便携式系统

便携式系统（精选12篇）

便携式系统 篇1

传统的LED显示屏需要配合框架预制安装,由此构成一种固定式的屏幕播放系统。这种屏幕播放系统在楼宇、门楣、厅堂等处已广泛安装使用,对于相关单位也起到很好的广告宣传作用。但是这种固定式的屏幕播放系统,存在一定的使用局限性。如:不方便携带、占用空间大、给外出、移动中使用时带来极不方便,同时一般固定框架式显示器对比度不高,移动中的震动会带来显示质量不稳定、性能下降等诸多不良因素,特别强调提出—产品的质量体现是其市场存在的价值。

1 设计的初衷

目前在各种场合所使用的显示器,多为固定框架式,占用空间大、使用极为不便。研制新型OLED软屏幕播放系统,目的就是提供一种便携式OLED软屏幕播放系统,以克服固定式屏幕播放系统存在的使用局限性,拓宽电子屏幕的应用场合,提高显示器的性能、使产品的种类多样,有效地占有市场份额是开发者的目的。

2 新产品的特点

研制OLED屏幕播放系统质轻便携,军民两用,可用于会议及指挥演示、并可安装在移动的飞机、各种车辆、移动器及小型投影背景显示和展会广告演示等;其软屏幕对比度超高,所以在强烈日光下也可正常显示;同时软屏幕只在刷新屏幕内容时才用电,并有断电保持显示功能;软屏幕厚度与纸张相当,可任意弯曲折叠,有良好的柔韧;OLED屏幕播放系统整体结构一体化设计,装上电池接上PC机信号源之后即可演示;并可无线导航图像和接收电视图像等,OLED屏幕播放系统用时可伸、用后缩可收起;OLED软屏无需背光灯,可视角度达170°,节能显著;OLED软屏的反应时间快、高亮显示对比度高、全彩化、厚度薄、可卷屈,制作成本比LED屏幕低。

3 OLED屏幕播放系统先进水平

本产品的目的是提供一种便携式OLED软屏幕播放系统,克服固定式屏幕播放系统存在的使用局限性,扩大电子屏幕应用场合。OLED软屏是一种新研发出来“象纸一样薄”的新型显示器:(1)图像对比度高,在强烈日光下也可清晰显示;(2)没有液体物质、不怕摔、抗震性能更好,显示性能稳定;(3)本产品耐低温特性好,在-40°时仍能正常显示;(4)便携式OLED软屏幕播放系统有高亮便于显示导航图像和电视图像特点;(5)可安装于汽车、飞机及其它移动器上使用;(6)观看视角可达170°,适于在移动器的狭小空间内观看使用;用毕收起即可,不会占用过多空间,因此特别适用于军事野战指挥系统在野外战场指挥时的战况实时传输演示。另本产品质轻便携,还可广泛应用于招投标会场的现场演示、大型会议演示以及展览会广告演示等多种移动展示的场合,使用性能极强。

便携式OLED软屏幕播放系统(见图1),在套筒中穿接有转轴,在转轴上连接有OLED软屏,驱动电机装在所述套筒的一端,一体化的驱动模块和输入组件装在所述套筒的端部。本产品充分利用OLED软屏的软质特性,通过转轴将其卷放在套筒之中。使用时利用驱动电机的驱动,可使OLED软屏伸出套筒之外,接上PC机等的信号源之后,即可显示图像和文档等。演示完毕后,驱动电机动作,即可将OLED软屏再重新卷回套筒之中。

4 结构原理

套筒1为一轻质圆筒,筒壁中部有一条轴向开缝,供OLED软屏出入(见图1)。在套筒1中通过轴承支撑连接一根转轴2,OLED软屏3的上端连接在转轴2上,驱动电机4装在套筒1的一端,并与转轴2相接,以驱动转轴2转动。一体化的驱动模块和输入组件5也安装在套筒1的端部,并与驱动电机4电连接。图1中,在PC机6与本实用新型中的一体化的驱动模块和输入组件5之间连接上信号传输线之后,即可在本实用新型中的OLED软屏3上播放或演示图像和文档等。

5 结束语

便携式OLED软屏幕播放系统的出现,人性化的设计是市场需求的趋势。该软屏幕播放系统结合先进的技术和时尚理念而诞生,可伸可缩占用空间极小、高亮度白昼相差无几、机动性能好、节能、并具有断电保持显示功能、用途范围广,具有广阔的市场前景。

参考文献

[1] 程能林.工业设计概论(第二版),北京:机械工业出版社,2006

[2] 刘立红.产品设计工程基础,上海:上海人氏美术出版社,2005

[3] 席跃良,李珠志,李鸿明.色彩与设计色彩,北京:清华大学出版社,2008

便携式系统 篇2

便携式设备的大量运行在提高人们信息交互效率的同时，也增加了信息盗窃风险，因此对于便携式设备的防盗管理非常重要，而利用GSM技术、嵌入式系统设计、GPS定位系统、无线网络通信等技术对便携式设备防盗报警系统进行了全面优化改善，以便提高便携式设备持有者的信息安全，为便携式设备运行规模的进一步拓展提供依据。

1.系统总体设计

便携式设备报警系统整体设计过程中将以移动手机网络短信的形式将相关报警信息发送到便携式设备持有者的设备终端，然后利用GPS网络定位技术对便携式设备归属地进行跟踪定位，并将其具体位置移动情况与便携式设备持有者的联接网络进行实时互动。而防盗系统则可以在相关便携式设备不正常运行时自动开启设备停止或者设备持有者系统远程遥控等功能，并在设备内部相关构件出现运行风险时进行报警信息的及时发送，保证设备持有者信息的有效接受。同时该系统利用多信号采集模块设置的方式将整体设备情况与设备持有者、警务机构等相关机构进行了有效连接，在保证系统可重构功能的同时，也可以促使设备持有者的各项需求得到充分的满足。

2.系统硬软件设计

2.1系统硬件设计

在整体便携式系统硬件设计过程中，GSM技术的有效应用非常重要，由于便携式设备运行范围的限制，其在移动过程中会受到一定物理因素的影响，从而促使整体系统的稳定运行受到约束，因此可在无线控制系统的基础上，利用相关硬件设备最大限度的保障系统的稳定运行。在实际设计过程中，便携式设备硬件设计系统主要有热释电红外传感器、限位开关、LED闪光灯、触发蜂鸣器、SIM900A模块等，在实际运行中一旦出现设备被盗情况可依次触动相关设备，从而启动设备报警机制，而SIM900A模块则可以将相关报警信息以文字的形式传输到设备持有者信息终端，SIM900A模块可以通过相关机制的有效运行可将数据化信息转化为具体的文字模式，进而在手机等便捷信息传输设备的稳定运行下，便于便携式设备防盗定位功能的有效实施。

2.2系统软件设计

该便携式防盗定位系统主要软件程序主要包括接收发送报警信息、设备GPS定位、设备远程控制等几个部分，其中系统初始化过程中整体系统处于低耗能状态，即待机阶段。在便携式设备出现盗抢情况时可利用中断信号的设置促使整体设备进入待机阶段，然后在相应的中断服务支持子程序的运行下，可利用适当位置的位置标识进行中断信息的保留，并在整体时间运行完毕后实施中断程序，并将整体运行命令转移到相应的处理程序中，并在整体事件处理完毕后执行系统归零任务。即整体任务运行流程依次为初始化模块设备、系统模块调用、防盗模块调用、GPS模块调用、GSM模块调用、运行情况监测等过程，结合相关函数的有效配置及设置，可促使SIM900A、GPS等相关模块顺利执行防盗系统中所需命令，从而保证整体系统的顺利运行。

3.系统应用实践

3.1短信定位功能测试

短信定位系统功能测试过程中需要借用设备持有者信息接收终端及便携式设备内部安装的卡进行，为了节省系统测试负担，现阶段仅利用上述两个模块独立运行测试，其在设备持有者信息接收终端接收到相关信息后会通过SIM卡进行定位信息的自动获取，然后在整体网络平台顺利运行的情况下进行位置信息的有效传输，同时在网络GPS定位软件的正常运行下，设备持有者也可以对定位信息进行实时监控管理。

3.2声光及短信报警功能测试

声光报警功能测试主要通过触发点相关控制模块的促使进行，即通过设置相应的触发位置及控制模块调整，结合声光报警器的启动响应，对蜂鸣器的发声情况、LED灯的点亮情况进行综合判定分析。短信报警测试与声光报警功能测试相同，其都需要利用触发点及控制模块内相关硬件设备的控制，进行短信报警显示功能测试，在短信发送设备将相关信息发送到便携式设备持有者的相关网络终端后，会随之利用设备回执的方式促使报警信号相应或者结束，一般在系统会在等待一段时间后进行间隔报警措施。

3.3数据误差处理

在上述设备系统测试完成后可在同样的触发点位置进行重复测试，以降低系统测试误差概率，在后续测试过程中可适当增加触发点的设置，如在一定区域内设置10触发点进行定位数据获取，然后在获得具体的定位数据后可进行数据处理措施，可获得500组数据，将上述数据与真实数据进行比较分析之后可得到具体的误差数值，在得到具体的误差数值之后可利用相关数据的经纬误差得到最终误差系数，即为-0.00029,0.00031.基于上述经纬误差系数可进行误差补偿措施，进而进行数据误差补偿数据的修正处理，即利用SIM900A模块将修正数值进行终端输入，然后进行修改量添加，降低系统误差。

4.总结

综上所述，在整体网络式便携式设备防盗定位系统中，GSM、GPS、SIM技术发挥着至关重要的作用，其可以通过便携式设备的运行情况分析进行报警信息的有效传输，同时结合相应的设备实时定位措施对设备的安全运行提供了全面的保障。通过防盗系统运行测试可得出各个独立模块精确运行的特点，而由于各项模块的独立运行这一优良特性，可促使其在实际使用中相关模块的独立应用，从而降低设备防盗经济损耗。

参考文献

便携式注水肉测量系统设计 篇3

摘要：AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片。本文利用AD5933和单片机等器件设计了一款注水肉快速检测系统，该系统能够实时检测受检肉类的阻抗谱信息，然后与标准肉类的标准阻抗数据进行比较，从而判断受检肉是否注水肉，为注水肉的检测提供了科学的判断标准。本系统阻抗的测量范围为100Ω～10MΩ，频率分辨率小于0.1Hz，精度为0.5%，能够满足一般肉类阻抗频谱测试的要求。

关键词：AD5933 注水肉 检测 设计

1 概述

注水肉是肉品经营人用强制的手段往肉里注水，以水增重来多卖钱的一种损害消费者利益的违法肉，不法商贩为谋取暴利，市场上的注水肉也越来越多，成为严重威胁人们身体健康的一大公害。

本文采用STC89C52单片机作为控制器，利用电极、阻抗测量器件AD5933、放大电路、4位LED数码管等器件，设计了一款高精度的肉类水分测量系统。该系统能够实时检测受检肉类组织的阻抗数据，通过一系列的科学计算得出受检肉类是否注水，从而为执法部门检验注水肉提供有力的证据，在很大程度上保障了人民的生命财产安全。

2 肉类水分测量原理

2.1 肉类水分与阻抗的关系

通过对家禽肉类在无线电频率[4]范围内导电特性的研究发现，肉类的水分与阻抗特性基本成对数关系：

ZX=a+log■■（1）

式（1）中，ZX为肉制品的阻抗，M为肉制品水分含量，a、b均为常数，取值与被测肉类的品种有关[1]，且0

2.2 AD5933阻抗测量方法及原理

AD5933是一款高精度的阻抗测量芯片，它是基于比例测量的方法来测量阻抗的，其测量原理非常简单，用一个运算放大器接成电压并联负反馈结构即可[2]。AD5933的比例测量原理如图2所示。

图2中，在输入接入一阻抗ZX，在反馈回路接入一反馈电阻RFB。由理想运放的“虚短”“虚断”，通过推导，有：

ZX=■=■=-R■×■（2）

3 系统硬件组成及实验测量结果

本系统的硬件电路组成框图如图3所示。

信号发生器产生的标准信号经被测样品的衰减，得到与水分含量成正比的水分测量信号，阻抗测量信号放大后经信号调理电路转换成数字信号，送给单片机进行数据处理，并与标准肉类的阻抗数据进行比较，直接判断受检肉是否注水。

阻抗测量电路主要由AD5933来完成[3]。若AD5933的VOUT峰峰值为2V（2Vp-p），对3块不同的受检肌肉，在常温下（25°C），选用不同的反馈电阻RFB和标定电阻R，对受检肉的阻抗模Z■的测量和计算结果如表1所示。

表1 系统对多块受检肉的测量结果

■

标定电阻R的精度要求较高，这样在一定程度上可保证阻抗ZX的测量准确性。由于AD5933内部A/D转换器的最高输入电压U为2V，经过推导和计算，对每次测量选用3种不同阻值的标定电阻R，并使反馈电阻和标定电阻的比值RFB/R保持在0.2和0.066之间，这样就可以保证A/D 转换器工作在线性工作区。

4 结论

由AD5933将ADC转换器输出的数字信号经I2C总线送给单片机进行处理后，直接在显示器上显示受检肉类的阻抗数据，然后与未注水的标准肉类的标准阻抗数据进行比较，从而得出受检肉是否合格肉或注水肉。

利用高精度的阻抗测量器件AD5933对受检肉类的阻抗进行实时检测，从而为注水肉的检测提供有力的判断依据，在一定程度上打击了某些屠宰场的不法行为，保障了人民的生命财产安全。经过实验测试，该系统具有安全可靠、测量准确、不破坏受检肉、成本低廉等优点。

参考文献：

[1]杨宇祥，王珏，牛飞龙，等.基于AD8302的生物阻抗频谱测量仪的研制[J].仪器仪表学报，2006，27（06）：168-170.

[2]傅元，吴然，韩吉声.AD5933测量水电导率电路设计中的若干问题[J].仪表技术与传感器，2011（7）：63-65.

[3]黎步银，黄兆祥，幸会，等.基于AD5933的阻抗频谱测试系统设计与实现[J].微计算机信息，2008，24（10）：288-290.

基金项目：受2013年国家级大学生创新创业训练项目资助，项目编号：201310702003。

便携式HGB测量系统设计 篇4

HGB(Hemoglobin,血红蛋白)是人体血液中红细胞内的主要成分,它具有易与氧和二氧化碳结合的特性,是呼吸系统的载体。HGB低于正常值时,就是常说的贫血。HGB测量仪主要应用在手术室、血液科、急诊室、新生儿监护和运动员体检等场所,是很多疾病重要的诊断手段,因此准确快速的测量HGB浓度在医疗上尤为重要。目前,HGB测量仪价格昂贵,国产血红蛋白仪体积庞大,操作复杂,测量结果易受外界影响,且稀释和溶血需要较长时间。

本文报告开发了一种基于嵌入式的便携式HGB测量系统,它利用双波长法实现HGB浓度的测量。该系统可以快速准确地测量HGB浓度,降低HGB测量仪的造价,可应用于各种相关场所。

1 HGB浓度测量原理

1.1 双波法测量原理

目前,测量液体浓度的方法主要有化学中的渗透法[1],测量糖溶液浓度的旋光仪法和光纤浓度测量技术等。本设计采用双波长法测量血红蛋白。较以上诸法更为便捷,高效。

假设波长为λ1和λ2的两种光分别通过血红蛋白溶液,如图1所示:

由比尔-朗伯定律得:

其中,Lin1为输入样本的光强,Lout1为输出样本的光强,[C]为样品浓度,K为吸收系数(特定的每种分子),L为容器皿的厚度,As1为外界环境对光的吸收度。同理,可得波长为λ2的关系式。将两式相减可得:

因外界环境相同,即有As1=As2。根据光电发光管的光敏感性S(λ)=isc/L,其中isc为发光管的短路电流,L为光强,将短路电流转换为电压,再经V—F转换,则有:

因为常数,所以[C]和成正比,通过测量,即可求得血红蛋白的浓度。

1.2 波长的选择

波长选择原则:波长λ1和λ2处,干扰组分应具有相同吸光度,这样才能保证AS1=AS2,提高测量的精度;在选定的两个波长λ1和λ2处待测组分的吸光度应具有足够大的差值,否则lg[Iout(λ1)/Iout(λ2)]的值很小,会给测量带来很大的误差;波长λ1和λ2处光电接收器要有足够的相对感度,这样才能提高系统的灵敏性。根据表1可以看出,红色物质对蓝光和绿光的吸收最高,蓝光的波长为470-480 nm,绿光的波长为530-540 nm。

从图2可知,氰化高铁血红蛋白溶液对蓝光和绿光的吸光度都比较高,都能满足设计的要求。但从图3可知,蓝光的相对敏感度很低,而绿光的相对敏感度大约为蓝光的2倍,因此本系统选用绿光作为测量光源。

2 系统硬件

本系统包括S3C44B0X微处理器[2]为核心的ARM控制与数据处理单元,HGB测量光源控制模块,光电转换模块,ADC模数转换模块,数据存储器,键盘以及LCD。具体系统构架如下图4所示。以下介绍系统主要功能模块。

2.1 HGB光源产生电路

HGB测量仪光源主要由SPX1117(5 V)稳压源,红、绿发光二极管,两个用于控制的三极管构成,如图5所示。ARM控制单元通过改变两个三极管截止或者饱和的工作状态,以控制两个LED发光二极管一个工作一个不工作,使其发出红光或者绿光。因流过发光二极管的电流为恒定值,所以LED能发出光强稳定的红光和绿光。

2.2 光电转换的设计

光电转换电路是衔接光源产生电路和后续电路的部分。它把光信号转换为电信号,送至AD采样,为后续的信号处理电路提供数据。它的稳定性决定了光信号处理部分能否正常工作。当有光照射到接收管时,光接收管产生电流,电流流过运放的跨阻,在运放输出端产生负电压U0。根据光电二极管对波长为λ的光波的敏感性S(λ)=isc/I(λ),及运放输出U0=isc×R,可得接收光强I(λ)和U0成正比,从而通过测量运放输出电压即可测量光电二极管所接收的光强I(λ)。

光电转换电路可采用零偏结构和反偏结构。反偏结构接收管的阳极加一负电压VEE,与零偏结构电路相比,适合高速应用并能大大降低接收管的极间电容C。极间电容的降低对光电转换电路噪声的降低将有重大的意义,因此本设计中采用反偏结构。

2.3 A/D转换电路的设计

A/D转换器分为直接A/D转换器和间接A/D转换器[4]。其中间接的A/D转换器又主要分为电压-时间转换型(VTC)和电压-频率变换型(VFC)两类。电压-频率变换型转换器,工作稳定,线性好,精度高,电路简单且其抗干扰能力强。因此本设计采用VFC转换方式。

本设计选用A D654芯片来实现,其原理如图6所示。将光电转换输出的模拟电压U0经VFC变换,线性地转换成数字脉冲式的频率。由S3C44B0X读入其内的计数器在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数,所得到的计数结果即为正比于输入模拟电压的数字量。其工作原理如图7所示。

3 系统软件设计

本设计的软件部分主要功能是协调各模块的工作以及数据的分析处理。系统软件工作流程图如图8所示,主要涉及S3C44B0X芯片的定时器,中断控制器和LCD控制功能。

系统初始化后进入主菜单,进行功能选择。按1键对18岁以下人群进行测量,按2键对18～60岁人群进行测量,按3键对60岁以上人群进行测量,按4键对测量人群进行统计显示,按5键进入系统校正模式,对系统精度进行校准。选择1-3或者5后进入测量功能,测量完成后将数据送入ARM进行处理,然后将处理完的数据存入数据存储器,供输出显示。

3.1 测试模块设计

测量部分利用ARM芯片的外部中断2对输入的频率进行计数,利用定时器3的计数中断来确定计数的时间。系统初始化后开启定时器3,当产生第一个定时中断时,LED发红光;当产生第二个定时中断时,开启外部中断2,对红光开始计数;当产生第三个定时中断时,关闭外部中断,将计数值传回ARM控制单元,点亮绿灯;当产生第四个定时中断时,开启外部中断2,对绿光频率进行计数;当产生第五个外部中断时,关闭外部中断2,将计数值传回ARM控制单元,之后由ARM处理输出。软件工作流程如图9所示。

4 系统测试

4.1 系统校准

由式(3),并假设,[C]为y,则y=ax+b。即可测量多组样本的x和y,用拟合的方法[5]得出a和b的值。以后,只需要测量两个波长的光通过HGB溶液后的光强,即可测量出HGB溶液的浓度。用半自动血液分析仪F820测得的氰化高铁血红蛋白溶液浓度作为标准来拟合a、b的值。首先,利用医用注射器将氰化高铁血红蛋白溶液缓慢打入比色池中,连续推动注射器6次,记录下6次的x值,测量数据见表1。以x的平均值为横轴,对应的y为纵轴,建立直角坐标系画出lg(f2/f1)和溶液浓度的关系曲线,两者成线性关系,用Matlab拟合a、b的值。得到a=-1376,b=889.8。从而可以得出血红蛋白溶液浓度为:

4.2 系统测量稳定分析

因为lg(f2/f1)和溶液浓度成线性关系,所以我们可以通过测量lg(f2/f1)的稳定性来确定系统的稳定性。我们对同一样本进行14次测量,分别记录lg(f2/f1)的数据如表2:

从表2可以得出:lg(f2/f1)的平均值为A=0.6380,lg(f2/f1)的方差为0.455×10-6,测量值偏差很小,可见系统的稳定性较好。

5 结束语

本设计采用了S3C44B0X微处理器作为核心控制和数据处理单元,以嵌入式技术和血红蛋白浓度测量原理为基础,利用双波长法实现了血红蛋白浓度的测量,具有较好的稳定性。本设计相较于现行市面上的HGB测量仪,测量周期短,体积较小,便于出诊携带,仪器成本低,操作简单,具有友好的人机交互界面和多人测量数据统计功能,具有较好的应用前景。

参考文献

[1]Keiji Fujimoto,Principle of measurement in hematology analyzers manufactured by sysmex corporation[J].Sysmex Journal International,1999,9(1):43-60.

[2]http://www.samsung.com/Products/Semiconductor/MobileSoC/ApplicationProcessor/ARM7Series/S3C44B0/S3C44B0.htm,SUMSANG Co.,Ltd.,2005

[3]田泽.嵌入式系统开发与应用教程[M].北京航空航天大学出版社,2005

[4]孙肖子,杨颂华.数字电子技术基础[M],电子科技大学出版社,2000

[5]刘广.介绍一种人工校准血液分析仪的简单方法[J].陕西医学检验,1996,11(2):48.

便携式系统 篇5

摘要：GPS是全球定位系统的简称,目的是在全球范围内对地面或空中目标进行准确定位和监测。文章讨论了GPS模块TU-30的工作原理，介绍了其在便携式导航系统中的应用，给出了这种GPS模块与单片机的接口电路。

关键词：GPS;TU-30;单片机;卫星定位;导航

1GPS系统简介

GPS是GlobalPositioningSystem的缩写，即全球定位系统。其目的是在全球范围内对地面和空中目标进行准确定位和监测。随着全球性空间定位信息应用的日益广泛，GPS提供的全时域、全天候、高精度定位服务将给空间技术、地球物理、大地测绘、遥感技术、交通调度、军事作战以及人们的日常生活带来巨大的变化和深远的影响。

目前的民用GPS设备包括测量型和导航型。其中测量型产品的精度可达到米级甚至毫米级，但至少需要两台(套)才能达到设计精度要求，而且其内部结构复杂，单机成本一般在几万到几十万，适合专业高精度测量环境使用;导航型产品，由于其使用者对精度要求不高，一般为几十米，因此机器内部硬件相对简单，只须一台就可以完成导航工作，加之其价格相对较低，因而更有普及和推广价值。

GPS系统一般由地面控制站、导航卫星和用户接收机三大部分组成。导航卫星至少24颗，均匀分布在6个极地轨道上，轨道的夹角为60度，距地平均高度为20?200公里，每12恒星时绕地球一周。

GPS信号接收机的任务主要是捕获一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，同时对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，最终实时计算出现测站的三维位置、位置、甚至三维速度和时间。

静态定位时，GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中固定不变，接收机通过高精度测量GPS信号的传播时间，并利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所在的运动物体叫做载体(如航行中的船舰，空中的`飞机，行走的车辆等)。由于载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中将相对地球而运动，这样，接收机用GPS信号就可实时地测量运动载体的状态参数(瞬间三维位置和三维速度)。

接收机硬件、机内软件以及GPS数据的后处理软件包构成了完整的GPS用户设备。GPS接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元则置于测站附近的适当地方，并用电缆线将两者连接成一个整机。实际上，也可以将天线单元和接收单元制作成一个整体，而在观测时将其安置在测站点上。

GPS接收机一般用蓄电池做电源，同时采用机内机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，以防丢失数据。

2TU-30GPS模块简介

TU-30模块是美国罗克韦尔公司的GPS产品，其特点是体积小、接口简单、可靠性好。模块的组织结构是一个用于接收GPS信号的单片机小系统。GPS信号接收部分由Rockwell自行设计开发的芯片及其外围电路组成。其控制内核是一个DSP处理器，该处理器具有很强的数据运算处理能力，并有两个串口和时钟输出;外围电路有实时时钟，并带有E2PROM(保存重要参数)、SRAM、ROM等存储器，可对相关重要信息数据进行存储、交换;此外，还留有DGPS接口。该模块的卫星采集启动方式分为4种模式：热启动方式、初始启动方式、冷启动方式、冻结启动方式;而导航模式则有3维模式、2维模式和DG-PS模式3种。图1所示是该模块的硬件结构。

TU-30GPS模块留有天线接口，可以用同轴电缆与天线进行连接，天线可延长30米。此外，它还留有20Pin应用接口，可方便地与单片机、PC机等设备进行接口。

表1TU-30GPS的模块中的20针接口定义

接口功能Pin1前置放大电源输入Pin25V电源输入Pin3电池电源输入Pin5主复位输入Pin7NMEA协议选择Pin8ROM默认选择Pin11串口1数据输出Pin12串口1数据输入Pin14串口2数据输出Pin15串口2数据输入Pin191PPS时间标志输出PinkHz时钟输出Pin4,6,9,17无连接NCPin10,13,16,18接地

3GPS模块的串行数据接口规范

GPS模块的应用关键在于串口通信协议的制定，也就是模块的相关输入输出协议格式。它主要包括数据类型与信息格式，其中数据类型主要有二进制信息和NMEA?全国海洋电子学会?数据信息。这两类信息可以通过串口与GPS接收机进行通信。这里重点介绍TU-30的二进制信息字格式与字结构。TU-30的传输速率为9600bps，无奇偶校验，有8位数据位，1位停止位。其二进制信息字格式包括信息头、头校验、数据、数据校验等。

TU-30中的每个信息都有头，但不一定有数据，信息的应答和请求以头的形式完成。二进制信息头通常由如下五个字组成：

Word1：1000000111111111;

Word2：信息ID;

Word3：数据子计数;

Word4：应答/无应答;

Word5：头校验。

头校验计算公式为：

一般情况下，二进制信息数据由如下4个字组成：

Word6：触发;

Word7：间隔;

Word8：偏移量;

Word9：数据校验。

头校验计算公式为：

TU-30中的每个字均为16位，有无符号整型和有符号整形之分。按字长又可分为单精度(16bit)、双精度(32bit)和三精度(48bit)。保留位输入时为0，独立定义位域标志位时可为0或1。

TU-30中的输出信息如下：

信息位置状态输出(经度、纬度、时间、高度等);

信息ID为1000，信息长度为55个字;

ECEF状态输出：信息ID为1001，信息长度为54个字;

通道摘要?信息ID为1002，信息长度为51个字;

通道测量?信息ID为1007，信息长度为154个字;

…

用户设置输出：信息ID为1012，信息长度为22个字;

内建测试结果：信息ID为1100，信息长度为20个字;

测量时间标记：信息ID为1102，信息长度为253个字;

串口通信参数：信息ID为1130，信息长度为21个字;

EEPROM状态：信息ID为1136，信息长度为18个字。

下面是TU-30的输入信息描述：

测量位置和速度初始化：信息ID为1200，信息长度为27个字。现以此为例来介绍各信息字的具体含义：

字1～4：信息头;

5：头校验;

6：序列号;

7：初始化控制;

8～16：GPS时间、日期;

17～18：纬度;

19～20：经度;

21～22：高度;

23～24：对地速度;

25：卫星轨道仰角;

26：爬升率;

27：数据校验。

下面是TU-30的其它信息，其具体内容可参见相关文档。

用户数据定义：信息ID为1210，信息长度为20个字;

地图选择信息数据：信息ID为1211，信息长度为8个字;

卫星仰角屏蔽控制(0～±л/2)：信息ID为1212，信息长度为8个字;

卫星选择：信息ID为1213，信息长度为10个字;

差动GPS控制：信息ID为1214，信息长度为9个字;

冷起动控制：信息ID为1216，信息长度为9个字;

定位方法校验标准：信息ID为1217，信息长度为13个字;

无线类型选择(主动/被动)：信息ID为1218，信息长度为8个字;

用户登录高度输入：信息ID为1219，信息长度为12个字;

应用平台控制(默认、静态、海洋、陆路、空中)：信息ID为1220，信息长度为8个字;

串口通信参数信息：信息ID为1221，信息长度为15个字;

导航配置信息：

信息协议控制：…

以上相关信息通常都保存到模块的EEPROM中。

4与单片机构建的便携式导航系统

4.1硬件结构

设计时，通常将TU-30模块的串口1与单片机的串口相连接，模块与天线的连接可以加一级前置放大器。天线可选用东芝天线，也可以专门定制。可选用LCD屏显示经纬度、时间、高度等数据。电源采用4节碱性电池，易于更换。

MCU可选用德州仪器的MSP430flash(F13X)系列。MSP430系列为16位单片机，处理速度快，功耗低，体积小，适合在便携式仪器上使用。同时，MSP430单片机支持C语言，易于编程。

屏幕菜单采用字符型西文显示，可缩短开发时间、降低成本，很适合于民用;也可以选用大屏幕彩色点阵液晶，它界面友好、美观，但软件工作量大，硬件成本高。键盘可选择3个触摸键，菜单功能全部可用软件实现。因为MSP430单片机的电源为3.3V?而TU-30的电源为5V，所以?需要用DC-DC电源转换模块进行处理。如果采用充电电池?则还需要充电电路。GPS模块与单片机的接口原理如图2所示。

4.2软件设计

图3所示是TU-30GPS模块的软件流程图。该软件的编写主要是设置GPS模块与MCU之间的串口通信、参数显示及人机接口。主要包括初始化、串口通信、数据处理、故障提示、显示、键盘处理、电源管理等部分。其中初始化包括MSP430中各种寄存器的配置、串口相关参数配置(波特率，模式)及外围电路(LCD、电源等设备检测)的初始化等;

串口通信包括数据发送、接收、校验，通信故障提示等;数据处理主要是对接收数据的解码、存储和数据刷新等;故障提示包括设备故障、通信故障、电源故障等。电源管理主要是电源欠压提示和当前电源状态显示。

另外，设计时还应注意GPS模块的天线要求，具体有以下两点：

(1)天线增益应为30dB，阻抗应为50Ω。

(2)无线频率信号环境方面要求，即RF输入L1的载波频率应为10MHz，带宽中心点应为0dBW。5结束语

GPS导航设备的应用着重于多卫星系统、远距离监控以及多功能显示等方面。使用多卫星系统(如GNSS综合导航定位系统)进行导航定位时，卫星较多可保证实时定位的精度与可靠性。

便携式系统 篇6

关键词：汽车故障 智能诊断 故障诊断专家系统

汽车电子化提高了车辆的操控性能和可靠性，但也使汽车故障诊断发生了质的变化,即由传统的人工经验诊断方法转变为用使用现代诊断设备或仪器读取电控单元的各种数据以及对数据流进行分析，从而判别出故障类型和确定出故障部位。本研究根据汽车电控汽车故障特点，提出了将专家系统和多传感器数据融合理论相结合，开发一类便携式电控汽车故障智能诊断系统，进行现代汽车故障诊断与维修。

一、故障智能诊断系统结构设计

汽车故障智能诊断系统结构设计如图1所示，主要由诊断对象（电控汽车）、电控单元（ECU）、故障智能诊断系统等组成。汽车电控系统中电控单元为从机,既可独立工作又负责向故障智能诊断系统提供其内存的故障诊断所需信息；故障智能诊断系统为主机，主要由数据驱动模块、单片机等组成，其功能是随时接受电控单元的信息并可对从机发布指令等。故障智能诊断系统通过CAN数据总线实现数据传输，其核心部件采用IC18F468单片机，CAN驱动控制器和数据驱动模块的接口采用PCA82C250T实现对数据的发送和接受。故障智能诊断系统一方面可以接受电控单元的信息如发动机运行参数、故障码等；另一方面可以向电控单元发布命令如写入数据、指令发动机运行测试工况等，其诊断通信程序包含底层通信和上层通信，其操作平台相对独立，底层通信采用汇编语言编写，直接对硬件操作；上层通信则采用C语言编写，以便与诊断界面链接。故障智能诊断系统作为主机根据不同的检测对象发送不同的诊断请求，进行协议封装后，由驱动模块调用输入输出（I/O）模块输出至CAN网络；电控单元作为从机，根据接收到的信息执行相应的功能。

二、故障智能诊断系统功能模块设计

故障智能诊断系统运行流程如图2所示。 在故障智能诊断系统中，知识库管理模块、解释模块、推理模块和综合数据模块等作为独立的模块，这样既符合结构化程序设计，便于程序的调试、维护和系统功能的拓展，又利于知识库管理模块的维护和保证推理模块的独立性，为以后在此基础上开发工具系统提供了可行性。

1、知识库管理模块

知识库管理模块主要包括以下几种类型的知识：

1）结构和功能知识：结构和功能知识用于描述电控汽车各部分结构及它们之间的连接关系。按照电控汽车故障特点，将诊断知识分块化，在诊断过程中可以根据实际需要调用相应的诊断知识，加快诊断知识的搜索。

2）专家诊断知识：专家诊断知识是电控汽车故障诊断的精华。主要用于识别和诊断故障，在诊断专家系统中建立规则库，通过故障树分析法在规则库中获取专家的专门知识和经验。

3）过程知识：指诊断中最基本的诊断子任务或复杂计算方面的知识或有确定顺序关系的动作等。在诊断专家系统中，过程知识主要采用C语言中的子程序或函数形式来表达。由于允许过程中调用各种子过程，甚至调用自身，所以可以把过程知识表示成层次嵌套结构。只要调用接口不变，局部知识的更新并不影响全局知识的表示。因而过程知识具有模块化层次性的优点，推理时可以采用直接求值的推理方式。

系统通过建立诊断单元、规则库、过程知识相结合的知识库管理模块，较好地表达了领域的结构和功能知识以及专家的经验知识，诊断单元知识库和规则库的相对独立结构，不仅便于推理模块的设计和系统行为的解释，而且有利于知识库的管理。

2、解释模块：

解释模块是专家系统重要特征之一，它用于对推理思维进行提问和对含义给出必要的清晰的解释，为用户了解推理过程以及系统维护提供方便。

3、综合数据模块：

综合数据模块用于存储专家系统故障诊断工作过程中问题的初始数据、系统推理过程中得到的中间结论、最终结果和控制运行的一些描述信息的存储集合，它是在运行期间产生和变化的“动态”数据库。

4、推理模块

推理模块是专家系统的“思维”机构，是构成专家系统的核心部分之一。用于协调控制整个系统，其任务是模拟领域专家的思维过程，控制并执行对问题的求解。

推理模块目的是找出产生故障的功能部件。系统推理模块采用正向推理的控制策略，它根据用户提供的初始故障现象或推理所得的中间结果，找出一个或多个与该现象和事实相吻合的预选诊断单元形成假设，然后由用户输入的信息、数据库中提供的数据及诊断单元结构之间本身所具有的联想关系，找到最底层的诊断单元，将最后一级的诊断单元作为本次推理的结论，并开始下一级的推理。

规则库的目的是进行故障定位。它是在诊断单元推理的基础上，根据故障树中的各事件及获取的规则进行推理，查找故障原因，从而完成故障的最终定位。

在诊断专家系统的推理模块中，诊断单元推理控制规则库推理的运行，规则库推理又调用诊断单元推理模块，二者互相控制，从而使推理模块更符合专家的思维过程，而且通过构造这样的推理模块，减少了推理的盲目性，从而提高了推理效率。

三、结论

故障智能诊断系统采用以故障树分析为基础的层次诊断策略和以专家系统为主的诊断方法，建立诊断单元、规则库、过程知识相结合的知识库管理模块，较好地表达了领域的结构和功能知识以及和专家诊断的经验知识。推理模块采用正反向混合推理的控制策略，使系统的诊断推理过程更接近领域专家的实际决策水平。

1、故障智能诊断系统可以诊断出电控汽车大部分的电控组件和机械组件故障；

2、故障智能诊断系统结合了专家知识和多传感器数据融合理论，对较复杂的故障提高了判别可信度；

3、故障智能诊断系统的正确率依赖于专家系统和经验数据库的丰富程度，随著对实际诊断过程的学习，故障智能诊断系统判别故障的可信度会不断提高。

参考文献：

[1]成曙．在线混合诊断专家系统在柴油机故障诊断中的应用［C］．第5届全国故障诊断学术会议，1996：406－410．

[2] 李宏坤，马孝江，王珍．基于多征兆信息融合理论的柴油机故障诊断［J］．农业机械学报，2004（1）：121-124．

[3] 周兴利，杨海，冯静，卓斌．电控柴油机智能诊断系统研发［J］．车用发动机，2006（6）：39-42．

便携式心电监护仪采集系统设计 篇7

一、系统整体设计

心电信号采集系统框图如图1：主要包括导联系统;保护电路;前级放大;右腿驱动;后级放大及滤波;电平提升等几部分组成。采集电路的任务是从噪声中提取心电信号, 并将它放大到合适的电平提供给A/D转换电路。从导联系统中得到的心电信号先要经过前置放大电路, 进行初级放大, 被处理后的信号具有低噪声、低漂移、低共模信号等性能，此时通过带通滤波和50Hz陷波进一步滤除干扰, 再由二级放大电路放大到合适范围后, 通过电平提升电路将信号转变符合A/D转换输入要求的模拟信号，从而进行高精度的模数转换和采集存储。

图1中前置放大电路采用了AD公司的高性能运放AD620;二级放大、右腿驱动电路及陷波其采用的是运放LF444;带通滤波电路和电平提升电路由运放TL084组成。

二、电路设计

1. 前置放大器设计

AD620的增益通过电阻Rg的设置来实现，或更精确地通过1脚和8脚之间的阻抗来确定，可达1～100倍，计算公式为：G=49.4/Rg+l。为防止前置放大器工作于饱和区或截止区，其增益不能过大，这里取10左右。前置放大电路可见图2。由图可见前置放大倍数为：

为提高前置放大器的共模抑制效果，这里采用了右腿驱动电路，见图2。它由LF444的一路运放及R9、C3组成。在电路中共模信号由R5与R6检出，经过LF444的倒相、放大并且反馈到人体上。事实上这就构成了一个负反馈，人体的偏移电流不直接流到地，而是连接到辅助运放的输出端，从而降低了共模电压，很好地降低了仪表放大器对共模电压的检取。经过右腿驱动电路后，使整个心电放大电路的共模抑制比达到100dB以上，能够使50Hz工频干扰电压降低道1%以下，并不以损失心电图频率成分为代价。

在采集系统中由身体进入仪器的大电流往往会使前置级阻塞或损坏，造成心电检测无法正常进行，对于这种情况，可以在两输入端各自接入一对反相串联的齐纳二极管，由于其对地漏电流很小，因此在特殊情况下对放大器进行保护。(见图2上方部分电路)

2. 导线脱落检测电路

由于患者在使用心电监护仪时行动是不受限制的，从而使贴在患者身上的导联有可能发生松动或脱落。此时，导联的脱落检测就显得十分重要。如果导联松动或脱落，心电信号就不能采集，从而不能进行心电监护。本设计在AD620的输出端设有电极脱落检测电路。当电极脱落或没有佩带好时，放大器输人端悬空，空间的耦合干扰将在AD620的输人端产生大的极化电压，经过AD620前置放大后将会输出一个高幅值的电压信号，因而可以通过一个窗口比较器，当电压超过范围时则认为电极脱落，此时窗口比较器翻转，电平转换产生电极离线报警信号。

3. 滤波电路设计

人体的心电信号主要频率在0.05Hz～100Hz内, 根据心电信号滤波的特点和要求采用高通滤波器和低通滤波器来压缩通频带。

本文采用TL084D的两路运放分别设计二阶压控有源高通和低通滤波器。如图2所示。其中一路运放与C7、C8、R14、R15构成高通滤波器，为不损失心电信号的低频成分，其截止频率设计为;另一路运放与C9、C10、R16、R17构成低通滤波器，同样，为不损失高频成分，截止频率设计为符合心电信号滤波要求。(见图2右下角部分电路)

尽管在前置放大电路中，我们采用了低噪声的集成运放来抑制50Hz工频干扰，但往往在不同环境中实际测量时，市电电源的干扰和磁场感应不能完全消除。因此实际电路中我们需要设计一个具有50Hz陷波功能的滤波器来消除工频干扰。本设计采用了Q值可调的非对称双T有源带阻滤波器，可实现用单一电位器调整陷波器的中心频率。

在本设计中，取C4=C5=C6=C=0.047μF, R12=6.2k, R13=150k, W1=11k，可以通过调节电位器W1=W1L+W1R来调整陷波器的中心频率。陷波器的中心频率为，由于W1可调，则中心频率的范围为：

由此可得中心频率在38.5～61.9Hz变化，从而满足当前50Hz和60Hz的市电信号陷波要求。由于电路中LF444的两路运放都是跟随器，其输入阻抗高，输出阻抗低，因此不影响双T电路的谐振频率，可获得较高的Q值并保证了有用信号不被衰减。

4. 二级放大电路及电平提升电路

心电信号的幅度范围为0.05～5mV，前置放大电路的输出电平较低，还无法满足放大要求，为了充分利用A/D分辨率，需要设计二级放大电路。本设计采用LF444的一路及R18、R19构成二级放大电路，通过改变R19的值，就可以调节二级放大电路的最佳放大倍数，从而调整对心电信号的总的增益倍数。放大后的信号还不能直接加到模数转换芯片上，需要对其施加一偏置电压以提升电平，使其符合A/D芯片的输入要求进行转换。见图2的R20, R21, R27.R26的作用。

三、结语

便携式时域反射仪硬件系统设计 篇8

本文介绍了时域反射仪硬件系统TDR-I的设计与研制方案，获得了具有140 ps上升沿的发射脉冲和步进精度为8.7 ps的取样脉冲。该TDR体积小，重量轻，易于操作，方便野外测量。最后使用TDR-I进行了相关测试实验。

1 TDR测试原理

图1为TDR系统的基本测试原理,发射脉冲产生的快沿阶跃脉冲经电缆传输至探针，探针前端开路，脉冲信号在探针前端开路处会发生全反射。采样单元记录脉冲幅度随着时间变化的波形[4]，通过计算脉冲在探针上的传输时间就能够推算不同介质的介电常数。其不同参数的计算方法在相关文献中已有深入的表述[5,6]，此处仅给出相对介电常数的计算公式为:

其中εr为相对介电常数，lp为探针长度，t为电磁波在探针上的传播时间。

图2为TDR信号在介质中的反射波形，通过双切线法可以确定t1和t2时刻位置。由式(1)计算介质的表观介电常数。

2 系统方案设计与电路实现

TDR系统用于测量土壤的表观介电常数，工程上为得到更准确的测量值，需要具有快速上升沿且平坦度较好的发射脉冲，以此获得较宽的频带响应。该快速上升沿发射脉冲的反射波无法依靠实时采样方式获取，所以本文设计的TDR系统采用等效采样方法[7]，采样步进精度为8.7 ps，可以准确测量各种介质的介电常数。TDR-I系统的硬件设计框图如图3所示，该测试系统主要由发射单元、接收单元、脉冲产生单元、DSP控制板、TDR探针及RS-232通信模块构成。系统性能参数如表1所示。

图3所示的TDR-I系统在DSP主控板控制下完成数据采集。当上位机通过串行口RS-232向DSP板送入采集参数后，DSP按照给定参数产生一路时钟信号进入脉冲产生单元，输出两路同步时钟信号，经相关电路处理后获得快沿发射脉冲和符合要求的取样脉冲。在取样脉冲作用下，发射脉冲通过探针的反射波被取样门获取，经过采样保持和固定放大后送入低频ADC进行数字量化。该数字量被DSP存储于DSP内部数据存储器中，直到一个完整波形的数据点采集完毕后，数据经过RS-232回传到上位机，由上位机计算土壤介电常数。

2.1 DSP主控单元设计

TDR的系统控制核心是DSP主控板，由它完成整个TDR的时序控制过程，包括时钟脉冲产生、步进单元的数字量写入、步进时序控制、低频ADC转换控制等。本系统选用TI公司生产的浮点型DSP处理芯片TMS32C6713BPYP。为了方便调试和使用，利用DSP/BIOS编程方法，简化了对DSP片内外设的控制过程。使用DSP/BIOS的系统时钟T0产生周期节拍，形成等效采样的脉冲重复频率(PRF)，DSP的McBSP直接控制串行16位低频模数转换器MAX1133。当外部中断4产生时，响应中断并启动ADC转换,读取ADC量化后的数据并保存。DSP程序控制流程如图4所示。

2.2 脉冲产生单元设计

脉冲产生单元利用单稳态电路将DSP主控单元发送来的时钟脉冲调整为两个不同宽度的脉冲信号，作为发射单元和接收单元的发射脉冲和接收脉冲。该单元使用74HC4538将发射脉冲宽度调整为30μs，以保证发射脉冲前后沿在探针上的反射信号不会发生重叠;将接收脉冲宽度调整为5μs。设置脉冲宽度是为获得较好的驱动能力，保证发射脉冲能够传播足够长的距离。

2.3 发射脉冲产生电路设计

TDR测试系统对测试脉冲有很高的要求，不仅需要脉冲具有快速上升沿，同时对脉冲的平坦度有严格要求。脉冲上升沿决定TDR测试带宽，当发射脉冲的上升沿较缓，对小介电常数介质的测试误差较大，很难获得探针部分的有效反射波信息。发射脉冲平坦度决定TDR系统对土壤表观介电常数的测量精度，避免因脉冲源本身不可靠引起土壤表观介电常数的测量误差。

TDR-I系统采用阶跃恢复二极管MMB830产生快速上升沿脉冲，MMB830将经过延迟调整的发射脉冲进行整形而获得快沿的发射脉冲。图5为快沿脉冲产生电路，主要由阶跃恢复二极管SRD及肖特基二极管组成。发射脉冲到来之前，阶跃恢复二极管在VEE(-5 V)的偏置之下处于导通状态，当发射脉冲到来后SRD反向导通。根据阶跃恢复二极管的性质[8]，在反向导通一定时间后SRD会迅速截止，从而产生一个具有快速上升沿的阶跃脉冲。图6是利用Tektronix公司TD6804采集的发射脉冲波形，脉冲幅度300 mV，上升沿140 ps，脉冲平坦度良好。

2.4 步进脉冲产生电路设计

低抖动高精度的时间步进对于实现等效采样极为关键。在TDR-I系统中，脉冲产生单元产生接收脉冲和发射脉冲这两个同步脉冲信号，其中接收脉冲经过延迟单元的相关电路变换之后可获得步进延迟时间。由于TDR是利用快速上升沿的反射来获取被测介质的特征信息，且发射脉冲的上升沿小于200 ps，所以，为了准确反映上升沿信息，采样步进须小于10 ps。目前获得10 ps以内步进延迟的方法是利用现成的集成延迟芯片来实现，该类芯片价格较高，采样点数有限，采样时间窗小，且多片级联抖动大，无法满足TDR系统的设计要求。所以，TDR-I采用快慢斜波比较法实现采样步进，步进延迟单元如图7所示。

对DAC编程写入不同数字量可以获得不同高低大小的模拟电压，从而形成阶梯波。DAC位数决定了一定时间窗下单位步进量△t的大小。TDR-I系统采用14位DAC，以保证在单个采样时间窗内，随着数字量的增加，△t保持线性增大。通过实验测试设定△t线性区作为采样时间窗，使该时间窗符合系统工作需要。

本系统等效采样实现方法采用顺序采样方式，每采集一个数据点，DAC就步进一个数字量,重复该过程直到完成整道波形的数据采集。

步进单元产生的步进脉冲信号经整形电路进行整形就能够获得取样脉冲，且脉冲宽度决定了取样门的开关时间。本系统的脉冲整形电路由阶跃恢复二极管MMB830和短路传输线构成，该脉冲经宽带变压器变换成一对平衡脉冲加载在取样门上，控制取样门的开启和关闭，完成对射频信号的等效采样，图8为取样脉冲产生示意图。

2.5 取样门电路设计

取样门是接收机完成等效取样的关键电路，一般为二极管桥式对称结构。TDR-I系统前端取样门采用4管平衡桥式取样积分电路，如图9所示。在适当的偏置电平VCC(V+)和VEE(V-)作用下，二极管桥由正负电平保持在反偏截止状态。当取样窄脉冲对pulse+与pulse-到达时，4个二极管均导通，取样门迅速开启，射频信号被取入，经R对取样保持电容C进行充电。取样脉冲消失后，采样门关闭，保持电容C上的电平被保持，经过放大器放大后送往ADC进行数字化。经采样保持电容C保持后的电平近似于直流的中低频信号，可以使用低速ADC来采集该信号。

3 实验测试

该系统由上位机软件、TDR-I硬件、板级固件、电缆及探针组成。测试系统由笔记本电脑、12 V直流蓄电池和TDR-I系统构成。在25℃条件下，用15 cm探针对土壤样本进行测试，利用切线法对测试结果进行分析，判定探针上的传播时间以获得土壤样本的表观介电常数。

表2为本文设计的TDR-I系统与Cambell公司的TDR100对壤土和砂质壤土的测试结果，测量采用相同长度探针，测试样本湿度递增变化，测试结果取3次平均。由表2可以看出，本系统测量的介电常数与TDR100的计算结果接近，验证了TDR-I系统在工程上的实用性。

本文介绍了一种便携式TDR硬件系统设计方案，并研制出样机TDR-I。该TDR样机具有140 ps的上升沿的发射脉冲，等效采样的最小步进精度8.7 ps。最后通过实验测试不同样本，取得了稳定的测试结果，其性能与国外相关产品相当。

摘要：介绍了用于土壤参数测量的时域反射仪硬件系统的设计与实现方案,并研制出样机TDR-I。该样机使用DSP做主控板,利用阶跃恢复二极管(SRD)产生140ps上升沿的快沿发射脉冲,采用快慢斜波比较法获得等效采样步进精度为8.7ps的取样脉冲。经过实验数据获取验证,该系统测量效果良好。

关键词：时域反射仪,等效采样,步进脉冲,采样门

参考文献

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[3]Campell Scientific Inc.TDR probes CS605,CS610,CS630,CS635,CS640,CS645instruction manual[M].2006.

[4]HIRUY A.Wave analysis of open-endedo coaxial time domain reflectometry probes[R].Logan,Utah,USA FOC at USU day,April19,2005:8-12.

[5]ROBINSON D A,JONES S B,WRAITH J M,et al.A Review of advances in dielectric and electrical conductivity measurement in soils using time domain reflectometry[J].Vadose Zone Journal,2003(2):444-475.

[6]HUISMAN J A,LIN C P,WEIHERMULLER L,et al.Accuracy of bulk electrical conductvity measurements with time domain reflectometry[J].Vadose Zone Journal,2008,2:426-433.

[7]周维,王赤,田茂,等.基于等效时间采样的探地雷达回波信号采样方法研究[J].雷达科学与技术,2004(2):43-46

便携式矿用瓦斯检测系统设计 篇9

近些年来, 虽然国家采取了很多有利措施来确保煤矿安全生产, 但煤矿生产事故还是不断地发生, 特别是煤矿瓦斯爆炸, 使国家和人民蒙受了巨大的损失。现今虽已有现代化的瓦斯综合检测装置应用于矿井中, 但由于矿井结构错综复杂, 往往存在瓦斯检测盲区, 留下安全隐患。鉴于此, 本文利用AT89S52单片机并集成MJC4/3.0L瓦斯传感器等功能器件设计了一种便携式矿用瓦斯检测系统。该系统小巧、轻便, 可自动检测矿井中瓦斯浓度, 若检测到其浓度达到危险设定值, 会通过蜂鸣器发出报警, 提示生产人员组织安全离开。

1 系统整体机构及工作原理

1.1 系统整体结构

便携式矿用瓦斯检测系统以主控制器单片机为主要核心, 配置瓦斯传感器电路、A/D转换电路、报警电路与按键电路等四大功能模块。系统整体结构如图1所示:

1.2 系统工作原理

瓦斯传感器将瓦斯气体浓度转换成相应大小的模拟信号, 信号经过信号放大电路和A/D转换电路进行放大、转换, 然后送入主控制器单片机中进行数据处理。一旦瓦斯气体浓度超过相应的设定值时, 则主控制器立即启动蜂鸣器报警。

2 系统硬件电路设计

2.1 主控电路设计

主控电路主要用来整合系统各功能电路, 完成数据的采集和处理, 并发出报警指令。本设计所处理的信息量和复杂程度不是太大, 采用8位单片机AT89S52足以满足本设计的要求。它是一款低功耗、高性能CMOS 8位微控制器, 具有8 kB系统可编程Flash存储器, 256字节RAM, 6个中断源, 3个16位的可编程定时器/计数器, 32个IO口, 看门狗定时器等资源。

2.2 瓦斯传感器及信号放大电路设计

系统选用MJC4/3.0L作为瓦斯传感器。MJC4/3.0L型催化元件根据催化燃烧效应的原理工作, 由检测元件和补偿元件配对组成电桥的臂, 遇可燃性气体时检测元件电阻升高, 桥路输出电压变化, 该电压变量随气体浓度增大而成正比例增大, 补偿元件起参比及温度补偿作用。其具有桥路输出电压呈线性、响应速度快、有良好的重复性、选择性、元件工作稳定、可靠、抗H2S中毒等优点。

因MJC4/3.0L的输出电压太小, 无法满足AT89S52的要求。故需要将MJC4/3.0L的输出信号进行放大。信号放大是通过调整放大器AD602的增益控制电压来实现的。AD602是美国AD公司专门针对程控放大开发的, 其具有两个通道, 每个通道的增益范围为-10～30 dB, 因此两个通道串连起来可以实现的增益控制范围为:-20～60 dB。图2为瓦斯传感器及信号放大电路。

2.3 A/D转换电路设计

系统使用的数模转换器LTC1865是凌力尔特推出的16位SAR ADC, 采用单5 V电源工作, 并能保证在-40 ℃～+125 ℃的温度范围内工作。每个器件最大电流为850 uA, 最大采样率达250 kS/s, 供电电流随着采样速率的降低而变小。MSOP-10封装的LTC1865提供2路软件可编程的通道, 并且可以根据需求来调整参考电压的大小。A/D转换电路设计如图3所示。

2.4 报警模块电路设计

本设计的报警模块采用普通的蜂鸣器来完成。蜂鸣器一端接地, 一端接用来驱动它工作的PNP晶体管的发射极, 晶体管基极连接AT89S52的P3.3口。

2.5 键盘模块电路设计

本系统中的按键主要用来设定瓦斯浓度的报警值, 采用独立按键式键盘, 共3个按键, 它们分别与AT89S52的P2.0～P2.2口连接, 平时这三个引脚输出高电平, 当按键被按下时引脚变成低电平, 因此, 只要在软件中查询这几个引脚的电平, 就可以确定是否有按键按下, 从而进入相应的子程序。

3 系统软件设计

系统软件主要包括系统主程序和数据采样处理子程序两部分, 主程序流程如图4所示, 数据采样处理子程序如图5所示。

系统开机上电工作后, 首先进行初始化, 接着进入主循环扫描是否有按键按下, 若检测到有键按下, 则设定系统的瓦斯浓度报警上限值, 否则直接调用数据采集处理子程序进行数据采集处理。

主程序调用数据采样处理子程序后, 就进入该子程序运行, 首先启动A/D转换进行数据采样, 得到的数据信号输入到AT89S52进行滤波、零点修正并计算瓦斯气体浓度值, 若浓度超限则启动扬声器声音报警, 否则关闭蜂鸣器并返回。

4 实验结果及分析

瓦斯的主要成分是甲烷, 瓦斯爆炸有一定的浓度范围, 通常把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限为5%～16% 。当空气中氧气浓度达到10%时, 瓦斯浓度在5%～16%之间, 就会发生爆炸。

根据MJC4/3.0L的技术指标 (甲烷浓度为1%时, 其灵敏度为20～40 Mv) , 因此设定瓦斯的爆炸上限值为0.05, 当矿井中的瓦斯浓度超过此上限值时, 蜂鸣器就发出声音报警。

本设计利用家用沼气进行模拟实验, 因沼气的主要成分也是甲烷 (50%～80%) , 故应该能达到实验预想。将沼气炉放置于预先准备好的21寸电视机纸箱中, 纸箱底部开有操作口, 接通沼气5 s断掉, 然后将实验装置靠向操作口, 在纸箱口处蜂鸣器报警, 接近沼气炉的过程中, 蜂鸣器一直鸣响, 慢慢从操作口挪出实验装置, 待远离操作口0.1 m左右处, 蜂鸣器响声停止。往复操作多次, 实验效果明显, 可见该设计已达到实验预想。

5 结束语

本文利用单片机智能控制技术, 并集成瓦斯传感器等功能电路模块完成了便携式矿用瓦斯报警系统设计, 该系统结构小巧灵便, 易于携带。通过多次实验都到达了很好的效果, 可以作为保证煤矿安全生产瓦斯检测设备开发的一个参考。

摘要：矿井中瓦斯等可燃危险气体的浓度检测一直是保证煤矿安全生产的重要前提。鉴于此, 利用单片机智能控制技术并集成了瓦斯传感器等功能电路设计了一种便携式矿用瓦斯检测系统。该系统小巧、轻便, 可自动检测矿井中瓦斯浓度并报警。重点介绍了系统的硬件设计和软件设计。经多次测试, 系统性能稳定, 效果良好。

关键词：便携,瓦斯,单片机,瓦斯传感器

参考文献

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无线便携式动物脑电遥测记录系统 篇10

关键词：脑机接口,脑电信号,滤波器组

随着微电子学的快速发展,脑机接口(BCI)技术应运而生,它是在人(或动物)脑与外部设备间建立的连接通路。早在1975年Ranck等人通过电刺激来寻找哺乳动物的中枢神经系统兴奋部分[1]。Tehovnik于1996年通过电刺激神经组织引起行为反应[2]。AndréA.Fenton等人也在1996年用模式识别技术验证单个神经元的行为和活动的相关性[3]。Iyad Obeid等人于2004年记录清醒状态下猕猴的单个神经元活动[4]。目前生物脑电有线方式测量精度相对较高,但由于限制了动物的运动范围,测量过程中可能会发生导线缠绕或者被动物撕咬等情况[3]。无线方式可使动物活动范围变大,但采集器受到了测量精度、带宽、体积、重量和电池供电时间等因素的制约[4]。本文给出了新型无线脑电遥测系统,并将该系统应用于大鼠实验。实验结果表明,该系统具有测量精度高、带宽宽、体积小、工作时间长、不易被动物撕咬等优点。

1 系统原理

整个系统包括脑电信号前置放大器、带通滤波器、50 Hz陷波器、无线发射单元、无线接收单元、电源管理、显示存储部分。测量电极采集到自由活动状态下的脑电信号并输入至前置放大器,再通过一个带通滤波器后输出脑电信号,进入无线单片机NRF24LE1进行模数转换并发送。接收端同样采用NRF24LE1,接收到发射端的信号后解调输出到显示部分并记录。系统原理如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 滤波器组设计

生物信号源本身是微弱信号源,通过电极提取呈现出不稳定的高内阻性质[5]。根据生物信号的特点,对生物电前置放大器要求高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移等[6]。为满足上述指标,本文选择AD620作为脑电信号前置放大器,系统设定前置放大器的电压增益为8,同时为避免极化电压使前置放大器进入饱和状态,在输入端加入隔直电容。动物脑电信号频率范围为0.5 Hz~100 Hz,考虑到国内市电50 Hz的工频干扰,在滤波器组中加入50 Hz陷波器,3个滤波器进行级联得到所需的滤波器组。采用运算放大器实现高通、低通和陷波,一个运放LM324芯片即可实现滤波器组设计。脑电采集电路及其幅频特性曲线如图2(a)、图2(b)所示,其中图2(b)为实际测得曲线。高通滤波器的下限截止频率为:

放大倍数为:

低通滤波器的上限截止频率为:

放大倍数为:

50 Hz陷波器的陷波频率为:

FX以外频率的放大倍数为:

从图2(b)中可以看出在50 Hz工频点上信号急剧衰减,工频干扰被消除。在此可以得出整个滤波器组对生物信号的放大倍数为:

根据式(7),近千倍的放大倍数可以μV级的生物信号放大至mV级,达到单片机AD采样精度。

2.2 无线单片机电路设计

由于无线采集部分背负在实验动物身上,考虑到体积和重量,本文选择Nordic公司的2.4 GHz无线单片机NRF24LE1,如图2(c)所示。该单片机具有如下特性:

(1)内嵌2.4 GHz低功耗无线收发内核NRF24L01P,250 kb/s、1 Mb/s、2 Mb/s空中速率。

(2)高性能51内核,16 KB Flash,1 KB RAM,1 KB NV RAM。

(3)具有丰富的外设资源,内置128 bit AES硬件加密,32 bit硬件乘除协处理器,6 bit~12 bit ADC。

(4)提供QFN24、QFN32、QFN48多种封装,可灵活应用选择。

2.3 电源电路设计

便携式生物脑电信号采集系统中,无线发射部分供电电池只能采用可充电的锂电池供电。由于锂电池在使用过程中输出电压会下降,因此采用稳压芯片TPS71334(输入2.5 V~4.2 V)来实现3.3 V电压输出。前置放大器和运放需要正负电源,采用外加电源反转芯片MAX1697来实现-3.3 V输出,且MAX1697最大输出电流为60 m A。接收端供电来自PC机上USB口,利用电源芯片AMS1117将5 V电平转换为3.3 V为NRF24LE1供电。电源具体电路可以参考电源芯片的数据手册。

3 系统软件设计

系统软件设计包括:发射端A/D采样程序、发射端数据处理、发射端与接收端通信协议和显示界面。

3.1 发射端程序设计

NRF24LE1为高性能51内核,采用C语言编写代码。为提高发射功率,设置空中速率为250 kb/s,A/D采样的参考电压为内部1.22 V,采样频率为1 k Hz,精度设置为12 bit,其中12 bit数据中的低8位存储在ADC-DATAL中,而高4位存储在ADCDATAH的低4位中,ADCDATAH的高4位为地址,数据处理完成后进行打包发送。每次发送完数据后进行CRC校验,如果校验出错则重新发送数据。

3.2 接收端及显示界面设计

在接收端设置16 bit的缓冲器(buffer),将接收的数据存入缓冲器中,通过串口打印出来即可。显示界面采用VC++6.0编写,调用MSCOMM控件实现Windows程序串口通信,接收端RS232串口送出AD采样数据时会激发On Comm事件,在处理函数中将新的数据加入显示队列,波特率设置为9 600 b/s,界面的横坐标为时间,纵坐标为电压。

4 实验方法及结果

4.1 手术方法及电极植入位置选择

实验采用SD级雄性大鼠,体重350 g,手术前用9%水合氯醛(40 mg/kg,腹腔注射)对其进行麻醉[7]并固定于脑立体定位仪上。根据大鼠脑图谱[8]进行电极植入,切开表皮使其颅骨完全暴露后,用适量3%的双氧水擦拭颅骨以去除表面油脂[9],用高速颅钻在颅骨上钻开0.7 mm的孔。将0.17 mm漆包线两端刮掉涂层,一端缠绕在直径0.72 mm不锈钢螺钉上,另外一端焊接在2.54 mm母接线槽上,然后将螺钉固定在颅骨上,最后用牙科水泥将螺丝钉和接线槽固定在大鼠颅骨上。测量电极坐标位置AP=-0.5 mm,ML=1.5 mm,DV=1.0 mm;参考电极坐标位置AP=+1.5 mm,ML=1.0 mm,DV=1.0 mm;为提高系统抗干扰能力,在大鼠脑部后加入相连的地电极与仪器地线,坐标位置AP=-8.5 mm,ML=0 mm,DV=1.0 mm。

4.2 实验过程及结果

实验前用尼龙搭扣将采集器固定在大鼠背上,按照电路设计中定义的通道将引线端子插入大鼠脑外的2.54 mm母接线槽中。用9%水合氯醛进行麻醉来采集大鼠睡眠时期脑电波形,波形如图3(a)所示。待大鼠清醒后,将采集器再次背负在大鼠身上,进行清醒状态下的脑电信号采集实验,如图3(b)所示。最后根据韩丹等人1998年的方法[10]对大鼠腹腔注射120万U青霉素诱发大鼠急性全身性癫痫,波形如图3(c)所示。实验结束后对大鼠腹腔注射过量9%水合氯醛处死,动物尸体按照相关规定进行处理。

经过实际测试,系统能在20 m范围内收到遥测信号,可以满足实验室范围内实验。与已有的无线脑电信号采集系统相比,本系统采集数据精度高、抗干扰能力强、成本低廉,能够完成过去有线遥测无法完成的实验。随着研究的进一步深入,以下几个问题需要解决:

(1)增加系统采集通道。可以考虑用ARM作为MCU,处理能力更强,A/D采样精度更高,但需要外挂无线传输模块,这样会造成体积和重量的增加,所以扩展后采集系统的重量和体积如何控制需要进一步研究。

(2)本系统仅仅测量动物的EEG信号。将来可以研究同时测量心电、肌电、胞外放电等生物信号,但是所需电极有所不同,需要进一步研究测量电极、导联方式和安装位置,同时频率、带宽等参数也有所不同,还需要调整滤波器组的带宽。

(3)遥控、遥测功能合二为一。在施加刺激信号的同时测量脑部其他核团信号,例如对大鼠S1BF区施加电刺激,对大鼠转向控制的同时测量支配运动的核团(M1区)脑电信号,研究生物大脑核团的相互关联,找到核团之间的通路,以更好地证明生物脑部核团的相互关系。

参考文献

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便携式系统 篇11

摘要：个人移动设备中的音频系统能够将多种功能集成为一体，不过由于选择众多，满足这些需求比较困难。一种有效的解决方案是使用音频子系统，该子系统可以使系统便捷五连并且提供出色的音频性能。性能改善的主要领域是扬声器的输出功率、电源抑制和高动态范围编解码器。

关键词：混合信号；音频；子系统；便携式；路由

引言

功能手机、智能手机、PDA以及其它许多手机派生产品正在取代许多便携式电子设备的地位。这种功能融合，在减少消费者携带设备数量的同时，扩大对系统的音频要求，并增加了设计人员解决音频难题的负担。

随着音频需求的增加，系统设计人员可以选择使用分立音频功能模块的方法。然而，在混合信号系统中采用这种方法是多线作战。在数字领域，提供多种采样率、格式和数字式电平会使复杂性呈指数级增长。在模拟领域，信号偏置于不同的电平水准，同时需要混合和切换、放大和衰减，且容易拾取噪音。事实上，目前便携式媒体设备具有10～20条不同的音频信号路径非常普遍。在这种迷宫中找到一条道路是一项艰巨的任务。混合信号子系统通过集成多种有效要素，帮助解决这类问题。

信号路由

混合信号子系统的最显著的特点是它能够将许多信号路由到多个地方。凭借使用路由信号，便携式媒体设备或手机能够执行许多任务。混合信号音频子系统的示例如图1所示。

例如，考虑一个同时具备手机和数字音频播放器功能的系统。来自手机基带的脉冲编码调制(PCM)数字信号需要连接到数模转换器(DAC)，继而连接到耳机放大器供耳机使用。同一耳机放大器也适用于数字音频播放器，这是一个I2s数据流，通过DAC播放然后连接到耳机。具有双数字音频端口的混合信号子系统可以轻松完成此任务。

具备多路复用能力的混合信号音频子系统的男一个优点是能够处理模拟FM收音机信号。虽然调频收音机信号电平通常是受到控制的，但它们常常超出规格。这些超出规格的电平通常比预期大得多，这可能会导致扬声器损坏。混合信号音频子系统可以将FM信号数字化。使用DsP从而提供自动电平控制(ALC)和均衡，然后转换回模拟信号以便放大给扬声器或耳机。此外，混合信号子系统可以将数字化的信号传递给基带处理器，以便进行更多DSP处理。

除了音频路由和处理之外，混合信号子系统还可以混合多个音频流。通过将来自麦克风的信号混合到耳机中，由此产生侧音。同样，可以在听音乐的同时播放铃声，而无需使音乐静音。

拥有两个数字音频端口可以使混合信号音频予系统成为在系统内连接数字音频的强大工具。例如，I2s数字音频流可转换为PCM并发送到基带。或者，可以使用相同方法将48kHz的I2S接口数据流转换为44.1kHz信号。

受益于双数字音频端口和采样率转换的一种应用是蓝牙桥。混合信号音频子系统提供从蓝牙收发器到基带的连接桥。如果需要，可以执行采样率转换，以及数字均衡。这种连接的示例如图2所示。

通过混合信号音频子系统连接到蓝牙收发器使许多案例成为可能。显然，电话机能够处理双向语音。蓝牙收到的音频信号能够发送到扬声器或耳机中。FM收音机信号在混合信号子系统中进行数字化并发送到蓝牙耳机。基带处理器可以将来自闪存的数字音频通过混合信号子系统发送到耳机或放大器，如具有蓝牙功能且能够帮助实现汽车中立体声效果的扩充口或耳机。

D类输出功率

D类扬声器放大器凭借其高效率正在成为智能手机和多功能手机的业界标准。D类放大器的优势在于输出功率。高输出功率的D类放大器能够实现手机扬声器达到响亮清晰的水准。在环境噪音较大的区域(如火车站和机场)，通常需要迅速分辨铃声。

功能手机或智能手机也常常用于媒体资源共享。比如，与朋友分享一首歌或与同事共享信息。

混合信号音频子系统拥有高功率的D类放大器。例如，LM49352通常可用4.2v信号将970mW传递到8负载，总谐波失真及噪音(THD+N)仅为1％。这样出众的输出功率确保在较高的音量水平下清晰传递消息。

一项最新应用在手机中的功能是微型投影仪。微型投影仪在高输出功率标准下，可以实现与一群人共享视频。

PSRR

移动电话凭借开关模式电源(SMPS)高效提供多种电源电压。除了SMPS电源产出高频噪音之外，手机本身也会借助KF功率放大器(PA)循环供电。这种PA循环频率发生在音频频带中，通常为217Hz。

所有这些噪音源会降低手机的音频质量，有时会非常严重。混合信号音频子系统中一个最主要的特性是对这些噪音具有高抵抗力。混合信号音频子系统的电源抑制比(PSRR)可达90dB或更高，最大限度地减少了这些来源导致的任何噪音。例如，混合信号音频子系统LM49350的耳机放大器的PsRR测试结果表明，该器件在217Hz时的PSRR为95dB，且在较高频率区域的保持高音频质量。

高PsRR对系统具有巨大的价值。混合信号音频子系统的模拟电源可以直接连接到电池，源自SMPS的数字电源可用于产生其它数字核心电压。由于混合信号音频子系统本身能抑制噪音，因此不需要额外的低压降稳压器(LDO)或被动式滤波器来消除噪音。

单独的耳机电源

几乎所有便携式媒体设备具有的通用功能是其立体声耳机连接。与耳机的连接一般采用标准的3.5mm插孔、专用连接器或迷你USB接口的变形。在所有这些情况下，耳机阻抗通常约为32。一个充电泵产生负电压的真正接地的耳机放大器，只需施加1v电压到32负载，即可提供16mW的功率。对大多数用户来说，16mW"已非常响亮，所以实际所需的电压要低得多。

因为耳机放大器是AB类，所以单独及较低电源电压的耳机需要具备显著的功率优势。在图3中，两条曲线显示具有AB类输出的单通道理想放大器。只需将耳机电源从3.3V降低到1.8V，即可节省能耗45％。虽然D类放大器在理论上将节省更多能源，但它需要体积较大且比较昂贵的LC输出滤波器。而且，未知的耳机线长度和负载阻抗也会使滤波器的设计变得非常困难。

高SNR数据转换器

高性能的数据转换器是使几何处理技术水平日益下降的一个因素。遗憾的是，手机中的基带Ic凭借先进的处理技术，可以在最小尺寸和最低功耗水平下提供较高的性能。虽然它实现了这些优点，但是在基带DAC和ADC中维持较高的信噪比(sNK)变得越来越难。

手机的多功能融合加剧了这种性能的下降。如果它们只是用作手机，就没有太大的问题。然而，对许多人来说，手机也是他们的便携式音乐播放器。这使信噪比要求特别是在使用高品质耳机的时候，从电信质量提高到高保真。

有人可能会提出异议。认为SNR超过90dB将造成浪费，但实际上这是不正确的。的确，绝大多数音频便携式媒体设备起源于CD音质(44.1kHz采样，16位分辨率)，且使用MP3之类的算法压缩至更低的分辨率和保真度。然而，对于正常听力水平，大多数耳机对2nlw左右的功率具有足够的灵敏度。针对SNR设定的标准是40row或更高的满载输出，因此设计人员只损失了大约26dB SNR。

由数模转换移出基带的另外一个优点是可以让DAC更贴近负载。与模拟信号相比，数字信号具有更高的抗噪能力。混合信号子系统消除了从基带DAC到外部放大器的布线，从而消除了这种噪音来源。

结语

便携式气象应急卫星通信系统设计 篇12

我国是世界上气候变化较大,气象灾害频繁的国家。许多气象灾害具有突发性,造成的损失也非常大,需要上级领导部门迅速根据灾难发生情况,采取一系列的救助措施。但是,突发事件现场往往缺乏必要的通信条件,从而给灾情上报、现场指挥、领导决策带来困难。突发自然灾害事件现场的通信保障问题成为气象通信网急需解决的问题。

本文根据气象应急通信的特点和当前通信与网络技术的最新进展,提出了基于卫星便携站和便携式无线宽带视频传输设备的气象应急通信综合业务传输方案,通过构建高速卫星通道,将全国宽带通信网和全国天气会商及会议系统延伸至突发事件现场,并为前方现场增加了移动视频采集功能,使现场工作人员可通过本系统直接向国家气象信息中心或各省地气象中心发送接收文件和视频信息,开展各种形式的会议或会商。

本系统的卫星站、无线宽带通信设备和多媒体终端设备全部采用便于携带的小型化、标准化设备。可以通过民用航空设施或中小型汽车运到突发事件现场,迅速安装并投入使用,能较好地满足各种公共突发事件现场对数据、视频、语音等气象综合业务信息的传输的要求,特别是目前各种地面通信技术都难以覆盖的地区的应急通信要求。

二、总体技术方案

本方案采用卫星通信与无线宽带通信相结合的方法,以满足各种突发事件现场对综合业务传输的要求。本系统的总体功能如图1所示。当某地出现重大天气情况或灾害事件时,当地工作人员迅速赶往灾害现场,成立现场指挥中心。现场指挥中心通过随车携带的便携式卫星站与北京主站开通高速卫星信道。将现场情况实时向国家气象信息中心或省地气中心汇报,并参与会商、会议,并可发送和接收数据文件。单向接收DVBS气象数据广播.并可拨打IP电话。

本系统的终端设备为H.323标准的电视会议终端设备和笔记本电脑设备,可同时传输视频、语音,数据等气象综合业务。

在上行图像传输方面,本系统既可以传输现场指挥中心的图像,也可以传输灾害现场的实况图像。现场指挥中心的图像直接通过本地摄像机进入电视会议终端,灾害现场的图像由前端摄像机拍摄后,经过无线宽带微波信道传输至现场指挥中心,再进入电视会议终端。

接收DVBS数据广播,为现场预报提供充足的气象广播资料。

本系统的IP电话系统可以与国家气象局的程控交换机系统对接,现场指挥中心可通过卫星信道拨打普通程控电话。

由于本系统的建设目的是适应重大突发事件或灾害现场对通信设施的需要,因此,设备的可便携性、可靠性、使用方便性、多种业务的兼容性是系统设计的重点。因此,我们建议采用标准化的便携地球站产品、基于IP的视音频传输设备和基于无线宽带通信的前端视频采集设备。

我局已建成并投入使用9210卫星通信系统、全国天气预报电视会商及电视会议系统、卫星单向广播系统和全国宽带通信网系统,共同构成了遍布全国的、天地一体的强大的气象信息网络。本设计充分利用现有卫星主站和信道资源,与全国天气预报电视会商及电视会议系统、全国宽带通信网等系统互容互通.无缝连接。

本系统总体技术方案如图2所示。为了同时传输高质量视频和数据业务,本方案初步设计卫星信道的有效传输速率为2M b/s双向信道,占用4MHz转发器资源。由于卫星转发器资源比较昂贵,而且本系统是应急系统,而非实时业务系统,可考虑与基于卫星信道的电视会商设备分时共用转发器资源和主站的射频资源,也可临时租用商用卫星转发器资源。

在主站端,本系统利用9210主站现有的射频系统,在中频分配器上增加两个调制解调器,这两个调制解调器通过路由器连接到全国宽带通信网上,在宽带网的路由器和主站的MCU的控制下,参与会商、会议和文件、资料的传输。

在小站端,本系统由便携式卫星天线及伺服系统、射频系统、调制解调器、H.323视频会议终端、摄像机、笔记本电脑、IP电话、无线宽带视频传输设备组成。无线宽带视频传输设备的主要功能是将前端摄像机拍摄的现场图像实时传送到现场指挥中心。传输距离大于10公里,频段3(0(0MHz～2.4GH z。

三、信息流程

(1)视音频信息的传输

小站的摄像机将拍摄现场图像的视频信号直接输送到视频会议终端,或经宽带无线信道传送到视频会议终端,视频会议终端将高清视频信号压缩成符合H.323标准的视频流,通过卫星信道传送到北京主站,并通过北京主站的解调器和路由器进入宽带网。这样,现场指挥中心的就可以与全国宽带网连接的任何一个会场进行可视会议,或在主站MCU的控制下参与全国性会议或会商。

在主站端,来自宽带网的视音频信号进入调制解调器,通过卫星信道到达小站端,通过小站的解调器进入小站的视频会议终端,从而还原出远端会场的图像和声音。

(2)DVBS数据接收

通过DVBS卫星数据接收机接收国家气象信息中心下发的广播资料,结合MICAPS应用系统进行现场预报。

(3) IP电话

小站的IP电话直接接在小站的局域网上,通过卫星信道连接主站的IP PBX交换机,IP PBX交换机与中国气象的程控交换机对接。因此,小站的IP电话可以与中国气象局的程控交换机连接的普通电话通话。

(4)数据传输

小站的笔记本电脑产生的数据通过本地调制器和卫星信道,传送到北京主站,并通过北京主站的解调器和路由器进入宽带网,到达目的主机。气象通信网上的主机发出的数据经宽带网到达卫星主站,经过主站的调制器,卫星信道到达小站端,再通过小站的解调器、进入小站的笔记本电脑。

四、主要设备性能要求

4.1卫星通信设备

⊙支持2MHz Ku波段双向卫星信道传输。信道稳定,误码率低,通信质量好,直接提供IP数据接口。

⊙放大器功率可选择,最大固态功放不小于16瓦。

⊙设备及箱体体积小、重量轻、携带方便,适应车载、机载、携行等运输方式,满足民用航空重量限制。

⊙箱体、天线及伺服系统人性化设计,操作简单方便,收藏与展开速率快。

⊙天线反射面采用炭纤维材料,重量轻,耐腐蚀。采用分片式结构,便于收藏和展开。

⊙天线及伺服系统的电磁兼容、抗震,温度、湿度等特性适合野外工作环境,箱体及设备坚固、耐用,收藏及工作状态下防沙防尘、防水,通风条件良好。

⊙天线及伺服系统结构紧凑,转动惯量小,耐磨损,免维护,运行可靠,使用寿命长,驱动方便。

⊙天线方位/俯仰调整可在大范围内自动搜索卫星信号,同时极化可以根据地球站位置和星的位置实现自动调节,使达到最佳接收和最大极化隔离度。

⊙为了适应野外恶劣的腐蚀环境,所有金属件均采用合金铝和不锈钢材料,并且经过防腐处理(例如铝材料的阳极化处理)。

⊙系统接口、控制及所有显示面板的设计及摆放位置便于操作。

⊙供电方式灵活,配备电源逆变器,既可采用交流电源,也可使用直流电源供电。

(2)终端设备

⊙同时支持数据、视频、语音等多媒体息的传输,图像传输速率不小于2Mb/s。

⊙采用标准化的网络和视频会议终端设备(H.323),图像和声音质量好,失真小。

⊙紧凑型标准通信机架安装。

⊙设备操作简单,使用方便。

(3)无线宽带视频传输设备

⊙载波频率:0.3～2.4GHz (频率可选)。

⊙支持非视距传输,移动传输,有效传输距离不小于10公里。

⊙传输速率不小于10M b/s。

⊙实现一点对多点的无线传输,能对有效距离内全向覆盖。

⊙同时传输数字图像及语音,语音清晰,图像分辨率高。

⊙设备小型化,便于携带,架设简单。

⊙抗风、防水能力强,结构合理,性能稳定。

⊙抗干扰性、可扩展性强,兼容性强,可无线组网。

⊙无线远程控制,实现远程遥控镜头旋转、变焦。

⊙供电方式灵活,既可采用交流电源,也可使用直流电源或电池供电。

(4)IP电话交换机

⊙支持50路以上IP电话软交换。

⊙支持各类终端:IP电话机、IP电话网关。

⊙与程控交换PBX系统无缝对接.用户原有号码和拨号习惯不变。

五、结束语