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關(guān)鍵詞:EDA仿真;負(fù)載能力;擴(kuò)流設(shè)計(jì);仿真對(duì)比驗(yàn)證
中圖分類號(hào):TN702文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):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(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用廣泛。在實(shí)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(dòng)或負(fù)載加重后容易出現(xiàn)死機(jī)或復(fù)位不正?，F(xiàn)象,這對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和實(shí)驗(yàn)室管理有很大影響,也是困擾實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)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(jìn)的試驗(yàn),會(huì)給實(shí)驗(yàn)室管理者以借鑒。
在電路設(shè)計(jì)中用到EDA(Electronics Design Automation,電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化)技術(shù)。在進(jìn)行電路改進(jìn)前,從電路參數(shù)設(shè)計(jì),電路功能仿真驗(yàn)證等都在計(jì)算機(jī)上先用EDA軟件完成,不但縮短了電路設(shè)計(jì)時(shí)間,而且大大地節(jié)約了成本。
EDA 技術(shù)是隨著集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種高級(jí)、快速、有效的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具。它經(jīng)歷了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Assist Design,CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)(Computer Assist Engineering Design,CAE)和電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation,EDA)三個(gè)發(fā)展階段[1]。利用EDA技術(shù)進(jìn)行電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì),具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[2]:用軟件的方式設(shè)計(jì)硬件;用軟件方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)到硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換是由有關(guān)的開發(fā)軟件自動(dòng)完成的;對(duì)設(shè)計(jì)電路功能是否正確可進(jìn)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(yùn)用Protell 99 SE 中的Advanced SIM 99仿真功能對(duì)所改進(jìn)的電路進(jìn)行仿真和應(yīng)用。
1 EDA仿真在測試儀電源電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
學(xué)校電工電子實(shí)驗(yàn)室有多臺(tái)LM-800C數(shù)字集成電路測試儀,在使用中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)死機(jī),復(fù)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(kuò)展能力差,帶負(fù)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(fù)載,實(shí)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(kuò)展能力差,帶負(fù)載能力不強(qiáng),有時(shí)會(huì)出現(xiàn)死機(jī)、無法復(fù)位現(xiàn)象。通過對(duì)其電源電路的改進(jìn),增加了擴(kuò)流電路,從而解決了實(shí)際使用中存在的問題。
1.1測試儀電源電路的擴(kuò)流設(shè)計(jì)
為了節(jié)約成本,不能對(duì)原來電路進(jìn)行全新設(shè)計(jì),只能在原來電源電路基礎(chǔ)上,通過增加部分電路來增強(qiáng)其帶負(fù)載能力。
改進(jìn)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(kuò)流電路,當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定或測試系統(tǒng)負(fù)載增大時(shí),電源帶負(fù)載能力強(qiáng),輸出電壓穩(wěn)定。
圖2為經(jīng)過改進(jìn)的帶擴(kuò)流功能的電路,帶負(fù)載能力較強(qiáng),能擴(kuò)大電路的輸出電流。Q1為外接擴(kuò)流功率三極管,R1為Q1的偏置電阻。該電路帶負(fù)載能力與Q1的參數(shù)有關(guān)。C1,C4為濾波電容,C2為0.33 μF,可抵消輸入接線的電感效應(yīng),C3可防止高頻自激,消除高頻噪聲,改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)[6,7]。
圖2 帶擴(kuò)流功能的電路
電源電路擴(kuò)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(duì)輸出電壓的影響(相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的導(dǎo)通電壓0.7 V),并提供電容C4的放電回路。設(shè)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(fù)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(jì),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(fù)載能力。
1.2 兩種電路帶負(fù)載能力的仿真對(duì)比驗(yàn)證
可用Protell 99 Advanced SIM 99[6,7]對(duì)原電路(圖1)和改進(jìn)后的電路(圖2)進(jìn)行仿真分析,以驗(yàn)證二者的帶負(fù)載能力。
(1) 仿真參數(shù)設(shè)置
首先進(jìn)行仿真參數(shù)設(shè)置,進(jìn)行瞬態(tài)分析與傅里葉分析[8,9],仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖3所示。
圖3 仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框
為了突出顯示,顯示器上只顯示兩個(gè)波形,其中in為輸入端,out為輸出端。
(2) 仿真波形對(duì)比分析
用Protell 99 Advanced SIM 99對(duì)圖1所示電路進(jìn)行仿真,發(fā)現(xiàn)當(dāng)負(fù)載變重,超過78M05最大輸出電流(0.7 A)時(shí)[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(dòng),5 V下降為4 V左右,且輸出(out)波形不平滑,紋波大。負(fù)載變重后的仿真波形如圖4所示。
圖4 負(fù)載變重后的波形
為了增大電源的帶負(fù)載能力,在原電路的基礎(chǔ)上加擴(kuò)展電流三極管Q1后,帶同樣的負(fù)載,輸出電壓很穩(wěn)定(5 V),仿真波形如圖5所示。
圖5 加擴(kuò)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(shè)計(jì)電路的應(yīng)用效果
經(jīng)改進(jìn)后的電源電路,在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際使用中,再未發(fā)現(xiàn)死機(jī)或不能正常復(fù)位現(xiàn)象,證明通過EDA仿真所設(shè)計(jì)的電路在使用中獲得成功。
2 結(jié) 語
用EDA仿真技術(shù)能方便電路設(shè)計(jì),并可驗(yàn)證電路
設(shè)計(jì)的正確性。通過對(duì)兩種電路的仿真對(duì)比,說明改進(jìn)后電源電路帶負(fù)載能力強(qiáng),這在實(shí)際使用中得到驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)
[1]王濤.數(shù)字集成電路的故障診斷和故障仿真技術(shù)的研究 [D].成都:電子科技大學(xué),2005.
[2]National Instruments.The Measurement and Automation Catalog 2004[Z].2004.
[3]伏家才.EDA原理與應(yīng)用 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.
[4]周紹慶.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:北京交通大學(xué)出版社,2007.
[5]羅敏.專用集成電路邏輯測試儀系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2006.
[6]Cheng K T,Jou J Y.Functional Test Generation for Finite State Machines [A].Proc. ITC[C].2006:160-168.
[7]陳松.電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化[M].南京:東南大學(xué)出版社,2005.
[8]朱勇.Protel DXP范例入門與提高[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.
1醫(yī)療健康領(lǐng)域的需求現(xiàn)狀
在醫(yī)療健康領(lǐng)域,關(guān)注的熱點(diǎn)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(wù)為最終目的,但是前者主要是有針對(duì)性的“對(duì)癥下藥”,而后者則更傾向于為一般消費(fèi)者提供更全面的保健解決方案。
美國著名經(jīng)濟(jì)學(xué)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(jì)顧問,在他的《財(cái)富第五波》一書中指出:二十一世紀(jì)人類面臨嚴(yán)重飲食失衡,卻人人希望更健康、抗老化,預(yù)防勝于治療,從而開啟保健產(chǎn)業(yè)的兆億商機(jī)。這是繼第四波網(wǎng)絡(luò)革命后的明星產(chǎn)業(yè),相比疾病產(chǎn)業(yè)的被動(dòng)性,保健事業(yè)是主動(dòng)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(huì)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(yīng)用新的技術(shù)和產(chǎn)品。
2.1 世界人口老齡化,對(duì)醫(yī)療護(hù)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(jì)社會(huì)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(dá)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(bào)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(gè)數(shù)字將達(dá)到4.3億,占全國人口的30%。這些數(shù)字意味著屆時(shí)每4個(gè)人中將有1~2名老年人,同時(shí)也表明針對(duì)老年人護(hù)理的配套設(shè)施將會(huì)有很大需求。
近幾年來,中國社會(huì)老齡化趨勢日益明顯,也引起了各有關(guān)方面的關(guān)注?！叭丝诶淆g化將伴隨21世紀(jì)始終”。我國現(xiàn)在雖然還處于勞動(dòng)力黃金時(shí)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(huì)標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)跨進(jìn)了老齡化社會(huì)的門檻。老齡化問題將從多方面給中國社會(huì)帶來巨大壓力和挑戰(zhàn),同時(shí)也會(huì)帶來新的機(jī)遇,其中最大的機(jī)遇就是老年人群消費(fèi)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(diǎn)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(jì)發(fā)展速度,呈現(xiàn)了“未富先老”的特征;
(4)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)率先進(jìn)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(jì)發(fā)展水平尚處于世界中下水平時(shí),老齡化程度卻己進(jìn)入了發(fā)達(dá)國家的行列。老齡化的加速對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(guān)的慢性病增加,在發(fā)展中國家尤其如此。在世界各地,護(hù)理人員、衛(wèi)生系統(tǒng)乃至整個(gè)社會(huì)均需作好準(zhǔn)備,應(yīng)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(kuò)大化,以及家用保健產(chǎn)品需求的加強(qiáng),對(duì)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(huì)的發(fā)展和人們生活水平的提高,對(duì)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(fēng)。通過健康飲食、經(jīng)常性身體活動(dòng)和避免使用煙草,可預(yù)防80%以上的心臟病和中風(fēng),而為了進(jìn)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(shè)備進(jìn)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(jī)會(huì)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(yùn)動(dòng)障礙疾病、癲癇、頑固性疼痛等,導(dǎo)致病人明顯殘障,造成巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)負(fù)擔(dān)。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(shù)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(fù)雜性和人類認(rèn)識(shí)的局限性,不可逆的手術(shù)毀損具有不可預(yù)知的惡性后果。
進(jìn)入21世紀(jì)后,隨著生活質(zhì)量的提高,人們健康意識(shí)也普遍增強(qiáng)。特別是在醫(yī)院內(nèi)“一次性治愈”目標(biāo)很難實(shí)現(xiàn)的階段下,新的產(chǎn)業(yè)應(yīng)運(yùn)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(shè)備的需求明顯,如疾病預(yù)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(hù)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(shí)實(shí)現(xiàn)在臨床上的診斷準(zhǔn)確性和日常家用的普及性,以及建立以預(yù)防和早期診斷為導(dǎo)向的健康觀念。比如對(duì)于盲人、癲癇癥、糖尿病等患者,傳統(tǒng)醫(yī)療護(hù)理手段所帶來的長期的臨床生活是社會(huì)和病人都無法承擔(dān)的,而離開了醫(yī)院又會(huì)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(shí)現(xiàn)“隨時(shí)隨地”的動(dòng)態(tài)、連續(xù)的檢測和初步診斷?？梢灶A(yù)見在不遠(yuǎn)的將來,這些便攜、可穿戴或植入式的醫(yī)療及保健電子設(shè)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(dǎo)體市場的重要推動(dòng)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(dǎo)體市場的)主要驅(qū)動(dòng)。全球醫(yī)療保健費(fèi)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(dǎo)體行業(yè)的收入來看,醫(yī)用半導(dǎo)體行業(yè)的幾個(gè)主要的部分預(yù)計(jì)在未來的5年內(nèi)年均復(fù)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(yù)計(jì)在未來5年醫(yī)用集成電路市場的年增長率將高達(dá)14%,甚至高于消費(fèi)類集成電路(11%)和計(jì)算機(jī)集成電路(9%)的增長?？梢钥闯?在21世紀(jì)醫(yī)用集成電路的重大革新將會(huì)像上世紀(jì)80年代的電子計(jì)算機(jī)、90年代的移動(dòng)通信一樣,成為影響全球半導(dǎo)體市場的主要推動(dòng)力。
世界范圍內(nèi)的醫(yī)療電子市場同時(shí)會(huì)帶動(dòng)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(dá)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(jì)社會(huì)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(qiáng)大的動(dòng)力。在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長的同時(shí),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(huì)帶來的壓力。
2我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇
醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)的涵蓋領(lǐng)域非常廣,包括超聲波成像、計(jì)算機(jī)斷層掃描等應(yīng)用電子設(shè)備,以及電子血壓計(jì)、血糖儀等消費(fèi)類終端產(chǎn)品都屬于醫(yī)療電子領(lǐng)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(xì)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(tái)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(duì)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(qiáng)調(diào)了要加強(qiáng)在醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域自主創(chuàng)新能力的建設(shè),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(jī)遇。另外,醫(yī)療設(shè)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(yù)測,當(dāng)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(yīng)對(duì)這個(gè)難得的發(fā)展機(jī)遇,要在如下兩個(gè)方面有所建樹:一方面是在醫(yī)療信息系統(tǒng)領(lǐng)域。這一領(lǐng)域迫切需要提高遠(yuǎn)程醫(yī)療水平,以及其所依賴的信息傳輸和管理技術(shù)。另一方面是在醫(yī)療電子領(lǐng)域。這兩個(gè)方面的要求,需要在技術(shù)上關(guān)注網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)與便攜技術(shù)的走勢:第一是網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)操作標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)識(shí)到“為了適應(yīng)醫(yī)療體系的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè),從長遠(yuǎn)發(fā)展來看互聯(lián)的數(shù)據(jù)平臺(tái)變得非常重要”。第二是便攜醫(yī)療產(chǎn)品與技術(shù)。隨著人們健康意識(shí)、健康需求及相應(yīng)支付能力的不斷提高,以預(yù)防為主和早診治的指導(dǎo)思想,以及醫(yī)療電子隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展不斷涌現(xiàn)出小型化、集成化、網(wǎng)絡(luò)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(jì)、便攜血糖儀、電子助聽器等便攜式設(shè)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(hù)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(shè)備市場前列。此外,基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)所需的低成本、高可靠性、操作簡單的X光機(jī)、超聲診斷儀、核磁共振設(shè)備和計(jì)算機(jī)斷層掃描設(shè)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(shù)都備受關(guān)注。
3集成電路技術(shù)應(yīng)用的概要介紹
集成電路技術(shù)在醫(yī)療電子領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用非常廣闊且多樣化,大致可分為下述四種不同的應(yīng)用類型:
(1)醫(yī)學(xué)影像――這一類型包括超聲波、計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)室配套電子設(shè)備、透析機(jī)、分析儀器、外科手術(shù)設(shè)備、牙科設(shè)備等;
(3)消費(fèi)型醫(yī)療設(shè)備――偏重于患者(可家用,非臨床)使用的終端設(shè)備,包括數(shù)字體溫計(jì)、血糖計(jì)、血壓計(jì)、胰島素泵、心率計(jì)、輔助聽力(數(shù)字助聽)等;
(4)診斷、患者監(jiān)護(hù)與治療設(shè)備――協(xié)助醫(yī)生判斷的(主要是臨床使用)相應(yīng)設(shè)備,都包括心電圖、腦電圖、血氧計(jì)、血壓計(jì)、溫度計(jì)、呼吸計(jì)、除顫器、植入設(shè)備等;
這四種類型基本涵蓋了醫(yī)療電子領(lǐng)域的各種應(yīng)用。其中后兩類,特別是消費(fèi)型醫(yī)療設(shè)備尤其需要通過先進(jìn)的集成電路技術(shù)來達(dá)到智能化、小型化、低功耗、高分辨率等目標(biāo)。
小型化、低功耗:通過這些便攜、可穿戴、或是植入式的設(shè)備,才可以實(shí)現(xiàn)人體相關(guān)體征信號(hào)的動(dòng)態(tài)采集和連續(xù)監(jiān)測,在必要時(shí)還可以達(dá)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(luò)接入等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(wù),同時(shí)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(yù)防,或老年人用于輔助護(hù)理、年輕人用于鍛煉健身,可提供早診治的信息,對(duì)人體最小干預(yù)(無創(chuàng)/微創(chuàng)),等等。
世界上集成電路領(lǐng)域最權(quán)威的會(huì)議――國際固態(tài)電路會(huì)議(ISSCC)的技術(shù)專題委員會(huì),圍繞以上四種類型的醫(yī)療電子應(yīng)用中日益凸顯的關(guān)鍵技術(shù)問題,在2009年預(yù)測了在未來醫(yī)療電子應(yīng)用領(lǐng)域中集成電路技術(shù)的研究熱點(diǎn):
(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(diǎn)在于需要對(duì)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(shí)還對(duì)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(yuǎn)程診斷;
(4)自適應(yīng)控制:場景分析、管理方法等;
(5)無線測量技術(shù)中的瓶頸:數(shù)據(jù)流壓縮、拓寬頻道等;
(6)帶有馬達(dá)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(yīng)管,ISFET);
(8)其他系統(tǒng)級(jí)需求。
在這些預(yù)測的研究熱點(diǎn)中,既有針對(duì)某一種具體應(yīng)用提出了更進(jìn)一步的功能研究(如用于腸胃內(nèi)窺鏡中的馬達(dá)和姿態(tài)控制),也有對(duì)從應(yīng)用中提煉出的共性關(guān)鍵技術(shù)(如對(duì)于無線通信技術(shù)方面的瓶頸分析),還有對(duì)于生物醫(yī)療與集成電路的交叉學(xué)科發(fā)展趨勢(如需要更完善的知識(shí)結(jié)構(gòu)和傳感技術(shù)完成生物分析檢測等)。
從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度來看,上述醫(yī)療應(yīng)用中有關(guān)的信息工程在醫(yī)療電子領(lǐng)域面臨的根本性問題可分為四個(gè)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(shí)際世界中的各種物理量需要首先轉(zhuǎn)換成為電信號(hào),之后才能夠由集成電路進(jìn)行處理。采用適合類型的傳感器對(duì)適合的物理量進(jìn)行采集,以及對(duì)傳感器的接口進(jìn)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(hào)后,還需要做初步的信號(hào)調(diào)理和采樣、變換、濾波等預(yù)處理操作,并將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)或是根據(jù)一定的算法做分析計(jì)算;
(3)數(shù)據(jù)傳輸:經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)還需要進(jìn)行傳遞,通過由集總的控制設(shè)備進(jìn)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(hào)有線連接或是通過人體組織等導(dǎo)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(yīng):對(duì)于一般的醫(yī)療電子設(shè)備而言,體積微型化和延長工作壽命是矛盾的,因?yàn)殡娫吹捏w積往往與其可提供的能量大小成比例。這樣就需要在進(jìn)行低功耗、低能耗設(shè)計(jì)研究的同時(shí),開發(fā)出新的能量供應(yīng)方式如能量恢復(fù)、光電池效應(yīng)、壓電效應(yīng)等,保證醫(yī)療設(shè)備(特別是便攜式、植入式)的續(xù)航能力。
接下來以幾個(gè)具體的研究課題項(xiàng)目為基礎(chǔ),針對(duì)不同的應(yīng)用例做更深入的分析,來介紹一下目前國內(nèi)在如下兩個(gè)研究方向上取得的一些進(jìn)展:
1)對(duì)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)。同時(shí)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(luò),實(shí)現(xiàn)人體區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
2)在另一些特殊的應(yīng)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(huì)涉及到傅里葉變換、數(shù)據(jù)壓縮等更為復(fù)雜的算法,數(shù)據(jù)運(yùn)算量相對(duì)于簡單的生命體征信號(hào)要大得多,成為制約低功耗的瓶頸之一。
4實(shí)例
4.1 用于體征監(jiān)測的傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線人體區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Body Area Sensor Networks, WBASN)是一種能夠滿足前述應(yīng)用要求的“通用”解決方案。它是進(jìn)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(luò),一般主要用于特定人群/人體的長時(shí)間健康狀況監(jiān)測、身體健康指標(biāo)分析等。最典型的應(yīng)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(luò)內(nèi)的可定制監(jiān)測,人們可以根據(jù)實(shí)際需要對(duì)身體的一個(gè)或多個(gè)相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)做連續(xù)采集監(jiān)測,并通過良好人機(jī)交互界面進(jìn)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(diǎn)和基站主節(jié)點(diǎn)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(diǎn)中包括前端的傳感器件/能量轉(zhuǎn)換器件,目標(biāo)是由對(duì)有關(guān)健康狀況的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量、處理和交換。基站主節(jié)點(diǎn)隨時(shí)接受區(qū)域中每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),并控制和調(diào)配這些傳感節(jié)點(diǎn)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(jì)、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(guān)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(dǎo)電極、熱敏電阻、惠斯通電橋、電流式傳感器和3軸加速度計(jì)等。所有傳感子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息通過基站主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)一的融合處理和分析判斷,實(shí)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本功能是由傳感子節(jié)點(diǎn)(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(diǎn)(體外的便攜裝置,如PDA等)統(tǒng)一接收后進(jìn)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(shí)時(shí)反饋、超限數(shù)據(jù)的安全警告等。另外,主節(jié)點(diǎn)還可以作為“網(wǎng)關(guān)”接入到因特網(wǎng)、GPRS等廣域網(wǎng)絡(luò)中,將本地的數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器供醫(yī)生遠(yuǎn)程診斷,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療等。如果主節(jié)點(diǎn)初步判斷后認(rèn)為需要完成進(jìn)一步的操作,會(huì)再次采集相關(guān)信息、給出警告信息或進(jìn)行干預(yù)操作――給藥、電刺激等,以實(shí)現(xiàn)慢性病護(hù)理或及時(shí)診治。雖然這一網(wǎng)絡(luò)的研究目前還處于實(shí)驗(yàn)室為主的原型驗(yàn)證,但是在一些應(yīng)用中還是會(huì)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(shí)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(shè)備上,然后再發(fā)回地面指揮中心進(jìn)行分析。
2)WBASN的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
一個(gè)典型的子節(jié)點(diǎn)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(dòng)模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、微控制器MCU、數(shù)據(jù)流的預(yù)處理(協(xié)處理)單元、存儲(chǔ)器和射頻(RF)收發(fā)機(jī),其中MCU與傳感器模塊之間還可以實(shí)現(xiàn)可配置的多標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。若將圖 4所示的結(jié)構(gòu)進(jìn)行高集成度的電路實(shí)現(xiàn),就是片上系統(tǒng)(SoC)平臺(tái)芯片。一種較為簡單的平臺(tái)芯片實(shí)現(xiàn)中不含有傳感器模塊和RF收發(fā)機(jī)(但包含對(duì)應(yīng)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(yīng)種類數(shù)據(jù)信息的采集,進(jìn)行一些預(yù)處理,然后與主節(jié)點(diǎn)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(tái)芯片中會(huì)帶有片上RF模塊,這樣每個(gè)子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)就只需外接一個(gè)傳感器芯片即可完成采集、組網(wǎng)等功能。SoC平臺(tái)的作用是在功能異構(gòu)的WBASN各個(gè)子節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中作為一個(gè)基礎(chǔ)的“通用的”平臺(tái)。
3)WBASN的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)
上述分析表明WBASN的近人體子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中,應(yīng)該以超低功耗和高度集成的(SoC)設(shè)計(jì)為重點(diǎn)。于是就要綜合系統(tǒng)的各方面需求,整合設(shè)計(jì)并實(shí)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(dá)到功能上的靈活性、完備性的同時(shí),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的極低功耗。這些數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)包括幾個(gè)方面:(1)在各個(gè)功能相異的節(jié)點(diǎn)休眠間隔不等的情況下進(jìn)行接入;(2)醫(yī)療用途的緊急情況下“給藥”或“電刺激”的實(shí)時(shí)控制實(shí)現(xiàn);(3)星型網(wǎng)絡(luò)中單跳的組網(wǎng)方式對(duì)指令集的優(yōu)化;(4)無線方式的節(jié)點(diǎn)功能更替;(5)兼容多標(biāo)準(zhǔn)的傳感器器件接口;(6)電路級(jí)的低功耗技術(shù)如門控、多電壓、異步電路設(shè)計(jì)等。在我們的研究中,綜合考慮了上述方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。這樣還會(huì)帶來很多其他的好處,如設(shè)計(jì)成本低、系統(tǒng)擴(kuò)充性好、針對(duì)WBASN應(yīng)用開發(fā)的軟件/硬件效率高,等等。
下面針對(duì)上述子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行具體說明:
第一,在低功耗方面,通過對(duì)具體實(shí)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(wù)。目前的絕大多數(shù)SoC實(shí)現(xiàn)方案基本上都是采用各種措施將工作時(shí)低功耗達(dá)到更低的指標(biāo)。但是對(duì)于WBASN的具體應(yīng)用而言,子節(jié)點(diǎn)通常都會(huì)處于非常低的工作占空比,也就是說在整個(gè)子節(jié)點(diǎn)壽命內(nèi)的絕大多數(shù)時(shí)間里,子節(jié)點(diǎn)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(gè)毫秒;心率測量也只需要每100毫秒測量幾個(gè)毫秒,等等。這樣,子節(jié)點(diǎn)的總能量消耗往往更多浪費(fèi)在空閑時(shí)的狀態(tài)上。所以對(duì)于WBASN的優(yōu)化需要從工作時(shí)功耗和休眠時(shí)功耗協(xié)同考慮完成,目標(biāo)是提高電池的能量使用效率。
第二,子節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)控制。在許多研究中廣泛采用了實(shí)時(shí)性操作系統(tǒng)(如TinyOS),其實(shí)只保證了子節(jié)點(diǎn)在工作狀態(tài)下處理器處理各個(gè)任務(wù)的實(shí)時(shí)性。還需要子節(jié)點(diǎn)保證網(wǎng)絡(luò)行為的“實(shí)時(shí)性”:如用于閉環(huán)施放藥物的子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),在接到主節(jié)點(diǎn)發(fā)來的“給藥”指令之后應(yīng)該以最短的反應(yīng)時(shí)間給出操作。這就與低功耗的指標(biāo)相矛盾:為了更快的反應(yīng)速度,應(yīng)該在空閑時(shí)采用“偵聽”方案或者休眠間隔很短的方案――這樣同時(shí)增大了空閑時(shí)功耗;反之,為了避免該給藥子節(jié)點(diǎn)的電池能量大都浪費(fèi)在空閑時(shí)狀態(tài),應(yīng)該采用空閑時(shí)休眠的方案,并且該加大休眠間隔――這樣在主節(jié)點(diǎn)開始發(fā)送喚醒要求(大多數(shù)這種時(shí)候都是緊急情況)之后還要等到子節(jié)點(diǎn)的下次定時(shí)喚醒才能夠給出響應(yīng),最壞情況下的反應(yīng)速度為子節(jié)點(diǎn)的定時(shí)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(shí)間的折中選取。以具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:在“國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)”中的ADICOL項(xiàng)目中,胰島素施放操作的閉環(huán)控制是每3分鐘定時(shí)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(jì)推算)都至少有97%的喚醒是不需要做給藥的,這樣就浪費(fèi)了子節(jié)點(diǎn)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(gè)子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的RF模塊和通訊協(xié)議都沒有差別,所以通常的設(shè)計(jì)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(jìn)行轉(zhuǎn)換)和數(shù)字量(傳感器自帶ADC,僅需要滿足相應(yīng)時(shí)序)。已有的相關(guān)研究大多是基于這兩類接口進(jìn)行展開的。但是在不同功能的子節(jié)點(diǎn)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(yùn)算復(fù)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(diǎn)的功能進(jìn)行調(diào)整。如果在每個(gè)子節(jié)點(diǎn)設(shè)備封裝前預(yù)先寫好軟件算法,還需要專門的“燒寫”設(shè)備。我們的研究中采用一種可由主節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程配置子節(jié)點(diǎn)軟件的協(xié)議,就可以在滿足“軟件靈活性”要求的同時(shí)不引入其他設(shè)備。
4)總結(jié)
如前述,WBASN的優(yōu)化重點(diǎn)在于子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng), 而子節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的核心是SoC平臺(tái)。為了保證子節(jié)點(diǎn)SoC平臺(tái)的超低功耗、高集成度、靈活性、高效率、可靠性等,需要SoC平臺(tái)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(gè)傳感器設(shè)備(或稱網(wǎng)絡(luò)內(nèi)“近人體節(jié)點(diǎn)”)的主要指標(biāo)可以歸結(jié)為:系統(tǒng)集成度,小型化/微型化,低功耗電路設(shè)計(jì),無線遙感鏈路和信號(hào)處理算法等。除此之外,其他一些指標(biāo)如服務(wù)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(guān)領(lǐng)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(dāng)今臨床和日常的物理康復(fù)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(lǐng)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(shí)現(xiàn)促進(jìn)恢復(fù)正常的神經(jīng)傳導(dǎo)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(shí)甚至還可以修復(fù)、替代某些受損的人體組織和器官。一般的電脈沖刺激時(shí)采用無極性微分型指數(shù)波形,由電荷相等的正負(fù)脈沖波構(gòu)成,負(fù)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(shù),特別是植入式的處理器控制應(yīng)用在電刺激器中,可以完成復(fù)雜的信號(hào)處理,同時(shí)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(dǎo)線,刺激心臟使之激動(dòng)收縮,以模擬心臟的沖動(dòng)發(fā)生和傳導(dǎo)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(dǎo)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(gè)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(jī)械震動(dòng)通過外耳和中耳之后,會(huì)在耳蝸的各處與基底膜發(fā)生共振?；啄さ恼駝?dòng)帶動(dòng)毛細(xì)胞纖毛的振動(dòng),產(chǎn)生毛細(xì)胞的感受器電位,進(jìn)而產(chǎn)生聽神經(jīng)的動(dòng)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(dòng)情況,進(jìn)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(xì)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(dòng)聽神經(jīng)。而人工耳蝸的基本工作原理就是繞過毛細(xì)胞這一環(huán)節(jié),直接對(duì)聽神經(jīng)進(jìn)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(xì)胞驅(qū)動(dòng)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(duì)應(yīng)關(guān)系(頻率拓?fù)湫再|(zhì))。一般需要使用更加復(fù)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(shù)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(xì)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(gè)位于病人體外的視頻采集設(shè)備(如小型攝像機(jī)),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(shè)備采集到的實(shí)時(shí)視頻圖像經(jīng)過處理,轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)多電極陣列的信號(hào)。多電極陣列對(duì)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(xì)胞及其網(wǎng)絡(luò),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(diǎn)是可以產(chǎn)生較準(zhǔn)確的視覺感知,而且所需電流強(qiáng)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(yīng)。至今已有較多實(shí)驗(yàn)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(dá)到預(yù)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(zhǔn)任何類型的視覺假體的臨床應(yīng)用。
下面以人工聽覺的具體系統(tǒng)為例,詳細(xì)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(fù)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(fù)(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(fù)技術(shù)。目前各種人工耳蝸產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上細(xì)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(gè)部分,其工作原理和流程如下:
(1)體外的麥克風(fēng)首先把采集到的機(jī)械聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào);
(2)模擬電信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號(hào);
(3)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)數(shù)字聲音信號(hào)進(jìn)行分析并決定如何驅(qū)動(dòng)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(duì)刺激指令序列進(jìn)行解析;
(6)體內(nèi)的刺激器對(duì)解調(diào)出來的指令序列進(jìn)行譯碼,然后根據(jù)指令要求在電極上產(chǎn)生相應(yīng)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(yīng)用
在當(dāng)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(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)整,降低系統(tǒng)對(duì)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(hào)采集、處理電路,以及與體外的無線接口,同時(shí)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(jī)模式下,如圖 7(b)所示,也可以工作于體外語音信號(hào)采集電路與體內(nèi)處理電路協(xié)同的聯(lián)機(jī)模式下,如圖 7(c)所示。從技術(shù)可行性的角度上講,聯(lián)機(jī)模式下的系統(tǒng)在當(dāng)前的電路技術(shù)條件下是可以實(shí)現(xiàn)的,而單機(jī)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(duì)植入式電池的使用量。而且該系統(tǒng)包含了一個(gè)完整的全植入數(shù)字式子系統(tǒng),對(duì)該系統(tǒng)的研究可以涵蓋下一代全植入式系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。也就是說,該系統(tǒng)的很多關(guān)鍵技術(shù)將可以直接應(yīng)用到下一代全植入系統(tǒng)當(dāng)中。實(shí)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(gè)系統(tǒng)可以自然而然地轉(zhuǎn)換成一個(gè)全植入式系統(tǒng)。
3)植入式數(shù)字信號(hào)處理器的低功耗設(shè)計(jì)
在雙模系統(tǒng)中,最大的技術(shù)難題就在于植入式數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的設(shè)計(jì)(圖 8),因?yàn)樗鼛缀跏钦麄€(gè)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(duì)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(duì)DSP 的功耗要求都是非?？量痰?。在體內(nèi)單機(jī)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(jī)模式下,由于無線能量傳輸效率低下,DSP 的功耗將會(huì)被嚴(yán)重放大,這比DSP 在體外時(shí)的情況要惡化很多。
實(shí)際的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方法有助于提高效率并降低成本,同時(shí)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(yùn)用指令集簡化、等待模式、循環(huán)暫存、存儲(chǔ)器切割、操作數(shù)隔離和時(shí)鐘門控等多種低功耗設(shè)計(jì)技術(shù),在0.18μm CMOS 工藝下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的一款人工耳蝸專用的低功耗DSP實(shí)際測量結(jié)果為:在10MHz 的時(shí)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(dāng)前的技術(shù)水平來講,數(shù)字式全植入的人工耳蝸系統(tǒng)仍然因?yàn)槟芰抗?yīng)不足(功耗大而電池容量小)的緣故無法實(shí)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(jìn)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(shí)際上是一個(gè)會(huì)隨著微電子設(shè)計(jì)和制造水平的提高而逐步得到解決的問題。因此,從長遠(yuǎn)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(huì)給病人帶來很大不適,而且診斷存在盲區(qū),并可能會(huì)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(diǎn)。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(dòng)在其中緩慢移動(dòng)。移動(dòng)的過程中會(huì)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(huì)給病人帶來不適,在檢測時(shí)病人也可活動(dòng),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(xué)家提出并實(shí)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(xué)術(shù)界相繼開始對(duì)這種產(chǎn)品的研發(fā),一些新產(chǎn)品和新技術(shù)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(shù),以及控制膠囊內(nèi)鏡姿態(tài)的控制技術(shù);韓國研究機(jī)構(gòu)推出了以人體作為導(dǎo)體來直接傳輸信息的技術(shù),用以代替射頻收發(fā)機(jī),目前也已成功地利用到膠囊內(nèi)鏡產(chǎn)品中。在可預(yù)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(gè)系統(tǒng)最為重要的部分,也是設(shè)計(jì)難度最高的部分,在集成電路設(shè)計(jì)時(shí)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(gè)部分組成,如圖 10所示,包括一個(gè)商用CMOS圖像傳感器、白色發(fā)光LED、一個(gè)商用射頻收發(fā)機(jī)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(gè)膠囊的一端,負(fù)責(zé)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(dá)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(shí)提供照明光線。高性能、低功耗的商用射頻收發(fā)機(jī)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(jī)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(dá)500kbps。兩顆1.5V的鈕扣電池串聯(lián)后為整個(gè)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(jī)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(shí)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(gè)部分所需的電源電壓。無線喚醒子系統(tǒng)可以對(duì)密封在膠囊中的電路系統(tǒng)進(jìn)行開啟、關(guān)閉、復(fù)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(shí)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(shí)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(jī)發(fā)送一幀圖像的數(shù)據(jù)量,也就相應(yīng)地減少了每幀圖像射頻部分的能量,并且有利于進(jìn)一步減小系統(tǒng)工作的占空比,延長電池的工作時(shí)間。
引入圖像壓縮功能實(shí)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(shù)比較容易實(shí)現(xiàn),使得降低數(shù)字電路的功耗相對(duì)于降低射頻電路的功耗更為容易。因此,只要對(duì)圖像壓縮的計(jì)算復(fù)雜度做出仔細(xì)的評(píng)估,電路系統(tǒng)整體能量的降低不難實(shí)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(biāo)準(zhǔn),但一般包括如下幾個(gè)重要指標(biāo):
1)工作時(shí)間:至少為8小時(shí),因?yàn)橐话隳z囊內(nèi)鏡通過人體消化道的時(shí)間為8小時(shí)。
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(dāng)然,在滿足基本工作時(shí)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(duì)其應(yīng)用需求做出細(xì)致的分析,對(duì)系統(tǒng)的供電方式、體積尺寸、通信方式、工作時(shí)間、可靠性等要求進(jìn)行綜合考慮。分析和測量結(jié)果表明,在系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)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(shù)的應(yīng)用對(duì)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(jià)值。
目前國內(nèi)有清華大學(xué)、中科院合肥智能機(jī)械研究所、重慶大學(xué)、重慶金山科技集團(tuán)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(lǐng)域的社會(huì)需求、市場需求現(xiàn)狀入手,對(duì)我國醫(yī)療電子產(chǎn)業(yè)面臨的機(jī)遇進(jìn)行了分析,并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)――集成電路技術(shù)應(yīng)用做了基本介紹。多方面的數(shù)據(jù)分析表明,醫(yī)學(xué)微電子系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)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(luò)化、數(shù)字化、智能化。最后還通過幾個(gè)在研項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)一步闡釋了集成電路技術(shù)在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 任務(wù)驅(qū)動(dòng)； 電路與數(shù)字邏輯； 任務(wù)型教學(xué)； 傳統(tǒng)教學(xué)
中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門學(xué)科基礎(chǔ)課，在整個(gè)課程體系中占有重要地位[1]。該課程理論知識(shí)點(diǎn)多，涉及到的邏輯門電路、觸發(fā)器、時(shí)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(xué)者無法實(shí)現(xiàn)思維的轉(zhuǎn)變，從而在做實(shí)驗(yàn)時(shí)一籌莫展。傳統(tǒng)的教學(xué)一般由教師循序漸進(jìn)地講授知識(shí)點(diǎn)，以小型簡單的例子來加深學(xué)生的理解，這種教學(xué)方法的不足之處在于：學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中只是掌握一些零散知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用，沒有建立起系統(tǒng)的思維方式，因此，在應(yīng)用知識(shí)時(shí)缺乏整體感[2-3]。
本文探討在“電路與數(shù)字邏輯”課程中應(yīng)用任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法，在教學(xué)過程中，教師設(shè)計(jì)與實(shí)際生活聯(lián)系緊密的任務(wù)，在該任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，指導(dǎo)學(xué)生分析任務(wù)的功能，劃分功能模塊，引導(dǎo)學(xué)生查找資料、分析并設(shè)計(jì)方案、選擇元器件、制作調(diào)試，在這一系列的實(shí)際工程體驗(yàn)活動(dòng)中增強(qiáng)對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，獲得較強(qiáng)的動(dòng)手能力和設(shè)計(jì)制作電路的能力。
整個(gè)教學(xué)過程由任務(wù)驅(qū)動(dòng)，以學(xué)生為主體，注重學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)，同時(shí)注重團(tuán)隊(duì)協(xié)作、小組間有效溝通等綜合職業(yè)索質(zhì)的培養(yǎng)。學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成一個(gè)任務(wù)的分析、設(shè)計(jì)、實(shí)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(xué)法的弊端，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，提高分析問題、解決問題的能力，同時(shí)培養(yǎng)了團(tuán)隊(duì)合作精神。
1 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法的特點(diǎn)
1.1 教學(xué)內(nèi)容的重組
在教學(xué)中使用任務(wù)型教學(xué)法，首先要把理論知識(shí)進(jìn)行模塊化分解，合理劃分成若干知識(shí)單元，以滿足任務(wù)實(shí)施的需要[4-5]。“電路與數(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(chǔ)，其中一部分內(nèi)容學(xué)生在之前的“計(jì)算機(jī)文化基礎(chǔ)”課程中已經(jīng)學(xué)過，所以可以將這部分內(nèi)容適當(dāng)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(dǎo)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(shí)際應(yīng)用中已趨于淘汰，可以根據(jù)組合電路的設(shè)計(jì)需求重點(diǎn)學(xué)習(xí)邏輯代數(shù)的基本概念、卡諾圖化簡、各種表達(dá)方式的相互轉(zhuǎn)換，并將其作為一個(gè)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)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(xué)生對(duì)電路的軟件仿真有一定的理解。組合邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)，包含多種集成芯片的功能分析、使用與設(shè)計(jì)，可以分解為若干個(gè)任務(wù)，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(shí)際組合電路的設(shè)計(jì)與制作。觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路的分析與設(shè)計(jì)，可以分解為多個(gè)任務(wù)，利用觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器和移位寄存器等集成芯片完成實(shí)用時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)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(gè)綜合設(shè)計(jì)型任務(wù)，切實(shí)提高學(xué)生解決問題的能力。
1.2 教師角色的轉(zhuǎn)換
任務(wù)型教學(xué)法強(qiáng)調(diào)學(xué)生在教學(xué)過程中的主體地位，教師由知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變成一名向?qū)?，引?dǎo)學(xué)生搜集資料、自主學(xué)習(xí)、小組討論，激發(fā)他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思維[6]。集成電路種類繁多，在電子設(shè)計(jì)中不可避免的會(huì)用到不曾接觸過的集成電路，因此需要培養(yǎng)學(xué)生閱讀集成電路數(shù)據(jù)手冊(cè)的能力。教師以某個(gè)集成電路芯片為例，引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)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(hào)集成電路性能指標(biāo)的區(qū)別，進(jìn)而選擇合適的芯片完成設(shè)計(jì)。
1.3 理論與實(shí)踐相結(jié)合。
在日常生活中尋找設(shè)計(jì)任務(wù)，比如交通燈的控制、流動(dòng)文字顯示、數(shù)字顯示溫度計(jì)等，從身邊有趣的題目入手，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的興趣，提高其學(xué)習(xí)積極性，不會(huì)產(chǎn)生所學(xué)知識(shí)與生活脫節(jié)的感受。對(duì)于較難理解的知識(shí)點(diǎn)，鼓勵(lì)學(xué)生搭建驗(yàn)證性電路，觀察電路的運(yùn)行狀態(tài)，思考為什么會(huì)出現(xiàn)這種結(jié)果，加強(qiáng)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解。
1.4 被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)
在任務(wù)型教學(xué)法中， 為了完成任務(wù)，學(xué)生必須主動(dòng)查找資料，主動(dòng)思考解決問題的辦法，與小組成員討論完成電路設(shè)計(jì)。在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生自主完成電路的制作與調(diào)試，遇到電路故障，需獨(dú)立思考問題，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，運(yùn)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(wù)式教學(xué)方法，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生由過去的被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，提高了該課程的學(xué)習(xí)效果。
這樣，學(xué)生在明確目標(biāo)的任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，將所學(xué)理論知識(shí)與生活實(shí)際問題聯(lián)系起來，對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)能夠靈活運(yùn)用，通過分析、設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試電路，這個(gè)過程中，學(xué)生通過小組成員合作，共同完成一個(gè)綜合任務(wù)，過程中可以互相討論、有效溝通，既學(xué)到知識(shí)，又學(xué)會(huì)獨(dú)立思考、與人溝通、分析策劃、動(dòng)手操作，不但可以⑺學(xué)零散的知識(shí)點(diǎn)串聯(lián)起來，還可以提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作、溝通能力、創(chuàng)新能力、解決復(fù)雜問題的能力，學(xué)生可以逐漸成長為應(yīng)用技術(shù)型人才。
2 任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法的實(shí)施
任務(wù)驅(qū)動(dòng)式教學(xué)法需要對(duì)課程的基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和提高發(fā)揮性實(shí)驗(yàn)，分別分配一定比例的課時(shí)，教學(xué)過程包括任務(wù)分析、設(shè)計(jì)制作、成果展示幾個(gè)階段。
首先對(duì)全班學(xué)生進(jìn)行分組，根據(jù)學(xué)生自愿的原則，每組3人，盡量使各個(gè)小組的總體能力相當(dāng)，每個(gè)成員輪流擔(dān)任組長，負(fù)責(zé)電路總體設(shè)計(jì)、小組成員之間任務(wù)分配、與教師溝通和成果展示等。
⑴ 分析任務(wù)。任務(wù)來源于實(shí)際生活，教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)學(xué)生分析任務(wù)，明確需要哪幾個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)該任務(wù)，針對(duì)涉及的知識(shí)點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生查閱資料自學(xué)。教師可以將本任務(wù)的實(shí)物教具示范給學(xué)生，讓學(xué)生對(duì)任務(wù)的基本功能有直觀的了解。
⑵ 設(shè)計(jì)制作。根據(jù)所作的任務(wù)分析，小組成員查閱資料、制定方案、設(shè)計(jì)電路。首先使用電路仿真軟件進(jìn)行電路功能仿真；然后組長對(duì)成員分配功能任務(wù)，在實(shí)驗(yàn)室小組成員自主完成電路制作和調(diào)試，教師在旁邊進(jìn)行指導(dǎo)。遇到電路問題時(shí)，應(yīng)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(xué)生的動(dòng)手能力和解決電路故障的能力，進(jìn)而提高學(xué)生的專業(yè)技能。
⑶ 成果展示。任務(wù)完成后，由小組長負(fù)責(zé)成果展示，將電路設(shè)計(jì)過程、制作中遇到的問題及解決方法與同學(xué)分享，在查閱資料過程中學(xué)習(xí)了哪些新的知識(shí)，實(shí)現(xiàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)期望有哪些不同的地方。這個(gè)過程可以讓學(xué)生加深對(duì)理論知識(shí)的理解，同時(shí)鍛煉了表達(dá)能力，學(xué)生之間可以取長補(bǔ)短，對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力。針對(duì)每個(gè)小組的實(shí)際電路設(shè)計(jì)和成果展示，教師和其他小組共同給作品打分，作為一次實(shí)驗(yàn)成績。
成立電子協(xié)會(huì)，開展第二課堂作為該課程的有力支撐。電子協(xié)會(huì)可以組織學(xué)生走進(jìn)電子市場，了解市場上不同功能芯片的價(jià)格，然后查看它們的性能，對(duì)芯片的性價(jià)比做到心中有數(shù)，在實(shí)際設(shè)計(jì)電路時(shí)才能選擇最適合的芯片去完成設(shè)計(jì)。以協(xié)會(huì)為載體，教師帶領(lǐng)學(xué)生開展實(shí)用的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，鼓勵(lì)部分優(yōu)秀的學(xué)生設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試實(shí)用的電子產(chǎn)品，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力和創(chuàng)新精神，增強(qiáng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)踐的能力。通過校級(jí)電子設(shè)計(jì)競賽，篩選出優(yōu)秀的學(xué)生，參加國家級(jí)的電子設(shè)計(jì)競賽，充分發(fā)揮學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新性，讓高一屆的學(xué)生帶動(dòng)低一屆學(xué)生，能力強(qiáng)的帶動(dòng)能力弱的，形成互幫互助、共同成長的氛圍，增強(qiáng)學(xué)生的專業(yè)興趣，提高專業(yè)技能。
3 結(jié)束語
通過在計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)科基礎(chǔ)課“電路與數(shù)字邏輯”中引入任務(wù)驅(qū)動(dòng)式的教學(xué)改革，從生活中的實(shí)例入手，帶動(dòng)理論的學(xué)習(xí)和電路的設(shè)計(jì)制作，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和興趣，培養(yǎng)其獨(dú)立探索、勇于開拓進(jìn)取的自學(xué)能力。通過對(duì)一個(gè)完整任務(wù)的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，學(xué)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(gè)學(xué)習(xí)的良性循環(huán)。通過小組討論和分工合作，增強(qiáng)了學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。這種開放性、創(chuàng)新性的教育方法，克服了傳統(tǒng)教學(xué)法"只見樹木，不見森林"的弊端，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程應(yīng)用能力，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。
實(shí)踐證明，任務(wù)驅(qū)動(dòng)型教學(xué)法把理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，其實(shí)質(zhì)是追求探究式學(xué)習(xí)，學(xué)生處于積極的學(xué)習(xí)狀態(tài)，每位學(xué)生根據(jù)個(gè)人對(duì)任務(wù)的理解，查閱資料，將所學(xué)知識(shí)和自學(xué)知識(shí)融合提出方案、解決問題，課堂教學(xué)過程充滿了民主和個(gè)性，課堂氛圍真正活躍起來。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中提高了學(xué)習(xí)興趣，從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)學(xué)習(xí)，學(xué)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。
參考文獻(xiàn)（References）：
[1] 王瑞峰，殷剛.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在數(shù)字電子技術(shù)課程中的應(yīng)
用[J].中國職業(yè)技術(shù)教育，2012.32：81-84
[2] 姜春燕.項(xiàng)目教學(xué)法在數(shù)字電子技術(shù)教學(xué)中的研究和實(shí)踐[J].
中國電力教育.2010.35：51-52
[3] 葉晶晶，馬曉春.“數(shù)字電子技術(shù)”課程工程教育培養(yǎng)的探討[J].
電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2015.37（4）：27-29
[4] 吳游.任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法在數(shù)字電子技術(shù)課程中的探索和設(shè)
計(jì).教育教學(xué)論壇[J].2015，31：133-134
[5] 白順先，樊榮.項(xiàng)目教學(xué)法在“數(shù)字電子技術(shù)”課程中的探索[J].
現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2015.5：26-29
關(guān)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(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：TN402 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）10-0176-02
1 引言
隨著半導(dǎo)體技術(shù)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(yīng)用越來越廣泛，且其工作頻率已經(jīng)進(jìn)入微波、毫米波段，如X波段、Ku波段及60GHz應(yīng)用等[1]。然而，當(dāng)電路的工作頻率進(jìn)入到這種高頻頻段時(shí)，電路模型的精度是電路能否成功實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在。在電路版圖設(shè)計(jì)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(fù)雜且精度低，很難利用版圖驗(yàn)證設(shè)計(jì)工具得到寄生電感值，因此，需要借助于電磁場仿真軟件對(duì)傳輸線進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。然而，在電路設(shè)計(jì)初期通常需要考慮用于互連的微帶傳輸線對(duì)電路性能的影響，傳統(tǒng)單純利用電磁場仿真軟件進(jìn)行參數(shù)提取的方法無法準(zhǔn)確根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)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(jì)算和電路設(shè)計(jì)分析。同時(shí)，該模型的參數(shù)和頻率無關(guān)，易于電路分析，適用于射頻集成電路的設(shè)計(jì)。最后，論文詳細(xì)論述了將模型用于集成電路設(shè)計(jì)中的流程。
2 互連線寄生參數(shù)仿真模型
射頻集成電路設(shè)計(jì)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M(fèi)1）作為其地平面。對(duì)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M(fèi)1作為公共地的互連線更加靈活，因?yàn)樵趯?shí)際電路設(shè)計(jì)中受限于電路結(jié)構(gòu)，其底層金屬需要作為信號(hào)線進(jìn)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(shí)現(xiàn)信號(hào)互連。然而，使用底層金屬M(fèi)1作地線可以隔離襯底，減少襯底的損耗，因此在集成電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)窄帶寬的電路時(shí)，尤其是進(jìn)行放大器電路設(shè)計(jì)，關(guān)注的是工作頻率附近的參數(shù)。所以，方框模型可以視為獨(dú)立于工作頻率，即模型在窄帶電路設(shè)計(jì)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(yīng)和鄰近效應(yīng)對(duì)電路的影響，而并聯(lián)電容和電阻為導(dǎo)線和襯底之間等效電容和等效電阻。
對(duì)于該傳輸線模型，其離散參數(shù)的矩陣近似于模擬值和實(shí)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(dǎo)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(yīng)該與模擬和測試值相同。根據(jù)對(duì)Y矩陣的定義，可以推導(dǎo)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(fù)數(shù)的實(shí)部和虛部。
以上的公式對(duì)于大多數(shù)傳輸線是可用的，無論傳輸線是否對(duì)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(duì)稱。但是，當(dāng)兩端口的反射系數(shù)的值相同時(shí)，將出現(xiàn)對(duì)稱的特殊情況。此時(shí)傳輸線可化簡為相同的部分，且可從電報(bào)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?jǐn)?shù)值處理成和頻率無關(guān)的數(shù)值，這將在電路設(shè)計(jì)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(shí)際S參數(shù)值，是模型的S參數(shù)值。
通常，當(dāng)電路的頻率與正常工作頻率差異較大時(shí)，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，這個(gè)誤差將會(huì)造成更加嚴(yán)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(hào)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(gè)參數(shù)如下：
為比較模型和實(shí)際電磁場仿真數(shù)據(jù)之間差別，公式（4）中各個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)模型的S參數(shù)和電磁場仿真軟件得到的S參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比，圖2是采用電磁場仿真軟件ADS-Momentum和模型部分參數(shù)對(duì)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(yuǎn)離工作頻率段誤差越大，這是由于公式（2）中對(duì)頻率進(jìn)行了近似處理，遠(yuǎn)離工作頻率的點(diǎn)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(shí)際電路設(shè)計(jì)，通常需要電路設(shè)計(jì)師關(guān)注于傳輸線寄生參數(shù)對(duì)電路性能影響，此時(shí)工作頻率點(diǎn)附近模型簡易、準(zhǔn)確是電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)，而偏離工作頻率點(diǎn)的模型誤差在窄帶電路設(shè)計(jì)是可以接受的。
3 模型在射頻集成電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用
CMOS射頻集成電路設(shè)計(jì)是利用已有的有源器件和無源器件模型進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)首先進(jìn)行電路原理圖設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行電路版圖設(shè)計(jì)，再進(jìn)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(shí)現(xiàn)，在參數(shù)提取結(jié)束后再進(jìn)行后仿真。當(dāng)電路設(shè)計(jì)不滿足要求時(shí)，需要重復(fù)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(jì)參數(shù)調(diào)整。同時(shí)，傳統(tǒng)的參數(shù)提取方法只進(jìn)行了電阻和電容的參數(shù)提取，而對(duì)寄生電感沒有進(jìn)行提取，這將導(dǎo)致電路設(shè)計(jì)的預(yù)期結(jié)果和實(shí)測結(jié)果出入較大。
為克服傳統(tǒng)的射頻集成電路設(shè)計(jì)的上述不足，可以將本論文的參數(shù)模型和集成電路設(shè)計(jì)相互結(jié)合。圖4是本論文的模型應(yīng)用于射頻集成電路設(shè)計(jì)中流程圖，在原理圖和版圖設(shè)計(jì)中依然類似于傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)方法，但版圖設(shè)計(jì)及參數(shù)提取時(shí)將版圖中的互連線單獨(dú)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(gè)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(gè)參數(shù)密切相關(guān)，故將互連線得到的各個(gè)參數(shù)代入到版圖后仿真設(shè)計(jì)中，檢測互連線參數(shù)是否滿足電路設(shè)計(jì)要求。如果互連線參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，則電路設(shè)計(jì)完成；否則，根據(jù)要求適當(dāng)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(shè)計(jì)要求，如果滿足電路設(shè)計(jì)要求，則依據(jù)重新設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行版圖調(diào)整，完成電路設(shè)計(jì)。如果調(diào)整后的互連線參數(shù)依然不滿足電路設(shè)計(jì)要求，則依據(jù)要求進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)調(diào)整，然后依次重復(fù)上述過程。如圖3所示。
從上述的電路設(shè)計(jì)流程可以看出，在射頻集成電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用本模型可以及時(shí)了解電路中的各個(gè)互連線參數(shù)，根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求調(diào)整互連線參數(shù)，滿足電路設(shè)計(jì)要求。在整個(gè)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求，進(jìn)而根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整互連線參數(shù)來滿足電路設(shè)計(jì)要求，這將簡化傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)循環(huán)，減少電路設(shè)計(jì)時(shí)間，同時(shí)通過互連線參數(shù)調(diào)整將互連線作為電路設(shè)計(jì)的一部分進(jìn)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(gè)參數(shù)皆為集總參數(shù)，各個(gè)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(shè)計(jì)中進(jìn)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(shè)計(jì)分析中使用，同時(shí)文中給出了該模型應(yīng)用于射頻集成電路設(shè)計(jì)的流程并分析了其特點(diǎn)，分析表明采用文中模型可以根據(jù)電路設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)整互連線的尺寸，并可將互連線參數(shù)作為電路設(shè)計(jì)的一部分進(jìn)行綜合考慮，有助于提高電路綜合性能。
參考文獻(xiàn)
[1]A.Niknejad， “Siliconization of 60 GHz”， IEEE Microw. Mag.， pp.78-85，F(xiàn)eb.2010.
[2]J.Rong， M.Copeland，“The modeling， characterization， and design of monolithic inductors for silicon RFICs”，IEEE Journal of Solid-state Circuits， Vol.32，No.3，pp.357-369，March 1997.
[3]廖承恩.微波技g基礎(chǔ)，西安：西安電子科技大學(xué)出版社，1994.12.
收稿日期：2016-09-28
【關(guān)鍵字】高速公路;機(jī)電工程;監(jiān)理
近幾年，現(xiàn)代化進(jìn)程的加快使得高速公路的建設(shè)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(fèi)，公路狀況信息化，智能化等先進(jìn)技術(shù)不斷提升。如何讓一個(gè)高速公路的質(zhì)量得以保障？從而可以看出高速公路機(jī)電工程的監(jiān)理技術(shù)與應(yīng)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(jìn)行的施工準(zhǔn)備，對(duì)于即將施工的過程當(dāng)中的人員思想，設(shè)計(jì)圖紙，施工材料，施工過程等的前期設(shè)計(jì)。通過前期的預(yù)想與實(shí)際施工過程想對(duì)應(yīng)，查缺補(bǔ)漏，使得工程更加完善。[1]
1.思想上的高度一致
從思想上認(rèn)同機(jī)電工程的質(zhì)量對(duì)于整個(gè)工程的影響，全員重視機(jī)電工程的工作，不可消極怠工。根據(jù)工程的實(shí)際需要安排是否有駐地監(jiān)理，流動(dòng)監(jiān)理。同時(shí)對(duì)于施工過程當(dāng)中出現(xiàn)的問題應(yīng)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(xué)的方法，幫助整理施工合同，供應(yīng)商，業(yè)主，施工方等簽訂設(shè)計(jì)合同。很據(jù)監(jiān)理法以及相關(guān)國家規(guī)定，進(jìn)行高速公路機(jī)電工程的工程監(jiān)理。
2.前期監(jiān)理的準(zhǔn)備
一般高速公路建成的過程當(dāng)中，往往是機(jī)電工程的監(jiān)理工程師于承包工程的建筑隊(duì)同時(shí)得到中標(biāo)書，有些時(shí)候甚至比中標(biāo)人還要稍微晚一些。這就造成監(jiān)理工程師實(shí)際上是沒有充分的時(shí)間去了解項(xiàng)目業(yè)主的想法，也沒有時(shí)間去熟悉施工招標(biāo)的文件內(nèi)容以及施工目的，從而使得在監(jiān)理過程當(dāng)中對(duì)于整個(gè)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(shí)確定之后，監(jiān)理就應(yīng)該開始和承包人的設(shè)計(jì)人員溝通，從設(shè)計(jì)圖階段就開始進(jìn)入監(jiān)理過程，對(duì)圖紙中所涉及的機(jī)電工程的各階段進(jìn)行審核優(yōu)化，聯(lián)合設(shè)計(jì)。更重要的是對(duì)于機(jī)電工程來講，工程質(zhì)量中很多都是需要與施工設(shè)計(jì)所選擇的工廠設(shè)備中的型號(hào)，規(guī)格等有很大關(guān)系。在機(jī)電工程當(dāng)中，監(jiān)理人員應(yīng)對(duì)于所選用的設(shè)備，零件等深入了解并和設(shè)計(jì)人員做以聯(lián)合檢車。在審查過程當(dāng)中，更應(yīng)仔細(xì)，嚴(yán)禁，認(rèn)真并盡量減少不必要的更換，從而保證工程進(jìn)度。
二、中期監(jiān)理
高速公路機(jī)電工程一般都分為收費(fèi)系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，通信系統(tǒng)三個(gè)部分。而機(jī)電工程施工的特點(diǎn)一般都是時(shí)間較短，而三個(gè)系統(tǒng)之間的施工又關(guān)系緊密，所以監(jiān)理人員要注重有效的控制施工的進(jìn)度，合理安排機(jī)電施工的計(jì)劃用以保證整個(gè)高速公路工程的進(jìn)度，這就要求監(jiān)理人員具備較高的監(jiān)理技術(shù)并對(duì)其靈活運(yùn)用。對(duì)于高速公路的中期監(jiān)理應(yīng)該做的以下幾點(diǎn)。[2]
1.進(jìn)度監(jiān)理
首先是對(duì)于月進(jìn)度的查看，并與月施工的審批計(jì)劃表相對(duì)應(yīng)。查看以完成的工作是否在進(jìn)度范圍之內(nèi)，剩余的施工計(jì)劃是否可以實(shí)現(xiàn)，并對(duì)于不切實(shí)際的施工計(jì)劃指導(dǎo)施工進(jìn)度。
其次對(duì)于正在進(jìn)行的施工進(jìn)度進(jìn)行實(shí)地的跟蹤檢查，其中包括施工負(fù)責(zé)人對(duì)于當(dāng)天施工的項(xiàng)目，進(jìn)度等進(jìn)行匯報(bào)，從而使監(jiān)理人員掌握目前施工的動(dòng)態(tài)。在現(xiàn)場針對(duì)所接到的匯報(bào)進(jìn)行巡場考察，是否和匯報(bào)的相符，并對(duì)巡場結(jié)果記錄與監(jiān)理目錄當(dāng)中。還有當(dāng)天對(duì)于施工過程當(dāng)中哪些對(duì)于施工進(jìn)度有所影響，在未來的施工過程當(dāng)中就應(yīng)該盡量避免。
再次是對(duì)于施工人員對(duì)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(dāng)操作從而影響了施工效率。高速公路的機(jī)電工程屬于外場施工見多的部分，如遇天氣等影響，應(yīng)轉(zhuǎn)外場為內(nèi)場，盡量是施工進(jìn)度處于平衡狀態(tài)。
最后每個(gè)月，承包人應(yīng)對(duì)于當(dāng)月的工程進(jìn)度做匯報(bào)總結(jié)，即月進(jìn)度報(bào)表。對(duì)于應(yīng)設(shè)定的完成任務(wù)和已完成任務(wù)總結(jié)，對(duì)于各系統(tǒng)內(nèi)沒有完成的任務(wù)做總結(jié)。作為監(jiān)理師應(yīng)根據(jù)所交上來的報(bào)表，進(jìn)行現(xiàn)場的實(shí)地考察，對(duì)于出現(xiàn)的不正確的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改指正，重新整理上報(bào)。對(duì)于月報(bào)表，按時(shí)間段整理成柱形圖，線性圖表等便于觀看，與月報(bào)表相對(duì)應(yīng)修改日?qǐng)?bào)表的內(nèi)容。按時(shí)發(fā)送給承包商和標(biāo)主，使其對(duì)工程進(jìn)度有詳細(xì)的了解，從而對(duì)于工程進(jìn)度能有效控制。
2.質(zhì)量監(jiān)理
首先提高全員的安全意識(shí)，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(duì)于工程監(jiān)理，其既不是一個(gè)簡單的工作也不是一個(gè)非常復(fù)雜深?yuàn)W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(duì)工程質(zhì)量意識(shí)比較薄弱，經(jīng)常左耳進(jìn)右耳出，這就需要監(jiān)理人員不斷的針對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行一級(jí)一級(jí)的宣傳，多次循環(huán)使其潛意識(shí)對(duì)于工程質(zhì)量提高認(rèn)識(shí)。[3]
其次對(duì)于工程質(zhì)量的監(jiān)控要強(qiáng)勢有力，對(duì)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(qiáng)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(jiān)決不可心慈手軟，否則會(huì)給整個(gè)工程的質(zhì)量帶來無法估計(jì)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(duì)于施工質(zhì)量上或是沒有實(shí)權(quán)無法處置，或者模糊帶過不講責(zé)任。這是目前監(jiān)理技術(shù)在應(yīng)用上的難題。
再次，對(duì)于監(jiān)理的工作實(shí)施計(jì)劃，要具有可操作性。高速公里的機(jī)電工程很大一部分的專業(yè)性很強(qiáng)，而監(jiān)理人員可能對(duì)于專業(yè)知識(shí)也有理解不夠到位的時(shí)候。所以對(duì)于工程質(zhì)量的監(jiān)理要多學(xué)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(shè)置質(zhì)量考核評(píng)比等多種手段促進(jìn)施工人員對(duì)工程質(zhì)量的努力，例如自檢表，合格的予以獎(jiǎng)勵(lì)，獎(jiǎng)罰分明，管理得當(dāng)。
最后，很多工程的質(zhì)量問題都是在實(shí)地檢查當(dāng)中發(fā)現(xiàn)的，所以監(jiān)理人員在施工場地要堅(jiān)持跟蹤檢查，讓事故在初始階段就被解決，時(shí)刻監(jiān)督施工人員，并安排指導(dǎo)正確的施工方式，普及施工規(guī)范。機(jī)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(shè)計(jì)人員共同研究，爭取解決。但是出現(xiàn)問題也要嚴(yán)格管理，不能推卸責(zé)任，所以監(jiān)理人員應(yīng)做好責(zé)任管理制度，進(jìn)而使得整個(gè)工程質(zhì)量得以良好的保證。
三、后期監(jiān)理
對(duì)于工程的后期監(jiān)理部分，主要是針對(duì)機(jī)電工程的三個(gè)部分的統(tǒng)一調(diào)試;對(duì)于整個(gè)工程質(zhì)量監(jiān)理過程當(dāng)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(dāng)中出現(xiàn)的問題一定要及時(shí)進(jìn)行修改，避免在未來的高速公路使用當(dāng)中造成影響。在機(jī)電工程當(dāng)中應(yīng)注意發(fā)電，配電，送電等各個(gè)部分的使用情況，不可疏忽大意。監(jiān)理人員對(duì)于施工人員在施工過程當(dāng)中的表象也應(yīng)有所總結(jié)并匯報(bào)至中標(biāo)人處，對(duì)整個(gè)工程和未來即將開展的工程負(fù)責(zé)。
總結(jié)：
在高速公路的機(jī)電工程當(dāng)中，監(jiān)理人員應(yīng)著重與中期的監(jiān)理，時(shí)刻做好監(jiān)理的職責(zé)，為工程質(zhì)量負(fù)責(zé)。機(jī)電工程內(nèi)容較多，需要涉獵的學(xué)科也比較多，而且任何一項(xiàng)工程都不是一蹴而就的這就要求監(jiān)理人員對(duì)于工程監(jiān)理要有足夠的耐心，細(xì)心，成為復(fù)合型的監(jiān)理人員。對(duì)于監(jiān)理技術(shù)要運(yùn)用得當(dāng)，靈活便捷的使用。
參考文獻(xiàn)
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[1]陳兵. 高速公路機(jī)電工程的監(jiān)理技術(shù)與應(yīng)用[J]. 科技經(jīng)濟(jì)市場，2006，04：142-143窗體底端
[1]陳兵. 高速公路機(jī)電工程的監(jiān)理技術(shù)與應(yīng)用[J]. 科技經(jīng)濟(jì)市場，2006，04：142-143
（延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院 理工系，陜西 西安 710100）
摘 要：電路分析基礎(chǔ)是各電類專業(yè)的先導(dǎo)課程，學(xué)好本課程對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)有重大意義.本文從課程教學(xué)方法入手，提出了課程的改革思路與方法，實(shí)踐證明這些方法有效并可逐步推廣應(yīng)用.
關(guān)鍵詞 ：電路分析；教改；應(yīng)用型
中圖分類號(hào)：G642.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-260X（2015）08-0247-02
基金項(xiàng)目： 延安大學(xué)西安創(chuàng)新學(xué)院教學(xué)改革項(xiàng)目（14JG09）；陜西省教育廳自然科學(xué)類專項(xiàng)科研計(jì)劃資助項(xiàng)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(xué)類(0712)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，同時(shí)也是機(jī)械類(0803)、能源動(dòng)力類(0805)和海洋工程類(0813)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，都是相關(guān)專業(yè)研究生入學(xué)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(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)工程、汽車服務(wù)工程以及工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)都開設(shè)了電路分析基礎(chǔ)課程，在土木工程專業(yè)、建筑工程專業(yè)也開設(shè)有課程性質(zhì)相近的電工學(xué)課程.我校具有一個(gè)獨(dú)立的電路分析實(shí)驗(yàn)室，擁有電路分析實(shí)驗(yàn)箱18套.雖然不同的專業(yè)教學(xué)重點(diǎn)各有不同，但是電路分析的基礎(chǔ)理論基礎(chǔ)知識(shí)是必不可少的.因此開展電路分析教學(xué)改革對(duì)培養(yǎng)創(chuàng)新與應(yīng)用型人才具有重大意義.
為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展和教改的要求，任課教師從教學(xué)內(nèi)容，教學(xué)方法及手段到考核標(biāo)準(zhǔn)都進(jìn)行了調(diào)整.電路分析課屬于經(jīng)典電路理論，在教學(xué)中應(yīng)突出經(jīng)典理論的基本概念及規(guī)律，提高教學(xué)效率.隨著電路理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，大量繁雜的計(jì)算應(yīng)放在現(xiàn)代電路分析中解決.在教學(xué)方法上，應(yīng)將傳統(tǒng)的注重知識(shí)內(nèi)容的順序教學(xué)方式與注重知識(shí)關(guān)系的知識(shí)結(jié)構(gòu)教學(xué)方式相結(jié)合.從培養(yǎng)科研能力，提高學(xué)生素質(zhì)出發(fā)，應(yīng)強(qiáng)調(diào)電路分析中的模型概念，它是電路分析的基礎(chǔ).教學(xué)方式及手段是使學(xué)生掌握課程內(nèi)容的關(guān)鍵，應(yīng)將課堂教學(xué)與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)相結(jié)合，標(biāo)準(zhǔn)化教學(xué)與電子教案相結(jié)合，同時(shí)還應(yīng)該將答疑與質(zhì)疑相結(jié)合，理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，筆試考核與實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ綍r(shí)作業(yè)，甚至口試等考核方式相結(jié)合.
1 教學(xué)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(gè)世紀(jì)[1].早期的電路理論是在物理學(xué)中電磁學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的.當(dāng)時(shí)主要研究的對(duì)象是線性非時(shí)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(shí)也是近代電路分析方法的基礎(chǔ)，因此應(yīng)該是學(xué)生學(xué)習(xí)中必須牢固掌握的.傳統(tǒng)的教學(xué)內(nèi)容包括直流電路的分析，交流電路的分析及動(dòng)態(tài)電路的分析.教學(xué)中應(yīng)以分析簡單電路為主，突出基本概念，避免繁雜的數(shù)學(xué)計(jì)算.自20世紀(jì)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(shí)變無源電路，進(jìn)一步發(fā)展到非線性時(shí)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(fù)雜的分析.為了適應(yīng)電路理論發(fā)展的要求，應(yīng)在教學(xué)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(luò)分析方法等.其主要特征是計(jì)算機(jī)輔助分析的應(yīng)用.加強(qiáng)這方面的教學(xué)是該課發(fā)展的要求，也是學(xué)生學(xué)好后續(xù)課程的基礎(chǔ).
1.2 順序教學(xué)方式與知識(shí)結(jié)構(gòu)教學(xué)方式相結(jié)合
以往的教學(xué)方式是以知識(shí)內(nèi)容順序，按部就班地一章一章地進(jìn)行，學(xué)生被動(dòng)地一章一章地學(xué)，難以形成對(duì)所學(xué)知識(shí)的整體認(rèn)識(shí).實(shí)際上，電路分析同許多其它學(xué)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(shí)的具體內(nèi)容，公式，定理相比，更容易理解和掌握.學(xué)生在大學(xué)學(xué)習(xí)期間要學(xué)習(xí)許多具體的知識(shí)內(nèi)容，要求學(xué)生幾年以后仍然牢記如此眾多的內(nèi)容既不實(shí)際，也不必要.從提高能力和素質(zhì)出發(fā)，應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生在今后遇到實(shí)際問題時(shí)，能分析問題的實(shí)質(zhì)所在，知道解決問題的途徑，而不是死記書本知識(shí).知識(shí)的具體內(nèi)容是知識(shí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)涵，知識(shí)結(jié)構(gòu)是知識(shí)內(nèi)容之間的有機(jī)聯(lián)系.兩種方式相結(jié)合可以取長補(bǔ)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(xué)與計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)相結(jié)合
傳統(tǒng)的教學(xué)手段是以板書教學(xué)為主，主要表現(xiàn)為被動(dòng)式教學(xué)，老師講，學(xué)生聽.這樣就造成學(xué)生認(rèn)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(gè)聲表面波器件[2]畫在黑板上花費(fèi)大約3分鐘，對(duì)于45分鐘的課堂時(shí)間來說已經(jīng)足夠長了.隨著計(jì)算機(jī)的普及，教學(xué)應(yīng)采用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)手段，就可以節(jié)省很多時(shí)間.所以應(yīng)從單調(diào)的黑板式課堂教學(xué)向計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的方向發(fā)展.課堂不應(yīng)該是單向灌輸知識(shí)的場所，應(yīng)該是教師與學(xué)生相互交流的場所，是體現(xiàn)主講教師教學(xué)風(fēng)格，教學(xué)思想教學(xué)藝術(shù)的平臺(tái).
1.4 標(biāo)準(zhǔn)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(xué)生學(xué)習(xí)效果的主要形式.但是，為了使考核標(biāo)準(zhǔn)化，使其具有一定的客觀型，合理性和可比性，應(yīng)逐步建立同計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)相配套的試題庫，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)及考核成績分析系統(tǒng).能力考核是考試改革的難點(diǎn)，它受許多因素的限制.在目前情況下，應(yīng)將筆試與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，期末考試與平時(shí)成績相結(jié)合，有條件時(shí)可結(jié)合口試或部分口試來考核學(xué)生成績.
2 具體作法及效果
2.1 注意課程內(nèi)容的先進(jìn)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(jìn)的知識(shí)內(nèi)容和方法.達(dá)到知識(shí)先進(jìn)并學(xué)以實(shí)用.
2.2 將現(xiàn)代教育理論使用在電路分析教學(xué)中[3]，樹立先進(jìn)的教學(xué)理念，重視素質(zhì)培養(yǎng)通過組織教師研討、與學(xué)生對(duì)話、進(jìn)行示范教學(xué)等活動(dòng)提高教學(xué)效果.
2.3 研制電路分析課程的電子教案，使用多媒體教學(xué)；采用多種教學(xué)方法和手段，采用多媒體技術(shù)輔助講解具有動(dòng)態(tài)性質(zhì)的知識(shí)點(diǎn)，使傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體教學(xué)有機(jī)結(jié)合.
2.4 建立網(wǎng)上課堂，樹立以學(xué)生為中心的教學(xué)思想，加強(qiáng)教與學(xué)的信息交流，重視對(duì)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)習(xí)慣的培養(yǎng)，啟發(fā)學(xué)生的探索精神.
2.5 加強(qiáng)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合.在電路分析理論課（必修課）開設(shè)的同時(shí)開設(shè)“電路實(shí)驗(yàn)”，促進(jìn)知識(shí)的深化和培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力.增加創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)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(xué)使用多媒體教學(xué)，教學(xué)手段新穎.用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)代替?zhèn)鹘y(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生能夠親自動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，從而更好的理解和掌握知識(shí)點(diǎn).考核方式增加口試，可以加深學(xué)生對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的掌握程度.從而提高了電路分析課程的教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果.
參考文獻(xiàn)：
〔1〕譚永霞.電路分析基礎(chǔ)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社，2009.1-3.
1 概述
電子標(biāo)簽是時(shí)下最為先進(jìn)的非接觸感應(yīng)技術(shù)。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(jià)的非接觸感應(yīng)芯片。這種芯片的無源最大讀寫距離可達(dá)1．2米以上。它與條形碼相比，無須直線對(duì)準(zhǔn)掃描，而且讀寫速度快，可多目標(biāo)識(shí)別和運(yùn)動(dòng)識(shí)別，每秒最多可同時(shí)識(shí)別50個(gè)，頻率為13．56MHz ±7kHz（國際通用）的目標(biāo)。它采用國際統(tǒng)一且不重復(fù)的8字節(jié)（64bit）唯一識(shí)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(gè)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(jī)械磨損、機(jī)械故障，可在惡劣環(huán)境下使用，工作溫度為－25～＋70℃?可反復(fù)讀寫且扇區(qū)可以獨(dú)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(yīng)用于不同安防場合，也可再層壓制卡。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織已把這種非接觸感應(yīng)芯片寫入國際標(biāo)準(zhǔn)ISO15693中。其主要原因是因?yàn)樵撔酒哂蟹庋b任意、內(nèi)存量大、可讀可寫、防沖撞等獨(dú)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(shí)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(luò)的配置。由于電源紋波和噪聲會(huì)嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此，德州儀器推薦使用標(biāo)準(zhǔn)電源。
射頻收發(fā)器內(nèi)部的輸出晶體管是一個(gè)低阻場效應(yīng)管，電耗直接在TX＿OUT腳消耗，推薦用5V電源供電，最好驅(qū)動(dòng)50Ω天線。在輸出端連接一個(gè)簡單的諧振電路或者匹配網(wǎng)絡(luò)可以降低諧波抑制，用選通方波驅(qū)動(dòng)輸出晶體管能達(dá)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(gè)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(jìn)行傳輸，通信速率應(yīng)為5～120kB，而且至少要有一個(gè)速率滿足已選擇感應(yīng)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(biāo)簽的調(diào)制信號(hào)通過二極管包絡(luò)檢波進(jìn)行解調(diào)，接收解碼器輸出到控制器的數(shù)據(jù)是二進(jìn)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(shí)，接收的數(shù)據(jù)串中已檢測并標(biāo)志了啟動(dòng)、停止、錯(cuò)誤位。
該系統(tǒng)的正常時(shí)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(dòng)后，設(shè)備為默認(rèn)配置。RI－R6C－001A系統(tǒng)有三個(gè)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(guān)的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器和最小系統(tǒng)工作中的標(biāo)準(zhǔn)振蕩器停振時(shí)，掉電模式則完全關(guān)斷設(shè)備內(nèi)部的偏置系統(tǒng)。當(dāng)SCLOCK保持高電平時(shí)，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(shí)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(yīng)用
圖3所示是RI－R6C－001A的典型應(yīng)用電路，該電路可驅(qū)動(dòng)50Ω的天線，當(dāng)電源電壓為5V時(shí)，輸出射頻的功率為200mW，而當(dāng)電源電壓為3V時(shí)，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(yīng)增大集成電路散熱片的尺寸以增加散熱面積。設(shè)計(jì)電路時(shí)，應(yīng)避免過大的分布電容，當(dāng)電路板分布電容過高時(shí)，可配合晶振調(diào)整電容C5的值，以減少時(shí)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(biāo)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(dá)到這個(gè)要求。
