硬件设计论文范文

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第1篇

系统硬件原理框图如图1所示。系统采用不同的链路口完成输入和输出,可以避免采用总线可能产生的通道冲突。模拟视频信号由AD9883A完成模数转换。AD9883A是个三通道的ADC,因此系统可以完成单色的视频信号处理,也可以完成彩色的视频信号处理。采样所得视频数字信号经链路口输入到ADSP-21160,完成处理后由不同的链路口输出到ADV7125,完成数模转换。ADV7125是三通道的DAC,同样也可以用于处理彩色信号。输出视频信号到灰度电压产生电路,得到驱动液晶屏所需要的驱动电压。ADSP-21160还有通用可编程I/O标志脚,可用于接受外部控制信号,给系统及其模块发送控制信息,以使整个系统稳定有序地工作。例如,ADSP-21160为灰度电压产生电路和液晶屏提供必要的控制信号。另外,系统还设置了一些LED灯,用于直观的指示系统硬件及DSP内部程序各模块的工作状态。

本设计采用从闪存引导的方式加载DSP的程序文件,闪存具有很高的性价比,体积小,功耗低。由于本系统中的闪

存既要存储DSP程序,又要保存对应于不同的伽玛值的查找表数据以及部分预设的显示数据,故选择ST公司的容量较大的M29W641DL,既能保存程序代码,又能保存必要的数据信息。

图2为DSP与闪存的接口电路。因为采用8位闪存引导方式,所以ADSP-21160地址线应使用A20-A0,数据线为D39—32,读、写和片选信号分别接到闪存相应引脚上。

系统功能及实现

本设计采用ADSP-21160完成伽玛校正、时基校正、时钟发生2S、图像优化和控制信号的产生等功能。

1伽玛校正原理

在LCD中,驱动IC/LSI的DAC图像数据信号线性变化,而液晶的电光特性是非线性,所以要调节对液晶所加的外加电压,使其满足液晶显示亮度的线性,即伽玛(Y)校正。Y校正是一个实现图像能够尽可能真实地反映原物体或原图像视觉信息的重要过程。利用查找表来补偿液晶电光特性的Y校正方法能使液晶显示系统具有理想的传输函数。未校正时液晶显示系统的输入输出曲线呈S形。伽玛表的作用就是通过对ADC进来的信号进行反S形的非线性变换,最终使液晶显示系统的输入输出曲线满足实际要求。

LCD的Y校正图形如图3所示,左图是LCD的电光特性曲线图,右图是LCD亮度特性曲线和电压的模数转换图。

2伽玛校正的实现

本文采用较科学的Y校正处理技术,对数字三基信号分别进行数字Y校正(也可以对模拟三基信号分别进行Y校正)。在完成v校正的同时,并不损失灰度层次,使全彩色显示屏图像更鲜艳,更逼真,更清晰。

某单色光Y调整过程如图4所示,其他二色与此相同。以单色光v调整为例:ADSP-21160首先根据外部提供的一组控制信号,进行第一次查表,得到Y调整系数(Y值)。然后根据该Y值和输入的显示数据进行第二次查表,得到经校正后的显示数据。第一次查表的Y值是通过外部的控制信号输入到控制模块进行第一次查表得到的。8位显示数据信号可查表数字0～255种灰度级显示数据(Y校正后)。

3图像优化

为了提高图像质量,ADSP-21160内部还设计了图像效果优化及特技模块,许多在模拟处理中无法进行的工作可以在数字处理中进行,例如,二维数字滤波、轮廓校正,细节补偿频率微调、准确的彩色矩阵(线性矩阵电路),黑斑校正、g校正、孔阑校正、增益调整、黑电平控制及杂散光补偿、对比度调节等,这些处理都提高了图像质量。

数字特技是对视频信号本身进行尺寸、位置变化和亮,色信号变化的数字化处理,它能使图像变成各种形状,在屏幕上任意放缩,旋转等,这些是模拟特技无法实现的。还可以设计滤波器来滤除一些干扰信号和噪声信号等,使图像的清晰度更高,更好地再现原始图像。所有的信号和数据都是存储在DSP内部,由它内部产生的时钟模块和控制模块实现的。

4时基校正及系统控制

由于ADSP-21160内部各个模块的功能和处理时间不同,各模块之间存在一定延时,故需要进行数字时基校正,使存储器最终输出的数据能严格对齐,而不会出现信息的重叠或不连续。数字时基校正主要用于校正视频信号中的行,场同步信号的时基误差。首先,将被校正的信号以它的时基信号为基准写入存储器,然后,以TFT-LCD的时基信号为基准读出,即可得到时基误差较小的视频信号。同时它还附加了其他功能,可以对视频信号的色度、亮度、饱和度进行调节,同时对行、场相位、负载波相位进行调节,并具有时钟台标的功能。

控制模块主要负责控制时序驱动逻辑电路以管理和操作各功能模块,如显示数据存储器的管理和操作,负责将显示数据和指令参数传输到位,负责将参数寄存器的内容转换成相应的显示功能逻辑。内部的信号发生器产生控制信号及地址,根据水平和垂直显示及消隐计数器的值产生控制信号。此外,它还可以接收外部控制信号,以实现人机交互,从而使该电路的功能更加强大,更加灵活。此外,ADSP21160的内部还设计了I2C总线控制模块,模拟FC总线的工作,为外部的具有I2C接口的器件提供SCLK(串行时钟信号)和SDA(双向串行数据信号)。模拟I2C工作状态如图5和图6所示。

系统软件实现

在软件设计如图7所示,采用Matlab软件计算出校正值,并以查找表的文件形式存储,供时序的调用。系统上电

开始,首先要完成ADSP-21160的一系列寄存器的设置,以使DSP能正确有效地工作。当ADSP-21160接收到有效的视频信号以后,根据外部控制信息确定Y值。为适应不同TFT-LCD屏对视频信号的显示,系统可以通过调整Y值,以调节显示效果到最佳。再如图4所示,对先前预存的文件进行查表,得到所需的矫正后的值,然后暂存等待下一步处理。系统还可以根据视频信号特点和用户需要完成一些图像的优化和特技,如二维数字滤波、轮廓校正、增益调整、对比度调节等。这些操作可由用户需求选择性使用。利用ADSP-21160还可以实现图像翻转、停滞等特技。最后进行数字时基校正,主要用于校正视频信号中的行、场同步信号的时基误差,使存储器最终输出的数据能严格对齐,而不会出现信息的重叠或不连续。除了以上所述的主要功能以外,ADSP-21160还根据时序控制信号,为灰度电压产生电路和TFT-LCD屏提供必要的控制信号。另外,ADSP-21160还能设置驱动通用I/O脚配置的LED灯,显示系统工作状态。

第2篇

1飞行原理与机械结构

四旋翼飞行器的旋翼对称地安装在呈十字交叉的支架顶端，位置相邻的旋翼旋转方向相反，同一对角线上的旋翼旋转方向相同，以此确保了飞行系统的扭矩平衡［7］，如图1所示。四旋翼飞行器旋翼的旋转切角是固定值，因此，要通过调节每个电机的转速来实现六自由度的飞行姿态控制。增大或减少4个电机的转速来完成垂直方向上的升降运动，调节1，3旋翼的转速差来控制仰俯速率和进退运动，调节2，4旋翼的转速差来控制横滚速率和倾飞运动，调节2个顺时针旋转电机和2个逆时针旋转电机的相对速率来控制偏航运动。通过对飞行原理的分析，把可行性、低成本、易维护作为主要考虑因素，设计的样机如图2所示。机臂由镂空工程塑料材料PA66和30%玻璃纤维制成，质量相对较轻，强度大，对称电机轴距55cm，为保证水平起飞与平稳着陆，四旋翼飞行器底部安装起落架。电机旋翼等具体参数为:机体质量为857g;最大负载约为300g;机身高度为31cm;飞行时间约为8min。在整机安装过程中尽量保证重心在机械机构的对称中心，实际飞行实验证明了系统动力设备与机械结构的可行性。

2总体结构设计

四旋翼飞行器的硬件系统设计以飞控板为核心，搭载动力设备、电源模块与遥控模块。图3描述了以ATMEGA644P—AU为核心芯片搭载多传感器的飞行控制系统总体结构框图，整体系统利用11．1V锂电池供电，飞控与无刷电调以I2C总线数据传输来调节4个电机的转速;在遥控模块中，2．4MHz的控制信号通过PPM解码板与飞控板进行数据传输;在多传感器系统中，大气压力感器用行高度检测，陀螺仪与加速度计的融合使用用于姿态解算。

3电源模块

四旋翼飞行器由2200MAh，11．1V，持续放电倍率30C锂电池供电，通过稳压电路的设计对不同电路进行供电，确保各模块正常稳定的工作。控制系统设计需要5，3V两种电平供电，电压转换电路如图4所示。由锂电池提供的11．1电压经两块7805稳压芯片后转为5V电压，一部分用控板供电，一部分向预留的外部接口供电。经7805输出的5V电压经过2个MCP1700T稳压芯片输出3V电压，一部分供给控制系统的数字电路，一部分供给控制系统的模拟电路。330μF/25V电解电容器，10nF/16V钽电容器，贴片电容器的并联使用起到了防止电压抖动与滤波的作用。

4多传感器控制模块

为了准确地控制四旋翼飞行器的飞行姿态，需要在控制系统中加入不同的传感器，加速度传感器与三个陀螺仪来测量三轴加速度与角速度，大气压力传感器通过测量起始位置与飞行位置的气压差对飞行高度控制，为自主导航功能提供支持。大气压力传感器选择的是Freescale公司的MPX4250A，在该集成传感器芯片上，除具有压阻式压力传感器外，还有用作温度补偿的薄膜电阻网络，测压范围为20～250kPa，输出电压为0．2～4．9V，工作温度范围为－40～+125℃。电路如图5所示，可以根据压力的大小，通过控制P_1和P_2选择不同的放大倍数，提高采样的精度。LIS344ALH是一种低功耗、高性能、高精度的三轴加速度传感器，通过模拟输出为外部电路提供直接测量信号，加速度传感器的工作电压为2．2～3．6V，检测量程可以在±2gn或±4gn间选择。其中，VREF为通过稳压芯片MCP1700T转换为3V的稳定电压输入。应用电路如图6所示，选择100nF的贴片电容器作为VCC端的解耦电容，在输出端使用1μF的滤波电容减小噪声。考虑到振动误差无法通过加速度传感器进行补偿，因此，陀螺仪选型的过程中把机械性能作为重要的考虑因素，选择了可以在单芯片上实现完整单轴角速度响应的ADXRS610陀螺仪传感器。3个ADXRS610陀螺仪分别安装于垂直于机体坐标系的XYZ轴来实现系统三轴角速度的测量。

5实验与仿真

四旋翼飞行器在姿态解算时，陀螺仪传感器直接测量的是角速度，在积分得到角度的过程中随着时间的增长会产生累计积分误差，积分误差产生的原因一方面是积分时间，另一方面，由于自身的机械特性会产生零漂温漂等现象［8］。在陀螺仪的使用过程中融合加速度传感器，不仅为陀螺仪提供了绝对参考系，而且使加速度传感器优秀的静态性能与陀螺仪良好的动态性能相结合［9］，较好地抑制了外界干扰。数据经卡尔曼滤波算法处理后，可有效地降低数据噪声。图8为加速度传感器采样数据与卡尔曼滤波后的数据比较，可以明显地看到噪声信号减小了，但是仍有少量的扰动存在。图9的曲线表明了陀螺仪采集角速度数据存在零漂、温漂现象，当确定零漂为0．05°，静态输出电压为2．63V时，从波形图中可以观察到通过卡尔曼滤波处理后的积分数据平滑收敛，不但对零点漂移进行了补偿，而且对累计积-10-5051015角度/（°）012345时间/s卡尔曼滤波后的数据加速度计采集数据图8加速度计采样数据经卡尔曼滤波后的数据图Fig8DatadiagramofsamplingdatasofaccelerometerprocessedbyKalmanfiltering分误差，温漂有较好的抑制作用。-10-5051015角度/（°）012345时间/s卡尔曼滤波后的陀螺仪数据陀螺仪积分数据采集角速度数据。

6结论

第3篇

关键词：VoIPPCIFXS路由器语音压缩

1VoIP在路由器中的应用

近年来，VoIP（VoiceoverInternetProtocol）给通信市场带来了强大的冲击。IP语音业务推出后，由于其在通话费用上比传统电话具有突出的优势，因而受到了广泛欢迎。VoIP技术在路由器中应用，可以大大节省有多个部门在不同地方办公的企业或机构的电话费用。图1为一个VoIP路由器在公安分局与派出所间应用的方案。

派出所网点的路由器DCR－2501V和DCR－2509V使用FR（帧中继）或DDN线路同分局的DCR－3660实现互连，各网点的计算机可通过路由器连接分局的局域网或Internet，实现数据通信；同时，DCR－2501V或DCR－2509V通过FXS语音端口连接普通电话机，分局路由器通过E＆M接口和PBX连接，这样既可以实现内部各部门间的数据通信，同时还可进行零费用的语音通话。

VoIP在费用上呈现巨大优势的原因在于其利用了计算机通讯的分组化、数字化传输技术，先对语音数据按照一定的语音压缩标准进行压缩编码处理，然后把这些数据按IP相关协议打包，再将数据包通过IP网络传输到接收端，接收端将这些以不同顺序到达的数据包按其本身顺序串起来，并经过解码解压恢复出原来的语音信号。与传统的语音业务相比，VoIP在时间延迟、话音质量等方面存在缺陷。可以采用一些先进的协议如资源预留协议（RSVP）和不同类型服务（Diffserv）等方案来尽可能的优化语音数据包的传输，以减少传输延迟和拥塞。

目前，VoIP的标准主要有国际电信联盟技术部（ITU－T）建议的H．323系统和IETF建议的会话发起协议（SessionInitiationProtocol，SIP）系统两种。前者主要在电信网络上实现多媒体业务制订，技术已趋成熟。后者基于动态的Internet模式建网，是基于软交换技术的面向网络会议和电话的简单信令协议。在我国，主要选用H．323技术标准来实现VoIP，在H．323系列标准中，音频压缩编码标准有G．711、G．722、G．723和G729等。

本文将介绍一种已经应用于路由器产品中的VoIP语音卡的硬件设计和工作原理。

2VoIP语音卡硬件结构

该语音卡基于AudioCodes公司的VoPP（VoiceOverPacketProcessor，即语音包处理器）AC48302设计，采用PCI接口界面，可提供两个FXS（ForeignExchangeStation）语音／传真接口，可以方便灵活地应用于本公司开发的系列路由器中，实现VoIP功能。其硬件结构框图如图2所示，以下介绍各部分硬件的原理和作用。

2．1PCI接口

路由器主板与语音卡之间通过PCI总线连接，便于通用。采用了PCI接口芯片PLX9030实现语音卡本地总线（HPI）与PCI总线之间的转换。由于语音卡上数据流量不大，不需要利用如DMA方式主动向路由器主板上的Memory空间传递数据。因此，语音卡工作于PCI的从模式方式，AC48302通过中断方式接收或发送语音数据，PCI总线的数据宽度和速度为32位／33MHz。

2．2CPLD部分

AC48302采用8位并行的主处理器接口HPI与外部CPU（即路由器CPU）进行数据交换。在本设计中，HPI接口与PLX9030的本地总线接口时序稍有差别，经过CPLD进行调整。另外，路由器CPU还可通过CPLD控制CODEC和SLIC芯片。

2．3AC48302芯片

AC48302是AudioCodes公司推出的一款低功耗、低价格的双通道语音包处理器，其内部集成了一个DSP内核。该芯片的主要特性如下：

·支持两个通道的语音压缩编码，语音压缩标准包括G．729A、G．723．1、G．727、G．726、G．711。

·兼容T．38或FRF．11传真中继（2．4～14．4kbps）。

·呼叫ID产生和检测，呼叫进程和用户定义语音的检测和产生。

·兼容G．168的25ms回声消除。

·高性能的有效语音检测（VAD）和舒适噪声产生（CNG）。

·DTMF检测和产生。

·A律／μ律可选的Codec接口，具有输入输出增益控制。

·PCMHighway接口。

·并行的主处理器接口（HPI）。

AC48302各部分硬件接口如图3所示。

图4AC48302HPI存储器的映射关系

2．3．1语音接口（VoiceInterface）

语音接口提供未压缩的语音、传真数据的输入输出通道。语音接口对外提供四根信号线构成PCM总线，直接连接外部CODEC芯片的PCMHighway。这四根信号线为PCMIN、PCMOUT、PCMCLK、PCMFS。PCMIN输入从CODEC送来的PCM信号，AC48302内部的DSP按照相应标准（如G．729）压缩后从HPI给路由器CPU转发。PCMOUT则相反，AC48302将路由器CPU送来的语音数据按照合适的标准解压缩，然后从PCMOUT口送到外部CODEC，CODEC经过数／模转换后恢复成语音信号?熏通过用户接口送给用户端。PCMCLK提供2．048MHz的比特同步时钟，而PCMFS提供8kHz的帧同步时钟。

2．3．2HPI接口

在本设计中，路由器CPU与AC48302通过HPI口进行通信。路由器CPU和DSP通过AC48302的片内共享的双口存储器实现数据交互。片内共享存储器的映射关系见图4。

HPI接口包括1根8位数据总线和几根控制总线。路由器CPU通过三个寄存器（HPIC、HPIA和HPID）控制AC48302及访问片内存储空间。HPIC为控制寄存器，用来选择AC48302的高低字节顺序、产生和接收中断。HPIA为地址寄存器，用来寻址片内的2K存储空间。HPID为数据寄存器，用来缓存每次读写的两个字节数据，外部CPU可以单个Word或块数据方式访问HPID，当以块数据方式访问时，HPIA寄存器自动累加，这样可以减少外部CPU写HPIA寄存器的开销。AC48302的内部寄存器和存储器为16位宽度，因此外部CPU每次访问AC48302必须以两个字节为基本单位，信号线HI／LO用来选择高低字节，信号HRS1、HRS0指示当前访问的是哪个寄存器。

除了以上两个重要的接口外，AC48302内部还包含一个PCM时钟发生器、一个用于测试的JTAG接口以及一个用于访问外部SRAM及处理信道辅助信令的Memory＆I／O接口。

2．4CODEC接口芯片

CODEC芯片负责对DSP解压缩后送来的PCM数据进行解码，并将滤波后的模拟语音信号送到用户线接口芯片SLIC，SLIC对其进行2－4线转换后送给用户端；同时，CODEC还负责将SLIC送来的模拟语音信号进行PCM编码，然后送到DSP芯片进行压缩处理。

本设计中，CODEC芯片采用IDT公司的4通道PCM编解码芯片IDT821034。该芯片具有可编程增益设置、主时钟可选（2．048MHz、4．096MHz和8．192MHz）、最大可支持128个可编程时隙、A律／μ律可选、内置数字滤波器、串行控制接口、低功耗等特点。本设计中选用主时钟为2．048MHz（E1帧模式），可划分为32个相等的时隙（Slot0～Slot31），4个通道的接收和发送时隙可通过向串行控制口写入控制字进行动态选择。各时隙的位置都以8kHz的帧同步时钟信号为参考，在IDT821034中，时隙0相对帧同步脉冲的位置有延迟模式和非延迟模式（图6即为非延迟模式）。

PCM主时钟（BCLK）、帧同步时钟（FS）、接收数据（DR）和发送数据（DX）一起构成PCMHighway信号，与AC48302进行连接。BCLK与FS分别对应AC48302的PCMCLK和PCMFS，这两个时钟信号都由AC48302产生；DR和DX分别对应AC48302的PCMOUT和PCMIN。PCMHighway信号时序以及时隙与帧同步信号的关系分别如图5、图6所示。为了CODEC与DSP芯片间正确收发数据，一般选择CODEC芯片在BCLK的上升沿发送数据DX，下降沿采样数据DR，而在另一端的AC48302，则在时钟下降沿采样PCMIN，上升沿发送PCMOUT。

2．5用户线接口（SLIC）芯片

设计中为了使语音卡能够提供FXS接口功能，采用了爱立信公司的新型SLIC芯片PBL83710连接用户接口。在该芯片内部能够产生高电压铃流信号及提供自动电池馈电切换，具有环流振铃和地键检测功能及2－4线转换功能。该芯片将许多传统的振铃继电器、铃流发生器等器件集成在一个片内，节省了印制板空间和成本。

3VoIP语音卡硬件驱动流程

硬件驱动程序主要完成以下功能：

（1）初始化PLX9030芯片，配置相关寄存器，选择本地总线工作方式。

（2）初始化AC48302芯片，启动AC48302内部的DSP内核到正常工作状态。AC48302的启动步骤按顺序分为以下几步：核代码（Kernel）下载；程序代码（Program）下载；初始化模式；启动运行。