時間：2023-06-01 15:44:42
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計算機系統(tǒng)所要求解決的問題日趨復(fù)雜，與此同時，計算機系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。而復(fù)雜性的提高就意味著可靠性的降低，實踐經(jīng)驗表明，要想使如此復(fù)雜的實時系統(tǒng)實現(xiàn)零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統(tǒng)的容錯性能：即系統(tǒng)在出現(xiàn)錯誤的情況下的適應(yīng)能力。對于如何同時實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍本。人體是迄今為止我們所知道的最復(fù)雜的生物系統(tǒng)，通過千萬年基因進化，使得人體可以在某些細胞發(fā)生病變的情況下，不斷地進行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機理，科學(xué)家們研究出可進化硬件（EHW,EvolvableHardWare），理想的可進化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過自我重構(gòu)消除錯誤，而且可以在設(shè)計要求或系統(tǒng)工作環(huán)境發(fā)生變化的情況下，通過自我重構(gòu)來使電路適應(yīng)這種變化而繼續(xù)正常工作。嚴(yán)格地說，EHW具有兩個方面的目的，一方面是把進化算法應(yīng)用于電子電路的設(shè)計中；另一方面是硬件具有通過動態(tài)地、自主地重構(gòu)自己實現(xiàn)在線適應(yīng)變化的能力。前者強調(diào)的是進化算法在電子設(shè)計中可替代傳統(tǒng)基于規(guī)范的設(shè)計方法；后者強調(diào)的是硬件的可適應(yīng)機理。當(dāng)然二者的區(qū)別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個方面的問題。
對EHW的研究主要采用了進化理論中的進化計算（EvolutionaryComputing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設(shè)計算法，在數(shù)字電路中以現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設(shè)計中以現(xiàn)場可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現(xiàn)場可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時設(shè)計數(shù)字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現(xiàn)場可編程門陣列的相關(guān)知識，并以數(shù)字電路為例介紹可進化硬件設(shè)計方法。
1．1遺傳算法
遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進化過程的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化算法，它借鑒了物種進化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產(chǎn)生一群個體，稱為種群，它們都是假設(shè)解。然后把這些假設(shè)解置于問題的“環(huán)境”中，根據(jù)適應(yīng)值或某種競爭機制選擇個體（適應(yīng)值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產(chǎn)生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優(yōu)解為止。
1．2現(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)
現(xiàn)場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT,LookupTable)結(jié)構(gòu)的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。當(dāng)用戶通過原理圖或硬件描述語言（HDL）描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會把設(shè)計方案通過編譯形成數(shù)據(jù)流，并將數(shù)據(jù)流下載至RAM中。這些RAM中的數(shù)據(jù)流決定電路的邏輯關(guān)系。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用，灌入不同的數(shù)據(jù)流就會獲得不同的硬件系統(tǒng)，這就是可編程特性。這一特性是實現(xiàn)EHW的重要特性。目前在可進化電子電路的設(shè)計中，用得最多得是Xilinx公司的Virtex系列FPGA芯片。
2進化電子電路設(shè)計架構(gòu)
本節(jié)以設(shè)計高容錯性的數(shù)字電路設(shè)計為例來闡述EHW的設(shè)計架構(gòu)及主要設(shè)計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產(chǎn)生容錯性，所設(shè)計的電路系統(tǒng)可以看作一個具有持續(xù)性地、實時地適應(yīng)變化的硬件系統(tǒng)。對于電子電路來說，所謂的變化的來源很多，如硬件故障導(dǎo)致的錯誤，設(shè)計要求和規(guī)則的改變，環(huán)境的改變（各種干擾的出現(xiàn)）等。
從進化論的角度來看，當(dāng)這些變化發(fā)生時，個體的適應(yīng)度會作相應(yīng)的改變。當(dāng)進化進行時，個體會適應(yīng)這些變化重新獲得高的適應(yīng)度?；谶M化論的電子電路設(shè)計就是利用這種原理,通過對設(shè)計結(jié)果進行多次地進化來提高其適應(yīng)變化的能力。
電子電路進化設(shè)計架構(gòu)如圖1所示。圖中給出了電子電路的設(shè)計的兩種進化，分別是內(nèi)部進化和外部進化。其中內(nèi)部進化是指硬件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的進化，而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的，當(dāng)然通過外部進化得到的最終設(shè)計結(jié)果還是要由硬件結(jié)構(gòu)的變化來實際體現(xiàn)。從圖中可以看出，進化過程是一個循環(huán)往復(fù)的過程，其中是根據(jù)進化算法（遺傳算法）的計算結(jié)果來進行的。整個進化設(shè)計包括以下步驟：
（1）根據(jù)設(shè)計的目的，產(chǎn)生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數(shù)據(jù)串）來表示，其中每個個體表示的是設(shè)計的一部分。染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA上，用來定義FPGA的開關(guān)狀態(tài)，從而確定可重構(gòu)硬件內(nèi)部各單元的聯(lián)結(jié)，形成了初步的硬件系統(tǒng)。用來設(shè)計進化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數(shù)據(jù)流下載，而不會導(dǎo)致器件的損害。
（2）將設(shè)計結(jié)果與目標(biāo)要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統(tǒng)適應(yīng)度的衡量準(zhǔn)則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體，根據(jù)適應(yīng)度進行排序，下一代的個體將由最優(yōu)的個體來產(chǎn)生。
（3）根據(jù)適應(yīng)度再對新的個體組進行統(tǒng)計，并根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果挑選一些個體。一
部分被選個體保持原樣，另一部分個體根據(jù)遺傳算法進行修改，如進行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產(chǎn)生更具適應(yīng)性的下一代。把新一代染色體轉(zhuǎn)化成控制數(shù)據(jù)流下載到FPGA中對硬件進行進化。
（4）重復(fù)上述步驟，產(chǎn)生新的數(shù)代個體，直到新的個體表示的設(shè)計方案表現(xiàn)出接近要求的適應(yīng)能力為止。
一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數(shù)個設(shè)計結(jié)果，最后設(shè)計方案具有對設(shè)計要求和系統(tǒng)工作環(huán)境的最佳適應(yīng)性。這一過程又叫內(nèi)部進化或硬件進化。
圖中的右邊展示了另一種設(shè)計可進化電路的方法，即用模擬軟件來代替可重構(gòu)器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構(gòu)器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進化或軟件進化。這種方法中進化過程完全模擬進行，只有最后的結(jié)果才在器件上實施。
進化電子電路設(shè)計中，最關(guān)鍵的是遺傳算法的應(yīng)用。在遺傳算法的應(yīng)用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關(guān)系到個體變異的程度，也關(guān)系到個體對環(huán)境變化做出反應(yīng)的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應(yīng)環(huán)境變化，對系統(tǒng)出現(xiàn)的錯誤做出快速反應(yīng)，但個體更容易發(fā)生突變。而變異因子較小時，系統(tǒng)的反應(yīng)力變差，但系統(tǒng)一旦獲得高適應(yīng)度的設(shè)計方案時可以保持穩(wěn)定。
對于可進化數(shù)字電路的設(shè)計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎(chǔ)上進行進化設(shè)計，一個是在功能塊如觸發(fā)器、加法器和多路選擇器的基礎(chǔ)上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業(yè)應(yīng)用。有人提出了一種基于進化細胞機（CellularAutomaton）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計架構(gòu)。采用這一結(jié)構(gòu)設(shè)計時，只需要定義整個模塊的適應(yīng)度，而對于每一模塊如何實現(xiàn)它復(fù)雜的功能可以不予理睬，對于超大規(guī)模線路的設(shè)計可以采用這一方法來將電路進行整體優(yōu)化設(shè)計。
3可進化電路設(shè)計環(huán)境
上面描述的軟硬件進化電子電路設(shè)計可在圖2所示的設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境下進行。這一設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境對于測試可重構(gòu)硬件的構(gòu)架及展示在FPGA可重構(gòu)硬件上的進化設(shè)計很有用處。該設(shè)計系統(tǒng)環(huán)境包括遺傳算法軟件包、FPGA開發(fā)系統(tǒng)板、數(shù)據(jù)采集軟硬件、適應(yīng)度評估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。
遺傳算法由計算機上運行的一個程序包實現(xiàn)。由它來實現(xiàn)進化計算并產(chǎn)生染色體組。表示硬件描述的染色體通過通信電纜由計算機下載到有FPGA器件的實驗板上。然后通過接口將布線結(jié)果傳回計算機。適應(yīng)度評估建立在儀器數(shù)據(jù)采集硬件及軟件上，一個接口碼將GA與硬件連接起來，可能的設(shè)計方案在此得到評估。同時還有一個圖形用戶接口以便于設(shè)計結(jié)果的可視化和將問題形式化。通過執(zhí)行遺傳算法在每一代染色體組都會產(chǎn)生新的染色體群組，并被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)流傳入實驗板上。至于通過軟件進化的電子電路設(shè)計，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運行情況，通過相應(yīng)軟件來評估設(shè)計結(jié)果。
4結(jié)論與展望
進化過程廣義上可以看作是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)變化。在這個意義上，可以將“可進化”這一特性運用到無數(shù)的人工系統(tǒng)中，只要這些系統(tǒng)的性能會受到環(huán)境的影響。不僅是遺傳算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、人工智能工程以及胚胎學(xué)都可以應(yīng)用到可進化系統(tǒng)中。雖然目前設(shè)計出的可進化硬件還存在著許多需要解決的問題，如系統(tǒng)的魯棒性等。但在未來的發(fā)展中，電子電路可進化的設(shè)計方法將不可避免的取代傳統(tǒng)的自頂向下設(shè)計方法，系統(tǒng)的復(fù)雜性將不再成為系統(tǒng)設(shè)計的障礙。另一方面，硬件本身的自我重構(gòu)能力對于那些在復(fù)雜多變的環(huán)境，特別是人不能直接參與的環(huán)境工作的系統(tǒng)來說將帶來極大的影響。因此可進化硬件的研究將會進一步深入并會得到廣泛的應(yīng)用而造福人類。
近年來，我國電子技術(shù)獲得突飛猛進發(fā)展，新型元器件和集成電路得以廣泛應(yīng)用，電集成化與復(fù)雜化顯然已成為新時期電路設(shè)計的發(fā)展趨勢。為更好滿足當(dāng)代電路設(shè)計需求，利用電子線路CAD技術(shù)取代傳統(tǒng)的手工操作很有必要。在電子線路CAD技術(shù)的輔助下，電路設(shè)計的精密度將獲得可靠保障。電子線路CAD技術(shù)的應(yīng)用，其實是電路設(shè)計者在電路設(shè)計理論上具有可行性的基礎(chǔ)上，通過計算機繪圖、設(shè)計軟件等工具，完成實際的設(shè)計工具。在電子線路CAD技術(shù)的幫助下，電路設(shè)計工作的效率與質(zhì)量均將得以顯著提升。目前，電子線路CAD技術(shù)在電子設(shè)計中的應(yīng)用主要包括以下內(nèi)容：
1.1電路圖的設(shè)計。作為電子設(shè)計中的重要環(huán)節(jié)，設(shè)計結(jié)構(gòu)完善、功能全面的電路圖很有必要，這是確保電子設(shè)計最終產(chǎn)物能夠正常使用的根本保障。在電子設(shè)計者進行電路原理圖的設(shè)計工作時，完全可以借助Protel工具，實現(xiàn)原理圖的輸入。Protel蘊藏著資源豐富的電子器件庫，在Protel的輔助下，設(shè)計者在繪圖期間能夠結(jié)合設(shè)計需求，靈活使用各類電子器件，大大簡化了設(shè)計的工作量，同時提高了電路原理圖的精密度。譬如，使用者繪制完成元器件后，可以根據(jù)自己的想象，將其放在任何一個位置，僅需通過拖動就能實現(xiàn)，無需進行其他調(diào)整參數(shù)等操作。
1.2模擬數(shù)據(jù)。電子線路CAD技術(shù)還能起到模擬數(shù)據(jù)的作用，以便設(shè)計者根據(jù)模擬電路運行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，檢驗電路設(shè)計有無異常。同時，可結(jié)合模擬數(shù)據(jù)，對電路進行更深層次的分析。Protel軟件本身自帶多種模擬功能，設(shè)計者可通過模擬功能的運用，對電子設(shè)計在通電情況下的溫度、瞬態(tài)、靈敏度等情況有一個初步的了解，以確保該電路的功能是否達到預(yù)期效果。另外，還可利用數(shù)據(jù)模擬，了解電路各環(huán)節(jié)的運行情況，以便設(shè)計者及時察覺線路異常，并盡快采取措施進行調(diào)整。
1.3設(shè)計PCB板。利用Protel軟件，將電路設(shè)計圖進行布線，最終形成的電路板即為PCB板。PCB板的設(shè)計，離不開電路原理圖的導(dǎo)入，而電路原理圖的導(dǎo)入工作，勢必需要借助Protel軟件的數(shù)據(jù)模擬功能。同時，為確保PCB板的設(shè)計達到理想效果，電路原理圖與PCB板中的各類元器件的電氣特點務(wù)必要保持一致。只有這樣，設(shè)計者才能借助Prote軟件的布線功能完成布線工作，并在后期，通過人工調(diào)整的方式，進一步改善布線工作的效果，使電路布線更加精確、整潔。
2運用電子線路CAD技術(shù)提高電子設(shè)計課程教學(xué)質(zhì)量的有效建議
電子線路CAD課程是一門理論與實際結(jié)合性很強，具有一定實踐性的新興課程，是當(dāng)代電子信息技術(shù)專業(yè)的核心課程之一。電子線路CAD課程的主要目的，是幫助鍛煉學(xué)生PCB板的設(shè)計能力，能夠結(jié)合設(shè)計需要，完成各種類型的PCB板布局與布線。作為電子信息技術(shù)專業(yè)的高職學(xué)生，務(wù)必要掌握：CAD軟件的應(yīng)用能力、原理圖繪制能力、原理圖元件制作能力。PCB板設(shè)計能力、新元件封裝制作能力、單面PCB板設(shè)計與編輯。雙面PCB板設(shè)計與編輯，并了解一定的有關(guān)多層PCB板設(shè)計與編輯以及電子線路仿真知識。結(jié)合電子線路CAD技術(shù)在電子設(shè)計中的應(yīng)用情況來看，為能有效完成電子線路設(shè)計工作，全面落實電子線路CAD技術(shù)的教學(xué)很有必要。然而，從目前教學(xué)工作開展情況來看，在高職電子設(shè)計課程的教學(xué)工作中，電子線路CAD技術(shù)的應(yīng)用并沒有達到理想效果。學(xué)生在對電子線路CAD技術(shù)始終無法真正掌握電子線路CAD技術(shù)，也不能通過靈活應(yīng)用該技術(shù)，順利完成電子設(shè)計工作。學(xué)生對該技術(shù)的學(xué)習(xí)，往往只是停留在對理論知識的理解，對實踐操作方面的內(nèi)容，多呈現(xiàn)出臨時性記憶的特點，一旦離開教師的輔導(dǎo)或一定時間未接觸，就會出現(xiàn)無從下手的情況。針對這一問題，結(jié)合發(fā)達國家成功經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)運用以行動為向?qū)У捻椖拷虒W(xué)法效果更佳。告知電子設(shè)計課程在教學(xué)過程中，應(yīng)遵循以下基本原則：
（1）先整體后具體。在開展CAD技術(shù)的教學(xué)工作時，教師應(yīng)提前對該技術(shù)的應(yīng)用價值與學(xué)習(xí)意義進行介紹，告知學(xué)生這一知識要點的學(xué)習(xí)難度與學(xué)習(xí)目的，使學(xué)生做好充分的心理準(zhǔn)備后，再進行各項目的教學(xué)與實踐；
（2）循序漸進。學(xué)生初步接觸CAD技術(shù)時，教師注意引導(dǎo)學(xué)生進行簡單嘗試，帶領(lǐng)學(xué)生運用該技術(shù)進行難度系數(shù)低的電子設(shè)計，然后不斷增減難度，由淺入深，加強學(xué)生運用該技術(shù)的能力。比如說，相較于高頻電子產(chǎn)品，低頻電子產(chǎn)品的電路設(shè)計更為簡單，教師在帶領(lǐng)學(xué)生進行學(xué)習(xí)時，應(yīng)從低頻電子產(chǎn)品的設(shè)計入手，待學(xué)生完全掌握操作技能后，再逐漸轉(zhuǎn)向高頻電子產(chǎn)品的電路設(shè)計；
（3）鼓勵創(chuàng)新。在使用CAD技術(shù)進行電子設(shè)計時，教師應(yīng)在學(xué)生CAD技術(shù)掌握到一定程度時，鼓勵學(xué)生積極創(chuàng)新，進一步增強學(xué)生電子線路CAD技術(shù)應(yīng)用的靈活性；
（4）要求學(xué)生將理論落實到實踐。子在學(xué)生運用CAD技術(shù)完成電子設(shè)計任務(wù)時，教師應(yīng)要求學(xué)生將設(shè)計轉(zhuǎn)化為成品，而不是停留在電腦的設(shè)計。將設(shè)計轉(zhuǎn)化為成品，能有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)成就感，使學(xué)生更加直觀的感受到CAD技術(shù)的魅力，今后愿意更加專注地投入學(xué)習(xí)。
3結(jié)束語
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號處理器；三電平；PWM整流器；功率因數(shù)校正
引言
三電平（ThreeLevel，TL）整流器是一種可用于高壓大功率的PWM整流器，具有功率因數(shù)接近1，且開關(guān)電壓應(yīng)力比兩電平減小一半的優(yōu)點。文獻[1]及[2]提到一種三電平Boost電路，用于對整流橋進行功率因數(shù)校正，但由于二極管整流電路的不可逆性，無法實現(xiàn)功率流的雙向流動。文獻[3]，[4]及[5]提到了幾種三電平PWM整流器，盡管實現(xiàn)了三電平，但開關(guān)管上電壓應(yīng)力減少一半的優(yōu)點沒有實現(xiàn)。三電平整流器盡管比兩電平整流器開關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜，但?具有兩電平整流器所不具備的特點：
1）電平數(shù)的增加使之具有更小的直流側(cè)電壓脈動和更佳的動態(tài)性能，在開關(guān)頻率很低時，如300～500Hz就能滿足對電流諧波的要求；
2）電平數(shù)的增加也使電源側(cè)電流比兩電平中的電流更接近正弦，且隨著電平數(shù)的增加，正弦性越好，功率因數(shù)更高；
3）開關(guān)的增加也有利于降低開關(guān)管上的電壓壓應(yīng)力，提高裝置工作的穩(wěn)定性，適用于對電壓要求較高的場合。
1TL整流器工作原理
TL整流器主電路如圖1所示，由8個開關(guān)管V11～V42組成三電平橋式電路。假定u1=u2=ud/2，則每只開關(guān)管將承擔(dān)直流側(cè)電壓的一半。
以左半橋臂為例，1態(tài)時，當(dāng)電流is為正值時，電流從A點流經(jīng)VD11及VD12到輸出端；當(dāng)is為負(fù)值時，電流從A點流經(jīng)V11及V12到輸出端，因此，無論is為何值，均有uAG=uCG=＋ud/2，D1防止了電容C1被V11(VD11)短接。同理，在0態(tài)時，有uAG=0；在－1態(tài)時，有uAG=uDG=－ud/2，D2防止了電容C2被V22(VD22)短接。
右半橋臂原理類似，因此A及B端電壓波形如圖2所示，從而在交流側(cè)電壓uAB上產(chǎn)生五個電平：＋ud，＋ud/2，0，－ud/2，－ud。
每個半橋均有三種工作狀態(tài)，整個TL橋共有32=9個狀態(tài)。分別如下：
狀態(tài)0(1,1)開關(guān)管V11，V12，V31，V32開通，變換器交流側(cè)電壓uAB等于0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。
狀態(tài)1(1,0)開關(guān)管V11，V12，V32，V41開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于ud/2，輸入端電感電壓等于us－u1。電容C1電壓被正向(或反向)電流充電(u1<us，或放電us<u1)，C2通過直流側(cè)負(fù)載放電。
狀態(tài)2(1,－1)開關(guān)管V11，V12，V41，V42開通，輸入電壓uAB=ud，正向(或反向)電流對電容C1及C2充電(或放電)，由于輸入電感電壓反向，電流is逐漸減小。
狀態(tài)3(0,1)開關(guān)管V12，V21，V31，V32開通，交流側(cè)輸入電壓uAB等于－ud/2，輸入電感上電壓等于us＋u1。電容電壓被正向(或反向)電流充電(或放電)。
狀態(tài)4(0,0)開關(guān)管V12，V21，V32，V41開通，輸入端電壓為0，電容通過直流側(cè)負(fù)載放電，線路電流is的大小隨主電路電壓us的變化而增加或減小。
狀態(tài)5(0,－1)開關(guān)管V12，V21，V41，V42開通，交流側(cè)電壓為ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(或放電)，電容C1通過負(fù)載電流放電。
狀態(tài)6(－1,1)開關(guān)管V21，V22，V31，V32開通，uAB=－ud，正向(或反向)線電流對兩個電容C1及C2充電(或放電)，由于升壓電感電壓正向，線電流將逐漸增加。
狀態(tài)7(－1,0)開關(guān)管V21，V22，V32，V41開通，交流側(cè)電壓電平為－ud/2，正向(或反向)電流對電容C2充電(或放電)，電容C1通過負(fù)載電流放電。
狀態(tài)8(－1,－1)開關(guān)管V21，V22，V41，V42開通，輸入端電壓為0，升壓電感電壓等于us，兩個電容C1及C2均通過負(fù)載電流放電。電流is根據(jù)電壓us的變化而增加(或減小)。
2硬件電路設(shè)計
從圖2可以看出，在輸入電壓頻率恒定的情況下，要在變換器交流側(cè)產(chǎn)生一個三電平電壓波形，輸入電壓一個周期內(nèi)應(yīng)定義兩個操作范圍：區(qū)域1和區(qū)域2，如圖3所示。
在區(qū)域1，電壓大于－ud/2，并且小于ud/2，在電壓uAB上產(chǎn)生三個電平：－ud/2，0，ud/2。同理，在區(qū)域2，電壓絕對值大于ud/2，并小于直流側(cè)電壓ud，在電壓正半周期(或負(fù)半周期)上產(chǎn)生兩個電平：ud/2和ud(或－ud/2和－ud)。相應(yīng)電平的工作區(qū)域如表1所列。
表1相應(yīng)電平的工作區(qū)域
工作區(qū)域
1
2
1
2
us>0
us<0
us>0
us<0
高電平
ud/2
ud
－ud/2
低電平
－ud/2
ud/2
－ud
為方便控制，這里定義兩個控制變量SA及SB，其中
根據(jù)表1可以設(shè)計一個開關(guān)查詢表，如表2所列，將其存儲在DSP中，當(dāng)進行實時控制時，便可根據(jù)輸入電壓、電流信號，從表中查詢所需采取的開關(guān)策略。
表2查詢表
SA
SB
V11
V12
V21
V22
V31
V32
V41
V42
uAB
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
ud/2
1
－1
1
1
1
1
ud
1
1
1
1
1
－ud/2
1
1
1
1
－1
1
1
1
1
ud/2
－1
1
1
1
1
1
－ud
－1
1
1
1
1
－ud/2
－1
－1
1
1
1
1
整個控制系統(tǒng)以一片DSP為核心，控制框圖如圖4所示。
鎖相環(huán)電路產(chǎn)生一個與電源電壓同相位的單位正弦波形，ud的采樣信號通過低速電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，電流is的采樣信號通過高速電流內(nèi)環(huán)G1進行調(diào)節(jié)，電容C1端直流電壓u1與電容C2端直流電壓u2分別通過兩個PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，補償環(huán)G2用于補償兩只電容電壓的不平衡。
檢測的線電流命令is與參考電流is＊比較，產(chǎn)生的電流誤差信號送至電流內(nèi)環(huán)G1，以跟蹤電源電流變化，產(chǎn)生的線電流波形將與主電壓同相位。
3軟件設(shè)計
系統(tǒng)采用兩個通用定時器GPT1及GPT2來產(chǎn)生周期性的CPU中斷，其中GPT1用于PWM信號產(chǎn)生、ADC采樣和高頻電流環(huán)控制(20kHz)，GPT2用于低頻電壓環(huán)的控制(10kHz)，兩者均采用連續(xù)升/降計數(shù)模式。低速電壓環(huán)的采樣時間為100μs，高速電流環(huán)采樣時間為50μs。中斷屏蔽寄存器IMR，EVIMRA和EVIMRB使GPT1在下降沿和特定周期產(chǎn)生中斷，GPT2則僅在下降沿產(chǎn)生中斷。
整個程序分為主程序模塊、初始化模塊、電流控制環(huán)計算模塊、電壓控制環(huán)計算模塊、PWM信號產(chǎn)生模塊等五大部份。程序流程如圖5所示。
4仿真結(jié)果及實驗
仿真參數(shù)如下：輸入電壓us交流220V，50Hz，輸出功率1kW，開關(guān)管GTO，開關(guān)頻率500Hz。整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)下電源電壓us、電源電流is、交流側(cè)電壓uAB波形分別如圖6及圖7所示。實驗結(jié)果也證實了設(shè)計的正確性，在采用GTO管、開關(guān)頻率較低（500Hz）時，輸入側(cè)電流波形仍然非常接近正弦，裝置得到了接近1的功率因數(shù)，同時開關(guān)上的電壓應(yīng)力減少了一半。
電子商務(wù)是買賣雙方通過Internet的信息流動來實現(xiàn)商品交換的。電子商務(wù)圖書交易系統(tǒng)不僅能有效解決傳統(tǒng)圖書交易中存在的客觀條件限制、工作效率低下等問題，也能進一步規(guī)范圖書交易活動；另外，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展也為信息系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和實施提供了全新的技術(shù)支撐平臺和解決方案。
本文以系統(tǒng)思想為指導(dǎo)，將圖書交易的商務(wù)理論與現(xiàn)代信息技術(shù)有機結(jié)合，研究并創(chuàng)建了一個適合現(xiàn)代化特征的圖書交易系統(tǒng)，從而有效地解決圖書交易中的信息管理需求。
二、基于Web的商務(wù)系統(tǒng)優(yōu)勢分析
與傳統(tǒng)的圖書交易模式相比，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：
1.擴展了圖書交易范圍。傳統(tǒng)的圖書交易，競爭不夠充分，交易效果也不理想，而利用圖書交易系統(tǒng)，可將圖書交易范圍擴大到全省、全國，既擴大了視野，也增加了經(jīng)濟效益。
2.提高了工作效率，節(jié)省了交易時間。采用本系統(tǒng)實施圖書交易以后，業(yè)務(wù)流程全部放在網(wǎng)絡(luò)上進行，快速有效，經(jīng)濟效益好。
3.節(jié)省大量費用開支。采用本系統(tǒng)以后，可大量減少傳統(tǒng)圖書交易方式中的差旅費、交通費、活動費等一系列費用。
三、系統(tǒng)設(shè)計思想及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
1.設(shè)計思想
(1)基于大型數(shù)據(jù)庫的存儲和管理
采用SQLSERVER2005為后臺數(shù)據(jù)庫。
(2)采用+Server2005為開發(fā)環(huán)境
大部分程序在服務(wù)器端執(zhí)行，當(dāng)程序執(zhí)行完畢后，服務(wù)器僅將執(zhí)行結(jié)果返回給客戶端，既減輕了客戶端的負(fù)擔(dān)，也提高了信息交互的速度。
2.系統(tǒng)的概要設(shè)計
系統(tǒng)的主要邏輯結(jié)構(gòu)如圖所示。
系統(tǒng)的主要部分包括：
(1)用戶信息管理部分。包括用戶登錄、圖書信息管理、客戶賬單信息管理。
(2)圖書信息管理部分。包括圖書類別管理、圖書交易管理。
客戶成功購物過程如下：
系統(tǒng)的大致流程如下：
四、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計
系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)表如下：
管理員信息表：Admin（編號，用戶名，用戶密碼，權(quán)限）
圖書類別信息表：classinformation(類別編號，類別信息，是否在首頁顯示，順序)
送貨方式表：delivery(編號，送貨/匯款方式，價錢，順序)
訂貨信息表:orders(編號，訂單用戶名，訂貨日期，圖書編號，圖書訂購數(shù)量，訂單編號，狀態(tài)，收貨人，收貨地址，郵編，留言，匯款方式編號，送貨方式編號，性別，總金額，姓名，郵箱，電話，用戶編號)
圖書信息表：（圖書編號，圖書名稱，作者，出版日期，積分，詳注，目錄，市場價格，會員價格，訂購次數(shù)，察看次數(shù)，折扣，類別編號，添加日期，vip價格，出版社，ISBN，頁數(shù)，開本，版本，簡介）
五、系統(tǒng)的主要模塊及實現(xiàn)
系統(tǒng)按使用流程主要分為兩個功能模塊。
用戶信息模塊。包括客戶、系統(tǒng)用戶的信息注冊、查看和更新。
圖書信息模塊。對于客戶，列出圖書的有效信息，以供客戶購買。
具體實現(xiàn)模塊如下：
(1)數(shù)據(jù)連接公用模塊
數(shù)據(jù)連接方法：
SqlConnectionconn=newSqlConnection("server=localhost\\sqlexpress
;uid=sa;pwd=數(shù)據(jù)庫密碼;database=DatabaseName");
(2)用戶信息模塊
主要用來實現(xiàn)用戶的注冊、登錄及維護用戶基本信息。
(3)圖書信息模塊
主要是查看圖書信息列表、搜索圖書信息、顯示圖書信息；還能實現(xiàn)在線網(wǎng)絡(luò)客戶對圖書的購買、取消和完成結(jié)賬等功能。
系統(tǒng)圖書信息搜索中，又分為模糊搜索、高級搜索。
模糊搜索中，客戶可通過圖書大致類別信息查詢圖書信息列表。高級搜索中，客戶可通過選擇或輸入圖書的具體名稱、出版社、出版時間或圖書價格范圍來進行查詢。
(4)系統(tǒng)管理模塊
主要實現(xiàn)圖書基本信息的添加和刪除，客戶訂單信息管理，商品類別管理等。
(5)數(shù)據(jù)導(dǎo)出導(dǎo)入模塊
主要實現(xiàn)批量圖書信息的導(dǎo)入和圖書銷售信息的導(dǎo)出。
(6)財務(wù)管理模塊
主要實現(xiàn)財務(wù)信息管理。
六、系統(tǒng)安全性
系統(tǒng)采取了以下措施保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定。
1.身份鑒別和數(shù)字簽名。系統(tǒng)采用了身份鑒別和數(shù)字簽名技術(shù)，既防止收到偽造的信息，還要防止對方事后抵賴等問題。
2.分門別類管理用戶。系統(tǒng)將用戶分為：一般客戶、系統(tǒng)管理員、圖書管理員和財務(wù)管理員，不同的用戶擁有不同的權(quán)限。
3.系統(tǒng)日志。系統(tǒng)對某些重要的數(shù)據(jù)和關(guān)鍵性操作會自動記錄在系統(tǒng)日志中。
4.數(shù)據(jù)加密。系統(tǒng)采用了IDEA和MD5相結(jié)合的方法對數(shù)據(jù)進行了加密。
5.防火墻。主要目的是對受保護的網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)訪問控制。
七、結(jié)束語
基于WEB的圖書交易系統(tǒng)是借助先進管理思想，結(jié)合圖書交易實際情況而開發(fā)出來的產(chǎn)品化系統(tǒng)，該系統(tǒng)的實施，將使圖書管理、圖書交易、費用結(jié)算和財務(wù)管理等業(yè)務(wù)流程得到大幅度優(yōu)化，工作效益得到提高，經(jīng)濟效益得到改善，相信該系統(tǒng)有一定的推廣價值。
參考文獻：
在高速數(shù)字電路設(shè)計技術(shù)的研究中,最為主要的研究點在于:
(1)高速數(shù)字電路信號的完整性;
(2)高速數(shù)字電路電源的設(shè)計兩個方面。在本節(jié)中,筆者將進行系統(tǒng)的闡述,強化對高速數(shù)字電路設(shè)計的認(rèn)識與研究。具體而言,主要在于以下幾點內(nèi)容:
1.1高速數(shù)字電路信號的完整性設(shè)計
在高速數(shù)字電路信號的完整性設(shè)計中,最主要的研究要點在于兩個方面:一是不同電路信號網(wǎng)傳輸信號的干擾情況;二是不同信號在電路信號網(wǎng)中的相互干擾情況。也就是說,在電路信號的完整性中,信號干擾是最為關(guān)鍵的因素,無論是對于干擾問題,還是對于反射問題,都是高速數(shù)字電路信號完整性設(shè)計的研究要點。在理想狀態(tài)之下,不同阻抗是相等的,存在相互匹配性。所以,在電路設(shè)計的過程中,要特別注意阻抗的控制,阻抗過小(過大)都會對線路中的電流及電壓造成影響,進而形成信號干擾問題。當(dāng)然,在高速數(shù)字電路的設(shè)計中,是很難以讓臨界阻抗與電路新城相互匹配的狀態(tài),這就強調(diào),高速數(shù)字電路信號系統(tǒng),應(yīng)最可能的處于較為合適的狀態(tài),以最大程度上提高高速數(shù)字電路的信號質(zhì)量。
1.2高速數(shù)字電路電源的設(shè)計
高速數(shù)字電路電源設(shè)計,是設(shè)計技術(shù)研究的重點內(nèi)容之一。對于高速數(shù)字電路而言,需要大量的低電壓元器件的應(yīng)用,以更好地確保設(shè)計的需求。但是,低壓元器件的應(yīng)用,帶來了一個問題,即電源穩(wěn)定性受到一定的影響,造成電源設(shè)計問題的出現(xiàn)。因此,在實際的設(shè)計過程中,需要對高速數(shù)字電路電源設(shè)計作充分的考慮。在電源設(shè)計中“,電源完整性”是主要的關(guān)鍵因素,是指電源波形的質(zhì)量。這一因素的影響主要表現(xiàn)為:
(1)瞬間電流產(chǎn)生過大,即在高速開關(guān)狀態(tài)下,線路器件極易產(chǎn)生過大的瞬間電流;
(2)信號回路阻抗變大,即在電路之中,過多的電感以至于回路阻抗變大,進而產(chǎn)生一定影響。因此,在高速數(shù)字電路電源的設(shè)計中,最為理想的狀態(tài)的設(shè)計就是在高速數(shù)字電路電源系統(tǒng)中,并不存在所謂的“阻抗”。這樣一來,不僅不存在阻抗所帶來的損耗,而且確保了系統(tǒng)中各電位的恒定,當(dāng)然,在實際之中,理想狀態(tài)的設(shè)計是不存在,電源系統(tǒng)所形成的干擾噪聲,對高速數(shù)字電路系統(tǒng)的運行造成較大影響。于是乎,電路設(shè)計應(yīng)對電源的電阻及電感做充分的設(shè)計考慮,提高高速數(shù)字電路設(shè)計的有效性。
2結(jié)語
電子技術(shù)的發(fā)展，推動各行各業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用廣泛———廣播通信、網(wǎng)絡(luò)、航空航天、工業(yè)、交通、醫(yī)學(xué)、消費類電子領(lǐng)域都離不開電子技術(shù)。眾所周知的北京2008年奧運會的水立方建筑運用50萬顆LED燈構(gòu)成世界上最大的半導(dǎo)體照明工程。學(xué)習(xí)電子技術(shù)基礎(chǔ)是適應(yīng)時展之必須。高職教育不同于普通高等教育，它的專業(yè)設(shè)置和課程設(shè)置指導(dǎo)思想都是以服務(wù)為宗旨，以就業(yè)為導(dǎo)向。針對區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的要求，我們進行了廣泛的市場調(diào)研，重點調(diào)研了長三角地區(qū)高職畢業(yè)生的主要就業(yè)崗位，需要具備的職業(yè)能力及從業(yè)資格證書等問題，應(yīng)用電子專業(yè)的就業(yè)崗位主要有：電子產(chǎn)品維修工，電子產(chǎn)品裝配工，電子產(chǎn)品調(diào)試員，電子產(chǎn)品工藝員。通過崗位的典型工作任務(wù)，職業(yè)能力分析，歸納出職業(yè)行動領(lǐng)域，然后根據(jù)我系的實際教學(xué)條件，實訓(xùn)條件，將職業(yè)行動領(lǐng)域轉(zhuǎn)化為學(xué)習(xí)領(lǐng)域，構(gòu)建了《電路與模擬電子技術(shù)》這門課程。同時，我們制定了課程標(biāo)準(zhǔn)。
2電路與模擬電子技術(shù)課程目標(biāo)
本課程的總體目標(biāo)是：通過對電路原理、常用電子元器件、模擬電路及其系統(tǒng)的分析和設(shè)計的學(xué)習(xí)，使學(xué)生獲得電路與模擬電子技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識、基礎(chǔ)理論和基本技能，為深入學(xué)習(xí)電子技術(shù)及其在專業(yè)中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。其中包括：（1）知識目標(biāo)：掌握電路基本概念、基本分析和計算方法；會計算電路主要參數(shù)；掌握電路波形圖畫法、建立電路模型的方法；會判斷器件類型、電路工作狀態(tài)；（2）能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生正確使用常用儀表的能力；培養(yǎng)學(xué)生正確選擇元器件的能力；培養(yǎng)學(xué)生檢索與閱讀各種電子手冊及資料的能力；培養(yǎng)學(xué)生識讀與分析電路的能力；培養(yǎng)學(xué)生安裝和焊接電路的能力；培養(yǎng)學(xué)生電路測試方案的設(shè)計能力和對測試數(shù)據(jù)的分析能力；培養(yǎng)學(xué)生排除電路故障的能力；培養(yǎng)學(xué)生進行簡單電路設(shè)計的能力；（3）情感目標(biāo)：通過趣味案例激發(fā)學(xué)生好奇心和學(xué)習(xí)興趣；通過學(xué)習(xí)情境挖掘?qū)W生的求知欲和創(chuàng)造欲，樹立學(xué)生自信心。
3電路與模擬電子技術(shù)課程設(shè)計
本門課程設(shè)計的理念是：以學(xué)生職業(yè)能力的培養(yǎng)為最根本的出發(fā)點，理論學(xué)習(xí)以必須，夠用為度,同時進行課證融合。在課程的教學(xué)過程中采用多種教學(xué)方法和手段：傳統(tǒng)的教學(xué)法、直觀教學(xué)法、探究法、啟發(fā)式教學(xué)和多媒體教學(xué)手段。
4電路與模擬電子技術(shù)課程實施
在課程的實施過程中教師首先進行了學(xué)情分析：高職院校的學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)普遍較差，學(xué)習(xí)能力欠缺，急于求成，缺乏持久性。雖然學(xué)生對電類專業(yè)課入門的學(xué)習(xí)具有一定的興趣，但這種興趣不夠穩(wěn)定，需要教師創(chuàng)設(shè)適度的情境，適時地激發(fā)。所以在教學(xué)過程中，教師要力求做到將深奧的知識淺顯化，抽象的知識形象化。課程的重點難點是半導(dǎo)體器件，放大電路，負(fù)反饋。教師對重點、難點的處理方法有：（1）傳統(tǒng)的講解法；（2）直觀式教學(xué)；（3）配合flas演示；（4）通過萬用表測試加深理解；（5）創(chuàng)建學(xué)習(xí)情境。例如:在半導(dǎo)體器件的講解部分，可采用直觀式的教學(xué)法，帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識各種不同的二極管，三極管。對于三極管的講解，配合萬用表測試加深理解。下面以一次課實驗課———三極管電流放大特性為例，來說明課堂的教學(xué)組織。三極管的電流放大特性這節(jié)內(nèi)容是深入模擬電子技術(shù)部分的第一道難關(guān)。學(xué)生只有深入到心里層面去理解了這節(jié)內(nèi)容，才可以舉一反三去理解后續(xù)學(xué)習(xí)的電子元器件。教師采用基于工作過程“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)設(shè)計，把啟發(fā)式教學(xué)貫穿整個教學(xué)過程，通過探究實驗操作和多媒體仿真，把抽象的理論知識難度降低，達到突破難點，幫助學(xué)生化難為易，讓學(xué)生輕松愉快充滿信心地完成學(xué)習(xí)。
5考核方案
課程的考核方案根據(jù)學(xué)院教務(wù)處的要求，期中成績占30%，平時成績占30%，期末成績占40%。平時成績包括：課堂考核，課后作業(yè)，單元測驗。在學(xué)期結(jié)束前另有為期一周的教學(xué)實習(xí)，教師根據(jù)維修電工的考試內(nèi)容結(jié)合實際情況申報，并由系部統(tǒng)一采購實習(xí)耗材。實習(xí)的考核分為：優(yōu)———電路功能完全實現(xiàn)，性能優(yōu)良，工藝精美。良———電路功能基本實現(xiàn)，性能優(yōu)良。中———電路功能基本實現(xiàn)，性能不夠穩(wěn)定。及格———在教師輔助制作下，電路功能基本實現(xiàn)。不及格———電路功能未實現(xiàn)且學(xué)習(xí)態(tài)度有問題。
6教學(xué)評價
課程的教學(xué)評價包括：校內(nèi)督導(dǎo)評價，同行專家評價，教師自我評價，學(xué)生評價。
7課程特色及展望
1.1ARM處理部分
針對ARM內(nèi)核的高速可順序執(zhí)行特性，更適合處理復(fù)雜協(xié)議信息。ARM處理部分在設(shè)計中主要負(fù)責(zé)協(xié)議層處理工作，包括通信信息、人機交互設(shè)定、系統(tǒng)工作參數(shù)監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)設(shè)定、監(jiān)測以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理等多方面的工作，整體采用搶占式進行多任務(wù)分配，提高CPU利用率以及系統(tǒng)魯棒性。
1.2FPGA控制部分
總體來看，F(xiàn)PGA主要負(fù)責(zé)硬件設(shè)備底層驅(qū)動的讀寫，作為ARM的一個外部擴展RAM進行外設(shè)數(shù)據(jù)交換，所有FPGA采集、輸出的數(shù)據(jù)均可通過ARM的可變靜態(tài)存儲控制器(FlexibleStaticMemoryController，F(xiàn)SMC)總線讀寫。在設(shè)計中運用FPGA獨特的可多任務(wù)并行執(zhí)行的特性，F(xiàn)PGA控制部分主要負(fù)責(zé)外部通信模式的選擇；外部模擬信號的采集、輸出溫度的控制、時鐘同步、時鐘移相、數(shù)碼管計數(shù)顯示等多項功能的處理。在外部模擬量、氫原子鐘內(nèi)爐溫度采集部分，由FPGA內(nèi)部硬件采用狀態(tài)機形式通過兩片AD7490D對外部32路模擬量采集，并直接用模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行控制處理；另一個狀態(tài)機通過熱敏電阻對內(nèi)爐頂，上，底等三部分溫度進行采集；在溫度輸出控制部分，通過三路PWM控制方式，以外部溫控器作為驅(qū)動信號，調(diào)節(jié)加熱功率。在模數(shù)轉(zhuǎn)換部分由專用基準(zhǔn)電壓芯片REF192產(chǎn)生參考電壓，溫度轉(zhuǎn)換經(jīng)過帶有前置運算放大器（Operationalamplifier，OP）的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行采樣，并同時具有抑制50Hz抑制功能，以抵消測量中所產(chǎn)生的工頻干擾。在通信電路的設(shè)計部分由FPGA來選擇所采用的通信方式，其中串口通信采用隔離式電平變換芯片，避免電平不兼容或是不同設(shè)備間的靜電釋放（Electro-Staticdischarge，ESD）所帶來的放電損壞；以太網(wǎng)部分采用專用以太網(wǎng)接口模塊，可同時兼容TCP/IPv4、用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議（UserDatagramProtocol，UDP）等。
1.串口通信接口的電路設(shè)計
原本的串口通信設(shè)計為了滿足兩路串口通信的技術(shù)指標(biāo)，采用AT89C52結(jié)合通用同步異步接收發(fā)送器8251A實現(xiàn)雙串口的擴展。本文采用ADM3251E[3]來解決多路串口的通信功能。ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔離、單通道RS-232/V.28收發(fā)器、具有isoPower隔離電源的雙通道數(shù)字隔離器，設(shè)計中無需使用單獨的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器。由于RIN和TOUT引腳提供高壓ESD保護，因此該器件非常適合在惡劣的電氣環(huán)境中工作，或頻繁插拔RS-232電纜的場合。ADM3251E采用ADI公司的芯片級變壓器iCoupler技術(shù)，能夠同時用于隔離邏輯信號和集成式DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此該器件可提供整體隔離解決方案。
2.ADC模擬量采樣電路設(shè)計改進
原本的ADC采樣電路使用兩片ADC0816。ADC0816是逐次比較式16路8位A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部包含有一個8位A/D轉(zhuǎn)換器和16路的單端模擬信號多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，轉(zhuǎn)換精度為1/2LSB，轉(zhuǎn)換時間為100us（時鐘頻率為640KHz）。改進設(shè)計中采用AD7490，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同時AD7490采用單電源工作，電源電壓為2.7V至5.25V，最高吞吐量可達1MSPS；其內(nèi)置一個低噪聲、寬帶寬采樣/保持放大器，可處理1MHz以上的輸入頻率；轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘進行控制，從而為器件與微處理器接口創(chuàng)造了條件。
3.溫度控制部分的設(shè)計改進
溫度對于氫原子鐘來說是個很重要的因素，溫度控制不好會引起氫原子鐘穩(wěn)定度變差；溫度失控會直接導(dǎo)致氫原子鐘沒有中頻信號輸出。因此在溫度控制的設(shè)計中首先要做到可靠、穩(wěn)定。原先的溫度控制系統(tǒng)采用模擬控制多塊電路板各溫度區(qū)域獨立控制模式，其缺點是變?nèi)荻O管參數(shù)數(shù)值不在正常工作范圍內(nèi)之后，需要人為調(diào)整電路板的電位器，即通過人為改變電阻的模式來達到調(diào)整溫度的目的。在數(shù)字化智能溫控設(shè)計中采用AD7792[4]，AD7792具有兩個高精度的可編程恒流激勵源，內(nèi)置有可編程的儀表放大器，可以對不同的輸入信號選擇相對應(yīng)的放大倍數(shù)，實現(xiàn)信號的匹配。它內(nèi)置16位ADC，采用SPI串行接口，容易實現(xiàn)光耦隔離，有三路差分模擬輸入，可以滿足設(shè)計中分別對內(nèi)爐頂，上，底三部分溫度進行采集的設(shè)計要求。AD7792為適應(yīng)高精度測量應(yīng)用的低功耗、低噪聲、完整模擬前端，內(nèi)置一個低噪聲、帶有三個差分模擬輸入的16位Σ-Δ型ADC。它還集成了片內(nèi)低噪聲儀表放大器，因而可直接輸入小信號；內(nèi)置一個精密低噪聲、低漂移內(nèi)部帶隙基準(zhǔn)電壓源，而且也可采用一個外部差分基準(zhǔn)電壓。圖2中所示CHAN表示溫度區(qū)域，其中CH1代表內(nèi)爐頂，CH2代表內(nèi)爐上，CH3代表內(nèi)爐底；ACTU代表采樣溫度數(shù)值，SET代表設(shè)定溫度數(shù)值，OUT代表了輸出功率的大小。
4.移相同步精度設(shè)計改進
傳統(tǒng)控制板同步精度為100ns±邏輯門延時（約幾個ns），移相分辨率為0.1us。經(jīng)過設(shè)計改進后，采用獨特的先倍頻后同步技術(shù)，可大大提高移相同步分辨率。在本次應(yīng)用中，先對外部輸入的10MHz方波信號，經(jīng)過FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)（PhaseLockedLoop，PLL）的配置進行零度移相五倍頻，得到和輸入信號零相位差的50MHz信號。上一幅為10MHz信號波形，下一幅為倍頻后的50MHz方波信號波形。
5.DDS電路設(shè)計部分
之前控制板在綜合器設(shè)計輸出時，采用AT89C52驅(qū)動三片74LS595串入并出輸出6位8421碼共24位數(shù)據(jù)信息經(jīng)25芯彎角插座（DR-25）將數(shù)據(jù)傳輸至接收機控制板，再由CPLD處理后輸出所需的頻率信號。而目前設(shè)計中選取AD9956[5]，使用直接數(shù)字式頻率合成器（DirectDigitalSynthesizer，DDS）技術(shù)直接從監(jiān)控板輸出所需的頻率信號，AD9956是由美國AnalogDevice公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高達400MHz的內(nèi)部時鐘，可合成頻率高達160MHz，支持2.7GHz的時鐘輸入(可選2，4或8分頻)、內(nèi)部集成14位的D／A轉(zhuǎn)換器，具備快速頻率轉(zhuǎn)換、精細頻率分辨率和低相位噪聲輸出的性能，適用于快速跳頻頻率合成器的設(shè)計，本設(shè)計DDS輸出頻率信號可以根據(jù)鍵盤鍵入的頻率值不同而輸出不同的頻率值。
6.存儲器設(shè)計改進
氫原子鐘必需具有對時間以及對所監(jiān)測數(shù)據(jù)實時保存的功能。然而外部存儲器的選擇也是多種多樣的，目前應(yīng)用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM這三種方案。我們目前使用的存儲器就是采用SRAM加后備電池的模式，型號62256，它是組織結(jié)構(gòu)為32K*8位字長的高性能CMOS靜態(tài)RAM。在設(shè)備掉電的情況下，存儲數(shù)據(jù)易丟失。同時SRAM加后備電池的方法增加了硬件設(shè)計的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性；EEPROM方式可擦寫次數(shù)較少(約10萬次)，且寫操作時間較長(約10ms)；而NVRAM的價格問題又限制了它的普遍應(yīng)用。因此越來越多的設(shè)計者將目光投向了新型的非易失性鐵電存儲器(FRAM)。鐵電存儲器具有以下幾個優(yōu)點：可以總線速度寫入數(shù)據(jù)，而且在寫入后不需要任何延時等待；有近乎無限次擦寫壽命；數(shù)據(jù)保持45年不丟失；具有較低的功耗。設(shè)計中采用的FM25L16是串行FRAM。其內(nèi)部存儲結(jié)構(gòu)形式為2k×8位，地址范圍為0000H~07FFH，F(xiàn)M25L16支持SPI方式0和方式3。具有先進的寫保護設(shè)計，包括硬件保護和軟件保護雙重保護功能。FM25L16的數(shù)據(jù)讀寫速度能達到18MHz，可與當(dāng)前高速的RAM相媲美。結(jié)束語從設(shè)計的測試結(jié)果來看，全新的設(shè)計模式對電路的性能，可靠性，穩(wěn)定性等多方面都有很大的提高，具體表現(xiàn)如下所示：
（1）設(shè)計中采用AD7490替代ADC0816，從而使得ADC精度提高8bit升級到12bit，精度提高了16倍，并且無需經(jīng)過外接模擬開關(guān)，減少了信號經(jīng)過多個模擬芯片引起誤差。
（2）溫度控制系統(tǒng)采用全數(shù)字化設(shè)計模式，提高測量精度，降低干擾，可避免處理運放電路所造成的對溫度飄移的影響以及多級模擬帶來的累計誤差，最重要的一點就是不用再人為的通過改變電阻模式來達到調(diào)整溫度的目的。
（3）綜合器設(shè)計部分采用DDS處理技術(shù)，直接從監(jiān)控板輸出所需頻率信號，從而大大減少設(shè)計中潛在的故障點，大大提高了設(shè)計的可靠性，穩(wěn)定性。
