集成电路储存环境大全11篇

集成电路储存环境篇（1）

1.引言

存储测试系统是完成特殊环境下测试而设计的电子系统，它可在高温、高压、强冲击振动、高过载等恶劣环境下自动完成被测信息的实时采集与存储记忆。由于工作环境恶劣，要求测试系统具有微体积、微功耗、高可靠性等性能。例如在火炮膛压测试中，由中北大学研制的放入式电子测压器随弹药保高温（+55℃）或低温（-40℃）或常温（+20℃）达48小时，当弹药进行射击实验前将弹体向下姿态倒置，这时内部开关倒置使测压器上电工作，在火炮膛压测试结束后放入式电子测压器又自动转入数据保持状态维持低功耗，读出数据后自动断电，实现放入式电子测压器的微功耗。微型脉冲供电式光电倒置开关是放入式电子测压器实现低功耗的关键部件。但在试验中仍然存在由于倒置开关不能正常对放入式电子测压器上电控制而使火炮膛压测试试验失败的例子。针对上述问题，本文设计了微型脉冲供电式光电倒置开关信号的检测系统，通过倒置开关输出信号的特征分析，对倒置开关的可靠性进行考核。

2.微型脉冲供电式光电倒置开关

微型脉冲供电式光电倒置开关由光电控制模块和CPLD控制模块组成。光电控制模块包括红外发光二极管和光敏三极管，它们固定在同一个对光基线的壳体上，壳体的内腔中装有小钢球，红外发光二级管与光敏三极管之间形成光通路，小钢球对光通路的打开与隔断，实现了开关导通或者断开。

为了降低倒置接电开关的功耗，红外发光二极管靠CPLD控制模块脉冲驱动。倒置接电开关的CPLD控制模块主要由受光电耦合电路控制的脉冲电压发生电路、时钟电路和电源管理电路组成。

倒置开关的原理框图如图1所示。图中D1是红外发光二极管，Q1是光敏三极管，ID是微型脉冲供电式光电倒置开关信号。

3.微型脉冲供电式光电倒置开关信号的检测系统

3.1 ID信号的采样策略

微型脉冲供电式光电倒置开关正置时ID信号周期是250ms，高电平时间是122us，占空比为1：2047；开关倒置时ID信号为0。开关正置时的输出信号ID波形示意图如图2所示。

想要完整准确的采样ID信号，需要很高的采样频率，才能保证不失真的获取窄脉冲的峰值，因而需要制定相应的采样策略。设定采样频率为250kHz，当信号ID的上升沿到来时，采样上升沿的前16个点及后48个点，将这64个点作为信号ID的一个完整的窄脉冲峰值信号存储在FIFO中。

3.2 ID信号检测系统组成

倒置开关输出的ID信号检测系统原理框图如图3所示，由AD转换器、FIFO1、FIFO2、外部静态存储器、高频晶振、CPLD控制电路模块、电源控制管理模块及串行通信接口组成，根据信号采集的需要，测试电路采用两片FIFO实现了双重负延迟功能。

等待外部光敏三极管对光信号触发，触发后系统开始循环采样光电控制模块输出信号ID，并将采集到的数据不断写入FIFO1中；当外部触发信号ID的上升沿到来时，将FIFO1中的数据导入FIFO2中，同时系统仍在不断采样信号ID；然后将FIFO2中的数据导入外部静态存储器，直到存储器设定容量存满，系统结束采集存储过程，等待数据从存储器中读出；系统接收到计算机读数命令时，开始发数，待数据传输完毕后，等待计算机再次发出读数命令；如果不需要再次读数，可以将系统复位或断电数据丢失。

4.CPLD控制电路设计

光电控制模块输出信号ID的测试电路以Altera公司低功耗、高性能的MAX7000B系列CPLD的EPM7128BTC100-4为核心控制部分，CPLD控制电路模块内部控制原理框图如图4所示。

当触发信号ID上升沿来之后，A/D进行采样，其采样的数据在FIFO1中不断循环的进行写入操作，之后让FIFO1和FIFO2推地址，再让FIFO1进行读操作且FIFO2进行写操作。之后FIFO2和静态存储器推地址，再让FIFO2进行读操作且静态存储器进行写操作，这样先将FIFO2中的数据导入存储器中，当存储器记满375K数据发出存储器计满信号，计算机发出读信号开始读取存储

5.实际测试

根据光电控制模块输出信号ID的采样策略，对于一个成功的倒置开关，ID有一个脉冲信号，下降沿后为低电平，直到上升沿来临后有两个脉冲信号。光电控制模块输出信号ID的波形图如图5所示。

从图5可以看出，当光路断开时倒置开关输出信号ID为零，小球能够很好的挡光。当倒置开关的光路导通时，信号ID为脉冲波形。

把图5中信号ID的脉冲峰值信号部分进行放大，得到如图6是倒置开关输出信号ID波形的高电平部分的双游标图及游标值。

从波形图和游标数值，可知光电控制模块输出信号ID波形高电平部分的时间是120us，与理论值122us相差无几，说明信号ID是满足设计要求的。

6.结论

本文根据微型脉冲供电式光电倒置开关的性能设计了倒置开关输出信号的检测系统。该检测系统由CPLD作为控制模块，控制A/D转换器的数据采集与存储器的存储。它可以在高温、常温和低温任意一个需要测试的环境中进行工作。检测系统还用到两片FIFO实现了双重负延迟功能，其设计思想也为窄脉冲信号的采集提供了参考。试验证明，该检测系统精确度高，能够满足倒置开关输出信号的采样频率，成功证明了倒置开关的微功耗和高可靠性。这也提出了可靠性试验考核的方法，但该检测系统只能实现一路信号的采集，可以进一步考虑用FPGA实现多个信号的采集工作。

参考文献

[1]朱明武.动态测试原理[M].北京：北京理工大学出版社，1993：1-10.

[2]祖静，张志杰，裴东兴等.新概念动态测试[J].测试技术学报，2004，18（Z6）：1-4.

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[5]李新娥，原彦飞.一种重力开关的设计[J].华北工学院测试技术学报，2001，VOL15.NO.2：38-42.

[6]常宽.倒置开关的研究[D].太原：中北大学，2009：15-2.8

集成电路储存环境篇（2）

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)09-2175-02

随着科技的发展，检测问题已经广泛的应用到各个领域。当前流行的数据检测系统大多采用PCI数据采集卡，但是这种方式并不适用于任何场合，比如在工业测控现场检测大型设备时，由于机房到现场距离较远，布线困难，信号在传送过程中有一定程度的衰减，所以使用基于PCI总路线的数据采集卡不能发挥其实时传输、高速采集的特点。

本文介绍的基于ARM内核的室外环境信息采集器能够很好的解决上述问题。基于ARM9内核的室外环境信息采集器可实时采集大量信息并实时地向数据中心传输数据，避免了存储空间太小而限制数据采集量的问题。其中GPRS网络是基于TCP/IP数据分组协议数据传输业务，能有效地把GPRS网络和Internet网络连接在一起，使得分组数据在两种网络之间自由传输，室外环境信息采集器把采集到的信息通过Internet网络实时传输到远程监控中心，进行分析处理。

1 环境信息采集器硬件设计

信息采集器的工作原理是：系统启动后首先对S3C2410X进行初始化配置；然后对GPS模块、GPRS模块、传感器模块进行初始化设定；若需要进行数据采集，则通过GPS模块采集地理信息，再将采集到室外环境属性信息（如温度、湿度等）存储到相应的数据存储单元，把同一次采集的地理信息、环境属性信息附加上采集时间一起存储；如果需传送数据，则把数据用TCP/IP协议打包，经GPRS模块MC35把数据传送到远程数据中心。监控中心可通过网络向数据采集器发送命令，并对各模块和系统运行的参数进行设置。其电路结构如图1所示。

1.1ARM9嵌入式处理器S3C2410X

S3C2410X是16/32位RISC嵌入式微处理器[1]，主要应用在高性价比和低功耗的场合。运行频率一般是203Hz。它具有丰富的片上资源： SDRAM控制器；2个USB主机接口，一个USB设备接口；2个SPI接口；3个通道的UART；4个通道的DMA；16K高速缓存（cache），一个LCD控制器（支持STN和TFT带有触摸屏的液晶显示屏）；4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟；8通道的10位ADC；触摸屏接口；I2S总线接口。在本系统中使用了该处理器的多个功能模块，结构紧凑，大大减少了系统的复杂度。

1.2 数据采集模块

GPS模块采用河南友利华高科技开发有限公司开发的GSU-36 GPS OEM板，用来采集经度、纬度地理信息，其具有18接收通道，外接电源为2.3~3.6V DC，接收和发送的数据为反相CMOS电平[2]，通过反相器与S3C2410X相连[2]。

由于GPS采集的地理信息数据和室外环境属性数据信息量较大，片外数据存储器扩展为64K 6264存储器以便于存储临时数据。

1.3 GPRS通信模型

GPRS模块采用SIEMENS公司研制的工业级的移动台设备MC35进行GPRS通信[3]，内含SIEMENS移动引擎（Cellular Engine）电路模块，支持包括GPRS数据、语音、传真和短消息在内的所有移动台功能[2]。电源电压为3.3~4.8V DC，MC35支持AT指令集（ITU-T V.25 ter）、GPRS07.07AT指令集。工作频段为EGSM900和GSM1800，兼容GSM Phase2/2+标准，支持3V SIM卡，串行接口采用AT命令通过（CMOS 电平）双向总线传输命令和数据。

1.4 人机交互通道

人机交互通道的设计采用点阵液晶显示模块和4×4矩阵键盘的组合形式。液晶选用信利的MG12864-7型点阵液晶模块，其显示容量为128×64个点，体积只有54cm×50cm×6.5cm,内部带有10V电压产生器和EL背光逆变器，使用单5V电源供电。

液晶模块的工作电压是5V，S3C2410X的I/O口电压是3.3V，需要在处理器和液晶模块之间加一片总线收发器74LVC4245。键盘采用4×4的矩阵键盘接口，采用节省口线的“行扫描法”方法来检测键盘，只需要8根口线，系统选取PF口作为检测键用端口，并设定PF0-PF3为输出扫描的端口，PF4-PF7为键盘读入口[3]。

1.5 其它功能模块

GPS模块和GPRS模块供电电压选为3.3VDC，电源输出的为5V电压，需经转换为3.3V，其5V转换3.3V电路如图2所示。

实时时钟日历芯片采用美国DALLAS公司DS12C887，用来提供实时时钟。它能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，从而利用硬件电路解决子“千年”问题。 DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久。

2 环境信息采集器软件设计

软件设计采用嵌入式实时操作系统uC／OS―II[4]，并使用ARM 和Thumb指令集混合编译来优化代码密度。首先将实时操作系统uC／OS一Ⅱ移植到S3C2410X嵌入式微处理器上，将系统所要完成的功能细化为几个核心任务，由uC／OS一Ⅱ实时内核进行调度，实现了多任务的并行执行，系统的可靠性和实时性得到大幅提升。信息采集部分放在定时器中断程序中执行，在设置好的时间间隔内不停的采集数据。第一步是采集室外环境的光照、风速、温度、湿度等环境属性信息，存储在相应的单元中并更新环境属性信息缓冲区的属性信息；第二步是采集地理信息，包括经度、纬度等，也存储在相应的单元并更新地理信息缓冲区的信息；第三步是把环境属性信息、地理方位信息和时间一起按顺序存储在相应的非易失性数据存储器。

GPRS通信子程序可实时的把数据传到数据中心，传输方式有两种：手动和自动。手动的方式是把最近采集到的数据一起传输到数据中心；自动传输方式则是在数据采集完成之后，马上就把数据传输到数据中心，其执行原理如下：①按照TCP/IP协议把采集到的数据进行封装；并设置通信的波特率发送指令AT+IPR=4800，把波特率设置为4800b/s；②测试GPRS业务是否开通，发送指令AT+CGATT=1，如果返回OK，则GPRS连接成功，如果返回ERROR，则连接GPRS失败，需重新连接；③设置接入网关，定义连接类型和后台服务器接入点的名称，发送指令AT+CGDCONT=1，IP，“CMNET”；④设置PPP协议数据的传输状态，发送指令AT+CGDATA=1，成功开始发送数据；数据发送完毕，发送+++把模块从数据模式或在线PPP模式转换为命令模式，发送指令ATH0结束连接状态。其数据传输示意图如图3所示。

3 结论

文章提出了基于ARM9内核的嵌入式数据检测系统，并将其引入到室外环境信息检测中，实现了对室外环境信息的实时远程检测，具有数据检测的实时性、检测精度高、自动化程度高、人机界面生动直观，操作简单，等特点。该系统具有良好的工程推广价值，已在发酵罐自动化改造中取得了良好的效果。

参考文献：

[1] 贾智平,张瑞华.嵌入式系统原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2005:149-233.

集成电路储存环境篇（3）

结合矿用环境的特殊性，并根据光学精密机械与物理研究所的单圈绝对式光电轴角编码器研究的特点，给出矿用转交传感器设计总体结构。对于矿用转角传感器的信号采集部分，主要由主轴、轴承、基座组成，发光元件组成照明系统，由线阵CCD组成的信号接收系统。对于光电编码器的光栅信号处理部分，信号前期处理电路主要包括信号采样电路和滤波电路；信号处理部分主要包括CPLD（复杂可编程逻辑器件）和信号存储单元（包括程序存储器和数据存储器）；信号输出部分主要包括并行数据接口和串行数据接口。

二、单圈绝对式光电轴角编码器数据采集系统的硬件结构设计

本文所研究的基于PCI总线的实时数据采集系统的主要功能模块包括：ADS803E模数转换模块、CPLD（EPM7128SQC100

-15）系统逻辑控制模块（或称核心时序控制块）、SRAM（AS7C256-15JC）静态存储器，PCI9052 PCI总线控制。采集系统会将采集到的数据自动存入卡上的静态存储器SRAM（AS7C256-15JC）中，等待采样结束后，通过PCI总线接口芯片，PCI9052将采集的数据从SRAM传输到PCI总线上，所设计的控制逻辑均由复杂可编程逻辑器件CPLD（Complex Programmable Logic Device）来完成。其中A/D转换芯片选用ADS803E，它是TI公司生产具有高信噪比（SFR=69dB）、低功耗（115Mw）的12位ADS803E，自带32K大容量静态缓存等优点的A/D转换芯片。可以设置输入范围为2VP-P和5VP-P作为内置参考电压，并有一个输入电压范围溢出标志，采用数字误差校正技术，用于尺寸测量、光谱测试与分析、图像扫描和AD转换数据采集等。静态存储器采用AS7C256-15JC，它是Alliance Semiconductor公司生产的，最大存储访问时间为15ns，每片的存储容量为32K×8。在初始访问后，CPU处于空闲、中断或扩展模式，AS7C256处于节能状态，可节能25%，并且可以通过CE和OE进行存储扩展。系统逻辑控制模块CPLD选用EPM7128SQC100-15芯片，它是Altera公司生产的。在线编程时，该芯片可以通过4个引脚的JTAG接口进行，以便简化制作程。在本文所设计数据采集系统中，CPLD的主要功能包括：时序分频器、SRAM控制逻辑、地址控制器等等。存储器数据存储的地址控制是由地址控制器完成的。数据由A/D端口写入SRAM，地址控制器根据A/D频率产生递增的SRAM地址。

三、光电编码器照明与接收系统设计

由于单圈绝对式光电轴角编码器的接收元件有别于传统的光电轴角编码器，它是采用线阵CCD作为接收元件，根据上述原则采用了绿色发光二极管作为光源。其亮度可通过外接可调电阻来调节，同时能起到保护发光二极管组的作用，电路较为简单。NEC公司生产的μPD3575D是一种高灵敏度、低暗电流、1024像元的内置采样保持电路和放大电路的线阵CCD图像传感器，主要用于传真、扫描和OCR。在它内部，包含了一列1024像元的光敏二极管以及两列525位CCD电荷转移寄存器。在5V驱动（脉冲）和12V电源条件下，该器件可工作。为了使CCD在光强强弱不同的情况下输出信号，本文以复杂可编程逻辑器件CPLD为核心的一种新型的可提供多种驱动脉冲的驱动电路。MAX十PLUSⅡ开发环境下对μPD3575D的驱动电路进行设计。在MAX十PLUSⅡ环境下通过编译、校验后进行引脚锁定。

四、信号采集系统

本文所采用的信号采集方法是通过CCD输出的视频信号采样，量化编码后再采集到计算机系统。然后经过A/D转换模块存入静态存储器SRAM，采样结束后，通过PCI总线接口芯片，PCI9052将采集的数据从SRAM传输到PCI总线上，再通过计算机处理后给出最终结果。

五、数据处理系统设计

1．系统硬件电路设计。本设计采用C8051单片机，采用24LC01数据存储器，及MAX232数据接口芯片共同组成数据采集处理单元，采用SJA1000CAN和驱动控制器PCA80C250作为通信系统。采用爱立信DC/DC电源模块作为电源部分，将电源转换成+5V工作电压。

集成电路储存环境篇（4）

1 传感器的选取

传感器是决定监测仪精度的关键元件。传感器的选择主要依据工作环境、测量精度、线性度、互换性、灵敏度、响应速度、稳定性、功耗、体积大小以及易于与MCU接口等。本监测仪选用的各类传感器分别为：集成温度传感器TMP35、集成湿度传感器HM1500、热线型半导体气敏传感器MR511以及集成光照度传感器TSL253。与同类产品相比，它们在上述方面有一定的优点，很适合便携式仪表使用。

TMP35电压输出量与被测温度T成线性关系，其式如（1）；HM1500输出量为电压，与被测湿度%RH成正比，且与温度T有关系，其式如（2）；MR511内有温度补偿，其输出电压与被测气体浓度C成近似线性关系（线性度≤±5%），其式如（3），式中Nc为器件灵敏度，环境湿度为Vc的值有影响；TSL253电压输出量与被测光照度Ee成正比，且与温度T有关，其式如（4），式中Ne为传感器的灵敏等。

VT=[10×T](mV) (1)

VRH=[600×（%RH+38.5）/(39.1-0.056T)](mV) (2)

Vc=[Nc×C](mV) (3)

Vec=[(Nc×Ee) ×(1.05-0.002T)](mV) (4)

上述各式说明，高精度的监测必须考虑传感器的非线性、温湿度影响、测量误差及环境误差等问题，尤其要着重解决测量中的非线性及温湿度补偿。在布置印刷电路板时尽量减少引线电阻和分布电容以降低测量误差。在电路设计上要加线性化处理电路及温湿度补偿电路，或借助于单片机系统，由软件查表等方法进行处理、修正（用软件实现传感器的校正补偿功能可降低仪器功耗）。如有可能可用标准测量仪进行校准，以提高测量精度。

图1 监测仪硬件电路原理图

2 硬件设计

监测仪主要由MSP430单片机、测量转换、键盘显示、串口通信、电池电源等部分组成。电路中器件很少，功耗较低且功能强大。具体硬件电路原理图如图1所示。

2.1 MSP430单片机

单片机系统是监测仪的核心，它完成仪器的功能设定、测量对象选择、信号处理存储、状态信息显示、数据通讯等功能。相对于MCS51、MCS96及PIC[1]等系列，TI公司带闪速存储器的MSP430F系列超低功耗单片机有着很大的优势。MSP430F单片机有多种型号，其功能组合各异，能满足不同应用场合的要求。本设计采用MSP430F437，它的要特点[2]如下：

·工作电压低（1.8～3.6V），电流小（280μA/1MHz/活动模式），5种低功耗模式；

·16位RISC架构，27条精简指令，125ns指令周期；

·丰富的中断源并可任意嵌套，用中断请求将系统从备用状态唤醒仅需6μs；

·片内看门狗及上电复位电路，可选时钟源（XTAL1、XTAL2或内部DCO）；

·具有中断功能的内部比较器A；

·双向并行I/O口P1和P2（有中断功能）及P3～P6口，多数口有复用功能；

·两个16位定时器A、B，均各带3个比较/捕获模块，每个模块可独立编程，用于产生定时脉冲，捕获外部事件；

·片内集成4×32段LCD液晶驱动器，其外部引线复用P3～P5口；

·通用通信模块UARST0，软件可选同步/异步方式；

·具有自动循环采集功能的8通道12位ADC12，自带采样保持器和可选电压基准；

·JTAG接口或片内BOOT ROM使程序下载调试极其简便，程序代码由安全熔丝保护。

图2 地址位多通信协议图

MSP430F437不需加装存储器，片内自带1K字节RAM及在线可擦除编程32K字节主Flash+256字节信息Flash。片内Flash模块包含3个控制寄存器、时序发生器、擦除/编程电压发生器及Flash存储器本身。其中主Flash分为每段512字节的段0～63，信息Flash分为每段128字节的段A、B。MSP430F437存储器可放大型数表，有高效的查表处理方法。本监测仪安排段0～23为程序代码区、段24为LCD显示字型表、段25～31存放校正和补偿表格、段32～63为用户采集数据保存区、段A+B存放各类参数。

在电路中，其他主要模块的功能分配为：16位定时器A的比较/捕获模块0实现实现时分秒计时，比较/捕获模块1控制A/D采样周期；16位定时器B可实现PWM输出，预留作控制口；ADC12用于环境参数测量；比较器A作电池欠压监测；复用P3～P5口驱动LCD液晶显示器；通用通信模块UARST0实现RS485串行通信；预留JTAG接口以方便用户对仪器更新升级。

2.2 测量转换

MSP430F437的ADC12转换模块具有高速通用的特点，12位的转换精度保证一般采样的分辨率要求。它的8个外部模拟采样通道可任意配置，转换参考电平VR+和VR-来自内部或外部，也可以是两者的组合；内嵌的采样/保持电路给用户提供了对采样时序的各种选择，采样时序可通过软件位、3种内部或外部信号来直接控制。ADC12有4种工作模式。可以在单通道上实现单次转换或多次转换，序列通道上实现单次转换或重单次转换或多次转换，在序列通道上实现单次转换或重复转换。对于序列通道转换，采样顺序完全由用户定义。

ADC12转换结果保存在16个转换存储寄存器ADC12MEM0～ADC12MEM15中。其值如（5）式：

NADC=4096×（Vin-VR-）/(VR+-VR-) （5）

每个存储寄存器有各自相应的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL15，可用软件独立配置采样通道号及转换所需参考电平。

本监测仪中，各环境参数传感器的输出经U2前置放大后，送入A0～A3模拟输入端。4路信号的转换参考电平均取VR+=2.5V和VR-=0V。ADC12工作模式设为序列通道单次转换，每次转换由定时器A比较/捕获模块1的定时输出OUT1启动。序列单次转换完成后，将置位ADC12中断请求。

序列通道为ADC12MEM0～ADC12MEM12,对应的控制寄存器ADC12CTL0～ADC12CTL12中

通道重复配置A0～A3。这样等时间间隔内每个环境参数可连续采样3次，然后在ADC12中断服务程序内使用中值滤波得到转换结果。需要指出的是，ADC12的转换内核与参考电平发生器可分别进入省电模式，为低功耗设计提供便利，而且进一步降低功耗、延长传感元件的使用寿命。测量电路的电源设置为单独可控，由U3的OUT2输出供给，并通过单片机的P2.0来切合。

2.3 键盘显示

MSP430F437有6个带复用功能的P1～P6双和同I/O口。其中P1、P2设置成输入时，引脚上任何状态变化都会触发中断。本设计将P3～P5复用于LCD驱动，P1.0～P1.4作3×2快速键盘。

为读取按键值，首先设置端口功能，P1.0～P1.2为输出口，依次输出低电平；P1.3、P1.4为输入口，开放中断，选定下降沿触发。当有键按下时，在P1口中断服务程序内，完成去抖动延时、键值读取等功能，得到的键值交后续程序处理。

片内LCD驱动器可工作于静态及2～4多选四种模式，最多可接4～32=128段液晶。图1中R33、R23、R13、R03引脚设定模拟偏置电压，提供驱动能力，典型接线为电阻分压VR33=VCC、VR23=2/3Vcc、VR13=1/3cc、VR03=0V；S0～S31为段输出（每段3μA）；COM0～COM3为公共输出，接LCD背极。对LCD的软件控制极其简单，它有一个控制寄存器LCDCTL，定义工作模式及电流消耗。20个显示存储器LCDM（使用16个）存放128段要显示的状态信息，其内容可采用高效的寻址方式查显示字型表获得。

单片机根据控制键的命令信息，可分别选择仪器“测量/通信”使用方式、“单次/循环”采集类型，并可按键校时、设置参数、启动采集、数据存储确定等。LCD显示屏可由定制、时分、超量程和电池欠电告警组成1×32段，剩余3×32为多用显示区，可依次显示操作提示、工作状态、环境参数测量结果，从而大大方便了用户。

2.4 串口通信

为了对采集到的数据进行深入处理（如统计分析、打印存档、绘制曲线图表等），需将数据从检测仪送至计算机。数据传输使用MSP430F437的标准USART通信模块（复位SYNC=0选择异步功能），并外接低功耗器件MAX485E，构成一个半双工RS485串行通信口。

为提高通信的可靠性，便于仪器与其它智能设备组网实现控制功能，本监测仪使用异步通信的地址位多机通信格式。异步帧由1起始位、8数据位、1地址位、1停止位组成，波特率编程为9600bps。USART通信模块的地址位多要通信协议如图2所示。

通信时，先置RS485处于接收状态，并置接收唤醒中断允许位URXWIE=1（此时只有地址字符能触发接收中断）。当接收一个地址位置的字符时，通信模块的接收器被激活，字符送入URXBUF，同时接收中断标志URXIFG置位。在串口接收中断服务程序内可以检验收到的地址，如果匹配，置URXWIE=0，单片机将读取数据块的后续数据；如果地址不匹配，则等待下一地址字符的到来。

RS485接收到主机命令后，转入发送状态，先置控制字符址位的TXWake=1。当地址字符的8位数据从UTXBUF传送至发送器时，TXWake位装入待发送字符的地址位，每一字符发送完，TXWake位被自动清除，引起发送中断UTXIFG。在串口发送中断服务程序内，用户可依次发送完整数据块，再重置RS485接收状态。

2.5 电源控制

本仪器采用1节3.6V/4Ah锂离子电池。为保证多路供电及模拟信号测量的精度，设计了以ADP3302AR1双低压差线性电源稳压芯片（U3）为主的电源控制电路，完成以下功能；

·电源通断。按键盘“ON”键，U3的SD1脚为高电平，OUT1脚输出仪器所需主电源Vcc，单片机P1.5脚送来高电平互锁信号，使“ON”键松开后，OUT1维持输出；按键盘“OFF”键，单片机P1.5脚送出低电平，关断OUT1脚输出；U3的OUT2脚输出模拟测量电路所需的3V，测量电源可单独切合，由单片机P2.0脚的电平控制。

·电池电压监测。U3的加载电压应不低于3V，否则不能正常工作。单片机的片内比较器A有多个基准，选择其中之一0.5×Vcc=1.5V，电池正极通过分压电阻直连比较器输入脚CA0。当电池电压低于设定值时，触发比较器A中断，在中断服务程序内，驱动LCD告警显示，提示用户对电流进行充电（使用外部充电适配器）。

·自动关机。每次测试完毕，如果不再操作，则通过定时器比较/捕获0中断计时；5分钟后，单片机P1.5脚送出低电平，OUT1脚输出0V，从而切断仪器电源实现自动关机。

3 软件设计

检测仪的软件用MSP430汇编语言编制。为了方便程序调度和提高可靠性，软件采用模块化结构，主要由初始化程序、主程序、子程序、参数表格等组成。

3.1软件功能与特点

单片机系统上电后，进入初始化程序，完成片内各模块的设置、清LCD存储器、端口设定等初始化工作，然后转入主程序，开启中断，循环设置低功耗模式并执行空操作。

本软件设计的一大特点是采用中断事件驱动技术，其目的在于降低功耗。在主程序设置LPM0低功耗模式（55μA）后，CPU即补禁止，模块维持活动，并等待各类中断事件。如有中断，CPU被唤醒并执行各种中断服务子程序完成事件处理。

每次执行完中断服务子程序返回，在主程序中又重置LPM0低功耗模式，并等待下一个中断事件的到来，如此往复，可使系统多数时间处于低功耗运行。

本设计另一特点是利用MSP430F437的高效查表功能，编制了气体浓度测量的非线性校正和湿度补偿表格，极大地提高了程序运行速度和采集精度。表格的生成是在有限个数据基础上，通过拉格朗日插值进行曲线拟合[3]获得。具体步骤如下：

（1）在湿度5%RH情况下，测量典型气敏传感器在不同气体浓度点C时，ADC12转换存储寄存器中对应的数字量结果Nc。测试中，在10～300ppm范围内等距离取10个浓度点；

（2）使用曲线拟合的方法，并结合关系式（3），拟合出5%RH时数字量Nc与气体浓度C间的连续曲线，将曲线按1ppm的间隔离散化后，存入段25中；

（3）分别在20%RH、35%RH、50%RH、65%RH、80%RH、95%RH的湿度下，重复上述测量与数据处理过程，形成6条不同湿度下的Nc-C的非线性曲线，存在段26～31中。

需要注意：正常时采样得到数字量Nc和当前湿度值后，先查该湿度所在范围对应的上下两条曲线，即根据Nc并使用线性插值得到上下两个气体浓度值，再根据当前湿度并使用线性插值得到湿度补偿后的最终气体浓度值。

3.2 软件流程举例

本检测仪的程序众多。限于篇幅，仅介绍有特色的Flash数据保存于程序以及较为关键的ADC12子程序。

MSP430F437可通过JTAG接口或片内BOOT ROM下载调试修改程序，甚至允许用户程序在运行中将采集处理的数据快速安全地保存到Flash存储器中，而无须任何外接器件。数据保存要用快速的段写入方法和写字节序列模式，写入电流小（3mA），写入速度快（≤25ms/512字节，远超过串行EEPROM的页写速度5ms/16字节），10万写入次数，100年数据保存。每次采集处理完毕，即将16字节/批数据“批号-时间-环境参数”存入段32～63。图3为16字节数据存入的程序框图，其中Lock、Busy、SEG WRT、WRT、Wait是Flash控制寄存器内涉及编程的各控制位或状态位。

集成电路储存环境篇（5）

随着人们的节能减排、低碳环保意识越来越强，绿色智能建筑已成为当今世界建筑发展的重要方向及必然趋势。无源无线开关是绿色建筑的重要应用之一，这种开关无需连接电源线，也无需安装电池，一般通过采集周围环境的机械能、光能/太阳能和温差能等来获取能量。

压电陶瓷材料在耐高冲击、长寿命和高压电常数等方面有独特的优势[1]。压电陶瓷作为无源无线开关的压电电源，可在按压瞬间产生足够的能量，将瞬间产生的能量进行有效存储管理并供射频电路工作，是压电式无源无线开关设计的关键。

作者所设计的压电式无源无线开关由三部分组成（如图1所示）：直流发电电路、能量收集电路和射频电路。结合压电陶瓷的产能机理搭建直流输出电路，选择匹配储能电容存储能量，微功耗电源管理电路对其能量进行管理并为射频电路供电。

1 直流发电电路

压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁畴结构的电畴结构，其极化后根据外电场方向依次排列，外电场撤消后压电陶瓷内部仍存在有很强的剩余极化强度。当压电陶瓷受外力作用时，电畴的界限发生移动，因此剩余极化强度将发生变化。压电陶瓷呈现的压电效应如图2所示。双晶压电发电片是铜基板的两面粘结压电陶瓷片，可作为无源无线开关装置的换能器，实现自主发电模式。

文中研究的PZT-5H型双晶圆形压电发电片采用简支支撑，把发生振动的波节部分支撑起来，这样的安装构造不但简单稳固，还能最大程度的减小装置的能量损耗。其中间最大应变量不超过1mm，输出电压：0

由于两侧压电陶瓷极化方向相反，采用并联的方式将两侧的压电陶瓷短接作为一个电极，铜基板作为一个电极。压力撤销后压电陶瓷片恢复原状，电极上又吸附一部分自由电荷而出现一个反向充电现象[2]，即出现反向电压。为此，对压电片的输出电压进行整流。

2 能量收集电路

2.1 储能电容的选择

存储电容的大小一方面受低功耗射频电路正常工作所需能量的制约；另一方面受充电时间的影响。存储电容的电容值比压电片的等效电容大，在充电时间内不足以存储足够的能量，储能电容一般是？滋F级。

储能电容越大其等效串联电阻越大，瞬态充电时消耗就越大，所以在允许范围内选小电容。通过测试，射频电路消耗的有效能量不超过60？滋J，选择2个47？滋F电容串联作为储能电容，最大电压4 V，储能142？滋J，其最大电压及存储能量都能满足射频电路正常工作的要求。

2.2 电源管理电路

储能电容不能直接接射频电路，储能电容里面的能量需要经过管理，通过检测储能电容两端的电压，适时开启或关闭射频电路与储能电容之间的供电通道[3]。设定电压最大值和最小值，当电压达到最大值时开始为负载供电，当电压低于最小值时停止供电。

电源管理电路如图3所示，通过2个电压检测芯片U1 HT7027和U2 HT7021对储能电容两端电压进行监测，当电压上升超过1.8V时，U2 HT7021输出VL为1，否则输出为0；当电压上升超过3.3 V时，U1 HT7027输出VH为1，否则输出为0。VH，VL经过由与、或、非门组成的逻辑电路后输出控制信号C[4]，C控制两MOS管组成的复合管[5]，适时开启或关闭射频电路与储能电容之间的供电通道[4]。电源管理电路经实际测试，储能电容两端电压为3V时，电路静态电流为12？滋A左右。

4 结束语

压电式无源无线开关电路中利用数字电路、COMS方式及选用低功耗元件搭建超低功耗电源管理电路，对收集到的电能实现有效的管理。同时，射频电路利用低功耗单片机MSP430F1222和CC1101无线模块极大地降低了整体的功耗。其设备简单且功耗低，由手指对按键的压力提供电能，无需电池，免去后期维护及对环境的污染。该装置可实现微型化，且成本低，同时借助物联网新技术，可使建筑物更加智能、节能。

参考文献

[1]沙山克・普里亚（印），丹尼尔・茵曼（美）. 能量收集技术[M].南京：东南大学出版社，2011.

[2]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2007.

[3]陈建明，徐吉，陈立平，等.微功耗系统中微弱能源收集电路的设计[J].电源技术，2013，37（2）：289-291.

[4]阎石.数字电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2002.

[5]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2002.

集成电路储存环境篇（6）

水资源污染是我国当前面临的一个极其严重的社会问题，它造成了人们居住生活环境的恶化，恶性疾病发病率连续增长，生活质量不断下降。水污染的源头主要是工业企业为节省生产成本对污水净化处理不达标，向江河湖泊大量排放污水。目前水质检测多采用安排人员定期巡查的方式，致使污染企业应付检查，违规排污不断发生，不能从根本上杜绝超标污水的排放。

环保部门对企业排放污水水质、排水量进行实时连续监控是解决问题的关键，但仅凭人力无法达到这个要求。为此，本文设计了以STC15F204EA单片机为主控芯片，采用SIM900A模块的无线远程监测系统，该系统对污水流量、液位、PH值、溶氧等参数进行定时检测处理，通过GSM网络对污水信息实时远程传输，实现了对排污企业的全天候自动监控，减轻了检查人员的负担，提高了环保部门的工作效率，能够彻底杜绝企业违规排污，有利于生活环境的改善。

1 系统组成

污水监测系统组成如图1所示。系统由分散到排污企业各监测点的数据采集器和监测中心微机组成。数据采集器控制传感器对污水各项参数自动采集、处理，并通过GSM移动通信网络无线发送到监测中心，还可发送到设置好的绑定手机，便于工作人员及时获取企业运行状况。监测中心微机接收到各采集点送来的数据后，将数据存入SQL Server数据库，并对数据进行处理、显示，为环保执法人员对排污企业管理提供信息。

2 数据采集器硬件设计

系统硬件设计的重点是数据采集器，采集器主要由单片机、GSM模块、键盘、液晶显示器、电源电路、液位检测模块、流量检测模块、PH检测模块、溶氧检测模块和电导率检测模块等电路组成。数据采集器电路框图如图2所示。

数据采集器的微控制器选用单周期8051兼容单片机STC15F204EA，该芯片内部集成CPU中央处理器，256字节SRAM数据存储器，4KB Flash程序存储器，2个定时/计数器，WDT看门狗，MAX810高可靠复位电路，高精度R/C振荡器，高速10位8路A/D转换器。不用外接复位电路和晶振即能工作，内部集成ADC使传感器处理通道得到简化，降低了系统成本。ISP在系统编程可通过串口直接写入程序，不用编程器，并可实现软件远程升级。

GSM模块采用SIMCOM公司工业级2频GSM/GPRS模块SIM900A，模块包括GSM基带处理器、存储器、GSM射频模块、天线接口、SIM卡接口、串行口、音频接口和其他接口组成。其工作频段为900MHz/1800MHz，能自动搜索频段。采用省电技术设计，工作在sleep睡眠模式下电流仅有1mA。SMS短消息有MT、MO、CB、TEXT和PDU模式。支持1.8V和3V两种SIM卡。支持标准全功能串行口，传输速率从1200 ～ 115200bps，具备自动波特率检测功能，支持RTS/CTS硬件流控，并可软件关闭或开启流控功能。

污水数据采集由流量传感器、液位传感器、溶氧传感器、PH值传感器等不同功能的传感器采集信息，通过信号放大、滤波、AD转换后转换为数字量，由单片机处理并传送到上层监测中心计算机。污水液位利用超声波传感器非接触测量，由于超声波传播速度与空气温度相关，其影响关系式为：

例如：0℃时声音速度为330m/s，15℃速度为340.4m/s，25℃速度为345.2m/s。为了保证液位测量精度，电路中用一片DS18B20数字温度传感器测量空气温度，由单片机根据温度对测量液位进行补偿修正。

键盘电路为4按键独立防水薄膜键盘，用于各项功能参数的设置。显示器采用LCD1602液晶显示模块，可显示2行*16字符，作为人机交互及当前状态和采集数据的显示器。

数据采集器中单片机及模拟量输入通道对电源没有特殊要求，仅需5V直流电源即可。SIM900A模块需3.2V～4.8V单电源供电。模块发射时峰值电流最高可达2A，提供电流能力必须大于2A，否则会导致电压急剧跌落，当电压小于3.1V时会造成关机，影响工作稳定。本电路以LM2596S-ADJ开关电压调节器为核心构成GSM供电电源，该芯片是单片降压型电源管理IC，能输出高达3A的电流，还具有较好的线性和负载调节特性，能够满足GSM模块对电源的要求，保证了采集器长期可靠工作。

3 监测主机接口电路设计

监测中心由监测主机和收发移动通信网络信号的GSM电路组成。GSM电路仍然选用SIM900A，SIM900A的电路及电源电路与数据采集器相同。组成框图如图3所示。

GSM模块与主机通过USB总线通信。CH340T构成UART串行口与USB接口转换电路，转换电路如图4所示。CH340T是USB总线转接芯片，可实现USB转串行口、USB转IrDA 红外或者USB 转并行打印口功能。工作在串口方式时，CH340T提供MODEM联络信号线，本电路中仅使用串行数据线TXD和RXD交换数据，未使用其他联络信号。

4 软件设计

4.1 数据采集器软件设计

数据采集器软件利用Keil uVision 4开发平台，程序采用C51高级语言编写，模块化程序设计。软件主要包括监控主程序，GSM通信程序，传感器数据采集程序，液晶显示和键盘处理程序组成。

监控主程序流程图如图5所示。开机上电后，首先由微控制器利用AT指令对SIM900A进行初始化操作。GSM模块通常采用TEXT或PDU模式收发短信，TEXT模式仅能发送英文短信，发送信息不需编码，操作简单。PDU模式用16位unicode编码可以发送英文或中文信息，但合成PDU码较复杂。中文短信在向用户手机发送信息时直观易读，因此发送信息时先用“AT+CGMF=0”指令设置为PDU模式。如果仅需要发送英文信息，可以用“AT+CGMF=1”指令设置为TEXT模式。

监测中心收到采集器发送的状态信息后，回送应答信号。采集器收到应答信号后，顺序控制传感器采集污水各项监测数据，通过显示器显示，并向监测中心传送实时数据，由监测主机对数据存储并处理。为环保人员提供参考。

4.2 监测中心软件设计

监测中心软件采用Visual Studio 2010开发平台的VB2010编程设计，SQL Server数据库对数据进行存储管理。监测软件主要由通信模块、数据处理模块、报表模块和报警控制模块等组成。实现主要功能有：人机界面及人机交互；控制GSM模块信息传输；接收数据的存储；数据的显示、统计、打印；报表生成及显示打印；数据库的维护及管理；企业违章操作及设备故障的报警等功能。

5 结语

本系统利用SIM900A模块作为数据传输单元，借助GSM移动通信网络传输监测数据，解决了常规环保监管存在的不足，实现了污水流量、液位、、溶氧等参数的自动监测与处理，数据长期自动存储，企业排放污水指标超标自动报警，降低了环保执法人员的工作强度，提高了工作效率，对改善环境能起到积极的促进作用。另外，通过更换其他类型传感器，本系统也可用于环境监测的其他领域，比如空气污染监测、自动气象站、水文监测等。

参考文献

[1]雷文礼，邵婷婷.基于ZigBee的污水无线监测系统设计[J].水电能源科学，2011，29（4）.158-160.

[2]肖海蓉.基于TC 35 GSM模块的污水远程监测系统的设计[J] .机械管理开发，2005，86（5）.29-30.

[3]王轩力，王轩慧.污水监测实时数据采集系统的设计[J].山西电子技术，2013，（5）.44-46.

作者简介

集成电路储存环境篇（7）

秸秆是一种清洁可再生能源,是最具开发利用潜力的新能源之一,具有较好的生态、经济和社会效益。

为推动生物质发电技术的发展,2003年以来,国家先后核准批复了河北晋州、山东单县和江苏如东3个秸秆发电示范项目,拉开了中国秸秆发电建设的序幕;颁布了《可再生能源法》,并实施了生物质发电优惠上网电价等有关配套政策,进而使生物质发电,特别是秸秆发电迅速发展。

在生物质秸秆发电项目环评时,常存在评价重点不明晰、评价内容缺失等问题,本文主要结合笔者实际工作,对此类项目环评中存在的问题进行分析,希望能为环境管理部门在决策上提供技术帮助。

一、厂址选择

目前,在以下区域内不宜建设生物质秸秆发电项目:

(1)城市建成区和城市规划区内,城镇居民集中主导风向的上风向和环境敏感区;环境质量不能达到要求且无有效改善措施的,或者可能造成敏感区环境保护目标不能达标的区域。

(2)煤炭资源比较丰富、电源点集中的区域。

(3)已建成投运,在建或已批准新建燃煤热电厂的县(市)。除黄淮四市外,原则上,一个省辖市区域内布设1-2个新建生物质发电项目,对已审批生物质秸秆发电项目达到上述控制要求的省辖市,暂停受理新申报生物质秸秆发电项目环评审批工作。

(4)山区、丘陵区、水土流失重点防护区、生态脆弱区、退耕还林区等生态环境重点保护区域。

(5)缺水地区。

(6)半径50km内重复建设布点的区域。

(7)铁路、高速公路、国道两旁,加油站、油库、易燃易爆物品生产、使用、储存企业或场所防火、防爆安全防护距离内,国务院、国家有关部门和省人民政府规定的生态保护区、自然保护区、森林公园以及风景旅游区内。

二、秸秆储存环境影响分析

秸秆的集中储存主要存在以下环境影响:

(1)由于秸秆的密度轻,在风沙较大的天气下易飞扬,会对周围景观产生不利影响。

(2)秸秆属可燃物质,集中大量堆存,火灾发生的可能性较大。

(3)秸秆遇水受潮易腐烂,会滋生蚊虫、产生恶臭,对环境空气产生不利影响。

针对以上秸秆贮存可能产生的环境影响,应从以下几个方面提出防治措施:

(1)秸秆储料场应进行封闭,并与厂前生产区隔离。

(2)秸秆储存时,应在秸秆晒干后,及时打捆打包,以增大存储量,减少对周围环境的影响,秸秆贮存场四周设排水沟和防雨措施,保证秸秆不受雨淋和避免雨水浸泡。

(3)近距离的储料场应尽可能增加秸秆的收集储存量。

(4)合理优化储存点,避免对重要城镇产生不利影响。

三、清洁生产

清洁生产一般应从生产工艺与装备要求、资源能源利用指标、产品指标、污染物产生指标、废物回收利用指标、环境管理六方面进行分析,针对生物质秸秆发电项目特点,应重视以下几方面。

生产技术与装备要求:

(1)新建生物质秸秆发电项目,必须采用纯秸秆焚烧锅炉,不得违规掺烧煤、矸石或其他矿物燃料。

(2)秸秆直燃发电项目尽量选择高参数机组,原则上项目建设规模不应小于12MW。

(3)采用国外成熟技术和装备,要同步引进配套的环保技术和污染控制设施。在满足我国排放标准的前提下,其污染物排放限值应达到引进设备配套污染控制设施的设计运行值要求。

资源综合利用:

(1)生物质秸秆发电项目,鼓励利用城市污水处理厂中的水做为循环系统补充水,限制取用地表水、严禁使用地下水;在缺水地区生物质发电应采取空冷方式。

(2)秸杆通常含有3%~5%的灰分,以炉渣、灰渣的形式被收集,这种灰分含有丰富的营养成分如钾、镁、磷和钙,可用作高效农业肥料。因此,项目一般不设灰渣场,锅炉排出的灰渣可直接或经过造粒处理装袋后用作农家肥,项目必须配套建设秸秆燃烧灰渣综合利用设施,确保灰渣全部综合利用。

污染物治理:

(1)新建纯秸秆焚烧锅炉,应配套建设布袋除尘器等高效除尘设施。

(2)新建生物质秸秆发电锅炉,参照《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2003)第3时段的污染物控制要求执行,有地方标准的参照地方标准执行。

(3)采用有利于减少NOx产生的低氮燃烧技术,并预留烟尘脱硫、脱氮设施安装场地;按规定安装烟气烟尘、SO2在线监测系统,并与环保部门监控网络联网。

(4)新建生物质秸秆发电项目厂内应设置封闭的灰渣临时堆场,炉渣应采取密闭装置储存,除尘灰应袋装或密闭储罐储存,并及时综合利用,避免扬尘污染,原料场须采取可行的二次污染防治措施。

(5)做好污染预防、厂址周边环境保护和规划控制工作,按照其恶臭污染物(氨、硫化氢、甲硫醇、臭气等)排放源,确定合理的防护距离,作为规划控制的依据,防止对周围环境敏感保护目标的不利影响。

四、环境风险评价

秸秆发电项目的环境风险主要存在于锅炉火点。对秸秆储料场火灾风险评价时,应着眼于制定环境风险防范措施及防范应急预案。加强环境风险防范工作,必须考虑风险事故情况下的环境影响,督促企业落实风险防范应急预案,杜绝环境污染事故的发生。

秸秆发生火灾主要原因是:秸秆遇明火时易于燃烧,并可在短时间内通过燃烧扩散,引发大面积的秸秆着火,从而导致火灾的发生;高温天气、空气不流通的情况下,秸秆长时间的堆存,会使秸秆发生碳化,从而引起秸秆自燃;发生火灾时,秸秆由于其质量较轻,燃烧的秸秆随意飞散,易于引发其他物质着火,从而导致火势蔓延。秸秆发生火灾时不仅对周围环境产生烟尘污染,还可能会造成人员伤亡。

所以,秸秆发电项目应开展安全评价,认真落实安评提出的各项措施。在秸秆储料场周围设置足够防火距离;秸秆储料场装备自动喷水灭火系统及室内外消火栓等防火灭火设施;加强管理,提高工作人员的防火意识;秸秆储料场装备火灾自动和手动报警装置,以有利于及时发现火情,控制火势蔓延。

此外,要制定风险事故应急预案。风险事故应急预案包括应急计划区(重大危险源)的确定及分布、应急保护目标、应急组织、应急撤离、应急设施、通讯、应急处置、应急监测等。评价时,应严格按照《建设项目环境风险评价技术导则》要求,将损失降到最低。

参考文献:

[1] 曹建峰。秸秆的综合利用技术分析[J]。能源研究与信息,2006,(01)。

[2] 吴根,白丽梅,于洋,牛福生。生物质转化能源技术的发展现状及趋势探讨[J]。环境科学与管理,2008,(01)。

集成电路储存环境篇（8）

【中图分类号】 TN45【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0055-02

Expansion of the circuit control based on MCU external

XU Jie-jing，YAO Bo，LI Bin-yu

（Shanxi Huanghe Group Ltd.，Xiˇ？an 710043，China）

【Abstract】In order to storage resources and serial port expansion chip，based on MCU （AT89S52-24PI） external memory expansion and based on multichannel serial MCU control circuit design and realization method of expansion.And with the dual port memory IDT70V261S25PFI and serial communication controller TL16C754BPN and C51 series single-chip microcomputer software development environment Keil μ Vision4 for example the realization of the external circuit of the single chip control.The experimental results show that， this scheme has simple interface， easy to use，stable and reliable。

【Key words】MCU；Memory；Serial communication； Keil μVision4

引言

目前，应用单片机的产品已经渗透到我们生活的各个领域，因此单片机的学习、开发与应用是社会发展的必然需求。但单片机的资源及接口又非常的有限，所以更加突出了单片机外部扩展技术的重要性。在需要大量数据缓冲的单片机应用系统中，需要在外部扩展数据存储器；单片机通常提供一个串行通道，当单片机系统需要更多的串行通讯通道时，需通过外部串行通讯控制器进行扩展。本文主要介绍基于单片机 （AT89S52-24PI）外部存储器的扩展及基于单片机控制的多通道串口扩展电路设计及控制方法的具体实现。

1 概述

单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域的广泛应用。

AT89S52为ATMEL所生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器。主要功能列举如下：拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash；晶片内部具有时钟振荡器（传统最高工作频率可至12MHZ）；内部程序存储器（ROM）为8KB；内部数据存储器（RAM）为256字节；32个可编程I/0口线；8个中断向量源；三个16位定时器/计数器；三级加密程序存储器；全双工UART串行通道。

2 硬件实现方法

2.1 总体设计思路

单片机的P0口作为数据线接到双端口存储器 IDT70V261S25PFI和串行通讯控制器TL16C754BPN的数据口，同时接到FPGA与单片机的ALE译出双端口低8位地址；P2口作为高8位地址线输出到双端口存储器IDT70V261S25PFI高8位地址口和串行通讯控制器TL16C754BPN的3位地址口；FPGA通过地址译码译出双端口存储器的片选和串行通讯控制器的4路片选信号；单片机的读写信号接到双端口存储器和串行通讯控制器的读写。原理框图如下图所示： AT89S52来组成外存储器扩展电路，除了本文介绍的外存储芯片外，其它的外存储芯片（EEPROM、RAM等）的使用方法类似。单片机系统扩展首先要构建系统总线，然后再往系统总线上“挂”存储芯片或I/O接口芯片。如下图所示：

通过地址空间分配和外部地址锁存器。常用的存储器地址分配有两种方法，线选法和译码法。线选法直接利用系统的高位地址线作为存储器芯片的片选信号；译码法是对高位地址进行译码，译码输出作为存储器芯片的片选信号。常用的外部地址锁存器芯片有74LS373和74LS573。外部地址锁存器应用如下图所示：

3 系统软件设计

本文采用的软件开发平台，旨在提高开发人员的生产力，实现更快，更有效的程序开发。μVision4引入了灵活的窗口管理系统，能够拖放到视图内的任何地方，支持多显示器窗口，增加了很多大众化的功能。

51单片机软件开发平台，keil C51μVision集成开发环境是德国Keil公司针对51系列单片机推出的基于32位windows环境，以51系列单片为开发目标，以高效率的C语言为基础的集成开发平台。Keil c51从最初的5. 20版本一直发展到最新的v7.20版本。主要包括：C51交叉编译器，A51宏汇编器，BL51连接定位器等工具和windows集成编译环境μVision，以及单片机软件仿真器Dscope51.是一个非常优秀的51单片机开发平台，对C高级语言的编译支持几乎达到了完美的程度，当然它也同时支持A51宏汇编。同时它内嵌的仿真调试软件可以让用户采用模拟仿真和实时在线仿真两种方式对目标系统进行开发。软件仿真时，除了可以模拟单片机的I/O口、定时器、中断外，甚至可以仿真单片机的串行通信。

软件设计上对于外部存储器的扩展没有什么特别的设置，只需对片选选中地址空间进行读写操作即可；对于多串口扩展需要对片选选中地址空间进行操作， 在工作软件初始化部分，应调用初始化通讯控制器函数对串行通讯控制器中的四路串行通讯口全部进行初始化。程序代码以下为例说明：

void COMMInitA（void） //软件初始化函数

{XBYTE[CSA+LCR]=0x80；/*置波特率分频系数设置允许位*/

/*设置波特率分频系数为1，外部晶振24MHz，波特率为1.5MBPS；

外部晶振22.1184MHz，波特率为1.3824MBPS*/

XBYTE[CSA+DLL]=0x01；

XBYTE[CSA+DLM]=0x00；

/*清除波特率分频设置允许位，设置串口数据格式设置为1位起始位、8位数据位、1位停止位、奇偶校验为奇校验*/

XBYTE[CSA+LCR]=0x1b； //奇校验

/*允许接收数据完成中断*/

XBYTE[CSA+IER]=0x05；

/*中断总允许*/

XBYTE[CSA+MCR]=0x00；

/*允许使用并清空FIFO，设置接收FIFO门限为60字节*/

XBYTE[CSA+FCR]=0x61； }

在发送数据时应首先形成发送数据并存储在发送数据缓冲区中，然后调用数据发送函数完成数据发送功能，程序代码以下为例说明：

void ZD_SEND（void）

{ tmp=0； for（j=2；j

{ XBYTE[CSA]=zd_txd[j]；//发送6个字节} }

在数据接收完成中断服务程序中调用数据接收函数，根据数据接收状态将已接收到的数据存储在接收缓冲区中，程序代码以下为例说明：

void ZD_REC（void）

{ for（j=0；j

{ tmp=XBYTE[CSA+LSR]； if（（tmp & 0x01）==0x01） buf_rxd[j]=XBYTE[CSA]； }

j=0； while（（（XBYTE[CSA+LSR] & 0x01）==0x01） && （j

{ j++； tmp=XBYTE[CSA]； } COMMInitA（）； //接收结束

tmp=0； for（j=2；j

if（（buf_rxd[1]==tmp）&&（buf_rxd[0]==0x0f）） //校验正确，接收缓冲区数据转到工作数据区 { for（j=0；j

为了保持数据通讯过程的持续稳定，同时避免不可预见冲突对数据通讯过程的干扰引起的工作异常，在必要的时刻需要对数据通讯控制器的FIFO 进行定期复位并清空数据区。

4 结束语

本文介绍了基于51系列单片机进行扩展电路的具体实现方法，既解决了单片机的存储器容量过小及串行通讯通道不足的限制，又提供了一种具有良好的通用性、规范性的单片机扩展存储器及多通道串行通讯的实施方案，为51系列单片机提供了更多更广的应用空间。

参考文献

[1] 张文德，等.单片机微机原理应用与实验[M].上海 复旦大学出版社，1996

集成电路储存环境篇（9）

1 引言

无线传感器网络作为一种新兴的、跨学科的技术，已经引起了国内外多领域的广泛关注，并与通信技术和计算机技术构成信息技术的三大支柱。无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术以及无线通信技术等多个领域的关键技术，能够实现实时监测、采集网络分布区域内的各种客观环境或监测对象的数据信息，并对这些信息进行处理，选择性的将有用信息传输给用户[1-3]。近几年提出的物联网（Internet of Things， IOT ）概念把无线传感器网络技术扩展到更大应用空间，被称为是继计算机技术、互联网和移动通信网之后的又一次信息产业浪潮，并与互联网一起构成智慧地球[4， 5]。

基于IEEE.802.15.4标准的ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据传输速率、低成本的无线通信技术，是目前传感器网络的首选技术之一，目前已被广泛应用于环境监测的各个领域。比如森林火灾监测；气象和地球物理研究；洪水检测；化学/生物监测；土壤矿物质检测；大气环境分析等。本研究将ZigBee网络技术应用到仓库、储藏室等地方，以实现远程监控仓储环境，及时发现异常情况，免去或降低人工看守成本的目的。

2 方案设计

2.1 系统总体结构

系统主要由传感器及无线网络控制器组成，传感器包括空气温度、湿度、光强及人体红外传感器。控制器选择了内嵌了ZigBee协议的英国JENNIC公司的JN5148模块。其系统总体框图如下：

2.2 主控节点的设计

主控节点即控制器节点的首要任务是数据的汇聚和存储，同时提供LCD显示功能。首先，它先通过无线通信模块把各节点的信息收集起来，然后通过处理器模块进行进一步的处理，之后再进行相应的显示和存储。数据的收集、显示、存储均需要电源模块的支持。其硬件结构框图如图2所示，主要由显示模块、存储模块、处理器模块、无线通信模块及电源模块组成。

2.3 终端及路由节点的设计

传感器节点包括终端节点及路由节点，二者都可以实现数据的采集，区别在于终端节点处于整个网络的末端，只负责发送数据，可进入休眠模式；而路由节点则具有“桥梁”的作用，可以对终端节点发出的数据进行中继转发，不能进入休眠模式。ZigBee协议点对点的通信距离为百米，通过路由节点的中继转发后，无线传感器网络的传输距离大大增加，将显著扩大了整个系统的监控范围。

传感器节点的首要的任务是数据采集；其次，还要对采集到的数据进行预处理；最后，通过无线通信的方式把预处理后的数据发送到主控节点。节点的设计关键在于与传感器的连接。本设计中，各传感器节点均包含了人体红外感应模块、温湿度传感器及光强传感器。DYP-ME003 人体感应模块，只感应人或动物体发出的红外线，可以广泛地用于防盗报警。其主要由传感器电路部分及菲涅耳透镜组成。传感器电路部分将接收到的红外光转换为电压信号；菲涅耳透镜主要作用则是汇聚光线，其反面形成的明暗相间的可见区和盲区特征被用来检测移动的红外热源。当测量范围内出现移动的人或动物时，传感器将报警。

温湿度传感器采用的是 DHT 11数字温湿度传感器，体积小、响应快、抗干扰能力强。其采用4针单排引脚封装，供电电压为3.3～5.5V，相对湿度测量范围为20-90%，温度测量范围为0～50℃，采用8位A/D采样及单线制串行接口输出。

光强传感器采用的是GY-30数字光模块。该芯片供电电压为3-5 V，光照度测量范围为0-65535 lx，传感器内置16位A/D转换器可实现数字输出，使用方便。

3 软件设计

软件设计是在ECLIPSE集成开发环境中完成的，采用了基于ZigBee协议的网状拓扑结构。主控节点及终端节点的程序流程图如图3所示。主控节点负责建立并维护整个网络，接收来自本局域网络中终端及路由节点的加入。网络建成后进入空闲状态，等待中断事件发生。当收到来自网络节点的中断请求时，主控节点将判断中断消息的种类，并进行相应的处理。节点传来的传感器数据将在控制器中处理并显示、存储。终端节点加入网络成功后进入休眠模式，并通过定时器对其进行唤醒，对各传感器数据进行采集后发送到主控节点，发送不成功的数据可重发一次。

4 结语

本研究针对仓储环境需要无人化监管的现实需求，设计了一套基于JN5148 ZigBee模块的无线传感器网络监测系统。系统在各传感器节点上集成了人体红外感应模块、温湿度传感器及光强传感器，通过分布式排列，可以实现对大型、甚至超大型仓库的环境监控，实现防盗、储存环境异常报警等功能。系统使用内嵌的ZigBee协议及成熟的传感器模块，工作稳定可靠，成本低，易于推广。

参考文献：

[1]孙亭，杨永田，李立宏.无线传感器网络技术发展现状[J].电子技术应用，2006（06）：01-05，11.

[2]李凤保，李凌.无线传感器网络技术综述[J].仪器仪表学报，2005，26（08）：559-561.

集成电路储存环境篇（10）

6月25日，我国首列智能化高速列车样车在南车青岛四方机车车辆股份有限公司竣工下线。首次实现了物联网、传感网、列车控制网络、车载传输网络的多网融合，形成自检测、自诊断、自决策能力的智能化高速列车。本文主要介绍高速列车的智能化系统。

1 列车智能化系统架构

1.1 概述

列车智能化系统中采用的两大核心技术就是物联网与传感网技术。物联网技术被誉为信息技术领域新的革命，采用以标签识别、无线传感、无线网络传输、云计算等为特征的物联网技术，建立物与物、物与人直接的有机连接，形成庞大的智慧系统。采用物联网技术可以对智能列车的所有零部件进行全生命周期的管理，所有的零部件从出厂到淘汰都可以进行档案追踪与管理，借助检修基地的管理数据库，可以实现零件共享，维修提醒等功能。传感网技术解决了复杂工况下，高速列车运行动态数据全息化的问题。可以全面掌握高速列车实时运行状态，将包括温度、应力、加速度、电流、电压在内的传感器信息统一进行实时采集，进行去噪、去重、加密等预处理，然后通过网络汇聚至列车车载数据中心。车载数据中心根据定义的规则对数据进行再次的分析。对列车设备或者路况产生的异常情况进行预警或告警，对数据进行存储，根据数据的重要性与敏感度，定义数据老化策略。对重要和敏感的数据进行二次表达，并且进行压缩，将之传送至地面数据中心进行处理。地面数据中心主要进行数据存储，虚拟3D展现等工作。

1.2 车载物联网系统

车载物联网系统主要用于关键器件零部件生命周期管理。通过手持式RFID识别设备，采集部件的各种信息（包括生产日期、系统名、部件位置、检修信息、大修信息等等），通过USB或者通过无线的方式，经过车载环网，将其送入车载数据中心。数据中心对该类数据进行过滤，合并等操作以后，转入车载数据库进行存储。同时数据中心将数据转发至地面系统，通过公网或者铁路专用网实现物联网系统的后台整合。车载物联网系统由如下几种设备组合构成：抗金属RFID双频电子标签、手持式RFID采集器、物联传感节点、车载后台数据中心。RFID双频电子标签（Intag系列）由网新集团为铁路系统定制。可工作于金属环境下，能同时工作于HF和UHF频段。其工作的频率为UHF：920MHz～925MHz，HF：13.56MHz+-7KHz。能达到IP68的防尘、防水等级，在恶劣的电磁干扰工况下依然具有极佳的读写性能。RFID双频电子标签可存储列车零部件的初始化信息（静态信息）、检修信息（动态信息）、大修信息（动态信息）和私有信息（静态信息）。

手持式RFID采集器主要由铁路相关工作现场人员使用，能适应多种恶劣气候环境、机械环境和电磁环境。检修人员可利用该设备对列车零部件进行检修，检修的结果可通过无线和有线网传至后台数据中心和地面数据中心，从而可以形成完整的列车零部件履历。借助该类履历信息而形成的专家系统，可以为列车部件采购、维修、运营的智能决策提供坚实的技术支撑。该手持式RFID采集器由网新集团为铁路系统单独开发设计，功耗较低，具有极高的防水等级和抗震等级，能满足各种恶劣工况下的使用。

传感物联节点所构成的车载感知环网是车载物联网、传感网的核心通路。通过前端的无线接口，将收集到的物联网信息进行去重，过滤异常数据，合并等操作。而后采用实时或者分时上报的策略，将数据通过环网传至后台数据中心。同时，物联传感节点还可以接入列车TCN总线，例如MVB，ARCNET等。将列车原有的控制信息和状态信息进行采集后，将数据进行格式统一化处理，然后将其通过环网送入后台数据中心处理。为了保证环网在发生故障时依然可以提供服务，节点设计了多重冗余保护策略，包括主备控制系统保护、电源冗余保护、风扇冗余保护以及MRP环网故障保护。

车载后台数据中心将接收到的物联网信息再次进行分析，将具体的部件履历信息与新增的标签信息进行映射关联，提供友好的UI界面表达及各种用户友好的客户搜索条件后，将数据进行存储和转发。由于后台数据中心需要处理和过滤的数据量非常巨大，因此需要提供各种数据QOS（quality of service，服务质量分类）转发策略、日志策略和缓存优先级策略。将数据进行严格分类，按存储时间分成永久存储和可老化存储，按重要性和敏感度可以分成不同的转发优先级。对于较高优先级的数据保证其拥有较高的转发性能和较大的网络带宽，对于较低优先级的数据则根据预先定义的策略可以进行丢弃或者延迟转发。为了保证后台数据中心在发生故障的情况下依然拥有较高的可用度，设备需要提供多重保护。具体包括电源冗余保护、主备控制系统1+1备份保护等。

1.3 车载传感网系统

车载传感网系统解决了复杂工况下，高速列车运行动态数据全息化的问题。可以全面掌握高速列车实时运行状态，将包括温度、应力、加速度、电流、电压在内的传感器信息统一进行实时采集，将数据格式化统一处理以后，进行去噪、去重、加密等预处理，然后通过网络汇聚至列车后台数据中心。后台数据中心根据定义的规则对数据进行再次的分析。对列车设备或者路况产生的异常情况进行预警或告警，对数据进行存储，根据数据的重要性与敏感度，定义数据老化策略。对重要和敏感的数据进行二次表达，并且进行压缩，将之传送至地面数据中心进行处理。 地面数据中心主要进行数据存储，虚拟3D展现等工作。

车载传感网系统由多类型传感器族、物联传感节点、车载后台数据中心等设备组合构成。多类型传感器族主要由数量众多的传感器组成。从传感采集的信息分，可以分成温度、加速度、应力、电流、电压、气压等。从传感器系统架构分可以分成模拟量型传感器和数字型传感器。网新集团构建的车载传感器族具有高稳定、大量程、高精度的特点，能满足在恶劣的电磁、振动环境下稳定可靠的工作。

为了响应铁道部提出的列车“谱系化”的目标，网新集团针对不同的列车外部运行环境，比如高寒地带、高温地带，进行传感器家族的系列化。以温度传感器为例，网新集团针对上述需求考虑设计几款不同子类型的传感器，能够满足特定环境下的量程需求和可靠性需求。对于其余类型的传感器，均采用这样的设计开发思路。

物联传感节点所构成的车载感知环网是车载物联网、传感网的核心通路。通过前端模拟量、数字量和开关量接入，将采集到的原始的传感信息进行去重和基于频谱分析的去噪，并将上述异构数据进行数据格式统一化。处理完以后的数据，根据预先定义的分时或者实时策略，发送至后台数据中心。

列车工况十分复杂，客室、转向架、车头等场合环境迥异。因此对于不同的传感器需要设置不同的噪声过滤算法。网新集团与几大主机密切合作，在离散数字信号分析方面有比较深厚的积累，并且已形成一系列创新型的滤波处理算法。

车载后台数据中心将接收到的传感信息再次进行分析。根据预先定义好的各种参数，当分析之后的数据越过预警门限，则系统进行预警。当数据越过报警门限，则进行报警。列车司机根据数据中心分析得出的结论，例如采取制动等安全措施。对于某些比较关键的告警信息，将实时地传递给地面数据中心，以供地面指挥人员进行分析和命令之用。

2 网新系列产品介绍

2.1 Intag抗金属电子标签（图1）

INTAG系列电子标签是网新集团为铁路系统专门定制的工业级抗金属双频标签。严苛工况下，具有优秀的抗金属，抗震动，防水，防尘性能。部分性能指标如下：

（1）双频标签工作频率：UHF：920MHz～925MHz。HF：13.56MHz ±7KHz。（2）内存容量：标签内存容量：1～2Kbits。（3）读写距离（与网新手持式读写器配合）：UHF：读距离大于1m；UHF：写距离0m～ 0.8m。HF：读距离0cm～5cm。HF：写距离0cm～5cm。（4）通信协议：UHF：ISO18000-6C。HF：ISO 14443A，15693。

2.2 网新车载传感器族（图2）

网新集团凭借在城市轨道交通以及铁路领域多年的技术积累，为高速列车研制了车载传感器族。技术上具有大量程，高精度，高分辨率，抗扰度好的特点。此外，网新设计的传感器在恶劣的铁路工况中表现出性能稳定，鲁棒性好的特点，深受用户赞誉。（表1）

2.3 车载智能采集终端SA735（图3）

车载智能采集终端SA735是网新集团为南车集团定制的小型化传感接入产品，是物联传感节点的一种设备类型。具有被动散热设计，高防水防尘（达到IP67），高耐振等技术特点。主要应对传感器分布比较密集的场所的接入需求。部分性能参数和规格：

供电电压：70～125V（DC100V）；模块输入功率：

绝缘电阻：10MΩ以上；即DC100V电源正负线对机壳（地）之间的绝缘电阻，由500V兆欧表测量。

耐压试验：电源正负线对机壳（地），用50Hz工频1200V保持1min。

2.4 手持式RF设别设备RT320i（图4）

手持式RF设别设备RT320i主要用于采集高速列车零部件的物联网标签信息。 提供大修，检修等记录的查询录入，数据管理，文件传输，日志记录，错误校验等功能。 主要用于智能列车检修，零部件全生命周期管理等。主要技术指标如下：

（1）工作频率范围：UHF 920MHz～925MHz，HF：13.56 MHz +-7KHz。（2）调制方式：移幅键控的调制方式（ASK）。（3）通信协议：ISO18000-6C，ISO14443A（或ISO 15693）。（4）信道带宽及信道占用带宽（99%能量）：250kHz。（5）信道中心频率：fc（MHz）=920.125+M×0.25（M为整数，取值为0-19）。（7）工作模式：跳频扩频方式，每跳频信道最大驻留时间2秒。（7）发射功率：见表2。（8）邻道功率泄漏比：40dB（第一邻道），60dB（第二邻道）。（9）标签识别能力：具有单标签与多标签识别功能，正常环境下，识别率≥99.9%。（10）通信接口：蓝牙；USB；（11）工作方式：触发方式；命令方式。（12）电源适应性：充电变压器AC（100～240）V，50Hz。（表2）

3 结语

以列车为核心的高速铁路，需要线路、供电、运控、调度等各种高新技术的系统集成，是一个复杂巨系统，其发展也会带动信息通讯、电力电子、材料化工、机械制造、自动控制等多学科、多行业的发展，是世界各国科学技术和制造产业创新能力、综合国力以及国家现代化程度的集中体现和重要标志之一。其中，列车的运行安全智能化保障，列车的智能化管理与智能化维修，是高速铁路技术的核心。

集成电路储存环境篇（11）

基于LabVIEW及软硬件结合的方式设计了一种电磁监测系统，能对电磁信号的频域、时域、能域以及信号类别等特性进行监测，实现“仪器控制”、“数据采集和分析”、“数据存储”等功能，可为电磁环境评估提供支撑。

关键词：

电磁环境；LabVIEW；监测

1概述

复杂电磁环境主要包括自然电磁环境和人为电磁环境。自然电磁环境包括静电和雷电等；人为电磁环境主要有两方面：人为无意电磁干扰和人为有意电磁干扰。研究电磁环境，需要先了解电磁信号，电磁环境监测是得到电磁信号特性的一种手段。一般来说，电磁信号以频率、调制、天线扫描性、脉冲串、极化、功率电平以及辐射源的位置等特征来描述。电磁环境监测通过搜索、截获，对信号工作参数的测量、信号的时域和频域特征分析，研究信号的特点和规律，科学、直观的描述电磁环境特征，为电磁环境辐射源数据库提供有效、准确的基础数据。

2复杂电磁环境监测系统功能

复杂电磁环境的监测要素，一般包括信号个数（信号密度），信号种类，信号距离、信号出现的时间（间隔或周期），信号频率/频谱，信号功率等。电磁环境监测是对电磁信号进行监测、数据采集、分析和存储监测数据。电磁环境监测系统一般具有以下功能：

（1）可以对电磁环境进行实时监测，例如连续波雷达信号、脉冲瞬变信号以及FSK信号及其他数字调制信号、AM信号以及电磁脉冲信号；

（2）具有对监测数据频谱、功率、信号出现时间间隔和信号类型等参数进行分析、统计、记录功能，对监测的数据进行处理；

（3）向外部系统提供监测数据。

3复杂电磁环境监测系统设计电磁环境监测系统由硬件和软件两部分构成

3.1复杂电磁环境监测

系统硬件组成复杂电磁环境监测系统为实现对复杂电磁环境的监测和分析，必须具备对电磁环境的监测能力、电磁环境特征数据的存储能力和对频谱携带信息的还原能力。系统硬件的功能必须满足一定的要求，才能实现以上三项能力。要实现电磁环境的监测能力就必须具备频率探测和数据采集系统，可以由宽带接收天线、高速频谱分析仪等相关设备实现。要实现电磁环境特征数据的存储能力就必须具备存储空间和数据记录系统，可以由测控计算机、数据接口卡等相关设备实现。要实现对频谱携带信息的还原能力就必须具备频谱自由解调系统和数据信息还原系统，可以由测控计算机、射频分析仪、宽带接收天线、数据接口卡等相关设备实现。复杂电磁环境监测系统是基于软件无线电技术来实现对复杂电磁环境的监测和分析，其系统硬件由测控计算机、射频分析仪或者接收机、GPIB卡、频谱仪、宽带接收天线、连接电缆与连接数据线组成，如图1所示。

3.1.1低频磁场监测

杆天线长1m，测量的频段为10kHz~30MHz。杆天线有两种：无源杆天线和有源杆天线，二者的不同之处在于测量的灵敏度。杆天线收到的场强信号通过连接电缆，传输到频谱仪或者测量接收机。采用自动扫频的方式进行测试，计算机可以通过软件系统自动控制接收电路的接收频率，不断地接收不同频率的信号。

3.1.2高频电场监测

随着频率的增加，电场的辐射影响会变强。在监测过程中需用垂直和水平两种极化方式。频率不同对天线的要求也不同：双锥天线（30~200MHz）；喇叭天线（200MHz~1GHz）；喇叭天线（1~18GHz）。实时监测时，可以根据不同的频率天线类型，以自动扫描的形式对环境进行监测，通过设置环境参考电平和视频带宽等参数，在扫描过程中可以实时绘出信号的频谱，监测的数据以excel文件形式存储。为了避免在监测过程中由更换天线而引入的不确定性误差，系统可以利用GPIB控制的天线开关对接收天线的接收信号进行自动切换。

3.2电磁环境监测系统软件分析

3.2.1软件设计思想

复杂电磁环境监测系统软件是基于LabVIEW软件开发的自动监测软件。LabVIEW（实验室虚拟仪器集成环境）是一个功能强大而又灵活的仪器和分析软件应用开发工具，用于实现对仪器的控制和功能的二次开发。在系统软件的设计中，按照模块化设计的思想，把复杂任务逐层分解，然后将其组合来完成更复杂的任务，并且这种层次的调用是无限制的。各层之间的调用如图2所示。用户可以利用LabVIEW软件的内置分析能力，在测量中实现消除噪声、调理和转换信号的功能。

3.2.2系统软件特点

复杂电磁环境监测系统软件的主要功能为控制测试仪器、快速设置仪器参数、监控频谱数据的采集和存储、频谱信号的自由解调和界面友好等，软件的设计特点：

a）参数设置，主要包括测试设备、测试天线及频段的选择；测量带宽、测量间隔等参数设置；

b）测试中采集到的数据可以自动以测试项目为文件名保存，以便后续对数据进行处理，测试的结果可以以excel表格的形式进行调用查看，方便与其他平台间的资源共享；

c）对监测到的信号可以自动进行多种模式的解调，根据独立分量和归一化瞬时幅度谱密度最大值等相关算法对采集的数据进行分析，并最终确定信号最可能的调制方式，并进行数据还原和记录；

d）测试结果可以多种方式显示。测试中的所有参数和测试结果图都可以以excel表格或者频谱图的方式进行存储或者打印；

e）界面美观友好，操作性强。另外，对数据进行分析处理时，由于电缆衰减、天线系数、环境因素等影响，频谱仪或者接收机上的信号即接收到的信号与真实信号有一定偏差。为了降低这类偏差，需对电缆衰减和天线系数做补偿处理。

3.2.3电磁环境软件设计流程

复杂电磁环境监测系统，在处理速度一定的限制下，运用处理软件和操作系统软件的有效支持，使处理器的性能充分发挥，合理分配有限的处理资源，针对不同的通信体制的共同点，开发出高效而灵活的实时运行控制软件和应用处理软件，以完成在复杂电磁环境下对多种通信模式系统的监测和分析，流程如图3所示。

3.2.4系统软件各功能模块

（1）仪器接口模块

此模块负责控制系统中仪器的数据接口，并完成相应的数据传输：将参数设置传输给频谱仪，调用仪器驱动，使频谱仪能识别每一个传过来的参数命令，从而能设定频谱仪的参数等。

（2）数据采集分析

模块当完成仪器的控制后，以一定的设置进行相关测量、分析、判别和读出数据。由于在一定的频段内，频谱仪的分辨率带宽和扫频宽度是固定的，而开始的测试频段具有随机性，因此测试中最后一次扫频的扫频宽度有可能低于程序中设定的扫频宽度，需先对其加以判断，否则测试频段可能会超出初始设定的频段，因此在采集模块程序中需要加以设定。

（3）数据存储模块

数据存储模块主要负责将采集到的频谱数据按照一定的命名规则和存储路径存储在指定位置，并将监测数据的名称存储起来，以便后续组成数据库系统，方便调用。在系统设计时要考虑硬件设备的选取与软件中指令控制的匹配性，以及系统要具有扩展性来适应监测对象变化的需求。在进行数据分析和处理时对设备的校准参数、天线、线缆的修正因子进行文档管理，以便及时调用来降低监测数据的误差。

3.3信号的分离和识别采集信号的处理流程如图4所示：

（1）信号的分离

对信号的分离采用的是独立分量（IndependentComponentAnalysis,ICA）算法，独立分量原理见图5。独立分量这种信号处理方法是由盲源分离技术发展而来。盲源分离可以描述为：在多输入、多输出的系统模型中，输出信号是由输入信号混合叠加而成的，输出信号称为观测信号x(t)，输入信号称为源信号s(t)，源信号和观测信号之间的系统被称为混合系统，盲源分离就是指在源信号和混合系统未知的情况下，仅从观测信号中分离出源信号的过程。独立分量分析方法按照统计独立的原则，通过目标函数及其优化算法将多路观测信号分解成若干相互独立的源信号。独立分量分析能够发掘出隐藏在样本高阶统计量中的信息，适用于非高斯分布的信号。如果要保证ICA模型的确定性，即能够对解混合矩阵W进行有效的估计，则ICA需满足如下的假设条件：

1）源信号各向量为平稳随机过程，且相互独立；

2）观测信号向量维数不小于源信号向量维数；

3）混合矩阵A可逆，即为非奇异矩阵；

4）源信号中的高斯信号至多有一个。

（2）信号识别

对信号的识别主要包括对雷达信号的识别和通信信号的识别两部分：对监测到的雷达信号进行分析通常需要对提取和处理信号的调制信息，识别信号脉内调制类型以及检测信号脉内调制参数。脉内调制参数用于显示脉内分析的结果，主要包括信号类型、中心频率、脉宽、相位编码的子码宽度和编码、线性调频信号的起始/终止频率。基于归一化瞬时幅度谱密度最大值的通信信号识别算法是根据通信信号调制类型信号的特点，对通信信号进行识别。

4结语

在系统设计时要考虑硬件设备的选取与软件中指令控制的匹配性，以及系统要具有扩展性来适应监测对象变化的需求。在进行数据分析和处理时对设备的校准参数、天线、线缆的修正因子进行文档管理，以便及时调用来降低监测数据的误差。

参考文献：

[1]李永红,张晓东.电磁环境自动监测系统的设计[J].电测与仪表,2005(10):34-36.

[2]王汝群.战场电磁环境[M].北京:出版社,2006:62.