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時(shí)間：2023-03-17 18:11:10
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The Design Implementation Based on Power Shut off Technology
WANG Dian-chao YI Xing-yong Pan Liang
(CEC Huada Electronic Design Co.,Ltd. Beijing 100102,China)
Abstract:The technology of Power Shut Off(PSO) refers to shutting off the power of the module when it dose not work in a period of time, in order to reduce chip power .The CPF format developed by Cadence company was adopted in this paper to define each low power cell and to introduce implementation flow of PSO through an experimental case. The result shows that the chip's static power can be effectively reduced when the PSO technology is used.
Key words: Low power design; Power Shot Off; CPF format
1引言
隨著系統(tǒng)芯片(SoC) 采用更先進(jìn)的制造工藝并集成更多的功能,它所面臨的高性能與低功耗的矛盾越來(lái)越突出。對(duì)于130nm及以下的工藝,芯片的功耗密度越來(lái)越高、漏電功耗所占比例越來(lái)越大,在90 nm時(shí),靜態(tài)功耗在總功耗的比例已經(jīng)接近1/3,如圖1所示,所以在芯片的設(shè)計(jì)過(guò)程中,除了對(duì)芯片的動(dòng)態(tài)功耗進(jìn)行優(yōu)化外,還要對(duì)芯片的靜態(tài)功耗進(jìn)行有效的優(yōu)化。
芯片中某些模塊在一段時(shí)間內(nèi)不工作時(shí),通過(guò)將其供電電源關(guān)斷,從而達(dá)到降低芯片功耗的目的。電源關(guān)斷(PSO)技術(shù)是最有效的降低靜態(tài)功耗的技術(shù)之一。本文通過(guò)采用Cadence公司的CPF格式來(lái)定義各個(gè)低功耗單元,用實(shí)例來(lái)介紹實(shí)現(xiàn)電源關(guān)斷的過(guò)程,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析。
2 電源關(guān)斷技術(shù)
及CPF格式定義低功耗單元
2.1 電源關(guān)斷技術(shù)簡(jiǎn)介
如果某一模塊在一段時(shí)間內(nèi)不工作,可以關(guān)掉它的供電電源。關(guān)掉供電電源可以使用設(shè)置在模塊頂部或底部的Power Switch開(kāi)關(guān),通常在使用后端工具進(jìn)行布局布線時(shí)加入。斷電后,模塊進(jìn)入睡眠模式,其漏電功率很小。喚醒時(shí),為了使模塊盡快恢復(fù)工作模式,需要保持關(guān)電前的狀態(tài),保持寄存器(SRPG)可用于記憶狀態(tài)。 為了使保持寄存器記憶狀態(tài),模塊的電源關(guān)斷時(shí),需要常開(kāi)電源為保持寄存器供電。為了保證在睡眠模式時(shí),下一級(jí)的輸入不會(huì)懸空,設(shè)計(jì)中需要插入隔離單元(Isolation Cell),提供一個(gè)“1”或“0” 的輸出,使下一級(jí)的輸入為確定的邏輯值。綜上所述,電源關(guān)斷設(shè)計(jì)需要工藝庫(kù)中提供的低功耗單元包括:包括保持寄存器(SRPG)、隔離單元(ISO)、常開(kāi)緩沖器(always on buffer)及電源開(kāi)關(guān)(power switch)等低功耗單元。
2.2 CPF格式定義低功耗單元
面臨低功耗設(shè)計(jì),EDA工具供應(yīng)商強(qiáng)調(diào)整個(gè)流程進(jìn)行優(yōu)化來(lái)實(shí)現(xiàn)低功耗自動(dòng)管理的概念,同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。由Cadence公司開(kāi)發(fā)、Si2(silicon integration initiative)的低功耗聯(lián)盟(LPC)管理的通用功率格式(CPF,common power format)首先于2005年向行業(yè)開(kāi)放。Synopsys后來(lái)聯(lián)合Mentor和Magma等公司開(kāi)發(fā)了統(tǒng)一功率格式(UPF,unified power format)于2007年2月底作為一項(xiàng)Accellera標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)。 UPF和CPF命令十分類(lèi)似,只是各自對(duì)應(yīng)于不同的EDA工具。如圖2所示CPF設(shè)計(jì)流程。
CPF文件允許用戶(hù)在整個(gè)RTL-GDSII設(shè)計(jì)流程中定義功率設(shè)計(jì)意圖和約束條件,使用Tcl腳本文件,用戶(hù)可以使用其中的命令完成諸如建立和管理電源域、確定隔離和保持、定義與電源相關(guān)的規(guī)則和約束條件等等。
3基于電源關(guān)斷技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3.1設(shè)計(jì)實(shí)例介紹
測(cè)試芯片采用了電源關(guān)斷的低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),芯片中劃分了5個(gè)獨(dú)立的電源域,其中PD0為常開(kāi)電源域,PD1-PD4為可關(guān)斷電源域,電源域中的寄存器在綜合階段全部替換成了保持寄存器,因此可以在電源重新上電后恢復(fù)斷電前的數(shù)據(jù)。芯片的邏輯部分供電電壓為1.8V,芯片中包含了一塊電源可關(guān)斷的SRAM模塊,如圖3所示。
物理實(shí)現(xiàn)選用的工藝庫(kù)為130nm低功耗庫(kù),庫(kù)中包含了電源關(guān)斷設(shè)計(jì)所需要的低功耗單元。
3.2芯片的物理設(shè)計(jì)
相對(duì)于普通設(shè)計(jì),在物理實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,低功耗設(shè)計(jì)有一些特殊的步驟,需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中加以注意,如加入power switch開(kāi)關(guān)、添加連接常開(kāi)電源的well tap 單元等等。接下來(lái)將對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中的特殊步驟加以介紹。完整的低功耗設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)流程如下:
3.2.1 添加 Power switch 開(kāi)關(guān)
對(duì)需要關(guān)斷的Power Domain,添加power switch開(kāi)關(guān),在添加開(kāi)關(guān)時(shí)要保證power switch屬于所添加的電源區(qū)域,同時(shí)起始點(diǎn)設(shè)置為布線間距的整數(shù)倍,否則在布線后插入filler會(huì)產(chǎn)生空隙。本次設(shè)計(jì)中power switch插入的起始點(diǎn)為264,此距離為采用的130nm工藝庫(kù)中布線間距(0.48)的整數(shù)倍。插入power switch腳本如下:
#PD1
addPowerSwitch-column
-powerDomain PD1
-globalSwitchCellName scs8lp_sleep_head_L
-leftOffset 264 -enablePinIn sleep
-enablePinOut sleepout
-enableNetIn instance_core/UNCONNECTED22
-enableNetOut sw_out
-checkerBoard 1
-horizontalPitch 900.0
3.2.2加入well tap單元:
對(duì)于常開(kāi)電源區(qū)和可關(guān)斷電源區(qū),需要添加不同類(lèi)型的well tap,對(duì)于常開(kāi)電源區(qū),加入普通類(lèi)型的well tap;但對(duì)于可關(guān)斷電源區(qū),由于電源關(guān)斷后,仍然有保持寄存器中的一部分邏輯電路在工作,即保存關(guān)斷前的數(shù)值,因此,必須對(duì)這部分工作的器件進(jìn)行阱連接。添加特殊類(lèi)型的well tap。如圖4所示,well tap單元上加有窄的stripe,以保證well tap供電,進(jìn)而使保持寄存器工作部分的邏輯電路的阱連接。
3.2.3 Buffer tree synthesis for SRPG and ISO cell
對(duì)于各個(gè)電源區(qū)域保持寄存器的控制端,由于受到同一個(gè)控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng),容易產(chǎn)生信號(hào)的延時(shí)及max fanout不滿(mǎn)足問(wèn)題,通常對(duì)這些端口的信號(hào)線進(jìn)行buffer tree synthesis,進(jìn)而對(duì)信號(hào)到達(dá)不同寄存器的skew進(jìn)行平衡。
隔離單元與保持寄存器單元類(lèi)似,也要對(duì)控制信號(hào)端進(jìn)行buffer tree synthesis。
相應(yīng)的腳本如下:
#SRPG enable signal buffer tree synthesis
selectNet instance_core/n_594
bufferTreeSynthesis -bufList{scs8lp_bufkapwr_1scs8lp_bufkapwr_4}
-maxDelay 300ps
-net instance_core/n_594
-fixedBuf
-fixedNet
# isolation enable signal buffer tree synthesis
selectNetinstance_core/n_8065
bufferTreeSynthesis -bufList {scs8lp_buf_4}
-maxDelay 300ps
-net instance_core/n_8065
-fixedBuf
-fixedNet
在進(jìn)行buffer tree synthesis 過(guò)程中,一定要設(shè)置-fixedBuf fixedNet,否則優(yōu)化過(guò)程中,會(huì)使常開(kāi)的buffer被普通buffer替代,致使期望保存或恢復(fù)的數(shù)值不能正確操作。
3.2.4 Always on pin connected for SRPG
保持寄存器用于受到電源關(guān)斷的區(qū)域,保持寄存器一般包含兩級(jí):主級(jí)與存儲(chǔ)級(jí)。主級(jí)與本地(可開(kāi)關(guān))電源軌相連。存儲(chǔ)級(jí)與常開(kāi)電源相連,以便用最小的漏電電流保持正常狀態(tài),存儲(chǔ)級(jí)通常使用高閾值電壓晶體管。如圖5所示130nm工藝庫(kù)中保持寄存器版圖,其中kapwr為常開(kāi)電源Pin。
保持寄存器的性能與常規(guī)寄存器幾乎完全一樣,不過(guò)需要更大的面積和稍高的動(dòng)態(tài)耗電。在正常運(yùn)行過(guò)程中,這些寄存器具有與其他標(biāo)準(zhǔn)寄存器相同的功能,一旦發(fā)出保持啟動(dòng)信號(hào),寄存器就進(jìn)入保持模式,意味著可以關(guān)閉電源,處于保持模式時(shí),時(shí)鐘和重置信號(hào)不起作用。
在時(shí)鐘樹(shù)綜合之前,需要對(duì)保持寄存器的常開(kāi)電源Pin進(jìn)行連接。布線器會(huì)把選中的器件、選中的pin連接到指定的電源stripe上去,腳本如下:
#SRPG virtpwr connected by nanoroute
setNanoRouteMode -routeHonorPowerDomain true
setPGPinUseSignalRoute scs8lp_srsdfrtp_1:kapwr scs8lp_bufkapwr_1:kapwr
scs8lp_bufkapwr_4:kapwr
selectNet VDD1V8
setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly true
globalDetailRoute
setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly false
以上幾個(gè)步驟為電源關(guān)斷設(shè)計(jì)中相對(duì)普通設(shè)計(jì)需要特別注意的地方,布局布線完成后,需要進(jìn)行詳細(xì)的DRC/LVS檢查。
4芯片的測(cè)試結(jié)果分析
芯片從Foundry返回后,測(cè)試結(jié)果表明,芯片可以實(shí)現(xiàn)電源關(guān)斷的操作,重新上電后,可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的恢復(fù),如圖6所示。
對(duì)于單個(gè)可關(guān)斷的電源域,動(dòng)態(tài)功耗為:3.04-3.25mA,供電電源關(guān)斷后,靜態(tài)功耗為: 189-200nA,從上述結(jié)果可以看出,芯片采用電源關(guān)斷技術(shù),可以有效的降低芯片的靜態(tài)功耗。對(duì)于手持式設(shè)備,芯片的靜態(tài)功耗或待機(jī)功耗要求苛刻,對(duì)一些認(rèn)證IP,認(rèn)證結(jié)束后,芯片正常工作狀態(tài)下,不需要其繼續(xù)工作,可以考慮采用電源關(guān)斷技術(shù),關(guān)斷其供電電源;對(duì)于某些特殊的IP或Memory等,也可以同樣采用此技術(shù)。
5結(jié)束語(yǔ)
電源關(guān)斷技術(shù)要求從系統(tǒng)級(jí)處了解在哪里增加電源門(mén),怎樣及何時(shí)去控制這些電源門(mén)。同時(shí)切斷設(shè)計(jì)的電源必須能節(jié)省功耗,因?yàn)樵跀嚯姾图与娹D(zhuǎn)換期間的功率純粹是浪費(fèi)的。斷電和加電要求一定的轉(zhuǎn)換周期,也需要通過(guò)仿真來(lái)對(duì)比電源關(guān)斷時(shí)節(jié)省的功率以及加電時(shí)耗費(fèi)的切換功率,同時(shí),也必須權(quán)衡考慮為實(shí)現(xiàn)此省電技術(shù)而需要的芯片面積和關(guān)斷該設(shè)計(jì)所導(dǎo)致的任何性能降低。
采用電源關(guān)斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)芯片設(shè)計(jì),要從綜合階段開(kāi)始,綜合過(guò)程中插入隔離單元并把普通寄存器替換為保持寄存器。接著,物理實(shí)現(xiàn)階段必須了解頂部/底部(header/footer)開(kāi)關(guān)的特殊電源連接需求,正確的將開(kāi)關(guān)插入各自的電源域中,同時(shí)要添加特殊類(lèi)型的well tap,以保證保持寄存器常開(kāi)部分邏輯電路的阱連接,在時(shí)鐘樹(shù)綜合之前,需要對(duì)保持寄存器的常開(kāi)電源Pin進(jìn)行連接等等。
為確保流片成功,芯片設(shè)計(jì)要求通過(guò)時(shí)序和信號(hào)完整性分析,來(lái)解決開(kāi)關(guān)中額外的IR-drop壓降、通過(guò)隔離單元的時(shí)延和控制信號(hào)對(duì)噪聲的靈敏度問(wèn)題。等效性檢查應(yīng)包括電源域識(shí)別、隔離/電源開(kāi)關(guān)使能的驗(yàn)證以及狀態(tài)保持的睡眠/喚醒序列檢查等等。
基于以上論述,是否采用電源關(guān)斷設(shè)計(jì)要經(jīng)過(guò)仔細(xì)的分析,準(zhǔn)確的評(píng)估芯片設(shè)計(jì)中采用電源關(guān)斷技術(shù)后可以?xún)?yōu)化靜態(tài)功耗的比例。同時(shí),物理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中,需要特別注意與其他普通設(shè)計(jì)的區(qū)別。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介
本論文工作所開(kāi)發(fā)研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由嵌入式微處理器、日歷時(shí)鐘芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、非易失性存儲(chǔ)器等器件組成。運(yùn)用最小功耗設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)，可以在電池供電的情況下長(zhǎng)期采集和記錄數(shù)據(jù)，可長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)。通過(guò)具有報(bào)警輸出的日歷時(shí)鐘芯片等組成喚醒單元，可在設(shè)定時(shí)間開(kāi)啟電源。上電后，采用單片機(jī)控制數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及對(duì)時(shí)鐘芯片的再設(shè)定等，而數(shù)碼管作為設(shè)定指示和時(shí)間、采集到模擬量信號(hào)的顯示。
系統(tǒng)通過(guò)仿真總線的方式擴(kuò)展較大容量外部存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)的多次采集時(shí)間和采集數(shù)據(jù)。而利用更換存儲(chǔ)器方式，或利用串行口通信方式可將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式電腦中作進(jìn)一步處理。
關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，低功耗，數(shù)據(jù)采集，定時(shí)
摘要 1
Summary 2
第1章 文獻(xiàn)綜述 1
略………
第2章 定時(shí)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 18
略………
第3章 定時(shí)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 38
略………
第4章 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì) 48
略………
第5章 定時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用介紹 51
結(jié)論 56
致謝 58
參考文獻(xiàn) 59
附錄1 60（程序）
附錄2 70（數(shù)字儀器）
附錄3 76（Digital Instruments）
（附錄不在論文字?jǐn)?shù)內(nèi)）
：33000多字的本科論文，適合自動(dòng)化、電信與通信專(zhuān)業(yè)
有中英文摘要、目錄、圖、參考文獻(xiàn)
中圖分類(lèi)號(hào)：TM44；TN722；TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）12-00-04
0 引 言
近幾年，受益于集成電路工藝技術(shù)與片上系統(tǒng)（System on Chip，SOC）的不斷發(fā)展，射頻識(shí)別、微傳感網(wǎng)絡(luò)以及環(huán)境感知等智能技術(shù)得到了飛速發(fā)展。其中，對(duì)于無(wú)線供能植入式芯片的能量管理、功耗等問(wèn)題受到了持續(xù)關(guān)注與研究。當(dāng)能量采集完成后，如何管理該能量是下一代被動(dòng)與半被動(dòng)植入式醫(yī)療設(shè)備的要點(diǎn)之一。
在低功耗植入式芯片中，如低噪聲放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器等對(duì)工作電壓及其紋波都有一定的要求，因此須通過(guò)無(wú)線能量管理單元（Wireless Power Management Unit，WPMU）將其電源性能優(yōu)化。在被動(dòng)式芯片中，電荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、帶隙基準(zhǔn)源（Bandgap Reference，BGR）、低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要組成單元[1]。芯片工作時(shí)，人體各種低頻信號(hào)（EEG、ECG）會(huì)通過(guò)相應(yīng)的耦合方式傳輸?shù)诫娫赐飞?，從而產(chǎn)生低頻噪聲，因此必須采用相關(guān)技術(shù)獲得高電源抑制比電源。論文首先通過(guò)電荷守恒定理對(duì)傳統(tǒng)Dickson電路進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析及能量轉(zhuǎn)換效率的改進(jìn)；然后采用電源抑制增強(qiáng)（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）與前饋消除（Feed-forword Cancellation，F(xiàn)WC）等技術(shù)分別提高BGR、LDO在運(yùn)放工作帶寬內(nèi)的電源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在輸出節(jié)點(diǎn)并聯(lián)電容以濾除超高頻紋波；最后為保證LDO在負(fù)載變化時(shí)的穩(wěn)定性，利用零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償來(lái)滿(mǎn)足相位裕度的要求。
論文對(duì)高性能無(wú)線能量管理單元預(yù)設(shè)指標(biāo)為：
（1）CPR在輸入500 mV交流小信號(hào)時(shí)能輸出2 V電壓并驅(qū)動(dòng)200 A的電流。
（2）BGR輸出電源抑制比在LDO的工作范圍內(nèi)盡可能大于60 dB，以減小對(duì)LDO的影響。
（3）LDO輸出電源抑制比在生物信號(hào)頻率處（01 kHz）及CPR輸入信號(hào)處大于60 dB，從而提供負(fù)載電路高性能的工作電壓。
（4）在滿(mǎn)足以上性能的情況下，盡可能減小電路工作時(shí)的靜態(tài)電流。
1 無(wú)線能量管理單元的基本原理
圖1所示為論文采用的無(wú)線供能能量管理單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由圖1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保護(hù)電路（PRO）等模塊。芯片通過(guò)片外天線采集到由基站發(fā)射的高頻無(wú)線能量信號(hào)，CPR將信號(hào)整流后進(jìn)行升壓，產(chǎn)生紋波較大的電壓，并將該能量?jī)?chǔ)存到Cs中。由BGR與LDO所組成的環(huán)路通過(guò)負(fù)反饋輸出紋波較小的VDD來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電路。其中BGR為L(zhǎng)DO提供一個(gè)精準(zhǔn)穩(wěn)定的參考電壓，因此BGR的性能影響著LDO輸出電壓的性能。芯片中的保護(hù)電路包括過(guò)溫保護(hù)電路、過(guò)壓保護(hù)電路、限流電路，其主要目的在于意外情況下對(duì)電路關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的保護(hù)。
設(shè)計(jì)能量管理單元時(shí)，在無(wú)線供能的環(huán)境下要注意相關(guān)性能的優(yōu)化，而這又伴隨著其它性能的犧牲，下面將詳細(xì)分析論文采用的CPR、BGR、LDO設(shè)計(jì)原理及電路結(jié)構(gòu)。
3 版圖及后仿真結(jié)果
采用SMIC 0.18 m CMOS工藝，在Cadence下對(duì)電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，無(wú)線能量管理單元的版圖如圖7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模塊，芯片的尺寸大小為277 m×656 m。
電路在工作時(shí)要避免反饋環(huán)路發(fā)生震蕩，必須保證LDO環(huán)路的相位裕度，論文在tt、ff、ss三個(gè)工藝角下對(duì)其進(jìn)行不同負(fù)載電流（0200 A）的仿真，仿真結(jié)果如表1所列。該結(jié)果表明在負(fù)載電流0200 A內(nèi)，由于零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償?shù)淖饔茫辔辉６染笥?0度，根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，LDO環(huán)路能在負(fù)載變化的范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。
圖8所示為BGR、LDO的PSR仿真波形，從圖中可以看出，BGR采用PSRB技術(shù)后，PSR在低頻降低了近25 dB。當(dāng)LDO采用FWC技術(shù)時(shí)，電源抑制在低頻段得到了顯著提升，電路空載時(shí)，在100 Hz內(nèi)提升了近20 dB，滿(mǎn)載時(shí)提升了近40 dB。
圖912給出了WPMU中CPR與LDO的相關(guān)瞬態(tài)仿真結(jié)果，當(dāng)輸入頻率為500 MHz、幅度為0.5 V的正弦波時(shí)，電路建立時(shí)間約為13 s，CPR的紋波約為5 mV，而LDO的輸出電壓紋波減小至2.3 V，即高頻處PSR約為-66 dB。因此論文采用的LDO在生物信號(hào)頻率處（DC-10 kHz）與輸入信號(hào)頻率處（100 MHz以上）具有較好的PSR。表2對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)與本文設(shè)計(jì)進(jìn)行性能比較，可以看出，該電源管理單元能輸出性能更好的工作電壓。
4 結(jié) 語(yǔ)
論文針對(duì)CPR、LDO、BGR進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于低功耗無(wú)線供能植入式醫(yī)療芯片的能量管理單元。采用SMIC 0.18 m CMOS工藝提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB將BGR的PSR在低頻處從-75 dB降低到-95 dB，這是優(yōu)化LDO電源抑制能力的基本前提。通過(guò)FWC、零極點(diǎn)追蹤補(bǔ)償改善LDO的PSR與穩(wěn)定度，在驅(qū)動(dòng)0.2 mA的負(fù)載電流時(shí)，PSR為-85 dB@DC，而相位裕度在負(fù)載范圍內(nèi)均大于60度，該性能可適用于對(duì)電源性能要求較高的模塊。
參考文獻(xiàn)
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一、選題背景及其意義
隨著科技進(jìn)步及工農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展，用電量大幅上升，對(duì)電網(wǎng)供電安全性、可靠性提出了越來(lái)越高的要求。架空高壓輸電線路是電力系統(tǒng)的動(dòng)脈，其運(yùn)行狀態(tài)直接決定電力系統(tǒng)的安全和效益。目前我國(guó)對(duì)線路等的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)還較少，還沒(méi)有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。另外隨著近年來(lái)煤礦的大量開(kāi)采造成形態(tài)各異的地下采空區(qū)，引起地面沉降、斷裂等一系列工程地質(zhì)災(zāi)害，這些采空塌陷區(qū)，大多分布廣，延伸遠(yuǎn)，可造成地表輸電線路基礎(chǔ)傾斜、開(kāi)裂、桿塔變形、傾倒，引起絕緣子串和地線線夾邁步，電氣安全距離不夠等問(wèn)題，當(dāng)問(wèn)題擴(kuò)大時(shí)容易造成倒桿斷線，電氣距離不夠引起跳閘等事故。嚴(yán)重威脅輸電線路的安全運(yùn)行。
本論文設(shè)計(jì)的輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在桿塔發(fā)生異常時(shí)，能夠及時(shí)向管理中心匯報(bào)相關(guān)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)對(duì)于處在采空區(qū)的線路桿塔可以進(jìn)行全天候的監(jiān)測(cè)，能夠及時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量由于地面沉降等原因造成的桿塔傾斜角度，當(dāng)桿塔順線路或橫線路傾斜角度超過(guò)預(yù)定報(bào)警值時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)出報(bào)警信息，使工作人員能夠及時(shí)處理危情，并且大大的減少了人工的巡視次數(shù)，提高了桿塔的安全系數(shù)。
二、國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)
近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，越來(lái)越多基于網(wǎng)絡(luò)化、模塊化、智能化的系統(tǒng)應(yīng)用在電網(wǎng)中。但目前我國(guó)電網(wǎng)智能化僅處于剛剛起步的階段，尤其在運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)環(huán)節(jié)上，和世界上先進(jìn)發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)還有較大的差距。同時(shí)鐵搭運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定，是輸電環(huán)節(jié)中的重中之重，因此應(yīng)研究一套較為合理的桿塔運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，來(lái)保證輸電環(huán)節(jié)的穩(wěn)定。
目前國(guó)內(nèi)已涉及線路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究，例如高壓輸電線路絕緣子帶電檢測(cè)、桿塔故障在線監(jiān)測(cè)、桿塔傾斜測(cè)量等。國(guó)外在這方面也有較多的研究。該系統(tǒng)采用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳送媒介，為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸提供更加簡(jiǎn)捷、便利的手段。
三、主要研究?jī)?nèi)容
本論文主要研究桿塔傾斜測(cè)量技術(shù)，傳輸線路周?chē)臏囟取穸?、氣候檢測(cè)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通訊方面的研究。
本文研究的主要內(nèi)容如下：1、分析研究了傾角傳感器的工作原理、GSM技術(shù)的工作原理，制定了監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)的硬件和軟件總體流程。2、根據(jù)監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)方案，選擇了該設(shè)計(jì)中的主要器件。包括傾角傳感器的選擇、GSM通信模塊的選擇、太陽(yáng)能蓄電池的選擇等。充分體現(xiàn)了監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)中低成本和低功耗的要求。3、設(shè)計(jì)了硬件電路，包括微控制器ATmega64A的最小系統(tǒng)、電源電路、通信電路、電壓電流轉(zhuǎn)換電路等。4、實(shí)現(xiàn)了軟件設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)初始化、A／D信號(hào)采集部分程序、按鍵中斷程序等。5、在整體設(shè)計(jì)中，采取軟件和硬件的方式，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)儀的抗干擾性和穩(wěn)定性。6、通過(guò)EMC電磁兼容實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)儀的穩(wěn)定性和可行性。
四、研究方案及難點(diǎn)
整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程為：數(shù)據(jù)采集主模塊根據(jù)監(jiān)控中心設(shè)置好的采樣間隔，定期產(chǎn)生數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送到ZigBee主節(jié)點(diǎn)，然后由ZigBee主節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)采集命令廣播給其他ZigBee子節(jié)點(diǎn)，ZigBee子節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)采集命令發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊接到命令后，開(kāi)始進(jìn)行傾角、絕緣子拉力以及風(fēng)向、風(fēng)速、電源電壓等數(shù)據(jù)的采集。
采集完成之后再發(fā)送給ZigBee模塊，然后通過(guò)各ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)以接力的方式傳送給ZigBee主節(jié)點(diǎn)，ZigBee主節(jié)點(diǎn)將各數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)采集主模塊。最后由數(shù)據(jù)采集主模塊將所有數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給GSM模塊，由GSM模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的GSM模塊，再通過(guò)串口發(fā)給Pc機(jī)后臺(tái)。最后由Pc機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理、存儲(chǔ)和顯示。
該系統(tǒng)的主要模塊功能如下：
1.中央處理器。核心微處理器選用ATmega64A，它是由ATMEL公司推出的一款高性能，低功耗的8位AVR微處理器。最高處理速度可達(dá)16MHz，其芯片內(nèi)部集成了大容量的Flash程序存儲(chǔ)區(qū)和功能豐富強(qiáng)大的硬件接口電路。先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，擁有130條指令，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期。
2.定時(shí)時(shí)鐘模塊。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片選用Philips公司生產(chǎn)的串行日歷時(shí)鐘芯片PCF8583.該芯片供電電壓范圍寬、功耗小、計(jì)時(shí)準(zhǔn)確。
3.數(shù)據(jù)采集模塊。在輸電線路桿塔的運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊主要進(jìn)行桿塔傾角數(shù)據(jù)、絕緣子拉力數(shù)據(jù)以及風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、濕度，電源電壓數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)采集模塊為分層次設(shè)計(jì)，有主輔之分，主模塊除了在完成上述功能以外，還負(fù)責(zé)將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采集命令，以及各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的打包、處理、發(fā)送。
4.ZigBee模塊。Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。
5.GSM模塊。GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。
使用ARM或者單片機(jī)通過(guò)RS232串口與GSM模塊通信，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT命令來(lái)控制GSM模塊實(shí)現(xiàn)各種無(wú)線通信功能，它是基于ARM平臺(tái)，使用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。有些GSM模塊具有“開(kāi)放內(nèi)置平臺(tái)”功能，可以讓客戶(hù)將自己的程序嵌入到模塊內(nèi)的軟件平臺(tái)中。
6.監(jiān)控中心。包括GSM接收模塊和后臺(tái)管理軟件，主要完成桿塔運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及對(duì)于數(shù)據(jù)采集模塊參數(shù)的控制。
7.電源模塊。本系統(tǒng)包括太陽(yáng)能電池板和蓄電池，主要為數(shù)據(jù)采集模塊、ZigBee模塊和GSM模塊提供電能。
8.設(shè)計(jì)環(huán)境。硬件電路以Protel99SE(sP6)為環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)械相關(guān)的設(shè)計(jì)以AutoCAD2006為環(huán)境進(jìn)行；軟件用c語(yǔ)言編寫(xiě)。
本設(shè)計(jì)中的桿塔傾角監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗，并采取zigbee及GSM無(wú)線通信的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傾角監(jiān)測(cè)儀與桿塔監(jiān)控中心的通信。
難點(diǎn)預(yù)計(jì)出現(xiàn)在傾角計(jì)算及程序的設(shè)計(jì)，再有系統(tǒng)的通信鏈路的安全，可靠；數(shù)據(jù)庫(kù)的安全，主要是權(quán)限管理和數(shù)據(jù)備份。
五、預(yù)期成果和可能的創(chuàng)新點(diǎn)
文章論述的鐵塔傾斜實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量精度高、實(shí)時(shí)性好、運(yùn)行成本低。該系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中擁有較強(qiáng)的可靠性、穩(wěn)定性具備在惡劣的環(huán)境下持續(xù)正常工作的能力，保證較長(zhǎng)的使用壽命；系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，無(wú)需記憶復(fù)雜的工作指令，應(yīng)具有美觀有好的人機(jī)界面；工作人員可以遠(yuǎn)程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制、管理、維護(hù)，無(wú)需人員到現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)塔身狀態(tài)信息的綜合在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了傾角狀態(tài)的全記錄并起到預(yù)警，告警的功能便于提前采取有效措施，確保電網(wǎng)及通信網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。從實(shí)際運(yùn)行結(jié)果看系統(tǒng)是一種有效的監(jiān)測(cè)鐵塔傾斜的系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用前景。創(chuàng)新點(diǎn)：為了以后對(duì)本系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展，系統(tǒng)預(yù)留一些模擬量輸入接口；通訊方式的擴(kuò)展，支持短信息。
參考文獻(xiàn)：
1 引言
集成化智能傳感器概念的提出僅僅十余年,但近年發(fā)展很快,國(guó)外刊物上關(guān)于新型集成化智能傳感器研制的報(bào)道很多,國(guó)內(nèi)一些著名高校和研究所也在開(kāi)展此類(lèi)工作。和經(jīng)典的傳感器相比,集成化智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。集成化智能傳感器的優(yōu)點(diǎn)使它成為目前傳感器研究的熱點(diǎn)和傳感器發(fā)展的主要方向,必將主宰下個(gè)世紀(jì)的傳感器市場(chǎng)。
本文的數(shù)字化無(wú)線溫度傳感器具有集成化、智能化的特點(diǎn)，它由溫度測(cè)量（發(fā)射部分）、溫度處理（接收部分）和溫度值顯示（上位機(jī)）三部分構(gòu)成。溫度測(cè)量采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其體積小，集成度高，自帶A/D，功耗低。。處理器選用低功耗單片機(jī)PIC16F74。溫度傳輸采用超低功耗發(fā)射接收模塊PTR4000，以方式與處理器通訊。PTR4000在測(cè)量點(diǎn)接收傳感器的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳輸出去，接收部分通過(guò)接受模塊（PTR4000）接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)字濾波，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)以異步串行通信方式傳給上位機(jī)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 PIC16F74單片機(jī)
帶8位A/D轉(zhuǎn)換輸入
高驅(qū)動(dòng)電流，I/O腳可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管（LED）顯示
雙向可獨(dú)立編程設(shè)置I/O引腳
8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0，帶8位預(yù)分頻
有1～2路捕抓輸入/比較輸出/PWM輸出（CCP）
16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1，睡眠中仍可計(jì)數(shù)
8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR2，帶有8位的周期寄存器及預(yù)分頻和后分頻
并行口操作
同步串行口I2C/SPI總線操作
同步通訊接口SCI/USART操作
2.2 溫度傳感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。
2.3無(wú)線模塊PTR4000
PTR4000具有全球開(kāi)放的2.4GHz頻段，125個(gè)頻道，能滿(mǎn)足多頻及跳頻需要，其最高速率為1Mbps,，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，內(nèi)置硬件CRC糾檢錯(cuò)，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，其供電壓為1.9~3.6V，能滿(mǎn)足低功耗的設(shè)計(jì)要求。
2.4串行接口
為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的串行通信，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了單電源轉(zhuǎn)換芯片ICL232，ICL232是一個(gè)雙組驅(qū)動(dòng)/接收器，它內(nèi)含一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，可在單5V電源供電時(shí)提供EIA/TIA-232-E電平。。
3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
3.1低功耗技術(shù)
本設(shè)計(jì)的低功耗設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)的方方面面。首先是CPU的選擇上，PIC系列的CPU具有較寬的操作電壓（2.0～5.5V），四種可選振蕩方式：低成本阻容（RC），標(biāo)準(zhǔn)晶體/陶瓷（XT），高速晶體/陶瓷（HS），低頻晶體（LP）。，在選擇合適的電壓和晶振的情況下，其功耗可以降到微安級(jí)（如SLEEP模式下，功耗只為 1μA，工作電壓為3.0V，工作頻率為32kHz時(shí)，功耗為15μA[1]）；其外圍器件減少，功耗自然可以降低；即使使用了較高的晶振頻率，由于CPU內(nèi)部有一個(gè)特殊功能寄存器DIVM可以對(duì)時(shí)鐘分頻，從而達(dá)到節(jié)電目的。PIC系列單片機(jī)有睡眠方式，在空閑時(shí)可以設(shè)置為低功耗工作方式，非空閑時(shí)，用看門(mén)狗、中斷等方式喚醒。
在其他元器件的選用上，盡量采用低功耗器件，如無(wú)線收發(fā)模塊選用超低功耗無(wú)線收發(fā)模塊PTR4000，其最大工作電流僅為18mA，在掉電模式下僅為1uA.
總之，在以PIC單片機(jī)為核心的控制硬件電路設(shè)計(jì)上，采用及篩選低功耗的電子元件與集成電路，進(jìn)行低功耗線路設(shè)計(jì)和線路板優(yōu)化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術(shù)及采樣周期優(yōu)化，以期達(dá)到最大限度地降低計(jì)量?jī)x表功耗，延長(zhǎng)電池壽命。
3.2無(wú)線溫度采集流程
系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度采集步驟：發(fā)射模塊的單片機(jī)上電復(fù)位后，配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開(kāi)始組織配置數(shù)據(jù)，設(shè)置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設(shè)置CS=0，完成配置，再設(shè)置PWR=1，CE=1，調(diào)用測(cè)溫子程序，測(cè)量5個(gè)溫度值，溫度值經(jīng)組織后傳入PTR4000，置CE=0，發(fā)射數(shù)據(jù)，延時(shí)100us，等待發(fā)射完畢，置PWR=0，將PTR設(shè)置為掉電模式，然后將PIC的所有I/O口設(shè)置為輸入狀態(tài)，最后進(jìn)入SLEEP模式，等待WDT喚醒，然后重復(fù)次發(fā)射過(guò)程。。接收模塊的單片機(jī)上電復(fù)位后，也是配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開(kāi)始組織配置數(shù)據(jù)，設(shè)置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設(shè)置CS=0，完成PTR的配置，然后配置串口，使能串行中斷和全局中斷，再設(shè)置CE=1，PTR4000處于接受狀態(tài)，等待DR1的電平發(fā)生變化后，接受數(shù)據(jù)及完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，并把采集來(lái)的溫度值轉(zhuǎn)換為ASCⅡ碼傳送給上位機(jī)。
4．結(jié)論
本設(shè)計(jì)中的數(shù)字化無(wú)線溫度傳感器具有性能可靠、功耗極低、構(gòu)造簡(jiǎn)潔、使用安全等一系列優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)溫范圍在0℃～100℃之間，傳感器采用具有12位轉(zhuǎn)換精度的單線溫度傳感器DS18B20，測(cè)溫精度可達(dá)±0.0625℃，射頻模塊選用PTR4000，無(wú)線傳輸距離大于50米，靜態(tài)功耗電流小于3，這些指標(biāo)大大高于設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。
參考文獻(xiàn)
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MSP430F413簡(jiǎn)介
TI公司MSP430 F413系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號(hào)控制器，其中包括一系列器件，它們針對(duì)不同的應(yīng)用而由各種不同模塊組成。它們具有16位RISC結(jié)構(gòu)，CPU的16個(gè)寄存器和常數(shù)發(fā)生器使MSP430微控制器能達(dá)到最高的代碼效率。靈活的時(shí)鐘源可以使器件達(dá)到最低的功率消耗。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可使器件從低功耗模式迅速喚醒，在小于6μs的時(shí)間內(nèi)被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列單片機(jī)的16位定時(shí)器是應(yīng)用于工業(yè)控制如紋波計(jì)數(shù)器、數(shù)字化電機(jī)控制、電表、水表和手持式儀表等的理想配置，其內(nèi)置的硬件乘法器大大增強(qiáng)了其功能并提供了與軟硬件相兼容的范圍，提高了數(shù)據(jù)處理能力。
智能水表的工作原理
本文設(shè)計(jì)的智能水表的工作原理：用戶(hù)先購(gòu)買(mǎi)IC卡(用戶(hù)卡)，并攜帶IC卡至收費(fèi)工作站交費(fèi)購(gòu)水，工作人員將購(gòu)水量等信息寫(xiě)入卡中。用戶(hù)將卡插入IC卡水表表座內(nèi)時(shí)，IC卡水表內(nèi)單片機(jī)識(shí)別IC卡密碼，校驗(yàn)并確認(rèn)無(wú)誤后，將卡中購(gòu)水量與表內(nèi)剩余水量相加后(初次使用時(shí)，剩余水量為零)，寫(xiě)入IC卡水表內(nèi)的存儲(chǔ)器，進(jìn)而控制電閥開(kāi)通閥門(mén)供水。
用戶(hù)在用水過(guò)程中，帶磁感器的葉輪在水流的沖擊下轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)磁傳遞，帶動(dòng)上表罩上的梅花齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)并使多極齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械累計(jì)計(jì)量，每當(dāng)計(jì)量到0.01m3時(shí)由位于0.01m3處的計(jì)量傳感器向單片機(jī)發(fā)出同步的計(jì)量脈沖信號(hào)，此時(shí)，MSP430F413將輸入的有效脈沖計(jì)入并計(jì)算用水量，IC卡水表內(nèi)剩余水量就會(huì)相應(yīng)的減少一個(gè)計(jì)量單位，累計(jì)用水量就會(huì)增加一個(gè)計(jì)量單位，LCD顯示屏上顯示剩余水量等相關(guān)用水?dāng)?shù)據(jù)。當(dāng)剩余水量低于一個(gè)定量時(shí)(有一個(gè)事先設(shè)定好的最低剩余水量值)，IC卡水表的報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)(蜂鳴器響起)，提醒用戶(hù)及時(shí)到供水部門(mén)再次購(gòu)水，這時(shí)，LCD顯示屏上顯示“請(qǐng)購(gòu)水”字樣。當(dāng)剩余水量為一1時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電閥自動(dòng)關(guān)閉，切斷水源，停止供水并報(bào)警。在用戶(hù)重新購(gòu)水讀卡存入后，再開(kāi)通電閥供水。在正常情況下，閥門(mén)處于開(kāi)通狀態(tài)，當(dāng)遇到剩余水量為-1或者電池電壓小于3V等其他特殊情況時(shí)閥門(mén)會(huì)由開(kāi)通變?yōu)殛P(guān)閉狀態(tài)。
系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
本文設(shè)計(jì)的智能水表系統(tǒng)主要由微處理器、流量傳感器、電動(dòng)閥門(mén)、IC卡讀／寫(xiě)器、LCD液晶顯示及電源等組成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)
系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。
①電源低電壓檢測(cè)電路
本系統(tǒng)采用三節(jié)干電池4.5V作為供電電源，使用一段時(shí)間后，干電池會(huì)放電，為了保證整個(gè)系統(tǒng)，特別是閥門(mén)的正常工作，需要對(duì)電源進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)電能不能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求時(shí)，及時(shí)報(bào)警提醒用戶(hù)更換電池，以免造成不必要的麻煩。
為提高智能水表運(yùn)行的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)中采用電源電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電路。如圖3所示。電壓檢測(cè)芯片采用日本理光R3111H30lC低電壓檢測(cè)芯片，R3111H301C輸出電壓為3.0V，最大工作電流為3.0μA，一般情況下的工作電流僅為1.0μA，高精度集成，完全滿(mǎn)足系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)電源電壓正常時(shí)，芯片的輸出腳輸出為高電平；當(dāng)電源電壓小于3.0V時(shí)，輸出腳輸出低電平，即P1.1輸出低電平，P1.1下降沿中斷有效，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)時(shí)即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序處理，這時(shí)LCD液晶顯示“換電池”字樣，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警提示用戶(hù)更換電池，MSP430F413內(nèi)部基本定時(shí)器使能中斷，定時(shí)1s檢測(cè)電壓是否回升，如果回升蜂鳴器再次發(fā)出一聲警報(bào)提示，LCD液晶上的“換電池”顯示字樣清除。如沒(méi)有回升，則關(guān)閉閥門(mén)，直到用戶(hù)更換電池，才再次開(kāi)啟閥門(mén)供水。由于MSP430F413工作用電壓是3.0V，所以需要一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換芯片將4.5V電壓轉(zhuǎn)換成3.0V供MSP430F413和其他模塊使用，本電路中用的是RH5RL30AA一電壓調(diào)整芯片，它具有高精度的輸出電壓，工作電流極低只有1.1μA。
②脈沖采集電路
本系統(tǒng)中水表的基表采用符合ISO4064B標(biāo)準(zhǔn)的旋翼式冷水水表。該表計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)與測(cè)量機(jī)構(gòu)經(jīng)磁耦合傳動(dòng)，采用干簧管傳感器計(jì)量發(fā)訊，每流經(jīng)0.01m3水時(shí)產(chǎn)生一個(gè)脈沖。為了有效防止各種可能的干擾抖動(dòng)而產(chǎn)生的多計(jì)數(shù)現(xiàn)象，本設(shè)計(jì)中采用雙干簧管雙脈沖通過(guò)由電容和電阻組成的防抖電路輸入單片機(jī)計(jì)數(shù)，當(dāng)兩個(gè)脈沖輸入段依次有脈沖輸入的時(shí)候才產(chǎn)生一個(gè)有效脈沖計(jì)數(shù)，兩個(gè)脈沖有互鎖功能，P1.3和P1.4作為脈沖輸入端。每輸入一個(gè)脈沖，在存儲(chǔ)器中減去相應(yīng)水量。表內(nèi)設(shè)有磁保護(hù)裝置，具有較強(qiáng)的抗外磁干擾能力。
③閥門(mén)控制電路
閥門(mén)控制是水表控制系統(tǒng)中一個(gè)很敏感的部分，關(guān)啟閥門(mén)的可靠性差，將會(huì)給供水部門(mén)帶來(lái)很大的問(wèn)題。本系統(tǒng)采用的是電動(dòng)球閥，工作電壓3V，工作時(shí)電流僅50mA。設(shè)計(jì)中利用直流電機(jī)帶動(dòng)半球閥正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的方式來(lái)控制閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉。利用MSP430F413單片機(jī)的P6.6和P6.7來(lái)控制閥門(mén)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)，利用MSP430F413內(nèi)部比較器(P1.6CA0，P1.7CA1)檢測(cè)堵轉(zhuǎn)電流來(lái)控制電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)正常工作時(shí)，CA0>CAl，一旦堵轉(zhuǎn)，電流迅速增大，CAOUT=0，來(lái)通知MSP430F413電機(jī)轉(zhuǎn)到位。定時(shí)器定時(shí)1s檢測(cè)電機(jī)是否到位，有效地解決閥門(mén)關(guān)閉不可靠問(wèn)題。當(dāng)正向端輸入高電平，反向端輸入低電平時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟；反之，閥門(mén)閉合。當(dāng)單片機(jī)P6.7口輸入低電平、P6.6口輸入高電平時(shí)，正向端(ON)輸出高電平，反向端(OFF)輸出低電平，開(kāi)啟閥門(mén)，開(kāi)啟到位時(shí)，由單片機(jī)P1.5口輸入檢測(cè)信號(hào)，動(dòng)作停止；反之，正向端輸出低電平，反向端輸出高電平，關(guān)閉閥門(mén)，同樣由單片機(jī)P1.5口輸入關(guān)閉到位檢測(cè)信號(hào)。
2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
圖4是主程序流程圖。單片機(jī)上電復(fù)位后主程序采用順序執(zhí)行的方法，逐個(gè)掃描各個(gè)自定義標(biāo)志位，檢查是否有動(dòng)作發(fā)生，若有發(fā)生則轉(zhuǎn)入相應(yīng)子程序處理，處理完后回到主程序，繼續(xù)掃描其后的標(biāo)志位，最后進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待下一次中斷喚醒，喚醒后同樣循環(huán)一遍，又進(jìn)入低功耗狀態(tài)。由于各信號(hào)以中斷的方式進(jìn)入的，所以要特別注意中斷的優(yōu)先級(jí)及中斷的嵌套問(wèn)題。采用模塊化方法設(shè)計(jì)各個(gè)子程序。根據(jù)不同功能，定義了不同的功能模塊。明確入口出口，相互之間的調(diào)用關(guān)系，以供調(diào)用。主要軟件模塊有：IC卡讀寫(xiě)模塊，液晶顯示模塊，計(jì)量模塊，F(xiàn)LASH讀寫(xiě)模塊，低電壓保護(hù)模塊等。上電后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括對(duì)內(nèi)部存儲(chǔ)器單元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶顯示的設(shè)置等。接著進(jìn)入主循環(huán)，判斷故障、電源電壓是否正常等，若一切正常則開(kāi)閥供水。無(wú)論在什么情況下只要有低電壓信號(hào)出現(xiàn)，系統(tǒng)就提示欠壓，蜂鳴器報(bào)警，液晶顯示，提示用戶(hù)更換電池：當(dāng)剩余水量低于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)液晶顯示提醒用戶(hù)“請(qǐng)購(gòu)水”，如果用戶(hù)沒(méi)有及時(shí)購(gòu)水重新插卡充值，當(dāng)剩余水量為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)控制閥門(mén)關(guān)閉，停止供水。
3 系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)
在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的功耗往往和電源電壓的大小成一定比例關(guān)系，電源電壓高，系統(tǒng)的功耗相應(yīng)的也會(huì)增大，因此在功耗要求很?chē)?yán)格的智能水表控制系統(tǒng)中，在保證功能的前提下，盡量選擇低的電源電壓。本系統(tǒng)中選用三節(jié)堿性干電池4.5V供電。本文所設(shè)計(jì)的智能水表的能耗主要由三部分構(gòu)成：第一部分是控制器中單片機(jī)(CPU)液晶正常運(yùn)行時(shí)的持續(xù)性能耗，這是主要的功耗；第二部分是IC卡水表執(zhí)行機(jī)構(gòu)(電閥)動(dòng)作時(shí)的瞬時(shí)能耗；第三部分是IC卡水表一些輔助功能如聲音報(bào)警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了總能耗的95％以上。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮：選擇低功耗電動(dòng)閥；選擇低功耗器件(CMOS型)；選擇低的工作電壓和低的工作頻率；軟件設(shè)計(jì)時(shí)選擇低功耗的系統(tǒng)運(yùn)行模式。
4 系統(tǒng)抗干擾的設(shè)計(jì)
1.引言
我國(guó)有近13億人口，食品安全是近幾年來(lái)具有持續(xù)挑戰(zhàn)性的問(wèn)題和社會(huì)熱點(diǎn)[1-3]，并且隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，消費(fèi)者對(duì)食品的質(zhì)量提出了更高的要求。人們不僅要求食品能夠安全食用， 還要求食品的感官特性基本不變[4]，但無(wú)論是植物性食品、動(dòng)物性食品還是人造食品，其水分活度、總酸度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、自然微生物群、酶和生化底物及防腐劑等因素，在從原材料的摘取、加工、物流、倉(cāng)儲(chǔ)、銷(xiāo)售等環(huán)節(jié)中，都會(huì)受外界溫度、濕度、光照及環(huán)境中微生物群與包裝氣體組成等的影響，而不斷地發(fā)生物理、化學(xué)、微生物上的變化，以一定的速度和方式喪失其原有品質(zhì)。
2.傳統(tǒng)貨架期指示器存在的問(wèn)題
傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單設(shè)定食品保質(zhì)期及基于條碼的食品安全管理模式無(wú)法滿(mǎn)足更深入細(xì)致與高效食品安全管理的目的。目前傳統(tǒng)的食品保存與管理方法存在如下問(wèn)題：
（1）傳統(tǒng)保質(zhì)期是通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)少量食品樣品進(jìn)行加速實(shí)驗(yàn)、常溫保存實(shí)驗(yàn)或通路實(shí)驗(yàn)等驗(yàn)證手段來(lái)確定，而事實(shí)上，在流通過(guò)程中食品品質(zhì)不僅與每個(gè)食品個(gè)體初始狀態(tài)有關(guān)，同時(shí)也與所處流通的環(huán)境密切相關(guān)。評(píng)價(jià)食品的實(shí)際品質(zhì)不僅需要了解食品個(gè)體的初始狀態(tài)，還需要對(duì)食品個(gè)體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、跟蹤其在運(yùn)輸、儲(chǔ)藏和分銷(xiāo)環(huán)節(jié)中的溫度、濕度、光照、氧氣含量等及諸多不可預(yù)見(jiàn)的影響因素。因此，食品安全狀態(tài)評(píng)估比傳統(tǒng)質(zhì)保期的確定更加復(fù)雜、需要在更大的時(shí)間與空間范圍內(nèi)由具有數(shù)據(jù)采集與智能性標(biāo)簽的參與，帶來(lái)諸如信息交互、運(yùn)營(yíng)成本等問(wèn)題。
（2）使用傳統(tǒng)的時(shí)間-溫度指示器評(píng)價(jià)食品個(gè)體品質(zhì)方法雖然應(yīng)用范圍廣泛（如常用于乳制品、冷凍肉和冷凍水果等冷藏、冷凍食品），具有使用方便、易于觀察等優(yōu)點(diǎn)，但此類(lèi)產(chǎn)品是一次性使用，不能記錄食品流通過(guò)程中環(huán)境參數(shù)的歷史變化情況，信息的獲取依賴(lài)于人工觀察，不利于信息管理自動(dòng)化與效率的提高。生化式時(shí)間-溫度指示器必須使用在有溫度-時(shí)間歷史影響的食品上，使用前還必須知道食品的活化能，以選擇合適的指示器與其動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行匹配，且成本與可靠性也限制了其使用。
（3）現(xiàn)在食品的信息標(biāo)識(shí)主要是利用條形碼技術(shù)[5-6]。從當(dāng)今企業(yè)和食品流通的現(xiàn)狀來(lái)看，采用條形碼技術(shù)進(jìn)行信息標(biāo)識(shí)是具有成本低、易于操作、易于制作等優(yōu)點(diǎn)，但是條形碼技術(shù)自身存在一些缺陷，不能夠滿(mǎn)足發(fā)展的需要，例如條形碼存儲(chǔ)信息少；在實(shí)際的操作過(guò)程中掃描儀只能在近距離下才能對(duì)其讀取；在讀取條形碼時(shí)，經(jīng)常會(huì)有貨物粘貼條形碼位置的不同和貨物包裝的不規(guī)則等問(wèn)題，使得操作員在對(duì)貨物進(jìn)行掃描時(shí)需要花大量時(shí)間來(lái)尋找掃描條形碼的精確位置；有時(shí)還會(huì)發(fā)生漏掃描情況。條形碼技術(shù)不能夠滿(mǎn)足高精度快速識(shí)別的要求，并且其存儲(chǔ)的信息一旦寫(xiě)入就不可以對(duì)其存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改，也不能夠重復(fù)使用，降低了條形碼的使用率，最主要的缺點(diǎn)是不能對(duì)食品進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)，這些都制約著食品企業(yè)的發(fā)展。
3.RFID貨架期指示器的優(yōu)點(diǎn)
RFID貨架期指示器由RFID讀寫(xiě)器和RFID微粒構(gòu)成。RFID技術(shù)作為一種快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集與處理信息的高新技術(shù)，通過(guò)對(duì)實(shí)體對(duì)象的唯一有效標(biāo)志，其可廣泛用于生產(chǎn)、零售、物流、交通等各個(gè)行業(yè)[7]。RFID貨架期指示器優(yōu)點(diǎn)有：
（1）不需要光學(xué)可視、非接觸完成識(shí)別工作。在冷鏈物流中，需要對(duì)大量食品進(jìn)行識(shí)別，利用RFID技術(shù)解決了條形碼技術(shù)識(shí)別速度慢、識(shí)別操作復(fù)雜等缺點(diǎn)，提高了效率。
（2）工作時(shí)無(wú)須人工干預(yù)、不易損壞，減少了由于人為原因產(chǎn)生的出錯(cuò)概率。由于條形碼識(shí)別操作過(guò)程中容易磨損，使得食品質(zhì)量不能得到有效的標(biāo)識(shí)，而RFID貨架期指示器不需要人工對(duì)食品進(jìn)行干預(yù)，通過(guò)讀取微粒的數(shù)據(jù)來(lái)掌握食品的質(zhì)量。
（3）可遠(yuǎn)距離識(shí)別運(yùn)動(dòng)物體，提高了傳統(tǒng)貨物在分揀登記信息時(shí)候的處理速度。RFID貨架期指示器不需要人工操作近距離地讀取食品環(huán)境與質(zhì)量信息，通過(guò)射頻技術(shù)，可以遠(yuǎn)距離完成通信，提高了登記食品質(zhì)量信息的速度。
（4）能夠?qū)κ称愤M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、評(píng)估與預(yù)測(cè)。傳統(tǒng)技術(shù)不能根據(jù)當(dāng)前環(huán)境的變化而實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)、評(píng)估與預(yù)測(cè)食品的質(zhì)量，這使得食品在冷鏈物流過(guò)程中的質(zhì)量不能被實(shí)時(shí)的反映，而RFID貨架期指示器通過(guò)采集食品的一些質(zhì)量信息，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)食品的質(zhì)量。
4.RFID貨架期指示器亟需解決的問(wèn)題
在冷藏運(yùn)輸過(guò)程中，射頻裝置運(yùn)行與典型的行業(yè)環(huán)境下：首先裝置工作于低溫、潮濕、機(jī)械振動(dòng)、沖擊和大范圍金屬干擾、電磁干擾等惡劣環(huán)境下；其次射頻裝置要求的識(shí)別距離遠(yuǎn)，能夠達(dá)到多目標(biāo)快速識(shí)別；最后要具有低功耗、存儲(chǔ)容量大、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。因此，對(duì)RFID貨架期指示器的性能提出更高的要求，主要表現(xiàn)在：
（1）應(yīng)具有低功耗特性。在冷鏈物流過(guò)程中，RFID貨架期指示器需要長(zhǎng)時(shí)間、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品的質(zhì)量，能量消耗較大，其主要是采用電池供電的方式，而電池的容量是有一定限度的，不能無(wú)限制供電，因此，這就對(duì)微粒的功耗提出了較高的要求。
（2）應(yīng)具有抗干擾能力，數(shù)據(jù)通信的保密性。食品在運(yùn)輸過(guò)程中，由于外界信號(hào)會(huì)干擾RFID讀寫(xiě)器與RFID微粒的通信，這就要求RFID貨架期指示器能夠具有較強(qiáng)的抗干擾能量和數(shù)據(jù)通信的保密性。
（3）要求系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。RFID貨架期指示器需要具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與可靠性，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)食品實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目標(biāo)。
（4）能識(shí)別多個(gè)移動(dòng)RFID微粒。在食品源、中轉(zhuǎn)站、目的地，RFID讀寫(xiě)器需要讀取多個(gè)移動(dòng)的RFID微粒，讀取的過(guò)程中由于信息的不斷碰撞和智能RFID微粒的移動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生RFID微粒被漏讀的問(wèn)題及功耗問(wèn)題。
5.展望
為了實(shí)現(xiàn)RFID貨架期指示器能夠被較好地應(yīng)用于食品冷鏈物流中，需要通過(guò)對(duì)RFID貨架期指示器的功耗和多個(gè)移動(dòng)RFID微粒的防碰撞問(wèn)題進(jìn)行了研究。論文需要在以下幾個(gè)方面展開(kāi)研究：
（1）需要提出時(shí)間序列電源管理算法
冷鏈物流具有較強(qiáng)的行業(yè)特殊性，RFID貨架期指示器需要在這一過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)食品的存儲(chǔ)環(huán)境與質(zhì)量信息，并需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和存儲(chǔ)，其能量消耗較大?，F(xiàn)有的電源管理技術(shù)一般都是將以前的狀態(tài)綜合來(lái)預(yù)測(cè)將來(lái)的工作狀態(tài)，不能有效應(yīng)用在冷鏈物流中。本文提出了時(shí)間序列電源管理算法，該算法根據(jù)劃分的運(yùn)行模式對(duì)智能RFID微粒進(jìn)行管理，優(yōu)化了微粒的功耗與性能之間的平衡。
（2）需要提出智能自適應(yīng)幀時(shí)隙ALOHA防碰撞算法
傳統(tǒng)的防碰撞算法一般都是針對(duì)于靜止的應(yīng)答器與讀寫(xiě)器而設(shè)計(jì)，而在冷鏈物流過(guò)程中，智能RFID讀寫(xiě)器需要讀取多個(gè)移動(dòng)的智能RFID微粒。針對(duì)這一情況，論文分析了冷鏈物流環(huán)境下RFID貨架期指示器在射頻通信時(shí)存在的三種情況，并總結(jié)了這三種情況共同存在的問(wèn)題：一些微粒將離開(kāi)穩(wěn)定通信范圍；而一些新的微粒將進(jìn)入穩(wěn)定通信范圍。針對(duì)這一問(wèn)題存在三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)需要解決，論文通過(guò)對(duì)智能RFID微粒數(shù)量的估計(jì)，提出了智能自適應(yīng)幀時(shí)隙ALOHA防碰撞算法，算法的設(shè)計(jì)思路主要是減少多個(gè)移動(dòng)微粒之間的信息碰撞，并減少微粒的射頻通信時(shí)間，以此達(dá)到降低功耗的目標(biāo)。
（3）需要設(shè)計(jì)低功耗的RFID貨架期指示器
在上述兩項(xiàng)技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)低功耗的RFID貨架期指示器。
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低功耗模擬前端電路設(shè)計(jì)
超低功耗、高集成的模擬前端芯片MAX5865是針對(duì)便攜式通信設(shè)備例如手機(jī)、PDA、WLAN以及3G無(wú)線終端 而設(shè)計(jì)的,芯片內(nèi)部集成了雙路8位接收ADC和雙路10位發(fā)送DAC,可在40Msps轉(zhuǎn)換速率下提供超低功耗與更高的動(dòng)態(tài)性能。芯片中的ADC模擬輸入放大器為全差分結(jié)構(gòu),可以接受1VP-P滿(mǎn)量程信號(hào);而DAC模擬輸出則是全差分信號(hào),在1.4V共模電壓下的滿(mǎn)量程輸出范圍為400mV。利用兼容于SPITM和MICROWIRETM的3線串行接口可對(duì)工作模式進(jìn)行控制,并可進(jìn)行電源管理,同時(shí)可以選擇關(guān)斷、空閑、待機(jī)、發(fā)送、接收及收發(fā)模式。通過(guò)3線串口將器件配置為發(fā)送、接收或收發(fā)模式,可使MAX5865工作在FDD或TDD系統(tǒng)。在TDD模式下,接收與發(fā)送DAC可以共用數(shù)字總線,并可將數(shù)字I/O的數(shù)目減少到一組10位并行多路復(fù)用總線;而在FDD模式下,MAX5865的數(shù)字I/O可以被配置為18位并行多路復(fù)用總線,以滿(mǎn)足雙8位ADC與雙10位DAC的需要。
1 MAX5865的工作原理
圖1所示為MAX5865內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖,其中,ADC采用七級(jí)、全差分、流水線結(jié)構(gòu),可以在低功耗下進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換。每半個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次采樣。包括輸出鎖存延時(shí)在內(nèi),通道I的總延遲時(shí)間為5個(gè)時(shí)鐘周期,而通道Q則為5.5個(gè)時(shí)鐘周期,圖2給出了ADC時(shí)鐘、模擬輸入以及相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系。ADC的滿(mǎn)量程模擬輸入范圍為VREF,共模輸入范圍為VDD/2±0.2V。VREF為VREFP與VREFN之差。由于MAX5865中的ADC前端帶有寬帶T/H放大器,因此,ADC能夠跟蹤并采樣/保持高頻模擬輸入>奈魁斯特頻率 。使用時(shí)可以通過(guò)差分方式或單端方式驅(qū)動(dòng)兩路ADC輸入IA+ QA+ IA-與QA- 。為了獲得最佳性能,應(yīng)該使IA+與IA-以及QA+與QA-間的阻抗相匹配,并將共模電壓設(shè)定為電源電壓的一半VDD/2 。ADC數(shù)字邏輯輸出DA0~DA7的邏輯電平由OVDD決定,OVDD的取值范圍為1.8V至VDD,輸出編碼為偏移二進(jìn)制碼。數(shù)字輸出DA0~DA7的容性負(fù)載必須盡可能低<15pF ,以避免大的數(shù)字電流反饋到MAX5865的模擬部分而降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)數(shù)字輸出端的緩沖器可將其與大的容性負(fù)載相隔離。而在數(shù)字輸出端靠近MAX5865的地方串聯(lián)一個(gè)100Ω電阻,則有助于改善ADC性能。
MAX5865的10位DAC可以工作在高達(dá)40MHz的時(shí)鐘速率下,兩路DAC的數(shù)字輸入DD0~DD9將復(fù)用10位總線。電壓基準(zhǔn)決定了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程輸出。DAC采用電流陣列技術(shù),用1mA1.024V基準(zhǔn)下 滿(mǎn)量程輸出電流驅(qū)動(dòng)400Ω內(nèi)部電阻可得到±400mV的滿(mǎn)量程差分輸出電壓。而采用差分輸出設(shè)計(jì)時(shí),將模擬輸出偏置在1.4V共模電壓,則可驅(qū)動(dòng)輸入阻抗大于70kΩ的差分輸入級(jí),從而簡(jiǎn)化RF正交上變頻器與模擬前端電路的接口。RF上變頻器需要1.3V至1.5V的共模偏壓,內(nèi)部直流共模偏壓在保持每個(gè)發(fā)送DAC整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)可以省去分立的電平偏移設(shè)置電阻,而且不需要編碼發(fā)生器產(chǎn)生電平偏移。圖2(b)給出了時(shí)鐘、輸入數(shù)據(jù)與模擬輸出之間的時(shí)序關(guān)系。一般情況下,I通道數(shù)據(jù)ID 在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿鎖存,Q通道數(shù)據(jù)QD 則在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿鎖存。I與Q通道的輸出同時(shí)在時(shí)鐘信號(hào)的下一個(gè)上升沿被刷新。
3線串口可用來(lái)控制MAX5865的工作模式。上電時(shí),首先必須通過(guò)編程使MAX5865工作在所希望的模式下。利用3線串口對(duì)器件編程可以使器件工作在關(guān)斷、空閑、待機(jī)、Rx、Tx或Xcvr模式下,同時(shí)可由一個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器來(lái)設(shè)置工作模式,并可在所有六種模式下使串口均保持有效。在關(guān)斷模式下,MAX5865的模擬電路均被關(guān)斷,ADC的數(shù)字輸出被置為三態(tài)模式,從而最大限度地降低了功耗;而空閑模式時(shí),只有基準(zhǔn)與時(shí)鐘分配電路上電,所有其它功能電路均被關(guān)斷,ADC輸出被強(qiáng)制為高阻態(tài)。而在待機(jī)狀態(tài)下,只有ADC基準(zhǔn)上電,器件的其它功能電路均關(guān)斷,流水線ADC亦被關(guān)斷,DA0~DA7為高阻態(tài)。
圖2
一、視頻傳輸系統(tǒng)發(fā)送端的硬件設(shè)計(jì)
1.1 發(fā)送端組成框圖
發(fā)送端由處理器模塊、視頻采集模塊、WiFi模塊、復(fù)位電路、電源電路、時(shí)鐘電路、JTAG接口電路組成。如圖1所示。
（1）處理器模塊：本文選用MSP430F5438作為處理器模塊，它是整個(gè)分站的心臟，負(fù)責(zé)完成各芯片的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的收發(fā)處理。（2）視頻采集模塊：通過(guò)攝像頭進(jìn)行井下視頻的采集。（3）WIFI發(fā)送模塊：選用WIFI模塊，將采集到的視頻信號(hào)向上傳輸。（4）FLASH存儲(chǔ)器：主要用作程序代碼、數(shù)據(jù)表格以及用戶(hù)信息的存儲(chǔ)。（5）JTAG接口電路：它是電路板調(diào)試時(shí)的調(diào)試接口，是用來(lái)完成燒寫(xiě)操作的。（6）復(fù)位電路：對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位操作。（7）電源電路：給MSP430和WIFI模塊供電。（8）時(shí)鐘電路：對(duì)各個(gè)指令的執(zhí)行進(jìn)行時(shí)間控制。
1.2 發(fā)送端各單元模塊設(shè)計(jì)
1.2.1 處理器模塊
處理器是發(fā)送端的核心部分，主要負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的通信，視頻采集處理，并將采集的信息上傳給模塊，同時(shí)通過(guò)控制WiFi模塊LTM22實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)。
本模塊的主控制器選用了功能強(qiáng)大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438單片機(jī)的封裝具有100個(gè)引腳，并且能工作在低功耗狀態(tài)下。該微處理器芯片因?yàn)橛休^好的市場(chǎng)潛力和靈活強(qiáng)大的應(yīng)用特性，迅速在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用和較快的發(fā)展。芯片硬件擴(kuò)展能力強(qiáng)，內(nèi)存空間大，下載和調(diào)試程序非常方便，同時(shí)單片機(jī)Flash存儲(chǔ)器空間達(dá)到256K，內(nèi)部RAM達(dá)到16KB，可以在系統(tǒng)寫(xiě)入底層驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議棧的同時(shí)擁有足夠大的內(nèi)存空間來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
該芯片的主要特點(diǎn)如下：（1）可以在超低功耗狀態(tài)下正常工作。芯片工作電壓為1.8V-3.6V，工作電流為0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下喚醒。（2）硬件處理能力很強(qiáng)。寄存器尋址方式多樣，指令系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，擁有16位精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)。片內(nèi)存儲(chǔ)器和寄存器可進(jìn)行數(shù)字和邏輯運(yùn)算，多個(gè)中斷源可以實(shí)現(xiàn)嵌套。（3）外設(shè)資源豐富。256KB的Flash存儲(chǔ)器，12位A/D轉(zhuǎn)換，16位定時(shí)器，2個(gè)通用串行接口，硬件乘法器，看門(mén)狗計(jì)數(shù)器和內(nèi)部溫度傳感器等。（4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定。晶體振蕩器起振穩(wěn)定后，可以根據(jù)設(shè)定的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率來(lái)工作，如果程序跑飛，看門(mén)狗電路會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)以便保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。
1.2.2 WiFi模塊
視頻發(fā)送端的WiFi模塊的芯片選用了LTM22。LTM22芯片是針對(duì)IEEE802.11/WiFi無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，LTM22芯片采用增強(qiáng)型8051MCU、128KB閃存、8KB的RAM等高性能模塊，并內(nèi)置了IEEE802.11協(xié)議棧。加上超低功耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成WiFi節(jié)點(diǎn)，這種解決方案能夠提高性能并滿(mǎn)足以為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。同時(shí)，LTM22的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用，LTM22電路圖如圖2所示。
1.2.3 電源電路
供電模塊選擇芯片AS1117。AS1117 是一款低壓差的線性穩(wěn)壓器，當(dāng)輸出 1A 電流時(shí)，輸入輸出的電壓差典型值僅為1.2V。AS1117 除了能提供多種固定電壓版本外，還提供可調(diào)端輸出版本，該版本能提供的輸出電壓范圍為 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的過(guò)流保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)功能，確保芯片和電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時(shí)在產(chǎn)品生產(chǎn)中應(yīng)用先進(jìn)的修正技術(shù)，確保輸出電壓和參考源精度在±1%的精度范圍內(nèi)，電源模塊電路圖如圖3所示。
1.2.4 JTAG接口電路
JTAG接口是電路板調(diào)試時(shí)的調(diào)試接口，是用來(lái)完成燒寫(xiě)操作的。為程序的調(diào)試提供了極大的方便，可以讓用戶(hù)使用單步運(yùn)行、設(shè)斷點(diǎn)等調(diào)試手段。JTAG信號(hào)接口定義如下：（1）TCK返回的測(cè)試時(shí)鐘輸出。（2）TDO JTAG接口的測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。（3）TDI JTAG接口的測(cè)試數(shù)據(jù)輸入。（4）TCK JTAG接口的測(cè)試時(shí)鐘。（5）TMS JTAG接口的測(cè)試模式選擇。（6）RST JTAG接口的測(cè)試復(fù)位。
JTAG接口主要用于連接仿真器，仿真器通過(guò)JTAG接口可以對(duì)存儲(chǔ)器中代碼進(jìn)行在線編程和功能調(diào)試。標(biāo)準(zhǔn)的4線JTAG調(diào)試接口的作用分別是數(shù)據(jù)輸入（TDI）和數(shù)據(jù)輸出（TDO）、時(shí)鐘輸入（TCK）、模式選擇（TMS）。 MSP430F5438與前期開(kāi)發(fā)的一些單片機(jī)系列有所不同，JTAG接口完全獨(dú)立，因?yàn)椴辉倥cI/O 口復(fù)用，方便調(diào)試，JTAG接口電路圖如圖4所示。
二、視頻傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
中圖分類(lèi)號(hào)：TN312+.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B
Design and Development of LED Backlight Units Used for
Notebook PC
LI Xiu-zhen, YANG Dong-sheng
(Beijing BOE CHATANI Electronics Co., Ltd., Beijing 100176, China)
Abstract: At present, the small-size LED backlight has a very high market share. The design and development of LED backlight used for notebook PC is introduced in this paper. The development process is elaborated separately from the standpoint of optical, circuit and structure. In the optical, the LGP is manufactured by mold injection using stamper technology without printing pollution. According to the specification and quantity of LED, the LED light-bar is designed to drive the whole backlight. The structure achieve ultra-slim with "no back cover" design. LED backlight in this paper has reached the level of industry-leading with the feature of ultra-slim, high brightness, low power consumption
Keywords: backlight units; LED light-bar; ultra-thin structure; LGP
引 言
隨著LED技術(shù)的發(fā)展，特別是發(fā)光效率的提高，節(jié)能、環(huán)保的LED產(chǎn)品在顯示領(lǐng)域的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。LED封裝、SMT貼片、發(fā)光條制作均發(fā)展到較高水平，LED背光制造和產(chǎn)業(yè)化水平也達(dá)到了相當(dāng)高的水準(zhǔn)。目前小尺寸產(chǎn)品市場(chǎng)需求大約以每年20%的水平劇增，LED背光在筆記本電腦上的應(yīng)用已獨(dú)領(lǐng)，CCFL背光在筆記本電腦上的應(yīng)用將逐漸退出歷史的舞臺(tái)[1-2]。目前全球大廠都在積極發(fā)展LED背光產(chǎn)品，目前市場(chǎng)的主流筆記本電腦幾乎全部采用LED背光技術(shù)。
本文介紹了筆記本電腦用LED背光組件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，分別從光學(xué)、電路、結(jié)構(gòu)角度闡述了開(kāi)發(fā)的過(guò)程。光學(xué)方面，采用STAMPER技術(shù)，一體成型射出導(dǎo)光板，減少印刷環(huán)節(jié)，無(wú)印刷污染；電路方面，根據(jù)LED的規(guī)格及顆數(shù)設(shè)計(jì)LED發(fā)光條，驅(qū)動(dòng)整個(gè)背光源；結(jié)構(gòu)方面，采用無(wú)背板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到超薄效果。本文設(shè)計(jì)的筆記本電腦用LED背光源超薄、高亮、低功耗，達(dá)業(yè)界領(lǐng)先水平。
1光學(xué)設(shè)計(jì)
1.1LED光源
背光模組的作用是把點(diǎn)光源發(fā)出的光通過(guò)漫反射使之成為面光源。為了得到合格的面光源，首先要選擇合適的LED，通常應(yīng)用到筆記本電腦背光組件的LED的規(guī)格為3014。通過(guò)預(yù)設(shè)白場(chǎng)光度指標(biāo)，結(jié)合對(duì)液晶屏、光學(xué)膜等影響因素的研究分析，完成對(duì)整個(gè)背光源所需光通量的計(jì)算。根據(jù)計(jì)算的光通量，結(jié)合LED的光學(xué)特性計(jì)算出所需LED的顆數(shù)。
1.2LGP設(shè)計(jì)加工
采用STAMPER技術(shù)，一體成型射出導(dǎo)光板，減少印刷環(huán)節(jié)，較少印刷污染。以模具射出形成網(wǎng)點(diǎn)，入射面設(shè)計(jì)能破壞光源的全反射，并控制光源射出導(dǎo)光板面角度的分布，網(wǎng)點(diǎn)數(shù)量的多少對(duì)光源做有效的控制。網(wǎng)點(diǎn)可隨模具任意設(shè)計(jì)形狀，若網(wǎng)點(diǎn)為極小的平滑鏡面，可使光在網(wǎng)點(diǎn)及導(dǎo)光板內(nèi)部的損失減至最小，應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)設(shè)計(jì)。圖1所示為模擬的背光組件的亮度均一性。
2電路設(shè)計(jì)
在側(cè)光式背光組件中，應(yīng)用長(zhǎng)條式的LED light-bar作為整個(gè)組件的光源，LED light-bar采用白光頂發(fā)光LED。以某機(jī)種產(chǎn)品為例，單顆功耗：3.2V×0.02A=0.064W。整個(gè)light-bar功耗：0.064W×42=2.69W。LED背光源電路設(shè)計(jì)主要包括發(fā)光條設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路采用一款DC/DC恒流驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)發(fā)光條進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)。圖2所示為L(zhǎng)ED light-bar的驅(qū)動(dòng)原理圖。
3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
筆記本電腦用LED背光組件通常采用側(cè)光式結(jié)構(gòu)，背光組件結(jié)構(gòu)包括：LED發(fā)光條、膜材、導(dǎo)光板、驅(qū)動(dòng)板、膠框。背光組件采用白光LED，整個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以Active Area的中心點(diǎn)為所有部件的設(shè)計(jì)中心，以筆記本電腦所用液晶屏的尺寸為前提，設(shè)計(jì)其它尺寸。綜合考慮電路設(shè)計(jì)及光學(xué)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)先從LAYOUT布局圖著手，表達(dá)整體機(jī)構(gòu)以及各部件相互之間的裝配關(guān)系，然后著手零件圖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。某機(jī)種背光源產(chǎn)品厚度可達(dá)2.35mm。所設(shè)計(jì)的筆記本電腦用LED背光源的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：
（1） 背光源單短邊入光，入光方式為短邊入光，發(fā)光條尺寸減小，成本降低；
（2） 使用薄型平板LGP，對(duì)LGP網(wǎng)點(diǎn)技術(shù)要求較高；
（3） 膠框結(jié)構(gòu)，無(wú)背板，無(wú)燈罩結(jié)構(gòu)，采用高反射率反射片遮光，使用鋁箔散熱；
（4） 組裝時(shí)對(duì)LED發(fā)光面和LGP入光部對(duì)位要求較高。
4測(cè)試
本文所設(shè)計(jì)的筆記本電腦用LED背光組件光源采用白光LED，組裝后的LED背光源利用BM-7進(jìn)行13點(diǎn)測(cè)試，5點(diǎn)平均輝度為4,019nit，亮度均齊性為85.33%，色彩還原性達(dá)到95%@CIE 1976。背光源整體功率為3.2W，其中LED功耗為2.69W。背光系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，電流一致性良好。表1所示為背光源的光學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)。
5結(jié)論
本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了筆記本電腦用LED背光源，采用STAMPER技術(shù)，一體成型射出導(dǎo)光板，減少印刷環(huán)節(jié)，較少印刷污染；根據(jù)LED的規(guī)格及顆數(shù)設(shè)計(jì)LED發(fā)光條，驅(qū)動(dòng)整個(gè)背光源；結(jié)構(gòu)方面，采用無(wú)背板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，達(dá)到超薄效果。本文設(shè)計(jì)的筆記本用LED背光組件超薄、高亮、低功耗，達(dá)業(yè)界領(lǐng)先水平。
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關(guān)鍵詞：智能家居；FPGA；ZigBee；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)
Key words： smart home；FPGA；ZigBee；wireless sensor node
中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）18-0068-02
0 引言
智能家居系統(tǒng)的概念起源于上世紀(jì)70年代的美國(guó)，隨后，傳播到歐洲、日本等國(guó)并且得到了很好的發(fā)展。在我國(guó)，智能家居這一概念推廣較晚，約在90年代末家居智能化系統(tǒng)才得以進(jìn)入國(guó)內(nèi)，但發(fā)展速度驚人。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)人們需求而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)擁有更加優(yōu)越及復(fù)雜的配置，可以將家庭中各種通信設(shè)備、家用電器以及家庭保安裝置通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制、養(yǎng)魚(yú)養(yǎng)花、燒水煮飯、多媒體控制及安全報(bào)警等功能，并可以異地監(jiān)控、管理、報(bào)警，為住戶(hù)提供安全舒適、高效便利的學(xué)習(xí)生活及工作環(huán)境。
由于智能家居系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一明確的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，許多公司開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品都是基于自己組網(wǎng)和信息交換協(xié)議，很多產(chǎn)品是針對(duì)特定的組網(wǎng)環(huán)境開(kāi)發(fā)的，部分核心技術(shù)沒(méi)有對(duì)外公布，技術(shù)復(fù)雜，直接導(dǎo)致了使用范圍的局限性。再者，缺乏對(duì)應(yīng)的第三方產(chǎn)品，各個(gè)接入設(shè)備之間不能兼容，互操作性差，不利于產(chǎn)品的擴(kuò)充，因而進(jìn)一步局限了產(chǎn)品的發(fā)展。再加上有的系統(tǒng)成本過(guò)高，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的普及。本文通過(guò)FPGA構(gòu)建了一個(gè)嵌入式控制處理平臺(tái)，利用FPGA技術(shù)低功耗、定制性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、接口靈活等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設(shè)計(jì)，能夠滿(mǎn)足家居需要。
1 FPGA在物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的應(yīng)用
目前常見(jiàn)的智能家居系統(tǒng)大多基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)并不能同時(shí)支持多種無(wú)線通信協(xié)議。通過(guò)整合多種無(wú)線通信控制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制器，為智能家居的控制領(lǐng)域探索了一種新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口靈活性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)智能家居控制器各個(gè)模塊，相比ARM單片機(jī)支持串口少的短板，可以使系統(tǒng)在同一時(shí)刻支持多種通信方式，從而使系統(tǒng)具有更高的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，能夠同時(shí)控制多達(dá)31個(gè)家用電器，基本滿(mǎn)足日常家居需要?；贔PGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，使用了Quartus II等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及ModelSim專(zhuān)業(yè)仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言，在Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。
2 基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)功能
基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)能夠最大限度地使家居更加智能化，其三大關(guān)鍵功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息終端進(jìn)行信息的獲取、處理以及，進(jìn)行信息的及時(shí)反饋；對(duì)相應(yīng)的單元以及一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；兼容性一定要足夠強(qiáng)大。該系統(tǒng)特色功能具體如下：
①環(huán)境控制系統(tǒng)：對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)人設(shè)模式控制空調(diào)、加濕器、窗簾、燈光等設(shè)備達(dá)到宜居的室內(nèi)環(huán)境；②智能養(yǎng)花系統(tǒng)：通過(guò)測(cè)量相關(guān)參數(shù)，提供澆水、施肥、遮蓋陽(yáng)光等功能，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)花，或者自動(dòng)養(yǎng)花；③智能養(yǎng)魚(yú)系統(tǒng)：通過(guò)測(cè)量相關(guān)參數(shù)，提供補(bǔ)氧、喂食、控溫、換水等功能，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)魚(yú)，或者自動(dòng)養(yǎng)魚(yú)；④智能餐飲系統(tǒng)：通過(guò)控制燒水壺、微波爐、電飯鍋等設(shè)備電源及煤氣開(kāi)關(guān)，完成燒水、蒸煮、烹飪等功能，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控完成或自動(dòng)完成；⑤多媒體系統(tǒng)：通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，可以遠(yuǎn)程操控電視、音響、電腦等設(shè)備；⑥完全報(bào)警系統(tǒng)：通過(guò)測(cè)量相關(guān)水電氣參數(shù)或者紅外感知參數(shù)，對(duì)室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如有危險(xiǎn)提示則報(bào)警。
2.2 系統(tǒng)架構(gòu)
該系統(tǒng)是以單個(gè)家庭為單位進(jìn)行安裝，智能家居控制臺(tái)采用大唐移動(dòng)公司研制的智能家居控制試驗(yàn)箱，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息。FPGA相當(dāng)于智能家居系統(tǒng)中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能軟處理器nios2與每個(gè)子節(jié)點(diǎn)連接。管理中心通過(guò)串口可根據(jù)接收到的ZigBee中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)家庭總線系統(tǒng)與其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作，實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境的監(jiān)測(cè)與管理，從而為用戶(hù)提供安全、舒適的生活或工作環(huán)境。智能家居控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2.3 硬件結(jié)構(gòu)
2.3.1 FPGA部分
系統(tǒng)的核心控制部分由FPGA實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)思路是：采用Altera公司DE2-70開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口后存儲(chǔ)到DE2-70開(kāi)發(fā)板上的SDRAM中，在FPGA控制平臺(tái)上，由Altera的IP核構(gòu)成Nios II軟核，并植入FPGA芯片中，然后通過(guò)軟件編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA控制平臺(tái)的功能，然后系統(tǒng)從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)后將溫度、濕度等信息顯示在LCD液晶屏上。FPGA系統(tǒng)的Nios II軟核結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.3.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)
無(wú)線傳感器模塊由ATMEGA128和CC2420組成，CC2420通過(guò)SPI總線連接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。該模塊能夠在低電壓低頻率模式下開(kāi)始工作，同時(shí)能夠進(jìn)行低功耗操作，還能夠支持許多種不同的低功耗模式，例如睡眠模式以及深度睡眠模式等，都是可以實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到系統(tǒng)更加智能化的目的。無(wú)線傳感器模塊如圖3所示。
2.3.3 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)
ZigBee中心節(jié)點(diǎn)使用大唐移動(dòng)公司研制的智能家居控制試驗(yàn)箱配套產(chǎn)品，模塊內(nèi)嵌工作頻率2.4GHz基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee通信協(xié)議，支持最新的RS232串行模式，在此標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議下，經(jīng)測(cè)試，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250kbps的速率，能在網(wǎng)狀或多次跳接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達(dá)38.4kbps，能夠達(dá)到目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的最好性能，完整體現(xiàn)了最新ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的強(qiáng)大功能。
3 結(jié)論
本系統(tǒng)通過(guò)FPGA構(gòu)建了一個(gè)嵌入式控制處理平臺(tái)， 利用FPGA技術(shù)低功耗、定制性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、接口靈活等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設(shè)計(jì)。最終通過(guò)Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板驗(yàn)證，本控制系統(tǒng)在板載50MHz的時(shí)鐘頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該系統(tǒng)中的部分模塊已在我學(xué)院SMT實(shí)訓(xùn)基地自主開(kāi)發(fā)研制并生產(chǎn)。另外以該系統(tǒng)項(xiàng)目為例，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新能力，對(duì)在研課題具有較好的理論價(jià)值和實(shí)際意義。
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