硬件设计

硬件设计（精选8篇）

篇1：硬件设计

1方案分析

1.

1温度传感器的选择温度传感器有热电阻温度传感器和数字温度传感器两类。

热电阻温度传感器利用电阻作为测量温元件，具有精度高温量范围大的特点，不过价格较高且容易被污染;数字温度传感器利用单片集成，具有成本低、精度高、无需线性化电路的特点。

文章拟选用ANALOGDEVICES公司生产的AD590作为温度传感器，该传感器非线形误差为±0.

3℃，测温范围在-55℃~+150℃之间，具有高精度、传输距离远、不易损坏的优点，能很好的满足本方案的要求。

1.

2温度传感器的选择湿度传感器有开关传感器和电容传感器可供选择。

如HOS-201湿敏传感器即为开关传感器，其监测范围为0RH~100%RH，工作温度在0~50℃之间，不过这类传感器无法在宽频带范围内检测湿度。

电容传感器如HS1101，这类传感器利用电容器件电容量大小的变化进行湿度检测，具有响应迅速、可靠性高等优点，但其误差有可能大于1%RH。

虽然在检测精度上，HOS-201更能满足本方案需要，但HOS-201在工作温度处于0~50℃之间才有较好的效果，充分考虑本方案的检测精度要求和工作环境温度范围，小于±2%RH的检测精度通过控制检测范围能满足本方案的需要，为此本方案采用HS1101湿度传感器。

1.

3信号通道结构选择本方案需要对点温度、湿度信号进行采集传输，在信号通道结构方面，有多路并行模拟输入和多路分时模拟输入两大类。

多路并行模拟输入可以根据不同的测量要求构建信号模拟量输入通道，并根据各通道的特点独立编程，每一路信号采用单独的采样保持器和A/D转换器，通过专用接口与单片机连接。

多路分时模拟输入利用多路切换器进行不同采集单元信号输入之间的切换，各路信号共用一个采集保持器、一个A/D转换器，通过同一接口与单片机连接。

多路并行模拟输入硬件结构复杂，硬件成本较高，但处理速度较快，软件实现容易;多路分时模拟输入硬件结构简单，硬件成本较低，不过处理速度稍慢且软件实现复杂。

考虑本方案实际需要，采用多路分时信号模拟传输系统能满足处理速度的要求，其硬件结构更为简单成本较低，因此选用多路分时信号模拟输入结构。

2系统设计

本方案基本设计思想是利用温度、湿度传感器对仓库多点温度、湿度进行采集，利用单片机的高敏感性和可控性进行温度、湿度数据的分析，做出相应的反应和动作。

其基本硬件结构如下：2.

1信号采集系统信号采集系统包括温度采集系统和湿度采集系统。

温度采集系统采用AD590做为温度传感器，该传感器使用5V直流电源供电，本系统共设24路温度信号采集，利用CD4051多路开关进行多路分时模拟切换。

湿度传感器采用HS1101，本系统共设24路湿度信号采集，利用CD4051多路开关进行多路分时模拟切换。

2.

2多路开关本系统采用CD4051作为多路开关，起到将多个模拟量输入信道通过一个公共模拟输入端分时切换输入单片机的作用。

由于本系统分为温度和湿度采集两类信号的采集，因此需要分别采用CD4051，对温度和湿度两个信号模拟量进行提取。

考虑CD4051只有8个通道，因此需要分别为温度采集和湿度采集各设置3个CD4051进行扩展，分别扩展为24路通道，以满足本系统的需要。

2.

3A/D转换A/D转换主要将温度、温度检测电路所检测到的温度、湿度模拟信号转换为数字信号，传输至单片机处理的作用。

本系统采用MC14433作为A/D转换器，采用5V电源供电，采用动态分时输出的方法，通过单片机P1口直接与单片机相连。

2.

4单片机及其它电路单片机是本系统的数据处理和控制核心，本系统采用AT89C51单片机，该单片机具有32个I/O接口，2个16位定时计数器，并内置4k字节FLASH闪存器和时钟电路，能满足本系统的需要。

其它电路包括键盘电路、LED显示电路和报警电路，其中键盘电路负责温度、湿度设定值的输入和修改，LED显示电路负责温度、湿度设定值和检测值的显示，报警电路负责温度、湿度超限时的报警，采用蜂鸣器和闪光报警两种方式协同进行。

2.

5软件设计本系统软件包括键盘扫描、键码识别、温湿度显示、温湿度采样、超限报警几个部分。

考虑温度和湿度的变化具有连续性和平稳性，软件系统采用分段定值滤波算法来所检测到的温度值和湿度值，以避免突发性干扰造成检测值波动过大导致误报警现象，以提高系统的抗干扰能力。

整个软件系统工作流程按温湿度检测———温湿度数据处理———键盘查询———数据显示进行。

系统工作时，首先读取传感器检测的温湿度数据，与温湿度预设置进行对比，当超出设定范围时利用声光报警器发出报警动作。

3结束语

利用单片机构建仓储自动监控系统，能有效提高监控效率和准确度，降低人工投入。

由于篇幅原因，本系统仅针对温度、湿度信号的采集和超限报警进行了构建。

在实际应用中，还可以进一步加入通风系统、排湿系统、降温系统等，利用单片机进行温度、湿度的控制，当温度、湿度超限时自动启动相应系统进行处理，能进一步提高仓储质量。

作者：伍立坤 单位：湖北工程学院

篇2：硬件设计

沱牌系列酒的展示空间设计

学生姓名 姚 波 院系名称 美术学院 专业名称 艺术设计（艺术教育）班 级 2011级1班 学 号 201115155126 指导教师 刘 根 蓉（教授）答辩时间 2015年1月4 日

《沱牌系列酒的展示空间设计》

学生姓名：姚 波 指导教师：刘根蓉(教授)内容提要：

在竞争日趋激烈的市场中，单纯依靠产品差异已经很难形成产品竞争的资本，因此企业品牌形象的差异就显得尤为重要。而商业空间展示设计已成为企业市场策略的重要手段，它正在扮演着决定公司在市场竞争是否能取得优势地位，能否在众多琳琅满目的同类产品中脱颖而出，能否吸引更多顾客关注的角色。由此看出，展示设计对塑造良好的企业品牌形象起着重要的作用。然而中国当代展示艺术设计如何形成既符合中国企业和市场的需求，又能够彰显企业文化特点的风格和设计理念己经成为亟需解决的问题，所幸越来越多的设计工作者都看到了这点，相信在大家的不懈努力下商业空间展示设计定能得到长足发展。下面结合我本次毕业设计的构思过程来分析展示空间设计的基本规律和经验，与大家共同交流、学习。

关键词：市场策略 企业文化 展示设计

The exhibition space design TuoPai series wine

Abstract:

In the increasingly fierce competition in the market, relying on the product difference is hard to form the product competition, the capital, so the enterprise brand image difference is particularly important.And commercial space display design has become an important means of enterprise marketing strategy, it is played to determine whether the company in the market competition advantage can be achieved, can stand out in the numerous range of similar products, can attract more customers pay attention to the role of.Thus, the display design in shaping good corporate brand image plays an important role.How the Chinese contemporary art design form not only conforms to the Chinese enterprises and the demand of the market, and to reveal the characteristics of the enterprise culture style and design concept has become a problem need to solve, but more and more designers are saw this and believe in you under the unremitting efforts of commercial space display design can get long-term development.I graduated from the design under the design process to analyze the basic rule of exhibition space design and

experience, to communicate with everybody together, learning.This paper expounds that the author, explains, and to view.Key words: Market strategy The enterprise culture Display design

目 录

一、课题简介........................................................1

（一）课题来源………………………………………………………………………1

（二）课题背景………………………………………………………………………1

（三）研究主题………………………………………………………………………1

二、课题调研…………………………………………………………………………1

三、设计理念…………………………………………………………………………2

四、设计定位…………………………………………………………………………2

五、设计过程…………………………………………………………………………2

（一）构思……………………………………………………………………………2

（二）草稿一…………………………………………………………………………2

（三）草稿二…………………………………………………………………………3

（四）草稿三…………………………………………………………………………3

（五）定稿……………………………………………………………………………4

六、设计方案与说明…………………………………………………………………4

（一）空间造型上设计造型上………………………………………………………5

（二）色彩的选择和搭配……………………………………………………………5

（三）图片的选用……………………………………………………………………5

七、设计总结…………………………………………………………………………6 参考文献：……………………………………………………………………………6

沱牌系列酒的展示空间设计

一、课题简介

（一）课题来源

通过查阅资料，结合大学所学课程，展示设计是一门综合的课程，可以把过去所学的各门独立的学科串联起来，起到查漏补缺的作用；并且商业空间展示设计已成为企业市场策略的重要手段，它正在扮演着决定公司在市场竞争是否能取得优势地位，发展的前景非常大。而选择做沱牌酒的空间展示设计，是因为沱牌酒是我家乡所产，借此机会做一次形象宣传。①

（二）课题背景

1.展示设计的发展现状

缺少的重要途径，亦是经济发展和拉动内需的新型产业。我们关注最多的就是科技博览会，国外同行们不断的运用新材料和新技术不断的刷新我们对展示设计的认识，可谓欣欣向荣；而国内的展示设计起步晚，虽然发展很快，但是却存在着表达手法单一，创新意识不够，墨守成规的弊病，要赶上国际上发达国家的水平，还有很长的一段路要走。②

2、沱牌酒的发展背景

“舍得+沱牌”的双品牌战略曾帮助沱牌的营收从2009年的7.23亿大涨至2012年的19.59亿。然而随着目前高端白酒销售备受打压，以及同类产品竞争不断加大，沱牌日前发布公告称，因高档产品销售下滑等原因，上半年净利润预期出现80%的大跌。以此推算，二季度沱牌更出现了超过2000万元的亏损，所以需要加强宣传，通过改变营销手段，走出目前的困境。

（三）研究主题

此次“沱牌系列酒”的空间展示设计的中心思想是空间造型设计，通过分析市面上中高端白酒的消费人群特点，年龄结构大多为中年段，确定了此次展示设计怀旧、古朴、传统的风格；继而提取传统酒文化元素，结合展示设计的结构主义流派特点，用怀旧的是用引起消费者与沱牌系列酒的共鸣，达到宣传目的。

二、课题调研

从白酒企业近年来市场占有率情况可看出，从2006年至2010年这五年里，沱牌酒的市场占有份额逐年下降，特别是08年和09这两年，不但市场份额下降，营业收入也下滑很多，说明该公司产品已进入衰退期，保持市场份额已经很困难，主营业务利润开始滑坡，如果不改变营销方式，加大市场宣传，将步入衰落（如图1）。

①汪建松：《商业展示及设施设计》，湖北：湖北美术出版社，2005年版，第24页。

②吴讯．《企业品牌形象在产品设计中的体现》，南京：南京理工大学，2004年版，第17页。

图1：市场份额调查表

三、设计理念

在社会高度发展的今天，以人为本更多的走到了幕前，它不再是一句口号；而今天无论是国内、还是国外，商品交易过程已经从卖方市场变成了买方市场，商品销售越来越激烈，于是以人为本的的思维模式走到各业，而此次我所做的“沱牌”系列酒展示设计同样围绕着以人为本的设计理念，给人一个舒适的活动环境，创造一个给人以心理上亲近温暖感觉的空间，既是一个充满人性化的展示空间，也是一个“合情”、“合理”的设计。①

四、设计定位

沱牌酒具有高、中、低三档多款白酒，沱牌曲酒由四川省射洪县沱牌集团有限公司生产并销售，是川酒“六朵金花”之一。沱牌曲酒是一个全国性的品牌，在全国市场布局广泛并享有较高声誉。而这次我所做的展示设计是围绕着沱牌酒高、中端来做的，而针对的人群主要是中高端收入人群，而这类人一般都是事业稳定的中年人群，所以我的设计风格主要以成熟、稳定为基点，运用了很多传统的中国元素，具有古典主义风格。

五、设计过程

（一）构思

经过市场调查和查阅有关沱牌系列酒的资料，我希望通过在展台、展架的设计上附加来自产品的特性，给人简洁大方的感觉；颜色以产品外包装的咖啡色、白色为主，配以银白色的灯光，可让人有古朴、典雅之感；最后是文字，除了传承以往的广告语之外，我还想搭配一些有关的书法，反复强调产品文化酒的附加文化；达到该次展示设计在图形、文字、色彩的搭配上的合理。②

（二）草稿一

首先是大门的设计，考虑到沱牌酒具有古典传承的特点，所以我把展厅定位

①冯晓云，任仲泉：《展示设计实务》南京：江苏美术出版社，2005年版，第60页。

②朱淳：《展示设计教程》，北京：中国美术学院出版社，2002年版，第160页。

成仿古建筑，所以前门采用了徽式的马头翘角，大门集庄重简洁与富丽于一身，而两旁配以仿古书架式橱窗，上部是广告语，下部的展架既可以起装饰作用，又可以展示酒，一举两得（如图2）。

其次是中央造型，作为展示设计的重头戏，我希望我的中央造型既起装饰作用，又符合我的展示设计的主题思想，所以首先想到的是酒器，通过对中国酒文化的调查，首先想到了酒樽，然而酒樽太高又会占用太多的展示空间，依据之前查阅的酒文化资料，想到了酒案，并在酒案上配上了饕餮纹，以起装饰和统一的作用，于是创做了的中央造型（如图3）。

图2：手绘大门草稿 图3：手绘稿中央造型

（三）二稿

通过手绘稿确定基本空间造型后，二稿开始制作，实际制作过程中有两个地方改动很大，首先就是大门放弃了徽式马头翘角的造型（如图4），而是采用了简洁、大方的当代建筑，相对应以前虽然张力减少，但是更具有了设计感；中央造型也有很大的改变，放弃了原来辅助的鼎式造型，而是提取了饕餮纹路，结合

图4：模型平面图

图5：模型侧面图

传统的笔筒与方形酒杯造型，不但保留传统特色，还充分的表达浓厚的酒文化的寓意。相对应第一稿，此时设计的大体方向已经拍板，但是还是有些地方存在不足需要改进（如图5）。

(四)三稿

由于本次所做“沱牌”系列酒的展示空间设计，是着眼于博览会而设计的

图6：三稿俯视图

而博览会于一般的商业展示不同就是周期短，人流相对非常集中，必须充分考虑展厅的流动性，因此封闭式的设计就非常的不合理，容易出现大门口拥挤的现象，同时也存在很多的安全隐患；通过市场调查，以及结合本身的展厅特点，特设计了开放式展厅，以满足实际需求（如图6）。

（五）定稿

图7：正面效果图 图8：左侧面效果图

图9：平面图

通过三次草稿，确定了展厅的空间造型，而接下来的定稿加入图 片文字后，总是觉得中央造型有点问题，最后发现是上面的图案和颜色太过于花哨，和整个展厅不统一，于是在定稿稿时进行了调整；在设计构思时白色只是辅助色，然而如我任由地板是保留白色，那么白色就喧宾夺主了，因此我在底板上铺了米黄色地板，使色彩环境更加统一,色调看起来更加明亮（如图7）（如图8）。

六、设计方案

（一）空间造型上设计造型上

整体采用了结构主义风格（如图9），注重点、线、面的结合，外观简洁流畅；虽然看似是一个包围结构，但采用了镂空的手法，使空间具有透气性，同时增加了神秘感；展架的设计上主要注重沱牌舍得酒其文化酒的卖点，从而选择了仿古书架造型来制作酒架，有“我们展示的是文化，而不只是酒”的寓意。①

图10：定稿俯视图

（二）色彩的选择和搭配

整个设计是咖啡色为主色调的，辅以白色，还穿插了一些红色的海报，对于选用咖啡色有两个出发点。其一，咖啡色代表怀旧、古朴、传统和凝重，给人一种沧桑厚重的时代回望，在商标上一般用作老字号的代表。而沱牌酒一脉相传，历史悠久，用咖啡色在合适不过；其二，咖啡色是沱牌舍得酒的包装色，并且其余几款沱牌酒的包装都是以红色为主，这样就让咖啡色有了燃情岁月的激情了；众说周知，色彩在所有艺术表现形态中，是最容易触动人心弦的，使人直接产生“喜、恶”判断。因而色彩的设计是展台设计中重要的一节，是成败的重要因素。考虑到展台色彩设计的简洁性原则，我选择了咖啡色作为我的主色调，将酒包装的颜色作为展厅设计的色彩部分，更容易使整个展台形成一个和谐统一的视觉环境（如图10）。

图11：背景墙效果图

（三）图片的选用

图片主要是指文字说明、图解、背景照片等几个方面。它有着与展品同样重要的作用。展示设计可谓是寸土寸金，而展墙做为其中的重头戏必须要下足功夫；

①吴江山：《展示设计》，台湾：新形象出版事业有限公司，1995年版，第257页。

舍得酒是“沱牌”近年的拳头产品，所以我的展示墙是一幅舍得酒的宣传海报，而灯箱片是沱牌各个系列中高端酒的代表产品的宣传海报，主要以灯箱片的形式呈现；整个展厅中文字很少，都是沱牌酒传承下来的经典广告语，充满了回味（如图11）。

七、设计总结

毕业设计是大学的最后一次作业，更是对大学四年所学的一次检测，而我选择了沱牌系列酒的的空间展示设计，不仅因为它是我们家乡的特产，还因为展示空间设计是一门综合的学科，可以更好、更全面地检测我大学所学的知识，培养综合技巧的同时，达到分门别类、查漏补缺之效。更因为沱牌酒一脉相传的悠久历史，一句“沱泉酿美酒，牌名誉千秋”打动了无数人，也打动了我。

本次毕业设计从开题到最后完工，历时两个多月，中间反复修改，他人可能说我做了很多无用功，但是我不这么认为，一次次尝试，都加深了我都空间结构的认识，对诸如点、线、面，图形、色彩、文字的的熟悉，不加深了对展示设计的了解，使我学会了把大学里看似独立的学科，综合的运用起来完成设计，可谓意义深远。

参考文献：

1.汪建松：《商业展示及设施设计》，湖北：湖北美术出版社，2005年版；

2.吴讯．《企业品牌形象在产品设计中的体现》，南京：南京理工大学，2004年版；

3.冯晓云，任仲泉：《展示设计实务》南京：江苏美术出版社，2005年版；

篇3：硬件设计

关键词：单片机硬件设计,软件设计,问题探究

硬件设计与软件设计之间相互制约、相互转换。单片机产品的差距往往由硬件设计水平决定, 任何软件设计如果没有可靠的硬件支持都是空中楼阁。下文对单边机硬件设计与软件设计的互动关系问题进行了探讨。

1 硬件设计

硬件设计是单片机产品开发的基础, 如果在这个环节出现错误或缺陷, 对整个开发工作将产生不良影响:

1.1 硬件原理设计

硬件原理设计的任务是设计并绘制硬件原理图。

1) 最小应用系统设计:微处理器和存储器的选择、总线驱动、复位电路的设计等。

2) I/O通道设计:接口电路, 模拟量I/O通道中A/D、D/A转换芯片的选择等。

3) 人机界面设计:键盘、显示 (液晶或数码管) 及接口设计等。

4) 系统扩展设计:外部RAM和ROM、定时/计数、中断管理、串行口扩展等。

5) 接插件定义:由接插件类型、管脚定义等确定线路板之间的数据通信形式。

1.2 资源分配

资源分配是对RAM、定时器/计数器、中断源、异步串行口、并行I/O口等内部资源及扩展资源分析其用途、工作方式、起止时间和限定条件、分配端口地址。适时地进行资源分配, 一方面减少资源浪费, 另一方面若发现资源不足, 能及时修正原理设计中的潜在问题。

1.3 线路板图绘制在用CAD绘制线路板时必须注意

1) 器件布局:让干扰源与敏感元件远离, 键盘、显示器按用户要求的位置摆放, 其它器件最好环绕CPU。2) 布线方法:a.加粗电流线路;b.让地线构成闭环;c.三总线分开;d.走线应避免出现直角或锐角;e.晶振与引脚尽量靠近, 用地线把时钟区隔离起来, 晶振外壳接地并固定。3) 可靠性措施:a.减少多余的过孔, 减少接插件与连线, 尽量加大线和线、线和盘、孔和盘的距离;b.防止毛刺及阻焊材料不良造成的隐患;c.集成块最好焊在印制板上;d.对闲置的I/O口不要悬空。

2 软件设计

软件设计先要进行任务划分, 建立数学模型, 确定算法及数据结构, 进行资源分配及结构设计, 绘制流程图, 编制各子程序模块, 仿真调试等, 然后还要考虑单片机产品开发的特殊性。

2.1 准备工作前期准备工作不充分, 会造成大量的重复劳动

1) 模块功能定义:根据要求确定整个程序的功能, 并将这些功能分解成多个子功能, 还要确定这些功能模块之间的关系和数据传递方式。

2) 规划数据类型并形成数据类型字典:规划数据类型是为了保证数据类型的一致性。参数的数据类型确定后, 要形成数据类型字典以供编程时查阅。

3) 内存资源分配:将未分配的RAM单元进行合理分配, RAM资源划定后, 如果发现某些资源分配不合理, 可以进行局部改动。

2.2 系统监控程序的设计

监控程序就是根据当前单片机内外部的状态或发生的事件, 适时决策, 执行相应的模块, 完成指定的作业。监控程序的扫描周期应该越短越好。监控程序的结构有作业顺序调度、键盘驱动调度等方法。监控程序的设计方法主要有状态分析法、状态转移法和事件驱动法等。

2.3 中断与子程序设计

1) 中断:a.现场保护;b.及时返回;c.避免中断重入

2) 子程序设计与子程序调用:将重叠的部分以子程序的形式提取出来, 共同约定其入口/出口参数。还可在优化程序时, 将所有可能合并的程序段或子程序合并成一个子程序。

2.4 程序测试程序测试的方法

可采用白盒测试法、黑盒测试法。单片机测试工具主要是软件仿真器, 在软件仿真器上调试通过后, 再与硬件联合调试。

3 硬件设计和软件设计的关系

单片机产品的完成, 对硬件设计的认识是决定性的, 它可以让你知道可行性是多么的重要。当你同时具有软件设计能力时, 就可以合理的分配系统功能。为了加快开发周期, 有些公司往往把一个产品开发分为硬件和软件两个相对独立的部分, 由总设计师统一规划协调、分任务, 再由不同的人并行完成。这在具有一定技术实力和管理水平的情况下是可行的, 也是符合现代产品开发规律的。通常, 根据单片机产品的运行速度、成本、可靠性等要求来确定软硬件功能的划分。

3.1 根据运行速度划分

软硬件的功能是由系统的运行速度决定的。例如, 单片机执行一条指令至少需要1μs, 而完成任何一项工作需要若干条指令, 比数字电路慢得多;如果要求某一任务的执行时间少于10μs, 就必须采用硬件电路实现。否则, 采用能完成此项任务的高速微处理器系统, 就会造成浪费。

3.2 根据成本要求

产品开发费用包括硬件和软件的费用, 软件费用的特点是研制费用昂贵, 复制费用低廉。在批量生产的产品开发中, 应尽可能利用软件代替硬件, 降低成本。小批量产品不宜用软件代替硬件的办法, 这会增加软件的研制费用。

3.3 根据可靠性

硬件措施如果得当, 可消除大部分干扰, 但是, 硬件线路越复杂, 系统可靠性就越差。故软件措施可作为第二道防线。软件正常工作的前提是CPU必须正常, 虽然CPU不能正常工作时还可通过w atchdog来复位, 但是看门狗频繁动作将导致系统无法正常工作。此外, 软件抗干扰措施是以占用CPU为代价的, 如果没有硬件抵御绝大多数干扰, CPU将疲于奔命, 严重影响系统的工作效率和实时性。因此, 构建一个成功的抗干扰系统必须做好硬件的抗干扰措施, 同时注意与软件的紧密配合。总之, 由硬件来完成某些功能, 可提高工作速度, 减少软件的工作量;由软件来完成某些功能, 可降低硬件成本, 简化电路, 提高系统的可靠性。硬件和软件相辅相成。

4 结语

总之, 再好的硬件设计如果离开软件设计的灵活协调, 也只能是一堆昂贵的废品。硬件设计和软件设计相互依赖, 密不可分。

参考文献

[1]陈兴文, 刘燕.单片机应用系统硬件调试技巧[J].现代电子技术, 2000.

篇4：小型材料分拣系统的硬件设计

摘要：本文阐述了松下电工生产的一种小型PLC，运用编程实现对材料自动分拣控制。本分拣装置涵盖了PLC、气动、传感器、位置控制等技术，在生产实践中性能更加稳定，大大降低了故障率.取得了满意的结果，在中小型企业中具有较高的推广价值。

关键词：可编程控制器 材料分拣 硬件及软件设计

1 概述

随着社会的发展，市场竞争越来越激烈，各大生产企业都迫切地需要改进生产技术，提高生产效率，尤其是需要进行材料分拣的企业，在产品质量检测和运输过程中需要进行分类。以往采用人工分拣的方法，致使生产效率低，生产成本高，材料的自动分拣已成为企业的首要选择。现在我们采用光电扫描、图像识别、机械筛选、传感器等多种形式，利用PLC技术设计了一种成本低，效率高的材料自动分拣装置，在分拣过程中取得了较好的控制效果。该装置采用了小型可编程控制器（PLC）来实现材料分拣系统控制，经过调试，运行稳定，精度高，易控制，并且具有体积小、功能强、外形美观和价格经济等优点。

2 硬件部分

2.1 材料分拣系统 分拣系统的主要任务是把要分拣的物品按类、品种或地址等进行分离，并把已分离的物品送到指定位置。该材料分拣装置涵盖了PLC技术、气动技术、传感器技术、位置控制技术等内容，是实际工业现场生产设备的微缩模型，可完成传感器、交流电机控制，光电编码器、PLC编程及编程调试、计算机组态监控、气动等方面的综合应用设计训练，并配置了计算机监控软件，实现了计算机上位监控。内置电源，配装FP1系列主机，转接面板上设计了可与其它PLC或单片机连接的转接口，并选用了颜色识别传感器及不同材质敏感的电容式和电感式传感器，分别被固定在网板上。

主要技术参数：输入电压：交流220V、50Hz（带保护地三芯插座）；气源：0.2MPa-0.85MPa；外形尺寸：800*

500*300mm。使用方法：①气源由二联体左侧进气口连接6气管，另一端接至气源；②当选用外部PLC时，可通过转接板与I/O接口连接；③编制程序；④接通电源；⑤将料块放入竖井式料槽；⑥运行方式：有料时自动运行，无料时走完一个行程自动停机。

2.2 硬件功能 FP1的功能：FP1是日本松下电工生产的小型PLC产品，它集CPU、I/O、通信等诸多功能模块为一体，具有体积小，功能强，性能价格比高等特点。它适用于单机、小规模控制，在机床、纺机、电梯控制等领域得到了广泛的应用，适合我国国情，特别适合在中小企业中推广应用。光电编码器：光电编码器主要应用于检测角度位置，也可通过机械联动转换成直线运动来检测线性位置。随着光刻技术的飞速发展该产品的精度以及其他技术指标获得大幅度的提高。[3]常见的类型主要有：单相输出、正交AB相增量脉冲输出、绝对值格雷码输出、原点输出、防溅、防水、防油、耐震动、抗冲击等等。光电编码器已成为检测旋转角度和线性位置的最为重要的工具。高速计数器：是PLC计数器中常用的一种，它是PLC中一个特殊I/O单元，是处理频率较高数字信号的智能模块，它自身带有一个微处理器和系统程序[1]。

3 软件部分

3.1 设计原理——位置控制技术 如何精确地确定材料的位置，是材料分拣系统中非常关键的问题。在经济型数控机床、用电机传动的物料传送系统及其它如棉纺织厂抓棉机等应用设备上，往往应用可靠性较高的PLC来进行电机轴的位置控制，不少PLC产品都配置轴定位模块，来专门控制电机的运转。但这种方式的成本一般都很高[2]。目前的PLC本身大都带有RS232/RS485标准串口和高速计数器或可扩展的高速计数器模块，高速计数器模块可用作位置反馈的检测元件，交流电机的变频控制器基本上也都支持RS485串行通讯，因此我们的材料分拣系统也完全可以充分利用PLC强大的控制能力，结合高速计数的方法来实现电机轴的精确定位控制。

3.2 程序调试 系统上电后，可编程序控制器（PLC）首先启动输送带，上料传感器检测料槽有无材料，若无料，输送带运转一个周期后自动停止等待上料；当料槽有料时，上料传感器输出信号给PLC，PLC控制输送带继续运转，同时控制上料气动阀进行上料，每次上料时间间隔可以进行调整。当系统设定为分拣某种颜色的金属或非金属材料时，由程序记忆各传感器的状态，完成分拣任务。不同检测体的修正系数见右图。

PLC的最大特点是采用易学易懂的梯形图编制程序，梯形图符号和定义与继电器展开图完全一致，用PLC设计自控应用系统无需掌握复杂的计算机硬件原理就可编程实现，灵活方便。在此只给出分拣铁质、铝质和非金属某一颜色材料的程序。若需要分拣金属某一颜色材料，只需用程序记忆前一材料传感器的检测状态即可。

4 结束语

通过以上程序设计，基本上达到了预期的控制要求。材料只有根据不同的情况，对系统稍加改动才能实现运行稳定，精度高，易控制的要求。

参考文献：

[1]李歧强，钱积新，金萍.自动分拣系统中分拣数据的同步跟踪与装箱单的实时打印[J].机械与电子，1998（3）.

[2]张有东，赵金宪.PLC材料自动分拣系统的研究[J].煤炭技术，2002，21（7）.

[3]吴志刚.光电编码器的原理与应用.浙江冶金，2001，2（1）.

作者简介：

篇5：硬件设计

随着我国经济餐饮的蓬勃发展，对家庭餐桌提出了更高的要求，工作面临跟上时代发展的步伐的严峻压力；另一方面,为尽早实现创意型餐桌能广泛的走向市场，把握先进技术的最新发展动态和材料运用，以推动我们餐桌的发展市场。

生活节奏的加快和水平的提高，多数人开始更加注重生活的品质和情趣。餐桌已经不单单满足人们用餐的需求了，多数人开始关注功能和造型、材料方面的设计，这更加要体现设计在其中的重要性。便携式餐桌设计、儿童餐桌设计、户外餐桌设计、等等一系列的设计。餐桌是每个家庭必不可少的家具，一套好的餐具设计能带给你的不单单的用餐快乐的体验还是一种身心的的愉悦。因为餐桌的形状，色彩，摆放位置等众多的因素能影响与人的相处，所以拥有一套称心的餐桌就能让你和你的家庭、朋友相处的更融洽。现有的餐桌面临的几个问题功能与结构的单一我决定是对现有家具在造型方面对不同人群进行创意设计。

产品设计课程设计---创意餐桌设计

图1 实木材料图2 高塑材料

图3 台球与餐桌的结合

产品设计课程设计---创意餐桌设计

图6 电视柜

图7 电视柜

产品设计课程设计---创意餐桌设计

图10 儿童床

图11 便携试餐桌

产品设计课程设计---创意餐桌设计

图14 创意型餐桌

（1）功能汇总：市场的餐桌主要包括折叠、旋转、废物带等功能和部件。（2）同类市场的造型样式如图一二。

（3）市场现有餐桌的价格范围：市场上适应普通热群适用的餐桌价格大约在2500-10000之间，高档餐桌价格不一。

（4）市场现有餐桌制造方式汇总：制造方式主要集中与实木、钢化、高塑以及多种材料混合的制造方式。调查总结

餐桌的形状对家居的氛围有一些影响。长方形的餐桌更适用于较大型的聚会；而圆形餐桌令人感觉更有民主气氛；不规则桌面的，如像一个“逗号”形状的，则更适合两人小天地使用，显得温馨自然；另有可折叠样式的，使用起来比固定式的灵活。

餐桌是格外需要烘托的。有人说一张餐桌就是一个任由您打扮的模特。为了要显出它独特的风格，可选择不同的桌布，如简朴的麻质桌布表现出一种传统风味，鲜艳明亮的桌布则能令人感到一种欢快活泼的气息。另外，餐桌上方配以合适的灯具，既能让人领略美食的“色”之美，又能营造出一种迷人的氛围。

产品设计课程设计---创意餐桌设计 您对现有餐桌的功能是否满意？ A 是 B 否 您是否觉得餐桌造型单一？ A 是 B 否 您对现有餐桌有哪些意见？ ____________________________ 18 您对餐桌的造型设计有哪些期待？ ____________________________ 19你近期是否有购买餐桌的意愿？ A 是 B 否

2.2.2问卷调查分析：

女生

人数男生54565860626

4图15 男女比例的调查

还可以不满意人数满意0204060

图16 现有餐桌的满意度调查

人数

产品设计课程设计---创意餐桌设计 设计定位

市场定位

市场主要针对中高端市场 消费人群

新组成的家庭 预计售价

5000-7500元 设计要求

篇6：移动产品设计之硬件能力交互设计

如果你想猎杀一只虎你得首先搞清楚了虎的习性与弱点，不然就好比是绣花枕头的屠龙术，同样的道理，如果你想做好移动产品的设计，你得首先搞清楚移动设备的基本属性。知道移动设备有哪些能力才能驾驭这些能力并创造出优雅的体验。

在移动设备里，常见可以被利用的硬件包括：话筒、GPS、距离感应器、环境光感应器、影像传感器、磁阻传感器、重力感应器、方向感应器、加速感应器、三轴陀螺仪、RFID、NFC、裸眼3D、温度计、震动感应器等等。

话筒

原理：记录/输出声音，进行频谱分析最后以不同形式输出/输入

扩展应用：语音输入、语音指令、听音辩曲、游戏等

代表实例：语音搜索、导航仪、Shazam、Midomi SoundHound、IntoNow、Ocarina(埙)

GPS

原理：由24颗工作卫星组成，使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星, 测量出已知位置的卫星到用户接收机之间的距离，然后综合多颗卫星的数据就可知道接收机的具体位置

扩展应用：定位(关于定位更详细的介绍可以参照之前的文章“移动产品设计之常见定位方式”)

代表实例：各类地图应用、LBS相关应用

磁阻传感器（方位传感器）

原理：将感受到的地磁信息转换为数字信号输出给用户使用

扩展应用：辅助导航

代表实例：指南针、地图的罗盘模式

GPS与磁阻传感器的对比

二者不会相互干扰

磁阻传感器不接收GPS信号，是GPS的补充

受到地磁的影响，因此磁阻传感器需要经常进行校正

距离传感器

原理：一般都在手机听筒的两侧或者凹槽中，通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间来计算与物体之间的距离

扩展应用：接打电话的时候进行屏幕亮度及开关触屏的调节

代表实例：进距离传感器屏幕锁、微信自动切换听筒/扬声器模式

环境光传感器

原理：感应出使用环境的光线强度，再根据外界环境的光线强度进行调节

扩展应用：屏幕亮度自动调节、键盘灯自动调节

代表实例：屏幕亮度调节、阅读模式切换

影像感应器（摄像头）

原理：将光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号

扩展应用：拍照/录像、条码/二维码识别、图像识别/人脸识别、动作捕捉/体感技术、增强现实

代表实例：我查查、名片全能王、quick拍、蝶千寻、(AR相关应用可参见“增强现实及其扩展应用”)

重力感应器

原理：手机重力感应指的是手机内置重力摇杆芯片，利用压电效应实现，感受手机在变换姿势时，重心的变化，使手机光标变化位置。重力感应器所能测的是手机来自不同轴面的重力，是直线的。

扩展应用：横竖屏切换、设备的正反朝向判断

代表实例：横竖屏自动切换(部分手机可以实现在查看相册的时候会自动根据拍照的时候是横屏or竖屏进行横竖自动切换)、甩动翻页/换歌、来电翻转、重力球游戏

方向感应器

原理：一般手机的上的方向感应器是感应水平面上的方位角、旋转角和倾斜角的。可以检测手机处于正竖、倒竖、左横、右横，仰、俯状态

扩展应用：飞行类游戏

代表实例：飞行类游戏、赛车类游戏

加速感应器

原理：敏感元件将测点的加速度信号转换为相应的电信号。加速感应器能感应到加速度和方向

扩展应用：加速度感应、力量大小和方向感应。(在很多电脑里也内置有加速度感应器，基本应用场景就是当电脑跌落的时候保护硬盘不受损)

代表实例：求签类应用、保龄球类游戏(Super Ball Escape)、垂钓类游戏

三轴陀螺仪

原理：单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而3轴的一个就能替代三个单轴的。三轴陀螺仪能同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速度。三轴陀螺仪最大的作用就是“测量角速度，以判别物体的运动状态，所以也称为运动传感器“，换句话说，这东西可以让我们的iPhone知道自己”在哪儿和去哪儿“

扩展应用：感受手机在各个角度上的变化、感知设备运动状态、辅助GPS定位

代表实例：itouch等的定位、测量( iSetSquare )、游戏( Gyroblox、现代战争2、 sensor mouse )

重力感应、方向感应、加速感应、三轴陀螺仪

重力感应，只能感应到不同轴面的力，是基于直线的感知;

方向感应器，基于平面的感知;

加速度传感器，能感应加速度和方向;加速力可以是常量G也可以是变量，所以加速度感应的范围要比重力感应器大，

电脑资料

也有些手机上说到加速度感应器，实际上就是重力感应器。

iPhone4里的重力感应器和加速度感应器是同一个设备，叫三轴陀螺仪。能够感应设备在X、Y、Z三轴方向上的重力和加速度，得出来的是运动轨迹;

震动感应器

原理： 压电陶瓷可以把震动转化为电信号

扩展应用：设备唤醒、心跳、脉搏监测、测谎仪

代表实例：暂无

RFID(非接触式射频识别)

原理：在物体贴上RFID标签，当物体进入到读写器的作用范围内时，能够读取到标签中的相关信息。RFID分为2个部分：标签(射频卡)，读写器。标签分为主动标签(主动发送信号)，被动标签(接收信号)

扩展应用：室内定位、电子机票、物流分拆

代表实例：手机钱包、一体化检票平台

二维码

原理：用某种特定的几何图形按一定规律在平面(二维方向上)分布的图形记录数据符号信息。在代码编制上巧妙地利用构成计算机内部逻辑基础的“0”、“1”比特流的概念，使用若干个与二进制相对应的几何形体来表示文字数值信息，通过图象输入设备或光电扫描设备自动识读以实现信息自动处理。

二维码不一定都是黑白相间的，实际上它的颜色可以被改变;二维码有较强的识别性，当遮盖面积不超过30%的时候仍然可以被识别。

(比如这张二维码就是改变颜色增加了个性化内容的，and，还可以参考我的微博头像)

扩展应用：打开相关链接、签到、支付、名片

代表实例：支付宝条码支付、我查查

NFC

原理：由RFID及互联互通技术整合演变而来,在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。这项技术最初只是RFID技术和网络技术的简单合并，现在已经演变成一种短距离无线通信技术。

但是NFC芯片有双向的读写功能，而RFID的id tag只读;NFC要求的距离比FRID要近很多。

扩展应用：身份确认(签到)、电子钥匙、电子票务、介绍地标

代表实例：签到、刷卡、移动支付

RFID、二维码、NFC

NFC和目前通用的RFID协议兼容，脱胎于RFID

RFID主要应用于目标识别(单向)，NFC主要实现设备间通讯(可双向)

NFC要求的距离比FRID要近很多

NFC的本质是通讯，本身不承载数据

NFC需要电力，类似蓝牙

二维码是单方面的信息读取

二维码承载字母，数字，ASCII码，且有字符数量不超过3000个

二维码需要去对准读取设备，而NFC只需要靠近，识别工作无须人工干预

裸眼3D

原理：简单的说就是不使用偏振镜(3D电影常用)，在平面显示出3D立体效果。目前裸眼3D技术有很多，目前在手机上实现应用的主要是夏普的视差屏障(parallaxbarrier)技术液晶屏

扩展应用：游戏、地图和导航、视频浏览、3D照片浏览

代表实例：Google3D地图、earth3D

温度计

原理： 通过热敏感探头实现温度测量。

不过， 只能测试环境温度，无法测量物体温度，比如无法测量体温。测量体温等需要红外测温装置，目前不易装入手机。 另外，易受到机器温度影响，测温不是很准

扩展应用：测量环境温度、体温监测、疾病预报、生活服务(穿衣指导)

代表实例：暂无

当然，其实还有最普通的Wifi、红外、蓝牙等基础硬件设备的使用也可以有不一样的交互体验比如Bump等，这里不再赘述。

篇7：计算机硬件设计报告内容参考

【课程设计目的】

1、融会贯通计算机组成原理课程的内容，通过知识的综合运用，加深对计算机系统各个模块的工作原理及相互联系的认识；

2、学习运用VHDL进行FPGA/CPLD设计的基本步骤和方法，熟悉EDA的设计、模拟调试工具的使用，体会FPGA/CPLD技术相对于传统开发技术的优点；

3、培养科学研究的独立工作能力，取得工程设计与组装调试的实践经验。

【设计总要求】

设计一个16位的模型机，其组成为：

•总线结构:单总线，数据总线位数16位、地址总线16位；

•存储器:内存容量64K*16bit

•控制器:用硬联线控制器实现26位微操作控制信号

•运算器:单累加器，实现加、减等8种操作

•外设：

–输入：用开关输入二进制量

–输出：7段数码管和LED显示

•指令系统规模：64条指令，7种类型，5种寻址方式

【课程设计内容】

题目：模型机设计

1、指令系统设计：（写上你的题目所要求的指令的助记符、格式、功能等内容）

2、模型机硬件设计：（写上你的题目内容2所要求的逻辑电路的名称、功能等内容，没有内容2的则不用写）

3、逻辑电路设计：（写上你的题目内容3所要求的逻辑电路的名称、功能等内容）

【系统设计】

1、模型机逻辑框图（参见《硬件课程设计讲义.PPT》的整机逻辑框图、芯片引脚及CPU逻辑框图，三个图都画上，在CPU逻辑框图上可以做一些标识，如控制信号等）

2、指令系统设计（指令类型、寻址方式，参见《硬件课程设计讲义.PPT》（要稍作整理）及《模型机指令系统－56条.doc》）

3、微操作控制信号（参见《硬件课程设计讲义.PPT》，26个都写上）

4、指令执行流程（包括指令、指令功能、指令格式、寻找方式、指令执行流程。参见《硬件课程设计讲义.PPT》及《指令流程及硬件－部分.doc》，只写“取指”及你的题目要求的指令的流程，分别用表格及流程图形式表示）

【系统实现】

1、模型机实现（微操作控制信号实现的VHDL描述，只写本人题目要求的指令及其所涉及的控制信号，内容2要求的逻辑电路的图形符号表示、功能、及其VHDL描述）（参见《模型机设计－部分.doc》）

（1）逻辑电路的图形符号表示、功能

（写上你的设计）

（2）指令所涉及的微操作控制信号

（写上你的设计）

（3）系统实现（填下面VHDL程序）

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY CPU2004 IS

GENERIC（ALL_ZERO:STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):= “***0”;

INT_ENTER: STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):= “***0”;

INT_CODE : STD_LOGIC_VECTOR(15 DOWNTO 0):= “***0”;

DataWidth: integer := 16；――十六位机);

PORT（――CPU引脚描述，写上你的设计);

END CPU2004;

ARCHITECTURE behavior OF CPU2004 IS

--信号定义，写上你的题目涉及的信号的定义

BEGIN

--内容2的逻辑电路的VHDL描述，写上你的设计

--微控制信号VHDL描述，写上你的设计

--下面进程将根据指令操作码设置指令周期数，即CT=?，写上题目要求指令的周期数即可，填？内容 PROCESS(I_BUS)

VARIABLE inst:STD_LOGIC-VECTOR(7 DOWNTO 2);

BEGIN

inst:=？――取操作码

CASE inst IS

WHEN？=>CT<= ？;--写上所设计的指令

......END CASE;

END PROCESS;END behavior;

2、逻辑电路设计（题目内容3要求的逻辑电路的图形符号表示、功能、及其VHDL描述）

【系统测试】

（内容2与内容3所要求的逻辑电路的测试（仿真）的方法、时序图、时序分析、结论等内容。可以将结果直接抓图，然后粘贴到此处）

（一）、模型机测试（指内容2，没有内容2的可以不写））

1、功能仿真（写上仿真时得到的波形图、结果分析、结论）

2、RTL级逻辑电路（画出综合时得到的寄存器传送逻辑RTL级电路图、结果分析、结论）

（二）硬件测试（指内容3，每个人都必须写）

1、功能仿真（写上仿真时得到的波形图、结果分析、结论）

2、RTL级逻辑电路（画出综合时得到的寄存器传送逻辑RTL级电路图、结果分析、结论）

【总结与体会】

（实习中出现的问题及解决办法、心得体会等）

注意事项：

 黑色字体的内容不必更改，原封不动地保留即可。但红色字体是

提示，根据你的题目填写，在写完报告后一定要去掉（包括此处的注意事项）。

 每个人的报告页数不得少于8页，内容不许雷同。

 书写及打印格式一定要规范，尤其注意图与表。语句要通顺。 到期不验收、不交报告的一律以缺考（不及格）论处

 时间分配：

熟悉实验设备、收集资料：2天

设计图纸、实验、计算、程序编写调试：5天

编写课程设计报告：2天

篇8：无线射频收发系统硬件设计

随着当今电子、计算机技术的飞速发展, 射频技术作为一种无线网络通讯手段, 已经在越来越多的场合上使用, 并且表现出其独特的优越性。它取代了传统中错综复杂的电缆, 使家庭或办公场所的移动电话、便携式电脑、打印机、复印机、键盘及其他设备实现了互联互通, 将人们从无数的连接电缆中解放出来, 自由方便地构成自己的个人网络。作为取代数据电缆的短距离无线通信技术, 它将家庭或办公室中的各种数据和语音设备联成一个微微网, 还可以进一步实现互联, 形成一个分布式网络, 从而在这些联接设备之间实现快捷而方便的通信联系, 因此它在无线网络系统中的发展潜力巨大。

1 系统硬件组成与工作原理

射频与数字基带部分电路通过合适的方式连接起来就构成了所设计的无线射频收发应用系统的硬件电路[1], 总体电路如图1所示。其中, 带有箭头的表示接外加的电压, 以保证电路正常工作, 其工作电压为3 V。

1.1 系统主电路结构与原理

射频部分电路主要是用TRF6900收发芯片和一些外围元件设计成的射频收发器。TRF6900是Texas Instruments公司推出的单片射频收发器芯片, 其内部集成了完整的发射电路和接收电路。它的工作频率范围为850～950 MHz, 供电电压范围为2.2～3.6 V, 射频输出功率高达+5 dBm, 而待机模式时的电流消耗仅在0.5～5 μA之间。TRF6900采用高吞吐率16 b RISC结构, 其最快速率可达8 MIPS。另外, 这种收发器还具有FM/FSK调制模式, 并采用三线制串行接口, 因而能很方便地与微控制器相连接, 可用于ISM频段内数据的双向无线传输, 能够容易地对它的收发进行控制, 因而基于它的应用也越来越普遍。

1.1.1 接收原理

从天线接收到的信号由LNAIN引入TRF6900, 首先经过低噪音放大器。低噪音放大器提供13 dB的增益, 它有正常和低增益两种模式[2], 当TRF6900接收的信号较强时, 应该选择低增益模式, 这样可以最大程度地减少信号的非线性失真。放大后的信号被送入混频器, 混频器将信号变频到中频, 再通过第一和第二级中频放大。第一级中频放大可获得7 dB的增益, 用以补偿滤波器带来的损耗;第二级中频放大包括多个放大器, 总共可获得80 dB的增益。经过两级放大后的信号, 如果采用的是FM/FSK调制方式, 就送入FM/FSK解调器, 解调出的数据信号从DATAOUT引出。如果是频移键控 (ASK) 或开关键控 (OOK) , 则送入接收信号强度指示器 (RSSI) 解调, 解调后的基带数据从RSSIOUT输出。

1.1.2 发射工作原理

数字基带信号从TXDATA引入TRF6900片内, 经过直接数字频率合成器 (DDS) 调制到中频, 再通过锁相环 (PLL) 倍频到射频, 最后通过功率放大器放大信号后, 由PAOUT导出射频信号, 再通过天线发射出去。

1.1.3 串行控制接口工作原理

串行控制接口包括CLOCK, DATA, STOBE三部分, 控制着TRF6900内部所有的寄存器, 包括DDS参数设定寄存器和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一个上升沿, DATA管脚的逻辑值送入24 b的移位寄存器, 当STOBE电平被抬高时, 设定的参数被送入选定的锁存器。TRF6900有四个可编程的24 b控制字 (A, B, C, D) 。控制字A和B分别控制DDS模式0和模式1状态下输出信号频率。控制字C负责锁相环和DDS模式0的设定。控制字D负责调制和DDS模式1的设定。

1.2 数字基带部分

数字基带部分基于微型控制器MSP430F1121。通过它将外部的模拟信号转换为适合TRF6900的数字信号, 再配合软件设计可以很方便地进行智能化转换。数字基带部分的硬件电路由RS 232和MSP430F1121组成, 如图1所示。

MSP430F1121微型控制器是一款超低功耗、高性能的16位精简指令集MCU, 主要由以下部分组成:基础时钟模块, 包括1个数控振荡器 (DCO) 和1个晶体振荡器;看门狗定时器Watchdog Timer, 可用作通用定时器;带有3个捕捉/比较寄存器的16位定时器TimerA;2个具有中断功能的8位并行端口:P1与P2;模拟比较器ComparatorA[2]。

2 系统参数计算

2.1 鉴相器的参考频率

鉴相器是PPL构成锁相环中的单元模块之一, 其输入的参考频率是由DDS的输出信号决定的。基于DSS技术的频率合成器能很好地满足各项指标性能, 同时也使设计变得简单。鉴相器输出频率的分辨率为:

fpd=fref/224

式中:fpd是鉴相器的最小输入频率, 也是DDS时钟频率fref的20, 即最低有效位的权值。TRF6900 DDS累加器有24位, fpd乘以预标值N (可选择256或者512) , 由它可得出最小频率的步进值为:

Δf=N×fpd

累加器的输入是24位的用户串行数据 (控制字) , 时钟基准信号作为累加器的工作时钟信号, 两者决定频率的分辨率;输出是一串抽样斜坡数字脉冲, 空号频率等于时钟频率。经过D/A转换后得到模拟域的正弦信号foDSS, 它代表基准相位, 即作为鉴相器的基准输入信号。DDS的最终性能主要取决于D/A转换过程中的量化误差以及滤波特性。

2.2 晶振时钟电路及频率

2.2.1 时钟电路的设计及参数计算

晶振采用并联谐振的工作方式, 如图1中23～24脚外围电路所示。电路总的相移为360°, 其中反向器提供180°的相移, R7和C22提供90°的滞后相位, 晶振和电容C1也带来90°的相位滞后。并联工作的晶振是作为电感用的。晶振接入电容补偿相移以满足振荡条件。

偏振电阻R1用于设置反相器的偏置点, 典型值是VCC引脚值的二分之一。R1过小, 将降低环路增益, 破坏网络反馈条件, 典型值是1～5 MΩ。可以观察23引脚的输出频率随电压的变化情况。如果晶振有过驱动, 则增大电压后, 输出频率会下降, 此时应该微调电阻R2 (调高) 。注意, R2应该足够小, 以确保振荡器在小于最小工作电压的情况下能够起振。C1和晶振的旁路电容C0及反相器的输入电容共同构成了晶振的输入电容。要提供稳定度, 晶振的输入电容典型值可选择20～30 pF。

2.2.2 频率的选择

根据抽样定理可知, 时钟频率fref (fref/2即为Naquist频率) 对量化噪声功率、冗余信号电平以及输出频谱中由于不满足抽样定理而带来的干扰信号、时钟频率和鉴相器的参考基准频率foDSS (即由DSS得到的信号频率fref/foDSS) 的比率越大, 频率合成器的输出信号频谱所受到的干扰就越少。时钟频率的具体计算方法如下:

假设要使基于DDS的PLL构成的频率合成器的输出频率为906.24 MHz (与DSS得到的输出信号频率foDSS即鉴相器的参考基准频率要区别开来) , 经过256或者512分频 (可选) , 假设为256, 那么DDS的输出信号频率foDSS就应等于906.24/256=3.54 MHz, 可得到PLL的输出频率的计算公式:

$\begin{array}{l}f{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}={\rm N}\times \text{D}\text{D}\text{S}\text{值}\times f{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}/2{}^{24}\\ ={\rm N}\times \text{D}\text{S}\text{S}{}_{-}x\times f{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}/2{}^{24}\end{array}$

式中:预标值N可选择256或者512, DDSx为控制字A或B的值。

DSS频率值可通过串行口控制字编程设置, 其最低有效位是20, 最高有效位是223。两个最高位 (23, 22位) 用户不可访问, 系统内部自动置为0, 21-0位, 并由用户编程设置。其中, A字对应DDS-0即模式0的频率;B字对应DDS-1即模式1的频率;C字控制PLL、数据限制器和模式1寄存器的设置;D字控制调制方式 (如频偏大小) 和模式0寄存器的设置。

2.3 载波频率计算[3,4]

由时钟频率经过基于DDS的频率合成器可得到VCO输出的载波频率。对于典型的25.6 MHz时钟频率, 由表1可得当DDS控制字为001, 000, 111, 0000, 000, 000时, 可计算出的VCO输出频率即载波频率为915 MHz。

由表1可知:

DDS值=221+217+216+215+213+212+211+210+29=2 342 400

最后的VCO输出频率为:

$\begin{array}{l}f{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}={\rm N}\times \text{D}\text{S}\text{S}\text{值}\times f{}_{\text{r}\text{e}\text{f}}/2{}^{24}\\ =256\times 2342400\times (25.6\times 10{}^6/16777216)\\ =915\text{Μ}\text{Η}\text{z}\end{array}$

2.4 DSS控制字的计算

TRF6900的FSK调制是由专门的FSK频偏寄存器来完成。A, B控制字用来设置接收机和发射机的频率及信道。在应用系统的使用中, A, B控制字用来设置FSK频偏。用于FSK方式时DDS控制字的计算方法如下:

假设载波频率为915.0 MHz, 频偏为20 kHz, 即A字对应的VCO输出频率fout1=915.00 MHz;B字对应的VCO输出频率fout2=915.02 MHz;时钟频率fclock=fref=25.6 MHz;分频比N=256。下面计算A, B控制字:

A字对应于DDS0值:

DDS0= [ (fout1/N) ×224]/fref

= [ (915×106) /256]×224/25.6×106

=2.342 4×10${}_{(10)}^6$

=001000111011111000000000 (2)

所得的二进制的DDS0将装入A控制字中。

B字对应于DDS1值:

DDS1=[ (fout2/N) ×224]/fref

=[ (915.02×106) /256] ×224/25.6×106

=2.342 4×10${}_{(10)}^6$

=001000111011111000110011 (2)

所得的二进制的DDS1将装入B控制字中。

2.5 本地振荡器

TRF6900的本地振荡器 (LO) 是锁相环PLL形式, 由基于片上DDS的频率合成器、低通滤波器 (LPF) 和压控振荡器 (VCO) 构成。

2.5.1 VCO的电路设计[5,6]

压控振荡器是输出信号频率随输入控制电压变化的振荡器。为了减小相位噪声, VCO电路通常由分立元件构成。

LC谐振槽路的谐振频率:

fTANK=1/[2π (LCTOTAL) 1/2]

CTOTAL=C2+1/[ (1/C10) + (1/C11) + (1/CVR1) + (1/CVR2) ]

谐振频率时的电感值:

$L=(1/2)[(\left|{\rm Z}{}_{\text{Ι}\text{Ν}}\right|Q{}_{\text{Ρ}})/Q{}_{\text{L}\text{Ο}\text{A}\text{D}}-\left|{\rm Z}{}_{\text{Ι}\text{Ν}}\right|]/2\text{π}fQ{}_{\text{Ρ}}$

式中:|ZIN|为TRF6900内部振荡器的输入阻抗;QLOAD为谐振回路的品质因数;QP为电感的品质因数;f为谐振频率。

2.5.2 VCO的灵敏度

变容二极管的电容大小与调谐电压成正比, VCO的灵敏度:

KVCO=Δf/ΔUUNE

式中:$\text{Δ}f=\left|f{}_1-f{}_2\right|‚\text{Δ}U{}_{\text{U}\text{Ν}\text{E}}=\left|U{}_{\text{t}\text{u}\text{n}\text{e}1}-U{}_{\text{t}\text{u}\text{n}\text{e}2}\right|$。

2.5.3 参数计算

设计的无线收发电路工作在868～928 MHz ISM频段。假设TRF6900的VCO输出频率为880～950 MHz, 调谐电压为0.3～2 V。TRF6900振荡器的输入阻抗|ZIN|即引脚13和14间的电阻大小约为1 400 Ω;谐振回路的品质因数必须大于等于10;在915 MHz时, 电感的品质因数大约等于80。由公式可得:L≤10.65 nH, 取L=10 nH标准值。

从方程中可知:

当f1=880 MHz时:

CTOTALf1=1/[ (2π×880×106) ×2×10×10-9]⧋3.271 pF

当fc=915 MHz时:

CTOTALfc=1/[ (2π×915×106) ×2×10×10-9]⧋3.025 1 pF

当f2=950 MHz时:

CTOTALf2=1/ [ (2π×950×106) ×2×10×10-9]⧋2.807 pF

为了扩大变容二极管的调谐范围, 根据以上的计算, C2可以取2.2 pF, C1可取3.3 pF。

当Utune≤0.5 V时, CVR≥6.103 pF;

当Utune≤2 V时, CVR≥1.919 pF。

设计时采用Alpha Industries的SMV1247系列变容二极管, 其参数如下:

当UR=0.25 V时, CVR⧋7.500 pF;

当UR=1.25 V时, CVR⧋3.660 pF;

当UR=2.00 V时, CVR⧋1.880 pF。

要注意的是因为PCB的分布电容不可预测, 随工作频率变化而变化, 所以在PCB调试时要进行必要的修正, 这里采用经验值。

现在对上述元件参数进行验证:

对于0.25 V时的ftune, 依据公式有CTOTAL=3.346 pF;

对于2.00 V时的ftune, 有CTOTAL=2.799 pF。

由上述方程式可知, 槽路的谐振频率:f1TANK⧋870 MHz, f2TANK⧋951 MHz。显然, 能满足880～940 MHz频率调谐范围。对于满足880～940 MHz的频率调谐范围的元件参数, 取L=10 nH, C1=3.3 pF, C2=2.2 pF, 变容二极管为SMV1247-079。最后可得出VCO的灵敏度KVCO⧋46 MHz/V。

2.5.4 环路滤波器的设计[7,8]

(1) 计算公式

环路滤波器是一个典型的二阶低通滤波器, 用于频率合成器中电荷泵电流模式。二阶元件的计算公式:

$\begin{array}{l}C{}_1=({\rm T}{}_{\text{Ρ}}{\rm K}{}_{\text{Ρ}\text{D}}{\rm K}{}_{\text{V}\text{C}\text{Ο}})/{\rm N}(2\zeta \omega {}_{\text{Ν}}+\omega {}_{\text{Ν}}^2{\rm T}{}_{\text{Ρ}})(1)\\ C{}_2=C{}_1\{{\rm T}{}_2[2{\rm T}{}_{\text{Ρ}}\zeta \omega {}_{\text{Ν}}+1]-1\}(2)\\ R{}_2=(1/C{}_2)[(2\zeta /\omega {}_{\text{Ν}})+{\rm T}{}_{\text{Ρ}}](3)\end{array}$

式中:KPD为鉴相器增益 (单位:A/rad) , KPD=ICP/2π;KVCO为VCO增益 (单位:rad/V) ;N为分频比;ζ为阻尼比, 有效范围是0<ζ<1, 典型值为0.707;ωN为自然谐振频率 (单位:rad/sec) , ωN= (2×BN) /[ (ζ+1) /2]2。

(2) 设计注意事项

VCO有加速和正常两种工作模式, 锁存时间都要小于250 μs。正常模式用于精确控制并保持VCO工作所需频率;加速模式利用APLL锁相环加速因子来提供快速粗调, 它可以使用TRF6900软件根据需要进行调整。DSS的谐振通常在环路带宽内, 不能用环路滤波器抑制, 但降低环路滤波的带宽可以减小DSS谐波产生的可能性[4]。正确选择时钟基准频率能较好地抑制DSS谐波。

3 系统软件设计

软件部分主要由主程序和各个子程序组成[9]。主流程图包括两部分:一是设备初始化;二是循环部分 (loopmain) 设置相关的循环程序。初始化部分主要是设置端口、模式和时钟系统;循环部分 (loopmain) 提供RS 232和射频 (RF) 通信, 包括校验总和的初始化。篇幅所限这里不做介绍。

4 结 语

本设计根据TRF6900收发芯片的特点和微型控制器MSP430F112的优点设计的无线数据收发系统, 经过多次实验证明, 其发射端能正确地将数据传送出去;同时, 经TRF6900发射后, 接收端也能正确接收并显示数据。系统完成了比较完善的硬件设计以及抗干扰措施, 今后将继续开发系统软件, 这样就可以保证系统工作的安全性和可靠性, 并具有通用性, 便于投入实际应用, 具有广泛的市场应用价值。

摘要：针对目前短程开放段无线通信系统双工通信终端不对称现象, 设计智能化无线射频收发两用硬件终端系统。在对系统框架进行研究后, 使用单片微控制器MSP430F1121和射频模块TRF6900作为主芯片的方案。通过计算主要功能模块的外围电路参数, 完成了系统电路设计。该系统实现了收发端完全对等使用, 而且电路结构简单, 具有低成本、低功耗等优点, 可广泛应用在无线网络终端设备中。

关键词：无线射频芯片,收发系统,微控制器,鉴相器,环路滤波器

参考文献

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[3]易文翠, 胡银全, 唐丽均.基于PIC单片机的载波控制系统[J].计算机测量与控制, 2006.14 (12) :1 635-1 637.

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[5]云振新.压控振荡器技术的回顾与展望[J].半导体技术, 2004, 29 (7) :5-9.

[6]郭文胜, 申永进, 要志宏.集成宽带压控振荡器的设计[J].无线电工程, 2005, 35 (5) :59-61.

[7]严杰锋.电荷泵锁相环的模型研究和电路设计[D].上海:复旦大学, 2006.

[8]陈文焕, 叶星宁.三阶电荷泵锁相环系统级设计与仿真验证[J].电子设计应用, 2005 (3) :90-92.

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