導(dǎo)語：如何才能寫好一篇電路板優(yōu)化設(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】站點(diǎn)設(shè)計(jì)；路線優(yōu)化；二邊逐次修正法；啟發(fā)式算法；算法程序

0 研究背景

班車站點(diǎn)及線路的優(yōu)化設(shè)計(jì)是屬于典型的車輛路徑問題（Vehicle Routing Problem，即VRP問題）。VRP問題在國外最早是由Dantzing和Ramser[1]于1959年首次提出的。早在1962年，Balinski等人就提出集分割[2]，直接考慮可行解集合并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化建立了最簡(jiǎn)單的VRP模型。1971年，Eilon等人[3]提出將動(dòng)態(tài)規(guī)劃法用于固定車輛的VRP，通過遞歸方法求解。1991年，Gendreau等人[4]將禁忌搜索方法應(yīng)用于VRP。M.L.Fisher于1995年在“Vehicle Routing Handbooks in Operations Research&Management Science”[5]中對(duì)車輛路徑問題作了總結(jié)，他把車輛路徑問題的研究方法歸結(jié)為三個(gè)階段。第一個(gè)階段，是20世紀(jì)60年代到70年代，這個(gè)階段主要是應(yīng)用一些簡(jiǎn)單的啟發(fā)式方法來研究車輛路徑問題，研究的重點(diǎn)主要局限于局部搜索和交換技術(shù)；第二個(gè)階段，是20世紀(jì)70年代到80年代基于啟發(fā)式方法的設(shè)計(jì)階段，這個(gè)階段主要是利用不同于一般啟發(fā)式方法的近似優(yōu)化算法來求解車輛路徑問題。到了第三階段，即20世紀(jì)80年代至今，研究的重點(diǎn)主要放在精確的優(yōu)化算法和新興的人工智能算法，包括模擬退火算法、禁忌搜索算法、遺傳算法和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)方法[6]。

在國內(nèi)對(duì)VRP研究最早的是郭耀煌教授，1989年郭教授與其學(xué)生就多車場(chǎng)多車型等問題進(jìn)行了研究[7]。1999年姜大立等人[8]建立了VRP的遺傳算法。2001年，李嘉等人[9]設(shè)計(jì)了遺傳算法和禁忌搜索啟發(fā)式的混合算法。2004年崔雪麗等人基于人工螞蟻系統(tǒng)給出了快速求解VRP的螞蟻搜索算法。還有不少研究者均對(duì)VRP的研究做出了很大的貢獻(xiàn)。單這些研究都是理論的東西，能夠更好的解決實(shí)際問題才能說明研究的價(jià)值。所以這些研究應(yīng)該更偏向?qū)嶋H問題。

1 符號(hào)說明

M企業(yè)或單位乘車總?cè)藬?shù)

L總車輛數(shù)（k表示第k輛車）

Z總站點(diǎn)數(shù)

N總路徑數(shù)

C每輛車的容量

Si第i條路線

Pi第i個(gè)站點(diǎn)

Yi第Si條路線的總乘客數(shù)

ωijk車輛k從Pi站到Pj站的路程

Tijk車輛k從Pi站到Pj站經(jīng)歷的時(shí)間

Φ■=1乘客i到j(luò)站乘車0 否則

x■=1 車輛k可直接從p■站到p■站0 否則

Ψ■=1車輛k經(jīng)過站點(diǎn)p■0 否則

h■=1乘客i乘坐車輛k0 否則

2 班車站點(diǎn)設(shè)置的數(shù)學(xué)模型

設(shè)置站點(diǎn)的第一步是統(tǒng)計(jì)企業(yè)或單位的所有乘客的住址坐標(biāo)（即住址所在的經(jīng)緯度可利用google earth標(biāo)出）。記每位乘客的住址坐標(biāo)為（ri，ci）（ri為經(jīng)度ci為緯度）。假設(shè)共要設(shè)置站點(diǎn)Z個(gè)，第j個(gè)站點(diǎn)的坐標(biāo)為（xj，yj）（xj為經(jīng)度yj為緯度）。[10]

為使每位乘客到達(dá)站點(diǎn)距離的總路程最短及每位乘客到達(dá)站點(diǎn)的距離均衡以下給出總距離函數(shù)和最大距離與最小距離之差函數(shù)：

f■=Φ■■■■

f■=max Φ■■-min Φ■■

在設(shè)置站點(diǎn)的過程中還要考慮乘客到達(dá)站點(diǎn)所能承受的最大距離。假設(shè)乘客所能承受的最大距離為d1則有：

max Φ■■≤d1

在衡量總距離與最大最小距離偏差時(shí)可在兩函數(shù)前加權(quán)重系數(shù)以更清楚地反映實(shí)際情況，綜合以上，可建立如下班車站點(diǎn)設(shè)置的數(shù)學(xué)模型：

min（α■f■+α■f■）

stmax Φ■■≤d■Φ■=1（i=1，2…M）α■，α■為權(quán)重系數(shù)

3 路線的優(yōu)化設(shè)計(jì)

線路的設(shè)計(jì)優(yōu)化模型建立過程中我們從多樣性角度出發(fā)并結(jié)合實(shí)際情況建立了兩種線路的模型。和多數(shù)研究者不同我們考慮了實(shí)際班車站點(diǎn)和路線在不同企業(yè)或單位中有些比較復(fù)雜但有些比較簡(jiǎn)單，復(fù)雜的問題往往會(huì)有更多的目標(biāo)和約束條件，解的過程也要復(fù)雜很多這是一種情況。在相對(duì)簡(jiǎn)單的情況若仍按照復(fù)雜模型的思路和計(jì)算方法不僅得不到較好的結(jié)果還會(huì)浪費(fèi)過多的時(shí)間和精力，是不經(jīng)濟(jì)也是不實(shí)際的。因此我們建立了根據(jù)站點(diǎn)數(shù)量不同而路線安排也不同的兩種模型。即以下的模型一和模型二。

模型一：

此模型是針對(duì)一些乘客人數(shù)較少，站點(diǎn)較少或運(yùn)輸資源有限等條件下建立的單一車輛單一路經(jīng)的數(shù)學(xué)模型。僅僅適用于小型企業(yè)或單位，這種模型相對(duì)簡(jiǎn)單但在實(shí)際應(yīng)用中卻是經(jīng)常要用到的。

在建立此模型中我們假設(shè)只有一輛車，車的容量足夠容納所有乘客。在站點(diǎn)已知且站點(diǎn)數(shù)目不是很多（說明：站點(diǎn)不多是指在總乘客數(shù)小于車容量下站點(diǎn)數(shù)一般小于20個(gè)，此處20只是對(duì)一般情況的假定，實(shí)際中具體個(gè)數(shù)應(yīng)按實(shí)際需要設(shè)定）的情況下要求：①車要經(jīng)過所有站點(diǎn) ②車的路線最短 ③車輛行駛時(shí)間最短④除特殊情況外每個(gè)站點(diǎn)只經(jīng)過一次 （說明：特殊情況是指如不再次經(jīng)過此站點(diǎn)車輛無法返回）。

從以上要求中可以看出此問題應(yīng)屬于TSP（Travelling Salesman Problem）問題。此問題仍屬于NP-Complete難題，許多學(xué)者在此問題上都花費(fèi)了大量的精力但目前仍沒有徹底解決該問題的方法。這并不意味著此處是做無用功，在簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)和理想化一些條件后仍有一些有效的解決方法。

在上述要求中沒有提及成本問題，其實(shí)對(duì)于單一車輛單一路徑，車輛的成本是固定的。剩余的就只有運(yùn)行的成本，運(yùn)行的成本只與路程有關(guān)即只要求。

min■■ωijkxijk

路程達(dá)到最小即可使成本最小化。假設(shè)站點(diǎn)1為單位或企業(yè)，車輛運(yùn)行路線中必須從單位或企業(yè)發(fā)車即■x1 jk=1最終又以單位或企業(yè)為終點(diǎn)返回即■xi1k=1。

由以上要求可建立模型如下：

min■■ωijkxijk（1）

min■■Tijkxijk（2）

stM≤C■Ψ■=Z■x1 jk=■xi1k=1xijk∈0，1N=1k=1

對(duì)目標(biāo)函數(shù)（1）（2）其中（1）表示車輛行駛總路程最短（2）表示車輛行駛時(shí)間最短。對(duì)單一路徑來說當(dāng)車速一定時(shí)，路程和時(shí)間是成正比的。但為什么此處既對(duì)路程進(jìn)行約束又對(duì)時(shí)間進(jìn)行約束在此說明一下。在下文中會(huì)涉及道路飽和度的因素當(dāng)滿足（1）時(shí)在某些情況下會(huì)因?yàn)榈缆愤_(dá)到飽和而使運(yùn)行時(shí)間過長(zhǎng)，此時(shí)就會(huì)受到（2）的約束改變路線即使行駛路程增加但行駛的時(shí)間卻比原先減少了，這樣更有利于車輛運(yùn)行效率，也更符合實(shí)際情況。第一個(gè)約束條件表示乘客總數(shù)不大于車的容量。第二個(gè)約束條件表示車必須經(jīng)過每一個(gè)站點(diǎn)。第三個(gè)約束條件表示車從1站點(diǎn)出發(fā)必須回到1站點(diǎn)（假設(shè)1站點(diǎn)為目的地）。第四個(gè)約束條件表示變量x的0-1約束。第七第八約束條件分別表示只有一條路徑和只有一輛車。

模型二：

此模型較模型一要復(fù)雜，是更具有廣泛性和實(shí)用性的一般性模型。模型二是針對(duì)多人員多站點(diǎn)多線路多種因素綜合考慮建立的。因?yàn)槭且话阈阅Ｐ退阅Ｐ投^模型一相比具有多條線路，多車輛。在設(shè)置好站點(diǎn)后我們先用floyd算法求出所有站點(diǎn)之間的最短路，由最短路依次從距原點(diǎn)最遠(yuǎn)，第二遠(yuǎn)…第N遠(yuǎn)為起點(diǎn)設(shè)置N條線路，設(shè)置線路按兩條原則一是盡量走最短路二是所有線路盡量囊括所有站點(diǎn)對(duì)有些特殊情況則另作分析。具體方法見模型算法設(shè)計(jì)。

在多條路線中車輛數(shù)既不能少于總需求量也不能過多，車輛數(shù)是決定成本的重要因素所以目標(biāo)函數(shù)首先應(yīng)滿足使總車輛數(shù)達(dá)到最少。即：

f■=minL=L|LC≥M

車輛達(dá)到最少是首先決定因素其次是使所有車輛行駛總路程最短，因?yàn)槌囕v的固定成本外路程所決定的運(yùn)行成本從長(zhǎng)期來看也是重要的因素。即：

f■=min■■■ωijkxijk

同樣在保證總路程最短的前一約束下還要使時(shí)間達(dá)到最小化。設(shè)定時(shí)間的約束原因如模型一中設(shè)定時(shí)間約束的一樣，同樣是因?yàn)榈缆凤柡投鹊目紤]，其約束如下：

f■=min■■■Tijkxijk

在所有路線中為出于對(duì)乘客滿意度和公平性的考慮應(yīng)使最長(zhǎng)路線與最短路線的差值在一定的可接受范圍內(nèi)，假定最大差值為d2則有：

f■=max（Si-Sj）≤d2

綜合以上模型可建立如下：

min（α■f■+α■f■+α■f■+α■f■）

stLC≥MSi=■■ωijkxijk（k=1，2…L）■h■=1（i=1，2…M）■h■≤C（k=1，2…L）■Ψ■≥1（i=1，2…Z）■■xijk=■■xjik（k=1，2…L）■xiZk=■xZik=1（k=1，2…L）α■α4α5α6為權(quán)重系數(shù)

以上模型中目標(biāo)函數(shù)的意義在上文中已說明此處說明一下約束條件的意義：約束條件一表示運(yùn)載能力的限制即最大運(yùn)載量要大于總?cè)藬?shù)。約束條件二表示每條路線的距離。約束條件三表示任意一位乘客只能乘坐一輛車。約束條件四表示每輛車的載客量不超過車的容量。約束條件五表示任意站點(diǎn)至少有一輛車經(jīng)過。約束條件六表示同一輛車可以從pi站到pj站也可以從pj站到pi站即下行方向?yàn)樯闲蟹较虻姆聪?。約束條件七表示上行方向各路線的目的地為終點(diǎn)站下行方向各路線的發(fā)車點(diǎn)為終點(diǎn)站（假設(shè)第Z站為終點(diǎn)站）。

4 道路飽和度的考慮

此處道路飽和度并沒有用符號(hào)在模型中表示出來是出于對(duì)模型求解可行性的考慮，因?yàn)榫退銢]有考慮道路飽和度此模型的求解也相當(dāng)困難。但是道路飽和度是實(shí)際問題中不得不考慮的一項(xiàng)因素，特別是在大城市的上下班高峰期，往往會(huì)因?yàn)榻煌ǘ氯速M(fèi)大量時(shí)間這是很不合理的。此處對(duì)道路飽和度的考慮，實(shí)際上也是對(duì)路線的修正因?yàn)樵谟行┮堰_(dá)到飽和的道路再安排車輛通行就不滿足時(shí)間的約束，就需要對(duì)線路進(jìn)行調(diào)整。因?yàn)榈缆肥裁磿r(shí)候達(dá)到飽和往往與時(shí)間有關(guān)，這就要根據(jù)對(duì)不同環(huán)境的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來判定。當(dāng)?shù)缆愤_(dá)到飽和時(shí)即通行時(shí)間遠(yuǎn)超正常通行的時(shí)間，就在此時(shí)刻對(duì)此線路采用繞道而行的調(diào)整方案。

例如車輛k在某時(shí)刻t從pi站到pj站，在時(shí)刻t此時(shí)道路ωijk達(dá)到飽和。則車輛k在pi站與pj站途中繞經(jīng)pα站，若滿足T■+T■

但對(duì)時(shí)刻t模型和算法中是無法給出的，因?yàn)槠湟籺的數(shù)值無法確定其二t具有不穩(wěn)定性即每天情況可能不一樣，只有根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)才能確定。模型算法最終給出的結(jié)果只要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來作調(diào)整即可，所以此處只做說明。

5 站點(diǎn)設(shè)置的算法設(shè)計(jì)

因?yàn)閷?duì)不同的案例站點(diǎn)的設(shè)置千變?nèi)f化，無法給出一個(gè)能保證最優(yōu)最精確的解，所以站點(diǎn)設(shè)置算法我們采用一般情況下的啟發(fā)式算法。如上文所描述模型思想按照算法步驟在一般情況下均可得到較滿意的結(jié)果。

（1）輸入：乘客到達(dá)站點(diǎn)所能承受的最大距離d1以及距離函數(shù)與距離偏差函數(shù)的權(quán)重系數(shù)α■，α■；

（2）在地圖上標(biāo)注出每一位乘客的住址（ri，ci）（實(shí)際操作可用google earth由經(jīng)緯度標(biāo)注出）；

（3）在地圖上建立合理的坐標(biāo)系將乘客住址的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)系中的實(shí)際坐標(biāo)；

（4）用半徑為d1的圓（聚集度較?。┗蜻呴L(zhǎng)為■d1的矩形（聚集度較大）在坐標(biāo)系上劃分各個(gè)區(qū)域；

（5）統(tǒng)計(jì)出總的區(qū)域個(gè)數(shù)Z和每個(gè)區(qū)域的住址點(diǎn)數(shù)及乘客數(shù)M；

（6）計(jì)算出每個(gè)圓或矩形的中心（此中心為該區(qū)域總路程最短的中心或住址點(diǎn)的重心），并將這些點(diǎn)的坐標(biāo)作為站點(diǎn)的地理位置；

（7）輸出：所有的站點(diǎn)位置的坐標(biāo)及每個(gè)站點(diǎn)的人數(shù)。

6 路線模型一的算法設(shè)計(jì)

對(duì)于路線一可看做是簡(jiǎn)化的TSP問題，在圖論中有類似像哈密爾頓圖以及二次逐次修正法這樣解決行遍性問題的一般方法。哈密爾頓圖的定義：設(shè)G=（V，E）是連通無向圖，經(jīng)過G的每個(gè)頂點(diǎn)正好一次的路徑稱為G的一條哈密爾頓路徑，經(jīng)過G的每個(gè)頂點(diǎn)正好一次的圈稱為G的哈密爾頓圈或H圈，含H圈的圖稱為哈密爾頓圖或H圖。[11]

在推銷員問題中經(jīng)過每個(gè)頂點(diǎn)至少一次權(quán)最小的閉通路稱為最佳推銷員回路。一般來說最佳哈密爾頓圈不一定是最佳推銷員回路，最佳推銷員回路也不一定是最佳哈密爾頓圈。像模型一這樣求單車路程最短不適合用求哈密爾頓圖的方法，而二次逐次修正法雖然是近似解法卻往往能給出滿意的結(jié)果。但二次逐次修正法的前提是要求所解圖必須是完備圖，對(duì)于車輛站點(diǎn)路線來說很少有滿足此要求的路線圖。這里我們對(duì)于不滿足條件的圖用替代的方法構(gòu)造成完備圖。即用最短路代替沒有相鄰的點(diǎn)之間的路徑。具體算法如下：

1）標(biāo)記所有站點(diǎn)（v1v2…vi…vj…vn）并計(jì)算出所有連通站點(diǎn)之間的距離，做出站點(diǎn)路線圖的帶權(quán)鄰接矩陣W。

2）由鄰接矩陣W應(yīng)用Floyd算法計(jì)算出此站點(diǎn)路線圖的最短路。

3）任取初始H圈：C0=v1v2…vi…vj…vnv1。

4）由于任取的初始H圈中有些排列相鄰的站點(diǎn)之間在實(shí)際中并不直接相鄰，所以對(duì)這些站點(diǎn)之間的權(quán)值由（2）中所求最短路代替。

5）對(duì)所有i，j，1

6）對(duì)C重復(fù)步驟⑷直到條件不滿足為止，最后求得的C即為最佳H圈。

7）將所求H圈中站點(diǎn)序列從發(fā)車站依次記錄最終所得站點(diǎn)序列的路徑即為模型一的車輛路徑。

7 路線模型二的算法設(shè)計(jì)

模型二是屬于多線路的一般性模型，對(duì)于此類模型的求解大部分研究者都用了像遺傳算法，啟發(fā)式算法，蟻群算法，動(dòng)態(tài)優(yōu)化法等算法。本文也不例外采用了啟發(fā)式算法，因?yàn)檫@個(gè)模型本身就比較復(fù)雜再由于實(shí)際情況的各種變化，很難給出能解出穩(wěn)定結(jié)果的算法。啟發(fā)式算法雖然不一定能給出準(zhǔn)確結(jié)果，卻能根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在復(fù)雜的環(huán)境中給出讓人較為滿意的結(jié)果。其算法過程具有可調(diào)節(jié)性，在不同條件下很容易根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，使其更切合實(shí)際。具體算法如下：

1）輸入：最長(zhǎng)路線與最短路線的差值的極限值d2，客車容量C，各個(gè)站點(diǎn)的坐標(biāo)位置和各站點(diǎn)人數(shù)。

2）為使成本最小并簡(jiǎn)化問題取車輛數(shù)L=■+1。

3）由Floyd算法根據(jù)個(gè)站點(diǎn)路線圖計(jì)算出最短路。

4）在最短路中取距終點(diǎn)最遠(yuǎn)的L個(gè)站點(diǎn)，根據(jù)距終點(diǎn)的距離由大到小分別計(jì)為線路S1S2…SL的起始站點(diǎn)。

5）從S1開始按最短路到終點(diǎn)確定第一條路線，依次確定L條路線。

6）調(diào)整從S2到SL的L-1條路線，調(diào)整的原則為：①將未在路線中的站點(diǎn)調(diào)整至路線中；②站點(diǎn)調(diào)整時(shí)只將此站點(diǎn)納入據(jù)此站點(diǎn)最近的路線中；③調(diào)整過程中路線以走最短路為優(yōu)先原則。若所有未在路線上的站點(diǎn)均調(diào)整在了路線中則轉(zhuǎn)（7）。

7）在所有站點(diǎn)均考慮的前提下，計(jì)算出每條路線的路程分別計(jì)為S1到SL的實(shí)際值，若max（Si-Sj）>d2則轉(zhuǎn)至（6）重新調(diào)整路線直至max（Si-Sj）≤d2 則轉(zhuǎn)至（8）。

8）計(jì)算每條路線上總乘客數(shù)，有多條路線經(jīng)過同一站點(diǎn)時(shí)只將此站點(diǎn)計(jì)算至其中一條路線。若Yi>C則將Si中Yi-C個(gè)乘客交換到其他路線（以有重合站點(diǎn)的一對(duì)路線為優(yōu)先原則進(jìn)行交換）。直至對(duì)所有路線均有Yi≤C。

9）輸出：S1至SL中L條路線的站點(diǎn)路線以及每條路線所包含的站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)的上車人數(shù)在不同路線的分配。

【參考文獻(xiàn)】

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[9]李嘉，等.一類特殊車輛路徑問題（VRP）[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，22（3）：245-248.

篇2

【關(guān)鍵詞】 集成電路 超低功耗 技術(shù)研究

集成電路在不斷的發(fā)展過程中，其所具備的信息處理能力越來越高，然而集成電路板的功耗也在不斷增大，這就使得電子設(shè)備設(shè)計(jì)者在性能和功耗的選擇過程中往往只能進(jìn)行折中選擇，這些都制約了電子元件的納米化發(fā)展，制約了集成電路的超大規(guī)模發(fā)展。這種憤怒格式的超低功耗技術(shù)只是通過對(duì)技術(shù)的制約來實(shí)現(xiàn)低功耗，因此超低功耗技術(shù)成為了一種制約集成電路發(fā)展的技術(shù)難題。

一、現(xiàn)有的集成電路的超低功耗可測(cè)性技術(shù)

在集成電路的發(fā)展進(jìn)程中，超低功耗集成電路的實(shí)現(xiàn)是一項(xiàng)綜合工程，需要在材料、電路構(gòu)造及系統(tǒng)的功耗之間進(jìn)行選擇。可測(cè)性技術(shù)所測(cè)試出的數(shù)據(jù)影響制約著集成電路的發(fā)展。但隨著集成電路在不斷發(fā)展過程中趨于形成超大規(guī)模集成電路結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致在現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)中，超大規(guī)模的集成電路板容易過熱而導(dǎo)致電路板損壞?，F(xiàn)有的超低功耗可測(cè)性技術(shù)并不能滿足對(duì)現(xiàn)有芯片的測(cè)試，并不能有效地通過對(duì)日益復(fù)雜的集成電路進(jìn)行測(cè)試，因此在對(duì)超低功耗集成電路技術(shù)進(jìn)行研究的同時(shí)，還要把握現(xiàn)有的集成電路的超低功耗的可測(cè)性技術(shù)不斷革新，以擺脫現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)對(duì)集成電路板發(fā)展的制約。

二、超低功耗集成電路研究發(fā)展方向

2.1 現(xiàn)有的超低功耗集成電路技術(shù)

在實(shí)際的操作過程，超低功耗集成電路是一項(xiàng)難以實(shí)現(xiàn)的綜合性較強(qiáng)的工程，需要考慮到集成電路的材料耗能與散熱，還要考慮到系統(tǒng)之間的耗能，卻是往往在性能和功耗之間進(jìn)行折中的選擇?，F(xiàn)有的超低功耗集成電路大多是基于CMOS硅基芯片技術(shù)，為了實(shí)現(xiàn)集成電路的耗能減少，CMOS技術(shù)是通過在在整體系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，對(duì)結(jié)構(gòu)分布進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、通過對(duì)程序管理減少不必要的功耗，通過簡(jiǎn)化合理地電路結(jié)構(gòu)對(duì)CMOS器材、結(jié)構(gòu)空間、工藝技術(shù)間進(jìn)行立體的綜合優(yōu)化折中。在實(shí)際的應(yīng)用工程中，通過多核技術(shù)等結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，達(dá)到降低電路集成的耗能，但是睡著電子原件的不斷更新?lián)Q代，使得現(xiàn)有的技術(shù)并不能達(dá)到性價(jià)比最優(yōu)的創(chuàng)收。

2.2 高新技術(shù)在超低功耗集成電路中的應(yīng)用

隨著電子元件的不斷向納米尺度發(fā)展，集成電路板的性能得到了質(zhì)的飛躍，但是集成電路芯片的耗能也變得日益夸張，因此在集成電路板的底層的邏輯存儲(chǔ)器件及相關(guān)專利技術(shù)、芯片內(nèi)部的局域之間的相互聯(lián)通和芯片間整體聯(lián)匯。通過有效的超低功耗的設(shè)計(jì)方法學(xué)理論，進(jìn)行合理的熱分布模型模擬預(yù)測(cè)，計(jì)算所收集的數(shù)據(jù)信息，這種操作流程成為超低耗解決方案中的不可或缺的部分。

現(xiàn)在的主要的超低功耗技術(shù)有，在集成電路的工作期間采用盡可能低的工作電壓，其中芯片的核電壓為0.85V，緩存電壓0.9V。通過電壓的有效控制能夠減少電路集成技術(shù)所運(yùn)行期間所造成的熱量散發(fā)，從而導(dǎo)致芯片過熱。對(duì)非工作核的實(shí)行休眠的柵控功耗技術(shù)，減少芯片的運(yùn)作所需要承受的功。通過動(dòng)態(tài)供電及頻率技術(shù)對(duì)集成電路芯片進(jìn)行有效的控制節(jié)能。為了實(shí)現(xiàn)超低功耗集成電路，需要從器材的合理結(jié)構(gòu)、對(duì)電路元件材料的選擇、空間上的合理分配等多個(gè)層次進(jìn)行努力。通過有效地手段減少芯片在運(yùn)作過程中所存在的電力損耗，從而降電能功耗在電路總功耗中所占的比例，這樣能夠?qū)⒓呻娐钒宓暮哪苡行У乜刂?。利用高新材料形成有效的多閥值CMOS/功率門控制技術(shù)，對(duì)動(dòng)態(tài)閥值進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，可以有效地減少無用的做功，有效地減少器件泄漏電流。通過對(duì)多門學(xué)科知識(shí)的應(yīng)用實(shí)踐及高新材料的實(shí)際應(yīng)用，能夠有效地進(jìn)行減少集成電路的功耗。

篇3

論文摘要：邊界掃描技術(shù)是一種完整的、標(biāo)準(zhǔn)化的可測(cè)性設(shè)計(jì)方法，它提供了對(duì)電路板上元件的功能、互連等進(jìn)行測(cè)試的一種統(tǒng)一方案，極大地提高了系統(tǒng)測(cè)試的效率。該文詳細(xì)介紹了邊界掃描測(cè)試的原理、結(jié)構(gòu)，討論了邊界掃描測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用。

集成電路的發(fā)展，特別是VLSI的出現(xiàn)和表面安裝工藝（SMT）的使用，使復(fù)雜的數(shù)字系統(tǒng)和A－SIC的測(cè)試變得越來越困難。鑒于此，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)組（JTAG）致力于可測(cè)性設(shè)計(jì)方法——邊界掃描技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，并于1990年被IEEE接納，形成了IEEE 1149.1“測(cè)試存取口及邊界掃描設(shè)計(jì)”標(biāo)準(zhǔn)。JTAG標(biāo)準(zhǔn)通過邊界掃描技術(shù)使IC各管腳的可控制性和可觀察性達(dá)到了100％，支持從器件級(jí)直至系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試。

1 邊界掃描技術(shù)的基本原理

邊界掃描技術(shù)的工作原理是：JTAG測(cè)試儀器使用一個(gè)四線測(cè)試接口，將測(cè)試數(shù)據(jù)以串行方式由TDI輸入到邊界掃描寄存器中，通過TMS發(fā)送測(cè)試控制命令，經(jīng)TAP控制器控制邊界掃描單元完成測(cè)試數(shù)據(jù)的加載和響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。最后，測(cè)試響應(yīng)數(shù)據(jù)以串行掃描方式由TDO送出到JTAG測(cè)試儀器。JTAG測(cè)試儀器將捕獲到的響應(yīng)數(shù)據(jù)與期望的響應(yīng)進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)一致，則說明無故障存在。

邊界掃描測(cè)試總線由四個(gè)（另有一個(gè)TRST＊為可選）專用引腳組成：測(cè)試數(shù)據(jù)輸入（TestData In，TDI）、測(cè)試數(shù)據(jù)輸出（TestData Ou，t TDO）、測(cè)試模式選擇（TestMode Selec，t TMS）和測(cè)試時(shí)鐘（TestClock，TCK）。主要完成測(cè)試矢量輸入、測(cè)試相應(yīng)輸出和測(cè)試控制。器件內(nèi)邊界掃描結(jié)構(gòu)主要由測(cè)試存取口（TestAccessPor，t TAP）、TAP控制器（TAPController）、指令寄存器（Instruction Register，IR）和測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器（DataRegister，DR）等組成。

邊界掃描測(cè)試的所有操作都是經(jīng)由測(cè)試訪問端口，在TAP控制器的統(tǒng)一管轄之下實(shí)現(xiàn)的。TAP控制器是一個(gè)16位有限狀態(tài)機(jī)，在TCK的上升沿時(shí)刻，TAP控制器利用TMS管腳的控制信號(hào)控制IC中的邊界掃描單元進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換、測(cè)試數(shù)據(jù)的加載和測(cè)試響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集。測(cè)試指令和數(shù)據(jù)通過TDI輸入到測(cè)試邏輯，從TDI送入的數(shù)據(jù)在一定的周期（由指令或是測(cè)試數(shù)據(jù)寄存器決定）后將輸出至TDO。簡(jiǎn)而言之，TAP提供了將指令／數(shù)據(jù)位流（bit stream）移位進(jìn)入，或者移位出核心邏輯的機(jī)制。當(dāng)其為指令位流時(shí)，用來選擇測(cè)試邏輯的哪個(gè)寄存器為有效。當(dāng)其為測(cè)試數(shù)據(jù)位流時(shí)，用來傳送適當(dāng)?shù)募?lì)／響應(yīng)到測(cè)試邏輯的當(dāng)前有效組件中。

2 邊界掃描測(cè)試方法

應(yīng)用邊界掃描技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)器件間互連通路測(cè)試、器件和電路板的靜態(tài)功能測(cè)試和器件自測(cè)試。不同的測(cè)試在不同的工作方式下進(jìn)行。這些工作方式可以通過加載相應(yīng)指令到指令寄存器來選擇。

2.1 內(nèi)測(cè)試（IN TEST）

內(nèi)測(cè)試測(cè)試IC本身的邏輯功能，即測(cè)試電路板上集成電路芯片的內(nèi)部故障。測(cè)試向量由TDI輸入，并通過掃描路徑移位將測(cè)試向量施加到芯片的核心邏輯輸入端，邊界掃描寄存器的輸出單元捕獲核心邏輯的輸出值即響應(yīng)向量，根據(jù)輸入向量和輸出響應(yīng)，就可以對(duì)電路板上各芯片的內(nèi)部工作狀態(tài)做出測(cè)試分析。

在進(jìn)行內(nèi)測(cè)試時(shí)，通過邊界掃描測(cè)試總線發(fā)送自測(cè)試 “RUNBIST”命令，將芯片配置為自測(cè)試模式，自動(dòng)完成測(cè)試矢量加載和測(cè)試響應(yīng)分析，并通過邊界掃描測(cè)試總線輸出測(cè)試結(jié)果。

2.2 外測(cè)試方式（EXTEST）

外測(cè)試用于檢測(cè)各集成電路間連線以及板級(jí)互連故障，包括短路故障和斷路故障。此時(shí)邊界掃描寄存器把IC的內(nèi)部邏輯與被測(cè)板上其他元件隔離開來。

器件間的互連通路測(cè)試是邊界掃描技術(shù)的基本測(cè)試類型之一?；痉椒椋簭幕ミB網(wǎng)絡(luò)一端的邊界掃描單元加載輸入值，發(fā)出外部測(cè)試“EXTEST”命令，然后通過互連網(wǎng)絡(luò)另一端的邊界掃描單元讀出響應(yīng)值，根據(jù)輸入輸出結(jié)果即可判斷是否存在互連通路上的故障。

在電路板的測(cè)試中出現(xiàn)最頻繁的是斷路和短路故障，傳統(tǒng)的逐點(diǎn)檢查的方法既麻煩又費(fèi)時(shí)，而通過邊界掃描技術(shù)的外部測(cè)試方式，把從TDO端輸出的邊界掃描寄存器的串行信號(hào)與正確的信號(hào)相比較，就可以方便有效地診斷出電路板引線及芯片引腳間的斷路和短路故障。這是邊界掃描技術(shù)一個(gè)非常顯著的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 采樣測(cè)試方式（SAMPLE／RELOAD）

采樣測(cè)試方式用于對(duì)一個(gè)正在運(yùn)行的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)集成電路芯片處于正常工作狀態(tài)下，將其數(shù)據(jù)采樣下來，經(jīng)掃描路徑送出來檢查系統(tǒng)的性能。

采樣測(cè)試在捕捉階段從輸入端并行輸入引腳的數(shù)據(jù)，為外測(cè)試做準(zhǔn)備。輸入單元移出器件標(biāo)識(shí)（ID Code）：選擇旁路寄存器，使數(shù)據(jù)在電路芯片間快速移位，可以觀察IC正常工作時(shí)輸入、輸出引腳的數(shù)據(jù)流。

此外還有多種測(cè)試指令，他們的存在和不斷擴(kuò)充，使邊界掃描技術(shù)的應(yīng)用得以拓展和延伸，為集成電路的測(cè)試提供有效方法。

3 邊界掃描鏈路的實(shí)現(xiàn)

3.1 掃描器件的設(shè)置

電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要進(jìn)行測(cè)試性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要有基于貪婪策略的次優(yōu)算法和基于色數(shù)理論的優(yōu)化算法，對(duì)電路板上的器件及引腳進(jìn)行優(yōu)化，目的就是設(shè)置最少的測(cè)試點(diǎn)獲得最大測(cè)試覆蓋面。根據(jù)文獻(xiàn)中的算法，對(duì)故障信息處理計(jì)算機(jī)電路的分析設(shè)置的測(cè)試點(diǎn)主要包括數(shù)據(jù)和地址總線、片選信號(hào)、DSP的讀寫信號(hào)等進(jìn)行設(shè)置邊界掃描點(diǎn)。

設(shè)計(jì)掃描電路時(shí)主要有掃描器件直接替換和掃描結(jié)構(gòu)置入兩個(gè)途徑。如果電路中的器件存在同功能的邊界掃描器件，則采用器件直接替換；對(duì)不存在同功能的邊界掃描器件的元器件則采用掃描結(jié)構(gòu)置入法來實(shí)現(xiàn)掃描測(cè)試。故障信息處理計(jì)算機(jī)電路中的FPGA、CPLD就直接支持邊界掃描功能；開關(guān)量模塊中的緩存器都存在同功能的掃描器件。其他測(cè)試點(diǎn)采用掃描結(jié)構(gòu)置入法實(shí)現(xiàn)邊界掃描。首先進(jìn)行簡(jiǎn)單的緩沖器、收發(fā)器、驅(qū)動(dòng)器掃描器件的測(cè)試，最后進(jìn)行FPGA、CPLD的掃描。

3.2 邊界掃描控制

整個(gè)系統(tǒng)的邊界掃描控制程序存儲(chǔ)在故障信息處理計(jì)算機(jī)中的，由計(jì)算機(jī)來協(xié)調(diào)實(shí)施整個(gè)測(cè)試過程，邊界掃描控制器接口可以在FPGA中實(shí)現(xiàn)，并負(fù)責(zé)向其他的電路板發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，完成分系統(tǒng)的邊界掃描測(cè)試。選用Alter公司的Cyclone系列FPGA芯片，型號(hào)是EP1C12F256C6。邊界掃描測(cè)試結(jié)果經(jīng)過邊界掃描控制器傳回DSP進(jìn)行處理。FPGA中應(yīng)用的是NIOSⅡ處理器單元，程序并用VHDL語言編寫。

4 結(jié)束語

邊界掃描技術(shù)提供了從元器件到板級(jí)直至系統(tǒng)級(jí)的完整測(cè)試保障方案，已經(jīng)成為可測(cè)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。隨著邊界掃描技術(shù)的發(fā)展和支持邊界掃描的芯片增加，在整個(gè)板級(jí)利用邊界掃描技術(shù)進(jìn)行可測(cè)性設(shè)計(jì)成為一種必然趨勢(shì)。JTAG不僅能測(cè)試集成電路芯片的輸入／輸出管腳的狀態(tài)，而且能夠測(cè)試芯片內(nèi)部工作情況以及直至引線極的斷路和短路故障。對(duì)芯片管腳的測(cè)試可以提供100％的故障覆蓋率，且能實(shí)現(xiàn)高精度的故障定位。因此將邊界掃描技術(shù)廣泛應(yīng)用于軍用電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和研制當(dāng)中，對(duì)降低軍事裝備系統(tǒng)的測(cè)試成本以及提高部隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力都具有重要的意義。本文結(jié)合一個(gè)具體的故障信息處理系統(tǒng)，給出了邊界掃描技術(shù)在該系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用，經(jīng)過仿真驗(yàn)證、硬件測(cè)試，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能及指標(biāo)要求。因此，故障信息處理與邊界掃描技術(shù)結(jié)合，能夠快速完成多種電路的測(cè)試與診斷，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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篇4

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車；電池管理系統(tǒng)；電磁兼容；電磁干擾

中圖分類號(hào)：TM33文獻(xiàn)標(biāo)文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文獻(xiàn)標(biāo)DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2012.06.04

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對(duì)動(dòng)力電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行檢測(cè)，估算荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），并對(duì)動(dòng)力電池提供有效保護(hù)，是電動(dòng)汽車重要的電控單元，但是BMS所處的電動(dòng)汽車整車電磁環(huán)境異常復(fù)雜。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器（通常包括PWM 型DC/AC逆變和AC/DC整流電路）和DC/DC直流變換器等組成的整車動(dòng)力系統(tǒng)工作電壓/電流高、功率大、開關(guān)頻率高，形成較強(qiáng)的電磁干擾[1-2]，它不僅制約著電動(dòng)汽車整車電磁兼容的法規(guī)通過率，還會(huì)影響車內(nèi)BMS等敏感電器系統(tǒng)的正常工作，對(duì)整車的安全可靠運(yùn)行造成威脅。因此，對(duì)電動(dòng)汽車整車及專用器件的電磁兼容性技術(shù)進(jìn)行研究[3-6]，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

結(jié)合長(zhǎng)安公司中度混合電動(dòng)汽車平臺(tái)中某型電動(dòng)車在調(diào)試過程中，出現(xiàn)的BMS受電磁干擾，導(dǎo)致采集的動(dòng)力電池電壓/電流出現(xiàn)錯(cuò)誤的實(shí)際問題，筆者研究了電動(dòng)汽車內(nèi)部主要電磁騷擾源及對(duì)BMS耦合干擾的機(jī)理，并通過BMS的有效電磁兼容性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)提升了BMS的抗電磁干擾性能。臺(tái)架試驗(yàn)和整車驗(yàn)證結(jié)果表明，經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BMS能滿足電動(dòng)汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

1 車內(nèi)電磁環(huán)境及對(duì)BMS耦合機(jī)理

1.1 車內(nèi)電磁環(huán)境分析

長(zhǎng)安公司某型中度混合電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置如圖1所示。整車動(dòng)力系統(tǒng)由額定電壓為144?V的鎳氫動(dòng)力電池及BMS、電機(jī)控制器（IPU）、直流變換器（DC/DC）及額定功率為13?kW的ISG電機(jī)與1.6?L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)組成。

1.1.1 低壓電器系統(tǒng)的干擾

首先，電動(dòng)汽車中12?V低壓電器系統(tǒng)中的各種開關(guān)、繼電器和直流電機(jī)等電感性部件在通斷過程中會(huì)在電路中形成很高的瞬變電壓，持續(xù)時(shí)間約為1?ms，最大幅值可超過-100?V。瞬變電壓的主要耦合方式為傳導(dǎo)耦合，通過共用的電源耦合進(jìn)車內(nèi)其它電子系統(tǒng)中。再則，車身控制器、空調(diào)控制器和DVD等部件的主芯片、時(shí)鐘電路、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)線和信號(hào)線等部分在工作過程中，會(huì)形成頻段覆蓋150?kHz～2.5?GHz的電磁干擾。最后，有刷直流電機(jī)、機(jī)械式電喇叭和點(diǎn)火系統(tǒng)等工作過程中產(chǎn)生的電火花，能形成頻譜很寬的輻射噪聲。

1.1.2 高壓動(dòng)力系統(tǒng)的干擾

動(dòng)力系統(tǒng)工作過程中，電機(jī)控制器IPU、直流變換器的開關(guān)器件IGBT和功率二級(jí)管工作在高速開關(guān)狀態(tài)，形成很高的du/dt和di/dt，導(dǎo)致較強(qiáng)的電磁干擾，并以傳導(dǎo)和輻射的形式影響B(tài)MS的正常工作。

1.2 對(duì)BMS耦合干擾機(jī)理

BMS及其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路主要由電源模塊、傳感器模塊、保護(hù)模塊、MCU模塊和通訊模塊等部分組成。

由于BMS采用金屬鋁質(zhì)外殼，車內(nèi)電磁干擾對(duì)BMS的耦合有兩種主要途徑：車內(nèi)的低頻瞬態(tài)和各種干擾直接通過BMS的電源線以共模或差模干擾的形式耦合進(jìn)BMS，而車內(nèi)的各種輻射干擾場(chǎng)把能量耦合在BMS的連接線束上，形成共模干擾電流耦合進(jìn)BMS。

2 BMS的抗電磁干擾技術(shù)

針對(duì)上述BMS外部的電磁干擾源和耦合機(jī)理可在BMS的電路原理設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面采取針對(duì)性的EMC設(shè)計(jì)方法[7]。重點(diǎn)對(duì)電源電路、敏感小信號(hào)采集電路、接口電路、PCB元器件布局和布線，并結(jié)合PCB的EMC仿真分析和軟件濾波技術(shù)，使BMS具有較好的抗電磁干擾性能。

2.1 BMS電路原理的EMC設(shè)計(jì)

2.1.1 供電電源電路

由于BMS的電源線與12 V蓄電池和DC/DC低壓輸出端、電機(jī)控制器低壓電源端并聯(lián)，并與車用其它電器設(shè)備共用電源系統(tǒng)，DC/DC和其它用電設(shè)備產(chǎn)生的各種低頻瞬態(tài)和高頻干擾、共模干擾可通過電源耦合進(jìn)BMS。為此設(shè)計(jì)如圖3（a）所示電源輸入電路，采用編號(hào)為V1的TVS抑制電源輸入中的瞬態(tài)干擾并提供ESD防護(hù)能力，采用編號(hào)為L(zhǎng)1和L2 的大電流磁珠抑制電源輸入中的高頻干擾，同時(shí)也抑制BMS內(nèi)部向外發(fā)射高頻干擾。通過編號(hào)為L(zhǎng)3、C1、C8、C2和C7構(gòu)成的共模濾波器濾除電源輸入中的共模噪聲和諧波干擾。通過L1、C6、C4、C5和C3組成的LC濾波電路濾除電源輸入中的差模干擾。

BMS板內(nèi)的另外一個(gè)重要電源是+5 V的主工作電源，如圖3（b）所示。該電源工作的穩(wěn)定性及抗干擾性能直接影響到系統(tǒng)的信號(hào)采集準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性。該電源抗干擾的重要措施是由L1、C4、C5組成的LC π型差模濾波電路，濾除電源線上的差模干擾，同時(shí)對(duì)板內(nèi)可能傳導(dǎo)到外部的差模干擾亦能起到有效的抑制作用。

模擬電源電路主要為BMS的模擬采集運(yùn)放電路提供穩(wěn)定的雙電源，如圖3（c）所示。

由TS1和IC1構(gòu)成具有正負(fù)輸出電壓的單端反激型開關(guān)穩(wěn)壓電路。對(duì)該電路工作頻率的選取較為關(guān)鍵，工作基頻需要避開傳導(dǎo)及輻射抗擾度等測(cè)試較敏感的頻率段。

2.1.2 關(guān)鍵敏感信號(hào)采集電路

BMS內(nèi)部的關(guān)鍵信號(hào)是動(dòng)力電池的工作電流信號(hào)，該信號(hào)的采集用于動(dòng)力電池的安時(shí)容量積分算法，計(jì)算動(dòng)力電池的SOC。該信號(hào)是mV級(jí)的弱信號(hào)，由精密錳銅合金電阻Shunt作為傳感器,因信號(hào)幅度小，極易受到干擾，造成采集電流不準(zhǔn)的問題。為此，在BMS的輸入端口處采用共模抑制電感和電容對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行了共模濾波處理，如圖4所示。

2.1.3 接插口電路

BMS的每個(gè)引腳采用串聯(lián)磁珠和并聯(lián)去耦電容的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以濾除外部高頻干擾的傳導(dǎo)耦合。磁珠和電容的選擇既要考慮能有效濾除高頻干擾，又要考慮到引腳信號(hào)的電平變化速度，及需要通過電流的大小。電容的等效阻抗可以表示如式（1），其中RS為等效串聯(lián)電阻，L為等效串聯(lián)電感，C為電容。

．

由式（1）可以看出，要取得較好的濾波效果，需要綜合考慮電容的容值大小、封裝形式及寄生參數(shù)等的影響，針對(duì)每個(gè)信號(hào)引腳，選用不同的磁珠和旁路電容。

2.2 印刷電路板的EMC設(shè)計(jì)

2.2.1 元器件布局

BMS印刷電路板的布局和布線，對(duì)BMS的電磁兼容性及產(chǎn)品的可靠性等有重要影響。布局和布線是密不可分的，PCB設(shè)計(jì)中的布局是決定布線好壞的先決條件。布局技術(shù)主要考慮以下要點(diǎn)。

（1）PCB尺寸大小和形狀。PCB的形狀設(shè)計(jì)為矩形，長(zhǎng)寬比3∶2左右，根據(jù)元器件布局和布線要求計(jì)算合理的PCB尺寸大小。

（2）使用相同電源的元器件集中布置在一起，以便電源分割。根據(jù)電路的功能單元，劃分為數(shù)字、模擬和地區(qū)域。對(duì)元器件按功能集中布置，各功能模塊分開，使相互間的干擾耦合最小，同時(shí)與電源配置的地腳也必須匹配。

（3）盡量縮短各元器件之間的引線和連接，特別是高頻元器件間的連線。去耦電容盡量靠近芯片的電源腳，晶振離MCU的距離不超過2?cm，周圍用地線包圍，并將晶振外殼接地。BMS外部輸入的信號(hào)濾波電路布置在信號(hào)引腳處。功率驅(qū)動(dòng)電路靠近接線端子，布置在PCB板邊上，所有元器件距離PCB的邊緣大于3 mm。

2.2.2 布線設(shè)計(jì)

BMS采用4層電路板，中間兩層分別為電源層和接地層，頂層和底層為信號(hào)層。電源層分為5?V數(shù)字電路電源、12?V和15?V模擬電源。按功能將接地層分隔開，為模擬電路、數(shù)字電路和大電流功率輸出電路設(shè)計(jì)單獨(dú)的地。布線時(shí)綜合考慮了以下幾方面。

（1）相鄰導(dǎo)線間的串?dāng)_。SPI信號(hào)和晶振信號(hào)與低頻信號(hào)不混合布線，數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)分開布線，頂層與底層信號(hào)布線轉(zhuǎn)角走圓弧狀，避免平行走線，相鄰層的布線相互垂直。

（2）減小關(guān)鍵信號(hào)線的走線長(zhǎng)度和回路面積。使電路中電流環(huán)路保持最小，信號(hào)線和回線盡可能靠近。使用較大的地平面以減小地線阻抗。

（3）選擇合理的導(dǎo)線寬度，并避免布線不連續(xù)。對(duì)于數(shù)字電路，可選0.2～0.3?mm導(dǎo)線寬度，電源線和地線應(yīng)盡量加寬，以減小寄生電感，地線＞電源＞信號(hào)線。電源線為1.2～2.5?mm。

圖5中給出了BMS在進(jìn)行EMC優(yōu)化布局前后，PCB元器件的布局和關(guān)鍵信號(hào)的流向圖。經(jīng)優(yōu)化后元器件的布局更為合理，電源布局更為緊湊，并消除了數(shù)字電源和模擬電源之間的電源交叉問題。優(yōu)化后易受干擾的總電流信號(hào)走線長(zhǎng)度由58.48?mm（2?302.49 mil）減小到15.83?mm（623.35?mil），使BMS系統(tǒng)的抗電磁干擾能力大幅增強(qiáng)。

2.2.3 PCB仿真設(shè)計(jì)

為了更好地優(yōu)化BMS的電磁兼容性能，應(yīng)用EMC仿真軟件對(duì)BMS板極的EMC問題進(jìn)行了建模仿真，以減少PCB上的各種輻射能量，并降低電源地平面諧振和電路回流路徑阻抗。

圖6中給出了應(yīng)用EMC仿真軟件對(duì)BMS地諧振問題進(jìn)行優(yōu)化前后的對(duì)比圖。通過仿真分析和優(yōu)化，地諧振幅度減小了10?dB以上，有效提升了BMS的電磁兼容性能。

2.3 結(jié)構(gòu)及其它EMC設(shè)計(jì)

BMS外殼采用鋁質(zhì)外殼，PCB的外邊四周采用覆銅設(shè)計(jì)，并良好接地。在整車上采用如圖7所示的安裝和接地設(shè)計(jì)，獲得了較好的電磁屏蔽效果，提升了BMS的電磁兼容性能。

2.4 軟件濾波技術(shù)

除了采用上述的硬件EMC設(shè)計(jì)措施外，BMS還采用了一階滯后濾波等常用軟件濾波方法，解決了瞬間脈沖干擾、隨即干擾和周期性干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集異常等問題。

一階滯后濾波傳遞函數(shù)及濾波平滑系數(shù)基于RC一階低通濾波器的特性進(jìn)行推導(dǎo)。RC電路的傳遞函數(shù)為

．

將式（2）寫成差分方程，經(jīng)整理得

，

式中：X(k)為第k次采樣值；Y(k-1)為第k-1次濾波輸出值；Y(k)為第k次濾波輸出值；為濾波平滑系數(shù)。

對(duì)式（3）兩端同時(shí)取自然對(duì)數(shù)有

，

式中：T為采樣周期。

由、及式（4）得到軟件濾波平滑系數(shù)為

．

已知截止頻率f0，可通過式（5）即確定出濾波平滑系數(shù)。

長(zhǎng)安公司中度混合電動(dòng)車所用鎳氫H45型BMS系統(tǒng)信號(hào)采集周期T=10 ms，截止頻率f0=5 Hz，可得平滑系數(shù)=0.062?5，時(shí)間常數(shù)τ=160 ms。其階躍響應(yīng)曲線如圖8所示，從中可以看到，經(jīng)濾波后的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)間有一定的延時(shí)，但完全能滿足BMS系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。

圖9中給出了BMS有無軟件濾波時(shí)，實(shí)車采集的總電壓信號(hào)。

從圖9可知，經(jīng)濾波后的BMS采集的總電壓信號(hào)更為平穩(wěn)。說明軟件濾波能有效消除BMS采集數(shù)據(jù)過程中的瞬間脈沖干擾、隨機(jī)干擾，使信號(hào)更平滑，解決了由于受到外部電磁干擾導(dǎo)致的瞬間數(shù)據(jù)異常問題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述EMC方法設(shè)計(jì)的BMS，具有較好的電磁干擾發(fā)射和抗電磁干擾能力。根據(jù)車內(nèi)電磁干擾對(duì)BMS耦合干擾的機(jī)理，及對(duì)BMS采集電壓/電流出現(xiàn)錯(cuò)誤實(shí)際問題的分析，重點(diǎn)參照《ISO 11452-4 Road Vehicles-Component Test Methods for Electrical Disturbances from Narrowband Radiated Electromagnetic Energy》標(biāo)準(zhǔn)，第4部分：Bulk Current Injection（BCI）的測(cè)試方法[8]對(duì)BMS的抗電磁干擾能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，共模電流大小為100?mA，試驗(yàn)頻率范圍為20～400?MHz。試驗(yàn)布置照片如圖10所示。

表1中給出了在抗大電流注入測(cè)試過程中，經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)前后，BMS采集的動(dòng)力電池總電壓、總電流和模塊電壓的最大偏差對(duì)比。

經(jīng)優(yōu)化后，BMS采集偏差大幅減小，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。裝有該BMS的4輛混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分別在江西南昌示范運(yùn)行了76?000?km、99 576?km、701?560?km和61?888 km，均未出現(xiàn)動(dòng)力電池參數(shù)采集錯(cuò)誤的問題，說明經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BMS能滿足電動(dòng)汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

篇5

1.1初級(jí)階段

大約在二十世紀(jì)的七十年代，早期的EDA技術(shù)處于CAD階段，出現(xiàn)了小規(guī)模的集成電路，由于傳統(tǒng)手工在制圖設(shè)計(jì)中的集成電路和集成電路板的花費(fèi)大、效率低、周期長(zhǎng)，借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)印刷，采取了CAD工具實(shí)現(xiàn)布圖布線的二維平面編輯和分析，取代了高重復(fù)性的傳統(tǒng)工藝。

1.2發(fā)展階段

到了二十世紀(jì)八十年代，EDA技術(shù)進(jìn)入了發(fā)展完善的階段。集成電路的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，電子系統(tǒng)日益復(fù)雜化，人們深入研究軟件開發(fā)，將CAD集成為系統(tǒng)，加強(qiáng)了電路的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)，這一時(shí)期的EDA技術(shù)已經(jīng)開始延伸到半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)的領(lǐng)域。

1.3成熟階段

經(jīng)過了長(zhǎng)期的發(fā)展，直至二十世紀(jì)九十年代，微電子技術(shù)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，單個(gè)芯片的集成就能夠達(dá)到幾百萬或是幾千萬甚至上億的晶體管，這種科技現(xiàn)狀對(duì)EDA技術(shù)提出更高的要求，推動(dòng)了EDA技術(shù)的發(fā)展。各類技術(shù)公司陸續(xù)開發(fā)出大規(guī)模EDA軟件系統(tǒng)，出現(xiàn)了系統(tǒng)級(jí)仿真、高級(jí)語言描述和綜合技術(shù)的EDA技術(shù)。

2EDA技術(shù)軟件

2.1EWB軟件

所謂EWB是一種基于PC的電子設(shè)計(jì)軟件，具備了集成化工具、仿真器、原理圖輸入、分析、設(shè)計(jì)文件夾、接口等六大特點(diǎn)。

2.2PROTEL軟件

該技術(shù)軟件廣泛應(yīng)用了Prote199，主要由電路原理圖的設(shè)計(jì)系統(tǒng)和印刷電路板的設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩大部分組成。高層次的設(shè)計(jì)技術(shù)在近年的國際EDA技術(shù)領(lǐng)域開發(fā)、研究、應(yīng)用中成為熱門課題，并且迅速發(fā)展，成果顯著。該領(lǐng)域主要包括了硬件語言描述、高層次模擬、高層次的綜合技術(shù)等，伴隨著科技水平的提升，EDA技術(shù)也必然會(huì)朝向更高層次的自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)不斷發(fā)展。

3EDA在電子工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技術(shù)流程

近年來的EDA技術(shù)深入到了各個(gè)領(lǐng)域，包括了通信、醫(yī)藥、化工、生物、航空航天等等，但是在電子工程設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中應(yīng)用的最為突出，主要利用了EDA技術(shù)為虛擬儀器的測(cè)試產(chǎn)品提供了技術(shù)支持。EDA技術(shù)在電子工程設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，主要應(yīng)用于了電路設(shè)計(jì)仿真分析、電路特性優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。主要的技術(shù)流程如下：

3.1源程序

通常情況下，電子工程設(shè)計(jì)首要的步驟就是通過EDA技術(shù)領(lǐng)域中的器件軟件，利用了文本或者是圖形編輯器的方式來進(jìn)行展示。不管是圖形編輯器或者是文本編輯器的使用，都需要應(yīng)用EDA工具進(jìn)行排錯(cuò)和編譯的工作，文件能夠?qū)崿F(xiàn)格式的轉(zhuǎn)化，為邏輯綜合分析提供了準(zhǔn)備工作。只要輸入了源程序，就能夠?qū)崿F(xiàn)仿真器的仿真。

3.2邏輯綜合

在源程序中應(yīng)用了實(shí)現(xiàn)了VHDL的格式轉(zhuǎn)化之后，就進(jìn)入了邏輯綜合分析的環(huán)節(jié)。運(yùn)用綜合器就能夠?qū)㈦娐吩O(shè)計(jì)過程中使用的高級(jí)指令轉(zhuǎn)換成層次較低的設(shè)計(jì)語言，這就是邏輯綜合。通過邏輯綜合的過程，這可以看作是電子設(shè)計(jì)的目標(biāo)優(yōu)化過程，將文件輸入仿真器，實(shí)施仿真操作，保持功效和結(jié)果的一致性。

3.3時(shí)序仿真

在實(shí)現(xiàn)了邏輯綜合透配之后，就可以進(jìn)行時(shí)序仿真的環(huán)節(jié)了，所謂的時(shí)序仿真指的就是將基于布線器和適配器出現(xiàn)的VHDL文件運(yùn)用適當(dāng)?shù)氖侄蝹鬟_(dá)到仿真器中，開始部分仿真。VHDL仿真器考慮到了器件特性，所以適配后的時(shí)序仿真結(jié)果較為精確。

3.4仿真分析

在確定了電子工程設(shè)計(jì)方案之后，利用系統(tǒng)仿真或者是結(jié)構(gòu)模擬的方法進(jìn)行方案的合理性和可行性研究分析。利用EDA技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)環(huán)節(jié)的函數(shù)傳遞，選取相關(guān)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。這一系統(tǒng)的仿真技術(shù)同樣可以運(yùn)用到其他非電子工程專業(yè)設(shè)計(jì)的工作中，能夠應(yīng)用到方案構(gòu)思和理論驗(yàn)證等方面。

4結(jié)束語

篇6

關(guān)鍵詞：國產(chǎn)發(fā)射機(jī) ARM7單片機(jī) 控制系統(tǒng) 通信任務(wù) 軟件設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（a）-0030-03

DF500A型國產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)是由北京北廣科技股份有限公司研制生產(chǎn)的，整機(jī)由射頻系統(tǒng)、調(diào)制器系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：上位機(jī)人機(jī)交互自動(dòng)控制系統(tǒng)，邏輯控制系統(tǒng)，調(diào)諧控制系統(tǒng)，燈絲控制系統(tǒng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)作為發(fā)射機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，采用了CPCD+ARM+工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等技術(shù)開臺(tái)同步自主開發(fā)，其中由ARM單片機(jī)作為核心處理器的自動(dòng)控制系統(tǒng)是現(xiàn)今比較流行，使用最廣泛也是最先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)具有運(yùn)算處理能力強(qiáng)，與PC通信方便、成本低，針對(duì)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)、用戶使用方便等方面的優(yōu)勢(shì)。DF500A型500 kW發(fā)射機(jī)按照行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)規(guī)范的要求開發(fā)出來的自動(dòng)控制系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)了發(fā)射機(jī)自動(dòng)開關(guān)機(jī)，自動(dòng)調(diào)諧，故障診斷，網(wǎng)絡(luò)管理，遠(yuǎn)程監(jiān)控等諸多功能。

1 基于ARM7單片機(jī)的發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能說明

1.1 發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)介紹

DF500A型國產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)的核心控制系統(tǒng)主要由ARM7單片機(jī)系列的芯片LPC2388為核心處理器組成的。LPC2388芯片是Philis公司生產(chǎn)的基于實(shí)時(shí)仿真的32位ARM7TDMI-S微處理器，適用于為了各種需要而進(jìn)行通訊的應(yīng)用。它包含了4個(gè)UART、1個(gè)SPI、2個(gè)同步串行端口（SSP）、3個(gè)I2C接口、2路CAN通道、1個(gè)I2S接口、10/100Ethernet MAC、USB2.0等接口并支持OTG等功能。LPC2388具有高達(dá)512 K的Flash存儲(chǔ)器和96K的SRAM。Flash在ARM的局部總線上，能夠進(jìn)行高性能的CPU訪問：有兩個(gè)AHB系統(tǒng)，可以同步進(jìn)行Ethernet DMA、USB DMA和片內(nèi)Flash執(zhí)行程序；先進(jìn)的中斷向量控制器，可以支持多大32個(gè)中斷，還具有通用定時(shí)器、RTC、看門狗等功能模塊。LPC2388的工作電壓一般3.0～3.6 V，有空閑、睡眠、掉電和深度掉電等四個(gè)低功耗模式；內(nèi)部有4 MHz的RC振蕩器，還選擇作為系統(tǒng)時(shí)鐘，片內(nèi)PLL可使系統(tǒng)時(shí)鐘最高工作在72 MHz；封裝在LQFP144。以上這些特點(diǎn)使它非常適合工業(yè)控制等領(lǐng)域。

DF500A型國產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)主要包括通信控制板（ARM1）、調(diào)諧控制板（ARM2）、邏輯控制器、上位機(jī)組成，整機(jī)的自動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

ARM1通信控制板主要功能是負(fù)責(zé)與上位機(jī)、ARM2、CPLD進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)控制發(fā)射機(jī)開關(guān)機(jī)、調(diào)諧以及狀態(tài)信息、報(bào)警信息的及時(shí)上傳。ARM2調(diào)諧控制板主要是負(fù)責(zé)調(diào)諧，接收ARM1發(fā)送的調(diào)諧命令，上傳通過A/D轉(zhuǎn)換獲取的狀態(tài)信息，以及通過D/A接口控制發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)諧；同時(shí)，ARM2可通過顯示器及鍵盤實(shí)現(xiàn)手動(dòng)微調(diào)馬達(dá)。

1.2 發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制板功能說明

1.2.1母板

母板負(fù)責(zé)鏈接ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換板、DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換板、通信控制板ARM1、調(diào)諧控制板ARM2和通信接口板，進(jìn)行各個(gè)電路板之間信號(hào)的鏈接和轉(zhuǎn)換。

1.2.2ADC模/數(shù)轉(zhuǎn)換板

ADC電路板行主要由兩個(gè)多路選擇開關(guān)（ADG40）和一個(gè)AD轉(zhuǎn)換芯片（AD7233）及其電路組成，并且整個(gè)控制系統(tǒng)的電源（+24V）從該板輸入。功能是把十三路馬達(dá)位置數(shù)據(jù)和各種表值數(shù)據(jù)的模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給調(diào)諧板ARM2。

1.2.3DAC數(shù)/模轉(zhuǎn)換板

DAC電路板主要由兩個(gè)DA轉(zhuǎn)換芯片（AD7839）及其電路組成。功能是把調(diào)諧控制板AMR2傳送過來的13路馬達(dá)控制信號(hào)由數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量去控制13路電機(jī)，并且激勵(lì)器的控制從該板輸出。

1.2.4通信接口板

通信接口板功能是負(fù)責(zé)控制板和設(shè)備的接口，光耦隔離進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)設(shè)備。X2是邏輯控制的接口，X6是波段控制的接口。

1.2.5通信控制板ARM1

通信控制板ARM1主要由ARM7芯片LPC2388和iPort模塊組成，主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信、調(diào)諧控制板ARM2通信和一些邏輯控制功能。通信控制板ARM1實(shí)現(xiàn)的邏輯功能有關(guān)機(jī)、黑燈絲、紅燈絲、高壓合、高壓斷、復(fù)位、快速燈絲、封鎖音周、封鎖PSM指令。

1.2.6調(diào)諧控制板ARM2

調(diào)諧控制板ARM2主要由ARM7芯片LPC2388和液晶顯示模塊組成，主要是負(fù)責(zé)調(diào)諧控制、與邏輯控制器通信、與通信控制板ARM1通信、液晶顯示、指示燈和一些邏輯控制功能。調(diào)諧控制板ARM2實(shí)現(xiàn)的邏輯功能有高功率、低功率、升功率、降功率和啟動(dòng)調(diào)諧。

1.2.7邏輯控制器

邏輯控制器主要采用兩片EPM7512EAQI208作為核心處理器（一片負(fù)責(zé)所有的邏輯控制，一片負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信），輸入接口電路、輸出接口電路、狀態(tài)指示燈電路作為外部接口電路。它主要完成如下三方面的功能：一、實(shí)時(shí)采樣。控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)采樣一百多路發(fā)射機(jī)風(fēng)路、水路、燈絲、高壓、馬達(dá)等各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)量，并通過RS232串行通信方式上傳至上位機(jī)。二、故障處理?？刂破飨到y(tǒng)通過采樣到的狀態(tài)量分析發(fā)射機(jī)的運(yùn)行狀況，并采取相應(yīng)保護(hù)措施。三、控制命令處理。操作人員可以通過上位機(jī)控制或手動(dòng)按鍵控制實(shí)現(xiàn)整個(gè)發(fā)射機(jī)的過程控制

2 ARM7單片機(jī)的發(fā)射機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想

2.1 通信控制板ARM1的軟件設(shè)計(jì)介紹

單片機(jī)ARM1主要負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，它的通信任務(wù)包括：接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令；上傳ARM2及CPLD的狀態(tài)信息；上傳命令執(zhí)行過程中的日志信息。單片機(jī)ARM1與上位機(jī)的通信采用UART3串行接口模塊實(shí)現(xiàn)。

通信控制板ARM1設(shè)計(jì)思想如下。

（1）LED指示工作狀態(tài)，1Hz頻率閃爍。

（2）為每個(gè)通訊設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)任務(wù)，用于上發(fā)和下傳指令。

（3）關(guān)機(jī)、開機(jī)、調(diào)諧三個(gè)獨(dú)立的任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)控制邏輯。

（4）掃描運(yùn)行圖任務(wù)，根據(jù)本地運(yùn)行圖自動(dòng)觸發(fā)運(yùn)行時(shí)間，給調(diào)諧任務(wù)發(fā)送信號(hào)量。

（5）上傳狀態(tài)信息任務(wù)，該任務(wù)每隔2 s向PC端發(fā)送最新的CPLD狀態(tài)信息和ARM2讀取的狀態(tài)信息。

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關(guān)鍵字： ADS； 平行耦合微帶線； 帶通濾波器； [S]參數(shù)

中圖分類號(hào)： TN713?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）23?0078?03

Design simulation and measurement of the parallel coupled microstrip bandpass filter

XU Cong， TANG Xing

（Wuhan Research Institute of Posts and Telecommunications， Wuhan 430070， China）

Abstract： With the aid of ADS （Advanced Design System）， a parallel coupled microstrip bandpass filter is designed， which can be applied in ODU of digital microwave transmission system with 11 GHz frequency band. The centre frequency of the filter is 11 GHz， the bandwidth is 1.5 GHz. The object was tested and the performance of [S] parameter agree well with the results of the simulation optimization and the design indexes.

Keywords： ADS； parallel coupled microstrip； bandpass filter； [S] parameter

0 引 言

近年來，隨著無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，微波射頻器件得到了越來越多的應(yīng)用。濾波器是選擇有用信號(hào)，抑制無用信號(hào)的器件，高頻濾波器作為微波射頻系統(tǒng)中常用的無源器件之一，其性能好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。微帶濾波器具有體積小、性能好、成本低等特點(diǎn)，在微波射頻電路系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 基本原理

微帶濾波器中最常用的就是耦合微帶線濾波器，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，構(gòu)成諧振電路。平行耦合微帶傳輸線由兩個(gè)平行微帶傳輸線緊靠在一起構(gòu)成，由于兩個(gè)傳輸線之間電磁場(chǎng)的相互作用，在兩個(gè)傳輸線之間會(huì)有功率耦合，使得射頻信號(hào)通過，阻斷低頻信號(hào)，因此，這種兩條平行的微帶線就被用來構(gòu)成帶通濾波器單元。

由于單個(gè)帶通濾波器單元不能提供良好的頻率特性，工程應(yīng)用中經(jīng)常采用多個(gè)耦合線段級(jí)聯(lián)的形式構(gòu)成帶通濾波器。一個(gè)典型的微帶濾波器結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為其等效電路。

圖1 典型的微帶濾波器結(jié)構(gòu)

圖2 濾波器等效電路

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

用于11 GHz數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)室外單元（ODU）的微帶帶通濾波器頻率已經(jīng)達(dá)到了微波頻段，實(shí)際仿真及制作起來難度較大，對(duì)PCB板材要求也比較高。本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)微波頻段濾波器的方法，最后給出濾波器測(cè)試[S]參數(shù)與仿真優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。11 GHz濾波器具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

（1）帶內(nèi)波動(dòng)1 dB；

（2）對(duì)8.8 GHz以下衰減不小于50 dB，對(duì)12.6 GHz以上衰減不小于30 dB；

（3）中心頻率為11 GHz，10.38 GHz≤3 dB帶寬≤11.62 GHz；

（4）輸入輸出阻抗均為50 Ω。

2.2 仿真設(shè)計(jì)

不同材料的印刷電路板的介電常數(shù)是不同的，從而使計(jì)算得到的耦合微帶線的參數(shù)也不一致。PCB板具體參數(shù)如下：基板厚度[H]為20 mil；基板相對(duì)介電常數(shù)Er為3.66；磁導(dǎo)率Mur為1；金屬電導(dǎo)率為1.0E+50；封裝高度Hu為（3.9E+34）mil；金屬層厚度為0.035 mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)和歸一化頻率公式（1），選擇[n=4]的3 dB波紋切比雪夫低通原型濾波器，查表可得對(duì)應(yīng)的低通濾波器原型的元件參數(shù)為：[g1=3.438 9；g2=][0.748 3；][g3=4.347 1；g4=0.592 0；g5=5.809 5。]

[Ω=ωcωU-ωLωωc-ωcω] （1）

利用低通濾波器原型的元件參數(shù)和BW可以確定帶通濾波器耦合傳輸線的奇模和偶模特征阻抗：[ZOi，i+1=ZO1-ZOJi，i+1+ZOJi，i+12] （2）

[ZEi，i+1=ZO1+ZOJi，i+1+ZOJi，i+12] （3）

其中：[J0，1=1ZOπBW2g0g1；Ji，i+1=1ZOπBW2gigi+1；JN，N+1=][1zOπBW2gNgN+1。]

由上面式子計(jì)算得到相應(yīng)的奇模和偶模特征阻抗，見表1。

表1 耦合微帶線的奇模、偶模特性阻抗 Ω

[[i]＼&0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&[ZOi，i+1]＼&41.230 5＼&45.090 1＼&45.573 1＼&45.090 2＼&41.229 0＼&[ZEi，i+1]＼&63.620 8＼&56.128 4＼&55.390 8＼&56.128 2＼&63.919 5＼&]

再利用ADS自帶的LineCalc軟件（見圖3）可以計(jì)算微帶線的尺寸，結(jié)果見表2。

表2 各節(jié)耦合微帶線尺寸 mm

[[i]＼&0＼&1＼&2＼&3＼&4＼&[W]＼&0.984 6＼&1.076 9＼&1.083 4＼&1.076 9＼&0.979 1＼&[S]＼&0.238 7＼&0.611 0＼&0.689 6＼&0.611 0＼&0.234 7＼&[L]＼&3.673 2＼&3.632 1＼&3.628 9＼&3.632 1＼&3.674 7＼&]

2.3 原理圖仿真結(jié)果分析及優(yōu)化

在ADS中建立好電路，將前面計(jì)算得到的[W，S，L]參數(shù)輸入，進(jìn)行仿真。其[S]參數(shù)掃描曲線圖如圖4所示，中心頻點(diǎn)出現(xiàn)了偏移。一般來說，理論值的仿真結(jié)果與實(shí)際指標(biāo)要求差距較大，需要進(jìn)行優(yōu)化仿真。

在進(jìn)行優(yōu)化仿真時(shí)，主要是以濾波器的[S]參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。[S21（S12）]是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在[S21（S12）]隨頻率變化曲線的形狀上。[S11（S22）]參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。使用ADS中的優(yōu)化控件Optim進(jìn)行優(yōu)化，并用Goal控件設(shè)置[S]參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。其原理圖如圖5所示。

圖3 ADS LineCalc界面

圖4 理論計(jì)算值仿真曲線

圖5 平行耦合微帶線帶通濾波器仿真原理圖

經(jīng)過數(shù)次優(yōu)化和調(diào)整，最后確定的數(shù)值為：[W1=]0.75 mm；[W2=]0.841 133 mm；[S1=]0.2 mm；[S2=]0.59 mm；[L1=]3.87 mm；[L2=]3.815 mm。

仿真所得[S]參數(shù)曲線如圖6所示，從圖中可以看出，濾波器在帶內(nèi)插損為0.4 dB，帶內(nèi)波動(dòng)小于0.5 dB，8.8 GHz處的衰減為42 dB，12.6 GHz處的衰減為22.5 dB，各項(xiàng)參數(shù)基本都滿足了指標(biāo)要求。

圖6 平行耦合微帶線帶通濾波器仿真結(jié)果

原理圖仿真是在完全理想的傳輸特性下進(jìn)行的，仿真結(jié)果并不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際電路板的最終特性，這就需要考慮干擾、耦合、板材等實(shí)際因素的影響。因此，根據(jù)微帶濾波器原理圖還要進(jìn)一步生成版圖，在版圖的基礎(chǔ)上再進(jìn)行參數(shù)修改，使設(shè)計(jì)的濾波器參數(shù)達(dá)到指標(biāo)要求。由優(yōu)化后的原理圖生成的版圖如圖7所示。

圖7 微帶線濾波器版圖

版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在此作為對(duì)原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過大，如果相差過大就會(huì)造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進(jìn)行優(yōu)化。

由原理圖直接生成的版圖仿真指標(biāo)一般與設(shè)計(jì)要求有一定差距，所以需要根據(jù)版圖仿真結(jié)果與指標(biāo)要求的差別來返回原理圖中進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)修改，或者直接在版圖中進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。一般而言，改變W1會(huì)影響帶內(nèi)波動(dòng)大??；改變W2會(huì)影響中心頻點(diǎn)；改變S1會(huì)影響帶外衰減；改變S2會(huì)影響帶內(nèi)插損；改變L1、L2會(huì)影響中心頻點(diǎn)。通過不斷地調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，能得到比較好的仿真結(jié)果，如圖8所示。帶內(nèi)波動(dòng)及帶內(nèi)插損指標(biāo)比較好，但是帶外抑制指標(biāo)有一定程度的惡化。

2.4 濾波器測(cè)試

將仿真完成后的版圖用DXP軟件導(dǎo)成電路版圖，制成PCB板后，安裝到結(jié)構(gòu)件上用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9，圖10所示。由圖可見，實(shí)際制成的濾波器帶內(nèi)插損比仿真結(jié)果大2 dB左右，帶內(nèi)波動(dòng)小于0.5 dB，帶外衰減與版圖仿真結(jié)果相差不大?？梢詰?yīng)用于11G數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)室外單元中。

圖8 微帶線帶通濾波器版圖仿真結(jié)果

圖9 濾波器[S21]參數(shù)測(cè)試曲線

圖10 濾波器[S11]參數(shù)測(cè)試曲線

3 結(jié) 語

本文運(yùn)用ADS軟件輔助設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)際應(yīng)用于微波系統(tǒng)的平行耦合微帶濾波器，詳細(xì)說明了設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方法，從最后的濾波器實(shí)物測(cè)試結(jié)果可以看到，使用ADS輔助設(shè)計(jì)方法理論計(jì)算簡(jiǎn)單，能有效地提高工程師的效率，并且所設(shè)計(jì)的濾波器能夠滿足實(shí)際系統(tǒng)的指標(biāo)要求。

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篇8

【關(guān)鍵詞】EDA技術(shù)；電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)；自頂向下設(shè)計(jì)方法

EDA技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)與電子設(shè)計(jì)技術(shù)相結(jié)合的一門嶄新的技術(shù)，其涉及面廣，融合了電路系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用、微電子等多個(gè)學(xué)科。應(yīng)用EDA技術(shù)，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的全過程都可依靠計(jì)算機(jī)來完成，大大縮短了電子電路設(shè)計(jì)的周期，提升了設(shè)計(jì)效率，滿足了市場(chǎng)需求。因此，分析EDA技術(shù)在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)于基于EDA技術(shù)的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的長(zhǎng)足發(fā)展有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、EDA技術(shù)簡(jiǎn)介

EDA是電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation）的英文縮寫。EDA技術(shù)作為現(xiàn)代電子技術(shù)的核心，它以大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷樵O(shè)計(jì)載體，以硬件描述語言HDL為系統(tǒng)邏輯描述的主要表達(dá)方式，以計(jì)算機(jī)、大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷拈_發(fā)軟件及實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)開發(fā)工具，對(duì)設(shè)計(jì)文件自動(dòng)完成邏輯化簡(jiǎn)、邏輯編譯、邏輯分割、邏輯綜合、布局布線，以及邏輯優(yōu)化和仿真測(cè)試，直至實(shí)現(xiàn)既定的電子系統(tǒng)功能。

二、EDA技術(shù)的產(chǎn)生背景與內(nèi)容

在20世紀(jì)后半期，隨著計(jì)算機(jī)和集成電路的迅速發(fā)展，專用集成電路設(shè)計(jì)難度不斷提升，電子設(shè)計(jì)周期日益縮短，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為了解決這一問題，電子設(shè)計(jì)人員需要新的設(shè)計(jì)方法和高層次的設(shè)計(jì)工具，而EDA技術(shù)就在這一現(xiàn)實(shí)背景下產(chǎn)生了。

EDA技術(shù)內(nèi)容豐富，涉及面廣。但從應(yīng)用的角度出發(fā)，應(yīng)了解和掌握以下四個(gè)方面的內(nèi)容：（1）、硬件描述語言；（2）、大規(guī)模可編程邏輯器件的原理、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用；（3）、EDA工具軟件的使用；（4）、實(shí)驗(yàn)開發(fā)系統(tǒng)。在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，EDA技術(shù)的這四個(gè)內(nèi)容依次扮演著表達(dá)方式、載體、設(shè)計(jì)工具、下載及硬件驗(yàn)證工具。

三、在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中EDA技術(shù)的應(yīng)用

1、在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中面向CPLD/FPGA的EDA設(shè)計(jì)流程

完整地了解利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的流程對(duì)于正確地選擇和使用EDA軟件，優(yōu)化設(shè)計(jì)項(xiàng)目，提高設(shè)計(jì)效率十分有益。一個(gè)完整的EDA設(shè)計(jì)流程其基本步驟如下：第一，用一定邏輯表達(dá)手段將設(shè)計(jì)表達(dá)出來，以進(jìn)行源程序的編輯和編譯；第二，對(duì)設(shè)計(jì)輸入做邏輯綜合和優(yōu)化，進(jìn)而使其生成網(wǎng)表文件；第三，在選定的目標(biāo)器件中應(yīng)用適配器件完成邏輯映射操作；第四，用下載電纜或編程器將編程文件載入目標(biāo)芯片中；最后，要進(jìn)行硬件仿真和硬件測(cè)試，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在設(shè)計(jì)過程中要進(jìn)行有關(guān)軟件仿真，模擬有關(guān)設(shè)計(jì)結(jié)果與設(shè)計(jì)構(gòu)想是否相符。

2、EDA技術(shù)與傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的比較

（1）傳統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的弊端

傳統(tǒng)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法都是自底向上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，手工設(shè)計(jì)占很大比重。設(shè)計(jì)過程中首先要確定可用的元器件，然后根據(jù)這些器件進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，完成各模塊后進(jìn)行連接，最后形成系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)方法只是在對(duì)電路板進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)電路板把具有固定功能的標(biāo)準(zhǔn)集成電路和元器件規(guī)劃在一起，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，它存在很多缺點(diǎn)，比如：只有在設(shè)計(jì)出樣機(jī)或生產(chǎn)出芯片后才能進(jìn)行實(shí)測(cè)；在設(shè)計(jì)中，如果某處出現(xiàn)錯(cuò)誤，查找和修改十分不便；設(shè)計(jì)成果的可移植性較差；設(shè)計(jì)過程中將產(chǎn)生大量文檔，不易管理；對(duì)于復(fù)雜電路的設(shè)計(jì)、調(diào)試十分困難等。

（2）現(xiàn)代EDA技術(shù)的優(yōu)越性

采用EDA技術(shù)的現(xiàn)代電子產(chǎn)品與傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有很大區(qū)別?；贓DA技術(shù)的設(shè)計(jì)方法是自頂向下進(jìn)行的。設(shè)計(jì)工作從高層開始，采用完全獨(dú)立于目標(biāo)器件芯片物理結(jié)構(gòu)的硬件描述語言，對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行基本功能或行為級(jí)的描述和定義，逐層描述，逐層仿真，在確保設(shè)計(jì)的可行性與正確性的前提下，完成功能確認(rèn)。

在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天，采用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有很多優(yōu)勢(shì)，比如：采用的“自頂向下”設(shè)計(jì)方法是一種模塊化設(shè)計(jì)方法，對(duì)設(shè)計(jì)的描述從上到下逐步由粗略到詳細(xì)，符合常規(guī)的邏輯思維習(xí)慣；采用完全獨(dú)立于目標(biāo)器件的硬件描述語言進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)易于在各種集成電路工藝或可編程器件之間移植；由于高層設(shè)計(jì)同目標(biāo)器件無關(guān)，在設(shè)計(jì)最初階段，設(shè)計(jì)人員可以不受芯片結(jié)構(gòu)的約束，集中精力對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行最適應(yīng)市場(chǎng)需求的設(shè)計(jì)，從而避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的再設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，縮短了產(chǎn)品的上市周期；適合多個(gè)設(shè)計(jì)者同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)等。

四、結(jié)語

通過論述EDA技術(shù)在電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，可以看出，EDA技術(shù)“自頂向下”的設(shè)計(jì)理念，使電子設(shè)計(jì)工程師開始實(shí)現(xiàn)“概念驅(qū)動(dòng)工程”的夢(mèng)想，簡(jiǎn)化了繁瑣的設(shè)計(jì)工作，極大地提高了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的效率，能夠滿足現(xiàn)代電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。21世紀(jì)是EDA技術(shù)的發(fā)展高速期，相信隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷進(jìn)步，在不久的將來，EDA技術(shù)必將突破電子設(shè)計(jì)范疇，進(jìn)入其他領(lǐng)域，EDA技術(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)用必將取得更輝煌的成績(jī)。

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篇9

【關(guān)鍵詞】投影機(jī)；熱管理；LED光源；DLP；風(fēng)扇；散熱器；熱阻；導(dǎo)熱墊

引言

LED投影機(jī)是指采用LED光源的投影機(jī)，分為便攜式投影機(jī)和微型投影機(jī)以及LED背投等。LED投影機(jī)以其便攜、時(shí)尚、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)成為目前投影機(jī)的三大發(fā)展趨勢(shì)之一。因此，各投影廠商紛紛推出自己的LED投影產(chǎn)品，力爭(zhēng)盡快占領(lǐng)該市場(chǎng)的制高點(diǎn)。但是LED投影機(jī)的設(shè)計(jì)卻不是一件易事，相對(duì)于傳統(tǒng)的投影機(jī)而言有著突出的技術(shù)難度，其中熱管理就是其中之一，而LED投影機(jī)熱管理的核心則是LED光源。

LED是Light Emitting Diode的縮寫，即發(fā)光二極管，是溫度敏感器件，它的壽命和可靠性嚴(yán)重依賴著LED的結(jié)溫，在較高的結(jié)溫下工作將導(dǎo)致產(chǎn)品壽命的縮短——有關(guān)資料顯示，一般LED結(jié)溫溫度每上升10℃，則它的壽命將縮短一半，而故障率則提高一倍。另外，隨著結(jié)溫的升高，LED的效率將下降。尤其是用作投影機(jī)的LED光源，它的輸入功率的80%以上都要轉(zhuǎn)化為熱量，也就是說如果光輸出每提高1，則LED的熱耗將有近10倍的提高，在推薦的脈沖驅(qū)動(dòng)電流條件下它的瞬間熱流密度可以高達(dá)1200W/cm2以上，這正是散熱問題成為制約LED投影機(jī)亮度提升瓶頸的重要原因。總之，LED的性能將取決于建立在它們周圍的熱管理系統(tǒng)，一個(gè)好的熱管理系統(tǒng)將對(duì)亮度、壽命和可靠性產(chǎn)生積極的影響。因此，保持LED的工作溫度在盡可能低的狀態(tài)是很重要的，合適的熱管理是LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)最重要的方面之一。

任何系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)一般都要考慮到以下五個(gè)方面的因素：系統(tǒng)及器件的熱耗、系統(tǒng)及器件的熱要求、系統(tǒng)工作環(huán)境、風(fēng)量與風(fēng)阻損失、熱阻。其中，前三個(gè)因素都可以根據(jù)系統(tǒng)或器件的相關(guān)技術(shù)條件或要求而確定，確定了前三個(gè)因素，我們就可以確定系統(tǒng)及器件所需的風(fēng)量，進(jìn)一步我們可以計(jì)算出每個(gè)器件的熱阻，因此系統(tǒng)風(fēng)量風(fēng)阻的求解（系統(tǒng)風(fēng)扇的選擇）以及熱阻的設(shè)計(jì)便成了系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的核心問題。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求或目標(biāo)

1、系統(tǒng)功耗：標(biāo)準(zhǔn)模式約90W，文本模式約120W。

2、風(fēng)扇長(zhǎng)寬尺寸小于50mm。

3、出入風(fēng)口的最大平均溫差小于25℃。

4、LED光源壽命：標(biāo)準(zhǔn)模式下不低于40,000h；高亮模式下不低于20,000h。

5、系統(tǒng)噪音小于30dB。

二、系統(tǒng)風(fēng)扇選型

1、系統(tǒng)風(fēng)量計(jì)算及風(fēng)扇初步選型

如圖1所示，系統(tǒng)熱耗H，入口溫度T1，出口溫度T2。

則系統(tǒng)散熱所需風(fēng)量可按下面的簡(jiǎn)化公式計(jì)算：

Q=0.05H/T （1）

式中，Q的單位為m3/min，H的單位為W，T的溫度為℃。

在標(biāo)準(zhǔn)模式下，按系統(tǒng)最大功耗90W計(jì)算，其中約80%轉(zhuǎn)化為熱能，即系統(tǒng)熱耗H=72W。在這種模式下我們一般希望出入口的平均溫差T＜20℃，則根據(jù)（1）式計(jì)算得到系統(tǒng)所需風(fēng)量＞0.18m3/min。

在文本模式下，按系統(tǒng)最大功耗120W計(jì)算，其中約80%轉(zhuǎn)化為熱能，即系統(tǒng)熱耗H=96W。這時(shí)如果我們要控制出入口的溫差T＜25℃，則根據(jù)（1）式計(jì)算得到系統(tǒng)所需風(fēng)量＞0.192m3/min。因此，我們風(fēng)扇選型時(shí)必須滿足這一最大風(fēng)量要求。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，同時(shí)考慮到系統(tǒng)對(duì)風(fēng)扇體積的要求，我們優(yōu)選Delta的40型風(fēng)扇或45型風(fēng)扇——參考Delta風(fēng)扇規(guī)格書。

2、系統(tǒng)壓力損失計(jì)算

我們按速度頭法計(jì)算系統(tǒng)的壓力損失。下式即為速度頭計(jì)算公式。

式中，速度頭Hv，單位Pa；流體速度V，單位m/s。

我們?nèi)∠到y(tǒng)的入口、風(fēng)扇、系統(tǒng)最小中心截面、出口四個(gè)典型位置分別在風(fēng)量為0.06m3/min、0.12m3/min、0.18m3/min、0.24m3/min和0.3m3/min的條件下計(jì)算速度頭損失。由于這種方法為近似計(jì)算，為了得到盡可能接近實(shí)際的情況，我們將上述位置的壓力損失都按一個(gè)速度頭損失來計(jì)算。

其它條件：系統(tǒng)的出入口面積約為0.002m2，系統(tǒng)中心最小有效截面積約為0.00275m2，Delta40型風(fēng)扇有效通風(fēng)面積約為0.00075m2，45型風(fēng)扇的有效通風(fēng)面積約為0.0011m2。

則按照公式（2），采用40型風(fēng)扇和45型風(fēng)扇的系統(tǒng)速度頭損失如表1。

3、風(fēng)扇工作點(diǎn)計(jì)算及確認(rèn)

根據(jù)系統(tǒng)所需風(fēng)量計(jì)算結(jié)果和系統(tǒng)體積要求，我們初步選擇了Delta的40型風(fēng)扇或45型風(fēng)扇。另外，考慮系統(tǒng)噪音指標(biāo)，根據(jù)聲學(xué)理論，風(fēng)扇的固有噪音最好低于25dB。因此，我們選擇40型的AFB0412MB和45型的AFB04512LB做初步的分析計(jì)算。表2是這兩型風(fēng)扇的主要性能列表。

根據(jù)風(fēng)扇的P-Q特性（參考Delta風(fēng)扇規(guī)格書）和系統(tǒng)壓力損失特性（根據(jù)表1可得），我們可以通過作圖法求得風(fēng)扇的工作點(diǎn)。

由圖2和圖3可見，兩款風(fēng)扇都不能滿足系統(tǒng)風(fēng)量的要求，因此需要將兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)。兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)后，系統(tǒng)的阻力損失如表3。

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)并結(jié)合風(fēng)扇并聯(lián)時(shí)的P-Q特性，風(fēng)扇的工作點(diǎn)分別如圖4、圖5所示。

由圖4和圖5可見，兩個(gè)風(fēng)扇并聯(lián)后都能很好的滿足系統(tǒng)風(fēng)量和阻力特性的需要，且AFB0412MB并聯(lián)的效果優(yōu)于AFB04512LM并聯(lián)的效果。那么，最終選擇可通過系統(tǒng)（熱、噪音、結(jié)構(gòu)等因素）的綜合評(píng)估測(cè)試做出。

三、重點(diǎn)器件熱設(shè)計(jì)

1、LED光源的熱設(shè)計(jì)

誠如引言中所述，LED光源是系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的核心。LED光源是半導(dǎo)體光源器件，是溫度敏感器件，且LED光源的功耗占系統(tǒng)功耗的70%～80%左右。因此LED光源的熱設(shè)計(jì)便是首要的重點(diǎn)熱設(shè)計(jì)器件。

表4給出了三色PT54光源的部分主要特性[17]。

對(duì)LED光源的熱設(shè)計(jì)，我們可以采用型材散熱器、水冷或熱管等技術(shù)。但無論采用那種散熱技術(shù)，LED的熱耗必須最終傳導(dǎo)至散熱器并與外界進(jìn)行熱量交換，因此LED熱設(shè)計(jì)的核心便是LED的PN結(jié)到大氣之間的熱阻設(shè)計(jì)。這個(gè)熱阻可按下式計(jì)算。

Rt=T/H （3）

式中，T是器件的目標(biāo)溫度與周圍環(huán)境溫度的差值，H是器件的熱耗。

首先計(jì)算T。由于參考模式是一個(gè)相對(duì)較低的模式，而標(biāo)準(zhǔn)模式下的光源壽命要求不低于40,000h，因此參考模式下的熱設(shè)計(jì)最好按25℃的環(huán)境條件下60,000h的壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)。

其次是熱耗的計(jì)算。由于LED光源要在脈沖條件下工作，因此LED器件的熱耗可按一個(gè)周期的平均熱耗進(jìn)行計(jì)算。即，

H=（電流x電壓–光輻射功率）

x占空比 （4）

綜上，將表4中的相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（3）和公式（4）得到參考脈沖電氣條件下的各色光源總熱阻（環(huán)境溫度25℃，光源壽命按60,000h計(jì)算）。（詳見表5）

根據(jù)熱阻最小的原則，我們必須按3.2℃/W的熱阻進(jìn)行單個(gè)光源的熱設(shè)計(jì)，即首先對(duì)綠色光源進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)不考慮輻射熱。

由于在可用的范圍內(nèi)型材散熱器的性價(jià)比最高，因此我們首先選擇型材散熱器進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。那么，LED散熱模塊的熱阻主要包含了四個(gè)部分，如圖6所示。一是LED模塊的熱阻，這個(gè)熱阻隨著廠家對(duì)器件的封裝而固定，這個(gè)熱阻可以從產(chǎn)品的規(guī)格書中查得。二是散熱器與LED器件之間的接觸熱阻，這個(gè)接觸熱阻隨著接觸面粗糙度的減小和接觸面積的增大而減小，但是極好的粗糙度表面的加工成本非常高，因此我們就要使用熱界面材料以減小接觸熱阻，如果熱界面材料選則恰當(dāng)，我們就可以在近似計(jì)算中忽略接觸熱阻的影響，而只考慮熱界面材料的熱阻。三是散熱器的熱阻，散熱器的熱阻與散熱器的材料、表面積、翅片形式、翅片數(shù)量、翅片厚度和翅片間距、以及流過散熱器的風(fēng)量等因素有關(guān)，是一個(gè)復(fù)雜的多變量求解問題。四是散熱器到環(huán)境的熱阻。則總熱阻RT=RLED+RPad+RHS+Ra。其中RLED是PN結(jié)到封裝基底的熱阻，RPad是光源封裝基底到導(dǎo)熱墊的熱阻，RHS是導(dǎo)熱墊到散熱器的熱阻，Ra是散熱器到周圍環(huán)境的熱阻。圖6左側(cè)為L(zhǎng)ED散熱模型圖，右側(cè)為該模型的等效熱阻圖。

下面逐步進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)目標(biāo)是RT＜3.2℃/W。

①由PT54規(guī)格書，RLED=1℃/W。

②導(dǎo)熱墊的熱阻可按下式計(jì)算。

Rt=δ/kA （5）

式中，δ是熱界面材料的厚度，單位m，k是平壁材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（m·℃），A是熱界面材料的面積，單位m2。由這個(gè)公式可見，要得到最小的熱阻，則熱界面材料的厚度要盡可能的薄，面積則要盡可能的大。初步按聯(lián)柏科技的H48-6G計(jì)算，該材料的導(dǎo)熱系數(shù)6W/（m·℃），尺寸初步按20x26x0.3（單位mm）計(jì)算。因此，由公式（5）得：

RPad=0.1℃/W

③散熱器的熱阻。如前所述，散熱器的熱阻計(jì)算是一個(gè)復(fù)雜的多變量的求解問題，因此直接求解幾乎是不可能的。但是我們可以先確定一些基本參數(shù)，然后在ANSYS中建立模型，并逐步進(jìn)行優(yōu)化求解，并將優(yōu)化的參量重點(diǎn)放在翅片數(shù)量、厚度和散熱器基底的厚度上，如果能得到一個(gè)比較好的結(jié)果，則優(yōu)化結(jié)束。如果不行，那么就在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)其它參量做進(jìn)一步的優(yōu)化。

綜合材料的性價(jià)比、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，我們選擇AL6063-T5作為散熱器的材料，該材料導(dǎo)熱系數(shù)209W/（m·℃）。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合目前市場(chǎng)上主流投影機(jī)的散熱器基本尺寸，我們初步選定散熱器的截面尺寸為38mmx24mm，長(zhǎng)度45mm，基底厚度2.5mm。

其它條件：光源熱耗31.5W，導(dǎo)熱墊H48-6G，風(fēng)扇AFB0412MB。

依據(jù)以上條件，我們?cè)贏NSYS中建立熱學(xué)模型，如圖7所示。

接下來，首先對(duì)散熱器的翅片數(shù)量和厚度進(jìn)行優(yōu)化，得到上述條件下的最佳翅片數(shù)量和厚度。圖8所示是優(yōu)化結(jié)果（說明：resis是散熱器的熱阻，T0為PN結(jié)結(jié)溫，count翅片數(shù)量，think翅片厚度）。

可見，散熱器翅片數(shù)量為17，厚度為0.00082時(shí)散熱器熱阻最小。我們固定這一組參數(shù)，再對(duì)散熱器基底厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖9所示是優(yōu)化結(jié)果。

根據(jù)以上優(yōu)化結(jié)果，同時(shí)綜合考慮散熱器加工工藝性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，我們?nèi)〕崞瑪?shù)量15，厚度0.0008，基底厚度0.0028。圖10所示是計(jì)算結(jié)果。

由圖10可見，這個(gè)熱阻為0.99，較最小熱阻增加了不到0.07，但散熱器的工藝性卻增強(qiáng)了。

④散熱器和周圍環(huán)境的熱阻Ra。這個(gè)熱阻屬于對(duì)流熱阻，按下式計(jì)算。

Ra = 1/（hc·A） （6）

式中，hc是對(duì)流換熱系數(shù)，單位W/（m2·℃）；A是散熱器的有效散熱面積，單位m2。

強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)一般在20～100之間，這里我們?nèi)?0。根據(jù)第三步散熱器優(yōu)化的結(jié)果，得散熱器的有效散熱面積約為3.2x10-2m2。代入（6）式得：

Ra=0.63℃/W

綜上，總熱阻RT=1+0.1+0.99+

0.63=2.72℃/W

顯然，這個(gè)值小于3.2℃/W，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2、DMD的熱設(shè)計(jì)

圖11所示是0.45 WXGA DMD規(guī)格書給出的測(cè)溫點(diǎn)示意圖。

由規(guī)格書：

TArray=TCeramic+(QArray·

RArray-to-Ceramic) （7）

QArray=(0.00293·SL)+0.4 （8）

式中，TArray為待計(jì)算的DMD微鏡陣列溫度，TCeramic是封裝陶瓷基底溫度，這里可取測(cè)試點(diǎn)2的溫度，QArray是微鏡陣列的熱耗，RArray-to-Ceramic是微鏡陣列到陶瓷封裝的熱阻，為2℃/W，SL是屏幕亮度。

但規(guī)格書中沒有給出TArray的工作溫度范圍，只給了測(cè)試點(diǎn)1和2的溫度要求，其中測(cè)試點(diǎn)2在工作條件下的溫度要求為-20℃～75℃。

屏幕最大亮度300lm，則由公式（8）得：

QArray=1.279W

這種條件下，由公式（7）得：

TArray–Tceramic=2.558℃

這個(gè)溫差很小，幾乎可以將測(cè)試點(diǎn)2的溫度作為微鏡陣列的溫度。因此，我們以測(cè)試點(diǎn)2為基準(zhǔn)進(jìn)行DMD的熱設(shè)計(jì)，并將設(shè)計(jì)目標(biāo)定為測(cè)試點(diǎn)相對(duì)環(huán)境的溫升不超過25℃，由于熱耗只有1.279W，因此根據(jù)公式（3）得測(cè)試點(diǎn)2到環(huán)境的熱阻為：

R=25/1.279=19.5℃/W

由于這個(gè)熱阻很大，因此參考前面光源散熱器的熱設(shè)計(jì)，這個(gè)DMD散熱器的設(shè)計(jì)就非常容易了。具體不再贅述。

3、電路板的熱設(shè)計(jì)

在LED投影機(jī)中電路板一般分為主板和LED驅(qū)動(dòng)板。其中LED驅(qū)動(dòng)板是為L(zhǎng)ED光源提供所需電流的，因此它的發(fā)熱量很大，而主板的發(fā)熱量則很?。ǜ鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)只要有冷空氣從主板表面流過則主板的散熱就很良好）。因此電路板散熱的重點(diǎn)在于LED驅(qū)動(dòng)板，而LED驅(qū)動(dòng)板散熱的重點(diǎn)是功率管、電感、電阻等大功率發(fā)熱元件，為了提高驅(qū)動(dòng)板的散熱效果，我們直接將散熱器通過導(dǎo)熱墊貼到電子元件上，因此根據(jù)這些元件規(guī)格書的熱特性要求我們就可以按照光源的熱設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)板單個(gè)電子器件的熱設(shè)計(jì)。但是由于元器件較多，而且各元器件之間有一定的相互影響，因此我們可以先按照光源熱設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行單個(gè)元件的熱設(shè)計(jì)，獲得單個(gè)元器件散熱器的基本參數(shù)（具體計(jì)算略），然后使用熱分析軟件建立驅(qū)動(dòng)板及其散熱系統(tǒng)的簡(jiǎn)化熱學(xué)模型進(jìn)行分析。

另外，為了提高電路板的熱傳能力，我們需要盡可能提高電路板的覆銅率，增加銅皮厚度，并開設(shè)密集的小過孔。

圖12所示是在Icepak中建立的一個(gè)四層電路板模型在標(biāo)準(zhǔn)模式下的模擬分析結(jié)果。其中，導(dǎo)線層厚度0.07mm，覆銅率70%，并主要建立了功率管、電感、電阻等熱單元，散熱器覆蓋主要的發(fā)熱元件，高度12mm。設(shè)置一定的邊界條件。

四、系統(tǒng)布局與建模分析

1、系統(tǒng)布局

系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)直接決定著系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)目標(biāo)能否達(dá)到，關(guān)系著光學(xué)效率的高低。因此在系統(tǒng)布局時(shí)要遵循以下原則：

①根據(jù)元部件的熱特性（發(fā)熱量和溫度敏感性等），元部件應(yīng)沿氣流方向按照從低溫到高溫的原則排布。

②氣流分布優(yōu)先考慮LED光源，光源中優(yōu)先考慮紅色光源，因?yàn)樗鼘?duì)溫度最為敏感，其次是綠色光源，它的熱耗最大，占到光源總體熱耗的50%以上。對(duì)于100lm左右的投影機(jī)，可以考慮直接對(duì)光源進(jìn)行吹風(fēng)，這樣對(duì)光源散熱的效果最好，而整個(gè)系統(tǒng)可以采用一個(gè)吹風(fēng)一個(gè)抽風(fēng)的方案。當(dāng)亮度較高時(shí)，往往必須采用風(fēng)扇并聯(lián)的方案，因此吹風(fēng)的方案就不可行，否則光源的熱量很容易進(jìn)入低溫組件，或在系統(tǒng)某處產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致局部溫度超標(biāo)。

③風(fēng)口的開口率最好在50%以上，風(fēng)口倒圓角，這些將顯著降低系統(tǒng)風(fēng)阻損失，改善系統(tǒng)散熱。同時(shí)，進(jìn)出風(fēng)口的排布要考慮對(duì)氣流分布的影響。

2、模擬分析

下面是根據(jù)某型投影機(jī)實(shí)際布局情況做的簡(jiǎn)化熱模型分析。

圖13顯示了特定條件下的溫度分布云圖和中心截面的氣流軌跡。氣流從左側(cè)進(jìn)入，從右側(cè)出——左側(cè)是DMD，中間有驅(qū)動(dòng)板，右側(cè)是品字形布局的LED光源。

說明：

①以上模擬分析結(jié)果（包括前面LED驅(qū)動(dòng)板的模擬分析）是建立在標(biāo)準(zhǔn)的電氣條件和20℃環(huán)境條件下的。若條件發(fā)生變化則結(jié)果將發(fā)生變化，甚至可能發(fā)生較大的變化。尤其是LED的電氣條件，它受電路軟硬件的影響很大，有非常大的動(dòng)態(tài)調(diào)整范圍，若軟硬件設(shè)計(jì)不當(dāng)，可能對(duì)系統(tǒng)帶來很不好的結(jié)果。

②注意系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，要滿足風(fēng)量分配和風(fēng)阻方面的要求。不同的風(fēng)量分配方案和風(fēng)阻設(shè)計(jì)可能會(huì)使熱測(cè)試結(jié)果發(fā)生較大的變化。

五、系統(tǒng)測(cè)試及數(shù)據(jù)

1、系統(tǒng)熱測(cè)試的內(nèi)容

熱測(cè)試主要包括以下幾個(gè)方面：環(huán)境溫度、系統(tǒng)出口溫度、關(guān)鍵元器件溫度、系統(tǒng)外殼表面溫度。

另外，投影機(jī)在不同的使用場(chǎng)合下對(duì)噪音有著不同的要求，而散熱系統(tǒng)不可避免的要產(chǎn)生噪音，這個(gè)噪音要控制在一個(gè)與使用場(chǎng)合相適應(yīng)的合理的范圍內(nèi)。因此系統(tǒng)測(cè)試的內(nèi)容還應(yīng)包括系統(tǒng)的噪音測(cè)試。

2、系統(tǒng)測(cè)試的設(shè)備

FLUKE53/54 II型測(cè)溫表——用于環(huán)境溫度、出口溫度、表面溫度、DMD溫度和電子元器件溫度的測(cè)量。

FLUKE 17B數(shù)字萬用表——用于測(cè)量LED光源上封裝的熱敏電阻的阻值，由阻值可以查相關(guān)數(shù)據(jù)表得到熱敏電阻的溫度。

精密噪音計(jì)。

3、系統(tǒng)熱測(cè)試的方法

（1）溫度測(cè)試點(diǎn)的選擇

1）環(huán)境溫度的測(cè)試

取距離投影機(jī)1m左右處的環(huán)境溫度。

2）出口溫度的測(cè)試

緊貼出風(fēng)口處取4～6點(diǎn)進(jìn)行溫度的測(cè)量，并取其平均值作為出風(fēng)口的溫度。

3）外殼表面溫度的測(cè)量

在手觸感覺最熱的地方進(jìn)行測(cè)量。

DMD溫度的測(cè)量按規(guī)格書進(jìn)行。若沒有測(cè)溫DMD，則需要自己動(dòng)手焊接測(cè)溫線，要求測(cè)溫線的直徑最大0.1mm。

4）關(guān)鍵電子元器件溫度的測(cè)量

對(duì)表面不帶電的電子元件，可取封裝的表面中心作為測(cè)溫點(diǎn)，并用高粘性的電工膠帶將測(cè)溫線牢牢粘接在電子元件表面。

5）光源溫度的測(cè)量

對(duì)于LUMINUS的LED光源，其溫度測(cè)量使用光源上封裝的光敏電阻，將1和2針腳的導(dǎo)線單獨(dú)引出即可測(cè)試。

（2）系統(tǒng)測(cè)試注意事項(xiàng)

測(cè)試要盡量避免其它因素的干擾，要合理的使用測(cè)試設(shè)備。

比如，測(cè)環(huán)境溫度時(shí)，測(cè)試點(diǎn)周圍0.5m范圍內(nèi)最好不要有熱源，包括測(cè)試人員在內(nèi)。

測(cè)溫表和萬用表要避免放在出風(fēng)口位置附近，以免對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。

（3）光源溫度的求解

根據(jù)公式（3），并參考PT54規(guī)格書，我們可將光源的溫度求解按下式進(jìn)行：

（9）

式中，Tj為光源結(jié)溫，Tref為熱敏電阻溫度，Rj-ref為光源PN結(jié)至熱敏電阻的熱阻（PT54的為1.0℃/W），H為光源的熱耗——按公式（6）。

由（6）式和（9）式即可求出光源的結(jié)溫。

4、系統(tǒng)噪音測(cè)試

系統(tǒng)噪音測(cè)試需要在消音室中進(jìn)行，并注意測(cè)試方向1m范圍內(nèi)不要有反射物，否則將會(huì)使測(cè)試結(jié)果偏高。

5、測(cè)試結(jié)果

（1）熱測(cè)試結(jié)果

1）光源實(shí)際電氣條件

表6是驗(yàn)證機(jī)實(shí)際工作條件下的色彩配比（R紅色，G綠色，B藍(lán)色）。

按表6，則標(biāo)準(zhǔn)電流電壓下的RGB光源熱耗如表7（單位W）。

實(shí)測(cè)系統(tǒng)輸入功率82W（Stan-

dard），114W(Advanced)。

下面的測(cè)試將在這兩種模式下進(jìn)行。

2）系統(tǒng)熱測(cè)試數(shù)據(jù)

表8是在Standard（標(biāo)準(zhǔn)）模式環(huán)境溫度22.8℃下的測(cè)試結(jié)果。

3）光源熱測(cè)試數(shù)據(jù)

①室溫下的測(cè)試

測(cè)試環(huán)境溫度Ta=25℃下的各光源光敏電阻的阻值測(cè)試結(jié)果如表9。

查相關(guān)熱敏電阻的阻值與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表，并將它和表7的數(shù)據(jù)一起代入公式（9），則得各光源的結(jié)溫如表10。

②環(huán)境溫度對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的測(cè)試如表11（標(biāo)準(zhǔn)模式，每個(gè)溫度下測(cè)試20mins）

則R、G、B結(jié)溫分別如表12。

4）DMD熱測(cè)試數(shù)據(jù)如表13

標(biāo)準(zhǔn)模式，Ta=26℃。

5）電路板關(guān)鍵元件熱測(cè)試數(shù)據(jù)

①驅(qū)動(dòng)板溫度測(cè)試如表14

測(cè)試環(huán)境溫度23.5℃度

②主板溫度測(cè)試如表15

測(cè)試環(huán)境溫度26℃度。

（2）噪音測(cè)試數(shù)據(jù)如表16

平均：28.4dB

六、結(jié)論

①根據(jù)表8的數(shù)據(jù)，室溫標(biāo)準(zhǔn)模式，系統(tǒng)出入口的溫差達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

②根據(jù)表9和表10的數(shù)據(jù)，室溫Standard模式下，光源壽命完全在60,000h以上，完全達(dá)到40,000h的設(shè)計(jì)目標(biāo)；Advanced模式，也完全達(dá)到20,000h的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

③根據(jù)表11和表12的數(shù)據(jù)，在同樣的模式下，環(huán)境溫度上升后，RGB結(jié)溫幾乎作等量上升，這與軟件的模擬近似（軟件中是完全做等量上升，只是限于篇幅文中沒有給出這方面的模擬結(jié)果）。

④根據(jù)表13的數(shù)據(jù)，DMD溫度相對(duì)環(huán)境的溫升18.7℃。DMD散熱良好，完全達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

⑤根據(jù)表14和表15的數(shù)據(jù)，LED驅(qū)動(dòng)散熱良好，主板散熱良好。

⑥根據(jù)表16的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)噪音良好。

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作者簡(jiǎn)介：

何玉林（1981—），河南周口人，結(jié)構(gòu)工程師，利達(dá)光電股份有限公司技術(shù)員，主要從事投影機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

楊清波（1981—），河南南陽人，工程師，利達(dá)光電股份有限公司技術(shù)員，主要從事投影機(jī)、光學(xué)引擎、投影鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)工作。

張蕊（1975—），河南南陽人，高級(jí)工程師，利達(dá)光電股份有限公司技術(shù)員，主要從事投影機(jī)、光學(xué)引擎、投影鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

篇10

關(guān)鍵詞：雷達(dá)極坐標(biāo)指示器ARINC429總線適配器

直升機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)上設(shè)備的交連關(guān)系如圖1所示。它主要由多卜勒雷達(dá)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、自動(dòng)駕駛儀、真空速度計(jì)算機(jī)、極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號(hào)適配器和多卜勒導(dǎo)般信號(hào)適配器以及各種儀表、指示器構(gòu)成。本文主要介紹多卜勒導(dǎo)航信號(hào)適配器和極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號(hào)適配器的設(shè)計(jì)。

1接口適配器的研制

1.1多卜勒導(dǎo)航信號(hào)適配器

1.1.1接口信號(hào)分析

多卜勒轉(zhuǎn)達(dá)輸出模擬和數(shù)字兩種制式的導(dǎo)航信息。模擬信號(hào)相對(duì)于水平面，它包括雷達(dá)輸出的速度信息（以直流電壓形式提供給速度指示器、400Hz交流電壓形式提供給自動(dòng)駕駛儀）、導(dǎo)航信息（縱向和橫向速度的交流模擬電壓）；數(shù)字信號(hào)是相對(duì)于機(jī)體坐標(biāo)的縱向和橫向速度的數(shù)字信號(hào)。由于數(shù)字信號(hào)的脈沖寬度和信號(hào)靈敏度不符合導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的要求，又因?yàn)槎嗖防绽走_(dá)給出的模擬信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)于數(shù)字信號(hào)，因此，將多卜勒雷達(dá)輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行交換，實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的脈沖數(shù)字接口相匹配。

1.1.2適配器完成以下功能：

·將多卜勒雷達(dá)輸出的以靈敏度為30mV/Kt的400Hz交流信號(hào)表示的飛機(jī)縱向（Vy）、橫向（Vx）速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為以脈沖頻率數(shù)表示的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)；

·將雷達(dá)輸出的表示速度方向的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換為滿足導(dǎo)航計(jì)算機(jī)需要的離散信號(hào)；

·將直升級(jí)真空速表輸出的以交流模擬電壓表示的真空速信號(hào)轉(zhuǎn)換為以直流模擬電壓表示的真空速信號(hào)送給導(dǎo)航計(jì)算機(jī)；

·將導(dǎo)航計(jì)算機(jī)輸出的側(cè)向控制信號(hào)和有效信號(hào)以及自動(dòng)駕駛儀輸出的巡航功能控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)導(dǎo)航的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛儀的自動(dòng)導(dǎo)航。

1.1.3適配器設(shè)計(jì)

適配器主要由A/D轉(zhuǎn)換電路、AD/DC轉(zhuǎn)換電路、離散信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、狀態(tài)控制電路和電源電路等組成。

A/D轉(zhuǎn)換電路由低通濾波器、緩沖隔離、梯度控制、A/D轉(zhuǎn)換、鉗位隔離等部分組成，如圖2（a）所示。該電路的輸入信號(hào)為雷達(dá)輸出的模擬信號(hào)，制式為400Hz交流，靈敏度為30mV/Kt；輸出為0.8V的脈沖信號(hào)，頻率靈敏度為35.7Hz/Kt（可調(diào)）。

AC/DC轉(zhuǎn)換電路由低通濾波、緩沖隔離、AC/DC轉(zhuǎn)換、梯度控制電路構(gòu)成，如圖2（b）所示。該電路的輸入信號(hào)為真空速表的輸出，信號(hào)制式為400Hz交流、靈敏度為90mV/Kt；輸出為直流電壓、靈敏度為75mV/Kt（可調(diào)）。

離散信號(hào)轉(zhuǎn)換電路由整形鉗位、電平轉(zhuǎn)換、反向器、緩沖器離電路組成，如圖2（c）所示。該電路的輸入信號(hào)為多卜勒雷達(dá)輸出的代表速度方向（相對(duì)機(jī)體）的離散量，其輸入高電平為+3.5V、低電平為+0.8V，輸出高電平為+8V，低電平為+2V。

自動(dòng)導(dǎo)航信號(hào)處理及控制電路包括信號(hào)控制電路和狀態(tài)控制電路。信號(hào)控制電路由低通濾波、梯度控制、緩沖隔離電路等組成；而狀態(tài)控制電路由電平鉗位、邏輯控制、緩沖隔離及控制繼電器等組成，如圖2（d）所示。

上述所有功能電路，均經(jīng)反復(fù)調(diào)試，優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后固化成模塊。整個(gè)電路由六個(gè)模塊組成，分別安裝在兩個(gè)印刷電路板上，如圖3（a）和3（b）所示。

圖中RGX-1A、RGX-1B為多卜勒雷達(dá)縱向速度信號(hào)和橫向速度信號(hào)的預(yù)處理電路，包括低通濾波、緩沖隔離和梯度控制；RGX-IC為真空速信號(hào)的AC/DC變換；RGX-2為多卜勒雷達(dá)速度信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換模塊；RGX-3為離散信號(hào)的處理模塊。

1.2極坐標(biāo)指示器導(dǎo)航信號(hào)適配器

1.2.1適配器功能

該適配器完成導(dǎo)航計(jì)算機(jī)輸出的地速串行數(shù)據(jù)（12.5±0.1kbit/s）中的目標(biāo)方位、偏流角和待飛距離信號(hào)計(jì)算，并將目標(biāo)方位和偏流角信號(hào)調(diào)整為極坐標(biāo)指示器能夠接收的符合ARINC407標(biāo)準(zhǔn)的同步器信號(hào)，將等飛距離信號(hào)調(diào)整為四位LED顯示器的顯示信號(hào)。

1.2.2硬件設(shè)計(jì)

以8031單片機(jī)為信心，結(jié)合相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)，構(gòu)成一個(gè)ARINC429總線信號(hào)的求解和信號(hào)匹配系統(tǒng)。硬件設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。

圖中，8031作為核心芯片，它與27256程序存儲(chǔ)器和61256數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器組成單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，完成對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)輸出的ARINC429總線信號(hào)進(jìn)行采集、轉(zhuǎn)換、計(jì)算和信號(hào)匹配等操作并進(jìn)行控制。

3282板以HS-3228、8255等芯片構(gòu)成處理電路，現(xiàn)將導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的32位ARINC429串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合8031單片機(jī)8位數(shù)據(jù)總線要求的并行數(shù)據(jù)，由單片機(jī)最小系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和采集。

SZZ板以高精度數(shù)字/軸角轉(zhuǎn)換模塊和8155等芯片為核心，構(gòu)成目標(biāo)方位角和偏流角的數(shù)字/軸角轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)將3282板采集來的目標(biāo)方位角和偏流角的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為符合ARINC407標(biāo)準(zhǔn)的同步器信號(hào)，送給極坐標(biāo)指示器，使其指示相應(yīng)的參數(shù)。

8279板以8279芯片為核心，構(gòu)成鍵盤和顯示器驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)待飛距離的顯示數(shù)據(jù)的處理和四位LED顯示器的功率驅(qū)動(dòng)。

1.2.3軟件設(shè)計(jì)

為了便于程序的調(diào)試和修改，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法。程序模塊主要包括主程序模塊、中斷服務(wù)（數(shù)據(jù)采集）子程序模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序模塊、信號(hào)匹配子程序模塊、數(shù)碼顯示子程序模塊等。其中數(shù)據(jù)采集子程序和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖5（a）、(b)所示。