摘要：文章針對城軌車輛的編組及連掛運營現(xiàn)狀，采用車鉤裝置內(nèi)部可控觸點來代替繼電器進(jìn)行安全電路的設(shè)計，實現(xiàn)了車輛獨立運行和連掛時安全回路的形成，使之滿足列車靈活編組時邏輯控制的需要。該設(shè)計可使安全回路更加簡單、合理，從而提高系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。

關(guān)鍵詞：城軌車輛；列車編組；繼電器；安全電路

1概述

目前，絕大多數(shù)國內(nèi)外城軌車輛均采用固定編組或兩列車重聯(lián)的運營方式。在發(fā)車間隔相同的條件下，采用固定編組的列車只有一種運營模式，若按高峰客流配置列車編組，則在客流低峰時會造成列車運力浪費，增加運營成本；若按低峰客流配置列車編組，則在客流高峰時列車運能不足，會導(dǎo)致人員擁擠，極易引發(fā)事故；采用兩列車重聯(lián)運營，可以適應(yīng)高峰客流及50%高峰客流的工況，但當(dāng)客流在50%~100%高峰客流之間變化時，列車必須以重聯(lián)方式運營，同樣造成運力的浪費和能耗的增加。另外，在遇到突發(fā)大客流（如特殊節(jié)假日客流超過普通高峰客流）的情況時，無論是固定編組列車還是重聯(lián)運營列車，同樣存在運力不足的問題；固定編組列車長度較長，不方便在較短的線路上存放，會造成停車場空間的浪費。因此采用可以由任意節(jié)數(shù)車輛組成的列車，不僅可以適應(yīng)1/N~100%高峰客流的工況（N為列車編組車輛數(shù)），而且對于突發(fā)大客流的情況，仍然可以通過增加列車編組的形式滿足運能需求。軌道交通領(lǐng)域使用靈活編組設(shè)計的車輛目前還為數(shù)不多，國內(nèi)有上海軌道交通16號線、廣州市軌道交通三號線采用三節(jié)基本編組，可以實現(xiàn)三三連掛編組重聯(lián)運營，但沒有完全實現(xiàn)自由連掛；在出口土耳其的IZMIRL1E項目上實現(xiàn)了單節(jié)車連掛。而且，可靈活編組車輛在連掛運行與解編運行時，大多采用中間繼電器作為邏輯控制構(gòu)成閉環(huán)控制電路，因繼電器本身的特性導(dǎo)致其故障具有偶然性和不重復(fù)性，在繼電器數(shù)量比較多的情況下，故障率將明顯增加，影響系統(tǒng)的運行可靠性。據(jù)統(tǒng)計，車輛控制故障中，60%以上的故障是由繼電器故障引起。針對可靈活編組列車，筆者對其安全電路進(jìn)行了設(shè)計，通過車鉤裝置內(nèi)部的可控觸點來代替繼電器，實現(xiàn)車輛獨立運行和連掛時安全回路的形成，使之滿足列車靈活編組時邏輯控制的需要，通過該電路可使安全回路電路更加簡單、合理，從而提高系統(tǒng)的可靠性與可維護(hù)性。

2靈活編組列車安全電路設(shè)計

列車安全電路的設(shè)計原則是：不管是單節(jié)車運行還是連掛運行，安全電路必須形成一個閉合的回路，當(dāng)此回路斷開時列車將施加緊急制動。2.1單車運行時列車安全電路設(shè)計。列車單節(jié)車獨立運行時安全電路原理如圖1所示。車輛兩端的電氣車鉤觸點閉合，車輛“末端選擇開關(guān)1”和“末端選擇開關(guān)2”都置“合”位，可實現(xiàn)列車單節(jié)編組時安全回路的形成。列車安全回路的形成路徑具體如下：車輛安全回路高電平信號通過微型斷路器F→“列車末端選擇開關(guān)1”的1/2觸點→Ⅰ端電氣車鉤閉合觸點→“列車末端選擇開關(guān)1”的4/3觸點→緊急制動按鈕→“列車末端選擇開關(guān)2”的2/1觸點→Ⅱ端電氣車鉤閉合觸點→信號系統(tǒng)設(shè)備、制動系統(tǒng)設(shè)備及牽引系統(tǒng)設(shè)備。只要列車解鉤，車端電氣車鉤常閉觸點就會閉合，安全回路自動形成，無需人工干預(yù)，方便快捷。2.2連掛運行時列車安全電路設(shè)計。列車多節(jié)車連掛運行時安全電路原理如圖2所示。車輛連掛時，連掛端的電氣車鉤觸點斷開，非連掛端的電氣車鉤觸點閉合，車輛連掛端“末端選擇開關(guān)1”和“末端選擇開關(guān)2”都置“否”位，車輛非連掛端“末端選擇開關(guān)1”和“末端選擇開關(guān)2”都置“是”位，可實現(xiàn)車輛連掛編組時安全回路的形成。列車安全回路的形成路徑具體如下：車輛安全回路高電平信號通過車輛1非連掛端的微型斷路器F→車輛1“列車末端選擇開關(guān)1”的1/2觸點→車輛1的Ⅰ端電氣車鉤閉合觸點→車輛1“列車末端選擇開關(guān)1”的4/3觸點→車輛1緊急制動按鈕→車輛1“列車末端選擇開關(guān)2”的4/3觸點→車輛2“列車末端選擇開關(guān)1”的6/5觸點→車輛2緊急制動按鈕→車輛2“列車末端選擇開關(guān)2”的2/1觸點→車輛2的Ⅱ端電氣車鉤閉合觸點→連掛車鉤→主控車輛（ATC、車輛控制單元為主控）→信號系統(tǒng)設(shè)備、制動系統(tǒng)設(shè)備及牽引系統(tǒng)設(shè)備。多節(jié)車輛連掛時，列車所有可能會產(chǎn)生緊急制動的部件（如緊急停車按鈕）或系統(tǒng)（如ATC系統(tǒng)和列車控制系統(tǒng)）都被串聯(lián)在一個電路內(nèi)，中間沒有繼電器的過渡轉(zhuǎn)換，使系統(tǒng)的反應(yīng)時間更快（一般繼電器或接觸器的反應(yīng)時間為30~50ms），可靠性會更強(qiáng)。本設(shè)計的特點是主要針對可靈活編組車輛，在連掛時無需人為干預(yù)，只要車輛連掛完成，該安全回路就自動形成，最大限度地保障了電路的可靠性，降低人工操作過程，節(jié)省時間。

摘要:在嵌入式環(huán)境下進(jìn)行艦船電路系統(tǒng)設(shè)計，提高艦船控制電路的集成性，提出一種基于DSP技術(shù)的低能耗艦船嵌入式系統(tǒng)電路設(shè)計方法，采用ADSP21160處理器為核心控制芯片，進(jìn)行艦船電路的AD模塊設(shè)計、控制單元設(shè)計、信號處理模塊設(shè)計和通信模塊設(shè)計，實現(xiàn)艦船的信息采集和數(shù)據(jù)處理及遠(yuǎn)程通信功能，在ARM嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行艦船電路的集成開發(fā)，降低電路的能耗，提高電路的集成性和可靠性。測試結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行艦船電路設(shè)計，電路的功率放大能力較好，信號處理能力較強(qiáng)，具有很好的電路穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；艦船；電路設(shè)計；DSP

隨著集成電路控制技術(shù)的發(fā)展，在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行艦船集成電路設(shè)計，實現(xiàn)艦船環(huán)境信息采集、艦船目標(biāo)信號處理和艦船集成控制與遠(yuǎn)程通信等，艦船的電路系統(tǒng)是一個綜合性的集成電路系統(tǒng)，通過對艦船電路系統(tǒng)的低能耗設(shè)計，采用集成數(shù)字信號處理芯片進(jìn)行艦船電路的控制系統(tǒng)設(shè)計，提高艦船電路系統(tǒng)的綜合開發(fā)能力，從而保障艦船的穩(wěn)定可靠運行[1]。研究嵌入式系統(tǒng)的低能耗艦船電路設(shè)計方法，在提高艦船的本機(jī)振蕩性和功率增益方面具有重要意義，通過艦船綜合電路系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)艦船電路的集成控制優(yōu)化，從而降低艦船的功耗開銷，相關(guān)的電路設(shè)計方法研究受到人們的極大重視。本文設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)下的低能耗艦船電路系統(tǒng)主要包括AD模塊、控制單元、信號處理模塊和遠(yuǎn)程通信模塊，結(jié)合嵌入式設(shè)計方案，實現(xiàn)艦船電路的嵌入式集成設(shè)計，并進(jìn)行電路測試仿真，得出有效性結(jié)論。

1電路設(shè)計總體構(gòu)架及指標(biāo)分析

本文設(shè)計的低能耗嵌入式艦船電路系統(tǒng)主要實現(xiàn)對艦船聲吶信號采集和多功能通信系統(tǒng)中，采用低能耗的嵌入式設(shè)計方案，采用DSP作為集成數(shù)字信息處理中樞，以ADSP21160處理器為核心控制芯片，采用三星公司的K9F1208UOB作為NANDFLASH進(jìn)行信號濾波檢測和數(shù)據(jù)緩存處理，采用多傳感器信號處理和跟蹤融合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和包絡(luò)檢波處理，并與上位機(jī)通信，通過A/D轉(zhuǎn)換器對采樣的艦船信號和采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波和動態(tài)增益控制。在程序加載模塊進(jìn)行動態(tài)增益碼加載控制，并通過DSP接收PCI總線的增益控制碼，通過AD電路實現(xiàn)模擬信號預(yù)處理和信號頻譜分析，采用8086及80286單片機(jī)作為計算機(jī)控制的CPU，進(jìn)行艦船電路系統(tǒng)的總線控制[2]，本文設(shè)計的艦船電路系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)對艦船回波信號的高頻放大、混頻處理、本機(jī)振蕩、中頻放大、低頻功放、鑒頻以及正交解調(diào)處理，得到本文設(shè)計的低能耗嵌入式艦船電路系統(tǒng)的功能模塊組成如圖1所示。C1=C2=CR1=R2=R根據(jù)圖1所示的艦船電路系統(tǒng)的功能模塊組成，進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計，本文設(shè)計的艦船電路主要包括AD模塊設(shè)計、控制單元設(shè)計、信號處理模塊設(shè)計和通信模塊設(shè)計。通信模塊實現(xiàn)對艦船的遠(yuǎn)程通信傳輸控制功能；艦船電路的信號接收機(jī)采用三級接收放大設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，選擇第一級放大電路的隔直流電容：,電阻，使用256Mbyte的DDR內(nèi)存作為緩存器，嵌入式艦船電路系統(tǒng)的濾波模塊設(shè)計中，搭建一個二階有源低通濾波器進(jìn)行隔直流放大和噪聲濾波，根據(jù)上述總體設(shè)計構(gòu)架分析，得到本文設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)的低能耗艦船電路的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖2所示。

2電路模塊化設(shè)計與實現(xiàn)

1電路設(shè)計

1．1設(shè)計思路

恒溫電路設(shè)計的研究主要用于電力采集產(chǎn)品上，對電力采集產(chǎn)品來講，安裝在PT側(cè)，需要耐受100℃的溫度變化，卻要求萬分之五的精度。除需要從理論上進(jìn)行最終的計算和分析外，還要考慮各種因素。如其中重要的一個因素高精度器件的溫漂，器件穩(wěn)定性、可靠性受溫度變化的影響，是電子器件不可回避的問題。對于電力采集產(chǎn)品中高精度的AD采集模塊，溫漂的問題更為嚴(yán)重，要保證AD采集模塊精度在允許的范圍內(nèi)，恒溫電路的設(shè)計是很重要的。基于對電力采集產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境的考慮，將高精度的AD采集模塊放置在恒溫盒中，同時配合加熱電阻來穩(wěn)定恒溫盒溫度的方法，來保證環(huán)境在－20℃～+75℃變化時，恒溫盒內(nèi)的溫度變化在±1℃，使電力產(chǎn)品在萬分之五的精度范圍以內(nèi)穩(wěn)定工作。器件主要由分壓電阻、熱敏電阻、加熱電阻、運放、三極管等組成，從設(shè)計上看電路設(shè)計簡單、穩(wěn)定性好。選擇的運放是低價、高性能、低噪聲的雙運算放大器ne5532，熱敏電阻選擇低價，對溫度反應(yīng)靈敏的電阻。根據(jù)電路，為了保證恒溫盒內(nèi)的器件工作最佳狀態(tài)，首先確定恒溫盒內(nèi)要保持的恒定溫度，通過測試和計算，恒溫盒的溫度恒定在75℃為最佳，AD采集模塊可以穩(wěn)定的工作，電力產(chǎn)品可以達(dá)到萬分之五的精度。當(dāng)溫度降低時，通過分壓電阻電路、負(fù)反饋電路、恒流源控制電路，加熱電阻電路使溫度穩(wěn)定在75℃。

1．2電路具體設(shè)計

具體分析如:當(dāng)溫度低于75℃時，由于熱敏電阻(MF1是負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻)的阻值變大，V0≠V1，V1＞V0，根據(jù)深度負(fù)反饋電路虛短、虛斷的特點，R18上有電流，在經(jīng)過負(fù)反饋電路放大，后級運算放大U2B同向輸入端和反向輸入端形成壓差，輸出電壓放大，三級管基極電壓大于發(fā)射極電壓，三級管導(dǎo)通，有電流流過加熱電阻，加熱電阻加熱，再通過三極管、運算放大U2B、電阻等組成的恒流控制源電路控制流過加熱電阻電流，使恒溫盒溫度保持在75℃左右。在設(shè)計過程中，要理論計算配合仿真軟件。下面是SaberSketch軟件仿真結(jié)果，根據(jù)熱敏電阻負(fù)溫度系數(shù)特性，在仿真過程中給熱敏電阻設(shè)定不同的參數(shù)值，從而達(dá)到模擬溫度升高和溫度降低環(huán)境的目的。

2應(yīng)用

1跟蹤解調(diào)電路的數(shù)學(xué)模型

本設(shè)計采用延遲鎖定環(huán)(DLL)和科斯塔斯環(huán)(Costas)分別作為跟蹤解調(diào)電路中偽碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路的數(shù)學(xué)模型。擴(kuò)頻信號的同步具體包括:捕獲和跟蹤。捕獲是完成對信號的粗同步,使偽碼相位對齊到半個碼片之內(nèi),載波多普勒頻移落在一個多普勒頻移單元之內(nèi)。跟蹤環(huán)路又分偽碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)。偽碼跟蹤環(huán)可跟蹤由于載體與發(fā)射機(jī)相對運動引發(fā)的偽碼相位偏移,載波跟蹤環(huán)則對載波相位和載波多普勒頻移實現(xiàn)跟蹤。原理框圖如圖1所示。具體設(shè)計實現(xiàn)過程中,首先將輸入信號與本地載波相乘實現(xiàn)載波分離,然后分別與超前、滯后和對準(zhǔn)支路的偽碼相乘進(jìn)行解擴(kuò),并通過積分累加器來提高信噪比,同時濾除高頻分量。其中偽碼跟蹤環(huán)采用超前和滯后能量差檢測器(DLL),載波跟蹤環(huán)采用四相反正切鑒相器(PLL),得到的偽碼和載波相位誤差通過環(huán)路濾波器實時反饋到偽碼和載波DCO,用以調(diào)整偽碼和載波DCO的頻率最終來達(dá)到減小誤差的目的。

2跟蹤解調(diào)電路設(shè)計

2.1信號相關(guān)處理電路設(shè)計。信號相關(guān)處理電路主要負(fù)責(zé)建立載波DCO、偽碼DCO、乘法器和碼相關(guān)及積分清洗電路,用來完成對高頻信號的過濾,并產(chǎn)生處理器所需要的數(shù)據(jù)。2.2NiosII軟核處理器設(shè)計。NiosII軟核處理器的作用是配合相關(guān)處理單元實現(xiàn)環(huán)路跟蹤算法,其通過QuartusII軟件中集成的軟核設(shè)計軟件SOPCBuilder設(shè)計實現(xiàn),主要包括CPU、片上存儲器、串行調(diào)試接口JTAGUART、地址線address、雙向數(shù)據(jù)線data、讀寫控制線r_w、中斷輸出線interupt。設(shè)計完成后可作為自定義元件,在QuartusII中調(diào)用。2.3處理器外圍接口設(shè)計。外圍接口電路是連接處理器與外圍邏輯單元的橋梁,在該設(shè)計中其主要負(fù)責(zé)在控制信號的作用下完成外圍邏輯電路與NiosII處理器間的數(shù)據(jù)交互,以實現(xiàn)擴(kuò)頻信號跟蹤解調(diào)電路的完整功能。

3環(huán)路跟蹤算法軟件設(shè)計

3.1算法的總體流程。擴(kuò)頻信號跟蹤解調(diào)電路中,環(huán)路跟蹤算法主要是接收并處理相關(guān)器的累加值,以完成鑒頻、鑒相和濾波、載波和碼DCO控制量的調(diào)節(jié)等功能。3.2偽碼跟蹤環(huán)路算法設(shè)計偽碼跟蹤算法采用二階超前—滯后非相干跟蹤環(huán),在偽碼跟蹤過程中,跟蹤算法間歇性讀取積分清洗電路的輸出值,將其用于偽碼相位的比較,并將比較結(jié)果作用于環(huán)路濾波器以產(chǎn)生碼DCO的相位控制字。偽碼相位比較時首先判斷超前滯后對準(zhǔn)支路的相關(guān)值,并將其與失鎖門限LV進(jìn)行比較,即：當(dāng)2()PLZkV成立時,碼跟蹤進(jìn)行歸一化鑒相：這樣,在信號處理的過程中,就可以避免不同強(qiáng)度信號的變化引起的干擾,當(dāng)歸一化處理結(jié)束后,程序轉(zhuǎn)入環(huán)路濾波算法,環(huán)路濾波對噪聲和高頻分量起抑制作用,并控制著碼環(huán)路的相位校正速度。當(dāng)2()PLZkV不成立時,偽碼失鎖,置失鎖標(biāo)志,程序返回。3.3載波跟蹤算法設(shè)計。偽碼跟蹤穩(wěn)定后,環(huán)路轉(zhuǎn)入載波跟蹤階段,依次進(jìn)行頻率跟蹤和相位跟蹤。進(jìn)入載波跟蹤程序后,算法實時計算平均頻率誤差以判斷頻率是否穩(wěn)定跟蹤,待頻率跟蹤穩(wěn)定后則置頻率穩(wěn)定標(biāo)志,程序進(jìn)入相位跟蹤。進(jìn)入相位跟蹤后程序流程和頻率跟蹤流程類似。通過實時判斷相位誤差來檢測是否達(dá)到穩(wěn)定跟蹤,進(jìn)而決定相位跟蹤穩(wěn)定標(biāo)志的置與否。

AltiumDesigner電路設(shè)計的教學(xué)方式普遍采用老師演示，學(xué)生練習(xí)。這種教學(xué)方式學(xué)生學(xué)到的更多是軟件的使用，無法和其他課程進(jìn)行融合，無法應(yīng)用到實際的項目中。為了解決這種教學(xué)方式存在的弊端，提出一種AltiumDesigner電路設(shè)計探究方案，該方案除了教會學(xué)生使用AltiumDesigner軟件繪制電路原理圖、PCB，結(jié)合本專業(yè)的其他課程進(jìn)行互補(bǔ)學(xué)習(xí)，做到融會貫通，并采用金字塔項目教學(xué)和信息化考評系統(tǒng)，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、激發(fā)學(xué)生解決實際問題的能力。AltiumDesigner是一款應(yīng)用廣泛的電子線路設(shè)計軟件。無論是課程設(shè)計、電子設(shè)計競賽還是實際的項目設(shè)計，AltiumDesigner都是學(xué)生不可或缺的工具，傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在很多弊端，只注重軟件本身學(xué)習(xí)，忽視學(xué)科間的互補(bǔ)學(xué)習(xí)，缺乏實際項目支撐，過于理論化。除了強(qiáng)化學(xué)生對軟件的熟練程度，更重要的是要引導(dǎo)學(xué)生對學(xué)科知識進(jìn)行融合，并在實際項目中提高學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力，并采用信息化考評系統(tǒng)對學(xué)生課堂表現(xiàn)進(jìn)行量化考評。

1理論知識學(xué)習(xí)

整個理論知識的學(xué)習(xí)要求學(xué)生掌握AltiumDesigner的基本功能和應(yīng)用，包括項目工程創(chuàng)建、原理圖設(shè)計、PCB圖設(shè)計、元件符號設(shè)計、元件封裝設(shè)計、集成庫設(shè)計以及EMC、EMI電磁兼容性設(shè)計等內(nèi)容。整個理論知識的學(xué)習(xí)要有一個整體的框架，不能過于注重細(xì)節(jié)而忽略整體、內(nèi)容過于分散、缺乏邏輯性。有了整體思路，再來設(shè)計原理圖、PCB圖文件。老師講授的內(nèi)容要從簡單入手，逐漸完成復(fù)雜電路的設(shè)計，老師在教師機(jī)上為學(xué)生講完，剩余的大部分時間還是要讓學(xué)生自己練習(xí)，在練習(xí)的過程中可以及時的發(fā)現(xiàn)學(xué)生在操作過程中的問題，能夠有針對性的進(jìn)行解決，這種教學(xué)方法為后面完成項目幫助很大。

1.1原理圖的設(shè)計

1.1.1原理圖設(shè)計原理圖的設(shè)計最重要的是要教會學(xué)生電路設(shè)計的原理，各模塊的功能，其次才是怎么繪制原理圖，在設(shè)計過程中按照事先定好的規(guī)范進(jìn)行操作。原理圖繪制的大致流程是首先創(chuàng)建工程文件和原理圖文件，進(jìn)行圖紙參數(shù)的設(shè)置，對元件庫進(jìn)行加載，然后放置和調(diào)整元件，原理圖連線和注釋，編譯檢查原理圖中是否存在錯誤，最后是檢查修改和打印輸出。同時要對學(xué)生容易犯的錯誤進(jìn)行點撥，并對每節(jié)課將所講的內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，包括設(shè)計過程、易錯點、注意事項，將這些問題總結(jié)成word文檔的形式，發(fā)送給學(xué)生，讓學(xué)生獨立設(shè)計的時候不至于走彎路。有些工程項目比較大，需要用到層次原理圖，我們需要了解層次原理圖設(shè)計的相關(guān)概念、自上而下繪制層次原理圖的基本方法、自下而上繪制層次原理圖的基本方法、層次原理圖之間的切換以及層次原理圖的打印輸出與報表生成。設(shè)計一個較大的原理圖或項目時，不可能一次性完成，也不可能將它繪制在一張圖紙上，更不可能由一個人單獨完成時，需要將整個原理圖劃分成多個功能模塊，由多組人員分層次并行設(shè)計，最后進(jìn)行整個項目的規(guī)范化操作。1.1.2自建原理圖元件庫在我們繪制原理圖的過程中，有多種創(chuàng)建原理圖元件庫的方法，從AltiumDesigner自帶的原理圖元器件庫中復(fù)制常用的元件到自己的元器件庫可以提高創(chuàng)建元件效率，但有的元件符號在原有的庫中找不到，這就需要我們自己繪制相應(yīng)的元件符號，繪制原理圖符號的方式有多種。首先創(chuàng)建原理圖庫文件，新建元件之后即可繪制原理圖元件。如果自己想要制作的元件和AltiumDesigner自帶的某元件大同小異，則可以先從AltiumDesigner自帶元件庫中拷貝過一個已有元件，再稍作修改，便可創(chuàng)建一個新的元件，從中找到想要修改的文件，利用圖形編輯工具修改元件，修改完畢保存即可。如果有現(xiàn)成的原理圖文件，也可以把其中你想要的元器件符號添加到自己的庫文件中，這便省去了自己重新繪制的麻煩，打開該原理圖庫文件，把想要的原理圖符號拷貝到自己的原理圖庫文件中去，這種方法要求學(xué)生掌握如何將原理圖制作成一個元件庫，在學(xué)生以后的工作中，可以將自己用過的元件保存在一個庫里，為自己以后參加工作積累資源，以此來節(jié)省時間，提高工作效率。1.1.3快捷鍵的使用原理圖設(shè)計過程中，經(jīng)常使用一些快捷鍵能夠加快設(shè)計的速度，比如按著鼠標(biāo)右鍵拖到圖紙，可以對整個原理圖進(jìn)行移動，按著Ctrl鍵滾動鼠標(biāo)的滾輪可以對原理圖進(jìn)行放大或縮小，同時按著Ctrl鍵和鼠標(biāo)右鍵，并移動鼠標(biāo)可快速放大和縮小繪圖畫布；按tab鍵可修改元件參數(shù)，按空格鍵可對元件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按X可對元件進(jìn)行左右對稱，按Y可對元件上下對稱；PCB中按*號鍵可以放置過孔，并可切換圖層，按G可以對柵格大小進(jìn)行切換。按數(shù)字3可將PCB切換到3D模式，在3D模式按數(shù)字0可以切換到初始狀態(tài)，按數(shù)字9可以將PCB板逆時針旋轉(zhuǎn)90°，按V、B可以查看PCB板的背面電路，按數(shù)字2可以切換到2D模式。將常用技巧直接教給學(xué)生，可以提高設(shè)計效率，達(dá)到事半功倍的效果。

1.2PCB圖的設(shè)計

1引言

當(dāng)今時代的電子產(chǎn)品再也不像改革開放前的電視一樣，人們每隔好多年才舍得更新?lián)Q代一次?，F(xiàn)在幾乎從十幾歲到七八十歲的公民都是電子產(chǎn)品的消耗者，況且，不斷發(fā)展的科技無時無刻在更新著人們消費得起的智能手機(jī)、筆記本電腦、電視等電子產(chǎn)品，人們差不多每年都會換上新的電子產(chǎn)品。而這些產(chǎn)品的相同之處就是采用無線技術(shù)，它非常依賴RF射頻電路的技術(shù)。不過遺憾的是，該設(shè)計過程中都會出現(xiàn)非常多的問題，并且?guī)缀趺恳粋€問題都影響著生產(chǎn)率和質(zhì)量[1-2]，尤其在一些情況下，設(shè)計人員還經(jīng)常被迫在設(shè)計中做出更改，去配合使用射頻電路[3-4]，這些都給設(shè)計人員和設(shè)計工程師也帶來巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)，并且需要專業(yè)的設(shè)計和分析工具。此外，盡管射頻內(nèi)容不斷增加，但是，大多數(shù)PCB設(shè)計分析工具并不能幫助設(shè)計人員減少工作量。所以，許多年來，只有經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員才能獨立完成PCB的射頻部分的設(shè)計。相信在未來的發(fā)展過程中，射頻和微波電路進(jìn)行Layout設(shè)計時還是會有一定的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

2射頻和微波PCB設(shè)計的技巧

本文就以上的一些問題介紹幾條技巧，希望能為設(shè)計人員或者工程師們帶來幫助。2.1保持完好、精準(zhǔn)正確的射頻形狀。射頻和微波電路設(shè)計中值得重視的幾個問題周鵬（南京恒電電子有限公司,南京210049）摘要：隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的不斷的飛速的發(fā)展，射頻和微波電路越來越受到廣泛的重視與高速的發(fā)展。這無疑對當(dāng)今時代的設(shè)計人員和設(shè)計工程師產(chǎn)生著巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)，即使是最自信的設(shè)計人員，對于射頻電路也總是望而卻步。因此如果能夠設(shè)計一種可以支持射頻和微波設(shè)計的PCB設(shè)計和分析工具，這將變得很有意義。因為單純的用手動建立銅箔形狀、倒角或者是via模式的過程，不僅需要花費大量時間而且又不能保證正確率。但是如果能用高效率的設(shè)計工具，一方面能提高操作射頻和微波元素的能力，另一方面，設(shè)計人員和工程師可以花更多精力去開發(fā)更多功能或者進(jìn)一步將設(shè)備尺寸縮小，與此同時這樣的工具也更能保證設(shè)計人員設(shè)計出來的產(chǎn)品的質(zhì)量。關(guān)鍵詞：射頻；微波；電路設(shè)計；倒角；via模式DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.113師們都十分想追求的。分析設(shè)計工具在創(chuàng)建Gerber檔時，可以通過強(qiáng)大的程序進(jìn)行自動調(diào)節(jié)線條寬度從而達(dá)到獲得尖拐角的目的（圖2）。圖2中，一個完美的PCB設(shè)計工具，應(yīng)該滿足一下幾個方面，如，會自動調(diào)節(jié)形狀的線型，或者可以準(zhǔn)確的計算線條寬度，這樣才能達(dá)到建立尖拐角的目的。2.3使用設(shè)計程序確?！霸O(shè)計即正確”一個合格的PCB設(shè)計工具需要滿足多項設(shè)計規(guī)則的設(shè)定：比如可以設(shè)定不同的via類型；可以控制從銅箔區(qū)域邊緣到via之間應(yīng)該有的長度；via與via之間的長度；甚至via模式的類型或者產(chǎn)生的Faraday cage都需要能夠被設(shè)定（圖3）。圖3中，利用PCB設(shè)計工具，設(shè)計人員可以設(shè)定產(chǎn)生via模式的為了盡可能的不出現(xiàn)錯誤提高正確率、并且減輕工程師的工作量，PCB設(shè)計工具可以控制各種各樣的銅箔形狀的導(dǎo)入。例如，控制DXF檔中的層別，然后把它重新映像到CAD電氣系統(tǒng)層別，這樣的過程即可建立有效的銅箔形狀（圖1）。圖1中，如果使用者能控制DXF導(dǎo)入過程，錯誤率大大降低了。2.2保留拐角形狀（CORNERSSHARP）。其實工程師在設(shè)計銅箔形狀時，她們應(yīng)該關(guān)注的最重要的要點之一就是建立帶尖拐角的Gerber檔?？梢院喕@一過程的PCB設(shè)計工具是工程圖1設(shè)計工具減少人為錯誤和誤差圖2有效的PCB設(shè)計工具能自動考慮用于繪制形狀的線型規(guī)則程序，并可以全自動的進(jìn)行程序，從而可以在較短的時間內(nèi)完成更多的工作量并確保符合所有設(shè)計程序。

3結(jié)論

由于當(dāng)今時代的飛速發(fā)展，射頻和微波電路設(shè)計人員和工程師面臨著很大挑戰(zhàn)與壓力，如純手動建立的銅箔形狀、倒角和via模式需要花費大量的時間并且也不能保證很高正確率。因此擁有一款能夠高效率支持射頻和微波設(shè)計的PCB設(shè)計工具是很有必要也是意義重大的。如果能用高效率的設(shè)計工具，一方面能讓操作射頻和微波元素的能力得到更大程度的提高，另一方面，設(shè)計人員和工程師也可以花更多精力去開發(fā)更多其它的功能或者進(jìn)一步將設(shè)備尺寸縮小，與此同時這樣的工具也更能保證設(shè)計出來的產(chǎn)品的質(zhì)量。

薄膜晶體管液晶顯示器(TFT—LCD)具有重量輕、平板化、低功耗、無輻射、顯示品質(zhì)優(yōu)良等特點,其應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步擴(kuò)大,已經(jīng)從音像制品、筆記本電腦等顯示器發(fā)展到臺式計算機(jī)、工程工作站(EWS)用監(jiān)視器。對液晶顯示器的要求也正在向高分辨率,高彩色化發(fā)展。

由于CRT顯示器和液晶屏具有不同的顯示特性,兩者的顯示信號參數(shù)也不同,因此在計算機(jī)(或MCU)和液晶屏之間設(shè)計液晶顯示器的驅(qū)動電路是必需的,其主要功能是通過調(diào)制輸出到LCD電極上的電位信號、峰值、頻率等參數(shù)來建立交流驅(qū)動電場。

本文實現(xiàn)了將VGA接口信號轉(zhuǎn)換到模擬液晶屏上顯示的驅(qū)動電路,采用ADI公司的高性能DSP芯片ADSP—21160來實現(xiàn)驅(qū)動電路的主要功能。

硬件電路設(shè)計

AD9883A是高性能的三通道視頻ADC可以同時實現(xiàn)對RGB三色信號的實時采樣。系統(tǒng)采用32位浮點芯片ADSP-21160來處理數(shù)據(jù),能實時完成伽瑪校正、時基校正,圖像優(yōu)化等處理,且滿足了系統(tǒng)的各項性能需求。ADSP-21160有6個獨立的高速8位并行鏈路口,分別連接ADSP-21160前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9883A和后端的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7125。ADSP-21160具有超級哈佛結(jié)構(gòu),支持單指令多操作數(shù)(SIMD)模式,采用高效的匯編語言編程能實現(xiàn)對視頻信號的實時處理,不會因為處理數(shù)據(jù)時間長而出現(xiàn)延遲。

系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用不同的鏈路口完成輸入和輸出,可以避免采用總線可能產(chǎn)生的通道沖突。模擬視頻信號由AD9883A完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9883A是個三通道的ADC,因此系統(tǒng)可以完成單色的視頻信號處理,也可以完成彩色的視頻信號處理。采樣所得視頻數(shù)字信號經(jīng)鏈路口輸入到ADSP-21160,完成處理后由不同的鏈路口輸出到ADV7125,完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADV7125是三通道的DAC,同樣也可以用于處理彩色信號。輸出視頻信號到灰度電壓產(chǎn)生電路,得到驅(qū)動液晶屏所需要的驅(qū)動電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標(biāo)志腳,可用于接受外部控制信號,給系統(tǒng)及其模塊發(fā)送控制信息,以使整個系統(tǒng)穩(wěn)定有序地工作。例如,ADSP-21160為灰度電壓產(chǎn)生電路和液晶屏提供必要的控制信號。另外,系統(tǒng)還設(shè)置了一些LED燈,用于直觀的指示系統(tǒng)硬件及DSP內(nèi)部程序各模塊的工作狀態(tài)。

AD9883A是高性能的三通道視頻ADC可以同時實現(xiàn)對RGB三色信號的實時采樣。系統(tǒng)采用32位浮點芯片ADSP-21160來處理數(shù)據(jù),能實時完成伽瑪校正、時基校正,圖像優(yōu)化等處理,且滿足了系統(tǒng)的各項性能需求。ADSP-21160有6個獨立的高速8位并行鏈路口,分別連接ADSP-21160前端的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9883A和后端的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADV7125。ADSP-21160具有超級哈佛結(jié)構(gòu),支持單指令多操作數(shù)(SIMD)模式,采用高效的匯編語言編程能實現(xiàn)對視頻信號的實時處理,不會因為處理數(shù)據(jù)時間長而出現(xiàn)延遲。

系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用不同的鏈路口完成輸入和輸出,可以避免采用總線可能產(chǎn)生的通道沖突。模擬視頻信號由AD9883A完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD9883A是個三通道的ADC,因此系統(tǒng)可以完成單色的視頻信號處理,也可以完成彩色的視頻信號處理。采樣所得視頻數(shù)字信號經(jīng)鏈路口輸入到ADSP-21160,完成處理后由不同的鏈路口輸出到ADV7125,完成數(shù)模轉(zhuǎn)換。ADV7125是三通道的DAC,同樣也可以用于處理彩色信號。輸出視頻信號到灰度電壓產(chǎn)生電路,得到驅(qū)動液晶屏所需要的驅(qū)動電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標(biāo)志腳,可用于接受外部控制信號,給系統(tǒng)及其模塊發(fā)送控制信息,以使整個系統(tǒng)穩(wěn)定有序地工作。例如,ADSP-21160為灰度電壓產(chǎn)生電路和液晶屏提供必要的控制信號。另外,系統(tǒng)還設(shè)置了一些LED燈,用于直觀的指示系統(tǒng)硬件及DSP內(nèi)部程序各模塊的工作狀態(tài)。

本設(shè)計采用從閃存引導(dǎo)的方式加載DSP的程序文件,閃存具有很高的性價比,體積小,功耗低。由于本系統(tǒng)中的閃

存既要存儲DSP程序,又要保存對應(yīng)于不同的伽瑪值的查找表數(shù)據(jù)以及部分預(yù)設(shè)的顯示數(shù)據(jù),故選擇ST公司的容量較大的M29W641DL,既能保存程序代碼,又能保存必要的數(shù)據(jù)信息。

圖2為DSP與閃存的接口電路。因為采用8位閃存引導(dǎo)方式,所以ADSP-21160地址線應(yīng)使用A20-A0,數(shù)據(jù)線為D39—32,讀、寫和片選信號分別接到閃存相應(yīng)引腳上。

系統(tǒng)功能及實現(xiàn)

1電子技術(shù)和單元電路概述

電子技術(shù)主要包括信息技術(shù)和電路技術(shù)。這其中信息技術(shù)可以實現(xiàn)對電子電路中的各種數(shù)據(jù)的有效傳輸，而電子電路技術(shù)則是對電力運行系統(tǒng)中模擬技術(shù)的管理和應(yīng)用。近年來我國電子電路技術(shù)取得了較快的發(fā)展，這也使電路設(shè)計理念和設(shè)計方案也隨之進(jìn)行了相應(yīng)的適應(yīng)，使電力設(shè)計與當(dāng)代電子技術(shù)的運行要求更具相符性。當(dāng)前電子的運行特點決定了其越來越趨近于單元化模式。電子電路主要電子元件和電子器件共同組成，同時電子電路以分立電路和集成電中兩種形式為主。在整個電子電路系統(tǒng)中，單元電路作為最為重要的組成部分，主要以放大器電路、振蕩電路和數(shù)字電路等為主，通過對單元電路進(jìn)行設(shè)計，可以有效的提升整體電子電路設(shè)計的水平。但由于單元電路較為復(fù)雜，因此要對單元電路設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)分析，從而為單元電路設(shè)計不斷累積思路。

2單元電路的設(shè)計步驟

2.1明確任務(wù)。在對單元電路設(shè)計時，需要對電路需要的功能進(jìn)行明確，并制定詳細(xì)的任務(wù)書，并對需要的單元電路進(jìn)行確定，對電路的性能指標(biāo)進(jìn)行擬定，計算電壓需要放大的倍數(shù)及電路中輸入輸出電阻的大小，進(jìn)行執(zhí)行流程圖的繪制。在具體設(shè)計過程中需要將電路成本降至最低，以此來提升單元電路和參數(shù)的精度，全面提高單元電路設(shè)計的可靠性和穩(wěn)定性。2.2參數(shù)計算。在單元電路設(shè)計時計算參數(shù)是其中必不可少的一個步驟，通過具體的計算，確保電路中各個單元電路功能指標(biāo)都能夠達(dá)到需要的要求。在具體進(jìn)行參數(shù)計算時，需要強(qiáng)化的單元電路設(shè)計理論知識和電子技術(shù)相關(guān)知識作為支撐，從而做到正確的選擇數(shù)據(jù)和方法。2.3繪制電路圖。在具體電路設(shè)計過程中，要將單元電路與整機(jī)電路實現(xiàn)有效連接，設(shè)計出完整的電路圖。在具體單元電路與整機(jī)電路連接過程中，需要注意單元電路間連接簡化，這其中在重視電路電氣連接是否能夠?qū)ú崿F(xiàn)預(yù)定功能。比如在對單元電路間的級聯(lián)設(shè)計時，當(dāng)各單元電路設(shè)計完成后，需要注意輸入和輸入信號、控制信號間的關(guān)系，并要注意電路圖的可讀性。在具體繪圖時，盡量在一張圖紙上繪制主電路圖，可以將獨立的部分單元電路和次要部分在另一張圖上繪制，但在注意圖之間電氣端口的連接和對應(yīng)，標(biāo)記好各圖紙間的輸入和輸出端口。在設(shè)計時需要注意信號流向，通常從輸入端和信號源開始，根據(jù)信號流向按照從左到或、從上到下的順序來連接單元電路。并在圖中加上適當(dāng)?shù)恼f明。另外，還要對連接線畫法給予注意。在電路圖中，各元件連接應(yīng)以直線為主，盡量減少交叉線，以水平或是垂直來設(shè)計連接線的分布，只有在特殊情況下才可以化斜線，這種情況下需要將連續(xù)點用原點表示。

3單元電子電路的設(shè)計方法

3.1線性集成運放組成的穩(wěn)壓電源的設(shè)計。在進(jìn)行單元電路設(shè)計時，串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路主要由調(diào)整部分、取樣部分、基準(zhǔn)電壓電路等共同組成，在對線性集成運放組成的穩(wěn)壓電源進(jìn)行設(shè)計時，需要重視過流保護(hù)和短路保護(hù)這兩項功能。在具體設(shè)計時，通過整流出來的直流電，采用濾波來降低波文系數(shù)，以此來直接帶動負(fù)載，但這樣的電路穩(wěn)壓效果并不理想，因此還要根據(jù)相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)來進(jìn)行穩(wěn)壓電源的設(shè)計。3.2單元電路之間的級聯(lián)設(shè)計。在設(shè)計單元電路過程中，當(dāng)對各單元電路確定后，需要充分的重視單元電路間的級聯(lián)問題。在單元電路電氣性能設(shè)計中，阻抗匹配和負(fù)載能力匹配是最為主要的問題，需要設(shè)計人員要綜合多種因素進(jìn)行認(rèn)真考慮。對于驅(qū)動能力沒有過高要求的情況下，具體可以采用運放構(gòu)成的電壓跟隨器。但當(dāng)對驅(qū)動能力具有較高要求時，則要運用互補(bǔ)對稱輸出電路或是功率繼承電路。對于數(shù)字電路，采用單管反向器或是達(dá)林頓驅(qū)動器更為適宜。3.3對于運算放大器電路的設(shè)計。在具體進(jìn)行放大器電路設(shè)計運算過程中，需要選擇單雙電源供電和電源電流作為基本參數(shù)，同時轉(zhuǎn)換失調(diào)電壓、失調(diào)電流及電阻輸入的速率，并確定時間。在運用運算放大器時，盡可能的運用通用性的運算放大器。在具體設(shè)計過程中，在選擇各種參數(shù)時不能以指標(biāo)先進(jìn)性作為唯一依據(jù)。對于運算放大器作弱信號放大時，則應(yīng)選擇具有極小失調(diào)和噪聲系數(shù)的運算放大器，同時保持等效直流電阻運放同相端和反相端對地。為了能夠有效的消除運入的高頻自激，設(shè)計人員可以將適當(dāng)?shù)碾娙菹窠槿氲揭?guī)定的消振引腳之間，有效的預(yù)防和避免兩級以上級級聯(lián)的情況，以此來降低消振難度。

1EHW的機(jī)理及相關(guān)技術(shù)

計算機(jī)系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜，與此同時，計算機(jī)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實踐經(jīng)驗表明，要想使如此復(fù)雜的實時系統(tǒng)實現(xiàn)零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤的情況下的適應(yīng)能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍(lán)本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過千萬年基因進(jìn)化，使得人體可以在某些細(xì)胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進(jìn)行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機(jī)理，科學(xué)家們研究出可進(jìn)化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可進(jìn)化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過自我重構(gòu)消除錯誤，而且可以在設(shè)計要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過自我重構(gòu)來使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴(yán)格地說，EHW具有兩個方面的目的，一方面是把進(jìn)化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中；另一方面是硬件具有通過動態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強(qiáng)調(diào)的是進(jìn)化算法在電子設(shè)計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計方法；后者強(qiáng)調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機(jī)理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個方面的問題。

對EHW的研究主要采用了進(jìn)化理論中的進(jìn)化計算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設(shè)計算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設(shè)計中以現(xiàn)場可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來進(jìn)行的。此外還有建立在晶體管級的現(xiàn)場可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時設(shè)計數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進(jìn)化硬件設(shè)計方法。

1．1遺傳算法

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進(jìn)化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機(jī)產(chǎn)生一群個體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競爭機(jī)制選擇個體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進(jìn)化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優(yōu)解為止。

1．2現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)