要写好一篇逻辑清晰的论文,离不开文献资料的查阅，小编为大家找来了《硬件设计论文范文(精选3篇)》仅供参考，大家一起来看看吧。摘要：开门预警系统可以在停车状态即将开启车门时，监测车辆后方可能危及到安全的状况，并通过声音或光学方式给予报警，从而避免可能发生的安全事故。系统检测的对象包括自行车、电瓶车、三轮车、摩托车等非机动车辆，卡车、轿车、大巴等机动车辆，行人及其它移动的可能危及交通安全的对象，有效避免一些开门事故。
第一篇：硬件设计论文范文
光纤断点故障检测仪的硬件设计
【摘要】介绍一种光纤故障检测仪的电路设计方法，采用Altera公司的FPGA作为主控制器及运算处理器，在FPGA内嵌入Nios II软核处理器，充分发挥FPGA的灵活应用特性。论述检测仪的设计原理，软硬件设计过程及测量结果。本测量系统具有测量精度高，性价比高，系统稳定可靠等特点。
【关键词】光纤通信;故障定位;低功耗;FPGA
1.引言
随着光纤通信的快速发展，光纤系统测试设备的需求也在逐渐增长，尤其是光纤故障检测仪和OTDR(光时域反射仪)的需求会大量增加，原因是由于光纤故障检测仪和OTDR能够对光纤进行非破坏性测量，测量方便。OTDR具有优越的性能，也存在缺陷，该设备对使用人员的技能要求比较高、结果分析复杂、价格昂贵，进口设备价格一般在3万元以上。考虑到仪器设备的性价比问题，本文通过研究光时域反射测量仪器的工作原理，研制一台光纤故障检测仪，使其具有测量光纤长度的功能，可以对光纤断裂点进行故障定位，具有测量距离长，测量精度高的优势，性价比较高，可以满足一般应用需要，如光纤的生产，光纤布线施工维护等，能够在市场上形成一定的竞争优势。
在现代光纤信号传输应用领域中，光纤断点故障定位检测仪是非常重要测量仪器之一，通过光纤故障的测量可以快速找到通信故障断点，加快维修速度，节省维护成本。手持光纤故障检测仪作为光通信系统施工和维护中最常用手持仪表，被广泛使用。因此要求系统耗电量低、故障定位准确、价格便宜，性能良好。
2.设计理论依据
光纤故障检测仪的设计原理是利用光在光纤中的后向传播特性。光在光纤中传输信号时，由于光纤本身原因会发生瑞利散射、菲涅尔反射、喇曼散射和布里渊散射等光学现象。因为光纤在制造中材料不均匀，内部会有一些微小的颗粒，或者光纤内部有些缺陷，光在光纤中传播遇到内部颗粒杂质时就会无规律地向各方向反射，一小部分光沿相反的方向被反射回到信号入口处，而大部分被散射到其他方向，没有回到入口，由此造成光信号的强度减弱以及产生向反方向的散射，这也叫瑞利散射。
还有一种重要的光反射的叫菲涅尔反射，属于离散的光反射信号，是由光纤线路中某些点引起的反射，如光纤链接点，断裂点，光纤末端等，当光信号遇到传播介质的折射率突然发生变化时(如从玻璃到空气)，就会有比较强的光信号被反射回去。这种光的反射功率比瑞利散射的光强度大几百倍以上，比较容易探测到，光纤断点故障检测仪就是利用菲涅尔反射的原理进行设计，对反射信号进行接收放大比较，经过处理即可得出故障点的位置所在。
当光线的反射率剧烈改变时(如从玻璃进入空气中)，较多的光线会被反射回去，造成菲涅耳反射，它可能比瑞利背向散射强数千倍。菲涅耳反射在OTDR轨迹中表示为尖状突起，是一种不连续的反射。发生此类反射的地方包括连接器、机械熔接点、法兰盘、光纤断裂或连接器断开。如图1所示为各种菲涅尔反射图。
3.系统电路设计
光纤故障检测仪通过发射光脉冲信号到光纤内，需要先将电信号转变成光信号，经过光信号定向耦合器把光信号发射到光纤中，光纤反射后来的信号经过光纤耦合器后，由光电接收器把光信号转变成电信号，然后进过放大电路和信号调理电路，经过微控制器计算处理，得出相应的测量数据。其系统原理框图如图2所示。
光纤故障检测仪的硬件电路设计主要包括光电转换、I/V变换、程控放大、FPGA数据处理、按键管理以及LCD液晶显示等部分。反射光经过光探测器(PIN)转变为光电流，再经I/V变换电路和程控放大电路得到电压信号。然后把这个信号送到比较器进行整形，得到表示断点故障的脉冲信号，由控制器进行数据处理后，将数据送入LCD显示，使用按键进行相应的功能设置。
3.1 主控制器的选择
光纤故障诊断仪采用FPGA作为核心处理器，型号为EP2C5T144C8，它是Altera公司推出的CYCLONE Ⅱ系列芯片，CYCLONE Ⅱ系列芯片可以说是目前市场上性价比较高的芯片，比第一代的EP1C6或者EP1C12等芯片设计上、内部的逻辑资源上都有很大的改进，同时价格也比较低，可以让开发者接受。
配置下载电路：下载程序使用JTAG接口电路，为了使电路掉电后程序不丢失，采用EPCS4配置芯片，具有4Mbit容量，由于系统要运行NIOS系统，程序可以存储在配置芯片中，节省了FLASH存储器，因为EPCS4是串行接口，因此还节省了I/O口的使用。JTAG接口可以下载SOF文件，而要把程序下载到EPCS4中，则可以把下载文件转换为JIC文件格式，这样就可以用JTAG口下载到配置芯片中了，省掉了ASP接口电路。
3.2 光电二极管接收电路设计
OPA656是FET输入级的运算放大器，宽带单位增益稳定，输入偏置电流低，只有2PA，且偏置电压低，输出电流大，低噪声，具有高速及高阻抗的运放特性，因此这款运放特别适合用在光电二级管前级放大电路中。激光探测器D3具有高速响应反射光信号，当有光信号进入探测器，则探测器把光信号转换为电流信号I，经过由OPA656构成的电流到电压转换电路后得到电压信号VOUT。电路如图3所示。
光纤背向反射光电流比较微弱，并且往往混合在噪声之中，因此，采用前置放大电路对微弱信号进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并且采用二级放大电路将微弱信号放大到后续高速比较器所需要的电压幅度。二级放大运算放大器采用OPA2836设计的同向放大器电路，其工作带宽达到200MHz，满足本设计要求。
3.3 脉冲激光器驱动电路的设计
采用MAX3735作为激光脉冲驱动芯片，采用该芯片设计可以实现10ns、30ns、80ns、150ns等各种宽度的脉冲激光信号。MAX3735工作电压为3.3V，适用于155Mbps到2.7Gbps的SFP/SFF系统。MAX3735可以和激光器进行直流耦合使用，可以满足多种工作速率的应用场合，该芯片外围设计电路简单，使用元件较少。如图4所示为驱动电路产生的100ns脉冲驱动信号用示波器观察的波形图。
3.4 比较器电路模块设计
在光纤故障测量时，菲涅尔反射信号经过放大调理后需要经过比较器电路，经比较器出来的信号送到FPGA进行检测处理。为了测量准确，使得测量盲区尽可能小，所以比较器的选择比较重要，比较器的传输延时尽可能小，比较速度尽可能快，因此本设计选择ADI模拟器件公司的ADCMP600比较器。
3.5 电源模块
电源是电子设备中必不可少的一部分，系统电源采用锂电池供电，电量用完后可以充电继续使用，使用方便。电路中使用AMS1117型号电源芯片作为3.3V和1.2V稳压芯片，给整个系统供电稳定的工作电压。
4.测量故障点算法
故障点测量采用两点法，将受测光纤与尾纤一端相接，尾纤一端连到仪器上，调整出显示尾纤和受测光纤的后向散射峰。A为第一个菲涅尔反射峰前沿，B为第二个菲涅尔反射峰前沿，AB之间的相对距离差就为被测光纤长度。其曲线见图5。
光纤故障检测仪重复向光纤发送脉冲，将每个脉冲的结果进行平均。这样做的目的是通过多次平均来降低接收器的随机噪声对测试结果产生的影响。较长的测量时间可以降低光纤故障检测仪固有噪声并提高动态范围。测量结果如表1。
5.结论
通过对光纤故障检测仪测试表明，采用FPGA作为主控芯片，对硬件进行优化设计，并对软件做适当的算法处理的光纤故障检测仪，具有测量准确、功耗低、成本低等优点。光纤故障检测仪的测量空间分辨率达到2米，数据显示精度为1米，可测量光纤长度达到35千米，具有自动测量功能。功能参数基本达到实用仪器的水平。
参考文献
[1]张明德.光纤通信原理与系统[M].南京：东南大学出版社，2003，9.
[2]陈常洪.OTDR事件检测方法研究[D].华北电力大学，2005，12.
[3]夏宇闻.Verilog HDL数字系统设计教程[M].北京航空航天大学出版，2003，7.
[4]梁爽，王怀江.OTDR事件分析和故障判断的研究与实现[J].光通信技术，2007(1).
[5]闰继送.高性能微型光时域反射计技术研究[D].合肥工业大学，2006.
作者简介：李德明(1983—)，男，广西桂林人，桂林电子科技大学信息科技学院讲师，主要研究方向：自动测试总线与系统、电路系统的EDA技术。
作者：李德明
第二篇：开门预警（DOW）系统硬件设计
摘 要：开门预警系统可以在停车状态即将开启车门时，监测车辆后方可能危及到安全的状况，并通过声音或光学方式给予报警， 从而避免可能发生的安全事故。系统检测的对象包括自行车、电瓶车、三轮车、摩托车等非机动车辆， 卡车、轿车、大巴等机动车辆，行人及其它移动的可能危及交通安全的对象，有效避免一些开门事故。
关键词：开门预警；系统；设计
1、系统用途和主要功能指标
1.1、系统用途
DOW硬件系统主要用于配合CW毫米波雷达前端，实现开门警示功能，具体包括采集相关开关信号，对CW雷达返回的I，Q信号进行处理，实现区域范围内目标有无探测，速度探测和运动趋势探测。系统能够实现视觉和声觉报警功能。
1.2、功能指标
本控制器用于实现CW毫米波雷达系统的后端处理其中包括：1）对毫米波雷达前端输出的I，Q中频信号进行处理，高速A/D转换以及DSP信号处理，输出所探测区域的有效目标的存在、速度和运动趋势（方向）信息。
具体功能技术指标如下：
1）2路（模拟）中频回波信号处理电路。（模拟中频信号的处理）
2）2路ADC高速模数转换电路。（实现A/D转换）
3）DSP系统数字信号处理电路。（对数字化后的中频信号进行算法处理得到中频信号的频率参数）
4）开关量信号采集：包括车速信号、倒车开关信号、前后车门开关、点火开关信号的采集。
5）整车熄火后，系统延时关闭，满足漏电流要求。
6）输出驱动控制电路：包括视觉报警LED指示灯和蜂鸣器声觉报警控制电路。
7）I，Q中频信号相位识别电路。（硬件实现方向判别）。
1.2.1、输入信号
1）雷达中频接收信号：IF。信号类型：发射信号和接收信号经过混频放大后的中频信号。
2）12V车速脉冲信号，本电路电阻上拉。
3）12V倒车灯电平信号，本电路电阻下拉。
4）12V点火开关电平信号，本电路电阻上拉。
5）2路12V车门电平信号，本电路电阻上拉。
1.2.2、输出信号
1）12V或者5V蜂鸣器驱动PWM控制电路。
2）12V或者5V视觉报警LED指示灯PWM电源输出电路。
2、电源设计及功耗计算
2.1、系统各元件功耗以及电源芯片最大电流见表1所示。
合计总电流为200mA，12V供电，故保险丝只要大于1A即可。12V转5V采用LDO线性电源。
2.2、模块电路选型
电源模块是否是院内成熟电路模块，是不需要说明。
电源模块选用成熟的电源模块。中频信号处理电路和波形发生部分电路均为新设计的电路。
3、ROW系统后端硬件系统详细设计
要求如下：
1）、如果用院内成熟模块，则不需要过多说明。
2）、如果是新设计方案，必须有详细的计算过程文档，3.1即是计算过程
3）、对于选用的IC要阐明器件参数选择的依据。
4）、设计报告里面—对于新方案，在实现同等技术指标条件下，必须进行至少2种方案的比对，并写进报告。
本系统所有元件选型均经过了对比分析，综合考虑同时参考竞品，确定所用元器件如下，每種元器件均为目前主推量产器件。
3.1、新设计方案，详细计算过程。
本系统主要包含5V，3.3V，1.25V三种电源，本系统电源从电池取得，经过一个系统手动开启或者关闭按钮开关，再经过一个由P-MOS构成的整车熄火延时关闭电路。
12V电源入口处加TVS用于抑制瞬间干扰脉冲。增加电容用于消除高频干扰信号，增加二极管用于防反接，增加保险丝用于系统电源短路保护，增加共模电感用于抑制共模干扰。
TVS选用SMBJ24CA，参数关断电压VBR：26.7～29.5V VWM：24V钳位电压VCL：38.9V。主要是针对电源线5个脉冲干扰抑制。用于保护LM317BD2TG （输入电压范围0～40V）。
3.1.1、5V供电：
器件选LM317BD2TG，封装D2PAK-3，生产商安森美，网站单价$0.46。负载调整率（Load Regulation）为0.1～0.5%（5～25mV/5V）
供电范围9-16V，DC5V输出电流0.2A，LDO效率按70%计算。LDO功率为（16-0.8*3-5）V*0.2A/0.7=2.5W。根据元件Spec，当器件散热面积大于（15mm）2时，额定功率将大于2.5W。
3.1.2、3.3V供电：
器件选NCV1117DT33T5G，封装DPAK，生产商安森美，网站单价$0.12。负载调整率（Load Regulation）为0.2～0.4%（4.3～10mV/3.3V）
输入电压DC5V，输出电流0.2A，LDO效率按70%计算。器件功率为（5-3.3）V*0.2A/0.7=0.49W，根据元件Spec，器件额定功率1.2V*0.8A=0.96W，可满足功率要求。
3.1.3、1.25V供电：
器件选NCV1117STAT3G，封装SOT-223，生产商安森美。
输入电压DC3.3V，输出电流0.06A，LDO效率按70%计算。器件功率为（3.3-1.25）V*0.06A/0.7=0.18W，根据元件Spec，器件额定功率0.6W，可满足功率要求。
3.2电源电路设计
3.2.1 LM317电源电路设计
LM317输入电压范围0～40V，最大输出电流1.5A，输出电压可调。、
3.2.2 NCV1117电源电路设计
NCV1117输入电压范围0V～6.5V，最大输出电流1A，满足系统最大230mA的电流需求。3.3V电路中芯片封装为DPAK，固定3.3V输出；1.25V电路中为SOT-223封装，可调电压输出。
3.3、DSC及外围接口电路设计
3.3.1、DSC系统电源电路设计
DSP系统外围接口电路供电电压3.3V，内核供电电压1.25V。TAB接地，系统电源电路原理图如图1所示。
3.3.2、DSC系统JTAG接口电路设计
JTAG电路原理图如图2所示。
3.3.3、DSP系统外部时钟接口电路设计
该DSP内部内置有振荡电路，支持有源晶振和无源晶体两种方式提供时钟。
3.3.4、DSC系统SPI外扩FLASH接口电路设计
该DSP提供SPI接口引导加载运行代码。通过BMODE2，1，0引脚进行配置。配置为010，从SPI1以Master方式启动。
3.4、输入/输出接口电路设计
3.4.1、输入接口电路设计
5路开关信号采集电路如图4所示。
输入开关信号可以采用价格合理的比较器实现隔离和滤波的作用，四通道比较器NCV2901DG，价格约$0.1733，约1.2元。共计5路开关信号，采用2个比较器，再加入口电容，分压电阻，RC滤波即可。和采用分压、稳压限流的方案相比，虽然高点，但是采用比较器可以起到隔离和滤波的作用，对MCU起保护作用。为了防止瞬间过高电压损坏比较器在入口位置增加了TVS和磁珠（EMC考虑）。
鉴于此处为12V开关信号，电流要求很小，所以将前面加TVS和磁珠的方案变更为先47K电阻分压，电流很小后，通过稳压管UDZS 18B，成本约0.1元实现对运放的保护和瞬间干扰信号的滤除。
3.4.2、输出接口电路设计
蜂鸣器采用12V直流供电的较便宜的无源蜂鸣器实现，板外给蜂鸣器并联续流二极管，通过PWM控制P-MOS PWM驱动蜂鸣器发声。LED报警灯则板端输出12V电源，给LED供电，通过板内的P-MOS实现控制。这样的输出结构使得接线简单，LED及蜂鸣器的另一端直接搭铁接地。
3.5、中频信号调理电路设计
IPM265 CW雷达前端模块的中频信号频率范围：1HZ～500HZ。中频信号的频率的影响因素包括调制信号的调谐斜率、调频周期以及由于距离和多谱勒效应引起的频率变化等。
中频信号经过2级带通放大器進行滤波放大后，经过2路LAN把单端单极性信号变为差分信号，输入到ADC7266。ADC7266内置2个AD转换模块。
3.6、相位识别电路设计
中频返回信号I，Q相位相差180度。假如返回的是单目标的中频回波信号。通过判别某一时刻相位的前后顺序，通过识别电路。最终输出I/O 3.3V的电平信号。
4、结束语
当今社会汽车的拥有量越来越大，停车开门下客时往往遇有后方自行车或其他车辆突然擦车而过，造成撞击车门或撞伤甚至压死人员的交通事故，本文讲述的开门预警（DOW）系统能有效避免一些开门事故，减少一些安全事故，但是同时也要不断改进使其更佳。
作者：张绍山
第三篇：光通信中高速音频采集系统硬件设计
摘 要：本文应用数字复用的相关技术，根据无线激光通信系统的基本原理，给出了光通信中高速采集数字音频信号系统的设计方案。
关键词：光通信 音频采集 时分复用
在通信系统运行时，为了扩大传输容量和提高传输效率，就需要把若干中低速数字信号合并成为一个高速数字信号以便在高速信道中传输，传到对方后再分离还原为各个中低速数字信号。数字复用就是实现两个或两个以上的分支数字信号按时分复用方式汇接成为单一的复合数字信号，这个过程则为数字复用。本系统就是应用数字复用相关技术实现这种多路大容量数字信号的采集与传输。
1 高速音频采集与恢复系统的总体设计
本设计采用了对音频数据流先时分复用的以面积换取速度的设计思路实现了最高达600Mb/s的处理能力。整个系统的硬件结构如图1所示。
该系统可完成语音信息的采集与传送。信源是所传递信息的产生地，信号可能是模拟的，也可能是数字的。信源编码器负责把信源发出的信息转换成数字形式的信息序列。主要包括模拟/数字(A/D)变换和压缩编码处理，用于提高系统的有效性。编码后的信号加载到调制器上，调制器的激励电流就随信号的变化规律而变化;通过激光器调制、驱动电路对激光器进行直接光强度调制后，驱动半导体激光器发光;最后经过光學天线变换成发散角很小的己调光束向空间发射出去。本文主要介绍音频的采集与激光传输部分。
1.1 系统设计原理及实现
以CPLD产品之一EPM240T100C5为控制核心，控制模/数转换电路，可完成32位高速同步A/D转换。图2为A/D转换电路相关的系统外围电路框图。外部模拟输入通过调理电路后，CPLD控制多路切换器选通某一路信号送入A/D转换器转换部分，并/串转换部分采用HDMP1023芯片。
1.1.1 A/D模块
本模块用到了音频功率放大芯片LM353芯片对音频信号做输入放大。系统采用CS5340CZZ音频A/D转换芯片。该芯片可执行采样，模/数转换和抗混叠滤波功能。音频左右声道输入信号通过LM353放大电路放大后进入到CS5340CZZ芯片中进行模数转换。CS5340CZZ通过4号、8号、7号与2号引脚主时钟(MCLK)，系统时钟(SCLK)，音频左右通道时钟(LRCK)和音频数据(SDOUT)给CPLD进行数据的串行输入。CS5340CZZ的电路图如图2所示。
对于有效数据位数数N可采用下列公式计算：
其中，SINAD代表信号噪声失真比。
在某一结构下的A/D有效分效率可用以下两种不同单位来表示：bitrms和microvoltsrms。它们可从转换输出数据直接计算出来，可以由给定的转换结果经静态计算出来。知道了其中一个，另一个可用下列公式来计算：
1.1.2 CPLD和并/串转换模块
CPLD选用的是EPM240T100C5，该芯片有240个逻辑单元，动态功耗较低，资源比较丰富100个可用I/O引脚，支持高达300 MHz的内部时钟，具有实时在系统可编程能力，很好的满足了设计的需要。串/并转换传输通过HDMP1032芯片完成。HDMP1032芯片可实现高速数据链路的点对点通信。
复接的实现方法：A/D模块电路将四路音频信号、RS422串口信号分别经过音频放大电路，A/D转换和RS422串口电平转换电路进行A/D转化和电平转换成能够被系统处理的数字信号，然后共同通过CPLD，根据协议按顺序发给HDMP1032进行并/串转换复用处理，HDMP1032内部的锁相环(PLL)和时钟发生器用来产生发射芯片工作所需要的全部内部时钟。通过所需的并行码率设置控制信号TXDIV1/0的选择，PLL锁住TXCLK输入的时钟，锁相完成后，芯片开始接收并行码率在TXDIV1/0设定范围内的信号。又根据控制位的状态，决定信号类型、进行编码复用、串行输出形成一路高速数字差分信号进行传输。
1.2 音频数据传输
音频信号经过采集，编码后为基带信号，对基带数据进行调制。调制后的数据以高速率发送给激光器，驱动电路对激光器进行直接光强度调制后，驱动半导体激光器发光;最后经过光学天线变换成发散角很小的己调光束向空间发射出去。
2 系统仿真
先对各支路信号进行存储后再进行复接，其关键在于复接时序的控制。S0，S1，S2，S3分别表示四路音频信号，按照总线时分复用的原理，复接成为1路信号fujiout输出。仿真结果如图3。
3 结语
本文介绍了一种基于CPLD与复用技术的高速音频数据采集与传输系统的设计方案。高速音频数据采集系统在雷达、通信、电子对抗、航天测量、图像、多媒体等多种领域有着广泛的应用，而且应用背景对高速音频数据采集系统的通过速率提出了越来越高的要求，为了更好地发挥其性能，开发基于数字复用技术的高速音频数据采集系统满足对不断发展的高速音频数据采集系统要求，是当今音频数据采集领域的发展趋势。
参考文献
[1] 赵同刚，高英，周鑫，等.模拟数字信号光纤传输系统的实现[J].半导体光电，2010(2)：126-128.
[2] 王佳.激光通信中传输音-视频信号的技术研究[D].长春理工大学，2010.
[3] 孙玉.数字复接技术[M].北京：人民邮电出版社.
作者：徐洁 李洪祚