時(shí)間：2022-05-23 18:12:49
開(kāi)篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)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篇低功耗設(shè)計(jì)論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過(guò)程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進(jìn)步。
關(guān)鍵詞:低功耗設(shè)計(jì);電源關(guān)斷; CPF格式
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),需要添加不同類型的well tap,對(duì)于常開(kāi)電源區(qū),加入普通類型的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,怎樣及何時(shí)去控制這些電源門。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)后可以優(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
王殿超,北京中電華大電子設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司芯片工程部 物理設(shè)計(jì)工程師;
[關(guān)鍵詞]輸電線路桿塔傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng) zigbee和GSM技術(shù)
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)，傳輸線路周圍的溫度、濕度、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。
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]劉君華.現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)與測(cè)試監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)[M]西安：西安交通大學(xué)出版社，2001
【關(guān)鍵詞】RFID貨架期指示器；條形碼；保質(zhì)期
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)不能夠滿足高精度快速識(shí)別的要求，并且其存儲(chǔ)的信息一旦寫入就不可以對(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。現(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)答器與讀寫器而設(shè)計(jì)，而在冷鏈物流過(guò)程中，智能RFID讀寫器需要讀取多個(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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關(guān)鍵詞： 背光組件；LED發(fā)光條；超薄結(jié)構(gòu)；導(dǎo)光板
中圖分類號(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：ZigBee，智能家居，前景展望
0 引言
智能家居，又稱為智能住宅（SMART HOME），是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)備集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。智能家居起源于上世紀(jì)80年代的美國(guó)，隨著我國(guó)人民生活水平的不斷提高，已經(jīng)有越來(lái)越多的廠商和個(gè)人開(kāi)展了對(duì)智能家居的研究，并有各類相關(guān)產(chǎn)品問(wèn)世。
傳統(tǒng)的智能家居更多的是通過(guò)有線的方式進(jìn)行組建，比如常見(jiàn)的Ethernet、CEBus、X-10等，其中得到最廣泛應(yīng)用的是X-10，主要是因?yàn)槠湎鄬?duì)低廉的價(jià)格和用戶可自行裝設(shè)的特點(diǎn)。，前景展望。CEBus的性能雖然高于X-10，但是由于售價(jià)較高而難以得到普及。Ethernet主要用于高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，用于家庭自動(dòng)化控制則會(huì)受到電纜布線的限制。而日益興起的無(wú)線技術(shù)能否在智能家居領(lǐng)域占有一席之地并得到廣泛的應(yīng)用呢？
和采用有線網(wǎng)絡(luò)的通信技術(shù)的智能家居產(chǎn)品相比較，無(wú)線技術(shù)解決方案最吸引人的地方是安裝布置的靈活性、低廉的安裝費(fèi)用和在智能家居系統(tǒng)進(jìn)行重新布置時(shí)的可移動(dòng)性。盡管無(wú)線通信技術(shù)和有線相比較有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)在市場(chǎng)上獲得了巨大的成功，但無(wú)線通信技術(shù)在智能家居領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)還是較少。這主要是因?yàn)槟壳皼](méi)有一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)化的，獲得各廠商一致認(rèn)可的無(wú)線通信技術(shù)適合在智能家居領(lǐng)域進(jìn)行廣泛的推廣，而且現(xiàn)有的一些針對(duì)智能家居領(lǐng)域無(wú)線通信產(chǎn)品的價(jià)格偏高，導(dǎo)致無(wú)線通信技術(shù)在智能家居的應(yīng)用停滯不前。隨著近年來(lái)人類在微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS）、 無(wú)線通信、數(shù)字電子方面取得的巨大成就，使得發(fā)展低成本、低功耗、小體積、短通信距離的多功能傳感器成為可能。近年來(lái)所涌現(xiàn)出來(lái)的一項(xiàng)新的無(wú)線通信技術(shù)—— ZigBee技術(shù)將改變這種狀況。ZigBee技術(shù)產(chǎn)品以其低成本、低功耗、低傳輸速率、優(yōu)秀的組網(wǎng)能力，被廣泛認(rèn)為將在未來(lái)的幾年中對(duì)智能家居行業(yè)產(chǎn)生重大的影響。
1 ZigBee技術(shù)介紹
ZigBee技術(shù)是建立在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國(guó)電氣電子工程師學(xué)會(huì)）802.15.4基礎(chǔ)上的無(wú)線通信協(xié)議，它是一個(gè)短距離、低功耗協(xié)議，特別適合設(shè)計(jì)應(yīng)用在小型的建筑物自動(dòng)化設(shè)備中，比如溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、燈光控制設(shè)備、環(huán)境傳感器等。
2000年的12月，IEEE成立了IEEE 802.15.4工作組，致力于開(kāi)發(fā)一種可應(yīng)用在固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備上的，低成本、低功耗的低速率無(wú)線連接技術(shù)。2001年8月，美國(guó)霍尼韋爾等公司發(fā)起成立了ZigBee聯(lián)盟，他們提出的ZigBee技術(shù)被確認(rèn)為IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。2002年，摩托羅拉、飛利浦和三菱等企業(yè)加盟ZigBee聯(lián)盟，06年中國(guó)的華為公司也加入了該聯(lián)盟。現(xiàn)聯(lián)盟內(nèi)有180多個(gè)成員企業(yè)，包括軟件供應(yīng)商、系統(tǒng)集成商和終端產(chǎn)品商。2003年，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)獲得通過(guò)，并在2004年12月推出了ZigBee技術(shù)規(guī)范1.0版本。2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。2007年底，推出ZigBee PRO。
ZigBee技術(shù)能夠在低功耗下提供短距離、低速的數(shù)據(jù)傳輸，使用普通干電池的ZigBee無(wú)線傳感器能夠持續(xù)運(yùn)行2～3年的時(shí)間。，前景展望。，前景展望。另外ZigBee技術(shù)優(yōu)秀的組網(wǎng)能力使得它和其他無(wú)線通信技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用相比尤其具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。具體地分析，ZigBee技術(shù)有如下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：
（1）低成本，ZigBee技術(shù)是免協(xié)議專利費(fèi)的，而且每塊芯片的價(jià)格大約為2美元左右。
（2）低功耗，在低耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)五號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作半年至兩年時(shí)間甚至更長(zhǎng)。，前景展望。
（3）低速率，ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，在不同頻帶間分別提供250kbp(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
（4）短時(shí)延，ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相對(duì)而言，WIFI需要3s，而藍(lán)牙則需要3~10s。
（5）大容量，ZigBee可采用星狀、樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大型網(wǎng)絡(luò)。
（6）高安全性，ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無(wú)安全設(shè)定、使用訪問(wèn)控制列表(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
基于上述特點(diǎn)可看出ZigBee主要應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器數(shù)據(jù)）、間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)等。因此ZigBee技術(shù)十分適合應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)之中。
2 ZigBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用前景
目前，ZigBee的開(kāi)發(fā)以大廈自動(dòng)化設(shè)備、產(chǎn)業(yè)、醫(yī)療及家庭自動(dòng)化等領(lǐng)域?yàn)槟繕?biāo)。尤其在自動(dòng)儀表領(lǐng)域，ZigBee擁有很高的關(guān)注度。市場(chǎng)調(diào)研公司In-Stat預(yù)測(cè)，支持ZigBee及IEEE802.15.4的芯片組的合計(jì)供貨量到2011年將從06年的500萬(wàn)個(gè)增至1億2000萬(wàn)個(gè)。但在智能家居市場(chǎng)，由于競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)較多，ZigBee成為唯一標(biāo)準(zhǔn)的可能性很低，但因?yàn)樽陨淼募夹g(shù)特點(diǎn)，發(fā)展前景還是值得期待的。另一家市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)ABI Reserch對(duì)ZigBee技術(shù)持有非常樂(lè)觀的態(tài)度。該公司的一份預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2005年到2012年，ZigBee市場(chǎng)的年均復(fù)合增長(zhǎng)率為63%，而到2012年ZigBee市場(chǎng)份額將達(dá)3.5億。目前國(guó)際上智能家居領(lǐng)域?qū)＜覀兊墓沧R(shí)是，ZigBee技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用將不可阻擋，但是多種無(wú)線技術(shù)并存的局面將會(huì)持續(xù)比較長(zhǎng)的時(shí)間，能否完全取代其它技術(shù)，成為智能家居領(lǐng)域的首選，還要多方面的共同努力，進(jìn)一步完善技術(shù)，加快標(biāo)準(zhǔn)化的腳步。，前景展望。
3 結(jié)束語(yǔ)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，智能家居的數(shù)量也會(huì)越來(lái)越多，Zigbee技術(shù)與智能家居系統(tǒng)的結(jié)合有著廣泛的應(yīng)用前景，本文主要探討了該技術(shù)在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)技術(shù)的應(yīng)用前景做了展望。這種方式在現(xiàn)實(shí)生活中具有很強(qiáng)的應(yīng)用性，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，會(huì)有越來(lái)越多由Zigbee技術(shù)延伸而出的設(shè)備投入應(yīng)用，并將極大地改善我們的生活。，前景展望。需要關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題是，雖然目前我國(guó)智能家居中所使用的系統(tǒng)及產(chǎn)品大多被國(guó)外的大公司所壟斷，但是ZigBee技術(shù)的出現(xiàn)將給我國(guó)開(kāi)發(fā)自主的具有世界先進(jìn)水平的智能家居系統(tǒng)及產(chǎn)品提供一個(gè)嶄新的契機(jī)。
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[關(guān)鍵詞]自組網(wǎng)絡(luò) 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) IPv6 nRF905
[中圖分類號(hào)]TP393.18[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1007-9416(2010)03-0012-02
1 引言
近年來(lái)隨著無(wú)線通信、大規(guī)模集成電路、傳感器以及微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS)等技術(shù)的飛速發(fā)展,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)也得到了很大的發(fā)展,并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)使無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)得到了普及。無(wú)線傳感自組網(wǎng)絡(luò)是由一些功耗低、體積小的傳感器節(jié)點(diǎn),以無(wú)線通訊的方式自組而成的一個(gè)網(wǎng)絡(luò),這些分散的節(jié)點(diǎn)能夠在一定范圍內(nèi)協(xié)作地實(shí)施監(jiān)測(cè)、感知、采集和處理周圍環(huán)境信息,他們之間通過(guò)一定的網(wǎng)絡(luò)組織協(xié)議,協(xié)同合作完成特定的任務(wù)。
2 體系結(jié)構(gòu)
典型的自組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括多個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (Sensor node)、匯節(jié)點(diǎn) (Sink node)、互聯(lián)網(wǎng)和用戶終端設(shè)備等。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)特定的自組織協(xié)議快速形成一個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò),每個(gè)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)都有一個(gè)匯節(jié)點(diǎn),它既可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù),也可以充當(dāng)信息的路由者,無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多次轉(zhuǎn)發(fā)而最終到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。自組織網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示:
其中,無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集、處理、壓縮數(shù)據(jù)、中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包并將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。在不同的應(yīng)用中,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)不盡相同,一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理和控制單元、無(wú)線通信單元、與PC通信單元和供電單元等組成。
3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有明顯的技術(shù)特點(diǎn):(1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)密度高,數(shù)量大;(2)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限;(3)節(jié)點(diǎn)體積微小,通常攜帶能量十分有限的電池,節(jié)點(diǎn)能量有限;(4)通信能力有限,傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信帶寬較窄,節(jié)點(diǎn)間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米,因此在有限的通信能力下,如何設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信機(jī)制以滿足傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信是必須考慮的問(wèn)題;
由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有以上特點(diǎn),在節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)上,要求節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)必須低成本、低能耗、支持多跳的路由協(xié)議。其硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
該無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)由五個(gè)主要部分組成:微處理器模塊、射頻通信電路(RF)模塊、傳感器模塊、電源模塊、鐵電存儲(chǔ)模塊和與PC的通信模塊。其中處理器模塊選擇的是AVR ATMEGA16L單片機(jī)來(lái)進(jìn)行控制電路的設(shè)計(jì),其原因主要是該單片機(jī)具有以下特點(diǎn):速度快;性價(jià)比高、低功耗;帶有同步串行接口SPI。
3.1 射頻通信電路(RF)模塊
射頻通信電路模塊是決定無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能好壞的一個(gè)因素, 300M - 3GHz UHF頻段的無(wú)線電波具有很強(qiáng)的直射、繞射、反射以及抗干擾能力強(qiáng)等特性,所以很適合應(yīng)用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是低成本,低功耗,外形小巧、簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn),同時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于傳輸傳感器數(shù)據(jù)或者控制信號(hào),因此對(duì)傳輸帶寬的要求并不高。本系統(tǒng)采用的是比較符合實(shí)際應(yīng)用需求的ISM 頻段的短距離射頻技術(shù),并且由于此類ISM 射頻模塊一般不含協(xié)議棧,也給傳感器網(wǎng)絡(luò)新協(xié)議的設(shè)計(jì)和測(cè)試帶來(lái)了方便。經(jīng)過(guò)調(diào)研,市面上常見(jiàn)的射頻模塊性能比較如下:
綜合以上考慮,系統(tǒng)最終選擇了挪威Nordic公司新推出的單片射頻收發(fā)芯nRF905,與其他類似芯片相比,nRF905功耗較低,工作電壓低至1.9～3.6V,以-10dBm 的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA,工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA,支持空閑模式與關(guān)機(jī)模式,易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能,適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。并且具有發(fā)送和接收狀態(tài)的多級(jí)功率控制,可以方便傳感器網(wǎng)絡(luò)射頻功率控制相關(guān)技術(shù)的研究。其接口示意圖如圖3所示。
nRF905集成度高,由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)制器組成,工作頻率穩(wěn)定可靠,元器件少,不需外加聲表濾波器,此外,nRF905最高工作速率可達(dá)20k,發(fā)射功率可以調(diào)整,最小為-10dBm,最大為+10dBm。
4 精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議
針對(duì)目前自組織網(wǎng)絡(luò)中自組織算法的研究現(xiàn)狀,本文介紹了一種精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議,它具有IPv6協(xié)議的特點(diǎn),同時(shí)也有自己的特點(diǎn)。精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議的特點(diǎn)如下:無(wú)校驗(yàn)位;采用128bit地址,地址充足;移動(dòng)便捷;便于管理和擴(kuò)充。
該協(xié)議中沒(méi)有使用數(shù)據(jù)校驗(yàn)位的原因主要有以下幾點(diǎn):(1)中間路由器不再進(jìn)行數(shù)據(jù)包校驗(yàn);(2)因?yàn)榇蟛糠侄渔溌穼右呀?jīng)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行了校驗(yàn)和糾錯(cuò)控制,鏈路層的可靠保證使得三層網(wǎng)絡(luò)層不必再進(jìn)行報(bào)頭校驗(yàn);(3)端到端的四層傳輸層協(xié)議也有校驗(yàn)功能以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)包;(4)校驗(yàn)需隨著TTL值的變化在每一跳重新進(jìn)行計(jì)算,增加包傳送的時(shí)延。
自組織協(xié)議的格式如表2所示。
幀起始符68H:標(biāo)識(shí)一幀信息的開(kāi)始,其值為68H=0110100B;
網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí):標(biāo)識(shí)著不同的無(wú)線傳感器子網(wǎng),它的值的范圍可以根據(jù)自身的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模自行設(shè)定;
最大跳數(shù):8bit,其值代表一幀從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)所經(jīng)過(guò)的最大跳數(shù),如果超過(guò)了該值,讓網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)自行丟棄所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀;
源地址:128bit,可以極大限度的滿足網(wǎng)絡(luò)的需要,同時(shí)還可以根據(jù)需要靈活地控制和使用;
目的地址:128bit,與源地址配合使用,是數(shù)據(jù)所要達(dá)到的最終地址;
數(shù)據(jù)域:表示有效數(shù)據(jù),其大小可以根據(jù)用戶需要自行設(shè)定,另外,這些數(shù)據(jù)隨著用戶需求的不同而采用不同的格式,可攜帶不同的信息;
結(jié)束符:16H=00011100B,表示數(shù)據(jù)包的結(jié)束標(biāo)志位。
無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)就是基于這個(gè)精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議,通過(guò)無(wú)線的方式快速自組織將捕獲到的周圍環(huán)境信息迅速準(zhǔn)確的發(fā)送于匯節(jié)點(diǎn),完成信息采集的功能。
5 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自組織分析
無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)基于精簡(jiǎn)IPv6協(xié)議自組織實(shí)現(xiàn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),要求這些節(jié)點(diǎn)在一定的范圍內(nèi),同時(shí)也要滿足自組織網(wǎng)絡(luò)的硬件環(huán)境需求。無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)需滿足以下條件:(1)每個(gè)無(wú)線傳感器子網(wǎng)要根據(jù)連接不同的子網(wǎng)數(shù)目配上相同數(shù)目的匯節(jié)點(diǎn),并且所有匯節(jié)點(diǎn)必須在該網(wǎng)絡(luò)所允許的范圍內(nèi)。(2)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上必須有一定的存儲(chǔ)空間,可以使用外接的存儲(chǔ)器芯片,最好是鐵電存儲(chǔ)芯片,如果要求的跳數(shù)較少的話,也可以使用ATMEG128L處理器自帶的存儲(chǔ)空間。(3)子網(wǎng)與子網(wǎng)之間必須有一定的交匯,且交匯處要放置一個(gè)匯節(jié)點(diǎn),匯節(jié)點(diǎn)既可以是信息的采集和發(fā)出者,同時(shí)也充當(dāng)信息的路由者。(4)子網(wǎng)需要相應(yīng)的與互聯(lián)網(wǎng)連接的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和用戶終端設(shè)備,以便可以與Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸與處理,同時(shí)也可以從豐富的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中獲取大量的網(wǎng)絡(luò)資源。(5)同一傳感器網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)工作在同一頻率下。
滿足了以上要求后,本論文設(shè)計(jì)的流程圖如圖4所示。
通過(guò)在一定環(huán)境和范圍內(nèi)的測(cè)試,系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)很好的使各個(gè)節(jié)點(diǎn)捕獲到了來(lái)自各種環(huán)境的信息,并通過(guò)無(wú)線自組織的方式,將信息傳達(dá)到匯結(jié)點(diǎn),最終完成信息采集的功能。
6 結(jié)語(yǔ)
本文通過(guò)對(duì)自組織網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的分析,設(shè)計(jì)了一種低價(jià)格、低功耗的微型傳感器節(jié)點(diǎn),搭建了一個(gè)易于實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、集成度高的硬件平臺(tái),對(duì)微型傳感器節(jié)點(diǎn)的無(wú)線自組織協(xié)議進(jìn)行了構(gòu)思。隨著無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)研究的深入,此系統(tǒng)給無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)的研究提供了有效的參考價(jià)值。
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本論文研究的是利用射頻識(shí)別技術(shù)將電子施封鎖應(yīng)用于電動(dòng)車防盜系統(tǒng)。該電子標(biāo)簽外殼與RFID芯片融為一體，在不影響現(xiàn)有施封鎖功能的前提下，通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì)使標(biāo)簽外殼附著在施封鎖的一側(cè)。
【關(guān)鍵詞】射頻識(shí)別讀卡器RFID
1、引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子標(biāo)簽―RFID在國(guó)內(nèi)外已被廣泛的使用，如為減少行李遺失事故的發(fā)生，國(guó)際航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)積極鼓勵(lì)全球航空公司和機(jī)場(chǎng)，采用先進(jìn)的RFID技術(shù)處理乘客的行李。它能通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別過(guò)程無(wú)須人工干預(yù)，能夠工作于各種惡劣環(huán)境之中，可用于高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別及多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)識(shí)別，操作快捷方便。由于具有高速移動(dòng)物體識(shí)別、多目標(biāo)識(shí)別和非接觸識(shí)別等特點(diǎn)，RFID技術(shù)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿εc應(yīng)用空間，被認(rèn)為是21世紀(jì)的最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一，曾被美《商業(yè)周刊》評(píng)為將掀起新產(chǎn)業(yè)浪潮的未來(lái)四大高技術(shù)之一。
RFID技術(shù)的應(yīng)用已趨成熟。在北美、歐洲、大洋洲、亞太地區(qū)及非洲南部都得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)RFID的應(yīng)用已經(jīng)涉及到鐵路紅外軸溫探測(cè)系統(tǒng)的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測(cè)系統(tǒng)等。正在計(jì)劃推廣的應(yīng)用領(lǐng)域還有電子身份證、電子車牌、鐵路行包自動(dòng)追蹤管理等。
2、射頻技術(shù)
從信息傳遞的基本原理來(lái)說(shuō)，射頻識(shí)別技術(shù)在低中高頻段基于變壓器藕合模型（初級(jí)與次級(jí)之間的能量傳遞及信號(hào)傳遞），在超高頻及微波頻段基于雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的空間藕合模型（雷達(dá)發(fā)射的電磁波信號(hào)碰到目標(biāo)后攜帶目標(biāo)信息返回雷達(dá)接收機(jī)）。射頻標(biāo)簽與讀卡器之間的電磁藕合包含兩種情況：一是電感耦合方式，是低、中、高頻段近距離非接觸射頻識(shí)別系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在電感耦合方式中，讀卡器的天線相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈，射頻標(biāo)簽的天線相當(dāng)于變壓器的次級(jí)，因而電感藕合方式也稱為變壓器方式。電感耦合方式通過(guò)空間磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)耦合，耦合磁場(chǎng)在讀卡器線圈（初級(jí)）與射頻標(biāo)簽線圈（次級(jí)）之間構(gòu)成閉合回路。二是電磁藕合方式，在電磁耦合方式中，讀卡器的天線將讀卡器產(chǎn)生的射頻信號(hào)以電磁波的方式定向發(fā)送到空間范圍內(nèi)，形成讀卡器的有效閱讀區(qū)域，位于讀卡器有效閱讀區(qū)域中的射頻標(biāo)簽從讀卡器天線發(fā)出的電磁場(chǎng)中提取工作電源，并通過(guò)射頻標(biāo)簽的內(nèi)部電路及標(biāo)簽天線將標(biāo)簽內(nèi)存的數(shù)據(jù)信息回傳到讀卡器。電磁耦合與電感藕合的差別在于電磁耦合方式中讀卡器將射頻信號(hào)以電磁波的形式發(fā)送出去；在電感藕合方式中，讀卡器將射頻信號(hào)束縛在讀卡器電感線圈的周圍，通過(guò)交變閉合的線圈磁場(chǎng)，形成讀卡器天線與射頻標(biāo)簽天線之間的射頻通道，而沒(méi)有向空間輻射電磁能量。電感耦合的RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽卡在天線上形成的接收信號(hào)的調(diào)制方式常采用副載波負(fù)載調(diào)制技術(shù)；電磁耦合的RFID系統(tǒng)中，電子標(biāo)簽卡在天線上形成的接收信號(hào)的調(diào)制方式常采用電磁波反向散射調(diào)制技術(shù)。
按照讀寫距離來(lái)劃分，RFID系統(tǒng)可分為接觸式和非接觸式，而非接觸式又分為近距離（密耦合）、中距離（遙耦合）和遠(yuǎn)距離。本論文中主要探討的是遙耦合，讀寫距離從1米到10多米甚至更遠(yuǎn)的RFID系統(tǒng)稱為遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)。它是依靠電磁波在空間輻射形成空間電磁場(chǎng)，電子標(biāo)簽卡與讀寫器之間的通信方式類似雷達(dá)探測(cè)過(guò)程。工作時(shí)，射頻標(biāo)簽位于閱讀器天線輻射場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)，標(biāo)簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線一般為極化（線極化或圓極化）天線，并在空間形成一個(gè)輻射場(chǎng)為無(wú)源標(biāo)簽提供射頻能量。遠(yuǎn)距離RFID系統(tǒng)的工作頻段為860―960MHz、2.4GHz和5.8GHz等，目前大量應(yīng)用在車輛管理、碼頭集裝箱等大物件的流通領(lǐng)域。
3、RFID技術(shù)的應(yīng)用
本論文中的RFID技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線電訊號(hào)識(shí)別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)，而無(wú)需識(shí)別系統(tǒng)與特定目標(biāo)之間建立機(jī)械或光學(xué)接觸。它的工作原理是：無(wú)線電信號(hào)通過(guò)調(diào)成無(wú)線電頻率的電磁場(chǎng)，把數(shù)據(jù)從附在物品上的標(biāo)簽上傳送出去，以達(dá)到自動(dòng)辨識(shí)與追蹤該物品的目的。
目前大部分電動(dòng)車的防盜系統(tǒng)的防盜原理是：當(dāng)盜竊者觸碰電動(dòng)車時(shí)，車子自動(dòng)發(fā)出警報(bào)鳴笛。這種防盜系統(tǒng)根本發(fā)揮不了防盜的作用：一、車子經(jīng)常被非盜竊人員觸碰，導(dǎo)致大家弄不清楚警報(bào)聲到底是否是因?yàn)楸I竊所產(chǎn)生的。二、即便是盜竊所產(chǎn)生的警報(bào)，戶主也不能及時(shí)知道是有人在盜竊自己的車子。而本論文的構(gòu)想是：把RFID技術(shù)應(yīng)用在電動(dòng)車防盜系統(tǒng)中。基本構(gòu)思是：在電動(dòng)車的電瓶安裝處加裝施封鎖自動(dòng)識(shí)別裝置并在施封鎖的一側(cè)加上電子標(biāo)簽外殼與RFID芯片，只要是電瓶處或者機(jī)動(dòng)車開(kāi)鎖處被解鎖，通過(guò)RFID的讀卡器，就會(huì)發(fā)出無(wú)線射頻信號(hào)，戶主手中的應(yīng)答器就會(huì)接收到報(bào)警系統(tǒng)的提示。
整個(gè)系統(tǒng)的組成是基于主動(dòng)射頻激活后的動(dòng)態(tài)識(shí)別系統(tǒng)，系統(tǒng)由電子施封鎖，125KHZ低頻激活系統(tǒng)，如圖1所示。
讀出裝置的電路由單片機(jī)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、接口控制及125KHZ無(wú)線喚醒發(fā)射模塊、其中接口用于控制系統(tǒng)中射頻信號(hào)發(fā)射和接收。電子施封鎖的電路由單片機(jī)控制模塊、射頻收發(fā)模塊、125KHZ無(wú)線喚醒發(fā)射模塊、電源管理幾部分組成。
電子施封鎖的電路由單片機(jī)控制模塊、射頻收發(fā)模塊及無(wú)線喚醒電路、電源等四個(gè)部分組成。單片機(jī)用于控制射頻收發(fā)模塊和保存與電子施封鎖相關(guān)的信息；無(wú)線喚醒電路則在收到讀寫器發(fā)送的特定信號(hào)后產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)喚醒休眠的單片機(jī)和射頻收發(fā)模塊；射頻收發(fā)模塊則負(fù)責(zé)接收和發(fā)射讀寫器發(fā)送來(lái)的信號(hào)；電源電路控制電源的功耗，根據(jù)無(wú)線喚醒電路的指令及無(wú)線射頻的信號(hào)強(qiáng)度控制電源的消耗，及計(jì)算電源的容量及壽命管理，確保電源能長(zhǎng)時(shí)間可靠的工作。
系統(tǒng)單片機(jī)控制模塊采用了NORDIC最新的無(wú)線和超低功耗技術(shù)，選擇用NRF24LE1控制芯片，在一個(gè)極小封裝中集成了包括2.4G無(wú)線傳輸，增強(qiáng)型51 FLASH高速單片機(jī)，豐富外設(shè)及接口等的單片F(xiàn)LASH芯片，是一個(gè)綜合了性能及成本的完美結(jié)合，很適合應(yīng)用于各種2.4G的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
讀寫器和電子施封鎖都有工作及休眠二種工作模式。由安裝在電動(dòng)車上的震動(dòng)傳感器感應(yīng)到電動(dòng)車震動(dòng)時(shí)，接口控制模塊發(fā)出讀寫指令，啟動(dòng)讀出裝置的射頻收發(fā)模塊工作，同時(shí)啟動(dòng)125KHZ無(wú)線喚醒發(fā)射模塊工作；電子施封鎖受到讀出裝置喚醒信號(hào)后啟動(dòng)工作，實(shí)現(xiàn)與讀出裝置的數(shù)據(jù)交換，完成一次完整的數(shù)據(jù)交換后，讀出裝置將讀取到的信息存在于單片機(jī)控制模塊中，并迅速將車載信息發(fā)送到車主手中的報(bào)警器。讀出裝置和電子施封鎖重新進(jìn)入低功耗休眠狀態(tài)，等待下一次的喚醒。
本論文中的電子施封鎖采用電池供電，而電池是一種消耗性的電源，工作時(shí)間短，為了延長(zhǎng)車載卡的工作時(shí)間，需要進(jìn)行電源管理，以降低功耗。當(dāng)前大多數(shù)的電源管理方法采用一種周密設(shè)計(jì)的喚醒、休眠方法。但大多數(shù)情況下，喚醒周期的大部分時(shí)間是徒勞無(wú)用的， 消耗能量。本系統(tǒng)中采用一種無(wú)線觸發(fā)喚醒的電源管理方法，在這種方法中，車載卡進(jìn)入休眠模式后就會(huì)一直保持睡眠狀態(tài)，在讀寫器沒(méi)有發(fā)送出特定頻率的無(wú)線信號(hào)時(shí)，它是不會(huì)被喚醒的。當(dāng)然，這個(gè)特定頻率的無(wú)線信號(hào)會(huì)立即地喚醒休眠的電子施封鎖這樣，就節(jié)省了在喚醒前和監(jiān)測(cè)期間的電源消耗。
高安全性，芯片內(nèi)固化Gazell協(xié)議具有AES 128bit 高強(qiáng)度加密，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽浚坏凸拘选⒏哳l數(shù)據(jù)交換，避免了同頻干擾。喚醒脈沖通過(guò)特定頻率是125KHZ低頻發(fā)送，而數(shù)據(jù)通信采用另外的2.4G無(wú)線頻率傳送。一旦讀寫器與標(biāo)簽建立通信連接后，雙方便跳到由讀寫器指定的固定頻率上工作。這樣，即使電動(dòng)車或是整個(gè)停車場(chǎng)中其它電子施封鎖在無(wú)線通信范圍內(nèi)也不會(huì)被喚醒，避免了同頻干擾起到了抗干擾的作用。
【論文摘要】：從節(jié)能的角度介紹了大中型商業(yè)建筑照明的分類要求，建議使用高光效光源及低功耗、長(zhǎng)壽命、優(yōu)性能的整流器。
一、引言
隨著改革開(kāi)放的不斷深入和發(fā)展，各行各業(yè)正在發(fā)生著日新月異的變化，建筑行業(yè)的崛起和變化更是來(lái)勢(shì)迅猛、內(nèi)容紛繁，現(xiàn)代化的建筑千姿百態(tài)、造型各異并逐步呈現(xiàn)出高、大、全、新的特點(diǎn)。現(xiàn)代建筑的層數(shù)越來(lái)越高，占地面積越來(lái)越大，內(nèi)部設(shè)施越來(lái)越完善，功能越來(lái)越齊全，所用設(shè)備和材料則越來(lái)越新。商業(yè)建筑的發(fā)展必然伴隨著照明創(chuàng)新的繁榮，現(xiàn)代商業(yè)建筑照明設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)是多方化、情趣化、藝術(shù)化和節(jié)能化。
二、商業(yè)照明的種類
(1) 商場(chǎng)立面照明
各個(gè)商業(yè)建筑都有它的一般商業(yè)性和各自的特征。對(duì)商場(chǎng)的立面照明除如何將它的一般性和特征展現(xiàn)得更有藝術(shù)性之外，應(yīng)該有意識(shí)地將臨街的立面和門廳照得更明亮，更具藝術(shù)性，令路人對(duì)商場(chǎng)有深刻印象。另外，還需有渲染商店形象的廣告照明。
(2) 商場(chǎng)廣告照明
上述的商場(chǎng)立面照明是最有效的廣告，但各個(gè)商場(chǎng)還有其名稱和標(biāo)志。對(duì)于名稱和標(biāo)志，常采用下列方式：①用霓虹燈將名稱或標(biāo)志逐筆逐畫圈起來(lái)，霓虹燈或長(zhǎng)明、或多種顏色輪換閃爍或卷地毯式閃爍。②商場(chǎng)的名稱或標(biāo)志是實(shí)體的藝術(shù)雕塑，用支架離墻，在其后面依其形狀布燈，讓燈光將名稱或標(biāo)志浮現(xiàn)起來(lái)，多用長(zhǎng)明的霓虹燈。
(3) 商品廣告照明
①用霓虹燈造出商品名稱、形狀、商標(biāo)，或勾邊、或沿廣告形狀制造，燈光或長(zhǎng)明、或閃爍。有的廣告底層尚配以卷地毯式的閃爍的霓虹燈襯托。②透明廣告畫、圖片制成燈箱，在畫或圖片后面用光管列照射，使畫面色彩透射出來(lái)。③不透明廣告畫面，用投光燈照射，將畫面的色彩和層次顯現(xiàn)出來(lái)。其中②、③項(xiàng)采用高顯色性的光源。
(4) 商場(chǎng)的一般照明
①選用高光效的光源，如節(jié)能燈、熒光燈。②選用高效率的燈具，如高效熒光燈具或其他高效燈具。③光源的光色，應(yīng)既與商場(chǎng)空間協(xié)調(diào)，又能將商品質(zhì)感最確切、最真實(shí)地顯示給顧客。此外，還要圍繞商品建筑照明周圍的光環(huán)境(如裝修材料及其色澤等)和商品內(nèi)容確定。④根據(jù)商場(chǎng)所在地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、電力供應(yīng)、環(huán)境，確定合適照度。有時(shí)為了引起顧客對(duì)一些商品的注目，要使重點(diǎn)照明的照度增加幾倍，增加了耗電量。在有空調(diào)的商場(chǎng)也增加了空調(diào)耗電量，照度高低，必須慎重分析，適合當(dāng)?shù)貤l件。⑤除水平照度，還應(yīng)合理設(shè)計(jì)垂直照度。一般選用寬光束或蝙蝠型配光曲線的燈具。⑥一般照明的照度，主要是均勻度，以適應(yīng)商品陳列方式和陳列場(chǎng)所的變動(dòng)。若貨架為長(zhǎng)條式排列，則采用蝙蝠配光曲線高效熒光燈具，燈具應(yīng)沿兩貨架中間布置，避免主光束投射到貨架頂上。
(5)商場(chǎng)的重點(diǎn)照明
為了重點(diǎn)地把主要商品或主要場(chǎng)所照亮，以突出商品，激發(fā)顧客的購(gòu)買欲望。照度應(yīng)隨商品種類、形狀、大小、展出方式而定，同時(shí)必須和商場(chǎng)內(nèi)一般照明相平衡出良好的照度。在選擇光源及照明方式時(shí)，不能忽視商品的立體感、光澤及色彩等。
(6) 應(yīng)急照明的分類
應(yīng)急照明是在正常照明系統(tǒng)因電源發(fā)生故障，不再提供正常照明的情況下，供人員疏散、保障安全或繼續(xù)工作的照明。應(yīng)急照明不同于普通照明，它包括備用照明、疏散照明、安全照明三種。
備用照明--在正常照明電源發(fā)生故障時(shí)，為確保正常活動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行而設(shè)的應(yīng)急照明部分。包括：①照明熄滅將妨礙消防救援工作進(jìn)行的場(chǎng)所。如消防控制室、應(yīng)急發(fā)電機(jī)房、廣播室及配電室等。重要的地下建筑，因照明熄滅將無(wú)法工作和活動(dòng)的場(chǎng)所，如大中型地下商場(chǎng)、地下餐廳、地下車庫(kù)與地下娛樂(lè)場(chǎng)所等。②照明熄滅將造成現(xiàn)金、貴重物品被竊的場(chǎng)所，如大中型商場(chǎng)的貴重物品銷售區(qū)、收款臺(tái)及銀行出納臺(tái)等。
疏散照明--在正常電源發(fā)生故障時(shí)，為使人員能快速且準(zhǔn)確無(wú)誤地找到建筑物出口而設(shè)的應(yīng)急照明部分。通常在下列場(chǎng)所應(yīng)設(shè)疏散照明：人員眾多、密集的公共建筑，如大會(huì)議室、劇院、電影院、大型展覽館、大中型商場(chǎng)、大型候車廳等；高層公共建筑、超高層建筑；人員眾多的地下建筑。
安全照明--在正常電源發(fā)生故障時(shí)，為確保處于潛在危險(xiǎn)中人員的安全而設(shè)的應(yīng)急照明部分。通常在下列場(chǎng)所應(yīng)設(shè)置安全照明：正常照明因電源故障而熄滅后，由于眾多人員聚集，且又不熟悉環(huán)境條件，容易引起驚慌而可能導(dǎo)致人身傷亡的場(chǎng)所，或人們難以與外界聯(lián)系的電梯內(nèi)等；應(yīng)急照明既要滿足作為照明的一般要求，又要滿足應(yīng)急作用的特殊要求，既要在緊急狀態(tài)下照明，同時(shí)又要保證常年安裝在建筑物內(nèi)安全、可靠地處于良好的應(yīng)急狀態(tài)。這除了選擇合適的光源外，選擇安全、可靠、經(jīng)久、耐用的應(yīng)急照明電源也是至關(guān)重要的。
三、推廣使用高光效光源
眾所周知，照明光源有白熾燈、日光燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等。按照光效高低的排列，高壓鈉燈的光效為最高，白熾燈為最低，各光源的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。一只75W的白熾燈，節(jié)電效率高達(dá)80％。所以，為節(jié)s電能，應(yīng)積極推廣使用高光效、長(zhǎng)壽命光源。
四、開(kāi)發(fā)并使用低功耗、長(zhǎng)壽命、優(yōu)性能的鎮(zhèn)流器
鎮(zhèn)流器的作用是提供瞬間的高電壓及高電流，并且在起動(dòng)后限制日光燈管內(nèi)的電流，以避免日光燈管內(nèi)的電流激增，而縮短日光燈管的壽命。日光燈用傳統(tǒng)電感鎮(zhèn)流器一般功率為燈管額定功率的20％，高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)的鎮(zhèn)流器功耗為額定功率的15％-16％。因此，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)低功耗、長(zhǎng)壽命、優(yōu)性能的新型鎮(zhèn)流器，對(duì)我國(guó)"綠色照明工程"的實(shí)施也必將起到巨大的推進(jìn)作用。表2為各種鎮(zhèn)流器技術(shù)指標(biāo)比較。
五、對(duì)商場(chǎng)照明的要求
(1) 創(chuàng)造良好的視覺(jué)條件，保證足夠的照度和必要的照明質(zhì)量，包括良好的顏色顯現(xiàn)，合理地限制眩光等。
(2) 滿足吸引顧客、渲染商品特色等促銷手段的特殊需要。
(3) 確保使用安全，包括防止照明系統(tǒng)運(yùn)行引起火災(zāi)和電擊事故，還需提供商場(chǎng)中發(fā)生意外事故時(shí)保證人員安全疏散所必需的照明。
(4) 具有足夠的靈活性，以適應(yīng)商場(chǎng)內(nèi)部因銷售策略變化、商品變換、季節(jié)更替等引起的對(duì)照明要求的相應(yīng)變化。
(5) 節(jié)約能源，從使用高效光源、燈具和設(shè)計(jì)手法、運(yùn)行管理等多方面措施人手，在滿足視覺(jué)條件的前提下，使照明耗電量最小。
六、結(jié)束語(yǔ)
商場(chǎng)的電氣照明不同于其他場(chǎng)所的照明，對(duì)新建商場(chǎng)的綠色照明可以通過(guò)采用高光效的光源、高效率的照明器來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)采用熒光燈作為主光源時(shí)應(yīng)采用低功耗、高性能的整流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)已建成或改建商場(chǎng)的綠色照明除更換原照明光源、照明器及附件外，還可以通過(guò)采用分相無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償裝置來(lái)改善供電系統(tǒng)功率因數(shù)，以達(dá)到節(jié)能的目的。在考慮綠色照明的同時(shí)，還應(yīng)著重注意視覺(jué)環(huán)境。不僅要解決光源與燈具的品種、類型和數(shù)量的問(wèn)題，而且要解決照明質(zhì)量的問(wèn)題，應(yīng)把照度水平、亮度分布、照度均勻度、陰影、眩光、光色與照度的穩(wěn)定性等統(tǒng)一考慮。因?yàn)檫@些將直接影響商場(chǎng)的經(jīng)營(yíng)和效益，影響消費(fèi)者的購(gòu)物欲望，甚至影響到消費(fèi)者的身心健康。
參考文獻(xiàn)
[1] 北京照明學(xué)會(huì)照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會(huì)編， 照明設(shè)計(jì)手冊(cè)，北京：中國(guó)電力出版社，1998.
[關(guān)鍵詞]數(shù)據(jù)采集ARM大容量存儲(chǔ)
中圖分類號(hào):TP274.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1110100-02
一、引言
車載分布式信息采集系統(tǒng)通過(guò)終端采集到車輛運(yùn)行的各狀態(tài)信息發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控車上的監(jiān)測(cè)中心,對(duì)了解車輛運(yùn)行狀況、研究提高車輛的舒適性和安全性等具有非常重要的作用。目前,用于車輛信息采集的系統(tǒng)一般是基于8位或16位RISC的CPU作為核心處理器,該類處理器存在主頻低、容量小、實(shí)時(shí)性差、通訊速度慢等缺點(diǎn)[1,2]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對(duì)科學(xué)研究的要求越來(lái)越高,對(duì)數(shù)據(jù)的采樣率、精度控制、傳輸速度和存儲(chǔ)容量等提出了更高的要求,此時(shí)以32位RISC的ARM嵌入式處理器顯示了強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)[3,4]。
二、車載信息采集系統(tǒng)構(gòu)架
如上圖1所示,是車載信息采集系統(tǒng)框圖。整個(gè)系統(tǒng)主要由中央處理器、電源管理模塊、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集模塊、緩存模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊構(gòu)成。
中央處理器(CPU)主要完成對(duì)各個(gè)電路的控制和AD采集通道的選擇;電源管理模塊主要完成對(duì)各模塊的電源供給和監(jiān)控;數(shù)據(jù)采集單元主要完成輸入模擬信號(hào)的調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換;由多片hynix公司高密度的Flash進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ);采用了IDT公司的雙口RAM進(jìn)行高速數(shù)據(jù)流的緩存。
(一)嵌入式處理器選擇
ARM公司是全球領(lǐng)先的16/32位嵌入式RISC微處理器解決方案的供應(yīng)商,向全球各大領(lǐng)先電子公司提供高性能、低成本和高效率的RISC處理器、外設(shè)和系統(tǒng)芯片技術(shù)授權(quán)。其主要特點(diǎn)是具有高性能、低成本和低功耗。ARM的微處理器核技術(shù)廣泛用于便攜式通信產(chǎn)品、多媒體和嵌入式解決方案等領(lǐng)域,已成為RISC標(biāo)準(zhǔn)。
RISC是一種設(shè)計(jì)思想,其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一套能在高時(shí)鐘頻率下單周期執(zhí)行,簡(jiǎn)單而有效的指令集。RISC的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)雜度,這是因?yàn)檐浖扔布菀滋峁└蟮撵`活性和更高的智能。因此,RISC設(shè)計(jì)對(duì)編譯器有更高的要求;相反,傳統(tǒng)的復(fù)雜指令集的計(jì)算機(jī)(CISC)則更依賴于硬件執(zhí)行指令的功能性,使CISC指令變得更復(fù)雜。主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面:
1.指令集。RISC處理器減少了指令種類,僅提供簡(jiǎn)單的操作,且每條指令長(zhǎng)度固定,一個(gè)周期就可以執(zhí)行一條指令,允許流水線在當(dāng)前譯碼階段去取下一條指令;而CISC處理器中,指令的長(zhǎng)度通常不固定,執(zhí)行也需要多個(gè)周期。
2.流水線。指令的處理過(guò)程被拆分成幾個(gè)更小的、能夠被流水線并行執(zhí)行的單元;而CISI指令的執(zhí)行需要調(diào)用微代碼的一個(gè)微程序。
3.寄存器。RISC處理器擁有更多的通用寄存器;而CISI處理器都是用于特定目的的專用寄存器。
4.Load-store結(jié)構(gòu)。處理器只處理寄存器中的數(shù)據(jù)。獨(dú)立的load和store指令用來(lái)完成數(shù)據(jù)在寄存器和外部存儲(chǔ)器之間的傳送。因?yàn)樵L問(wèn)存儲(chǔ)器很耗時(shí),所以把存儲(chǔ)器訪問(wèn)和數(shù)據(jù)處理分開(kāi)。帶來(lái)的好處就是可反復(fù)地使用寄存器中的數(shù)據(jù),而避免多次訪問(wèn)存儲(chǔ)器。而CISI卻不能。
ARM選擇ATMEL公司的ARM處理器AT91SAM7A3,芯片內(nèi)部集成了256Kbyte
的高速FLASH用于存儲(chǔ)程序,32Kbyte的SRAM可用于存儲(chǔ)程序和程序運(yùn)行時(shí)存儲(chǔ)變量堆棧數(shù)據(jù)。AT91SAM7A3具備豐富的接口能滿足對(duì)車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主控制器的需求,削減了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)煩雜的電路,大大促進(jìn)了整機(jī)的集成度,有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。
(二)數(shù)據(jù)采集及緩存
在本設(shè)計(jì)中,系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)4通道400KHz采樣率的沖擊信號(hào)和4通道200KHz采樣率的噪聲信號(hào)采集任務(wù)。傳統(tǒng)的方法是針對(duì)2種不同采樣率分別以不同的AD多通道實(shí)現(xiàn)采集,這樣的設(shè)計(jì)方法存在的缺點(diǎn)是隨著不同采樣率和采樣路數(shù)的增加,系統(tǒng)的邏輯管理和硬件開(kāi)銷太大,致使系統(tǒng)的可靠性大大降低。因此,本文在選擇了具有8通道并行采集和高吞率的MAX1304,12位20MHz并行接口。MAX1304是單電源5V供電,最高20MHz時(shí)鐘接入,8通道全率456ksps采樣時(shí),總電源電流為57mA。芯片48引腳7mmx7mm TQFP的小封裝,工作溫度為-40°C至+85°C寬溫度范圍。通過(guò)AT91SAM7A3
的I/O控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)通道的選擇,A/D轉(zhuǎn)換器的輸出直接與AT91SAM7A3的SPI接口相接。圖2是數(shù)據(jù)采集及緩存的基本框圖。
(三)流水線寫入及大容量存儲(chǔ)
針對(duì)本設(shè)計(jì)需求,采樣1秒將產(chǎn)生4.8Mbyte,連續(xù)采樣一小時(shí)將達(dá)到17.28Gbyte。所以需要對(duì)采樣的高速數(shù)據(jù)流在存儲(chǔ)前必須進(jìn)行緩存,以適應(yīng)目前主流存儲(chǔ)介質(zhì)FLASH的寫入速度慢的特點(diǎn)[3]。
傳統(tǒng)高速緩存的方法是FIFO(先進(jìn)先出)方式。FIFO具有兩套數(shù)據(jù)線而無(wú)地址線,數(shù)據(jù)像在管道中順序移動(dòng),因而能夠達(dá)到很高的傳輸速度和效率,缺點(diǎn)是只能順序讀寫數(shù)據(jù),對(duì)該系統(tǒng)需要分段處理的實(shí)時(shí)系統(tǒng)顯得不夠靈活,而且大容量的高速FIFO非常昂貴,器件的封裝體積也較大[4]。
方案采用了ITD公司的ITD70V25L與和HYNIX公司的FLASH作為高速緩存和大容量存儲(chǔ),緩存和大容量存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)基本框架如下圖3所示。根據(jù)系統(tǒng)的需求FLASH選用HY27UK08BGFM(4G×8bit,隨機(jī)讀:25μs(MAX);順序存取:30ns;編程:200μs),為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的大容量存儲(chǔ)需要并擴(kuò)展了FLASH存儲(chǔ)區(qū),設(shè)計(jì)了由6片HY27UK08BGFM并聯(lián)組成6級(jí)流水線并成一個(gè)24G×8bit大容量存儲(chǔ)體。
FLASH編程速度慢的主要原因是其自動(dòng)編程的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),典型時(shí)間為200μs,最大不超過(guò)700μs,而由于這段時(shí)間是芯片自動(dòng)完成的,不需要外部的干預(yù),設(shè)計(jì)充分利用這段“空閑”時(shí)間。針對(duì)閃存的編程速度慢的問(wèn)題,將其進(jìn)行流水處理,實(shí)現(xiàn)時(shí)間上的微觀并行,如上圖4所示的三級(jí)流水線原理。閃存芯片的編程操作可分為三個(gè)步驟:加載操作,自動(dòng)編程操作,檢測(cè)操作。
三、采集數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理軟件設(shè)計(jì)
MAX1304在1.98μs內(nèi)可完成8個(gè)通道的同時(shí)轉(zhuǎn)換,其20MHz、12位的雙向并行數(shù)據(jù)總線用來(lái)提供轉(zhuǎn)換結(jié)果,并可接受數(shù)字輸入分別激活每一路通道。系統(tǒng)采用中斷控制方式來(lái)設(shè)計(jì)AD模塊,其工作原理是由ARM的輸出CLK時(shí)鐘連接AD芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘控制采樣保持和AD轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)對(duì)AD采集數(shù)據(jù)采用了動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)管理的方法,其控制流程如上圖5所示。
四、電源管理
電源管理是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分,一是為了系統(tǒng)的穩(wěn)定工作,二是為了降低整機(jī)的功耗。為適應(yīng)車載供電的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗,采用了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的電源監(jiān)管技術(shù)相結(jié)合。在靜態(tài)技術(shù)上,主要選用了低功耗器件,絕大部分器件工作電壓在3.3V;在動(dòng)態(tài)技術(shù)上,通過(guò)改變系統(tǒng)的運(yùn)行行為來(lái)降低系統(tǒng)功耗,如在系統(tǒng)工作過(guò)程中,根據(jù)預(yù)處理判斷實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)采樣,以降低系統(tǒng)的工作頻率。
利用系統(tǒng)芯片SOC(System On Chip)技術(shù)對(duì)存儲(chǔ)區(qū)進(jìn)行合理的電源管理,如對(duì)于flash,利用其非易失性的特點(diǎn)采取逐個(gè)加電,及時(shí)斷電的方式來(lái)降低系統(tǒng)功耗。使用TEXAS INSTRUMENTS公司提供的TPS71913-28芯片作為監(jiān)控給FLASH芯片供電。
五、結(jié)論
基于AT91SAM7A3嵌入式微處理器結(jié)合高密度的FLASH構(gòu)建的車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了24G×8bit大容量存儲(chǔ),能滿足炮車及步兵戰(zhàn)車、坦克等車輛連續(xù)采集一小時(shí)的需求。在外場(chǎng)試驗(yàn)中,系統(tǒng)具備了抗沖擊能力,系統(tǒng)嵌入式的電源管理有效的降低了系統(tǒng)功耗,適合艙室環(huán)境。設(shè)計(jì)劃分成各子模塊,模塊化的設(shè)計(jì)方便了以后系統(tǒng)功能擴(kuò)展。
參考文獻(xiàn):
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關(guān)鍵詞:WISHBONE;FPGA;片上系統(tǒng);IP核
中圖分類號(hào):TP302.2; TP338.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)31-0000-00
Design of Sensor Control System on Chip Based on Wishbone
HUANG Wang-hua1, LIU Yi-jun2
(1.Guangdong Textile Polytechnic,Foshan 528041,China;2.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
Abstract: The paper has designed a sensor control system IP core based on the analysis of traditional sensor node structure,which is under WISHBONE standard.This IP core has been carried out in Xilinx's Spantan 3 series FPGA chip successfully. First of all the paper designs the sensor node control system frame,in which SHT7X is a sensor module and CC2420 is a wireless communication module, and then it inrtoduces the detaile design of sub modules, including the MCU, interface modules and the system connecte module, all these modules are under WISHBONE Bus standard. Finally, after synthesizeing ,implementing and programming,the result shows that the IP core only uses 625 Slices, and its highest frequency is up to 78.740MHz.
Key words: WISHBONE;FPGA;SoC;IP core
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一,它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物[1]。目前,傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、信號(hào)調(diào)理、ADC、微處理器、電源、無(wú)線通訊和天線組成。這種傳感器節(jié)點(diǎn)最大的特點(diǎn)是電路模塊化、體積較大、功耗也不低。近幾年來(lái),隨著FPGA和SoC技術(shù)的發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)逐漸由板級(jí)向芯片級(jí)設(shè)計(jì)過(guò)渡。本論文就在FPGA芯片上傳感器控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)采用了WISHBONE總線標(biāo)準(zhǔn),通過(guò)調(diào)試功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
1 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和WISHBONE總線簡(jiǎn)介
傳感器網(wǎng)絡(luò)一般是由一定數(shù)量的傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)搭建起來(lái),根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用要求的不同選擇監(jiān)測(cè)不同數(shù)據(jù)的傳感器。目前,傳統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器、信號(hào)調(diào)理、ADC、微處理器、電源、無(wú)線通訊和天線組成。傳感器主要完成數(shù)據(jù)采集,其類型由被監(jiān)測(cè)的物理信號(hào)的形式?jīng)Q定。ADC主要完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的變換,通常市面上的傳感器模塊都集成了數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。微處理器主要完成數(shù)據(jù)處理和操作控制,通常采用低功耗的,如MicroChip公司的PIC系列等。通訊單元主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳遞,一般由低功耗、短距離的無(wú)線通信模塊組成。
Wishbone[2]總線是一種開(kāi)源的片上總線標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)由OPENCODES組織維護(hù)。該總線采用了主/從結(jié)構(gòu),由主部件發(fā)起每次與從部件之間的數(shù)據(jù)傳輸,支持常見(jiàn)的四種IP核聯(lián)接方式,包括:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、數(shù)據(jù)流、共享總線和交叉開(kāi)關(guān)。
2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
因該設(shè)計(jì)所涉及的傳感器節(jié)點(diǎn)主要以監(jiān)測(cè)大氣溫度和濕度為目的,為了提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確度和減少功耗,節(jié)點(diǎn)采用了瑞士SENSIRION公司開(kāi)發(fā)的數(shù)字溫濕度傳感器SHT7X系列傳感器。該模塊為插針型,方便傳感器的安裝和系統(tǒng)調(diào)試。同時(shí)為了方便自適應(yīng)組建網(wǎng)絡(luò),本傳感器節(jié)點(diǎn)采用CC2420作為無(wú)線通信模塊。該無(wú)線通信模塊可以通過(guò)4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設(shè)置芯片的工作模式,并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)、讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過(guò)控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。
傳感器節(jié)點(diǎn)控制模塊的設(shè)計(jì)直接影響著整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。該文利用FPGA技術(shù)設(shè)計(jì)了節(jié)點(diǎn)的控制模塊,模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
該片上系統(tǒng)主要由一個(gè)8位的MCU,片內(nèi)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)RAM,WISHBONE總線控制器和各外設(shè)控制器IP核組成。其中MCU IP核主要負(fù)責(zé)整個(gè)片上系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)處理,該MCU采用PIC16C5X系列的33條經(jīng)典控制指令[3],根據(jù)FPGA芯片的特點(diǎn)和應(yīng)用的需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。RAM IP核主要用來(lái)存放監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),該IP核由FPGA芯片的RAM塊組成。各外設(shè)控制器IP核,主要負(fù)責(zé)根據(jù)外設(shè)接口類型,將內(nèi)部平行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成相就的數(shù)據(jù)格式,比如LCD-WISHBONE接口IP核,將內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的數(shù)值根據(jù)數(shù)碼管進(jìn)行編碼;UART-WISHBONE接口IP核將內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的平行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)波特率的UART串行數(shù)據(jù),等等。以上IP核不管是MCU IP核還是接口控制器IP核都用WISHBONE片上系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)格化。最后通過(guò)WISHBONE總線將各功能IP核模塊連接起來(lái),各IP核訪問(wèn)總線由總線控制模塊控制。
3 系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)
3.1 微控制器IP核
該IP核采用傳統(tǒng)的LOAD/STORE結(jié)構(gòu),即指令操作數(shù)基本來(lái)自寄存器,運(yùn)算結(jié)束后結(jié)果也放回寄存器中,指令執(zhí)行前要先提取數(shù)據(jù),指令結(jié)束后要結(jié)果存儲(chǔ)好。整個(gè)系統(tǒng)由控制器根據(jù)指令控制其它單元的操作,如取址、取數(shù),ALU運(yùn)算等。
MCU IP核在Syscon模塊時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下,首先指令寄存器根據(jù)PC值取出指令,這就是取指階段。接下來(lái)是譯碼器對(duì)指令進(jìn)行譯碼,并從存儲(chǔ)器中取出操作數(shù)。然后ALU根據(jù)譯碼結(jié)果對(duì)操作數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,最后寫回存儲(chǔ)器或輸出結(jié)果。IP核接口采用WISHBONE標(biāo)準(zhǔn),其中地址標(biāo)志位用于選擇外設(shè)。
3.2 IIC-WISHBONE控制器IP核
IIC(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的兩線式串行總線標(biāo)準(zhǔn),用于連接微控制器及其設(shè)備[4]。該控制器IP核主要用于連接濕溫感應(yīng)器SHT7X,通過(guò)本IP核將感應(yīng)器的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行數(shù)據(jù)。轉(zhuǎn)換過(guò)程中,通過(guò)對(duì)一系列寄存器的操作,可以設(shè)置器件速度,控制操作,接收傳輸數(shù)據(jù)等。該IP核采用了字節(jié)傳輸控制模式,在感應(yīng)器時(shí)鐘的觸發(fā)下,從感應(yīng)器中讀取采集的數(shù)據(jù),當(dāng)數(shù)據(jù)緩存器滿時(shí),即鎖定,并通過(guò)命令寄存器,請(qǐng)求占用總線,直到MCU響應(yīng)。這樣就完成了以次數(shù)據(jù)采集。
3.3 SPI-WISHBONE接口
SPI(Serial Parallel Bus)總線是由Motorola公司提出的,可以允許外設(shè)以串得方式與MCU進(jìn)行通信的一個(gè)總線[5]。總線是一種高速的、全雙工、同步的通信總線,并且只由4條信號(hào)線組成,分別是:SCLK(時(shí)鐘線)、/CS(片選線)、SDO(數(shù)據(jù)輸出線)和SDI(數(shù)據(jù)輸入線)。該IP核主要用于連接無(wú)線模塊CC2420,將經(jīng)MCU處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)該IP核傳遞給CC2420。
3.4 UART-WISHBONE接口
UART(即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用異步收發(fā)器)是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。UART允許在串行鏈路上進(jìn)行全雙工的通信。在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常會(huì)用到UART接口來(lái)進(jìn)行通信,將UART功能集成到SoC設(shè)計(jì)中從而簡(jiǎn)化了電路,縮小了面積,還充分利用芯片剩余邏輯單元。UART主要由UART內(nèi)核、信號(hào)監(jiān)測(cè)器、移位寄存器、波特率發(fā)生器、計(jì)數(shù)器、總線先擇器和奇偶校驗(yàn)器總共七個(gè)模塊組成。主要部分功能介紹如下:UART內(nèi)核主要完成控制周圍其它部分在收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的操作;信號(hào)監(jiān)測(cè)器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),一有新的數(shù)據(jù)立即通知UART內(nèi)核;總線選擇用于選擇奇偶校驗(yàn)的輸入是數(shù)據(jù)發(fā)送總線還是數(shù)據(jù)接收總線。
4 系統(tǒng)集成
通過(guò)前面?zhèn)€IP核的設(shè)計(jì)、測(cè)試和電路優(yōu)化,接下來(lái)主要是將各IP核集成起來(lái)。在IP核設(shè)計(jì)過(guò)程中已對(duì)IP核接口進(jìn)行WISHBONE標(biāo)準(zhǔn)化。為了將多個(gè)WISHBONE總線接口標(biāo)準(zhǔn)的各IP核連接成一個(gè)片上系統(tǒng),WISHBONE總線標(biāo)準(zhǔn)主要有四種聯(lián)接方式,包括端對(duì)端、數(shù)據(jù)流、共享和交叉總線。本設(shè)計(jì)主要考慮到系統(tǒng)外設(shè)數(shù)量較少,同時(shí)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高,為了設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便,本設(shè)計(jì)采用共享式互聯(lián)方式[6]。
總線控制模塊根據(jù)主設(shè)備(MCU)輸出的地址高四位進(jìn)行選擇從設(shè)備,在本系統(tǒng)中,從設(shè)備可以擴(kuò)展到16個(gè)。主設(shè)備輸出的低四位地址為各接口控制器IP核內(nèi)的寄存器地址,用于暫存操作命令和數(shù)據(jù)。
5 系統(tǒng)綜合/實(shí)現(xiàn)/調(diào)試
在完成系統(tǒng)集成的功能測(cè)試后,就可將設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合實(shí)現(xiàn)。綜合是指將電路的高級(jí)語(yǔ)言(VHDL、 Verilog、 SystemVerilog等)或原理圖轉(zhuǎn)換成低級(jí)的,可與CPLD/FPGA相映射的網(wǎng)表文件,就是按照某種規(guī)定描述電路的基本組成和如何相互連接的文件[7]。
綜合前主要是設(shè)定設(shè)計(jì)的約束,包括引腳和時(shí)鐘等。然后在ISE自帶的高性能的綜合工具中進(jìn)行綜合,最后綜合結(jié)果顯示該系統(tǒng)IP核只占用了625各Slice,僅用了器件3%的資源,同時(shí)時(shí)鐘也達(dá)到了約束要求,具體情況如圖2所示。
綜合后占用FPGA資源情況如下:
Number of Slices: 625 out of166403%
Number of Slice Flip Flops:510 out of332801%
Number of 4 input LUTs:1115out of332803%
Number of bonded IOBs: 20 out of 519 3%
Number of BRAMs:3 out of84 3%
Number of GCLKs:4 out of2416%
IP核時(shí)序情況如下:
Minimum period: 12.700ns (Maximum Frequency: 78.740MHz)
Minimum input arrival time before clock: 5.166ns
Maximum output required time after clock: 11.848ns
隨后進(jìn)行實(shí)現(xiàn),通過(guò)ISE自帶工具查看布局布線情況,可以發(fā)現(xiàn)主要分布在BANK2,且較集中。然后利用Generate Programming File命令生成BIT位流文件,最后用編程工具iMPACT將位流文件直接下載到FPGA芯片中,通過(guò)對(duì)運(yùn)行情況的分析,設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)定要求。
6 小結(jié)
該文主要完成了基于WISHBOEN總線的片上傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括MCU、IIC接口、ISP接口和URAT接口,以及對(duì)采用WISHBONE總線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化。然后通過(guò)共享式總線控制模塊將各IP核聯(lián)接起來(lái)。最后將系統(tǒng)IP核下載到Spartan-3A DSP 1800A開(kāi)發(fā)板進(jìn)行了調(diào)試,設(shè)計(jì)基本達(dá)到要求。
參考文獻(xiàn):
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[2] Microchip Technology Inc.PIC16C5X Datasheet[Z].1998.
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關(guān)鍵詞:節(jié)能;減排;功率半導(dǎo)體
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半導(dǎo)體芯片包括功率二極管、功率開(kāi)關(guān)器件與功率集成電路。近年來(lái),隨著功率MOS技術(shù)的迅速發(fā)展,功率半導(dǎo)體的應(yīng)用范圍已從傳統(tǒng)的工業(yè)控制擴(kuò)展到4C產(chǎn)業(yè)(計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車電子),滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的各個(gè)領(lǐng)域。
功率半導(dǎo)體器件是進(jìn)行電能處理的半導(dǎo)體產(chǎn)品。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái),電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機(jī)、電視、洗衣機(jī)、到高速列車,均離不開(kāi)電能。無(wú)論是水電、核電、火電還是風(fēng)電,甚至各種電池提供的化學(xué)電能,大部分均無(wú)法直接使用,75%以上的電能應(yīng)用需由功率半導(dǎo)體進(jìn)行變換以后才能供設(shè)備使用。每個(gè)電子產(chǎn)品均離不開(kāi)功率半導(dǎo)體器件。使用功率半導(dǎo)體的目的是使用電能更高效、更節(jié)能、更環(huán)保并給使用者提供更多的方便。如通過(guò)變頻來(lái)調(diào)速,使變頻空調(diào)在節(jié)能70%的同時(shí),更安靜、讓人更舒適。手機(jī)的功能越來(lái)越多,同時(shí)更加輕巧,很大程度上得益于超大規(guī)模集成電路的發(fā)展和功率半導(dǎo)體的進(jìn)步。同時(shí),人們希望一次充電后有更長(zhǎng)的使用時(shí)間,在電池沒(méi)有革命性進(jìn)步以前,需要更高性能的功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行高效的電源管理。正是由于功率半導(dǎo)體能將 ‘粗電’變?yōu)椤姟?因此它是節(jié)能減排的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)。
隨著綠色環(huán)保在國(guó)際上的確立與推進(jìn),功率半導(dǎo)體的發(fā)展應(yīng)用前景更加廣闊。據(jù)國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),2011年功率半導(dǎo)體在中國(guó)市場(chǎng)的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲(chǔ)器等數(shù)字集成半導(dǎo)體相比,功率半導(dǎo)體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產(chǎn)品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時(shí),功率半導(dǎo)體也不要求最先進(jìn)的生產(chǎn)工藝,其生產(chǎn)線成本遠(yuǎn)低于Moore定律制約下的超大規(guī)模集成電路。因此,功率半導(dǎo)體非常適合我國(guó)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀以及我國(guó)能源緊張和構(gòu)建和諧社會(huì)的國(guó)情。
目前,國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體高端產(chǎn)品與國(guó)際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進(jìn)口替代才剛剛開(kāi)始。因此國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)在提升工藝水平的同時(shí),應(yīng)不斷提高國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新力度和產(chǎn)品性能,以滿足高端市場(chǎng)的需求,促進(jìn)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)的健康發(fā)展以及國(guó)內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與產(chǎn)業(yè)升級(jí)。
2需求分析
消費(fèi)電子、工業(yè)控制、照明等傳統(tǒng)領(lǐng)域市場(chǎng)需求的穩(wěn)定增長(zhǎng),以及汽車電子產(chǎn)品逐漸增加,通信和電子玩具市場(chǎng)的火爆,都使功率半導(dǎo)體市場(chǎng)繼續(xù)保持穩(wěn)步的增長(zhǎng)速度。同時(shí),高效節(jié)能、保護(hù)環(huán)境已成為當(dāng)今全世界的共識(shí),提高效率與減小待機(jī)功耗已成為消費(fèi)電子與家電產(chǎn)品的兩個(gè)非常關(guān)鍵的指標(biāo)。中國(guó)目前已經(jīng)開(kāi)始針對(duì)某些產(chǎn)品提出能效要求,對(duì)冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)等產(chǎn)品進(jìn)行了能效標(biāo)識(shí),這些提高能效的要求又成為功率半導(dǎo)體迅速發(fā)展的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力。
根據(jù)CCID的統(tǒng)計(jì),從2004年到2008年,中國(guó)功率器件市場(chǎng)復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到17.0%,2008年中國(guó)功率器件市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到828億元,在嚴(yán)重的金融危機(jī)下仍然同比增長(zhǎng)7.8%,預(yù)計(jì)未來(lái)幾年的增長(zhǎng)將保持在10%左右。隨著整機(jī)產(chǎn)品更加重視節(jié)能、高效,電源管理IC、功率驅(qū)動(dòng)IC、MOSFET和IGBT仍是未來(lái)功率半導(dǎo)體市場(chǎng)中的發(fā)展亮點(diǎn)。
在政策方面,國(guó)家中長(zhǎng)期重大發(fā)展規(guī)劃、重大科技專項(xiàng)、國(guó)家863計(jì)劃、973計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關(guān)鍵元器件等重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,在國(guó)家剛剛出臺(tái)的“電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃”中,強(qiáng)調(diào)著重從集成電路和新型元器件技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面開(kāi)展系統(tǒng)深入的研究,為我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。在國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術(shù)、半導(dǎo)體功率器件技術(shù)、電力電子技術(shù)是未來(lái)5～15年15個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)技術(shù)。在目前國(guó)家重大科技專項(xiàng)的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎(chǔ)軟件產(chǎn)品”和“極大規(guī)模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個(gè)專項(xiàng)中,也將大屏幕PDP驅(qū)動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)化、數(shù)字輔助功率集成技術(shù)研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化等功率半導(dǎo)體相關(guān)課題列入支持計(jì)劃。在國(guó)家973計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)和重大項(xiàng)目中,屬于功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件的基礎(chǔ)研究一直是受到大力支持的研究方向。
總體而言,從功率半導(dǎo)體的市場(chǎng)需求和國(guó)家政策分析來(lái)看,我國(guó)功率半導(dǎo)體的發(fā)展呈現(xiàn)以下三個(gè)方面的趨勢(shì):① 硅基功率器件以實(shí)現(xiàn)高端產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化為發(fā)展目標(biāo);② 高壓集成工藝和功率IC以應(yīng)用研究為主導(dǎo)方向;③ 第三代寬禁帶半導(dǎo)體功率器件、系統(tǒng)功率集成芯片PSoC以基礎(chǔ)研究為重點(diǎn)。
3功率半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
四十多年來(lái),半導(dǎo)體技術(shù)沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到一個(gè)瓶頸:隨著線寬的越來(lái)越小,制造成本成指數(shù)上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應(yīng)越來(lái)越明顯,同時(shí)芯片的泄漏電流也越來(lái)越大。因此半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展必須考慮“后摩爾時(shí)代”問(wèn)題,2005年國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。
從路線圖可以清楚看到,未來(lái)半導(dǎo)體技術(shù)主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個(gè)維度的方向不斷發(fā)展,同時(shí)又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價(jià)值優(yōu)先的多功能集成系統(tǒng)。“More Moore”是指繼續(xù)遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內(nèi)存對(duì)增加性能/容量和降低價(jià)格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續(xù)縮小,還包括與此關(guān)聯(lián)的三維結(jié)構(gòu)改善等非幾何學(xué)工藝技術(shù)和新材料的運(yùn)用等。而“More Than Moore”強(qiáng)調(diào)功能多樣化,更注重所做器件除了運(yùn)算和存儲(chǔ)之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價(jià)值。以價(jià)值優(yōu)先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強(qiáng)調(diào)縮小特征尺寸,但注重系統(tǒng)集成,在增加功能的同時(shí),將系統(tǒng)組件級(jí)向更小型、更可靠的封裝級(jí)(SiP)或芯片級(jí)(SoC)轉(zhuǎn)移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術(shù)即是“More Than Moore”思想的一種實(shí)現(xiàn)方式,它是以硅材料為基礎(chǔ)的,跨領(lǐng)域(包括電子、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)、生物、醫(yī)藥等等)的復(fù)合型集成技術(shù),其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發(fā)光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動(dòng)器)+LSI等的結(jié)合。
在功能多樣化的“More Than Moore”領(lǐng)域,功率半導(dǎo)體是其重要組成部分。雖然在不同應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)功率半導(dǎo)體技術(shù)的要求有所不同,但從其發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,功率半導(dǎo)體技術(shù)的目標(biāo)始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導(dǎo)體技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發(fā)展新的器件理論和結(jié)構(gòu),促進(jìn)各種新型器件的發(fā)明和應(yīng)用。下面我們對(duì)功率半導(dǎo)體技術(shù)的功率半導(dǎo)體器件、功率集成電路和功率系統(tǒng)集成三個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行梳理和分析。
1) 功率半導(dǎo)體(分立)器件
功率半導(dǎo)體(分立)器件國(guó)內(nèi)也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現(xiàn)有功率半導(dǎo)體(分立)器件能適應(yīng)市場(chǎng)需求的快速變化,需要大量融合超大規(guī)模集成電路制造工藝,不斷改進(jìn)材料性能或開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用材料、繼續(xù)優(yōu)化完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝和封裝技術(shù)等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國(guó)際上在功率半導(dǎo)體(分立)器件領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究方向主要為器件新結(jié)構(gòu)和器件新材料。
在器件新結(jié)構(gòu)方面,超結(jié)(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統(tǒng)功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導(dǎo)通電阻2.5次方關(guān)系,被國(guó)際上譽(yù)為“功率MOS器件領(lǐng)域里程碑”。超結(jié)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為半導(dǎo)體功率器件發(fā)展的一個(gè)重要方向,目前國(guó)際上多家半導(dǎo)體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術(shù)生產(chǎn)低功耗MOS器件。對(duì)于IGBT器件,其功率損耗和結(jié)構(gòu)發(fā)展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場(chǎng)阻(Field Stop)結(jié)構(gòu)是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結(jié)結(jié)構(gòu)(Planar),槽柵結(jié)構(gòu)(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優(yōu)值,同時(shí)通過(guò)IGBT的版圖和柵極優(yōu)化,還可以進(jìn)一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。
功率半導(dǎo)體(分立)器件發(fā)展的另外一個(gè)重要方向是新材料技術(shù),如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn),是高壓、高溫、高頻、大功率應(yīng)用場(chǎng)合下極為理想的半導(dǎo)體材料。寬禁帶半導(dǎo)體SiC和GaN功率器件技術(shù)是一項(xiàng)戰(zhàn)略性的高新技術(shù),具有極其重要的軍用和民用價(jià)值,因此得到國(guó)內(nèi)外眾多半導(dǎo)體公司和研究結(jié)構(gòu)的廣泛關(guān)注和深入研究,成為國(guó)際上新材料、微電子和光電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
2) 功率集成電路(PIC)
功率集成電路是指將高壓功率器件與信號(hào)處理系統(tǒng)及接口電路、保護(hù)電路、檢測(cè)診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現(xiàn)代功率電子技術(shù)的核心技術(shù)之一,隨著微電子技術(shù)的發(fā)展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術(shù))發(fā)展,同時(shí)也向集成更多的控制(包括時(shí)序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護(hù)電路的高密度功率集成發(fā)展,以實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)的智能控制能力。
3)功率系統(tǒng)集成
功率系統(tǒng)集成技術(shù)在向低功耗高密度功率集成技術(shù)發(fā)展的同時(shí),也逐漸進(jìn)入傳統(tǒng)SoC和CPU、DSP等領(lǐng)域。目前,SoC的低功耗問(wèn)題已經(jīng)成為制約其發(fā)展的瓶頸,研發(fā)新的功率集成技術(shù)是解決系統(tǒng)低功耗的重要途徑,同時(shí),隨著線寬的進(jìn)一步縮小,內(nèi)核電壓降低,對(duì)電源系統(tǒng)提出了更高要求。為了在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下實(shí)現(xiàn)包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數(shù)字輔助的手段,即數(shù)字輔助功率集成技術(shù)(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術(shù)是近幾年數(shù)字輔助模擬設(shè)計(jì)在功率集成方面的深化與應(yīng)用,即采用更多數(shù)字的手段,輔助常規(guī)的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進(jìn)工藝線上得到更好性能的電路。
4我國(guó)功率半導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀、
問(wèn)題及發(fā)展建議
在中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)中,功率半導(dǎo)體器件的作用長(zhǎng)期以來(lái)都沒(méi)有引起人們足夠的重視,發(fā)展速度滯后于大規(guī)模集成電路。國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體器件廠商的主要產(chǎn)品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國(guó)際功率半導(dǎo)體器件的主流產(chǎn)品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進(jìn)的超結(jié)低功耗功率MOS尚無(wú)法生產(chǎn),另一主流產(chǎn)品IGBT尚處于研發(fā)階段。寬禁帶半導(dǎo)體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對(duì)市場(chǎng)應(yīng)用的寬禁帶半導(dǎo)體功率器件(電力電子器件)的產(chǎn)品研發(fā)。目前市場(chǎng)熱點(diǎn)的高壓BCD集成技術(shù)雖然引起了從功率半導(dǎo)體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關(guān)注,但目前尚未有成熟穩(wěn)定的高壓BCD工藝平臺(tái)可供高性能智能功率集成電路的批量生產(chǎn)。
由于高性能功率半導(dǎo)體器件技術(shù)含量高,制造難度大,目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平存在較大差距,很多中高端功率半導(dǎo)體器件必須依賴進(jìn)口。技術(shù)差距主要表現(xiàn)在:(1)產(chǎn)品落后。國(guó)外以功率MOS為代表的新型功率半導(dǎo)體器件已經(jīng)占據(jù)主要市場(chǎng),而國(guó)內(nèi)功率器件生產(chǎn)還以傳統(tǒng)雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優(yōu)值的功率MOS器件產(chǎn)品,國(guó)際上熱門的以超結(jié)(Super junction)為基礎(chǔ)的低功耗MOS器件國(guó)內(nèi)尚處于研發(fā)階段;IGBT只能研發(fā)基于穿通型PT工藝的600V產(chǎn)品或者NPT型1200V低端產(chǎn)品,遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國(guó)際水平。(2)工藝技術(shù)水平較低。功率半導(dǎo)體分立器件的生產(chǎn),國(guó)內(nèi)大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級(jí)工藝線,主流技術(shù)水平和國(guó)際水平相差至少2代以上,產(chǎn)品以中低端為主。但近年來(lái)隨著集成電路的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體工藝條件已大大改善,已擁有進(jìn)行一些高端產(chǎn)品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結(jié)器件的生產(chǎn)能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設(shè)計(jì)人才和工藝開(kāi)發(fā)人才非常缺乏。現(xiàn)有研發(fā)人員的設(shè)計(jì)水平有待提高,特別是具有國(guó)際化視野的高端設(shè)計(jì)人才非常缺乏。(4)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)前十大廠商中無(wú)一本土廠商,半導(dǎo)體功率器件產(chǎn)業(yè)仍處在國(guó)際產(chǎn)業(yè)鏈分工的中低端,對(duì)于附加值高的產(chǎn)品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續(xù)的技術(shù)依賴。
筆者認(rèn)為,功率半導(dǎo)體是最適合中國(guó)發(fā)展的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè),相對(duì)于超大規(guī)模集成電路而言,其資金投入較低,產(chǎn)品周期較長(zhǎng),市場(chǎng)關(guān)聯(lián)度更高,且還沒(méi)有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業(yè)。但中國(guó)功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強(qiáng)于芯片、芯片強(qiáng)于設(shè)計(jì)的局面,應(yīng)大力發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù),以市場(chǎng)帶動(dòng)設(shè)計(jì)、以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。
功率半導(dǎo)體芯片不同于以數(shù)字集成電路為基礎(chǔ)的超大規(guī)模集成電路,功率半導(dǎo)體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設(shè)計(jì)與工藝制造密切相關(guān),因此國(guó)際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業(yè)。但隨著代工線的迅速發(fā)展,國(guó)內(nèi)如華虹NEC、成芯8英寸線、無(wú)錫華潤(rùn)上華6英寸線均提供功率半導(dǎo)體器件的代工服務(wù),并正積極開(kāi)發(fā)高壓功率集成電路制造平臺(tái)。功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)借鑒集成電路設(shè)計(jì)公司的成功經(jīng)驗(yàn),成立獨(dú)立的功率半導(dǎo)體器件設(shè)計(jì)公司,充分利用代工線先進(jìn)的制造手段,依托自身的銷售網(wǎng)絡(luò),生產(chǎn)高附加值的高端功率半導(dǎo)體器件產(chǎn)品。
設(shè)計(jì)弱于芯片的局面起源于設(shè)計(jì)力量的薄弱。雖然國(guó)內(nèi)一些功率半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)新近建設(shè)了6英寸功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)線,但生產(chǎn)能力還遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。筆者認(rèn)為其中的關(guān)鍵是技術(shù)人員特別是具有國(guó)際視野和豐富生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)人才的不足。企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)人才的培養(yǎng)與引進(jìn),積極開(kāi)展產(chǎn)學(xué)研協(xié)作,以雄厚的技術(shù)實(shí)力支撐企業(yè)的發(fā)展。
我國(guó)功率半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展最終還應(yīng)依靠功率半導(dǎo)體IDM企業(yè),在目前自身生產(chǎn)條件落后于國(guó)際先進(jìn)水平的狀況下,IDM企業(yè)不能局限于自身產(chǎn)品線的生產(chǎn)能力,應(yīng)充分依托國(guó)內(nèi)功率半導(dǎo)體器件龐大的市場(chǎng)空間,用技術(shù)去開(kāi)拓市場(chǎng),逐漸從替代產(chǎn)品向產(chǎn)品創(chuàng)新、牽引整機(jī)發(fā)展轉(zhuǎn)變;大力發(fā)展設(shè)計(jì)能力,一方面依靠自身工藝線進(jìn)行生產(chǎn),加強(qiáng)技術(shù)改造和具有自身工藝特色的產(chǎn)品創(chuàng)新,另一方面借用先進(jìn)代工線的生產(chǎn)能力,壯大自身產(chǎn)品線,加速企業(yè)發(fā)展。
5結(jié)束語(yǔ)
總之,功率半導(dǎo)體技術(shù)自新型功率MOS器件問(wèn)世以來(lái)得到長(zhǎng)足進(jìn)展,已深入到工業(yè)生產(chǎn)與人民生活的各個(gè)方面。與國(guó)外相比,我國(guó)在功率半導(dǎo)體技術(shù)方面的研究存在著一定差距,但同時(shí)日益走向成熟。總體而言,功率半導(dǎo)體的趨勢(shì)正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統(tǒng)化方向發(fā)展;伴隨制造技術(shù)已進(jìn)入深亞微米時(shí)代,新結(jié)構(gòu)、新工藝硅基功率器件正不斷出現(xiàn)并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件也正不斷走向成熟。
我國(guó)擁有國(guó)際上最大的功率半導(dǎo)體市場(chǎng),擁有迅速發(fā)展的半導(dǎo)體代工線,擁有國(guó)際上最大規(guī)模的人才培養(yǎng)能力,但中國(guó)功率半導(dǎo)體的發(fā)展必須改變目前封裝強(qiáng)于芯片、芯片強(qiáng)于設(shè)計(jì)的局面。功率半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)加強(qiáng)技術(shù)力量的引進(jìn)和培養(yǎng),大力發(fā)展設(shè)計(jì)技術(shù),以市場(chǎng)帶動(dòng)設(shè)計(jì)、以設(shè)計(jì)促進(jìn)芯片,以芯片壯大產(chǎn)業(yè)。
論文關(guān)鍵詞：智能家電，洗衣機(jī)，仿真，AT89S51，PDIP
1引言
隨著Internet的日益普及，人們通過(guò)Internet不僅可以獲得現(xiàn)實(shí)世界各種狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化情況，還可以通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和處理工作，可以從全球的任何一個(gè)角落實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控，可以使用通用的網(wǎng)絡(luò)瀏覽軟件訪問(wèn)設(shè)備，將消費(fèi)電子、計(jì)算機(jī)和通信融為一體，而家用電器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化管理越來(lái)越突顯需求。
智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心部分是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，系統(tǒng)集有線和無(wú)線Web服務(wù)器于一體計(jì)算機(jī)論文，用戶可以利用辦公室的PC或者手機(jī)登錄家中的Web服務(wù)器，在通過(guò)用戶名和密碼驗(yàn)證后，便可以查看并控制家用電器；系統(tǒng)帶有LCD和鍵盤，具有良好的人機(jī)界面；用戶還可以通過(guò)鍵盤來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的任務(wù)；系統(tǒng)留有豐富的功能擴(kuò)展接口，通過(guò)這些擴(kuò)展接口將來(lái)還可以實(shí)現(xiàn)防火防盜和智能抄表等應(yīng)用。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
圖1 智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
本文旨在研究智能家電管理系統(tǒng)中基于AT 89S51芯片的洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的模擬實(shí)現(xiàn)。
2 AT89S51芯片概述
AT89S51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)， AT89S51具有4k在線系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器,采用全靜態(tài)工作模式,具有三級(jí)程序加密瑣,32個(gè)可編程I/O口線,2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,能夠采用全雙工串行UART通道,具有靈活的在系統(tǒng)編程功能,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
AT89S51根據(jù)封裝方式不同，大致分為3種型狀,本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中AT89S51采用PDIP封裝模式,如圖1所示。
圖2 AT89S51封裝模式
3 洗衣機(jī)控制系統(tǒng)模擬實(shí)現(xiàn)
3.1洗衣機(jī)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
在本系統(tǒng)中，硬件主芯片采用意法半導(dǎo)體的STR710，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它作為一個(gè)嵌入式網(wǎng)關(guān)，將外部網(wǎng)絡(luò)與內(nèi)部洗衣機(jī)控制器連接在一起，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的平臺(tái)論文格式。在遠(yuǎn)程操縱洗衣機(jī)方面，STR710負(fù)責(zé)從GPRS接收到短消息和網(wǎng)絡(luò)芯片上接收到的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)中提取出用戶指令，然后根據(jù)該指令操縱相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)家電或者查詢其運(yùn)行情況，最后將執(zhí)行結(jié)果反饋到用戶終端。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用分層設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序接口層和應(yīng)用軟件層。
3.2洗衣機(jī)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)需求設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)控制器的系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖3所示：
圖3 系統(tǒng)總體框圖
3.3洗衣機(jī)控制器電路設(shè)計(jì)
采用AT89S51作為控制核心。其中計(jì)算機(jī)論文，P1.0和P1.1分別用于控制洗衣機(jī)的進(jìn)水閥和排水閥；P1.2和P1.3用于控制洗滌電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；P1.4～P1.7、P3. 0、P3.1用于驅(qū)動(dòng)7個(gè)LED，分別作為工作程序、浸泡和強(qiáng)弱洗指示燈。P3.2接暫停/ 啟動(dòng)鍵；P3.3分別用于開(kāi)蓋/不平衡中斷輸入；P3.4被用作輸入線，用于監(jiān)測(cè)水位開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為CPU提供洗衣機(jī)的水位信息；P3 .5 接程序選擇鍵；P3.7采用分時(shí)復(fù)用技術(shù)，具有兩個(gè)功能，一方面接強(qiáng)弱選擇/浸泡選擇鍵，在洗衣機(jī)未進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，按觸該鍵可選擇強(qiáng)弱洗或開(kāi)啟關(guān)閉浸泡功能，另一方面在進(jìn)水和脫水時(shí)，又作為告警聲的輸出口。
3.4洗衣機(jī)控制器軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先進(jìn)行初始化，洗衣機(jī)進(jìn)入工作程序后，系統(tǒng)首先根據(jù)RAM中27H單元的特征字判斷洗衣機(jī)的洗衣工作程序，洗衣機(jī)進(jìn)入洗滌子程序wash。洗滌是通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。洗滌結(jié)束后，退出wash子程序，調(diào)用water_out子程序進(jìn)入排水進(jìn)程。排水閥排水時(shí)間采用動(dòng)態(tài)時(shí)間法確定計(jì)算機(jī)論文，其原理是：根據(jù)常用的空氣壓力水位開(kāi)關(guān)的特性排水結(jié)束后，系統(tǒng)調(diào)用y子程序進(jìn)行脫水操作，維持置位狀態(tài)，保持排水閥開(kāi)啟，離合器在排水閥的帶動(dòng)下使電機(jī)主軸與脫水桶聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)衣物脫水。然后判斷整個(gè)洗衣工作是否結(jié)束。其原理是：洗衣機(jī)在每次洗滌或漂洗工作環(huán)節(jié)結(jié)束后，將存放洗衣工作程序標(biāo)志的寄存器減1，在脫水工作環(huán)節(jié)結(jié)束后，系統(tǒng)即對(duì)該單元進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到為0時(shí)，說(shuō)明整個(gè)洗衣工作結(jié)束。軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖4 。
圖4 軟件主流程圖
4 洗衣機(jī)控制器仿真工作原理
首先，在通電時(shí)蜂鳴器長(zhǎng)鳴一聲，VD1 被點(diǎn)亮，這表示系統(tǒng)已經(jīng)準(zhǔn)備好接收指令可以開(kāi)始準(zhǔn)備工作了。單片機(jī)一直在讀取由嵌入式WEB模塊通過(guò)IIC通道發(fā)送過(guò)來(lái)的狀態(tài)，當(dāng)收到嵌入式WEB模塊發(fā)送的指令后，將得到的數(shù)據(jù)作為第一項(xiàng)的設(shè)置內(nèi)容計(jì)算機(jī)論文，即洗滌強(qiáng)度。蜂鳴器短鳴一聲進(jìn)入等待洗滌時(shí)間的設(shè)置，這個(gè)數(shù)據(jù)同樣來(lái)自嵌入式WEB模塊發(fā)送的指令。蜂鳴器短鳴兩聲進(jìn)入等待洗滌方式的設(shè)置，過(guò)程都是相同的長(zhǎng)鳴一聲后洗衣機(jī)按事先的設(shè)置開(kāi)始洗衣， VD1 快速閃爍表示洗衣?tīng)顟B(tài)，洗衣機(jī)控制器會(huì)完成初洗、浸泡、洗滌的工作，之后長(zhǎng)鳴表示洗衣結(jié)束。洗滌期間單片機(jī)的 P2．1 和 P2．3 兩個(gè)引腳會(huì)不斷輸出高、低電平來(lái)操作兩個(gè)繼電器讓電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，同時(shí)還要接收嵌入式WEB模塊發(fā)送的中斷信號(hào)，以暫停或結(jié)束洗滌論文格式。當(dāng)洗滌過(guò)程結(jié)束，蜂鳴器長(zhǎng)鳴，系統(tǒng)又回到了開(kāi)機(jī)時(shí)等待嵌入式WEB模塊發(fā)送指令的狀態(tài)。
其次，控制洗衣機(jī)可模擬的具體功能有：1、多種程序選擇，用戶可根據(jù)洗滌衣物的材質(zhì)選擇不同的程序，如浸洗、標(biāo)準(zhǔn)、羊毛和快速等。每種洗滌方式有不同的洗滌模式、時(shí)間和順序。2、過(guò)程選擇，用戶可以選擇單獨(dú)洗滌以保留帶有洗滌劑的水進(jìn)行重復(fù)使用，可選擇單獨(dú)脫水，猶如脫水機(jī)一樣計(jì)算機(jī)論文，等等。3、預(yù)約洗滌，用戶可根據(jù)需要選擇幾小時(shí)后進(jìn)行洗滌，時(shí)間選擇范圍為1-24小時(shí)。4、剩余時(shí)間顯示，用戶可以直接掌握洗滌時(shí)間。5、溫度控制，可以顯示模擬的水溫控制。
5 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)仿真控制系統(tǒng)連入嵌入式web服務(wù)的支持，就能夠通過(guò)普通PC或GPRS手機(jī)訪問(wèn)Internet實(shí)現(xiàn)，通過(guò)遠(yuǎn)程控制命令完成對(duì)洗衣機(jī)參數(shù)的設(shè)定，對(duì)洗衣機(jī)進(jìn)行操作，大大地簡(jiǎn)化了操作程序。利用單片機(jī)AT89S51作為洗衣機(jī)的控制器，能充分發(fā)揮AT89S51的數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制功能，使系統(tǒng)工作于最佳狀態(tài)，提高系統(tǒng)的靈敏度。
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