低功耗设计论文范文

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2软件设计

数据处理接口模块的软件主要由硬件初始化、自测试程序、周期数据收发和命令响应四大功能组成。其中周期数据的收发包含消息层和数据层两个层次。消息层负责命令的辨识和数据的组织搬运，数据层负责协议的执行和发送接收等底层任务。数据层基本数据帧的格式见图4所示。这里的同步字、数据长度、校验方式由主机在初始化时确定。其中校验方式可选择两种，若采用和校验，则检验位占用1字节；若使用CRC校验，校验位占2字节。在周期数据收发的数据层中，RS422链路分为测控链路和任务链路两部分。测控链路用于检测设备的连通性和硬件的正确性，任务链路用于任务系统之间的通信。因此，将用于测控通信的链路设计为无链接协议链路，将用于任务通信的链路设计为有链接协议链路。有链接协议的任务链路的状态转移图见图5所示。任务链路的工作原理是：上电后首先进行通信测试，主端首先发送LTST，若从端回复ALTST为正常，测试完成后，转入空闲工作状态；空闲状态时主从定期进行握手操作，当主机存在发送命令时，转入消息发送状态，当从端发来数据帧前导码LHDR时主端转入消息接收状态；消息发送完成后会进行发送检查，如果从接收无误会发来ACK握手信号，当出现超时或从发来NACK信号时进行重新发送状态，重试超过门限进入通信测试状态；消息接收状态时若消息正确则进入空闲状态，若接收超时或消息错误时发送NACK通知主端重新发送，当错误次数超门限时进入通信测试状态。

3低功耗设计

简易无人机携带燃料有限，而实际任务中往往又要求其尽可能长时间的滞空，这就要求各类设备尽可能地以较小的功耗完成较多的功能。因此本文从硬件软件等不同层面设计来降低模块的功耗。降低功耗总的来说有关闭无用功能、减少无用操作和合理器件选型三个方法。在不使用DSP内部的AD、eCAN、SCI等资源时，可将对应的资源的时钟HSPCLK和LSPCLK关闭，同时不使能这些资源，以达到降低功耗的目的。作为降压型线性电源，TPS74401芯片的耗散功率PD＝（VIN－VOUT）×IOUT，即电源的转换效率取决于输入输出电压差的大小，因此在电源转换电路的设计上应在满足电源芯片的最小dropoutvoltage的情况下尽量减小LDO器件输入输出电压差，可提高转换效率减少发热功耗，本文中1．8V电源由最接近1．8V电压的3．3V电源转换而来。为保持较好的信号完整性，模块上的印制板走线阻抗均按照单端50Ω差分100Ω控制。在RS422的发送端和接收端进行阻抗匹配以优化信号质量。在发送端使用33Ω串联匹配方式，接收端采用120Ω并联匹配方式，由于正常工作时差分电平约±5V，为降低直流功耗在并联匹配电阻处串接一10pF电容，这样既满足瞬态的信号完整性要求，也可在稳态时达到隔离直流，减小匹配电阻上直流功耗的目的。详见图6所示。在软件设计方面，采用定时查询和中断接收相结合的方式，减少DSP对外设的多余操作，避免不必要的轮询操作所产生的功率消耗。本文介绍的串行数据接口板在今后的改进设计中，可以注意合理的器件选型，以达到降低功耗的目的。例如：现设计中1．8V电源转换效率为54％，今后可结合实际电流消耗状况选用合适的开关电源代替线性电源［4］，并使开关电源工作在中等或较重负载状态，可提高电源效率至80％左右；现有设计中CPLD动态功耗约为0．7W，由于该模块中逻辑占用资源并不多，因此后期可考虑用更小功耗的中小规模可编程逻辑器件替换。目前现有设计中未考虑模块的睡眠唤醒功能，今后可结合主机实际的需求，添加相应功能的电路，以降低待机功耗。

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汇聚式处理器解决嵌入式设计技术挑战

尽管嵌入式设计经过数十年的发展，在核心处理器硬件平台、嵌入式操作系统和开发工具上已经有广泛的选择，然而随着市场竞争加剧、系统日益复杂化，目标应用对系统的功能、性能、成本的要求也日趋苛刻。工程师所面临的设计挑战似乎并没有随着半导体技术的发展降低，甚至日益增高，工程师在进行方案选择时必须正确评估应用面临的挑战。

处理能力要求越来越高。系统本身的复杂功能、友好的界面设计要求、各种接口和通信需求都需要占用大量的MIPS处理能力，单一的传统MCU或ASIC很多时候难以满足系统高处理能力的需求，双芯片甚至三芯片解决方案日益增多，但随之而来的高设计复杂性、功耗和BOM(材料清单)成本让方案缺乏竞争性。此外，当前嵌入式系统设计，特别是一些新产品和功能复杂的嵌入式产品设计，要在设计周期很有限的条件下完全从零开始实现设计已经变得不现实，也不具成本效益。因此，是否能提供完善的开发工具套件、必要的软件模块、成熟的参考设计、系统设计支持，以及是否有完整的设计生态系统等，对于是否能按期高质量地完成系统设计非常关键。

标准的多样性和不确定性带来产品升级换代的顾虑。当前在各个行业都面临一些创新型应用，例如智能电表和智能视频监控等，这些应用都具有一定开创性，目前没有或尚未形成行业统一的标准，如何在保证抢占市场窗口期的先机，同时确保当前的设计满足未来变化的市场和技术需求，必须考虑方案的可扩展性和性能裕量。

低功耗的要求日益苛刻。处理器性能要求越来越高，而系统功耗要求越来越低，这几乎形成一对矛盾。然而，实际设计过程中，工程师不得不面对这种近乎矛盾的需求。随着半导体工艺技术、嵌入式处理器架构优化以及设计技术的改进，低功耗设计技术日新月异，电压、工作频率自适应调整技术、多工作模式的节能技术、数字电源管理技术，以及低功耗的最新半导体工艺技术应用层出不穷。在众多方案中选择满足设计功率预算要求的系统方案也是系统设计成功的关键因素之一。

选择具有广泛嵌入式系统支持能力的解决方案非常重要。目前可用的嵌入式操作系统众多，各具优势，硬件平台方案对这些操作系统的支持能力是进行方案选型的考虑要点之一。

以Mcu或AsIc为核心器件的硬件平台方案在解决上述嵌入式系统设计要求上正面临挑战，有限的处理能力通常难以满足很多应用的高处理能力需求，或者缺乏进行功能扩展和产品升级换代的设计灵活性，某些设计为了满足系统的处理能力要求而增加DsP或协处理器，从而增加系统的复杂性、功耗和成本。

结合MCU和DsP性能优势的汇聚式处理器是有效解决上述设计挑战的方案之一，而ADI公司Blackfin处理器是目前市面上唯一的汇聚式处理器产品。汇聚式处理器典型应用有电力应用的智能电表，安防应用的视频监控，医疗设备的便携式房颤监测仪，工业应用的3DLevelScanner三维曲面测量仪等。预览全文，请访问本刊网。

科学大师是引用出来的

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中图分类号：TM44；TN722；TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）12-00-04

0 引 言

近几年，受益于集成电路工艺技术与片上系统（System on Chip，SOC）的不断发展，射频识别、微传感网络以及环境感知等智能技术得到了飞速发展。其中，对于无线供能植入式芯片的能量管理、功耗等问题受到了持续关注与研究。当能量采集完成后，如何管理该能量是下一代被动与半被动植入式医疗设备的要点之一。

在低功耗植入式芯片中，如低噪声放大器、模数转换器等对工作电压及其纹波都有一定的要求，因此须通过无线能量管理单元（Wireless Power Management Unit，WPMU）将其电源性能优化。在被动式芯片中，电荷泵整流器（Charge Pump Rectifier，CPR）、带隙基准源（Bandgap Reference，BGR）、低压差线性稳压器（Low Dropout Regulator，LDO）是WPMU的重要组成单元[1]。芯片工作时，人体各种低频信号（EEG、ECG）会通过相应的耦合方式传输到电源通路上，从而产生低频噪声，因此必须采用相关技术获得高电源抑制比电源。论文首先通过电荷守恒定理对传统Dickson电路进行动态分析及能量转换效率的改进；然后采用电源抑制增强（Power Supply Rejection Boosting，PSRB）与前馈消除（Feed-forword Cancellation，FWC）等技术分别提高BGR、LDO在运放工作带宽内的电源抑制力（Power Supply Rejection，PSR），并在输出节点并联电容以滤除超高频纹波；最后为保证LDO在负载变化时的稳定性，利用零极点追踪补偿来满足相位裕度的要求。

论文对高性能无线能量管理单元预设指标为：

（1）CPR在输入500 mV交流小信号时能输出2 V电压并驱动200 A的电流。

（2）BGR输出电源抑制比在LDO的工作范围内尽可能大于60 dB，以减小对LDO的影响。

（3）LDO输出电源抑制比在生物信号频率处（01 kHz）及CPR输入信号处大于60 dB，从而提供负载电路高性能的工作电压。

（4）在满足以上性能的情况下，尽可能减小电路工作时的静态电流。

1 无线能量管理单元的基本原理

图1所示为论文采用的无线供能能量管理单元拓扑结构。由图1可知，WPMU主要包含CPR、BGR、LDO及保护电路（PRO）等模块。芯片通过片外天线采集到由基站发射的高频无线能量信号，CPR将信号整流后进行升压，产生纹波较大的电压，并将该能量储存到Cs中。由BGR与LDO所组成的环路通过负反馈输出纹波较小的VDD来驱动负载电路。其中BGR为LDO提供一个精准稳定的参考电压，因此BGR的性能影响着LDO输出电压的性能。芯片中的保护电路包括过温保护电路、过压保护电路、限流电路，其主要目的在于意外情况下对电路关断，实现对电路的保护。

设计能量管理单元时，在无线供能的环境下要注意相关性能的优化，而这又伴随着其它性能的牺牲，下面将详细分析论文采用的CPR、BGR、LDO设计原理及电路结构。

3 版图及后仿真结果

采用SMIC 0.18 m CMOS工艺，在Cadence下对电路进行仿真验证，无线能量管理单元的版图如图7所示，其中包含了CPR、BGR、LDO及PRO等模块，芯片的尺寸大小为277 m×656 m。

电路在工作时要避免反馈环路发生震荡，必须保证LDO环路的相位裕度，论文在tt、ff、ss三个工艺角下对其进行不同负载电流（0200 A）的仿真，仿真结果如表1所列。该结果表明在负载电流0200 A内，由于零极点追踪补偿的作用，相位裕度均大于60度，根据奈奎斯特稳定判据，LDO环路能在负载变化的范围内稳定工作。

图8所示为BGR、LDO的PSR仿真波形，从图中可以看出，BGR采用PSRB技术后，PSR在低频降低了近25 dB。当LDO采用FWC技术时，电源抑制在低频段得到了显著提升，电路空载时，在100 Hz内提升了近20 dB，满载时提升了近40 dB。

图912给出了WPMU中CPR与LDO的相关瞬态仿真结果，当输入频率为500 MHz、幅度为0.5 V的正弦波时，电路建立时间约为13 s，CPR的纹波约为5 mV，而LDO的输出电压纹波减小至2.3 V，即高频处PSR约为-66 dB。因此论文采用的LDO在生物信号频率处（DC-10 kHz）与输入信号频率处（100 MHz以上）具有较好的PSR。表2对相关文献与本文设计进行性能比较，可以看出，该电源管理单元能输出性能更好的工作电压。

4 结 语

论文针对CPR、LDO、BGR进行研究，设计了一种应用于低功耗无线供能植入式医疗芯片的能量管理单元。采用SMIC 0.18 m CMOS工艺提供的本征MOS管使CPR的效率得到提升。利用PSRB将BGR的PSR在低频处从-75 dB降低到-95 dB，这是优化LDO电源抑制能力的基本前提。通过FWC、零极点追踪补偿改善LDO的PSR与稳定度，在驱动0.2 mA的负载电流时，PSR为-85 dB@DC，而相位裕度在负载范围内均大于60度，该性能可适用于对电源性能要求较高的模块。

参考文献

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中图分类号：TN915.65 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2012）04-0213-02

通信技术、嵌入式技术、信息家电的飞速发展，使智能家居网络的构建成为可能。ZigBee是一种短距离、低速率的无线网络技术，而与物联网的结合更加突出了ZigBee的技术。ZigBee一般采用IEEE802.15.4收发器与ZigBee协议栈的组合，在数千个微小的节点之间相互协调实现通信。这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。因此，ZigBee在传感器网络、智能家居、工业自动化等领域有广泛的应用。在这样的背景之下，很多公司都开始了ZigBee产业化的道路。智能家居是未来家居的发展方向，它利用先进的物联网技术将家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，为人们提供智能、舒适的居住环境。ZigBee技术是一种家电智能控制无线系统，是近几年发展起来的一种短距离的无线通信技术，具有短距离、低功耗、低数据率、低成本、安全可靠等优点，而物联网使用的无线技术，实现物物相连，给人们的生活带来重大改变。家庭内部地理范围小，非常适合ZigBee技术对其进行联网，而ZigBee的最初切入点也正是家庭自动化。采用ZigBee技术组建智能家居内部通信网，其网络采用网络拓扑结构，实现简单，并且具备自组网功能，新传感器节点入网无需人工配置，考虑了系统异常的情况。每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。ZigBee技术会因室内环境影响做出相应的改善，采用了多工作模式（如休眠模式）降低了传感器节点的功耗，延长了节点的使用寿命。智能家电控制系统实现了传感器的通用接入，组建了基于ZigBee技术的自组织网络，系统安装方便，扩展性好，具有很好的实用价值。总之，智能家电控制系统已把人们从日常琐事中解放了出来，实现了智能化家居。

一、Zigbee无线组网技术及其协议

家电智能控制无线自组网络系统采用ZigBee技术，对于一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，它符合IEEE802.15.4协议。在网络组建上，它选用的是“星状组网”方案，因为星形结构适合于实时性要求高，数据量比较大的场合。以下是家庭网络的总体结构。

IEEE 802.15.4标准是针对于低速无线个人区域网，把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭范围内不同设备之间低速互连提供统一的标准。基于ZigBee的无线传感器网络具有备成本低、传输速率低、设备体积小、省电、网络自愈等特点，ZigBee可以广泛应用在家庭自动化。

二、Zigbee技术家电智能硬件设计

在硬件设计上，家电智能控制系统的硬件设计，主要有射频数据模块、微控制器和设备组成。微处理器选用Freescale公司推出的超低功耗MC9S08GT60，无线收发器选用Freescale公司推出的一种短距离、低功耗，工作在2.4Ghz的MC13192。

三、Zigbee技术家电智能软件设计

在软件设计上，家电智能系统的软件设计分为三层：系统平台层、协议层和应用层。系统平台层通过API应用程序接口来给协议层提供服务；协议层则实现了基于802.15.4的物理层和链路层以及基于ZigBee的网络层协议；应用层通过API来调用协议层提供的服务，实现网络的管理和数据传输等任务。

Zigbee技术的协议层结构简单，不同于蓝牙和其他网络结构，这些网络结构通常为7层，而Zigbee技术仅为3层。在Zigbee技术中，PHY层和MAC层采用lEEE802.15.4协议标准，其中，PHY提供了两种类型的服务：通过物理层管理实体接口（PLME）对PHY层数据和PHY层管理提供服务。

四、结束语

通过项目组全体成员和指导老师的努力，经过了一年左右的时间，我们终于完成了本次项目的论文。从开始申请这个项目时的茫然到这个项目论文文章的完成，每一个阶段对于我们来说都是一次新的尝试和挑战。在这段时间里，我们学到了很多知识也感受了很多，因为这不是一个人独立完成的而是以小组形式，分工合作来完成的。明确目标很重要，小组成员之间的相互协调更是不可或缺，这些都体现出了团队合作的重要性。虽然本次项目不是很完善，还有很多不足之处，但是小组全体成员和指导老师的努力大家是有目共睹的，这些对于我们来说就是莫大的欣慰和成就感，我们相信其中的酸甜苦辣终究会化成美味的甘泉。这次论文的经历让我们受益匪浅，从中我们知道论文是要用心去写，是真正学习和研究的过程，没有学习就不可能有研究能力，没有研究就不会有所突破。希望这次的经历能让我们大家在以后的学习和工作中更加努力，激励着我们继续进步。

参考文献：

[1]李文仲.CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与世界[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

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关键词：低功耗；流水线；时间交织；逐级递减。

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.12.020

移动无线通信系统是模拟数字转换器的主要应用。高性能的交流特性，主要包括信噪比（SNR）和无杂散动态范围（SFDR），能够提供更好的无线通信覆盖率，更多的载波，更好的质量和可靠性。功耗和面积对于移动无线通信系统也非常重要。

在多种ADC中，流水线ADC是最适合做高速高精度的。目前的设计趋势是在低功耗下实现高性能。运放共享及开关运放技术被广泛地应用于降低功耗上[1-3]。但是此技术只适合低速ADC。本文中采取的一些技术可以在不牺牲性能的情况下来节省功耗。该ADC在200MSPS，输入信号频率为41MHz时达到47.7dB的信噪比，电流仅为40mA。

论文的组织如下：第二章介绍流水线ADC的结构。第三章介绍了流水级、放大器和基准产生电路等的具体结构。第四章给出最终的测试结果。

流水线ADC有两个通道，每个通道都工作在100MHz下，包括5个1.5 bit流水级和一个3bit flash ADC。传统的转换器。第一级流水级一般为多位数，例如3.5bit或4.5bit。但在文中采用的是1.5bit的。其中有两个原因：第一，文中ADC是时间交织的。它有两个通道，任何不匹配都会降低性能。第一级的多位数会引起比1.5bit更多的失配，因为多位数相对于1.5位会有更多的电容和开关。第二，在8位100MHz ADC中放大器功耗不大，所以第一级选取多位数并不比采用1.5bit和逐级递减技术的更省功耗。系统结构如图1所示。

流水线ADC中还有基准源和时钟等。基准源必须满足PVT变化，所以要仔细设计符合要求；时钟发生器为所有流水级提供时钟，时钟偏移会严重影响性能。时钟的驱动必须设计适当，如果驱动太大会消耗过多的功耗，而版图中会有很多寄生电容，所以为保证性能要留一些裕度。

如图2所示，对于电荷转移结构来说，第一个和最后一个交叉点总是位于-1/2 和 1/2处，但输出幅度会被？影响。对于电容翻转式结构，第一个和最后一个交叉点会被 影响，但是输出幅度不会被？影响。在电荷转移结构的-1/4 和1/4处的跳变高度相对电容翻转式结构来说更接近Vref，分别为0.95Vref和0.9Vref。流水线ADC一般采用冗余位用来校正。如果失调只发生在第一级（假设其他级都是理想的且都是2bit），那么校正过程如图3所示。

因为交叉点总是都在-1/2 和1/2处，且1/4 或-1/4处的跳变高度比电容翻转式的大，电荷转移结构能更好的实现校正。

当？是正数时，电荷转移结构会造成失码，但是对比于电容翻转结构在交叉点和跳变电的偏差，失码引起的误差对性能造成的影响较小。图4给出不同电容失配情况下两种结构SNDR的变化。

放大器

本电路采用的不是传统的两级放大器。第一级是共源放大器，第二级是共源共栅放大器，如图5所示。

跟跟传统二级放大器比有两个优点。第一，其增益要比传统结构的高。因为第二级放大器是共源共栅放大器，所以输出阻抗大，进而增益也大。第二，因为第二级是输出级，所以输出级的极点是主极点。通过仔细的设计，可以使主极点远离第一级的非主极点。这就意味着不需补偿，减小了负载电容，所以与传统放大器比，更小的电流可以获得更高的带宽。这对低功耗设计非常重要[6]。

这里选用了开关电容共模负反馈，因为它相对连续时间共模负反馈更稳定。这里有一个改动，即增加了SD1和SD2两个开关。此设计减小了电荷注入和时钟馈通的影响，所以电容C1和C2被的取值可以C3和C4一样而不是远大于C3和C4。这种结构可以实现更高的速度。

根据计算，增益和带宽的要求可以通过公式计算得到，因为电路中一个通道是8位100MSPS的，所以其增益要求为61dB，带宽要求为794MHz。仿真结果如图7所示。

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MSP430F413简介

TI公司MSP430 F413系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，其中包括一系列器件，它们针对不同的应用而由各种不同模块组成。它们具有16位RISC结构，CPU的16个寄存器和常数发生器使MSP430微控制器能达到最高的代码效率。灵活的时钟源可以使器件达到最低的功率消耗。数字控制的振荡器(DCO)可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在小于6μs的时间内被激活到正常的工作方式。MSP430F413系列单片机的16位定时器是应用于工业控制如纹波计数器、数字化电机控制、电表、水表和手持式仪表等的理想配置，其内置的硬件乘法器大大增强了其功能并提供了与软硬件相兼容的范围，提高了数据处理能力。

智能水表的工作原理

本文设计的智能水表的工作原理：用户先购买IC卡(用户卡)，并携带IC卡至收费工作站交费购水，工作人员将购水量等信息写入卡中。用户将卡插入IC卡水表表座内时，IC卡水表内单片机识别IC卡密码，校验并确认无误后，将卡中购水量与表内剩余水量相加后(初次使用时，剩余水量为零)，写入IC卡水表内的存储器，进而控制电阀开通阀门供水。

用户在用水过程中，带磁感器的叶轮在水流的冲击下转动，通过磁传递，带动上表罩上的梅花齿轮转动并使多极齿轮转动，实现机械累计计量，每当计量到0.01m3时由位于0.01m3处的计量传感器向单片机发出同步的计量脉冲信号，此时，MSP430F413将输入的有效脉冲计入并计算用水量，IC卡水表内剩余水量就会相应的减少一个计量单位，累计用水量就会增加一个计量单位，LCD显示屏上显示剩余水量等相关用水数据。当剩余水量低于一个定量时(有一个事先设定好的最低剩余水量值)，IC卡水表的报警系统启动(蜂鸣器响起)，提醒用户及时到供水部门再次购水，这时，LCD显示屏上显示“请购水”字样。当剩余水量为一1时，单片机驱动电阀自动关闭，切断水源，停止供水并报警。在用户重新购水读卡存入后，再开通电阀供水。在正常情况下，阀门处于开通状态，当遇到剩余水量为-1或者电池电压小于3V等其他特殊情况时阀门会由开通变为关闭状态。

系统方案设计

本文设计的智能水表系统主要由微处理器、流量传感器、电动阀门、IC卡读／写器、LCD液晶显示及电源等组成，硬件结构图如图1所示。

1　系统硬件的设计

系统硬件原理框图如图2所示。

①电源低电压检测电路

本系统采用三节干电池4.5V作为供电电源，使用一段时间后，干电池会放电，为了保证整个系统，特别是阀门的正常工作，需要对电源进行实时检测，当电能不能满足系统要求时，及时报警提醒用户更换电池，以免造成不必要的麻烦。

为提高智能水表运行的可靠性和安全性，设计中采用电源电压实时监测电路。如图3所示。电压检测芯片采用日本理光R3111H30lC低电压检测芯片，R3111H301C输出电压为3.0V，最大工作电流为3.0μA，一般情况下的工作电流仅为1.0μA，高精度集成，完全满足系统低功耗设计的要求。当电源电压正常时，芯片的输出脚输出为高电平；当电源电压小于3.0V时，输出脚输出低电平，即P1.1输出低电平，P1.1下降沿中断有效，单片机检测到该信号时即转入中断服务程序处理，这时LCD液晶显示“换电池”字样，同时蜂鸣器报警提示用户更换电池，MSP430F413内部基本定时器使能中断，定时1s检测电压是否回升，如果回升蜂鸣器再次发出一声警报提示，LCD液晶上的“换电池”显示字样清除。如没有回升，则关闭阀门，直到用户更换电池，才再次开启阀门供水。由于MSP430F413工作用电压是3.0V，所以需要一个电压转换芯片将4.5V电压转换成3.0V供MSP430F413和其他模块使用，本电路中用的是RH5RL30AA一电压调整芯片，它具有高精度的输出电压，工作电流极低只有1.1μA。

②脉冲采集电路

本系统中水表的基表采用符合ISO4064B标准的旋翼式冷水水表。该表计数机构与测量机构经磁耦合传动，采用干簧管传感器计量发讯，每流经0.01m3水时产生一个脉冲。为了有效防止各种可能的干扰抖动而产生的多计数现象，本设计中采用双干簧管双脉冲通过由电容和电阻组成的防抖电路输入单片机计数，当两个脉冲输入段依次有脉冲输入的时候才产生一个有效脉冲计数，两个脉冲有互锁功能，P1.3和P1.4作为脉冲输入端。每输入一个脉冲，在存储器中减去相应水量。表内设有磁保护装置，具有较强的抗外磁干扰能力。

③阀门控制电路

阀门控制是水表控制系统中一个很敏感的部分，关启阀门的可靠性差，将会给供水部门带来很大的问题。本系统采用的是电动球阀，工作电压3V，工作时电流仅50mA。设计中利用直流电机带动半球阀正转或反转的方式来控制阀门的开启和关闭。利用MSP430F413单片机的P6.6和P6.7来控制阀门的正反转动，利用MSP430F413内部比较器(P1.6CA0，P1.7CA1)检测堵转电流来控制电机运行。当电机正常工作时，CA0>CAl，一旦堵转，电流迅速增大，CAOUT=0，来通知MSP430F413电机转到位。定时器定时1s检测电机是否到位，有效地解决阀门关闭不可靠问题。当正向端输入高电平，反向端输入低电平时，阀门开启；反之，阀门闭合。当单片机P6.7口输入低电平、P6.6口输入高电平时，正向端(ON)输出高电平，反向端(OFF)输出低电平，开启阀门，开启到位时，由单片机P1.5口输入检测信号，动作停止；反之，正向端输出低电平，反向端输出高电平，关闭阀门，同样由单片机P1.5口输入关闭到位检测信号。

2　系统软件的设计

图4是主程序流程图。单片机上电复位后主程序采用顺序执行的方法，逐个扫描各个自定义标志位，检查是否有动作发生，若有发生则转入相应子程序处理，处理完后回到主程序，继续扫描其后的标志位，最后进入低功耗状态，等待下一次中断唤醒，唤醒后同样循环一遍，又进入低功耗状态。由于各信号以中断的方式进入的，所以要特别注意中断的优先级及中断的嵌套问题。采用模块化方法设计各个子程序。根据不同功能，定义了不同的功能模块。明确入口出口，相互之间的调用关系，以供调用。主要软件模块有：IC卡读写模块，液晶显示模块，计量模块，FLASH读写模块，低电压保护模块等。上电后首先对系统进行初始化。初始化包括对内部存储器单元清零、特殊功能寄存器置初值、液晶显示的设置等。接着进入主循环，判断故障、电源电压是否正常等，若一切正常则开阀供水。无论在什么情况下只要有低电压信号出现，系统就提示欠压，蜂鸣器报警，液晶显示，提示用户更换电池：当剩余水量低于设定值时，系统液晶显示提醒用户“请购水”，如果用户没有及时购水重新插卡充值，当剩余水量为负时，系统控制阀门关闭，停止供水。

3　系统低功耗的设计

在单片机控制系统中，系统的功耗往往和电源电压的大小成一定比例关系，电源电压高，系统的功耗相应的也会增大，因此在功耗要求很严格的智能水表控制系统中，在保证功能的前提下，尽量选择低的电源电压。本系统中选用三节碱性干电池4.5V供电。本文所设计的智能水表的能耗主要由三部分构成：第一部分是控制器中单片机(CPU)液晶正常运行时的持续性能耗，这是主要的功耗；第二部分是IC卡水表执行机构(电阀)动作时的瞬时能耗；第三部分是IC卡水表一些辅助功能如声音报警等的能耗。上述智能水表能耗的第一、二部分占了总能耗的95％以上。因此，在设计时主要考虑：选择低功耗电动阀；选择低功耗器件(CMOS型)；选择低的工作电压和低的工作频率；软件设计时选择低功耗的系统运行模式。

4　系统抗干扰的设计

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1.VCO在接收中的应用

VCO在系统中的位置如图1所示，它属于环路部分，前级为环路滤波器，后级为多模分频器和可编程分频器。

图1 VCO在DRM/DAB接收机中的位置

环路滤波器将PFD（鉴相鉴频器）和CP（电荷泵）产生的控制电压经过滤波之后提供给VCO。VCO根据控制电压（Vcon）和控制字（由I2C控制）产生相应频率的振荡信号，此振荡信号通过多模分频器器之后作为频率源提供给本地振荡器（LO），同时也通过可编程分频器反馈给PFD和CP。VCO输出的振荡信号的频率为PLL输入信号（PFD/CP的输入）频率的N倍（N为可编程分频器的分频比），即fout=Nfin。

2.电路设计

2.1 VCO电路图

图2所示为VCO的总电路图，采用经典的互补型差分耦合压控振荡器结构，并将尾电流去掉，使相位噪声性能得到明显提高。M1和M2为NMOS差分耦合对，M3和M4为PMOS差分耦合对，采用互补型的差分耦合对更容易起振，具有功耗和振幅的优势，相位噪声也较小;开关电容阵列（SCA）用来拓宽频率调谐范围而又不使压控增益过大;SCA由控制字来控制，对谐振腔中的电容进行粗调。可变电容用来在每一个控制字下对谐振腔中的电容进行细调。L即为谐振腔中的电感。缓冲电路用来将VCO的输出信号进行进一步放大，以提高其驱动后级的能力，同时也将VCO和它的后级电路隔离开来，避免VCO的振荡频率和相位噪声性能受后级电路的影响。

图2 VCO总电路图

图2是互补型LC交叉耦合振荡器，该结构同时采用NMOS和PMOS两对差分耦合放大器提供负阻补偿谐振电路损耗的能量。对于相同的偏置电流和MOS管尺寸，互补型结构提供的负阻是单对MOS管结构的两倍，电路起振更容易。由于NMOS对管和PMOS对管分别给对方提供电流，电流可以复用，增大振荡器输出信号摆幅，并且通过优化器件参数使两输出端与中间电路节点上的输出电压波形对称，从而尽可能地减小振荡器的相位噪声。

互补型LC交叉耦合振荡器在输出信号幅度、功耗以及相位噪声等方面具有明显的优势。

2.2 可变电容

本电路采用的是积累型MOS可变电容，属于有源器件，使用时需加偏置电路。图3所示为可变电容的电路图，R1、R2、R3和R4为可变电容的管子提供偏置。C1和C2为隔直电容，使可变电容的偏置电路独立于其它电路，互不影响。Vcon为控制电压，是环路滤波器的输出，用来控制可变电容的电容值。

图3 可变电容的电路图

2.3 开关电容阵列（SCA）

图4所示为开关电容阵列的电路，有四个控制字D0、D1、D2和D3，可以有16种组合。CF为滤波电容。图5所示为开关电容阵列中所使用的MOS开关管，在控制字端和源（漏）端之间加入反相器，数模混合，使MOS开关管的源（漏）极的电压有确定值（低或高）且始终大于等于0，使得开关管电路对噪声不敏感。

图4 开关电容阵列

图5 MOS开关管

2.4 缓冲电路

图6所示为缓冲电路，由一个反相器和一个推挽放大器组成，采用两级电路之后具有高隔离度。其中Rb1和Rb2是偏置电阻;Rf是反馈电阻，可使电路更稳定;Cd0、Cd1和Cd2是隔直电阻，使各电路的偏置相互独立，互不影响。

图6 缓冲电路

3.仿真结果

3.1 工作电流

图7所示为仿真得到的工作电流，平均值为4.75mA，如果除去起振时候的过冲电流的话，基本上可以达到4mA。表2对各个工艺角下的工作电流做了对比，可以看出工作电流最坏情况下为5mA左右，功耗符合设计要求。

表1 控制字0111下的工作电流

工艺角 TT FF SS

工作电流平均值（包括起振电流）/mA 4.75 5.68 3.99

图7 工作电流（0111 TT）

3.2 瞬态特性

图8所示为瞬态仿真的结果。在起始条件中设置一个500mV的电压之后，VCO能够快速起振，振荡曲线和振荡频率正常，实现VCO的基本功能。其它工艺角下结果类似。

图8 瞬态仿真结果（控制字为0111 vcon=0.9V，TT）

图9 压控特性曲线（TT）

图10 相位噪声曲线（控制字0000，vcon=0.9，TT）

3.3 压控特性曲线

图9所示为TT工艺角下的压控特性曲线。从总的压控曲线上可以看出频率调谐范围为2.5G～3.1G，在实现宽调谐范围的同时又保持了较低的压控增益。控制字为1110时压控增益较低，平均值为60MHz/V左右。其它工艺角下结果类似。

3.4 相位噪声

图10为在0000控制字下仿真得到的相位噪声曲线，对不同工艺脚分析相位噪声，可看出相位噪声随着控制字的增加而减小，因此在对TT工艺角的所有控制字进行相位噪声仿真之后，只需对FF和SS工艺角的第一个控制字和最后一个控制字以及中间的一部分控制字的相位噪声进行仿真，便可知所有控制字下的相位噪声性能。在频偏为1MHz时相位噪声基本分布在-118dBc/Hz～-122dBc/Hz，基本满足低相位噪声的要求。

4.结语

本文设计了可应用于DRM/DAB接收机的压控振荡器，并对普通的电路结构进行改进，以降低功耗和相位噪声，经仿真分析，性能满足设计要求，但仍有些需要改进的地方，在后续设计中应通过进一步优化可变电容的偏置电压及改进算法，提高压控增益曲线的线性度及相位噪声曲线的平滑性。

参考文献

[1]何芝兰，段吉海.7-11GHz CMOS环形压控振荡器的设计[J].微电子学，2011（10）：664-667.

[2]王雪艳，朱恩，熊明珍，王志功.11GHZ CMOS环形压控振荡器设计[J].半导体学报，2005（1）：187-191.

[3]程梦璋，景为平.CMOS环型压控振荡器的设计[J].电子科技大学学报，2009（03）：305-308.

篇8

【中图分类号】TP216+.1 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）01―0158―01

0 引言

目前国内工业监测趋向于支持无线和实时监控，基于传统电气连接方式需要在场地内进行布线，短距离可以，长距离传输质量会受到影响，检查线缆又受到穿墙入地等条件的限制十分不便。

涡街流量计因其介质适应性强、可靠性高、压力损失小、量程比宽等优点，在许多行业中得到了广泛应用。为了满足用户方将工业测量数据传输至能源管理系统的需求，设计把WiFi这种短距离无线技术，应用在工业测量以及无人值守站基础通讯模组上，使其完成流量热量监测的任务。利用WiFi的突出优势在于：一使用开放的2.4GHz直接序列扩频无线技术；二是WiFi的传输速度非常快，最大传输速率为11Mbit/s，在信号较弱或有干扰时，带宽可调整为5.5Mbit/S、2Mbit/S和1Mbit/S；三是进入门槛低，只要支持WiFi的终端设备都可以按照一定的权限加入到WiFi网络中即可。在流量检测系统中，使用其进行节点参数的采集与传送、控制信号的传输与控制，避免在现场布设繁琐的数据线，对降低成本和能耗都有一定的意义，使监测系统的扩展性更灵活。

工作站通过相应集成系统自动采集各监测终端采集的数据并存储汇总，将信息输入服务器，服务器负责提供相应的集团数据指标进行控制，同时提交给数据服务中心相应的数据，而便携终端（如PDA终端）或者其他带有无线WiFi功能终端（如手操器，或者笔记本电脑等）则可以设定参数，并提交服务器或者直接发送相应指令给传感器或者执行机构。

根据以上功能需求设计基于WiFi的涡街流量计流量热量监测终端，其主要结构包括流量热量采集终端和无线抄表单元两部分，按照预设参数的要求存储传感器测量的流量、热量，经过模拟数字转换后传输到无线抄表单元中。无线抄表单元中带有WiFi传输发射装置，经由100米范围内的AP点通过TCP/IP协议连接至局域网内，使得网内其它连接在AP点上的设备相互通讯，也可以经过IP NetWork传输到上位机，上位机的接入也可采用多种方式，可通过有线、无线接入互联网，可根据需要以及实际情况灵活的选择上层方式。

1 硬件系统设计

1.1 监测终端结构

监测终端硬件部分主要是低功耗WiFi模组与流量热量测量部件的对接。其硬件结构主要包括：32位MCU、FLASH芯片、电源芯片、液晶屏、低功耗WiFi模组。其中主要模组由PIC32MX处理器和MRF24组成，负责管理整个系统的运行和数据运算与处理。

1.2 WiFi模块简介

Microchip公司的MRF24具有内置天线，兼容的表面安装的RF收发器模块，包括了所有的RF元件：晶振、旁路和偏压无源元件以KMAC，基带RF和功率放大器；内置的硬件支持AES和TKIP。

1.3 无线模块硬件接口

WiFi模块与现场仪表之间采用SPI接口进行通信，PIC32做为主设备，MRF24作为从设备。将主从设备中的SCK、SDO、SDI引脚互联，PIC32通过RB3控制MRF24的CS，实际功能相当于片选。另外，由于在WiFi通信的过程中需不断检测WiFi模块的状态信号，因此将MRF24的中断信号INT接到PIC32的INT4脚，当有WiFi通讯请求时通过此口向PIC32发送中断请求信号。PIC32的RB4口接至MRF24的RESET管脚端，用于软控制其复位，PIC32的RB5口接至MrF24的HIBERNATE管脚端，在无数据传输的时候控制其处于休眠状态，便于降低系统功耗，节省电池电力，在需要唤醒时再通过此管脚唤醒，以控制模块状态。

2 软件的设计

2.1 整体框架

仪表软件具有启动引导程序、仪表运行主程序、数据文件系统、驱动程序、通讯传输程序，各程序模块采用中断优先级管理和轮询运行相配合的方式运行。

仪表运行主程序包含人机界面，键盘操作、数据处理、数据传输、数据存储、状态检测。数据采集模块负责采集、发送数据，同时需要完成硬件检测、网络配置工作。通信模块构建通信链路，完成数据协议转换。监控模块主要负责数据处理以及设备调校等。状态部分主要用来检测传感器以及通讯部件的通讯连接状态，以及时钟授时部分。

2.2 程序设计

这部分包括通讯参数初始化，无线模块设置状态，等待召测命令，数据发送。运行流程如下：

先硬件初始化和操作系统初始化，检查系统内存映射，将内核映像，从Flash上读到SDRAM中，为内核设置启动参数，调用内核。当遇到中断请求时，总是先响应中断请求，执行完中断后，中央处理器执行为看门狗程序，然后执行仪表数据读取判断召测与否，如果需要召测数据，将存储单元内FLASH芯片中的流量值信鼠等通过WIFI无线通讯模块发送给上位机；首先经由远程主机定时发送要求信号，WIFI模块也定时处于唤醒状态，信号经WiFi模块转换传入单片机，单片机解析命令，命令中包含远程通讯协议封包数据，CPU将两部分数据进行解析，根据解析的内容，选择现场采集模块某一路进行工作，同时将标准协议数据信号部分通过CPU的SPI接口送入WIFI模块；WIFI模块对接收的数据进行封包处理转换，采集模块将数据发送到终端智能仪表设备；然后设备进入延时等待状态，当采集模块有新数据响应时，采样电路进行采集信号，再由处理单元将信号放大整形滤波，由CPU进行接收后，对数据进行处理，添加通讯设备信息，并将数据传入WIFI模块，由WiFi模块传送至远程终端。如果接收到上位机发送的实时参数调整指令则调用本地程序进行参数调整；之后返回主程序。

3 结束语

这一应用方案立足于工业无线抄表系统，节省前期布线以及后期有线维护成本，满足低功耗的要求，实现工业流量、热量测量数据的远传和实时管理，是一种较为经济有效的方式。采用WIFI架设无线网络，架设简单，其无线电波覆盖范围广，传输速度快，门槛较低，只需要在现场设置“热点”，工作人员只需要具有支持WLAN的设备进入热点的覆盖范围，即可高速接入局域网或者Internet定时或实时召测数据并上传，不用耗费大量人力物力来进行网络布线接入，节省大量成本。在工业现场具有一定的应用价值。

参考文献

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一、视频传输系统发送端的硬件设计

1.1 发送端组成框图

发送端由处理器模块、视频采集模块、WiFi模块、复位电路、电源电路、时钟电路、JTAG接口电路组成。如图1所示。

（1）处理器模块：本文选用MSP430F5438作为处理器模块，它是整个分站的心脏，负责完成各芯片的驱动、数据的收发处理。（2）视频采集模块：通过摄像头进行井下视频的采集。（3）WIFI发送模块：选用WIFI模块，将采集到的视频信号向上传输。（4）FLASH存储器：主要用作程序代码、数据表格以及用户信息的存储。（5）JTAG接口电路：它是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。（6）复位电路：对电路进行复位操作。（7）电源电路：给MSP430和WIFI模块供电。（8）时钟电路：对各个指令的执行进行时间控制。

1.2 发送端各单元模块设计

1.2.1 处理器模块

处理器是发送端的核心部分，主要负责各个模块的通信，视频采集处理，并将采集的信息上传给模块，同时通过控制WiFi模块LTM22实现无线收发数据。

本模块的主控制器选用了功能强大、功耗低的MSP430F5438，MSP430F5438单片机的封装具有100个引脚，并且能工作在低功耗状态下。该微处理器芯片因为有较好的市场潜力和灵活强大的应用特性，迅速在嵌入式系统领域得到广泛的应用和较快的发展。芯片硬件扩展能力强，内存空间大，下载和调试程序非常方便，同时单片机Flash存储器空间达到256K，内部RAM达到16KB，可以在系统写入底层驱动程序和TCP/IP协议栈的同时拥有足够大的内存空间来实现数据的接收和发送。

该芯片的主要特点如下：（1）可以在超低功耗状态下正常工作。芯片工作电压为1.8V-3.6V，工作电流为0.1uA-400uA，6us就可以低功耗模式下唤醒。（2）硬件处理能力很强。寄存器寻址方式多样，指令系统简洁，拥有16位精简指令结构。片内存储器和寄存器可进行数字和逻辑运算，多个中断源可以实现嵌套。（3）外设资源丰富。256KB的Flash存储器，12位A/D转换，16位定时器，2个通用串行接口，硬件乘法器，看门狗计数器和内部温度传感器等。（4）系统工作稳定。晶体振荡器起振稳定后，可以根据设定的系统时钟频率来工作，如果程序跑飞，看门狗电路会产生复位信号以便保证系统正常运行。

1.2.2 WiFi模块

视频发送端的WiFi模块的芯片选用了LTM22。LTM22芯片是针对IEEE802.11/WiFi无线传感网络应用的片上系统（SoC）解决方案，LTM22芯片采用增强型8051MCU、128KB闪存、8KB的RAM等高性能模块，并内置了IEEE802.11协议栈。加上超低功耗，使得它可以用很低的费用构成WiFi节点，这种解决方案能够提高性能并满足以为基础的2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。同时，LTM22的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用，LTM22电路图如图2所示。

1.2.3 电源电路

供电模块选择芯片AS1117。AS1117 是一款低压差的线性稳压器，当输出 1A 电流时，输入输出的电压差典型值仅为1.2V。AS1117 除了能提供多种固定电压版本外，还提供可调端输出版本，该版本能提供的输出电压范围为 1.25V～13.8V。AS1117 提供完善的过流保护和过热保护功能，确保芯片和电源系统的稳定性。同时在产品生产中应用先进的修正技术，确保输出电压和参考源精度在±1%的精度范围内，电源模块电路图如图3所示。

1.2.4 JTAG接口电路

JTAG接口是电路板调试时的调试接口，是用来完成烧写操作的。为程序的调试提供了极大的方便，可以让用户使用单步运行、设断点等调试手段。JTAG信号接口定义如下：（1）TCK返回的测试时钟输出。（2）TDO JTAG接口的测试数据输出。（3）TDI JTAG接口的测试数据输入。（4）TCK JTAG接口的测试时钟。（5）TMS JTAG接口的测试模式选择。（6）RST JTAG接口的测试复位。

JTAG接口主要用于连接仿真器，仿真器通过JTAG接口可以对存储器中代码进行在线编程和功能调试。标准的4线JTAG调试接口的作用分别是数据输入（TDI）和数据输出（TDO）、时钟输入（TCK）、模式选择（TMS）。 MSP430F5438与前期开发的一些单片机系列有所不同，JTAG接口完全独立，因为不再与I/O 口复用，方便调试，JTAG接口电路图如图4所示。

二、视频传输系统的软件设计

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总体结构

系统硬件分为：高清图像采集板、NiosII核心板、单片机接口板三部分。软件由NiosII和单片机软件组成。考虑到程序的标准化、可移植性，NiosII程序和单片机程序都使用标准C编写。

高清图像采集

方案一用工业用高清镜头采集影像，再对模拟视频解码，得到高清视频数据。解码芯片可选AD的ADV7181C，10位集成多格式标清高清视频解码器，四个10位ADC采样速率最高110MHz，支持720p/1080i高清分量，最高对1024x768、70Hz（XGA）RGB图形进行数字化处理。科技论文。或TI TVP5150AM1，超低功耗优化架构，工作状态下功耗仅为113mW，只需一个晶振就能支持所有标准，可通过I2C对亮度、对比度、饱和度、色调、锐度等控制，功能强大使用方便。或飞利浦SAA7114H，该芯片最多允许6个复合视频输入，显示比例调整分辨率调整,解码精度高支持视频窗口缩放。科技论文。此方案成本高体积大。

方案二用高清图像传感器采集，直接输出高清图像数据。从芯片的性能指标、价格供货、技术支持、开发难易程度等方面考虑，Omni公司的OV9712芯片较为合适。该传感器为1/4”标清高清CMOS图像传感器，像素尺寸3.0um，内置OmniPixel3-HS技术，可提供WXGA（1280X800）分辨率、640x480、HD720p三种格式图像，10bit彩色rawRGB并行图像数据输出，PLL锁相环，高信噪比图像质量，镜头校正，画面缺陷补偿。该方案成本百元左右，硬件简单性能稳定，符合实际要求。

设计OV9712采集电路时，要使用独立电源，电路板上尽量减小信号线长度及避免上下层平行布线，电源芯片放在板子外侧。外围器件尽量以OV9712要求参数一致，电路中模拟地与数字地分开走线最后汇集一点。OV9712有效图像传感区域不在芯片中间位置，而是偏右偏上，为了使目标图像能处于画面中心，绘制电路板时要注意调整芯片位置，具体尺寸参见OV9712器件手册。

Nios核心板

FPGA芯片选型比较如下：

 

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【P键词】万年历；单片机控制；智能化

【Keywords】 calendar；MCU；intelligent

【中图分类号】TN216 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）04-0167-02

1 引言

如今快节奏的生活方式，使得人们对时间观念越来越重视，使得万年历愈发受到人们的重视，已经是人们生活中不可缺少的一类电子产品，它广泛应用于家庭、学校、医院、公司、工厂、车站、机场、影院等场所。一款性能优良的万年历不仅可以精准走时、早上准时提醒你起床，还能给你预报当天天气情况和当天的备忘录等等。

本智能万年历由此为出发点，依托时间芯片、语音芯片、电源管理模块、显示模块、WiFi模块、温湿度传感器、单片机系统，协同工作共同组建一个智能万年历。该万年历克服了传统万年历需要人工调时的局限性，弥补了万年历功能不全的缺陷，实现了万年历的智能化[1-2]。

2 系统方案设计

整个系统由DHT12温湿度模块、DS1302时钟模块、OLED显示屏、语音模块、电源管理模块、ESP8266WiFi模块和STC15W408AS单片机最小系统等模块组成。系统框架图如图1所示。

3 硬件设计

3.1 电源管理模块

电源管理模块由TP4056芯片与BL8530芯片组成，万年历电源由锂电池供电，其中TP4056芯片负责通过USB给锂电池恒流恒压充电，BL8530芯片负责将锂电池升压到5V给万年历的各个模块供电，同时通过单片机的AD接口检测电池电压，进而估算电池剩余电量。当电量不足时，万年历通过WiFi模块向客户端发送电量不足的警示，同时万年历自动进入掉电模式，防止锂电池因过度放电而损坏；若电量充足，万年历向客户端发送剩余电量值和预估使用时间。

3.2 单片机最小系统

此次设计的万年历采用的主控芯片是STC15W408AS，是STC公司推出的新一代微处理器，具有高速、低功耗、高稳定性、内置功能强大的优点。

3.3 ESP8266Wi-Fi模块

ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，其高度片内集成：天线、稳压器及电源管理组件、TR开关、功率放大器、匹配网络、PLL、温度传感器、32位低功耗CPU、LNA等。具有性价比高、功耗低、工作稳定、使用灵活方便等特点。

3.4 DS1302时钟模块

目前市场上专用时钟芯片的种类非常多，其中DS1302是目前应用的最广泛的时钟芯片之一。DS1302是一款性价比高、计时准确、功耗低、具备掉电走时功能和闰年补偿的可持续计时的时钟芯片。其通过3个控制口与单片机IO通信，程序编写简单。在此次设计中主要为万年历在无网络连接时可以本地走时，增加了万年历走时的准确性，保证系统的正常工作。

3.5 语音模块

语音模块采用SYN6288芯片为核心，辅以必要的硬件电路。SYN6288是由北京宇音天下科技有限公司在2010年初推出的性价比高、硬件电路简单、低功耗、音色圆润、效果更自然的一款中高端中文语音合成芯片，其通过UART通信方式与主控CPU通信，接收待合成的文本数据，实现文本到语音的转换。

3.6 DHT12温湿度模块

DHT12温湿度传感器是一款含已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，是DHT11的升级替换产品，相比之下DHT12拥有更低功耗、更小体积、更广的测量范围、更高的精度。DHT12共有4个引脚，分别为VDD、SDA、GND、SCL，具有单总线和标准IIC两种通信方式，可由用户自由选择：上电拉低SCL脚即为单总线通信方式，反之为IIC通信方式。

3.7 OLED显示屏模块

万年历因为采用锂电池供电，因此在显示模块的选择上面非常注重功耗与性能的平衡。相比传统显示屏，OLED显示屏的主动发光特性使得视觉可达170度，并且无需外接背光电路，因此能耗较低。显示模块采用基于IIC接口的0.96寸OLED显示屏，用于显示时间、温湿度、闹钟、天气、备忘录等信息。

4 软件设计

智能万年历因使用了多款芯片和传感器，因此需要在单片机中对每个芯片或者传感器的时序图编写相关程序，程序编写完成后，还需要进行编译与下载，在实际的运行过程中还有观察是否出现BUG，如果出现，需要及时改正，直至达到设计要求。

万年历程序的主要思想是单片机读取DHT12温湿度传感器的数据和电池电压电量信息，同时通过WiFi模块进行网络连接，如果能连接到网络，将进行与客户端的数据交换并将网络时间写入DS1302芯片中，以实时同步网络时间，若无法连接网络，将读取DS1302时钟数据作为本地时间。语音模块通过单片机串口将需要提醒的信息以语音的方式进行提醒，免去了用户需要通过显示屏来翻看详细信息的麻烦。OLED显示屏同时显示相应信息，也便用户快速查看简易信息。

5 结语

智能万年历在实际的测试与使用过程中体现出较强的功能与实用性。在有无网络连接的环境下均能精确走时，但在有网络连接环境下可以充分发挥其全部的功能，同时通过网络也可以与智能家居系统连接，具有很强的开展性和灵活性。该电路设计新颖、功能强大、结构简单等优点，符合电子仪器仪表的发展趋势，具有广阔的市场应用前景。

篇12

中图分类号：TP334.2 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）11-0164-01

加速度计是一种应用十分广泛的惯性传感器，大多采用微机电技术（MEMS）进行设计和制造，具有体积小、重量轻、能耗低等优点。对加速度值求二次积分可以得到位移，同时也可以利用MEMS加速度计计算倾角，从而判断在二维平面中的位置。

手势控制作为一种正在蓬勃发展的现代控制方式，具有操作简单直观、灵活性高、科技感强等特点，它建立起了人机交互，使控制过程更加安全、生动有趣，改善了传统控制方式的缺陷。

1 系统方案设计

基于MEMS的蓝牙手势小车由两部分组成：发送部分和接收部分。发送部分由MEMS加速度计ADXL345、STC89C52、5V直流电源、蓝牙主从一体机模块HC-05组成；接收部分由2WD小车、直流电机、电机驱动模块L298N、两节3.7V可充电锂电池、STC89C52、蓝牙从机HC-06组成，系统框图如图1所示。

2 系统硬件设计与实现

2.1 主控器与ADXL345加速度传感器

本设计采用STC89C52作为主控芯片，STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器。ADXL345是一款3轴、低功耗、具有C和SPI接口的数字输出MEMS加速度计，分辨率高达13位，测量范围达± 16g。

2.2 蓝牙传输系统

蓝牙传输系统由主机HC-05与从机HC-06组成，其中HC-05是蓝牙主从一体机，由于它的默认模式是从机模式，因此需要通过AT指令将其设置成主机模式。蓝牙被设置为主机模式后可主动搜索附近的蓝牙设备并建立连接，蓝牙主机与从机之间未连接成功时，主机上的LED不停地闪烁，连接成功后长亮。然后主机将来自手势控制端的指令发送给从机，从机将接收到的数据传给单片机处理。

2.3 小车部分

小车部分通过蓝牙从机接收来自控制端的指令，根据指令来改变自身的运动状态，小车跟随手势运动，达到了与手势同步的效果。小车速度的调整由PWM波控制，在本设计中是通过控制L298N的EN引脚电平高低实现的，EN引脚高低电平持续的时间不同，就输出不同占空比的PWM波，不同的占空比的PWM波对应着不同的输出功率，不同的功率下小车速度也就不同。

3 系统软件设计

控制端主程序包括初始化串口、ADXL345初始化、读出姿态数据、数据处理、判断当前姿态并转化为控制指令。单片机根据ADXL345检测到的当前手势倾角发送控制指令，总共有9种控制指令，每种控制指令对应着一种手势姿态。利用活动和非活动检测功能，为每种姿态设定一个阈值来表征该姿态是否达到，然后发送与其对应的控制指令。

接收端主程序包括初始化串口和接收数据，根据控制端的手势来调整小车的运动状态。控制端的3个向前指令分别控制小车匀速向前、以加速度a1向前、以加速度a2向前运动，a1 >a2，这样达到手越向前倾小车速度越快的效果，向后的3个指令也是同理。向左指令控制小车左转，向右指令控制小车右转，为了使小车转弯更加缓慢平滑，采用PWM控制速度。控制板的平放手势对应小车的停止状态。

4 结语

介绍了一种MEMS微加速度计的蓝牙手势小车的设计方案，通过ADXL345加速度传感器检测手势，然后将手势控制指令通过蓝牙发送给小车，改变其运动状态。经过实际制作测试能达到手势控制的效果，并且准确性好、控制灵敏、直观、操作简单，有利于实现人机交互。

参考文献

[1]张家田，许凯，严正国.基于空中运动/手势控制接口的空中鼠标设计[J].现代电子技术，2016，39（6）：143-146.

[2]Analog Devices. ADXL345：3-Axis，±2 g/±4 g/±8 g/±16 g digi tal MEMS accelerometer datasheet [R].US：Analog Devices，2012.

[3]陈建新，卜翔，王荣等.基于MEMS加速度的三维无线鼠标设计与实现[J].无线互联科技，2011（8）：22-25.