導(dǎo)語：如何才能寫好一篇硬件設(shè)計(jì)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：硬件防火墻；CPLD；Max+plusII

1防火墻的硬件實(shí)現(xiàn)原理

防火墻通常使用的安全控制手段主要有包過濾、應(yīng)用型兩大類，本文所討論的是基于包過濾型防火墻。包過濾型防火墻工作在OSI網(wǎng)絡(luò)參考模型的網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，它根據(jù)數(shù)據(jù)包頭源地址，目的地址、端口號(hào)和協(xié)議類型等標(biāo)志確定是否允許通過。只有滿足過濾條件的數(shù)據(jù)包才被轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的目的地，其余數(shù)據(jù)包則被從數(shù)據(jù)流中丟棄（4）。在IEEE802.3局域網(wǎng)協(xié)議集的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)中，甚至是引入了載波擴(kuò)展技術(shù)千兆級(jí)以太網(wǎng)中，包過濾型防火墻以處理運(yùn)算速度快和性能安全等一系列特點(diǎn)一直倍受個(gè)人和企業(yè)的青睞。

2軟件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)運(yùn)用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，運(yùn)用GDF圖形編輯法和VHDL語言混合編程，具體而言：頂層設(shè)計(jì)采用圖形輸入，便于直觀分析信號(hào)流程走向，底層則用VHDL進(jìn)行編程輸入，便于數(shù)據(jù)分析和處理。

2.1sep模塊

PLD芯片在接收到通訊芯片送來的信號(hào)后，首先利用SEP模塊對(duì)差分輸入信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)時(shí)鐘分離處理，該模塊中包含全數(shù)字鎖相環(huán)，以實(shí)現(xiàn)從隨機(jī)的以太網(wǎng)信號(hào)中提取時(shí)鐘的方法.采用鑒頻、鑒相并置方法,同時(shí)把數(shù)字濾波器DFilter子模塊融入其中,采用小數(shù)分頻器FDiv構(gòu)成數(shù)控振蕩器,從隨機(jī)以太網(wǎng)信號(hào)中恢復(fù)E1時(shí)鐘信號(hào)；

2.2piden模塊

接下來的Piden模塊則對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包分離，采用了同步數(shù)據(jù)選擇過濾的手段,將不同的數(shù)據(jù)包送入不同的包代碼處理模塊進(jìn)行并行數(shù)據(jù)篩選;

2.3TCPfilter和ICMPfilter模塊

TCPfilter和ICMPfilter模塊負(fù)責(zé)對(duì)應(yīng)封包的安全過濾，并且每個(gè)模塊均有各自不同的敏感代碼。

2.4sync模塊

為保證數(shù)據(jù)過程中前后級(jí)之間的數(shù)據(jù)同步,設(shè)計(jì)中引入了sync模塊.以態(tài)網(wǎng)數(shù)字同步方式很多，本文采用指針調(diào)整算法,根據(jù)各filter模塊的延時(shí)最大值以及對(duì)來自初始NE的輸入VC與本地產(chǎn)生的輸出STM-N幀之間的相位波動(dòng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償,確保后級(jí)輸入的信號(hào)與時(shí)鐘上的匹配;

2.5diff模塊

最后用diff模塊對(duì)過濾后的數(shù)據(jù)和時(shí)鐘進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和差分調(diào)制輸出。

3器件選擇和實(shí)現(xiàn)

核心芯片可采用EP1K100QC208-3為主芯片，它屬于Altera的ACEX1K系列芯片，ACEX1K系列其間的邏輯單元（LE）數(shù)從576~4992，采用2.5V低供電電壓（5），該芯片和專用配置器件EPC2，共同完成器件的初始化和在線更新，接口芯片采用CY7C64013,它能提供標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口，并且可以提供全速率的通訊服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)通訊芯片采用realtek公司的RTL8029AS它采用全雙工方式來進(jìn)行接收以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，非常容易和微處理器接口。該芯片集成了以太網(wǎng)的物理層以及以太網(wǎng)的收發(fā)器，數(shù)據(jù)封包形式完全符合IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

4軟件仿真

一共發(fā)送了3個(gè)數(shù)據(jù)包，其中第一個(gè)封包的目的端口中包含敏感端口，其余2個(gè)為正常封包.由測(cè)試結(jié)果我們不難看出:在初始階段,防火墻有一個(gè)初始化過程,這個(gè)過程在80ns以內(nèi);系統(tǒng)的延時(shí)相應(yīng)在本例中控制在100ns以內(nèi);正常數(shù)據(jù)在經(jīng)歷了防火墻的最大延時(shí)后直接輸出,不影響其內(nèi)部任何數(shù)據(jù)和標(biāo)志位;在偵測(cè)到含有敏感數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包后,防火墻立即對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)包做出丟棄處理,并利用網(wǎng)絡(luò)重發(fā)機(jī)制要求重發(fā)。系統(tǒng)的真實(shí)的延時(shí)，由各偵測(cè)模塊敏感庫的大小以及sep,piden,diff模塊延時(shí)之和共同決定.

5結(jié)論

該硬件防火墻，通過仿真實(shí)踐證明，能有效的遏制對(duì)系統(tǒng)的攻擊行為，并通過在線更新保證其硬件數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)性，同時(shí)由CPLD器件部豐富LE資源確保其容量升級(jí)的可操作性，且其本身不受攻擊包影響，不消耗客戶系統(tǒng)資源，使用者只需進(jìn)行傻瓜式連接即可完成整套系統(tǒng)的安裝，極其方便可靠。用戶還可根據(jù)其實(shí)際需要將系統(tǒng)調(diào)整成動(dòng)態(tài)包過濾型防火墻，其性能將更加優(yōu)越。

參考文獻(xiàn)：

［1］張亞鵬．防火墻須軟硬一體．計(jì)算機(jī)安全，2004．

篇2

1硬件電路設(shè)計(jì)

1.1處理器處理器選用TI公司具有超低功耗特性的功能強(qiáng)大的16位MSP430F149單片機(jī)，其集成有120kB的FlashMemory和10kB的RAM；集成了定時(shí)器、模擬比較器、多功能串行接口、LCD驅(qū)動(dòng)器、16位ADC、12位DAC、看門狗定時(shí)器、I/O端口等模塊；處理器還集成有CAN網(wǎng)絡(luò)通信模塊，方便電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)與整車控制系統(tǒng)及車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信；通過高效率的精簡(jiǎn)16位指令結(jié)構(gòu)可以確保任何任務(wù)的快速執(zhí)行，大多數(shù)指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。時(shí)鐘芯片采用的是Philips公司的低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563，它具有1.0~5.5V的大工作電壓范圍，工作電流僅為0.25μA（VCC=3.0V，250C）左右。整個(gè)微處理系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性高、超低功耗，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

1.2電源設(shè)計(jì)電源的可靠性和穩(wěn)定性是影響空調(diào)系統(tǒng)控制器穩(wěn)定工作的重要因素。由于汽車上各種電氣設(shè)備很多，各種開關(guān)、繼電器等動(dòng)作頻繁，造成的電干擾很大，記錄儀的工作環(huán)境比較惡劣。電動(dòng)汽車空調(diào)系統(tǒng)直接引用車載電源，考慮電源電壓波動(dòng)比較大，為提高電源效率、增加電源可靠性，先采用寬壓電源模塊DC/DC變換器將車載12~24V直流電變換成5V直流電源，提供給內(nèi)部電路。本系統(tǒng)采用輸入電壓在（3～40V）的MC34063A單片式DC/DC變換器，該器件內(nèi)部包括具有溫度補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電源、比較器、可控占空比振蕩器（含有限流電路）、驅(qū)動(dòng)器和大電流輸出開關(guān)，完全能保證記錄儀在汽車惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，電源穩(wěn)壓部分電路見圖3所示。

1.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)在系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶的按鍵復(fù)位功能。本系統(tǒng)采用較簡(jiǎn)單的RC電路，經(jīng)使用證明，其復(fù)位邏輯是可靠的，其中兩級(jí)非門電路用于按鈕去抖動(dòng)和波形整形，通過調(diào)整限流電阻和濾波電容的參數(shù)，可調(diào)整復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間。

1.4數(shù)據(jù)采集

1.4.1A/D信號(hào)采樣電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了5路溫度傳感器，分別采樣蒸發(fā)器表面溫度、車外溫度、車內(nèi)溫度、車內(nèi)濕度及光照強(qiáng)度，還包括1路用戶溫度調(diào)節(jié)信號(hào)輸入A/D采樣電路。MSP430處理器利用傳感器把溫度信號(hào)經(jīng)過12位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊（ADC）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，其分辨率為滿刻度的0.0245%，即一個(gè)5V滿刻度的12位ADC模塊能夠分辨輸入電壓變化的最小值約為1.2mV，采集精度較高，完全滿足汽車空調(diào)系統(tǒng)需要。溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻和1個(gè)高精度電阻分壓即可。另外，在單片機(jī)的A/D口串接一個(gè)電阻，并接一個(gè)到地的濾波電容，增加抗干擾能力。

1.4.2開關(guān)信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)開關(guān)信號(hào)輸入主要包括空調(diào)A/C開關(guān)、出風(fēng)口模式選擇、混合風(fēng)門控制、鼓風(fēng)機(jī)檔位調(diào)節(jié)等共計(jì)13個(gè)開關(guān)量信號(hào)，每一路信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，均需要能夠及時(shí)檢測(cè)到，為了減輕處理器的頻繁查詢負(fù)擔(dān)，本系統(tǒng)接入可編程多路開關(guān)檢測(cè)接口集成電路MC33993。

1.4.3網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)空調(diào)系統(tǒng)處理器集成了CAN網(wǎng)絡(luò)通信模塊，包括CAN網(wǎng)控制器和收發(fā)器，通過車載網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)與整車控制系統(tǒng)和儀表LCD顯示系統(tǒng)進(jìn)行通信，故無需擴(kuò)展電路即可與整車控制系統(tǒng)及儀表顯示實(shí)現(xiàn)信息共享。

1.5驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

1.5.1電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)電動(dòng)壓縮機(jī)通過MSP430的I/O口輸出PWM波的極性，在TLP521-1的輸出端接反相器74HC14后再送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298的使能輸入端ENA來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。L298的兩個(gè)輸出與電機(jī)的兩端相連，同時(shí)要在電機(jī)的兩端連接4個(gè)續(xù)流二極管，以免在電機(jī)反轉(zhuǎn)和停止時(shí)電機(jī)內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊電流燒壞電機(jī)。電動(dòng)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

1.5.2風(fēng)門電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)汽車空調(diào)混合風(fēng)門、出風(fēng)口模式選擇風(fēng)門，其風(fēng)門位置都由微型步進(jìn)電機(jī)配一個(gè)減速器來控制，使風(fēng)門克服風(fēng)阻保持特定位置狀態(tài)。步進(jìn)電機(jī)是4相繞組的，每相繞組采用IRF840場(chǎng)效應(yīng)管控制，其柵極接MSP430單片機(jī)的I/O口，由I/O口發(fā)出的方波脈沖控制電機(jī)每相繞組的通斷，4相步進(jìn)電機(jī)工作在單4拍方式，以ABCD通電換相順序可得步進(jìn)電機(jī)正傳，反之以DCBA反相通電可得步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

1.5.3鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)鼓風(fēng)機(jī)速度調(diào)節(jié)也由MSP430的I/O口輸出PWM波來控制，當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)速旋鈕，調(diào)速模塊向單片機(jī)輸入0~5V的經(jīng)分壓的模擬信號(hào)，單片機(jī)通過程序控制PWM輸出來改變風(fēng)速的大小。

2結(jié)束語

篇3

1．系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在服務(wù)器端利用Quest3D封裝的交互模型建立虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并對(duì)用戶的操作數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；共享網(wǎng)絡(luò)可以是建立在機(jī)房的局域網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)；用戶在客戶端通過QuestViewer執(zhí)行硬件組裝虛擬應(yīng)用程序完成計(jì)算機(jī)硬件組裝的三維模擬瀏覽、虛擬演示、模擬操作等，系統(tǒng)還具有更新功能，通過下載數(shù)據(jù)庫的最新數(shù)據(jù)，完成虛擬硬件的型號(hào)、參數(shù)更新。

1．2設(shè)計(jì)流程根據(jù)計(jì)算機(jī)硬件學(xué)習(xí)資料內(nèi)容進(jìn)行需求分析、虛擬硬件模型設(shè)計(jì)與動(dòng)畫制作、人機(jī)交互設(shè)計(jì)和性能測(cè)試、系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)，在需求分析中結(jié)合學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)和教學(xué)大綱，確定系統(tǒng)功能模塊，對(duì)系統(tǒng)的角色、權(quán)限、數(shù)據(jù)庫、界面等進(jìn)行規(guī)劃；通過對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的外形、接口、參數(shù)等進(jìn)行硬件模型設(shè)計(jì)，應(yīng)用部分現(xiàn)有3DWarehouse等模型庫中的硬件模型提高系統(tǒng)的開發(fā)效率，對(duì)一些需要進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)的模型可采用Sketchup工具對(duì)現(xiàn)有模型進(jìn)行修改或者是應(yīng)用3DMAX軟件進(jìn)行制作，再通過Deepexploration軟件對(duì)模型優(yōu)化使其達(dá)到與現(xiàn)實(shí)硬件產(chǎn)品精度、參數(shù)的統(tǒng)一；人機(jī)交互建立硬件組裝場(chǎng)景，利用Quest3D軟件進(jìn)行虛擬實(shí)現(xiàn)，完成人與系統(tǒng)的交互功能；最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，如發(fā)現(xiàn)問題進(jìn)行逐步改進(jìn)。

1．3模塊設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)和功能分析，系統(tǒng)模塊主要分為計(jì)算機(jī)硬件理論知識(shí)學(xué)習(xí)模塊、硬件組裝技能練習(xí)模塊和系統(tǒng)管理模塊。計(jì)算機(jī)硬件理論知識(shí)學(xué)習(xí)模塊是呈現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件圖片和文字說明的理論型模塊，該模塊主要以理論知識(shí)學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)模型瀏覽為主，學(xué)生可以通過客戶端從任意角度瀏覽硬件模型，當(dāng)鼠標(biāo)置于模型既定位置時(shí)提示硬件信息參數(shù)及文字說明。硬件組裝技能練習(xí)模塊是由部分圖片、視頻等組合而成的人機(jī)互動(dòng)模塊，該模塊可由學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)硬件的組裝與匹配，并且能夠給出匹配結(jié)果和最優(yōu)選擇。系統(tǒng)管理模塊是對(duì)系統(tǒng)的功能、用戶及安全進(jìn)行管理，系統(tǒng)管理員可增加和刪除系統(tǒng)的登錄用戶，能夠?qū)τ布Ｐ瓦M(jìn)行更新，并且能夠?qū)ο到y(tǒng)應(yīng)用的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)備份，保護(hù)系統(tǒng)的安全。

2．系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2．1交互界面實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)交互界面采用導(dǎo)航欄形式方便用戶快速熟悉系統(tǒng)菜單中的各項(xiàng)功能，快捷菜單設(shè)計(jì)在系統(tǒng)界面的頂部，以隱性樹形結(jié)構(gòu)顯示，將一級(jí)分類顯示在主界面頂部，當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊一級(jí)分類下拉出二級(jí)分類，當(dāng)鼠標(biāo)置于二級(jí)分類時(shí)標(biāo)有符號(hào)的分類顯示三級(jí)分類，便于用戶依照順序定位系統(tǒng)功能，在主畫面區(qū)可顯示硬件3D圖像，并可用鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等對(duì)虛擬硬件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小，便于用戶詳細(xì)觀察硬件的各個(gè)細(xì)節(jié)，同時(shí)主顯示界面可以播放RMVB、AVI、3GP等格式的視頻文件，學(xué)生可以選擇計(jì)算機(jī)組裝的細(xì)節(jié)教學(xué)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2．2主要功能實(shí)現(xiàn)用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互首先登錄系統(tǒng)進(jìn)入用戶登錄模塊，該模塊利用Quest3D中的DBDriverMysql、DBinfo、DBQue-ry、DBValue等連接信道與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接，確認(rèn)用戶身份進(jìn)入系統(tǒng)；其次系統(tǒng)視頻演示實(shí)驗(yàn)與動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)功能實(shí)現(xiàn)操作界面與人的交互，視頻演示是教學(xué)模型，教師可以將硬件組裝實(shí)際操作視頻播放給學(xué)生觀看，動(dòng)畫實(shí)驗(yàn)功能是學(xué)生通過系統(tǒng)可以在虛擬環(huán)境下以動(dòng)畫形式操作計(jì)算機(jī)各硬件的組裝，通過調(diào)用Quest3D中的MediaTexture、MediaTextureCom-mand、Trigger、UserInput等信道完成該功能；用戶在進(jìn)行硬件組裝虛擬練習(xí)時(shí)，通過鼠標(biāo)、鍵盤、觸摸屏等對(duì)虛擬環(huán)境下的CPU、顯卡、內(nèi)存、電源、主板等進(jìn)行組裝，系統(tǒng)可正確判斷各虛擬硬件放置位置是否正確，通過Quset3D中userinput、expressionvalue、setvalue等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；在遇到新型硬件時(shí)，系統(tǒng)可擴(kuò)展添加新型硬件的圖片、參數(shù)，建立虛擬模型，并保存在MySQL模型數(shù)據(jù)庫中。

2．3故障排除交互實(shí)現(xiàn)學(xué)生在進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作時(shí)，操作錯(cuò)誤系統(tǒng)會(huì)彈出錯(cuò)誤提示，譬如：在完成計(jì)算機(jī)硬件組裝虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬開機(jī)時(shí)，提示開機(jī)錯(cuò)誤，并顯示顯卡錯(cuò)誤、聲卡錯(cuò)誤或者是內(nèi)存條錯(cuò)誤等信息的提示，該功能的實(shí)現(xiàn)可采用模擬樹的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，在模擬樹下增加判斷型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)內(nèi)容包括：主板、CPU、顯卡、硬盤、內(nèi)存、光驅(qū)、電源、鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器，當(dāng)任一節(jié)點(diǎn)未正確安裝，則無法完成計(jì)算機(jī)虛擬開機(jī)，彈出提示框輔助學(xué)生找到故障所在，并對(duì)故障原因加以解釋說明。

3．結(jié)束語

篇4

【關(guān)鍵詞】tms320dm642；圖像采集系統(tǒng)；vport接口；dsp

design is in hardware of image processing

liu li

（liaoning university of science & technology， anshan liaoning 114044， china）

【abstract】it designs the image processing system in the structure of hardware. it adopt the chip of tms320dm642 of ti as the arithmetic platform in aspect of image processing， and select the chip of xc95144 of xilinx as the core of controller that is used to assign into the time-sequence in image collection， and expanded sdram memory to storage the image on the basis of this hardware， thus achieve to deal with the image in real-time. practical application indicates that this method has high accuracy and is rapid enough to satisfy the requirement of real-time acquisition.

【key words】tms320dm642； image acquisition system； vport interface； dsp

圖像采集系統(tǒng)在日常生活、軍事、工業(yè)生產(chǎn)、科研中的作用越來越大.而紙幣清分、目標(biāo)跟蹤、干線交通監(jiān)視等應(yīng)用也極大地促進(jìn)了實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)的發(fā)展。tms320系列為代表的高性能dsp在實(shí)時(shí)圖像處理中也獲得了廣泛應(yīng)用[1]，由于圖像處理的數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)處理相關(guān)性高，并且具有嚴(yán)格的幀、場(chǎng)時(shí)間限制， 如果能通過對(duì)dsp和cpld進(jìn)行軟件編程來控制數(shù)據(jù)采集頻率，充分發(fā)揮其性能就成為提高整個(gè)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵。本文介紹的是基于tms320dm642的一種圖像采集方法[2]。

1 硬件設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)

紙幣圖像識(shí)別需要依賴于一個(gè)穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性高、抗干擾能力強(qiáng)的硬件系統(tǒng)，這樣才能夠減輕識(shí)別算法的負(fù)擔(dān)，更好的實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的性能。紙幣圖像識(shí)別的整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1：

從圖中可以看到：接口電路以上的部分為紙幣圖像識(shí)別系統(tǒng)，以下部分為主控部分。紙幣圖像采集系統(tǒng)又分成圖像采集和dsp其它外設(shè)模塊部分。其中圖像采集包括光源、cis傳感器、偏值電路、放大電路、a/d變換、cpld，它所實(shí)現(xiàn)的功能是將紙幣通過傳感器。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

采樣、量化后將數(shù)據(jù)傳給dsp的vport接口。dsp的其它模塊包括emif接口上的flash和sdram，用來實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；i2c接口上的eeprom，用來實(shí)現(xiàn)參數(shù)的存儲(chǔ)；mcbsp接口與uart通信，這樣可以與pc機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；emu接口在開發(fā)過程中實(shí)現(xiàn)了在線仿真、調(diào)試功能。

2 圖像采集系統(tǒng)工作原理

圖2給出了圖像采集接線圖， 通過cis圖像傳感器采集出物體模擬圖像信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將放大的模擬信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器ad9822轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)， 送入cpld緩存，最后通過edma通道輸入到dsp的ram中，在dsp中進(jìn)行圖像處理和識(shí)別[3]。

cpld是圖像采集的核心，它控制了整個(gè)采集過程的時(shí)序。當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到物體后會(huì)向cpld發(fā)送一個(gè)幀同步信號(hào)syn，在此同時(shí)物體會(huì)在傳感器的垂直方向上發(fā)生移動(dòng)，主機(jī)檢測(cè)到這個(gè)移動(dòng)量并發(fā)送給cpld[4]，這個(gè)信號(hào)就為物體的行同步plu。

根據(jù)控制相應(yīng)管腳的低電平來控制光源。sp為cis傳感器的行同步信號(hào)，cp為每個(gè)像素的時(shí)鐘同步，sig是采樣后的模擬量輸出。每當(dāng)sp發(fā)生從高到低的變化，cis傳感器會(huì)檢測(cè)到這個(gè)變化，重新計(jì)算cp的個(gè)數(shù)，每收到一個(gè)cp時(shí)鐘信號(hào)，就會(huì)把相應(yīng)的傳感器件采樣得到的電平通過sig管腳發(fā)送出去。

實(shí)際應(yīng)用中，我們選用ad9822作為 cis圖像傳感器進(jìn)行信號(hào)處理的a/d變換芯片。采用三通道運(yùn)行方式，轉(zhuǎn)換頻率可以達(dá)到15msps。dsp在上電后初始化期間需要來配置a/d變換器來選擇工作模式，對(duì)ad9822內(nèi)部寄存器配置采用3線制串行通信接口，當(dāng)cpld檢測(cè)到了syn信號(hào)后準(zhǔn)備進(jìn)行圖像采集工作，當(dāng)檢測(cè)到第一個(gè)plu信號(hào)開始采集，通過正確控制cis傳感器的sp、cp的時(shí)序可以輸出每一個(gè)像素的模擬量sig， 然后再正確控制a/d變換器的clk、adck就可以輸出實(shí)際像素的數(shù)字量用8位數(shù)據(jù)線輸出為d

0-d7，最后控制dsp的vport接口的vctl、vclk時(shí)序，把數(shù)據(jù)讀到了dsp內(nèi)部[5-6]。

圖2 圖像采集接線圖

3 總結(jié)

本文通過分析tms320dm642和ad9822工作的特點(diǎn)，提出了一種新的數(shù)據(jù)采集時(shí)序設(shè)計(jì)，從而針對(duì)不同的信號(hào)能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)dsp和cpld進(jìn)行軟件編程來控制數(shù)據(jù)采集頻率，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。本系統(tǒng)應(yīng)該在干線交通監(jiān)視方面取得了良好的效果。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文首先分析了ad工作的時(shí)序，通過對(duì) dsp和 cpld進(jìn)行軟件編程來控制ad9822的采集速度，從而達(dá)到可以根據(jù)實(shí)際情況靈活地改變ad9822的數(shù)據(jù)采集頻率，提出了一種新的數(shù)據(jù)采集時(shí)序設(shè)計(jì)。

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篇5

建筑物現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的及時(shí)獲取是進(jìn)行智能化分析與控制的基礎(chǔ)，如何快速、有效地獲取建筑物現(xiàn)場(chǎng)的各類數(shù)據(jù)成為智能建筑研究的重要領(lǐng)域。智能建筑系統(tǒng)具有測(cè)控對(duì)象種類多，位置分散，數(shù)量大等特點(diǎn)；建筑物監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的通訊方式一般采用RS485、LonWorks、以太網(wǎng)等方式，其明顯的缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)安裝布線繁瑣，組網(wǎng)復(fù)雜，成本較高，雖然可以使用WIFI通訊，但功耗大，通訊距離短，成本高[1]。隨著WSN無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，近年來出現(xiàn)了面向現(xiàn)場(chǎng)低成本無線組網(wǎng)應(yīng)用的ZigBee技術(shù)[2]。ZigBee技術(shù)具有成本低，可組星型、樹型、Mesh網(wǎng)絡(luò)，功耗低，網(wǎng)絡(luò)容量大，網(wǎng)絡(luò)鏈路建立時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)[3-4]，特別適合用于智能建筑測(cè)控終端通訊。本文介紹了基于TI第二代SOCZigBee芯片CC2531的測(cè)控終端的總體方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能建筑測(cè)控終端是智能建筑系統(tǒng)中的核心子模塊之一，它負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，通過通訊系統(tǒng)向中央智能監(jiān)控軟件傳輸數(shù)據(jù)，接受中央監(jiān)控軟件的指令，按照一定的控制策略控制現(xiàn)場(chǎng)電氣設(shè)備運(yùn)行。測(cè)控終端由MCU與ZigBee收發(fā)模塊、傳感器模塊、執(zhí)行模塊、數(shù)字輸入模塊、RS485模塊，USB模塊，RTC模塊、FLASH存儲(chǔ)模塊，電源模塊組成，與相應(yīng)的傳感器和執(zhí)行器組合可以實(shí)現(xiàn)燈光控制，環(huán)境控制，安防控制，火災(zāi)報(bào)警等功能。MCU與ZigBee收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)算、控制、ZigBee通訊，傳感器模塊包括溫濕度傳感器、CO2傳感器，用于檢測(cè)環(huán)境溫、濕度、二氧化碳濃度，執(zhí)行器包括繼電器輸出、聲光報(bào)警器，數(shù)字輸入模塊用于外接人體感應(yīng)紅外熱釋傳感器、煙霧報(bào)警器等，RS485模塊用于作為中央空調(diào)測(cè)控接口，USB模塊用于進(jìn)行維護(hù)配置，RTC模塊用于產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)模塊用于保存參數(shù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，電源模塊為市電和電池主備雙供電系統(tǒng)，當(dāng)火災(zāi)等原因造成停電時(shí)，測(cè)控終端還能依靠電池工作。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1MCU與ZigBee收發(fā)模塊

測(cè)控終端的MCU需要具有足夠的GPIO，AD，UART等接口，本方案采用TI第二代單芯片SOCZigBee解決方案CC2531[5]作為主控芯片。CC2531是一顆具有USB接口的ZigBee和IEEE802.15.4SOC芯片。CC2531集成了兼容IEEE802.15.4的2.4GHzRF收發(fā)器、增強(qiáng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU核、在系統(tǒng)可編程的256KBFlash、8KBRAM、八通道12位ADC、兩個(gè)功能強(qiáng)大的USART接口和許多其他強(qiáng)大的功能；發(fā)射功率最大達(dá)4.5dBm(可編程)，接收機(jī)的接收靈敏度為-97dBm。ZigBee收發(fā)模塊由片內(nèi)2.4GRF收發(fā)器和片外的輸入/輸出阻抗匹配電路、天線組成。輸入/輸出匹配電路使用一片JOHANSON公司的集成Balun低通濾波器2450BM15A0002[6]，CC2531的RF_N、RF_P引腳連接到低通濾波器2450BM15A0002的BAL平衡引腳，然后通過2450BM15A0002的Unbal非平衡引腳連接到天線，接收或發(fā)送射頻信號(hào)。

2.2溫濕度傳感器模塊

為實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度信息采集使用一片瑞士SENSIRION公司的SHT1x[7]。SHT1x是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。此芯片具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。SHT1x有兩種型號(hào)：SHT11和SHT15，SHT15的精度比SHT11高25%左右，SHT11在20%~80%范圍內(nèi)濕度測(cè)量精度達(dá)±3%RH，25℃時(shí)溫度測(cè)量精度為±0.4℃。SHT1x使用2-wire兩線數(shù)字接口，SCK用于與MCU之間的通訊同步，DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。在SCK時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA必須保持穩(wěn)定。MCU通過P2_0,P2_1IO口模擬總線與SHT1x通訊。

2.3USB模塊

CC2531支持USB接口，為避免人體靜電等損壞MUC芯片，使用一片USBLC6-2P6進(jìn)行ESD防護(hù)。MCU與USB接口，如圖5所示。R1、R2一般在22歐至33歐之間取值。

3軟件設(shè)計(jì)

軟件采用分層設(shè)計(jì)，包括HAL硬件抽象層、Z-Stack協(xié)議棧層、APP應(yīng)用層。其中HAL硬件抽象層包括ZigBee收發(fā)器、數(shù)字輸入、繼電器輸出、UART、溫濕度傳感器、USB等的訪問方法和接口。Z-Stack協(xié)議棧層完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立。智能建筑測(cè)控終端工作在路由器模式，以便方便地組建網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)工作流程：測(cè)控終端上電后進(jìn)行MCU、ZigBee、各硬件模塊、協(xié)議棧的初始化，之后通過Z-Stack協(xié)議棧與協(xié)調(diào)器通信建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，測(cè)控終端周期性采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，執(zhí)行智能控制策略，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳到中央智能監(jiān)控軟件，當(dāng)收到中央智能監(jiān)控軟件發(fā)來的指令時(shí)執(zhí)行命令操作，并返回相應(yīng)信息。

篇6

關(guān)鍵詞：水質(zhì)監(jiān)測(cè) 無線通信 單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）06-0000-00

Abstract：With the sustained increase of quality of life， and concerns over the safety of drinking water is more and more attention.Small water quality monitoring system consists of water platform module and hand-held terminal module.Handheld terminal control water sampling and mobile platform， in the end by the wireless communication module will be floating platform measured data sent to the handset， handheld terminal receiving more shares from the floating platform parameter and displayed by LCD display module. In a reasonable use of water， water quality safety management plays an important role.

Keywords：water quality monitoring；wireless communications；microcontroller

1 緒論

水資源是人類賴以生存的資源，飲用水質(zhì)量的好壞直接關(guān)系人類的生命安全。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外移動(dòng)在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的了解以及研究，本課題致力于設(shè)計(jì)針對(duì)小范圍水域進(jìn)行水質(zhì)參數(shù)測(cè)量的水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。希望通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)思路的可行性，為以后的發(fā)展提供理論依據(jù)和參考實(shí)例。

2 小型水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含水上移動(dòng)平臺(tái)模塊和手持終端模塊。用戶根據(jù)遙控器發(fā)射運(yùn)動(dòng)命令，使平臺(tái)運(yùn)動(dòng)到指定目的。到達(dá)后，水上移動(dòng)平臺(tái)啟動(dòng)采樣模塊和取水模塊。手持終端顯示由水上平臺(tái)發(fā)送而來的水質(zhì)參數(shù)，并且在LCD顯示屏上。系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

3 水上移動(dòng)平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)

3.1 水質(zhì)傳感器

要實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)的監(jiān)測(cè)，水質(zhì)傳感器不可或缺的。水質(zhì)指標(biāo)種類比較多，常規(guī)的五項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)指標(biāo)包括溫度值、pH值、溶解氧含量、電導(dǎo)率以及渾濁度。

設(shè)計(jì)選用的溫度傳感器是DS18B20溫度傳感器，輸出數(shù)字信號(hào)，數(shù)據(jù)線連接單片機(jī)I/O口就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。傳感器采取不銹鋼管包裝，可以防水、防潮、

防生銹。

PH值可以反映水的酸度、凈化程度、有機(jī)和金屬穩(wěn)定性等。系統(tǒng)選用270-WQ201PH傳感器，是一種相對(duì)耐用精度高的PH值檢測(cè)器件。傳感器可以輸出4-20mA電流信號(hào)，測(cè)量0到14PH范圍酸堿度的滿量程精度可達(dá)2%，同時(shí)傳感器封裝在不銹鋼和環(huán)氧材料內(nèi)部，外部護(hù)罩可替換，易于維護(hù)。

濁度主要是指水中懸浮物阻塞的透光度，是否受污染一目了然，直觀的體現(xiàn)水質(zhì)的渾濁度。系統(tǒng)選用270-WQ710濁度傳感器，該傳感器在測(cè)量時(shí)，在被測(cè)水中聚焦射出一束光束。水中的顆粒物等可以反射傳感器聚焦的光束，通過測(cè)量90度內(nèi)的反射光強(qiáng)，光電探測(cè)器可以分辨水質(zhì)的濁度。濁度傳感器的工作電壓在10V到36V范圍內(nèi)，輸出量為4mA到20mA的電流信號(hào)，傳感器滿量程精度值可以達(dá)到±5%。

電導(dǎo)率傳感器主要用于體現(xiàn)水中無機(jī)物污染指標(biāo)。系統(tǒng)選用270-WQ301型電導(dǎo)率傳感器，工作電壓為12V，輸出為4-20mA電流的3線制傳感器，線路連接簡(jiǎn)單。

3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

圖2所示為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，本設(shè)計(jì)需要4個(gè)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)船體移動(dòng)控制和1個(gè)水泵實(shí)現(xiàn)水質(zhì)抽樣。輸入端ina與in1、in2同時(shí)控制輸出口out1和out2，控制器賦ina和in1高電平時(shí)，水泵正傳實(shí)現(xiàn)取水操作；ina和in2高電平，水泵反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)放水操作。輸入端inb與in3、in4同時(shí)控制輸出口out3和out4，當(dāng)單片機(jī)給與inb和in3高電平時(shí)，電機(jī)1正傳船體右轉(zhuǎn)，當(dāng)inb和in4高電平時(shí)，電機(jī)2正轉(zhuǎn)船體左轉(zhuǎn)。電機(jī)3、4控制船體前進(jìn)后退。

3.3電源電路

水上移動(dòng)平臺(tái)需要用到3種不同的電壓，分別為7.6V、5V、3.3V?？紤]到水上移動(dòng)平臺(tái)是以模型船為載體的，而模型船本身帶有7.6V可充電電源，所以只要在給移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)7.6V轉(zhuǎn)5V電源電路和5V轉(zhuǎn)3.3V電源電路就可以實(shí)現(xiàn)水上移動(dòng)平臺(tái)的供電要求了。

4 手持終端的設(shè)計(jì)

手持終端以STC89C52RC單片機(jī)為核心控制器，與NRF2401無線收發(fā)模塊相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收控制，P2口作為液晶顯示的數(shù)據(jù)端口。

4.1 LCD顯示模塊

液晶顯示器選用LCD12864點(diǎn)陣漢字圖形型藍(lán)屏液晶顯示模塊，顯示由水上平臺(tái)傳送過來的溫度值、PH值、渾濁度以及水質(zhì)電導(dǎo)率。LCD12864顯示模塊與控制器連接如圖3所示，單片機(jī)p1口分別與LCD數(shù)據(jù)端口DB相連，VO、VDD、VSS分別為亮度調(diào)節(jié)端口、電源正以及電源地接口，當(dāng)三者通過可變電阻鏈接時(shí)可以用于調(diào)節(jié)LCD顯示模塊的屏幕亮度。

4.2 NRF2401模塊

NRF2401芯片是一款通用的ISM頻段的單片機(jī)通訊芯片。NRF2401芯片可以通過SPI接口設(shè)置數(shù)據(jù)信號(hào)的輸出功率、頻道以及協(xié)議的設(shè)置，也可以進(jìn)行I/O口數(shù)據(jù)的普通傳送，本次設(shè)計(jì)運(yùn)用的通訊方式是I/O口普通通訊。單片機(jī)與NRF2401無線收發(fā)模塊電路連接圖如圖4所示。

5 結(jié)語

對(duì)于數(shù)據(jù)的無限發(fā)送與接收，NRF2401無線模塊的距離還是存在很大的局限性的，要是設(shè)計(jì)可以運(yùn)用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)傳輸以及控制方法比如運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)的PRS通信，GSM通訊等，那么水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將突破距離的限制。電腦已經(jīng)成為當(dāng)今社會(huì)不可或缺的工具，當(dāng)小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直接通過電腦控制，數(shù)據(jù)可以直接通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸時(shí)，那么小型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的的硬件需求就會(huì)變得更簡(jiǎn)潔，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)將更便捷，數(shù)據(jù)處理也將更多元化。處理好的數(shù)據(jù)也可以在互聯(lián)網(wǎng)中公布，從而讓更多人關(guān)注水質(zhì)問題，保護(hù)資源。

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篇7

關(guān)鍵詞：防火墻；FPGA；Verilog HDL；CPU

一、引言

防火墻是一種基本的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)設(shè)備。它是一種設(shè)置在內(nèi)部網(wǎng)和外部網(wǎng)之間的安全網(wǎng)關(guān)，通過安全策略和規(guī)則來控制外部用戶對(duì)內(nèi)部資源的訪問，使外部網(wǎng)和內(nèi)部網(wǎng)之間既保持連通性，又根據(jù)規(guī)則間接交換信息。防火墻所采用的硬件設(shè)備必須滿足網(wǎng)絡(luò)處理性能的需求。在早期網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)速率相對(duì)較低，協(xié)議也比較簡(jiǎn)單，因此網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常以通用處理器配合分M處理軟件實(shí)現(xiàn)。然而，隨著數(shù)據(jù)速率的不斷提高和協(xié)議的日益復(fù)雜，通用處理器處理能力的增長(zhǎng)逐漸落后于數(shù)據(jù)速率的增長(zhǎng)，因此，基于通用處理器平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品開發(fā)者遇到了性能上的障礙。

本文針對(duì)目前防火墻的設(shè)計(jì)方式提出了一種基于FPGA的硬件防火墻的實(shí)現(xiàn)方案，采用FPGA來實(shí)現(xiàn)百兆線速以上的防火墻設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的基于x86等通用CPU的防火墻無法適應(yīng)當(dāng)前快速增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)速度，無法實(shí)現(xiàn)線速過濾與轉(zhuǎn)發(fā)。本文采用FPGA結(jié)合通用CPU模式，可以快速處理網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，能夠避免NP的不足。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在建立連接跟蹤后，由FPGA實(shí)現(xiàn)的快速處理板直接轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的線速處理。通用CPU在操作系統(tǒng)支持下，完成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接跟蹤的創(chuàng)建、維護(hù)以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)則表（端口黑名單、IP黑名單、端口白名單）的維護(hù)等工作。FPGA硬件板和CPU各司其職，實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)發(fā)的目的。實(shí)踐證明，這是一種兼容性比較好的網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)。

二、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

硬件防火墻分為兩個(gè)數(shù)據(jù)通道，F(xiàn)PGA硬件板承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的按規(guī)則高速收發(fā)與轉(zhuǎn)發(fā)，并按指定規(guī)則要求通過PCI-E將數(shù)據(jù)上傳至x86CPU；x86主控板承擔(dān)慢速通道工作。

防火墻軟件系統(tǒng)根據(jù)TCP、UDP、ICMP協(xié)議實(shí)現(xiàn)不同的連接跟蹤、跟蹤表項(xiàng)的匹配、跟蹤表的動(dòng)態(tài)維護(hù)；x86上防火墻軟件系統(tǒng)通過硬件驅(qū)動(dòng)程序和FPGA硬件板進(jìn)行通訊。

圖1中所示為FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中網(wǎng)絡(luò)抓包實(shí)驗(yàn)中所形成的硬件架構(gòu)圖。FPGA網(wǎng)絡(luò)抓包的數(shù)據(jù)可以通過串口發(fā)送至上位機(jī)，實(shí)驗(yàn)可以清晰判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)收發(fā)架構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，能否準(zhǔn)確地收發(fā)100Mbps的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

在實(shí)現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)收發(fā)后，確定防火墻系統(tǒng)整體架構(gòu)和功能模塊，如圖2所示。

可以看出在這里主要由網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)控制、MAC、外網(wǎng)處理模塊、PC處理模塊、PCI-E與DDR控制模塊幾大部分構(gòu)成。

三、系統(tǒng)HDL設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)使用Verilog HDL語言完成設(shè)計(jì)。下面介紹一些主要模塊設(shè)計(jì)。

1.外網(wǎng)控制

本模塊的主要功能如圖3所示：

（1）存儲(chǔ)接收到的外網(wǎng)報(bào)文；

（2）對(duì)接收到的外網(wǎng)報(bào)文進(jìn)行關(guān)鍵字提取和識(shí)別；

（3）對(duì)提取的結(jié)果根據(jù)用戶配置進(jìn)行過濾；

（4）讀取存儲(chǔ)的本幀數(shù)據(jù)，根據(jù)本幀過濾的結(jié)果對(duì)其進(jìn)行打包處理。

本模塊時(shí)序圖設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.子模塊報(bào)文緩存功能設(shè)計(jì)

本模塊的功能是：用于緩存接收到的報(bào)文，等待本報(bào)文的過濾結(jié)果，由報(bào)文封裝模塊讀取此報(bào)文或者丟棄報(bào)文。本模塊實(shí)質(zhì)上是一個(gè)循環(huán)的buffer，其位寬是64，深度是1024，可以存儲(chǔ)5個(gè)最大的1518Bytes報(bào)文。緩存模塊內(nèi)部維護(hù)讀寫地址和可寫的空間，當(dāng)可寫的空間小于1518Bytes時(shí)，不再接收數(shù)據(jù)。

本模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示：

處理流程為：

（1）當(dāng)報(bào)文到達(dá)時(shí)，首先檢查可寫空間是否大于1518Bytes，如果大于則向RAM中存入次報(bào)文，寫地址，循環(huán)累加，寫完后將本次寫入的數(shù)據(jù)量送給可寫空間維護(hù)，如果小于1518Bytes丟棄本報(bào)文，寫地址不變；

（2）寫空間維護(hù)，維護(hù)一個(gè)Counter，累加寫數(shù)據(jù)量，累減讀數(shù)據(jù)量，用RAM的總空間減去這個(gè)Counter就是可寫空間；

（3）當(dāng)收到報(bào)文封裝模塊的讀使能時(shí)，讀地址累加，讀取RAM送出讀數(shù)據(jù)。

3.子模關(guān)鍵字提取功能設(shè)計(jì)

本模塊的任務(wù)是：在報(bào)文中提取過濾規(guī)則的關(guān)鍵字，關(guān)鍵字為標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)議數(shù)據(jù)包。

通過Type識(shí)別是否為IP報(bào)文，如果是，繼續(xù)提取Protocol、SIP、DIP；通過Protocol識(shí)別是否是TCP或者UDP報(bào)文，如果是，繼續(xù)提取SPort與DPort。報(bào)文結(jié)構(gòu)如圖6所示，但是沒有option域。另外需要獲得本報(bào)文的長(zhǎng)度（以Byte為單位）。

處理流程圖如圖7所示。

四、設(shè)計(jì)仿真測(cè)試

上述設(shè)計(jì)代碼在綜合后下載至硬件FPGA硬件板后，配合x86端測(cè)試軟件進(jìn)行測(cè)試。限于實(shí)際條件，采用自循環(huán)數(shù)據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)收發(fā)，以及指定IP地址和端口地址的過濾測(cè)試，測(cè)試模式如圖8所示。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)能夠完成百兆數(shù)據(jù)的線速收發(fā)和指定規(guī)則的過濾。

五、結(jié)束語

本文基于FPGA的防火墻設(shè)計(jì)完成了基本的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠正常轉(zhuǎn)發(fā)和過濾指定規(guī)則的數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，但仍屬于教學(xué)演示性設(shè)計(jì)，后續(xù)可以繼續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，使系統(tǒng)更加完善。

（通訊作者：劉超）

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關(guān)鍵詞 單片機(jī) 存儲(chǔ)芯片 液晶屏

中圖分類號(hào)：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1設(shè)計(jì)要求

在點(diǎn)餐系統(tǒng)硬件部分，主要采用的是24C1024和AT89C51兩塊芯片，其中24C1024用來存儲(chǔ)所有菜名信息，通過AT89C51，將菜譜信息傳輸給液晶顯示。但顧客選擇好自己需要的菜品后，菜單將自動(dòng)存儲(chǔ)到AT89C51中，再可以通過串口與電腦直接相連，將菜單傳輸?shù)綌?shù)據(jù)熘薪行存儲(chǔ)，并顯示、打印出來。而AT89C51主要是用來控制24C1024與液晶之間數(shù)據(jù)傳輸，液晶顯示部分以及串口通訊部分，是整塊板的核心部分，是通過C語言程序燒制進(jìn)去的。

2分析

顧客點(diǎn)菜過程中，顧客可以通過字母按鍵對(duì)菜單進(jìn)行分類，找出符合自己口味的菜品類。若顧客還想點(diǎn)到固定的菜肴，可以直接通過輸入菜名拼音首字母，即可獲取菜肴名。全部點(diǎn)完按完成鍵，上方的中文液晶屏將清晰顯示謝謝惠顧和請(qǐng)輸入桌號(hào)等信息，顧客只需控制按鍵就可以點(diǎn)到自己所需的菜肴，既方便，又省事。點(diǎn)菜完成后，服務(wù)生可以通過電子點(diǎn)菜器上的串口傳輸點(diǎn)菜信息到總服務(wù)臺(tái)上的電腦中，電腦再對(duì)信息加以分類存儲(chǔ)、打印，這樣避免了傳統(tǒng)點(diǎn)菜的手寫誤差，也方便顧客結(jié)賬和餐廳管理。

3硬件部分功能簡(jiǎn)介

單片機(jī)硬件部分包括：鍵盤矩陣，12863液晶屏，24C1024存儲(chǔ)芯片，AT89C51芯片。

硬件功能：硬件部分包括電子點(diǎn)菜電路板和一個(gè)4*4的鍵盤矩陣，通過控制電路板上的按鍵通過單片機(jī)使液晶顯示自己需要的信息，并保存在單片機(jī)中，還有MAX232串口驅(qū)動(dòng)芯片用來驅(qū)動(dòng)串口，然后就可以通過串口輸入或輸出信息，并保存到C#數(shù)據(jù)庫中去。硬件部分還包含包括電子點(diǎn)菜器電路板的設(shè)計(jì)及焊接，24C1024芯片，AT89C51芯片，液晶，串口等部分。其中液晶顯示上選擇的是分部顯示的原則，就是將要顯示的信息預(yù)先存儲(chǔ)在選好的位置上，不同按鍵按下觸發(fā)不同內(nèi)容顯示在液晶上，還有個(gè)難點(diǎn)就是要將使用者所選擇的菜記錄下來，原本的設(shè)想是想把所選擇的菜名和菜價(jià)用一個(gè)數(shù)組了，可8052的存儲(chǔ)空間太小如果點(diǎn)的太多就根本無法存儲(chǔ)。于是采用了另一種辦法，就是記錄菜名號(hào)的方法，在C#發(fā)送菜譜時(shí)給每一道菜加上一個(gè)唯一固定編號(hào)一起放送到24C1024中去，當(dāng)客人點(diǎn)菜時(shí)就用一個(gè)數(shù)組來存儲(chǔ)被點(diǎn)菜的編號(hào)，這樣就大大降低了對(duì)存儲(chǔ)空間的使用也提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3.1 硬件電路圖（圖1）

通過串口與電腦相連相互傳送數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過P0口控制液晶顯示，通過PI口控制24C1024芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，通過串口將菜譜數(shù)據(jù)寫入到24C1024芯片中去，同時(shí)調(diào)用24C1024芯片數(shù)據(jù)顯示到液晶屏中。按鍵部分圖略。按鍵選擇菜名，客人最后確認(rèn)后通過串口回傳到PC中。

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在編碼方面，H.264/AVC所采用的基于上下文自適應(yīng)的可變長(zhǎng)編碼(CAVLC)是變長(zhǎng)編碼的一種擴(kuò)展，它根據(jù)編碼語法元素動(dòng)態(tài)調(diào)整編碼中使用的碼表，以達(dá)到好的編碼效率。

H.264解碼器的實(shí)現(xiàn)一般有效的方法是采用軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)的方法。合理地進(jìn)行軟硬件劃分，有著更低的成本和更快的解碼速度。H.264代碼中熵解碼部分占了較大一部分的計(jì)算量，而其功能比較單一同時(shí)控制方式也相對(duì)簡(jiǎn)單，適合于硬件實(shí)現(xiàn)。

H.264中CAVLC解碼原理及流程

在H.264中，因?yàn)榻?jīng)過量化后的塊中的非零變換系數(shù)分布比較稀疏，在CAVLC中采用了將每個(gè)非零變換系數(shù)的數(shù)量、大小和變換系數(shù)的位置分別編碼的方法；同時(shí)，每個(gè)塊的高頻部分的系數(shù)較小且出現(xiàn)1的概率很大，所以對(duì)于這些拖位系數(shù)1的數(shù)量和符號(hào)進(jìn)行了專門編碼。

在CAVLC中，H.264采用若干VLC碼表，不同的碼表對(duì)應(yīng)不同的概率模型。編碼器能夠根據(jù)上下文，如周圍塊的非零系數(shù)或系數(shù)的絕對(duì)值大小，在這些碼表中自動(dòng)地選擇，最大可能地與當(dāng)前數(shù)據(jù)的概率模型匹配，從而實(shí)現(xiàn)了上下文自適應(yīng)的功能。上下文模型的選擇主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：編碼非零系數(shù)個(gè)數(shù)和拖尾系數(shù)的個(gè)數(shù)所需要表格的選擇以及除拖尾系數(shù)外非零系數(shù)的幅值后綴長(zhǎng)度的更新。

CAVLC共有6個(gè)語法元素需要解碼，包括非零系數(shù)個(gè)數(shù)、拖尾系數(shù)的個(gè)數(shù)、每個(gè)拖尾系數(shù)的符號(hào)、除拖尾系數(shù)外非零系數(shù)的幅值、最后一個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)和每個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)。

CAVLC的解碼過程如下：初始化工作，確定輸入數(shù)據(jù)的塊類型等參數(shù)；求變量NC，根據(jù)NC的值選擇所要查的表格；查表得出語法元素非零系數(shù)個(gè)數(shù)和拖尾系數(shù)的個(gè)數(shù)；根據(jù)拖尾系數(shù)的個(gè)數(shù)解出拖尾系數(shù)的符號(hào)；解碼除拖尾系數(shù)外非零系數(shù)的幅值；根據(jù)非零系數(shù)個(gè)數(shù)查表求出最后一個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)；解碼每個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)。

CAVLC解碼器的硬件設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)方案以及性能目標(biāo)

本設(shè)計(jì)方案的主要思路是將CAVLC解碼各個(gè)句法元素的解碼設(shè)計(jì)成單獨(dú)的功能模塊，每個(gè)模塊的功能相對(duì)都比較簡(jiǎn)單，由一個(gè)總體控制單元，負(fù)責(zé)調(diào)度功能塊之間的流水線處理以及數(shù)據(jù)的調(diào)度。

為了達(dá)到目標(biāo)的性能要求，本設(shè)計(jì)對(duì)于句法元素的解碼過程進(jìn)行了優(yōu)化處理，并且將其中數(shù)據(jù)的調(diào)度過程隱藏在功能模塊之間的流水處理中。這樣的設(shè)計(jì)基本上將解碼所浪費(fèi)在數(shù)據(jù)調(diào)度上的時(shí)間冗余降到了最低，大大提高了解碼的速度。

本文中所論述的CAVLC熵解碼器將應(yīng)用于H.264視頻解碼ASIC芯片的設(shè)計(jì)中，所采用的器件為VIRTEX2XC2V6000。設(shè)計(jì)指標(biāo)為1920×1088@30f/s@200MHz，達(dá)到H.264主框架第4層的解碼速度要求，向下兼容支持基本框架協(xié)議，不支持H.264協(xié)議的MBAFF特性。該產(chǎn)品的目標(biāo)應(yīng)用定位是高清電視機(jī)頂盒、IPTV、高清碟機(jī)(blue-ray/HD DVD)以及手持式移動(dòng)多媒體終端處理器的解碼模塊。

2 硬件模塊設(shè)計(jì)

CAVLC硬件解碼器總體結(jié)構(gòu)所示，主要由5個(gè)功能模塊(Coeff_tokenDecOder、TotalZerO DecOder、Run_before Decoder、TrailingOnesDecoder和Level Decoder)和一個(gè)總體控制模塊(CAVLC Contraller)組成，另外包括了一個(gè)內(nèi)部的SRAM模塊(即圖1中的memory)，用于存儲(chǔ)block信息。

五個(gè)句法元素的Decoder分別執(zhí)行對(duì)于相應(yīng)的句法元素的解碼工作，總體控制模塊執(zhí)行協(xié)調(diào)各模塊工作，對(duì)SRAM數(shù)據(jù)的存取，向外申請(qǐng)接受碼流數(shù)據(jù)，以及將各子功能模塊解碼得到的數(shù)據(jù)重組和向外輸出傳遞的功能。下面就對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行說明，Coeff_token Decoder和Level Decoder是其中較為復(fù)雜的功能模塊，結(jié)合了電路設(shè)計(jì)圖進(jìn)行介紹說明。

Coeff－token Decoder用于解碼非零系數(shù)個(gè)數(shù)和拖尾系數(shù)個(gè)數(shù)，包括了5張表(4張定長(zhǎng)碼表和l張定長(zhǎng)碼表)。碼表中有的碼字很短，只有1～3位，有的碼字較長(zhǎng)，因此需要按照表的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)電路。主要的電路設(shè)計(jì)如圖2所示。句法元素Coeff－token的主要過程為查表的過程，有五張表需要查，所以針對(duì)每張表設(shè)計(jì)一個(gè)LUT查表電路，每個(gè)LUT電路設(shè)計(jì)成一個(gè)可以調(diào)用的子模塊。需要根據(jù)左邊和上面的非零系數(shù)的個(gè)數(shù)計(jì)算出的當(dāng)前NC值，從而確定調(diào)用五張表格中的哪張來進(jìn)行查表。所以在查表電路前加上一個(gè)MUX選擇電路，對(duì)于表格進(jìn)行選擇。由于按照了表的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)電路。將碼字進(jìn)行分類，加快查表電路的速度。這樣的劃分方式加快了硬件查表的搜索，減少的查表時(shí)間，使得查表過程在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)即可完成。

TrailingOnes Decoder用于解碼拖尾系數(shù)，由于之前的Coeff―tokenDecoder中解出的僅僅是拖尾系數(shù)的個(gè)數(shù)，所以這個(gè)模塊真正解碼的是拖尾系數(shù)的符號(hào)，并將拖尾系數(shù)加上符號(hào)輸出給控制模塊。拖尾系數(shù)最多只可能有三個(gè)，所以可以利用這一特點(diǎn)來優(yōu)化拖尾系數(shù)解碼電路的設(shè)計(jì)。為了減少解碼所需要的時(shí)鐘，這部分采用了并行檢查的方式，只需要一個(gè)時(shí)鐘周期就可以解碼得出全部的拖尾系數(shù)。TotalZero Decoder用于解碼最后一個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)，包括了兩張表格，一張為常用表，另外一張為ChromaD C的專用表格?？梢园凑誄oeff－token Decoder電路的做法，按照表的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)電路。

非零系數(shù)的解碼是功能模塊中比較復(fù)雜的部分，因?yàn)槠渲杏猩舷挛哪Ｐ偷母虏糠?。主要包括了前綴的解碼、后綴的解碼、符號(hào)的解碼和前綴程度根據(jù)上下文自適應(yīng)更新這幾部分。Level由兩部分組成，前綴(1evel prefix)和后綴(1evel suffix)。Level的解碼過程為先初始化中間變量suffixLength的值，由于已經(jīng)解出了非零系數(shù)的個(gè)數(shù)TotaiCoeff和拖尾系數(shù)的個(gè)數(shù)TrailingOnes，所以可知有TotalCoeff-TrailingOnes個(gè)

level的解碼循環(huán)過程需要進(jìn)行。在每次解碼level的循環(huán)中，先計(jì)算levelCode，然后根據(jù)levelcode的奇偶性計(jì)算出level的值，最后根據(jù)解出的level的絕對(duì)值是否大干相應(yīng)的閾值來更新suffixLength的值。

在硬件實(shí)現(xiàn)中將解碼一個(gè)level的工作分兩步完成，第一步是計(jì)算level的值，然后更新suffixLength的值。為了降低level解碼的復(fù)雜性，使得其解碼過程能在一個(gè)周期內(nèi)完成，對(duì)于前綴的解碼進(jìn)行了一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用典型的快速搜索第一個(gè)1的電路來完成。主要的電路設(shè)計(jì)。先通過InitREG電路對(duì)于一些寄存器進(jìn)行初始化工作，然后開始解碼，查表電路LUT得出了前綴，然后將去除前綴的碼流通過一個(gè)MUX選擇得出CODE―LEVEL(LEVEL值)和CODE_SIGN(LEVEL符號(hào))，前綴和CODE_LEVEL通過一個(gè)加法器運(yùn)算得出了無符號(hào)的LEVEL，最后和LEVEL的符號(hào)一起進(jìn)行添加符號(hào)的運(yùn)算輸出得出LEVEL，同時(shí)運(yùn)用查表電路來更新SUFFIX LENGTH的值。

Run_before Decoder用于解碼每個(gè)非零系數(shù)前零的個(gè)數(shù)(RunBefore)。在解碼Run的時(shí)候，要根據(jù)zeroleft的值進(jìn)行查表運(yùn)算，本設(shè)計(jì)采用計(jì)算的方法，而不是查表的方法來解碼Run，以減少這些表所占用的資源。除此之外，從Run_before解碼所用的查表表格可以看出，Run大多數(shù)情況下所解出的個(gè)數(shù)是在0～5的范圍內(nèi)，而當(dāng)其在7～14的范圍內(nèi)時(shí)，就代表了level的個(gè)數(shù)是比較少的。所以可以根據(jù)這一特性優(yōu)化電路，達(dá)到每解碼一個(gè)Run花費(fèi)一個(gè)周期。

片內(nèi)SRAM的設(shè)計(jì)用于存儲(chǔ)block的信息。在每個(gè)block解碼后都要把這個(gè)block的TotalCoeff參數(shù)(即所謂的Nc)存儲(chǔ)起來用來在解碼下個(gè)block的時(shí)候做預(yù)測(cè)。因此在設(shè)計(jì)中加入了8個(gè)寄存器，分別用來存儲(chǔ)一個(gè)宏塊中block上面和左邊的block的NC值(即NA和NB)。每次解碼一個(gè)block結(jié)束前都會(huì)從SRAM中更新好NA和NB的值，為下一個(gè)block的解碼做好準(zhǔn)備。

CAVLC的總體控制模塊協(xié)調(diào)控制了各個(gè)解碼語法元素的子功能模塊的順序解碼工作，并在最后將解碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行重新排列組織輸出。主要是由狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)來完成模塊間的調(diào)度任務(wù)。

3 設(shè)計(jì)方案分析

在整個(gè)電路的設(shè)計(jì)過程中，要注意如何根據(jù)硬件設(shè)計(jì)的思想來優(yōu)化軟件模型，從而使移植到硬件模塊中實(shí)現(xiàn)更加節(jié)省面積和計(jì)算的復(fù)雜度。本設(shè)計(jì)方案中已經(jīng)對(duì)計(jì)算比較復(fù)雜的LevelDecoder模塊的軟件模型進(jìn)行了修改，但對(duì)于其他模塊還沒有進(jìn)行比較好的設(shè)計(jì)改進(jìn)。

本設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)是解碼速度很高，達(dá)到了高清解碼的要求，但為了達(dá)到高清解碼速度，使用了較多的門數(shù)，因此用于小分辨率碼流的解碼時(shí)，就浪費(fèi)了過多的門數(shù)。

硬件驗(yàn)證和綜合結(jié)果分析

本CAVLC解碼器的硬件設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并且仿真測(cè)試通過。

測(cè)試平臺(tái)主要通過從H.264的軟件模型中提取相應(yīng)的碼流數(shù)據(jù)作為硬件模塊的輸入，將硬件解碼得出的殘差數(shù)據(jù)與軟件跑出的正確結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以測(cè)試解碼的結(jié)果是否正確。通過仿真測(cè)試后進(jìn)行了DESIGN COMPILER的綜合，得出的結(jié)果能夠滿足目標(biāo)的時(shí)序要求，門數(shù)人概在2萬門左右。

本設(shè)計(jì)中解碼各語法元素所需要的時(shí)間為：Coeff_token Decoder用一個(gè)時(shí)鐘周期，TotalZero Decoder用一個(gè)時(shí)鐘周期，Run_before Decoder每個(gè)Run解碼用一個(gè)時(shí)鐘周期，TraillongOnesDecoder用一個(gè)時(shí)鐘周期，LevelDecoder用兩個(gè)時(shí)鐘周期。

從理論上計(jì)算一個(gè)宏塊解碼所需要的最長(zhǎng)的時(shí)鐘周期，假設(shè)最復(fù)雜的情況下，有15個(gè)level需要解碼，16個(gè)Run需要解碼，0個(gè)拖尾系數(shù)，15個(gè)非零系數(shù)，則可以計(jì)算得到一個(gè)block所需要的時(shí)鐘周期為15×2+16+1=47；一個(gè)宏塊則需要47×16=752個(gè)時(shí)鐘周期。而實(shí)際對(duì)于所以測(cè)試碼流得到的結(jié)果表明：對(duì)于壓縮率非常高編碼很復(fù)雜的碼流，平均一個(gè)宏塊解碼所需要的最長(zhǎng)的時(shí)鐘周期為約800個(gè)時(shí)鐘周期，與理論上估計(jì)的最差情況相比略多一些用于解碼流程的控制冗余；而對(duì)于大多數(shù)的碼流，解碼不太復(fù)雜，大多測(cè)試下來平均用300～500個(gè)周期就可以完成一個(gè)宏塊的解碼。

篇10

關(guān)鍵詞：硬件設(shè)計(jì);數(shù)字信號(hào)處理;角度編碼器;電源隔離

中圖分類號(hào)：TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）26-0009-02

1 概 述

本文研究設(shè)計(jì)一套非連續(xù)全天空偏振觀測(cè)系統(tǒng)的硬件電路，該系統(tǒng)配合軟件以實(shí)現(xiàn)全天空的非連續(xù)偏振模式觀測(cè)，獲取天空偏振模式隨時(shí)間的變化，為尋找大氣中性點(diǎn)提供數(shù)據(jù)支撐;并利用大氣中性點(diǎn)實(shí)現(xiàn)地表-大氣信息分離。

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)立體空間精密定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，采用位置式高精度角度編碼器作為轉(zhuǎn)臺(tái)位移檢測(cè)工具，采用了位置環(huán)和速度環(huán)共同組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該精度定位系統(tǒng)運(yùn)行位置伺服精度<0.002 °，滿足大氣偏振觀測(cè)系統(tǒng)的伺服精度要求。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

非連續(xù)大氣偏振觀測(cè)控制系統(tǒng)框，如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)包含數(shù)字信號(hào)處理電路模塊、強(qiáng)弱電隔離模塊、電機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊、位置檢測(cè)模塊。主控電路模塊以TI的DSP芯片TMS28335為核心，其電路主要包括：電源模塊電路、JTAG接口電路、外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、串行通信接口電路、脈沖量、模擬量控制接口、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換電路。功率驅(qū)動(dòng)電路包括逆變器主電路、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路等。位置檢測(cè)模塊主要包括霍爾信號(hào)接口電路和增量式編碼器接口電路。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源框圖，如圖2所示，為了減少電機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)相機(jī)、DSP芯片的干擾，特通過濾波模塊將輸入24V電源隔離成3組電源。如圖3所示。

對(duì)DSP芯片的電源設(shè)計(jì)，考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，TMS2833芯片對(duì)電源的上電順序有一定要求[1]。1.8V的內(nèi)核電壓先于外部IO電壓建立，因此我們選用帶有使能控制的電源芯片TPS75801和TPS75833。電路圖，如圖4所示。VCC1V8的電壓穩(wěn)定建立之后，Q2導(dǎo)通，Q1截止，使得TPS75833的使能端EN為高電平，TPS75833才開始工作，VCC3 V3端才能輸出3.3 V的電壓。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分別對(duì)方位電機(jī)、仰角電機(jī)和相機(jī)電機(jī)三個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，為精確定位，三個(gè)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)均采用帶PWM控制功能的芯片實(shí)現(xiàn)[2]。

對(duì)于方位電機(jī)和仰角電機(jī)使用的是同一型號(hào)的電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)電流峰值達(dá)6 A，考慮電路的簡(jiǎn)單，所以采用TI的DRV8412芯片。TI公司的DRV8412是集成了先進(jìn)保護(hù)系統(tǒng)的高性能雙路全橋馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器，功率級(jí)的效率高達(dá)成協(xié)97%。DRV8412雙路全橋模式2x3A或并聯(lián)6A連續(xù)模式，PWM頻率高達(dá)500 kHz，主要用于無刷DC和步進(jìn)馬達(dá)，三相永磁同步馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)[3]。電路，如圖5所示。

相機(jī)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流較小，選用芯片體積較小的DRV8837芯片。DRV8837為攝像機(jī)、消費(fèi)類產(chǎn)品、玩具和其它低電壓或者電池供電的運(yùn)動(dòng)控制類應(yīng)用提供了一個(gè)集成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器解決方案[4]。 此器件能夠驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)或其他諸如螺線管的器件。 輸出驅(qū)動(dòng)器塊由一個(gè)配置為H橋的N通道功率MOSFET 組成，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)繞組。 一個(gè)內(nèi)部電荷泵生成所需的柵極驅(qū)動(dòng)電壓。DRV883x能夠提供高達(dá)1.8 A的輸出電流。電路，如圖6所示。

2.4 信號(hào)的隔離電路

由于此系統(tǒng)是一個(gè)光機(jī)電系統(tǒng)，為減少信號(hào)之間的干擾，采用ADI公司的磁耦芯片ADuM240X系列。ADuM240X系列是采用ADI公司iCoupler技術(shù)的四通道數(shù)字隔離器。它將高速CMOS與單芯片空芯變壓器技術(shù)融為一體，具有優(yōu)于光耦合器等替代器件的出色性能特征。iCoupler 器件的功耗只有光耦合器的1/10至1/6，均可采用2.7 V至5.5 V電源電壓工作，與低壓系統(tǒng)兼容，并且能夠跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換功能設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單[5]。電路，如圖7所示。

3 系統(tǒng)定位性能測(cè)試

由于其特殊的應(yīng)用，對(duì)于高精密伺服轉(zhuǎn)臺(tái)，位置伺服精度是最重要的指標(biāo)之一，應(yīng)該達(dá)到±0.002 °，為此進(jìn)行了伺服工作試驗(yàn)。根據(jù)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，由上位機(jī)發(fā)出位置控制。根據(jù)編碼器實(shí)際返回值來確認(rèn)當(dāng)前位置，測(cè)試位置伺服誤差數(shù)據(jù)，見表1。伺服誤差均值大致為0，誤差在以±0.002 °內(nèi)。達(dá)到了精度±0.002 °的要求。

4 結(jié) 語

本控制系統(tǒng)采用位置式高精度角度編碼器作為轉(zhuǎn)臺(tái)位移檢測(cè)工具，采用了位置和速度雙閉環(huán)PID控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)滿足控制要求，伺服精度在度范圍內(nèi)。滿足大氣偏振觀測(cè)系統(tǒng)的伺服精度測(cè)量要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬杰.小型直流電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2012.

[2] 符曉，朱洪順. TMS320F2833XDSP應(yīng)用開發(fā)與實(shí)踐[M].北京：航空航 天大學(xué)出版社，2013.

[3] DRV84x2 Dual Full-Bridge PWM Motor Driver[R].Texas Instrument

s，2015.

[4] DRV8837 LOW-VOLTAGE H-BRIDGE IC [R]. Texas Instruments，