控制处理模块范文

2024-05-20

控制处理模块范文（精选10篇）

控制处理模块第1篇

断路器作为电力系统中重要的电气设备之一,其可靠性和智能化水平对电力系统的稳定和自动化程度将产生深远的影响。真空断路器作为技术性能先进的一种断路器,具有可靠性高、稳定性好、少维护、寿命长等特点,得到了广泛的应用。操动机构作为断路器的核心部件之一,其可靠性是断路器性能优劣的关键。因此操动机构的工作性能和质量的优劣,对高压真空断路器的工作性能和可靠性起着极为重要的作用。

操作机构的发展经历了几个重要的阶段:电磁机构、弹簧机构、永磁机构。最早的电磁机构,由于对电源的要求较苛刻,需要专用的大容量直流屏提供分合闸电源,并且操作时冲击大,分合闸动作时间长,而逐渐被市场所淘汰,取而代之的是弹簧操动机构[1]。其利用交直流两用电动机对弹簧进行预储能,利用弹簧能进行分合闸操作,从而对电源要求低,交直流均可操作,因此在近几年得到广泛应用。但弹簧机构也有其自身不可克服的缺点:结构比较复杂,零件数量多,加工精度要求高,动作分散性较大。永磁机构是一种电磁操动、永磁保持、电子控制的操动机构,性能先进,受到了广泛关注。永磁操动机构由于取消了脱扣、锁扣装置,而采用永久磁铁进行终端位置的保持,动作元件和零部件数目明显减少,永磁机构具有简单可控等优点,因而可靠性大大提高。

单线圈式永磁机构是永磁机构的一种,它的特点是:采用永久磁铁使真空断路器保持在合闸极限位置,使用激磁线圈将机构的铁心从分闸位置推动到合闸位置,同时,给分闸弹簧储能。分闸时,给线圈通以反向电流,使铁心工作气隙处永磁材料与激磁线圈产生的合成磁场接近于零,靠触头弹簧和分闸弹簧所储存的能量进行分闸[2]。

本文讨论了单稳态永磁机构控制器设计思路。该控制器不仅实现了对断路器分合闸控制,而且能够实现过流、过压等保护功能,使本控制器的综合成本更低,可有效降低用户的采购费用。

1 硬件结构

如图1所示,永磁机构控制系统主要由CPU主控制模块、信号处理采集模块、在线电容电压检测模块、分合闸驱动模块、通信模块和电源模块等组成。

采集的电网信号经信号处理采集模块调整后送入CPU主控制模块计算电压、电流进行自动保护。在检测到分合闸命令时判断分合闸条件是否满足,满足就计算分合闸所需的延迟时间,到达延迟时间之后,发出触发命令,驱动绝缘栅双极晶体管(IGBT)导通,使放电回路导通,储能电容器对断路器线圈快速放电,使断路器动作。当断路器动作完成之后关断IGBT,切断电容器的放电回路,电源给电容器继续补电,等待下次操作的到来。

1.1 CPU主控制模块

CPU主控制模块是整个控制系统的核心部分,所用的核心处理器要完成电压、电流的数据采集和计算,分合闸延迟时间的计算以及控制,外部输入、输出接口和通信等功能。CPU主控制模块选用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149,执行时间达125 ns。内核结构按照精简指令集和高透明的宗旨而设计,可以提高执行速度和效率,增强了实时处理能力[3]。直接嵌入仿真处理,具有JTAG接口。16位数据宽度,数据处理更为有效。包含外围模块时钟模块,看门狗,定时器A、B,比较器,串口0、1,硬件乘法器(一个周期的运算时间),12位高精度模数转换等。

1.2 信号处理采集模块

信号处理采集模块主要完成电压、电流信号的采集和调理。A/D转换采用MSP430F149内置8通道12位A/D转换器,由于内置A/D转换速度快,精度高,速度高达200 kbit/s,完全能满足需要,并且电路简单,控制方便,提高了控制器的可靠性。电压、电流二次信号经过控制器的高精度互感器后转换为一定范围的信号,经过前置运放后通过线性光耦隔离,最后信号送入MSP430F149的A/D转换端口。由于控制器的工作环境恶劣,本控制器采用高精度线性光耦实现电气隔离,每周波采样32点保证精度;通过相关算法后实现过电压、过流速断及定时限和反时限保护等功能,从而控制断路器的分合闸并告警,实现继电保护功能。信号处理电路图如图2所示。

1.3 在线电容电压检测模块

本控制器对储能分合闸电容电压进行检测,若电压不足,则进行电容器充电;若收到分合闸命令,判断断路器的运行状态和位置都正确时,则进行相应的分合闸操作。在分合闸完毕或动作时间已经超过设定分合闸时间时,立即停止分合闸操作;在不具备操作条件或机构故障的情况下,报警且禁止断路器动作。

1.4 分合闸驱动模块

分合闸驱动模块的主要功能是当CPU主控制模块发出控制命令后,控制储能电容放电驱动永磁机构动作,达到分合闸的目的。永磁机构的驱动控制是分合闸驱动模块的最主要功能,驱动控制主要由储能电容器、放电线圈和IGBT功率模块组成。通过IGBT模块的可控关断,使储能电容器的储能能够完成一次标准的O-0.3 s-CO-180 s-CO操作循环。所以,IGBT功率模块的可靠导通和关断是本控制器设计成败的关键因素之一。

首先在IGBT功率模块的驱动信号抗干扰和可靠性上的设计,驱动信号采用3 000 V光电隔离,驱动电源和主电源之间采用3 000 V的隔离电压进行隔离,不仅如此,IGBT的门极驱动条件与它的静态和动态特性密切相关。门极电路的正偏压UGE、负偏压-UGE和门极电阻的大小,对IGBT的通态电压、开关损耗、承受短路能力等参数有不同程度的影响。在门极电路的设计中采用如下原则:

(1)正向驱动电压UGE,一般IGBT的正向驱动电压UGE应在12~18 V之间,可选用UGE=15 V,允许波动率小于10%,在这点通态电压接近饱和值,通态损耗小,是IGBT工作的最佳点;(2)负驱动电压-UGE,使IGBT关断的门极负驱动电压-UGE应不小于5 V,这是因为集电极电压变化率du/dt的作用会使管子误导通或不能关断;(3)门极电阻RG,应该在门极和驱动信号之间加一个门极电阻RG。当管子导通时,RG可以减小集电极电流上升率dic/dt,防止门极电流震荡;当管子关断时,RG可以减小集电极电压上升率du/dt,避免动态擎住效应的发生。但RG会增大IGBT的开通、关断时间,增加IGBT开关损耗,因此应当根据IGBT的电压、电流,定额选择合适的RG阻值。

其次单稳态永磁机构的线圈为感性负载,在关断线圈的放电回路时,由于线圈的自感效应,在IGBT上会产生几倍于放电电容器的反向电压,当反向电压大到一定程度时,很可能会击穿IGBT,所以必须增加IGBT的缓冲吸收电路。我们采用了RCD吸收电路,RC吸收电路因电容的充电电流在电阻上产生压降,还会造成过冲电压,所以采用了二极管旁路电阻上的充电电流,从而克服了过冲电压。对缓冲吸收电路的要求是:尽量减小主电路的布线电感;吸收电容应采用低感吸收电容,它的引线应尽量短,最好直接接在IGBT的端子上;吸收二极管应选用快恢复二极管和快软恢复二极管[4]。缓冲吸收电路如图3所示。

1.5 通信模块

该模块采用高速光耦6N137进行电气隔离,保障各个子系统与监控主机之间的信息可靠传输。MSP430F149自带2个串口通信接口,RS-485总线连接方便,而且具有优良的抗干扰性及可靠的数据传输性能,能很好的满足断路器智能控制的要求。串口通信电路如图4所示。

1.6 电源模块

电源模块采用大功率开关电源,输入交流电源在60%~120%的宽范围波动,当电容电压从0~90 V充电小于10 s,能满足断路器在短时间多次动作而及时给电容补电,保证控制器连续动作可靠性。

2 控制器主程序

单稳态永磁机构控制器的主程序流程图如图5所示。

控制器实时采集各电压、电流量,通过真有效值计算,判断是否有故障或断路器有操作发生,并作出相应的处理。控制器采集电压、电流量通过RMS算法计算,此方法不受波形变化影响。同时为保证采样精度,防止产生混迭效应而使用同步采样来解决。

3 结语

本控制器是采用以MSP430F149为核心的工业控制系统,采集电网的电压、电流信号,开关状态,电容器电压等信息,通过大功率IGBT的可控关断,控制大容量电容器对单稳态永磁机构的分合闸线圈放电实现断路器动作,并且采用RS-485通信实现了与上位监控系统的数据交互,实现了永磁机构真空断路器的智能控制。

参考文献

[1]游一民,郑军,罗文科.永磁机构及其发展动态[J].高压电器,2001,37(1):44-48.

[2]林莘.永磁机构与真空断路器[M].北京:机械工业出版社,2003.

[3]胡大可.MSP430系列FLASH超低功耗16位单片机[M].北京:北京航空航天大学出版社,2001.

语音信号模块化预处理技术探究第2篇

语音信号分析是语音信号处理的前提和基础，只有分析出可表示语音信号本质特性的参数，才有可能利用这些参数进行高效的语音通信、语音合成和语音识别等处理。

（l）时域分析方法

语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数，是一种比较直观的分析方法。时域分析通常用于最基本的参数分析及应用，如语音的分割、预处理与分类等，其实现简单、运算量也较小。

（2）频域分析方法

从广义上讲，语音信号的频域分析包括语音信号的频谱、功率谱、倒频谱、频谱包络分析等。常用的频域分析方法包括傅立叶变换法等。因为语音信号是一个非平稳过程，因此适用于周期、非瞬变或平稳随机信号的标准傅立叶变换不能用来直接分析，而应该用短时傅立叶变换进行频谱分析，相应的频谱称为“短时谱”。

（3）同态分析

同态分析实现了将卷积关系变换为求和关系的分离处理，即解卷。对语音信号进行解卷，可将语音信号的声门激励信息及声道响应信息分离开来，从而求得声道共振特征和基音周期，用于语音编码、合成与识别等。

（4）线性预测分析

线性预测分析的基本思想是：由于语音样点之间存在相关性，所以可以用过去的样点值来预测现在或未来的样点值，即一个语音的抽样能够用过去若干个语音抽样或它们的线性组合来逼近。通过使实际语音抽样和线性预测抽样之间的误差在某个准则下达到最小值来决定唯一的一组预测系数。现代语音编码的声道模型参数估计大多都基于线性预测分析方法。

二、语音预处理模块分析

实用语音预处理系统主要包括噪声消除系统、电平控制系统和回声控制系统等。噪声消除系统的作用是检测并降低语音信号中的背景噪声，提高语音的纯净度；电平控制系统则能稳定信号传输电平，使双端或多端语音的音强与音质维持在一定的水平上；回声控制系统则针对扩声系统中回声所引起的正反馈放大现象，采用自适应滤波等方法进行回声对消，也起到提高语音纯净度的作用。

下面介绍语音预处理的几个重要模块。

2.1自动电平控制

对于经过通信传输或者放大系统的语音信号幅度经常发生很大波动这种现象，ALC系统通过实现一种优化语音信号电平的方法，提高语音质量。自动电平控制（Automatic Level Control，ALC）与自动增益控制都是为了把信号电平调整至最优值，但前者主要用于语音信号处理上；传统AGC则是连续地调整系统增益以控制传输信号幅度。

ALC系统是建立在语音激活检测（VAD）基础上的实时调整语音信号电平的技术。首先，根据语音信号的短时平稳性，将语音信号分段处理。利用语音帧之间的相关性，计算出当前帧与相邻帧的长时功率值，再与预设值作比较得到增益值，用这个值调整当前帧的电平。由于人的语音信号是不连续的，存在非语音帧的情况。如果不考虑语音帧和静音帧的分类，直接计算增益值，就会将噪音信号帧作为参考计算进去。但背景噪音与语音信号间没有必然的相关性，这样直接计算反而会引起语音信号的不稳定。

所以在自动增益控制之前加一个VAD检测部分，先将语音信号分成两类，语音帧和静音帧。再以归类为语音帧的信号作为参考计算长时功率值与一个标准值进行比较调整。如果遇到静音帧则可忽略，利用其前一个语音帧作为下一个语音帧的调整参数。调整趋势图如图1，结构图如图2。

参考文献

[1] 王炳锡.变速率语音编码.西安：西安电子科技大学出版社，2004.

[2] 陈克安，曾向阳，李海英编著.声学测量.科学出版社，2005.

[3] 刘海滨.非平稳环境下基于人耳听觉掩蔽特性的语音增强，信号处理，vol.19，No.4，2003.

[4] 蔡凌云等.自动增益控制技术应用.电子工程师，2002，28（4）：22-23，37

基于DSP的音频信令处理模块实现第3篇

在数字通信系统中接入话音是很常见的,话音通信的进程不同,通信系统中就需要产生不同的信令音。信令音的产生是话音通信不可缺少的一部分,信令音能使话音通信的操作员清楚地了解到通信的进展情况,从而根据通信进展的各个不同阶段而做出不同的操作。

在程控交换机、话音邮政等通信设备中,信令音的产生也是一个独立且必须的功能组成部分。目前数字信号处理器(DSP)的发展使开发者能快速、准确实现各种复杂算法,这就使基于DSP的音频信令处理模块得以实现。

1 方案设计

1.1硬件设计

基于DSP的音频信令处理模块作为一个独立的插件,其基本组成框图如图1所示。

该模块主要完成音频信令的检测及产生,硬件实现简单,其基本组成框图如图1所示。DSP选用电路TMS320VC5509,复位管理电路选用IMP809SEUR,电源管理电路选用TPS72116DBVT。

1.2软件设计

音频信令处理模块的软件流程如图2所示。

该软件是以模块化的方式实现,主要包括初始化模块、音频处理模块、HPI收发模块以及McBSPs收发模块。各模块主要功能如下:

① 初始化模块:系统加电初始化、自检;

② 音频处理模块:根据控制接口收到的命令选择相应的音频信号检测器,对从多通道缓冲型串行接口(McBSPs)收到的PCM音频数据进行数字滤波、频谱分析及能量判决,产生音频信号报告;选择音频信号发生器,产生相应的音频信号;

③ McBSPs收发模块:完成PCM音频数据流接收和发送;

④ HPI收发模块:完成所在系统的控制器单元与音频处理单元之间的消息接收和发送。

2 需解决的问题

2.1音频信令检测器

由于音频信令处理模块接收与处理的数据流是8 kHz采样的A律编码的2 Mbps的PCM数字码流,因此整个识别过程就是A律解码、数字滤波及双音多频/信号音译码。

2.1.1 A律解码

A律解码是将A律13折线非线性码线性化。对于8 bit的A律码 (a1a2a3a4a5a6a7a8)2 ,其解码算法如下:判断a1之值,确定符号;取出a1a2a3,乘以相应段落码起始值得x1;取出a4a5a6 a7,乘以相应段内阶梯得x2;将x1与x2相加,并依据之前所得符号性质进行修正,就恢复出了线性码。

2.1.2 数字滤波

数字滤波是识别双音多频/信号音译码的核心部分,采用Goertzel算法,其推导如下:

已知典型的DFT变换数学表达式为 $X (k) = \sum_{n = 0}^{Ν - 1} x [n] \times W_{Ν}^{k n}$ ,其中k=1～N-1,N取整数,

$W_{Ν} = e^{- j (\frac{2 π}{Ν})}$ , (1)

又因为 $W_{Ν}^{- k Ν} = e^{j (\frac{2 π}{Ν}) Ν k} = e^{j 2 π k} = 1$ ,所以将式(1)左右同乘W $_{Ν}^{- k Ν}$ ,则有:

$X (k) = W_{Ν}^{- Ν k} \cdot [\sum_{r = 0}^{Ν - 1} x [r] \times W_{Ν}^{k r}] = \sum_{r = 0}^{Ν - 1} x [r] \times W_{Ν}^{- k (Ν - r)}$ ; (2)

令:

$y_{k} (n) = \sum_{r = 0}^{Ν - 1} x [r] \times W_{Ν}^{- k (n - r)} = x [n] \otimes W_{Ν}^{- k n}$ , (3)

式中,⨂为离散卷积,则式(2)可以以看为式(3)中n=N的特例,即 $X (k) = y_{k} (n) |_{n = Ν}$ ;

因为式(3)是x[n](0≤n≤N-1)与序列W $_{Ν}^{- k n}$ 的离散卷积,所以,yk(n)可以看成是单位冲击响应为W $_{Ν}^{- k n}$ 的系统对输入x[n]的响应。根据该结论,将W $_{Ν}^{- k n}$ 作Z变换得到:

$\begin{array}{l} Η_{k} (z) = \sum_{0}^{\propto} W_{Ν}^{- k n} \times z^{- n} = \\ \sum_{0}^{\propto} [W_{Ν}^{- k} \cdot z^{- 1}]^{n} = \frac{1}{1 - W_{Ν}^{- k} \cdot z^{- 1}} ‚ 可以变形为 ∶ \end{array}$

按照该式的变形可以推导出系统函数的二阶递归计算流图如图3所示。

式中,n=0,1,…,N-1,

coefk= $2 \cos (\frac{2 k π}{Ν})$ , $- W_{Ν}^{k} = - e^{- \frac{2 k π}{Ν}}$ 。

由于系数是实数,而-1可以由减法代乘法,所以实现此系统极点只要2次乘法和4次加法。又由于只要求系统所处状态能使yk[N]为可计算的,所以实现零点要求的与-W $_{Ν}^{k}$ 相乘的运算不必每步都作,而只要在第N步作一回即可。所以总的计算量为2N次实数乘法与4N次实数加法,比起式(4)直接记算的方法效率提高1倍。

2.1.3 双音多频/信号音译码

信号音有450 Hz、1 100 Hz、2 100 Hz可能出现的频率点,检测时用上述算法依次检测信号中这3个频率分量的幅值,选择一定的门限对单音所在频带能量进行判断,如果超过门限即判其为单音。

双音多频信号中有8 个可能出现的频率点, 每次检测时用上述算法依次检测信号中这8 个频率分量的幅值, 并根据其大小判断信号存在的2个频率分量,进行查表就可以完成译码。

2.2音频信令发生器

2.2.1 双音多频发生器

双音多频(DTMF)发生器主要是通过2个可编程的二阶数字正弦振荡器组成,其中一个是行振荡器,另一个是列振荡器,这样的2个振荡器就代替了8个振荡器。对于每个DTMF数字编码,只要给2个振荡器赋予相应的系数和初始条件,产生相应的频率,通过8 kHz采样输出。

2.2.2 信号音发生器

信号音的产生依赖于正弦信号的产生,每一个音频信号的产生都可由二阶正弦波数字振荡器完成。为适应不同频率的单音的产生,信号音发生器设计为一个可编程数字正弦振荡器,根据所要产生的信号音,赋予合适的系数和初始条件,产生相应的频率,通过8 kHz采样输出。

2.2.3 2FSK发生器

2FSK发生器主要是通过2个可编程的数字正弦振荡器组成,赋予相应的系数和初始条件,产生相应的频率,通过8 kHz采样,根据调制数据“1”、“0”,接通相应的正弦振荡器输出。

3 关键技术

3.1数字信号处理器配置

数字信号处理器外接10 MHz的晶振,通过配置时钟模式选择管脚配置成10倍的倍频,提高软件的运算速度。

模拟的音频信号经过系统的A/D变换模块后变成数字信号,音频信令模块接收该数字信号经DSP处理后把运算解码后的结果通McBSPs送给D/A变换模块,再把变换后的音频信号送给音频设备。该设计只使用第1路McBSPs,McBSPs硬件工作条件是:

① 串口接收时钟(BCLKR0)、串口发送时钟(BCLKX0)配置成输入方式,时钟频率为 2.048 MHz;

② 接收帧同步脉冲(BFSR0)、发送帧同步脉冲(BFSX0) 频率为8 kHz;

③ McBSPs在BCLKR0的下降沿对串口输入数据(BDR0)进行采集,在BCLKX0的上升沿输出数据(BDX0);

④ McBSPs工作在中断方式。

3.2McBSPs采样时序

McBSPs接口的各管脚逻辑必须严格遵循一定的对应关系才可以做到无误码地接收和发送PCM音频数据码流,从而才可以准确地实现音频信令检测和DTMF检测。

与音频信令检测模块连接的音频PCM编解码设备遵循的采用时序也要与音频信令检测模块McBSPs接口的采用时序相同。

4 结束语

基于DSP的音频信令处理模块能产生满足YDN065–1997《邮电部电话交换设备总技术规范书》标准的信令音,同时能对满足该标准的DTMF和信令音进行检测。

在实际的话音应用系统中,有时电话交换设备产生的信令音的频率有偏差,只需对该设计中DSP的软件算法的参数进行修改即可实现。

该模块体积小,只需以单排插针即可接入应用的目标系统,使用非常方便。

参考文献

[1]常新华,林春勋.高频信号发生器原理、维修与检定[M].北京:电子工业出版社,1996.

[2]姜艳波.数字信号处理器DSP应用100例[M].北京:化学工业出版社,2009.

[3]苏涛.DSP接口电路设计与编程[M].西安:西安电子科技大学出版社2003.

[4]周霖.DSP系统设计与实现[M].北京:国防工业出版社,2003.

[5]谷萩隆嗣.数字滤波器与信号处理[M].北京:科学出版社,2003.

控制处理模块第4篇

关键词模块化；案例教学；任务驱动；Photoshop

中图分类号：G712 文献标识码：B 文章编号：1671-489X(2011)03-0053-02

Modular Teaching Design for Photoshop Courses//Zhao Jingdan, Xue Yinyan, Chen Ling

Abstract Photoshop Computer Professional course is one of the compulsory courses, to enable students to adapt to an earlier demand for the actual work, the author discusses the teaching of the course’s modular design concept.

Key words modular; case teaching; task-driven; Photoshop

Author’s address

1 Ningxia Business Technology Institute, Yinchuan, China 750021

2 The North University for Ethnics, Yinchuan, China 750021

平面图像处理Photoshop（简称PS）课程主要培养学生设计、制作与处理各类数字化图形图像的能力。基于模块化的平面图像处理Photoshop课程设计，是在分析课程专业培养目标中的定位、明确课程目标之后，对该课程内容进行重新组合，设计多个教学模块，各模块化之间以阶梯螺旋式递进方式进行的模块化组织，每个教学模块设计多个任务，各教学模块主要以案例引入、以任务为驱动进行教学。

1 课程目标

本次课程教学除了让学生掌握实际的广告设计制作、图像处理的制作方法和技巧外，还要让学生了解Photoshop在动画作品制作中的作用。

2 学生分析

高职计算机专业学生整体水平较低，学生的计算机技能水平、美术基础、接受能力等有着很大的不同，思想较为活跃，适应性较强，能较为积极地探索自己感兴趣的事物，动手能力较强，自控能力较弱；有不少学生对Photoshop有一定的了解，但对Photoshop的使用仅限于处理照片，经常用到的也就是部分工具如滤镜、套索工具等，大多数学生对所涉及的图层、路径、通道等概念不明确。

3 教学模块设计

按行业企业实际应用情况对教学内容进行重组，设计如表1所示9个教学模块。课程设计更注重职业岗位的需求，又兼顾专业的指向性，可根据不同专业指向的不同进行模块重组。

4 教学方法

每个模块教学主要采用“案例引入＋任务驱动＋项目设计”的教学方法。教师会先通过问题讨论的形式帮助学生明确Photoshop在实际工作中的应用；以任务形式让学生掌握Photoshop基本工具；然后给出案例，让学生通过作品讨论分析模仿，调动学生学习积极性和主动性；最后让学生完成一个综合较强的任务，激发他们创作出有个性的作品。

4.1 任务驱动——验证性任务

教学伊始即通过一个个目的明确的任务来进行，此类任务是让学生以模仿为主，如一个套索工具的使用。除了熟练掌握工具以外，还要通过任务明确工具在实际中的应用。每一个任务的实现都为后续案例的教学奠定基础。

4.2 案例教学

案例教学是通过教师与学生一起对大量真实的工作实例进行讨论分析，最终让学生体验到实际问题的解决方法和思路。案例教学的教学目标要明确，合适的案例选取是教学目标实现的关键。案例的选取要注重3点：1）案例的选取要从简单到复杂，循序渐进；2）案例要具备典型性；3）要贴近生活。案例教学的基本流程：1）课前的准备；2）案例的分析与讨论；3）制作案例；4）评价及总结。

在本课程教学中教师针对每个教学模块引入多个典型案例。如在海报设计中，会直接拿一份企业广告宣传海报，通过展示，分析讨论，让学生明白海报制作并没有想象中的难，再通过实际的制作，学生就会明确实际广告的制作方法和技巧，最终提高学生分析、解决问题的能力。

4.3 任务驱动——设计性任务

以项目形式进行作品设计，在每个教学模块后期，根据学生接受情况，为提高学生的创意设计能力，提升部分学生的层次，都会进行一项设计性任务，不同层次的学生任务的要求也有所不同。教师提供主题或素材，创意弱的学生允许模仿，创意较强的学生可自行根据主题或素材进行创意设计，如在海报设计模块中让学生进行化妆品广告、校园卡拉OK大赛海报等的设计。

5 课程考核

本课程评价采用多种评价方式全面考查学生，包括平时（20%）＋各模块作品制作（30%）＋期末案例制作（25%）＋期末作品设计（25%）。平时主要根据平时任务、案例完成情况和平时学习态度（如考勤、学习认真程度等）进行评定。

6 课程教学效果

该课程最终教学效果较为明显，主要表现在学生分析能力的提高。如在2008级多媒体学生的期末案例考核中，教师提供一个实际案例的效果图，由学生自己完成制作，最终所有学生都完成案例制作，27.2%的学生完成效果达到优秀的程度，50.6%的学生完成效果达到较为准确的程度。

7 问题及解决思路

尽管该课程教学效果明显，但教学后，在暑期部分学生在企业实践后，仍反应教学与企业之间有差距，主要表现在与其他软件如CorelDraw、AutoCAD等的结合应用较差，不会用打印机等相关设备。故应考虑逐步将欠缺内容融入教学之中，并在以后平面作品设计的实训项目课程中提升学生对各相关软件的综合应用能力，还要在教学中锻炼学生的学习能力，减少他们的依赖性。另一方面，要设法营造与实际工作场景类似的环境，加快相关实训场所的建设，为学生提供一个与实际相似的职业情境，为学生提供使用相关设备的机会。

参考文献

[1]薛银燕.高职学院平面设计课程的教学现状与基本问题[J].科教文汇,2009(17):90-91

[2]许高炎.高职教育项目教学法的实践与研究[J].职教论坛,2008(5):8-10

[3]郝蕾.如何在Photoshop项目教学设计中体现专业指向性[EB/OL].http://www.ahzcj.gov.cn/newsshow.jsp?ID=66299

[4]胡丹丹.Photoshop教育教学方法初探[J].科技信息,2008(16):54

控制处理模块第5篇

现代雷达系统的日益复杂, 使得在设计和调试雷达系统的过程中, 不可避免地需要雷达的回波信号。当前雷达信号模拟技术逐步发展成熟, 成为雷达技术的一个重要分支, 雷达信号模拟器的研制更成为国内外研究领域的热门方向[1,2]。雷达信标源是基于数字射频存储器 (DRFM) 的全硬件回波信号模拟系统, 是随着DRFM技术的发展成熟而不断发展起来的。DRFM技术能够将接收到的雷达射频信号相位 (频率) 实时存储起来, 经过一段时间延迟与变换后, 再向雷达发射回去, 且能保证信号良好的相参性[3]。因此雷达信标源能通过建立雷达系统模型, 灵活地产生蕴含多种雷达目标信息的回波信号, 满足雷达系统设计、开发和测试的需要。

中频信号处理模块是雷达信标源设计的核心, 而中频部分处理主要是对信号距离时延特性和速度多普勒特性的模拟。这里在对雷达信标源介绍的基础上, 提出了中频信号处理模块的总体方案, 并采用FPGA器件对距离时延和多普勒移频模块进行了设计实现, 最后进行了仿真测试及结果分析。

1 雷达信标源

雷达信标源是以DRFM为核心部件的, 基于DRFM的相参雷达信标源主要由接收变频器、频率合成器、多普勒频率调制器和发射变频器等设备组成。相参信标主要完成以下功能:① 接收经过空间传输的由雷达送出的脉冲连续波信号, 并对接收到的信号进行转发放大;② 在对接收到的信号进行转发放大时, 根据要求加入多普勒频率。雷达信标源的结构框图如图1所示, 主要由收发单元、本振频率源、上下变频组件、数字射频存储器和电调衰减器等控制单元组成。在上下变频组件部分, 对天线接收的高频信号进行限幅、衰减, 与数控本振进行混频, 下变频到中频;中频处理结束后, 再上变频到高频并经由天线发射出去。中频处理部分, 对中频模拟信号进行A/D采样, 存储在存储器中, 进行距离延时控制, 读出存储的数据, 紧接着对读出的数字信号进行多普勒移频调制, 实现速度特性的模拟, 然后滤波放大后输出。

2 中频处理模块的总体方案

中频信号处理模块用于对下变频后的中频信号进行相关处理, 其核心模块主要有距离时延模块和多普勒移频调制模块。中频信号的处理主要是由可编程逻辑器件FPGA进行设计实现的, 中频信号处理模块设计实现的总体方案如图2所示。所用FPGA器件是Cyclone II系列的EP2C70F62C67。

距离时延模块采用FPGA内部集成的双口RAM模块进行实现, 该方法既充分利用了FPGA的灵活方便、可编程性强的特点, 同时也利用了RAM模块的功能实现方便、读写控制简单等优点。

多普勒频移模块设计采用了数字正交调制的单边带调制技术[4,5], 调制信号采用DDS技术[6]实现, 且此DDS模块以及单边带调制模块均由FPGA器件来实现。在这里多普勒移频模块是利用基于DSP Builder工具进行开发设计的。

3 距离时延设计

采用FPGA的Quartus II 7.2开发软件的原理图法对距离时延模块进行设计。采用双口RAM进行时延模块的设计时, 模块上电后就立即触发写使能信号进行信号的写入存储, 当读使能端的计数器计到所需延迟的值时, 就会触发读使能信号为高电平, 进行存储信息的读取。RAM的读使能信号的控制原理为将需要延时的数值存入寄存器74273b中, 设定的延时值与计数器的值在比较器中进行比较, 当计数值大于等于延时值时, 输出高电平到读使能端, 进行存储数据的读取。

因此通过向FPGA中的延迟寄存器写入相应的延时量, 就可以产生不同的延迟时间, 满足了对不同目标距离的模拟。同时可以通过编程的方式来实时改变延时寄存器中的值, 模拟出目标不同的距离变化, 这样就大大提高了延时控制的灵活性。时延模块的硬件顶层设计电路实现如图3所示。

考虑到在设计实现与实际雷达信号进行对接测试是既不方便且不现实的, 因此在仿真测试时, 都采用了基于ROM模块写入的载波数据波形进行仿真测试。下面对设计的时延模块进行仿真设计, 输入波形数据为ROM写入的单周期为64个点的12 bit正弦连续波信号, 仿真时间设为500 μs, 时钟周期为10 ns, 写使能信号置为高电平, 延时100个时钟周期, 可得其时序仿真波形如图4所示。

4 多普勒移频设计

DSP Builder是一个面向DSP开发的系统级 (或算法级) 设计工具, 它架构在多个软件工具之上, 并把系统级 (算法仿真建模) 和RTL (硬件实现) 2个涉及领域的设计工具连接起来, 都放在MATLAB/Simulink图形设计平台上, 而将QuartusⅡ作为底层设计工具置于后台, 提供了QuartusⅡ软件和MATLAB/Simulink工具之间的接口, 最大程度地发挥了各种工具的优势[7]。

多普勒移频调制模块就是基于DSP Builder进行设计开发的, 调制信号采用了DDS技术来产生, 并通过对DDS调制信号模块频率控制字的改变来进行多普勒频移的变化, 在这里测试信号也是通过DDS产生。DDS模块如图5所示, 移频调制模块实现的DSP Builder模型如图6所示, 其中output输出的是经多普勒移频调制后的信号, output1输出的是测试载波信号, 用于与调制后的信号进行对比。

将综合后生成的网表文件通过USB-Blaster下载电缆, 以JTAG模式的方式下载到FPGA器件中, 从而完成了器件的配置, 然后进行硬件在回路仿真 (hardware-in-the-loop, HIL) 。HIL仿真在开发周期早期就将硬件与软件合并起来进行测试, 这样可以及早地发现问题, 从而降低了成本[8]。这里系统时钟为10 ns, Simulink仿真采样时间为1 μs, 中频测试信号的频率为100 kHz, 调制信号频率为50 kHz, 相应的频率控制字分别为2147484、4294968, 仿真结束时间为0.2 ms。运用DSP Builder中的HIL模块, 测试结果在MATLAB/Simulink的示波器中观察波形如图7所示, 结果达到了设计要求。

5 结束语

采用FPGA器件设计实现了雷达信标源的中频信号处理模块, 并进行了仿真测试与分析, 结果表明了设计实现的中频信号处理模块功能良好, 达到了预期的设计要求, 可以满足实际中的应用需求。此外, 要想使雷达信标源获得更广泛的应用, 中频信号处理模块一方面还需在模拟目标信号类型的多样性、目标运动特性变化以及功能拓展应用上进行更深层次的研究与探索, 另一方面还有待于高性能指标的DRFM器件的不断发展与应用实现, 其中提高器件瞬时带宽和量化精度是DRFM 技术发展的2个重要方向。

摘要：介绍了雷达信标源的结构组成及功能, 提出了中频信号处理模块的总体设计方案, 并对中频信号处理部分的距离延时和多普勒移频2个核心模块进行了FPGA的硬件设计和实现。时延模块采用了QuartusⅡ软件的原理图法进行设计, 移频调制模块基于DSP Builder工具平台进行设计。仿真测试结果表明, 设计实现的中频信号处理模块方案原理正确, 达到了设计的要求。

关键词：雷达信标源,距离延时,多普勒频移,FPGA

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控制处理模块第6篇

关键词：综合模块化航空电子,通用信号处理模块,动态重构,在线更新

0 引言

IMA是当前航电体系结构发展的最高阶段[1], 其体系架构实现了基于模块的高度综合, 硬件资源与软件资源均采用模块化设计, 系统通过对软硬件资源进行配置及重构来实现各项功能线程[2]。在IMA系统中, 通用SPM通过加载不同的应用程序和配置参数来实现不同的数字信号处理功能[3], 其设计难点在于如何实现稳定可靠的功能线程动态重构和应用程序在线更新。目前国内航空电子领域已知范围内尚缺乏相关专门研究和工程实践。本文介绍了一种机载通用SPM功能重构和代码更新技术。通用SPM以大规模可编程逻辑器件 (FPGA) 和高速数字信号处理器 (DSP) 为主处理单元, 引入应用程序3级加载流程, 可按照系统指令动态配置主处理单元, 可实现数10种数字信号处理功能程序的存储和加载。

1 通用 SPM 硬件设计

通用SPM每个处理通道配备高速LVDS串行解串器 (SERDES) [4]、FPGA、DSP和通用异步收发器 (UART) [5], 此外还有大容量FLASH存储器、SDRAM存储器、用户自定义接口以及模块支持单元。模块支持单元可由CPLD或小容量FPGA编程实现。通用SPM单处理通道如图1所示。

FPGA和DSP是通用SPM的主处理单元[6]。其中, DSP除了是数字信号处理的核心器件, 还是功能线程动态重构和应用程序在线更新的主控器。DSP挂接的FLASH存储器用于保存各种数字信号处理功能的DSP和FPGA应用程序代码, 此外还存储功能重构和代码更新所需的自举加载程序 (BOOTLOADER) [7]以及功能管理程序。模块支持单元主要负责在功能重构过程中实现FPGA加载接口和加载过程监控。SDRAM存储器为功能管理程序和应用程序提供了数据暂存空间。

2 功能重构和代码更新解决方案

基于自身具备的自举加载 (BOOTLOAD) [8]能力, DSP成为功能线程动态重构和应用程序在线更新的主控器。为了突破DSP自举加载程序代码尺寸不能超过1 KB的限制以满足系统需求, 通用SPM采用了应用程序3级加载流程。

2. 1 DSP 应用程序加载流程

通用SPM DSP应用程序加载流程分为3个阶段:自举加载程序加载运行、功能管理程序加载运行和应用程序加载运行, 即3级加载。

通用SPM FLASH存储器挂接在DSP芯片EMIFB总线CE1空间, DSP通过上拉 /下拉电阻配置成从EMIFB总线CE1空间的8 bit ROM上电/复位自举加载。FLASH低地址段保存BOOTLOADER程序, BOOTLOADER用汇编语言编写, 编译后大小不超过1 KB。DSP上电/复位后, CPU处于“挂起”状态, 增强型直接存储器访问 (EDMA) 控制器使用默认的ROM访问时序, 以单帧数据块传输方式自动把FLASH中前1 KB地址单元中存储的BOOTLOADER代码拷贝到片内程序存储区, 在此过程中EMIF接口自动把连续的8 bit字节组合成32bit指令字以便EDMA控制器复制。数据块传输结束后, CPU从“挂起”状态中被释放并从内存地址0开始执行BOOTLOADER代码, 该阶段为第1级加载[9]。

受限于代码尺寸, BOOTLOADER的主要任务是把FLASH中保存的功能管理程序代码整块搬移到DSP片内程序存储区, 然后跳转到功能管理程序起始处执行, 该阶段为第2级加载, 功能管理程序可视为第2级BOOTLOADER。

应用程序的加载由功能管理程序完成。功能管理程序根据模块支持单元CPLD中保存的加载参数信息, 从FLASH中特定存储空间读取数字信号处理应用程序代码并写入DSP内存, 校验正确后跳转执行, 该阶段为第3级加载。至此, DSP应用程序加载流程结束。

2. 2 FPGA 应用程序加载流程

和DSP应用程序一样, FPGA应用程序也保存在FLASH存储器中。FPGA配置模式通过硬件设定为从并模式 (Slave SelectMAP) [10], 由DSP充当FPGA加载的主控器。DSP在自身加载流程的第2阶段运行功能管理程序对FPGA进行配置。一般情况下可将FPGA视为DSP的外设, 因此功能管理程序先配置FPGA, 再加载DSP。功能管理程序通过DSP EMIF总线从FLASH中读出FPGA应用程序代码, 然后通过模块支持单元CPLD写入FPGA加载端口。CPLD实现DSP EMIF总线至FPGA加载端口之间的接口适配逻辑[11], FPGA加载如图2所示。

通过CPLD实现的FPGA加载时序如图3所示。

2. 3 功能线程动态重构流程

系统在需要对通用信号处理模块进行功能重构时, 首先通过UART接口向DSP发送功能重构指令。DSP当前运行的应用程序接收到该指令后, 将指令中包含的关键参数信息保存在模块支持单元中, 然后通过模块支持单元发出DSP复位信号, 启动DSP加载流程。DSP依次运行BOOTLOADER和功能管理程序。功能管理程序根据模块支持单元中保存的功能重构参数, 从FLASH存储器中对应地址空间读取用户程序FPGA和DSP代码。用户程序FPGA代码通过CPLD中的适配逻辑写入FPGA配置口。FPGA在数据加载正确完成后自动启动配置流程。此后, 功能管理程序将用户程序DSP代码直接写入DSP内存, 校验正确后跳转执行。在跳转执行DSP应用程序前, 功能管理程序通过UART接口将功能线程动态重构操作结果上报系统。功能重构流程如图4所示。

2. 4 应用程序在线更新流程

应用程序在线更新流程如图5所示。

通用SPM在功能重构流程中读取的DSP和FPGA应用程序代码全部存放在大容量FLASH存储器中。模块单板调试时, DSP可挂接仿真器, 在PC机CCStudio开发环境中将保存在本地硬盘上的DSP和FPGA应用程序代码烧录到FLASH内。在系统联试和维护的情况下, 系统主控可通过UART接口向通用信号处理模块DSP发送应用程序代码更新指令。DSP当前运行的应用程序接收到该指令后, 将指令中包含的关键参数信息保存在模块支持单元中, 然后通过模块支持单元发出DSP复位信号, 启动DSP加载流程。DSP依次运行BOOTLOADER和功能管理程序。功能管理程序解析模块支持单元中保存的指令参数, 并通过UART接口接收系统下发的DSP和FPGA应用程序代码数据。应用程序代码以数据帧的形式分包传送, 每一帧数据内含该包数据的CRC校验值。通用SPM将接收到的应用程序代码数据暂存在SDRAM存储器中。校验无误后, 功能管理程序再将应用程序代码烧写到FLASH相应地址空间中并将操作结果上报系统主控。

2. 5 功能重构常见问题

通用SPM功能重构有2个常见问题:加载耗时和加载可靠性。

加载耗时受以下因素制约:被加载代码长度、DSP内核时钟速率和EMIF接口工作速度、FLASH存储器访问位宽以及FPGA配置时钟速率和配置接口位宽。因此, 提高加载速度的可行办法有:提高DSP内核和EMIF接口运行速度;在功能管理程序开始运行后把FLASH访问位宽从字节 (8 bit) 改为字 (16 bit) ;将FPGA配置位宽增大到32 bit并提高配置时钟速率。

加载可靠性可分为硬件可靠性和操作完备性2个问题。硬件可靠性是指模块长时间工作以及应对极端使用环境的能力, 如高低温、振动和复杂电磁环境。硬件可靠性问题的关键是PCB及其完整性设计, 不仅包括信号完整性、电源完整性, 还包括EMC、防护、热设计、结构和易测试性等内容[12]。而操作完备性主要指在功能动态重构过程中严格遵循相关器件使用要求, 做好器件复位、配置和校验等操作, 最大限度保证器件正常可靠工作。

3 结束语

语音信号模块化预处理的分析实现第7篇

关键词：语音信号,模块,预处理

1 语音分析方法

语音信号分析是语音信号处理的前提和基础, 只有分析出可表示语音信号本质特性的参数, 才有可能利用这些参数进行高效的语音通信、语音合成和语音识别等处理。

1.1 时域分析方法

语音信号的时域分析就是分析和提取语音信号的时域参数, 是一种比较直观的分析方法。时域分析通常用于最基本的参数分析及应用, 如语音的分割、预处理与分类等, 其实现简单、运算量也较小。

1.2 频域分析方法

从广义上讲, 语音信号的频域分析包括语音信号的频谱、功率谱、倒频谱、频谱包络分析等。常用的频域分析方法包括傅立叶变换法等。因为语音信号是一个非平稳过程, 因此适用于周期、非瞬变或平稳随机信号的标准傅立叶变换不能用来直接分析, 而应该用短时傅立叶变换进行频谱分析, 相应的频谱称为“短时谱”。

1.3 同态分析

同态分析实现了将卷积关系变换为求和关系的分离处理, 即解卷。对语音信号进行解卷, 可将语音信号的声门激励信息及声道响应信息分离开来, 从而求得声道共振特征和基音周期, 用于语音编码、合成与识别等。

1.4 线性预测分析

线性预测分析的基本思想是:由于语音样点之间存在相关性, 所以可以用过去的样点值来预测现在或未来的样点值, 即一个语音的抽样能够用过去若干个语音抽样或它们的线性组合来逼近。通过使实际语音抽样和线性预测抽样之间的误差在某个准则下达到最小值来决定唯一的一组预测系数。现代语音编码的声道模型参数估计大多都基于线性预测分析方法。

2 语音预处理模块分析

实用语音预处理系统主要包括噪声消除系统、电平控制系统和回声控制系统等。噪声消除系统的作用是检测并降低语音信号中的背景噪声, 提高语音的纯净度;电平控制系统则能稳定信号传输电平, 使双端或多端语音的音强与音质维持在一定的水平上;回声控制系统则针对扩声系统中回声所引起的正反馈放大现象, 采用自适应滤波等方法进行回声对消, 也起到提高语音纯净度的作用。

下面介绍语音预处理的几个重要模块。

2.1 自动电平控制

对于经过通信传输或者放大系统的语音信号幅度经常发生很大波动这种现象, ALC系统通过实现一种优化语音信号电平的方法, 提高语音质量。自动电平控制 (Automatic LevelControl, ALC) 与自动增益控制都是为了把信号电平调整至最优值, 但前者主要用于语音信号处理上;传统AGC则是连续地调整系统增益以控制传输信号幅度。

ALC系统是建立在语音激活检测 (VAD) 基础上的实时调整语音信号电平的技术。首先, 根据语音信号的短时平稳性, 将语音信号分段处理。利用语音帧之间的相关性, 计算出当前帧与相邻帧的长时功率值, 再与预设值作比较得到增益值, 用这个值调整当前帧的电平。由于人的语音信号是不连续的, 存在非语音帧的情况。如果不考虑语音帧和静音帧的分类, 直接计算增益值, 就会将噪音信号帧作为参考计算进去。但背景噪音与语音信号间没有必然的相关性, 这样直接计算反而会引起语音信号的不稳定。

所以在自动增益控制之前加一个VAD检测部分, 先将语音信号分成两类, 语音帧和静音帧。再以归类为语音帧的信号作为参考计算长时功率值与一个标准值进行比较调整。如果遇到静音帧则可忽略, 利用其前一个语音帧作为下一个语音帧的调整参数。调整趋势图如图1, 结构图如图2。

2.2 自适应噪音消除

2.2.1 建立谱减法的基本假设

1) 噪声信号和语音信号是互不相关的, 在频域是加性的关系。

2) 背景噪声环境相对于语音活动区域来说是近似稳态的, 这样就可以用在无声段估测的平均噪声谱来逼近有声段的噪声谱。

3) 如果背景噪声环境变化到一个新的稳态, 则应有足够的时间 (约300ms左右) 以便于估计出新的背景噪声谱幅度估值。

4) 对于缓慢变化的非平稳噪声环境, 谱减算法中有话音激活检测环节以便适时的判断并进行调整。

5) 假设主要噪声影响的消除可以通过仅仅从带噪语音谱幅度中减去噪声而实现。

2.2.2 谱减法的基本原理

谱减法的基本思想是在假定加性噪声与短时平稳的语音信号相互独立的条件下, 从带噪语音的功率谱中减去噪声功率谱, 从而得到较为纯净的语音频谱。

s (i) 为纯净语音信号, n (i) 为噪声信号, y (i) 为带噪语音信号, 则有下式

用Y (w) 、S (w) 、N (w) 分别表示y (i) 、s (i) 、n (i) 的傅里叶变换, 则可得下式

由上式得S (w) =Y (w) -N (w)

上式表明只要能估计各频率的噪声谱, 就能从当前的带噪语音谱中通过减去噪声频域值的办法得到语音频域值的估计。

通常假设语音信号是无限长的, 故在处理前对信号要做加窗处理, 进行分帧。后续处理都是分帧进行。

由于假定语音信号与加性噪声是相互独立的, 因此有

引入数学期望, 推导出|N (w) |2用E|N (w) |2|来代替, 即

这样减出来的功率谱即可认为是较为纯净的语音功率谱, 然后, 从这个功率谱可以恢复降噪后的语音时域信号。因为人耳对相位变化不敏感, 在最后IFFT变换中可以用原带噪语音信号的相位谱来代替估计之后的语音信号y (i) 的相位谱来恢复降噪后的语音时域信号。

如果从幅度谱的角度出发, 则上式变为

基本谱减法处理带噪语音有明显效果, 但也造成了容易觉察的损伤和失真, 要的是产生了“音乐噪声”。

2.3 自激抑制

对于一套扩声系统来说, 要绝对地避免产生啸叫是不可能的, 也是不必要的, 只要在达到最高使用要求声压级的情况下不产生啸叫, 那么此套系统的啸叫问题就算得以解决。

要防止声反馈就必须抑制它产生自激的条件, 通常抑制啸叫的方法有:

1) 在扩声系统设计、安装时采取措施, 尽量减小可能的声反馈。例如选择频率响应平直的电声器件;利用电声器件的指向性降低声反馈;利用均衡技术抑制声反馈等:,

2) 采用移频技术, 破坏啸叫的相位条件。然而这种方法的啸叫抑制效果并不好, 常常控制了一个频率点的啸叫, 系统又会在另外一个频率点啸叫经试验表明, 当移频较大时, 一句话的结尾处会出现金属拖尾声, 对音质有一定的影响。

3) 采用自适应回音抵消器, 通过消除扬声器到传声器的回音来抑制啸叫。该方法效果很好, 同时也不会对语音音质产生任何影响, 但是其算法很复杂。因此, 实现所需要硬件成本很高。

3 结论

随着语音信号处理技术的发展, 人们对处理输出的语音质量要求也越来越高。这不但对语音处理技术提出了更高的要求, 也对要处理的语音信号有一定的要求。语音信号的预处理技术作为各种语音信号处理的前提条件, 也变得很必不可少了。当然, 语音信号处理是一个漫长的发展过程, 只有在不断创新改进中才能得到发展。这使人深刻感受到这一领域的发展空间, 以及它对人们生活带来了怎样的影响。这些都将激励我们付出更大的努力, 在以后的工作学习中, 以严谨的态度研究科学知识, 并将它们应用到实践中, 为科学领域的发展做出自己的贡献。

参考文献

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控制处理模块第8篇

MVB多功能车辆总线是在国际标准IEC61375列车通信网络(TCN)中被详细定义的一种现场总线,按照TCN标准,列车通信网分为两级,第一级绞线式列车总线实现车辆间的数据通信,第二级多功能车辆总线MVB主要实现同车辆内各个功能控制单元之间的数据通信。MVB以其高实时性、高可靠性及可管理性等多方面的优势而广泛应用在列车总线控制当中。但是由于MVB是专门针对列车通信网络而开发的,其实用范围、供货商、经济型均不如CAN总线。CAN总线作为现场设备级的通信总线具有很高的可靠性和性价比。目前很多机车车辆的列车通信网络系统都采用MVB总线和CAN总线共同组成的异构网络。因此,本文提出了一种基于μC/OS-Ⅱ的ARM7内核芯片LPC2294的MVB-CAN双向通信模块。

1MVB多功能车辆总线

MVB是国际标准IEC61375-1的车辆总线部分,它主要用于具有互操作性和互换性要求的互联设备之间通信的串行数据总线。MVB采用主帧/从帧应答方式,可以实现设备和介质冗余,实时性靠RTP实时协议保证。MVB介质分为3种:电气短距离介质为RS 485差分传输导线对,传输距离为20 m;电气中距离介质为双绞屏蔽线,传输距离为200 m;电气长距离介质为光纤,传输距离为2 km。

MVB 作为主从方式的串行通讯总线,是可以实现过程控制优化的总线。MVB 具有良好的实时响应,一般用作车辆内部设备之间的数据通信,其采用曼彻斯特编码方式,数据传输速率为1.5 MHz。MVB多功能车辆总线主要由通信介质、MVBC协议控制器和MVB链路软件3部分构成。

MVB具有2种帧格式,一种是只能由总线主设备发送的主设备帧,简称主帧;另一种是为响应主帧而由从设备发送的从设备帧,简称从帧。总线主设备在每一个特征周期里通过发主帧的方式对进程数据进行轮询,相应地从设备发送从帧进行真正的数据传输。报文由主帧和响应此主帧而送出的从帧组成。一个主帧应以主起始分界符开始,其后为16 b帧数据,接着为8 b 校验序列。

一个从帧应以从起始分界符开始;接着为(16,32,64,128或256) b帧数据,在每64个数据位包含一个8 b的校验序列,当帧数据只有16 b或32 b时将一个8 b的校验序列附加其后。

2CAN总线

控制器局域网(Conteoller Area Network,CAN)是国际上应用最广泛的现场总线之一,最早由德国BOSCH公司推出,是一种用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议,CAN总线作为一种技术先进,可靠性高,功能完善,成本合理的远程网络通信控制技术,CAN总线已被广泛应用于各个领域。它为分布式控制系统实现各功能节点之间实时、可靠的数据通信提供强有力的技术支持。其报文结构可以分为2种不同的帧格式,两种帧格式的不同之处为标识符的长度不同:具有11 位标识符的帧称为标准帧,具有29 位标识符的帧称为扩展帧。本设计中主要考虑标准帧的情况。标准帧的报文由4 种不同类型的帧构成表示:数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。以数据帧为例:数据帧由7个不同部分构成:帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。

3通信网关模块硬件设计

网关模块的硬件框图如1所示。

处理器采用基于ARM7的LPC2294。LPC2294是一款基于16 b/32 b ARM7TDMI-S内核,内带16 KB RAM和256 KB高速FLASH的微处理器,最大时钟速率60 MHz。内带2路CAN通道,其CAN控制器集成了数据链路层功能,符合CAN2.OA和CAN2.OB的规范。

CAN收发器采用Philips PCA82C250。主要提供对总线的差分发送能力和对CAN 控制器的差动分接收能力。微处理器对CAN控制器进行相应配置后,收发器自动完成相应的CAN总线动作。

MVB 通信控制器采用MVBC02专用芯片,它采用16 b 数据总线,提供了丰富的接口控制信号,简化了与各种宿主CPU 以及通信存储器的接口设计,支持MVB协议中链路层及物理层的功能。MVB物理层接口采用电气短距离介质ESD+接口,系统信号通道使用光耦实现主系统与外界的电隔离,从而提高了系统的可靠性。使用RS 485 芯片LTC1485I作为收发器,并使用过压保护模块以防止瞬间过压对器件造成损坏。MVB物理层接口电路如图2所示。

4软件实现方案

在本设计中,关键是实现MVB总线和CAN总线之间的数据交换,它具有MVB检测和接入功能,以及CAN总线检测和接入功能,通过处理器控制数据帧的解析和重新封装,实现符合CAN总线 V2.0规范和MVB 标准格式帧的相互转换。因此从CAN侧接收到的数据要通过MVB传输, 就需要按照一定的格式把CAN帧中的数据组合成MVB帧的数据格式;同样从MVB侧接收到的数据要通过CAN传输, 也需要按照一定的格式对MVB帧中的数据进行分帧处理。另外,为了实现透明传输需要在MVB端口中将各种变量的含义按照一定的规则和CAN总线侧帧的标识符等信息对应,从而形成一个表格,同样在CAN总线侧也将CAN侧的标识符与MVB侧的过程数据的数据集进行对应形成表格。

软件主要由主函数调度模块、MVB控制模块、CAN控制模块以及2个数据缓冲组成。当CAN 应用层有数据要发送到MVB网络时,主函数需调度模块得到CAN 数据传输后调度CAN 控制模块接收数据, 解码分析获取标识符, 依据标识符查询索引表找出对应MVB端口相关变量,后将报文中的相关数据提取出来发送到数据缓冲区B 。主函数调度模块通知MVB控制模块从缓冲区B中提取数据,并进行完整的MVB报文封装,发送到MVB总线上,释放缓冲区B 。反过来,当MVB应用层有数据要发送到CAN节点时,首先,数据发送到MVB上,主函数调度模块检测MVB上是否有数据传输,通知MVB控制模块接受数据,并对信息解码分析,从中获取端口相关变量,依据端口相关变量查询索引表找出对应CAN标识符,同时将数据发送到数据缓冲区A 。此时,总调度模块通知CAN 控制模块从缓冲区A中提取数据,并进行完整的CAN报文封装,发送到CAN总线上,释放缓冲区A 。CAN控制模块主要负责从CAN数据包中解析出完整CAN协议报文,存入数据缓冲区B。同时,将数据缓冲区A中的CAN数据封装成完整的CAN协议报文后发送到CAN总线上。MVB控制模块主要负责从MVB数据包中解析出完整MVB协议报文,存入数据缓冲区A 。同时,将数据缓冲区B中的MVB数据封装成完整的MVB协议报文后发送到MVB上。总调度模块主要起到综合调度和监控作用,同时,它还用于整个传输过程中的中断响应。

图3说明了软件流程框图。

5结语

本文描述了基于ARM7处理器LPC2294的MVB-CAN通信模块的实现方法,概述了MVB网络和CAN总线网络的报文结构,提出通信模块的硬、软件实现方法。通过考核该通信模块实现了MVB与CAN总线间的数据传递,其性能稳定,可靠性高。各种现场总线都有各自应用特点及优势。所以,多类型总线异构组网方式在列车通信网络中的应用越来越广泛。MVB及CAN总线的异构组网方式具有广阔的市场前景。MVB-CAN通信模块的设计为列车通信网络的多元化发展提供了支持,也为其他网络异构组网(例如:RS 485/RS 422-MVB,HDLC-MVB等)方式的网络通信模块设计提供了参考。

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[8] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1998.

[9] 杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,1998.

控制处理模块第9篇

关键字 GSM网络 PTM101模块 Atmega64 远程控制

中图分类号：TP3 文献标识码：A

0引言

GSM（Global System for Mobile communication）系统是当下在时分多址技术的移动通讯基础上发展的非常完整、实用、应用最广泛的一种系统。所谓GSM远程控制就是服务器中的单片机利用GSM的短信功能通过AT指令向目标客户端发送控制信息指令，客户端根据控制方的指令让客户端采取相对应的执行动作。同时，为了向控制方及时的回馈操作效果，又可以把动作后的内容发送回控制方，以实现二者的互联通信。本文就是利用AVR ATmega64微控制器和GSM模块两者结合来实现远程激活设备的控制，以GSM模块、八位高速AVR单片机为核心，附加上遍地存在的无线网，以发送接收短消息后解析短信息的合法性和提取附带在短信中对被控制方的控制信息的技术来实现厂家对所售设备的远程智能控制，以实现供需两方的意愿。

1系统主要硬件部分介绍

如图所示：图1是GSM远程控制系统的流程框图，现在以医院利用厂家生产的凝血分析仪做凝血分析实验为例说明其工作整体流程。厂家通过低价或者免费送给医院，要收回成本并逐渐盈利必须用远程控制其实验次数，一旦客户端的控制设备检测到本凝血分析仪预先允许做的凝血实验次数用完后就停止运作。直到接受到服务器新的有效指令和数据信息的时候，按照服务器发过来的信息重新启动设备并且重新设置能做凝血分析仪的次数等数据。为了实现这种控制，当医院通知厂家要购买实验具体次数时，厂家通过PC机将按照内部协议将加工后的数据通过USB传送到ATMET64单片机内，单片机通过再次分析提取要发送给PTM101的数据发送给PTM101无线模块并且利用外部存储器对服务对象的信息备份，以便将来需要的时候查询核对。数据通过单片机的TXD引脚（收数据用RXD引脚）发送到PTM101后会在SIM卡中以短信的形式发送到客户端，客户端收到服务器数据后会按照与服务器约定的数据格式和协议提取具体信息，如是否激活凝血分析仪，允许做凝血实验几次。解析完短信后刷新客户端系统的数据，重新激活设备。之后医院每做一次凝血分析实验就会自动通过USB向客服端授权中心传送一些信息，客户端授权中心依据这些数据来刷新允许做凝血分析次数等数据。并且将这些数据按照协议打包通过PTM101模块以短信的形式发送给服务器，服务器收到短信后单片机会提取SIM卡中的短信，单片机解析短信后将有用的数据在备份的同时通过USB传送到服务器的PC机上，这样厂家可以实时观察客户端的信息，从而起到远程控制作用。

2结论

本文解析了GSM网络概念和应用，并且以AVR ATMEG64和PTM101无线模块为核心设计出了一套远程控制系统，并且以凝血分析仪为例说明了远程控制系统的工作流程。整个过程中，调研了很多类似控制装置的研究，分析了这个方案的可行性，将多种技术做了良好的结合，达到了预期目标。

参考文献

[1] 马潮.嵌入式GSM短信息接口的软硬件设计[J].单片机及嵌入式系统应用，2003（2）11-14.

[2] 韩萍.基于GSM短消息业务的车辆监控系统[D].南京：南京理工大学硕士论文，2004.

车身控制模块插针介绍第10篇

一、车身控制模块.。电控单元在汽车中的应

用越来越多, 各电子设备间的数据通信变得越来越多, 同时这些分离模块的大量使用, 在提高车辆舒适性的同时也带来了成本增加、故障率上升、布线复杂等问题。于是, 需要设计功能强大的控制模块, 实现这些离散的控制器功能, 对众多用电器进行控制, 这就是车身控制模块, BCM (BODY CONTROLMODEL) 。目前BCM是汽车电子研究的热门, 竞争也相当激烈。

车身综合控制系统要从发动机综合控制系统计算机处取得有关发动机和车辆的信息, 例如发动机转速、发动机冷却液温度和车速等, 还要从其他来源取得蓄电池电压、机油压力、燃料液位、外界温度、内部温度等信息。另外还要获得所有的控制命令开关量信号。

由于车身综合控制系统从不同来源取得信息, 它需要有一个信息处理系统来处理所有信息。经计算后把相应的输出信号输出给各个元件。这个信息处理系统就是车身控制模块。这个模块中的模/数转换器 (A/D) 用来把许多传感器送来的模拟信号转换为数字信号。时钟脉冲计数器保证输入的信息能按正确的顺序进行处理, 并便于和发动机综合控制系统之间以8000b/s以上的速率交换信息。由于BCM要采集多个来源的不同情况的信息, 所以需要采用多路传输信息采样系统。BCM是按可编程的只读存储器 (PROM) 编定的程序有规则地检查信息输入和进行处理的。

二、车身综合控制系统的控制功能

1、Follow-me Home (FMH) 这个功能的作用是当发动机已经关闭, BCM接到点亮大灯信号后, 输出信号使大灯保持点亮比较短的一段时间。当开车人夜间停车后可以利用该功能照亮回家的路程, 所以被形象地称为"伴我回家"。

2、Lead me tothe Car (LMC) 这个功能也是用于夜间或者在停车场找自己车的时候由钥匙上的无线发射器与BCM通信, 使大灯点亮, 方便找到自己的车子。

3、Entry Control进入控制这个功能主要是指中控门锁系统, 免钥匙进入系统, 防盗报警系统和行李箱油箱控制开关。

4、Exterior light外部大灯控制可以用来控制转向灯, 前后雾灯, 另外如果车上有外加传感器的话也能实现自动控制大灯。

5、Internal light内部灯控制

6、其他:诸如后车窗除雾, 前后车窗雨刮器, 巡航控制, 电动车窗, 钥匙发现, 喇叭控制等。

7、与全车CAN/LIN总线的通信和诊断功能

三、插针技术。印刷线路板 (Printed Circuit

Board, 简称PCB) 是信息高速公路的神经中枢。无论主动还是被动, 这些线路板都要通过无数的连接器连接到其他的线路板或插头接口上。一块用于连接电线, 电缆和副板的线路板连接超过20000个引脚的情况也是比较常见的。

当然, 很多情况下这些引脚连接是焊接连接的。不过现在的发展趋势还是希望引脚直接压接到线路板上。因为引脚不是焊接上去的, 就没有锡桥引起的短路和虚焊引起的焊接不良。也没有会降低连接可靠性的助焊剂残留, 也不会发生烫坏周边元器件的情况。这个压接工艺是符合无铅组装的, 相对来讲更容易拆卸和更换故障连接器。真正完美的工序是你压下一个连接器, 它一下子就完成了, 甚至你可以同时压接上800或者900个引脚在PCB上。

引脚压接技术是耐用的, 可靠的而且对振动和温度的波动也有一定的抵抗力。是和焊接一样可靠的。压接封装一开始用在电信工业上, 用以连接主线路板和副线路板的, 而这些运用预期40年无障碍。线路板不是唯一运用压接封装连接器的产品。此技术现已广泛用于各种领域, 包括汽车业, 军事和医疗设备。许多关键的安全设备, 如用于汽车上的安全气囊和传感器, 都使用了压接封装连接。

压接装配连接针可以用各种不同的金属的制作, 包括铜合金, 镍合金, 磷青铜和黄铜。几种金属的合金也是可以的, 包括锡铅, 锍锡, 光亮锡和镀金镍。

此种连接器可以是块状的或者片状的。块状的可以做成各种不同长度和厚度的圆型, 正方形, 长方形。它们可以是直条形的或者弯成一个直角, 并且连接的底端和导入口点在同一个连接器。块状体可以是单个的, 或者几个合成一组封装在一个塑料盒子或者塑料袋。通常, 塑料带式的可以通过消减长度进行设计, 制造出符合顾客要求的连接器。

如块状型, 片状行也可以做成直条形或者直角形。它们可以做成一个一个的或者细长条或者宽一点的条状。片状连接器的底端可以使平的或者锥形的, 或者为了特别的着力效果做成凹口形。

四、插针工艺。最初, 简单的引脚受制于间

隙配合。当时面临的问题是, 当一个引脚塞过一个孔时, 引脚表面或者PCB板过孔的镀层会被磨掉, 如果引脚或过孔的公差超出了范围, 将会得到一个不好的连接情况"

不过, 现在的连接器所使用的引脚已经设计的可以兼容了。每个引脚只会比对应的孔大千分之几英寸。一旦这个引脚插到孔里, 它就压紧了。弹簧张力确保了引脚和板子之间的电路连接。摩擦力和金属之间的作用力保持引脚不会被拉出来。

插针引脚给了PCB加工一个较大的钻孔及镀孔的工艺窗口。洞的大小不需要再被控制的非常准确。插针引脚的另一个优势是它们在插入时不会明显地损伤孔。因此, 更换损坏的引脚、插入新的引脚都不会对电气连接情况带来负面影响。但是, 一个PCB板孔一般返工两次就要报废。

插针引脚的典型形状有"针眼"形等很多设计。美国Tyco公司的"主动引脚"由两个轻微接触的弹簧部件组成。横梁设计成塑料的, 以便插入时有充分的弹性变形。弹簧部件可以不同程度地容纳大小稍有不同的孔。"独木舟引脚"有一个c型截面。当插入到板子时, 截面看起来像一个o。因为它的圆形, 这样的设计与孔有良好的接触, 并且弹力分布均匀。

通过压接在板子上装配连接器已经非常普遍了。通常, 一名操作员加载一个板子和一个或多个连接器到一个夹具, 接下来的压接装配是半自动的过程。撞击可以使连接器打到板子上或者板子连接到连接器上。

压接装配可以是手动按压, 气动按压, 液压按压或者伺服电机按压。其中的选择取决于对应的成本, 质量, PCB本身能承受的应力和生产数量。比如说, 如果要在一种廉价产品的简单电路板上安装一个50美分的接头, 可以用气动封装或手动封装。如果要在电信应用的一块主板上安装一个高密度连接器, 可能需要一个电脑控制和力反馈的伺服电机压接完成装配。完成这样的一块主板可能要花费10000美金。在这种情况下, 真正在意的是连接器安装是否正确, 质量如何。一般的制造商希望监控从开始到结束的整个装配过程, 以便一旦发生错误, 可以立即停止, 避免损坏PCB板。

插入的力取决于PCB板的材料、表面粗糙度、尺寸、设计和连接器上的针数。插入一个直径为0.64毫米的引脚所需的力一般为7至13磅。插入一个直径为0.81毫米的引脚所需的力一般为13至29磅。

这是1个引脚, 确定插多个引脚的连接器所需要的力是用一个引脚所需要的力乘以总的引脚数。举例来说, 如果插入一引脚需要20磅的力量, 连接器有20个引脚, 整个装配需要400磅的力量。有的时候甚至需要3吨的力来装配一组连接器。

为了控制这些具有潜在破坏性的力量, 设备制造商创造了许多不同的方法用以监测压接前, 压接中和压接后的连接器质量。

例如, Schmidt已开发了验证连接器压接前质量的专门工具。当一个连接器插入到模具中, 传感器确定是否所有引脚都在并且长短合适。如果任何引脚缺失, 压接将不会开始。插入后, 模具确认所有引脚都完全透过孔。

有的压接封装机器预装视觉系统。插入一个连接器前, 视觉系统确保所有引脚都在, 直立的, 并且在公差内。

在插入时, 装配设备可以通过另加的一套单元系统, 确定插入应力 (在PCB板表面产生) 是否在一个既定的最低值和最高值之内。这一点很重要, 因为如果插入应力低于最低值, 它可能意味着PCB上的孔过大, 和没有运用足够的力装配对应的引脚。这样的话, 会引起电气连接不良。

插针工艺的关键响应拔出力, 即顺应针电气、机械连接性能。要获得最优品质的关键因子设定:插针速度50mm/s可以获得最高的生产效率, 提高设备利用率, 为公司节约成本;进给深度设定为0.4mm, 此时的拔出力达到最大值。另外, 针对印刷线路板的通用要求, 顺应针进入PCB时还需要考虑插针点附近元器件的应力表现, 通过实验研究和工程改善, 应力被控制到最高动态应力334和最终残余应力62的非常理想范围内。

摘要：随着人们对汽车操控性及舒适性需求不断的提高, 汽车车身中的电子设备越来越多, 如电动后视镜、中央门锁、玻璃升降器、车灯乃至其它更多的高级功能等。这些外部的功能需要通过一个中央处理器来执行。这个中央处理器就是车身控制模块。新型车身控制模块与客户端接插件的连接针使用的是顺应针技术 (Compliant Pin Technology) , 针眼设计的顺应针 (eyesof needle) 直接通过过压连接到线路板的镀锡孔中, 实现了无焊接连接, 是一个清洁、绿色、环保的无铅连接工艺。

关键词：车身控制模块,顺应针,插针工艺

参考文献

[1]王政光, 高斌.电子控制技术在汽车上的应用[J].电子与自动化;1997 (5) :3～7.

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