时间：2023-10-10 16:08:37
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇电路设计开发流程，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词：单片机;创新教学;模拟豆浆机;实际项目驱动
单片机课程是电子、电气自动化等高校专业的基础课程，对于现如今发展迅速的自动化、智能化起着很重要的作用，同时，又渗透到如今各个方面，如现在的智能家居也离不开单片机的发展。为了学生以后的就业及专业技术的发展，学好单片机显得尤为重要。但现在高校中普遍存在学生学习编程吃力，动手能力弱，具体项目接触少，然后课余时间想学习没法学习的状况。这种传统的教学模式挫伤了学生学习的积极性，不灵活的教学方式激发不了学生的学习兴趣。
本文通过多年的单片机课程教学，结合职业学校学生的特点，灵活的改变的传统理论教学，融合多种方式，最大限度的激发学生兴趣和最大限度的利用学生的时间，通过模拟实际项目的过程来驱动单片机教学，改变了传统的教学模式，激发了学生的学习兴趣，能够真正的学到知识。本次以模拟豆浆机为例。
一、项目总体设计
（一）系统功能介绍：模拟豆浆机有纯豆浆和五谷杂粮两种工作模式，每种工作模式下工作流程如下：
（1）纯豆浆加工流程：
（2）五谷杂粮加工流程：
图1 项目功能流程图
学生通过项目功能流程图来了解项目实现功能，做电路设计，我们采用单片机来控制，选择AT89S51单片机来实现控制。
（二）电路设计：
通过功能选择电路所用的芯片及电路设计。
单片机选择AT89S51，热敏电阻根据国标规定，额定零功率电阻值是 NTC 热敏电阻在基准温度 25 ℃ 时测得的电阻值
R25，这个电阻值就是NTC 热敏电阻的标称电阻值。通常所说 NTC 热敏电阻多少阻值，亦指该值选择NTC103。
（三）画图制板。设计好电路通过PROTEL 画图，制板实现硬件电路。
（四）软件设计。根据硬件设计以及我们模拟豆浆机的流程以及模拟豆浆机有纯豆浆和五谷杂粮两种工作模式来进行软件编程实现功能。
实现功能的时候我们需要用到的知识，单片机如何检测传感器数据、按键控制、以及报警电路实现，还需要定时器计数器如何使用，通过本次项目实施，我们可以学习单片机中的很多重要的知识点。
【关键词】EDA技术；电子系统设计；自顶向下设计方法
EDA技术是计算机技术与电子设计技术相结合的一门崭新的技术，其涉及面广，融合了电路系统、计算机应用、微电子等多个学科。应用EDA技术，电子系统设计的全过程都可依靠计算机来完成，大大缩短了电子电路设计的周期，提升了设计效率，满足了市场需求。因此，分析EDA技术在电子系统设计中的应用，对于基于EDA技术的电子系统设计的长足发展有着非常重要的现实意义。
一、EDA技术简介
EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的英文缩写。EDA技术作为现代电子技术的核心，它以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言HDL为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计开发工具，对设计文件自动完成逻辑化简、逻辑编译、逻辑分割、逻辑综合、布局布线，以及逻辑优化和仿真测试，直至实现既定的电子系统功能。
二、EDA技术的产生背景与内容
在20世纪后半期，随着计算机和集成电路的迅速发展，专用集成电路设计难度不断提升，电子设计周期日益缩短，电子系统设计面临着严峻的考验。为了解决这一问题，电子设计人员需要新的设计方法和高层次的设计工具，而EDA技术就在这一现实背景下产生了。
EDA技术内容丰富，涉及面广。但从应用的角度出发，应了解和掌握以下四个方面的内容：（1）、硬件描述语言；（2）、大规模可编程逻辑器件的原理、结构及应用；（3）、EDA工具软件的使用；（4）、实验开发系统。在电子系统设计的过程当中，EDA技术的这四个内容依次扮演着表达方式、载体、设计工具、下载及硬件验证工具。
三、在电子系统设计中EDA技术的应用
1、在电子系统设计中面向CPLD/FPGA的EDA设计流程
完整地了解利用EDA技术进行电子系统设计开发的流程对于正确地选择和使用EDA软件，优化设计项目，提高设计效率十分有益。一个完整的EDA设计流程其基本步骤如下：第一，用一定逻辑表达手段将设计表达出来，以进行源程序的编辑和编译；第二，对设计输入做逻辑综合和优化，进而使其生成网表文件；第三，在选定的目标器件中应用适配器件完成逻辑映射操作；第四，用下载电缆或编程器将编程文件载入目标芯片中；最后，要进行硬件仿真和硬件测试，验证所设计的系统是否符合设计要求。同时在设计过程中要进行有关软件仿真，模拟有关设计结果与设计构想是否相符。
2、EDA技术与传统电子设计的比较
（1）传统电子设计的弊端
传统电子系统设计方法都是自底向上进行设计的，手工设计占很大比重。设计过程中首先要确定可用的元器件，然后根据这些器件进行逻辑设计，完成各模块后进行连接，最后形成系统。这种设计方法只是在对电路板进行设计，通过设计电路板把具有固定功能的标准集成电路和元器件规划在一起，从而实现系统功能，它存在很多缺点，比如：只有在设计出样机或生产出芯片后才能进行实测；在设计中，如果某处出现错误，查找和修改十分不便；设计成果的可移植性较差；设计过程中将产生大量文档，不易管理；对于复杂电路的设计、调试十分困难等。
（2）现代EDA技术的优越性
采用EDA技术的现代电子产品与传统电子产品的设计有很大区别。基于EDA技术的设计方法是自顶向下进行的。设计工作从高层开始，采用完全独立于目标器件芯片物理结构的硬件描述语言，对设计系统进行基本功能或行为级的描述和定义，逐层描述，逐层仿真，在确保设计的可行性与正确性的前提下，完成功能确认。
在电子技术飞速发展的今天，采用EDA技术进行电子系统的设计，具有很多优势，比如：采用的“自顶向下”设计方法是一种模块化设计方法，对设计的描述从上到下逐步由粗略到详细，符合常规的逻辑思维习惯；采用完全独立于目标器件的硬件描述语言进行设计，因此设计易于在各种集成电路工艺或可编程器件之间移植；由于高层设计同目标器件无关，在设计最初阶段，设计人员可以不受芯片结构的约束，集中精力对产品进行最适应市场需求的设计，从而避免了传统设计方法中的再设计风险，缩短了产品的上市周期；适合多个设计者同时进行设计等。
四、结语
通过论述EDA技术在电子系统设计中的应用，可以看出，EDA技术“自顶向下”的设计理念，使电子设计工程师开始实现“概念驱动工程”的梦想，简化了繁琐的设计工作，极大地提高了系统设计的效率，能够满足现代电子系统的设计要求。21世纪是EDA技术的发展高速期，相信随着科学技术水平的不断进步，在不久的将来，EDA技术必将突破电子设计范畴，进入其他领域，EDA技术设计应用必将取得更辉煌的成绩。
参考文献：
[1] 潘松，黄继业.EDA技术与VHDL（第3版）[M].北京：清华大学出版社，2009.9.
[2] 王平.EDA技术的电子系统设计[J].中国科技博览，2011，（38）.
关键词：Atmega128；温度采集；机器人
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9599 （2012） 21-0000-02
1 总体设计
本项目设计的智能温度采集机器人，主要任务是对现场环境温度的实时检测，并通过无线通信技术把采集到的温度值传送回上位机控制室，当现场温度异常时实时报警，并实现上位机控制、语音控制和遥控器控制三种控制方式，同时通过传感器技术实现自动避障功能。
传统的工业控制机器人大多采用，AT89C51作为主控芯片，但由于其I/O数量少和内部存储空间小和资源有限的局限性，需要外接很多芯片实现功能扩充，这样设计的电路板电路复杂，调试困难，抗干扰能力差。本系统采用高性能、低功耗的Atmega128单片机为主控芯片，其采用精简指令集因此有显著的响应速度优势。同时集成了大存储器、多种总线控制器、看门狗等多种器件，还集成了低功耗休眠、中断系统、输入捕获等多种功能。因此将其应用与智能机器人的设计开发更加有利。
本系统包括Atmega128单片机、温度采集模块、电机驱动模块、避障功能模块、语音控制模块、无线遥控模块、及上位机控制等几个部分。
2 硬件电路设计
电路设计部分包括小汽车主控电路和遥控器电路的设计，基于成本和实际需求考虑，主控电路的主控芯片采用Atmega128单片机，遥控器电路的主控芯片采用Atmega8单片机。
2.1 温度采集模块设计。采用温度采传感器PSS8050，采集机器人所处环境的温度。把采集到的模拟信号传送给单片机，送入到Atmega128单片机自带的10位精度的A/D转换器中，进行转换得到实际的电压值，并在程序中计算得到相应的温度值。程序设计通过中断1秒钟采集一次当前温度值，并存储到相应的存储区当中，可以存储60次采集数据，之后进行更新替换。
2.2 电机驱动模块设计。实现机器人自动行走，需要电机对其底部轮子进行驱动。电机驱动部分采用LG9110，其是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使器件成本降低，整机可靠性提高。具有静态工作电流低、饱和压降低、输出电平与TTL/CMOS兼容可以直接与CPU相连接、抗干扰能力强等特点。并且两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，因此广泛应用于电机驱动和步进电机驱动等电路中。
2.3 避障功能模块设计。利用红外传感器探测机器人行驶线路中的障碍物[3]，并将探测信息传递给单片机，实现机器人的自动避障。
2.4 语音控制模块设计。采用语音识别芯片AP7003实现对特定人的语音识别，并通过I/O口将识别信息传送给单片机，单片机通过运算将音频信息转换为控制信息，实现对机器人行驶状态的语音控制。
2.5 无线遥控模块设计。本设计利用红外技术实现无线遥控机器人的功能，红外技术已经广泛应用于工业、农业和军事等遥控探测领域。红外探测器是红外系统的核心，它是利用红外辐射与物质相互作用呈现出来的物理效应探测周围物体，采用红外接收探头是TSOP2438，是一款高灵敏器件。遥控器其核心元器件实质就是编码芯片，将需要实现的操作指令例如选台、快进、停止、等事先编码，设备接收后进行解码再控制有关部件执行相应的动作。
2.6 串口通信设计。还可以利用串口把机器人存储的大量采集数据，传输到上位机的数据库中。串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议，本设计串口通信部分采用的基于232串口的通信方式，实现遥控机器人和电脑通信的目的。实际采用通信速率115200，8位数据位，无奇偶校验位，1位停止位。
3 软件程序设计
3.1 Atmega128单片机程序设计。单片机程序部分采用C语言程序设计。系统上电后，进行初始化工作，包括单片机内部（寄存器和中断等）的初始化和设备（遥控、语音控制、显示等）的初始化工作。总体程序流程如图1所示。
3.2 上位机控制应用程序设计。采用VB语言和SQL数据库编写，目的是使其具有良好的人机交互操作界面，能实现把采集到的现场数据进行实时显示给操作人员、并同时在后台进行采集数据的分析和汇总，最后存入后台数据库用以记录保存，而且一旦采集到的温度值超过了设定的界限值时立即提供报警功能，提示操作人员采取相应措施。
4 研究步骤及方法流程
5 总结
如果把本项目的无线通信模块换为Wifi、短波/超短波电台或GPRS通信模块，则可实现超远程控制，并可以对单片机遥控小汽车的功能进行扩充，例如可以设计视频采集模块，实现视频实时传输的功能，达到更好的监控现场的目的。
参考文献：
[1]史洪宇.基于单片机的多功能智能小车的设计[J].仪表技术，2010，12：16-17.
关键词：电子工程训练;专业特点;Arduino
教育部启动的“卓越工程师教育培养计划”，要求持续深化工程教育改革，加快培养适应和引领新一轮科技革命和产业变革的卓越工程科技人才。顺应社会的发展趋势，计算机专业也增设了电子工程训练课程，旨在培养学生的工程意识、实践能力和创新精神。因此，针对桂林电子科技大学计算机专业的特点和学科优势，通过完善、丰富教学内容，优化课程安排，建设一种以教师为主导、学生为主体的创新实训模式，对培养具有较强的创新能力、能够适应市场要求和社会发展需要的卓越工程师具有重要的意义。
1教学现状
目前，我校电子工程训练中心开设的《电子工程训练》课程是一门综合性较强的实践课程，是专门面向计算机科学与工程学院的计算机科学与技术专业大三的学生而开设的，实训的主要内容为：51单片机电路设计、电路板制作和调试；手工焊接练习；收音机的焊接、装配与调试。通过此次实习，学生能掌握基本的电子技术知识，了解电子产品的制作流程，实践动手能力得到进一步提高。《电子工程训练》课程在前期教改的基础上，虽然取得一定的效果，但是还是存在一系列问题：第一、实训内容陈旧。首先，收音机的焊接、装配、调试和检测等内容已延续很多年，学生机械式的进行实验，对产品的原理、设计无法理解。学生的思维活动完全限制在教师预先安排好的轨道上运行，缺乏独立思考的机会，创新精神和独立获取知识的能力得不到培养，不能激发学生的积极性和创新性，学生难以形成工程设计的整体概念。其次，51单片机电路设计、电路板制作和调试等内容在一定程度上可以激发学生的学习兴趣并发挥其创新能力，但是，51单片机功能单一，可扩展性差，开展实验有限，学生的创新力得不到充分展现，而且，使用51单片机还需要了解单片机内部硬件结构和寄存器的设置，这对于计算机专业的学生来说，在短短几天的时间里掌握并应用是有一定难度的；第二、实训各项目间联系不大，收音机和单片机是两个完全不一样的产品，除去焊接练习、考核验收的时间外，剩下的7天里要完成这两个联系不大的项目，时间有点紧张，只能完成基本的内容，导致学生自己发挥的机会较少，学生得不到创新训练的体验；第三、实习方式不够灵活，学生人数较多。基于此，对现有的《电子工程训练》教学内容和模式进行改革，构建培养工程科技人才的教学模式势在必行。
2教学改革与实施
2.1根据专业特点，为学生量身打造教学内容
桂林电子科技大学《电子工程训练》课程是一门综合性较强的实践课程，是专门面向计算机科学与工程学院的计算机科学与技术专业（含卓越班）大三的学生而开设的，学生已先学习了电工电子类课程，特长是编程，只是还未形成工程理念，把它们联系起来进行设计应用。因此，针对计算机专业的特殊性和学生个人能力的高低，为学生量身打造与专业紧密相关的综合性实习内容，把软硬件结合起来，在硬件平台上，学习能力强的学生可设计出较复杂的项目，创新能力和个人水平可得到充分发挥。传统的51单片机功能单一，扩展性差，开展实验有限，与之相比，开源硬件Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台，软硬件完全开放，从Arduino相关网站、博客、论坛里可获得大量的共享资源，学生可以不需要了解其内部硬件结构和寄存器设置，就可发挥自己的编程特长快速应用。因此，可以把Arduino的设计开发引入《电子工程训练》，老师在Arduino网站上为学生挑选某个电路图，学生用DXP软件进行PCB设计，随后制板、焊接、装配、调试，最后编写程序下载到自己调试好的Arduino电路板上，水平层次不同的学生可实现不同难度的项目。学生从硬件设计到软件调试，独立完成了一个电子产品的设计、制作、调试、开发，既培养了学生的工程意识，又使学生的创新能力、实践能力、自己解决问题的能力得到进一步提高，而且，还让学生接触到了科技的前沿。
2.2建立基于Arduino开发平台的实验室
在强化课堂教学的同时，面向学生建立基于Arduino开发平台的实验室。实习课程结束后，学生自己完成的Arduino电路板会让学生带走，为了能让学生在课程结束后还能学以致用，甚至强化，工程训练中心可以开设一个实验室，给学生提供Arduino实验开发板、面包板、面包板连接线和电子元器件，并配备稳压电源。学生可以利用面包板搭建外设电路，与学生自己的Arduino主控板进行连接，实现各种各样的功能，进一步强化学生的实践和创新能力，为学生参加科技竞赛打下坚实的基础。
2.3完善教学方法，引导学生向创新能力方向发展
不同的教学内容应用不同的教学方法，例如，在硬件电路设计环节，可采用统一授课的方式，对于制板环节，可通过学生组队的方式来完成，焊接装配则以视频和演示为主，软件编程环节，实施案例教学、项目式教学方法，注重综合性项目训练，老师以引导为主，鼓励学生独立完成创意，预留一定空间让学生自由发挥，引导学生向创新能力方向发展，强化学生工程意识。
2.4构建公平合理的多元化全面考核评价体系
评价教学效果很难采用统一的评价标准，对于实践性教学而言，更应侧重实习过程而不是结果，构建“过程体验、平时表现、创新意识、个性发展、团队合作、个人贡献”的多元化评价理念。基础阶段注重学生对工程概念和实践技能的掌握程度；综合应用阶段突显知识综合运用和创新意识的考核；创新实践环节偏重于创新能力、团队协作能力及个人贡献程度的综合考核；对自主设计实践项目、重点突出、思路清晰、方案合理、创新意识强团队给予适当加分奖励。
3总结
关键词:LED点阵; 分批显示; Proteus; AT89C51
中图分类号:TP312 文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2010)12-0029-04
Proteus Design and Simulation of LED Chinese-Character Display in Batches
LI Ping
(Zhejiang Water Conservancy and Hydropower College,Hangzhou 310018,China)
Abstract:The simulation of 16 × 16 LED dot-matrix display of Chinese character in batches with an embedded system simulation software Proteus is introduced. The hardware and software design principles about dot-matrix Chinese character display in batches are proposed in detail, the main C-language source codes and the simulation results are given. The LED display system has simple architecture, low power consumption, low cost and good scalability. LED display system significantly reduces the actual development cycle and the development cost through the pre-simulation on Proteus.
Keywords:LED dot matrix; batch display; Proteus; AT89C51
0 引 言
近年来,LED显示屏由于具有亮度高,寿命长,功耗小,性能稳定,驱动简单以及可视距离远等优点[1],已经成为新一代的信息传播媒体工具。目前,LED显示屏应用十分广泛,如证券交易显示、金融信息显示、体育场馆显示比赛信息、广告,城市广场群显示、道路交通信息显示等领域。显示汉字信息时,一般需要多个LED点阵显示组合,最常见的组合方式有8×8,16×16,32×16等。由于显示屏的显示信息有限,当显示信息较多时,一般需要进行分批显示或者滚动显示。
Proteus是目前最先进、最完整的多种型号微处理器系统的仿真设计平台,由ISIS和ARES 两个构成,其中ISIS是一款智能电路原理图输入系统软件,可作为电子系统仿真平台,ARES是一款高级布线编辑软件,用于制作PCB印制电路板。开发者可以在无硬件条件下直接使用Proteus进行电路设计和仿真调试,真正实现了在计算机中完成电路原理图设计、电路分析与仿真、系统测试到形成印制电路板的完整电子设计、研发过程[2]。因此,本课题利用AT89C51单片机作为主控制器,采用Proteus软件实现对16×16 LED点阵汉字的分批显示,仿真运行通过后再进行点阵显示电路制作,大大缩减实际开发周期,节约了开发成本。
1 硬件电路设计
在很多LED显示的场合,需要实现一系列LED点阵汉字的分批显示,为简化设计,每批只显示2个汉字,分若干次完成全部显示。利用Proteus ISIS 平台画出的硬件电路如图1所示。
该硬件电路的核心是利用单片机读取显示字型码,通过驱动电路对16×16共阴极 LED 点阵进行动态列扫描,以实现点阵汉字的分批显示。设计选用的单片机为Atmel公司的AT89C51,它是一种低功耗,高性能CMOS 8位单片机,片内含4 KB可反复擦写的FLASH ROM,采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及8051引脚结构,内置看门狗电路。功能强大的AT89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。时钟电路用于产生单片机工作时所必需的时钟信号,其中晶振频率为12 MHz。上电复位电路可保证单片机的在程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,重启运行。
显示单元是LED汉字显示屏,由2片16×16 LED 点阵模块组成。但由于Proteus 软件目前版本中还没有16×16 点阵模块,设计中采用Proteus 软件中的4个8×8点阵模块组合成1个16×16 点阵模块[3-4]。点阵汉字的阳极驱动是由单片机的P0口和P2口各自经过一片输出缓冲器74LS273向4个8×8 LED点阵输出字型码作为行驱动信号;点阵的阴极驱动由P1.0~P1.3经过4-16线译码器74HC154译码后输出列选信号[5],对4个8×8点阵进行列扫描,从而控制LED点阵的相应像素点亮。2个LED点阵汉字中的列选信号则分别由P3.0和P3.1控制来选择相应的74HC154,因此需要两片74HC154译码器。RP1为排阻,含有8个电阻,作为P0口各位的上拉电阻,以保证P0口能够输出高电平。
图1 硬件电路原理图
2 点阵汉字分批显示原理与软件设计
16×16共阴极LED点阵由4个8×8点阵构成,需要显示汉字字符串“单片机仿真!”,可通过建立数据表格的形式进行[6]。通过16×16点阵汉字字模提取软件,可提取各显示汉字的字模数据[2,7],详见程序设计中的显示字符代码表1。
在进行汉字分批输出显示时采用动态扫描驱动方式,可按行或列进行扫描。当按“列”扫描时,需要建立列的扫描代码表如下:
const uchar tab2[ ]={0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x01,0x00,0x0f,0x0e,0x0d,0x0c,0x0b,0x0a,0x09,0x08}
现以列扫描为例,阐述16×16 LED点阵汉字分批显示原理。在初始化设置(关显示)后,首先,P1送出┑1列扫描代码,同时使P3=0xFD选中U2的74HC154和U4,对P0输出段码给左边汉字上半部的第1列以驱动相应段点亮;接着,使P3=0xFA选中U2的74HC154和U5,对P2输出段码值给左边汉字下半部的第1列以驱动相应段点亮,即送出了第一个汉字“单”的第1列的字模数据(16位段码值);再设置P3=0xF5选中U3的74HC154和U4,对P0输出段码给右边汉字的上半部的第1列以驱动相应段点亮。接着,使P3=0xF9亦选中U3的74HC154和U5,对P2输出段码值给由边汉字下半部的第1列以驱动相应段点亮,即送出了第2个汉字“片”的第1列的字模数据(16位段码值)。然后,给P1送第2列的扫描代码,同理再送出第1个汉字“单”、第2个汉字“片”的各自第2列的字模数据,…如此进行,经过16次列扫描,分时送完两个汉字的各自16个段码值,就可显示第1批汉字“单”、“片”;再进行第2批汉字“机”、“仿”的显示;…,直到汉字字符串显示完成。若字符显示完毕,又从头开始循环显示。LED点阵汉字分批显示的程序流程如2所示。在某一时刻,只有1行或1列发光二极管被对应的字模数据驱动点亮,但只要扫描间隔时间合适(一般为数毫秒),利用人眼的视觉暂留特性,看上去整批字符就显示在LED点阵显示器上。
主要的C语言源程序如下:
#include "reg51.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
code uchar tab1[ ]={ //显示的字符代码表
0x00,0x10,0x00,0x10,0x1f,0xd0,0x14,0x90, //“单”
0x94,0x90,0x74,0x90,0x54,0x90,0x1f,0xff,
0x14,0x90,0x34,0x90,0xd4,0x90,0x54,0x90,
0x1f,0xd0,0x00,0x10,0x00,0x10,0x00,0x00,
0x00,0x01,0x00,0x02,0x00,0x0c,0x7f,0xf0, //“片”
0x08,0x80,0x08,0x80,0x08,0x80,0x08,0x80,
0x08,0x80,0xF8,0x80,0x08,0x80,0x08,0xff,
0x08,0x00,0x18,0x00,0x08,0x00,0x00,0x00,
0x10,0x20,0x10,0xc0,0x03,0x00,0xff,0xff,//“机”
0x12,0x00,0x11,0x82,0x10,0x0C,0x00,0x30,
0x7F,0xc0,0x40,0x00,0x40,0x00,0x40,0x00,
0x7F,0xfc,0x00,0x02,0x00,0x1e,0x00,0x00,
0x02,0x00,0x04,0x00,0x08,0x00,0x37,0xfe, //“仿”
0xe0,0x02,0x50,0x04,0x10,0x18,0x10,0x60,
0x9f,0x80,0x51,0x08,0x71,0x04,0x11,0x02,
0x11,0x04,0x33,0xf8,0x11,0x00,0x00,0x00,
… }; “真”,“!”字符代码此处略
const uchar tab2[]={0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,//扫描代码表
0x02,0x01,0x00,0x0f,0x0e,0x0d,0x0c,0x0b,0x0a,0x09,0x08};
void delay(uint n)//延时函数
{uint i;
for (i;i
void main( )//主函数
{int j=0,q=0,y=0;
ucharr,t=0;
P0=0x00;
P3=0xff;//初始化设置
while(1)
{for(r=0;r
for (j=q;j
{ P1=tab2[t]; //输出列扫描码
P3=0xf6;
P0=tab1[j]; //选中U2和U4,输出段码给左边汉字的上半部某列
j++;
P3=0xfa;
P2=tab1[j];//选中U2和U5,输出段码给左边汉字的下半部某列
delay(250);
y=j+31;
P3=0xf5;
P0=tab1[y]; //选中U3和U4,输出段码给右边汉字的上半部某列
y++;
P3=0xf9;
P2=tab1[y]; //选中U3和U5,输出段码给右边汉字的下半部某列
t++;
delay(250);
if(t==16)t=0;} //判断是否显示完两个汉字的各自16列
q=q+64; //指向下一批汉字字符,准备显示
if(q==192) q=0; }}//判断是否显示完该字符串
3 程序调试与仿真
(1) 生成目标代码文件。利用Proteus 平台在进行仿真时,需要加载程序到单片机中,加载的程序为目标代码文件.HEX。方法是:利用单片机软件仿真系统Keil UVsion3,在新建项目中选择AT89C51单片机作为CPU,同时将创建C语言源程序文件并将其加载到新建项目中。在“Project”下拉菜单中,选择“Options for Target”对话框,在对话框中选中“Output”选项卡中的“Create HEX File”选项。在“Project”下拉菜单中选择“Rebuild all Target Files”选项,编译成功后将生成.HEX目标代码文件[8]。
(2) 调试与仿真: 在Proteus ISIS 平台中,按图1画出硬件电路,单击鼠标右键将AT89C51单片机选中并单击鼠标左键,弹出“Edit Component”对话框,在其中的“Clock Frequency”栏中设置单片机晶振频率为12 MHz,在“Program File”栏选择生成的.HEX文件。保存设计,生成.DSN文件。在“Debug”菜单中选择“Execute”,可得到仿真运行效果[9]。仿真调试成功后,可看见“单片机仿真!”点阵汉字的分批显示。显示次序为“单片-机仿-真!”,其中“机仿”如图3所示。通过Keil 与Proteus 的联合调试取得了良好的效果。
图2 程序流程图
图3 仿真效果图
4 结 语
在嵌入式系统仿真平台Proteus 的基础上,实现对16×16 LED点阵汉字分批显示的仿真设计,实现了“单片机仿真! ”六个汉字的分批显示,达到了良好的设计效果。该仿真电路接近于实际电路,再使用Proteus ARES软件在仿真原理图的基础上直接绘制PCB电路板,即可以制作出实际的点阵式LED 分批汉字显示屏。该显示屏电路结构简洁,可靠性高,成本低且易于实现,软件通过适当修改即可实现其他显示功能如滚动显示等[10],显示灵活,适用领域广泛。通过Proteus的前期仿真为LED显示屏系统的设计开发大大缩短了开发周期,降低了开发成本,同时也为单片机应用系统、电子电 路的开发设计等提供了一种崭新的设计方法和有效手段。
参考文献
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【关键词】图形处理；DSP；MATLAB；电气参数
一、序言
随着电气产业的日益普及和广泛使用，在电气产品设计过程中，如何精确选型避免过设计，成为电子电器产品规划、设计、销售人员越来越关注的问题。同时当今是信息化社会，图像是电子电器行业获取信息的最重要的来源之一。本文提出结合MATLAB来开发DSP系统的思想，阐述了实现该思想的两种工具，并详细介绍了使用MATLAB Link for Code Compo-ser Studio辅助DSP设计的相关内容，包括其功能特点、实现方式、工作原理等。最后结合典型的FIR滤波器实例，探讨了使用该工具的方法，并设计了图形用户界面。结果表明应用MATLAB辅助开发DSP系统可以发挥二者的优势，缩短开发周期，降低开发门槛，优化开发过程。
二、具体分析
1.总体思路
数字信号处理（Digital Signal Proc-essing，简称DSP）是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。MATLAB具有强大的计算、分析和可视化功能，但MATLAB语言是解释执行的，执行速度较慢；而DSP是为了完成实时数字信号处理任务而设计的，算法的高效实现是DSP器件的显著特点，但是其开发门槛高[1]。如果能把MATLAB和DSP开发工具结合在一起，取长补短，相辅相成，将是DSP设计人员梦寐以求的一种新的开发思想。MATLAB Link for Code Composer Studio可以实现这一要求。
本文利用matlab的图形处理功能[2][3]，找出图形上的点代表的坐标，并根据坐标轴的数值范围，确定图形上的点代表的X、Y数值。对图形上点所对应的X、Y值，做多项式拟合，计算出在坐标轴的数值范围内X、Y。令数值的方程Y=f（X）。利用MATLAB Link for Code Composer Studio，进行DSP算法移植，最终实现通过摄像头采集电气参数图像信息，显示器显示电气参数图像的曲线拟合结果。
2.实施方法
（1）功能划分及逻辑框图
系统按功能可分为电源模块、视频切换、存储器模块、DSP、视频输入模块、视频输出模块六个部分。
（2）关键技术点
由于SDRAM在PCB板上的布局、布线属高速数字信号设计，设计过程与低速电路不同，需要考虑电路中的反射、串扰、电磁干扰等现象，其设计的好坏直接影响系统性能，甚至使系统失效，所以该部分设计为系统硬件电路设计关键点之一；针对该问题，在设计过程中要遵循一些基本的高速信号设计规则，DSP至SDRAM的数据线与地址线作等长布线，PCB设计完成后，进行性能仿真。
电源设计：该系统的电源模块主要由开关电源（BUCK）、线性电源组成，开关电源器件（如储能电感、续流二极管等）的选择、布局、走线，决定了电源模块的稳定性和EMC性能，所以该模块设计为系统硬件电路设计关键点之一；针对该问题，在设计过程中要遵循环路面积最小原则，并注重散热结构设计。
（3）关键元器件选型分析
（a）DSP：采用高性能数字多媒体处理器TMS320DM642，最高主频可达720MHz。
（b）Flash：选用SPANSION S29GL128S-90TF102，128Mbit FLASH芯片。
（c）SDRAM：根据算法要求，每个摄像头在SDRAM中存放4帧数据，本设计采用1片ISSI生产的IS42S32800B（256-Mbit）。
（d）LM22676：该系统控制器在短时间耐电压测试过程中，电压值为24V，控制器工作电流≤1A。根据以上参数，可选择开关电源LM22676。
三、工作实例分析
1.工作流程
（1）视频信号通过摄像头采集；
（2）采集信号通过视频解码传给DSP处理；
（3）对采集的图像进行灰度、二值化处理、边缘提取、滤波等一系列算法处理；
（4）利用上述算法对处理后的图像进行电气参数图形提取；
（5）对提取的电气参数图形进行多项式拟合[4]；
（6）通过显示器，件拟合的结果显示，以备后续设计开发使用。
至此，电气参数图中信息被matlab读出，转换成函数关系方便后续工程上使用。经过验证，计算得出的数值和原图符合。
2.细节分析
（1）使用多项式拟合矩阵DL和矩阵ZS的函数DL=f（ZS），经过测试，6此多项式在一定的取值范围内，准确率最为合适，下面以实际情况来分析此细节问题；
（2）2次多项式：p=polyfit（ZS，DL，2）；
（3）3次多项式，将p=polyfit（ZS，DL，2）改为p=polyfit（ZS，DL，3）；
（4）4次多项式，将p=polyfit（ZS，DL，3）改为p=polyfit（ZS，DL，4）；
（5）5次多项式，将p=polyfit（ZS，DL，4）改为p=polyfit（ZS，DL，5）；
（6）6次多项式，将p=polyfit（ZS，DL，5）改为p=polyfit（ZS，DL，6）；
（7）7次多项式，将p=polyfit（ZS，DL，6）改为p=polyfit（ZS，DL，7）；
经过以上分析，6次多项式精度已经较为理想，满足实际工程使用精度需求，无需使用7次多项式拟合。
四、小结
本文提出结合MATLAB来开发DSP系统的思想，阐述了实现该思想的两种工具，并详细介绍了使用MATLAB Link for Code Composer Studio辅助DSP设计的相关内容，基于DSP的图形识别和处理，直接读取图形信息，有效的提升了读图的精度与速度，能有效优化供应商及零部件选型、提升设计质量、降低售后风险，整个系统易于手持使用，特别是在工业现场可以直接使用，在实际工程项目中有着极佳的使用前景。
参考文献
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关键词： 断路器； 在线监测； 硬件设计； 软件设计
中图分类号： TN710?34； TP21 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）03?0100?05
Design of online monitoring system for breaker status based on closing coils signal
BIAN He?ying， DAI Ke?jie
（College of Electrical and Information Engineering， Pingdingshan University， Pingdingshan 467000， China）
Abstract： Aiming at the research status and deficiencies of online monitoring technology for high voltage circuit breaker， an online monitoring system for high voltage circuit breaker status based on the current signal of the closing coil is provided. The hardware circuits and online monitoring soft were designed. The system can realize collecting， converting， filtering， amplifying and analyzing the real?time current signals quickly， and also can calculate a lot of parameters such as the close?open time， close?open velocity， switching path， close?open path and overshoot distance， which can judge the types of action of the high voltage circuit breaker， and the monitoring results can be displayed on the PC monitor interface. Experiment and actual operation shows that the system has the advantages of better real?time， fully data monitoring， high reliability and high anti?disturbance.
Keywords： circuit breaker； online monitoring； hardware design； software design
0 引 言
随着电力系统的容量与能量需求的不断增加，电力设备的安全运行显得越来越重要。高压断路器是电力系统中最重要的开关设备，能够根据电网运行的需要可靠的投入或切除相应的线路或电气设备，在电网中能起到控制和保护作用。当发生故障时能够及时将故障线路或电气设备从电网中快速切除，如果高压断路器不能及时开断线路、消除故障，就会使事故扩大造成严重后果[1?2]。因此高压断路器工作的可靠程度、性能的好坏是决定电力系统安全运行的重要因素。
目前，我国变电站对高压断路器的检修主要是定期检修，但对高压断路器定期检修制度的盲目性大且需要拆卸，常常在拆卸和安装过程中会带来新的问题[3]。因此对高压断路器必须实行在线状态监测，实时监测其运行状态，为设备是否需要状态检修提供依据。
一些发达国家对高压断路器的在线状态监测技术已日趋成熟。比如美国德克萨斯电力公司的便携式断路器分析仪、ABB公司开发的SF6断路器状态监测系统、日本东京电力公司和东芝公司联合开发的GIS在线监测系统等[4]。目前我国还没有很成熟的断路器状态监测产品，但一些单位在这方面已做出了有益的探索，如清华大学开发的高压断路器状态监测系统，华中理工大学和湖南省电力局联合研制的高压断路器机械特性在线监测系统等[5?6]。根据各种资料和文献的报导[7?10]，目前高压断路器的在线监测技术仍存在如下几个突出问题：在线监测选择的传感器不够精确，诊断精度不高；数据的保存、处理等不系统，缺乏科学的管理，无法根据利用断路器运行的历史对故障做出合理的判断；在线监测装置模块寿命过短，安装维护困难，价格过高而精度不够高；以往在线监测装置所关心的是机械参量的计算结果，而对机械运动的过程关心不多。
基于此，针对目前高压断路器研究的现状和不足，结合国内外高压断路器在线监测技术的最新研究成果，设计开发了一套高压断路器在线监测装置。
1 系统总体结构及方案设计
本设计主要包括硬件设计和软件设计，硬件设计主要包括信号调理电路、隔离放大电路、AD7606应用电路以及AD7606与STM32的接口电路；软件设计主要是高压断路器智能在线监控软件的设计。具体的系统总体结构框图如图1所示。
图1 系统总体结构框图
设计方案如下：首先将采集到的高压断路器分合闸线圈电流信号通过信号调理部分的滤波、转换等作用变成电压信号；其次通过隔离放大电路将此电压信号放大到AD7606端口所需的电压；再通过AD7606将电压信号转换成数字信号并输入到STM32微处理器中，利用STM32的计数器实现编码器的脉冲计数，进而测量出高压开关触头行程；最后STM32将测到的电流数据和行程数据经过处理后通过RS 422接口传给上位机PC，并在监控界面上显示。
2 系统硬件电路设计
2.1 信号调理电路设计
信号调理电路首先将电流传感器采集到的高压断路器的分合闸电流信号通过电阻[R104]将此信号转化成相应的电压信号，然后经三端滤波器FP100将此电压信号输入到模拟运算放大器，通过模拟运算放大器AD822将电压信号放大[K]倍后把信号传输给隔离放大器电路，其中[K=1+R101R100=10。]信号调理电路如图2所示。
2.2 隔离放大电路设计
设计的隔离放大电路如图3所示。
此电路最重要的部分是IC100隔离放大器，其内部封装元件是ISO124，它是一种新的占空比调制解调技术的精密隔离放大器，采用匹配1 pF隔离电容进行输入输出的隔离，并整体嵌入塑料封装内。IC100的每一个电源引脚都要接一个1 μF的电容，电容应尽可能地靠近放大器，其内部频率设定为500 kHz，为把DC/DC转换器馈通噪音减至最低，在电源端设计了一个л型过滤器。ISO124放大器传输信号通过一个500 kHz占空比调制技术穿过一个隔离电容。对于输入信号低于250 kHz的频率，这种系统的工作就像任何一个线性放大器的工作，但是对于频率高于250 kHz，其工作的情况与采样放大器相似。
图2 信号调理电路
图3 隔离放大电路
2.3 AD7606应用电路
设计选用16位、8通道同步采样模数数据采样系统AD7606，其内部包括模拟输入位保护、跟踪保持放大器、16位电荷再分配逐次逼近型模数转换器、灵活的数字滤波器、2.5 V基准电压源、基准电压缓冲以及高速串行和并行接口。AD7606的应用电路如图4所示。
图4中[V1、][V2、][V3]和[V4]分别是由信号调理电路经隔离放大后输出的主分电压、副分电压、合闸电压和储能电机电压，作为AD7606的输入信号。[RP80]和[RP81]构成上拉电阻。电容[C84、][C83、][C80]等可实现退耦作用，为AD7606提供所需的稳定电压。AD7606数字端口使用的+3.3 V的电压，与STM32使用同一路电源，模拟部分电压AVCC由模块电源输出的5 V电压经滤波后提供。
2.4 AD7606与STM32的接口电路
STM32和AD7606接口电路如图5所示。
图5 AD7606与STM32接口电路
图5中STM32的28脚和AD7606的CONVST脚相连，用于启动AD7606进行A/D变换；STM32的24脚和AD7606的BUSY?AD相连，实现对AD7606转换状态的识别，AD7606转换未完成时，引脚为低电平，转换完成后，变成高电平；STM32的25脚和AD7606的CS?AD脚相连，用于选择AD7606；STM32的27脚和AD7606的RD?AD脚相连，用于读取AD7606变换后的数据。
3 系统软件设计
3.1 断路器故障监测原理
高压断路器一般都是以电磁铁作为操作的第一级控制件，而且基本上以直流电源为控制电源，故直流电磁线圈的电流波形中包含着诊断机械故障的重要信息。线圈的直流供电电路如图6所示。图6中[L]的大小取决于线圈和铁芯铁轭等的尺寸，并与铁芯的行程[S]（即是铁芯向上运动经过的路程）有密切关系，其值随着[S]的增加而增加，如图6所示。
设铁芯不饱和，则[L]与[i]的大小有关，电路中开关K合闸后，由图6电路得：
[u=iR+dwdt] （1）
式中：[w]为线圈的磁链，[w=Li，]于是，上式可变为：
[u=iR+dLidt=iR+Ldidt+idLdSdSdtu=iR+Ldidt+idLdSv] （2）
不同[S]处的[dLdS]即为如图7曲线在[S]处的斜率[tan?；][v]为铁芯的运动速度。图8为高压断路器操作时，线圈中的典型电流波形随铁芯运动的变化过程可分为以下四个阶段。
图6 断路器分合闸电路
图7 L?S曲线
图8 线圈电流波形
（1） 铁芯触动阶段：在[t=t0～t1]的时间段，[t0]为断路器分（合）命令到达时刻，是断路器分、合时间计时起点；[t1]为线圈中电流、磁通上升到足以驱动铁芯运动，即铁芯开始运动的时刻，这是指数上升曲线，对应图8中[t0～t1]的电流波形起始部分。
（2）铁芯运动阶段：在[t=t1～t2]间，铁芯在电磁力的作用下，克服了重力、弹簧力等阻力，开始加速运动，直到铁芯上端面碰撞到支持部分停止运动为止。根据这一阶段的电流波形，可诊断铁芯的运动状态，例如铁芯运动有无卡涩以及脱扣、释能机械负载变动的情况。
（3）触头分、合闸阶段：在[t=t2～t3]间，铁芯已停止运动。这一阶段是通过传动系统带动断路器触头分、合闸的过程。[t2]是铁芯停止运动的时刻，而触头则在[t2]前后开始运动，[t3]为断路器辅助接点切除时刻， [t3～t0]或[t3～t2]可以反映操作传动系统运动的情况。
（4）电流切断阶段：[t=t3]时，辅助接点切断后开关K断开，在其触头间产生电弧并被拉长，电弧电流[i]随之减小至零直至熄灭。
综合以上几个阶段情况，通过分析[i]的波形和[t1，][t2，][t3，][I1，][I2，][I3]等特征值可以分析出铁芯启动时间、运动时间、线圈通电时间等参数，从而得到铁芯运动和所控制的启动阀，铁闩和辅助开关转换的工作状态，即可以监测操动机构的工作状态，进而预测故障。
3.2 系统软件设计流程
系统软件设计思路：当STM32处理器、AD7606、串行接口和编码器接口初始化后，先经A/D采样后将数据信息暂存在环形存储器，判断所得数据是否大于阈值，然后将大于阈值的数据再次经A/D采样，存储在正常数据缓冲区中。当采样次数大于等于2 000时，就将数据进行处理并发送到上位机。系统软件设计流程如图9所示。
图9中环形存储器只存储500个数据且只存储最新的500个数据，即可存储最近的100 ms数据，正常数据缓冲区提供3 000点的存储容量，提供600 ms的实时数据，两个数据缓冲区的数据进行拼接，可以完整记录断路器动作一次时操作机构各个线圈电流的变化。
3.3 断路器智能在线监测系统设计
本系统软件是利用C++语言设计的断路器智能在线监测系统，能够对本系统硬件处理后的数据在上位机上可视化显示的软件。设计软件中包括基本设置、设备参数、算法选择、建立连接、分析数据、消除报警、导出数据、用户管理等功能，本界面通过和下位机的连接将采集的数据传送显示出来，并将采集的数据送入数据库，数据库中以表的形式存储数据。高压断路器智能在线监测系统界面如图10所示。
图9 系统软件设计流程
图10 断路器智能在线监测系统界面
图10为采集信号后的分析图，通过对采集的信号进行分析，可以给出前述各个过程的时间点，计算各个过程的特征值，同时可以对动作类型进行判断，计算分合时间、分合速度、开关超程、分合行程、过冲距离等参数。
3.4 系统的功能、可靠性测试及应用
系统设计完成后进行了功能和可靠性测试，为此专门设计了模拟测试系统。模拟电路采用三个霍尔传感器，模拟实际过程中的主分线圈电流、副分线圈电流，合闸线圈电流，另外用了陶瓷电阻和电容，模拟电流的上升情况。此外还设计了一套触发装置，能输出三路开关量，该装置能每隔3 min触发一次，依次触发合闸线圈电流传感器、主分线圈电流传感器和副分线圈电流传感器，主要模拟断路器的分合。
功能性试验共进行了3 000次，试验结果表明设计的系统动作可靠、稳定、抗干扰能力强，符合系统的设计要求。
断路器故障监测系统通过了各种功能测试、可靠性测试以后，于2012年8月在平高集团高压试验大厅进行了试验测试，并应用在公司首台252智能GIS（Gas Insulated Switchgear）上。
4 结 语
变电站综合自动化是智能电网目前发展的方向，而实现高压断路器的状态参数监测的智能化是智能电网的一项重要内容，为此本文设计了一种基于分合闸线圈电流信号的高压断路器状态在线监测系统。该系统能够快速实现对实时数据的采集，能对分合闸线圈的电流信号进行转换、滤波、放大、存储和分析，能够计算分合时间、分合速度、开关行程、分合行程、过冲距离等参数，并能够对高压断路器的动作类型进行基本的判断。实验和实际运行表明该系统具有实时性好、监测数据全面、操作性和抗干扰能力强等优点。本系统目前已经在平高集团首台GIS252上投入运行。
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关键词:单片机;碰撞;报警;检测
中图分类号:TP274+.53文献标识码:A
文章编号:1004-373X(2009)19-166-02
Design of Automobile Anti-collision Alarming System Based on Single Chip Computer
MA Yongxiang
(Shaanxi University of Technology,Hanzhong,723003,China)
Abstract:With rising of living standard,the number of cars increased every day,so cars driving safety is particularly important.The system of automobile anti-collision alarming system based on single chip SB5027 is introduced,it can auto detect distance frontage and rear fraise,when reach critical security distance,alarming of sound and light are given,the system hardware composition and software project are showed,Experiment results prove validity and veracity.
Keywords:single chip computer;collision;alarming;detection
随着社会经济的不断进步和高科技的飞速发展,在日常工作和生活中,汽车已成为人们理想的交通工具。汽车在带给人们方便的同时,也使得交通事故频繁发生,并由此造成了人员伤亡及经济财产的损失,因此汽车驾驶的安全性已经成为人们关注的焦点。汽车的碰撞安全技术是汽车安全技术中最难也是最核心的部分[1-3],对公路交通事故的分析表明,80%以上的车祸是由于驾驶员反应不及引起,超过65%的车辆相撞属于追尾相撞,其余则属于侧面相撞[4,5]。为了减少汽车事故的发生,给拥有汽车的用户提供安全感,研制一种简单可靠,使用方便,能自动检测距离,发现汽车距离障碍物小于安全距离时给驾驶员发出报警提醒的安全系统具有实际意义。由于超声波检测具有快速准确性等优点[6],因此,本设计采用超声波检测芯片来实现碰撞预警功能。
1 汽车防碰撞报警器硬件设计
根据产品性价比和实际需要,选用中易电测研究所研制的智能化超声波测距集成电路芯片SB5027,它采用CMOS制造工艺,片内具有比较器,标准40 kHz超声波发生器以及回波响应脉冲接收器,集有动态数码显示信息输出、操作键盘、数据存储、参数设定等功能[7,8]。将SB5027用作距离检测时有以下特点:动态数码跟踪显示;可以对距离上限、中限、下限值等参数设定;可以对距离、时间、定时等报警允许参数设置;最大量程及最小分辨率均由用户设置;支持增值测距功能。系统硬件结构设计如图1所示。系统由超声波发射电路、超声波接收电路、键盘显示电路、核心功能芯片,辅助电路(复位电路和晶振电路)及报警电路等组成。
图1 系统硬件设计图
1.1 超声波测距原理
超声波测距的基本原理同声纳回声定位法的原理基本相同。超声波发生器不断的发出40 kHz超声波,遇到障碍物反射回反射波,超声波接收器接收到反射波信号,并将其转变为电讯号[9,10]。测出发射出去的发射波与收到的反射波的时间差T,即可求出距离:
S=(1/2)CT
式中:C为超声波音速,
又:
C= yp/p0
式中:y为气体的绝热体积系数(空气为1.4);p为气体的气压(海平面为1.013×106 Pa);p0为气体的密度(空气为1.29 kg/m3)。
对于1 L空气,质量为m,体积为v,密度p=m/v。
故:
C=yp/p0=ypv/m
对于理想气体,有:
pv=273RT
式中:R为摩尔气体常数;T为绝对温度。
C=yRT/m
由于y,R,m均为已知常数,故声速C仅与温度有关,若温度T不变,则声音在空气中的速度与气压无关。在0 ℃时C0=331.45 m/s。
对于任意温度,有:
ci/co=Tl/273
即:
ci=331.45Tl/273
1.2 声光报警、无线信号发射和接收电路设计
汽车防碰撞报警检测,采用超声波传感器。超声波传感器由超声波发射电路和超声波接收电路组成。
超声波发射电路由施密特触发器、变压器、发射传感器T探头组成。由于SB5027内部有标准40 kHz的超声波发生器,所以直接引其内部信号(由引脚SONIC OUT引出),但是该信号较弱,在发射电路部分还必须将信号放大。此信号经过两个施密特反向触发器串接,同时通过分压电阻使NPN型晶体管VT导通,并把输出端的电压脉冲信号反馈到变压器上,经过升压变压器将电压信号增大,来驱使发射型T40传感器向外发射40 kHz的超声波,电路图如图2所示。
图2 超声波发射电路
超声波信号接收处理是测距系统的关键技术之一。由于超声波接收电路将探头输出的微弱信号放大到足够驱动,控制后级电路,所以接收电路主要解决接收信号的表面会出现漫反射现象,因此接收电路主要解决接收信号的稳定性,即接收信号的自动增益控制问题。由于发射信号接触物体表面的一部分比较弱,同时由于被测距离的远近会引起反射信号幅度上的不均等。为消除上述缺陷的影响,接收电路应具有信号放大和自动增益控制功能。设计中选用芯片LM331来完成电压/频率的装换。超声波接收器R将接收到的反射波通过电容和电阻滤波后经过LM331转换成电压,再经两个反向施密特触发器串接将LM331装换过来的电压放大整形后送至SB5027的ECHO IN 端,电路图如图3所示。
图3 超声波接收电路
报警电路在测距越限时,由SB5027的BELLOUT端输出高电平使晶体管VT1导通, 将报警器接通电源并发出报警声。电路图如图4所示。
图4 报警电路
2 软件系统设计
报警器软件设计流程图如图5所示。
图5 软件流程图
系统通电后,主程序完成初始化工作,包括存器置初值等。当汽车处于工作状态时,安置在汽车前后的报警装置会采集现场信号,传送给SB5027单片机。单片机接收的信号进行处理、运算、比较,正常时,报警器不报警;如果与下限比较产生了越限,则产生声光报警信号,提醒驾驶员采取相应措施。
3 结 语
本设计的汽车防碰撞报警器,充分利用了SB5027的内部资源,进行数据处理和时控制功能,使系统工作处于最佳状态,提高了系统的综合反映灵敏度。报警及时,实现了防碰撞功能控制。实践证明该系统使用效果优于其他报警器,且具有体积小、使用方便、操作简单等特点。
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关键词：海上浮体 航向姿态 ARM HMR3000
Abstract： With the requirements of measuring seaborne floating body attitude and course，a professional measurement device was developed in this paper. An ARM controller of STM32F407VGT6 was used as the control core. Time information was obtained with Beidou UM220-IIIN，which is a GPS dual-mode positioning timing module. The measured data were stored in a SD card for convenience. Overall design of the device including software and hardware is also stated and the schematic diagram and parts of branching program were displayed in our paper.
Key words： seaborne floating body； attitude and course； ARM； HMR3000
梦乃傅暮I细√遄ㄓ糜诮懈呶O招缘暮I咸厥庾氨秆槭占觳馐匝槿挝瘛J匝槭贝钤囟嘀中秃诺募觳庾氨覆⑶沂匝楣讨形奕酥凳亍S捎谑艿椒纭⒗擞俊⒑A鞯裙餐饔？浮体的航向姿态随时处于变动状态。根据承担的军事测量使命要求，需获取浮体的实时航向姿态数据，用于事后修正测量装备所获取的测量数据。根据试验需求，设计开发了基于ARM的海上浮体航向姿态测量仪。
1 总体组成及软硬件实现途径
1.1 总体组成
基于HMR3000的海上浮体航向姿态测量装置由主控ARM芯片STM32F407VGT6、HMR3000模块、SD卡电路、UM220-IIIN电路和电源电路组成，原理框图如图1所示。
1.2 硬件设计说明
1.2.1 电源电路
电源模块选择LM2576系列降压型开关稳压器，降压开关稳压器LM2576最高输入电压为40 V，该系统采用12 V的蓄电池供电，输入电压符合稳压器要求。电源电路如图2所示[1-2]。
图2中的J1是电源接入插座，D1为IN5406，起到极性保护作用，当输入电压接反时，电路不工作，不会烧坏电路板上的电子元器件，C3、C3构成输入电源滤波电路。图2中的U2是开关电源芯片LM2576-5.0，它将12 V输入电压变换成5.0 V的直流电源VCC输出，HMR3000模块供电。D2、L1、C7、C5构成LM2576-5.0芯片的电路。图2中的U3是开关电源芯片LM2576-3.3，它将12 V输入电压变换成3.3 V的直流稳定电压输出，为ARM芯片和SD卡电路供电。D3、L2、C8、C6构成电源芯片LM2576-3.3的电路。
1.2.2 HMR3000模块接口电路设计
该设计选择美国Honeywell公司生产的数字罗盘模块HMR3000，实现航向姿态数据的采集。数字罗盘HMR3000使用磁阻传感器和两轴倾斜传感器来提供航向姿态信息，其航向的精度为±0.5°，分辨率为±0.1°，俯仰角和滚动角精度为±0.4°，分辨率为±0.1°。模块采用NMEA0813语句传输数据，包括3类标准信息（HDG、HDT和XDR），3类专用语句（HPR、RCD和CCD）[3-5]。HMR3000模块接口电路如图3所示。
图3中STM32F407VGT6的UART1用于和电子罗盘HMR3000通信。图3中的接口端子COM2是DB9接口，用于连接HMR3000，5 V稳压电源通过引脚8输入，HMR3000供电也可以通过引脚9输入6～15 V的非稳定电源。图3中的U4是TTL电平与RS232电平互换芯片。HMR3000有4种工作模式：连续、选通、睡眠和校准。HMR3000可在连续和选通模式下工作。在连续模式下，HMR3000以可组态的速率输出罗盘主动提供的NMEA标准信息，而在选通模式下，则根据用户控制电路的申请输出。
软件编写时，采用HMR3000出厂时的默认设置，即通信波特率为19200bps，1位停止位，8位数据位、无奇偶校验位和1位停止位。通过用户控制申请获取数据。该设计只读取NMEA语句中的$PTNTHPR语句，读取方法是ARM通过UART1接口向HMR3000发送语句$PTNT，HPR， 模块回送$PTNTHPR语句。具体为ARM发送语句的具体内容为：“$PTNT，HPR*78＼r＼n”，模块回应语句的具体内容为：“$PTNTHPR，85.9，N，-0.9，N，0.8，N*2C＼r＼n”。回应数据中：85.9为航向角，-0.9为俯仰角，0.8为滚动角。
根据以上分析进行ARM程序编写，首先对UART1进行初始化，初始化子程序片段如下[4]：
程序中的一维数组g_quer_HPRdata[i]在程序的头文件中定义为：
uint8_t g_quer_HPRdata[15]="$PTNT，HPR*78＼r＼n"。
1.2.3 SD卡接口电路设计
该设计存储电路采用SD卡方式实现，ARM芯片STM32F407具备SDIO（Secure digital input/output interface）接口用于读写8G以下的Micro SD卡。SD卡接口电路如图4所示[1-6]。
图4中的J4为Micro SD卡插座，Micro SD卡的引脚7、8、1、2是数据接口，连接到STM32F407的PC8、PC9、PC10、PC11，Micro SD卡的引脚3是命令/回应接口，连接到STM32F407的PD2，Micro SD卡的引脚5是时钟接口，连接到STM32F407的PC12，Micro SD卡的引脚9是卡检测接口，连接到STM32F407的PC13，用于检测有无SD卡插入。
该设计通过在STM32F407移植R0.09版本的FATFS文件系统，实现对SD卡的读写。FatFs Module是一种完全免费开源的FAT文件系统模块，专门为小型的嵌入式系统而设计，它完全用标准C语言编写，所以具有良好的硬件平立性，可以移植到8051、PIC、AVR、SH、Z80、H8、ARM等系列单片机上而只需做简单的修改。它支持FATl2、FATl6和FAT32，支持多个存储媒介；有独立的缓冲区，可以对多个文件进行读/写[6]。
该系统直接将以前移植过的FATFS源代码拷贝过来使用，就是将 ff.c文件添加到工程文件夹中，新建diskio.c文件，在diskio.c文件中实现五个函数：
disk_initialize （BYTE）；//卡的初始化。
disk_status （BYTE）；//获取卡的状态。
disk_read （BYTE，BYTE*，DWORD，BYTE）；//从读取数据。
disk_write （BYTE，const BYTE*，DWORD，BYTE）；//写数据disk_ioctl （BYTE，BYTE，void*）；//获取卡文件信息。
1.2.4 UM220-IIIN模块电路设计
授时模块选用和芯星通的BD2/GPS双系统精密授时产品UM220-IIIN。该模块为高性能SoC芯片，能够同时支持BD2 B1、GPS L1两个频点，其1PPS精度为20 ns。UM220-IIIN模块包括2个可配置的串口，默认波特率为9 600 bps。2个串口波特率均可由用户自行配置，最高可设为230 400 bps。输入/输出信号类型为LVTTL电平。UM220-IIIN模块电路如图5所示。
图5中ANT1为北斗/GPS双模天线接入端，图5中ARM芯片通过UART2和UM220-IIIN通信。授时模块的1PPS输出接入ARM芯片的PD0端。ARM嵌入式程序编写时，如果授时模块没有锁住卫星则使用ARM内部的RTC作为时间信息，如果授时模块锁住了卫星则通过UART2接收中断读取授时模块输出的“$GPGGA”和“$GPRMC”两条NMEA语句，取出日期和时间信息，并以PD0输入的1PPS信号上升沿作为准时刻点，定时200 ms读取和存储一帧数据。
1.3 软件设计思想
该系统的ARM程序采用C语音编写，可读性强，存于ARM芯片STM32F407VGT6内部的FLASH存储器中，软件系统流程如图6所示。
程序初始化结束后，ARM微处理器处于定时读取航向姿态状态，定时200 ms读取一帧航向姿态数据，读取的数据存入SD卡内。SD卡内数据的存储格式为：“编号、时间、航向、俯仰、横滚”的顺序，例如：“8 2016/03/20 11：19：40：20 312.5 0.6 -1.4”表示第8条记录，时间是2016年03月20日11时19分40秒20毫秒，航向312.5°，俯仰0.6°，滚动-1.4°。
2 测量结果分析
测试方法：将航向姿态测量仪放置在倾斜度在0～15°可调节的单轴滑台上，滑台上同时放置一个测量精度为0.1°的Bevel Box数字测角仪作为真值。先测试俯仰角，调节滑台到测角仪显示为0.0°，航向姿态测量仪加电开始测量记录数据，手动从0°～15°～0°慢慢调节滑台倾斜度，其中在数字测角仪显示值为1.0°、3.0°、5.0°、7.0°、9.0°、10.0°、13.0°、15.0°处各停留3 s左右。再测试滚动角，将航向姿态测量仪转动90°再重复以上过程。
表1部分只选取了8组实测数据，第一行，序号26是SD卡的存π蚝牛读取SD卡的存储数据后，序号18～33的俯仰数据都是1.1°～1.5°之间，均值为1.3°，在数字测角仪显示值为1.0°时停留3 s左右，SD卡可记录15条左右，因此，SD卡内序号18～33的数据就是滑台在1.0°时测得的数据。取第26条记录代表1.0°时的测量数据。余下的7条记录也采用相同的方法获得。从表1可以看出，实测数据与测角仪数据之间的误差不大于0.4°，同样，对负方向的俯仰角和正负方向的滚动角进行了对比，实测数据与测角仪数据之间的误差绝对值都不大于0.3°，与HMR3000精度参数中俯仰角和精度为±0.4°符合。
最后测试航向角，航向角测量采用中海达支持BDS（B1/B3）、GPS（L1/L2）双天线输入，四频高端测向板卡BX242所测的航向作为真值，采用10 m长的玻璃钢条作为BX242测向板卡前后天线的基线，则BX242测向板卡的测向精度为：0.2°/L= 0.2°/10=0.02°。测试时，将BX242测向板卡固定在为其供电并引出了RS232调试接口的测试底板上。航向姿态测量仪放置在作为基线的玻璃钢条中心位置，航向与基线平行且指向前天线方向。玻璃钢条平行于地面放置在无遮挡的开阔地上，基线0°～360°可连续转动。将测向板卡引出的RS232调试接口COMA通过USB转RS232连接到笔记本电脑的USB接口，运行中海达提供的WaiView软件，正确设置COM接口后即可实时观测航向数据，手动从0°～360°慢慢旋转天线基线，每隔5.0°停留3 s左右。
由表2可知，8组实测数据与BX242高精度测向板获取的数据之间的误差平均大于2.7°，这与测量模块中航向精度为±0.5°不相符。特别是在码头实际安装到浮体之后，与BX242高精度测向板获取的数据之间的误差平均大于8.2°，这种不相符是由使用环境中存在铁磁材料造成的，这种环境引起的误差是固定值，事后处理时，浮体上测得的航向数据减去8.2°后，实测数据与BX242高精度测向板获取的数据之间的误差绝对值都不大于0.4°，经过处理后与HMR3000参数中航向精度为±0.5°相符。
3 结语
目前，高危险性复杂海况的海上特殊装备验收检测试验任务增多，海上浮体的航向姿态数据获取是亟待解决的问题。基于ARM的海上浮体航向姿态测量仪体积小，能够很方便安装到海上浮体，在试验过程中能够适应无人值守，海上多发的恶劣环境，实时采集海上浮体的航向姿态数据，且经事后误差修正可实现精度为±0.5°的航向姿态数据的测量记录功能，能够满足海上浮体航向姿态数据测量要求。
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[关键字]EDA 教学改革 教学方式
随着电路设计的规模越来越大、集成度越来越高，传统的电路设计方法已远远不能满足现代电路设计的要求。在这种大的局势下，EDA技术应运而生，EDA设计技术，是以计算机及EDA设计软件为工作平台，用硬件描述语言完成设计文件，由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局线、仿真，直至下载到特定的目标芯片中去。在当今电子产品生命周期短、集成度高、需多次重新设计等方面EDA技术更是表现出独有的优势。因此，EDA技术已成为现代电子设计的重要途径。并已成为衡量一个国家电子技术发展水平的重要标志。在高校中培养具备这方面专业素质的电子技术人才，以适应世界电子行业的激烈竞争，所以必须进行EDA课程内容和教学手段、实践教学的改革。
一、EDA教学中常见的问题
1.课程内容缺乏时代性
EDA技术发展之快，以及编写教材的人往往不是站在技术的最前沿等等这些因素导致了现在市面上的教材内容更新速度慢，缺乏时代性，跟不上EDA技术的发展，不能及时将EDA技术的新成果和发展趋势展现给学生，而且教材编写上理论叙述多而配套的实验和习题少，导致学生不能清晰的认识教学目标，对课程内容感到枯燥、乏味，渐渐就丧失了学习兴趣。
2.教学方式封闭、单调
学生在封闭的课堂上获取EDA知识，课堂教学仍然是以教师讲授为主，学生只是被动的聆听，方式呆板单调，互动有限，传递的信息有限。教学过程过分看重教，往往忽视学生有没有学到，学到了什么，只是把大纲内规定的内容传授给学生，不重视学生对EDA设计思想的理解和掌握。
3.实验模式固化，创新性得不到锻炼
受各种因素的影响，各种条件的制约，现有的实验项目数量有限，学时少，模式单一，实验教学仍以教师为主体，秉承“教师讲解―课堂实验―递交实验报告”的教学方式，学生的创造性得不到锻炼。同时，实验教学只是理论课程的其中一部分，实验成绩在总成绩中所占比例不高，而且实验成绩多少通常取决于实验报告的书写，而这些并不能准确地反映出学生的实验动手能力。所以导致很多学生不重视实验，严重阻碍了学生动手能力和创新思维的培养。
二、EDA教学改革
1.课程内容定位
EDA课程内容改革应依据市场需求，调整课程结构，精炼课程重点，突出能力培养。使学生通过本门课程的学习，掌握自顶向下的层次化设计思想，硬件描述语言的编写方法，EDA软件设计开发工具和实验开发系统等硬件验证平台的使用。在此基础上实现对电子系统的开发设计。在课程内容上要将EDA技术的最新进展补充进来，以便于开阔学生的视野，提高学习兴趣；针对当今教材习题少的缺点，增加适当的习题和实例，进而使学生熟练掌握硬件描述语言的编写规则和语法特点；在可编程逻辑器件部分，主要使学生学会选择和配置器件；开发软件方面掌握一种软件作为设计平台，在硬件实验系统上，使学生对EDA设计的流程有一个完整的认识。围绕上述内容，设计配套实验，将教与学学与练有机结合起来，增强学生解决实际问题的能力。
2.教学方式改革
（1）教学中在传统教学的基础上，引入网络教学，形成黑板、多媒体、课程网站相结合的EDA教学模式，充实了教学信息量，加强了师生间的互动，提高了教学质量。其中黑板用于描述知识的结构框架，展现授课重点，使学生对所讲内容有系统的认识。多媒体教学有信息量大、生动形象的特点，可以借助于它将EDA技术的新发展、新成果传递给学生，使教学更直观。并且利用网络构建EDA技术课程网站，学生可以根据兴趣自主学习，也为师生互动交流搭建了平台，实现课堂教学与网络辅导互补。
（2）在教学中采用案例式教学方式，针对某个具体设计实例，从不同的设计方法研究入手，首先明确总体设计思想，然后在设计中穿插讲解所涉及的基本语法，再将几种设计方法进行比较，讨论各种设计方法的优缺点、选出最佳设计方案，总结设计思想，最后有针对性的选择设计练习，让学生在设计中掌握新的语法知识和培养设计思想。这种教学方法，改变了以往为介绍语法而讲解语法的枯燥难懂的授课方式。
3.构建科学的实践教学体系
（1）改变传统实验教学模式。转变教师在实验中的地位，变主导为引导，而不致于使学生遇到困难半途而废。强调学生在实践教学中的主体地位，引导学生主动参与到实验中。在宽松、自主的实验环境下做实验，使学生认识到自己可以完成怎样的电路设计，最后进行多个方案的比较，认清自身方案的优势与不足。学生经过这一过程，将对自己设计结果产生成就感，从而激发学生的学习兴趣。
（2）丰富实验内容，根据学生兴趣和能力的不同，建立多层次的实验教学内容。在保证基础实验的同时，加大综合性实验的力度，提供一些启发性强的题目，由感兴趣学生自行设计实验方案、自主解决实验问题，培养创新型思维。
（3）健全合理的实验考评机制。一方面突出实验教学在实际能力培养中的作用，使学生在思想上重视实验教学。另一方面提高实验在整个课程中所占的比重，建立科学、合理的实验考评机制，按实验方案的合理性、操作技能以及实验分析能力确定实验成绩，不仅能提高学生对实验环节重视程度，而且可以体现学生的设计技能。
（4）在实践教学中引入项目。EDA课程的实践教学包括课程设计、毕业设计、实训等环节。课程设计通过所选题目，培养学生系统的设计思想和规范的研究方法。毕业设计环节侧重EDA技术的实际应用，让学生在运用所学知识解决实际工程问题的过程中，积累工程经验。实践教学可以通过引入项目来实施，通过一个完整的“项目”进行实践教学，以“项目驱动”为主要形式，激发学生学习的源动力；让学生进行项目制作，使学生学以致用；让学生在操作中进行项目相关参数的选择和计算，使学生在实践中巩固所学理论知识，做到融会贯通；最终通过项目的成功制作，使学生获得成功的体验，培养理论与实践的综合应用能力和分析问题、解决问题能力，为职业发展打好基础，同时也可以通过项目加强其团队协作能力。
4.考核方式的改革
考试是教学过程中必不可少的重要环节，它具有检验、反馈、督导、激励等多种功能。考试既是对教学效果的有效测评，也是对教学内容的有力强化。EDA技术这门课应更注重实际动手设计能力。
（1）考核目标从以往的“考知识”转变为“考能力”。避免学生为应付考试死记硬背理论知识，而忽视了对知识的理解和应用。
（2）改变“一考定成绩”的状况。这种考核方式不利于全面考核学生知识与技能。可将平时成绩，实验技能，期末考试等方面进行有机结合作为最终评定成绩。（平时成绩包括行为表现、学习的兴趣与主动性、与小组成员的协作表现等。学习过程的行为表现由上课缺勤率、课堂表现来打分；学习的兴趣与主动性由是否积极参与老师提出问题的讨论、是否积极主动提出问题等方面进行打分。）
（3）以课题设计的形式作为期末考核。教师结合自身的教学经验，设计不同难度的课题，根据学生能力不同，允许学生自主选题，然后进行独立考核。可以达到培养学生的学习自主性和提高实践动手能力的目的。
三、结束语
EDA技术的迅速发展，是信息社会发展必不可缺的动力之一，我们要及时掌握EDA的最新技术，并对EDA的课程进行调整改进，从而调动学生学习积极性和主动性，为我国培养出更多的EDA技术人才。
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1、产品市场份额位居中国大陆前列；
2、产品的可靠性及性能参数处于国内同行业领先地位；
3、公司与国内外知名手机芯片开发企业建立了紧密的合作关系。
麦捷科技（300319）是国内片式元件领域的领先企业。公司自成立以来始终专注于片式电感及片式LTCC射频元器件等新型片式被动电子元器件的研发、生产及销售，并为下游客户提供技术支持服务和元器件整体解决方案。目前公司片式电感产品的市场份额位居中国大陆第二位，片式LTCC射频元器件产品的市场份额位居中国大陆第一位。
综合竞争实力雄厚
麦捷科技主导产品为片式电感以及片式LTCC射频元器件，属于高端被动电子元器件，其设计、制造具有高精密性。公司产品广泛用于通讯产品、消费类电子、计算机、互联网应用产品、LED照明、汽车电子、工业设备、航空航天及军工等领域。随着下游电子整机产品的轻薄化、集成化和智能化，以片式化、微型化、低功耗为代表特征的片式电子元器件对传统插装元器件替代进程加速，逐步成为元器件行业主流。
公司综合竞争实力雄厚，体现在技术创新与工艺领先优势、人才优势、品质优势、快速响应及早期参与优势、大客户资源优势、成本优势六个方面。
公司拥有国内最早从事片式电感及片式射频元器件行业的研发、管理团队，公司形成了独特、领先、创新的三维电路设计理念、强大的研发设计能力、持续完善的工艺技术水平以及快速响应的运营体系，掌握了设计和制造难度较高的片式电感及射频元器件的关键技术，并成为中国大陆第一家掌握LTCC射频元器件湿法生产关键技术的厂商。截至2011年11月22日，公司已获授权的专利共有13项，另有5项专利正在申请。凭借深厚的技术积累及严格的现代生产控制工艺，公司产品的可靠性及性能参数处于国内同行业领先地位，达到国际先进水平。
品质是贯穿整个行业链的重要属性。基于公司成熟的制造工艺和较高的研发设计水平，同样尺寸、同样体积的电感产品，公司可以实现其电感量更大、频率更高、品质因素Q值更高，且抗干扰能力更强，过滤杂波、稳定电流能力更好。目前公司片式电感及片式LTCC射频元器件产品合格率处于国内行业领先水平，产品出厂合格率高于99.999%（即不良率小于10PPM），高于同行业平均合格率水平，公司成立至今无一例重大质量事故。
此外，公司建立了一整套成熟的设计开发工艺流程，搭建了模块化设计工作平台，大大缩短了开发周期。公司还通过参与主流芯片产品的早期设计为客户量身定做一站式元器件解决方案。为了顺应主流芯片的发展潮流，提前掌握市场主动权，提高对下游市场的响应速度，公司与国内外知名的手机芯片开发企业建立了紧密的合作关系。公司的主要客户包括TCL王牌、创维集团、华为通信等国内外知名电子产品设计、制造商。同时，该等大型整机厂商与公司建立合作关系对下游众多中小型整机厂商也具有较强的示范作用，为公司市场开拓奠定了良好的基础。
募投项目提升竞争力
根据中国电子元件行业协会的统计数据，2010年全球市场对LTCC射频元器件的需求量达到64亿只，合计36.5亿元，需求量同比增长22.61%，预计2014年将达到125亿只，合计人民币57.5亿元。2011-2014年全球市场对LTCC射频元件需求量复合增长率将达到18.19%。
关键词： LabVIEW; 四面体非晶碳薄膜; 真空磁过滤多弧; 离子束表面改性
中图分类号： TN915.9?34; TP311 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0111?04
Development of LabVIEW?based automatic control system for tetrahedral amorphous carbon film preparation
AN Shu?dong1， BI Peng2， ZHAO Hai?tian3， ZHAO Yu?qing1
（1. Key Laboratory for Physical Electronics and Devices of Ministry of Education， School of Electronics and Information Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. City College， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710018， China;
3. Guangzhou Iron & Steel Enterprises Group， Guangzhou 510381， China）
Abstract： A automatic control system for vacuum plasma coating machine was designed by means of graphical programming software LabVIEW and data acquisition card PCI1711， which realized automatic control of tetrahedral amorphous carbon film preparation. The design of the system hardware and the core software is described in detail. This system can be divided into five modules： power control， A/D conversion， D/A conversion， PWM output and inter?host communication. The power supply is mainly controlled by electromagnetic relay. D/A conversion is implemented by output on?off interface. A/D Conversion can be achieved by the multi?channel analog switch chip and data acquisition card. The composite vacuometer， molecular pump and gas mass flowmeter ， and their data acquisition are controlled through RS485 data bus. The experiment results indicate that the control system has the real?time monitoring and control functions of vacuum degree， ion beam surface modification，and filtered cathode vacuum arc coating. Computer control of film preparation was realized.
Keywords： LabVIEW; tetrahedral amorphous carbon film; filtered cathode vacuum arc; ion beam surface modification
0 引 言
近年来，四面体非晶碳膜（tetrahedral amorphous Carbon films，ta?C）凭借其具备许多堪与天然金刚石相媲美的卓越性能而备受关注[1?3]。通过等离子电弧在结构件基体表面沉积ta?C薄膜，能够极大地提高构件的耐磨性、耐腐蚀性等性能。现已广泛应用于微电子、医疗、国防等不同领域，成为新型碳材料家族中最具吸引力的材料之一[4?5]。随着ta?C薄膜的广泛推广和应用，必将产生巨大的经济效益，因此，对ta?C薄膜的大规模产业化技术研究逐渐成为近年来的热点。
然而，由于ta?C涂层制备工艺的窗口期很窄，要进行大规模工业化生产，如果没有一套完整的自动控制系统，要保证制备过程中的一致性和重复性将会非常困难，因此研制用于镀膜装置的自动控制系统，是ta?C薄膜大规模工业应用的关键所在。
本文利用图形化编程语言LabVIEW编写软件，通过研华公司的PCI?1711多功能卡将镀膜机中的各个部件与计算机相连接，开发并设计了用于ta?C薄膜制备的自动控制系统，有效地控制制备过程中出现的偏差，消除人的主观性对薄膜制备质量一致性的影响，保证ta?C薄膜在工业化生产中涂层性能的一致性和可重复性，对ta?C薄膜制备的产业化具有重要意义。
1 系统硬件设计
所设计的控制系统分为5部分。主要由内置多功能卡PCI1711的PC机、各设备电源控制电路板A、多路模拟电压信号选通电路板B、多路数/模转换电路板C、多路脉冲量输出电路板D以及有基于RS 485总线的设备间互联通信网络等组成。该系统能够对薄膜制备的各个设备进行实时控制，系统结构如图1所示。
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图1 薄膜制备硬件系统结构图
系统中的计算机为普通工业用计算机或个人电脑，多功能卡选用北京研华公司的PCI?1711多功能卡，它包含16路单端或8路差分模拟量输入的12位A/D转换、2路12位模拟量输出、16路开关量输入、16路开关量输出、1路脉冲量输出。由于实际本系统要控制的开关量、模拟量输入路数、模拟量输出路数、脉冲量输出路数都远大于多功能卡的路数，因此要对该卡的功能进行扩展。需要外加电路板实现，具体见图1中的电路板A、B、C、D，这样才能实现对多个设备的数据采集和输出控制。
在电路板A中，通过控制电磁继电器完成对各个电源启动与关闭的控制。
将数据采集卡16路开关量输出的高8位作为地址输出，低8位作为控制数据输出，在本控制电路板上采用74HC574触发器锁存控制数据，每个74HC574控制8个设备，设计了15个74HC574，共可输出120路控制信号。每一路控制信号可以控制一个三极管的通断，实现对一个电磁继电器的控制，通过电磁继电器的触头的接通或断开控制1个设备的电源通断。其中一路的控制电路见图2。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼10t2.tif>
图2 一路设备的电源控制电路
本系统的数/模转换电路采用8个DAC7725芯片，该芯片是美国AD公司出品的高性能12位工业级D/A芯片，每个芯片内含4个独立的12位D/A转换器，可以输出4路各自独立的模拟电压。8个DAC7725共可提供32路模拟电压输出，满足了本系统需要30路用于设备控制的模拟电压需求。通过DAC7725芯片对数据采集卡输出的12位数据进行转换，转换公式如下：
[Vout=VREFL+VREFIL-VREFL?N4 095]
式中：Vout为送给设备的控制电压;VREFL和VREFH 分别为芯片需要的参考电压;N为转换数据[6]。根据DAC7725的转换时序，可将LDAC和R/W均设置为低电平有效，之后输入12位数据，实现D/A转换，DAC7725输出端输出一个Vout电压送至受控设备的接线见图3。
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图3 DAC7725接线图
模拟量输入电路（A/D转换），将设备送来的0～5 V的模拟电压，通过2片8路模拟开关芯片CD4051进行选通后送到数据采集卡的模拟量输入端，由于PCI1711共有16路模拟量输入端，2个4051占用了2个输入通道，还有14个通道可供模拟电压输入，从而共可以提供30路模拟量输入测量。满足本系统28路模拟电压输入采集的要求。模拟电压选通电路见图4。
在薄膜制备过程中，需要控制真空室真空度、离子源气体进气流量、分子泵转速等，而这些设备都配备了RS 485计算机通信接口，并提供了相应的通信协议[7?8]，因此，只需要利用RS 485总线，便能实现计算机与这些设备之间的通信，对其实施控制。
图4 模拟电压选通电路
2 基于LabVIEW环境下控制程序设计
基于LabVIEW环境的四面体非晶碳膜制备自动控制系统软件是采用顺序结构的思想来编写的，流程图如图5所示，根据ta?C薄膜制备工艺中不同设备的控制方式不同，将程序分为电源控制、数/模转换、模/数转换、多路PWM输出和机间通信5部分。
对于电源的控制，主要通过数据采集卡输出高低电平控制电磁继电器实现。在LabVIEW中，利用Diowriteportbyte函数，一次性输入8位数据到数据输出端state，由于电路通过反相器以及ULN2003型复合晶体管，因此，当程序输出低电平（0）时，控制设备启动，当程序输出高电平（11111111，即十进制255）时，控制设备关闭。
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图5 薄膜制备工艺流程图
在数/模、模/数转换（D/A、A/D）部分，首先利用控制原理中介绍的公式计算出需要输入的12位数字量，然后分为低8位、高4位分别送入数据采集卡，经过转换，输出对应的0～5 V的模拟电压信号，控制设备的运行;如果设备工作状态发生改变，以模拟量输出的方式，将自身的工作状态转换成0～5 V的模拟电压信号传送到数据采集卡的输入端，实现信息的反馈，其程序框图如图6所示。
在镀膜过程中，同样需要很多设备与计算机之间的通信，这些通信可以通过RS 485总线串行通信接口来实现，在软件设计中，VISA函数可以很好实现这一功能[9?10]。
设备使用异步串行通信接口，采用RS 485通信方式，其数据格式为：一个起始位，8个数据位，无校验位，2个停止位。设置串口号COM1、波特率4 800 b/s、校验位NONE、数据位8、停止位2等参数（注意：设置的参数必须与仪器设置的一致），选择 16进制发送方式，将要输入的指令通过总线接口进行传送，从而达到与设备之间的通信，程序框图如图7所示。
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图6 D/A、A/D转换上位机部分程序框图和前面板
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图7 真空室真空度控制程序框图
3 实验结果
实验证明，此系统可以制备出四面体非晶碳膜，运行本控制系统的程序界面如图8所示。<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼10t8.tif>
图8 控制系统程序界面
对此薄膜用Dimension 3100 SPM型原子力显微镜作为测试仪器，效果如图9所示。
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图9 本系统制备出的ta?C薄膜的表面形貌
4 结 语
本文利用LabVIEW 软件平台构建了四面体非晶碳薄膜制备的自动控制系统，结合西安交通大学磁过滤阴极真空电弧源多层介质涂层设备，最终制备了高质量的ta?C薄膜，同时，在薄膜沉积过程中，还可以利用该自动控制系统对ta?C薄膜进行各种调控，使薄膜具有更加稳定的性能，减少了在传统人工控制中的许多人为性错误操作和批量生产质量的不一致性，对ta?C薄膜的广泛应用具有重要意义。
参考文献
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