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低功耗設(shè)計(jì)論文范文第1篇

隨著測(cè)控技術(shù)的迅猛發(fā)展，以嵌入式計(jì)算機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)己經(jīng)在測(cè)控領(lǐng)域中占到了統(tǒng)治地位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)等操作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和顯示。

本論文工作所開(kāi)發(fā)研制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由嵌入式微處理器、日歷時(shí)鐘芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、非易失性存儲(chǔ)器等器件組成。運(yùn)用最小功耗設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)，可以在電池供電的情況下長(zhǎng)期采集和記錄數(shù)據(jù)，可長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)。通過(guò)具有報(bào)警輸出的日歷時(shí)鐘芯片等組成喚醒單元，可在設(shè)定時(shí)間開(kāi)啟電源。上電后，采用單片機(jī)控制數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及對(duì)時(shí)鐘芯片的再設(shè)定等，而數(shù)碼管作為設(shè)定指示和時(shí)間、采集到模擬量信號(hào)的顯示。

系統(tǒng)通過(guò)仿真總線的方式擴(kuò)展較大容量外部存儲(chǔ)器，可存儲(chǔ)的多次采集時(shí)間和采集數(shù)據(jù)。而利用更換存儲(chǔ)器方式，或利用串行口通信方式可將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)發(fā)送到便攜式電腦中作進(jìn)一步處理。

關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，低功耗，數(shù)據(jù)采集，定時(shí)

摘要 1

Summary 2

第1章 文獻(xiàn)綜述 1

略………

第2章 定時(shí)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 18

略………

第3章 定時(shí)采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 38

略………

第4章 系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì) 48

略………

第5章 定時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用介紹 51

結(jié)論 56

致謝 58

參考文獻(xiàn) 59

附錄1 60（程序）

附錄2 70（數(shù)字儀器）

附錄3 76（Digital Instruments）

（附錄不在論文字?jǐn)?shù)內(nèi)）

：33000多字的本科論文，適合自動(dòng)化、電信與通信專(zhuān)業(yè)

有中英文摘要、目錄、圖、參考文獻(xiàn)

400元

低功耗設(shè)計(jì)論文范文第2篇

關(guān)鍵詞：化無(wú)線溫度傳感器，電子鬧鐘

 

1 引言

集成化智能傳感器概念的提出僅僅十余年,但近年發(fā)展很快,國(guó)外刊物上關(guān)于新型集成化智能傳感器研制的報(bào)道很多,國(guó)內(nèi)一些著名高校和研究所也在開(kāi)展此類(lèi)工作。和經(jīng)典的傳感器相比,集成化智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。集成化智能傳感器的優(yōu)點(diǎn)使它成為目前傳感器研究的熱點(diǎn)和傳感器發(fā)展的主要方向,必將主宰下個(gè)世紀(jì)的傳感器市場(chǎng)。

本文的數(shù)字化無(wú)線溫度傳感器具有集成化、智能化的特點(diǎn)，它由溫度測(cè)量（發(fā)射部分）、溫度處理（接收部分）和溫度值顯示（上位機(jī)）三部分構(gòu)成。溫度測(cè)量采用一線制數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其體積小，集成度高，自帶A/D，功耗低。。處理器選用低功耗單片機(jī)PIC16F74。溫度傳輸采用超低功耗發(fā)射接收模塊PTR4000，以方式與處理器通訊。PTR4000在測(cè)量點(diǎn)接收傳感器的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)以無(wú)線方式傳輸出去，接收部分通過(guò)接受模塊（PTR4000）接收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)字濾波，同時(shí)將接收到的數(shù)據(jù)以異步串行通信方式傳給上位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 PIC16F74單片機(jī)

帶8位A/D轉(zhuǎn)換輸入

高驅(qū)動(dòng)電流，I/O腳可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管（LED）顯示

雙向可獨(dú)立編程設(shè)置I/O引腳

8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0，帶8位預(yù)分頻

有1～2路捕抓輸入/比較輸出/PWM輸出（CCP）

16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1，睡眠中仍可計(jì)數(shù)

8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR2，帶有8位的周期寄存器及預(yù)分頻和后分頻

并行口操作

同步串行口I2C/SPI總線操作

同步通訊接口SCI/USART操作

2.2 溫度傳感器DS18B20

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。

2.3無(wú)線模塊PTR4000

PTR4000具有全球開(kāi)放的2.4GHz頻段，125個(gè)頻道，能滿足多頻及跳頻需要，其最高速率為1Mbps,，具有高數(shù)據(jù)吞吐量，內(nèi)置硬件CRC糾檢錯(cuò)，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成，其供電壓為1.9~3.6V，能滿足低功耗的設(shè)計(jì)要求。

2.4串行接口

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與上位機(jī)之間的串行通信，在硬件結(jié)構(gòu)上采用了單電源轉(zhuǎn)換芯片ICL232，ICL232是一個(gè)雙組驅(qū)動(dòng)/接收器，它內(nèi)含一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，可在單5V電源供電時(shí)提供EIA/TIA-232-E電平。。

3.系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1低功耗技術(shù)

本設(shè)計(jì)的低功耗設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)的方方面面。首先是CPU的選擇上，PIC系列的CPU具有較寬的操作電壓（2.0～5.5V），四種可選振蕩方式：低成本阻容（RC），標(biāo)準(zhǔn)晶體/陶瓷（XT），高速晶體/陶瓷（HS），低頻晶體（LP）。，在選擇合適的電壓和晶振的情況下，其功耗可以降到微安級(jí)（如SLEEP模式下，功耗只為 1μA，工作電壓為3.0V，工作頻率為32kHz時(shí)，功耗為15μA[1]）；其外圍器件減少，功耗自然可以降低；即使使用了較高的晶振頻率，由于CPU內(nèi)部有一個(gè)特殊功能寄存器DIVM可以對(duì)時(shí)鐘分頻，從而達(dá)到節(jié)電目的。PIC系列單片機(jī)有睡眠方式，在空閑時(shí)可以設(shè)置為低功耗工作方式，非空閑時(shí)，用看門(mén)狗、中斷等方式喚醒。

在其他元器件的選用上，盡量采用低功耗器件，如無(wú)線收發(fā)模塊選用超低功耗無(wú)線收發(fā)模塊PTR4000，其最大工作電流僅為18mA，在掉電模式下僅為1uA.

總之，在以PIC單片機(jī)為核心的控制硬件電路設(shè)計(jì)上，采用及篩選低功耗的電子元件與集成電路，進(jìn)行低功耗線路設(shè)計(jì)和線路板優(yōu)化；在軟件控制上采用降低功耗的休眠技術(shù)及采樣周期優(yōu)化，以期達(dá)到最大限度地降低計(jì)量?jī)x表功耗，延長(zhǎng)電池壽命。

3.2無(wú)線溫度采集流程

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線溫度采集步驟：發(fā)射模塊的單片機(jī)上電復(fù)位后，配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開(kāi)始組織配置數(shù)據(jù)，設(shè)置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設(shè)置CS=0，完成配置，再設(shè)置PWR=1，CE=1，調(diào)用測(cè)溫子程序，測(cè)量5個(gè)溫度值，溫度值經(jīng)組織后傳入PTR4000，置CE=0，發(fā)射數(shù)據(jù)，延時(shí)100us，等待發(fā)射完畢，置PWR=0，將PTR設(shè)置為掉電模式，然后將PIC的所有I/O口設(shè)置為輸入狀態(tài)，最后進(jìn)入SLEEP模式，等待WDT喚醒，然后重復(fù)次發(fā)射過(guò)程。。接收模塊的單片機(jī)上電復(fù)位后，也是配置其端口的輸入輸出狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)是PTR處于非掉電狀態(tài)，然后開(kāi)始組織配置數(shù)據(jù)，設(shè)置CE=0，CS=1，將120位的配置數(shù)據(jù)傳入PTR4000，傳送完畢后設(shè)置CS=0，完成PTR的配置，然后配置串口，使能串行中斷和全局中斷，再設(shè)置CE=1，PTR4000處于接受狀態(tài)，等待DR1的電平發(fā)生變化后，接受數(shù)據(jù)及完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，并把采集來(lái)的溫度值轉(zhuǎn)換為ASCⅡ碼傳送給上位機(jī)。

4．結(jié)論

本設(shè)計(jì)中的數(shù)字化無(wú)線溫度傳感器具有性能可靠、功耗極低、構(gòu)造簡(jiǎn)潔、使用安全等一系列優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)溫范圍在0℃～100℃之間，傳感器采用具有12位轉(zhuǎn)換精度的單線溫度傳感器DS18B20，測(cè)溫精度可達(dá)±0.0625℃，射頻模塊選用PTR4000，無(wú)線傳輸距離大于50米，靜態(tài)功耗電流小于3，這些指標(biāo)大大高于設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。

參考文獻(xiàn)

[1].張寶.基于nRF905和DS18B20的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2010,(02)

[2].王振,胡清,黃杰.基于nRF24L01的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,200,(12)

[3].李余慶,張華,劉繼忠.基于DS1820的無(wú)線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009,(09)

低功耗設(shè)計(jì)論文范文第3篇

    歡迎來(lái)到論文參考中心,在您閱讀前,與您分享:路是腳踏出來(lái)的,歷史是人寫(xiě)出來(lái)的。人的每一步行動(dòng)都在書(shū)寫(xiě)自己的歷史。 —— 吉鴻昌

    低功耗模擬前端電路設(shè)計(jì)

    超低功耗、高集成的模擬前端芯片MAX5865是針對(duì)便攜式通信設(shè)備例如手機(jī)、PDA、WLAN以及3G無(wú)線終端 而設(shè)計(jì)的,芯片內(nèi)部集成了雙路8位接收ADC和雙路10位發(fā)送DAC,可在40Msps轉(zhuǎn)換速率下提供超低功耗與更高的動(dòng)態(tài)性能。芯片中的ADC模擬輸入放大器為全差分結(jié)構(gòu),可以接受1VP-P滿量程信號(hào);而DAC模擬輸出則是全差分信號(hào),在1.4V共模電壓下的滿量程輸出范圍為400mV。利用兼容于SPITM和MICROWIRETM的3線串行接口可對(duì)工作模式進(jìn)行控制,并可進(jìn)行電源管理,同時(shí)可以選擇關(guān)斷、空閑、待機(jī)、發(fā)送、接收及收發(fā)模式。通過(guò)3線串口將器件配置為發(fā)送、接收或收發(fā)模式,可使MAX5865工作在FDD或TDD系統(tǒng)。在TDD模式下,接收與發(fā)送DAC可以共用數(shù)字總線,并可將數(shù)字I/O的數(shù)目減少到一組10位并行多路復(fù)用總線;而在FDD模式下,MAX5865的數(shù)字I/O可以被配置為18位并行多路復(fù)用總線,以滿足雙8位ADC與雙10位DAC的需要。

    1 MAX5865的工作原理

    圖1所示為MAX5865內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖,其中,ADC采用七級(jí)、全差分、流水線結(jié)構(gòu),可以在低功耗下進(jìn)行高速轉(zhuǎn)換。每半個(gè)時(shí)鐘周期對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行一次采樣。包括輸出鎖存延時(shí)在內(nèi),通道I的總延遲時(shí)間為5個(gè)時(shí)鐘周期,而通道Q則為5.5個(gè)時(shí)鐘周期,圖2給出了ADC時(shí)鐘、模擬輸入以及相應(yīng)輸出數(shù)據(jù)之間的時(shí)序關(guān)系。ADC的滿量程模擬輸入范圍為VREF,共模輸入范圍為VDD/2±0.2V。VREF為VREFP與VREFN之差。由于MAX5865中的ADC前端帶有寬帶T/H放大器,因此,ADC能夠跟蹤并采樣/保持高頻模擬輸入>奈魁斯特頻率 。使用時(shí)可以通過(guò)差分方式或單端方式驅(qū)動(dòng)兩路ADC輸入IA+ QA+ IA-與QA- 。為了獲得最佳性能,應(yīng)該使IA+與IA-以及QA+與QA-間的阻抗相匹配,并將共模電壓設(shè)定為電源電壓的一半VDD/2 。ADC數(shù)字邏輯輸出DA0~DA7的邏輯電平由OVDD決定,OVDD的取值范圍為1.8V至VDD,輸出編碼為偏移二進(jìn)制碼。數(shù)字輸出DA0~DA7的容性負(fù)載必須盡可能低<15pF ,以避免大的數(shù)字電流反饋到MAX5865的模擬部分而降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)數(shù)字輸出端的緩沖器可將其與大的容性負(fù)載相隔離。而在數(shù)字輸出端靠近MAX5865的地方串聯(lián)一個(gè)100Ω電阻,則有助于改善ADC性能。

    MAX5865的10位DAC可以工作在高達(dá)40MHz的時(shí)鐘速率下,兩路DAC的數(shù)字輸入DD0~DD9將復(fù)用10位總線。電壓基準(zhǔn)決定了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的滿量程輸出。DAC采用電流陣列技術(shù),用1mA1.024V基準(zhǔn)下 滿量程輸出電流驅(qū)動(dòng)400Ω內(nèi)部電阻可得到±400mV的滿量程差分輸出電壓。而采用差分輸出設(shè)計(jì)時(shí),將模擬輸出偏置在1.4V共模電壓,則可驅(qū)動(dòng)輸入阻抗大于70kΩ的差分輸入級(jí),從而簡(jiǎn)化RF正交上變頻器與模擬前端電路的接口。RF上變頻器需要1.3V至1.5V的共模偏壓,內(nèi)部直流共模偏壓在保持每個(gè)發(fā)送DAC整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍的同時(shí)可以省去分立的電平偏移設(shè)置電阻,而且不需要編碼發(fā)生器產(chǎn)生電平偏移。圖2(b)給出了時(shí)鐘、輸入數(shù)據(jù)與模擬輸出之間的時(shí)序關(guān)系。一般情況下,I通道數(shù)據(jù)ID 在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿鎖存,Q通道數(shù)據(jù)QD 則在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿鎖存。I與Q通道的輸出同時(shí)在時(shí)鐘信號(hào)的下一個(gè)上升沿被刷新。

    3線串口可用來(lái)控制MAX5865的工作模式。上電時(shí),首先必須通過(guò)編程使MAX5865工作在所希望的模式下。利用3線串口對(duì)器件編程可以使器件工作在關(guān)斷、空閑、待機(jī)、Rx、Tx或Xcvr模式下,同時(shí)可由一個(gè)8位數(shù)據(jù)寄存器來(lái)設(shè)置工作模式,并可在所有六種模式下使串口均保持有效。在關(guān)斷模式下,MAX5865的模擬電路均被關(guān)斷,ADC的數(shù)字輸出被置為三態(tài)模式,從而最大限度地降低了功耗;而空閑模式時(shí),只有基準(zhǔn)與時(shí)鐘分配電路上電,所有其它功能電路均被關(guān)斷,ADC輸出被強(qiáng)制為高阻態(tài)。而在待機(jī)狀態(tài)下,只有ADC基準(zhǔn)上電,器件的其它功能電路均關(guān)斷,流水線ADC亦被關(guān)斷,DA0~DA7為高阻態(tài)。

    圖2

    2 MAX5865的典型應(yīng)用

低功耗設(shè)計(jì)論文范文第4篇

Abstract： With the continuous development of the technology of the Internet of things， people's expectations and definition of the family no longer stick to the traditional way of life. The smart home has become a hot research in the field of information technology in recent years. In this paper， the smart home design of Internet of things is based on FPGA technology. It can collect the information of temperature， humidity and light intensity in real time， implement the environmental control system， intelligent fish raising system， intelligent food and beverage systems， multimedia control system， security alarm system and other functions， and provide new physical network smart home life experience for the users.

關(guān)鍵詞：智能家居；FPGA；ZigBee；無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

Key words： smart home；FPGA；ZigBee；wireless sensor node

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）18-0068-02

0 引言

智能家居系統(tǒng)的概念起源于上世紀(jì)70年代的美國(guó)，隨后，傳播到歐洲、日本等國(guó)并且得到了很好的發(fā)展。在我國(guó)，智能家居這一概念推廣較晚，約在90年代末家居智能化系統(tǒng)才得以進(jìn)入國(guó)內(nèi)，但發(fā)展速度驚人。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，根據(jù)人們需求而開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)擁有更加優(yōu)越及復(fù)雜的配置，可以將家庭中各種通信設(shè)備、家用電器以及家庭保安裝置通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制、養(yǎng)魚(yú)養(yǎng)花、燒水煮飯、多媒體控制及安全報(bào)警等功能，并可以異地監(jiān)控、管理、報(bào)警，為住戶提供安全舒適、高效便利的學(xué)習(xí)生活及工作環(huán)境。

由于智能家居系統(tǒng)還缺乏統(tǒng)一明確的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，許多公司開(kāi)發(fā)出的產(chǎn)品都是基于自己組網(wǎng)和信息交換協(xié)議，很多產(chǎn)品是針對(duì)特定的組網(wǎng)環(huán)境開(kāi)發(fā)的，部分核心技術(shù)沒(méi)有對(duì)外公布，技術(shù)復(fù)雜，直接導(dǎo)致了使用范圍的局限性。再者，缺乏對(duì)應(yīng)的第三方產(chǎn)品，各個(gè)接入設(shè)備之間不能兼容，互操作性差，不利于產(chǎn)品的擴(kuò)充，因而進(jìn)一步局限了產(chǎn)品的發(fā)展。再加上有的系統(tǒng)成本過(guò)高，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的普及。本文通過(guò)FPGA構(gòu)建了一個(gè)嵌入式控制處理平臺(tái)，利用FPGA技術(shù)低功耗、定制性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、接口靈活等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設(shè)計(jì)，能夠滿足家居需要。

1 FPGA在物聯(lián)網(wǎng)智能家居中的應(yīng)用

目前常見(jiàn)的智能家居系統(tǒng)大多基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，這類(lèi)系統(tǒng)并不能同時(shí)支持多種無(wú)線通信協(xié)議。通過(guò)整合多種無(wú)線通信控制方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制器，為智能家居的控制領(lǐng)域探索了一種新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口靈活性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)智能家居控制器各個(gè)模塊，相比ARM單片機(jī)支持串口少的短板，可以使系統(tǒng)在同一時(shí)刻支持多種通信方式，從而使系統(tǒng)具有更高的適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，能夠同時(shí)控制多達(dá)31個(gè)家用電器，基本滿足日常家居需要。基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，使用了Quartus II等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及ModelSim專(zhuān)業(yè)仿真工具，利用Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言，在Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

2 基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

基于FPGA的物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)能夠最大限度地使家居更加智能化，其三大關(guān)鍵功能是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息終端進(jìn)行信息的獲取、處理以及，進(jìn)行信息的及時(shí)反饋；對(duì)相應(yīng)的單元以及一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；兼容性一定要足夠強(qiáng)大。該系統(tǒng)特色功能具體如下：

①環(huán)境控制系統(tǒng)：對(duì)室內(nèi)溫度、濕度、亮度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，通過(guò)人設(shè)模式控制空調(diào)、加濕器、窗簾、燈光等設(shè)備達(dá)到宜居的室內(nèi)環(huán)境；②智能養(yǎng)花系統(tǒng)：通過(guò)測(cè)量相關(guān)參數(shù)，提供澆水、施肥、遮蓋陽(yáng)光等功能，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)花，或者自動(dòng)養(yǎng)花；③智能養(yǎng)魚(yú)系統(tǒng)：通過(guò)測(cè)量相關(guān)參數(shù)，提供補(bǔ)氧、喂食、控溫、換水等功能，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)魚(yú)，或者自動(dòng)養(yǎng)魚(yú)；④智能餐飲系統(tǒng)：通過(guò)控制燒水壺、微波爐、電飯鍋等設(shè)備電源及煤氣開(kāi)關(guān)，完成燒水、蒸煮、烹飪等功能，可以遠(yuǎn)程監(jiān)控完成或自動(dòng)完成；⑤多媒體系統(tǒng)：通過(guò)開(kāi)關(guān)控制，可以遠(yuǎn)程操控電視、音響、電腦等設(shè)備；⑥完全報(bào)警系統(tǒng)：通過(guò)測(cè)量相關(guān)水電氣參數(shù)或者紅外感知參數(shù)，對(duì)室內(nèi)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如有危險(xiǎn)提示則報(bào)警。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)是以單個(gè)家庭為單位進(jìn)行安裝，智能家居控制臺(tái)采用大唐移動(dòng)公司研制的智能家居控制試驗(yàn)箱，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息。FPGA相當(dāng)于智能家居系統(tǒng)中的管理中心，其核心是采用Altera公司推出的32位高性能軟處理器nios2與每個(gè)子節(jié)點(diǎn)連接。管理中心通過(guò)串口可根據(jù)接收到的ZigBee中心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)家庭總線系統(tǒng)與其他節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行關(guān)聯(lián)操作，實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境的監(jiān)測(cè)與管理，從而為用戶提供安全、舒適的生活或工作環(huán)境。智能家居控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)

2.3.1 FPGA部分

系統(tǒng)的核心控制部分由FPGA實(shí)現(xiàn)，其設(shè)計(jì)思路是：采用Altera公司DE2-70開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)串口后存儲(chǔ)到DE2-70開(kāi)發(fā)板上的SDRAM中，在FPGA控制平臺(tái)上，由Altera的IP核構(gòu)成Nios II軟核，并植入FPGA芯片中，然后通過(guò)軟件編寫(xiě)來(lái)實(shí)現(xiàn)FPGA控制平臺(tái)的功能，然后系統(tǒng)從SDRAM中讀取數(shù)據(jù)后將溫度、濕度等信息顯示在LCD液晶屏上。FPGA系統(tǒng)的Nios II軟核結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)

無(wú)線傳感器模塊由ATMEGA128和CC2420組成，CC2420通過(guò)SPI總線連接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器，該器件包括眾多額外功能，是第一款適用于ZigBee產(chǎn)品的RF器件。該模塊能夠在低電壓低頻率模式下開(kāi)始工作，同時(shí)能夠進(jìn)行低功耗操作，還能夠支持許多種不同的低功耗模式，例如睡眠模式以及深度睡眠模式等，都是可以實(shí)現(xiàn)的，從而達(dá)到系統(tǒng)更加智能化的目的。無(wú)線傳感器模塊如圖3所示。

2.3.3 ZigBee中心節(jié)點(diǎn)

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)使用大唐移動(dòng)公司研制的智能家居控制試驗(yàn)箱配套產(chǎn)品，模塊內(nèi)嵌工作頻率2.4GHz基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee通信協(xié)議，支持最新的RS232串行模式，在此標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議下，經(jīng)測(cè)試，ZigBee中心節(jié)點(diǎn)每次接力通信都能在75m范圍內(nèi)提供250kbps的速率，能在網(wǎng)狀或多次跳接無(wú)線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)支持串行數(shù)據(jù)路由，速率最高可達(dá)38.4kbps，能夠達(dá)到目前國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的最好性能，完整體現(xiàn)了最新ZigBee網(wǎng)絡(luò)層的強(qiáng)大功能。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)通過(guò)FPGA構(gòu)建了一個(gè)嵌入式控制處理平臺(tái)， 利用FPGA技術(shù)低功耗、定制性高、擴(kuò)展性強(qiáng)、接口靈活等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)智能家居控制部分的設(shè)計(jì)。最終通過(guò)Altera公司的DE2開(kāi)發(fā)板驗(yàn)證，本控制系統(tǒng)在板載50MHz的時(shí)鐘頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。該系統(tǒng)中的部分模塊已在我學(xué)院SMT實(shí)訓(xùn)基地自主開(kāi)發(fā)研制并生產(chǎn)。另外以該系統(tǒng)項(xiàng)目為例，通過(guò)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式激發(fā)了學(xué)生的實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新能力，對(duì)在研課題具有較好的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓德強(qiáng).嵌入式家庭控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008（3）：23-25.

[2]文璧，張潔，徐謙.基于無(wú)線射頻與FPGA技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].中國(guó)測(cè)試，2009.

低功耗設(shè)計(jì)論文范文第5篇

關(guān)鍵詞 CCD 寬度測(cè)量 藍(lán)牙4.0 非接觸測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TB96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Width Measurement System Design Based on Array CCD

LI Sha

（School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering， Hubei University of Education， Wuhan， Hubei 430205）

Abstract Proposed width of the non-contact measurement system based on CCD array， introduced the measurement principle and hardware of the system components， the use of Bluetooth 4.0 technology for wireless transmission of acquired signals to the computer. Experiment with different widths of steel were measured， the results show that the system measurement error is small， the effect is good， has some practical value.

Key words CCD； width measurement； Bluetooth 4.0； non-contact measurement

0 引言

CCD（Charge Coupled Device），電荷耦合器件，是貝爾實(shí)驗(yàn)室在20世紀(jì)60年代末期發(fā)明的圖像傳感器。由于其在檢測(cè)方面的獨(dú)特空間特性和結(jié)構(gòu)特性，CCD自問(wèn)世以來(lái)便廣泛應(yīng)用于光電檢測(cè)領(lǐng)域，尤其在工業(yè)在線檢測(cè)領(lǐng)域具有不可替代的地位。與傳統(tǒng)的機(jī)械式、電磁式、光學(xué)式檢測(cè)技術(shù)相比，基于CCD傳感器的非接觸式檢測(cè)技術(shù)在尺寸檢測(cè)的智能化和自動(dòng)化方面體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[1]提出一種基于面陣 CCD 和激光輔助的測(cè)寬系統(tǒng)用于在線測(cè)量鋼板寬度。文獻(xiàn)[2]采用兩個(gè)面陣CCD的圖像拼接方法實(shí)現(xiàn)對(duì) 130mm的大尺寸軸徑的高精度測(cè)量，并就圖像拼接時(shí)需要注意的問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。文獻(xiàn)[3]介紹了一種基于面陣CCD的振動(dòng)非接觸測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)參數(shù)的確定方法和系統(tǒng)所采集的序列運(yùn)動(dòng)圖像的處理方法進(jìn)行了分析。本文介紹一種基于面陣CCD的寬度測(cè)量系統(tǒng)，并運(yùn)用藍(lán)牙4.0技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像信息的傳輸。藍(lán)牙4.0整合包括傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、藍(lán)牙低耗能技術(shù)和藍(lán)牙高速技術(shù)，低功耗是藍(lán)牙4.0的突出特點(diǎn)，使其在短距無(wú)線應(yīng)用和便攜式操作控制方面具有優(yōu)勢(shì)。

1 硬件系統(tǒng)組成

基于面陣CCD的非接觸測(cè)量系統(tǒng)的硬件部分由面陣 CCD、傳感器固定附件、圖像采集模塊以及計(jì)算機(jī)組成，如圖1所示。CCD將被測(cè)物體成象后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，圖像采集模塊則進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換獲得相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，運(yùn)用藍(lán)牙4.0技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的無(wú)線傳輸，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的圖像處理軟件對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理、提取，最終將計(jì)算的測(cè)量結(jié)果輸出。

1.1 CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感器將光學(xué)信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)大小的模擬電流信號(hào)，再經(jīng)放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換從而實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸和處理。根據(jù)感光單元的排列方式不同，CCD可分為線陣CCD和面陣CCD兩大類(lèi)。前者價(jià)格低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于一維動(dòng)態(tài)目標(biāo)的測(cè)量，但在獲取二維圖像時(shí)需配以運(yùn)動(dòng)掃描，獲取時(shí)間長(zhǎng)且測(cè)量效率低，不適于高精度的平面曲線輪廓檢測(cè)；后者則應(yīng)用面較廣，可以獲取二維圖像信息，測(cè)量圖像直觀，適合測(cè)量面積、尺寸、位置、形狀甚至溫度等信息。面陣CCD圖像傳感器是感光單元有序排列成二維網(wǎng)狀的傳感器，因其具備自掃描特性，能夠把光學(xué)圖像變換成按空間域分布的離散電壓信號(hào)，再通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，就可以完全實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率檢測(cè)。①

圖1 測(cè)量系統(tǒng)框圖

圖2 CCD檢測(cè)原理

用面陣CCD的非接觸測(cè)量物體寬度的原理如圖2所示，光源發(fā)出的均勻光線照在被測(cè)物體上，其寬度信號(hào)通過(guò)成象物鏡成象在面陣CCD的光敏面上，CCD再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬電信號(hào)。

1.2 藍(lán)牙4.0

藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙4.0包括了傳統(tǒng)藍(lán)牙、高速藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙三種藍(lán)牙技術(shù)。②③低功耗技術(shù)（Low Energy）是藍(lán)牙4.0的核心，其最大的特點(diǎn)是運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗極低，只需一粒紐扣電池便可使藍(lán)牙低功耗設(shè)備連續(xù)工作達(dá)數(shù)年之久，這種技術(shù)即為藍(lán)牙4.0BLE。測(cè)量系統(tǒng)中，由CCD獲取的模擬電信號(hào)經(jīng)圖像采集模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，采用藍(lán)牙4.0技術(shù)傳輸至計(jì)算機(jī)端進(jìn)行相應(yīng)的處理。藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量系統(tǒng)的便攜式操作和戶外應(yīng)用。藍(lán)牙4.0BLE不僅有低功耗特點(diǎn)，還具有高可靠性、高安全性、低成本、快速啟動(dòng)、瞬間連接的特點(diǎn)，其有效的傳輸距離較傳統(tǒng)藍(lán)牙有極大提高，可達(dá)60～100m。這些保證了測(cè)量系統(tǒng)的無(wú)線傳輸?shù)目煽亢透咝?，也大大提高了戶外非接觸測(cè)量的應(yīng)用范圍。

表1 鋼板寬度測(cè)量記錄

2 測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為了檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量效果，實(shí)驗(yàn)選取10塊不同寬度的鋼板進(jìn)行測(cè)量，選用激光光源照在被測(cè)鋼板上，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)顯示10次測(cè)量的誤差8在0.1mm以內(nèi)，10次測(cè)量誤差的平均值為0.08743mm，測(cè)量效果是理想的。測(cè)量誤差主要是因?yàn)橄到y(tǒng)中存在光學(xué)系統(tǒng)造成的誤差、環(huán)境誤差、設(shè)備誤差等。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種簡(jiǎn)單易行的非接觸式寬度測(cè)量系統(tǒng)，利用面陣CCD攝像機(jī)獲取被測(cè)物體的圖像，接著經(jīng)圖像采集模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)傳送至計(jì)算機(jī)，再經(jīng)圖像處理獲得寬度值。實(shí)驗(yàn)對(duì)10塊不同的鋼板進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量誤差較小，效果理想，證明了本系統(tǒng)是可行的。

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（Q20133006）

注釋

① 郭偉.基于面陣CCD的鋼板幾何尺寸測(cè)量系統(tǒng)的研究[D].太原科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2013.

② 歐陽(yáng)駿，陳子龍，黃寧淋.藍(lán)牙4.0BLE開(kāi)發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.4.

③ 張德龍.基于藍(lán)牙 4.0 的無(wú)線扭矩測(cè)量分析[J].電子測(cè)試，2013.15：79-80，62.

參考文獻(xiàn)

[1] 秦廣勝，何對(duì)燕，商紅林.一種新的激光輔助鋼板寬度測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009.10：31-33.