图像处理芯片（共10篇）
图像处理芯片 篇1
1 引言
基因芯片技术是20世纪90年代中期以来影响最深远的重大科学技术之一,是融微电子学、生物学、物理学、化学、计算机科学为一体的高度交叉的新技术,具有重大的基础研究价值和明显的产业化前景。基因芯片技术包括:基因芯片设计,基因芯片制备,靶基因的制备、杂交和检测,检测结果分析等。而基因芯片的检测与分析是基因芯片技术研究中的重要组成部分,芯片检测和分析的可靠性与准确性直接影响芯片的推广应用。一个完整的芯片检测处理系统包括芯片的图像处理及检测的信息学方法分析,其中芯片的图像处理是芯片信息化检测的基础环节[1]。目前,芯片的检测和图像处理是国内外研究的热点,通用的方法和软件比较复杂且缺乏针对性,因此,针对低密度基因芯片杂交反应得到的荧光图像,设计简单和针对性强的图像预处理系统,完成图像的数字化及预处理,对进一步用图像的数字化特征信息进行芯片的检测分析具有重要的作用。
扫描系统获得的荧光图像虽然已经是数字图像,但还没有得到各样点的信号值,必须通过图像处理,提取得到各样点的特征信息。图像处理的步骤包括:图像预处理、网格定位、背景滤除、荧光信号提取及数据的归一化处理。其中,图像预处理的好坏直接影响下一步的网格定位,进而影响样点信号的确定。本课题主要针对低密度基因芯片图像的预处理进行研究,基于MATLAB 6.5软件设计一个基因芯片图像的预处理系统。
2 图像预处理系统
系统可以对经过Scan Array扫描系统获得的用cy3或cy5染色的低密度芯片的荧光图像进行平滑去噪、增强、分割、边缘检测等处理。
2.1 图像去噪
通常扫描得到的荧光图像会存在某些缺陷,如在基因芯片的制作、杂交、清洗和测定过程中,难免受到灰尘的污染和样品中核酸、蛋白质、细胞、组织碎片的污染;此外,芯片本身的不均匀性及扫描设备本身的系统噪声,使扫描得到的图像会存在较大的杂质亮点,或部分区域受到污染。为有效地排除噪声的干扰,需要对图像进行平滑处理,减少噪声,提高图像的质量,否则,会影响最终的数据分析及实验结果的准确性。平滑滤波可以滤除荧光图像中的噪声,消除背景的不均匀性造成的影响。
图像噪声按其性质可分为高斯噪声(白噪声)和脉冲噪声等2类[2]。中值滤波是一种非线性滤波方法,可以较好地滤除脉冲噪声,但对滤除高斯噪声效果不理想。小波方法可以较好地滤除高斯噪声,但对非高斯噪声去噪效果不理想[3]。若将小波与中值滤波相结合进行图像的平滑滤波,就可以滤除图像中的混合噪声[4]。
小波方法是先对含噪图像进行二维小波变换,得到图像的低频分量和高频分量,根据小波系数在各尺度之间的联系可以对图像和噪声对应的小波系数加以区别,滤掉噪声对应的小波系数,然后进行小波逆变换,得到去噪之后的图像[5,6]。
首先,调用小波分解函数wavedec2()进行3层分解小波信号,由函数appcoef 2()提取第3层低频系数,再调用函数detcoef 2()提取各层在水平、垂直、对角线方向的高频系数,调用函数wthresh()对各高频系数进行软阈值(将小于某一阈值的小波系数以0代替,将大于阈值的值减去阈值作为新的小波系数值)量化重构(图像噪声通常包含在高频中);然后,在频域里增强图像,根据小波分解的第3层低频系数和经过量化后的1~3层高频系数,再利用小波函数waverec2()进行图像的重构,最后,利用中值滤波方法对图像进行滤波去噪[7,8,9]。
2.2 小波边缘检测
图像边缘检测一般是通过各种边缘检测算子完成,通过检测图像灰度的变化来提取边缘信息,但其抗噪性能较差,对噪声的响应往往大于对图像边缘的响应,造成检测出的边缘模糊。小波方法可对图像进行多尺度分析,如小波函数尺度较大,抑制噪声能力增强,提取边缘细节的能力变差;小波函数尺度较小,抑制噪声能力变弱,提取边缘细节的能力增强。这样就解决了噪声抑制和图像边缘细节提取之间的矛盾。因此,采用基于小波变换的边缘检测算法。
首先,调用小波函数wavedec2()进行图像的分解,分解后的图像由近似部分和细节部分组成。其中,近似部分是原图像对高频部分进行滤波得到的近似表示;然后,调用函数wrcoef 2()重构图像的近似部分,再通过调用边缘检测函数edge(),利用边缘检测算子对图像进行边缘检测[8]。
2.3 图像分割
图像分割是把图像分割成若干个特定的、具有独特性质的区域并提取出感兴趣目标的过程。图像分割是图像分析的关键,是图像表达的基础。
2.3.1 阈值分割
基因芯片图像分为目标和背景两部分,图像阈值分割利用目标与背景的灰度变化进行分割,首先确定一个处于图像灰度取值范围内的灰度阈值,然后将图像中各个像素的灰度值与这个阈值比较,并根据比较结果将对应的像素分割为2类,像素灰度值大于阈值的为背景图像,像素灰度值小于阈值的为目标图像,灰度值等于阈值的像素可归入这2类中的任一类。
阈值分割的关键是确定阈值,本研究采用遗传算法确定分割阈值。
2.3.2 遗传算法[9]
遗传算法(Genetic Algorithm,GA)是以自然选择和遗传理论为基础,将生物进化过程中适者生存规则与群体内部染色体的随机信息交换机制相结合的高效全局寻优搜索算法。
基本的遗传算法可表示为:
式中,C为染色体个体的编码方法;E为适应度函数;P0为初始种群;M为种群大小;Φ为选择算子;Γ为交叉算子;Ψ为变异算子;T为终止条件。
遗传算法基本流程如图1所示。
2.3.3 适应度函数
遗传算法在进化搜索的过程中以适应度函数为依据。适应度函数的选择至关重要,直接影响算法的收敛速度及能否找到最优解。适应度函数反映个体对环境适应能力的强弱,体现适者生存的自然法则[9]。
根据灰度图像分割的特点,将最大类间方差函数定义为适应度函数:
式中,t为阈值;W1(t)为目标图像C1中灰度值小于阈值t的像素的个数;W2(t)为背景图像C2中灰度值大于阈值t的像素的个数;U1(t)为C1中灰度值小于阈值t的像素的平均灰度值;U2(t)为C2中灰度值大于阈值t的像素的平均灰度值。
2.3.4 遗传控制参数的确定
该算法中选择函数选用select(),交叉函数选用recombin(),变异函数选用mut(),重组函数选用reins()。
在遗传算法中,参数的选择对求解结果和求解效率都有一定的影响,但目前尚无合理选择它们的理论依据。对于具体问题,要依据多次运行的收敛情况和解的质量来衡量参数设置恰当与否,确定出参数合理的取值大小或取值范围。
本研究根据多次选择对比分析后,选择的参数为:个体的数目设为10;染色体的长度为8(对于灰度图像,由于灰度值在0~255,可以将各个染色体编码为8位二进制码,代表某个分割阈值);最大遗传代数为20;代沟为0.9(新旧种群之间的差异);交叉重组的概率为0.7;变异的概率为7/80(交叉重组的概率与染色体长度之比)。
应该注意到图像分割不宜使用整体阈值,为了适应图像局部的变化,应采用自适应性的阈值,在不同的区域,使用不同的阈值[10]。
3 结果
经Scan Array扫描系统获得的低密度基因芯片的荧光图像见图2所示。
3.1 图像平滑去噪
对图2采用中值滤波的方法进行平滑去噪后的图像见图3所示;对图2采用小波方法去噪后得到的图像如图4所示。
结果显示,去噪后的图像没有原图像清晰,但边缘轮廓过渡更自然,消除噪声的效果还是比较明显的。结果表明,小波去噪因其在不同的尺度水平上采用不同的阈值进行降噪处理,因此效果更好,图像更清晰。小波去噪的关键是选择合适的小波及尺度水平。
3.2 边缘检测
如图5、图6所示,对图像进行边缘检测的结果表明,对近似图像进行边缘检测比直接对图像进行边缘检测的效果要好,可以检测到原图像中检测不到的边缘。
3.3 图像分割
如图7所示,用遗传算法对经过小波去噪之后的图像进行图像分割的效果比直接对原图像进行分割的效果要明显,绝大部分样点信号可以被分割出来,可以为以后的生物学分析提供较为准确的数据信息;没有被分割出来的信号可以认为是荧光强度较弱的样点没有产生杂交反应,本身的生物学意义不大,可以忽略不记。
结果表明,遗传算法在经过几次迭代之后,解的变化趋于稳定,我们可以认为已经找到阈值分割的最优解。为了保证在给定的迭代次数内,遗传算法能在相对较短的时间内搜索到适应度尽可能大的个体,遗传代数可先设置大一点,然后通过对进化曲线的观察再做适当调整,如图8所示。
4 结论
该研究针对低密度基因芯片设计建立的图像预处理系统,在MATLAB语言开发平台上,采用的图像处理方法可行,实现了基因芯片图像预处理的基本功能,为下一步的网格定位和样点信号的识别打下了坚实的基础。
摘要：目的:基于MATLAB设计低密度基因芯片图像预处理系统,对经过ScanArray扫描系统获得的用cy3和cy5染色的低密度芯片的荧光图像进行处理,以滤除噪声,增强图像的对比度,提高图像的质量,实现图像的边缘检测与分割,进行区域的识别。方法:采用小波中值滤波方法,滤除噪声,提高图像的质量;基于小波方法,结合边缘算子进行图像边缘检测;使用遗传算法实现图像的分割。结果:该系统对基因芯片图像进行处理,减少了污点、噪声及其他各种因素的影响,提高了图像的质量,可以更好地检测出图像的边缘,比较准确地分割出样点区域,能有效地分离有价值的弱信号点和背景点或者噪声。结论:该系统可以基本实现低密度基因芯片图像预处理功能,采用的图像处理方法是可行的,能为以后的分析提供较为准确的数据信息。
关键词：基因芯片,MATLAB,平滑去噪,小波分析,边缘检测,图像分割,遗传算法
参考文献
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[4]王建中,张晖,吴斌,等.基于Daubechies小波和中值滤波的图像去噪法[J].武汉理工大学学报,2001,23(3):19-25.
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[10]金聪,彭嘉雄.基于遗传策略的图像灰度多阈值选择方法[J].计算机工程与应用,2003,39(8):23-25.
图像处理芯片 篇2
2010-11-27 14:46
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TDA1521/TDA1514A
TDA1521/TDA1514A是荷兰飞利浦公司专门为数字音响在播放时的低掉真度及高稳度而设计推出的两款芯片。所以用来接驳CD机直接输出的音质出格好。此中的参数为：TDA1521在电压为±16V、阻抗为8Ω时，输出功率为2×15W，此时的掉真仅为0.5％。TDA1514A的工作电压为±9V~±30V,在电压为±25V、RL=8Ω时，输出功率达到50 W，总谐波掉真为0.08％。输入阻抗20KΩ, 输入灵敏度600mV,信嘈比达到85dB。其电路设有等待、静嘈状态，具有过热庇护，低掉调电压高纹波按捺，而且热阻极低，具有极佳的高频解析力和低频力度。其音色通透纯正，低音力度丰满厚实，高音清亮明快，很有电子管的韵味。以上两款功放的外围零件都比力少，是“傻瓜”型的功放芯片，非常适合初级发烧友组装，只要按照电路图，不需调试就可获得很好的效果。由于该芯片的输入电平比力低，我们在制作是不需前置放大器，只要直接接到我们的电脑声卡、光驱、随身听上即可。著名的电脑多媒体音箱安步者也是采用这两种芯片。
LM3886
LM38863TF是美国NS公司（美国国家半导体公司）于90年代初推出的一款大功率音频功放芯片。该芯片的主要参数：工作电压为±9V~±40V(保举±25V~±35V)RL=8Ω时的持续输出功率达到68W（峰值135 W）。如果接成BLT时的输出功率可以达到100W，而它的掉真小于0.03％，其内部设计有非常完善的过耗庇护电路。本人也在使用使芯片，它的音色非常甜美，音质醇厚，颇有电子管的韵味，适合播放比力柔和的音乐。NS公司还有LM1875、LM1876、LM4766等大师都熟悉的芯片，此中LM4766是最新的，为双声道设计，内含过压、欠压、过载、超温等庇护电路。其输出功率不小于2×40W.低音深沉而有弹性，颇具胆机的风格。
TDA7294
TDA7294是欧洲著名的SGS-THOMSON意法微电子公司于90年代向中国大陆摧出的一款颇有新意的DMOS大功率的集成功放电路。它一扫以往线性集成功放和厚膜集成的生、冷、硬的音色，广泛应用于HI-FI规模：如家庭影院、有源音箱等。该芯片的设计以音色为重点，兼有双极信号措置电路和功率MOS的长处。具有耐高压、低噪音、低掉真度、重放音色极具亲和力等特色；短路电流及过热庇护功能使其性能更完善。TDA7294的主要参数：Vs(电源电压)=±10~±40V;Io(输出电流峰值)为10安培；Po（RMS持续输出功率）在Vs=±35V、8Ω时为70W，Vs=±27V、4Ω时为70W；音乐功率（有效值）Vs=±38V、8Ω时为100W,Vs=±29V、4Ω时为100W。总谐波掉真极低，仅为0.005％。此外，SGS-THOMSON意法微电子公司还有几种代表作的功放芯片，如：TDA7295 TDA7296 TDA7264、TDA2030A(我们常用的麦蓝低音炮就是采用此芯片)等。
LM4610N
LM4610是美国国家半导体公司的高品质直流控制音响电路。它是一块操纵直流电压控制调子、音量和声道平衡的立体声集成电路，而且具有3D音场措置、等响度抵偿功能。该电路控制光滑流畅，音质自然流畅，高频清晰、解析力佳，其发生的3D环绕声场具有很强的三维空间感和包抄感，主不雅观感受与SRS的效果类似。LM4610N的主要电气参数如下：具有3 D声场措置功能和响度抵偿功能。响度抵偿是针对人耳在音量较小时对凹
凸频信号的灵敏度下降，因而在分歧音量时对高、低频端作适度的提升抵偿，使人耳在任何响度下始终听到平坦、均衡的响应。它的电压规模是：9V~16V(典型为12伏，电流为35毫安)；掉真度仅0.03％；信嘈比高达80dB；频宽达250 kHz,音量调节为75dB;平衡调节为1~20dB；调子调节规模为±15dB；最大增益2dB；LM4610N具有输入阻抗高（30Ω），输出电阻低（２０Ω）的长处。用LM6410N调子控制电路对提高音质和加强低频力度及三维空间感感化突出。可以说LM4610N是组装功放系统或替换调音部门的精品。
BBE技术
BBE是一种声音增强和改善的专利技术。它的全称是Barcus-BerryElectronice,是美国BBE.sound公司于1985年开始就推出市场的新技术。一呈现就得到广泛的应用，好比国外的松下、索尼，国内的TCL、创维、乐华等新一代彩电。在灌音和唱片上也纷纷操纵BBE技术，而一些广播电台如加拿大的广播公司、瑞士国际广播、韩国广播及日本的NHK当局开通的广播电视系统，都应用了这种技术。高解析力BBE电路XR1075 XR1075是美国XEAR公司最新推出的高解析力 BBE芯片。是在XR1071的根本上，采用新的双极性技术，使其芯片的噪声系数更低、总谐波掉真更小，而芯片的体积更小，外围元件进一步简化，凹凸频延伸、高频解析力增强调节规模和低频抵偿规模均比XR1071更宽。高频调节规模-0.5~+13 db,低频抵偿调节规模-0.5~+13db.数码超重低音措置器M51134P M51134P
是日本三菱公司专门为AV影音系统开发的专用超低音检测加强电路。其内部包罗：频率检测、调整器、电平检测、低通滤波VCA压控放大等。道理是采用数码滤波方式检测输入信号中的低频成分的电平的凹凸，加强相应低频成分并进行低频动态扩展（又压控放大器完成），其道理与一般的低通滤波器形式的重低音加强电路分歧。M51134P供给的重低音效果有强烈的震撼感，出格是雷声、炮声、爆炸声等尤为突出。M51134P只是检测低于120Hz的信号，如果输入信号中没有低于120Hz的成分，则没有输出。
最新尺度虚拟杜比环绕声芯片QS7779/QS7785
QS7779/QS7785是加拿大Qsound音频尝试室推出的单片虚拟化环绕音效措置电路，是目前业界公认的措置效果最接近自然原声的虚拟杜比环绕芯片！QS7779为2入2出方式，QS7785为2入5出，两者内部都包罗了杜比定向逻辑和DVD(AC-3)混合信号解码器，使用Qsound尝试室的专利Qsurround虚拟环绕技术，并由Qsound尝试室授权使用，该芯片的主要功能是：（1）如果输入的是普通的立体声信号，则进行立体声效果增强：（2）如果输入的是2声道的矩阵编码信号（杜比定向逻辑或混合AC-3信号）则先将其解码，再虚拟化合成2声道或5声道输出。QS7779主要特点： 1.内带杜比定向逻辑和 DVD(AC-3)混合信号解码输器，使用2只扬声器实现虚拟化环绕声。2.信噪比11db, 动态规模
110db.QS7785主要特点： 1.内带杜比定向逻辑和 DVD(AC-3)混合信号解码输器，解出的环绕信号为2声道全频带，和AC-3环绕声不异，优于杜比定向逻辑系统。2.前方采用3 D立体声增强技术，后方采用3D合成虚拟环绕技术，分两种增强方式（低增强和高增强），具有中置输出及低音增强功能。3.使用5声道实现环绕声，也可用2声道输出方式。4..信噪比11db, 动态规模110db
运放(运算放大器)我们常见或常用到有:4558(比力便宜一般用于一些随身听)。
NE5532曾经被誉为运算放大器之皇。AD712K.AD827(非常不错的运放在市面上很难买到正货,传闻定货也要等三个月。市面价大约100元每块).以上的都是双运放,还有四运放如:TL084.LT058 等等.TDA1521/TDA1514A是荷兰飞利浦公司专门为数字音响在播放时的低掉真度及高稳度而设计推出的两款芯片。所以用来接驳CD机直接输出的音质出格好。此中的参数为：
TDA1521在电压为±16V、阻抗为8Ω时，输出功率为2×15W，此时的掉真仅为0.5％。TDA1514A的工作电压为±9V~±30V,在电压为±25V、RL=8Ω时，输出功率达到50 W，总谐波掉真为0.08％。输入阻抗20KΩ, 输入灵敏度600mV,信嘈比达到85dB。其电路设有等待、静嘈状态，具有过热庇护，低掉调电压高纹波按捺，而且热阻极低，具有极佳的高频解析力和低频力度。其音色通透纯正，低音力度丰满厚实，高音清亮明快，很有电子管的韵味。以上两款功放的外围零件都比力少，是“傻瓜”型的功放芯片，非常适合初级发烧友组装，只要按照电路图，不需调试就可获得很好的效果。由于该芯片的输入电平比力低，我们在制作是不需前置放大器，只要直接接到我们的电脑声卡、光驱、随身听上即可。著名的电脑多媒体音箱安步者也是采用这两种芯片。
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LM38863TF是美国NS公司（美国国家半导体公司）于90年代初推出的一款大功率音频功放芯片。该芯片的主要参数：工作电压为±9V~±40V(保举±25V~±35V)RL=8Ω时的持续输出功率达到68W（峰值135 W）。如果接成BLT时的输出功率可以达到100W，而它的掉真小于0.03％，其内部设计有非常完善的过耗庇护电路。本人也在使用使芯片，它的音色非常甜美，音质醇厚，颇有电子管的韵味，适合播放比力柔和的音乐。NS公司还有LM1875、LM1876、LM4766等大师都熟悉的芯片，此中LM4766是最新的，为双声道设计，内含过压、欠压、过载、超温等庇护电路。其输出功率不小于2×40W.低音深沉而有弹性，颇具胆机的风格。
TDA729
4TDA7294是欧洲著名的SGS-THOMSON意法微电子公司于90年代向中国大陆摧出的一款颇有新意的DMOS大功率的集成功放电路。它一扫以往线性集成功放和厚膜集成的生、冷、硬的音色，广泛应用于HI-FI规模：如家庭影院、有源音箱等。该芯片的设计以音色为重点，兼有双极信号措置电路和功率MOS的长处。具有耐高压、低噪音、低掉真度、重放音色极具亲和力等特色；短路电流及过热庇护功能使其性能更完善。TDA7294的主要参数：Vs(电源电压)=±10~±40V;Io(输出电流峰值)为10安培；Po（RMS持续输出功率）在Vs=±35V、8Ω时为70W，Vs=±27V、4Ω时为70W；音乐功率（有效值）Vs=±38V、8Ω时为100W,Vs=±29V、4Ω时为100W。总谐波掉真极低，仅为0.005％。此外，SGS-THOMSON意法微电子公司还有几种代表作的功放芯片，如：TDA7295 TDA7296 TDA7264、TDA2030A(我们常用的麦蓝低音炮就是采用此芯片)等。
LM4610NLM4610是美国国家半导体公司的高品质直流控制音响电路。它是一块操纵直流电压控制调子、音量和声道平衡的立体声集成电路，而且具有3D音场措置、等响度抵偿功能。该电路控制光滑流畅，音质自然流畅，高频清晰、解析力佳，其发生的3D环绕声场具有很强的三维空间感和包抄感，主不雅观感受与SRS的效果类似。LM4610N的主要电气参数如下：具有3 D声场措置功能和响度抵偿功能。响度抵偿是针对人耳在音量
较小时对凹凸频信号的灵敏度下降，因而在分歧音量时对高、低频端作适度的提升抵偿，使人耳在任何响度下始终听到平坦、均衡的响应。它的电压规模是：9V~16V(典型为12伏，电流为35毫安)；掉真度仅0.03％；信嘈比高达80dB；频宽达250 kHz,音量调节为75dB;平衡调节为1~20dB；调子调节规模为±15dB；最大增益2dB；LM4610N具有输入阻抗高（30Ω），输出电阻低（２０Ω）的长处。用LM6410N调子控制电路对提高音质和加强低频力度及三维空间感感化突出。可以说LM4610N是组装功放系统或替换调音部门的精品。
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5QS7779/QS7785是加拿大Qsound音频尝试室推出的单片虚拟化环绕音效措置电路，是目前业界公认的措置效果最接近自然原声的虚拟杜比环绕芯片！QS7779为2入2出方式，QS7785为2入5出，两者内部都包罗了杜比定向逻辑和DVD(AC-3)混合信号解码器，使用Qsound尝试室的专利Qsurround虚拟环绕技术，并由Qsound尝试室授权使用，该芯片的主要功能是：（1）如果输入的是普通的立体声信号，则进行立体声效果增强：（2）如果输入的是2声道的矩阵编码信号（杜比定向逻辑或混合AC-3信号）则先将其解码，再虚拟化合成2声道或5声道输出。QS7779主要特点： 1.内带杜比定向逻辑和 DVD(AC-3)混合信号解码输器，使用2只扬声器实现虚拟化环绕声。2.信噪比11db, 动态规模
110db.QS7785主要特点： 1.内带杜比定向逻辑和 DVD(AC-3)混合信号解码输器，解出的环绕信号为2声道全频带，和AC-3环绕声不异，优于杜比定向逻辑系统。2.前方采用3 D立体声增强技术，后方采用3D合成虚拟环绕技术，分两种增强方式（低增强和高增
强），具有中置输出及低音增强功能。3.使用5声道实现环绕声，也可用2声道输出方式。4..信噪比11db, 动态规模110db
运放(运算放大器)我们常见或常用到有:4558(比力便宜一般用于一些随身听)。
NE5532曾经被誉为运算放大器之皇。AD712K.AD827(非常不错的运放在市面上很难买到正货,传闻定货也要等三个月。市面价大约100元每块).以上的都是双运放,还有四运放如:TL084.LT058 等等.在音响中，功放是担任『讯号放大』的功能，由于他不做换能工作，因此就电器设计理论而言，功放不需要高深的技术，而且他的制造出产设备可以最简单，测试调校仪器的需求也是最普通。当然，设计是一回事，制造又是一回事，音色的好坏又是一回事。有些厂商把机器制做的很复杂，代价卖的很贵,音色自然也不错;而有些厂商把机器做的非常小,内部也很单,代价卖的很公共化，音色也不差。在这种情况下，身为消费者要如何来选购功放？可以有以下的建议：一个是驱动能力(即功率多少)，另一个是主动原件(便是胆机还是晶体管机)。功放可大致区分为几大派系,首先我们先来讲讲英国派:这个地域，由于国情保守，所以所设计的功放输出功率都不高，出格是归并功放(integrate damplifier)这是英国厂家最拿手的杰作，其输出功率一般都不会超过70W X 2以上。而美国功放则完全是「地大物博」的表示，200W X 2仅是尺度数值.这种分袂相当显然，相信您到音响店看一看就可以很快发现这样的情况。而输出功率和驱动能力之间则是十分微妙的.讲到「输出功率」的凹凸与「驱动能力」的强弱，两者固然没有绝对的关系，但却有相对的联系。输出功率很容易从数字显示，50W，100W，200W甚至更多，但是驱动能力的辨识就得依靠慧眼，甚至得真正试过才知道了。后级「功率」功放的驱动对象是喇叭，驱动能力越强，也就暗示越能压得住喇叭。当然您会问，什么样的喇叭很难推？我的观点是:低效率的(86db以下的),低阻抗的(4欧或以下的),静电式和铝带式等等，都是很考你所选择的功放的。而功放的驱动能力则完全表此刻电流的供给上，电压X电流，就是真正的「功率」.如果有一部功放，其功率标称是100W X 2（8Ω），200W X 2（4Ω），400W X 2（2Ω），我们凡是称他是「大电流」设计，这种功放的驱动能力就会比力强，但是环顾您四周的使用者，能达到「功率倍增」的功放，往往都是MADE IN U.S.A.；而英国或是日本的产物，在这一方面就显的比力弱一些。因为大电流功放设计并不容易，输出级，电源供应部，都要非常讲究，故大电流功放在机体上都不容易迷你小巧，英国归并功放在功率,体型上固然比不上美国产物，但是因为走的路线分歧，当在斗室间驱动喇叭时,他们的表示，也有令人称道之处。而日产功放虽在Hi-end市场上一直无法安身。初入门者却往往会考虑采办日产功放。这是因为日本厂商也有它的绝活，出格是带DOLBY PROLOGIC, AC-3, THX,DTS的AV环绕功放，在AV的规模,百分之九十以上都是MADE IN JAPAN。所以各国各派都是各走各的LM1875最常用的功放芯片之一，为单声道设计，不仅具有音质醇厚功率大的长处，还具
有完整的庇护电路，在同类型芯片中属于高档型号...功放芯片就好象是多媒体音箱的“心脏”，是为音箱供给动力的部件，也是关系到音质的重要环节之一，所以很多伴侣都想一探究竟，以下为小编搜集来的常见多媒体音箱功放芯片资料（国半篇），但愿能给大师一点参考价值。
1，LM1875
LM1875最常用的功放芯片之一，为单声道设计，不仅具有音质醇厚功率大的长处，还具有完整的庇护电路，在同类型芯片中属于高档型号，好比说老版的惠威D1080就使用了这个芯片。可惜的是这款芯片已经公布颁发停产（传说风闻），众多使用LM1875的音箱型号也纷纷升级，使用了代换芯片。
此外DIY的伴侣，采办零件时要注意，由于LM1875单价较高，所以仿冒者很多，分袂起来也比力困难，这方面常识以后将单独撰文说明。
2，LM3886
LM3886同样是单声道设计，共有11个引脚，相对LM1875来说，LM3886具有更大的功率，更宽的动态，在其它参数上也有优势，所以只有最高端多媒体音箱才会采用LM3886做为功放芯片，此外甚至在HI-FI功放里面也经常见到它的身影，可见LM3886本质的优秀。
3，LM1876
LM1876在多媒体音箱中使用并不多，但也是国半的经典功放芯片之一，它的音色表示和LM1875如出一辙，但是为双声道设计，同时功率也要大一点，很适合DIY。4，LM4766
网上凡是的说法是，LM4766等于将两个LM3886封装在一起，这样说是比力形象的，从性能参数来看，LM4766刚好和LM3886相当，甚至音色表示也如出一辙。不外DIY的伴侣要注意了，LM4766引脚较多，具有“蜈蚣芯片”的“美称”，在业余情况的焊接下，具有必然的难度。
好了，常见多媒体音箱功放芯片资料（国半篇）就介绍到这里，请关注我们近期的：常见多媒体音箱功放芯片资料（意法[ST]篇）。
尝试10.TDA7294 发烧级功放制作
TDA7294是欧洲著名的SGS-THOMSON意法微电子公司于90年代向中国大陆推出的一款颇有新意的场效应大功率的集成功放电路。它一扫以往线性集成功放和厚膜集成的生、冷、硬的音色，颇具电子管功放韵味，并广泛应用于HI-FI规模：如家庭影院、有源音箱等。迄今为止，可以说它是目前世界上为数不多的最好的功放集成电路之一。
该芯片的设计以音色为重点，兼有双极信号措置电路和功率MOS的长处。具有耐高压、低噪音、低掉真度、重放音色极具亲和力等特色；而且具有静音待机功能，短路电流及过热庇护功能使其性能更完善，有关电器参数如下。
工作电压规模：（VCC+VEE）=80V
输出功率：高达100W
图像处理芯片 篇3
当前，互联设备数量的迅猛增长正在推动数据流量的指数级增长，这提升了云服务提供商和电信服务提供商对数据中心及网络基础架构的需求。由于这些客户希望更为高效地扩展其网络基础设施，同时寻求快速交付创新且能创收的服务，因此他们正在迁移至标准的英特尔架构，以求为业务提供其所需的，横跨数据中心和网络的技术方案及一致性。
英特尔至强处理器D产品家族为客户提供了更多新选择，以满足他们对低功耗、高密度基础设施类解决方案日益增长的需求，并进一步将英特尔技术从数据中心扩展到网络领域。该产品家族可为客户提供增强的智能特性及更好的灵活性，从而帮助他们在更低的总体拥有成本（TCO）下，更快地交付全新服务。同时，该产品家族还能将服务器级的可靠性、可用性和可维护性（RAS）等特性赋予那些超高密度和低功耗的设备，使得电信服务提供商得以构建智能的边缘网络。
图像处理芯片 篇4
随着我国集成电路产业的迅猛发展, 以及为了适应各种半导体新工艺和新材料的要求及挑战, 先进的封装技术得到了不断发展。就目前的混合集成电路组装技术而言, 占主导地位的是引线键合技术, 引线键合技术具有成本低廉、工艺实现简单、适用于多种封装形式的特点, 目前90%以上的封装管脚是采用的引线键合连接技术。然而, 由于我国的全自动金丝球压焊机的研制起步较晚, 目前仍需要从欧洲、日本、美国、韩国和等进口。当前, 传统的手动或半自动压焊机仍然被我国大多数中小半导体封装企业所采用。
全自动金丝球压焊机是典型的光机电一体化产品。它属于微电子封装设备之一, 用超声热压焊的方法焊接芯片管脚, 使用先进的视觉检测系统和伺服定位系统, 配合高速度、高精度的焊头运动系统以及X-Y芯片运动焊台的封装工艺生产设备, 使得其具有高产量、高质量、高可靠性等特点, 超声波热压焊的方法让它实现了芯片与支架管互联、打火成球检测以及对每一焊点的金线压焊检测, 成为了产品工艺质量保证的关键设备[1]。
2. 全自动金丝球压焊机的原理
微电子封装设备的主要设备之一就是全自动金丝球压焊机, 它是集计算机控制技术、超声波热压焊接、自动控制、精密机械、图像识别、力学、光学等多领域技术的现代高技术微电子生产设备。全自动金丝球焊机焊接芯片时的工作原理是通过高压打火器将直径为20μm~30μm的金丝线烧成球, 然后利用超声波热压焊接的方法将其焊接到芯片的电路引出端的焊盘上, 在系统的XYZ三维运动控制下拉出设定的金丝线形, 并将金丝焊接到引脚框架上, 最后拉断金丝, 最终完成了一条电路引线焊接的过程。如此往复, 直到整个IC电路的封装引脚全部被焊接完成。图1所示的是芯片焊接示意图。
全自动金丝球引线键合机系统是由机器视觉对准系统和焊接工艺系统两部分组成, 如图2所示[2]。
系统的工作原理为:当CCD获得视频信号时, 视频信号将被传送进入图像采集卡中, 经过计算机的处理, 获取芯片焊盘的位置坐标;然后控制电机运动, 调整X, Y工作台, 将芯片上的焊盘对准焊头的正下方;然后把信号发送给单片机, 然后通过单片机控制焊头下落、焊接芯片、升起焊头;当一个芯片被焊接完以后, 再由计算机给单片机发送消息, 让单片机进行自动过片。但在CCD获取图像信息时, 由于焊盘的面积较小, 导致焊盘的现场工况较复杂, 使得图片在成像时的成像质量变差;并且由于成像设备在读入芯片图像时会扩大取景范围, 因而产生了一些无效的像素点, 而且图片在传输、接收以及处理的过程当中, 外部干扰和内部干扰总是会不可避免的存在, 例如数字化过程中的量化噪声、光电转换过程中的敏感元件的灵敏度不均匀、传输过程中的设备误差以及人为的操作不当等都会使图像质量变差, 进而影响以后的处理, 增加计算机识别的难度, 因此需要对图像进行预处理。
3. 图像的预处理
由CCD获取的图像需要经过一些预处理, 如图像增强、图像分割、特征提取等, 然后进行图像识别。
3.1 同态增晰滤波处理
同态增晰滤波法是一种增强图像对比度和压缩图像亮度范围的特殊滤波方法, 它能减少低频成分并增加高频, 从而减少光照变化并锐化边缘或细节图像。该方法基于图像的成像模型, 一幅图像可以用它的照明分量及反射分量来表示, 即:
根据这个模型可以用下列方法把两个分量分开分别进行滤波, 如图3所示:
1) 先对式 (1) 取对数
2) 对式 (2) 取傅里叶变换
3) 用频域函数处理
4) 将式 (4) 反变换到空间域
5) 将式 (5) 两边取指数
令
则
此式中是处理后的照射分量;是处理后的反射分量。如图4所示为待处理图像, 图5为处理后的图像, 图4下部的背景要比上部的背景黑, 对于这样不均匀的亮度做阈值处理很困难。根据一幅图像的照射分量一般是在空间中是缓慢变化而反射分量在不相同的物体交界处变化急剧的特征, 我们把一幅图像取对数后的傅里叶变换的低频分量和照射分量联系起来, 而把反射分量与高频分量联系起来, 由此而设计一个滤波函数, 此滤波函数对图像取对数后的傅里叶变换的高频分量和低频分量的影响各不相同, 从图4与图5的对比可知:处理后的图像使像素灰度的动态范围的低频段被压缩, 高频段得到增强, 结果是同时压缩了图像的动态范围和增加了图像各部分之间的对比度。此结果表明一个合适的滤波函数可以消除图像在光电转换过程中由于敏感元件的灵敏度的不均匀性而产生的噪声。
3.2 多图像平均法去噪[3]
所谓多图像平均法是以噪声干扰的统计学特征为基础的, 如果一幅图像包含有噪声, 可以假设这些噪声相对于每一个像素的坐标点是独立的, 且噪声的数学期望为0。假如对同一情景拍摄并提取幅图像, :
式中为叠加在每幅图片上的噪声, 故可以得出第幅i图像的信噪比为:
式中是噪声期望。对幅图像的灰度值取平均, 则结果图像为:
有此可以得出图像的信噪比为:
由 (9) 式和 (11) 式可知:
即对幅图像的灰度值取平均后的图像的信噪比是单幅图像信噪比的倍。本文选定进行计算处理, 处理后的图像的信噪比是未取均值处理图像信噪比的倍, 对比结果如图6与图7所示。此结果可以看出噪声被明显去除了, 图像的细节也被保留了下来。因此, 多图像平均法对去噪具有很好的效果, 对图像的后续处理奠定了基础。
4. 结束语
本文首先利用同态增晰滤波器去除图像的光照不均, 然后再用多图像平均法去除噪声, 通过提高图像的信噪比, 实现了图像的增强, 且此操作简单, 效果较好, 为全自动金丝球焊机的自动定位奠定了基础。
摘要：全自动金丝球焊机是半导体制造后端工序的关键设备之一, 本文提出应用同态增晰滤波法增强图像的对比度, 减少了光照变化并锐化了边缘和细节图像, 去除了因光照不均而引起图像像素灰度的低动态范围, 然后再用多图像平均法以降低信噪比, 完成芯片图像的预处理, 为全自动金丝球焊机芯片图像的定位奠定了基础。
关键词：同态增晰滤波,多图像平均法,预处理,金丝球焊机
参考文献
[1]李自强.金丝球焊机金丝检测技术[J].计量与测试技术, 2009, 27 (3) :34—37.
[2]陈良峰, 张鸿海, 马豪.自动金丝球引线键合图像识别系统[J].计算机与数字工程, 2007, 35 (8) :98—99.
IC芯片知识 篇5
熔茗2010-09-14 14:42:36
我们通常所说的“芯片”是指集成电路,它是微电子技术的主要产品.所谓微电子是相对“强电”、“弱电”等概念而言,指它处理的电子信号极其微小.它是现代信息技术的基础,我们通常所接触的电子产品,包括通讯、电脑、智能化系统、自动控制、空间技术、电台、电视等等都是在微电子技术的基础上发展起来的。
我国的信息通讯、电子终端设备产品这些年来有长足发展,但以加工装配、组装工艺、应用工程见长,产品的核心技术自主开发的较少,这里所说的“核心技术”主要就是微电子技术.就好像我们盖房子的水平已经不错了,但是,盖房子所用的砖瓦还不能生产.要命的是,“砖瓦”还很贵.一般来说,“芯片”成本最能影响整机的成本。微电子技术涉及的行业很多,包括化工、光电技术、半导体材料、精密设备制造、软件等,其中又以集成电路技术为核心,包括集成电路的设计、制造。
集成电路(IC)常用基本概念有:
晶圆,多指单晶硅圆片,由普通硅沙拉制提炼而成,是最常用的半导体材料,按其直径分为4英寸、5英寸、6英寸、8英寸等规格,近来发展出12英寸甚至更大规格.晶圆越大,同一圆片上可生产的IC就多,可降低成本;但要求材料技术和生产技术更高。
前、后工序:IC制造过程中, 晶圆光刻的工艺(即所谓流片),被称为前工序,这是IC制造的最要害技术;晶圆流片后,其切割、封装等工序被称为后工序。光刻:IC生产的主要工艺手段,指用光技术在晶圆上刻蚀电路。
线宽:4微米/1微米/0.6微未/0.35微米/035微米等,是指IC生产工艺可达到的最小导线宽度,是IC工艺先进水平的主要指标.线宽越小,集成度就高,在同一面积上就集成更多电路单元。
封装:指把硅片上的电路管脚,用导线接引到外部接头处,以便与其它器件连接。存储器:专门用于保存数据信息的IC。
逻辑电路:以二进制为原理的数字电路。
1.IC产业发展背景
随着全球信息化,网络化和知识化经济浪潮的到来,集成电路产业的战略地位越来越重要,它已成为事关国民经济,国防建设,人民生活和信息安全的基础性,战略性产业.特别是近几年来,在世界半导体产业环境不断改善,集成电路的性能以惊人的速度向快速和微型方面发展,其发展潜力,高技术含量和广阔的市场都令人叹为观止.与此同时,中国集成电路产业也已经开始快速发展,正在努力向世界技术前沿靠拢.也就是说,我们中国的IC产业已经初具规模,并且正处在一个摆脱一味只是集中在制造和消费方面而向核心技术领域转型的一个关键阶段,所有的IC精英们正在齐心协力打造中国自己的“中国芯”,争取早日扭转在内核技术上受制于人的局面,这是每一个IC精英义不容辞的责任,同时也是这次产业调研的最大目的,希望能够让同学们领悟到这一点.对于国内一些IC企业的考察和调研,则主要集中在进来的发展战略与定位上.在当前的市场竞争环境中,压力主要来自于哪些方面 如何对自身以及同类的本土I
C企业定位 如何定位与国外IC企业的合作或者竞争关系 如何看待本土人才的流失及采取什么对策培养和建立人才储备 是如何推进本土企业国际化进程的 ……我们希望通过调研能够归纳得出一些关于中国IC企业界对自身的定位以及了解他们如何与国际上IC企业合作或者竞争的模式,从而对中国IC产业发展的契机有一些更加接近实际,更加深入的思考.2.中国目前IC产业的一些发展
2.1 产业规模急剧扩大
目前,我国已建和在建的8英寸,12英寸芯片生产线有17条,成为全球新的芯片代工基地.芯片设计公司从最初的几十家增至400多家,特别是上海的中芯国际,宏力半导体,华虹NEC和苏州的和舰等一批大型芯片制造企业的投产,增强了我国芯片产业的整体实力.统计显示,近年来,我国芯片产业规模年均增幅超过40%.2004年上半年,我国芯片市场总规模达1370亿元,芯片总产量超过94亿块.近几年中国集成电路产业的迅猛发展离不开市场需求的强劲拉动.中国电子信息制造业规模不断扩大,计算机,消费电子,网络通信,汽车电子等主要需求领域都呈现出了高速增长的势头.2004年,中国电子信息产业销售收入达到2.65万亿元,比2003年增长40%,集成电路市场规模已经达到2908亿元,同比增长40.2%,高于去年全球增幅12个百分点.2004年正成为中国IC设计产业由萌芽期进入成长期的重要里程碑.到2004年底,中国集成电路设计业拥有421家企业,从业人员上升到约1.65万人,总销售额达到了81.5亿元人民币,同比增长率达到41.5%,增长主要来自显示驱动芯片,智能卡芯片,无线通信芯片和多媒体芯片.预计今后四年的年复合增长率将达到65%左右,2008年销售额可望达到800亿.2.2 产业结构日趋合理
芯片产业结构日趋合理,芯片制造业成为产业增长的主引擎.在地区布局上,我国芯片产业形成了几大重镇:
以上海为龙头的长三角地区,产业链最完整,产业集聚度最高.以北京,天津为核心的环渤海区,具有研发,人才优势.中芯国际在此建成了我国第一条12英寸生产线,初步构筑了产业高地.以广州,深圳为中心的珠三角,是我国最大的信息产品制造和出口基地,依托巨大的市场需求,开始进军芯片产业.以成都,西安为中心城市的中西部地区,人力,电力,水资源丰富,并拥有传统的电子工业基础,随着英特尔,中芯国际的芯片封装企业落户成都,英飞凌研发中心落户西安,该地区的芯片产业开始崛起.2.3 技术创新能力增强
芯片制造工艺和技术水准迅速提升,特别是中芯国际北京12英寸生产厂的建成投产,使我国芯片生产技术从0.25微米,0.18微米进入到0.13微米,0.11微米的国际前沿水准.从“中国制造”到“中国创造”,随着我国企业自主创新能力的增强,催生了一批完全拥有自主知识产权的“中国芯”,如方舟,龙芯,爱国者,星光,网芯,展讯,中视一号等.特别引人瞩目的是,2004年上半年,位于上海张江高科技园区的展讯公司研制出我国第一块完全拥有自主知识产权,国际领先的第三代(3G)手机芯片,打破了手机芯片核心技术被国外通信公司垄断的局面.2004年底,复旦大学微电子研究院研制出基于清华大学DMB-T标准系统,拥有完全自主知识产权的“中视一号”数字电视芯片,是我国数字电视产业化进程的重大突破.2.4 出现领军企业
权威预测显示,作为全球芯片产业增长最快的地区和全球最具发展潜力的市场,2010年前,中国将成为仅次于美国的全球第二大芯片市场.伴随市场需求的扩张,产业规模的升级,技术水准的提高,中国有望出现一批具备较强国际竞争力的品牌产品和强势企业.我国的芯片产业体制和机制创新取得突破,政府引导,企业参与,市场运作的格局初步形成.除了国家的产业引导资金,越来越多的海外资本,民间资本投入芯片产业,资本运营初步进入良性循环.目前,有近10家芯片企业在境内外上市,其中在香港和纽约上市的中芯国际,使中国芯片产业开始牵动国际资本市场的神经.销售额超过1亿元的公司达到了16家,它们分别是晶门科技,大唐微电子,杭州士兰,珠海炬力,中国华大,绍兴芯谷科技,中星微,无锡华润矽科,华大电子,希格玛,展讯通信,国微电子,上海华虹,北京华虹,复旦微电子和深圳中兴微电子,其中晶门科技和大唐微电子的销售额超过了10亿.2004年还初步形成了与IC设计业相关的上下游产业链.设计企业已与晶圆代工企业和封装测试企业建立了相对固定的良好业务关系,中芯国际,华虹NEC,上海先进,上海贝岭,无锡上华,首刚NEC,绍兴华越,南通富士通,上海长丰等代工和封装企业所提供的各种加工工艺和相应技术服务已基本满足了设计业的需求.3.中国IC产业存在的问题
3.1中国的IC产业缺乏核心技术
图像处理芯片 篇6
ARINC659总线是一种在总线时间和空间上具有高容错性和鲁棒性的底板总线[1]。4条双-双配置的串行总线传输数据,具有很强的容错能力,完全满足新一代先进综合式航空电子对底板总线技术的需求。目前已广泛应用在波音777 AIMS、波音737、波音717等飞机中,也正在新一代空间探索系统中积极推广[2,3]。
本文在深入理解ARINC659总线标准,掌握关键技术的基础上,针对ARINC659总线的通信特点设计并实现了一款满足ARINC659总线高可靠性、高容错性要求的芯片,该芯片是一款完全具有自主知识产权的新型底板总线芯片,实现了ARINC659总线标准所规定的技术指标,是从标准理解、系统定义到芯片设计与验证、封装、测试等完全自主研制的通信处理芯片。
1 芯片设计与实现
1.1 芯片功能
HK659芯片可实现ARINC-659-1993中规定的同步脉冲收发、数据传输校验、总线故障容错以及总线调试等功能,是一款通用化和小型化的通信处理通信处理芯片。主要功能如下:
(1)PCI主机接口:
①支持PCIv2.2协议,容忍5.0 V输入;
②总线频率33 MHz,A/D总线宽度32 bit;
③支持PCI标准内部配置空间;
④只支持PCI Target接口;
⑤支持单拍和Burst操作。
(2)ARINC659总线协议处理单元:
①时钟采用30 MHz,最大数据传输速率60 Mb/s;
②总线访问采用表驱动协议(Table Driven Protocol);
③支持4余度实时热备份,具有高可靠性;
④4条双-双配置的串行总线传输数据,具有很强的容错能力。
(3)命令表自加载单元:
①支持XC18V04、XCF32P两种型号PROM,数据位宽8 bit,频率20 MHz;
②宿主机不能读写PROM,HK659只能读取PROM,更改PROM时只能通过JTAG接口来修改。
(4)丰富的片内存储器资源:
①集成64 K×32 bit的SRAM,存储PROM中的命令表(主机不可访问);
②集成32 K×32 bit的DPRAM,用作收发数据缓冲区。
(5)供电电压:
①内核电压:1.8 V;
②I/O电压:3.3 V。
1.2 芯片架构设计
根据总线标准和需求规范,进行体系架构设计,提出了一种满足ARINC659总线高可靠性、高容错性要求的芯片体系架构,为保证协议中定义的物理隔离(包括BIU隔离、供电隔离、总线隔离),采用单BIU设计。此外,还集成PCI主机接口、PROM加载接口,以及丰富的内部存储器资源,采用IEEE1149.1 JTAG总线来实现外部命令表的烧写功能,其芯片架构如图1所示。HK659芯片集成了PCI主机接口、ARINC659总线协议处理单元、PROM命令表自加载单元、与主机交互数据所需的DPRAM存储器和映射命令表所需的SRAM存储器。
图1 HK659芯片架构
1.2.1 硬件设计
ARINC659总线协议处理芯片的硬件设计主要包括ARINC659总线协议处理单元、PCI主机从接口、PROM加载接口以及丰富的片上存储器资源等。
ARINC659总线协议处理单元主要由采样整形模块、数据接收单元、数据发送单元、收发控制单元和预译码单元组成。主要实现了机载计算机与ARINC659总线的连接功能。主要功能包括:命令表的读取、译码功能,初始化同步、长同步、短同步脉冲的收发控制,基本消息、主/后备消息的发送和接收控制,故障注入情况下的收发数据,以及调试功能(包括单步断点调试、时间断点调试、机架断点调试)。
PCI主机从接口主要实现了HK659与PCI总线的连接。该接口只实现了PCI总线的从接口功能,用于主机系统与HK659的数据交换。
HK659命令表的所有数据存放在HK659外部的PROM中,当系统上电后,HK659的命令表自加载逻辑通过PROM接口自动将外部PROM中的命令表搬到内部SRAM中。命令表自加载模块自动产生地址从外部PROM中读出数据,并写入内部SRAM中,不需要主机干预。命令表加载完成后,HK659将开始初始化、预译码命令,并且按命令表执行命令。
ARINC659总线协议处理芯片丰富的片上存储器资源主要包括集成64 K×32 bit的SRAM,存储PROM中的命令表;集成32 K×32 bit的DPRAM,两个端口独立的异步操作等。
1.2.2 软件设计
为满足以HK659芯片为核心构建的ARINC659总线应用需求,基于ARINC659总线协议,配套规划的软件包括HK659芯片驱动软件和ARINC659总线配置工具软件。
HK659芯片驱动软件提供上层应用软件访问HK659芯片的接口,包括HK659芯片的初始化、DPRAM的访问、INT命令中断使能和清除等功能。
ARINC659总线配置工具软件用于根据系统要求对系统内各节点间的通信和节点各任务进行配置和设置、自动生成总线命令表并编译成可固化到PROM中的目标代码,其编译流程如图2所示。
1.3 工作原理
HK659芯片实现了ARINC659-1993中规定的总线接口、时钟同步、数据传输及调试等功能,工作原理如下所示:
(1)在系统上电之后,PROM命令表自加载单元和PCI主机接口单元相继复位完毕,芯片进行命令表自加载。在此期间,ARINC659总线协议处理单元仍处于复位状态;如果主机要访问HK659的资源,则先要读取表加载状态标志寄存器的标志位,该标志位为‘0’时,表明此时不能访问HK659的寄存器和存储资源。
图2 编译流程
(2)在命令表加载完毕之后,表加载标志寄存器中的标志位置位,主机才可以访问HK659的寄存器和存储资源。此时,ARINC659协议处理单元复位完毕,命令预译码单元从映射RAM中读取命令表参数,来初始化芯片。
(3)在芯片初始化完毕之后,ARINC659协议处理单元从映射RAM中读取命令,预译码之后存入命令预译码FIFO之中。
(4)在上电初始化完毕之后,ARINC659协议处理单元从命令预译码FIFO中读取指令码,并且按照指令执行相应操作。
(5)在执行数据发送命令时,ARINC659协议处理单元要判断标志位是否更新。如果标志位被更新,将发送数据;否则,不发送数据。
(6)在执行数据接收命令时,如果ARINC659协议处理单元没接收到数据,则DPRAM中的数据区将不会被更新;如果接收到数据,则更新DPRAM中的数据区。
(7)在主/后备消息传输时,主模块没有更新数据、处于失步状态或者发生故障时,由后备模块1进行消息传输;如果后备模块1发生上述情况,则由后备模块2进行消息传输;依次类推。
1.4 物理实现
HK659芯片采用SMIC 0.18μm工艺设计,管脚240个(包括功能管脚和电源地管脚,功能管脚106个),管芯面积7.5×7.5 mm2。在芯片版图设计中,加强对串扰的分析和修复,噪声容限严格控制在20%以内。针对板级系统的噪声问题,在芯片内电源网络设计时采用特殊的设计方式予以部分去除,如增加芯片内电源地信号线间的耦合电容,减小外部电源引入的共模噪声的影响;对于芯片内的动态电源噪声,则采用增加电源网络密度、增强供电能力和局部增加去耦电容予以补偿。对于关键信号,增加去噪声保护。该版图设计已申请并获得国家布图保护专利授权。
HK659芯片功耗实测小于0.8 W,采用定制管壳CBGA256,外形大小为24×24 mm2,内部腔体10×10 mm2,采用双排焊盘设计,引脚数为256个。
2 技术优势
在国外,Honeywell公司已经在波音777 AIMS、波音737、波音717、MD-90、MD-10、KC-10、E-6等飞机中成功应用ARINC659底板总线,目前正在新一代空间探索系统中积极推广[4]。国外对我国实行技术和产品封锁,尚无商业化的协议处理芯片。在国内,对ARINC659总线技术应用的研究刚刚起步,个别单位开发了基于FPGA的解决方案[5,6,7],这种实现方式需要占用大量系统资源,处理效率较低,设计复杂,功耗较大,无法满足军用尤其是航空恶劣环境下高可靠性等应用要求,且FPGA受制于人,国内没有满足军用要求的协议处理芯片及总线收发器、总线配置工具等。
HK659芯片具有面积小、功耗低、延迟小、功能全等特点[8],经协议符合性测试验证、整机应用验证和鉴定检验,证明其功能、性能满足要求,集成度、可靠性、功耗优势明显,可满足航空恶劣环境下高可靠性等应用要求,实现了新型底板总线技术的自主保障和自主可控[9]。
3 芯片验证
本文所设计的HK659芯片已经过虚拟原型验证、FPGA原型验证、ATE测试、协议符合性测试、系统应用验证和定型评测,满足ARINC659总线标准要求。具体测试内容及测试结果如表1所示。
表1 HK659芯片测试结果
4 总结
本文所设计的HK659芯片是一款完全符合ARINC659协议、具有自主知识产权的协议处理芯片,该芯片设计新颖,功耗低,面积小,功能性能稳定可靠,满足AR-INC659总线应用要求。该芯片已进行了ATE、协议符合性、系统应用等充分验证。验证结果表明,该芯片符合ARINC659标准协议要求,功能、性能满足要求,集成度、可靠性、功耗优势明显;有效地支持了新一代机载电子系统对新型底板总线技术的应用需求[10]。
摘要：HK659芯片是实现ARINC659底板总线系统的基础和关键,被广泛应用在新一代机载电子系统中。在深入理解、分析ARINC659总线协议以及ARINC659总线通信处理机理的基础上,提出了一种满足ARINC659总线高可靠性、高容错性要求的芯片设计方案,详细说明了HK659芯片的架构设计、工作原理及技术优势。该芯片是一款内部集成PCI主机接口、ARINC659总线协议处理单元、命令表自加载接口、时钟复位电路以及丰富的片内存储器资源等的通信处理芯片,解决了制约我国高可靠性、高容错性底板总线应用的关键技术问题及瓶颈。
关键词：ARINC659总线,HK659芯片,配置总线
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图像处理芯片 篇7
自上世纪80年代计算机软、硬件技术的发展并迅速普及,提高了用户界面在系统设计和软件开发方面的重要性,极大地推动了人-机交互界面的发展,和现代产品中人性化设计理念的深入,要求为用户设计能够提供全方位视觉、听觉享受的产品已成为时代发展的潮流[1]。且本系统具有独立的图像处理芯片及存储空间,因此相对于电脑模拟软件而言,在视频、音效输出方面具有无法比拟的优点,而且随着人们爱好的变化,本机可以装载其它休闲娱乐等新兴项目以及益智类游戏,可以实现在娱乐中学习,达到寓教于乐的目的[2]。
1 系统总体功能分析
本系统的设计是在人-机交互的基础上,用户不仅对显示画面、声音质量及控制按键的响应速度等模块有较高要求,另外本系统要求对环境具有较好的适应性,要求具有较高的稳定性及简便的维护性。人-机输入模块上的相关按键控制代表用户的人物在上、下、左、右四个方向上的运动,根据人物在当前时刻的位置、形态,通过相关算法,确定人物在下一时刻的运动轨迹及位置,而辅助按键控制人物在运动时的动作,由于视频的实质为一系列图像帧的相互转换,因此需要精确地定位每一帧时人物的位置、动作及背景。用户进入系统,初始化以后首先判定当前操作,并输出响应,同时自动记录当前人物状态,并且按照一些规则进行评判,如果判定值为0,则用户需要重新载入程序;若用户在使用过程中,每个单元耗时超过系统规定的最大值,则系统将该单元关闭。
由于现代相关技术的发展,对本系统性能的要求,也有了更进一步的提高,主要表现在:a)本系统的性质决定其必须具备好的稳定性;b)由于现代芯片制造工艺的提高,对系统的功耗提出了更严格的要求;c)要求本机具有更多的扩展功能,必须能够与其它单机实现实时通信,为用户创建一个局域网对战平台的可能性变为现实;d)具有高保真的视频、音频输出;e)有良好的控制精度与实时操作;f)具有大的存储空间,以便于实现不同的存储功能;g)主控芯片的响应速度尽可能地高;h.具有掉电保护作用,可以随时恢复断点的用户进度;j)具有良好的通用性,即改变flash中的固件就可以改变休闲模式;其系统硬件总体框图如图1所示:
2 硬件系统设计
本系统的功能较多,为了便于硬件和软件系统的设计,采用模块化设计,即各模块分别实现不同的功能。
2.1 主控模块
该模块要求控制芯片功能较强,芯片处理速度较快,具有低功耗及稳定性,因此选用SAMSUNG公司出产的PKM32AG-Q多媒体处理器,它集成了32位的高性能处理器,并带有DSP的一些特性,集成JPEG解码器、H264解码器、2维图像加速器、8通道混合音、具有OSD功能的CRT控制器、视频解码等接口,以及USB和I/O输出等外部接口。由于控制算法是软件代码,所以可以不断对产品功能进行升级,重复开发成本较低。并能够显著地降低系统功耗,减少系统开发周期,能够满足设计本硬件系统的需要。
2.2 视频输出模块
在本系统的硬件设计中,视频输出是由一系列重合度较高的图像祯连续播放[3,4,5],多媒体处理芯片集成了视频处理的功能和CRT控制器,支持RGB565模式、CVBS模拟信号输出,和最大分辨率为1024 x 768的VGA和TFT LCD等接口,因此,需要在其主控芯片输出端加入低电压四-2输入与门输入与5V容限集成元件74LCX08,保证输出视频信号的连续、稳定。
2.3 音频输出模块
主控制芯片集成音频输出模块的最大通道为8通道,取样频率为0.172KHz-44.1KHz,支持4bit-ADPCM,8/16bit PCM,和音量、左右声道平衡控制,输出为16bit MSB(Left)-justified格式立体声和I2S音频解码接口,因此要加入具有DAC立体声连续校准功能的立体声持续校准数模转换器TDA1311和具有2x11W立体声功率放大器功能的集成元件TDA1519C,以此来保证高保真的音响效果[6],其硬件电路原理图如图2所示:
2.4 存储模块
该存储模块主要为了存储程序、游戏数据及保存断点数据等,SDRAM将内存扩展64M、64M的Texture SDRAM将用于扩展显存,可以提高视频图像处理的响应速度、NAND flash用于程序、多媒体或启动程序、FRAM用于实时保存游戏数据、EEPROM存储游戏设置参数等加密信息。
2.5 通讯模块
通讯模块为了实现主机及其它从机之间的通讯,可以分为USB、10M自适应以太网、以及UART等方式通讯。USB通信模块需要将CPU的相关引脚与USB连接器相联,直接提供USB接口;网络模块采用水晶蓝的ISA以太网控制器CS8900A-CQ3Z;UART模块采用串口芯片SP3232EC,通讯模块相关电路原理图如图3、图4所示:
2.6 电源模块
在本系统的硬件电路中,系统输入5V电压,但主控芯片及其它芯片要求在低功耗模式下为其提供+3.3V和+1.8V电压,因此要设计稳定的直流电流模块。如图5、图6所示。集成电源芯片LM0805有较宽的输出电压范围,且有限流保护和热过载保护功能,所以适合作为本系统的硬件电源转换芯片。
2.7 键盘输入模块
键盘模块是重要的人-机输入模块,由用户直接控制模拟人物,因此需要快速响应的特性,另外由于本系统的性质,要求键盘输入能够具有较长的使用寿命和简便的安装性能,因此选用微动开关。
2.8 电路板的抗干扰设计
在电路原理图设计中,为了提高系统的稳定性,通常使用电容和磁珠元件,利用各自对直流、交流信号的不同的响应特性,滤除不必要的交流和干扰信号,提高系统的抗干扰能力,另外将数、模信号的输入隔离也可以有良好的抗干扰作用。
3 软件系统设计
根据系统功能需要,为系统编制软件程序,其流程图如图7所示:
4 结束语
本文设计并实现了一种包含视频、音频信号与扩展存储器和相关通讯模块的人-机交互系统的硬件结构。经过运行,输出的视频信号流畅、音频信号没有失真现象,并且相应的通讯模块也能按预定功能工作,存储模块也正常,并且具有简单的操作性能,验证了该系统设计的可行性和实时性,达到设计的目的。
参考文献
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图像处理芯片 篇8
目前,在建筑物早期火灾监测和报警上,还是一直沿用有线网络的方式,其线路遍布在建筑内,初装成本高,同时线路本身也是很大的火灾隐患。因而新型的无线火灾监测系统应运而生,该系统安装方便、快捷,且其成本更为低廉,有更大的应用空间[1]。微控制器是火灾监测系统的核心部件之一,通用的微处理器和微控制器不能满足无线火灾监测系统中节点主控芯片低功耗、低成本的要求[2]。
为了掌握无线火灾监测系统的核心技术,建立拥有自主知识产权的软硬件平台,推动我国无线火灾监测系统的发展,有必要开发出针对无线火灾监测系统的微处理器。本文完成了一款专用于火灾检测系统的微控制器芯片的物理设计。
1 SW-A芯片的架构
SW-A芯片是一款基于ARM Cortex-M0的专于无线火灾检测系统的专用数模混合型控制器芯片,总线采用AMBA AHB、APB双总线架构,工作频率最高可达50 MHz,支持多级内部分频,待机状态下也可以极低的频率运行;内置一个高采样率的12位逐次逼近的8通道ADC,最多可依次对来自8个传感器(如温度传感器、烟雾传感器、光强传感器等)的信号直接进行采样、转换、保存,检测主程序可任意读取目标传感器对应的采样数据进行处理、判断是否发生火灾。
内置18 KB SRAM,可灵活切换作为FLASH、RAM使用,满足火灾监测和简易处理程序的存储。支持ISP(在系统编程)操作和IAP(在应用编程)操作,既便于火灾监测主程序的更新升级,又便于软件编写优化。接口包括工业标准的UART接口、SSI通信接口(支持SPI、Micro Wire及SSI协议),还有3组(6通道)PWM,丰富的接口和功能模块使该款芯片在功能拓展方面有较大潜力。
2 SW-A芯片的物理设计
2.1 采用的物理设计流程
SW-A芯片的物理设计借助Synopsys公司的EDA工具IC Compiler进行,采用IC Compiler典型的设计流程。基于台积电(TSMC)180 nm CMOS工艺进行。物理设计准备就绪后(设计逻辑库、设置物理库、设置TLU-Plus相关文件以及设置读入的门级网表与标准延时约束),即可开始物理设计,依次完成设计规划(Design planning)、布局(Placement)、时钟树综合(Clock tree Synthesis)、布线(Routing)直至设计完成(Chip Finish)[3]。
2.2 设计规划
设计规划()是芯片物理设计中非常重要的一步;主要包括布图规划(Floorplan)电源规划(Powerplant)。
通常情况下,在布局开始之前,设计者往往需要花费大量的时间来进行布图规划(Floorplan)和电源规划(Powerplan),设计规划的好坏直接决定芯片的功耗、标准单元的拥塞的、时序收敛、电源稳定性等[4]。所以设计规划是整个物理设计过程中反复次数最多、手动设计最多的一步。
布图规划(Floorplan)要完成IO排布、PAD摆放、Macro(包括模拟模块、存储单元等)的定位以及芯片的形状、拥塞度(Congestion)和面积等的设定。作为一款面向用户的控制芯片,IO的排布必须综合考虑用户的需求与设计的要求,不同功能PAD的纵横向尺寸也不同。本文将纵横两向尺寸均较大的PAD置于芯片的南北两边,将单向尺寸较小的PAD置于芯片的东西侧且大尺寸边朝向南北(见图2(a)),相比较于将双向尺寸均较大置芯片的四周(见图()),这样的设计非常有效的减小了芯片的面积。
本芯片需要定位的Macro有SRAM、ROM、ADC以及ANALOG_TOP,本文综合考虑它们与IO的位置关系将它们定位于芯片的四周,这样可以芯片中保留成片的空白区域来放置标准单元。为了保证Macro与PAD及标准单元之间的互联线,在每个Macro的四周这只一个空白区,这个区域内任何情况不允许摆放标准单元。具体命令如下:
本芯片在放置标准单元和Macro的核心区与PAD之间设计40μm的预留区,用于摆放电源环(Power Ring)及互联走线。为防止标准单元重叠放置,用
Set_fp_placement_strategy–sliver 1010μm
命令可保证标准单元只能置于高度大于10μm的通道内。设置好芯片布图规划可使用命令creat_fp_placement进行预布局。本芯片使用TSMC 180 nm工艺设计生产,要求工作电压为1.8 V,可容忍最大电压波动为±10%,所以本文在进行电源规划时,综合考虑了芯片的供电需求、互联线造成的电压降(IR-Drop)及较小的电源网络面积,设计了两个电源环(Power ring)和纵横各14条电源带(Strap)。经过分析电源网络(Analyze Pow-er Network),本设计最大的IR-Drop为29.7 m V。图3(a)是芯片的设计规划,图3(b)是芯片的电压降分布图。
2.3 布局
布局(Placement)的好坏是决定芯片物理设计成败的关键。布局的主要任务是完成设计中标准单元的摆放和修复建立时间(setup time)。布局正式开始之前需使用命令check_physical_design命令检查布局准备是否完成,必须保证:所有和等的位置以固定;设计中所有逻辑pin和物理pin一一对应;所有的逻辑单元都有与之对应的物理单元;设计中所有单元的尺寸都已固定。为了方便互联走线,在开始摆放标准单元之前,可以将芯片内特定区域设置为布局限制区(Placement Blockage)。ICC工具多种形式的限制,如禁止粗略布局时摆放标准单元、只允许布局优化时摆放标准单元、只允许布线等;本设计中设置了多处布局限制区,以方便ADC、ANALOG_TOP等与IO之间的连线(见图4(a))。布局准备就绪后可使用命令place_opt配合附加约束进行布局,该命令执行错略布局(coarse place)、高扇出网络合成(high-fanout net synthesis)、物理优化(physical optimization)直至合法化(legalization),由前三步确定单元的位置(见图4(b)),通过合法化最终将标准单元正确的摆放在计算好的位置上(见图4(c))。本文物理设计的具体命令如下:
place_opt–area_recovery–effort high–num_cpus 6-congestion–power
要求工具对除关键时钟路径外的其他面积进行修复,努力程度高,通过选项“-congestion”控制工具尽可能的降低芯片的拥塞度以便利后续布线,通过选项“-power”控制工具优化泄漏功耗、动态功耗并且进行低功耗布局。
完成布局后芯片的面积利用率如表1所示,拥塞度的集中在0.625~0.875之间,拥塞度适中,既没有因为芯片利用率过低而浪费芯片面积,也不会因为拥塞度过大而导致后续设计困难甚至重新设计。
2.4 时钟树综合
时钟树综合(Clock Tree Synthesis)的主要任务之一就是将时钟偏差控制在可接受范围内,保证芯片高效无误的工作。本芯片的时钟树综合策略如下:时钟树的逻辑综合(clock-cts)、时钟树的物理综合(clock-psyn)以及时钟树的布线(clock-route)。时钟树的逻辑综合阶段只完成两项工作:通过计算各条时钟路径上的延迟,得到需要插入缓冲器(buffer、inverter)的位置及尺寸(由-only_cts命令选项控制);由于时钟网络的功耗占总功耗的比重非常大,所以在时钟树综合时必须进行功耗优化(-power)此阶段并不进行布线。具体命令如下:
clock_opt–only_cts–no_clock_route–power
时钟树的物理综合阶段将插入的缓冲器摆放至准确的位置,进行RC提取,参照延迟约束文件(SDC)检查时钟网络的的最大插入延迟、最小插入延迟、最大时钟偏差以及最大转换时间等并对设计中出现hold违反进行修复,为了便利非时钟网络布线,此时需要增加-area_recovery选项,以减小连线面积,此阶段依然对功耗进行优化。在完成时钟树布线时,本文采用arnoldi模型来精确计算时钟树的延时并15次循环迭代法进行时钟布线。表2是时钟综合前本设计的时序情况,显而易见有多条关键路径并存在较多建立时间违反;完成时钟树综合后再进行时钟检查,未发现时钟违反,表示时钟树综合完成。
2.5 布线与芯片完成
本文将布线及其优化分开来做,首先在初始布线阶段完成全局布线(global routing)、详细布线(detail routing)和检查与修正(search&repair),然后采用拓扑算法对布线进行优化,同时对电流漏功耗进行优化。为了防止天线效应的发生,在芯片完成阶段对芯片进行了天线效应修复设计,此时芯片中依然存在空白区域,需要填充filer以满足DRC的要求。图5是该芯片的物理设计版图,表3是该芯片的面积与功耗,可见总面积为2 794 371.012 703μm2,总功耗为11.635 4 m W。经过仿真后证明芯片于50 MHz时钟频率下正常工作,满足设计要求,证明本次设计是正确有效的。
3 结语
本文基于TSMC 180 nm工艺完成了一款用于无线火灾监测系统中的微处理器芯片的物理设计,采用不同策略分别完成芯片的布图规划、布局、时钟树综合及布线等设计步骤后得到了该芯片的版图及面积、功耗等报表,物理设计后芯片的各项设计指标均满足设计要求,证明了该芯片物理设计的正确性。
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图像处理芯片 篇9
国内音频芯片技术发展有相当长的时间了, 但目前的语音芯片以专用芯片为主, 通常把语音内容放在一个大容量的存储器中, 再加上一些外围控制电路, 结构上大同小异。这方面的研究主要集中在开发不同应用领域的音频芯片, 另外这类芯片属于消费类领域, 因此大部分研究者把重点放在了降低芯片成本方面。这种构架的语音芯片存在一些缺点。首先使用不方便, 声音编曲不灵活;因为成为专用芯片后, 要更改编曲风格等必须要重新进行芯片的结构设计;其次开发时间会延长, 因为芯片设计、加工等都有一个周期;第三会增加开发费用, 除了芯片的设计费用, 还有芯片的加工等。
为了克服以上缺点, 基于微控制器的音频芯片成为一种新的趋势, 这得益于近年来微控制器技术的不断发展。微控制器结构设计灵活, 芯片的功能等都可以采用软件来进行重新设计;而近年来出现的存储器更新换代技术为音频芯片的结构重新设计提供了可能, 从掩膜存储器 (MASK ROM) 到电除存储器 (EEPROM) , 再到闪烁存储器 (FLASH) , 可以大大缩短开发时间, 并大幅度降低开发成本。
基于嵌入式微控制器的音频芯片对音频信号的处理模式是多种多样的, 有数模转换模式和脉冲宽度调制模式, 这两种模式主要针对要求较高的语音领域;而针对噪声、警报声等要求不是很高的应用领域, 可以采用一种称之为可编程声音产生的模式来处理这一类音频信号。本文对这几种音频处理模式的原理、实现方法以及具体电路模块等方面作详细介绍, 并且跟传统专用芯片处理模式的作比较, 为从事这方面产品开发的工程师提供一些参考设计。
2 采用DAC模式处理语音信号
采用DAC模式的音频芯片通常提供以电流型DA作为语音和单音曲调输出模式, 可以直接驱动晶体管;除此之外, 还提供了音调输出, 可以直接驱动蜂鸣器, 这两种模式共用一个AUD输出端。在电流型DAC模式中, 为了减小关断电流型DAC的噪声, 应该平缓地关掉电流型DAC输出至输出电流, 直至为零, 为了节省功耗, 在电流型DAC不用时应该关断它。音调输出是一个全幅 (VDD和VSS) 信号, 它的频率源是定时器进位的频率除以2, 这一部分的框图如图1所示。
系统寄存器$1E用来控制电流型DAC输出的大小, 这是微控制器电路最大的优点, 即通过数据总线, 将预先设置在只读存储器 (ROM) 中的数据写入系统寄存器, 然后在控制信号作用下读出, 用来控制其它逻辑, 用户非常方便修改ROM中的内容。在微控制器中, 系统寄存器就起到这样的作用, 为了直观地了解系统寄存器$1E的值与输出电流的大小, 在图1下方示意了这种关系, 其中左边一部分表示当处于语音/单音曲调模式时, $1E的值对输出AUD的影响, 而右边一部分则表示当处于音调模式时, $1E的值对输出AUD的影响。
为了更清楚地说明这部分电路的功能, 给出了这部分电路图, 如图2所示。
图2就是一个电流标度的DA转换电路, 共有三种工作方式:音调 (TONE) 模式、语音 (Speech) 模式、单音曲调 (Melody) 模式, 下面将对这三种方式依次进行分析:
(1) TONE方式:在这种方式下, 首先d<6>=0并被锁存, 电路处于TOG状态, 下面一路被选通, 在周期性脉冲信号h47的作用下, AUD输出高、低电平分别为3V、0V的方波。
(2) Speech方式:首先寄存器$1E被选中, d<6>=1被锁存, 电路处于DAC状态, 这时最后一级倒向器的P管和N管都被关闭, AUD由D/A转换电路提供比例电流。D<6:1>的值越大, 从AUD端输出的电流也越大, 并且对于d<6:1>的某一个值, 输出电流是恒定的。
(3) Melody:与Speech大致相同。不同之处在于, 用于产生比例电流的只有d<5:1>, 并且对于d<5:1>的某一个值, 在AUD输出的电流是方波, 其频率与h47的频率相同。假定某一个值在Speech方式下的输出电流为I0, 那么在Melody状态下, 输出电流的振幅为 (I0, I-max-I0) 。I0的最大值为
通过以上分析可以看到, 采用基于微控制器的DAC模式后, 控制方式比较多样, 同时又非常灵活, 完全取决于客户的要求;另外输出电流大小也可以自由调节, 表现在声音方面可以做到非常柔和, 变化细微, 这是跟其它驱动模式相比性能优越的地方。
3 采用PWM模式处理语音信号
所谓调制技术是为了传输和存储数字信号而将信息进行转换的方法。对数字音频信号进行编码调制的技术很多, 其中应用最广泛的是脉冲调制技术。所谓脉冲调制技术是指在传送过程中用不同的方法来表示所传送的取样信息, 脉冲调制技术包括脉冲编码调制 (PCM) 、脉冲宽度调制 (PWM) 、脉冲位置调制 (PPM) 、脉冲幅度调制 (PAM) 等, 虽然各种各样的技术从本质上来说都是用数字信号来表示模拟音频信号, 但是不同的技术在实践中的性能和效率各不相同, 这里介绍的脉冲宽度调制是指用脉冲的宽度来表示信号幅度。图3表示的是一个4秒语音电路的PWM处理方式功能框图。
在图3中, 语音合成与脉冲宽度调制PWM主要有四部分组成:扩张器、计数器和比较器以及PWM驱动器。原理描述如下:
语音代码D<1:5>从ROM读出后, 首先经过扩张器处理, 得到一组表征AUDIO低电平脉宽的量化值h<10:6>, 然后h<10:6>与计数器的输出t<4:0>进行比较, 就能在输出端得到相应脉宽的信号。AUDIO输出口选择信号h<11>从PWM控制寄存器输出:h<11>=0, AUDIO从AUDP输出;h<11>=1, AUDIO从AUDN输出。由于量化单位为Tosc, 最大量化值为30Tosc, 因此需要一个五级分频的计数器, 产生范围为00H~1FH的t<4:0>。在一个Tosc内, AUDIO输出是高电平还是低电平由h<10:6>与计数器输出t<4:0>比较得到。
比较器的原理如下:若3个输入中有2个或2个以上的“1”, 则输出为“1”;否则输出为“0”。例如, h<10:6>=12, 则AUDN的占空比就为12/32, 并且这12个Tosc低电平是连续的。对于每一个语音代码D<1:5>, 都对应有唯一的量化值h<10:6>, 并且在32Tosc内通过h<10:6>与t<4:0>的比较又能得到一个一定占空比的AUDIO脉冲, 从而实现了脉冲宽度调制PWM。表1给出了语音代码D<1:5>、量化值H<11:6>、计数器输出值t<4:0>以及输出端低电平的周期数, 其中每一格代表一个单位脉宽, “*”表示此时AUDP为“0”。AUDN保持为“1”。
4 采用软件编程模式处理语音信号
采用软件编程模式实现声音的产生也是一种有效的音频信号处理模式, 一般称之为可编程声音产生PSG (Programmable Sound Generator) 。图4是一个嵌入在4位微控制器中的PSG模块。
针对图4PSG模块中的几个比较重要的子模块分析如下:
1) 计数器
在图4所示的模块中有两个计数器, 这两个模块原理相同, 即用一组若干bit的移位寄存器 (即伪随机计数器) 来实现对输入时钟的分频。以计数器1为例作分析。
计数器1由一个7-bit预置右移寄存器为主体构成。当执行右移操作时, bit0茌bit1后移入bit6, bit6~1则依次右移位, 右移过程如下所示。
电路的工作过程如下:首先, 使通道1使能信号为1, 为计数器1提供时钟, 由于此时bit6~0都为“0”, 使得置数信号为“1”, 移位寄存器处于置数状态, 不断扫描寄存器$18~$17;一旦对$18~$17写入数据C1.6~1.0 (对应于bit0~6) , 并且C1.5~1.0不全为“0”, 则在时钟信号Q92的上升沿, C1.6~1.0被置入移位寄存器中, 在时钟信号Q92的下降沿对bit6~bit0进行检测:如果bit6~bit1全为“0”, 则Q64为“1”, 在下一个Q92的上升沿再次置数;否则Q64为“0”, bit6~bit0执行一次右移操作。这样Q64就是一个频率为fQ92/N的周期信号 (N=右移次数+1) , 即实现了对输入时钟的N分频。对应寄存器C1.6~C1.0或者寄存器C2.14~C2.8, 计数器1的分频N值如表2所示。
计数器2也是由一个7-bit移位寄存器构成, bit0~bit6对应于C2.14~C2.8。工作过程是:通道2使能信号为1;向$1C~$1B写入C2.14~C2.8。C2.14~C2.8与N的对应关系见表2。
2) 包络产生器
该模块为Alarm模式提供包络信号 (载频由通道1提供) , 电路基本结构为一个六级分频器及一个四合一与非门输出通道。工作原理:将64Hz的时钟信号K6进行64分频, 从中取出32Hz、8Hz、4Hz、1Hz的信号, 通过一个由C2.3~C2.1控制的四合一输出通道, 得到包络信号Q21。
3) 混合器
该模块将通道1和通道2混合, 然后加上音量控制和时间跟随, 输出声音信号。
以上分析的PSG模块可作多种用途, 如声音产生器、噪声产生器、警报声产生器以及遥控模块等, 音乐可从PSG端口输出。
可编程的声音是PSG的多种工作模式中的一种。这种语音信号处理模式跟传统的硬件电路处理语音信号相比有以下几个优点:
1) 可以通过软件选择16种时钟源作为PSG的时钟, 这样对于各种声音的产生在选择时钟源的时候提供了非常大的灵活性, 因为对于语音信号的处理时钟源是非常重要的;
2) 通道1和通道2的独立频率由寄存器C1.6~C1.0或者C2.14~2.8的值控制, 也就是说两个通道可以独立控制;并且每个寄存器有7位来控制频率, 语音芯片频率的多样性对于最终的效果有决定性作用;
3) 音量控制寄存器可选择音量大小, 这跟传统的语音芯片相比通过数字来调节音量, 大大提高了音量控制的精细度, 可以在编程过程中轻松修改音量控制寄存器的值来实现适合的音量;
4) 压缩比选择可改变音乐的音调, 这点也是非常重要的, 往往不同的客户、不同的应用需要不同的音乐音调, 通过改变压缩比来简单的实现, 再次体现了基于微控制器的语音芯片跟专用芯片相比的优越性。
PSG模块产生声音举例:通道1和通道2使能信号为1, 表示{通道1, 通道2打开}, 主振荡频率为OSCX=1.8M, PSG的时钟频率为该频率的16分频, 为112KHz;开关时钟频率=28KHz, 音量控制时钟频率为112KHz, 则波形图为:
5 结束语
本文介绍了几款量产的基于嵌入式MCU的音频芯片。在这些语音芯片中尝试了多种音频信号处理模式, 本文介绍了其中的三种, 这三种模式各有特点, 但非常肯定的是, 这几种模式都充分利用了MCU灵活多变的特点, 使得实现起来非常方便, 并且也很容易修改, 从而降低了开发成本, 在激烈的市场竞争中保持一定的优势, 因此基于MCU的音频处理芯片不失为今后的一种发展方向。
参考文献
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图像处理芯片 篇10
关键词：导航定位,处理器,基础运算,函数运算
卫星导航系统作为先进的测量手段和新的生产力,已经广泛用于国防建设和社会发展的各个领域[1]。作为比较成熟的卫星导航系统,全球定位系统(GPS)在人们的日常生活中发挥着重要的作用[2]。我国的北斗卫星导航系统也将在未来的10年中逐步实现全球覆盖[3]。因此,设计具有自主知识产权的卫星导航芯片成为应对不断发展壮大的卫星导航市场的当务之急。
卫星导航接收机可分成RF射频前端模块和数字基带信号处理模块两部分[4]。RF射频前端模块把接收到的卫星信号转变成数字中频信号,然后交给数字基带模块进行处理;数字基带模块对数字中频信号进行捕获和跟踪,并解调出导航电文,然后进行导航定位计算[5,6]。
以现有的GPS接收机为例,导航定位运算一般都是通过ARM处理器[7]或通用DSP芯片[8]进行。虽然这些通用处理器功能完善,但是资源庞大,结构复杂,对于导航定位运算来说会占用很多冗余资源,不仅造成资源浪费,而且功耗和成本也都大大提高。
本文针对卫星导航定位计算,设计了一种专用高精度运算处理器。该处理器基于自己的数据格式,不仅能够实现加减乘除等基础运算,而且通过数据调度和运算管理还能够计算导航计算中用到的各种函数(如sin(x)、cos(x)、arctan(x)等)。FPGA验证表明,该专用处理器运算速度快且精度高,同时具有很强的编程扩展能力。
1 数据格式和基础运算
本论文定义的数据格式把一个数通过二进制有效值和2的指数这两个部分的乘积表示,用40 bit表示一个数据,如图1所示。低33 bit表示二进制有效值,其中第32位是二进制有效值的符号位(0表示正号,1表示负号),第31～0位表示二进制有效值的绝对值;第39～33位表示二进制指数,其中第39位是指数的符号位(0表示正号,1表示负号),其余位为指数绝对值。例如,40’h07_0000_0009表示的十进制实数为-9×23,如图2所示。这种数据格式的表示方法与浮点数的表示方法类似,不仅能用较少的位数表示更大取值范围的实数,而且计算精度更高。
在这种数据格式的基础上运算处理器能实现的基础运算包括加法、减法、乘法、除法、取模、取余、阶乘(n!)和二次阶乘(n!!),这些运算都是导航计算所必须的基础运算。下面以加法、乘法、取模和阶乘为例,分别说明处理器基础运算的实现方式及精度保证措施。
(1)加法运算:首先判断参与运算的两个数指数是否相同,如果相同,则将两数的有效值直接相加;否则将两数的有效值进行移位使两数指数相同,然后再将有效值相加。
对有效值进行移位的过程是,首先判断指数较大数据(例如1大于-3)的有效值绝对值部分最高位是否为1,如果不为1,则将有效值左移1位,相应的指数减1,依此法重复,直到两数的指数相同为止;如果为1,则将指数较小数据的有效值绝对值部分无条件地右移1位,同时其指数加1,直到两数的指数相同为止。
指数相同时,有效值相加的过程是,首先判断有效值符号位是否相同,如果相同则有效值绝对值部分直接相加,符号位保持不变;否则判断有效值绝对值的大小,然后令大数减小数,相减结果的符号位与绝对值大的数据保持一致。减法的运算过程与加法类似。
(2)乘法运算:运算原则是指数相加,有效值相乘。指数相加过程是,首先判断指数符号位是否相同,如果相同,则将指数绝对值直接相加,符号位保持不变;如果不同,则判断指数绝对值部分大小,然后大数减小数,符号位与指数绝对值较大数的指数符号位保持一致。有效值相乘的过程是,首先判断两数有效值符号位是否相同,如果相同则令计算结果的有效值符号位为0,否则为1,然后再将有效值绝对值部分相乘。除法的运算原则与乘法类似。
(3)取模运算:首先将两数进行除法运算,令运算结果的有效值符号位与被除数的有效值符号位相同。由于取模运算即是获取除法运算结果的整数部分,所以判断除法运算结果的指数符号位是否为0,如果为0,则表明除法运算的结果本身就是整数,即为所求取模运算的结果;如果为1,表明除法运算的结果是个小数,需要将除法运算结果有效值绝对值右移1位,同时指数加1,重复此法,直到指数为0,得到取模运算的结果。取余运算思想与取模类似。
(4)阶乘运算:采用直接查表法。由于在导航定位运算中会用到阶乘运算,一般计算到20的阶乘就能达到足够的精度,所以用case语句实现20以内正整数的阶乘和二次阶乘。这种用逻辑电路产生数据的方法,不仅计算速度快,而且避免了存储器的使用。
以上所有基础运算的实现方式和数据的表示形式都是以误差最小、精度最高为目标,如果想要获得更高的精度则需适当地扩展数据的表示位数。
2 处理器架构
本运算处理器不仅能完成上述基础运算,通过数据的操作指令和基础运算指令的配合,还可以完成各种导航计算所涉及函数的运算,处理器架构如图3所示。
处理器主要由main模块、基本指令集模块、4个40 bi寄存器(A、B、C和D)、一个32×40 bit RAM和一个1 300×8 bit RAM构成。4个40 bit寄存器中的A、B和C寄存器用来存储操作数据,D寄存器存储运算结果数据;32×40 bit RAM是数据存储器,用来存储运算过程中会反复用到的中间值数据;1 300×8 bit RAM是函数子程序存储器,用于存储子函数程序。函数子程序存储器中存放导航定位运算中需要用到的所有函数的子程序。函数子程序通过控制基本指令集模块反复进行基础运算和数据调度,实现各种函数的计算。
基本指令集模块能够完成的基本指令包括:(1)置数指令,对指定寄存器或数据存储器置数;(2)数据传送指令(寄存器到数据存储器),将指定寄存器中的数据传递给指定数据存储器;(3)数据传送指令(数据存储器到寄存器),将指定数据存储器中的数据传递给指定寄存器;(4)数据互换指令,实现两个指定寄存器间的数据互换;(5)指针跳转指令,使程序指针跳转到子程序存储器指定位置;(6)定时指令,完成指定时间的延时;(7)比较指令,实现两数比较大小,用于收敛判断等操作;(8)运算结束指令,使程序指针停止增加,可通过外部指令唤醒;(9)基础运算指令(集),包括加法指令、减法指令、乘法指令、除法指令、取模指令、取余指令、阶乘指令和二次阶乘指令。为了便于硬件测试,还专门增加了将运算结果通过USB上传到PC的指令,该指令只用于开发阶段,把硬件计算结果返回到PC以便分析。
函数子程序存储器中存储的函数子程序指令包括:sin(x)指令、cos(x)指令、arcsin(x)指令、arccos(x)指令、tan(x)指令、cot(x)指令、arctan(x)指令、arccot(x)指令和开方指令等。这些指令都接受一个计算精度参数,当达到精度时即停止迭代,精度最高为10-7。
运算处理器接收的宏指令可以包含上述所有基本指令和函数指令,main模块的作用就是接收宏指令,判断接收到的宏指令是基本指令还是函数指令。如果是基本指令,则转发该指令到基本指令集模块,调用基本指令集模块完成操作,并将运算结果存储在寄存器D中,指令执行完毕。如果是函数指令,则给出相应函数子程序在函数子程序存储器中的起始地址,指针跳转到起始地址,按照函数子程序里的基本指令顺序执行。执行过程中会反复调用基本指令集模块,以及不断对寄存器和数据存储器中数据进行读取、存储或者交换等操作,函数子程序执行完,将得到的运算结果存储在寄存器D中,指令执行完毕。
下面以置数指令为例介绍指令传送格式。首先发送指令编号字节,每个指令的编号都由一个字节表示,置数指令的编号为8’h01;接着发送指定要赋值的寄存器或数据存储器的编号字节,同样由一个字节表示,8’h00～8’h23依次代表数据存储器0～31和寄存器A,B,C,D;最后发送数据字节,数据字节表示将要给寄存器或者数据存储器赋的值,由5个字节(40 bit)表示,如图4所示。例如发送指令字节为56’h01_21_00_00_00_00_16,其含义则是向寄存器B置十进制数22。
函数子程序存储器的大小是由导航定位运算需要实现的函数个数和函数子程序的大小决定的。如果需要增加函数个数,可以对函数子程序存储器的容量进行相应的扩展。
3 FPGA验证
运算处理器性能的好坏主要由运算速度、精度、功耗、成本等几方面决定。前面已经提到,本文设计的运算处理器是专用于导航定位计算的,没有其他冗余电路,所以占用硬件资源少,功耗低,其硬件实现也使得处理器速度很快。下面将主要针对处理器的精度进行测试。
将运算处理器的Verilog HDL代码编译后,下装到FPGA开发板里,然后通过USB向运算处理器发送宏指令,运算处理器接到指令进行处理,指令执行完毕后将得到的结果通过USB上传给PC,即可判断计算结果的正确性和计算精度。
以sin(x)计算为例,要想用基础运算来实现sin(x),则需要将sin(x)进行泰勒展开
由于sin(x)的周期性,且本系统具有取模运算能力,因此x的取值范围在[-π,+π]。图5所示为x在[-π,+π基本周期取值范围内,以0.01为步长的计算结果曲线,运算精度设为10-7。其过程为对每个x值进行sin(x)运算,将所有运算结果上传到PC并写在一个文件中,用Matlab读取文件并进行数据格式解释,然后对得到的结果绘图。可以看出,在整个周期内运算结果正确,同时,精度分析也表明计算精度能满足10-7要求。
由于所有三角函数和反三角函数都可以用泰勒级数展开的形式或者相互之间的算术关系来实现,而开方也可以用快速收敛的简单迭代公式y=(y2+x)/2x来实现,所以利用基本运算组合即可实现所有所需函数的运算。当然,在硬件支持的范围内,通过算法调度,用户也可以采用更好的算法实现函数计算。
本文设计了一个专用于导航基带芯片设计的运算处理器,不同于ARM等通用微处理器,这种运算处理器采用自己的数据格式,并完成了基于这种数据格式的基础运算以及多种数学函数的计算。FPGA验证表明,处理器计算迅速准确,精度符合导航定位计算的要求。由于它是专门针对导航定位计算优化的处理器,因而更节省硬件资源,可大大降低功耗和成本,在低功耗导航芯片设计中具有很强的实用价值。
参考文献
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