時間：2022-07-11 17:44:13
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工藝設計團隊在進行工藝過程的設計時一般先需要如下原始資料：產(chǎn)品裝配圖和零件圖，企業(yè)的制造相關信息。產(chǎn)品裝配圖有助于工藝設計師了解零件在產(chǎn)品上的位置，所起到的作用以及工作的條件情況；零件圖則表明了該零件的尺寸和精度要求；了解企業(yè)的制造相關信息有利于工藝設計師根據(jù)生產(chǎn)廠的生產(chǎn)條件，生產(chǎn)廠現(xiàn)有的設備規(guī)格，型號及性能，物資供應狀況等信息設計出更加符合本企業(yè)的產(chǎn)品工藝設計。這些原始資料是制定工藝設計的基礎。根據(jù)工藝設計流程和工藝設計相關內(nèi)容，可以把工藝設計活動分為四個階段活動。第一階段：工藝性分析階段，工藝設計人員從產(chǎn)品詳細設計人員處獲得新產(chǎn)品的CAD圖，對CAD圖進行工藝性分析，審查圖紙上的視圖、尺寸和技術要求是否完整、統(tǒng)一、正確；找出重要的技術要求結合企業(yè)的加工能力分析是否能達到要求，分析零件的結構工藝性，是否存在不合理的結構或者可以改進的地方，與產(chǎn)品設計人員協(xié)商。只有對零件的結構工藝性進行充分分析，才能清楚零件的結構特點，加工表面與非加工表面、重要表面與非重要表面、技術要求的高低等直接影響零件加工性的因素，才能制定出最合理的工藝設計方案；第二階段：確定毛坯及其制造方式，通過圖紙的審查之后，設計人員開始確定毛坯及其制造方式，毛坯的確定是工藝設計過程中的重要內(nèi)容，選擇不同的毛坯就會有不同的加工工藝，采用的設備，工裝也不同從，從而對生成率和成本有影響。因此必須正確的選擇毛坯類型和制造方法，確定毛坯精度及余量，之后繪制毛坯圖；第三階段：擬定產(chǎn)品的工藝路線，工藝路線是指用各種方法將毛坯加工成零件的整個加工路線。在毛坯確定后，根據(jù)零件的技術要求、表面形狀、已知的各種機床加工工藝范圍、刀具的用途，就可以初步擬定零件表面的加工方法，工序的先后順序，工序的集中還是分散。工藝路線的擬定不但影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，而且影響工人的勞動強度，影響設備投資，車間面積，生產(chǎn)成本等，因此擬定工藝路線是工藝設計過程中的關鍵階段；第四階段：進行工序詳細設計，工藝路線擬定之后確定各工序的具體內(nèi)容。包括確定各工序加工余量、計算各工序尺寸及公差，選擇各工序使用的機床與工藝設備，確定各工序的切削用量及時間定額。工序設計應該是在保證質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，這個階段最終形成加工工序卡片。當過程流程圖，加工工序卡片都通過審核之后形成將文件，整理文件保存，整個產(chǎn)品開發(fā)設計過程中的工藝設計到此結束。之后將文件下發(fā)，指導一線工人進行生產(chǎn)。
2工藝設計過程的要素模型
質(zhì)量管理體系國際標準將過程定義為：一組將輸入轉化為輸出的相互關聯(lián)或相互作用的活動[7]。過程方法是指組織內(nèi)各過程的系統(tǒng)的應用，連同這些過程的識別和相互作用及其管理。過程構成要素模型，如圖2所示。根據(jù)過程定義并結合圖2過程構建要素模型可知:一個過程包括輸入、輸出、相關轉換活動、所需資源、過程所處的環(huán)境以及檢測評價等六要素。其中輸入是實施過程的開始，而輸出是完成過程的結果，通過使用合理的資源和科學的管理，來對處于一定的環(huán)境的過程進行增值轉換活動。為了確保過程的結果質(zhì)量，對輸入過程的要素、環(huán)境要求和輸出的結果（有形的或者無形的）以及在過程中的適當階段應進行必要的監(jiān)控和評價。工藝設計過程中的轉化活動是由一系列按照時序要求展開的活動，首先是包括審查圖紙、產(chǎn)品結構及技術分析、工藝性評價的工藝性分析活動，之后是選擇毛坯精度確定余量、繪制毛坯圖的確定毛坯及其制造方式活動，然后是劃分加工階段及確定工序順序的擬定產(chǎn)品的工藝路線活動，最后是確定工序余量計算工序尺寸及公差，選擇切削用量，計算時間額定，選擇加工設備及工藝裝備的詳細的工序設計活動。
3工藝設計過程影響因素分析
工藝設計過程是指工藝設計相關的一切活動，信息，數(shù)據(jù)，資源的總和。它是由一系列子過程工藝設計活動組成。由于每個過程活動的任務和目標不一樣，如表1所示。使得不同階段的活動所需的資源，輸入輸出，環(huán)境等要素也不同。在產(chǎn)品結構性工藝審查，毛坯的選擇，工藝方案設計與評價，工裝設計，材料與工時定額等活動時要綜合考慮企業(yè)自身條件，生產(chǎn)設備，生產(chǎn)能力，生產(chǎn)環(huán)境，工藝相關經(jīng)驗，工具相關信息，設備相關參數(shù)，加工人員技術水平信息等影響因素，還要結合所處的環(huán)境和資源等因素，如環(huán)保規(guī)則，加工生產(chǎn)條件，安全條件，經(jīng)濟性等方面。最后輸出最經(jīng)濟，最可行，最合理的工藝設計方案等文件內(nèi)容指導企業(yè)生產(chǎn)制造。
4工藝設計缺陷因素結構模型的構建
為了更好的表達缺陷因素與工藝設計過程的關系，避免工藝設計缺陷的產(chǎn)生，并參考多數(shù)企業(yè)的工藝設計流程，采用過程方法構建的工藝缺陷因素結構關系模型，如圖3所示。從圖3可以看出硬件產(chǎn)品工藝設計過程是一個多層次，多步驟和分階段的設計過程。整個工藝設計過程涉及的影響因素因不同階段而不同，分布于產(chǎn)品工藝設計過程各個階段的活動中。工藝缺陷影響因素結構關系模型不僅表達出工藝設計過程中各設計階段間的邏輯順序關系，理順了工藝設計階段的各個活動的輸入、輸出，而且還清晰地呈現(xiàn)出設計資源、環(huán)境等缺陷因素與工藝設計過程的關系，為以后的工藝設計缺陷的預防和控制提供了理論基礎。然而，從整個模型可以看出，影響工藝缺陷的因素比較多，在具體的工藝設計活動中，往往是由于模型中缺陷因素不能合理有效的控制這些因素，增加了工藝設計缺陷的風險。因此，需要進一步定量掌握工藝設計階段的影響因素對工藝設計活動的影響程度，以及因素之間的互相影響關系，以便更好的，有針對性地采取措施來優(yōu)化工藝設計過程，提高工藝設計質(zhì)量。
5工藝缺陷影響因素定量化分析
5.1基于DEMATEL方法的工藝設計缺陷因素分析
DEMATEL（decisionmakingtrialandevaluationlaboratory）決策實驗室分析法，是20世紀70年代出現(xiàn)的運用圖論與矩陣論原理進行系統(tǒng)因素分析的方法，它通過系統(tǒng)中各因素之間的邏輯關系構建直接影響矩陣，計算各因素對其他因素的影響度以及被影響度，從而計算各因素的中心度和原因度，然后，根據(jù)因素所對應的中心度和原因度，得出該因素所屬的種類（原因性因素還是結果性因素）。DEMATEL方法關注的不僅是因素之間的兩兩直接影響關系，還考慮了所有因素之間的間接影響關系，從而獲取眾多因素中的關鍵因素。采用DEMATEL方法對影響工藝設計缺陷因素進行量化分析，分析過程直觀、明晰，其結果不僅可以表達各缺陷因素之間的量化因果關系，還能根據(jù)量化結果對影響因素集進行因果分類和重要程度排序，為缺陷因素控制管理以及識別提供科學依據(jù)。
5.2基于DEMATEL方法的工藝設計缺陷因素分析步
驟如下（1）構建各因素間的直接影響矩陣。工藝設計缺陷影響因素表示為Tx，其中x=1，2，3……n，如果因素Ti對因素Tj有影響，則表示為tij。設定影響關系評價標度(如根據(jù)較強，強，一般，弱，無五個等級分別賦值)，定義：當i=j時，tij=0表示因素自身對自己無影響；當因素Ti對因素Tj影響很弱時，tij=1；當因素Ti對因素Tj影響一般時，tij=2；當因素Ti對因素Tj影響較強時，tij=3；當因素Ti對因素Tj影響很強時，tij=4。構造因素間的影響矩陣G。影響度Hi為綜合影響矩陣D中i行的行和，表示因素Ti對其他所有元素的綜合影響值。被影響度Lj為綜合影響矩陣T中j列的列和，表示Tj受其他所有因素的綜合影響值。中心度Mi為綜合影響矩陣T中第i行的行和與第i列的列和之和，表示該因素在系統(tǒng)中的重要性程度。原因度Ui為綜合影響矩陣T中的第i行之和與第i列之和的差，表示該因素與其他因素的因果邏輯關系程度，若為正，表示該因素對其他因素的影響大，稱為原因因素;若為負，則表示該因素受其他因素的影響大，稱為結果因素。（5）根據(jù)第四步計算的結果，以Ui為縱軸，Mi為橫軸，繪制因素的原因—結果圖，得出各缺陷因素的影響度和被影響度排序。
5.3舉例分析
以某雨彈發(fā)射架的工藝設計為例，影響雨彈發(fā)射架工藝設計缺陷的因素眾多、關系復雜。按上述方法，從與工藝設計有關過程活動的角度來考慮，同時考慮輸入輸出類、資源類、環(huán)境類以及監(jiān)測評價四大類工藝缺陷影響因影響因素體系，構建了雨彈發(fā)射架工藝設計缺陷因素表以及按DEMATEL方法步驟計算出綜合數(shù)據(jù)，如表2所示。（1）缺陷因素的原因—結果圖根據(jù)綜合影響關系表，以Ui為縱軸，Mi為橫軸，繪制因素的原因—結果圖，得出各缺陷因素的影響度和被影響度排序。應用SPSS軟件將各雨彈發(fā)射架工藝設計影響因素標注在坐標系上，如圖4所示。（2）分析結果由以上結果從整體所有因素可以看到：（1）雨彈發(fā)射架工藝設計的原因因素有24個位于0線以上，依次f1、f2、f3、f4、f5、f7、f8、f10、f11、f13、f14、f15、f17、f21、f23、f24、f25、f28、f30、f32、f35、f37、f39、f40，它們是導致雨彈發(fā)射架工藝設計缺陷的主導因素。根據(jù)20/80原則，影響度大小排序前五位為f10（工藝流程圖）、f13（工序操作指導卡片）、f5（現(xiàn)有生產(chǎn)能力資料）、f7（毛坯方案）、f2（組件明細）、所以，必須采取針對性的措施。（2）結果因素有16個位于0線以下，依次為f6、f9、f12、f16、f18、f19、f20、f22、f26、f27、f29、f31、f33、f34、f36、f38，這些因素受其他因素影響比較大。按被影響度大小排序前三位為f38（成本約束）、f22（毛坯的相關經(jīng)驗）、f12（工序卡片），它們極易受到其他因素的影響，必須加以重視。（3）從工藝設計缺陷因素原因—結果圖中也可以分別按類中的因素比較，如輸入輸出類缺陷因素（正方形表示）中的f10（工藝流程圖）、f13（工序操作指導卡片）、f5（現(xiàn)有生產(chǎn)能力資料）中心度值較大，是輸入輸出類最可能導致工藝設計缺陷的致因因素；從圖4可以看出輸入輸出類因素相對其他類因素大部分都在0線以上，這說明此類因素中原因因素較多，應該給予一定控制。資源類缺陷因素(圓圈表示)中f22（毛坯的相關經(jīng)驗）原因度第二小，說明受其他因素影響最大。環(huán)境類缺陷因素（正三角形表示）中f38（成本約束）原因度最小，中心度第三大，說明成本約束不僅受其他因素影響大外，自身影響其他因素也大，應給予控制。監(jiān)測評價類成本約束（倒三角形表示）f39，f40，都在0線以上，說明此類缺陷因素影響其他因素較多。（4）從整體來看缺陷因素f5（現(xiàn)有生產(chǎn)能力資料）、f10（工藝流程圖）、f12（工序卡片）、f13（工序操作指導卡片）、f22（毛坯的相關經(jīng)驗）、f38（成本約束）相對離散，應重點控制監(jiān)測。以上結果只是針對雨彈發(fā)射架工藝設計，對其他硬件產(chǎn)品工藝設計缺陷因素分析可參照此方法，但分析結果因產(chǎn)品而異。
6結論
系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用不同的鏈路口完成輸入和輸出,可以避免采用總線可能產(chǎn)生的通道沖突。模擬視頻信號由AD9883A完成模數(shù)轉換。AD9883A是個三通道的ADC,因此系統(tǒng)可以完成單色的視頻信號處理,也可以完成彩色的視頻信號處理。采樣所得視頻數(shù)字信號經(jīng)鏈路口輸入到ADSP-21160,完成處理后由不同的鏈路口輸出到ADV7125,完成數(shù)模轉換。ADV7125是三通道的DAC,同樣也可以用于處理彩色信號。輸出視頻信號到灰度電壓產(chǎn)生電路,得到驅動液晶屏所需要的驅動電壓。ADSP-21160還有通用可編程I/O標志腳,可用于接受外部控制信號,給系統(tǒng)及其模塊發(fā)送控制信息,以使整個系統(tǒng)穩(wěn)定有序地工作。例如,ADSP-21160為灰度電壓產(chǎn)生電路和液晶屏提供必要的控制信號。另外,系統(tǒng)還設置了一些LED燈,用于直觀的指示系統(tǒng)硬件及DSP內(nèi)部程序各模塊的工作狀態(tài)。
本設計采用從閃存引導的方式加載DSP的程序文件,閃存具有很高的性價比,體積小,功耗低。由于本系統(tǒng)中的閃
存既要存儲DSP程序,又要保存對應于不同的伽瑪值的查找表數(shù)據(jù)以及部分預設的顯示數(shù)據(jù),故選擇ST公司的容量較大的M29W641DL,既能保存程序代碼,又能保存必要的數(shù)據(jù)信息。
圖2為DSP與閃存的接口電路。因為采用8位閃存引導方式,所以ADSP-21160地址線應使用A20-A0,數(shù)據(jù)線為D39—32,讀、寫和片選信號分別接到閃存相應引腳上。
系統(tǒng)功能及實現(xiàn)
本設計采用ADSP-21160完成伽瑪校正、時基校正、時鐘發(fā)生2S、圖像優(yōu)化和控制信號的產(chǎn)生等功能。
1伽瑪校正原理
在LCD中,驅動IC/LSI的DAC圖像數(shù)據(jù)信號線性變化,而液晶的電光特性是非線性,所以要調(diào)節(jié)對液晶所加的外加電壓,使其滿足液晶顯示亮度的線性,即伽瑪(Y)校正。Y校正是一個實現(xiàn)圖像能夠盡可能真實地反映原物體或原圖像視覺信息的重要過程。利用查找表來補償液晶電光特性的Y校正方法能使液晶顯示系統(tǒng)具有理想的傳輸函數(shù)。未校正時液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線呈S形。伽瑪表的作用就是通過對ADC進來的信號進行反S形的非線性變換,最終使液晶顯示系統(tǒng)的輸入輸出曲線滿足實際要求。
LCD的Y校正圖形如圖3所示,左圖是LCD的電光特性曲線圖,右圖是LCD亮度特性曲線和電壓的模數(shù)轉換圖。
2伽瑪校正的實現(xiàn)
本文采用較科學的Y校正處理技術,對數(shù)字三基信號分別進行數(shù)字Y校正(也可以對模擬三基信號分別進行Y校正)。在完成v校正的同時,并不損失灰度層次,使全彩色顯示屏圖像更鮮艷,更逼真,更清晰。
某單色光Y調(diào)整過程如圖4所示,其他二色與此相同。以單色光v調(diào)整為例:ADSP-21160首先根據(jù)外部提供的一組控制信號,進行第一次查表,得到Y調(diào)整系數(shù)(Y值)。然后根據(jù)該Y值和輸入的顯示數(shù)據(jù)進行第二次查表,得到經(jīng)校正后的顯示數(shù)據(jù)。第一次查表的Y值是通過外部的控制信號輸入到控制模塊進行第一次查表得到的。8位顯示數(shù)據(jù)信號可查表數(shù)字0～255種灰度級顯示數(shù)據(jù)(Y校正后)。
3圖像優(yōu)化
為了提高圖像質(zhì)量,ADSP-21160內(nèi)部還設計了圖像效果優(yōu)化及特技模塊,許多在模擬處理中無法進行的工作可以在數(shù)字處理中進行,例如,二維數(shù)字濾波、輪廓校正,細節(jié)補償頻率微調(diào)、準確的彩色矩陣(線性矩陣電路),黑斑校正、g校正、孔闌校正、增益調(diào)整、黑電平控制及雜散光補償、對比度調(diào)節(jié)等,這些處理都提高了圖像質(zhì)量。
數(shù)字特技是對視頻信號本身進行尺寸、位置變化和亮,色信號變化的數(shù)字化處理,它能使圖像變成各種形狀,在屏幕上任意放縮,旋轉等,這些是模擬特技無法實現(xiàn)的。還可以設計濾波器來濾除一些干擾信號和噪聲信號等,使圖像的清晰度更高,更好地再現(xiàn)原始圖像。所有的信號和數(shù)據(jù)都是存儲在DSP內(nèi)部,由它內(nèi)部產(chǎn)生的時鐘模塊和控制模塊實現(xiàn)的。
4時基校正及系統(tǒng)控制
由于ADSP-21160內(nèi)部各個模塊的功能和處理時間不同,各模塊之間存在一定延時,故需要進行數(shù)字時基校正,使存儲器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴格對齊,而不會出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。數(shù)字時基校正主要用于校正視頻信號中的行,場同步信號的時基誤差。首先,將被校正的信號以它的時基信號為基準寫入存儲器,然后,以TFT-LCD的時基信號為基準讀出,即可得到時基誤差較小的視頻信號。同時它還附加了其他功能,可以對視頻信號的色度、亮度、飽和度進行調(diào)節(jié),同時對行、場相位、負載波相位進行調(diào)節(jié),并具有時鐘臺標的功能。
控制模塊主要負責控制時序驅動邏輯電路以管理和操作各功能模塊,如顯示數(shù)據(jù)存儲器的管理和操作,負責將顯示數(shù)據(jù)和指令參數(shù)傳輸?shù)轿?負責將參數(shù)寄存器的內(nèi)容轉換成相應的顯示功能邏輯。內(nèi)部的信號發(fā)生器產(chǎn)生控制信號及地址,根據(jù)水平和垂直顯示及消隱計數(shù)器的值產(chǎn)生控制信號。此外,它還可以接收外部控制信號,以實現(xiàn)人機交互,從而使該電路的功能更加強大,更加靈活。此外,ADSP21160的內(nèi)部還設計了I2C總線控制模塊,模擬FC總線的工作,為外部的具有I2C接口的器件提供SCLK(串行時鐘信號)和SDA(雙向串行數(shù)據(jù)信號)。模擬I2C工作狀態(tài)如圖5和圖6所示。
系統(tǒng)軟件實現(xiàn)
在軟件設計如圖7所示,采用Matlab軟件計算出校正值,并以查找表的文件形式存儲,供時序的調(diào)用。系統(tǒng)上電
開始,首先要完成ADSP-21160的一系列寄存器的設置,以使DSP能正確有效地工作。當ADSP-21160接收到有效的視頻信號以后,根據(jù)外部控制信息確定Y值。為適應不同TFT-LCD屏對視頻信號的顯示,系統(tǒng)可以通過調(diào)整Y值,以調(diào)節(jié)顯示效果到最佳。再如圖4所示,對先前預存的文件進行查表,得到所需的矯正后的值,然后暫存等待下一步處理。系統(tǒng)還可以根據(jù)視頻信號特點和用戶需要完成一些圖像的優(yōu)化和特技,如二維數(shù)字濾波、輪廓校正、增益調(diào)整、對比度調(diào)節(jié)等。這些操作可由用戶需求選擇性使用。利用ADSP-21160還可以實現(xiàn)圖像翻轉、停滯等特技。最后進行數(shù)字時基校正,主要用于校正視頻信號中的行、場同步信號的時基誤差,使存儲器最終輸出的數(shù)據(jù)能嚴格對齊,而不會出現(xiàn)信息的重疊或不連續(xù)。除了以上所述的主要功能以外,ADSP-21160還根據(jù)時序控制信號,為灰度電壓產(chǎn)生電路和TFT-LCD屏提供必要的控制信號。另外,ADSP-21160還能設置驅動通用I/O腳配置的LED燈,顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。
1飛行原理與機械結構
四旋翼飛行器的旋翼對稱地安裝在呈十字交叉的支架頂端，位置相鄰的旋翼旋轉方向相反，同一對角線上的旋翼旋轉方向相同，以此確保了飛行系統(tǒng)的扭矩平衡［7］，如圖1所示。四旋翼飛行器旋翼的旋轉切角是固定值，因此，要通過調(diào)節(jié)每個電機的轉速來實現(xiàn)六自由度的飛行姿態(tài)控制。增大或減少4個電機的轉速來完成垂直方向上的升降運動，調(diào)節(jié)1，3旋翼的轉速差來控制仰俯速率和進退運動，調(diào)節(jié)2，4旋翼的轉速差來控制橫滾速率和傾飛運動，調(diào)節(jié)2個順時針旋轉電機和2個逆時針旋轉電機的相對速率來控制偏航運動。通過對飛行原理的分析，把可行性、低成本、易維護作為主要考慮因素，設計的樣機如圖2所示。機臂由鏤空工程塑料材料PA66和30%玻璃纖維制成，質(zhì)量相對較輕，強度大，對稱電機軸距55cm，為保證水平起飛與平穩(wěn)著陸，四旋翼飛行器底部安裝起落架。電機旋翼等具體參數(shù)為:機體質(zhì)量為857g;最大負載約為300g;機身高度為31cm;飛行時間約為8min。在整機安裝過程中盡量保證重心在機械機構的對稱中心，實際飛行實驗證明了系統(tǒng)動力設備與機械結構的可行性。
2總體結構設計
四旋翼飛行器的硬件系統(tǒng)設計以飛控板為核心，搭載動力設備、電源模塊與遙控模塊。圖3描述了以ATMEGA644P—AU為核心芯片搭載多傳感器的飛行控制系統(tǒng)總體結構框圖，整體系統(tǒng)利用11．1V鋰電池供電，飛控與無刷電調(diào)以I2C總線數(shù)據(jù)傳輸來調(diào)節(jié)4個電機的轉速;在遙控模塊中，2．4MHz的控制信號通過PPM解碼板與飛控板進行數(shù)據(jù)傳輸;在多傳感器系統(tǒng)中，大氣壓力感器用行高度檢測，陀螺儀與加速度計的融合使用用于姿態(tài)解算。
3電源模塊
四旋翼飛行器由2200MAh，11．1V，持續(xù)放電倍率30C鋰電池供電，通過穩(wěn)壓電路的設計對不同電路進行供電，確保各模塊正常穩(wěn)定的工作?？刂葡到y(tǒng)設計需要5，3V兩種電平供電，電壓轉換電路如圖4所示。由鋰電池提供的11．1電壓經(jīng)兩塊7805穩(wěn)壓芯片后轉為5V電壓，一部分用控板供電，一部分向預留的外部接口供電。經(jīng)7805輸出的5V電壓經(jīng)過2個MCP1700T穩(wěn)壓芯片輸出3V電壓，一部分供給控制系統(tǒng)的數(shù)字電路，一部分供給控制系統(tǒng)的模擬電路。330μF/25V電解電容器，10nF/16V鉭電容器，貼片電容器的并聯(lián)使用起到了防止電壓抖動與濾波的作用。
4多傳感器控制模塊
為了準確地控制四旋翼飛行器的飛行姿態(tài)，需要在控制系統(tǒng)中加入不同的傳感器，加速度傳感器與三個陀螺儀來測量三軸加速度與角速度，大氣壓力傳感器通過測量起始位置與飛行位置的氣壓差對飛行高度控制，為自主導航功能提供支持。大氣壓力傳感器選擇的是Freescale公司的MPX4250A，在該集成傳感器芯片上，除具有壓阻式壓力傳感器外，還有用作溫度補償?shù)谋∧る娮杈W(wǎng)絡，測壓范圍為20～250kPa，輸出電壓為0．2～4．9V，工作溫度范圍為－40～+125℃。電路如圖5所示，可以根據(jù)壓力的大小，通過控制P_1和P_2選擇不同的放大倍數(shù)，提高采樣的精度。LIS344ALH是一種低功耗、高性能、高精度的三軸加速度傳感器，通過模擬輸出為外部電路提供直接測量信號，加速度傳感器的工作電壓為2．2～3．6V，檢測量程可以在±2gn或±4gn間選擇。其中，VREF為通過穩(wěn)壓芯片MCP1700T轉換為3V的穩(wěn)定電壓輸入。應用電路如圖6所示，選擇100nF的貼片電容器作為VCC端的解耦電容，在輸出端使用1μF的濾波電容減小噪聲。考慮到振動誤差無法通過加速度傳感器進行補償，因此，陀螺儀選型的過程中把機械性能作為重要的考慮因素，選擇了可以在單芯片上實現(xiàn)完整單軸角速度響應的ADXRS610陀螺儀傳感器。3個ADXRS610陀螺儀分別安裝于垂直于機體坐標系的XYZ軸來實現(xiàn)系統(tǒng)三軸角速度的測量。
5實驗與仿真
四旋翼飛行器在姿態(tài)解算時，陀螺儀傳感器直接測量的是角速度，在積分得到角度的過程中隨著時間的增長會產(chǎn)生累計積分誤差，積分誤差產(chǎn)生的原因一方面是積分時間，另一方面，由于自身的機械特性會產(chǎn)生零漂溫漂等現(xiàn)象［8］。在陀螺儀的使用過程中融合加速度傳感器，不僅為陀螺儀提供了絕對參考系，而且使加速度傳感器優(yōu)秀的靜態(tài)性能與陀螺儀良好的動態(tài)性能相結合［9］，較好地抑制了外界干擾。數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波算法處理后，可有效地降低數(shù)據(jù)噪聲。圖8為加速度傳感器采樣數(shù)據(jù)與卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)比較，可以明顯地看到噪聲信號減小了，但是仍有少量的擾動存在。圖9的曲線表明了陀螺儀采集角速度數(shù)據(jù)存在零漂、溫漂現(xiàn)象，當確定零漂為0．05°，靜態(tài)輸出電壓為2．63V時，從波形圖中可以觀察到通過卡爾曼濾波處理后的積分數(shù)據(jù)平滑收斂，不但對零點漂移進行了補償，而且對累計積-10-5051015角度/（°）012345時間/s卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)加速度計采集數(shù)據(jù)圖8加速度計采樣數(shù)據(jù)經(jīng)卡爾曼濾波后的數(shù)據(jù)圖Fig8DatadiagramofsamplingdatasofaccelerometerprocessedbyKalmanfiltering分誤差，溫漂有較好的抑制作用。-10-5051015角度/（°）012345時間/s卡爾曼濾波后的陀螺儀數(shù)據(jù)陀螺儀積分數(shù)據(jù)采集角速度數(shù)據(jù)。
6結論
關鍵詞：加密卡PCI總線PCI9052ISP單片機
加密是對軟件進行保護的一種有效手段。從加密技術的發(fā)展歷程及發(fā)展趨勢來看，加密可大體劃分為軟加密和硬加密兩種。硬加密的典型產(chǎn)品是使用并口的軟件狗，它的缺點是端口地址固定，容易被邏輯分析儀或仿真軟件跟蹤，并且還占用了有限的并口資源。筆者設計的基于PCI總線的加密卡具有以下幾個優(yōu)點：第一，PCI總線是當今計算機使用的主流標準總線，具有豐富的硬件資源，因此不易受資源環(huán)境限制；第二，PCI設備配置空間采用自動配置方式，反跟蹤能力強；第三，在PCI擴展卡上易于實現(xiàn)先進的加密算法。
1總體設計方案
基于PCI總線的加密卡插在計算機的PCI總線插槽上（5V32Bit連接器），主處理器通過與加密卡通信，獲取密鑰及其它數(shù)據(jù)。加密卡的工作過程和工作原理是：系統(tǒng)動態(tài)分配給加密卡4字節(jié)I／O空間，被加密軟件通過驅動程序訪問該I／O空間；加密卡收到訪問命令后，通過PCI專用接口芯片，把PCI總線訪問時序轉化為本地總線訪問時序；本地總線信號經(jīng)過轉換處理后，與單片機相連，按約定的通信協(xié)議與單片機通信。上述過程實現(xiàn)了主處理器對加密卡的訪問操作。
圖1硬件總體設計方案
下面以主處理器對加密卡進行寫操作為例，闡述具體的實現(xiàn)方法。加密卡采用PLX公司的PCI9052作為PCI總線周期與本地總線周期進行轉換的接口芯片。PCI9052作為PCI總線從設備，又充當了本地總線主設備，對其配置可通過EEPROM93LC46B實現(xiàn)。主處理器對加密卡進行寫操作，PCI9052把PCI總線時序轉化為8位本地數(shù)據(jù)總線寫操作。這8位本地數(shù)據(jù)總線通過Lattice公司的ispLSI2064與單片機AT89C51的P0口相連，2064完成PCI9052本地總線與AT89C51之間的數(shù)據(jù)傳輸、握手信號轉換控制等功能。2064對8位本地數(shù)據(jù)總線寫操作進行處理，產(chǎn)生中斷信號。該中斷信號與AT89C51的INT0＃相連，使AT89C51產(chǎn)生中斷。AT89C51產(chǎn)生中斷后，檢測與其P2口相連的本地讀寫信號WR＃、RD＃、LW／R＃。當WR＃為低電平、LW／R＃為高電平時，AT89C51判斷目前的操作是否為寫操作。確認是寫操作后，AT89C51把P0口上的8位數(shù)據(jù)取下來，然后用RDY51＃（經(jīng)2064轉換后）通知PCI9052的LRDYi＃，表明自己已經(jīng)把當前的8位數(shù)據(jù)取走，可以繼續(xù)下面的工作。PCI9052收到LRDYi＃有效后，結束當前的8位數(shù)據(jù)寫操作。PCI總線的一次32位數(shù)據(jù)寫操作，PCI9052本地總線需要四次8位數(shù)據(jù)寫操作，通過字節(jié)使能LBE1＃、LBE0＃區(qū)分當前的8位數(shù)據(jù)是第幾個字節(jié)有效。
加密卡硬件總體設計方案如圖1所示。
2硬件各組成部分說明
2．1PCI9052部分
PCI9052是PCI總線專用接口芯片，采用CMOS工藝，160引腳PQFP封裝，符合PCI總線標準2．1版。其總線接口信號與PCI總線信號位置對應，因此可直接相連，易于PCB實現(xiàn)。PCI9052的最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達132MB／s；本地時鐘最高可至40MHz，且無需與PCI時鐘同步；可通過兩個本地中斷輸入或軟件設置產(chǎn)生PCI中斷。它支持三種本地總線工作模式，實際設計采用地址和數(shù)據(jù)線非復用、8位本地數(shù)據(jù)總線、非ISA模式。
PCI9052內(nèi)部有一個64字節(jié)PCI配置空間，一個84字節(jié)本地配置寄存器組。對PCI9052的配置可由主機或符合3線協(xié)議的串行EEPROM完成（注：ISA模式必須由串行EEPROM完成配置）。實際設計采用Microchip公司的93LC46B存放配置信息。系統(tǒng)初始化時，自動將配置信息裝入PCI9052，約需780μs。如果EEPROM不存在或檢測到空設備，則PCI9052設置為默認值。
在設計中，EEPROM用到的配置項目有：設備ID：9050；廠商ID：10B5；分類代碼：0780；子系統(tǒng)ID：9050；子系統(tǒng)廠商ID：10B5；支持INTA＃中斷，PCI3C：0100；分配4字節(jié)本地I／O空間：（例LAS0RR）0FFFFFFD；其它本地地址空間未使用：00000000；4字節(jié)本地I／O空間基地址（模4對齊）：（LAS0BA）01200001（僅為示例）；4字節(jié)本地I／O空間描述符：（LAS0BRD）00000022（非猝發(fā)、LRDYi＃輸入使能、BTERM＃輸入不使能、不預取、各內(nèi)部等待狀態(tài)數(shù)均為0、8位本地數(shù)據(jù)總線寬度、小Endian模式）；中斷控制／狀態(tài)，Local4C：00000143（LINTi1使能、LINTi1邊沿觸發(fā)中斷選擇使能、LINTi2不使能、PCI中斷使能、非軟件中斷、ISA接口模式不使能）；UserI／O、從設備應答、串行EEPROM、初始化控制，Local50：00024492。有兩點要注意：一是設計中采用PLX公司推薦使用的串行EEPROM93LC46B按字（16bit）為單位組織；二是EEPROM開發(fā)器編輯輸入與手工書寫的順序對應關系，以廠商ID：10B5為例，在開發(fā)器編輯輸入的是b510，而不是10B5。
PCI9052本地信號的含義是：LAD[7．．0]：本地8位數(shù)據(jù)總線；WR＃：寫有效；RD＃：讀有效；LW／R＃：數(shù)據(jù)傳輸方向，高電平為寫操作，低電平為讀操作；LBE1＃和LBE0＃：字節(jié)使能，表明當前LAD[7．．0]上的數(shù)據(jù)是第幾個字節(jié)（0到3）；BLAST＃：PCI9052寫數(shù)據(jù)準備好或讀數(shù)據(jù)已取走；LRDYi＃：外部設備（此設計指單片機）已把PCI9052寫操作數(shù)據(jù)取走或讀操作數(shù)據(jù)準備好；LINTi1：外部設備通過LINTi1向主機發(fā)送INTA＃中斷，當單片機驗證密鑰正確，向主處理器發(fā)送請求，表明可以開始從中讀取相關數(shù)據(jù)。
需注意的是，PCI9052在使用時，某些引腳要加阻值為1kΩ～10kΩ的下拉或上拉電阻。因此在實現(xiàn)時，給MODE、LHOLD、LINTi1引腳加下拉電阻，CHRDY、EEDO、LRDYi＃引腳加上拉電阻。
圖2PCI9052本地寫時序
以主處理器向單片機寫數(shù)據(jù)為例，圖2給出了PCI9052的本地寫時序。
2．2ispLSI2064部分
為降低數(shù)據(jù)被解析的風險，應盡量減少使用分離元件。因此在設計中選用了Lattice公司的CPLDispLSI2064。該芯片采用EECMOS技術，100引腳TQFP封裝，擁有2000個PLD門，64個I／O引腳另加4個專用輸入，64個寄存器，3個全局時鐘，TTL兼容的輸入輸出信號。2064具有在系統(tǒng)可編程ISP（In－SystemProgrammable）功能，可方便實現(xiàn)硬件重構，易于升級，降低了設計風險，并且安全性能高。PCI9052與單片機之間的8位數(shù)據(jù)線進行雙向數(shù)據(jù)傳輸，不能簡單地直接相連，需要進行傳輸方向控制和數(shù)據(jù)隔離。故用2064作為PCI9052本地信號與單片機信號進行信號傳遞的接口，圖3給出了8位數(shù)據(jù)信號雙向傳輸?shù)脑韴D。2064的開發(fā)軟件ispDesignExpert8．2版支持VHDL、VerilogHDL、Abel等語言及原理圖輸入，且通過專用下載電纜可把最終生成的JEDEC文件寫入2064，實現(xiàn)編程。在設計時采用了原理圖輸入的方法。
原理圖中用到的BI18的功能描述為：當OE＝1時，XB為輸出，A為輸入，即XB＝A；當OE＝0時，XB為輸入，Z為輸出，即Z＝XB。FD28的功能描述為：8位D觸發(fā)器（帶異步清除）。結合PCI9052本地讀寫時序，可以分析得出，在進行讀寫操作時，圖3實現(xiàn)了LAD[7．．0]與D[7．．0]之間正常的數(shù)據(jù)傳輸；在非讀寫時，雙方數(shù)據(jù)處于正常隔離狀態(tài)。
2．3單片機AT89C51部分
單片機采用ATMEL公司的AT89C51。這是一個8位微處理器，采用CMOS工藝，40引腳DIP封裝。它含有4K字節(jié)Flash和128字節(jié)RAM，且自身具有加密保護功能。單片機不進行外部存儲器和RAM的擴展，程序存儲和運行均在片內(nèi)完成，有效地保證了加密強度。
圖3LAD[7..0]與D[7..0]之間的數(shù)據(jù)傳輸
關鍵詞：VoIPPCIFXS路由器語音壓縮
1VoIP在路由器中的應用
近年來，VoIP（VoiceoverInternetProtocol）給通信市場帶來了強大的沖擊。IP語音業(yè)務推出后，由于其在通話費用上比傳統(tǒng)電話具有突出的優(yōu)勢，因而受到了廣泛歡迎。VoIP技術在路由器中應用，可以大大節(jié)省有多個部門在不同地方辦公的企業(yè)或機構的電話費用。圖1為一個VoIP路由器在公安分局與派出所間應用的方案。
派出所網(wǎng)點的路由器DCR－2501V和DCR－2509V使用FR（幀中繼）或DDN線路同分局的DCR－3660實現(xiàn)互連，各網(wǎng)點的計算機可通過路由器連接分局的局域網(wǎng)或Internet，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；同時，DCR－2501V或DCR－2509V通過FXS語音端口連接普通電話機，分局路由器通過E＆M接口和PBX連接，這樣既可以實現(xiàn)內(nèi)部各部門間的數(shù)據(jù)通信，同時還可進行零費用的語音通話。
VoIP在費用上呈現(xiàn)巨大優(yōu)勢的原因在于其利用了計算機通訊的分組化、數(shù)字化傳輸技術，先對語音數(shù)據(jù)按照一定的語音壓縮標準進行壓縮編碼處理，然后把這些數(shù)據(jù)按IP相關協(xié)議打包，再將數(shù)據(jù)包通過IP網(wǎng)絡傳輸?shù)浇邮斩?，接收端將這些以不同順序到達的數(shù)據(jù)包按其本身順序串起來，并經(jīng)過解碼解壓恢復出原來的語音信號。與傳統(tǒng)的語音業(yè)務相比，VoIP在時間延遲、話音質(zhì)量等方面存在缺陷?？梢圆捎靡恍┫冗M的協(xié)議如資源預留協(xié)議（RSVP）和不同類型服務（Diffserv）等方案來盡可能的優(yōu)化語音數(shù)據(jù)包的傳輸，以減少傳輸延遲和擁塞。
目前，VoIP的標準主要有國際電信聯(lián)盟技術部（ITU－T）建議的H．323系統(tǒng)和IETF建議的會話發(fā)起協(xié)議（SessionInitiationProtocol，SIP）系統(tǒng)兩種。前者主要在電信網(wǎng)絡上實現(xiàn)多媒體業(yè)務制訂，技術已趨成熟。后者基于動態(tài)的Internet模式建網(wǎng)，是基于軟交換技術的面向網(wǎng)絡會議和電話的簡單信令協(xié)議。在我國，主要選用H．323技術標準來實現(xiàn)VoIP，在H．323系列標準中，音頻壓縮編碼標準有G．711、G．722、G．723和G729等。
本文將介紹一種已經(jīng)應用于路由器產(chǎn)品中的VoIP語音卡的硬件設計和工作原理。
2VoIP語音卡硬件結構
該語音卡基于AudioCodes公司的VoPP（VoiceOverPacketProcessor，即語音包處理器）AC48302設計，采用PCI接口界面，可提供兩個FXS（ForeignExchangeStation）語音／傳真接口，可以方便靈活地應用于本公司開發(fā)的系列路由器中，實現(xiàn)VoIP功能。其硬件結構框圖如圖2所示，以下介紹各部分硬件的原理和作用。
2．1PCI接口
路由器主板與語音卡之間通過PCI總線連接，便于通用。采用了PCI接口芯片PLX9030實現(xiàn)語音卡本地總線（HPI）與PCI總線之間的轉換。由于語音卡上數(shù)據(jù)流量不大，不需要利用如DMA方式主動向路由器主板上的Memory空間傳遞數(shù)據(jù)。因此，語音卡工作于PCI的從模式方式，AC48302通過中斷方式接收或發(fā)送語音數(shù)據(jù)，PCI總線的數(shù)據(jù)寬度和速度為32位／33MHz。
2．2CPLD部分
AC48302采用8位并行的主處理器接口HPI與外部CPU（即路由器CPU）進行數(shù)據(jù)交換。在本設計中，HPI接口與PLX9030的本地總線接口時序稍有差別，經(jīng)過CPLD進行調(diào)整。另外，路由器CPU還可通過CPLD控制CODEC和SLIC芯片。
2．3AC48302芯片
AC48302是AudioCodes公司推出的一款低功耗、低價格的雙通道語音包處理器，其內(nèi)部集成了一個DSP內(nèi)核。該芯片的主要特性如下：
·支持兩個通道的語音壓縮編碼，語音壓縮標準包括G．729A、G．723．1、G．727、G．726、G．711。
·兼容T．38或FRF．11傳真中繼（2．4～14．4kbps）。
·呼叫ID產(chǎn)生和檢測，呼叫進程和用戶定義語音的檢測和產(chǎn)生。
·兼容G．168的25ms回聲消除。
·高性能的有效語音檢測（VAD）和舒適噪聲產(chǎn)生（CNG）。
·DTMF檢測和產(chǎn)生。
·A律／μ律可選的Codec接口，具有輸入輸出增益控制。
·PCMHighway接口。
·并行的主處理器接口（HPI）。
AC48302各部分硬件接口如圖3所示。
圖4AC48302HPI存儲器的映射關系
2．3．1語音接口（VoiceInterface）
語音接口提供未壓縮的語音、傳真數(shù)據(jù)的輸入輸出通道。語音接口對外提供四根信號線構成PCM總線，直接連接外部CODEC芯片的PCMHighway。這四根信號線為PCMIN、PCMOUT、PCMCLK、PCMFS。PCMIN輸入從CODEC送來的PCM信號，AC48302內(nèi)部的DSP按照相應標準（如G．729）壓縮后從HPI給路由器CPU轉發(fā)。PCMOUT則相反，AC48302將路由器CPU送來的語音數(shù)據(jù)按照合適的標準解壓縮，然后從PCMOUT口送到外部CODEC，CODEC經(jīng)過數(shù)／模轉換后恢復成語音信號?熏通過用戶接口送給用戶端。PCMCLK提供2．048MHz的比特同步時鐘，而PCMFS提供8kHz的幀同步時鐘。
2．3．2HPI接口
在本設計中，路由器CPU與AC48302通過HPI口進行通信。路由器CPU和DSP通過AC48302的片內(nèi)共享的雙口存儲器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。片內(nèi)共享存儲器的映射關系見圖4。
HPI接口包括1根8位數(shù)據(jù)總線和幾根控制總線。路由器CPU通過三個寄存器（HPIC、HPIA和HPID）控制AC48302及訪問片內(nèi)存儲空間。HPIC為控制寄存器，用來選擇AC48302的高低字節(jié)順序、產(chǎn)生和接收中斷。HPIA為地址寄存器，用來尋址片內(nèi)的2K存儲空間。HPID為數(shù)據(jù)寄存器，用來緩存每次讀寫的兩個字節(jié)數(shù)據(jù)，外部CPU可以單個Word或塊數(shù)據(jù)方式訪問HPID，當以塊數(shù)據(jù)方式訪問時，HPIA寄存器自動累加，這樣可以減少外部CPU寫HPIA寄存器的開銷。AC48302的內(nèi)部寄存器和存儲器為16位寬度，因此外部CPU每次訪問AC48302必須以兩個字節(jié)為基本單位，信號線HI／LO用來選擇高低字節(jié)，信號HRS1、HRS0指示當前訪問的是哪個寄存器。
除了以上兩個重要的接口外，AC48302內(nèi)部還包含一個PCM時鐘發(fā)生器、一個用于測試的JTAG接口以及一個用于訪問外部SRAM及處理信道輔助信令的Memory＆I／O接口。
2．4CODEC接口芯片
CODEC芯片負責對DSP解壓縮后送來的PCM數(shù)據(jù)進行解碼，并將濾波后的模擬語音信號送到用戶線接口芯片SLIC，SLIC對其進行2－4線轉換后送給用戶端；同時，CODEC還負責將SLIC送來的模擬語音信號進行PCM編碼，然后送到DSP芯片進行壓縮處理。
本設計中，CODEC芯片采用IDT公司的4通道PCM編解碼芯片IDT821034。該芯片具有可編程增益設置、主時鐘可選（2．048MHz、4．096MHz和8．192MHz）、最大可支持128個可編程時隙、A律／μ律可選、內(nèi)置數(shù)字濾波器、串行控制接口、低功耗等特點。本設計中選用主時鐘為2．048MHz（E1幀模式），可劃分為32個相等的時隙（Slot0～Slot31），4個通道的接收和發(fā)送時隙可通過向串行控制口寫入控制字進行動態(tài)選擇。各時隙的位置都以8kHz的幀同步時鐘信號為參考，在IDT821034中，時隙0相對幀同步脈沖的位置有延遲模式和非延遲模式（圖6即為非延遲模式）。
PCM主時鐘（BCLK）、幀同步時鐘（FS）、接收數(shù)據(jù)（DR）和發(fā)送數(shù)據(jù)（DX）一起構成PCMHighway信號，與AC48302進行連接。BCLK與FS分別對應AC48302的PCMCLK和PCMFS，這兩個時鐘信號都由AC48302產(chǎn)生；DR和DX分別對應AC48302的PCMOUT和PCMIN。PCMHighway信號時序以及時隙與幀同步信號的關系分別如圖5、圖6所示。為了CODEC與DSP芯片間正確收發(fā)數(shù)據(jù)，一般選擇CODEC芯片在BCLK的上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)DX，下降沿采樣數(shù)據(jù)DR，而在另一端的AC48302，則在時鐘下降沿采樣PCMIN，上升沿發(fā)送PCMOUT。
2．5用戶線接口（SLIC）芯片
設計中為了使語音卡能夠提供FXS接口功能，采用了愛立信公司的新型SLIC芯片PBL83710連接用戶接口。在該芯片內(nèi)部能夠產(chǎn)生高電壓鈴流信號及提供自動電池饋電切換，具有環(huán)流振鈴和地鍵檢測功能及2－4線轉換功能。該芯片將許多傳統(tǒng)的振鈴繼電器、鈴流發(fā)生器等器件集成在一個片內(nèi)，節(jié)省了印制板空間和成本。
3VoIP語音卡硬件驅動流程
硬件驅動程序主要完成以下功能：
（1）初始化PLX9030芯片，配置相關寄存器，選擇本地總線工作方式。
（2）初始化AC48302芯片，啟動AC48302內(nèi)部的DSP內(nèi)核到正常工作狀態(tài)。AC48302的啟動步驟按順序分為以下幾步：核代碼（Kernel）下載；程序代碼（Program）下載；初始化模式；啟動運行。
關鍵詞：PCI總線WDM驅動MPEG－1壓縮卡
隨著計算機技術、多媒體和數(shù)據(jù)通信技術的高速發(fā)展，人們生活水平的提高，對計算機視頻的需求和應用越來越多，如視頻監(jiān)控、視頻會議、計算機視覺等。計算機視頻提供給人的信息很多，但是視頻的數(shù)據(jù)量很大，不利于傳輸和存儲，使其應用受到不少限制。為解決視頻數(shù)據(jù)的存儲和傳輸，唯一途徑就是對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。
目前常見的視頻壓縮方法有MPEG－1、MPEG－2、MPEG－4、H．261、H．263等?？紤]壓縮技術的成熟度和該壓縮卡的主要用途，本文采用MPEG－1作為壓縮標準，研制了基于PCI總線的MPEG－I壓縮卡。該卡適用于視頻監(jiān)控、視頻會議等多種應用場合。該卡加上一臺主機、攝像頭和軟件可構成一個完整的視頻采集壓縮系統(tǒng)。
1系統(tǒng)特點
（1）支持BNC、RCA、S－VIDEO視頻接口；
（2）支持PAL和NTSC制式；
（3）可對視頻實時預覽，最大分辨率可達720×576×32；
（4）可對聲音進行同步監(jiān)聽；
（5）可對音、視頻信號進行MPEG－I壓縮，生成MPEG文件和VCD文件；
（6）用戶可編程MPEG－1編碼設置，可支持CBR和VBR；
（7）可一機多卡同時工作；
（8）可從動態(tài)影像中捕獲單幀，生成JPG和BMP文件；
（9）支持Win98／Win2000。
2系統(tǒng)硬件設計
2．1系統(tǒng)組成
該系統(tǒng)主要由視頻解碼、音頻解碼、壓縮核心和PCI接口等組成，其總體框圖如圖1所示。
2．2視頻解碼設計
視頻解碼部分主要完成模擬視頻到數(shù)字視頻的處理，以供后面預覽、壓縮用。視頻解碼芯片常用的有SAA7110、SAA7113和SAA7114等。本方案中采用Philips公司的SAA7114。SAA7114有六路模擬輸入，內(nèi)置模擬源選擇器可構成6×CVBS、2×Y／C2×CVBS、1×Y／C和4×CVBS；兩路模擬預處理通道，內(nèi)有抗混迭濾波器；CVBS或Y／C通道含完全可編程靜態(tài)增益控制或自動增益控制功能，對CVBS、Y／C通道可進行自動鉗位控制；能自動檢測50Hz／60Hz場頻，并可自動在PAL和NTSC制式進行切換；能將PAL、NTSC和SECAM信號解碼及模數(shù)變換得到符合ITU－601／ITU－656的數(shù)字電視信號。該芯片是目前視頻解碼芯片中接收視頻源的寬容性及視頻解碼圖像質(zhì)量最好的一種。其通過I2C接口，進行初始化設置。
本系統(tǒng)采用ImagePort作為數(shù)字視頻輸出端口，數(shù)字視頻格式采用ITU－656AI11（PIN20）作為BNC／RCA輸入腳，AI12、AI22作為S－VIDEO輸入腳。
圖2SAA7146A方框圖
2．3音頻解碼設計
音頻解碼的數(shù)據(jù)一部分提供給SAA7146A作聲音監(jiān)聽用，另一部分用于壓縮?？紤]到成本，本系統(tǒng)采用BURR－BROWN公司的PCM1800E。該芯片是雙聲道單片ΔΣ型20位ADC單＋5V電源供電，信噪比為95dB（典型值），動態(tài)范圍95dB（典型值），內(nèi)嵌高通濾波器，支持四種接口方式和四種數(shù)據(jù)格式。其采樣頻率為32kHz、44．1kHz和48kHz可選。
本系統(tǒng)采用從模式，20位I2S數(shù)據(jù)格式。主時鐘由SAA7114提供。
2．4MPEG－1壓縮部分設計
本系統(tǒng)中MPEG－I壓縮芯片選用ZAPEX公司的SZ1510。該芯片基于TI的TMS320C54xDSP內(nèi)核，能對ITU－601／ITU－656數(shù)字電視信號和PCM音頻流進行MPEG－1實時壓縮，可生成多種流，如音頻基本流、視頻基本流、音視頻復合流等。
該芯片外接27MHz晶振，可支持多種主機接口，可工作在復用或非復用、Intel或Motorola類型總線。通過輸入管腳HCONFIG1：0和SysConfig寄存器可設置成六種總線接口類型：Intel8051類型的數(shù)據(jù)／地址復用的8位總線、Motorola類型的數(shù)據(jù)／地址復用的8位總線、Intel8051類型的非復用的8位數(shù)據(jù)總線、Motorola類型的非復用的8位數(shù)據(jù)總線、Intel8051類型的非復用的16位數(shù)據(jù)總線和Motorola類型的非復用的16位數(shù)據(jù)總線。支持I2S聲音接口。
本系統(tǒng)中采用Intel8051類型的非復用的16位數(shù)據(jù)總線。
2．5PCI接口部分設計
本系統(tǒng)中PCI接口芯片選用SAA7146A，該芯片并不是通用的PCI接口芯片，而是一個多媒體橋（MultimediaBridge）。方框圖如圖2。該芯片符合PCI2．1規(guī)范。它有八個DMA通道，三個視頻，四個音頻，一個DEBI（DataExpansionBusInterface）。還具有兩路視頻通道，可對視頻數(shù)據(jù)進行縮放，一路可無級縮放HPS（HighPerformaceScaler，其縱向可達1：1024、橫向可達1：256；另一路有級縮放BRS（BinaryRatioScaler支持CIF和QCIF格式。
音頻接口以I2S為基礎，通過編程控制以支持MSB－FIRST的不同格式及不同的時序格式。
本系統(tǒng)中該部分主要實現(xiàn)功能如下：
（1）通過DEBI接收SZ1510產(chǎn)生的MPEG－1數(shù)據(jù)，傳輸?shù)絻?nèi)存；
（2）通過視頻接口，接收SAA7114輸出的視頻解碼信號，并進行亮度、色度、飽和度的控制，并實現(xiàn)無級縮放功能實現(xiàn)視頻預覽功能；
（3）通過音頻接口，接收PCM1800E輸出的PCM編碼信號，傳輸?shù)絻?nèi)存，實現(xiàn)聲音監(jiān)聽功能；
（4）提供符合PCI2．1規(guī)范的接口，將板上數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C內(nèi)存。
3軟件設計
軟件設計主要包括驅動程序設計和應用層的API設計。驅動程序主要負責與硬件打交道，應用層API主要負責與驅動程序接口。由于設計了應用層的API，應用程序可很容易在上面進行開發(fā)。
3．1驅動程序設計
為了支持Windows2000和Windows98采用WDMWindowsDriverModel驅動程序。WDM作為微軟的最新驅動程序模型與傳統(tǒng)的Win3．x和Win95使用的VxD驅動完全不同。WDM可支持電源管理、自動配置和熱插拔等。WDM驅動的設計可以采用DriverStudioDS、Windriver、DDKDriverDeviceKit等。本系統(tǒng)驅動采用Windows2000DDK借助VC6．0設計。
3．1．1MPEG－I壓縮部分
在驅動中，重置SZ1510后，就可以裝載相應工作模式的微碼；根據(jù)需要，設置好相應寄存值后就可以啟動SZ1510對視頻數(shù)據(jù)進行MPEG－1編碼。每當產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)超過SZ1510內(nèi)部的FIFO門限后，SZ1510產(chǎn)生相應中斷，內(nèi)核調(diào)用中斷例程，在中斷例程中調(diào)用中斷延遲例程DPC，在中斷延遲例程中接收產(chǎn)生的壓縮數(shù)據(jù)。SZ1510提供兩種方式提取數(shù)據(jù)，一種用I2C總線接口方式，另一種用DEBI方式。
在本系統(tǒng)中，采用DEBI進行壓縮數(shù)據(jù)的傳輸?？紤]到壓縮數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度，本系統(tǒng)開了32頁大小的緩沖區(qū)，在中斷延遲例程中填充該緩沖區(qū)。每當填滿8頁大小后，產(chǎn)生一個事件通知應用層進行數(shù)據(jù)讀取。通過這種方式，可以避免壓縮數(shù)據(jù)的丟失。
其流程圖如圖3所示。
在驅動中，壓縮數(shù)據(jù)的提取方式將極大地影響生成MPEG文件的質(zhì)量。如果處理不當，將導致馬賽克、跳幀等現(xiàn)象。
3．1．2驅動程序中用戶緩沖區(qū)的訪問
驅動程序訪問用戶內(nèi)存主要通過緩沖I／O和直接I／O。緩沖I／OI／O管理器創(chuàng)建一個內(nèi)核模式拷貝緩沖區(qū)，并把用戶緩沖區(qū)的內(nèi)容拷貝到該緩沖區(qū)中，并在IRP首部的AssociateIrp．SystemBuffer域中存儲該非分頁內(nèi)存地址。驅動程序可簡單地讀寫該塊內(nèi)存。直接I／O，I／O管理器為輸入數(shù)據(jù)提供一個內(nèi)核模式拷貝緩沖區(qū)，對輸出數(shù)據(jù)提供一個內(nèi)存描述符（MDL）。為了使用緩沖I／O或直接I／O在創(chuàng)建設備時，必須設置設備對象的Flags域中的DO＿BUFFERED＿IO標志位來使用緩沖I／O或設置DO＿DIRECT＿IO標志位來使用直接I／O。
在本驅動中由于緩沖I／O和直接I／O都被使用，DO＿BUFFERED＿IO標志位和DO＿DIRECT＿IO標志位都被設置。
在定義IOCTL碼中，對緩沖I／O使用METHOD＿BUFFEERED對直接I／O使用METHOD＿OUT＿DIRECT。
3．2應用層API設計
應用層對驅動程序的訪問通過調(diào)用Win32I／O函數(shù)（如ReadFile、WriteFile和DeviceIoControl）訪問。當應用層調(diào)用Win32I／O函數(shù)以請求I／O后，該請求由內(nèi)核的I／O系統(tǒng)服務接收，I／O管理器對該請求構造合適的IRP包，并將其傳給驅動程序棧，IRP在棧中進行傳遞，傳到驅動程序進行處理，并將結果返回給應用程序。
關鍵詞：變壓器；冷卻控制系統(tǒng)；硬件
1變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制模塊的設計總體思想
本文所進行的就是對變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器模塊進行設計，其中包括了可以對主變壓器風扇投入與切除的溫度范圍進行自行設定，也可以按照用戶的要求而變化。在傳統(tǒng)控制方式中，風扇投切的溫度限制值是不能改變的，此外，風扇電機的啟動和停止溫度有一余量，不像傳統(tǒng)的控制方式中是一個定值，避免了頻繁啟動的缺陷，此外還有運行、故障保護及報警等信號的顯示及其與控制中心或調(diào)度中心的通訊，上傳這些信息，如變壓器油溫、風扇運行狀態(tài)有無故障等。至于風扇的分組投切設置是為了節(jié)約電能，具有一定的經(jīng)濟意義，但這個分組數(shù)不宜過多，以免控制復雜，且散熱效果不佳。
控制器主要由AT89CS1單片機、A/D轉換器、鍵盤控制芯片，輸出模塊、通訊模塊以及自動復位電路等組成，其中單片機是控制器的核心，AID轉換器是把輸入信號轉換為數(shù)字信號。
2變壓器風扇控制系統(tǒng)的硬件接線
基于以上的要求，我們設計的風扇控制器的硬件線路圖如下頁圖1所示。變壓器風扇控制中對控制模塊進行改進是本文研究的重點，其中包括主要芯片的選用以及一些抗干擾元件的使用。所以在本章節(jié)中，我們重點將要介紹變壓器風扇冷卻控制模塊中的主要硬件芯片的作用、選用以及它們之間的連接力一法。
（1）單片機AT89C51（如圖1）。
AT89C51是Atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗，高性能的8位單片機，具有8k的flash可編程只讀存儲器，它采用Atmel公司的高密度不易丟失的存儲器技術，并且和工業(yè)標準的80c51和80c52的指令集合插腳引線兼容，其集成的flash允許可編程存儲器可以在系統(tǒng)或者通用的非易失性的存儲器編程中進行重新編程。AT89C51集成了一個8位的CPU，8K的flash。256字節(jié)的EDAM，32位的I/0總線。三個16字節(jié)的定時器/計數(shù)器，兩級六中段結構，一個全雙工的串行口，振蕩器及時鐘電路。AT89C51是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制的核心，所有其它器件都受其控制或為其服務。
在本文中，經(jīng)過TLC1543A/D轉換器后輸出的數(shù)字量輸入到AT89C51單片機中，同時在進行了溫度參數(shù)的設置以后，進行它的輸出控制，其中包括了變壓器的溫度顯示、狀態(tài)顯示、以及聲音報警設備等等，也就是我們所研究的變壓器冷卻控制系統(tǒng)的核心部分。
（2）變壓器的溫度采集及溫度處理模塊。在變壓器的風扇冷卻自動控制系統(tǒng)中，第一步進行的就是對變壓器上層油溫進行的溫度采集工作。變壓器的溫度采集是由變壓器的溫度控制器來實現(xiàn)的，其中包括鉑電極、傳感器以及變送器。經(jīng)過溫度控制器輸出的信號進入變送器，變送器送出一個4一20毫安的電流信號，然后將此電流信號通過控制芯片上的電阻元件實現(xiàn)電流電壓信號的轉換，轉換后的電壓是在0.4一2（伏特）之間，然后將此電壓信號輸入到TLC1543數(shù)模轉換器，進行信號處理。變送器輸出信號有電流和電壓信號兩種，考慮到變壓器安裝的位置（室外）距本控制裝置（室內(nèi)）有一定的距離，電流信號不易損失，故選擇了4一20毫安的電流信號。（3）11通道10位串行A/D轉換器丁LC1543。
TLC1543A/D轉換器是美國TI公司生產(chǎn)的眾多串行A/D轉換器中的一種，它具有輸入通道多、轉換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價格低廉等優(yōu)點，是一種高性價的模數(shù)轉換器。TLC1543是CMOS，10位開關電容逐次逼近模數(shù)轉換器。它有三個輸入端和一個3態(tài)輸出端：片選（CS），輸入/輸出時鐘（I/0CLOCK），地址輸入和數(shù)據(jù)輸出（DATAOUT）。這樣通過一個直接的四線接口與卞處理器或的串行口通訊。片內(nèi)還有14通道多路選擇器可以選擇11個輸入中的任何一個三個內(nèi)部自測試（self-test）電壓中的一個。
（4）BC7281128段LED顯示及64鍵鍵盤控制芯片。
BC7281是16位LED數(shù)碼管顯示器鍵盤接口專用控制芯片，通過外接移位寄存器（典型芯片如74HC164，74LS595等），最多可以控制16位數(shù)碼管顯示或128支獨立的LED。BC7281的驅動輸出極性及輸出時序均為軟件可控，從而可以和各種外部電路配合，適用于任何尺寸的數(shù)碼管。
BC7281各位可獨立按不同的譯碼方式譯碼或不譯碼顯示，譯碼方式顯示時小數(shù)點不受譯碼影響，使用方便；BC7281內(nèi)部還有一閃爍速度控制寄存器，使用者可隨時改變閃爍速度。
BC7281芯片可以連接最多64鍵C8*8）的鍵盤矩陣，內(nèi)部具有去抖動功能。它的鍵盤具有兩種工作模式，BC7281內(nèi)部共有26個寄存器，包括16個顯示寄存器和10個特殊（控制）寄存器，所有的操作均通過對這26個寄存器的訪問完成。
BC7281采用高速二線接口與MCU進行通訊，只占用很少的I/O資源和主機時間。
BC7281在本系統(tǒng)中主要用于驅動變壓器溫度顯示的LED以及顯示風扇運行狀態(tài)的指示燈。
前已提及，BC7281芯片內(nèi)部共有26個寄存器，包括16個顯示寄存器和10個特殊功能寄存器，共用一段連續(xù)的地址，其地址范圍是OOH-19H，其中OOH-OFH為顯示寄存器，其余為特殊寄存器。
（5）使用MAX232實現(xiàn)與PC機的通訊。
①MAX232芯片簡介
MAX232芯片是1VIAX工M公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器，適用于各種E工A-232E和V.28；V.24的通信接口，1VIAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源變換成RS-2320輸出電平所需±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。
我們的設計電路中選用其中一路發(fā)送/接收，RlOUT接MCS一51的RXD，T1工N接MCS一51的TXD，TlOUT接PC機的RD，Rl工N接PC機的TD1。因為MAX232具有驅動能力，所以不需要外加驅動電路。
系統(tǒng)中使用了此技術之后就實現(xiàn)了變壓器風扇冷卻系統(tǒng)的遠程控制，工作人員可以在控制室對冷卻系統(tǒng)進行控制，可以達到方便、準確、快捷的日的，這也是我們對傳統(tǒng)的風扇冷卻控制系統(tǒng)而做的一個重要的改進。
②串行通訊
在此實現(xiàn)中，我們必須要對MCS-51串行接日和PC機串行接日的串行通訊要有一定的了解，串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個二進制位移動的，它的優(yōu)點是只需一對傳輸線進行傳送信息，囚此其成本低，適用于遠即離通信；它的缺點是傳送速度低；串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方一式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復雜；而異步通信應用于傳送速度在50到19200波特之間，是比較常用的傳送方式，本文中使用的就是異步通訊方式。
（6）“看門狗”電路DS1232
在系統(tǒng)運行的過程中，為了避免因干擾或其他意外出現(xiàn)的運行中的死機的情況，“看門狗電路”DS1232會自動進行復位，并且能夠重讀EEPROM中的設置，以保證系統(tǒng)可以安全正常的運行。
美國Dallas公司生產(chǎn)的“看門狗”（WATCHDOG）集成電路DS1232具有性能可靠、使用簡單、價格低廉的特點，應用在單片機產(chǎn)品中能夠很好的提高硬件的抗干擾能力。
DS1232具有以下特點：
①具有8腳DIP封裝和16腳SOIC貼片封裝兩種形式，可以滿足不同設計要求；
②在微處理器失控狀態(tài)卜可以停止和重新啟動微處理器；
③微處理器掉電或電源電壓瞬變時可自動復位微處理器；
④精確的5%或10%電源供電監(jiān)視；
在本變壓器冷卻控制系統(tǒng)中，DS1232作為一定時器來起到自動復位的作用，在DS1232內(nèi)部集成有看門狗定時器，當DS1232的ST端在設置的周期時間內(nèi)沒有有效信號到來時，DS1232的RSR端將產(chǎn)生復位信號以強迫微處理器復位。這一功能對于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機是非常有效的，因為看門狗定時器的定時時間由DS1232的TD引腳確定，在本設計中，我們將其TD引腳與地相接，所以定時時間一般取為150ms。
3結論
本裝置實現(xiàn)了通過單片機自動控制冷卻器的各種運行狀態(tài)并能精確監(jiān)測變壓器的油溫和冷卻器的各種運行、故障狀態(tài)，顯示了比傳統(tǒng)的控制模式的優(yōu)越性。（1）能夠對變壓器油溫進行監(jiān)測與控制；（2）實現(xiàn)了變壓器冷卻器依據(jù)不同油溫的分組投切，延長了冷卻器的使用壽命，有較好的經(jīng)濟意義；（3）實現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的各種狀況，如油溫、風扇投切和故障等信息的上傳，便于值班員、調(diào)度員隨時掌握情況。
由于固態(tài)繼電器實現(xiàn)了變壓器的無觸點控制，解決了傳統(tǒng)的控制回路的弊端，同時此控制裝置具有電機回路斷相與過載的保護功能。由于使用了單片機，因而具有一定的智能特征，實現(xiàn)了油溫、風扇的投入、退出和故障等信號的顯示以及上傳等。通過實際運行表明，該裝置的研制是比較成功的。但今后，我們還應該對固態(tài)繼電器本身的保護進行一些研究，以免主回路因電流過大而造成固態(tài)繼電器的損壞，以使變壓器風扇冷卻控制回路更加完善。
參考文獻
