電源設計需求

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電源設計需求范文第1篇

【關鍵詞】硬件電路;原理圖設計;PCB設計;設計需求

Abstract：Hardware is an important part of the circuit system.The rationality of the hardware circuit design will influence the performance of the system.This paper elaborates the processes and methods of hardware circuit design starting from anglicizing the Design process of hardware circuit，and points out the problems and solutions in the design process.It has the practical significance for hardware circuit design.

Keywords：Hardware circuit;Schematic design;PCB design;The design requirements

前言

隨著集成電路設計與制造技術的不斷發展，電路系統的功能越來越強大，組成卻越來越簡單，軟件設計的重要性逐漸提高，但硬件電路設計的重要性不容忽視。軟件設計得再完美，若硬件電路設計不合理，系統的性能將大打折扣，嚴重時甚至不能正常工作。

硬件電路的設計一般分為設計需求分析、原理圖設計、PCB設計、工藝文件處理等幾個階段，本文主要闡述各階段的設計流程與方法。

1.設計需求分析

硬件電路的設計需求是基于項目或控制平臺的系統需求，設計需求的合理分析是選用電路核心元器件及其典型電路的關鍵。硬件電路的通用設計需求有應用環境、面積/體積限制、電源、功耗等，此外功能不同電路需求也不同。以某控制平臺典型電路為例，設計前必須關注的需求如表1所示。

表1 某控制平臺典型電路的設計需求

典型電路 設計需求

主控制電路 I/O口數量、數據寬度、通訊方式、電源等

數字量輸入電路 輸入點數、額定輸入電壓、輸入電流、噪聲容限、是否隔離、隔離電壓等

數字量輸出電路 輸出點數、額定負載電壓、輸出類型、輸出節點容量等

模擬量輸入電路 輸入類型與等級、精度要求、頻率等級、輸出類型等

模擬量輸出電路 輸入位數、精度要求、輸出類型、驅動能力等

光纖輸入電路 傳輸帶寬、頻率、輸出接口類型、邏輯關系等

光纖輸出電路 輸入接口類型、頻率、傳輸帶寬、輸出接口類型、邏輯關系等

脈沖功率放大電路 邏輯關系、驅動電源、驅動能力等

通訊電路 通訊接口、通訊協議、傳輸速率、ESD能力等

2.原理圖設計

原理圖設計是硬件電路設計的核心，合適的器件選型、必要的計算分析以進行參數搭配、仿真工具的運用與驗證等是其常用工作流程，最終通過繪制原理圖將這些技術用圖形化語言表達出來。

2.1 元器件選型

元器件的選型是原理圖設計過程中的一個重要環節。元器件是否合理、優質選用，將直接影響整個硬件電路的性能和可靠性，也關系到產品后期的使用與維護。

在選用元器件時，應根據電路功能要求確定元器件的關鍵參數，表2中給出了常用元器件選型時需要關注的參數，此外還應考慮元器件工作的可靠性、成本、供貨周期等因素。

表2 常用元器件的關鍵參數

常用元器件 關注的參數

電阻 阻值、功率、誤差、裕量等

電容 容量、耐壓值、工作頻率、裕量等

發光二極管 正向電流、光體顏色、正向壓降等

穩壓二極管 穩壓值、穩定電流、精度、功率等

AD芯片 位數、采樣速率、單/雙極性、帶寬、管腳定義、電源、串/并行、封裝、典型電路等

晶振 頻率范圍、電源電壓、工作電壓、封裝等

電源模塊 輸入/輸出類型、輸出功率、穩壓系數等

數字IC 電源電壓、邏輯關系、噪聲容限等

傳感器 輸入/輸出類型、精度、線性度等

存儲器 電源電壓、存儲容量、最大時鐘頻率、訪問速度、擦寫次數、接口電路等

CPLD 電源電壓、邏輯單元數、管腳數、最大時鐘頻率、接口電路等

MCU或DSP I/O口數量、片內ROM和RAM類型及大小、片上外設類型及數量、體積、功耗等

2.2 繪制原理圖

在確定好元器件型號后，就可使用EDA工具軟件繪制電路原理圖。在繪制過程中應該注意以下問題：

（1）對于初次使用的元器件，一定要查看元器件手冊，弄清楚其關鍵參數、封裝、推薦電路等。

（2）盡量使用或借鑒成熟電路，對于不成熟電路要多測試。

（3）按照信號流向繪制原理圖。對于復雜電路，可根據功能模塊分多張sheet繪制，并給出必要的文字說明。

（4）網絡名稱的命名盡量遵循信號的含義，以增加原理圖的可讀性。

（5）綜合考慮PCB性能和加工的效率選擇電路加工流程。因為少一個工藝流程，可以有效縮短硬件電路的加工時間。加工工藝的優選順序為：元器件面單面貼裝元器件面貼、插混裝雙面貼裝元器件面貼插混裝、焊接面貼裝。

（6）原理圖繪制完成后要編譯。這樣可以檢查出很多問題，如缺少網絡標號、信號源屬性錯誤等。

（7）在原理圖編譯通過后，需要生成網絡表。這是原理圖到PCB的一個必要環節，如果原理圖存在錯誤，網絡表是無法成功導入PCB中的。

3.PCB設計

PCB設計是以電路原理圖為依據實現硬件電路的功能，此外還應滿足可生產性、可測試性、安規、EMC、EMI等技術規范要求，以構建產品的工藝、技術、質量和成本優勢。

3.1 制作物理邊框

封閉的物理邊框是PCB設計的基本平臺，對后續的自動布局和布線起著約束作用。繪制物理邊框時一定要精確，以免出現安裝問題。使用圓弧邊框可以減少應力導致PCB板斷裂的現象，也能避免尖腳劃傷人員。

3.2 引入元器件和網絡

引入元器件和網絡是將原理圖中的元器件和網絡等信息引入到物理邊框內，為布局和布線做準備。在更新PCB之前，應確認原理圖中與PCB關聯的所有元器件的封裝庫均可用。

3.3 元器件布局

元器件的布局與布線對產品的壽命、穩定性、電磁兼容等都有很大的影響。布局常用的規則有：

（1）元器件的放置順序。先放置與電路結構有關的需固定位置的元器件，如電源插座、指示燈、開關、連接件等，最好將其位置鎖定，以免被誤移動;再放置電路中的特殊元器件，如發熱元件、大體積元件、IC等;最后放置小元件。

（2）元器件的安放位置。首先應考慮特殊元器件的安放位置，例如發熱元件要盡量靠邊放置以便散熱，且不宜集中放置，并遠離電解電容;去耦電容要盡量靠近IC的電源管腳，并力求與電源和地之間形成的回路最短。其次應考慮信號的隔離問題，例如高電壓、大電流的強信號與低電壓、小電流的弱信號應完全分開;模擬信號與數字信號分開;高頻信號與低頻信號分開等。非特殊元器件的布局應使總的連線盡可能短，關鍵信號線最短。結構相同的電路可采用對稱式設計以提高設計效率、減小出錯率，并節省調試時電路的辨識時間。布局應留有足夠的工藝邊，以免干涉PCB板的正常傳送。

（3）元器件的放置方向。在設計許可的條件下，同類元器件應按相同方向排列，相同封裝的元器件等距離放置，以便元件貼裝、焊接、測試和返修。

3.4 電路板布線

合理的布線可以有效減少外部環境對信號的干擾以及各種內部信號之間的相互干擾，提高設備運行的可靠性，同時也便于查找故障原因和維護工作，提高產品的可用性。布線常用的規則有：

（1）布線的位置。布線應盡量走在焊接面;模擬部分和數字部分的地和電源應分開布線;大電流、高電壓信號與小信號之間應注意隔離;盡量少用過孔、跳線;布線也應留有足夠的工藝邊。

（2）布線的寬度與長度。除地線外，在同一塊PCB板上導線的寬度應盡可能均勻一致，避免突然變粗或變細。電源線和地線的寬度要求可以根據1mm的線寬最大對應1A 的電流來計算，電源和地構成的環路應盡量小;由于：

b：線寬，d：厚度，l：長度，因此在可能的條件下電路的連線應盡量短，這樣有利于降低線路阻抗，也可減弱由于連線引起的各種干擾效應。

（3）布線的角度。布線時應避免銳角、直角，宜采用135°或圓角布線。

3.5 工藝文件處理

布線完成后，需要對個別元器件、布線和文字的位置和大小等進行調整完善，以便進行生產、調試和維修。然后進行覆銅，推薦采用接地覆銅方式。其次核對網絡是否與原理圖一致，最后還可使用軟件仿真功能對電路進行調試。

4.結論

總之，硬件電路設計過程中的每一個細節都可能成為導致設計成功與失敗的關鍵。作為電路設計的硬件工程師，必須努力積累經驗，不斷創新，才能設計出具有推動性的產品。

參考文獻

[1]朱銘鋯.DSP系統硬件設計（二）――DSP系統硬件原理圖、PCB設計和系統調試技巧[J].今日電子，2003（09）.

電源設計需求范文第2篇

【關鍵詞】高層建筑；供配電系統；電氣設計

高層建筑是我國建筑行業中的典型，也是城市建筑的發展趨勢，為了提升高層建筑的質量水平，需要嚴格控制供配電系統的電氣設計，規避供配電系統電氣設計中潛在的安全風險，保護供配電系統的電氣運行。高層建筑非常關注供配電系統的電氣設計，積極做好供配電系統的電氣設計工作，致力于完善高層建筑供配電系統的基礎。

一、高層建筑供配電系統電氣設計的要求

供配電系統電氣設計是高層建筑的核心，與高層建筑用電存在直接的關系。高層建筑與普通建筑不同，其在供配電系統運行中的壓力非常大，而且高層建筑的功能多、負載大，再加上現代高層建筑的多元化發展，促使供配電系統電氣設計面臨著嚴峻的挑戰，在高層建筑供配電系統電氣設計中提出幾點要求，用于規范電氣設計。

1、質量要求

高層建筑供配電系統電氣設計的質量要求，主要是管控各項設備的應用，尤其是供配電系統的線路，避免線路過長而出現線損，不利于供配電系統的節能降耗。高層建筑供配電系統電氣設計在質量要求的干預下，應該全面監督設備、裝置及材料的應用，審核物資的規格性能，防止出現質量問題。

2、安全可靠性要求

安全可靠性是電氣設計的根本要求，高層建筑供配電系統的運行壓力大，電力負荷同樣較大，增加了供配電系統的危險性，促使高層電氣供配電系統中潛在很大的安全隱患[1]。高層建筑內人員活動量大，必須在供配電電氣設計遵守安全可靠性的規定，才能提升供配電系統電氣設計的安全水平，排除不良的因素影響。

3、易操作要求

高層建筑供配電系統電氣設計越復雜，越不能保障安全、穩定。根據供配電系統電氣設計的方式，簡化設計操作，為后期供配電系統提供簡易的操作方式。如果供配電系統操作難度大，高層建筑出現電力事故時，就會影響到供配電系統的操作效率，進而影響到了故障維護的時間，引起較大的安全損失。

二、高層建筑供配電系統的電氣設計分析

高層建筑供配電系統的電氣設計，最主要的目的是實現科學的設計，滿足高層建筑供配電系統的要求。高層建筑施工中，應該深入分析供配電系統的運行狀態，采取合理的電氣設計方式，提高供配電系統電氣運行的安全水平。

1、電力負荷設計

電力負荷是高層建筑供配電系統電氣設計中的主要因素，高層建筑的樓層數越多，電力負荷的設計壓力越大，促使供配電系統面臨著嚴重的負荷損失，影響了供配電系統的安全性能[2]。電力負荷設計需要以高層建筑的實際情況為主，遵循設計規范中的要求，高層建筑供配電系統電氣設計中的電力負荷，可以分為三個等級，按照等級劃分電力負荷，再根據負荷等級安排電氣回路設計，在此基礎上完成設備的選擇，最主要的是控制電源及回路，促使其滿足電力負荷的設計需求，負荷高層建筑供配電系統的要求。例如：某高層建筑供配電系統電氣設計中，為了強調電氣設計的安全性，針對一級負荷采取獨立設計的方式，提供單獨的運行電源，緩解高層建筑在電力負荷中的壓力，實現持續性的供電，而且該建筑設計的是兩項獨立電源，用于預防供配電系統故障，提供應急供電的條件，針對二級負荷選用負荷分組的設計方式，提升供配電中斷再恢復的能力。

2、供電電壓設計

供電電壓設計的根本是電力負荷的運行方式，由于供電電壓決定了供配電系統電氣設計在高層建筑中的效益，所以必須嚴格按照電力負荷等因素的情況，設計供電電壓。首先在負荷容量較小的位置，利用雙路電源進行供電，達到高層建筑供電電壓的設計標準，即使在緊急情況下，電源也能提供標準的供電電壓；然后設計高壓電源，需使用獨立電源，可以選用10kv電源，直接接入控制開關；最后是低壓電源設計，應該設計發電機，供應高層建筑中的消防用電，保障低壓電壓供應的穩定性與可靠性。

3、高壓供配電系統設計

高層建筑供配電系統中的高壓設計，對技術、規范的要求比較高，綜合考慮高層建筑中高壓供配電的運行方式，設計安全的高壓供配電系統。例如：某民用高層建筑工程單位，提前分析高層建筑的性質，主要在面積、負荷等問題上進行研究，明確高層建筑高壓供配電系統的設計需求，以此為基礎規劃變壓器的數量及配置，在用電負荷相對比較集中的建筑區域，將變壓器設計到頂層為主，以免變壓器不能提供額定的高壓電荷[3]。一般情況下，高層建筑供配電系統電氣運行相對比較穩定，其在高壓供配電系統設計中引用雙電源，輔助高壓運行，降低高壓供配電系統的設計難度，體現高壓設計的規范性。

4、低壓供配電系統設計

低壓供配電系統關系到高層建筑的日常用電，合理分配供配電系統中的運行電源，以此來提升變壓器的運行，還能保障應急用電處理的可靠性。低壓供配電系統設計較為復雜，其在設計過程中既要考慮高層建筑電力負荷的影響，又要分析供配電故障與低壓設計的關系，確保低壓供配電系統在不同故障下均能維護供配電系統的安全性，在供配電系統電氣運行中實現高水平的監督管理[4]。因為高層建筑供配電系統電氣設計的綜合性強，其在運行中很容易受到外界因素的干擾而發生故障，所以在低壓供配電系統設計時，還要規劃應急電源，如：柴油發電機，最大范圍的保護高層建筑供配電系統的安全，即使高層建筑供配電系統出現故障，也能快速啟動應急電源，持續供應電能，某高層建筑低壓應急電源應用的案例中表明，應急電源可以在15s內恢復供配電，基本不會造成任何影響。

三、高層建筑供配電系統電氣設計的控制

高層建筑供配電系統電氣設計中的控制方法，促使供配電系統滿足高層建筑的需求。分析電氣設計的控制，如：（1）供配電需求控制，高層建筑對電力負荷的需求量大，如：照明需求、空調需求等，必須合理控制供配電的消耗，才能預防電力負荷中的損失，維護供配電系統的電氣性能，以免出現高效率的用電環節；（2）電氣消防控制，消防是供配電系統的重要部分，考慮工程高度、體量等因素，科學規劃消防用電，保護消防用電的安全；（3）電氣設計中的節能降耗控制，其為高層建筑供配電系統電氣設計中的首要原則，積極采取節能降耗控制，降低供配電系統的線路和負荷損失；（4）防震控制，此項控制可以排除地震對供配電系統的影響，加強供配電系統在高層建筑中的運行力度，達到安全抗震的防護要求，提高供配電系統電氣設計在高層建筑中的經濟效益，維護高層建筑供配電的安全性。

結束語：

高層建筑電氣設計關系到供配電系統的穩定性，有利于提升高層建筑的供配電水平，而且在電氣設計的干預下，高層建筑的供配電運行達到節能降耗的標準，符合現代建筑行業的根本要求，體現供配電系統電氣設計的優勢。高層建筑施工企業按照供配電系統電氣設計的要求，落實相關的電氣設計方法，同時利用設計控制的方法，優化供配電系統的電氣運行。

參考文獻：

[1] 饒基賢.高層建筑供配電系統的設計[J].科技資訊，2008，28：240.

[2] 張東方.高層建筑供配電系統的設計[J].科技致富向導，2012，15：248.

電源設計需求范文第3篇

電動汽車在低速行駛時，由于接近靜音，使一些聽力受損者、視力障礙者及老年人、兒童等特殊人群來說，難以意識到汽車的接近，可能導致交通事故的發生。美國、日本、歐洲和中國等國家都制定了相關標準和正在建立相應法律法規來保障行人安全，臨近車輛行人警示聲音系統（Approaching Vehicle Sound forPedestrians，簡稱VSP）在這種情況下應運而生，該系統在實際應用中對行人發出警示聲音信號，有效地保障了盲人、老人、兒童或相關人群的安全。本文介紹了一種基于STM8的臨近車輛行人警示聲音系統的設計實現方案。

系統結構組成及工作原理

臨近車輛行人警示聲音系統主要由控制器和喇叭組件兩部分構成，如圖l所示。

臨近車輛行人警示聲音系統讀取VCU發出的脈沖信號，通過計算占空比，判斷出車輛的前行、倒車和充電狀態，依據狀態，通過喇叭組件，發出相應的特定頻率的聲音。其中，前行狀態下，在低速0-30km/H范圍內，按5km一個區間進行細分，發出相應的頻率逐漸升高或降低的聲音。

臨近車輛行人警示聲音系統硬件設計

臨近車輛行人警示聲音系統硬件系統結構如圖2所示。

1 電源模塊

VSP系統供電為12V汽車電源，而汽車電磁環境比較惡劣，要保證系統的穩定工作，必須對進入系統的電源加以嚴格處理。在電源模塊中，以二極管實現防反接保護，通過浪涌保護、濾波處理，抑制脈沖干擾、濾除噪聲，最終由DC-DC處理完成實際所需類型的電源轉換。電源模塊設計如圖3所示。

2 控制器模塊

采用ST的單片機STM8S105C6T6，該單片機具有強大的控制功能：16MHz高級STM8內核，具有3級流水線的哈佛結構；多達2k字節的RAM；多達32k字節的Flash，lOk次擦寫后在55℃環境下數據可保存20年；多達IKB真正的數據EEPROM，可達30萬次擦寫；靈活的時鐘控制，有4個主時鐘源；電源管理支持低功耗模式（等待、活躍停機、停機），且外設的時鐘可單獨關閉；永遠打開的低功耗上電和掉電復位；32個中斷的嵌套中斷控制器，6個外部中斷向量，最多37個外部中斷；16位的通用定時器及高級控制定時器；UART、SPI、I2C等通信接口。如此強大的功能特點，使硬件電路開銷得以減少，產品開發周期得以縮短，從而降低系統開發成本，產品性能也更能滿足汽車電子產品的行業要求。

3 語音芯片

本設計中選用廣州九芯的NV080C語音芯片，其功能特點為：靈活的多種按鍵操作模式以及電平輸出方式供選擇（邊沿按鍵觸發、電平觸發、隨機按鍵播放、順序按鍵播放）；簡單方便的一線MCU串口控制方式，用戶主控MCU可控制任意段語音的觸發播放及停止；語音時長為20秒、40秒、80秒、180秒；內置一組PWM輸出器可直推0.5W喇叭，支持13b的DAC輸出，可外接模擬功放；靈活的放音操作，通過組合可節省語音空間，最多可播放220個語音組合；內置LVR自復位電路，保證芯片正常工作；DIP8，SOP8，以及COB三種封裝可供選擇，使用方便，應用靈活；支持和弦MIDI播放，音質優美；電路簡單，僅需一耦合電容；工作電壓范圍：2-5.5V；靜態電流小于2μA。總體而言，該款語音芯片具有成本低，性能穩定，音質高，控制方便，電路簡單等諸多顯著優點，滿足產品設計需求。

4 喇叭組件

喇叭按結構可分為內磁式喇叭和外磁式喇叭。內磁式，多采用雙磁體全對稱屏蔽磁路系統，即在揚聲器原來的磁鋼之上再加裝一塊磁體，其極性與主磁全的極性相反，但直徑和厚度往往比主磁體小，同時在揚聲器磁體周圍加一層防磁屏蔽鐵罩；外磁式，采用單塊磁體，沒有防磁屏蔽鐵罩，背后可以看到一圈黑色的磁鐵。內磁式，受外磁場干擾較小，磁路短，鐵磁材料少，重量輕，但難以形成很強的磁場，在可動線圈和游絲相同時，靈敏度較低；外磁式，鐵磁材料用的較多，較重，易受外磁場干擾（但可加屏蔽以消除干擾），靈敏度較高。根據系統實際的功能需求，選用慈溪鴻昌的S24-I型外磁喇叭組件，其具備以下性能指標：額定功率：≤8W；工作溫度范圍：-40℃～85℃；存儲溫度范圍：-40℃～95℃；相對濕度：30%-95%RH；聲強級：20dB- 80dB；防護等級：IP56。相對于外磁式，該款內磁式喇叭組件成本低，且在性能上很好的滿足了汽車級電子產品的裝車要求。

臨近車輛行人警示聲音系統軟件設計

本系統的軟件開發環境為FreescalcCodeWarrior Development Studiofor S12（X） V5.0，其版本控制工具為SVN，采用的軟件架構如圖4所示。

軟件架構為典型的前后臺式，采用模塊化設計，將系統功能劃分成多個子模塊并設置對應的狀態機。系統初始化完成后進入主循環，各狀態機依據自身位置次序獲得CPU時間循環運行。

軟件組成分Bootloader和主程序兩部分。其中Bootloader功能為：上電啟動，負責用戶配置交互、引導主程序；主程序功能為：由Bootloadei引導成功后啟動，實現系統功能。系統軟件流程如圖5所示。

電源設計需求范文第4篇

這些端口的輸出可以用作LED驅動器，并可提供閃爍和PWM亮度控制功能。該系列產品將18個擴展端口集成在4mm2的薄型QFN封裝內，而10端口擴展器則采用尺寸更小的3mm2薄型QFN封裝。由于蜂窩電話、PDA、膝上型電腦需要將監視和控制功能集中在一個很小的區域內，設計人員沒有足夠的空間從主ASIC引出一簇I／O口線，因而只有引出兩條線作為I2C總線，這就需要小尺寸、功耗極低的端口擴展芯片，而且要求這種芯片非常便宜，并具有極高的可靠性，同時還要易于使用。此外，還要占用極少的處理器資源。

1設計需求

Maxim的設計工程師經過潛心研究，開發出了一系列的模塊。由于每種器件都已針對具體的應用環境進行了優化，因此，這些器件在－40～＋125℃的汽車級溫度范圍內可保持在1．2μA（典型值）和3．6μA（最大值）以內的靜態電流。這些產品可工作在2V～＋3．6V電源電壓下，同時支持熱插拔。所有器件引腳（電源引腳除外）在關斷模式下保持高阻狀態，能夠承受至少6V的電壓，無論芯片是否加電，I／O端口和串口都可以處在帶電模式，因而非常適合熱插拔應用。

圖1

2PWM亮度控制

MAX6964－5、MAX7313－6系列產品包括LED亮度控制和閃爍控制，可驅動8至18個LED，芯片集成了240級脈寬調制（PWM）亮度控制電路，適用于RGBLED的驅動或白色LED的調光。每個端口都具有I／O能力，并具有可選的中斷輸出（INT），當檢測到有跳變發生時，器件會發出中斷信號。所有端口輸出都可以吸收50mA電流，足以驅動絕大多數LED。對于更大電流的LED（如用于相機閃光燈的白色LED），可以通過并聯端口驅動。任何端口均可設置為靜態邏輯電平（如邏輯輸出）或脈沖寬度調制（PWM）輸出，從而方便地調節LED負載的平均電流（亮度）。

內部32kHz振蕩器產生PWM時序，這樣，PWM亮度控制可以按照各輸出端口逐個使能，以提供任意組合的PWMLED驅動，而無故障邏輯輸出。當沒有I／O端口為LED提供PWM信號時，內部振蕩器將自動關閉，這樣可使工作電流降至最小。

PWM時序圖如圖1所示。PWM亮度控制采用4比特主控制位和4比特端口獨立控制位，主控制位可提供16級全局亮度控制，并可作用在所有PWM使能的輸出端口。主控制位通常將最大脈沖寬度設置為PWM周期的1／15至15／15，以限制所有PWM輸出對應的最大亮度。獨立設置位由每路輸出的另外4比特碼組成，調節范圍為主控窗口的1／16～15／16。如果應用時，各輸出端口需要相同的PWM設置，那么，可利用一個全局PWM來控制，這樣，只需對一個寄存器進行寫操作即可調節LED的亮度，調節級數為240，這樣，可簡化控制軟件的設計。

電源設計需求范文第5篇

關鍵詞:射頻技術 芯片功能 系統構成 功能實現

中圖分類號:TN91 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2011)09(a)-0013-01

1 射頻技術與應用芯片概述

通信技術的快速發展和普及,使數據傳輸問題成為了一個重要的基礎性課題。當今年有線傳輸為基礎的通信技術仍然是市場的主流,其在空間區域上布線的局限性成成為了限制其進一步拓展的客觀困難,而采用無線技術就可以在某種條件下克服此種局限。在實現無線通信的時候,成品的芯片作為通信核心,可以大幅度降低后期維護的難度。因此在無線通信的領域,采用成本射頻芯片作為通信系統的核心,就是為了解決此類問題。在同類型產品中,NRF24L01芯片的性價比較高,以其為核心配合簡單的電路就可以有效的提高無線通信的質量和效果。再加上單機片的配合,就可以完成特定范圍內的無線通信需求。

NRF24L01芯片是具有2.4GHz的內嵌有通信協議引擎功能的射頻收發芯片。通過SPI結對對內部的儲存器進程操作,可以在無線狀態下實現最大2Mb/s的數據傳輸。此芯片的主要特征是具有GFSK調制技術;126RF頻道可以滿足多點通信設計需求;大速率的無線數據傳輸可達1～2Mb/s;硬件可以完成CRC檢錯和對點通信地址的全面控制;工作中可以利用編程發送0dBm、-6dBm、-12dBm;利用軟件控制芯片的地址,確保通信的地址是雙方認可,保證安全;接收方采用通道過濾器實現增益功能;主機接口設計為4根SPI接口線路,極限傳輸速率為8Mb/s,具有32字節的TX和RX的FIFO寄存器3個,容抗輸入為5V。在此芯片條件下,硬件設計的時候應注意在SPI接口與單機片的P0引腳相連接需要10kΩ的電阻,其余接口則不用此設置。VCC引腳的電壓在1.9V～3.6V之間,超出這個范圍就會燒毀模塊,常用的電壓為3.3V。

2 射頻支持下無線通信系統設計

設計通信系統時,所以需要的目標就是在一個特定范圍內構建一個小型的無線網絡,并針對制定范圍,如:10m內,完成指定的數據傳輸功能。此時需要的硬件就設計到了射頻芯片NRF24L01和與之相配合的硬件。系統從硬件的角度看,包括了射頻裝置、單機片控制裝置、電源裝置等。

系統的射頻電路是有射頻芯片和輔助元件構成。其中NRF24l01芯片采用的電源采用的是標準的電路設計,C6、C7為耦合電容。天線部分改變了原有的參考設計,變鞭型為倒F型,這是因為鞭型天線占有的空間大,而目前無線通訊經常采用的是倒F型,節約了空間。同時此種天線的結構緊密、帶寬合理、壽命長,功率吸收更小。在匹配網絡中由L1,L2,L3L4,C8,C9,C18,C19,C21和C22構成。為了降低成本設計采用了Cc＝12pF,ESR

在處理芯片方面采用了射頻芯片相配合的51單機片。此種芯片的功耗較低,性能高,為8位CMOS單片機。內部包括了16KB Flash ROM,RAM字節1280,8位數據總線,I/O端串行端口為4個,I/O線32條,定時/計數器3個均為16位,中斷源9個。另外戲弄振蕩器和時鐘電路的工作頻率為40MHz,工作電壓在2.7V～5.5V之間,常用的供電電壓為5V。在設計中單機片的電源由特定的電源提供,如:MAX708,電源的作用是為單機片提供復位信號,減少微處理器系統中實現控制電壓和電池功能的元件數量。電源和獨立的ICs或者離散元件相比可以有效提供系統的可靠性和穩定性。如MAX708使用一個有效的電平來代替定時器。當供電電源低于設定標準時,就會產生一個脈沖信號,復位脈寬為200ms。此時發光二極管就進入工作狀態。利用二極管的數量和設置可以顯示不同的系統狀況方便調解。

整個系統的外部電源是由電源、穩壓器和控制元件組成。這個部分的設計主要是根據前面采用的芯片的型號來進行組合和設計。如采用LM1117為設計核心,就需要按照其要求對電源設計和配置。在設計輸出電壓為3.3V時,通常不需要對其進行外接電容設計,如果在設計中需要一定長度的連線則需要對設計進行修正,可以采用增加電容的方式來改變瞬間響應的效果,主要功能是儲存能量和濾波。

另外,在系統需要與計算機進行連接的時候,應當注意以下設計細節。在單片機通信電路與單片機通信電路完成通信的時候,則可以按照單純的硬件電路連接,不同的是在軟件設計的時候應當在不同的通信端口設計不同的通信地址,以此來識別每個不同的通信端口。如果單片機要與計算機向連接,或者與有COM端口的設備相連接則需要一個轉接的電路來完成。在設計的時候,主要是應當保證電平的匹配和編程的邏輯順序,這樣才能不會出現傳輸通信地址的錯誤,保證傳輸的準確完成。

3 基于射頻的無線通信系統功能實現

在實際工作中,利用NRF24l01完成收發信息的模式有兩種,一種為ShockBurst收發模式,一種為直接收發模式。在Shock Burst模式下,利用芯片內的先入先出的堆棧功能,數據低速通過為控制器,完成輸入,但是在發送端則完成的是高速發射,這樣就實現了節能。所以此種發射模式可以利用低速微控制器來獲得高速發射數據的頻率。與射頻協議相關聯的高速信號在處理芯片內進行處理。此種傳輸模式的有這樣幾個好處,節能效果較好;系統運行費用較低,采用低速處理器也可實現發射要求;數據在空間滯留的時間短,提高了抗干擾的能力。因此在實際的應用中可以采用ShockBurst技術,同時也可以減小整個系統在工作時的平均電流。在此種模式下,芯片自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數據的時候就將字頭和校驗碼移去。在發送數據的時候就自動添加,當發送完畢后,數據準備還引腳同時微處理器,發送的過程就此結束。

4 結語

利用射頻芯片的優勢可以完成在一定范圍內的數據采集和通信,尤其是在NRF24l01芯片度的支持下,組成的無線通信系統可以在ShockBurst模式的支持下,完成數據的傳輸,并通過系統的擴展實現更加復雜的功能。

參考文獻

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[2] 黃麗婷,施國坤.基于射頻芯片與單片機的無線通信系統的設計與實現[J].微處理機,2010(3).