低功耗系统范文

低功耗系统范文（精选12篇）

低功耗系统 第1篇

无线通信网摆脱了密密麻麻的连线制约, 这是它的一个重要优势。它是由微小的传感器、微控制单元和无线通信模块通过组网形成的无线网络, 利用数据处理单元来检测感知到的信息并经过有效处理后发送给对方。无线收发电路系统是无线通信网络的基本组成部分, 其在不同应用中有不同的设计, 但基本原则一致, 都是尽可能采用低功耗的器件和尽可能使用节省的信号处理。其中核心处理器应当采用功耗相对较低的电路。无线通信模块负责两点之间的无线通信, 是整个结构中最耗能的部分, 无线通信模块可配合核心处理器根据不同功能切换不同工作模式, 从而降低功耗。所以, 对低功耗无线通信模块的选取与编程控制是一个非常值得注意的方向。

1 系统方案

本文设计了由MCU开发板和无线通信模块组成的低功耗无线收发电路系统的方案。该系统由发射方和接收方两组模块组成, 发射方经软件编程控制将数据发送出去, 接收方通过天线接收到数据经处理后在开发板上显示出来, 从而实现该电路系统的近距离低功耗无线通信。

为大幅度降低系统功耗, 本设计采用的两个重要模块均具有低功耗特性。硬件电路基于低功耗微控制器的电路开发板, 此硬件电路自行设计, 通信模块与该开发板通过相关引脚直接相连。软件设计基于Real View MDK软件设计平台, 然后通过编程对整个电路系统进行调试。接收方和发送方所用的芯片开发板相同, 通信模块及其配置也相同, 双方通过无线通信模块的天线进行相互通信。其系统框架如图1所示。

对于本设计, 要实现低功耗, 就必须选用低功耗的硬件模块。并且, 为了最大限度地节约成本和材料, 需要选用的硬件设备体积必须尽可能小。以下给出三种实施方案。

方案一:MCU选用单片机MSP430F135, 无线通信模块选用AT86RF211S收发电路。但是AT86RF211S收发电路需要自行设计, 造成系统电路比较复杂, 影响运行速度[2]。

方案二:MCU选用STM32F103系列芯片, 无线通信模块选用杭州威步公司的UTC4432B1_V6。

方案三:MCU选用STM32L151系列芯片, 无线通信模块的选用与方案二相同。其中STM32L是在STM32F基础上推出的一款超低功耗的芯片。

硬件模块的比较如表1, 表2所示。

通过比较发现, STM32L151芯片功耗最低, 且硬件电路设计简单。无线通信模块UTC4432B1_V6无需自行设计, 其功耗低、传输距离远, 并且易于软件编程。因此本设计采用第三个方案。

2 硬件电路设计

硬件电路是整个系统的支撑, 硬件电路设计并焊接的成功与硬件模块选择的正确是最终软件调试成功的基础。本设计硬件模块主要包括STM32L核心板和无线通信模块。本文主要介绍芯片外围电路的设计以及PCB版图的设计。整个硬件电路原理图使用Altium Designer软件来设计, 如图2所示。

本设计采用输出为5 V的开关电源适配器供电, 通过AMS1117正向低压降稳压器输出3.3 V电压, 为STM32L151芯片提供电压。AMS1117稳压器分为固定电压输出和可调电压输出两个版本, 本设计采用固定电压输出稳压器, 输出电压为3.3 V, 具有1%的精度, 由于内部有限流电路和过热保护, 使得AMS1117稳压器具有很强的稳定性。因此该电源供电电路选用AMS1117-3.3作为稳压器。

晶振可以为整个电路提供基本的时钟信号, 有了它就有了稳定的频率。如果没有晶振, 数字电路就失去了处理数据的节拍, 也就无法正常处理任何数据了。晶振的频率越高, 程序运行的速度就越快, STM32L上电后, 默认使用内部晶振, 外部如果接8 MHz晶振, 就可以通过切换使用外部晶振, 最终通过PLL分频和倍频可以达到72 MHz。

通过了解该模块的特性, 设计出芯片与无线通信模块的接口连线方案, 如图3所示。通过软件编程控制各个引脚使其切换不同的工作模式, 最终实现两模块之间的无线收发功能。

根据设计的PCB图制作的实物板如图4所示。

3 软件设计

硬件电路设计无误并焊接成功后, 便要对整个系统进行软件调试, 调试首先要进行的工作就是软件设计。

图5为发送模块程序流程图。发送模块的工作流程为:首先对系统进行初始化, 初始化包括对时钟、引脚、中断、定时器、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后将时间间隔设置为1 s, 打开串口、向串口发送引脚写入数据并在二极管上显示。但是成功接收数据的前提是无线通信模块必须配置正确, 如果配置正确, 无线通信模块将会作出应答并显示在软件调试环境的相关对话框中。最后无线通信模块通过天线向空中信道发送从MCU接收到的数据。

图6为接收模块程序流程图。接收模块的工作流程为:首先对系统进行初始化, 包括对引脚、中断、串口以及无线通信模块等相关参数进行配置。然后无线通信模块从空中信道接收数据, 若其配置正确则接收成功, 成功接收后又通过该模块发送引脚向MCU发送数据。最后通过响应中断使MCU接收数据并在二极管上显示出来。发送模块与接收模块的硬件系统上均有3只二极管, 于是3只二极管便可以显示8种状态, 通过观察两模块上二极管的状态是否一致来判断通信是否成功。

需要注意的是, 发送与接收无线通信模块的参数配置应当一致。因为本设计仅仅用到A、B两类总线, 所以软件编程时仅仅可以使这两类总线使能, 其他总线均关闭。

4 功耗测量

本设计使用Agilent34410数字万用表测量系统功耗, 实质是测量系统电流, 因为系统输入电压始终为5 V。测试电路连接如图7所示。

利用软件平台编写不同程序完成对芯片不同工作模式的操作。室温下测量STM32L在不同模式及不同参数下的电流消耗如表3, 表4所示 (说明:测量时发现在不同的发射功率下, 系统只有工作在低功耗运行模式和低功耗睡眠模式时电流消耗不同, 其余均相同) 。

由表3, 表4可以看出, 芯片在不同工作模式下的功耗不同, 处于运行模式时功耗最高, 待机模式时功耗最低。并且可以发现系统的功耗随发射功率的减小而减小, 这是因为无线通信模块在整个系统中是耗能的重要部分。需要说明的是, 发射功率越大, 通信距离越远。

整个系统无论处于何种模式, 供电电压均为5 V, 最大电流消耗不到20 m A, 与其他一些无线通信系统的设计相比较, 功耗已经大大降低。本设计是在用STM32作为微控制器实现通信技术的基础上完成的, 但STM32系统并未考虑如何大幅度降低功耗, 其正常运行时电流消耗最大为38.3 m A, 最小为25.8 m A, 此前, 也有不少有关低功耗无线通信系统的设计, 但其电流消耗大部分都大于20 m A。因此, 在软件编程的控制下, 将STM32L系列芯片作为微控制器并结合UTC4433系列无线通信模块时, 可以使整个系统的功耗大幅度降低。

5 结语

本文详细分析了整个系统的设计方案, 并对设计方案中涉及的两大模块MCU和无线通信模块做重点介绍, 说明了两模块的连接方式以及采用何种工作模式可使系统功耗降到最低, 对STM32L这一新型超低功耗微控制器使用的恰到好处, 同时也凸显出本设计方案的特点所在。实现了基于Real View MDK软件平台的软件程序设计。结合理论知识并熟练掌握软件操作方法, 在μVision4集成开发环境下用C语言编写程序完成软件设计。然后通过与硬件电路系统相连反复调试实现两模块之间的无线通信。最后测量系统功耗, 经比较表明, 本次设计成功完成了对无线接收电路系统的低功耗设计, 对低功耗无线通信模块设计具有借鉴意义。

摘要：目前, 无线通信技术发展极其迅速, 随之引起系统功耗不断上升。因此人们近几年来对无线通信网络中各方面的低功耗技术进行了深入的研究, 使节能成为无线通信发展的一个重要方向。设计了低功耗无线收发电路系统, 采用STM32L151系列超低功耗芯片和UTC4432系列无线通信模块作为核心电路系统, 通过软件设计及调试实现整个低功耗收发电路系统功能。结果表明:采用合适的微控制器和无线通信模块对于控制无线收发电路系统的功耗有着极其重要的作用, 再加上对软件编程的控制, 能够使整个系统的功耗大幅度降低。

关键词：无线收发电路,低功耗,STM32L芯片,通信模块

参考文献

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嵌入式系统低功耗软件技术分析论文 第2篇

目前，不断发展计算机技术，开始广泛应用嵌入式系统，越来越高要求系统功耗问题。在嵌入式系统中应用电池供电的便携设备，因为是有限的电池存储量，不能持续为设备提供电量。一般来说，为了能够具备比较高性能，需要合理安置高性能CPU，依据实际运行规范，适当提高外围设备数量，会降低系统功耗，衡量嵌入式系统性能的关键就是低耗能，为了能够具备最平衡的高耗能和高性能需求，在符合系统实际运行性能要求基础上，尽可能降低系统耗能，从而确保可以长期运行系统，从软件和硬件两方面分析系统节能问题[1]。

二、嵌入式系统低功耗软件技术设计

（一）应用软件编写的节能设计。

第一，中断替代系统中查询。系统简单应用中，不管应用哪种程序方式都不会出现很大差异，差别大的.就是消耗功率。中断方式处理系统中，中央处理器可以不做任何事，或者能够直接进入到等待或停止模式；如果是查询形式，需要中央处理器不断访问I/O寄存器，出现额外功率。第二，代替子程序。设计人员都知道，相比较读RAM来说，读Flash消耗功耗比较小，因此，在设计CPU的时候，RAM会展现低功耗性能，但是仅仅只能一次调用子程序，子程序进入到CPU以后，会暂时存储中央处理器寄存器，离开系统的时候，CPU会弹出寄存器，此时至少需多次操作RAM，因此，设计人员在设计程序系统的时候，利用宏来代替子程序来。设计中是在子程序、还是宏上调用系统没有很大区别，但是编译的时候会依据中央处理器进行实施，避免调用子程序，但是最重要的就是增加代码数量，上述方式可以适当降低系统功耗[2]。

（二）应用程序编译的节能设计。

第一，降低冗余代码。处理器处理系统时候消耗30%能量就是cache消耗的能量，此外，如果不能命中cache的时候，会交换内容，所以，外部总线被驱动的过程中会增加能量，编译程序的时候适当降低冗余代码，会极大程度降低cache活动，以便于达到降低系统功耗的目的。第二，优化I/O功耗技术。系统中比重中，驱动I/O端口需要的能量在整个系统中具备极大比重，因此，为了能够降低系统耗能量，应该适当降低应用驱动I/O端口次数，也就是依据编码设计技术来不断降低和压缩I/O数据，从而达到降低I/O频率的目的。优化和分析应用程序存储局部性访问性能和交换总线地址活动性质的时候合理应用编译器，从而达到编译编码的目的，此外，还需要系统硬件具备一定解码作用。在分析系统程序的过程中，不断优化局部高频数据性能，从而降低操作访问系统频率和次数，不仅可以降低系统功耗，还能为系统运行提供能量。

（三）硬件低功耗节能技术。

第一，DPM。动态管电源管理（DynamicPowerManagement）可以依据嵌入式系统实际运行情况来适当关闭不需要的系统设备，如，硬盘或者显示器等，第二，依据系统运行实际负载来合理调整总线频率和中央处理器波率。目前，已经具备完全智能化的管理动态电源方式，在没有人为原因接入和干扰的前提下，能够快速转换系统运行速度，一般每秒能够实施几百次，从而能够达到节能的作用。第三，APM。高级电源管理（advancedPowerManagement）主要就是用来为系统提供BISO管理电源机制，在开发系统的时候适当把硬件编程接口加入BISO中，能够成为沟通操作系统和主办的重要枢纽，建立APM-BISO，上述方式能够依据实际情况来有效合理调整系统自身硬件耗能[3]。

结语

总之，由于不断发展微电子技术，嵌入式系统开发中低耗能成为重要问题，从应用程序编译的节能设计、硬件低功耗节能技术、应用软件编写的节能设计三方面分析优化系统功耗问题，尽可能降低系统功耗。

参考文献

[1]刘露,李小进,张宏等.基于访存特性的嵌入式移动设备软件低功耗优化方法[J].计算机应用研究,(11):3392-3396.

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[3]王奇,徐文韧,唐克等.嵌入式系统的软件低功耗技术实现策略[J].舰船电子工程,,33(3):74-76.

低功耗系统 第3篇

关键词：ZigBee；MSP430；JN5139；物联网

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2014） 04-0000-01

本文主要描述联网技术的低功耗信息采集系统中数据采集传输的部分。数据采集采用传感器，传感器将数据采集后，将数据传输到ZigBee网络模块中，利用ZigBee的一系列优势，快速准确将各个传感器中的数据传输到FFD，最后各个FFD通过GPRS将数据发送到控制中心的GPRS接受模块上。MSP430处理芯片为硬件核心，以JN5139为RF发射前端的硬件设计为原理，让ZigBee无线传感网络节点与节点之间传输效率更高。

一、硬件的设计

（一）MSP430

强大的处理能力MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

在运算速度上，MSP430系列单片机能在8MHz晶体的驱动下，实现125ns的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。因为其降低芯片电源电压和灵活可控的运行时钟上，MSP430非常的省电。它的电源采用1.8～3.6V，让其在1MHz的时钟下运行，电流仅有200～400uA，当时钟关断模式时，最低功耗只有0.1uA。

（二）ZigBee的核心模块

ZigBee的核心模块非常小，使用的是JN5139，JN5139是一个低功耗，低成本的无线微控制器，适合IEEE802.15.4和ZigBee应用，它继承了一个32位的RISC处理器，病完全兼容的2.4GHz IEEE802.15.4收发器，192K的ROM，96K的RAM，以及丰富的混合模拟和数字外部设备。JN5139的ROM/RAM架构支持存储系统软件，包括协议栈、路由表、应用程序代码和数据。该器件集成MAC和AES加密加速器，省电模式和睡眠模式，为安全机制和关键程序代码加密。

在ZigBee网络中，节点可以分为两种类型：有路由功能的节点和没有路由功能的节点。通常终端设备经常采用的是没有路由功能的RFD精简设备，而路由器和协调器是有FFD全功能设备组成的。

GPRS是在现有的GSM网络基础上发展起来的一种分组交换和传输方式，在嵌入式系统中应用非常广泛。它的基本功能是在移动终端与标准数据通信网络的路由器之间传递分组数据。GPRS具有数据传输速率高、永久在线等优点，被广泛应用于远程监控系统。

目前，利用微控制器接入互联网基本上有两种方式，一种是驱动以太网网卡，通过以太网接入互联网，另一种是直接驱动调制解调器，利用现有的电话系统，向ISP拨号上网。这两种方式都是有线上网，但对移动环境和难于布线的场所有其局限性。解决这一问题的方法之一是无线上网，相对比较成熟的一种技术是利用GPRS实现无线上网，即以微控制器为控制中心，驱动GPRS通讯模块，利用GPRS网络连接到互联网，实现无线上网，克服了有线上网的局限性。本文就将这一方面进行阐述和实现。

主站的工控机通过串口与GPRS模块通信，在每个监测点装上传感器，组成传感器网络。这个网络易于扩展，当有其他需要监测的点增加时，ZigBee具有自组网功能，在上电时会自动监测到新增的节点。

当传感器检测需要的信号后，经内含ZigBee传感器节点RFD模块处理后得到数据信息，然后协调器节点ZigBee FFD模块将数据信息打包处理，通过RS232与GPRS模块相连，经GPRS网络将数据信息传输至监控中心，监控中心可将信息统计存储。然后做出处理。

二、软件的开发

由于使用网络的结构不同如星型结构、簇状结构、网状结构，星型结构可以直接将数据传送，不用考虑数据转发的问题；若为簇状结构或网状结构，则影响着各个节点之间通过多跳数据发射进行数据传输。

在ZigBee网络中，节点使用Cluster-Tree算法，按照父子关系选择路径，即当收到一个节点的数据后，如果发现者条数据分组不是传送给自己的，那么，它只能将其转发给父节点或子节点。所以这样建立起来的路径不一定是最优的路径，就会给数据的发送增加延迟。为了提高效率，在ZigBee及诶单中使用AODVjr算法去发现路由，意思是，可以不按照父子关系而直接发送其到通信范围的其他路由节点，从而提升了效率。也就是FFD将单个RFD的监测数据进行整理，并通过无线网络将数据以帧的形式传送至网关节点，网关节点作为协调器与各路由节点进行动态组网构建网络。在传输过程中监测的数据可能被多个路由节点处理，经过多跳后汇集到网关节点。软件流程为上电后，首先进行软硬件初始化，扫描信道并新建网络，然后开始监听网络，如果监听到节点的入网请求，则为节点分配网络，如果监听到远程命令，则开始接收终端节点数据并向远程控制中心发送，在数据采集中，要求10分钟采集一次，那么期间让其休眠，能够节省电量。

三、结束语

物联网信息时代已经来临，它是既互联网后的又一次科技浪潮。将物联网技术应用与现生活相联系已经成为一种趋势。MSP430+ JN5139可以实现无线化、远程化。测温节点的ZigBee采用JN5139模块，不再需要其他处理器，不但降低了系统的成本，也大大降低了系统的结构和功耗，ZigBee无线传输网络可以实现主控模块与传感器节点之间的数据传输，GPRS网络解决了ZigBee的短距离传输局限性，实现远程无线监控，这种低碳科技能够准确的帮助我们获取到我们想要的数据，不管从理论还是现实上来说，它无疑会成为广泛应用的技术。

参考文献：

[1]施军，黄卫东.物联网打造智能家居[J].中国电信业，2010（12）：70-71.

[2]南忠良，孙国新.基于ZigBee技术的智能家居系统设计[J].电子设计工程，2010（07）.

[作者简介]张康（1990.07-），男，陕西西安人，本科生，研究方向：物联网低功耗信息采集。

数字系统设计中的低功耗设计 第4篇

性能和功耗总是相互矛盾,高性能一定意味着高功耗,低功耗设计的目标就是采用各种优化技术和方法。在性能和功耗之间找到最佳的结合点。

前言

低功耗设计就像低的芯片操作温度、低的芯片封装价格一样,可以给芯片的使用推广带来很多的益处。为了使数字系统设计中的可编程逻辑器件的集成设计产品更具竞争力,设计人员往往需要对产品的性能、功耗等进行全方位的综合考虑和权衡。

可编程芯片的功耗包括静态功耗和动态功耗两部分。静态功耗主要是可编程芯片在非激活状态下由漏电流引起的。而动态功耗的产生主要是由于可编程芯片是在使用激活状态下由芯片内部的输入、输出引脚上的电平经常发生翻转而产生的。

可编程器件的功耗有很多方面,主要因素包括:供电电压、内部结构、资源利用率、系统时钟、信号翻转速率、输出引脚的数量以及输出驱动负载的大小等。

降低电压的方式降低功耗

现场集成设计中低功耗的优化方法把电源的电压降低,由于系统功耗与电压的平方成正比,这样的方式能够明显降低系统功耗。该方法虽然直观,实现却很复杂,尤其是对于需要兼容老机型的升级产品,采用新的电压标准,同时必须兼容现有电子系统的电压标准是一件很困难的事情。但是,对于一个全新的产品研制,应该尽可能根据系统性能指标要求,选择较低的电压标准,实现数字系统低功耗设计。

1 Multi Vdd

系统中不同模块的性能要求不同,供电电源的电压也不同。RAM是模块中的最高频率,分配的电压也是最高值;CPU的供电电压值次之,但是整个系统的性能还是由RAM的速度决定;其余部分外围电路工作在最低频,因此电压最低。这样做会得到最好低功耗效果。

2 Multi-VT

由于模块工作电压降低,VT降低是必须的。降低VT提升了动态电流也提高了系统电路工作频率.。如果系统模块的目标是追求最高性能,在开始时用低速VT单元库实现需求。然后再用高速VT单元库对系统进行优化,从而实现在满足系统需求的同时,使得功耗最低。

低功耗设计原理

利用数字集成电路常用的低功耗设计原理,在系统电路设计过程中,通过控制电平转换次数和降低有效转换电容来实现系统低功耗的目的。这种利用低功耗设计原理的思路在具体电路设计过程中可以通过不同的方法来实现。下面是几种常见的降低功耗的方法。

1系统优化。在保持系统功能不变的情况下,尽可能的降低节点高低电平相互转换的次数。当总线上的数据与寄存器相关时,经常使用片选信号控制使能端,阻止系统数据总线与寄存器之间不必要的转换。

2控制优化。用一些个小的STG模块来替代大的STG模块,对STG进行重新优化。对于系统中相互之间发生转移概率比较大的状态,在进行系统编码时尽量减小它们之间的布尔距离。这样,就可以减少状态转移时的高低电平跳变,从而减少转换电容,降低功耗。

3编码优化。在系统设计过程中选择适当的编码也是一种降低功耗的方法。根据数字系统的前期预测,在编码和解码过程中挑选状态之间变换位少的状态值,就可以减少状态机网络的转换频率。

4逻辑优化。在不改变系统功能的前提下,节省由触发器输出翻转增加的功耗,尽可能采用时钟端带有使能信号CE的触发器。当CE信号无效时,所有时钟沿的变化都不引起触发器输出的翻转;当CE信号有效时,触发器才正常输出操作。

5时钟优化。动态功耗的很大部分是时钟频率引起的。让时钟运行在高出所需的频率上就是浪费功率。节省功耗就不要让时钟运行在高出所需的频率。可采用附加逻辑电路控制时钟,或者从原来电路内就存在的信号中选择控制时钟电路关闭的信号,而不必增加额外的控制逻辑。

小结

综上所述,采用降低电压和对低功耗设计原理的运用,可以有效的降低功耗,提升芯片性价比和应用范围。使数字系统设计中的可编程逻辑器件的集成设计产品更具竞争力。

低功耗系统 第5篇

摘要：低功耗MSP430单片机与传统的LSTTL、HCMOS和CMOS接口技术，特别阐述了3V器件具有5V容限的特点，介绍两种电平移位器。

关键词：单片机 接口电路 微机硬件

MSP430超低功耗微处理器是TI公司推出的一种新型单片机。它具有16位精简指令结构，内含12位快速ADC/Slope ADC,内含60K字节FLASH ROM，2K字节RAM，片内资源丰富，有ADC、PWM、若干TIME、串行口、WATCHDOG、比较器、模拟信号，有多种省电模式，功耗特别小，一颗电池可工作。开发简单，仿真器价格低廉，不需昂贵的编程器。

(本网网收集整理)

MSP430其特点有：1.8V～3.6V低电压供电;高效16位RISC CPU可以确保任务的快速执行，缩短了工作时间，大多数指令可以在一个时钟周期里完成;6微秒的快速启动时间可以延长待机时间并使启动更加迅速，降低了电池的功耗。MSP430产品系列可以提供多种存储器选择，简化了各类应用中MSP430的设计;ESD保护，抗干扰力特强。与其它微控制器相比，带Flash的微控制器可以将功耗降低为原来1/5，既缩小了线路板空间又降低了系统成本。

MSP430具有如此多的优点，可以预测在今后会有广泛的应用。但是目前仍有许多5V电池的逻辑器件和数字器件在使用，因此在许多设计中3V(含3.3V)逻辑系统和5V逻辑系统共存，而且不同的电源电压在同一电路板中混用。随着更低电压标准的引进，不同电源电压逻辑器件间的接口问题会在很长一段时间内存在。本文讨论MSP430与单片机中最常用的LSTTL电路、CMOS电路及计算机HCMOS电路的3V和5V系统中逻辑器件间的接口方法。理解这些方法可避免不同电压的逻辑器件接口时出现问题，保证所设计的电路数据传输的可靠性。

1 逻辑电平不同，接口时出现的问题

在混合电压系统中，不同电源电压的逻辑器件相互接口时会存在三个主要问题：第一是加到输入和输出引脚上的最大允许电压的限制问题;第二是两个电源间电流的互串问题;第三是必须满足的输入转换门限电平问题。器件对加到输入脚或输出脚的电压通常是有限制的。这些引脚有二极管或分离元件接到Vcc。如果接入的电压过高，电流将会通过二极管或分离元件流向电源。例如3V器件的输入端接上5V信号，则5V电源将会向3V电源充电，持续的电流将会损坏二极管和电路元件。在等待或掉电方式时，3V电源降落到0V，大电流将流到地，这使总线上的高电平电压被下拉到地。这些情况将引起数据丢失和元件损坏。必须注意的：不管是在3V的工作状态或是0V的等状态都不允许电流直接流向Vcc。另外用5V的器件来驱动3V的器件有很多不同情况，各种电路间的转换电平也存在不同情况。驱动器必须满足接收器的输入转换电平，并要有足够的容限保证不损坏电路元件。

2 可用5V容限输入的3V逻辑器件

3V的逻辑器件可以有5V输入容限的器件有LVC、LVT、ALVT、LCX、LVX、LPT和FCT3等系列。此外，还有不带总线保持输入的飞利浦ALVC也是5V容限。

2.1 ESD保护电路

3V器件可以有5V的输入容限。一般数字电路的输入端都有一个静电放电(ESD)保护电路。如图1(a)所示，传统的CMOS电路通过接地的二极管D1、D2对负向高电压限幅实现保护，正向高是则由二极管D3箝位。这种电路为了防止电流流向Vcc电源，最大输入电压被限制在Vcc+0.5V。对Vcc为3V的器件来说，当输入端直接与大多数5V器件输出端接口时允许的输入电压太低大多数3V系统加到输入端的电压可达3.6V以上。有些3V系统可以使用两个MOS场效应管或晶体管T1、T2代替二极管D1、D2，如图1(b)所示。T1、T2的作用相当于快速剂纳二极管对高电压限幅。由于去掉了接到Vcc的二极管D3，因此最大输入电压不受Vcc的限制。典型情况下，这种电路的击穿电压在7～10V之间，因此可以适合任何5V系统的输入电压。

由上述分析可知，改进后具有ESD保护电路的3V系统的输入端可以与5V系统的输出端接口。

2.2 总线保护电路

总线保护电路就是有一个MOS场效应管用作上拉或下拉器件，在输入端浮空(高阻)的情况下保护输入端处于最后有效的逻辑电平。图2(a)中的电路为一LVC器件总线保护电路，采取改进措施而使其输入端具有5V的容限。其基本原理如下：P沟道MOS场效应管具有一个内在的寄生二极管，它连接在漏极和衬底之间，通常源极与衬底是连在一起的，这就限制了输入电压不能高于Vcc+0.5V。现在的措施是用常闭接点S1将源极与衬底相连，当输入端电压比Vcc高0.5V时，比较器使S2闭合，S1断开，输入端电流不会通过二极管流向Vcc而使输入具有5V的容限。图2(b)是LVT和LAVT器件总线保持电路的例子。这种电路用了一个串联的肖特基二极管D，消除了从输入到Vcc的电流通路，从而可以承受5V输入电压。对于3V的总体保持LVC、LVT和ALVT系列器件可以承受5V的输入电压。但对于3V的ALVC、VCX等系列器件则不能，它们的输入电压被限制在Vcc+0.5V。

图3是用于3V CMOS器件输出电路的简化形式。当输出端电压高于Vcc+0.5V(二极管压降)时，P沟道MOS场效应管的内部二极管会形成一条从输出端到Vcc的电流通路。这种电路在与5V器件相接时需要加保护电路。

图4是一种带保护电路的CMOS器件输出电路。当输出端电压高于Vcc时，比较器使S1开路，S2闭合，电流通路消失。这样在三态方式时就能与5V器件相接。

2.3 biCMOS输出电路

LVT和ALVT器件的biCMOS输出电路如图5所示。它用双极NPN晶体管和CMOS场效应管来获得输出电压摆幅达到电源电压的要求。电流不会通过NPN双极晶体管回流到Vcc，但在P沟道MOS场效应管中的内在二极管仍然会形成一条从输出端到Vcc的电流通路(为了简化，图5中没有画出该二极管)。因此这种电路不能接高于Vcc的电压。

对图5电路所加的保护电路如图6所示。增加了反向偏置的肖特基二极管，用以防止电流从输出端流到Vcc。图6中的`输出端与5V驱动器共用一条总线。在三态方式时，电路可以得到保护。当出现总线争夺即两个驱动器都以高电平驱动总线时，比较器将P沟道MOS场效应管断开。当3V器件处于等待方式而3V电源为0时，比较器和肖特基二极管可以起保护作用。

3 接口电路的有关参数

了解了3V器件为什么具有5V容限后，在MSP430与LSTTL、HCMOS、CMOS电路实现相互联接之间，要先了解各种电路和器件的参数，如表1所示。

表1 各种电路和器件参数

参数

电路电源电压范围输入电平输出电平V(V)VIH(V)VIL(V)VOH(V)VOL(V)LSTTL4.5～5.520.82.70.4CMOS3～18(取Vcc=5)3.51.54.50.5HCMOS2～63.515.20.4MSP4301.83.60.8Vcc0.2VccVcc-0.60.6ALVT系列3.3或2.51.70.82.00.2～0.55LVC系列1.65～5.50.7Vcc0.3Vcc2.7～5.50.1～0.55

4 接口实现

不同电源电压的逻辑器件相互接口时存在的主要问题是逻辑信号电平的配合问题，就是前级电路输出的电平要满足后级电路对输入电平的要求。此外还有负载电流的配合问题，即前级电路的输出电流应大于后级电路对输入电流的要求，同时不应造成器件损坏。还有就是在高速或有严重干扰的场合，必须考虑接口对系统和抗干扰性能带来的不良影响。这里主要讨论逻辑信号电平的配合问题。因为对于负载电流配合问题只是一个带负载能力。而抗干扰问题则用本文中提到的方法都可以忽略。

4.1 LSTTL-MSP430

如表1所示，LSTTL电路的高电平输出电压VOH约为2.7V，MSP430的高电平输入约为0.8VCC，LSTTL电路的低电平输出电压VOL约为0.4V，MSP430的低电平输入电压VIL的0.2VCC。如果0.8Vcc小于2.7V且0.2Vcc大于0.4V时，不存在逻辑信号电平的配合问题，可以直接连接。如果0.8Vcc大于2.7V或0.2Vcc小于0.4V时，就出现了逻辑信号电平的配合问题。为了增大LSTTL电路的输出高电平，利用TI公司的LVC系列。从表1中可以看到LVC系列产品的高电平输出电压和低电平输出电压都符合要求。

4.2 CMOS-MSP430

在接口时使CMOS和MSP430使用同一电源，例如3V电源可以直接驱动。如果实际情况不允许，则根据1表，通过ALVT系列的器件就可以实现CMOS驱动MSP430。

4.3 HCMOS-MSP430

同上述CMOS分析一样，同样选用ALVT来驱动MSP430。

4.4 MSP430驱动LSTTL、CMOS和HCMOS

MSP430的输出引脚(P0.x、P1.x、P2.x、P3.x、P4.x、Oy)都有规定的外接电阻。外接电阻的大小取决于电源电压Vcc的大小。如果输出电流比规定的要大，就需要输出驱动器。图7所示为限制MSP430输出电流的电阻最小值。设计以Vcc=3V，通过这些器件可以驱动需要大电流的LSTTL、HCMOS和CMOS电路接口。

5 两种电平移位器件

5.1 双电源电平移位器74LVC4245

74LC4245是一种双电源的电平移位器，如图8所示。5V端用5V电源作为Vcc(A)，而3V端则用3V作为Vcc(B)。它的功能类似于常用的收发器74LVC245，所不同的是用两个电源而不是一个电源。74LVS4245的电平移位在其内部进行。双电源能保证两边端口的输出摆幅都能达到满电源幅值，并且有很好的噪声抑制性能。因此该器件用来驱动5V CMOS器件是很理想的。缺点是增加了功耗。

5.2 74LVC07

较为简单的一种电平移位器件是74LVC07。它使用一个漏极开路缓冲器去驱动5V CMOS器件，如图9所示。它的输出端出一个上拉电阻R接到5V电源。

低功耗一体机 第6篇

作为一个普通老百姓，你也许并不关注哥本哈根世界气候大会的议题和协定，然而却无法逃避电影《后天》和《2012》等灾难大片带来的震撼。虽然电影采用了一种夸张的艺术表现手法，但是在一定程度上也起到了发人深省的作用——如果还不把节能减排的举措落到实处，人类早晚会受到大自然的惩罚。

近半年来，“低碳”这个词频繁地出现在我们日常的工作和生活中，各个产业也把节能环保作为明确的产品发展方向——汽车市场上新能源车和小排量车越发受到关注，家电卖场里随处可见节能变频的标志，在IT领域内，绿色低功耗也已经成为各个厂商的共识。以PC产品为例，国内市场上正在上演着一出液晶一体机抢班夺权的好戏。

在英特尔公司迅驰移动计算技术的推动下，笔记本电脑市场近几年来得到飞速发展、占有率逐年增高，到去年已经超越了台式机的市场份额。性能与主流台式机难分轩轾、价格却是以跳水的速度一路下降，于是很多用户在购买第二台PC时直接将笔记本电脑作为优先选择的对象。其实，并非每一个购买笔记本电脑的消费者都有切实的移动计算需求，很多个人用户购买笔记本电脑也是放在家里使用。只是看中了它占用空间小、节能低噪音的优点。PC／-商也看透了用户的这层心理，对于台式机的工艺设计做了大幅度的改进，从外形设计到节能环保等方面去迎合用户的需要，液晶一体机正是这种需求下的产物。

液晶一体机产品之所以如此火爆，显然是因为它的各方面特点更能迎合消费用户的需求。相对于传统结构的台式机来说，液晶一体机具有很多明显的优势：外观时尚精巧、减少了线缆的束缚，可以让桌面显得更加整洁清爽，节能环保、低噪音低功耗，体积小巧、便于移动。这些原本都是笔记本电脑相对于传统台式机而言所具备的优势，而液晶一体机具有更大的显示屏幕，适合家庭中多人共同娱乐，这又是笔记本电脑不具备的一个优势To

从功能特点来看，液晶一体机可以划分为带触摸功能和非触摸式两大类，其中H PTouchSmart Pc作为前一种的代表产品一直深受用户的青睐，特别是惠普公司专门针对触摸功能开发的软件平台更是为产品增色不少；由于微软Windows 7操作系统对触摸功能提供了更好的支持，更多的触摸式一体机产品也就应运而生了，毕竟这种功能在传统的台式电脑上是很难实现的，可以为液晶一体机带来明显的卖点，而非触摸式的产品，在硬件成本上会有一定的优势，对于液晶一体机产品的普及化能带来很大的帮助。

从硬件配置来看，目前市面上的液晶一体机存在着很大的差别。去年这一市场刚刚兴起时还不乏基于英特尔凌动平台的“上网机”，今年就已经有多款采用四核处理器的产品相继问世；去年的一体机产品大多还是采用19英寸屏幕1440×900的分辨率，今年就已经全面进入了1920×1080的高清时代。尽管液晶一体机的先天优势在于体积小、功耗低，但是一些PC厂商也希望扭转用户心目中它是低性能PC的印象，独立显卡的配置在AIO产品中已经屡见不鲜，联想的IdeaCentre B500系列甚至已经喊出了游戏PC和台式机终结者的口号。总之，目前PC厂商在推广液晶一体机时无外乎两种思想：一种是以配备四核处理器的高性能PC形象示人，认为它可以作为台式机的替代者，另一种则是以低功耗处理器的配置来充分发挥液晶一体机节能低噪音的优势。本月我们为读者遴选了四款低功耗的液晶一体机产品，分别采用了Intd Atom、Celeron、Pentium以及Core i3等不同类别的处理器，通过性能和功耗等多项测试的结果，您可以获得更直观的“能效比”概念。

如同一个影视歌三栖明星一样，华硕公司在IT领域内也是全面开花。作为一个依靠板卡类产品起家的IT厂商。如今他们在整机和外设产品线上也都取得了骄人的成绩——笔记本、台式机、显示器、光存储，无一不是各自产品线中的响亮品牌。虽然在液晶一体机市场上没有一些传统PC厂商那样大的推广动作，但是华硕从2009年初发布了第一款AIO产品之后始终也保持着对这一市场的关注和跟进。

ASUS EeeTop ET2002T是一款基于离子平台的产品，它采用Intel Atom 330处理器，在双核及超线程技术的支持下，具有不错的运算性能，同时这款产品也是低碳环保的支持者，符合能源之星5.0的规范标准。ASUS Eeetop ET2002T采用超薄机身的设计，既可以站立在桌面上，又可以悬挂在墙面上，配合屏幕触摸的功能，可以满足个人消费者或一些公共场合的多种应用需求。NVIDIA离子平台集成的显示核心不仅可以为播放高清视频提供很好的支持，而且也能满足普通3D游戏的要求，堪称是紧凑型PC的一种理想配置。除了最基本的I／O接口之外，这款产品还提供了一个HDMI输入接口，可以连接笔记本电脑满足扩展显示的需求，只是19英寸的屏幕无法满足1080P的全高清分辨率要求。

Haier乐趣Q3.1

海尔乐趣Q3l电脑采用20英寸的16：9液晶面板，标准分辨率为1600×900,如果用户希望在PC上欣赏高清视频内容，这款产品也能支持1920×1080的高清分辨率(但是在Windows桌面环境下会产生像素偏差)l同时Pentium E5300双核处理器搭配GeForce310M显示卡的硬件配置也给高清内容的播放提供了强劲的运算保证，即便是面对主流的3D游戏应用也有不错的表现。另外，乐趣Q31电脑还内置了电视调谐器，可以让它兼顾液晶电视的功能，对于单身白领而言，用一笔电脑的开支实现了电脑电视两种功能又何乐而不为呢。

相对于其它同类产品而言，海尔乐趣Q31电脑在扩展性方面的设计是它的一大优势。这款机器不仅提供了更加齐全的I／O接口——例如eSATA、HDMI输入，而且还为用户保留了一个DIMM插槽和一个Mini-PCI插槽的升级空间。同时在机身背后相应的位置上设计了易拆卸的面板，稍微具备一定硬件基础的用户即可自行完成升级扩充的操作，这对于液晶一体机这种“一次性”产品来说显然也是颇有价值的。

方正心逸T330

方正科技一向以“艺术家居电脑”的理

念来设计PC产品。此前的卓越E200台式电脑就是以一种珠圆玉润的可爱造型颠覆了PC的传统形象，这款心逸T330一体机产品同样也不例外。源自于Mini Cooper设计灵感的方正心逸T330机身曲线圆滑可爱，特别是它大胆地采用了红黑搭配的色彩，更是给整体偏于凝重的一体机市场带来强烈的视觉冲击。心逸T330屏幕顶端设计了一个可以调节角度的摄像头，由于电脑本身的俯仰角度不是很容易靠单手来调整，这种看似微不足道的设计就能给用户带来更人性化的使用感受；屏幕下方的两个旋钮设计(亮度和音量)以及左右对称的四个扬声器单元颇有些老式收音机的风格，让这款清新时尚的产品又带着一丝复古味道。

送测的这款心逸T330采用Intel Core i3330M移动型处理器，新酷睿的技术进步带给它超强的运算性能，同时移动型处理器的低功耗特点也在一体机产品上得到了充分发挥。相对于目前定位在主流市场的Pentium双核或Core 2 Duo处理器来说，同时兼顾双核及超线程技术的Core i3处理器在性能与功耗之间找到了更高的平衡点，绝对是目前低功耗平台中的最佳选择。另外，心逸T330电脑还采用了独立的GeForce 310M显示卡，配合21.5英寸的高清屏幕，用户无论是进行3D游戏娱乐还是欣赏高清视频内容，都能获得不错的体验。

方正心逸T360

如果说心逸T330走的是灵动可爱路线，那么方正心逸T360就是一种简约轻灵之美——纤薄的机身配合窄边框的设计带给人一种小巧精致的感觉，卷轴状的音箱则赋予产品一些中国风的元素。按下卷轴右侧的开关，心逸T360的屏幕就像一幅展开的画卷，将信息技术与民族艺术完美地结合在一起；卷轴的两端各有一个旋钮，左边的用于调节屏幕亮度，右边的用来控制音量(同时也是PC开关按钮)，完全不会破坏机身正面的整洁清爽形象。

便携式低功耗心电监测系统设计 第7篇

本文通过对人体心电信号的各项主要特征和实际检测需求, 设计开发了一套便携式低功耗心电监测系统。该系统通过嵌入内衣穿戴的心电采集模块, 采集人体心电信号, 并通过无线蓝牙数据网络将信号发送至i PAD终端, 进行数据的处理、显示, 从而达到人体心电远程、实时监测的目的。

1 系统方案

1.1 总系统设计

便携式低功耗心电监测系统中, 系统的功耗越低, 稳定性越高, 对穿戴了产品病人监测效果越好。因此本产品着力考虑功耗低、稳定性、集成性高的芯片。图1为该系统的结构框图。系统硬件部分主要由ADS1293前端采集模块采集人体微弱的心率信号, 并通过适当的放大、滤波来提取有用的心电信号。无线发送模块, 采用TI公司带有专利8051核的CC2541进行心电信号数据的传输。电源模块, 利用TPS61220进行升压。i PAD终端对无线发送模块发送过来的心电信号接收, 并利用滤波和心率算法对心电信号进行处理, 最终将信号显示在屏幕上。

1.2 硬件设计

1.2.1 心电信号采集模块

E C G信号是一种低频率的微弱双极性信号, 信号频率主要分布在0.05Hz~150Hz, 幅度为10µV~4m V, 其典型为1m V, 此外ECG信号中往往还混有其他的生物电信号, 加上体外的50Hz工频干扰, 仪器内部噪声和仪器周围电场、磁场、电磁场干扰等。上述因素使得心电噪声比较强, 为采集和测量带来了一定的困难。

本设计以TI公司推出ADS1293为核心进行开发。ADS1293是TI公司推出, 一款用于生物电势测量的集成式三通道模拟前端, 具有功耗低、噪声小特点, 适用于心电监测。

ADS1293从IN1~IN6共有6个输入引脚, 全部输入引脚都包含一个EMI来滤除射频噪声。该模块采用5导联连接方式。RA、LA、LL分别连接IN1、IN2、IN3引脚, 利用共模探测器取得RA、LA、LL的平均电压作为右脚驱动放大器的输入, 右脚驱动放大器的输出端返回到RL端, 一起从IN4引脚输出。WCT的输出连接到IN6引脚, 与连接到IN5引脚的V1胸电极一起作为C H 3通道的差分信号的输入。

通过仪用放大器对输入的差分信号进行放大, 将输出信号送到∑△调制器把差分模拟电压信号转换为数字信号输入到低通数字滤波器中, 即可得到编码后的数字信号输出。信号的输出采用SPI通信协议, 将编码后的数字信号输出到下一模块。

1.2.2 无线发送模块

将心电信号采集模块采集到的信号, 通过该模块发送到终端设备上。该模块以TI公司的CC2541为核心。CC2541将领先RF收发器的出色性能和一个业界标准的增强型8051MCU、系统内可编程闪存存储器、8KB RAM和很多其它功能强大的特性和外设组合在一起。CC2541非常适合应用于需要超低能耗的系统。这由多种不同的运行模式指定。运行模式间较短的转换时间进一步使能耗降低。

CC2541内嵌8051核, 将心电发送模块经编码后的数字信号以SPI协议接收, 进行处理, 再通过RF发送出去。

1.2.3 电源模块

电源供电模块给心电信号采集模块和无线发送模块供电。该模块采用TI公司TPS61220进行设计。TPS61220是一款具有5.5m A的静态电流低输入电压、0.7V升压转换器。TPS61220采用6引脚SC-70封装, 可在低负载条件下保持极高的效率。可进一步延长本系统基于低功耗的微处理器的设计方案的电池使用寿命。在5V输出电压时, 输出电流高达50m A, 并使系统的锂离子电池放电电压低于2.5V。

1.3 软件设计

1.3.1 软件总设计

软件部分主要分为四大模块, 即通信、滤波、心率计算、绘图。软件流程图如图3所示。打开i PAD的APP, 程序开始运行。各种变量以及用到的堆栈初始化, 然后在屏幕上通过计算所要画心电坐标比例尺, 绘出所要画心电坐标轴以及轴上刻度, 按照蓝牙发送端通信协议接收心电信号, 未接收到信号, 则继续等待;接收到信号后, 将接收到的信号通过FIR算法滤波, 将心电信号绘制在心电坐标上;用心率算法计算出心率值, 显示在屏幕上。

1.3.2 核心算法

核心算法主要分两大部分, 即滤波算法与心率算法。

虽然ADS1293对采样后的数据尽管噪声得到了一定的抑制, 但仍有50Hz的干扰, 在心电测量时必然还有其他信号的干扰, 所以软件滤波是必然需要的。在本设计中, 仅对心电数据进行低通滤波处理, 采用窗函数法设计FIR低通滤波器, 将30Hz以上的信号滤除, 保留有效的心电频率数据。

由阻带最小衰减和过渡带宽性能指标, 选取汉宁窗, 采样点数N为31。在图表中可以看出, 该滤波器对低频信号给予了适当的放大, 高频尤其是50Hz工频有很好的抑制作用。而真正的数据衰减是在30Hz~38Hz之间开始。

软件中对心率进行计算主要是基于对QRS波中R波的识别来进行的, 认为R波的出现与心率是同步的。R点的识别在这里简单地采用阈值法。在阈值判别之前首先要进行高通滤波, 将低频的干扰去除, 与低通滤波器类似, 采用长度为31的FIR窗函数滤波。在心率计算时, 设一标志位beat和两个计数位counter、pulseperiod。Counter和pulseperiod在ADC采到一个点时就加1。这样在每识别一个R点, 将计数位counter清零, 当counter计数到90时, beat位加1, 当beat等于3时, 开始计算心率。

注: (1) 是输出心电信号, (2) 是程序进行阈值判断的数据, (3) 是程序阈值判断的阈值

2 IPAD终端显示

i PA D显示屏采用R e t i n a显示技术, 可以把更多的像素点压缩到一块屏幕上, 从而达到更高的分辨率并提高屏幕显示的细腻程度。该屏的分辨率在正常观看距离下, 足以使人的肉眼无法分辨其中单独像素, 故也被称为视网膜显示屏。采用该屏显示, 可将人心率信号很多细微的差别更清晰地显示出来, 方便专业的人士进行分析。如图12所示。

3 结语

本系统将传统的心电采集、处理、传输和显示以内衣穿戴的方式集成在一起, 克服了传统系统体积大、功耗大、使用不便的缺点, 对病患进行长期实时的监控, 并在终端进行显示, 可在危急状况发生之前来挽救生命。

摘要：心电图是检测心脏健康与否的重要指标之一, 常规心电图机较难在心脏疾病早期发现异常, 因而需要通过长期的心电监测来保证心脏健康。但是, 容易受到电池容量、电子器件体积等瓶颈限制, 低功耗、便携式心电图仪是长期心电监测的技术关键。本文使用低功耗器件ADS1293配合CC2541, 实现了便携式低功耗心电监测系统设计。

关键词：穿戴医疗,低功耗,心电监测,蓝牙

参考文献

[1]袁海洋, 何敏, 王威廉.DWA.一种新的心电实时检测算法[J].电子测量与仪器学报, 2009, 23 (9) :79-83

[2]王嘉庆, 李鸿强, 于晓刚等.物联网人体心电监护系统软件研究[J.计算机工程, 2011, 37 (16) :273-275

[3]陈昕钟, 云鹏, 杨月婷.便携式心电信号采集电路设计[J].国外电子测量技术, 2010, 29 (12) :62-65

[4]李洪旺, 彭虎.远程心电监护系统的设计和实现[J].生物医学工程研究, 2009, 28 (2) :128-131

基于到达时差的低功耗声音定位系统 第8篇

随着社会生产技术水平的提高和人们生活质量的改善, 声音定位技术的应用领域日益广泛, 如货运机器人目标定位、水下目标探测、航天舱体落点测量、家居智能声控、安全监控等诸多领域[1,2,3,4,5], 呈现出广阔的发展前景。

准确快速地判断移动声源的坐标位置是声音定位技术的核心目标。目前, 业界以麦克风阵列声源定位技术为主流技术, 它是一种利用麦克风拾取阵列拾取语音信号并利用数字信号处理技术的声音定位方法, 具有良好的空间选择特性[6,7]。基于该原理, 衍生了以下3类技术: (1) 基于高分辨率谱估计的定向技术。它是通过求解麦克风信号间的相关矩阵确定声源方向角的方法, 进一步求解声源位置。该方法源于高分辨率谱估计技术, 如最小方差谱估计法和特征值分解法等。它要求声源信号具有平稳性, 并且, 为了降低外界干扰因素的影响和满足该技术应用的特殊条件, 需成倍地提高系统的运算量, 由此对系统的硬件设备提出了更高的要求。 (2) 基于最大输出功率的可控波束形成技术。该技术通过对麦克风阵列接收到的语音信号进行处理, 直接控制麦克风指向声源信号最大功率波束的方向。其中, 最大似然估计是可控波束形成技术的中心思想, 要求声源和环境噪声的先验知识, 这点给系统的设计提出了较高的要求; (3) 基于到达时差 (time difference of arrival, TDOA) 的声源定位技术[8]。该方法是一种无线定位技术, 它通过测量移动声源发出的声源信号到达各拾音器的时间差的方法, 实现定位功能。能否精确而灵活地估计延时长度是影响声源定位的关键因素。相比谱估计法和可控波束法, TDOA算法在运算量方面有明显的优势, 以简便的方法提高系统的实时性。

综合考虑系统设计和硬件设备的复杂程度与声源定位的实时性, 本研究介绍的系统采用到达时差的方法, 设置移动声源和拾音器接收、处理两个部分, 分别采用C8051F330单片机和C8051F020单片机作为控制器。该系统中的声源信号经带通滤波、放大整形处理, 以有效降低外界噪声的干扰;而后, 控制核心C8051F020单片机根据FPGA 4路信道中信息的传送顺序, 判断声源所在区域, 精确显示声源坐标。

1 基于TDOA算法数学模型

1.1 基于TDOA算法的声音定位模拟平台

在某一水平面上, 本研究指定一块确定的区域, 并在四角分别安装一路拾音器, 同时无线接收由功耗低于200 m W的移动声源发出的声源信号, 交由后级FPGA脉宽计数电路和坐标识别核心处理器对声源信号进行识别、处理, 并判定移动声源坐标位置。声音定位模拟平台如图1所示。

1.2 TDOA数学模型

该系统采用TDOA算法, 由4路拾音器接收移动声源的信号, 根据接收信号的时间差, 利用滑动平均滤波器思想和丢弃算法[9], 准确判断移动声源区域及其坐标。以下是TDOA数学模型的原理介绍:

声音定位原理图如图2所示, 根据图2, 本研究设置50.0 cm35.0 cm的声音定位区域, 分别放置4路拾音器A、B、C、D, 以S为移动声源, 可持续1 s或不间断式地向外界发送声源信号。其中, 不失一般性地假设拾音器A为参考原点, 分列I、II、III和IV 4个区块。

一般而言, TDOA算法是根据多路拾音器间接收信号的时间差来准确定位移动声源的位置, 降低了时间的同步要求。

当4路拾音器接收到声源信号, 将信息传递给后级FPGA脉宽计数电路。在其计数的有效时间内, FP-GA对4路脉宽信号作计数处理, 计数值分别为N1, N2, N3, N4, 而后交由C8051F020单片机作坐标识别处理。其中, 最先接收到的一路信号作为触发信号, 该路计数N值必为0, 并以此判定移动声源的所在区域, 分类计算, 从而得到 (x, y) 的坐标值。通过计算, 可代入不同模式下的坐标公式, 降低单片机运行负荷, 且具有较高的坐标精度。

设声音传播速度v=340 m/s, FPGA计数频率f=5 MHz, 有:a=N10.068, b=N20.068, c=N30.068, d=N40.068。

根据几何关系, 理论上分区域推出如下公式:

2 系统硬件设计

声音定位系统硬件设计包括移动声源硬件电路和拾音器接收、处理硬件电路两个主要部分, 系统硬件整体设计[10]如图3所示。其中, 移动声源硬件电路包括产生窄脉宽的C8051F330单片机和声源信号驱动外扩电路。拾音器接收、处理硬件电路包含4路声音接收放大电路、FPGA脉宽计数电路和以C8051F020单片机为核心的数据处理及显示部分。其中, 声音接收放大电路包含带通滤波器、放大电路、整形电路3个部分, 以有效提高信噪比, 降低外界干扰。

2.1 移动声源硬件电路设计

由C8051F330单片机产生占空比等效为10%的500 Hz矩形音频信号, 可按键选择工作模式 (持续1 s或不间断式发声) , 经三极管驱动放大外扩声源信号。考虑移动声源功耗要求与拾音器接收强度, 本研究选取8Ω/0.25 W额定功率的喇叭为外扩功放, 向外界发送声源信号。

2.2 声音接收放大电路设计

系统实际工作环境中存在未知的干扰信号。麦克风接收信号后, 经过fL=1.2 k Hz的高通滤波器电路, 降低噪声的干扰, 经过一级放大电路, 放大被衰减的有效信号。而后, 经过fH=7.5 k Hz的低通滤波器, 并做放大整型处理, 提取出有效成分。即输入回路的外界信号经带通滤波、两级放大和整型电路, 有效提取声源信号, 降低环境干扰。

2.2.1 带通滤波器电路设计

利用微软滤波器设计软件和Multisim仿真软件, 结合测试效果, 取值:

R3=2 kΩ, R4=1 kΩ, C1=0.1μF, C2=0.1μF (低通) ;

R8=6 kΩ, R9=22 kΩ, C3=4.7 n F, C4=1.0 n F (高通) 。

2.2.2 放大电路设计

采用反相放大电路, 一级放大倍数为10倍, 二级放大倍数为20倍, 放大倍数计算公式如下:

2.2.3 整形电路设计

整形电路部分实现同相输入单限比较功能, 前级信号从同相端输入, 经电压比较后, 传送至后级FPGA。其中, R13=10 kΩ, R14=10 kΩ。

2.3 FPGA脉宽计数电路设计

初始时, 由FPGA等待声源信号的到来。若有某一信道开始接收有效的声源信号, FPGA即以该时间点为基准, 计算处理剩余3个信道与时间基准点的时间差。

该硬件系统的计数频率为5 MHz, 数据采集周期T=2 ms。系统单次采集数据完毕, 即向C8051F020单片机发送4个信道的脉宽计数值N, 如此周而复始地计数、传递数据。为避免外界无效信号的干扰, 本研究特设置去抖操作, 以提高数据接收的可靠性。

3 系统软件设计

软件设计流程图如图4所示, C8051F020单片机等待接收FPGA传递的4路信道计数值N。它作为坐标识别的核心处理器, 根据N值判断声源信号所在区域, 同时借鉴滑动平均滤波器思想和丢弃算法, 对采集的点做平均处理, 丢弃离散值较大的点, 有效降低外界干扰, 并实时更新数据。此外, 通过按键切换, 系统可分别显示4路信道的脉宽计数值、各路拾音器的麦克风与声源信号的距离及声源坐标值, LCD实时显示移动声源的行径轨迹。

4 系统测试及结果分析

4.1 测试仪器

测试仪器包括:500 mm350 mm坐标纸、毫米尺、1.5 V五号电池、128 cm64 cm液晶屏、LPS-305数控式线性直流稳压电源、UT3数字万用表、GDS-2064数字存储示波器。

4.2 数据测试

4.2.1 声响模块功耗测试

经测试, 声源信号占空比10%, 频率f=497 Hz, 移动声源输入端U=2.86 V, I=17.5 m A, P=UI=50.1 m W。

4.2.2 持续1 s式声音定位测试

经预处理, C8051F020单片机将获取的移动声源坐标值作比例换算后, 相应地显示在128 cm64 cm液晶屏上。设移动声源的水平坐标为 (x, y) , 根据实际需要, 选取92 cm64 cm的液晶屏显示区域, 其对应坐标为 (x′, y′) , 由此有:

持续1 s式声源定位实测数据如表1所示。

持续1 s式液晶屏实测数据如表2所示。

4.2.3 不间断式声音定位测试

不间断式声源定位实测数据如表3所示。

不间断式移动声源行径轨迹测试如图5所示。由于液晶屏实测数据是由C8051F020单片机的坐标实测数据作比例换算并取整后的处理数据, 相比理论数据而言, 存在二次误差, 适合定性判断移动声源的行径轨迹。为更好地说明该系统的定位性能, 本研究取声源定位实测数据作相对误差分析, 其折线分布如图6所示。

综上所述, 移动声源发声功率P=50.1 m W, 产生占空比为10%、工作频率f=497 Hz的低功耗声源信号。系统定位功能的最大绝对误差为2.6 cm, 相对误差中值为5.3%。通过按键切换, 可实现持续1 s或不间断式发声的移动声源定位功能。

5 结束语

本研究根据TDOA算法设计了一套4路信道的声音定位系统。系统以C8051F330单片机为移动声源的主控部分, 可持续1 s或不间断式地发送占空比为10%的窄脉宽声源信号, 有效降低了声源功耗, 提高了信号辨识度, 这是系统的设计初衷与创新点之一。经带通滤波、两级放大和信号整形后, 较大地提高了信噪比和定位精度。而后以C8051F020单片机为数据处理核心, 接收FPGA 4路信道传送的脉宽计数值, 判断移动声源坐标。

经实际测试, 在误差允许范围内, 系统可准确地判断移动声源所在的区域, 并实时显示声源坐标和行径轨迹, 具有低功耗、稳定性好、精度高、实时性佳的特点。此外, 受诸多外界因素影响, 系统定位功能不可避免地存在一定误差。一方面, 由于系统的制作工艺、外界噪声干扰和声音反射效应, 降低了有效声源的信噪比。另一方面, 移动声源和拾音器接收电路在水平高度方面的差异性与喇叭面的扩散效应也极大地影响着系统的定位性能。为此, 硬件设备的稳定工作和软件算法的优化处理对声音定位的实时性与精度的提高起到了至关重要的作用, 并明确了系统的改进方向。

摘要：针对弱噪声环境中声音定位系统能耗大、精度低的问题, 将低功耗模式下的基于到达时差 (TDOA) 的技术应用到声音定位中。开展了在具体模拟应用中对基于到达时差的声音定位技术的数学建模与理论方法的分析, 建立了声源信号在传送、接收和检测3个方面的关系, 提出了“由C8051F330单片机产生一路占空比为10%的窄脉宽信号, 经拾音器接收、滤波、放大和整形处理, 触发后级FPGA做脉宽计数, 周期性地向C8051F020单片机传递数据”的方法;为进一步提高系统的定位精度, 采用了滑动平均滤波器的思想和丢弃算法, 有选择性地采集数据, 降低了外界无效信号的干扰。在理论分析和试验的基础上, 主要对移动声源功耗、系统定位精度及声源路径跟踪功能3个方面作出了评价, 进行了持续1 s式或不间断式声音定位模式下的试验。研究结果表明, 移动声源发声功率为50.1 mW, 声音定位最大误差2.6 cm, 具有低功耗、稳定性好、精度高的特点, 并可实时显示移动声源的行径轨迹。

关键词：声音定位,低功耗,到达时差,单片机,现场可编程门阵列

参考文献

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[9]MITRA S K.Digital Signal Processing[M].3rd ed.USA:Mc Graw-Hill International Edtion, 2006.

低功耗系统 第9篇

为了解决许多航空设备采用的航空总线种类各异, 难以互相兼容的问题, 现代飞机航空电子系统要求各机载航空设备使用统一的航空总线, 以方便系统集成[1]。ARINC429 总线是航空电子设备之间数据传输的航空工业标准, 具有接口方便、数据传输可靠的特点, 目前已经是航空领域应用最广泛的航空电子总线[2]。ARINC429是美国航空无线电公司 (ARINC) 制定的航空数字总线传输标准, 属单向数据总线, 可由两根独立总线实现双向传输, 数据传输率为12.5～100 Kb/s, 传输字为32位。总线上的发送器只能有一个, 而接收器可多达20个[3]。国内外研究和实现ARINC429总线通信的文献很多, 接口丰富且使用广泛。文献[4]采用FPGA实现了ARINC429的接口转换为通用的USB接口。文献[5]采用C8051单片机为核心, 在测控ARINC429总线数据的同时, 还能够监测总线上电气特性的变化。文献[6]研究了基于PC/104总线结构的ARINC429总线测控系统, 可以完成多路429总线数据的实时接收和发送功能。文献[7]研究了基于FPGA的ARINC429总线接收发送系统, 实现四路ARINC429信号接收和两路发送的功能。虽然采用ARINC429总线通信的研究很多, 但还未见用于雷达导航仪测控的报道。随着国产雷达导航仪的体积不断优化, 功能日益复杂, 传统的测控手段由于采用人工组装、整机测试的方法, 已经不能满足新形势下武器装备的保障要求。

本文采用低功耗16位单片机MSP430F449为主处理器, 以集成电路HS3282和HS3182为主要通信芯片, 设计完成包括ARINC429总线通信在内的雷达导航仪测控系统。此测控系统采用电池方式供电, 可以手持方式工作, 高亮度液晶方式显示, 提高测控系统可靠性和便携性, 能够为导航仪提供各类导航检测信号, 可以完成相关导航设备的生产测试、外场调试、后期维护等功能。

1 ARINC429 串行总线

ARINC429总线是一种单向广播式数据总线, 采用双角屏蔽线传输信息, 可由两根独立总线实现双向传输, 数据传输率为: 高速传输的位速率为100 Kb/s±1%, 低速传输的位速率为[8] (12.0～14.5 ) Kb/s±1%。ARINC429规定数据传输采用双极性归零制的三态码方式, 如图1所示, 即调制信号由“高”、“零”和“低”状态组成的三电平状态。双极性归零码的基本信号波形中携带了位同步信息, 位同步是由零状态变至“高”或“低”状态的这一状态变化来识别。字同步是以传输周期间至少有四个位时的时间间隔为基准, 紧跟该字间隔后要发送的第一位起点即为新字的起点。

ARINC429总线数据的基本信息单元是由32位构成的一个数据字, 每个数据字被分为5个基本区域, 即标志码 (LABEL) , 源/目的识别码 (SDI) , 数据区 (DATA) , 符号状态位 (SSM) , 校验位 (PARITY) , ARINC429总线数据信号编码举例如图1所示[9]。

2 硬件及接口电路

接口的实现方式选用Intersil公司的HS3282芯片, 它支持ARINC429通信规范和其他串行数据传输协议, 采用+5 V供电。具有两路接收、一路发送的功能。通道接收器之间也是独立的并行接收, 可以直接连接到ARINC429总线, 而不需电平转换[8]。使用时和HS3182总线驱动器配合, 就可以发送数据进行二级差分驱动, 产生ARINC429总线的电平。HS3282数据总线为16位, MSP430F449为16位单片机, 从而避免了8位单片机为解决系统总线匹配的问题需要采用锁存器作为虚拟总线的烦恼, 提高了测控系统的可靠性。

具体设计思路为:首先利用一片HS3282和两片HS3182配合使用形成两路接收和两路发送通道。它们构成了数据收发、串并转换的主体。HS3282主要用来完成接收、发送时所必须具备的串并、并串转换功能;HS3182用来完成对两路输出信号的差分驱动, 然后设计命令寄存器和状态寄存器, 用以完成对输入、输出通道的选择和对HS3282的控制字的设置。该控制电路单片机无需外扩展电路, 将32个I/O口的P0口和P2口用于数据传输功能, 实现对HS3282的16位数据传输功能。把P1口及P3口的P3.3, P3.4作为控制信号与控制端引脚相连, 来控制HS3282数据收发操作。测试数据由预先设置或手工输入两种方式完成。返回数据显示到高亮度液晶显示器上。图2为测控系统硬件系统结构图。

3 总体软件设计

雷达导航仪智能测控系统以单片机为核心, 控制测控系统的数据发送、转换、接收、显示等功能。本系统中采用的MSP430F449单片机是TI公司的一款超低功耗的混合信号控制器, 它具有16位RISC结构, 150 ns指令周期和简洁的27条内核指令, 1.8～3.6 V的低工作电压, 支持JTAG在线调试。它还集成了丰富的外围模块, 丰富的系统资源完全可以满足雷达导航仪的测控要求[10]。

系统工作可分为三种主状态:准备接收状态, 正在接收状态和准备发送状态。整个系统软件的运行围绕着按键控制进行的, 软件的编写也以键盘按键为基础。图3 (a) 为ARINC429信号发送流程图, 图3 (b) 为信号接收流程图, 椭圆框里写着系统当前的状态名称, 直线表示当前系统所处的状态, 圆形框表示按键, 箭头表示状态转移走向。每一条直线都表示一种循环的状态, 在该状态中, 系统一直等待的按键按下, 如果有, 系统立即扫描按键, 得出键值, 并与直线下方的按键进行比较, 如有相同的按键, 马上执行该按键对应的程序。例如在准备接收状态, 如果背光键按下, 液晶屏背光则从亮变为灭或从灭变为亮。频率键按下后, ARINC429总线频率将在12.5 Kb/s, 50 Kb/s和100 Kb/s之间相互转换。存储键按下后, 系统将跳到读写存储器子状态;确认键按下, 系统将跳到正在发送主状态。使用类似的方法, 为了简化使用人员的操作步骤, 可以在使用时选择手动或自动模式。自动模式提供两组默认的典型数据进行发送, 以测试雷达导航仪的通信完好性。当需要进行完备性测试时, 可以采用手动模式, 这时可以进行任何信号及数值的通信。

4 实验与分析

对此便携式低功耗雷达导航仪智能测控系统的测试内容包括:发送数据、接收数据和发送数据间隔等测试。由于HS3282的两路输出是差分输出的, 所以只需要测试其中的一路就可以了。智能测控系统现场波形如图4所示, 发送的数据采用自动模式, 控制字为奇校验。通过示波器直接观察HS3282芯片的输出信号, 输出电平是3.92 V, 满足TTL的电平要求。而数据之间的时间间隔, 即组间数据4位间隔。由单片机的延时程序即可完成。

5 结 语

目前, 该测试系统已设计完成, 并交付航空某研究所的生产维修部门进行雷达导航仪的生产调试和外场测试使用。实践证明:系统采用手持方式工作的设计方案正确, 能够为导航仪提供各类导航检测信号, 提高系统可靠性和便携性, 并且可以严格保证通信的实时性。能够很好地完成相关导航设备的生产测试、外场调试、后期维护等功能, 具有高度集成化、智能化、接口标准化的优点。同时创造了可观的经济效益, 使雷达导航设备的地面维修工作跃升到一个新水平。

参考文献

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[9]Intersil America Inc.HS3282 CMOS ARINC bus interfacecircuit datasheet[EB/OL].[2008-08-16].http://www.intersil.com.

低功耗系统 第10篇

关键词：远程医疗监护系统,ZigBeePRO,3G技术

随着我国国民经济水平的迅速提高,先进的医疗设备也不断地发展并应用到临床诊断中,使我国医疗技术水平有了很大的提高。目前,医疗监护系统在临床中获得广泛的应用,利用传感器采集特定的生理参数,再通过线缆将数据传送到监控中心,这是一种固定的医疗监测方式,但由于传感器线缆长度的限制,需要病人在检测设备旁边,限制了病人的行动自由,较长时间的数据采集还会增加病人心理压力,造成焦躁不安的紧张情绪,进而导致采集数据异常造成假象,影响医生对病人身体状况和病情的判断。如何摆脱传感器线缆长度的束缚,实现远程、实时、连续、长时间的监测病人生理体征等参数,对于提高医疗技术水平,加快病情诊断和康复都具有重要的作用[1]。近些年来,新兴的Zig Bee和3G技术,为远程无线医疗监护提供了一种新的技术手段。本文提出了一种基于Zig Bee和3G技术的嵌入式Zig Bee PRO的远程医疗监护系统,采用生理传感器数据检测与远程无线传输的方法,可对在家庭和社区的被监护对象进行实时地监控,使被监护对象能够拥有较多的自由活动空间,在获得较准确的测量指标的同时,也得到了更有效的监护。

1 Zigbee PRO和3G网络简介

无线传感器网络又称为Zig Bee网络,其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本[2]。主要适用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入到各种设备。从2004年2月的第1个版本Zig Bee 2004,到2007年开发完成的Zig Bee 2007(Zig Bee PRO),该协议不断完善和不断改进,在网络可靠性、网络容量、低功耗、抗干扰等多个方面,技术日趋完善。与之前版本相比较,Zig Bee PRO进行了如下技术上的完善和改进[3]:(1)Zig Bee PRO是工业级和商业级协议栈。(2)Zig Bee PRO适合于大型网络(超过1000个节点的大型无线传感器网络)。(3)Zig Bee PRO改进了路由方式,使路由更加可靠,路由表格更加节省内存[4]。(4)Zig Bee PRO增加了高级跳频技术,具有超强网络抗干扰能力。(5)Zig Bee PRO可以分包传输长数据包。(6)Zig Bee PRO提供商业级的加密通讯[5]。

2 总体结构设计

基于Zig Bee PRO的低功耗远程医疗监护系统包括3个组成部分(图1):Zig Bee PRO节点的便携式远程医疗监测设备,Zig Bee PRO-3G网络和远程医疗监护系统平台。通过在便携式远程医疗监测设备的Zig Bee PRO无线传感器节点、多级路由节点以及集中器构成无线传感器网络实现数据通信的网络化传输;集中器整合Zig Bee PRO-3G网络,将数据发送至远程医疗监护系统平台;远程医疗监护系统平台的数据处理系统对相关数据进行整理,并及时反馈给医务人员进行分析处理。

3 关键技术的实现

3.1 生命体征传感器设计

本医疗监护系统生命体征监测包括:跌倒监测、心率监测、体温监测,且均采用模块化设计。各监测模块的标准接口设计,可以根据需要将各监测模块从便携式检测设备中添加或移除。

3.1.1 基于3轴加速度传感器的跌倒监测模块

跌倒监测设备我们选择ADI公司的ADXL345传感器,ADXL345是基于i MEMS技术的3轴、数字输出加速度传感器。ADXL345具有±2g、±4g、±8g、±16g可变的测量范围,最高13bit分辨率,固定的4mg/LSB灵敏度,40~145μA超低功耗,标准的I2C或SPI数字接口,32级FIFO存储,以及内部多种运动状态检测和灵活的中断方式等特性。所有这些特性,使得ADXL345有助于大大简化跌倒检测算法,使其成为一款非常适合用于跌倒检测器应用的加速度传感器。其管脚结构,见图2。

对跌倒检测原理的研究,主要是找到人体在跌倒过程中的加速度变化特征。不同运动过程对应的加速度曲线也是不同的,对于跌倒过程,即速度变化,本研究主要根据跌倒过程中有可能发生的4种状态特征进行分析,这4种特征主要包括:失重、撞击、静止、翻转。将这4种状态的判断结合在一起,通过跌倒检测算法进行分析判断,并实现预警。

3.1.2 心率监测模块

心率监测模块主要使用透过型的脉搏传感器实现,其结构相对比较简单,由红外发光二极管、光敏二极管和圆筒组成(图3)。其原理是通过使用对血流敏感的红外发光二极管做光源,与之对应的光敏二极管,在一个圆筒壁上挖2个小孔(两个孔与圆筒截面的圆心在一条直线上),一侧放红外发光二极管,另一侧放光敏二极管,当手指放入圆筒时,由于心脏压送血液的不同手指上通过的血流量也不同,其透光率也不同。光敏二极管对不同的透光率会有敏感的反映,通过的电流会随透光率而变化,把电流的变化再转换成电压的变化,然后进行测量。

3.1.3 体温监测模块

体温监测通过高精度热敏电阻和便携式检测设备的Zig Bee PRO芯片的A/D转换电路实现。通过分析计算热敏电阻的阻值变化,再利用热敏电阻R-T关系表及分段线性化公式得到相应的人体温度。

3.2 无线定位与无线数据传输的实现

3.2.1 无线数据传输

(1)Zig Bee数据采集部分,其功能主要是通过无线传感器将被监护人员的生命体征参数传输到无线传感器的网关节点。

Zig Bee网络设备根据功能分为全功能设备和简化功能设备2类。又根据设备在网络中的作用,定义了3种设备,即协调器(全功能设备)、路由器(全功能设备)、节点(全功能设备或简化功能设备)。协调器主要负责建立并维护网络,路由器主要用于路由消息数据,节点可接传感器或其他终端设备获取外部数据。上述3种设备可以灵活地构成3种网络拓扑结构[6](图4):(1)星型网络,该网络中含1个协调器和若干个节点设备,节点设备之间通过协调器进行数据通信;(2)树状网络,该网络由1个协调器若干路由器、若干节点构成,节点数据可以延树状网络进行路由;(3)网状网络,该网络由1个协调器、若干路由器、若干节点构成,结构比较复杂,节点数据可以通过网状网络的最优路径传输[7]。

注：●-协调器 ●-路由器 ○-节点

本监护系统采用协调器作为网关节点配合3G技术进行数据传输,路由器和普通节点实现无线定位和传感器数据采集。

(2)3G数据传输。本系统采用基于3G的无线通信技术,将Zig Bee网关所收集的生命体征信号发送到远端的医疗监护平台(图5)。

3.2.2 无线定位

通过被监护人员所佩戴的无线传感器,可以实时监控被监护人员的活动轨迹,了解当出现生命体征异常情况时的相关位置,对于帮助判断、分析被监护人员的状态是至关重要的。

本无线传感器采用TI的CC2530作为Zig Bee处理芯片,其定位过程:(1)首先由网关对参考节点和未知节点进行广播配置。(2)一定时延后未知节点进行位置请求广播。(3)参考节点收到广播包后判断是否已有该未知节点,若没有则添加到节点列表,并做出回应[8]。(4)未知节点接收到回应包后进行单播的位置请求。(5)参考节点对请求进行单播的位置回应。(6)在收集到足够多个参考节点的位置信息(3~8条)后,将数据传输给定位引擎进行定位。(7)计算位置偏移量,进行修正[9,10],完成定位。

无线网关、参考节点与定位节点的定位流程,见图6。

部分程序实现如下:

4 测试结果

本系统在实际环境中进行了初步测试,由志愿者佩戴便携监测设备并对其体温进行监测,将监测数据通过Zig Bee PRO-3G网络发送到远程医疗监控平台,监测结果,见图7(其中纵坐标为采集到的实时体温,横坐标为时间)。

在测试过程中,每隔30min采集1次便携监测设备监测到的体温数据,共采集5组数据,并与通过人体专用体温测试仪所测试值相比较,见表1,误差在0.5%以内。

5 结束语

本文采用无线传感器网络Zig Bee Pro技术与3G网络技术结合实现了远程无线医疗监护系统具有实用性、灵活性和可扩展性的特点。该技术的应用可以使被监护对象有更多自由活动空间,使其在家里或社区得到有效地远程医疗诊断和监护。

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低功耗系统 第11篇

HIS Research数据显示，2012年全球出货了9600万件可穿戴设备，创造了85亿美元的营收，HIS预计2018年可穿戴设备出货将达2.1亿件，营收则可达到300亿至500亿美元。另一家机构IEK预测，2018年可穿戴设备和部件的全球市场规模将达到206亿美元（191亿台）。其中，半导体市场为37.7亿美元，而非半导体的部件市场（电池、显示屏、摄像头模块、主体结构、附件、组装、其他）将达到96.3亿美元。

不言而喻，可穿戴设备的发展将为MEMS传感器、低功耗处理器、MCU微控制器、无线连接芯片、电源管理和柔性显示等领域企业带来巨大机会。面对这样一个即将到来的市场，许多半导体大厂纷纷抛出大动作来迎接这个明日之星。

美国英特尔不久前发布了新款微处理器产品系列“夸克”，今年开始面向可穿戴设备供货。与此前的“凌动”产品相比，夸克的芯片尺寸只有1/5，耗电量降到了1/10；美国德州仪器（TI）上市了运动手表型嵌入开发工具，在智能手表用IC中配备了低功耗蓝牙功能；高通公司发布了自主开发的智能手表；博通公司上市了嵌入式无线通信技术平台，致力于可穿戴关联市场；ARM公司上市的“Cortex-M”系列处理器以其低功耗高性能优势，在山雨欲来风满楼的可穿戴市场为众多知名半导体厂商所采用，其32bit MCU的供货量直线增长。

再看看与可穿戴产品密切相关的MCU微控制器市场，TI推出了针对可穿戴设备的超低功耗ULP（ultra-low power）架构平台，有效功率做到了 100微安，待机只有450纳安。罗姆公司旗下的LAPIS Semiconductor开发了用1个碱性电池驱动电源电压1.1V的Flash MCU，实现了与掩膜ROM MCU同等的低功耗和低成本。Silicon Labs推出了节能型MCU，以极小的封装和更加节约成本的价格为电池供电应用提供了最高的能效。意法的MCU运行功耗仅为137微安/MHz，实现在9平方毫米的封装内。

从以上厂家推出的产品可以看到可穿戴产品芯片有一个共同的特点：低功耗。因为可穿戴设备是“功耗”说了算的智能终端产品，作为可穿戴设备OEM厂商必须追求的是效能更佳，这样才可以在可穿戴市场分得一份羹。

可穿戴设备的第二个关键词是低成本。一个新产品问世竞争到最后还是价格说了算。现在人们普遍诟病的是Google Glass高昂的价格，阿迪达斯即将推出的安卓系统智能手表也要在400美元左右。高的定价将会严重影响可穿戴设备的推广和普及，然而要做到平民低价，首先材料和元器件必须是能为市场接受的价格。否则，人们只能望着1500美元的“Google Glass”而兴叹。

可穿戴设备最后一个关键词是小尺寸。可以预见可穿戴产品市场将极大推动系统级封装（SiP）等高端封装技术的发展。已有公司发布了集成应用处理器、DDR3存储器、NAND闪存、WiFi、蓝牙、GPS、MEMS传感器的七合一系统级芯片，尺寸只有18mmX18mm。从技术层面看，代表先进封装技术的系统级封装（SiP）和3D封装将是可穿戴产品能否取得成功的关键技术之一。

《数字化生存》的作者尼古拉斯？尼葛洛庞帝在1995年曾经预测：“硬件和软件必将统一融合进穿戴设备中……未来数字化服装的材质可能是有计算能力的灯芯绒、有记忆能力的平纹细纱布和太阳能丝绸，我不必再携带笔记本电脑，而是把它穿在身上。”如今，这样的愿景正一步步向我们走来。

低功耗系统 第12篇

截至2008年8月, 我国固定电话用户总数约3.54亿户, 有线电视用户1.5亿户, 互联网宽带接入用户总数达到7 934.8万户。宽带网最后1 km接入方法有:双绞线 (xDSL) 、光纤 (EPON, GPON) 、同轴电缆 (EoC) 。我国互联网宽带上网用户95%以上均通过双绞线的xDSL连接, 而美国55%的宽带数据用的是有线电视的同轴电缆, 其余45%用的是光纤、双绞线。同轴电缆除宽带上网外, 还有一个先天性的优点:带宽宽, 利用IPQAM方式实现视频点播, 可用于双向电视点播[1,2]。

2 实现方案

在同轴电缆 (CATV) 宽带模拟信号2~30 MHz的频道上实现网络数据的双向通信, 网络数据中QoS优先级最高的留给IP电话 (VoIP) 和双向互动电视的点播信令使用, 其余的给计算机宽带网使用, 实现宽带上网、IPTV。47~862 MHz的频段上保留给有线电视网使用, 调制模拟电视信号、数字电视信号和IPQAM电视信号。通过高低通滤波器频分来实现, 从而实现宽带网、电话网、电视网三网融合于同轴电缆网。

系统由局端设备和用户设备组成, 在同轴电缆中利用QAM和QPSK方式在OFDM的子载波上调制数据。利用动态可编程电路的加速引擎来实现。调制于OFDM子载波上的QAM1024, QAM256, QAM16, QPSK的编解码软件, 实现网络数据加/解密, 实现网络入侵预警与控制, 实现MAC层、PHY层协议等。

在有线电视同轴光纤混合网 (HFC) 的光站安装局端设备, 在用户家中安装用户端设备, 一个局端设备可连接64个用户端设备。

主要由局端、用户端设备及桥接器等硬件及网络管理软件构成, 系统结构如图1所示。

2.1 硬件设计

主要是局端设备、用户设备和桥接器的设计。局端设备 (Master) 、用户端设备 (Slave) 通过有线电视放大器、分配器、分支器、同轴电缆连接而成。桥接器则比较简单。

1) 局端设备

其原理框架如图2所示。

一个局端设备可连接64个用户设备。局端设备将以太网输入数字信号调制为OFDM模拟信号, 使用TDMA (时分多址) 协议, 通过同轴电缆, 实现一对多数据通信, 将数据传送到用户设备, 用户设备将从同轴电缆传送过来的OFDM信号解调为数字信号, 若数据是给该用户的, 该用户设备将数据信号解调还原成原有的数据, 输出到用户的以太网供其使用。

同样用户输入的以太网数据在轮到该用户端的时隙时, 经用户设备调制为OFDM模拟信号, 通过同轴电缆将传送到局端, 局端将OFDM模拟信号解调为原有数据, 通过主端的以太网输出, 从而实现了双向通信。

2) 用户端设备

原理框架如图3所示。用户端的芯片与局端设备芯片完全相同, 只是工作的不同的模式。用户端设备的调制/解调与局端设备的调制/解调类似, 局端设备工作模式为主动方式, 用户端设备的工作模式为从方式。

3) 桥接器

桥接器的作用是将2~30 MHz的局端设备和用户端设备的调制、解调模拟信号跳过电视信号放大器直通, 47~860 MHz的信号仍经过电视信号放大器进行放大。

信号桥接器比较简单, 就是一个双高低通滤波器, 第一个高低通滤波器先将2~860 MHz的信号分离为2~30 MHz和47~862 MHz两路, 47~862 MHz的电视信号输出给有线电视放大器进行放大, 2~30 MHz的信号直接连接到第二个高低通滤波器的2~30 MHz的输入口;放大后的47~860 MHz有线电视信号连接到第二个高低通滤波器的47~862 MHz的输入口, 通过第二个高低通滤波器的再混合为一路全频率信号输出2~862 MHz。

2.2 软件设计

网络管理软件采用SNMP协议, 支持SNMP V1.0V2.0/V3.0协议。完成三网融合网络管理软件设计, 实现网络入侵预警与控制。为三网融合提供完善的网管功能。其嵌入式SNMP采用开放源代码修改来实现。网管软件有下面功能:

1) 流量统计功能:对每个用户端的上行和下行的流量进行统计。

2) IGMP协议实现视频组播用于时移电视、视频点播。

3) 限制用户端连接电脑的台数:限制在每个用户端下连接PC的台数, 保护运营商的利益。

4) 广播包、未知包抑制功能:对广播包或其他攻击包进行抑制, 避免这些无用数据对正常数据通信的影响。

5) 速率优先、延时优先设置:在数据速率要求高的场所可设置为速率优先;对数据延时要求小的场所可设置为延时优先。

6) QoS实现:业务隔离设置和保证电话、点播命令等数据的优先传输, 从而实现三网融合;IEEE 802.1p是流量优先权控制标准, 工作在媒体访问控制 (MAC) 子层。它使得二层交换机能够提供流量优先级和动态组播过滤服务。IEEE 802.1p标准也提供了组播流量过滤功能, 以确保该流量不超出第二层交换网络范围。IEEE802.1p协议头包括一个3 bit优先级字段, 该字段支持将数据包分组为各种流量种类。

7) VLAN实现:IEEE 802.1p是IEEE 802.1q (VLAN标签协议) 标准的扩充协议, 它们协同工作。IEEE 802.1q标准定义了为以太网MAC帧添加的标签。VLAN标签有2部分:VLAN ID (12 bit) 和优先级 (3 bit) 。IEEE 802.1q VLAN标准中没有定义和使用优先级字段, 而IEEE802.1p中则定义了该字段。

8) 认证服务 (802.1x) :802.1x认证系统提供了一种用户接入认证的手段, 它仅关注端口的打开与关闭。对于合法用户 (根据账号和密码) 接入时, 该端口打开, 而对于非法用户接入或没有用户接入时, 则使端口处于关闭状态。

9) STP (生成树协议) , 防止广播风暴, 通过阻塞一个或多个冗余端口, 维护无回路网络 (IEEE802.1d) 。

10) Webserver:利用网页对系统进行管理, 对传输进行设置。

3 小结

“光进铜退”是接入网的发展方向, 光纤到小区、楼栋都容易解决, 但光纤到户就不是一件容易的事。现在楼道和用户家里未布光纤, 需要在楼道内穿墙打洞, 破坏装修。因此现在的做法是:1) 在现在电话线上加装xDSL (ADSL, VDSL, HDSL) ;2) 在有线电视同轴电缆上加装EoC, 实现宽带最后1 km的宽带接入。杭州初灵凯贝数字技术有限公司利用本项目实现了模拟有线电视、数字有线电视、宽带上网、双向数字电视点播, 实现了三网融合。

参考文献

[1]顾士平, 华晓勤.动态时隙分配TDMA实现装置:中国, 200810061994.2[P].2008-06-10.