设备 尧

的有源矩阵液晶显示器袁 该模块包括TFT-LCD显 分辨率为640 伊480像素袁 可通过18 bit数据信号显 示262 144种色彩遥 示屏尧 驱动电路和背光源袁 其接口为TTL电平遥

数据加载脉冲信号复用端口遥 1.1

1

S3C2410的LCD控制器
S3C2410中的LCD控制器可用于传输视频数

据 并 产 生 必 要 的 控 制 信 号 ( 像 VFRAME尧 VL INE尧 VCL K尧 VM等)遥 S3C2410的输出视频数据 端口VD [23颐0] 的示意图如图1所示遥 VCL K院 像素时钟信号曰 VD [23颐0]院 LCD像素输出端口曰 通常使用的LCD控制管脚的定义如下院

1.2

LCDCON4寄存器和LCDCON5寄存器[1]遥 控制流程

寄存器尧 LCDCON2寄存器尧 LCDCON3寄存器尧

S3C2410的LCD控制寄存器主要有LCDCON1

S3C2410中的LCD控制寄存器

REGBANK尧 LCDCDMA尧 VIDPRCS尧 TIMEGEN

由 图 1 可 见 袁 S3C2410 中 的 LCD 控 制 器 由

和LPC3600组成遥 其中REGBANK有17个可编程 寄存器组和256伊16的调色板存储器袁 可用来设定 LCD控制器曰 LCDCDMA是一个专用DMA袁 可自 动从帧存储器传输视频数据到LCD控制器袁 通过 这个特殊的DMA袁 视频数据可不经过CPU处理就 在屏幕上显示曰 VIDPRCS可接收从LCDCDMA来

(STN) /数据使能信号 ( TFT) / SEC TFT源驱动器
收稿日期院2006-09-08

VM/VDEN/TP院 LCD 驱 动 器 的 AC 偏 置 信 号

的视频数据并将其修改到合适数据格式袁 然后经

VD [23颐0] 送到LCD驱动器袁 如4/ 8单扫描或4双

20

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用
K)]}

Vol.9 No.3 Mar. 2007

扫描显示模式曰 TIMEGEN则由可编程逻辑组成袁 TIMEGEN 用 于 产 生 VFRAME尧 VLINE尧 VCLK尧 VM等信号遥

可支持不同LCD驱动器接口时序和不同的速率袁

出院 HOZVAL=639曰 LINEVAL=479遥 其余主要寄 存器的值在下面给出遥

参照PD064VT5的参数和公式 (1)尧

(2) 可得

(4)

输模式的帧存储器中取出数据并存入要显示的图 像数据袁 而这帧存储器是LCD控制器在RAM中开 辟的一片缓冲区遥 当这个传输请求被存储控制器 FIFO成功传输4个字遥 FIFO的总大小是28个字袁 中的总线仲裁器接收后袁 系统存储器就给内部

空或部分为空时袁 LCDCDMA要求从基于突发传

FIFO存储器通常位于LCDCDMA遥 当FIFO为

2

PD064VT5的逻辑时序
PD064VT5的时序参数如表1所列袁 图2所示

是PD064VT5的主要操作时序遥 根据该时序要求袁 设计时可设定VM/VDEN信号作为LCD的ENAB信 号袁 VCLK信号作为LCD的NCLK信号遥 要想得到 合适的VM和VCLK波形袁 就要正确设定寄存器的 值袁 并根据寄存器的值与VM和VCLK波形的关系 设定如下关键寄存器的值院 HSPW=10曰 HBPD=100曰 HFPD=47曰
表1 PD064VT5的时序参数要求
符号 T1 T2 T4 tc T3 数值 480伊T3 640伊tc 40 16.8 参数 帧周期 垂直显示时间 行扫描时间 水平显示时间 时钟周期 单位 ms us ns

其中低位FIFOL是12个字袁 高位FIFOH是16个字遥 但在单扫描模式下只使用一个FIFO ( FIFOH)遥 1.3 TFT控制器操作 S3C2410有两个FIFO袁 可支持双扫描显示模式遥

只介绍其对TFT-LCD的控制遥 TIMEGEN可产生 LCD 驱 动 器 的 控 制 信 号 ( 如 VSYNC尧 HSYNC尧 REGBANK寄存器组中的LCDCON1/2/3/4/5寄存器 这些可编程配置袁 TIMEGEN便可产生可编程控制 HSYNC脉冲的产生则依赖于LCD-CON2/3寄存器 HOZVAL=水平显示尺寸-1 VCLK尧 VDEN 和 LEND 等 ) 遥 这 些 控 制 信 号 与

S3C2410可支持STN-LCD和TFT-LCD袁 这里

800伊tc=猿2

的配置关系相当密切遥 基于LCD控制寄存器中的 信号来支持不同类型的LCD驱动器遥 而VSYNC和 的HOZVAL域和LINEVAL域的配置遥 HOZVAL和L LINEVAL=垂直显示尺寸-1 (1) (2)

NEVAL的值由LCD屏的尺寸决定院

(a) 垂直操作时序

的CLKVAL域遥 VCLK和CLKVAL的关系如下 (其 中CLKVAL的最小值是0) : VCLK(Hz)=HCLK/[(CLKVAL+1)伊2] (3)
(b) 水平操作时序

VCLK信号的频率取决于LCDCON1寄存器中

VSYNC尧 VB2PD尧 VFPD尧 LINEVAL 尧 HSYNC尧 HBPD尧 HFPD尧 HOZVAL 和 CLKVAL 都 有 关 系 遥 率袁 帧频率计算公式如下院 Frame Rate =1/

率 袁 它 与 LCDCON1 和 LCDCON2/3/4 寄 存 器 的

一般情况下袁 帧频率就是VSYNC信号的频

大多数LCD驱动器都需要与显示器相匹配的帧频 {[(VSPW +1) +(VBPD +1) +

(LINEVAL+1)+(VFPD+1)] 伊[(HSPW+1)+(HBPD+1)+

( HFPD+1) +(HOZVAL+1)] 伊[2伊(CLKVAL +1) /(HCL

图2

(c) DENB时序 PD064VT5的主要操作时序 2007.3

www.ChinaECD.net

21

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications 椅设置LCD 控制寄存器的值 reg : {

Vol.9 No.3 Mar. 2007

VSPW=1曰 VBPD=37曰 VFPD=4

MHz左右袁 因此袁 根据公式 (3) 可设CLKVAL=1遥

由 于 S3C2410 的 HCLK 工 作 频 率 大 多 在 100

3

嵌入式Linux 下驱动程序的开发
图3所示是S3C2410与PD064VTS的硬件连接

LCD1-CL KVAL (1) , LCD2-VSPW(1) ,

lcdcon1 :LCD1-BPP-16 T | LCD1-PNR -TF T | lcdcon2 :LCD2-VBPD (37) | LCD2 -VFPD (4) |

电路遥

lcdcon3:LCD3-HBPD(100)| LCD3-HFPD(47),

LCD5-PWREN , }; },

lcdcon5 :LCD5 -FRM565 | LCD5 -HWSWP |

lcdcon4 :LCD4-HSPW(10) | LCD4-MVAL (13) ,

# endif

........... S3C2410与PD064VTS的连接电路

图3

4

结束语
本设计经过硬件方面的调试修改袁 在

下袁 总的抽象设备文件为fbcon. c遥 这种接口将显 示内存的一个映像遥 但在使用帧缓冲时袁 Linux

序接口袁 对应的源文件在linux/ driver s/video/目录

可作为出现在Linux2.2.xx内核当中的一种驱动程

开发该嵌入式系统驱动程序时袁 FrameBuffer

S3C2410 开 发 板 的VCLK 脚 和 VM 脚 成 功 得到 了

PD064VT5所需的时钟信号和复合控制信号曰 同 时通过在软件方面修改S3C2410的驱动程序袁 并 经编译整个系统后再重新写到Flash中袁 可以在重 启后正确显示原系统的静态启动画面袁 而且画面 清晰稳定袁 达到了预期的效果遥 该装置可用于工 业控制和车载通信等领域的显示输出设备袁 如再 加上适当的触摸屏袁 还可组成方便可靠的输入输 出设备遥
参考文献 [1] [2] [3] [4] TFT-LCD PD064VT5 产品说明书. 2000.

示设备抽象为帧缓冲区袁 用户可以将它看成是显 是将显卡置于图形模式下的遥

根据以上对LCD各主要寄存器设置的分析所 得出的结果袁 笔者开发了基于FrameBuffer机制的 S3C2410f b驱动程序遥 下面是调试成功的部分代 码袁 作用是初始化显示屏幕和设置LCD 控制寄存 器的值遥
........... / 3 s3c2410f b. c 3 / # ifdef CONFIG2S3C24102SMDK pixclock :174757 ,

马忠梅, 李善平, 康慨袁 叶楠.ARM&Linux嵌入式系统 教程[M].北京院北京航空航天大学出版社,2004. 丁国华,胡容强. S3C44B0X内置的LCD控制器及其应 用[J ] . 世界电子元器件,2004. 魏永明,耿岳,钟书毅,等. Linux 设备驱动程序(第三版) [M] . 北京:中国电力出版社,2006.

static struct s3c2410f b-mach-info xxx-stn-info-initdata = { # ifdef CONFIG-FB-S3C2410-EMUL # else xres : 96 , bpp :16 , 椅显示屏幕初始化

# endif

xres : 640 , yres : 480 ,

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 S3C2410 三星半导体公司

hsync-len : 5 , vsync-len : 1 ,

left-margin : 7 , upper-margin : 1 , sync : 0 , cmap-static : 1 ,

right-margin : 3 , lower-margin : 3 , 2007.3 www.ChinaECD.net

苏州办事处院 0512-67611121 上海办事处院 021-52582211 杭州办事处院 0571-86726288

22

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

一种高Q值的TE01模介质滤波器 的设计与实现
(1. 南京邮电大学无线通信与电磁兼容实验室袁 江苏 2. 合肥博仑微波器件有限公司袁 安徽

陈彩云袁 徐立勤袁 包建烨

合肥 230088)

南京 210003曰

摘 要院 分析了介质谐振腔滤波器的设计方法和制造工艺袁 提出了一种用于小灵通无线基站 的新型高Q值TE01模微波带通滤波器结构袁 并对其进行了仿真优化分析袁 最后制造出了六级式 滤波器遥 通过对该滤波器的测量表明袁 这种滤波器性能良好袁 完全满足设计要求遥 关键词院 带通滤波器曰 介质谐振腔曰 耦合曰 高Q值

0

引言
移动通信和微波通信的迅速发展袁 要求频率

当电磁波由高介电常数介质进入低介电常数介质 时袁 会在分界面上发生反射和折射遥 当入射角大 于或等于临界角时袁 电磁波发生全反射遥 介质的 介电常数越高袁 临界角越小袁 全反射现象越完 善遥 这样就能在介质表面形成磁壁袁 并用磁壁围 成的介质块构成介质谐振器遥 介质谐振器是由高 介电常数尧 低损耗的介质材料制成的微波谐振 器袁 其电磁场能量基本上集中在谐振腔内袁 辐射 损耗很小遥 谐振器的Q值主要取决于介质本身的 损耗袁 即Q=1/(tan啄)袁 常用材料的损耗角正切约 为0.0001~0.0002袁 所以袁 其Q值可达5000~10000
[2]

该谐振器就是介质谐振器遥 文献 [1] 中曾提到袁

振器内袁 这样的谐振器一定具有较高的Q值袁 而

资源能够在有限的频谱范围内划分出更多的频段 给不同的运营商袁 以满足多种通信业务的需求袁 这样袁 各频道间的间隔规定就非常小遥 为避免信 道间相互干扰袁 需要在所有的系统内配置高性能 的滤波装置遥 此外袁 在下一代移动通信的基站 中袁 对基站的体积和重量也具有十分严格的控 制遥 为此袁 必需减小滤波器的体积和重量袁 却又 不能降低滤波器的性能遥 微波介质滤波器是由介质谐振器电路构成 的袁 是建立于介质材料科学充分成熟的基础之上 的遥 目前袁 陶瓷介质材料的相对介电常数可做到 90多袁 常用的为着r=39袁 因此袁 使用介质材料作谐 振器可大大缩减滤波器的体积和重量遥 近年来袁 介质滤波器逐渐从实验室走向生产线袁 而且经过 理论和实践方面的长期努力和积累袁 介质谐振腔 滤波器在移动通信尧 微波通信系统中得到广泛的 应用遥

集中在介质谐振器内袁 电磁振荡能方便地维持下 去遥 因此袁 可用介质谐振器作为滤波器遥 目前袁 介质谐振器滤波器主要有截止波导 型尧 微带型以及同轴型等袁 图1所示是一个截止 波导型介质谐振器带通滤波器遥 该介质谐振器放 在一个起截止波导作用的金属外壳内遥 这种滤波 器中的介质可以是圆柱形袁 也可以是方形的袁 其 振荡模式分别为TE01啄和TE11啄遥 介质谐振器的分析 方法有数值法和解析法遥 其中解析法又分为磁壁 法尧 开波导法尧 变分法尧 突变端法等遥 利用这些 方法得到的介质谐振器的计算公式在许多文献中 已有论述袁 这里不做详述遥 输入输出可以采用各
www.ChinaECD.net 2007.3

遥 由于介质品质因数很高袁 电磁能量绝大部分

1

介质滤波器的基本原理及设计方法
金属空腔谐振器的主要损耗来自导体损耗袁

如果能够取消金属导体而又能把电磁场限制于谐
收稿日期院2006-12-05

23

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

种不同的耦合结构来实现袁 可以用探针耦合袁 也 可以用环耦合尧 小孔耦合袁 以及传输波导直接耦 合等遥

介质滤波器的结构遥 这种结构具有六个介质谐振 器和五个耦合窗袁 谐振器间通过耦合窗相互耦 合遥 输入和输出使用探针耦合袁 六个谐振器由直 接耦合串联在一起袁 而没有任何的交叉耦合袁 这 样可使得调节过程变得十分简单袁 腔与腔之间的 耦合窗大小取决于所计算的耦合系数的大小遥 介 36)袁 它是外径为32 mm尧 内径为6.4 mm尧 高度为 在直径为47 mm的圆形屏蔽腔内遥 着r=4.2的介质材料来支撑该介质材料袁 并将其放 质材料采用高介电常数微波陶瓷介电常数 (着r =

的耦合系数的结构尺寸遥 图2所示是基于TE01模的

图1

截止波导型介质谐振器带通滤波器

本设计的滤波器的主要技术指标如下院 中心频率院 1 915 MHz曰 1 dB带宽逸9 MHz曰 带 外 抑 制

11.8 mm的环形介质材料袁 设计时用介电常数为

中心插损臆1 dB曰 40dB@1925MHz曰 驻波臆1.6遥

逸40dB@1905MHz袁
[3]



由现代微波滤波器的设计理论

雪夫低通原型袁 并根据已知的带宽尧 频率尧 带外 抑制尧 驻波可算出该滤波器的阶数n为6袁 而g1尧 g2尧 g3尧 g4尧 g5尧 g6 各参数值的具体设计公式可参

袁 采用切比

图2 TE01模介质滤波器结构示意图

这种介质谐振器滤波器的工作原理如下院 当 滤波器的输入激励信号的频率偏离滤波器中的介 质谐振器的谐振频率时袁 谐振器不谐振袁 输入信 号将被截止波导所衰减袁 输出端几乎没有信号输 出袁 这就是该滤波器的阻带曰 而当滤波器的输入 激励信号的频率等于或接近于滤波器中的介质谐 振器的谐振频率时袁 输入信号就通过耦合结构激 一个磁耦极子遥 此磁耦极子与邻近的介质腔的等 效磁耦极子发生耦合并进行能量传递袁 以使信号 能量经介质腔一个传至下一个直至最后一个袁 最 后通过输出耦合结构将信号输出袁 从而构成滤波 器的通带遥 由于介质谐振器位于截止波导内袁 其 辐射将受到抑制袁 故Q值很高袁 谐振曲线很尖锐袁 这样就可满足一定的阻带衰减袁 同时通带的矩形 系数也很好遥 发临近谐振器袁 并使其产生TE01啄谐振袁 可等效于

考文献 [3]袁 这里不再祥述遥 事实上袁 不管是用 传统同轴谐振腔袁 还是介质谐振腔来实现微波滤 波器袁 都必须在谐振腔之间施加电磁耦合袁 才能 实现有关滤波器的响应遥 因此袁 耦合系数的计算 和设计既重要又关键袁 而且计算十分复杂遥 根据 通带相对带宽W袁 用参考文献 [4] 所述的模匹配 方法来计算耦合系数袁 便可计算出滤波器所需的 为 院 K 12 =0.0044曰 K 23 =0.0032曰 K 34 =0.003曰 K 45 = 腔与腔之间常用的耦合结构有直接耦合尧 探 各谐振腔之间的耦合系数袁 本设计的计算结果

0.0032曰 K 56=0.0044遥

针或环耦合尧 孔耦合遥 在耦合系统中采用探针尧 环等不仅影响滤波器的体积袁 而且会对性能有影 响遥 在谐振器之间的腔壁上沿水平方向开一个长 方形孔是一个有效的方法袁 而且这个方法适合用 模式匹配法来进行分析遥 所以袁 本文的滤波器结 构采用直接耦合袁 并通过耦合窗等耦合结构来起 变换作用袁 以将电磁波耦合至谐振器遥 腔与腔之 间耦合的强弱可通过调整耦合窗的大小来实现遥 通过对介质滤波器谐振频率和介质块之间的 耦合系数的理论计算袁 可以得出相应滤波器所需 24
2007.3 www.ChinaECD.net

2

介质滤波器的制作调试及测试
按照上面的理论设计袁 笔者实际加工制作了

示袁 该滤波器共有六个谐振腔袁 它采用盖板和螺 钉深度调谐袁 每个谐振腔有一个调谐螺钉 (共六

一个六阶TE01模介质滤波器, 其内部结构如图3所

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

个)袁 通过调节每个调谐螺钉可最终实现滤波器 合袁 即用一根直径为0.9 mm的镀银铜线将环绕介 质块弯曲大约30度遥 图4所示是利用HP8720D矢量网络分析仪对 该滤波器进行测试的试曲线图遥 从实际滤波器的性能指标测试结果可以看 出袁 各项指标均达到了设计指标要求袁 从而获得 了满意的滤波效果遥
图3 TE01模介质滤波器实物图

的良好性能遥 该谐振器的激励方式采用探针耦

全达到了设计要求遥
参考文献 [1] [2] 顾其净.介质谐振器微波电路[M].北京:人民邮电出版 社袁1986. 吴正娴.微波原理[M].武汉院武汉大学出版社袁1995. 甘本祓袁吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北 京:科学出版社袁1973. Bandpass Filter Using High -Q Dielectric Ring Res鄄 Y. Kobayashi and M. Minegishi. Precision Design of A

3

结束语
本文主要研究一种用于小灵通基站的高Q值

TE01模介质谐振腔滤波器的设计和制作方法遥 介 绍了介质滤波器的基本原理及设计方法袁 在此基 构袁 并通过计算机对它进行仿真以对其技术性能 指标进行快速准确地预测袁 最后袁 实现了一种中 滤波器遥 测试结果表明院 该滤波器性能良好袁 完 心频率为1915 MHz尧 带宽为9 MHz的高Q值带通 础上提出了一种TE01模介质谐振腔滤波器的新结

[3]

[4]

onators [J]. IEEE Trans.on Microwave Theory Technolo鄄 gy, 1987,35(12):1156-1160.

图4

TE01模介质滤波器测试结果 www.ChinaECD.net 2007.3

25

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

AT45DB081B在数据采集系统中的应用
(1. 西安电子科技大学电子工程学院袁 陕西 西安 710071曰 2. 西安通信学院袁 陕西 西安 710106) 摘 要院 针对数据信号处理系统中的数据存储问题袁 在数据采集技术的基础上袁 介绍了At鄄

樊寅逸1袁 何海光2

mel公司的AT45DB081B串行FLASH存储芯片的具体使用方法袁 给出了AT45DB081B在系统应 用中的硬件结构和软件设计流程遥 关键词院 AT45DB081B曰 flash曰 存储器曰 数据采集曰 信号处理

0

引言
在信号采集系统中袁 往往需要对多种数据波

据之间不出现覆盖袁 以增加存储的有效性和可靠 性遥

形进行存储尧 转移或比较袁 这就要求系统能方便

地访问尧 传输波形数据遥 FLASH存储器以其体积

2

FLASH芯片AT45DB081B
AT45DB081B是Atmel公司推出的串行Flash存

小尧 容量大尧 可随机访问的特点袁 在系统中得到 了很好的应用遥 本文从实际应用角度出发袁 简单 介绍了FLASH存储器AT45DB081在数据采集系统 中的软/硬件设计思路和设计要点遥

储器袁 该芯片采用串行外围接口袁 具有体积小尧 容量小尧 功耗低和硬件接口简单的特点袁 易于构 成微型低功耗测量系统遥 AT45DB081B的最大时 钟频率可达20 MHz袁 它支持页和块 (1块=8页) 擦 除功能袁 有4096页袁 每页264B容量袁 并具有两个 264B缓冲区遥 AT45DB081B的相关操作包括读主存储页尧

1

系统设计
本系统的整个数据存储系统可以分为数据缓

冲模块尧 控制单元和FLASH存储模块三个部分袁 其系统结构框图如图1所示遥 图中数据缓冲模块 负责对端口数据进行缓冲袁 以满足FLASH存储器 的传输要求遥 控制单元可按照FLASH存储器的控 在存储开始后袁 FLASH的控制单元将数据缓冲模 制要求袁 对FLASH的读写尧 擦除操作进行控制遥 块中的数据存入相应的FLASH存储器中袁 直到计 数器计到设定的数值为止遥 在本系统中袁 一次存 储只对一组数据进行操作袁 这样可以保证各组数

主存储页数据拷贝到缓冲区尧 主存储页与缓冲区 数据比较尧 缓冲区数据写入主存储页尧 页擦除尧 块擦除尧 页编程和页重写读尧 缓冲区尧 写缓冲区 和读状态寄存器等遥 其中缓冲区数据写入主存储 页的操作中又包括写前擦除和边写边擦遥 式袁 其时序图分别如图2所示遥 AT45DB081B 支持 SPI 0和 SPI 3 两 种 传 输 方

3

硬件电路
本系统选用PHILIPS公司的P89LV51RD2BN

微 控 制 器 进 行 控 制 遥 P89LV51RD2BN 是 一 款 80C51微控制器袁 包含64kB Flash和1024字节的数 据RAM袁 它的典型特性是伊2方式选项遥 设计者可
图1 系统结构框图 收稿日期院2007-01-25

通过该特性来选择以传统的80C51时钟频率 渊每

个机器周期包含12个时钟冤 或伊2方式 渊每个机器

26

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

新特器件应用

Vol.9 No.3 Mar. 2007

(a) SPI0工作模式时序

图4 数据读写流程图 图2 AT45DB081B的工作时序 (b) SPI3工作模式时序

操作时袁 可以先将264 Bytes的数据写入buffer中袁 计数器计为1袁 再将buffer中的数据送入内部存储 单元袁 并重复以上操作袁 当计数器计到4时袁 即 可完成一个波形数据的存储遥 读操作则反之袁 即 将数据先送入buffer袁 再由buffer向外部传输袁 且 仍以计数4次为一操作周期遥 每次读写流程如图4 所示遥

图3 系统连接示意图

5

结束语
将串行FLASH存储芯片AT45DB081B应用于

周期包含6个时钟冤 的时钟频率运行袁 其中袁 选 择伊2方式可在相同时钟频率下获得2倍的吞吐量遥 该特性可将时钟频率减半而保持特性不变袁 并可 的连接如图3所示遥 为保证其可靠性袁 在上电后袁 应对FLASH进行复位袁 然后通过RDY口确定芯片 是否处于忙状态袁 之后再进行相应的操作遥 以保证输出的准确遥 需要注意的是袁 RDY的上拉电阻不能省去袁 极大地降低EMI遥 P89LV51RD2BN与AT45DB081B

数据采集系统可使电路设计简单化遥 它占用系统 资源少且性价比较高遥 目前袁 该系统已应用于电 缆故障检测中袁 效果很好袁 而且易于编程遥
参考文献 [1] 张毅坤,程善久,裘雪红. 单片微型计算机原理与应用 [M].西安院西安电子科技大学出版社, 2001.

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 AT45DB081B ATMEL公司 上海办事处院 021-62809234 北京办事处院 010-62186224 器件院 P89LV51RD2BN philips 经销院 北京卓越飞讯科技公司 电话院 010-51296345
www.ChinaECD.net 2007.3

4

系统软件设计
波形数据可以按页存储袁 在进行数据操作

便遥 按每一次波形1 运B的数据量来计算袁 若每4 页存储一个波形数据袁 理论上则可以存储1024个 波形遥

时袁 可以按页读取和处理袁 这样相对会更加方

数据可在控制单元的控制下进行缓冲锁存遥

27

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

基于CAN总线的数据采集器的设计
(武汉理工大学信息工程学院袁 湖北 摘

李新军

武汉

430070)

要院 介绍了一种通用CAN节点数据采集器的设计方法袁 该数据采集器采用12位精度的模

数转换器袁 具有4路模拟量输入和2路输出曰 其开关量为四路输入和四路输出袁 并有1个可作 为通用CAN总线接口的CAN通信口用于自动控制系统中的数据采集口袁 并以CANOPEN协议 进行通信遥 关键词院 CAN总线曰 数据采集曰 自动控制曰 CANOPEN

0

引言
现代工业生产过程一般都是连续或成批的工

其主要特点是院

点均可成为主节点袁 并可向其它节点传送信息曰

(1) 能够以多主方式工作袁 网络上的任意节 (2) 非破坏性总线仲裁和错误界定袁 总线冲 (3) CAN节点可被设定为不同的发送优先级袁 (4) 采用差分驱动袁 可在高噪声干扰环境下 (5) 通信距离可达10 km (5Kbps)袁 速率可达

作袁 故需要严格的过程控制和安全措施遥 数据采 集系统就是对生产环节的数据进行实时采集袁 并 对数据进行处理袁 从而实现提供生产过程数据和 动态监控等功能遥 在整个生产过程中袁 数据采集 系统发挥着非常重要的作用遥 为此袁 本文给出了 (Controller Area Network袁 控制器局域网络) 总线袁 面广等特点遥 一种数据采集器的设计方法袁 本设计采用CAN

突的解决和出错界定可由控制器自动完成袁 且能 区分暂时和永久性故障并自动关闭故障节点曰 以满足不同的实时要求曰 使用曰

具有智能程度高尧 传输效率高尧 实时性强尧 适用

1

CAN总线简介
CAN (Controller Area Network) 为局域网控制

1Mbps (40 m以内)遥

2

数据采集器的结构原理
本文设计的数据采集器综合考虑了各种现场

总线袁 符合国际标准ISO11898遥 CAN总线最初是 由德国的BOSCH公司为汽车的监测尧 控制系统设 计的袁 属于总线式通讯网络遥 CAN总线规范了任

需求以及线路的优化等因素遥 设计时选用了专用 该数据采集器电路有4路模拟量差分输入 (信号 和四路输出袁 并有1个CAN总线通信口曰 CAN通 信采用CANOPEN协议方式遥 控制核心袁 与CAN控制器SJA1000尧 CAN驱动器 82C250及两片TLP521-4等器件共同组成具有模 P1口的全部口线同两片TLP521-4的输入或输出连 拟/数字量输入输出的接口电路遥 将C8051F005的 接袁 以作为开关量的数据接口曰 P0的全部口线则 本数据采集器采用单片微机C8051F005作为 范围为0耀10 V) 和2路输出曰 开关量则是四路输入 元器件袁 以尽量简化电路袁 提高电路的可靠性遥

意两个CAN节点之间的兼容性袁 包括电气特性及

数据解释协议遥 CAN协议分为二层院 物理层和数 据链路层遥 物理层用于决定实际位传送过程中的 电气特性遥 在同一网络中袁 所有节点的物理层必 须保持一致袁 但可以采用不同方式的物理层遥 CAN的数据链路层功能则包括帧组织形式尧 总线 仲裁和检错尧 错误报告及处理尧 对要发送信息的 确认以及确认接收信息并为应用层提供接口等遥
收稿日期院2006-10-31

28

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

作为与CAN控制器SA1000接口的地址/数据复用总 的控制遥 该数据采集器的结构如图1所示遥

线曰 P2口的部分口线用于对CAN控制器SJA1000

D4可保护单片机的口线遥

AIN1进行相差之后袁 进行A/D转换遥 二极管D1耀 模拟量的输出则直接用C8051F005的DAC转 开关量采集模块的设计 开关量的输入采用光耦进行光电隔离袁 以隔 断前后通道的电磁联系袁 提高抗干扰能力袁 同时 把输入的开关量转化为C8051F005的3.3 V的电平 标准遥 开关量的输出同输入一样仍然采用光电隔 离遥 具体电路如图3所示遥

及运放LM258的缓冲袁 送到C8051F005的AIN0尧

换器再经运放放大来实现遥 2.2

图1

数据采集器整体结构图

2.1 模拟量采集模块的设计 模拟量的采集是本系统的关键袁 为了提高数 据采集的精度和抗干扰性袁 模拟量采集模块采用 差分形式遥 其中4路模拟量输入通过模拟多路开 关进行分时切换遥 本系统选用高速模拟多路开关 C8051F005的A/D转化器进行转换袁 这种方案可 路如图2所示遥 该前置电路采取浮动差分形式来提高数据采 集的稳定性遥 先将DG529切换过来的信号送到 并叠加一个1.2 V的电平到信号中间袁 使之形成浮 动差分形式袁 再经过R7耀R10的电阻网络衰减以 AD620进行阻抗匹配袁 之后采用高精度运放OP07 DG529袁 并 共 用 一 个 前 置 电 路 数 据 送 入
图3 开关量输入电路

以大大简化电路结构袁 提高效率遥 具体的前置电

2.3

通信模块的结构 本数据采集器通信系统主要由CAN通讯控制

器SJA1000尧 CAN通讯驱动电路82C250和光电隔 离部分构成遥 通信模块负责实现现场总线体系结 构的逻辑链路控制 (LLC) 子层尧 媒体访问控制 (MAC) 子层和物理层的功能袁 完成具体数据的可 靠接收和发送遥 CAN控制器SJA1000与物理总线

图2

模拟输入信号的前置处理电路 www.ChinaECD.net 2007.3

29

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图4

SJA1000与82C250的电路连接

接口芯片82C250连接遥 为了保护数据采集器内部 的芯片并提高抗干扰能力袁 在SJA1000与82C250 之间加入光耦进行隔离遥 考虑CAN网络具有较高 本设计选用高速光耦 (6N137) 作为隔离器件袁 而 的传输速率袁 普通光耦的速度是不够的袁 所以袁

过对象索引袁 数据对象在应用层进行处理和访问 将更加方便和直接遥

且光耦部分电路所采用的两个电源也必须完全隔 离 袁 否 则 光 耦 也 就 失 去 了 意 义 遥 SJA1000 与 82C250的电路连接如图4所示遥

3

CAN通信的设计
CAN总线的通信采用CANopen协议来实现遥

图6

协议层的交互方式

CAN协议具体包括如下几个方面院 (1) 标识符 同遥 采用11位标识符袁 数据链路层与CAN2.0A相 (2) 网络中的主从节点关系

CANopen规范覆盖了应用层和通讯协议子集尧 程

CANopen 是 基 于 CAN 串 行 通 讯 的 网 络 系 统 袁 序设备的构造尧 推荐的电缆和接头形式尧 SI单位 和前缀解释等袁 因而可保证不同厂家CAN控制器 在通讯尧 联接和具体控制以及软件开发方面的一 致性袁 从而给系统的使用和维护带来极大方便袁 图5是其参考模型遥 在CANopen应用层中袁 设备通讯和应用程序 对象将得到交换袁 所有这些对象均可通过16位索 引和8位子索引进行访问袁 这些对象 (COB) 将会 被映射到一个或更多的已经预定义和配置好的帧 中遥 图6是CAN各协议层的访问方式示意图遥 通

节点袁 但可以有多个从节点 (0耀126)袁 其中主节 点具有启动网络尧 停止网络尧 节点检查尧 网络引 导等特殊功能遥 (3) PDO协议

一个CANopen系统必须有一个且仅有一个主

作 是 一 种 过 程 数 据 对 象 PDO ( Process Data Ob鄄 ject)袁 它是设备传送处理信息的标准方式遥 PDO

在CANopen协议中袁 CAN的数据信息可被看

发送端可看作为PDO生产者袁 而PDO接收端则可 比喻成PDO的消费者袁 这种通讯为一点对多点的 方式遥 (4) SDO服务

提供一种获得指定节点相关状态数据的手段遥 当
图5 CANopen参考模型 2007.3 www.ChinaECD.net

SDO (Services Data Object服务数据对象) 可
(下转第35页)

SDO客户端发送一个数据请求后袁 服务端便发送 相应的数据回应袁 这与原CAN

30

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

在线签名识别系统的数据采集 和USB通信*
2. 华中科技大学电子与信息工程系袁 湖北 武汉 430074) 摘 要院 主要介绍了在线签名系统的数据采集子系统和USB通信子系统两大硬件模块的设计 实现方法遥 其中袁 采集系统采用12位A/D转换芯片ADS7846袁 并通过MCU对其以SPI模式进行 访问袁 从而实现触摸屏的横纵坐标和压力坐标的采集曰 而USB通信主要是实现硬件电路设计 结合VB界面程序实现签名的实时显示遥 (MCU+PDIUSBD12接口芯片)尧 固件编程和驱动以及人机界面的开发袁 并在经过抗干扰处理后 关键词院 在线签名曰 ADS7846曰 MCU曰 USB曰 VB (1. 武汉理工大学信息工程学院袁 湖北

赖锌1袁 郑建彬1袁2

武汉

430070曰

0

引言
在当今的信息化社会袁 计算机及其网络技术

统在采集方面使用12位ADS7846芯片来实现高精 度尧 高速的12位数据采集和AD转换曰 在通信方 可保证签名数据的无差错高速传输袁 所以本系统 的解决方案具有很大的现实意义遥 面则采用USB接口[2]遥 由于USB协议本身的健壮性

正不断地改变着我们的生活遥 互联网技术虽然使 信息的发布和传递更加方便袁 但在信息技术带来 好处的背后也存在着一些问题袁 其中信息安全就 是一个方面袁 而身份鉴别技术是信息安全技术研 究领域中的一个重要方向袁 传统的身份鉴别如证 件尧 口令等都不能适应目前信息化的需要袁 这 时袁 在线签名识别技术就孕育而生了遥 过去的签 名识别技术采用的是离线静态识别方式袁 即只是 对笔迹的形态特征进行识别袁 而在线签名
[1]

1

系统总体设计方案
本系统包括手写输入设备尧 显示设备尧 信息

处理设备尧 信息传输设备以及与之相配套的软 件遥 在整个系统中袁 手写输入设备有四线电阻式 触摸屏和触摸屏控制器袁 其中触摸屏控制器应能 够采集所书写的横纵坐标和压力坐标的模拟量袁 并通过AD将其转化为12位数字信息袁 然后把这 些信息通过触摸屏控制器的串行口传送给处理设 AT89S52单片机遥 通过单片机将采集到的信息处 备 遥 本 系 统 采 用 Atmel 公 司 比 较 经 济 实 用 的 理后送给显示系统显示袁 然后将信息通过USB接 口实时发送给计算机袁 以使签名信息能够在计算 机上实时显示遥 本系统的结构框图如图1所示遥

识别

系统除了可对笔迹的形态进行识别外袁 还能利用 更多的签名信息 (如在线书写时的压力信息袁 角 度信息等) 来进一步增加识别的准确度遥 目前国内对于在线签名识别系统的研究还处 于起步阶段袁 现在仅仅只对签名波形的各种匹配 算法进行了一定的研究袁 而对于在线签名识别系 统的设计还没有一个比较完善的方案遥 签名采集 系统的关键是采集数据的精确性和采集设备与PC 机之间的通信袁 只有把这两部分做好了袁 才可能 保证数据传输的准确性和实时性遥 本文介绍的系
收稿日期院2006-10-17 * 基金项目院国家自然科学基金资助项目(69672014)

2
2.1

数据采集模块
触摸屏及其控制器 签名信息主要是通过触摸屏来获得的袁 触摸
www.ChinaECD.net 2007.3

31

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

考电压范围为1V耀+V CC袁 通过它可以直接设定A/D 取决于变换速率遥 2.2
图1 在线签名识别系统结构框图

可能需要一个外部参考 (V REF引脚)袁 其中外部参

输入通道的输入范围袁 而其平均基准输入电流则 MCU与ADS7846的接口

屏的种类大致可分为红外式触摸屏尧 电容式触摸 屏尧 声表面波式触摸屏和电阻式触摸屏遥 其中电 阻式触摸屏比较适合用来进行数据采集遥 电阻式 触摸屏以一层玻璃作为基层袁 上面涂有一层透明 氧化金属 (ITO氧化铟) 导电层袁 再盖有一层玻璃 或是外表面经过硬化处理的光滑塑料层袁 它的内 表面则涂有一层ITO导电层袁 塑料层与导电层之 间有许多细小的透明隔离点对两导电层进行隔离 绝缘遥 每当有笔或是手指按下时袁 两个导电层就 相互接触袁 从而形成回路遥 ADS7846是美国Burr-Brown公司推出的新一

别与触摸屏的X+袁 Y+袁 X-袁 Y-一一对应袁 而将 ADS7846 的 CS袁 DCLK袁 DIN袁 DOUT 袁 BUSY 分 别对应AT89S52的P2.1~P2.5脚遥 系统工作时袁 单 片机先将P2.1置成低电平以选中ADS7846袁 然后 再向ADS7846发送测量X坐标的命令控制字遥 图2 所示是本系统中MCU与ADS7846的接口电路遥

设计时应将ADS7846的X+袁 Y+袁 X-袁 Y-分

3
3.1

USB通信及应用程序
USB是一种快速尧 双向尧 低价且可进行热拔 USB接口通信的实现

插的新型串行接口技术袁 能支持各种PC与外设之 间的连接遥 目前USB有三种协议标准院 USB1.1尧 USB2.0和USB OTG遥 本系统使用USB接口的原因 不光是它的速度快袁 而且还在于USB协议的健壮 性袁 以及传送数据的准确性遥 一个USB通信系统 包括USB硬件和固件尧 USB驱动程序尧 USB应用

代电阻式触摸屏专用控制器遥 ADS7846是典型的 分布为基础遥 芯片包含有取样 辕保持功能遥

逐步逼近寄存器型A/D变换器袁 其结构以电容再 ADS7846的引脚与以前的ADS7843的引脚完全兼 电池电压测量三个功能遥 ADS7846工作时袁 有时

容袁 只是增加了片内温度测量尧 触摸压力测量和

软件遥 本系统采用的是USB接口芯片 (philips公

图2

采集系统的工作电路图

32

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图3

MCU与D12的接口电路图

法遥

司 的PDIUSBD12) 加 8051 系列 单 片机 的 实现 方 USB接口芯片PDIUSBD12符合通用串行总线

实现单片机对PDIUSBD12器件的操作曰 而其中断 服务程序则可在中断产生时读取中断传输来的数 据袁 并设定事件标志曰 标准请求处理程序可对 USB的标准设备进行请求处理曰 主循环程序负责 理等遥 3.2 采集数据的传输格式 采集的签名信息一般包括书写时的横坐标 值尧 纵坐标值和压力坐标值袁 当其通过触摸控制 器芯片后袁 这些模拟量将被转化为12位数字量袁 其坐标值的范围为0~095遥 每次采集时袁 要保存 这样的三个坐标值需要6个字节的空间遥 设计时 可以在程序中用一个静态数组来存放坐标值袁 图 4所示是所采集数据的存储格式遥 在本签名系统中袁 每秒钟采集的点数对后续 发送USB请求尧 处理USB总线事件和用户功能处

USB 1.1 版规范袁 器件中集成了SIE尧 FIFO 存储

器收发器以及电压调整器袁 PDIUSBD12符合大多 数器件的分类规格袁 可与任何外部微控制器/微 处理器实现高速并行接口 (2 MB/s)袁 可进行完全 320字节的多结构FIFO存储器袁 主端点的双缓冲 配置可增加数据的吞吐量袁 并可轻松实现实时数 据传输袁 在批量模式和同步模式下袁 该器件均可 电路如图3所示遥 USB固件
[3]

自治的直接内存存取DMA 操作遥 器件中集成了

实现1 MB/s的数据传输速率遥 其在系统中的应用 实际上就是MCU的程序文件袁 编

写可采用C语言或汇编语言遥 它不是单纯的软件袁 而是软件和硬件的结合遥 为了使USB得到最大的 传输速率袁 PDIUSBD12的固件可以设计成完全中 断模式遥 当USB处理前台任务时袁 USB传输可以 在后台进行遥 USB固件从下到上依次为底层的硬 件提取层袁 可实现对单片机I/O口尧 数据总线等 硬件接口的操作曰 PDIUSBD12命令接口的作用是

的签名识别过程十分重要遥 点数少了会漏掉许多 重要信息 (如断点信息袁 峰值信息等)袁 而点采集

图4

采集数据的存储格式 2007.3

www.ChinaECD.net

33

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

过多又会增加传输的时间袁 从而影响实时显示并 增加匹配算法的运算量遥 通过对国内外采集系统 的分析认为院 每秒采集200个点最为适合袁 即每 过5 ms就采集一次坐标值遥 由于本系统含有签名信息的采集过程袁 所以

会把你的书写笔迹呈现出来遥 在进行画线时还要考虑干扰问题遥 由于液晶 显示对签名采集芯片有一定的影响袁 因而可能造 成采集数据的抖动袁 有时候还会出现非点 (即本 次采集到的值与前次和后一次的采集值相差较 大)袁 本设计虽然在系统硬件上做了一些抗干扰 显遥 措施 (比如加装滤波电容等)袁 但效果不是很明 后经实验发现袁 通过软件去抖方法可以实现 笔迹的平滑显示遥 具体去抖可从以下两个方面实 现院 第一是把两点之间的连线改为每四个点连一 次袁 并把采集到的四个点的坐标值取平均值袁 从 而缓解坐标值的抖动曰 第二是设定一个域值袁 当 两个点之间的坐标绝对值之差不在该域值范围内 时袁 即判定该点为非点袁 而不对该坐标值进行任 何操作袁 直接舍弃遥 通过以上两个方面的措施可 以去掉大多数的非点和抖动点袁 使曲线变得更加 平滑遥 图5所显示的是抗干扰处理前后所采集到的 签名袁 图中箭头处即为受干扰的笔划遥 签名笔迹实时显示的算法流程图如图6所示遥

在程序设计时袁 应在USB主程序中枚举完后就采 集数据并将其传送到USB的端点缓冲器子程序袁 且这一过程应该在5ms内完成遥 当主机发来接收 数据的命令后袁 PDIUSBD12应把数据从缓冲器中 发到PC机遥 当然袁 启动和停止采集命令也可以通 过PC机上的实时显示应用程序来控制袁 这一控制 所需的通信也可通过USB来实现遥 3.3 上位机应用程序编写

USB的访问做成动态链接库袁 这样可以节省程 VB系统动态链接库文件 (DLL) 的定位信息和声 序尧 提高程序运行效率遥 实际上袁 只需要告诉

USB应用程序可采用VB编写袁 设计时把对

明读写USB端口的接口函数袁 就可以对USB端口 进行操作遥 而在VB中若要访问动态链接库函数 bas的模块中遥 模块中的声明代码如下院 \WINDOWS\system32\EasyUSB.dll" 则必须把定位信息和函数声明放在一个后缀为 Public Declare Function ReadData Lib " C: ( ByVal

pipenum As Integer, recbuffer As Byte, ByVal ilen As Integer, ByVal waittime As Integer) As Integer
图5 带有飞笔和消除飞笔后的签名

在VB中可以用定时器控件来同步接收数据袁

也可以设置定时器的Interval属性袁 即触发定时器 USB接口接收数据遥 的间隔时间遥 当每次触发时间到达时袁 就可从 签名的实时显示分为采集坐标的实时显示和

签名笔迹的实时显示袁 其中采集坐标显示包含横 纵坐标和压力坐标的显示遥 件来实现袁 但要用一个转换函数Str () 负责把采 集到的整型数据转换为字符串类型袁 这样就可以 直接在文本框显示了遥 签名笔迹的实时显示稍微复杂一点袁 其实现 方法是采用画线函数法袁 即当知道了两个点时就 可以根据这两个点画线遥 每采集并接收到一个点 时袁 就执行一次画线函数袁 以把当前的点和前一 个点相连遥 这样袁 当你签名的时候袁 画线函数就 34
2007.3 www.ChinaECD.net 图6 笔迹实时显示算法流程图

签名坐标的实时显示可以用TextBox文本框控

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考
人机界面还可实现签名的再现遥
参考文献 [1] [2] [3] [4]

Vol.9 No.3 Mar. 2007

栾方军,马驷良. 在线手写签名的识别方法[J].吉林大 学学报渊理学版冤,2004,42(2):4. 盖希强, 陈雷. 基于USB接口的高速数据采集卡的设 计[J].微计算机信息,2005,9(1). 京院北京航空航天大学出版社,2003. 周立功. PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发[M].北 Rioja, FlorRamirez,Miyatake,MarikoNakano. Dynamics

图7

VB应用程序实时显示界面

features extraction for online signature verification. 14th and Computers, Conielecomp 2004,2004.

图7给出了VB应用程序下的实时显示界面遥

International Conference on Electronics,Communications

4

结束语
本在线签名系统使用ADS7846实现了高速和

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 ADS7846 深圳远丽洋电子有限公司 电话院 0755-82813909 器件院 AT89S52 ATMEL公司

高精度的数据采集袁 该芯片不仅能采集签名的横 纵坐标袁 还能采集压力坐标袁 从而丰富了在线签 名系统的动态签名信息袁 为以后的签名识别提供 USB接口来解决动态信息 了更多的判断依据遥 本在线签名识别系统中采用
[4]

的采集设备和计算机

上海办事处院 021-62809234 北京办事处院 010-62186224 器件院 POIUSBD12 深圳市中立信电子科技有限公司 电话院 0755-83687771

之间的数据通信具有一定的现实意义遥 该方案可 以准确实时地将采集到的签名数据传送到计算 机遥 经测试袁 本系统传输信息的速度大于1Mbps袁 能够很好的满足系统的要求曰 同时由VB编写的
(上接第30页)

协议中的远程数据帧类似遥 (5) 预定义连接集 CANopen规定了预定义的连接集袁 以简化网 CANopen规定了相应的内存区以用于发送和 (6) 发送和接收PDO

总线的数据采集器不仅可靠性高袁 而且比通常采 用PLC系统配置更为灵活袁 相信该系统将更加广 泛的应用于工业生产的各个方面遥
参考文献 [1] [2] [3] [4] [5] 马庆云袁 周坚. 基于CAN现场总线的智能数据采集器 研究[J]. 山东科技大学学报渊自然科学版冤袁2003,(9). 韦力袁刘雨隶,等.通用CAN节点电路的设计及其应用 [J]. 西安科技学院学报袁2003,6. 京航空航天大学出版社袁1996. 出版社袁1999. 造业自动化袁2002,(10). www.ChinaECD.net 杨斌袁等. 一种开放式的现场总线协议Canopen [J].制 2007.3 邹宽明. CAN总线原理和应用系统设计腋M]. 北京院北 阳宪惠. 现场总线技术及其应用腋M]. 北京院清华大学

络的配置和使用遥

接受网络上的数据遥 这相当于C语言中直接对地 址进行操作袁 因而可实现PDO数据的完全透明传 送袁 从而给程序编制带来极大方便遥

4

结束语
现场总线技术是自动化控制领域的一次重大

变革袁 本文所设计的系统正是为适应这一变革所 做的积极的探索遥 应用实践证明袁 基于CAN现场

35

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

Stratix II FPGA系统电源设计
(西安电子科技大学袁 陕西 西安 710071) 摘 要院 在简要估算Stratix系列FPGA功耗的基础上袁 介绍了高效电源转换芯片MAX1951的电 路设计方法曰 并以具体的设计实例说明MAX1951在Stratix II系列FPGA中的供电设计方案遥 该 设计具有一定的通用性袁 可广泛应用到大多数高密度电路之中遥 关键词院 FPGA曰 Stratix II曰 MAX1951曰 高效电源曰 功耗

隋绍勇袁 冯小平

0

引言
Stratix II是ALTERA公司生产的一款高性能

参考电路如图1所示遥

FPGA器件遥 它采用TSMC的90 nm低k绝缘工艺技 术生产袁 等价逻辑单元 (LE) 高达180 k袁 嵌入式 存储器容量达到9 MB遥 该器件不但具有极高的性
图1 MAX1951的电源电路

能和密度袁 而且还针对器件总功率进行了优化袁

同时可以支持高达1 Gbps的高速差分I/O信号袁 因 Stratix II还有12个可编程PLL袁 并具有健全的时钟 DC电源转换芯片袁 主要用于DSP尧 FPGA尧 ASIC 嵌 入 式 DSP 块 的 运 行 频 率 高 达 370 MHz遥 另 外

而是一款超快的FPGA遥 该芯片中所含的高性能

1.1

输入器件参数的设计 输入滤波电容主要是用来降低供电系统的电

管理和频率合成能力遥 能实现最大的系统性能遥

MAX1951是MAXIM公司的一款高效的DC-

流峰值尧 电压纹波和电路开关噪声的影响袁 使芯 片的输入电压纹波控制在3豫以下遥 系统输入电 源的纹波电压与输入滤波电容的关系式如下院 V IN_RIPPLE=IOUTV OUT/(fSWV INCIN) 图1中袁 R4尧 C5尧 C3分别为旁路电阻尧 旁路 输出器件参数的设计 (1) 输出分置电阻 一般默认设计的反馈输入电压为0.8 V袁 也可

脚的SOP表贴封装及连续工作时956 mW的低功耗 MAX1951的输入电压范围为2.6~5.5 V袁 输出电压 范围为0.8 V~V in (可调输出)袁 输出电流可达2 A袁 94%袁 且内含过载及过热保护电路遥 精度可达1豫袁 开关频率为1 MHz袁 输出效率达 该器件为Stratix II FPGA系统供电以降低其功耗的 基于MAX1951的诸多特点袁 本文给出了采用 使其特别适合于便捷式电子设备的应用遥

的内核及I/O口供电遥 其高达94豫的转换效率尧 8

电容及参考旁路电容袁 一般取图中定值即可遥 1.2

以根据所要输出的电压V OUT 来设计R2袁 R3的阻 的计算式如下院 值袁 一般取R2的值在2~20 k赘之间遥 这样袁 R3值 R 3=R 2 [(V OUT/V FB) -1] (2冤 输出电感 (1)

设计方案遥

1

应用设计
采用MAX1951为Stratix II FPGA系统供电的
收稿日期院2006-09-05

该电路的输出电感尧 最大允许电流的输出纹 波电压的计算式如下院 L INIT=V OUT (V IN-V OUT) /(V INLIRIOUT(MAX)fSW) (2)

36

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

流袁 在对电感尺寸尧 损耗尧 输出纹波等参数加以 权衡后袁 一般最小电感电流纹波L IR应设置在20豫 至40豫之间遥 MAX1951的工作频率fSW 为1 MHz遥 用常用的AVX原TAJA106*010袁 则其ESR为3 赘遥 其中ESR为输出电容的等效串联电阻袁 在其生产 厂家的网站上可以查到相应容量的ESR值遥 如采 在选取电感时应注意袁 很多新型器件对电源

(3) IL(MAX)= (1+L IR/2) IOUT(MAX) VRIPPLE =V OUT (V IN-V OUT) ESR/(V INL FINALfSW) (4) 式中袁 L IR 为电感电流峰值/电感最大平均电

所以通常用TOFF来计算V RIPPLE(ESL)遥 电容的串联等效 综合上面V RIPPLE的计算式袁 即可估算出COUT遥 1.3 补偿电路设计 图1中袁 补偿电阻R1和补偿电容C2组成的补 3216尧 3528封装的TAN电容取值1.8 nH遥 这样袁

导通和断开时间袁 TON为定值袁 TOFF最小取400 ns袁 电感ESL由电容生产厂家提供遥 常用的TAJ系列

偿环路可用来提供稳定的宽带补偿袁 R1与C2的 计算式如下院 R 1=V OUTK/(gmEAV FBG MOD(fc)) C2=2V OUTCOUT/(R 1IOUT(MAX)) (10) (11)

要求都比较高遥 所以应尽量加大输出电感容量以

降低纹波 (但要以牺牲尺寸为代价)遥 在其饱和电

流满足设计要求的前提下袁 电感的阻抗应越小越 好遥 因为电感的容量跟其所承受的最大电流成反 比袁 同时在加大电流和电感容量的同时袁 也会大 大增加电感的尺寸及价格袁 这在便捷设备的设计 初期一定要注意遥

输出电容有关袁 一般在10 滋F时取0.55袁 22 滋F时 值60 滋s遥 G mc 定值取4.2 s遥 G MOD 为DC调制增益袁 下院 R LOAD 为输出负载袁 上式中未知变量的计算式如 G MOD=gmcR LOADfPMOD/fC R LOAD=V OUT/IOUT(MAX) (12) (14) 取0.47遥 V FB为参考电压 (一般取0.8 V)遥 gmEA取定

式中袁 K为高频时回路的修正参数袁 其值与

(3冤 输出电容 输出电容蓄电的变化会引起输出电压纹波袁 一般纹波电流小袁 纹波电压相应就小遥 实际电容 的简化电路模型是由等效串联电感 (ESL)尧 电容 和等效串联电阻 (ESR) 构成的串联网络遥 由输

fPMOD=1/[2仔COUT (R LOAD+R ESR)]

(13)

出电容引起的电压纹波VRIPPLE的计算式如下院 (5) V RIPPLE越V RIPPLE(C)+V RIPPLE(ESR)+V RIPPLE(ESL) V RIPPLE(C)=IP-P/(8COUTfSW) (6) V RIPPLE(ESR) =IP-P ESR V RIPPLE
(ESL)

于等于1/5的开关频率遥 R ESR一般取0.01 赘遥 有了 补偿电路的设计就算完成了遥 以上参数袁 R1尧 C2的值便可计算得出遥 这样袁

式中袁 fC为闭环增益交叉频率袁 一般取值小

ESL

= (IP-P/tON) ESL或V RIPPLE

(ESL)

IP-P 越 [(V IN-V OUT ) /(fSW L)] V OUT /V IN (9) 式中袁 TON尧 TOFF为MAX1951内部MOSFET的

= (IP-P/tOFF) (8)

(7)

2
2.1

基于MAX1951的机载GPS电源设计
Stratix II FPGA内核供电电路 下面以一种机载GPS定位导航仪器的电源系

图2

Stratix II FPGA内核电源供电原理电路 www.ChinaECD.net 2007.3

37

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

统为例袁 来说明MAX1951的应用电路遥 在整个系统的设计之前袁 要对系统中各芯片 的功耗进行估算袁 之后进行累加袁 以确定系统整 体供电方案遥 本系统为机载GPS定位导航仪袁 系 统硬件主要由一片FPGA尧 一片DSP尧 一片ARM及 该系统要求功耗低尧 尺寸小遥 所以设计可采用电 源转换效率较高的MAX1951作为电源转换遥 系统 中的Stratix II FPGA所需电源有3.3 V和1.2 V两种袁 环遥 其中3.3 V用于I/O和PD袁 1.2 V用于内核与锁相 估算Stratix II的功耗时袁 首先应下载ALTERA
图3 Stratix II FPGA I/O供电电路

其它外围接口电路构成遥 系统电源输入为垣5.5 V袁

系统的I/O口供电电路遥 毕遥

数袁 图3所示是用MAX1951设计的Stratix II FPGA 到此为止袁 Stratix II FPGA 供电系统设计完

功耗估计)曰 然后根据所选用的Stratix II FPGA种 类尧 封装形式及用途来计算FPGA最大功率遥 本 大电流为0.467A袁 I/O最大工作电流为0.07A遥 这 设计采用F484封装的EP2S30袁 经估算袁 其内核最

支持Stratix II袁 Stratix II GX及HardCopy II的早期

网站提供的powerplay power estimator V5.1版 (可

3

结束语
Stratix II FPGA的高级架构特性结合Nios II嵌

样就可以根据FPGA内核的工作频率尧 I/O资源的

利用数量尧 PLL资源的利用数量尧 内部逻辑资源 的功耗遥 图2所示是为该系统中Stratix II 电源内核供电

络尧 电信尧 DSP应用尧 大容量存储和其它高带宽 II电源供电中的稳定性以及功率控制等方面的良 电源设计中去遥 本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 Stratix II ALTERA 系统的需求遥 因此袁 本文基于MAX1951在Stratix

入处理器具有无与伦比的处理能力袁 能满足网

的利用情况尧 DSP的利用等情况来精确计算芯片

好表现袁 可以推广到现代绝大多数低功耗器件的

的原理图遥

2.2 Stratix II FPGA的I/O端口供电电路

内核数字电源两种袁 其中锁相环所需电源要求纯 净尧 稳定袁 所以在MAX1951输出的后端可用两个 磁珠对模拟和数字电源进行隔离袁 并对PLL模拟 电路再次进行滤波袁 同时在FPGA器件周围放置 相应数量的0.1滋F的引脚滤波电容遥 Stratix II FPGA的I/O与PD的供电要求不怎么

因Stratix II内核供电分为锁相环模拟电源和

上海代表处院 021-61461700 器件院 MAX1951 MAXIM公司

深圳办事处院 0755-26806200

北京办事处院 010-62115199 上海办事处院 021-68765001 深圳办事处院 0755-82968060

严格袁 所以可接成共电3.3VD袁 经估算袁 其最大 工作电流为0.1A遥 因此袁 按照本文所提供的关系 式可以很容易地得出其输入输出滤波网络的参

本刊启事
为适应我国信息化建设袁 扩大本刊及作者知识信息交流渠道袁 本刊已被CNKI中国期刊全文数据库网络出版袁 其作者著作权使用费与本刊发表费用一次性处理遥 如作者不同意文章被收录袁 请在来稿时向本刊声明袁 本刊将做 适当处理遥

38

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

混合集成特定频率信号发生器的设计
2. 中国工程物理研究院电子工程研究所袁 四川 绵阳 621900) 摘 要院 介绍了采用可编程逻辑器件进行逻辑编程以产生特定频率信号的设计过程袁 给出了 解决关键技术尧 工艺加工过程和实现产品主要功能的方法袁 实验证明袁 用该方法设计的产品 关键词院 引信曰 可编程逻辑器件曰 isp1016E芯片曰 特定频率曰 信号发生器 应用于某军用引信安全控制时袁 其技术指标可以满足系统需要遥 (1. 中国电子科技集团公司第四十三所袁 安徽 合肥 230022曰

刘煜娣1袁 王兵2

0

引言
混合集成特定频率信号发生器主要应用于某

信号袁 然后将其作为计数器的时钟触发遥 三级开 关信号 (即系统中的解保信号) 依次加到四光电 耦合器上袁 其中第一级开关信号用于驱动可编程 逻辑器件isp1016E-1袁 其输出信号经过驱动器转 换后袁 可将原来输出端的高电平信号转换为低电 平信号袁 以解除系统第一级保险遥

军用引信安全控制系统遥 它在该引信设计中起着 中枢神经的作用袁 主要用于实现全电子安全系统 状态的控制袁 即按预定条件 (如时间尧 气压尧 指

令等) 控制引信在一定逻辑程序作用下袁 正确实 现保险设置尧 保险解除尧 环境信息综合判断尧 特 定频率信号产生等控制功能遥 该系统可根据鱼雷 的特点和使用要求来控制三级保险的设置袁 依靠 敏感的系统发射或运动过程中不同的独立航道环 境或指令来解除保险袁 以确保系统使用过程中的 安全袁 同时选用简单尧 成熟的保险机构来提高可 靠性遥 混合集成特定频率信号发生器的设计主要是 采用可编程逻辑器件进行逻辑编程袁 以实现高性 能系统所需求的复杂逻辑功能遥 该方法可大大减 小元器件数量袁 增加系统可靠性袁 而且工作状态 稳定袁 反应速度快袁 设计周期短袁 系统成本低遥 其工艺采用先进的厚膜混合集成技术袁 产品重量 轻袁 体积小袁 可靠性高袁 一致性好遥
图1 电路原理框图

第二级开关信号经光耦隔离后用于驱动另一 个可编程逻辑器件isp1016E-2袁 该信号经判断确 可产生低电平信号袁 以解除系统第二级保险遥 认时序正确时袁 isp1016E-2的输出信号经驱动器 当第三级开关信号到来并确认当前的三级开 关信号时序关系正常后袁 系统便通过isp1016E-2 产生特定频率和占空比的5 V TTL信号袁 以解除 第三级保险袁 从而使系统进行高压充电袁 此时引 信处于待爆状态遥 当三级开关信号时序不正常时袁 第四路开关 信号经过光耦隔离可为两只isp1016E提供复位信 号袁 以使特定频率信号输出端无输出袁 从而使引 信绝火遥
www.ChinaECD.net 2007.3

1

电路设计原理框图
该电路的基本原理框图如图1所示遥 它主要

由晶体振荡器为两个可编程逻辑器件 (isp1016E)

提供4.096 MHz的频率信号袁 并经分频产生1 kHz
收稿日期院2006-10-31

39

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

2

方案设计
传统数字电路中多由TTL和CMOS器件构成逻

3.2

辑电路袁 这样的系统大多存在逻辑器件数目多袁 内部有大量的门电路 (2000门) 和触发器袁 通过 编程可以连接成各种中小规模的数字电路遥 这 样袁 寄存器尧 计数器尧 多路选择尧 译码器等电路 都很容易通过编程实现遥 另外袁 也可以利用可编 程逻辑器件配套软件中具备的宏单元库袁 来编程 完成高性能系统所要求的复杂逻辑功能遥 由于混合集成特定频率信号发生器的逻辑关 isp1016E来实现逻辑功能遥 以简化设计难度遥 这 系比较复杂袁 为此袁 本设计选用可编程逻辑器件 样袁 只要在计算机上输入数字电路原理图或用硬 件描述语言描述数字电路袁 然后经过编译袁 并将 编译后的数据文件下载到可编程逻辑器件上即可 完成数字电路的设计袁 而且电路结构简单袁 器件 少袁 成本低袁 设计方便袁 不容易损坏袁 同时可大 大增加系统的可靠性尧 减少系统体积遥 电路复杂袁 板块庞大等缺点遥 而可编程逻辑器件

解除控制逻辑尧 时序判断尧 特定频率信号的产生 等功能遥 可采用同样的分频与累计计数方法袁 来 对二尧 三级解保信号进行抗干扰滤波处理遥 若接 收到第二级解保信号且判断一尧 二级解保信号时 序正确袁 则发驱动信号并变为低电平袁 同时驱动 第二级保险动作曰 若判断时序不对袁 则封闭第二 级解保信号接收通路 (不再接收)曰 在接收到控制 空比的5 V特定频率信号遥 系统给出的第三级解保信号并确认这三级解保信 号的时序关系正常后袁 系统将输出特定频率和占

isp 1016E原2芯片用于完成第二尧 第三级保险

isp 1016E原2芯片设计

4

系统可靠性及版图设计
为了使电路能更安全可靠的工作袁 各路的开

关信号都先经过光耦再输入电路遥 输入地与输出 地严格分开可保证电路电子元器件的安全曰 为了 减小外界对电源的干扰袁 设计时应在供电电源与 地之间尧 芯片的工作电源上都接入滤波电容以进 行滤波处理袁 从而保证电路正常工作遥 电路程序设计包含了对各种环境信息的综合 判断袁 如抗干扰尧 抗抖动处理尧 时序判断等功 能遥 采用 野时间窗尧 时序判断冶 等技术措施进行 综合控制设计可滤除ms级的干扰信号袁 从而保证 系统安全可靠地工作遥 此外袁 该电路还具有单检与重新解保功能遥 程控采用双套备份尧 冗余设计遥 需要单套检验与 联试时袁 可以给一套程控的isp芯片一直加上复位 信号袁 这样可检验另一套引信的功能曰 在系统运 行过程中袁 如在三级解保后发现目标跟踪有误袁 可以接收复位信号袁 并通过程控重新进行解保动 作遥 在版图设计时袁 器件的放置和分布既要考虑 电路合理布局袁 散热均匀袁 也应考虑工艺加工过 程中的组装生产遥 具体可将元件按照功能相对集 中放置曰 输入尧 输出线分开放置袁 并按工作顺序 排列曰 布线时袁 电源线和地线均应短而粗袁 要尽 量减少相互之间的电磁干扰遥 能遥 每一片芯片有44只管脚 (PLCC封装)遥 两片 该电路共采用两片逻辑器件来完成逻辑功

3

软件设计
混合集成特定频率信号发生器软件由

用于实现有效环境信号的识别尧 时序判断尧 两级 保险的解除尧 特定频率信号的产生等功能遥 设计 时应首先定义可编程逻辑器件isp1016E的I/O端 口袁 然后采用Viewlogic软件对系统可编程逻辑器 文件下载到可编程器件中遥 IspLSI器件可在线路 板上编程曰 也可在专用编程器上编程遥 3.1 isp1016E原1芯片设计 件进行仿真设计遥 设计编译完成后袁 便可将数据

isp1016E原1芯片软件和isp1016E原2芯片软件组成遥

识别尧 第一级保险的解除等功能遥 其设计思想首 计数器的时钟触发袁 每毫秒采样一次第一级开关 计数至第N次时袁 截止计数过程并发驱动信号袁 时将信号传至isp 1016E原2遥 40 先是将外接晶振频率分频至1 kHz袁 以将其作为

isp 1016E原1芯片主要用来实现有效环境信号

信号 (即解保信号) 来对有效信号进行计数袁 当 接着输出低电平以驱动后序第一级保险动作袁 同

芯片之间尧 芯片与外围电路之间都会相互提供信

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

号袁 连线纵横交错袁 交叉往来连线复杂袁 且电路 体积要求也比较严格袁 这都会在版图设计过程中 增加布版的难度遥 因此袁 在设计时袁 两只芯片的 放置位置与方向要用画图软件反复比较和验证袁 以尽量减少相互之间走线的交错和复杂度曰 布线 时最好将纵线在同一层面袁 横线在另一层面袁 并 用介质绝缘遥 在线路走线上袁 连线应尽可能短袁 并使布线尽可能优化遥
图2 主要工艺流程

量订货遥 此外袁 该产品还可以根据系统需要修改 程序软件袁 以输出不同频率尧 不同占空比的信 号遥 由此可见袁 该产品具有易于扩展和设计升级 等优点遥 而且电路体积小尧 精度高尧 重量轻袁 使 用灵活袁 具有重要的使用价值和良好的应用前 景遥
参考文献 [1] [2] [3] 刘笳仁,杨万海.在系统可编程技术及其器件原理与 应用[M].西安院西安电子科技大学出版社,1999.5. 李良巧.引信可靠性设计指南[M].北京院兵器工业出版 社,1993.2. 刘宝琴.数字电路与系统[M].北京院清华大学出版社, 1993.7.

5

工艺制作及加工
本产品的工艺加工没有选用PCB板表面贴装

技术袁 主要是因为PCB板组装时过多的焊接连 线尧 焊点尧 接插件等严重阻碍了生产率和可靠性 的进一步提高曰 另外袁 电路的工作频率和速度的 提高也要求尽量缩短信号在系统内的传输延迟遥 为此袁 电路专门选用了厚膜混合集成工艺袁 即用 厚膜多层布线工艺来制作导电带和电阻器曰 晶体 管尧 单片集成电路等则采用裸芯片组装金丝球焊 键合袁 封口采用平行缝焊技术充氮气密封遥 厚膜 工艺可减少电路体积袁 提高精度尧 稳定性和产品 可靠性袁 且利于批量生产遥 藕尧 MOS管等器件应采用载流焊工艺遥 PLCC封 在厚膜工艺中袁 电容器应采用粘接工艺曰 光

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 isp1016E 北京联纵科技有限公司

装的可编程逻辑器件加工相对比较少遥 在初期载 流焊组装逻辑器件过程中袁 由于逻辑器件管脚较 多且细短 (焊区面积仅1.8 mm伊0.4 mm袁 相邻管脚 的间距约0.3 mm)袁 故在点焊料时袁 因焊料流量不 容易控制袁 焊料极易将相邻管脚粘连在一起而造 成短路现象袁 加工时经常要擦除短路处的焊料并 重新点胶反复操作袁 这都会极大地影响效率遥 经 过摸索实验袁 笔者专门配置了直径较小的点焊剂 的针孔来减小流量和焊接面积袁 图2给出了该产 品的主要工艺流程图遥

电话院 010-51267122

野新特器件应用冶 栏目

投稿要求
为了全面尧 及时尧 准确地向读者介绍国内外最新 推出的新型特殊电子元器件尧 集成电路和模块的应用 资料遥 本刊欢迎作者为 野新特器件应用冶 栏目投稿遥 具体要求如下: 定特点的新型电子元器件曰 殷 所介绍的主要器件必须是近几年推出的尧 有一 殷 内容涉及新特器件的主要特性尧 引脚功能尧 工 殷 投稿请用论文格式袁 并用WORD文档通过电子 殷 图表一般不超过5幅袁 并要求清楚尧 规范曰 殷 稿件长度在5000字以内遥 www.ChinaECD.net 2007.3

6

结束语
混合集成特定频率信号发生器是某军事系统

中常用的组件之一遥 本文通过在软件尧 制版尧 工 艺等方面的一系列设计袁 最终实现了该器件逻辑 功能的集成化尧 小型化遥 经多次联机测试证明袁 该器件性能稳定尧 工作正常尧 其电性能指标完全 满足系统和用户的要求遥 目前袁 用户已连续小批

作原理袁 应用电路和程序开发方法曰 邮件发送到本刊曰

41

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

基于SP12的汽车轮胎状态监测系统设计
(江苏无锡江南计算技术研究所袁 江苏

李珊

无锡

214083)

摘 要院 给出了一种用于检测汽车轮胎压力和温度状态的传感器系统设计方案遥 该设计是基 于集成式多功能传感器芯片SP12尧 单片机PIC16F684袁 以及无线通讯模块NRF2401来实现的遥 文章详细介绍了该系统的总体设计方案以及软尧 硬件设计方法遥 关键词院 轮胎压力监测系统 (TPMS)曰 传感器曰 嵌入式系统曰 无线通讯曰 低功耗

0

引言
据美国汽车工程师学会统计袁 美国每年有26

殷 压力测量范围院 100耀400 kPa 殷 最大发射功率院 0 dBm 殷 通信频率院 2.4耀2.5 GHz 殷 温度测量范围院 -40耀+120

万起交通事故是由于轮胎气压偏低或渗漏造成 的遥 而在中国高速公路的交通事故中袁 则有70豫 是因爆胎而引起遥 因此袁 防止爆胎已成为安全驾 驶的一个重要课题袁 而确保标准胎压则是防止爆 胎的关键遥 目前的汽车压力检测系统主要包括直 接式和间接式遥 直接式系统通过安装在轮胎内部 的传感器直接检测胎内压力和温度状态曰 间接式 则是通过安装在转轴上的传感器检测轮胎转动惯 性进而推算出胎内的压力的遥 由于直接式检测不 受温度影响袁 因而比间接式系统检测更准确袁 是 目前的主流遥 直接式系统的核心是安装在轮胎内 部的传感器模块袁 它在电池供电下可以工作3耀5 年袁 因此要求系统采用微功耗设计遥 另外袁 由于 是安装在轮胎内部袁 对传感器尺寸尧 重量以及可 靠性都有严格要求遥 本文给出了基于PIC单片机尧 单片无线收发芯片nRF2401A及多功能集成传感 器芯片SP12设计的一种用于检测汽车轮胎压力尧 温度状态检测的传感器系统遥 该系统的气压检测 范围是100kpa耀400kpa袁 精度为1.4KPa曰 温度检 测范围是-40益耀+125益遥 1.2

殷 接收灵敏度院 -80 dBm 总体设计

殷 传感器采用3 V锂电池供电 智能传感器内部基本组成如图1所示遥 它以

PIC16F684单片机为核心袁 并包括三合一集成式 传感器芯片SP12袁 2.4 GHz全双工无线通信收发 模块nRF2401A遥 其中SP12可在单片机的控制下 测量车胎的压力和温度值袁 并以数字量形式输 出袁 再经过单片机MCU打包后通过nRF2401A发 射出去遥 同时袁 单片机也通过nRF2401A接收主机 发来的指令袁 完成相应的控制或参数配置任务遥

2
2.1

硬件设计
MCU单元

本系统的 每个传感器内都 有1 个 MCU 芯 片

1

性能指标与总体设计

1.1 性能指标 该智能传感器系统的主要性能指标如下院
收稿日期院2007-01-29 图1 传感器系统内部基本组成 2007.3 www.ChinaECD.net

42

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

PIC16F684遥 这是一款微功耗高性能单片机遥 由 小系统极为简单袁 只要接通电源就可以工作遥

于其片上集成有晶振电路和复位电路袁 因此其最 MCU外部扩展了2个外设袁 其中同nRF2401A

的接口使用了6个I/O口袁 它们是CS2 (输出口袁 片

选信号)尧 CE (输出口袁 工作模式控制)尧 WR_UP (输出口袁 休眠使能)尧 DATA (输入口袁 数据接 收)尧 DR1 (输出口袁 数据发送)尧 CLK1 (输出口袁 通讯同步信号)遥 MCU与nRF2401A的通讯采用SPI 讯协议在MCU上由软件实现遥 协议袁 其中MCU为主机袁 nRF2401A为从机袁 通 CS1 (输出口袁 片选信号)尧 SDO (输出口袁 数据 通讯 同步信 号) 遥 MCU 与 SP12的 通讯 协议 也是
图3

MCU与SP12的接口使用了4个I/O口袁 它们是
nRF2401单元的电路

输出)尧 SDI (输入口袁 数据输入)尧 SCK (输出口袁 SPI袁 其中MCU为主机袁 SP12为从机袁 该通讯协 路原理图如图2所示遥 议也在MCU上由软件实现遥 MCU与外设的接口电

至MCU遥 SP12的传感器探头安装在芯片封装上袁 因此袁 只需通电就可以通过MCU向SP12发指令以 接口和MCU的数字接口遥 具体电路参见图4遥 启动采样遥 SP12的外围电路也很简单袁 只有电源

图2

2.2 RF单元

MCU与外设的接口电路 图4 SP12单元的电路

nRF2401A袁 nRF2401A片内集成有RF放大器尧 本 振与混频器和调制/解调器尧 数字接口等电路袁 因而外围元件很少遥 RF单元的硬件设计主要包括RF天线回路尧

RF 单 元 采 用 集 成 式 2.4GHz 无 线 收 发 芯 片

2.4

电源及辅助电路 汽车轮胎状态监测系统的智能传感器一般都

安装在车轮内袁 因此袁 供电系统一般采用小尺寸 电池遥 考虑到电池容量尧 寿命及温度适应性袁 本 设计采用3 V锂电池供电遥

RF放大器增益配置袁 以及本地振荡电路的设计遥 图 3 所示 是RF 单 元的 电路 图遥 其 中 袁 L1尧 L2尧 振电路的一部分袁 E1尧 E2尧 C2尧 C3为电源滤波 C6尧 C7用于构成天线匹配与选频网络袁 R2是RF 放大器增益配置电阻袁 Y1尧 R3尧 C8尧 C9构成本

3
3.1

软件设计
主流程 图5所示是该智能传感器的主程序流程遥 本

和退耦元件遥

2.3 SP12单元

系统开机后袁 首先执行上电初始化程序遥 然后进 入睡眠模式以节省电能袁 当到达定时开机时刻袁 智能传感器的处理器将被外部中断唤醒袁 并执行 开机检测程序袁 以在车辆移动时执行检测袁 否则
www.ChinaECD.net 2007.3

压尧 温度尧 加速度等物理量转换为数值量并发送

SP12是集成式三合一传感器袁 它能够把气

43

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

包括气压检测尧 温度检测袁 以及电池电压检测遥 由于SP12芯片集成了所有气压检测尧 温度检测及 电压检测功能袁 因此袁 它们的状态检测程序流程 与加速检测基本类似袁 主要是对SP12的通讯遥 各 种状态检测流程图见图7所示遥

(a) 气压检测

图7

(b) 温度检测

状态检测流程

(c) 电压检测

3.4
图5 传感器的主流程

变周期定时检测 该智能传感器是定时开机工作的遥 为节省电

返回睡眠模式遥 当系统启动状态检测后袁 智能传 感器依次检测轮胎内的气压尧 温度等信息遥 通过将检测值与预定警戒值做比较袁 系统可 以判断是否出现异常袁 并执行相应的告警动作遥 如果系统遇到停机指令袁 则停机袁 否则返回睡眠 模式遥 3.2 开机检测

能袁 它的开机间隔时间可随气压变化做自适应的 变化袁 这也是本传感器的智能化体现遥 具体的调 节算法如图8所示遥 其中袁 在每个检测周期内袁 通过自适应算法可将检测到的当前气压值和当前 温度值分别与预设的标准气压值和标准温度值作 比较袁 以得到当前气压偏差量和当前温度偏差遥 若当前气压偏差量大于历史气压偏差量袁 则将检 测周期值减小1个单位曰 若当前气压偏差量小于 历史气压偏差量袁 则将检测周期值增大1个单位曰 若当前温度偏差量大于历史温度
(下转第48页)

变化遥 加速度超出设定的门限值即判定车辆移

车辆移动时袁 SP12芯片可以测量出加速度的

动遥 这就是开机检测的基本原理遥 开机检测本质 上是一种加速度检测袁 通过单片机控制SP12以实 现加速度测量的过程参见图6遥 3.3 状态检测 状态检测是该智能传感器的核心功能袁 主要

图6

加速度检测 2007.3 www.ChinaECD.net

图8

变周期定时检测的周期调节算法

44

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

基于CPLD的数字滤波抗干扰电路设计
2. 西安工业学院光电测试技术研究所袁 陕西 西安 710032) 同袁 在此基础上提出了一种用CPLD (Complex Programmable Logic Device) 器件实现的抗干扰电路袁 并通过仿真分析和应用表明院 该电路能有效抑制声波和蚊虫等带来的干扰袁 明显提高电路的抗干 扰能力袁 保证测试结果的可靠性和精确性遥 关键词院 CPLD曰 干扰曰 光电立靶曰 数字滤波 摘 要院 通过对光电靶原理的分析袁 证明了弹丸尧 声波尧 蚊虫等所引起的光电靶输出信号的不 (1. 西安通信学院袁 陕西 西安 710106曰

余江1袁 韩峰2

0

引言
红外密集度光电立靶测试系统是一种用于测

号袁 但这种信号幅值一般都较小遥

量低伸弹道武器射击密集度的新型的测试系统袁 它既可用于金属弹丸的测试袁 又可测试非金属弹 丸袁 具有反映灵敏尧 精度高而稳定尧 操作简单尧 容易维护等优点袁 已被许多靶场投入使用遥 光电靶的基本原理是院 当光幕内的光通量发 生足够大的变化时袁 光电传感器会响应这种变化 而产生电信号遥 这就是说袁 一些非弹丸物体在穿 过光幕时也会使光幕内的光通量发生变化以使光 电传感器产生电信号遥 从原理上讲袁 这种现象并 非异常袁 而从测试来讲袁 则属于干扰遥 在具体靶 场测试中袁 当干扰严重时袁 可能会导致测试无法 进行袁 从而给测试工作带来困难遥 因此袁 如何排 除干扰袁 保证系统的正常运行袁 是一个必须解决 的问题遥 到各种干扰袁 其中影响最大的有三种院 一是 野蚊 红外密集度光电立靶测试系统在使用中会受

1

理论分析
光电靶在工作时袁 光电传感器会响应光幕内

光通量的变化袁 并将其转变为微弱的电信号袁 经 放大后进入电压比较器袁 当其幅值高于预定基准 时袁 则电压比较器翻转袁 以产生触发脉冲遥 由于随弹丸穿过光幕的细小物体和外界光线 变化产生的信号幅值比较小袁 因此袁 通过对电压 比较器设置合适的比较门限便可滤除这种信号遥 在靶厂实际测试中袁 这种干扰信号幅值一般小于 0.8 V袁 这样袁 只要在电路中将电压比较器的门限 电平设为0.8 V便可消除这种干扰遥 根据光电靶的工作原理袁 穿过光幕的飞行物

体速度不同袁 遮挡光幕的时间就不同袁 电路中比 较器所产生的方波脉冲的宽度也就不同遥 与弹丸 相比袁 蚊虫的飞行速度要低得多袁 当蚊虫穿过光 幕时袁 产生的方波脉冲的宽度要比弹丸产生的 宽曰 而在亚音速弹测试中袁 弹丸速度低于声速袁 这样袁 由声波引起的脉冲宽度将小于弹丸产生的 方波脉冲宽度遥 因此袁 从原理上说袁 在比较器后 利用滤波电路来滤除干扰信号是有可能的遥

虫冶 干扰袁 即指蚊虫等低速物体飞过红外光幕时

引起的误触发现象曰 二是 野冲击波冶 干扰袁 指在 亚音速弹丸测试中袁 由于音速高于弹速使得声波 先于弹丸到达光幕而引起的误触发现象曰 三是一 些伴随弹丸穿过光幕的细小物体和外界光线的变 化所引起光幕内光通量的变化而产生的干扰信

2

利用CPLD实现滤波及抗干扰
本文所给出的电路的主要功能是抗冲击波和

收稿日期院2006-11-21

蚊虫干扰袁 并把有效弹丸信号变成脉冲宽度为50
www.ChinaECD.net 2007.3

45

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

滋s的信号袁 然后输出到下级电路进行处理遥 设计 15芯片遥 下面就如何实现滤波和抗干扰作以详细

蚊虫干扰信号和冲击波信号滤除袁 从而达到抗干 扰的目的遥 2.2 抗冲击波电路 图1所示是该系统中的冲击波滤除电路遥 图2 是其仿真波形遥 图中袁 当PULSE_IN端出现一个 正跳变时袁 上跳沿使得触发器D1的输出端产生一 个高电平信号袁 以启动计数器开始计数遥 计数器 计满后便在输出端产生一个正跳变袁 该上升沿又 使触发器D3的输出端产生一个高电平信号遥 将这 两个信号相与便可得到输出信号PULSE_OUT1遥 而PULSE_IN的下降沿到来时袁 系统又会将计数 器和三个触发器同时清零袁 以等待下一个信号到 来遥 由仿真波形图可知袁 当PULSE_IN的脉宽小 于设定计时宽度时袁 便可认为是干扰信号并使 PULSE_OUT1为低曰 而当PULSE_IN的脉宽大于设 定计时宽度且仍为高时袁 则认为信号有效遥 PULSE_OUT1为高时袁 它在PULSE_IN的下降沿变 为低电平袁 以等待下一信号到来遥

中采用的芯片是MAX7000系列的EPM7128SLC84-

介绍遥

2.1 电路原理 物体穿过光幕时所产生的方波脉冲宽度可用 下式计算院 t= l+d v (1)

度袁 v为飞行物的速度遥 若冲击波以声速计算 (v

式中袁 l为飞行物的长度袁 d为光幕面的厚

为340 m/s)袁 d=3 mm袁 则冲击波穿过光幕所产生 则t1 约等于9.1 滋s遥 若蚊虫等飞行物飞行速度v 为

的方波信号脉冲宽度约为8.8 滋s曰 若v 为330 m/s,

20 m/s袁 物体长度l大约为10 mm袁 则蚊虫飞过光 幕产生的方波信号脉冲宽度t2 约为650 滋s遥 一般 情况下袁 红外密集度立靶测试系统所测试的弹丸 弹速范围为200耀1 200 m/s袁 主要是5.8 mm尧 7.62 mm尧 9 mm三种弹袁 冲击波的影响主要产生于对 9伊19 mm的手枪弹的测量袁 该弹丸弹速约为320 m/s遥 根据弹速和弹长可知袁 弹丸穿过光幕产生 的方波信号脉冲宽度t3为37.5 滋s遥 生的方波信号脉冲宽度基本都小于150 滋s且大于 10 滋s袁 故可认为袁 脉冲宽度大于150 滋s和小于10 滋s的信号为无效信号袁 应进行剔除袁 这样就可将 根据靶场实际测试情况袁 弹丸穿过光幕时产

图2

抗冲击波电路仿真波形

2.3

抗蚊虫干扰电路 图3和图4分别是该系统的抗蚊虫干扰电路及

其仿真波形遥 图中袁 当PULSE_OUT1有一个正跳

图1

抗冲击波电路

46

2007.3

www.ChinaECD.net

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图3

抗蚊虫干扰电路

图4

抗蚊虫干扰电路仿真波形

变时袁 计数器开始计数袁 计数器计满则在cout端 产生一个正跳变袁 并经反相后加在触发器D4的输 入端袁 当PULSE_OUT1的下降沿到来时袁 触发器 PULSE_OUT2为低袁 此时若PULSE_OUT1的脉冲 输出低电平曰 若计数器未满袁 则cout 端将不会有 上 升 沿 袁 触 发 器 D4 的 输 入 端 为 高 袁 并 使 同 时 袁 输 出 信 号 PULSE_OUT2 为 高 遥 而 当 PULSE_OUT2 端 输 出 高 电 平 袁 同 时 在 PULSE_OUT1的下降沿触发器D4的输出端为高袁 PULSE_OUT1的脉冲宽度小于计数器计时宽度时袁 PULSE_OUT1上升沿到来时袁 触发器D6的输出端 输出高电平并经反相器后将触发器D4和D6同时 清零袁 以等待下一信号的到来遥 2.4 脉宽设定电路 为了保证弹丸穿过光幕所产生的脉冲信号能 够适合后续处理电路的需要袁 本设计将弹丸穿过 光幕产生的脉冲信号全部变为脉宽为50 滋s的脉 D4 的 输 出 端 仍 输 出 低 电 平 信 号 袁 输 出 信 号

冲信号再输出给后续电路遥 图5和图6分别是其脉 PULSE_OUT2有一个正跳变时袁 触发器D7的输出 端输出高电平并启动计数器遥 当计数器计满时袁 计数器cout出现上升沿袁 触发器D8的输出端输出 高电平袁 此高电平信号将计数器清零袁 同时经反 相器反相后接到触发器D7和D8清零端袁 以将触 发器D7和D8清零遥 PULSE_IN上跳沿到来并经过抗冲击波电路后袁 在这种情况下袁 对于整个系统电路来说袁 当 宽设定电路及其仿真波形图遥 图中袁 当

宽度大于等于计数器计时宽度袁 PULSE_OUT2端

若信号脉宽小于10 滋s袁 则输出PULSE_OUT为低 电平曰 作用就是若信号脉宽大于10 滋s袁 则启动 抗蚊虫干扰电路曰 若信号脉宽大于150 滋s袁 输出 PULSE_OUT则为低电平曰 而若脉宽小于150 滋s袁 则经过脉宽设定电路变成宽度为50 滋s的信号输 出袁 从而使PULSE_OUT输出宽度为50 滋s的脉冲 信号遥 通过上述分析可知袁 应用CPLD可编程逻辑 器件所设计的抗干扰电路具有信号可灵活调节尧 脉宽修改方便尧 对输入信号的脉宽适应能力强尧
www.ChinaECD.net 2007.3

47

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图5

脉宽设定电路 参考文献 [1] 宋玉贵袁王铁岭.天幕靶抗蚊虫干扰数字滤波电路设 计[J].西安工业学院学报,1998袁18渊2冤院130. 余芳袁王文志袁舒乃秋.用CPLD实现脉冲干扰抑制电 路[J].电力自动化备,2004,24(3):79. 刘晓明袁安敏等.CPLD在信号滤波和抗干扰中的应用 [J].电子技术应用,2001袁(7)院78.

图6 脉宽设定电路仿真波形图

[2] [3]

可调节范围大尧 输出的脉冲宽度和幅值稳定准确 等特点遥

3

结束语
在测试弹丸射击密集度时袁 可利用CPLD器

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 EPM7128SLC84-15 MAXIM公司

件设计抗干扰电路来消除冲击波和蚊虫干扰信 号遥 本文给出的电路设计简单可靠袁 能有效地消 除干扰脉冲袁 从而保证数据的准确性和可靠性遥 经重庆某靶场实际应用证明袁 本电路具有良好的 效果遥
(上接第44页)

北京办事处院 010-62115199 上海办事处院 021-68765001 深圳办事处院 0755-82968060

偏差量袁 则将检测周期值减小1个单位曰 如果当 前的温度偏差量小于历史温度偏差量袁 系统则将 检测周期值增大1个单位遥 最后袁 再用当前气压 偏差值和当前温度偏差值分别来更新历史气压偏 差值和历史温度偏差值遥

参考文献 [1] [2] [3] [4] PIC16F684 Datasheet, Microchip Company. SP12 Datasheet, Intron Technology LTD. nRF2401A Datasheet, Nordic VLSI ASA.

北京院北京航空航天大学出版社,1999.

窦振中, 汪立森. PIC系列单片机应用设计与实例[M].

4

结束语
本文给出了一种用于检测汽车轮胎压力尧 温

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 SP12 深圳杰洲科技

度状态检测的智能传感器系统设计方案遥 通过该 方法可以根据系统性能指标完成系统总体设计以 及系统的硬件和软件设计遥 本系统能够独立完成 汽车轮胎气压和温度的检测袁 并可作为传统汽车 压力检测系统的理想升级产品遥 48
2007.3 www.ChinaECD.net

电话院 0755-83242395 器件院 nRF2401A 深圳市裕能昌电子有限公司 电话院 0755-88263858

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

一种空调用新型PFC的设计
(昆明理工大学袁 云南 昆明 650051) 摘 要院 叙述了功率因数校正的基本原理和常用方法袁 在传统APFC基础上进一步提出了一 种应用于变频空调的新型功率因数校正控制方法遥 该控制方法的主要特点是可在输入交流电 压瞬时值高于输出直流电压值时完全关断开关器件并停止斩波曰 只有在输入交流电压瞬时值 低于输出直流电压瞬时值时才进行斩波袁 从而使系统在获得比较满意的功率因数的同时袁 进 一步降低对开关器件的要求袁 减少系统损耗遥 关键字院 变频空调曰 功率因数校正曰 脉宽调制曰 平均电流控制

崔翠袁 邹金惠

0

引言
近年来袁 随着电子技术的发展袁 各种电子设

正方法遥 按照电路结构袁 有源功率因数校正可以 分为降压式尧 升/降压式尧 反激式袁 以及升压式 (Boost)遥 升压式拓扑结构采用简单电流型控制方

备尧 家用电器可能产生的电流谐波和无功功率对 电网的污染也越来越引起人们的重视遥 谐波的存 在袁 不仅大大降低了输入电路的功率因数袁 而且 可对公共电力系统造成污染袁 引发电路故障遥 为 了抑制电网谐波袁 减少电流污染袁 国际上开始以 立法的形式限制高次谐波袁 中国也颁布了相关的 国家标准
[3]

法袁 具有PF值较高袁 总谐波失真 (THD) 小等优 点袁 应用最为广泛遥 该方法的输出电压高于输入 电压袁 比较适用于75耀2 000 W的场合遥 按照输入 电流的控制原理袁 有源功率因数校正又可以分为 平均电流型尧 滞后电流型尧 峰值电流型袁 以及电 压控制型遥 其中袁 平均电流型控制的工作频率是 固定的袁 输入电流是连续的袁 同时开关管电流的 有效值比较小袁 因此比较适用于中等功率和较大 功率的场合遥 虽然其控制电路较为复杂袁 但仍然 得到了广泛应用遥 本文采用的就是平均电流控制 型boost架构的PFC电路遥

(APFC) 电路的整流器已经成为抑制谐波的主流 方法遥 为此袁 本文给出了在平均电流技术控制 下袁 以Boost型功率因数校正方式设计的新型空调 用PFC设计方案遥

才可以进入市场遥 目前采用有源功率因数校正

袁 电器产品只有符合相应的谐波标准

1

功率因数校正的基本方法
功率因数校正方法可分为无源功率因数校正

2

电路设计
目前越来越多地采用变频技术来控制空调的

和有源功率因数校正遥 无源功率因数校正结构简 单袁 便于实现袁 但校正后的功率因数不高遥 有源 功率因数校正是在桥式整流器与输出电容滤波之 间加入一个功率变换器袁 以将输入电流校正成为 与输入电压同相位且不失真的正弦波袁 从而使功 率因数接近1遥 有源功率因数校正结构复杂袁 但 校正效果较好袁 是目前应用较广泛的功率因数校
收稿日期院2006-11-14

运行袁 这使功率因数校正的要求就更具有现实意 义遥 应用比较广泛的变频技术是将电网提供的电 源经过整流滤波后得到比较稳定的直流电源袁 然 后采用PWM技术斩波输出可调频率和幅值的正弦 波袁 从而达到方便的变频调速控制和节能控制之 目的遥 图1所示为采用平均电流控制的boost型电路 原理图袁 该电路由整流桥输出电压检测信号和电 压误差放大器输出信号的乘积来产生基准电流信
www.ChinaECD.net 2007.3

49

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

较大时袁 传统APFC功率器件要承受较大的电流 应力袁 从而造成器件选型困难袁 使产品成本增 加袁 并会影响系统的稳定性遥 因此袁 为了有效提 高功率因数袁 降低对元器件的要求及减小元器件 损耗袁 本设计在传统APFC基础上进行了改进袁 从而避开了电流高峰袁 即采用了每个电压周期中 部分斩波的斩波控制方式遥 相对于整个周期内全 部斩波的APFC控制方式来说袁 采用此种新型斩 波方式会在一定程度上降低功率因数校正效果袁 不利于高次谐波的抑制袁 但由于电器产品化过程 中需要综合考虑效率与成本袁 因此袁 只要采用合 适的斩波时序进行控制袁 就可以使控制效果与系 统成本达到最佳的结合遥 本设计中IGBT的开关频
图1 平均电流控制的boost型电路原理图

率选定在16耀20 kHz左右遥

号并进行比较袁 以便为开关管提供PWM信号遥

在IGBT斩波控制中袁 为了能够在有效降低器

PFC电路实质上是一个非线性要要 要周期时变的开 关系统遥 首先袁 它的输入是一个全波整流波形曰 其次袁 这种电路包含两种调制院 一种是正弦脉宽 调制袁 另一种是幅度调制遥 这两种调制在负反馈 作用下相互影响袁 从而控制电流波形跟踪电压波 形变化遥 压环 (外环) 可稳定输出电压信号袁 电流环 (内 环) 则可使输入电流很好地跟踪输入电压波形袁 输出直流电压Uo与参考电压V ref进行比较袁 并将产 以便更好的进行功率因数校正遥 电压环设计是对 生的电压反馈信号输入到乘法器遥 电流环设计则 是将电压误差放大器及整流后的直流电压Ud通过 乘法器产生电流基准信号袁 再将采样得到的电感 该电路采用电压和电流双闭环反馈设计袁 电

件开关损耗的同时袁 使功率因数校正及谐波抑制 都达到一个较好的效果袁 根据交流输入电压以及 输出电压和负载变化来选择合适的开关时序就成 了一个系统电路设计的关键遥 通过多次的仿真及 试验研究袁 本系统采用了对输入交流电压及输出 直流电压幅值进行比较来对斩波时序进行控制的 设计方法遥 图2所示是用PSPICE9.1进行的仿真波形遥 由 图可见袁 只要设定合适的电路参数袁 那么袁 当电 290 V左右略有波动遥 因此可通过电压幅值采样 源交流输入电压Ui为220 V时袁 直流输出电压Uo在

电路来取得交流输入电压和直流输出电压幅值袁 然后通过比较器进行比较遥 当输入交流电压Ui幅 比较器控制IGBT停止斩波袁 而当输入交流电压幅 值Ui 小于输出直流电压Uo时袁 斩波重新开始遥 事 实上袁 输入电压在高峰处是大于直流输出电压 的袁 故可控制开关器件停止斩波遥 值大于输出直流电压Uo时袁 可通过斩波控制信号

电流Iac与该基准电流进行比较袁 并通过电流误差 放大器进行处理袁 然后将产生的信号电压与锯齿 波相比较来决定功率开关的通断以及占空比袁 最 终使电感电流能够跟随基准电流袁 从而有效提高 功率因数遥 本系统的控制电路结构大致可分为IGBT斩波 控制电路尧 电压过零检测电路尧 电压幅值采样电 路尧 电流采样电路等几部分遥 2.1 IGBT斩波控制 由于应用于变频空调中的功率因数校正控制 器需要长时间工作在大功率工况下遥 而且当功率 50
2007.3 www.ChinaECD.net

图2 交流输入电压与直流输出电压的比较

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

2.2 电压过零检测电路 为了使输入电流与输入电压保持同相位袁 设 计时必须进行输入电压过零检测遥 在图1中袁 就 是通过R1尧 R2进行电压检测并将信号输入到三 极管T1袁 当输入电压经过过零点时袁 三极管导 通袁 该环节相应的输出口电平将被箝位到零袁 以 便信号能完全输入到CPU的中断口曰 当输入交流 电压瞬时值接近零时袁 三极管关断袁 电路向CPU 中断口发出高电平信号袁 由CPU通过该电平转换 信号对电流进行控制以使输入电流能够跟踪输入 电压的变化遥 2.3 电压幅值采样电路 由于本系统中的IGBT斩波时序要通过交流输 入电压和直流输出电压幅值进行比较来进行控 制袁 因此袁 电压幅值采样电路在本电路中显得尤 为重要袁 它将直接影响到功率因数校正及谐波抑 制的效果遥 电压幅值检测包括输入交流电压幅值 检测和输出直流电压幅值检测遥 本设计通过电阻 R1和R2分压后对输入交流电压瞬时值进行采样袁 并输入CPU进行A/D转换袁 而直流输入电压幅值 D转换遥 则通过电阻R3尧 R4分压采样后再输入CPU进行A/ 2.4 电流采样电路 本设计中采用了较为简单的电流采样电路袁 采样时袁 需要进行采样的电流将在外电路被转换 换口以进行电流采样遥 为小电阻Rac 两端的电压并被输入到CPU的A/D转 并通过电阻Rac对电流进行检测遥 当需要进行电流
图3 校正结果波形分析

图4

校正结果谐波分析

符合变频空调等家电设备的使用要求袁 有效的降 低了元器件要求袁 提高了系统稳定性遥

4

结束语
本文在分析了传统PFC的基础上袁 提出了一

种新的应用于变频空调产品中的PFC控制方案袁 并进一步对该方案进行了仿真及试验分析袁 结果 证明袁 在电流高峰时关断开关器件的新型功率因 数校正方法可有效降低对开关器件的要求袁 减少 系统损耗袁 其校正后的PF值达到了0.95以上遥
参考文献 [1] [2] [3] [4] 周志敏,等.开关电源功率因数校正电路设计与应用 吴卫民. 一种实用新型单相PFC电路控制方法的分析 [J]. 电力电子技术,2005,36(2):32-35. 标准出版社袁1994. GB/T14549原93,电能质量公用电网谐波[S].北京院中国 穆斯塔法 克契卡兹,等.单相Boost功率因数校正电路 窑 的参数设计[J].电力电子技术袁1998袁(4):37-42. [M].北京院人民邮电出版社袁2004.

3

试验结果
经过该功率因数校正电路的PWM斩波控制

后袁 电路中的输入电流基本能够跟随交流输入电 压的变化袁 且高次谐波得到了有效抑制遥 图3所 示为采用本文所述新型平均电流控制的boost型电 路进行功率因数校正试验的波形图袁 由图可见袁 校正后的波形比校正前更接近正弦波遥 图4所示 为对校正结果的谐波分析图袁 由图4可知袁 采用 本文的设计方式后袁 PF值可以达到0.95以上袁 且 高次谐波均不超过国家谐波标准袁 控制结果完全

www.ChinaECD.net

2007.3

51

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

基于FPGA的16QAM调制器设计与实现
(西安电子科技大学宽带无线通信实验室袁 陕西 西安 710071) 摘 实现16QAM数字调制系统的设计方法遥 该系统在QUARTUS II环境下袁 利用Verilog HDL语言 CYCLONE系列可编程芯片EP1C6Q240C8来实现整个设计袁 并在PCB板上进行了各功能验证遥 关键词院 16QAM调制曰 FPGA曰 差分编码曰 成型滤波器 要院 简要介绍了星型16QAM调制原理袁 重点介绍了如何用大规模可编程逻辑器件FPGA

戴振袁 李维英袁 蔡峰

0

引言
为了满足现代通信系统对传输速率和带宽提

化为IQ两路并行数据流袁 该并行数据流的宽度为 4 bit袁 其中高位的1 bit映射到内外圆袁 低位的3 bit映射到内 (外) 圆上袁 这样就形成如图2所示的 星型星座图遥 差分编码后的数据经过成型滤波器 后和相互正交的正弦或余弦载波进行调制袁 被调 制后的IQ路正交信号再进行矢量相加袁 即可形成 调制信号输出遥

出的新要求遥 人们不断地推出一些新的数字调制 tude modulation and demodulation) 就是一种高效 解调技术遥 正交幅度调制解调 (quadrature ampli鄄

的数字调制解调方式遥 与其它调制技术相比袁 这 种调制解调技术能充分利用带宽袁 且具有抗噪声 能力强等优点遥 因而在中尧 大容量数字微波通信 系统尧 有线电视网络高速数据传输尧 卫星通信等 领域得到广泛应用遥

1

16QAM调制原理
一般情况下袁 正交振幅调制的表达式为院 S(t)=A mcos棕ct+Bmsin棕ct袁0臆t约Tb (1)

图1

16QAM原理框图

故称这种方式为正交振幅调制遥 Tb 是码元宽度袁 m越1尧 2尧 噎尧 M (M为A m和Bm的电平数)遥 16QAM中的振幅A m和Bm可以表示成院

个载波被一组离散的振幅 {A m}尧

在式 (1) 的两个相互正交的载波分量中袁 每 {Bm} 所调制袁
图2 16QAM星座图

式中袁 A 是固定振幅袁 号确定遥



A m=dm A Bm=c m A

2

16QAM调制器的FPGA实现
16QAM调制器可在ALTERA公司的CYCLONE

(2) (dm袁 c m) 可由输入信

系列芯片EP1C6Q240C8上实现袁 EDA工具是与之 配套的QUARTUS II 4.2软件遥 在设计中袁 底层设 计可使用Verilog HDL语言来实现袁 顶层设计则采 用原理图方式实现袁 其顶层设计图如图3所示遥 2.1 时钟分频模块 时钟分频模块FD利用N分频器对2 MHz系统

号空间中的坐标点遥 16QAM正交振幅调制系统组 成框图如图1所示遥 基带信号经过串并变换后转

(dm袁 c m) 则可决定已调QAM信号在信

收稿日期院2006-09-05

时钟信号进行N分频袁 以产生调制器模块所需的
2007.3 www.ChinaECD.net

52

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

设计参考

Vol.9 No.3 Mar. 2007

图3

工作时钟遥 N分频器是由模N/2计数器实现的袁 分 1的时钟信号遥 由于信号源产生的基带信号为16 频输出信号模N/2可自动取反袁 以产生占空比为1: bit并行数据袁 其速率为32 kbps袁 经并串转换后的 采用了16分频器和64分频器遥 同时还设计了2分 频器袁 三个分频器可分别产生1 MHz时钟尧 128

16QAM调制器的顶层设计图

位差 (即相对相位)遥 这些比特数据与相位差的关 系如表1所列遥
表1
低三位比特 000 001 011 111

编码与信号点的映射关系
低三位比特 101 当前码元的 相位增量 5仔/4 3仔/2 7仔/4 仔

4 bit并行数据速率为128 kbps袁 所以袁 本设计还 kHz时钟和32 kHz时钟遥 2.2 并串转换模块

当前码元的 相位增量 仔/4 3仔/4 仔/2 0

100 110 010

并串转换模块PS可通过4级锁位寄存器来实 现遥 并行16位的输入数据按照并行4位的格式串 行输入到差分编码模块遥 2.3 差分编码模块 差分编码模块DC在调制器中的作用是通过 编码和信号映射把二进制比特数据转换为具有幅 度和相位特性的数据袁 然后把这些数据送到后面 的模块中进行调制遥 根据星型16-QAM星座图的特点袁 这里规定 每个码元由四个比特组成遥 其差分编码规则[1]是院 每个码元的第一个比特通过差分方式来改变QAM 的振幅遥 如输入的该比特为 野1冶袁 则将当前码元 相量 (即图1中从坐标原点指向每个信号的矢量) 的相量振幅改变到与前一个码元的相量振幅不相 同的振幅环上遥 若输入的该比特为 野0冶袁 则使当 前码元的相量振幅与前一码元相同遥 每个码元中 的其余三个比特则通过Gray差分相位编码的方法 来改变信号的相位遥 也就是说袁 通过Gray编码来 改变当前码元信号相量与前一码元信号相量的相

三个比特的编码则可得到当前码元的相对相位遥 把前一码元的绝对相位加上当前码元的相对相 噎7冤遥 这样袁 就可以得到第k个码元经过差分编 码后的输出脉冲值A ie
j兹i

码来得到码元的振幅 (A i袁 i=1,2冤袁 而通过对剩余

根据上述规则袁 即可通过对第一个比特的编

位袁 就可以得到当前码元的绝对相位 (兹i袁 i=0,1

(兹i) Q支路的输出值A isin (兹i)冤遥

渊I支路的输出值为袁 A icos

在FPGA实现差分编码的模块中袁 比特数据

经过编码可得到振幅值和相位值遥 然后利用上述 两个值作为地址袁 并通过查ROM表的方法就可得 到输出脉冲值遥 因为与直接法相比袁 用查表法进 行设计不涉及正余弦运算袁 也不需要进行乘法运 算袁 因而程序执行速度快遥 同时袁 由于需要存储 的脉冲值只有16种袁 所以不会占用FPGA太多的 资源遥 2.4 内插模块 差分编码模块的输出数据速率是128 kbps袁

而在实现DDS的器件AD9857中设定的输入数据速 率是1Mbps袁 为了使两者速率匹配袁 设计时可采
www.ChinaECD.net 2007.3

53

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

用内插方法来实现遥 内插模块IS的设计可采用最简单的实现方 法袁 即在数据之间插零遥 零的个数N由内插前后 数据的速率决定袁 本设计中N越7遥 内插模块可通 过数据锁存器和计数器来实现遥 2.5 成型滤波模块

码间干扰和带外辐射增大遥 为了减小其对信号解 调的影响袁 设计中应加入成型滤波模块遥 在该模块设计中袁 滤波器的抽头系数可根据 滤波器的冲击响应公式[1]并通过Matlab仿真求得遥 仿真参数设定为院 滚降因子琢越0.35袁 滤波器长度 N越51袁 一个符号周期内点的个数M越8遥 滤波器的 实现可采用并行结构袁 每阶都有自己的乘法器袁 用于接收输入数据袁 并将其与抽头系数相乘遥 2.6 载波正交变换

内插模块IS的设计采用 野插零冶 处理会导致

图4 16-QAM波形图

换并不是在FPGA中实现的袁 而是采用数字上变 36.864 MHz袁 经过内插滤波后袁 该输出信号频率 可达百兆赫兹以上袁 这样的频率会使FPGA无法 稳定工作遥 为此袁 本设计采用了专用DDS芯片 AD9857来保证FPGA能够正常稳定的工作遥 频 器 代 替遥 这 是 因 为 调 制 系 统 的 中 频 载 波 为

本设计中袁 16-QAM调制器中的载波正交变

图5 16-QAM频谱图

代数字通信与EDA技术相结合的一个典型应用袁 这种电子设计的自动化方法也必将在数字通信领 域得到广泛的应用遥
参考文献 [1] [2] [3] [4] 郭梯云袁杨家玮袁李建东. 数字移动通信[M].北京院人 民邮电出版社袁2001袁198原199. 生,译.北京院清华大学出版社袁2003.1. [J]袁通信技术袁2003,(11). [美]贝斯.数字信号处理的FPGA实现[M]. 刘凌袁胡永

3

硬件测试
本设计的测试结果如图4和图5所示遥 从图4

常力袁杨育红,等.16QAM通信系统的Matlab仿真实现 Klymyshyn, D.M袁Haluzan袁D.T袁FPGA implementation of Volume 38袁Issue 10袁9 May 2002.

可看出院 在系统码元之间袁 相位跳变分明袁 所得 到的波形就是实际的调制波形遥 图5为信号频谱 图袁 纵坐标每格10 dB袁 横坐标每格300 kHz袁 信 宽大约为200 kHz袁 能完全满足预期设计要求遥

multiplierless M -QAM modulator袁ElectronicsLetters袁

号带外衰减大于30 dB遥 由图5可知袁 该系统的带

本文涉及主要器件联系方式如下院 器件院 EP1C6Q240C8 ALTERA公司

4

结束语
多进制正交振幅调制由于具有很高的频谱利

上海代表处院 021-61461700 器件院 AD9857 ADI公司

用率袁 而被广泛应用在中尧 大容量数字微波通信 系统的载波键控方式之中遥 特别是当MQAM在未 来4G移动通信采样以OFDM为主导技术的基带调 制中袁 它将成为实现大容量的重要调制技术遥 本 文利用EDA技术来实现16QAM调制器的设计是现 54
2007.3 www.ChinaECD.net

深圳代表处院 0755-26806200

上海代表处院 021-51503000 北京代表处院 010-82782727

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

技术前沿

Vol.9 No.3 Mar. 2007

RFID安全机制研究*
(1. 解放军通信指挥学院袁 湖北 武汉 430010曰 2. 沈阳军区网管中心袁 辽宁 沈阳 430074冤 摘 要院 为了应对射频标签在计算速度尧 通信能力和存储空间方面给RFID系统安全方案设计 提出的诸多挑战袁 文中针对RFID系统所面临的安全攻击和安全风险袁 提出了相互对称和利用 导出密钥的认证方案袁 并对流密码进行了研究袁 最后给出了一种有效的RFID流密码生成和加 密方案遥 关键词院 射频识别 (RFID)曰 密钥认证曰 流密码曰 消息加密

郎为民1 袁 刘德敏2 袁 李建军1

0

引言
在未来的信息化战争中袁 随着战场物资消耗

失遥 另外袁 不具有可靠信息安全机制的射频标 签袁 还存在着易向邻近的读写器泄漏敏感信息尧 全性不能得到充分保证袁 RFID系统中的军事秘 密尧 商业机密和个人信息袁 都可能被不法分子盗 窃和利用袁 这势必会严重影响到军事安全尧 经济 安全和国家安全遥 为此袁 本文全面描述了RFID技术所面临的安 全攻击和安全风险袁 分析了两种RFID认证方案袁 给出了RFID加密方案遥 易被干扰和易被跟踪等安全隐患遥 如果RFID的安

剧增袁 军事物流保障的任务更加繁重袁 责任更加 重大遥 军事物流活动的结果将直接影响着战争的 胜负遥 信息化的战场环境要求军事物流必须在准 确的时间与地点向作战部队提供数量适当的军用 物资遥 随着大规模集成电路技术的进步以及生产 规模的不断扩大袁 射频识别产品的成本将不断降 低袁 RFID应用也将越来越广泛遥 目前袁 RFID技 术已逐渐成为提高军事物流管理水平尧 增强部队 战斗力不可缺少的技术手段和工具遥 应用RFID技 术能够实现军事物流信息准确尧 可靠尧 快速尧 高 效的传输尧 采集尧 处理和交换袁 并对物资保障的 全过程实施实时追踪和指挥控制袁 以建立精确型 物资保障决策的科学化和快速化尧 提高战场物资 保障效率和效益的有效手段遥 由于最初的RFID应用设计和开发过程中没有 考虑安全问题袁 故导致现在的安全问题日益严 峻袁 并已经成为制约RFID应用的重要因素遥 没有 可靠的信息安全机制袁 就无法有效地保护射频标 签中的数据信息袁 如果标签中的信息被窃取甚至 被恶意篡改袁 将给物流保障带来无法估量的损 战场物资保障系统遥 因此袁 RFID技术是实现军事

1
1.1

安全攻击与安全风险
安全攻击 针对RFID的主要安全攻击可简单地分为主动

攻击和被动攻击两种类型遥 主动攻击一是从获得 的射频标签实体中袁 通过物理手段在实验室环境 中去除芯片封装袁 使用微探针获取敏感信号袁 从 而进行射频标签重构的复杂攻击曰 二是通过软 件袁 利用微处理器的通用通信接口袁 并通过扫描 射频标签和响应读写器袁 来寻求安全协议和加密 算法存在的漏洞袁 进而删除射频标签内容或篡改 可重写射频标签的内容曰 三是通过干扰广播尧 阻 塞信道或其它手段来构建异常的应用环境袁 以使 合法处理器发生故障袁 而拒绝服务的攻击等遥 被动攻击主要包括两种院 一是通过窃听技术 分析微处理器正常工作过程中所产生的各种电磁
www.ChinaECD.net 2007.3

收稿日期院2006-11-14 * 基金项目院国家自然科学基金资助项目(60202005)

55

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

等窃听设备跟踪商品流通动态等遥 1.2 安全风险

RFID通信设备之间的通信数据曰 二是通过读写器
图1 标签和读写器的互相认证过程

特征袁 从而获得射频标签和读写器之间或其他

有安全机制的射频标签会向邻近的读写器泄漏标 签内容和一些敏感信息遥 由于缺乏支持点对点加 密和PKI密钥交换的功能袁 在RFID系统应用过程 中袁 恶意攻击者可能会发现并篡改射频标签上的 数据遥 第二个安全风险是 野位置保密冶 或跟踪遥 同

RFID系统中最主要的安全风险是保密性遥 没

令冶 的命令结标签开始遥 之后将在标签中产生一 机数R B遥 这样袁 使用共同的密钥K和共同的密码 算法Ek袁 读写器会算出一个加密的数据块 (令牌 后由系统将此数据块发送给标签遥 令牌1=Ek (R A1袁 R B袁 IDA袁 明文1) 1)遥 该块包含两个随机数及附加的控制数据袁 然 随机数R A1袁 并回送给读写器遥 读写器则产生一随

个人携带物品的商标可能泄漏个人身份一样袁 个 人携带物品的射频标签也可能会泄漏个人身份袁 因为通过读写器就能跟踪携带同系列不安全射频 标签的个人遥 一些情报人员就是通过跟踪系列不 安全的标签来获得有用的物流信息遥 物流系统中袁 RFID系统的一个优点是自动结算袁 如果攻击者能通过某种方式隐藏射频标签袁 使读 写器无法发现该射频标签袁 就能成功将物品私自 转移遥 另外袁 不法分子和恶意攻击者还可以利用 伪造标签来代替实际物品以欺骗货架袁 使工作人 员误认为物品还在货架上遥 此外袁 不法分子也可 能通过重写合法射频标签的内容袁 即用低价物品 标签的内容替换高价物品标签的内容袁 从而用低 价结算的方法来获取非法利益遥 点院 第三个安全风险是拒绝服务和标签伪造遥 在

在标签中袁 收到的令牌1将被译码袁 并将从 明码报文中取得的随机数R忆 A 与原先发送的随机 数R A1相比较遥 如果两数一致袁 则射频标签可确认 两个公有的密钥是一致的袁 此后袁 标签中将另行 (令牌2)袁 其中也包含有R B和控制数据遥 令牌2再 由标签发送给读写器遥 令牌2=Ek (R A2袁 R B袁 IDA袁 明文2) 产生一个随机数R A2袁 并用以算出一加密的数据块

与刚收到的R忆 B 是否一致遥 如果两随机数一致袁 是袁 标签和读写器均已查实属于共同的系统袁 双 方便可认为进一步的通信是合法的遥 综上所述袁 相互对称的认证法具有如下优 (1) 密钥从不经空间传输袁 而只传输加密的 (2) 总是两个随机数同时加密袁 从而排除了

读写器将令牌2译码后袁 检查原先发送的R B

则读写器也证明了两个共有的密钥是一致的遥 于

2

RFID认证方案
读写器和标签之间的相互认证是建立在国际

随机数曰

2.1 相互对称认证方式 标准ISO 9798-2 野三通相互认证冶 的基础上的遥

为计算密钥用R A执行逆变换以获取令牌1的可能 性曰 (3) 可以使用任意算法对令牌加密袁 通过严

即双方在通信中互相检验另一方的密钥遥 在这个 一部分袁 具有相同的密钥K (对称加密过程)遥 当 某个标签首先进入读写器的识别范围时袁 它无法 写器来看袁 需要防止伪造数据的假冒曰 另一方 面袁 标签同样需要防止未经授权的数据读取或重 写遥 其相互认证的过程如图1所示遥 互相认证的过程是从读写器发送 野查询口
2007.3 www.ChinaECD.net

过程中袁 所有标签和读写器均构成了某项应用的

格使用来自标签和读写器的随机数袁 能够有效地 防止重放攻击曰 (4) 从产生的随 机数可以算出随机 的密钥 利用导出密钥的认证 相互对称的认证方法也存在一个缺点袁 即所 有属于同一应用的标签都是用相同的密钥K来保 护遥 这种情况对于具有大量标签 (如在公共短途

断定参与通信的对方是否属于同一个应用遥 从读

2.2

渊会话密钥冤袁 以便加密保护后续传输的数据遥

56

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

技术前沿

Vol.9 No.3 Mar. 2007

交通网的票务系统中使用着数百万个标签) 的应 用来说袁 是一种潜在的危险遥 为此袁 需要对相互 对称的认证过程进行改进袁 改进的主要方法是对 每个射频标签使用不同的密钥来保护袁 并在标签 生产过程中读出其序列号袁 然后使用加密算法和 初始化过程遥 这样袁 每个射频标签都拥有了一个 与自己识别号和主控密钥K相关的密钥袁 图2所示 是其认证原理遥 主控密钥K计算 (导出) 密钥K i袁 从而完成标签的

击袁 可用明文在传输前进行加密袁 以使隐藏的攻 击者不能推断出信息的真实内容遥 即通过使用密钥K 1和加密算法对传输数据 (明文) 进行处理袁 以得到密文遥 任何对加密算法和加密 密钥K 1不了解的攻击者都无法破解密文以获得明 加密的数据传输总是按相同的模式进行的袁

文袁 即无法从密文中重现传输信息的真实内容遥 密文恢复成明文遥

而在接收端袁 则可使用解密密钥K 2和解密算法将 根据所使用的加密密钥K 1和解密密钥K 2 是否

相同袁 可以将加密体制分为对称密钥体制和公钥 密钥体制遥 对射频识别系统来说袁 最常用的算法 是对称算法遥 如果每个符号在传输前单独加密袁 则这种方法称为序列密码 (也称流密码)曰 相反袁 如果将多个符号划分为一组进行加密袁 则称其为
图2 利用导出密钥的认证

分组密码遥 通常分组密码的计算强度很大袁 因而 分组密码在射频识别系统中用得较少遥 本节主要 研究流密码袁 流密码的工作原理如图4所示遥

利用导出密钥的相互认证袁 首先应采用读写 器查询射频标签的ID识别号袁 然后用读写器通过 安全认证模块 (SAM)袁 使用主控密钥K计算出标 签的专用密钥袁 以启动认证过程遥 通常使用具有 加密处理器的接触式IC卡作为SAM模块袁 这意味 着袁 所存的主控密钥是绝对不能读出的遥

图4 流密码加密原理

3

RFID加密方案
数据在传输时袁 有时可能会因为受到物理影

3.2

流密码的产生 在数据流密码中袁 每一步都要用不同的函数

响而面临某种干扰袁 并可以用这种模型扩展一个 隐藏的攻击者遥 攻击者的类型可以分为两种袁 即 试图窃听数据和试图修改数据袁 图3所示是其攻 击者的类型示意图遥

来把明文的字符序列变换为密码序列的加密算 法遥 为了克服密钥的产生和分配问题袁 系统应按 照图5所示的 野一次插入冶 原则创建流密码遥 同 时袁 系统应使用所谓的伪随机数序列来取代真正 的随机序列袁 伪随机序列可由伪随机数发生器产 生遥 由二进制存储单元 (即所谓的触发器) 组成遥 使 伪随机数发生器是由状态自动机产生的袁 它

图3

攻击者类型

其中攻击者1的行为表现是被动的袁 它试图 通过窃听传输线路来获取秘密从而达到非法目 的遥 攻击者2则处于主动状态袁 它能操纵数据传 输并为了个人利益而修改数据遥 3.1 流密码加密 加密过程可以用来防止主动攻击和被动攻
图5 www.ChinaECD.net 野一次插入冶 密钥 2007.3

57

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

用伪随机发生器产生流密码的基本原理如图6所 示遥 由于流密码的加密函数可以随着每个符号随 号袁 而且还依赖于附加的特性 (即内部的状态 机地改变袁 因而此函数不仅依赖于当前输入的符

M)遥 内部状态M在每一加密步骤后都会随状态变 和g (K) 构成遥 密文的安全性主要取决于内部状 态M的数量和状态变换函数g (K) 的复杂性遥 对 流密码的研究袁 主要是对伪随机数发生器的研 究遥 另一方面袁 加密函数f (K) 本身通常是很简 单的袁 仅包括加法或 野XOR冶 逻辑门而已遥

换函数g (K) 而改变遥 伪随机数发生器由部件M

图7

由LFSR组成的伪随机数发生器线路

后触发器的内容即为输出遥

4

结束语
目前袁 RFID系统已经广泛地应用于军事物

流尧 仓储管理尧 商品零售尧 工业制造尧 交通运 输尧 动物识别和防伪鉴别等领域袁 但有关RFID系 统安全问题的研究还处于起步阶段遥 目前仍然存 在着标准统一尧 安全方案与技术方案的融合以及 隐私性等问题遥 为此袁 本文针对RFID面临的安全 攻击和安全风险袁 给出了两种高效的RFID认证方 案和一种流密码加密方案遥

图6

使用伪随机发生器产生流密码的基本原理 [1] [2]

参考文献 郎为民. 射频识别(RFID)技术原理与应用[M].北京: 机 De Vita, Iannaccone G. Design Criteria for the RF Sec鄄 IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech鄄 [3] niques,2005,53(9):2978-2990. 械工业出版社, 2006.

由线性反馈移位寄存器组成的伪随机数发生 状态自动机实现的袁 它由二进制存储单元 (即所 器的基本线路如图7所示遥 伪随机数发生器是由

谓的触发器) 组成遥 如果一个状态自动机具有n 个存储单元袁 则它可取2n 个不同的内部状态M遥 状态变换函数g (K) 可表示为组合逻辑遥 如果仅

tion of UHF and Microwave Passive RFID Transponders.

限于使用线性反馈移位寄存器 (LFSR)袁 则可大 大简化伪随机数发生器的研制复杂性遥 移位寄存 器由触发器串联 (输出n与输入n垣1相连接) 组成袁 所有的时钟输入都是并联在一起的遥 对每一个时 钟脉冲来说袁 触发器随时钟脉冲均前移一位袁 最

Overview of Problems and Proposed Solutions. IEEE Security & Privacy Magazine, 2005,3(3):34-43. Heiko Knospe, Hartmut Pobl. RFID Security. IEEE Se鄄

Garfinkel S L, Juels A, Pappu R. RFID Privacy: an

[4]

curity & Privacy Magazine, November-December 2005, 2 (6): 20-32.

肖特公司推出新型光束成形器
通常激光器产生的光点都必须采用透镜和反 射镜等光学仪器进行调节才能使其达到理想的圆 型形状和均匀分布遥 以满足激光手术刀医生和利 用激光进行DVD光盘刻录的制造商的需要遥 然 而袁 上述调节过程极其复杂袁 难度极高遥 为此袁 肖特公司成功研发出了一种新型光束成形器袁 这 种新型光束成形器可以简单有效地将单个激光二 极管或激光二极管阵列产生的发散光换成为截面 58
2007.3 www.ChinaECD.net

为圆形的光束袁 并且令光波均匀分布遥 出功率高达1 W的单个激光二极管曰 另一种适用 这款光束成形器有两个版本遥 一种适用于输

于总输出功率为几十瓦特的激光二极管阵列袁 但 这种光束形成器需要配备一个与激光二极管阵列 相匹配的浆状末端插件遥 这两款器件均呈圆柱 形袁 其输出光束利用率高达90%袁 而且坚固耐 用袁 耐热度高达350益袁 并能抵抗多种化学侵蚀遥

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

技术前沿

Vol.9 No.3 Mar. 2007

混沌跳频序列的设计及其性能检验*
(西安电子科技大学通信工程学院袁 陕西 西安 710071) 摘 要院 利用混沌序列产生跳频图案的方法给出了一种基于非线性数字滤波器结构的混沌跳 频序列发生器的设计方案袁 并对产生的混沌跳频序列进行了宽间隔处理袁 最后对其产生的序 列进行仿真性能验证遥 关键词院 混沌序列袁 跳频袁 非线性袁 宽间隔曰 非线性数字滤波器

王亚东袁 张辉袁 高帆

0

引言
跳频通信一般是通过伪随机序列来控制载波

理论依据遥

频率的跳变以实现频谱的扩展袁 该方法具有抗干 扰尧 抗衰落尧 多址性能好等优点袁 故在多址通信 系统和军事通信中得到了广泛的应用袁 这也正是 现代战术无线电通信几乎全部采用跳频的原因遥 跳频序列的设计是跳频通信的关键技术之一遥 现 有的跳频序列一般是由有限域或同余理论构造 的袁 但存在复杂度低尧 保密性差等缺点袁 已经不 能适应战术电台的要求遥 随着非线性和混沌理论的日益成熟袁 混沌在 通信领域的应用已经引起了比较广泛的关注袁 特 别是在保密通信与扩频通信方面遥 混沌序列由于 具有随机性能好尧 保密性能高等优点袁 可以很好 地应用于跳频通信遥 混沌跳频序列的性能评估是 统计意义上的袁 与具有确定性最佳汉明相关的传 统跳频序列相比袁 混沌跳频序列的周期汉明相关 略大遥 但是袁 在实际的军用跳频系统中袁 为了达 到抗干扰的目的袁 序列的周期一般极长 (其周期 常以年计)袁 一次通信过程一般只使用序列的一 小段袁 所以袁 系统性能实际上是序列的局部性 能遥 如果比较传统跳频序列和混沌跳频序列的局 部性能袁 可以发现二者是非常接近的袁 它们都呈 现一种随机的性质袁 即采用混沌跳频序列不会降 低系统的性能袁 这就是我们研究混沌跳频序列的
收稿日期院2006-09-05 * 基金项目院国家武器装备预研基金资助项目 (514730201050103)

1

宽间隔混沌序列的产生
混沌序列的产生主要有两类院 一类是利用微

分方程表示的混沌系统来产生时间连续的混沌信 号遥 该系统通常由模拟电路来实现袁 实现过程较 困难遥 另一类是利用迭代方程 (映射) 或非线性 数字滤波器结构表示的混沌系统袁 来产生时间离 散的混沌序列袁 该系统由数字电路实现袁 因而更 适合在通信中应用遥 本文提出的混沌跳频序列的设计方案是基于 非线性数字滤波器结构的混沌跳频序列发生器袁 并使用对偶频带法进行宽间隔处理来实现的袁 图 1所示是其生成过程遥

图1

基于非线性数字滤波器结构的 混沌跳频序列生成过程

1.1

混沌序列的产生 自从有人提出非线性数字滤波器结构可以产

生准混沌行为以来袁 用非线性数字滤波器产生混

沌序列的研究引起了人们的关注遥 Lin和Chua认 为院 在此结构中袁 当运算精度足够大时袁 与无限 精度混沌系统已无法区分遥 他们还讨论了在整数 运算下的混沌特性遥 由于非线性数字滤波器结构 属于高维混沌系统袁 较单峰混沌映射复杂袁 安全 性好袁 且便于DSP和FPGA等数字硬件实现袁 因此 本方案提出了一种基于此方案的混沌跳频序列发
www.ChinaECD.net 2007.3

59

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

Electronic Component & Device Applications

Vol.9 No.3 Mar. 2007

生器遥 非线性数字滤波器结构在一定的参数和初始 条件下可以产生具有准混沌特性的序列遥 在灶维 非线性数字滤波器的基本结构中采用某些特殊函 混沌跳频发生器的结构图如图2所示遥 数 (如二进制补码溢出函数) 来实现m序列加扰

据实际情况加以选择遥

列多项式暂选为x19+x5 +x2 +x+1袁 具体实现时可根 基于混沌序列的相关性能得到的跳频序列数

目理论上可达到27个遥 线性复杂度大致是序列长 度的一半遥 1.2 非线性处理 m序列的扰动阶数r应满足院 r逸max 嗓 log Cj 瑟 (3)

即以m序列发生器的r (=7) 个相邻级与某个r (=7)
r-1 i=0 i

在这里可选择r=7袁 扰动结构采用L-G模型袁

重逐项模p (=2) 相加后袁 做 移 b (i) 2 运算以得 列袁 从而得到27个不同的混沌序列遥 实际上也可
图2 基于非线性滤波器的m序列加扰混沌跳频发生器

到P 渊t冤遥 通过改变这r重可得到27 个不同的m序

选择用户地址码输入遥 m序列移位寄存器的初始 其要求是在提取的7位混沌跳频码中袁 保证二者 不完全相同遥 1.3 宽间隔处理 设计宽间隔跳频序列的主要方法有
[2]

值得注意的是袁 非线性数字滤波器结构存在 准混沌行为袁 当系统以有限精度实现时袁 总会存 在一些短周期行为袁 这将影响产生的混沌序列的 性能遥 采用皂序列扰动的方法来克服混沌系统的 有限精度效应袁 是目前最有效的方法遥 本方案在 方法袁 这样袁 经过控制加扰后的滤波器所产生的 取为2袁 3袁 5袁 7袁 13袁 17袁 19袁 31袁 61袁 89,噎
8

值可任意确定遥 另外袁 还需确定S (-1) 和S (-2)袁

硬件设计时采用扰动皂序列的周期2 -1取素数的
m

间频带法尧 对偶频带法尧 随机平移替代法尧 生成 序列圆构造法尧 基于素数序列族构造法等遥 综合 上述各种方法的优缺点袁 设计时可采用修正的对 偶频带法对序列进行宽间隔处理遥 (p) 上使用p r个频率的跳频序列进行宽间隔处理遥 (j)}袁 用频带F2上的一序列{W 忆u(j)}来与之对应袁 即: W忆u (j) =W u (j) +p r (4) 修正的对偶频带法是基于对偶频带法来对GF

院 去中

跳频序列的周期就不会小于皂序列的周期袁 皂可 若选择q=2 袁 那么袁 采用对偶频带法进行宽

间隔处理时袁 取混沌信号s (t) 的低七位即可遥 其 设计可分为两步院 第一步根据测度熵原则选择合 适的滤波器系数袁 实际上可考虑二阶滤波器遥 第二个左循环R 袁
n 7 OL i=1

构造方 法是 对频 带F1 上存 在的 一跳 频 序列 {W u 即先按照 {W u (j)} 的变化规律在频带F1上跳

根据h=J+I (I=0袁 1噎)袁 可选择h=7袁 以得到 h=log仪 酌j =log Cn Cj = (-1)
j-1

由 (1) 式选择酌1,2=-8袁 16袁 则院
k 1约...约k j

(1) (2)

变袁 当遇到不满足宽间隔要求的频率时袁 就改跳 到频带F2上袁 再在F2上按照 {W 忆u (j)} 的变化规律 继续跳变, 当遇到不满足宽间隔要求的频率时, 又 序列长度相等时袁 所构造的新的宽间隔跳频序列 也就完成了遥 实验证明袁 修正的对偶频带法几乎 不影响序列的均匀性遥 跳回到频带F1上遥 这样袁 当产生的序列长度与原

便可确定二阶非线性滤波器的系数遥

由 (2) 式即可确定第一个左循环R OL3遥 这样

移 酌k 噎酌k
1

j

第二步根据实际情况选择m序列的周期以保 证混沌序列的周期袁 具体周期的确定要根据仿真 而定袁 看多长周期的码字更符合指标要求遥 m序 60
2007.3 www.ChinaECD.net

2

混沌跳频序列的性能检验
混沌跳频序列的性能通常用非周期性尧 初值

http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://bbs.elecfans.com 电子技术论坛

第9卷 第3期 2007年3月

技术前沿

Vol.9 No.3 Mar. 2007

敏感性尧 汉明周期相关等几个指标来衡量遥 2.1 非周期性

映射关系遥 该图清楚地表明了混沌映射的非稳态 长时间的观察期内)袁 混沌序列 {x (n)} 也将表现 出非周期性遥 性曰 同时袁 该图也表明了即使在n很大时 (即在

图3给出了离散的n值与混沌序列 {x (n)} 的

最大旁瓣与零处自相关值的比值以及互相关最大 主峰 (零处自相关值)袁 R amax为自相关最大旁瓣袁

比率R amax/R (0) 与R cmax/R (0) 来表征袁 即自相关

在跳频通信中袁 跳频序列的相关特性可以用

值与零处自相关值的比值遥 其中R (0) 为自相关 R cmax 为最大互相关遥 R amax/R (0) 可以决定某一指 通信系统中袁 R cmax/R (0) 能够决定某一指定跳频 序列的检测性能遥 为了获得优良的抗多径干扰的 (0) 尽可能地大袁 即要求R amax/R (0) 或R cmax/R (0) (1) 归一化周期汉明互相关
L-1 j=0

定跳频序列的抗多径干扰能力遥 在多用户 (多址) 检测性能袁 设计时要求R amax尧 R cmax尽可能地小袁 R

要尽可能地小遥

归一化周期汉明互相关可用下式表示院 H XY(子)= 1 L 且院

式中袁 x (j)袁 y(j+子)缀A 袁(j+子)按(j+子)modL理解袁

移h 蓘 x(j),y(j+子) 蓡 ,0约子臆L-1

(5)

图3

混沌序列的非周期性

2.2 初值的敏

相关文档

更多相关文档

单相电能计量芯片MCP3906及其应用
锐能微单相多功能电能计量芯片
单相多功能电能计量芯片FAQ-ATT7053
电子元器件应用-基于ADE7753的单相多功能电能表设计
电能计量芯片CS5460A的应用研究
电子元器件应用-表面贴装集成电路
电能计量芯片ADE7758的应用
三相电能计量芯片ATT7026及应用
新型电能计量芯片CS5463及其应用
单相计量芯片CS5460A在三相防窃电表中的应用
电能计量芯片汇总
CS5464电能计量芯片 中文版
电能计量芯片CS5460及其应用
电能计量芯片组AT73C500和AT73C501及其应用
单相多功能电能计量芯片
电脑版