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硬件設(shè)計(jì)范文1

3.1管理監(jiān)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

管理系統(tǒng)主要完成發(fā)油過程的監(jiān)控及配方管理、報(bào)表顯示、查詢、打印等功能。工控機(jī)性能可靠，抗干擾能力強(qiáng)，在工控領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。工控機(jī)可以根據(jù)控制要求，進(jìn)行板卡的選型設(shè)計(jì)，從而更好的滿足設(shè)計(jì)要求，因此，在對控制要求高的系統(tǒng)中，選用工控機(jī)較為合理，但是，工控機(jī)的價格比較昂貴，投資成本比較高。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，通用PC機(jī)的性能完全滿足使用要求，所以在設(shè)計(jì)選型時，監(jiān)控PC機(jī)和管理PC機(jī)都選用品牌機(jī)。品牌機(jī)價格適中，操作方便，內(nèi)存大，人機(jī)界面友好，帶有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232通信口、打印機(jī)接口，易于和外設(shè)相連。

3.2自動發(fā)油控制的硬件構(gòu)成

自動發(fā)油控制的主要任務(wù)是接收上位機(jī)指令并對現(xiàn)場設(shè)備和儀表進(jìn)行控制，是控制系統(tǒng)的核心。我們選用性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)的可編程控制器。可編程控制器又稱PLC（Programmable Logic Controller）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。PLC問世以來很快受到工業(yè)控制界的歡迎，并得到迅速的發(fā)展。目前，PLC已成為工廠自動化的強(qiáng)有力工具，得到了廣泛應(yīng)用。

3.2.1 PLC特點(diǎn)

（1）可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)PLC不僅CPU模塊可以設(shè)計(jì)冗余，而且系統(tǒng)中的模塊也可以是冗余的，這樣就極大地增加了應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性，除此之外，PLC從硬件上采用隔離、濾波措施有效地抑制和消除了干擾。此外，對有些模塊還設(shè)置了聯(lián)鎖保護(hù)、自診斷電路等。當(dāng)故障條件出現(xiàn)，立刻存儲當(dāng)前狀態(tài)信息，軟硬件配合封閉存儲器，禁止對存儲器進(jìn)行任何不穩(wěn)定的讀寫操作。從而PLC的可靠性、抗干擾能力大大提高，一般PLC平均故障間隔時間可達(dá)幾十萬小時。

（2）編程簡單、使用方便考慮到企業(yè)一般電氣技術(shù)人員和技術(shù)工人的讀圖習(xí)慣和應(yīng)用微機(jī)的水平，目前大多數(shù)PLC采用繼電器控制形式的梯形圖編程方式。這是一種面向生產(chǎn)、面向用戶的編程方式，比較容易作人員所接受并掌握。配套的簡易編程器的操作和使用也很簡單。

（3）設(shè)計(jì)、安裝容易，維護(hù)工作量少PLC用軟件功能取代了繼電器控制系統(tǒng)中大量的中間繼電器、時間繼電器、計(jì)數(shù)器等器件，控制柜的設(shè)計(jì)、安裝接線工作量大為減少。PLC的用戶程序大部分可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬調(diào)試，用模擬實(shí)驗(yàn)開關(guān)代替輸入信號，其輸出狀態(tài)可通過PLC上的發(fā)光二極管指示得知。模擬調(diào)試好后再將PLC控制系統(tǒng)安裝到生產(chǎn)現(xiàn)場，進(jìn)行聯(lián)機(jī)調(diào)試，既安全，又快速方便。大大縮短了應(yīng)用設(shè)計(jì)和調(diào)試周期。PLC故障率極低，維修工作量很小。

(4)功能完善、通用性強(qiáng)PLC不僅具有邏輯運(yùn)算、定時、計(jì)數(shù)、順序控制等功能，而且還具有A/D、D/A轉(zhuǎn)換，數(shù)值運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理等功能。因此，它既可對開關(guān)量進(jìn)行控制，也可對模擬量進(jìn)行控制；PLC還具有通信聯(lián)網(wǎng)功能，可與相同或不同類型的PLC聯(lián)網(wǎng)，并可與上位機(jī)通信構(gòu)成分布式的控制系統(tǒng)。

總之，PLC系統(tǒng)的基本特點(diǎn)是：可靠、方便、通用、低廉。

3.2.2 PLC的基本組成

PLC是微機(jī)技術(shù)和繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種以微處理器為核心的用于控制的特殊計(jì)算機(jī)，因此它的組成部分與一般的微機(jī)裝置類似。整體式PLC邏輯框圖如圖3-1所示。它主要由中央處理單元CPU、輸入/輸出部件、存儲器、通信接口、I/O擴(kuò)展口等部分組成。其中CPU是PLC的核心，它通過輸入裝置讀入外設(shè)的狀態(tài)，由用戶程序去處理，并根據(jù)處理結(jié)果通過輸出裝置去控制外設(shè)。輸入/輸出亦稱I/O部件，是連接現(xiàn)場設(shè)備與CPU之間的接口電路。存儲器主要存儲系統(tǒng)程序、用戶程序及工作數(shù)據(jù)。通信接口用于與編程器和上位機(jī)連接。I/O擴(kuò)展口是連接I/O擴(kuò)展單元與PLC本機(jī)的接口電路，主要用來擴(kuò)展I/O點(diǎn)數(shù)。

圖3-1 整體式PLC邏輯框圖

Fig.3-1 Logic diagram of integral PLC

3.2.3 PLC的工作原理

PLC運(yùn)行時，內(nèi)部要進(jìn)行一系列操作，大致可以分為四大類：以故障診斷、通信處理為主的公共操作，聯(lián)系工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)輸入和輸出操作，執(zhí)行用戶程序的操作，以及服務(wù)于外部設(shè)備的操作。

PLC的工作過程與其它計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，CPU采用分時操作的原理，每一時刻執(zhí)行一個操作，隨著時間的延伸一個動作接著一個動作順序地進(jìn)行。這種分時操作進(jìn)程稱為CPU對程序的掃描。PLC在一個掃描周期的開始，首先將物理輸入點(diǎn)上的狀態(tài)復(fù)制到輸入過程映像寄存器中；CPU根據(jù)映像寄存器中的輸入狀態(tài)從頭至尾執(zhí)行應(yīng)用程序指令并將程序執(zhí)行的結(jié)果存入輸出映像寄存器中；處理通訊請求和CPU自診斷測試相繼執(zhí)行；在每個掃描周期的結(jié)尾,CPU把存儲在映像寄存器中的數(shù)據(jù)寫到物理輸出點(diǎn)上，然后開始新的一輪掃描。PLC就是這樣周而復(fù)始地重復(fù)掃描循環(huán)[4]。

3.2.4自動發(fā)油控制的S7-200PLC配置

在本課題中，根據(jù)自動發(fā)油控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求，我們選擇西門子公司的S7-200CPU226作為下位機(jī)。S7-200PLC配置有以下幾點(diǎn)： （2）輸入濾波器可以為本機(jī)開關(guān)量輸入點(diǎn)選擇輸入濾波器，并可定義延遲時間（0.2-12.8ms）。這個延遲時間有助于濾除輸入噪聲，以免引入輸入狀態(tài)不可預(yù)測的變化。輸入濾波器是CPU配置數(shù)據(jù)的一部分，可下裝而且存儲在CPU存儲器中，可以通過STEP7下的System Block選項(xiàng)來選擇輸入濾波器選項(xiàng)。

（3）脈沖捕捉，每個本機(jī)開關(guān)量都具有脈沖捕捉功能。它可以讓PLC捕捉到持續(xù)時間很短的高電平脈沖或低電平脈沖。在正常掃描下，CPU不是總能讀取到這樣的開關(guān)量輸入。當(dāng)一個輸入端子設(shè)置為脈沖捕捉時，輸入端的狀態(tài)變化被鎖存并一直保持到下一個掃描循環(huán)刷新周期。用這樣的方法，一個持續(xù)時間很短的脈沖信號被捕捉到，并保持到CPU讀到該輸入信號為止，以確保不丟失脈沖。

（4）設(shè)置輸出狀態(tài)，在PLC的循環(huán)掃描執(zhí)行過程中，隨機(jī)或突然的不明原因的停機(jī)是不可避免的，此時要求PLC停機(jī)后的輸出狀態(tài)要能夠保證被控設(shè)備處于安全狀態(tài)。為此，S7-200PLC為輸出點(diǎn)提供了兩種保持性能：一種是預(yù)置開關(guān)量輸出點(diǎn)在CPU變?yōu)镾TOP方式后為已知值；另一種是設(shè)置開關(guān)量輸出保持CPU變?yōu)镾TOP方式之前的狀態(tài)。

（5）高速I/OS7-200為控制高速事件提供了高速I/O。S7-200CPU具有高速計(jì)數(shù)器功能,這些計(jì)數(shù)器可以記錄20kHz的事件，并不影響CPU的性能[5]。

CPU226提供了6個高速計(jì)數(shù)器，每個 高速計(jì)數(shù)器有12種模式。不同高速計(jì)數(shù)器的不同模式占用PLC的特定的I/O口。本控制系統(tǒng)中采用高速計(jì)時器來計(jì)算流量計(jì)的高速脈沖數(shù)，用于計(jì)算發(fā)油質(zhì)量和流量。 表3-1I/O分配及說明

Table3-1 Input or output configuration and illustration I1.0 I2.0 靜電接地檢測儀 靜電接地夾夾緊檢測 I1.2 I2.2 溢油檢測儀 油面溢出檢測 I1.4 I2.4 傳感器 鶴管復(fù)位檢測 I1.6 I2.6 開關(guān) 啟動（停止）發(fā)油

表3-1I/O分配及說明

Table3-1 Input or output configuration and illustration （續(xù)） I0.0 I0.1 流量計(jì) 流量采集 Q1.1 Q2.1 指示燈 靜電報(bào)警 Q1.3 Q2.3 指示燈 氣體檢測報(bào)警 Q1.5 Q2.5 指示燈 發(fā)油運(yùn)行指示 Q1.7 Q2.7 電液閥 電液閥常閉 Q0.3 Q0.4 指示燈 模塊電源錯誤指示

Q0.5 Q0.6 指示燈 超差報(bào)警指示 3.2.5 S7-200與PC機(jī)通信

1）PC機(jī)與PLC聯(lián)網(wǎng)通信條件

從原則上講，只要為PC機(jī)配備該種PLC網(wǎng)專用的通信卡以及通信軟件，按要求對通信卡進(jìn)行初始化，并編制用戶程序即可。帶異步通信適配器的PC機(jī)與PLC只有滿足如下條件才能聯(lián)網(wǎng)通信： (2)雙方初始化設(shè)置，如波特率、數(shù)據(jù)位數(shù)、停止位數(shù)、奇偶校驗(yàn)方式等。

(3)用戶必須熟悉互連的PLC及PLC網(wǎng)絡(luò)采用的通信協(xié)議。嚴(yán)格按照通信協(xié)議為PC機(jī)編寫通信程序。PLC一方不需要用戶編寫通信程序。

2）PC與PLC通信的結(jié)構(gòu)形式

用戶把帶異步通信適配器的PC機(jī)與PLC互連時通常采用下圖所示的兩種結(jié)構(gòu)形式。一種為點(diǎn)對點(diǎn)結(jié)構(gòu)，PC機(jī)的COM口與PLC的編程器接口即PG口（其他異步通信口）之間實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)鏈接。另一種為多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，PC機(jī)與數(shù)臺PLC共同連在同一條串行總線上，多點(diǎn)結(jié)構(gòu)采用主從式存取控制方式，通常以PC機(jī)為主站，數(shù)臺PLC為從站，通過周期輪詢進(jìn)行通信管理。這種多點(diǎn)結(jié)構(gòu)又稱主從式結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)由一臺PC機(jī)作監(jiān)控主站，三臺PLC作從站，采用PPI通信協(xié)議。PC機(jī)與PLC之間通過RS485總線連接，由于PC機(jī)的串口是RS232,S7-200PLC的串口是RS485,所以二者之間要通過PC/PPI通信電纜進(jìn)行連接。

圖3-2PC-PLC多點(diǎn)通信結(jié)構(gòu)

Fig.3-2PC-PL Cmultiple-point communication structure

組態(tài)王軟件支持S7-200PLC的PPI通訊協(xié)議，在系統(tǒng)搭建時，只要通過參數(shù)設(shè)置就可以實(shí)現(xiàn)通訊。系統(tǒng)的通信結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。

3）PC/PPI電纜 進(jìn)行通信時，若數(shù)據(jù)從RS232向RS485傳輸，則電纜是發(fā)送狀態(tài)，反之是接收狀態(tài)。接收狀態(tài)與發(fā)送狀態(tài)的相互轉(zhuǎn)換需要一定時間，稱為電纜的轉(zhuǎn)換時間。轉(zhuǎn)換時間與所設(shè)置的波特率有關(guān)，他們之間的關(guān)系見表3-2。通常情況下，電纜處于接收狀態(tài)。當(dāng)檢測到RS232發(fā)送數(shù)據(jù)時，電纜立即從接收狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)送狀態(tài)。若電纜處于發(fā)送狀態(tài)的時間超過電纜轉(zhuǎn)換時間時，電纜將自動切換為接收狀態(tài)。

表3-2 開關(guān)設(shè)置與波特率的關(guān)系

Table 3-2 Relationship of the switch institution and baud rate 000 38400 0.5 010 9600 2

011 4800 4 101 1200 14 3.3 電液閥選擇和功能實(shí)現(xiàn)

3.3.1發(fā)油系統(tǒng)對控制閥的要求

在發(fā)油過程中，由于控制閥的突然開關(guān)，容易造成管道中的壓力在一瞬間會突然升高，產(chǎn)生很高的壓力峰值，這種現(xiàn)象稱為“水擊”或“水錘”現(xiàn)象。“水擊”產(chǎn)生的壓力峰值往往比正常工作壓力高好幾倍，且常伴有巨大的振動和噪聲，使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生溫升，有時會使一些液壓元件或管件損壞，并使某些液壓元件（控制閥、流量計(jì)等）產(chǎn)生誤動作，導(dǎo)致設(shè) 備損壞[7]。因此，發(fā)油自動化控制系統(tǒng)控制的主要目標(biāo)之一，就是盡可能的消除、減小發(fā)油開始和累計(jì)發(fā)油量達(dá)到設(shè)定時，控制閥的突然開關(guān)而產(chǎn)生的“水擊”現(xiàn)象。除此之外還要求控制閥能達(dá)到以下要求:

（1）能較好地解決過沖問題，重復(fù)性誤差小；

（2）能適應(yīng)各種發(fā)油工藝，包括流速不穩(wěn)定的單支和多支管路；

（3）防止噴濺式進(jìn)油；

（4）啟閉工作可靠、無泄漏，便于維護(hù)；

（5）低電壓，低功耗，控制較簡單。

3.3.2電液閥選擇

從控制的角度上理解，氣動閥，電動閥、電磁閥、多段電液閥等可遙控閥門都可以作為發(fā)油控制閥。但為了保證系統(tǒng)的可靠性，提高發(fā)油精度，從性價比綜合考慮，我們選擇了數(shù)字式多功能電液閥。

數(shù)字式多功能電液閥特別適用于石油化工行業(yè)，以實(shí)現(xiàn)對輸送介質(zhì)的流量、流速的自動控制。其主要的性能特點(diǎn)為:多段開閉，消除水擊及靜電；可控調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)恒流；無填料密封，密封可靠；利用介質(zhì)壓力，壓力損失小；獨(dú)立的開閥、關(guān)閥速度控制；控制回路簡單，維修方便；可水平、垂直安裝，適用范圍廣；電磁閥控制觸點(diǎn)電壓可選直流24V或交流220V/50Hz。

3.3.3多功能電液閥工作原理

數(shù)字式多功能電液閥由主閥、一個常開電磁閥、一個常閉電磁閥組成。常開電磁閥在控制回路逆流部位，常閉電磁閥在控制回路順流部位，如圖3-4所示。在兩只電磁閥的激勵下，高的逆流壓力被堵塞，閥套中的介質(zhì)流向低的順流壓力處，模片兩端產(chǎn)生壓差，主閥被打開。反之，在消除掉兩只電磁閥的激勵的情況下，允許高的逆流壓力去關(guān)閉主閥門。在流動過程中常開電磁線圈通電同時常閉電磁線圈斷電以后，壓力截聚在閥套中，從而使得閥門鎖定在打開位置，保持一個恒定的流量。當(dāng)工作條件變化而引起流量變化時，控制器給相應(yīng)的電磁線圈通電，就能重新調(diào)到設(shè)定的流量值。

圖3-4 多功能數(shù)字電液閥結(jié)構(gòu)圖

Fig.3-4 Structure diagram of multifunction digital electro-hydraulic valve

3.4流量計(jì)的選擇及功能實(shí)現(xiàn)

3.4.1流量計(jì)的選擇

目前，石化行業(yè)廣泛使用的流量計(jì)主要有兩種。一是體積式流量計(jì)另一種是質(zhì)量流量計(jì)。體積式流量計(jì)分為：容積式流量、差壓式流量計(jì)、速度流量計(jì)。質(zhì)量流量計(jì)分為：推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)和直接式質(zhì)量流量計(jì)。

LTC系列橢圓齒輪流量計(jì)是用于管道中液體流量進(jìn)行連續(xù)測量的高精度容積流量。其優(yōu)點(diǎn)是:測量精確度較高，可達(dá)到的相對誤差為士0.1～士0.5％，從理論上講，不受流體種類、粘度、密度以及前后直管段長度的影響；范圍度較大，精確度0.5級時可達(dá)1：10,容易獲得準(zhǔn)確的累積量，適合作為物料計(jì)量儀表。本控制系統(tǒng)中我們選用LTC系列橢圓齒輪流量計(jì)。

3.4.2 LTC系列橢圓齒輪流量計(jì)的基本組成

LTC系列橢圓齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。本體部——流量計(jì)的計(jì)量部分,由轉(zhuǎn)子和殼體及蓋板組成。磁性密封聯(lián)軸器——流量計(jì)本體與調(diào)速器的密封聯(lián)接部分,有磁性密封聯(lián)軸器和機(jī)械密封聯(lián)軸器兩種,常用磁性密封聯(lián)軸器。調(diào)速器——流量計(jì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)數(shù)輸出的減速齒輪機(jī)構(gòu)。計(jì)數(shù)器——記錄流經(jīng)流量計(jì)的流體累積體積流量的讀數(shù)器。發(fā)信器——將被測介質(zhì)的流量信號轉(zhuǎn)換為電脈沖信號的機(jī)構(gòu),輸出的脈沖信號為電壓脈沖信號或電流脈沖信號。

圖3-5 LTC 系列橢圓齒輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖

Fig. 3-5 Structrue diagram of LTC ellipse- flowmeter

3.4.3 LTC系列橢圓齒輪流量計(jì)工作原理

橢圓齒輪流量計(jì)是最典型的容積式流量計(jì)，其工作原理見圖3-6。安裝在殼體計(jì)量腔內(nèi)的一對相互嚙合橢圓齒輪,在被測介質(zhì)的作用下,靠進(jìn)出口壓力差的作用相互交替驅(qū)動,各自繞自己的軸旋轉(zhuǎn),從而不停地將進(jìn)口處的液體經(jīng)月牙形腔體送到出口。橢圓齒輪轉(zhuǎn)一圈流量計(jì)排出四倍月牙形腔體的液體,流經(jīng)流量計(jì)的流量與橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)成正比,通過計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),直接在計(jì)量器上讀出流經(jīng)流量計(jì)的累積體積量。在計(jì)數(shù)機(jī)構(gòu)中還可以安裝脈沖發(fā)信器，齒輪的轉(zhuǎn)速通過變速機(jī)構(gòu)直接驅(qū)動機(jī)械計(jì)數(shù)器，通過電磁轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號。當(dāng)油品流過流量計(jì)時，流量計(jì)便發(fā)出一定的脈沖，控制器對脈沖進(jìn)行通過運(yùn)算處理，得到流量值。

圖3-6 LTC 系列橢圓齒輪流量計(jì)工作原理圖

Fig.3-6 Schematic diagram of ellipse flowmeter

3.5 系統(tǒng)硬件的連接

控制系統(tǒng)由S7-200PLC及EM231（A/D）模塊、數(shù)字式多功能電液閥、流量計(jì)、溫度變送器、靜電接地儀、溢油保護(hù)等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖4-1。

硬件設(shè)計(jì)范文2

數(shù)字鐘硬件設(shè)計(jì)單片機(jī)

1單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)是由電源、復(fù)位、晶振、/EA=1組成的。Vcc（40）為電源端引腳，GND（20）為接地端引腳，工作電壓為5V。晶振引腳XTAL1（19）、XTAL2（18）。

引腳XTAL1作為片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，引腳XTAL2則是輸出端，使用內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器將會對振蕩脈沖進(jìn)行二分頻，如果晶振頻率是12MHz，那么時鐘頻率就是6MHz。晶振的頻率選擇范圍是1MHz-24MHz之間。電容大小選30PF左右。使用外部振蕩器時，外部振蕩信號應(yīng)直接應(yīng)用引腳XTAL1，但是XTAL2引腳懸空。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益反相放大器，振蕩器就是用它構(gòu)成的。引腳XTAL1是輸入端，引腳XTAL2則是輸出端。因?yàn)檎鹗幤鞯姆€(wěn)定性、頻率的高低、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性受電容大小的影響。所以此系統(tǒng)的晶體振蕩器的值為12MHz，電容值約為22μF。為了減少寄生電容，在焊接刷電路板時，應(yīng)將晶體振蕩器和電容盡可能的焊接在與單片機(jī)芯片相近的部位，這樣才能更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。

2 LED顯示電路

顯示器一般用于直觀地顯示數(shù)字系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)，顯示器按照材料及產(chǎn)品工藝的分類可分為：發(fā)光二極管LED顯示器、液晶LCD顯示器、CRT顯示器等。LED顯示器是現(xiàn)在最常用的顯示器之一。

發(fā)光二極管英文簡稱LED，它是由料砷化鎵、磷砷化鎵等特殊的半導(dǎo)體材制成，既可以單獨(dú)使用，也可以組裝成分段式或點(diǎn)陣式LED顯示器件。分段式顯示器（LED數(shù)碼管）是由7條發(fā)光二極管線段圍成的8字型。外加正向電壓時二極管導(dǎo)通，發(fā)出清晰的光。因此只要按照一定的規(guī)律控制各發(fā)光段點(diǎn)亮、熄滅，就可以顯示各種字形或符號。

數(shù)碼管使用條件：段、小數(shù)點(diǎn)上加限流電阻；使用電壓根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點(diǎn)：根據(jù)發(fā)光顏色決定；使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 4-5mA峰值電流 100mA。

數(shù)碼管使用注意事項(xiàng)說明：（1）數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；（2）焊接溫度：260度；焊接時間：5S；（3）表面有保護(hù)膜的產(chǎn)品，可以在使用前撕下來。

實(shí)時時間的顯示需要顯示電路顯示模塊來完成，即顯示時、分、秒，因此需要6個數(shù)碼管，另外還需要兩個數(shù)碼管來顯示橫。顯示電路采用動態(tài)顯示方式顯示時間，時的十位在第一個數(shù)碼管顯示，個位在第二個數(shù)碼管顯示，分的十位在第四個數(shù)碼管顯示，個位則在第五個數(shù)碼管顯示，秒的十位和個位分別在第七個和第八個數(shù)碼管顯示，剩余的數(shù)碼管顯示橫線。LED顯示器的顯示控制方式按驅(qū)動方式可分成靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式兩種。對于多位LED顯示器，通常都是采用動態(tài)掃描的方法進(jìn)行顯示。

3校時電路

數(shù)字鐘應(yīng)該具有分校時和時校時功能，因此，應(yīng)截?cái)喾謧€位和十位的直接信號可直接取自信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號；輸出端與分或者時的個位計(jì)時輸入端相連。當(dāng)開關(guān)撥到一端時，正常輸入的信號可以順利通過，校時電路正常計(jì)時；當(dāng)開關(guān)撥到另一端時，信號產(chǎn)生，正常輸入的信號不能順利通過，校時電路處于校時狀態(tài)。

所以當(dāng)電子鐘接通電源或者計(jì)時存在誤差時，都需要對時間進(jìn)行校正。校時電路對時、分分別進(jìn)行校準(zhǔn)。因?yàn)槊恳粋€機(jī)械按鍵都具有抖動現(xiàn)象，所以用RS觸發(fā)器作為去抖電路。采用RS基本觸發(fā)器及單刀雙擲開關(guān)，閘刀常閉于2點(diǎn)，每搬動一次產(chǎn)生一個計(jì)數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)校時功能。

4鍵盤檢測原理

鍵盤實(shí)際上就是一組按鍵，在單片機(jī)電路中，通常用到的按鍵都是機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)開關(guān)閉合時，線路導(dǎo)通，開關(guān)斷開時，線路斷開。

單片機(jī)檢測按鍵的原理是：單片機(jī)的I/O口既可以作為輸出也可作為輸入使用，當(dāng)檢測按鍵時，它啟用的是輸入功能，把按鍵的一段接地，另一端與單片機(jī)的某個I/O口相連，開始時先給該I/O口賦一高電平，然后讓單片機(jī)不斷地檢測該I/O是否變?yōu)榈碗娖剑?dāng)按鍵閉合，也就是當(dāng)該I/O口通過按鍵與地相連變?yōu)榈碗娖剑顺绦蚓蜁z測到I/O口變?yōu)榈碗娖剑f明按鍵被按下，然后執(zhí)行相應(yīng)的指令。

將理想波形同實(shí)際波形比較，會有一定的差別，實(shí)際波形在按下和釋放的瞬間都會出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，抖動時間的長短與按鍵的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5～10ms，通常我們手動的從按下鍵到釋放按鍵，這一過程按鍵閉合的時間會超過20ms。因此單片機(jī)在檢測鍵盤是否按下時要加上去抖動操作，通常我們用軟件延時的方法就能很容易解決抖動問題。

5鍵盤與AT89C51的連接電路

鍵盤接口是主機(jī)與鍵盤聯(lián)絡(luò)的端口，主機(jī)與鍵盤之間的通信，實(shí)際上是鍵盤接口與鍵盤的通信。PC主機(jī)通過設(shè)定數(shù)據(jù)線和時鐘線的工作狀態(tài)去指引鍵盤收取和發(fā)送數(shù)據(jù)：時鐘線為低電平時，禁止鍵盤傳送數(shù)據(jù)；時鐘線為高電平，數(shù)據(jù)線為低電平時，通知鍵盤接受命令或參數(shù)；時鐘為高電平，數(shù)據(jù)線也為高電平時，則允許鍵盤傳送數(shù)據(jù)。

這種設(shè)計(jì)是需要校對時間的，所以加上三個按鍵來實(shí)現(xiàn)時間的校對。其中P3.0和P3.1接口分別與主機(jī)鍵盤接口的時鐘線CLK和數(shù)據(jù)線DATA相連。通過按khour來調(diào)節(jié)小時的時間，而分針時間的調(diào)節(jié)則通過按kmin來實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)秒的時間則是按ksec來實(shí)現(xiàn)的。

6復(fù)位電路

當(dāng)振蕩器運(yùn)行且高電平出現(xiàn)在此引腳達(dá)到兩個機(jī)器周期以上的時，單片機(jī)就會復(fù)位，只要這個腳保持高電平，51芯片將會循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0-P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序。

片外復(fù)位是通過外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。而片內(nèi)復(fù)位電路則是引腳RST通過一個斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。

復(fù)位電路通常采用的復(fù)位方式有以下兩種：

上電復(fù)位：接通電源后利用RC充電來實(shí)現(xiàn)復(fù)位，電容C在電源剛接通時對下拉電阻開始充電，由于電容兩邊電壓不能突變，所以RTS端保持高電平，只要這個充電時間不超過1ms，理論上一般都是可以實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)的自動上電復(fù)位，如果沒有特殊要求，在實(shí)際的工程應(yīng)用中一般都采用這種復(fù)位方式。

硬件設(shè)計(jì)范文3

關(guān)鍵詞：太陽能；單片機(jī)89C54RD+；舵機(jī)；光電檢測電路

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-9599 (2011) 16-0000-02

Solar Tracking Controller Hardware Design

Zu Hualong

(HeFei University of Technology,Hefei230061,China)

Abstract:In order to more fully and efficient use of solar energy,it is commonly used to track the sun’s trajectory to maximize output power.This article describes the solar tracking system control theory and the system hardware components and control algorithms.The design of a tracking and simple structure,and reliable control of dual-axis solar tracking system,improves the utilization of solar energy.And through tests of this solar tracking system by using a flashlight as the sun,it is proved that the system can work well.The whole system design includes two parts:hardware design and software design.The 89C54RD+ I/O configuration,8-bit analog-to-digital converter signal processing unit,photodiode intensity circuit,EEPROM circuit,LED diodes display circuit,the power supply circuit,and the serial communications circuit were designed in the hardware consideration.While the MCU control,the monitoring program,the PC monitoring and the data―handling program which developed in the software platform of Keil uVision 2.0 were concerned in the software design.And at last,two electric steering engines are used to drive double-axis tracking device which can control the azimuth and altitude angle of the cell board.

Keywords:Solar energy;MCU 89C54RD+;Electric steering engine;Photodiode intensity circuit

一、引言

課題來源及意義

本課題來源于大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃校級項(xiàng)目《太陽能跟蹤定位系統(tǒng)開發(fā)》。成果已經(jīng)做成實(shí)物，可以演示。

二、太陽能跟蹤方案選擇

（一）常用的太陽能跟蹤控制方法比較

常用的太陽能跟蹤控制方法一般有三種；勻速控制方法、光強(qiáng)控制方法和時空控制方法。

本設(shè)計(jì)采用的是光強(qiáng)控制方式，用兩個光敏二極管檢測水平方向的信號，再用兩個二極管檢測豎直方向的信號，從而實(shí)現(xiàn)在水平方向和豎直方向兩個方向上的跟蹤。

（二）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)械部分主要由支架、底座、兩轉(zhuǎn)動軸和舵機(jī)構(gòu)成，可同時在方位角和高度角兩個方向上跟蹤。機(jī)械裝置由舵機(jī)驅(qū)動，可以使電池板在水平方向上的0-180°和垂直方向上的+90~-90°之間自由旋轉(zhuǎn)。單片機(jī)送出方位角和高度角電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制信號，這樣就構(gòu)成了方位角和高度角的跟蹤機(jī)構(gòu)。

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

硬件是實(shí)現(xiàn)各種功能的基礎(chǔ)，軟件發(fā)揮功能要依賴硬件的支持。硬件的可靠性直接關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性。

（一）系統(tǒng)的總體硬件框圖

圖3.1描述了系統(tǒng)的總體框圖：

圖3.1系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)采用STC89C54RD+作為核心控制器，主要由以下幾個部分構(gòu)成：M3）LCD顯示電路（4）LED系統(tǒng)狀態(tài)顯示電路（5）串行通訊電路（（8）復(fù)位電路，以下各小節(jié)將對重點(diǎn)電路進(jìn)行詳細(xì)的介紹。所有的電路都是使用Protel進(jìn)行繪制。

（二）串口通訊電路

這里使用的串口通訊標(biāo)準(zhǔn)是RS-232-C，與計(jì)算機(jī)相連，下載計(jì)算機(jī)寫好的代碼程序給單片機(jī)。而單片機(jī)的電平標(biāo)準(zhǔn)卻是TTL電平，所以需要一個電平轉(zhuǎn)換電路，這里使用MAX232通訊電路，實(shí)現(xiàn)對TTL和EIA電平的相互轉(zhuǎn)換。如圖3.2：

圖3.2 串口通訊電路圖3.3電源供電電路

（三）電源供電電路

電路外接電源從J9輸入，整流二極管IN4007起到防止電源反向，以及給外加電源濾波的作用，緊接著接入三端穩(wěn)壓器MC7805T的Vin端，三端穩(wěn)壓器電壓輸入端Vin需要一個C3電容10uF的電容進(jìn)行濾波，GND管腳接地。

（四）光電檢測電路

本設(shè)計(jì)使用兩個光敏二極管作為光強(qiáng)的檢測元件，每個光敏二極管分別接一個總阻值為10K大小的可調(diào)電阻以及5V電壓，作為一路光強(qiáng)檢測電路。隨著手電筒模擬太陽位置的變化，即不同光敏二極管感受太陽光的光強(qiáng)變化，光敏二極管的阻值會相應(yīng)改變，則加在光敏二極管兩端的電壓也會改變，則加在可調(diào)電阻兩端的電壓也肯定會產(chǎn)生變化。在可調(diào)電阻固定一個阻值大小的情況下，手電筒在不同位置，則電阻兩端的電壓也會不同；同時，手電筒固定一個位置，由于兩個光敏二極管想對于光源的位置和角度也不相同，則必然會導(dǎo)致兩個光敏檢測電路可調(diào)電阻輸出的電壓不同。將這一對電路各自的可調(diào)電阻的電壓輸入到一個AD620儀用放大器。AD620的輸出再接到ADC0809中，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。整體電路原理圖如圖3.4：

（五）液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)使用LCD1602芯片，各個字符的段碼液晶顯示屏是以若干個5*8或5*11點(diǎn)陣塊組成的顯示字符群。每個點(diǎn)陣塊為一個字符位，字符間距和行距都為一個點(diǎn)的寬度。主控制驅(qū)動電路為HD44780 CHITACHI及其他公司全兼容電路。液晶顯示電路如圖3.5：

圖3.4 光電檢測電路圖3.5液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)P2^0到P2^7管腳直接與液晶的八個數(shù)據(jù)口相連接。P3^2控制RS管腳，P3^3控制R/W管腳，P3^4控制E管腳，背光源正極BLA接5V電源，背光源負(fù)極BLK接地，VSS接地，VDD接5V電源，V0液晶顯示偏壓接一個10K的滑動變阻器，可以調(diào)節(jié)顯示的對比度。由此十一條控制命令可以知道，只要控制RS，R/W，D0-D7十個管腳，外加上一個使能信號E，就可以對液晶屏進(jìn)行任意的寫入數(shù)據(jù)和讀出數(shù)據(jù)的控制。液晶顯示屏的作用在于將光敏電路實(shí)時采樣得到的光強(qiáng)數(shù)據(jù)，即兩個AD620儀用放大器采樣到的電壓差值，通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換傳入CPU之后，顯示到液晶屏上，這樣可以對兩路光強(qiáng)信號進(jìn)行實(shí)時了解。

（六）模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件是ADC0809，它是CMOS的8位A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有8路模擬開關(guān)，可控制8個模擬量中的一個進(jìn)入轉(zhuǎn)換器中。ADC0809的分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時間約100us，含鎖存控制的8路多路開關(guān)，輸出有三態(tài)緩沖器控制，單5V電源供電。

ADC0809引腳連接

ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。本設(shè)計(jì)只用了IN0和IN1兩路通道，分別采集水平方向的電壓差值模擬量和垂直方向的電壓模擬量，IN0接第一個AD620的OUT端口；IN1接第二個AD620的OUT端口。其他六個輸入通道，全部懸空。因此，只需要在IN0和IN1之間進(jìn)行選擇。如果要選擇IN0和IN1通道，C地址線總是置為低電平，B地址線業(yè)總是為低電平，A地址線為低電平和高電平，為了方便擴(kuò)展到四路輸入，而且為了節(jié)約單片機(jī)引腳的使用，將C地址線直接接地，而A地址線接單片機(jī)的P1^3口，B地址線接單片機(jī)的P1^4口，進(jìn)行地址選擇。本設(shè)計(jì)ADC0809接線圖如圖3.6：

圖3.6ADC0809的電路接線圖

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硬件設(shè)計(jì)范文4

關(guān)鍵詞：FPGA；原理；硬件設(shè)計(jì)；應(yīng)用技術(shù)

1 FPGA的簡介

當(dāng)前使用硬件的描述語言完成電路設(shè)計(jì)，都可以通過簡單的匯總和合理的布局，然后快速燒錄到FPGA器件上進(jìn)行基本的測試，這也是當(dāng)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)的主流技術(shù)。這些可編程器件可以用來實(shí)現(xiàn)基本邏輯門的電路，也可以實(shí)現(xiàn)一些更復(fù)雜的組合功能例如數(shù)學(xué)的方程式、解碼器等等。大多數(shù)的FPGA器件里，包含著一些記憶性元件，如觸發(fā)器，或者一些其它的更為完整、性能更為優(yōu)越的記憶塊。

設(shè)計(jì)師可以根據(jù)自己的需要按照可編輯的鏈接將FPGA器件內(nèi)部的邏輯模塊連接在一起，仿佛一整個電路的實(shí)驗(yàn)板被裝在一個電子芯片內(nèi)，這些出廠后的FPGA器件的連接方式以及邏輯塊的使用都可以根據(jù)設(shè)計(jì)者不同的設(shè)計(jì)而進(jìn)行改變，從而能完成不同的邏輯功能。

當(dāng)你在進(jìn)行的電子設(shè)計(jì)使用到FPGA器件時，你不得不需要努力地解決好電源管理、器件配置、IP集成、完整信號輸出等硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時，你需要注意以下幾個問題：

1.1合理分配I/O信號

無論是哪種情況，在進(jìn)行I/O信號分配時，都必須牢記以下共同的步驟：

1）用表格列出所有需要分配的I/O信號，并按照他們的重要性依次進(jìn)行排列，比如電壓、端接方法、I/O標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)時鐘等；

2）檢查校驗(yàn)?zāi)K之間的兼容性；

3）利用以上的表格和兼容準(zhǔn)則，先把受限制最大的信號分配到引腳上，最后分配那些受限最小的信號。因?yàn)槭芟拗拼蟮男盘柾荒芊峙涞教囟ǖ囊_上；

4）將剩余的信號分配到較為合適的地方。

1.2注意靜態(tài)功耗的降低

雖然靜態(tài)電流所帶來的功耗和動態(tài)功耗相比可以忽略不計(jì)，但對一些供電設(shè)備卻十分重要。引發(fā)靜態(tài)電流因素眾多，比如沒有完全接通或關(guān)斷的I/O 端口、三態(tài)電的驅(qū)動器的下拉或上拉電阻，除此之外，保持編程信息也會需要一定靜態(tài)功率。

2 FPGA應(yīng)用技術(shù)的設(shè)計(jì)原則

從上文中對FPGA內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)分析可看出，F(xiàn)PGA器件的時序邏輯非常豐富，不同于其他的可編程器件。因而對于FPGA來說，應(yīng)該有一整套能夠有效利用其內(nèi)部豐富的時序邏輯功能的技術(shù)，而不同于其他一般的可編程器件的設(shè)計(jì)技術(shù)。由于其獨(dú)特的優(yōu)越性，F(xiàn)PGA被越來越多的設(shè)計(jì)人員所使用，其設(shè)計(jì)技術(shù)被許多的設(shè)計(jì)者所掌握。在FPGA的實(shí)際應(yīng)用中，使用最合理的設(shè)計(jì)方法，能很大程度的改善FPGA在應(yīng)用中出現(xiàn)的漏洞和問題，進(jìn)而全面提高設(shè)計(jì)性能。

2.1使用層次化的設(shè)計(jì)技術(shù)

使用層次化的設(shè)計(jì)的系統(tǒng)一般分成若干頂層模塊，而每一個頂層的模塊下又有若干個小模塊，并以此類推。層次化的設(shè)計(jì)模塊，可以是描述原理圖的結(jié)構(gòu)圖，也可以是經(jīng)過邏輯語言所描述、表現(xiàn)的實(shí)體。

使用層次化的設(shè)計(jì)對于系統(tǒng)的模塊劃分非常的重要，模塊劃分的不合理，將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不合理，從而使系統(tǒng)的性能下降，這樣層次化的系統(tǒng)甚至要比沒有經(jīng)過層次化設(shè)計(jì)的系統(tǒng)效果更差。

使用層次化設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)有以下兩個方面：增強(qiáng)設(shè)計(jì)可讀性，增加設(shè)計(jì)重復(fù)使用的可能性。

2.2使用同步系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

所有時序電路具有同一個性質(zhì)――如果要使所設(shè)計(jì)的電路正常工作，必須嚴(yán)格的執(zhí)行事先定義好的邏輯順序。如果不按照此順序執(zhí)行，將會把錯誤數(shù)據(jù)寫進(jìn)存儲單元，從而導(dǎo)致錯誤的操作。同步系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，也就是使用全分布周期性的同步信號使系統(tǒng)中所有的存儲單元進(jìn)行同時更新，這是執(zhí)行這一時序有效進(jìn)行的普遍的設(shè)計(jì)方法。電路的設(shè)計(jì)功能是通過產(chǎn)生時鐘信號并按照時序嚴(yán)格執(zhí)行來實(shí)現(xiàn)的。

對于靜態(tài)的同步設(shè)計(jì)，必須滿足下面的兩個條件：

1.每一個邊緣敏感的部件其時鐘的輸入應(yīng)該是一次輸入時鐘的某一個函數(shù)；并仍和一次時鐘輸入的時鐘信號。

2.所有的存儲單元都應(yīng)該是具有邊緣敏感特性，在該系統(tǒng)中不存在電平敏感的存儲單元。

我們對于FPGA器件的同步設(shè)計(jì)的理解就是全部狀態(tài)的改變都是由主時鐘所觸發(fā)，同一個系統(tǒng)不同的功能模塊可以是部分異步的，但是模塊與模塊之間必須是同步的。正如CPU的設(shè)計(jì)一樣，所有的電路都和系統(tǒng)的主時鐘是同步的。相比于異步設(shè)計(jì)，同步設(shè)計(jì)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但進(jìn)行同步設(shè)計(jì)時仍然需要考慮很多方面的因素。例如，在選取時鐘時，需要考慮以下幾點(diǎn)：首先，由于大部分的器件都是由時鐘的上跳沿觸發(fā)，這要求時鐘信號的延差要很小；其次，時鐘信號的頻率通常很高；第三，時鐘信號一般是負(fù)載較重的信號，因此合理地進(jìn)行負(fù)載分配是很重要的。除此之外，在進(jìn)行FPGA器件的應(yīng)用時，還要考慮模塊的復(fù)位電路、時序同步電路等實(shí)際問題。

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[8] 周發(fā)標(biāo)，楊海鋼，秋小強(qiáng)，王飛. FPGA測試配置完備性的分析評價方法[期刊論文]. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2011（10）.

硬件設(shè)計(jì)范文5

摘要：隨著目前新技術(shù)、新工藝的不斷出現(xiàn)，高速單片機(jī)的應(yīng)用越來越廣，對硬件的可靠性問題便提出更高的要求。本文將從硬件的可靠性角度描述高速單片機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

間等，在此就不作詳細(xì)介紹了。下面主要介紹幾個重要概念。

i的機(jī)箱設(shè)計(jì)。實(shí)際的機(jī)箱屏蔽體由于制造、裝配、維修、散熱及觀察要求，其上一般都開有形狀各異、尺寸不同的孔縫，必須采取措施來抑制孔縫的電磁泄漏。一般來說，孔縫泄漏量的大小主要取決于孔的面積、孔截面上的最大線性尺寸、頻率及孔的深度。

硬件設(shè)計(jì)范文6

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)硬件；安全性；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）08-0125-01

1 計(jì)算機(jī)硬件

計(jì)算機(jī)硬件通常來講，主要是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各類由電子、機(jī)械和關(guān)電元件組成的物理部分。這些物理部分按照一定的功能要求，組合成為了一個具備一定能力的基礎(chǔ)部件。而這些基礎(chǔ)部件通過有機(jī)統(tǒng)一的整合，就成為了計(jì)算機(jī)。從部件基本構(gòu)成來看，計(jì)算機(jī)一般由主機(jī)和為外部設(shè)備組成。主機(jī)包含了內(nèi)存、主板、光驅(qū)、cup、擴(kuò)展卡和連接線等部分，外部設(shè)備主要包括了鍵盤、鼠標(biāo)以及其他配件。

2 探究計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全的發(fā)展過程

計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)對計(jì)算機(jī)硬件發(fā)展具有重要影響。在20世紀(jì)70年代，由于硅片成本較高，因此人們更重視將硅片進(jìn)行簡化，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的共享。直到20世紀(jì)80年代，人們開始重視提高芯片運(yùn)行速度，直至90年代，人們開始追求計(jì)算機(jī)硬件電力減耗工作。當(dāng)前對于計(jì)算機(jī)硬件的安全研究不僅包括對計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)、通信及存儲的安全，還重視對計(jì)算機(jī)信任、數(shù)字版權(quán)及用戶隱私的安全管理。計(jì)算機(jī)芯片是計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的重要組成部分，如果芯片受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，如拒絕服務(wù)、非授權(quán)拷貝及篡改等，會導(dǎo)致計(jì)算機(jī)硬件出現(xiàn)極大的損傷。非授權(quán)拷貝攻擊方式主要通過對芯片信息進(jìn)行復(fù)制，從而獲取芯片副本，篡改則指的是改變芯片等軟件程序代碼，出現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)敏感數(shù)據(jù)被竊取及系統(tǒng)故障等問題。當(dāng)前計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)中心、移動通信、嵌入式設(shè)備等計(jì)算機(jī)硬件仍受到物理或軟件的攻擊，因此需要采用新型數(shù)據(jù)加密技術(shù)，加強(qiáng)計(jì)算機(jī)硬件安全性。

3 分析計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全

計(jì)算機(jī)硬件安全的性能基本決定于設(shè)計(jì)階段，目前多樣化設(shè)計(jì)和工程變異等安全方案是提升計(jì)算機(jī)安全性的主要策略，其最大的特征就是能耗小成本低。工程變異的方向是解決c1時序和芯片老化，其不僅包括了傳統(tǒng)的cMoS技術(shù)，還計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全探究

潘 雄

（武漢市建設(shè)工程設(shè)計(jì)審查辦公室 湖北 武漢 430023）

[摘 要]隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件安全性是計(jì)算機(jī)信息安全系統(tǒng)的重要內(nèi)容。本文簡要介紹了計(jì)算機(jī)硬件及計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全的發(fā)展過程，分析了計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全與計(jì)算機(jī)硬件O計(jì)安全的措施。

[關(guān)鍵詞]計(jì)算機(jī)硬件；安全性；設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP309 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）08-0125-01包括了納米技術(shù)、光纖技術(shù)和等離子技術(shù)等新興技術(shù)。所以，工程變異在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)安全中得到了十分高效的應(yīng)用。但是，其也會給計(jì)算機(jī)惡意攻擊檢測以及一些其他工作帶來較高的難度。目前，檢測木馬、設(shè)置全新的安全原語和集成現(xiàn)有芯片已經(jīng)逐漸成為計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全的主要研究對象。就目前計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全工作來講，對硬件木馬的處理成為了重點(diǎn)工作。硬件木馬主要針對一些原始芯片，發(fā)動嵌人式或修改式的惡意攻擊行為，給計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息造成泄露或損壞的風(fēng)險。在另外一個方面，不可復(fù)制技術(shù)也是加強(qiáng)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全的有效措施。其基于工程變異，能夠?yàn)橛?jì)算機(jī)硬件安全保護(hù)提供優(yōu)良的保障。總的來說，計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全程度直接決定了其在使用過程中的安全性能，對其整體安全性做出了硬性的限制。

4 計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全的措施

4.1 做好內(nèi)置安全確認(rèn)工作

內(nèi)置安全確認(rèn)，主要是在計(jì)算機(jī)芯片的測試和制造過程中運(yùn)用PUF（Physical Unclonable Functions）技術(shù)和EPIC（Ending Piracyof Integrated Circuits）技術(shù)通過電路設(shè)計(jì)方式來保護(hù)硬件IP。計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)置保護(hù)的流程工作大體如下：原始設(shè)計(jì)好的IC在IC制造廠采用PUF技術(shù)后得到芯片變異了的PUFID，經(jīng)過EDA工具編譯后得到物理版圖，先前得到的PUFID與加密后的IC數(shù)據(jù)信息合成得到校驗(yàn)密鑰，接著可以在IC的物理版圖中預(yù)先選擇關(guān)鍵區(qū)域，將校驗(yàn)密鑰加密后的驗(yàn)證模塊附加在原始設(shè)計(jì)好生成保護(hù)的IC版圖，最終用于IC產(chǎn)品制造。這樣在充分了解內(nèi)置保護(hù)工作之后，相關(guān)的工作人員可以做好確認(rèn)內(nèi)置安全工作，保證計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全性。

4.2 做好外置輔助安全的檢測工作

目前外置輔助安全的監(jiān)測工作主要采用RAS技術(shù)進(jìn)行，依靠可信的密鑰管理部產(chǎn)生公開密鑰和私用密鑰。公開密鑰主要是加密芯片的數(shù)據(jù)信息并將其集成儲存到標(biāo)簽電路中，私用密鑰主要儲存在密鑰儲存器里，而密鑰儲存器主要用于外置輔助安全的檢測。此外，安全驗(yàn)證芯片也是用于檢測外置輔助安全的。檢測時，密鑰儲存器主要經(jīng)RFID讀取芯片上集成的標(biāo)簽電路的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而通過安全驗(yàn)證芯片的檢測來檢測芯片。

4.3 研發(fā)計(jì)算機(jī)硬件時重視安全設(shè)計(jì)

在計(jì)算機(jī)硬件的安全設(shè)計(jì)過程中，不單單要注意技術(shù)層面的保護(hù)檢測，更要注意其他方面的問題，比如設(shè)計(jì)理念、工作側(cè)重點(diǎn)和設(shè)計(jì)人員等。在計(jì)算機(jī)硬件的研發(fā)進(jìn)行時，質(zhì)量和性能得到保障的前提下需要注意加強(qiáng)設(shè)計(jì)研發(fā)人員對計(jì)算機(jī)硬件的認(rèn)識，加強(qiáng)對計(jì)算機(jī)硬件安全性能的注重，從內(nèi)置和外置入手，做好安全設(shè)計(jì)，形成計(jì)算機(jī)硬件安全性評估機(jī)制，做好對硬件安全性能的評估，同時從輸入、存儲和輸出設(shè)備三個方面進(jìn)行評估，及時發(fā)現(xiàn)安全風(fēng)險解決隱患。

4.4 在計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全中重視創(chuàng)新技術(shù)

計(jì)算機(jī)硬件的安全設(shè)計(jì)之所以會出現(xiàn)較多的問題，是由于計(jì)算機(jī)硬件的安全設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展滯后，適應(yīng)不了時代的發(fā)展。因此，需要注重創(chuàng)新技術(shù)，完善并發(fā)展現(xiàn)有計(jì)算機(jī)硬件的安全設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合實(shí)際情況和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，及時完善不足之處。同時，建立起完整的計(jì)算機(jī)硬件安全技術(shù)系統(tǒng)，做好計(jì)算機(jī)硬件各部分的有機(jī)結(jié)合，加強(qiáng)各技術(shù)的協(xié)助。此外，還需要開展新型的計(jì)算機(jī)硬件安全技術(shù)，可以將微生物理論、光學(xué)理論和量子理論應(yīng)用到計(jì)算機(jī)硬件安全技術(shù)中，這樣才能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件安全性能的快速提升。

5 結(jié)語

計(jì)算機(jī)硬件安全是計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障，我們需要重視計(jì)算機(jī)安全檢測設(shè)備的研究，從計(jì)算機(jī)內(nèi)置安全管理及外置輔安全檢測方面，制定合理有效的計(jì)算機(jī)硬件檢測方案，不斷提升計(jì)算機(jī)安全性能，推動我國計(jì)算機(jī)信息安全系統(tǒng)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭傳寶.計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全探究[J].工程技術(shù)：文摘版，2016（10）：00109.