驱动芯片(精选九篇)
驱动芯片 篇1
世界机器人市场
现代工业正逐渐由“工业自动化”向“工业智能化”迈进, 传统制造业正开启“智”造之门。实现工业智能化需要更高安全性、可靠性的工业以太网、更高精确度的运动控制技术以及马达控制解决方案等, 机器人就是综合体现这种智能化的设备之一。
据统计, 世界机器人市场2013年出货量约是18万个 (图1) , 增长最快的是中国 (图2) , 其原因除了劳动力缺乏以外, 还有汽车工厂自动化的增长, 需要更多的机械手臂, 以及智能手机等加工业的发展。机械手臂通常集中在三到六轴, 当然还有少部分是七轴。大部分的平台是以工控机、X86为基础的, 还有高端DSP。
现在的机器人主要是机械手和机械臂, 完成两类工作:第一类是对精度、速度、负载要求高的工作;另一类是灵巧性的工作。当前世界十大流行工业机器人是[1]:电弧焊接, 点焊, 材料处理 (material handing) , 机器看管 (machine tending) , 喷漆, 摆放、包装, 装配, 切割、抛光, 上胶、密封, 检查、焊接。
我国机器人市场
在2014年11月北京举行的“嵌入系统联谊会”上, 北京航空航天大学机器人研究所的王田苗教授介绍道, 2013年中国购买了全球五分之一的机器人, 首度超越日本。据IFR数据, 中国2013年购买了36560个工业机器人, 同比增长60%。日本购买了26015个机器人, 美国位居第三, 购买了23679个机器人。中国机器人仍然有巨大的发展空间, 因为每万名制造业工人机器人保有量, 我国低于世界平均水平 (表1) , 更与发达国家存在较大差距。
在中国市场上, 国产机器人以三、四轴的机器人为主, 外资机器人以多关节机器人为主。国产工业机器人主体是单价较低的工业机器人。
电机、PLC是关键
工业自动化的市场成长驱动来自三方面。
第一是能效。在各国推动节能减排的诱引带动下, 电力往往是工厂里消耗最高的资源, 以及花费最大的部分。所以要节能减排必须要寻找一些新的方案来替代, 除了替代能源以外, 就是怎样提高效能。根据统计, 在自动化工厂里马达是最主要的能耗来源, 约占能耗的40%。因此, 怎样在马达控制方面找出较好的控制方法将是一个重点。
第二是生产力的提升。包括可靠度和稳定度的提升。如何提高产品生产线的效率, 降低故障时间, 以及包括操作员受伤或者影响整个操作过程顺利的因素都能被排除。
第三是现在热门的互联网应用在工厂自动化的部分。这里重要的环节就是以太网是否是安全的, 也就是所有的资料具有加密性。
图4是整个工厂自动化的一个典型的系统架构图, 从上方可见的第一个部分是PAC, 通常会带有运动控制的部分, 属于中高端产品。另一部分是中低端产品, 通常HMI (人机界面) 和PLC (可编程逻辑控制器) 是分离的, 并不是支持运动控制的功能。Fieldbus (现场总线) 连接以太网或者其他传统的连接方式, 来连接从站的部分。从站部分主要是多轴的伺服驱动, 从图4中可以看到三轴和单轴的伺服驱动, 加上一些I/O开关。
由从站跟主站的结合, 可以集成机械手臂或者是工具机具, 就组成了企业型的以太网。企业型的以太网连接着工厂与办公大楼的部分, 需要可靠、稳定, 即所谓冗余、不丢包的安全以太网。
FPGA是工业控制的一种新选择
应用于智能工业中的芯片必须具备多个条件:灵活性;能做到市场的差异化;另外要能使整个系统的成本降低, 开发时间缩短。另外, 开发工具是不是符合功能安全、可靠度、稳定度。最后一个很重要的因素是芯片的供应时间是不是可以长达15年, 因为通常传统生产线的工厂自动化的产品生命周期通常需要10年以上的时间。
传统的机器人通常是价格昂贵的工控机, 或由X86英特尔四核CPU去控制的。市场上没有单芯片就可以控制机器人的设备。Altera亚太区工业业务部市场开发首席经理江允贵称, Altera提出了Cyclone V So C的单芯片解决方案。
当然, 传统型的单轴伺服驱动, 主要是DSP加上FPGA。但是未来, 一旦主流是多轴并且低成本产品, 例如三轴或以上, 单芯片的Cyclone V So C就更方便。
当前, PLC在国内市场一直都是欧美日几个大厂占据大多数的市场。国内的企业通常是小型的PLC机。小型PLC支持到200个I/O以下, 功能简单。但本土企业也希望做多功能的PLC, 以提高竞争力, 例如国内的一些客户目前想要把HMI集成进PLC, 把它的产品定位从低端往中高端移动。
为了帮助国内客户设计, 芯片厂商通常提供一些算法, 例如Altera不仅提供多种马达控制器, 还提供FFT振动抑制算法, 适用于多轴伺服, “除了我们, 目前亚太区没有一家厂商向客户提供这种在线式的振动抑制算法”, Altera的江允贵指出。“尽管日本或者欧洲有这种功能, 但是实现方式我们并不清楚, 可能是用专用芯片。但我们现在做出来了, 用FPGA实现。”
机器人的安全性、可靠性也很重要。不过, 除了FPGA以外, 还有其他的器件也需要安全, 例如电源控制是不是安全, 还有电机里面的材料是不是可靠。
Altera展示摆放型机械手臂
为了展示Altera FPGA在工业中的应用, 在刚刚结束的中国国际工业博览会上, Altera展示了业界首款基于单芯片FPGA的机械手臂控制器, 和通过Ether CAT控制多轴伺服马达。
Altera展示的Mini Delta Robot, 属于Pick&Place (摆放型) 机械手臂, 主要展现速度跟位置的精确控制, 其身高大概是1.65米, 重量是170公斤。该展示不是最终产品, 最终产品也许非常庞大和沉重, 一般无法搬运和维护。
演示分为三部分, 第一部分是下跳棋, 展现了其摆放精确度。第二是做圆弧或直线运动。第三个是绕半圆。其中绕半圆的难度最大, 机器夹抓夹了棋子以后, 要绕过每个棋子, 并保证速度, 展现了精密的算法控制。
工业需要ADC多样化
据市场调查公司IHS分析, 去年工业半导体市场接近320亿美元。这个市场不仅巨大, 而且从模拟器件的角度, 还对芯片提出了一些特殊要求。
多样化需求
工业系统的每一个应用系统都较为复杂。图6是模拟系统在工业系统中的通用框图。数据转换器在所有的工业器件选择里, 或者应用中起着非常重要的作用, 选用不同型号的数据转换器产品就会牵动整个系统的速度、精度和功耗的变化。因此, 需要推出多种ADC满足个性化的应用, 而不是一种大而全的产品, 就是考虑到工业应用中每一种应用, 对速度、采样率、精度、接口、通道数的要求都是不一样的。
为此, TI近日开发了ADC3k高速采样产品, 主要用在高精度的马达、高端马达和医疗器械产品上;还有ADS8688系列数据转换器, 5V电源供电, 集成20款有源器件。
高精度需要重新定义
对于数据转换器来说, 其实高精度不仅仅是采样速度非常快, 数据分辨率越来越高, 这两个的确是个非常重要的指标, 但实际还有很多其他的指标来代表ADC的高精度, 例如高精度还体现在直接对电感信号的测量。TI中国区高性能模拟产品业务发展经理宋浩然介绍说, TI首款电感数字转换器LDC1000, 以及在LDC1000之后的LDC1041、LDC1051等产品, 特点是直接把电感转换成数字信号, 完成中间没有转换动作的产生, 这样从速度、精度、可靠性上大幅度提升。
TI还有超小型12V SAR ADC——DS7042, 看起来好像只有12位, 速度似乎也不是很快, 但其卖点是超小型, 另外一个卖点是功耗非常低, 应该是整个业界功耗最低的一款12位的ADC。
因为最终产品考量的是综合性指标, 要想综合性指标达到非常高的水平, 其实是非常难的。例如TI最新的ADC3k以及ADS8688, 拿出某个单一指标, 并不是行业最高的, 但看综合性指标, 比如ADC3k速度只有160MHz, 业界上GHz采样率的产品都有, 但看它综合性指标, 比如位数最高可以到14位;它的体积最小是7×7mm, 通道只有200m A/通道, 综合去看这个芯片的指标就会提高很多。
ADS8688速度不快, 只有500k SPS采样率, 精度16位, 这两个指标在TI现有产品里不是最高的, TI最高有18位ADC, 也有上MSPS的ADC。但ADS8688的卖点, 可以用单5V电源, 从而可以把±15V的双电源省掉, 包括直流指标、交流指标、温漂都已经达到行业最高点, 这放在ADC去看的话, 它的位置马上就会提高很多。
因此, 不能追求某个单一的极高指标数字, 而要追求整体性能的提高。
分立ADC器件vs带ADC功能的MCU
另外, 现在一个趋势是:越来越多的MCU和So C里也集成了ADC, 位数和速度越来越高。它们能否代替分立ADC器件?宋浩然承认, 的确, 包括TI的很多MCU也集成了比特数、速度越来越高的ADC。
不过, 现在MCU里集成ADC可能是16位, SAR ADC可以达到1MSPS或几百k SPS, 它的效果达到的是什么呢?可能是分辨率。在业内, 分辨率和精度这两个指标经常容易弄混, 包括16位、14位, 这些都是分辨率, 也就是ADC可以分辨的最小刻度, 所以MCU里集成了16位甚至24位。比如Resolution (分辨率) 是16位。而客户关注的是工业指标, 工业现场和工业仪器关注的指标是我整个占系统千分之一或万分之五。那么, 是不是所有的工业客户都在用10位的ADC?没有, 整个行业典型应用也没有用10位的ADC, 说我为了达到千分之一的精度。所以Resolution和精度是完全不同的概念。精度是从输入到输出, MCU采样, 其间所有误差的累计, 从最小信号到最大信号, 不管输入什么信号, 我测试的线路所有加起来能够实现的效果是千分之一, 这是精度的概念。因此, 并不是说ADC的精度越高, 将来系统的精度越高。即使你用16位甚至24位ADC, 如果前端不好 (例如运放误差较大) , 中间电路设计不合理, 可能连1/10都达不到。
集成是把双刃剑
未来帮助客户设计, TI还提供整套的工具, 例如基于ADC3k的评估板ADC34J22, 可与A l tera F P G A对接。并针对PLC等应用, TI专门做了参考性设计, 设计符合了IEC-61000标准的测试。当然今后, T I会把更多的有源器件集成在同一器件里。不过, 集成也是一把双刃剑, 集成也会带来其他的问题, 例如ADS8688在集成了众多器件之后更加针对PLC应用, 但可能它的应用覆盖面没有原来那么宽了。
现在, 一些芯片厂商可以直接做出解决方案、甚至是产品。但宋浩然称, TI Design的出发点不是做一个解决方案, 而是一个参考, TI只是针对一个系统。虽然TI做最终的产品也可以符合IEC-61000标准, 客户用这些标准去生产没有问题, 但TI还是希望通过参考性设计给客户一些灵感或设计理念。
把PLC模拟集成
可编程逻辑控制器 (PLC) 是控制并协调整个工厂传感器和机器的核心模块。据统计, 每年因工厂维护及相应的生产损失造成的费用高达8千亿美元。随着智能工业的出现, PLC也在改变连接方式, 传统的中央控制改为分布式控制。因中央控制方式不够灵活, 而且引线长, 可靠性不高。
为了适应分布式控制, Maxim Integrated采取了把更多的模拟与数模混合器件集于一身的策略, 公司工业与医疗方案事业部的高级副总裁Chris Neil展示了微型PLC (见照片2) , 尺寸比标准产品缩小10倍, 功耗降低50%以上、数据处理数据加快70倍。不仅如此, 该控制器集成了Maxim 30多个不同的产品, 包括其中数字I/O卡、模拟卡、单元卡等, 并提供5种参考设计, 不同的卡展示不同的功能。
摘要:制造业革命需要大量的工业机器人、PLC、电机, FPGA及模拟芯片厂商需要因应新的工业需求, 推出新型的芯片或模块解决方案。
关键词:工业机器人,PLC,电机,FPGA,ADC
参考文献
[1]You Tube网站十大流行机器人.http://www.youtube.com/watch?v=f H4Vw Tgfyr Q
[2]于寅虎.电机控制技术的最新进步与发展.电子产品世界, 2014 (9) :8
[3]王莹.电机驱动走向高效节能.电子产品世界, 2013 (9) :12
[4]王莹.电机控制的技术市场动向.电子产品世界, 2012 (9) :10
驱动芯片 篇2
摘要:介绍了内嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10的主功能特点、内部结构及工作方式,通过其在图像驱动和处理方面的应用,体现了EPX10逻辑控制实现简单、对大量数据做简单处理速度快以及软件编程灵活的特点。
关键词:ARM FPGA EPXA10 图像驱动 图像处理
随着亚微米技术的发展,FPGA芯片密度不断增加,并以强大的并行计算能力和方便灵活的动态可重构性,被广泛地应用于各个领域。但是在复杂复法的实现上,FPGA却远没有32位RISC处理器灵活方便,所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时,往往需要RISC和FPGA结合使用。这样,电路设计的难度也就相应大大增加。随着第四代EDA开发工具的使用,特别是在IP核产业的迅猛发展下产生的SOPC技术的发展,使嵌入式RISC的通用及标准的FPGA器件呼之欲出。单片集成的RISC处理器和FPGA大大减小了硬件电路复杂性和体积,同时也降低了功耗、提高了系统可靠性。Altera公司的EPXA10芯片就是应用SOPC技术,集高密度逻辑(FPGA)、存储器(SRAM)及嵌入式处理器(ARM)于单片可编程逻辑器件上,实现了速度与编程能力的完美结合。本文所介绍的图像驱动和处理系统正应用了EPX10的这些特点,充分发挥了FPGA逻辑控制实现简单、对大量数据做简单处理速度快的优势以及ARM软件编程灵活的特点。
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1 内嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10及其主要特点
EPX10单片集成了ARM核、高密度的FPGA、存储器及接和控制模块,不仅简化了ARM与FPGA之间的通讯,也使片外扩展存储器以及和外设通讯变得相对简单;同时通过在FPGA中嵌入各种IP核和用户控制逻辑可以实现各种接口和控制任务。这样的高度集成化不仅大大加快了ARM与片内各种资源的通讯速度,而且减小了硬件电路的复杂性、体积和功耗,真正实现了SOPC。
EPX10内部结构框图如图1所示,主要分为嵌入式处理器和FPGA两部分。
1.1 嵌入式微处理器ARM922T
EPX10嵌入式处理器部分集成了业界领先的32位ARM处理器(ARM922T),工作频率可达200MHz;支持32位ARMv4T指令集和16位Thumb扩展指令集;具有全性能的内存管理单元以及8K的指令缓存和8K数据缓存,以支持实时操作系统(RTOS)、C语言和汇编语言。
1.2 高密度的FPGA
EPXA10片内FPGA部分具有1000000门可编程逻辑、3MB的内置RAM和512个可供用户使用的I/O管脚,可以通过嵌入各种IP核实现各种标准工业接口(如PCI、USB等)。
1.3 先进的存储支持
EPXA10嵌入式处理器部分集成了256KB单口SRAM和128KB双口SRAM;同时集成了两个先进的存储支持:(1)SDRAM控制器,用于控制单倍速/双倍速不同控制进序来确定的,实现起来非常复杂。有了SDRAM控制器的支持,只需要在Altera公司提供的EDA开发软件Quartus II中设置好SDRAM工作所需的各种参数,就可以按照直接给出指令、地址和数据的方式对SDRAM进行操作,控制器会自动将各种指令转化成SDRAM所需的工作时序,大大降低了对SDRAM的控制难度。(2)从FPGA启动。这种启动方式需要将设计下载到片外E2PROM中,而且设计中可包含FPGA部分的.应用。启动时FPGA为主动,ARM处复位状态,配置完成后,如果有对ARM的应用,则ARM解除复位,执行软件代码;反之,ARM一直处于复位状态。
图3
2 EPXA10的工作方式
EPXA10嵌入式处理器部分提供了两条32位AMBA微控制器总线AHB1、AHB2,分别用于片内各种资源的通讯,如图1所示。基于AHB1、AHB2总线,EPXA10的工作方式大致可分为三种:(1)ARM作为AHB1总线的主控,直接访问HAB1总线的从属资源。包括SDRAM控制器、片上SRAM、中断控制器等。(2)ARM作为AHB1总线的主控,通过AHB1-2桥访问AHB2总线上的从属资源,包括UART、EBI、SRAM、Stripe-To-PLD桥等,同时通过Stripe-To-PLD桥对FPGA进行访问和控制。(3)FPGA通过AHB2的总线主控PLD-To-Stripe桥访问AHB2总线上的从属资源,包括SRAM、SDRAM控制器,UART等。
EPXA10片内集成了软件可编程锁相环路(PLL),为微控制器总线及SDRAM控制器提供了灵活精确的时钟基准。
3 EPXA10在图
像驱动和处理方面的应用
本文所述的图像驱动和处理系统主要利用PPGA逻辑控制实现简单、对大量数据做简单处理速度快以及ARM软件编程灵活的特点,系统框图如图2所示。在芯片FPGA部分,构造了CMOS驱动模块,驱动CMOS图像传感器使之能够采集图像数据。然后图像数据经数据接收模块存入片外SDRAM中,并经串口传入PC机,要将图像数据在PC机中显示成图像,还需编写基于CDib类的图像显示程序;同时将图像数据经芯片ARM部分的图像处理算法(本系统采用Sobel算子)处理,处理后的图像数据才能经串口传给PC机进行显示。为了验证基于ARM的图像处理算法实现的正确性,还将这一算法在PC机中进行了实现,最后针对同一幅图像,将两种实现的结果进行了比较。
3.1 图像的驱动
3.1.1 CMOS图像传感器的驱动
要使CMOS图像传感器的成像,必须设计正确的驱动时序,包括行同步、列同步、场同步及曝光时间设定等时序。利用FPGA逻辑编程简单的特点,用硬件描述语言Verilog HDL编程,可在FPGA中实现CMOS图像传感器的驱动时序,该驱动时序的仿真结果如图3所示。图中,ld_y为行选通信号;ld_x为列选通信号;cal为场选通信号;clk_adc为内部A/D转换器所需的时钟;addr为行列地址线;sys_reset为曝光时间设定信号;s和r为内部放大器选通信号。
3.1.2 图像的采集
CMOS图像传感器输出的信号为数字信号(即数字图像数据),所以图像的采集要通过FPGA中的数据接收模块将图像数据保存到片外SDRAM中。数据接收模块状态机如图4所示。标志Flag为1,开始采集数据。因为CMOS图像传感器在每个A/D转换时钟周期输出一个数据(如图3所示),接收模块也相应地设计成一个时钟接收周期接收一个数据(Burst状态),这样就发挥了FPGA对大量数据处理速度快的优势。
3.1.3 图像的显示
ARM将SDRAM中的图像数据经串口传给计算机,在计算机中用VC++语言编写串口协议和图像显示程序,将CMOS图像传感器采集到图像显示在屏幕上,以便于监测验证。
3.2 图像的处理
本系统采用的图像处理算法基于Sobel边缘检测算子。图像的边缘是由灰度不连续性所反映的,是的最基本信息。边缘检测算子检查每个像素的的领域并对灰度变化率进行量化,也包括方向的确定,大多数使用基于方向导数掩模求卷积的方法。就sobel算子而言,如图55所示,采用了两个3×3卷积核形成边缘算子模板,紧邻中心像素的像素有4个,和中心像素成斜对角的像素也有4个,距离中心素近的模板值的系数为2,成斜对角的比较远,所以其系数为1,该系数反映了这样一点:领域对当前像素的灰度梯度的影响程度越近影响越大,越远影响越小。图像中的每个点都用这两个核做卷积,一个核对垂直边缘响应最大,而另一个核对水平边缘响应最大,两个卷积的最大值作为该点的输出位,反映了当前位置灰度梯度(图像边缘)的主要方向和大小。运算结果反馈了一幅边缘幅度图像。
因为拍摄的图像边1024×1024,采用的Sobel算子为3×3模板,所以图像周边的一圈像素(第1行、第1024行、第1列、第1024列)保持原灰度值。在图像的第2行2列到1023行1023列的范围内,用图5所示的算子模板进行扫描计算,即当前像素和与当前像素相邻的8个像素,分别与模板中位置相应的8个系数相乘,累加这9个乘积结果,就得到针对某一方向的灰度梯度。比较两个方向的计算结果,取量大者作为当前位置的灰度梯度。图7为图6经过Sobel算子进行边缘提取后得到的图像。该算法在ARM中是基于C语言实现的,体现了ARM软件编程灵活的特点。
3.3 试验结果
图6是成功驱动CMOS图像传感器后拍摄的景物图像,可见图像非常清晰。本文介别针对Soble算子进行了基于PC机和基于ARM的实现,图7为图6经过ARM中的Sobel算子的边缘提取结果,图8为图6经过PC机中Sobel算子的边缘提取结果,图9为图7和图8逐像素的比较结果。可见两种实现方法得到的结果完全一致,说明了基于ARM的Sobel算子的实现是正确的。
上述驱动和处理系统如果仅用FPGA来实现,算法部分的实现会比较复杂;如果仅用ARM来实现,驱动时序的设计也会非常困难。面采用内嵌ARM核的FPGA芯片EPXA10,单片就实现了上述系统,大大减小了设计的难度和电路的复杂性,同时也减小了硬件电路的体积和功耗,在系统小型化方面有着独特的优势。由于EPXA10集成了先进的ARM922T处理器器以及高密度的
FPGA,所以在不增加体积和改进硬件电路的情况下,可以实现更加复杂的图像处理算法和硬件控制逻辑设计,具有很强的系统扩展潜力。这种嵌入式方案必将成为集成电路的发展趋势,将会在未来较短的时间里得到快速的发展。
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驱动芯片 篇3
【摘 要】文章以单片机芯片AT89C51为依托,利用高级编程C语言设计出8位单片机的多任务处理的方法。介绍了其设计的原理,从单任务入手逐步分析多任务处理的具体过程,从而实现多任务并发执行的功能。
【关键词】AT89C51;C语言;多任务
传统的单片机程序一般采用单任务机制。所谓"单任务机制"是指该系统不能支持多任务并发操作,宏观串行地执行一个任务。由于程序只能按顺序依次执行,缺乏灵活性。多任务机制则可以宏观并行(微观上是串行)地"同時"执行多个任务。笔者设计的这种多任务机制,不需使用汇编,采用常用的C语言编写,按照所给出的参数,添加自己的任务代码,就可以实现多任务的并发执行。
1、单片机多任务机制的工作流程
本文采用美国 ATMEL 公司生产的 MCS51 系列兼容芯片,在通常的单片 AT89C51应用情况下,程序被设计成一段无限循环的代码while(1),即构成一个连续执行的单任务系统。
2、多任务并发设计
假设要控制一个LED灯的闪烁,其实现过程为:点亮LED,延时,关闭LED,延时,依次循环下去。但是,如果需要控制两个LED灯的闪烁,一个是每一秒闪烁一次,另一个没0.5秒闪烁一次,这就需要考虑将处理器的时间进行分割,不同的任务获得一定时间片段来执行程序,当这个时间片到期了,就中断转而由另外任务来获得处理器的资源。本文所设计的方法为:采用一个自定义的进程控制器(变量stp)将其分成四个部分。在LEDLight()函数中实现的伪代码如下。
void LEDLight(vopid){
switch(stp)
{case 0:亮灯;stp++;break;
case 1:延时;stp++;break;
case 2:灭灯;stp++;break;
case 3:延时;stp=0;break;}}
每次进入LEDLight这个函数只执行了其中的一个小部分。接下来,对其中的每个小部分进行改进为某个小的任务,而每个小任务又分成多个小部分。这样,就形成了如下图1所示的多任务机制。
图1 多任务结构程序流程图
由于每个任务的执行时间不尽相同,因此引入定时器来处理不同的延时。其工作原理是程序判定任务的记时器是否满足条件而决定任务是否继续执行。因此上面的程序就改为:
void LEDLight(void){
static unsigned int stp=0;
switch(stp)
{case 0:亮灯;stp++;定时器初始化;break;
case 1:if(定时器未到)break;stp++;break;
case 2:灭灯;stp++;定时器初始化;break;
case 3: if(定时器未到)break;;stp=0;break;}}
定时器就是用变量做累加或者递减,当所设定的值自增或自减到了一定数量后(即消耗掉一定的时间)则作为一种程序的判定,如果定时器未到,则转为下一个任务执行,如果定时器到了,就开始执行本地的任务。为了使软件定时器更精准,就可以对硬件定时器的溢出次数计数。那软件定时器的定时时间就是硬件定时器溢出时间的整数倍。因此程序改为:
unsigned char Timer[2]; /*两个软件定时器*/
void Timere0Irq(void) interrupt 1
{Timer[0]++;Timer[1]++;}
void LEDLight(void){
static unsigned int stp=0;
switch(stp)
{case 0:亮灯;stp++;Timer [i]=0;break;
case 1:if(Timer[i]
case 2:灭灯;stp++;Timer[i]=0;break;
case 3: if(Timer[i]
3、结束语
实现多任务操作除了本文中所介绍的方法之外还有其他的方法,如ARM开发常用的?C/OS-II、RTX-51TINY等。但是RTX-51TINY必须采用Keil公司的C51编译器,?C/OS-II则对芯片的RAM空间要求比较高,51系列的芯片内存空间有限无法装入此?C/OS-II系统。
文章所采用的方法其结构清晰,不需使用汇编语言,所用代码较少,易于理解有效的提高了单片机处理器的效率。
作者简介:
文辉(1979-),男,汉族,江西萍乡人,江西信息应用职业技术学院计算机技术系网络教研室教师,研究方向:嵌入式系统。
余丽萍(1985-),女,汉族,江西进贤人,南昌航空大学自动化学院06级信号与信息处理硕士研究生,研究方向:图像处理与模式识别。
参考文献:
[1] 阿占文等.单片机多任务操作的多功能采集卡设计[J].自动化仪表.2014(1).
[2]郭天祥.新概念 51 单片机 C 语言教程: 入门、提高、开发、拓展全攻略[M]. 北京: 电子工业出版社.2009.
新型白光LED驱动芯片设计 篇4
目前,白光LED是市场上最常采用、最好的背光选择,它能使显示屏色彩更逼真、色度更饱和,并且电路简单、占印制板体积小、耗电少、价格较便宜。在绝大多数应用中,单个白光LED是不够的,需要同时对几个LED进行驱动[1]。用白光LED为显示屏做背光源时,需要对其进行恒流驱动,避免驱动电流超出额定值,影响其可靠性,满足预期的亮度要求,并保证各个LED亮度、色度的一致性[2]。
1 驱动芯片的电路结构及各主要电路
1.1 驱动芯片的电路结构
这种新型白光LED驱动芯片的整体结构如图一所示。
1.2 主要功能模块设计与仿真
1.2.1 新型电荷泵电路
为了减小电路中主要PMOS管的衬片效应和阈值损耗,电路中对远离VDD的PMOS采用了特殊的衬底接法如图二所示。
一个完整的工作过程分为两个阶段,分别用A、B表示。
(1)A为充电阶段此时模拟开关S1、S3、S4、S6断开,S2、S5、S7闭合时,输入电压VI N对泵电容C1、C2充电。C2正端到C1负端的平均电压差为:VC1+VC2=VI N-IA(RS2+RS5+RS7)。
其中IA为泵电容C1、C2的平均充电电流。
(2)B为传输阶段此时S2、S5、S7断开,S1、S3、S4、S6闭合,泵电容C1、C2存储的电荷开始对输出端电容COUT放电。此时,COUT两端平均电压差为:VOUT=1.5VI N-0.5[IB(RS1+RS6)-IB(RS4+RS3)
其中,设IB为流过泵电容C1、C2的平均放电电流。
S1至S7开关管周期性地在阶段A、B之间转换,从而使能量不断地从电源通过泵电容C1、C2和输出电容COUT传输给负载。如果想保持输出电压VOUT稳定,就必须使COUT储能不变,即保持COUT存储电荷QC不变[3]。所以有公式:
(1)式中RS的变化主要由线性调节功率管M7来实现。M7管的栅极控信号S7不同于其他六个PMOS功率管的栅控信号。其他六个PMOS功率管的栅控信号在1.5倍模式是高低电平方波振荡信号(来自时钟控制模块),而NMOS功率管M7的栅极控信号S7是模拟信号(来自误差放大器模块)。
电荷泵电路工作在1.5倍工作模式下的仿真结果如图三所示。
从图三中可以看出,电荷泵电路的输出文波小于10m V,满足芯片设计要求。
1.2.2 过温保护模块
过温保护电路的功能是当系统的工作环境温度过高或功耗过大时而引起管芯温度超过160℃时,过温保护电路输出控制信号VOUT为高电平,从而使能信号EN变为高电平,关断芯片工作。过温保护模块的电路原理图如图四所示。
通过仿真,过温保护模块网表的仿真输出输出波形如图五所示。
由上面图五可以看出,该模块较好的符合了设计要求。在图5仿真曲线中,电路由于热量的积累,而使得整体电路的温度上升。由电路中可以得到,随着工作温度的升高,PN结电压即D点电压VD越来越小,而电阻上的电压即E点电压VE越来越大,当VE>VD时,迟滞比较器输出发生翻转,使能控制信号VOTP输出为高电平关断芯片的输出[4]。
2 白光LED驱动芯片的版图设计
3 结束语
此次芯片设计采用了GSMC 0.18u M工艺,通过CADENCE设计工具完成芯片电路设计、仿真及版图设计。过温保护模块的热关断阈值150℃,温度超过150℃时关断芯片,实施保护。电荷泵工作在1.5倍模式下的输出文波小于10m V,仿真结果表明,各项设计满足芯片设计要求。
参考文献
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液晶屏显示驱动芯片测试技术研究 篇5
目前, 虽然以京东方、华虹NEC为代表的多家企业投入大量资金研发LCD Driver芯片, 但国内LCD Driver芯片市场仍被外国企业垄断。消费电子产品价格敏感性特别明显, 如何减低成本成为厂商占领、扩大市场份额的一个决定性因素。目前测试成本已占芯片总成本的30%以上, 所以设计一套高效的芯片测试方法可以大幅降低芯片成本, 以适应激烈的市场竞争显得尤为重要。由于通用测试手段无法直接用于LCD Driver芯片的测试, 因此在LCD Driver芯片设计与制造的产业链中, 测试已成为制约发展的一个瓶颈。
由于LCD Driver芯片测试技术含量高、技术进步快, 目前, LCD Driver测试技术完全掌握在日本、美国等企业手中, 我国至今还没有成熟的技术可应用于量产测试, 目前国内有学者进行了相关的研究, 其中有部分研究只是针对某些单项进行研究[1,2,3], 测试技术还停留在实验室。而还有些研究者只是针对某些特定信号的驱动芯片进行了测试[4,5,6]。另一些学者就针对驱动芯片里的某些功能和芯片展开了研究[7,8,9]。
本文提出一套高效、实用测试方法, 采用多通道与高压模拟通道同步测试技术、色阶测试技术、特殊封装适应性技术和ATE等技术, 并结合LCD Driver芯片的特点开展深入研究。通过这些方法可以实现减少测试费用、提高驱动芯片测试吞吐量的同时也能保证客户对芯片质量的严格要求。
1 关键技术介绍
LCD Driver芯片有以下几个特点:频率高、差分低摆幅、精度要求高、模拟测试通道数量众多且需要并测。本文针对这些特点开展共性与关键测试技术研究, 从而提高ATE系统测试效率、优化测试结果。LCD驱动芯片内部包括了多路电压、电流源, 通过改变电压输出值使得液晶屏面板产生不同的输出色彩, 因而它的性能直接决定LCD的显示效果。针对驱动芯片主要进行如下几个关键技术的研究, 下面依次进行介绍。
1.1 开展多通道与高压模拟通道同步测试技术研究
LCD驱动控制芯片是典型的数-模混合SOC芯片, 对于该类型芯片, 通常器件的输入、输出和各类IO PIN数量较多, 其中模拟PIN又占有绝大比例。如何对该类芯片众多的输入、输出PIN进行并行同步测量是该项测试技术的难点之一, 且模拟管脚测试时容易受到众多因素的影响、比较常见的因素有系统纹波工频干扰、复杂接地网络互联和其他测试中通常可忽略的管脚寄生电容的影响等, 这些因素都使得测试精度变差。而数字管脚中, 数据速率多在200MHz以上, EMC问题也同样不可忽视。
针对多管脚高速器件, 测试中如何实现多信号同步是另一项技术难点, 本文针对该技术难点采用了数字接口硬件, 利用数据寄存器和锁存器的硬件实现方法来进行多信号同步, 其硬件实现框架如图1所示。
1.2 开展色阶测试技术研究
LCD Driver器件的一个核心测试项目就是色阶测试, 这部分测试解决直接反映了IC的产品质量。基于白盒测试原理, ATE或者外部激励施加不同的、特定的RGB信号编码序列, LCD驱动芯片应该输出在指标范围内的电压信号。这些电压信号是否符合指标要求也就同时决定了该器件在正常使用阶段能否驱动液晶屏显示正确的色彩。每个驱动IC电压输出对应8比特编码, 8位二进制输入可产生2的8次方共64个编码序列, 根据需求不同, 有两种方法对LCD驱动器件的模拟输出进行测试。一种是快速低精度的电压比较方法;一种是相对慢速高精度的电压均值采样测试方法, 电压测量精度取决于采样ADC位宽和部件整体噪声水平。表1列出了编码序列对应的模拟电压值, 如表1所示。
对于大屏幕的显示器件来说, Driver IC的输出PIN数量巨大。一般的数字采样测量单元测试部件的测试时间为几到几十个微秒, 本次测试的样品共645个待测管脚, 每管脚包含128个电压值, 每次测试包含82560项测试结果, 由此可知测试时间将会比较长。通过实践中大量实验与技术验证, 采用了两个技术方法来优化总体测试时间。首先, 在测试系统总成本允许的情况下, 测试设备提供更多可同步并行工作的采样测量单元, 在单位时间内同时对多个LCD驱动器件的输出进行采样。其次根据被测器件特点, 选用采样频率更快的测量单元进行连续采样、并优化后台数据传输与采用分布式数据处理方式, 也可进一步提升测试效率, 提高测试吞吐量。
研究中开发了专门的测试软件作为测试工具来完成色阶测试, 解决测试过程中耗时长的问题。利用本文搭建的测试系统, 在645管脚中随机抽取一个管脚的测试数据与参考数据进行比较, 分别记录误差百分比。根据测试结果可以看出, 原测试数据在±0.4%范围内波动, 波动比较大, 通过本系统进行优化和改进后, 测试数据在±0.25%范围内波动, 波动范围变小, 满足测试要求。在645个管脚中随机抽取一组管脚的某一个电压值进行数据分布分析, 以此评估测试系统的测试稳定性。原测试结果在8.07~8.14范围内波动, 波动范围约为0.86%。通过本文的优化方法以后, 从图2中可以看出, 分布数据在8.09~8.12范围内波动, 波动范围约为0.37%, 较之前的测试结果有明显改进。如图2所示。
从以上的对比结果来看, 经过本文的优化和改进后, 测试精度和测试稳定性都有很大的提高的改善。
1.3 特殊封装的适应性技术
考虑到缩小LCD模块尺寸、提高集成度的具体需求, 厂商多采用COG (chip on glass) 封装方式来封装驱动芯片。但从测试角度来讲, 这种封装形式却极大增加了测试的难度与成本。集成电路全周期生产工艺中通常包含有两个测试环节, 中测 (CP) 与成测 (FT) , 分别在wafer阶段和封装完成后阶段对器件功能特性和直流参数等指标进行完整验证。
在wafer测试阶段, ATE测试机台采用线缆或者直接硬连接方式与探针卡相连, 探针卡最终再通过探针与wafer上的IC pad相连接。对于LCD驱动IC高密度和高频的测试需求来讲, 如何保证探针卡信号完整性和通用适配性也是整个测试过程需要重点解决的问题之一。由于测试通道信号频率较高 (100MHz以上) , 探卡与测试设备采用直接硬连接的方式, 尽量减小系统本身和外部电磁环境的影响。
本项目将对特殊封装的适应性方案进行研究, 提出了一种能够适用于多种封装并能够根据不同封装形式快速转换的技术方案。方案使用PCB设计形式, 所有信号输出至探卡, 通过探针与被测管芯连接。探针卡如图3所示。
探卡制作过程中有如下技术关键点。
(1) 信号阻抗与skew偏斜控制。通过仿真计算, 设定高速差分线宽6mil, 间距8mil, 阻抗控制为100欧姆。并严格按照提供完整信号回流参考平面的要求, 为高速通道信号提供完整电源或者地参考平面。对数据组信号约束等长要求在50mil范围内, 严格控制信号间的skew偏差。
(2) 地信号连接。首先保证模拟电路和数字电路的地线不能直接连接, 系统设计上采用了远端汇流排共地连接的方式。PCB上根据信号类型划分不同的模拟信号区域和数字信号区域, 并参考相应的地平面, 且两个地平面不能重叠。当地平面信号构成完整环路系统时, 可以大大增加系统噪声容忍度。
(3) EMC设计, 选择合理的导线宽度, 应尽量减小印制导线的电感量;采用正确的布线策略采用平等走线可以减少导线电感, 如果布局允许, 最好采用井字形网状布线结构;在电路设计中, 通常采用源端匹配和终端匹配两种电阻匹配方式来减小信号的反射。LVCMOS电平常用设计为源端串接30欧姆左右电阻吸收反射回来的能量, 终端匹配通常对电源和地信号各接100欧姆左右的电阻。具体设计需求不同, 匹配电阻阻值的选择还同时需根据具体IC数据手册中的输出电流及输入电流来决定。
探卡制作完成后, 对探卡分别进行信号传输测试、探针间阻抗随频率变化的测试。通过ATE测试设备对探卡施加信号, 在探针端对信号进行测量。数据信号输出形态良好, 没有明显变形, 输出信号相比输入信号延时约0.5n S, 对芯片测试无影响。另采用阻抗分析仪对探卡的阻抗特性进行了分析测试, 测试频率范围在5 MH z到40MHz, 数据显示探卡印制线电容在测试范围内最大值为0.32p F, 最小值为0.18p F, 与测试频率呈现负相关, 即在高频下电容较小, 因此对高频信号没有明显影响。基于以上判断, 探卡可以满足高频测试的要求。
4 结语
液晶屏显示驱动芯片测试技术是整个驱动芯片设计制造过程中的关键技术, 是保证芯片品质的重要手段。本文提出了一个实用的测试方案, 同常规采用的方法相比, 在减少测试时间、提高ATE测试效率上具有一定优势。方案中设计制作的自适应探卡, 可以匹配不同型号的驱动芯片。通过这些方法可以实现减少测试费用、提高驱动芯片测试吞吐量, 实现对LCD驱动芯片的高效、高质量测试, 对液晶驱动芯片测试技术的发展起到了一定的推动作用。
摘要:液晶屏显示驱动芯片广泛应用于数码产品领域, 近年来与之配套的驱动芯片的需求量也大幅度增加。驱动芯片测试贯穿在芯片的设计、制造与应用的全过程中, 是保证芯片品质的重要手段。由于驱动芯片不同于一般的通用芯片, 通用测试手段无法用于该类芯片的测试, 目前该技术主要掌握在国外企业手中, 因此在驱动芯片设计与制造的产业链中, 测试技术已成为制约发展的一个瓶颈。针对此背景, 本文提出一套高效、实用测试方法, 采用多通道与高压模拟通道同步测试技术、色阶测试技术、特殊封装的适应性技术和ATE等技术, 可以实现减少测试费用、提高驱动芯片测试吞吐量的同时也能保证客户对芯片质量的严格要求。
关键词:液晶显示驱动芯片,芯片测试,多通道同步测试,色阶测试
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驱动芯片 篇6
电泳式电子纸显示的原理是悬浮在微胶囊中的带电纳米粒子受到电场作用而产生迁移的结果[3]。 通过对电泳式电子纸市场相关应用及产品的考察,电泳式电子纸的驱动一般采用两种方式实现:(1) 使用芯片厂商的专用驱动芯片[4];(2)利用软件编程的方式模拟电子纸的驱动时序进行电子纸显示的实现。 专用的芯片解决方案往往局限于特定厂家的产品, 通用性较差; 而利用软件编程方式实现驱动往往会占用MCU的大量资源, 导致系统性能下降[5]。
主流的电泳式电子纸驱动系统一般包括主机接口、核心控制器、数据存储器及电源模块。 核心控制器由主动式阵列背板、时序控制器与一组驱动芯片组成。 时序控制器产生相应驱动芯片所需的信号,根据不同的脉冲宽度使电泳式电子纸显示灰度图像[3,4,5,6]。
本文提出一种基于Flash结构FPGA芯片的电子纸驱动芯片设计方法, 在保证驱动性能的前提下, 兼顾低功耗设计及面向应用的设计。 测试结果表明,该方法可以灵活地适用于EPD产品,功耗低,整合方便。
1 总体设计方案
本文采用Microsemi公司Proasic3 系列芯片A3P250进行设计, 充分利用经工业级验证的性能稳定的IP软核, 可以实现针对不同厂商、 不同分辨率的各种电泳式电子纸显示驱动, 并易于进行可重构设计[7]。 整体系统结构图如图1 所示。
系统设计包括主机接口模块、 帧缓冲模块、 时序生成模块及驱动波形生成模块,系统中整合的IP软核包括Core SPI 、 Core UART 、 Core I2C 、 Core GPIO 、 FIFO 、 Core SDR , 均由Microsemi公司开发工具中免费提供。
设计中采用的电泳式电子纸为800 ×600 具有4 级灰度的产品,按8 位数据总线考虑,1 B可以存储4 个像素的灰度值,所以图片数据须经主机处理为电泳式电子纸的数据格式并由主机接口模块进行传送。
2 核心模块设计
2 . 1 主控接口模块
主控接口模块利用各种通用的外设接口实现外接主机与FPGA部分的通信, 并对接收数据进行解析以完成相应功能。 数据的通用接口可根据外接主机的情况灵活配置成SPI、UART、I2C或GPIO。 该模块利用VerilogHDL编程, 按状态机设计实现。
主控接口模块的功能流程图如图2 所示, 接口命令包括初始化命令、 系统级命令、 图片刷新命令及状态查询命令。 其中初始化命令完成Core SPI、Core SDR及帧缓冲模块等的初始参数设置; 系统级命令完成电源开关、省电模式的配置;图片刷新命令可根据命令类型实现电泳式电子纸的全局及局部图片刷新;状态查询命令可读取相应寄存器的状态以查询FPGA驱动芯片的工作状态。
主控接口模块接收的数据包括命令、 地址及显示数据, 其中命令分为两种, 一种不带参数, 一种带参数, 其格式如图3 所示。 图3(a)表示不带参数的命令,长度为1 B , 其中高6 位表示命令编码, 低2 位为0 。 带参数命令又分为2 B命令和1 B命令,1 B命令或2 B命令第一个字节如图3(b)所示。 其中高6 位为命令码,低2 位为参数(如果是2 B命令则为参数的高2 位)。 2 B命令的第二个字节为参数的低8 位。 显示数据是以一个字节形式发送的, 即一次发送4 个像素的数据, 在开始收图片数据之前会先收到相关的命令。
2 . 2 帧缓冲模块
帧缓冲模块通过接收主机接口模块的命令、 地址及地址增量实现对外接SDRAM的读写控制, 且在进行读写操作时为了协调接口速度的差异专门设计了输入与输出的存储缓冲器FIFO。
本文中选用的SDRAM型号为K4S281632,配置为8 bit模式(4×4 M×8 bit),即SDRAM的存储空间分成4 个8 MB的槽位,为简单起见,对应4 个槽位设计4 个缓冲区,第一个缓冲区存放上一帧图片数据,第二个缓冲区存放更新图片的数据,后两个缓冲区备用。
帧缓冲采用Verilog HDL编程,以状态机进行设计。
2.3时序生成模块
时序生成模块的主要功能是根据电泳式电子纸的时序要求产生源、 栅驱动时钟CLK 、CPV , 源、 栅驱动起始方向控制信号SHR、L/R, 源、 栅驱动启动脉冲信号SPH 、 STV , 以及锁存使能LE 、 输出使能OE 、 边界控制VBORDER 。 采用Verilog HDL编程的方式实现。
2 . 4 驱动波形生成模块
用来显示特定灰度所需的电压变化的波形称为驱动波形[8],假设EPD为16 灰阶, 那么就有相当于256(16×16)种波型组合。 驱动控制芯片必须提供适当的驱动波形输出,以呈现较佳的显示画面。
以本文采用的电泳式电子纸产品为例, 其常温下从原始图片刷新至全白色图片的波形表样例如表1 所示。
常规的波形表设计是利用查找表的方式实现, 即在易失性存储器中生成特定的波形表,这需要存储波形表的外接存储器, 不但造成成本上的增加, 且降低了输出波形的性能。 本文采用硬件部署波形表的方法, 利用Verilog HDL编程并在FPGA中部署硬逻辑电路实现波形表的输出,满足了性能上的要求,且降低了硬件成本。
3 仿真及实验结果
3 . 1 开发及实验环境简介
本文采用的开发软件是Microsemi公司的集成式设计环境Libero IDE v9.1,硬件环境为自行开发的包含STM32F107及Proasic3系列芯片A2P250-PQ 208的实验板。
3.2仿真结果
图4(a)给出了通过UART接口发送数据至主控接口模块的仿真结果, 可以验证外接MCU与FPGA驱动芯片的通信,且包含了SDRAM初始化、写显示数据至SDRAM的命令解析及通信过程的验证。 图4(b)是时序生成模块的仿真结果,包括控制信号产生的时序仿真及一张全灰图片的刷新仿真过程。
3 . 3 实验结果
基本测试环境参数为DC 5 V供电,主时钟为50 MHz,经PLL处理输出3 路时钟分别连接SDRAM(92.188 MHz)、主控接口模块(36.864 MHz) 及时序生成模块(5.76 MHz),电子纸的像素时钟为1.92 MHz,则一幅800×600 的BMP图像的刷新时间为1.56 s,刷新电流为20 m A。
图5(a)是6 英寸电子纸(800×600)以3.84 MHz像素时钟刷新的效果,图5(b)是4.3 英寸电子纸以正常速度刷新图片的效果。
驱动芯片 篇7
1 信号完整性问题
1.1 反射问题及其端接
当传输线上存在阻抗不连续的情况或传输线与源端和负载端的输出、输入阻抗不匹配时, 就会有一部分能量反射回来。由于入射波和反射波同时出现在传输线上, 它们的互相干扰就会引起所谓的高速电路中的反射问题。在传输线上同时包括入射波和反射波, 入射波是由源端驱动的信号, 而反射波是在负载端由接收器反射回来的信号。入射波和反射波的反复叠加, 就会引起信号畸变, 这就是反射问题的实质。对于反射, 这里定义反射系数ρ为某点处反射波与入射波电压之比, 即
简单的说, 在传输线上任何一点, 都可以在该点处将传输线分为前后两部分。假设该点前面一段的特性阻抗为Z1, 后面一段的特性阻抗为Z2, 若Z1≠Z2, 则该点处就会存在反射, 其反射系数为不仅在负载端和传输线上不连续处, 在源端也会存在反射的现象。当从负载端反射回来的反射波回到源端时, 如果传输线的特性阻抗与源端的内部阻抗不匹配, 也会形成反射。该反射波会再次被反射向负载端, 即二次反射。同样, 还会出现3次、4次等多次反射。由于多次反射会引起信号波形严重畸变, 高速电路设计中一般要避免出现阻抗不匹配和不连续的情况。例如在PCB上, 信号在不同层间很可能会出现阻抗不连续的情况。这时应当采用比较精密的叠层控制实现层间信号的阻抗连续。另外, 有一些研究报告分析了走线中拐角处阻抗不连续带来的反射的影响, 结果表明, 在500 MHz/s以内, 即使直角的布线拐角带来的反射也并不大[1]。为了减少这一基本特性造成的信号完整性问题, 在所有高速电路板中都必须运用以下4个重要的设计要素: (1) 使用可控阻抗互连线; (2) 传输线末端至少有一个终端匹配; (3) 使用能使多分支产生影响最小的布线拓扑结构; (4) 最小化几何结构的不连续性[2]。
1.2 差分信号和共模信号
差分和共模信号描述的是加在传输线上的信号。任意信号的差分分量指的是两信号线间的电压差, 共模信号分量指的是两信号线间电压的平均值。对一个对称的差分对而言, 差分信号以奇模方式传输, 共模信号以偶模方式传输。也可以用奇模和偶模这两个术语来描述一个任意信号。以偶模方式传输的电压分量Veven是信号的共模分量。以奇模方式传输的电压分量Vodd是信号的差分分量。如式 (2) 和式 (3) 所示
Vodd=Vdiff=V1-V2 (2)
类似的, 沿差分对传输的任意信号可以用偶模分量和奇模分量组合描述为
式中, Veven表示以偶模方式传输的电压分量, Vodd表示以奇模方式传输的电压分量, V1表示线1与公共返回路径间的信号, V2表示线2与公共返回路径间的信号。任何所加信号都可以用奇模电压分量和偶模电压分量的组合来描述。奇模电压分量和偶模电压分量在传输过程中相互独立。两个信号分量在每根信号线中会受到不同的阻抗, 所以会以不同的速度传输。
2 基于激光驱动器模型的高速电路板
2.1 高速激光驱动芯片
图1是SA2669芯片的测试电路板, 芯片SA2669是由中国科学院深圳先进技术研究院光电子研究室自主研发, 应用于甚短距离光互连系统的高速激光驱动芯片。此芯片采用传统的0.18 μm CMOS工艺, 激光器使用VCSEL阵列, 以降低光互连的成本, 实现驱动芯片与其他电路的单片集成。本研究是设计光电转换芯片, 实现高速低功耗的要求, 满足现在高性能计算机的大容量、高速、大传输量的要求, 提高高性能计算机的整体性能。此芯片设计的一个重要的挑战是在很短的上升和下降时间内传输几十mA的电流, 极短的跳变时间无疑是对信号完整性问题的考验。此测试电路由于布线间距大、串扰和电磁干扰问题得以缓解, 但是对于传输速度超过1 GHz/s的信号, 上升沿下降沿跳变速度过快的网络, 布线前后仿真分析也成了必要的设计组成部分。鉴于此网络的高速信号集中在差分传输线上, 故而信号完整性分析的重点是差分信号传输的质量。
2.2 拓扑结构的提取
图2是在Spectra Quest仿真界面里提取的芯片SA2669测试电路板图中一对差分线的拓扑结构。可以看到, 在该拓扑中已经包括了子板模型信息。母板上信号驱动方的缓冲器模型为从模型库中提取的 I/O 缓冲器模型, 接收端模型为自建立的芯片SA2669的IBIS模型, 此模型是利用I/V表和V/T表的形式描述芯片晶体管的行为特征。输入/输出缓冲器信息规范是一种基于V/I曲线的对I/O缓冲器快速准确建模的方法, 他提供了一种标准的文件格式来记录如驱动器输出阻抗、上升/下降时间及输出负载等参数, 非常适合做振铃 (Ringing) 和串扰 (Crosstalk) 等高频效应的计算与仿真。并且该模型是从表征晶体管特性的SPICE模型转换而来[3]。其中有损传输线的阻抗是随着仿真设置变化的, 随着仿真结果的不同将进行不断的调整。过孔模型为Spectra Quest系统内模型库提取的TIA模型, 其中的差分对线宽和间距设定均为7.7 mil, 满足阻抗和叠层设置要求。
3 信号完整性仿真
3.1 差分对的仿真
图4是在终端无端接并且没有考虑容性阻抗和感性阻抗的情况下输出的差分信号。此时的驱动频率为1 GHz/s, 由图4可以看出此差分输出信号出现振铃现象, 噪声幅度达到信号幅值的20%。故而当信号达到1 GHz/s的速度时, 端接阻抗已经不能再忽略, 反射现象是由于差分信号经差分对传播到了接收端, 终端的差分阻抗将会非常大, 这会使差分信号反射回原端, 这种多次反射将会产生噪声影响信号质量。此振铃的原因就在于差分信号在低阻抗的驱动端和高阻抗的信号线末端之间出现了多次反弹。消除此反射的方法就是在两条信号线的末端端接电阻来匹配差分阻抗, 这个阻值必须为
Rterm=Zdiff=2×Z0 (6)
其中, Rterm为端接电阻, Zdiff为差分阻抗, Z0为单根差分线阻抗。对差分信号来说, 如果信号线末端的端接电阻与差分对的阻抗相同, 就将会消除反射。对这个网络反射问题的解决方案为: (1) 调整传输线的特性阻抗, 使之接近芯片管脚输入阻抗, 预期设计差分对的单根传输阻抗为50 Ω, 如图3所示, 故而在此端接芯片管脚输入阻抗应该为100 Ω, 同时考虑寄生效应, 已包含在建立模型中; (2) 在系统控制器输出管脚增加端接电阻。实施了上述方案后, 再次对这个信号网络仿真, 输出结果出现了明显的好转, 如图5所示, 因为满足了阻抗匹配的要求, 减少了图3中的振铃现象。可见在信号速率为1 GHz/s时, 阻抗匹配已成为影响系统性能的重要因素之一。但是仿真结果中仍然存在的少许下冲, 可能归咎于传输线中理想电容器的影响, 电容阻抗越大, 负反射电压就越大, 从而接收端的下冲也就越大。
3.2 仿真设计的改进
根据仿真结果首先初步修改了部分PCB, 把原来设计的差分对布线由90°的拐角变成两个135°拐角, 如图1所示, 并且使用线宽固定的弧形拐角, 比有固定形状的走线效果好的多[4]。对差分对布线进行修改将直线拐点变为圆滑走线, 保证信号所经过的传输线阻抗连续。根据修改后的结果重新进行了仿真。图5为修改之后差分对输出信号, 可以看到, 在仿真结果的指导下, 并没有花费很大的代价, 结果却很显著, 消除了严重的反射和振铃现象, 虽然还有小幅的下冲现象存在但是已经不会对系统造成严重影响。当然, 这也与具体的布线空间有关, 可以看到部分布线相对稀疏, 文中修改效果比较好, 并且仍然还有进一步修改的空间。
4 结束语
对于差分信号的反射问题, 文中提出了修改方案。通过对该主板的再次仿真可以看到, 这些修改方案有着明显的作用。原有的过冲和振铃现象降低到了可忽略的程度, 在设计的越早期开始进行仿真, 发现问题后修改时的开销越小。为了设计出高性能的电路系统, 往往需要前仿真和后仿真进行紧密的结合。此仿真为后续的测试提供了参考, 避免了一些设计缺陷。
摘要:结合SA2669激光驱动芯片的测试系统进行仿真, 仿真并分析了基于IBIS模型的高速数据采集系统的信号完整性问题。发现并解决该测试系统的存在会影响到性能的反射、振铃问题, 提出了修改建议, 并取得良好的仿真结果。结果证明高速电路设计中采用基于信号完整性的仿真设计是必要的、可行的。
关键词:信号完整性,IBIS模型,过冲
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驱动芯片 篇8
LCD本身不发光, 它的亮度是内部背光源照在LCD上透射过来的光。目前, LCD的背光源主要有两种:CCFL (Cold cathode fluorescent lamps, 冷阴极荧光灯) 和LED (light-emitting diode, 发光二极管) 。CCFL是传统的LCD背光源, 技术非常成熟。近年来LED技术日新月异, LED在LCD背光应用方面得到了长足的发展。LED已经逐渐地取代了CCFL成为市面上液晶显示屏的主要背光源。虽然和CCFL相比, 目前LED的价格还比较高, 但是LED自身的优势使它逐渐成为主流背光:
1) 显色好, 采用LED三基色混合白光几乎可以模拟出太阳的色彩, 更接近自然地颜色, 而利用CCFL作背光, 其显色只能达到75%左右。
2) 寿命长, LED的寿命可以达到100 000 h, CCFL只能达到50 000 h左右。
3) 低压驱动, 每个LED的驱动电压只有3 V左右, 多个串联也只有几十伏, 而CCFL的驱动电压需要上千伏。
4) 抗振动性能好, LED是利用硅胶将芯片封在内部, 芯片不易损坏。
5) 绿色环保, LED中不含汞等有害金属, 更加环保。
当今的LED驱动技术主要分为两种:恒压驱动和恒流驱动。恒流驱动因为其突出的优点而得到了广泛应用。
1 LED驱动技术比较
目前LED的驱动技术主要有两种:恒压驱动、恒流驱动。恒压驱动的优点是电压恒定, 实现简单;恒流驱动的优点是有利于亮度控制。
LED是一种二极管, 其主要特性和普通二极管的特性相同。图1为LED的伏/安特性曲线。
从图1中可以看出, 当LED两端电压小于它的导通电压时, 通过LED的电流几乎为零, 而当LED两端的电压大于导通电压时, 电流迅速增大。
在LED正常工作时, LED的亮度与通过它的电流成正比, 与LED亮的时间成正比。
采用恒压方式驱动LED时, 由于在LED导通之后电压的微小变化会使通过LED的电流发生很大的改变, 控制起来比较困难。而且, LED的电流与电压的关系是非线性的, 无法达到线性控制。要想控制亮度, 只能通过PWM信号控制LED的点亮时间[2]。
采用恒流方式驱动LED时, 可通过控制LED的电流线性的控制LED的亮度, 也可以通过控制PWM信号线性的控制LED的亮度。
所以用恒流方式控制LED, 可以使LED的亮度调节更加精确、范围更大。
2 恒流控制芯片MC34844/A的简介
MC34844/A是Freescale公司生产的可以同时驱动10路LED的恒流驱动控制芯片。用户可以根据自己的需要将十路LED的驱动电流在芯片允许的范围内自由设定。可以设置十路LED的驱动电流相同, 也可以设置不同。十路LED中每一路的驱动电压也可以不同, 所以每一路的LED的个数也可以不同, 甚至可以每一路LED的种类不同, 都可以正常工作。
MC34844/A是一种工作在升压模式的恒流驱动控制芯片。输入电压为7.0~28 V, 输出电压可根据实际电路自动调节, 最高可升高至64 V。
MC34844/A的内部结构框图如图2所示。
LDO产生芯片工作所需要的VC1、VC2、VC3三组电压;
BOOST CONTROLLER根据外围电路的设置对BOOST电路进行实时控制;
CLOCK/PLL 产生内部工作所需的时钟信号;
PWM GENERATOR 产生10个通道的PWM信号;
I2C INTERFACE I2C通讯控制接口;
CURRENT DAC 进行电流控制;
TEMP/OPTO LOOP CONTROL 根据外围环境的温度进行电流调节的控制电路;
OVP 过压保护电路;
10 CHENNEL 50mA CURRENT MIRROR 10个通道中每个通道的电流控制电路[1];
3 MC34844/A在LED驱动中的应用
3.1MC34844/A驱动工作模式
根据实际驱动的LED的种类、LED的个数等各种实际情况, 可以使MC34844/A工作在多种不同的模式下。
1.Manual mode
当MC34844/A工作在Manual mode下, 其外围电路如图3所示。
此模式下, MC34844/A的10个通道的电流值相同, 每个通道的电流的I可以根据第19脚 (ISET) 与地之间的电阻R3计算出来。计算公式为:
I=255/R3
I单位为A, R3单位为Ω。
保护电压Vovp由电路中R1和R2确定
Vovp=6.5 (R1/R2+1) + (100-E6XR1)
Vovp单位为V, R1、R2单位为Ω
在Manual mode下, 由于R3是固定阻值的电阻, MC34844/A十个通道的电流已经确定, 只能通过芯片的第25脚 (PWM) 接收到的PWM信号进行亮度调节。MC34844/A 10个通道的PWM的占空比和芯片的第25脚接收到的PWM信号的占空比相同。此模式下, 亮度大最大调节范围是3 000∶1。
2.I2C mode
当MC34844/A工作在I2C mode下, 其外围电路如图4所示。
在I2C mode下, CPU通过I2C总线与MC34844/A进行通讯。将MC34844/A工作所需要的每个通道的电流Iregchn、芯片工作的PWM频率Fregpwm和PWM值Dregpwm、电路的保护电压Vregovp、芯片工作的BOOST频率Fregbst等参数存到MC34844/A相应的内存空间中。而电路工作时各实际参数要根据各寄存器中的寄存器参数计算出来。
和Manual mode不同, 通过MC34844/A第19脚 (ISET) 与地之间的电阻设置的只是10个通道的最大电流值, 而不是每个通道的实际电流值。实际的电流值要通过MC34844/A内部寄存器 (F0-F9) 所存储的数值来定。每个通道的电流In的计算公式为:
In=Dregchn/R3
Dregchn为对应通道寄存器的值
In 单位为A, R3 单位为Ω
PWM频率
Fpwm=19.2 MHz/Fregpwm
BOOST频率
Fbst=2Fregbst×150 MHz
芯片工作的保护电压Vovp根据表1确定。
MC34844/A内部寄存器为8位寄存器, 其电流和PWM都可以编程到256∶1, LED的亮度与电流和PWM都是成正比的, 所以理论上亮度调节可以达到65 535∶1。
3.2MC34844/A在LED驱动上的设计实例
图5是在实际应用中的MC34844/A的原理图。在芯片工作的过程中, 10路通道要输出几百甚至几万Hz频率的PWM信号, 在通道上经常会出现很多的干扰信号。这些干扰信号不仅影响了MC34844/A本身的正常工作, 有时还会对其它器件, 甚至是其他系统的正常运行产生干扰, 使LED的亮度不稳, 有时还会给LCD的视频信号带来纹波、雪花等干扰。在MC34844/A的10通道上加上150 pF的电容和100 kΩ电阻可以滤除杂波, 减少干扰, 提高系统的工作稳定性。
MC34844/A的PWM脚控制着SWA、SWB的工作状态。当PWM脚为高电平时, SWA、SWB开始工作, 电路开始升压, 在Vout输出电压升至一定值时, 就可以点亮LED;当PWM脚为低电平时, SWA、SWB停止工作, 升压电路也就停止工作, Vout输出电压和Vin输入电压基本相同, 不会点亮LED。电路中MC34844/A的PWM脚通过三极管拉到地, 在开机CPU还没有初始化完成时, CPU的管脚是高阻态, 通过上拉电阻使三极管的集电极为高电平, 三极管导通, 使MC34844/A的PWM脚拉到低电平, 就可以避免在开机CPU还没有正常工作时, MC34844/A工作在非正常状态, 可以提高系统的稳定性。
在本电路中, MC34844/A同时控制4种LED。4种LED的电压不同, 电流不同, 而且这4种LED还不是同时工作。在I2C mode下, MC34844/A可以同时对10个通道进行分别控制, 通过软件将控制4种LED的通道分别设置不同的电流, 在需要某通道LED点亮时, 就打开该通道, 如果熄灭这种LED时, 就关闭控制相应的通道。所有的控制只需要通过I2C总线修改MC34844/A内部的寄存器就可以实现。
在I2C mode下, MC34844/A几乎所有的参数和工作状态都是CPU通过I2C总线进行设置的。所以, CPU中的软件程序在MC34844/A的工作中起到了至关重要的作用。下面是开机时MC34844/A控制的部分软件代码。
在初始化程序中需要设置MC34844/A内部使能、设置I2C通讯模式、配置MC34844/A的PWM频率、BOOST频率、通道的开关、高压保护的电压值和开机时的默认PWM。如果初始化成功返回0, 如果初始化失败返回1。
由于MC34844/A在I2C mode下, 其通讯是单向的, MC34844/A只能接收数据, 而不能发送数据, 即CPU无法读取MC34844/A内部寄存器的值。所以CPU只有在向MC34844/A发送数据时, 从接收到的应答信号来判断MC34844/A是否配置正确, 而无法在事后判断是否将数据正确的写入MC34844/A的内部寄存器中。所以在对MC34844/A进行初始化时, 一定要接收MC34844/A返回的应答信号, 并判断是否正确。如果接收到正确的应答信号, 就认为MC34844/A初始化正确, 这时才可以打开MC34844/A的控制脚, 使其正常工作。否则, 如果无法接收到正确的应答信号, 则认为MC34844/A工作不正常或者MC34844/A与CPU之间的通讯有问题, 无论是出现那种问题, MC34844/A都没有正确的初始化, 其内部的参数可能是不对的, 都不能打开MC34844/A的控制脚。以防MC34844/A工作在非正常的状态下, 对芯片或系统造成损坏。
3.3MC34844/A设计注意事项
MC34844/A是一种集成很高的元器件, 其对PCB板要求也很高。图6是一个错误的布线示例, MC34844/A在这块板子上无法正常的工作。
从图6中可以看出, 这块板子是两层板, MC34844/A下面的焊盘仅通过一个很小的过孔与背面的地线相连, 背面的地线也是仅通过一个过孔和外部的电源地相连。从MC34844/A的外围电路的布局上看, 电感、二极管、电容的布局也不合理。从电感到MC34844/A的SWA、SWB脚之间的连线较长, 从二极管输出端到电容之间的线也较长, 而且仅通过一个过孔相连。这些都可能使芯片不能正常工作。
所以MC34844/A的布线一定要合理, 以下是MC34844/A的三点布线注意事项:
1) 必须要用4层以上的电路板, 在芯片下面要有整层的地, 地层与芯片底下的焊盘用过孔直接相连, 使芯片的热量可以由过孔迅速地传导电路板的地层上, 以保证芯片工作时温度不会过高。[3]
2) 芯片外围的电容、电感、二极管等要靠近芯片, 如图7中所示, 两条线路均为大电流的线路, 其所经过的线路的要做到线长最短、线宽最大, 并尽量能在同一层上。如果不能在同一层, 换层处要用多个过孔, 以保证电流通畅和消耗最小。
3) 芯片的控制信号要保护起来, 不能受到干扰, 否则会出现通讯错误, 使MC34844/A接收到错误的指令。执行错误的操作, 可能会对芯片或系统产生影响。
4 结 论
随着LED技术的进一步发展, LED已经成为LCD的主流背光源, 而LED的恒流驱动也是LED驱动的主流驱动方式。MC34844/A是一种专业的高性能LED恒流驱动芯片, 其对控制的要求比较高, 在硬件布线、软件控制等方面都需要精确控制。但其功能比较强大, 特别是在集成度很高的电路中有很好的发挥, 在电路的小型化上起到重要的作用。MC34844/A芯片的外围电路为升压电路, 电路中各种参数都要经过精确配置, 如果参数没有配置好就会产生很多干扰信号, 影响系统工作的稳定性, 在这方面还需要更深入的研究。
摘要:介绍了Freescale公司的10路LED恒流驱动芯片MC34844/A, 它可通过I2C/SM总线接口设置驱动电流和脉宽, 理论调亮比高达65000∶1。MC34844/A为LED背光提供了一种灵活的驱动方式, 主要用于中小尺寸液晶屏的LED背光驱动。文章给出了MC34844的应用实例, 并指出了应用注意事项。
关键词:发光二极管背光,恒流驱动
参考文献
[1]Freescale.MC34844-10 channel LED backlight driver withintegrated power supply[EB/OL].2009.04.http://www.freescale.com.
[2]王凤岩, 许建平, 贺明智.超高亮LED的驱动[J].电子工程世界, 2005, 8 (9) :43-48.
驱动芯片 篇9
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