时间：2022-07-19 04:24:46
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇硬件系统设计论文，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
预警应急系统的构建需要结合地区环境特点，通过吸收科研成果及现有技术形成极具实用性的系统。在系统的建设开发中要收集环境质量信息、研究该地区的环境特征、该区域突发性环境污染事件的特点、危险事故隐患及社会经济基本情况等相关的背景信息，从而最终建立基于GIS平台的环境预警系统；在此基础上通过数学模型等手段建立起与GIS集成的污染分布时空模拟系统；此外还可以充分的利用研究区域已有的环境自动监控系统，对事故现场及周边环境信息进行采集。然后基于此研发具备自动监测环境污染事件地点、时间、危害程度以及性质、范围的应急监测系统。同时还可以结合灾害专家应急对策数据库中的专家系统，得到预警及应急对策建议与应急预案。为此建立突发性环境污染事故应急监控指挥系统是以上操作得以保证实施的关键。这一系统的构建主要基于大量的基础信息以及研究区域的GIS平台，然后建立起区域内污染的基本环境情况、环境危险隐患、基本环境质量信息、重要敏感目标、污染源基本情况以及社会经济状况等信息动态数据库，同时这一数据库要具备时空分布表达、动态模糊查询、数据关联分析等功能。一旦事故发生后，这一系统就可以准确的锁定污染发生地，然后通过污染分布时空模拟模块预测受影响区域的范围，并且利用地理信息显示模块提供受污染区域的救援单位、敏感单位、人口以及输送人口的最佳路面等信息，从而为应急救援以及应急监测提供决策依据。
污染分布时空模拟系统是解决突发性污染事故的核心组成部分，是一种基于研究区域，同时利用GIS的空间数据功能及模型分析能力，从而将有关数学模型、环境质量、污染状况以及地理信息等结合起来，并使用生动的图像、图形方式呈献给管理者、决策者，为处理突发性环境污染事故提供支持。该智能决策系统的建立要根据历史数据及经验，通过对于原来案例的分析以及现实数据的测量，经过总结与分析提出最佳的方案。通过推理机制对有关化学危险品的风险进行分析与评价，然后确定和事故实际区域有关的效应，并对提出的各种措施进行优化选择，从而科学的安排人员及设备。应急指挥系统作为本系统的硬件支持，这一系统通过综合运用计算机技术、图像技术、电子地图、无线数据通信等高新技术，并且借助于各种现代化的信息传输手段，例如Internet、GSM以及GPRS等，从而可以在电子地图上显示污染现场的图像、调查小组位置、监测点位置、测试数据、监测点位置、制定污染区域以及区域面积等信息。这一系统大体分为三大部分：现场端子系统、远程查询子系统以及中心端子系统组成。实际使用中可以根据现场的实际情况选择使用移动电话网络、公用电话网络，从而保证现场与指挥中心的有效连接，实时的了解突发性污染时间的信息。
随着我国社会经济的发展，近年来有关突发性环境污染的事故接连发生，极大地影响了国家经济建设及国民的生产生活，为此需要迅速建立应对突发性污染事故的预警应急系统。这一系统需要具备对突发性环境污染以及生态破坏的识别能力，并且可以通过定量与定性手段预测事故的发展趋势及速度，从而预先对某种长期的预警模型进行警报。为此当下这一系统建立的主要方向集中在基于集成GlS的污染分布时空模拟系统、GIS平台的环境预警系统、处置智能决策系统、突发性环境污染事故应急监测以及突发性环境污染事故应急监控指挥系统四大系统，从而保证各项功能的有效实施。
本文作者：李建民段欣荣工作单位：西安市环保局阎良分局环境监测站
1．自觉向民族传统文化回归
中国的现代艺术设计需要建立在民族文化、民族风格的基础上，因此必须重视向民间艺术学习，坚信中华民族文化传统的主流在民间。所以在城市空间设计中，要通过对环境的理解，对传统的认知，自觉地借鉴，而不是直接挪用。中国传统民间艺术形式变化万千、风格种类异彩纷呈，凝聚了中华民族几千年的智慧精华，也传承了中华民族特有的艺术精神，值得当代城市设计师深入学习和研究。设计师在设计实践中，通过元素剥离、创意整合和情感传达，特别是与新技术巧妙融合，就能创造出独具中国特色的现代艺术设计作品。当然，这需要一个过程，要靠城市设计师与民间艺术大师、民间艺术教育人才的融合。所以说，城市设计师必须以民间艺术为基础，重视向传统民间艺术学习，只有亲身体会这笔文化遗产的魅力所在，了解传统民间艺术中所蕴含的深厚的民族本源文化、本源哲学、本源艺术的基因，以及多姿多彩的具有生命活力的民族语言形态，才会对它加以自觉应用［2］。
2．传统民间艺术语言
现代化现代城市空间越来越相似，传统特色逐渐消褪，因此如何保持城市的独特气质就成为十分迫切的问题。传统民间艺术语言体现了独特的审美传统，蕴含着深厚的精神文化内涵，将其作为城市空间设计的思想源泉，在城市空间中直接或间接地运用，对强调和延续历史文脉有着重要意义。但是，源于自然崇拜的原始文化的民间艺术，所代表的是不同于现代文化的农耕文明，它虽有着特定的社会基础，但其中也有不适合现代生活方式、不符合现代审美、伦理观的地方，这样就限制了其在当代城市设计中的广泛应用。有些民间艺术图式如果不经过调整、创新，就很难为现代社会所接受，因而应用时不能简单、机械地复制、拼贴，而应该在理解其文化含义的基础上，取其精髓，去其糟粕，使其艺术语言现代化，为当代大众所认同并接受。中国传统民间艺术的很多内容和形式有相对的稳定性及程式化特征，在艺术认知上有更为直接的优势，因而是可以应用到城市空间设计中的。其应用方式有两种，第一种是物品本身、题材、造型及艺术手法的直接运用;第二种是间接运用，即可以从民间艺术的形、色、质等方面着手，进行形的简化与再造、色彩的沿用与重组以及材料的选用与更新等，来再现或表现民间艺术。在城市空间设计中，设计师要将传统文化经过现代设计思维的选择与消化，融入到现代设计之中，这样，民间艺术元素才可能真正发挥它的艺术价值，作为一种新的视觉传递语言，在现代设计中重现生机。
3．在社会场域上的对接虽然城市空间设计
一直以来都以较快的速度发展，但在当代，与公众联系紧密的传统民间艺术才逐渐走进人们的生活之中。民间艺术形式以合理、合情的方式融于城市开放空间中，其较大的辐射面和难以抗拒的视觉冲击力，使与它发生接触的人都会或多或少地接受它传达的信息，从而在心中产生一种熟悉的、能产生共鸣的集体性的感受。为城市居民营造一种心理归属感，满足社会心理情感的需要，可以使城市居民对城市产生心理依赖感，对环境产生身份认同、心理认同，直至文化认同。另外，当代城市空间设计追求绿色生存空间，提倡低碳设计。传统民间艺术如陶艺、编织等，其原生态性契合了当代城市设计的需求。在设计中，对民间艺术中传统的工艺、材料和形式的毫无偏见的借鉴，体现出了强烈的环境保护意识，同时也体现出了一种社会的进步，因而是一种设计伦理和设计道德的体现。传统民间艺术一旦融入城市空间艺术中，就会逐渐走进人们的生活，其审美对象就会直指社会公众，就会以公众的精神需要为目的，以公众的审美评价为借鉴，生存于公众之间。这就使得公众对自己生活的公共空间艺术享有话语权，同时享有艺术创作的参与权，从而提高了社区居民的和谐氛围，促进了社会和谐。
二、传统民间艺术在城市空间设计中的具体应用
1．城市空间墙面艺术与传统民间艺术
传统民间艺术的民间性和贴近生活的特点，迎合了城市特色营造的需要。城市空间的墙面围合成居民生活的空间，在城市空间的墙面上揉进诸多传统民间图式元素，可以体现城市的独特个性和其融合性。同时，利用民间艺术形式改造城市建筑墙面，可以增加建筑的历史、艺术价值，也将提升整个城市的艺术品位。墙面艺术的丰富多彩使城市居民在街道上除了广告外，有可看的内容，也可彰显该城市与其它城市的差异。同时，融入传统民间艺术的城市墙面，除提升城市形象外，也能满足城市公众的精神需求。如高雄驳二艺术特区中的墙面设计借鉴了民间皮影和乡土绘画，使原本废弃的墙面换上了新妆，焕发了新的生命。同时，建筑室内墙面设计也常常采用民间艺术元素来活跃空间氛围，提升空间亲和力。譬如大连甘井子实验小学的教学楼设计，局部采用了民间艺术元素，将传统红灯笼悬挂在大门入口的过厅天花板上，每盏灯笼上面都有不同的两个字，比如“幽默”、“温柔”、“爱笑”、“漂亮”、“耐心”、“善良”、“公平”等。这种设计既体现了艺术文化特色，又具有亲切感和历史厚重性，深得家长、老师、孩子们的喜爱。
2．当代建筑设计与传统民间艺术
关键词：变压器；冷却控制系统；硬件
1变压器冷却控制系统控制模块的设计总体思想
本文所进行的就是对变压器冷却控制系统控制器模块进行设计，其中包括了可以对主变压器风扇投入与切除的温度范围进行自行设定，也可以按照用户的要求而变化。在传统控制方式中，风扇投切的温度限制值是不能改变的，此外，风扇电机的启动和停止温度有一余量，不像传统的控制方式中是一个定值，避免了频繁启动的缺陷，此外还有运行、故障保护及报警等信号的显示及其与控制中心或调度中心的通讯，上传这些信息，如变压器油温、风扇运行状态有无故障等。至于风扇的分组投切设置是为了节约电能，具有一定的经济意义，但这个分组数不宜过多，以免控制复杂，且散热效果不佳。
控制器主要由AT89CS1单片机、A/D转换器、键盘控制芯片，输出模块、通讯模块以及自动复位电路等组成，其中单片机是控制器的核心，AID转换器是把输入信号转换为数字信号。
2变压器风扇控制系统的硬件接线
基于以上的要求，我们设计的风扇控制器的硬件线路图如下页图1所示。变压器风扇控制中对控制模块进行改进是本文研究的重点，其中包括主要芯片的选用以及一些抗干扰元件的使用。所以在本章节中，我们重点将要介绍变压器风扇冷却控制模块中的主要硬件芯片的作用、选用以及它们之间的连接力一法。
（1）单片机AT89C51（如图1）。
AT89C51是Atmel公司生产的一种低功耗，高性能的8位单片机，具有8k的flash可编程只读存储器，它采用Atmel公司的高密度不易丢失的存储器技术，并且和工业标准的80c51和80c52的指令集合插脚引线兼容，其集成的flash允许可编程存储器可以在系统或者通用的非易失性的存储器编程中进行重新编程。AT89C51集成了一个8位的CPU，8K的flash。256字节的EDAM，32位的I/0总线。三个16字节的定时器/计数器，两级六中段结构，一个全双工的串行口，振荡器及时钟电路。AT89C51是完成系统的数据处理和系统控制的核心，所有其它器件都受其控制或为其服务。
在本文中，经过TLC1543A/D转换器后输出的数字量输入到AT89C51单片机中，同时在进行了温度参数的设置以后，进行它的输出控制，其中包括了变压器的温度显示、状态显示、以及声音报警设备等等，也就是我们所研究的变压器冷却控制系统的核心部分。
（2）变压器的温度采集及温度处理模块。在变压器的风扇冷却自动控制系统中，第一步进行的就是对变压器上层油温进行的温度采集工作。变压器的温度采集是由变压器的温度控制器来实现的，其中包括铂电极、传感器以及变送器。经过温度控制器输出的信号进入变送器，变送器送出一个4一20毫安的电流信号，然后将此电流信号通过控制芯片上的电阻元件实现电流电压信号的转换，转换后的电压是在0.4一2（伏特）之间，然后将此电压信号输入到TLC1543数模转换器，进行信号处理。变送器输出信号有电流和电压信号两种，考虑到变压器安装的位置（室外）距本控制装置（室内）有一定的距离，电流信号不易损失，故选择了4一20毫安的电流信号。（3）11通道10位串行A/D转换器丁LC1543。
TLC1543A/D转换器是美国TI公司生产的众多串行A/D转换器中的一种，它具有输入通道多、转换精度高、传输速度快、使用灵活和价格低廉等优点，是一种高性价的模数转换器。TLC1543是CMOS，10位开关电容逐次逼近模数转换器。它有三个输入端和一个3态输出端：片选（CS），输入/输出时钟（I/0CLOCK），地址输入和数据输出（DATAOUT）。这样通过一个直接的四线接口与卞处理器或的串行口通讯。片内还有14通道多路选择器可以选择11个输入中的任何一个三个内部自测试（self-test）电压中的一个。
（4）BC7281128段LED显示及64键键盘控制芯片。
BC7281是16位LED数码管显示器键盘接口专用控制芯片，通过外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等），最多可以控制16位数码管显示或128支独立的LED。BC7281的驱动输出极性及输出时序均为软件可控，从而可以和各种外部电路配合，适用于任何尺寸的数码管。
BC7281各位可独立按不同的译码方式译码或不译码显示，译码方式显示时小数点不受译码影响，使用方便；BC7281内部还有一闪烁速度控制寄存器，使用者可随时改变闪烁速度。
BC7281芯片可以连接最多64键C8*8）的键盘矩阵，内部具有去抖动功能。它的键盘具有两种工作模式，BC7281内部共有26个寄存器，包括16个显示寄存器和10个特殊（控制）寄存器，所有的操作均通过对这26个寄存器的访问完成。
BC7281采用高速二线接口与MCU进行通讯，只占用很少的I/O资源和主机时间。
BC7281在本系统中主要用于驱动变压器温度显示的LED以及显示风扇运行状态的指示灯。
前已提及，BC7281芯片内部共有26个寄存器，包括16个显示寄存器和10个特殊功能寄存器，共用一段连续的地址，其地址范围是OOH-19H，其中OOH-OFH为显示寄存器，其余为特殊寄存器。
（5）使用MAX232实现与PC机的通讯。
①MAX232芯片简介
MAX232芯片是1VIAX工M公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器，适用于各种E工A-232E和V.28；V.24的通信接口，1VIAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源变换成RS-2320输出电平所需±10V电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V电源就可以。
我们的设计电路中选用其中一路发送/接收，RlOUT接MCS一51的RXD，T1工N接MCS一51的TXD，TlOUT接PC机的RD，Rl工N接PC机的TD1。因为MAX232具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路。
系统中使用了此技术之后就实现了变压器风扇冷却系统的远程控制，工作人员可以在控制室对冷却系统进行控制，可以达到方便、准确、快捷的日的，这也是我们对传统的风扇冷却控制系统而做的一个重要的改进。
②串行通讯
在此实现中，我们必须要对MCS-51串行接日和PC机串行接日的串行通讯要有一定的了解，串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上，以每次一个二进制位移动的，它的优点是只需一对传输线进行传送信息，囚此其成本低，适用于远即离通信；它的缺点是传送速度低；串行通信有异步通信和同步通信两种基本通信方一式，同步通信适用于传送速度高的情况，其硬件复杂；而异步通信应用于传送速度在50到19200波特之间，是比较常用的传送方式，本文中使用的就是异步通讯方式。
（6）“看门狗”电路DS1232
在系统运行的过程中，为了避免因干扰或其他意外出现的运行中的死机的情况，“看门狗电路”DS1232会自动进行复位，并且能够重读EEPROM中的设置，以保证系统可以安全正常的运行。
美国Dallas公司生产的“看门狗”（WATCHDOG）集成电路DS1232具有性能可靠、使用简单、价格低廉的特点，应用在单片机产品中能够很好的提高硬件的抗干扰能力。
DS1232具有以下特点：
①具有8脚DIP封装和16脚SOIC贴片封装两种形式，可以满足不同设计要求；
②在微处理器失控状态卜可以停止和重新启动微处理器；
③微处理器掉电或电源电压瞬变时可自动复位微处理器；
④精确的5%或10%电源供电监视；
在本变压器冷却控制系统中，DS1232作为一定时器来起到自动复位的作用，在DS1232内部集成有看门狗定时器，当DS1232的ST端在设置的周期时间内没有有效信号到来时，DS1232的RSR端将产生复位信号以强迫微处理器复位。这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处理器死机是非常有效的，因为看门狗定时器的定时时间由DS1232的TD引脚确定，在本设计中，我们将其TD引脚与地相接，所以定时时间一般取为150ms。
3结论
本装置实现了通过单片机自动控制冷却器的各种运行状态并能精确监测变压器的油温和冷却器的各种运行、故障状态，显示了比传统的控制模式的优越性。（1）能够对变压器油温进行监测与控制；（2）实现了变压器冷却器依据不同油温的分组投切，延长了冷却器的使用寿命，有较好的经济意义；（3）实现了冷却系统的各种状况，如油温、风扇投切和故障等信息的上传，便于值班员、调度员随时掌握情况。
由于固态继电器实现了变压器的无触点控制，解决了传统的控制回路的弊端，同时此控制装置具有电机回路断相与过载的保护功能。由于使用了单片机，因而具有一定的智能特征，实现了油温、风扇的投入、退出和故障等信号的显示以及上传等。通过实际运行表明，该装置的研制是比较成功的。但今后，我们还应该对固态继电器本身的保护进行一些研究，以免主回路因电流过大而造成固态继电器的损坏，以使变压器风扇冷却控制回路更加完善。
参考文献
Electronics System Design
Techniques for Safety
Critical Applications
2009
Hardback
ISBN 9781402089787
Sterpone著
随着社会的发展和科技的进步,信息技术已经深入千家万户,人们周围充斥着各种电子设备。电子设备的误操作或故障时有发生,有时这些会造成对人员的伤害或者环境的破坏,为了避免这些,人们提出了安全性苛求系统的概念。这种系统是指通过各种设计和制造手段保证在其使用寿命范围内,运行过程中不出现任何对使用者和环境造成伤害的错误。本书便是针对这个问题编写的。
本书共分8章。1.介绍了可用于发射环境下的FPGA设计技术,主要包括硬件结构设计的可重构设计技术和冗余技术,还介绍了基于sram的FPGA的软件结构及FPGA线路结构;2.首先介绍了辐射效应包括单粒子反转和单粒子门锁。基于单粒子反转的FPGA内存优化,对SEUS的仿真分析和硬件分析,分析了三重冗余结构及容错系统的约束条件;3.纠错效率分析算法。首先介绍了静态分析算法,然后介绍了该算法的基本原则,并分别介绍了用于SEU分析和MCU静态分析的新算法;4.介绍了一种新的高可靠性的应用于S-RAM FPGA 的算法,该算法从定位和运行两个方面进行了优化,减小了程序出错的可能性,提高了运行可靠性;5.首先介绍了具有容错功能的基于SRAM的FPGA系统设计的新流程,然后介绍了容错线路的设计优化方法,最后进行了实验,验证了新设计的优越性;6.基于FPGA内部降压机制的系统优化,介绍了一种可以用于SRAM-FPGA的减压系统,他不需要外部任何器件,可以完成高效率的减压,该系统在Xilinx SRAM FPGA上实验验后结果良好;7.介绍了一种用于DNA生物芯片的新型硬件结构,它采用双核硬件结构,实现了不同单元的多指令操作,并在一种FPGA系统上采用这种结构制备了DNA芯片,显示出这种优化结构的强大能力;8.首先介绍了RCF器件,然后介绍了ReCoM结构,最后实验显示新型的ReCoM结构性能更为优越。
本书的作者Luca Sterpone目前任教于都灵理工大学(意大利),研究方向为数字系统设计和计算机结构。他2003年毕业于都灵理工大学,获得工程学士学位,之后在该校读博士学位,并于2006年毕业,论文研究方向为“电子系统设计技术的安全关键技术应用”,获得了2007年度欧洲优秀论文奖。
本书内容新颖,针对性强,适合电子工程师、硬件工程师以及计算机专业、电子专业的学生阅读。
刘军涛,博士生
(中国科学院电子学研究所)
论文关键词：MPXV53GC6U，MSP430F149，单片机，便携式，电子血压计
0引言
血压是人体重要的生理参数之一，对其进行精确测量，有利于早期发现和鉴别高血压类型医学检验论文，提出合理的治疗建议。目前，临床上对普通病人主要采用无创检测的方法，它大致分为人工柯氏音法和示波法两类，人工柯氏音法虽然比较准确，但操作困难，受主观因素影响较大，而示波法虽然操作简单医学检验论文，但稳定性和个体适应性都比较差，不利于其在临床应用上的普及和推广。本文在示波法的基础上，从硬件实现和软件设计两个方面，改进了原来的测量方法，并进行了比对测试
在研究国内外已有产品或设计构思的基础上，使用先进的信号处理技术与智能控 制技术，尽量消除脉搏提取处理中的噪声干扰与非线性失真医学检验论文，提高血压测量的准确性与稳定性，并提高了测量的自动化和智能化论文开题报告。
1系统的硬件设计
本设计采用Motorola公司的MPXV53GC6U硅压式 传感器和TI公司MSP430F149单片机为主要器件， 构成电子血压计，系统构成如图1。系统由MCU、 传感器、LCD液晶显示器、操作面板、充放气控制电路、气泵和气阀、蜂鸣器、存贮器、电源等部分构成。
【关键词】AGV 磁引导 PWM调速 8052单片机
随着现代科学技术的高速发展，自动导引小车（Automatic Guided Vehicle AGV）得到了广泛的应用。AGV以电池为动力，并装有非接触导航（导引）装置，以电磁引导、激光引导、惯性引导及GPS引导等方式。可实现无人驾驶的运输作业。它能在计算机监控下，按路径规划和作业要求，精确地行走并停靠到指定地点，完成一系列作业。
AGV以轮式移动为特征，较之步行、爬行或其它非轮式的移动机器人具有行动快捷、工作效率高、结构简单、可控性强、安全性好等优势。AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，不受场地、道路和空间的限制。在自动化物流系统中，最能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。
一、AGV导航系统的系统总体设计
本论文设计了磁带引导AGV，完成寻迹、蔽障、PWM调速、人工控制等功能，为大量生产工业型AGV提供较好的研究基础。系统模块设计如图1所示：
图1
本论文主要对AGV的硬件系统进行设计，重点研究磁引导AGV的磁寻迹感器模块软硬件模块、速度反馈模块的设计。
二、磁寻迹传感模块设计
磁寻迹传感器是AGV能否完成磁带寻迹功能的关键，为了检测到弱磁磁场的存在，要选用灵敏度更高的传感器。本设计采用磁阻传感器，可以测量到弱磁磁场的存在。由于磁阻传感器输出为模拟量输出，需要通过响应的A/D转换电路将信号输入单片机。模块设计如图2所示。
图2 磁寻迹传感器硬件实现电路
三、速度反馈模块设计
本论文AGV采用双轮差速驱动方式，当电机负载增加时，电机的运行速度下降，一般额定转速降落达3%～10%，为了使两电机同速，必须要有反馈换环节对电机的速度进行反馈。只有组成了闭环系统，AGV的运动与速度才可控。码盘接口硬件电路如图3所示。两编码器的A和B两相信号经过74LS14施密特整形，分别接到单片机的P2.3和P2.2 以及INT0和INT1上。单片机对INT1和INT0的中断次数计数来测量通道B的脉冲数，读取P1.2的电平状态来判断电机的转动方向。以上升沿触发为例，当B路信号的上升沿引起中断时，单片机判断P2.2或P2.3信号的电平高低。若其为低，则电机正传；为高，则电机反转。电机的速度即为一个采样周期中N值的变化量。电机的转速为，式中，C为标度变化系数，可根据转速的量纲来选择，N为一个采样周期中的计数值，它的符号反应电机的转动方向。硬件实现电路如图3所示。
图3 光电编码器实现电路图
四、总结
本系统采用PWM调速及双轮差速控制，使车辆依照车载传感器确定的位置信息，沿着规定的行驶路线和停靠位置，自动行驶，完成规定的操作。论文对关键模块的设计进行了详细设计，经验证该系统设计可靠合理，能实现系统设计的基本功能。
参考文献：
[1] 温钢云，黄道平. 计算机控制技术[M]. 华南理工大学出版社，2002.
[2] hard C.Dorf Robert H.Bishop. 现代控制系统[M].高等教育出版社，2006.
关键词：嵌入式系统；SOPC；MP3播放器
中图分类号：TP311 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 20-0000-02
Mp3 Player Design Based on SOPC
Xie Huicheng1,Guo Li2
(1.School of Electronic Engineering,Jiujiang University,Jiujiang332005,China;2.Jiujiang University,Information Science and Technology College,Jiujiang332005,China)
Abstract:This paper mainly from the audio playback and the intersection of SOPC technology,this paper proposes the use of technology in Altera's SOPC CyelonII EP2C35 FPGA mp3 player built on the design.The use of IP design reuse,collaboration software and hardware,hardware acceleration and other methods,combined with the experimental characteristics of platform resources to build a soft-core processor based on NiosII mp3 player system. Achieve MPEGⅠ layerⅢ smooth playback audio decoding.The system has a small size,design flexibility,short development cycle and so on.
Keywords:Embedded system;SOPC;MP3 player
一、引言
目前，嵌入式系统进入全面应用的阶段，己经成为通信和消费类产品的共同发展方向。在硬件方面，市场上不仅有各大公司生产的各种微处理器芯片，还有用于学习和进行研发的各种配套的软件开发包和开发工具。SOPC具有系统集成度高、体积小、功耗低、结构简洁、可靠性高、开发快速等特点，很好的满足了的嵌入式系统在硬件上的需求。SOPC技术的目标是试图将尽可能大而完整的电子系统，包括嵌入式处理器系统、接口系统、硬件协处理器或加速器系统、存储电路、DSP系统、数字通信系统、以及普通数字系统等，在单一FPGA中实现，使得所设计的电路系统在其规模、可靠性、体积、功耗、功能、性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件升级等多方面实现最优化。
二、系统总体设计
设计一个具有基本功能的MP3播放器需要有时钟电路、CPU、RAM及RAM控制器、Flash及Flash控制器、SD卡及SD卡控制电路、液晶及液晶显示器驱动电路、DMA控制器、音频驱动及音频控制电路、定时器等模块，如图1所示。
图1：MP3播放器系统结构图
除显示驱动模块、音频控制模块和SD卡控制模块外其他模块都可以从SOPC Builder中添加IP核构建。
其中显示驱动模块可以在altera提供的VGA控制器的基础上添加CLK和BLANK信号完成；SD卡控制模块只需要定义几个GPIO端口就可以了，不需要单独设计。
三、音频播放模块
采用的MagicSOPC实验开发平台配有AC97音频解码模块，主控制芯片为UCB1400（带有触摸屏功能的立体声音频编解码器），它支持可编程抽样率、输入/输出增益和数字音响处理，包括音量、静音、低音和高音控制。
音频控制模块是CPU与UCB1400间的接口电路，功能为将缓存中的音频数据通过AC-Link总线发送到UCB1400的DAC输入端口实现音乐的播放，以及由AC-Link总线接收UCB1400采集的音频编码数据。本设计采用verilog语言来设计如下各个功能模块。
（一）UCB1400寄存器访问控制
音频播放时主控制器（CPU）需要经常读/写UCB1400中相关的寄存器，因为采用AC-Link串行总线传输数据，时序变得非常重要，所以定义了访问控制模块。要访问UCB1400时，该模块向UCB1400发送请求信号；当一次读取完成，数据准备好时，该模块向CPU发送反馈信号。
（二）UCB1400掉电模式控制
UCB1400可以将暂时不用的模块关闭以节约功率，向UCB1400的Power-down Control/status Register（0x26）写入相应的数值可以控制UCB1400中各个模块的开启和关闭。所以设计掉电模式控制模块，该模块负责监视UCB1400各模块的状态并将此信息反馈给主控制器。
（三）串行输入/输出寄存器
FPGA内部数据为并行传输，而与UCB1400间则功过AC_Link总线串行传输，所以应设计串并转换模块。
（四）输入/输出FIFO
为保证音乐播放的流畅，应为每个声道配置一定容量的FIFO用来保存已接收到和即将传输的数据。
设计完成后的AC97_Controller结构框图如图2所示：
图2：AC97_Controller结构图
具有如下功能：
可变比特率支持、双声道立体声输出支持、双声道立体声输入支持、单声道麦克风输入支持、DMA传送方式支持。
四、系统软件设计
将基于NiosⅡ的SOPC系统进行编译并下载到FPGA中生成硬件系统的同时，SOPC Builder帮助用户生成相应的SOF文件。在此基础上，可开始系统软件的设计。可使用汇编、C、C++来进行嵌入式程序设计，使用IDE工具进行程序的编译连接以及调试。MP3播放器的软件系统结构如图3所示：
图3MP3播放器软件系统结构
五、结语
本系统采用SOPC技术在一片FPGA和少数外设上实现了MP3播放器的基本功能。在50MHz的系统时钟下实现了MPEG-Ⅰ layer-Ⅲ解码，流畅播放MP3格式的音频文件。
SOPC方案的优势在于系统功能改进的灵活性，在不改变硬件平台的情况下，可以方便对系统进行增删和优化，这是传统ARM方案无法达到的。
参考文献：
[1]曾璇.基于NiosⅡ软核处理器的嵌入式PMP系统设计[D].北京交通大学硕士学位论文,2008,5
关键词：项目教学；机电系统设计；教学改革；本科教学
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）01-0087-02
机电系统设计是机械和电子的完美结合的学科，是机械学、信息学、控制理论、执行元件、传感技术和总体设计等诸多方面，在机械专业中占有比较重要的地位。学生在学习工程中，由于实际经验欠缺，加之课程牵涉面广，学习难度比较大，故而在学习过程中不可避免会存在各种各样的问题。因此，要求在教学过程中，教师要想法设法、千方百计地通过不同的教学方式，调动学生的积极性，引导学生充分认识机电系统设计这门课的重要性，从而提高学生的动手能力和实践能力，以及总体素质，从而使学生求职时增加在机电系统设计行业内的选择机会。
项目教学法目前在我国的职业教学实践方面已经有所涉及。但是在本科教学中还很少使用，为了让机械专业的学生通过项目教学直接深入到机电工程领域的实际工程应用，本文提出应用项目教学对机电系统设计课程进行的本科教学改革的崭新思路。
一、项目教学法的本质
关于项目教学法的起源，众说纷纭。我们国家著名教育家陶行知先生所提倡的“在学中做，在做中学”的教育理念与此相似。这种教学模式，将项目教学法贯彻到某课程的教学过程中，通过组织学生真实地参加项目选题、方案设计，管理项目的全过程，在项目实施的过程中完成教学任务、实现教学目的，从而培养学生的实践能力、分析能力及其他关键能力。
项目教学法摈弃了传统的教学以教师讲授为主，学习以课本为主的模式，强调理论联系实际、创新开拓精神和团队合作精神，是一种很新教育模式。该方法可以充分应用课堂理论知识解决生活中、工程中的实际存在的问题，并且通过解决项目加深对理论知识的理解，从而起到了培养学生综合能力的目的。因此，项目教学法完全体现了现代教育“素质教育”的本色。
二、项目教学法的实施步骤
项目教学法主要特点理论与实践相结合，在学习理论知识的基础上，加强学生实践能力的培养。这种方法有利于培养学生的多种能力，如：展示学生的创造性，培养了学生解决实际问题的能力，以及对项目的管理能力。项目教学法的整个教学过程，分为以下几个阶段：
1.项目教学动员阶段。项目教学法开始之前，积极组织学生参加动员大会，由学院相关领导、学科主任、专职教师、实验室教学教师及相关人员参加。会上要注意强调项目教学法此项教学改革的重要性，以及将对学生起到的重要作用，特别是机电系统设计项目教学法将强化学生以前动手能力比较弱的薄弱环节，是学生接触工程和生活中的实际项目的大好机会，也是提前将学生的理论知识和将来的工作相联系的重要环节。并对学生提出希望，希望学生切实发挥自己的主观能动性和创造性。学院和教研室将对学生提供各种指导条件和实验条件，并且帮助指导学生如何保护自己的具有知识产权的作品。
2.题目拟定阶段。学生自主分组或教师给学生分组，要求学生要充分发挥主观能动性，通过广泛查阅资料、主动思考，开拓思维，乃至市场调研拟定本小组的题目。教师在这个过程必须要干预，要求学生选定的题目适合小组各组员的特长和兴趣，并且要求项目既要体现一定的创新性、实用性，并且具备一定的挑战性，而且要成本适中、切实可行、不可好高骛远。对于项目中所用到的新知识新理论，指导教师也要能否准确把握。项目经过教师的指导和学生们的努力在有限的时间内可以顺利完成。
3.可行性论证阶段。此阶段对于项目是否能够真正实施非常重要。项目组必须在广泛的调查研究的基础上撰写项目可行性论证报告、并详细确定项目进程计划。在安排研究进度的时候，最好能够基本上与课堂教学进度并行，即：首先是机械机构、执行机构、然后是计算机、控制系统和传感器系统以及系统综合设计[4]。
教师必须认真检查并核实项目组的可行性分析及方案设计。若项目不可行或者不具备研究基础，教师应该引导学生及时更换题目，重新进行可行性评估和方案设计，这样虽然暂时会影响到项目进程，但是可以保证将来不影响后续工作进一步展开。
4.具体实施阶段。此阶段至关重要，要求学生必须按照计划实施并按照要求做好阶段总结，并及时发现问题。本阶段，学生将碰到很多新的知识，可能没有接触过。教师就要按照需求指导学生进行自学和讲解，以培养学生的学习能力和解决实际问题的能力、从而进一步提高学生的创造性思维。需要学生学习的内容，指导教师要合理把握，只要能够基本达到项目的研究需要就可以了。项目的实施过程中，学生将有大部分工作需要在实验室中完成，一定要强调学生要注意安全。对于需要设计加工的项目，指导教师要着重指导学生按照机电系统设计设计手册进行合理设计，从而可以顺利完成设计和加工的任务。
在此过程中，由于学生面对的是解决项目所需要面对的各种各样的问题，最能增强学生综合素质。教师在项目教学法的实施过程中，要非常注意培养学生自己发现问题、自己分析问题和自己解决问题的能力，引导学生自己去解决问题，充分推动学生的主动研究、主动思考的水平和能力。
5.成果汇报阶段。成果汇报的形式可以多种多样，希望每一组的同学能以研究总结报告、学术论文或者其他形式的文本呈现本小组的研究成果。写作的过程中要求学生按照正式的项目报告和学术论文形式进行撰写。另外，要求学生在写作时需要体现项目完成过程中的管理过程。报告或学术论文中要体现项目的先进性以及所存在的不足。
6.成绩考评阶段。以每个项目小组为单位，根据学生递交的成果，教师应认真考核学生完成项目的情况。针对机电系统设计项目的各系统的设计、实现方式、功能、软硬件设计以及最终的项目报告等分别进行考评，并且最终给出小组的综合考评成绩。然后，在此基础上根据项目中的分工合作情况，给出单个学生的考评成绩。考评中要特别注意学生在完成项目的过程中出现或提出的问题，以及如何分析和解决这些问题的。
7.项目拓展阶段。对于考评成绩优秀的小组可以组织学生以学术论文的形式向会议或者期刊投稿、申报专利、参加竞赛的形式进一步进行项目拓展。对于确实优秀、具备创新性并且具有一定市场的优秀项目可以由学校出面进行项目推介，让项目走向市场。
三、项目教学法需要注意的问题
1.关键在于教师素质。在机电系统设计课程的本科教学中实施项目教学法对指导教师提出了非常高的要求。要求教师非常熟悉机电系统设计产品的设计管理流程，具备机电系统设计的产品设计经验，对设计过程中各个步骤、环节以及有可能会碰到的问题做到心中有数。要求教师善于调动学生的积极性和创造性，并且本身同样具备敏锐的思维方式，善于发现问题、分析问题和解决问题。
2.需要实验室软硬件支持。项目的实施过程中，学生们需要在实验室中完成大部分工作，因此，需要现有的实验室在软硬件配备方面还要适当加强，使得实验室的条件足以支撑各个项目的完成。
3.需要经费支持。项目在实施过程中，硬件的采购，电路设计与加工、机械部件设计与加工、系统的调试等环节均需要一定的经费支持。
四、结论
本文提出应用项目教学法对机电系统设计课程本科教学进行教学改革的方案，该法将理论与实践相结合，激发学生学习兴趣和热情，培养学生开拓性思维，使学生能够以项目的形式深入机电系统设计产品设计及项目管理，着重培养学生在机电系统设计产品设计中的自己发现问题、自己分析问题和自己解决问题的能力。学生在项目教学法中所得到的成果，有可能成为机电行业的敲门砖。项目教学法将在提高学生素质、拓宽知识面和就业广度等方面有所建树。
参考文献：
[1]张建民.机电系统设计系统设计[M].北京理工大学出版社，2006.
[2]刘志忠，张丽梅，孟凡茂.将科研项目引入机电系统设计课程教学的实践和探讨[J].高教论坛，2009，（5）.
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