時間：2022-05-02 04:19:00
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論文 關鍵詞 測控系統(tǒng)總線現(xiàn)場總線型綜合自動化系統(tǒng)
論文摘要 測控系統(tǒng)在變電站綜合自動化系統(tǒng)中肩負著測量與控制任務，隨著電網(wǎng)電壓等級的提高，變電站綜合自動化對測控系統(tǒng)的要求不斷提高。根據(jù)變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計思路．對一種由總線組成的新型現(xiàn)場總線型測控系統(tǒng)的硬件設計進行研究。
一、引言
變電站綜合自動化是在微處理技術、自動控制技術和遠動技術 發(fā)展 到一定程度的基礎上，為使變電站二次設備更合理、有效地運行而提出的一種變電站自動化模式。變電站綜合自動化系統(tǒng)除了實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測、控制和保護之外。更重要的是能實現(xiàn)當?shù)睾瓦h方對現(xiàn)場的監(jiān)控、調(diào)節(jié)和保護。
二、變電站綜合自動化中的測控系統(tǒng)的功能要求
(一)遙信功能。遙信功能通常用于測量下列信號開關的位置信號、變壓器內(nèi)部故障綜合信號保護裝置的動作信號、通信設備運行狀況信號、調(diào)壓變壓器抽頭位置信號、自動調(diào)節(jié)裝置的運行狀態(tài)信號和其它可提供繼電器方式輸出的信號事故總信號及裝置主電源停電信號等。
( )j噩測功能。遙測功能常用于變壓器的有功和無功采集、線路的有功功率采集、母線電壓和線路電流采集、溫度、壓力、流量流速等采集、周波頻率采集、主變油溫采集和其它模擬信號采集。
(三)遙控功能。遙控功能常用于斷路器的合、分和電容器、電抗器的投切以及其它可以采用繼電器控制的功能。
(四)遙調(diào)功能。遙調(diào)常用于有載調(diào)壓變壓器抽頭的升、降調(diào)節(jié)和其它可采用一組繼電器控制的、具有分級升降功能的場合。
三、測控系統(tǒng)硬件設計研究
針對測控單元存在的不足之處．考慮到高壓、超高壓變電站的自動化特點及變電站綜合自動化的發(fā)展對測控單元的要求，結合 電子 元器件發(fā)展、通信技術的進步和其它新技術的出現(xiàn)，提出了新型線路測控單元的模塊化硬件設計方案。
線路單元測控裝置的硬件構成主要包括80c196kc基本處理模塊、電流型互感器模塊、濾波放大電路、多路模擬開關、a／d轉換電路、頻率檢測電路、遙信輸入光禍隔離電路、遙脈輸入光藕隔離電路、控制輸出繼電器、雙can總線通信模塊、串行通信模塊。
(一)80c196k0
80c196kc是intel公司16位單片機系列的第三代產(chǎn)品，是目前應用最廣泛的16位單片機，具有以下特點：
1 廢除了cpu的累加器(acc)與算術邏輯運算部件(alu)的傳統(tǒng)結構，采用了寄存器陣列／算術邏輯部件(ralu)。ooh－1ffh單元包含寄存器陣列、專用寄存器和256字節(jié)的附加ram。ooh—017h是專用寄存器區(qū)。018h—offh是寄存器陣列．可由ralu直接訪問。iooh—1ffh是附加的256字節(jié)ram．這些ram通過“垂直寄存器窗”結構，也可以作為寄存器由ralu直接訪問，因而給程序設計帶來很大方便。
2 特殊功能寄存器直接控制i／o口，實現(xiàn)了i／o口的高速輸入與高速輸出。四個高速輸入口最小能記錄分辨間隔為1微秒的外部事件發(fā)生時間(時鐘頻率為16mhz)；六個高速輸出口，可在預定的時間內(nèi)觸發(fā)外部電路。
3 兩個16位定時／計數(shù)器及四個軟件定時器可以很方便地為眾多的外部或內(nèi)部事件提供定時與計數(shù)功能。所謂軟件定時器就是對hso編程，可以按預定的時間產(chǎn)生中斷。
4 具有高速運算處理器。80c196kc可以采用16eiz的晶振．其運行速度比12mhz的90c196kb快33％，比12mhz的8096bh快1倍。
5 3路d／a轉換采用脈沖寬度調(diào)制輸出(pwm)，調(diào)制精度為8位，輸出波形為占空比可變的方波，方波可經(jīng)積分后變成直流電平．其電平隨占空比變化有256級輸出。
6 有16位watchdog監(jiān)視定時器，用于監(jiān)視軟件運行是否發(fā)生故障，當系統(tǒng)由于干擾或其它擾動導致軟件運行紊亂時，它能夠使系統(tǒng)自動復位。
7 有高速數(shù)據(jù)交換能力。支持dma(直接存儲器存取)方式數(shù)據(jù)交換和pts方式數(shù)據(jù)交換。
(二)測控單元的組成
80c196kc基本處理模塊主要由80c196kcl6位中央處理器、128kbyte程序存儲器eprom，64kbyte數(shù)據(jù)存儲器ram，16kbyte的存儲器eeprom及譯碼電路組成；電流型互感器模塊完成將100v，5a的電壓電流信號轉化為+2.5ma的弱電信號，經(jīng)過信號變換．放大濾波變成標準信號送入多路模擬開關，在cpu的控制下依次a／d轉抉，將現(xiàn)場輸入的模擬量轉變成數(shù)字量，供cpu處理。頻率檢測模塊對輸入的交流正弦信號進行整形變成主波信號，輸入cpu的高速輸入口，通過測量跳變的周期測量頻率及進行頻率跟蹤。遙信、遙脈輸入光藕隔離電路完成信號變換及隔離功能，支持220v／110v／24v直流電壓信號輸入。鍵盤顯示模塊提供人機交互功能．采用薄膜鍵盤和帶背光的128*64的點陣式液晶．屏幕一屏可顯示16×8個 英文 字母或8×4個漢字。
為了滿足不同應用的需要，本裝置設計有5路通信接口：其中2路為冗余設計的can總線接口，用于與通信控制單元通信；1路光纖通信接口，用于與通信控制單元的通信或與智能設備通信；1路rs485接口，用于支持裝置與總控單元的通信或與智能設各通信；l路為rs232接口．用于支持裝置的組態(tài)功能，所有的通信接口均通過高速光藕進行光電隔離。
在繼電器驅動電路中采用了一些保護措施，防止在分合直流電源時引起邏輯電路紊亂而造成繼電器誤動作，并在驅動電路與繼電器之間加光電隔離，以提高抗干擾能力。本裝置還采用自檢閉錟功能和放電回路，防止由于硬件錯誤。
摘要：變壓器的冷卻裝置是將變壓器在運行中由損耗所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，以保證變壓器可以安全正常的運行。本文所進行的主要核心部分就是對控制模塊進行的設計，其中包括了可以對主變壓器風扇投入與切除的溫度范圍進行自行設定，也可以按照用戶的要求而變化。
關鍵詞：變壓器；冷卻控制系統(tǒng)；硬件
1變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制模塊的設計總體思想
本文所進行的就是對變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器模塊進行設計，其中包括了可以對主變壓器風扇投入與切除的溫度范圍進行自行設定，也可以按照用戶的要求而變化。在傳統(tǒng)控制方式中，風扇投切的溫度限制值是不能改變的，此外，風扇電機的啟動和停止溫度有一余量，不像傳統(tǒng)的控制方式中是一個定值，避免了頻繁啟動的缺陷，此外還有運行、故障保護及報警等信號的顯示及其與控制中心或調(diào)度中心的通訊，上傳這些信息，如變壓器油溫、風扇運行狀態(tài)有無故障等。至于風扇的分組投切設置是為了節(jié)約電能，具有一定的 經(jīng)濟 意義，但這個分組數(shù)不宜過多，以免控制復雜，且散熱效果不佳。
控制器主要由at89cs1單片機、a/d轉換器、鍵盤控制芯片，輸出模塊、通訊模塊以及自動復位電路等組成，其中單片機是控制器的核心，aid轉換器是把輸入信號轉換為數(shù)字信號。
2變壓器風扇控制系統(tǒng)的硬件接線
基于以上的要求，我們設計的風扇控制器的硬件線路圖如下頁圖1所示。變壓器風扇控制中對控制模塊進行改進是本文研究的重點，其中包括主要芯片的選用以及一些抗干擾元件的使用。所以在本章節(jié)中，我們重點將要介紹變壓器風扇冷卻控制模塊中的主要硬件芯片的作用、選用以及它們之間的連接力一法。
（1）單片機at89c51（如圖1）。
at89c51是atmel公司生產(chǎn)的一種低功耗，高性能的8位單片機，具有8k的flash可編程只讀存儲器，它采用atmel公司的高密度不易丟失的存儲器技術，并且和 工業(yè) 標準的80c51和80c52的指令集合插腳引線兼容，其集成的flash允許可編程存儲器可以在系統(tǒng)或者通用的非易失性的存儲器編程中進行重新編程。at89c51集成了一個8位的cpu， 8k的flash。256字節(jié)的edam， 32位的i/0總線。三個16字節(jié)的定時器/計數(shù)器，兩級六中段結構，一個全雙工的串行口，振蕩器及時鐘電路。at89c51是完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)控制的核心，所有其它器件都受其控制或為其服務。
在本文中，經(jīng)過tlc 1543 a/d轉換器后輸出的數(shù)字量輸入到at89c51單片機中，同時在進行了溫度參數(shù)的設置以后，進行它的輸出控制，其中包括了變壓器的溫度顯示、狀態(tài)顯示、以及聲音報警設備等等，也就是我們所研究的變壓器冷卻控制系統(tǒng)的核心部分。
（2）變壓器的溫度采集及溫度處理模塊。在變壓器的風扇冷卻自動控制系統(tǒng)中，第一步進行的就是對變壓器上層油溫進行的溫度采集工作。變壓器的溫度采集是由變壓器的溫度控制器來實現(xiàn)的，其中包括鉑電極、傳感器以及變送器。經(jīng)過溫度控制器輸出的信號進入變送器，變送器送出一個4一20毫安的電流信號，然后將此電流信號通過控制芯片上的電阻元件實現(xiàn)電流電壓信號的轉換，轉換后的電壓是在0.4一2（伏特）之間，然后將此電壓信號輸入到tlc 1543數(shù)模轉換器，進行信號處理。變送器輸出信號有電流和電壓信號兩種，考慮到變壓器安裝的位置（室外）距本控制裝置（室內(nèi)）有一定的距離，電流信號不易損失，故選擇了4一20毫安的電流信號。
（3）11通道10位串行a/d轉換器丁lc1543。
tlc1543 a/d轉換器是美國ti公司生產(chǎn)的眾多串行a/d轉換器中的一種，它具有輸入通道多、轉換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價格低廉等優(yōu)點，是一種高性價的模數(shù)轉換器。tlc 1543是cmos，10位開關電容逐次逼近模數(shù)轉換器。它有三個輸入端和一個3態(tài)輸出端：片選（cs），輸入/輸出時鐘（i/0 clock），地址輸入和數(shù)據(jù)輸出（dataout）。這樣通過一個直接的四線接口與卞處理器或外圍的串行口通訊。片內(nèi)還有14通道多路選擇器可以選擇11個輸入中的任何一個三個內(nèi)部自測試（self-test）電壓中的一個。
（4）bc7281 128段led顯示及64鍵鍵盤控制芯片。
bc7281是16位led數(shù)碼管顯示器鍵盤接口專用控制芯片，通過外接移位寄存器（典型芯片如74hc164， 74ls595等），最多可以控制16位數(shù)碼管顯示或128支獨立的led。 bc7281的驅動輸出極性及輸出時序均為軟件可控，從而可以和各種外部電路配合，適用于任何尺寸的數(shù)碼管。
bc7281各位可獨立按不同的譯碼方式譯碼或不譯碼顯示，譯碼方式顯示時小數(shù)點不受譯碼影響，使用方便；bc7281內(nèi)部還有一閃爍速度控制寄存器，使用者可隨時改變閃爍速度。
bc7281芯片可以連接最多64鍵c8*8）的鍵盤矩陣，內(nèi)部具有去抖動功能。它的鍵盤具有兩種工作模式，bc7281內(nèi)部共有26個寄存器，包括16個顯示寄存器和10個特殊（控制）寄存器，所有的操作均通過對這26個寄存器的訪問完成。
bc7281采用高速二線接口與mcu進行通訊，只占用很少的i/o資源和主機時間。
bc7281在本系統(tǒng)中主要用于驅動變壓器溫度顯示的led以及顯示風扇運行狀態(tài)的指示燈。
前已提及，bc7281芯片內(nèi)部共有26個寄存器，包括16個顯示寄存器和10個特殊功能寄存器，共用一段連續(xù)的地址，其地址范圍是ooh-19h，其中ooh-ofh為顯示寄存器，其余為特殊寄存器。
（5）使用max232實現(xiàn)與pc機的通訊。
①max232芯片簡介
max232芯片是1viax工m公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙rs232發(fā)送/接收器，適用于各種e工a-232e和v.28； v.24的通信接口，1viax232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5v電源變換成rs-2320輸出電平所需±10v電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5v電源就可以。
我們的設計電路中選用其中一路發(fā)送/接收，rlou t接mcs一51的rxd ， t 1工n接mcs一51的txd， tlout接pc機的rd，rl工n接pc機的td1。因為max232具有驅動能力，所以不需要外加驅動電路。
系統(tǒng)中使用了此技術之后就實現(xiàn)了變壓器風扇冷卻系統(tǒng)的遠程控制，工作人員可以在控制室對冷卻系統(tǒng)進行控制，可以達到方便、準確、快捷的日的，這也是我們對傳統(tǒng)的風扇冷卻控制系統(tǒng)而做的一個重要的改進。
②串行通訊
在此實現(xiàn)中，我們必須要對mcs-51串行接日和pc機串行接日的串行通訊要有一定的了解，串行通信是指通信的發(fā)送方和接收方之間數(shù)據(jù)信息的傳輸是在單根數(shù)據(jù)線上，以每次一個二進制位移動的，它的優(yōu)點是只需一對傳輸線進行傳送信息，囚此其成本低，適用于遠即離通信；它的缺點是傳送速度低；串行通信有異步通信和同步通信兩種基本通信方一式，同步通信適用于傳送速度高的情況，其硬件復雜；而異步通信應用于傳送速度在50到19200波特之間，是比較常用的傳送方式，本文中使用的就是異步通訊方式。
（6）“看門狗”電路ds1232
在系統(tǒng)運行的過程中，為了避免因干擾或其他意外出現(xiàn)的運行中的死機的情況，“看門狗電路”ds1232會自動進行復位，并且能夠重讀eeprom中的設置，以保證系統(tǒng)可以安全正常的運行。
美國dallas公司生產(chǎn)的“看門狗”（watchdog）集成電路ds1232具有性能可靠、使用簡單、價格低廉的特點，應用在單片機產(chǎn)品中能夠很好的提高硬件的抗干擾能力。
ds1232具有以下特點：
①具有8腳dip封裝和16腳soic貼片封裝兩種形式，可以滿足不同設計要求；
②在微處理器失控狀態(tài)卜可以停止和重新啟動微處理器；
③微處理器掉電或電源電壓瞬變時可自動復位微處理器；
④精確的5%或10%電源供電監(jiān)視；
在本變壓器冷卻控制系統(tǒng)中，ds1232作為一定時器來起到自動復位的作用，在ds1232內(nèi)部集成有看門狗定時器，當ds1232的st端在設置的周期時間內(nèi)沒有有效信號到來時，ds1232的rsr端將產(chǎn)生復位信號以強迫微處理器復位。這一功能對于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機是非常有效的，因為看門狗定時器的定時時間由ds1232的td引腳確定，在本設計中，我們將其td引腳與地相接，所以定時時間一般取為150ms。
3結論
本裝置實現(xiàn)了通過單片機自動控制冷卻器的各種運行狀態(tài)并能精確監(jiān)測變壓器的油溫和冷卻器的各種運行、故障狀態(tài)，顯示了比傳統(tǒng)的控制模式的優(yōu)越性。（1）能夠對變壓器油溫進行監(jiān)測與控制；（2）實現(xiàn)了變壓器冷卻器依據(jù)不同油溫的分組投切，延長了冷卻器的使用壽命，有較好的 經(jīng)濟 意義； （3）實現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的各種狀況，如油溫、風扇投切和故障等信息的上傳，便于值班員、調(diào)度員隨時掌握情況。
由于固態(tài)繼電器實現(xiàn)了變壓器的無觸點控制，解決了傳統(tǒng)的控制回路的弊端，同時此控制裝置具有電機回路斷相與過載的保護功能。由于使用了單片機，因而具有一定的智能特征，實現(xiàn)了油溫、風扇的投入、退出和故障等信號的顯示以及上傳等。通過實際運行表明，該裝置的研制是比較成功的。但今后，我們還應該對固態(tài)繼電器本身的保護進行一些研究，以免主回路因電流過大而造成固態(tài)繼電器的損壞，以使變壓器風扇冷卻控制回路更加完善。
論文關鍵詞 測控系統(tǒng)總線現(xiàn)場總線型綜合自動化系統(tǒng)
論文摘要 測控系統(tǒng)在變電站綜合自動化系統(tǒng)中肩負著測量與控制任務，隨著電網(wǎng)電壓等級的提高，變電站綜合自動化對測控系統(tǒng)的要求不斷提高。根據(jù)變電站綜合自動化系統(tǒng)的設計思路．對一種由總線組成的新型現(xiàn)場總線型測控系統(tǒng)的硬件設計進行研究。
一、引言
變電站綜合自動化是在微處理技術、自動控制技術和遠動技術發(fā)展到一定程度的基礎上，為使變電站二次設備更合理、有效地運行而提出的一種變電站自動化模式。變電站綜合自動化系統(tǒng)除了實現(xiàn)對現(xiàn)場的監(jiān)測、控制和保護之外。更重要的是能實現(xiàn)當?shù)睾瓦h方對現(xiàn)場的監(jiān)控、調(diào)節(jié)和保護。
二、變電站綜合自動化中的測控系統(tǒng)的功能要求
(一)遙信功能。遙信功能通常用于測量下列信號開關的位置信號、變壓器內(nèi)部故障綜合信號保護裝置的動作信號、通信設備運行狀況信號、調(diào)壓變壓器抽頭位置信號、自動調(diào)節(jié)裝置的運行狀態(tài)信號和其它可提供繼電器方式輸出的信號事故總信號及裝置主電源停電信號等。
( )j噩測功能。遙測功能常用于變壓器的有功和無功采集、線路的有功功率采集、母線電壓和線路電流采集、溫度、壓力、流量流速等采集、周波頻率采集、主變油溫采集和其它模擬信號采集。
(三)遙控功能。遙控功能常用于斷路器的合、分和電容器、電抗器的投切以及其它可以采用繼電器控制的功能。
(四)遙調(diào)功能。遙調(diào)常用于有載調(diào)壓變壓器抽頭的升、降調(diào)節(jié)和其它可采用一組繼電器控制的、具有分級升降功能的場合。
三、測控系統(tǒng)硬件設計研究
針對測控單元存在的不足之處．考慮到高壓、超高壓變電站的自動化特點及變電站綜合自動化的發(fā)展對測控單元的要求，結合電子元器件發(fā)展、通信技術的進步和其它新技術的出現(xiàn)，提出了新型線路測控單元的模塊化硬件設計方案。
線路單元測控裝置的硬件構成主要包括80c196kc基本處理模塊、電流型互感器模塊、濾波放大電路、多路模擬開關、a／d轉換電路、頻率檢測電路、遙信輸入光禍隔離電路、遙脈輸入光藕隔離電路、控制輸出繼電器、雙can總線通信模塊、串行通信模塊。
(一)80c196k0
80c196kc是intel公司16位單片機系列的第三代產(chǎn)品，是目前應用最廣泛的16位單片機，具有以下特點：
1 廢除了cpu的累加器(acc)與算術邏輯運算部件(alu)的傳統(tǒng)結構，采用了寄存器陣列／算術邏輯部件(ralu)。ooh－1ffh單元包含寄存器陣列、專用寄存器和256字節(jié)的附加ram。ooh—017h是專用寄存器區(qū)。018h—offh是寄存器陣列．可由ralu直接訪問。iooh—1ffh是附加的256字節(jié)ram．這些ram通過“垂直寄存器窗”結構，也可以作為寄存器由ralu直接訪問，因而給程序設計帶來很大方便。
2 特殊功能寄存器直接控制i／o口，實現(xiàn)了i／o口的高速輸入與高速輸出。四個高速輸入口最小能記錄分辨間隔為1微秒的外部事件發(fā)生時間(時鐘頻率為16mhz)；六個高速輸出口，可在預定的時間內(nèi)觸發(fā)外部電路。
3 兩個16位定時／計數(shù)器及四個軟件定時器可以很方便地為眾多的外部或內(nèi)部事件提供定時與計數(shù)功能。所謂軟件定時器就是對hso編程，可以按預定的時間產(chǎn)生中斷。
4 具有高速運算處理器。80c196kc可以采用16eiz的晶振．其運行速度比12mhz的90c196kb快33％，比12mhz的8096bh快1倍。
5 3路d／a轉換采用脈沖寬度調(diào)制輸出(pwm)，調(diào)制精度為8位，輸出波形為占空比可變的方波，方波可經(jīng)積分后變成直流電平．其電平隨占空比變化有256級輸出。
6 有16位watchdog監(jiān)視定時器，用于監(jiān)視軟件運行是否發(fā)生故障，當系統(tǒng)由于干擾或其它擾動導致軟件運行紊亂時，它能夠使系統(tǒng)自動復位。
7 有高速數(shù)據(jù)交換能力。支持dma(直接存儲器存取)方式數(shù)據(jù)交換和pts方式數(shù)據(jù)交換。
(二)測控單元的組成
80c196kc基本處理模塊主要由80c196kcl6位中央處理器、128kbyte程序存儲器eprom，64kbyte數(shù)據(jù)存儲器ram，16kbyte的存儲器eeprom及譯碼電路組成；電流型互感器模塊完成將100v，5a的電壓電流信號轉化為+2.5ma的弱電信號，經(jīng)過信號變換．放大濾波變成標準信號送入多路模擬開關，在cpu的控制下依次a／d轉抉，將現(xiàn)場輸入的模擬量轉變成數(shù)字量，供cpu處理。頻率檢測模塊對輸入的交流正弦信號進行整形變成主波信號，輸入cpu的高速輸入口，通過測量跳變的周期測量頻率及進行頻率跟蹤。遙信、遙脈輸入光藕隔離電路完成信號變換及隔離功能，支持220v／110v／24v直流電壓信號輸入。鍵盤顯示模塊提供人機交互功能．采用薄膜鍵盤和帶背光的128*64的點陣式液晶．屏幕一屏可顯示16×8個英文字母或8×4個漢字。
為了滿足不同應用的需要，本裝置設計有5路通信接口：其中2路為冗余設計的can總線接口，用于與通信控制單元通信；1路光纖通信接口，用于與通信控制單元的通信或與智能設備通信；1路rs485接口，用于支持裝置與總控單元的通信或與智能設各通信；l路為rs232接口．用于支持裝置的組態(tài)功能，所有的通信接口均通過高速光藕進行光電隔離。
在繼電器驅動電路中采用了一些保護措施，防止在分合直流電源時引起邏輯電路紊亂而造成繼電器誤動作，并在驅動電路與繼電器之間加光電隔離，以提高抗干擾能力。本裝置還采用自檢閉錟功能和放電回路，防止由于硬件錯誤。
【內(nèi)容摘要】本文重點研究了基于STC89C52RC單片機的鍋爐自動控溫給水系統(tǒng)的設計制作，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能有溫度控制、液位控制、語音播報等。其中鍋爐液位檢測和溫度檢測控制通過單片機來加以控制，該系統(tǒng)成本較低、易于調(diào)試、各工作部分障礙互不干擾、維修方便。
【關鍵詞】STC89C52單片機;液位控制;溫度控制;語音報警
在現(xiàn)代社會中，居民區(qū)熱力供應量、需求量越來越大，國內(nèi)燃煤鍋爐的數(shù)量仍居高不下［1］?；诖朔N情況，提高蒸汽鍋爐的容量，對操作、控制過程嚴格要求，都有利于緩解熱力供應壓力。與此同時，對于鍋爐液位和溫度的精確控制是關系到人們自身和設備安全的重要問題。由于被控對象和過程的非線性、時變性，多參數(shù)間的強耦合、隨機干擾等因素，使得建立被控對象的精確數(shù)學模型變得很困難［2］?；诳刂浦械母鞣N影響因素，傳統(tǒng)的控制方法已經(jīng)無法實現(xiàn)所需要的控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。近些年隨著單片機技術的迅速發(fā)展，利用單片機及其外圍芯片實現(xiàn)復雜系統(tǒng)的控制已經(jīng)成為現(xiàn)實［3］。鍋爐自動控溫給水系統(tǒng)就是利用單片機使鍋爐系統(tǒng)具有較高的實用價值和優(yōu)越性［4］。通過單片機自動控制、調(diào)節(jié)加熱與給水系統(tǒng)，可使鍋爐維持一個較穩(wěn)定的系統(tǒng)，以正常供氣供水，保證系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行。
一、系統(tǒng)簡介
設計的研究對象主要是鍋爐的液位和溫度，對其液位和溫度實現(xiàn)自動控制。通過STC89C52RC單片機、溫度傳感器(DS18B20)、LCM(12864液晶顯示屏)、語音模塊(WT588D)、浮球式液位傳感器、獨立按鍵等實現(xiàn)系統(tǒng)溫度、液位報警和控制，同時可以對鍋爐當前狀態(tài)的顯示、控制和播報加以實現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件設計主要是有以下幾個模塊:STC89C52RC芯片為核心的控制模塊，液位采集模塊、溫度采集模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊、語音報警模塊、獨立按鍵模塊、繼電器控制模塊、電源模塊、串口模塊等。可實現(xiàn)的具體功能如下:一是系統(tǒng)啟動后播放開機畫面和開機音樂，顯示系統(tǒng)默認的溫度上下限值。二是顯示當前的溫度及溫度是否在設定范圍內(nèi)，同時顯示當前液位狀態(tài)。三是當液位低至給定的下限液位時，放水水泵停止對鍋爐放水，同時啟動進水水泵對鍋爐進行加水，直到液位到達指定值，LCM顯示液位正常。四是當液位高至給定上限的液位時，進水水泵停止對鍋爐加水，同時啟動放水水泵對鍋爐進行放水，直到液位到達指定值，LCM顯示液位正常。五是如果溫度傳感器DS18B20損壞，系統(tǒng)停止工作，LCM提示錯誤。六是溫度低于設定值，啟動加熱工作。溫度到達指定溫度值，停止加熱工作。七是可以語音播報，并通過獨立按鍵控制語音播報的開、關。八是通過按鍵實現(xiàn)溫度上下限值的設定，最高上限值為70攝氏度，最低下限值為10攝氏度。
二、系統(tǒng)硬件設計
(一)單片機接口原理圖。該部分主要由單片機芯片、上拉電阻、排陣等組成。原理圖如圖1所示。(二)溫度采集模塊。溫度采集模塊主要使用DALLAS半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20。DS18B20為單線接口，性能較為穩(wěn)定。用戶可以設定溫度報警上下限值，同時，該DS18B20超溫度限可通過報警搜索命令加以識別。在傳統(tǒng)的模擬信號遠距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好地解決一些技術問題，才能夠達到較高的測量精度［5，6］。在感溫器件中，DS18B20適合于單片機構成智能溫度測量和控制系統(tǒng)，其精度很高、易保證。體積小、無需標定、支持多點組網(wǎng)功能、可多點測溫等特點都有利于在實際應用中取得良好的測溫效果。溫度傳感器如圖2，DS18B20的原理圖如圖3［7］。(三)液位采集模塊。液位傳感器采用的是浮球式液位開關。其結構簡單，無復雜電路，使用方便，使用磁簧開關無需電源，接點壽命長，控制開關位置可隨使用者訂制。所有開關出線在同一接線盒，外部施工配線成本較低。由于磁簧開關和導線與被測液體是完全隔離，該液位開關可在高溫、高壓設備上安全使用。浮球式液位開關是采取直浮子驅動磁簧開關內(nèi)部磁鐵，達到開關瞬間動作的原理。當被測介質浮動浮子時，浮子在一定范圍內(nèi)上下移動，浮球內(nèi)的磁體將吸引控制開關動作桿上的磁體，從而產(chǎn)生開與關的動作，實現(xiàn)液位的指示與控制［8］。液位傳感器實物如圖4，液位采集模塊的電路圖如圖5。(四)繼電器控制模塊。繼電器主要是來做自動控制作用的開關元件。在本次設計中共使用了3個電磁繼電器，都是用+5V的直流電來控制12V的直流電，分別實現(xiàn)對進水水泵、出水水泵、加熱器的控制作用。電磁式繼電器可以用低電壓、弱電流的控制電路來控制高電壓、高電流的工作電路，能實現(xiàn)遠距離操縱和自動控制。進水水泵、出水水泵和加熱器的控制就可通過此原理得到遠程自動控制。繼電器控制電路如圖6。
三、結構設計
本設計中使用的保溫水桶是在成品的基礎上進行部分加工所得。機械加工包括對桶壁進行開孔，加熱器的定位、安裝和密封，進出水水管的定位、安裝和密封，液位傳感器支架的設計安裝，以及液位傳感器和DS18B20溫度傳感器的安裝、固定。在上液位傳感器安裝時，液位傳感器的浮球下邊緣和進水管平齊，當水位到達該液位傳感器浮球下邊緣時停止加水，防止進水管被完全淹沒。下液位傳感器安裝時，浮球的下邊緣略高于加熱裝置，當桶內(nèi)液位低于該液位傳感器上邊緣時停止出水同時開始加水，防止液位過低而導致加熱裝置干燒。加工結果如圖7。上下液位傳感器的信號線分別從安裝進出水管的孔里引出。DS18B20溫度傳感器安裝在保溫桶夾層內(nèi)部并緊貼內(nèi)壁，位置在水桶中部，信號線從和上液位傳感器的信號線一路從進水孔引出，如圖8所示。
四、應用分析
當保溫桶內(nèi)液位過低時系統(tǒng)控制繼電器使進水水泵工作。當液位過高時進水水泵停止工作，出水水泵工作，直至液位正常。同時水的溫度如果低于設定值，繼電器控制加熱器開始加熱，直至達到設定溫度，加熱器(220V)停止工作，這些功能都要能夠實現(xiàn)，而且整個過程都是自動完成，不需用戶操作，用戶只需按照自己的要求設定溫度范圍，既安全又方便。鍋爐自動控溫給水系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，已經(jīng)可以實現(xiàn)開機畫面的顯示，顯示默認的溫度上下限值，可根據(jù)需要進行設定，系統(tǒng)會顯示當前的溫度和溫度、液位狀態(tài)是否正常。隨著單片機技術的發(fā)展和日趨成熟，單片機不僅應用前景廣泛，同時有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障。鍋爐自動控溫給水系統(tǒng)就是利用單片機使鍋爐系統(tǒng)具有較高的實用價值和優(yōu)越性。
作者:伍廣 鄧傳奇 陳帥 單位:安徽理工大學機械工程學院
本文作者：曹元軍1金濯2翟旭軍2王新忠3作者單位：1.泰州職業(yè)技術學院2.江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術學院3.江蘇大學生物機電工程研究院
工廠化蛋雞舍在結構上是一個全封閉的設施，雞舍內(nèi)部環(huán)境受設計結構的制約和影響，形成了不同于外部環(huán)境的“雞舍小氣候”。雞舍氣候信息主要包括室內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子。雞舍設施的全封閉性決定了雞舍與外界的物質與能量交換，這種交換會引起雞舍小氣候環(huán)境的變化，進而在一定程度上又會影響蛋雞的生長及其產(chǎn)蛋率。雞舍氣候信息采集的智能化和信息化是實施工廠化蛋雞養(yǎng)殖的關鍵技術之一，國內(nèi)外已有科研人員將無線傳感器網(wǎng)絡(WirelessSensorNetworks，WSN)技術應用于農(nóng)田信息采集。為滿足農(nóng)業(yè)信息采集中監(jiān)測周期長的需求，研究人員結合不同的應用場合，設計了多種專用的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點［1－6］。由于封閉式蛋雞舍設施的特殊性，雞舍環(huán)境信息有線采集設備易出故障，且設備的投入成本與維護成本較高，因此，無線傳感器網(wǎng)絡的應用將盡顯其優(yōu)勢。為此，筆者在盡可能延長無線傳感器節(jié)點通信距離的基礎上，合理地設計硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，以有效提高節(jié)點的生存周期。
1節(jié)點硬件設計
節(jié)點硬件設計通過自組網(wǎng)的形式將采集的信息發(fā)送至系統(tǒng)監(jiān)控中心，實現(xiàn)對封閉式蛋雞舍設施的溫度、空氣濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子的采集。傳感器節(jié)點由微處理器模塊、無線通信模塊、串口通信模塊、傳感器模塊和電源模塊組成，如圖1所示。為了提升傳感器節(jié)點的通信距離，微控制器(CPU)采用AVR系列單片機ATmega128L，對比普通51系列單片機而言，ATmega128L代碼執(zhí)行效率更高，抗干擾能力更強，同時，ATmega128L單片機具有低功耗的特點(1μA～25mA，WDT關閉時為100nA)。該設計的無線通信模塊采用功耗低、發(fā)射功率可微調(diào)的nRF905模塊，其高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制方式抗干擾能力強，能夠很好地抑制噪聲環(huán)境對信息采集系統(tǒng)的影響。設計節(jié)點的CPU時鐘頻率為7．3228MHz，nRF905設定在433MHz國家開放頻段。溫濕度傳感器采用SHT11，光強度傳感器采用美國TAGS公司的光強度數(shù)字TSL2561。有害氣體濃度的監(jiān)測傳感器分別為:CO2濃度傳感器選用美國FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，NH3傳感器選擇的型號為MIC－NH3智能傳感器，硫化氫傳感器選擇的型號為(H2S傳感器)M－100。
2節(jié)點軟件設計
針對上述節(jié)點硬件結構，結合封閉式蛋雞舍設施信息采集周期性強、時間間隔短、單次數(shù)據(jù)傳輸量大的特點，設計了基于C語言的軟件系統(tǒng)。
2．1節(jié)點軟件構成
節(jié)點軟件由操作系統(tǒng)和應用程序構成。WSN利用TinyOS操作系統(tǒng)，采用AVRStudio4．07開發(fā)平臺，開發(fā)應用程序，包括各個硬件模塊的驅動、數(shù)據(jù)采集和通信協(xié)議。在TinyOS環(huán)境下為節(jié)點用NesC語言編寫了相應的執(zhí)行程序。AVRStudio4．07平臺采用面向對象的編程方法，1個TinyOS應用程序與多個組件(Component)連接，構成1個執(zhí)行模塊(Module)。組件是硬件的抽象概念，組件間由接口(Interface)互相連接。該設計傳感器節(jié)點的TinyOS應用程序結構如圖2所示。
2．2節(jié)點休眠的設計
無線傳感器節(jié)點節(jié)省能量的最主要的方式是休眠機制。當傳感器節(jié)點目前沒有傳感任務并且不需要為其他節(jié)點轉發(fā)傳感數(shù)據(jù)時，關閉節(jié)點的無線通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計算模塊以節(jié)省能量。因而，一個傳感任務發(fā)生時，只有與之相連的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點處于活動狀態(tài)，從而形成一個活動區(qū)域。如圖3所示，活動區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關節(jié)點傳送而移動，這樣原先活動的節(jié)點在離開活動區(qū)域后可以轉成休眠模式從而節(jié)省能量。
2．3同步控制
時鐘同步是該設計分布式系統(tǒng)的重要組成部分，采用TDMA－MAC協(xié)議。具有休眠機制的無線傳感器網(wǎng)絡需要嚴格的時間同步機制，用來準確接入信道和及時喚醒。在傳感器網(wǎng)絡中，節(jié)點運行工作時的物理時鐘依靠對自身晶振中斷計數(shù)實現(xiàn)。如果節(jié)點晶振的頻率誤差和初始計時時刻不同，就會使節(jié)點之間物理時鐘不同步。通過計算出物理時鐘與邏輯時鐘的關系，構造對應的邏輯時鐘以達成同步。無線傳感節(jié)點在應用基站充當時間基準點，發(fā)送數(shù)據(jù)包具有當前時鐘讀數(shù)的同步指令，當無線傳感器網(wǎng)絡內(nèi)其他節(jié)點接收到該同步指令后，計算延時參數(shù)并調(diào)整本節(jié)點的邏輯時鐘值，以和基站節(jié)點基準點構成同步。傳感節(jié)點在和基站節(jié)點同步后作為新的基準點，一環(huán)接一環(huán)由里向外同步，直至覆蓋整個無線傳感器網(wǎng)絡。
2．4節(jié)點程序的調(diào)試
無線傳感器節(jié)點硬件和軟件設計完成后，進行了程序初步調(diào)試。程序調(diào)試平臺為AVRStudio4．07，調(diào)試步驟如下:①在啟動AVRStudio4．07之前，將JTAG仿真器與PC機串口連接起來;②JTAG仿真器的數(shù)據(jù)電纜連接到目標板的JTAG接口;③在確認PC、JTAGICE和目標板正確連接后，按照下列順序依次接通電源的操作:打開目標板電源，即SW1撥至“ON”處，然后接通JTAG電源，JTAG仿真器上的綠黃兩燈同時亮表示連接成功，若有任意一燈不亮，就說明連接沒有成功;④在PC上打開AVRStudio4．07，調(diào)試節(jié)點程序，如下圖4、5所示。
3結語
為解決傳統(tǒng)封閉式蛋雞舍設施的溫度、空氣濕度、光照、二氧化碳、氨氣和硫化氫等環(huán)境因子的監(jiān)測中所存在的監(jiān)測區(qū)域面積小、采樣率低、工作量大等問題，該研究探討了將無線傳感器節(jié)點技術作為封閉式蛋雞舍環(huán)境監(jiān)測中數(shù)據(jù)采集和傳輸載體的可行性，設計和開發(fā)了無線傳感器節(jié)點，并進行了節(jié)點程序的調(diào)試。下一步應采用所設計的無線傳感器節(jié)點，構成無線傳感器網(wǎng)絡，通過進一步的封閉式蛋雞舍環(huán)境因子信息采集試驗，提高無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性和實用性。
【摘要】根據(jù)國內(nèi)劇場舞臺機械控制系統(tǒng)的特點，探討了軟、硬件設計解決方案。根據(jù)實際工程經(jīng)驗從控制系統(tǒng)硬件設計組成、網(wǎng)絡系統(tǒng)構建和軟件功能要求三個方面進行了詳細的論述。
【關鍵詞】PLC；舞臺機械；變頻器；現(xiàn)場總線
常規(guī)劇院根據(jù)功能可以劃分為歌劇院、戲劇院、音樂廳和多功能廳等。舞臺機械是現(xiàn)代化劇場不可缺少的核心設備，通過舞臺機械設備不斷升降、平移、開合運動，并配合燈光、音響的不斷變換，呈現(xiàn)在觀眾眼前的是一場場美輪美奐的視覺盛宴。常規(guī)劇場舞臺機械設備一般可分為臺上和臺下兩個部分，臺上以卷揚類為主，臺上設備的基本配置有防火幕、假臺口、大幕、二道幕、景吊桿、燈吊桿、單點吊機、燈光渡橋、燈光吊籠等設備，有的還配置了反聲罩。臺下以升降、推拉、旋轉為主，臺下設備的基本配置有主升降臺、左右車臺、后車轉臺、升降樂池、各種補償臺、插銷和安全網(wǎng)等設備。其中，臺上吊桿類設備、臺下升降臺類設備和車臺類設備是舞臺表演空間的主要設備。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在舞臺機械控制多采用以可編程控制器為主的分布式控制系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件由繼電器、接觸器和變頻器等低壓電器組成，網(wǎng)絡采用開放式工業(yè)現(xiàn)場總線通訊技術，軟件設計采用功能完備的人機友好界面和安全互鎖保護。整個系統(tǒng)快速、方便地將分散在臺上、臺下的設備和核心中央處理器聯(lián)系起來，其各種不同類型的控制模塊通過硬件接口和軟件組態(tài)可進行廣泛組合，為舞臺機械運行提供實時、安全可靠的運行保證。同時，由于采用計算機控制，系統(tǒng)具有處理速度快、系統(tǒng)資源裕量大、通訊能力強、故障排除快速、定位準確的特點。
1設備電器設計組成
舞臺設備電器控制回路一般由各種安全保護單元（如限位、亂繩、超載、超速、安全急停鏈路）、位置測量單元（如編碼器、減速開關、行程開關）、控制電路（如各種繼電器、PLC輸入輸出模塊）、驅動單元（如變頻器、交流接觸器）和執(zhí)行單元（如三相異步鼠籠電機、伺服電機）組成，并通過以上電器環(huán)節(jié)的共同作用控制設備運動。國內(nèi)舞臺設備按控制方式包括常規(guī)定速控制和調(diào)速定位控制。
1.1常規(guī)定速控制
常規(guī)定速控制——通過PLC起停輸出、設備的行程開關、保護開關、繼電器組成的中間回路控制對應的三相電源的相序通斷，從而達到直接控制電機的正反向運動，如舞臺各種插銷、安全網(wǎng)、升降欄桿、安全門。該方式廣泛應用在對時間要求不高的舞臺設備硬件設計上，對于在運動過程中有位置需求但定位要求不高的設備（如燈光吊籠、假臺口側片、燈光渡橋）來說，該方式并不能滿足要求。從設計經(jīng)濟、硬件便捷的角度，通常在常規(guī)電機傳動軸上加裝軸套型增量編碼器，將編碼器信號接入具有位置采集功能的模板（如西門子編碼器模塊FM350），同時，在硬件選型時根據(jù)模板的采樣頻率和電機轉速確定所選編碼器的每圈脈沖值。采集的位置信號經(jīng)過現(xiàn)場總線傳送到中央處理器中，和預設的目標位置做比較，決定設備是否到位停止運行。在實際的硬件設計中，為了能及時響應到位置信號，需把采集模板的實際輸出值串入控制電機正反轉回路。考慮到常規(guī)定速控制設計中不具備調(diào)速功能，電機高速運動過程中收到停止信號后制動運行較長，影響設備控制精度，在應用中要根據(jù)設備實際制動距離，在軟件調(diào)試中加入制動停止提前長度來修正設備停止響應距離，從而提高設備實際到位精度
1.2調(diào)速定位控制
調(diào)速定位控制——常規(guī)電機帶有編碼器，編碼器接入具有位置控制功能的高性能交流矢量變頻器，變頻器通過本身的內(nèi)置位置控制卡計算電機運行的實時位置和給定目標位置的差值，通過PID調(diào)節(jié)輸出對應的頻率和電壓控制電機運轉速度，中央處理器通過總線通訊方式比較變頻器傳回來的位置、狀態(tài)特性，并根據(jù)變頻器窗口到位值實現(xiàn)對所控設備的速度、位置精確控制，控制電路如圖3所示。使用調(diào)速定位控制，降低了對機械設備的沖擊，提高了設備的安全性和可靠性。因此，在國內(nèi)中、大型劇場中，該控制方式是控制吊桿、升降臺、車臺等機械設備的主流方案。調(diào)速定位按控制電路功能一般可分為一對一控制和矩陣切換控制。對于前者，每個設備都是一個控制單元，控制電路結構相對簡單，每個變頻器的總線狀態(tài)真實反應設備實際情況。由于只考慮單獨控制回路，現(xiàn)場調(diào)試成本較小，出現(xiàn)故障排查相對容易，系統(tǒng)后期維護人工成本較小，但如果控制單元的任何器件發(fā)生故障，則直接影響調(diào)速設備運行，同時對于電器元件、變頻器的成本支出較高。對于后者，由于采用繼電器矩陣切換，控制回路采用冗余備份方式，每個調(diào)速設備在選定之前不對應固定變頻器，如果某一個控制單元出現(xiàn)問題影響吊桿運行，通過切換矩陣的及時調(diào)整可以規(guī)避出現(xiàn)故障的控制單元，從而使設備更可靠地運行，提高了整個系統(tǒng)的風險抵御能力。同時，采用切換方式，節(jié)省了變頻器數(shù)量，降低了電器成本支出。但這種控制方式電路結構復雜，軟件互鎖要求較高，一旦出現(xiàn)故障，排查和維護較繁瑣。通常來說，臺上調(diào)速吊桿采用切換矩陣方式，臺下調(diào)速設備采用一對一控制方式。這主要是因為各種類型的吊桿大多功率在30kW以內(nèi)，且功率較為相近，實際舞臺演藝中同時運動的最多吊桿數(shù)遠遠小于總吊桿數(shù)，故采用切換方式。而臺下升降類設備在演出時載有大量演員，功率較大，通常達到60kW以上，為了避免頻繁切換對用電回路的沖擊，并考慮到實際運行的安全性，故采取一對一方式。
2網(wǎng)絡系統(tǒng)的構建
舞臺機械控制系統(tǒng)從網(wǎng)路結構上分為三個層級：管理級、控制級和現(xiàn)場級。2.1管理級設備管理級設備包括控制臺和服務器?？刂婆_中主要設備包括工控機、觸摸屏和電源、操作按鍵及操縱桿，主要為監(jiān)控舞臺設備狀態(tài)、運行參數(shù)、報警信息，編場數(shù)據(jù)處理和控制設備起停，為操作人員提供友好的人機交互界面。服務器可記錄操作人員和設備的實時數(shù)據(jù)，為演出設備歷史追溯提供不可替代的手段。
2.2控制級設備
控制級設備主要包括可編程控制器的中央處理單元和各種適應現(xiàn)場總線的通訊單元。作為整個舞臺機械控制系統(tǒng)的“大腦”，中央處理單元是系統(tǒng)核心，主要負責向上通過以太網(wǎng)傳遞現(xiàn)場的監(jiān)控信息（如升降臺、景桿等調(diào)速設備的位置、速度等實時參數(shù)，以及亂繩、電機過熱等安全信號），向下對現(xiàn)場級設備下達動作命令，協(xié)調(diào)現(xiàn)場設備動作次序（如舞臺機械設備的定位控制和設備延時啟動等）。
2.3現(xiàn)場級設備
現(xiàn)場級設備：主要包括符合現(xiàn)場總線協(xié)議的相關舞臺機械控制遠程I/O站點、對應的變頻器和電動機?，F(xiàn)場級設備主要任務負責實現(xiàn)操作人員通過控制臺發(fā)送的具體的運動方案，同時采集必要的現(xiàn)場信息，傳遞給上層作為參考。圖4為采用標準三級網(wǎng)絡設計的結構圖。
2.4網(wǎng)絡系統(tǒng)的構建中的關鍵問題
（1）控制系統(tǒng)的安全性設計要貫穿整個控制系統(tǒng)，包括核心控制器到單體設備的控制設計?？刂葡到y(tǒng)應采用開放的現(xiàn)場總線技術，根據(jù)用戶的實際需要，采用可靠的冗余技術，包括核心部件的冗余和網(wǎng)絡的冗余?？刂葡到y(tǒng)具有緊急停機系統(tǒng)，任意一個極限開關的動作會觸發(fā)本設備應急線路，任意一個急停按鈕應觸發(fā)控制系統(tǒng)的急停鏈路。同時，急停系統(tǒng)和中央處理器通過安全總線進行信息交換。所有具有提升性能的驅動都采用雙制動器，并且互相獨立控制，保證驅動能及時有效地停止工作。（2）所有的舞臺機械系統(tǒng)主控制臺、移動控制臺，應具備即插即用的特點。對于單一控制臺，用戶可根據(jù)實際情況方便地選擇切換到不同的操作方式（如手控、程控、更改參數(shù)）對設備進行操作；對于不同控制臺之間的切換操作，中央處理單元應具備統(tǒng)一的授權管理，保證同一設備在任意時刻只接受來自單一控制臺的指令信息，防止設備由于接受不同控制臺指令信息而造成控制紊亂。（3）保證關鍵信息響應的實時性和同步性（如舞臺機械設備的啟動命令）。對于調(diào)速定位設備，國內(nèi)大多是通過每個變頻器的內(nèi)置位置控制卡控制設備，當多個設備同時運動時，由于網(wǎng)絡傳輸?shù)难舆t性造成設備啟動的不統(tǒng)一和設備運行中間過程中的實際位置偏差。在設計控制網(wǎng)絡時，對于關鍵信息的傳遞需采用等式同步機制和數(shù)據(jù)優(yōu)先級處理，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖夙憫?
3軟件設計要求
3.1操作功能要求
操作功能要求：對于舞臺控制操作界面，應設有手動選擇、運動參數(shù)設定、設備編組、場景運行、設備位置綁定、運動禁止、設備位置記錄等功能，根據(jù)實際用戶需求的不同，還應提供系統(tǒng)管理、維護和根據(jù)演出過程需要而附帶的工程組態(tài)功能。同時，應提供演出中間的各種應急處理功能，如當在演出場景中編組的運行設備，設備出現(xiàn)報警停止運行時應具備手動快速介入，當設備撞到物理極限位后，應具備旁路控制使設備及時脫離危險位置。用戶一旦誤操作，不光有報警信息，同時提供相應的保護，規(guī)避可能發(fā)生的設備誤動作引發(fā)的系統(tǒng)風險。
3.2設備互鎖要求
設備運行互鎖是舞臺設備安全可靠運行必不可少的保障，互鎖軟件設計必須實時跟蹤設備運行的數(shù)據(jù)?；ユi軟件應采用順序控制程序，根據(jù)優(yōu)先級管理機制，按照預先規(guī)定好的優(yōu)先級動作順序，對控制過程各階段的設備互鎖順序進行自動判別和保護。每一個設備的運行條件都依存于其他相鄰設備的位置，當檢測到條件滿足或不滿足時，及時發(fā)送給設備數(shù)據(jù)塊運行或受限指令，使設備安全可靠地運行。
3.3分布式管理要求
通過現(xiàn)場總線技術，把分布在舞臺控制室的控制臺、上位機、臺上及臺下控制柜間的現(xiàn)場驅動單元、現(xiàn)場采集單元等方便、快捷地聯(lián)系起來。通過開放的現(xiàn)場總線控制通信網(wǎng)絡把物理分散的設備構成為一個整體，用分布式數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成，進而達到信息共享，從而實現(xiàn)同時在多臺控制終端上對舞臺設備的集中監(jiān)視、集中操作和集中管理。
3.4遠程維護要求
控制系統(tǒng)工程師可通過互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)場控制系統(tǒng)進行遠程診斷和維護。操作系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，應及時記錄在上位機歷史數(shù)據(jù)庫中，用戶通過Internet網(wǎng)以文本形式傳送到遠程診斷實驗室，幫助用戶排除故障。通過專門遠程診斷軟件，可實時跟蹤鏈接到現(xiàn)場網(wǎng)絡節(jié)點的舞臺機械設備運動情況，及時幫助用戶解決操作中出現(xiàn)的問題。
4小結
在控制系統(tǒng)建設規(guī)劃中，要注重安全和效益并重的原則，適當降低建設成本和后期維護成本，同時還要從長遠著眼，技術方案要有一定的前瞻性，充分考慮將來整個系統(tǒng)的整體升級、擴容問題。隨著計算機和控制理論的不斷進步，舞臺控制技術逐漸趨于完善，帶有自診斷功能和微機通信接口的PLC元器件也越來越普及，價格也趨向便宜。在國內(nèi)以可編程控制器為核心的舞臺機械控制系統(tǒng)已經(jīng)形成了集網(wǎng)絡化、集散化、自動化、智能化為一體的先進的自動控制模式。目前，廣義舞臺的概念已不再僅僅局限于正規(guī)劇場傳統(tǒng)品字型舞臺，隨著電視劇場、演播廳、體育場館等組合式舞臺，以及各種類型的動感、多維影院、VA多媒體互動系統(tǒng)、科技館等領域的異型舞臺的出現(xiàn)，舞臺機械控制系統(tǒng)的軟、硬件設計也應隨著舞臺要求的變化不斷發(fā)展更新。
作者:劉學信 劉建喆 單位:山東藝術學院 北京師范大學第二附屬中學
電動汽車作為新型代步交通工具，車載充電機是其不可缺少的配套充電設備，對車載充電機的研究顯得尤為重要。一款成功的高性能的車載充電機要能抑制諧波、功率因數(shù)高、效率高等特點。本文根據(jù)上述特點，設計了一款2kw的車載充電機。有源功率因數(shù)校正電路（APFC）能有效抑制諧波，提高功率因數(shù)。而軟開關技術能有效提高充電機的效率。本文將二者結合在一起，設計了一款高性能指標的車載充電機，并進行了波形測試及實驗驗證。
1車載充電機硬件拓撲結構及原理
1.1APFC拓撲及原理功率
因數(shù)校正有多種拓撲電路，比如boost、buck、buckfly等電路。本文采用BOOST電路拓撲，如圖1所示，因其電流連續(xù)、電流波形失真小、輸出功率大、儲能電感同時具有抑制RFI和EMI噪聲的功能。狀態(tài)分析：當S通、VD斷時，假設此狀態(tài)持續(xù)時間為T1，可得到狀態(tài)方程，解得，其中為第K時刻的輸入電壓值。當S斷、VD通時，假設此狀態(tài)持續(xù)時間為t2，可得狀態(tài)方程，解得：。當S斷、VD斷時，假設此狀態(tài)持續(xù)時間為t3，得狀態(tài)方程。由上述公式可知，是跟隨輸入電壓變化的半波正弦函數(shù)，如圖2所示，其相位基本相同且輸入電流波形近乎正弦波，所以功率因數(shù)接近于1。當電感電流臨界連續(xù)時，t3=0，可知電感電流的包絡線仍為半波正弦函數(shù)形式。弱電感電流連續(xù)，則表現(xiàn)為電感電流正弦變化的基波上迭加隨斬控頻率變化的高頻鋸齒波，鋸齒波的幅度與電感量及斬控頻率有關。
1.2逆變整流拓撲及原理
逆變電路采用副邊無源鉗位軟開關移相全橋拓撲結構，如圖3所示S1、S3為超前臂，S2、S4為滯后臂。其軟開關的實現(xiàn)，超前臂的零電壓開關依靠變壓器漏感和超前臂的并聯(lián)電容實現(xiàn)，滯后臂的零電流開關通過變壓器二次測鉗位電容在換相期間鉗位電壓強迫一次側電流復位到零實現(xiàn)。此種軟開關結構，所需器件簡單，不需要額外有源元件等優(yōu)點。
2主回路參數(shù)設計
2kw高性能車載充電機的額定輸出電壓為96V，額定電流為20A，輸入單相交流電160V-240V整流后經(jīng)APFC電路得到400V直流母線電壓，開關頻率fs取50KHZ。
（1）apfc電感設計。
1）輸入電流峰值的最大值確定：電感應當在最大電流時避免飽和。交流輸入電壓最小時，其峰值能達到最大，再考慮到期效率假設為0.92；
2）電感中紋波電流峰峰值。一般最大峰峰值可取輸入電流的20%；
3）確定輸入電壓峰值時的最大占空比；
4）電感量的計算：經(jīng)過試驗，調(diào)整為1mh。
（2）主變壓器的設計。
1）選定工作頻率在100khz，鐵氧體磁芯完全能夠滿足要求；
2）磁芯規(guī)格的選擇。鐵芯的窗口面積乘積為：通過查表選擇雙EE55磁芯。式中：V1I1為輸入功率；V2I2為輸出功率；K0為窗口利用系數(shù)，一般取0.2-0.4；Kf為波形系數(shù)，方波為4；
3）原邊繞組匝數(shù)選擇；
4）副邊匝數(shù)選擇
（3）鉗位電容的設計。其作用主要有兩個：一是鉗位整流二極管的電壓，從而降低二極管的電壓應力；二是超前臂關斷后，鉗位電容上的電壓反射到原邊，抵消漏感的能量，使得原邊電流迅速降低，實現(xiàn)滯后臂的零電流開關。本文中漏感選擇20uh。電容上存儲的能量為：一次測漏感能量為：為了抵消原邊漏感的能量，電容上存儲的能量要大于漏感存儲的能量，即整理得：最終經(jīng)過試驗選擇容值為200nf。
3實驗波形及結果分析
藍色為超前上橋臂驅動波形，黃色為超前上DS間波形，由上圖可知超前臂實現(xiàn)了零電壓開通關斷；圖中紅色為滯后下DS間波形，紫色為回路電流波形，由圖可知，滯后臂基本實現(xiàn)了零電流開通關斷。
4結束語
隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，人們對車載充電機的要求越來越高，高頻化小型化高效化低諧波車載充電機成為發(fā)展的趨勢。本文研究了帶有源功率因數(shù)校正的移相全橋軟開關車載充電機，對其工作原理和性能做了分析并對樣機進行了實驗，證明了充電機的可行性和有效性。
作者：王平來 李小偉 張立功 單位：山東省汽車電子重點實驗室 山東省科學院自動化研究所
1系統(tǒng)硬件設計
系統(tǒng)硬件設計系統(tǒng)工作時，藥液由液壓泵泵出，經(jīng)主管道及噴桿后由噴頭流出，通過轉換接頭流經(jīng)流量傳感器，最后由藥液收集槽收集。為便于試驗記錄，將左側噴頭從上到下標記為噴頭1～噴頭3，右側噴頭從上到下標記為噴頭4～噴頭6。轉換接頭為自行設計的快捷轉換接頭。流量傳感器輸出頻率信號，信號經(jīng)頻率轉電流模塊轉換為4～20mA電流信號，同時壓力傳感器輸出4～20mA電流信號，流量傳感器與壓力傳感器輸出的電流信號經(jīng)4～20mA信號采集模塊采集后，由RS－485總線上傳至上位機界面顯示。本系統(tǒng)可同時顯示6路流量信號及1路壓力信號。流量傳感器選用GemsF6FT—110系列TurboFlow型流量傳感器，輸出頻率范圍58～575Hz;壓力傳感器選用WLB型壓力傳感器，輸出信號為4～20mA電流信號;頻率電流轉換模塊選用ART－阿爾泰A11FV11頻率/電壓、電流信號隔離轉換模塊，輸入為0～1kHz，0～10kHz和0～100kHz頻率信號，輸出為0～5V，0～10V電壓信號和0～20mA或4～20mA電流信號。本設計根據(jù)流量傳感器輸出信號選擇輸入檔位為0～1kHz，并根據(jù)信號采集模塊選擇輸出檔位為4～20mA;4～20mA電流采集模塊選用順源ISOADA08型采集模塊，可同時采集8路電流信號，通過RS－485總線上傳至上位機界面。若噴霧機噴頭較多，系統(tǒng)可對噴頭進行分批次測量。
本轉換接頭可分為固定架、螺桿和接頭體3部分。其中，固定架用于支撐接頭，并將接頭與噴頭位置進行固定;接頭體上端采用橡膠密封墊，可將噴頭與接頭接觸部位進行密封，橡膠密封墊通孔直徑為13mm，可用于測量多類噴霧機噴頭。測量時，將橡膠密封圈與噴頭噴嘴對接，卡鉤卡至噴頭上端，且保證兩卡鉤處于同一平面內(nèi)，以保證密封性良好，旋轉螺桿使轉換接頭固定至噴頭上;藥液經(jīng)噴頭體由膠管接頭引流至流量傳感器。本轉換接頭使用方便，操作簡單，用于對單個噴頭的測量;若噴霧機噴頭數(shù)量較多，可使用多個接頭進行測量。
2上位機軟件設計
系統(tǒng)上位機控制軟件采用C#編寫，使用VisualStudio2008開發(fā)平臺開發(fā)進行開發(fā)，可以運行于Win-dowsXP及以上環(huán)境。系統(tǒng)工作時，可根據(jù)不同試驗條件在上位機界面顯示不同的測量值。因本系統(tǒng)主要測量噴頭流量值，根據(jù)擬合方程中流量與電流的關系，設定最大電流值與最小電流值所對應流量值以及壓力值。系統(tǒng)啟動后，上位機界面實時顯示主管道壓力值以及噴頭1～6的流量值。數(shù)據(jù)采樣間隔可根據(jù)用戶要求進行設定，同時系統(tǒng)會將所采集數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中進行存儲，可供試驗后期數(shù)據(jù)分析處理。為了獲得電流與流量關系曲線，試驗時選用SCL600型噴霧機ALBUZ－ATR80型噴頭，分別設定壓力為0．3，0．7，1．1，1．5MPa，使用秒表記錄測量時間，并測量在該時間范圍內(nèi)由量筒收集的藥液體積，同時用萬用表測量輸出電流值，每個壓力值下測量3次，取平均值。
3試驗及結果分析
為測試本系統(tǒng)精度，試驗時選用SCL600型噴霧機所配置的ALBUZ－ATR80型噴頭進行試驗，記錄上位機界面所示流量值，同時用量筒測量一定時間流經(jīng)流量傳感器的藥液體積，計算其平均流量(即實際流量)，通過與試驗測量流量(即上位機所示流量)進行比較，得到系統(tǒng)精度。為了測試系統(tǒng)精度，以噴頭2為例，使用上位機軟件，以0．4MPa為間隔，在0．3～1．5MPa范圍內(nèi)記錄上位機界面所示流量值，并測量在一定時間內(nèi)量筒所收集的藥液體積。每個壓力下測量3次，取平均值。試驗數(shù)據(jù)表明，噴頭在不同壓力下流量不同，且隨著壓力的增加，流量逐漸增加;在流量為0．53～1．25L/m范圍內(nèi)，噴頭平均流量與測量流量的最大相對誤差為4．40%。為了測試系統(tǒng)精度，選擇噴頭1、噴頭3及噴頭4進行試驗，使用上位機軟件，試驗設定壓力為0．7MPa。同時，記錄上位機界面所示流量值，并測量在一定時間內(nèi)量筒收集的藥液體積，每組測量3次，取平均值，試驗數(shù)據(jù)表明:當壓力為0．7MPa時，各噴頭流量基本保持一致;當流量為0．83～0．91L/m時，噴頭平均流量與測量流量的最大相對誤差為3．88%。
4結論
本系統(tǒng)所設計的轉換接頭使用方便，密封性良好，對噴頭壽命影響較小，可便于系統(tǒng)同時對多類噴霧機噴頭流量快速測量，且系統(tǒng)操作方便，上位機界面可實時顯示各噴頭流量值，實現(xiàn)對噴霧機噴頭流量在線測量，測量精度較高。
作者：單位：西北農(nóng)林科技大學機械與電子工程學院 國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心
0緒論
工業(yè)機械臂（以下簡稱機械臂）是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高技術發(fā)展最快的領域之一，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。隨著機器人系統(tǒng)設計應用的復雜化以及機器人系統(tǒng)對控制精度、實時性能、可靠性的要求不斷變高，需要給機械設備裝備嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)應用于機械的控制，將是機器控制領域的一個發(fā)展方向，為機器的智能控制的實現(xiàn)提供了廣闊的平臺。與傳統(tǒng)的微處理器和DSP相比，ARM微處理器資源豐富，具有很好的通用性，其主要技術優(yōu)點是高性能、低價格、低功耗，可以廣泛的應用于各個領域，因此將ARM應用于機械臂控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。
1機械臂功能設計
本文主要研究的是單臂式鉆孔機械臂，這種機械臂需要完成的動作有：前行、后行、左行、右行、上行、下行。這些動作相互結合，完成相應的動作安排。根據(jù)上述動作要求，工藝流程如下：(1)本文研究的機器臂主要由底座(或軀干)、機械臂構成。底座的主要任務是支撐和完成手臂上下左右的移動，實現(xiàn)機械臂在工作空間中的活動；(2)機械臂的底座固定不動，機械臂的Y軸由伺服電機驅動在平行于底座的平面進行前后運動，即是在Y軸平面中的運動；(3)X軸在上位機對伺服驅動器發(fā)出指令后和Y軸同時移動，進行左右的運動，即在X軸平面中的運動，同時運動就可以實現(xiàn)機械臂在X-Y平面上的精確定位；(4)在X軸上安裝一個氣動式動力頭，當在X-Y平面上精確定位之后，處理器通過控制電磁閥動力頭進給，帶動鉆頭旋轉進行既定的鉆孔?？偨Y歸納可知，X-Y軸用于機械臂鉆孔的定位，Z軸做往復運動進行鉆孔；(5)機械臂完成上位機發(fā)出的脈沖指令，回到機械原點，等待下一次的指令。
工作過程如下：上位機對控制機發(fā)出脈沖指令，電機控制系統(tǒng)從控制器中獲取指令數(shù)據(jù)，傳感器系統(tǒng)檢測在機械臂工作的范圍之內(nèi)有無障礙物，確定無障礙后開始動作，在系統(tǒng)運行中與電機同軸度編碼器實時反饋機械臂所到達的位置，以判斷是否完成規(guī)定動作。當控制器接受編碼器反饋的數(shù)據(jù)判斷出規(guī)定動作完成后系統(tǒng)暫停動作，等待下一次指令。為了使機械臂在接受到指令后高速準確的完成動作，本設計在硬件上采用了伺服驅動系統(tǒng)，軟件上采用模糊控制算法。電機驅動系統(tǒng)由ARM處理器及其相關外圍硬件和電機驅動器組成，ARM處理器發(fā)出指令脈沖下達給伺服驅動器，電機驅動器驅動電機運轉，運行期間，ARM處理器根據(jù)編碼器反饋的信息判斷機械臂的運動狀態(tài)，實現(xiàn)實時跟蹤定位和位置定位。
2模糊控制算法在ARM控制系統(tǒng)中的實現(xiàn)
2.1輸入量模糊化
模糊控制算法用在ARM中,則需使用在ARM中可以運行的軟件實現(xiàn)模糊控制，這樣就把能將原來的數(shù)字控制器改成模糊控制器，從而構成了一個基于ARM的模糊控制系統(tǒng)。由此可見，這種模糊控制器在本質上只是一種控制算法與硬件的結合，與其它的模糊算法的差別在于用ARM的語言來實現(xiàn)模糊化、模糊推理決策以及反模糊化過程。這種模糊控制器的優(yōu)點是資源消耗少，靈活性高，通用性強，應用范圍廣等。必須注意的是設計過程中要考慮到ARM的內(nèi)存空間，運算速度，以及模糊算法的執(zhí)行效率和系統(tǒng)的實時性要求。在模糊控制器中，給定目標為r，將光電編碼器檢測到的電機轉速作為反饋輸入。然后計算得到轉速偏差e(k)和轉速偏差變化率Δe(k)，量化和模糊化后作為模糊控制器的兩個輸入信號，反模糊后得到精確的PID參數(shù)，經(jīng)過PID運算得到電機控制信號，此控制信號經(jīng)過進一步的轉換，可得到PWM控制寄存器的設定值，寫入PWM寄存器后，從ARM的PWM輸出端口將得到相應的PWM控制信號，經(jīng)過驅動器驅動伺服電機，使鉆孔機械臂達到計算機的控制運動要求。在機械臂硬件平臺控制系統(tǒng)中,計算機通過串口與ARM處理器通信,發(fā)送控制命令控制機械臂的運動狀態(tài)。用編碼器檢測電機的旋轉速度。
電機轉速的誤差:式中：n是當前電機轉速；n0是t0時刻對應的電機轉速;當上次的電機轉速為e(k-1)時，當前電機轉速的誤差變化為：根據(jù)e(k),Δe(k)的隸屬度函數(shù)可知，我們必須把由上式計算得到的誤差和誤差變化率進行處理,使他們的值落在[-3,3]區(qū)間,再進行模糊化處理,才能進行模糊控制器運算。經(jīng)過反復的試驗,可以得到e(k),Δe(k)的最大值,分別為em,Δem由此我們進行歸一化公式:當出現(xiàn)測量值大于我們的最大值時，我們就將其視為最大值em的值，所以以上公式是普適用的。
2.2建立機械臂模糊控制規(guī)則表
模糊控制規(guī)則在模糊控制系統(tǒng)中，是一種根據(jù)控制量偏差和控制量偏差變化率而推斷出輸出量的推理規(guī)則。這些規(guī)則是由誤差和誤差變化率狀態(tài)的不同而形成的一系列條件語句。在模糊控制器選用單變量二維最常見的結構形式，設定誤差e,誤差變化ec及控制量輸出u的模糊子集為｛負大,負中,負小,零,正小,正中,正大｝，并簡記為{NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}，論域均定為[-3,3],模糊子集NB,PB分別選為Z型隸屬函數(shù)和S型隸屬函數(shù)，其余選為靈敏度高且在論域范圍內(nèi)均勻分布，等距離的三角形隸屬函數(shù)。由于三角形隸屬函數(shù)簡單易行，計算效率高，且僅與直線的形狀有關，適合于實時控制和在線調(diào)整的控制，因此，本模糊控制器的輸入輸出隸屬度函數(shù)曲線如圖1所示。
3鉆孔機械臂控制系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)
3.1LPC2138處理器
ARM內(nèi)核采用精簡指令集計算機（RISC）體系結構，具有大量的通用寄存器，指令格式使用統(tǒng)一和長度固定，尋址方式簡單，內(nèi)含2套指令系統(tǒng)（ARM指令集和Thumb指令集）。極低的功耗，適合對功耗要求較高的應用，如便攜式產(chǎn)品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結構。
3.2傳感器模塊
本課題研究的鉆孔機械臂是一個用于加工的機械裝備，當上位機設定好要加工的參數(shù)且啟動機械臂臂進行加工時，為了防止有意外的發(fā)生，需要加一些傳感器進行保護，當檢測到有人或物進入到機械臂加工的范圍之內(nèi)時，傳感器將檢測到的信號反饋給處理器，進行相應的動作。
（1）位置傳感器：即行程開關，在X軸和Y軸上都裝有3個行程開關，在Z軸的上下位置也裝有兩個行程開關，本系統(tǒng)中選用無觸點感應式行程開關，兩線制傳感器，型號為TL-05MD1。原理：無觸點行程開關又稱接近開關，它可以代替有觸頭行程開關來完成行程控制和限位保護，還可用于高頻計數(shù)、測速、液位控制、零件尺寸檢測、加工程序的自動銜接等的非接觸式開關。由于它具有非接觸式觸發(fā)、動作速度快、可在不同的檢測距離內(nèi)動作、發(fā)出的信號穩(wěn)定無脈動、工作穩(wěn)定可靠、壽命長、重復定位精度高以及能適應惡劣的工作環(huán)境等特點，所以在機床、紡織、印刷、塑料等工業(yè)生產(chǎn)中應用廣泛。無觸點行程開關分為有源型和無源型兩種，多數(shù)無觸點行程開關為有源型，主要包括檢測元件、放大電路、輸出驅動電路3部分，一般采用5V～24V的直流電流，或220V交流電源等。當被控物體到位,電子行程開關動作，常開組導通(閉合)常閉組截止,(斷開)。完成相應的動作。
（2）光電編碼器：由伺服電機驅動器獨立控制。
（3）紅外光柵傳感器又稱為安全性光柵安全性光柵是一種保護各種危險機械裝備周圍工作人員的先進技術。同傳統(tǒng)的安全措施，比如機械柵欄、滑動門、回拉限制等來相比，安全性光柵更自由，更靈活，并且可以降低操作者疲勞程度。通過合理地減少對實體保護的需求，安全性光柵簡化了那些常規(guī)任務，如設備的安裝、維護以及維修。
4總結
本文在分析機械臂嵌入式控制體系的基礎上，進行了以LPC2138為主控制器的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺設計。合理規(guī)劃機械臂的任務模塊，設計應用程序，實現(xiàn)對各功能子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、控制管理。本文只對機械臂底層控制系統(tǒng)進行研究設計并介紹。因此，真正的實現(xiàn)伺服電機的精確控制還需要進一步要有專業(yè)人員研究。
摘要：隨著時代的發(fā)展，信息逐步走進每個人的生活，與人們的生產(chǎn)與生活息息相關，在信息時代下計算機也在迅猛發(fā)展，但是隨之暴露出來的問題也是不容忽視的，重點引起人們關注的問題就是計算機硬件設計安全問題，因為這關系到人們信息的安全。基于此，就重點針對這一問題進行分析研究，并根據(jù)現(xiàn)有問題狀況提出幾項策略。
關鍵詞：計算機硬件；信息安全；創(chuàng)新技術
在現(xiàn)階段中，世界已成功步入信息時代、科技時代，我國也不甘落后，我國有關計算機的科技技術也在迅猛發(fā)展，然而隨著發(fā)展速度的加快計算機硬件的問題逐漸顯現(xiàn)出來，相較于計算機的發(fā)展來說較為落后，尤其引起人們關注的就是計算機硬件設計安全問題，這是一個很嚴肅的問題，這個問題會對計算機系統(tǒng)、人們的信息數(shù)據(jù)造成或大或小的影響，所以，解決計算機硬件設計安全問題勢在必行。
1計算機硬件安全的概述
在使用計算機的過程中，外部環(huán)境對計算機有很大的影響，所以對計算機運行時外部環(huán)境的要求很苛刻，要求計算機外部環(huán)境清潔度較高，計算機溫度不能過高要適中，計算機四周電壓要保持穩(wěn)定，做到這些并保證外部環(huán)境良好就能夠盡可能確保計算機硬件正常運行、不出故障。保證計算機硬件安全還有一個很重要的技術，這個技術叫做加固技術，計算機在設計生產(chǎn)中使用加固技術加固后能夠防震、防腐蝕以及防水，這樣的計算機能夠一整天在野外工作，所以加固技術是一個很重要的技術。計算機的硬件除了自身有問題會影響自身安全外也會有其他多方面因素對計算機系統(tǒng)造成安全影響。例如，計算機的中央處理器內(nèi)部都會存在一系列集成保密的指令代碼，雖然說這些指令代碼是保密的，但是到底是否是絕對保密、安全的并不能得知。據(jù)悉，我國的中央處理器或許存在著病毒指令代碼或者陷阱指令代碼，外國能夠通過無線代碼激活中央處理器內(nèi)部的各種指令，使得計算機內(nèi)所有的信息、資料泄露，同時也可能會使計算機崩潰，并且這一崩潰將是毀滅性的，一旦這一消息是真實的，那么我國的計算機系統(tǒng)將隨時可能會被攻擊，導致硬件泄密、信息泄露，甚至更嚴重的是硬件泄密還會很大程度上影響電源安全，從而導致產(chǎn)生電源泄密的情況。電源泄密是什么呢？電源泄密是計算機所發(fā)出的電磁信號順著市電電線被傳導出去后被人為使用特殊的手段和工具把這一電磁信號攔截下來并加以還原。其實，計算機就像是人的身體，有很多零部件，計算機中的零部件每一個皆是能夠控制的，所以又出現(xiàn)了一個專業(yè)名詞就是可編程控制芯片，一旦這一可編程控制芯片的程序被準確破解，那么就能夠控制計算機，所以現(xiàn)在要做的就是保證芯片是不能夠被控制的，因此，要做好計算機硬件安全防護工作，保證計算機硬件安全，保證計算機硬件的設計安全。綜上所述，可以看出，計算機硬件的最主要也是最重要的安全問題就是信息安全問題，信息安全重點工作就是保密、集成、實用，想要保證信息是安全的，就需要工作人員教授計算機購買用戶操作計算機的方式方法，從而確保計算機硬件安全以及整個系統(tǒng)信息的保密安全。計算機硬件一直在發(fā)展中，它的發(fā)展過程比較漫長，通過它的發(fā)展過程能夠知道一點，那就是計算機硬件安全是什么，它指的就是一個安全系統(tǒng)，這個安全系統(tǒng)是由以下三點結合在一起產(chǎn)生的，這三點分別是集芯片設計、電路設計以及工程設計。
2計算機硬件的設計安全發(fā)展現(xiàn)狀
計算機系統(tǒng)中有各種各樣的元件，這些構件組合起來構成了物理部件，也就是所謂的計算機硬件。根據(jù)分析調(diào)查得出，現(xiàn)階段，計算機硬件發(fā)生的安全問題基本上可以分為三種，相應的，產(chǎn)生問題的原因也大概能分為三種，包括輸入設備、儲存介質、輸出設備。首先，就輸入設備來說，以它為源頭產(chǎn)生的計算機硬件安全問題大致有兩種，一種是所輸入的信息資料、數(shù)據(jù)資料存在問題引發(fā)安全威脅，一般情況下發(fā)生這種情況是因為輸入的信息存在木馬病毒，從而導致計算機系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)安全受到一定程度的威脅。另一種是在輸入過程中沒有依法進行運作而造成安全問題爆發(fā)，一般情況下發(fā)生這種情況都會導致計算機內(nèi)部信息數(shù)據(jù)被破壞與泄露，后果嚴重。其次，就儲存介質來說，以它為源頭產(chǎn)生的安全問題主要是計算機系統(tǒng)內(nèi)部的儲存介質沒有給信息資料、數(shù)據(jù)資料提供安全保障，安全保護層沒有搭建起來就會導致信息數(shù)據(jù)在面臨被破壞以及非法拷貝時毫無抵擋之力。最后，就輸出設備來說，以它為源頭產(chǎn)生的計算機硬件安全問題主要是輸出設備自身具備的記憶性能會導致信息數(shù)據(jù)輸出時的操作動作留下痕跡被復制下來，這在一定程度上使得信息數(shù)據(jù)處于危險狀態(tài)下。
3計算機硬件的設計安全分析
在信息時代迅猛發(fā)展的潮流下，計算機硬件設計安全問題逐步顯現(xiàn)出來，相應解決這些安全問題的方案也逐漸被提出來，其中有一些新興安全方案設計精妙，實用性高，并且成本不高、功耗不高，這類新興安全方案的主要代表有設計多樣性以及獨特數(shù)字簽名等。除此之外，在新興安全方案出現(xiàn)的同時還有一大批新興技術產(chǎn)生，如納米技術、光纖技術、射頻互聯(lián)技術以及等離子技術等，新興技術的出現(xiàn)使得新興安全方案發(fā)揮出更大的作用，但是任何事物都有兩面性，內(nèi)在變異有好的一面也有壞的一面，它能夠使得檢測惡意攻擊行為的復雜程度大大提升[1]?，F(xiàn)階段已普及使用的硬件系統(tǒng)主要有新的安全原語設置、硬件木馬檢測、新型綜合技術、物理不可復制技術、硬件安全協(xié)議等。
3.1硬件木馬
根據(jù)上述可知硬件木馬檢測已被普遍應用于計算機，硬件木馬與病毒相似，都會對計算機硬件、計算機系統(tǒng)安全造成威脅，是一種較為惡意的程序，這一惡意程序主要針對的是計算機原始芯片，它會惡意改變原始芯片。盡管在現(xiàn)階段看來僅有少部分硬件木馬被發(fā)現(xiàn)，但是由于硬件木馬對計算機硬件、計算機系統(tǒng)安全影響程度很大，所以現(xiàn)階段大部分有關研究人員都積極對硬件木馬進行研究。研究人員在研究過程中選用的研究模型有很多種，所以每個研究人員研究的難易程度不同，普遍情況下，那些過于標準規(guī)范的結構以及性能檢測無法有效檢測木馬攻擊。如果將工程變異忽略不計，那么檢測木馬的工作實際上就是針對一截輸入序列的有關功耗進行測量，主要測量的功耗有兩個方面，一方面是開關功耗，另一方面是泄漏功耗，然后將測量結果與研究所用的模擬模型進行對比。但是，之前忽略不計的工程變異對于硬件木馬的檢測工作來說，使得檢測工作的困難程度以及復雜程度大幅度加大。若在不是關鍵的路徑上安放木馬，或者讓已有的門電路和硬件木馬連接在一起并且將其隱藏起來，會使得硬件木馬檢測工作難度、復雜度加大，這時對硬件結構或者對旁道進行的檢測都無法達到預期效果。在近期又有新的檢測方法被提出，它們能夠避免前面提到的傳統(tǒng)檢測方法的弊端進行木馬檢測，如熱調(diào)節(jié)技術。硬件木馬檢測方法仍在不斷被提出，這對計算機硬件設計安全具有很大的意義。
3.2物理不可復制技術
計算機硬件設計安全發(fā)展至今普遍被研究的還有一個課題就是物理不可復制技術，物理不可復制技術是一個新興的比較新的概念，物理不可復制技術前景廣闊，它能夠提供一組特殊的映射，該映射與芯片的制造工藝間存在依存關系，這種映射的方向是從輸入開始到輸出結束。其實物理不可復制技術采用數(shù)學或者是統(tǒng)計的方式實現(xiàn)逆向工程是很難的，這正是由于物理不可復制技術中存在的依存關系，除此之外，芯片的映射還存在不可預測的問題，這也使得實現(xiàn)逆向工程變得更加困難。現(xiàn)階段，隨著對計算機硬件設計安全問題以及物理不可復制技術的研究深入，越來越多的物理不可復制技術被研究人員提出，并加以試驗，最終成功實現(xiàn)，然而，在很多現(xiàn)在被提出的物理不可復制技術方案里，仍舊存在輸入到輸出的映射數(shù)量有限、芯片結構存在線性或者偏低非線性特性等問題，這些問題使得物理不可復制技術的安全水平大幅度降低[2]。通常情況下我們所知道的物理不可復制技術的結構都或多或少存在一部分弊端，例如輸入到輸出數(shù)據(jù)庫的指數(shù)級不穩(wěn)定時常變化。物理不可復制技術中有一種是公開物理不可復制技術，它是一種能夠輕易被反向工程的特殊物理不可復制技術，能夠制造出一種剛剛興起的加密系統(tǒng)，這種系統(tǒng)被叫做非對稱加密系統(tǒng)。這種非對稱加密系統(tǒng)里，相應的加密和解密密鑰是不一樣的。非對稱加密技術中，加密密鑰和解密密鑰不相同。在很多種狀態(tài)下，需要像物理不可復制技術或者公開物理不可復制技術以某種方式集成到設備電路的安全原語，有很多方式能夠實現(xiàn)集成。
4計算機硬件設計安全的策略
4.1做好內(nèi)置安全確認工作
想要很好保證計算機硬件設計安全，第一個需要做的事情就是做好內(nèi)置安全確認工作，內(nèi)置安全確認工作重點是在測試和制造計算機芯片時使用物理不可復制技術和外延平面集成電路技術以電路設計形式來保護硬件網(wǎng)絡之間互聯(lián)的協(xié)議也就是IP。那么怎樣來進行內(nèi)置安全確認工作呢？計算機硬件內(nèi)置安全確認工作、保護工作的程序大概是下面的幾步，首先，使用物理不可復制技術將最初設計好的集成電路在集成電路制造工廠中進行制造，在制造后能夠獲得一種發(fā)生變異的公開物理不可復制技術序列，再通過電子設計自動化工具進行編譯工作，從而能夠得到新的產(chǎn)物也就是物理版圖，把前面已獲得的公開物理不可復制技術序列和已經(jīng)過加密處理的集成電路信息進行合成然后得到校驗密鑰，接下來就在剛剛得到的集成電路的物理版圖中挑選關鍵區(qū)域，把校驗密鑰進行加密處理后得到驗證模塊，隨后把驗證模塊加在最初設計好的已形成保護層的集成電路的物理版圖上，最后將其應用到集成電路產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中[3]，從而就完成了內(nèi)置安全保護工作。有關工作者通過對內(nèi)置安全保護工作的了解和認識能夠更好進行內(nèi)置安全確認工作，從而更好保障了計算機硬件設計安全。
4.2檢測外置輔助安全
想要更好改善現(xiàn)存的計算機硬件設計安全問題還需要采取的策略就是做好外置輔助安全檢測工作?，F(xiàn)階段，大多數(shù)都會使用可靠性R、可用性A、可維修性S3個指標也就是RAS技術來進行對外置輔助安全的檢測工作，與此同時，外置輔助安全檢測工作還要依賴可以信任的密鑰關機部門制造公開密鑰以及私用密鑰，其中公開密鑰一般是被把信息數(shù)據(jù)進行加密然后保存在電路里面，而私用密鑰一般被安置在用于檢測外置輔助安全的密鑰儲存器內(nèi)。
4.3研發(fā)時注重安全設計
計算機硬件設計安全問題是多方面存在的，所以在進行計算機安全設計的整個過程里不僅僅需要加強對技術領域的監(jiān)管檢測，還需要關注多方面，避免因為設計方案、設計想法、設計工作者以及實施工作時的重點這些因素產(chǎn)生計算機硬件設計安全問題。除此之外，現(xiàn)階段存在的一個問題是計算機硬件的設計研發(fā)工作者不夠了解計算機硬件，認識計算機硬件的程度不深，所以還需要提高他們對計算機硬件的了解與認識，與此同時，還需要更加注重計算機硬件的設計安全功能[4]?？傊?，在設計研發(fā)中要注意內(nèi)置以及外置，搞好設計安全，制定計算機硬件設計安全檢測制度以及相關檢測程序，除此之外，還要注意評估輸入設備、儲存介質與輸出設備，以便發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。
4.4注重創(chuàng)新技術
計算機硬件設計安全問題的出現(xiàn)追根究底還是由于相關技術水平還有待提高，在目前來看無法適應時代的進步，所以，想要解決計算機硬件設計安全問題重點需要注意創(chuàng)新技術，進一步完善計算機硬件的安全設計技術。
5結語
綜上所述，計算機硬件設計安全問題需要引起設計人員、研究人員、使用人士的廣泛注意，不可以忽略問題、輕視問題，要敢于面對問題并采取正確的方式，研究更為有效的技術來解決問題，保證計算機硬件設計安全，保護計算機系統(tǒng)內(nèi)部的信息數(shù)據(jù)。
作者：唐淑珍 單位：天津市靜海區(qū)醫(yī)院
【摘要】科學技術的發(fā)展離不開計算機硬件的發(fā)展，EDA技術的發(fā)展為計算機硬件的設計提供了全新的解決思路，以一種高效、快速、便于調(diào)試的方式，提升了計算機硬件的發(fā)展水平。本文簡單介紹了EDA技術，并以UART的設計和實現(xiàn)為例，闡述了EDA技術在計算機硬件設計方面的應用。
【關鍵詞】計算機硬件設計；EDA技術；實踐分析
前言
電子設計從手工設計逐步走向了自動化設計，它的發(fā)展以EDA技術的發(fā)展為主要標志。EDA技術以計算機為操作工具，融合了最新的應用電子技術、計算機技術和智能化技術的成果，并且將設計人員從繁重且重復的勞動中解脫出來，使得電子產(chǎn)品的設計效率提升了。
1EDA技術概述
1.1EDA技術的基本內(nèi)容
在沒有EDA技術的時代，計算機硬件的設計需要通過人工手動完成集成電路的設計、布線等工作。而隨著集成線路復雜程度的增加，基于手工的設計方式已經(jīng)無法滿足工作需求。因而人們開始尋求一種更為高效的硬件設計方式。EDA技術的誕生，成功改變了這一情況。它以計算機為操作工具，讓學生可以在軟件平臺上，通過軟件化的設計方式來描述計算機硬件。由計算機代替人工完成邏輯編譯、優(yōu)化、布線、仿真等工作。整個過程是自動的，直到能夠完成對既定芯片的適配編譯、邏輯映射和編程下載等工作[1]。
1.2一般設計流程
它創(chuàng)新性的顛覆了傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的設計方式。將設計的順序從由下至上翻轉過來。這使得硬件設計者能夠從更為宏觀的角度去掌控產(chǎn)品的開發(fā)。包括設計的質量、成本、功能需求、研發(fā)周期等。在擁有比較全面的宏觀分析后，從系統(tǒng)設計出發(fā)，進行頂層功能模塊的解構和劃分。并能夠按照方框圖系統(tǒng)級的次序逐級完成仿真糾錯和驗證。從而能夠使設計問題更早的被凸顯出來。當所有的仿真和驗證確認無誤后，再用邏輯綜合優(yōu)化工具的門級邏輯電路的網(wǎng)表來實現(xiàn)硬件的物理級呈現(xiàn)。通過該項技術的應用，將設計者的設計強度減輕，僅需要通過軟件平臺，就可以實現(xiàn)硬件的電路設計和功能仿真。整體的設計效率被大幅度提升。硬件設計流程如圖1所示：
2基于EDA技術的計算機硬件設計的實踐探究
本文以可編程器件開發(fā)工具MAX+PLUSⅡ為開發(fā)平臺設計，它的運行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中。同時該開發(fā)平臺具備十分完整的可編程邏輯設計環(huán)境，能夠完成從指標設計、輸入、編輯綜合處理、校驗直至編程下載的EDA設計的全過程。設計者可以按工作流程選用工作模塊。適用于多平臺操作，是一種理想的開發(fā)平臺。本部分就計算機的基本硬件之一通用異步收發(fā)傳輸器基于EDA技術的設計實現(xiàn)進行了簡要的闡述。
2.1UART的基本介紹
通用異步收發(fā)器（UART），是計算機中不可缺少的組成部分，它是一種短距離串行傳輸接口。能夠作為微機與下位機的通訊串口，來實現(xiàn)有效通訊。根據(jù)當前的計算機運行機制，需要進行數(shù)據(jù)的交換和傳輸。但是并行數(shù)據(jù)并不能夠直接發(fā)送到調(diào)至解調(diào)器中，而必須要經(jīng)過異步傳輸才能夠解決。UART就是此過程的必要部件。它將信息有序的發(fā)送到調(diào)制解調(diào)器中，實現(xiàn)計算機的正常運轉。
2.2硬件設計
在進行硬件設計時，考慮各項功能模塊的調(diào)試工作，設置了三個按鍵輸入來實現(xiàn)UART的復位、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)功能的啟動。整體硬件結構如圖2所示。
2.3模塊設計
（1）基本設計思路UART在工作中主要涉及兩個過程，發(fā)生和接收。在設計時，考慮模塊化的方式來進行設計。發(fā)生的過程即并行數(shù)據(jù)的準備階段，UART按照既定的格式，將信號進行轉換。在此過程中涉及到關鍵的時鐘信號。需要通過波特率發(fā)生器來產(chǎn)生與本地系統(tǒng)同步的時鐘信號。而接收的過程，就是在信號轉換成RXD串行信號后，轉換成調(diào)制解調(diào)器需要的并行數(shù)據(jù)信號。在整個進程中，由于本地時鐘信號與UART的時鐘信號會產(chǎn)生一定的延遲和誤差。當這種誤差產(chǎn)生持續(xù)性的積累時，會產(chǎn)生接收偏差。使得UARD的功能不能夠被順利的實現(xiàn)。因此，在進行設計時，需要采用一個遠遠高于波特率的本地時鐘信號對輸入信號RXD不斷地采樣，來保持工作過程中UARTDE接收和發(fā)生不會出現(xiàn)步調(diào)不一致。（2）奇偶校驗位發(fā)生器模塊設計奇偶校驗是一種校驗代碼傳輸正確性的方法，以保證串行數(shù)據(jù)的準確性。在基于EDA技術進行UART奇偶校驗位發(fā)生器設計需要考慮幾個關鍵點。一是該模塊能夠執(zhí)行奇偶校驗規(guī)則，正確的選擇數(shù)據(jù)。從而實現(xiàn)系統(tǒng)既定二進制數(shù)據(jù)與輸入的串行數(shù)據(jù)校驗位的合理比較。驗證輸入的正確性。二是該模塊必須要滿足計算機功能的持續(xù)拓展性。在計算機工作中，會產(chǎn)生不確定的并行校驗位的增加。那么該模塊應該能在后續(xù)定義的規(guī)則基礎上進行校驗位的添加。對已經(jīng)設計完成的奇偶校驗位發(fā)生器模塊采用EDA的工具mod-elsim12.0進行功能的仿真，對仿真結果進行詳細的分析，以確保所有期望的功能都已經(jīng)實現(xiàn)，對于發(fā)生問題的地方及時進行修訂。（3）波特率發(fā)生器模塊設計此模塊的主要功能就是能夠根據(jù)時鐘的頻率和既定的波特率來計算出波特分頻因子。分頻因子就是分頻數(shù)。對于波特率發(fā)生器的系數(shù)一般在現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)時基本上是固定的，但是當實現(xiàn)出現(xiàn)變化時，波特發(fā)生器的系數(shù)就要發(fā)生改變。在UART中采用的是專用的芯片，使得波特率的改變變得比較困難，需要加上相應的接口來實現(xiàn)波特率的變動。在使用硬件描述語言的parameter語句（VerilogHDL）或者Generic語句（VDHL）就可以實現(xiàn)UART專用芯片的波特率的改變。那么就不需要通過后續(xù)的接口添加來改變系數(shù)，也就減少了設計和調(diào)試的難度。該發(fā)生器的分頻時鐘與波特時鐘的頻率比設置為16:1.那么信號采樣的準確性就會增高，使接收和發(fā)生保持在同一步調(diào)上[2]。（4）頂層模塊設計UART頂層模塊是硬件的綜合模塊。它涵蓋硬件中全部接口定義。主要是為了接收和發(fā)生與其他模塊的通訊和連接。若通用異步收發(fā)器的波特率為9600bit/s，分頻因子則為9600*16*2。運用EDA仿真軟件，在進行發(fā)送功能仿真時將能夠得到相應的仿真結果。對該模塊的仿真結果進行詳細分析的時候可以發(fā)現(xiàn)，等待發(fā)送的數(shù)據(jù)在接觸發(fā)生信號后，其串行信號發(fā)生了改變，由01010101001010101[3]。利用EDA技術進行UART的實際，能夠實現(xiàn)利異步串行通信功能，同時可以利用EDA仿真工具就功能模塊進行分別和整體的仿真校驗，解決了計算機硬件設計問題發(fā)現(xiàn)晚的劣勢，能夠在設計的過程中及時調(diào)整設計方案。
3結束語
EDA技術是計算機硬件設計向軟件化轉變的重要標志，它為計算機硬件設計提供了全新的思路。這種設計方式使得計算機的硬件設計具備可視性、直觀性，且可以在設計過程中進行實時的控制和調(diào)整，解決了復雜電路設計問題發(fā)現(xiàn)滯后的問題。
作者：景帆 單位：中煤科工集團西安研究院有限公司
【摘要】隨著我國信息化技術研發(fā)應用水平的不斷提高，電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈爆炸式，電子產(chǎn)品的市場功能持續(xù)擴展。就電子產(chǎn)品的設計而言，硬件設計作為重要組成部分，既要實現(xiàn)產(chǎn)品的基本性能，又要兼顧產(chǎn)品的使用效果，提升消費者的使用滿意度。做好硬件設計以提升產(chǎn)品實用性，對于電子產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展而言意義重大。本文首先就電子產(chǎn)品硬件設計進行概述，進而指出硬件設計的主要流程，最后提出了設計當中提升產(chǎn)品實用性應注意的方面以供參考。
【關鍵詞】電子產(chǎn)品；硬件設計；實用性；提升
在互聯(lián)網(wǎng)技術的推動下，電子產(chǎn)品在市場中的火爆程度越來越猛烈，電子產(chǎn)品作為信息交流的工具越來越成為當今社會的必須。我國電子產(chǎn)業(yè)作為成長速度最快的行業(yè)之一，其產(chǎn)品設計發(fā)揮的作用尤為突出。保證產(chǎn)品功能性的同時，突出產(chǎn)品的實用性，才能讓消費者更加滿意，積極追隨產(chǎn)品的更新迭代。電子產(chǎn)品硬件設計注重產(chǎn)品實用性，對于電子產(chǎn)業(yè)本身的長足發(fā)展十分關鍵。
1電子產(chǎn)品硬件設計概述
電子產(chǎn)品硬件設計即依據(jù)產(chǎn)品需求、基于規(guī)格和成本進行產(chǎn)品硬件設計，在滿足產(chǎn)品功能性和電磁輻射、可生產(chǎn)性的前提下，進而實現(xiàn)硬件產(chǎn)品設計完整性，以進入產(chǎn)品量產(chǎn)和銷售環(huán)節(jié)。對于電子企業(yè)而言，產(chǎn)品硬件設計尤為重要，產(chǎn)品設計承載的價值遠大于生產(chǎn)成本，產(chǎn)品銷售成本在設計成本上占據(jù)優(yōu)勢，則能夠在電子產(chǎn)品市場獲得更大的企業(yè)收益。硬件設計需追求信號完整性和產(chǎn)品散熱、功耗等方面的水平達標，保障產(chǎn)品多方面功能優(yōu)勢的前提下，追求省電環(huán)保，提高電源電路的效率，才能確保電子產(chǎn)品硬件設計不斷優(yōu)化以受到市場青睞［1］。
2電子產(chǎn)品硬件設計流程分析
2．1基于設計項目作前期分析準備
電子產(chǎn)品硬件設計之初需對硬件設計項目作前期的分析和準備。首先明確電子產(chǎn)品的功能需求，對各個功能模塊作劃分并對各自的實現(xiàn)電路進行設計和分布。其后對各電路所需的器件進行品牌選擇，確保產(chǎn)品質量與生命周期。設計電子電路方案并作驗證試驗，記錄試驗步驟和結果以確定項目的可行性，為下一步的功能模塊原理圖設計和硬件整體設計作好基礎。
2．2參考電路繪制功能模塊原理圖
完成項目設計前期分析準備工作后，為項目產(chǎn)品進行原理圖設計和繪制。依據(jù)功能模塊對電路所需元件、電路布置等進行繪制，于原理圖中明確功能塊，在功能塊之間以網(wǎng)絡標號作連接和分隔。完成功能模塊原理圖后，對整體原理圖作檢查分析，確保原理圖無錯誤和紕漏后，確定各個功能模塊元件封裝，即可進入下一步的設計環(huán)節(jié)。
2．3繪制
PCB圖并布局設置元器件經(jīng)過前幾項準備環(huán)節(jié)后，進入PCB圖的繪制環(huán)節(jié)。將原理圖中各個功能模塊的元件封裝導入到PCB圖當中，按照原理圖的連接關系對元件進行排列，確保相互之間的有序性，避免出現(xiàn)重疊和交錯現(xiàn)象。依據(jù)前期的項目設計需求，確定電路板的尺寸及固定方式，并以此作硬件元件布局，明確元器件位置，完成機械定位，注意布線的規(guī)范性，完成關鍵部位的電氣布置，滿足硬件功能塊的功能性［2］。
3電子產(chǎn)品硬件設計中產(chǎn)品實用性提升策略
3．1簡化調(diào)整機構設計，避免產(chǎn)品使用故障
電子產(chǎn)品實用性的表現(xiàn)之一便是產(chǎn)品使用流暢，故障發(fā)生率低，不影響消費者的正常使用。為此，在硬件設計中應當對調(diào)整機構的設計作相應簡化，避免設計中出現(xiàn)元件的磨損或者飄移造成產(chǎn)品故障的發(fā)生。如主要功能元器件易發(fā)生局部損耗，則在設計時可對其進行優(yōu)化設計，更換為拆卸方便的組合件，便于局部更換，也可在出現(xiàn)故障時快速調(diào)校和修復［3］。產(chǎn)品不易發(fā)生故障，產(chǎn)品實用性和使用體驗也就相應得到提升。
3．2權衡設計產(chǎn)品功能，強化產(chǎn)品可維修性
權衡設計產(chǎn)品的功能，對于產(chǎn)品可能出現(xiàn)的相似功能進行整合，或對不必要功能作相應的刪減，實現(xiàn)硬件體系的輕便和一體性。在達到功能需求的前提下，對產(chǎn)品層次進行簡化，減少組成單元數(shù)量，使得零件形狀得以簡化，方便產(chǎn)品的順暢運行。同時，追求產(chǎn)品外觀、操作和硬件設計的統(tǒng)一性，在確保產(chǎn)品外觀時尚和舒適操作體驗的前提下，又要確保產(chǎn)品的可維修性，既保證產(chǎn)品使用便捷又達到維修成本降低的目的。
3．3優(yōu)化電路功率設計，避免無用功率過大
電子產(chǎn)品電路功率設計予以優(yōu)化，盡可能減少無用功率設計，提高功率因素。在電子元器件的選擇上，通過計算該元器件在電路中的功耗，選擇合理的電子元器件。當該元器件上流過的電流比較大的時候，我們要保證這兩邊的壓差不要太大。元器件功耗得當，則產(chǎn)品使用中發(fā)熱問題將得到有效控制，對于用戶使用體驗而言將更加舒適。
4結語
電子產(chǎn)品在現(xiàn)代社會中的普及率越來越高，產(chǎn)品使用性能和體驗是否突出將直接決定了產(chǎn)品的市場表現(xiàn)。對于電子產(chǎn)品設計而言，關注硬件設計，突出硬件設計對于產(chǎn)品實用性的影響，并從調(diào)整機構設計、產(chǎn)品功能設計和電路功率設計等方面入手進行設計優(yōu)化，才能在滿足產(chǎn)品基本功能需求的同時實現(xiàn)產(chǎn)品實用性的提升。
作者：喬衛(wèi)杰 單位：河南輝煌科技股份有限公司
摘要：針對當前高職院校計算機硬件平臺中存在的不足，提出了一種基于云技術的計算機硬件實驗平臺的設計方法。分析了當前計算機硬件實驗平臺存在的不足，闡述了云技術在計算機硬件實驗平臺設計中的優(yōu)勢，有針對性地給出了云技術的計算機硬件實驗平臺的設計方案。該方案改變了傳統(tǒng)計算機硬件試驗平臺的實驗模式，能夠降低成本投入、提高實驗數(shù)據(jù)的安全性，具有重要的參考價值。
關鍵詞：云技術；計算機；實驗平臺
1概述
在高職計算機教學領域，人們對計算機教學信息化、智能化的需求也越來越高[1]，特別是在計算機硬件的教學中，不僅要對教學內(nèi)容進行創(chuàng)新，同時還要不斷加強教學基礎設施的建設，從而全面提高計算機教學的水平[2]。計算機硬件專業(yè)是一門實踐性很強的課程，學生只有通過實際操作實驗才能真正理解和掌握該課程的理論知識。因此，在計算機硬件教學中，計算機硬件實驗平臺的建設是重要的一部分[3]。一個技術先進、硬件設施完善的實驗平臺是學生快速學習計算機硬件知識的重要場所。當前，傳統(tǒng)的計算機硬件實驗平臺存在著維護難度大、安全性較低等不足，已經(jīng)越來越不能滿足計算機硬件教學的實際需要。為此，提出一種基于云技術的計算機硬件實驗平臺的設計方法。在計算機硬件實驗平臺的建設中引入云技術，以云技術為支撐，使學生能夠根據(jù)自身的實際需求獲取計算機硬件實驗平臺中的各類信息，從而提高了計算機硬件教學的水平。
2計算機硬件平臺的問題以及云技術的優(yōu)勢
2.1存在問題
當前階段，很多院校的計算機硬件實驗平臺已經(jīng)難以滿足計算機硬件教學的實際需求，其存在的問題主要體現(xiàn)在以下幾點：（1）維護難度大。當前，一個計算機實驗平臺經(jīng)常服務于多門專業(yè)或者課程，為了滿足不同專業(yè)或者課程的教學需要，維護人員經(jīng)常需要花大量的時間去安裝和更新各類軟件，從而極大地增加了計算機硬件平臺的使用成本。（2）安全性較低。計算機硬件實驗平臺在使用過程中會產(chǎn)生大量的實驗數(shù)據(jù)，同時U盤等移動存儲介質的使用也會使計算機硬件實驗平臺引入大量的計算機病毒。若僅依靠還原卡來防范病毒，不僅會清除各種實驗數(shù)據(jù)，同時也會清除各類軟件升級數(shù)據(jù)。因此，如何防范計算機病毒已經(jīng)成為計算機硬件實驗平臺建設中的一個重要課題。（3）軟件難以及時更新。在現(xiàn)有的教學模式下，計算機硬件實驗平臺中的軟件經(jīng)常需要手動更新，一些計算機考試軟件的運行也需要特殊的軟件才能運行。若準備時間較短，計算機硬件實驗平臺中的一些軟件就不能被及時更新，從而對相關計算機課程的考試計算造成影響。（4）實驗數(shù)據(jù)保存中的難題。學生知識水平往往存在著較大差異，為了滿足不同學生學習、實驗的連貫性，需要為學生保留一些實驗數(shù)據(jù)，在進行實驗數(shù)據(jù)拷貝的過程中，計算機病毒的防范又是個難題。
2.2云技術在計算機硬件實驗平臺中的優(yōu)勢
利用云技術對計算機硬件實驗平臺進行設計，具有以下顯著的優(yōu)勢：（1）降低了成本投入。由于所有的教學程序都是在云端運行的，用戶端無需更高的存儲空間或者處理器，同時可以省去光盤驅動器等配置，因此可以大幅度降低用戶端的投入。教師和學生在進行計算機硬件實驗中需要的所有服務都從云端獲取，學校僅需投入較低的云端接入設備即可。利用云技術能夠很好地滿足不同用戶對數(shù)據(jù)運算的需求。云技術既降低了硬件的投入成本，同時也降低了人工維護成本。利用云技術可以對實驗平臺中的每一臺用戶終端中的應用程序進行批量安裝和升級，節(jié)省了大量的時間。（2）提高了平臺的性能。利用云技術能夠使實驗平臺中的計算機避免占用程序和后臺運算能力，提高了用戶終端計算機的啟動速度和運算速度，從而使實驗平臺的整體性能得到大幅度提高。（3）安全性高。在計算機硬件的實驗平臺中，往往有多人共同使用同一臺設備，因此實驗數(shù)據(jù)難以有效保存，安全性較低。而利用云技術，只需一個賬號，就能安全的保存各類實驗數(shù)據(jù)，且?guī)缀鯖]有容量限制。本地實驗平臺無需保存任何實驗數(shù)據(jù)，因此不用擔心實驗數(shù)據(jù)被竊取、破壞或者病毒感染等。同時，即使實驗平臺中的系統(tǒng)崩潰，也不會影響實驗數(shù)據(jù)的安全性。因此，云技術能夠極大提高實驗數(shù)據(jù)的安全性。
3系統(tǒng)設計
計算機硬件實驗平臺設計的目的，就是為了使師生更好的利用現(xiàn)有的硬件資源和軟件資源，從而提高計算機硬件實驗平臺的效率，提高教學水平。因此，計算機硬件實驗平臺應該充分利用云技術等現(xiàn)有的IT技術，突破傳統(tǒng)的計算機硬件實驗室的觀念，最終將單純的計算機硬件實驗平臺轉變?yōu)楦鞣N計算機硬件教學資源與實驗相結合的實驗平臺。云技術的計算機硬件實驗平臺可分為云技術平臺部分、教學資源部分、信息系統(tǒng)部分等3個部分。
3.1云技術平臺
虛擬化技術是云技術中的一個重要分支，利用虛擬化技術能夠將所有可用的硬件資源組合成一個資源池，并將虛擬功能將資源池中的資源按照不同用戶的需求提供用戶。虛擬化是通過虛擬機實現(xiàn)的，虛擬機是一種封閉運行的軟件容器，在其內(nèi)部可以獨立運行操作系統(tǒng)和應用軟件，如同一臺真實的物理計算機。虛擬機包含自己的虛擬CPU、RAM存儲器和網(wǎng)絡接口NIC。云技術平臺的結構包括虛擬中心服務器、虛擬化操作系統(tǒng)、用戶端和數(shù)據(jù)庫等4部分構成。（1）虛擬中心服務器（vCenterServer）。中心服務器采用的是兩臺型號為曙光天闊A840r-G的服務器，其配置為兩路12核2.1GHzCPU、64GECCDDR31333Registered內(nèi)存、4個1TB2.5英寸的SAS硬盤、1塊雙口千兆網(wǎng)卡、1個雙口8GbFCI-E光纖HBA卡、1+1冗余電源模塊。利用虛擬化技術能夠將服務器中的處理器、內(nèi)存、硬盤及網(wǎng)絡資源等虛擬化為多臺虛擬機，虛擬機可從服務器中運行的ESX/ESXi獲取各類資源。硬盤陣列采用的是曙光DS600-F20，25塊2TBSATA硬盤能夠提供50T的存儲空間。（2）虛擬化操作系統(tǒng)（VMwarevSphere）。虛擬化操作系統(tǒng)至少存在于虛擬中心服務器中，在一臺高性能的服務器中安裝虛擬化操作系統(tǒng)，能夠為實驗平臺提供基本的數(shù)據(jù)服務，如訪問權限控制、提供個性化配置等功能。它能夠將所有硬件資源和網(wǎng)絡資源進行統(tǒng)一分配，使所有虛擬機共享資源。虛擬化操作系統(tǒng)的應用環(huán)境中需要必要的域環(huán)境。若域環(huán)境具備則可直接使用，否則必須搭建必要的域環(huán)境。（3）用戶終端（ViewClient）。師生用戶需要在物理機中通過用戶終端遠程訪問虛擬桌面，用戶終端是用戶與虛擬化操作系統(tǒng)進行交互操作的橋梁，因此可將其作為虛擬機的控制臺和虛擬操作系統(tǒng)的管理界面。（4）數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫的作用是對虛擬操作系統(tǒng)中所有的配置數(shù)據(jù)進行組織分配。系統(tǒng)管理界面（ViewComposer）必須與虛擬化操作系統(tǒng)安裝在同一個虛擬機中。
3.2教學資源
計算機硬件實驗平臺的教學資源包括計算機原理、匯編語言、接口技術、JavaEE課程、C/C+課程、以及其他實訓課程。實驗平臺設計的目的就是能夠將學生將理論與實踐融合在一起。平臺中的教學資源可作為軟件既服務（SAAS）部分，所有的計算機硬件教學資源都是以服務的形式提供給師生用戶用于實驗，也可以提供給國內(nèi)外其他院校使用。平臺中的教學資源都是計算機硬件方面理論與實踐相結合的資源，其核心是計算機硬件的實驗資源。將理論資源與實驗資源相結合用于計算機硬件的教學，能夠極大地提高教學質量。
3.3信息化系統(tǒng)
平臺中的信息化系統(tǒng)主要包括教學實驗、計算機實訓、實驗管理等3個子系統(tǒng)。教學實驗子系統(tǒng)負責計算機理論課與實驗課的教學；計算機實訓子系統(tǒng)負責對學生進行計算機硬件實際操作培訓；實驗管理子系統(tǒng)負責對整個計算機硬件教學過程和實驗過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行管理。信息化系統(tǒng)以WebService的數(shù)據(jù)格式為師生提供訪問接口，用于訪問3個子系統(tǒng)。實驗平臺中各類資源能夠同時服務于計算機硬件的理論教學、案例教學、學生實踐、實驗管理、教學質量評價等方面。
4結語
基于云技術的計算機硬件實驗平臺的設計，能夠降低各類高職院校計算機硬件實驗平臺的硬件成本和維護成本。實驗平臺中的軟件和操作系統(tǒng)的下載、更新等都可以通過網(wǎng)絡及時進行更新和維護，從而簡化了計算機硬件實驗平臺的管理工作。師生通過云技術的計算機硬件實驗平臺獲得個性化服務，為計算機硬件的教學提供了可靠的技術保障。
作者：王冠虎 單位：天津青年職業(yè)學院
摘要：分析了計算機硬件測試系統(tǒng)的設計規(guī)范，研究了各測試功能模塊的實現(xiàn)。
關鍵詞：計算機；硬件測試；設計與實現(xiàn)
引言
計算機硬件是計算機系統(tǒng)中各種物理裝置的總稱，并且按照系統(tǒng)結構的要求可以將其形成一個統(tǒng)一的有機體，從而有利于實現(xiàn)對計算機內(nèi)各種軟件正常運行的有效維護。因此，對數(shù)據(jù)和程序進行輸入和存儲，按照程序加工數(shù)據(jù)是計算機硬件的主要功能。
1計算機硬件測試系統(tǒng)的設計規(guī)范
1.1通用設計方面的要求1）基于XML文件對測試時間和次數(shù)等通用參數(shù)的支持，配置時所輸入的文件必須為該形式的文件，其中測試時間指的是測試所能夠持續(xù)的時長；測試次數(shù)則是在指定測試時間內(nèi)配置所完成的次數(shù)，每個測試所包括的不同可選測試項目的配置都是由XML文件指定的。2）每個測試工具只要是硬件相關，便都必須具備硬件顯示信息的基本功能，如硬件測試的廠商、端口號、型號以及驅動的版本等，以UI模塊的設計為準則實現(xiàn)對每個測試工具UI的設計。測試完成后，程序的返回值只有0與非0兩種情況，其中0代表的測試正常，非0則表示測試過程中程序出現(xiàn)自定義的錯誤。3）測試模塊需要設計成自動運行，即不要安裝任何軟件便可以自動運行，在同一目錄內(nèi)使用測試所需要的非Windows自庫文件和相關執(zhí)行程序。同時，編寫者在測試模塊要封裝成相關測試構件的形式。1.2文檔需求測試模塊在進行交付和驗收時需要提交完整的文檔：1）交檔的目錄需要經(jīng)過一定的交付流程；2）文檔在設計過程中會涉及到多種軟件的應用，如高層設計、組織結構、相關的文件關系圖、數(shù)據(jù)流圖以及流程圖等；3）代碼源程序，主要包括各種文件，如資源、程序代碼以及其他文件等；4）代碼所對應的各種程序設計文檔，函數(shù)和全局變量的說明、函數(shù)輸入輸出以及關鍵數(shù)據(jù)的結構等；5）編譯和使用過程中會用到相關的說明書，如各種執(zhí)行文件的編譯和生成、安裝包的部署和發(fā)行、測試模塊所使用的各種說明書以及要求Word和PDF所提供的各種格式以及眾多版本等。1.3測試構件測試構件是由運行測試機上眾多的個體模塊構成的，而測試模塊主要是每個單獨測試項目所需要的各種文件的集合體以及按照各種要求完成對相關文件和數(shù)據(jù)的配置，如對處理器、內(nèi)存以及硬盤的測試等。同時，在服務器或者PC等測試系統(tǒng)中，各種測試項目需要在同一個目錄內(nèi)進行集中統(tǒng)一的存放和管理。但是，測試構件可能是自行開發(fā)的也可能是集成第三方開發(fā)的，又或者是商業(yè)所集成的各種測試工具等。因此，測試構件構成的要求非常嚴格，不僅能夠直接運行各種執(zhí)行程序文件，支持和滿足第三方程序的執(zhí)行，將各種測試結果的數(shù)據(jù)收集起來經(jīng)過整理確保其格式的統(tǒng)一性，并且對于各種商業(yè)測試還能實現(xiàn)自動安裝以及完成相關的執(zhí)行處理操作等。1.4目錄結構定義測試流程是在測試構件中所引用的最小測試單位，但是如果測試程序是相同的，測試流程和參數(shù)不同，則生成的測試構件有很多個。但是這些測試構件所指的測試程序都是相同的，只是所包含的測試和數(shù)據(jù)配置有所不同。同時，測試構件在系統(tǒng)中是以目錄文件的形式存在的，其名稱的區(qū)分主要是目錄名。
2各測試功能模塊的實現(xiàn)
2.1處理器測試1）設計要求。處理器的測試往往分為功能和壓力測試，對功能的測試是對處理器廠商、型號、類別、當前運行的頻率、支持的指令集合以及標稱頻率的測試；壓力測試則是對單核和多核并行壓力的測試。2）總體設計功能的實現(xiàn)。一方面，可以顯示CPU的各種信息，鼠標相關信息的安裝，如驅動等，左右鍵的調(diào)換以及具體移動的數(shù)據(jù)；另一方面，還能測試CPU的速度。3）部分代碼實現(xiàn)。CPU速度測試的原理原本就十分簡單，即在規(guī)定時間內(nèi)統(tǒng)計和記錄CPU運行的次數(shù)以及變化情況，然后相應地計算出其具體的速度。本模塊的模型是對話框形式，通過對各控件變量進行一定的類向導映射，以及定義相關時間類，通過單擊相關事件按鈕便能夠測試速度的功能。另外，完成相應的測試之后，還會在相應的目錄下面生成result.txt文件，以此來對本次測試的相關信息進行記錄。2.2存儲器測試1）設計要求。硬盤是電腦重要的外部存儲器之一，不僅擁有超大的容量，并且運行速度非?？?，并且其作為機械部件的一種，指標非常多，尋道時間、主軸轉速都存在，單碟容量和內(nèi)部所傳輸?shù)乃俾适切阅芊矫娴闹饕w現(xiàn)。其中性能被限制主要與硬盤的子系統(tǒng)有關，雖然硬盤的外存很快，但是其速度相對于CPU內(nèi)存而言非常慢。另外，存儲器的測試主要包括對基本信息和讀寫的測試。2）總體設計。在Windows和Linux系統(tǒng)中都可以把設備當作相關的文件來操作，對于Windows系統(tǒng)而言，可以將串口1、2當作com1、2傳遞給CreateFile函數(shù)中，其中利用文件放路徑的形式將所需要進行訪問和操作的硬件設備全部指明是參數(shù)COM1和COM2的根本目的。這在一定程度上與所要訪問的串行端口十分相似，并且還能實現(xiàn)對磁盤扇區(qū)的訪問。值得注意的是硬盤操作的標識并不需要用disk1和disk2來標識?；谶壿嬌葏^(qū)在邏輯分區(qū)的上面，在對磁盤邏輯分區(qū)進行訪問的過程中需要指定某種特定的格式。3）算法實現(xiàn)。Windows磁盤本身具有相對較大的緩沖區(qū)，在讀取相關的磁盤數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)實際讀取數(shù)據(jù)的長度可能會比指定數(shù)據(jù)長，這樣的好處便是當你下次再讀取相關數(shù)據(jù)時，如果緩沖區(qū)保留了你所要讀取的數(shù)據(jù)，便不需要讀盤直接復制過去即可；在磁盤中寫入數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)會自動提醒你將數(shù)據(jù)復制到緩沖區(qū)，待寫入成功之后，系統(tǒng)后臺會逐漸在磁盤中寫入數(shù)據(jù)。若編寫程序時沒有對上述因素進行考慮，則所測試的結果可能并不準確。
3結語
本文通過對計算機硬件測試系統(tǒng)設計規(guī)范的探究，掌握其在通用設計、文檔、測試構件以及目錄結構方面的具體要求，在此基礎上從處理器和存儲器測試兩方面對各測試功能模塊的實現(xiàn)進行了深入的研究和分析。
作者：郝幸之 單位：江蘇無線電廠有限公司
