時間：2023-10-10 16:08:37
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電路設計開發流程，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
關鍵詞：單片機;創新教學;模擬豆漿機;實際項目驅動
單片機課程是電子、電氣自動化等高校專業的基礎課程，對于現如今發展迅速的自動化、智能化起著很重要的作用，同時，又滲透到如今各個方面，如現在的智能家居也離不開單片機的發展。為了學生以后的就業及專業技術的發展，學好單片機顯得尤為重要。但現在高校中普遍存在學生學習編程吃力，動手能力弱，具體項目接觸少，然后課余時間想學習沒法學習的狀況。這種傳統的教學模式挫傷了學生學習的積極性，不靈活的教學方式激發不了學生的學習興趣。
本文通過多年的單片機課程教學，結合職業學校學生的特點，靈活的改變的傳統理論教學，融合多種方式，最大限度的激發學生興趣和最大限度的利用學生的時間，通過模擬實際項目的過程來驅動單片機教學，改變了傳統的教學模式，激發了學生的學習興趣，能夠真正的學到知識。本次以模擬豆漿機為例。
一、項目總體設計
（一）系統功能介紹：模擬豆漿機有純豆漿和五谷雜糧兩種工作模式，每種工作模式下工作流程如下：
（1）純豆漿加工流程：
（2）五谷雜糧加工流程：
圖1 項目功能流程圖
學生通過項目功能流程圖來了解項目實現功能，做電路設計，我們采用單片機來控制，選擇AT89S51單片機來實現控制。
（二）電路設計：
通過功能選擇電路所用的芯片及電路設計。
單片機選擇AT89S51，熱敏電阻根據國標規定，額定零功率電阻值是 NTC 熱敏電阻在基準溫度 25 ℃ 時測得的電阻值
R25，這個電阻值就是NTC 熱敏電阻的標稱電阻值。通常所說 NTC 熱敏電阻多少阻值，亦指該值選擇NTC103。
（三）畫圖制板。設計好電路通過PROTEL 畫圖，制板實現硬件電路。
（四）軟件設計。根據硬件設計以及我們模擬豆漿機的流程以及模擬豆漿機有純豆漿和五谷雜糧兩種工作模式來進行軟件編程實現功能。
實現功能的時候我們需要用到的知識，單片機如何檢測傳感器數據、按鍵控制、以及報警電路實現，還需要定時器計數器如何使用，通過本次項目實施，我們可以學習單片機中的很多重要的知識點。
【關鍵詞】EDA技術；電子系統設計；自頂向下設計方法
EDA技術是計算機技術與電子設計技術相結合的一門嶄新的技術，其涉及面廣，融合了電路系統、計算機應用、微電子等多個學科。應用EDA技術，電子系統設計的全過程都可依靠計算機來完成，大大縮短了電子電路設計的周期，提升了設計效率，滿足了市場需求。因此，分析EDA技術在電子系統設計中的應用，對于基于EDA技術的電子系統設計的長足發展有著非常重要的現實意義。
一、EDA技術簡介
EDA是電子設計自動化（Electronic Design Automation）的英文縮寫。EDA技術作為現代電子技術的核心，它以大規模可編程邏輯器件為設計載體，以硬件描述語言HDL為系統邏輯描述的主要表達方式，以計算機、大規模可編程邏輯器件的開發軟件及實驗開發系統為設計開發工具，對設計文件自動完成邏輯化簡、邏輯編譯、邏輯分割、邏輯綜合、布局布線，以及邏輯優化和仿真測試，直至實現既定的電子系統功能。
二、EDA技術的產生背景與內容
在20世紀后半期，隨著計算機和集成電路的迅速發展，專用集成電路設計難度不斷提升，電子設計周期日益縮短，電子系統設計面臨著嚴峻的考驗。為了解決這一問題，電子設計人員需要新的設計方法和高層次的設計工具，而EDA技術就在這一現實背景下產生了。
EDA技術內容豐富，涉及面廣。但從應用的角度出發，應了解和掌握以下四個方面的內容：（1）、硬件描述語言；（2）、大規模可編程邏輯器件的原理、結構及應用；（3）、EDA工具軟件的使用；（4）、實驗開發系統。在電子系統設計的過程當中，EDA技術的這四個內容依次扮演著表達方式、載體、設計工具、下載及硬件驗證工具。
三、在電子系統設計中EDA技術的應用
1、在電子系統設計中面向CPLD/FPGA的EDA設計流程
完整地了解利用EDA技術進行電子系統設計開發的流程對于正確地選擇和使用EDA軟件，優化設計項目，提高設計效率十分有益。一個完整的EDA設計流程其基本步驟如下：第一，用一定邏輯表達手段將設計表達出來，以進行源程序的編輯和編譯；第二，對設計輸入做邏輯綜合和優化，進而使其生成網表文件；第三，在選定的目標器件中應用適配器件完成邏輯映射操作；第四，用下載電纜或編程器將編程文件載入目標芯片中；最后，要進行硬件仿真和硬件測試，驗證所設計的系統是否符合設計要求。同時在設計過程中要進行有關軟件仿真，模擬有關設計結果與設計構想是否相符。
2、EDA技術與傳統電子設計的比較
（1）傳統電子設計的弊端
傳統電子系統設計方法都是自底向上進行設計的，手工設計占很大比重。設計過程中首先要確定可用的元器件，然后根據這些器件進行邏輯設計，完成各模塊后進行連接，最后形成系統。這種設計方法只是在對電路板進行設計，通過設計電路板把具有固定功能的標準集成電路和元器件規劃在一起，從而實現系統功能，它存在很多缺點，比如：只有在設計出樣機或生產出芯片后才能進行實測；在設計中，如果某處出現錯誤，查找和修改十分不便；設計成果的可移植性較差；設計過程中將產生大量文檔，不易管理；對于復雜電路的設計、調試十分困難等。
（2）現代EDA技術的優越性
采用EDA技術的現代電子產品與傳統電子產品的設計有很大區別。基于EDA技術的設計方法是自頂向下進行的。設計工作從高層開始，采用完全獨立于目標器件芯片物理結構的硬件描述語言，對設計系統進行基本功能或行為級的描述和定義，逐層描述，逐層仿真，在確保設計的可行性與正確性的前提下，完成功能確認。
在電子技術飛速發展的今天，采用EDA技術進行電子系統的設計，具有很多優勢，比如：采用的“自頂向下”設計方法是一種模塊化設計方法，對設計的描述從上到下逐步由粗略到詳細，符合常規的邏輯思維習慣；采用完全獨立于目標器件的硬件描述語言進行設計，因此設計易于在各種集成電路工藝或可編程器件之間移植；由于高層設計同目標器件無關，在設計最初階段，設計人員可以不受芯片結構的約束，集中精力對產品進行最適應市場需求的設計，從而避免了傳統設計方法中的再設計風險，縮短了產品的上市周期；適合多個設計者同時進行設計等。
四、結語
通過論述EDA技術在電子系統設計中的應用，可以看出，EDA技術“自頂向下”的設計理念，使電子設計工程師開始實現“概念驅動工程”的夢想，簡化了繁瑣的設計工作，極大地提高了系統設計的效率，能夠滿足現代電子系統的設計要求。21世紀是EDA技術的發展高速期，相信隨著科學技術水平的不斷進步，在不久的將來，EDA技術必將突破電子設計范疇，進入其他領域，EDA技術設計應用必將取得更輝煌的成績。
參考文獻：
[1] 潘松，黃繼業.EDA技術與VHDL（第3版）[M].北京：清華大學出版社，2009.9.
[2] 王平.EDA技術的電子系統設計[J].中國科技博覽，2011，（38）.
關鍵詞：Atmega128；溫度采集；機器人
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9599 （2012） 21-0000-02
1 總體設計
本項目設計的智能溫度采集機器人，主要任務是對現場環境溫度的實時檢測，并通過無線通信技術把采集到的溫度值傳送回上位機控制室，當現場溫度異常時實時報警，并實現上位機控制、語音控制和遙控器控制三種控制方式，同時通過傳感器技術實現自動避障功能。
傳統的工業控制機器人大多采用，AT89C51作為主控芯片，但由于其I/O數量少和內部存儲空間小和資源有限的局限性，需要外接很多芯片實現功能擴充，這樣設計的電路板電路復雜，調試困難，抗干擾能力差。本系統采用高性能、低功耗的Atmega128單片機為主控芯片，其采用精簡指令集因此有顯著的響應速度優勢。同時集成了大存儲器、多種總線控制器、看門狗等多種器件，還集成了低功耗休眠、中斷系統、輸入捕獲等多種功能。因此將其應用與智能機器人的設計開發更加有利。
本系統包括Atmega128單片機、溫度采集模塊、電機驅動模塊、避障功能模塊、語音控制模塊、無線遙控模塊、及上位機控制等幾個部分。
2 硬件電路設計
電路設計部分包括小汽車主控電路和遙控器電路的設計，基于成本和實際需求考慮，主控電路的主控芯片采用Atmega128單片機，遙控器電路的主控芯片采用Atmega8單片機。
2.1 溫度采集模塊設計。采用溫度采傳感器PSS8050，采集機器人所處環境的溫度。把采集到的模擬信號傳送給單片機，送入到Atmega128單片機自帶的10位精度的A/D轉換器中，進行轉換得到實際的電壓值，并在程序中計算得到相應的溫度值。程序設計通過中斷1秒鐘采集一次當前溫度值，并存儲到相應的存儲區當中，可以存儲60次采集數據，之后進行更新替換。
2.2 電機驅動模塊設計。實現機器人自動行走，需要電機對其底部輪子進行驅動。電機驅動部分采用LG9110，其是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使器件成本降低，整機可靠性提高。具有靜態工作電流低、飽和壓降低、輸出電平與TTL/CMOS兼容可以直接與CPU相連接、抗干擾能力強等特點。并且兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，因此廣泛應用于電機驅動和步進電機驅動等電路中。
2.3 避障功能模塊設計。利用紅外傳感器探測機器人行駛線路中的障礙物[3]，并將探測信息傳遞給單片機，實現機器人的自動避障。
2.4 語音控制模塊設計。采用語音識別芯片AP7003實現對特定人的語音識別，并通過I/O口將識別信息傳送給單片機，單片機通過運算將音頻信息轉換為控制信息，實現對機器人行駛狀態的語音控制。
2.5 無線遙控模塊設計。本設計利用紅外技術實現無線遙控機器人的功能，紅外技術已經廣泛應用于工業、農業和軍事等遙控探測領域。紅外探測器是紅外系統的核心，它是利用紅外輻射與物質相互作用呈現出來的物理效應探測周圍物體，采用紅外接收探頭是TSOP2438，是一款高靈敏器件。遙控器其核心元器件實質就是編碼芯片，將需要實現的操作指令例如選臺、快進、停止、等事先編碼，設備接收后進行解碼再控制有關部件執行相應的動作。
2.6 串口通信設計。還可以利用串口把機器人存儲的大量采集數據，傳輸到上位機的數據庫中。串口是計算機上一種非常通用設備通信的協議，本設計串口通信部分采用的基于232串口的通信方式，實現遙控機器人和電腦通信的目的。實際采用通信速率115200，8位數據位，無奇偶校驗位，1位停止位。
3 軟件程序設計
3.1 Atmega128單片機程序設計。單片機程序部分采用C語言程序設計。系統上電后，進行初始化工作，包括單片機內部（寄存器和中斷等）的初始化和設備（遙控、語音控制、顯示等）的初始化工作。總體程序流程如圖1所示。
3.2 上位機控制應用程序設計。采用VB語言和SQL數據庫編寫，目的是使其具有良好的人機交互操作界面，能實現把采集到的現場數據進行實時顯示給操作人員、并同時在后臺進行采集數據的分析和匯總，最后存入后臺數據庫用以記錄保存，而且一旦采集到的溫度值超過了設定的界限值時立即提供報警功能，提示操作人員采取相應措施。
4 研究步驟及方法流程
5 總結
如果把本項目的無線通信模塊換為Wifi、短波/超短波電臺或GPRS通信模塊，則可實現超遠程控制，并可以對單片機遙控小汽車的功能進行擴充，例如可以設計視頻采集模塊，實現視頻實時傳輸的功能，達到更好的監控現場的目的。
參考文獻：
[1]史洪宇.基于單片機的多功能智能小車的設計[J].儀表技術，2010，12：16-17.
關鍵詞：電子工程訓練;專業特點;Arduino
教育部啟動的“卓越工程師教育培養計劃”，要求持續深化工程教育改革，加快培養適應和引領新一輪科技革命和產業變革的卓越工程科技人才。順應社會的發展趨勢，計算機專業也增設了電子工程訓練課程，旨在培養學生的工程意識、實踐能力和創新精神。因此，針對桂林電子科技大學計算機專業的特點和學科優勢，通過完善、豐富教學內容，優化課程安排，建設一種以教師為主導、學生為主體的創新實訓模式，對培養具有較強的創新能力、能夠適應市場要求和社會發展需要的卓越工程師具有重要的意義。
1教學現狀
目前，我校電子工程訓練中心開設的《電子工程訓練》課程是一門綜合性較強的實踐課程，是專門面向計算機科學與工程學院的計算機科學與技術專業大三的學生而開設的，實訓的主要內容為：51單片機電路設計、電路板制作和調試；手工焊接練習；收音機的焊接、裝配與調試。通過此次實習，學生能掌握基本的電子技術知識，了解電子產品的制作流程，實踐動手能力得到進一步提高。《電子工程訓練》課程在前期教改的基礎上，雖然取得一定的效果，但是還是存在一系列問題：第一、實訓內容陳舊。首先，收音機的焊接、裝配、調試和檢測等內容已延續很多年，學生機械式的進行實驗，對產品的原理、設計無法理解。學生的思維活動完全限制在教師預先安排好的軌道上運行，缺乏獨立思考的機會，創新精神和獨立獲取知識的能力得不到培養，不能激發學生的積極性和創新性，學生難以形成工程設計的整體概念。其次，51單片機電路設計、電路板制作和調試等內容在一定程度上可以激發學生的學習興趣并發揮其創新能力，但是，51單片機功能單一，可擴展性差，開展實驗有限，學生的創新力得不到充分展現，而且，使用51單片機還需要了解單片機內部硬件結構和寄存器的設置，這對于計算機專業的學生來說，在短短幾天的時間里掌握并應用是有一定難度的；第二、實訓各項目間聯系不大，收音機和單片機是兩個完全不一樣的產品，除去焊接練習、考核驗收的時間外，剩下的7天里要完成這兩個聯系不大的項目，時間有點緊張，只能完成基本的內容，導致學生自己發揮的機會較少，學生得不到創新訓練的體驗；第三、實習方式不夠靈活，學生人數較多。基于此，對現有的《電子工程訓練》教學內容和模式進行改革，構建培養工程科技人才的教學模式勢在必行。
2教學改革與實施
2.1根據專業特點，為學生量身打造教學內容
桂林電子科技大學《電子工程訓練》課程是一門綜合性較強的實踐課程，是專門面向計算機科學與工程學院的計算機科學與技術專業（含卓越班）大三的學生而開設的，學生已先學習了電工電子類課程，特長是編程，只是還未形成工程理念，把它們聯系起來進行設計應用。因此，針對計算機專業的特殊性和學生個人能力的高低，為學生量身打造與專業緊密相關的綜合性實習內容，把軟硬件結合起來，在硬件平臺上，學習能力強的學生可設計出較復雜的項目，創新能力和個人水平可得到充分發揮。傳統的51單片機功能單一，擴展性差，開展實驗有限，與之相比，開源硬件Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，軟硬件完全開放，從Arduino相關網站、博客、論壇里可獲得大量的共享資源，學生可以不需要了解其內部硬件結構和寄存器設置，就可發揮自己的編程特長快速應用。因此，可以把Arduino的設計開發引入《電子工程訓練》，老師在Arduino網站上為學生挑選某個電路圖，學生用DXP軟件進行PCB設計，隨后制板、焊接、裝配、調試，最后編寫程序下載到自己調試好的Arduino電路板上，水平層次不同的學生可實現不同難度的項目。學生從硬件設計到軟件調試，獨立完成了一個電子產品的設計、制作、調試、開發，既培養了學生的工程意識，又使學生的創新能力、實踐能力、自己解決問題的能力得到進一步提高，而且，還讓學生接觸到了科技的前沿。
2.2建立基于Arduino開發平臺的實驗室
在強化課堂教學的同時，面向學生建立基于Arduino開發平臺的實驗室。實習課程結束后，學生自己完成的Arduino電路板會讓學生帶走，為了能讓學生在課程結束后還能學以致用，甚至強化，工程訓練中心可以開設一個實驗室，給學生提供Arduino實驗開發板、面包板、面包板連接線和電子元器件，并配備穩壓電源。學生可以利用面包板搭建外設電路，與學生自己的Arduino主控板進行連接，實現各種各樣的功能，進一步強化學生的實踐和創新能力，為學生參加科技競賽打下堅實的基礎。
2.3完善教學方法，引導學生向創新能力方向發展
不同的教學內容應用不同的教學方法，例如，在硬件電路設計環節，可采用統一授課的方式，對于制板環節，可通過學生組隊的方式來完成，焊接裝配則以視頻和演示為主，軟件編程環節，實施案例教學、項目式教學方法，注重綜合性項目訓練，老師以引導為主，鼓勵學生獨立完成創意，預留一定空間讓學生自由發揮，引導學生向創新能力方向發展，強化學生工程意識。
2.4構建公平合理的多元化全面考核評價體系
評價教學效果很難采用統一的評價標準，對于實踐性教學而言，更應側重實習過程而不是結果，構建“過程體驗、平時表現、創新意識、個性發展、團隊合作、個人貢獻”的多元化評價理念。基礎階段注重學生對工程概念和實踐技能的掌握程度；綜合應用階段突顯知識綜合運用和創新意識的考核；創新實踐環節偏重于創新能力、團隊協作能力及個人貢獻程度的綜合考核；對自主設計實踐項目、重點突出、思路清晰、方案合理、創新意識強團隊給予適當加分獎勵。
3總結
關鍵詞:LED點陣; 分批顯示; Proteus; AT89C51
中圖分類號:TP312 文獻標識碼:B
文章編號:1004-373X(2010)12-0029-04
Proteus Design and Simulation of LED Chinese-Character Display in Batches
LI Ping
(Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College,Hangzhou 310018,China)
Abstract:The simulation of 16 × 16 LED dot-matrix display of Chinese character in batches with an embedded system simulation software Proteus is introduced. The hardware and software design principles about dot-matrix Chinese character display in batches are proposed in detail, the main C-language source codes and the simulation results are given. The LED display system has simple architecture, low power consumption, low cost and good scalability. LED display system significantly reduces the actual development cycle and the development cost through the pre-simulation on Proteus.
Keywords:LED dot matrix; batch display; Proteus; AT89C51
0 引 言
近年來,LED顯示屏由于具有亮度高,壽命長,功耗小,性能穩定,驅動簡單以及可視距離遠等優點[1],已經成為新一代的信息傳播媒體工具。目前,LED顯示屏應用十分廣泛,如證券交易顯示、金融信息顯示、體育場館顯示比賽信息、廣告,城市廣場群顯示、道路交通信息顯示等領域。顯示漢字信息時,一般需要多個LED點陣顯示組合,最常見的組合方式有8×8,16×16,32×16等。由于顯示屏的顯示信息有限,當顯示信息較多時,一般需要進行分批顯示或者滾動顯示。
Proteus是目前最先進、最完整的多種型號微處理器系統的仿真設計平臺,由ISIS和ARES 兩個構成,其中ISIS是一款智能電路原理圖輸入系統軟件,可作為電子系統仿真平臺,ARES是一款高級布線編輯軟件,用于制作PCB印制電路板。開發者可以在無硬件條件下直接使用Proteus進行電路設計和仿真調試,真正實現了在計算機中完成電路原理圖設計、電路分析與仿真、系統測試到形成印制電路板的完整電子設計、研發過程[2]。因此,本課題利用AT89C51單片機作為主控制器,采用Proteus軟件實現對16×16 LED點陣漢字的分批顯示,仿真運行通過后再進行點陣顯示電路制作,大大縮減實際開發周期,節約了開發成本。
1 硬件電路設計
在很多LED顯示的場合,需要實現一系列LED點陣漢字的分批顯示,為簡化設計,每批只顯示2個漢字,分若干次完成全部顯示。利用Proteus ISIS 平臺畫出的硬件電路如圖1所示。
該硬件電路的核心是利用單片機讀取顯示字型碼,通過驅動電路對16×16共陰極 LED 點陣進行動態列掃描,以實現點陣漢字的分批顯示。設計選用的單片機為Atmel公司的AT89C51,它是一種低功耗,高性能CMOS 8位單片機,片內含4 KB可反復擦寫的FLASH ROM,采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造,兼容標準MCS-51指令系統及8051引腳結構,內置看門狗電路。功能強大的AT89C51可為許多嵌入式控制應用系統提供高性價比的解決方案。時鐘電路用于產生單片機工作時所必需的時鐘信號,其中晶振頻率為12 MHz。上電復位電路可保證單片機的在程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時,重啟運行。
顯示單元是LED漢字顯示屏,由2片16×16 LED 點陣模塊組成。但由于Proteus 軟件目前版本中還沒有16×16 點陣模塊,設計中采用Proteus 軟件中的4個8×8點陣模塊組合成1個16×16 點陣模塊[3-4]。點陣漢字的陽極驅動是由單片機的P0口和P2口各自經過一片輸出緩沖器74LS273向4個8×8 LED點陣輸出字型碼作為行驅動信號;點陣的陰極驅動由P1.0~P1.3經過4-16線譯碼器74HC154譯碼后輸出列選信號[5],對4個8×8點陣進行列掃描,從而控制LED點陣的相應像素點亮。2個LED點陣漢字中的列選信號則分別由P3.0和P3.1控制來選擇相應的74HC154,因此需要兩片74HC154譯碼器。RP1為排阻,含有8個電阻,作為P0口各位的上拉電阻,以保證P0口能夠輸出高電平。
圖1 硬件電路原理圖
2 點陣漢字分批顯示原理與軟件設計
16×16共陰極LED點陣由4個8×8點陣構成,需要顯示漢字字符串“單片機仿真!”,可通過建立數據表格的形式進行[6]。通過16×16點陣漢字字模提取軟件,可提取各顯示漢字的字模數據[2,7],詳見程序設計中的顯示字符代碼表1。
在進行漢字分批輸出顯示時采用動態掃描驅動方式,可按行或列進行掃描。當按“列”掃描時,需要建立列的掃描代碼表如下:
const uchar tab2[ ]={0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x01,0x00,0x0f,0x0e,0x0d,0x0c,0x0b,0x0a,0x09,0x08}
現以列掃描為例,闡述16×16 LED點陣漢字分批顯示原理。在初始化設置(關顯示)后,首先,P1送出┑1列掃描代碼,同時使P3=0xFD選中U2的74HC154和U4,對P0輸出段碼給左邊漢字上半部的第1列以驅動相應段點亮;接著,使P3=0xFA選中U2的74HC154和U5,對P2輸出段碼值給左邊漢字下半部的第1列以驅動相應段點亮,即送出了第一個漢字“單”的第1列的字模數據(16位段碼值);再設置P3=0xF5選中U3的74HC154和U4,對P0輸出段碼給右邊漢字的上半部的第1列以驅動相應段點亮。接著,使P3=0xF9亦選中U3的74HC154和U5,對P2輸出段碼值給由邊漢字下半部的第1列以驅動相應段點亮,即送出了第2個漢字“片”的第1列的字模數據(16位段碼值)。然后,給P1送第2列的掃描代碼,同理再送出第1個漢字“單”、第2個漢字“片”的各自第2列的字模數據,…如此進行,經過16次列掃描,分時送完兩個漢字的各自16個段碼值,就可顯示第1批漢字“單”、“片”;再進行第2批漢字“機”、“仿”的顯示;…,直到漢字字符串顯示完成。若字符顯示完畢,又從頭開始循環顯示。LED點陣漢字分批顯示的程序流程如2所示。在某一時刻,只有1行或1列發光二極管被對應的字模數據驅動點亮,但只要掃描間隔時間合適(一般為數毫秒),利用人眼的視覺暫留特性,看上去整批字符就顯示在LED點陣顯示器上。
主要的C語言源程序如下:
#include "reg51.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
code uchar tab1[ ]={ //顯示的字符代碼表
0x00,0x10,0x00,0x10,0x1f,0xd0,0x14,0x90, //“單”
0x94,0x90,0x74,0x90,0x54,0x90,0x1f,0xff,
0x14,0x90,0x34,0x90,0xd4,0x90,0x54,0x90,
0x1f,0xd0,0x00,0x10,0x00,0x10,0x00,0x00,
0x00,0x01,0x00,0x02,0x00,0x0c,0x7f,0xf0, //“片”
0x08,0x80,0x08,0x80,0x08,0x80,0x08,0x80,
0x08,0x80,0xF8,0x80,0x08,0x80,0x08,0xff,
0x08,0x00,0x18,0x00,0x08,0x00,0x00,0x00,
0x10,0x20,0x10,0xc0,0x03,0x00,0xff,0xff,//“機”
0x12,0x00,0x11,0x82,0x10,0x0C,0x00,0x30,
0x7F,0xc0,0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0x00,
0x7F,0xfc,0x00,0x02,0x00,0x1e,0x00,0x00,
0x02,0x00,0x04,0x00,0x08,0x00,0x37,0xfe, //“仿”
0xe0,0x02,0x50,0x04,0x10,0x18,0x10,0x60,
0x9f,0x80,0x51,0x08,0x71,0x04,0x11,0x02,
0x11,0x04,0x33,0xf8,0x11,0x00,0x00,0x00,
… }; “真”,“!”字符代碼此處略
const uchar tab2[]={0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,//掃描代碼表
0x02,0x01,0x00,0x0f,0x0e,0x0d,0x0c,0x0b,0x0a,0x09,0x08};
void delay(uint n)//延時函數
{uint i;
for (i;i
void main( )//主函數
{int j=0,q=0,y=0;
ucharr,t=0;
P0=0x00;
P3=0xff;//初始化設置
while(1)
{for(r=0;r
for (j=q;j
{ P1=tab2[t]; //輸出列掃描碼
P3=0xf6;
P0=tab1[j]; //選中U2和U4,輸出段碼給左邊漢字的上半部某列
j++;
P3=0xfa;
P2=tab1[j];//選中U2和U5,輸出段碼給左邊漢字的下半部某列
delay(250);
y=j+31;
P3=0xf5;
P0=tab1[y]; //選中U3和U4,輸出段碼給右邊漢字的上半部某列
y++;
P3=0xf9;
P2=tab1[y]; //選中U3和U5,輸出段碼給右邊漢字的下半部某列
t++;
delay(250);
if(t==16)t=0;} //判斷是否顯示完兩個漢字的各自16列
q=q+64; //指向下一批漢字字符,準備顯示
if(q==192) q=0; }}//判斷是否顯示完該字符串
3 程序調試與仿真
(1) 生成目標代碼文件。利用Proteus 平臺在進行仿真時,需要加載程序到單片機中,加載的程序為目標代碼文件.HEX。方法是:利用單片機軟件仿真系統Keil UVsion3,在新建項目中選擇AT89C51單片機作為CPU,同時將創建C語言源程序文件并將其加載到新建項目中。在“Project”下拉菜單中,選擇“Options for Target”對話框,在對話框中選中“Output”選項卡中的“Create HEX File”選項。在“Project”下拉菜單中選擇“Rebuild all Target Files”選項,編譯成功后將生成.HEX目標代碼文件[8]。
(2) 調試與仿真: 在Proteus ISIS 平臺中,按圖1畫出硬件電路,單擊鼠標右鍵將AT89C51單片機選中并單擊鼠標左鍵,彈出“Edit Component”對話框,在其中的“Clock Frequency”欄中設置單片機晶振頻率為12 MHz,在“Program File”欄選擇生成的.HEX文件。保存設計,生成.DSN文件。在“Debug”菜單中選擇“Execute”,可得到仿真運行效果[9]。仿真調試成功后,可看見“單片機仿真!”點陣漢字的分批顯示。顯示次序為“單片-機仿-真!”,其中“機仿”如圖3所示。通過Keil 與Proteus 的聯合調試取得了良好的效果。
圖2 程序流程圖
圖3 仿真效果圖
4 結 語
在嵌入式系統仿真平臺Proteus 的基礎上,實現對16×16 LED點陣漢字分批顯示的仿真設計,實現了“單片機仿真! ”六個漢字的分批顯示,達到了良好的設計效果。該仿真電路接近于實際電路,再使用Proteus ARES軟件在仿真原理圖的基礎上直接繪制PCB電路板,即可以制作出實際的點陣式LED 分批漢字顯示屏。該顯示屏電路結構簡潔,可靠性高,成本低且易于實現,軟件通過適當修改即可實現其他顯示功能如滾動顯示等[10],顯示靈活,適用領域廣泛。通過Proteus的前期仿真為LED顯示屏系統的設計開發大大縮短了開發周期,降低了開發成本,同時也為單片機應用系統、電子電 路的開發設計等提供了一種嶄新的設計方法和有效手段。
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【關鍵詞】圖形處理；DSP；MATLAB；電氣參數
一、序言
隨著電氣產業的日益普及和廣泛使用，在電氣產品設計過程中，如何精確選型避免過設計，成為電子電器產品規劃、設計、銷售人員越來越關注的問題。同時當今是信息化社會，圖像是電子電器行業獲取信息的最重要的來源之一。本文提出結合MATLAB來開發DSP系統的思想，闡述了實現該思想的兩種工具，并詳細介紹了使用MATLAB Link for Code Compo-ser Studio輔助DSP設計的相關內容，包括其功能特點、實現方式、工作原理等。最后結合典型的FIR濾波器實例，探討了使用該工具的方法，并設計了圖形用戶界面。結果表明應用MATLAB輔助開發DSP系統可以發揮二者的優勢，縮短開發周期，降低開發門檻，優化開發過程。
二、具體分析
1.總體思路
數字信號處理（Digital Signal Proc-essing，簡稱DSP）是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領域的新興學科。MATLAB具有強大的計算、分析和可視化功能，但MATLAB語言是解釋執行的，執行速度較慢；而DSP是為了完成實時數字信號處理任務而設計的，算法的高效實現是DSP器件的顯著特點，但是其開發門檻高[1]。如果能把MATLAB和DSP開發工具結合在一起，取長補短，相輔相成，將是DSP設計人員夢寐以求的一種新的開發思想。MATLAB Link for Code Composer Studio可以實現這一要求。
本文利用matlab的圖形處理功能[2][3]，找出圖形上的點代表的坐標，并根據坐標軸的數值范圍，確定圖形上的點代表的X、Y數值。對圖形上點所對應的X、Y值，做多項式擬合，計算出在坐標軸的數值范圍內X、Y。令數值的方程Y=f（X）。利用MATLAB Link for Code Composer Studio，進行DSP算法移植，最終實現通過攝像頭采集電氣參數圖像信息，顯示器顯示電氣參數圖像的曲線擬合結果。
2.實施方法
（1）功能劃分及邏輯框圖
系統按功能可分為電源模塊、視頻切換、存儲器模塊、DSP、視頻輸入模塊、視頻輸出模塊六個部分。
（2）關鍵技術點
由于SDRAM在PCB板上的布局、布線屬高速數字信號設計，設計過程與低速電路不同，需要考慮電路中的反射、串擾、電磁干擾等現象，其設計的好壞直接影響系統性能，甚至使系統失效，所以該部分設計為系統硬件電路設計關鍵點之一；針對該問題，在設計過程中要遵循一些基本的高速信號設計規則，DSP至SDRAM的數據線與地址線作等長布線，PCB設計完成后，進行性能仿真。
電源設計：該系統的電源模塊主要由開關電源（BUCK）、線性電源組成，開關電源器件（如儲能電感、續流二極管等）的選擇、布局、走線，決定了電源模塊的穩定性和EMC性能，所以該模塊設計為系統硬件電路設計關鍵點之一；針對該問題，在設計過程中要遵循環路面積最小原則，并注重散熱結構設計。
（3）關鍵元器件選型分析
（a）DSP：采用高性能數字多媒體處理器TMS320DM642，最高主頻可達720MHz。
（b）Flash：選用SPANSION S29GL128S-90TF102，128Mbit FLASH芯片。
（c）SDRAM：根據算法要求，每個攝像頭在SDRAM中存放4幀數據，本設計采用1片ISSI生產的IS42S32800B（256-Mbit）。
（d）LM22676：該系統控制器在短時間耐電壓測試過程中，電壓值為24V，控制器工作電流≤1A。根據以上參數，可選擇開關電源LM22676。
三、工作實例分析
1.工作流程
（1）視頻信號通過攝像頭采集；
（2）采集信號通過視頻解碼傳給DSP處理；
（3）對采集的圖像進行灰度、二值化處理、邊緣提取、濾波等一系列算法處理；
（4）利用上述算法對處理后的圖像進行電氣參數圖形提取；
（5）對提取的電氣參數圖形進行多項式擬合[4]；
（6）通過顯示器，件擬合的結果顯示，以備后續設計開發使用。
至此，電氣參數圖中信息被matlab讀出，轉換成函數關系方便后續工程上使用。經過驗證，計算得出的數值和原圖符合。
2.細節分析
（1）使用多項式擬合矩陣DL和矩陣ZS的函數DL=f（ZS），經過測試，6此多項式在一定的取值范圍內，準確率最為合適，下面以實際情況來分析此細節問題；
（2）2次多項式：p=polyfit（ZS，DL，2）；
（3）3次多項式，將p=polyfit（ZS，DL，2）改為p=polyfit（ZS，DL，3）；
（4）4次多項式，將p=polyfit（ZS，DL，3）改為p=polyfit（ZS，DL，4）；
（5）5次多項式，將p=polyfit（ZS，DL，4）改為p=polyfit（ZS，DL，5）；
（6）6次多項式，將p=polyfit（ZS，DL，5）改為p=polyfit（ZS，DL，6）；
（7）7次多項式，將p=polyfit（ZS，DL，6）改為p=polyfit（ZS，DL，7）；
經過以上分析，6次多項式精度已經較為理想，滿足實際工程使用精度需求，無需使用7次多項式擬合。
四、小結
本文提出結合MATLAB來開發DSP系統的思想，闡述了實現該思想的兩種工具，并詳細介紹了使用MATLAB Link for Code Composer Studio輔助DSP設計的相關內容，基于DSP的圖形識別和處理，直接讀取圖形信息，有效的提升了讀圖的精度與速度，能有效優化供應商及零部件選型、提升設計質量、降低售后風險，整個系統易于手持使用，特別是在工業現場可以直接使用，在實際工程項目中有著極佳的使用前景。
參考文獻
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關鍵詞： 斷路器； 在線監測； 硬件設計； 軟件設計
中圖分類號： TN710?34； TP21 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）03?0100?05
Design of online monitoring system for breaker status based on closing coils signal
BIAN He?ying， DAI Ke?jie
（College of Electrical and Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）
Abstract： Aiming at the research status and deficiencies of online monitoring technology for high voltage circuit breaker， an online monitoring system for high voltage circuit breaker status based on the current signal of the closing coil is provided. The hardware circuits and online monitoring soft were designed. The system can realize collecting， converting， filtering， amplifying and analyzing the real?time current signals quickly， and also can calculate a lot of parameters such as the close?open time， close?open velocity， switching path， close?open path and overshoot distance， which can judge the types of action of the high voltage circuit breaker， and the monitoring results can be displayed on the PC monitor interface. Experiment and actual operation shows that the system has the advantages of better real?time， fully data monitoring， high reliability and high anti?disturbance.
Keywords： circuit breaker； online monitoring； hardware design； software design
0 引 言
隨著電力系統的容量與能量需求的不斷增加，電力設備的安全運行顯得越來越重要。高壓斷路器是電力系統中最重要的開關設備，能夠根據電網運行的需要可靠的投入或切除相應的線路或電氣設備，在電網中能起到控制和保護作用。當發生故障時能夠及時將故障線路或電氣設備從電網中快速切除，如果高壓斷路器不能及時開斷線路、消除故障，就會使事故擴大造成嚴重后果[1?2]。因此高壓斷路器工作的可靠程度、性能的好壞是決定電力系統安全運行的重要因素。
目前，我國變電站對高壓斷路器的檢修主要是定期檢修，但對高壓斷路器定期檢修制度的盲目性大且需要拆卸，常常在拆卸和安裝過程中會帶來新的問題[3]。因此對高壓斷路器必須實行在線狀態監測，實時監測其運行狀態，為設備是否需要狀態檢修提供依據。
一些發達國家對高壓斷路器的在線狀態監測技術已日趨成熟。比如美國德克薩斯電力公司的便攜式斷路器分析儀、ABB公司開發的SF6斷路器狀態監測系統、日本東京電力公司和東芝公司聯合開發的GIS在線監測系統等[4]。目前我國還沒有很成熟的斷路器狀態監測產品，但一些單位在這方面已做出了有益的探索，如清華大學開發的高壓斷路器狀態監測系統，華中理工大學和湖南省電力局聯合研制的高壓斷路器機械特性在線監測系統等[5?6]。根據各種資料和文獻的報導[7?10]，目前高壓斷路器的在線監測技術仍存在如下幾個突出問題：在線監測選擇的傳感器不夠精確，診斷精度不高；數據的保存、處理等不系統，缺乏科學的管理，無法根據利用斷路器運行的歷史對故障做出合理的判斷；在線監測裝置模塊壽命過短，安裝維護困難，價格過高而精度不夠高；以往在線監測裝置所關心的是機械參量的計算結果，而對機械運動的過程關心不多。
基于此，針對目前高壓斷路器研究的現狀和不足，結合國內外高壓斷路器在線監測技術的最新研究成果，設計開發了一套高壓斷路器在線監測裝置。
1 系統總體結構及方案設計
本設計主要包括硬件設計和軟件設計，硬件設計主要包括信號調理電路、隔離放大電路、AD7606應用電路以及AD7606與STM32的接口電路；軟件設計主要是高壓斷路器智能在線監控軟件的設計。具體的系統總體結構框圖如圖1所示。
圖1 系統總體結構框圖
設計方案如下：首先將采集到的高壓斷路器分合閘線圈電流信號通過信號調理部分的濾波、轉換等作用變成電壓信號；其次通過隔離放大電路將此電壓信號放大到AD7606端口所需的電壓；再通過AD7606將電壓信號轉換成數字信號并輸入到STM32微處理器中，利用STM32的計數器實現編碼器的脈沖計數，進而測量出高壓開關觸頭行程；最后STM32將測到的電流數據和行程數據經過處理后通過RS 422接口傳給上位機PC，并在監控界面上顯示。
2 系統硬件電路設計
2.1 信號調理電路設計
信號調理電路首先將電流傳感器采集到的高壓斷路器的分合閘電流信號通過電阻[R104]將此信號轉化成相應的電壓信號，然后經三端濾波器FP100將此電壓信號輸入到模擬運算放大器，通過模擬運算放大器AD822將電壓信號放大[K]倍后把信號傳輸給隔離放大器電路，其中[K=1+R101R100=10。]信號調理電路如圖2所示。
2.2 隔離放大電路設計
設計的隔離放大電路如圖3所示。
此電路最重要的部分是IC100隔離放大器，其內部封裝元件是ISO124，它是一種新的占空比調制解調技術的精密隔離放大器，采用匹配1 pF隔離電容進行輸入輸出的隔離，并整體嵌入塑料封裝內。IC100的每一個電源引腳都要接一個1 μF的電容，電容應盡可能地靠近放大器，其內部頻率設定為500 kHz，為把DC/DC轉換器饋通噪音減至最低，在電源端設計了一個л型過濾器。ISO124放大器傳輸信號通過一個500 kHz占空比調制技術穿過一個隔離電容。對于輸入信號低于250 kHz的頻率，這種系統的工作就像任何一個線性放大器的工作，但是對于頻率高于250 kHz，其工作的情況與采樣放大器相似。
圖2 信號調理電路
圖3 隔離放大電路
2.3 AD7606應用電路
設計選用16位、8通道同步采樣模數數據采樣系統AD7606，其內部包括模擬輸入位保護、跟蹤保持放大器、16位電荷再分配逐次逼近型模數轉換器、靈活的數字濾波器、2.5 V基準電壓源、基準電壓緩沖以及高速串行和并行接口。AD7606的應用電路如圖4所示。
圖4中[V1、][V2、][V3]和[V4]分別是由信號調理電路經隔離放大后輸出的主分電壓、副分電壓、合閘電壓和儲能電機電壓，作為AD7606的輸入信號。[RP80]和[RP81]構成上拉電阻。電容[C84、][C83、][C80]等可實現退耦作用，為AD7606提供所需的穩定電壓。AD7606數字端口使用的+3.3 V的電壓，與STM32使用同一路電源，模擬部分電壓AVCC由模塊電源輸出的5 V電壓經濾波后提供。
2.4 AD7606與STM32的接口電路
STM32和AD7606接口電路如圖5所示。
圖5 AD7606與STM32接口電路
圖5中STM32的28腳和AD7606的CONVST腳相連，用于啟動AD7606進行A/D變換；STM32的24腳和AD7606的BUSY?AD相連，實現對AD7606轉換狀態的識別，AD7606轉換未完成時，引腳為低電平，轉換完成后，變成高電平；STM32的25腳和AD7606的CS?AD腳相連，用于選擇AD7606；STM32的27腳和AD7606的RD?AD腳相連，用于讀取AD7606變換后的數據。
3 系統軟件設計
3.1 斷路器故障監測原理
高壓斷路器一般都是以電磁鐵作為操作的第一級控制件，而且基本上以直流電源為控制電源，故直流電磁線圈的電流波形中包含著診斷機械故障的重要信息。線圈的直流供電電路如圖6所示。圖6中[L]的大小取決于線圈和鐵芯鐵軛等的尺寸，并與鐵芯的行程[S]（即是鐵芯向上運動經過的路程）有密切關系，其值隨著[S]的增加而增加，如圖6所示。
設鐵芯不飽和，則[L]與[i]的大小有關，電路中開關K合閘后，由圖6電路得：
[u=iR+dwdt] （1）
式中：[w]為線圈的磁鏈，[w=Li，]于是，上式可變為：
[u=iR+dLidt=iR+Ldidt+idLdSdSdtu=iR+Ldidt+idLdSv] （2）
不同[S]處的[dLdS]即為如圖7曲線在[S]處的斜率[tan?；][v]為鐵芯的運動速度。圖8為高壓斷路器操作時，線圈中的典型電流波形隨鐵芯運動的變化過程可分為以下四個階段。
圖6 斷路器分合閘電路
圖7 L?S曲線
圖8 線圈電流波形
（1） 鐵芯觸動階段：在[t=t0～t1]的時間段，[t0]為斷路器分（合）命令到達時刻，是斷路器分、合時間計時起點；[t1]為線圈中電流、磁通上升到足以驅動鐵芯運動，即鐵芯開始運動的時刻，這是指數上升曲線，對應圖8中[t0～t1]的電流波形起始部分。
（2）鐵芯運動階段：在[t=t1～t2]間，鐵芯在電磁力的作用下，克服了重力、彈簧力等阻力，開始加速運動，直到鐵芯上端面碰撞到支持部分停止運動為止。根據這一階段的電流波形，可診斷鐵芯的運動狀態，例如鐵芯運動有無卡澀以及脫扣、釋能機械負載變動的情況。
（3）觸頭分、合閘階段：在[t=t2～t3]間，鐵芯已停止運動。這一階段是通過傳動系統帶動斷路器觸頭分、合閘的過程。[t2]是鐵芯停止運動的時刻，而觸頭則在[t2]前后開始運動，[t3]為斷路器輔助接點切除時刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作傳動系統運動的情況。
（4）電流切斷階段：[t=t3]時，輔助接點切斷后開關K斷開，在其觸頭間產生電弧并被拉長，電弧電流[i]隨之減小至零直至熄滅。
綜合以上幾個階段情況，通過分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出鐵芯啟動時間、運動時間、線圈通電時間等參數，從而得到鐵芯運動和所控制的啟動閥，鐵閂和輔助開關轉換的工作狀態，即可以監測操動機構的工作狀態，進而預測故障。
3.2 系統軟件設計流程
系統軟件設計思路：當STM32處理器、AD7606、串行接口和編碼器接口初始化后，先經A/D采樣后將數據信息暫存在環形存儲器，判斷所得數據是否大于閾值，然后將大于閾值的數據再次經A/D采樣，存儲在正常數據緩沖區中。當采樣次數大于等于2 000時，就將數據進行處理并發送到上位機。系統軟件設計流程如圖9所示。
圖9中環形存儲器只存儲500個數據且只存儲最新的500個數據，即可存儲最近的100 ms數據，正常數據緩沖區提供3 000點的存儲容量，提供600 ms的實時數據，兩個數據緩沖區的數據進行拼接，可以完整記錄斷路器動作一次時操作機構各個線圈電流的變化。
3.3 斷路器智能在線監測系統設計
本系統軟件是利用C++語言設計的斷路器智能在線監測系統，能夠對本系統硬件處理后的數據在上位機上可視化顯示的軟件。設計軟件中包括基本設置、設備參數、算法選擇、建立連接、分析數據、消除報警、導出數據、用戶管理等功能，本界面通過和下位機的連接將采集的數據傳送顯示出來，并將采集的數據送入數據庫，數據庫中以表的形式存儲數據。高壓斷路器智能在線監測系統界面如圖10所示。
圖9 系統軟件設計流程
圖10 斷路器智能在線監測系統界面
圖10為采集信號后的分析圖，通過對采集的信號進行分析，可以給出前述各個過程的時間點，計算各個過程的特征值，同時可以對動作類型進行判斷，計算分合時間、分合速度、開關超程、分合行程、過沖距離等參數。
3.4 系統的功能、可靠性測試及應用
系統設計完成后進行了功能和可靠性測試，為此專門設計了模擬測試系統。模擬電路采用三個霍爾傳感器，模擬實際過程中的主分線圈電流、副分線圈電流，合閘線圈電流，另外用了陶瓷電阻和電容，模擬電流的上升情況。此外還設計了一套觸發裝置，能輸出三路開關量，該裝置能每隔3 min觸發一次，依次觸發合閘線圈電流傳感器、主分線圈電流傳感器和副分線圈電流傳感器，主要模擬斷路器的分合。
功能性試驗共進行了3 000次，試驗結果表明設計的系統動作可靠、穩定、抗干擾能力強，符合系統的設計要求。
斷路器故障監測系統通過了各種功能測試、可靠性測試以后，于2012年8月在平高集團高壓試驗大廳進行了試驗測試，并應用在公司首臺252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。
4 結 語
變電站綜合自動化是智能電網目前發展的方向，而實現高壓斷路器的狀態參數監測的智能化是智能電網的一項重要內容，為此本文設計了一種基于分合閘線圈電流信號的高壓斷路器狀態在線監測系統。該系統能夠快速實現對實時數據的采集，能對分合閘線圈的電流信號進行轉換、濾波、放大、存儲和分析，能夠計算分合時間、分合速度、開關行程、分合行程、過沖距離等參數，并能夠對高壓斷路器的動作類型進行基本的判斷。實驗和實際運行表明該系統具有實時性好、監測數據全面、操作性和抗干擾能力強等優點。本系統目前已經在平高集團首臺GIS252上投入運行。
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關鍵詞:單片機;碰撞;報警;檢測
中圖分類號:TP274+.53文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2009)19-166-02
Design of Automobile Anti-collision Alarming System Based on Single Chip Computer
MA Yongxiang
(Shaanxi University of Technology,Hanzhong,723003,China)
Abstract:With rising of living standard,the number of cars increased every day,so cars driving safety is particularly important.The system of automobile anti-collision alarming system based on single chip SB5027 is introduced,it can auto detect distance frontage and rear fraise,when reach critical security distance,alarming of sound and light are given,the system hardware composition and software project are showed,Experiment results prove validity and veracity.
Keywords:single chip computer;collision;alarming;detection
隨著社會經濟的不斷進步和高科技的飛速發展,在日常工作和生活中,汽車已成為人們理想的交通工具。汽車在帶給人們方便的同時,也使得交通事故頻繁發生,并由此造成了人員傷亡及經濟財產的損失,因此汽車駕駛的安全性已經成為人們關注的焦點。汽車的碰撞安全技術是汽車安全技術中最難也是最核心的部分[1-3],對公路交通事故的分析表明,80%以上的車禍是由于駕駛員反應不及引起,超過65%的車輛相撞屬于追尾相撞,其余則屬于側面相撞[4,5]。為了減少汽車事故的發生,給擁有汽車的用戶提供安全感,研制一種簡單可靠,使用方便,能自動檢測距離,發現汽車距離障礙物小于安全距離時給駕駛員發出報警提醒的安全系統具有實際意義。由于超聲波檢測具有快速準確性等優點[6],因此,本設計采用超聲波檢測芯片來實現碰撞預警功能。
1 汽車防碰撞報警器硬件設計
根據產品性價比和實際需要,選用中易電測研究所研制的智能化超聲波測距集成電路芯片SB5027,它采用CMOS制造工藝,片內具有比較器,標準40 kHz超聲波發生器以及回波響應脈沖接收器,集有動態數碼顯示信息輸出、操作鍵盤、數據存儲、參數設定等功能[7,8]。將SB5027用作距離檢測時有以下特點:動態數碼跟蹤顯示;可以對距離上限、中限、下限值等參數設定;可以對距離、時間、定時等報警允許參數設置;最大量程及最小分辨率均由用戶設置;支持增值測距功能。系統硬件結構設計如圖1所示。系統由超聲波發射電路、超聲波接收電路、鍵盤顯示電路、核心功能芯片,輔助電路(復位電路和晶振電路)及報警電路等組成。
圖1 系統硬件設計圖
1.1 超聲波測距原理
超聲波測距的基本原理同聲納回聲定位法的原理基本相同。超聲波發生器不斷的發出40 kHz超聲波,遇到障礙物反射回反射波,超聲波接收器接收到反射波信號,并將其轉變為電訊號[9,10]。測出發射出去的發射波與收到的反射波的時間差T,即可求出距離:
S=(1/2)CT
式中:C為超聲波音速,
又:
C= yp/p0
式中:y為氣體的絕熱體積系數(空氣為1.4);p為氣體的氣壓(海平面為1.013×106 Pa);p0為氣體的密度(空氣為1.29 kg/m3)。
對于1 L空氣,質量為m,體積為v,密度p=m/v。
故:
C=yp/p0=ypv/m
對于理想氣體,有:
pv=273RT
式中:R為摩爾氣體常數;T為絕對溫度。
C=yRT/m
由于y,R,m均為已知常數,故聲速C僅與溫度有關,若溫度T不變,則聲音在空氣中的速度與氣壓無關。在0 ℃時C0=331.45 m/s。
對于任意溫度,有:
ci/co=Tl/273
即:
ci=331.45Tl/273
1.2 聲光報警、無線信號發射和接收電路設計
汽車防碰撞報警檢測,采用超聲波傳感器。超聲波傳感器由超聲波發射電路和超聲波接收電路組成。
超聲波發射電路由施密特觸發器、變壓器、發射傳感器T探頭組成。由于SB5027內部有標準40 kHz的超聲波發生器,所以直接引其內部信號(由引腳SONIC OUT引出),但是該信號較弱,在發射電路部分還必須將信號放大。此信號經過兩個施密特反向觸發器串接,同時通過分壓電阻使NPN型晶體管VT導通,并把輸出端的電壓脈沖信號反饋到變壓器上,經過升壓變壓器將電壓信號增大,來驅使發射型T40傳感器向外發射40 kHz的超聲波,電路圖如圖2所示。
圖2 超聲波發射電路
超聲波信號接收處理是測距系統的關鍵技術之一。由于超聲波接收電路將探頭輸出的微弱信號放大到足夠驅動,控制后級電路,所以接收電路主要解決接收信號的表面會出現漫反射現象,因此接收電路主要解決接收信號的穩定性,即接收信號的自動增益控制問題。由于發射信號接觸物體表面的一部分比較弱,同時由于被測距離的遠近會引起反射信號幅度上的不均等。為消除上述缺陷的影響,接收電路應具有信號放大和自動增益控制功能。設計中選用芯片LM331來完成電壓/頻率的裝換。超聲波接收器R將接收到的反射波通過電容和電阻濾波后經過LM331轉換成電壓,再經兩個反向施密特觸發器串接將LM331裝換過來的電壓放大整形后送至SB5027的ECHO IN 端,電路圖如圖3所示。
圖3 超聲波接收電路
報警電路在測距越限時,由SB5027的BELLOUT端輸出高電平使晶體管VT1導通, 將報警器接通電源并發出報警聲。電路圖如圖4所示。
圖4 報警電路
2 軟件系統設計
報警器軟件設計流程圖如圖5所示。
圖5 軟件流程圖
系統通電后,主程序完成初始化工作,包括存器置初值等。當汽車處于工作狀態時,安置在汽車前后的報警裝置會采集現場信號,傳送給SB5027單片機。單片機接收的信號進行處理、運算、比較,正常時,報警器不報警;如果與下限比較產生了越限,則產生聲光報警信號,提醒駕駛員采取相應措施。
3 結 語
本設計的汽車防碰撞報警器,充分利用了SB5027的內部資源,進行數據處理和時控制功能,使系統工作處于最佳狀態,提高了系統的綜合反映靈敏度。報警及時,實現了防碰撞功能控制。實踐證明該系統使用效果優于其他報警器,且具有體積小、使用方便、操作簡單等特點。
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關鍵詞：海上浮體 航向姿態 ARM HMR3000
Abstract： With the requirements of measuring seaborne floating body attitude and course，a professional measurement device was developed in this paper. An ARM controller of STM32F407VGT6 was used as the control core. Time information was obtained with Beidou UM220-IIIN，which is a GPS dual-mode positioning timing module. The measured data were stored in a SD card for convenience. Overall design of the device including software and hardware is also stated and the schematic diagram and parts of branching program were displayed in our paper.
Key words： seaborne floating body； attitude and course； ARM； HMR3000
夢乃傅暮I細√遄ㄓ糜誚懈呶O招緣暮I咸厥庾氨稈槭占觳饈匝槿撾瘛J匝槭貝鈐囟嘀中禿諾募觳庾氨覆⑶沂匝楣討形奕酥凳亍S捎謔艿椒紜⒗擻俊⒑A韉裙餐饔？浮體的航向姿態隨時處于變動狀態。根據承擔的軍事測量使命要求，需獲取浮體的實時航向姿態數據，用于事后修正測量裝備所獲取的測量數據。根據試驗需求，設計開發了基于ARM的海上浮體航向姿態測量儀。
1 總體組成及軟硬件實現途徑
1.1 總體組成
基于HMR3000的海上浮體航向姿態測量裝置由主控ARM芯片STM32F407VGT6、HMR3000模塊、SD卡電路、UM220-IIIN電路和電源電路組成，原理框圖如圖1所示。
1.2 硬件設計說明
1.2.1 電源電路
電源模塊選擇LM2576系列降壓型開關穩壓器，降壓開關穩壓器LM2576最高輸入電壓為40 V，該系統采用12 V的蓄電池供電，輸入電壓符合穩壓器要求。電源電路如圖2所示[1-2]。
圖2中的J1是電源接入插座，D1為IN5406，起到極性保護作用，當輸入電壓接反時，電路不工作，不會燒壞電路板上的電子元器件，C3、C3構成輸入電源濾波電路。圖2中的U2是開關電源芯片LM2576-5.0，它將12 V輸入電壓變換成5.0 V的直流電源VCC輸出，HMR3000模塊供電。D2、L1、C7、C5構成LM2576-5.0芯片的電路。圖2中的U3是開關電源芯片LM2576-3.3，它將12 V輸入電壓變換成3.3 V的直流穩定電壓輸出，為ARM芯片和SD卡電路供電。D3、L2、C8、C6構成電源芯片LM2576-3.3的電路。
1.2.2 HMR3000模塊接口電路設計
該設計選擇美國Honeywell公司生產的數字羅盤模塊HMR3000，實現航向姿態數據的采集。數字羅盤HMR3000使用磁阻傳感器和兩軸傾斜傳感器來提供航向姿態信息，其航向的精度為±0.5°，分辨率為±0.1°，俯仰角和滾動角精度為±0.4°，分辨率為±0.1°。模塊采用NMEA0813語句傳輸數據，包括3類標準信息（HDG、HDT和XDR），3類專用語句（HPR、RCD和CCD）[3-5]。HMR3000模塊接口電路如圖3所示。
圖3中STM32F407VGT6的UART1用于和電子羅盤HMR3000通信。圖3中的接口端子COM2是DB9接口，用于連接HMR3000，5 V穩壓電源通過引腳8輸入，HMR3000供電也可以通過引腳9輸入6～15 V的非穩定電源。圖3中的U4是TTL電平與RS232電平互換芯片。HMR3000有4種工作模式：連續、選通、睡眠和校準。HMR3000可在連續和選通模式下工作。在連續模式下，HMR3000以可組態的速率輸出羅盤主動提供的NMEA標準信息，而在選通模式下，則根據用戶控制電路的申請輸出。
軟件編寫時，采用HMR3000出廠時的默認設置，即通信波特率為19200bps，1位停止位，8位數據位、無奇偶校驗位和1位停止位。通過用戶控制申請獲取數據。該設計只讀取NMEA語句中的$PTNTHPR語句，讀取方法是ARM通過UART1接口向HMR3000發送語句$PTNT，HPR， 模塊回送$PTNTHPR語句。具體為ARM發送語句的具體內容為：“$PTNT，HPR*78＼r＼n”，模塊回應語句的具體內容為：“$PTNTHPR，85.9，N，-0.9，N，0.8，N*2C＼r＼n”。回應數據中：85.9為航向角，-0.9為俯仰角，0.8為滾動角。
根據以上分析進行ARM程序編寫，首先對UART1進行初始化，初始化子程序片段如下[4]：
程序中的一維數組g_quer_HPRdata[i]在程序的頭文件中定義為：
uint8_t g_quer_HPRdata[15]="$PTNT，HPR*78＼r＼n"。
1.2.3 SD卡接口電路設計
該設計存儲電路采用SD卡方式實現，ARM芯片STM32F407具備SDIO（Secure digital input/output interface）接口用于讀寫8G以下的Micro SD卡。SD卡接口電路如圖4所示[1-6]。
圖4中的J4為Micro SD卡插座，Micro SD卡的引腳7、8、1、2是數據接口，連接到STM32F407的PC8、PC9、PC10、PC11，Micro SD卡的引腳3是命令/回應接口，連接到STM32F407的PD2，Micro SD卡的引腳5是時鐘接口，連接到STM32F407的PC12，Micro SD卡的引腳9是卡檢測接口，連接到STM32F407的PC13，用于檢測有無SD卡插入。
該設計通過在STM32F407移植R0.09版本的FATFS文件系統，實現對SD卡的讀寫。FatFs Module是一種完全免費開源的FAT文件系統模塊，專門為小型的嵌入式系統而設計，它完全用標準C語言編寫，所以具有良好的硬件平立性，可以移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等系列單片機上而只需做簡單的修改。它支持FATl2、FATl6和FAT32，支持多個存儲媒介；有獨立的緩沖區，可以對多個文件進行讀/寫[6]。
該系統直接將以前移植過的FATFS源代碼拷貝過來使用，就是將 ff.c文件添加到工程文件夾中，新建diskio.c文件，在diskio.c文件中實現五個函數：
disk_initialize （BYTE）；//卡的初始化。
disk_status （BYTE）；//獲取卡的狀態。
disk_read （BYTE，BYTE*，DWORD，BYTE）；//從讀取數據。
disk_write （BYTE，const BYTE*，DWORD，BYTE）；//寫數據disk_ioctl （BYTE，BYTE，void*）；//獲取卡文件信息。
1.2.4 UM220-IIIN模塊電路設計
授時模塊選用和芯星通的BD2/GPS雙系統精密授時產品UM220-IIIN。該模塊為高性能SoC芯片，能夠同時支持BD2 B1、GPS L1兩個頻點，其1PPS精度為20 ns。UM220-IIIN模塊包括2個可配置的串口，默認波特率為9 600 bps。2個串口波特率均可由用戶自行配置，最高可設為230 400 bps。輸入/輸出信號類型為LVTTL電平。UM220-IIIN模塊電路如圖5所示。
圖5中ANT1為北斗/GPS雙模天線接入端，圖5中ARM芯片通過UART2和UM220-IIIN通信。授時模塊的1PPS輸出接入ARM芯片的PD0端。ARM嵌入式程序編寫時，如果授時模塊沒有鎖住衛星則使用ARM內部的RTC作為時間信息，如果授時模塊鎖住了衛星則通過UART2接收中斷讀取授時模塊輸出的“$GPGGA”和“$GPRMC”兩條NMEA語句，取出日期和時間信息，并以PD0輸入的1PPS信號上升沿作為準時刻點，定時200 ms讀取和存儲一幀數據。
1.3 軟件設計思想
該系統的ARM程序采用C語音編寫，可讀性強，存于ARM芯片STM32F407VGT6內部的FLASH存儲器中，軟件系統流程如圖6所示。
程序初始化結束后，ARM微處理器處于定時讀取航向姿態狀態，定時200 ms讀取一幀航向姿態數據，讀取的數據存入SD卡內。SD卡內數據的存儲格式為：“編號、時間、航向、俯仰、橫滾”的順序，例如：“8 2016/03/20 11：19：40：20 312.5 0.6 -1.4”表示第8條記錄，時間是2016年03月20日11時19分40秒20毫秒，航向312.5°，俯仰0.6°，滾動-1.4°。
2 測量結果分析
測試方法：將航向姿態測量儀放置在傾斜度在0～15°可調節的單軸滑臺上，滑臺上同時放置一個測量精度為0.1°的Bevel Box數字測角儀作為真值。先測試俯仰角，調節滑臺到測角儀顯示為0.0°，航向姿態測量儀加電開始測量記錄數據，手動從0°～15°～0°慢慢調節滑臺傾斜度，其中在數字測角儀顯示值為1.0°、3.0°、5.0°、7.0°、9.0°、10.0°、13.0°、15.0°處各停留3 s左右。再測試滾動角，將航向姿態測量儀轉動90°再重復以上過程。
表1部分只選取了8組實測數據，第一行，序號26是SD卡的存π蠔牛讀取SD卡的存儲數據后，序號18～33的俯仰數據都是1.1°～1.5°之間，均值為1.3°，在數字測角儀顯示值為1.0°時停留3 s左右，SD卡可記錄15條左右，因此，SD卡內序號18～33的數據就是滑臺在1.0°時測得的數據。取第26條記錄代表1.0°時的測量數據。余下的7條記錄也采用相同的方法獲得。從表1可以看出，實測數據與測角儀數據之間的誤差不大于0.4°，同樣，對負方向的俯仰角和正負方向的滾動角進行了對比，實測數據與測角儀數據之間的誤差絕對值都不大于0.3°，與HMR3000精度參數中俯仰角和精度為±0.4°符合。
最后測試航向角，航向角測量采用中海達支持BDS（B1/B3）、GPS（L1/L2）雙天線輸入，四頻高端測向板卡BX242所測的航向作為真值，采用10 m長的玻璃鋼條作為BX242測向板卡前后天線的基線，則BX242測向板卡的測向精度為：0.2°/L= 0.2°/10=0.02°。測試時，將BX242測向板卡固定在為其供電并引出了RS232調試接口的測試底板上。航向姿態測量儀放置在作為基線的玻璃鋼條中心位置，航向與基線平行且指向前天線方向。玻璃鋼條平行于地面放置在無遮擋的開闊地上，基線0°～360°可連續轉動。將測向板卡引出的RS232調試接口COMA通過USB轉RS232連接到筆記本電腦的USB接口，運行中海達提供的WaiView軟件，正確設置COM接口后即可實時觀測航向數據，手動從0°～360°慢慢旋轉天線基線，每隔5.0°停留3 s左右。
由表2可知，8組實測數據與BX242高精度測向板獲取的數據之間的誤差平均大于2.7°，這與測量模塊中航向精度為±0.5°不相符。特別是在碼頭實際安裝到浮體之后，與BX242高精度測向板獲取的數據之間的誤差平均大于8.2°，這種不相符是由使用環境中存在鐵磁材料造成的，這種環境引起的誤差是固定值，事后處理時，浮體上測得的航向數據減去8.2°后，實測數據與BX242高精度測向板獲取的數據之間的誤差絕對值都不大于0.4°，經過處理后與HMR3000參數中航向精度為±0.5°相符。
3 結語
目前，高危險性復雜海況的海上特殊裝備驗收檢測試驗任務增多，海上浮體的航向姿態數據獲取是亟待解決的問題。基于ARM的海上浮體航向姿態測量儀體積小，能夠很方便安裝到海上浮體，在試驗過程中能夠適應無人值守，海上多發的惡劣環境，實時采集海上浮體的航向姿態數據，且經事后誤差修正可實現精度為±0.5°的航向姿態數據的測量記錄功能，能夠滿足海上浮體航向姿態數據測量要求。
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[關鍵字]EDA 教學改革 教學方式
隨著電路設計的規模越來越大、集成度越來越高，傳統的電路設計方法已遠遠不能滿足現代電路設計的要求。在這種大的局勢下，EDA技術應運而生，EDA設計技術，是以計算機及EDA設計軟件為工作平臺，用硬件描述語言完成設計文件，由計算機自動地完成邏輯編譯、化簡、分割、綜合及優化、布局線、仿真，直至下載到特定的目標芯片中去。在當今電子產品生命周期短、集成度高、需多次重新設計等方面EDA技術更是表現出獨有的優勢。因此，EDA技術已成為現代電子設計的重要途徑。并已成為衡量一個國家電子技術發展水平的重要標志。在高校中培養具備這方面專業素質的電子技術人才，以適應世界電子行業的激烈競爭，所以必須進行EDA課程內容和教學手段、實踐教學的改革。
一、EDA教學中常見的問題
1.課程內容缺乏時代性
EDA技術發展之快，以及編寫教材的人往往不是站在技術的最前沿等等這些因素導致了現在市面上的教材內容更新速度慢，缺乏時代性，跟不上EDA技術的發展，不能及時將EDA技術的新成果和發展趨勢展現給學生，而且教材編寫上理論敘述多而配套的實驗和習題少，導致學生不能清晰的認識教學目標，對課程內容感到枯燥、乏味，漸漸就喪失了學習興趣。
2.教學方式封閉、單調
學生在封閉的課堂上獲取EDA知識，課堂教學仍然是以教師講授為主，學生只是被動的聆聽，方式呆板單調，互動有限，傳遞的信息有限。教學過程過分看重教，往往忽視學生有沒有學到，學到了什么，只是把大綱內規定的內容傳授給學生，不重視學生對EDA設計思想的理解和掌握。
3.實驗模式固化，創新性得不到鍛煉
受各種因素的影響，各種條件的制約，現有的實驗項目數量有限，學時少，模式單一，實驗教學仍以教師為主體，秉承“教師講解―課堂實驗―遞交實驗報告”的教學方式，學生的創造性得不到鍛煉。同時，實驗教學只是理論課程的其中一部分，實驗成績在總成績中所占比例不高，而且實驗成績多少通常取決于實驗報告的書寫，而這些并不能準確地反映出學生的實驗動手能力。所以導致很多學生不重視實驗，嚴重阻礙了學生動手能力和創新思維的培養。
二、EDA教學改革
1.課程內容定位
EDA課程內容改革應依據市場需求，調整課程結構，精煉課程重點，突出能力培養。使學生通過本門課程的學習，掌握自頂向下的層次化設計思想，硬件描述語言的編寫方法，EDA軟件設計開發工具和實驗開發系統等硬件驗證平臺的使用。在此基礎上實現對電子系統的開發設計。在課程內容上要將EDA技術的最新進展補充進來，以便于開闊學生的視野，提高學習興趣；針對當今教材習題少的缺點，增加適當的習題和實例，進而使學生熟練掌握硬件描述語言的編寫規則和語法特點；在可編程邏輯器件部分，主要使學生學會選擇和配置器件；開發軟件方面掌握一種軟件作為設計平臺，在硬件實驗系統上，使學生對EDA設計的流程有一個完整的認識。圍繞上述內容，設計配套實驗，將教與學學與練有機結合起來，增強學生解決實際問題的能力。
2.教學方式改革
（1）教學中在傳統教學的基礎上，引入網絡教學，形成黑板、多媒體、課程網站相結合的EDA教學模式，充實了教學信息量，加強了師生間的互動，提高了教學質量。其中黑板用于描述知識的結構框架，展現授課重點，使學生對所講內容有系統的認識。多媒體教學有信息量大、生動形象的特點，可以借助于它將EDA技術的新發展、新成果傳遞給學生，使教學更直觀。并且利用網絡構建EDA技術課程網站，學生可以根據興趣自主學習，也為師生互動交流搭建了平臺，實現課堂教學與網絡輔導互補。
（2）在教學中采用案例式教學方式，針對某個具體設計實例，從不同的設計方法研究入手，首先明確總體設計思想，然后在設計中穿插講解所涉及的基本語法，再將幾種設計方法進行比較，討論各種設計方法的優缺點、選出最佳設計方案，總結設計思想，最后有針對性的選擇設計練習，讓學生在設計中掌握新的語法知識和培養設計思想。這種教學方法，改變了以往為介紹語法而講解語法的枯燥難懂的授課方式。
3.構建科學的實踐教學體系
（1）改變傳統實驗教學模式。轉變教師在實驗中的地位，變主導為引導，而不致于使學生遇到困難半途而廢。強調學生在實踐教學中的主體地位，引導學生主動參與到實驗中。在寬松、自主的實驗環境下做實驗，使學生認識到自己可以完成怎樣的電路設計，最后進行多個方案的比較，認清自身方案的優勢與不足。學生經過這一過程，將對自己設計結果產生成就感，從而激發學生的學習興趣。
（2）豐富實驗內容，根據學生興趣和能力的不同，建立多層次的實驗教學內容。在保證基礎實驗的同時，加大綜合性實驗的力度，提供一些啟發性強的題目，由感興趣學生自行設計實驗方案、自主解決實驗問題，培養創新型思維。
（3）健全合理的實驗考評機制。一方面突出實驗教學在實際能力培養中的作用，使學生在思想上重視實驗教學。另一方面提高實驗在整個課程中所占的比重，建立科學、合理的實驗考評機制，按實驗方案的合理性、操作技能以及實驗分析能力確定實驗成績，不僅能提高學生對實驗環節重視程度，而且可以體現學生的設計技能。
（4）在實踐教學中引入項目。EDA課程的實踐教學包括課程設計、畢業設計、實訓等環節。課程設計通過所選題目，培養學生系統的設計思想和規范的研究方法。畢業設計環節側重EDA技術的實際應用，讓學生在運用所學知識解決實際工程問題的過程中，積累工程經驗。實踐教學可以通過引入項目來實施，通過一個完整的“項目”進行實踐教學，以“項目驅動”為主要形式，激發學生學習的源動力；讓學生進行項目制作，使學生學以致用；讓學生在操作中進行項目相關參數的選擇和計算，使學生在實踐中鞏固所學理論知識，做到融會貫通；最終通過項目的成功制作，使學生獲得成功的體驗，培養理論與實踐的綜合應用能力和分析問題、解決問題能力，為職業發展打好基礎，同時也可以通過項目加強其團隊協作能力。
4.考核方式的改革
考試是教學過程中必不可少的重要環節，它具有檢驗、反饋、督導、激勵等多種功能。考試既是對教學效果的有效測評，也是對教學內容的有力強化。EDA技術這門課應更注重實際動手設計能力。
（1）考核目標從以往的“考知識”轉變為“考能力”。避免學生為應付考試死記硬背理論知識，而忽視了對知識的理解和應用。
（2）改變“一考定成績”的狀況。這種考核方式不利于全面考核學生知識與技能。可將平時成績，實驗技能，期末考試等方面進行有機結合作為最終評定成績。（平時成績包括行為表現、學習的興趣與主動性、與小組成員的協作表現等。學習過程的行為表現由上課缺勤率、課堂表現來打分；學習的興趣與主動性由是否積極參與老師提出問題的討論、是否積極主動提出問題等方面進行打分。）
（3）以課題設計的形式作為期末考核。教師結合自身的教學經驗，設計不同難度的課題，根據學生能力不同，允許學生自主選題，然后進行獨立考核。可以達到培養學生的學習自主性和提高實踐動手能力的目的。
三、結束語
EDA技術的迅速發展，是信息社會發展必不可缺的動力之一，我們要及時掌握EDA的最新技術，并對EDA的課程進行調整改進，從而調動學生學習積極性和主動性，為我國培養出更多的EDA技術人才。
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1、產品市場份額位居中國大陸前列；
2、產品的可靠性及性能參數處于國內同行業領先地位；
3、公司與國內外知名手機芯片開發企業建立了緊密的合作關系。
麥捷科技（300319）是國內片式元件領域的領先企業。公司自成立以來始終專注于片式電感及片式LTCC射頻元器件等新型片式被動電子元器件的研發、生產及銷售，并為下游客戶提供技術支持服務和元器件整體解決方案。目前公司片式電感產品的市場份額位居中國大陸第二位，片式LTCC射頻元器件產品的市場份額位居中國大陸第一位。
綜合競爭實力雄厚
麥捷科技主導產品為片式電感以及片式LTCC射頻元器件，屬于高端被動電子元器件，其設計、制造具有高精密性。公司產品廣泛用于通訊產品、消費類電子、計算機、互聯網應用產品、LED照明、汽車電子、工業設備、航空航天及軍工等領域。隨著下游電子整機產品的輕薄化、集成化和智能化，以片式化、微型化、低功耗為代表特征的片式電子元器件對傳統插裝元器件替代進程加速，逐步成為元器件行業主流。
公司綜合競爭實力雄厚，體現在技術創新與工藝領先優勢、人才優勢、品質優勢、快速響應及早期參與優勢、大客戶資源優勢、成本優勢六個方面。
公司擁有國內最早從事片式電感及片式射頻元器件行業的研發、管理團隊，公司形成了獨特、領先、創新的三維電路設計理念、強大的研發設計能力、持續完善的工藝技術水平以及快速響應的運營體系，掌握了設計和制造難度較高的片式電感及射頻元器件的關鍵技術，并成為中國大陸第一家掌握LTCC射頻元器件濕法生產關鍵技術的廠商。截至2011年11月22日，公司已獲授權的專利共有13項，另有5項專利正在申請。憑借深厚的技術積累及嚴格的現代生產控制工藝，公司產品的可靠性及性能參數處于國內同行業領先地位，達到國際先進水平。
品質是貫穿整個行業鏈的重要屬性。基于公司成熟的制造工藝和較高的研發設計水平，同樣尺寸、同樣體積的電感產品，公司可以實現其電感量更大、頻率更高、品質因素Q值更高，且抗干擾能力更強，過濾雜波、穩定電流能力更好。目前公司片式電感及片式LTCC射頻元器件產品合格率處于國內行業領先水平，產品出廠合格率高于99.999%（即不良率小于10PPM），高于同行業平均合格率水平，公司成立至今無一例重大質量事故。
此外，公司建立了一整套成熟的設計開發工藝流程，搭建了模塊化設計工作平臺，大大縮短了開發周期。公司還通過參與主流芯片產品的早期設計為客戶量身定做一站式元器件解決方案。為了順應主流芯片的發展潮流，提前掌握市場主動權，提高對下游市場的響應速度，公司與國內外知名的手機芯片開發企業建立了緊密的合作關系。公司的主要客戶包括TCL王牌、創維集團、華為通信等國內外知名電子產品設計、制造商。同時，該等大型整機廠商與公司建立合作關系對下游眾多中小型整機廠商也具有較強的示范作用，為公司市場開拓奠定了良好的基礎。
募投項目提升競爭力
根據中國電子元件行業協會的統計數據，2010年全球市場對LTCC射頻元器件的需求量達到64億只，合計36.5億元，需求量同比增長22.61%，預計2014年將達到125億只，合計人民幣57.5億元。2011-2014年全球市場對LTCC射頻元件需求量復合增長率將達到18.19%。
關鍵詞： LabVIEW; 四面體非晶碳薄膜; 真空磁過濾多弧; 離子束表面改性
中圖分類號： TN915.9?34; TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）02?0111?04
Development of LabVIEW?based automatic control system for tetrahedral amorphous carbon film preparation
AN Shu?dong1， BI Peng2， ZHAO Hai?tian3， ZHAO Yu?qing1
（1. Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of Ministry of Education， School of Electronics and Information Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. City College， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710018， China;
3. Guangzhou Iron & Steel Enterprises Group， Guangzhou 510381， China）
Abstract： A automatic control system for vacuum plasma coating machine was designed by means of graphical programming software LabVIEW and data acquisition card PCI1711， which realized automatic control of tetrahedral amorphous carbon film preparation. The design of the system hardware and the core software is described in detail. This system can be divided into five modules： power control， A/D conversion， D/A conversion， PWM output and inter?host communication. The power supply is mainly controlled by electromagnetic relay. D/A conversion is implemented by output on?off interface. A/D Conversion can be achieved by the multi?channel analog switch chip and data acquisition card. The composite vacuometer， molecular pump and gas mass flowmeter ， and their data acquisition are controlled through RS485 data bus. The experiment results indicate that the control system has the real?time monitoring and control functions of vacuum degree， ion beam surface modification，and filtered cathode vacuum arc coating. Computer control of film preparation was realized.
Keywords： LabVIEW; tetrahedral amorphous carbon film; filtered cathode vacuum arc; ion beam surface modification
0 引 言
近年來，四面體非晶碳膜（tetrahedral amorphous Carbon films，ta?C）憑借其具備許多堪與天然金剛石相媲美的卓越性能而備受關注[1?3]。通過等離子電弧在結構件基體表面沉積ta?C薄膜，能夠極大地提高構件的耐磨性、耐腐蝕性等性能。現已廣泛應用于微電子、醫療、國防等不同領域，成為新型碳材料家族中最具吸引力的材料之一[4?5]。隨著ta?C薄膜的廣泛推廣和應用，必將產生巨大的經濟效益，因此，對ta?C薄膜的大規模產業化技術研究逐漸成為近年來的熱點。
然而，由于ta?C涂層制備工藝的窗口期很窄，要進行大規模工業化生產，如果沒有一套完整的自動控制系統，要保證制備過程中的一致性和重復性將會非常困難，因此研制用于鍍膜裝置的自動控制系統，是ta?C薄膜大規模工業應用的關鍵所在。
本文利用圖形化編程語言LabVIEW編寫軟件，通過研華公司的PCI?1711多功能卡將鍍膜機中的各個部件與計算機相連接，開發并設計了用于ta?C薄膜制備的自動控制系統，有效地控制制備過程中出現的偏差，消除人的主觀性對薄膜制備質量一致性的影響，保證ta?C薄膜在工業化生產中涂層性能的一致性和可重復性，對ta?C薄膜制備的產業化具有重要意義。
1 系統硬件設計
所設計的控制系統分為5部分。主要由內置多功能卡PCI1711的PC機、各設備電源控制電路板A、多路模擬電壓信號選通電路板B、多路數/模轉換電路板C、多路脈沖量輸出電路板D以及有基于RS 485總線的設備間互聯通信網絡等組成。該系統能夠對薄膜制備的各個設備進行實時控制，系統結構如圖1所示。
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圖1 薄膜制備硬件系統結構圖
系統中的計算機為普通工業用計算機或個人電腦，多功能卡選用北京研華公司的PCI?1711多功能卡，它包含16路單端或8路差分模擬量輸入的12位A/D轉換、2路12位模擬量輸出、16路開關量輸入、16路開關量輸出、1路脈沖量輸出。由于實際本系統要控制的開關量、模擬量輸入路數、模擬量輸出路數、脈沖量輸出路數都遠大于多功能卡的路數，因此要對該卡的功能進行擴展。需要外加電路板實現，具體見圖1中的電路板A、B、C、D，這樣才能實現對多個設備的數據采集和輸出控制。
在電路板A中，通過控制電磁繼電器完成對各個電源啟動與關閉的控制。
將數據采集卡16路開關量輸出的高8位作為地址輸出，低8位作為控制數據輸出，在本控制電路板上采用74HC574觸發器鎖存控制數據，每個74HC574控制8個設備，設計了15個74HC574，共可輸出120路控制信號。每一路控制信號可以控制一個三極管的通斷，實現對一個電磁繼電器的控制，通過電磁繼電器的觸頭的接通或斷開控制1個設備的電源通斷。其中一路的控制電路見圖2。
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圖2 一路設備的電源控制電路
本系統的數/模轉換電路采用8個DAC7725芯片，該芯片是美國AD公司出品的高性能12位工業級D/A芯片，每個芯片內含4個獨立的12位D/A轉換器，可以輸出4路各自獨立的模擬電壓。8個DAC7725共可提供32路模擬電壓輸出，滿足了本系統需要30路用于設備控制的模擬電壓需求。通過DAC7725芯片對數據采集卡輸出的12位數據進行轉換，轉換公式如下：
[Vout=VREFL+VREFIL-VREFL?N4 095]
式中：Vout為送給設備的控制電壓;VREFL和VREFH 分別為芯片需要的參考電壓;N為轉換數據[6]。根據DAC7725的轉換時序，可將LDAC和R/W均設置為低電平有效，之后輸入12位數據，實現D/A轉換，DAC7725輸出端輸出一個Vout電壓送至受控設備的接線見圖3。
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圖3 DAC7725接線圖
模擬量輸入電路（A/D轉換），將設備送來的0～5 V的模擬電壓，通過2片8路模擬開關芯片CD4051進行選通后送到數據采集卡的模擬量輸入端，由于PCI1711共有16路模擬量輸入端，2個4051占用了2個輸入通道，還有14個通道可供模擬電壓輸入，從而共可以提供30路模擬量輸入測量。滿足本系統28路模擬電壓輸入采集的要求。模擬電壓選通電路見圖4。
在薄膜制備過程中，需要控制真空室真空度、離子源氣體進氣流量、分子泵轉速等，而這些設備都配備了RS 485計算機通信接口，并提供了相應的通信協議[7?8]，因此，只需要利用RS 485總線，便能實現計算機與這些設備之間的通信，對其實施控制。
圖4 模擬電壓選通電路
2 基于LabVIEW環境下控制程序設計
基于LabVIEW環境的四面體非晶碳膜制備自動控制系統軟件是采用順序結構的思想來編寫的，流程圖如圖5所示，根據ta?C薄膜制備工藝中不同設備的控制方式不同，將程序分為電源控制、數/模轉換、模/數轉換、多路PWM輸出和機間通信5部分。
對于電源的控制，主要通過數據采集卡輸出高低電平控制電磁繼電器實現。在LabVIEW中，利用Diowriteportbyte函數，一次性輸入8位數據到數據輸出端state，由于電路通過反相器以及ULN2003型復合晶體管，因此，當程序輸出低電平（0）時，控制設備啟動，當程序輸出高電平（11111111，即十進制255）時，控制設備關閉。
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圖5 薄膜制備工藝流程圖
在數/模、模/數轉換（D/A、A/D）部分，首先利用控制原理中介紹的公式計算出需要輸入的12位數字量，然后分為低8位、高4位分別送入數據采集卡，經過轉換，輸出對應的0～5 V的模擬電壓信號，控制設備的運行;如果設備工作狀態發生改變，以模擬量輸出的方式，將自身的工作狀態轉換成0～5 V的模擬電壓信號傳送到數據采集卡的輸入端，實現信息的反饋，其程序框圖如圖6所示。
在鍍膜過程中，同樣需要很多設備與計算機之間的通信，這些通信可以通過RS 485總線串行通信接口來實現，在軟件設計中，VISA函數可以很好實現這一功能[9?10]。
設備使用異步串行通信接口，采用RS 485通信方式，其數據格式為：一個起始位，8個數據位，無校驗位，2個停止位。設置串口號COM1、波特率4 800 b/s、校驗位NONE、數據位8、停止位2等參數（注意：設置的參數必須與儀器設置的一致），選擇 16進制發送方式，將要輸入的指令通過總線接口進行傳送，從而達到與設備之間的通信，程序框圖如圖7所示。
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圖6 D/A、A/D轉換上位機部分程序框圖和前面板
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圖7 真空室真空度控制程序框圖
3 實驗結果
實驗證明，此系統可以制備出四面體非晶碳膜，運行本控制系統的程序界面如圖8所示。<E：＼王芳＼現代電子技術201502＼Image＼10t8.tif>
圖8 控制系統程序界面
對此薄膜用Dimension 3100 SPM型原子力顯微鏡作為測試儀器，效果如圖9所示。
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圖9 本系統制備出的ta?C薄膜的表面形貌
4 結 語
本文利用LabVIEW 軟件平臺構建了四面體非晶碳薄膜制備的自動控制系統，結合西安交通大學磁過濾陰極真空電弧源多層介質涂層設備，最終制備了高質量的ta?C薄膜，同時，在薄膜沉積過程中，還可以利用該自動控制系統對ta?C薄膜進行各種調控，使薄膜具有更加穩定的性能，減少了在傳統人工控制中的許多人為性錯誤操作和批量生產質量的不一致性，對ta?C薄膜的廣泛應用具有重要意義。
參考文獻
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