便携式卫星电视系统（精选9篇）
便携式卫星电视系统 篇1
一、引言
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
本方案采用卫星通信与无线宽带视频传输相结合的方法,充分利用了卫星通信无缝覆盖、传输距离长,信道稳定、接入灵活的特点和无线宽带视频传输速率高、可移动的、使用方便的特点,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,对加强气象应急响应机制,提高气象预警、预报和决策服务水平有非常重要的意义。
松下推出第2代防水便携电视等 篇2
松下日本公司近日宣布，于2月20日开始发售具有防水功能的VIERA系列便携数字电视新款，包括SV-ME700和支持数字电视录像功能的SV-ME750。二者均采用外接SD/SDHC卡作为存储介质。SV-ME700预计售价为38000日元(约合人民币2900元)；SV-ME750预计售价为45000日元(约合人民币3440元)。
本次发布的新款产品是去年6月针对喜爱泡澡的日本女性消费群体推出的SV-ME70、SV-ME75之后续产品，两款产品均配备5英寸480×272分辨率液晶显示屏，亮度可以进行10度调节。数字电视的音效有标准、音乐、新闻、火车等4种场景模式。针对浴室容易产生回音和洗澡水声、换气扇声噪杂等特点，设置了抑制回音功能以及放大原有节目中音量较小部分音量的功能。
在防水登记方面，两款产品具备相当于IPX6、IPX7防水等级，理论上可以在1米水深处浸泡30分钟取出后还可正常工作，应对浴室等潮湿的环境不成问题。此外，SV-ME700、SV-ME750据称在屏幕画质表现上比前作有了显著提升，最高对比度约为老款的两倍，色彩更自然，同时还能根据视频亮度自动调整屏幕背光亮度。数字电视接收灵敏度有了提高，大约为老款的14倍。此外，在电池续航时间上，新款也有了提升。内置锂离子电池充满电后可支持4.5小时数字电视收看或7小时音频播放或5小时图片浏览。
在主要功能上，两款新机型依然具备日本aseg制式数字电视接收、音频播放、图像浏览等功能。SV-ME750还具备数字电视录制功能，最多可录制99部视频，可进行最多12组预约录制，并可根据电子节目单自动调整录制时间，应对体育直播、临时插播等特殊情况。录制的视频存储于SD/SDHC卡上。SV-ME750标配的2GB SD卡可以录制约10小时51分的电视节目。录制的视频也可在松下、日立、索尼、夏普等多品牌数十款手机上播放。
华硕MINI新贵ES5000新春瑞献活动
ES5000是华硕电脑于新近推出的一款针对家庭娱乐应用的MINI型桌面PC产品，一经推出，便因其时尚小巧的外观设计、超越主流的硬盘容量以及强悍的独显支持等众多优势集于一身而吸引了众多关注的目光。目前，记者从华硕官方获悉，至新春到来之际，特推出“牛年购新机牛气冲天过新春——华硕MINI新贵ES5000新春瑞献”活动，凡在2009年1月16日起，在全国各苏宁3C卖场购买华硕ES5000机型者，均可享受3999元的促销价格，可谓相当超值!
此次进行促销的华硕ES5000有黑、白两种颜色，作为一款主打家庭娱乐应用的桌面PC产品，华硕ES5000在仅在3公升的超小机箱里装备了超级强悍的配置。该机华硕ES5000标配采用Splendid靓彩技术19寸宽屏液晶显示器，内建7.1声道音轨，5.1声道环绕音效，同时，内建802.11b/g/n无线网卡，无须任何额外费用即可作为家中之无线基站，轻松串连家中每台PC，组建个人专属无线网络，满足高速网上冲浪的畅快；提供E-SATA2.0传输接口，300MB/s最高传输速度，比USB快六倍，轻松储存家庭重要影片/照片，时时做好备份管理。
才外，ES5000采用最新45纳米技术的高性能节能型CPU，装备性能相当强悍的图形加速引擎——ATI Radeon HD3450独立多功能显卡及HDMI高清数字输出接口，可提供1080p全高清超高画质输出，支持DX10.1，无论播放蓝光影片或进行游戏等，通通游刃有余，即使在超严苛的3D MARK测试中也能勇夺1850高分；而其高达2GB的内存和500GB的海量存储，已大大超过当前台式机的主流配置，用户可随心存放电影、相片等资料；此外，华硕ES5000的吸入式DVD刻录机，可以非常方便的制作DVD光盘存储重要文件或是收藏影片、视频等等，进一步扩展了存储空间。
一种便携式电视机软件的升级系统 篇3
随着电视机数字化程度的提高和功能的增强, 电视机软件升级越来越重要, 各种各样的电视机故障需要软件升级来解决。而目前电视机软件升级的方法主要通过专门的软件烧录仪将软件烧录入存储器, 然后将存储器焊接到电视机主板上;或者将电脑与电视机相连, 通过电脑将升级程序写入电视机存储器。这两种电视机软件升级的方法存在操作复杂、时间长、成本高, 且需要专业性知识等缺陷。
系统原理
便携式电视机软件升级系统原理如图1。电视机软件升级系统是以单片机W79E632为基础的可以独立运行的系统。首先升级系统作为从机接收电脑系统发送过来的升级程序数据并进行存储, 然后升级系统作为主机将存储的升级程序数据发送给电视机系统, 电视机系统将升级程序数据存储、运行, 从而实现软件升级。
目前电视机的升级接口一般是UART串行接口和I2C接口, 该软件升级系统可以选用两种接口来升级。电脑系统若没有这两个接口, 需要通过接口转换装置来与升级系统相连。
系统硬件实现
便携式电视机软件升级系统硬件框图如图2所示。系统主要包括单片机W79E632、FLASH存储器、UART串口接口电路、I2C接口电路、中断电路以及状态指示灯等。
WINBOND公司单片机W79E632具有128k ISP (In-System Program) F L A S H R O M、4 k的L D (L o a d e r program) FLASH ROM、软件指令完全与51单片机兼容、执行效率高和速度快等优点。
W79E632有UART串行接口, 没有I2C接口及SPI接口, 采用I/O口P8、P9模拟I2C接口, I/O口P4～P7模拟SPI接口。FLASH存储采用NOR FLASH, 3.3V供电。由于FLASH是3.3V供电, W79E632 I/O口电平为5V, 为保证数据的可靠性, 系统有一个5V/3.3V SPI总线转换电路。
系统自身的引导程序、初始化程序以及UART接口数据读写程序、I2C接口数据读写程序、SPI接口数据读写程序等都放在内部ROM中, FLASH存储器专门存储电视机升级程序数据。开关SW2、SW3产生低脉冲来触发外部中断INT0、INT1, 以控制I2C接口数据的接收和发送;串行接口中断控制UART接口数据的接收, 而SW1产生低脉冲通过I/O口P3控制UART接口数据的发送。升级系统通过W79E632内部定时器以及I/O口P2、P1控制红/绿指示灯来表达当前状态, 例如红绿灯都亮, 升级系统运行正常, 准备读写;红灯亮, 绿灯闪动, 升级系统正在写或读FLASH存储器。
系统软件实现
升级系统的软件实现包括两部分:作为从机接收并存储电脑系统发送的电视机升级程序数据和作为主机向电视机系统发送存储的电视机升级程序数据。
系统主频设计为22.1184MHz, UART接口采用8位移位寄存器模式, 波特率是系统主频率的1/12, 每接收完或发送完一个数据字节将产生中断;I2C接口最高传输速率为100kb/s, SPI接口最高传输速率为2.2Mb/s。
系统自检、初始化等程序以1000H为起始地址。上电后直接跳到1000H处, 进行初始化设置, 建立好堆栈, 设置好UART接口、I2C接口以及SPI接口相关参数;红绿指示灯都亮, 允许中断。此后系统正常运行, 等待中断并监视I/O口P3的状态, 以决定系统是作为主机还是从机进行下一步运作。
作为从机接收并存储升级程序数据
升级系统作为从机接收并存储电脑系统发送的电视机升级程序数据, 流程如图3所示。
1. 系统正常运行, 开串口中断、外部中断及定时器中断, 等待中断。
2. 从I2C接口接收升级程序数据时, 按一下开关SW2, 产生外部中断I N T 0。屏蔽除定时器中断外所有的中断, 将与当前状态相关的寄存器及程序指针数据暂时存入堆栈。同时设置定时器相关参数, 使W79E632能够向I/O口P1发送周期为500ms的脉冲信号以控制绿灯闪动, 表示正在接收数据。串口中断由W79E632自动产生。如果产生串口中断, 则屏蔽除串口中断、定时器中断外所有的中断, 其它设置与INT0中断相同。
3. 产生INT0中断时, 则启动I2C接口读程序I2C_Read将I/O口缓冲寄存器中的数据写入W79E632内部RAM;如果产生串行中断, 则启动串行接口读程序UART_Read, 将串行接口寄存器中的数据写入W79E632内部RAM内, 并清除串口接收中断标志RI, 以使下一个数据能准确接收。
4.电脑系统以256字节作为一个数据块进行发送, 每发送完256字节后发送一个累加校验和进行校验。W79E632校验数据有效后, 启动FLASH写程序SPI_Write, 将RAM中的256字节数据写入FLASH;写完后向电脑系统发送响应信号“RIGHT”, 电脑系统继续发送数据。W79E632判断下一个字符是否是“结束”字符 (即每一个数据块的第一个字符) , 不是“结束”字符则继续接收数据;如果是“结束”字符则启动SPI_Write程序将“结束”字符直接写入FLASH, 然后结束。W79E632校验后数据无效, 则立即向电脑系统发送响应信号“ERROR”, 然后结束。
5.结束时, W79E632清除内部RAM、I/O口缓冲寄存器和串行接口寄存器中的数据, 将定时器、UART接口或I2C接口恢复为初始状态, 读出堆栈中保存的数据并写入相应的寄存器以恢复中断前状态;绿灯继续闪动2s后开中断, 系统恢复正常运行状态。
作为主机发送升级程序数据
升级系统作为主机的流程如图4所示。
1.系统正常运行, 开串口中断、外部中断及定时器中断, 查询I/O口P3的状态, 等待中断。
2.从I2C接口发送存储的升级程序数据时, 按一下开关SW3产生外部中断INT1。此时设置与产生INT0时相同。如果查询到P3口有脉冲则屏蔽除串口中断、定时器中断外的所有中断, 其他设置与产生INT1中断相同。
3. W79E632启动FLASH读程序SPI_Read, 读取FLASH中存储的升级程序数据, 每次连续读完256字节存入W79E632的RAM中。W79E632每次存储数据块的第一个字符存储前, 判断是否是“结束”字符。
4. W79E632读到“结束”字符, 表示数据发送完毕, 进入结束处理, 反之则将通过串口或I2C接口发送数据。如果通过串口发送数据, 则启动UART_Write将RAM中的数据写入串行接口寄存器进行发送;如果是I2C接口发送数据, 则启动I2C_Write将RAM中的数据写入I/O口缓冲器寄存器进行发送。每发送完256字节的数据, W79E632继续发送一个累加校验和并等待电视机的响应信号。收到电视机返回的“RIGHT”信号则继续发送数据, 如果收到返回的“ERROR”信号则结束。
5. 结束时, W79E632清除内部RAM、I/O缓冲寄存器和串行接口寄存器中的数据, 将定时器、UART或I2C接口恢复为初始状态, 读出堆栈中保存的数据并写入相应的寄存器以恢复中断前状态;绿灯继续闪动2s后开中断, 系统恢复正常运行状态。
结语
本文提出以单片机W79E632为基础平台的一种便携式电视机软件升级系统的设计, 系统能够用UART接口或I2C接口接收并存储电视机升级程序数据, 同时能够通过UART接口或I2C接口将存储的升级程序数据传送给电视机, 实现电视机的软件升级。
摘要：文章针对目前电视机软件升级方法的不足, 以单片机W79E632为基础, 提出一种便携式电视机软件升级系统的设计。该系统通过I2C总线或UART总线接收从电脑传送过来的电视机升级程序并存储接收到的电视机升级程序, 将存储的电视机升级程序传送给电视机系统, 从而方便快捷地升级电视机软件。
关键词：电视机,软件升级,W79E632,I2C总线,UART总线
参考文献
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[4]刘青峰.机顶盒软件升级机制与注意问题[J].中国有线电视, 2005 (12) :1134-1135
[5]郭静华, 欧阳斌林.SPI总线从机接口实时模拟的实现[J].东北农业大学学报, 2007, 38 (5) :669-671
便携式电源系统的设计 篇4
关键词：便携电源设计
0 引言
现在，市场上可移动的电子设备越来越多，设备的电源容量和功耗却远远不能满足市场的要求，对日常生活，特别是户外活动造成诸多不便。为此，本文设计了一种高效、低功耗、安全的随身电源，以满足户外需求，将有很大的实用价值。该系统设计由五部分组成：锂芯容量指示电路、电芯保护电路、充电管理电路、DC-DC升压电路。锂芯容量指示电路由XC61CC系列的电压监控芯片组成。电芯保护电路由过充保护、过放保护、过温保护三部分组成，HAT2027、R5402、自恢复保险丝构建了三重保护，使锂芯安全性大大增强。充电管理电路采用了CN3066，将充电过程分为涓流充电、恒流充电、恒压充电和维护充电四个部分，使移动随身电源能够最大程度地储备能量。DC-DC升压电路采用了MAX1771集成芯片，可将锂芯容量在安全范围内最大限度释放，达到对多种数码设备供电的目的。
1 电路工作原理
1.1 锂芯保护电路 如图1所示，电芯保护电路主要由R5402和HAT2027共同组成。除此之外，自恢复保险丝起到了最后一层保护的作用。
充电时，电池电压从低到高上升，当电池电压大于4.25V时，充电状态被锁存，引脚Cout就会从高电平跳为低电平，HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从1脚到3脚，充电电源无法继续给锂芯充电。如果充电电源继续加载在锂芯电池组两端，即使锂芯电压在4.25V以下，R5402具有的过充锁存状态也不会被释放。这样就保证了电池组在连续充电饱和之后，能锁存在过充状态，隔离充电电源对高能量电池组持续充电。只有当过充时，断开充电电源，过充锁存状态才会被释放，Cout重新变为高电平，HAT2027的1、3引脚此时双向导通，锂芯才能正常工作。放电时，电池电压下降，当小于2.3V时，放电状态被锁存，引脚Dout的输出从高电平跳为低电平，HAT2027内置二极管发挥单向导通作用。电流方向只能从3脚到1脚，锂芯电池组无法继续给负载放电。如果没有接上充电电源，即使锂芯电压高于过放电压的最大值，放电锁存状态也不会被释放，这就保证了电池组在经过长时间放电，电压下降到2.3V之后，能锁存在过放状态，隔离低能量电池组持续放电。只有当过放时，接上充电电源，锂芯电压开始高于过放电压时，过放锁存状态才会被释放，同时引脚Dout的电压重新变为高电平，HAT2027的1、3引脚双向导通，锂芯既能工作在放电状态，又能工作在充电状态。当锂芯短路时，Dout跳到低电平。此时，锂芯受HAT2027控制无法放电，起到保护锂芯作用。与此同时，自恢复保险丝由于短路的大电流，会受热膨胀，电路切断，起到最后一層保护的作用。当短路故障排除，白恢复保险丝恢复，R5402检电器释放，Dout重新恢复高电平。
1.2 DC-DC升压电路 本系统中，DC-DC升压电路主要由MAX1771构成，该控制器采用独特的控制方案，结合PFM(脉冲频率调制)及PWM(脉冲宽度调制)的优越性，提供一个高效、较宽电压调节范围的电源。前者具有较小的静态电流，负载小的情况下效率较高，但纹波较大。后者在负载大的情况下具有较高的效率，噪声小。该控制器采用的是一种改进型的限流PFM控制方式，控制电路限制电感充电电流，使其不超过某一峰值电流。既保持了传统PFM的低静态电流，同时在较大负载的情况下，也具有很高的效率。而且由于限制了峰值电流，采用很小体积的外围元件就可获得满意的输出纹波，这样便于降低电路成本及尺寸。如图2所示，将4脚接地，可使其工作在闭环状态。芯片由引脚2上的电压供电，同时也是输出电压。输入电压可以进行从2V到输出电压的变化。外接MOS管栅极1脚上的电压，从输出电平到零电平跳变，这样可以提供更人的栅极驱动，从而减小外接MOS管的开启电阻。MAX1771外接MOS管平时是关闭的，此时电感储能。关闭期间，MAX1771会检测外部输入电压，一旦降低到了一定限度，MAX1771就会开启外部MOS管，电感释放能量，重新提供驱动电压。开关频率随负载电流和输入电压而定。5V电压通过两个反馈电阻分压得到。此外，续流二极管选用肖特基二极管SS34，该器件正向导通电压小，响应时间短。
1.3 锂芯容量指示电路 本系统电路设计采用了一种比较简单且实用的方法，即通过测试锂芯电池放电的时间电压特性曲线，选取整个放电过程的四个位点电压，用电压来估算电池的容量。当按下电压容量指示的功能按键，锂芯的电池电压会加到XC61系列芯片的VIN与VSS引脚上。当电压高丁4.1V，四个芯片同时工作，电池与限流电阻、LED发光管形成四个回路。此时四个发光管同时发亮，表示电池容量饱和。当电池电压在4.1V～3.8V之间，只有三个芯片工作，4102不工作，此时形成三个回路，三个发光管发亮，表示电池容量有所下降。同理可知其它的两种情况。
1.4 充电管理电路 充电管理电路由CN3066和继电器构成。当随身电源监测到有充电器对其充电时，继电器令CN3066开始工作，CN3066将整个充电管理过程分为四个部分，即预充电、恒流充电、恒压充电以及维护充电。
当CN3066开始工作时，CN3066会检测电池电压是否较低，如果是，则采用涓流充电，即一个比较小的恒定电流对电池进行充电，直至电池电压上升到一个安全值。之后，充电电流保持较大值不变，通常是涓流充电电流的10倍或更大。1000mAh的电池采用700mA电流充电，这可以避免大电流充电对锂芯的损坏。在恒流充电和涓流充电状态下，充电管理芯片连续监控电池的电压，当单节锂电池的电压达到4.2V，恒流充电状态结束，转入恒压充电状态。在该状态下，充电电压恒定在4.2V。当锂芯的电流下降为原来的1／10之后，恒压充电状态结束。在维护充电状态，电池充足电后，若移动电源仍插在充电器上，电池会由于自放电而损失电量。CN3066以非常小的电流对锂芯充电或监测电池电位，以备对锂芯再充电，这种状态称为维护充电状态。
在本电路中，CN3066会实时监测锂芯的电压、温度、充电电流和充电时间。一旦电池的温度达到60℃，或锂离子电池的电压达到4.2V，恒压充电状态自动终止。此外，还应设置最长恒压充电时间。在温度和电压检测失败的情况下，可以保证锂电池安全充电。当拔掉充电器，CN3066关闭，随身电源处于预放电状态。
实验结果证明，多功能随身电源能对市面上大多数手机连续充电5次以上，对MP3、MP4充电12次以上，表明随身电源在户外活动中有充足的能量储备。
2 结语
便携式卫星电视系统 篇5
目前,在卫星便携站对星方面,通常根据公式计算方位角和俯仰角的理论值,使用机械磁罗盘显示便携站天线的实际方位角和俯仰角,手动调整便携站天线实现对星。这种传统对星方式存在以下三个缺点:
(1) 由于方位角和俯仰角理论值公式是基于真北进行计算的,而机械磁罗盘显示的是磁北方向,存在一定的磁偏角,磁偏角随经纬度的不同,其值也不同,并且每年都发生变化,因此根据公式计算的方位角和俯仰角的理论值与实际精确对星值之间存在一定的偏差;
(2) 读取机械磁罗盘的时候,不同的操作人员会产生不同读取误差,通常会出现±1°～±3°的读取误差;
(3) 采用手动调整便携站天线对星的方式,对方位角和俯仰角的调整幅度不能做到精确控制,这一点对窄波束便携站天线对星的影响尤为明显。
以上原因导致传统对星方式存在找星难度大、对星耗时多、对星精度差的问题,这一问题在陌生地域表现尤为突出,严重影响了卫星便携站的通信效能。
针对传统对星方式存在的问题,本文提出了卫星便携站自动对星系统,该系统是一个附加在实装设备上的自动对星工具,以PIC单片机为核心,通过采集和处理GPS数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据,控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角,从而实现快速、自动、精确对星。
1相关研究
在卫星便携站对星方面,文献[1,2,3]提出了采用GPS采集便携站地理位置信息,通过公式计算当前便携站方位角和俯仰角理论值,采用传感器采集便携站方位角和俯仰角的实际值,手动调整便携站方位角和俯仰角,通过对比理论值和实际值实现辅助对星。
这些辅助对星方式的优点有两个:采用GPS模块采集地理位置信息,根据公式计算便携站方位角和俯仰角的理论值,提高了效率;采用传感器模块代替了机械磁罗盘,消除了对星过程中的读取误差。但是,也存在两个缺点:因为磁偏角的存在,导致计算出的理论值并不是实际精确对星值;仍然采用手动对星方式,对星精度不高,不能真正达到完全自动对星。
针对传统对星方式和辅助对星方式的不足,本文提出了卫星便携站自动对星系统的设计方案,设计实现了卫星便携站自动对星系统。
2总体设计
卫星便携站自动对星系统是一个附加在实装设备上的自动对星工具,以PIC单片机为核心,通过采集和处理GPS[4]数据、方位俯仰传感器数据和卫星信号强度数据,控制高精度步进电机自动调整便携站天线方位角和俯仰角,从而实现快速、自动、精确对星。系统结构框图如图1所示。
3硬件设计
系统硬件由单片机硬件和机械部件两部分组成。
3.1 单片机硬件设计
在单片机硬件设计上,选择Microchip公司生产的PIC18F97J60单片机[5]作为主控制器构成硬件平台,利用其丰富的外部接口高速处理能力,达到实时采集数据、及时处理数据、快速传输数据的目的;GPS、方位俯仰传感器、卫星信号强度采集等模块均采用RS 232接口,保证了测量数据精度和接口一致性;步进电机驱动器根据单片机传来的PWM信号分别控制方位步进电机和俯仰步进电机的转动大小、转动方向、脱机和锁定,步进电机带动机械部分运动,调整便携站天线的方位角和俯仰角,本设计采用ZD-6560-V4型步进电机驱动器[6],具有三个调整细分数拨动开关,电机驱动器细分数越多,步进电机精度越高。单片机硬件部分连接框图如图2所示。
3.2 机械部件设计
在机械部件设计上,采用齿轮、丝杠等机械部件将步进电机与便携站天线连接起来,从而实现了用步进电机控制便携站天线方位角和俯仰角调整的目的。机械部件设计模型如图3所示。
4软件设计
卫星便携站自动对星系统软件是整个系统的控制中心,负责采集输入信号、对输入信号进行分析处理、输出信号控制步进电机转动,以实现卫星便携站天线自动、快速、精确对星。
4.1 总体程序设计
卫星便携站自动对星系统软件对GPS信息采集模块、方位俯仰传感模块、卫星信号强度采集模块传来的信息进行实时处理,并控制高精度步进电机转动,以带动便携站天线运动,实现自动对星。具体流程如下:首先根据GPS信息采集模块采集到的地理位置信息,根据公式计算便携站天线方位角和俯仰角的理论值,并用磁偏角对方位角进行修正;然后将经过修正理论值与方位俯仰传感模块采集的便携站天线当前的方位角和俯仰角进行比较,控制高精度步进电机转动,从而实现粗略对星过程;当粗略对星过程完成后,再在一个较小的区域内控制步进电机进行扫描,并实时监测卫星信号强度采集模块采集到的卫星信号强度,当卫星信号强度达到最大的时候,实现精确对星。软件总体流程框图如图4所示。
4.2 粗略对星程序设计
对星需要两个重要参数:方位和俯仰[7]。对星参数理论值的计算需要根据便携站天线当前地理位置信息(经度、纬度)进行计算,计算公式如下:
设方位角为γ(方位角正南为0°),正角度为南偏西的度数,负角度为南偏东的度数;俯仰角为δ;ψ为卫星的经度;α为卫星便携站当前的经度;θ为卫星便携站当前的纬度。
由于根据公式计算得到的方位角理论值是以真北为标准的,而方位角传感器的采集值是以磁北为标准的,因此采集值和理论值之间存在一个差值,即磁偏角。计算出的对星参数理论值需要根据磁偏角进行修正[8]。根据IGRF2005地磁场模型,利用NOAA的NG-DC提供的磁偏角计算程序,用磁偏角对方位角进行修正。
便携站天线当前的方位角和俯仰角可以通过传感器直接采集到,然后将采集到的数据与修正过的理论值进行比较,决定步进电机的转动方向和大小,当步进电机按程序转动完成后,再次采集数据,重复上述步骤,直到采集值等于修正后的理论值为止。步进电机控制流程如图5所示。
4.3 精确对星程序设计
卫星信号强度采集需要单片机与卫星信号强度采集模块之间首先交互握手信息,然后发送信号强度指令采集卫星信号强度,并保存采集到的卫星信号强度信息与前一次卫星信号强度进行比较,先控制方位步进电机调整方位角,再控制俯仰步进电机调整俯仰角,实现精确对星。精确对星流程如图6所示。
5结论
经过使用证明:平均对星时间由原来不确定减少到2 min以内,对星时间明显缩短;对星精度较传统手工对星方式提高2～10 dB,对星精度明显提高。
卫星便携站自动对星系统是在实装设备上添加的一个自动对星工具,系统不改变实装设备的结构,只要在实装设备上添加该系统,就能够做到实装设备的快速、自动、准确对星。系统采用模块化的设计思想,只要更换机械部件,就可以应用于不同类型的卫星便携站,应用范围较大,实用性较强。
参考文献
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[2]张爱民,梁书剑,任德成,等.基于ARM的卫星天线自动对星仪设计和实现[J].价值工程,2011(17):145-146.
[3]王永军,彭涛,马银圣.卫星天线的单片机快速对星系统[J].全球定位系统,2008,33(6):21-24.
[4]GARMIN Corp.GPS25LP sensor boards technical specifi-cation[R].Taiwan,China:GARMIN Corporation,2000.
[5]美国微芯科技公司.PIC18F97J60系列数据手册[M].美国:美国微芯科技公司,2006.
[6]北京时代超群电器科技有限公司.ZD-6560-V4高性能步进驱动器[M].北京:北京时代超群电器科技有限公司,2000.
[7]吕海寰,蔡剑铭,甘仲民.卫星通信系统[M].北京:人民邮电出版社,1988.
便携式OLED屏幕播放系统 篇6
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
机载雷达便携式测试系统 篇7
关键词：机载雷达,便携式测试系统,仪表总线,雷达保障
0 引言
机载雷达是一种复杂的电子设备, 在日常的维护与使用中涉及的接口信号与检查项目较多, 因而有许多相关的机载雷达自动测试系统被研制, 比如文献[1-2]中所介绍的两种测试系统。不同于地面雷达可以较长期的架设在一个地方, 机载雷达可能会随着载机飞到不同的地方, 上述的测试系统就会由于设备量大, 携带不方便等原因不能跟随雷达到现场保障, 所以只能在二级维修站中使用。
本文介绍的便携式机载雷达测试系统最大特点是便于携带, 可以随设备到现场进行保障。测试系统结合雷达自身的BITE功能, 可将故障隔离到可更换单元。整个测试系统分为硬件平台、软件平台、故障诊断平台和测试程序集等组成。
1 硬件平台
1.1 硬件总体布局
测试系统包括人机交互平台、测试机箱、控制器、测试仪表模块和连接设备等。控制器、测试仪表模块均为PXI或PXIe总线设备, 测试时插入PXIe机箱, 通过控制器实现所有测试资源间的通信。总体布局如图1所示。
1.2 仪表总线选择
目前仪器仪表总线一般有PXI/PXIe总线、GPIB总线、VXI总线和PC-DAQ总线, 对于GPIB总线、VXI总线和PC-DAQ总线三种VI体系结构中, GPIB实质上是通过计算机对传统仪器功能的扩展与延伸;PC-DAQ直接利用了标准的工业计算机总线, 没有仪器所需要的总线性能;而第一次构建VXI系统尚需较大的投资强度。PXI/PXIe是PCI在仪器领域的扩展, 它将Compact PCI规范定义的PCI总线技术发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范, 从而形成了新的虚拟仪器体系结构。
本测试系统选用PXI/PXIe总线仪表, 是由于这种总线的仪表多为模块化仪表, 较易实现便携式特点。本测试系统的所有测试仪表都插在PXIe机箱内, 人机交互平台也可以很好的与机箱组合, 所以测试系统的尺寸仅396.5 mm×271.4 mm×177.1 mm, 重量只有24 kg。
1.3 测试仪表模块的选择
机载雷达的信号有电压和电流信号、射频信号、低频信号等, 主要包括测量电源供电的万用表、用于接收机与频率源指标测试的信号源与频谱仪、用于信号处理和时序等信号测量的数字化仪以及天线测试用的矢量网络分析仪等。
另外, 考虑到有些信号需要在设备工作状态下测量, 因而专门设计了转接板和拨码开关等测量工具。
1.4 测试系统与机载雷达的连接
本测试系统与机载雷达间的连接分为三种情况:读取雷达测试数据、测试系统直接测量和测试系统间接测量。
1.4.1 读取雷达测试数据
由于便携式的要求, 因而测试系统在设计时考虑到充分利用雷达自身的检测功能, 测试系统只需要通过LAN口访问雷达, 拷贝出检测数据并用相关软件进行分析。如图2所示。
1.4.2 测试系统直接测量
在测量雷达的检测口信号以及接收机、频率源等的输入和输出接口信号时, 只需要测试系统通过电缆连接在相关测试口进行测量。如图3所示。
1.4.3 测试系统间接测量
在待测试板卡工作状态下的信号状态以及一些需要外部输入控制码的器件在测量时需要接插转接板以及连接拨码开关等测量工具。如图4所示。
2 软件平台
测试系统的硬件设备的工作需要软件平台的支撑。控制器的操作系统从通用性和易操作性上考虑选用的是Windows XP系统, 负责人机交互、测试资源管理的软件平台采用VC软件开发, 软件层级图如图5所示。
数据分析软件主要用于分析雷达自检数据, 这主要包括载机飞行时记录的雷达观测画面、天线校正数据、接收机送到信号处理的频谱数据等。
仪表测试程序用于调用仪表进行雷达接口信号的测试, 并将测得的数据在人机交互界面显示。
故障判别程序的作用是根据测试系统里存放的指标参数表比对数据分析程序和仪表测试程序测得的数据是否满足指标要求。
3 研制过程中遇到的问题
某些接口信号只有在雷达处于工作模式时才能测量, 特别是天线中某些器件的指标, 因而设计了转接板、拨码开关等设备通过人工控制这些器件工作在不同模式下或将待测器件接在转接板上来达到测量目的。
软件最大的困难在于需要调用的程序较多, 并且这些程序是由不同的软件编制。为了解决这个问题, 首先考虑能够用VC实现原功能的就改用VC实现, 不能用VC的就采用与VC握手效果较好的软件来实现, 最终调试效果达到预期目标。
4 结论
本测试系统已经用于某型机载雷达设备的一线保障现场, 取得较好的效果。但是由于便携特点的限制, 研制初期便将测试系统定位于定性判定器件故障上, 不能定量的测定故障器件的指标。后续对系统改进中将完善这些功能。
参考文献
[1]姜本清, 唐晓明.机载雷达自动测试系统的设计[J].现代雷达, 2006, 28 (7) :41-44.
[2]曾宪林, 李服群, 张琨.某机载雷达智能综合测试系统[J].计算机测量与控制, 2008, 16 (5) :688-690.
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[4]雷霖.微机自动检测与系统设计[M].北京:电子工业出版社, 2003.
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[6]丁鹭飞, 耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2002.
便携式心电监护仪采集系统设计 篇8
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
便携式颈椎牵引控制系统设计 篇9
关键词：颈椎治疗仪,颈椎牵引治疗,USB通讯,传感器
0 前言
现代社会随着工作、生活节奏的变快,颈椎病越来越多,成为一种常见病。牵引疗法是治疗颈椎病的常用而有效的方法之一。它通过外力牵拉脊柱颈段及相关组织结构,使颈椎间隙增大,调节颈椎椎间孔大小,缓解由损伤、退变或椎间盘突出造成的神经根刺激或压迫性疼痛。间歇牵引还可改善血流循环,松解肌纤维粘连,刺激关节和肌肉感觉神经,起到按摩、镇痛的作用[1]。而且目前,医疗电子设备开始呈现便携性的发展趋势,针对便携化的发展趋势,则要求电子设备必须具备小体积、低功耗、低价格和易于使用的特点[2]。国内市场上的牵引装置,常限于手动操作,施加持续力,疗效差[3]。而进口智能化牵引仪功能单一、体积大、且价格昂贵,不利于广大颈椎病患者在家进行日常而有效的治疗。
本文介绍了一种基于TMS320F2812数字信号处理器(DSP)的智能化颈椎病牵引控制系统设计。它集显示、力反馈控制、通讯等功能于一体;可选用多种牵引工作模式,设置牵引力大小、牵引时间、间歇时间、治疗时间等程序化参数;它还配有程序扩展空间与接口电路,以扩充其它物理治疗功能。本系统体积小、重量轻,适用于便携、家用等多功能颈椎病治疗仪的智能化控制。
1 颈椎牵引控制系统的结构与工作原理
颈椎牵引控制系统的结构如图1所示。当系统按照所设定的工作模式运行时,步进电机转动产生牵引力的变化,牵引装置中的力传感器通过A/D转换器将牵引力大小实时反馈给微处理器,微处理器将其与程序预设置的牵引力参数相比,以得到步进电机的控制参数,从而调节当前施加牵引力的量值等参数。同时,LCD液晶显示器和发光二极管实时、动态显示所施加的参数及系统状态。遇到异常情况,系统自动报警,并立即停止治疗。牵引结束,仪器根据预设置程序,自动进入理疗程序,以放松病人颈肩部肌肉,减轻病人患处的疼痛,增强牵引治疗的疗效。系统配有USB通讯接口,可与电脑通讯,以便医生根据患者治疗情况,通过计算机将康复处方及疗程控制参数定期写入牵引控制系统,从而确保牵引康复治疗的有效性和安全性。计算机亦可对治疗仪器进行控制操作。
1.1 微机控制单元
微机控制系统采用了美国TI公司的TMS320F2812数字信号处理器,为32位定点DSP控制器。其频率高达150M,大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力,是电机等数字化产品升级的最佳选择[4]。I/O口供电电压为3.3V,可降低系统的功耗。它本身带有128K闪存,可用于开发及对现场软件进行升级时的简单再编程。该器件还包括12位的A/D转换器,吞吐量每秒可达16.7MB的采样,完全能达到本文的设计要求,不需要再单独购买A/D转换器,既省钱又可减小系统的体积。片上带有两个事件管理器,是数字电机控制应用使用的非常重要的外设[5]。所以采用TMS320F2812作为微处理器,非常适合便携性、低功耗、低价格和高性能的要求。
1.2 电机驱动和力反馈信息采集单元
电机采用Kinco型步进电机。它的步进角为1.8°,额定电流1A,保持转矩为9kg.cm。电机驱动器采用Motek细分型步进驱动器2M412。它的工作电压为12～36V,输出电流可调,最大驱动电流为1.2A。该驱动器具有高功率、性能稳定、体积小、价格低廉等特点。它可提高步进电机的转速精度、降低其振动和噪音。CPU通过时间管理器产生PWM波为2M412提供步进控制脉冲信号。步进控制脉冲信号要求具有10mA左右的驱动能力,脉冲控制信号宽度应大于10μs,占空比保持在10%～90%之间,以免引入干扰。
力反馈信息采集由S型传感器和TMS320F2812内部的A/D转换器来实现。S型传感器具有体积小、重量轻且价格低廉等特点,是理想的测绳拉力传感器。
1.3 实时显示部分和人机接口单元
实时显示与人机接口主要由LCM168651液晶块实现。128×64点阵,接口模式采用直接访问方式。由于TMS320F2812的I/O口供电电压为3.3V,而液晶模块的电源电压为5V,所以中间需加上电平转换电路进行电平转换,本系统采用LVC16245作为电平转换芯片[6]。人机接口部分的键盘采用独立式键盘工作方式,键盘信号的读取通过74HC573由CPU的通用I/O口完成。
1.4 计算机-系统USB通讯模块
在系统(下位机)与PC机的连接上,引入USB传输技术,提高终端设备同PC机之间的数据传输效率,简化操作。其电路原理图如图2所示。
图2中PDIUSBD12的第28引脚UC/D是输入引脚,它由TMS320F2812的一个引脚来控制。在正常工作时,当28引脚状态为逻辑1(高电平),PDIUSBD12认为在引脚D0～D7上接收到的为其内部的命令信息,如果命令能够识别,则执行它,否则不作响应。当28引脚状态为逻辑0(低电平),PDIUSBD12在D0～D7上接收或者向TMS320F2812发送其在USB总线上解包出来的数据。第21引脚通过一个发光二极管串联一个330Ω电阻接到电源VCC上,可以用灯的闪烁来直观地显示USB总线的连接和传输数据的的情况,这对于调试有很大的帮助。第19引脚EOT_N仅在DMA模式下用来指示数据的传输结束,在本系统当中没有使用该传输模式,所以在此置成了无效的高电平状态。芯片的电源附近接的电解电容起到滤波、稳定电源的作用。
1.5 物理治疗功能扩展接口及实时保护电路
理疗功能扩展接口主要包括数模转换DAC7643和功率放大器17358。它为软件设计了物理治疗方式,如:中频电治疗等,提供适当输出功率与接口。
系统采用TMS320F2812内部的看门狗电路作实时保护电路。当系统在设置时间内无信号输入时,看门狗定时器会启动复位脚,使CPU复位。另外,系统使用一个蜂鸣器,如果病人在使用过程中出现异常(牵引力过大,理疗电流过大等),蜂鸣器亦会自动报警,同时中断系统工作。
2 软件设计
仪器软件部分采用模块化结构,使用C语言对DSP进行编程,从而实现对步进电机和理疗部分的控制。
控制系统主程序和键盘中断程序流程图如图3所示。主程序初始化(定义常量、变量及LCD初始。EEPROM初始化、AD7705初始化、RAM初始化等。)结束后,系统开外部中断XINT1,可处理键盘外部中断,它的中断优先级最高。然后进入主循环,调用LCD显示程序和键盘处理子程序。键盘处理程序根据变量KEYCODE的值调用相应的功能函数。
当有键按下时,进入中断处理子程序,查询键值,如果为牵引键或理疗键,赋给KEYCODE,退出中断;如果数字键、中频键、STOP键、PLAY键、PAUSE等键调用相应的程序,改变对应的变量,如数值大小、STOP_F状态等后,退出中断。
在病人作完牵引后,主程序可根据LCD显示菜单中设定的理疗参数,自动进入理疗程序,之后判断有无PLAY键按下,决定波形是否输出,并根据菜单输入的时间参数启动定时器,中间如有异常,系统自动报警并停止工作。
3 结论
本牵引控制系统设计采用了自动控制、微电子技术和计算机软件技术。它具有自适应反馈控制功能,以解决动态牵引过程中的恒定拉力控制问题。系统提供多样性牵引康复处方设置功能,以满足具有不同个体特征的颈椎病患者选用不同牵引康复处方的需求。系统具有牵引过度保护及报警功能,以便患者在因牵引重量偏大,增加过快过大引起被治疗者颞颌部感到不适时,及时采取应激措施,中止治疗,以避免造成患者颞颌部关节痛、牙痛、头痛和肌肉、韧带、关节囊等软组织的损伤。
系统还配有程序扩展空间与接口电路,以扩充其它物理治疗功能。这种集牵引、理疗一体的程序化操作不仅方便用户,更重要的是,它可大大提高牵引治疗的效果。系统配有与计算机的USB通讯接口,以便医生输入、更新康复治疗处方,从而确保病人安全、可靠地在家中或旅馆中使用。
参考文献
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