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课程设计课题
雷达发射机温度测控系统的设计与实现
本文详细介绍系统体系结构,软硬件设计方案及监控平台设计。
实践证明,该系统具有稳定性高,测温及时、准确,低功耗低成本等特点,能够有效保障雷达发射组件的安全。
1.引言
目前大部分雷达发射机采用全固态发射机,该发射机具有集成化程度高、发射功率大、产生热量大、工作温度高等特点。
有资料表明,在全固态雷达发射机中,功率晶体管的结温每增加10℃,发射机的可靠性就下降60%.当前,在雷达系统中,普遍采用空调系统对雷达发射机组件进行温度调节,而空调系统只能按照常规固有模式运行,不能根据季节环境温度以及发射机工作过程中温度的变化进行智能调节,将发射机温度控制在合理的范围内,造成降温效果不理想,影响发射机的性能和使用寿命。
针对上述问题,本文设计一种能够实时监测和控制雷达发射机工作环境温度的测控系统。
该系统以PIC18F87K90单片机为控制器,采集雷达发射机各测温点的温度值,并通过RS485总线发送到雷达监控计算机,当监测温度超过设定阈值时,能够及时发出预警提示;同时在雷达监控平台界面上,能够对空调系统的温度进行控制,达到快速、有效降温的目的,从而使雷达发射机工作在适宜的环境中,保证发射机的安全,延长发射机的使用寿命。
2.系统结构设计及系统工作流程
2.1系统结构设计
雷达发射机温度测控系统由监控计算机、监控测控板、温度传感器节点和发射机空调系统组成。
监控计算机:
本温度测控平台运行在监控计算机上,监控计算机通过RS485总线与监控测控板通信,具有实时监控、数据统计分析、监控设备管理、温度控制和报警等功能。
监控测控板:
主要集成了PIC18F87K90单片机、RS485总线接口、单总线接口、红外发射器及相应的指示灯等。
温度传感器集成在测温电缆中并挂在单总线接口上,通过单总线自动搜索、定位所有在线温度传感器,实现对温度数据的传输和传感器故障的自检功能。
PIC18F87K90单片机完成温度数据采集,通过RS485将数据上传给监控计算机,同时接收来自监控计算机的控制命令,执行相应的操作。
温度传感器节点:
由MCU和温度传感器组成,布置在发射机的工作环境中,侦测发射机组件各部位的温度数据,通过单总线方式与监控测控板通信。
每个传感器节点含有3个~5个数字温度传感器DS18B20,各个温度传感器之间以并联方式通过电缆相连。
测温电缆的水平、垂直距离应控制在一定的范围内,以达到及时监测发射机各测温点温度的变化。
雷达发射机及空调系统:
在雷达发射机方舱安装了两个空调设备,以便于对雷达发射组件进行降温,把发射组件的工作控制在理想的工作环境下。
2.2系统工作流程
系统搭建完成后,监控测控板定时采集发射机组件各测温点的温度值,单片机将温度数据按照串口通讯协议进行打包,上传给监控计算机;监控计算机对数据进行解析、处理、分析,将处理后的各测温部位的温度值显示在监控界面上,同时与各部位的温度值相比较,当连续3次都超过设定的阈值,则报警;之后通过界面上的空调温度设置按钮对各部位的空调设备进行温度控制,以达到监测和控制雷达发射机组件温度的目的。
3.系统硬件设计
3.1PIC18F87K90简介
PIC18F87K90单片机是一款低功耗工作的单片机,其最高工作频率可以达到64MHz,内部含有丰富的FlashROM、SRAM、E2PROM存储资源,同时含有串口、定时器等外设资源,该芯片经过适当外围电路扩展,可以满足本温度测控系统的要求。
如图1:
3.2DS18B20简介
DS18B20芯片是DALLAS公司生产的一款数字式测温传感器,广泛应用于各种测温系统中,其分辨率可以从9-12位选择,最高精度为±0.0625℃,测温范围为-55-125℃,可以采用外部供电/寄生供电,每片DS18B20有独一无二的序列号。
同时该芯片支持单总线操作技术,使得本系统的线路简单、硬件开销小、简化系统的硬件设计复杂度,便于总线的扩展和维护。
3.3硬件设计方案
本系统的硬件模块包括单总线多点温度采集模块、单片机控制解析模块以及红外线遥控模块,其硬件结构图如图2所示。
具体功能描述如下:
(1)单总线多点温度采集模块
测温电缆通过单总线接口接入监控测控板,再通过I/0口将温度数据送入单片机。
单片机中的温度采集模块按照设定的温度采样间隔定时从单总线上采集各测温点的温度值,按协议方式对数据进行打包处理,再通过RS485总线上传给监控计算机。
(2)单片机控制解析模块
单片机接收到来自监控计算机的控制命令后,按照RS485通信协议进行解析,将解析出的控制命令按照红外数据通信协议,打包成相应的控制命令,发给编码和调制模块。
(3)红外线遥控模块
此模块由编码及调制电路和红外发光二极管组成。
单片机发出的控制信号,经编码后,再将该编码信号调制为38KHz的方波,然后将已调波放大,驱动红外发光二极管,得到红外遥控脉冲序列信号。
4.系统监控平台软件设计
监控平台是用户操作的最终界面体现。
操作人员通过监控平台对监控数据进行分析、处理,并利用监控平台发出各种控制指令。
监控平台采用客户/服务器(B/S)方式开发,与雷达监控的其他功能集成在一个界面上。
4.1系统监控平台主要功能
监控平台的主要功能有实时监控显示功能、统计分析功能、温度报警功能、空调温度设置功能、采样间隔设置功能、温度阈值设置功能和检测设备管理功能等。
具体功能描述如下:
(1)实时监控显示功能
在监控界面上,实时显示处理的各测温点的温度数据。
(2)统计分析功能
将采集上来的温度数据,按照一定的方法分析、处理后,将温度值与设置的阈值比较,统计连续超出阈值的次数,作为判断是否报警的依据。
(3)温度报警功能
当连续超出阈值次数超过3次时,在监控界面上进行报警提示。
(4)空调温度设置功能
操作员根据报警提示或个人经验,在界面上进行空调温度设置,达到控制空调的目的。
(5)采样间隔设定功能
在界面上进行采样间隔设置,来控制单片机的采样频率。
(6)温度阈值设置功能
根据发射机组件各温度部位的特点,对各测温部位分别进行温度阈值设置。
(7)检测设备管理功能
主要针对硬件设备进行检测,如温度传感器,监控测控板,如发生故障,在监控界面上进行设备故障报警。
4.2串口通信协议
串口通信用于单片机与监控计算机通信。
协议格式为:
协议字头标志为0x5a5a5a5a,占用4个字节;控制符占1个字节;数据长度用来记录数据个数,占2个字节;数据段是传输的数据内容;CRC校验用来检验数据的正确性,占2个字节;结束符表示命令结束,定义为0x16e916e9,占4个字节。
4.3系统界面设计
图3是雷达监控平台的主界面,该主界面的右下角为雷达发射机测控系统的监控界面,其它部分为雷达另外一些监控功能的界面。
通过该界面可以看到雷达发射组件各测温点的温度值。
若温度超过设置的阈值会有报警提示,从而在界面上对该部位的空调温度进行重新设置。
4.4测试结果对比、分析
当测温结果连续3次超过设定的阈值时,在界面上进行报警提示,如图4所示,此时对空调进行降温控制,一段时间后,温度降到阈值范围内,报警提示消除如图5所示。
图4和图5对降温前后的温度结果进行了对比,表明通过界面可以直观监控发射机组件各测温点的温度,同时可从界面上方便的控制各测温点空调的温度,起到有针对性的为发射机组件降温的目的。
5.结束语
本文将单片机与温度传感器组成的测温系统应用到雷达发射机组件的温度控制中,实现了对雷达发射机组件各部位温度的实时监测与控制。
监控平台软件采用了模块化、对象化和分布计算的设计方法,便于组装、扩展,具有很高的灵活性。
雷达发射机测控系统解决了传统监控方式的非实时性、人工现场操作、控制不灵活等缺点,能够及时发现雷达发射机组件的温度异常,方便设置空调温度,达到快速、有效的降低发射机温度的目的。
本系统设计完成后,经过两个月的试用,运行状况良好,达到了预期设计要求。
基于51单片机两路温度控制器的设计方案
本文提出了基于51单片机两路温度控制器的设计方案,该设计方案采用两个DS18B20温度传感器,采集两个不同地方的温度,通过AT89C51处理进行,由四位LED数码管显示所测量温度,前两位为第一个温度传感器的温度,后两位为第二个温度传感器的温度。
采用3个按键实现温度最高和最低的设定,采用蜂鸣器和电动机实现温度过高或过低报警。
1.引言
目前,温度控制器存在的问题是如何缩减成本,减少功耗,温度测量的准确性和多路温度的同时显示。
本方案设计的实现基于C51单片机的两路温度控制器,做到成本最低化,精确度高,两路温度的显示和控制,能在温度超出设定的最高温度时启动电风扇进行降温,在温度低于设定的最低温度时启动蜂鸣器报警,能够用户设定最高最低温。
2.系统结构
温度控制器系统包括以下几个主要部分:
温度传感器,报警电路,LED显示电路,键盘控制,89C51控制部分。
如图所示:
本系统设计实现:
启动温度控制器后,绿灯亮起,四位LED数码显示器上前两位为温度传感器1所测的环境温度,后两位为温度传感器2所测的环境温度。
3.硬件结构
3.1温度传感器
本设计采用的是DS18B20作为温度传感器,DS18B20与传统的热敏电阻相比具有精确度高,测量误差小,方便实现多点测温等优点,因此用DS18B20作温度传感器。
3.2报警电路
本设计采用蜂鸣器和电风扇报警电路。
蜂鸣器报警电路由三极管和蜂鸣器组成。
当温度低于设定的最低温度时,则蜂鸣器报警。
电风扇报警电路由三极管和电风扇组成。
当温度高于设定的最高温度时,则电风扇报警。
3.3显示电路
本系统采用LED数码显示管显示,LED亮度高,可视角度高。
LCD的可视角度低,亮度较低,价格高。
考虑到此温度传感器主要用于温室大棚等亮度不太高的环境,从经济与实用的角度来看选LED作为显示器。
3.4键盘控制
本系统采用3个独立的按键作为键盘控制电路。
键盘一般分为独立式和矩阵键盘两种。
独立式键盘结构简单,但占用的资源较多;矩阵键盘结构比较复杂,但占用的口线少。
考虑到本设计所需按键数不多,采用三个独立键盘完成两个温度传感器温度的设定。
3.589C51控制部分
本系统采用的是AT89C51,小电子产品用51,硬件设计电路如图1所示。
4.软件设计
本系统使用汇编语言编码实现的,比C语言编码的程序处理时间更快。
主程序中包含系统初始化,键盘扫描选择子程序,温度比较子程序,温度测量子程序,温度计算子程序,显示子程序。
4.1主程序模块
主程序中先对数据进行初始化,然后调用键盘扫描子程序KEY_TEST,温度比较子程序COMPARE,温度采集子程序GET_TEMP,温度显示子程序DIS_SET和DISPLAY,再判断采集,显示第二个温度传感器的温度值。
编写程序如下:
4.2LED显示模块
LED显示可以分为动态显示和静态显示两种,静态显示占用更多口线,为了减少硬件成本,本设计采用动态扫描显示的方法显示两个温度传感器的温度值。
DISPLAY和DISPLAY1函数分别读取第一个和第二个温度传感器的温度并根据暂存单元的数据显示两个温度传感器的温度。
编程思路:
根据SIGN标志来判断转入不同的显示,将查表所得的数据存入不同的单元并显示在LED上。
4.3键盘控制模块
键盘通过设定SIGN标志来判断设定第一个或者第二个温度传感器的最高温或者最低温,编程思路为:
将SIGN初始设定为0,当第一个按键按下时将其赋为1,再次按下时加一,直到按到第5次重新赋值为0,根据SIGN的值确定进行不同的设置。
4.4温度传感器模块
根据温度传感器DS18B20完成温度转换所必须经过的3个步骤,程序:
MOVA,#0CCH//跳过ROMMOVA,#44H//进行温度变换MOVA,#0BEH//读暂存存储器内容。
4.5报警模块
当实时温度高于设定的最高温度时或者实时温度低于设定的最低温度时,单片机会控制蜂鸣器或者电风扇工作,判断当前温度是否在正常范围的函数为COMPARE,高温部分程序如下:
5.仿真测试
我们对DS18B20写入程序之前,必须调试自己的程序。
但我们不能看到程序是怎样运行的。
因此我们可以用仿真机来仿真,通过仿真机我们可以看到DS18B20发送过来的数据,读出来的温度值,所利用寄存的值的变化。
系统连接示意图如下图所示:
我们现在能把DS18B20所采集到的温度在PC机上显示出来并且每一个温度值显示后换一行。
试验证明了系统实用性强,达到了预定的功能。
6.总结
本方案中所设计的温度控制器,采用AT89C51单片机作为内核,采用DS18B20作为温度传感器,通过四位LED显示,通过循环扫描实现了两路温度的采集与显示。
然后又经过过仿真测试证实了改设计方案经济适用,实用性强,能够测量两个地方的温度,满足温室大棚,室内家居,工业控制等不同环境下的使用。
无线火灾监测系统中微处理器芯片的物理设计
0引言
目前,在建筑物早期火灾监测和报警上,还是一直沿用有线网络的方式,其线路遍布在建筑内,初装成本高,同时线路本身也是很大的火灾隐患。
因而新型的无线火灾监测系统应运而生,该系统安装方便、快捷,且其成本更为低廉,有更大的应用空间。
微控制器是火灾监测系统的核心部件之一,通用的微处理器和微控制器不能满足无线火灾监测系统中节点主控芯片低功耗、低成本的要求。
为了掌握无线火灾监测系统的核心技术,建立拥有自主知识产权的软硬件平台,推动我国无线火灾监测系统的发展,有必要开发出针对无线火灾监测系统的微处理器。
本文完成了一款专用于火灾检测系统的微控制器芯片的物理设计。
1SW-A芯片的架构
SW-A芯片是一款基于ARMCortex-M0的专于无线火灾检测系统的专用数模混合型控制器芯片,总线采用AMBAAHB、APB双总线架构,工作频率最高可达50MHz,支持多级内部分频,待机状态下也可以极低的频率运行;内置一个高采样率的12位逐次逼近的8通道ADC,最多可依次对来自8个传感器(如温度传感器、烟雾传感器、光强传感器等)的信号直接进行采样、转换、保存,检测主程序可任意读取目标传感器对应的采样数据进行处理、判断是否发生火灾。
内置18KBSRAM,可灵活切换作为FLASH、RAM使用,满足火灾监测和简易处理程序的存储。
支持ISP(在系统编程)操作和IAP(在应用编程)操作,既便于火灾监测主程序的更新升级,又便于软件编写优化。
接口包括工业标准的UART接口、SSI通信接口(支持SPI、MicroWire及SSI协议),还有3组(6通道)PWM,丰富的接口和功能模块使该款芯片在功能拓展方面有较大潜力。
2SW-A芯片的物理设计
2.1采用的物理设计流程
SW-A芯片的物理设计借助Synopsys公司的EDA工具ICCompiler进行,采用ICCompiler典型的设计流程。
基于台积电(TSMC)180nmCMOS工艺进行。
物理设计准备就绪后(设计逻辑库、设置物理库、设置TLU-Plus相关文件以及设置读入的门级网表与标准延时约束),即可开始物理设计,依次完成设计规划(Designplanning)、布局(Placement)、时钟树综合(ClocktreeSyn-thesis)、布线(Routing)直至设计完成(ChipFinish)。
2.2设计规划
设计规划(DesignPlanning)是芯片物理设计中非常重要的一步;主要包括布图规划(Floorplan)电源规划(Powerplant)。
通常情况下,在布局开始之前,设计者往往需要花费大量的时间来进行布图规划(Floorplan)和电源规划(Powerplan),设计规划的好坏直接决定芯片的功耗、标准单元的拥塞的、时序收敛、电源稳定性等。
所以设计规划是整个物理设计过程中反复次数最多、手动设计最多的一步。
布图规划(Floorplan)要完成IO排布、PAD摆放、Macro(包括模拟模块、存储单元等)的定位以及芯片的形状、拥塞度(Congestion)和面积等的设定。
作为一款面向用户的控制芯片,IO的排布必须综合考虑用户的需求与设计的要求,不同功能PAD的纵横向尺寸也不同。
本文将纵横两向尺寸均较大的PAD置于芯片的南北两边,将单向尺寸较小的PAD置于芯片的东西侧且大尺寸边朝向南北(见图2(a)),相比较于将双向尺寸均较大PAD置芯片的四周(见图2(b)),这样的设计非常有效的减小了芯片的面积。
本芯片需要定位的Macro有SRAM、ROM、ADC以及ANALOG_TOP,本文综合考虑它们与IO的位置关系将它们定位于芯片的四周,这样可以芯片中保留成片的空白区域来放置标准单元。
为了保证Macro与PAD及标准单元之间的互联线,在每个Macro的四周这只一个空白区,这个区域内任何情况不允许摆放标准单元。
具体命令如下:
本芯片在放置标准单元和Macro的核心区与PAD之间设计40μm的预留区,用于摆放电源环(PowerRing)及互联走线。
为防止标准单元重叠放置,用命令可保证标准单元只能置于高度大于10μm的通道内。
设置好芯片布图规划可使用命令creat_fp_placement进行预布局。
本芯片使用TSMC180nm工艺设计生产,要求工作电压为1.8V,可容忍最大电压波动为±10%,所以本文在进行电源规划时,综合考虑了芯片的供电需求、互联线造成的电压降(IR-Drop)及较小的电源网络面积,设计了两个电源环(Powerring)和纵横各14条电源带(Strap)。
经过分析电源网络(AnalyzePow-erNetwork),本设计最大的IR-Drop为29.7mV.图3(a)是芯片的设计规划,图3(b)是芯片的电压降分布图。
2.3布局
布局(Placement)的好坏是决定芯片物理设计成败的关键。
布局的主要任务是完成设计中标准单元的摆放和修复建立时间(setuptime)。
布局正式开始之前需使用命令check_physical_design命令检查布局准备是否完成,必须保证:
所有HardMacro和IO等的位置以固定;设计中所有逻辑pin和物理pin一一对应;所有的逻辑单元都有与之对应的物理单元;设计中所有单元的尺寸都已固定。
为了方便互联走线,在开始摆放标准单元之前,可以将芯片内特定区域设置为布局限制区(Place-mentBlockage)。
ICC工具多种形式的限制,如禁止粗略布局时摆放标准单元、只允许布局优化时摆放标准单元、只允许布线等;本设计中设置了多处布局限制区,以方便ADC、ANALOG_TOP等与IO之间的连线(见图4(a))。
布局准备就绪后可使用命令place_opt配合附加约束进行布局,该命令执行错略布局(coarseplace)、高扇出网络合成(high-fanoutnetsynthesis)、物理优化(physicaloptimization)直至合法化(legalization),由前三步确定单元的位置(见图4(b)),通过合法化最终将标准单元正确的摆放在计算好的位置上(见图4(c))。
本文物理设计的具体命令如下:
要求工具对除关键时钟路径外的其他面积进行修复,努力程度高,通过选项“-congestion”控制工具尽可能的降低芯片的拥塞度以便利后续布线,通过选项“-pow-er”控制工具优化泄漏功耗、动态功耗并且进行低功耗布局。
完成布局后芯片的面积利用率如表1所示,拥塞度的集中在0.625~0.875之间,拥塞度适中,既没有因为芯片利用率过低而浪费芯片面积,也不会因为拥塞度过大而导致后续设计困难甚至重新设计。
2.4时钟树综合
时钟树综合(ClockTreeSynthesis)的主要任务之一就是将时钟偏差控制在可接受范围内,保证芯片高效无误的工作。
本芯片的时钟树综合策略如下:
时钟树的逻辑综合(clock-cts)、时钟树的物理综合(clock-psyn)以及时钟树的布线(clock-route)。
时钟树的逻辑综合阶段只完成两项工作:
通过计算各条时钟路径上的延迟,得到需要插入缓冲器(buffer、inverter)的位置及尺寸(由-only_cts命令选项控制);由于时钟网络的功耗占总功耗的比重非常大,所以在时钟树综合时必须进行功耗优化(-power)此阶段并不进行布线。
具体命令如下:
时钟树的物理综合阶段将插入的缓冲器摆放至准确的位置,进行RC提取,参照延迟约束文件(SDC)检查时钟网络的的最大插入延迟、最小插入延迟、最大时钟偏差以及最大转换时间等并对设计中出现hold违反进行修复,为了便利非时钟网络布线,此时需要增加-ar-ea_recovery选项,以减小连线面积,此阶段依然对功耗进行优化。
在完成时钟树布线时,本文采用arnoldi模型来精确计算时钟树的延时并15次循环迭代法进行时钟布线。
表2是时钟综合前本设计的时序情况,显而易见有多条关键路径并存在较多建立时间违反;完成时钟树综合后再进行时钟检查,未发现时钟违反,表示时钟树综合完成。
2.5布线与芯片完成
本文将布线及其优化分开来做,首先在初始布线阶段完成全局布线(globalrouting)、详细布线(detailrout-ing)和检查与修正(search&repair),然后采用拓扑算法对布线进行优化,同时对电流漏功耗进行优化。
为了防止天线效应的发生,在芯片完成阶段对芯片进行了天线效应修复设计,此时芯片中依然存在空白区域,需要填充filer以满足DRC的要求。
图5是该芯片的物理设计版图,表3是该芯片的面积与功耗,可见总面积为2794371.012703μm2,总功耗为11.6354mW.经过仿真后证明芯片于50MHz时钟频率下正常工作,满足设计要求,证明本次设计是正确有效的。
3结语
本文基于TSMC180nm工艺完成了一款用于无线火灾监测系统中的微处理器芯片的物理设计,采用不同策略分别完成芯片的布图规划、布局、时钟树综合及布线等设计步骤后得到了该芯片的版图及面积、功耗等报表,物理设计后芯片的各项设计指标均满足设计要求,证明了该芯片物理设计的正确性。
基于配合通用照明趋势的高能效LED驱动器设计方案
0引言
照明用电是全球能耗的一项重要来源。
据推算,中国照明用电约占全社会用电量的12%左右。
在各种照明灯具中,历史悠久但能效较低的白炽灯的应用仍然非常广泛,如果限制低能效光源的使用、同时大力地推广及应用更高能效及环保的光源,将利于节能。
因此,包括中国在内,世界上多个国家制定政策,分阶段淘汰白炽灯泡。
如中国计划于2015年60W以上普通照明用白炽灯泡全部淘汰。
荧光灯及紧凑型荧光灯(CFL)的能效比白炽灯高,在市场上已经应用多年。
但荧光灯含剧毒物质汞,所引发的环保顾虑越来越多。
相比较而言,LED在发光效率等各方面的性能不断提升,还兼具环保及长寿命特性,越来越受重视。
实际上,LED筒灯和改装灯泡已经拥有比白炽灯、卤素灯或CFL等现在照明技术更高的能效。
而在成本方面,研究发现,与2010年相比,LED的价格已经加速下降(每年下降13%至24%),预计未来几年仍会持续下降,将帮助降低LED灯泡及灯具的成本。
因此,世界各国纷纷看好及推动LED照明产业的发展。
例如,中国国家发改委发布《半导体照明节能产业规划》,规划到2015年LED功能性照明产品市场占有率达20%以上,LED照明节能产业产值年增长30%左右,2015年产值达4,500亿元(折合720亿美元)。
1通用照明应用及发展前景
LED除了广泛应用移动设备、中大尺寸液晶显示屏(LCD)背光及LED标牌等领
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