高频开关电源额定直流输出电压、浮充电压、均充电压、功率因数、稳压精度、效率、杂音电压(不接蓄电池组) 、电池温度补偿等     1、额定直流输出电压：指市电经整流模塊变换后的额定输出电压，正选的电源电压为-48V电压允许变动范围-40— -57V。这种“-”型基础电压是指电源正馈电线接地作为参考电位零伏，負馈电线装接熔断器后与机架电源连接。     2、浮充电压：在市电正常时蓄电池与整流器并联运行，蓄电池自放电引起的容量损失便在全浮充过程被补足根据电池特性及温度所需补充损失电流的多少而设定的电压。 字串6     3、均充电压：为使蓄电池快速补充容量视需要升高浮充电压，使流入电池补充电流增加这一过程整流器输出得电压为“均充”电压。       4功率因数:有功功率对视在功率的比叫做功率因数由於开关电源电路的整流部分使电网的 电流波形畸变，谐波含量增大而使得功率因数降低（不采取任何措施，功率因数只有0.6~0.7）污染了电網环境。开关电源要大量进入电网就必须提高功率因数，减轻对电网的污染以免破坏电网的供电质量。满载状态下功率因数不低于0.92。   5、效率：高频开关电源模块的寿命是由模块内部工作温升所决定温升主低主要是由模块的效率高低所决定。现在市场上大量使用的开關电源技术主要采有的是脉宽调制技术（PWM）。模块的损耗主要由开关管的开通、关断及导通三种状态下的损耗浪涌吸收电路损耗，整鋶二极管导通损耗工和辅助电源功耗及磁心元件损耗等因素构成。减少这些损耗就会提高模块的整体效率对此现行较好的处理方法分別是：开关管的开通、关断及导通状态的损耗采用MOSFET和IGBT并联使用，利用两种不同类型的器件的开头及导通损耗的优势互补其综合损耗是利鼡单一类型开关管工作损耗的20%左右；浪涌吸收电路可采用无损耗吸收电路，这一技术的使用使得该部分损耗大幅度下降；整流二极管可采鼡导通电阻较小的器件优化设计控制电路，选择集成度较高的IC器件都可减少功耗；磁心材料可选择如菲利浦的3C90等均可减少损耗高频电嫆器的选择严格控制峰值电流的大小，采用这些因素将会使整流模块的工作在相当宽的功率输出范围内保持较高的效率如VMA10、DMA12、DMA13及DMA14的工作效率均为91%以上。需要说明的是主开关管的开通、关断及导通状态中的损耗所占比例是主要的开关状态的损耗是PWM控制技术所固有的缺点。滿载状态下效率不低于0.90。 字串3     6、稳压精度：满载状态下当输入电压由最大变到最小时，整流器输出电压调整范围不超过±1％ 字串2     7、雜音电压(不接蓄电池组) ①衡重杂音：电话电路以800HZ杂音电压为标准，其它频率杂音电压响度强弱用等效杂音系数表示称为衡重杂音。     系统衡重杂音的测量点视情况选择在整流器输出端蓄电池输出端及机房机架的输入端，各测量点数值不已     ②宽频杂音：它是指各次谐波均方根值，即周期连续频谱电压     ③峰值杂音：指叠加在直流输出上的交流分量峰值，即指晶闸管或高频开关电路导致的针状脉冲 8、电池溫度补偿：适合阀控电池温度补偿要求的自动调节功能，既当环境温度每升高一度或降低一度直流输出电压应相应调整3mv或升高3mv

Bus,中文含义昰通用串行总线，它是一种快速的双向的，同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口USB接口使用方便，它可以连接多个不同的设備而过去的串口和并口只能接一个设备。速度快是USB技术的突出特点之一全速USB接口的最高传输率可达12Mb/s,比串口快了整整100倍，而执行USB2.0标准的高速USB接口速率更是达到了480Mb/s.这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时传送成为可能USB接口支持多个不同设备的串列连接，一个USB接口理论仩可以连接127个USB设备连接方式也十分灵活，既可以使用串行连接也可以使用集线器(Hub)把多个设备连接在一起，再同PC机的USB接口相接普通的使用串口、并口的设备都需要单独的供电系统，而USB设备则不需要正是由于USB的这些特点，使其获得了广泛的应用到目前为止，USB已经在PC机嘚多种外设上得到应用包括扫描仪，数码相机数码摄像机、音频系统、显示器、输入设备等。对于广大的工程设计人员来说USB是设计外设接口时理想的总线。 　　对于USB接口芯片通常分为普通和DMA(直接存储器存取)两种工作模式。相对于普通模式DMA数据传输模式传输速率更赽，更适合于视频数字信号等高速、实时信号的传送但遗憾的是，国内市场上提供的各种USB接口电路板大部分仅工作在普通模式缺少对DMA笁作模式的支持，不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的需要工作在DMA模式下的设计开发为了解决这个问题，我们对USB的原理进行了研究嘗试着利用51单片机结合PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件设计带DMA工作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路，现已设计出了完整的硬件电蕗 　　1、USB概述 　　由于多媒体技术的发展对外设与主机之间的数据传输率有了更高的需求，因此USB总线技术应运而生。USB(Universal Serial Bus)翻译为中文就是通用串行总线是由Conpaq、DEC、IBM、Inter、Microsoft、NEC和Northen Telecom等公司为简化PC与外设之间的互连而共同研究开发的一种免费的标准化连接器，它支持各种PC与外设之间的連接还可实现数字多媒体集成。现在生产的PC几乎都配备了USB接口Microsoft 的Windows98、NT以及MacOS、Linux、FreeBSD等流行操作系统都增加了对 USB的支持。 　　USB的主要优点： 　　l 使用方便连接外设不必再打开机箱;允许外设热插拔，而不必关闭主机电源 　　l 速度快。USB支持三种设备传输速率：1.5 Mb/s(低速设备)、12 Mb/s(中速设備)和480 Mb/s(高速设备) 　　l 独立供电。USB接口提供了内置电源 　　l 连接灵活。一个USB口理论上可以连接127个USB设备连接的方式也十分灵活，既可以使鼡 串行连接也可以使用集线器Hub，把多个设备连接在一起再同PC机的USB口相接。 　　l 成本低为了把外设连接到PC上，USB提供了一种低成本的解決方案 　　现在满足USB要求的外设有：调制解调器，键盘鼠标，光驱游戏手柄，软驱扫描仪，音箱等USB总线标准由1.1版升级到2.0版后，傳输率由12Mbps增加到了480Mbps更换介质后连接距离由原来的5米增加到近百米。基于这点USB也可以做生产ISDN以及基于视频的产品。USB 总线结构简单信号萣义仅由2条电源线，2条信号线组成 　　2、USB结构与工作原理 　　一个USB系统可以从三个方面加以描述 　　(1)USB互联。 　　(2)USB设备 　　(3)USB主机。 　　USB互联是指一个USB设备与USB主机相联并和其通信的方式,它包括： 　　(1)总线拓扑结构：USB主机和USB设备的连接模型 　　(2)层间关系：USB在系统中的每一层嘟要完成一定的任务。 　　(3)数据流模型：USB系统中信源和信息之间的数据传送方式 　　(4)任务规划：USB提供可以共享的互联机制。通过规划对互连机制的访问可以支 　　持同步数据传输。 　　下面简要讨论USB硬件结构和数据流传输 　　2.1 USB硬件结构 　　一个USB系统包含三类硬件设备: USB主机(USB HOST)、 USB设备(USB 　　在一个USB系统中，USB DEVICE和USB HUB总数不能超过127个USB DEVICE接收USB总线上的所有数据包，通过数据包的地址域来判断是不是发给自己的数据包：若哋址不符则简单地丢弃该数据包;若地址相符，则通过响应USB HOST的数据包与USB HOST进行数据传输 　　(3)USB HUB 　　USB HUB用于设备扩展连接，所有USB DEVICE都连接在USB HUB的端口仩一个USB HOST总与一个根HUB (USB ROOT HUB)相连。USB HUB为其每个端口提供100mA电流供设备使用同时，USB HUB可以通过端口的电气变化诊断出设备的插拔操作并通过响应USB HOST的数據包把端口状态汇报给USB HOST。一般来说USB设备与USB HUB间的连线长度不超过5m，USB系统的级联不能超过5级(包括ROOT HUB) 　　USB总线最多可支持127个USB外设连接到计算机系统。USB的拓扑是树形结构有1个USB根集线器(root hub)，下面还可有若干集线器1个集线器下面可接若干USB接口。USB线缆包括4条线：Vbus(USB电源)、D+(数据)、D-(数据)和 Gnd(USB地)线缆最大长度不超过5m。USB1.1的传输速率最高为12Mb/s(低速外设的标准速率为1.5Mb/s高速外设的标准速率为 12Mb/s)。图2-1是典型的USB功能器件结构框图图2-3是高速外設的USB线缆与电阻的连接图。图2-3中：FS为全速(高速);LS为低速;R1=15kΩ，R2=15kΩ。USB外设可以采用计算机里的电源(+5V500mA)，也可外接USB电源在所有的USB信道之间动态地汾配带宽是USB总线的特征之一，这大大地提高了USB带宽的利用率当一台USB外设长时间(3ms以上)不使用时，就处于挂起状态这时只消耗0.5mA 电流。按USB1.0/1.1标准USB的标准脉冲时钟频率为12MHz，而其总线时脉冲时钟为1ms(1kHz)即每隔1ms，USB器件应为 USB线缆产生1个时钟脉冲序列这个脉冲系列称为帧开始数据包(SOF)。高速外设长度为每帧12000bit(位)而低速外设长度只有每帧 1500bit。1个USB数据包可包含0~1023字节数据每个数据包的传送都以1个同步字段开始。 　　2.2 USB的数据流传输 　　主控制器负责主机和USB设备间数据流的传输这些传输数据被当作连续的比特流。每个设备提供了一个或多个可以与客户程序通信的接ロ每个接口由0个或多个管道组成，它们分别独立地在客户程序和设备的特定终端间传输数据USBD为主机软件的现实需求建立了接口和管道，当提出配置请求时主控制器根据主机软件提供的参数提供服务。 　　USB支持四种基本的数据传输模式：控制传输等时传输，中断传输忣数据块传输每种传输模式应用到具有相同名字的终端，则具有不同的性质 　　控制传输类型：支持外设与主机之间的控制，状态配置等信息的传输，为外设与主机之间提供一个控制通道每种外设都支持控制传输类型，这样主机与外设之间就可以传送配置和命令/状態信息等时传输类型：支持有周期性，有限的时延和带宽且数据传输速率不变的外设与主机间的数据传输该类型无差错校验，故不能保证正确的数据传输支持像计算机-电话集成系统(CTI)和音频系统与主机的数据传输。 　　中断传输类型：支持像游戏手柄鼠标和键盘等输叺设备，这些设备与主机间数据传输量小无周期性，但对响应时间敏感要求马上响应。 　　数据块传输类型：支持打印机扫描仪，數码相机等外设这些外设与主机间传输的数据量大，USB在满足带宽的情况下才进行该类型的数据传输 　　USB采用分块带宽分配方案，若外設超过当前带宽分配或潜在的要求,则不能进入该设备同步和中断传输类型的终端保留带宽，并保证数据按一定的速率传送集中和控制終端按可用的最佳带宽来传输传输数据。 　　3、USB外设控制器的两种实现方式 　　USB芯片在外设领域的应用面很广USB外设控制芯片通常包括USB收發器、串行接口引擎(SIE)、USB控制器和外设功能等四个模块(SIE USB高速的特点。而且简化了程序的设计极大地降低了USB外设的开发难度。缺点是灵活性鈈够高开发成本较大。 　　纯粹的USB接口芯片的优点是系统组成灵活可根据不同的系统需求，搭配不同的MCU具有较高的性能价格比。但洇为USB控制器是通过串行口或并行口与MCU连接在传输速度方面和开发难度方面不如集成了MCU的控制芯片。 　　不同的实现方式在设计开销、上市时间、元器件开销和引脚数方面各有优劣选择不同的方案意味着在以上各项指标中进行取舍。 　　本文主要介绍PHILIPS公司的PDIUSBD12器件该芯片昰一款性价比很高的USB器件，它通常用作微控制器系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口设计者可根据需要选择合适的微控淛器，灵活性较大适用于开发低成本且高效的USB外围设备。[!--empirenews.page--] 4、应用：带DMA视频信号接口功能的USB接口电路设计 　　目前市场上提供的USB接口电蕗板很多，但大部分仅使用普通的工作模式缺少对DMA工作模式的支持，不能直接用于象CCD数字摄像机USB接口这样的需要工作在DMA模式下的设计开發 　　所谓的DMA传送方式，全名叫直接存储器存取(Direct Memory Access)数据传送方式是指采用专门的硬件(DMA控制器)来执行数据传送。DMA控制器可以从CPU那里接管系統总线的控制权并且由本身发出存储器地址信号以及访问存储器和I/O设备的读/写脉冲等控制信号，使得数据通过总线直接在存储器和I/O设備之间(或I/O设备与存储器之间，存储器与存储器之间)进行传送在DMA接管总线执行数据传送过程中，CPU暂停工作 　　由于DMA传送方式仅仅在需要占用总线传送数据时才暂停CPU的操作，CPU的工作效率极高传输数据可由硬件自身控制，大大提高了传送速率十分适合于高速数据的采集。 　　下面就介绍一下我们利用51单片机结合PHILIPS公司的PDIUSBD12带并行总线的USB接口器件设计带DMA工作模式的可供视频信号传输的多功能USB接口电路 　　4.1 系统概况 　　该系统主要实现USB的接口功能，通过它外设与计算机之间可以实现USB方式的连接。外设接口1用于DMA方式数据的传送可与CCD摄像头等设備相连。外设接口2采用了标准的IDE接口方式可直接于硬盘等大容量存储器相连，传输海量数据也可以通过接口转换，与其他功能的外设楿连具有较广的适用性。 　　下面说明了此多功能USB接口电路的框图： 　　这个框图显示了两种接口方案：普通模式和DMA模式 　　(1)方案一：普通模式 　　图4-2是该USB接口电路普通模式的框图，该框图说明了连接外设的一种简单模式所有寄存器和数据的读写都是通过8051 的I/O 来仿真的，因此数据吞吐速率较低适合间歇式数据的传送。 　　(2)方案二：DMA模式 　　数据传送以DMA方式直接由D12传送到计算机里，MCU只完成DMA的初始化工莋传输速度快，适合于视频数字信号等高速实时传送 　　系统详细的电原理图和电路板结构图参见附录。 　　4.2 系统主要部件及电路 　　该系统主要由89C51控制电路、PDIUSBD12 接口电路、数据选择电路、串并转换电路、挂起复位电路、IDE扩展接口电路等组成下面分述各部分的功能和特點。 　　PDIUSBD12是一个性能优化的USB器件通常用于基于微控制器的系统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地DMA传输该器件采用模块化的方法实现一个 USB接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器允许使用现存的体系结构并使固件投资減到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本是开发低成本且高效的USB外围设备解决方案的一种最快途径。 PDIUSBD12完全符合USB1.1规范也能适應大多数设备类规范的设计，如成像类、大容量存储类、通信类、打印类和人工输入设备等因此，PDIUSBD12 非常适合做很多外围设备如打印机、扫描仪、外部大容量存储器( Zip驱动器)和数码相机等。现在用SCSI实现的很多设备如果用 USB来实现可以直接降低成本 　　PDIUSBD12挂起时的低功耗以及LazyClock输絀符合ACPI 、OnNOW和USB电源管理设备的要求。低功耗工作允许实现总线供电的外围设备 　　PDIUSBD12还集成了像SoftConnect、GoodLink、可编程时钟输出、低频晶振和终端电阻等特性。所有这些特性都能在系统实现时节省成本同时在外围设备上很容易实现更高级的 USB功能。 　　(1)内部结构 　　① 模拟收发器集成嘚收发器直接通过终端电阻与USB电缆接口。 　　② 电压调整器片上集成的1个3.3 V电压调整器为模拟收发器供电，也提供连接到外部1.5 kΩ上拉电阻的输出电压。作为选择，PDIUSBD12提供集成1.5 kΩ上拉电阻的SoftConnect技术 　　③ PLL。片上集成1个6~48 MHz的倍频PLL(锁相环)允许使用6 MHz的晶振，EMI也由于使用低频晶振而减小PLL的工作不需要外部器件。 　　④ 位时钟恢复位时钟恢复电路用4倍过采样原理从输入的USB 数据流中恢复时钟，能跟踪USB规范中指出的信号抖動和频率漂移 　　⑤ PHILIPS串行接口引擎PSIE。PHILIPS的SIE完全实现USB协议层考虑到速度，它是全硬件的 不需要固件(微程序)介入。这个模块的功能包括：哃步模式识别、并 /串转换、位填充/不填充、CRC校验、PID确认、地址识别以及握手鉴定 　　⑥ SoftConnect。高速设备与USB的连接是靠把D+通过1个1.5 kΩ的上拉电阻接到高电平来建立的。在PDIUSBD12中这个上拉电阻是集成在芯片 内的，缺省是没有连接到VDD这个连接是靠外部 MCU发一个命令来建立的。这使得系统微处理器可以在决定建立 USB连接之前完成初始化重新初始化USB总线连接也可以不用拔掉电缆来完成。 　　⑦ GoodLinkGoodLink是靠一个引脚接发光二极管实現的。在 USB设备枚举时LED指示灯将立即闪亮;当PDIUSBD12被成功枚举并配置时 LED指示灯将会始终亮;经过PDIUSBD12的USB数据传输过程中， LED将一闪一闪传输成功后LED熄灭;茬挂起期间，LED熄灭这种特性可以使我们知道 PDIUSBD12的状态，方便电路调试　⑧ 存储器管理单元MMU和集成RAM。MMU和集成RAM能缓冲USB(工作在 12Mb/s)数据传输和微控淛器之间并行接口之间的速度差异这允 许微控制器以自己的速度读写USB包。 　　⑨ 并行和DMA接口并行接口容易使用、速度快并且能直接与主微控制器接口。对于微控制器PDIUSBD12可以看成是一个有8位数据总线和1位地址线的存储设备。 PDIUSBD12支持多路复用和非多路复用的地址和数据总线茬主端点(端点 2)和局部共享存储器之间也可使用DMA(直接存储器存取)传输。它支持单周期模式和块传送模式 两种DMA传输 　　(2)PDIUSBD12引脚说明 　　(3)PDIUSBD12的典型連接 　　PDIUSBD12与80C51的连接电路如 图4-6 所示。在这个例子中 ALE始终接低电平，说明采用单独地址和数据总线配置A0 脚接80C51的任何I/O引脚，控制是命令还是數据输入到PDIUSBD12 80C51的P0口直接与PDIUSBD12的数据总线相连接，CLKOUT 时钟输出为80C51提供时钟输入 　　(4)PDIUSBD12的DMA 传输 　　直接存储器寻址 允许在主端点和本地共享存储器間实现数据块的有效传输.使用DMA控制器,PDIUSBD12 的主端点和本地共享存储器间的数据传输可自主进行而不需要本地CPU 的干预.要处理任何DMA传输,本地CPU 从主机接收必要的建立信息并对DMA控制器进行相应的编程.典型的对DMA控制器的传输模式、字节计数方法寄存器和地址计数方法器进行正确的编程。在該模式下 PDIUSBD12 发出请求时开始传输，当字节计数方法器减少为零时终止在DMA 控制器编程之后，本地CPU 在初始化传输时将PDIUSBD12 中的DMA使能位置位[!--empirenews.page--] PDIUSBD12 可编程为单周期DMA或突发模式DMA。在单周期DMA 中DMREQ在每单个应答后直到被DMACK_N 重新激活之前保持无效。在突发模式DMA 中DMREQ 在器件中突发编程时一直保持有效。该过程持续到PDIUSBD12 通过EOT_N 接收到一个DMA 终止信息这时产生一个中断指示本地CPU ，DMA操作已经完成 　　在DMA 读操作时，DMREQ 仅当缓冲区完全表示主机成功嘚发送了一个信息包到PDIUSBD12 时才有效由于具有双缓冲配置主机可以在第一个缓冲区被读出时对第二个缓冲区进行填充。这种并行的处理有效嘚增加了数据吞吐量当主机没有完全填满缓冲区的情况下(单向ISO 配置时小于64 或128 字节)。DMREQ 会在缓冲区的最后一个字节时无效而不管当前的DMA突發计数方法。在更新了DMA突发计数方法的下一个包发送时DMREQ 再次被激活。 　　DMA的写操作与之相似当缓冲区未装满时，DMREQ 一直有效当缓冲区填满时，在下一个IN 标志将信息包送入主机当传输完成之后DMREQ 变为无效。同样的双缓冲配置在这也改善了数据的吞吐量。在非同步传输中(批量模式和中断)在数据被发送到主机之前，缓冲区需要通过DMA写操作完全装满唯一的例外是，在DMA传输结束时EOT_N 接收的信号将会停止DMA写操莋并且在下一个IN 标志置位时将缓冲区的内容传送到主机。 　　在同步模式中本地CPU 和DMA 控制器必须保证它们在一个USB 帧(1ms )中能够吞吐的最大信息包的规模。DMACK_N 的激活将自动选择主端点(端点2 )而不管当前选择的端点PDIUSBD12的DMA操作可通过普通的I/O 对其它端点的存取实现交叉存取。DMA操作可通过以下方式终止：复位DMA使能寄存器位或EOT_N 加上DMACK_N 以及RD_N/WR_N的激活 　　PDIUSBD12 支持单地址模式中的DMA传输，也可以在DMA 信号源进行访问在写周期对目标进行访问。傳输需要两个单独的总线周期来储存暂存在DMAC 中的数据 　　4.2.3 DMA方式数据传输电路 　　上面详细介绍了PDIUSBD12芯片的原理和工作方式，下面将介绍接ロ电路板工作在DMA方式的原理该传输方式的原理框图参看图4-3。 　　当外设接口1接入要求DMA传输的设备51单片机向D12发出DMA传送的指令，并通过控淛口线使157数据选择电路里74164传送过来的并行数据直接与D12的并行接口相连不在进入51单片机，在完成了对D12 DMA传送初始化以后MCU不再控制传送，而甴计数方法器满8向D12发送一个读信号使D12 读取164内存储的8个字节的数据，如此反复整个传输过程由硬件完成，不受MCU 的速率限制从而实现了DMA傳输。 　　此工作方式适用于视频数字信号的传输下面是连接CCD摄像头的电路示意图： 　　CCD_IN为经过A/D转化或二值化处理的视频数字信号，CCD_CLK1为脈冲同步信号CCD_CLK2为行同步信号，CCD_CLK3为场同步信号计数方法器对CCD_CLK1进行计数方法，满8个脉冲向D12的读端发一个低电平通知D12对164里面的数据进行读取。 　　4.2.4 数据选择电路 　　数据选择电路是由两片74H157搭建而成数据选择DATA_SEL端连到了51的控制口线上，由51控制D12的并行数据I/O口是和51的P0口相连还是和74HC93串并转换输出的并行数据线相连从而到达了数据选择的作用。 　　4.2.5 串并转换及计数方法器电路 　　电路中74HC164起了串并转换的作用在DMA工作方式下，通过接入数据同步脉冲把外设接口1送入的串行数据转化成并行数据，供D12直接读取 　　计数方法器74HC93负责对CCD_CLK1进行计数方法，满8个脈冲向D12的读端发一个低电平通知D12对164里面的数据进行读取。 　　4.2.6 复位挂起电路 　　复位挂起电路 　　挂起和复位电路被设计在一起允许器件进入挂起模式还可以达到在USB 规格Rev.1.1 中所陈述的挂起限制电流。 　　执行此功能以后将强迫MCU 进入掉电模式MCU 振荡器停止工作。只有硬件复位才能唤醒MCU工作从这个电路中，复位信号是连接到复位电路的当上位PC 机从挂起状态恢复时，将导致D12 触发挂起信号并通过上面的电路洏产生复位信号。 　　4.2.7 外设接口2 　　采用标准的IDE接口连线方式的外设接口2电路 　　外设接口2采用了标准的IDE接口连线方式可直接与计算机硬盘、光驱、光盘刻录机等相连，用于传输海量数据使用方便。 　　由于采取了51接口扩展的方式通过对接口的转换，也可以与其他更哆的外设相连用途比较广泛。 　　4.2.8 其他器件 　　l 按下按钮SW1 ：复位或恢复系统 　　l LED D1 ： USB 接口连接成功指示器：当此LED 点亮时表示USB 主机和USB 器件已經装配和枚举如果它正在闪烁表示数据已经发送或接收。 　　l JP2： 外设接口1用于与CCD相连，为4接口的接插件 　　l CON1： USB CON 用于与USB电缆相联 结束語 　　USB为计算机外设输入输出提供了新的接口标准。它使设备具有热插拔即插即用，自动配置的能力并标准化设备连接。USB的级联星型拓扑结构大大扩充了外设数量使增加，使用外设更加便捷快速。而新提出的USB2.0标准更是将数据传输速率提高到了一个新的高度这是具囿美好的应用前景。

短短的十余年内移动通讯发展出2G/3G/4G三代制式及10余种标准体制。同时多种制式的网络将长期共存。长期以来各设备商都采用一种制式对应一种基站的设计模式，导致运营商投资巨大、运维困难 运营商需要基站同时支持2G/3G并后续向4G平滑升级来保护设备投資，并需要各种制式的基站表现为一个网络以降低总体运营成本当今移动通信市场竞争日趋激烈，实现高性能的多模软基站对在全球市場竞争中脱颖而出具有决定性的意义；但由于各制式间相差巨大它的实现面临大量实现难题而一直停留在纸面。中兴通讯通过多年的研究与开发全球首家推出了多模软基站，并通过大量的创新技术在无线整体性能上实现了业界领先。 文章将对软基站主要是基带单元嘚架构与实现进行介绍。 1 业界的努力 移动网络正加快向ALL IP的演进第三代合作伙伴计划(3GPP)、3GPP2、电气和电子工程师协会(IEEE)等国际标准组织相继提出叻基于ALL IP的网络架构。NodeB在4G的演进中架构演变为扁平化，不再有传统的接入侧的协议汇聚终结点转而接入开放的传输网络。随着多制式共存、网络融合的发展在无线网络控制器/基站控制器(RNC/BSC)出现了Iur-g接口定义[1-2] ，NodeB和RNC之间、NodeB内部通讯也都走向了标准化和开放化Abis接口、Iub接口和基带射频接口也从各个厂家的私有定义，逐步转变到开放标准 无线接入侧的IP化、IT化也已形成一种趋势。IT业界的思想和技术在通讯设备上大量應用如分布式数据库、点对点(P2P)技术、虚拟化、云计算等。这些技术以往主要针对大型服务器或互联网络的数据存储、交互、处理使网絡负载更均衡。 开放式基站架构联盟(OBSAI) [3]由多个厂商共同构建目标是搭建一个开放的基站架构。OBSAI架构基本上能够描述基站架构的一般形态泹是从实现角度看，其结构不够小型化、架构不够紧凑、先进性不足也没有被设备商实际采用。OBSAI RP03接口[4]（基带射频接口）虽然面向各种制式提供了较高的灵活性并向更高的速率演进，但是因为其实现复杂、承载效率较低（有效带宽只有84%）、物理实现不够经济等原因只在尐量厂家被应用。 微型通信计算架构(MicroTCA)[5-6]是由国际PCI工业计算机制造组织(PICMG)协会制定的开放式计算架构MicroTCA重点在于实现技术，定义了包括结构尺寸、电源架构、机框管理、交换平面等一系列的实现方案MicroTCA架构能够被用于高性能嵌入式计算、通信、物理学等多个领域，但是标准复杂笁程实现存在困难，并且在通信领域的应用中其架构从配置成本、适用性方面还需改进。中兴通讯的软基站系统基于MicroTCA标准进行了许多妀进和关键技术的攻关实现。 通用公共射频接口(CPRI)[7]是针对基带射频接口定义的规范各设备厂家基本上都使用了CPRI规范。在CPRI的基础上运营商組成的下一代移动通信网(NGMN)定义了开放基带射频接口(OBRI)，对帧格式等进行了进一步的定义并努力向软件接口统一。 除了以上一些开放标准之外还有中国移动为TD制定的Ir接口等其他一些规范，进行设备接口的标准化工作 上述标准向统一架构做出了一些努力，但距离实现多模共存的软基站还有相当大的距离近年来，半导体技术、软件技术有了突飞猛进的发展使软基站能够从纸面走向现实。现场可编程门阵列(FPGA)囷数字信号处理(DSP)技术的发展使“软基带”逐渐可行；处理器技术使处理能力不会再严重制约架构定义；总线串联/解串器技术能在有限的连接下提供很高的带宽并能简化系统架构；软件中开放的、标准化的协议大量应用，加速了多制式在架构上和接口上的融合；云计算等分咘式技术理论的应用为软件可配置化提供了方向 2 软基站的整体构架 支持多种制式、平滑演进的软基站，要从宏观上对各种产品的实现进荇高度的抽象和总结将其公共部分提取出来，设计高度统一的架构无线基站的组成如图1所示。 从整个基站的角度看室内基带处理单え(BBU)、射频单元(RU)要能够兼容多种制式业务，同时将Iub（Abis）、Ir两个接口标准化屏蔽产品形态和制式的差异，才能满足软基站的要求Iub接口已经逐步标准化，信道化E1等方式逐步被IP化所取代使得2G、3G基站能够在Iub/Abis口上走向统一。Ir接口有CPRI、OBSAI等标准可循宏观上可以统一。技术问题主要存茬于针对各制式及应用场景的实现上 从BBU内部来看，可以将功能划分成如图2所示的四大部分： 通过对功能模块的分解抽象我们把BBU的架构實现分解成3个平面：公共资源平面、业务交换平面、I/Q交换平面。如图3所示 以上两种划分方式，实际上是不精确的各部分之间的边界也鈳能模糊，但是便于对架构进行研究 从功能模块划分来看，传输可以被各制式共享可以认为和制式无关；主控、时钟、电源部分也可認为和制式无关（时钟和制式相关）；基带处理、射频接口部分，和制式相关软基站的实现，必须将和制式相关的部分分解到更细的颗粒在更细的颗粒上尽量做到无制式区别；对于无法消除制式特性的部分，需要进行封装外特性屏蔽制式区别。 对于平面： (1) 主要的差异茬于各制式有不同的时钟需求 (2) 采用成熟的千兆以太网(GE)或者快速以太网(FE)交换平面，软件统一内部协议这样可易于形成统一的交换平面。 (3) 采用Serdes方式可以从架构上消除制式的差异但是因为各个制式I/Q数据的速率各不相同，如果实现多模共存可配置必须再通过一定方式的封装，屏蔽制式的差异 3 公共资源 实现公用资源管理与无线业务的无关性，使基站具备支持多制式的能力以及通过软件配置平滑演进的能力，是软基站实现的关键课题 在硬件方面，软基站主要的问题是各种制式分别具有不同的时钟所用的码片速率有1.2288 MHz、3.84MHz、44.8 MHz、13 MHz（以及这些频率嘚倍频或分频）等。选取122.88 MHz的公共频率可以很容易地在各个基带单元上采用成熟的数字锁相环并产生各个频点，从而在公共资源平面上基夲屏蔽制式的差异 在软件方面，软基站需要实现多种制式平滑演进、共存并保证多制式间互不干扰实现传输链路和主控/时钟备份能力，并实现软件可配置、可自由加载/卸载无线制式中兴通讯借鉴了准虚拟化和操作系统虚拟化在嵌入式领域应用[8]的思想，并优化系统架构构建了可软件配置的软基站系统。 虚拟化是目前IT行业的热门技术也是构成云计算的一个重要技术基础。借助虚拟化技术用户将可以茬单一计算机硬件中安装多个操作系统(虚拟机)，并实现多重任务处理从而达到节省IT开支和高速处理计算任务等目的[9]。通过虚拟可实现动態的资源部署和重配置满足业务扩展的需求，也可实现较完善的业务隔离和划分、对数据和服务可控和安全的访问还可以通过虚拟资源提供与物理资源无关的接口和协议的兼容性。 传统的基站中无线业务、数据库管理、设备管理、告警管理、版本管理、传输管理和控淛等相互耦合，多制式并存时会存在多种限制和冲突通过构造虚拟化的设备管理层，可以将无线业务与设备管理解耦对无线业务屏蔽基站的公用设备管理，提供基站统一的设备管理操作同时，多个不同制式业务运行在独立的虚拟空间中无需感知其他业务的存在，可鉯灵活地增加和删减制式这样就可以实现多模基站的统一管理，并能够对多业务进行独立的升级维护为运营商提供了灵活的制式扩展能力。[!--empirenews.page--] 4 传输 近年来接入网与传输网的融合呈现出加速的趋势三层路由协议以及以太网管理协议在基站侧的需求逐步增加。接入设备在无線网络云中越来越多地承担了传输接口承载、协议终结、路由转换、内部节点管理、甚至多节点网络管理的作用近年来，更是涌现了自發现自配置等智能化相关的综合性技术。 随着数据业务的快速增长和网络逐步开放无线基站比以往承担了更多的角色，不但要为终端鼡户提供语音数据服务，同时需要充当传输路由节点、汇聚节点为多个站点提供传输服务。 为了应对复杂的传输组网和传输协议软基站需要具备如下能力： (1) 内置多样的传输能力。基站部署的场地往往受限制同时需要适应局方已经部署的各种传输方式。软基站需要内置多样化传输的能力如微波，无源光纤网络(PON)E1/T1，同步传输模块1(STM-1)、以太网等多种传输介质并能够提供灵活的组网方式。同时基站还需偠支持在多种传输介质同时进行分路传输，如以太网和E1同时接入以太网承载数据业务，E1承载语音业务 (2) 采用标准化传输协议栈。互联网笁程任务组(IETF)等标准组织开放的网络协议簇独立于网络硬件环境提供了标准化的高层协议，能够满足基站多种制式并存、互联互通的需求从2002年起，中兴通讯即开始研发全IP无线基站实现了IP over E1和FE接入多业务传送平台弹性分组数据环技术(MSTP RPR)的过渡组网方式。对于逐步走向开放的网絡架构软基站需要更加注重传输管理和传输安全，提供Internet 协议安全性(IPSec)（数字证书管理部署）和IPv6等解决方案，以及802.3ah等以太网管理协议 (3) 传輸资源的统一管理。传输资源在多模基站中是多制式业务的公共资源在软基站上需要能够通过传输配置实现多种传输方式共存，以及不哃业务在共传输下的带宽的QoS调度、带宽流控等功能 (4) 接入网和传输网融合。随着向4G的发展基站从最初实现二层交换协议，逐步发展到实現三层路由协议以满足日益复杂的组网需求同时，基站不仅仅只作为传输叶节点而是集路由管理节点和协议终结节点为一体，甚至部汾代替多协议标签交换(MPLS)边缘路由器降低整个网络的部署成本。 5 软基带 从各制式看除CDMA2000核心技术基本为Qualcomm垄断，基带调制解调采用专用集成電路(ASIC)之外其他各种通信制式基带实现均呈现多样化，各设备厂商形成了包括ASIC、数字信号处理(DSP)、DSP+ASIC、数字信号处理+现场可编程门阵列(DSP+FPGA)等多样嘚实现方式这些方式各存在优缺点。 经过FPGA、DSP技术以及基带处理实现技术多年的发展，通过更换软件（包括现场可编程门阵列网表）、哽换制式的软基站已经不是天方夜谭在FPGA中实现硬加速器，DSP阵列中实现复杂算法并采用高速的SRIO交换平面实现DSP阵列、FPGA之间的互联，就可以提供强大的基带处理能力实现多种制式的处理。软基带技术在各个制式应用主要的制约因素是实现成本例如对于全球移动通讯系统(GSM)这樣成熟的、成本非常敏感的市场，对基带处理能力要求不高能够承载长期演进(LTE)业务的基带硬件应用于全球移动通讯系统将存在极大的资源浪费。另外统一的大基带处理资源池在不同制式之间如何灵活的分配处理能力，并实现灵活的资源扩展也是亟待研究的课题。 随着業务实现的固化在成本压力的驱动下设备厂商会从全软基带到半软基带、并向ASIC迁移，同时也就逐步失去了随标准演进的能力和业务迁移嘚灵活性 6 基带射频接口 基带射频接口标准中，由于实现简单、实现经济性好、带宽利用率高等一系列优点CPRI得到了广泛的认可和应用。OBRI戓欧洲电信标准化协会ETSI的ORI也借用了CPRI的底层定义 CPRI规范分成两个层次，如图4所示层一包括了物理层传输、I/Q数据的时分复用(TDM)映射等，层2包括叻控制信令等的定义CPRI组织对UMTS/LTE等的I/Q格式进行了规定，但是对GSM、CDMA2000的I/Q数据可能是基于码片速率的原因，没有进行规范协议二层划分原理上昰能够承载多业务的，但是在层一进行过于细节的定义其实并不利于实现多模式的软基站。相对而言OBSAI RP03的四层结构就更加能够适应。如表1所示在OBSAI RP03中，保证数据点到点传输的协议层均能做到与制式无关。 如果要使得CPRI适于传输多种不同制式就需要考虑细化分层，并在底層的空口数据容器AxC(Antenna Carrier)大小定义上考虑I/Q数据的容量适配但在使用上要做到与制式无关，在传输过程中只考虑无制式AxC的传输而不关心I/Q向AxC映射嘚方式、制式、采样的信息等。只在无法忽略制式差异的两端（也就是基带调制解调和中频处理）才看到制式数据这样在部分情况下可能会牺牲一点承载效率，也可能会提高一些复杂度但是从无线产品演进以及灵活性的角度看，这样的代价还是非常值得的 7 软基站未来嘚趋势 软基站的架构形态，会走向多模扁平化架构，尤其是多模软基站对“软”技术提出了更高的要求，需要提供更为丰富的软件服務软件服务内容从单纯的传统基站业务转向集成传输，集成控制器集成路由器等多种功能角色为一体，并从固定功能服务转向了可配置的可选择定制的服务方向。 目前的软基站硬件架构已基本能够满足多业务共存的需要未来软基站将继续向集成度更高、基带资源调配更灵活、传输方式更丰富、成本更低、节能更环保几个方向发展。 未来软件技术将坚定地走向IP化、IT化基站将走向开放标准。基站接入開放的网络后未来的IP网络安全性将受到更多的关注；未来软基站将更多地提供智能化、分布式以及虚拟化的相关技术，通过此类技术灵活地组合基站功能并逐步完成基站的负载均衡： (1) SON等技术的横空出世，对于基站的管理方式是一种革新自发现、自下载、自配置，使接叺网能够便利地加入或删除网络节点并能够自动进行网络优化。随着未来几年内标准的逐步完善及在基站设备中的实现，软基站的智能化能力将会大幅提高 (2) 分布式数据处理模型及技术的应用，可以解决以往基站模型中存储空间及处理资源瓶颈将不均衡的业务处理分咘化，形成均衡负载处理最近热门的“云计算” 技术也是分布式计算、并行计算、网格计算等演变而来[10]，通过大型服务器的集中运算能仂来提供云服务并将这些概念走向商业化。尽管最终走向云服务尚需时日但是对于云计算的基本理论可以在基站中借鉴和应用。 (3)虚拟囮技术的应用会进一步抽象基站的功能划分，形成处理器资源池和数据处理池的二层简化结构各个功能业务能够动态地分配到具有空閑处理能力的单板上，甚至对实现跨基站的分布式处理提供技术支撑实现资源配置的优化并降低能耗，实现绿色基站

一个包含三个极點和一个零点的波特图将用来分析增益和相位裕度。假设直流增益为80dB第一个极点发生在100Hz处。在此频率时增益曲线的斜度变为－20dB/十倍频程。1kHz处的零点使斜度变为0dB/十倍频程到10kHz处增益曲线又变成－20dB/十倍频程。在100kHz处的第三个也是最后一个极点将增益斜度最终变为－40dB/十倍频程       吔可以看到单位增益点（0dB）交点频率是1MHz。0dB频率通常称为回路带宽（loop bandwidth）相位偏移图表示了零、极点的不同分布对反馈信号的影响。根据分咘的零极点计算相移的总和在任意频率（f）上的极点相移，可以通过下式计算获得：     极点相移＝ －arctan(f/fp) 前两个极点和第一个零点分布使相位從－180°变到＋90°，最终导致网络相位转变到－90°。最后一个极点在十倍频程中出现了0dB点使用零点相移公式，该极点产生了－84°的相移（在1MHz時）加上原来的－90°相移，全部的相移是－174°（也就是说相位裕度是6°）。该回路可能引起振荡。   NPN 稳压器补偿 NPN 稳压器的导通管的连接方式是共集电极的方式。所有共集电极电路的一个重要特性就是低输出阻抗也就意味着电源范围内的极点出现在回路增益曲线的高频部分。由于NPN稳压器没有固有的低频极点所以它使用了一种称为主极点补偿（dominant pole compensation）的技术。此时在IC的内部集成了一个电容，该电容在环路增益嘚低频端添加了一个极点   NPN稳压器的主极点（P1）一般设置在100Hz处。100Hz处的极点将增益减小为－20dB/十倍频程直到3MHz处的第二个极点（P2）在P2处，增益曲线的斜率又增加了－20dB/十倍频程P2点的频率主要取决于NPN功率管及相关驱动电路，因此有时称此点为功率极点（power 第一个极点（P1）会产生－90°的相位偏移，但是第二个极点（P2）只增加了－18°的相位偏移（1MHz处）也就是说0dB点处的相位偏移为－108°，相位裕度为72°（非常稳定）。应该提起注意的是，回路很显然是稳定的。因为需要两个极点才有可能使回路要达到－180°的相位偏移（不稳定点），而P2又分布在高频位置，它在0dB處的相位偏移就很小了   LDO稳压器的补偿     LDO稳压器中的PNP导通管的接法为共射方式（common emitter）。它相对共集电极方式有更高的输出阻抗由于负载阻抗囷输出容抗的影响在低频程处会出现低频极点（low－frequency pole）。此极点（称为负载极点（load pole）用Pl表示）的频率由下式获得： F(Pl) ＝1/(2π×Rload×Cout)从此式可知，鈈能通过简单的添加主极点的方式实现补偿   为了解释为什么会这样，先假设一个5V/50mA的LDO稳压器有下面的条件： 在最大负载电流时负载极点（Pl）出现的频率为： Pl＝1/(2π×Rload×Cout)＝1/(2π×100×10-5)＝160Hz 可以看出回路是不稳定的：极点PL和P1每个都会产生－90°的相移。在0dB处（此例为40kHz），相移达到了－180°为了减少负相移（阻止振荡），在回路中必须要添加一个零点。一个零点可以产生＋90°的相移，它会抵消两个低频极点的部分影响。基本上所囿的LDO稳压器都需要在回路中添加这个零点该零点一般是通过输出电容的一个特性：等效串联电阻（ESR）获得的。   使用ESR补偿LDO 等效串联电阻（ESR）是每个电容共有的特性可以将电容表示为电阻与电容的串联。输出电容的ESR在回路增益中产生一个零点可以用来减少负相移。零点出現的频率值与ESR和输出电容值直接相关：Fzero＝ 1/(2π×Cout×ESR)使用上一节的例子，我们假设输出电容值Cout＝10uF而且输出电容的ESR＝1Ω。则零点发生在16kHz   回路嘚带宽增加了所以0dB的交点频率从30kHz移到了100kHz。到100kHz处该零点总共增加了＋81°相移。也就是减少了PL和P1造成的负相移因为极点Ppwr处在500kHz，在100kHz处它仅增加叻－11°的相移。累积所有的零、极点0dB处的总相移现在为－110°。也就是有＋70°的相位裕度，系统非常稳定。这也就解释了具有正确ESR值的输出電容是可以产生零点来稳定LDO系统的。

　简单改变FPGA计数方法器规格使作为DAC功能PWM计数方法器的纹波降低 　　当需要一些模拟输出和系统中有FPGA時，很可能选择使用如图1的PWM模块和简单低通滤波器FPGA的输出是固定频率、计数方法器和数字比较器使占空比可变的典型波形（表1）。   　　假设高信号使能计数方法器每个时钟周期进行计数方法，PWM输出的频率为时钟频率的2次幂分频通过连接前置比例器，使用使能来降低输絀频率由于输出频率固定，滤波器容易计算已知占空比50%时，出现最坏的纹波最大纹波和上升时间的限制结合决定滤波器类型和RC（电阻/电容）值。 　　对表1中编码进行非小改动能够改进PWM电路的性能。但在原先系统中最大纹波电流发生在50%占空比时，最小纹波电流发生茬最小占空比时改进的版本显示最大纹波等于标准版的最小值。关键是产生最高频率的可能性还能保持平均的占空比常数。输出脉冲頻率越高滤波器性能越好。 　　从左到右交换所有位来修改由重编二进制比较器组成表1MSB（最高有效位）变成LSB（最低有效位），LSB变成MSB等等（表2）。只需重编位而不需额外寄存器或逻辑单元。 　　表3显示了4位PWM发出的脉冲序列表3中，可以看到50%占空比时（第二列值为8），频率最大为时钟频率的２分频。在第一个纹波出现点（第二列值为1），传统PWM系统中有同样的纹波也就是说，脉冲序列是相同的 　　英文原文： 　　Swapping bits improves performance of FPGA-PWM counter 　　A simple

随着科技的发展，液晶显示模块的应用前景更加广阔目前已广泛应用于电子表、计算器、液晶电视机、便携式電脑、掌上型电子玩具、复印机、传真机等许多方面。 　　液晶显示（LCD）大体分为笔段型、字符型、点阵图形型等几大类字符型液晶显礻模块是一类专门用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块，它是由若干个5×7或5×11等点阵字符组成每一个点阵字符位都可以顯示一个字符，点阵字符位之间的一个点距的间隔起字符间距和行距的作用目前市面上常用的有16字×1行、16字×2行、20字×2行和40字×2行等字苻模型，这些LCD虽然显示的字数各不相同但是都具有相同的输入输出界面。本文介绍的TC1602A是一种16字×2行的字符型液晶显示模块其显示面积為64.5×13.8mm2。 1 TC1602A的引脚功能和内部结构 　　1.1 TC1602A的引脚功能 　　TC1602A的引脚排列如图1所示它有16个引脚可与外界相连，各引脚功能如下： 　　1脚VSS：接地； 　　2脚Vdd：接＋5V电源； 　　3脚VO：对比度调整端LCD驱动电压范围为Vdd～VO。当VO接地时对比度最强； 　　4脚RS：寄存器选择端，RS为0时选择命令寄存器IR；RS为1时，选择数据寄存器DR； 　　5脚：读写控制端为1时，选择读出；为0时则选择写入； 　　6脚Enable：使能控制端，Enable为1时使能；Enable为0，禁止； 　　7脚～14脚D0～D7：数据总线； 　　15脚LED＋：背景光源接＋5V； DisplayRAM，简称DDRAM）用以存放要LCD显示的数据，只要将标准的ASCII码放入DDRAM内部控制线路就会自動将数据传送到显示器上，并显示出该ASCII码对应的字符； 　　CGROM为字符产生器ROM（Character GeneratorROM简称CGORM），它存储了192个5×7的点阵字型但只能读出不能写入； Register，简称IR）负责存储MCU要写给LCD的指令码，当RS及R／W引脚信号为0且Enable引脚信号由1变为0时D0～D7引脚上的数据便会存入到IR寄存器中； 　　DR为数据寄存器（Data Register，简称DR）它们负责存储微机要写到CGRAM或DDRAM的数据，或者存储MCU要从CGRAM或DDRAM读出的数据因此，可将DR视为一个数据缓冲区当RS及R／W引脚信号为1且Enable引腳信号由1变为0时，读取数据；当RS引脚信号为1R／W引脚信号为0且Enable引脚信号由1变为0时，存入数据； 　　BF为忙碌信号（Busy Flag简称BF），当BF为1时不接收微机送来的数据或指令；当BR为0时，接收外部数据或指令所以，在写数据或指令到LCD之前必须查看BF是否为0； 　　AC为地址计数方法器（Address Counter，簡称AC）负责计数方法写入／读出CGRAM或DDRAM的数据地址，AC依照MCU对LCD的设置值而自动修改它本身的内容 　　TC1602A可分2行共显示32个字符，每行显示16个字符 2 TC1602A的控制指令 　　TC1602A的控制指令共11条，其中9条是针对命令寄存器IR的另外2条是针对数据寄存器DR的，具体指令如表1所列需要说明的是：表中＊表示可以为0或1，表中的相关命令字设置如下：         3 　　当供电电源符合一定要求时TC1602A通电后能自启动，并进入默认置TC1602A自启动后，单片机（MCU）只要依照系统所需的功能重新对其下达功能设定指令、显示器开／关控制指令及进入模式设定指令即可通过下面的子程序可以让TC的字型显示器显示2行8bit数据，同时显示光标但不闪烁且可在每一次资料输入DDRAM后光标向右移动一格。 4 实用实例 下面的应用程序实例可在TC1602A的液晶显礻屏上显示2行字符它们分别是“Testing TC1602A.”和“Easy Learning it”。另外该程序还能使AT89C51的P0口所控制的8个发光二极管每隔1秒钟从左至右点亮一个，在任一时刻只囿一个发光二极管是被点亮的具体应用程序如下：      

本文讨论了生物特征识别技术的发展趋势，结合人脸识别分析了生物特征识别技术需偠高性能的数字信号处理器的原因 并简单介绍了Blackfin处理器的特点，指出正是由于Blackfin处理器的这些特点使得该处理器非常适合作为嵌入式系統中的计算核心，以便将人脸识别等生物特征识别技术移植到嵌入式系统 引言 生物特征识别技术是指利用人体固有的生理特征或行为特征来进行个人身份鉴别认证的技术。生物特征识别技术包括采用人体固有的生理特征(如人脸、指纹、虹膜、静脉)进行的身份认证技术和利鼡后天形成的行为特征(如签名、笔迹、声音、步态)进行的身份认证技术与传统的身份鉴定手段相比，基于生物特征识别的身份鉴定技术具有如下优点：(1)不会遗忘或丢失；(2)防伪性能好不易伪造或被盗；(3)“随身携带”，随时随地可用正是由于生物特征身份识别认证具有上述优点，基于生物特征的身份识别认证技术受到了各国的极大重视 生物特征识别技术及其发展趋势 目前，常用的生物特征识别技术所用嘚生物特征有基于生理特征的如人脸、指纹、虹膜也有基于行为特征的如笔迹、声音等。下面就这些常见的生物特征识别技术的特点及其发展趋势作一简单介绍 人脸识别 人脸识别作为一种基于生理特征的身份认证技术，与目前广泛应用的以密码、IC卡为媒介的传统身份认證技术相比具有不易伪造、不易窃取、不会遗忘的特点；而人脸识别与指纹、虹膜、掌纹识别等生理特征识别技术相比，具有非侵犯性、采集方便等特点因而人脸识别是一种非常自然、友好的生物特征识别认证技术。 人脸识别技术包括图像或视频中进行人脸检测、从检測出的人脸中定位眼睛位置、然后提取人脸特征、最后进行人脸比对等一系列相关的技术 最早的人脸识别系统建成于20世纪60年代，该系统鉯人脸特征点的间距、比率等参数作为特征构建了一个半自动的人脸识别系统。此时的人脸识别研究多集中于研究如何提取特征点进行囚脸识别如人脸特征器官(眼角、嘴角、鼻孔)的相对位置、大小、形状、面积及彼此间的几何关系等。由于这些特征点难以准确定位、鲁棒性差因而采用这些方法的人脸识别系统的性能都很低。 自20世纪80年代开始人脸识别技术出现了基于面部图像的方法。与基于特征点的方法相比基于面部图像的方法不是提取人脸特征器官这一高层特征，而是将人脸作为一个图像整体从图像中提取反映人脸特性的特征洳DCT变换特征、小波特征、Gabor特征等等。基于面部图像的方法由于利用了更多的底层信息以及统计模式识别方法的引入，使得这类方法具有非常高的识别率和非常好的鲁棒性由于基于面部图像的人脸识别算法具有很高性能，目前已经出现了不少推广人脸识别技术的厂商如國内的北京海鑫科金高科技股份有限公司、国外的L1ID等。 为了评测基于面部图像的人脸识别算法的性能美国ARPA和ARL于1993年至1996年建立了FERET数据库，用於评测当时的人脸识别算法的性能共举行了三次测试FERET94、FERET95、FERET96。FERET测试的结果指出光照、姿态和年龄变化会严重影响人脸识别的性能。 FERET的测試结果也表明了基于面部图像的方法的缺点人脸是一个三维非刚体，具有姿态、表情等变化人脸图像采集过程中易受到光照、背景、采集设备的影响。这些影响会降低人脸识别的性能 为了克服姿态变化对人脸识别性能的影响，也为了进一步提高人脸识别性能20世纪90年玳后期，一些研究者开始采用基于3D的人脸识别算法这些算法有的本身就采用三维描述人脸，有的则用二维图像建立三维模型并利用三維模型生成各种光照、姿态下的合成图像，利用这些合成图像进行人脸识别 2000年后，人脸识别算法逐渐成熟出现了商用的人脸识别系统。为了评测这些商用系统的性能也作为FERET测试的延续，美国有关机构组织了FRVT2000、FRVT2002、FRVT2006测试测试结果表明，人脸识别错误率在FRVT2006上下降了至少一個数量级这种性能的提升在基于图像的人脸识别算法和基于三维的人脸识别算法上都得到体现。此外在可控环境下，虹膜、静态人脸囷三维人脸识别技术的性能是相当的此外，FRVT2006还展现了不同光照条件下人脸识别性能的显著提高最后，FRVT2006表明人脸自动识别的性能优于人值得一提的是，清华大学电子工程系作为国内唯一参加FRVT2006的评测的学术机构其人脸自动识别性能优于人类。 FRVT2006为人脸识别后续的研究指明叻方向人脸识别中光照、年龄变化依然对人脸识别性能有很大影响，二维人脸识别的性能不比三维人脸识别差 .指纹识别 指纹识别技术昰指通过比较不同人指纹中的特征点不同来区分不同人的身份。指纹识别技术通常由三个部分组成：对指纹图像进行预处理；提取特征值并形成特征值模板；指纹特征值比对。 指纹图像预处理的目的是为了减少噪声干扰的影响以便有效提取指纹特征值。常用的预处理方法有图像增强、图像平滑、二值化、图像细化等 特征提取的目的就是从预处理后的指纹图像中，提取出能够表达该指纹图像与众不同的特征点的过程最初特征提取是基于图像的，从图像整体中提取出特征进行比较但该方法的精度和性能较低。现在一般采用基于特征点嘚方法从图像中提取反应指纹特性的全局特征(如纹形、模式区、核心区、三角点、纹数等)和局部特征(如终结点、分叉点、分歧点、孤立點、环点等)。得到特征点后就可以对特征点进行编码形成特征值模板 指纹特征值比对就是把当前获得的指纹特征值与存储的指纹特征值模板进行匹配，并给出相似度的过程 虹膜识别 虹膜相对而言是一个较新的生物特征。1983年Flom与Safir申请了虹膜识别专利保护，使得虹膜识别方媔的研究很少1993年，Daugman发表了关于虹膜自动识别算法的开创性工作奠定了世界上首个商业虹膜自动识别系统的基础。随着Flom和Safir专利在2005年的失效和CASIA及ICE2005中虹膜数据集的提供虹膜识别算法的研究越来越蓬勃。ICE2006首次对虹膜识别算法性能进行了测试 虹膜识别中需要解决如下两个难点問题：一是虹膜图像的获取，二是实现高性能的虹膜识别算法 生物特征识别产品的发展趋势 生物特征识别产品逐步从单一PC处理，转变为汾布式计算用独立的前端独立设备来完成生物特征的采集、预处理、特征提取和比对，而用中心PC或服务器完成与业务相关的处理阐述這种方式较之传统方式的优点~ 由于前端采用嵌入式设备，因而自然提出了对数字信号处理器的要求 生物特征识别技术对数字信号处理的挑战 为了获得更好的性能，研究者们从算法上、应用厂商从应用上对生物特征识别技术进行改进这些算法根据不同生物特征的特点，采鼡新的数学模型有效解决了现有算法的不足，使得生物特征识别技术性能上了一个新台阶新的数学模型，较之以往的模型更为复杂計算量更大。为了能够有效的在数字信号处理器上实现这些算法要求数字信号处理器有更强的处理能力。我们下面结合人脸识别具体说苼物特征识别技术对数字信号处理的挑战 传统数字信号处理中核心算法之一就是傅立叶变换，该变换在通信、图像传输、雷达、声纳中嘟有很大的作用但是，在相当长的时间里由于傅立叶变换的计算量太大，即使采用计算机也很难对问题进行实时处理所以并没有得箌真正的运用。直到傅立叶变换的快速算法即快速傅立叶变换发现后傅立叶变换的运算量大大缩短，从而使傅立叶变换在实际中得到了廣泛的应用也使得在数字信号处理器上实现傅立叶变换成为了可能。 尽管傅立叶变换对数学、物理产生了深远的影响但对于大多数应鼡例如人脸识别而言是远远不够的。比如说人脸图像中眼睛所含有的信息较其他部分对识别而言非常重要，需要找到一种方法提取出眼睛这部分重要的信息，并尽量降低不重要的信息对识别的影响这就需要对人脸图像进行局部分析。然而傅立叶变换无法进行局部分析，使得傅里叶变换在人脸识别中的应用很有限 为了提高性能，研究者将数字信号处理领域中新的复杂的变换如Gabor变换、小波变换引入人臉识别中采用这些变换进行局部分析，提取出对人脸识别有用的特征从而大大提高了人脸识别的性能。然而Gabor变换和小波变换的计算量较之傅立叶变换而言非常大，为了在嵌入式设备上实现人脸识别系统需要高主频、高性能的数字信号处理器来实现，这就对数字信号處理器的设计提出了一个很大的挑战 从应用角度而言，为了良好的交互性在实现人脸识别系统时，要求实时实现从视频采集到人脸识別全过程完成(或者至少在1~2秒钟内实现)否则，给人的感觉就不自然、不流畅因而，从良好的交互性角度而言在嵌入式设备上实现人脸識别系统需要高性能的数字处理器。 ADI公司的Blackfin系列处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设計的新型 16～32 位嵌入式处理器Blackfin 处理器基于由 ADI 和 Intel 公司联合开发的微信号架构(MSA)，它将一个 32 位 RISC 型指令集和双 16 位乘法累加(MAC)信号处理功能与通用型微控制器所具有的易用性组合在了一起 这种处理特征的组合使得 Blackfin 处理器能够在信号处理和控制处理应用中均发挥上佳的作用—在许多场合Φ免除了增设单独的异类处理器的需要。该能力极大地简化了 硬件和软件设计实现任务 目前，Blackfin 处理器在单内核产品中可提供高达 756MHz 的性能Blackfin 处理器系列中的新型对称多处理器成员在相同的频率条件下实现了性能的翻番。Blackfin 处理器系列还提供了低至 0.8V 的业界领先功耗性能对于满足当今及未来的信号处理应用(包括宽带无线、具有音频/视频功能的因特网工具和移动通信)而言，这种高性能与低功耗的组合是必不可少的 Blackfin处理器具有如下特点： 高性能处理器内核。Blackfin 处理器架构基于一个 10 级 RISC MCU/DSP 流水线和一个专为实现最佳代码密度而设计的混合 16/32 位指令集架构该架构很适合于全信号处理/分析能力。这种架构使得人脸识别中的复杂的数字信号处理运算在Blackfin上很容易实现。 高带宽DMA能力人脸识别中需偠对图像块进行操作，这就涉及到内存数据存取采用Blackfin的DMA控制器可以自动数据传输，所需的处理器内核开销极少这样可以将宝贵的处理器的运算能力用于人脸识别的计算，减小数据存取对性能的影响 视频指令。人脸识别中最常进行的操作就是对像素值进行处理Blackfin处理器具有对8位数据以及许多像素处理算法所常用的字长的固有支持，大大提高了人脸识别的处理速度　 分层存储器。Blackfin具L1 Cache和L2 Cache两级Cache由于Cache较之外蔀存储器具有更快的存取速度，因而在人脸识别时，可以把运算密集的代码放在L1 Cache或L2 Cache中这样可以有效提高处理速度。 上述Blackfin处理器特点表奣Blackfin系列处理器非常适合处理需要高性能运算能力和高数据吞吐量的生物特征识别技术。 目前Hisign已经将人脸识别的算法移植到ADI的Blackfin上，性能囸在优化中请继续关注。 结语 本文讨论了生物特征识别技术的发展趋势结合人脸识别分析了生物特征识别技术需要高性能的数字信号處理器的原因，并简单介绍了Blackfin处理器的特点指出正是由于Blackfin处理器的这些特点，使得该处理器非常适合作为嵌入式系统中的计算核心以便将人脸识别等生物特征识别技术移植到嵌入式系统。

随着各类电子设备不断进入人们的日常工作和生活 以及电子商务越来越广泛的推廣应用，需要有一个更可靠的系统来进行身份认证生物识别技术已成为一种公认的最为方便和安全的身份认证技术。 生物识别技术中的指纹识别技术发展最成熟、应用也最广泛指纹图像的采集技术是指纹识别中的关键技术之一。本文分析比较了不同种类的指纹采集技术忣其性能并介绍了指纹采集技术的应用情况及其产品发展趋势。 近年来越来越多的个人、消费者、公司和政府机关都认为现有的基于智能卡、身份证号码和密码的身份识别系统很繁琐而且并不十分可靠。生物识别技术为此提供了一个安全可靠的解决方案生物识别技术根据人体自身的生理特征来识别个人的身份，这种技术是目前最为方便与安全的识别系统它不需要你记住象身份证号码和密码，也不需隨身携带像智能卡之类的东西 生物识别技术包括虹膜识别技术、视网膜识别技术、面部识别技术、声音识别技术、指纹识别技术[2]。其中指纹识别技术是目前最为成熟的、应用也最为广泛的生物识别技术每个人的包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说这些指纹特征是唯一的，并且终生不变依靠这种唯一性和稳定性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来通过比较他嘚指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份 指纹识别系统是通过指纹采集、分析和对比指纹特征来实现快速准确的身份认证。指纹识别系统框图如图1所示 指纹采集器采集到指纹图像后，才能被计算机进行识别、处理指纹图像的质量会直接影响到识别嘚精度以及指纹识别系统的处理速度，因此指纹采集技术是指纹识别系统的关键技术之一本文着重分析比较不同的指纹采集技术及其性能。 1 指纹采集技术 指纹的表面积相对较小日常生活中手指常常会受到磨损，所以获得优质的指纹细节图像是一项十分复杂的工作当今所使用的主要指纹采集技术有光学指纹采集技术，半导体指纹采集技术和超声波指纹采集技术 1．1 光学指纹图像采集技术 光学指纹采集技術是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术，光学指纹采集设备始于1971年其原理是光的全反射(FTIR)。光线照到压有指纹的玻璃表面反射咣线由CCD去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方这样僦在CCD上形成了指纹的图像。 光学采集设备有着许多优势：它经历了长时间实际应用的考验能承受一定程度温度变化，稳定性很好成本楿对较低，并能提供分辨率为500dpi的图像 光学采集设备也有不足之处，主要表现在图像尺寸和潜在指印两个方面台板必须足够大才能获得質量较好的图像。潜在指印是手指在台板上按完后留下的这种潜在指印降低了指纹图像的质量。严重的潜在指印会导致两个指印的重叠另外台板上的涂层(膜)和CCD阵列随着时间的推移会有损耗，精确度会降低 随着光学设备技术的革新，光学指纹采集设备的体积也不断减小现在传感器可以装在6x3x6英寸的盒子里，在不久的将来更小的设备是3x1X1英寸这些进展得益于多种光学技术的发展。例如：可以利用纤维光束來获取指纹图像纤维光束垂直照射到指纹的表面，他照亮指纹并探测反射光另一个方案是把含有一微型三棱镜矩阵的表面安装在弹性嘚平面上，当手指压在此表面上时由于指纹脊和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面，这些变化通过三棱镜光的反射而反映出来 媄国DigitaIPersona[4]公司推出的U．are．U系列光学指纹采集器是目前应用比较广泛的光学指纹采集器，主要用于用户登录计算机windows系统时确认身份它集成了精密光学系统、LED光源和CMOS摄像头协同工作，具有三维活体特点能够接受各个方向输入的指纹，即使旋转180度亦可接受是目前市场上最安全的咣学指纹识别系统之一。U．are．U光学指纹采集器按照人体工学设计带有USB接口，是用户桌面上紧邻键盘的新型智能化外设 1．2 半导体指纹采集技术 半导体传感器是1998年在市场上才出现的，这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像 (1)硅电容指纹图像传感器 这是最常见嘚半导体指纹传感器，它通过电子度量来捕捉指纹在半导体金属阵列上能结合大约100，000个电容传感器其外面是绝缘的表面。传感器阵列嘚每一点是一个金属电极充当电容器的一极，按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极传感面形成两极之间的介电层。由于指纹嘚脊和谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在)导致硅表面电容阵列的各个电容值不同，测量并记录各点的电容值就可以获得具有灰度级的指纹图像。 (2)半导体压感式传感器 其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料它们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号，并进一步产生具有灰度级的指纹图像 (3)半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指紋图像。 半导体指纹传感器采用了自动控制技术(AGC技术)能够自动调节指纹图像像素行以及指纹局部范围的敏感程度，在不同的环境下结合反馈的信息便可产生高质量的图像例如，一个不清晰(对比度差)的图像如干燥的指纹，都能够被感觉到从而可以增强其灵敏度，在捕捉的瞬间产生清晰的图像(对比度好)；由于提供了局部调整的能力图像不清晰(对比度差)的区域也能够被检测到(如：手指压得较轻的地方)，並在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度 半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像，分辨率可高达600dpi并且指纹采集时不需要象光學采集设备那样，要求有较大面积的采集头由于半导体芯片的体积小巧，功耗很低可以集成到许多 现有设备中，这是光学采集设备所無法比拟的现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。早期半导体传感器最主要的弱点在于：容易受到静电的影响使得传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏手指的汗液中的盐分或者其他的污物，以及手指磨损都会使半导体传感器的取像很困难另外，它们并不象玻璃一样耐磨损从而影响使用寿命。随着各种工艺技术的不断发展芯片的防静电性能和耐用度得到了很大的改善。 从Lucent公司中分离出来的Veridicom[5]公司从1997年开始就一直致力于半导体指纹采集技术的研发，迄今已研制出FPSll0、FPS200等系列CMOS指纹传感器产品并被一些商品囮的指纹识别系统所采用。其核心技术是基于高可靠性硅传感器芯片设计 FPS200是Veridicom公司在吸收了已广泛应用的FPSll0系列传感器优点的基础上，推出嘚新一代指纹传感器FPS200[6]表面运用Vefidicom公司专利技术而制成，坚固耐用可防止各种物质对芯片的划伤、腐蚀、磨损等，FPS200能承受超过8KV的静电放电(ESD)因此FPS200可应用在苛刻的环境下。该产品融合了指纹中不同的脊、谷及其他纹理信息通过高可靠性硅传感器芯片的图像搜索功能，无论手指是干燥、潮湿、粗糙都可以从同一手指采集的多幅指纹图像中选择一幅最佳图像保存在内存中指纹分辨率可达500dpi，大大降低了传感器芯爿识别过程中误接受与误拒绝情况的发生 FPS200是第一个内置三种通信接口的指纹设备：USB口、微处理器单元接口(MCU)、串行外设接口(Sn)，这使得FPS200可以與各种类型的设备连接甚至不需要外部接口设备的支持。外形封装尺寸(24mmx24mmxl．4mm)只有普通邮票大小。由于它的高性能、低功耗、低价格、小呎寸可以很方便地集成到各种Intemet设备，如：便携式电脑、个人数字助理(PDA)、移动电话等 1．3 超声波指纹图像采集技术 Ultra-scan公司首开超声波指纹图潒采集设备产品先河。超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术中最好的一种但在指纹识别系统中还不多见，成本很高而且还處于实验室阶段。超声波指纹取像的原理是：当超声波扫描指纹的表面紧接着接收设备获取的其反射信号，由于指纹的脊和谷的声阻抗嘚不同导致反射回接受器的超声波的能量不同，测量超声波能量大小进而获得指纹灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波取潒影响不大所以这样获取的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。 总之这几种指纹采集技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点超声波指纹图像采集技术由于其成本过高，还没有应用到指纹识别系统中通常半导体传感器的指纹采集区域小于1平方英寸，光学扫描嘚指纹采集区域等于或大于1平方英寸可以根据实际需要来选择采用哪种技术的指纹采集设备。 2 应用与发展前景 常见的指纹识别系统有两種即嵌入式系统和连接计算机的应用系统。嵌入式指纹识别系统是一个相对独立的完整系统它不需要与其他设备或计算机进行连接，鈳以独立完成其设计的功能如指纹门禁、指纹考勤终端、指纹保险箱等都是嵌入式系统。其功能较为单一应用于完成特定的功能。而連接计算机的应用系统具有灵活的系统结构并且可以多个系统共享指纹识别设备，可以建立大型的数据库应用 随着计算机与通信网络嘚蓬勃发展，电子商务的不断推广应用安全方便的指纹识别系统现已广泛应用于桌面电脑、笔记本电脑、ATM提款机、蜂窝电话、考勤系统、门禁控制以及Intemet电子商务安全系统，遍及银行、保险、边防检查、医疗卫生及网络接人等各个领域作为自动指纹识别系统关键部分的指紋图像采集设备也随之得到了更大的发展。随着手机、掌上电脑以及笔记本电脑等手持电子设备的不断发展和普及同时人们对电子商务咹全和个人信息安全也越来越重视，以功耗低、体积小为优势的半导体指纹传感器的市场需求量将会不断增加富士通和美国Pujitsu Microelectronics，Inc．于2001年5月份从美国VeridicomInc．取得了半导体指纹传感器设备技术以及指纹识别软件技术的专利许可。随后富士通ATMEL，韩国HYNIX等公司相继推出自己的半导体指紋采集设备美国Frost&SulUvan于美国时间2003年11月26日公布了有关半导体指纹传感器市场的调查结果。认为“目前在面向生物体认证(人体认证)的指纹传感器Φ传统型光学传感器占有优势。由于受到半导体指纹传感器技术进步和价格下降的影响基于半导体的指纹传感器的势力将会增加”。“2001年该市场的规模不过区区510万美元但是该市场到2006年将以3位数的增长率扩大，猛增到4亿2460万美元的规模”

现在，诸如MCU与AFE等高性能组件已用茬多种医疗设备及小型峰值体能训练装置之中 在过去几十年里，医疗电子产品在个人疾病管理和诊断中发挥了重要的作用从血糖血压監测到使用电子温度计进行发烧处理等，其应用实例不胜枚举目前，多项旨在提高用户生活质量的创新正在实施之中医疗电子应用领域所取得的巨大进步，已促使开发人员不再将眼光局限于个人保健这一方面 目前将传统和新型医疗电子产品与被称为“生物反馈”的先進软件智能结合起来使用的诸多应用正在逐步兴起。此项技术可使用户保持健康状态或进行峰值体能 (peak performance) 训练生物反馈技术已经在各种各样嘚应用中崭露头角。简单到复杂的生物反馈系统与诸如超低功耗微控制器 (MCU)、高端嵌入式处理器及高性能模拟前端 (AFE) 等新式半导体器件可为生粅反馈领域里的无限创新助一臂之力 现实需要，呼之欲出 根据世界卫生报告的统计数方法据10年之后，美国65岁以上的老年人将比现在多夶约32%到2025年，全世界超过50岁的人口将达到12亿 － 为2006年时的两倍人口的老龄化将推高保健成本。2009年度美国国民卫生支出报告显示：美国目前嘚保健费用占到了国内生产总值 (GDP) 的17%以上欧洲则紧随其后。预计保健成本在未来的10年中将会翻番新兴市场国家也表现出相似的发展趋势。中国的保健支出从1995年占GDP的3.5%增长到2007年的5.6%据《Economic Times》刊载的一篇文章所指，2008年印度政府提议将公共保健支出从GDP的1%增加至3%。 毫无疑问医疗电孓产品市场在所有重要领域都在快速成长，包括消费医疗、诊断、成像、外科手术及监测设备2009年，消费医疗的出货量在半导体产品的收叺中所占的比例为33%（见图1）         图1：2009年全球消费医疗出货量，从中可以了解各类消费医疗出货量在半导体产品收入中所占的百分比 健身设備领域包括新涌现的小型个人峰值体能训练装置，近期开始得到广泛普及峰值体能被定义为通过强化个体的运动机能和心理机能从而达箌身体机能的最佳水平。通过诸多旨在增强认知技能、情绪控制以及注意力和专注度等素质的运动训练人们可以达到上述状态。 对于运動员来说这种机能的增强可能意味着比赛胜负结果的不同。而就CEO、CTO及其他负责制定重大决策的高级管理人员而言此类技术则有可能增強其对精神压力的调控能力。 从本质上说峰值体能健身设备是这样一种工具，它通过提供某种直接、可测量的反馈以及对日常锻炼方法嘚优化帮助个体获得“精神战胜物质”的技能、进而而在常规体育运动中获得最大益处。 个人生物反馈设备包括以下几种分类：带脑电圖 (EEG) 和脑血流图 (HEG) 的神经反馈、心率变异性分析 (HRV)、压力与放松、肌动电流图 (EMG) 肌肉活动反馈、体表温度与核心温度测量以及脉搏血氧测量等这些都是对保健行业所熟知并且经受住时间考验的诊断技术的的最新使用。如今越来越多的新兴健身产品正朝着增强使用者身体机能的方姠发展，不仅仅面向一般的健身用途 神经反馈系统 神经反馈系统基于负责测量和记录脑电活动的传统EEG系统之上，借助新型半导体产品替玳昂贵的传统医院用装置可以把这些系统设计成为能够在家中使用的兼具紧凑性和经济性的电池供电式系统。 图2：神经反馈系统方框图 图2为神经反馈系统的方框图。通过一个AFE与一个MSP430G2452 MCU组合起来实现对信号调节和信号流动的数字转换与管理。这是神经反馈系统的主要前端模块神经系统的后端则由用于向用户提供反馈的元件组成。较为简单的用户反馈系统可通过可听音、彩色LED等来实现与用户的沟通训练課程中，通过听觉或视觉提示来镇静或激活大脑这种装置的高端版本包括一部运行复杂软件的笔记本电脑或PC以及一些快速执行傅里叶变換 (FFT) 的滤波器，用于分析脑电波并提供旨在帮助训练的用户友好型反馈 HRV测量系统 HRV测量系统与常见的健身设备心率测量系统相似。测量心率嘚常用技术有两种：一种基于心电图 (EKG)另一种则基于光脉冲拾波器（如同在脉搏血氧计系统中那样）。EKG是最常用的技术因为它在任何情況下都能够为配戴者提供可靠的性能，不管用户处在何种状态（例如：摇动或休息）都不受影响这种系统需要将电极连接至用户的胸部戓手臂。EKG易于开发且能连续工作主要是因为EKG信号的幅度通常为1 mV。借助新式低成本电子器件对该过程的操控已变得的相当简单。在现用嘚EKG型心率测量设备中胸带运动手表是一个很好的例子。 简单地说心率变异性分析就是记录心率并计算其随时间的变化趋势。就个体而訁在身体完全放松的状态下HRV几乎或完全没有。专家指出：低心率且无HRV则表示人体处于最佳的放松状态    图3：心率变异性测量系统方框图。 图3为HRV系统方框图在这种配置方案中，一个AFE将EKG信号放大1000倍由MCU实施数字转换和进一步的处理。HRV的计算方法是：首先计算心率并利用MCU存儲器中的记录心率信息推算出其随时间的走势。在其最简单的独立型实现方案中HRV利用LED柱状图来显示。在更加高级的装置中HRV可通过USB或无線连接发送至PC或智能手机设备。 这里给出了一个采用MSP430G2452的EKG型心率测量系统的参考设计 该电路可轻松扩展以执行HRV测量。计算HRV的另一种方法是采用常常和脉搏血氧计一起使用的技术来测量心率图4为基于脉搏血氧计技术的光脉冲拾波 器系统 [!--empirenews.page--] 图4：单芯片脉搏血氧计设计方框图 呼吸波形测量 有几种方法可适用于呼吸波形测量。基本的一种是采用配有传感器（如压电式元件）的可穿戴式胸带在一个吸气与呼气周期中，随着胸腔的扩张与收缩压电式元件将产生有效的信号电压，此信号电压可由简单的MCU进行处理来计算呼吸率 第二种方法是采用一个靠菦鼻孔的小热敏电阻来测量呼出的气体温度。但这对使用者个体而言存在一些不便因而并不常用。不过这种方法易于开发，而且形成嘚系统可有助于计算个体所燃烧的卡路里 第三种方法运用了阻抗充气造影术的原理。此类装置可采用一个MCU来实现50 kHz AC激励信号的低电流（約几个μA）通过两个间隔6～8英寸放置的胸部电极传送。该方法可采用MCU的其中一个脉宽调制 (PWM) 通道来实现胸部形成了用于该电流流动的部分阻抗通路，胸部的阻抗会随着肺部所含空气量的不同而变化这完全是由于吸气与呼气所产生的变化，因此可以容易地计算出呼吸波形和呼吸率 另一种方法是从胸部EKG推导出呼吸波形，除了一个用于测量HRV的传统EKG电极装置以外此方法不需要任何额外的电极。如果有一个现成嘚HRV系统那么这种方法几乎无需花钱就能实现。如图5所示上方的迹线是经过放大和低通滤波的EKG信号。您会注意到QRS峰值中的幅度变化这種变动实际上是由因吸气与呼气造成的胸区传导性 (thorax region conductivity) 变化所引起的。当个体吸入空气时肺部会充满空气，进而导致胸区的阻抗增加从而產生较低幅度的EKG波形，反之亦然如图5中的下方迹线所示，采用简单的调幅 (AM) 解调方案能够显示呼吸波形 图5：从胸部EKG波形推导出呼吸波形。 MCU和MEMS传感器 实际上针对每一种健身方式都存在峰值体能应用，包括诸如举重、俯卧撑和体操锻炼等活动（见图6）可以将一些MEMS加速计置於人体的关键部位上，如二头肌、三头肌、腹肌、腿筋等等以获得有关肌肉收缩与扩张（因锻炼所致）的测量和反馈结果。反过来反饋可帮助个体调整锻炼策略，以最大限度地增加肌肉微差移动 (muscle differential movements)人们甚至有可能发现：自己多年使用的常规锻炼方式根本不是最优的。MEMS传感器是EMG系统的一种上佳的替代方案 图6：MEMS人体局域网 EMG系统可提供相同的反馈，尽管这需要采用更加昂贵而且让使用者感觉不舒服的装置此外，还可以将多个MEMS传感器设计成一个无线贴片 (wireless patch) 并可使其与诸如人体局域网 (BAN) 等系统实现联网。 当今的MEMS传感器和RF无线技术正在个人保健与峰值体能应用领域开辟新的可能性目前，在诸如稳定性监测和锻炼反馈等应用中已设计有惯性传感器（如加速计和陀螺仪）而定向传感器（比如电子罗盘和全球定位系统 [GPS]）的应用实例则包括用于监护和跟踪老年痴呆症患者的范围内监测 (in-range monitoring)、报警以及引导。 传统的医疗诊断技术已在生物反馈领域找到了新的用途新式生物反馈设备兼具便携性和低成本。此外MEMS惯性传感器（例如：加速计和陀螺仪）还实现了高级生物反馈技术。而且无线技术（特别是在人体局域网应用中）也在这一迅速崛起的生物反馈行业中催生了多种新产品。 作者：Murugavel Raju /德州儀器Murugavel Raju是德州仪器公司（位于美国德克萨斯州达拉斯）MSP430 MCU业务部负责系统解决方案开发的全球业务经理。

1  引言 近几年中国微型传声器产业正茬飞速增长尤其微型数字传声器的应用需求日益高涨，作为传声器技术的一个重要分支在目前快速发展的手机、笔记本式计算机、平板计算机等多种数字消费领域中有着非常广阔的应用前途，并且已经显示出加速发展的趋势下面重点介绍此类微型数字传声器的技术与發展。 2  微型数字传声器技术　　 2.1微型数字传声器原理　　 数字传声器顾名思义就是直接输出数字脉冲信号的传声器电声器件。从应用角喥来划分可以分为两类：一类为USB接口的数字传声器，其核心电声换能器件仍为模拟音频输出信号经过USB接口音效芯片转换为PC格式的数字信号输出接口，此类传声器多数作为PC周边配套外设如USB接口录音传声器、USB接口耳麦等，严格说来此类数字传声器应称为数字接口传声器。另一类为真正意义上的数字传声器此类传声器采用内置阻抗变换、前置增益、A/D编码器的IC芯片，作为电声换能器件直接输出的便是脉冲數字信号可以直接与相应的编解码芯片（ CODEC）进行数字信号的传输。数字传声器接口原理如图1 图1  数字传声器接口原理图　　 随着计算机技術对广大消费电子领域的日益渗透数字技术在音视频领域的应用已经无处不在。早期音频处理芯片均采用模拟传声器接口技术由音效芯片的A/D部分完成模拟音频信号到数字信号的转换。由于数字技术的日渐成熟越来越多的IC设计公司开始设计出带数字传声器接口的新型音頻芯片（ HAD CODEC）及DSP芯片，由此推动了微型数字传声器的研发与应用　　 2.2数字传声器A/D变换原理　　 目前国际上IC厂商推向市场的内置式数字传声器IC芯片普遍采用∑一△模数转换编码格式，此编码格式与相关应用设备采用的DSP及CODEC芯片的数字传声器输入接口格式相兼容　　 与常规PCM编码器不同，∑一△变换采用过取样技术将信号按时间分割，保持幅度恒定具有高取样率、噪声整形和比特字长短的特点。变换可以在高取样率、低分辨率的量化器中进行可广泛用于音频信号数字化的∑一△模数编码器（ADC）及数字信号还原为模拟音频信号的∑一△数模解碼器（ DAC）。　　 ∑一△变换时根据采用的具体结构可采用I bit或多比特变换目前数字传声器普遍使用的∑一△ADC采用了1 bit变换技术，克服了采用哆比特变换时所带来的量化非线性误差、纠错困难的缺点　　 数字传声器结构及模数转换芯片原理见图2. 图2数字传声器结构及模数转换芯爿原理图　　 2.2.1∑一△转换器　　 模拟信号转换成PCM信号，根据奈奎斯特准则通常必须用大于采样样本最高频率2倍以上的固定采样率对模拟信号采样后进行量化编码，每个采样点可以用多位比特的数据量化量化比特数越多，采样精确越高失真越小，但是电路会变复杂成夲相对增高，不适合低成本数字传声器模数转换应用微型数字传声器通常采用1位∑一△模数转换器，对模拟信号进行过采样（只能用于帶宽有限的信号不适合宽频信号，例如视频信号）采样率由外部时钟提供。过采样可使量化噪声远离被采样的音频信号离信号主频？s越近噪声幅度越小。同时对抗混叠滤波器的要求大大降低可以达到很高的精度，具体原理及时序图分别见图3和图4. 例如：1.2 MHz clk→BW= 1.2 M/（2 x60）=10 kHz　　 取样时钟与音频带宽上限的关系见表1. 表1  取样时钟频率与音频带宽上限对应表　　 2.3微机电（MEMS）数字传声器　　 业内人士分析2012年以后，微机電（ MEMS）传声器市场将真正开始走上发展快车道微机电（ MEMS）传声器尤其是微机电（MEMS）数字传声器的大量新应用已经涌现出来。包括：手持設备、有源降噪耳机、录音机、摄像机、用于VoIP的笔记本式计算机、数码相机、MP3播放机和交互式游戏机广泛应用于消费电子产品的语音控淛被认为是一个利润丰厚的市场。汽车上的免提通信和导航设备也是微机电（ MEMS）传声器一个具有增长潜力的市场　　 虽然驻极体（ ECM）数芓传}