集成电路与集成系统精选(九篇)

第1篇：集成电路与集成系统范文

关键词：CDIO；集成电路设计；人才培养模式

中图分类号：640 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2013）03-0062-02

随着经济全球化的飞速发展，现代企业急需高技能人才，企业的用人标准逐渐提高，毕业生的就业形势越来越严峻。同时，又有相当一部分毕业生动手能力差，分析问题、解决问题的能力弱，难以满足社会要求。为了缓解企业人才的需求和大学人才培养模式之间的冲突，国内外各高校都开始积极调整现有的教学模式，提出工程创新教育与课程教学模式相结合的全新理念，即CDIO（构思，设计，实施，运行）理念。它是“做中学”和“以项目作为核心的教育和学习”的集中体现，以产品的生命周期为载体，让学生将理论知识和实践有机结合起来。在CDIO理念的指引下，培养学生的工程能力，通过对项目整个过程的构思、设计、实施和运行作为载体的操作来提高学生的工程实践能力，这些能力包括个人的学术知识，个人的终身学习能力，团队的沟通能力和系统的控制能力等[1]。

作为一门新兴专业，集成电路设计与集成系统专业具有门槛高、内容新、发展快、属于交叉学科、与产业联系紧密、实践性强等一系列突出特点。它还没有像其他专业一样形成完成的知识体系，也没有制定出专业的人才培养规范，导致我国各高校培养出来的集成电路专业人才无法适应现代企业的需要，造成高技能人才的紧缺[2]。因此，研究基于CDIO理念的集成电路设计与集成系统专业人才培养模式，切实做好集成电路设计与集成系统专业的工程教育，改革高校的工程教育模式，培养出能适应经济和社会发展需要的专业人才是十分必要的。

一、集成电路设计与集成系统专业人才培养模式的局限性

作为具有很强的工程性和实践性的专业，集成电路设计与集成系统专业的人才培养目标应定位于具有较高的工程素质、很强的实践和科研创新技能的高级人才。但由于我国集成电路专业人才培养模式存在局限性，导致企业需求与人才能力相脱节，具体局限性表现如下。

1.教学严重学术化，过分重视学生的理论教育，而轻视实践教育。在教育教学过程中，忽视了学生的自学能力和实际的动手能力，使得教学与实际相脱离。

2.专业课程之间存在知识的冗余，课程内容之间的相关性、相承性、互补性得不到有机整合，使得学生对项目的思路混乱，阻碍了学生构思能力的提升。

3.实验与实践环节缺乏系统的规划，导致实验内容陈旧，实验方法单一，实验模式过于呆板。而实验内容大多为针对理论教材的验证性实验，呆板的实验模式和实验内容很难使学生对学习产生兴趣，不能充分挖掘学生的创新能力。实践环节没有明确的培养目的，缺乏整体规划，实践环节是学生工程实践能力提高的重要环节。因此，实验与实践环节应与教学大纲相辅相成。

4.专业教师缺乏企业管理经验和工程训练能力。大多数教师虽然学位和学历很高，但一直从事教育教学工作，缺少实际工程背景和实践经验，带领并指导学生做实际工程项目时，学生遇到的实际问题得不到很好的解决。

二、基于CDIO理念集成专业的人才培养目标

集成电路设计与集成系统专业旨在培养具有良好的科学素养和国际竞争力，适应社会主义现代化建设需要的高级人才。通过基础与专业、理论与实践相结合的培养模式，培养既具有良好的文化修养和科学素质，又具有坚实的理论基础，同时具有丰富的集成电路开发、设计和工程管理能力的应用型高级人才[3]。通过大学四年的学习，使得集成专业学生毕业后掌握得以下几方面的知识与能力。

1.具有深厚的理论修养、扎实的专业基础知识、开阔的视野和高尚的职业素养。

2.具有良好的科学素养和较强的外语应用能力，对全世界科学和技术的发展动态有敏锐的观察力。

3.具有工程推理与判断、发现问题和解决问题的技能，能够进行科学研究和开发应用实际的项目。

4.具有良好的沟通、组织协调、团队合作的能力。

5.能够掌握集成电路的基本设计原理，熟悉制造工艺，能从事或参与集成领域产品的研究、开发、设计、制造、测试、应用、销售和管理工作。

三、CDIO理念下集成专业的人才培养模式的具体实施

（一）制定基于CDIO理念的专业教学大纲和实验大纲

将CDIO理念融入到专业教学大纲和实验大纲中，结合具体实际的项目制定集成专业课程大纲。大纲应体现以下四个方面的内容：基本技术和理论知识、个人的专职技能、人际交往能力和在现实社会环境中的CDIO能力。因此，制定专业教学大纲时，首先考虑在低年级引入导论课程，使学生对专业前景、发展方向有清晰的认识和了解。其次，要充分考虑课程导论与其他相关课程之间的内在关系。考虑课程的教学对象与教学目标、课程的内容、学时具体分配及主要的教学方法、实践环节的要求、课程与教师考核等问题。大纲制定过程中，自始至终都要充分体现CDIO理念、本专业的教学课程同企业项目之间的紧密关系。在制定实验大纲时要结合教学大纲，明确实验目的，将每门课程的实验按照基础类型、设计类型、创新类型和综合类型的比例合理划分，充分考虑实验学时、实验内容、使用的工具及具体方法等问题，培养学生的动手能力、创新能力和应用能力。

（二）制定基于CDIO理念的模块化课程体系

按照CDIO理念的教学大纲对学生能力的要求，结合集成专业培养应用型人才的定位，建立了以“基础课程、专业课程、实践课程、核心特色课程”相结合的模块化课程体系[4]。其中，基础课程主要由公共基础课程、素质课程、学科基础课程三部分组成，通过基础课程的学习，使学生具有良好的科学素养和文化修养的同时，又具有坚实的理论基础。专业课程主要包括专业平台课程、专业方向课程，由教师课堂传授专业知识。实践课程主要包括课程设计、生产实习和毕业设计。培养学生具有良好的科学与工程素养，具有较强的自学能力和分析解决问题的能力。核心特色课程主要包括专业选修课程，聘请国内外集成专业资深教授、企业高级人才以实际项目作为案例进行授课。

（三）举办基于CDIO理念的电子设计竞赛

电子设计竞赛是在教师启发引导下，学生通过竞赛来提高自己的自主学习能力、创新实践能力。围绕指定的竞赛题目，或学生以小组形式自主选择的题目，让学生进行构思，设计，实现和运作，将所选题目进行产品化。通过构思，分析客户的需求，预估产品的功能，设计技术方案，制定技术程序，并对小组成员进行分工，细化每个成员的任务。设计的任务主要包括产品的规划、原理设计、技术方案等。以构思和设计为基础，将最终的设计方案转变成实际产品，并对产品进行测试的过程即为产品的实施过程。对产品的运作主要包括对产品的前期程序调试，对系统功能进行改进。通过电子设计竞赛，将CDIO理念的构思、设计、实现和运作融为一个有机的整体，提高学生的工程实践能力，充分培养学生独立发现问题、解决实践问题的能力，培养学生团队合作能力和大系统掌控能力。

（四）基于CDIO理念的教学方法改革

改变传统的教学手段和教学方法，在教育方法上力求做到教师讲授与学生实践相结合，个人学习与团队合作学习相结合，让学生“主动学习”。将案例教学引入到课堂中，采用 “探究式”的授课方法，引导学生主动思考，并分组进行讨论，确定解决问题的方法，给学生创造实验环境去验证方法的可行性[5]。聘请校外专家、学者或企业工程管理人才为学生做专题讲座，进行辅导与授课，并定期派学生到企业去学习与实践锻炼。

（五）加强教师队伍建设，提高教师的CDIO能力

为教师提供去国外或者企业学习与交流的机会，让教师亲自参与到项目实训中，通过与企业项目工程师学习与合作提高教师自身的工程实践能力。聘请集成领域的国内外专家、学者、企业的项目经理、工程管理人员、工程设计人员，与本专业教师共同组建一支“多样性、复合型、高精端、产学研”的师资队伍，一起承担集成专业的人才培养任务。

针对我国目前集成电路设计与集成系统专业工程人才紧缺的现状，本文提出了CDIO理念下的人才培养模式，强调高校学生的专业知识技能和实践创新的工程能力，有效地解决了企业和人才能力相脱节的问题，从而为社会和企业培养更多合格的“专业型、创新型、应用型”的工程人才，更好地推进高等工程教育的改革，使我们的创新实践教育更上一个台阶。

参考文献：

[1]江帆，张春良，王一军，喻萍.CDIO开放教学模式研究[J].教学研究，2012，（2）.

[2]刘胜辉，崔林海，黄海.集成电路设计与集成系统专业课程体系研究与实践[J].计算机教育，2008，（22）.

[3]方卓红，曲英杰.关于集成电路设计与集成系统本科专业课程体系的研究[J].科技信息，2007，（27）.

第2篇：集成电路与集成系统范文

1.1电气化公路概念与技术原理

电气化公路是指布设了供电系统，能够让机动车辆在行驶过程中直接从电网连续取电以获得驱动电能的道路，特征是可以为行驶中的车辆提供不间断电力。为了跟独立携带能源的燃油车辆或电动汽车相区别，我们把这种具有从电网集电功能的车辆称为电力汽车。跟早期无轨电车最大的区别是，电力汽车必须携带部分能源，如燃料（汽油、柴油、天然气、煤制气等）或电池（蓄电池、燃料电池等），以便在非集电状态下照常行驶。如超车时，在无供电系统的行车道上行驶时，或者离开电气化公路时，就需要通过携带的能源提供动力，这时的运行工况则跟现有燃油汽车或电动汽车的状态相同。因此电力汽车必然是一种“双能源”汽车，根据需要也可设计成多能源或多动力模式。电力汽车的机动性能、灵活性，跟燃油汽车、电动汽车接近，将弥补无轨电车不能离开供电线路运行的缺陷。跟电动汽车的区别是，电力汽车可以直接利用电网电力驱动车辆，减少蓄能转换环节，提高电能利用效率。电力汽车可以不停车为储能电池充电，省去电动汽车必须停车充电的不便。由于能够不停车充电，也不用停车加油，电力汽车的理论续航里程为无限长。严格地说，其续航里程以所携带的蓄电池循环使用寿命为限，即电力汽车只有当自带的蓄电池达到循环寿命期限而不能再进行充放电时，才需要更换蓄电池单元。因此，电力汽车使用起来不仅比电动汽车方便，也比燃油汽车方便；既无需经常停车充电，也无需频繁为油箱加油。

1.2电力汽车的动力组合模式

电力汽车可能的多动力组合模式有以下几种：电网集电+储能电池。即在非集电状态下（离网运行），由储能电池提供动力，这种电力汽车只需要电动机，不需要内燃机，车辆传动结构简单。可以停车充电，也可在行驶过程中完成充电。目前应用较广泛的有铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池等。电网集电+燃料电池。即在非集电状态下或离网运行时，由燃料电池提供动力，这种电力汽车也只需电动机，车辆传动结构简单。如果采用氢燃料电池，则需要加注氢燃料；如果采用金属燃料电池，则需要更换金属燃料模块。电网集电+燃油。即在非集电状态下，用汽油或柴油提供动力，这种电力汽车不仅需要电动机，同时需要配备内燃机，车辆动力结构较复杂。这是典型的双动力模式电力汽车，不可避免地要经常前往加油站加油。电网集电+燃气。即在非集电状态下，用天然气或煤制气提供动力，这种电力汽车也需要电动机和内燃机两套动力系统，车辆动力结构较复杂。这种模式的电力汽车则要经常前往加气站加注燃气。电网集电+电池+燃油／燃气。这种电力汽车包括两种以上的能源供应系统，一般可设计成“电网集电+电池+燃油”或“电网集电+电池+燃气”模式。其内燃机可以直接跟车辆传动系相连驱动车辆，也可作为发电机，把所发的电能提供给主电动机驱动车辆行驶，或者为蓄电池充电。

1.3电力汽车集电方案

电力汽车的集电方式主要有以下三种：（1）顶部集电。这种集电模式需要在道路上方布设架空线网，在车顶安装集电器。传统的无轨电车就是采用这种架空线网顶部集电的方式（如图1所示），优点是道路行人、牲畜和其他移动物体难以接触架空线网，因此电气安全性好，可有效防止电击事故；顶部集电杆可使电力汽车得到较大的偏线距离，对车辆沿线行驶的精度要求低。缺点是架空线网高度大，只适合车身较高的车辆从电网集电行驶，如大型客车、公交车辆和大型货车，不适用于车身较低的小型车辆，如小轿车、小型货车等，因而应用范围受到限制；架空线网对道路上方空间形成屏障，会影响超高车辆通行，形成安全隐患，还会影响景观。（2）侧集电。是指沿中间隔离带或道路一侧布置供电系统，电力汽车的集电杆从车辆侧面伸出，通过集电刷从电网取电（如图2所示）。优点是电力网线（道上供电系统）布置在道路侧面，不占用线路上方空间，不影响景观，可以跟道路两侧的隔离带、护栏等有机地融为一体；更重要的是，由于供电系统布置较低，适合所有不同高度车辆从电网取电，普及性好。缺点是对电力汽车沿线行驶的精度要求高，即车辆在集电行驶过程中必须与道上供电装置保持适当距离，不能有过大的偏离；侧面集电杆必须具有较高的定位精度，如集电刷上下偏离不能过大，否则无法正常触网集电。（3）地面集电。即把供电系统布置在地面上，电力汽车集电杆从车辆下面伸出与地面线网接触取电。优点是对集电器的定位精度要求低，也允许车辆行驶过程中发生较大偏离，适合各种车辆从电网集电。缺点是触电风险高，供电系统容易遭受水浸侵蚀，容易被车辆及重物损坏，很容易被灰尘、雨雪、异物埋没。

2电气化公路与电力汽车经济性分析

2.1电气化公路供电系统成本分析

电气化公路是尚未实施的技术项目，属于较复杂的系统工程，准确估计其建设成本有一定困难。为分析其成本费用，可通过跟现有交通设施、电力供应系统作比较，初步判断建设电气化公路的成本。发展电气化公路，需要在原有公路基础上新增设施，新增项目主要有道上供电系统、变电站所、发电厂站与管理控制中心。在进行建设成本比较时，不用考虑电气化公路与既有高速公路完全相同的设施项目，如道路建设成本。其他电气化公路与既有高速公路在设施方面的区别如表1所示。不论二者部分设施的有无，仅从二者间有区别的设施项目来看，它们之间的成本差别将体现在油价和电价上。所以在初期成本分析中，分项建设费用可以不用考虑，可以认为电气化高速公路的电价能够涵盖其分项的设施成本，而当前执行的电价已经包含了变电站、发电厂、供电系统和电力调度中心的管理费用，因此在分析电气化高速公路建设成本时应该考虑的唯一有别于既有高速公路的设施项目是道上供电系统。该项可参照电气化铁路接触网和无轨电车架空线网的建设费用进行估计。道上供电系统的设施成本可作如下估计：（1）单方向电气化高速公路道上供电系统的电网功率等同于一级铁路单方向接触网功率。铁路列车的平均追踪距离取10km，一个车列的功率取5000kw，则平均功率为500kwkm。亦取该值为道上供电系统单方向的供电功率。（2）可认为铁路接触网的“网线塔架+承力索”的成本相当于道上供电系统支架成本，由于道上供电系统增加了大量传感器、供电节电力转换部件，其总体成本高于铁路接触网，按高出一倍计算。普通铁路接触网建设成本为20~30万元km，取单方向道上供电系统的单位成本60万元km。投资回收期按10年计，车流量按300辆h计，则分摊到每辆车上的费用为：即5.6元／车hkm，当投资回收期按更长时间考虑且车流量更大时，分摊到每辆车上百公里的供电系统建设费用会更低。

2.2传统燃油汽车能源消耗

当前部分车型汽车的耗油量如表2所示。下面举例计算燃油汽车的能耗费用，油料价格按8元／升计算。小客车以长城赛弗为例，100km的燃油费用为12×8=96（元／hkm）。大客车以沃尔沃为例，100km的燃油费用为26×8=208（元／hkm）。大货车取欧曼牵引车重载工况，100km的燃油费用为50×8=400（元／hkm）。具体计算结果如表3所示。

2.3电力汽车能源消耗

仍然以长城赛弗越野车、沃尔沃大客车和欧曼牵引车为例，计算该车型改装成电力汽车后使用电网电力的能耗。电价按0.5元／kwh计，计算可得每100km的能耗成本如表4所示。表4中的电动机计算功率（kw）为保守值，实际工况下平均功率小于该值，因此所计算的费用为保守估计值。

2.4电力汽车与燃油汽车运行成本比较

从表3、表4的计算结果可知，在电气化高速公路上行驶的电力汽车能耗费用不超过普通燃油汽车能耗费用的12。前面计算已知建设电气化高速公路增加的道上供电系统的分摊费用为5.6元／车hkm。因此，在考虑电气化公路建设成本增加因素的情况下，电力汽车在电气化高速公路上行驶的能耗加上建设成本的分摊，仍然小于普通高速公路上燃油汽车运行成本的一半。至于电力汽车的制造成本，虽然增加了安装集电器的成本，但当采用“电网集电+储能电池”模式时，只需要电动机，省去了内燃机，而且传动机构大为简化，因而汽车制造成本可以比燃油汽车低。如果采用“电网集电+燃油／燃气”的双动力模式，因为有两套动力系统，车辆制造成本则比单一动力模式的汽车制造成本会提高。因此，从环保与经济角度考虑，“电网集电+储能电池”是电力汽车合理的动力模式。

3结语

第3篇：集成电路与集成系统范文

【关键词】微电子学 集成电路 半导体

微电子学与集成电路是现代信息技术的基础，各类高新行业在具体发展中，均会对微电子学和集成电路进行应用。其中，集成电路选择半导体镜片作为基片，并结合相关工艺，将电阻、电容等元件与基片连接，最终形成一个具备完整电路功能的系统或是电路。较比集成电路微电子学是在集成电路的基础上，研究半导体和集成电路的相关物理现象，并有效的对其进行应用，满足各类电子器件需求的效果。基于此，本文对当前微电子学与集成电路展开分析，具体内容如下。

1 微电子学与集成电路解读

微电子学是电子学的分支学科，主要致力于电子产品的微型化，达到提升电子产品应用便利和应用空间的目的。微电子学还属于一门综合性较强学科类型，具体的微电子研究中，会用到相关物理学、量子力学和材料工艺等知识。微电子学研究中，切实将集成电路纳入到研究体系中。此外，微电子学还对集成电子器件和集成超导器件等展开研究和解读。微电子学的发展目标是低能耗、高性能和高集成度等特点。

集成电路是通过相关电子元件的组合，形成一个具备相关功能的电路或系，并可以将集成电路视为微电子学之一。集成电路在实际的应用中具有体积小、成本低、能耗小等特点，满足诸多高新技术的基本需求。而且，随着集成电路的相关技术完善，集成电路逐渐成为人们生产生活中不可缺少的重要部分。

2 微电子发展状态与趋势分析

2.1 发展与现状

从晶体管的研发到微电子技术逐渐成熟经历漫长的演变史，由晶体管的研发以组件为基础的混合元件（锗集成电路）半导体场效应晶体管MOS电路微电子。这一发展过程中，电路涉及的内容逐渐增多，电路的设计和过程也更加复杂，电路制造成本也逐渐增高，单纯的人工设计逐渐不能满足电路的发展需求，并朝向信息化、高集成和高性能的发展方向。

现阶段，国内对微电子的发展创造了良好的发展空间，目前国内微电电子发展特点如下：

（1）微电子技术创新取得了具有突破性的进展，且逐渐形成具有较大规模的集成电路设计产业规模。对于集成电路的技术水平在0.8～1.5μm，部分尖端企业的技术水平可以达到0.13μm。

（2）微电子产业结构不断优化，随着技术的革新产业结构逐渐生成完整的产业链，上下游关系处理完善。

（3）产业规模不断扩大，更多企业参与到微电子学的研究和电路中，有效推动了微电子产业的发展，促使微电子技术得到了进一步的完善和发展。

2.2 发展趋势

微电子技术的发展中，将微电子技术与其他技术联合应用，可以衍生出更多新型电子器件，为推动学科完善提供帮助。另外微电子技术与其他产业结合，可以极大的拉动产业的发展，推动国内生产总值的增加。微电子芯片的发展遵循摩尔定律，其CAGR累计平均增长可以达到每年58%。

在未来一段时间内，微电子技术将按照提升集团系统的性能和性价比，如下为当前微电子的发展方向。

2.2.1 硅基互补金属氧化物半导体（CMOS）

CMOS电路将成为微电子的主流工艺，主要是借助MOS技术，完成对沟道程度的缩小，达到提升电路的集成度和速度的效果。运用CMOS电路，改善芯片的信号延迟、提升电路的稳定性，再改善电路生产成本，从而使得整个系统得到提升，具有极高研究和应用价值。可以将CMOS电路将成为未来一段时间的主要研究对象，且不断对CMOS电路进行缩小和优化，满足更多设备的需求。

2.2.2 集成电路是当前微电子技术的发展重点

微电子芯片是建立在的集成电路的基础上，所以微电子学的研究中，要重视对集成电路研究和分析。为了迎合信息系统的发展趋势，对于集成电路暴露出的延时、可靠性等因素，需要及时的进行处理。在未来一段时间内对于集成电路的研究和转变势在必行。

2.2.3 微电子技术与其他技术结合

借助微电子技术与其他技术结合，可以衍生出诸多新型技术类型。当前与微电子技术结合的技术实例较多，积极为社会经济发展奠定基础。例如：微光机电系统和DNA生物芯片，微光机电系统是将微电子技术与光学理论、机械技术等结合，可以发挥三者的综合性能，可以实现光开关、扫描和成像等功能。DNA生物芯片是将微电子技术与生物技术相结合，能有效完成对DNA、RNA和蛋白质等的高通量快速分析。借助微电子技术与其他技术结合衍生的新技术，能够更为有效推动相关产业的发展，为经济发展奠定基础。

3 微电子技术的应用解读

微电子学与集成电路的研究不断深入，微电子技术逐渐的应用到人们的日常生活中，对于改变人们的生活品质具有积极的作用。且微电子技术逐渐成为一个国家科学技术水平和综合国力的指标。

在实际的微电子技术应用中，借助微电子技术和微加工技术可以完成对微机电系统的构建，在完成信息采集、处理、传递等功能的基础上，还可以自主或是被动的执行相关操作，具有极高的应用价值。对于DNA生物芯片可以用于生物学研究和相关医疗中，效果显著，对改善人类生活具有积极的作用和意义。

4 结束语

微电子学与集成电路均为信息技术的基础，其中微电子学中囊括集成电路。在对微电子学和集成电路的解析中，需要对集成电路和微电子技术展开综合解读，分析微电子技术的现状和发展趋势，再结合具体情况对微电子技术的当前应用展开解读，为微电子学与集成电路的创新和完善提供参考，进而推动微电子技术的发展，创造更大的产值，实现国家的持续健康发展。

参考文献

[1]张明文.当前微电子学与集成电路分析[J].无线互联科技，2016（17）：15-16.

[2]方圆，徐小田.集成电路技术和产业发展现状与趋势[J].微电子学，2014（01）：81-84.

[3]柏正香.集成电路测试数据的处理[J].微电子学，2010，40（01）：149-152.

[4]可卿.微电子学和集成电路打交道[J].大学指南，2010（07）：42-45.

作者简介

胥亦实（1994-），男，陕西省榆林市人。大学本科学历。现供职于吉林大学。主要研究方向为集成电路工程。

第4篇：集成电路与集成系统范文

关键词：电路板；故障植入；知识获取

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）34-0182-02

1 概述

基于知识的智能化故障诊断专家系统，是现代设备诊断技术中最有前途的发展方向之一。智能故障诊断过程的实质是知识的运用和处理过程，知识的数量和质量决定了智能故障诊断系统能力的大小和诊断效果，推理控制策略决定了知识的使用效率[1]。由此可见，知识是智能故障诊断系统的核心。在故障诊断系统中对知识的研究主要包括知识的获取、表示和使用。但目前由于知识工程技术领域有许多问题还未解决，对知识的获取和表示还有一定的困难。

以电路板作为研究对象进行故障知识获取时，要解决以下问题：1、对研究对象本身的认识要深入；2、设计相应的电路，一方面提供电路板工作所需的信号，另一方面对关键信号进行测量，以供获取研究对象知识；3、在目标电路上设置故障，以供获取故障知识。

本研究以某系统信号接口板作为研究对象，设计了一套基于PC和PCI数据采集卡的信号调理和数据采集系统，可通过软件或硬件跳线的方式对目标电路板设置故障，并通过数据采集系统获取故障数据，并以知识的形式存储故障数据。硬件上主要采取了：1、对目标电路板进行了重新设计，增加了跳线和测试接口；2、采用了接口丰富的研华PCI1712多功能数据采集卡；3、充分利用PCI1712的接口设计了调理电路。另一方面软件上，使用通用编程平台VisualC++结合研华ActiveDAQ、ActiveDAQPro控件进行编程，其中交互界面主要使用Visualc++ MFC设计，硬件的控制主要通过ActiveDAQ控件完成，波形显示通过ActiveDAQPro控件完成。

2 系统结构原理

系统软硬件总体框图如图1所示。

系统总体框图如图1所示，用PC作为系统的控制端，控制软件由参数显示与分析模块、故障设置模块和知识管理模块等几个基本功能模块组成，完成对系统的总体控制和数据管理；PCI多功能数据采集卡在PC的控制下完成数据采集和故障动态植入的功能；条件形成电路、故障植入电路和信号调理电路相互配合，完成三个功能：为目标电路的正常工作提供环境、故障动态植入和数据采集功能。

对硬件电路的控制与数据采集通过PCI多功能数据采集卡进行。主要的硬件电路设计工作包括：1、对目标电路的改造；2、设计信号调理电路；3、故障植入电路。对目标电路的改造工作主要是在实现其电路原理的基础上通过继电器、矩阵开关或跳线完成电路故障的设置，主要的手段是对特定的器件和关键点设置短路和断路的跳线选择。条件形成电路主要是提供目标电路能够工作的外部信号，主要包括电源信号和激励信号。故障植入电路主要通过继电器和数据采集卡控制调理信号的通断。

软件设计采用Visual C++平台搭建系统的框架，对应用程序进行全面的管理，提供数据管理、功能控制、数据显示与分析等功能。

3 数据采集与控制

3.1条件形成与故障植入电路

条件形成电路主要是提供目标电路能够工作的外部信号，包括电源信号和激励信号。如图2所示，根据目标电路的特点设计电源和激励信号电路，通过矩阵开关接入目标电路。激励信号主要包括各种开关信号，如模拟信号、串行数字信号、离散信号、功率信号、射频信号、高速数字信号等，都能经过矩阵开关进行自动切换[3]。

为了获取电路在不同状态下的参数，特别是在故障状态下的动态参数，需要对电路进行故障植入，主要采用的方法是：1、通过矩阵开关改变目标电路的激励源；2、对目标电路进行改造，通过跳线或通过矩阵开关改变目标电路连接。

3.2 信号调理电路

信号调理平台是系统主要的硬件，主要对各种的直流和交流信号进行调理与采集。其中交流信号的检测原理如图3所示。待测交流信号通过经过分压电路以及比例放大电路处理之后分成两路，其中一路经模拟开关和峰值保持电路后经A/D转换，可采集到交流信号的峰值。另一路，经整形和模拟开关之后，进行频率测量。

直流信号调理电路用于把待测的直流信号进行分压、电压跟随和限幅处理，使之满足A/D采集端口的电压要求。

3.3 数据采集卡

系统主要的数据采集和对电路的控制主要通过PCI1712的AI和DIO口完成的。PCI1712多功能数据采集卡提供了丰富的接口，主要包括：16位数字I/O口、16位模拟I/O口。当然，这些接口还不够用的话，可以通过硬件电路进行扩展[4]。

数据采集卡的驱动软件可以直接对板卡的寄存器编程，管理数据采集硬件的操作并把它和处理器中断、DMA和内存等资源结合在一起。驱动软件隐藏了复杂的硬件底层编程细节，为用户提供了容易理解的接口[2]。使用VC++控制PCI数据采集卡有多种方法可以选择使用DLL（动态链接库）函数或ActiveX控件进行。使用DLL编程编程比较灵活，但实现起来较为复杂，尤其是在对中断触发的管理，需要设置多线程的同步。使用ActiveX控件则可以使用很少的代码来完成软件触发、中断触发和DMA的数据采集功能。PCI1712的ActiveX DAQ控件主要包括AI、AO、DI、DO、Counter、PULS等，ActiveX DAQ Pro还提供了一些图形控件。

使用ActiveX DAQ控件进行编程一般过程为：在界面上插入控件、导入控件控制类、建立控件控制变量、选择设备、打开设备、使用设备、关闭设备等。

4 知识获取和表达

知识的表达方法有很多种主要包括：逻辑表示法、产生式表示法、框架表示法、语义网表示法、脚本表示法、过程表示法、petri网表示法、神经元表示法和面向对象表示法等。在选择知识的表示方法时主要考虑知识的表示能力、推理效率、正确性和结构性。

电路故障知识主要是电路实时测量的参数，包括电压、峰值电压、波形、时间等信号。“设计故障诊断专家系统时，要求既能表达领域对象的静态特性、行为特征及约束，又要表达专家经验、 判断决策等知识，还要有较强的数值计算及过程控制能力。”[5]本研究采用面向对象的知识表示方法。面向对象的知识表示方法相对于产生式表示法、框架表示法等传统表示方法来说具有很大的优越性，它不但能充分利用传统框架对逻辑语言的描述能力，还能够嵌入规则，所以它可以方便的对逻辑语言表达也可以对数值进行表达，同时具备很强的扩展能力。

5 使用效果

系统软件运行效果如图4所示，经试用该项目取得了比较良好的使用效果，故障设置方便，结果显示直观，故障知识表达清楚，为智能化故障诊断专家系统故障知识的获取提供了一个比较好的途径。

6 总结

本研究只是探讨性的研究了特定电路板故障植入、实时获取电路运行数据、并从中获取电路故障知识，为实现智能化专家系统打下基础，但具有一定的局限性：不同电路板所需的激励信号不同，使用外部电路植入故障之后有可能造成电路板烧坏等，这些问题希望读者注意。

参考文献：

[1] 杨军，冯振生，黄考利.装备智能诊断技术[M].国防工业社，2004.

[2] 田敏，郑瑶，李江全.Visual C++数据采集与串口通信测控应用实战[M].人民邮电出版社，2010.

[3] 张明珠，王艳红.继电器矩阵在PCB功能检测中的应用[J].煤炭工程，2011（6）.

第5篇：集成电路与集成系统范文

1、变电站自动化系统的概念

1.1变电站综合自动化系统的基本概念

综合自动化是将变电站的二次设备（量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远动装置等）经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护，以及与调度通信等综合性的自动化功能。

变电站综合自动化系统是利用多台微型计算机和大规模集成电路组成的自动化系统，它替常规的测量和监视仪表，替代了常规控制屏、中央信号系统和远动屏[1]。

1.2微机保护装置的特点

微机保护是实现变电站自动化系统中继电保护功能的关键环节。它的功能和可靠性如何，在很大程度上影响了整个系统的性能。同时，微机保护装置是以微处理器为核心，根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障的性质和范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置。因此，微机保护装置中的数据采集系统和数据处理算法对整个保护性能显的尤为重要。

2、数据采集系统的硬件构成

2.1数据采集系统的硬件结构示意图

数据采集系统主要包括电压形成回路，采样保持电路和滤波器电路，模拟量多路转换开关和模数转换器等功能部分。结构示意图如图（1）所示[2]。

数据采集系统完成将模拟输入量准确地转换为微型机能够识别的数字量，然后输入到微型机主系统中，进行下一步的计算。

另一种实现数模转换功能的器件是电压频率转换器VFC，其结构示意图如图2所示

由于VFC型数据采集系统具有利于光电隔离提高A/D转换精度，抗干扰能力强等优点，因此VFC在电力系统微机保护装置中获得了广泛应用。

2.2VFC型数据采集系统的硬件电路

采用VFC作为A/D转换器件的模拟量数据采集系统的原理框图如上图（2）所示，图中只画了一个通道，多个模拟量则需要多个这样的通道（计数器可以多通道共用）[3]。

2.2.1电压形成回路[2]

从电力系统中经过TV，TA得来的电流i和电压u需要经过进一步的变换才能适应VFC的输入范围要求，同时，弱电系统还要与强电系统隔离。

微机保护要从被保护电力线路的电流互感器、电压互感器取得电流、电压信息，还必须把这些信息进一步变换降低到±5V的范围内.

（1）输入电压的电压形成回路

把一次电压互感器输出的二次额定100V电压变换成最大±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用.该功能由电压变换器实现。原理电路如下。

当线路额定电压为35KV时，经过一次电压互感器后，二次侧的额定电压为100V，为了输出最大±5V模拟电压信号，该变换器的变比应设置为20/1。

（2）输入电流的电压形成回路

把一次电流互感器输出的二次额定5A/1A电流变换成最大±5V模拟电压信号，供模数转换芯片使用.微机保护中，一般采用电流变换器.其原理电路图如下。

需要注意的是，在A/D转换器型数据采集装置中，电压形成回路之后通常要加上一级LPF回路。此时，在加入LPF的采样信号，必须满足采样定理，否则将引起信号的失真。LPF型式的选择也要综合考虑继电保护的响应速度和响应时间等因素。

2.2.2 VFC的基本原理及与实际工作电路结构

VFC器件的电压频率关系图如图5所示，工作电路图如图6所示。与此对比的图7为四方公司的CSL-160B系列数字式线路保护装置中基于VFC的模数变化插件示意图。

由图5可知。加入VFC的电压可以转换成脉冲量，该脉冲量的频率与输入电压成正比。经过快速光耦器件隔离后，用计数器对脉冲进行计数，该计数值与输入模拟量在采样间隔T时间内的积分成正比，达到了将模拟量转换为数字量的目的，实现了数据采集的功能。

2.2.3单片机系统

单片机基本系统由CPU及扩展的存储器

上接第143页

组成。CPU应采用高性能的芯片，目的是进一步提高计算速度。同时还应给CPU配备一定的内存单元，用于记录采集的电压电流等数据。

3、计算方法

由上文可知，输入微机保护装置的模拟量有电压量和电流量。这些量需要经过采样和分析运算后，才能作为微机保护的判断依据。由于全周傅立叶算法在收集采样数据时不用等待5ms的时间，且具有较好的滤波能力，所以在本装置中，采用全周傅立叶算法作为对采样数据的处理方法。

全周傅立叶算法的基本原理是基于傅立叶级数而来的。在此不再叙述，具体可参阅文献[2].

4.2该系统的性能分析[2]

在实际应用中，广泛使用的数据采集系统是逐次退近式和电压一频率变换式的两种。由于后者在每一个采样时刻读出的计数器数值不能直接使用，必须采用相隔一定时间间隔的计数器汉值之差后才能使用，所以对于某些要求动作速度快的微机型装置不应采用电压一频率变换式数据采集系统。

但是，微机保护对VFC的转换时间没有要求，这是因为VFC是利用输入计数器的脉冲的计数值来获取模拟输入信号在某一时间内的积分值对应的数字量。只要在使用式应注意到计数芯片的输入脉冲频率不能超出极限计数频率即可[1]。

1）低通滤波。

VFC型数据采集系统对输入信号进行连续积分，因此，具有低通滤波的效果，可以抑制噪声。

2）抗干扰能力强

VFC与计数器之间的光耦器可以实现数据采集系统与微型机的电气隔离，又可以有效减少共模干扰进入弱电系统。

3）输出数字量调节位数方便。

在其他因素不变的情况下，只要调整积分间隔 即可实现调整位数的目的。

5、结论

VFC型数据采集系统的抗干扰能力强，不必增加硬件开销，只需改变软件中的计算间隔，就可以提高数据采集系统的精度，它非常适合于各种微机型电力装置的模拟量数据采集系统

参考文献：

[1]丁书文. 变电站综合自动化技术. 北京.中国电力出版社，2005

[2]杨奇逊，黄少锋. 微型机继电保护基础. 北京，中国电力出版社，2007

第6篇：集成电路与集成系统范文

高速公路机电系统有三大系统，包括：监控系统（收费站及道路监控）、收费系统、通信系统，这里面包含机电、通信、电子等众多学科领域。这三大系统也正在不断的进行着更新，不断的向着信息化和自动化方向发展，新开发的集成系统软件主要有以下功能：实时联网收费，养护管理，实时交通监控，环境检测、报告，事故处理救援，办公自动化，Internet公共服务部分等内容。本文将对收费、监控和通信三个子系统的安装与调试、机电系统的集成与应用维护和机电系统的方案进行阐述。

一、高速公路系统集成项目管理系统设计方案

高速公路机电系统的主要功能在于对道路设施进行控制和管理，随着信息化技术的不断引入，机电系统逐渐发展成综合性大系统，其中主要包括收费、监控和通信三个子系统，子系统之间通过通信网之间联系，由计算机进行控制，通过光缆数字通信连接成远程计算机网络，各网络间信息共享。

在各个子系统的安装与调试前，应该对总体方案进行合理设计，由于过去的高速公路系统软件存在“各自为政”的状况，因此应该对原有系统进行改造，实现各个子系统之间的软件集成。软件集成分为以下四方面的集成：

首先，是用户界面集成，通过用户界面集成系统提供统一的用户界面，通过统一的操作习惯使用软件的所有功能，不同功能的子系统的使用是在整个集成用户界面内操作，这种集成度较高的集成能让使用者有种系统配套的感觉。

其次，信息和数据的集成，将三个子系统的数据进行筛选、调整，进行格式、储存和处理统一的集成模式。其各个子系统的数据是相对独立的，但是各个子系统数据库可以相互共享。

再次，业务流程集成，对所有相似的业务进行集成，不止是数据之间的相互共享，把所有子系统的用户管理进行统一设计，甚至完全独立，作为独立的业务进行管理，其他子系统各自读取需要的数据。

最后，是函数集成，函数集成则是一个完完全全的集成。这几乎要求每个子系统进行完全的规划和设计。对具体到每一功能的函数都迸行了集成，让整个高速公路营运管理系统变成一个有机整体：从远程方法调用、分布计算等技术发展起来的WebService等技术，可以比较好地实现这个层面。

高速公路系统集成项目管理系统应该依据统筹规划、整体设计的原则，建立合理的软件构架，将子系统的不同业务和方法集成，实现高速公路营运的效益最大化。

二、高速公路机电系统的安装与调试

1收费系统。

高速公路收费系统一般包括收费车道、收费站、营运公司收费中心和收费结算中心四级收费体制，每一个站点都是由计算机设备通过以太网连接成一个网络。近年来，电子不停车收费系统ETC逐渐兴起，其快速、方便的特性受到各地高速公路收费系统的青睐，许多收费系统中都预留ETC车道及相关设备。收费系统的安装与调试，主要是指收费计算机的软、硬件系统的构成方式，将服务器、以太网交换机、IC读写器和工作站等进行系统内连接，收费中心计算和收费站两级系统共同通过联网与硬件的支持形成计算机软、硬件系统。高速公路收费系统还包括以下几个组成部分：收费车道设备，由收费员终端、非接触式IC卡读写器等是多样必须的附属设备构成：监控系统，为了保证收费系统的收费公正公开，就必须借助闭路电视监控系统，主要包括外场设备和收费站监视控制设备两部分组成。

2通信系统。

高速公路的管理机构主要包括管理中心、管理分中心、各个监控点和收费站组成。在高速公路管理中负责运输大量信息的机构就是通信系统。高速公路的通信系统主要由以下机构组成，主干线传输、业务、指令和紧急电话、数据传输、图像传输、广播、通信电源和通信管道。

通信系统对于高速公路的正常、高效运营有着重要的作用，可以说是电机系统的中枢神经。目前对于通信系统的安装和调试主要有如下两种技术，SDH光同步数字传输系统和千兆以太网技术，后者可实现语音、数据和视屏三网合一。

SDH光同步数字传输系统的通信中心建立在监控和收费中心，通过光纤线路配置终端设备OLT，结合具体高速公路的各个站点的实际情况设置通信站，在各个通信站配备ONU，再根据实际情况选择同步传递模式，用4芯光纤组成2芯通道保护自愈环状网络完成整个通信系统。千兆以太网技术系统可以完成图像、数据和语音信息的接人，其主要特征是带宽大、兼容性强，通畅的收费系统都采用以太网接口，有效的提高了可靠性，通畅以光纤作为传输媒介，在各个站点建立交换机，用4芯光纤形成自愈环网。

3监控系统。

高速公路管理中，为了确保车辆的行车安全和行车效率，就必须对公路交通的密度和车速进行监控。高速公路监控系统就是通过一定的方法对高速公路的交通状况进行控制，主要包括如下三方面：人口匝道控制、主线控制和通道控制。

监控系统的安装与调试主要包括两个成分，监控中心和外场设备。监控中心由计算机系统、闭路电视监控系统和摄影设备等组成，采用局域网结构，其工作原理在于外场设备检测外部信息，将信息通过通信系统传输回监控中心进行分析处理，再将结果反馈给外场设备。外场摄影机传输图像回监控中心，监视器及时切换到事件地点。外场设备主要是指车辆检测器、气象检测器、可变情报板、可变限速板和外场摄像机等设备。

第7篇：集成电路与集成系统范文

[关键词]地铁 ；综合自动化监控 ；系统集成

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0256-01

有不少部门已经把集成技术运用到地铁综合系统中，传统的地铁监控系统已经跟不上时代的发展，集成技术的出现及应用能够有效缓解这一问题。不少城市内部的轨道交通项目都设置了新的综合监控系统，近几年，我国的综合监控集成技术逐孙逸敏渐趋于成熟。要想推动我国地铁的自动化技术发展，我们首先需要创建科学的综合监控信息共享平台，这样才能提升地铁行业的科学管理水平[1]。

1 关于地铁行车综合自动化监控系统的分析

一般情况下，地铁有三种运行状态，首先是正常运行状态，其次是停止运行状态，最后还有一个紧急运行状态。地铁的服务工作主要是针对这三种运行状态而言的，服务工作的目的就是确保工作人员的自身安全及地铁设施的使用安全，不断提升地铁的运行管理水平。现代化的地铁运营管理要求自动化系统能提供一个可实现信息互通和资源共享的平台？列车控制及监控系统的主要功能如下：（1）牵引制动控制；（2）电空制动混合控制；（3）高速断路器控制；（4）扩展供电控制；（5）正常运行模式下的超速保护控制；（6）空气压缩机和空调压缩机的启动控制；（7）空调系统控制；（8）旅客信息显示系统控制；（9）牵引连锁控制。

2 论述地铁行车的电气控制技术

通常情况下，电气牵引逆变器主要运用较大功率的IGBT组成的电压型调压调频逆变器，这种逆变器普遍使用的是PWNI控制技术，并且IGBT的开关控制是有牵引控制单元负责的。在逆变器输入端设置有支撑电容。 该电容作为一个能量缓冲器，可以保持逆变器输入电压的稳定。 同时，该电容与滤波电抗器共同组成倒 L 型滤波装置， 可以保持直流电压波动在允许的范围之内，从而使逆变器对电机电流的精确控制成为可能。 逆变装置内设有 3 个逆变相逆变器和一个斩波相控制器。 三相逆变相实现牵引与再生制动功能：牵引时，三相逆变器将直流电逆变为电压和频率可调的三相交流电，控制 4 台并联牵引电机的转矩和转速；再生制动时，将牵引电机输出的三相交流电整流成直流电反馈回电网。 当电网吸收能力不足或不能吸收时，斩波相则提供再生制动能量释放的通道：斩波控制器控制制动电阻投入工作，通过制动电阻将电能转换成热能消耗掉。 在直流电网发生过电压时，斩波功能也被开启，从而保证逆变器输入电压波动在允许的范围内。

为防止主电路接入时对线路滤波器的电流冲击，主电路中设有初充电电路。 该电路由充电电阻和线路接触器构成。 通过充电电路限制充电电流，可实现电压在牵引逆变器上的逐步升高，当电压达到设定值时闭合线路接触器、短路充电电阻，实现正常接通，网压 DC1500V直接作用于逆变器两端，逆变器开始工作。 主电路中还设有高速断路器，作为牵引电源与牵引系统的连接，高速断路器为牵引系统提供过载和短路保护。

3 地铁行车综合自动化监控技术的应用

3.1 顶层信息集成模式

顶层信息集成模式被广泛应用在早期的地铁综合监控系统中，其中效果较为显著的一项工程就是主控系统，这种系统主要是为车站值班人员及中央调度人员服务的。 顶层信息集成的综合监控系统，是在中央、车站和车辆段将集成系统和互联系统的重要监控信息统一汇集处理，然后再显示到中央和车站的图形化人机界面上，其实质就是将早期分立监控模式下各子系统的上下位机结构拆分成两个独立部分进行设计、实施和调试。 其一大特点就是在各站点将原来分立的各集成子系统拦腰截为两部分，上位机监控部分功能由综合监控系统来完成，下位控制器部分功能由各集成子系统完成，建立在此结构上的综合监控系统，通常会设置专门的网关接口设备（如前端处理器 FEP）来实现与各接入系统的数据通信和信息隔离，这样的系统划分方式将导致综合监控系统独享上层已搭建的网络资源。

3.2 深度系统集成模式

通过调查分析国内外地铁的建设经验，我们在原有的顶层信息集成模式上提出了一种新的深度系统集成模式，这种新型的集成模式不仅具备顶层信息集成模式的优势，还在一定程度上弥补了它的不足。目前，国内近期新建线路的综合监控系统多采用此种集成模式，典型工程实例为广州地铁 5、6 号线、北京地铁 10 号线、深圳地铁 4 号线和西安地铁 2号线等。此类综合监控系统的服务对象，除车站值班人员和中央调度人员之外，还包括车辆段内各相关机电设备的维护管理人员。 其指导思想就是将原来分层设置的多个监控系统作为一个大规模的综合自动化系统，进行统一设计、招标、实施和调试。 深度系统集成模式的综合监控系统的内容也相应扩大，包括了原来顶层集成模式的综合监控系统、电力监控子系统（PSCADA）、环境与设备监控子系统（BAS）、火灾自动报警子系统（FAS）和门禁子系统（ACS）等多个部分[3]。其主要特点为将分立监控系统上下位机结构作为一个整体进行考虑，原来分立系统的功能统一在综合监控系统软硬件平台上完成。 深度系统集成模式在接入方式上进行了优化设计， 多个控制层设备 （如 PSCADA 控制器、BAS 控制器 、FAS 报警盘和 ACS 控制器等） 皆直接连接到综合监控系统的站级局域网络上，这样的设计在简化网络层次的同时，还满足相关子系统设备异地通信和远程访问等功能需求。

参考文献

[1]王宝智. 计算机网络[M]. 北京：国防工业出版社，2001：112.

第8篇：集成电路与集成系统范文

关键词： 脑电信号采集； ADS1298； FPGA； 高性能脑电信号采集系统

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）11?0095?03

0 引 言

脑电信号（EEG）是一种典型的生物电信号，是大脑皮层脑神经细胞电活动的总体反映，其中包含了大量的生理和病理信息，是临床检测的重要生理参数之一，也是认知科学、脑机接口和警觉度等领域研究的重要手段[1]。由于传统脑电信号采集设备都比较庞大，不便于脑电信号的适时获取，因此研究便携式脑电信号采集设备具有重要意义。

脑电信号采集系统主要包括信号放大与调理、模数转换、信号处理与传输等。由于人体的阻抗高且变化大，脑电信号又很微弱，外部环境的干扰很大，因此脑电信号采集系统的放大与调理电路比较复杂，通常要包括高输入阻抗和高共模抑制比的前级放大、带通滤波、工频陷波、多级放大等[2?4]，导致体积大功耗高。模数转换的精度和速率也决定了脑电信号采集系统的性能，如文献[5]采用10位的模数转换芯片，文献[6]采用ADI公司最高采样率1.25 MBPS的12位AD1671芯片，文献[7?8]采用16位模/数转换芯片。采用单片机[8]、ARM[9]和DSP[5?6]作为控制器件的系统中，一般只能完成数据采集和处理较为单一的功能，其中以DSP的数据处理能力最强。相比之下，采用FPGA作为主控芯片[7]通过硬件描述语言编程可以灵活地进行配置，实现对多通道数据的并行处理，同时能将多个功能在单芯片上实现，如文献[10]基于FGPA和ADS1258设计了集成有视觉、听觉和体感刺激信号源与16通道脑电信号采集功能的诱发电位仪。脑电信号传输的手段以PCI总线[6]、USB[9?10]等有线方式为主，无线方式[8]传输速率较低，但更易于便携式设计，因此可以针对特定的应用。

ADS1298是TI公司近年推出的一款针对心电和脑电信号采集的24位专用模数转换芯片，本文利用该芯片的高精度，以FPGA为主控制芯片，通过将工频陷波、带通滤波等模拟部分转移到数字侧，在保证性能的前提下简化脑电信号放大与调理的模拟电路，实现便携式脑电信号的采集。

1 系统结构

本文提出的脑电信号采集系统包括信号采集、模数转换和数据传输三个部分。脑电信号采集系统的总体框图如图1所示。

预处理电路包含RC低通滤波和过压保护电路，对脑电极采集到的信号进行低通滤波和过压保护后直接送入到ADS1298模数转换器中进行模/数转换。右腿驱动电路主要是用来抑制共模干扰，由ADS1298内部的RLD电路以及外部的电容电阻构成的反向放大滤波电路组成。

系统采用FPGA作为主控制芯片，利用硬件描述性语言来编写配置I/O口成通用串行SPI接口，与高精度多通道的模数转换芯片ADS1298的SPI接口相连实现通信，从而控制ADS1298将脑电极采集到的模拟信号转换为数字信号，经过滤波陷波处理后存储在SDRAM中，作为采集数据的缓冲部分，以便为后续的传输模块做准备。

数据传输模块主要是采用FPGA配置I/O口作为以太网接口芯片DM9000A的控制接口，并与DM9000A的控制接口串联，实现其逻辑控制；采用UDP协议将从SDRAM中读取的数据打包，通过RJ45网络接口，传输到上位机。8个通道1 kHz的采样率，理论上需要192 Kb/s的传输速率，以太网口10/100M的传输速率完全能满足需要。

2 硬件电路设计

2.1 脑电信号采集预处理电路

人体自发的脑电信号的幅值很小，一般为5～100 μV，而诱发脑电信号的幅值更小，只为2 μV左右。TI的ADS1298是24位、8通道差分输入模/数转换芯片，最大共模抑制比可达115 dB，直流输入阻抗1 GΩ，在内部增益设置为12倍和参考电压[VREF]=2.4 V的条件下，信号分辨率为：

2.2 右腿驱动电路

右腿驱动电路是抑制生物电信号采集系统中的共模干扰（特别是50 Hz的工频）的最常用、最有效的一种方法。由于ADS1298芯片内部集成了右腿驱动电路[11]，因此只需要配置ADS1298内部相关寄存器，并在使用少量的电子器件，即可实现该功能，具体右腿驱动电路如图3所示。从图3可知，电路由ADS1298内部的RLD电路以及外部的[R3]，[R4]，[C3]组成，其中[R3]起限流保护作用，[R4]与[C3]构成反向放大滤波电路。

2.3 FPGA接口电路

为了实现高精度、高可靠性的脑电信号采集，本系统采用Altera Cyclone Ⅱ系列芯片EP2C35F672作为控制和处理的核心，EP2C35系列FPGA内部包含33 216个逻辑单元（LE），105个M4K RAM块，RAM总量达到483 840位，35个内嵌乘法器，4个锁相环（PLL），可用最大I/O口为475，内部资源完全满足高性能的脑电采集系统的需求[12]。

本系统中与FPGA相连的有模数转换芯片ADS1298、以太网接口芯片DM9000A和SDRAM。FPGA的接口电路就是把这些芯片的信号控制端口、数据读写端口和地址端口直接与FPGA的I/O相连，通过Quartus Ⅱ分配相对应的I/O口，即可实现接口电路的有效连接。

3 软件模块设计

第9篇：集成电路与集成系统范文

北京大学第三医院（简称北医三院）始建于1958年，是集医疗、教学、科研和预防保健为一体的现代化综合性三级甲等医院，是2008年北京奥运会定点医院。现有在职职工2295人，开放床位1264张。设有34个临床科室、10个医技科室。十余年来，北医三院管理水平不断提高，门、急诊量始终居北京市各大医院前列。日均门、急诊量达9000多人次，平均住院日逐步缩短至近6.8天，各项主要管理指标达先进水平，多次受到卫生部和北京市卫生局的表彰。

北医三院长期以来注重利用信息系统支持和提升医院的管理、服务和科研能力，是全国最早实施全院HIS系统的医院之一。进入21世纪，医院先后投入上千万资金用于建立医疗影像信息系统、手术麻醉系统、门急诊医生站等临床信息系统。2008年6月，医院通过招标确定使用嘉和美康信息技术有限公司的电子病历系统。

电子病历系统规模与实施效果

此次北医三院的电子病历系统建设是全院级（包括两个外部院区）项目，使用人员覆盖医院所有34个临床科室，45个病区的医生工作站。门诊电子病历包括浏览录入，以及从住院医生到病案室的完整病历流程管理，其他特色功能还包括眼科的DayCase病历以及生殖医学中心特色病历管理、基于结构化电子病历数据的科研检索系统、基于电子病历系统的医院传染与感染监控系统等。

鉴于北医三院使用基于Windows的服务器，为减少系统维护人员配置，北医三院为电子病历系统配置的服务器仍然使用了微软操作系统平台。考虑到医院规模和电子病历系统的数据处理能力要求，医院最终选型是惠普的安腾服务器，具体型号为P6600，配置4颗CPU，24G内存。服务器运行Oracle 数据库，年数据增量10G左右。使用经验证明，这样的服务器配置是合理的，全院系统上线后支持近400台客户端运行稳定。

经过一年多的建设，到2010年中期北医三院的电子病历系统基本实施完毕，医院实现了电子化的病历书写、病历质控、病案室管理、病案借阅管理、在住院医生工作站集中的临床数据展示和处理、基于电子病历的临床路径管理。在完成自身功能的同时，电子病历系统还承担起构建医院临床数据仓库的任务，与医院的HIS、放射影像、手术麻醉、眼科系统、检验系统、内镜超声系统等多个临床系统进行了基于HL7消息方式的数据集成，汇总存储了除图像数据外的所有患者临床数据，并提供了完善的集中浏览功能。

截止2011年1月，电子病历系统中已经归档病历达49000多份，电子临床路径系统中处理的病例数超过1200例。

系统建设要善于总结经验

做为卫生部电子病历试点医院、临床路径试点医院，北医三院在电子病历系统建设中积累了较为丰富的经验。

1. 电子病历系统与HIS系统的界面集成

北医三院的HIS系统与电子病历系统实现了数据集成和界面集成。

在数据集成方面，涵盖的后台数据包括患者基本信息数据、入出转信息、医院机构、人员字典数据、药品材料字典数据以及医嘱字典数据和患者医嘱信息等。

在界面集成方面，实现了HIS系统医嘱录入模块与电子病历住院医生站界面的集成。对于界面集成的方案，医院项目组进行了多次讨论。由于医院在实施电子病历系统之前试运行了住院医生工作站系统，临床医生已经对HIS医嘱处理功能有了一定的了解，故可选择的界面集成方案有以下三种：

首先，两个系统不做界面集成，医生在两个独立界面中完成工作。这样做厂商的工作量小，程序修改较少，但考虑到住院医生每天的日常工作流程将因被迫在两个系统间不断切换而被打断，可能会增加医生差错发生的几率以及导致使用不便。所以，这个方案首先被放弃了。

第二个方案是以HIS医生站为主界面，将电子病历工作站简化后界面集成入HIS医生站。第三个方案是以电子病历住院医生站为主界面，将HIS医生站重叠功能裁剪，留下医嘱处理功能界面集成入电子病历工作站。

在后两个方案中，充分考虑到临床医生的工作习惯，同时电子病历工作站的功能更为丰富，与其他临床信息系统更易集成且更易实现汇总浏览患者临床信息的功能，医院最终选择了第三个方案。

实践证明，这种界面集成方法是成功和有效的，临床医生大量工作在电子病历主界面中完成，先进入电子病历界面更符合医生的思维和工作习惯，且先录入检验、检查申请单后可以自动生成相关的医嘱信息，明显提高了医生的工作效率，减少了录入差错。

与临床医生不同的是，在后期医院实施门诊医生工作站的阶段，上述设计被重新评估。由于门诊医生检验、检查申请和处方录入量大，而病历内容录入量小，医院采用了第二种界面集成方式，即在HIS的门诊医生站中集成电子病历的书写和浏览模块。这样的设计满足了医生在统一平台上浏览患者门诊和住院病历的要求。

2. 电子病历质量管理和权限控制

电子病历上线前曾经有医院管理人员担心随着计算机的使用会导致医生频繁使用拷贝黏贴的功能，从而产生大量的雷同病历，严重影响病案质量。同时，这种操作还会使低年资医师失去在写病历过程中锻炼思维能力的机会。为此，我院在系统实施过程中做了大量细致的工作，最终确保了医院病历质量并未因使用电子病历而有所下降，反而得到提高。这些措施包括：

（1）建立立体、完善的电子病历质控体系

依托电子病历系统本身的功能，通过在电子病历系统中按照国家病历书写规范进行评分规则的设置，医院构建了包括4个不同层面的立体质控体系。首先，使用电子病历系统的一线医师可以在本人的工作界面对本人负责的患者病历进行质量自评，方便及时获知病历存在的缺陷；其次是主治医师进行的科室级质控评分；第三是医务处环节质控功能自动筛选在院运行的病历中可能有质量问题的案例，并发送质控消息；第四是病案室进行病历质量的终末质控。

（2）建立结构化专科电子病历知识库模板

北医三院在电子病历实施过程中，不但建立了全院统一的大病历结构化模板，而且在科室逐一上线的时候为每个专科建立了细致的专科结构化模板，同时在系统中封闭了拷贝粘贴功能。由于大量规范化模板的存在，使用人员可以高效、准确地完成病历录入，对拷贝粘贴的依赖并没有出现。同时模板中质量控制节点的设置，引导用户按照一定的逻辑思维分层级完成数据录入，对低年资医生有教学意义。

（3）建立附属帐号机制

作为教学医院，北医三院需要为实习进修医生设定电子病历使用权限，同时又要确保高年资医师对病历的审定签字和最终责任。为此，在电子病历系统中设定了实习进修用户与高年资医生用户的附属帐号关系。系统在允许实习进修医生访问的同时，对他们的操作有功能的限制，而最后的签字操作由其上级医师完成。

3. 基于科室个性化工作流程的病历书写管理方案

北医三院的眼科以及生殖医学中心的医疗实力在国内名列前茅，前来就诊的患者也是不计其数，为了提高临床工作效率，减少患者的等待时间和就医成本，在这两个科室，都运行着一套被称为DayCase的管理模式，即“一日住院”模式。在这种管理模式下，要求电子病历系统能够实现在患者住院前即可开始书写病历。并且，在生殖医学中心更是将夫妻双方的病历进行关联，实现可以在夫妻任意一方就诊时查看另一方的病历。

随着上述两个科室个性化工作流程的电子化，对于医生的工作效率有了显著的提升，原本需要1个小时完成的手工病历书写工作，使用结构化专科电子病历模板来完成，所需时间简化为15分钟至20分钟。

4. 基于结构化电子病历的科研检索

由于北医三院是北京大学医学部下属的教学医院，各个临床科室都承担着非常多的科研和教学任务，因此在电子病历选型之初，就已经将是否能实现对电子病历数据的元素级科研检索需求作为选型重要条件明确提出。

在北医三院的电子病历实施过程中，更是基于日后电子病历的科研检索需求而详细构建了不同专科的结构化病历模板。与此同时，嘉和美康公司也配合医院的需求，开发了科研病历检索功能，该功能可以将结构化病历数据的XML文件进行打散，并可以由用户自行定义组合所需检索的元素条件，对打散后的病历元素数据进行检索，用于亦可自行定义需要输出的结果元素列表，系统将按照所定义的条件进行检索，将结果元素列表输出为通用格式文件，如EXCEL、DBF、TXT等。

5. 基于电子病历系统实现临床路径电子化

2009年底北医三院成为卫生部临床路径首批试点医院之一，为了高质量完成试点工作，在2010年的7月正式开始运行电子化临床路径管理，涵盖九个临床科室的50多个病种。

临床路径管理工作分为三个阶段：路径制定，路径执行和变异分析。这其中，最大的难点在路径执行，因为每一个病例在临床路径执行过程中都要涉及住院、医务、护理等多个岗位和环节，而数据采集周期贯穿患者整个住院过程，数据采集的准确性和实效性要求较高。为此，医院在准备临床路径推广的同时对信息化支持提出要求。

临床路径电子化的数据来源跨越HIS、电子病历等多个系统，操作界面也需要延伸到多个岗位。如果建立独立的临床路径系统，对使用人员来说是叠床架屋过于复杂，从系统集成角度来看冗余数据的同步会带来潜在风险。最终，医院决定在现有的电子病历系统上增加临床路径功能。

临床路径功能上线后得到了医护人员的广泛认可，由于电子病历系统本身就能够通过文档完成情况采集到医疗服务的内容，同时与HIS医嘱数据的后台集成，可以保证路径中重要医嘱的完成情况及时更新，电子病历系统保证了临床路径跟踪表单上绝大部分数据可以自动采集和标记，没有增加额外的工作量。而且临床路径的操作界面简洁明了，电子病历系统屏蔽临床路径背后的逻辑和规则，只直接展示给用户路径执行情况表单，便于用户了解路径执行情况。

临床路径的准入和变异分析得到电子病历系统的数据支持。电子病历系统中的诊断数据、患者体征数据可以被有效利用，在医生完成病历的同时，系统会提示路径准入条件，当出现特殊情况需要脱离路径的时候，电子病历系统中的客观数据可以被记录，作为出径的原因。

良好的系统集成非常重要

电子病历系统的实施和使用是对医院原有以HIS为中心的信息系统构架一次重大的演进，是医院信息化建设从围绕费用管理的医院信息系统向着以患者和临床为核心的临床信息系统过渡的里程碑。作为HIS之外第二个全院级的信息系统，电子病历系统的出现对于临床医师的工作习惯、医院病历质量控制管理流程直至终端设备管理都提出了新的要求。

1.完善配套制度建设

为实现电子病历系统建设，对医院运行效率和医疗质量提高的双重保障，北医三院在配套制度建设、周边系统集成、数据综合利用方面加大投入。同时，建立健全相关制度和管理措施也是电子病历系统发挥效益的重要基石，运行良好的电子病历系统对保证病历质量、改善医护人员工作条件、提高医疗服务质量有直接的推动作用。

2. 与其他临床信息系统集成