時間:2022-09-10 16:56:47
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論文關鍵詞:直讀式電子壓力計;單芯遠距離傳輸;曼徹斯特碼;編碼;解碼
論文摘要:本文從現有存儲式電子壓力計的技術現狀出發,分析了在井下高溫、高壓、遠距離條件下,實現壓力、溫度數據實時可靠采集、傳輸、分析的壓力計——直讀式電子壓力計的數據傳輸方案和實施,并從技術需求分析、通訊方案選擇、單芯遠距離傳輸、曼徹斯特碼編解碼的軟硬件設計等方面,對直讀式電子壓力計數據傳輸方案進行了深入研究。試驗數據分析結果表明,本文研究結果解決了直讀式電子壓力計的關鍵技術,增強了電子壓力計在油田測井領域的市場競爭力。
一、引言
目前存儲式電子壓力計已廣泛應用于國內各大油田高溫井下壓力和溫度的測量。存儲式電子壓力計在工作過程中,儀器內的單片機系統和各種傳感器共同完成井下壓力和溫度的采集,并以數字量形式存儲于電可改寫型存儲器中,待測試過程完成后,再將壓力計返回地面,用專門配套研制的數據回放儀與壓力計連接,通過軟件和硬件接口通訊進行數據的接收、回放和處理,使用很不方便,影響生產。
因此,為克服存儲式電子壓力計的上述缺點,提高油田生產效率,提升電子壓力計在油田測井領域的市場競爭力,必須研制在井下高溫、高壓、遠距離條件下,實現壓力、溫度數據實時可靠采集、傳輸、分析的壓力計——直讀式電子壓力計。
二、直讀式電子壓力計技術需求分析
(一)功能及主要技術指標要求
直讀式電子壓力計實現井下壓力和溫度參數的測量,并將測量結果通過單芯鎧裝電纜實時傳送至地面解碼控制儀,主要技術指標要求如下所示。
a) 壓力測量范圍:(0~30、45、60、80)MPa;壓力測量誤差: 0.04%F.S;
b) 溫度測量范圍:(-20~+150)℃, 測量誤差:±1℃;
c) 傳輸距離不小于6000m;通訊誤碼率1.0×10-7。
(二)基本方案及工作原理
直讀式電子壓力計由井下電子壓力計和地面解碼控制儀兩部分組成,其中井下電子壓力計由壓力傳感器、溫度傳感器、信號放大電路、模數轉換電路、單片機系統、編碼電路、數字通訊接口電路和裝載于單片機系統中的相關工作軟件組成,解碼控制儀由解碼電路、通訊接口電路、通用計算機(油田配置)和相關工作軟件組成。
工作過程中,井下電子壓力計由地面解碼控制儀通過單芯鎧裝電纜提供能源,溫度和壓力傳感器分別將環境壓力和溫度轉換為電信號輸出,該電信號經放大和模數轉換后由單片機系統進行數據實時采集和處理,然后按一定周期經數字通訊口輸出。井下電子壓力計和井上解碼控制儀之間通過單芯鎧裝電纜連接,解碼控制儀中通訊接口電路接收井下電子壓力計輸出的壓力和溫度數據,并經解碼后輸入計算機中進行實時分析和處理。
三、數據傳輸方案選擇
設備之間數據通訊通常有并行通訊和串行通訊兩種方案,并行通訊的缺點是傳輸距離短,通訊信道所占點號多,而串行通訊與之相反。根據井下電子壓力計與井上解碼控制儀的數據傳輸特點,需選擇串行數據傳輸方式。
在曼徹斯特編碼中,用電壓跳變的相位不同來區分邏輯1和邏輯0,即用正的電壓跳變表示邏輯0,用負的電壓跳變表示邏輯1。
在油田測井中,井下電子壓力計在井下采集大量信息,并傳送給地面解碼控制儀;但井下電子壓力計到地面解碼控制儀這段信道的傳輸距離較長且環境惡劣,常用的NRZ碼不適合在這樣的信道里傳輸,而且NRZ碼含有豐富的直流分量,容易引起滾筒的磁化。曼徹斯特編碼方式使得信號以串行脈沖碼的調制方式在數據線上傳輸,和最常用的NRZ碼相比,消除了NRZ碼的直流成分,具有時鐘恢復和更好的抗干擾性能,這使它更適合于從井下到井上的信道傳輸,因而在井下電子壓力計和地面解碼控制儀之間選用曼徹斯特編碼使數據傳輸可靠性更高、傳輸距離更遠。
四、曼徹斯特碼編碼軟硬件設計
每一周期井下電子壓力計需將采集到的壓力和溫度兩個參數分別進行曼徹斯特編碼方式輸出,井下電子壓力計與地面解碼控制儀之間按如下通訊協議進行。
a) 壓力與溫度均以字為單位進行傳送,先發送壓力字,后發送溫度字,一個壓力字和一個溫度字的組合稱為一個消息;
b) 每一個字由20位組成,第1~3位為3個起始位,第4~19位為16個數據位,第20位為奇偶校驗位;
c) 壓力字3個起始位電平為先高后低,溫度字起始位為先低后高,高低電平均各占一位半,壓力字與溫度字校驗位均采用奇校驗;
d) 傳輸的波特率:5.7292 kbps(175μs/位),傳輸一個消息共耗時3.5ms。為保證數據傳輸可靠性,井下電子壓力計同一消息在一個采樣周期內重復發送兩次,地面解碼控制儀根據校驗位判斷每個字的正確性。
由單片機編程輸出兩路I/O控制信號,經過濾波電路、運放電路、整型電路后,產生曼徹斯特編碼雙相電平信號,并經單芯鎧裝電纜送至地面解碼控制儀。為滿足曼徹斯特編碼格式及井下電子壓力計與地面解碼控制儀之間的通訊協議,井下電子壓力計軟件采用如下的編程方式輸出波形。
a)壓力字同步頭為262.5μs高電平后跟隨262.5μs低電平,溫度字同步頭為262.5μs低電平后跟隨262.5μs高電平;
b)若數據位為邏輯0,則在87.5μs低電平后跟隨87.5μs高電平;
c)若數據位為邏輯1,則在87.5μs高電平后跟隨87.5μs低電平;
d)校驗位的波形產生方式與數據位相同。
五、曼徹斯特碼解碼軟硬件設計
地面解碼控制儀需將井下電子壓力計輸出的曼徹斯特碼進行解碼,并按通訊協議用軟件將接收到的曼徹斯特碼數據轉換為井下電子壓力計測得的壓力和溫度數據,即地面解碼控制儀中的解碼過程為井下電子壓力計編碼過程的逆過程。曼徹斯特碼解碼過程可分為如下三部分:
a) 同步字頭檢測,并辨別其為溫度數據還是壓力數據。
b) 對曼碼形式的數據進行解碼,從曼徹斯特碼波形中分離出同步時鐘,并將時鐘和數據進行處理使曼碼數據轉化為非歸零二進制數據。
c) 將串行數據轉化為并行數據,并進行奇偶校驗,以檢驗數據傳輸的正確性。
經過幾千米鎧裝電纜傳輸上來的數據,幅度衰減到毫伏級,因此井上需要精密的解碼電路,才能保證數據傳輸無誤碼率。井下傳輸上來的數據經過濾波電路、精密運算放大器、雙D觸發器輸出曼碼波形給單片機,經過單片機的程序轉化為井下的壓力與溫度數字量。
六、試驗結果
直讀式電子壓力計首臺產品完成廠內試驗后,到油田用8000m的鎧裝電纜連接井下電子壓力計和地面解碼控制儀,將電子壓力計下放到井下6500m的深度,在溫度高達150℃、壓力為30~60 MPa的油井中測試壓力和溫度。在三次連續5個小時的測試過程中,數據傳輸準確可靠,沒有出現丟點現象,誤碼率為零。
七、結束語
試驗數據統計分析結果表明,本文研究結果解決了直讀式電子壓力計通訊方案、通訊協議、單芯遠距離傳輸、曼徹斯特碼編解碼軟硬件設計等關鍵技術,增強了電子壓力計在油田測井領域的市場競爭力。
參考文獻
論文關鍵詞:視頻編碼,壓縮技術
一、引言
所謂視頻編碼方式就是指通過特定的壓縮技術,將某個視頻格式的文件轉換成另一種視頻格式文件的方式。視頻壓縮發展到現在己有幾十年的歷史。1948年,Oliver提出了第一個編碼理論脈沖編碼調制(PulseCodingModulation,簡稱PCM);同年,Shannon的經典論文“通信的數學原理”首次提出了信息率失真函數的概念;1959年,Shannon進一步確立了碼率失真理論;而Berger在1971年所著的《信息率失真理論》一書則對率失真理論做了系統地論述和擴展;以上各項工作奠定了信息編碼的理論基礎。
二、AVS基本介紹
AVS是基于我國創新技術和部分公開技術的自主標準,技術方案簡潔,芯片實現復雜度低,達到了第二代標準的最高水平;而且,AVS通過簡潔的一站式許可政策,是開放式制訂的國家、國際標準,易于推廣;此外,AVS是一套包含系統、視頻、音頻、媒體版權管理在內的完整標準體系,為數字音視頻產業提供更全面的解決方案。綜上所述,AVS可稱第二代信源標準的上選。
圖1AVS視頻編碼器框圖
三、AVS主要技術
AVS采用的主要技術包括:8x8整數變換量化技術、幀內預測、半像素與1/4精度像素插值、特殊的幀間預測運動補償、二維熵編碼、去塊效應環內濾波等:
1.整數變換量化:AVS為了避開H.264的專利問題,選擇了以往標準廣泛采用的8×8變換,這樣可以在16位處理器上無失配地實現。AVS采用的64級量化,可以完全適應不同的應用和業務對碼率和質量的要求。目前AVS所采用的8x8變換與量化方案大大降低了芯片的實現難度。
2.幀內預測:AVS采用的幀內預測技術,是用相鄰塊的像素預測當前塊,同時采用代表空間域紋理方向的多種預測模式。AVS亮度和色度幀內預測都是以8x8塊為單位的。亮度塊采用5種預測模式,色度塊采用4種預測模式,而這4種模式中有3種和亮度塊的預測模式相同。在編碼質量相當的前提下,AVS采用較少的預測模式,使方案更加簡潔、實現的復雜度大為降低。
3.幀間預測運動補償:幀間運動補償編碼是混合編碼技術框架中最重要的部分之一。AVS標準采用了16×16,16×8,8×16和8×84種用于運動補償的宏塊模式,去除了MPEG-4AVC/H.264標準中的8×4,4×8,4×4的塊模式,這樣可以更好地刻畫物體運動,提高運動搜索的準確性。
4.半像素與1/4精度像素插值:AVS通過4抽頭濾波器(-1,5,5,-1)得到半像素點,再通過4抽頭濾波器(1,7,7,1)和均值濾波器得到1/4像素點,在不降低性能的情況下減少插值所需要的參考像素點,減小了數據存取帶寬需求,這在高分辨率視頻壓縮應用中是非常有意義的。
5.預測模式:AVS的B幀雙向預測使用了直接模式、對稱模式和跳躍模式。使用對稱模式時,碼流只需要傳送前向運動矢量,后向運動矢量可由前向運動矢量導出,從而節省后向運動矢量的編碼開銷;對于直接模式,前塊的前、后向運動矢量都是由后向參考圖像相應位置塊的運動矢量按比例分配導出,因此也可以節省運動矢量的編碼開銷;跳躍模式的運動矢量導出方法和直接模式的相同,跳躍模式編碼塊都不編碼運動補償的殘差,也不傳送運動矢量,即該模式下宏塊只需要傳輸模式信號則可。
6.二維熵編碼:AVS熵編碼采用自適應變長編碼技術。在AVS熵編碼過程中,定長碼用來編碼具有均勻分布的語法元素,指數哥倫布碼用以編碼可變概率分布的語法元素。采用指數哥倫布碼的優勢在于:一方面,它的硬件復雜度比較低,可以根據閉合公式解析碼字,無需查表;另一方面,它可以根據編碼元素的概率分布靈活確定k階指數哥倫布碼編碼,如果k選得恰當,編碼效率可以逼近信息熵。預測殘差的塊變換系數后,經掃描形成(level、run)對串,level、run不是獨立事件,而存在很強的相關性,在AVS中level、run采用二維聯合編碼,并根據當前level、run的不同概率分布趨勢,自適應改變指數哥倫布碼的階數。
四、總結與展望
目前AVS技術可實現標準清晰度、相當清晰度、低清晰度等不同格式視頻的壓縮,但針對此類應用的壓縮效率還有待不斷提高,這應當是AVS視頻技術進一步發展的重點所在:著力AVS編解碼的實際應用研究,優化AVS運動搜索算法,提高AVS解碼速度,從而推動我國數字音視頻標準AVS的推廣和應用。
參考文獻
1 陳亮 AVS先進編碼技術研究 華中科技大學 2006
2 申青平 AVS-M關鍵技術及多平臺應用研究 湘潭大學 2007
論文關鍵詞:RFID,醫藥品,物流,信息系統
引言
近些年來,頻頻出現的醫藥品安全事故使公眾對醫藥品生產工藝和用藥安全產生了不同程度的質疑。部分事故就是由于現在醫藥品物流系統的不完善所導致的。為此,商務部將出臺《醫藥物流企業分級評估指標》、《醫藥物流服務規范》、《藥品零售企業經營服務規范》和《藥品現代物流企業標準》等針對醫藥物流企業的一系列行業標準。可見,改善醫藥品物流信息系統,提高其服務水平,增強醫藥品監管、維護正常的藥品市場秩序,成為當務之急。
1 RFID的基本概念
Radio Frequency Identification(RFID)即無線射頻識別,是利用電磁感應、無線電波或者是微波等信號通過空間耦合進行非接觸式的雙向通信信息系統,通過這種形式的數據交換從而達到識別目標的一種技術,俗稱電子標簽。[1]
由于具有可非接觸式數據交換、有效讀寫距離遠、讀寫速度快、可識別高速運動的物品、數據記憶容量大、安全保密性高、讀寫穿透力強、可重復使用、耐惡劣環境能力強等一系列優點,因此RFID主要用于軍事、航空、交通、物流、制造、汽車、零售、醫療、動物、食品、票證、服裝、圖書、煤礦、防偽等廣泛領域中的自動識別和數據采集。
RFID的初次使用可追溯到上世紀六十年代電子商品防盜系統(Electronic Article Surveillance,EAS)中的比特電子標簽。從七十年代開始,RFID技術及產品進入到快速發展的時期,如RFID技術逐漸融入到動物追蹤識別系統以及電子車牌系統。RFID技術及產品進入到商業應用階段是從八十年代開始,此后各種規模的RFID系統開始出現,RFID技術及產品逐漸成為人們生活的一部分,RFID技術標準化問題也日趨得到重視論文服務。自本世紀初開始,RFID技術開始向物流與供應鏈領域滲透。[8]
一個完整的RFID系統應當由RFID數據采集器、中間件或接口、應用系統軟件以及信息管理平臺構成;其中數據采集器內包含標簽、芯片、閱讀器以及天線,這其中的芯片主要用于數據交換時的儲存。正是由于芯片的這一獨特之處,使得RFID與傳統的條形碼技術有所區別。[9]
整個RFID系統的工作原理如圖1所示:RFID系統工作時必須有個前提,就是要處于一定的有效磁場區域內。帶有信息的電子標簽進入到有效磁場區域內,當閱讀器通過天線發送出一定頻率的射頻查詢信號,這時電子標簽憑借感應電流獲得的能量而被激活,將存儲在芯片的信息經自身解碼后通過內置天線發送出去。閱讀器的接收天線接收到信號后,傳送給到閱讀器。接下來信息系統,閱讀器對接收到的信號進行解調解碼,解碼后的信息通過應用系統軟件最終輸送到信息管理平臺進行相應處理和控制。[2]
圖1 RFID系統工作原理圖
2 醫藥品物流系統分析
醫藥品物流是在依托一定的物流設備、技術和物流管理信息系統的基礎上,有效整合營銷渠道上下游資源,優化醫藥品供、銷、配、運等環節中的驗收、存儲、分揀、配送等作業過程,通過自動化、信息化和效益化等技術的應用,從而提高訂單處理能力,減少貨物分揀差錯,降低庫存及縮短配送時間,進一步降低
物流成本,提高物流服務水平和資金使用效益。典型的醫藥品物流過程如圖2所示:[3]
圖2 醫藥品物流過程
2009年,國務院出臺了《物流業調整和振興規劃》,醫藥品物流的發展是其中的主要任務之一。由于醫藥品自身的一些特性,醫藥品物流系統相比較于其他物流系統而言,對于逆向物流的管理更為重要。
2.1醫藥品物流復雜性高
醫藥品行業是一個集高投入、高技術、高風險與高回報等特點于一身的行業。醫藥品物流最大的特點就是分類復雜、品種繁多。醫藥品行業分類如表1所示:
表1 醫藥品行業分類
序號
標志值
類型
1.
按照自身性質分
化學原料藥、化學藥品、醫療器械、化學試劑以及保健品等
2
按照來源和性狀
中藥材、中藥飲片、中成藥,化學原料藥及其制劑、抗生素類、生化藥品、血清疫苗、血液制品,放射性藥品等
3
按照溫度分
常溫品種、低溫品種、冷凍品種等
4
按中國藥品管理制度分
處方藥和非處方藥
5
關鍵詞:超高頻;射頻識別;讀寫器
中圖分類號:TN92 文獻標識碼:A
Research and Design of UHF RFID reader
LI Bao-shan,LI Ge
(Inner Mongolia University of Science and Technology, Inner Mongolia Baotou 014010,China)
Abstract:The system of UHF RFID has the advantages such as storage capacity, read and write speed, recognition distance, and can read or write multiple RFID tags simultaneously, which has been applied widely in many fields. In order to meet market requirements, this paper proposes a design project of a UHF RFID system interrogator based on ARM. In this paper, two aspects of hardware and software design of the interrogator are described, the design gives the structure of interrogator, work processes and the related flow chart of software. The practical results show that the interrogator has the advantages of read and write speed, efficient read-write, recognition distance and so on, which can meet market requirements.
Keywords: RFID; UHF; reader
1引言
超高頻射頻識別[1](Radio Frequency Identification,RFID)即無線射頻識別技術,是自動識別技術的一種,通過無線耦合的方式進行非接觸雙向數據通信,對目標加以識別并獲取相關數據,不需人工接觸,不需光學可視即可完成信息輸入和處理,并且操作簡單快捷,具有廣泛的應用前景。
RFID系統按工作頻率可分為低頻、高頻、超高頻、微波四個頻段。其中,超高頻(UHF) RFID系統具有讀寫距離遠,同時識別多標簽,讀寫速度快等優點,因此UHF RFID系統使用的場景越來越多。UHF頻段的RFID產品也逐漸成為這個行業的主流產品。
2系統結構及其工作原理
2.1系統結構
基本的RFID系統主要由三部分組成:電子標簽(Tag)、讀寫器(Reader)、PC機或后臺數據庫,其基本結構如圖1所示。
2.2系統的工作原理
RFID技術的基本工作原理[2]是利用空間電磁波的耦合或者傳播來進行通信,達到自動識別被識別對象,獲取識別對象相關信息的目的。讀寫器通過天線發送一定頻率的射頻信號,當貼有電子標簽的物體進入無線識別系統讀寫器的識讀范圍時,其天線將產生感應電流,電子標簽獲得能量被激活并向讀寫器發送自身的編碼等信息,讀寫器接收到電子標簽發射回來的電磁波信號后,經過處理得到電子標簽存儲的代碼等信息,這些信息可以作為物體的特征數據被傳送到計算機進一步處理。
3UHF讀寫器設計
3.1讀寫器的結構
UHF讀寫器的內部結構如圖2所示。 讀寫器主要由三部分組成:(1)主控部分:本設計中,主控部分選用ARM9單片機;(2)射頻部分:射頻部分又由發射部分和接收部分兩部分組成,其中發射部分由調制器、濾波器和功率放大器組成;接收部分由濾波電路解調器多級運放和整形電路組成;(3)天線。
3.2工作流程
讀寫器的工作過程分發送讀寫命令和接收標簽返回信息兩階段,具體如下:
1 )發送讀標簽命令的工作流程如下:
(1)計算機發送讀標簽命令給主控制器,主控制器接收到來自計算機的讀標簽信號,啟動讀標簽程序,主控制器內相應的編解碼電路FPGA對讀標簽令進行編碼,FPGA將編碼好的基帶信號送至調制器; (2)調制器將基帶信號與本振信號混合,將混合信號調制到 UHF 頻段;(3)調制后的高頻信號被送至功率放大器進行放大; (4)放大后的信號被送入環形器,環形器再將高頻信號送至天線發射。
2 )接收標簽返回信息的工作流程如下:
(1)標簽接收到讀寫器發來的信號,獲得能量被激活,開始執行讀寫器命令,并將返回的應答信息以后向散射調制方式送至天線;(2)天線將接收到的信號經環形器送至帶通濾波器濾波;(3)信號經過濾波后被送至解調電路,解調電路將信號進行解調后送至放大電路進行放大;放大后的信號被送至整形電路,形成基帶信號送至編解碼電路解碼;(4)編解碼電路將基帶信號進行解碼并進行CRC校驗,形成標簽信息,傳給 ARM;(5)最后,ARM 將接收的標簽信息按照一定規則傳給計算機進行處理。
3.3主控部分
主控模塊選擇 ARM為控制芯片 , 該模塊的主要功能就是協調系統工作。主要包括控制讀寫器與計算機的數據通訊;在啟動時向 FPGA 傳送配置數據初始化 FGPA;控制鎖相環頻率合成器的輸出頻率使其產生系統所需的頻率;控制發射輸出的功率大小;在讀標過程中向 FPGA 傳送讀標簽命令從而啟動編碼程序和對接收的信號進行解碼;處理標簽信息,實現防沖突功能。
3.4發射部分
發射部分的原理圖如圖3所示。發射部分的工作流程如下:
(1 )ARM主控制器設定工作頻率,控制頻率合成器產生載波頻率并送至功率分配器;(2) 編解碼電路將標簽命令編碼成基帶信號送至混頻器;(3 )混頻器將載波信號和基帶信號混合將其調制到所需頻率,調制后的高頻送帶通濾波器濾波,然后送至功率放大器進行放大,功率大器的放大倍數由 ARM 根據需要控制 ;( 4 )放大后的信號經環形器送天線發射;
3.5接收部分
同樣,標簽返回讀寫器的信息,也要由相應的接收電路進行接收和處理,接收部分的原理圖如圖4所示。接收部分的工作流程如下:
(1 )環形器將天線接收到的標簽信號送至帶通濾波器進行濾波,濾波后的信號送至小信號放大器進行放大;( 2 )放大后的信號被送至 90°相移功率分配器,90°相移功率分配器將信號分成正交的2 路信號:一路是沒有相移的信號,另一路是相移 90°的信號,這 2 路信號同時送到2 個完全相同的解調電路進行解調;( 3 )解調電路解調出相對應的中頻 IF 信號并送入二階LC低通濾波器,濾除殘留的載波;(4)解調濾波后的信號通過差分放大電路,然后被送至電壓比較器;(5) 電壓比較器將放大后完整的解調信號電壓與設定的基準電壓比較,還原成標簽返回信息的基帶信號,經整形后送至編解碼電路解碼處理。
3.6讀寫器軟件設計
系統控制軟件包括對讀寫器的初始化、配置控制器和編解碼電路、設定發射功率、發送尋卡命令、防沖突算法實現、讀卡命令、數據處理、與計算機進行通信等。軟件控制流程如圖 5所示。
4結束語
超高頻讀寫器對系統的要求比較高,它要求數據傳輸和處理速度快 ,選擇ARM9作為主控制器 ,增強了數據的處理速度的同時也適應不斷增加的 RFID標簽和讀寫器之間數據傳遞量。另外,選擇ARM9作為控制器其處理速度快,接口資源豐富 ,可擴展性強,為以后在實際應用中讀寫器的升級擴展打下良好的基礎。經過測試該讀寫器在同類型產品設計中具有一定優勢,各項性能都符合系統設計要求。
參考文獻
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作者簡介
【關鍵詞】電子相冊 STM32單片機 液晶顯示
1 引言
電子相冊也叫做數碼相框,是指可以不借助計算機能在LCD 液晶屏上顯示圖片的一種電子產品。電子相冊結合了數字電視技術、數字信號存儲技術和LCD液晶顯示技術,即將成為最受歡迎的個性化數碼產品之一。電子相冊繼承了相框的溫情和數碼的時尚,給人類的生活帶來了無窮的樂趣。鑒于電子相冊廣泛的用途,電子相冊的開發具有重要的意義和市場價值。雖然目前電子相冊還沒能普及,但隨著數碼照相機的普及,電子相冊將成為必不可少的配套產品,它也將會成為繼電視機、計算機之后人們生活中不可或缺的第三類顯示器件!本文提出了一種基于STM32系列單片機 STM32F103RCT6的低功耗、低成本設計方案,該方案電路簡單,主要依靠軟件實現各項功能。而STM32 更是具有價格低、自身外設豐富、實時性能強、功耗低等特點。因此,進行基于STM32平臺的電子相冊的設計具有重要的實用價值和理論意義。
2 硬件電路
本系統采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32作為主控制器,外擴SD卡、TFT彩屏以及按鍵。STM32主控模塊:主要用來讀取存儲模塊中的數據,并且驅動LCD顯示。液晶顯示模塊:主要用來顯示BMP、JPG等格式的圖片。存儲模塊:主要用來存放BMP、JPG等格式的圖片。按鍵模塊:主要用來對圖片進行翻頁。
2.1 STM32主控模塊
本設計選用的STM32系列單片機 STM32F103RCT6 ,該芯片具有256KB閃存、48KB RAM、8個定時器、3個SPI、5個串口、1個FSMC接口以及64個通用IO口。該芯片是基于ARM Cortex-M3內核的嵌入式處理器,其特點是高性能、低功耗、低成本。基于以上優點,該設計采用此單片機作為主控芯片。
2.2 顯示模塊
本設計采用2.8英寸TFT-LCD屏作為顯示模塊,TFT-LCD即薄膜晶體管液晶顯示器,該顯示屏具有亮度好、層次感強、顏色鮮艷、對比度高等特點,在手機、MP4等產品中得到了廣泛的應用。該顯示屏采用ILI9341作為控制器,采用16位80并口與外部連接,選用觸摸屏專用芯片XPT2046,可實現觸摸操作。
2.3 存儲模塊
SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備,已經被廣泛應用于許多電子產品中。例如數碼相機、PDA和多媒體播放器等。SD卡體積小、重量輕,但卻有容量大、數據傳輸率快、移動靈活以及安全性高等特點。SD卡只能使用3.3V的輸入輸出電平,故控制器一定要能夠支持3.3V電壓。設計中使用SPI模式,在SD卡收到復位信號,同時CS為低電平時啟用SPI模式。在SD卡初始化的時候,時鐘周期最大不能超過400KHZ。
3 系統的軟件設計
該設計通過CPU對SD卡中的BMP、JPG等格式圖片進行處理、讀取,然后以幻燈片的形式在TFT彩屏上顯示出來,并通過按鍵控制圖片的切換。該設計的總體流程圖如圖1所示。
3.1 SD卡的讀取
常用的文件系統有FAT12/16/32等,FAT12管理8M左右的空間, FAT16管理2G的空間, FAT32管理2TB的空間。由于FAT32采用了更小的簇,這樣就可以更有效的保存數據,不會造成浪費。通常SD卡上的數據信息由MBR(有的也沒有MBR)、DBR、FAT、FDT和數據區5個部分組成。MBR稱為主引導記錄區, DBR為操作系統引導記錄區,FAT稱為文件分配表,FDT稱為文件根目錄表。
SD卡在進行讀寫操作之前都必須首先對SD卡進行的初始化。初始化SD卡時,SPI的時鐘不能太快。在初始化之后,再提高SPI的速率。剛開始要先發送至少74個時鐘信號,隨后就是寫入兩個命令CMD0與CMD1,使SD卡進入SPI模式。SD卡的讀寫操作是通過發送SD卡命令完成的。SPI總線模式支持單塊(CMD24)和多塊(CMD25)寫操作,在需要讀取SD卡中的數據時,執行命令字CMD17,首先接收到第一個響應命令字節(0xFE),接著接收到512個字節的SD卡數據,最后接收到2個字節的CRC驗證碼。
3.2 液晶顯示屏的控制
ILI9341液晶控制器的主要使用6個重要的命令:0XD3,是讀ID4指令,用于讀取LCD控制器的ID;0X36,是存儲訪問控制指令,可以控制ILI9341存儲器的讀寫方向;0X2A,是列地址設置指令,在從左到右,從上到下的掃描方式(默認),該指令用于設置橫坐標;0X2B,是頁地址設置指令,在從左到右,從上到下的掃描方式(默認),該指令用于設置縱坐標;0X2C,是寫GRAM指令,在發送該指令之后,便可以往LCD的GRAM里面寫入顏色數據了,該指令支持連續寫;0X2E,是讀GRAM指令,用于讀取ILI9341的顯存(GRAM)。
3.3 圖片解碼
我們常用的圖片格式有很多,最常用的有三種:JPEG(或JPG)、BMP和GIF。其中JPEG(或JPG)和BMP是靜態圖片,而GIF則是可以實現動態圖片。
BMP(全稱Bitmap)是Window操作系統中的標準圖像文件格式。它采用位映射存儲格式,除了圖像深度可選以外,不采用其他任何壓縮,故此,BMP圖片文件占用的空間較大,但是沒有失真。BMP格式文件存儲數據時,圖像的掃描方式是按從左到右、從下到上的順序。對于BMP格式的圖片,我們采取從SD卡中邊讀取邊解碼顯示的方式進行解碼,一般FAT32文件簇的大小都是512字節,所以我們以簇為單位讀取圖片信息,之后解碼顯示,接著讀取下一簇信息并在液晶上顯示,直到讀完最后一簇,我們的圖片也就解碼顯示完畢
JPEG是Joint Photographic Experts Group(聯合圖像專家組)的縮寫,同BMP格式不同,JPEG是一種有損壓縮格式,能夠將圖像壓縮在很小的儲存空間。JPEG壓縮技術非常先進,它使用有損壓縮方式除去多余的數據。而且JPEG是一種靈活的圖像格式,可以調節圖像的質量,壓縮比率通常可以處于在10∶1到40∶1之間,壓縮率越高,圖像的品質越差,反之,圖像品質就越高。JPEG格式主要壓縮高頻信息,同時較好的保留了色彩的信息,它可以支持24bit真彩色,主要適用于互聯網和連續色調的圖像。JPEG的解碼是一個很復雜的過程,該設計中用到了FATFS的作者提供的一個的JPG/JPEG解碼庫:TjpgDec,只需3.5KB的FLASH和3KB的RAM即可實現JPG/JPEG解碼。JPEG/JPEG圖像文件解碼過程如下:首先從文件頭開始讀出文件的相關信息;接著從圖像數據流中讀取一個編碼單元(MCU) ,并提取里邊的各個顏色分量;將顏色分量從數據流恢復成矩陣數據;接下來對8×8 的數據矩陣進一步解碼;最后顏色系統YCrCb 向RGB 轉換,排列整合各個MCU 的解碼數據。
4 結論
本論文設計了一款基于STM32單片機的電子相冊,該設計的主控芯片具有256KB閃存和48KB RAM,時鐘頻率可達72MHz,并且集成了豐富的片內外設,功耗低,價格便宜。TFT液晶觸摸屏具有亮度好、對比度高、層次感強、顏色鮮艷等特點。該系統的硬件電路很簡單,主要通過軟件來實現具體的功能,最終設計了一款具有價格便宜,功能齊全,顯示效果良好,模塊化結構的電子相冊。
參考文獻
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【 關鍵詞 】 衛星廣播;防插播;AES編解碼 【 中圖分類號 】 TN93
Technology Discussion on Satellite Broadcast Preventing from Insertion
Lu Lin 1 Zou Nan-jing 2 Jiang Hao 1
(1.No.36 Research Institute of CETC ZhejiangJiaxing 314033;
2.Zhejiang Radio and Television Group ZhejiangHangzhou 310005)
【 Abstract 】 The article bases on present situation and development trend of satellite broadcast preventing from insertion, has carried on the thorough discussion to the satellite broadcast transmission guard measure.To ensure reliable run of satellite broadcast and television system,construct and consummate safe broadcast system have the important reference significance.
【 Keywords 】 satellite broadcast; preventing from insertion; AEC code
1 引言
廣播電視作為,是最為重要的宣傳陣地,也是老百姓喜聞樂見的傳播工具,受眾面十分廣泛,因此廣播電視的插播亦將演變成突發的公共安全事件,廣播電視安全播出已經成為廣電系統的生命,根據中央政令各播出機構必須按照在任何時間、任何情況都不出現非法畫面的要求做好安全播出工作。
目前,中央和省級廣播節目大部分通過衛星鏈路,采用與電視節目復用上行的方式為調頻覆蓋點提供節目信號。研發基于衛星傳輸的廣播節目防插播安全防范系統,對增強技術防范,切實提高安全播出保障能力具有十分重要的意義。
2 研究現狀和發展趨勢
針對惡意干擾,我國專家已提出了一些衛星抗干擾措施,主要有幾種方法。
1)信號壓制法。即增加正常廣播節目信號的上行功率,使得信號強度明顯大于干擾,以壓制干擾信號。
2)空間隔離法。即上行固定賦形波束接收。衛星轉發器接收天線的固定賦形波束僅覆蓋各地合法的特定地區,不包含最有可能產生干擾的地區,以達到抗干擾目的。
3)頻率隔離法。即改變上行信號頻率。當衛星上轉發器接收機接收到干擾信號時,轉發器接收機依據控制信號及時改變接收頻率以拒收干擾信號,并同時對應改變給定地面上行站發射頻率,以使轉發器接收機能繼續接收并轉發合法上行信號。
這些干擾措施,能夠在一定程度上對特定區域的衛星干擾進行隔離,但無法從根本上防范惡意干擾和非法插播。
3 衛星廣播防插播可行性分析
目前全國絕大多數廣播電臺采用MPEG1-LAYER2音頻壓縮編碼標準。主要依據屏蔽模式通用子帶編碼復用和自適應譜感知熵編碼算法。傳輸信號帶寬為20Hz-20KHz。衛星上下行傳輸鏈路分別如圖1和圖2所示。
在衛星地球站上行端增加信號處理設備,實時對節目源進行增加認證標識處理,衛星地面接收下行端,增加特征信號檢測裝置,對數字衛星接收機送出的信號進行節目源合法性認證檢測,只有通過認證的信號才能進行處理并經過FM發射機發射輸出。從而對衛星上行干擾進行有效隔離。
4 衛星廣播防插播具體實現
4.1 系統方案
分析衛星傳輸鏈路,將信號處理設備置于MPEG2信源編碼與復用器前端,AES節目源信號首先經過信號處理設備接收解碼,插入標識認證信號后重新編碼輸出至MPEG2復用器,然后送往衛星發射機發射輸出。在衛星下行鏈路,特征信號檢測裝置首先對送入的AES信號進行特征解析,只有經過標識認證的信號才能輸出給下游設備,對于未經認證的非法信號,自動切斷輸出并發出報警信號。
4.2 AES編解碼
AES是廣播級數字音頻傳輸標準,也是地球站進行模擬音頻數字化編碼、傳輸的理論依據,它通過一條傳輸線進行數字音頻數據串行傳輸,提供兩個通道的音頻數據,在發送和接收端需要對其進行耦合變換,以獲得較好的共模抑制且避免信號的大地回路,具備通訊控制、狀態信息和較好的檢錯能力。AES的接收與編解碼的成功與否是整個系統是否構建成功的重要保證。
AES的編解碼由芯片CS8420結合可編程邏輯器件EP2C50F484實現。AES信號經CS8420接收,并解碼為采樣頻率與下游設備相同的串行碼流,EP2C50F484對其進行緩沖,確定幀同步,判斷音頻數據、輔助數據和信息位,并將有效數據檢出同時與調制后的標識認證信號合并并重新打包送入CS8420編碼為AES信號送入MPEG2復用器。
AES/EBU幀和子幀的結構如圖3所示,其中X、Y和Z都是子幀頭的表示符號,相當于同步信息。每幀的第一個子幀的頭用X表示,第二個用Y表示,但是第0幀的第一個子幀頭要用Z表示,以表示一個塊的開始。
4.3 對源信號的標識認證
在衛星地球站上行端的廣播節目源信號中實時加入標識認證信號,選取頻率為16kHz以上的至少一個頻率值作為特征頻率,將標識認證信號調制到特征頻段,來自衛星地球站上行端的廣播節目源信號和調制后的標識認證信號經過預處理和幅度控制后進行疊加,由發射站上星廣播;
承載對源信號標識認證的信號處理設備由于位于MPEG2復用器前端,在MPEG2復用器中輸入的碼流不可避免的要經過MPEG2有損壓縮、復用、調制、發射、接收等一系列過程,因此要想使處理后的音頻流能被正常識別及解析,加入的標識認證信號必須符合音頻信號的特征,這里選擇一段連續的基帶信號。
為了從連續的基帶信號中取出離散的數字信息,必須要在最佳抽樣時刻判決得到原始數據。同時為了保證源信號的傳輸質量,采用鎖相環技術提取源信號的采樣時鐘和碼流BIT時鐘,以保證經特殊處理后源信號采樣率和傳輸流同步。
4.4 對接收信號的認證識別
在衛星下行鏈路,對輸出的AES數字信號進行解碼,并對解碼后的信號進行實時解析,對節目流中的標識認證信號進行捕獲、分析,以確定節目信號的合法性。考慮到干擾情況的多樣性,解析算法必須具有一定抗干擾特性,通過設計合理的判決機制,在出現日凌、太陽黑子爆發等非惡意干擾引起的衛星信號瞬時不穩定時,能確保正常播出;在發生嚴重惡意干擾、非法插播時,迅速切斷節目流的傳輸,并發出相應的提示或告警信息。
5 結束語
研究基于衛星傳輸的廣播節目防插播技術有助于構建和完善廣播安全播出保障體系,抵御惡意插播行為,杜絕廣播節目出現非法信號,同時可以有效減輕管理人員的工作壓力,減少監控人力物力投入,具有顯著的政治和經濟效益。
參考文獻
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[2] 盧琳. 衛星廣播節目防插播系統研究[碩士學位論文].東南大學,2012.
基金項目:
為2012年度浙江省科技廳重大科技專項(優先主題)社會發展項目――基于衛星傳輸的廣播節目防插播系統。
作者簡介:
盧琳(1979- ),女,漢族,通信指揮學院,本科,東南大學工程碩士學位,中國電子科技集團第36研究所,工程師;研究方向:視音頻傳輸編解碼及信息安全領域。
關鍵詞:公路隧道,避雷,接地裝置
該隧道位于江山市峽口鎮與廿八都鎮之間的群山峻嶺之中,在達塢隧道出口的群山腳下為收費所、達塢隧道所辦公大樓,兩者和隧道之間有近百條電力電纜、控制電纜、通信電纜及視頻信號電(光)纜相連接,收費站廣場邊有一排高度為20m的高桿金屬照明燈,離其幾十米處的互通有4桿25米高桿金屬照明燈,隧道與隧道之間都有25米的高桿金屬照明燈及室外可變情報板。隧道所辦公樓倚山而建,其下方是地勢低的多的廿八都古鎮,土質為砂質土壤,土壤電阻率約為400Ω.m,土壤電阻率較高。但在雨季時,由于地下水豐富,其地理地貌十分有利于雷暴的生成發展。免費論文。根據江山市中心氣象臺提供的資料,該地區平均雷暴日為57天,經計算,該建筑物年預計雷擊次數為0.31次/天,屬于雷電活動頻繁、雷擊事故高發地區。免費論文。該建筑物為二類防雷建筑物。近年來,頻繁的雷擊已對隧道的監控系統、通信系統、計算機系統以及室外情報板等造成了一定的危害,因此隧道及建筑物的防雷工作刻不容緩。
一、雷擊的特性
雷電破壞作用與峰值電流及其波形有最密切的關系,雷電波頻譜是研究避雷的重要依據。從雷電波頻譜結構可以獲悉雷電波電壓、電流的能量在各頻段的分布,根據這些數據可以估算通信系統頻帶范圍內雷電沖擊的幅度和能量大小,進而確定避雷措施;即使在電力系統中,了解雷電波頻譜分析,也有助于采取相應的避雷措施。典型的雷電流為近似的雙指數函數曲線,可用下式表示:
i= I0 (e-α-e-β)
式中: I0――雷電流峰值(從數kA到數百kA);
α――波前衰減系數;
β――波尾衰減系數;
i――雷電流瞬時值。
雷電流曲線峰值的左邊部分稱為波前,從峰值至電流下降到峰值的一半的E點這部分稱為波尾。雷電流波形的波前很陡,通常只有零點幾微秒到十幾微秒,并包含豐富的諧波電流。通過計算(過程從略),可求得雷電波的能量比率積累的頻率分布。雷電波能量比率積累的頻率分布:低頻部分增值快,頻率越高,增值越慢,說明雷電的能量大多分布在低頻部分。從典型雷電波計算得到的數據可知,90%以上雷電能量分布在20 kHz以下。免費論文。即在防雷工程中,只要防止20kHz以下頻率的雷電波侵入,就能把雷電波的能量削減掉90%以上。
二、隧道電氣設備防雷工程設計
該隧道監控系統設備屢遭雷擊損壞,從損壞的電氣設備分析,都是弱電部分的接口電路或電源電路(如:攝像機解碼板、電源板及攝像頭等)損壞,而且無嚴重燒焦及機械性破壞,推斷應是受到感應雷即雷電電磁脈沖的沖擊影響所致。根據我國《建筑物防雷設計規范GB50057-94》,參照國際電工委員會IEC1024防雷與接地的有關規定采取屏蔽、泄放、消峰、分流、均壓等電位聯接的原理進行防雷工程的綜合設計和改進。
(一)接地系統及措施
接地是防雷的基礎,接地系統的設計與施工直接影響防雷的效果。只有良好的接地才能為入侵的雷電流提供暢順的入地泄放通道,同時才能使屏蔽效果得到保障。該隧道建在花崗巖石之中,洞內無法利用基礎鋼筋作接地體,只能在電纜溝底部建造接地裝置。為了減小接地電阻,可采用復合接地體,即水平接地體和垂直接地體相結合的方式,并在接地極周圍填充長效降阻劑。垂直接地體的優點是在雷雨季節能積聚一定的山水,有利于改良接地極周圍的土壤電阻率,降低接地電阻。而水平接地體能擴大地網的接地面積,使隧道成為一個大的均壓體,減少閃擊放電的機會,提高泄放雷電流的能力。
(二)屏蔽
隧道內的電氣設備,外部電磁干擾主要有三種:雷電的電磁脈沖;電力系統中各種操作過電壓;靜電放電。由于雷電波主要是通過電磁感應和靜電感應,在隧道內的電源線和信號線上產生過電壓波,并沿電纜向兩端傳播沖擊,使得隧道及監控室內的監控設備被擊壞,而雷電從隧道口繞擊進洞內的可能性很小。因此屏蔽只側重于隧道外及洞口附近的各種電纜,將電源線和信號線分別敷設于鍍鋅線槽內,線槽每隔一定距離,按標準進行接地,從而使雷電作為干擾源的影響大大減小。
(三)均壓、等電位聯接
在隧道的電纜溝內及監控室內建立等電位連接帶,將設備外殼及金屬架構物進行可靠的搭接,就近接地,使整個監控系統處于準等電位水平,在隧道內形成一個均壓帶,避免被保護設備之間在雷擊瞬間形成電位差而產生二次閃擊、閃絡現象而遭損壞。
(四)專用避雷器
在采取以上措施的同時,為防止感應雷電對一些重要的電氣設備的沖擊,須在其電源或信號輸入端加裝專用避雷器。避雷器的性能必須滿足以下幾點要求:
(1)避雷器不會對線路的正常運行造成影響;
(2)要有較好的箝位效果,沖擊殘壓盡量小,并在設備的耐壓范圍內;
(3)要有足夠的雷電通流容量,雷電發生時自身不會損壞,并能反復使用;
(4)能適應惡劣的工作環境;
(5)漏電流要小。響應時間要盡可能短,一般要求達ns級。
根據理論分析及實際經驗,在下列易受感應雷影響的電氣設備前加裝相應的專用避雷器:
(1)在低壓母線、監控系統電源輸出端加裝三相或單相電源避雷器,以防止感應雷電通過電源線損壞監控系統設備;
(2)在隧道內攝像機部分解碼器輸入輸出端加裝控制信號避雷器,以防止雷電通過控制信號線損壞攝像機解碼器;
(3)在攝像機視頻信號輸入輸出端加裝同軸電纜避雷器;
(4)在通信機房配線架裝設交換機配線避雷器;
(5)洞外廣場攝像機安裝云臺、鏡頭控制線避雷器。
通過以上的技術處理,可有效防止雷電對隧道內電氣設備的影響,最大限度地將雷擊災害減至最小。
三、結語
隨著國民經濟、科學技術的飛速發展,公路隧道機電設備的自動化程度越來越高,計算機用于自動控制及營運管理也越來越普遍。隧道內機電系統包括:照明、通風、火災報警、閉路電視監控、通信、交通監測控制及供配電系統等都不可避免地會受到雷電災害的影響,如何將雷電災害的影響降至最低,是隧道機電系統在設計、施工及管理中一項非常重要的工作,必須予以充分重視。
參考文獻:
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