時(shí)間：2023-03-29 09:26:51
序論：速發(fā)表網(wǎng)結(jié)合其深厚的文秘經(jīng)驗(yàn)，特別為您篩選了11篇單元電路論文范文。如果您需要更多原創(chuàng)資料，歡迎隨時(shí)與我們的客服老師聯(lián)系，希望您能從中汲取靈感和知識(shí)！
中圖分類號(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)诫娫赐飞希瑥亩a(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?，相位裕度均大?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)
[1]郭文雄.應(yīng)用于植入式經(jīng)皮能量傳輸?shù)募呻娐费芯颗c設(shè)計(jì)[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.
[2]Pierre Favrat， Philippe Deval， Michel J.Declercq. A High-Efficiency CMOS Voltage Doubler[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1998， 33（3） ： 410-416.
[3]To shiyuki Umeda， Hiroshi Yoshida， Shuichi Sekine， et al. A 950-MHz Rectifier Circuit for Sensor Network Tags With 10-m Distance[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2006， 41（1）： 35-41.
[4]Keith Sanborn， Dongsheng Ma， Vadim Ivanor. A Sub-1-V Low-Noise Bandgap Voltage Referen-ce[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2007， 42（11） ： 2466-2481.
[5]Mohamed El-Nozahi， Ahmed Amer， Joselyn Torres， et al. High PSR LOW Drop-Out Regulator With Feed-Forward Ripple Cancellation Techniq-ue[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2010， 45（3） ： 565-577.
引 言
紅外遙控器的特點(diǎn)是使用方便、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，因此它的應(yīng)用前景是不可估量。論文參考，I2C總線。市場(chǎng)上的各種家電的紅外遙控系統(tǒng)技術(shù)成熟、成本低廉，但是，為了避免不同品牌、不同型號(hào)的設(shè)備之間產(chǎn)生誤操作，人們?cè)诓煌脑O(shè)備中使用不同的傳輸規(guī)則或者識(shí)別碼，這就使得各個(gè)型號(hào)的遙控器都只適用于各自的遙控對(duì)象，容易造成實(shí)際使用中遙控器多而雜，經(jīng)常搞混的結(jié)果。論文參考，I2C總線。本設(shè)計(jì)本著解決這一矛盾的目的，提出了一種學(xué)習(xí)型紅外遙控器的實(shí)現(xiàn)方案。
1 研究?jī)?nèi)容及目標(biāo)
本設(shè)計(jì)首先分析了紅外線遙控編解碼原理，結(jié)合市場(chǎng)上出售的通用型遙控器進(jìn)行比較，使用單片機(jī)對(duì)接收到的紅外信號(hào)進(jìn)行處理，把經(jīng)過(guò)解碼后產(chǎn)生的高低電平以二進(jìn)制信號(hào)1和0的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，隨后經(jīng)過(guò)調(diào)制產(chǎn)生38KHz載波，還原并發(fā)射紅外線信號(hào)，從而達(dá)到控制多種家用電器的功能。文中給出了紅外線接收發(fā)射，以及存儲(chǔ)的基本原理及設(shè)計(jì)思路。
2 學(xué)習(xí)型紅外遙控器硬件電路的設(shè)計(jì)
2.1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
學(xué)習(xí)型紅外遙控器是由單片機(jī)（AT89S52）、一體化紅外接收頭、振蕩器（74F132）、紅外發(fā)射二極管、存儲(chǔ)器及行列式鍵盤組成的。論文參考，I2C總線。論文參考，I2C總線。學(xué)習(xí)型遙控器分為學(xué)習(xí)和控制兩種狀態(tài)。在學(xué)習(xí)狀態(tài)下，主要完成紅外信號(hào)的接收及存儲(chǔ)功能。首先一體化紅外接收頭可以完成對(duì)其它遙控器發(fā)出的紅外信號(hào)的接收并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)、整形、放大，然后把信號(hào)送入單片機(jī)AT89S52中，單片機(jī)定時(shí)采集一體化紅外接收頭發(fā)出的紅外線信號(hào)，根據(jù)高低電平形成一系列0，1二進(jìn)制碼，并以8位為單位存放到存儲(chǔ)器AT24C16以及指定鍵盤的數(shù)據(jù)區(qū)，從而完成對(duì)一個(gè)鍵的學(xué)習(xí)。如果再學(xué)習(xí)其它鍵的功能，方法相同。在控制狀態(tài)下，單片機(jī)對(duì)存儲(chǔ)器AT24C16和鍵盤進(jìn)行尋址，依次讀出這些數(shù)據(jù)，然后單片機(jī)以位為定時(shí)單位輸出給振蕩器74F132，調(diào)制頻率為38KHz，送入放大器，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射二極管進(jìn)行發(fā)射，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備某一功能的控制。系統(tǒng)組成方框圖2.1所示。
圖2.1系統(tǒng)組成框圖
2.2各單元電路設(shè)計(jì)
2.2.1 紅外接收單元
紅外接收單元是由紅外線接收器件、前置放大電路、解調(diào)電路、指令信號(hào)檢出電路、記憶及驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行電路組成。當(dāng)紅外接收器件收到遙控器發(fā)射二極管的紅外光信號(hào)時(shí)，它將紅外光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)并送入前置放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)解調(diào)器后，由指令信號(hào)檢出電路將指令信號(hào)檢出，最后由記憶和驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行電路，實(shí)現(xiàn)各種操作。
紅外接收電路一般要做成一個(gè)獨(dú)立的整體，稱為紅外接收頭，這主要是因?yàn)樗鼘?duì)外界干擾十分敏感，為了保證可靠的接收，必須對(duì)其嚴(yán)格屏蔽，只留出一個(gè)接收紅外光的小孔，以防止干擾信號(hào)進(jìn)入。
2.2.2紅外發(fā)射單元
本設(shè)計(jì)在發(fā)射電路中使用了一片高速CMOS型四重二輸入帶施密特觸發(fā)器的與非門74F132芯片。其中“與非”門U7A和U7B組成載波振蕩器，振蕩頻率在38kHz左右。
調(diào)制電路是由74F123的兩個(gè)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器U7A和U7B級(jí)聯(lián)構(gòu)成的可控振蕩器。論文參考，I2C總線。當(dāng)P1.4為高電平時(shí)，U7A、U7B 處于穩(wěn)態(tài)，74F132的1腳、4腳為低電平，不驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管發(fā)射紅外載波信號(hào)。當(dāng)P1.4跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，觸發(fā)U7A并使之進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，1腳變?yōu)楦唠娖?；U7A暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時(shí)，1腳跳變?yōu)榈碗娖?，觸發(fā)U7B進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，4腳變?yōu)楦唠娖剑籙7B 暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束時(shí)，4腳跳變?yōu)榈碗娖剑?變?yōu)楦唠娖讲⒂|發(fā)U7A的上升沿觸發(fā)端1B，使U7A再次進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，從而形成自激振蕩，在6腳輸出一系列的脈沖信號(hào)，經(jīng)Q1三極管大后送紅外發(fā)射管，發(fā)送紅外光信號(hào)。
紅外發(fā)送電路中采用的紅外發(fā)射器件是塑封的TSAL6200 紅外發(fā)射二極管，它將周期的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成一定頻率的紅外光信號(hào)。它是一種高頻紅外脈沖信號(hào)，但脈沖串時(shí)間長(zhǎng)度是恒定的，根據(jù)脈沖串之間的間隔大小，表示傳輸?shù)氖菙?shù)據(jù)“0”還是“1”。紅外發(fā)射二極管TSAL6200 向空間發(fā)射載頻為38kHz 的指令碼。
2.2.3鍵盤單元
本設(shè)計(jì)因?yàn)檫b控按鍵較多的原因，采用行列式鍵盤。
鍵盤識(shí)別采用行掃描法（逐行掃描查詢法），這是一種最常用的按鍵識(shí)別方法，其按鍵識(shí)別過(guò)程如下：
將全部行線P0.2～P0.4置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵按下，而且閉合的鍵位于低電平線與3根行線相交叉的3個(gè)按鍵之中。若所有列線均為高電平，則無(wú)按鍵按下。在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過(guò)程。其方法是：依次將行線置為低電平后，然后逐行檢測(cè)各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。
2.2.4存儲(chǔ)單元
為了保證系統(tǒng)意外斷電時(shí)數(shù)據(jù)不丟失，本系統(tǒng)采用EEPROM將各種編碼數(shù)據(jù)存放起來(lái)?；驹硎抢昧藛纹瑱C(jī)與存儲(chǔ)器AT24C16的I2C通信過(guò)程。存儲(chǔ)單元主要采用了AT24C16芯片，該芯片是帶有2K字節(jié)的加電可擦除，可編程的只讀存儲(chǔ)器，通過(guò)單片機(jī)的P0.0和P0.1與AT24C16的SDA和SCL相連，進(jìn)行讀寫操作。主要用來(lái)存放8位的二進(jìn)制紅外線碼。
3 結(jié)束語(yǔ)
由于系統(tǒng)中所使用的存儲(chǔ)器（AT24C16）的存儲(chǔ)空間有限，因而系統(tǒng)目前只能對(duì)8個(gè)遙控按鍵進(jìn)行學(xué)習(xí)與轉(zhuǎn)發(fā)。論文參考，I2C總線。但只要更換一片存儲(chǔ)容量更大的存儲(chǔ)芯片，并且修改相關(guān)讀寫程序就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)更多遙控按鍵的學(xué)習(xí)與轉(zhuǎn)發(fā)，除此之外，系統(tǒng)的軟、硬件都無(wú)須做太大的改動(dòng)。
在遙控器中，遙控信號(hào)之所以要經(jīng)過(guò)調(diào)制后再發(fā)射出去，主要是為了減小發(fā)射功耗并增大發(fā)射距離。因而改用更加準(zhǔn)確的載波和增大發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路可以增大該系統(tǒng)的遙控距離。將單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通過(guò)RS-485進(jìn)行總線通信，則可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)紅外遙控對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。
參考文獻(xiàn):
[1]郝建國(guó).家用電器遙控系統(tǒng)集成電路大全[M].北京：人民郵電出版社，1996
[2]王俊峰,薛鴻德.現(xiàn)代遙控技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社，2005:91-98
[3]嚴(yán)天峰.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.10-36
LED顯示屏是近幾年全球迅速發(fā)展起來(lái)的新型信息顯示媒體，它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點(diǎn)陣模塊或像素組成大面積顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、價(jià)格性能比高、使用成本低等特點(diǎn)，在短短的十來(lái)年中，迅速成長(zhǎng)為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 本論文以ARM9高性能單片機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)電子點(diǎn)陣顯示屏的硬件系統(tǒng)。
一、電子點(diǎn)陣顯示屏的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示
圖1 電子點(diǎn)陣顯示屏硬件系統(tǒng)框圖
二、采用16個(gè)LED8*8顯示屏，構(gòu)成16行*64列點(diǎn)陣顯示
點(diǎn)陣顯示屏由16個(gè)8×8點(diǎn)陣LED顯示模塊。16片8×8點(diǎn)陣LED顯示模塊利用總線形組成一個(gè)16×64的LED點(diǎn)陣，用于同時(shí)顯示4個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字或8個(gè)16×8點(diǎn)陣的字母p字符或數(shù)字。單元顯示屏可以接收來(lái)自控制器（主控制電路板）或上一級(jí)顯示單元模塊傳輸下來(lái)的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級(jí)顯示模塊單元中，因此顯示板可擴(kuò)展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容。
三、顯示驅(qū)動(dòng)電路
采用74HC138三-八譯碼器和74HC164移位寄存器。將從ARM里出來(lái)的列信號(hào)通過(guò)8個(gè)164級(jí)聯(lián)而成的64位的信號(hào)輸出端連接到16*64的點(diǎn)陣LED的輸入端，作為點(diǎn)陣的行驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)164移位這64位的信號(hào)，來(lái)控制顯示內(nèi)容的變化。再?gòu)腁RM輸出三個(gè)信號(hào)分別輸入到2個(gè)級(jí)聯(lián)的74HC138譯碼器，然后輸出16位行信號(hào)，經(jīng)過(guò)16個(gè)1K的電阻，再輸入到16個(gè)PNP（8550）三極管的B極來(lái)進(jìn)行對(duì)行信號(hào)的放大，其中所有的三極管的E極相連接+5V的電源，所有的C極接16個(gè)470歐姆的電阻，得到的信號(hào)作為點(diǎn)陣LED 的行輸入信號(hào)。通過(guò)對(duì)138的三個(gè)輸入信號(hào)進(jìn)行控制，改變行信號(hào)。由138和164的信號(hào)，控制二極管的亮、滅來(lái)顯示出所要求的字符、漢字。
行驅(qū)動(dòng)電路：每個(gè)LED管亮需要7mA的電流，那么64個(gè)同時(shí)亮就需要448mA的電流，所以我們要對(duì)列進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，我們采用晶體管8550對(duì)列信號(hào)進(jìn)行放大。驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示：
圖2 點(diǎn)陣顯示屏驅(qū)動(dòng)電路
列驅(qū)動(dòng)電路：此電路是由集成電路74HC164構(gòu)成的，它具有一個(gè)8位串入并出的移位寄存器，可以實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。如圖3所示：
圖3 列驅(qū)動(dòng)電路
四、總結(jié)
本論文完成了LED點(diǎn)陣電子顯示屏的主要電路的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用SD卡的擴(kuò)展，是存儲(chǔ)容量大大的增大，實(shí)現(xiàn)了海量存儲(chǔ)，并具有掉電保護(hù)功能。通過(guò)和PC機(jī)的通訊，使顯示的信息能實(shí)時(shí)的更新。也實(shí)現(xiàn)了顯示屏的多字體顯示。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔，可靠性高，性能穩(wěn)定。
參考文獻(xiàn)：
EDA技術(shù)是以數(shù)字電子技術(shù)課程知識(shí)為基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)實(shí)踐性、工程性的專業(yè)課程。將數(shù)字電路設(shè)計(jì)從簡(jiǎn)單元器件單元電路設(shè)計(jì)，EWB軟件仿真提到了更高一級(jí)的可編程操作平臺(tái)上，進(jìn)一步鞏固和提高學(xué)生電子電路綜合設(shè)計(jì)能力。但是，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是將兩門課程分開，先上數(shù)字電路，后上EDA技術(shù)，分兩學(xué)期授課。這樣的教學(xué)模式存在弊端，減弱了課程之間的聯(lián)系，降低了學(xué)生對(duì)數(shù)字電路理論的認(rèn)識(shí)程度。通過(guò)對(duì)EDA技術(shù)課程的教學(xué)改革，以實(shí)訓(xùn)的方式采用項(xiàng)目教學(xué)法，使學(xué)生在較短的時(shí)間內(nèi)掌握EDA技術(shù)基礎(chǔ)及其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，從數(shù)字系統(tǒng)的單元電路，如譯碼器、計(jì)數(shù)器等入手，加深對(duì)數(shù)字電路基礎(chǔ)理論的認(rèn)識(shí)，逐漸完成數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
1. EDA技術(shù)及其在教學(xué)中的應(yīng)用
1.1 EDA技術(shù)
EDA技術(shù)即電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic DesignAutomation)是以計(jì)算機(jī)為工作平臺(tái)，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果而形成的一門新技術(shù)畢業(yè)論文格式，是一種能夠設(shè)計(jì)和仿真電子電路或系統(tǒng)的軟件工具。采用”自頂向下”的層次化設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和功能劃分，系統(tǒng)的關(guān)鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實(shí)現(xiàn)，然后采用硬件描述語(yǔ)言（HDL）完成系統(tǒng)行為級(jí)設(shè)計(jì)，最后通過(guò)綜合器和適配器生成最終的目標(biāo)器件。圖1為一個(gè)典型的EDA設(shè)計(jì)流程。
圖1 EDA設(shè)計(jì)流程圖
1.2 EDA技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用
在教學(xué)過(guò)程中，EDA技術(shù)利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，以及配有輸入輸出器件(開關(guān)、按鍵、數(shù)碼管、發(fā)光二極管等)、標(biāo)準(zhǔn)并口、RS232串口、DAC和ADC電路、多功能擴(kuò)展接口的基于SRAM的FPGA器件EDA硬件開發(fā)平臺(tái)，使得在電子設(shè)計(jì)的各個(gè)階段、各個(gè)層次可以進(jìn)行模擬驗(yàn)證，保證設(shè)計(jì)過(guò)程的正確性。從而使數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)起來(lái)更加容易，讓學(xué)生從傳統(tǒng)的電路離散元件的安裝、焊接、調(diào)試工作中解放出來(lái)，將精力集中在電路的設(shè)計(jì)上。同時(shí)，采用EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路設(shè)計(jì)，不但提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的靈活性，方便學(xué)生對(duì)電路進(jìn)行修改、升級(jí)，讓實(shí)驗(yàn)不在單調(diào)的局限于幾個(gè)固定的內(nèi)容，使教學(xué)更上一個(gè)臺(tái)階，學(xué)生的開發(fā)創(chuàng)新能力進(jìn)一步得到提高。
2.課程教學(xué)改革實(shí)施
2.1課程改革思路
課程改革本著體現(xiàn)鞏固數(shù)字電路基礎(chǔ)，掌握現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化技術(shù)的原則來(lái)處理和安排EDA技術(shù)教學(xué)內(nèi)容。打破傳統(tǒng)的從EDA技術(shù)概述、VHDL語(yǔ)言特點(diǎn)、VHDL語(yǔ)句等入手的按部就班的教學(xué)方法，以設(shè)計(jì)應(yīng)用為基本要求，開發(fā)基于工作過(guò)程的項(xiàng)目化課程，以工作任務(wù)為中心組織課程內(nèi)容，讓學(xué)生在完成具體項(xiàng)目的過(guò)程中來(lái)構(gòu)建相關(guān)理論知識(shí)。將EDA技術(shù)分為四個(gè)方面的內(nèi)容，即：可編程邏輯器件、硬件描述語(yǔ)言、軟件開發(fā)工具、實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)，其中，可編程邏輯器件是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的載體，硬件描述語(yǔ)言是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要表達(dá)手段，軟件開發(fā)工具是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的智能化的自動(dòng)設(shè)計(jì)工具,實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)則是利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的下載工具及硬件驗(yàn)證工具。采用項(xiàng)目化教學(xué)方法，以實(shí)訓(xùn)的方式展開，讓學(xué)生在“學(xué)中做，做中學(xué)”。
2.2課程改革措施
以電子線路設(shè)計(jì)為基點(diǎn)，從實(shí)例的介紹中引出VHDL語(yǔ)句語(yǔ)法內(nèi)容。在典型示例的說(shuō)明中，自然地給出完整的VHDL描述，同時(shí)給出其綜合后的表現(xiàn)該電路系統(tǒng)功能的時(shí)序波形圖及硬件仿真效果。通過(guò)一些簡(jiǎn)單、直觀、典型的實(shí)例畢業(yè)論文格式，將VHDL中最核心、最基本的內(nèi)容解釋清楚，使學(xué)生在很短的時(shí)間內(nèi)就能有效地掌握VHDL的主干內(nèi)容，并付諸設(shè)計(jì)實(shí)踐。這種教學(xué)方法突破傳統(tǒng)的VHDL語(yǔ)言教學(xué)模式和流程，將語(yǔ)言與EDA工程技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)良好的教學(xué)效果，同時(shí)大大縮短了授課時(shí)數(shù)。表1為課程具體內(nèi)容及實(shí)訓(xùn)學(xué)時(shí)分配。
能力
目標(biāo)
學(xué)習(xí)情境
項(xiàng)目載體
課時(shí)
QuartusⅡ開發(fā)工具使用能力
QuartusⅡ開發(fā)環(huán)境、實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
二選一音頻發(fā)生器設(shè)計(jì)
6
VHDL語(yǔ)言編程能力
VHDL語(yǔ)言基本結(jié)構(gòu)
計(jì)數(shù)器電路設(shè)計(jì)
6
VHDL語(yǔ)言并行語(yǔ)句
8位加法器設(shè)計(jì)
8
VHDL語(yǔ)言順序語(yǔ)句
7段數(shù)碼顯示譯碼器設(shè)計(jì)
8
VHDL語(yǔ)言綜合運(yùn)用
數(shù)控分頻器的設(shè)計(jì)
8
層次化調(diào)用方法
4位加減法器的設(shè)計(jì)
4
綜合開發(fā)調(diào)試能力
8位16進(jìn)制頻率計(jì)設(shè)計(jì)；
十字路通燈設(shè)計(jì)；
數(shù)字鐘設(shè)計(jì)；
波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，等。
(任選一題)
20
總計(jì)
1.引言
加法運(yùn)算是一種最基本的運(yùn)算形式，乘法、除法甚至開方等運(yùn)算都可以分化為基本的加法運(yùn)算，提高加法器的運(yùn)行速度可以有效地提高運(yùn)算單元的速度，目前，超前進(jìn)位加法器可以有效地提高加法器的運(yùn)算速度，但是對(duì)于很高位數(shù)的加法運(yùn)算，超前進(jìn)位加法器對(duì)運(yùn)算速度的提高有限[1-4]。對(duì)于高位的加法器采用流水線結(jié)構(gòu)是一種很好的選擇，論文以一種采用三級(jí)流水線實(shí)現(xiàn)的12位加法器為例，闡述了流水線加法器的設(shè)計(jì)思想，并最終對(duì)加法器進(jìn)行硬件綜合和布局布線。
2.流水線加法器結(jié)構(gòu)
三級(jí)流水線加法器架構(gòu)如圖1，輸入的12位數(shù)字先通過(guò)寄存器暫存，低4位通過(guò)加法器先進(jìn)行計(jì)算，輸出的進(jìn)位與求和信號(hào)通過(guò)寄存器暫存，高8位也暫存在第一級(jí)流水線寄存器中。在第二級(jí)流水線中，將兩個(gè)操作數(shù)的中4位以及低4位加法的進(jìn)位輸出一起做加法運(yùn)算，并且將求和結(jié)果以及進(jìn)位輸出暫存到第二級(jí)流水線寄存器，在第一級(jí)流水線完成的低4位相加的求和結(jié)果繼續(xù)暫存在第二級(jí)流水線寄存器中。第三級(jí)流水線完成相似的操作，直到輸出運(yùn)算結(jié)果（見圖1）。
3.電路仿真與綜合
利用上述架構(gòu)，利用Verilog-HDL對(duì)電路進(jìn)行描述，在ModelSim工具下對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，得到的三級(jí)流水線加法器的仿真結(jié)果如圖2，從圖中可以看出，三級(jí)流水線加法器功能正確。在Candence工作環(huán)境下，基于CSMC0.5μm工藝，利用DC綜合工具對(duì)三級(jí)流水線加法器進(jìn)行綜合，得到的電路如圖3所示，通過(guò)硬件綜合，說(shuō)明設(shè)計(jì)的可實(shí)現(xiàn)性。
圖2 三級(jí)流水線加法器仿真
4.布局布線
在Candence工作環(huán)境下，采用Mentor公司的Encounter工具，對(duì)三級(jí)流水線加法器進(jìn)行布局布線：建立并進(jìn)入工作目錄，輸入命令encounter啟動(dòng)Encounter界面，調(diào)用DC生成的，sdc文件和工藝庫(kù)文件等。然后對(duì)電源環(huán)，時(shí)鐘樹等進(jìn)行布局，最后通過(guò)DRC，LVS檢查，最終對(duì)電路進(jìn)行寄生參數(shù)提取。整體電路版圖布局如圖4所示。
5.結(jié)論
論文對(duì)三級(jí)流水線加法器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行硬件語(yǔ)言描述，最終對(duì)電路進(jìn)行綜合和布局布線，通過(guò)研究表明，本流水線加法器設(shè)計(jì)方案合理，具有可實(shí)現(xiàn)性。
參考文獻(xiàn)
一、引言
無(wú)刷直流電機(jī)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。它又有傳統(tǒng)直流電機(jī)控制簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)。因此，無(wú)刷直流電機(jī)在工業(yè)機(jī)器人控制、數(shù)控設(shè)備、紡織、化工等工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。所以，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有十分重要的意義。
二、無(wú)刷直流電機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
1.硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的硬件部分主要由主電路、控制電路和輔助電路等構(gòu)成，其主電路部分包括整流、濾波、逆變電路等。逆變電路是由功率開關(guān)管構(gòu)成的三相橋式結(jié)構(gòu)。逆變電路對(duì)整流、濾波后的直流電壓進(jìn)行斬波，形成電壓、頻率可調(diào)的三相交流電，供給無(wú)刷直流電機(jī)，這樣無(wú)刷直流電機(jī)就開始運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)?？刂齐娐芬悦绹?guó)TI公司的TMS320F2407A芯片為核心，構(gòu)成全數(shù)字化控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的控制與保護(hù)等負(fù)責(zé)，系統(tǒng)的控制參數(shù)和故障信息等保存在TMS320F2407A的存儲(chǔ)器中。輔助電路由電源電路、驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與保護(hù)電路等組成。無(wú)刷直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)主要由如下部分組成：（1）逆變主電路;（2）TMS320F2407A控制單元;（3）驅(qū)動(dòng)電路;（4）檢測(cè)電路;（5）保護(hù)電路 。
2.TMS320F2407A控制單元
（1）控制器的選擇?？刂破魇菬o(wú)刷直流電機(jī)控制器的核心，選用控制器需要考慮的是控制器要可靠，易于維護(hù)，可移植性強(qiáng)，效率高。有以下幾種：1）專用芯片;2）單片機(jī);3）數(shù)字信號(hào)處理器，其中數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）采用了不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的通用微處理器大多采用的是馮?諾依曼結(jié)構(gòu)（Von Neumann Architecture），它片內(nèi)的程序空間與數(shù)據(jù)空間共用一個(gè)公共的存儲(chǔ)空間。為了提高速度，現(xiàn)代DSP芯片內(nèi)部一般采用的是哈佛結(jié)構(gòu)（Harvard Architecture）或改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)。而哈佛結(jié)構(gòu)最大特點(diǎn)是計(jì)算機(jī)具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)空間。這樣允許CPU可以同時(shí)執(zhí)行取指令和取數(shù)據(jù)，提高了數(shù)據(jù)吞吐率，進(jìn)而提升了系統(tǒng)的運(yùn)算速度。流水線技術(shù)也可以幫助系統(tǒng)提高效率。硬件乘法器可以使得DSP在單周期內(nèi)就可以完成取操作數(shù)，相乘并把結(jié)果放在累加器中。除此之外，特殊的DSP指令也會(huì)大大提高系統(tǒng)的性能，DSP有著非常豐富的片內(nèi)外設(shè)。利用DSP來(lái)進(jìn)行電機(jī)控制，可以減小系統(tǒng)的成本，另外，DSP還有如下的優(yōu)勢(shì)：1）速度快; 2）存儲(chǔ)容量大;3）軟件編程靈活;由此可見，數(shù)字信號(hào)處理器比較適合作為電機(jī)控制的中央控制單元?；谝陨戏治?，本設(shè)計(jì)中采用TI公司用于電機(jī)控制的2000系列CPU，其型號(hào)為TMS320F2407A。
（2）控制板設(shè)計(jì)。由前面分析可知，系統(tǒng)采用的控制器是TI公司的TMS320F2407A DSP芯片。下面介紹DSP及其最小系統(tǒng)的接口電路。DSP控制板主要由DSP芯片、外擴(kuò)存儲(chǔ)器、JTAG仿真調(diào)試接口和CPLD譯碼電路組成。下面介紹下外擴(kuò)存儲(chǔ)器電路，JTAG仿真調(diào)試接口和CPLD譯碼電路組成。TMS320F2407A內(nèi)部存儲(chǔ)容量有限，同時(shí)考慮到調(diào)試過(guò)程中可以將程序下載到片外高速SRAM中，系統(tǒng)進(jìn)行了外部RAM的擴(kuò)展，系統(tǒng)選用兩片IS61LV6416，用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。在DSP存儲(chǔ)器的擴(kuò)展中，需要注意的是存儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)讀寫速度，因?yàn)镈SP的指令周期都很短，對(duì)于速度很慢的存儲(chǔ)器需要插入很多等待周期，以免DSP對(duì)它的讀寫發(fā)生錯(cuò)誤。
3.驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。由前面的逆變主電路可知，整個(gè)系統(tǒng)的核心就是DSP產(chǎn)生6路PWM波，并且控制每個(gè)PWM的脈沖寬度和導(dǎo)通時(shí)間，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制MOSFET，MOSFET是IR公司的IRF3205，這是一款電壓型控制器件，其開通電壓為12-15V，但DSP輸出的電壓高電平為3.3V，不能滿足驅(qū)動(dòng)IRF3205的要求。則需要設(shè)計(jì)一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路來(lái)把DSP的3.3V信號(hào)，轉(zhuǎn)化為15V信號(hào)，此時(shí)就考慮到用一個(gè)光電器件。由于PWM頻率為10K，則就需要選擇一個(gè)高速的光耦，一般高速光耦有HCPL4504、PC817和東芝系列的TLP250。我們選擇了日本東芝公司的TLP250，光耦TLP250是一種可直接驅(qū)動(dòng)小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦，由日本東芝公司生產(chǎn)，其最大驅(qū)動(dòng)能力達(dá)1.5A。選用TLP250光耦既保證了功率驅(qū)動(dòng)電路與PWM脈寬調(diào)制電路的可靠隔離，又具備了直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的能力，使驅(qū)動(dòng)電路特別簡(jiǎn)單。
圖1 下橋臂的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路
三相逆變主電路中有六個(gè)MOSFET需要控制，可以分為三對(duì)開關(guān)管。V1與V2為一對(duì)管。V1與V2兩個(gè)不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)出現(xiàn)電源與地直通情況。六個(gè)MOSFET都需要控制。其中下橋臂的三個(gè)MOSFET可以共地。采用典型的TLP250應(yīng)用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)MOSFET的驅(qū)動(dòng)。電路圖如圖1所示：
4.保護(hù)電路設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的保護(hù)電路分為欠壓、過(guò)流保護(hù)。欠壓保護(hù)就是檢測(cè)輸入端直流電壓 ，要是系統(tǒng)發(fā)生短路，當(dāng)采樣電壓低于設(shè)定的門限值時(shí)，DSP將PWM輸出引腳置為高阻態(tài)，封鎖PWM的信號(hào)的輸出，達(dá)到保護(hù)電路電機(jī)本體和功率管的目的。
過(guò)流保護(hù)電路是為了防止電機(jī)在過(guò)載、起動(dòng)和運(yùn)行異常時(shí)由于電流過(guò)大而對(duì)功率開關(guān)管和電機(jī)本體產(chǎn)生損害而設(shè)計(jì)的。特別是當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)的時(shí)候，此時(shí)電流非常大，DSP一定得做出相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。
三、結(jié)語(yǔ)
無(wú)刷直流電機(jī)憑其自身的特點(diǎn)使其得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，特別是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人等領(lǐng)域。無(wú)刷直流電機(jī)采用電子換向，與傳統(tǒng)的直流電機(jī)相比，它提高了系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)性，同時(shí)又保持了直流電機(jī)的良好的調(diào)速控制性能。并且隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及DSP技術(shù)的飛速發(fā)展，使得無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)有了很高質(zhì)量的硬件平臺(tái)。本文介紹了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)。首先介紹了整個(gè)系統(tǒng)硬件構(gòu)架。然后詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的主電路，控制電路，功率驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)與保護(hù)電路。對(duì)電路的方案選擇以及參數(shù)計(jì)算做了詳細(xì)的闡述，對(duì)DSP控制單元及并且設(shè)計(jì)了控制板的電路，該設(shè)計(jì)結(jié)合算法能夠使無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)獲得更快的響應(yīng)速度，更高的穩(wěn)態(tài)精度，更好的抗干擾性能。
參考文獻(xiàn)：
由于數(shù)控機(jī)床具有先進(jìn)性、復(fù)雜性和高智能化的特點(diǎn)，特別是近幾年數(shù)控系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，數(shù)控機(jī)床被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)，給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)巨大的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的領(lǐng)頭軍。數(shù)控機(jī)床是一種典型而復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，種類繁多，形式多樣，通常是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)等于一體的加工設(shè)備，其中任何一部分出現(xiàn)故障，都可能使機(jī)床停機(jī)，從而造成生產(chǎn)停頓，給企業(yè)的正常生產(chǎn)帶來(lái)較大的影響。因此，提高數(shù)控機(jī)床維修人員的素質(zhì)和能力，就顯得十分重要。本文介紹了數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修的一些原則和常用方法。
一、故障診斷的一般原則
數(shù)控機(jī)床主要由主機(jī)CNC裝置、PMC可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)單元、顯示裝置、操作面板、輔助控制裝置、通信裝置等組成。故障原因不外乎是操作錯(cuò)誤、參數(shù)錯(cuò)誤、外界環(huán)境及電源造成的故障、線路故障、器件損壞等。通常的故障診斷原則有：（1）先靜后動(dòng)。先在機(jī)床斷電的靜止?fàn)顟B(tài)下，通過(guò)觀察測(cè)量，分析確定為非破壞性故障后，方可給機(jī)床送電。論文參考網(wǎng)。在工作狀態(tài)下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的的觀察、檢驗(yàn)和測(cè)試，查找故障點(diǎn)。而對(duì)破壞性故障，必須先排除危險(xiǎn)后，方可送電。（2）先機(jī)后電。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)械故障較易察覺(jué)，而數(shù)控系統(tǒng)故障的診斷難度較大，先排除機(jī)械性故障，往往可以達(dá)到事半功倍的效果。（3）先外后內(nèi)。根據(jù)機(jī)床故障原因調(diào)查統(tǒng)計(jì)，80％以上來(lái)自于外部原因，只有不到20％是內(nèi)部原因引起的。因此維修人員應(yīng)由外向內(nèi)進(jìn)行排查，盡量避免隨意啟封、拆卸，否則可能會(huì)擴(kuò)大故障，使機(jī)床精度減弱，降低性能。（4）先簡(jiǎn)后繁。當(dāng)出現(xiàn)多種故障互相交織掩蓋，一時(shí)無(wú)從下手時(shí)，應(yīng)先解決容易的問(wèn)題，后解決難度較大的問(wèn)題。如果是功能性的故障，就應(yīng)先從執(zhí)行元件入手，看看氣缸、電磁閥、電機(jī)、接觸器等，是否存在卡滯等性能下降現(xiàn)象；然后是傳感器、行程開關(guān)等輸入信號(hào)元件；再次是電氣接頭、插件、活動(dòng)的電線電纜等部位。這些外部元件受環(huán)境因素影響較大，比如磕碰、腐蝕、積塵等。還有元件本身的不良和機(jī)械磨損等原因，都決定了它們常是故障的根源。通常，簡(jiǎn)單問(wèn)題解決后，難度大的問(wèn)題也就變得容易了。
二、故障診斷與完善方法
2.1常規(guī)檢測(cè)法是通過(guò)觀察或借助簡(jiǎn)單的工具確定機(jī)床故障的方法。這種方法應(yīng)先弄清楚故障的癥狀，有何特征及伴隨情況，將故障范圍縮小到一個(gè)模塊或一塊印刷電路板。它可以簡(jiǎn)單地歸納為4個(gè)字：“問(wèn)，看，嗅，摸”。問(wèn)，就是調(diào)查情況，在診斷故障前，修理人員詢問(wèn)操作手故障發(fā)生前的機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)情況，產(chǎn)生在哪道程序及時(shí)間，操作方式是否得當(dāng)?shù)龋豢?，就是觀察，仔細(xì)檢查有無(wú)保險(xiǎn)絲燒斷，元器件有無(wú)燒焦或開裂等情況；嗅，就是從機(jī)床散發(fā)出的某些特殊氣味來(lái)判斷，如某些元件燒焦的氣味；摸，就是用手觸試可能產(chǎn)生故障的溫度、振動(dòng)情況，以及元器件有無(wú)松動(dòng)等。
2.2測(cè)量比較診斷法數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)廠家為了調(diào)整、維修機(jī)床的便利，在印刷電路板上往往設(shè)計(jì)了多個(gè)檢測(cè)用的端子。用戶也可利用這些端子，將懷疑有故障的印刷電路板同正常電路板進(jìn)行比較。通過(guò)測(cè)量這些端子的電壓與波形，可以分析故障的具體部位與原因。維修人員如果能在機(jī)床正常狀態(tài)時(shí)，留心記錄這些印刷電路板的測(cè)量端子，或一些關(guān)鍵部位的電壓值和波形，在機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，查找故障部位及原因?qū)?huì)更加方便。
2.3自診斷法現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)具有很強(qiáng)的自診斷能力，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，借助系統(tǒng)的診斷功能，可以迅速、準(zhǔn)確地查明原因，并確定故障部位。
三、舉例說(shuō)明常見非機(jī)械故障和排除方法
3.1北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的XK5040數(shù)控立銑，數(shù)控系統(tǒng)為FANUC-3MA1.故障現(xiàn)象驅(qū)動(dòng)Z軸時(shí)就產(chǎn)生31號(hào)報(bào)警。2.檢查分析查維修手冊(cè)，31號(hào)報(bào)警為誤差寄存器的內(nèi)容大于規(guī)定值。論文參考網(wǎng)。根據(jù)31號(hào)報(bào)警指示，將31號(hào)機(jī)床參數(shù)的內(nèi)容由2000改為5000，與X、Y軸的機(jī)床參數(shù)相同，然后用手輪驅(qū)動(dòng)Z軸，31號(hào)報(bào)警消除，但又產(chǎn)生了32號(hào)報(bào)警為：Z軸誤差寄存器的內(nèi)容超過(guò)±32767式數(shù)模交換器的命令值超出了-8192～+8191的范圍。將參數(shù)改為3333后，32號(hào)報(bào)警消除，31號(hào)報(bào)警又出現(xiàn)。反復(fù)修改機(jī)床參數(shù)，故障均不能排除。為診斷Z軸位置控制單元是否出現(xiàn)了故障，將800，801，802診斷號(hào)調(diào)出，實(shí)現(xiàn)800在-1與-2之間變化，801在+1與-1之間變化，802卻為0，沒(méi)有任何變化，這說(shuō)明Z軸、Y軸的位置信號(hào)控制進(jìn)行交換，即用Y軸控制信號(hào)去控制Z軸，用Z軸去控制Y軸，Y軸就產(chǎn)生31號(hào)報(bào)警（實(shí)際是Z軸報(bào)警）。論文參考網(wǎng)。同時(shí)，診斷號(hào)8012為“0”，802有了變化。通過(guò)這樣交換，再次說(shuō)明Z軸位置控制單元有問(wèn)題，這樣就將故障定位在Z軸伺服電動(dòng)機(jī)上。打開Z軸伺服電動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)位置編碼器與電動(dòng)機(jī)之間的十字聯(lián)絡(luò)塊脫落，致使電動(dòng)機(jī)在工作中無(wú)反饋信號(hào)而產(chǎn)生上述故障報(bào)警。3.故障處理將十字聯(lián)絡(luò)塊與伺服電動(dòng)機(jī)位置編碼器重新連接好，故障排除。
3.2一臺(tái)加工中心配量FANUC-6M1.故障現(xiàn)象機(jī)床在自動(dòng)方式中出現(xiàn)416號(hào)報(bào)警。2.故障分析按下列順序檢查：脈沖編碼器未出現(xiàn)不良；各連接器均牢固連接；X軸卯制線路板未出現(xiàn)異常；用萬(wàn)用表測(cè)量電動(dòng)機(jī)連接線，也未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。在重新啟動(dòng)機(jī)床，回零之后，用自動(dòng)方式運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)床正常但1H后又出現(xiàn)416號(hào)報(bào)警，再次按上述順序復(fù)查一遍，發(fā)現(xiàn)反饋信號(hào)有一根已斷，換按備用線后，機(jī)床正常，報(bào)警不再出現(xiàn)。
四、結(jié)論
因此，對(duì)維修人員來(lái)說(shuō)，熟悉系統(tǒng)的自診斷功能是十分重要。包括開機(jī)自診斷和運(yùn)行自診斷。開機(jī)自診斷，就是數(shù)控系統(tǒng)通電后，系統(tǒng)自診斷軟件會(huì)對(duì)系統(tǒng)最關(guān)鍵的硬件和控制軟件檢查，如CPU、RAM、ROM等芯片，I／O口及監(jiān)控軟件。如果正常，將進(jìn)人正常操作界面，如檢測(cè)不通過(guò)，即在液晶上顯示報(bào)警信息或報(bào)警號(hào)，指出哪個(gè)部分發(fā)生了故障，將故障原因定位在一定的范圍內(nèi)，然后通過(guò)維修手冊(cè)找出造成故障的真正原因，根據(jù)書上的說(shuō)明進(jìn)行排除；運(yùn)行自診斷，
參考文獻(xiàn)：
[1] 任麗華. 數(shù)控機(jī)床常見電氣故障的診斷方法[J]黑龍江紡織, 2006, (01) .
[2] 李玉琴, 潘祖聰, 劉琳嬌. 數(shù)控機(jī)床常見故障診斷方法及實(shí)例[J]. 安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào), 2010, (01) :76-78
[3] 薛福連. 數(shù)控機(jī)床故障診斷及處理[J]. 設(shè)備管理與維修, 2010, (04) :23
本設(shè)計(jì)采用CAN總線作為數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)控制的通信方式，以ATMEL公司生產(chǎn)的AT91SAM9263 ARM芯片為主控單元，結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)、故障診斷專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某型火箭炮隨動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)?？傮w設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
數(shù)據(jù)采集單元由信號(hào)調(diào)理模塊和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，其中信號(hào)調(diào)理模塊用于模擬信號(hào)的放大、濾波和提高電路負(fù)載能力，A/D轉(zhuǎn)換器完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，ARM主控單元實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制與故障診斷，數(shù)據(jù)采集單元與ARM系統(tǒng)控制與故障診斷模塊之間以CAN 總線的方式進(jìn)行通信，工作人員通過(guò)操作觸摸屏顯示界面完成故障檢測(cè)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)據(jù)采集單元
數(shù)據(jù)采集單元由信號(hào)調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊組成，用于采集某型號(hào)火箭炮隨動(dòng)系統(tǒng)液壓泵、高平機(jī)等被測(cè)部件的液壓或氣壓的狀態(tài)信號(hào)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，采用OP27運(yùn)算放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)，它的作用是把傳感器輸入的信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)利用其輸入阻抗高、輸出阻抗小的特點(diǎn)以滿足A/D轉(zhuǎn)換芯片對(duì)驅(qū)動(dòng)源阻抗的要求。
A/D轉(zhuǎn)換電路將經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊調(diào)理后的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，文中選用TLC2543CN和STC89C52分別作為A/D采樣芯片和微控制器[3]，其設(shè)計(jì)如圖4所示。TLC2543CN是TI公司生產(chǎn)的12位串行模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用電容開關(guān)逐次逼近技術(shù)，12位分辨率，10 μs的轉(zhuǎn)換時(shí)間，11路模擬輸入，輸出數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可通過(guò)編程調(diào)整[4]。A/D轉(zhuǎn)換模塊與51單片機(jī)之間以I2C總線的方式進(jìn)行通信，只需要一條串行數(shù)據(jù)線SDA（DATA_OUT）和一條串行時(shí)鐘線SCL（CLOCK），具有接口線少，控制方式簡(jiǎn)單，器件封裝形式小，通信速率較高等優(yōu)點(diǎn)?！〗?jīng)信號(hào)調(diào)理后的11路模擬量數(shù)據(jù)分別通過(guò)端口NO0?NO10進(jìn)入TLC2543CN進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，TLC2543CN通過(guò)[CS]，DATA_INPUT，DATA_OUT，MEOC，I/O CLOCK這5個(gè)引腳與STC89C52單片機(jī)進(jìn)行通信。為了減小外界環(huán)境及器件本身引入的噪聲和擾動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在這5個(gè)信號(hào)與單片機(jī)之間進(jìn)行光電耦合隔離處理。由于光信號(hào)的傳送不需要共地，所以可將光耦器件兩側(cè)的地加以隔離，達(dá)到提高系統(tǒng)信噪比的作用，光耦隔離器件選用Avago Technologies 生產(chǎn)的6N137，電路如圖5所示。需要注意的是，電路板中6N137兩端的電源不能共用，否則起不到隔離的作用。
2.2 CAN總線通信模塊
數(shù)據(jù)采集單元和ARM系統(tǒng)控制與故障診斷模塊之間以CAN總線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和控制。CAN總線具有可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，尤其適用于隨動(dòng)系統(tǒng)傳感器多、各檢測(cè)點(diǎn)信息交換頻繁和干擾源復(fù)雜的情況。CAN總線通信模塊的實(shí)現(xiàn)有2種解決方案[5]：一類是采用帶有片上CAN的微處理器，如Philips的80C591/592/598、Atmel的AT90CAN128/64/32等；另一類是采用獨(dú)立的CAN控制器，如Philips的SJA1000?？紤]到應(yīng)用的靈活性，本文采用獨(dú)立的CAN控制器SJA1000。CAN總線通信模塊結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示，選用STC89C52單片機(jī)作為CAN總線通信模塊的微控制器，CAN總線控制器和收發(fā)器分別選用Philips公司生產(chǎn)的SJA1000和PCA82C250[6]。CAN總線規(guī)范采用三層結(jié)構(gòu)模型，STC89C52單片機(jī)用以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的功能，SJA1000和PCA82C250則分別對(duì)應(yīng)于數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。為了增強(qiáng)CAN總線通信模塊的抗干擾能力，在CAN控制器與CAN收發(fā)器之間進(jìn)行光電耦合隔離處理，與數(shù)據(jù)采集單元一樣，本文也選用6N137進(jìn)行處理。
CAN總線通信模塊接口電路主要由4部分組成：微控制器STC89C52、獨(dú)立CAN控制器SJA1000、光電隔離器件6N137和CAN總線收發(fā)器PCA82C250。微控制器STC89C52用于數(shù)據(jù)處理、實(shí)現(xiàn)對(duì)SJA1000的初始化、通過(guò)對(duì)SJA1000的控制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送等通信任務(wù)；獨(dú)立CAN控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單總線連接可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層和物理層的全部功能。STC89C52通過(guò)DATA_INPUT向TLC2543CN發(fā)送一定格式的指令，在DATA_OUT引腳可獲取到A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)；由于SJA1000的數(shù)據(jù)線與地址線是共用的，所以將STC89C52的P0口與AD0?AD7直接連接的同時(shí)，還要將地址鎖存信號(hào)線ALE進(jìn)行連接，以便區(qū)分在同一時(shí)刻AD線上傳遞的是地址還是數(shù)據(jù)；SJA1000的中斷管腳INT連接單片機(jī)的外部中斷INT0；MODE管腳與高電平VCC連接以選擇Intel模式；為了保證上電復(fù)位的可靠，復(fù)位電路采用IMP708芯片進(jìn)行智能控制，IMP708芯片集看門狗定時(shí)器、掉電檢測(cè)電路、電源監(jiān)控電路等于一體，保證SJA1000芯片的可靠運(yùn)行；RX0和TX0是數(shù)據(jù)的收發(fā)管腳，經(jīng)光電耦合器件6N137后連接到CAN收發(fā)器上，用以電氣隔離；PCA82C250有3種工作模式：高速、斜率控制和待機(jī)，本文選擇斜率控制模式，通過(guò)在Rs引腳與地之間接一個(gè)100 kΩ的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)；為了消除在通信電纜中的信號(hào)反射，提高網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淠芰?，需要在CAN總線兩端接入兩個(gè)120 Ω的終端電阻[5]。
2.3 系統(tǒng)控制與故障診斷模塊
數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制模塊采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT91SAM9263 ARM芯片作為主控單元，以觸摸屏作為人機(jī)交互方式完成系統(tǒng)控制和故障診斷。AT91SAM9263主頻 200 MHz；內(nèi)置CAN總線控制器，全面支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議；內(nèi)置TFT/STN LCD控制器，支持3.5～17英寸TFT?LCD 液晶屏，最高分辨率可達(dá)2 048×2 048?？紤]到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性，本文將系統(tǒng)控制與故障診斷模塊單獨(dú)成板。技術(shù)保障人員可以通過(guò)操作觸摸屏上顯示的人機(jī)交互界面完成對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)的故障檢測(cè)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù) 處理模塊、CAN總線通信模塊和系統(tǒng)控制與故障診斷模塊4部分。主流程圖如圖7所示，首先對(duì)STC89C52單片機(jī)進(jìn)行初始化，包括CAN總線工作方式的選擇、驗(yàn)收濾波方式的設(shè)置、驗(yàn)收屏蔽寄存器和驗(yàn)收代碼寄存器的設(shè)置、波特率參數(shù)設(shè)置、中斷允許寄存器的設(shè)置以及A/D轉(zhuǎn)換模塊的初始化等；當(dāng)單片機(jī)接收到故障檢測(cè)命令時(shí)，進(jìn)行A/D采樣，然后由單片機(jī)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過(guò)量值轉(zhuǎn)換得到實(shí)際的工況數(shù)據(jù)；最后由CAN總線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)控制與故障診斷模塊進(jìn)行故障檢測(cè)，診斷結(jié)果由觸摸屏顯示以指導(dǎo)維修人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修。
3.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊軟件設(shè)計(jì)
A/D轉(zhuǎn)換模塊程序設(shè)計(jì)流程圖如圖8所示。
3.2 數(shù)據(jù)處理模塊軟件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集過(guò)程中難免受到噪聲的影響，為了保證采到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，可以對(duì)其進(jìn)行一定的算法處理。本文在故障檢測(cè)時(shí)，對(duì)同一采樣點(diǎn)進(jìn)行5次采樣，然后用快速排序算法對(duì)這5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中值作為故障檢測(cè)的有效數(shù)據(jù)，以減小誤差帶來(lái)的影響。采集到的數(shù)據(jù)與實(shí)際值之間成嚴(yán)格的線性關(guān)系，將采集到的數(shù)據(jù)值乘以系數(shù)K即可獲得實(shí)際的工況數(shù)據(jù)，其流程圖如圖9所示。
3.3 CAN總線通信模塊軟件設(shè)計(jì)
CAN總線通信模塊的程序設(shè)計(jì)主要分為初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送和數(shù)據(jù)接收3個(gè)部分：
（1） 初始化。CAN總線初始化主要是對(duì)通信參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，通過(guò)對(duì)時(shí)鐘分頻寄存器、驗(yàn)收碼寄存器、驗(yàn)收屏蔽寄存器、總線定時(shí)寄存器和輸出控制寄存器的配置實(shí)現(xiàn)對(duì)CAN總線工作模式、接收?qǐng)?bào)文的驗(yàn)收碼、驗(yàn)收屏蔽碼、波特率和輸出模式的配置和定義[7]。值得注意的是，這些寄存器的配置需要在復(fù)位模式下進(jìn)行，因此在初始化前應(yīng)確保系統(tǒng)已進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)?！。?） 數(shù)據(jù)發(fā)送。本文采用查詢方式，進(jìn)行CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送，首先應(yīng)將CAN總線的發(fā)送中斷禁能。發(fā)送數(shù)據(jù)前，主控制器輪詢SJA1000狀態(tài)寄存器的發(fā)送緩沖器狀態(tài)位TBS以檢查發(fā)送緩沖器是否被鎖定，若發(fā)送緩沖器被鎖定，則CPU等待，直到發(fā)送緩沖器被釋放，然后將從現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到發(fā)送緩沖區(qū)并置位命令寄存器的發(fā)送請(qǐng)求位TR，此時(shí)SJA1000將向總線發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖如圖10所示。
（3） 數(shù)據(jù)接收。同數(shù)據(jù)發(fā)送一樣，本文采用查詢方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，也應(yīng)將CAN總線的發(fā)送中斷禁能。主控制器輪詢SJA1000狀態(tài)寄存器接收緩沖狀態(tài)標(biāo)志RBS以檢查接收緩沖器是否已滿，若未滿則主控制器繼續(xù)當(dāng)前的任務(wù)直到檢查到接收緩沖器已滿，讀出緩沖區(qū)中的報(bào)文，然后通過(guò)置位命令寄存器的RRB位釋放接收緩沖器內(nèi)存空間。數(shù)據(jù)接收流程圖如圖11所示。
3.4 系統(tǒng)控制與故障診斷模塊軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制與故障診斷模塊是在Linux平臺(tái)下利用Qt SDK開發(fā)完成的，數(shù)據(jù)庫(kù)采用嵌入式系統(tǒng)中廣泛采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite[8]。軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包括顯示界面、系統(tǒng)控制、檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)和故障診斷等4部分。系統(tǒng)界面基于QT/GUI開發(fā)，用于故障檢測(cè)結(jié)果顯示、調(diào)取數(shù)據(jù)庫(kù)輔助人工診斷等人機(jī)交互；系統(tǒng)控制模塊用于系統(tǒng)啟動(dòng)與關(guān)閉、初始化及多線程處理；檢測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)用于對(duì)專家系統(tǒng)中經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、故障診斷規(guī)則集進(jìn)行組織、檢索和維護(hù)，及用于存儲(chǔ)系統(tǒng)采集的工況參數(shù)；故障診斷模塊是該檢測(cè)裝置核心，本文利用故障診斷專家系統(tǒng)對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，給出診斷結(jié)果?？紤]到故障診斷的實(shí)時(shí)性要求，程序采用多線程編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。
圖10 CAN總線數(shù)據(jù)發(fā)送程序設(shè)計(jì)流程圖
圖11 CAN總線數(shù)據(jù)接收程序設(shè)計(jì)流程圖
4 結(jié) 語(yǔ)
為了測(cè)試隨動(dòng)系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置在各種情況下的故障檢測(cè)能力， 本文通過(guò)人為制造故障的方式對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)。在反復(fù)的實(shí)驗(yàn)中，該系統(tǒng)均能正確定位故障，充分驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。本文研制的以AT91SAM9263 ARM芯片為核心基于CAN總線隨動(dòng)系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)隨動(dòng)系統(tǒng)液壓、氣壓、電壓等工況參數(shù)的測(cè)量，經(jīng)故障診斷專家系統(tǒng)的推理，實(shí)現(xiàn)以自動(dòng)故障診斷為主、人工診斷為輔的故障檢測(cè)。文中采用的CAN總線通信方式使整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)潔緊湊、具有較強(qiáng)的抗干擾能力和實(shí)時(shí)性，這種CAN總線通信方案不但可用于隨動(dòng)系統(tǒng)故障檢測(cè)裝置的研發(fā)，還可推廣至其他模擬量信號(hào)的機(jī)電設(shè)備故障檢測(cè)，尤其是多機(jī)組的分布式狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷中，具有非常實(shí)用的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn) 本文由wWW. DyLw.NeT提供，第一 論 文 網(wǎng)專業(yè)寫作教育教學(xué)論文和畢業(yè)論文以及服務(wù)，歡迎光臨DyLW.neT
. Industrial Electronics， 2000， 47（4） ： 951? 963.
[2] 張立云，宋愛(ài)國(guó)，錢夔，等.基于CAN總線的偵察機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2013，32（1）：65?68.
[3] 姚遠(yuǎn)，王賽，凌毓?jié)?TLC2543在89C51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2003，29（9）：37?38.
關(guān)鍵詞：電氣論文,邏輯設(shè)計(jì)法,真值表 1 邏輯關(guān)系
（3）真值表
用邏輯變量的真正取值反映邏輯關(guān)系的表格成為真值表。
用繼電器接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)邏輯代數(shù)的基本事項(xiàng)。
①邏輯1和繼電器的常開觸頭閉合相對(duì)應(yīng)。
②邏輯0和繼電器的常開觸頭斷開相對(duì)應(yīng)。
③邏輯“非”的實(shí)現(xiàn)可以使用常閉接點(diǎn)。
（4）由三種基本運(yùn)算得出的邏輯代數(shù)公理（基本運(yùn)算規(guī)則）
0+0=0 0·0=0 0+1=1 0·1=0
1+0=1 1·0=0 1+1=1 1·1=1
2 應(yīng)用實(shí)例
（1）要求：按下SB1，指示燈HL1點(diǎn)亮；按下SB2，指示燈HL1和HL2點(diǎn)亮；按下SB1和SB2后指示燈HL2點(diǎn)亮。
（2）使用器件：按鈕開關(guān)2個(gè)，電磁式中間繼電器2個(gè)，指示燈2個(gè)。
（3）設(shè)計(jì)步驟
①列出控制元件與執(zhí)行元件的動(dòng)作狀態(tài)真值表（表4）
②寫出邏輯表達(dá)式（與或表達(dá)式）
③化簡(jiǎn)（使用公式法、卡諾圖法或電路圖法）
（a）公式法：
（b）卡諾圖法，如圖1所示：HL2=KA2
（c）電路圖法：（按下面順序進(jìn)行化簡(jiǎn)，如圖2所示）
④畫電路圖，如圖3所示。
Abstract
This system is composed of fore-channel, Backward-channel, single-chip microcomputer system and the periphery circuit, up-bit machine and down-bit machine soft. The fore-channel will make the signal amplify, filter and A/D transform, then store the signal to the RAM by single-chip microcomputer. The step-channel will amplify ,filter, and D/A transform the data from the RAM, then impel the louDSPeaker. This article uses the single-chip microcomputer as core and extends the RAM of 512k. It applies the keyboard to control and LCD to display. At the same time, the article uses RS232 to communicate with up-bit machine and realizes the data transmission.
Up-bit machine program uses VC++ as the developing platform , Down-bit machine based on C51 language designs the software and the hardware to collaborate.
目錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 前言 1
1.2語(yǔ)音信號(hào)處理的發(fā)展與前景 2
1.3總體設(shè)計(jì)思路 2
第二章 數(shù)字語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放的通道設(shè)計(jì) 4
2.1整機(jī)結(jié)構(gòu)框圖和電路圖 4
2.2 前向通道 8
2.2.1前向通道的組成框圖 8
2.2.2前向通道各個(gè)單元的介紹 8
2.2.3前向通道的單元電路設(shè)計(jì) 12
2.3后向通道 19
2.3.1 后向通道的組成框圖 19
2.3.2后向通道各個(gè)單元介紹 20
2.3.3后向通道的電路設(shè)計(jì) 20
第三章 系統(tǒng)其它部分電路設(shè)計(jì) 24
3.1單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 24
3.2 LCD顯示器設(shè)計(jì) 27
3.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì) 30
第四章 程序設(shè)計(jì)介紹 33
4.1下位機(jī)程序介紹 33
4.2 上位機(jī)程序介紹 34
第五章 用V[，！]C ++實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的編程 36
5.1 VC++簡(jiǎn)介 36
5.2 ActiveX控件簡(jiǎn)介 36
5.3通訊控件MSComm介紹 37
5.4程序設(shè)計(jì)總方框圖 39
5.5通信控件串口編程的說(shuō)明 40
5.5.1 初始化并打開串口 40
5.5.2捕捉串口事件 41
5.5.3串口讀寫 41
5.6串行通訊協(xié)議程序 41
5.6.1主窗口 41
5.6.2運(yùn)行窗口 43
5.6.3錯(cuò)誤窗口 44
1 、引言
隨著科技的發(fā)展和社會(huì)文化事業(yè)的進(jìn)步，電視機(jī)可供觀眾選擇的頻道數(shù)目日益增多。但是傳統(tǒng)的電視遙控方法需要觀眾記憶每個(gè)電視臺(tái)對(duì)應(yīng)的頻道序號(hào)，否則就無(wú)法快捷地將頻道切換到所需位置。這顯然給用戶帶來(lái)了很大的不方便。本文利用凌陽(yáng)科技有限公司專門為語(yǔ)音處理而設(shè)計(jì)研制出的16位單片機(jī)SPCE061A設(shè)計(jì)了一個(gè)彩電智能聲控選臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)無(wú)需對(duì)電視機(jī)做任何改動(dòng)。在保留原有遙控功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制選臺(tái)，較好地解決了記憶頻道這個(gè)難題。
2 、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)總體方案如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體方案
3、各功能模塊設(shè)計(jì)
3.1 語(yǔ)音命令提取單元
語(yǔ)音命令提取單元（如圖2所示）在電視話音和其它噪音背景下，完成提取出操作者語(yǔ)音命令功能，其示意圖如圖3所示。
圖2 語(yǔ)音命令提取單元
MIC選用駐極體送話器， 它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量、體積小、頻率響應(yīng)寬、保真度好等優(yōu)點(diǎn)，但靈敏度低， 必須再加放大器才行。由于輸出阻抗可高達(dá) 10
數(shù)量級(jí)，所以必須進(jìn)行阻抗變換后才能與放大配合使用。放大器采用差分放大電路，一個(gè)駐極體話器面對(duì)送話者， 其輸出接放大器正向輸入端；另個(gè)駐極體送話器背對(duì)送話者，其輸出接放大器負(fù)向入端。由于兩個(gè)送話器相對(duì)于電視機(jī)和其它噪聲源位置基本一樣遠(yuǎn)，可以近似認(rèn)為通過(guò)二者輸入的干是一樣的。但考慮到送話器具有方向性，前者送入的操作者語(yǔ)音命令遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者，適當(dāng)選擇各電阻值可以抵消掉各種干擾。論文參考網(wǎng)。
3.2 語(yǔ)音命令識(shí)別單元
語(yǔ)音命令識(shí)別單元采用凌陽(yáng)公司的SPCE061A單片機(jī)，這是一種語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)級(jí)芯片，實(shí)際上是一個(gè)DSP+MCU，并將A/D、D/A、RAM、ROM以及預(yù)放、功放等電路集成在一個(gè)芯片上的系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的語(yǔ)音數(shù)據(jù)處理能力并具有良好的接口功能。
語(yǔ)音識(shí)別控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3所示
圖3 語(yǔ)音識(shí)別控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3.3 語(yǔ)音識(shí)別算法
消費(fèi)類電子產(chǎn)品中的語(yǔ)音識(shí)別主要為孤立詞識(shí)別，它有兩種實(shí)現(xiàn)方案：一種是基于隱含馬爾科夫統(tǒng)計(jì)模型（HMM）框架的非特定人識(shí)別；另一種是基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）原理的特定人識(shí)別。它們?cè)趹?yīng)用上各有優(yōu)缺點(diǎn)。DP特定人識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，對(duì)硬件資源要求較低；此外，這一方法中的訓(xùn)練過(guò)程也很簡(jiǎn)單，不需預(yù)先采集過(guò)多的樣本，不僅降低了前期成本，而且可以根據(jù)用戶習(xí)慣，由用戶任意定義控制項(xiàng)目的具體命令語(yǔ)句，因而適合大多數(shù)家電遙控器的應(yīng)用。
3.3.1 端點(diǎn)檢測(cè)方法
影響孤立詞識(shí)別性能的一個(gè)重要因素是端點(diǎn)檢測(cè)準(zhǔn)確性。在10個(gè)英語(yǔ)數(shù)字的識(shí)別測(cè)試中，60毫秒的端點(diǎn)誤差就使識(shí)別率下降2%。對(duì)于面向消費(fèi)類應(yīng)用的語(yǔ)音識(shí)別芯片系統(tǒng)，各種干擾因素更加復(fù)雜，使精確檢測(cè)端點(diǎn)問(wèn)題更加困難。為此，李虎生等在參考文獻(xiàn)5中提出了稱為FRED(Frame-based Real-time EndpointDetection)算法的兩級(jí)端點(diǎn)檢測(cè)方案，提高端點(diǎn)檢測(cè)的精度。第一級(jí)對(duì)輸入語(yǔ)音信號(hào)，根據(jù)其能量和過(guò)零率的變化，進(jìn)行一次簡(jiǎn)單的實(shí)時(shí)端點(diǎn)檢測(cè)，以便去掉靜音得到輸入語(yǔ)音的時(shí)域范圍，并且在此基礎(chǔ)上進(jìn)行頻譜特征提取工作。第二級(jí)根據(jù)輸入語(yǔ)音頻譜的FFT分析結(jié)果，分別計(jì)算出高頻、中頻和低頻段的能量分布特性，用來(lái)判別輕輔音、濁輔音和元音；在確定了元音、濁音段后，再向前后兩端擴(kuò)展搜索包含語(yǔ)音端點(diǎn)的幀。FRED端點(diǎn)檢測(cè)算法根據(jù)語(yǔ)音的本質(zhì)特征進(jìn)行端點(diǎn)檢測(cè)，可以更好地適應(yīng)環(huán)境的干擾和變化，提高端點(diǎn)檢測(cè)的精度。
3.3.2 模板匹配算法
DTW是典型的DP特定人算法， 為了克服自然語(yǔ)速的差異，用動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整方法將模板特征序列和語(yǔ)音特征序列進(jìn)行匹配，比較兩者之間的失真，得出識(shí)別判決的依據(jù)。
為了提高DTW識(shí)別算法的識(shí)別性能和模板的穩(wěn)健性，采用了雙模板策略，第一次輸入的訓(xùn)練詞條存儲(chǔ)為第一個(gè)模板，第二次輸入的相同訓(xùn)練詞條存儲(chǔ)為第二個(gè)模板，希望每個(gè)詞條通過(guò)兩個(gè)較穩(wěn)健的模板來(lái)保持較高的識(shí)別性能。
綜上所述，本語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)采用了改進(jìn)端點(diǎn)檢測(cè)性能的FRED算法，12階Mel頻標(biāo)倒譜參數(shù)（MFCC）作為特征參數(shù)，使用雙模板訓(xùn)練識(shí)別策略。通過(guò)一系列測(cè)試，證明該系統(tǒng)對(duì)特定人的識(shí)別達(dá)到了很好的識(shí)別效果。
3.4 控制面板
為了能輸入字段號(hào)， 以便建立語(yǔ)音樣本，SPCE061A單片機(jī)擴(kuò)展了一個(gè)行列矩陣式非編碼鍵盤。鍵盤共有12個(gè)按鍵， 其中十個(gè)定義為：0～9 數(shù)字鍵，一個(gè)定義為：語(yǔ)音樣本建立鍵（TRN），一個(gè)定義為：語(yǔ)音樣本清除鍵（CLR ）。由于控制面板只在建立語(yǔ)音樣本時(shí)使用，為防止誤操作，應(yīng)將這12個(gè)按鍵用塑料外殼封閉起來(lái)。論文參考網(wǎng)。
3.5 操作指示電路
采用兩片數(shù)碼管和譯碼驅(qū)動(dòng)電路CC4558組成操作指示電路。在本系統(tǒng)中，操作指示電路的作用是：建立語(yǔ)音命令樣本時(shí)，用于顯示存入的字段號(hào)；語(yǔ)音命令識(shí)別時(shí)用于顯示識(shí)別結(jié)果及芯片識(shí)別結(jié)果的處理報(bào)告。
3.6 邏輯控制電路
整個(gè)邏輯控制電路如圖4 所示。SPCE061A單片機(jī)通過(guò)并行接口輸出識(shí)別結(jié)果，經(jīng)過(guò)邏輯控制電路進(jìn)行必要的譯碼后，用來(lái)控制后面的紅外發(fā)射裝置。
圖4 邏輯控制電路如圖4
3.7 遙控發(fā)射電路
紅外遙控發(fā)射器主要由三大部分組成：一是鍵盤矩陣，二是發(fā)射專用集成電路，三是放大驅(qū)動(dòng)和紅外線發(fā)射部分。該電路與電視機(jī)的特定型號(hào)有關(guān)，可以根據(jù)電視機(jī)品牌選用適當(dāng)?shù)膶Ｓ眉t外發(fā)射電路。論文參考網(wǎng)。需要說(shuō)明的是：由于不同品牌電視機(jī)的紅外發(fā)射、接收電路各不相同，因此它只對(duì)兼容電視有效。
4、結(jié)束語(yǔ)
該系統(tǒng)不對(duì)彩電做任何改動(dòng)。在保留原有遙控功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制選臺(tái)，主要功能有：
開關(guān)電視：電視接通電源處于待命狀態(tài)，操作者發(fā)出“開機(jī)”命令，則打開電視機(jī)；操作者發(fā)出“關(guān)機(jī)”命令，則關(guān)掉電視機(jī)。
選臺(tái)功能：操作者想看某某電視臺(tái)的節(jié)目，只要發(fā)出“某某臺(tái)”的命令，電視機(jī)就自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到該臺(tái)。
識(shí)別主人功能：為防止誤操作，該系統(tǒng)只對(duì)事先錄入命令樣本的操作者語(yǔ)音敏感，其他人發(fā)出的命令包括電視伴音均無(wú)效。
其它功能：具有電視音量、畫面亮度調(diào)節(jié)等適合語(yǔ)音控制的功能。
由于采用了高性價(jià)比的SPCE061A這種語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)級(jí)芯片，并設(shè)計(jì)了科學(xué)的算法，本系統(tǒng)可靠性高，價(jià)格低廉，使用方便，具有較好的市場(chǎng)前景。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙力．語(yǔ)音信號(hào)處理[M] ．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2003
[2] 李晶皎．嵌入式語(yǔ)音技術(shù)及凌陽(yáng)l6位單片機(jī)應(yīng)用[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003
[3] 李虎生等. 高性能漢語(yǔ)數(shù)碼語(yǔ)音識(shí)別算法[J] ．北京：清華大學(xué)學(xué)報(bào)（ 自然科學(xué)版），2000；40：( 1)
[4] 孫景琪. 遙控彩色電視機(jī)集成電路及應(yīng)用[M]．北京：人民郵電出版社，1995
[5] 胡延平等. 電視機(jī)智能聲控選臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J] ．通訊與電視，2001( 1)
