時間：2022-05-23 18:12:49
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇低功耗設計論文，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
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
隨著系統芯片(SoC) 采用更先進的制造工藝并集成更多的功能,它所面臨的高性能與低功耗的矛盾越來越突出。對于130nm及以下的工藝,芯片的功耗密度越來越高、漏電功耗所占比例越來越大,在90 nm時,靜態功耗在總功耗的比例已經接近1/3,如圖1所示,所以在芯片的設計過程中,除了對芯片的動態功耗進行優化外,還要對芯片的靜態功耗進行有效的優化。
芯片中某些模塊在一段時間內不工作時,通過將其供電電源關斷,從而達到降低芯片功耗的目的。電源關斷(PSO)技術是最有效的降低靜態功耗的技術之一。本文通過采用Cadence公司的CPF格式來定義各個低功耗單元,用實例來介紹實現電源關斷的過程,并對結果進行了分析。
2 電源關斷技術
及CPF格式定義低功耗單元
2.1 電源關斷技術簡介
如果某一模塊在一段時間內不工作,可以關掉它的供電電源。關掉供電電源可以使用設置在模塊頂部或底部的Power Switch開關,通常在使用后端工具進行布局布線時加入。斷電后,模塊進入睡眠模式,其漏電功率很小。喚醒時,為了使模塊盡快恢復工作模式,需要保持關電前的狀態,保持寄存器(SRPG)可用于記憶狀態。 為了使保持寄存器記憶狀態,模塊的電源關斷時,需要常開電源為保持寄存器供電。為了保證在睡眠模式時,下一級的輸入不會懸空,設計中需要插入隔離單元(Isolation Cell),提供一個“1”或“0” 的輸出,使下一級的輸入為確定的邏輯值。綜上所述,電源關斷設計需要工藝庫中提供的低功耗單元包括:包括保持寄存器(SRPG)、隔離單元(ISO)、常開緩沖器(always on buffer)及電源開關(power switch)等低功耗單元。
2.2 CPF格式定義低功耗單元
面臨低功耗設計,EDA工具供應商強調整個流程進行優化來實現低功耗自動管理的概念,同時簡化設計的復雜性。由Cadence公司開發、Si2(silicon integration initiative)的低功耗聯盟(LPC)管理的通用功率格式(CPF,common power format)首先于2005年向行業開放。Synopsys后來聯合Mentor和Magma等公司開發了統一功率格式(UPF,unified power format)于2007年2月底作為一項Accellera標準出臺。 UPF和CPF命令十分類似,只是各自對應于不同的EDA工具。如圖2所示CPF設計流程。
CPF文件允許用戶在整個RTL-GDSII設計流程中定義功率設計意圖和約束條件,使用Tcl腳本文件,用戶可以使用其中的命令完成諸如建立和管理電源域、確定隔離和保持、定義與電源相關的規則和約束條件等等。
3基于電源關斷技術的設計實現
3.1設計實例介紹
測試芯片采用了電源關斷的低功耗設計技術,芯片中劃分了5個獨立的電源域,其中PD0為常開電源域,PD1-PD4為可關斷電源域,電源域中的寄存器在綜合階段全部替換成了保持寄存器,因此可以在電源重新上電后恢復斷電前的數據。芯片的邏輯部分供電電壓為1.8V,芯片中包含了一塊電源可關斷的SRAM模塊,如圖3所示。
物理實現選用的工藝庫為130nm低功耗庫,庫中包含了電源關斷設計所需要的低功耗單元。
3.2芯片的物理設計
相對于普通設計,在物理實現過程中,低功耗設計有一些特殊的步驟,需要在設計過程中加以注意,如加入power switch開關、添加連接常開電源的well tap 單元等等。接下來將對設計實現中的特殊步驟加以介紹。完整的低功耗設計實現流程如下:
3.2.1 添加 Power switch 開關
對需要關斷的Power Domain,添加power switch開關,在添加開關時要保證power switch屬于所添加的電源區域,同時起始點設置為布線間距的整數倍,否則在布線后插入filler會產生空隙。本次設計中power switch插入的起始點為264,此距離為采用的130nm工藝庫中布線間距(0.48)的整數倍。插入power switch腳本如下:
#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單元:
對于常開電源區和可關斷電源區,需要添加不同類型的well tap,對于常開電源區,加入普通類型的well tap;但對于可關斷電源區,由于電源關斷后,仍然有保持寄存器中的一部分邏輯電路在工作,即保存關斷前的數值,因此,必須對這部分工作的器件進行阱連接。添加特殊類型的well tap。如圖4所示,well tap單元上加有窄的stripe,以保證well tap供電,進而使保持寄存器工作部分的邏輯電路的阱連接。
3.2.3 Buffer tree synthesis for SRPG and ISO cell
對于各個電源區域保持寄存器的控制端,由于受到同一個控制信號的驅動,容易產生信號的延時及max fanout不滿足問題,通常對這些端口的信號線進行buffer tree synthesis,進而對信號到達不同寄存器的skew進行平衡。
隔離單元與保持寄存器單元類似,也要對控制信號端進行buffer tree synthesis。
相應的腳本如下:
#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
在進行buffer tree synthesis 過程中,一定要設置-fixedBuf fixedNet,否則優化過程中,會使常開的buffer被普通buffer替代,致使期望保存或恢復的數值不能正確操作。
3.2.4 Always on pin connected for SRPG
保持寄存器用于受到電源關斷的區域,保持寄存器一般包含兩級:主級與存儲級。主級與本地(可開關)電源軌相連。存儲級與常開電源相連,以便用最小的漏電電流保持正常狀態,存儲級通常使用高閾值電壓晶體管。如圖5所示130nm工藝庫中保持寄存器版圖,其中kapwr為常開電源Pin。
保持寄存器的性能與常規寄存器幾乎完全一樣,不過需要更大的面積和稍高的動態耗電。在正常運行過程中,這些寄存器具有與其他標準寄存器相同的功能,一旦發出保持啟動信號,寄存器就進入保持模式,意味著可以關閉電源,處于保持模式時,時鐘和重置信號不起作用。
在時鐘樹綜合之前,需要對保持寄存器的常開電源Pin進行連接。布線器會把選中的器件、選中的pin連接到指定的電源stripe上去,腳本如下:
#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
以上幾個步驟為電源關斷設計中相對普通設計需要特別注意的地方,布局布線完成后,需要進行詳細的DRC/LVS檢查。
4芯片的測試結果分析
芯片從Foundry返回后,測試結果表明,芯片可以實現電源關斷的操作,重新上電后,可以實現數據的恢復,如圖6所示。
對于單個可關斷的電源域,動態功耗為:3.04-3.25mA,供電電源關斷后,靜態功耗為: 189-200nA,從上述結果可以看出,芯片采用電源關斷技術,可以有效的降低芯片的靜態功耗。對于手持式設備,芯片的靜態功耗或待機功耗要求苛刻,對一些認證IP,認證結束后,芯片正常工作狀態下,不需要其繼續工作,可以考慮采用電源關斷技術,關斷其供電電源;對于某些特殊的IP或Memory等,也可以同樣采用此技術。
5結束語
電源關斷技術要求從系統級處了解在哪里增加電源門,怎樣及何時去控制這些電源門。同時切斷設計的電源必須能節省功耗,因為在斷電和加電轉換期間的功率純粹是浪費的。斷電和加電要求一定的轉換周期,也需要通過仿真來對比電源關斷時節省的功率以及加電時耗費的切換功率,同時,也必須權衡考慮為實現此省電技術而需要的芯片面積和關斷該設計所導致的任何性能降低。
采用電源關斷技術實現芯片設計,要從綜合階段開始,綜合過程中插入隔離單元并把普通寄存器替換為保持寄存器。接著,物理實現階段必須了解頂部/底部(header/footer)開關的特殊電源連接需求,正確的將開關插入各自的電源域中,同時要添加特殊類型的well tap,以保證保持寄存器常開部分邏輯電路的阱連接,在時鐘樹綜合之前,需要對保持寄存器的常開電源Pin進行連接等等。
為確保流片成功,芯片設計要求通過時序和信號完整性分析,來解決開關中額外的IR-drop壓降、通過隔離單元的時延和控制信號對噪聲的靈敏度問題。等效性檢查應包括電源域識別、隔離/電源開關使能的驗證以及狀態保持的睡眠/喚醒序列檢查等等。
基于以上論述,是否采用電源關斷設計要經過仔細的分析,準確的評估芯片設計中采用電源關斷技術后可以優化靜態功耗的比例。同時,物理設計實現過程中,需要特別注意與其他普通設計的區別。
參考文獻
[1] 陳春章 艾霞 王國維編著 數字集成電路物理設計 北京: 科學出版社 2008
[2] 虞希清 專用集成電路設計實用教程 杭州:浙江大學出版社 2007
[3] Himanshu Bhatnagar 著 張文俊 譯 高級ASIC芯片綜合 北京:清華大學出版社 2007
[4] 李強 超高頻射頻電子標簽芯片中低功耗電路研究(博士論文)上海:復旦大學2005
[5]Michael Keating David Flynn Low Power Metho- dology Manual For System-on-Chip DesignUSA: Springer publishing company 2006
[6] 張培勇 32位嵌入式CPU的超深亞微米物理實現與驗證 杭州:浙江大學,2004.6
[7] 韋健 低功耗邏輯電路設計及在RISC設計中的研究(博士學位論文) 杭州:浙江大學,2001
[8] 楊波 低功耗微處理器體系結構的研究與設計(博士學位論文) 西安:西北工業大學,2001
[9] Samir Palnitkar Verilog HDL A Guide to Digital Design and Synthesis 北京:電子工業出版社 2006
作者簡介
王殿超,北京中電華大電子設計有限責任公司芯片工程部 物理設計工程師;
[關鍵詞]輸電線路桿塔傾斜監測系統 zigbee和GSM技術
一、選題背景及其意義
隨著科技進步及工農業的現代化發展，用電量大幅上升，對電網供電安全性、可靠性提出了越來越高的要求。架空高壓輸電線路是電力系統的動脈，其運行狀態直接決定電力系統的安全和效益。目前我國對線路等的檢測經驗還較少，還沒有相應的國家標準。另外隨著近年來煤礦的大量開采造成形態各異的地下采空區，引起地面沉降、斷裂等一系列工程地質災害，這些采空塌陷區，大多分布廣，延伸遠，可造成地表輸電線路基礎傾斜、開裂、桿塔變形、傾倒，引起絕緣子串和地線線夾邁步，電氣安全距離不夠等問題，當問題擴大時容易造成倒桿斷線，電氣距離不夠引起跳閘等事故。嚴重威脅輸電線路的安全運行。
本論文設計的輸電線路桿塔傾斜監測系統，在桿塔發生異常時，能夠及時向管理中心匯報相關數據。該系統對于處在采空區的線路桿塔可以進行全天候的監測，能夠及時準確的測量由于地面沉降等原因造成的桿塔傾斜角度，當桿塔順線路或橫線路傾斜角度超過預定報警值時，系統可發出報警信息，使工作人員能夠及時處理危情，并且大大的減少了人工的巡視次數，提高了桿塔的安全系數。
二、國內外研究動態
近年來，隨著經濟的發展和社會的進步，越來越多基于網絡化、模塊化、智能化的系統應用在電網中。但目前我國電網智能化僅處于剛剛起步的階段，尤其在運行狀態檢測環節上，和世界上先進發達國家的技術還有較大的差距。同時鐵搭運行狀態的穩定，是輸電環節中的重中之重，因此應研究一套較為合理的桿塔運行狀態監控系統，來保證輸電環節的穩定。
目前國內已涉及線路監測系統的研究，例如高壓輸電線路絕緣子帶電檢測、桿塔故障在線監測、桿塔傾斜測量等。國外在這方面也有較多的研究。該系統采用移動通信網絡作為數據傳送媒介，為系統的數據傳輸提供更加簡捷、便利的手段。
三、主要研究內容
本論文主要研究桿塔傾斜測量技術，傳輸線路周圍的溫度、濕度、氣候檢測，無線網絡數據遠程通訊方面的研究。
本文研究的主要內容如下：1、分析研究了傾角傳感器的工作原理、GSM技術的工作原理，制定了監測儀設計的硬件和軟件總體流程。2、根據監測儀設計方案，選擇了該設計中的主要器件。包括傾角傳感器的選擇、GSM通信模塊的選擇、太陽能蓄電池的選擇等。充分體現了監測儀設計中低成本和低功耗的要求。3、設計了硬件電路，包括微控制器ATmega64A的最小系統、電源電路、通信電路、電壓電流轉換電路等。4、實現了軟件設計，包括系統初始化、A／D信號采集部分程序、按鍵中斷程序等。5、在整體設計中，采取軟件和硬件的方式，增強監測儀的抗干擾性和穩定性。6、通過EMC電磁兼容實驗等驗證了監測儀的穩定性和可行性。
四、研究方案及難點
整個系統的工作過程為：數據采集主模塊根據監控中心設置好的采樣間隔，定期產生數據采集命令發送到ZigBee主節點，然后由ZigBee主節點將數據采集命令廣播給其他ZigBee子節點，ZigBee子節點再將數據采集命令發送給自己的數據采集模塊，數據采集模塊接到命令后，開始進行傾角、絕緣子拉力以及風向、風速、電源電壓等數據的采集。
采集完成之后再發送給ZigBee模塊，然后通過各ZigBee子節點將采集到的數據以接力的方式傳送給ZigBee主節點，ZigBee主節點將各數據采集模塊采集到的數據發送給數據采集主模塊。最后由數據采集主模塊將所有數據通過串口發送給GSM模塊，由GSM模塊將數據通過移動通信網絡發送到監控中心的GSM模塊，再通過串口發給Pc機后臺。最后由Pc機完成數據的處理、存儲和顯示。
該系統的主要模塊功能如下：
1.中央處理器。核心微處理器選用ATmega64A，它是由ATMEL公司推出的一款高性能，低功耗的8位AVR微處理器。最高處理速度可達16MHz，其芯片內部集成了大容量的Flash程序存儲區和功能豐富強大的硬件接口電路。先進的RISC結構，擁有130條指令，大部分指令執行時間為單個時鐘周期。
2.定時時鐘模塊。實時時鐘芯片選用Philips公司生產的串行日歷時鐘芯片PCF8583.該芯片供電電壓范圍寬、功耗小、計時準確。
3.數據采集模塊。在輸電線路桿塔的運行時，數據采集模塊主要進行桿塔傾角數據、絕緣子拉力數據以及風向、風速、氣溫、濕度，電源電壓數據的采集。數據采集模塊為分層次設計，有主輔之分，主模塊除了在完成上述功能以外，還負責將產生的數據采集命令，以及各個節點數據的打包、處理、發送。
4.ZigBee模塊。Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通訊技術。
5.GSM模塊。GSM模塊，是將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲器、功放器件等集成在一塊線路板上，具有獨立的操作系統、GSM射頻處理、基帶處理并提供標準接口的功能模塊。
使用ARM或者單片機通過RS232串口與GSM模塊通信，使用標準的AT命令來控制GSM模塊實現各種無線通信功能，它是基于ARM平臺，使用嵌入式系統進行開發。有些GSM模塊具有“開放內置平臺”功能，可以讓客戶將自己的程序嵌入到模塊內的軟件平臺中。
6.監控中心。包括GSM接收模塊和后臺管理軟件，主要完成桿塔運行狀態的實時顯示、數據存儲以及對于數據采集模塊參數的控制。
7.電源模塊。本系統包括太陽能電池板和蓄電池，主要為數據采集模塊、ZigBee模塊和GSM模塊提供電能。
8.設計環境。硬件電路以Protel99SE(sP6)為環境進行設計，機械相關的設計以AutoCAD2006為環境進行；軟件用c語言編寫。
本設計中的桿塔傾角監測系統實現了低成本、低功耗，并采取zigbee及GSM無線通信的技術，實現傾角監測儀與桿塔監控中心的通信。
難點預計出現在傾角計算及程序的設計，再有系統的通信鏈路的安全，可靠；數據庫的安全，主要是權限管理和數據備份。
五、預期成果和可能的創新點
文章論述的鐵塔傾斜實時監測系統測量精度高、實時性好、運行成本低。該系統在實際運行過程中擁有較強的可靠性、穩定性具備在惡劣的環境下持續正常工作的能力，保證較長的使用壽命；系統進行操作時，無需記憶復雜的工作指令，應具有美觀有好的人機界面；工作人員可以遠程對系統進行控制、管理、維護，無需人員到現場。系統通過對塔身狀態信息的綜合在線監測，實現了傾角狀態的全記錄并起到預警，告警的功能便于提前采取有效措施，確保電網及通信網絡的安全運行。從實際運行結果看系統是一種有效的監測鐵塔傾斜的系統，有廣闊的應用前景。創新點：為了以后對本系統的功能進行擴展，系統預留一些模擬量輸入接口；通訊方式的擴展，支持短信息。
參考文獻：
[1]劉君華.現代檢測技術與測試監測儀設計[M]西安：西安交通大學出版社，2001
【關鍵詞】RFID貨架期指示器；條形碼；保質期
1.引言
我國有近13億人口，食品安全是近幾年來具有持續挑戰性的問題和社會熱點[1-3]，并且隨著中國經濟的高速發展，消費者對食品的質量提出了更高的要求。人們不僅要求食品能夠安全食用， 還要求食品的感官特性基本不變[4]，但無論是植物性食品、動物性食品還是人造食品，其水分活度、總酸度、營養物質、自然微生物群、酶和生化底物及防腐劑等因素，在從原材料的摘取、加工、物流、倉儲、銷售等環節中，都會受外界溫度、濕度、光照及環境中微生物群與包裝氣體組成等的影響，而不斷地發生物理、化學、微生物上的變化，以一定的速度和方式喪失其原有品質。
2.傳統貨架期指示器存在的問題
傳統的簡單設定食品保質期及基于條碼的食品安全管理模式無法滿足更深入細致與高效食品安全管理的目的。目前傳統的食品保存與管理方法存在如下問題：
（1）傳統保質期是通過在實驗室內對少量食品樣品進行加速實驗、常溫保存實驗或通路實驗等驗證手段來確定，而事實上，在流通過程中食品品質不僅與每個食品個體初始狀態有關，同時也與所處流通的環境密切相關。評價食品的實際品質不僅需要了解食品個體的初始狀態，還需要對食品個體進行實時監測、跟蹤其在運輸、儲藏和分銷環節中的溫度、濕度、光照、氧氣含量等及諸多不可預見的影響因素。因此，食品安全狀態評估比傳統質保期的確定更加復雜、需要在更大的時間與空間范圍內由具有數據采集與智能性標簽的參與，帶來諸如信息交互、運營成本等問題。
（2）使用傳統的時間-溫度指示器評價食品個體品質方法雖然應用范圍廣泛（如常用于乳制品、冷凍肉和冷凍水果等冷藏、冷凍食品），具有使用方便、易于觀察等優點，但此類產品是一次性使用，不能記錄食品流通過程中環境參數的歷史變化情況，信息的獲取依賴于人工觀察，不利于信息管理自動化與效率的提高。生化式時間-溫度指示器必須使用在有溫度-時間歷史影響的食品上，使用前還必須知道食品的活化能，以選擇合適的指示器與其動力學參數進行匹配，且成本與可靠性也限制了其使用。
（3）現在食品的信息標識主要是利用條形碼技術[5-6]。從當今企業和食品流通的現狀來看，采用條形碼技術進行信息標識是具有成本低、易于操作、易于制作等優點，但是條形碼技術自身存在一些缺陷，不能夠滿足發展的需要，例如條形碼存儲信息少；在實際的操作過程中掃描儀只能在近距離下才能對其讀取；在讀取條形碼時，經常會有貨物粘貼條形碼位置的不同和貨物包裝的不規則等問題，使得操作員在對貨物進行掃描時需要花大量時間來尋找掃描條形碼的精確位置；有時還會發生漏掃描情況。條形碼技術不能夠滿足高精度快速識別的要求，并且其存儲的信息一旦寫入就不可以對其存儲的內容進行修改，也不能夠重復使用，降低了條形碼的使用率，最主要的缺點是不能對食品進行實時的監測，這些都制約著食品企業的發展。
3.RFID貨架期指示器的優點
RFID貨架期指示器由RFID讀寫器和RFID微粒構成。RFID技術作為一種快速、實時、準確采集與處理信息的高新技術，通過對實體對象的唯一有效標志，其可廣泛用于生產、零售、物流、交通等各個行業[7]。RFID貨架期指示器優點有：
（1）不需要光學可視、非接觸完成識別工作。在冷鏈物流中，需要對大量食品進行識別，利用RFID技術解決了條形碼技術識別速度慢、識別操作復雜等缺點，提高了效率。
（2）工作時無須人工干預、不易損壞，減少了由于人為原因產生的出錯概率。由于條形碼識別操作過程中容易磨損，使得食品質量不能得到有效的標識，而RFID貨架期指示器不需要人工對食品進行干預，通過讀取微粒的數據來掌握食品的質量。
（3）可遠距離識別運動物體，提高了傳統貨物在分揀登記信息時候的處理速度。RFID貨架期指示器不需要人工操作近距離地讀取食品環境與質量信息，通過射頻技術，可以遠距離完成通信，提高了登記食品質量信息的速度。
（4）能夠對食品進行實時監測、評估與預測。傳統技術不能根據當前環境的變化而實時地監測、評估與預測食品的質量，這使得食品在冷鏈物流過程中的質量不能被實時的反映，而RFID貨架期指示器通過采集食品的一些質量信息，能夠實時地監測食品的質量。
4.RFID貨架期指示器亟需解決的問題
在冷藏運輸過程中，射頻裝置運行與典型的行業環境下：首先裝置工作于低溫、潮濕、機械振動、沖擊和大范圍金屬干擾、電磁干擾等惡劣環境下；其次射頻裝置要求的識別距離遠，能夠達到多目標快速識別；最后要具有低功耗、存儲容量大、使用壽命長等特點。因此，對RFID貨架期指示器的性能提出更高的要求，主要表現在：
（1）應具有低功耗特性。在冷鏈物流過程中，RFID貨架期指示器需要長時間、實時監測食品的質量，能量消耗較大，其主要是采用電池供電的方式，而電池的容量是有一定限度的，不能無限制供電，因此，這就對微粒的功耗提出了較高的要求。
（2）應具有抗干擾能力，數據通信的保密性。食品在運輸過程中，由于外界信號會干擾RFID讀寫器與RFID微粒的通信，這就要求RFID貨架期指示器能夠具有較強的抗干擾能量和數據通信的保密性。
（3）要求系統具有較高的穩定性和可靠性。RFID貨架期指示器需要具有較強的穩定性與可靠性，才能實現對食品實時監測的目標。
（4）能識別多個移動RFID微粒。在食品源、中轉站、目的地，RFID讀寫器需要讀取多個移動的RFID微粒，讀取的過程中由于信息的不斷碰撞和智能RFID微粒的移動，會產生RFID微粒被漏讀的問題及功耗問題。
5.展望
為了實現RFID貨架期指示器能夠被較好地應用于食品冷鏈物流中，需要通過對RFID貨架期指示器的功耗和多個移動RFID微粒的防碰撞問題進行了研究。論文需要在以下幾個方面展開研究：
（1）需要提出時間序列電源管理算法
冷鏈物流具有較強的行業特殊性，RFID貨架期指示器需要在這一過程中實時監測食品的存儲環境與質量信息，并需要對數據進行計算和存儲，其能量消耗較大。現有的電源管理技術一般都是將以前的狀態綜合來預測將來的工作狀態，不能有效應用在冷鏈物流中。本文提出了時間序列電源管理算法，該算法根據劃分的運行模式對智能RFID微粒進行管理，優化了微粒的功耗與性能之間的平衡。
（2）需要提出智能自適應幀時隙ALOHA防碰撞算法
傳統的防碰撞算法一般都是針對于靜止的應答器與讀寫器而設計，而在冷鏈物流過程中，智能RFID讀寫器需要讀取多個移動的智能RFID微粒。針對這一情況，論文分析了冷鏈物流環境下RFID貨架期指示器在射頻通信時存在的三種情況，并總結了這三種情況共同存在的問題：一些微粒將離開穩定通信范圍；而一些新的微粒將進入穩定通信范圍。針對這一問題存在三個技術難點需要解決，論文通過對智能RFID微粒數量的估計，提出了智能自適應幀時隙ALOHA防碰撞算法，算法的設計思路主要是減少多個移動微粒之間的信息碰撞，并減少微粒的射頻通信時間，以此達到降低功耗的目標。
（3）需要設計低功耗的RFID貨架期指示器
在上述兩項技術的研究基礎上，設計低功耗的RFID貨架期指示器。
參考文獻
[1]Aarnisalo K，Jaakkola K，Raaska L，et al.Traceability of foods and food borne hazards[J].VTT Tiedotteita-Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus，2007，23（95）：1-46.
[2]Sofoss J N.Challenges to meat safety in the 21st century[J].Meat Science Symposium on Meat safety：From Abattoir to Consumer，2008，78（1-2）：3-13.
[3]余平祥，巫遠媚，胡月明等.RFID食品安全可追溯系統讀取率優化策略研究[J].農業工程學報，2008，24（7）：132-136.
[4]馬麗珍，南慶賢，戴瑞彤.不同色調包裝方式對冷卻豬肉在冷藏過程中的理化及感官特性的影響[J].農業工程學報，2003，19（3）：156-160.
[5]袁偉華.條碼技術在物流管理中的應用[D].華中科技大學學，2005.
[6]Wang huhu，Xu Xinglian. Reserch peogress of traceability technology of livestock and poultry and its applications[J].Science and Technology of Food Industry，2010，31（8）：413-416.
關鍵詞： 背光組件；LED發光條；超薄結構；導光板
中圖分類號：TN312+.8文獻標識碼：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
隨著LED技術的發展，特別是發光效率的提高，節能、環保的LED產品在顯示領域的應用已越來越廣泛。LED封裝、SMT貼片、發光條制作均發展到較高水平，LED背光制造和產業化水平也達到了相當高的水準。目前小尺寸產品市場需求大約以每年20%的水平劇增，LED背光在筆記本電腦上的應用已獨領，CCFL背光在筆記本電腦上的應用將逐漸退出歷史的舞臺[1-2]。目前全球大廠都在積極發展LED背光產品，目前市場的主流筆記本電腦幾乎全部采用LED背光技術。
本文介紹了筆記本電腦用LED背光組件的設計開發，分別從光學、電路、結構角度闡述了開發的過程。光學方面，采用STAMPER技術，一體成型射出導光板，減少印刷環節，無印刷污染；電路方面，根據LED的規格及顆數設計LED發光條，驅動整個背光源；結構方面，采用無背板的結構設計，達到超薄效果。本文設計的筆記本電腦用LED背光源超薄、高亮、低功耗，達業界領先水平。
1光學設計
1.1LED光源
背光模組的作用是把點光源發出的光通過漫反射使之成為面光源。為了得到合格的面光源，首先要選擇合適的LED，通常應用到筆記本電腦背光組件的LED的規格為3014。通過預設白場光度指標，結合對液晶屏、光學膜等影響因素的研究分析，完成對整個背光源所需光通量的計算。根據計算的光通量，結合LED的光學特性計算出所需LED的顆數。
1.2LGP設計加工
采用STAMPER技術，一體成型射出導光板，減少印刷環節，較少印刷污染。以模具射出形成網點，入射面設計能破壞光源的全反射，并控制光源射出導光板面角度的分布，網點數量的多少對光源做有效的控制。網點可隨模具任意設計形狀，若網點為極小的平滑鏡面，可使光在網點及導光板內部的損失減至最小，應用光學設計軟件進行網點設計。圖1所示為模擬的背光組件的亮度均一性。
2電路設計
在側光式背光組件中，應用長條式的LED light-bar作為整個組件的光源，LED light-bar采用白光頂發光LED。以某機種產品為例，單顆功耗：3.2V×0.02A=0.064W。整個light-bar功耗：0.064W×42=2.69W。LED背光源電路設計主要包括發光條設計和驅動控制電路設計，驅動電路采用一款DC/DC恒流驅動芯片，對發光條進行恒流驅動。圖2所示為LED light-bar的驅動原理圖。
3結構設計
筆記本電腦用LED背光組件通常采用側光式結構，背光組件結構包括：LED發光條、膜材、導光板、驅動板、膠框。背光組件采用白光LED，整個結構設計以Active Area的中心點為所有部件的設計中心，以筆記本電腦所用液晶屏的尺寸為前提，設計其它尺寸。綜合考慮電路設計及光學設計的要求，對結構進行設計。結構設計先從LAYOUT布局圖著手，表達整體機構以及各部件相互之間的裝配關系，然后著手零件圖結構設計。某機種背光源產品厚度可達2.35mm。所設計的筆記本電腦用LED背光源的結構特點：
（1） 背光源單短邊入光，入光方式為短邊入光，發光條尺寸減小，成本降低；
（2） 使用薄型平板LGP，對LGP網點技術要求較高；
（3） 膠框結構，無背板，無燈罩結構，采用高反射率反射片遮光，使用鋁箔散熱；
（4） 組裝時對LED發光面和LGP入光部對位要求較高。
4測試
本文所設計的筆記本電腦用LED背光組件光源采用白光LED，組裝后的LED背光源利用BM-7進行13點測試，5點平均輝度為4,019nit，亮度均齊性為85.33%，色彩還原性達到95%@CIE 1976。背光源整體功率為3.2W，其中LED功耗為2.69W。背光系統的驅動電路簡單，電流一致性良好。表1所示為背光源的光學測試數據。
5結論
本文設計開發了筆記本電腦用LED背光源，采用STAMPER技術，一體成型射出導光板，減少印刷環節，較少印刷污染；根據LED的規格及顆數設計LED發光條，驅動整個背光源；結構方面，采用無背板的結構設計，達到超薄效果。本文設計的筆記本用LED背光組件超薄、高亮、低功耗，達業界領先水平。
參考文獻
[1] 筆記本電腦LED背光源快速增長[J].消費電子，2010年7月.
[2] 張成功. LED背光源驅動及光學設計技術研究[D].中國海洋大學學位論文，2009年6月.
[3] 黃啟智. LCD顯示器的背光技術分析及應用[C]. 漳州職業技術學院學報，2008年1月.
[4] 王大巍，王剛，李俊峰，劉敬偉. 薄膜晶體管液晶顯示器件的制造、測試與技術發展[M]. 機械工業出版社.
[5] 郭莉葒. LED背光源測試方法的研究[J]. 燈與照明，2009年9月.
關鍵詞：ZigBee，智能家居，前景展望
0 引言
智能家居，又稱為智能住宅（SMART HOME），是以住宅為平臺，利用綜合布線技術、自動控制技術、網絡通信技術、安全防范技術、音視頻技術將家居生活有關的設備集成，構建高效的住宅設施與家庭日程事務的管理系統，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術性，并實現環保節能的居住環境。智能家居起源于上世紀80年代的美國，隨著我國人民生活水平的不斷提高，已經有越來越多的廠商和個人開展了對智能家居的研究，并有各類相關產品問世。
傳統的智能家居更多的是通過有線的方式進行組建，比如常見的Ethernet、CEBus、X-10等，其中得到最廣泛應用的是X-10，主要是因為其相對低廉的價格和用戶可自行裝設的特點。，前景展望。CEBus的性能雖然高于X-10，但是由于售價較高而難以得到普及。Ethernet主要用于高速數據傳輸網絡，用于家庭自動化控制則會受到電纜布線的限制。而日益興起的無線技術能否在智能家居領域占有一席之地并得到廣泛的應用呢？
和采用有線網絡的通信技術的智能家居產品相比較，無線技術解決方案最吸引人的地方是安裝布置的靈活性、低廉的安裝費用和在智能家居系統進行重新布置時的可移動性。盡管無線通信技術和有線相比較有明顯的優勢，而且無線局域網技術和藍牙技術已經在市場上獲得了巨大的成功，但無線通信技術在智能家居領域應用相對還是較少。這主要是因為目前沒有一項標準化的，獲得各廠商一致認可的無線通信技術適合在智能家居領域進行廣泛的推廣，而且現有的一些針對智能家居領域無線通信產品的價格偏高，導致無線通信技術在智能家居的應用停滯不前。隨著近年來人類在微電子機械系統（MEMS）、 無線通信、數字電子方面取得的巨大成就，使得發展低成本、低功耗、小體積、短通信距離的多功能傳感器成為可能。近年來所涌現出來的一項新的無線通信技術—— ZigBee技術將改變這種狀況。ZigBee技術產品以其低成本、低功耗、低傳輸速率、優秀的組網能力，被廣泛認為將在未來的幾年中對智能家居行業產生重大的影響。
1 ZigBee技術介紹
ZigBee技術是建立在IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers，美國電氣電子工程師學會）802.15.4基礎上的無線通信協議，它是一個短距離、低功耗協議，特別適合設計應用在小型的建筑物自動化設備中，比如溫度自動調節裝置、燈光控制設備、環境傳感器等。
2000年的12月，IEEE成立了IEEE 802.15.4工作組，致力于開發一種可應用在固定、便攜或移動設備上的，低成本、低功耗的低速率無線連接技術。2001年8月，美國霍尼韋爾等公司發起成立了ZigBee聯盟，他們提出的ZigBee技術被確認為IEEE 802.15.4標準。2002年，摩托羅拉、飛利浦和三菱等企業加盟ZigBee聯盟，06年中國的華為公司也加入了該聯盟。現聯盟內有180多個成員企業，包括軟件供應商、系統集成商和終端產品商。2003年，IEEE 802.15.4標準獲得通過，并在2004年12月推出了ZigBee技術規范1.0版本。2006年，推出ZigBee 2006，比較完善。2007年底，推出ZigBee PRO。
ZigBee技術能夠在低功耗下提供短距離、低速的數據傳輸，使用普通干電池的ZigBee無線傳感器能夠持續運行2～3年的時間。，前景展望。，前景展望。另外ZigBee技術優秀的組網能力使得它和其他無線通信技術在智能家居系統中的應用相比尤其具有無可比擬的優勢。具體地分析，ZigBee技術有如下幾點優勢：
（1）低成本，ZigBee技術是免協議專利費的，而且每塊芯片的價格大約為2美元左右。
（2）低功耗，在低耗電待機模式下，兩節五號干電池可支持1個節點工作半年至兩年時間甚至更長。，前景展望。
（3）低速率，ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，在不同頻帶間分別提供250kbp(2.4GHz)、40kbps(915MHz)和20kbps(868MHz)的原始數據吞吐率滿足低速率傳輸數據的應用需求。
（4）短時延，ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相對而言，WIFI需要3s，而藍牙則需要3~10s。
（5）大容量，ZigBee可采用星狀、樹狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點，同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大型網絡。
（6）高安全性，ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制列表(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
基于上述特點可看出ZigBee主要應用于短距離范圍內并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間，其典型的傳輸數據類型有周期性數據（如傳感器數據）、間歇性數據（如照明控制）和重復性低反應時間數據等。因此ZigBee技術十分適合應用于智能家居系統之中。
2 ZigBee技術在智能家居中的應用前景
目前，ZigBee的開發以大廈自動化設備、產業、醫療及家庭自動化等領域為目標。尤其在自動儀表領域，ZigBee擁有很高的關注度。市場調研公司In-Stat預測，支持ZigBee及IEEE802.15.4的芯片組的合計供貨量到2011年將從06年的500萬個增至1億2000萬個。但在智能家居市場，由于競爭技術較多，ZigBee成為唯一標準的可能性很低，但因為自身的技術特點，發展前景還是值得期待的。另一家市場調研機構ABI Reserch對ZigBee技術持有非常樂觀的態度。該公司的一份預測數據顯示，2005年到2012年，ZigBee市場的年均復合增長率為63%，而到2012年ZigBee市場份額將達3.5億。目前國際上智能家居領域專家們的共識是，ZigBee技術在智能家居中的應用將不可阻擋，但是多種無線技術并存的局面將會持續比較長的時間，能否完全取代其它技術，成為智能家居領域的首選，還要多方面的共同努力，進一步完善技術，加快標準化的腳步。，前景展望。
3 結束語
隨著我國經濟的飛速發展，智能家居的數量也會越來越多，Zigbee技術與智能家居系統的結合有著廣泛的應用前景，本文主要探討了該技術在智能家居系統中的應用，并對技術的應用前景做了展望。這種方式在現實生活中具有很強的應用性，相信在不遠的將來，會有越來越多由Zigbee技術延伸而出的設備投入應用，并將極大地改善我們的生活。，前景展望。需要關注的一個問題是，雖然目前我國智能家居中所使用的系統及產品大多被國外的大公司所壟斷，但是ZigBee技術的出現將給我國開發自主的具有世界先進水平的智能家居系統及產品提供一個嶄新的契機。
參考文獻
[1]呂九一，陳楠.基于Zigbee技術的家庭無線傳感網絡應用研究[J]，科技廣場，2009，第 11期
[2]白建波，張小松，路詩奎.ZigBee技術及其在樓宇自動化系統中應用的思考[J]，智能建筑與城市信息，2006，第1期
[3]飛思卡爾中國有限公司．飛思卡爾的802.15.4ZigBee——輕松實現無線連接[J]．半導體技術，2004（7）：80～81
[4]ZigBee Alliance.ZigBee Specification[M].2007.
[5]王永春.Zigbee技術在智能家居中的應用[J]，智能建筑與城市信息，2009，第1期
[關鍵詞]自組網絡 無線傳感器節點 IPv6 nRF905
[中圖分類號]TP393.18[文獻標識碼]A[文章編號]1007-9416(2010)03-0012-02
1 引言
近年來隨著無線通信、大規模集成電路、傳感器以及微機電系統 (MEMS)等技術的飛速發展,無線傳感器網絡(WSN)也得到了很大的發展,并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點使無線傳感網絡得到了普及。無線傳感自組網絡是由一些功耗低、體積小的傳感器節點,以無線通訊的方式自組而成的一個網絡,這些分散的節點能夠在一定范圍內協作地實施監測、感知、采集和處理周圍環境信息,他們之間通過一定的網絡組織協議,協同合作完成特定的任務。
2 體系結構
典型的自組網絡系統結構包括多個無線傳感器節點 (Sensor node)、匯節點 (Sink node)、互聯網和用戶終端設備等。無線傳感器節點通過特定的自組織協議快速形成一個無線通信網絡,每個無線通訊網絡都有一個匯節點,它既可以發送或接收數據,也可以充當信息的路由者,無線傳感器節點采集的數據通過多次轉發而最終到達目的節點。自組織網絡的體系結構圖如圖1 所示:
其中,無線傳感器節點負責采集、處理、壓縮數據、中轉其他節點的數據包并將數據包發送出去。在不同的應用中,無線傳感器網絡節點的結構不盡相同,一般由數據采集單元、數據處理和控制單元、無線通信單元、與PC通信單元和供電單元等組成。
3 無線傳感器網絡節點硬件設計
相對于傳統網絡節點,無線傳感器網絡節點具有明顯的技術特點:(1)網絡節點密度高,數量大;(2)節點的計算和存儲能力有限;(3)節點體積微小,通常攜帶能量十分有限的電池,節點能量有限;(4)通信能力有限,傳感器網絡的通信帶寬較窄,節點間的通信單跳距離通常只有幾十到幾百米,因此在有限的通信能力下,如何設計網絡通信機制以滿足傳感器網絡的通信是必須考慮的問題;
由于無線傳感器網絡節點具有以上特點,在節點的設計上,要求節點硬件設計必須低成本、低能耗、支持多跳的路由協議。其硬件結構圖如圖2所示。
該無線傳感器節點的硬件結構由五個主要部分組成:微處理器模塊、射頻通信電路(RF)模塊、傳感器模塊、電源模塊、鐵電存儲模塊和與PC的通信模塊。其中處理器模塊選擇的是AVR ATMEGA16L單片機來進行控制電路的設計,其原因主要是該單片機具有以下特點:速度快;性價比高、低功耗;帶有同步串行接口SPI。
3.1 射頻通信電路(RF)模塊
射頻通信電路模塊是決定無線傳感器網絡系統性能好壞的一個因素, 300M - 3GHz UHF頻段的無線電波具有很強的直射、繞射、反射以及抗干擾能力強等特性,所以很適合應用于無線傳感器網絡。
本系統的設計目標是低成本,低功耗,外形小巧、簡單易于實現,同時傳感器網絡主要用于傳輸傳感器數據或者控制信號,因此對傳輸帶寬的要求并不高。本系統采用的是比較符合實際應用需求的ISM 頻段的短距離射頻技術,并且由于此類ISM 射頻模塊一般不含協議棧,也給傳感器網絡新協議的設計和測試帶來了方便。經過調研,市面上常見的射頻模塊性能比較如下:
綜合以上考慮,系統最終選擇了挪威Nordic公司新推出的單片射頻收發芯nRF905,與其他類似芯片相比,nRF905功耗較低,工作電壓低至1.9～3.6V,以-10dBm 的輸出功率發射時電流只有11mA,工作于接收模式時的電流為12.5mA,支持空閑模式與關機模式,易于實現節能,適合便攜式產品的設計。并且具有發送和接收狀態的多級功率控制,可以方便傳感器網絡射頻功率控制相關技術的研究。其接口示意圖如圖3所示。
nRF905集成度高,由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調制器組成,工作頻率穩定可靠,元器件少,不需外加聲表濾波器,此外,nRF905最高工作速率可達20k,發射功率可以調整,最小為-10dBm,最大為+10dBm。
4 精簡IPv6協議
針對目前自組織網絡中自組織算法的研究現狀,本文介紹了一種精簡IPv6協議,它具有IPv6協議的特點,同時也有自己的特點。精簡IPv6協議的特點如下:無校驗位;采用128bit地址,地址充足;移動便捷;便于管理和擴充。
該協議中沒有使用數據校驗位的原因主要有以下幾點:(1)中間路由器不再進行數據包校驗;(2)因為大部分二層鏈路層已經對數據包進行了校驗和糾錯控制,鏈路層的可靠保證使得三層網絡層不必再進行報頭校驗;(3)端到端的四層傳輸層協議也有校驗功能以發現錯包;(4)校驗需隨著TTL值的變化在每一跳重新進行計算,增加包傳送的時延。
自組織協議的格式如表2所示。
幀起始符68H:標識一幀信息的開始,其值為68H=0110100B;
網絡標識:標識著不同的無線傳感器子網,它的值的范圍可以根據自身的網絡規模自行設定;
最大跳數:8bit,其值代表一幀從源節點傳輸到目的節點所經過的最大跳數,如果超過了該值,讓網絡中的節點自行丟棄所傳輸的數據幀;
源地址:128bit,可以極大限度的滿足網絡的需要,同時還可以根據需要靈活地控制和使用;
目的地址:128bit,與源地址配合使用,是數據所要達到的最終地址;
數據域:表示有效數據,其大小可以根據用戶需要自行設定,另外,這些數據隨著用戶需求的不同而采用不同的格式,可攜帶不同的信息;
結束符:16H=00011100B,表示數據包的結束標志位。
無線傳感器節點就是基于這個精簡IPv6協議,通過無線的方式快速自組織將捕獲到的周圍環境信息迅速準確的發送于匯節點,完成信息采集的功能。
5 無線網絡的自組織分析
無線傳感器節點通過基于精簡IPv6協議自組織實現的無線網絡,要求這些節點在一定的范圍內,同時也要滿足自組織網絡的硬件環境需求。無線自組織網絡需滿足以下條件:(1)每個無線傳感器子網要根據連接不同的子網數目配上相同數目的匯節點,并且所有匯節點必須在該網絡所允許的范圍內。(2)每個傳感器節點上必須有一定的存儲空間,可以使用外接的存儲器芯片,最好是鐵電存儲芯片,如果要求的跳數較少的話,也可以使用ATMEG128L處理器自帶的存儲空間。(3)子網與子網之間必須有一定的交匯,且交匯處要放置一個匯節點,匯節點既可以是信息的采集和發出者,同時也充當信息的路由者。(4)子網需要相應的與互聯網連接的網絡設備和用戶終端設備,以便可以與Internet進行數據的傳輸與處理,同時也可以從豐富的互聯網網絡中獲取大量的網絡資源。(5)同一傳感器網絡中的所有節點工作在同一頻率下。
滿足了以上要求后,本論文設計的流程圖如圖4所示。
通過在一定環境和范圍內的測試,系統的軟件設計很好的使各個節點捕獲到了來自各種環境的信息,并通過無線自組織的方式,將信息傳達到匯結點,最終完成信息采集的功能。
6 結語
本文通過對自組織網絡體系結構的分析,設計了一種低價格、低功耗的微型傳感器節點,搭建了一個易于實現、結構穩定、集成度高的硬件平臺,對微型傳感器節點的無線自組織協議進行了構思。隨著無線自組織網絡研究的深入,此系統給無線自組織網絡的研究提供了有效的參考價值。
[參考文獻]
[1] 孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網絡.北京:清華大學出版社,2005,5.
[2] Heinzelman W R, Chandrakasan A,Balakrishnan H. An application-specific protocol architecture for wireless microsensornetwoks. IEEE Transactions on Wireless Communications,2002,1(4).660-670.
[3] Kemal Akkaya, Mohamed Younis. A survey on routing protocols forwireless sensor networks. Ad Hoc Networks,2005,3.325-349.
[4] 趙明,徐科軍,陳智淵.一種無線傳感器網絡節點設計和通信協議研究,儀器儀表學報(增刊),2005,8(下冊):630-635.
[5] 馬祖長,孫怡寧,梅濤.無線傳感器網絡綜述.通信學報,2004,25(4):114-124.
本論文研究的是利用射頻識別技術將電子施封鎖應用于電動車防盜系統。該電子標簽外殼與RFID芯片融為一體，在不影響現有施封鎖功能的前提下，通過巧妙的設計使標簽外殼附著在施封鎖的一側。
【關鍵詞】射頻識別讀卡器RFID
1、引言
隨著科學技術的發展，電子標簽―RFID在國內外已被廣泛的使用，如為減少行李遺失事故的發生，國際航空運輸協會積極鼓勵全球航空公司和機場，采用先進的RFID技術處理乘客的行李。它能通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別過程無須人工干預，能夠工作于各種惡劣環境之中，可用于高速運動目標的識別及多個目標的同時識別，操作快捷方便。由于具有高速移動物體識別、多目標識別和非接觸識別等特點，RFID技術顯示出巨大的發展潛力與應用空間，被認為是21世紀的最有發展前途的信息技術之一，曾被美《商業周刊》評為將掀起新產業浪潮的未來四大高技術之一。
RFID技術的應用已趨成熟。在北美、歐洲、大洋洲、亞太地區及非洲南部都得到了相當廣泛的應用。目前國內RFID的應用已經涉及到鐵路紅外軸溫探測系統的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測系統等。正在計劃推廣的應用領域還有電子身份證、電子車牌、鐵路行包自動追蹤管理等。
2、射頻技術
從信息傳遞的基本原理來說，射頻識別技術在低中高頻段基于變壓器藕合模型（初級與次級之間的能量傳遞及信號傳遞），在超高頻及微波頻段基于雷達探測目標的空間藕合模型（雷達發射的電磁波信號碰到目標后攜帶目標信息返回雷達接收機）。射頻標簽與讀卡器之間的電磁藕合包含兩種情況：一是電感耦合方式，是低、中、高頻段近距離非接觸射頻識別系統的基礎。在電感耦合方式中，讀卡器的天線相當于變壓器的初級線圈，射頻標簽的天線相當于變壓器的次級，因而電感藕合方式也稱為變壓器方式。電感耦合方式通過空間磁場實現耦合，耦合磁場在讀卡器線圈（初級）與射頻標簽線圈（次級）之間構成閉合回路。二是電磁藕合方式，在電磁耦合方式中，讀卡器的天線將讀卡器產生的射頻信號以電磁波的方式定向發送到空間范圍內，形成讀卡器的有效閱讀區域，位于讀卡器有效閱讀區域中的射頻標簽從讀卡器天線發出的電磁場中提取工作電源，并通過射頻標簽的內部電路及標簽天線將標簽內存的數據信息回傳到讀卡器。電磁耦合與電感藕合的差別在于電磁耦合方式中讀卡器將射頻信號以電磁波的形式發送出去；在電感藕合方式中，讀卡器將射頻信號束縛在讀卡器電感線圈的周圍，通過交變閉合的線圈磁場，形成讀卡器天線與射頻標簽天線之間的射頻通道，而沒有向空間輻射電磁能量。電感耦合的RFID系統中，電子標簽卡在天線上形成的接收信號的調制方式常采用副載波負載調制技術；電磁耦合的RFID系統中，電子標簽卡在天線上形成的接收信號的調制方式常采用電磁波反向散射調制技術。
按照讀寫距離來劃分，RFID系統可分為接觸式和非接觸式，而非接觸式又分為近距離（密耦合）、中距離（遙耦合）和遠距離。本論文中主要探討的是遙耦合，讀寫距離從1米到10多米甚至更遠的RFID系統稱為遠距離RFID系統。它是依靠電磁波在空間輻射形成空間電磁場，電子標簽卡與讀寫器之間的通信方式類似雷達探測過程。工作時，射頻標簽位于閱讀器天線輻射場的遠場區內，標簽與閱讀器之間的耦合方式為電磁耦合方式。閱讀器天線一般為極化（線極化或圓極化）天線，并在空間形成一個輻射場為無源標簽提供射頻能量。遠距離RFID系統的工作頻段為860―960MHz、2.4GHz和5.8GHz等，目前大量應用在車輛管理、碼頭集裝箱等大物件的流通領域。
3、RFID技術的應用
本論文中的RFID技術是一種無線通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數據，而無需識別系統與特定目標之間建立機械或光學接觸。它的工作原理是：無線電信號通過調成無線電頻率的電磁場，把數據從附在物品上的標簽上傳送出去，以達到自動辨識與追蹤該物品的目的。
目前大部分電動車的防盜系統的防盜原理是：當盜竊者觸碰電動車時，車子自動發出警報鳴笛。這種防盜系統根本發揮不了防盜的作用：一、車子經常被非盜竊人員觸碰，導致大家弄不清楚警報聲到底是否是因為盜竊所產生的。二、即便是盜竊所產生的警報，戶主也不能及時知道是有人在盜竊自己的車子。而本論文的構想是：把RFID技術應用在電動車防盜系統中。基本構思是：在電動車的電瓶安裝處加裝施封鎖自動識別裝置并在施封鎖的一側加上電子標簽外殼與RFID芯片，只要是電瓶處或者機動車開鎖處被解鎖，通過RFID的讀卡器，就會發出無線射頻信號，戶主手中的應答器就會接收到報警系統的提示。
整個系統的組成是基于主動射頻激活后的動態識別系統，系統由電子施封鎖，125KHZ低頻激活系統，如圖1所示。
讀出裝置的電路由單片機控制模塊、射頻收發模塊、接口控制及125KHZ無線喚醒發射模塊、其中接口用于控制系統中射頻信號發射和接收。電子施封鎖的電路由單片機控制模塊、射頻收發模塊、125KHZ無線喚醒發射模塊、電源管理幾部分組成。
電子施封鎖的電路由單片機控制模塊、射頻收發模塊及無線喚醒電路、電源等四個部分組成。單片機用于控制射頻收發模塊和保存與電子施封鎖相關的信息；無線喚醒電路則在收到讀寫器發送的特定信號后產生一個中斷信號喚醒休眠的單片機和射頻收發模塊；射頻收發模塊則負責接收和發射讀寫器發送來的信號；電源電路控制電源的功耗，根據無線喚醒電路的指令及無線射頻的信號強度控制電源的消耗，及計算電源的容量及壽命管理，確保電源能長時間可靠的工作。
系統單片機控制模塊采用了NORDIC最新的無線和超低功耗技術，選擇用NRF24LE1控制芯片，在一個極小封裝中集成了包括2.4G無線傳輸，增強型51 FLASH高速單片機，豐富外設及接口等的單片FLASH芯片，是一個綜合了性能及成本的完美結合，很適合應用于各種2.4G的產品設計。
讀寫器和電子施封鎖都有工作及休眠二種工作模式。由安裝在電動車上的震動傳感器感應到電動車震動時，接口控制模塊發出讀寫指令，啟動讀出裝置的射頻收發模塊工作，同時啟動125KHZ無線喚醒發射模塊工作；電子施封鎖受到讀出裝置喚醒信號后啟動工作，實現與讀出裝置的數據交換，完成一次完整的數據交換后，讀出裝置將讀取到的信息存在于單片機控制模塊中，并迅速將車載信息發送到車主手中的報警器。讀出裝置和電子施封鎖重新進入低功耗休眠狀態，等待下一次的喚醒。
本論文中的電子施封鎖采用電池供電，而電池是一種消耗性的電源，工作時間短，為了延長車載卡的工作時間，需要進行電源管理，以降低功耗。當前大多數的電源管理方法采用一種周密設計的喚醒、休眠方法。但大多數情況下，喚醒周期的大部分時間是徒勞無用的， 消耗能量。本系統中采用一種無線觸發喚醒的電源管理方法，在這種方法中，車載卡進入休眠模式后就會一直保持睡眠狀態，在讀寫器沒有發送出特定頻率的無線信號時，它是不會被喚醒的。當然，這個特定頻率的無線信號會立即地喚醒休眠的電子施封鎖這樣，就節省了在喚醒前和監測期間的電源消耗。
高安全性，芯片內固化Gazell協議具有AES 128bit 高強度加密，確保數據傳輸的安全可靠；低功喚醒、高頻數據交換，避免了同頻干擾。喚醒脈沖通過特定頻率是125KHZ低頻發送，而數據通信采用另外的2.4G無線頻率傳送。一旦讀寫器與標簽建立通信連接后，雙方便跳到由讀寫器指定的固定頻率上工作。這樣，即使電動車或是整個停車場中其它電子施封鎖在無線通信范圍內也不會被喚醒，避免了同頻干擾起到了抗干擾的作用。
【論文摘要】：從節能的角度介紹了大中型商業建筑照明的分類要求，建議使用高光效光源及低功耗、長壽命、優性能的整流器。
一、引言
隨著改革開放的不斷深入和發展，各行各業正在發生著日新月異的變化，建筑行業的崛起和變化更是來勢迅猛、內容紛繁，現代化的建筑千姿百態、造型各異并逐步呈現出高、大、全、新的特點。現代建筑的層數越來越高，占地面積越來越大，內部設施越來越完善，功能越來越齊全，所用設備和材料則越來越新。商業建筑的發展必然伴隨著照明創新的繁榮，現代商業建筑照明設計的發展趨勢是多方化、情趣化、藝術化和節能化。
二、商業照明的種類
(1) 商場立面照明
各個商業建筑都有它的一般商業性和各自的特征。對商場的立面照明除如何將它的一般性和特征展現得更有藝術性之外，應該有意識地將臨街的立面和門廳照得更明亮，更具藝術性，令路人對商場有深刻印象。另外，還需有渲染商店形象的廣告照明。
(2) 商場廣告照明
上述的商場立面照明是最有效的廣告，但各個商場還有其名稱和標志。對于名稱和標志，常采用下列方式：①用霓虹燈將名稱或標志逐筆逐畫圈起來，霓虹燈或長明、或多種顏色輪換閃爍或卷地毯式閃爍。②商場的名稱或標志是實體的藝術雕塑，用支架離墻，在其后面依其形狀布燈，讓燈光將名稱或標志浮現起來，多用長明的霓虹燈。
(3) 商品廣告照明
①用霓虹燈造出商品名稱、形狀、商標，或勾邊、或沿廣告形狀制造，燈光或長明、或閃爍。有的廣告底層尚配以卷地毯式的閃爍的霓虹燈襯托。②透明廣告畫、圖片制成燈箱，在畫或圖片后面用光管列照射，使畫面色彩透射出來。③不透明廣告畫面，用投光燈照射，將畫面的色彩和層次顯現出來。其中②、③項采用高顯色性的光源。
(4) 商場的一般照明
①選用高光效的光源，如節能燈、熒光燈。②選用高效率的燈具，如高效熒光燈具或其他高效燈具。③光源的光色，應既與商場空間協調，又能將商品質感最確切、最真實地顯示給顧客。此外，還要圍繞商品建筑照明周圍的光環境(如裝修材料及其色澤等)和商品內容確定。④根據商場所在地區的經濟、電力供應、環境，確定合適照度。有時為了引起顧客對一些商品的注目，要使重點照明的照度增加幾倍，增加了耗電量。在有空調的商場也增加了空調耗電量，照度高低，必須慎重分析，適合當地條件。⑤除水平照度，還應合理設計垂直照度。一般選用寬光束或蝙蝠型配光曲線的燈具。⑥一般照明的照度，主要是均勻度，以適應商品陳列方式和陳列場所的變動。若貨架為長條式排列，則采用蝙蝠配光曲線高效熒光燈具，燈具應沿兩貨架中間布置，避免主光束投射到貨架頂上。
(5)商場的重點照明
為了重點地把主要商品或主要場所照亮，以突出商品，激發顧客的購買欲望。照度應隨商品種類、形狀、大小、展出方式而定，同時必須和商場內一般照明相平衡出良好的照度。在選擇光源及照明方式時，不能忽視商品的立體感、光澤及色彩等。
(6) 應急照明的分類
應急照明是在正常照明系統因電源發生故障，不再提供正常照明的情況下，供人員疏散、保障安全或繼續工作的照明。應急照明不同于普通照明，它包括備用照明、疏散照明、安全照明三種。
備用照明--在正常照明電源發生故障時，為確保正常活動繼續進行而設的應急照明部分。包括：①照明熄滅將妨礙消防救援工作進行的場所。如消防控制室、應急發電機房、廣播室及配電室等。重要的地下建筑，因照明熄滅將無法工作和活動的場所，如大中型地下商場、地下餐廳、地下車庫與地下娛樂場所等。②照明熄滅將造成現金、貴重物品被竊的場所，如大中型商場的貴重物品銷售區、收款臺及銀行出納臺等。
疏散照明--在正常電源發生故障時，為使人員能快速且準確無誤地找到建筑物出口而設的應急照明部分。通常在下列場所應設疏散照明：人員眾多、密集的公共建筑，如大會議室、劇院、電影院、大型展覽館、大中型商場、大型候車廳等；高層公共建筑、超高層建筑；人員眾多的地下建筑。
安全照明--在正常電源發生故障時，為確保處于潛在危險中人員的安全而設的應急照明部分。通常在下列場所應設置安全照明：正常照明因電源故障而熄滅后，由于眾多人員聚集，且又不熟悉環境條件，容易引起驚慌而可能導致人身傷亡的場所，或人們難以與外界聯系的電梯內等；應急照明既要滿足作為照明的一般要求，又要滿足應急作用的特殊要求，既要在緊急狀態下照明，同時又要保證常年安裝在建筑物內安全、可靠地處于良好的應急狀態。這除了選擇合適的光源外，選擇安全、可靠、經久、耐用的應急照明電源也是至關重要的。
三、推廣使用高光效光源
眾所周知，照明光源有白熾燈、日光燈、高壓汞燈、金屬鹵化物燈、高壓鈉燈等。按照光效高低的排列，高壓鈉燈的光效為最高，白熾燈為最低，各光源的技術指標如表1所示。一只75W的白熾燈，節電效率高達80％。所以，為節s電能，應積極推廣使用高光效、長壽命光源。
四、開發并使用低功耗、長壽命、優性能的鎮流器
鎮流器的作用是提供瞬間的高電壓及高電流，并且在起動后限制日光燈管內的電流，以避免日光燈管內的電流激增，而縮短日光燈管的壽命。日光燈用傳統電感鎮流器一般功率為燈管額定功率的20％，高強度氣體放電燈(HID)的鎮流器功耗為額定功率的15％-16％。因此，開發生產低功耗、長壽命、優性能的新型鎮流器，對我國"綠色照明工程"的實施也必將起到巨大的推進作用。表2為各種鎮流器技術指標比較。
五、對商場照明的要求
(1) 創造良好的視覺條件，保證足夠的照度和必要的照明質量，包括良好的顏色顯現，合理地限制眩光等。
(2) 滿足吸引顧客、渲染商品特色等促銷手段的特殊需要。
(3) 確保使用安全，包括防止照明系統運行引起火災和電擊事故，還需提供商場中發生意外事故時保證人員安全疏散所必需的照明。
(4) 具有足夠的靈活性，以適應商場內部因銷售策略變化、商品變換、季節更替等引起的對照明要求的相應變化。
(5) 節約能源，從使用高效光源、燈具和設計手法、運行管理等多方面措施人手，在滿足視覺條件的前提下，使照明耗電量最小。
六、結束語
商場的電氣照明不同于其他場所的照明，對新建商場的綠色照明可以通過采用高光效的光源、高效率的照明器來實現，當采用熒光燈作為主光源時應采用低功耗、高性能的整流器來實現，對已建成或改建商場的綠色照明除更換原照明光源、照明器及附件外，還可以通過采用分相無功功率自動補償裝置來改善供電系統功率因數，以達到節能的目的。在考慮綠色照明的同時，還應著重注意視覺環境。不僅要解決光源與燈具的品種、類型和數量的問題，而且要解決照明質量的問題，應把照度水平、亮度分布、照度均勻度、陰影、眩光、光色與照度的穩定性等統一考慮。因為這些將直接影響商場的經營和效益，影響消費者的購物欲望，甚至影響到消費者的身心健康。
參考文獻
[1] 北京照明學會照明設計專業委員會編， 照明設計手冊，北京：中國電力出版社，1998.
[關鍵詞]數據采集ARM大容量存儲
中圖分類號:TP274.2文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1110100-02
一、引言
車載分布式信息采集系統通過終端采集到車輛運行的各狀態信息發送到遠程監控車上的監測中心,對了解車輛運行狀況、研究提高車輛的舒適性和安全性等具有非常重要的作用。目前,用于車輛信息采集的系統一般是基于8位或16位RISC的CPU作為核心處理器,該類處理器存在主頻低、容量小、實時性差、通訊速度慢等缺點[1,2]。隨著科學技術的發展,人們對科學研究的要求越來越高,對數據的采樣率、精度控制、傳輸速度和存儲容量等提出了更高的要求,此時以32位RISC的ARM嵌入式處理器顯示了強大的優勢[3,4]。
二、車載信息采集系統構架
如上圖1所示,是車載信息采集系統框圖。整個系統主要由中央處理器、電源管理模塊、信號調理、數據采集模塊、緩存模塊和數據存儲模塊構成。
中央處理器(CPU)主要完成對各個電路的控制和AD采集通道的選擇;電源管理模塊主要完成對各模塊的電源供給和監控;數據采集單元主要完成輸入模擬信號的調理和A/D轉換;由多片hynix公司高密度的Flash進行數據存儲;采用了IDT公司的雙口RAM進行高速數據流的緩存。
(一)嵌入式處理器選擇
ARM公司是全球領先的16/32位嵌入式RISC微處理器解決方案的供應商,向全球各大領先電子公司提供高性能、低成本和高效率的RISC處理器、外設和系統芯片技術授權。其主要特點是具有高性能、低成本和低功耗。ARM的微處理器核技術廣泛用于便攜式通信產品、多媒體和嵌入式解決方案等領域,已成為RISC標準。
RISC是一種設計思想,其目標是設計出一套能在高時鐘頻率下單周期執行,簡單而有效的指令集。RISC的設計重點在于降低由硬件執行的指令的復雜度,這是因為軟件比硬件容易提供更大的靈活性和更高的智能。因此,RISC設計對編譯器有更高的要求;相反,傳統的復雜指令集的計算機(CISC)則更依賴于硬件執行指令的功能性,使CISC指令變得更復雜。主要體現在以下四個方面:
1.指令集。RISC處理器減少了指令種類,僅提供簡單的操作,且每條指令長度固定,一個周期就可以執行一條指令,允許流水線在當前譯碼階段去取下一條指令;而CISC處理器中,指令的長度通常不固定,執行也需要多個周期。
2.流水線。指令的處理過程被拆分成幾個更小的、能夠被流水線并行執行的單元;而CISI指令的執行需要調用微代碼的一個微程序。
3.寄存器。RISC處理器擁有更多的通用寄存器;而CISI處理器都是用于特定目的的專用寄存器。
4.Load-store結構。處理器只處理寄存器中的數據。獨立的load和store指令用來完成數據在寄存器和外部存儲器之間的傳送。因為訪問存儲器很耗時,所以把存儲器訪問和數據處理分開。帶來的好處就是可反復地使用寄存器中的數據,而避免多次訪問存儲器。而CISI卻不能。
ARM選擇ATMEL公司的ARM處理器AT91SAM7A3,芯片內部集成了256Kbyte
的高速FLASH用于存儲程序,32Kbyte的SRAM可用于存儲程序和程序運行時存儲變量堆棧數據。AT91SAM7A3具備豐富的接口能滿足對車載數據采集系統主控制器的需求,削減了傳統數據采集系統煩雜的電路,大大促進了整機的集成度,有利于實現系統的小型化。
(二)數據采集及緩存
在本設計中,系統需要實現4通道400KHz采樣率的沖擊信號和4通道200KHz采樣率的噪聲信號采集任務。傳統的方法是針對2種不同采樣率分別以不同的AD多通道實現采集,這樣的設計方法存在的缺點是隨著不同采樣率和采樣路數的增加,系統的邏輯管理和硬件開銷太大,致使系統的可靠性大大降低。因此,本文在選擇了具有8通道并行采集和高吞率的MAX1304,12位20MHz并行接口。MAX1304是單電源5V供電,最高20MHz時鐘接入,8通道全率456ksps采樣時,總電源電流為57mA。芯片48引腳7mmx7mm TQFP的小封裝,工作溫度為-40°C至+85°C寬溫度范圍。通過AT91SAM7A3
的I/O控制以實現對通道的選擇,A/D轉換器的輸出直接與AT91SAM7A3的SPI接口相接。圖2是數據采集及緩存的基本框圖。
(三)流水線寫入及大容量存儲
針對本設計需求,采樣1秒將產生4.8Mbyte,連續采樣一小時將達到17.28Gbyte。所以需要對采樣的高速數據流在存儲前必須進行緩存,以適應目前主流存儲介質FLASH的寫入速度慢的特點[3]。
傳統高速緩存的方法是FIFO(先進先出)方式。FIFO具有兩套數據線而無地址線,數據像在管道中順序移動,因而能夠達到很高的傳輸速度和效率,缺點是只能順序讀寫數據,對該系統需要分段處理的實時系統顯得不夠靈活,而且大容量的高速FIFO非常昂貴,器件的封裝體積也較大[4]。
方案采用了ITD公司的ITD70V25L與和HYNIX公司的FLASH作為高速緩存和大容量存儲,緩存和大容量存儲的實現基本框架如下圖3所示。根據系統的需求FLASH選用HY27UK08BGFM(4G×8bit,隨機讀:25μs(MAX);順序存取:30ns;編程:200μs),為實現系統的大容量存儲需要并擴展了FLASH存儲區,設計了由6片HY27UK08BGFM并聯組成6級流水線并成一個24G×8bit大容量存儲體。
FLASH編程速度慢的主要原因是其自動編程的時間相對較長,典型時間為200μs,最大不超過700μs,而由于這段時間是芯片自動完成的,不需要外部的干預,設計充分利用這段“空閑”時間。針對閃存的編程速度慢的問題,將其進行流水處理,實現時間上的微觀并行,如上圖4所示的三級流水線原理。閃存芯片的編程操作可分為三個步驟:加載操作,自動編程操作,檢測操作。
三、采集數據的動態存儲管理軟件設計
MAX1304在1.98μs內可完成8個通道的同時轉換,其20MHz、12位的雙向并行數據總線用來提供轉換結果,并可接受數字輸入分別激活每一路通道。系統采用中斷控制方式來設計AD模塊,其工作原理是由ARM的輸出CLK時鐘連接AD芯片的轉換時鐘控制采樣保持和AD轉換。本設計對AD采集數據采用了動態存儲管理的方法,其控制流程如上圖5所示。
四、電源管理
電源管理是嵌入式系統的重要組成部分,一是為了系統的穩定工作,二是為了降低整機的功耗。為適應車載供電的特點實現系統的低功耗,采用了動態和靜態的電源監管技術相結合。在靜態技術上,主要選用了低功耗器件,絕大部分器件工作電壓在3.3V;在動態技術上,通過改變系統的運行行為來降低系統功耗,如在系統工作過程中,根據預處理判斷實現自適應采樣,以降低系統的工作頻率。
利用系統芯片SOC(System On Chip)技術對存儲區進行合理的電源管理,如對于flash,利用其非易失性的特點采取逐個加電,及時斷電的方式來降低系統功耗。使用TEXAS INSTRUMENTS公司提供的TPS71913-28芯片作為監控給FLASH芯片供電。
五、結論
基于AT91SAM7A3嵌入式微處理器結合高密度的FLASH構建的車載數據采集系統,設計實現了24G×8bit大容量存儲,能滿足炮車及步兵戰車、坦克等車輛連續采集一小時的需求。在外場試驗中,系統具備了抗沖擊能力,系統嵌入式的電源管理有效的降低了系統功耗,適合艙室環境。設計劃分成各子模塊,模塊化的設計方便了以后系統功能擴展。
參考文獻:
[1]韓鋒,基于ARM處理器的便攜式振動測試分析系統的研究與設計[D].浙江大學碩士論文,2004.
[2]王文武、曹治國,基于FPGA和DSP的并行數據采集系統的設計[J].微計算機信息,2004,11:68-69.
關鍵詞:WISHBONE;FPGA;片上系統;IP核
中圖分類號:TP302.2; TP338.1文獻標識碼:A文章編號: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
無線傳感器網絡是當今國內外研究的熱點之一,它是計算機技術、通信技術和傳感器網絡技術相結合的產物[1]。目前,傳統的傳感器節點由傳感器、信號調理、ADC、微處理器、電源、無線通訊和天線組成。這種傳感器節點最大的特點是電路模塊化、體積較大、功耗也不低。近幾年來,隨著FPGA和SoC技術的發展,嵌入式系統逐漸由板級向芯片級設計過渡。本論文就在FPGA芯片上傳感器控制系統進行了設計,設計采用了WISHBONE總線標準,通過調試功能達到了設計要求。
1 傳感器網絡節點和WISHBONE總線簡介
傳感器網絡一般是由一定數量的傳感器節點通過網絡搭建起來,根據業務應用要求的不同選擇監測不同數據的傳感器。目前,傳統的傳感器節點由傳感器、信號調理、ADC、微處理器、電源、無線通訊和天線組成。傳感器主要完成數據采集,其類型由被監測的物理信號的形式決定。ADC主要完成模擬信號到數字信號的變換,通常市面上的傳感器模塊都集成了數模轉換功能。微處理器主要完成數據處理和操作控制,通常采用低功耗的,如MicroChip公司的PIC系列等。通訊單元主要負責數據的網絡傳遞,一般由低功耗、短距離的無線通信模塊組成。
Wishbone[2]總線是一種開源的片上總線標準,現由OPENCODES組織維護。該總線采用了主/從結構,由主部件發起每次與從部件之間的數據傳輸,支持常見的四種IP核聯接方式,包括:點對點、數據流、共享總線和交叉開關。
2 結構總體設計
因該設計所涉及的傳感器節點主要以監測大氣溫度和濕度為目的,為了提高數據采集的準確度和減少功耗,節點采用了瑞士SENSIRION公司開發的數字溫濕度傳感器SHT7X系列傳感器。該模塊為插針型,方便傳感器的安裝和系統調試。同時為了方便自適應組建網絡,本傳感器節點采用CC2420作為無線通信模塊。該無線通信模塊可以通過4線SPI總線(SI、SO、SCLK、CSn)設置芯片的工作模式,并實現讀/寫緩存數據、讀/寫狀態寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態可設置發射/接收緩存器。
傳感器節點控制模塊的設計直接影響著整個無線傳感器網絡的質量。該文利用FPGA技術設計了節點的控制模塊,模塊系統結構圖如圖1所示。
該片上系統主要由一個8位的MCU,片內存儲器數據RAM,WISHBONE總線控制器和各外設控制器IP核組成。其中MCU IP核主要負責整個片上系統的控制和數據處理,該MCU采用PIC16C5X系列的33條經典控制指令[3],根據FPGA芯片的特點和應用的需求設計相應的體系結構。RAM IP核主要用來存放監測數據,該IP核由FPGA芯片的RAM塊組成。各外設控制器IP核,主要負責根據外設接口類型,將內部平行數據格式轉換成相就的數據格式,比如LCD-WISHBONE接口IP核,將內部數據總線的數值根據數碼管進行編碼;UART-WISHBONE接口IP核將內部數據總線的平行數據轉換成相應波特率的UART串行數據,等等。以上IP核不管是MCU IP核還是接口控制器IP核都用WISHBONE片上系統總線標準進行規格化。最后通過WISHBONE總線將各功能IP核模塊連接起來,各IP核訪問總線由總線控制模塊控制。
3 系統各模塊的設計
3.1 微控制器IP核
該IP核采用傳統的LOAD/STORE結構,即指令操作數基本來自寄存器,運算結束后結果也放回寄存器中,指令執行前要先提取數據,指令結束后要結果存儲好。整個系統由控制器根據指令控制其它單元的操作,如取址、取數,ALU運算等。
MCU IP核在Syscon模塊時鐘的驅動下,首先指令寄存器根據PC值取出指令,這就是取指階段。接下來是譯碼器對指令進行譯碼,并從存儲器中取出操作數。然后ALU根據譯碼結果對操作數進行運算,最后寫回存儲器或輸出結果。IP核接口采用WISHBONE標準,其中地址標志位用于選擇外設。
3.2 IIC-WISHBONE控制器IP核
IIC(Inter-Integrated Circuit)總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線標準,用于連接微控制器及其設備[4]。該控制器IP核主要用于連接濕溫感應器SHT7X,通過本IP核將感應器的串行數據轉換為8位并行數據。轉換過程中,通過對一系列寄存器的操作,可以設置器件速度,控制操作,接收傳輸數據等。該IP核采用了字節傳輸控制模式,在感應器時鐘的觸發下,從感應器中讀取采集的數據,當數據緩存器滿時,即鎖定,并通過命令寄存器,請求占用總線,直到MCU響應。這樣就完成了以次數據采集。
3.3 SPI-WISHBONE接口
SPI(Serial Parallel Bus)總線是由Motorola公司提出的,可以允許外設以串得方式與MCU進行通信的一個總線[5]。總線是一種高速的、全雙工、同步的通信總線,并且只由4條信號線組成,分別是:SCLK(時鐘線)、/CS(片選線)、SDO(數據輸出線)和SDI(數據輸入線)。該IP核主要用于連接無線模塊CC2420,將經MCU處理后的數據通過該IP核傳遞給CC2420。
3.4 UART-WISHBONE接口
UART(即Universal Asynchronous Receiver Transmitter 通用異步收發器)是廣泛使用的串行數據傳輸協議。UART允許在串行鏈路上進行全雙工的通信。在嵌入式系統設計中經常會用到UART接口來進行通信,將UART功能集成到SoC設計中從而簡化了電路,縮小了面積,還充分利用芯片剩余邏輯單元。UART主要由UART內核、信號監測器、移位寄存器、波特率發生器、計數器、總線先擇器和奇偶校驗器總共七個模塊組成。主要部分功能介紹如下:UART內核主要完成控制周圍其它部分在收發數據時的操作;信號監測器對輸入信號進行實時監測,一有新的數據立即通知UART內核;總線選擇用于選擇奇偶校驗的輸入是數據發送總線還是數據接收總線。
4 系統集成
通過前面個IP核的設計、測試和電路優化,接下來主要是將各IP核集成起來。在IP核設計過程中已對IP核接口進行WISHBONE標準化。為了將多個WISHBONE總線接口標準的各IP核連接成一個片上系統,WISHBONE總線標準主要有四種聯接方式,包括端對端、數據流、共享和交叉總線。本設計主要考慮到系統外設數量較少,同時系統對數據的實時性要求不高,為了設計的簡便,本設計采用共享式互聯方式[6]。
總線控制模塊根據主設備(MCU)輸出的地址高四位進行選擇從設備,在本系統中,從設備可以擴展到16個。主設備輸出的低四位地址為各接口控制器IP核內的寄存器地址,用于暫存操作命令和數據。
5 系統綜合/實現/調試
在完成系統集成的功能測試后,就可將設計進行綜合實現。綜合是指將電路的高級語言(VHDL、 Verilog、 SystemVerilog等)或原理圖轉換成低級的,可與CPLD/FPGA相映射的網表文件,就是按照某種規定描述電路的基本組成和如何相互連接的文件[7]。
綜合前主要是設定設計的約束,包括引腳和時鐘等。然后在ISE自帶的高性能的綜合工具中進行綜合,最后綜合結果顯示該系統IP核只占用了625各Slice,僅用了器件3%的資源,同時時鐘也達到了約束要求,具體情況如圖2所示。
綜合后占用FPGA資源情況如下:
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核時序情況如下:
Minimum period: 12.700ns (Maximum Frequency: 78.740MHz)
Minimum input arrival time before clock: 5.166ns
Maximum output required time after clock: 11.848ns
隨后進行實現,通過ISE自帶工具查看布局布線情況,可以發現主要分布在BANK2,且較集中。然后利用Generate Programming File命令生成BIT位流文件,最后用編程工具iMPACT將位流文件直接下載到FPGA芯片中,通過對運行情況的分析,設計達到了預定要求。
6 小結
該文主要完成了基于WISHBOEN總線的片上傳感器控制系統的設計,設計的內容包括MCU、IIC接口、ISP接口和URAT接口,以及對采用WISHBONE總線標準對其進行規范化。然后通過共享式總線控制模塊將各IP核聯接起來。最后將系統IP核下載到Spartan-3A DSP 1800A開發板進行了調試,設計基本達到要求。
參考文獻:
[1] 敦旭峰,田豐,孫小平.無線傳感器網絡節點的研究與設計[J].沈陽航空工業學院學報,2007,24(5):61-64.
[2] Microchip Technology Inc.PIC16C5X Datasheet[Z].1998.
[3] 陳穗光,葛建華.I2C總線接口協議設計及FPGA的實現[J].山西電子技術,2006(6):37-38.
[4] 孫豐軍,余春暄.SPI串行總線接口的VERILOG實現[J].現代電子技術,2005,16(20):105-107.
關鍵詞:節能;減排;功率半導體
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
功率半導體芯片包括功率二極管、功率開關器件與功率集成電路。近年來,隨著功率MOS技術的迅速發展,功率半導體的應用范圍已從傳統的工業控制擴展到4C產業(計算機、通信、消費類電子產品和汽車電子),滲透到國民經濟與國防建設的各個領域。
功率半導體器件是進行電能處理的半導體產品。在可預見的將來,電能將一直是人類消耗的最大能源,從手機、電視、洗衣機、到高速列車,均離不開電能。無論是水電、核電、火電還是風電,甚至各種電池提供的化學電能,大部分均無法直接使用,75%以上的電能應用需由功率半導體進行變換以后才能供設備使用。每個電子產品均離不開功率半導體器件。使用功率半導體的目的是使用電能更高效、更節能、更環保并給使用者提供更多的方便。如通過變頻來調速,使變頻空調在節能70%的同時,更安靜、讓人更舒適。手機的功能越來越多,同時更加輕巧,很大程度上得益于超大規模集成電路的發展和功率半導體的進步。同時,人們希望一次充電后有更長的使用時間,在電池沒有革命性進步以前,需要更高性能的功率半導體器件進行高效的電源管理。正是由于功率半導體能將 ‘粗電’變為‘精電’,因此它是節能減排的基礎技術和核心技術。
隨著綠色環保在國際上的確立與推進,功率半導體的發展應用前景更加廣闊。據國際權威機構預測,2011年功率半導體在中國市場的銷售量將占全球的50%,接近200億美元。與微處理器、存儲器等數字集成半導體相比,功率半導體不追求特征尺寸的快速縮小,它的產品壽命周期可為幾年甚至十幾年。同時,功率半導體也不要求最先進的生產工藝,其生產線成本遠低于Moore定律制約下的超大規模集成電路。因此,功率半導體非常適合我國的產業現狀以及我國能源緊張和構建和諧社會的國情。
目前,國內功率半導體高端產品與國際大公司相比還存在很大差距,高端器件的進口替代才剛剛開始。因此國內半導體企業在提升工藝水平的同時,應不斷提高國內功率半導體技術的創新力度和產品性能,以滿足高端市場的需求,促進功率半導體市場的健康發展以及國內電子信息產業的技術進步與產業升級。
2需求分析
消費電子、工業控制、照明等傳統領域市場需求的穩定增長,以及汽車電子產品逐漸增加,通信和電子玩具市場的火爆,都使功率半導體市場繼續保持穩步的增長速度。同時,高效節能、保護環境已成為當今全世界的共識,提高效率與減小待機功耗已成為消費電子與家電產品的兩個非常關鍵的指標。中國目前已經開始針對某些產品提出能效要求,對冰箱、空調、洗衣機等產品進行了能效標識,這些提高能效的要求又成為功率半導體迅速發展的另一個重要驅動力。
根據CCID的統計,從2004年到2008年,中國功率器件市場復合增長率達到17.0%,2008年中國功率器件市場規模達到828億元,在嚴重的金融危機下仍然同比增長7.8%,預計未來幾年的增長將保持在10%左右。隨著整機產品更加重視節能、高效,電源管理IC、功率驅動IC、MOSFET和IGBT仍是未來功率半導體市場中的發展亮點。
在政策方面,國家中長期重大發展規劃、重大科技專項、國家863計劃、973計劃、國家自然科學基金等都明確提出要加快集成電路、軟件、關鍵元器件等重點產業的發展,在國家剛剛出臺的“電子信息產業調整和振興規劃”中,強調著重從集成電路和新型元器件技術的基礎研究方面開展系統深入的研究,為我國信息產業的跨越式發展奠定堅實的理論和技術基礎。在國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)中明確提出,功率器件及模塊技術、半導體功率器件技術、電力電子技術是未來5～15年15個重點領域發展的重點技術。在目前國家重大科技專項的“核心電子器件、高端通用芯片及基礎軟件產品”和“極大規模集成電路制造裝備及成套工藝”兩個專項中,也將大屏幕PDP驅動集成電路產業化、數字輔助功率集成技術研究、0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發與產業化等功率半導體相關課題列入支持計劃。在國家973計劃和國家自然科學基金重點和重大項目中,屬于功率半導體領域的寬禁帶半導體材料與器件的基礎研究一直是受到大力支持的研究方向。
總體而言,從功率半導體的市場需求和國家政策分析來看,我國功率半導體的發展呈現以下三個方面的趨勢:① 硅基功率器件以實現高端產品的產業化為發展目標;② 高壓集成工藝和功率IC以應用研究為主導方向;③ 第三代寬禁帶半導體功率器件、系統功率集成芯片PSoC以基礎研究為重點。
3功率半導體技術發展趨勢
四十多年來,半導體技術沿著“摩爾定律”的路線不斷縮小芯片特征尺寸。然而目前國際半導體技術已經發展到一個瓶頸:隨著線寬的越來越小,制造成本成指數上升;而且隨著線寬接近納米尺度,量子效應越來越明顯,同時芯片的泄漏電流也越來越大。因此半導體技術的發展必須考慮“后摩爾時代”問題,2005年國際半導體技術發展路線圖(The International Technology Roadmap for Semiconductors,ITRS)就提出了另外一條半導體技術發展路線,即“More than Moore-超摩爾定律”, 如圖1所示。
從路線圖可以清楚看到,未來半導體技術主要沿著“More Moore”與“More Than Moore”兩個維度的方向不斷發展,同時又交叉融合,最終以3D集成的形式得到價值優先的多功能集成系統。“More Moore”是指繼續遵循Moore定律,芯片特征尺寸不斷縮小(Scaling down),以滿足處理器和內存對增加性能/容量和降低價格的要求。這種縮小除了包括在晶圓水平和垂直方向上的幾何特征尺寸的繼續縮小,還包括與此關聯的三維結構改善等非幾何學工藝技術和新材料的運用等。而“More Than Moore”強調功能多樣化,更注重所做器件除了運算和存儲之外的新功能,如各種傳感功能、通訊功能、高壓功能等,以給最終用戶提供更多的附加價值。以價值優先和功能多樣化為目的的“More Than Moore”不強調縮小特征尺寸,但注重系統集成,在增加功能的同時,將系統組件級向更小型、更可靠的封裝級(SiP)或芯片級(SoC)轉移。日本Rohm公司提出的“Si+α”集成技術即是“More Than Moore”思想的一種實現方式,它是以硅材料為基礎的,跨領域(包括電子、光學、力學、熱學、生物、醫藥等等)的復合型集成技術,其核心理念是電性能(“Si”)與光、力、熱、磁、生化(“α”)性能的組合,包括:顯示器/發光體(LCD、EL、LD、LED)+LSI的組合感光體、(PD、CCD、CMOS傳感器)+LSI的形式、MEMS/生化(傳感器、傳動器)+LSI等的結合。
在功能多樣化的“More Than Moore”領域,功率半導體是其重要組成部分。雖然在不同應用領域,對功率半導體技術的要求有所不同,但從其發展趨勢來看,功率半導體技術的目標始終是提高功率集成密度,減少功率損耗。因此功率半導體技術研發的重點是圍繞提高效率、增加功能、減小體積,不斷發展新的器件理論和結構,促進各種新型器件的發明和應用。下面我們對功率半導體技術的功率半導體器件、功率集成電路和功率系統集成三個方面的發展趨勢進行梳理和分析。
1) 功率半導體(分立)器件
功率半導體(分立)器件國內也稱為電力電子器件,包括:功率二極管、功率MOSFET以及IGBT等。為了使現有功率半導體(分立)器件能適應市場需求的快速變化,需要大量融合超大規模集成電路制造工藝,不斷改進材料性能或開發新的應用材料、繼續優化完善結構設計、制造工藝和封裝技術等,提高器件功率集成密度,減少功率損耗。目前,國際上在功率半導體(分立)器件領域的熱點研究方向主要為器件新結構和器件新材料。
在器件新結構方面,超結(Super-Junction)概念的提出,打破了傳統功率MOS器件理論極限,即擊穿電壓與比導通電阻2.5次方關系,被國際上譽為“功率MOS器件領域里程碑”。超結結構已經成為半導體功率器件發展的一個重要方向,目前國際上多家半導體廠商,如Infineon、IR、Toshiba等都在采用該技術生產低功耗MOS器件。對于IGBT器件,其功率損耗和結構發展如圖2所示。從圖中可以看到,基于薄片加工工藝的場阻(Field Stop)結構是高壓IGBT的主流工藝;相比于平面結結構(Planar),槽柵結構(Trench)IGBT能夠獲得更好的器件優值,同時通過IGBT的版圖和柵極優化,還可以進一步提高器件的抗雪崩能力、減小終端電容和抑制EMI特性。
功率半導體(分立)器件發展的另外一個重要方向是新材料技術,如以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導體材料。寬禁帶半導體材料具有禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度高、飽和電子漂移速度高、抗輻射能力強等特點,是高壓、高溫、高頻、大功率應用場合下極為理想的半導體材料。寬禁帶半導體SiC和GaN功率器件技術是一項戰略性的高新技術,具有極其重要的軍用和民用價值,因此得到國內外眾多半導體公司和研究結構的廣泛關注和深入研究,成為國際上新材料、微電子和光電子領域的研究熱點。
2) 功率集成電路(PIC)
功率集成電路是指將高壓功率器件與信號處理系統及接口電路、保護電路、檢測診斷電路等集成在同一芯片的集成電路,又稱為智能功率集成電路(SPIC)。智能功率集成作為現代功率電子技術的核心技術之一,隨著微電子技術的發展,一方面向高壓高功率集成(包括基于單晶材料、外延材料和SOI材料的高壓集成技術)發展,同時也向集成更多的控制(包括時序邏輯、DSP及其固化算法等)和保護電路的高密度功率集成發展,以實現功能更強的智能控制能力。
3)功率系統集成
功率系統集成技術在向低功耗高密度功率集成技術發展的同時,也逐漸進入傳統SoC和CPU、DSP等領域。目前,SoC的低功耗問題已經成為制約其發展的瓶頸,研發新的功率集成技術是解決系統低功耗的重要途徑,同時,隨著線寬的進一步縮小,內核電壓降低,對電源系統提出了更高要求。為了在標準CMOS工藝下實現包括功率管理的低功耗SoC,功率管理單元需要借助數字輔助的手段,即數字輔助功率集成技術(Digitally Assisted Power Integration,DAPI)。DAPI技術是近幾年數字輔助模擬設計在功率集成方面的深化與應用,即采用更多數字的手段,輔助常規的模擬范疇的集成電路在更小線寬的先進工藝線上得到更好性能的電路。
4我國功率半導體發展現狀、
問題及發展建議
在中國半導體行業中,功率半導體器件的作用長期以來都沒有引起人們足夠的重視,發展速度滯后于大規模集成電路。國內功率半導體器件廠商的主要產品還是以硅基二極管、三極管和晶閘管為主,目前國際功率半導體器件的主流產品功率MOS器件只是近年才有所涉及,且最先進的超結低功耗功率MOS尚無法生產,另一主流產品IGBT尚處于研發階段。寬禁帶半導體器件主要以微波功率器件(SiC MESFET和GaN HEMT)為主,尚未有針對市場應用的寬禁帶半導體功率器件(電力電子器件)的產品研發。目前市場熱點的高壓BCD集成技術雖然引起了從功率半導體器件IDM廠家到集成電路代工廠的高度關注,但目前尚未有成熟穩定的高壓BCD工藝平臺可供高性能智能功率集成電路的批量生產。
由于高性能功率半導體器件技術含量高,制造難度大,目前國內生產技術與國外先進水平存在較大差距,很多中高端功率半導體器件必須依賴進口。技術差距主要表現在:(1)產品落后。國外以功率MOS為代表的新型功率半導體器件已經占據主要市場,而國內功率器件生產還以傳統雙極器件為主,功率MOS以平面工藝的VDMOS為主,缺乏高元胞密度、低功耗、高器件優值的功率MOS器件產品,國際上熱門的以超結(Super junction)為基礎的低功耗MOS器件國內尚處于研發階段;IGBT只能研發基于穿通型PT工藝的600V產品或者NPT型1200V低端產品,遠遠落后于國際水平。(2)工藝技術水平較低。功率半導體分立器件的生產,國內大部分廠商仍采用IDM方式,采用自身微米級工藝線,主流技術水平和國際水平相差至少2代以上,產品以中低端為主。但近年來隨著集成電路的迅速發展,國內半導體工藝條件已大大改善,已擁有進行一些高端產品如槽柵功率MOS、IGBT甚至超結器件的生產能力。(3)高端人才資源匱乏,尤其是高端設計人才和工藝開發人才非常缺乏。現有研發人員的設計水平有待提高,特別是具有國際化視野的高端設計人才非常缺乏。(4)國內市場前十大廠商中無一本土廠商,半導體功率器件產業仍處在國際產業鏈分工的中低端,對于附加值高的產品如IGBT、AC-DC功率集成電路,現階段國內僅有封裝能力,不但附加值極低,還形成了持續的技術依賴。
筆者認為,功率半導體是最適合中國發展的半導體產業,相對于超大規模集成電路而言,其資金投入較低,產品周期較長,市場關聯度更高,且還沒有形成如英特爾和三星那樣的壟斷企業。但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面,應大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
功率半導體芯片不同于以數字集成電路為基礎的超大規模集成電路,功率半導體芯片屬于模擬器件的范疇。功率器件和功率集成電路的設計與工藝制造密切相關,因此國際上著名的功率器件和功率集成電路提供商均屬于IDM企業。但隨著代工線的迅速發展,國內如華虹NEC、成芯8英寸線、無錫華潤上華6英寸線均提供功率半導體器件的代工服務,并正積極開發高壓功率集成電路制造平臺。功率半導體生產企業也應借鑒集成電路設計公司的成功經驗,成立獨立的功率半導體器件設計公司,充分利用代工線先進的制造手段,依托自身的銷售網絡,生產高附加值的高端功率半導體器件產品。
設計弱于芯片的局面起源于設計力量的薄弱。雖然國內一些功率半導體生產企業新近建設了6英寸功率半導體器件生產線,但生產能力還遠未達到設計要求。筆者認為其中的關鍵是技術人員特別是具有國際視野和豐富生產經驗的高級人才的不足。企業應加強技術人才的培養與引進,積極開展產學研協作,以雄厚的技術實力支撐企業的發展。
我國功率半導體行業的發展最終還應依靠功率半導體IDM企業,在目前自身生產條件落后于國際先進水平的狀況下,IDM企業不能局限于自身產品線的生產能力,應充分依托國內功率半導體器件龐大的市場空間,用技術去開拓市場,逐漸從替代產品向產品創新、牽引整機發展轉變;大力發展設計能力,一方面依靠自身工藝線進行生產,加強技術改造和具有自身工藝特色的產品創新,另一方面借用先進代工線的生產能力,壯大自身產品線,加速企業發展。
5結束語
總之,功率半導體技術自新型功率MOS器件問世以來得到長足進展,已深入到工業生產與人民生活的各個方面。與國外相比,我國在功率半導體技術方面的研究存在著一定差距,但同時日益走向成熟。總體而言,功率半導體的趨勢正朝著提高效率、多功能、集成化以及智能化、系統化方向發展;伴隨制造技術已進入深亞微米時代,新結構、新工藝硅基功率器件正不斷出現并逼近硅材料的理論極限,以SiC和GaN為代表的寬禁帶半導體器件也正不斷走向成熟。
我國擁有國際上最大的功率半導體市場,擁有迅速發展的半導體代工線,擁有國際上最大規模的人才培養能力,但中國功率半導體的發展必須改變目前封裝強于芯片、芯片強于設計的局面。功率半導體行業應加強技術力量的引進和培養,大力發展設計技術,以市場帶動設計、以設計促進芯片,以芯片壯大產業。
論文關鍵詞：智能家電，洗衣機，仿真，AT89S51，PDIP
1引言
隨著Internet的日益普及，人們通過Internet不僅可以獲得現實世界各種狀態的實時變化情況，還可以通過Internet實現遠程控制和處理工作，可以從全球的任何一個角落實現對設備的監控，可以使用通用的網絡瀏覽軟件訪問設備，將消費電子、計算機和通信融為一體，而家用電器的網絡化、智能化管理越來越突顯需求。
智能家居遠程控制系統的核心部分是一個嵌入式Web服務器，系統集有線和無線Web服務器于一體計算機論文，用戶可以利用辦公室的PC或者手機登錄家中的Web服務器，在通過用戶名和密碼驗證后，便可以查看并控制家用電器；系統帶有LCD和鍵盤，具有良好的人機界面；用戶還可以通過鍵盤來設定系統的任務；系統留有豐富的功能擴展接口，通過這些擴展接口將來還可以實現防火防盜和智能抄表等應用。系統結構框圖如圖1所示。
圖1 智能家居系統的總體結構
本文旨在研究智能家電管理系統中基于AT 89S51芯片的洗衣機控制系統的模擬實現。
2 AT89S51芯片概述
AT89S51是美國ATMEL公司生產的低功耗，高性能CMOS 8位單片機， AT89S51具有4k在線系統編程（ISP）Flash閃速存儲器,采用全靜態工作模式,具有三級程序加密瑣,32個可編程I/O口線,2個16位定時/計數器,能夠采用全雙工串行UART通道,具有靈活的在系統編程功能,可靈活應用于各種控制領域。
AT89S51根據封裝方式不同，大致分為3種型狀,本系統的設計中AT89S51采用PDIP封裝模式,如圖1所示。
圖2 AT89S51封裝模式
3 洗衣機控制系統模擬實現
3.1洗衣機控制系統的總體設計
在本系統中，硬件主芯片采用意法半導體的STR710，是整個系統的核心。它作為一個嵌入式網關，將外部網絡與內部洗衣機控制器連接在一起，是整個系統運行的平臺論文格式。在遠程操縱洗衣機方面，STR710負責從GPRS接收到短消息和網絡芯片上接收到的以太網數據中提取出用戶指令，然后根據該指令操縱相應的網絡家電或者查詢其運行情況，最后將執行結果反饋到用戶終端。系統的軟件設計采用分層設計，包括硬件設備驅動層、操作系統層、應用程序接口層和應用軟件層。
3.2洗衣機控制器系統設計
根據需求設計的洗衣機控制器的系統邏輯結構設計圖如圖3所示：
圖3 系統總體框圖
3.3洗衣機控制器電路設計
采用AT89S51作為控制核心。其中計算機論文，P1.0和P1.1分別用于控制洗衣機的進水閥和排水閥；P1.2和P1.3用于控制洗滌電機的正反轉；P1.4～P1.7、P3. 0、P3.1用于驅動7個LED，分別作為工作程序、浸泡和強弱洗指示燈。P3.2接暫停/ 啟動鍵；P3.3分別用于開蓋/不平衡中斷輸入；P3.4被用作輸入線，用于監測水位開關狀態，為CPU提供洗衣機的水位信息；P3 .5 接程序選擇鍵；P3.7采用分時復用技術，具有兩個功能，一方面接強弱選擇/浸泡選擇鍵，在洗衣機未進入工作狀態時，按觸該鍵可選擇強弱洗或開啟關閉浸泡功能，另一方面在進水和脫水時，又作為告警聲的輸出口。
3.4洗衣機控制器軟件設計
系統上電復位后，首先進行初始化，洗衣機進入工作程序后，系統首先根據RAM中27H單元的特征字判斷洗衣機的洗衣工作程序，洗衣機進入洗滌子程序wash。洗滌是通過驅動電機的正反轉實現的。洗滌結束后，退出wash子程序，調用water_out子程序進入排水進程。排水閥排水時間采用動態時間法確定計算機論文，其原理是：根據常用的空氣壓力水位開關的特性排水結束后，系統調用y子程序進行脫水操作，維持置位狀態，保持排水閥開啟，離合器在排水閥的帶動下使電機主軸與脫水桶聯動，實現衣物脫水。然后判斷整個洗衣工作是否結束。其原理是：洗衣機在每次洗滌或漂洗工作環節結束后，將存放洗衣工作程序標志的寄存器減1，在脫水工作環節結束后，系統即對該單元進行檢測，當檢測到為0時，說明整個洗衣工作結束。軟件設計主流程圖如圖4 。
圖4 軟件主流程圖
4 洗衣機控制器仿真工作原理
首先，在通電時蜂鳴器長鳴一聲，VD1 被點亮，這表示系統已經準備好接收指令可以開始準備工作了。單片機一直在讀取由嵌入式WEB模塊通過IIC通道發送過來的狀態，當收到嵌入式WEB模塊發送的指令后，將得到的數據作為第一項的設置內容計算機論文，即洗滌強度。蜂鳴器短鳴一聲進入等待洗滌時間的設置，這個數據同樣來自嵌入式WEB模塊發送的指令。蜂鳴器短鳴兩聲進入等待洗滌方式的設置，過程都是相同的長鳴一聲后洗衣機按事先的設置開始洗衣， VD1 快速閃爍表示洗衣狀態，洗衣機控制器會完成初洗、浸泡、洗滌的工作，之后長鳴表示洗衣結束。洗滌期間單片機的 P2．1 和 P2．3 兩個引腳會不斷輸出高、低電平來操作兩個繼電器讓電機正、反轉，同時還要接收嵌入式WEB模塊發送的中斷信號，以暫停或結束洗滌論文格式。當洗滌過程結束，蜂鳴器長鳴，系統又回到了開機時等待嵌入式WEB模塊發送指令的狀態。
其次，控制洗衣機可模擬的具體功能有：1、多種程序選擇，用戶可根據洗滌衣物的材質選擇不同的程序，如浸洗、標準、羊毛和快速等。每種洗滌方式有不同的洗滌模式、時間和順序。2、過程選擇，用戶可以選擇單獨洗滌以保留帶有洗滌劑的水進行重復使用，可選擇單獨脫水，猶如脫水機一樣計算機論文，等等。3、預約洗滌，用戶可根據需要選擇幾小時后進行洗滌，時間選擇范圍為1-24小時。4、剩余時間顯示，用戶可以直接掌握洗滌時間。5、溫度控制，可以顯示模擬的水溫控制。
5 結論
本文設計的洗衣機仿真控制系統連入嵌入式web服務的支持，就能夠通過普通PC或GPRS手機訪問Internet實現，通過遠程控制命令完成對洗衣機參數的設定，對洗衣機進行操作，大大地簡化了操作程序。利用單片機AT89S51作為洗衣機的控制器，能充分發揮AT89S51的數據處理和實時控制功能，使系統工作于最佳狀態，提高系統的靈敏度。
參考文獻
【1】郭維芹.模擬電子技術[M]. 北京: 科學出版社, 1993。
【2】童詩白，華成英，《模擬電子技術基礎》，北京高等教育出版社，2001。
【3】吳小許,,黃敏.數字量調節閥的控制算法研究與應用[J]. 化工自動化及儀2004。
【4】宋建國．AVR單片機原理及應用．北京：北京航空航天大學出版社，1998。
【5】胡漢才，《單片機原理及其接口技術，清華大學出版社，1996。
【6】李慶利陳曙薛永祺，洗衣機仿真系統的設計與實現計算機工程2006。
