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硬件电路设计规范范文1
关键词：单片机；嵌入式系统；应用型教学
作者简介：王斌（1974-），男，江苏淮安人，重庆大学自动化学院，副教授。（重庆 400044）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）13-0071-02
目前研究生的培养分为学术型和专业型研究生，学术型以培养教学和科研人才为主，专业型主要培养企业紧缺的应用型人才。在研究生教学体系里很多课程任然沿袭了以往的教学大纲，不能适应专业型研究生的培养需求。单片机嵌入式系统是一门应用性很强的学科，其教学目标就是使学生熟悉单片机系统的开发流程，提高系统的软硬件设计能力。[1]而传统嵌入式系统的课程主要侧重于讲述嵌入式硬件的工作原理、嵌入式操作系统的原理等，没有从工程应用的角度研究嵌入式系统软硬件的设计。在工程应用中，8位和16位单片机占据了绝大多数的份额，这些系统无需设计复杂的嵌入式操作系统，主要关注系统的软硬件匹配、高可靠性等指标。为了适应企业对应用型人才的需求，提高专业型研究生的实践能力和创新能力，在“单片机嵌入式系统的软硬件设计”课程中从实际工程应用出发，针对单片机系统软硬件的应用设计、匹配设计、可靠性设计等展开教学，对单片机课程的应用型教学方法进行了有效探索。
一、硬件教学改革
硬件体系是嵌入式系统的构建基础，是系统工程方案和控制软件实现的根基。[2]嵌入式系统的硬件设计涵盖了模拟电路、数字电路、微电子技术、传感器测量技术等多个学科的内容，是对学生所学专业知识的综合训练。传统的嵌入式系统课程在硬件教学方面一般只讲述微处理器、存储器、总线接口等器件的原理和分类，没有从应用的角度分析这些器件在电路中的设计要求和规范，学生也感觉枯燥乏味。为此，在课程教学中着重分析这些器件在电路中的具体应用，强调嵌入式系统的硬件体系设计，包括控制单元、存储单元、接口单元、信号采集单元、信号输出单元电路等。[3]在各个单元电路的学习中，主要分析核心器件的性能指标参数和器件的匹配设计等。对于控制单元电路，通过Atmel、Freescale等公司的8位或16位产品路线图讲述单片机芯片的概念和分类，使学生理解由于时钟频率、内嵌资源、封装尺寸等技术指标的区别而产生不同系列或型号的单片机；分析单片机芯片和电路的匹配设计，如时钟电路、供电电路、复位电路等的电路设计。对于供电单元电路，比较分析线性电源、开关电源、电荷泵等不同供电方式的优缺点，描述不同供电拓扑结构的应用场合和电路设计等。对于接口单元电路，重点讲述不同接口电路在设置缓冲逻辑、协调信号差异等方面的具体应用，如通用I/O口驱动键盘、LED灯和模拟数据地址总线的应用，SPI接口构建分布式系统的电路设计，红外通信接口的低成本应用设计等。对于信号采集单元，分析电压、电流、温度等不同信号的传感器测量电路，研究信号的隔离放大和滤波的实现电路等。通过硬件体系不同单元电路的具体设计描述，学生能够理解这些电路的工作原理和应用设计要求，锻炼自身的系统硬件设计能力，根据所给的设计参数搭建合适的嵌入式硬件系统。
针对嵌入式系统硬件的教学还引入了系统的可靠性设计概念，重点讲述系统抗电磁干扰的可靠性设计。电磁干扰是现代电子工业面临的一个主要问题，很多国家对电子设备和仪器有严格的电磁兼容性标准。为了满足电磁兼容的标准，电路设计者必须从板级设计开始就关注电子干扰的抑制，在器件选择、电路设计和版图设计阶段考虑如何降低干扰源的级别、缩短干扰的耦合路径、减少电磁辐射等。可靠性设计是硬件设计需要考虑的一个关键因素，在工程应用中占有重要的地位。[4]通过可靠性设计的学习，学生对系统硬件的应用设计将有更深入的认识，从而将硬件设计和工程实践需求结合起来。
二、软件教学改革
软件是嵌入式系统的灵魂，是系统控制算法的实现途径。以往的嵌入式系统软件教学主要介绍嵌入式操作系统，讲述操作系统的内存管理、进程与中断管理、调度机制等概念。[5]而在实际应用中，大多数单片机系统没有嵌入复杂的操作系统，通过嵌入式程序就能够完成实时控制的需要。因此，在软件教学中针对嵌入式程序的编程主要介绍嵌入式C语言的应用开发。嵌入式C语言和标准C语言不同，必须适合嵌入式系统的特殊应用环境，如有限RAM、有限ROM、有限堆栈空间、多种指针类型、严格的时序等。由于教学课时有限，没有介绍标准C语言的语法，而是重点讲述嵌入式C语言相对标准C语言的扩展语法，从变量定位、中断程序定义、混合编程等方面学习嵌入式C语言的编程语法。如关于变量定位学习映像寄存器定位、变量定义修饰符、全局和局部变量、位定义访问等语法；关于中断程序定义学习预处理定义、关键字定义、中断向量号定义等语法；关于混合编程学习内嵌编程、变量的混合调用、函数参数传递协议等语法。通过以上内容的学习，学生可以理解标准C语言不适合单片机嵌入式系统开发的原因，掌握嵌入式C语言的扩展语法，了解嵌入式C语言对系统硬件资源的编程需求，结合嵌入式系统的特殊要求编写控制程序代码。
由于嵌入式系统的硬件资源非常有限，一个高效简洁的C语言程序代码至关重要，不但可以节约占用的嵌入式系统的硬件资源，而且减少了程序代码运行的机器周期，提高了嵌入式系统控制的实时性。为了加深学生对嵌入式C语言编程环境的理解，基于CodeWarrior集成开发环境引入高效C语言编程实验案例。CodeWarrior开发环境集成了处理器专家库、全芯片仿真、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编和调试器等，能够完成从源代码编辑、编译到调试的全部过程。通过编程实验案例学生学习了嵌入式C语言的扩展语法，如中断定义、数据段定义、变量定义等；C语言程序的多种优化方法，如编译器优化、循环代码优化、数组指针优化、乘除运算优化、存储模式优化、参数传递优化等。由此，学生可以掌握高效嵌入式C语言程序的编程方法，提高自身的嵌入式软件设计水平。
三、考核方式改革
目前工程实践中的嵌入式系统的规模越来越大，硬件和软件的设计日趋复杂，需要团队的力量才能完成整个系统的设计。为了锻炼学生的软硬件设计和团队合作能力，在课程的考核方式上要求学生2人一组，完成一个嵌入式系统的项目设计。由于学生平时都在导师的实验室里做项目，所以课程考核的主要目的不是锻炼学生的动手能力，而是希望学生熟悉单片机嵌入式系统的软硬件开发流程，掌握软硬件的常规设计规范，锻炼相互合作的能力。要求2个学生分别独立完成系统设计的硬件部分和软件部分，项目报告必须包括系统功能分析、器件选型、原理图设计、控制算法描述、软件流程图、C语言编程等内容。学生考核时还需要做口头陈述，重点描述项目的功能需求、设计方案、软硬件的设计途径等。允许学生在硬件和软件上采用非常规的设计手段，但必须提出自己的设计思路。通过考核，学生掌握了嵌入式系统硬件架构和软件架构的设计理念，提高了学生独立解决工程问题和创新设计的能力。
四、结论
单片机嵌入式系统设计是一门应用性很强的学科，在教学中有效结合工程实践应用对于学生掌握嵌入式系统软硬件的设计知识非常重要。为了提高研究生的实践和创新能力，从实际工程应用出发，针对“单片机嵌入式系统的软硬件设计”课程的硬件教学、软件教学和考核方式进行了探讨，提出了教学实践改革的具体措施，对单片机课程的应用型教学方法进行了有效的探索。教学改革的目标是充分调动学生学习的主动性和积极性，提高学生分析和解决实际工程问题的水平，培养学生嵌入式系统的应用设计和创新设计能力。
参考文献：
[1]谢光前.卓越工程师背景下的单片机课程教学改革与探索[J].电脑知识与技术，2012，（11）：2563-2564.
[2]孙士明，刘新平，郑秋梅，等.计算机专业嵌入式系统实践教学体系探索[J].实验室研究与探索，2009，28（5）：122-125.
[3]怯肇乾.嵌入式系统硬件体系设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.
硬件电路设计规范范文2
关键词：EMC；设计流程；技术规范；测试
中图分类号： TN03 文献标识码：A
1 电子产品生产企业面临的困境和现状
在很多企业中，由于专业人才的缺失，并没有设置专门进行EMC设计的工作岗位。另外，在产品设计阶段，企业的研发流程中往往也没有专门针对产品的电磁兼容性进行评价的环节。对于EMC开发流程、设计要求，也没有明确的技术文件加以描述和要求。至于开发产品的电磁兼容性好坏，完全取决于个别开发工程师的相关技术水平和经验，不能在系统和流程上保证产品的质量。这样造成的后果是，相当一部分的电子产品在研发后期不能顺利地通过认证，影响产品的上市速度，或者由于生产出来的电子产品其EMC的一致性不能保证，在市场监督抽查时出现质量问题。这是企业在内部流程方面存在的缺陷。
2 EMC的设计流程和技术规范
2.1产品总体方案设计
在总体方案设计阶段，要对产品的总体规格进行EMC设计方面的考虑。主要内容有：产品销售目标市场，需要满足国家或地方制定的EMC标准、法规要求，客户要求的产品电磁兼容性以及潜在目标市场的EMC方面的标准和法规要求。基于目标市场或企业客户对产品EMC性能的要求，需要提出产品的EMC总体设计框图，并根据经验，制定产品EMC设计总体方案。总体方案的内容基本上包括：产品的结构如何设计，屏蔽如何设计，接地如何设计，滤波如何设计；新的国家或地区、或是新的客户，对于产品的EMC性能是否有新的要求；结合具体的测试要求，是否需要在产品设计阶段格外关注某一设计要点。
2.2产品详细方案设计
在产品详细方案设计阶段，产品的硬件实现方案已经确定，可以作为EMC设计的基础。我们可以依据产品的结构设计图和电路框图，提出产品总体的EMC设计方案，如：电源接口、信号接口、电缆选型和接口结构等关键部位的设计要求和方案。我们需要特别注意相关方面提出的、对于EMC方面的新要求，这些新的要求经常会使原有的设计有所改变。
2.3产品的原理图设计
从这个阶段开始，产品的EMC设计进入到关键阶段，原理图设计是关键阶段的第一个环节。在产品原理图设计阶段，需要进行的主要内容有：产品内部主芯片的滤波电路设计，晶振的滤波电路设计，时钟驱动电路的滤波电路设计，电源输入端的滤波电路设计，外接信号接口的滤波电路设计。在进行EMC设计时，由滤波和防护器件的选型开始，需要考虑电路板功能地和保护地属性的划分，滤波器件的位置和参数，单个电路板的接地位置等因素。
在这个阶段，我们经常会用到EMC设计检查表。检查表包含的内容，其基础和核心是产品在原理图设计阶段和PCB设计阶段，应遵循一整套的设计要求与规范，这些要求与规范应该是具体的和可操作的。检查表的内容应该得到不断丰富和完善，应该是随着产品的不断升级与更新换代，将研发工程师与EMC整改工程师的经验不断地融合和提炼后形成的。
在原理图设计阶段，检查表中涉及的核查内容举例如下：
a）电源部分
主要有：电源板输入端有没有预留Y电容；在变压器次级，各输出电压线路有没有预留滤波电感和滤波电容；电源输入端是否预留压敏电阻或稳压二极管。
b）主控制板
主要有：数据总线是否有匹配的电阻或排阻；晶振输出管脚是否有RC滤波电路；IC的电源管脚处是否有滤波电容；输出信号排线，在端子位置是否有磁珠或者电阻与电容组成滤波电路。
c）输入和输出口是否有电容—电感—电容（CLC）或电容—电阻—电容（CRC）滤波电路，信号线上是否有磁珠或者电阻；以太网口位置是否有防雷器。通过上述的核查，可以认为满足条件的原理图基本上符合EMC设计要求。
2.4产品的PCB设计
PCB设计是整个EMC设计流程中最为关键的一环，PCB设计的好坏与最终整机的EMC性能息息相关。在后续对整机采用问题解决法来整改时，PCB往往也是改动最多的地方。由此，可以看出PCB设计的重要程度。目前，随着研究的不断深入，关于PCB设计与整机EMC性能之间关系的著作和论述也多了起来。本文不对技术方面做过多解释，只着重从流程方面说明如何保证PCB设计符合EMC设计规范。
在PCB设计阶段，需要考虑采取何种层叠结构，建议对高速信号板尽量采用4层以上的多层板。多层板的中间至少有一个地层，这样可以保证为高速信号提供较小的回流路径，同时为晶振提供完整的镜像平面。在PCB设计阶段，需要格外注意PCB上关键器件的摆放，如晶振、主芯片、驱动电路和外接端子，这些器件的位置决定了时钟走线的方向和长度。如果这些器件走线不正确，那么就会使时钟走线弯曲或者过长，易造成比较大的辐射干扰或接收到外界的干扰电磁波。
PCB上“地”的划分，也对整机的EMC性能有很大的影响。对EMC来讲，建议将数字地、模拟地分开，信号地与电源地分开。在布置地线时，最核心的思想是借助地线或者地平面，利用耦合电容对高速时钟信号进行滤波或者提供尽可能短的回流路径，最大限度地减小可能的射频干扰。采取的措施有：在高速时钟线的两侧铺设地线，在主芯片和晶振的镜像位置保证完整的平面，地层和电源层尽量少走信号线等方法。
在PCB设计阶段，检查表中涉及的核查内容举例如下：
a）电源板
电源板次级是否有预留到地的固定螺丝锁合孔的位置。
b）主电路板
时钟线上如有过孔，则时钟的换层过孔附近是否有到地层的过孔存在；主芯片和存储芯片是否在PCB的同一层；数据总线的走线是否在同一平面上；电源线是否与数据线、时钟线有相邻的平行布线现象，如有平行，则应尽量使其走线满足3W原则（即走线间距的大小一般为2倍之线宽）；晶振外壳是否留有接地点，且晶振与芯片的回路应尽量小；电源层是否比地层内缩20H，H为电源层与地层之间的距离；PCB布线时，是否是地线宽度﹥电源线宽度﹥信号线宽度；不同的PCB之间，互联排线的端子是否在相邻的一方。
2.5产品结构试装（工程样机）阶段
在这个阶段，产品的工程样机已经做好。我们可以利用这个样机来验证产品的EMC性能。验证的主要方法是进行EMC测试。在测试之前，我们还需要进行一项工作，主要是对样机的结构进行检查。需要检查的内容有：不同PCB板之间的互联排线，其长度是否过长；PCB的接地点选择是否合理，接地电阻大小是否满足要求；屏蔽层是否接地。当然，这些内容也可以列入EMC设计检查表中，将来作为标准的核查事项。通常在这个阶段的检查当中，会发现一些结构和工艺设计方面存在缺陷，或者是内部电缆走线方面的错误。这些缺陷和错误需要采取措施尽可能地消除。
2.6确认或验证测试
在上述的设计检查完成后，需要对样机进行一次EMC方面的全项目测试，以便找出所有的潜在问题。因为即使使用目前先进的仿真设计软件，其结果也代替不了实际的测试。产品的EMC性能还是取决于实际的测试情况。经测试发现问题后，依据EMC三要素方法进行整改，寻找干扰源，切断传播途径，或者降低敏感设备的敏感度。整改的方法，大致可分为滤波、接地和屏蔽等措施，具体的技术细节不在本文中讨论。
结语
本文中介绍的电磁兼容设计开发流程，可以帮助企业从源头上解决电磁兼容问题，同时省去许多人力、物力和金钱成本。
参考文献
硬件电路设计规范范文3
【关键词】 高速球型摄像机 步进电机 驱动控制 建模 仿真
在系统分析篇中，描述了步进电机领域的基本知识，分析了步进电机驱动控制技术的演化，并针对步进电机的特性经由基于模型的仿真理解混合型步进电机驱动策略的行为，提出了以步进电机微步驱动策略作为高速球型摄像机系统的位置控制系统的设计方案。本篇从系统综合的角度讨论设计目标如何在SoC电子系统级平台实现的方法。
1 系统综合
将若干相互有逻辑联系的实体为某些确定目的性而设计成统一的实体，这个过程相对于系统分析而言就是系统综合。
1.1 SoC 应用开发
SoC，在芯片上实现的系统。SoC将电子系统几乎全部的功能集成到一块芯片上，从而在单个芯片上能实现数据的采集、转换、存储、处理和I/O等多种功能。SoC应用系统的开发涉及到有关技术手段的创新。
1.1.1 软硬件协同仿真与验证
软硬件系统仿真的目的是在系统设计早期，通过仿真（模拟）的手段验证硬件虚拟模型和软件算法以及发现软硬件系统集成方面的问题。
1.1.2 设计重用技术
设计重用是基于SoC系统平台的，具有系统构造的模块化形式以及知识和经验延续的继承性，节约稀缺的设计资源。
1.1.3 可重构计算技术
可重构计算技术（Configurable Computing）是以可编程逻辑芯片为硬件基础，能根据应用需求动态地配置系统的功能和规格，使系统具有柔性和高性能。
1.1.4 软硬件划分策略
高速球形摄像机系统中需要四个恒定电流断路控制器来同时控制两个步进电机，由于断路器要求连续循环的PWM输出控制，MCU的开销非常大。由FPGA实现的状态机设计来执行驱动策略却是非常合理的。由此，软硬件的划分策略是这样确定的：所有步进电机驱动器的控制算法都由SoC芯片上的FPGA资源来实现；让SoC的MCU只通过最简单的控制指令直接控制电机驱动部件。
1.2 运动控制状态机
1.2.1 有限状态机
有限状态机是一种数学抽象，既能表达数字逻辑又能执行计算机编码的程序，它形式化地定义为：
一个确定性有限状态机是一个五元组（Σ，S，s0，，δ，F），
这里，Σ是输入字母表，一个有限、非空的符号集合。
S是一个有限、非空的状态集合。
s0是S的一个初始状态。
δ是状态转移函数：
δ：S Χ ΣS表示，确定性有限状态机的转移函数δ根据输入字表Σ和状态S按δ定义的运算Χ改变状态S。
F是有限状态的集合，是S的子集（有可能是空的）。
有限状态机是规定系统整体行为约束的有效方法。处于某一状态意味着系统只响应所有允许输入的一个子集，只产生可能响应的一个子集，并且改变状态也只是所有可能状态的一个子集。
1.2.2 状态机模型开发计算机程序
状态机在这里是用程序语言代码形式构建的，从编码的角度看它就是逻辑状态机，switch-case 语句结构最适合描述状态机语义：代码对不同的历史状态（state）作出响应（case），根据输入字母表（input），决定状态（S）的赋值，完成其转移。状态机模型可以用来开发算法和计算机目标程序，帮助评估早期系统设计算法的行为，在步进电机驱动策略模型的开发中是很关键的。
1.2.3 状态机模型设计数字逻辑电路
数字电路设计使用的层次抽象概念把系统对象分成两个基本的领域，一个是行为域（部件通过定义它的输入/输出响应来描述），一个是结构域（部件通过一些更基本部件的互连拓扑来描述）。状态机模型用于行为域时，用算法和数据流来描述行为。当要设计数字逻辑电路的时候，就要从算法转换到门电路，从行为域转换到结构域。换言之，就是要将基于模型的描述转换为硬件描述语言（HDL），这在驱动策略模型的实现过程中也得到重要应用。
1.3 驱动控制系统的设计
1.3.1 芯片上的系统部件和PCB上的系统器件
图1实际的商品化SoC芯片。集成了ARM MCU硬核及子系统，FPGA，模拟计算引擎等。
（1）芯片上的系统部件：图1顶部显示的是一种智能融合的SoC 芯片，它具有：完全可定制系统能力，知识产权保护能力以及高效的设计生产力。
（2）PCB上的系统器件：图1底部显示的是位置控制系统的板级器件，包括了步进电机、取样元件和H桥部件。
1.3.2 硬件实现的控制算法部件
（1）基于模型的设计方法：
图2所示的就是一个球型摄像机运动控制系统的顶层抽象。同时，它也是我们要在一个混合信号和FPGA及MCU硬核架构上实现的SoC高层系统描述。
（2）基于模型的系统描述。微步模式的驱动系统设计，从设计顶层的视角来看，有三个模块：控制命令，微步算法，及控制驱动器。SoC系统的软硬件划分如下：
1）MCU实现的功能：启动指令由Signal Builder模块给出，微步模式的设置参数由一个常数模块输出。在SoC环境中步进指令和模式设置的信号由MCU实现控制，因为MCU最接近人机交互。MCU通过简单的数字接口与控制算法连接。
2）控制算法状态机实现的功能：半步驱动模式经过优化和扩充得到适用于微步驱动模式的控制策略。由FPGA硬件资源实现高性状态机设计和基于硬件的查找表技术可达1/256的微步细分，只要选择预置的微步参数就可以实现有效范围内灵活的微步模式控制策略。
3）微步控制策略驱动器实现的功能：这部分是设计微步控制策略驱动模式的重点。利用SoC混合数字和模拟信号系统资源，设计实现传统步进电机驱动专用集成电路具有的功能。包括从控制策略的数据结构到H-桥输出控制逻辑信号之间的所有功能部件。从模型输出的数据曲线图形可以看出，仿真的结果是设计所需要表现的行为：示波器显示的微步驱动模式的两相波形已经接近理想正弦/余弦的曲线，步进角度已经被细分为很小的微步，而步进电机的规格并没有升级。因此，按照基于模型的设计技术概念，图2表示的模型是设计需求的一个可执行规范也是一个验证确认的测试基准，并且可进一步发展出更加详尽的设计-验证平台。
4）微步模式的规格指标：通过前文对步进电机电气和机械结构的研究，我们知道从全步电气角度开始按2-1的m+2次幂的细分将产生机械步距角按2-1的m次幂的微步。当选择参数1/64细分时（m=4）将得到1.8/16=0.1125°的微步角。可以计算出，当主机在0.5秒钟内发出20个步进脉冲时，步进电机应该到达20x0.1125=2.25°的角位置。从这个模型显示的角度曲线可以看出在0.5秒钟时刻累计步进到达稳定的角位置刚好就是这个数值。在设计微步驱动器的时候这个细分的比例关系将会被用到，它是衡量微步细分的规格指标。
（3）微步驱动控制器的设计技术。在系统分析篇提出用理想的正弦/余弦电流激励混合型双极步进电机使其得到极平滑的步角输出。图2中示波器显示的A相和B相图波形就是正弦/余弦规律的驱动激励。如果我们设计的微步驱动控制原型能够在步进电机定子的两个绕组中产生正弦/余弦电流，那么从原理和功能上就具备实现以微步驱动控制策略的条件。利用SoC的DAC（数/模转换）正好可以生成正弦/余弦信号，这些信号将作为微步控制恒定电流参考目标值，反馈系统将定子绕组内的实际测量的电流与它们相比较，而微步驱动控制策略通过步进电机相位电流的控制技术方案来实现。
以开关切换加电/断电方式作用到绕组线圈上时，反向电动势产生的感生电流将会以磁能的形式储存于线圈中。这部分能量如不能及时地衰减掉，将会导致下一个脉冲施加后的电流处于不受控的电平值上。对于微步驱动模式来说，要让相电流完全跟踪正弦/余弦规律更须精细地设计PWM控制器。如果能控制得好，平稳地利用感生电动势这部分能量至少可以节省大约三分之一的电力。
如果从状态机的概念出发，相电流的控制分为充电和放电两个基本状态。H桥电路拓扑在放电期间，如果回路中只存在供电电源，线圈中产生的反向电动势将向供电电源放电，电流变化的速率只取决于回路的时间常数。如果我们设计一种使感生电流沿不同路径衰减的放电路径控制技术，就可以得到不同质量的激励电流曲线。图3揭示了在放电状态中的三种不同模式的衰减策略：快速衰减（Fast decay）、慢速衰减（Slow decay），和混合衰减（Mixed Decay）。因为在H桥电路拓扑中的二极管和受控开关晶体管一道组合成不同的电流释放路径，所以绕组线圈内储存的磁场得到这三种不同的衰减模式的控制。设计将证明这三种衰减模式的应用对于达到优良质量的微步驱动控制是非常关键的。
1.3.3 系统设计模型的功能仿真验证和迭代
进入图2“DriveAlgorithm”模型的下层结构，从测试模块中的两相电流示波器，可以看到图5（a）所示的电流波形：定子绕组的电流传感器，获得A、B相的电流I_windingA和I_windingB，它们的曲线包络已经显示出是正弦/余弦规律的。
基于SoC的混合信号处理系统技术的软硬件协同设计带来的益处是非常明显的：一种设计可以适用于多种模式的驱动策略，而且硬件形式的配置可以由软件实现远程更新和维护。在处理掉相电流波形毛刺之前，很方便就引入单相方波信号来观察研究这些毛刺的产生和消除，见图4的理论策略和仿真实现的波形对比。首先这种对比结果反映了微步驱动控制策略核心系统行为在设计上是正确的，其次得到结论是这些带有尖刺的电流波形可以通过衰减调理来改善。
1.3.4 微步驱动模式定子绕组电流波形质量的改善
图5显示了通过调理负载电流的衰减模式是微步驱动得到平滑的转矩输出的过程。图5（a）给出的是混合衰减模式的中等调理级别：快速衰减和慢速衰减时间相等并且等于PWM周期的一半。图5（a）左边的波形上面可以看到存在明显的相电流噪声。图5（b）仍然保持两种衰减作用对等，但是将PWM周期调整到最小，这时候的电流输出波形就平滑多了。图5（c）是在（b）的基础上将断路频率进一步提高 25%可以更加平滑波形，但是波形改善就不太明显了。图5（b）和（c）的波形质量得到了提高，但不像方波驱动的电流，这里并没有通过关闭快速衰减来实现波形的平滑。
如果我们在这个模型上做一些试验，将某一相（如A相）绕组的快速衰减彻底关闭后，正弦曲线的上升段平滑但是它的下降段出现了严重的失真。这是因为定子绕组在连续的充电周期的作用下磁场累积造成电流波形在下降段凸起，凸起的波形反映了低频分量的失真，这甚至是更加严重的问题，它将造成转矩输出非常不稳定。所以，快速衰减和慢速衰减都是很重要的，对微步驱动策略来说尤其如此。
根据仿真实验，很快产生了采用分段衰减调理的方法以进一步解决波形平滑不均匀的技术：由于快速衰减和慢速衰减的作用各占一半，在正弦函数的导数大于零之处毛刺很大，而在导数小于零处则不是这样，这说明快速衰减造成的噪声对正弦函数导数大于零时段敏感。所以，在导数大于零时将快速衰减关闭，而等到正弦曲线过了极值开始下降时再将快速衰减模式打开，这样原来50% 快慢混合衰减时出现的中等噪声的激励电流波形就变为较光滑；如果进一步将快速衰减和慢速衰减的定时参数减少，也就是提高PWM的频率，激励电流的波形就非常理想了。
基于模型的设计和验证技术，可以通过仿真不断提炼目标模型，最终可以得到对所做的设计有比较完整的认识并根据目标模型进一步推进设计过程，以便更深入地研究一些现象并尽早验证设计概念。由于有了一个可以评估的驱动模型，就能够在此基础上通过步进电机微步驱动的工程经验和理论方法实行改进从而更早地得到更优良的设计原型。基于模型的设计方法学提供了一个机会，明显地使设计人员比用传统的方法更容易控制设计的过程和结果以及稀缺资源。
从功能仿真的目的出发，基于模型的设计技术得到能够运行的设计规范、得到系统部件的软硬件边界、得到微步驱动功能要求的控制器系统架构、得到数字系统可综合的硬件描述语言源代码，还得到了可反复验证设计的环境。当模型经过提炼，又具备很好的接口时，就有可能作为模型库来使用。在此基础上建立的微步驱动控制系统设计目标的一级近似就可以随之推进该设计过程到有目标实物参与的仿真或调试的阶段。
2 结语
位置控制系统中的执行元件特性决定了控制算法，步进电机驱动控制技术对高速运动和精确定位的性能提高是非常关键的，好的驱动策略往往可以降低对步进电机步距角精度的要求，并且得到优化的步进电机运行特性。
现代计算机科学和工程给微电机应用技术带来了全新的面貌，人们认识电磁规律的手段也发生了革新。基于电子系统级的应用软件能够通过建模、仿真和设计迭代，极大改进电子系统的设计。
SoC，在芯片上实现的系统，芯片上所有可编程和可重构硬件资源都可为系统建模、仿真和执行的设计过程提供迭代环境，并为实现产品差异化目标构建了技术基础。它不仅带来了承载设计实体器物上的完善，也会发生设计过程形而上的进化。
参考文献：
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硬件电路设计规范范文4
【关键词】 反射太阳光 跟踪系统 建筑采光
科学技术的创新使得自控技术日益成熟，据了解，国外已出现一些自动反光系统，可以将阳光反射至指定的地方。德国开发的自动反射镜，已经在波士顿和华盛顿等城市得到实际运用——巨大的椭球面反射镜被安装在楼顶上，为位于高层建筑间的户外广场提供阳光；另外，据英国《星期日泰晤士报》报道，由于受山体遮挡，阿尔卑斯山脚下的维加内拉村每年冬天有将近3个月见不到阳光，2006年，政府耗费巨资安装了一面大型钢制镜子，将阳光反射到小村的广场上，为村庄每天带来至少6小时的阳光。
早在二十世纪二三十年代，人们就已经开始了对建筑采光的研究。但总体上看，以往的研究基本上属于对太阳自然运行规律的被动适应。只有开辟新的思路、积极运用现代科技发展的成果，才有可能在建筑采光方面突破被动适从的局面，从而以一种主动利用的方式去研究和解决日照问题[1]。
但是，无论是在我国还是世界范围内，太阳光在建筑采光的直接利用方面还十分欠缺。在采暖地区，建筑北向和南向，有无光照楼层的采暖能耗差距非常大。本系统达到了从北向引入阳光，使现有多楼层建筑实现北向的全楼层采光、扩大阳光照射面积至现有多楼层建筑南向的低楼层的目的，使房间里的环境明朗且富于光影变化，从而降低北向和低楼层室内采光和空调取暖能耗[2]；替代煤炭、燃气等常规能源，减少污染，保护环境，降低生活成本，进而提高居民的生活质量和水平。
1 方案选定
1.1 反射系统的确定
内凹面由若干个反光镜组构成，每个反光镜组由五面反光镜组成的梯台型的椭球面型反光装置。
1.2 追踪装置的选定
同以单片机为核心的太阳能跟踪装置相比较，本设计技术难度较低，不需要进行编程控制，单使用硬件电路就能满足需要完成追踪任务，因此制作与操作过程也都更为简单，且成本相较于单片机控制太阳能追踪装置更低。由于采光总装置并不需要极为精确的太阳跟踪定位，同时，在现有条件下，采用该设计方案还是一个较为适合稳妥的选择。
1.3 反射器镀膜的选定
反射材料选用Ag-Cu纳米膜玻璃。采用磁控溅射法在玻璃基片上制备纳米Ag薄膜，并在其上镀一层Cu膜作为附着层。
2 方案介绍
针对我国土地资源紧缺、住宅建筑密度大的实际情况[2]，研制开发适用于为高层建筑提供日照的自动跟踪反光系统，应当是解决城市多、高层建筑北向住户全年和低层住户冬季采光问题的一条有效途径。
2.1 反射器的方案介绍
反射器部分的总体设计形状为椭球面型，内凹面由若干个反光镜组构成，每个反光镜组由五面反光镜组成的梯台型。高效太阳能光热转换取决于太阳能聚光系统的高效性。目前主要的太阳能聚光发电系统主要有塔式、碟式、槽式、线性菲涅耳型等。其中，线性菲涅耳反射装置（Linear Fresnel Reflector），简称LFR，此类太阳能发电系统起源于一种光学聚焦系统，该光学系统使用大量平面光学面实现线（带）聚光目的。LFR由多个平面的或轻微弯曲的光学镜面组成，这些光学面被水平或倾斜安装并跟踪反射太阳入射光到长的线性目标吸热器上，所以LFR技术是靠线性带状反射镜阵列，将太阳入射光反射聚集在线性固定吸热器上以加热工质[3]。而在此研究中LFR技术可设想为抛物型槽式反射镜的线性分段聚集化。与抛物型槽式反射技术相同的是，它仍然保持抛物面形状，但是每一镜元不在水平面布置，而是全部组装成椭球面型，即相当于把线性菲涅耳聚光系统的典型示意图中的镜元全部链接起来组装成椭球面型聚光器。图1为线性菲涅耳聚光系统的典型示意。
在线性菲涅耳聚光系统示意图上简单改进成研究产品概念设计示意图，将其他镜元依次拼接成椭球面型反光镜，这样可使聚光材料的使用量最小化，装置面积最小化，聚光效果更好化，利用这种反射聚光的方式，降低室内采光和空调取暖能耗，为背北向提供尽可能多的光照，让背北向的居民享受更多的阳光照射，此外，替代煤炭、燃气等常规能源，减少污染，保护环境，降低生活成本，进而提高居民的生活质量和水平。
2.2 追踪装置的方案介绍
2.2.1 电路设计
该设计装置使用时序电路在不同时间控制步进电机的运行，以达到跟踪太阳的目的。
2.2.2 时钟控制太阳能自动跟踪系统
本设计采用时钟控制跟踪方法控制步进电机的运行以实现对太阳的基本跟踪定位。使用时序电路在不同时间控制步进电机的运行，以一天作为一个循环单位。
（1）系统方案总框图；（见图2）
（2）系统方案论证；时钟控制的选择：采用时钟控制跟踪方法控制步进电机的运行以实现对太阳的基本跟踪定位。该方法只需设计硬件电路即可，不需进行繁琐的编程控制，较为简单易懂，且成本较低。但该方法只能完成较为基础的太阳能跟踪定位，并不是十分精确。考虑到本系统作为采光装置的一个部分，本身并不要求极高的精确度，所以选择时钟控制跟踪方法。当然，如若不需考虑成本和技术因素，完全可以考虑设计更为完善的跟踪系统，例如使用单片机控制或者进行时钟和光电双控制。
时序电路控制的选择：经过分析论证，采用时序电路更适合该系统。时序电路是一种输出不仅与当前的输入有关，而且与其输出状态的原始状态有关，其相当于在组合逻辑的输入端加上了一个反馈输入，在其电路中有一个存储电路，其可以将输出的状态保持住。
（3）系统实现；该设计主要由计数器、触发器、寄存器、步进电机等组成。
计数器：
计算方法为：N=ψ/θ；N：每天步进电机所需转动次数；ψ是每天步进电机需要追踪太阳转动的角度；θ为每次步进电机所转动的角度，即步进角计数器用来记录一天中步进电机已经触发脉冲的次数n，当n值到达预定每天脉冲次数N后，计数器清零，步进电机转回到初始位置。
寄存器与触发器：
寄存器：寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储一位二进制代码，存放N位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。（见图3）
触发器：触发器是一种可以存储电路状态的电子元件。最简单的是由两个与非门，两个输入端和两个输出端组成的RS触发器（见图4）。复杂一些的有带时钟（CLK）段和D（Data）端，在CLK端为高电平时跟随D端状态，而在CLK端变为低电平的瞬间锁存信号的D触发器。
步进电机：步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进角θ的大小根据实际需要进行设定，通常来说步进角设计越小，装置跟踪效果越好，但同时也会增加能量消耗。（见图5）
（4）设计总结；该设计方案较为简单易懂，虽然对太阳的追踪并不是很精确，但已经足以满足采光装置的需求。该设计舍弃了单片机控制，在降低了精度的同时也降低了技术难度，综合各方面因素考虑，使用时序电路控制步进电机追踪太阳是更为合理的选择。
2.3 镀膜选择介绍
反射过程是整体设计的关键部分，而反射材料的选取关系到入射光的利用率反射光的强弱，因而其选择至关重要。经过检索与对比，决定采用由磁控溅射法制备的Ag-Cu纳米膜玻璃。制备方法是采用磁控溅射法在玻璃基片上制备纳米Ag薄膜，并在其上镀一层Cu膜作为附着层。膜玻璃参数选择：玻璃基片厚度为1.1mm，Ag膜为110.2nm，Cu膜为15nm，此时玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%。
目前，已经开发出很多高反射率的膜材，但这些反射膜价格昂贵，其高反射率具有一定的选择性，因此不适合于太阳能的利用领域。而普通的银镜，虽然价格便宜，但其对太阳光的反射率一般也只能达到92%，目前应用最多的光反射材料是铝膜，其反射率最高也只能达到93%。而Ag-Cu纳米膜玻璃对太阳光的反射率可以达到96.74%[4]。
3 安装方法
该系统成功制作完成后，将固定在大楼某一固定位置，且在那同时或之前，根据安装地点的纬度、气候等各方面具体情况对装置进行预设，主要包括步进角及每天旋转角度等值的设定，简单易操作。然后将反光装置加装在步进电机上，以实现对太阳的全天候追踪定位。
4 实验测试数据分析与实例论证
以青岛地区为例，在未供暖情况下，南向房间有太阳光得热，比北向房间要节能的多，所以南向房间比北向房间室内温度要高5度。室内温度每调高一度，耗能增加6%左右，照我国采暖设计规范，为达到同样的室内温度，同样结构、大小的南北向房间所需热量不一样，北向比南向多5*6%=30%，青岛市的供暖面积为16261万m2，每年需490万吨标准煤，北向供暖面积为8130万m2如果，南北向供暖所需能耗相同，则每年可以节省57万吨标准煤，经过本系统的反射后，太阳光的强度缩减为96.74%，所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以节省54.72万吨标准煤。
工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生二氧化碳2620公斤，二氧化硫8.5公斤，氮氧化物7.4公斤。所以建筑在应用本装置后，青岛市每年可以少排放143.366万吨二氧化碳，0.46万吨二氧化硫，0.4万吨氮氧化物。
5 结语
中国太阳能产业虽取得爆发式增长和重大技术突破，但是，由于目前仍缺乏领先技术和足够的经济竞争力，中国太阳能产业面临着全球市场竞争加剧的压力和国内市场支撑不足的困扰。因此开发利用太阳能技术成为目前应对我国能源短缺，减轻环境污染的当务之急，本系统的设计也正是因此应运而生。回顾太阳能热水器的发展，最初是何其的简陋，却在极短的时间内形成了如今拥有高技术含量的庞大产业，相信太阳能利用的反射采光系统有着同样的发展潜能和美好前景。
参考文献：
[1]陈向东，金勇.利用自动反光系统解决楼房低层日照的研究[J].山西建筑.2008（9）：56-57.
[2]谢浩.改善居室日照环境[J].住宅科技，2005（1）：45-46.
[3]王丽方.取消日照间距政策，节约土地资源[J].团结，2007（4）：81-82.
[4]菲涅耳太阳能聚光系统几何矢量分析，太阳能学报.
硬件电路设计规范范文5
【关键词】通讯管理机 视窗式人机交互 嵌入式 电磁兼容
微机保护类产品从问世之初，就开始了在HMI（人机互操作）方面的不断发展和提高，尤其在人机交互方面，从最初以面板显示灯方式提供信息的原始信息交互开始，到显示方式和显示画面更加人性化的液晶显示技术，其沟通效率提高了几十倍。然而在电力调度系统中，人机交互技术的应用上仍然趋于保守，多数通讯管理设备还是不为运行人员所了解的黑匣子。如何将黑匣子式的通讯管理设备透明化，便于操作、便于掌握、运行人员可以通过人机交互系统进行直观的修改配置、观察运行状态、测试运行状况，结合实际的现场情况修改配置并自动生成远动信息表，主动告知调度部门现场的变化和变化后的通讯方案，是本文重点介绍的内容。
1 采用嵌入式系统构建平台
通讯控制和管理系统是由多学科、多功能组成的庞大的系统（例如SCADA系统），简单的菜单显示方式无法满足全面的人机交互要求，必须使用带视窗的操作系统来支持，本文介绍的微机通讯和管理设备（以下简称为：装置）的视窗式人机交互系统是以windows XPe嵌入式操作系统作为运行平台，紧凑型设计的单元结构框架内不仅包含了总线式主板设计模式，而且采用了2mm端子连接的连接器以提高可靠性，通讯装置的面板上安装了能够保证操作视窗正常显示的640x480分辨率真彩液晶屏和保证操作系统正常使用的笔记本电脑触控鼠标，带有PS/2键盘接口，USB接口，以太网接口，多路串口（RS232/RS485），并带有中央信号处理功能可启动变电站内的音响报警设备，设备内的电源板采用高频逆变整流和去藕电路设计，兼具电源宽工作范围交、直流通用特性和抗电磁干扰特性。
硬件部分是由嵌入式处理器来控制和管理键盘、鼠标、电子硬盘、LCD液晶显示屏、VGA显示器、网卡、I/O、打印机、USB集线器等组成，并且通过母板的总线接口可扩展PCI和ISA的接口设备，灵活集成诸如串通讯接口，以太网接口，CAN通讯接口等扩展设备。软件部分以计算机技术为基础，对windows XPe操作系统进行了针对性裁剪，仅保留装置所配置的硬件的驱动和必须的调用和处理功能外，去除了操作系统中大量的冗余功能，为操作系统进行了瘦身，大大节省了CPU的调用资源，从而保证了该装置实际应用中对功能、可靠性、功耗、成本、体积等的严格要求。
视窗式人机交互系统需要其处理核心具有高速处理能力，以及并行数据处理和精确像素插入的全2D硬件加速，以及动画加速能力。所以装置所选用的是带有800MHz主频CPU的ETX-LX800工业控制主板，利用该主板所具有的处理速度快、低功耗、体积小、集成度高等特点，再辅以硬件和软件设计时对处理效率、去除冗余、需求具体化、适当扩展硬件接口等方面的重点考虑，以及系统的多任务处理机制，确保在通讯通道全部调用和图形显示界面处于打开状态时，CPU的占用率不超过20%，保证了操作和显示的实时性，从根本上解决系统不稳定的隐患。
2 采用电磁兼容技术设计
2.1 采用机箱屏蔽技术解决外部辐射干扰
屏蔽技术可以用来抑制电磁噪声在空间上的传播，因此可以切断辐射电磁噪声的传播途径。在辐射电磁波的传播路径上的屏蔽可以使阻抗不连续，并且反射和吸收这些辐射的电磁波，防止EMI问题并保护信号完整性。
装置的屏蔽机箱由套桶式金属箱体以及全金属面板组成的金属笼。在高频下，通常金属材料会有一定的集肤深度，会产生信号的衰减，有助于提高屏蔽效率。使用这种屏蔽机箱，所有耦合到机箱壁上的寄生电流，比如共模电流，会被限制在机箱的内表面，没有通路可以让内表面的电流传输到机箱外表面。这样的话，寄生共模电流就被限制在屏蔽机箱的内部，而不会产生RF辐射。但在实际应用中，屏蔽机箱根据屏蔽要求不同，其性能也不同。屏蔽机箱的EMI性能在很大程度上又受机箱上的穿孔和出入机箱的电缆所决定，因此在屏蔽技术上还需采用以减小机箱孔隙的套筒式设计、增加截止波导管等措施。
2.2 有效分离干扰源解决内部辐射干扰
通讯装置由于使用800Mhz的CPU处理芯片，6.4寸液晶显示屏，完成高频信号的数据传输，各种因素的综合效应使该设备的内部设计必须考虑空间隔离、噪声隔离、强电隔离、负载平衡、静电隔离、散热等多方面的影响。由于功能丰富，敏感器件多，使得对内部布局和PCB板的设计要求非常高。为此除了遵循一般的设计规范外，还增加了一些辅助措施，包括：
（1）功能板间相互独立，减少传输干扰。
（2）PCB板边界的屏蔽。
（3）采用具有防护作用的电子元器件。
3 视窗式人机交互系统的显示和配置
3.1 变电站综合自动化系统网络结构说明
变电站综合自动化系统是集保护、测量、控制、通讯、远动、监视、计量和综合管理等多种自动化功能于一体的综合控制系统，如图1所示为一个简单的无人值守变电站综合自动化系统的典型网络结构，其系统结构分为三层结构，分别是设备层、网络控制层和通讯控制层。
3.2 用户需要管理的显示信息和设置项目的分析
应用在工程项目中的通讯管理系统，需要工程制作、现场调试和用户使用等不同阶段的人员对此系统进行相应的配置和管理，为使该装置能够充分的满足各阶段人员的操作需要，相应的提供完成各阶段工作的显示和操作视窗。在立项阶段综合本系统的功能属性对配置和管理需求进行了分析，以实现所有与运行操作有关的信息以视窗方式显示出来的开发目标。
3.3 通信管理系统的主界面
能够一目了然监视全局是设计装置的运行主界面指导思想，因此通信控制和管理系统的人机交互界面被赋予了多重功能。主界面上能够体现所有运行端口的当前工况，包括使用的端口，端口所连接的设备，端口的运行状态，站内常规监视设备引入的I/O状态信息等（图2）。
3.4 通信管理系统的站内装置配置界面
现场调试人员和用户可在站内的各类型装置出现增减或装置信息需要变更时使用，装置的通信配置可通过装置后台通信配置工具来完成。在运行界面树窗口下有“出厂装置模板”、“运行装置模板”、“运行装置”、“协议参数”、“采集表”等选项，进入分级目录后可调出相应装置的出厂模板信息，点击右键菜单可对模板信息进行相应操作，并按照“出厂装置模板”“运行装置模板”“运行装置”的配置顺序完成运行装置的配置，并在其中的不同环节对信息进行配置或修改。
3.5 通信管理系统的远动参数设置界面
装置向调度系统发送远动信息可以通过调度系统配置工具来完成，设置的主界面采用选项卡方式表达（图3）。应用调度系统配置工具对系统全部采集量参数的设置进行管理。其中，参数设置主要通过设置接收RTU参数配置、转发RTU参数配置以及通道配置三个选项卡完成。
3.6 通信管理系统的站内报警系统设置界面
根据现场的需要，可以将预告信号和报警信号的启动音响设置在不同的报警出口，装置能够提供4个出口可供选择。通过报警配置工具对系统全部采集量参数的报警出口进行管理。
通过对开入报警设置、实时库报警设置以及报警出口设置三个选项完成全站的通讯报警设置，其中开入报警设置和报警出口设置主要服务于中央信号报警系统。
开入报警设置如图4所示，选择“8个开入报警设置”，信息栏右侧显示的是8个开入对应的继电器出口设置情况。
实时库报警设置如图5所示，信息栏右侧显示的是实时数据库中数据所对应的继电器出口设置情况。
报警出口设置如图6所示。信息栏右侧显示的是继电器出口序列。
4 结论
对视窗式人机交互系统应用在通讯控制和管理装置中的研究的意义不仅在于从技术手段方面提高产品的亲和力，使产品功能更好地被用户所掌握。而且为当前电力调度系统中许多单纯依靠专业的远动部门来制定调度信息方案并解决调度信息传输的模式提供了一种新颖、灵活、自主的信息采集、处理和传输的思路。随着嵌入式系统的技术不断发展和提高，越来越多的应用领域开始采用基于视窗式的人机交互系统，这一技术发展趋势可能遍及继电保护系统、远动传输系统、能量管理系统的所有层面，引领出新的应用产品需求方向。
参考文献
[1]白同云，吕晓德.电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.114-137.
[2]江思敏.PCB和电磁兼容设计[M].北京：机械工业出版社，2006.35-40.
[3]何立民.从嵌入式系统看现代计算机产业革命[J].单片机与嵌入式系统应用，2008.
