發(fā)布時間：2023-03-20 16:18:24
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的電路設計論文樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
通過參考成熟的CAN/LIN總線設計電路，經過基礎測試及單元電路測試，應用電路設計軟件Alti-umDesigner10．0設計了電路原理圖，如圖1所示．本設計采用SiliconLaboratories公司生產的汽車級控制芯片C8051F500Q作為整個硬件系統(tǒng)核心控制芯片;恩智浦半導體(NXP)公司生產的TJA1040、TJA1020收發(fā)器分別作為控制局域網CAN物理總線與協(xié)議控制器之間的硬件接口，LIN主機從機協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口;采用AT24C04作為存儲擴展，并結合JTAG調試燒寫電路和12V轉5V轉壓電路共同構成一個獨立完整的工作電路［3－4］．
2中央控制器硬件
電路中央控制電路如圖2所示，由于數(shù)字電路的頻率高、模擬電路的敏感度強的特點，針對通信信號線，高頻的信號線要盡可能遠離敏感的模擬電路器件，因此，本設計將模擬地與數(shù)字地進行隔離．C8051F500芯片內部提供了穩(wěn)定的24M內部晶振，因而電路中未設置外部晶振電路．SiliconLabs公司C8051F500芯片內部集成博世CAN控制器，采用CAN協(xié)議進行串行通信．CAN控制器包含一個CAN核、控制寄存器、消息RAM及消息處理狀態(tài)機．控制器符合博世2．0A基本CAN標準和2．0B全功能CAN標準，方便在CAN網絡上的通信．
3電源電路設計
采用了LM2937IMP－5．0的12V轉5V轉壓芯片;為保護轉壓電路的安全性，防止回流，采用二極管N5817;輸入及輸出兩端的電容起到穩(wěn)定兩端電壓的作用．CAN/LIN總線接口芯片電路設計CAN總線接口電路如圖4所示，其中P0口的P0．6和P0．7分別為CAN總線收發(fā)器TJA1040與主控制器C8051F500Q的發(fā)送接口和接收接口．TJA1040作為CAN物理總線和控制器之間的硬件接口，能提高對CAN總線的差動發(fā)送與差動接收能力［5］．LIN總線接口電路如圖5所示，LIN總線通信需要12V外部供電，P1口的P1．0和P1．1分別作為LIN總線收發(fā)器TJA1020與主控制器C8051F500Q的發(fā)送接口和接收接口，P1．2作為LIN的啟動引腳．TJA1020是LIN物理總線和主———從協(xié)議控制器之間的硬件接口，工作波特率在2．4kbits/s～20kbits/s之間．TXD管腳輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)通過LIN收發(fā)器轉換成LIN總線信號，通過收發(fā)器控制轉換速率與波形，這樣能夠減少EME．通過一個內部終端電阻LIN總線的輸出管腳被拉成高電平．通過LIN總線的輸入管腳，收發(fā)器檢測到的數(shù)據(jù)流通過RXD管腳發(fā)送至微控制器［6－7］．
4系統(tǒng)調試
古人云“活到老，學到老”。學習伴隨人的一生，一個學習者具備的基本素質是其自主學習能力。最早引入“自主學習”的Holec將其定義為“負責自己學習的能力”[1]。通俗講，自主學習能力是由學習者自覺確定學習目標，制訂學習計劃，選擇學習方法，調控學習過程，評價學習結果的過程或能力[2]。自主學習需要做到“四學”，即“想學”“能學”“會學”“恒學”?；谛畔⒒瘲l件的自主學習是指借助現(xiàn)代化技術及工具完成自主學習。信息化條件包括互聯(lián)網、電子圖書館、學習軟件(如Multisim，EWB，CAD)、音頻視頻、Flash等。信息化條件下的自主學習改變了以往的師生學習模式，學員成為學習的主體，教員主要以問題引導、知識顧問、技術支持、效果評價為主要任務，引導學員充分利用和開發(fā)信息化資源，將先進的信息技術和學習過程優(yōu)化整合，開展自主性學習，提高教育的質和量，更好地適應新時代的要求。
2信息化條件
2.1互聯(lián)網
隨著信息技術的飛速發(fā)展，互聯(lián)網在現(xiàn)代生活中越來越普及?；ヂ?lián)網具有信息資源海量、不受時間和空間限制的特點，因此它為自主學習提供了便捷條件。利用互聯(lián)網強大的搜索引擎功能，搜索學習內容、疑難問題、模擬考題等。計算機網絡平臺提供了一個友好的交互界面，圖文并茂，靜動結合，生動有趣。由于院校的特殊性，我院學員除了可以在特定地點及方便時間上互聯(lián)網外，還可以查閱軍網內部豐富資源?；ヂ?lián)網改變了傳統(tǒng)的學習方式，提高了學習興趣，提高了學員發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，使學習成為一種主動、積極的過程，自主學習意識進一步加強，學員真正成為學習的主人。
2.2電子圖書館
電子圖書館以互聯(lián)網為平臺，主要由實地圖書館和虛擬圖書館兩部分構成。實地圖書館是與傳統(tǒng)圖書館具有一樣的館藏圖書功能，資源歸本單位共享；虛擬圖書館是指本館沒有收藏但是從網絡系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫中可以獲得信息的圖書館，例如維普、萬方、CNKI等電子期刊，超星、國圖、阿帕比、中國軍事等數(shù)字圖書以及碩博論文、外文數(shù)據(jù)庫等等。學習者在相應數(shù)據(jù)庫進行文獻搜索、下載需要的論文、書籍完成知識的自主學習與深化，多角度、多維度的學習理論，廣范圍、廣視角的了解應用。我院電子圖書館館藏豐富，既有實地圖書館又有虛擬數(shù)據(jù)庫，為學員學習提供了資源保障。
2.3軟件工具
軟件工具是指能夠輔助學習的工具軟件，例如繪圖工具AutoCAD，ProE，3DMAX等，仿真工具simulink，EWB，Multisim，ansys等，不同領域選擇不同的軟件工具。以數(shù)字電子技術中常用的Multisim和EWB為例(如圖1和2所示)，它具有豐富的元器件庫和儀表庫，當學完電路理論之后，學員大部分直觀認識不深入，對電路是否能夠實現(xiàn)所講述的功能持懷疑態(tài)度，仿真軟件恰好解決了這個問題。利用仿真軟件構建虛擬的電路，通過儀表及指示裝置，直觀形象地看到電路現(xiàn)象，加深對理論的理解。同時，在實際搭建電路時，為了避免資源浪費及煩瑣的調試，可利用仿真軟件先驗證設計電路的正確性，之后再去實際搭建。目前學員具有電腦使用條件，只需安裝軟件即可使用，軟件工具的出現(xiàn)為自學提供了又一個有力的條件。
2.4自主學習平臺
自主學習平臺可以是遠程教育學習平臺，也可以是根據(jù)不同科目搭建的學習平臺。其作用是學員在教員的輔導和幫助下，自主使用網絡學習平臺，有針對性地選擇各種學習資源，調整學習時間，控制學習過程，以達到學習目標。自主學習平臺具有輔、開放性、自主性、重復性、交互性的特點[3]。為方便學員數(shù)字電子技術課程學習，教研室設計了數(shù)字電子技術網絡課程(如圖3所示)。主要包含教案、視頻、教案、習題、作業(yè)、答疑、測驗以及參考資料等內容。
3以組合電路設計為例，借助信息化條件培養(yǎng)學員自主學習能力
3.1組織流程
組合電路設計內容豐富，方法多樣。課本中講述多以分立元件設計為例講述，為拓展學員思路，本課程安排時筆者并未加以限定，只布置了任務，學員自行完成。教員布置任務，學員以小組形式開展學習。各小組實行組長負責制，針對任務組織學員討論、確定方案，針對不同的方案安排組員提前查閱互聯(lián)網、電子圖書館、網絡課程等資料；課上分工協(xié)作，不同學員按照不同方案設計實現(xiàn)；學員自學仿真軟件Multisim或者EWB，并借助軟件仿真驗證設計的正確性；設計報告由專人撰寫，匯總各種方案及方法并進行描述；由于時間限制，并非所有奇思妙想都能一一設計實現(xiàn)，因此附加了拓展環(huán)節(jié)，集思廣益，學員只需描述出新思路新創(chuàng)意即可；最后為檢驗學習效果，加入答辯環(huán)節(jié)，從小組中任意抽取一名組員，回答其他學員和教員提出的問題。
3.1.1設計任務
1個主評委和3個副評委共4人鑒定某項目，當主評委不贊同，但3個副評委全部贊同項目時，裁定項目通過鑒定；當主評委贊同并且3個副評委中多數(shù)贊同項目時，也裁定項目通過鑒定。試設計滿足要求的邏輯電路。你還能想到哪些器件設計方法？
3.1.2小組分配
本教學班次共計43人，4～5人為一小組。組長負責分工，一般2人設計方案，1人學習仿真軟件，1人撰寫設計報告，最終集思廣益，拓展創(chuàng)新方法。
3.1.3豐富的設計方案，多樣化的仿真實現(xiàn)
借助分立元件實現(xiàn)電路設計組合電路是課本中主要講述的方法，其他方法課本中并沒有專門提及。另外，仿真軟件使用方法，如何仿真電路都需要學員自行摸索。但從效果分析，學員都能夠通過自學或者小組互助學習方式解決上述問題?，F(xiàn)列舉幾種學員的設計方案及仿真電路。
3.1.4答辯環(huán)節(jié)
為保障學習效果，筆者設計了答辯形式的督促機制。要求在設計完成后，小組內每位成員都要掌握本組設計的電路方案，隨機抽取某位學員上臺講解，一旦答辯不順利，將會影響本組學員的整體成績。在這種指導思想下，每位學員都參與其中，組內互助，使得方案形成時，每位學員也都掌握了知識。本次課程筆者提問了第一組的一位學員，答辯過程中每當出現(xiàn)思路斷檔，整組學員的精神都跟著緊張起來，但經過思考他順利完成此環(huán)節(jié)，并且將創(chuàng)新性的設計思路也一同與大家分享。從答辯過程可以看出，第一組學員的團結與協(xié)作，看到了傳統(tǒng)課堂上無法發(fā)現(xiàn)的閃光點。
3.1.5設計報告
第一項設計任務，第二項設計方案，第三項拓展及心得體會。前兩項旨在對整個知識的梳理，第三項作用有兩點，一是學員方面，總結收獲及不足，創(chuàng)新新思路，例如第九組寫到“電路設計注意布局，圖紙與虛擬實驗有著本質差距”，第一組寫到“一個好的團隊不光有一個好的帶頭人，還要有一群踏實肯干認真聽話、積極進言的成員”。二是教員方面，便于發(fā)現(xiàn)學員學習中存在的問題，調查學員對教學實施的滿意度，為后續(xù)教學提供寶貴經驗。例如第五組寫到”開關的選擇開始由單刀開關接入不工作，后經小組討論和教員指導換為單刀雙擲開關完成電路仿真”。第二組寫到“課程使我們認識到數(shù)電并非純粹的理論學習，而是課堂發(fā)揮、試驗動手等綜合能力的培養(yǎng)”“增強了我們的發(fā)散性思維，是一種能力的提升”。
4效果分析
按照傳統(tǒng)講授組合邏輯電路設計方法，一般學員比較容易想到教員或者課本上講述的方法，思路禁錮到此無法跳出。時序電路設計與組合電路設計課程形成了鮮明的對比，時序電路設計任務是課后習題，教員只講授了一種設計方法，因此學員在設計過程中多數(shù)應用了這種方法，很難擴展思路，開拓創(chuàng)新。而此次組合電路設計是學員沒有見過的任務，教員對其沒有過多的限制，因此設計方案多種多樣，學員自學的潛力此刻淋漓盡致地表現(xiàn)出來。在網絡、仿真軟件等信息化條件下，學員順利完成了本講內容的學習。學員不僅掌握了組合邏輯電路設計的多種方法和仿真軟件的使用方法，還提升了自身的綜合能力。從期末考試成績上分析，平均分79.44，其中良好及以上24人。通過設計報告的心得體會及期末成績分析采取自主學習模式學員多數(shù)比較贊同，收獲頗豐。上述事實證明只要給予適合的條件，學員有能力并且能夠出色完成自主學習，同時鍛煉了學員的提出問題、分析問題、解決問題、語言表達等多種能力，強化了團隊協(xié)作意識，激發(fā)了創(chuàng)新思維。
5結束語
建設集成電路設計相關課程的視頻教學資源，包括集成電路設計基礎理論課程講授視頻、典型案例設計講解視頻、集成電路制造工藝視頻等；構建集教師、博士研究生、碩士研究生和本科生于一體的設計數(shù)據(jù)共享平臺。集成電路設計是一項知識密集的復雜工作，隨著該行業(yè)技術的不斷進步，傳統(tǒng)教學模式在內容上沒法完全展示集成電路的設計過程和設計方法，尤其不能展示基于EDA軟件進行的設計仿真分析，這勢必會嚴重影響教學效果。另外，由于課時量有限，學生在課堂上只能形成對集成電路的初步了解，若在其業(yè)余時間能夠通過視頻教程系統(tǒng)地學習集成電路設計的相關知識，在進行設計時能夠借鑒共享平臺中的相關方案，將能很好地激發(fā)學生學習的積極性，顯著提高教學效果。
二、優(yōu)化課程教學方式方法
以多媒體教學為主，輔以必要的板書，力求給學生創(chuàng)造生動的課堂氛圍；以充分調動學生學習積極性和提升學生設計能力的目標為導向[3]，重點探索啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式、翻轉課堂等教學模式，激勵學生自主學習；在教學講義的各章節(jié)中添加最新知識，期末開展前沿專題討論，幫助學生掌握學科前沿動態(tài)。傳統(tǒng)教學模式以板書為主，不能滿足集成電路設計課程信息量大的需求，借助多媒體手段可將大量前沿資訊和設計實例等信息展現(xiàn)給學生。由于集成電路設計理論基礎課程較為枯燥乏味，傳統(tǒng)的“老師講、學生聽”的教學模式容易激起學生的厭學情緒，課堂教學中應注意結合生產和生活實際進行講解，多列舉一些生動的實例，充分調動學生的積極性。另外，關于集成電路設計的書籍雖然很多，但是在深度和廣度方面都較適合作為本科生教材的卻很少，即便有也是出版時間較為久遠，跟不上集成電路行業(yè)的快速發(fā)展節(jié)奏，選擇一些較新的設計作為案例講解、鼓勵學生瀏覽一些行業(yè)資訊網站和論壇、開展前沿專題講座等可彌補教材和行業(yè)情況的脫節(jié)。
三、改革課程考核方式
改革課程考核、評價模式，一方面通過習題考核學生對基礎知識和基本理論的掌握情況；另一方面，通過項目實踐考核學生的基本技能，加大對學生的學習過程考核，突出對學生分析問題和解決問題能力、動手能力的考察；再者，在項目實踐中鼓勵學生勇于打破常規(guī)，充分發(fā)揮自己的主觀能動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識。傳統(tǒng)“一張試卷”的考核方式太過死板、內容局限，不能充分體現(xiàn)學生的學習水平。集成電路設計牽涉到物理、數(shù)學、計算機、工程技術等多個學科的知識，要求學生既要有扎實的基礎知識和理論基礎，又要有很好的靈活性。因此，集成電路設計課程的考核應該是理論考試和項目實踐考核相結合，另外，考核是評價學生學習情況的一種手段，也應該是幫助學生總結和完善課程學習內容的一個途徑，課程考核不僅要看學生的學習成果，也要看學生應用所學知識的發(fā)散思維和創(chuàng)新能力。
四、加強實踐教學
在理論課程講解到集成電路的最小單元電路時就要求學生首先進行模擬仿真實驗，然后隨著課程的推進進行設計性實驗，倡導自選性、協(xié)作性實驗。理論課程講授完后，在暑期學期集中進行綜合性、更深層次的設計性實驗。集成電路設計是一門實踐性很強的課程，必須通過大量的項目實踐夯實學生的基礎知識水平、鍛煉學生分析和解決問題的能力。另外，“設計”要求具備自主創(chuàng)新意識和團隊協(xié)作能力，應在實踐教學中鼓勵學生打破常規(guī)、靈活運用基礎知識、充分發(fā)揮自身特點并和團隊成員形成優(yōu)勢互補，鍛煉和提升創(chuàng)新能力和團隊協(xié)作能力。
五、總結
擴展漏極漂移區(qū)是由輕摻雜的N阱形成，可以承受高電壓。在漂移區(qū)等壓線上均勻分布著電場減緩結構，可以提高其耐壓值。為了提高柵漏之間的耐壓漂移區(qū)上的厚場氧將場板提高。但導電溝道在薄柵氧的下面且器件的跨導與導電溝道有關，所以電場減輕結構不會影響器件的跨導，襯底和N阱之間的雪崩擊穿電壓和電場減緩結構的效果決定擴展漏極晶體管的額定電壓。對此類器件設計需考慮以下參數(shù)：濃度和長坂長度、漂移區(qū)結深、長度等，器件耐壓會隨著漂移區(qū)長度的增加而逐漸上升，直到達到一定的值。外延層濃度、漂移區(qū)濃度和漂移區(qū)結深三者共同決定此值。值越大，外延層濃度應在保證源漏不穿通情況下盡量低。
2基于IP核低功耗單電源電平轉換器設計
目前已經提出的電平轉換器共有兩類，分別是單電源轉換器和雙電源電平轉換器，后者需要輸入信號的電壓供電和輸出信號的電壓供電兩種電源電壓供電。在多電壓技術中電平轉換器主要是為了實現(xiàn)低電壓信號轉換高電壓信號。關于不同結構的電平轉換器近年來也有許多研究學者對其研究，有的是以提高速度，有的是降低功耗。大多數(shù)設計采用的雙電源電壓，本文主要是基于IP核作為設計的主要性能指標，從而提出一種具有低耗的單電源電壓的電平轉換器。
傳統(tǒng)的電平轉換器設計運用的是單向電平轉換器電路，顯然，相對雙電源轉換器，在布線資源上單電源電平轉換器有明顯的優(yōu)勢，例如在一個多電壓SoC上，實現(xiàn)模塊之間信號的傳輸需要大量的電平轉換器，一旦模塊之間的接口信號所使用的雙電源電壓的電平轉換器，一些較為珍貴的布線資源便會被占用，導致布線資源短缺，如果采用單電源電壓電平轉換器可有效緩解上述問題。一般影響電平轉換延時性能的主要因素有副端電路中各器件的寄生電阻、中間級電路電流等，在設計時如果要獲得較好的低功耗性能，對精確計算各器件尺寸及電流，一定情況下還需充分考慮器件的耐壓情況。
3結語
本項目的主要任務是用EPROM2764（存儲單元213，容量為8KB）設計定時控制電路。從存儲器角度來看，A0A1……A12是地址碼，D7D6……D0是數(shù)據(jù)，每輸入一個地址碼，輸出端將輸出一個數(shù)據(jù)；從控制過程角度看，A0A1……A12是控制過程對應的時間代碼，D7D6……D0是控制電路的開關，每給出一個時間代碼，輸出將給出該時刻對應的各電路執(zhí)行信號?；诖耍肊PROM再配合時間脈沖發(fā)生器與二進制加法計數(shù)器，組合成任意的定時控制電路。
2實踐活動
2.1電路原理分析
基于EPROM2764設計定時控制電路如圖2所示。以半自動加工與裝配工作為例，通常由幾個工步組成，每個工步完成一定的動作，需要一定的時間，兩個工步之間要有一個間歇時間（如刀架的退回，鉆頭的退出），各工步可以由不同的執(zhí)行機構（比如電機拖動）完成，需要用多路定時控制電路來控制。（1）工作原理比如：加工一個零件需要三個工步一次完成，第一工步需要10s，間隔2s，第二工步需要4s，間隔4s，第三工步需要2s，間隔2s，然后停止。時間流程表如表1所示。如圖2所示，使用EPROM芯片2764實現(xiàn)這一加工過程，此系統(tǒng)供電電壓為±12.5V，使用L7805穩(wěn)壓芯片產生5V電壓給存儲芯片供電，用LED指示燈來指示加工動作（執(zhí)行工步、間歇、停止），各工步操作時間的最大公約數(shù)為2s，以2s為步長設計，用555產生2s的時鐘脈沖送入到計數(shù)器74HC161，輸出的時間代碼送入到EPROM地址輸入端，輸出D6控制第一工步用紅燈LED1指示，D5控制第一工步間歇用黃燈LED2指示，D4控制第二工步用紅燈LED3指示，D3控制第二工步間歇用黃燈LED4指示，D2控制第三工步用紅燈LED5指示，D1控制第三工步間歇用黃燈LED6指示，D0為總控制使機器停止運作用綠燈LED7指示，將74HC161的CET端0，使74HC161的輸出的數(shù)據(jù)保持不再進行計數(shù)操作。2764是8K*8字節(jié)的紫外線擦除、電可編程只讀存儲器，單一的+5V供電，工作電流為75mA，維持電流為35mA，讀出時間最大為250ns，28腳雙列直插式封裝。各引腳的含義為：A0－A12為13根地址線，可尋址8K字節(jié)；D0-D7為數(shù)據(jù)輸出線；-E為片選線；-G為數(shù)據(jù)輸出選通線；PGM為編程脈沖輸入端；Vpp是編程電源；Vcc是主電源。存儲器2764的操作方式如下表2所示。（2）編程操作Vpp接+12.5V，-E接低電平，-G接高電平，輸入一定頻率的脈沖（如70Hz，不超過1KHz），該脈沖由uA741產生，D0-D7為數(shù)據(jù)輸入。使用撥碼開關對每個用到的地址進行編碼。（3）讀操作Vpp和接+5V，-E接低電平，-G接高電平，D0-D7為數(shù)據(jù)輸出。（4）EPROM2764的輸入輸出真值表如表3所示。
2.2PCB設計
運用Protel99SE，繪制原理圖，設計PCB。本控制電路的PCB設計如圖3所示。維護成本等諸多優(yōu)點。海上風電的興起，使得部件吊裝成本大幅度增加因此維護成本低廉的直驅式逐漸成為未來風力發(fā)電場使用的主力機型。目前大多數(shù)故障模擬實驗臺用來模擬雙饋式風力發(fā)電機組，主要關注齒輪箱故障。但對于直驅式風力發(fā)電機組，其關注的重點部件如圖1所示。由圖1可見，除了主軸上的傳動部件，基礎塔架、葉片也是近年來出現(xiàn)較多故障的部件。而傳統(tǒng)的雙饋式風力發(fā)電機組故障模擬試驗臺，對于直驅式風力發(fā)電機組重點關注的低速主軸承，葉輪部位以及基礎塔架等部位，相應的故障模擬較少。對于直驅式風力發(fā)電機組故障模擬試驗臺的研究，目前的文獻較少。對于此類故障模擬平臺，其未來發(fā)展方向是在模擬風力發(fā)電機組工況的情況下，對機組故障進行模塊化模擬，綜合考慮低速主軸承故障，發(fā)電機故障，葉片故障，變槳軸承，塔架基礎故障等。
3總結
首先通過鍵盤輸入需要的溫度，然后由溫度傳感器PT100測量油槽內溫度，溫度的變化變換成電阻大小的變化，經過測量電橋中電路處理后變換成微弱的電壓信號，在精密放大電路中完成調零及信號調理，以滿足A/D輸入信號的要求，然后送入ADuC848單片機。在ADuC848單片機中將溫度測量信號與設定信號比較，通過運算得到一個控制量，該控制量再經過ADllc848自帶PwM輸出信號控制加熱用電力電子器件導通占空比，最終實現(xiàn)對加熱量的控制。系統(tǒng)采用LCD128x64液晶屏顯示系統(tǒng)設定溫度值和當前溫度值，并在系統(tǒng)進行穩(wěn)定狀態(tài)時，利用聲光電路發(fā)出提示信號。
2.系統(tǒng)硬件電路的設計
2.1.系統(tǒng)控制芯片的選擇
傳統(tǒng)的油糟溫度控制的精度是士0.05℃，我們的控制精度是士0.01℃，按照系統(tǒng)的最高溫度是200℃計算，要求系統(tǒng)A/D變換的精度不低于士0.01℃，所需要的A/D轉換器的位數(shù)不低于16位，因而在選擇控制芯片時，這個問題必須考慮。除此以外，還需要考慮系統(tǒng)對D/A變換器和運算速度的要求。ADllc848[3]是美國模擬器件公司(ADI)最新的片上系統(tǒng)級(SOC)微轉換器(Mier。Conver*er)。該芯片集成有單周期指令的8052閃存MCu，最快速度達到11.58MIPS，內部有ZKRAM，4KEZPROM，62KFLASH。芯片的內部集成有8個單端輸入(4個全差分輸入)的16位模數(shù)轉換器(ADC)，片內的電壓基準為1.28v，精度1%，電源噪聲抑制45dB，溫漂100PPm/℃。芯片自帶1個12位的D/A轉換器、2個16位的PwM控制器、l個速率達384kbps的RS232串口等。芯片自帶A/D變換器的量化誤差為200℃/65536=0.003℃，完全可以滿足控制精度的要求。
2.2.測量及精密放大電路
信號采集的精度受到電路中供橋電源的精度的影響，設計過程中采用LM317構成精密穩(wěn)壓電路為電橋供電，以提高測量精度。為保證電橋的測量精度，橋臂電阻應選用溫度系數(shù)小精密金屬膜電阻。精密放大電路如圖2所示。電路中包含一級放大電路和二級放大電路兩部分。其中一級放大采用儀表放大器AD620，該放大器具有較高的精度和較高的共模抑制比，只需調節(jié)RG即可將增益調節(jié)在1一1000之間。為了抑制高頻干擾信號，需要在AD620的輸人端加人濾波電容和限幅電路。二級放大采用LM358運算放大器，通過調節(jié)反饋電阻RF來調整放大器的增益，以適應寬范圍的溫度測量。在實際應用中為了保證測量信號的準確性，在軟件中設置了克服零偏的調零功能，由系統(tǒng)軟件自動完成。
2.3.ADuC848單片機電路
標準油槽精密溫度控制系統(tǒng)以ADuC848單片機在系統(tǒng)軟件的設計中應充分考慮系統(tǒng)軟件與硬件電路的有機結合，有效利用無差拍控制技術來減小過渡過程時間和提高控制精度。在標準油糟溫度的各種控制方案中，無差拍控制是一種跟蹤精度高、瞬時響應快的優(yōu)秀數(shù)字控制策略。與模糊控制方法[l]相比，其算法算法更簡單，系統(tǒng)資源需要的更少，但無差拍控制是一種基于對象精確模型的控制方法，其控制質量在很大程度上依賴于控制器參數(shù)與負載參數(shù)的配合，因而在實現(xiàn)過程中，需要對模型和負載參數(shù)有個較精確的把握。在每個采樣周期內，根據(jù)參考信號和當前采樣周期得到的溫度測量值實時計算出所需的脈寬么T，并給出開關控制信號，實現(xiàn)油糟溫度無差拍跟蹤參考信號。整個測量系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化設計，由A/D采樣模塊、數(shù)字濾波模塊、顯示模塊、模糊算法模塊和輸出信號比占空比控制模塊等，在完成基本功能的基礎上，還可以增加系統(tǒng)的功能，如增加自診斷、自保護和故障實時監(jiān)測及報警功能。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。
3.結束語
為提高系統(tǒng)輸出信號的精度，采用低速、高精度的DAC。此類DAC多采用SPI或IIC總線與主控制器通信，占用控制器的IO口較少。時下流行的STM32系列或MSP430系列微控器的硬件資源都滿足要求。為便于野外現(xiàn)場使用，系統(tǒng)采用鋰電池供電，這就要求主控制器具有較低的功耗以延長電池續(xù)航時間，以極低功耗著稱的430單片機成為首選。由主控制器、時鐘電路、復位電路構成了主控制器的最小系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。按鍵和氣象量顯示模塊主要實現(xiàn)人機交互功能，用來調節(jié)輸出信號的大小，設置氣象量和電信號之間的轉換關系等。根據(jù)氣象傳感器輸出信號的范圍，可設定若干檔位的輸出信號，以覆蓋傳感器的范圍即可。按鍵接在430單片機的中斷口上。顯示模塊的控制和數(shù)據(jù)總線由單片機的IO口來提供。DAC模塊是產生電壓信號的核心。主控制器將數(shù)字量送給DAC后得到模擬電壓信號，為使產生的信號和傳感器范圍一致，DAC的輸出信號需進行調理。數(shù)字系統(tǒng)和電源都會對模擬部分產生干擾，引起誤差。采用DC－DC電源隔離、DAC總線隔離提高DAC輸出信號的精度。輸出電信號和氣象量之間存在轉換關系，轉換函數(shù)存儲于EEPROM芯片中。為進一步提高精度，系統(tǒng)也需要定期檢定。采用零滿刻度校準的方法，用高精度的數(shù)字萬用電表測量輸出信號的實際值，將實際值和理想值的差值保存于EEPROM中，系統(tǒng)根據(jù)差值去修正輸出信號，差值和轉換函數(shù)都通過串口由上位機寫入存儲電路中。軟件補償切實提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。
2模塊電路設計
2．1主控制器端口分配及人機交互模塊
主控制器選擇TI公司的MSP430F169，利用其豐富的中斷作為按鍵輸入，內部自帶的UART模塊實現(xiàn)串口通信，采用IO口模擬SPI總線與DAC通信，低功耗的128×64LCD用于顯示輸出信號大小及對應的氣象量。主控制器的最小系統(tǒng)及端口分配如圖2所示。主控制器的P1．0～P1．3接按鍵，采用中斷方式。4個按鍵的功能包括：調節(jié)電信號和氣象量之間的轉換關系鍵SET、增大和減小輸出信號鍵UP和DOWN、確認保存參數(shù)鍵ENTER；P3．0～P3．3端口的RS、RW等為LCD的控制總線；P5．0～P5．7為LCD的數(shù)據(jù)總線；P3．6～P3．7為單片機部自帶的UART模塊的收發(fā)端口，用于串口通信；P4．0～P4．2作為DAC的SPI總線；P4．3～P4．6用于存儲器的總線。TDO／TDI～TCK為單片機的下載口。P6．0端口MeaV為單片機內部自帶的ADC模擬輸入通道，用來監(jiān)測系統(tǒng)電源。晶振X2和電容C1、C2構成時鐘電路，電阻R8和電容C3構成上電復位電路。
2．2模擬信號產生DAC模塊
為產生程控的高精度電壓信號，采用高精度的數(shù)模轉換芯片，輔以總線隔離、電源隔離等措施提高精度。工藝上采用四層印制板電路。產生的信號為微伏級，選用16位的低功耗、單通道電壓輸出型DAC芯片AD5660，滿量程輸出電壓范圍可達2．5V。軟件編程模擬SPI總線與主控制器通信。AD5660內部硬件結構如圖3所示，主要由數(shù)字量輸入寄存器、電阻串型DAC、基準源、輸出緩沖放大電路組成。由圖3可知，AD5660內部含有一個增益為2的放大器。設D為載入DAC寄存器的二進制編碼的十進制等效值，則輸出電壓VOUT的大小為16位的AD5660－1內置1．25V的基準電壓，輸入數(shù)字量D的范圍為0～65535。根據(jù)式（1），輸出電壓VOUT的范圍為：0～2．5V。采用總線隔離和電源隔離措施，以提高輸出電壓的精度。iCoupler技術的四通道數(shù)字隔離器ADUM1401具有優(yōu)于光耦合器的出色性能［4］，系統(tǒng)利用ADUM1401作為DAC模塊的SPI總線數(shù)據(jù)轉換器，使AD5660的總線與主控制器完全隔離。同時，采用DC－DC芯片MEB01Z－05S05D為信號產生部分提供獨立電源。MEB01Z－05S05D的輸出功率可達到1W，且其具有極低的紋波，Vp－p≤10mV。其電路如圖4所示。
2．3信號調理電路
濕度傳感器輸出信號為0～1V，氣壓傳感器設置于模擬模式時，輸出電壓為0～5V，而總輻射傳感器的輸出信號十分微弱，小于30mV。DAC輸出信號需要經過調理電路，產生與傳感器輸出范圍和分辨率一致的信號。這里以產生0～30mV的微弱電壓信號為例，設計其信號調理電路如圖5所示。
2．4參數(shù)存儲及串口構成軟件補償電路
除采用總線隔離、電源隔離、低溫度系數(shù)電阻、低失調電壓運放等提高系統(tǒng)輸出信號的精度外。設計參數(shù)存儲和串口通信電路，利用軟件來對信號輸出進行校準，進一步提高輸出信號的精度。軟件補償?shù)乃悸肥遣捎昧銤M刻度校準法，用高精度的61／2位數(shù)字萬用電表測量系統(tǒng)在零點和滿量程時的實際輸出，并記錄與理想值的偏差。上位機通過串口將偏差值寫入到存儲器中。系統(tǒng)每次進行D／A轉換之間先讀取存儲器中的偏差值，并調整單片機送給DAC的數(shù)字量，使輸出信號接近理想值。偏差值存儲于EEPROM中，如圖6所示。同時，氣象量和電信號之間的轉換函數(shù)關系也存儲于EEPROM中。MSP430F169內部自帶了UART模塊，只需在輔以常用的MAX232構成電平轉換電路即可與上位機通信。
3系統(tǒng)軟件電路設計
系統(tǒng)任務主要包括時鐘初始化、LCD的初始化、信息顯示、系統(tǒng)電源電量顯示、軟件校準、按鍵切換輸出檔位等。根據(jù)各功能模塊，確定系統(tǒng)的軟件設計流程和中斷服務程序功能。主程序主要完成初始化工作；電量檢測需定期進行，故在定時中斷服務程序中完成；檔位切換和信息顯示等在外部中斷服務程序中實現(xiàn)；校準參數(shù)和轉換函數(shù)通過串口的中斷服務程序由上位機寫入EEPROM中。系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。輸出信號大小的調整由按鍵中斷服務程序實現(xiàn)，圖8為UP鍵按下時的服務程序流程。
4系統(tǒng)測試
為提高系統(tǒng)精度，PCB采用4層印制板。中間2層為GND和隔離后的電源。利用高精度的61／2位數(shù)字萬用電表對系統(tǒng)進行零滿刻度校準。校準步驟如下：（1）設定輸出值為0mV，利用萬用電表測量此時的實際輸出電壓值V1；（2）將V1通過串口調試助手寫入下位機，單片機根據(jù)V1計算零點偏差，并保存于EEPROM中；（3）設定輸出值為30mV，利用萬用電表測量此時的實際輸出電壓值為V2；（4）將V2通過串口調試助手寫入下位機，單片機根據(jù)V1，V2，計算線性校準函數(shù)的斜率和截距，并保存于EEPROM中。系統(tǒng)校準后，再通過按鍵切換輸出檔位，并用萬用電表測量實際輸出值，測試結果如表1所示。結果表明，系統(tǒng)經過軟件校準后，輸出微弱電壓信號的誤差小于10μV。但通過高速的數(shù)據(jù)采集卡測量，系統(tǒng)瞬時值存在80μV的抖動。分析其原因是由于萬用電表測量時進行了滑動平均處理，測量值為短暫時間的平均值，抖動被抵消。經過反復測試和分析得知，雖然采用4層PCB在硬件上減小了干擾，但空氣中的電磁場仍然在PCB板上形成了干擾。整個PCB需要采用一定的屏蔽措施或在有良好的電磁環(huán)境下測試。
5結束語
關鍵詞：猝發(fā)式紅外測試扭矩轉速發(fā)射電路
利用紅外通信進行旋轉軸動態(tài)參數(shù)測試，主要是為了滿足坦克、裝甲車輛狹小空間中運動部件動態(tài)參數(shù)測試的強烈需求。由于紅外通信在空間和成本的優(yōu)勢，從上述理論研究和實車試驗中證明其較高的應用價值。
猝發(fā)式紅外近距離測試系統(tǒng)是在紅外近距離測試系統(tǒng)的基礎上，針對更加狹小的空間如發(fā)動機輸出軸，提出的一種點對點式的紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)呐ぞ販y試系統(tǒng)。
1坦克發(fā)動機扭矩信號采樣頻率分析
坦克發(fā)動機屬多缸發(fā)動機，是采用各缸順序點火、輪流作功的方式工作。實測得到發(fā)動機輸出軸上產生的力矩（扭矩）是一個隨轉速變化的周期信號，該信號的幅值極不規(guī)范。工程中所述扭矩為平均扭矩，定義在一個循環(huán)內（720°曲軸轉角）扭矩的平均值。高速、高功率密度柴油機有6缸、8缸和12缸之分，其最高轉速均不超過3000r/min，從這一目標出發(fā)選用扭矩信號頻率最高的12缸發(fā)動機計算扭矩信號周期T。
當nmax=3000r/min時，
T=（10/nmax）3.33（ms）
按采樣定理工程實用采樣頻率是信號固有頻率的5～10倍的原則，以及實際運行效果的試驗，取系統(tǒng)采樣周期為500μs即采樣頻率為2kHz。
圖2發(fā)射部分結構框圖
2猝發(fā)式紅外近距離測試系統(tǒng)模型的建立
按圖1建立猝發(fā)式紅外通訊的實物模型，發(fā)射器安裝在旋轉軸上，接收器安裝在旋轉軸上，接收器可安裝在軸向和徑向兩個方向的適當位置，其計算分析相似，由于徑向安裝比較方便，故安裝在徑向。
圖1中β——接收器的接收半角；
R——旋轉軸的半徑；
α——發(fā)射器的發(fā)射半角；
L——接收器與發(fā)射器的最小距離；
θ——發(fā)射器和接收器分別與圓心連線的夾角；
A——紅外接收管；B、C——紅外發(fā)射管。
弧長BC（設為S）與通訊時間成正比，故弧長S的大小決定了通訊時間的長短，稱弧長S為發(fā)射窗口。由模型知θ決定了發(fā)射窗口的大小（當R一定時），只有當α小于或等于發(fā)射器的最大發(fā)射半角時，發(fā)射器發(fā)出的紅外光才能被接收器直接接收。目前使用發(fā)射器的最小發(fā)射半角為15°。當α=15°時，由三角形OAB可知：
(sinβ)/R=sin(π-15°)/(R+L)（1）
sinβ=R/(R+L)sin15°(2)
θ+β=15°（3）
故θ=15°-β
T=2Rθ/(Rω)=(2θ)/ω(4)
由于θ與有效通訊弧長AB成正比，而弧長AB又與通訊時間成正比，故增大θ可增長通訊時間。由上式可知，增大θ有兩種方法：減小R，或增大L。
設軸的角速度為ω（rad/s），一轉中采樣的數(shù)據(jù)個數(shù)N，每個數(shù)據(jù)占有M位，紅外通訊傳輸?shù)牟ㄌ芈蕿閂（bit/s），發(fā)送N個數(shù)據(jù)需要時間為tall(s)，發(fā)射器通過發(fā)射窗口的時間（即有效通訊時間）為T（s），則一轉中發(fā)射數(shù)據(jù)所需總時間為：
tall=(MN)/V（5）
如設轉速為3000r/min，2θ=30°，由（4）式得：
T=1.67ms
設N=200，即采樣頻率
f=200sps/r×(3000r/min)/60=10ksps
若M=16,V=2Mb/s，
得：
tall=(200×16)/2M=1.6ms
由于tall<T，該模型可物理實現(xiàn)。
3發(fā)射部分電路設計
上面通過對發(fā)動機輸出功率信號進行分析，確定了采樣頻率，進而估算出存儲器的最小存儲容量，并建立了數(shù)據(jù)傳輸模型。采用猝發(fā)方傳輸數(shù)據(jù)，需要存儲軸旋轉一轉所采集的所有數(shù)據(jù)，然后在發(fā)射窗口將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瞬發(fā)。其特點是不需要安裝一個圓周的接收器，如果所測軸半徑較大或被測環(huán)境較緊湊，則近場遙測是不易實現(xiàn)的。而猝發(fā)遙測只需一個或幾個接收器就能達到目的。
發(fā)射部分的結構框圖如圖2，這部分發(fā)現(xiàn)扭矩信號的采集、數(shù)字信號的編碼，并將采集數(shù)據(jù)放在FIFO存儲器中。當紅外發(fā)射管接收到取數(shù)碼命令后，如果采集電路斷電，入于低功耗狀態(tài)，則通知電源管理器打開電源VCC，讓采集電路開始工作；如果采集電路已經開始工作，則會的開取數(shù)時鐘，讓FIFO移出數(shù)據(jù)，送給紅外發(fā)光管發(fā)送給接收器。
3.1數(shù)據(jù)的存儲
由于采用猝發(fā)方式進行數(shù)據(jù)的傳輸，需要設計一個存儲器將一轉中所采集的數(shù)據(jù)先存放起來，當發(fā)射器經過發(fā)射窗口時，將數(shù)據(jù)實時地傳輸給接收器。存儲器是發(fā)射部分的關鍵元件之一，它的選取直接關系到A/D變換器的選取以及控制電路的設計。對存儲器的要求是先采集的數(shù)據(jù)先發(fā)送，后采集的數(shù)據(jù)后發(fā)送，否則接收部分將無法正確恢復原始信號，達不到測試的目的。因此需選擇一個先進先出FIFO的16位存儲器。又由于發(fā)射器是單通道，只能將數(shù)據(jù)以串行方式發(fā)送，所以要求存儲器的輸出是串行的，這樣能減少并轉串的中間環(huán)節(jié)。如果具有串進串出的FIFO，那樣發(fā)射部分的體積會更小且控制邏輯更簡單，這是筆者希望的。但實際上只查到并進串出FIFO和具有可編程的串并進-串并出四種功能的FIFO，由于后一種芯片體積大、功耗也大，所以選擇了并進串出的FIFO。
綜上所述，選用了IDT72105，容量為256×16位，高速、低功耗，具有獨立收、發(fā)時鐘控制的同步/異步FIFO存儲器。它不但提供了存儲空間作為數(shù)據(jù)的緩沖，而且還在EPP并行總線和A/D轉換器之間充當一彈性的存儲器，因而無需考慮相互間的同步與協(xié)調。FIFO的優(yōu)點在于讀寫時序要求簡單，內部帶有讀寫的環(huán)形指針，在對芯片操作時不需額外的地址信息。當它接收到由紅外發(fā)射管發(fā)出的取數(shù)指令SOCP后，通過SO端將同步幀信號輸入到紅外發(fā)射管的TXD端，發(fā)射出去。
圖5監(jiān)測碼編碼器和幀結構
3.2數(shù)據(jù)采集電路
由于選擇了并進串出的FIFO，最好選擇并行輸出的A/D變換器，要求單電源供給，故選擇了AD公司的AD7472，分辨率為12位，低功耗，電源供電范圍為2.7～5.25V。AD7472轉換器可以工作于三種模式：（1）高速采樣模式（HighSampling）；（2）睡眠模式（SleepMode）；（3）猝發(fā)模式（Burstmode）。由于系統(tǒng)的采樣頻率不高（4kHz），所以利用AD7472的猝發(fā)模式，它與第二種模式相同，只是輸入時鐘（CLKIN）不連續(xù)，僅在轉換期間才提供時鐘信號，這樣能夠減少功耗。
在此模式下，當CONVST上升沿到來時，轉換器進入蘇醒期需1μs的時間（tWAKEUP），在這個期間如果CONVST的下降沿已到來，A/D并不立即進入轉換期，直到1μs之后；如果1μs之后下降沿才到來，則轉換器在下降沿到來的時刻開始轉換，整個轉換需14個時鐘周期。值得注意的是：當BUSY信號為高后，時鐘信號應在兩個時鐘周期內出現(xiàn)，且在轉換期間不能改變數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。實際設計采樣頻率與讀數(shù)控制電路的時序如圖3。CONVST信號頻率即采樣頻率為4kHz，周期250μs，正向脈寬2μs，即A/D蘇醒之后，再過1μs才開始數(shù)據(jù)轉換，RD信號正是利用這1μs對A/D進行讀數(shù)操作。
3.3同步幀電路設計
由于系統(tǒng)將一轉中采集的數(shù)據(jù)記錄在FIFO存儲器中，并且數(shù)據(jù)傳輸方式為無線串行通訊，所以需要將數(shù)據(jù)以幀的形式開，以便于接收部分的解碼。作者設計了16位的同步碼，最高位為低，用于分區(qū)幀與幀的數(shù)據(jù)；最低位也設為低，用于分開同步幀與數(shù)據(jù)，并為解碼提供移位脈沖產生時間。一幀數(shù)據(jù)除同步碼以外，由8個16位采樣數(shù)據(jù)組成，總共112個比特。產生步碼的電路如圖4。
圖6取數(shù)據(jù)控制電路
3.4監(jiān)測碼編碼器和幀結構
FIFO存儲器字長為16位，A/D轉換器為12位，還剩余4比特。為了增強數(shù)據(jù)的可信度和數(shù)據(jù)的糾錯能力，設計了4個監(jiān)測碼，分布在數(shù)據(jù)的兩側，如圖5。4個監(jiān)測碼鎖存在元件74L5243里，每一個寫信號到來時，都需寫入4位監(jiān)測碼。由于這4個監(jiān)測碼分布在12位數(shù)據(jù)的兩側，在接收端接收到數(shù)據(jù)后，首先檢測這4個監(jiān)測碼；如果監(jiān)測碼無誤，則接收到的數(shù)據(jù)可信；如果有誤，則有可能前移一位或后移一位。若通過這樣的修正后，這4位監(jiān)測碼與實際相符，則可修正數(shù)據(jù)。若不相符，則該數(shù)據(jù)不可言。
3.5取數(shù)控制電路
