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微处理器核心供电管理论文 篇1：
基于SJA1000的高可靠CAN总线通讯智能单元设计
【摘要】CAN（Controller Area Network）总线是一种现场总线，由于其具有可靠性高、抗干扰能力强和实时性强的特点，而被广泛应用于工业控制领域。本文介绍了一种基于SJA1000的高可靠CAN总线智能单元的设计方案。该总线智能单元可以独立或者配合AT96总线和主控制器协同工作，易于系统扩展、优化和改进，利用微处理器完成数据发送/接受和错误诊断处理，降低主控制器的信息处理负担。测试表明，该高可靠CAN总线智能单元的设计是可行的。
【关键词】高可靠；CAN总线； 智能单元
ABSTRACT：CAN bus is a field bus which is widely used in industrial control field because of its advantages in high reliability，strong anti-jamming and high real-time characteristic. This paper introduces a design of high-reliability intelligent CAN communication unit base on SJA1000. The intelligent CAN unit may work independently or with the supervisor computer by AT96 bus. It is easy for system’s expansion，optimization and amelioration. The unit completes the data transferring/receiving and the error diagnosing by the microprocessor，thus decreases the load factor of the supervisor computer. Experimental results show that the design of intelligent and high-reliability CAN communication unit is effective.
KEY WORDS：high-reliability；CAN bus；intelligent unit
0.引言
隨着核动力装置仪控系统数字化水平的不断提高，仪控系统设备内部、设备之间以及设备与现场仪表之间信息交换都将采用网络通讯技术，因此网络的安全性、可靠性都对核动力仪控系统正常完成其设计功能具有非常重要的意义。CAN（Controller Area Network）总线，是一种可以有效支持分布式实时控制的串行通讯网络，由于其具有可靠性高、抗干扰能力强和实时性强的特点而在工业控制、汽车电子控制、船舶运输和航空航天领域得到了广泛的应用[1]。因此，CAN总线是适合反应堆仪控系统应用的一种总线协议，需要研制一种应用于核动力装置仪控系统中的高可靠CAN总线智能单元。
1.CAN总线简介
1.1 CAN总线特点
具有统一国际标准ISO11898定义的CAN（Co-ntroller Area Network）总线是全数字式现场控制设备互连总线，能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。与其它总线网络不同，在CAN总线通讯协议中废除了传统的站地址编码，而是支持基于数据的工作方式，因此CAN总线通讯面向的是数据而不是节点，加入或者撤销节点都不会影响通讯网络的正常工作[2]。其主要特点如下：
1）多主工作方式：网络上的任意节点均可在任意时刻主动向其它节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活；
2）实时性：采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低；网络上的节点信息可被分成不同的优先级，满足不同的实时要求，高优先级的数据最快可在134us内完成传输；
3）可靠性：采用非破坏性总线仲裁技术，多个节点同时向总线发送数据时，优先级较低的节点会主动退出发送，高优先级节点可不受影响的继续传输数据，大大节省了总线冲突仲裁时间。
1.2 CAN分层结构
CAN按照ISO/OSI标准模型划分为两层：数据链路层（包括逻辑链路控制子层LCC和媒体访问控制子层MAC）和物理层。CAN的分层结构如图1所示[2]。
逻辑链路控制子层（LCC）的功能是为数据传输和远程数据请求提供服务，确认由LCC子层接受的报文实际已被接受，并为恢复管理和通知超载提供信息。
媒体访问控制子层（MAC）是CAN协议的核心，其功能是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定当开始一次新的传送时，总线是否开放或者是否马上开始接受。
物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输，同一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。尽管如此，在选择物理层方面还是很自由的。
2.CAN协议控制器SJA1000
SJA1000是一种独立CAN控制器，用于汽车和一般工业环境中的局域网络控制，具有BasicCAN和PeliCAN两种工作模式，其中PeliCAN支持CAN2.0B协议[3]。SJA1000用来完成CAN协议所规定的数据链路层和物理层的所有功能，是一种I/O基于内存编址的微控制器，微处理器通过访问外部存储器的方式来访问SJA1000内部控制寄存器和数据缓冲区。本设计采用PeliCAN模式，支持对每个CAN总线错误和具体控制位控制的仲裁丢失中断，支持只听模式和热插拔，可扩展验收滤波器，并且具有自收发功能。SJA1000内部接受FIFO可以存储高达21个报文，延长了最大中断服务时间，避免数据超载。
3.CAN总线智能单元设计
3.1 设计要求
3.3.2 双口RAM和AT96总线
微处理器通过双口RAM及AT96总线与主控制器进行数据交换，双口RAM作为微处理器和主控制器的共用扩展存储空间，其左、右端口通过数据/地址总线分别与微处理器和主控制器相连，微处理器和主控制器通过CPLD进行地址译码产生双口RAM左、右端口控制信号，从而实现双口RAM的读写操作。
由于微处理器与主控制器对双口RAM的读写速度无法完全匹配，因此存在以下两种情况：1）微处理器将CAN总线节点接收到的数据包写入RAM固定地址之后，该数据包还未被主控制器读取就被微处理器新接收到的数据包覆盖；2）主控制器将需要发送的数据包写入RAM固定地址之后，微处理器还未将该数据包读出就被主控制器用新数据包覆盖。
为避免上述数据包丢失的情况发生，CAN总线通讯单元AT96总线数据交换采用环形缓冲区的方式。双口RAM具有4k的地址空间，微处理器和主控制器通过双口RAM进行两个CAN总线节点数据包的交换以及控制信息的交换，因此将双口RAM的4k地址空间划分为四个部分，每个部分1k空间，即：CAN节点1数据发送区、CAN节点1数据接收区、CAN节点2数据发送区以及CAN节点2数据接收区。每个区域的前128地址空间作为控制信息交互区，主要作为CAN总线节点配置信息以及数据环形缓冲区控制信息的交互；每部分的其余空间作为数据环形缓沖区，可以最多存放81个标准格式的数据帧。
3.3.3 SJA1000和CAN节点
微处理器通过CAN协议控制器SJA1000进行CAN总线节点数据的接收和发送。SJA1000的复用地址/数据总线通过CPLD进行地址锁存之后与微处理器的非复用地址/数据总线相连，将其作为微处理器外部存储器映射的I/O器件。CPLD通过微处理器地址信号A12～A15进行判断产生SJA1000的片选信号，只有在对SJA1000内部寄存器进行操作时才激活相应的器件。当CAN总线节点接收/发送数据或者产生错误时，将产生中断信号，微处理器以最高优先级响应该中断并进行相应的中断判断和处理。
4.2 环境试验
环境试验是为了考核CAN总线智能单元在典型工作环境下是否能够正常工作。试验在环境试验箱内进行，分别进行了高温试验、低温试验和交变湿热试验。
在高温试验和低温试验中，分别以规定速率的温度变化将环境温度调整至设定温度（高温为60℃，低温为0℃），保温8小时后进行功能检测；在交变湿热试验中，进行以升温恒温、高温高湿、降温恒湿、常温高湿等四个阶段为一个周期共24小时的试验，并在每个阶段结束前进行功能测试，共循环两个周期，周期结束后待温湿度以规定速率恢复到室温条件并稳定后进行功能测试。
通过环境试验表明CAN总线智能单元高温、低温和交变湿热试验合格，满足使用环境的要求。
4.3 电磁兼容性试验
为验证CAN总线智能单元的电磁兼容性，将CAN总线智能单元应用于系统样机中进行了电磁兼容性试验，试验结果表明，CAN总线智能单元的设计满足电磁兼容性要求。
5.技术特点
综上所述，基于SJA1000的高可靠CAN总线智能单元具有以下技术特点：
1）智能单元在与主控制器协同工作时，微处理器承担了CAN总线数据发送、接收以及错误处理等工作，减轻了主控制器的任务负担，减小了主控制器软件的复杂程度，同时，微处理器和主控制器通过双口RAM进行数据交换以及微处理器访问SJA1000控制器，均采用外部存储器直接访问的方式，占用CPU时间少，有利于设备或系统的整体实时性和可靠性；
2）通过硬件电路设计如数字器件空置端口的处理、集成器件供电端去耦、以及数字地与模拟地的处理，提高CAN总线智能单元的电磁电容性能以及硬件抗干扰能力；
3）通过软件的处理例如软件看门狗、错误中断处理程序等，提高智能单元的软件抗干扰能力，降低节点自动关闭退出网络的风险；
4）智能单元内部两个微处理器之间设计有握手信号，因此智能单元内部四个CAN总线节点之间可以互为备用，也可作为冗余通道独立工作，工作方式比较灵活，同时也大大提高了系统总线通讯网络的安全性；
5）微处理器和主控制器之间的数据交换采用环形缓冲区的方式进行，大大降低了总线数据丢失的可能，同时在CAN总线数据ID设计中隐含校验设计，主控制器通过该编码保证数据包的完整正确接收。
6）通过软硬件设计实现了CAN总线智能单元的自诊断功能，能够及时诊断单元的硬件错误并进行相应处理，提高系统整体的可靠性。
6.结束语
本文设计的基于SJA1000的高可靠CAN总线智能单元易于扩展和改进，能够根据软件的设计完成不同的系统功能要求，各个CAN总线节点之间可以互为备用，也可作为冗余节点独立工作，该单元通过微处理器完成数据发送/接受、总线错误处理，降低了主控制器的信息处理负担以及CAN节点错误关闭的风险，并采用环形缓冲区的方式进行总线数据交换，有利于提高数据的实时性和可靠性。该高可靠CAN总线智能单元适用于对安全性、可靠性要求高的系统，本设计也为仪控系统平台的总线结构设计奠定了坚实的基础，为未来其它仪控系统网络设计提供了技术参考。
参考文献
[1]饶运涛，邹继军，郑勇芸. 现场总线CAN原理与应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003
[2]杜尚丰，曹晓钟，徐津.CAN总线测控技术及其应用[M]. 北京：电子工业出版社，2006
[3]广州周立功有限公司. SJA1000独立CAN控制器[OL]. 2009.08
[4]潘琢金译. C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信号ISP FLASH微控制器数据手册[OL]. 2004.12
[5]广州周立功有限公司. SJA1000应用指南[OL]. 2009.08
作者简介：
赵阳（1982—），男，2007年毕业于上海交通大学精密仪器及机械专业，硕士，工程师，主要从事反应堆热工测量、高可靠性网络等科研与工程工作。
吕鑫（1980—），男，2005年毕业于中国科学技术大学检测技术与自动化装置专业，硕士，高级工程师，主要从事反应堆热工测量及相关设备研制等科研与工程工作。
朱毖微（1984—），男，2010年毕业于西北工业大学导航制导与控制专业，硕士，工程师，主要从事反应堆热工测量及相关设备研制等科研与工程工作。
吴志强（1974—），男，1997年毕业于西南交通大学自动控制专业，学士，研究员级高级工程师，主要从事安全级仪控系统总体研究设计工作。
作者：赵阳 吕鑫 朱毖微等
微处理器核心供电管理论文 篇2：
微处理器效能至上
解决微处理器的节能降耗问题，既是节约社会能源和保护环境的问题，也是微处理器更新换代的主要动因。新型晶体管材料和处理器微架构的变化是处理器效能上升的关键因素。
微处理器功耗及其控制
根据国际固态集成电路会议（ISSCC）的有关数据，自20世纪80年代以来的25年内，芯片功耗在前10年（1980年～1990年）以每3年增加4倍的速度上升，在后10年（1995年～2005年）以每三年增加1.4倍的速度上升（图1）。在微处理器发展的初期（如前10年），尽管随着性能的增加，其功耗和热量的增量较大，但绝对值较小; 绝对值较小说明初期的微处理器功耗和散热较小，制造技术的冗余度较大，不影响微处理器按摩尔定律继续发展，增量较大表示当时的节能降耗技术作用有限，功耗和散热控制作用较弱。在第二个10年，虽然功耗和热量的增量较小，但其绝对值较大，在100瓦左右；绝对值较大说明常规工艺技术制造的微处理器功耗越来越大，增量较小说明尽管节能降耗技术对微处理器的功耗和散热控制作用比微处理器发展的前10年有所增加，但仍然无法遏制功耗的上升。
图1 过去20年 微处理器功耗变化
微处理器几十年来性能的不断提高，促使其节能降耗技术不断发展。由于功耗与供电电压的平方成正比，降低核心电压可以大大降低处理器功耗，因此，降低系统电压就成为有效降低功耗的最初措施。
此外，系统和电源管理机制的改进，如高级配置与电源接口规范ACPI (Advanced Configurationand Power Interface)，它将电源管理BIOS代码、APM应用编程接口、PNP BIOS应用编程接口、多处理器规范表格等软硬件资源有机地结合在一起，使得系统中的所有设备可以互相进行通信来了解彼此的使用情况。操作系统可监控系统的运行状态，根据用户所设
定的管理策略，调整硬件设备的工作状态，也可最大限度节约能源。
图2 漏电功率随处理器性能增长而增加
微处理器核心架构的持续进步，如加大缓存，超流水线，超标量、超线程、宽位动态执行、乱序执行、多分支预报机制、宏指令融合、微指令融合、超精细的逻辑控制机、设置硬件堆栈管理器、支持多媒体指令集、高级智能高速缓存、智能内存访问、智能功耗管理、分离式总线、动态电压识别技术、动态总线暂停、提高总线速度，多核处理器等技术不仅使性能不断提高，更能降低成本，减少能耗。
微处理器功耗分析
上述节能降耗技术推动了微处理器的发展。但在2000年，英特尔发布了奔腾4处理器以后，为提高其主频，采用长流水线设计（31级），使它每个时钟周期比其前一种型号多产生大约60%的热量，同时功率消耗也大约增加10%。在奔腾4长达五年的生命周期中，原有节能降耗技术的作用似乎越来越弱，对功耗超过百瓦的处理器，低电压反而使漏电流增大（图3）。如果照此状况发展，到2010年，新的处理器每片将耗电600瓦特。新处理器的“热密集度”，即热能，将比一座核反应堆产生的热能还高。处理器性能和频率的提升遭遇瓶颈。
图3 亚阀泄漏功率随线宽变小而增长
什么原因降低了上述节能降耗技术的作用？这需要对微处理器功耗进行具体分析。
微处理器的功耗主要来自两个部分：晶体管器件的静态和动态功耗；管间连线以及内外连线所造成的功耗。晶体管器件的静态功耗主要是泄漏功率损耗，这是130纳米节点之前半导体工艺尺寸总体功率无关紧要的一部分。然而，在90纳米及更小尺寸下，泄漏功率可能成为总体功率的重要来源。
泄漏电流主要包括：
栅极隧穿泄漏: 当栅氧化层很薄时，电子作为一种波是完全可以通过氧化层的，电子的这种隧穿效应造成栅极上出现电流，隧穿电流随氧化层厚度的减小而呈指数式增加，使晶体管变得不稳定。为抵消泄漏的电流，芯片要求更大的供电量，造成芯片功耗和发热量的增加。
亚阀泄漏: 当源极与漏极之间的硅层也越来越薄，栅极电压还没有达到沟道打开的阀值时源极和漏极之间的微弱电流。亚阀泄漏是一种主要成分，在90纳米及更小尺寸下，随着晶体管阀值电压的降低，亚阀泄漏会按指数上升。
栅感应的漏极泄漏: 是指在漏极与栅极具有电位差时，漏极深入栅极下方处会形成很强的电场，导致漏极有电流穿过衬底与漏极间的耗尽层。
源、漏穿通泄漏: 源极和漏极的耗尽层如果靠得太近直至互相接触，耗尽层隔离电流的能力就会大大下降，以至出现电流泄漏。
这些泄漏电流增加了晶体管的功耗。在65nm线宽以下，若没有重大革新，栅极泄漏和亚阀泄漏导致的功耗将超过工作时的动态功耗，65nm工艺漏电功率将达到100～150W，45nm工艺处理器仅仅阀阈下泄漏功率就将达到100W（见图3），这些热量若不及时排出，会使芯片不能正常工作，甚至造成芯片的损坏。
微处理器的新结构
晶体管栅漏电和功耗剧增与不断变薄的氧化硅栅介质有关。使用传统的材料和技术已无法适应继续提高微处理器性能的要求。必须从改革产生晶体管泄漏电流的材料入手，使用新型材料制作晶体管。
采用新型材料制作栅极
栅氧化层是晶体管的基本结构，栅氧化层的质量直接关系到晶体管的特性和可靠性，被称为晶体管的心脏。
减小漏电流和降低杂质扩散，最直观的方法就是增加栅介质层的厚度，但是为了保持介质层的电容不变，新的栅介质层的介电常数必须比二氧化硅要大，介质层的介电常数越大，膜的厚度就可以越大，就可以更好地减小漏电流和杂质扩散。“高k介电质”材料对电子泄漏的阻隔效果可以达到传统二氧化硅的1万倍，电子泄漏基本被阻断。
可以采用高k值的氧化物材料来制造晶体管的栅极。所谓介电常数(k)就是衡量材料储存电荷的能力，不同材料有不同的k质，如原用来作为栅氧化层的二氧化硅，其k值为3.9，以此为标准，超过这个数值的材料，就称为高k材料。
高k材料电介质层的厚度为3nm。英特尔采用原子层沉积法，将高k材料逐层沉积在硅基板表面并且自组装成规整的结构。在栅介质中采用厚度二氧化铪(HfO2)高k材料取代氧化硅，漏电量减少了10多倍，栅泄漏电流密度至少可减少4个数量级。
由于多晶硅与HfO2等高K栅介质材料的不兼容性以及多晶硅耗尽效应的影响，基于多晶硅栅电极的高K栅介质的工作电压难以进一步降低，不能满足高速低功耗器件发展的需要，因此，采用金属栅替代多晶硅栅电极也成为发展的必然趋势。
45纳米晶体管材料的另一方面是开发新的金属栅极材料。英特尔克服金属栅电极材料选择的几大难题，在晶体管栅电极中采用不同金属材料的组合。例如，高k电介质为硅酸铪（HfSiO），金属栅极为氮化钛（TiN）的等效氧化物厚度（EOT）约为1nm，还有一种硅化镍栅极，与单轴应变硅相结合，硅化镍栅极提高了45nm器件电荷密度，应变硅增强了45nm器件载流子迁移率，从而使其性能比氮氧化硅——多晶硅栅极提高20%。
随着工艺的改进，栅极长度也有了明显的下降。130纳米/90纳米/65纳米/45纳米工艺的栅极长度分别减少为70纳米/50纳米/35纳米/25纳米，缩短栅极长度，则栅极的驱动电流可以增加，其结果是延迟时间缩短，提高了晶体管的切换频率。
采用应变硅技术
如果减小源极-漏极间电子通行所受到的阻力，就相当于减小了电阻，使发热量和能耗降低，可以采用应变硅技术。在实验室环境下，测试结果显示电子在应变硅材料中的流动速度要比其在非应变硅中快70％。而制成芯片后其运行速度也要较非应变硅制成的芯片快35％。45纳米工艺使用了新应变硅技术。
采用低介电常数的材料
为了降低芯片的功耗，还必须减少芯片内电路互连损耗。晶体管间的互连用电阻率更小的金属如铜来代替铝。随着互联中导线的电阻（R）和电容（C）所产生的寄生效应和功耗越来越明显，所以互连材料对功耗/性能的影响也越来越被人们所重视。
寄生电容C正比于电路层隔绝介质的介电常数K，若使用低k值材料（k<3）作为不同电路层的隔绝介质，在芯片的层间及线间用低k介质进行填充，既可减小漏电流，降低芯片功耗，还能降低线路间的寄生电容，有效抑制线路间的串扰，提高微处理器的工作稳定性。英特尔的65nm工艺准备了一种k值很低的含碳氧化物（Carbon Doped Oxide，CDO）和8层电路。CDO绝缘体材料减少了线间的电容，45纳米工艺也使用此类材料。
微处理器衡量的新标准
新型微处理器的出现初步解决了性能和功耗的矛盾，同时引发了人们对微处理器评价的新思考。
微处理器性能＝频率×每个时钟周期的指令数，即Performance = F×IPC（F为频率，I为高级语言程序编译后在机器上运行的机器指令数目，C为执行每条机器指令所需的平均机器周期）。要提高微处理器的性能，可以通过提高其运行频率和提高每个时钟周期处理的指令数目。
微处理器功率=频率×寄生电容×工作电压的平方，即Power = f× C×V2（f是开关频率，C是电容负载，V是电源电压）。要减少微处理器的功耗，可以通过减少其运行频率、减少工作电压和寄生电容。
对于相同制造工艺的处理器来说，提高运行频率可以提高其性能，但频率越高所消耗的功率也越高。显然，不断提高主频的做法会遇到瓶颈。处理器的主频越来越高，其带来的功耗和散热问题，让芯片设计师很难比较圆满地解决。为减少功耗，就要降低运行频率、工作电压和寄生电容。
如果把微处理器看做一个能量转换器，那么就会很自然地提出衡量它的一个主要指标—转换效率问题，导致出现了业界对微处理器评价的新标准：微处理器效能=每指令耗能(Energy per Instruction，EPI)和每瓦效能P/W的概念。EPI值越大，处理器的能源效率就越差，后者则刚好相反。一颗微处理器的EPI决定因素有三个方面：设计(包括微架构、逻辑、电路、布线等等)、加工工艺和供电电压。
从附表中可以看出，奔腾4处理器的等效EPI值最大，也就是能源效率最差，而i486则具有最好的等效能源效率(假设i486也是以65纳米工艺生产并且工作于1.33伏电压下)。这是因为前者具有深的流水线、大的乱序执行结构和误推测，这些都导致动态电容值更高，处理每个指令的耗能值也更大。而移动架构的产品更加出色，Yonah以相当于i486的EPI值，达到了i486 7.7倍的性能。酷睿微架构的设计就延续了这样的理念—用尽可能少的能量，获得尽可能高的性能。
新评价标准，使人们对微处理器的认识更加全面。
链接:微处理器节能新技术
由于微处理器的功耗主要来自晶体管器件的静态和动态功耗，尽管泄漏电流增加的晶体管的静态漏电功耗可达总功耗的25％或更多，但其余动态功耗的降低，提高每瓦效能，还要依靠其他的软件和硬件技术：
深度节电技术DPDT（Deep Power Down Technology）。这是一种更低的能耗状态，等级为C6。
处于C6状态的处理器将处于深度节能状态，可以将处理器的核心电压降至其所采用制程技术的极限，同时缓存彻底转移其中的数据并完全关闭，比C1、C2、C3节省更多功耗。该技术的重点面向移动版的Penryn处理器。
增强型动态加速技术EDAT(Enhanced Dynamic Acceleration Technology)将根据应用程序的负载动态调整多核处理器的工作状态，安排单核心以及多核心处理器的核心频率。当所有核心都处于运行状态时，多核心系统的频率将降低，而当一些核心处于待机状态时处理器的核心频率将会达到与单核心处理器相同的频率。如果用户在做单线程的应用，闲置核心可以自动进入休眠状态，全部动力都集中供应给那个使用中的核心。这将会使这个核心产生一个强大的推动力，结果就是能够让这个核心比原来运行得更快。
应用目标加速技术（Application Targeted Accelerators）。该技术是用于优化英特尔处理器性能、降低延迟、降低功耗的整合于处理器核心内的固定功能组件。其首要功能是在数据完整性应用中加速冗余校验（CRC）的计算过程。这种新的CRC指令将能促使基于处理器的CRC操作更快，可以用更低的成本实现高效的数据完整性校验。
芯片与计算机新的热管理技术。原ATX架构系统的周围前有内存、硬盘、光驱，上方有电源供应器，后有背板输出输入接口，被这些组件所散发的热量包围，CPU的热气很难顺利被排出。因此英特尔开始主推新的BTX（Balanced Technology Extended）架构。BTX对主机板的架构做了全面性的调整与规范。处理器散热模块被规划在外头冷空气进入的机壳前方，吹入的冷空气在冷却处理器散热模块的温度后，再往后一并冷却南北桥芯片与旁边的显卡温度，再从后方的散热孔排出。BTX还对处理器散热器、电源供应器、硬盘、光驱等组件的规划位置与规格做了相关的规范，能产生极佳的内部空气对流，提供更佳的散热效益。
英特尔还配套推出了多项新的散热管理相关技术与标准。这些作法包括简单序列传输（SST）总线、数字温度传感器（DTS），以及平台环境式控制接口（PECI）等。处理器核心上都安置了两种传感器，一是传统的温度二极管，另一种是新的数字温度传感器（DTS）。DTS具有模拟转数字转换器，当DTS感测到温度值后会将结果储存在处理器缓存器中，再透过PECI接口将数据传送出去。
作者：佟 平
微处理器核心供电管理论文 篇3：
综合性实验教学改革探索
摘 要：实验教学对高等工程教育人才培养具有至关重要的作用，实验内容的安排与设计应从应用的角度出发，尽量结合工程实际。然而现有实验往往从属于理论课教学，实验内容多是针对某些理论知识而设计。针对这一问题，将“实验室安全监测系统设计”实际工程项目引入电子信息专业综合性实验，强化对于学生工程实践能力的培养。
关键词：综合实验；教学改革；工程项目
实验教学是高等工程教育的重要组成部分，也是影响工程人才培养质量的关键环节。受专业课教学体制和教学计划安排等因素影响，多数实验教学依从于具体的理论课教学，其教学目标通常也是为了巩固理论课的教学成果；尽管这些实验在提高学生理论联系实践、仪器操作、动手实践以及创新等能力上起到了积极有效的作用，然而在学生毕业后从事的实际工作中，其所要解决的工程问题，往往不是一门专业课知识就能涵盖和解决的，而是需要综合多门专业知识甚至需要多学科知识；如果在人才培养过程中，不能给学生提供解决实际工程问题的切身经验和体会，很可能导致其在将来工作时感觉束手无策[1，2]。因此，在实验教学改革中，应该多从专业上的工程实践出发，以实践工程项目需求为导向，适当实时增加综合性实验。
开设综合性实验的目的在于培养学生工程实践能力，最直接的办法就是将实际工程项目引入到实验教学中，这也是最为有效的办法。针对电子信息专业的人才培养要求，将“实验室安全监测系统设计”引入实验教学，探索综合性实验改革。
一、项目需求
随着高等工程教育教学内容的拓展以及招生人数的增加，高校实验室规模稳步增长，同时，为了提高实验室的利用效率，部分实验室实行了面向不同学生开放的制度，鼓励本科生在课外时间走进实验从事相关专业实践活动。无疑，实验规模的增长以及实验室开放制度，都为本科生提供了更多、更便利的实践条件，但与此同时，也为实验室安全带来了巨大的管理压力和安全压力。一方面需要不断加强制度建设和学生管理，从制度上、从学生的主观上保障实验室安全，但这是一个长期的过程，是一个正在逐步完善的过程；所以，另一方面还要加强实验室的安全监测。前者防患于未然，后者是亡羊补牢，尽量降低损失。然而，目前实验室的监测多以视频监控为主，并不具备实时报警功能。为此，针对电类专业实验的特点，研发一套具有实时报警功能的实验室安全监测系统具有重要的现实意义。系统设计需要考虑以下三个方面的内容。
（一）及时发现隐患
火灾是电学实验室最常見的安全事故，因此，实验室安全监测系统要充分考虑到对实验室火灾的监测和预警，尽量降低实验室损失。
（二）实时报警
如果能够在灾害发生阶段或者灾害初期能够及时处理，通常可以极大地降低甚至避免产生损失。所以，在监测到灾害发生时，系统应能够立即发出报警信息，使相关人员能够及时获取灾害信息，以利迅速采取有效措施控制灾害。
（三）可扩招性
不同实验室可能具有不同的安全隐患，所以实验室安全监测系统应能够适应不同实验室的监测需求，可以对不同信息，如有毒有害气体泄漏等进行监测。
二、系统架构
系统主要由微处理器、传感模块、通信模块、人机接口以及电源模块等5部分组成，系统整体架构如图1所示。其中传感模块用于采集实验室安全监测数据，如温度、烟雾、有毒有害气体等，不同实验室可以配置不同类型的传感器；微处理器是整个系统的控制核心，能够根据传感模块采集的具体数据判断实验室的安全或灾害状况，同时能够实时的将实验室安全/灾害信息传递给管理人员或者联动消防机构；通信模块负责监控信息的传输，要具有良好的适应性和稳定性；人机接口用于对系统进行现场操作和配置，要简单易用；电源模块为系统各部分提供电力支撑，要满足功率及稳定性要求。
（一）微处理器
微处理器是系统的控制中枢，由于系统运算量不大，所以微处理器的选择面较广，在实验过程中，可以根据所学微机原理的教学内容进行选择，若MCS-51系列处理器，也可以根据学生的兴趣爱好进行选择，如果ARM系列。ARM处理器做主控单元，这类芯片存储空间大、片内有可擦写的寄存单元、能够快速的响应外部的各种数字信号、片内具有以太网控制器，但是在数据的处理方面过于冗杂而且芯片价格较贵，在实验室安全监测系统设计中芯片的很多功能也用不到，所以在实际监测系统设计中其性价比较低，但对于综合性实验，选择这类芯片有助于学生拓展知识面，为后续工作打下基础。采用所学的MCS-51系列微处理器，如STC89C52微处理器作为控制核心，其电路设计简单、存储空间够用、数据处理能力强。在系统整体和各个模块的程序相互调用方面，处理速度快、性能稳定。STC89C52微处理器最小系统电路如图2所示。对系统设计而言，其最突出的优势是性价比高，对学生而言，其最突出的优势是资料丰富、上手容易。这两种方案各有优势，实验中同学可以根据自己的情况合理选择。
实验中需要确保STC89C52微处理器复位电路正常工作。其复位电路是在RESET引脚（第9脚）上连接一个10μF电容到电源正极VCC端，再连接一个10kΩ的电阻到电源负极GND端，这样设计一个RC工作电路保证STC89C52微处理器在上电之后RESET脚上有足够时间高电平。这个电阻和电容是根据硬件设计手册选择的。电路设计原理就是在复位引脚的电容上并联一个开关，当开关闭合时电容放电RESET引脚信号被拉到高电平，由于是电容充满电的状态会保持一段时间高电平来使STC89C52微处理器复位。
（二）无线通信模块
常用的无线通信方式有WIFI、蓝牙、Zigbee和公用移动通信等。WIFI传输速率高、联网方便，在短距离高速数据网络通信中应用非常广泛，但其通信距离一般不超过100m，即使是超级WIFI，其通信距离也只是达到公里级而已，如果采用这种通信方式，或者要求实验室管理人员或者消防机构在监控系统的通信范围内，或者要求管理/消防人员实时处于网络在线状态，但这两个条件通常难以满足。至于蓝牙和Zigbee通常只适用于近距离无线通信，在此不予考虑。采用公共移动通信，其通信距离广、稳定性高，而且通信终端（手机）使用方便，所以系统的无线通信采用公共移动通信方式。实验中选用了基于2.5G技术的GPRS模块，虽然现在移动通信网络已经发展到了4G标准，但是实验室安全监测系统中不需要传输大流量数据，只需要发送语音数据消息就可以，并且此种网络是按照流量计费的方式所以没有必要选择4G这种价格高，使用效果和GPRS模块是相当的。常见的GPRS模块有TC35i和SIM900a都能满足实验要求，而且资料丰富、使用方便。
SIM900A模块具有独立的5V电源接口，有USB-TTL和RS232数据传输口所以此模块和电脑及单片机的联机有两种方式并且各有自己的特点，串口线连接数据传输速率较慢而TTL-USB连接是现在选的更多的一种方式带有标准串口接口可方便用PC控制或者调试。所有可用的SIM900A引脚都外接出来，方便开发各种SIM900A的应用模块和单片机采用RS232串口通信的方式，模块具有静电保护措施，防止在卡槽插卡的过程中静电经典干扰，含有复位接口按下复位键模块返回到初始化状态。
SIM900A需要5V/2A的电源供电才能正常工作，并且电路设计中有静电保护措施防止芯片被静电击穿。在系统整体调试之前首先要對SIM900A模块进行参数设置、硬件调试等一列操作，才能达到我们需要的功能要求，后面内容对于模块的调试、通信服务器的建立进行叙述。在对模块调试之前首先要保证接线正确。此模块有两种接线方式一种是RS232串口的方式通信一种是使用USB-TTL接口线连接，串口接线交换TXD-RXD、RXD-TXD这样串口链路正常建立。模块实物如图3所示。
SIM900A通信模块是内置TCP/IP 通信协议引脚ring指示灯用来显示模块的联网结果。通过观察指示灯的亮和灭判断模块的联网状态如表1所示。
（三）传感模块
在电类实验室，针对于火灾问题，可以选择温湿度传感器判断火灾状态，如使用DHT11作为集成的数字复合式温湿度检测模块，能够同时检测湿度和温度并且误差小于0.1，且电路设计简单、程序设计方便，DHT11电路如图4所示。为提高监测效果或者扩展监测内容，可选用气体/烟雾传感器，如MQ-2系列传感器对特殊气体例如甲烷、一氧化碳等都有检测功能，并且还能监测是否有烟雾，灵敏度很高。MQ-2电路如图5所示。
此模块是具有4个引脚其中一个引脚空接。DHT11引脚DQ和处理器的数据口连接采用单总线的数据格式进行通信，通信时间为4ms左右，处理器发送开始信号之后，DHT11进行一次信号采集处理。当数据口收到处理器发的高电平时就会输出采集的数据，在系统程序设计时对模块的监测时间进行设置、模块初始化后面内容会介绍到。
三、软件设计
系统软件设计采用的是模块化的方式，首先写出系统程序的整体设计流程，如图6所示。根据流程图再写出程序，主函数体通过调用其他函数实现系统的整体功能。在系统执行程序之前首先要进行初始化程序，给各模块上电。温湿度传感器先检测数据然后传到微处理器，微处理器通过引脚把数据发送到LCD屏显示。此时MQ-2气体传感器上电等待状态若测到的数据超过额定值时蜂鸣器会发出报警信息，在同时通信 SIM900A模块发送短信给管理员手机，传输相应数据到电脑服务器。
四、结束语
在实验教学改革中，结合专业教学及学生毕业要求，将实际工程项目应用于专业综合性实验，不仅能够提高学生动手实践能力，而且能够给学生提供综合运用所学知识的实践机会，使其能够获得参与工程实践的切身体验，为其毕业后参与具体工程项目打下坚实的基础。
参考文献：
[1]殷代印，曹广胜.基于现代工程教育体系的实践教学改革与实践[J].实验技术与管理，2013，30（10）：11-14.
[2]李培根，许晓东，陈国松.我国本科工程教育实践教学问题与原因探析[J].高等工程教育研究，2012（03）：1-6.
作者：陈世海 王军 代伟 吕刚