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關鍵詞:EDA仿真;負載能力;擴流設計;仿真對比驗證
中圖分類號:TN702文獻標識碼:A
文章編號:1004-373X(2009)19-199-02
Research and Application of IC Test Instrument Power Circuit Simulation Design
SUN Chengting,ZHU Chunjiang
(Lianyungang Technical College,Lianyungang,222006,China)
Abstract:According to the problems of certain lab IC test instrument not being perfect on power circuit design and the system halted or restoration not being unusual on lower load capacity,the power circuit design and current-amplification circuit are being improved based on the original circuit,the contrastive verificafion is used for improving circuit with EDA simulation technique,and the problem in practical application is also solved.
Keywords:EDA simulation;load capacity;current-amplification design;simulation contrast verification
0 引 言
集成電路測試儀可用來測量集成電路的好壞,在電子實驗室中應用廣泛。在實際使用中,發(fā)現(xiàn)部分廠家生產(chǎn)的測試儀存在一些問題,如電網(wǎng)電壓波動或負載加重后容易出現(xiàn)死機或復位不正?，F(xiàn)象,這對實驗進程和實驗室管理有很大影響,也是困擾實驗指導老師的常見問題,必須予以解決。本文通過某一種測試儀電源電路的改進的試驗,會給實驗室管理者以借鑒。
在電路設計中用到EDA(Electronics Design Automation,電子設計自動化)技術。在進行電路改進前,從電路參數(shù)設計,電路功能仿真驗證等都在計算機上先用EDA軟件完成,不但縮短了電路設計時間,而且大大地節(jié)約了成本。
EDA 技術是隨著集成電路和計算機技術的飛速發(fā)展應運而生的一種高級、快速、有效的電子設計自動化工具。它經(jīng)歷了計算機輔助設計(Computer Assist Design,CAD)、計算機輔助工程設計(Computer Assist Engineering Design,CAE)和電子設計自動化(Electronic Design Automation,EDA)三個發(fā)展階段[1]。利用EDA技術進行電子系統(tǒng)的設計,具有以下幾個特點[2]:用軟件的方式設計硬件;用軟件方式設計的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關的開發(fā)軟件自動完成的;對設計電路功能是否正確可進行仿真分析。
目前流行的EDA軟件有Protel 99 SE,EWB,Multisim,PSpice等幾種[3]。本文運用Protell 99 SE 中的Advanced SIM 99仿真功能對所改進的電路進行仿真和應用。
1 EDA仿真在測試儀電源電路設計中的應用
學校電工電子實驗室有多臺LM-800C數(shù)字集成電路測試儀,在使用中有時會出現(xiàn)死機,復位不正?，F(xiàn)象。通過研究,發(fā)現(xiàn)電源電路存在問題:電源擴展能力差,帶負載能力弱。筆者根據(jù)其PCB(Printed Circuit Board,印制電路板)繪制出其電源電路原理圖,如圖1所示。
圖1 LM-800C數(shù)字集成電路測試儀電源電路圖
圖1中,78M05為5 V三端穩(wěn)壓器[4],RL為測試儀負載,實際上是待測集成電路。
限于篇幅,只繪制主要部分,電源線路濾波器在圖中未畫出。通過研究,發(fā)現(xiàn)電源電路存在問題:電源擴展能力差,帶負載能力不強,有時會出現(xiàn)死機、無法復位現(xiàn)象。通過對其電源電路的改進,增加了擴流電路,從而解決了實際使用中存在的問題。
1.1測試儀電源電路的擴流設計
為了節(jié)約成本,不能對原來電路進行全新設計,只能在原來電源電路基礎上,通過增加部分電路來增強其帶負載能力。
改進中需要考慮的問題[5]:
(1) 選擇合適的濾波電容。電源輸出直流電壓要穩(wěn)定,紋波小。
(2) 增加了擴流電路,當電源電壓不穩(wěn)定或測試系統(tǒng)負載增大時,電源帶負載能力強,輸出電壓穩(wěn)定。
圖2為經(jīng)過改進的帶擴流功能的電路,帶負載能力較強,能擴大電路的輸出電流。Q1為外接擴流功率三極管,R1為Q1的偏置電阻。該電路帶負載能力與Q1的參數(shù)有關。C1,C4為濾波電容,C2為0.33 μF,可抵消輸入接線的電感效應,C3可防止高頻自激,消除高頻噪聲,改善負載的瞬態(tài)響應[6,7]。
圖2 帶擴流功能的電路
電源電路擴展輸出電流的工作原理:
二極管D1用于消除三極管Q1的發(fā)射結(jié)Ube對輸出電壓的影響(相當于發(fā)射結(jié)的導通電壓0.7 V),并提供電容C4的放電回路。設三端穩(wěn)壓器78M05的最大輸出電流為Imax,則晶體管的最大基極電流Ib=Imax-IRL,因而負載RL上電流的最大值I可表示為:
I=(1+β)(Imax- IRL)
一般三極管的基極電流Ib很小,與Imax相比可忽略不計,I比Imax大許多,可見輸出電流提高了,從而可提高電源的帶負載能力。
1.2 兩種電路帶負載能力的仿真對比驗證
可用Protell 99 Advanced SIM 99[6,7]對原電路(圖1)和改進后的電路(圖2)進行仿真分析,以驗證二者的帶負載能力。
(1) 仿真參數(shù)設置
首先進行仿真參數(shù)設置,進行瞬態(tài)分析與傅里葉分析[8,9],仿真參數(shù)設置對話框如圖3所示。
圖3 仿真參數(shù)設置對話框
為了突出顯示,顯示器上只顯示兩個波形,其中in為輸入端,out為輸出端。
(2) 仿真波形對比分析
用Protell 99 Advanced SIM 99對圖1所示電路進行仿真,發(fā)現(xiàn)當負載變重,超過78M05最大輸出電流(0.7 A)時[10],將使輸出電壓的紋波增大,輸出電壓(out)下降且不穩(wěn)定,out波形有明顯的波動,5 V下降為4 V左右,且輸出(out)波形不平滑,紋波大。負載變重后的仿真波形如圖4所示。
圖4 負載變重后的波形
為了增大電源的帶負載能力,在原電路的基礎上加擴展電流三極管Q1后,帶同樣的負載,輸出電壓很穩(wěn)定(5 V),仿真波形如圖5所示。
圖5 加擴流三極管后仿真波形
從輸出波形(out)可以看出,電壓很穩(wěn)定,沒有紋波。
1.3 設計電路的應用效果
經(jīng)改進后的電源電路,在實驗室的實際使用中,再未發(fā)現(xiàn)死機或不能正常復位現(xiàn)象,證明通過EDA仿真所設計的電路在使用中獲得成功。
2 結(jié) 語
用EDA仿真技術能方便電路設計,并可驗證電路
設計的正確性。通過對兩種電路的仿真對比,說明改進后電源電路帶負載能力強,這在實際使用中得到驗證。
參考文獻
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1醫(yī)療健康領域的需求現(xiàn)狀
在醫(yī)療健康領域,關注的熱點正在漸漸從最基本的疾病產(chǎn)業(yè)向保健產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變。這二者都是以健康服務為最終目的,但是前者主要是有針對性的“對癥下藥”,而后者則更傾向于為一般消費者提供更全面的保健解決方案。
美國著名經(jīng)濟學家保羅?皮爾澤(Paul Zane Pilzer)曾是花旗銀行最年輕的副總裁并出任布什、克林頓兩任總統(tǒng)的經(jīng)濟顧問,在他的《財富第五波》一書中指出:二十一世紀人類面臨嚴重飲食失衡,卻人人希望更健康、抗老化,預防勝于治療,從而開啟保健產(chǎn)業(yè)的兆億商機。這是繼第四波網(wǎng)絡革命后的明星產(chǎn)業(yè),相比疾病產(chǎn)業(yè)的被動性,保健事業(yè)是主動積極的產(chǎn)業(yè)。
世界衛(wèi)生組織(WHO)在2008年10月公開的一份檔案中提到:人口老齡化助長癌癥和心臟病病例上升;心血管疾病是全世界主要的死亡原因,聽力喪失、視力問題和精神障礙是最常見的殘疾原因。
龐大的老齡化群體和慢性疾病患者等群體的現(xiàn)狀(換言之,是社會需求和市場需求的現(xiàn)狀)使得疾病產(chǎn)業(yè)、保健產(chǎn)業(yè)中亟需發(fā)展應用新的技術和產(chǎn)品。
2.1 世界人口老齡化,對醫(yī)療護理產(chǎn)品提出了更高的要求。
隨著醫(yī)療水平的提高,世界平均人口壽命增加,世界和中國都面臨著人口結(jié)構(gòu)老齡化的問題。如根據(jù)聯(lián)合國經(jīng)濟社會部的研究數(shù)據(jù)(如圖 1),到2050年世界60歲以上的老年人將達20億,約占世界總?cè)丝诘?/3,其中有79%生活在發(fā)展中國家;而中國國家人口發(fā)展戰(zhàn)略研究報告也指出,我國在2007年老齡人口為1.43億,占人口比重的11%,但是在2040年左右,這個數(shù)字將達到4.3億,占全國人口的30%。這些數(shù)字意味著屆時每4個人中將有1~2名老年人,同時也表明針對老年人護理的配套設施將會有很大需求。
近幾年來,中國社會老齡化趨勢日益明顯,也引起了各有關方面的關注?！叭丝诶淆g化將伴隨21世紀始終”。我國現(xiàn)在雖然還處于勞動力黃金時期,但60歲以上人口超過14%,65歲以上人口超過10%,按照國際社會標準,已經(jīng)跨進了老齡化社會的門檻。老齡化問題將從多方面給中國社會帶來巨大壓力和挑戰(zhàn),同時也會帶來新的機遇,其中最大的機遇就是老年人群消費所帶來的“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”發(fā)展。
我國老齡化的趨勢及特點如下:
(1)老齡化速度快于全國總?cè)丝谠鲩L速度;
(2)我國老齡化速度快于世界老齡化速度;
(3)我國老齡化速度快于經(jīng)濟發(fā)展速度,呈現(xiàn)了“未富先老”的特征;
(4)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)率先進入老齡化;
(5)老年人生活質(zhì)量有所提高;
在目前我國經(jīng)濟發(fā)展水平尚處于世界中下水平時,老齡化程度卻己進入了發(fā)達國家的行列。老齡化的加速對經(jīng)濟社會都將產(chǎn)生巨大的壓力。
老人占全球人口的比例越來越高,這助長了與年齡有關的慢性病增加,在發(fā)展中國家尤其如此。在世界各地,護理人員、衛(wèi)生系統(tǒng)乃至整個社會均需作好準備,應付老人持續(xù)增長的需求。
1.2疾病特別是慢性病的威脅和困擾日益擴大化,以及家用保健產(chǎn)品需求的加強,對醫(yī)療保健產(chǎn)品的便攜程度提出了更高的要求。
隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高,對一些多發(fā)性的慢性疾病、殘疾障礙、以及神經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療需求越來越迫切。
心血管疾病是全世界主要的死亡原因,主要是心臟和血管疾病,可造成心臟病和中風。通過健康飲食、經(jīng)常性身體活動和避免使用煙草,可預防80%以上的心臟病和中風,而為了進一步減少威脅,這些病往往還需要長期的、經(jīng)常性的檢查和治療。
最常見的殘疾原因中如聽力喪失、視力問題和精神障礙等,其中許多障礙是容易通過電刺激設備進行輔助治療的(例如聽力喪失和白內(nèi)障)。這些疾患的總體罹患率較高,需要改善獲得治療的機會和方法,改善患者的生活質(zhì)量,使人們過上有意義的生活。
另外,神經(jīng)功能失調(diào)是一大類神經(jīng)系統(tǒng)疾病,高發(fā)病率而且重癥的帕金森病等運動障礙疾病、癲癇、頑固性疼痛等,導致病人明顯殘障,造成巨大的經(jīng)濟和社會負擔。傳統(tǒng)上,神經(jīng)功能失調(diào)疾病的治療有藥物方法和外科手術毀損方法。但是長期服用藥物副作用多且難以避免,而由于腦和神經(jīng)的復雜性和人類認識的局限性,不可逆的手術毀損具有不可預知的惡性后果。
進入21世紀后,隨著生活質(zhì)量的提高,人們健康意識也普遍增強。特別是在醫(yī)院內(nèi)“一次性治愈”目標很難實現(xiàn)的階段下,新的產(chǎn)業(yè)應運而生:除了醫(yī)院的醫(yī)生診斷,可家用的醫(yī)療及保健電子設備的需求明顯,如疾病預防和協(xié)助診斷、慢性病的長期監(jiān)測及治療、特別是老年人護理等。另外,包括慢性疾病的監(jiān)測和控制、治療在內(nèi),醫(yī)療保健需要同時實現(xiàn)在臨床上的診斷準確性和日常家用的普及性,以及建立以預防和早期診斷為導向的健康觀念。比如對于盲人、癲癇癥、糖尿病等患者,傳統(tǒng)醫(yī)療護理手段所帶來的長期的臨床生活是社會和病人都無法承擔的,而離開了醫(yī)院又會造成生活質(zhì)量的下降。于是醫(yī)療電子終端產(chǎn)品的普遍發(fā)展趨勢將主要是便攜式、穿戴式,某些特殊方面還向植入式發(fā)展,以實現(xiàn)“隨時隨地”的動態(tài)、連續(xù)的檢測和初步診斷?？梢灶A見在不遠的將來,這些便攜、可穿戴或植入式的醫(yī)療及保健電子設備將給人類的生活提供極大便利,產(chǎn)生重大的影響。
1.3 世界醫(yī)用市場需求的迅猛發(fā)展,將成為半導體市場的重要推動力。
在世界范圍內(nèi),醫(yī)療電子市場連續(xù)25年增長,很有可能成為未來(半導體市場的)主要驅(qū)動。全球醫(yī)療保健費用每年5萬億美元,而中國的醫(yī)療保健則消耗了GDP的5%,平均每年增加38%。特別是從全球醫(yī)用半導體行業(yè)的收入來看,醫(yī)用半導體行業(yè)的幾個主要的部分預計在未來的5年內(nèi)年均復合增長率(CAGR)在10%附近。
而另一份來自Databeans (Sept. 2008)的數(shù)據(jù)則預計在未來5年醫(yī)用集成電路市場的年增長率將高達14%,甚至高于消費類集成電路(11%)和計算機集成電路(9%)的增長?？梢钥闯?在21世紀醫(yī)用集成電路的重大革新將會像上世紀80年代的電子計算機、90年代的移動通信一樣,成為影響全球半導體市場的主要推動力。
世界范圍內(nèi)的醫(yī)療電子市場同時會帶動我國的醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)。比如現(xiàn)階段我國的“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”剛剛起步,根據(jù)中國國家老齡委提供的數(shù)據(jù),目前中國老年人用品市場的需求量為4000億元,到2010年將達到10萬億元,而現(xiàn)階段全國為老年人提供的產(chǎn)品不足10%,離市場需求差距巨大。而且隨著中國經(jīng)濟社會的持續(xù)發(fā)展,各方面因素將為“銀發(fā)產(chǎn)業(yè)”蓬勃發(fā)展提供更加強大的動力。在推動經(jīng)濟增長的同時,老年人生活質(zhì)量能夠提高、身心健康得到保障,借助產(chǎn)業(yè)發(fā)展也可以緩解老齡化問題給社會帶來的壓力。
2我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)面臨的機遇
醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的涵蓋領域非常廣,包括超聲波成像、計算機斷層掃描等應用電子設備,以及電子血壓計、血糖儀等消費類終端產(chǎn)品都屬于醫(yī)療電子領域。在我國的電子信息產(chǎn)業(yè)中,醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)是很重要的一環(huán),是最貼近民生的電子信息產(chǎn)業(yè)細分行業(yè)之一。隨著2009年4月份《電子信息產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》的出臺以及國家新醫(yī)改方案的公布,尤其是8500億元醫(yī)改的投入,我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)無疑面臨著廣闊的發(fā)展空間,這對我國的醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)將帶來積極的影響。而且政策別還強調(diào)了要加強在醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)領域自主創(chuàng)新能力的建設,這無疑為我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)帶來了很好的發(fā)展機遇。另外,醫(yī)療設備行業(yè)的高速增長也將刺激醫(yī)療電子市場的需求:據(jù)預測,當前我國醫(yī)療電子市場規(guī)模為250多億元,同比增速在16%以上,超過了全球市場的增長率。
為了更好的應對這個難得的發(fā)展機遇,要在如下兩個方面有所建樹:一方面是在醫(yī)療信息系統(tǒng)領域。這一領域迫切需要提高遠程醫(yī)療水平,以及其所依賴的信息傳輸和管理技術。另一方面是在醫(yī)療電子領域。這兩個方面的要求,需要在技術上關注網(wǎng)絡標準與便攜技術的走勢:第一是網(wǎng)絡互聯(lián)操作標準。幾年前一些著名國際企業(yè)包括思科、IBM、英特爾、三星電子等就成立了“持續(xù)健康聯(lián)盟”產(chǎn)業(yè)組織,以進行標準選擇、互用性指南的編寫等工作。ADI亞太區(qū)醫(yī)療事業(yè)部也認識到“為了適應醫(yī)療體系的網(wǎng)絡化建設,從長遠發(fā)展來看互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺變得非常重要”。第二是便攜醫(yī)療產(chǎn)品與技術。隨著人們健康意識、健康需求及相應支付能力的不斷提高,以預防為主和早診治的指導思想,以及醫(yī)療電子隨著集成電路技術的發(fā)展不斷涌現(xiàn)出小型化、集成化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化的趨勢,這些都將成為便攜醫(yī)療電子快速增長的催化劑。在便攜醫(yī)療產(chǎn)品中,電子血壓計、便攜血糖儀、電子助聽器等便攜式設備占到家用便攜醫(yī)療產(chǎn)品市場的90%,而便攜式多參數(shù)監(jiān)護儀、便攜式超聲診斷儀、便攜式胎兒監(jiān)測儀、便攜式心電圖儀位居我國醫(yī)用便攜設備市場前列。此外,基層醫(yī)療機構(gòu)所需的低成本、高可靠性、操作簡單的X光機、超聲診斷儀、核磁共振設備和計算機斷層掃描設備的市場容量也將大幅提升。而這些產(chǎn)品所涉及的智能化、小型化、低功耗、高分辨率的技術都備受關注。
3集成電路技術應用的概要介紹
集成電路技術在醫(yī)療電子領域內(nèi)的應用非常廣闊且多樣化,大致可分為下述四種不同的應用類型:
(1)醫(yī)學影像――這一類型包括超聲波、計算機化的X射線斷層掃描(CT)、核磁共振成像(MRI)、X射線、正電子發(fā)射斷層顯像等;
(2)醫(yī)療儀器――主要是實驗室配套電子設備、透析機、分析儀器、外科手術設備、牙科設備等;
(3)消費型醫(yī)療設備――偏重于患者(可家用,非臨床)使用的終端設備,包括數(shù)字體溫計、血糖計、血壓計、胰島素泵、心率計、輔助聽力(數(shù)字助聽)等;
(4)診斷、患者監(jiān)護與治療設備――協(xié)助醫(yī)生判斷的(主要是臨床使用)相應設備,都包括心電圖、腦電圖、血氧計、血壓計、溫度計、呼吸計、除顫器、植入設備等;
這四種類型基本涵蓋了醫(yī)療電子領域的各種應用。其中后兩類,特別是消費型醫(yī)療設備尤其需要通過先進的集成電路技術來達到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目標。
小型化、低功耗:通過這些便攜、可穿戴、或是植入式的設備,才可以實現(xiàn)人體相關體征信號的動態(tài)采集和連續(xù)監(jiān)測,在必要時還可以達到24x7的工作要求;
智能化、低成本:可醫(yī)院用、家庭用、其他非醫(yī)院環(huán)境用,并通過網(wǎng)絡接入等技術實現(xiàn)遠程醫(yī)療,從而更合理地配置醫(yī)療資源,提供更高水平的醫(yī)療服務,同時減緩醫(yī)院就診壓力。還可普及供大范圍內(nèi)的人群使用:如病人用來治療、健康人用來預防,或老年人用于輔助護理、年輕人用于鍛煉健身,可提供早診治的信息,對人體最小干預(無創(chuàng)/微創(chuàng)),等等。
世界上集成電路領域最權威的會議――國際固態(tài)電路會議(ISSCC)的技術專題委員會,圍繞以上四種類型的醫(yī)療電子應用中日益凸顯的關鍵技術問題,在2009年預測了在未來醫(yī)療電子應用領域中集成電路技術的研究熱點:
(1)人工輔助聽覺、視覺、無線肌肉刺激、神經(jīng)刺激:這類研究重點在于需要對人體安全無危害,包括和人體組織的電極接觸界面、泄漏電流檢測、過熱斷電等。同時還對系統(tǒng)的可靠性、外殼包裝、集成度和工作壽命等方面有要求;
(2)傳感量:生物分子檢測(如DNA等),神經(jīng)感知、集成核磁共振等;
(3)超小型:遙控或遠程診斷;
(4)自適應控制:場景分析、管理方法等;
(5)無線測量技術中的瓶頸:數(shù)據(jù)流壓縮、拓寬頻道等;
(6)帶有馬達和姿態(tài)控制的智能內(nèi)窺鏡膠囊;
(7)pH值的測量陣列(離子敏感的場效應管,ISFET);
(8)其他系統(tǒng)級需求。
在這些預測的研究熱點中,既有針對某一種具體應用提出了更進一步的功能研究(如用于腸胃內(nèi)窺鏡中的馬達和姿態(tài)控制),也有對從應用中提煉出的共性關鍵技術(如對于無線通信技術方面的瓶頸分析),還有對于生物醫(yī)療與集成電路的交叉學科發(fā)展趨勢(如需要更完善的知識結(jié)構(gòu)和傳感技術完成生物分析檢測等)。
從技術實現(xiàn)的角度來看,上述醫(yī)療應用中有關的信息工程在醫(yī)療電子領域面臨的根本性問題可分為四個主要方面:
(1)數(shù)據(jù)采集:電子電路需要通過傳感器來感知物理世界。在實際世界中的各種物理量需要首先轉(zhuǎn)換成為電信號,之后才能夠由集成電路進行處理。采用適合類型的傳感器對適合的物理量進行采集,以及對傳感器的接口進行完善的交互控制就顯得尤為重要;
(2)數(shù)據(jù)處理:將外界物理量信息提取成電信號后,還需要做初步的信號調(diào)理和采樣、變換、濾波等預處理操作,并將原始數(shù)據(jù)進行存儲或是根據(jù)一定的算法做分析計算;
(3)數(shù)據(jù)傳輸:經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)還需要進行傳遞,通過由集總的控制設備進行數(shù)據(jù)融合后才能夠判斷?？煞譃榛鶐ㄐ藕蜕漕l通信,前者大部分是電信號有線連接或是通過人體組織等導電介質(zhì),后者主要是用無線電磁波通過空氣等介質(zhì);
(4)能量供應:對于一般的醫(yī)療電子設備而言,體積微型化和延長工作壽命是矛盾的,因為電源的體積往往與其可提供的能量大小成比例。這樣就需要在進行低功耗、低能耗設計研究的同時,開發(fā)出新的能量供應方式如能量恢復、光電池效應、壓電效應等,保證醫(yī)療設備(特別是便攜式、植入式)的續(xù)航能力。
接下來以幾個具體的研究課題項目為基礎,針對不同的應用例做更深入的分析,來介紹一下目前國內(nèi)在如下兩個研究方向上取得的一些進展:
1)對較為基本的物理量如溫度、脈搏等,待處理的數(shù)據(jù)量比較少,硬件系統(tǒng)的工作流程也非常類似,可以考慮采用一種具有共性的硬件結(jié)構(gòu)進行實現(xiàn)。同時這些有共性的硬件系統(tǒng)還可以通過一種通信協(xié)議組成網(wǎng)絡,實現(xiàn)人體區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡。
2)在另一些特殊的應用中如人工輔助的聽覺、視覺,以及智能內(nèi)窺鏡膠囊等,由于原始數(shù)據(jù)是語音和圖像,過程中會涉及到傅里葉變換、數(shù)據(jù)壓縮等更為復雜的算法,數(shù)據(jù)運算量相對于簡單的生命體征信號要大得多,成為制約低功耗的瓶頸之一。
4實例
4.1 用于體征監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡
無線人體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一種能夠滿足前述應用要求的“通用”解決方案。它是進行人體生命要素信息采集與控制的小區(qū)域傳感器網(wǎng)絡,一般主要用于特定人群/人體的長時間健康狀況監(jiān)測、身體健康指標分析等。最典型的應用例為糖尿病患者、癲癇癥患者、神經(jīng)紊亂或衰弱患者,以及慢性心臟病患者等。通過這種網(wǎng)絡內(nèi)的可定制監(jiān)測,人們可以根據(jù)實際需要對身體的一個或多個相關數(shù)據(jù)指標做連續(xù)采集監(jiān)測,并通過良好人機交互界面進行控制。
1)WBASN的結(jié)構(gòu)
WBASN通常由近人體區(qū)域的傳感子節(jié)點和基站主節(jié)點組成。近人體區(qū)域包括體表測量、體內(nèi)測量、探針測量和體檢測量等。完成這些測量的傳感子節(jié)點中包括前端的傳感器件/能量轉(zhuǎn)換器件,目標是由對有關健康狀況的數(shù)據(jù)進行測量、處理和交換。基站主節(jié)點隨時接受區(qū)域中每個傳感節(jié)點的數(shù)據(jù),并控制和調(diào)配這些傳感節(jié)點的采集狀態(tài)、休眠方案等,需要有能力做較大量的數(shù)據(jù)處理、累計、判斷及交換。所測量的數(shù)據(jù)信息也都是與人體密切相關的,如心電、心率、血壓、心音、肺音、血氧、呼吸、溫度、加速度等。不同種類的數(shù)據(jù)采集需要不同的傳感器件(能量轉(zhuǎn)化器件,簡稱換能器),如單導電極、熱敏電阻、惠斯通電橋、電流式傳感器和3軸加速度計等。所有傳感子節(jié)點的數(shù)據(jù)信息通過基站主節(jié)點進行統(tǒng)一的融合處理和分析判斷,實現(xiàn)WBASN的基本功能。
圖 3示出了簡要的WBASN結(jié)構(gòu)示意圖。整個網(wǎng)絡的基本功能是由傳感子節(jié)點(位于體表或體內(nèi)的粘附或植入式裝置)完成的,如采集血壓、溫度等信息。這些信息由主節(jié)點(體外的便攜裝置,如PDA等)統(tǒng)一接收后進行數(shù)據(jù)融合,完成初步判斷和處理,還可以給出信息的實時反饋、超限數(shù)據(jù)的安全警告等。另外,主節(jié)點還可以作為“網(wǎng)關”接入到因特網(wǎng)、GPRS等廣域網(wǎng)絡中,將本地的數(shù)據(jù)上傳到遠程服務器供醫(yī)生遠程診斷,實現(xiàn)遠程醫(yī)療等。如果主節(jié)點初步判斷后認為需要完成進一步的操作,會再次采集相關信息、給出警告信息或進行干預操作――給藥、電刺激等,以實現(xiàn)慢性病護理或及時診治。雖然這一網(wǎng)絡的研究目前還處于實驗室為主的原型驗證,但是在一些應用中還是會或多或少的發(fā)現(xiàn)WBASN的影子:如前不久的“神七”宇航服中就實現(xiàn)了壓力、心率、呼吸等傳感器,采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳到宇航員之外的接收設備上,然后再發(fā)回地面指揮中心進行分析。
2)WBASN的子節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
一個典型的子節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 4,包括了傳感器和電刺激驅(qū)動模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器MCU、數(shù)據(jù)流的預處理(協(xié)處理)單元、存儲器和射頻(RF)收發(fā)機,其中MCU與傳感器模塊之間還可以實現(xiàn)可配置的多標準數(shù)據(jù)接口、電源可視情況采用電池或無線供能方式等等。各模塊連接后即可實現(xiàn)相應功能的子節(jié)點系統(tǒng)。若將圖 4所示的結(jié)構(gòu)進行高集成度的電路實現(xiàn),就是片上系統(tǒng)(SoC)平臺芯片。一種較為簡單的平臺芯片實現(xiàn)中不含有傳感器模塊和RF收發(fā)機(但包含對應的接口),通過外接(1)不同類型、不同功能的傳感器件前端和(2)相同類型的射頻收發(fā)芯片后,就可以完成相應種類數(shù)據(jù)信息的采集,進行一些預處理,然后與主節(jié)點建立通信并傳輸數(shù)據(jù)、接收配置等。還有一種集成度較高的SoC平臺芯片中會帶有片上RF模塊,這樣每個子節(jié)點系統(tǒng)就只需外接一個傳感器芯片即可完成采集、組網(wǎng)等功能。SoC平臺的作用是在功能異構(gòu)的WBASN各個子節(jié)點應用中作為一個基礎的“通用的”平臺。
3)WBASN的子節(jié)點系統(tǒng)的設計重點
上述分析表明WBASN的近人體子節(jié)點系統(tǒng)的整體設計實現(xiàn)中,應該以超低功耗和高度集成的(SoC)設計為重點。于是就要綜合系統(tǒng)的各方面需求,整合設計并實現(xiàn)出核心的數(shù)字微控制單元和電源管理單元,以便在達到功能上的靈活性、完備性的同時,實現(xiàn)系統(tǒng)的極低功耗。這些數(shù)字系統(tǒng)設計中的關鍵技術包括幾個方面:(1)在各個功能相異的節(jié)點休眠間隔不等的情況下進行接入;(2)醫(yī)療用途的緊急情況下“給藥”或“電刺激”的實時控制實現(xiàn);(3)星型網(wǎng)絡中單跳的組網(wǎng)方式對指令集的優(yōu)化;(4)無線方式的節(jié)點功能更替;(5)兼容多標準的傳感器器件接口;(6)電路級的低功耗技術如門控、多電壓、異步電路設計等。在我們的研究中,綜合考慮了上述方面進行了設計優(yōu)化。這樣還會帶來很多其他的好處,如設計成本低、系統(tǒng)擴充性好、針對WBASN應用開發(fā)的軟件/硬件效率高,等等。
下面針對上述子節(jié)點系統(tǒng)設計的幾個關鍵技術進行具體說明:
第一,在低功耗方面,通過對具體實例的分析發(fā)現(xiàn),“工作狀態(tài)”和“空閑狀態(tài)”的功耗一般相差20倍甚至更多,所以工作狀態(tài)下的低功耗優(yōu)化是首要任務。目前的絕大多數(shù)SoC實現(xiàn)方案基本上都是采用各種措施將工作時低功耗達到更低的指標。但是對于WBASN的具體應用而言,子節(jié)點通常都會處于非常低的工作占空比,也就是說在整個子節(jié)點壽命內(nèi)的絕大多數(shù)時間里,子節(jié)點是在空閑狀態(tài)的。如體溫測量可以每1分鐘測量一次,每次測量只需要幾個毫秒;心率測量也只需要每100毫秒測量幾個毫秒,等等。這樣,子節(jié)點的總能量消耗往往更多浪費在空閑時的狀態(tài)上。所以對于WBASN的優(yōu)化需要從工作時功耗和休眠時功耗協(xié)同考慮完成,目標是提高電池的能量使用效率。
第二,子節(jié)點的實時控制。在許多研究中廣泛采用了實時性操作系統(tǒng)(如TinyOS),其實只保證了子節(jié)點在工作狀態(tài)下處理器處理各個任務的實時性。還需要子節(jié)點保證網(wǎng)絡行為的“實時性”:如用于閉環(huán)施放藥物的子節(jié)點系統(tǒng),在接到主節(jié)點發(fā)來的“給藥”指令之后應該以最短的反應時間給出操作。這就與低功耗的指標相矛盾:為了更快的反應速度,應該在空閑時采用“偵聽”方案或者休眠間隔很短的方案――這樣同時增大了空閑時功耗;反之,為了避免該給藥子節(jié)點的電池能量大都浪費在空閑時狀態(tài),應該采用空閑時休眠的方案,并且該加大休眠間隔――這樣在主節(jié)點開始發(fā)送喚醒要求(大多數(shù)這種時候都是緊急情況)之后還要等到子節(jié)點的下次定時喚醒才能夠給出響應,最壞情況下的反應速度為子節(jié)點的定時喚醒周期。所以目前這一問題的解決方案就是空閑休眠間隔、偵聽時間的折中選取。以具體數(shù)據(jù)進行分析:在“國內(nèi)外研究動態(tài)”中的ADICOL項目中,胰島素施放操作的閉環(huán)控制是每3分鐘定時喚醒工作一次,以保證最壞情況下的給藥控制延遲不超過3分鐘。而保守情況下(按每天需施放胰島素10次估計推算)都至少有97%的喚醒是不需要做給藥的,這樣就浪費了子節(jié)點大量的電池能量,降低了有效用能量的使用效率。
第三是功能的靈活性。由于每個子節(jié)點系統(tǒng)的RF模塊和通訊協(xié)議都沒有差別,所以通常的設計都主要考慮傳感器接口模塊的靈活可配置等等。很多現(xiàn)有的傳感器件或芯片接口大致分為兩種:模擬量(需要SoC提供ADC進行轉(zhuǎn)換)和數(shù)字量(傳感器自帶ADC,僅需要滿足相應時序)。已有的相關研究大多是基于這兩類接口進行展開的。但是在不同功能的子節(jié)點系統(tǒng)內(nèi),除了傳感器件前端需要采集的物理量類型和接口不一樣之外,其軟件程序在操作順序、運算復雜度、處理方法等方面都有區(qū)別,SoC本身的軟件部分就需要根據(jù)具體子節(jié)點的功能進行調(diào)整。如果在每個子節(jié)點設備封裝前預先寫好軟件算法,還需要專門的“燒寫”設備。我們的研究中采用一種可由主節(jié)點遠程配置子節(jié)點軟件的協(xié)議,就可以在滿足“軟件靈活性”要求的同時不引入其他設備。
4)總結(jié)
如前述,WBASN的優(yōu)化重點在于子節(jié)點系統(tǒng), 而子節(jié)點系統(tǒng)的核心是SoC平臺。為了保證子節(jié)點SoC平臺的超低功耗、高集成度、靈活性、高效率、可靠性等,需要SoC平臺中的數(shù)字系統(tǒng)有完善的功能和異常處理能力、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)、良好的可靠性和能量管理等。
系統(tǒng)內(nèi)各個傳感器設備(或稱網(wǎng)絡內(nèi)“近人體節(jié)點”)的主要指標可以歸結(jié)為:系統(tǒng)集成度,小型化/微型化,低功耗電路設計,無線遙感鏈路和信號處理算法等。除此之外,其他一些指標如服務質(zhì)量、安全性、多傳感器數(shù)據(jù)融合和診斷支持等也都是世界上相關領域內(nèi)各研究組正在研究的課題。
4.2 帶有植入式處理器的電刺激器
電刺激治療方法是當今臨床和日常的物理康復最常用的、重要的治療手段之一,在心臟起搏器、人工聽覺、人工視覺、腦電刺激等許多領域中有著非常重要的作用。該方法通過將一定量的電流通過特制電極施加到人體組織,實現(xiàn)促進恢復正常的神經(jīng)傳導和調(diào)節(jié)功能等治療作用,不僅可起到鎮(zhèn)痛、消腫、消炎、脫敏、緩解肌肉痙攣等功效,有時甚至還可以修復、替代某些受損的人體組織和器官。一般的電脈沖刺激時采用無極性微分型指數(shù)波形,由電荷相等的正負脈沖波構(gòu)成,負指數(shù)脈沖起神經(jīng)纖維去極化作用,正脈沖起電荷平衡的作用,可避免組織損傷。集成電路技術,特別是植入式的處理器控制應用在電刺激器中,可以完成復雜的信號處理,同時極大的保證操作的可靠性和無侵害性。
心臟起搏器是最早的醫(yī)用電刺激儀器之一,它發(fā)放電脈沖,通過與心內(nèi)膜相接觸的電極導線,刺激心臟使之激動收縮,以模擬心臟的沖動發(fā)生和傳導等電生理功能,起到治療由于某些心律失常所致的心臟功能障礙。心臟起搏器的結(jié)構(gòu)包括脈沖發(fā)生器(pulse generator)和電極-導線(lead)兩大系統(tǒng)。脈沖發(fā)生器由電池、釋放與調(diào)節(jié)電脈沖的電路和外殼構(gòu)成。脈沖發(fā)生器控制起搏節(jié)律,猶如整個系統(tǒng)的“大腦”?，F(xiàn)在的脈沖發(fā)生器是非常小的,一種典型的尺寸為5cm x 5cm x 6mm,重量在30克左右。
在正常的聽覺系統(tǒng)中,聲音的機械震動通過外耳和中耳之后,會在耳蝸的各處與基底膜發(fā)生共振?；啄さ恼駝訋用毎w毛的振動,產(chǎn)生毛細胞的感受器電位,進而產(chǎn)生聽神經(jīng)的動作電位發(fā)放。腦的中樞聽覺系統(tǒng)能夠根據(jù)聽神經(jīng)中不同神經(jīng)纖維的發(fā)放情況判斷基底膜的振動情況,進而推斷聲音的頻率成分。在一些患有感覺神經(jīng)性耳聾的病人內(nèi),毛細胞由于多種因素如遺傳、疾病等而遭到損傷或者數(shù)量減少,無法正常地驅(qū)動聽神經(jīng)。而人工耳蝸的基本工作原理就是繞過毛細胞這一環(huán)節(jié),直接對聽神經(jīng)進行電刺激。于是這種電刺激的效果就好像是聽神經(jīng)被聲音通過正常的基底膜和毛細胞驅(qū)動一樣。
人工耳蝸只是一種聽覺假體,并不能“治愈”耳聾或其他聽覺障礙。人工耳蝸的工作是基于耳蝸的不同部分與不同聲音頻率之間一種規(guī)則的對應關系(頻率拓撲性質(zhì))。一般需要使用更加復雜的處理方法以避免造成組織、電極損傷等一些不良影響。
視覺假體技術也屬于功能電刺激的一種。大多數(shù)盲人的視覺通路中往往只有一部分發(fā)生病變,而其余部分神經(jīng)組織的結(jié)構(gòu)和功能尚完好。于是就能夠?qū)σ曈X通路的完好部位施加特定的人工電刺激,來興奮神經(jīng)細胞以模擬自然光刺激的效果,使盲人產(chǎn)生視覺感受。
視覺假體的工作原理與人工耳蝸相似。視覺假體系統(tǒng)包括一個位于病人體外的視頻采集設備(如小型攝像機),視頻處理模塊,電刺激編碼模塊和植入到視覺通路特定部位的多電極陣列。由視頻采集設備采集到的實時視頻圖像經(jīng)過處理,轉(zhuǎn)化為驅(qū)動多電極陣列的信號。多電極陣列對視覺神經(jīng)組織施加一定幅度、波形和頻率的電流刺激,興奮視覺神經(jīng)元,從而使病人產(chǎn)生視覺感受。
人工視覺刺激器主要包括視網(wǎng)膜刺激器、視皮層刺激器和視神經(jīng)刺激器。其中視網(wǎng)膜刺激器發(fā)展最快。視網(wǎng)膜刺激器是在視網(wǎng)膜下或視網(wǎng)膜表面植入不同微電極,使外界光線轉(zhuǎn)換成電流,通過微電極刺激并激活視網(wǎng)膜神經(jīng)細胞及其網(wǎng)絡,而產(chǎn)生光感。這種裝置可使失明或接近失明的眼重新獲得部分有用視力。其優(yōu)點是可以產(chǎn)生較準確的視覺感知,而且所需電流強度較小,玻璃體有利于熱量的散發(fā),以及可直接觀察到植入刺激器及植入后的反應。至今已有較多實驗表明視網(wǎng)膜前或膜下芯片植入方法可行,有較好的生物相容性及長期穩(wěn)定性,達到預期效果。
目前全世界范圍內(nèi)已經(jīng)接受植入的病人較之佩戴人工耳蝸的病人要少得多。而且目前美國食品藥品監(jiān)督局(FDA)也尚未批準任何類型的視覺假體的臨床應用。
下面以人工聽覺的具體系統(tǒng)為例,詳細介紹一下帶有植入式處理器的電刺激器:
帶植入式處理器的雙模人工耳蝸系統(tǒng)
人工耳蝸就是通過電刺激末梢神經(jīng)系統(tǒng)的方式來修復聽覺的一種醫(yī)療電子裝置。它把外部的聲音轉(zhuǎn)換為聽神經(jīng)需要的電刺激,將這種刺激通過植入電極刺激聽覺神經(jīng),幫助傳感性耳聾患者恢復(人工制造出)聽覺。它是迄今為止治療極重度耳聾唯一有效的方法,也是唯一被商品化的感官神經(jīng)修復技術。目前各種人工耳蝸產(chǎn)品在設計上細節(jié)不盡相同,但它們的基本硬件構(gòu)成和工作原理卻是一樣的。
1)人工耳蝸的硬件構(gòu)成
人工耳蝸的基本硬件構(gòu)成如圖 6所示,主要分為體外和體內(nèi)兩個部分,其工作原理和流程如下:
(1)體外的麥克風首先把采集到的機械聲音信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號;
(2)模擬電信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號;
(3)數(shù)字信號處理器(DSP)對數(shù)字聲音信號進行分析并決定如何驅(qū)動埋植于耳蝸內(nèi)的電極去刺激聽神經(jīng),形成刺激指令序列;
(4)刺激指令序列經(jīng)過調(diào)制后以無線電波的方式發(fā)送給體內(nèi)部分;
(5)體內(nèi)的解調(diào)器從無線電波中獲取體內(nèi)電路工作所需的能量,并對刺激指令序列進行解析;
(6)體內(nèi)的刺激器對解調(diào)出來的指令序列進行譯碼,然后根據(jù)指令要求在電極上產(chǎn)生相應的電流,刺激聽神經(jīng)產(chǎn)生聽覺。
2)新型全植入系統(tǒng)的應用
在當前植入式電池不足以支撐數(shù)字式全植入人工耳蝸系統(tǒng),而模擬式全植入系統(tǒng)又存在著諸多缺陷的情況下,新型全植入系統(tǒng)的設計思路除了繼續(xù)降低數(shù)字系統(tǒng)本身的功耗外,還可以在結(jié)構(gòu)上進行調(diào)整,降低系統(tǒng)對電池的使用量?；谶@些考慮,我們提出了帶植入式處理器的可雙模工作的新型人工耳蝸系統(tǒng),如圖 7所示。
該系統(tǒng)在體內(nèi)集成了一套完整的語音信號采集、處理電路,以及與體外的無線接口,同時配有植入式電池。所謂“雙?！?是指該系統(tǒng)既可以工作在不帶任何外部輔助裝置的體內(nèi)單機模式下,如圖 7(b)所示,也可以工作于體外語音信號采集電路與體內(nèi)處理電路協(xié)同的聯(lián)機模式下,如圖 7(c)所示。從技術可行性的角度上講,聯(lián)機模式下的系統(tǒng)在當前的電路技術條件下是可以實現(xiàn)的,而單機模式則受制于電池容量和安全性等非電路因素。
這種系統(tǒng)的意義在于,通過兩種模式的交替使用可以很大程度上減少對植入式電池的使用量。而且該系統(tǒng)包含了一個完整的全植入數(shù)字式子系統(tǒng),對該系統(tǒng)的研究可以涵蓋下一代全植入式系統(tǒng)的關鍵技術難點。也就是說,該系統(tǒng)的很多關鍵技術將可以直接應用到下一代全植入系統(tǒng)當中。實際上,在植入式電池的容量和安全方面的性能提升到一定程度之后,這個系統(tǒng)可以自然而然地轉(zhuǎn)換成一個全植入式系統(tǒng)。
3)植入式數(shù)字信號處理器的低功耗設計
在雙模系統(tǒng)中,最大的技術難題就在于植入式數(shù)字信號處理器(DSP)的設計(圖 8),因為它幾乎是整個系統(tǒng)里功耗最大的部件。傳統(tǒng)人工耳蝸中的DSP 處在體外,對功耗的要求還可以寬松一些,畢竟體外的電池可以隨便更換。而在新系統(tǒng)中,無論是哪一種工作模式,對DSP 的功耗要求都是非常苛刻的。在體內(nèi)單機模式下,DSP 的功耗直接影響著植入式電池的壽命,而植入式電池又不可以隨便更換,所以這種情況下DSP 功耗的重要性自不待言。在聯(lián)機模式下,由于無線能量傳輸效率低下,DSP 的功耗將會被嚴重放大,這比DSP 在體外時的情況要惡化很多。
實際的設計和測試結(jié)果表明,基于開放源代碼硬件的專用指令集處理器(OSH-ASIP)設計方法有助于提高效率并降低成本,同時可以有助于去除通用處理器中存在的冗余,從而提高處理器的執(zhí)行效率、降低功耗。通過綜合運用指令集簡化、等待模式、循環(huán)暫存、存儲器切割、操作數(shù)隔離和時鐘門控等多種低功耗設計技術,在0.18μm CMOS 工藝下設計實現(xiàn)的一款人工耳蝸專用的低功耗DSP實際測量結(jié)果為:在10MHz 的時鐘頻率下執(zhí)行連續(xù)交織采樣(CIS)算法的功耗小于2mW,低功耗效果顯著。
4)總結(jié)
就當前的技術水平來講,數(shù)字式全植入的人工耳蝸系統(tǒng)仍然因為能量供應不足(功耗大而電池容量小)的緣故無法實現(xiàn)。但是除了功耗外并沒有其他理由可以阻礙數(shù)字系統(tǒng)的進一步發(fā)展,況且相比于模擬系統(tǒng)中那些固有的缺陷,功耗實際上是一個會隨著微電子設計和制造水平的提高而逐步得到解決的問題。因此,從長遠看數(shù)字式全植入系統(tǒng)才是人工耳蝸系統(tǒng)最優(yōu)的選擇方案。
4.3 智能內(nèi)窺鏡膠囊
傳統(tǒng)醫(yī)用內(nèi)窺鏡(如胃鏡和腸鏡)需要使用光纖或電纜插入人體體腔內(nèi)拍攝病征圖像以供醫(yī)生診斷,這些連接線會給病人帶來很大不適,而且診斷存在盲區(qū),并可能會有消化道傷損等并發(fā)癥。智能內(nèi)窺鏡膠囊的出現(xiàn)給消化道疾病的診斷帶來了便利,克服了上述缺點。如圖 9所示,病人在吞服了膠囊內(nèi)鏡以后,膠囊依靠消化道的蠕動在其中緩慢移動。移動的過程中會采集人體內(nèi)消化道的圖像并以無線的方式發(fā)送至體外記錄儀,并可以上傳至基站以供醫(yī)生診斷病情。膠囊內(nèi)鏡不會給病人帶來不適,在檢測時病人也可活動,而且它可以完成全消化道的檢測,掃除了傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡存在的盲區(qū)。
1)智能內(nèi)窺鏡膠囊的發(fā)展歷史
智能內(nèi)窺鏡膠囊(消化道膠囊內(nèi)鏡)的概念最早于2000年由以色列科學家提出并實現(xiàn),之后Given Imaging公司生產(chǎn)出第一款商用的膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品Pillcam。最近的幾年里各國的工業(yè)界和學術界相繼開始對這種產(chǎn)品的研發(fā),一些新產(chǎn)品和新技術陸續(xù)面世:日本的奧林巴斯公司推出的EndoCapsule產(chǎn)品在日本也開始商用;日本NORIKA Syaka RF lab正在研發(fā)用無線供能,代替電池供電的技術,以及控制膠囊內(nèi)鏡姿態(tài)的控制技術;韓國研究機構(gòu)推出了以人體作為導體來直接傳輸信息的技術,用以代替射頻收發(fā)機,目前也已成功地利用到膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品中。在可預見的將來還將出現(xiàn)集診斷、活檢、給藥及消化道行走等各種功能于一體的產(chǎn)品。
2)膠囊內(nèi)鏡的結(jié)構(gòu)
完整的口服式智能內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)由膠囊內(nèi)鏡、體外便攜式記錄儀和工作站三部分構(gòu)成。膠囊內(nèi)鏡是整個系統(tǒng)最為重要的部分,也是設計難度最高的部分,在集成電路設計時尤其要注意功耗等問題。外殼內(nèi)的電路系統(tǒng)主要由五個部分組成,如圖 10所示,包括一個商用CMOS圖像傳感器、白色發(fā)光LED、一個商用射頻收發(fā)機芯片及天線、一塊用于控制和數(shù)據(jù)處理的專用集成電路和兩節(jié)鈕扣電池。
商用的CMOS圖像傳感器位于整個膠囊的一端,負責采集消化道中的彩色圖像數(shù)據(jù)。支持多種圖像分辨率,最高速率可達30fps。高亮度的白光LED均勻地排布在圖像傳感器鏡頭座外的環(huán)形PCB上,在采集圖像時提供照明光線。高性能、低功耗的商用射頻收發(fā)機位于膠囊的另一端,保證膠囊系統(tǒng)的無線通信。射頻收發(fā)機工作在433MHz的ISM頻段,采用FSK的調(diào)制方式,有效碼率最高可達500kbps。兩顆1.5V的鈕扣電池串聯(lián)后為整個電路系統(tǒng)提供所需的能量。它們位于膠囊的中部,在圖像傳感器和射頻收發(fā)機之間。用于控制和數(shù)據(jù)處理的專用集成電路位于圖像傳感器與電池之間,它將系統(tǒng)各部分的功能組合起來,形成完整的電路系統(tǒng)。
專用集成電路是膠囊內(nèi)鏡的控制核心(圖 11),它由數(shù)字基帶、電源管理單元和無線喚醒子系統(tǒng)三部分組成。其中數(shù)字基帶部分主要實現(xiàn)通信控制和圖像壓縮兩大功能。電源管理單元可將電池電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各個部分所需的電源電壓。無線喚醒子系統(tǒng)可以對密封在膠囊中的電路系統(tǒng)進行開啟、關閉、復位和配置操作,提高了系統(tǒng)可靠性,也便利了產(chǎn)品的組裝和生產(chǎn)過程。
3)膠囊內(nèi)鏡的低功耗實現(xiàn)
在膠囊內(nèi)鏡的電路系統(tǒng)中,射頻部分消耗的能量一般超過總能量的60%。為了在不增加射頻電路功耗的前提下縮短有效的射頻傳輸時間,在系統(tǒng)的數(shù)字基帶中引入了信源編碼――圖像壓縮。這樣大大減少了射頻收發(fā)機發(fā)送一幀圖像的數(shù)據(jù)量,也就相應地減少了每幀圖像射頻部分的能量,并且有利于進一步減小系統(tǒng)工作的占空比,延長電池的工作時間。
引入圖像壓縮功能實際上是使用數(shù)字電路的能量去換取射頻部分的能量,而且數(shù)字電路的低功耗技術比較容易實現(xiàn),使得降低數(shù)字電路的功耗相對于降低射頻電路的功耗更為容易。因此,只要對圖像壓縮的計算復雜度做出仔細的評估,電路系統(tǒng)整體能量的降低不難實現(xiàn)。
目前智能內(nèi)窺鏡膠囊系統(tǒng)還沒有正式的產(chǎn)品國家標準,但一般包括如下幾個重要指標:
1)工作時間:至少為8小時,因為一般膠囊內(nèi)鏡通過人體消化道的時間為8小時。
2)尺寸:為方便病人吞服,膠囊尺寸一般直徑為10~12mm,長度為20~30mm。
3) 圖像幀率和分辨率:目前產(chǎn)品的圖像幀率一般為2fps。當然,在滿足基本工作時間的條件下,圖像幀率和分辨率都是越大越好。
4)總結(jié)
基于上述膠囊內(nèi)鏡的結(jié)構(gòu),可以對其應用需求做出細致的分析,對系統(tǒng)的供電方式、體積尺寸、通信方式、工作時間、可靠性等要求進行綜合考慮。分析和測量結(jié)果表明,在系統(tǒng)級設計上采用了圖像壓縮、雙向通信和無線喚醒等功能能夠滿足性能要求,而且這些技術的應用對于有類似的大數(shù)據(jù)量、高碼率的植入式電子醫(yī)療集成系統(tǒng)也具有參考價值。
目前國內(nèi)有清華大學、中科院合肥智能機械研究所、重慶大學、重慶金山科技集團等單位都在分別從事這方面的研究。
5 結(jié)語
本文從醫(yī)療健康領域的社會需求、市場需求現(xiàn)狀入手,對我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)面臨的機遇進行了分析,并對其中的關鍵技術――集成電路技術應用做了基本介紹。多方面的數(shù)據(jù)分析表明,醫(yī)學微電子系統(tǒng)研究設計的核心發(fā)展趨勢可以歸結(jié)為小型化/微型化、集成化、網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化。最后還通過幾個在研項目實例進一步闡釋了集成電路技術在醫(yī)療健康領域的應用。
關鍵詞： 任務驅(qū)動； 電路與數(shù)字邏輯； 任務型教學； 傳統(tǒng)教學
中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）06-61-03
The application of task driven teaching method in the course of circuit and digital logic
Xue Yuli， Sun Yan， Tang Yan
（School of Information Engineering， Shandong Youth University of Political Science， Key Laboratory of Information Security
and Intelligent Control in Universities of Shandong， Jinan， Shandong 250103， China）
Abstract： Aiming at the characteristics of strong practicality of the circuit and digital logic course， the task driven teaching method is adopted. Teachers design the task of real life closely related， and with the driving of task， guide students to analyze the function of task and divide the function modules， guide students to search for information， analysis and design， select components， fabricate and debug； by solving the practical problem， cultivate students' practical ability and stimulate their interest in learning. This education method of openness and innovation overcomes the disadvantages of traditional teaching methods， contributes to the cultivation of the application ability of students， improve students' ability to analyze and solve problems， and cultivate team spirit of cooperation.
Key words： task driven； circuit and digital logic； task driven teaching； traditional teaching
0 引言
“路與數(shù)字邏輯”是計算機科學與技術專業(yè)的一門學科基礎課，在整個課程體系中占有重要地位[1]。該課程理論知識點多，涉及到的邏輯門電路、觸發(fā)器、時序邏輯電路、脈沖波形的產(chǎn)生與整形等內(nèi)容較難理解，初學者無法實現(xiàn)思維的轉(zhuǎn)變，從而在做實驗時一籌莫展。傳統(tǒng)的教學一般由教師循序漸進地講授知識點，以小型簡單的例子來加深學生的理解，這種教學方法的不足之處在于：學生在學習過程中只是掌握一些零散知識點的應用，沒有建立起系統(tǒng)的思維方式，因此，在應用知識時缺乏整體感[2-3]。
本文探討在“電路與數(shù)字邏輯”課程中應用任務驅(qū)動教學法，在教學過程中，教師設計與實際生活聯(lián)系緊密的任務，在該任務的驅(qū)動下，指導學生分析任務的功能，劃分功能模塊，引導學生查找資料、分析并設計方案、選擇元器件、制作調(diào)試，在這一系列的實際工程體驗活動中增強對所學知識的理解，獲得較強的動手能力和設計制作電路的能力。
整個教學過程由任務驅(qū)動，以學生為主體，注重學生實踐能力的培養(yǎng)，同時注重團隊協(xié)作、小組間有效溝通等綜合職業(yè)索質(zhì)的培養(yǎng)。學生在教師指導下完成一個任務的分析、設計、實現(xiàn)全過程。這種開放性、創(chuàng)新性的教育方法，克服了傳統(tǒng)教學法的弊端，有助于培養(yǎng)學生的工程應用能力，提高分析問題、解決問題的能力，同時培養(yǎng)了團隊合作精神。
1 任務驅(qū)動式教學法的特點
1.1 教學內(nèi)容的重組
在教學中使用任務型教學法，首先要把理論知識進行模塊化分解，合理劃分成若干知識單元，以滿足任務實施的需要[4-5]?！半娐放c數(shù)字邏輯”課程在開始的章節(jié)主要講述了數(shù)字邏輯基礎，其中一部分內(nèi)容學生在之前的“計算機文化基礎”課程中已經(jīng)學過，所以可以將這部分內(nèi)容適當簡化。邏輯代數(shù)的基本概念、公式和定理，邏輯函數(shù)的各種表示方法和化簡，半導體二極管門電路和CMOS、TTL門電路，這一部分中公式化簡和分立元器件門電路在實際應用中已趨于淘汰，可以根據(jù)組合電路的設計需求重點學習邏輯代數(shù)的基本概念、卡諾圖化簡、各種表達方式的相互轉(zhuǎn)換，并將其作為一個任務，引導學生掌握電路的各種表示方法之間的轉(zhuǎn)換，通過電路仿真軟件Multisim的使用，讓學生對電路的軟件仿真有一定的理解。組合邏輯電路的分析與設計，包含多種集成芯片的功能分析、使用與設計，可以分解為若干個任務，利用編碼器、譯碼器、數(shù)據(jù)選擇器、加法器和數(shù)值比較器等多種中規(guī)模芯片完成實際組合電路的設計與制作。觸發(fā)器和時序邏輯電路的分析與設計，可以分解為多個任務，利用觸發(fā)器、計數(shù)器和移位寄存器等集成芯片完成實用時序邏輯電路的設計與制作。脈沖波形的產(chǎn)生與整形電路和模數(shù)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，可以分解為若干個綜合設計型任務，切實提高學生解決問題的能力。
1.2 教師角色的轉(zhuǎn)換
任務型教學法強調(diào)學生在教學過程中的主體地位，教師由知識傳授者轉(zhuǎn)變成一名向?qū)?，引導學生搜集資料、自主學習、小組討論，激發(fā)他們學習的主動性和創(chuàng)新的設計思維[6]。集成電路種類繁多，在電子設計中不可避免的會用到不曾接觸過的集成電路，因此需要培養(yǎng)學生閱讀集成電路數(shù)據(jù)手冊的能力。教師以某個集成電路芯片為例，引導學生學會查看集成電路的功能表，理解集成電路完成的功能，注意不同型號集成電路性能指標的區(qū)別，進而選擇合適的芯片完成設計。
1.3 理論與實踐相結(jié)合。
在日常生活中尋找設計任務，比如交通燈的控制、流動文字顯示、數(shù)字顯示溫度計等，從身邊有趣的題目入手，可以增強學生對所學知識的興趣，提高其學習積極性，不會產(chǎn)生所學知識與生活脫節(jié)的感受。對于較難理解的知識點，鼓勵學生搭建驗證性電路，觀察電路的運行狀態(tài)，思考為什么會出現(xiàn)這種結(jié)果，加強對知識點的理解。
1.4 被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習
在任務型教學法中， 為了完成任務，學生必須主動查找資料，主動思考解決問題的辦法，與小組成員討論完成電路設計。在教師的指導下，學生自主完成電路的制作與調(diào)試，遇到電路故障，需獨立思考問題，觀察實驗現(xiàn)象，運用儀器儀表來檢查出現(xiàn)某種現(xiàn)象的原因以及解決辦法。這種任務式教學方法，大大提高了學生的學習興趣，使得學生由過去的被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習，提高了該課程的學習效果。
這樣，學生在明確目標的任務驅(qū)動下，將所學理論知識與生活實際問題聯(lián)系起來，對所學知識點能夠靈活運用，通過分析、設計、制作、調(diào)試電路，這個過程中，學生通過小組成員合作，共同完成一個綜合任務，過程中可以互相討論、有效溝通，既學到知識，又學會獨立思考、與人溝通、分析策劃、動手操作，不但可以⑺學零散的知識點串聯(lián)起來，還可以提高團隊協(xié)作、溝通能力、創(chuàng)新能力、解決復雜問題的能力，學生可以逐漸成長為應用技術型人才。
2 任務驅(qū)動式教學法的實施
任務驅(qū)動式教學法需要對課程的基礎性實驗、綜合設計性實驗和提高發(fā)揮性實驗，分別分配一定比例的課時，教學過程包括任務分析、設計制作、成果展示幾個階段。
首先對全班學生進行分組，根據(jù)學生自愿的原則，每組3人，盡量使各個小組的總體能力相當，每個成員輪流擔任組長，負責電路總體設計、小組成員之間任務分配、與教師溝通和成果展示等。
⑴ 分析任務。任務來源于實際生活，教師負責指導學生分析任務，明確需要哪幾個功能模塊實現(xiàn)該任務，針對涉及的知識點，引導學生查閱資料自學。教師可以將本任務的實物教具示范給學生，讓學生對任務的基本功能有直觀的了解。
⑵ 設計制作。根據(jù)所作的任務分析，小組成員查閱資料、制定方案、設計電路。首先使用電路仿真軟件進行電路功能仿真；然后組長對成員分配功能任務，在實驗室小組成員自主完成電路制作和調(diào)試，教師在旁邊進行指導。遇到電路問題時，應充分利用儀器儀表，耐心檢查，可尋求教師幫助，還可以上網(wǎng)查閱解決問題的方法，這樣能鍛煉學生的動手能力和解決電路故障的能力，進而提高學生的專業(yè)技能。
⑶ 成果展示。任務完成后，由小組長負責成果展示，將電路設計過程、制作中遇到的問題及解決方法與同學分享，在查閱資料過程中學習了哪些新的知識，實現(xiàn)結(jié)果與設計期望有哪些不同的地方。這個過程可以讓學生加深對理論知識的理解，同時鍛煉了表達能力，學生之間可以取長補短，對設計進行改進，有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。針對每個小組的實際電路設計和成果展示，教師和其他小組共同給作品打分，作為一次實驗成績。
成立電子協(xié)會，開展第二課堂作為該課程的有力支撐。電子協(xié)會可以組織學生走進電子市場，了解市場上不同功能芯片的價格，然后查看它們的性能，對芯片的性價比做到心中有數(shù)，在實際設計電路時才能選擇最適合的芯片去完成設計。以協(xié)會為載體，教師帶領學生開展實用的設計項目，鼓勵部分優(yōu)秀的學生設計、制作和調(diào)試實用的電子產(chǎn)品，培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作能力和創(chuàng)新精神，增強學生理論聯(lián)系實踐的能力。通過校級電子設計競賽，篩選出優(yōu)秀的學生，參加國家級的電子設計競賽，充分發(fā)揮學生的自主學習能力和創(chuàng)新性，讓高一屆的學生帶動低一屆學生，能力強的帶動能力弱的，形成互幫互助、共同成長的氛圍，增強學生的專業(yè)興趣，提高專業(yè)技能。
3 結(jié)束語
通過在計算機專業(yè)學科基礎課“電路與數(shù)字邏輯”中引入任務驅(qū)動式的教學改革，從生活中的實例入手，帶動理論的學習和電路的設計制作，大大提高了學生的學習效率和興趣，培養(yǎng)其獨立探索、勇于開拓進取的自學能力。通過對一個完整任務的分析、設計和實現(xiàn)，學生獲得了滿足感和成就感，從而激發(fā)了他們的求知欲望，形成一個學習的良性循環(huán)。通過小組討論和分工合作，增強了學生的團隊合作意識。這種開放性、創(chuàng)新性的教育方法，克服了傳統(tǒng)教學法"只見樹木，不見森林"的弊端，有助于培養(yǎng)學生的工程應用能力，提高學生分析問題、解決問題的能力。
實踐證明，任務驅(qū)動型教學法把理論教學和實踐教學有機地結(jié)合起來，其實質(zhì)是追求探究式學習，學生處于積極的學習狀態(tài)，每位學生根據(jù)個人對任務的理解，查閱資料，將所學知識和自學知識融合提出方案、解決問題，課堂教學過程充滿了民主和個性，課堂氛圍真正活躍起來。學生在學習過程中提高了學習興趣，從被動學習轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃訉W習，學生提出問題、分析問題和解決問題的能力得到提高，專業(yè)技能也迅速提高。
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關鍵詞：納米尺度互連線 集總參數(shù)模型 電路仿真 CMOS射頻集成電路設計
中圖分類號：TN402 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0176-02
1 引言
隨著半導體技術的發(fā)展，納米尺度的CMOS工藝射頻集成電路（RFIC）在工業(yè)、科技、醫(yī)藥醫(yī)療的應用越來越廣泛，且其工作頻率已經(jīng)進入微波、毫米波段，如X波段、Ku波段及60GHz應用等[1]。然而，當電路的工作頻率進入到這種高頻頻段時，電路模型的精度是電路能否成功實現(xiàn)的關鍵所在。在電路版圖設計之后，通常是利用Assura和Calibre等工具來獲得互連線的寄生電阻和寄生電容。然而，由于電路的寄生電感比寄生電阻和寄生電容復雜且精度低，很難利用版圖驗證設計工具得到寄生電感值，因此，需要借助于電磁場仿真軟件對傳輸線進行準確模擬。然而，在電路設計初期通常需要考慮用于互連的微帶傳輸線對電路性能的影響，傳統(tǒng)單純利用電磁場仿真軟件進行參數(shù)提取的方法無法準確根據(jù)設計要求進行參數(shù)調(diào)整。本文構(gòu)建了基于物理特性的互連線模型，該模型的寄生參數(shù)通過傳輸線物理特性和電磁場仿真軟件得到，易于計算和電路設計分析。同時，該模型的參數(shù)和頻率無關，易于電路分析，適用于射頻集成電路的設計。最后，論文詳細論述了將模型用于集成電路設計中的流程。
2 互連線寄生參數(shù)仿真模型
射頻集成電路設計中使用的互連線結(jié)構(gòu)按照其類別可分為兩類：第一類是微帶線是以芯片襯底地作為其地平面，第二類是互連線是以某一金屬層（通常是第一層金屬M1）作為其地平面。對于這兩類互連線結(jié)構(gòu)而言，采用襯底地平面作為公共地平面的互連線比采用底層金屬M1作為公共地的互連線更加靈活，因為在實際電路設計中受限于電路結(jié)構(gòu)，其底層金屬需要作為信號線進行器件之間互連，這種情況下需要采用第一種結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)信號互連。然而，使用底層金屬M1作地線可以隔離襯底，減少襯底的損耗，因此在集成電路設計中兩種傳輸線結(jié)構(gòu)相互并存。
圖1是互連線的模型圖，該模型為單π集總參數(shù)模型，與常規(guī)的電感π模型相似[2]。圖1中模型并聯(lián)部分表示寄生電容和電阻，串聯(lián)部分表示寄生電感和電阻。在設計窄帶寬的電路時，尤其是進行放大器電路設計，關注的是工作頻率附近的參數(shù)。所以，方框模型可以視為獨立于工作頻率，即模型在窄帶電路設計中依舊可以使用。模型中，電感L2和電阻R2為互連線自身的分布電感和分布電阻，包含了集膚效應和鄰近效應對電路的影響，而并聯(lián)電容和電阻為導線和襯底之間等效電容和等效電阻。
對于該傳輸線模型，其離散參數(shù)的矩陣近似于模擬值和實際測量值。根據(jù)等效規(guī)則，電路的參數(shù)都可由Y參數(shù)推導得出[3]。在得到每一模塊的參數(shù)后，串聯(lián)電感值，電阻值和并聯(lián)電容值都可以求出。
根據(jù)等效規(guī)則，工作頻帶的S參數(shù)應該與模擬和測試值相同。根據(jù)對Y矩陣的定義，可以推導出以下公式：
式中，為工作頻率，函數(shù)real（）和函數(shù)imag（）分別代表著復數(shù)的實部和虛部。
以上的公式對于大多數(shù)傳輸線是可用的，無論傳輸線是否對稱。在大多數(shù)情況下，傳輸線的Y1，Y3部分在結(jié)構(gòu)上并不對稱。但是，當兩端口的反射系數(shù)的值相同時，將出現(xiàn)對稱的特殊情況。此時傳輸線可化簡為相同的部分，且可從電報方程中得出各元件的值。
在以上的分析中，電容，電感和電阻分別是頻率的參數(shù)，而本模型中各部分數(shù)值處理成和頻率無關的數(shù)值，這將在電路設計中產(chǎn)生誤差。由于替換產(chǎn)生的誤差可有下面公式得出：
是仿真實際S參數(shù)值，是模型的S參數(shù)值。
通常，當電路的頻率與正常工作頻率差異較大時，由于集膚效應和鄰近效應，這個誤差將會造成更加嚴重的影響。依照上述的模型，我們利用電磁場仿真軟件ADS-Momentum構(gòu)建了互連傳輸線，該傳輸線采用第二類結(jié)構(gòu)，該傳輸線位于的TSMC 0.18um射頻/混合信號工藝的第6層金屬上，金屬線寬6um，線長115um。工作頻率為10GHz，根據(jù)公式（2）得到集總參數(shù)模型各個參數(shù)如下：
為比較模型和實際電磁場仿真數(shù)據(jù)之間差別，公式（4）中各個數(shù)據(jù)對應模型的S參數(shù)和電磁場仿真軟件得到的S參數(shù)進行了對比，圖2是采用電磁場仿真軟件ADS-Momentum和模型部分參數(shù)對比，從圖中可以看出，電磁場仿真軟件的模型和本模型S參數(shù)的誤差遠離工作頻率段誤差越大，這是由于公式（2）中對頻率進行了近似處理，遠離工作頻率的點采用工作頻率來代替，由于這種代替，數(shù)據(jù)之間誤差越大。在其偏離中心頻率50%位置處（即15GHz和5GHz），模型和Momentum仿真數(shù)據(jù)的差異低于5%。在實際電路設計，通常需要電路設計師關注于傳輸線寄生參數(shù)對電路性能影響，此時工作頻率點附近模型簡易、準確是電路設計重點，而偏離工作頻率點的模型誤差在窄帶電路設計是可以接受的。
3 模型在射頻集成電路設計中應用
CMOS射頻集成電路設計是利用已有的有源器件和無源器件模型進行電路設計。傳統(tǒng)的集成電路設計首先進行電路原理圖設計，然后進行電路版圖設計，再進行參數(shù)提取，在參數(shù)提取中主要利用Cadence系統(tǒng)自身已有的仿真工具Assura來實現(xiàn)，在參數(shù)提取結(jié)束后再進行后仿真。當電路設計不滿足要求時，需要重復上述過程，然而，在上述的傳統(tǒng)集成電路中，由于參數(shù)提取過程的參數(shù)為分布參數(shù)，難以直接用于電路O計參數(shù)調(diào)整。同時，傳統(tǒng)的參數(shù)提取方法只進行了電阻和電容的參數(shù)提取，而對寄生電感沒有進行提取，這將導致電路設計的預期結(jié)果和實測結(jié)果出入較大。
為克服傳統(tǒng)的射頻集成電路設計的上述不足，可以將本論文的參數(shù)模型和集成電路設計相互結(jié)合。圖4是本論文的模型應用于射頻集成電路設計中流程圖，在原理圖和版圖設計中依然類似于傳統(tǒng)的集成電路設計方法，但版圖設計及參數(shù)提取時將版圖中的互連線單獨分離出來，利用電磁場仿真軟件ADS-Momentum電磁場仿真，仿真結(jié)束后利用模型將其中的各個互連線參數(shù)提取出來，由于互連線的寬度、長度和圖1中模型的各個參數(shù)密切相關，故將互連線得到的各個參數(shù)代入到版圖后仿真設計中，檢測互連線參數(shù)是否滿足電路設計要求。如果互連線參數(shù)滿足設計要求，則電路設計完成；否則，根據(jù)要求適當調(diào)整互連線參數(shù)，并判斷調(diào)整后參數(shù)是否滿足電路設計要求，如果滿足電路設計要求，則依據(jù)重新設計的要求進行版圖調(diào)整，完成電路設計。如果調(diào)整后的互連線參數(shù)依然不滿足電路設計要求，則依據(jù)要求進行原理圖設計調(diào)整，然后依次重復上述過程。如圖3所示。
從上述的電路設計流程可以看出，在射頻集成電路設計中應用本模型可以及時了解電路中的各個互連線參數(shù)，根據(jù)電路設計要求調(diào)整互連線參數(shù)，滿足電路設計要求。在整個設計流程中，首先根據(jù)互連線提取參數(shù)判斷是否滿足電路設計要求，進而根據(jù)設計要求調(diào)整互連線參數(shù)來滿足電路設計要求，這將簡化傳統(tǒng)電路設計循環(huán)，減少電路設計時間，同時通過互連線參數(shù)調(diào)整將互連線作為電路設計的一部分進行綜合考慮，這將有助于提高電路綜合性能。
4 結(jié)語
本文提出了適用電路后仿真的納米尺度互連線模型，該模型基于物理意義而構(gòu)建，模型的各個參數(shù)皆為集總參數(shù)，各個參數(shù)都可以通過電磁場仿真軟件而獲得并在集成電路設計中進行調(diào)整。該集總參數(shù)的模型結(jié)構(gòu)簡單，易于使用，適合于CMOS射頻集成電路設計分析中使用，同時文中給出了該模型應用于射頻集成電路設計的流程并分析了其特點，分析表明采用文中模型可以根據(jù)電路設計要求進行調(diào)整互連線的尺寸，并可將互連線參數(shù)作為電路設計的一部分進行綜合考慮，有助于提高電路綜合性能。
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收稿日期：2016-09-28
【關鍵字】高速公路;機電工程;監(jiān)理
近幾年，現(xiàn)代化進程的加快使得高速公路的建設方面取得了巨大的成績，這些成績都是有目共睹的。2012年，新疆高速，湖南14條高速相繼通車;2013年廣東7條高速公路通車;2014年底，湖南8條公路通車。由此可見高速公路在日趨緊張的道路交通中，起著不斷緩解的作用。在逐步通車的高速公路上，聯(lián)網(wǎng)收費，公路狀況信息化，智能化等先進技術不斷提升。如何讓一個高速公路的質(zhì)量得以保障？從而可以看出高速公路機電工程的監(jiān)理技術與應用的重要性。
一、前期監(jiān)理
前期監(jiān)理屬于監(jiān)理的初期部分，一般是在為施工之前進行的施工準備，對于即將施工的過程當中的人員思想，設計圖紙，施工材料，施工過程等的前期設計。通過前期的預想與實際施工過程想對應，查缺補漏，使得工程更加完善。[1]
1.思想上的高度一致
從思想上認同機電工程的質(zhì)量對于整個工程的影響，全員重視機電工程的工作，不可消極怠工。根據(jù)工程的實際需要安排是否有駐地監(jiān)理，流動監(jiān)理。同時對于施工過程當中出現(xiàn)的問題應該敢說，敢問，敢于質(zhì)疑，絕不敷衍了事。協(xié)助上層監(jiān)理部門的視察管理工作。講究科學的方法，幫助整理施工合同，供應商，業(yè)主，施工方等簽訂設計合同。很據(jù)監(jiān)理法以及相關國家規(guī)定，進行高速公路機電工程的工程監(jiān)理。
2.前期監(jiān)理的準備
一般高速公路建成的過程當中，往往是機電工程的監(jiān)理工程師于承包工程的建筑隊同時得到中標書，有些時候甚至比中標人還要稍微晚一些。這就造成監(jiān)理工程師實際上是沒有充分的時間去了解項目業(yè)主的想法，也沒有時間去熟悉施工招標的文件內(nèi)容以及施工目的，從而使得在監(jiān)理過程當中對于整個施工的過程大方向上沒有足夠的了解，也沒有把握。
所以在工程承包人事實確定之后，監(jiān)理就應該開始和承包人的設計人員溝通，從設計圖階段就開始進入監(jiān)理過程，對圖紙中所涉及的機電工程的各階段進行審核優(yōu)化，聯(lián)合設計。更重要的是對于機電工程來講，工程質(zhì)量中很多都是需要與施工設計所選擇的工廠設備中的型號，規(guī)格等有很大關系。在機電工程當中，監(jiān)理人員應對于所選用的設備，零件等深入了解并和設計人員做以聯(lián)合檢車。在審查過程當中，更應仔細，嚴禁，認真并盡量減少不必要的更換，從而保證工程進度。
二、中期監(jiān)理
高速公路機電工程一般都分為收費系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，通信系統(tǒng)三個部分。而機電工程施工的特點一般都是時間較短，而三個系統(tǒng)之間的施工又關系緊密，所以監(jiān)理人員要注重有效的控制施工的進度，合理安排機電施工的計劃用以保證整個高速公路工程的進度，這就要求監(jiān)理人員具備較高的監(jiān)理技術并對其靈活運用。對于高速公路的中期監(jiān)理應該做的以下幾點。[2]
1.進度監(jiān)理
首先是對于月進度的查看，并與月施工的審批計劃表相對應。查看以完成的工作是否在進度范圍之內(nèi)，剩余的施工計劃是否可以實現(xiàn)，并對于不切實際的施工計劃指導施工進度。
其次對于正在進行的施工進度進行實地的跟蹤檢查，其中包括施工負責人對于當天施工的項目，進度等進行匯報，從而使監(jiān)理人員掌握目前施工的動態(tài)。在現(xiàn)場針對所接到的匯報進行巡場考察，是否和匯報的相符，并對巡場結(jié)果記錄與監(jiān)理目錄當中。還有當天對于施工過程當中哪些對于施工進度有所影響，在未來的施工過程當中就應該盡量避免。
再次是對于施工人員對于施工程序的了解，施工人員是否按照正常施工順序施工，有無不正當操作從而影響了施工效率。高速公路的機電工程屬于外場施工見多的部分，如遇天氣等影響，應轉(zhuǎn)外場為內(nèi)場，盡量是施工進度處于平衡狀態(tài)。
最后每個月，承包人應對于當月的工程進度做匯報總結(jié)，即月進度報表。對于應設定的完成任務和已完成任務總結(jié)，對于各系統(tǒng)內(nèi)沒有完成的任務做總結(jié)。作為監(jiān)理師應根據(jù)所交上來的報表，進行現(xiàn)場的實地考察，對于出現(xiàn)的不正確的數(shù)據(jù)進行修改指正，重新整理上報。對于月報表，按時間段整理成柱形圖，線性圖表等便于觀看，與月報表相對應修改日報表的內(nèi)容。按時發(fā)送給承包商和標主，使其對工程進度有詳細的了解，從而對于工程進度能有效控制。
2.質(zhì)量監(jiān)理
首先提高全員的安全意識，做好安全宣傳工作，這也是作為監(jiān)理好工程的一種必要手段，對于工程監(jiān)理，其既不是一個簡單的工作也不是一個非常復雜深奧的東西。但是由于工程的操作范圍涉及面較廣，施工人員文化程度參差不齊，對工程質(zhì)量意識比較薄弱，經(jīng)常左耳進右耳出，這就需要監(jiān)理人員不斷的針對工程質(zhì)量進行一級一級的宣傳，多次循環(huán)使其潛意識對于工程質(zhì)量提高認識。[3]
其次對于工程質(zhì)量的監(jiān)控要強勢有力，對于工程質(zhì)量出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，人員等在處理上要強勢，絕不將就人情，不能拖泥帶水模糊而過，出現(xiàn)問題的施工人員該撤換就撤換，管理人員該處罰就處罰，堅決不可心慈手軟，否則會給整個工程的質(zhì)量帶來無法估計的隱患。目前我國的監(jiān)理體制在很大一部就存在此類問題，監(jiān)理人員對于施工質(zhì)量上或是沒有實權無法處置，或者模糊帶過不講責任。這是目前監(jiān)理技術在應用上的難題。
再次，對于監(jiān)理的工作實施計劃，要具有可操作性。高速公里的機電工程很大一部分的專業(yè)性很強，而監(jiān)理人員可能對于專業(yè)知識也有理解不夠到位的時候。所以對于工程質(zhì)量的監(jiān)理要多學多問，提出的質(zhì)量問題的改善要具有可操作性。而且在工程質(zhì)檢方面，監(jiān)理人員可以設置質(zhì)量考核評比等多種手段促進施工人員對工程質(zhì)量的努力，例如自檢表，合格的予以獎勵，獎罰分明，管理得當。
最后，很多工程的質(zhì)量問題都是在實地檢查當中發(fā)現(xiàn)的，所以監(jiān)理人員在施工場地要堅持跟蹤檢查，讓事故在初始階段就被解決，時刻監(jiān)督施工人員，并安排指導正確的施工方式，普及施工規(guī)范。機電工程的范圍很廣，出現(xiàn)問題監(jiān)理人員要和施工人員，設計人員共同研究，爭取解決。但是出現(xiàn)問題也要嚴格管理，不能推卸責任，所以監(jiān)理人員應做好責任管理制度，進而使得整個工程質(zhì)量得以良好的保證。
三、后期監(jiān)理
對于工程的后期監(jiān)理部分，主要是針對機電工程的三個部分的統(tǒng)一調(diào)試;對于整個工程質(zhì)量監(jiān)理過程當中有哪些需要注意的地方和施工人員的不足之處等。調(diào)試過程當中出現(xiàn)的問題一定要及時進行修改，避免在未來的高速公路使用當中造成影響。在機電工程當中應注意發(fā)電，配電，送電等各個部分的使用情況，不可疏忽大意。監(jiān)理人員對于施工人員在施工過程當中的表象也應有所總結(jié)并匯報至中標人處，對整個工程和未來即將開展的工程負責。
總結(jié)：
在高速公路的機電工程當中，監(jiān)理人員應著重與中期的監(jiān)理，時刻做好監(jiān)理的職責，為工程質(zhì)量負責。機電工程內(nèi)容較多，需要涉獵的學科也比較多，而且任何一項工程都不是一蹴而就的這就要求監(jiān)理人員對于工程監(jiān)理要有足夠的耐心，細心，成為復合型的監(jiān)理人員。對于監(jiān)理技術要運用得當，靈活便捷的使用。
參考文獻
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[1]陳兵. 高速公路機電工程的監(jiān)理技術與應用[J]. 科技經(jīng)濟市場，2006，04：142-143窗體底端
[1]陳兵. 高速公路機電工程的監(jiān)理技術與應用[J]. 科技經(jīng)濟市場，2006，04：142-143
（延安大學西安創(chuàng)新學院 理工系，陜西 西安 710100）
摘 要：電路分析基礎是各電類專業(yè)的先導課程，學好本課程對后續(xù)課程的學習有重大意義.本文從課程教學方法入手，提出了課程的改革思路與方法，實踐證明這些方法有效并可逐步推廣應用.
關鍵詞 ：電路分析；教改；應用型
中圖分類號：G642.4文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0247-02
基金項目： 延安大學西安創(chuàng)新學院教學改革項目（14JG09）；陜西省教育廳自然科學類專項科研計劃資助項目（NO:14JK2170）
0 引言
“電路分析”作為電氣信息類專業(yè)(0806)、儀器儀表類(0804)和電子信息科學類(0712)的核心專業(yè)基礎課程，同時也是機械類(0803)、能源動力類(0805)和海洋工程類(0813)的核心專業(yè)基礎課程，都是相關專業(yè)研究生入學考試必考科目.由此可見，這些課程在人才培養(yǎng)中舉足輕重.就我校而言，在電子信息工程、計算機科學與技術、物聯(lián)網(wǎng)工程、汽車服務工程以及工業(yè)設計專業(yè)都開設了電路分析基礎課程，在土木工程專業(yè)、建筑工程專業(yè)也開設有課程性質(zhì)相近的電工學課程.我校具有一個獨立的電路分析實驗室，擁有電路分析實驗箱18套.雖然不同的專業(yè)教學重點各有不同，但是電路分析的基礎理論基礎知識是必不可少的.因此開展電路分析教學改革對培養(yǎng)創(chuàng)新與應用型人才具有重大意義.
為了適應時代的發(fā)展和教改的要求，任課教師從教學內(nèi)容，教學方法及手段到考核標準都進行了調(diào)整.電路分析課屬于經(jīng)典電路理論，在教學中應突出經(jīng)典理論的基本概念及規(guī)律，提高教學效率.隨著電路理論的發(fā)展和計算機的普遍應用，大量繁雜的計算應放在現(xiàn)代電路分析中解決.在教學方法上，應將傳統(tǒng)的注重知識內(nèi)容的順序教學方式與注重知識關系的知識結(jié)構(gòu)教學方式相結(jié)合.從培養(yǎng)科研能力，提高學生素質(zhì)出發(fā)，應強調(diào)電路分析中的模型概念，它是電路分析的基礎.教學方式及手段是使學生掌握課程內(nèi)容的關鍵，應將課堂教學與計算機輔助教學相結(jié)合，標準化教學與電子教案相結(jié)合，同時還應該將答疑與質(zhì)疑相結(jié)合，理論教學與實驗相結(jié)合，筆試考核與實驗能力，平時作業(yè)，甚至口試等考核方式相結(jié)合.
1 教學改革的思路與方法
1.1 經(jīng)典電路理論與現(xiàn)代分析手段相結(jié)合
電路理論發(fā)展至今已近一個世紀[1].早期的電路理論是在物理學中電磁學的基礎上發(fā)展起來的.當時主要研究的對象是線性非時變無源電路，并形成了完整的經(jīng)典分析方法，這些方法同時也是近代電路分析方法的基礎，因此應該是學生學習中必須牢固掌握的.傳統(tǒng)的教學內(nèi)容包括直流電路的分析，交流電路的分析及動態(tài)電路的分析.教學中應以分析簡單電路為主，突出基本概念，避免繁雜的數(shù)學計算.自20世紀60年代，電路理論發(fā)生了重大變革，從原來主要研究線性非時變無源電路，進一步發(fā)展到非線性時變有源電路.由于近代大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，傳統(tǒng)的分析手段難以完成復雜的分析.為了適應電路理論發(fā)展的要求，應在教學中適量增加近代電路的分析方法及手段，如有源電路的分析，非線性電路的分析，矩陣分析方法，網(wǎng)絡分析方法等.其主要特征是計算機輔助分析的應用.加強這方面的教學是該課發(fā)展的要求，也是學生學好后續(xù)課程的基礎.
1.2 順序教學方式與知識結(jié)構(gòu)教學方式相結(jié)合
以往的教學方式是以知識內(nèi)容順序，按部就班地一章一章地進行，學生被動地一章一章地學，難以形成對所學知識的整體認識.實際上，電路分析同許多其它學科一樣，都有一套完整的體系，其中的各要素有著密切的聯(lián)系，它同知識的具體內(nèi)容，公式，定理相比，更容易理解和掌握.學生在大學學習期間要學習許多具體的知識內(nèi)容，要求學生幾年以后仍然牢記如此眾多的內(nèi)容既不實際，也不必要.從提高能力和素質(zhì)出發(fā)，應培養(yǎng)學生在今后遇到實際問題時，能分析問題的實質(zhì)所在，知道解決問題的途徑，而不是死記書本知識.知識的具體內(nèi)容是知識結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵，知識結(jié)構(gòu)是知識內(nèi)容之間的有機聯(lián)系.兩種方式相結(jié)合可以取長補短，既培養(yǎng)了技能，又提高了素質(zhì)及科研能力.
1.3 課堂教學與計算機輔助教學相結(jié)合
傳統(tǒng)的教學手段是以板書教學為主，主要表現(xiàn)為被動式教學，老師講，學生聽.這樣就造成學生認為只有寫到黑板上的內(nèi)容才是課程所要求的.例如：將一個聲表面波器件[2]畫在黑板上花費大約3分鐘，對于45分鐘的課堂時間來說已經(jīng)足夠長了.隨著計算機的普及，教學應采用計算機輔助教學手段，就可以節(jié)省很多時間.所以應從單調(diào)的黑板式課堂教學向計算機輔助教學的方向發(fā)展.課堂不應該是單向灌輸知識的場所，應該是教師與學生相互交流的場所，是體現(xiàn)主講教師教學風格，教學思想教學藝術的平臺.
1.4 標準化考核與能力考核相結(jié)合
一支筆一張紙式的考核方式一直是考核學生學習效果的主要形式.但是，為了使考核標準化，使其具有一定的客觀型，合理性和可比性，應逐步建立同計算機輔助教學相配套的試題庫，評分標準及考核成績分析系統(tǒng).能力考核是考試改革的難點，它受許多因素的限制.在目前情況下，應將筆試與實驗相結(jié)合，期末考試與平時成績相結(jié)合，有條件時可結(jié)合口試或部分口試來考核學生成績.
2 具體作法及效果
2.1 注意課程內(nèi)容的先進性，電路分析課程經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，內(nèi)容較多，因此，必須結(jié)合國內(nèi)外電路分析課程的最新研究成果確定課程內(nèi)容，課程要傳授先進的知識內(nèi)容和方法.達到知識先進并學以實用.
2.2 將現(xiàn)代教育理論使用在電路分析教學中[3]，樹立先進的教學理念，重視素質(zhì)培養(yǎng)通過組織教師研討、與學生對話、進行示范教學等活動提高教學效果.
2.3 研制電路分析課程的電子教案，使用多媒體教學；采用多種教學方法和手段，采用多媒體技術輔助講解具有動態(tài)性質(zhì)的知識點，使傳統(tǒng)教學與多媒體教學有機結(jié)合.
2.4 建立網(wǎng)上課堂，樹立以學生為中心的教學思想，加強教與學的信息交流，重視對學生主動學習習慣的培養(yǎng)，啟發(fā)學生的探索精神.
2.5 加強理論教學與實踐教學相結(jié)合.在電路分析理論課（必修課）開設的同時開設“電路實驗”，促進知識的深化和培養(yǎng)學生的動手能力.增加創(chuàng)新實驗和開放性實驗項目，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力和實際解決問題的能力.
3 結(jié)束語
本方案改變傳統(tǒng)的板書式教學使用多媒體教學，教學手段新穎.用設計性實驗代替?zhèn)鹘y(tǒng)驗證性實驗，使學生能夠親自動手設計實驗，從而更好的理解和掌握知識點.考核方式增加口試，可以加深學生對于知識點的掌握程度.從而提高了電路分析課程的教學質(zhì)量和教學效果.
參考文獻：
〔1〕譚永霞.電路分析基礎[M].成都:西南交通大學出版社，2009.1-3.
1 概述
電子標簽是時下最為先進的非接觸感應技術。RI－R6C－001A芯片是美國德州儀器（TI）和荷蘭飛利浦公司（Philips）開發(fā)出的一種廉價的非接觸感應芯片。這種芯片的無源最大讀寫距離可達1．2米以上。它與條形碼相比，無須直線對準掃描，而且讀寫速度快，可多目標識別和運動識別，每秒最多可同時識別50個，頻率為13．56MHz ±7kHz（國際通用）的目標。它采用國際統(tǒng)一且不重復的8字節(jié)（64bit）唯一識別內(nèi)碼（Unique identifier，簡稱UID），其中第1～48bit共6字節(jié)為生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品編碼，第49～56bit 1個字節(jié)為廠商代碼（ISO／IEC7816－6／AM1），最高字節(jié)固定為“EO”。其使用壽命大于10年或讀寫10萬次，無機械磨損、機械故障，可在惡劣環(huán)境下使用，工作溫度為－25～＋70℃?可反復讀寫且扇區(qū)可以獨立一次鎖定，并能根據(jù)用戶需要鎖定重要信息；現(xiàn)有的產(chǎn)品一般采用4字節(jié)扇區(qū)，內(nèi)存從512bit～2048bit不等。
RI－R6C－001A芯片采用柔性封裝，它的超薄和多種大小不一的外型，使它可封裝在紙張和塑膠制品（PVC、PET）中，既可應用于不同安防場合，也可再層壓制卡。國際標準化組織已把這種非接觸感應芯片寫入國際標準ISO15693中。其主要原因是因為該芯片具有封裝任意、內(nèi)存量大、可讀可寫、防沖撞等獨特的功能。
2 引腳排列與功能
圖1所示為（RI－RRC－001A芯片和引腳排列）。
3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)
收發(fā)器需要5V外加電源，在實際操作中最小電壓為3V，最大電壓為5．5V，典型電壓為5V。電損耗取決于天線阻抗和輸出網(wǎng)絡的配置。由于電源紋波和噪聲會嚴重影響整個系統(tǒng)的性能，因此，德州儀器推薦使用標準電源。
射頻收發(fā)器內(nèi)部的輸出晶體管是一個低阻場效應管，電耗直接在TX＿OUT腳消耗，推薦用5V電源供電，最好驅(qū)動50Ω天線。在輸出端連接一個簡單的諧振電路或者匹配網(wǎng)絡可以降低諧波抑制，用選通方波驅(qū)動輸出晶體管能達到100％的調(diào)制度。調(diào)整連接輸出晶體管的電阻（典型電路中的R2）能獲得10％的調(diào)制度，增大這個電阻，調(diào)制度也隨之增加。通過發(fā)射編碼器變換的數(shù)據(jù)可按照事先選擇好的射頻協(xié)議進行傳輸，通信速率應為5～120kB，而且至少要有一個速率滿足已選擇感應器協(xié)議的要求。
接收器通過外部電阻連接到天線后可將來自電子標簽的調(diào)制信號通過二極管包絡檢波進行解調(diào)，接收解碼器輸出到控制器的數(shù)據(jù)是二進制數(shù)據(jù)格式，通信速率和射頻協(xié)議由已選擇的模式確定。在輸出數(shù)據(jù)時，接收的數(shù)據(jù)串中已檢測并標志了啟動、停止、錯誤位。
該系統(tǒng)的正常時鐘頻率為13．56MHz，但是振蕩器的工作頻率范圍為4MHz～16MHz。
在電源被重新啟動后，設備為默認配置。RI－R6C－001A系統(tǒng)有三個有效電源模式。主要模式是滿載模式，而空載模式僅出現(xiàn)在與電路有關的標準振蕩器和最小系統(tǒng)工作中的標準振蕩器停振時，掉電模式則完全關斷設備內(nèi)部的偏置系統(tǒng)。當SCLOCK保持高電平時，可在DIN端的輸出脈沖上升沿喚醒電路。
RI－R6C－001A芯片的串行通信接口通常使用三根線，其中的SCLOCK為串行雙向時鐘；DIN為數(shù)據(jù)輸入，DOUT為數(shù)據(jù)輸出。參見圖2所示的RI－R6C－001A內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。
4 典型電路應用
圖3所示是RI－R6C－001A的典型應用電路，該電路可驅(qū)動50Ω的天線，當電源電壓為5V時，輸出射頻的功率為200mW，而當電源電壓為3V時，輸出射頻功率為80mW。
圖3
由于電路中的發(fā)射器一直工作，因此，應增大集成電路散熱片的尺寸以增加散熱面積。設計電路時，應避免過大的分布電容，當電路板分布電容過高時，可配合晶振調(diào)整電容C5的值，以減少時鐘的不穩(wěn)定性。推薦C5值為22pF。通過軟件處理可使收發(fā)器的調(diào)制度在100％～10％范圍內(nèi)調(diào)整。ISO15693協(xié)議規(guī)定標簽允許執(zhí)行10％～30％之間的調(diào)制度（除100％之外），通過改變電阻R2的值可以達到這個要求。
