2024年, 第45卷, 第4期　
刊出日期：2024-08-10

  

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研究
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  基于分时复用SAR ADC的Zoom ADC^*

  牛瑞玲, 杨吉城, 汪家奇, 李兆涵, 刘国文, 申人升

  微处理机. 2024, 45(4): 1-7. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.001

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  为了在增加有限硬件开销的基础上实现更高的信号噪声抑制比、提高面积利用效率,提出一种基于分时复用SAR ADC的动态zoom ADC。同时提出一种提取粗量化模拟残差并前馈的无源实现方案,不需要有源求和运放的设计,避免了普通无源求和信号的衰减,减小了粗量化部分量化噪声泄露引起的“毛刺”。整体电路分为粗量化和细量化两部分进行设计,粗量化由3位异步SAR ADC实现,细量化由二阶3位量化的sigma-delta调制器实现。基于0.18 μm CMOS工艺、3.3 V供电电压,在1 MHz采样频率下、1 kHz带宽内,消耗76 μA电流,得到信噪失真比和FOM的具体值,验证了设计的可行性。
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  基于数字PWM控制的Buck型DC/DC变换器设计

  任建, 韩智发, 辛晓宁

  微处理机. 2024, 45(4): 8-11. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.002

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  为解决集成电路生产成本随半导体制造工艺进步而升高的问题,尤其针对传统模拟架构DC/DC变换器中的电阻、电容、运算放大器等模块面积大、功耗高、稳定性差等问题,设计一款基于数字PWM调制buck型DC/DC变换器。设计基于CSMC 0.18 μm BCD工艺,使用Verilog硬件描述语言设计数字PID补偿器,在VCS+XA数模混合仿真环境下进行仿真验证。仿真结果表明在不同PVT条件以及不同负载下,输出纹波较低,输出电压稳定,实现了低成本、高鲁棒性的设计目标。
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  一种双控制模式的同步降压型DC/DC转换器

  李新, 佟宇航, 高从勇

  微处理机. 2024, 45(4): 12-16. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.003

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  为突破转换器在输出电容选型上的局限性,保证转换器快速的负载瞬态响应,基于自适应恒定导通时间控制的两种控制模式,提出一种可根据输出电容类型选择控制模式的同步降压型DC/DC转换器。在D-CAP模式下,支持具有适当等效串联电阻的电容等作为输出电容;在电流模式下,支持等效串联电阻较低的陶瓷电容作为输出电容。基于0.35 μm BCD工艺,使用Cadence软件对转换器进行瞬态仿真。结果表明,该设计在两种模式下都具有快速的瞬态响应。
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  CQFP器件引线成型方法及板级可靠性研究

  李雪冰, 江山, 刘卫丽

  微处理机. 2024, 45(4): 17-20. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.004

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  针对早期定型的CQFP器件在设计时并未考虑到板级安装可靠性,存在引线与瓷体共面度差异大、引线应力释放效果不明显等问题,以CQFP128器件为例,进行引线成型设计和板级可靠性验证的研究。研究对CQFP材料结构、出线方式及引线成型要求展开详细分析,并通过试验证明成型后的器件具备更好的焊接共面性;在经历整机振动试验后,通过X射线、扫描电镜等分析方法,表征出焊点具备良好的可靠性。本研究可为同类型器件引线成型和可靠性验证提供参考。
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  一种高精度低噪声低压差线性稳压器电路

  张荠, 王莉, 刘盛意, 张锡来, 卢展鹏, 陈丽媛

  微处理机. 2024, 45(4): 21-24. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.005

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  在现有产品基础上加以改进,设计一种高精度低噪声低压差线性稳压器电路。设计采用折叠式共源共栅结构放大器来降低噪声,提高增益;使用PMOS管代替过热保护电路中的电阻,降低功耗,同时采用栅极驱动结构以及电流控制方式实现开关管导通与关断。基于TSMC 0.35 μm B iCMOS工艺结合Cadence软件进行设计、版图绘制和前、后仿真,在后仿真中得出相关参数值。对各参数做出详细分析,并对不同频率下的电源电压抑制比进行了对比。实验结果表明本设计达到了高精度低功耗的设计目标。
应用
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  基于FPGA的工控总线综合监测系统^*

  王子君, 张贺, 陈秉军, 杨水华, 刘明鑫

  微处理机. 2024, 45(4): 25-29. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.006

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  针对工程监测对工控总线进行外出现场测试时存在的问题,为精简设备的携带量和提高监测对复杂应用场景的适应性,提出一种基于FPGA、通过PCIe连接上位机并支持IIC、SPI总线的数据综合监测系统。设计首先给出综合监测系统的整体设计,然后依据硬件可重构和软件现场定义原则对硬件及逻辑分别给出详细的设计方案。设计给出8路的IIC和SPI以适应工业监测设备过多的问题,减少硬件接口并增加软件协议选择。依据需求分析自顶向下设计模块并进行划分以完成代码设计。针对容错能力设计出监控及故障注入功能,进行板级调试,最终完成上位机测试。结果表明,所设计的通信板卡合格通过整体验证。
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  一种光机电一体化增量式光电编码器设计

  李鸿高, 高群, 任远杰, 尹化婷

  微处理机. 2024, 45(4): 30-33. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.007

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  为解决现有轴柄式控制增量编码器损耗高、寿命短、抗振动能力差、可靠性低等问题,介绍一种光机电一体化的增量式光电编码器设计方案,包括32内花瓣轴套和可伸缩滚珠定位、Z型遮光盘设计和红外光敏OC开路输出电路等创新设计。通过精密结构设计和材料选择,实现了高精度32档位电信号转换。采用三维建模和有限元分析进行了结构可靠性验证。通过与国外同类产品的技术指标对比,验证数据和所达到的环境适应能力。本研究在性能、结构和成本等方面皆有优势,应用前景广阔。
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  基于ARM处理器的细分步进电机驱动器设计

  吴全兴, 姚刚

  微处理机. 2024, 45(4): 34-38. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.008

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  基于ARM处理器MM32SPIN0280设计一款细分步进电机驱动器。主要特点包括外置MOS管驱动器、半桥驱动电路和电流采集电路,实现电流环控制电机。详细分析步进电机衰减模式、电流采样时刻和恒定力矩矢量控制方法。对自举电路和驱动电阻进行功能阐述和定量计算,为实际电路设计提供理论依据。针对软件讨论PWM输出和采样时刻设计,以及恒定力矩矢量控制的实现方法。通过实际电机线圈电流测量,展示了高细分驱动对恒定力矩和小电流波动的优势。通过对比16和2细分情况下的电流波形,证明高细分运行时电机扭矩更稳定,噪音更小。本设计为小型化、高性能步进电机驱动器的开发提供了有价值的参考。
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  基于灰度幅值直方图的视网膜出血点检测算法

  程雪琪, 苑玮琦

  微处理机. 2024, 45(4): 39-42. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.009

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  为减少图像亮暗不均、出血点间灰度差异大对视网膜出血点检测结果的影响,提出一种基于灰度幅值直方图零点阈值与区域特征分析的视网膜出血点检测算法。算法通过大尺度中值滤波器实现图像的阴影校正,结合凹凸线段对背景干扰点进行抑制,完成前期的预处理操作;由各行各列幅值直方图中第一个零点进行暗目标自动阈值分割,并基于幅值特征的区域生长改善血管连续性;根据血管与出血点间形状的不同去除血管,实现了出血点分割。在DIARETDB1公开图库中的测试结果验证了算法的有效性。
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  基于五次B样条的工业机器人轨迹优化

  宋辉, 李东辉

  微处理机. 2024, 45(4): 43-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.010

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  为提高工业机器人的工作效率,提出一种以时间最优为目标的轨迹优化方法,在5次B样条曲线轨迹规划原理的基础上,引入遗传算法对轨迹进行优化。针对工作时间建立适应度函数,并通过选择交叉概率和变异概率操作产生新的轨迹解,与未被淘汰的父代组成新的种群,经过迭代求得运行时间最优的期望解。利用MATLAB软件对这一方法进行仿真,结果表明,经分析遗传算法优化后,轨迹运行时间明显减少,且具有良好的轨迹效果。
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  基于MSP430单片机的弧光检测系统的设计

  崔浩斌, 张念, 彭锋

  微处理机. 2024, 45(4): 47-50. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.011

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  为降低电弧光对电气设备回路安全性的影响,从快速灭弧功能入手,基于单片机MSP430设计一套实用性较高的弧光检测系统。深入分析电弧光的产生过程及危险性,结合低功耗电路结构的设计要求,完成系统的软件及硬件设计,包括弧光检测电路、电源控制电路、I/V转换电路、键盘输入电路及相关软件算法的实现。经实验验证,本系统具有较高系统稳定性,适用于配网安全等场合,具有一定的工程应用价值。
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  自适应滤波器的FPGA硬件实现

  刘燕, 肖庆高, 张健, 徐文祥

  微处理机. 2024, 45(4): 51-54. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.012

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  采用LMS算法和FIR框架结构,对一种基于FPGA硬件的自适应滤波器系统的实现方法展开探讨。系统采用自顶向下的模块化方案设计16阶自适应滤波器。顶层文件包含两个接口、FIR滤波、误差计量和抽头系数共5个模块。系统参数前期均由MATLAB仿真验证选取最优值。硬件测试平台选用以ZYNQ-7000系列芯片为核心的开发板。加噪正弦波信号经系统滤波处理后通过示波器观测,显示去噪效果良好,且通过逻辑分析仪抓取的结果与MATLAB理论仿真结果符合度较好。系统可以封装成一个自适应反复调用的功放IP核,适用于音频、图像、视频等信号滤波处理领域,具有一定的工程应用价值。
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  基于STM32的智能家居控制系统设计

  郭书杰

  微处理机. 2024, 45(4): 55-59. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.013

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  在对现有产品的调研基础上,提出一套智能家居控制系统的设计方案。设计采用STM32作为主要节点,搭载Wi-Fi网络模块,实现主控器与Android应用程序之间的通信;借助MQTT协议进行数据传输和消息处理;通过安装在LCD串口触摸屏中的LVGL图形UI库,实现简洁的交互界面,使用户可以更加方便地控制家居设备;使用各种传感器技术实时采集室内环境数据,并进行处理分析。该设计可以针对不同时间段的应用场景设定不同的智能化控制策略,实现家居的自动控制,同时能通过使用数据加密和用户认证等措施确保用户的数据和隐私安全。该系统充分发挥了模块化设计优势,具有很高的性价比。
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  用户需求驱动的工业软件界面设计方法与实践

  石碧波

  微处理机. 2024, 45(4): 60-64. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-2279.2024.04.014

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  针对工业软件界面用户使用后满意度低、反弹率高的问题,对用户需求驱动下的工业软件界面设计展开研究。从工业软件界面设计原理和原则出发,通过增加惩罚系数优化采集方法,收集用户需求;着重探讨图形要素设计、界面信息布局设计和界面颜色设计三方面设计考量。为准确确定界面图形要素,引入特征相似性,将其作为判定界面图形要素的条件,进一步提高界面图形要素的明确性。以2569人参与设计的工业软件界面为实例,对实践结果中用户满意度和人数进行分析。从取得较好的评价、反弹率最低的设计中提取经验和方法,用于进一步提高设计界面对用户的吸引力。