導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇低功耗設(shè)計(jì)論文，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

2月7日~11日在舊金山舉辦的2010 ISSCC,以“感知未來(lái)”為主題,向觀眾展示了集成電路的前沿進(jìn)展、未來(lái)的技術(shù)方向以及“后CMOS時(shí)代”硅半導(dǎo)體技術(shù)的替代者。

集成電路發(fā)展的見(jiàn)證者

時(shí)至今日,由IEEE(國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì))舉辦的ISSCC已經(jīng)走過(guò)了57個(gè)年頭。集成電路歷史上一些里程碑式的創(chuàng)新大都會(huì)在ISSCC上首次公布:從1962年仙童公司的TTL(晶體管-晶體管邏輯)電路開(kāi)辟了數(shù)字電路的集成時(shí)代,到1968年泰克公司的集成放大器將模擬電路帶入集成時(shí)代,再到1974年英特爾公司的8位處理器開(kāi)啟了計(jì)算普及之門(mén);更不用說(shuō)多核、高性能CPU、低功耗技術(shù)、視頻處理器、可編程DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)、WiFi、藍(lán)牙、CCD圖像傳感器等人們耳熟能詳?shù)男畔⒓夹g(shù)。

本次會(huì)議設(shè)有10個(gè)議題:低功耗數(shù)字技術(shù)、高性能數(shù)字技術(shù)、存儲(chǔ)器、模擬、射頻、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、無(wú)線、有線、圖像/顯示/微電子機(jī)械系統(tǒng)/醫(yī)療和技術(shù)方向。

根據(jù)ISSCC公布的論文統(tǒng)計(jì),來(lái)自世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的半導(dǎo)體企業(yè)和高校等研究機(jī)構(gòu)共向大會(huì)提交了638篇論文,其中有210篇被大會(huì)錄用。這兩個(gè)數(shù)字分別略高于2009年的582篇和203篇,稍低于2008年的656篇和237篇。從地域上看,北美和歐洲的論文數(shù)在國(guó)際金融危機(jī)最為嚴(yán)重的2008年也處于谷底,分別為78篇和52篇,而今年則達(dá)到86篇和59篇。從機(jī)構(gòu)分布上看,在會(huì)議上達(dá)到或超過(guò)4篇的共有15家,其中英特爾以13篇位居其首,而產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界分別以51%和49%的比例在論文數(shù)量上平分秋色。

從注冊(cè)觀眾上,今年的觀眾數(shù)量較2009年提高了一成。集成電路產(chǎn)業(yè)歷來(lái)是整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)的風(fēng)向標(biāo),此次會(huì)議在論文和觀眾數(shù)量上都有所回升,這對(duì)于整個(gè)IT產(chǎn)業(yè)是個(gè)好消息。

我國(guó)內(nèi)地是在2005年、2006年和2008年分別由新濤科技(上海)有限公司、中科院半導(dǎo)體所和清華大學(xué)實(shí)現(xiàn)了企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)和高校在ISSCC上論文的零突破。

高性能處理器龍爭(zhēng)虎斗

高性能處理器依舊是ISSCC的熱門(mén)之一,英特爾與AMD、IBM與Sun這兩對(duì)“冤家對(duì)手”,各自在會(huì)議上亮出自家的“鎮(zhèn)山之寶”。

32nm處理器成為英特爾與AMD比武的擂臺(tái)。英特爾在其《Westmere:32nm IA處理器家族》的論文中,披露了32nm 處理器Westmere系列的技術(shù)細(xì)節(jié)。Westmere在性能上從45nm處理器Nehalem的4內(nèi)核/8線程提升到6內(nèi)核/12線程,L3 緩存從8MB提升到12MB,晶體管數(shù)量則從7.31億個(gè)增加到11.7億個(gè)。得益于32nm制程技術(shù),6個(gè)內(nèi)核的Westmere的芯片面積(240mm2)甚至略小于4個(gè)內(nèi)核的Nehalem(262mm2)。Westmere還在電源輸入端引入了反諧振電路和LC濾波器,以降低電源噪聲對(duì)QPI總線和DDR時(shí)鐘的干擾。

AMD沒(méi)有出現(xiàn)在ISSCC統(tǒng)計(jì)的論文達(dá)到或超過(guò)4篇的統(tǒng)計(jì)名單中,它在《32nm SOI CMOS下實(shí)現(xiàn)的x86-64內(nèi)核》的論文中介紹了未來(lái)AMD 32nm處理器內(nèi)核的一些特征:采用SOI技術(shù),主頻超過(guò)3GHz,單個(gè)內(nèi)核的功耗控制在2.5W~25W之間。

在RISC處理器上,IBM了性能較之上代產(chǎn)品POWER 6有近5倍提升的處理器POWER 7,這種計(jì)算性能的大幅提升,在當(dāng)今處理器的更新?lián)Q代中還是罕見(jiàn)的。POWER 7擁有8個(gè)內(nèi)核,每個(gè)內(nèi)核含4個(gè)線程。POWER 7采用45nm SOI工藝,它將原有外置的L3緩存集成到芯片上,每個(gè)內(nèi)核擁有4MB的L3緩存,整個(gè)芯片的L3緩存高達(dá)32MB,芯片面積為467mm2。

被Oracle納入旗下的Sun在會(huì)上介紹了UltraSPARC家族的下一代產(chǎn)品的技術(shù)特征:采用40nm制程、16內(nèi)核、128線程。這一信息的披露給UltraSPARC的用戶(hù)帶來(lái)些許的安慰,但Sun能否將其付諸實(shí)施,那還要Oracle說(shuō)了算。

英特爾還在會(huì)上介紹了采用SoC(片上系統(tǒng))技術(shù)的48內(nèi)核處理器Message passing。這款被稱(chēng)之為“SCC”(單芯片云計(jì)算)的處理器,除了在數(shù)據(jù)吞吐方面獨(dú)具匠心外,其工作頻率和電壓分別設(shè)有28檔和8檔,可以分別獨(dú)立調(diào)節(jié),從而有效地降低了功耗。

綜觀高端處理器設(shè)計(jì),各家都有自己的獨(dú)門(mén)絕技,而各家共同關(guān)注的依舊是在降低功耗的同時(shí)通過(guò)增加內(nèi)核數(shù)量來(lái)提升整體性能。

低功耗處理器跨越1GHz門(mén)檻

與高端處理器將對(duì)性能的追求放在首位不同,降低功耗成為低功耗處理器的第一訴求。如今,伴隨著智能手機(jī)、消費(fèi)電子產(chǎn)品以及其他嵌入式應(yīng)用的發(fā)展,性能的提升已經(jīng)成為低功耗處理器亟待解決的問(wèn)題。

以未來(lái)智能手機(jī)的需求為例,它要求具有主頻到達(dá)GHz量級(jí),高達(dá)100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率,而且智能手機(jī)的總功耗應(yīng)該限制在1W水平上。通常,功耗和計(jì)算性能如同魚(yú)與熊掌一樣不可兼得。于是,一些創(chuàng)新的技術(shù)被引入低功耗處理器的設(shè)計(jì)之中。

英特爾在本次ISSCC上介紹了一種采用45nm工藝的自適應(yīng)處理器原型。這種處理器內(nèi)核應(yīng)用錯(cuò)誤診斷和錯(cuò)誤恢復(fù)電路,實(shí)現(xiàn)了降低電壓和提高主頻兩個(gè)目的,該處理器在0.8伏這個(gè)超低的、接近門(mén)限電壓的工作電壓下,性能提高了22%。與此同時(shí),該芯片1.3GHz的主頻也使得低功耗處理器的主頻突破了1GHz的門(mén)檻。

英國(guó)ARM公司介紹了Razor技術(shù),Razor具有時(shí)序錯(cuò)誤探測(cè)、錯(cuò)誤恢復(fù)和電壓-頻率調(diào)節(jié)功能。采用這一技術(shù)的65nm ARM ISA處理器,工作在1GHz主頻和1.1伏時(shí),可在功耗降低52%的同時(shí)保持性能不變。

篇2

論文摘要：功耗問(wèn)題正日益變成VLSI系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一個(gè)限制因素。對(duì)便攜式應(yīng)用來(lái)說(shuō)，其主要原因在于電池壽命，對(duì)固定應(yīng)用則在于最高工作溫度。由于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度在日益提高，導(dǎo)致系統(tǒng)的功耗得到其主要功耗成分。其次，以該主要功耗成分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為依據(jù)，突出實(shí)現(xiàn)SoC低功耗設(shè)計(jì)的各種級(jí)別層次的不同方法。

引言

從20世紀(jì)80年代初到90年代初的10年里，微電子領(lǐng)域的很多研究工作都集中到了數(shù)字系統(tǒng)速度的提高上，現(xiàn)如今的技術(shù)擁有的計(jì)算能力能夠使強(qiáng)大的個(gè)人工作站、復(fù)雜實(shí)時(shí)語(yǔ)音和圖像識(shí)別的多媒體計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)成為可能。高速的計(jì)算能力對(duì)于百姓大眾來(lái)說(shuō)是觸指可及的，不像早些年代那樣只為少數(shù)人服務(wù)。另外，用戶(hù)希望在任何地方都能訪問(wèn)到這種計(jì)算能力，而不是被一個(gè)有線的物理網(wǎng)絡(luò)所束縛。便攜能力對(duì)產(chǎn)品的尺寸、重量和功耗加上嚴(yán)格的要求。由于傳統(tǒng)的鎳鉻電池每磅僅能提供20W.h的能量，因而功耗就變得尤為重要。電池技術(shù)正在改進(jìn)，每5年最大能將電池的性能提高30%，然而其不可能在短期內(nèi)顯著地解決現(xiàn)在正遇到的功耗問(wèn)題。

雖然傳統(tǒng)可便攜數(shù)字應(yīng)用的支柱技術(shù)已經(jīng)成功地用于低功耗、低性能的產(chǎn)品上，諸如電子手表、袖珍計(jì)算器等等，但是有很多低功耗、高性能可便攜的應(yīng)用一直在增長(zhǎng)。例如，筆記本計(jì)算機(jī)就代表了計(jì)算機(jī)工業(yè)里增長(zhǎng)最快的部分。它們要求與桌上計(jì)算機(jī)一樣具有同樣的計(jì)算能力。同樣的要求在個(gè)人通信領(lǐng)域也正在迅速地發(fā)展，如采用了復(fù)雜語(yǔ)音編解碼算法和無(wú)線電調(diào)制解調(diào)器的帶袖珍通信終端的新一代數(shù)字蜂窩網(wǎng)。已提出的未來(lái)個(gè)人通信服務(wù)PCS（PersonalCommunicationServices）應(yīng)用對(duì)這些要求尤其明顯，通用可便攜多媒體服務(wù)是要支持完整的數(shù)字語(yǔ)音和圖像辨別處理的。在這些應(yīng)用中，不僅語(yǔ)音，而且數(shù)據(jù)也要能在無(wú)線鏈路上傳輸。這就為實(shí)現(xiàn)任何人在任何地方的任何時(shí)間開(kāi)展任何想要的業(yè)務(wù)提供了可能。但是，花在對(duì)語(yǔ)音、圖像的壓縮和解壓上的功耗就必須附加在這些可便攜的終端上。確實(shí)，可便攜能力已經(jīng)不再明顯地和低性能聯(lián)系在一起了；相反，高性能且可便攜的應(yīng)用正在逐步得到實(shí)現(xiàn)。

當(dāng)功率可以在非便攜環(huán)境中獲得時(shí)，低功耗設(shè)計(jì)的總理也變得十分關(guān)鍵。直到現(xiàn)在，由于大的封裝、散熱片和風(fēng)扇能夠輕而易舉地散掉芯片和系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱，其功耗還未引起多大的重視。然而，隨著芯片和系統(tǒng)尺寸持續(xù)地增加，要提供充分的散熱能力就必須付出重要代價(jià)，或使所提供的總體功能達(dá)到極限時(shí)，設(shè)計(jì)高性能、低功耗數(shù)字系統(tǒng)方法的需求就會(huì)變得更為顯著。幸好，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展了許多技術(shù)來(lái)克服這些矛盾。

由于可以高度集成，并具有低功耗、輸入電流小、連接方便和具有比例性等性質(zhì)，CMOS邏輯電路被認(rèn)為是現(xiàn)今最通用的大規(guī)模集成電路技術(shù)。下面研究CMOS集成電路的功耗組成，概述實(shí)現(xiàn)集成電路——SoC（SystemonChip）系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)的諸多方法。目的在于揭示當(dāng)今電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、速度和其功耗的內(nèi)在聯(lián)系，在及在數(shù)字電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向上潛在的啟示。

1CMOS集成電路功耗的物理源

要研究SoC的低功耗設(shè)計(jì)，首先要物理層次上弄清該集成電路的功耗組成，其次，才能從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上采用各種方法來(lái)節(jié)省功耗，達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)的目的。圖1為典型CMOS數(shù)字電路的功耗物理組成。

（1）動(dòng)態(tài)功耗

動(dòng)態(tài)功耗是由電路中的電容引起的。設(shè)C為CMOS電路的電容，電容值為PMOS管從0狀態(tài)到H狀態(tài)所需的電壓與電量的比值。以一個(gè)反相器為例，當(dāng)該電壓為Vdd時(shí)，從0到H狀態(tài)變化（輸入端）所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存儲(chǔ)在電容之中，另一半的能量擴(kuò)展在PMOS之中。對(duì)于輸出端來(lái)說(shuō)，它從H到0過(guò)程中，不需要Vdd的充電，但是在NMOS下拉的過(guò)程中，會(huì)把電容存儲(chǔ)的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次時(shí)鐘變化時(shí)都變化一次，則所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每個(gè)時(shí)鐘跳變過(guò)程之中，所有的CMOS電容都會(huì)進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換（除了時(shí)鐘緩沖器），所以最后要再加上一個(gè)概率因子a。電路活動(dòng)因子a代表的是，在平均時(shí)間內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)之中，每個(gè)時(shí)鐘周期之內(nèi)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)所變化的幾率。最終得到的功耗表達(dá)式為：Psw=aCVdd2f。

（2）內(nèi)部短路功耗

CMOS電路中，如果條件Vtn<Vin<Vdd-|Vtp|（其中Vtn是NMOS的門(mén)限電壓，Vtp是PMOS的門(mén)限電壓）成立，這時(shí)在Vdd到地之間的NMOS和PMOS就會(huì)同時(shí)打開(kāi)，產(chǎn)生短路電流。在門(mén)的輸入端上升或者下降的時(shí)間比其輸出端的上升或者下降時(shí)間快的時(shí)候，短路電流現(xiàn)象會(huì)更為明顯。為了減少平均的短路電路，應(yīng)盡量保持輸入和輸出在同一個(gè)沿上。

一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)部短路電流功耗不會(huì)超過(guò)動(dòng)態(tài)功耗的10%。而且，如果在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，Vdd<Vtn+|Vtp|的時(shí)候，短路電流會(huì)被消除掉。

（3）靜態(tài)漏電功耗

靜態(tài)漏電掉的是二極管在反向加電時(shí)，晶體管內(nèi)出現(xiàn)的漏電現(xiàn)象。在MOS管中，主要指的是從襯底的注入效應(yīng)和亞門(mén)限效應(yīng)。這些與工藝有關(guān)，而且漏電所造成的功耗很小，不是考慮的重點(diǎn)。

（4）小結(jié)

通過(guò)設(shè)計(jì)工藝技術(shù)的改善，Pint和Pleak能被減小到可以忽略的程度，因而Psw也就成為功耗的主要因素。后面所做的功耗優(yōu)化大部分是圍繞這一個(gè)公式來(lái)進(jìn)行的。對(duì)于SoC來(lái)說(shuō)，所有的方法都是圍繞著動(dòng)態(tài)功耗來(lái)做文章的，因?yàn)樵陔娐沸盘?hào)變化時(shí)，功耗消耗主要在電路中電容的充放電過(guò)程。如果從各個(gè)層次、各個(gè)方面盡量減少電路的充放電，將是我們關(guān)心的主題。

2降低集成電路SoC功耗的方法

功耗對(duì)于一個(gè)便攜式SoC數(shù)字系統(tǒng)來(lái)說(shuō)尤為重要。事實(shí)上，很多便攜式SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是先進(jìn)行功耗分析，由功耗分析的結(jié)果再來(lái)劃分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?？梢哉f(shuō)，功耗將可能決定一切?，F(xiàn)在要做的是，根據(jù)功耗分析的結(jié)果，評(píng)判SoC結(jié)構(gòu)，改進(jìn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化方案。

SoC系統(tǒng)的功耗所涉及的內(nèi)容十分廣泛，從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)都可以采用各種方法來(lái)節(jié)省和優(yōu)化功耗。通過(guò)對(duì)國(guó)外大量文獻(xiàn)的查閱，我們得到了常用的實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)的各種較為有效的方法，

（1）系統(tǒng)級(jí)功耗管理

這一部分實(shí)際上是動(dòng)態(tài)功耗管理。主要做法是在沒(méi)有操作的時(shí)候（也就是在SoC處于空閑狀態(tài)的時(shí)候），使SoC運(yùn)作于睡眠狀態(tài)（只有部分設(shè)備處于工作之中）；在預(yù)設(shè)時(shí)間來(lái)臨的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。由這個(gè)中斷喚醒其它設(shè)備。實(shí)際上，這一部分需要硬件的支持，如判斷，周期性的開(kāi)、關(guān)門(mén)控時(shí)鐘（gateclock）等。

（2）軟件代碼優(yōu)化

軟件代碼優(yōu)化是針對(duì)ARM嵌入式處理器而言的。對(duì)于編譯器來(lái)說(shuō)，所起的使用不到1%，而對(duì)于代碼的優(yōu)化則可以產(chǎn)生高達(dá)90%的功耗節(jié)省。Simunic等人曾分別做過(guò)用各種針對(duì)ARM處理器的編譯器進(jìn)行的試驗(yàn)。比此的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)展，風(fēng)格比較好的代碼產(chǎn)生的效果遠(yuǎn)比用ARM編譯器優(yōu)化的效果好。

（3）Clock控制

這是在ASIC設(shè)計(jì)中行之有效的方法之一。如果SoC芯片在正常工作，有很大一部分模塊（它們可能是用于一些特殊用途中，如調(diào)試Debug、程序下載等）是乖于空閑狀態(tài)的，這些器件的空運(yùn)作會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的功耗。這一部分應(yīng)使用時(shí)鐘控制，即clockenable&disable。

（4）RTL級(jí)代碼優(yōu)化

與軟件相似，不同的RTL（RegisterTransferLevel，寄存器傳輸級(jí)）代碼，也會(huì)產(chǎn)生不同的功耗，而且RTL代碼的影響比軟件代碼產(chǎn)生的影響可能還要大。因?yàn)?，RTL代碼最終會(huì)實(shí)現(xiàn)為電路。電路的風(fēng)格和結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)功耗產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。

RTL級(jí)代碼優(yōu)化主要包括：

①對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，有效的標(biāo)準(zhǔn)功耗管理有睡眠模式和部分未工作模塊掉電。

②硬件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化包括能降低工作電壓Vdd的并行處理、流水線處理以及二者的混合處理。

③降低寄存電容C的片內(nèi)存儲(chǔ)器memory模塊劃分。

④降低活動(dòng)因子a的信號(hào)門(mén)控、減少glitch（毛刺）的傳播長(zhǎng)度、Glitch活動(dòng)最小化、FSM（有限狀態(tài)機(jī)）狀態(tài)譯碼的優(yōu)化等。

⑤由硬件實(shí)現(xiàn)的算法級(jí)的功耗優(yōu)化有：流水線和并行處理、Retiming(時(shí)序重定)、Unfolding（程序或算法的展開(kāi)）、Folding(程序或算法的折疊)等等基本方法以及其組合。

（5）后端綜合與布線優(yōu)化

既然SoC的功耗與寄生電容的充放電有很大的關(guān)系，作為后端綜合與布線，同樣也可采取一些措施來(lái)減少寄存器電容?？梢?xún)?yōu)化電路，減少操作（電路的操作），選擇節(jié)能的單元庫(kù)，修改信號(hào)的相關(guān)關(guān)系，再次綜合減少毛刺的產(chǎn)生概率。

實(shí)際上，這一部分與使用的工具有關(guān)。與軟件部分有相同之處，后端綜合與布線同軟件的編譯差不多。軟件編譯的結(jié)果是產(chǎn)生可執(zhí)行的機(jī)器代碼；而RTL的綜合與布線是把RTL代碼編譯成真實(shí)的電路。但是，后端綜合與布線優(yōu)化比較編譯優(yōu)化有更好的效果。這是因?yàn)橐欢蜶TL代碼所對(duì)應(yīng)的電路是可以有多種形式的；同時(shí)現(xiàn)有些編譯器會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)者提供的波形，智能地修改電路（前提是最終電路的效果還是一樣的），編譯器就會(huì)進(jìn)行相關(guān)的優(yōu)化。但是后端綜合的優(yōu)化與RTL級(jí)代碼優(yōu)化和時(shí)鐘控制相比，同樣的RTL級(jí)與時(shí)鐘優(yōu)化所產(chǎn)生的影響要遠(yuǎn)大于用編譯工具所產(chǎn)生的影響。

（6）功耗的精確計(jì)算

后端綜合與布線工具不但可以根據(jù)基本單元提供的功耗參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，還可以根據(jù)這些參數(shù)估算出整個(gè)SoC的功耗。正因?yàn)橛羞@樣一些工具，使我們可以精確地知道我們所設(shè)計(jì)的是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。萬(wàn)一設(shè)計(jì)功耗不符合總體要求，則可能要求從系統(tǒng)級(jí)到物理綜合布線都要做出檢查與分析，做出可能的改進(jìn)，盡可能地減少功耗以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（7）小結(jié)

從上面的各種降低以及估算功耗的方法可以看出，SoC系統(tǒng)的拉耗優(yōu)化涉及到從物理實(shí)現(xiàn)到系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方方面面，是芯片設(shè)計(jì)中一個(gè)十足的系統(tǒng)工程?？梢哉f(shuō)，功耗可以決定一切。

結(jié)語(yǔ)

本文首先分析了CMOS集成電路的功耗物理組成，得到了其主要功耗成分。其次，以該主要功耗成分?jǐn)?shù)學(xué)表達(dá)式為指導(dǎo)，突出了SoC低功耗設(shè)計(jì)的各種級(jí)別層次的不同方法。不管是現(xiàn)在還是將來(lái)，該領(lǐng)域的重要性將會(huì)日益顯著。在下面的一些發(fā)展方向還將會(huì)有較大的發(fā)展：

①實(shí)現(xiàn)SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的變換以及映射技術(shù)的進(jìn)一步探索。

②將各種低功耗設(shè)計(jì)手段按照各性質(zhì)最佳綜合起來(lái)，以便使用基于人工智能的技術(shù)（如遺傳算法和啟發(fā)式算法等等）來(lái)研究。

③發(fā)展以實(shí)現(xiàn)低功耗為目的CPU指令程序的改寫(xiě)技術(shù)，以將其擴(kuò)展到復(fù)雜SoC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。

④進(jìn)一步研究應(yīng)用于SoC低功耗設(shè)計(jì)的編碼和信號(hào)表示技術(shù)。

篇3

【關(guān)鍵詞】救生艙；溫濕度；SHT75

Abstract：Rescue capsule as underground emergency shelter for the cabin temperature and humidity monitoring and control，you can extend the survival time of the trapped miners.Systems based on the importance of rescue capsule and SHT75 temperature and humidity monitoring with high accuracy，small size，etc.，designed a SHT75 temperature and humidity detection system is based，and temperature and humidity testing SHT75 compensate calculated values to ensure that the rescue capsule temperature and humidity testing.

Keywords：Rescue capsule；Temperature and humidity；SHT75

1.引言

救生艙作為井下緊急避難場(chǎng)所，其艙內(nèi)溫度和濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，是延長(zhǎng)被困礦工生存的工作之一。為延長(zhǎng)救生艙備用電池的工作時(shí)間，因此要求各用電設(shè)備均低功耗。

SHT75溫濕度傳感器克服了傳統(tǒng)傳感器在檢測(cè)時(shí)溫度變化對(duì)濕度產(chǎn)生的影響且測(cè)量結(jié)束時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行休眠模式，大大減小系統(tǒng)功耗，因此本文采用SHT75[4]作為井下救生艙溫濕度檢測(cè)傳感器并對(duì)其工作原理、電路以及數(shù)據(jù)的補(bǔ)償進(jìn)行了詳細(xì)分析與設(shè)計(jì)。

2.SHT75溫濕度傳感器

2.1 SHT75溫濕度傳感器概述

SHT75是一款集溫度、濕度于一體的傳感器，采用CMOSens技術(shù)，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用兩線數(shù)字化接口，可與單片機(jī)直接相連，大大減小了電路。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 SHT75內(nèi)部結(jié)構(gòu)

SHT75具有較寬的溫濕度測(cè)量范圍。分別為-40℃～123.8℃和0～100%RH。若芯片工作在非正常條件下，則會(huì)導(dǎo)致采集的信號(hào)暫時(shí)性漂移，需要對(duì)傳感器進(jìn)行校正。在溫度為100～105℃，相對(duì)濕度小于5%RH的條件下保持10小時(shí)即可自動(dòng)校正；或者在溫度為20～30℃，相對(duì)濕度大于75%RH的條件下保持12小時(shí)。

SHT75在默認(rèn)條件下，溫濕度測(cè)量分辨率分別為14bit和12bit，但在高速測(cè)量或者超低功耗情況下，溫度和濕度采樣分辨率可分別下降為12bit和8bit。

2.2 SHT75溫濕度傳感器工作原理

SHT75溫濕度傳感器芯片上設(shè)計(jì)有傳感器穩(wěn)壓電路、信號(hào)運(yùn)算處理電器、標(biāo)定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、溫濕度傳感元件、14位AD轉(zhuǎn)換電路和兩線數(shù)字串行接口電路，輸出信號(hào)是經(jīng)過(guò)全量程標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)臄?shù)字信號(hào)。以I2C總線的通信方式與單片機(jī)相連，芯片內(nèi)部OPT存儲(chǔ)器保存有校準(zhǔn)系數(shù)。

3.SHT75與MSP430單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

為降低系統(tǒng)功耗，本設(shè)計(jì)采用美國(guó)TI公司的超低功耗型號(hào)為MSP430F149的16位單片機(jī)與SHT75溫濕度傳感器相連接[1]，通過(guò)兩個(gè)普通IO口模擬I2C總線與傳感器通信。根據(jù)需要，在救生艙內(nèi)可安裝多個(gè)傳感器掛在IIC總線上。SHT75與MSP430F149單片機(jī)電路連接如圖2所示。

圖2 SHT75與MSP430F149單片機(jī)電路連接圖

4.溫濕度數(shù)據(jù)檢測(cè)

4.1 SHT75寄存器操作

單片機(jī)通過(guò)模擬I2C總線與SHT75進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)寫(xiě)入不同的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)SHT75的寄存器操作。SHT75寄存器指令代碼如表2所示。

4.2 溫濕度數(shù)據(jù)處理與補(bǔ)償計(jì)算

SHT75傳感器數(shù)字信號(hào)輸出時(shí)通過(guò)8bit CRC[5]校驗(yàn)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。由于通過(guò)SHT75檢測(cè)的溫濕度信號(hào)曲線為非線性，因此需要對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償公式如下：

RHliner=c1+c2?SORH+c3?SORH2 （式1）

式中，RHliner表示檢測(cè)的線性濕度值，SORH表示從SHT75中讀取的溫度值，在測(cè)量精度為12bit時(shí)，c1為-4，c2為0.0405，c3為-2.8?10-6；在測(cè)量精度為8bit時(shí)，c1為-4，c2為0.648，c3為-7.2?10-4；

由于溫度對(duì)濕度測(cè)量會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此在所測(cè)溫度點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償運(yùn)算，補(bǔ)償運(yùn)算公式如式2所示。

RHtrue=（ToC-25）（t1+t2?SORH）+RHliner （式2）

式中，RHtrue為實(shí)際測(cè)量的相對(duì)濕度值，ToC為實(shí)際測(cè)量的溫度值，在測(cè)量精度為12bit時(shí)，t1為0.01，t2為0.00008；在測(cè)量精度為12bit時(shí)，t1為0.01，t2為0.00128；

在進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，由于溫度傳感器具有很好的線性，可直接使用式3進(jìn)行處理計(jì)算。

式中，ToC為校正后溫度讀數(shù)，SOT為直接讀取的溫度數(shù)據(jù)，參數(shù)d1功能供電電壓有關(guān)，具體如表3所示。

參數(shù)d2在測(cè)量精度為14bit時(shí)，d2為0.01℃或?yàn)?.018；在測(cè)量精度為12bit時(shí)，d2為0.04℃或?yàn)?.072。

5.結(jié)語(yǔ)

本文基于SHT75溫濕度傳感器及超低功耗的MSP430F149單片機(jī)構(gòu)建井下救生艙的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)可以較大范圍的監(jiān)測(cè)救生艙內(nèi)溫濕度，體積小、測(cè)量精度高和功耗低等，滿(mǎn)足井下救生艙的特殊要求。

參考文獻(xiàn)

[1]蔣正義，朱善安，韓東芳.基于MSP430和nRF401的無(wú)線自動(dòng)抄表系統(tǒng)[J].集成電路應(yīng)用，2004，11：74-77.

[2]孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)監(jiān)控與通信技術(shù)[J].煤炭學(xué)報(bào)， 2010，35（11：1925-1929.

[3]王建軍，陳光柱，夏曉東.煤礦井下救生艙體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].煤礦機(jī)械，2011，32（12）：13-15.

[4]楊景景，黃亮.數(shù)字式濕溫度傳感器SHT75的應(yīng)用[J].常州工學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，22（1）：31-33.

篇4

【關(guān)鍵詞】 桌面虛擬化 云終端 ARM IMX6Q

一、緒論

1.1 云終端概述

云終端是桌面云應(yīng)用的終端硬件承載側(cè)，它運(yùn)用自身的VDP技術(shù)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)后端服務(wù)器主機(jī)，將服務(wù)器的音頻視頻流通過(guò)云終端的顯示端輸出并且利用鼠標(biāo)鍵盤(pán)等設(shè)備進(jìn)行交互，使得用戶(hù)看起來(lái)獨(dú)立擁有一套完整的操作系統(tǒng)硬件和軟件。服務(wù)器側(cè)具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力，一臺(tái)服務(wù)器一般可以虛擬出十幾個(gè)甚至上百個(gè)操作系統(tǒng)。

1.2 IMX6Q芯片簡(jiǎn)介

IMX6Q系列芯片是Freescale 半導(dǎo)體公司最新推出的高性能低功耗CPU，該系列芯片包含S/D/Q等幾個(gè)不同型號(hào)，分別表示單/雙/四核芯片。芯片基于ARM CortexTM-A9架構(gòu)，兼容DDR 3-1066M、LVDDR 3-1066M、LPDDR2-1066M（單通道或雙通道）等內(nèi)存設(shè)備接口，被廣泛應(yīng)用于：筆記本、手持設(shè)備、多媒體播放等視頻終端設(shè)備。

IMX6Q具備1.2GHz主頻，32KB L1，1MB L2（共享于所有CPU核心，雙核/四核），96K超大啟動(dòng)ROM，內(nèi)部特有的16K加密RAM，多達(dá)128個(gè)GPIO口，2D/3D圖形視頻加速處理器引擎，獨(dú)立的多媒體處理器引擎IPU，獨(dú)立的視頻處理器單元VPU，性能非常強(qiáng)大。

二、云終端的總體設(shè)計(jì)

2.1 云終端的總體結(jié)構(gòu)

云終端作為桌面云應(yīng)用的終端承載體，主要的功能就是接收服務(wù)器端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳過(guò)來(lái)的音視頻流，本地不需要太強(qiáng)的運(yùn)算能力。所以，CPU具有視頻流硬件解碼能力是非常重要的。而ARM類(lèi)型的CPU，其本身的計(jì)算能力不強(qiáng)，功耗非常低，且一般都配有GPU單元，能夠輕易的對(duì)視頻流進(jìn)行硬件解碼。

2.2 云終端的硬件技術(shù)

對(duì)于ARM架構(gòu)的CPU，只要CPU的頻率在1GHz左右，并且具有GPU能力，就完全可以用來(lái)做云終端的主控CPU。論文中使用的硬件是基于IMX6Q進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。IMX6Q開(kāi)發(fā)板里包含了非常豐富的外設(shè)，根據(jù)云終端的需求，去掉開(kāi)發(fā)板中多余的模塊。

2.3 云終端的軟件技術(shù)

由于各種云桌面協(xié)議客戶(hù)端的特性，Linux云終端至少需要有如下的要求：1、需要支持各種解碼庫(kù)，最好能在庫(kù)里實(shí)現(xiàn)硬件解碼功能。2、需要支持X11。3、需要有很好的視頻播放組件。

三、基于IMX6Q處理器構(gòu)建云終端

3.1 硬件改進(jìn)

針對(duì)DEMO板和云終端的一般結(jié)構(gòu)，提出如下硬件改進(jìn)方案：

1、IMX6Q具有兩個(gè)USB2.0接口。但是一般的云終端至少需要4個(gè)或以上的USB口，所以采用一個(gè)USB口外接4口USB HUB芯片來(lái)滿(mǎn)足。

2、IMX6Q支持兩路10M/100M/1000M以太網(wǎng)接口，支持MII/RMII/GMII/RGMII接口，于是采用RMII接口及PHY芯片RTL8201F完成。

3、云終端一般配合顯示器使用，所以要有一個(gè)VGA接口。所以，采用THS8200芯片將IMX6Q的一路HD視頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為VGA信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，VGA信號(hào)接入時(shí)，采用IMX6Q的I2C來(lái)讀取外部顯示器的EDID信息。

4、電源按鍵設(shè)計(jì)，給單板供電的12V全部通過(guò)mos管來(lái)控制，mos管的柵極通過(guò)按鍵和CPU的IO口相與來(lái)控制，這樣，在上電后，按下按鍵后，mos管導(dǎo)通，單板供電，CPU工作后，第一時(shí)間通過(guò)IO口控制mos的柵極，已達(dá)到持續(xù)供電的目的。

3.2 軟件改進(jìn)

IMX6Q的DEMO板已經(jīng)帶了UBOOT、Linux內(nèi)核和簡(jiǎn)單的文件系統(tǒng)，基于這些已有的代碼，再結(jié)合2.4節(jié)的需求，需要移植一套X11圖形管理系統(tǒng)。

Ubuntu上軟件非常豐富，而且完全開(kāi)源，出現(xiàn)問(wèn)題后能夠充分的利用開(kāi)源資源解決，非常適合做為云終端的承載OS。目前市面上的Linux云終端，也有很多都是利用的Ubuntu操作系統(tǒng)。

結(jié)論：本文首先分析了云K端的硬件架構(gòu)與軟件架構(gòu)，然后基于Freescale的IMX6Q處理器和DEMO板，從硬件、軟件兩方面進(jìn)行改進(jìn)，最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)具備連接RDP與Citrix服務(wù)器功能的云終端。

參 考 文 獻(xiàn)

篇5

【關(guān)鍵詞】MP3；SOPC；Nios II；硬件實(shí)現(xiàn)

1.引言

MP3(MPEG Audio Layer3)是高品質(zhì)的音頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，因其在音質(zhì)，復(fù)雜度與壓縮比的完美折中，占據(jù)著廣闊的市場(chǎng)，目前在便攜式設(shè)備領(lǐng)域深受人們喜愛(ài)。而隨著消費(fèi)電子的快速發(fā)展，MP3在各種場(chǎng)合的需求越來(lái)越多，同時(shí)針對(duì)MP3解碼器的設(shè)計(jì)也越來(lái)越多。其中主要有以下三種方式：①以專(zhuān)用MP3編解碼芯片為核心加上必要電路的VLSI實(shí)現(xiàn)；②DSP處理器加外部存儲(chǔ)器，數(shù)模轉(zhuǎn)換等器件實(shí)現(xiàn)；③以低速核心處理器（CPU/RISC）與其他硬件加速模塊的SOPC設(shè)計(jì)加上器件實(shí)現(xiàn)。而第三種實(shí)現(xiàn)方式相對(duì)于前兩種方式在功耗和性?xún)r(jià)比方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)，本文是基于SOPC技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)MP3解碼器的設(shè)計(jì)，其中MP3文件數(shù)據(jù)用SD卡來(lái)存放[1]。

2.MP3解碼流程分析

MP3解碼流程如圖1所示，解碼的主要過(guò)程包括同步提取碼流(以幀為單位)哈夫曼解碼，比例因子解碼，反量化，重排列，立體聲處理，混疊重建，IMDCT變換，子帶綜合濾波合成，最后輸出原始的PCM數(shù)據(jù)。

在解碼過(guò)程中，耗時(shí)比較多的主要是IMDCT和子帶綜合濾波這兩部分。在編譯后它們占據(jù)著相當(dāng)多的硬件資源，功耗特高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)這兩個(gè)計(jì)算量大的算法IMDCT，子帶綜合濾波器做了硬件加速處理，來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。在IMDCT算法中有長(zhǎng)塊和短塊，計(jì)算時(shí)長(zhǎng)塊輸入是18點(diǎn)而短塊輸入是6點(diǎn)，長(zhǎng)短塊輸入的值都是非2的n次方，所以可以采用Szu Wei Lee快速算法，此算法對(duì)輸入點(diǎn)數(shù)越大的運(yùn)算，其速度提升就越明顯。傳統(tǒng)的IMDCT算法，在計(jì)算長(zhǎng)塊時(shí)需要的是36*18次乘法和36*17的加法，采用Szu Wei Lee算法后，長(zhǎng)塊的計(jì)算只需要43次乘法和115次加法，程序的運(yùn)算速度顯著提高了。在設(shè)計(jì)子帶綜合濾波時(shí)，直接計(jì)算則需要執(zhí)行32*64次乘法和31*64次加法，兩聲道采樣率為44.1KHz，乘法運(yùn)算量為（44100/32）*(64*32+512)*2=7056000次/秒，而系統(tǒng)時(shí)鐘一般都采用的是50MHz，單個(gè)周期內(nèi)占著整個(gè)解碼時(shí)間的58.2%，嚴(yán)重影響了整個(gè)系統(tǒng)解碼的速率。所以可以根據(jù)余弦函數(shù)的對(duì)稱(chēng)性，并結(jié)合Byeong Gi Lee快速DCT算法來(lái)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后子帶綜合濾波則只需要進(jìn)行384次乘法和376次加法，大大提升了運(yùn)算速度[2]。

3.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

基于Nios II的嵌入式系統(tǒng)主要是由三部分組成：IP庫(kù)（NiosII軟核處理器，Avalon總線，設(shè)備接口等），GNUPro軟件編譯器，SOPC Builder開(kāi)發(fā)工具。本文在硬件設(shè)計(jì)時(shí)使用Altera公司的Cyclone II FPGA芯片，型號(hào)為EP2C70F896C6，主要設(shè)備包括片外SDRAM存儲(chǔ)器、SD卡、音頻芯片WM8731、LCD等，其中FPGA芯片完成對(duì)各個(gè)硬件模塊和數(shù)據(jù)流的控制，片外存儲(chǔ)器存放程序數(shù)據(jù)和執(zhí)行代碼，SD卡存放MP3文件，音頻芯片將PCM數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換輸出，LCD顯示系統(tǒng)狀態(tài)，IP核的復(fù)用是SOPC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[3]。其硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

而FPGA內(nèi)部邏輯設(shè)計(jì)是以Quartus II為開(kāi)發(fā)環(huán)境，以Verilog語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)音頻控制，SD卡的讀寫(xiě)，液晶顯示驅(qū)動(dòng)等功能模塊的設(shè)計(jì)。用SOPC Builder配置并產(chǎn)生NiosII軟核處理器以及必要的外設(shè)，然后在再通過(guò)編譯，下載到FPGA的配置芯片中，形成硬件邏輯電路的連接，最后驗(yàn)證系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)MP3音頻文件的輸出。除了音頻模塊、SD卡控制模塊、LCD顯示驅(qū)動(dòng)模塊外其他模塊都可以通過(guò)SOPC Builder來(lái)添加IP核構(gòu)建。

至于MP3解碼算法中的子帶綜合濾波，IMDCT變換兩部分處理起來(lái)特耗時(shí)，針對(duì)這類(lèi)耗時(shí)問(wèn)題，可以采用軟硬件協(xié)同處理(軟件中耗時(shí)較多的部分進(jìn)行硬件加速后，往往會(huì)比原先軟件處理時(shí)的速度快上好幾倍。)來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。通過(guò)這種設(shè)計(jì)方法，在綜合時(shí)可以確定系統(tǒng)軟件和硬件之間的相互制約關(guān)系，從而保證系統(tǒng)的確定性，高效性。

4.SOPC片上系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在FPGA中搭建SOPC系統(tǒng)時(shí)，需要用到如下圖3所示的軟核處理器和Avalon總線結(jié)構(gòu)和外設(shè)接口等，其中，系統(tǒng)時(shí)鐘c0由外部晶振50MHz倍頻后得到的，c1為100MHz外設(shè)SDRAM時(shí)鐘，c2為音頻芯片提供的18.51MHz工作時(shí)鐘。timer用于系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)間的產(chǎn)生，time_stamp用于記錄指令的運(yùn)行時(shí)間。片外SDRAM存儲(chǔ)芯片是作為程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)自定義了AUDIO模塊，該模塊主要用于與WM8731音頻芯片數(shù)字接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5.實(shí)現(xiàn)結(jié)果

本文是基于SOPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)MP3解碼器的設(shè)計(jì)，其優(yōu)勢(shì)在于系統(tǒng)功能改進(jìn)的靈活性，即不改變硬件平臺(tái)的情況下，可以隨便的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行增刪和優(yōu)化，降低系統(tǒng)的成本，這是其他方案很難比擬的地方。而本設(shè)計(jì)是在在DE2-70開(kāi)發(fā)板上實(shí)現(xiàn)的，硬件解碼系統(tǒng)采用Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行描述，經(jīng)過(guò)RTL級(jí)仿真和驗(yàn)證后，在Cyclone II EP2C70F896C6器件內(nèi)資源占用率為8%，總的寄存器為3335個(gè)，系統(tǒng)頻率可達(dá)到72MHz，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，本設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。但還存在著一些地方不夠完善和有待改進(jìn)，這同時(shí)也是以后MP3播放器設(shè)計(jì)需要改進(jìn)和研究的重點(diǎn)：

(1)本設(shè)計(jì)功能比較簡(jiǎn)單，編譯后FPGA芯片資源占用的比較少，可進(jìn)一步增加其它功能，如圖像顯示。

(2)如何改進(jìn)更有效的算法，提高系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，降低功耗，以達(dá)到便攜式高性能、低功耗的要求，這是未來(lái)MP3設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]毛麗萍.MP3音頻編解碼運(yùn)算中IMDCT算法研究及其FPGA實(shí)現(xiàn)[D].[碩士學(xué)位論文].華東師范大學(xué),2007.

篇6

【關(guān)鍵詞】高塔預(yù)警;傾斜角;低功耗;無(wú)線傳輸

引言

在電力設(shè)施建設(shè)過(guò)程中，高塔是重要的供電輔助設(shè)備;在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中，高塔是重要的移動(dòng)通信輔助設(shè)備。由于一些自然現(xiàn)象，以及礦山的開(kāi)采、工程質(zhì)量、人為破壞等原因造成塔體傾斜，會(huì)導(dǎo)致電力傳輸?shù)闹袛嗪屯ㄐ诺闹袛?。高塔塔體的傾斜，有兩種情況，一種是由于氣象導(dǎo)致的臨時(shí)性?xún)A斜，例如刮風(fēng)造成的傾斜，風(fēng)過(guò)后，可以恢復(fù);另一種是永久傾斜，例如地基沉降造成的。而高塔傾斜的監(jiān)測(cè)需要監(jiān)測(cè)永久傾斜的情況，這就需要根據(jù)氣象參數(shù)區(qū)分永久傾斜和臨時(shí)傾斜。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)單純依靠巡檢人員攜帶經(jīng)緯儀，水平儀進(jìn)行對(duì)傾斜度測(cè)量、標(biāo)定，對(duì)垂直度超標(biāo)，通過(guò)長(zhǎng)期不間斷的觀察，進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整。本文針對(duì)高塔傾斜安全方面監(jiān)控，采用傳感器技術(shù)，對(duì)高塔傾斜度以及風(fēng)速、風(fēng)向進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)，并通過(guò)無(wú)線將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控電腦，及時(shí)提供不間斷的觀察數(shù)據(jù)，為后續(xù)的高塔預(yù)警系統(tǒng)提供依據(jù)。

1.系統(tǒng)的總體構(gòu)架

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和數(shù)據(jù)接收上位機(jī)兩部分組成。數(shù)據(jù)采集終端由高精度傾斜角、風(fēng)速、風(fēng)向和溫度傳感器、單片機(jī)、SD卡存儲(chǔ)模塊、無(wú)線傳輸模塊和太陽(yáng)能供電模塊組成，用于實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、傳輸。數(shù)據(jù)接收上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的接收、顯示和對(duì)采集終端的遠(yuǎn)程控制。

2.高塔傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)高塔的狀態(tài)參量的采集，SD卡實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，WIFI模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

系統(tǒng)針對(duì)高塔安裝的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，垂直度必須保證在0.1%的精度。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，通過(guò)精度達(dá)到0.6″的高精度傾斜角校驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行線性度校準(zhǔn)，可以使傾斜角傳感器在±30°全量程范圍內(nèi)誤差小于0.003°。

風(fēng)速傳感器輸出信號(hào)為脈沖，直接連入單片機(jī)。該傳感器分辨率為0.1m/s，產(chǎn)品功耗50mW。

風(fēng)向傳感器輸出信號(hào)為電壓，通過(guò)ADC口連入單片機(jī)。該傳感器的準(zhǔn)確度為±3度，產(chǎn)品功耗5.5mW。

單片機(jī)采用的是低功耗的stm32單片機(jī)，超低功耗可以保證太陽(yáng)能供電系統(tǒng)在陰雨天氣的續(xù)航能力。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

高塔自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集終端需要長(zhǎng)期、連續(xù)、自動(dòng)的記錄各種檢測(cè)數(shù)據(jù)。需要配備大容量、不揮發(fā)、高可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，選用MMC/SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為XML格式。

2.3 無(wú)線傳輸模塊

無(wú)線模塊支持串口通信，模塊與單片機(jī)串口連接。模塊內(nèi)部有TCP/IP協(xié)議棧，單片機(jī)可以直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為T(mén)CP/IP數(shù)據(jù)包發(fā)送和接收TCP/IP數(shù)據(jù)包。

2.4 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用太陽(yáng)能供電。白天，太陽(yáng)能板所輸出的電能存儲(chǔ)在蓄電池里，同時(shí)供給負(fù)載使用;當(dāng)蓄電池電量達(dá)到規(guī)定限度時(shí)，停止對(duì)蓄電池充電。晚上和陰雨天，蓄電池里存儲(chǔ)的電能供給負(fù)載使用。

3.高塔傾斜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括兩部分：基于KEIL軟件平臺(tái)的單片機(jī)控制程序編寫(xiě);基于C++語(yǔ)言的上位機(jī)軟件。

3.1 單片機(jī)控制程序

單片機(jī)主要采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，主程序流程是對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO口、中斷的配置以及定時(shí)器、ADC、串行通訊模塊和文件操作系統(tǒng)的初始化;系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入XML文件，并存入SD卡，如果所采集的數(shù)據(jù)超過(guò)預(yù)設(shè)警戒線，則將此時(shí)的日期、時(shí)間寫(xiě)入警報(bào)文件;根據(jù)上位機(jī)指令，進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)、預(yù)警線設(shè)置、傾斜角清零。

3.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

上位機(jī)軟件采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，共有四個(gè)頁(yè)面。

數(shù)據(jù)采集：上位機(jī)與采集終端的連接與斷開(kāi);數(shù)據(jù)文件的接收;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)與顯示;采集終端時(shí)間校準(zhǔn)。

歷史數(shù)據(jù)：根據(jù)輸入日期，獲取該日期下的數(shù)據(jù)，同時(shí)數(shù)據(jù)列表中標(biāo)示出報(bào)警數(shù)據(jù)。

報(bào)警數(shù)據(jù)：顯示歷史所有報(bào)警數(shù)據(jù)，可在數(shù)據(jù)列表中顯示當(dāng)天的歷史數(shù)據(jù)。

設(shè)置：設(shè)置文件存儲(chǔ)路徑、預(yù)警線的設(shè)置、傾斜角傳感器清零。

4.結(jié)論與結(jié)束語(yǔ)

本項(xiàng)研究取得了如下成果：

（1）系統(tǒng)集成了傾斜角、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度等氣象條件綜合參數(shù)，具備自動(dòng)采集功能，采集間隔可設(shè)置，監(jiān)測(cè)到超過(guò)預(yù)警值，可以加密采集;

（2）整個(gè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)日常存儲(chǔ)與無(wú)線通訊獲取數(shù)據(jù)功能，可存儲(chǔ)至少10年的數(shù)據(jù);

（3）系統(tǒng)采用xml格式進(jìn)行存儲(chǔ)，使得數(shù)據(jù)可讀性提高，方便導(dǎo)入導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù);

（4）上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收、Wi-Fi工作狀態(tài)切換、采集終端時(shí)間校準(zhǔn)、傾斜角清零、預(yù)警線設(shè)置。

本文進(jìn)行了高塔的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，傳感器對(duì)高塔的狀態(tài)參量采集，sd卡存儲(chǔ)，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，提高了效率，降低成本。隨著我國(guó)電力設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的不斷建設(shè)和發(fā)展，高塔監(jiān)測(cè)將越來(lái)越精確、智能。同時(shí)，此系統(tǒng)在建筑業(yè)等其他方面也有很廣闊的市場(chǎng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李軍.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的移動(dòng)通信鐵塔性能預(yù)警系統(tǒng)[J].移動(dòng)通信，2010，34（15）：35-39.

[2]胡軼群，劉善福，徐俊臣等.MMC/SD存儲(chǔ)卡在海洋自動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].海洋技術(shù)，2009，28（3）：30-32.

[3]嚴(yán)芳芳，光，索雪松等.農(nóng)業(yè)大棚太陽(yáng)能供電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（5）：103-106.

[4]周躍，沈捷，花魁等.基于SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表，2012，39（1）：95-98.

[5]劉曉健，韓民曉，潘耀杰等.太陽(yáng)能供電的野外輸電線路電源系統(tǒng)的研究[J].中國(guó)科技成果 ，2013（17）：55-56，59.

[6]孫方，顏國(guó)正，王文興等.MultiMediaCard及其與單片機(jī)接口[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（6）：44-46.

[7]李楠，李建義，張紅亮等.基于STM32的環(huán)境監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，23（1）：15-18，21.

[8]周敬森，劉偉，陳厚桂等.物聯(lián)網(wǎng)在電力桿塔狀態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].機(jī)電信息，2011（27）：195-196.

篇7

論文摘要:根據(jù)當(dāng)今移動(dòng)終端設(shè)備多功能、低功耗、易于移植的要求,分別從硬件和軟件系統(tǒng) 2 方面提出了一種基于三星μS3C2440 芯片的嵌入式多媒體娛樂(lè)控制器的解決方案,同時(shí)介紹了利用 CLinux 構(gòu)造嵌入式系統(tǒng)的方法,并提出了基于MiniGUI開(kāi)發(fā)多媒體娛樂(lè)軟件的基本方案。通過(guò)測(cè)試,系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足用戶(hù)在文字、音視頻處理以及常用有線、無(wú)線數(shù)據(jù)交換等多方面的要求。

由于移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展,移動(dòng)電話(huà)早已超出原有的進(jìn)行語(yǔ)音通信的領(lǐng)域,正逐步成為手持娛樂(lè)終端的中心。手機(jī)用戶(hù)希望自己的手機(jī)在完成通信基本功能的同時(shí)還能作為 PDA、MP3 播放器、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、視頻播放機(jī)等。因此,設(shè)計(jì)出多功能、低功耗的多媒體終端至關(guān)重要。ARM+Linux系統(tǒng)具有低功耗、易移植、便于定制的特點(diǎn),所以我們采用其作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理想平臺(tái)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本方案由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)2 部分構(gòu)成,其中硬件系統(tǒng)采用三星的具有 ARM920T 核的 16/32 位多功能、低功耗的嵌入式處理器 S3C2440。S3C2440 是韓國(guó)三星公司推出的一款高檔的,可用于手持設(shè)備、智能家電等便攜產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的嵌入式微處理器,其主頻處理速度達(dá)到400 MHz,完全可以滿(mǎn)足音頻和視頻的處理要求。其主控制芯片及豐富的接口電路可用于創(chuàng)建連接各類(lèi)設(shè)備的集成化驅(qū)動(dòng)程

序和協(xié)議堆棧,如讀寫(xiě) USB 的接口、MMC/ CF 多媒體卡接口、AC97 音頻接口、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口、IrDA 紅外接口等,給用戶(hù)提供了多種與其他系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能,可以自由地實(shí)現(xiàn)文字、聲音和圖像資料的交換。軟件系統(tǒng)包括μCLinux操作系統(tǒng)、圖形用戶(hù)接口 GUI,方便用戶(hù)根據(jù)自身的需要,開(kāi)發(fā)相應(yīng)的多媒體應(yīng)用程序。uCLinux 操作系統(tǒng)高效穩(wěn)定,提供了完成嵌入功能的基本地內(nèi)核,能夠處理嵌入式任務(wù)和用戶(hù)界面,更由于其開(kāi)發(fā)源碼、定制方便以及易于移植,并不需要 MMU 的支持,可廣泛地用于各種嵌入式系統(tǒng)中。

1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)S3C2440構(gòu)成核心電路系統(tǒng),該芯片采用RISC結(jié)構(gòu),除具有一般嵌入式芯片所具有的總線,SDRAM控制器以外,還具有豐富的擴(kuò)展功能接口,內(nèi)部集成了TFT/ STN LCD和觸摸屏控制器、 USB Slave ,USB Host , Ir2DA紅外接口、 SD & MMC存儲(chǔ)卡接口、 AC97數(shù)字音頻接口等大量的功能模塊。同時(shí),通過(guò)外擴(kuò)的PCI總線,使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展和升級(jí)能力,提供了極其豐富的人機(jī)交互接口。該芯片采用1. 2 V的工作電壓,功耗很低,能夠滿(mǎn)足消費(fèi)類(lèi)電子電源對(duì)功耗的要求。同時(shí),電源管理模塊能夠提供系統(tǒng)多種電壓供電,包括芯片內(nèi)核電壓采用1. 8 V供電,芯片的I/ O部分采用3. 3 V供電,而片外的一些常規(guī)集成電路又采用5 V供電。智能電源管理模塊很好地解決了對(duì)系統(tǒng)各個(gè)部分供電要求的不同,降低了功耗,減少了不同電源之間的干擾噪聲,提高了系統(tǒng)的集成度。由于S3C2440芯片內(nèi)部沒(méi)有實(shí)現(xiàn)PCI總線,為了使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的擴(kuò)展和升級(jí)能力,通過(guò)的PCI總線控制器芯片實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總線的擴(kuò)展。該芯片支持PCI2. 1協(xié)議規(guī)范,在33 MHz的總線時(shí)鐘頻率下,其峰值傳輸速度可達(dá)133 MB/ s ,完全可以滿(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。通過(guò)PCI總線實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙接口和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口,滿(mǎn)足用戶(hù)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求。同時(shí),系統(tǒng)可以連接2.5英寸或者1. 8英寸的小型硬盤(pán),實(shí)現(xiàn)用戶(hù)信息的移動(dòng)存儲(chǔ),用戶(hù)可以根據(jù)需要擴(kuò)大存儲(chǔ)容量。由于在系統(tǒng)中采用了PCI總線控制器,擴(kuò)展出了PCI總線,使得系統(tǒng)在某種意義上相當(dāng)于一臺(tái)小型PC機(jī),用戶(hù)可以很方便地進(jìn)行硬件系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)。為了滿(mǎn)足有些場(chǎng)合的人機(jī)交互,不同于一般的PC機(jī)系統(tǒng),要求快捷、 方便的操作要求,我們采用6. 4英寸高亮度彩色TFT LCD觸摸屏,用戶(hù)與上層多媒體處理軟件的交互直接通過(guò)觸摸屏方式實(shí)現(xiàn),提供了良好的人機(jī)接口。

圖1為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

SHAPE \* MERGEFORMAT

嵌入式多媒體控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

2、軟件部分

軟件系統(tǒng)由μCLinux 操作系統(tǒng)、 嵌入式圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng) MiniGUI構(gòu)成。 μCLinux操作系統(tǒng)包括引導(dǎo)裝載程序、 嵌入式Linux 內(nèi)核、 必要的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、 文件系統(tǒng)J FFS2 等,具有高度模塊化、 易于定制、 可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。引導(dǎo)裝載程序Boot Loader 是系統(tǒng)加電后運(yùn)行的第一段軟件代碼。通過(guò)這段小程序,可以初始化硬件設(shè)備、 建立內(nèi)存空間的映射圖,從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài),以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。每種不同的 CPU 體系結(jié)構(gòu)都有不同的 Boot Loader ,Boot Loader 是嚴(yán)重依賴(lài)于硬件而實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)采用基于ARM920T核的Boot Loader ,且根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)備的實(shí)際配置修改了Boot Loader 的源程序,使他能夠運(yùn)行到我們的系統(tǒng)上。所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)提供了最大128 M可選的 SDRAM和最大128 M可選的 FLASH存儲(chǔ)器,系統(tǒng)運(yùn)行小型的,經(jīng)過(guò)裁剪的Linux 微內(nèi)核。微內(nèi)核由內(nèi)存管理、 進(jìn)程管理和事務(wù)處理構(gòu)成,包括了所有核心的操作系統(tǒng)功能在內(nèi)。μCLinux 操作系統(tǒng)本身的微內(nèi)核體系結(jié)構(gòu)相當(dāng)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)要求的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和文件系統(tǒng)以模塊形式置于微內(nèi)核的上層,驅(qū)動(dòng)程序和其他部件可在運(yùn)行時(shí)作為可加載模塊編譯或是添加到內(nèi)核,這為構(gòu)造定制的可嵌入系統(tǒng)提供了高度模塊化的構(gòu)件方法。用戶(hù)可以結(jié)合定制的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的附加功能,大大減小了內(nèi)核的體積,便于維護(hù)和移植。其中,采用J FFS2 日志閃存文件系統(tǒng)管理非易失性存儲(chǔ)中的結(jié)構(gòu)化文件數(shù)據(jù),J FFS2 是專(zhuān)門(mén)為像閃存芯片那樣的嵌入式設(shè)備創(chuàng)建的,所以他的整個(gè)設(shè)計(jì)提供了更好的閃存管理,為掉電或系統(tǒng)崩潰等突發(fā)事件提供了很好的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制。

MiniGUI 是一種面向嵌入式系統(tǒng)或?qū)崟r(shí)系統(tǒng)的圖形用戶(hù)界面支持系統(tǒng),是遵循

L GPL 條款的純自由軟件,提供了完備的多窗口機(jī)制,多字符集和多字體支持,BMP , GIF ,J PEG,PCX,TGA 等常見(jiàn)圖像文件的支持等。他是建立在比較成熟的圖形引擎之上的,比如 SVGALib 和 LibGGI ,系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)在于窗口系統(tǒng)、 圖形接口之上,MiniGUI提供了大量的圖形應(yīng)用編程接口,包含全部功能的庫(kù)文件大小僅為 300 k左右,特別適合用在嵌入式系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)控制臺(tái)圖形用戶(hù)界面的應(yīng)用程序。同時(shí),由于圖形抽象層( GAL)和輸入抽象層( IAL)概念的引入,將底層圖形硬件和上層的圖形操作和輸入處理分離開(kāi)來(lái),大大提高了 MiniGUI 的可移植性。利用 GAL 和 IAL ,MiniGUI可以在許多圖形引擎上運(yùn)行,可以很方便地移植到基于ARM920T核的S3C2440系統(tǒng)上。

3 、多媒體娛樂(lè)應(yīng)用軟件的方案設(shè)計(jì)

基于 MiniGUI的嵌入式娛樂(lè)系統(tǒng)軟件,應(yīng)該最大限度滿(mǎn)足視聽(tīng)娛樂(lè)的要求。能提供視頻播放、 音頻播放等多媒體處理軟件,個(gè)人信息管理軟件及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。其中,音頻應(yīng)能支持 MP3 ,WMA , WAV 等格式,視頻支持 AVI(XviD &DivX4. 0 &5. 0)格式。個(gè)人信息管理程序提供備忘錄、 記事本、 名片夾等多種功能。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供全功能的 Web 瀏覽器。用戶(hù)通過(guò)觸摸屏與應(yīng)用軟件進(jìn)行交互,提供了友好的人機(jī)界面。

圖2 基于 MiniGUI的多媒體處理軟件架構(gòu)

SHAPE \* MERGEFORMAT

基于 MiniGUI的多媒體處理軟件架構(gòu)該系統(tǒng)中的所有應(yīng)用程序都以J FFS2 進(jìn)程的形式執(zhí)行,MiniGUI提供應(yīng)用程序管理功能。所有的應(yīng)用程序都運(yùn)行在同一個(gè)地址空間,這樣大大提高了程序之間的通訊效率。當(dāng)應(yīng)用程序之間需要通訊時(shí),可以通過(guò) MiniGUI 提供的 request/ response 接口實(shí)現(xiàn)。我們使用消息驅(qū)動(dòng)作為應(yīng)用程序的創(chuàng)建構(gòu)架,觸摸屏的按擊由 MiniGUI支持系統(tǒng),窗口管理器收集,將其以事先約定的格式翻譯為特定消息,每一個(gè)多媒體處理應(yīng)用程序都包含有自己的消息隊(duì)列,支持系統(tǒng)將消息發(fā)送到應(yīng)用程序的消息隊(duì)列中,應(yīng)用程序建立一個(gè)消息循環(huán),在這個(gè)循環(huán)中讀取消息,應(yīng)用程序同時(shí)提供一個(gè)處理消息的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù),在消息循環(huán)中,系統(tǒng)調(diào)用此函數(shù),在此函數(shù)中處理相應(yīng)的消息,完成用戶(hù)的請(qǐng)求。

篇8

論文摘要：可編程外圍器件PSD應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)后，簡(jiǎn)化了單片機(jī)外圍電路的設(shè)計(jì)，增加了系統(tǒng)的可靠性；利用PSD與單片機(jī)組成的系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)串口對(duì)FPGA進(jìn)行實(shí)時(shí)在線編程、仿真和配置。

隨著單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，其性能不斷提高，集成度也日益提高。然而，傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要眾多分離器件（如地址鎖存器、譯碼器、RAM、EPROM、PLD等），使得系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低，并且調(diào)試繁瑣、效率較低?？删幊涕T(mén)陣列（FPGA）需要外置存儲(chǔ)器，且配置存儲(chǔ)器多為OTP型，價(jià)格較高；加之，利用FPGA的JTAG口配置FPGA距離有限，調(diào)試不甚方便。

本文主要介紹一種基于閃爍存儲(chǔ)器的在線可編程微處理器外圍器件PSD813F2組成的單片機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)利用該系統(tǒng)配置FPGA。即通過(guò)計(jì)算機(jī)串口將FPGA（本文以Altera公司10K系列為例）設(shè)計(jì)在線下載到單片機(jī)系統(tǒng)，由PSD813F2配置FPGA，實(shí)現(xiàn)IAP（In Application Programming）的功能。

1 PSD813F2性能特點(diǎn)

PSD813F2是PSD（Programmable System Devices）家庭的新成員，是基于閃爍存儲(chǔ)器的在線可編程外圍器件。它將單片機(jī)系統(tǒng)所需的外圍器件集成在一起，并能與單片機(jī)進(jìn)行無(wú)縫連接，因而簡(jiǎn)化了調(diào)度，提高了可靠性；同時(shí)，它與當(dāng)前流行的眾多單片機(jī)有極簡(jiǎn)單的接口，便于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活的嵌入式設(shè)計(jì)；它還集成了優(yōu)化的“微控制器宏單元”邏輯結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)地址/數(shù)據(jù)總線可以與內(nèi)部寄存器直接互連，簡(jiǎn)化了控制總線的設(shè)計(jì)。此外，PSD813F2還具有以下一些特性：

①內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為8位，可方便地與各類(lèi)8位單片機(jī)直接相連。如要與16位單片機(jī)相連，需用2片PSD813F2構(gòu)成16位的多路復(fù)用接口，并且地址必須循環(huán)移位，以保證MCU工作時(shí)能同時(shí)正確接收不同PSD813F2 ROM中的信息。

②內(nèi)部包含1Mbit的大容量Flash ROM，這分為8個(gè)大小相同的塊（如128K×8bit或64K×8bit），由用戶(hù)規(guī)定的地址訪問(wèn)；另外還有256K的Flash OPT ROM及16KB的SRAM，其中SRAM可配置為2K×8bit或16K×1bit。

③內(nèi)存（Flash ROM）或Flash OPT ROM可同時(shí)編程，即在執(zhí)行來(lái)自一個(gè)存儲(chǔ)器的代碼時(shí)可同時(shí)對(duì)另一個(gè)存儲(chǔ)器編程。

④帶有16個(gè)輸出宏單元和24個(gè)輸入宏單元，能方便實(shí)現(xiàn)多種邏輯組合功能，包括內(nèi)外的狀態(tài)信號(hào)產(chǎn)生、地址譯碼等。

⑤帶有27個(gè)可重建的I/O端口，可以用作不同的I/O端口，如單片機(jī)的I/O、PLD的I/O；最多可提供19個(gè)外部片選信號(hào)，其中16個(gè)I/O可配置為漏極輸出。

⑥具有可編程電源管理功能（PMU），加之低功耗的CMOS技術(shù)，使得其工作時(shí)功耗很低；另外還具有自動(dòng)檢測(cè)控制器工作的功能，使之在不工作時(shí)將PSD轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)。

由于PSD813F2具有以下特性，因而能方便實(shí)現(xiàn)I/O重建、擴(kuò)展，并具有通過(guò)編程改變?cè)O(shè)計(jì)的靈活性，方便與各類(lèi)不同單片機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。其內(nèi)部框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)將FPGA的相關(guān)設(shè)計(jì)經(jīng)單片機(jī)傳送存儲(chǔ)器，由單片機(jī)配置PSD813F2，再由PSD813F2配置FPGA，實(shí)現(xiàn)IAP的功能，特別適于較遠(yuǎn)距離在線編程、仿真。另外，利用計(jì)算機(jī)的串行口可以與單片機(jī)進(jìn)行較長(zhǎng)距離的通信。

此外，由于PSD813F2片內(nèi)有編程邏輯宏單元（CPLD），所以在MCU與PSD813F2之間不需要地址鎖存器及外部程序存儲(chǔ)器；并且PSD與LCD、FPGA的接口地直接用其PA、PB口連接，只需在軟件設(shè)計(jì)和MCU程序中相應(yīng)設(shè)計(jì)為I/O模式或地址鎖存模式。

另外，F(xiàn)PGA的使用中通常需要時(shí)鐘信號(hào)，并可能需用好幾路同的時(shí)鐘信號(hào)。在系統(tǒng)中采用ICS公司的ISC501倍頻芯片，可實(shí)現(xiàn)2×～8×共8種倍頻方式，最高可實(shí)現(xiàn)160MHz時(shí)鐘；加之使用內(nèi)部分頻，可以滿(mǎn)足多數(shù)設(shè)計(jì)需要。

3 MCU與PSD813F接口設(shè)計(jì)

PSD813F2具有大容量Flash ROM、16個(gè)輸出宏單元和24個(gè)輸入宏單元，因而在與單片機(jī)組成系統(tǒng)時(shí)很少需要外圍分立器件，多數(shù)通過(guò)PSD813F2中的宏單元邏輯組合產(chǎn)生與單片機(jī)連接的地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線；同時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的邏輯譯碼產(chǎn)生對(duì)3塊獨(dú)立存儲(chǔ)區(qū)片選信號(hào)。另外，單片機(jī)與PSD813F2D內(nèi)部宏單元的D觸發(fā)器直通，使得設(shè)計(jì)計(jì)數(shù)器、外圍邏輯控制極為方便。

PSD813F2內(nèi)部包含3塊并行、相互獨(dú)立的存儲(chǔ)器區(qū)，獨(dú)立或并行的單片機(jī)在任何時(shí)候都可以從一塊存儲(chǔ)器執(zhí)行擦寫(xiě)另一塊存儲(chǔ)器的操作。這使得單片機(jī)能夠在執(zhí)行程序期間，通過(guò)改變PSD內(nèi)控制器的內(nèi)容，而動(dòng)態(tài)改變程序和數(shù)據(jù)空間的地址范圍；同時(shí)，系統(tǒng)也能對(duì)邏輯資源、擴(kuò)展輸入和輸出端口進(jìn)行編程，使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)ISP的能力。

4 PSD813F2與FPGA接口設(shè)計(jì)

PSD813F2可以配置Altera或Xilinx的FPGA（本文以Altera的為例）。Altera公司的EPF10K10/20是其萬(wàn)門(mén)級(jí)FPGA的代表，原來(lái)需要外置存儲(chǔ)器，且配置存儲(chǔ)器EPC1441是OTP型，價(jià)格較高；而PSD813F2具有很好的在線編程功能，并且擦寫(xiě)次數(shù)10萬(wàn)次，同時(shí)，1片PSD813F2可以配置10片EPF10K10，因而其具有良好的性?xún)r(jià)比。

用PSD813F2配置Altera公司的EPF10K系列FPGA，主要有以下信號(hào)：

DCLK——輸入移位時(shí)鐘；

DATA——數(shù)據(jù)；

nSTATUS——狀態(tài)信號(hào)；

CONF_DONE——配置是否成功信號(hào)；

nCONFIG——開(kāi)始配置信號(hào)。

轉(zhuǎn)貼于

在實(shí)際配置電路中采用FPGA的被動(dòng)串行方式，因而EPF10K系列FPGA的MSE0、MSE1均接地；同時(shí)nSTATUS、CONF_DONE、nCONFIG均需通過(guò)上拉電阻接電源。配置接口的信號(hào)線只需由PSD813F2的PA或PB口配置即可，如圖3所示。

5 軟件設(shè)計(jì)

PSD813F2編程是在硬件基礎(chǔ)上，利用專(zhuān)用開(kāi)發(fā)軟件PSDsoft進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的；而PSDsoft是一套在Windows環(huán)境下運(yùn)行的軟件工具，運(yùn)用可視化界面進(jìn)行編程，具有人機(jī)交互功能，其一般開(kāi)發(fā)流程如圖4所示。

然而對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)，更熟悉的是采用C51或匯編進(jìn)行編程。利用單片機(jī)對(duì)PSD813F2進(jìn)行配置時(shí)，所使用的C51程序中最主要的是對(duì)PSD813F2進(jìn)行初始化的子程序：

void InitPSD813F2(void){ ；初始化程序

//PA0 LCD_R/W ；定義PA0為L(zhǎng)CD讀寫(xiě)

//PA1 LCD_RS ;定義PA1為L(zhǎng)CD復(fù)位

//PA2 FPGA_DCLK ；定義PA2為FPGA時(shí)鐘

PSDPACtrlReg=0x03 ；//設(shè)定PA口的讀寫(xiě)模式

PSDPADir=0xff;

PSDPADri=0x00;

//PB0 FPGA-CON_DONE

//PB1 FPGA-nSTATUS

//PB2 FPGA-DATA

//PB3 FPGA-nCONFIG

//PB4 LCD-CS_LCD

PSDPBCtrlReg=0x00 ；//設(shè)定PB為MCU的讀寫(xiě)

PSDPBDir=0x0fc ；//設(shè)定PB讀寫(xiě)模式

PSDPBDri=0x00；

}

完整的PSD源程序請(qǐng)見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充版（dpj.com.cn）。

篇9

    論文摘要:本文首先介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(cè)所必須解決的一些關(guān)鍵技術(shù)做出較詳細(xì)的分析，并從理論上給出了能量問(wèn)題的解決方案。

0概述

    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前在國(guó)際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識(shí)高度集成的前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌人式計(jì)算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等，能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，這些信息盈過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組織多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到處理終端，從而實(shí)現(xiàn)物理世界、計(jì)算世界以及人類(lèi)社會(huì)三元世界的連通. mems支持下的微小傳感器技術(shù)和節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線通信能力為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景，在深空探測(cè)方面，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。借助于航天器布撒的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)星球表明長(zhǎng)時(shí)間的監(jiān)測(cè)，應(yīng)該是一種經(jīng)濟(jì)可行的方案。nasa的jpl ( jetpropulsion  laboratory)實(shí)驗(yàn)室研制的sensorwebs’ 就是為將來(lái)的火星探測(cè)進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備的，已在佛羅里達(dá)宇航中心周?chē)沫h(huán)境監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中進(jìn)行測(cè)試和完善。本文首先介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念，然后對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(cè)所必須解決的一些關(guān)鍵技術(shù)做出較詳細(xì)的分析，并從理論上給出了能量問(wèn)題的解決方案。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本概念

    圖1所示為一個(gè)典型的傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)(群)、接收發(fā)送器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制管理中心等。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的基本組成包括如下4個(gè)基本單元:傳感單元(由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成)、處理單元(包括cpu，存儲(chǔ)器、嵌入式操作系統(tǒng)等)、通信單元(由無(wú)線通信模塊組成)以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括:定位系統(tǒng)、移動(dòng)系統(tǒng)以及電源自供電系統(tǒng)等。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)飛機(jī)布撒或人工布置等方式，大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式實(shí)時(shí)感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，并通過(guò)多跳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)經(jīng)由sink節(jié)點(diǎn)(接收發(fā)送器)鏈路將整個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息傳送到遠(yuǎn)程控制管理中心。反之，遠(yuǎn)程管理中心也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和操縱。

    傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為一個(gè)微型化的嵌人式系統(tǒng)，構(gòu)成了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)層支持平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出現(xiàn)了許多種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，它們?cè)趯?shí)現(xiàn)原理上是相似的，只是分別采用了不同的微處理器或者不同的通信或協(xié)議方式，比如采用自定義協(xié)議、802. 11協(xié)議、zigbee協(xié)議、藍(lán)牙協(xié)議以及uwb通信方式等。典型的節(jié)點(diǎn)包括berkeley  motes，sensoria  wins，berkeley  pico-nodes， mit uamps，smartmesh dust mote，intelimote以及intel xscale nodes,  ictcas/hkust的buds等。

2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(cè)的一些關(guān)鍵技術(shù)

2.1物理層

    物理層的研究主要涉及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的傳輸媒體、頻段選擇以及調(diào)制方式。目前，采用的傳輸媒體主要有:無(wú)線電、紅外線、光波等。

    無(wú)線電傳輸是目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用的主流傳輸方式，需要解決的問(wèn)題有:頻段選擇、節(jié)能的編碼方式、調(diào)制算法設(shè)計(jì)等。在頻段選擇方面，ism頻段由于具有無(wú)需注冊(cè)、具有大范圍的可選頻段、沒(méi)有特定的標(biāo)準(zhǔn)、可以靈活使用的優(yōu)點(diǎn)，被人們普遍采用。與無(wú)線電傳輸相比，紅外線、光波傳輸則具有不需要復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)機(jī)制，接收器電路簡(jiǎn)單，單位數(shù)據(jù)傳輸功耗小等優(yōu)點(diǎn)。但由于不能穿透非透明物體，只能在一些特殊的系統(tǒng)中使用。

    外層空間是一個(gè)非常惡劣的環(huán)境，由于沒(méi)有地球大氣層和臭氧層的保護(hù)，空間溫差變化很大，各種輻射強(qiáng)烈，大大小小的流星橫行，用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必須能夠在惡劣環(huán)境(振動(dòng)、加速度、高真空、低溫、粒子輻射等)下工作。因此用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)物理層一個(gè)極其重要的研究方向是:研究抗強(qiáng)電磁干擾、抗大沖擊、高過(guò)載、能夠適應(yīng)極高、極低的溫度環(huán)境的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)方法。

2. 2傳輸層

    現(xiàn)階段對(duì)傳輸控制的研究主要集中于錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制。參考文獻(xiàn)分析了端到端錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制在無(wú)線多跳網(wǎng)絡(luò)中的性能。仿真表明，隨著無(wú)線信道質(zhì)量的下降(信道錯(cuò)誤率從i%上升到50%),端到端錯(cuò)誤恢復(fù)機(jī)制的性能下降很快(發(fā)送成功率從90%下降到接近0)。

    目前，用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸層的研究迫切需要解決的間題有:如何在深空振動(dòng)、加速度、高真空、低溫、粒子輻射等惡劣環(huán)境下，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信道質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化的條件下，為上層應(yīng)用提供節(jié)能、可靠、實(shí)時(shí)性高的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

2. 3能量問(wèn)題

    能源問(wèn)題是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的最大挑戰(zhàn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的小尺寸限制了其攜帶的能量，進(jìn)而限制了網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。用于深空探測(cè)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)處于無(wú)法接近的場(chǎng)所，導(dǎo)致無(wú)法頻繁的更換節(jié)點(diǎn)的電源。

    深空環(huán)境下能源問(wèn)題的解決有以下兩個(gè)研究方向:

    第一個(gè)方向是采用再生能源為節(jié)點(diǎn)供電。但是節(jié)點(diǎn)所處的環(huán)境對(duì)再生能源的獲取有很大的影響，必須根據(jù)不同的環(huán)境設(shè)計(jì)不同的獲取再生能源的方法。

    ①對(duì)于圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)陰陽(yáng)面之分的星球和如月球等有陰陽(yáng)面之分的星球的陽(yáng)面，可以考慮利用太陽(yáng)能電池和溫差效益發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)為節(jié)點(diǎn)提供能量。

    ②對(duì)于布散在有陰陽(yáng)面之分的星球陰面的節(jié)點(diǎn)，由于不能接受到恒星的能量、常年溫度很低，前面所說(shuō)的太陽(yáng)能源和溫差效益在這種情況下無(wú)法利用，可以考慮如圖2的一種獲取能量的方法:

    如示意圖2所示，布散在陰面的節(jié)點(diǎn)，可以利用人造行星反射恒星能量，然后利用太陽(yáng)能源來(lái)獲得節(jié)點(diǎn)的供電。

   另外一個(gè)方向是從系統(tǒng)的角度采用采取節(jié)能措施，可以從以下兩方面考慮:

   ①考慮到深空環(huán)境的溫差變化很大，最低溫度可能接近絕對(duì)零度。在這種情況下，可以考慮利用半導(dǎo)體材料的超導(dǎo)現(xiàn)象，節(jié)約能量。

    ②采用低功耗的能源高效器件、節(jié)能措施，從物理層面上延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)使用壽命。低功耗與能源高效的區(qū)別是:低功耗用于度量每種時(shí)鐘器件所消耗的功率，能源高效則用于度量執(zhí)行每條指令器件所消耗的功率。

    從系統(tǒng)角度出發(fā)節(jié)省功耗，需要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)有:

    (1)動(dòng)態(tài)功率管理(dynamic power manage-ment，簡(jiǎn)稱(chēng)dpm)。

    在多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)事件具有很強(qiáng)的偶然性，節(jié)點(diǎn)上所有的工作單元沒(méi)有必要時(shí)刻保持正常工作狀態(tài)，處于休眠狀態(tài)，甚至完全關(guān)閉，必要時(shí)加以喚醒是一種有效的系統(tǒng)節(jié)能方案。

    (2)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度

    在文獻(xiàn)中，有c. lm等人提出的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)度策略的主要原理是基于負(fù)載狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)供電電壓來(lái)減少系統(tǒng)功耗，并被應(yīng)用到pda之類(lèi)的個(gè)人移動(dòng)設(shè)備上。在文獻(xiàn)中，提出了如圖3所示的功率控制原理圖。節(jié)點(diǎn)上的嵌人式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)度來(lái)自不同任務(wù)隊(duì)列的請(qǐng)求接受任務(wù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)控處理器的利用率和任務(wù)隊(duì)列的長(zhǎng)度，負(fù)載觀測(cè)器依據(jù)這兩參數(shù)的序列計(jì)算負(fù)載的標(biāo)稱(chēng)值w，直流/直流變換器參照該值輸出幅度為a的電壓，支持處理器的正常工作。這構(gòu)成了一個(gè)典型的閉環(huán)反饋系統(tǒng)。控制理論中成熟的方法可以為該系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)提供有力的支持。

2. 4其他關(guān)鍵技術(shù)

    除了以上問(wèn)題外，還有許多關(guān)鍵技術(shù)必須注意，主要集中在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮f(xié)議和應(yīng)用相關(guān)的共性技術(shù)上。文章由于篇幅的限制，在此不做詳細(xì)的說(shuō)明。

3結(jié)論

篇10

【關(guān)鍵詞】?jī)A斜度傳感器；全景圖；GPS模塊；自動(dòng)生成定位

0 引言

全景圖是一種能360°覆蓋周邊場(chǎng)景的大視角的圖像。由于全景圖具有立體的、多角度，實(shí)用性強(qiáng)，更具真實(shí)感，制作較為方便等特點(diǎn)[1]，被廣泛應(yīng)用于航空衛(wèi)星、醫(yī)學(xué)圖像處理、考古研究等方面，例如對(duì)歷史保護(hù)建筑的還原，需要建立整個(gè)建筑體系的模型，這時(shí)便可運(yùn)用全景圖技術(shù)完成建模[2，3]。同時(shí)與基于幾何建模的3D技術(shù)構(gòu)建三維場(chǎng)景進(jìn)行的復(fù)雜的建模和渲染以及大量的計(jì)算相比[4]，全景圖更易制作，比普通地圖更加直觀，制作的成品也更為美觀，全景圖在生活中也被廣泛應(yīng)用，能方便地記錄查找某個(gè)地方及其周邊情況，也可以用來(lái)制作某個(gè)地區(qū)的全景地圖。

目前生成全景圖的方法大概分為用特殊的相機(jī)或者圖像拼接：利用專(zhuān)業(yè)的全景相機(jī)或者折反射系統(tǒng)一次性得到所需的全景信息，但是這樣整套的系統(tǒng)價(jià)格昂貴，操作復(fù)雜且不易攜帶[5]；利用普通數(shù)碼產(chǎn)品拍攝一組相鄰圖像間有重疊的圖像序列，然后使用全景拼接軟件將所有的離散圖拼接為一副廣角圖，但拍攝過(guò)程中很容易因?yàn)榈孛娌黄?、手持相機(jī)不穩(wěn)等因素導(dǎo)致一組圖片在角度等方面出現(xiàn)問(wèn)題，使全景拼接困難，生成效果較差。人們需要一種方便攜帶易于操作生成效果又好全景圖生成裝置。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文所介紹的全景圖生成裝置具有以下特點(diǎn)：

（1）采用背包式，將較重的電源、嵌入式微處理器和存儲(chǔ)器放在背包里，便于攜帶；

（2）前后左右上5個(gè)廣角鏡頭同時(shí)拍下照片，能讓四周的畫(huà)面不存在死角，方便微處理器運(yùn)用現(xiàn)有的全景圖生成技術(shù)后續(xù)拼接的處理；

（3）能通過(guò)顯示屏實(shí)時(shí)觀測(cè)傾斜傳感器檢測(cè)到的傾斜角度，通過(guò)調(diào)整拍攝桿到水平位置，使拍出的照片處于最好狀態(tài)，方便拼合；

（4）由于添加了全球定位系統(tǒng)GPS導(dǎo)航模塊，能夠定位獲取拍攝地的經(jīng)緯度，這樣對(duì)于做大型的全景圖更具有幫助。

1 全景圖生成裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

便攜式全景圖生成裝置包括支桿、背包、全景圖生成模塊，其中，如圖1所示，全景圖生成模塊由控制器、傾斜度傳感器、LCD顯示屏、GPS模塊、拍攝按鈕、開(kāi)關(guān)按鈕、存儲(chǔ)器、嵌入式微處理器、電源、攝像頭組成。

嵌入式微處理器：采用X31系列微型工控機(jī)，CPU采用酷睿i5，高速運(yùn)行；6路USB接口高速傳輸，存儲(chǔ)器接入更為方便，圖片生成速度更加流暢；全鋁合金，高效散熱。節(jié)能低功耗使用時(shí)間較長(zhǎng)。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)圖片的接收、拼接合成，用于采集攝像頭圖像，在軟件的配合下生成全景圖實(shí)現(xiàn)全景圖的生成。

控制器：選用低壓電、超低功耗的MSP430f149單片機(jī)。該單片機(jī)具有高效的查表處理方法及較高的處理速度，在8MHZ晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS。較豐富的模塊更加方便與其他傳感器等協(xié)調(diào)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)拍攝過(guò)程的控制，采集GPS數(shù)據(jù)，傾斜度傳感器數(shù)據(jù)，響應(yīng)開(kāi)關(guān)按鈕，拍攝按鈕。

傾斜度傳感器：采用MPU-6050模塊，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動(dòng)作，用于檢測(cè)支桿傾角度。該模塊相當(dāng)于三軸陀螺儀和三軸加速器的整合，三軸陀螺儀檢測(cè)三軸的角速度，三軸加速度傳感器檢測(cè)三個(gè)軸向運(yùn)動(dòng)的加速度，通過(guò)讀取傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)然后通過(guò)串口輸出。模塊內(nèi)部配合卡爾曼濾波算法，能將姿態(tài)測(cè)量精確到0.01度，穩(wěn)定性極高。

GPS模塊：采用全球定位系統(tǒng) GPS導(dǎo)航模塊，可以實(shí)時(shí)獲取拍攝地點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，保證在任意時(shí)刻任意一點(diǎn)采集到該觀測(cè)點(diǎn)的經(jīng)緯度和高度。

存儲(chǔ)器：主要用于存儲(chǔ)拍攝的全景圖文件，存儲(chǔ)嵌入式微處理器處理得到的完整的全景圖，采用固態(tài)硬盤(pán)，具有較高的穩(wěn)定性。

攝像頭：本裝置配有5個(gè)120°廣角攝像頭，分別分布在拍攝桿上方的前后左右以及上方。一次性全方位采集5幅畫(huà)面，這樣使拍攝點(diǎn)的四周不存在死角，也便于圖片拼接生成全景圖。

LCD顯示屏：用于顯示各種系統(tǒng)狀態(tài)，包括 GPS系統(tǒng)采集到的經(jīng)緯度數(shù)值，傾斜度傳感器檢測(cè)到的角度值。在顯示屏顯示參數(shù)之后，然后根據(jù)顯示屏上的參數(shù)對(duì)拍攝裝置進(jìn)行調(diào)整。該LCD顯示屏只有在按動(dòng)開(kāi)關(guān)按鈕時(shí)，才被會(huì)開(kāi)啟。

拍攝按鈕：本裝置采用微動(dòng)開(kāi)關(guān)作為拍攝按鈕，當(dāng)LCD顯示屏顯示的角度數(shù)值符合要求的時(shí)候，按動(dòng)拍攝按鈕可以采集并生成全景圖。

開(kāi)關(guān)按鈕：當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間按動(dòng)時(shí)，關(guān)閉和啟動(dòng)系統(tǒng)；短時(shí)按動(dòng)時(shí)，只關(guān)閉和打開(kāi)LCD顯示器并且能休眠和換醒控制器。

電源：采用大容量鋰電池，是可充電電源，能夠反復(fù)使用，直接與嵌入式未處理相連接，為裝置提供電能。

2 全景圖生成裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要是包括角度平衡檢測(cè)環(huán)節(jié)、拍攝環(huán)節(jié)和圖片合成環(huán)節(jié)，整個(gè)軟件控制流程圖如圖3所示。

操作過(guò)程：檢查拍攝桿與微處理器兩處的線插頭是否正確連接，再將嵌入式微處理器處線插頭的每條連接線插入微處理器上的串口和USB接口，并將電源和嵌入式微處理器與相連，為整個(gè)裝置通電；

通電確定無(wú)誤后，長(zhǎng)按開(kāi)關(guān)按鈕，啟動(dòng)系統(tǒng)，LCD顯示屏顯示啟動(dòng)、控制器被喚醒；啟動(dòng)過(guò)程中檢測(cè)并顯示攝像頭，GPS模塊，傾斜度傳感器，嵌入式微處理器軟件的狀態(tài)；傾斜度傳感器檢測(cè)到攝像頭的傾斜角度、GPS系統(tǒng)采集到經(jīng)緯度值并顯示到LCD顯示屏上。

顯示屏有數(shù)顯示時(shí)，持有者根據(jù)在LCD顯示屏上顯示支桿的傾斜角度，用手調(diào)節(jié)支桿，當(dāng)顯示的數(shù)值表示水平時(shí)，按下拍攝按鈕，即生成一幅全景圖。需注意持有者拍攝照片時(shí)應(yīng)當(dāng)觀察四周光線，盡量使5個(gè)攝像頭拍到圖在同一曝光度下，這樣生成的全景圖會(huì)更為美觀。當(dāng)更換拍攝地點(diǎn)時(shí)，持有者不需關(guān)閉系統(tǒng)，只需短按開(kāi)關(guān)按鈕，關(guān)閉LCD顯示屏，休眠控制器；換到新拍攝地點(diǎn)時(shí)，再短按開(kāi)關(guān)按鈕打開(kāi)LCD顯示屏和控制器。如果持有者長(zhǎng)時(shí)不使用時(shí)，可長(zhǎng)按開(kāi)關(guān)按鈕關(guān)閉系統(tǒng)，下次需要長(zhǎng)按才能重啟系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著全景技術(shù)在各大領(lǐng)域的發(fā)展，為提高拍攝得到的照片的精度和加快制作速度，同時(shí)隨著全景圖更多被了解，人們已經(jīng)不滿(mǎn)足于二維地圖和普通的3D地圖，我們需要能拍攝沒(méi)有任何角度偏差、能自動(dòng)添加定位的全景圖裝置。本文設(shè)計(jì)的全景圖生成裝置是一種便于攜帶，改進(jìn)了拍攝過(guò)程，也方便后續(xù)的圖片拼接，能讓全景圖更為美觀。同時(shí)能獲取拍攝地點(diǎn)的經(jīng)緯度值，也使全景圖更為直觀。

【參考文獻(xiàn)】

[1]田軍，孫梅，王萍. 全景圖生成技術(shù)研究[J].科技視界，2014（11）.

[2]金淼，易愛(ài)華，朱家文，謝永健.歷史保護(hù)建筑的三維全景展示研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013（2）.

[3]梁弼，肖麗利，薛文.古建筑文物三維全景展示的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2014（16）.