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中圖分類號：TM44；TN722；TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）12-00-04

0 引 言

近幾年，受益于集成電路工藝技術與片上系統（System on Chip，SOC）的不斷發展，射頻識別、微傳感網絡以及環境感知等智能技術得到了飛速發展。其中，對于無線供能植入式芯片的能量管理、功耗等問題受到了持續關注與研究。當能量采集完成后，如何管理該能量是下一代被動與半被動植入式醫療設備的要點之一。

在低功耗植入式芯片中，如低噪聲放大器、模數轉換器等對工作電壓及其紋波都有一定的要求，因此須通過無線能量管理單元（Wireless Power Management Unit，WPMU）將其電源性能優化。在被動式芯片中，電荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、帶隙基準源（Bandgap Reference，BGR）、低壓差線性穩壓器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要組成單元[1]。芯片工作時，人體各種低頻信號（EEG、ECG）會通過相應的耦合方式傳輸到電源通路上，從而產生低頻噪聲，因此必須采用相關技術獲得高電源抑制比電源。論文首先通過電荷守恒定理對傳統Dickson電路進行動態分析及能量轉換效率的改進；然后采用電源抑制增強（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）與前饋消除（Feed-forword Cancellation，FWC）等技術分別提高BGR、LDO在運放工作帶寬內的電源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在輸出節點并聯電容以濾除超高頻紋波；最后為保證LDO在負載變化時的穩定性，利用零極點追蹤補償來滿足相位裕度的要求。

論文對高性能無線能量管理單元預設指標為：

（1）CPR在輸入500 mV交流小信號時能輸出2 V電壓并驅動200 A的電流。

（2）BGR輸出電源抑制比在LDO的工作范圍內盡可能大于60 dB，以減小對LDO的影響。

（3）LDO輸出電源抑制比在生物信號頻率處（01 kHz）及CPR輸入信號處大于60 dB，從而提供負載電路高性能的工作電壓。

（4）在滿足以上性能的情況下，盡可能減小電路工作時的靜態電流。

1 無線能量管理單元的基本原理

圖1所示為論文采用的無線供能能量管理單元拓撲結構。由圖1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保護電路（PRO）等模塊。芯片通過片外天線采集到由基站發射的高頻無線能量信號，CPR將信號整流后進行升壓，產生紋波較大的電壓，并將該能量儲存到Cs中。由BGR與LDO所組成的環路通過負反饋輸出紋波較小的VDD來驅動負載電路。其中BGR為LDO提供一個精準穩定的參考電壓，因此BGR的性能影響著LDO輸出電壓的性能。芯片中的保護電路包括過溫保護電路、過壓保護電路、限流電路，其主要目的在于意外情況下對電路關斷，實現對電路的保護。

設計能量管理單元時，在無線供能的環境下要注意相關性能的優化，而這又伴隨著其它性能的犧牲，下面將詳細分析論文采用的CPR、BGR、LDO設計原理及電路結構。

3 版圖及后仿真結果

采用SMIC 0.18 m CMOS工藝，在Cadence下對電路進行仿真驗證，無線能量管理單元的版圖如圖7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模塊，芯片的尺寸大小為277 m×656 m。

電路在工作時要避免反饋環路發生震蕩，必須保證LDO環路的相位裕度，論文在tt、ff、ss三個工藝角下對其進行不同負載電流（0200 A）的仿真，仿真結果如表1所列。該結果表明在負載電流0200 A內，由于零極點追蹤補償的作用，相位裕度均大于60度，根據奈奎斯特穩定判據，LDO環路能在負載變化的范圍內穩定工作。

圖8所示為BGR、LDO的PSR仿真波形，從圖中可以看出，BGR采用PSRB技術后，PSR在低頻降低了近25 dB。當LDO采用FWC技術時，電源抑制在低頻段得到了顯著提升，電路空載時，在100 Hz內提升了近20 dB，滿載時提升了近40 dB。

圖912給出了WPMU中CPR與LDO的相關瞬態仿真結果，當輸入頻率為500 MHz、幅度為0.5 V的正弦波時，電路建立時間約為13 s，CPR的紋波約為5 mV，而LDO的輸出電壓紋波減小至2.3 V，即高頻處PSR約為-66 dB。因此論文采用的LDO在生物信號頻率處（DC-10 kHz）與輸入信號頻率處（100 MHz以上）具有較好的PSR。表2對相關文獻與本文設計進行性能比較，可以看出，該電源管理單元能輸出性能更好的工作電壓。

4 結 語

論文針對CPR、LDO、BGR進行研究，設計了一種應用于低功耗無線供能植入式醫療芯片的能量管理單元。采用SMIC 0.18 m CMOS工藝提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB將BGR的PSR在低頻處從-75 dB降低到-95 dB，這是優化LDO電源抑制能力的基本前提。通過FWC、零極點追蹤補償改善LDO的PSR與穩定度，在驅動0.2 mA的負載電流時，PSR為-85 dB@DC，而相位裕度在負載范圍內均大于60度，該性能可適用于對電源性能要求較高的模塊。

參考文獻

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[2]Pierre Favrat， Philippe Deval， Michel J.Declercq. A High-Efficiency CMOS Voltage Doubler[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 1998， 33（3） ： 410-416.

[3]To shiyuki Umeda， Hiroshi Yoshida， Shuichi Sekine， et al. A 950-MHz Rectifier Circuit for Sensor Network Tags With 10-m Distance[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2006， 41（1）： 35-41.

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[5]Mohamed El-Nozahi， Ahmed Amer， Joselyn Torres， et al. High PSR LOW Drop-Out Regulator With Feed-Forward Ripple Cancellation Techniq-ue[J]. IEEE Journal of Solid-State Circuits， 2010， 45（3） ： 565-577.

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前言

單片機控制系統在實驗室反復實驗都可以得到很好的預期效果,然而把系統放到實際現場運行時卻不能工作。論文大全，遙控系統抗干擾分析。原因是工作現場比實驗室環境惡劣,系統受到了各種各樣的干擾,加之構成系統的元器件本身方面存在的可靠性，以及系統本身各部分之間的相互耦合因素等原因，系統必須增加一些有效的抗干擾措施才能正常運行。論文大全，遙控系統抗干擾分析。據工作經驗之談，有時存在后期的抗干擾工作往往會比前期的設計工作還要艱巨,花費的時間也需要得更多,所以說抗干擾技術是非常重要,關于在抗干擾措施是否能夠運用得恰當方面，其直接關系到系統的穩定性和可靠性。

一、單片機遙控系統系統工作原理

單片機以其體積小、價格廉、面向控制等方面的獨特優點，使得單片機在各種工業控制、儀器儀表、產品的自動化、智能化方面獲得了廣泛的應用。單片機的遙控系統以單片機系統為基本控制單元,能夠構成無線傳輸系統、速度調節系統等等,而且其優點是，能夠在三公里外控制運動目標的啟動、速度快慢、停止、往返。而且最特別的是在運動目標的運行過程中，可根據需要隨機調節速度快慢,調速一般是在7~25km/h范圍。單片機實現控制了所有這些狀態,開始通過鍵盤輸入控制參數,然后經過單片機運算和處理行為,并且通過無線數傳模塊完成對參數的無線傳輸、運行狀態以及調速設備的控制方式,達到遙控運行的目的要求。

二、單片機遙控系統系統受干擾原因及危害

在電磁干擾較弱時，其可靠性和穩定性往往是容易達到應用要求，這方面尤其是在室內體現出來，然而對在室外，會遇到各種各樣的環境條件，尤其是那種在工作環境較惡劣的情況下，就會導致儀器儀表工作不正常或失靈。而單片機的遙控系統一般都安裝在工業現場，而在工業現成環境中的干擾大多是以窄脈沖的形式出現，而這樣的形式其最終造成微機系統故障的多數現象都是“死機”現象。究其原因是計算機中的CPU在執行某條指令時，受周圍環境干擾的沖擊，影響到它的操作碼或地址碼發生改變，最終致使該條指令出現錯誤。這時，CPU就會執行隨機拼寫的指令，并將其操作數作為操作碼執行，從而導致有關程序“跑飛”或進入“死循環”。對于在工業現場中由于諸多大型用電設備的投入或者是撤出電網運行，經常都會造成系統的電源電壓不穩，如果當電源電壓降低或掉電時，這樣就會造成重要的數據丟失的可能性，以至于系統不能正常運行，而且干擾也會導致單片機內部程序指針錯亂現象，從而使得中斷程序運行超出定時時間。關于RAM中計時數據被沖亂，導致程序計算出錯誤的結果。論文大全，遙控系統抗干擾分析。假設設法在電源電壓降到一定的限量值之前，單片機進行快速地保存重要數據，將會最大限度地減少損失，對于干擾源的影響會使系統的可靠性和穩定性大大降低，嚴重的情況還會導致系統的運行紊亂，造成生產事故。

三 如何實現單片機的遙控系統的抗干擾

關于高頻干擾噪聲和有用信號的頻帶是不同的,其解決方法是在導線上增加濾波器的方法來切斷高頻干擾噪聲的傳播,或者也可加隔離光耦來解決這個問題。關于電源噪聲的危害最大。需要把電源做得好,其整個電路的抗干擾能力就解決了一大半問題。對于在單片機系統中還可借助于一定的外部附加電路來監測電源電壓，當在電源發生故障時能夠及時通知單片機快速保存重要數據，同時斷開單片機外圍設備用電電源，從而使整個應用系統的功耗降到最低點。目前市場上許多單片機對電源噪聲都是十分敏感的,那么就要給單片機電源加濾波電路或穩壓器,達到減小電源噪聲對單片機的干擾。比如,可以利用磁珠和電容組成π形濾波電路,當然條件要求不高時也可用100Ω電阻代替磁珠。當電源恢復正常時，取消掉電工作方式，通過復位單片機，使系統重新正常工作。

單片機系統設備的抗干擾與系統的接地方式也存在很大的影響，接地技術有能夠抑制噪音的效果。所以說一個良好的接地能在很大程度上抑制系統內部噪音耦合的現象，而且還能夠防止外部干擾的侵入，能夠真正提高系統的抗干擾能力。在這里需要注意的是，如果要求設備的金屬外殼等需要安全接地，其屏蔽用的導體的必須能夠很好的接地，這樣才能為單片機系統提供良好的地線，并且對提高系統的抗干擾能力極為有效果。論文大全，遙控系統抗干擾分析。尤其是對于有防雷擊要求的系統，其良好的接地是至關重要的。假設系統不能接地，或者是雖有地線現象，但是接地電阻過大，就會抗干擾元件就不能正常發揮其應有的作用了。

關于單片機供電的電源的地俗稱邏輯地，并且和大地的地的關系具有相通性、浮空性、或接電阻性。但是不能把地線隨便接在暖氣管子上。堅決不能把接地線與動力線的火線、零線中的零線相混淆。因為單片機系統通常存在模擬電路和數字電路兩種，并且關于數字地與模擬地是要分開，只是在一點相連，假設兩者不分，就會存在互相干擾現象，那么可以把控制條件中的關于一次采樣和處理控制輸出更改為循環采樣和處理控制輸出，這樣能夠對慣性較大的控制系統具有良好的抗偶然因素干擾作用效果。

設置輸出狀態寄存單元來抗干擾。其程序是根據單片機系統對數據處理后的輸出結果為依據，設置出相應的輸出狀態寄存單元形式，假設其中干擾侵入輸出通道將輸出狀態破壞時，系統就會在定時查詢寄存單元的輸出狀態信息時，并發現錯誤，及時糾正輸出狀態。論文大全，遙控系統抗干擾分析。

設置自檢程序來抗干擾。論文大全，遙控系統抗干擾分析。通常是在計算機內的特定位置或某些內存單元中來設置狀態標志，并且在開機后或有自檢中斷請求要求時，計算機系統首先將運行自檢測試程序，如對整個系統或關鍵環節進行模擬方面的測試，對測試結果再通過某種方式顯示出來，目的是保證系統中信息存儲、傳輸、運算的高可靠性。設計單片機的遙控系統過程中，要求電路的元器件或線路布局合理以消除元器件之間的電磁耦合相互干擾，如去耦電路或者是平衡電路等。還有種方法是采用冗余結構，也稱容錯技術或故障掩蓋技術，該方法是通過增加完成同一功能的并聯或備用單元數目來提高系統可靠性的一種設計方法。當某些元器件發生故障時也不影響整個系統的運行。對于消減外部電磁干擾，可采用電磁兼容設計，目的是提高單片機系統在電磁環境中的適應性，即能保持完成規定功能的能力。

參考文獻：

[1]麥山.基于單片機的協議紅外遙控系統.電子技術.1998

[2]孟慶建張恭孝.單片機系統的電磁兼容問題[J].自動化儀表,2004

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一、FPGA的發展史

FPGA作為一種高新的技術,已經逐漸普及到各行各業,從1985年第一顆FPGA誕生至今,FPGA已經歷了將近20多個年頭,從當初的幾百個門電路到現在的幾百萬門、幾千萬門……,從原來的上千元的天價到現在幾元的超低價,可謂是出現了翻天覆地的變化。

FPGA誕生于1985年,當時第一個FPGA采用2μm工藝,包含64個邏輯模塊和85 000個晶體管,門數量不超過1 000個,由名為Ross Freema所發明。論文格式，高清信號源。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫,即現場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

二、FPGA技術簡介

我們都知道構成數字邏輯系統最基本的單元是與門、或門、非門等,而他們都是用三極管、二極管和電阻等元件構成,然后與門、或門、非門又構成了各種觸發器,實現狀態記憶,FPGA屬于數字邏輯電路的一種,同樣由這些最基本的元件構成。一個FPGA可以將上億個門電路組合在一起,集成在一個芯片內,打破以往需要用龐大分立門電路元器件搭建的歷史,不僅電路面積、成本大大減小,而且可靠性得到了大幅度的提升。論文格式，高清信號源。一般的FPGA內部是由最小的物理邏輯單位LE、布線網絡、輸入輸出模塊以及片內外設組成,所謂的最小物理邏輯單元是指用戶無法修改的、固定的最小的單元,我們只能將這些單元通過互聯線將其連接起來,然后實現用戶特定的功能。一個LE由觸發器、LUT以及控制邏輯組成,可以實現組合邏輯和時序邏輯;隨著FPGA集成度的不斷增加,其內部的片內外設也越來越多,內部可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外設,真正實現單芯片解決整個系統功能的目的。所以我們所需要控制的是布線層之間的互聯開關,這也是我們編程的對象,通過這些開關來改變功能。

三、FDGA的兩大工藝分類及比較

當今的FGPA按工藝分主要有SRAM工藝和Flash工藝兩類,前者最大的特點是掉電數據會丟失,無法保存,所以它們的系統除了一個FPGA以外,外部還需要增加一個配置芯片用于保存編程數據,每次上電的時候都需要從這個配置芯片將配置數據流加載到FPGA,然后才能正常的運行;但是Flash架構的FPGA掉電不會丟失數據,無需配置芯片,上電即可運行,它的特點非常類似ASIC,但是又比ASIC更加的靈活,可以重復編程。論文格式，高清信號源。在一些小規模的公司或者產品量不是很大的時候往往更傾向于用FPGA來取代ASIC,不僅能夠降低風險,而且能夠降低成本。論文格式，高清信號源。論文格式，高清信號源。

四、FPGA技術在高清信號源上的應用

正是由于FPGA的上述優點,它正在成為數字信號處理等領域的新寵。在信號源方面的應用也不例外,較早的信號發生器大多是由復雜的模擬電路構成,體積大,成本高且不易維護,現在使用的信號源功能單一,普通、高清、VGA, DVI信號源各自獨立速度慢、資源有限,格式內容單一且無法添加實際需要的特殊信號。如果采用可編程器件FPGA就可以解決這個問題,真正做到1080P的點對點的輸出,是高清信號源理想的選擇。

（一）HDTV測試信號簡介

根據相關視頻信號產生標準,需要產生HDTV測試信號,制式種類包括480P/I(60HZ)、576IP/I(50HZ)、720P、1080I(50Hz/60Hz)、1080P(50Hz/60Hz)、VGA640×480(60Hz/75Hz)、VGA800×600 (60Hz/75Hz)、VGA1024×768 (60/75Hz)NTSC、PAL。測試信號種類包括彩條信號、8(16)級灰階、中心十字、方格、方格加測試卡、灰度漸變信號、紅(綠、藍、白、暗)場、左右灰度、上下灰度可調、彩條灰度圖等等。信號輸出格式包括Y/Pr/Pb基色信號、R/G/B基色信號、CVBS信號、VGA信號,DVI信號,輸出采用高頻同軸Q9插座、CVBS輸出采用RCA插座。

（二）設計方案框圖及各部分簡介

1、信號存儲部分:主要作為無規律圖像的存放,專門特殊功能測試圖片的存放。

2、FPGA部分:采用通道總線選擇技術,依次定義以下制式:

3、控制部分——單片機:外圍人機接口控制(按鍵及LCD顯示部分)、向FPGA輸出兩根控制CLKD鐘信號,DIN數據信號與FPGA通信。晶振選通、控制完成FPGA配置、制74LS26(通其間接控制AD813)選擇后級放大輸出,通過RS232與其他設備進行通信。

（三）系統工作原理說明

1、系統上電初始化。系統上電后,單片機從數據存儲器讀取數據,并發送默認控制信息給FPGA,LCD顯示初始信息;單片機收到有按鍵按下時候或串行通信接受到命令后,根據信息選通時鐘、配置FPGA控制74LS26。

2、判斷按鍵。單片機判斷前面板上按鍵是否有按下,如果有按下做出相應處理:如果是制式,其他信號格式變化,單片機將發送控制信息給FPGA。論文格式，高清信號源。種類及其他信息變化狀態后:單片機不發送控制信息給FPGA,本系統上電初始化,而后等待單片機或FPGA觸發信號才會工作;而該觸發信號FPGA而言只有當單片機配置完FPGA后才會發出。

在設計高清信號源時,使用美國ALTERA公司的FPGA來進行圖像數據存儲和整理以及產生驅動電路所需要的各種控制波形,而在調試電路時,使用FPGA中多余的邏輯來產生VGA信號和彩條信號,所產生的信號穩定可靠。為電路調試帶來了很多方便,在實際應用中,還可以對彩條信號產生模塊方便地進行修改,比如可以修改行、場計數器的判斷值來調整彩條的大小。增加控制信號的位數。以及增加延時跳變的功能,使輸出的信號摘要。本文所述信號實現方法和程序經實驗是可行的,按照實際電路圖布板做成PCB,程序燒入FPGA,整機連接調試所得的信號符合國家電視信號有關標準。

參考文獻：

[1]董士海,張倪,肖磊,等.EGAVGA程序員手冊[M].北京:北京大學出版社,1999.

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EDA技術是以數字電子技術課程知識為基礎，具有較強實踐性、工程性的專業課程。將數字電路設計從簡單元器件單元電路設計，EWB軟件仿真提到了更高一級的可編程操作平臺上，進一步鞏固和提高學生電子電路綜合設計能力。但是，傳統的教學模式是將兩門課程分開，先上數字電路，后上EDA技術，分兩學期授課。這樣的教學模式存在弊端，減弱了課程之間的聯系，降低了學生對數字電路理論的認識程度。通過對EDA技術課程的教學改革，以實訓的方式采用項目教學法，使學生在較短的時間內掌握EDA技術基礎及其實驗系統，從數字系統的單元電路，如譯碼器、計數器等入手，加深對數字電路基礎理論的認識，逐漸完成數字系統設計。

1. EDA技術及其在教學中的應用

1.1 EDA技術

EDA技術即電子設計自動化(Electronic DesignAutomation)是以計算機為工作平臺，融合了應用電子技術、計算機技術、信息處理及智能化技術的最新成果而形成的一門新技術畢業論文格式，是一種能夠設計和仿真電子電路或系統的軟件工具。采用”自頂向下”的層次化設計，對整個系統進行方案設計和功能劃分，系統的關鍵電路用一片或幾片專用集成電路（ASIC）實現，然后采用硬件描述語言（HDL）完成系統行為級設計，最后通過綜合器和適配器生成最終的目標器件。圖1為一個典型的EDA設計流程。

圖1 EDA設計流程圖

1.2 EDA技術在教學中的應用

在教學過程中，EDA技術利用計算機系統強大的數據處理能力，以及配有輸入輸出器件(開關、按鍵、數碼管、發光二極管等)、標準并口、RS232串口、DAC和ADC電路、多功能擴展接口的基于SRAM的FPGA器件EDA硬件開發平臺，使得在電子設計的各個階段、各個層次可以進行模擬驗證，保證設計過程的正確性。從而使數字系統設計起來更加容易，讓學生從傳統的電路離散元件的安裝、焊接、調試工作中解放出來，將精力集中在電路的設計上。同時，采用EDA技術實現數字電路設計，不但提高了系統的穩定性，也增強了系統的靈活性，方便學生對電路進行修改、升級，讓實驗不在單調的局限于幾個固定的內容，使教學更上一個臺階，學生的開發創新能力進一步得到提高。

2.課程教學改革實施

2.1課程改革思路

課程改革本著體現鞏固數字電路基礎，掌握現代電子設計自動化技術的原則來處理和安排EDA技術教學內容。打破傳統的從EDA技術概述、VHDL語言特點、VHDL語句等入手的按部就班的教學方法，以設計應用為基本要求，開發基于工作過程的項目化課程，以工作任務為中心組織課程內容，讓學生在完成具體項目的過程中來構建相關理論知識。將EDA技術分為四個方面的內容，即：可編程邏輯器件、硬件描述語言、軟件開發工具、實驗開發系統，其中，可編程邏輯器件是利用EDA技術進行電子系統設計的載體，硬件描述語言是利用EDA技術進行電子系統設計的主要表達手段，軟件開發工具是利用EDA技術進行電子系統設計的智能化的自動設計工具,實驗開發系統則是利用EDA技術進行電子系統設計的下載工具及硬件驗證工具。采用項目化教學方法，以實訓的方式展開，讓學生在“學中做，做中學”。

2.2課程改革措施

以電子線路設計為基點，從實例的介紹中引出VHDL語句語法內容。在典型示例的說明中，自然地給出完整的VHDL描述，同時給出其綜合后的表現該電路系統功能的時序波形圖及硬件仿真效果。通過一些簡單、直觀、典型的實例畢業論文格式，將VHDL中最核心、最基本的內容解釋清楚，使學生在很短的時間內就能有效地掌握VHDL的主干內容，并付諸設計實踐。這種教學方法突破傳統的VHDL語言教學模式和流程，將語言與EDA工程技術有機結合，以實現良好的教學效果，同時大大縮短了授課時數。表1為課程具體內容及實訓學時分配。

 

能力

目標

學習情境

項目載體

課時

QuartusⅡ開發工具使用能力

QuartusⅡ開發環境、實驗系統

二選一音頻發生器設計

6

VHDL語言編程能力

VHDL語言基本結構

計數器電路設計

6

VHDL語言并行語句

8位加法器設計

8

VHDL語言順序語句

7段數碼顯示譯碼器設計

8

VHDL語言綜合運用

數控分頻器的設計

8

層次化調用方法

4位加減法器的設計

4

綜合開發調試能力

8位16進制頻率計設計；

十字路通燈設計；

數字鐘設計；

波形信號發生器設計，等。

(任選一題)

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總計

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1 RN8316（SOC）簡介

圖1 RN8316系統框圖

RN8316是深圳銳能微公司提供的一款低功耗、高性能、寬電壓、高集成度、高精度的三相MCU芯片，產品系統框圖如圖1所示。該產品內嵌32位ARM Cortex-M0核，最高運行頻率可達29.4812MHz，最大支持224Kbytes FLASH存儲器、16Kbytes SRAM和16Kbytes EEPROM，內置單cycle乘法器（32bit*專業提供論文寫作和寫作服務,歡迎您的光臨lunwen.   1KEJI AN.  C OM32bit）、CM0內嵌系統定時器、2個DMA控制器，支持外部中斷等多種喚醒方式，提供完善的集成開發軟硬件環境。該芯片支持高速GPIO，可與不同電壓外設器件連接，最大支持10位ADC，8*32位的LCD，支持芯片電源電壓及外部電壓檢測。通信接口最大支持6路UART，2個7816口，1路I2C和1路SPI。同時，RN8316還集成了RTC、看門狗和加密處理器。

2 硬件電路設計

電力能效監測終端主要由電源模塊、計量單元、存儲單元、載波模塊、通信模塊、直流模擬量采集等部分組成。系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 電力能效監測終端設計框圖

2.1 電源模塊設計

為保證終端能夠穩定工作，并具有良好的電磁兼容特性，電源模塊采用三路電源供電，分別為主電源8 V、兩路12 V輔助電源，之間相互隔離。主電源VDD8V通過LDO降為VDD5V和VDD3.3V電源，主電源5 V為SOC、紅外、電能質量監測模塊供電，主電源3.3V給計量芯片供電。一路ZB12V輔助電源用于載波電路供電；另一路AUX12V輔助電源為遙信電路供電，同時通過LDO降為AUX5V，為RS485、直流模擬量電路供電。電源電路設計如圖3所示。

2.2 采樣計量單元

采樣計量單元是電力能效監測終端的重要單元，設計中采用銳能微公司的RN8302計量芯片來實現對電壓、電流、功率、功率因數、諧波等數據的計量，并輸出有功、無功脈沖。RN8302占用SOC一路SPI，同時SOC配置中斷、復位口從而能夠實現對計量芯片的控制和通信。RN8302管腳資源配置如圖4所示。

圖4 RN8302管腳資源配置

采樣電路中，考慮到生產成本和計量精度，電壓采樣采用電阻分壓采樣的方式，UA/UAN，UB/UBN，UC/UCN為采樣信號，而電流采樣采用電流互感器采樣的方式，IAP/IAN，IBP/IBN，ICP/ICN為采樣信號，電路圖分別如圖5和圖6所示，電壓采樣電路中的1K電阻和電流采樣電路中的5R電阻采用精度1%的精密電阻，電容用于去耦和濾波，以保障采樣精度。同時電壓采樣信號可用于電能質量的監測，擴展電力能效監測終端的功能配置。

圖5 電壓采樣電路

圖6 電流采樣電路

2.3 遙信電路

電力能效監測終端配置兩路遙信端口，使用光耦LVT-816同SOC進行隔離。遙信電路原理圖如圖7所示。

圖7 遙信電路

2.4 RS485電路

在實際工程運用中，由于受到工程人員操作能力，經驗等因素的影響，RS485的A、B端子常常接反，導致不能夠正常抄表。因此，在電力能效監測終端RS485電路的設計中，采用了無極性485芯片ECH485NE專業提供論文寫作和寫作服務,歡迎您的光臨lunwen.   1KEJI AN.  C OM，A、B端子正反接都能夠正常通信。終端配置兩路RS485電路，分別用于抄表和維護，占用SOC兩路UART端口，485芯片用光耦同SOC進行隔離。RS485電路如圖8所示。

2.5 直流模擬量電路

直流模擬量電路主要針對非電氣量的采集，該能效終端采用瑞薩電子的RL78/G13系列單片機進行控制，SOC通過一路UART端口進行通信，并配置復位腳進行控制。直流模擬量電路通過光耦同主電路進行隔離，終端配置了兩路信號的采集，拓展了數據的采集范圍，實現了采集和能效監測的多樣化。直流模擬量采集電路圖如圖9所示。

2.6 載波電路

電力能效監測終端的載波用于同能效采集服務器進行通信，載波電路占用SOC一路UART端口用于收發數據，占用一路7816口實現載波的設置、復位、事件輸出等功能，并通過光耦同SOC進行隔離，接口標準符合最新國網三相電表規范，可方便插拔和替換多個廠家的載波模塊，提升了產品的兼容性。載波電路如圖10所示。

3 結束語

本文在智能用電及能效管理的基礎上，根據電力能效監測終端技術標準，采用SOC芯片RN8316，進行了硬件的設計。相對于傳統的基于獨立功能芯片的用電終端，基于SOC的電力能效監測終端在功耗，穩定性，可靠性等方面表現更加優異，并且體積小，所用元器件少，生產成本較低，具有良好的市場前景。

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篇（6）

1 引言

避障是智能體按照某一性能指標在遇到障礙時選擇的一種行走處理方法，并依據某一性能指標搜索一條從起始狀態到目標狀態的最優或近似最優的無碰闖路徑，是當今避障規劃中的難點。在智能小車的行駛過程中，如果在前方遇到障礙物則可向其的左側或右側轉向，以確保小車保持直線、無碰闖行駛狀態、使行駛的路徑達到最優、最短狀態。鑒于上述原理，特對避障系統作如下設定：若上一次智能小車轉向右側，則在當前遇到障礙物時智能小車向左轉，直到未探測到障礙物時停止轉動并開始向前直行；若上次智能小車轉向左側，則在當前遇到障礙物時向其向右轉，直到未探測到障礙物時停止轉動并開始直行。

2 自動避障系統規劃

設計智能避障系統時，首先需要檢測障礙物與否存在，以達到檢測障礙模塊實時檢測的目的；其次需對檢測信號進行處理，從而產生控制智能小車行走的控制信號，故需要智能避障控制中心模塊處理檢測到的障礙信號；通過控制小車驅動行駛電路，調控行駛電機的方向。由此特設計由三個模塊組成的避障控制系統：障礙檢測電路、自動避障控制系統、行駛驅動電路，其系統控制結構如圖1所示。

在障礙檢測電路模塊中，依據紅外線的反射原理，通過紅外對管收發紅外線，以判斷智能小車的前方是否存在障礙。在自動避障控制系統中，以檢測障礙電路的輸出作為本模塊的輸入，通過JK觸發器作為控制系統的存儲單元，實現對小車行駛方法的選擇。在小車的驅動電路模塊中，通過控制電路輸出的控制信號作為驅動輸入驅動電機的轉動，實現小車的直行、左轉和右轉。

3 自動避障控制系統設計

3.1 自動避障控制系統簡述

智能小車在行駛的過程中能夠識別并繞開障礙物，在充斥著障礙物的環境里自由行走。置前端一個紅外傳感器，當遇到障礙物時傳感信號X為高電平，否則傳感信號X保持低電平。在智能小車上有兩個控制信號Z0、Z1，分別控制智能小車的左右輪的轉動，當Z0、Z1分別輸出高電平時，控制行走輪上的直流電機轉動，從而控制智能小車的行駛方向。

本系統設計采用如下避障規則：當Z0為高電平，Z1為低電平時，智能小車左輪電機工作而右輪直流電機斷電，從而控制智能小車左轉；當Z0為低電平，Z1為高電平時，其右輪直流電機工作而左輪直流電機斷電，從而控制智能小車右轉；當Z0Z1控制端同時輸出高電平時，智能小車左右輪直流電機同時供電轉動，控制智能小車直行。

3.2 避障控制系統狀態表及狀態圖

由智能避障規則的簡述可知，智能小車在行駛的過程中可能會出現以下四種狀態：

（1）狀態S0：當前向前行駛，但上一次遇到障礙物時是左轉。此時當輸入信號X=0時，次態仍為S0，輸出Z1Z0=00；如果輸入X=1，時，表示前方檢測到障礙，其次態應為S1，輸出Z1Z0=01。

（2）狀態S1：當前智能小車在前方檢測到障礙物，智能小車向右轉。此時當輸入信號X=0時，表示智能小車已經繞過了前方的障礙物，其次態應為S2，輸出Z1Z0=00；如果輸入信號X=1時，次態仍為S1，輸出Z1Z0=01。

（3）狀態S2：當小車正向前行駛，但上一次遇到障礙物時是右轉。此時當輸入信號X=0時，次態仍為S2，輸出Z1Z0=00；如果輸入X=1，時，表示前方檢測到障礙，其次態應為S3，輸出Z1Z0=10。

（4）狀態S3：當小車檢測到前方障礙物，智能小車向左轉。此時當輸入信號X=0時，表示智能小車已經繞過了前方的障礙物，其次態應為S0，輸出Z1Z0=00；如果輸入信號X=1時，次態仍為S3，輸出Z1Z0=10。

通過上述過程所描述的控制系統狀態如表1所示，其狀態圖如圖3所示。

3.3 避障控制系統狀態分配

在數字邏輯電路中，常用“0”和“1”兩種狀態來描述實際電路中產生的高低電平，故需要把所得到狀態表中的各個狀態用二進制碼表示。現假設存在可通過輸入來改變其狀態的存儲單元Q，可用兩種狀態“0”和“1”表示輸出的存儲狀態。由于本系統包含2?個狀態，故該電路應選用兩級存儲單元Q1和Q0，其四種狀態：“00”、“01”、“10”、“11”，恰符合設計的要求。通過對上述狀態圖的分析，并依據狀態分配些規則得到如下分配方案：S0—00， S1—01 S2—11 S3—10狀態分配后的狀態表如表2所示。

3.4 避障控制系統激勵方程和輸出方程

根據狀態分配后的狀態遷移表，可得到智能小車避障控制系統輸出端Z1、Z0的輸出卡諾圖，如圖4、圖5所示。

通過對Z1和Z0的輸出卡諾圖的分析，Z和Z0輸出方程為

根據狀態分配后的狀態遷移表，通過分析可得到自動避障控制系統的兩級存儲單元Q1、Q0的次態卡諾圖，如圖6、圖7所示。利用次態卡諾圖可以求得各個存儲單元的次態方程。

通過對兩級存儲單元Q1、Q0的次態卡諾圖的分析，Q1、Q0的次態方程分別為：

依據上述計算，得出了系統的輸出Z1、Z0的輸出方程和存儲單元Q1、Q0的次態方程，但還需要選用合適的元器件來實現存儲單元，從而實現控制系統電路四種狀態的存儲，以設計出控制系統的邏輯電路圖。

3.5 避障控制系統邏輯電路圖

鑒于本避障控制系統中的觸發器屬于時序邏輯電路的范疇，而“0”和“1”兩種狀態，可以作為鎖存器在電路中使用，故電路的狀態用觸發器的狀態來表示。在控制設計時還需要根據觸發器Q1、Q0的次態方程，求出Q1、Q0的輸入激勵方程。本次設計中采用的是JK觸發器，結合JK觸發器的標準特征方程，可得Q1和Q0的標準特征方程分別為：

根據上述激勵方程和輸出方程，設計相應的門電路，結合方程（1）、（2）和Z1、Z0的輸出方程，則可得到智能小車避障控制系統的數字邏輯電路圖。

4 結語

本論文提出了一種智能小車自動避障系統的設計方案，通過檢測障礙電路、自動避障控制系統，避障控制系統輸出的控制信號驅動智能小車的行駛，實現了智能小車的避障處理。該系統基于數字電路的觸發器為核心控制系統，解決了小車在行駛過程中遇到障礙時的避障工作復雜的問題，使避障規則簡單化，提高小車避障的可靠性。

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篇（7）

 

由于數控機床具有先進性、復雜性和高智能化的特點，特別是近幾年數控系統不斷更新換代，數控機床被廣泛應用于機械制造業，給傳統制造業帶來巨大的變化，使制造業成為工業化的領頭軍。數控機床是一種典型而復雜的機電一體化產品，種類繁多，形式多樣，通常是集機械、電氣、液壓、氣動等于一體的加工設備，其中任何一部分出現故障，都可能使機床停機，從而造成生產停頓，給企業的正常生產帶來較大的影響。因此，提高數控機床維修人員的素質和能力，就顯得十分重要。本文介紹了數控機床故障診斷與維修的一些原則和常用方法。

一、故障診斷的一般原則

數控機床主要由主機CNC裝置、PMC可編程控制器、主軸驅動單元、進給伺服驅動單元、顯示裝置、操作面板、輔助控制裝置、通信裝置等組成。故障原因不外乎是操作錯誤、參數錯誤、外界環境及電源造成的故障、線路故障、器件損壞等。通常的故障診斷原則有：（1）先靜后動。先在機床斷電的靜止狀態下，通過觀察測量，分析確定為非破壞性故障后，方可給機床送電。論文參考網。在工作狀態下，進行動態的的觀察、檢驗和測試，查找故障點。而對破壞性故障，必須先排除危險后，方可送電。（2）先機后電。一般來說，機械故障較易察覺，而數控系統故障的診斷難度較大，先排除機械性故障，往往可以達到事半功倍的效果。（3）先外后內。根據機床故障原因調查統計，80％以上來自于外部原因，只有不到20％是內部原因引起的。因此維修人員應由外向內進行排查，盡量避免隨意啟封、拆卸，否則可能會擴大故障，使機床精度減弱，降低性能。（4）先簡后繁。當出現多種故障互相交織掩蓋，一時無從下手時，應先解決容易的問題，后解決難度較大的問題。如果是功能性的故障，就應先從執行元件入手，看看氣缸、電磁閥、電機、接觸器等，是否存在卡滯等性能下降現象；然后是傳感器、行程開關等輸入信號元件；再次是電氣接頭、插件、活動的電線電纜等部位。這些外部元件受環境因素影響較大，比如磕碰、腐蝕、積塵等。還有元件本身的不良和機械磨損等原因，都決定了它們常是故障的根源。通常，簡單問題解決后，難度大的問題也就變得容易了。

二、故障診斷與完善方法

2.1常規檢測法是通過觀察或借助簡單的工具確定機床故障的方法。這種方法應先弄清楚故障的癥狀，有何特征及伴隨情況，將故障范圍縮小到一個模塊或一塊印刷電路板。它可以簡單地歸納為4個字：“問，看，嗅，摸”。問，就是調查情況，在診斷故障前，修理人員詢問操作手故障發生前的機床運轉情況，產生在哪道程序及時間，操作方式是否得當等；看，就是觀察，仔細檢查有無保險絲燒斷，元器件有無燒焦或開裂等情況；嗅，就是從機床散發出的某些特殊氣味來判斷，如某些元件燒焦的氣味；摸，就是用手觸試可能產生故障的溫度、振動情況，以及元器件有無松動等。

2.2測量比較診斷法數控機床的生產廠家為了調整、維修機床的便利，在印刷電路板上往往設計了多個檢測用的端子。用戶也可利用這些端子，將懷疑有故障的印刷電路板同正常電路板進行比較。通過測量這些端子的電壓與波形，可以分析故障的具體部位與原因。維修人員如果能在機床正常狀態時，留心記錄這些印刷電路板的測量端子，或一些關鍵部位的電壓值和波形，在機床出現故障時，查找故障部位及原因將會更加方便。

2.3自診斷法現代數控系統具有很強的自診斷能力，當數控系統一旦出現故障，借助系統的診斷功能，可以迅速、準確地查明原因，并確定故障部位。

三、舉例說明常見非機械故障和排除方法

3.1北京第一機床廠生產的XK5040數控立銑，數控系統為FANUC-3MA1.故障現象驅動Z軸時就產生31號報警。2.檢查分析查維修手冊，31號報警為誤差寄存器的內容大于規定值。論文參考網。根據31號報警指示，將31號機床參數的內容由2000改為5000，與X、Y軸的機床參數相同，然后用手輪驅動Z軸，31號報警消除，但又產生了32號報警為：Z軸誤差寄存器的內容超過±32767式數模交換器的命令值超出了-8192～+8191的范圍。將參數改為3333后，32號報警消除，31號報警又出現。反復修改機床參數，故障均不能排除。為診斷Z軸位置控制單元是否出現了故障，將800，801，802診斷號調出，實現800在-1與-2之間變化，801在+1與-1之間變化，802卻為0，沒有任何變化，這說明Z軸、Y軸的位置信號控制進行交換，即用Y軸控制信號去控制Z軸，用Z軸去控制Y軸，Y軸就產生31號報警（實際是Z軸報警）。論文參考網。同時，診斷號8012為“0”，802有了變化。通過這樣交換，再次說明Z軸位置控制單元有問題，這樣就將故障定位在Z軸伺服電動機上。打開Z軸伺服電動機，發現位置編碼器與電動機之間的十字聯絡塊脫落，致使電動機在工作中無反饋信號而產生上述故障報警。3.故障處理將十字聯絡塊與伺服電動機位置編碼器重新連接好，故障排除。

3.2一臺加工中心配量FANUC-6M1.故障現象機床在自動方式中出現416號報警。2.故障分析按下列順序檢查：脈沖編碼器未出現不良；各連接器均牢固連接；X軸卯制線路板未出現異常；用萬用表測量電動機連接線，也未發現問題。在重新啟動機床，回零之后，用自動方式運轉，機床正常但1H后又出現416號報警，再次按上述順序復查一遍，發現反饋信號有一根已斷，換按備用線后，機床正常，報警不再出現。

四、結論

因此，對維修人員來說，熟悉系統的自診斷功能是十分重要。包括開機自診斷和運行自診斷。開機自診斷，就是數控系統通電后，系統自診斷軟件會對系統最關鍵的硬件和控制軟件檢查，如CPU、RAM、ROM等芯片，I／O口及監控軟件。如果正常，將進人正常操作界面，如檢測不通過，即在液晶上顯示報警信息或報警號，指出哪個部分發生了故障，將故障原因定位在一定的范圍內，然后通過維修手冊找出造成故障的真正原因，根據書上的說明進行排除；運行自診斷，

參考文獻：

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篇（8）

Research on practice teaching mode of computer aided design of IC layout course

Shi Min， Zhang Zhenjuan， Huang Jing， Zhu Youhua， Zhang Wei

Nantong University， Nantong， 226019， China

Abstract： In this paper， the practice teaching mode of Computer Aided Design of IC layout course is discussed. According to one trunk line and two related course experiments mode， the experiment contents and methods were designed and implemented. Meanwhile， other efforts including emphasis of extracurricular scientific competition and reform of course practicum， were adopted to pay attention to the cultivation of comprehensive ability for students. The practice teaching mode proved that better teaching effect have been obtained.

Key words： Computer Aided Design of IC layout； practice teaching mode； course experiments； practicum

目前，高速發展的集成電路產業使IC設計人才炙手可熱，而集成電路版圖CAD技術是IC設計人才必須具備的重要技能之一。集成電路版圖CAD課程是我校電子科學與技術專業和集成電路設計與集成系統專業重要的專業主干課，開設在大三第二學期，并列入我校第一批重點課程建設項目。本課程的實踐教學是教學活動的重要組成部分，它是對理論教學的驗證、補充和拓展，具有較強的直觀性和操作性，旨在培養學生的實踐動手能力、組織管理能力、創新能力和服務社會能力。結合幾年來的教學實踐，筆者從本課程實驗、課程設計、課外科技競賽等實踐環節的設計工具、教學內容設計、教學方法和教學手段、師資隊伍建設以及考核管理等方面進行總結。探討本課程實踐教學模式可加強學生應用理論知識解決實際問題的能力，提升就業競爭力，對他們成為IC設計人才具有十分重要的意義。

1 版圖設計工具

集成電路CAD技術貫穿于集成電路整個產業鏈（設計、制造、封裝和測試），集成電路版圖設計環節同樣離不開CAD工具支持。目前業內主流版圖設計工具有Cadence公司的Virtuoso，Mentor Graphics公司的IC Flow，Springsoft公司的Laker_L3，Tanner Research公司的L_Edit和北京華大九天公司的Aether等。這些版圖設計工具的使用流程大同小異，但在自動化程度、驗證規模、驗證速度等方面有所差異，在售價方面，國外版圖設計工具貴得驚人，不過近年來這些公司相繼推出大學銷售計劃，降低了版圖設計工具的價格。高校選擇哪種版圖設計工具進行教學，則視條件而定。我校電子信息學院有2個省級實驗教學示范中心和1個省部共建實驗室，利用這些經費，我們購買了部分業內一流的EDA工具進行教學和科研。目前，我校版圖設計工具有北京華大九天公司的Aether和Springsoft公司的Laker_L3。

2 兩種相輔相成的實驗教學模式

我校集成電路版圖CAD課程共48學時（理論講授24學時、實驗24學時），實驗環節是本課程教學的重要部分，在有限的實驗教學時間內既要完成教學內容，又要培養學生創新能力，需要對實驗教學模式進行改革和創新。本課程實驗教學的目的與要求：與理論教學相銜接，熟練使用版圖設計工具，學會基本元器件、基本數字門電路、基本模擬單元的版圖設計，為本課程后續的課程設計環節做準備。緊緊圍繞“一個規則（版圖幾何設計規則）、兩個流程（版圖編輯流程和驗證流程）、四個問題”這條主線設計實驗內容[1，2]。要解決的4個問題分別是：（1）版圖設計前需要做哪些準備工作？（2）如何理解一個元器件（晶體管、電阻、電容、電感）的版圖含義[3，4]？（3）如何修改版圖中的幾何設計規則檢查錯誤？（4）如何修改版圖和電路圖一致性錯誤？表1為本課程實驗內容、對應學時及對應知識點。筆者設計了兩種相輔相成的實驗教學模式：系統化實驗教學模式和實例化實驗教學模式。系統化實驗教學從有系統的、完整的角度出發設計了實驗教學內容，如設計實驗3（數字基本門電路版圖閱讀）時，安排了5學時，采用3種版圖閱讀方式：讀現有版圖庫中的單元電路版圖、顯微鏡下讀版圖和讀已解剖的芯片版圖照片。針對同一內容，采用不同形式，彼此類比，加深印象，既有實物，又有動手操作，增強了直觀性和感性認識。又如設計實驗5（模擬單元MOS差分對管版圖設計）時，安排了5學時，從器件匹配的重要性入手，給出MOS差分對管的電路圖，講解具體器件的形狀、方向、連接對匹配的影響，特別是工藝過程引入器件的失配和誤差，對MOS差分對管的3種版圖分布形式（管子方向不對稱形式、垂直對稱水平柵極形式、垂直對稱垂直柵極形式）進行逐一分析，指出支路電流大小對金屬線的寬度要求，對較大尺寸的對管，采用“同心布局”結構。實例化實驗教學先提出目標實例，圍繞該實例，設計具體步驟，教師先示范，學生再模仿，如設計實驗7（集成無源器件版圖設計）時，由于集成電阻、電容和電感種類很多，不能面面俱到，要求只對多晶硅電阻、平板多晶硅電容和金屬多匝螺旋形電感等常用元件進行版圖分析和設計。課堂實驗的內容和課時是有限的，為此我們設置了課外實驗項目，感興趣的學生選取一些實驗項目自己完成，指導教師定期檢查。學院開放了EDA實驗中心（2007年該中心被遴選為省級實驗教學示范中心建設點，2009年12月通過省級驗收），學生對本課程很感興趣，課外使用EDA實驗室進行自主實驗相當踴躍。通過上述的實驗教學方法，特別是課外實驗項目的訓練，學生分析問題、解決問題的能力和科研素養得到了提高。

表1 課程實驗內容、對應學時及對應知識點

表1（續）

4 基于0.6μmCMOS工藝的數字門電路版圖設計 5 理解上華華潤0.6 μm硅柵CMOS幾何設計規則；學會CMOS反相器、傳輸門、與非、或非等基本門電路版圖設計；DRC檢查。

5 基于0.6 μmCMOS工藝的MOS差分對管版圖設計 4 MOS差分對管版圖設計，包括匹配原則、同心布局等，DRC檢查。

6 版圖電路圖一致性檢查 3 掌握LVS流程、LVS錯誤修改。

7 集成無源器件版圖設計 3 多晶硅電阻、平板多晶硅電容和金屬多匝螺旋形電感等常用元件版圖設計。

3 改革課程設計環節

課程設計是本課程培養學生工程應用能力的綜合性實踐教學環節，時間2周，集中指導，提前1個月發給學生任務書和指導書，每個班配備2名指導教師，注重過程控制。筆者在教學內容、考核等方面進行了改革和創新：在教學內容設計上，給出了必做題和選做題，在選做題中要求每位學生完成數字電路版圖1題和模擬電路版圖1題，具體題目由抽簽決定，做到1人1題，避免學生抄襲。考核成績由課程設計成果（占50%）、小論文（占30%）、答辯（占20%）三方面綜合給出。以往的課程設計報告改為撰寫科技小論文，包括中英文題目、中英文摘要及關鍵詞、引言、電路原理與分析、版圖設計過程、分析與討論、結束語和參考文獻，讓學生學習如何撰寫科技論文。精選優質小論文放在本課程網上學習資料庫里，供學生相互傳閱和學習。課程設計答辯具體要求參照畢業設計（論文）答辯要求，包括準備PPT講稿、講解5分鐘、指導教師點評等過程，每位學生至少需要10分鐘時間。學生對課程設計答辯反映相當好，鍛煉了語言組織和口頭表達能力，而且相互間可以直接交流和學習。我們還挑選課程設計成績優秀的學生參加校內集成電路版圖設計大賽。雖然課程設計的改革和實踐需要教師付出很多精力和時間，但我們無怨無悔，學生的認可和進步是我們最大的收獲。

4 精心指導學生參加課外科技競賽

目前我校學生參加的集成電路版圖設計競賽有校級版圖設計大賽以及行業協會和企業組織的版圖設計競賽等。由校教務處主辦，電子信息學院承辦的南通大學版圖設計大賽是校級三大電子設計競賽之一，每年8月底舉行，邀請集成電路設計公司一線設計人員和半導體協會專業人士擔任評委，增加了競賽的專業性和公正性，目前已經舉辦了6屆，反響不錯。從校級版圖設計大賽獲獎者中挑選一部分學生參加行業協會和企業組織的版圖設計競賽，如蘇州半導體協會主辦的集成電路版圖設計技能競賽、北京華大九天公司主辦的“華大九天杯”集成電路設計大賽，其中“華大九天杯”集成電路設計大賽將挑選優秀獲獎學生參加華潤上華的免費流片，學生經歷從電路設計、版圖設計及驗證、流片到測試各個環節，提高了綜合訓練能力。

5 加強師資隊伍建設

要提高課程實踐環節的教學質量，關鍵是指導教師要思想素質好，專業理論知識強，科研水平高，因此我們著力建立一支年齡結構、職稱合理的實踐教學隊伍。目前很多年輕教師是從校園走向校園，畢業后直接上崗指導學習實踐，缺少工程實踐經歷和經驗。為了提高教師自身的業務水平，加強對年輕教師的培養，近十年來，我院每年暑假舉行集成電路CAD技術實踐培訓班，由經驗豐富的教學、科研一線教師主講；不定期地邀請一流IC設計公司一線設計人員來院開設講座；同時挑選年輕骨干教師到一流IC設計公司學習和實踐，時間至少半年以上；現已聘請IC設計公司一線設計人員6人為兼職教師，指導課程設計和畢業設計。集成電路CAD技術日新月異，課程實踐環節師資隊伍建設必須與時俱進。

6 結束語

我校電子科學與技術專業、集成電路設計與集成系統專業2012年被評為省重點建設專業，也是江蘇省首批培養卓越工程師的專業。集成電路版圖設計是這兩個專業卓越工程師培養計劃的重要內容之一，總結和探討集成電路版圖CAD課程實踐教學意義重大，今后我們要繼續推進該課程實踐環節的建設與改革，不斷探索，為我國集成電路設計人才的培養而努力奮斗。

參考文獻

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Abstract: This paper presents a low noise、low power charge pump phase locked loop which is used as clock generator for USB2.0, The active circuit was implemented in CSM 0.18um CMOS technology. The whole PLL consists of phase/frequency detector、charge pump、loop filter、voltage control oscillator and frequency divider. Simulation result shows that, when output frequency is 480MHz, PLL peak to peak jitter is only 5.01ps and power consume is only 8.3mW.

Keywords: low noise;charge pump;VCO

1緒論

隨著微電子技術的發展,微處理器等系統主頻的不斷提高,通信速度的不斷提高,系統對時鐘生成恢復電路的要求越來越高,計算機需要處理的數據越來越多。接口,作為計算機與外設數據交換的通道,傳輸速度的要求隨著數據量的增加而不斷提高。在市場的推動下,USB 2.0 接口因為其高速和熱插拔特性在現代消費類電子接口技術上有著廣泛的應用。根據接收的數據恢復數據和時鐘,提供給數字系統一個精準的一個低抖動、與工藝無關數據時鐘在數據接收部分非常關鍵,因此對鎖相環電路的研究和設計也就具有了更加重要的意義。

由于電荷泵鎖相環具有頻率獲取能力、理論上無限大的頻率牽引范圍和零靜態相位誤差,因此電荷泵鎖相環成為了現代最流行的鎖相環結構[1]。圖1-1為本篇論文的鎖相環的整體結構框圖,它主要包含三個基本部件: 鑒相\鑒頻器(Phase\Frequency Detector,PFD )、環路濾波器(Loop Filter,LPF)和壓控振蕩器(Voltage Controlled Oscillator,VCO )。另外,為了實現頻率倍增,在鎖相環反饋回路中加入了一個分頻器,把輸出頻率分頻后與輸入參考頻率比較。另外,USB 2.0所要求的時鐘占空比為50%,所以需要在VCO的輸出加一個輸出占空比為50%的轉換電路。

輸出頻率為Fout =NFref =F0 +vcKvco,其中Fref 是輸入頻率,F0 是壓控振蕩器的中心頻率,Kvco是壓控振蕩器的增益。本文首先對鎖相環的數學模型進行了理論推導,然后根據理論對鎖相環的各個子模塊電路進行了設計,并給出了整個鎖相環的仿真結構,最后給出結論。

2鎖相環的數學模型

鎖相環是一個非線性系統[2],但是,如果鎖相環處于鎖定狀態時,我們可以用線性模型來分析它。鎖相環處于鎖定狀態是指由鑒相\鑒頻器產生的相位誤差信號Ve為一個固定的值。這時,輸出信號和輸入參考信號的頻率完全相等;如果PLL用作一個頻率合成器,那輸出頻率就是輸入頻率的N倍。圖2是一個基本的PLL線性模型圖。在這節中我們將一步一步推導出鎖相環的閉環增益H(S),并由此得到鎖相環兩個重要的參數:固有頻率ωn和阻尼系數ξ。

在鎖相環內部,鑒相\鑒頻器產生的相位誤差信號V是由輸入參考相位θ和反饋相位θ的差,乘上鑒相\鑒頻器的增益K得到的:

V(S)=K [θ(S)-θ(S)]=Kθ(S)

這個相位誤差電壓通過環路濾波器產生了VCO的控制電壓:

V(S)=V(S)F(S)

VCO的工作就像一個理想的積分器,它的傳輸函數是,則輸出相位可以表示為

θ(S)=

輸出相位被反饋,并通過一個N分頻的環路分頻器,產生了反饋相位θ:

θ(S)=

由此便可以得出鎖相環的傳輸函數H(S)

H(S)==(1)

鎖相環的傳輸函數具有低通特性。這意味著如果輸入參考相位變化非常緩慢,輸出相位將跟蹤它的變化。

本文中鎖相環采用如圖3所示的環路濾波器,這是一個二階濾波器。但C1的作用只是防止V的紋波干擾,它的取值一般為C2的1/10。由于這個原因,這個環路濾波器可以看作一階濾波器,它的傳輸函數(S)可表示為:

F(S)=R+

代入式(1)中,得到:

H(S)=

=N (2)

由上式可以得出鎖相環兩個重要的參數:固有頻率ω和阻尼系數ξ

ω= (3)

ξ= (4)

固有頻率ω和阻尼系數ξ是鎖相環系統級設計中兩個關鍵的參數。使用S域坐標可以方便地說明它們的意義[3]。

我們可以看到,極點以θ=sin-1ξ的角度距離原點ω。阻尼系數ξ是穩定性的量度。如果ξ等于零,則極點位于虛軸上,系統將以ω的頻率穩態振蕩。當ξ增大,極點會移向左半平面,系統也因此變得穩定。在這種情況下,系統的脈沖響應是一個以ω頻率的阻尼振蕩。阻尼系數ξ越大,系統越穩定,但系統的穩態時間也越長。為了在兩者之間折中,我們取ξ==0.707。

固有頻率和阻尼系數同樣影響到鎖相環的環路帶寬。鎖相環的3-dB帶寬為[4]:

ω=ω

其中,α等于:

α=2ξ+1-4ξ-

在整個鎖相環中,壓控振蕩器是最大噪聲源,而且它的噪聲具有高通特性。為了抑制VCO噪聲,一般將鎖相環的3-dB帶寬選取得稍大一些。在本論文中,鎖相環的3-dB帶寬等于1 MHz。固有頻率ω和阻尼系數ξ這兩個參數確定下來后,我們可以由它們代入式(3)(4)解出環路濾波器的參數C1、C2、R2。

3子模塊設計

3.1 鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)、環路濾波器(LPF)的設計

圖5所示的電路圖包括了鑒頻鑒相器(PFD)、電荷泵(CP)和環路濾波器(LPF)。本文采用的VCO隨著控制電壓的升高,頻率是降低的。故在電荷泵中,dn信號為高時,環路濾波器中的電容放電,使控制電壓下降,VCO頻率升高;而up控制上面的開關,當其有效時,環路濾波器中的電容充電,VCO頻率降低。

在電荷泵的電路設計中,由于模擬電路采用的電源電壓為3.3 V,因此采用共源共柵的電流鏡來減小Icharge和Idischarge之間的失配。同時,為了降低時鐘饋通效應,以及開關管m0、m1、m6、m7的溝道電荷注入效應,在電路中增加開關管m2、m3、m4、m5,并且開關管m0、m1、m6、m7選用最小的溝道長度,在其滿足通過電流源的電流的條件下寬長比盡可能小。采用單位增益放大器使得Vc與節點C的電壓保持一定,從而降低Vc和節點A,B的電荷分享效應。

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3.2 壓控振蕩器(VCO)

現代CMOS工藝中,環型振蕩器應用廣泛,而且偶數級延時單元構成的環型振蕩器可以方便地產生同相和正交相輸出信號,不需要多相濾波器等后續處理電路[5]。所以本文采用四級延遲單元組成的環形振蕩器,并且用控制電壓Vc控制延遲單元的延遲時間,如圖6所示。

鎖相環結構中,產生相位噪聲的最主要模塊是VCO,所以VCO必須對電源電壓和襯底噪聲不敏感,差分緩沖級(Differential Buffer Stage)延遲單元正好可以滿足這個要求,每個延遲單元包含一組源極耦合的差分對,其負載由柵漏短接的PMOS管和用VBP偏置的同樣尺寸的兩個PMOS管并聯組成。通過改變的大小可以改變延遲單元負載阻抗的VBP大小,從而改變了延遲單元的延時。

采用單個MOS管作為延遲單元的可調電阻負載,負載一般都是非線性的,非線性負載會將共模噪聲轉變為差模噪聲,從而影響到延遲時間。而圖6中延遲單元的負載為兩個MOS管并聯組成,其電流電壓特性關于電壓擺幅的中點對稱,由于其具有對稱性,雖然也是非線性的,可將一階耦合項消除掉,只留下高階項,從而較大程度上可以減小電源上的共模噪聲所引起的抖動。

另外,為了降低電源電壓噪聲對環形振蕩器的影響,本文采用負反饋的動態偏置方式來對延遲單元進行偏置,如圖6所示。該偏置電路由一個運放和兩個半鏡像電路組成,由運放輸出產生的VBN動態地調整流過鏡像電路和延遲單元的電流,直到VA、VBP和Vc相等,負反饋有效地提高了電流源的輸出阻抗,使其電流和電源電壓和襯底電壓無關。同時,由于采用了自偏置技術,此延遲單元對電源噪聲和襯底噪聲不敏感,且不需要額外的帶隙基準來對運放和延遲單元進行偏置。

3.3 50%占空比轉換電路

USB 2.0所要求的時鐘占空比為50%,需要在VCO的輸出加一個輸出占空比為50%的轉換電路。傳統的做法是在VCO的輸出加一個2分頻器電路[6]。采用該種方法將使VCO的工作頻率是輸出頻率的兩倍,這將限制最大的輸出頻率。為此,本論文采用一個雙端變單端的轉換電路,該電路同樣能輸出一個占空比為50%的方波,而且VCO的工作頻率無需是輸出頻率的兩倍。電路如圖7所示,它包括兩個反相NMOS差分對放大器、兩個PMOS共源放大器和一個NMOS電流鏡。由于兩個NMOS差分對的電流和VCO延遲單元的偏置電流一樣,所以該NMOS差分對放大器能夠準確地接收VCO延遲單元輸出的共模電壓,NMOS差分對放大器對信號進行放大并給PMOS共源放大器提供一個直流偏置電壓,PMOS共源放大器再對信號進行放大并通過一個NMOS電流鏡轉換成單端輸出,實現雙端轉單端的功能,并且輸出占空比為50%。

4整體仿真結果

在前文子電路分析與設計的基礎上,采用CSM 0.18μm CMOS模型對整體電路進行了仿真。其中,輸入參考頻率Fref =12 MHz,分頻器N = 40,輸出頻率為12MHz*40 = 480 MHz。圖8為鎖相環版圖和輸出抖動圖,從圖中看到,在鎖相環輸出頻率為480 MHz時,峰峰抖動是5.01 ps。整個芯片中模擬電路用3.3 V供電,數字電路用1.2 V供電,功耗僅為 8.3 mW。

5總結

本文以“自頂而下”的方法設計了一款480 MHz、用于USB 2.0的時鐘產生功能的、低噪聲、低功耗CMOS鎖相環。本文首先從鎖相環的數學模型入手,縝密地推導出了鎖相環的傳輸函數和兩個對鎖相環性能有巨大影響的參數:固有頻率ωn和阻尼系數ξ;接著詳細分析了構成鎖相環的各個子電路:鑒頻/鑒相器、電荷泵、壓控振蕩器等。最后將整個鎖相環進行了整體仿真。仿真結果表明,在輸出頻率為480 MHz時,峰峰值抖動僅為5.01 ps,功耗僅為8.3 mW。設計完全可以滿足USB 2.0時鐘的要求。

參考文獻

[1]Behzad Razavi, “Design of Analog CMOS Integrated Circuits”, McGraw-Hill Higher Education, 2001.

[2] F. M. Gardner, Phaselock Techniques, 2nd Edition. John Wiley & Sons, New York, NY 1979.

[3] G. F. Franklin, J. D. Powell, and A. Emami-Naeini, Feedback Control of Dynamic Systems, 3rd Edition. Addison-Wesley, Reading, MA 1994.

[4] U. L. Rohde, Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Applications.John Wiley & Sons, New York, NY 1997.

篇（10）

Abstract

This system is composed of fore-channel, Backward-channel, single-chip microcomputer system and the periphery circuit, up-bit machine and down-bit machine soft. The fore-channel will make the signal amplify, filter and A/D transform, then store the signal to the RAM by single-chip microcomputer. The step-channel will amplify ,filter, and D/A transform the data from the RAM, then impel the louDSPeaker. This article uses the single-chip microcomputer as core and extends the RAM of 512k. It applies the keyboard to control and LCD to display. At the same time, the article uses RS232 to communicate with up-bit machine and realizes the data transmission.

Up-bit machine program uses VC++ as the developing platform , Down-bit machine based on C51 language designs the software and the hardware to collaborate.

目錄

摘 要 I

Abstract II

第一章 前言 1

1.2語音信號處理的發展與前景 2

1.3總體設計思路 2

第二章 數字語音存儲與回放的通道設計 4

2.1整機結構框圖和電路圖 4

2.2 前向通道 8

2.2.1前向通道的組成框圖 8

2.2.2前向通道各個單元的介紹 8

2.2.3前向通道的單元電路設計 12

2.3后向通道 19

2.3.1 后向通道的組成框圖 19

2.3.2后向通道各個單元介紹 20

2.3.3后向通道的電路設計 20

第三章 系統其它部分電路設計 24

3.1單片機電路設計 24

3.2 LCD顯示器設計 27

3.3數據存儲電路設計 30

第四章 程序設計介紹 33

4.1下位機程序介紹 33

4.2 上位機程序介紹 34

第五章 用V[，！]C ++實現上位機的編程 36

5.1 VC++簡介 36

5.2 ActiveX控件簡介 36

5.3通訊控件MSComm介紹 37

5.4程序設計總方框圖 39

5.5通信控件串口編程的說明 40

5.5.1 初始化并打開串口 40

5.5.2捕捉串口事件 41

5.5.3串口讀寫 41

5.6串行通訊協議程序 41

5.6.1主窗口 41

5.6.2運行窗口 43

5.6.3錯誤窗口 44

篇（11）

 

0．前 言

現代物流環節中，物流信息是一個重要的構成因素。當前物流產業規模日益擴大，物流技術裝備水平迅速提高。但我國物流發展中仍存在物流系統效率低，物流成本高，物流基礎設施的配套性、兼容性差等問題，特別物流信息技術裝備水平低的問題尤為突出，這就決定了物流企業在運輸中對安全、高效、高性價比具有較高的要求。尤其是針對危險貨物如危險氣體的運輸配送，高安全性、高性能、高效率的裝載車輛配套裝置技術亟待發展。論文設計的智能車載終端主要針對危險氣體運輸，解決了車輛運輸配送中的車輛定位信息獲取，以及危險氣體在運輸過程中的氣體泄漏預警等安全問題，實現了運輸車輛的實時定位和物流指揮中心的智能監控，為實現安全、高效的危險物品運輸提供了現實依據。

1.現代物流運輸的需求分析

現代物流運輸追求的是更加低成本、高效率和安全的實現貨物運輸，傳統的物流運輸裝備技術及模式已經不能滿足需要。針對一些傳統運輸中存在的問題，例如后方物流指揮中心如何科學地進行運輸車輛的調度和管理，提高運營效率；駕駛員如何隨時隨地了解道路堵塞、車輛方位等情況而更加省力地到達目的地；對易泄危險物品運輸如何做到及時準確檢測出危險的存在從而做出妥善處理；移動車輛如果遇到麻煩或者其安全受到侵害，如何向主控中心發送報警信息，求得就近援助等，均對現代物流專用車輛提出更高的要求。

在現代物流運輸監控中，通信網絡的智能化是一個瓶頸問題。由于物流運輸系統是一類極其分散的系統，顯然不可能采用有線通信方式進行各類數據傳輸，且車輛一般處于高速運動狀態，這就更加需要無線通信技術的應用。

2.智能車載終端的系統組成

智能車載終端主要由信號采集模塊、數據處理模塊和無線通信模塊3部分組成，系統總體框圖如圖1所示，信號采集模塊主要由前端的傳感器和GPS模塊、采集電路、信號調理和串口發送單元組成，其中GPS模塊用于實時接收車輛的位置信息，傳感器采用專門的氣體傳感器用于采集車廂內部氣體濃度參數，采集電路實現氣體濃度信號的模擬放大、簡單濾波后送到單片機進行A/D轉換處理，采集模塊采集的數據通過串口發送到數據處理系統進行計算，得到可讀的濃度參數、位置信息，實現實時顯示的同時無線發送到后方指揮中心進行分析。

圖1 智能車載終端總體設計框圖

系統中數據采集模塊和數據處理模塊負責對采集到的數據進行必要的現場處理、存儲和轉發，以及對數據的編碼，然后通過標準接口RS232/RS485將數據信號傳送到GPRS 模塊。GPRS 模塊對信號進行進一步的處理，再通過GPRS空中接口接入到GPRS網絡進行數據的透明傳輸，最后經由APN專線傳輸到后方物流指揮中心。指揮中心進行遠程控制時，可以將控制信號發送到GPRS網絡中，然后經過GPRS模塊傳輸到智能車載終端中，進而對運行車輛進行控制和處理。氣敏傳感器是能夠感知環境中某種氣體及其濃度的一種敏感器件，它將氣體成分、濃度等有關的信息轉換成電信號，從而可以進行檢測、監控、報警，還可以通過接口電路與計算機組成自動檢測、控制和報警系統。

3 智能車載終端的單元模塊設計

（1）電源模塊

電源系統是否穩定對于整個系統有至關重要的影響。電源模塊的設計考慮：一方面電源模塊應盡可能滿足對各模塊的不同用電電壓需求，另一方面要努力降低整個系統的功耗。本系統中要用到的電壓比較多，主要用到LM7805集成穩壓器、線性穩壓器CX1117等實現多電壓供電。

（2）采集電路模塊

系統數據采集模塊完成對信號的采集和簡單處理，即對采集信號進行放大、濾波和A/D轉換，主控芯片可以采用TI公司的16位系列單片機MSP430F149。利用此單片機內置的A/D轉換單元完成信號的轉換,并通過片內的串口與其它模塊通信。以液化天然氣運輸為例，選用對甲烷具有相當敏感的氣體傳感器GS-B2設計的電路如圖2所示。該類型氣體傳感器用于便攜式儀表測試甲烷，穩定性好，靈敏度高，具有較好的重復性，體積小，功耗低，GS-B2型的工作溫度是-45°C到10°C，濕度≤90%RH,檢測范圍是10到5000PPM。

圖2 GS-B氣體傳感器采集電路設計

（3）GPS模塊

GPS模塊采用3.3V電源供電，GPS數據是通過串口進入單片機，單片機接收到數據后經過簡單處理后暫存其中。E531硬件連接簡單方便，只要給該模塊提供3.3V的電源并連接相應的GPS天線，E531就會從串行口輸出相應數據，輸出電平為RS232電平，因其內部自帶電平轉換電路故可以與單片機直接連接。

（4）數據處理單元

數據處理模塊主要完成對采集信號的處理，即對采集來的氣體濃度信號和GPS位置信息進行對應數據格式的轉換、數據顯示和發送以及人機交互功能。處理器采用S3C4510B芯片，其中兩路1.3V電壓由高效率1.4MHz同步降壓型穩壓器LTC3404提供，實現系統超低功耗設計。

（5）無線通信單元

無線通信單元考慮兩種情況：有公網的狀態下，通過GSM/GPRS模塊來進行數據傳輸，包括采集信號向后方的傳輸和GPS差分信息的傳輸。GPRS利用GSM網絡資源、覆蓋面大、通訊質量高、永遠在線等特點可以為物流運輸車輛提供一種快速可靠的無線數據傳輸通道。無公網的情況，此情況無GPS差分信息的傳輸，傳輸采集數據信號可以采取FSK傳輸方式。

4 結論

結合GPS定位技術和GPRS無線傳輸技術的現代物流運輸車載終端，集檢測、監管、調度、警報于一體，符合現代物流企業對運輸車輛動態控制的需要，且針對性地降低了危險易泄貨物的安全隱患問題，對降低物流企業成本起到積極作用。

參考文獻

[1] 唐四元. 現代物流技術與裝備[M]. 清華大學出版社. 2008.

[2] 范海健. 基于GPS_GSM_GPRS車載定位監控終端的研究與設計[D]. 上海交通大學. 2007.