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    题记:

    好久没有更新我的博客了,这里给大家发一篇,我曾在《电子世界》2005年第四期发表的一篇文章-----小盒子

           具有语音提示功能的门控器适用于家庭、办公等场合,安装于门附近一定的位置。当用户有需要提示的事情时,可以提前向该装置录入语音;当用户打算出门,走到该装置可以扫描到的区域,该装置采用热释电红外传感器检测出人体辐射的红外线,再经过红外传感信号处理器处理电路,在有效的延迟时间内,门如果被打开,它会自动向用户播报所录语音,倘若在该时间内门未被打开,该装置智能化地判断出主人不是想要出门,便不会播报,从而实现人要出门时被提示的功能。比如,您若出门前总忘记带钥匙,您可以将门控器安装在家门附近,向其录入“不要忘记带钥匙”语音,当您想要出门而打开门时,它可自动播报“不要忘记带钥匙”。这样可以解除您因忘记带钥匙而带来的一系列问题。
           同时,它也可以作为留言簿。倘若您着急上班,可以将叮嘱孩子的话录入装置。并且,可根据您的需要随时录音、随时更改,使用方便。硬件电路设计硬件电路主要包括:红外检测电路、门状态电路、合成自动提示信号电路、语音录放,如图1 所示。

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    (1)红外检测电路设计 图2为红外检测电路图。热释电红外传感器(KDS9)能以非接触方式检测出人体发出的红外辐射,将其转换成电信号输出给红外传感信号处理器( BISS0001),对KDS9 信号进行前置放大,其内部检测出有效触发信号后去启动延时时间定时器,输出有效信号。S是工作方式选择开关,当S与“高电平”接通时,芯片处于可重复触发工作方式;当S与“低电平”连通时,芯片则处于不可重复触发工作方式。这里通过调节输出延迟时间(即:对R9 和C7 的大小调整,其值为Tx≈24576R9C7),该时间为人走出扫描区域后所持续的时间。这样可以有效地解决人从走出扫描区域到门的这段距离(即:非扫描区域)所用的时间。通过调节触发封锁时间(即:对R 1 0 和C 6 的大小调整,其值为T i ≈24R10C6)可以控制本次触发与下次触发的间隔时间,可以有效地解决进出门人多发生重复播报的情况。

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    (2)获取门状态信号电路设计 在实际中,门状态信号是通过一个铝片之间的接触情况来实现的,当铝片接触的
    时候,表明门是关闭的状态 即“1”;当铝片断开的时候,表明门是打开的状态,即“0”。

           在设计中,我们采用“状态模拟开关”代替门的状态。当其被按下时代表门的状态为“关闭”即“1”;当其未被按下时代表门的状态为“打开” 即“0”。由于机械触点的弹性作用,在被按下或弹起时会出现电压抖动如图3,从最初按下到接触稳定要经过数毫秒的弹跳时间,为保证识别的准确,必须进行去抖动处理,去抖动有硬件和软件两种方法。软件方法有很多种,主要使用连续N 次扫描,若得到的值都一样,则说明是有效的值。在此处设计中,我们采用硬件方法,即:加去抖电路,从根本上避免抖动。去抖电路如图4。

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    (3 )获取自动提示信号的电路设计 根据红外检测和门状态两部分信号的输出,可以获得有效的自动提示信号。
    通过分析可以知道要想判断出“人想出门”这种情况只有满足两个条件:一是扫描到人;二是门为开的状态。这个时候就可以播放所录制的提示语音。根据两部分电路输出信号的状态,可以列出所能发生的情况如附表所示。

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    表中A 是BISS0001 输出的信号,即:当扫描到人时,为一个持续的高电平‘1’,其持续时间为Tx≈24576R9C7 ,反之为一个持续的低电平‘0’;B 是门状态信号,‘1’为门关;‘0’为门开;C 接地(GND )。若能将扫描到人和门为开两个条件结合成一个有效的信号,可以通过几个与非门来实现,考虑到与非门之间都存在延迟时间,从而会影响系统的灵敏度,为了解决这个问题我们采用了74LS138(3-8 译码器)。
           根据设计要求只有在主人出门时进行语音提示,所以我们只须在74LS138 -Y1 输出端接一个反相器,把输出的低电平转变为高电平,接到单片机的IOA3口,在软件中通过对端口扫描,满足要求时则自动播放已经录制的语音。

     

    (4) 语音录放 麦克风输入所生成的WAV 文件,占用的存储空间很大,对于一般单片机来说,要存储大量的信息显然是不可能的。而凌阳的SPCE061A 单片机可以很容易地解决这个问题,因此在设计中我们选用SPCE061A 单片机作为本设计的CPU。

           录音时,通过A/D转换器将语音信号转换成数字信号,编码后存入存储器中;放音时将存储器中的信息取出并解码,然后经过D / A 转换变成语音信号输出。SPCE061A 将A/D、编码、解码、存储及D/A 做成相应的模块,对于每个模块都有其应用程序接口API,通过软件上的调用函数即可实现。

    软件设计

           在程序的流程上,我们设置了先判断是否为红外传感信号处理器(BISS0001)送来的有效信号。如果“是”则进入相应的语音播放;否则进行按键扫描。录放音的编解码是靠调用库函数完成的,只要完成数据的存入和读出即可,主要流程见图5 ,在本刊的网站上(www.eleworld.com)给出了源程序,供读者参考。

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    结论
           本系统具有智能检测功能,可以根据用户要求随时录音、随时更改,电路组装、调试简单,体积小、制作成本低,可以满足大众的需求。

     

     

     

     

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  • ASIC设计流程FPGA设计流程

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    对于设计而言,我们想要设计一个芯片,首先我们要明确我们设计芯片旨在解决什么样问题,具有什么样的功能。 我们根据目的去设计电路,把电路按照功能模块或接口划分,使用硬件描述语言verilog或HDL去实现逻辑...
    • ASIC设计流程:前端设计+后端设计(与工艺相关)

    • 前端设计 RTL级代码----功能仿真----逻辑综合----等价性检查,形式验证----静态时序分析----
      后端设计 布局规划—布局布线----版图物理验证(包括LVS和DRC等)----流片

      1. RTL级代码:使用verilog语言进行描述我们想要实现的电路功能
      2. 功能仿真:检查代码有没有语法问题或者实现的功能和我们预计设计的是否相同
      3. 逻辑综合:把代码语言描述的模块转化成包含与,或,非,寄存器等基本的逻辑单元的网表
      4. 形式验证:从功能上,对综合后的网表进行验证,检查验证生成的网表功能是否与设计的电路功能相同
      5. 静态时序分析:从时序上,进行验证,检查电路是否存在时序上的问题
      6. 布局规划:规划芯片上的各种功能电路的摆放位置
      7. 布局布线:连接单元和功能块之间的互连布线线
      8. 版图物理验证:对完成布线的物理版图进行功能和时序上的验证(包括DRC和LVS等)
      9. 流片
    • FPGA设计流程: RTL级代码----功能仿真-----逻辑综合-----门级仿真-----布局布线----时序仿真----版级验证与仿真

    • 对于设计而言,我们想要设计一个芯片,首先我们要明确我们设计的芯片旨在解决什么样的问题,具有什么样的功能。

      1. 我们根据目的去设计电路,把电路按照功能模块或接口划分,使用硬件描述语言verilog或HDL去实现逻辑设计,生成RTL级的代码
      2. 然后我们对这个代码进行功能仿真,检查代码有没有语法问题或者实现的功能跟我们预计的是否相同(代码行为的正确性)
      3. 接着我们把它进行逻辑综合,(逻辑综合需要有约束条件,约束条件就是你希望综合出来的电路在面积,时序等目标参数上达到的标准,)
      4. 由于逻辑综合需要基于特定的库,不同的库,基本单元电路的对应的面积和时序参数都是不一样的,所以我们还需要进行后仿真也就是门级仿真,从功能和时序两方面对综合后的网表进行验证,保证电路的正确性,以及逻辑综合后生成的网表并没有改变原先电路设计的功能
      5. 是自带工具完成。接下来我们对芯片的面积做一个规划,确定每个单元的位置,并完成互连布线(连接单元和功能块之间的互连布线线)
      6. 然后我们再做一个时序仿真,电路提取,加延迟,仿真后包含延迟信息,接近于真实电路的行为
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    步进电机驱动微型输注仪器的一种新方式


    1、引言

          步进电机是一种将数字信号直接转换成角位移或线位移的控制驱动元件,具有快速起动和停止的特点。其机械位移和转速分别与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比。步进电机在工业生产及人们生活的方方面面的应用十分广泛,而单片机控制步进电机具有功能灵活多样,脉冲输出准确,实时性强的特点,且系统成本较低。

          现有的小型步进电机驱动电路,基本采用OC门驱动和三极管推拉式驱动。OC门电路驱动电机的缺点是驱动电流不够,响应速度慢,而且OC门最好工作在+5V电压环境下,在低电压环境下,工作不稳定。三极管推拉式驱动步进电机的缺点是NPN和PNP三极管的选择上。两个三极管的PN结开关点要尽量相同,否则三极管会被击穿,产生不安全隐患。

          本文针对传统小型步进电机驱动存在的这些问题,并结合一种微型输注仪器的电机驱动装置的设计,提出一种新型步进电机驱动方案。本方案采用MSP430单片机,通过其上运行的软件控制MAX4685高速模拟开关的输出,从而实现对步进电机的控制。

           这种低成本,高稳定,高性能的驱动方式,适合低电压,大电流,响应频率比较高的场合。

    2、微型输注仪器的电机驱动方案

          本文研制的微型输注仪器由三个部件组成:输注液容器、一个小型电池驱动的泵、用于准确控制泵输注剂量的计算机芯片。以上部件封装后,形成一个大小如同寻呼机的输注仪器,泵容器通过输入指令的控制由细塑料管输注液体。

          该仪器的电机驱动装置,包括指令输入面板、驱动电路控制板、步进电机。驱动电路控制板采用集成电路MAX4685;其驱动电路控制板的输出端连接小型步进电机的输入端。该微型输注仪器的电机驱动框图如图1所示。


    图1 电机驱动框图
     
          输入面板是通过按键设置参数,通过在单片机运行的智能软件控制单片机的IO端口输出。单片机的IO端口连接集成电路MAX4685的输入端。集成电路MAX4685为高速模拟开关,输入为脉冲方波,控制MAX4685模拟开关的动作,使MAX4685的输出为脉冲方波。这样MAX4685可提供500mA的脉冲电流。MAX4685芯片为双路模拟开关,开关闭合时具有0.8Ω的电阻(2.7V工作),1.8V到5.5V电压工作范围。响应速度最高可达1MHz,驱动电流最大可达500mA。
     
      MAX4685具体的参数如下:

      NC端闭合电阻最大为0.8Ω(工作电压为2.7V);
      NO端的闭合电阻最大为0.8Ω(工作电压为2.7V);
      两个通道的匹配电阻最大为0.06Ω;
      工作的电压范围1.8V-5.5V;
      槛位电压为1.8V,最高输入信号电压为5.5V。

          本实例是驱动两相直流步进电机。采用的单片机型号为MSP430F149。该型号的单片机是具有FLASH功能的超低功耗的16位单片机,工作电压为1.8V-3.6V。用按键选择菜单功能,设置参数。通过智能软件控制单片机的P50、P51、P52、P55 等4个IO端口输出驱动步进电机所用的脉冲波形,控制MAX4685的开关。用MAX4685的输出提供驱动步进电机所需的电流。电机的转速靠输出脉冲波形的频率来控制。电机的转动推动注射器输液。

          具体的连接如图2所示。


    图2 单片机、MAX4685、步进电机的连接关系图

          本设计用单片机控制MAX4685的开关,用MAX4685的输出提供步进电机的脉冲波形,可确保输出电压波形稳定,驱动电流大,干扰小。达到低成本、高稳定性、响应速度快的低电压微型电机的要求。OC门和三极管推拉式驱动不易集成化。

    3、电机驱动程序的具体设计与实现

           合实例的电机驱动部分的连接关系,MAX4685的输入状态如表1。


    表1 MAX4685的输入状态表


          本文用MSP430F149单片机控制MAX4685模拟开关的动作,来实现对步进电机的控制。MSP430F149单片机的P50、P51 IO端口经MAX4685驱动后,连接到步进电机的相A上;P52、P55 IO端口经驱动后,连接到步进电机的相B上。步进电机的转动模式为全步模式,选用的是两相,每圈20步的步进电机。每步的转角为18度。每圈的转动精度为±10度。

          步进电机的相的输入信号和转动关系如图3所示。相A和相B加的信号如果从1-4,将逆时针旋转,从4-1将顺时针旋转。


    图3 步进电机相的输入信号与转动的关系

          用MSP430F149的IO输出端输出信号,控制MAX4685的动作,产生相A和相B所需的信号。如表2所示。表中列出的信号为电机转动每步所需的信号关系。电机转动通过传动装置,推动注射器注液。

    表2 单片机IO端口输出信号与转动的关系表

     


           该微型输注仪器的电机驱动程序的具体流程如图4 所示,其中包括以下几个关键步骤:

          (1)单片机相关IO端口定义
           P5.0 P5.1 P5.2 P5.3 P5.4 P5.5 P5.6 P5.7
           A B C Data Vdd D

           (2)电机相关定时器定时初始化
           TBCCR0 = IntTime; //主定时器 总时间 
           TBCCR1 = IntTime1;
           //定时器1 电机给电,高电平时间
           TBCCR2 = IntTime2;
           //定时器2 电机停歇,低电平时间

           (3)启动电机相关定时器
           TBCCTL1 = 0x10; //开定时器1
           TBCCTL2 = 0x10; //开定时器2
           TBCTL = 0x0114; //开主定时器

           (4)关闭电机相关定时器
           TBCCTL0 = 0x00;
           TBCCTL1 = 0x00;
           TBCCTL2 = 0x00;

           (5)中断处理函数
            interrupt[TIMERB1_VECTOR] void Timer_B1 (void)
            根据定时器中断向量TBIV 的值调整马达走步方向,或将马达走到相应位置。


    图4 电机驱动流程图

    4、结论

          本设计改变了现有的OC门驱动和三极管推拉式的驱动方式,采用了MAX4685高速模拟开关直接驱动小型步进电机。这种驱动方案的响应速度可达到1MHz,驱动电流可达到500mA,可设计成低成本、高稳定性、响应速度高的电机驱动电路,直接驱动小型步进电机。同时具有原理简单,易于实现的特点。

    参考文献

      [1] 胡大可. MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2002,3.
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      [3] 陈隆昌. 控制电机(第三版)[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社,2000.
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      [5] 张朋涛, 肖世德, 黄灿泉. 基于MSP430单片机的步进电机控制系统设计[J]. 机电工程技术, 2005(11): 36-37.
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      [8] 孟武胜, 李亮. 基于AT89C52单片机的步进电机控制系统设计[J]. 微电机, 2007(3): 64-66.
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    FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。

    目前,FPGA市场占有率最高的两大公司——赛灵思公司和Altera生产的FPGA都是基于SRAM工艺的,需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。上电时,FPGA将外部存储器中的数据读入片内RAM,完成配置后,进入工作状态;掉电后SRAM存储的数据丢失,内部逻辑消失。这样,FPGA能反复使用,且无须专门的FPGA编程器,只需配备一片存储代码的FLASH存储器即可。

    Actel、QuickLogic等公司还提供反熔丝技术的FPGA,它具有抗辐射、耐高低温、低功耗和速度快等优点,在军品和航空航天领域中应用较多,但这种FPGA不能重复擦写,开发初期比较麻烦,费用也比较昂贵。Lattice是ISP技术的发明者,在小规模PLD应用上有一定的特色。赛灵思公司的早期产品一般不涉及军品和宇航级市场,但目前已经有多款产品进入该领域。

    目前主流的FPGA仍是基于查找表技术的,已经远远超出了先前版本的基本性能,并且整合了常用功能(如RAM、时钟管理和DSP)的硬核(ASIC型)模块。

    此处,我们以XC2V3000为例,介绍典型的FPGA结构图。XC2V3000拥有300万门的超大系统容量,采用0.15 μm/0.12 μm CMOS 8层金属混合工艺设计,内核电压为1.5 V,根据输入/输出参考电压的不同设计可支持多种接口标准,内部时钟频率可达420 MHz。XC2V3000的内部结构如图1-1所示,它主要由可配置逻辑(CLB)、用户可编程I/O(IOB)、Block SelectRAM、数字时钟管理模块(DCM)、数字阻抗匹配模块(DCI)和硬件乘法器等组成。其中CLB用于实现FPGA的绝大部分逻辑功能;IOB用于提供封装引脚与内部逻辑之间的接口;BlockRAM用于实现FPGA内部的随机存取,它可配置RAM、双口RAM、FIFO等随机存储器;DCM用于提供灵活的时钟管理功能;硬件乘法器用于提高FPGA的数字信号处理能力。

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    图1-1 Virtex系列产品XC2V3000的内部结构

    1.可配置逻辑块(CLB)

    如图1-2所示,XC2V3000的CLB模块由4个相同的Slice和附加逻辑构成,用于实现组合逻辑和时序逻辑。

    每个Slice由2个4输入函数发生器、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。算术逻辑包括1个异或门(XORG)与1个专用与门(MULTAND),1个异或门可以使1个Slice实现2位全加操作,专用与门用于提高乘法器的效率。进位逻辑由专用进位信号和函数复用器(MUXC)组成,共同实现快速的算术加减法操作。具体结构详见图1-3和图1-4。

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    图1-2 Virtex系列产品

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    图1-3 Virtex系列产品

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    图1-4 Virtex系列产品Slice结构

    2.可编程输入/输出单元(IOB)

    可编程输入/输出单元简称IOB,提供FPGA内部逻辑与外部封装引脚之间的接口,用于完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动和匹配。根据当前使用的I/O接口标准的不同,需要设置不同的接口电压V cco 和参考电压V REF 。XC2V3000的I/O引脚分布在8个Bank中,同一个Bank的接口电压V cco 必须保持一致,不同Bank的接口电压V cco 允许不同。

    如图1-5所示,XC2V3000的IOB模块含有6个存储单元,可以单独配置为边沿D触发器或锁存器,也可以成对实现DDR(Double-Data-Rate)输入和DDR输出。

    DDR寄存器的结构见图1-6。

    3.嵌入式块RAM(BRAM)

    XC2V3000的Block SelectRAM资源丰富,其单位容量为18Kb双端口RAM,可以自由设定数据宽度和深度纵横比,并支持三种并发读/写(Read-During-Write)模式。

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    图1-5 Virtex系列产品

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    图1-6 DDR寄存器结构

    4.丰富的布线资源

    布线资源连通FPGA内部所有的单元,IOB、CLB、BRAM、DCM等都使用相同的内连阵列。XC2V3000内部共有16条全局时钟线,用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线。24条纵横交错的长线资源实现了芯片Bank间的高速通信和第二全局时钟信号的布线。

    5.底层内嵌功能单元

    XC2V3000集成了丰富的内嵌功能模块,如DCM(数字时钟管理器)、DCI(数字控制阻抗)、MicroBlaze软处理器核等,使其具有软、硬件联合设计的能力,可以用有限的资源完成系统级的设计任务。

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具有线与功能的门电路