时间：2022-05-23 18:12:49
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篇低功耗设计论文，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。
The Design Implementation Based on Power Shut off Technology
WANG Dian-chao YI Xing-yong Pan Liang
(CEC Huada Electronic Design Co.,Ltd. Beijing 100102,China)
Abstract:The technology of Power Shut Off(PSO) refers to shutting off the power of the module when it dose not work in a period of time, in order to reduce chip power .The CPF format developed by Cadence company was adopted in this paper to define each low power cell and to introduce implementation flow of PSO through an experimental case. The result shows that the chip's static power can be effectively reduced when the PSO technology is used.
Key words: Low power design; Power Shot Off; CPF format
1引言
随着系统芯片(SoC) 采用更先进的制造工艺并集成更多的功能,它所面临的高性能与低功耗的矛盾越来越突出。对于130nm及以下的工艺,芯片的功耗密度越来越高、漏电功耗所占比例越来越大,在90 nm时,静态功耗在总功耗的比例已经接近1/3,如图1所示,所以在芯片的设计过程中,除了对芯片的动态功耗进行优化外,还要对芯片的静态功耗进行有效的优化。
芯片中某些模块在一段时间内不工作时,通过将其供电电源关断,从而达到降低芯片功耗的目的。电源关断(PSO)技术是最有效的降低静态功耗的技术之一。本文通过采用Cadence公司的CPF格式来定义各个低功耗单元,用实例来介绍实现电源关断的过程,并对结果进行了分析。
2 电源关断技术
及CPF格式定义低功耗单元
2.1 电源关断技术简介
如果某一模块在一段时间内不工作,可以关掉它的供电电源。关掉供电电源可以使用设置在模块顶部或底部的Power Switch开关,通常在使用后端工具进行布局布线时加入。断电后,模块进入睡眠模式,其漏电功率很小。唤醒时,为了使模块尽快恢复工作模式,需要保持关电前的状态,保持寄存器(SRPG)可用于记忆状态。 为了使保持寄存器记忆状态,模块的电源关断时,需要常开电源为保持寄存器供电。为了保证在睡眠模式时,下一级的输入不会悬空,设计中需要插入隔离单元(Isolation Cell),提供一个“1”或“0” 的输出,使下一级的输入为确定的逻辑值。综上所述,电源关断设计需要工艺库中提供的低功耗单元包括:包括保持寄存器(SRPG)、隔离单元(ISO)、常开缓冲器(always on buffer)及电源开关(power switch)等低功耗单元。
2.2 CPF格式定义低功耗单元
面临低功耗设计,EDA工具供应商强调整个流程进行优化来实现低功耗自动管理的概念,同时简化设计的复杂性。由Cadence公司开发、Si2(silicon integration initiative)的低功耗联盟(LPC)管理的通用功率格式(CPF,common power format)首先于2005年向行业开放。Synopsys后来联合Mentor和Magma等公司开发了统一功率格式(UPF,unified power format)于2007年2月底作为一项Accellera标准出台。 UPF和CPF命令十分类似,只是各自对应于不同的EDA工具。如图2所示CPF设计流程。
CPF文件允许用户在整个RTL-GDSII设计流程中定义功率设计意图和约束条件,使用Tcl脚本文件,用户可以使用其中的命令完成诸如建立和管理电源域、确定隔离和保持、定义与电源相关的规则和约束条件等等。
3基于电源关断技术的设计实现
3.1设计实例介绍
测试芯片采用了电源关断的低功耗设计技术,芯片中划分了5个独立的电源域,其中PD0为常开电源域,PD1-PD4为可关断电源域,电源域中的寄存器在综合阶段全部替换成了保持寄存器,因此可以在电源重新上电后恢复断电前的数据。芯片的逻辑部分供电电压为1.8V,芯片中包含了一块电源可关断的SRAM模块,如图3所示。
物理实现选用的工艺库为130nm低功耗库,库中包含了电源关断设计所需要的低功耗单元。
3.2芯片的物理设计
相对于普通设计,在物理实现过程中,低功耗设计有一些特殊的步骤,需要在设计过程中加以注意,如加入power switch开关、添加连接常开电源的well tap 单元等等。接下来将对设计实现中的特殊步骤加以介绍。完整的低功耗设计实现流程如下:
3.2.1 添加 Power switch 开关
对需要关断的Power Domain,添加power switch开关,在添加开关时要保证power switch属于所添加的电源区域,同时起始点设置为布线间距的整数倍,否则在布线后插入filler会产生空隙。本次设计中power switch插入的起始点为264,此距离为采用的130nm工艺库中布线间距(0.48)的整数倍。插入power switch脚本如下:
#PD1
addPowerSwitch-column
-powerDomain PD1
-globalSwitchCellName scs8lp_sleep_head_L
-leftOffset 264 -enablePinIn sleep
-enablePinOut sleepout
-enableNetIn instance_core/UNCONNECTED22
-enableNetOut sw_out
-checkerBoard 1
-horizontalPitch 900.0
3.2.2加入well tap单元:
对于常开电源区和可关断电源区,需要添加不同类型的well tap,对于常开电源区,加入普通类型的well tap;但对于可关断电源区,由于电源关断后,仍然有保持寄存器中的一部分逻辑电路在工作,即保存关断前的数值,因此,必须对这部分工作的器件进行阱连接。添加特殊类型的well tap。如图4所示,well tap单元上加有窄的stripe,以保证well tap供电,进而使保持寄存器工作部分的逻辑电路的阱连接。
3.2.3 Buffer tree synthesis for SRPG and ISO cell
对于各个电源区域保持寄存器的控制端,由于受到同一个控制信号的驱动,容易产生信号的延时及max fanout不满足问题,通常对这些端口的信号线进行buffer tree synthesis,进而对信号到达不同寄存器的skew进行平衡。
隔离单元与保持寄存器单元类似,也要对控制信号端进行buffer tree synthesis。
相应的脚本如下:
#SRPG enable signal buffer tree synthesis
selectNet instance_core/n_594
bufferTreeSynthesis -bufList{scs8lp_bufkapwr_1scs8lp_bufkapwr_4}
-maxDelay 300ps
-net instance_core/n_594
-fixedBuf
-fixedNet
# isolation enable signal buffer tree synthesis
selectNetinstance_core/n_8065
bufferTreeSynthesis -bufList {scs8lp_buf_4}
-maxDelay 300ps
-net instance_core/n_8065
-fixedBuf
-fixedNet
在进行buffer tree synthesis 过程中,一定要设置-fixedBuf fixedNet,否则优化过程中,会使常开的buffer被普通buffer替代,致使期望保存或恢复的数值不能正确操作。
3.2.4 Always on pin connected for SRPG
保持寄存器用于受到电源关断的区域,保持寄存器一般包含两级:主级与存储级。主级与本地(可开关)电源轨相连。存储级与常开电源相连,以便用最小的漏电电流保持正常状态,存储级通常使用高阈值电压晶体管。如图5所示130nm工艺库中保持寄存器版图,其中kapwr为常开电源Pin。
保持寄存器的性能与常规寄存器几乎完全一样,不过需要更大的面积和稍高的动态耗电。在正常运行过程中,这些寄存器具有与其他标准寄存器相同的功能,一旦发出保持启动信号,寄存器就进入保持模式,意味着可以关闭电源,处于保持模式时,时钟和重置信号不起作用。
在时钟树综合之前,需要对保持寄存器的常开电源Pin进行连接。布线器会把选中的器件、选中的pin连接到指定的电源stripe上去,脚本如下:
#SRPG virtpwr connected by nanoroute
setNanoRouteMode -routeHonorPowerDomain true
setPGPinUseSignalRoute scs8lp_srsdfrtp_1:kapwr scs8lp_bufkapwr_1:kapwr
scs8lp_bufkapwr_4:kapwr
selectNet VDD1V8
setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly true
globalDetailRoute
setNanoRouteMode -routeSelectedNetOnly false
以上几个步骤为电源关断设计中相对普通设计需要特别注意的地方,布局布线完成后,需要进行详细的DRC/LVS检查。
4芯片的测试结果分析
芯片从Foundry返回后,测试结果表明,芯片可以实现电源关断的操作,重新上电后,可以实现数据的恢复,如图6所示。
对于单个可关断的电源域,动态功耗为:3.04-3.25mA,供电电源关断后,静态功耗为: 189-200nA,从上述结果可以看出,芯片采用电源关断技术,可以有效的降低芯片的静态功耗。对于手持式设备,芯片的静态功耗或待机功耗要求苛刻,对一些认证IP,认证结束后,芯片正常工作状态下,不需要其继续工作,可以考虑采用电源关断技术,关断其供电电源;对于某些特殊的IP或Memory等,也可以同样采用此技术。
5结束语
电源关断技术要求从系统级处了解在哪里增加电源门,怎样及何时去控制这些电源门。同时切断设计的电源必须能节省功耗,因为在断电和加电转换期间的功率纯粹是浪费的。断电和加电要求一定的转换周期,也需要通过仿真来对比电源关断时节省的功率以及加电时耗费的切换功率,同时,也必须权衡考虑为实现此省电技术而需要的芯片面积和关断该设计所导致的任何性能降低。
采用电源关断技术实现芯片设计,要从综合阶段开始,综合过程中插入隔离单元并把普通寄存器替换为保持寄存器。接着,物理实现阶段必须了解顶部/底部(header/footer)开关的特殊电源连接需求,正确的将开关插入各自的电源域中,同时要添加特殊类型的well tap,以保证保持寄存器常开部分逻辑电路的阱连接,在时钟树综合之前,需要对保持寄存器的常开电源Pin进行连接等等。
为确保流片成功,芯片设计要求通过时序和信号完整性分析,来解决开关中额外的IR-drop压降、通过隔离单元的时延和控制信号对噪声的灵敏度问题。等效性检查应包括电源域识别、隔离/电源开关使能的验证以及状态保持的睡眠/唤醒序列检查等等。
基于以上论述,是否采用电源关断设计要经过仔细的分析,准确的评估芯片设计中采用电源关断技术后可以优化静态功耗的比例。同时,物理设计实现过程中,需要特别注意与其他普通设计的区别。
参考文献
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作者简介
王殿超,北京中电华大电子设计有限责任公司芯片工程部 物理设计工程师;
[关键词]输电线路杆塔倾斜监测系统 zigbee和GSM技术
一、选题背景及其意义
随着科技进步及工农业的现代化发展，用电量大幅上升，对电网供电安全性、可靠性提出了越来越高的要求。架空高压输电线路是电力系统的动脉，其运行状态直接决定电力系统的安全和效益。目前我国对线路等的检测经验还较少，还没有相应的国家标准。另外随着近年来煤矿的大量开采造成形态各异的地下采空区，引起地面沉降、断裂等一系列工程地质灾害，这些采空塌陷区，大多分布广，延伸远，可造成地表输电线路基础倾斜、开裂、杆塔变形、倾倒，引起绝缘子串和地线线夹迈步，电气安全距离不够等问题，当问题扩大时容易造成倒杆断线，电气距离不够引起跳闸等事故。严重威胁输电线路的安全运行。
本论文设计的输电线路杆塔倾斜监测系统，在杆塔发生异常时，能够及时向管理中心汇报相关数据。该系统对于处在采空区的线路杆塔可以进行全天候的监测，能够及时准确的测量由于地面沉降等原因造成的杆塔倾斜角度，当杆塔顺线路或横线路倾斜角度超过预定报警值时，系统可发出报警信息，使工作人员能够及时处理危情，并且大大的减少了人工的巡视次数，提高了杆塔的安全系数。
二、国内外研究动态
近年来，随着经济的发展和社会的进步，越来越多基于网络化、模块化、智能化的系统应用在电网中。但目前我国电网智能化仅处于刚刚起步的阶段，尤其在运行状态检测环节上，和世界上先进发达国家的技术还有较大的差距。同时铁搭运行状态的稳定，是输电环节中的重中之重，因此应研究一套较为合理的杆塔运行状态监控系统，来保证输电环节的稳定。
目前国内已涉及线路监测系统的研究，例如高压输电线路绝缘子带电检测、杆塔故障在线监测、杆塔倾斜测量等。国外在这方面也有较多的研究。该系统采用移动通信网络作为数据传送媒介，为系统的数据传输提供更加简捷、便利的手段。
三、主要研究内容
本论文主要研究杆塔倾斜测量技术，传输线路周围的温度、湿度、气候检测，无线网络数据远程通讯方面的研究。
本文研究的主要内容如下：1、分析研究了倾角传感器的工作原理、GSM技术的工作原理，制定了监测仪设计的硬件和软件总体流程。2、根据监测仪设计方案，选择了该设计中的主要器件。包括倾角传感器的选择、GSM通信模块的选择、太阳能蓄电池的选择等。充分体现了监测仪设计中低成本和低功耗的要求。3、设计了硬件电路，包括微控制器ATmega64A的最小系统、电源电路、通信电路、电压电流转换电路等。4、实现了软件设计，包括系统初始化、A／D信号采集部分程序、按键中断程序等。5、在整体设计中，采取软件和硬件的方式，增强监测仪的抗干扰性和稳定性。6、通过EMC电磁兼容实验等验证了监测仪的稳定性和可行性。
四、研究方案及难点
整个系统的工作过程为：数据采集主模块根据监控中心设置好的采样间隔，定期产生数据采集命令发送到ZigBee主节点，然后由ZigBee主节点将数据采集命令广播给其他ZigBee子节点，ZigBee子节点再将数据采集命令发送给自己的数据采集模块，数据采集模块接到命令后，开始进行倾角、绝缘子拉力以及风向、风速、电源电压等数据的采集。
采集完成之后再发送给ZigBee模块，然后通过各ZigBee子节点将采集到的数据以接力的方式传送给ZigBee主节点，ZigBee主节点将各数据采集模块采集到的数据发送给数据采集主模块。最后由数据采集主模块将所有数据通过串口发送给GSM模块，由GSM模块将数据通过移动通信网络发送到监控中心的GSM模块，再通过串口发给Pc机后台。最后由Pc机完成数据的处理、存储和显示。
该系统的主要模块功能如下：
1.中央处理器。核心微处理器选用ATmega64A，它是由ATMEL公司推出的一款高性能，低功耗的8位AVR微处理器。最高处理速度可达16MHz，其芯片内部集成了大容量的Flash程序存储区和功能丰富强大的硬件接口电路。先进的RISC结构，拥有130条指令，大部分指令执行时间为单个时钟周期。
2.定时时钟模块。实时时钟芯片选用Philips公司生产的串行日历时钟芯片PCF8583.该芯片供电电压范围宽、功耗小、计时准确。
3.数据采集模块。在输电线路杆塔的运行时，数据采集模块主要进行杆塔倾角数据、绝缘子拉力数据以及风向、风速、气温、湿度，电源电压数据的采集。数据采集模块为分层次设计，有主辅之分，主模块除了在完成上述功能以外，还负责将产生的数据采集命令，以及各个节点数据的打包、处理、发送。
4.ZigBee模块。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
5.GSM模块。GSM模块，是将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件等集成在一块线路板上，具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。
使用ARM或者单片机通过RS232串口与GSM模块通信，使用标准的AT命令来控制GSM模块实现各种无线通信功能，它是基于ARM平台，使用嵌入式系统进行开发。有些GSM模块具有“开放内置平台”功能，可以让客户将自己的程序嵌入到模块内的软件平台中。
6.监控中心。包括GSM接收模块和后台管理软件，主要完成杆塔运行状态的实时显示、数据存储以及对于数据采集模块参数的控制。
7.电源模块。本系统包括太阳能电池板和蓄电池，主要为数据采集模块、ZigBee模块和GSM模块提供电能。
8.设计环境。硬件电路以Protel99SE(sP6)为环境进行设计，机械相关的设计以AutoCAD2006为环境进行；软件用c语言编写。
本设计中的杆塔倾角监测系统实现了低成本、低功耗，并采取zigbee及GSM无线通信的技术，实现倾角监测仪与杆塔监控中心的通信。
难点预计出现在倾角计算及程序的设计，再有系统的通信链路的安全，可靠；数据库的安全，主要是权限管理和数据备份。
五、预期成果和可能的创新点
文章论述的铁塔倾斜实时监测系统测量精度高、实时性好、运行成本低。该系统在实际运行过程中拥有较强的可靠性、稳定性具备在恶劣的环境下持续正常工作的能力，保证较长的使用寿命；系统进行操作时，无需记忆复杂的工作指令，应具有美观有好的人机界面；工作人员可以远程对系统进行控制、管理、维护，无需人员到现场。系统通过对塔身状态信息的综合在线监测，实现了倾角状态的全记录并起到预警，告警的功能便于提前采取有效措施，确保电网及通信网络的安全运行。从实际运行结果看系统是一种有效的监测铁塔倾斜的系统，有广阔的应用前景。创新点：为了以后对本系统的功能进行扩展，系统预留一些模拟量输入接口；通讯方式的扩展，支持短信息。
参考文献：
[1]刘君华.现代检测技术与测试监测仪设计[M]西安：西安交通大学出版社，2001
【关键词】RFID货架期指示器；条形码；保质期
1.引言
我国有近13亿人口，食品安全是近几年来具有持续挑战性的问题和社会热点[1-3]，并且随着中国经济的高速发展，消费者对食品的质量提出了更高的要求。人们不仅要求食品能够安全食用， 还要求食品的感官特性基本不变[4]，但无论是植物性食品、动物性食品还是人造食品，其水分活度、总酸度、营养物质、自然微生物群、酶和生化底物及防腐剂等因素，在从原材料的摘取、加工、物流、仓储、销售等环节中，都会受外界温度、湿度、光照及环境中微生物群与包装气体组成等的影响，而不断地发生物理、化学、微生物上的变化，以一定的速度和方式丧失其原有品质。
2.传统货架期指示器存在的问题
传统的简单设定食品保质期及基于条码的食品安全管理模式无法满足更深入细致与高效食品安全管理的目的。目前传统的食品保存与管理方法存在如下问题：
（1）传统保质期是通过在实验室内对少量食品样品进行加速实验、常温保存实验或通路实验等验证手段来确定，而事实上，在流通过程中食品品质不仅与每个食品个体初始状态有关，同时也与所处流通的环境密切相关。评价食品的实际品质不仅需要了解食品个体的初始状态，还需要对食品个体进行实时监测、跟踪其在运输、储藏和分销环节中的温度、湿度、光照、氧气含量等及诸多不可预见的影响因素。因此，食品安全状态评估比传统质保期的确定更加复杂、需要在更大的时间与空间范围内由具有数据采集与智能性标签的参与，带来诸如信息交互、运营成本等问题。
（2）使用传统的时间-温度指示器评价食品个体品质方法虽然应用范围广泛（如常用于乳制品、冷冻肉和冷冻水果等冷藏、冷冻食品），具有使用方便、易于观察等优点，但此类产品是一次性使用，不能记录食品流通过程中环境参数的历史变化情况，信息的获取依赖于人工观察，不利于信息管理自动化与效率的提高。生化式时间-温度指示器必须使用在有温度-时间历史影响的食品上，使用前还必须知道食品的活化能，以选择合适的指示器与其动力学参数进行匹配，且成本与可靠性也限制了其使用。
（3）现在食品的信息标识主要是利用条形码技术[5-6]。从当今企业和食品流通的现状来看，采用条形码技术进行信息标识是具有成本低、易于操作、易于制作等优点，但是条形码技术自身存在一些缺陷，不能够满足发展的需要，例如条形码存储信息少；在实际的操作过程中扫描仪只能在近距离下才能对其读取；在读取条形码时，经常会有货物粘贴条形码位置的不同和货物包装的不规则等问题，使得操作员在对货物进行扫描时需要花大量时间来寻找扫描条形码的精确位置；有时还会发生漏扫描情况。条形码技术不能够满足高精度快速识别的要求，并且其存储的信息一旦写入就不可以对其存储的内容进行修改，也不能够重复使用，降低了条形码的使用率，最主要的缺点是不能对食品进行实时的监测，这些都制约着食品企业的发展。
3.RFID货架期指示器的优点
RFID货架期指示器由RFID读写器和RFID微粒构成。RFID技术作为一种快速、实时、准确采集与处理信息的高新技术，通过对实体对象的唯一有效标志，其可广泛用于生产、零售、物流、交通等各个行业[7]。RFID货架期指示器优点有：
（1）不需要光学可视、非接触完成识别工作。在冷链物流中，需要对大量食品进行识别，利用RFID技术解决了条形码技术识别速度慢、识别操作复杂等缺点，提高了效率。
（2）工作时无须人工干预、不易损坏，减少了由于人为原因产生的出错概率。由于条形码识别操作过程中容易磨损，使得食品质量不能得到有效的标识，而RFID货架期指示器不需要人工对食品进行干预，通过读取微粒的数据来掌握食品的质量。
（3）可远距离识别运动物体，提高了传统货物在分拣登记信息时候的处理速度。RFID货架期指示器不需要人工操作近距离地读取食品环境与质量信息，通过射频技术，可以远距离完成通信，提高了登记食品质量信息的速度。
（4）能够对食品进行实时监测、评估与预测。传统技术不能根据当前环境的变化而实时地监测、评估与预测食品的质量，这使得食品在冷链物流过程中的质量不能被实时的反映，而RFID货架期指示器通过采集食品的一些质量信息，能够实时地监测食品的质量。
4.RFID货架期指示器亟需解决的问题
在冷藏运输过程中，射频装置运行与典型的行业环境下：首先装置工作于低温、潮湿、机械振动、冲击和大范围金属干扰、电磁干扰等恶劣环境下；其次射频装置要求的识别距离远，能够达到多目标快速识别；最后要具有低功耗、存储容量大、使用寿命长等特点。因此，对RFID货架期指示器的性能提出更高的要求，主要表现在：
（1）应具有低功耗特性。在冷链物流过程中，RFID货架期指示器需要长时间、实时监测食品的质量，能量消耗较大，其主要是采用电池供电的方式，而电池的容量是有一定限度的，不能无限制供电，因此，这就对微粒的功耗提出了较高的要求。
（2）应具有抗干扰能力，数据通信的保密性。食品在运输过程中，由于外界信号会干扰RFID读写器与RFID微粒的通信，这就要求RFID货架期指示器能够具有较强的抗干扰能量和数据通信的保密性。
（3）要求系统具有较高的稳定性和可靠性。RFID货架期指示器需要具有较强的稳定性与可靠性，才能实现对食品实时监测的目标。
（4）能识别多个移动RFID微粒。在食品源、中转站、目的地，RFID读写器需要读取多个移动的RFID微粒，读取的过程中由于信息的不断碰撞和智能RFID微粒的移动，会产生RFID微粒被漏读的问题及功耗问题。
5.展望
为了实现RFID货架期指示器能够被较好地应用于食品冷链物流中，需要通过对RFID货架期指示器的功耗和多个移动RFID微粒的防碰撞问题进行了研究。论文需要在以下几个方面展开研究：
（1）需要提出时间序列电源管理算法
冷链物流具有较强的行业特殊性，RFID货架期指示器需要在这一过程中实时监测食品的存储环境与质量信息，并需要对数据进行计算和存储，其能量消耗较大。现有的电源管理技术一般都是将以前的状态综合来预测将来的工作状态，不能有效应用在冷链物流中。本文提出了时间序列电源管理算法，该算法根据划分的运行模式对智能RFID微粒进行管理，优化了微粒的功耗与性能之间的平衡。
（2）需要提出智能自适应帧时隙ALOHA防碰撞算法
传统的防碰撞算法一般都是针对于静止的应答器与读写器而设计，而在冷链物流过程中，智能RFID读写器需要读取多个移动的智能RFID微粒。针对这一情况，论文分析了冷链物流环境下RFID货架期指示器在射频通信时存在的三种情况，并总结了这三种情况共同存在的问题：一些微粒将离开稳定通信范围；而一些新的微粒将进入稳定通信范围。针对这一问题存在三个技术难点需要解决，论文通过对智能RFID微粒数量的估计，提出了智能自适应帧时隙ALOHA防碰撞算法，算法的设计思路主要是减少多个移动微粒之间的信息碰撞，并减少微粒的射频通信时间，以此达到降低功耗的目标。
（3）需要设计低功耗的RFID货架期指示器
在上述两项技术的研究基础上，设计低功耗的RFID货架期指示器。
参考文献
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关键词： 背光组件；LED发光条；超薄结构；导光板
中图分类号：TN312+.8文献标识码：B
Design and Development of LED Backlight Units Used for
Notebook PC
LI Xiu-zhen, YANG Dong-sheng
(Beijing BOE CHATANI Electronics Co., Ltd., Beijing 100176, China)
Abstract: At present, the small-size LED backlight has a very high market share. The design and development of LED backlight used for notebook PC is introduced in this paper. The development process is elaborated separately from the standpoint of optical, circuit and structure. In the optical, the LGP is manufactured by mold injection using stamper technology without printing pollution. According to the specification and quantity of LED, the LED light-bar is designed to drive the whole backlight. The structure achieve ultra-slim with "no back cover" design. LED backlight in this paper has reached the level of industry-leading with the feature of ultra-slim, high brightness, low power consumption
Keywords: backlight units; LED light-bar; ultra-thin structure; LGP
引 言
随着LED技术的发展，特别是发光效率的提高，节能、环保的LED产品在显示领域的应用已越来越广泛。LED封装、SMT贴片、发光条制作均发展到较高水平，LED背光制造和产业化水平也达到了相当高的水准。目前小尺寸产品市场需求大约以每年20%的水平剧增，LED背光在笔记本电脑上的应用已独领，CCFL背光在笔记本电脑上的应用将逐渐退出历史的舞台[1-2]。目前全球大厂都在积极发展LED背光产品，目前市场的主流笔记本电脑几乎全部采用LED背光技术。
本文介绍了笔记本电脑用LED背光组件的设计开发，分别从光学、电路、结构角度阐述了开发的过程。光学方面，采用STAMPER技术，一体成型射出导光板，减少印刷环节，无印刷污染；电路方面，根据LED的规格及颗数设计LED发光条，驱动整个背光源；结构方面，采用无背板的结构设计，达到超薄效果。本文设计的笔记本电脑用LED背光源超薄、高亮、低功耗，达业界领先水平。
1光学设计
1.1LED光源
背光模组的作用是把点光源发出的光通过漫反射使之成为面光源。为了得到合格的面光源，首先要选择合适的LED，通常应用到笔记本电脑背光组件的LED的规格为3014。通过预设白场光度指标，结合对液晶屏、光学膜等影响因素的研究分析，完成对整个背光源所需光通量的计算。根据计算的光通量，结合LED的光学特性计算出所需LED的颗数。
1.2LGP设计加工
采用STAMPER技术，一体成型射出导光板，减少印刷环节，较少印刷污染。以模具射出形成网点，入射面设计能破坏光源的全反射，并控制光源射出导光板面角度的分布，网点数量的多少对光源做有效的控制。网点可随模具任意设计形状，若网点为极小的平滑镜面，可使光在网点及导光板内部的损失减至最小，应用光学设计软件进行网点设计。图1所示为模拟的背光组件的亮度均一性。
2电路设计
在侧光式背光组件中，应用长条式的LED light-bar作为整个组件的光源，LED light-bar采用白光顶发光LED。以某机种产品为例，单颗功耗：3.2V×0.02A=0.064W。整个light-bar功耗：0.064W×42=2.69W。LED背光源电路设计主要包括发光条设计和驱动控制电路设计，驱动电路采用一款DC/DC恒流驱动芯片，对发光条进行恒流驱动。图2所示为LED light-bar的驱动原理图。
3结构设计
笔记本电脑用LED背光组件通常采用侧光式结构，背光组件结构包括：LED发光条、膜材、导光板、驱动板、胶框。背光组件采用白光LED，整个结构设计以Active Area的中心点为所有部件的设计中心，以笔记本电脑所用液晶屏的尺寸为前提，设计其它尺寸。综合考虑电路设计及光学设计的要求，对结构进行设计。结构设计先从LAYOUT布局图着手，表达整体机构以及各部件相互之间的装配关系，然后着手零件图结构设计。某机种背光源产品厚度可达2.35mm。所设计的笔记本电脑用LED背光源的结构特点：
（1） 背光源单短边入光，入光方式为短边入光，发光条尺寸减小，成本降低；
（2） 使用薄型平板LGP，对LGP网点技术要求较高；
（3） 胶框结构，无背板，无灯罩结构，采用高反射率反射片遮光，使用铝箔散热；
（4） 组装时对LED发光面和LGP入光部对位要求较高。
4测试
本文所设计的笔记本电脑用LED背光组件光源采用白光LED，组装后的LED背光源利用BM-7进行13点测试，5点平均辉度为4,019nit，亮度均齐性为85.33%，色彩还原性达到95%@CIE 1976。背光源整体功率为3.2W，其中LED功耗为2.69W。背光系统的驱动电路简单，电流一致性良好。表1所示为背光源的光学测试数据。
5结论
本文设计开发了笔记本电脑用LED背光源，采用STAMPER技术，一体成型射出导光板，减少印刷环节，较少印刷污染；根据LED的规格及颗数设计LED发光条，驱动整个背光源；结构方面，采用无背板的结构设计，达到超薄效果。本文设计的笔记本用LED背光组件超薄、高亮、低功耗，达业界领先水平。
参考文献
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关键词：ZigBee，智能家居，前景展望
0 引言
智能家居，又称为智能住宅（SMART HOME），是以住宅为平台，利用综合布线技术、自动控制技术、网络通信技术、安全防范技术、音视频技术将家居生活有关的设备集成，构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。智能家居起源于上世纪80年代的美国，随着我国人民生活水平的不断提高，已经有越来越多的厂商和个人开展了对智能家居的研究，并有各类相关产品问世。
传统的智能家居更多的是通过有线的方式进行组建，比如常见的Ethernet、CEBus、X-10等，其中得到最广泛应用的是X-10，主要是因为其相对低廉的价格和用户可自行装设的特点。，前景展望。CEBus的性能虽然高于X-10，但是由于售价较高而难以得到普及。Ethernet主要用于高速数据传输网络，用于家庭自动化控制则会受到电缆布线的限制。而日益兴起的无线技术能否在智能家居领域占有一席之地并得到广泛的应用呢？
和采用有线网络的通信技术的智能家居产品相比较，无线技术解决方案最吸引人的地方是安装布置的灵活性、低廉的安装费用和在智能家居系统进行重新布置时的可移动性。尽管无线通信技术和有线相比较有明显的优势，而且无线局域网技术和蓝牙技术已经在市场上获得了巨大的成功，但无线通信技术在智能家居领域应用相对还是较少。这主要是因为目前没有一项标准化的，获得各厂商一致认可的无线通信技术适合在智能家居领域进行广泛的推广，而且现有的一些针对智能家居领域无线通信产品的价格偏高，导致无线通信技术在智能家居的应用停滞不前。随着近年来人类在微电子机械系统（MEMS）、 无线通信、数字电子方面取得的巨大成就，使得发展低成本、低功耗、小体积、短通信距离的多功能传感器成为可能。近年来所涌现出来的一项新的无线通信技术—— ZigBee技术将改变这种状况。ZigBee技术产品以其低成本、低功耗、低传输速率、优秀的组网能力，被广泛认为将在未来的几年中对智能家居行业产生重大的影响。
1 ZigBee技术介绍
ZigBee技术是建立在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美国电气电子工程师学会）802.15.4基础上的无线通信协议，它是一个短距离、低功耗协议，特别适合设计应用在小型的建筑物自动化设备中，比如温度自动调节装置、灯光控制设备、环境传感器等。
2000年的12月，IEEE成立了IEEE 802.15.4工作组，致力于开发一种可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗的低速率无线连接技术。2001年8月，美国霍尼韦尔等公司发起成立了ZigBee联盟，他们提出的ZigBee技术被确认为IEEE 802.15.4标准。2002年，摩托罗拉、飞利浦和三菱等企业加盟ZigBee联盟，06年中国的华为公司也加入了该联盟。现联盟内有180多个成员企业，包括软件供应商、系统集成商和终端产品商。2003年，IEEE 802.15.4标准获得通过，并在2004年12月推出了ZigBee技术规范1.0版本。2006年，推出ZigBee 2006，比较完善。2007年底，推出ZigBee PRO。
ZigBee技术能够在低功耗下提供短距离、低速的数据传输，使用普通干电池的ZigBee无线传感器能够持续运行2～3年的时间。，前景展望。，前景展望。另外ZigBee技术优秀的组网能力使得它和其他无线通信技术在智能家居系统中的应用相比尤其具有无可比拟的优势。具体地分析，ZigBee技术有如下几点优势：
（1）低成本，ZigBee技术是免协议专利费的，而且每块芯片的价格大约为2美元左右。
（2）低功耗，在低耗电待机模式下，两节五号干电池可支持1个节点工作半年至两年时间甚至更长。，前景展望。
（3）低速率，ZigBee工作在20～250kbps的较低速率，在不同频带间分别提供250kbp(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始数据吞吐率满足低速率传输数据的应用需求。
（4）短时延，ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相对而言，WIFI需要3s，而蓝牙则需要3~10s。
（5）大容量，ZigBee可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大型网络。
（6）高安全性，ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制列表(ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES 128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
基于上述特点可看出ZigBee主要应用于短距离范围内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间，其典型的传输数据类型有周期性数据（如传感器数据）、间歇性数据（如照明控制）和重复性低反应时间数据等。因此ZigBee技术十分适合应用于智能家居系统之中。
2 ZigBee技术在智能家居中的应用前景
目前，ZigBee的开发以大厦自动化设备、产业、医疗及家庭自动化等领域为目标。尤其在自动仪表领域，ZigBee拥有很高的关注度。市场调研公司In-Stat预测，支持ZigBee及IEEE802.15.4的芯片组的合计供货量到2011年将从06年的500万个增至1亿2000万个。但在智能家居市场，由于竞争技术较多，ZigBee成为唯一标准的可能性很低，但因为自身的技术特点，发展前景还是值得期待的。另一家市场调研机构ABI Reserch对ZigBee技术持有非常乐观的态度。该公司的一份预测数据显示，2005年到2012年，ZigBee市场的年均复合增长率为63%，而到2012年ZigBee市场份额将达3.5亿。目前国际上智能家居领域专家们的共识是，ZigBee技术在智能家居中的应用将不可阻挡，但是多种无线技术并存的局面将会持续比较长的时间，能否完全取代其它技术，成为智能家居领域的首选，还要多方面的共同努力，进一步完善技术，加快标准化的脚步。，前景展望。
3 结束语
随着我国经济的飞速发展，智能家居的数量也会越来越多，Zigbee技术与智能家居系统的结合有着广泛的应用前景，本文主要探讨了该技术在智能家居系统中的应用，并对技术的应用前景做了展望。这种方式在现实生活中具有很强的应用性，相信在不远的将来，会有越来越多由Zigbee技术延伸而出的设备投入应用，并将极大地改善我们的生活。，前景展望。需要关注的一个问题是，虽然目前我国智能家居中所使用的系统及产品大多被国外的大公司所垄断，但是ZigBee技术的出现将给我国开发自主的具有世界先进水平的智能家居系统及产品提供一个崭新的契机。
参考文献
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[关键词]自组网络 无线传感器节点 IPv6 nRF905
[中图分类号]TP393.18[文献标识码]A[文章编号]1007-9416(2010)03-0012-02
1 引言
近年来随着无线通信、大规模集成电路、传感器以及微机电系统 (MEMS)等技术的飞速发展,无线传感器网络(WSN)也得到了很大的发展,并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点使无线传感网络得到了普及。无线传感自组网络是由一些功耗低、体积小的传感器节点,以无线通讯的方式自组而成的一个网络,这些分散的节点能够在一定范围内协作地实施监测、感知、采集和处理周围环境信息,他们之间通过一定的网络组织协议,协同合作完成特定的任务。
2 体系结构
典型的自组网络系统结构包括多个无线传感器节点 (Sensor node)、汇节点 (Sink node)、互联网和用户终端设备等。无线传感器节点通过特定的自组织协议快速形成一个无线通信网络,每个无线通讯网络都有一个汇节点,它既可以发送或接收数据,也可以充当信息的路由者,无线传感器节点采集的数据通过多次转发而最终到达目的节点。自组织网络的体系结构图如图1 所示:
其中,无线传感器节点负责采集、处理、压缩数据、中转其他节点的数据包并将数据包发送出去。在不同的应用中,无线传感器网络节点的结构不尽相同,一般由数据采集单元、数据处理和控制单元、无线通信单元、与PC通信单元和供电单元等组成。
3 无线传感器网络节点硬件设计
相对于传统网络节点,无线传感器网络节点具有明显的技术特点:(1)网络节点密度高,数量大;(2)节点的计算和存储能力有限;(3)节点体积微小,通常携带能量十分有限的电池,节点能量有限;(4)通信能力有限,传感器网络的通信带宽较窄,节点间的通信单跳距离通常只有几十到几百米,因此在有限的通信能力下,如何设计网络通信机制以满足传感器网络的通信是必须考虑的问题;
由于无线传感器网络节点具有以上特点,在节点的设计上,要求节点硬件设计必须低成本、低能耗、支持多跳的路由协议。其硬件结构图如图2所示。
该无线传感器节点的硬件结构由五个主要部分组成:微处理器模块、射频通信电路(RF)模块、传感器模块、电源模块、铁电存储模块和与PC的通信模块。其中处理器模块选择的是AVR ATMEGA16L单片机来进行控制电路的设计,其原因主要是该单片机具有以下特点:速度快;性价比高、低功耗;带有同步串行接口SPI。
3.1 射频通信电路(RF)模块
射频通信电路模块是决定无线传感器网络系统性能好坏的一个因素, 300M - 3GHz UHF频段的无线电波具有很强的直射、绕射、反射以及抗干扰能力强等特性,所以很适合应用于无线传感器网络。
本系统的设计目标是低成本,低功耗,外形小巧、简单易于实现,同时传感器网络主要用于传输传感器数据或者控制信号,因此对传输带宽的要求并不高。本系统采用的是比较符合实际应用需求的ISM 频段的短距离射频技术,并且由于此类ISM 射频模块一般不含协议栈,也给传感器网络新协议的设计和测试带来了方便。经过调研,市面上常见的射频模块性能比较如下:
综合以上考虑,系统最终选择了挪威Nordic公司新推出的单片射频收发芯nRF905,与其他类似芯片相比,nRF905功耗较低,工作电压低至1.9～3.6V,以-10dBm 的输出功率发射时电流只有11mA,工作于接收模式时的电流为12.5mA,支持空闲模式与关机模式,易于实现节能,适合便携式产品的设计。并且具有发送和接收状态的多级功率控制,可以方便传感器网络射频功率控制相关技术的研究。其接口示意图如图3所示。
nRF905集成度高,由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调制器组成,工作频率稳定可靠,元器件少,不需外加声表滤波器,此外,nRF905最高工作速率可达20k,发射功率可以调整,最小为-10dBm,最大为+10dBm。
4 精简IPv6协议
针对目前自组织网络中自组织算法的研究现状,本文介绍了一种精简IPv6协议,它具有IPv6协议的特点,同时也有自己的特点。精简IPv6协议的特点如下:无校验位;采用128bit地址,地址充足;移动便捷;便于管理和扩充。
该协议中没有使用数据校验位的原因主要有以下几点:(1)中间路由器不再进行数据包校验;(2)因为大部分二层链路层已经对数据包进行了校验和纠错控制,链路层的可靠保证使得三层网络层不必再进行报头校验;(3)端到端的四层传输层协议也有校验功能以发现错包;(4)校验需随着TTL值的变化在每一跳重新进行计算,增加包传送的时延。
自组织协议的格式如表2所示。
帧起始符68H:标识一帧信息的开始,其值为68H=0110100B;
网络标识:标识着不同的无线传感器子网,它的值的范围可以根据自身的网络规模自行设定;
最大跳数:8bit,其值代表一帧从源节点传输到目的节点所经过的最大跳数,如果超过了该值,让网络中的节点自行丢弃所传输的数据帧;
源地址:128bit,可以极大限度的满足网络的需要,同时还可以根据需要灵活地控制和使用;
目的地址:128bit,与源地址配合使用,是数据所要达到的最终地址;
数据域:表示有效数据,其大小可以根据用户需要自行设定,另外,这些数据随着用户需求的不同而采用不同的格式,可携带不同的信息;
结束符:16H=00011100B,表示数据包的结束标志位。
无线传感器节点就是基于这个精简IPv6协议,通过无线的方式快速自组织将捕获到的周围环境信息迅速准确的发送于汇节点,完成信息采集的功能。
5 无线网络的自组织分析
无线传感器节点通过基于精简IPv6协议自组织实现的无线网络,要求这些节点在一定的范围内,同时也要满足自组织网络的硬件环境需求。无线自组织网络需满足以下条件:(1)每个无线传感器子网要根据连接不同的子网数目配上相同数目的汇节点,并且所有汇节点必须在该网络所允许的范围内。(2)每个传感器节点上必须有一定的存储空间,可以使用外接的存储器芯片,最好是铁电存储芯片,如果要求的跳数较少的话,也可以使用ATMEG128L处理器自带的存储空间。(3)子网与子网之间必须有一定的交汇,且交汇处要放置一个汇节点,汇节点既可以是信息的采集和发出者,同时也充当信息的路由者。(4)子网需要相应的与互联网连接的网络设备和用户终端设备,以便可以与Internet进行数据的传输与处理,同时也可以从丰富的互联网网络中获取大量的网络资源。(5)同一传感器网络中的所有节点工作在同一频率下。
满足了以上要求后,本论文设计的流程图如图4所示。
通过在一定环境和范围内的测试,系统的软件设计很好的使各个节点捕获到了来自各种环境的信息,并通过无线自组织的方式,将信息传达到汇结点,最终完成信息采集的功能。
6 结语
本文通过对自组织网络体系结构的分析,设计了一种低价格、低功耗的微型传感器节点,搭建了一个易于实现、结构稳定、集成度高的硬件平台,对微型传感器节点的无线自组织协议进行了构思。随着无线自组织网络研究的深入,此系统给无线自组织网络的研究提供了有效的参考价值。
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本论文研究的是利用射频识别技术将电子施封锁应用于电动车防盗系统。该电子标签外壳与RFID芯片融为一体，在不影响现有施封锁功能的前提下，通过巧妙的设计使标签外壳附着在施封锁的一侧。
【关键词】射频识别读卡器RFID
1、引言
随着科学技术的发展，电子标签―RFID在国内外已被广泛的使用，如为减少行李遗失事故的发生，国际航空运输协会积极鼓励全球航空公司和机场，采用先进的RFID技术处理乘客的行李。它能通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别过程无须人工干预，能够工作于各种恶劣环境之中，可用于高速运动目标的识别及多个目标的同时识别，操作快捷方便。由于具有高速移动物体识别、多目标识别和非接触识别等特点，RFID技术显示出巨大的发展潜力与应用空间，被认为是21世纪的最有发展前途的信息技术之一，曾被美《商业周刊》评为将掀起新产业浪潮的未来四大高技术之一。
RFID技术的应用已趋成熟。在北美、欧洲、大洋洲、亚太地区及非洲南部都得到了相当广泛的应用。目前国内RFID的应用已经涉及到铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统等。正在计划推广的应用领域还有电子身份证、电子车牌、铁路行包自动追踪管理等。
2、射频技术
从信息传递的基本原理来说，射频识别技术在低中高频段基于变压器藕合模型（初级与次级之间的能量传递及信号传递），在超高频及微波频段基于雷达探测目标的空间藕合模型（雷达发射的电磁波信号碰到目标后携带目标信息返回雷达接收机）。射频标签与读卡器之间的电磁藕合包含两种情况：一是电感耦合方式，是低、中、高频段近距离非接触射频识别系统的基础。在电感耦合方式中，读卡器的天线相当于变压器的初级线圈，射频标签的天线相当于变压器的次级，因而电感藕合方式也称为变压器方式。电感耦合方式通过空间磁场实现耦合，耦合磁场在读卡器线圈（初级）与射频标签线圈（次级）之间构成闭合回路。二是电磁藕合方式，在电磁耦合方式中，读卡器的天线将读卡器产生的射频信号以电磁波的方式定向发送到空间范围内，形成读卡器的有效阅读区域，位于读卡器有效阅读区域中的射频标签从读卡器天线发出的电磁场中提取工作电源，并通过射频标签的内部电路及标签天线将标签内存的数据信息回传到读卡器。电磁耦合与电感藕合的差别在于电磁耦合方式中读卡器将射频信号以电磁波的形式发送出去；在电感藕合方式中，读卡器将射频信号束缚在读卡器电感线圈的周围，通过交变闭合的线圈磁场，形成读卡器天线与射频标签天线之间的射频通道，而没有向空间辐射电磁能量。电感耦合的RFID系统中，电子标签卡在天线上形成的接收信号的调制方式常采用副载波负载调制技术；电磁耦合的RFID系统中，电子标签卡在天线上形成的接收信号的调制方式常采用电磁波反向散射调制技术。
按照读写距离来划分，RFID系统可分为接触式和非接触式，而非接触式又分为近距离（密耦合）、中距离（遥耦合）和远距离。本论文中主要探讨的是遥耦合，读写距离从1米到10多米甚至更远的RFID系统称为远距离RFID系统。它是依靠电磁波在空间辐射形成空间电磁场，电子标签卡与读写器之间的通信方式类似雷达探测过程。工作时，射频标签位于阅读器天线辐射场的远场区内，标签与阅读器之间的耦合方式为电磁耦合方式。阅读器天线一般为极化（线极化或圆极化）天线，并在空间形成一个辐射场为无源标签提供射频能量。远距离RFID系统的工作频段为860―960MHz、2.4GHz和5.8GHz等，目前大量应用在车辆管理、码头集装箱等大物件的流通领域。
3、RFID技术的应用
本论文中的RFID技术是一种无线通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。它的工作原理是：无线电信号通过调成无线电频率的电磁场，把数据从附在物品上的标签上传送出去，以达到自动辨识与追踪该物品的目的。
目前大部分电动车的防盗系统的防盗原理是：当盗窃者触碰电动车时，车子自动发出警报鸣笛。这种防盗系统根本发挥不了防盗的作用：一、车子经常被非盗窃人员触碰，导致大家弄不清楚警报声到底是否是因为盗窃所产生的。二、即便是盗窃所产生的警报，户主也不能及时知道是有人在盗窃自己的车子。而本论文的构想是：把RFID技术应用在电动车防盗系统中。基本构思是：在电动车的电瓶安装处加装施封锁自动识别装置并在施封锁的一侧加上电子标签外壳与RFID芯片，只要是电瓶处或者机动车开锁处被解锁，通过RFID的读卡器，就会发出无线射频信号，户主手中的应答器就会接收到报警系统的提示。
整个系统的组成是基于主动射频激活后的动态识别系统，系统由电子施封锁，125KHZ低频激活系统，如图1所示。
读出装置的电路由单片机控制模块、射频收发模块、接口控制及125KHZ无线唤醒发射模块、其中接口用于控制系统中射频信号发射和接收。电子施封锁的电路由单片机控制模块、射频收发模块、125KHZ无线唤醒发射模块、电源管理几部分组成。
电子施封锁的电路由单片机控制模块、射频收发模块及无线唤醒电路、电源等四个部分组成。单片机用于控制射频收发模块和保存与电子施封锁相关的信息；无线唤醒电路则在收到读写器发送的特定信号后产生一个中断信号唤醒休眠的单片机和射频收发模块；射频收发模块则负责接收和发射读写器发送来的信号；电源电路控制电源的功耗，根据无线唤醒电路的指令及无线射频的信号强度控制电源的消耗，及计算电源的容量及寿命管理，确保电源能长时间可靠的工作。
系统单片机控制模块采用了NORDIC最新的无线和超低功耗技术，选择用NRF24LE1控制芯片，在一个极小封装中集成了包括2.4G无线传输，增强型51 FLASH高速单片机，丰富外设及接口等的单片FLASH芯片，是一个综合了性能及成本的完美结合，很适合应用于各种2.4G的产品设计。
读写器和电子施封锁都有工作及休眠二种工作模式。由安装在电动车上的震动传感器感应到电动车震动时，接口控制模块发出读写指令，启动读出装置的射频收发模块工作，同时启动125KHZ无线唤醒发射模块工作；电子施封锁受到读出装置唤醒信号后启动工作，实现与读出装置的数据交换，完成一次完整的数据交换后，读出装置将读取到的信息存在于单片机控制模块中，并迅速将车载信息发送到车主手中的报警器。读出装置和电子施封锁重新进入低功耗休眠状态，等待下一次的唤醒。
本论文中的电子施封锁采用电池供电，而电池是一种消耗性的电源，工作时间短，为了延长车载卡的工作时间，需要进行电源管理，以降低功耗。当前大多数的电源管理方法采用一种周密设计的唤醒、休眠方法。但大多数情况下，唤醒周期的大部分时间是徒劳无用的， 消耗能量。本系统中采用一种无线触发唤醒的电源管理方法，在这种方法中，车载卡进入休眠模式后就会一直保持睡眠状态，在读写器没有发送出特定频率的无线信号时，它是不会被唤醒的。当然，这个特定频率的无线信号会立即地唤醒休眠的电子施封锁这样，就节省了在唤醒前和监测期间的电源消耗。
高安全性，芯片内固化Gazell协议具有AES 128bit 高强度加密，确保数据传输的安全可靠；低功唤醒、高频数据交换，避免了同频干扰。唤醒脉冲通过特定频率是125KHZ低频发送，而数据通信采用另外的2.4G无线频率传送。一旦读写器与标签建立通信连接后，双方便跳到由读写器指定的固定频率上工作。这样，即使电动车或是整个停车场中其它电子施封锁在无线通信范围内也不会被唤醒，避免了同频干扰起到了抗干扰的作用。
【论文摘要】：从节能的角度介绍了大中型商业建筑照明的分类要求，建议使用高光效光源及低功耗、长寿命、优性能的整流器。
一、引言
随着改革开放的不断深入和发展，各行各业正在发生着日新月异的变化，建筑行业的崛起和变化更是来势迅猛、内容纷繁，现代化的建筑千姿百态、造型各异并逐步呈现出高、大、全、新的特点。现代建筑的层数越来越高，占地面积越来越大，内部设施越来越完善，功能越来越齐全，所用设备和材料则越来越新。商业建筑的发展必然伴随着照明创新的繁荣，现代商业建筑照明设计的发展趋势是多方化、情趣化、艺术化和节能化。
二、商业照明的种类
(1) 商场立面照明
各个商业建筑都有它的一般商业性和各自的特征。对商场的立面照明除如何将它的一般性和特征展现得更有艺术性之外，应该有意识地将临街的立面和门厅照得更明亮，更具艺术性，令路人对商场有深刻印象。另外，还需有渲染商店形象的广告照明。
(2) 商场广告照明
上述的商场立面照明是最有效的广告，但各个商场还有其名称和标志。对于名称和标志，常采用下列方式：①用霓虹灯将名称或标志逐笔逐画圈起来，霓虹灯或长明、或多种颜色轮换闪烁或卷地毯式闪烁。②商场的名称或标志是实体的艺术雕塑，用支架离墙，在其后面依其形状布灯，让灯光将名称或标志浮现起来，多用长明的霓虹灯。
(3) 商品广告照明
①用霓虹灯造出商品名称、形状、商标，或勾边、或沿广告形状制造，灯光或长明、或闪烁。有的广告底层尚配以卷地毯式的闪烁的霓虹灯衬托。②透明广告画、图片制成灯箱，在画或图片后面用光管列照射，使画面色彩透射出来。③不透明广告画面，用投光灯照射，将画面的色彩和层次显现出来。其中②、③项采用高显色性的光源。
(4) 商场的一般照明
①选用高光效的光源，如节能灯、荧光灯。②选用高效率的灯具，如高效荧光灯具或其他高效灯具。③光源的光色，应既与商场空间协调，又能将商品质感最确切、最真实地显示给顾客。此外，还要围绕商品建筑照明周围的光环境(如装修材料及其色泽等)和商品内容确定。④根据商场所在地区的经济、电力供应、环境，确定合适照度。有时为了引起顾客对一些商品的注目，要使重点照明的照度增加几倍，增加了耗电量。在有空调的商场也增加了空调耗电量，照度高低，必须慎重分析，适合当地条件。⑤除水平照度，还应合理设计垂直照度。一般选用宽光束或蝙蝠型配光曲线的灯具。⑥一般照明的照度，主要是均匀度，以适应商品陈列方式和陈列场所的变动。若货架为长条式排列，则采用蝙蝠配光曲线高效荧光灯具，灯具应沿两货架中间布置，避免主光束投射到货架顶上。
(5)商场的重点照明
为了重点地把主要商品或主要场所照亮，以突出商品，激发顾客的购买欲望。照度应随商品种类、形状、大小、展出方式而定，同时必须和商场内一般照明相平衡出良好的照度。在选择光源及照明方式时，不能忽视商品的立体感、光泽及色彩等。
(6) 应急照明的分类
应急照明是在正常照明系统因电源发生故障，不再提供正常照明的情况下，供人员疏散、保障安全或继续工作的照明。应急照明不同于普通照明，它包括备用照明、疏散照明、安全照明三种。
备用照明--在正常照明电源发生故障时，为确保正常活动继续进行而设的应急照明部分。包括：①照明熄灭将妨碍消防救援工作进行的场所。如消防控制室、应急发电机房、广播室及配电室等。重要的地下建筑，因照明熄灭将无法工作和活动的场所，如大中型地下商场、地下餐厅、地下车库与地下娱乐场所等。②照明熄灭将造成现金、贵重物品被窃的场所，如大中型商场的贵重物品销售区、收款台及银行出纳台等。
疏散照明--在正常电源发生故障时，为使人员能快速且准确无误地找到建筑物出口而设的应急照明部分。通常在下列场所应设疏散照明：人员众多、密集的公共建筑，如大会议室、剧院、电影院、大型展览馆、大中型商场、大型候车厅等；高层公共建筑、超高层建筑；人员众多的地下建筑。
安全照明--在正常电源发生故障时，为确保处于潜在危险中人员的安全而设的应急照明部分。通常在下列场所应设置安全照明：正常照明因电源故障而熄灭后，由于众多人员聚集，且又不熟悉环境条件，容易引起惊慌而可能导致人身伤亡的场所，或人们难以与外界联系的电梯内等；应急照明既要满足作为照明的一般要求，又要满足应急作用的特殊要求，既要在紧急状态下照明，同时又要保证常年安装在建筑物内安全、可靠地处于良好的应急状态。这除了选择合适的光源外，选择安全、可靠、经久、耐用的应急照明电源也是至关重要的。
三、推广使用高光效光源
众所周知，照明光源有白炽灯、日光灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等。按照光效高低的排列，高压钠灯的光效为最高，白炽灯为最低，各光源的技术指标如表1所示。一只75W的白炽灯，节电效率高达80％。所以，为节s电能，应积极推广使用高光效、长寿命光源。
四、开发并使用低功耗、长寿命、优性能的镇流器
镇流器的作用是提供瞬间的高电压及高电流，并且在起动后限制日光灯管内的电流，以避免日光灯管内的电流激增，而缩短日光灯管的寿命。日光灯用传统电感镇流器一般功率为灯管额定功率的20％，高强度气体放电灯(HID)的镇流器功耗为额定功率的15％-16％。因此，开发生产低功耗、长寿命、优性能的新型镇流器，对我国"绿色照明工程"的实施也必将起到巨大的推进作用。表2为各种镇流器技术指标比较。
五、对商场照明的要求
(1) 创造良好的视觉条件，保证足够的照度和必要的照明质量，包括良好的颜色显现，合理地限制眩光等。
(2) 满足吸引顾客、渲染商品特色等促销手段的特殊需要。
(3) 确保使用安全，包括防止照明系统运行引起火灾和电击事故，还需提供商场中发生意外事故时保证人员安全疏散所必需的照明。
(4) 具有足够的灵活性，以适应商场内部因销售策略变化、商品变换、季节更替等引起的对照明要求的相应变化。
(5) 节约能源，从使用高效光源、灯具和设计手法、运行管理等多方面措施人手，在满足视觉条件的前提下，使照明耗电量最小。
六、结束语
商场的电气照明不同于其他场所的照明，对新建商场的绿色照明可以通过采用高光效的光源、高效率的照明器来实现，当采用荧光灯作为主光源时应采用低功耗、高性能的整流器来实现，对已建成或改建商场的绿色照明除更换原照明光源、照明器及附件外，还可以通过采用分相无功功率自动补偿装置来改善供电系统功率因数，以达到节能的目的。在考虑绿色照明的同时，还应着重注意视觉环境。不仅要解决光源与灯具的品种、类型和数量的问题，而且要解决照明质量的问题，应把照度水平、亮度分布、照度均匀度、阴影、眩光、光色与照度的稳定性等统一考虑。因为这些将直接影响商场的经营和效益，影响消费者的购物欲望，甚至影响到消费者的身心健康。
参考文献
[1] 北京照明学会照明设计专业委员会编， 照明设计手册，北京：中国电力出版社，1998.
[关键词]数据采集ARM大容量存储
中图分类号:TP274.2文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1110100-02
一、引言
车载分布式信息采集系统通过终端采集到车辆运行的各状态信息发送到远程监控车上的监测中心,对了解车辆运行状况、研究提高车辆的舒适性和安全性等具有非常重要的作用。目前,用于车辆信息采集的系统一般是基于8位或16位RISC的CPU作为核心处理器,该类处理器存在主频低、容量小、实时性差、通讯速度慢等缺点[1,2]。随着科学技术的发展,人们对科学研究的要求越来越高,对数据的采样率、精度控制、传输速度和存储容量等提出了更高的要求,此时以32位RISC的ARM嵌入式处理器显示了强大的优势[3,4]。
二、车载信息采集系统构架
如上图1所示,是车载信息采集系统框图。整个系统主要由中央处理器、电源管理模块、信号调理、数据采集模块、缓存模块和数据存储模块构成。
中央处理器(CPU)主要完成对各个电路的控制和AD采集通道的选择;电源管理模块主要完成对各模块的电源供给和监控;数据采集单元主要完成输入模拟信号的调理和A/D转换;由多片hynix公司高密度的Flash进行数据存储;采用了IDT公司的双口RAM进行高速数据流的缓存。
(一)嵌入式处理器选择
ARM公司是全球领先的16/32位嵌入式RISC微处理器解决方案的供应商,向全球各大领先电子公司提供高性能、低成本和高效率的RISC处理器、外设和系统芯片技术授权。其主要特点是具有高性能、低成本和低功耗。ARM的微处理器核技术广泛用于便携式通信产品、多媒体和嵌入式解决方案等领域,已成为RISC标准。
RISC是一种设计思想,其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行,简单而有效的指令集。RISC的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度,这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能。因此,RISC设计对编译器有更高的要求;相反,传统的复杂指令集的计算机(CISC)则更依赖于硬件执行指令的功能性,使CISC指令变得更复杂。主要体现在以下四个方面:
1.指令集。RISC处理器减少了指令种类,仅提供简单的操作,且每条指令长度固定,一个周期就可以执行一条指令,允许流水线在当前译码阶段去取下一条指令;而CISC处理器中,指令的长度通常不固定,执行也需要多个周期。
2.流水线。指令的处理过程被拆分成几个更小的、能够被流水线并行执行的单元;而CISI指令的执行需要调用微代码的一个微程序。
3.寄存器。RISC处理器拥有更多的通用寄存器;而CISI处理器都是用于特定目的的专用寄存器。
4.Load-store结构。处理器只处理寄存器中的数据。独立的load和store指令用来完成数据在寄存器和外部存储器之间的传送。因为访问存储器很耗时,所以把存储器访问和数据处理分开。带来的好处就是可反复地使用寄存器中的数据,而避免多次访问存储器。而CISI却不能。
ARM选择ATMEL公司的ARM处理器AT91SAM7A3,芯片内部集成了256Kbyte
的高速FLASH用于存储程序,32Kbyte的SRAM可用于存储程序和程序运行时存储变量堆栈数据。AT91SAM7A3具备丰富的接口能满足对车载数据采集系统主控制器的需求,削减了传统数据采集系统烦杂的电路,大大促进了整机的集成度,有利于实现系统的小型化。
(二)数据采集及缓存
在本设计中,系统需要实现4通道400KHz采样率的冲击信号和4通道200KHz采样率的噪声信号采集任务。传统的方法是针对2种不同采样率分别以不同的AD多通道实现采集,这样的设计方法存在的缺点是随着不同采样率和采样路数的增加,系统的逻辑管理和硬件开销太大,致使系统的可靠性大大降低。因此,本文在选择了具有8通道并行采集和高吞率的MAX1304,12位20MHz并行接口。MAX1304是单电源5V供电,最高20MHz时钟接入,8通道全率456ksps采样时,总电源电流为57mA。芯片48引脚7mmx7mm TQFP的小封装,工作温度为-40°C至+85°C宽温度范围。通过AT91SAM7A3
的I/O控制以实现对通道的选择,A/D转换器的输出直接与AT91SAM7A3的SPI接口相接。图2是数据采集及缓存的基本框图。
(三)流水线写入及大容量存储
针对本设计需求,采样1秒将产生4.8Mbyte,连续采样一小时将达到17.28Gbyte。所以需要对采样的高速数据流在存储前必须进行缓存,以适应目前主流存储介质FLASH的写入速度慢的特点[3]。
传统高速缓存的方法是FIFO(先进先出)方式。FIFO具有两套数据线而无地址线,数据像在管道中顺序移动,因而能够达到很高的传输速度和效率,缺点是只能顺序读写数据,对该系统需要分段处理的实时系统显得不够灵活,而且大容量的高速FIFO非常昂贵,器件的封装体积也较大[4]。
方案采用了ITD公司的ITD70V25L与和HYNIX公司的FLASH作为高速缓存和大容量存储,缓存和大容量存储的实现基本框架如下图3所示。根据系统的需求FLASH选用HY27UK08BGFM(4G×8bit,随机读:25μs(MAX);顺序存取:30ns;编程:200μs),为实现系统的大容量存储需要并扩展了FLASH存储区,设计了由6片HY27UK08BGFM并联组成6级流水线并成一个24G×8bit大容量存储体。
FLASH编程速度慢的主要原因是其自动编程的时间相对较长,典型时间为200μs,最大不超过700μs,而由于这段时间是芯片自动完成的,不需要外部的干预,设计充分利用这段“空闲”时间。针对闪存的编程速度慢的问题,将其进行流水处理,实现时间上的微观并行,如上图4所示的三级流水线原理。闪存芯片的编程操作可分为三个步骤:加载操作,自动编程操作,检测操作。
三、采集数据的动态存储管理软件设计
MAX1304在1.98μs内可完成8个通道的同时转换,其20MHz、12位的双向并行数据总线用来提供转换结果,并可接受数字输入分别激活每一路通道。系统采用中断控制方式来设计AD模块,其工作原理是由ARM的输出CLK时钟连接AD芯片的转换时钟控制采样保持和AD转换。本设计对AD采集数据采用了动态存储管理的方法,其控制流程如上图5所示。
四、电源管理
电源管理是嵌入式系统的重要组成部分,一是为了系统的稳定工作,二是为了降低整机的功耗。为适应车载供电的特点实现系统的低功耗,采用了动态和静态的电源监管技术相结合。在静态技术上,主要选用了低功耗器件,绝大部分器件工作电压在3.3V;在动态技术上,通过改变系统的运行行为来降低系统功耗,如在系统工作过程中,根据预处理判断实现自适应采样,以降低系统的工作频率。
利用系统芯片SOC(System On Chip)技术对存储区进行合理的电源管理,如对于flash,利用其非易失性的特点采取逐个加电,及时断电的方式来降低系统功耗。使用TEXAS INSTRUMENTS公司提供的TPS71913-28芯片作为监控给FLASH芯片供电。
五、结论
基于AT91SAM7A3嵌入式微处理器结合高密度的FLASH构建的车载数据采集系统,设计实现了24G×8bit大容量存储,能满足炮车及步兵战车、坦克等车辆连续采集一小时的需求。在外场试验中,系统具备了抗冲击能力,系统嵌入式的电源管理有效的降低了系统功耗,适合舱室环境。设计划分成各子模块,模块化的设计方便了以后系统功能扩展。
参考文献:
[1]韩锋,基于ARM处理器的便携式振动测试分析系统的研究与设计[D].浙江大学硕士论文,2004.
[2]王文武、曹治国,基于FPGA和DSP的并行数据采集系统的设计[J].微计算机信息,2004,11:68-69.
关键词:WISHBONE;FPGA;片上系统;IP核
中图分类号:TP302.2; TP338.1文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)31-0000-00
Design of Sensor Control System on Chip Based on Wishbone
HUANG Wang-hua1, LIU Yi-jun2
(1.Guangdong Textile Polytechnic,Foshan 528041,China;2.Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China)
Abstract: The paper has designed a sensor control system IP core based on the analysis of traditional sensor node structure,which is under WISHBONE standard.This IP core has been carried out in Xilinx's Spantan 3 series FPGA chip successfully. First of all the paper designs the sensor node control system frame,in which SHT7X is a sensor module and CC2420 is a wireless communication module, and then it inrtoduces the detaile design of sub modules, including the MCU, interface modules and the system connecte module, all these modules are under WISHBONE Bus standard. Finally, after synthesizeing ,implementing and programming,the result shows that the IP core only uses 625 Slices, and its highest frequency is up to 78.740MHz.
Key words: WISHBONE;FPGA;SoC;IP core
无线传感器网络是当今国内外研究的热点之一,它是计算机技术、通信技术和传感器网络技术相结合的产物[1]。目前,传统的传感器节点由传感器、信号调理、ADC、微处理器、电源、无线通讯和天线组成。这种传感器节点最大的特点是电路模块化、体积较大、功耗也不低。近几年来,随着FPGA和SoC技术的发展,嵌入式系统逐渐由板级向芯片级设计过渡。本论文就在FPGA芯片上传感器控制系统进行了设计,设计采用了WISHBONE总线标准,通过调试功能达到了设计要求。
1 传感器网络节点和WISHBONE总线简介
传感器网络一般是由一定数量的传感器节点通过网络搭建起来,根据业务应用要求的不同选择监测不同数据的传感器。目前,传统的传感器节点由传感器、信号调理、ADC、微处理器、电源、无线通讯和天线组成。传感器主要完成数据采集,其类型由被监测的物理信号的形式决定。ADC主要完成模拟信号到数字信号的变换,通常市面上的传感器模块都集成了数模转换功能。微处理器主要完成数据处理和操作控制,通常采用低功耗的,如MicroChip公司的PIC系列等。通讯单元主要负责数据的网络传递,一般由低功耗、短距离的无线通信模块组成。
Wishbone[2]总线是一种开源的片上总线标准,现由OPENCODES组织维护。该总线采用了主/从结构,由主部件发起每次与从部件之间的数据传输,支持常见的四种IP核联接方式,包括:点对点、数据流、共享总线和交叉开关。
2 结构总体设计
因该设计所涉及的传感器节点主要以监测大气温度和湿度为目的,为了提高数据采集的准确度和减少功耗,节点采用了瑞士SENSIRION公司开发的数字温湿度传感器SHT7X系列传感器。该模块为插针型,方便传感器的安装和系统调试。同时为了方便自适应组建网络,本传感器节点采用CC2420作为无线通信模块。该无线通信模块可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。
传感器节点控制模块的设计直接影响着整个无线传感器网络的质量。该文利用FPGA技术设计了节点的控制模块,模块系统结构图如图1所示。
该片上系统主要由一个8位的MCU,片内存储器数据RAM,WISHBONE总线控制器和各外设控制器IP核组成。其中MCU IP核主要负责整个片上系统的控制和数据处理,该MCU采用PIC16C5X系列的33条经典控制指令[3],根据FPGA芯片的特点和应用的需求设计相应的体系结构。RAM IP核主要用来存放监测数据,该IP核由FPGA芯片的RAM块组成。各外设控制器IP核,主要负责根据外设接口类型,将内部平行数据格式转换成相就的数据格式,比如LCD-WISHBONE接口IP核,将内部数据总线的数值根据数码管进行编码;UART-WISHBONE接口IP核将内部数据总线的平行数据转换成相应波特率的UART串行数据,等等。以上IP核不管是MCU IP核还是接口控制器IP核都用WISHBONE片上系统总线标准进行规格化。最后通过WISHBONE总线将各功能IP核模块连接起来,各IP核访问总线由总线控制模块控制。
3 系统各模块的设计
3.1 微控制器IP核
该IP核采用传统的LOAD/STORE结构,即指令操作数基本来自寄存器,运算结束后结果也放回寄存器中,指令执行前要先提取数据,指令结束后要结果存储好。整个系统由控制器根据指令控制其它单元的操作,如取址、取数,ALU运算等。
MCU IP核在Syscon模块时钟的驱动下,首先指令寄存器根据PC值取出指令,这就是取指阶段。接下来是译码器对指令进行译码,并从存储器中取出操作数。然后ALU根据译码结果对操作数进行运算,最后写回存储器或输出结果。IP核接口采用WISHBONE标准,其中地址标志位用于选择外设。
3.2 IIC-WISHBONE控制器IP核
IIC(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线标准,用于连接微控制器及其设备[4]。该控制器IP核主要用于连接湿温感应器SHT7X,通过本IP核将感应器的串行数据转换为8位并行数据。转换过程中,通过对一系列寄存器的操作,可以设置器件速度,控制操作,接收传输数据等。该IP核采用了字节传输控制模式,在感应器时钟的触发下,从感应器中读取采集的数据,当数据缓存器满时,即锁定,并通过命令寄存器,请求占用总线,直到MCU响应。这样就完成了以次数据采集。
3.3 SPI-WISHBONE接口
SPI(Serial Parallel Bus)总线是由Motorola公司提出的,可以允许外设以串得方式与MCU进行通信的一个总线[5]。总线是一种高速的、全双工、同步的通信总线,并且只由4条信号线组成,分别是:SCLK(时钟线)、/CS(片选线)、SDO(数据输出线)和SDI(数据输入线)。该IP核主要用于连接无线模块CC2420,将经MCU处理后的数据通过该IP核传递给CC2420。
3.4 UART-WISHBONE接口
UART(即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用异步收发器)是广泛使用的串行数据传输协议。UART允许在串行链路上进行全双工的通信。在嵌入式系统设计中经常会用到UART接口来进行通信,将UART功能集成到SoC设计中从而简化了电路,缩小了面积,还充分利用芯片剩余逻辑单元。UART主要由UART内核、信号监测器、移位寄存器、波特率发生器、计数器、总线先择器和奇偶校验器总共七个模块组成。主要部分功能介绍如下:UART内核主要完成控制周围其它部分在收发数据时的操作;信号监测器对输入信号进行实时监测,一有新的数据立即通知UART内核;总线选择用于选择奇偶校验的输入是数据发送总线还是数据接收总线。
4 系统集成
通过前面个IP核的设计、测试和电路优化,接下来主要是将各IP核集成起来。在IP核设计过程中已对IP核接口进行WISHBONE标准化。为了将多个WISHBONE总线接口标准的各IP核连接成一个片上系统,WISHBONE总线标准主要有四种联接方式,包括端对端、数据流、共享和交叉总线。本设计主要考虑到系统外设数量较少,同时系统对数据的实时性要求不高,为了设计的简便,本设计采用共享式互联方式[6]。
总线控制模块根据主设备(MCU)输出的地址高四位进行选择从设备,在本系统中,从设备可以扩展到16个。主设备输出的低四位地址为各接口控制器IP核内的寄存器地址,用于暂存操作命令和数据。
5 系统综合/实现/调试
在完成系统集成的功能测试后,就可将设计进行综合实现。综合是指将电路的高级语言(VHDL、 Verilog、 SystemVerilog等)或原理图转换成低级的,可与CPLD/FPGA相映射的网表文件,就是按照某种规定描述电路的基本组成和如何相互连接的文件[7]。
综合前主要是设定设计的约束,包括引脚和时钟等。然后在ISE自带的高性能的综合工具中进行综合,最后综合结果显示该系统IP核只占用了625各Slice,仅用了器件3%的资源,同时时钟也达到了约束要求,具体情况如图2所示。
综合后占用FPGA资源情况如下:
Number of Slices: 625 out of166403%
Number of Slice Flip Flops:510 out of332801%
Number of 4 input LUTs:1115out of332803%
Number of bonded IOBs: 20 out of 519 3%
Number of BRAMs:3 out of84 3%
Number of GCLKs:4 out of2416%
IP核时序情况如下:
Minimum period: 12.700ns (Maximum Frequency: 78.740MHz)
Minimum input arrival time before clock: 5.166ns
Maximum output required time after clock: 11.848ns
随后进行实现,通过ISE自带工具查看布局布线情况,可以发现主要分布在BANK2,且较集中。然后利用Generate Programming File命令生成BIT位流文件,最后用编程工具iMPACT将位流文件直接下载到FPGA芯片中,通过对运行情况的分析,设计达到了预定要求。
6 小结
该文主要完成了基于WISHBOEN总线的片上传感器控制系统的设计,设计的内容包括MCU、IIC接口、ISP接口和URAT接口,以及对采用WISHBONE总线标准对其进行规范化。然后通过共享式总线控制模块将各IP核联接起来。最后将系统IP核下载到Spartan-3A DSP 1800A开发板进行了调试,设计基本达到要求。
参考文献:
[1] 敦旭峰,田丰,孙小平.无线传感器网络节点的研究与设计[J].沈阳航空工业学院学报,2007,24(5):61-64.
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[3] 陈穗光,葛建华.I2C总线接口协议设计及FPGA的实现[J].山西电子技术,2006(6):37-38.
[4] 孙丰军,余春暄.SPI串行总线接口的VERILOG实现[J].现代电子技术,2005,16(20):105-107.
关键词:节能;减排;功率半导体
Foundational Technology of Energy-Saving & Emission Reduction ――Power Semiconductor Devices and IC’s
ZHANG Bo
(State key Laboratory of Electronic Thin Films and Integrated Devices,
University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054,China)
Abstract: Power semiconductor devices and IC’s, an important branch of semiconductor technology, are a key and basic technology for energy-saving and emission reduction with the wide spread use of electronics in the consumer, industrial and military sectors. The development,challengeand market of power semiconductor devices are discussed in this paper. The future perspectives and key development areas of power semiconductor devices and IC’s in China are also described.
Keywords: Energy-saving; Emission reduction; Power semiconductor device
1引言
功率半导体芯片包括功率二极管、功率开关器件与功率集成电路。近年来,随着功率MOS技术的迅速发展,功率半导体的应用范围已从传统的工业控制扩展到4C产业(计算机、通信、消费类电子产品和汽车电子),渗透到国民经济与国防建设的各个领域。
功率半导体器件是进行电能处理的半导体产品。在可预见的将来,电能将一直是人类消耗的最大能源,从手机、电视、洗衣机、到高速列车,均离不开电能。无论是水电、核电、火电还是风电,甚至各种电池提供的化学电能,大部分均无法直接使用,75%以上的电能应用需由功率半导体进行变换以后才能供设备使用。每个电子产品均离不开功率半导体器件。使用功率半导体的目的是使用电能更高效、更节能、更环保并给使用者提供更多的方便。如通过变频来调速,使变频空调在节能70%的同时,更安静、让人更舒适。手机的功能越来越多,同时更加轻巧,很大程度上得益于超大规模集成电路的发展和功率半导体的进步。同时,人们希望一次充电后有更长的使用时间,在电池没有革命性进步以前,需要更高性能的功率半导体器件进行高效的电源管理。正是由于功率半导体能将 ‘粗电’变为‘精电’,因此它是节能减排的基础技术和核心技术。
随着绿色环保在国际上的确立与推进,功率半导体的发展应用前景更加广阔。据国际权威机构预测,2011年功率半导体在中国市场的销售量将占全球的50%,接近200亿美元。与微处理器、存储器等数字集成半导体相比,功率半导体不追求特征尺寸的快速缩小,它的产品寿命周期可为几年甚至十几年。同时,功率半导体也不要求最先进的生产工艺,其生产线成本远低于Moore定律制约下的超大规模集成电路。因此,功率半导体非常适合我国的产业现状以及我国能源紧张和构建和谐社会的国情。
目前,国内功率半导体高端产品与国际大公司相比还存在很大差距,高端器件的进口替代才刚刚开始。因此国内半导体企业在提升工艺水平的同时,应不断提高国内功率半导体技术的创新力度和产品性能,以满足高端市场的需求,促进功率半导体市场的健康发展以及国内电子信息产业的技术进步与产业升级。
2需求分析
消费电子、工业控制、照明等传统领域市场需求的稳定增长,以及汽车电子产品逐渐增加,通信和电子玩具市场的火爆,都使功率半导体市场继续保持稳步的增长速度。同时,高效节能、保护环境已成为当今全世界的共识,提高效率与减小待机功耗已成为消费电子与家电产品的两个非常关键的指标。中国目前已经开始针对某些产品提出能效要求,对冰箱、空调、洗衣机等产品进行了能效标识,这些提高能效的要求又成为功率半导体迅速发展的另一个重要驱动力。
根据CCID的统计,从2004年到2008年,中国功率器件市场复合增长率达到17.0%,2008年中国功率器件市场规模达到828亿元,在严重的金融危机下仍然同比增长7.8%,预计未来几年的增长将保持在10%左右。随着整机产品更加重视节能、高效,电源管理IC、功率驱动IC、MOSFET和IGBT仍是未来功率半导体市场中的发展亮点。
在政策方面,国家中长期重大发展规划、重大科技专项、国家863计划、973计划、国家自然科学基金等都明确提出要加快集成电路、软件、关键元器件等重点产业的发展,在国家刚刚出台的“电子信息产业调整和振兴规划”中,强调着重从集成电路和新型元器件技术的基础研究方面开展系统深入的研究,为我国信息产业的跨越式发展奠定坚实的理论和技术基础。在国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)中明确提出,功率器件及模块技术、半导体功率器件技术、电力电子技术是未来5～15年15个重点领域发展的重点技术。在目前国家重大科技专项的“核心电子器件、高端通用芯片及基础软件产品”和“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”两个专项中,也将大屏幕PDP驱动集成电路产业化、数字辅助功率集成技术研究、0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化等功率半导体相关课题列入支持计划。在国家973计划和国家自然科学基金重点和重大项目中,属于功率半导体领域的宽禁带半导体材料与器件的基础研究一直是受到大力支持的研究方向。
总体而言,从功率半导体的市场需求和国家政策分析来看,我国功率半导体的发展呈现以下三个方面的趋势:① 硅基功率器件以实现高端产品的产业化为发展目标;② 高压集成工艺和功率IC以应用研究为主导方向;③ 第三代宽禁带半导体功率器件、系统功率集成芯片PSoC以基础研究为重点。
3功率半导体技术发展趋势
四十多年来,半导体技术沿着“摩尔定律”的路线不断缩小芯片特征尺寸。然而目前国际半导体技术已经发展到一个瓶颈:随着线宽的越来越小,制造成本成指数上升;而且随着线宽接近纳米尺度,量子效应越来越明显,同时芯片的泄漏电流也越来越大。因此半导体技术的发展必须考虑“后摩尔时代”问题,2005年国际半导体技术发展路线图(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一条半导体技术发展路线,即“More than Moore-超摩尔定律”, 如图1所示。
从路线图可以清楚看到,未来半导体技术主要沿着“More Moore”与“More Than Moore”两个维度的方向不断发展,同时又交叉融合,最终以3D集成的形式得到价值优先的多功能集成系统。“More Moore”是指继续遵循Moore定律,芯片特征尺寸不断缩小(Scaling down),以满足处理器和内存对增加性能/容量和降低价格的要求。这种缩小除了包括在晶圆水平和垂直方向上的几何特征尺寸的继续缩小,还包括与此关联的三维结构改善等非几何学工艺技术和新材料的运用等。而“More Than Moore”强调功能多样化,更注重所做器件除了运算和存储之外的新功能,如各种传感功能、通讯功能、高压功能等,以给最终用户提供更多的附加价值。以价值优先和功能多样化为目的的“More Than Moore”不强调缩小特征尺寸,但注重系统集成,在增加功能的同时,将系统组件级向更小型、更可靠的封装级(SiP)或芯片级(SoC)转移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技术即是“More Than Moore”思想的一种实现方式,它是以硅材料为基础的,跨领域(包括电子、光学、力学、热学、生物、医药等等)的复合型集成技术,其核心理念是电性能(“Si”)与光、力、热、磁、生化(“α”)性能的组合,包括:显示器/发光体(LCD、EL、LD、LED)+LSI的组合感光体、(PD、CCD、CMOS传感器)+LSI的形式、MEMS/生化(传感器、传动器)+LSI等的结合。
在功能多样化的“More Than Moore”领域,功率半导体是其重要组成部分。虽然在不同应用领域,对功率半导体技术的要求有所不同,但从其发展趋势来看,功率半导体技术的目标始终是提高功率集成密度,减少功率损耗。因此功率半导体技术研发的重点是围绕提高效率、增加功能、减小体积,不断发展新的器件理论和结构,促进各种新型器件的发明和应用。下面我们对功率半导体技术的功率半导体器件、功率集成电路和功率系统集成三个方面的发展趋势进行梳理和分析。
1) 功率半导体(分立)器件
功率半导体(分立)器件国内也称为电力电子器件,包括:功率二极管、功率MOSFET以及IGBT等。为了使现有功率半导体(分立)器件能适应市场需求的快速变化,需要大量融合超大规模集成电路制造工艺,不断改进材料性能或开发新的应用材料、继续优化完善结构设计、制造工艺和封装技术等,提高器件功率集成密度,减少功率损耗。目前,国际上在功率半导体(分立)器件领域的热点研究方向主要为器件新结构和器件新材料。
在器件新结构方面,超结(Super-Junction)概念的提出,打破了传统功率MOS器件理论极限,即击穿电压与比导通电阻2.5次方关系,被国际上誉为“功率MOS器件领域里程碑”。超结结构已经成为半导体功率器件发展的一个重要方向,目前国际上多家半导体厂商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用该技术生产低功耗MOS器件。对于IGBT器件,其功率损耗和结构发展如图2所示。从图中可以看到,基于薄片加工工艺的场阻(Field Stop)结构是高压IGBT的主流工艺;相比于平面结结构(Planar),槽栅结构(Trench)IGBT能够获得更好的器件优值,同时通过IGBT的版图和栅极优化,还可以进一步提高器件的抗雪崩能力、减小终端电容和抑制EMI特性。
功率半导体(分立)器件发展的另外一个重要方向是新材料技术,如以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体材料。宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、临界击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、抗辐射能力强等特点,是高压、高温、高频、大功率应用场合下极为理想的半导体材料。宽禁带半导体SiC和GaN功率器件技术是一项战略性的高新技术,具有极其重要的军用和民用价值,因此得到国内外众多半导体公司和研究结构的广泛关注和深入研究,成为国际上新材料、微电子和光电子领域的研究热点。
2) 功率集成电路(PIC)
功率集成电路是指将高压功率器件与信号处理系统及接口电路、保护电路、检测诊断电路等集成在同一芯片的集成电路,又称为智能功率集成电路(SPIC)。智能功率集成作为现代功率电子技术的核心技术之一,随着微电子技术的发展,一方面向高压高功率集成(包括基于单晶材料、外延材料和SOI材料的高压集成技术)发展,同时也向集成更多的控制(包括时序逻辑、DSP及其固化算法等)和保护电路的高密度功率集成发展,以实现功能更强的智能控制能力。
3)功率系统集成
功率系统集成技术在向低功耗高密度功率集成技术发展的同时,也逐渐进入传统SoC和CPU、DSP等领域。目前,SoC的低功耗问题已经成为制约其发展的瓶颈,研发新的功率集成技术是解决系统低功耗的重要途径,同时,随着线宽的进一步缩小,内核电压降低,对电源系统提出了更高要求。为了在标准CMOS工艺下实现包括功率管理的低功耗SoC,功率管理单元需要借助数字辅助的手段,即数字辅助功率集成技术(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技术是近几年数字辅助模拟设计在功率集成方面的深化与应用,即采用更多数字的手段,辅助常规的模拟范畴的集成电路在更小线宽的先进工艺线上得到更好性能的电路。
4我国功率半导体发展现状、
问题及发展建议
在中国半导体行业中,功率半导体器件的作用长期以来都没有引起人们足够的重视,发展速度滞后于大规模集成电路。国内功率半导体器件厂商的主要产品还是以硅基二极管、三极管和晶闸管为主,目前国际功率半导体器件的主流产品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先进的超结低功耗功率MOS尚无法生产,另一主流产品IGBT尚处于研发阶段。宽禁带半导体器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)为主,尚未有针对市场应用的宽禁带半导体功率器件(电力电子器件)的产品研发。目前市场热点的高压BCD集成技术虽然引起了从功率半导体器件IDM厂家到集成电路代工厂的高度关注,但目前尚未有成熟稳定的高压BCD工艺平台可供高性能智能功率集成电路的批量生产。
由于高性能功率半导体器件技术含量高,制造难度大,目前国内生产技术与国外先进水平存在较大差距,很多中高端功率半导体器件必须依赖进口。技术差距主要表现在:(1)产品落后。国外以功率MOS为代表的新型功率半导体器件已经占据主要市场,而国内功率器件生产还以传统双极器件为主,功率MOS以平面工艺的VDMOS为主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件优值的功率MOS器件产品,国际上热门的以超结(Super junction)为基础的低功耗MOS器件国内尚处于研发阶段;IGBT只能研发基于穿通型PT工艺的600V产品或者NPT型1200V低端产品,远远落后于国际水平。(2)工艺技术水平较低。功率半导体分立器件的生产,国内大部分厂商仍采用IDM方式,采用自身微米级工艺线,主流技术水平和国际水平相差至少2代以上,产品以中低端为主。但近年来随着集成电路的迅速发展,国内半导体工艺条件已大大改善,已拥有进行一些高端产品如槽栅功率MOS、IGBT甚至超结器件的生产能力。(3)高端人才资源匮乏,尤其是高端设计人才和工艺开发人才非常缺乏。现有研发人员的设计水平有待提高,特别是具有国际化视野的高端设计人才非常缺乏。(4)国内市场前十大厂商中无一本土厂商,半导体功率器件产业仍处在国际产业链分工的中低端,对于附加值高的产品如IGBT、AC-DC功率集成电路,现阶段国内仅有封装能力,不但附加值极低,还形成了持续的技术依赖。
笔者认为,功率半导体是最适合中国发展的半导体产业,相对于超大规模集成电路而言,其资金投入较低,产品周期较长,市场关联度更高,且还没有形成如英特尔和三星那样的垄断企业。但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面,应大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
功率半导体芯片不同于以数字集成电路为基础的超大规模集成电路,功率半导体芯片属于模拟器件的范畴。功率器件和功率集成电路的设计与工艺制造密切相关,因此国际上著名的功率器件和功率集成电路提供商均属于IDM企业。但随着代工线的迅速发展,国内如华虹NEC、成芯8英寸线、无锡华润上华6英寸线均提供功率半导体器件的代工服务,并正积极开发高压功率集成电路制造平台。功率半导体生产企业也应借鉴集成电路设计公司的成功经验,成立独立的功率半导体器件设计公司,充分利用代工线先进的制造手段,依托自身的销售网络,生产高附加值的高端功率半导体器件产品。
设计弱于芯片的局面起源于设计力量的薄弱。虽然国内一些功率半导体生产企业新近建设了6英寸功率半导体器件生产线,但生产能力还远未达到设计要求。笔者认为其中的关键是技术人员特别是具有国际视野和丰富生产经验的高级人才的不足。企业应加强技术人才的培养与引进,积极开展产学研协作,以雄厚的技术实力支撑企业的发展。
我国功率半导体行业的发展最终还应依靠功率半导体IDM企业,在目前自身生产条件落后于国际先进水平的状况下,IDM企业不能局限于自身产品线的生产能力,应充分依托国内功率半导体器件庞大的市场空间,用技术去开拓市场,逐渐从替代产品向产品创新、牵引整机发展转变;大力发展设计能力,一方面依靠自身工艺线进行生产,加强技术改造和具有自身工艺特色的产品创新,另一方面借用先进代工线的生产能力,壮大自身产品线,加速企业发展。
5结束语
总之,功率半导体技术自新型功率MOS器件问世以来得到长足进展,已深入到工业生产与人民生活的各个方面。与国外相比,我国在功率半导体技术方面的研究存在着一定差距,但同时日益走向成熟。总体而言,功率半导体的趋势正朝着提高效率、多功能、集成化以及智能化、系统化方向发展;伴随制造技术已进入深亚微米时代,新结构、新工艺硅基功率器件正不断出现并逼近硅材料的理论极限,以SiC和GaN为代表的宽禁带半导体器件也正不断走向成熟。
我国拥有国际上最大的功率半导体市场,拥有迅速发展的半导体代工线,拥有国际上最大规模的人才培养能力,但中国功率半导体的发展必须改变目前封装强于芯片、芯片强于设计的局面。功率半导体行业应加强技术力量的引进和培养,大力发展设计技术,以市场带动设计、以设计促进芯片,以芯片壮大产业。
论文关键词：智能家电，洗衣机，仿真，AT89S51，PDIP
1引言
随着Internet的日益普及，人们通过Internet不仅可以获得现实世界各种状态的实时变化情况，还可以通过Internet实现远程控制和处理工作，可以从全球的任何一个角落实现对设备的监控，可以使用通用的网络浏览软件访问设备，将消费电子、计算机和通信融为一体，而家用电器的网络化、智能化管理越来越突显需求。
智能家居远程控制系统的核心部分是一个嵌入式Web服务器，系统集有线和无线Web服务器于一体计算机论文，用户可以利用办公室的PC或者手机登录家中的Web服务器，在通过用户名和密码验证后，便可以查看并控制家用电器；系统带有LCD和键盘，具有良好的人机界面；用户还可以通过键盘来设定系统的任务；系统留有丰富的功能扩展接口，通过这些扩展接口将来还可以实现防火防盗和智能抄表等应用。系统结构框图如图1所示。
图1 智能家居系统的总体结构
本文旨在研究智能家电管理系统中基于AT 89S51芯片的洗衣机控制系统的模拟实现。
2 AT89S51芯片概述
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机， AT89S51具有4k在线系统编程（ISP）Flash闪速存储器,采用全静态工作模式,具有三级程序加密琐,32个可编程I/O口线,2个16位定时/计数器,能够采用全双工串行UART通道,具有灵活的在系统编程功能,可灵活应用于各种控制领域。
AT89S51根据封装方式不同，大致分为3种型状,本系统的设计中AT89S51采用PDIP封装模式,如图1所示。
图2 AT89S51封装模式
3 洗衣机控制系统模拟实现
3.1洗衣机控制系统的总体设计
在本系统中，硬件主芯片采用意法半导体的STR710，是整个系统的核心。它作为一个嵌入式网关，将外部网络与内部洗衣机控制器连接在一起，是整个系统运行的平台论文格式。在远程操纵洗衣机方面，STR710负责从GPRS接收到短消息和网络芯片上接收到的以太网数据中提取出用户指令，然后根据该指令操纵相应的网络家电或者查询其运行情况，最后将执行结果反馈到用户终端。系统的软件设计采用分层设计，包括硬件设备驱动层、操作系统层、应用程序接口层和应用软件层。
3.2洗衣机控制器系统设计
根据需求设计的洗衣机控制器的系统逻辑结构设计图如图3所示：
图3 系统总体框图
3.3洗衣机控制器电路设计
采用AT89S51作为控制核心。其中计算机论文，P1.0和P1.1分别用于控制洗衣机的进水阀和排水阀；P1.2和P1.3用于控制洗涤电机的正反转；P1.4～P1.7、P3. 0、P3.1用于驱动7个LED，分别作为工作程序、浸泡和强弱洗指示灯。P3.2接暂停/ 启动键；P3.3分别用于开盖/不平衡中断输入；P3.4被用作输入线，用于监测水位开关状态，为CPU提供洗衣机的水位信息；P3 .5 接程序选择键；P3.7采用分时复用技术，具有两个功能，一方面接强弱选择/浸泡选择键，在洗衣机未进入工作状态时，按触该键可选择强弱洗或开启关闭浸泡功能，另一方面在进水和脱水时，又作为告警声的输出口。
3.4洗衣机控制器软件设计
系统上电复位后，首先进行初始化，洗衣机进入工作程序后，系统首先根据RAM中27H单元的特征字判断洗衣机的洗衣工作程序，洗衣机进入洗涤子程序wash。洗涤是通过驱动电机的正反转实现的。洗涤结束后，退出wash子程序，调用water_out子程序进入排水进程。排水阀排水时间采用动态时间法确定计算机论文，其原理是：根据常用的空气压力水位开关的特性排水结束后，系统调用y子程序进行脱水操作，维持置位状态，保持排水阀开启，离合器在排水阀的带动下使电机主轴与脱水桶联动，实现衣物脱水。然后判断整个洗衣工作是否结束。其原理是：洗衣机在每次洗涤或漂洗工作环节结束后，将存放洗衣工作程序标志的寄存器减1，在脱水工作环节结束后，系统即对该单元进行检测，当检测到为0时，说明整个洗衣工作结束。软件设计主流程图如图4 。
图4 软件主流程图
4 洗衣机控制器仿真工作原理
首先，在通电时蜂鸣器长鸣一声，VD1 被点亮，这表示系统已经准备好接收指令可以开始准备工作了。单片机一直在读取由嵌入式WEB模块通过IIC通道发送过来的状态，当收到嵌入式WEB模块发送的指令后，将得到的数据作为第一项的设置内容计算机论文，即洗涤强度。蜂鸣器短鸣一声进入等待洗涤时间的设置，这个数据同样来自嵌入式WEB模块发送的指令。蜂鸣器短鸣两声进入等待洗涤方式的设置，过程都是相同的长鸣一声后洗衣机按事先的设置开始洗衣， VD1 快速闪烁表示洗衣状态，洗衣机控制器会完成初洗、浸泡、洗涤的工作，之后长鸣表示洗衣结束。洗涤期间单片机的 P2．1 和 P2．3 两个引脚会不断输出高、低电平来操作两个继电器让电机正、反转，同时还要接收嵌入式WEB模块发送的中断信号，以暂停或结束洗涤论文格式。当洗涤过程结束，蜂鸣器长鸣，系统又回到了开机时等待嵌入式WEB模块发送指令的状态。
其次，控制洗衣机可模拟的具体功能有：1、多种程序选择，用户可根据洗涤衣物的材质选择不同的程序，如浸洗、标准、羊毛和快速等。每种洗涤方式有不同的洗涤模式、时间和顺序。2、过程选择，用户可以选择单独洗涤以保留带有洗涤剂的水进行重复使用，可选择单独脱水，犹如脱水机一样计算机论文，等等。3、预约洗涤，用户可根据需要选择几小时后进行洗涤，时间选择范围为1-24小时。4、剩余时间显示，用户可以直接掌握洗涤时间。5、温度控制，可以显示模拟的水温控制。
5 结论
本文设计的洗衣机仿真控制系统连入嵌入式web服务的支持，就能够通过普通PC或GPRS手机访问Internet实现，通过远程控制命令完成对洗衣机参数的设定，对洗衣机进行操作，大大地简化了操作程序。利用单片机AT89S51作为洗衣机的控制器，能充分发挥AT89S51的数据处理和实时控制功能，使系统工作于最佳状态，提高系统的灵敏度。
参考文献
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