嵌入式控制器在電力監(jiān)控及交通安全應用大講解

在電力監(jiān)控與交通安全方案中的應用

設計者和廠商都希望嵌入式控制器能夠為電力監(jiān)控與交通管理系統(tǒng)提供新的通用功能，包括滿足用電計量、汽車監(jiān)控、數(shù)據(jù)搜集和傳感器調節(jié)等方面的要求。當今嵌入式控制器種類與型號已不少，而基于混合信號的嵌入式控制器作為實現(xiàn)這些系統(tǒng)功能的監(jiān)控，是一種實現(xiàn)節(jié)能的新型有效技術。

主要技術規(guī)范

如今，一類新的嵌入式控制器已經(jīng)出現(xiàn)，它們能在同一硅片上整合高性能數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，具有近似DSP功能及RSIC-CPU核，從而簡化了外部模擬接口。圖1示意了現(xiàn)代嵌入式控制器（MAXQ系列）的整合能力，并與傳統(tǒng)微控制器作了比較。

MAXQ系列嵌入式控制器是這種新一代c的代表，除了通常的UART（通用異步接收、傳送器）、定時器和I/O端口外，還集成了一組簡化的模擬接口的外設：

一個16位、每秒8百萬條指令（MIPS）及單周期RISC核；

具有32Kd閃存（flash存儲器）、512BRAM和獨立波特率產(chǎn)生器的2個UART；

一對16位Delta-Sigma（）ADC；

能夠以PWM模式工作的16位定時器；

一個帶40位累加器的16×16乘法器。

MAXQ系列嵌入式控制器還有一個時鐘/日歷、一個LCD控制器和簡化IR（紅外）通訊通道接口的硬件。內(nèi)含3個定時器，其中1個支持PWMD/A；紅外通信功能；可驅動112段LCD的控制器；依靠電池備份、具有日歷和亞秒鬧鐘功能的實時時鐘。

在電力監(jiān)控與交通安全方案中的應用

電力監(jiān)視裝置方案

如今越來越多的電器始終處于耗電狀態(tài)。例如電冰箱，其電源含間歇開關，只有當冰箱內(nèi)部溫度高于限定值時電源才被接通。實際上，耗電的設備到處都是，多媒體設備發(fā)出亮光的指示燈，表示它被關閉，在等待命令被再次打開。過去，閉合開關就意味著該設備不再有任何形式的工作。但在今天，“關掉”電視機只是使其處于待機模式，而許多電路仍在耗電。事實上，現(xiàn)在已經(jīng)很難找到真正切斷電源的電器。

微機也是隱蔽耗電的設備。在網(wǎng)絡時代的今天，人們離開時還讓微機下載文件、收取郵件等等，其耗電量仍值得考究。

MAXQ系列嵌入式控制器不失為電力監(jiān)視裝置設計方案中的理想選擇，圖2為具體設計方案示意框圖。

在多普勒雷達系統(tǒng)應用

應用方案

MAXQ系列嵌入式控制器它的兩個ADC分別設計用于監(jiān)視電壓通道和電流通道。在本項目中，MAXQ3120連續(xù)監(jiān)視進入某設備的電壓和電流。然后，它可以報告該設備的平均功率，用電高峰出現(xiàn)的次數(shù)和幅度，如有需要還可提供該設備的功率因數(shù)。

其最簡單、直接的報告方法是在監(jiān)視裝置上配置一個小巧的LCD。LCD價格低廉，用來監(jiān)視單個設備時，可做得非常緊湊、易用。該嵌入式控制器可在多種顯示模式間進行切換（電壓均方根、電流均方根、功率、度數(shù)等等），可使用一個或多個按鈕控制切換。

如需監(jiān)視多個設備，可建立中心站來記錄來自各從站的數(shù)據(jù)。并可用廉價的模塊實現(xiàn)不太理想的數(shù)據(jù)傳輸。該嵌入式控制器的ADC僅有20，000次/秒的采樣速率，這種速率無法解調100kHz范圍內(nèi)的載波（這個頻段被普遍用于電力線控制系統(tǒng)），但是它們可以解調音頻范圍的載波。如果數(shù)據(jù)傳送速率足夠慢，比如約10bps，其可實現(xiàn)非?？煽康耐ㄐ拧Ｖ髡究梢允菃为毜难b置，也可以通過微機的串口與其連接。后一種方案更具有吸引力，因為微機的存儲量足夠大，且能夠完成比微控制器更復雜的任務。

交通安全在多普勒雷達系統(tǒng)中的應用（見圖3）。

早年，交通管理執(zhí)法部門曾使用多普勒測速雷達，如此系統(tǒng)的造價能大大降低，其用途就不僅限于對付道路交通上的超速違規(guī)者。例如，普勒測速雷達可在前方車輛停車時提醒駕駛員。

系統(tǒng)分析

眾所周知，多普勒雷達的工作原理比較簡單。雷達裝置發(fā)射一個連續(xù)的并且是已知頻率的微波束，當微波束遇到移動目標后被反射回來。由于反射波的頻率稍微高于或低于發(fā)射波的頻率，所以把反射波和發(fā)射波混頻后可以得到一個頻率（稱之為“拍音”），其公式如下：

V=［v×（f0/c）］×COS

其中，v是待測目標的速度，f0是額定發(fā)射頻率，是目標運動方向與雷達系統(tǒng)之間的夾角（如圖4），c是光速。值得一提的是，如果目標直接對著雷達系統(tǒng)而來，則=0，COS=1，目標的運動速度變?yōu)椋?/p>

如果Ku波段多普勒雷達產(chǎn)生頻率為lkHz的“拍音”，則測量的目標直面而來（或而去）的速度為12.4m/S（即每小時28英里或45公里）。其中可用該嵌入式控制器處理這種音頻信號。

利用兩個ADC通道中的一個，該嵌入式控制器能夠采樣雷達模塊輸出的差分信號，提取出其中的最強頻率分量，并把它換算成每小時公里或英里數(shù)。此外，利用它的乘-加單元還可進行一些復雜的濾波運算，從復雜的信號中提取出最強的頻率分量，并且可能從微弱信號中提取出有用信息（比如，多普勒雷達系統(tǒng)運載車輛本身的運動速度）。

很多情況下，用戶接口的設計非?，嵥椋３Ｊ且恍┻壿嬏幚砘蛘咄ㄟ^開關觸發(fā)音頻告警。有些應用中，微控制器還要周期性地記錄速度，以及進行速度測量的時間和日期等。

在多普勒雷達系統(tǒng)應用

對于更復雜的測量分析系統(tǒng)，還需開發(fā)有關信號處理的算法。而MAXQ嵌入式控制器有許多現(xiàn)成的可用于輔助開發(fā)濾波算法和識別算法的優(yōu)秀工具。

如有些雷達系統(tǒng)需要指示目標的運動方向，即測算出目標是遠離還是靠近雷達運動。傳統(tǒng)的多普勒雷達不能完成這項工作，因為它們對速度一樣而方向相反的運動產(chǎn)生相同的頻移量。

現(xiàn)在有些廠家生產(chǎn)的雷達模塊包含兩路正交輸出，解調這兩路輸出，根據(jù)它們的相位差，雷達系統(tǒng)便可以確定目標的運動方向。MAXQ3120有兩個ADC，用它可以很容易地實現(xiàn)這種功能。

語音記錄監(jiān)控系統(tǒng)

設計思想

通常，用微控制器加一片模數(shù)轉換器（ADC），就可用來記錄語音。但MAXQ3嵌入式控制器，除簡單的聲音記錄外，還能夠做很多事情，即以控制器為核心，配合用戶接口元件和廉價的NAND閃存，就可構建一個功能完善的語音記錄監(jiān)控系統(tǒng)，也可成為電力系統(tǒng)監(jiān)控與交通安全中語音記錄子系統(tǒng)。

由于嵌入式控制器是用于高級語音記錄系統(tǒng)的理想微控制器。在利用它設計語音記錄監(jiān)控系統(tǒng)時，設計者僅需要完成下列工作：

設計用戶接口：選擇一款LCD，確定如何顯示信息、設置按鈕功能、如何記錄和組織語音數(shù)據(jù)；

選擇聲碼器：可以選用上述兩個ITU編碼器之一，也可以選用其他的專用編碼器，在存儲器容量足夠大時還可以直接存儲語音信號的原始采樣值。許多標準編碼器的C語言源代碼是可以買到的，因此只需要簡單地開發(fā)接口程序；

選擇存儲介質：NAND閃存是理想的選擇，也可根據(jù)實際情況選擇其他的存儲器，例如，廉價的通用可移動存儲器（SD、SmartMedia或MMC存儲卡）。有些廠商還可提供存儲卡接口的C語言源代碼和開發(fā)工具；

電池管理：如用電池供電，就需要某種形式的電源管理。當今有多種高效的低功耗電池管理方案。結合這些方案和嵌入式控制器的低功耗停止和睡眠模式，將使語音記錄器具有滿意的電池壽命。

方案組成

利用MAXQ系列嵌入式控制器的一個ADC和PWM定時器實現(xiàn)音頻I/O。ADC的額定輸入電壓為+1V到-1V，其內(nèi)置的前置放大器的可編程增益可達16X。通常，具有內(nèi)置阻抗匹配的電容式拾音頭可以直接連接到ADC的輸入端。如果需要低噪聲或高增益，可以采用前置放大器MAX4467，該放大器能為拾音頭提供所需的偏置，且為電池供電的應用提供功耗極低的關斷模式。在輸出端，用一個單級放大器驅動揚聲器，該放大器同時還具有一定的抗混疊和PWM平滑功能。

過程分析

音頻信號被轉換成數(shù)字信號后，必須進行壓縮和存儲，以備重放。8MIPS（每秒8百萬條指令）的處理能力使該嵌入式控制器擁有足夠的“馬力”來應付許多常用的標準語音編碼任務。此領域的”金科玉律”是ITUG.711編碼，其工作速率為64kbps，每秒發(fā)送和接收8000個8位采樣。此編碼有兩種不同的傳遞函數(shù)，用來將12位采樣值轉換為8位編碼字。

錄音階段，定時器每125s（8MHz時鐘頻率下每1000個處理器周期）產(chǎn)生一次中斷請求。微處理器響應中斷后，計算在上一個定時器周期內(nèi)得到的采樣值的平均值（二或三個采樣，ADC每48s采樣一次），以便獲得需要的8kHz采樣率。之后，所采集的16位采樣就可采用選定的編碼方案進行編碼?；胤艜r采樣數(shù)據(jù)被線性化后送到PWM控制器，驅動揚聲器。

壓縮后的音頻數(shù)據(jù)就可用于存儲，但嵌入式控制器除了程序閃存外沒有其他的存儲器，因此需用外部存儲器來存儲語音數(shù)據(jù)。對于此應用性價比最高的外部存儲器是NAND閃存，其容量可達8G位。對于16kbps編碼，這種器件可提供超過6天的語音存儲。但NAND閃存并不完善。首先，大多數(shù)NAND閃存器件都帶有一個“瑕疵圖”，告訴應用軟件在存儲器陣列中的何處有“壞點”存在。其次，就像其他的可擦除存儲器一樣，在長期使用后，NAND閃存的有些單元會喪失存儲能力。幸運的是，NAND閃存的這些缺陷對語音應用的影響不大，不像對固態(tài)磁盤等應用的影響那么大。在語音應用中，NAND閃存的這些缺陷可以被忽略，它們最多使語音中存在瞬間雜音。

對于容量如此巨大的語音存儲，必須進行有效的存儲管理，由系統(tǒng)的用戶接口部分完成，用戶接口部分的核心是LCD控制器，它能夠驅動4個公共面上的28段顯示。MAXQ系列嵌入式控制器的LCD控制器兼容于大量現(xiàn)有的3VLCD玻璃?？梢砸苑浅５偷某杀精@得定制的LCD模塊。

用戶可以通過連接到通用I/O端口的按鈕來控制語音監(jiān)控記錄系統(tǒng)。MAXQ系列嵌入式控制器有4個8位通用I/O端口，與器件的其他功能復用。

結語

巧用嵌入式控制器除了可作為多功能電表監(jiān)控的核心與在交通安全管理及語音記錄子系統(tǒng)中的應用外還大有可為。強大的功能使這款MAXQ系列嵌入式控制器在很多應用領域有擴展的機會，很有可能下一個是混合信號應用項目的應用方案。