硬件设计十篇

硬件设计篇1

关键词：硬件防火墙；CPLD；Max+plusII

1防火墙的硬件实现原理

防火墙通常使用的安全控制手段主要有包过滤、应用型两大类，本文所讨论的是基于包过滤型防火墙。包过滤型防火墙工作在OSI网络参考模型的网络层和传输层，它根据数据包头源地址，目的地址、端口号和协议类型等标志确定是否允许通过。只有满足过滤条件的数据包才被转发到相应的目的地，其余数据包则被从数据流中丢弃（4）。在IEEE802.3局域网协议集的标准以太网中，甚至是引入了载波扩展技术千兆级以太网中，包过滤型防火墙以处理运算速度快和性能安全等一系列特点一直倍受个人和企业的青睐。

2软件实现

本设计运用自顶向下的设计方法，运用GDF图形编辑法和VHDL语言混合编程，具体而言：顶层设计采用图形输入，便于直观分析信号流程走向，底层则用VHDL进行编程输入，便于数据分析和处理。

2.1sep模块

PLD芯片在接收到通讯芯片送来的信号后，首先利用SEP模块对差分输入信号进行数据时钟分离处理，该模块中包含全数字锁相环，以实现从随机的以太网信号中提取时钟的方法.采用鉴频、鉴相并置方法,同时把数字滤波器DFilter子模块融入其中,采用小数分频器FDiv构成数控振荡器,从随机以太网信号中恢复E1时钟信号；

2.2piden模块

接下来的Piden模块则对处理后的数据进行数据包分离，采用了同步数据选择过滤的手段,将不同的数据包送入不同的包代码处理模块进行并行数据筛选;

2.3TCPfilter和ICMPfilter模块

TCPfilter和ICMPfilter模块负责对应封包的安全过滤，并且每个模块均有各自不同的敏感代码。

2.4sync模块

为保证数据过程中前后级之间的数据同步,设计中引入了sync模块.以态网数字同步方式很多，本文采用指针调整算法,根据各filter模块的延时最大值以及对来自初始NE的输入VC与本地产生的输出STM-N帧之间的相位波动进行动态补偿,确保后级输入的信号与时钟上的匹配;

2.5diff模块

最后用diff模块对过滤后的数据和时钟进行数据整合和差分调制输出。

3器件选择和实现

核心芯片可采用EP1K100QC208-3为主芯片，它属于Altera的ACEX1K系列芯片，ACEX1K系列其间的逻辑单元（LE）数从576~4992，采用2.5V低供电电压（5），该芯片和专用配置器件EPC2，共同完成器件的初始化和在线更新，接口芯片采用CY7C64013,它能提供标准USB2.0接口，并且可以提供全速率的通讯服务，网络通讯芯片采用realtek公司的RTL8029AS它采用全双工方式来进行接收以太网数据，非常容易和微处理器接口。该芯片集成了以太网的物理层以及以太网的收发器，数据封包形式完全符合IEEE802.3标准。

4软件仿真

一共发送了3个数据包，其中第一个封包的目的端口中包含敏感端口，其余2个为正常封包.由测试结果我们不难看出:在初始阶段,防火墙有一个初始化过程,这个过程在80ns以内;系统的延时相应在本例中控制在100ns以内;正常数据在经历了防火墙的最大延时后直接输出,不影响其内部任何数据和标志位;在侦测到含有敏感数据的数据包后,防火墙立即对整个数据包做出丢弃处理,并利用网络重发机制要求重发。系统的真实的延时，由各侦测模块敏感库的大小以及sep,piden,diff模块延时之和共同决定.

5结论

该硬件防火墙，通过仿真实践证明，能有效的遏制对系统的攻击行为，并通过在线更新保证其硬件数据库的实时性，同时由CPLD器件部丰富LE资源确保其容量升级的可操作性，且其本身不受攻击包影响，不消耗客户系统资源，使用者只需进行傻瓜式连接即可完成整套系统的安装，极其方便可靠。用户还可根据其实际需要将系统调整成动态包过滤型防火墙，其性能将更加优越。

参考文献：

［1］张亚鹏．防火墙须软硬一体．计算机安全，2004．

硬件设计篇2

产品研制、生产、使用过程中，先进的检测技术和检验设备是检测产品性能参数及缩短研制时间的有利保障。因此测试设备是整个产品生命周期内不可或缺的关键部分。根据被测对象需要测量的参数和功能，测试设备在主控制器的控制下完成对产品的测试，可以提高产品的测试效率和测试结果的准确性。纵观测试设备的发展历程可以发现，测试设备均由一个控制器加上电路并辅以一定的通讯方式组成，控制器是整个测试设备“神经中枢”，控制模块的运行。目前能作为主控制器使用的有单片机、嵌入式微处理器以及DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）等。前两者虽然在某些领域也得到很大的发展，但由于设计的出发点不同，决定了其自身的局限性，即不能用于高速数字信号运算，而这恰恰是DSP的优势所在[1]。在测试设备领域，难免要进行大量数字信号的处理，因此在选择主控制器时应有选择性的选用DSP而不是单片机或嵌入式处理器[2]。

在测控台中扮演另一重要角色的当数FPGA。FPGA（Field Programmable Gate Array）是现场可编程门阵列的简称，是可编程逻辑器件（PLD）问世以来的第四代产品。自八十年代中期诞生以来，由于其速度快、集成度高及用户定义逻辑功能而备受广大电子工程师的青睐。用户可以利用分布在CLB周围的可编程互连资源以串联、并联或混合方式把相应的CLB连接起来，实现更复杂的逻辑功能。由于FPGA的现场可编程性及高密度性，所以电路设计的大部分工作都是在计算机上完成，使得产品的开发周期缩短，风险投资减小。而且FPGA的功能完全由用户设计的配置程序所决定，在不改变其外部接口的情况下可以很方便地改变其电路的逻辑功能。

基于以上分析，并且考虑到测试设备的通用性及可扩展性，选用DSP和FPGA组合设计出最小系统板（并预留I/O接口及功能接口用于系统扩展），以此作为测试设备的控制器必将大大缩短测试设备的研制周期，所以该课题具有较高的应用价值和实际意义。

2 国内外在该方向的研究现状及分析

2.1 DSP+FPGA系统特点综述

随着数字信号处理器(DSP)和现场可编程门列阵器件（FPGA）的发展，采用DSP+FPGA的硬件系统显示出其优越性，整愈来愈得到人们的重视。通用的DSP优点是通过编程可以应用到广泛的产品中，并且主流的DSP产品已经可以满足许多要求。但是传统的DSP采用冯—诺依曼（Von Neumann）结构或某种类型扩展。此结构本质上是串行的，因此遇到需处理的数据量大，但是对运算结构相对比较简单的底层信号处理算法来说显不出优点，适合采用FPGA硬件实现[3,4]。这样，采用DSP+FPGA的数字硬件系统就可以把二者优点结合一起，兼顾速度和灵活性既满足底层信号处理要求，又满足高层信号处理要求。

DSP+FPGA系统最大优点是结构灵活，有较强的通用性，适合于模块化设计，从而能够提高算法效率；同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合实时信号处理。

2.2 国外在该领域的发展状况

简略国外DSP+FPGA技术发展的现状，国外的信息处理设备一直保持着快速的发展势头。欧美等科技大国保持着国际领先的地位，并且他们很多已经发展到相当大的规模，竞争也愈发激烈，我们从国际知名DSP技术公司的产品中就可以了解到当今世界先进的数字信号处理系统的情况[5]。

以Pentek公司一款处理板4293为例，使用8片TI公司300MHZ的TMS320C6203芯片，具有19200MIPS的处理能力，同时集成了8片32MB的SDRAM，数据吞吐600MB/S。该公司的另一款处理板4294集成了4片Motorola的MPC7410PowerPC处理器，工作频率400/500MHZ，两级缓存25K*64bit，最高具有16MB的SDRAM。

DSP+FPGA应用产品获得成功的一个标志就是进入商业化，在以往的20年中，这一进程不断的重复进行，而且周期在不断的缩短，在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速的推上市场，因此，DSP+FPGA的产业化进程还在加速进行。

2.3 国内在该领域的发展现状

目前，国外众多厂商涉足我国DSP+FPGA产品市场，我国的DSP+FPGA应用已经有了相当的基础，从应用范围来说，该组合的市场前景很好。DSP+FPGA不仅仅成为手机、个人数字助理的快速增长产品中的关键元件，而且它正在向数码相机等其他领域挺近。

硬件设计篇3

关键词：计算机硬件 设计安全 策略分析

中图分类号：TP309 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）04-0000-00

当下我国计算机软件相关技术发展迅速，但是计算机硬件的发展却相对滞后，尤其是在硬件设计安全方面存在的问题还是比较多的。只要保证计算机硬件的设计安全，就能加快计算机硬件的发展速度，尽快与软件发展齐步。

1 计算机硬件安全的概述

计算机硬件安全的关键点是实现计算机内部的信息安全，而信息安全主要是保密、实用和集成三个方位建成的一个安全体系。做好信息安全，就是需要引导用户掌握使用产品的方法，进而保证计算机系统的信息安全。从计算机硬件安全的发展史来看，计算机硬件安全是以集成电路为主的集芯片设计、电路设计和工程技术设计于一体的安全系统。常采用的应用和技术主要有数据中心、通信系统和传感器网络等。

2 计算机硬件的设计安全现状分析

2.1 计算机硬件的设计安全发展现状

计算机硬件通常是指构成计算机系统的各类电子和机械以及电元件组成的物理部件。计算机硬件的安全问题大体上有三类，问题源也相应的有三类：输入设备、储存介质和输出设备。输入设备带来的安全问题具体有输入信息数据造成的安全问题和输入时非法操作两种情况。前者主要是指输入的信息数据可能有木马病毒等，引起本身计算机系统内的信息数据的风险系数增大；后者主要会引起计算机的数据信息遭到破坏等问题。储存介质带来的安全问题主要是指计算机的储存介质本身不能对计算机内部的数据信息形成安全保护层，对暴力破坏和非法拷贝等不合法操作没有抵抗力。输出设备带来的安全问题主要是存在一部分的输出设备具备记忆功能，会对计算机内数据信息或操作动作进行复制，给计算机系统带来较大的风险。总之，计算机硬件的设计安全现状还是较为严峻的，有较多问题亟待解决。

2.2 计算机硬件的设计安全分析

计算机硬件安全绝大部分取决于硬件的设计，多样设计是当下提升计算机硬件安全性能的主要手段，主要用来降低成本减少能量损耗。此外，工程变异中的CMOS技术和离子技术也广泛应用到提升计算机硬件的安全上，解决芯片老化等问题。但是这些都无法检测木马病毒。目前的硬件安全设计主要是以处理硬件木马为主的。硬件木马主要攻击原始芯片，对其进行修改恶意破坏行为。同时，不可复制技术也提高了计算机硬件的安全系数。总之，计算机硬件在设计阶段的安全性设计决定了计算机在以后运行时的硬件安全性。

3 计算机硬件设计安全的策略分析

3.1 做好内置安全确认工作

内置安全确认，主要是在计算机芯片的测试和制造过程中运用PUF（Physical Unclonable Functions）技术和EPIC（Ending Piracy of Integrated Circuits）技术通过电路设计方式来保护硬件IP。计算机硬件内置保护的流程工作大体如下：原始设计好的IC在IC制造厂采用PUF技术后得到芯片变异了的PUF ID，经过EDA工具编译后得到物理版图，先前得到的PUF ID与加密后的IC数据信息合成得到校验密钥，接着可以在IC的物理版图中预先选择关键区域，将校验密钥加密后的验证模块附加在原始设计好生成保护的IC版图，最终用于IC产品制造。这样在充分了解内置保护工作之后，相关的工作人员可以做好确认内置安全工作，保证计算机硬件的设计安全性。

3.2 检测外置辅助安全

目前外置辅助安全的监测工作主要采用RAS技术进行，依靠可信的密钥管理部产生公开密钥和私用密钥。公开密钥主要是加密芯片的数据信息并将其集成储存到标签电路中，私用密钥主要储存在密钥储存器里，而密钥储存器主要用于外置辅助安全的检测。此外，安全验证芯片也是用于检测外置辅助安全的。检测时，密钥储存器主要经RFID读取芯片上集成的标签电路的数据信息，进而通过安全验证芯片的检测来检测芯片。

3.3 在计算机硬件研发中注重安全设计

在计算机硬件的安全设计过程中，不单单要注意技术层面的保护检测，更要注意其他方面的问题，比如设计理念、工作侧重点和设计人员等。在计算机硬件的研发进行时，质量和性能得到保障的前提下需要注意加强设计研发人员对计算机硬件的认识，加强对计算机硬件安全性能的注重，从内置和外置入手，做好安全设计，形成计算机硬件安全性评估机制，做好对硬件安全性能的评估，同时从输入、存储和输出设备三个方面进行评估，及时发现安全风险解决隐患。

3.4 在计算机硬件设计安全中注重创新技术

计算机硬件的安全设计之所以会出现较多的问题，是由于计算机硬件的安全设计技术发展滞后，适应不了时代的发展。因此，需要注重创新技术，完善并发展现有计算机硬件的安全设计技术，结合实际情况和实践经验，及时完善不足之处。同时，建立起完整的计算机硬件安全技术系统，做好计算机硬件各部分的有机结合，加强各技术的协助。此外，还需要开展新型的计算机硬件安全技术，可以将微生物理论、光学理论和量子理论应用到计算机硬件安全技术中，这样才能实现计算机硬件安全性能的快速提升。

4 结语

综上所述，计算机硬件的种类较多，存在着较大的差异，需要根据各自的安全问题采取适当的解决策略、因此，在计算机硬件的安全设计中，需要在技术层面上确认好内置安全和检测好外置辅助安全，同时注重形成安全保护的设计理念，研发工作侧重安全保护，创新计算机硬件的安全设计技术，最终高效促进计算机硬件的安全性能提高。

参考文献

[1]王科超.计算机硬件的设计安全探究[J].山东工业技术，2015，（8）：135-136.

[2]刘亮.计算机硬件设计安全问题分析[J].黑龙江科技信息，2015，（17）：157.

[3]潘晓伟.改进的铁路信号安全计算机硬件结构设计[J].电脑知识与技术，2015，11（3）：232-233.

硬件设计篇4

关键词：EDA 计算机硬件教学 仿真平台

中图分类号：TP391.6 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)06-0178-01

随着计算机技术和电子信息技术的高速发展，以及各种新技术的应用，给高校教学方法和实验环节提出了新的要求，也带来了难题。目前高校教学手段和教学设备远远落后于科学技术的发展，严重制约教学的发展和人才的培养，如何提高教学水平已经成为现在新技术学科教育的难题。

1、教学仿真平台的结构组成

实验教学环境主要包括软件和硬件环境两个部分，基于EDA的计算机仿真技术是以计算机的可编程器件的开发软件以及实验系统为工具，自动完成从软件到硬件的仿真平台。仿真平台主要以网络化的解决方案和网络EDA的一体化为基础，结合仿真技术和虚拟的实验室环境，以视觉或者文字等直观方式将难以表达的内容显示出来。仿真平台涉及到计算机的硬件教学的各门课程和技术。仿真平台主要由EDAXUEXI、模拟电路仿真、数字电路仿真、语言学习训练和外部系统接口构成一个完整的模拟系统。EDA学习集成了Quartus、EWB、DSPDNEG等多种EDA通用工具，确立硬件系统为目标，使用多种逻辑描述输入工具，为教学的硬件设计提供保障，建立适合于系统仿真的虚拟环境。模拟电路仿真是使用电子元件、模数混合和模拟电路等组成实验仿真，需要对电路性能和工作条件进行仿真分析，使整个教学过程更加快捷、方便和针对性。例如通过模拟电路仿真测试之后，可以实现PCB电路板的设计。数字电路模拟主要是利用数字电路中的数字逻辑、计算机原理、数字电路知识、单片机系统以及接口系统等相关知识实现教学实验的仿真。语言学习训练主要是进行汇编语言和硬件描述语言等编程语言的学习训练，在整个教学中学习硬件和软件的编程技巧，提高计算机语言能力和硬件的设计能力。外部系统接口主要是指提供和外部的实验仪器设备的接口。

2、仿真平台的设计

仿真平台包含多种外部实验设备的接口，主机可以通过这些接口与多种目标机建立连接，对各种实验程序进行下载验证。软件系统是指MicrosoftVisualStudi平台上设计开发的，集成了多种EDA工具，实现人机相交界面，可以进行各种数据图表、实验参数的输入和仿真结果的输出。构成了以实验、教学和仿真为目的的完整仿真平台，通过外部的I/O接口工具，可以将各种实验程序进行下载和验证。

(1)仿真平台的EDA集成。仿真平台的EDA的集成包含的EDA工具的种类比较多，软件系统的设计中需要解决工作路径的选择、环境变量的设置、调用信息返回和软件参数的传递等关键问题来保证软件系统的正常工作，实现仿真平台和EDA工具良好的结合。下面主要介绍仿真平台和Quartus的集成过程。

首先安装2个EDA工具，在仿真平台中修改软件环境变量和在Quartus中设置工作路径，方便仿真结果的查看和分析以及在平台中可以做出相应的修改和调整；接着做参数处理，在仿真平台中利用EDA工具在实验项目中启动参数，传递到EDA工具中，经过分析处理可以得到实验项目的仿真结果和仿真电路；最后软件平台集中处理EDA的返回信息，并且提供给信息用户。

(3)仿真的实现。仿真平台可以完成多种计算机硬件教学任务，下面将介绍利用不同的EDA工具的不同软件配置和仿真过程实现在计算机仿真教学中的数字电路的设计。

数字电路的设计中首先要分析和确定电路的逻辑功能，将逻辑函数进行化简；接着按照电路的原理选择门电路，建立最优的逻辑电路。其中门电路的选择要满足教学实验要求的开放性和创新性，可以引入FPGA技术来避免受到门电路因素的干扰，最优的逻辑电路是整个数字电路设计中的重要环节，使用RDA工具可以保证数字电路设计的准确性。

(3)下载验证。已经通过仿真设计的数字电路，通常需要检验电路的硬件功能，需要将设计的电路下载到目标机中验证，下面将介绍下载验证过程。

首先选择目标机的类型和FPGA型号进行全程编译和分配引脚操作，生成“Bjp.sof”和“Bjp．pof”下载文件，然后通过ActiveSerial方式将下载文件下作为永久保存的下载文件，写入到串行配置器件，在目标机按开机后自动写入FPGA中，实现了数字电路的逻辑功能。在下载完成之后，可以通过半加器对电路的正确性进行判断。

(4)语言学习。在仿真平台可以学习多种编程语言，例如VHDL等硬件描述语言，可以学习硬件的结构和行为，汇编语言是面向硬件可控制硬件，是掌握计算机系统的原理和工作方式的途径，C语言在软硬件系统中应用比较广泛。仿真平台还可以组织各种语言的仿真设计以及给出仿真结果，有助于在教学中理解各种程序和定时器的方作方式。

3、计算机硬件教学仿真平台上的应用

仿真平台可以学习很多课程的理论、仿真测试和实验验证。仿真平台的设计包含、计算机原理、数字电路、借口技术、嵌入式系统、单片机的知识、电路设计、电工学的基础、PCB的制作、各种汇编语言程序等，有真值表、逻辑函数、原理图、仿真波形、三维图形、平面图形、程序代码、动画等多种演示的表现形式，能偶从不同的角度展示教学内容，提高学生的学习兴趣，帮助学生学习和掌握相关的、教学内容，学生也还可以通过仿真平台进行自主学习，进行仿真和验证个人学习项目。仿真平台还可以对现有的EDA工具进行升级，建立相应的学习环境，进一步提高教学效果和丰富教学内容，仿真平台的设计和建立革新了现代教学方式，有助于学生的学习能力提高。

4、结语

基于EDA的计算机硬件教学仿真平台是将多种EDA工具进行集成和优化，可以适用于各种课程的学习，丰富现有的教学手段，可以面向不同层次学生的课堂教学，尤其是现行的教学实验设备不足的课程，通过仿真平台的教学，提高了学生的专业知识水平和动手能力。教学平台还可以借助网络平台进行远程教学，推动网络教育的发展。

参考文献

硬件设计篇5

关键词：无线电；硬件电路；设计；调试

无线电硬件电路方面，采取设计与调试的方法，规范无线电硬件电路的实践性，加强硬件电路的控制力度，体现设计与调试在无电线硬件电路运行中的作用。

1 无电线硬件电路设计

1.1 系统框架

无线电硬件电路设计的系统框架，电路平台的CPU，选择TMS320VC33、TMS320VC5509，核心器件是HSP50415、AD6620上下变频器。系统框架的时钟源，分别是中央处理器的主时钟和12.288MHz的时钟信号，综合为无电线硬件电路提供时钟服务，保障时钟的准确度。无线电硬件电路的系统框架设计中，应该执行监控与复位操作，利用芯片MAX706，辅助硬件电路系统的设计，系统框架内，需要产生触发信号，不断的对MAX706实施触发作用，此系统内，选用GPI06引脚，提高信号触发动作的质量。无线电硬件电路的系统框架，在通电状态下，产生200ms的复位信息，专门用于TMS芯片与四串口的复位操作。例举系统框架中比较重要的3点设计内容，如下：

1.1.1 AT25F1024

AT25F1024在无电线硬件电路内，是具备可擦写功能的存储器，应用在SPI协议中。AT25F1024提供在线写入的方式，无线电通电后，DSP模块，将存储器的内容，引入到硬件系统框架的内部程序中，执行相关的动作，而且AT25F1024提供外扩展的条件，支持硬件电路系统框架的有效拓展，方便数据存储。

1.1.2 TMSVC5509

无线电硬件电路内，TMSVC5509负责各个模块的初始化，在数据的终端位置，利用四串口平台，接收硬件电路内的数据信息，再由ADM202E进行电平转换。系统框架中，TMSVC5509处理接收到的数据，实现基带处理，同时将数据转发到HSP50415模块内，保持2*9.6MHz的中断率，调制到中频状态，完善硬件电路的运行。

1.1.3 AD9225

AD9225在系统框架中，负责接收平台的工作，其为高速模数转换器，采样无线电硬件电路接收到的信号，执行规范的采样后，将信号输送到AD6620。

1.2 接口设计

接口是无电线硬件电路设计的重点，关系到信号的流通性和可靠性。无线电硬件电路中的每个接口，都直接决定了电路的运行。例如：无线电硬件电路中的HSP50415和DSP的接口连接，如图1所示，初始阶段，DSP需利用微处理器接口，主动访问HSP50415，待初始完成后，DSP收到接口位置反馈的中断信息，利用通道向接口内发送数据信息。接口连接的过程中，由ISTRB判断信息数据的属性，HSP50415接口输出时，采用两种输出方式，分别是差分模拟输出和14bit数字输出。无电线硬件电路的微端接口，采用模式0，在串行模式的状态下，控制好接口的运行。例如：AD9225的微端接口，因为其高位、低位的数据线相反，所以注意接口的准确性，按照二进制补码的要求，可取反MSB，方便数据格式的准确匹配。

2 无线电硬件电路调试

2.1 参数初始化

无线电硬件电路调试中的参数初始化工作，主要是指HSP50415和AD6620。HSP50415的参数初始化，通过数据总线、选控等方式实现，配置16个可读写的寄存器，便于进行硬件电路的内部控制。HSP50415的符号率，是一项重要的参数，其在初始化的阶段，运用可编程的固定速率确定，寄存器的初始化参数，可以设置为00，后期根据硬件电路调试逐步调试。滤波器参数初始化，内插因子=16，利用sim415.exe产生滤波器的参数，设计HSP50415只读存储的初始化参数为72bit，简化无线电硬件电路的调试和运行。AD6620的参数初始化，需要保障硬件电路内，变频器载波频率=数控振荡器频率，抽取因子初始值=320，以此来确保滤波器的性能维持在最佳的状态。

2.2 流程调试

无线电硬件电路内的流程调试，提高了信号控制与处理的效率。流程调试中的信号，具有可编程的优势，能够根据硬件电路，建立流程运行的时间，在规定的时间内，按照规范的流程图，运行无线电的硬件电路。串口接收时的流程调试，应该在IER0中，设计RINT2，运用帧同步的方式，确定信号中断。低通滤波的调试操作中，根据DSP的数据段，安排流程调试工作，每隔64个样点，计算1次流程数据。

2.3 解调操作

无线电硬件电路系统内，利用2FSK的方法进行调制，接收端设计采样值，通过周期图法，规范解调操作。硬件电路的数据解调操作，包含大量的信息，以此来判断电路系统是否处于高效的状态。

2.4 信号捕捉

信号捕捉调试工作，安排在无线电硬件电路守候状态内，专门捕捉硬件电路的信息，判断整体信号的稳定性，按照前导序列、巴克码、数据的流程，安排信号捕捉的调试。调试时，要对硬件电路中的信号，实行循环FFT处理，接收无电线中的3个码元，一方面确保无线电通讯频率的准确性，另一方面识别信号的间距，捕捉到信号后，就要安排FTT运算，频谱k保持在4、8即可。

2.5 帧同步

帧同步调试操作内，选择连贯插入的方法，保障无电线硬件电路的同步性。帧同步调试之前，先要确保无电线硬件电路已经捕捉到信号，再安排帧同步调试工作，调试中，如果峰值数据高于12，就可以表明帧同步。

3 无电线硬件电路运行

无线电硬件电路运行中，简化了无线电通信的复杂性，采用硬件电路的方式，就可以概括运行的流程和信息，提倡无电线硬件电路的精细化和自动化设计，便于提高无电线硬件电路的运行水平，规避潜在的风险问题，更重要的是规范无线电的通信环境，利用稳定的硬件电路，保持无线通信的可靠性，排除无线电系统内潜在的干扰风险，进而营造安全、稳定的无电线通信环境。

4 结束语

无线电硬件电路运行中，需严格落实设计应用，同时规范的调试硬件电路，提高无线电的通信环境，排除外界因素对无电线通信的干扰，最主要的是保证无线电通信的可靠性和稳定性，完善无电线的通信环境，体现硬件电路设计与调试的作用，以免无电线硬件运行时出现问题。

参考文献

硬件设计篇6

【关键词】ARM;嵌入式系统;硬件设计研究

一、前言

研究了数控系统中所能用到的各类控制接口，将接口控制逻辑语言做了进一步的改换更新。并且，通过将这些研究成果进行整合与设计，实现了嵌入式数控系统硬件平台的总体设计内容。将该方案付诸实践应用以后，系统通过了稳定性测评，符合实际生产操作的要求。经仔细测试与研究而知，基于ARM的嵌入式系统硬件设计具备可行性，针对该内容的研究有一定的实践价值。

二、基于ARM的嵌入式系统硬件平台的整体方案设计

对于数控系统的方案设计过程来说，该项设计内容要能够符合整体数控操作系统的要求，才能称之为完善的设计方案。数控装置实质上是通过计算机技术的支撑来搭建的操作控制硬件平台。在传统的数控系统构造的基础上，基于ARM的嵌入式数控系统硬件平台的功能有了较大的改善，为实际生产工作带来了诸多便利。

（一）嵌入式系统硬件架构概述

近年来，随着我国传统制造行业改革进程的不断推进，数控机床设备的应用对于实际生产能效至关重要，提高了生产单位的综合生产效率，保障了各项生产管理环节的有序进行。可见，自动化的数控系统及相关设备的应用给社会创造出了更多的价值。通常情况下，数控机床系统是由多个装置与程序所组成，该系统实际上是经多个子系统整合而成，包括有数控装置（系统）、驱动装置（系统）、输入/输出系统及程序，其中驱动系统还包括主轴驱动、逻辑控制、位置控制三项内容，分别对应机床设备中的主轴电机、逻辑数据控制与进给电机部分[1]。另外，通过系统检测环节的处理为数控装置系统提供必要的反馈结果，以备数据输出或进入下一个数控循环系统中进行操作处理。

（二）嵌入式系统硬件平台设计

从整个系统的实际功能来看，嵌入式系统硬件平台的设计是系统运作的物质基础，而软件系统则是系统装置的灵魂[2]。嵌入式系统硬件平台的设计原则要遵循系统的实用性与稳定性，而且要与软件系统互相兼容，共同维护整个系统的正常运转。现今，我国在某些重点行业采用的嵌入式系统硬件设备的性能极高，不仅采用了高性能多处理器装备，还运用了高速工业现场总线的硬件结构，进而令整体嵌入式系统的性能更加完善。

三、基于ARM的嵌入式系统硬件的设计细节内容研究

现阶段，我国专家学者对于数控系统内容的探究一直在继续，因其对社会生产实践具有极大的研究价值。随着电子计算机技术及网络信息技术的迅猛发展，嵌入式数控系统的硬件设计内容也进行了多次的改革，使得升级后的硬件系统更能够符合现代工农业生产对技术领域的要求。

（一）ARM及数控系统运行

ARM是微处理器的代名词，ARM体系结构从构建伊始至今发生了较大的变化，且仍在不断的探索之中[3]。一段时期以来，ARM的变革制约着嵌入式系统的整体设计内容的革新。目前，传统的八位单片机已经暴露了本身资源有限的发展劣势，越加不适应日渐复杂的实际应用需求，而随着三十二位处理器价格的不断萎缩，采取更高性能的三十二位处理器作为嵌入式系统的核心成为更加合理的选择。

（二）ARM接口设计

ARM接口设计的内容主要包含了显示器接口、太网接口及USB接口等，通过各类接口的设计来实现嵌入式系统的功能对接[4]。

（三）针对嵌入式系统硬件平台测试过程的研究

长久以来，我国相关领域对于嵌入式数控系统硬件平台的研究成果为社会生产实践提供了诸多有利的帮助，令生产实践更加现代化，实现了自动化系统与智能装置的有序运转。从对嵌入式系统硬件平台的测试及研究过程而知，开发一个集嵌入式控制、高效数据采集和网络通信于一体的综合系统平台，能够在一定程度上提升生产效率[5]。另外，通过提供友好的人机操作界面的硬件平台，对于提高智能嵌入式系统可靠性、组网灵活性具有绝佳的现实意义。

四、结束语

通过对数控系统的运作机理进行研究，并结合国内外在实践过程中常用的数控系统硬件结构的设计内容，提出了基于ARM的嵌入式数据控制系统硬件平台的设计方案。该设计能够将ARM、FPGA低功率的特征发挥出来，采用低功率的设备及器件组合，构建了低功耗的硬件系统电路。研究数控系统的整个运作过程，将基于ARM的嵌入式数控系统硬件进行更为周全的细节处理，进而实现了较为先进的接口控制逻辑，提升了系统的整体效率。总之，该系统设计的内容符合当前工业生产所需达到的标准，具备一定的实践价值。

参考文献

[1]王维新.基于ARM的嵌入式系统的应用技术[J].西安文理学院学报（自然科学版），2010，11（11）：155-157.

[2]林隽生.基于ARM的嵌入式系统教学平台的设计与实现[J].漳州师范学院学报（自然科学版），2010，10（05）： 188-189.

[3]石广治，刘波，姜秀杰，刘成.基于ARM的嵌入式系统以太网通讯设计[J].微计算机信息，2010，12（06）：196-197.

硬件设计篇7

计算机主要包括硬件和软件两个组成部分,硬件是计算机固定装置的重要组成内容,包括主板、电脑键盘、光驱、监视器、硬盘等,而需要维护的设备包括显示器、主板、硬盘等。只有做好维护工作,才能确保硬件设备性能良好,促进其作用有效发挥,满足人们使用计算机的需要。

(1)显示器维护。通常显示器的使用年限为5-6年,使用过程中,如果忽视维护和保养,容易出现显示器被烧坏的情况。为此,在日常维护过程中,要保持显示器一定的湿度,清洁屏幕表面时,使用蘸有中性液的软布进行,并注意用力适中,避免用力过大而损坏屏幕。

(2)主板维护。主板是计算机非常重要的硬件设备,一般来说,主板使用年限为十年,如果忽视保养和维护,往往会降低使用寿命。但在日常使用过程中,往往忽视对主板的清理工作。事实上,主板清理工作量少,使用者应该结合具体需要做好清理工作,根据主板运行情况更换CPU散热器的散热膏,并对散热器里面的风扇添加机油。要合理控制主板温度,确保温度正常,从而更好运行和发挥作用。(3)硬盘维护。硬盘是计算机数据存储的容器,如果硬盘出现故障,不能正常运行和工作,不仅影响整个计算机的正常运行和工作,还会导致数据丢失,给用户带来较大损失。因此,做好硬盘的日常维护工作显得十分必要。计算机平时使用过程中,不得任意挪动硬盘,硬盘读写过程中,有着非常大的数据输送量,使用时如果任意挪动硬盘,会导致数据丢失。硬盘运转时会发生声响,长期下来往往会导致硬盘损坏。因此,硬盘使用时可以垫上橡胶垫,尽量减少共振现象,达到有效保护硬盘的目的。

2计算机技术在硬件设备修护的应用

为减少硬件设备故障,促进计算机更好运营和工作,日常维修工作中,离不开计算机技术的应用。同时,为促进计算机技术得到更为有效的应用,提高设备维护水平,笔者认为今后应该采取以下有效对策。

(1)坚持正确的维护原则。为实现对硬盘的有效保护,日常维护工作中要坚持先软后硬、先易后难、由外到内原则,按照这个目标和流程做好维护工作,实现对故障的有效处理,将存在的隐患消灭在萌芽状态,实现对故障的有效预防,促进计算机更好运营和工作。

(2)掌握有效的维护方法。在坚持维护原则的前提下,还要根据具体需要,综合采取有效方法,及时发现和排除故障,为硬件设备工作效率提高奠定基础。①主机维护方法。主机常见故障类型为无法加电、开机后无法显示、死机、无法进入工作系统等。针对这些问题,维护中要坚持望、闻、听、切原则,通过望检测设备外形是否变形,指示灯是否正常闪动,机箱内部接线是否断裂,通过闻来检查设备是否有异常味道出现,听来检查计算机是否存在噪音,切来检查温度是否超高,各部件是否存在异常现象,内存所在位置是否正确。综合应用上述方法将主机的故障及时排除,对存在的问题立即采取措施处理,实现确保主机有效运行的目的。②显示器维护方法。显示器常见问题为黑屏或无法显示,需要考虑的问题是,是否由潮湿或散热性能差导致问题出现。出现黑屏现象时,首先要检查显卡的性能,如果更换之后仍然出现问题,需要检查是否由潮湿问题导致黑屏。检查主机分系统、硬盘、软盘驱动系统之后,如果仍然出现黑屏现象,这时需重点检查显卡散热器情况,查看散热风扇电源是否存在松动现象,如果出现松动情况,需要对电源线进行固定,从而有效排除故障。③主板维护方法。常见问题为计算机运行1min后自动停止,计算机没有出现任何故障,导致该问题出现的原因主要是主板问题。维护中要查看计算机电源是否坏了,机箱开关是否连接好,然后仔细观察计算机内部情况,如果主板和机箱底部缺少铜柱,使得主板与机箱直接接触,会导致短路现象发生。④内存维护方法。内存故障表现为启动后计算机没法正常显示,常见故障原因为内存条和插槽接触不良,需要将内存条重新插入槽内,或者更换插条,并清理插槽。

3结语

硬件设计篇8

【关键词】硬件电路;原理图设计;PCB设计;设计需求

Abstract：Hardware is an important part of the circuit system.The rationality of the hardware circuit design will influence the performance of the system.This paper elaborates the processes and methods of hardware circuit design starting from anglicizing the Design process of hardware circuit，and points out the problems and solutions in the design process.It has the practical significance for hardware circuit design.

Keywords：Hardware circuit;Schematic design;PCB design;The design requirements

前言

随着集成电路设计与制造技术的不断发展，电路系统的功能越来越强大，组成却越来越简单，软件设计的重要性逐渐提高，但硬件电路设计的重要性不容忽视。软件设计得再完美，若硬件电路设计不合理，系统的性能将大打折扣，严重时甚至不能正常工作。

硬件电路的设计一般分为设计需求分析、原理图设计、PCB设计、工艺文件处理等几个阶段，本文主要阐述各阶段的设计流程与方法。

1.设计需求分析

硬件电路的设计需求是基于项目或控制平台的系统需求，设计需求的合理分析是选用电路核心元器件及其典型电路的关键。硬件电路的通用设计需求有应用环境、面积/体积限制、电源、功耗等，此外功能不同电路需求也不同。以某控制平台典型电路为例，设计前必须关注的需求如表1所示。

表1 某控制平台典型电路的设计需求

典型电路 设计需求

主控制电路 I/O口数量、数据宽度、通讯方式、电源等

数字量输入电路 输入点数、额定输入电压、输入电流、噪声容限、是否隔离、隔离电压等

数字量输出电路 输出点数、额定负载电压、输出类型、输出节点容量等

模拟量输入电路 输入类型与等级、精度要求、频率等级、输出类型等

模拟量输出电路 输入位数、精度要求、输出类型、驱动能力等

光纤输入电路 传输带宽、频率、输出接口类型、逻辑关系等

光纤输出电路 输入接口类型、频率、传输带宽、输出接口类型、逻辑关系等

脉冲功率放大电路 逻辑关系、驱动电源、驱动能力等

通讯电路 通讯接口、通讯协议、传输速率、ESD能力等

2.原理图设计

原理图设计是硬件电路设计的核心，合适的器件选型、必要的计算分析以进行参数搭配、仿真工具的运用与验证等是其常用工作流程，最终通过绘制原理图将这些技术用图形化语言表达出来。

2.1 元器件选型

元器件的选型是原理图设计过程中的一个重要环节。元器件是否合理、优质选用，将直接影响整个硬件电路的性能和可靠性，也关系到产品后期的使用与维护。

在选用元器件时，应根据电路功能要求确定元器件的关键参数，表2中给出了常用元器件选型时需要关注的参数，此外还应考虑元器件工作的可靠性、成本、供货周期等因素。

表2 常用元器件的关键参数

常用元器件 关注的参数

电阻 阻值、功率、误差、裕量等

电容 容量、耐压值、工作频率、裕量等

发光二极管 正向电流、光体颜色、正向压降等

稳压二极管 稳压值、稳定电流、精度、功率等

AD芯片 位数、采样速率、单/双极性、带宽、管脚定义、电源、串/并行、封装、典型电路等

晶振 频率范围、电源电压、工作电压、封装等

电源模块 输入/输出类型、输出功率、稳压系数等

数字IC 电源电压、逻辑关系、噪声容限等

传感器 输入/输出类型、精度、线性度等

存储器 电源电压、存储容量、最大时钟频率、访问速度、擦写次数、接口电路等

CPLD 电源电压、逻辑单元数、管脚数、最大时钟频率、接口电路等

MCU或DSP I/O口数量、片内ROM和RAM类型及大小、片上外设类型及数量、体积、功耗等

2.2 绘制原理图

在确定好元器件型号后，就可使用EDA工具软件绘制电路原理图。在绘制过程中应该注意以下问题：

（1）对于初次使用的元器件，一定要查看元器件手册，弄清楚其关键参数、封装、推荐电路等。

（2）尽量使用或借鉴成熟电路，对于不成熟电路要多测试。

（3）按照信号流向绘制原理图。对于复杂电路，可根据功能模块分多张sheet绘制，并给出必要的文字说明。

（4）网络名称的命名尽量遵循信号的含义，以增加原理图的可读性。

（5）综合考虑PCB性能和加工的效率选择电路加工流程。因为少一个工艺流程，可以有效缩短硬件电路的加工时间。加工工艺的优选顺序为：元器件面单面贴装元器件面贴、插混装双面贴装元器件面贴插混装、焊接面贴装。

（6）原理图绘制完成后要编译。这样可以检查出很多问题，如缺少网络标号、信号源属性错误等。

（7）在原理图编译通过后，需要生成网络表。这是原理图到PCB的一个必要环节，如果原理图存在错误，网络表是无法成功导入PCB中的。

3.PCB设计

PCB设计是以电路原理图为依据实现硬件电路的功能，此外还应满足可生产性、可测试性、安规、EMC、EMI等技术规范要求，以构建产品的工艺、技术、质量和成本优势。

3.1 制作物理边框

封闭的物理边框是PCB设计的基本平台，对后续的自动布局和布线起着约束作用。绘制物理边框时一定要精确，以免出现安装问题。使用圆弧边框可以减少应力导致PCB板断裂的现象，也能避免尖脚划伤人员。

3.2 引入元器件和网络

引入元器件和网络是将原理图中的元器件和网络等信息引入到物理边框内，为布局和布线做准备。在更新PCB之前，应确认原理图中与PCB关联的所有元器件的封装库均可用。

3.3 元器件布局

元器件的布局与布线对产品的寿命、稳定性、电磁兼容等都有很大的影响。布局常用的规则有：

（1）元器件的放置顺序。先放置与电路结构有关的需固定位置的元器件，如电源插座、指示灯、开关、连接件等，最好将其位置锁定，以免被误移动;再放置电路中的特殊元器件，如发热元件、大体积元件、IC等;最后放置小元件。

（2）元器件的安放位置。首先应考虑特殊元器件的安放位置，例如发热元件要尽量靠边放置以便散热，且不宜集中放置，并远离电解电容;去耦电容要尽量靠近IC的电源管脚，并力求与电源和地之间形成的回路最短。其次应考虑信号的隔离问题，例如高电压、大电流的强信号与低电压、小电流的弱信号应完全分开;模拟信号与数字信号分开;高频信号与低频信号分开等。非特殊元器件的布局应使总的连线尽可能短，关键信号线最短。结构相同的电路可采用对称式设计以提高设计效率、减小出错率，并节省调试时电路的辨识时间。布局应留有足够的工艺边，以免干涉PCB板的正常传送。

（3）元器件的放置方向。在设计许可的条件下，同类元器件应按相同方向排列，相同封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊接、测试和返修。

3.4 电路板布线

合理的布线可以有效减少外部环境对信号的干扰以及各种内部信号之间的相互干扰，提高设备运行的可靠性，同时也便于查找故障原因和维护工作，提高产品的可用性。布线常用的规则有：

（1）布线的位置。布线应尽量走在焊接面;模拟部分和数字部分的地和电源应分开布线;大电流、高电压信号与小信号之间应注意隔离;尽量少用过孔、跳线;布线也应留有足够的工艺边。

（2）布线的宽度与长度。除地线外，在同一块PCB板上导线的宽度应尽可能均匀一致，避免突然变粗或变细。电源线和地线的宽度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流来计算，电源和地构成的环路应尽量小;由于：

b：线宽，d：厚度，l：长度，因此在可能的条件下电路的连线应尽量短，这样有利于降低线路阻抗，也可减弱由于连线引起的各种干扰效应。

（3）布线的角度。布线时应避免锐角、直角，宜采用135°或圆角布线。

3.5 工艺文件处理

布线完成后，需要对个别元器件、布线和文字的位置和大小等进行调整完善，以便进行生产、调试和维修。然后进行覆铜，推荐采用接地覆铜方式。其次核对网络是否与原理图一致，最后还可使用软件仿真功能对电路进行调试。

4.结论

总之，硬件电路设计过程中的每一个细节都可能成为导致设计成功与失败的关键。作为电路设计的硬件工程师，必须努力积累经验，不断创新，才能设计出具有推动性的产品。

参考文献

[1]朱铭锆.DSP系统硬件设计（二）――DSP系统硬件原理图、PCB设计和系统调试技巧[J].今日电子，2003（09）.

硬件设计篇9

关键词： 单片机 波形发生器 AT89C51 AD7545 硬件系统设计

在电子工程设计中，常常需要一些可产生任意信号波形，频率方便可调的波形发生器，通常的信号发生器难以满足这类要求，而市场上出售的任意信号发生器价格昂贵。结合实际需要，我们设计了一种任意波形发生器。利用MATLAB的仿真功能，将希望得到的波形信号在MATLAB中完成信号的产生、抽样和模数转换，并将得到的数字波形数据存放到数据存储器中，通过单片机对AD7545的控制，将波形数据从数据存储器的表中读出，送入后向通道进行D/A转换和放大处理后得到所需的模拟信号波形。利用上述方法设计的波形发生器，通过编程和构造数据表格，其信号参数可调，可输出任一波形，实现了硬件电路的软件化设计。

1.硬件系统框图

该波形发生器的硬件系统是由单片机、存储器和D/A转换器构成，通过编程设定频率、脉宽及任意波形数据，并将数据以表格的形式存放在程序存储器中。在单片机的控制下，利用AD7545完成D/A转换，从而得到所需的任意波形信号。硬件系统结构框图如图1所示。图中分频电路和地址发生器由CPLD实现。

2.电路设计及实现

2.1单片机控制电路

系统采用AT89C51单片机，通过编程产生所需控制信号。主要的控制参数包括：信号周期、脉宽、分频电路的开始信号、地址发生器的复位信号、E2PROM的选通信号、D/A转换电路的选通信号。在具体电路中，端口P1.0控制分频电路的启动、P1.1控制地址发生器的清零，P2.0控制28C256和AD7545的选通信号。单片机工作在定时器方式1，软件设计利用C语言实现。控制流程图如图2所示。

2.2波形数据生成

MATLAB作为一款优秀的数学工具软件，具有强大的运算功能，可以方便地产生各种信号波形，在软件中实现波形信号的产生、抽样和模数转换。设计的任意波形发生器，数据存储器选用28C256芯片，信号波形通过MATLAB仿真产生，得到的波形数据存放在数据存储器28C256中。具体设计中，我们要求产生周期为200ms，脉宽为5ms的单/调频混合信号，其中单频信号的脉宽为4ms，频率为30kHz，调频信号的脉宽为1ms，频率为30―35kHz。在MATLAB中设定抽样率为500kHz，得到了2500个波形数据。这些混合波形数据在烧录入到程序存储器的过程中，由于波形数据较多，直接用手工录入数据存储器中不仅费时且容易出错。为克服这一弊端，通过MATLAB编程的方法将产生的波形数据按照HEX文件的INTEL格式存放，然后将这些波形数据整批次烧录入程序存储器的表格中。采用上述方法，波形数据生成简单、快捷，可根据需要在软件程序中方便地修改信号参数，无需改动硬件电路即可实现信号参数的功能扩展。

2.3CPLD逻辑设计

分频电路采用两片74HC163实现。通过分频电路，将12MHz的晶振标准频率分频后，得到500KHz的抽样频率，作为地址发生器的时钟。分频电路的工作由单片机控制。

地址发生器电路由3片74HC163组成，时钟频率为500kHz，由分频电路提供，其输出频率与存入程序存储器表格中的波形数据抽样频率相一致，以实现数据的无失真读出。

电路设计中，采用ALTRA公司的EPM7128AETC100－10芯片，在MAX+PLUSⅡ开发环境中完成分频器的电路设计，可以省去大部分的中小规模集成电路和分离元件，使得电路具有集成度高、工作速度快、编程方便、价格低廉的显著优点。通过CPLD和数据预生成的信号实现方法，无需改变硬件电路，即可实现信号参数的任意调整，同时电路十分简单，为工程调试和应用带来了方便。

2.4D/A转换电路

D/A转换电路的实现如图3所示。电路中AD7545将波形数据转换为模拟信号，然后采用LF353进行信号滤波和整形。

3.结语

采用上述方法设计的波形发生器，通过软件和硬件结合，充分发挥了MATLAB强大的仿真功能，尽可能减少了硬件开销。根据实际需要，可产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形，可以产生线性调频信号（LFM）、单频脉冲信号（CW）、余弦包络信号，以及他们之间的组合信号等多种波形参数，满足了工程需要。该波形发生器用于非周期波形信号的发生效果良好。

参考文献：

［1］刘光斌，刘冬.单片机系数实用抗干扰技术［M］.北京，人民邮电出版社，2008.

［2］胡汉才.单片机原理及其接口技术［M］.北京:清华大学出版社，2010.

［3］张善德.微型计算机系统的设计方法和接口技术［M］北京，人民邮电出版社，2008.

［4］刘乐善.微型计算机接口技术及应用［M］.武汉:华中理工大学出版社，2005.

硬件设计篇10

关键词:圆二色谱;Bessel低通滤波器;Chebyshev带通滤波器;BSRF

中图分类号:TL822+.6;TP368.1 文献标识码:B

文章编号:1004-373X(2010)04-001-04

Design of Circular Dichroism Signal Processing Device in BSRF VUV Station

ZHOU Aiyu,HUANG Yan,TAO Ye

(Institute of High Energy Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing,100049,China)

Abstract:A Circular Dichroism (CD) signal processing device is designed which aims at the demand of CD signal processing in 4B8 VUV station,Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF).The device mainly includes the pre-amplify part,3 ranks Bessel low pass filter,divider of DC/AC signal,AC signal amplifier and 6 ranks Chebyshev band pass filter.In the device,instrumentation amplifier AD620 and continuous-time active filter MAX274 are adopted as main chips.Now,in BSRF VUV station,the device has been tested with standard CSA sample and result has been compared to that obtained by SCU-90,which is commercial signal processing equipment.The experiment result shows that the wavelength of CD signal peak obtain by our designed device is the standard 290nm and is same to that obtained by SCU-90,and the CD spectrum gotten by the device is very smooth.It is proved that the device has achieved the designed aims.At the same time,it can be seen that the background noise of our designed device is lower than that of SCU-90,and the device has more advantages than SCU-90 in CD small signal detection.

Keywords:circular dichroism;Bessel low pass filter;Chebyshev band pass filter;BSRF

0 引 言

圆二色(CD)谱是一种特殊的吸收谱,其通过物质对左、右旋圆偏振光吸收系数的差异,获得被测样品结构的构像信息[1,2]。CD信号比吸收谱弱得多,但由于它对手性分子构像十分敏感,尤其蛋白质肽链深紫外(240~160 nm)波段内左、右旋圆偏振光吸收明显,所以CD是研究蛋白质折叠结构的最直接的光谱方法之一[3]。CD谱仪主要包括商用谱仪和同步辐射谱仪。同步辐射谱仪特点在于向短波的拓展,从商用的190 nm拓展到小于170 nm,其优点是有新的跃迁,因而包含更多的结构信息,极大改善了CD光谱分析。同时同步辐射在这个波段的高光强,使得同步辐射CD谱成为蛋白质二级结构和折叠变化研究的重要方法[4,5]。

CD探测是弱信号探测,由光电倍增管(PMT)经前置放大器输出的CD信号,直流幅值为mV量级,交流幅值为μV量级,噪声幅值为mV量级,从而所需CD信号完全淹没于噪声之中。所以有效地从噪声中提取出该CD信号是提高CD光谱信噪比,保证数据真实可靠的关键技术。CD探测采用锁相放大技术来提取CD信号,而从PMT输出的交直流信号到锁相放大器输入的交流信号之间,需要能实现交直流分离和信号初步滤波的信号处理单元。利用商用信号处理仪器SCU-90,BSRF 4B8 VUV实验站CD谱仪已达国际水准[6]。但为进一步提高弱信号探测能力和发展ms/μs量级时间分辨实验,SCU-90无法满足要求。为了进一步提高该CD谱仪信噪比,同时方便时间分辨实验所需快速时间常数等参数可调需求,设计并实现了对PMT前放输出信号的处理部分。

实验证明,与目前所用商业信号处理仪SCU-90相比,该设计背景噪声值较低,从而在小信号探测方面有一定改善。

1 具体设计与硬件实现

1.1 CD谱仪信号采集系统结构

VUV实验站CD谱仪信号采集系统结构[7]如图1所示。

图1 VUV实验站CD谱仪信号采集系统结构示意图

BSRF VUV实验站利用同步辐射330~170 nm波段光源,以PMT为探测器建立的CD光谱测试方法,通过调节PMT高压值,使PMT输出CD信号中的直流部分保持稳定;通过检测调制频率为50.72 kHz[8]的交流信号值确定所测物质CD光谱。

由图1可以看出,信号处理部分处于前置放大器和锁相放大器之间,用于分离来自前置放大器的交直流混叠信号,并分别进行相应的滤波、放大处理,以满足高压控制和锁相放大器的需求。所以该部分是提高信噪比、保证CD光谱准确可靠的关键步骤之一。

1.2 信号处理部分硬件结构

经测试,由PMT和前置放大器输出的CD直流信号幅值基本为mV量级,交流信号幅值为μV量级。所以经Matlab模拟计算,确定了信号处理部分的硬件结构,具体如图2所示。

图2 信号处理部分硬件结构示意图

由图2可以看出,硬件设计采用放大和滤波交替进行的方式,从而既可以在最大程度上减小处理电路引入的噪声,又可以实现信号自带噪声的分级有效处理。其中:

预放大部分以美国模拟器件公司的高精度仪放AD620[9]为核心部件,结合开关选择方式,实现多种放大倍数的改变,从而满足高压控制的需求。具体硬件电路原理设计如图3所示。

为实现放大后CD信号的滤波,并保证不产生畸变,经Matlab模拟,采用3阶Bessel有源低通滤波器方式,带宽为100 kHz。具体硬件电路设计如图4所示。

图3 预放大部分电路设计原理图

图4 3阶Bessel有源低通滤波器电路设计原理图

信号隔离后输出的交流信号调制频率为50.72 kHz。为最大程度地降低噪声,提高信噪比,从50.72 kHz处幅频响应平滑度、截止频率、衰减速度、线性程度、实现复杂度和稳定性等多方面考虑,经模拟对比,设计了以美国Maxim公司多功能滤波器MAX274[10]为核心部件的6阶Chebyshev带通硬件滤波电路, 带通中心频率50.72 kHz,带宽为10 kHz,带通中心点衰减小于0.1 dB,阻带衰减大于20 dB。具体硬件电路如图5所示。

2 实验方法

(1) Matlab模拟方法

由图2可以看出,该设计中最重要的两个部分为Bessel有源低通滤波器(见图4)和Chebyshev有源带通滤波器(见图5)。这里采用Matlab对二者滤波效果进行模拟,并在此基础上确定了硬件设计参数。

(2) 对比测试方法

为测试信号处理效果,该设计在BSRF VUV实验站,以CSA标准样品为测试对象,以商用信号处理仪器SCU-90[8](Hinds instruments Inc.)为对比仪器进行实验。其中,测试波段为230~330 nm,步进波长为1 nm,采样点时间常数为2 s。

图5 6阶Chebyshev带通滤波器电路设计原理图

3 实验结果与讨论

3.1 Matlab模拟实验结果

3.1.1 Bessel有源低通滤波器模拟实验结果

2~10阶滤波器幅频和相频响应模拟结果分别如图6(a),(b)所示。

图6 2~10阶滤波器幅频和相频响应模拟结果

由图6(a)可以看出,在截止频率处,2阶滤波器幅频响应衰减较大,而3阶则与4~10阶相差较小;而在阻带范围内,滤波器幅频响应衰减速度随滤波器阶数的提高而加快。由图6(b)可以看出,在通带范围内,3阶滤波器相位响应线性关系良好,保证了信号无失真传输所以,从滤波效果和实现复杂程度两方面考虑,最终选定滤波器阶数为3阶。

3.1.2 Chebyshev带通滤波器模拟实验结果

6阶和8阶滤波器幅频和相频响应模拟实验结果分别如图7(a),(b)所示。

图7 6阶、8阶滤波器幅频和相频响应模拟结果

由图7(a)可以看出,在通带中心频率50.72 kHz的附近,6阶Chebyshev带通滤波器幅度响应基本保持恒定,而8阶滤波器则幅度随频率变化较大;同时,由滤波器原理可知,滤波器阻带内衰减速度随滤波器阶数的增加而增加,所以,从可靠性、稳定性和阻带内衰减速度等几方面考虑,幅频响应方面滤波器阶数为8阶较为合适。由图7(a)还可以看出,在45 Hz和56 kHz频率附近,6阶滤波器幅度响应也存在明显的尖峰。但由于该滤波器信号还需要经锁相放大器处理,且尖峰频率与信号频率,50.72 kHz,相差较大,所以该尖峰对信号的影响可以忽略。由图7(b)可以看出,在50.72 kHz附近,二者相位响应线性关系均良好。所以两种阶数的带通滤波器均可以有效地保证CD信号无失真传输,不会产生附加畸变。综合考虑上述因素,最终确定Chebyshev带通滤波器阶数为6阶。

3.2 CSA标准样品测试实验结果

为方便对比,假设在CSA样品CD信号峰值位置290 nm处,该设计与SCU-90的测试结果相同,据此对该设计测试数据进行了线性处理。处理后结果与SCU-90测试结果对比如图8所示。

由图8可以看出,与经SCU-90处理后得到的CAS样品光谱相比,经本设计获得的CD光谱,信号峰值所对应的波长位置为标准值290 nm,二者没有产生偏差,且波形一致,没有畸变,在测试波段范围内光谱波形较平滑,证明本设计很好地实现了交直流分离放大和滤波功能,没有产生波形失真。

从图8还可以看出,与SCU-90相比,在230~240 nm和320~330 nm波段范围内,本设计处理后的CD光谱信号明显低于SCU-90的处理信号值。由于CSA样品的CD信号峰值为290 nm,从而本设计与SCU-90在上述两个波段范围内测得的信号值基本反映了两个测试系统的背景状况。所以,与SCU-90相比,本设计背景值较低,在小信号探测方面有一定改善。

图8 测试结果对比

4 结 语

针对BSRF VUV实验站CD信号弱,噪声大等状况,设计实现了硬件电路信号处理部分。该部分经过Matlab模拟计算,确定了预放大、3阶Bessel低通滤波、交直流分离、交流二次放大、有源6阶Chebyshev带通滤波器,直流低通滤波的信号处理方式,采用AD620仪放和MAX274多功能连续滤波芯片为主要器件,进行了硬件实现。该设计在VUV站以CSA标准样品为测试对象,以商用信号处理仪器SCU-90为对比进行了实验。CD光谱测试结果表明,与SCU-90相比,经本设计处理后CSA样品CD信号峰值位置没有偏差,仍为标准值290 nm,且光谱波形较平滑,证明本设计可以很好地实现交直流分离放大和滤波功能,没有产生畸变。从CSA样品CD光谱测试结果还可以看出,与SCU-90相比,本设计背景值较低,说明其在小信号探测方面有一定改善。

同时,该设计由于参数可调整,从而在探测范围、时间常数和放大倍数等方面可根据实验需要进行设计,从而可以为ms/μs级时间分辨CD测试等SCU-90不能满足要求的实验提供硬件设备支持。

参考文献

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[2]Whitmore L,Wallace B A.Protein Secondary Structure Analyses from Circular Dichroism Spectroscopy:Methods and Reference Databases[J].Biopolymers,2008,89 (5):392-400.

[3]Alison Rodger,Bengt Nordén.Circular Dichroism and Linear Dichroism[M].Oxford:Oxford University Press,1997.

[4]Lees J G,Wallace B A.Synchrotron Radiation Circular Dichroism and Conventional Circular Dichroism Spectroscopy:A Comparison[J].Spectroscopy,2002,16:121-125.

[5]Miles A J,Wallace B A.Synchrotron Radiation Circular Dichroism Spectroscopy of Proteins and Applications in Structural and Functional Genomics[J].Chem.Soc.Rev.,2006,35(1):39-51.

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[7]盛毅,张志英,王渭.BSRF圆二色信号采集系统[J].数据采集与处理,1998(Z):113-114.

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[9]Analog Devices Inc..Datasheet of Low Cost Low Power Instrumentation Amplifier AD620[Z].1999.

[10]Maxim Inc.Datasheet of 4th and 8th-Order Continuous Time Active Filters[Z].1996.