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硬件設(shè)計(jì)論文:淺談變電站綜合自動(dòng)化中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)研究

論文 關(guān)鍵詞　測(cè)控系統(tǒng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線型綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

論文摘要　測(cè)控系統(tǒng)在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中肩負(fù)著測(cè)量與控制任務(wù)，隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，變電站綜合自動(dòng)化對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的要求不斷提高。根據(jù)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路．對(duì)一種由總線組成的新型現(xiàn)場(chǎng)總線型測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

一、引言

變電站綜合自動(dòng)化是在微處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù) 發(fā)展 到一定程度的基礎(chǔ)上，為使變電站二次設(shè)備更合理、有效地運(yùn)行而提出的一種變電站自動(dòng)化模式。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)之外。更重要的是能實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)和保護(hù)。

二、變電站綜合自動(dòng)化中的測(cè)控系統(tǒng)的功能要求

(一)遙信功能。遙信功能通常用于測(cè)量下列信號(hào)開(kāi)關(guān)的位置信號(hào)、變壓器內(nèi)部故障綜合信號(hào)保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)、通信設(shè)備運(yùn)行狀況信號(hào)、調(diào)壓變壓器抽頭位置信號(hào)、自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和其它可提供繼電器方式輸出的信號(hào)事故總信號(hào)及裝置主電源停電信號(hào)等。

(　)j噩測(cè)功能。遙測(cè)功能常用于變壓器的有功和無(wú)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(hào)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(jí)升降功能的場(chǎng)合。

三、測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)研究

針對(duì)測(cè)控單元存在的不足之處．考慮到高壓、超高壓變電站的自動(dòng)化特點(diǎn)及變電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展對(duì)測(cè)控單元的要求，結(jié)合 電子 元器件發(fā)展、通信技術(shù)的進(jìn)步和其它新技術(shù)的出現(xiàn)，提出了新型線路測(cè)控單元的模塊化硬件設(shè)計(jì)方案。

線路單元測(cè)控裝置的硬件構(gòu)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(kāi)關(guān)、a／d轉(zhuǎn)換電路、頻率檢測(cè)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(jī)系列的第三代產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣泛的16位單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)：

1　廢除了cpu的累加器(acc)與算術(shù)邏輯運(yùn)算部件(alu)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了寄存器陣列／算術(shù)邏輯部件(ralu)。ooh－1ffh單元包含寄存器陣列、專(zhuān)用寄存器和256字節(jié)的附加ram。ooh—017h是專(zhuān)用寄存器區(qū)。018h—offh是寄存器陣列．可由ralu直接訪問(wèn)。iooh—1ffh是附加的256字節(jié)ram．這些ram通過(guò)“垂直寄存器窗”結(jié)構(gòu)，也可以作為寄存器由ralu直接訪問(wèn)，因而給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)很大方便。

2　特殊功能寄存器直接控制i／o口，實(shí)現(xiàn)了i／o口的高速輸入與高速輸出。四個(gè)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(shí)間(時(shí)鐘頻率為16mhz)；六個(gè)高速輸出口，可在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)外部電路。

3　兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器及四個(gè)軟件定時(shí)器可以很方便地為眾多的外部或內(nèi)部事件提供定時(shí)與計(jì)數(shù)功能。所謂軟件定時(shí)器就是對(duì)hso編程，可以按預(yù)定的時(shí)間產(chǎn)生中斷。

4　具有高速運(yùn)算處理器。80c196kc可以采用16eiz的晶振．其運(yùn)行速度比12mhz的90c196kb快33％，比12mhz的8096bh快1倍。

5　3路d／a轉(zhuǎn)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(jí)輸出。

6　有16位watchdog監(jiān)視定時(shí)器，用于監(jiān)視軟件運(yùn)行是否發(fā)生故障，當(dāng)系統(tǒng)由于干擾或其它擾動(dòng)導(dǎo)致軟件運(yùn)行紊亂時(shí)，它能夠使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

7　有高速數(shù)據(jù)交換能力。支持dma(直接存儲(chǔ)器存取)方式數(shù)據(jù)交換和pts方式數(shù)據(jù)交換。

(二)測(cè)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(chǔ)器eprom，64kbyte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram，16kbyte的存儲(chǔ)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(hào)轉(zhuǎn)化為+2.5ma的弱電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換．放大濾波變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入多路模擬開(kāi)關(guān)，在cpu的控制下依次a／d轉(zhuǎn)抉，將現(xiàn)場(chǎng)輸入的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，供cpu處理。頻率檢測(cè)模塊對(duì)輸入的交流正弦信號(hào)進(jìn)行整形變成主波信號(hào)，輸入cpu的高速輸入口，通過(guò)測(cè)量跳變的周期測(cè)量頻率及進(jìn)行頻率跟蹤。遙信、遙脈輸入光藕隔離電路完成信號(hào)變換及隔離功能，支持220v／110v／24v直流電壓信號(hào)輸入。鍵盤(pán)顯示模塊提供人機(jī)交互功能．采用薄膜鍵盤(pán)和帶背光的128*64的點(diǎn)陣式液晶．屏幕一屏可顯示16×8個(gè) 英文 字母或8×4個(gè)漢字。

為了滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需要，本裝置設(shè)計(jì)有5路通信接口：其中2路為冗余設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)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(guò)高速光藕進(jìn)行光電隔離。

在繼電器驅(qū)動(dòng)電路中采用了一些保護(hù)措施，防止在分合直流電源時(shí)引起邏輯電路紊亂而造成繼電器誤動(dòng)作，并在驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤。

硬件設(shè)計(jì)論文:變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器的硬件設(shè)計(jì)

摘要：變壓器的冷卻裝置是將變壓器在運(yùn)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(yùn)行。本文所進(jìn)行的主要核心部分就是對(duì)控制模塊進(jìn)行的設(shè)計(jì)，其中包括了可以對(duì)主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶(hù)的要求而變化。

關(guān)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(shè)計(jì)總體思想

本文所進(jìn)行的就是對(duì)變壓器冷卻控制系統(tǒng)控制器模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括了可以對(duì)主變壓器風(fēng)扇投入與切除的溫度范圍進(jìn)行自行設(shè)定，也可以按照用戶(hù)的要求而變化。在傳統(tǒng)控制方式中，風(fēng)扇投切的溫度限制值是不能改變的，此外，風(fēng)扇電機(jī)的啟動(dòng)和停止溫度有一余量，不像傳統(tǒng)的控制方式中是一個(gè)定值，避免了頻繁啟動(dòng)的缺陷，此外還有運(yùn)行、故障保護(hù)及報(bào)警等信號(hào)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(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)有無(wú)故障等。至于風(fēng)扇的分組投切設(shè)置是為了節(jié)約電能，具有一定的 經(jīng)濟(jì) 意義，但這個(gè)分組數(shù)不宜過(guò)多，以免控制復(fù)雜，且散熱效果不佳。

控制器主要由at89cs1單片機(jī)、a/d轉(zhuǎn)換器、鍵盤(pán)控制芯片，輸出模塊、通訊模塊以及自動(dòng)復(fù)位電路等組成，其中單片機(jī)是控制器的核心，aid轉(zhuǎn)換器是把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。

2變壓器風(fēng)扇控制系統(tǒng)的硬件接線

基于以上的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)的風(fēng)扇控制器的硬件線路圖如下頁(yè)圖1所示。變壓器風(fēng)扇控制中對(duì)控制模塊進(jìn)行改進(jìn)是本文研究的重點(diǎn)，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(diǎn)將要介紹變壓器風(fēng)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(jī)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(jī)，具有8k的flash可編程只讀存儲(chǔ)器，它采用atmel公司的高密度不易丟失的存儲(chǔ)器技術(shù)，并且和 工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器可以在系統(tǒng)或者通用的非易失性的存儲(chǔ)器編程中進(jìn)行重新編程。at89c51集成了一個(gè)8位的cpu， 8k的flash。256字節(jié)的edam， 32位的i/0總線。三個(gè)16字節(jié)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，兩級(jí)六中段結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工的串行口，振蕩器及時(shí)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?yàn)槠浞?wù)。

在本文中，經(jīng)過(guò)tlc 1543 a/d轉(zhuǎn)換器后輸出的數(shù)字量輸入到at89c51單片機(jī)中，同時(shí)在進(jìn)行了溫度參數(shù)的設(shè)置以后，進(jìn)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(bào)警設(shè)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(fēng)扇冷卻自動(dòng)控制系統(tǒng)中，第一步進(jìn)行的就是對(duì)變壓器上層油溫進(jìn)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中包括鉑電極、傳感器以及變送器。經(jīng)過(guò)溫度控制器輸出的信號(hào)進(jìn)入變送器，變送器送出一個(gè)4一20毫安的電流信號(hào)，然后將此電流信號(hào)通過(guò)控制芯片上的電阻元件實(shí)現(xiàn)電流電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的電壓是在0.4一2（伏特）之間，然后將此電壓信號(hào)輸入到tlc 1543數(shù)模轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行信號(hào)處理。變送器輸出信號(hào)有電流和電壓信號(hào)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(hào)不易損失，故選擇了4一20毫安的電流信號(hào)。

（3）11通道10位串行a/d轉(zhuǎn)換器丁lc1543。

tlc1543 a/d轉(zhuǎn)換器是美國(guó)ti公司生產(chǎn)的眾多串行a/d轉(zhuǎn)換器中的一種，它具有輸入通道多、轉(zhuǎn)換精度高、傳輸速度快、使用靈活和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種高性?xún)r(jià)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。tlc 1543是cmos，10位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它有三個(gè)輸入端和一個(gè)3態(tài)輸出端：片選（cs），輸入/輸出時(shí)鐘（i/0 clock），地址輸入和數(shù)據(jù)輸出（dataout）。這樣通過(guò)一個(gè)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(gè)輸入中的任何一個(gè)三個(gè)內(nèi)部自測(cè)試（self-test）電壓中的一個(gè)。

（4）bc7281 128段led顯示及64鍵鍵盤(pán)控制芯片。

bc7281是16位led數(shù)碼管顯示器鍵盤(pán)接口專(zhuān)用控制芯片，通過(guò)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(dú)立的led。 bc7281的驅(qū)動(dòng)輸出極性及輸出時(shí)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(dú)立按不同的譯碼方式譯碼或不譯碼顯示，譯碼方式顯示時(shí)小數(shù)點(diǎn)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(shí)改變閃爍速度。

bc7281芯片可以連接最多64鍵c8*8）的鍵盤(pán)矩陣，內(nèi)部具有去抖動(dòng)功能。它的鍵盤(pán)具有兩種工作模式，bc7281內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)特殊（控制）寄存器，所有的操作均通過(guò)對(duì)這26個(gè)寄存器的訪問(wèn)完成。

bc7281采用高速二線接口與mcu進(jìn)行通訊，只占用很少的i/o資源和主機(jī)時(shí)間。

bc7281在本系統(tǒng)中主要用于驅(qū)動(dòng)變壓器溫度顯示的led以及顯示風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)的指示燈。

前已提及，bc7281芯片內(nèi)部共有26個(gè)寄存器，包括16個(gè)顯示寄存器和10個(gè)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(shí)現(xiàn)與pc機(jī)的通訊。

①max232芯片簡(jiǎn)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(gè)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(shè)計(jì)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(jī)的rd，rl工n接pc機(jī)的td1。因?yàn)閙ax232具有驅(qū)動(dòng)能力，所以不需要外加驅(qū)動(dòng)電路。

系統(tǒng)中使用了此技術(shù)之后就實(shí)現(xiàn)了變壓器風(fēng)扇冷卻系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，工作人員可以在控制室對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以達(dá)到方便、準(zhǔn)確、快捷的日的，這也是我們對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)扇冷卻控制系統(tǒng)而做的一個(gè)重要的改進(jìn)。

②串行通訊

在此實(shí)現(xiàn)中，我們必須要對(duì)mcs-51串行接日和pc機(jī)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(gè)二進(jìn)制位移動(dòng)的，它的優(yōu)點(diǎn)是只需一對(duì)傳輸線進(jìn)行傳送信息，囚此其成本低，適用于遠(yuǎn)即離通信；它的缺點(diǎn)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(fù)雜；而異步通信應(yīng)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(mén)狗”電路ds1232

在系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，為了避免因干擾或其他意外出現(xiàn)的運(yùn)行中的死機(jī)的情況，“看門(mén)狗電路”ds1232會(huì)自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位，并且能夠重讀eeprom中的設(shè)置，以保證系統(tǒng)可以安全正常的運(yùn)行。

美國(guó)dallas公司生產(chǎn)的“看門(mén)狗”（watchdog）集成電路ds1232具有性能可靠、使用簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的特點(diǎn)，應(yīng)用在單片機(jī)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(diǎn)：

①具有8腳dip封裝和16腳soic貼片封裝兩種形式，可以滿(mǎn)足不同設(shè)計(jì)要求；

②在微處理器失控狀態(tài)卜可以停止和重新啟動(dòng)微處理器；

③微處理器掉電或電源電壓瞬變時(shí)可自動(dòng)復(fù)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(shí)器來(lái)起到自動(dòng)復(fù)位的作用，在ds1232內(nèi)部集成有看門(mén)狗定時(shí)器，當(dāng)ds1232的st端在設(shè)置的周期時(shí)間內(nèi)沒(méi)有有效信號(hào)到來(lái)時(shí)，ds1232的rsr端將產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)以強(qiáng)迫微處理器復(fù)位。這一功能對(duì)于防止由于干擾等原因造成的微處理器死機(jī)是非常有效的，因?yàn)榭撮T(mén)狗定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間由ds1232的td引腳確定，在本設(shè)計(jì)中，我們將其td引腳與地相接，所以定時(shí)時(shí)間一般取為150ms。

3結(jié)論

本裝置實(shí)現(xiàn)了通過(guò)單片機(jī)自動(dòng)控制冷卻器的各種運(yùn)行狀態(tài)并能精確監(jiān)測(cè)變壓器的油溫和冷卻器的各種運(yùn)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?qū)ψ儔浩饔蜏剡M(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制；（2）實(shí)現(xiàn)了變壓器冷卻器依據(jù)不同油溫的分組投切，延長(zhǎng)了冷卻器的使用壽命，有較好的 經(jīng)濟(jì) 意義； （3）實(shí)現(xiàn)了冷卻系統(tǒng)的各種狀況，如油溫、風(fēng)扇投切和故障等信息的上傳，便于值班員、調(diào)度員隨時(shí)掌握情況。

由于固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)了變壓器的無(wú)觸點(diǎn)控制，解決了傳統(tǒng)的控制回路的弊端，同時(shí)此控制裝置具有電機(jī)回路斷相與過(guò)載的保護(hù)功能。由于使用了單片機(jī)，因而具有一定的智能特征，實(shí)現(xiàn)了油溫、風(fēng)扇的投入、退出和故障等信號(hào)的顯示以及上傳等。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行表明，該裝置的研制是比較成功的。但今后，我們還應(yīng)該對(duì)固態(tài)繼電器本身的保護(hù)進(jìn)行一些研究，以免主回路因電流過(guò)大而造成固態(tài)繼電器的損壞，以使變壓器風(fēng)扇冷卻控制回路更加完善。

硬件設(shè)計(jì)論文:淺談變電站綜合自動(dòng)化中監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)研究

論文關(guān)鍵詞　測(cè)控系統(tǒng)總線現(xiàn)場(chǎng)總線型綜合自動(dòng)化系統(tǒng)

論文摘要　測(cè)控系統(tǒng)在變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中肩負(fù)著測(cè)量與控制任務(wù)，隨著電網(wǎng)電壓等級(jí)的提高，變電站綜合自動(dòng)化對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的要求不斷提高。根據(jù)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路．對(duì)一種由總線組成的新型現(xiàn)場(chǎng)總線型測(cè)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

一、引言

變電站綜合自動(dòng)化是在微處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和遠(yuǎn)動(dòng)技術(shù)發(fā)展到一定程度的基礎(chǔ)上，為使變電站二次設(shè)備更合理、有效地運(yùn)行而提出的一種變電站自動(dòng)化模式。變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)除了實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)之外。更重要的是能實(shí)現(xiàn)當(dāng)?shù)睾瓦h(yuǎn)方對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控、調(diào)節(jié)和保護(hù)。

二、變電站綜合自動(dòng)化中的測(cè)控系統(tǒng)的功能要求

(一)遙信功能。遙信功能通常用于測(cè)量下列信號(hào)開(kāi)關(guān)的位置信號(hào)、變壓器內(nèi)部故障綜合信號(hào)保護(hù)裝置的動(dòng)作信號(hào)、通信設(shè)備運(yùn)行狀況信號(hào)、調(diào)壓變壓器抽頭位置信號(hào)、自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)和其它可提供繼電器方式輸出的信號(hào)事故總信號(hào)及裝置主電源停電信號(hào)等。

(　)j噩測(cè)功能。遙測(cè)功能常用于變壓器的有功和無(wú)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(hào)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(jí)升降功能的場(chǎng)合。

三、測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)研究

針對(duì)測(cè)控單元存在的不足之處．考慮到高壓、超高壓變電站的自動(dòng)化特點(diǎn)及變電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展對(duì)測(cè)控單元的要求，結(jié)合電子元器件發(fā)展、通信技術(shù)的進(jìn)步和其它新技術(shù)的出現(xiàn)，提出了新型線路測(cè)控單元的模塊化硬件設(shè)計(jì)方案。

線路單元測(cè)控裝置的硬件構(gòu)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(kāi)關(guān)、a／d轉(zhuǎn)換電路、頻率檢測(cè)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(jī)系列的第三代產(chǎn)品，是目前應(yīng)用最廣泛的16位單片機(jī)，具有以下特點(diǎn)：

1　廢除了cpu的累加器(acc)與算術(shù)邏輯運(yùn)算部件(alu)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用了寄存器陣列／算術(shù)邏輯部件(ralu)。ooh－1ffh單元包含寄存器陣列、專(zhuān)用寄存器和256字節(jié)的附加ram。ooh—017h是專(zhuān)用寄存器區(qū)。018h—offh是寄存器陣列．可由ralu直接訪問(wèn)。iooh—1ffh是附加的256字節(jié)ram．這些ram通過(guò)“垂直寄存器窗”結(jié)構(gòu)，也可以作為寄存器由ralu直接訪問(wèn)，因而給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)很大方便。

2　特殊功能寄存器直接控制i／o口，實(shí)現(xiàn)了i／o口的高速輸入與高速輸出。四個(gè)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(shí)間(時(shí)鐘頻率為16mhz)；六個(gè)高速輸出口，可在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)觸發(fā)外部電路。

3　兩個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器及四個(gè)軟件定時(shí)器可以很方便地為眾多的外部或內(nèi)部事件提供定時(shí)與計(jì)數(shù)功能。所謂軟件定時(shí)器就是對(duì)hso編程，可以按預(yù)定的時(shí)間產(chǎn)生中斷。

4　具有高速運(yùn)算處理器。80c196kc可以采用16eiz的晶振．其運(yùn)行速度比12mhz的90c196kb快33％，比12mhz的8096bh快1倍。

5　3路d／a轉(zhuǎn)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(jí)輸出。

6　有16位watchdog監(jiān)視定時(shí)器，用于監(jiān)視軟件運(yùn)行是否發(fā)生故障，當(dāng)系統(tǒng)由于干擾或其它擾動(dòng)導(dǎo)致軟件運(yùn)行紊亂時(shí)，它能夠使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

7　有高速數(shù)據(jù)交換能力。支持dma(直接存儲(chǔ)器存取)方式數(shù)據(jù)交換和pts方式數(shù)據(jù)交換。

(二)測(cè)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(chǔ)器eprom，64kbyte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ram，16kbyte的存儲(chǔ)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(hào)轉(zhuǎn)化為+2.5ma的弱電信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)變換．放大濾波變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入多路模擬開(kāi)關(guān)，在cpu的控制下依次a／d轉(zhuǎn)抉，將現(xiàn)場(chǎng)輸入的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量，供cpu處理。頻率檢測(cè)模塊對(duì)輸入的交流正弦信號(hào)進(jìn)行整形變成主波信號(hào)，輸入cpu的高速輸入口，通過(guò)測(cè)量跳變的周期測(cè)量頻率及進(jìn)行頻率跟蹤。遙信、遙脈輸入光藕隔離電路完成信號(hào)變換及隔離功能，支持220v／110v／24v直流電壓信號(hào)輸入。鍵盤(pán)顯示模塊提供人機(jī)交互功能．采用薄膜鍵盤(pán)和帶背光的128*64的點(diǎn)陣式液晶．屏幕一屏可顯示16×8個(gè)英文字母或8×4個(gè)漢字。

為了滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需要，本裝置設(shè)計(jì)有5路通信接口：其中2路為冗余設(shè)計(jì)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(shè)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(shè)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(guò)高速光藕進(jìn)行光電隔離。

在繼電器驅(qū)動(dòng)電路中采用了一些保護(hù)措施，防止在分合直流電源時(shí)引起邏輯電路紊亂而造成繼電器誤動(dòng)作，并在驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤。

硬件設(shè)計(jì)論文:鍋爐自動(dòng)控溫給水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

【內(nèi)容摘要】本文重點(diǎn)研究了基于STC89C52RC單片機(jī)的鍋爐自動(dòng)控溫給水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)的功能有溫度控制、液位控制、語(yǔ)音播報(bào)等。其中鍋爐液位檢測(cè)和溫度檢測(cè)控制通過(guò)單片機(jī)來(lái)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(guān)鍵詞】STC89C52單片機(jī);液位控制;溫度控制;語(yǔ)音報(bào)警

在現(xiàn)代社會(huì)中，居民區(qū)熱力供應(yīng)量、需求量越來(lái)越大，國(guó)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(duì)操作、控制過(guò)程嚴(yán)格要求，都有利于緩解熱力供應(yīng)壓力。與此同時(shí)，對(duì)于鍋爐液位和溫度的精確控制是關(guān)系到人們自身和設(shè)備安全的重要問(wèn)題。由于被控對(duì)象和過(guò)程的非線性、時(shí)變性，多參數(shù)間的強(qiáng)耦合、隨機(jī)干擾等因素，使得建立被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)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(wú)法實(shí)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(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，利用單片機(jī)及其外圍芯片實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)［3］。鍋爐自動(dòng)控溫給水系統(tǒng)就是利用單片機(jī)使鍋爐系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值和優(yōu)越性［4］。通過(guò)單片機(jī)自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)加熱與給水系統(tǒng)，可使鍋爐維持一個(gè)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(jì)運(yùn)行。

一、系統(tǒng)簡(jiǎn)介

設(shè)計(jì)的研究對(duì)象主要是鍋爐的液位和溫度，對(duì)其液位和溫度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。通過(guò)STC89C52RC單片機(jī)、溫度傳感器(DS18B20)、LCM(12864液晶顯示屏)、語(yǔ)音模塊(WT588D)、浮球式液位傳感器、獨(dú)立按鍵等實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度、液位報(bào)警和控制，同時(shí)可以對(duì)鍋爐當(dāng)前狀態(tài)的顯示、控制和播報(bào)加以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要是有以下幾個(gè)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(pán)模塊、液晶顯示模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、獨(dú)立按鍵模塊、繼電器控制模塊、電源模塊、串口模塊等?？蓪?shí)現(xiàn)的具體功能如下:一是系統(tǒng)啟動(dòng)后播放開(kāi)機(jī)畫(huà)面和開(kāi)機(jī)音樂(lè)，顯示系統(tǒng)默認(rèn)的溫度上下限值。二是顯示當(dāng)前的溫度及溫度是否在設(shè)定范圍內(nèi)，同時(shí)顯示當(dāng)前液位狀態(tài)。三是當(dāng)液位低至給定的下限液位時(shí)，放水水泵停止對(duì)鍋爐放水，同時(shí)啟動(dòng)進(jìn)水水泵對(duì)鍋爐進(jìn)行加水，直到液位到達(dá)指定值，LCM顯示液位正常。四是當(dāng)液位高至給定上限的液位時(shí)，進(jìn)水水泵停止對(duì)鍋爐加水，同時(shí)啟動(dòng)放水水泵對(duì)鍋爐進(jìn)行放水，直到液位到達(dá)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(cuò)誤。六是溫度低于設(shè)定值，啟動(dòng)加熱工作。溫度到達(dá)指定溫度值，停止加熱工作。七是可以語(yǔ)音播報(bào)，并通過(guò)獨(dú)立按鍵控制語(yǔ)音播報(bào)的開(kāi)、關(guān)。八是通過(guò)按鍵實(shí)現(xiàn)溫度上下限值的設(shè)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(shè)計(jì)

(一)單片機(jī)接口原理圖。該部分主要由單片機(jī)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(dǎo)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(hù)可以設(shè)定溫度報(bào)警上下限值，同時(shí)，該DS18B20超溫度限可通過(guò)報(bào)警搜索命令加以識(shí)別。在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量系統(tǒng)中，需要很好地解決一些技術(shù)問(wèn)題，才能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度［5，6］。在感溫器件中，DS18B20適合于單片機(jī)構(gòu)成智能溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)，其精度很高、易保證。體積小、無(wú)需標(biāo)定、支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能、可多點(diǎn)測(cè)溫等特點(diǎn)都有利于在實(shí)際應(yīng)用中取得良好的測(cè)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(kāi)關(guān)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)復(fù)雜電路，使用方便，使用磁簧開(kāi)關(guān)無(wú)需電源，接點(diǎn)壽命長(zhǎng)，控制開(kāi)關(guān)位置可隨使用者訂制。所有開(kāi)關(guān)出線在同一接線盒，外部施工配線成本較低。由于磁簧開(kāi)關(guān)和導(dǎo)線與被測(cè)液體是完全隔離，該液位開(kāi)關(guān)可在高溫、高壓設(shè)備上安全使用。浮球式液位開(kāi)關(guān)是采取直浮子驅(qū)動(dòng)磁簧開(kāi)關(guān)內(nèi)部磁鐵，達(dá)到開(kāi)關(guān)瞬間動(dòng)作的原理。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)浮動(dòng)浮子時(shí)，浮子在一定范圍內(nèi)上下移動(dòng)，浮球內(nèi)的磁體將吸引控制開(kāi)關(guān)動(dòng)作桿上的磁體，從而產(chǎn)生開(kāi)與關(guān)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液位的指示與控制［8］。液位傳感器實(shí)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(lái)做自動(dòng)控制作用的開(kāi)關(guān)元件。在本次設(shè)計(jì)中共使用了3個(gè)電磁繼電器，都是用+5V的直流電來(lái)控制12V的直流電，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)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(lái)控制高電壓、高電流的工作電路，能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操縱和自動(dòng)控制。進(jìn)水水泵、出水水泵和加熱器的控制就可通過(guò)此原理得到遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。繼電器控制電路如圖6。

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用的保溫水桶是在成品的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分加工所得。機(jī)械加工包括對(duì)桶壁進(jìn)行開(kāi)孔，加熱器的定位、安裝和密封，進(jìn)出水水管的定位、安裝和密封，液位傳感器支架的設(shè)計(jì)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(shí)，液位傳感器的浮球下邊緣和進(jìn)水管平齊，當(dāng)水位到達(dá)該液位傳感器浮球下邊緣時(shí)停止加水，防止進(jìn)水管被完全淹沒(méi)。下液位傳感器安裝時(shí)，浮球的下邊緣略高于加熱裝置，當(dāng)桶內(nèi)液位低于該液位傳感器上邊緣時(shí)停止出水同時(shí)開(kāi)始加水，防止液位過(guò)低而導(dǎo)致加熱裝置干燒。加工結(jié)果如圖7。上下液位傳感器的信號(hào)線分別從安裝進(jìn)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(hào)線從和上液位傳感器的信號(hào)線一路從進(jìn)水孔引出，如圖8所示。

四、應(yīng)用分析

當(dāng)保溫桶內(nèi)液位過(guò)低時(shí)系統(tǒng)控制繼電器使進(jìn)水水泵工作。當(dāng)液位過(guò)高時(shí)進(jìn)水水泵停止工作，出水水泵工作，直至液位正常。同時(shí)水的溫度如果低于設(shè)定值，繼電器控制加熱器開(kāi)始加熱，直至達(dá)到設(shè)定溫度，加熱器(220V)停止工作，這些功能都要能夠?qū)崿F(xiàn)，而且整個(gè)過(guò)程都是自動(dòng)完成，不需用戶(hù)操作，用戶(hù)只需按照自己的要求設(shè)定溫度范圍，既安全又方便。鍋爐自動(dòng)控溫給水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)畫(huà)面的顯示，顯示默認(rèn)的溫度上下限值，可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定，系統(tǒng)會(huì)顯示當(dāng)前的溫度和溫度、液位狀態(tài)是否正常。隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和日趨成熟，單片機(jī)不僅應(yīng)用前景廣泛，同時(shí)有助于發(fā)現(xiàn)可能存在的故障。鍋爐自動(dòng)控溫給水系統(tǒng)就是利用單片機(jī)使鍋爐系統(tǒng)具有較高的實(shí)用價(jià)值和優(yōu)越性。

作者:伍廣 鄧傳奇 陳帥 單位:安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

硬件設(shè)計(jì)論文:封閉禽舍傳感器節(jié)點(diǎn)軟硬件設(shè)計(jì)

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(shù)學(xué)院2.江蘇畜牧獸醫(yī)職業(yè)技術(shù)學(xué)院3.江蘇大學(xué)生物機(jī)電工程研究院

工廠化蛋雞舍在結(jié)構(gòu)上是一個(gè)全封閉的設(shè)施，雞舍內(nèi)部環(huán)境受設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)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(shè)施的全封閉性決定了雞舍與外界的物質(zhì)與能量交換，這種交換會(huì)引起雞舍小氣候環(huán)境的變化，進(jìn)而在一定程度上又會(huì)影響蛋雞的生長(zhǎng)及其產(chǎn)蛋率。雞舍氣候信息采集的智能化和信息化是實(shí)施工廠化蛋雞養(yǎng)殖的關(guān)鍵技術(shù)之一，國(guó)內(nèi)外已有科研人員將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetworks，WSN)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)田信息采集。為滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)信息采集中監(jiān)測(cè)周期長(zhǎng)的需求，研究人員結(jié)合不同的應(yīng)用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)了多種專(zhuān)用的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［1－6］。由于封閉式蛋雞舍設(shè)施的特殊性，雞舍環(huán)境信息有線采集設(shè)備易出故障，且設(shè)備的投入成本與維護(hù)成本較高，因此，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將盡顯其優(yōu)勢(shì)。為此，筆者在盡可能延長(zhǎng)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通信距離的基礎(chǔ)上，合理地設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，以有效提高節(jié)點(diǎn)的生存周期。

1節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)通過(guò)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(shí)現(xiàn)對(duì)封閉式蛋雞舍設(shè)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(diǎn)由微處理器模塊、無(wú)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(diǎn)的通信距離，微控制器(CPU)采用AVR系列單片機(jī)ATmega128L，對(duì)比普通51系列單片機(jī)而言，ATmega128L代碼執(zhí)行效率更高，抗干擾能力更強(qiáng)，同時(shí)，ATmega128L單片機(jī)具有低功耗的特點(diǎn)(1μA～25mA，WDT關(guān)閉時(shí)為100nA)。該設(shè)計(jì)的無(wú)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(qiáng)，能夠很好地抑制噪聲環(huán)境對(duì)信息采集系統(tǒng)的影響。設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的CPU時(shí)鐘頻率為7．3228MHz，nRF905設(shè)定在433MHz國(guó)家開(kāi)放頻段。溫濕度傳感器采用SHT11，光強(qiáng)度傳感器采用美國(guó)TAGS公司的光強(qiáng)度數(shù)字TSL2561。有害氣體濃度的監(jiān)測(cè)傳感器分別為:CO2濃度傳感器選用美國(guó)FIGARO公司生產(chǎn)的TGS4160，NH3傳感器選擇的型號(hào)為MIC－NH3智能傳感器，硫化氫傳感器選擇的型號(hào)為(H2S傳感器)M－100。

2節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

針對(duì)上述節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)，結(jié)合封閉式蛋雞舍設(shè)施信息采集周期性強(qiáng)、時(shí)間間隔短、單次數(shù)據(jù)傳輸量大的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于C語(yǔ)言的軟件系統(tǒng)。

2．1節(jié)點(diǎn)軟件構(gòu)成

節(jié)點(diǎn)軟件由操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序構(gòu)成。WSN利用TinyOS操作系統(tǒng)，采用AVRStudio4．07開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，包括各個(gè)硬件模塊的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集和通信協(xié)議。在TinyOS環(huán)境下為節(jié)點(diǎn)用NesC語(yǔ)言編寫(xiě)了相應(yīng)的執(zhí)行程序。AVRStudio4．07平臺(tái)采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ?個(gè)TinyOS應(yīng)用程序與多個(gè)組件(Component)連接，構(gòu)成1個(gè)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(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的TinyOS應(yīng)用程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2．2節(jié)點(diǎn)休眠的設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)節(jié)省能量的最主要的方式是休眠機(jī)制。當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)目前沒(méi)有傳感任務(wù)并且不需要為其他節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感數(shù)據(jù)時(shí)，關(guān)閉節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通訊模塊、數(shù)據(jù)采集模塊甚至計(jì)算模塊以節(jié)省能量。因而，一個(gè)傳感任務(wù)發(fā)生時(shí)，只有與之相連的區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)處于活動(dòng)狀態(tài)，從而形成一個(gè)活動(dòng)區(qū)域。如圖3所示，活動(dòng)區(qū)域隨著數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送而移動(dòng)，這樣原先活動(dòng)的節(jié)點(diǎn)在離開(kāi)活動(dòng)區(qū)域后可以轉(zhuǎn)成休眠模式從而節(jié)省能量。

2．3同步控制

時(shí)鐘同步是該設(shè)計(jì)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(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要嚴(yán)格的時(shí)間同步機(jī)制，用來(lái)準(zhǔn)確接入信道和及時(shí)喚醒。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行工作時(shí)的物理時(shí)鐘依靠對(duì)自身晶振中斷計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果節(jié)點(diǎn)晶振的頻率誤差和初始計(jì)時(shí)時(shí)刻不同，就會(huì)使節(jié)點(diǎn)之間物理時(shí)鐘不同步。通過(guò)計(jì)算出物理時(shí)鐘與邏輯時(shí)鐘的關(guān)系，構(gòu)造對(duì)應(yīng)的邏輯時(shí)鐘以達(dá)成同步。無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)在應(yīng)用基站充當(dāng)時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)，發(fā)送數(shù)據(jù)包具有當(dāng)前時(shí)鐘讀數(shù)的同步指令，當(dāng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)其他節(jié)點(diǎn)接收到該同步指令后，計(jì)算延時(shí)參數(shù)并調(diào)整本節(jié)點(diǎn)的邏輯時(shí)鐘值，以和基站節(jié)點(diǎn)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成同步。傳感節(jié)點(diǎn)在和基站節(jié)點(diǎn)同步后作為新的基準(zhǔn)點(diǎn)，一環(huán)接一環(huán)由里向外同步，直至覆蓋整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2．4節(jié)點(diǎn)程序的調(diào)試

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了程序初步調(diào)試。程序調(diào)試平臺(tái)為AVRStudio4．07，調(diào)試步驟如下:①在啟動(dòng)AVRStudio4．07之前，將JTAG仿真器與PC機(jī)串口連接起來(lái);②JTAG仿真器的數(shù)據(jù)電纜連接到目標(biāo)板的JTAG接口;③在確認(rèn)PC、JTAGICE和目標(biāo)板正確連接后，按照下列順序依次接通電源的操作:打開(kāi)目標(biāo)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(shí)亮表示連接成功，若有任意一燈不亮，就說(shuō)明連接沒(méi)有成功;④在PC上打開(kāi)AVRStudio4．07，調(diào)試節(jié)點(diǎn)程序，如下圖4、5所示。

3結(jié)語(yǔ)

為解決傳統(tǒng)封閉式蛋雞舍設(shè)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(cè)中所存在的監(jiān)測(cè)區(qū)域面積小、采樣率低、工作量大等問(wèn)題，該研究探討了將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)技術(shù)作為封閉式蛋雞舍環(huán)境監(jiān)測(cè)中數(shù)據(jù)采集和傳輸載體的可行性，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)了無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了節(jié)點(diǎn)程序的調(diào)試。下一步應(yīng)采用所設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)進(jìn)一步的封閉式蛋雞舍環(huán)境因子信息采集試驗(yàn)，提高無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。

硬件設(shè)計(jì)論文:常規(guī)劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

【摘要】根據(jù)國(guó)內(nèi)劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討了軟、硬件設(shè)計(jì)解決方案。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)從控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建和軟件功能要求三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

【關(guān)鍵詞】PLC；舞臺(tái)機(jī)械；變頻器；現(xiàn)場(chǎng)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(lè)廳和多功能廳等。舞臺(tái)機(jī)械是現(xiàn)代化劇場(chǎng)不可缺少的核心設(shè)備，通過(guò)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備不斷升降、平移、開(kāi)合運(yùn)動(dòng)，并配合燈光、音響的不斷變換，呈現(xiàn)在觀眾眼前的是一場(chǎng)場(chǎng)美輪美奐的視覺(jué)盛宴。常規(guī)劇場(chǎng)舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備一般可分為臺(tái)上和臺(tái)下兩個(gè)部分，臺(tái)上以卷?yè)P(yáng)類(lèi)為主，臺(tái)上設(shè)備的基本配置有防火幕、假臺(tái)口、大幕、二道幕、景吊桿、燈吊桿、單點(diǎn)吊機(jī)、燈光渡橋、燈光吊籠等設(shè)備，有的還配置了反聲罩。臺(tái)下以升降、推拉、旋轉(zhuǎn)為主，臺(tái)下設(shè)備的基本配置有主升降臺(tái)、左右車(chē)臺(tái)、后車(chē)轉(zhuǎn)臺(tái)、升降樂(lè)池、各種補(bǔ)償臺(tái)、插銷(xiāo)和安全網(wǎng)等設(shè)備。其中，臺(tái)上吊桿類(lèi)設(shè)備、臺(tái)下升降臺(tái)類(lèi)設(shè)備和車(chē)臺(tái)類(lèi)設(shè)備是舞臺(tái)表演空間的主要設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在舞臺(tái)機(jī)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(luò)采用開(kāi)放式工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊技術(shù)，軟件設(shè)計(jì)采用功能完備的人機(jī)友好界面和安全互鎖保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)快速、方便地將分散在臺(tái)上、臺(tái)下的設(shè)備和核心中央處理器聯(lián)系起來(lái)，其各種不同類(lèi)型的控制模塊通過(guò)硬件接口和軟件組態(tài)可進(jìn)行廣泛組合，為舞臺(tái)機(jī)械運(yùn)行提供實(shí)時(shí)、安全可靠的運(yùn)行保證。同時(shí)，由于采用計(jì)算機(jī)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(qiáng)、故障排除快速、定位準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

1設(shè)備電器設(shè)計(jì)組成

舞臺(tái)設(shè)備電器控制回路一般由各種安全保護(hù)單元（如限位、亂繩、超載、超速、安全急停鏈路）、位置測(cè)量單元（如編碼器、減速開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)）、控制電路（如各種繼電器、PLC輸入輸出模塊）、驅(qū)動(dòng)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(jī)、伺服電機(jī)）組成，并通過(guò)以上電器環(huán)節(jié)的共同作用控制設(shè)備運(yùn)動(dòng)。國(guó)內(nèi)舞臺(tái)設(shè)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(guò)PLC起停輸出、設(shè)備的行程開(kāi)關(guān)、保護(hù)開(kāi)關(guān)、繼電器組成的中間回路控制對(duì)應(yīng)的三相電源的相序通斷，從而達(dá)到直接控制電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，如舞臺(tái)各種插銷(xiāo)、安全網(wǎng)、升降欄桿、安全門(mén)。該方式廣泛應(yīng)用在對(duì)時(shí)間要求不高的舞臺(tái)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)上，對(duì)于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中有位置需求但定位要求不高的設(shè)備（如燈光吊籠、假臺(tái)口側(cè)片、燈光渡橋）來(lái)說(shuō)，該方式并不能滿(mǎn)足要求。從設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、硬件便捷的角度，通常在常規(guī)電機(jī)傳動(dòng)軸上加裝軸套型增量編碼器，將編碼器信號(hào)接入具有位置采集功能的模板（如西門(mén)子編碼器模塊FM350），同時(shí)，在硬件選型時(shí)根據(jù)模板的采樣頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速確定所選編碼器的每圈脈沖值。采集的位置信號(hào)經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到中央處理器中，和預(yù)設(shè)的目標(biāo)位置做比較，決定設(shè)備是否到位停止運(yùn)行。在實(shí)際的硬件設(shè)計(jì)中，為了能及時(shí)響應(yīng)到位置信號(hào)，需把采集模板的實(shí)際輸出值串入控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)回路。考慮到常規(guī)定速控制設(shè)計(jì)中不具備調(diào)速功能，電機(jī)高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中收到停止信號(hào)后制動(dòng)運(yùn)行較長(zhǎng)，影響設(shè)備控制精度，在應(yīng)用中要根據(jù)設(shè)備實(shí)際制動(dòng)距離，在軟件調(diào)試中加入制動(dòng)停止提前長(zhǎng)度來(lái)修正設(shè)備停止響應(yīng)距離，從而提高設(shè)備實(shí)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(jī)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(guò)本身的內(nèi)置位置控制卡計(jì)算電機(jī)運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置和給定目標(biāo)位置的差值，通過(guò)PID調(diào)節(jié)輸出對(duì)應(yīng)的頻率和電壓控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度，中央處理器通過(guò)總線通訊方式比較變頻器傳回來(lái)的位置、狀態(tài)特性，并根據(jù)變頻器窗口到位值實(shí)現(xiàn)對(duì)所控設(shè)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(duì)機(jī)械設(shè)備的沖擊，提高了設(shè)備的安全性和可靠性。因此，在國(guó)內(nèi)中、大型劇場(chǎng)中，該控制方式是控制吊桿、升降臺(tái)、車(chē)臺(tái)等機(jī)械設(shè)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(duì)一控制和矩陣切換控制。對(duì)于前者，每個(gè)設(shè)備都是一個(gè)控制單元，控制電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，每個(gè)變頻器的總線狀態(tài)真實(shí)反應(yīng)設(shè)備實(shí)際情況。由于只考慮單獨(dú)控制回路，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試成本較小，出現(xiàn)故障排查相對(duì)容易，系統(tǒng)后期維護(hù)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(shè)備運(yùn)行，同時(shí)對(duì)于電器元件、變頻器的成本支出較高。對(duì)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(gè)調(diào)速設(shè)備在選定之前不對(duì)應(yīng)固定變頻器，如果某一個(gè)控制單元出現(xiàn)問(wèn)題影響吊桿運(yùn)行，通過(guò)切換矩陣的及時(shí)調(diào)整可以規(guī)避出現(xiàn)故障的控制單元，從而使設(shè)備更可靠地運(yùn)行，提高了整個(gè)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)抵御能力。同時(shí)，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(jié)構(gòu)復(fù)雜，軟件互鎖要求較高，一旦出現(xiàn)故障，排查和維護(hù)較繁瑣。通常來(lái)說(shuō)，臺(tái)上調(diào)速吊桿采用切換矩陣方式，臺(tái)下調(diào)速設(shè)備采用一對(duì)一控制方式。這主要是因?yàn)楦鞣N類(lèi)型的吊桿大多功率在30kW以?xún)?nèi)，且功率較為相近，實(shí)際舞臺(tái)演藝中同時(shí)運(yùn)動(dòng)的最多吊桿數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于總吊桿數(shù)，故采用切換方式。而臺(tái)下升降類(lèi)設(shè)備在演出時(shí)載有大量演員，功率較大，通常達(dá)到60kW以上，為了避免頻繁切換對(duì)用電回路的沖擊，并考慮到實(shí)際運(yùn)行的安全性，故采取一對(duì)一方式。

2網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建

舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)從網(wǎng)路結(jié)構(gòu)上分為三個(gè)層級(jí)：管理級(jí)、控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)級(jí)。2.1管理級(jí)設(shè)備管理級(jí)設(shè)備包括控制臺(tái)和服務(wù)器?？刂婆_(tái)中主要設(shè)備包括工控機(jī)、觸摸屏和電源、操作按鍵及操縱桿，主要為監(jiān)控舞臺(tái)設(shè)備狀態(tài)、運(yùn)行參數(shù)、報(bào)警信息，編場(chǎng)數(shù)據(jù)處理和控制設(shè)備起停，為操作人員提供友好的人機(jī)交互界面。服務(wù)器可記錄操作人員和設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為演出設(shè)備歷史追溯提供不可替代的手段。

2.2控制級(jí)設(shè)備

控制級(jí)設(shè)備主要包括可編程控制器的中央處理單元和各種適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊單元。作為整個(gè)舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的“大腦”，中央處理單元是系統(tǒng)核心，主要負(fù)責(zé)向上通過(guò)以太網(wǎng)傳遞現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控信息（如升降臺(tái)、景桿等調(diào)速設(shè)備的位置、速度等實(shí)時(shí)參數(shù)，以及亂繩、電機(jī)過(guò)熱等安全信號(hào)），向下對(duì)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備下達(dá)動(dòng)作命令，協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備動(dòng)作次序（如舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的定位控制和設(shè)備延時(shí)啟動(dòng)等）。

2.3現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備

現(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備：主要包括符合現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的相關(guān)舞臺(tái)機(jī)械控制遠(yuǎn)程I/O站點(diǎn)、對(duì)應(yīng)的變頻器和電動(dòng)機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)設(shè)備主要任務(wù)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)操作人員通過(guò)控制臺(tái)發(fā)送的具體的運(yùn)動(dòng)方案，同時(shí)采集必要的現(xiàn)場(chǎng)信息，傳遞給上層作為參考。圖4為采用標(biāo)準(zhǔn)三級(jí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖。

2.4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建中的關(guān)鍵問(wèn)題

（1）控制系統(tǒng)的安全性設(shè)計(jì)要貫穿整個(gè)控制系統(tǒng)，包括核心控制器到單體設(shè)備的控制設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)采用開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際需要，采用可靠的冗余技術(shù)，包括核心部件的冗余和網(wǎng)絡(luò)的冗余。控制系統(tǒng)具有緊急停機(jī)系統(tǒng)，任意一個(gè)極限開(kāi)關(guān)的動(dòng)作會(huì)觸發(fā)本設(shè)備應(yīng)急線路，任意一個(gè)急停按鈕應(yīng)觸發(fā)控制系統(tǒng)的急停鏈路。同時(shí)，急停系統(tǒng)和中央處理器通過(guò)安全總線進(jìn)行信息交換。所有具有提升性能的驅(qū)動(dòng)都采用雙制動(dòng)器，并且互相獨(dú)立控制，保證驅(qū)動(dòng)能及時(shí)有效地停止工作。（2）所有的舞臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)主控制臺(tái)、移動(dòng)控制臺(tái)，應(yīng)具備即插即用的特點(diǎn)。對(duì)于單一控制臺(tái)，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)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(duì)設(shè)備進(jìn)行操作；對(duì)于不同控制臺(tái)之間的切換操作，中央處理單元應(yīng)具備統(tǒng)一的授權(quán)管理，保證同一設(shè)備在任意時(shí)刻只接受來(lái)自單一控制臺(tái)的指令信息，防止設(shè)備由于接受不同控制臺(tái)指令信息而造成控制紊亂。（3）保證關(guān)鍵信息響應(yīng)的實(shí)時(shí)性和同步性（如舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備的啟動(dòng)命令）。對(duì)于調(diào)速定位設(shè)備，國(guó)內(nèi)大多是通過(guò)每個(gè)變頻器的內(nèi)置位置控制卡控制設(shè)備，當(dāng)多個(gè)設(shè)備同時(shí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t性造成設(shè)備啟動(dòng)的不統(tǒng)一和設(shè)備運(yùn)行中間過(guò)程中的實(shí)際位置偏差。在設(shè)計(jì)控制網(wǎng)絡(luò)時(shí)，對(duì)于關(guān)鍵信息的傳遞需采用等式同步機(jī)制和數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)處理，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖夙憫?yīng)。

3軟件設(shè)計(jì)要求

3.1操作功能要求

操作功能要求：對(duì)于舞臺(tái)控制操作界面，應(yīng)設(shè)有手動(dòng)選擇、運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)定、設(shè)備編組、場(chǎng)景運(yùn)行、設(shè)備位置綁定、運(yùn)動(dòng)禁止、設(shè)備位置記錄等功能，根據(jù)實(shí)際用戶(hù)需求的不同，還應(yīng)提供系統(tǒng)管理、維護(hù)和根據(jù)演出過(guò)程需要而附帶的工程組態(tài)功能。同時(shí)，應(yīng)提供演出中間的各種應(yīng)急處理功能，如當(dāng)在演出場(chǎng)景中編組的運(yùn)行設(shè)備，設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警停止運(yùn)行時(shí)應(yīng)具備手動(dòng)快速介入，當(dāng)設(shè)備撞到物理極限位后，應(yīng)具備旁路控制使設(shè)備及時(shí)脫離危險(xiǎn)位置。用戶(hù)一旦誤操作，不光有報(bào)警信息，同時(shí)提供相應(yīng)的保護(hù)，規(guī)避可能發(fā)生的設(shè)備誤動(dòng)作引發(fā)的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)。

3.2設(shè)備互鎖要求

設(shè)備運(yùn)行互鎖是舞臺(tái)設(shè)備安全可靠運(yùn)行必不可少的保障，互鎖軟件設(shè)計(jì)必須實(shí)時(shí)跟蹤設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)?；ユi軟件應(yīng)采用順序控制程序，根據(jù)優(yōu)先級(jí)管理機(jī)制，按照預(yù)先規(guī)定好的優(yōu)先級(jí)動(dòng)作順序，對(duì)控制過(guò)程各階段的設(shè)備互鎖順序進(jìn)行自動(dòng)判別和保護(hù)。每一個(gè)設(shè)備的運(yùn)行條件都依存于其他相鄰設(shè)備的位置，當(dāng)檢測(cè)到條件滿(mǎn)足或不滿(mǎn)足時(shí)，及時(shí)發(fā)送給設(shè)備數(shù)據(jù)塊運(yùn)行或受限指令，使設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。

3.3分布式管理要求

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，把分布在舞臺(tái)控制室的控制臺(tái)、上位機(jī)、臺(tái)上及臺(tái)下控制柜間的現(xiàn)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)單元、現(xiàn)場(chǎng)采集單元等方便、快捷地聯(lián)系起來(lái)。通過(guò)開(kāi)放的現(xiàn)場(chǎng)總線控制通信網(wǎng)絡(luò)把物理分散的設(shè)備構(gòu)成為一個(gè)整體，用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)的信息集成，進(jìn)而達(dá)到信息共享，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)在多臺(tái)控制終端上對(duì)舞臺(tái)設(shè)備的集中監(jiān)視、集中操作和集中管理。

3.4遠(yuǎn)程維護(hù)要求

控制系統(tǒng)工程師可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)。操作系統(tǒng)中出現(xiàn)的故障，應(yīng)及時(shí)記錄在上位機(jī)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶(hù)通過(guò)Internet網(wǎng)以文本形式傳送到遠(yuǎn)程診斷實(shí)驗(yàn)室，幫助用戶(hù)排除故障。通過(guò)專(zhuān)門(mén)遠(yuǎn)程診斷軟件，可實(shí)時(shí)跟蹤鏈接到現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的舞臺(tái)機(jī)械設(shè)備運(yùn)動(dòng)情況，及時(shí)幫助用戶(hù)解決操作中出現(xiàn)的問(wèn)題。

4小結(jié)

在控制系統(tǒng)建設(shè)規(guī)劃中，要注重安全和效益并重的原則，適當(dāng)降低建設(shè)成本和后期維護(hù)成本，同時(shí)還要從長(zhǎng)遠(yuǎn)著眼，技術(shù)方案要有一定的前瞻性，充分考慮將來(lái)整個(gè)系統(tǒng)的整體升級(jí)、擴(kuò)容問(wèn)題。隨著計(jì)算機(jī)和控制理論的不斷進(jìn)步，舞臺(tái)控制技術(shù)逐漸趨于完善，帶有自診斷功能和微機(jī)通信接口的PLC元器件也越來(lái)越普及，價(jià)格也趨向便宜。在國(guó)內(nèi)以可編程控制器為核心的舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)已經(jīng)形成了集網(wǎng)絡(luò)化、集散化、自動(dòng)化、智能化為一體的先進(jìn)的自動(dòng)控制模式。目前，廣義舞臺(tái)的概念已不再僅僅局限于正規(guī)劇場(chǎng)傳統(tǒng)品字型舞臺(tái)，隨著電視劇場(chǎng)、演播廳、體育場(chǎng)館等組合式舞臺(tái)，以及各種類(lèi)型的動(dòng)感、多維影院、VA多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、科技館等領(lǐng)域的異型舞臺(tái)的出現(xiàn)，舞臺(tái)機(jī)械控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)也應(yīng)隨著舞臺(tái)要求的變化不斷發(fā)展更新。

作者:劉學(xué)信 劉建喆 單位:山東藝術(shù)學(xué)院 北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)

硬件設(shè)計(jì)論文:高性能車(chē)載充電機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)研究

電動(dòng)汽車(chē)作為新型代步交通工具，車(chē)載充電機(jī)是其不可缺少的配套充電設(shè)備，對(duì)車(chē)載充電機(jī)的研究顯得尤為重要。一款成功的高性能的車(chē)載充電機(jī)要能抑制諧波、功率因數(shù)高、效率高等特點(diǎn)。本文根據(jù)上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款2kw的車(chē)載充電機(jī)。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(kāi)關(guān)技術(shù)能有效提高充電機(jī)的效率。本文將二者結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一款高性能指標(biāo)的車(chē)載充電機(jī)，并進(jìn)行了波形測(cè)試及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1車(chē)載充電機(jī)硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理

1.1APFC拓?fù)浼霸砉β?

因數(shù)校正有多種拓?fù)潆娐罚热鏱oost、buck、buckfly等電路。本文采用BOOST電路拓?fù)?，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(chǔ)能電感同時(shí)具有抑制RFI和EMI噪聲的功能。狀態(tài)分析：當(dāng)S通、VD斷時(shí)，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為T(mén)1，可得到狀態(tài)方程，解得，其中為第K時(shí)刻的輸入電壓值。當(dāng)S斷、VD通時(shí)，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間為t2，可得狀態(tài)方程，解得：。當(dāng)S斷、VD斷時(shí)，假設(shè)此狀態(tài)持續(xù)時(shí)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(dāng)電感電流臨界連續(xù)時(shí)，t3=0，可知電感電流的包絡(luò)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(guān)。

1.2逆變整流拓?fù)浼霸?

逆變電路采用副邊無(wú)源鉗位軟開(kāi)關(guān)移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3所示S1、S3為超前臂，S2、S4為滯后臂。其軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現(xiàn)，超前臂的零電壓開(kāi)關(guān)依靠變壓器漏感和超前臂的并聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)，滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)通過(guò)變壓器二次測(cè)鉗位電容在換相期間鉗位電壓強(qiáng)迫一次側(cè)電流復(fù)位到零實(shí)現(xiàn)。此種軟開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，所需器件簡(jiǎn)單，不需要額外有源元件等優(yōu)點(diǎn)。

2主回路參數(shù)設(shè)計(jì)

2kw高性能車(chē)載充電機(jī)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(kāi)關(guān)頻率fs取50KHZ。

（1）apfc電感設(shè)計(jì)。

1）輸入電流峰值的最大值確定：電感應(yīng)當(dāng)在最大電流時(shí)避免飽和。交流輸入電壓最小時(shí)，其峰值能達(dá)到最大，再考慮到期效率假設(shè)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(shí)的最大占空比；

4）電感量的計(jì)算：經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，調(diào)整為1mh。

（2）主變壓器的設(shè)計(jì)。

1）選定工作頻率在100khz，鐵氧體磁芯完全能夠滿(mǎn)足要求；

2）磁芯規(guī)格的選擇。鐵芯的窗口面積乘積為：通過(guò)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(shè)計(jì)。其作用主要有兩個(gè)：一是鉗位整流二極管的電壓，從而降低二極管的電壓應(yīng)力；二是超前臂關(guān)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(shí)現(xiàn)滯后臂的零電流開(kāi)關(guān)。本文中漏感選擇20uh。電容上存儲(chǔ)的能量為：一次測(cè)漏感能量為：為了抵消原邊漏感的能量，電容上存儲(chǔ)的能量要大于漏感存儲(chǔ)的能量，即整理得：最終經(jīng)過(guò)試驗(yàn)選擇容值為200nf。

3實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果分析

藍(lán)色為超前上橋臂驅(qū)動(dòng)波形，黃色為超前上DS間波形，由上圖可知超前臂實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通關(guān)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(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通關(guān)斷。

4結(jié)束語(yǔ)

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)車(chē)載充電機(jī)的要求越來(lái)越高，高頻化小型化高效化低諧波車(chē)載充電機(jī)成為發(fā)展的趨勢(shì)。本文研究了帶有源功率因數(shù)校正的移相全橋軟開(kāi)關(guān)車(chē)載充電機(jī)，對(duì)其工作原理和性能做了分析并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了充電機(jī)的可行性和有效性。

作者：王平來(lái) 李小偉 張立功 單位：山東省汽車(chē)電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所

硬件設(shè)計(jì)論文:淺談噴霧機(jī)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作時(shí)，藥液由液壓泵泵出，經(jīng)主管道及噴桿后由噴頭流出，通過(guò)轉(zhuǎn)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(yàn)記錄，將左側(cè)噴頭從上到下標(biāo)記為噴頭1～噴頭3，右側(cè)噴頭從上到下標(biāo)記為噴頭4～噴頭6。轉(zhuǎn)換接頭為自行設(shè)計(jì)的快捷轉(zhuǎn)換接頭。流量傳感器輸出頻率信號(hào)，信號(hào)經(jīng)頻率轉(zhuǎn)電流模塊轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號(hào)，同時(shí)壓力傳感器輸出4～20mA電流信號(hào)，流量傳感器與壓力傳感器輸出的電流信號(hào)經(jīng)4～20mA信號(hào)采集模塊采集后，由RS－485總線上傳至上位機(jī)界面顯示。本系統(tǒng)可同時(shí)顯示6路流量信號(hào)及1路壓力信號(hào)。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(hào)為4～20mA電流信號(hào);頻率電流轉(zhuǎn)換模塊選用ART－阿爾泰A11FV11頻率/電壓、電流信號(hào)隔離轉(zhuǎn)換模塊，輸入為0～1kHz，0～10kHz和0～100kHz頻率信號(hào)，輸出為0～5V，0～10V電壓信號(hào)和0～20mA或4～20mA電流信號(hào)。本設(shè)計(jì)根據(jù)流量傳感器輸出信號(hào)選擇輸入檔位為0～1kHz，并根據(jù)信號(hào)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(shí)采集8路電流信號(hào)，通過(guò)RS－485總線上傳至上位機(jī)界面。若噴霧機(jī)噴頭較多，系統(tǒng)可對(duì)噴頭進(jìn)行分批次測(cè)量。

本轉(zhuǎn)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(jìn)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(jìn)行密封，橡膠密封墊通孔直徑為13mm，可用于測(cè)量多類(lèi)噴霧機(jī)噴頭。測(cè)量時(shí)，將橡膠密封圈與噴頭噴嘴對(duì)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(zhuǎn)螺桿使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換接頭使用方便，操作簡(jiǎn)單，用于對(duì)單個(gè)噴頭的測(cè)量;若噴霧機(jī)噴頭數(shù)量較多，可使用多個(gè)接頭進(jìn)行測(cè)量。

2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件采用C#編寫(xiě)，使用VisualStudio2008開(kāi)發(fā)平臺(tái)開(kāi)發(fā)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以運(yùn)行于Win-dowsXP及以上環(huán)境。系統(tǒng)工作時(shí)，可根據(jù)不同試驗(yàn)條件在上位機(jī)界面顯示不同的測(cè)量值。因本系統(tǒng)主要測(cè)量噴頭流量值，根據(jù)擬合方程中流量與電流的關(guān)系，設(shè)定最大電流值與最小電流值所對(duì)應(yīng)流量值以及壓力值。系統(tǒng)啟動(dòng)后，上位機(jī)界面實(shí)時(shí)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(hù)要求進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)系統(tǒng)會(huì)將所采集數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行存儲(chǔ)，可供試驗(yàn)后期數(shù)據(jù)分析處理。為了獲得電流與流量關(guān)系曲線，試驗(yàn)時(shí)選用SCL600型噴霧機(jī)ALBUZ－ATR80型噴頭，分別設(shè)定壓力為0．3，0．7，1．1，1．5MPa，使用秒表記錄測(cè)量時(shí)間，并測(cè)量在該時(shí)間范圍內(nèi)由量筒收集的藥液體積，同時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量輸出電流值，每個(gè)壓力值下測(cè)量3次，取平均值。

3試驗(yàn)及結(jié)果分析

為測(cè)試本系統(tǒng)精度，試驗(yàn)時(shí)選用SCL600型噴霧機(jī)所配置的ALBUZ－ATR80型噴頭進(jìn)行試驗(yàn)，記錄上位機(jī)界面所示流量值，同時(shí)用量筒測(cè)量一定時(shí)間流經(jīng)流量傳感器的藥液體積，計(jì)算其平均流量(即實(shí)際流量)，通過(guò)與試驗(yàn)測(cè)量流量(即上位機(jī)所示流量)進(jìn)行比較，得到系統(tǒng)精度。為了測(cè)試系統(tǒng)精度，以噴頭2為例，使用上位機(jī)軟件，以0．4MPa為間隔，在0．3～1．5MPa范圍內(nèi)記錄上位機(jī)界面所示流量值，并測(cè)量在一定時(shí)間內(nèi)量筒所收集的藥液體積。每個(gè)壓力下測(cè)量3次，取平均值。試驗(yàn)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(cè)量流量的最大相對(duì)誤差為4．40%。為了測(cè)試系統(tǒng)精度，選擇噴頭1、噴頭3及噴頭4進(jìn)行試驗(yàn)，使用上位機(jī)軟件，試驗(yàn)設(shè)定壓力為0．7MPa。同時(shí)，記錄上位機(jī)界面所示流量值，并測(cè)量在一定時(shí)間內(nèi)量筒收集的藥液體積，每組測(cè)量3次，取平均值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:當(dāng)壓力為0．7MPa時(shí)，各噴頭流量基本保持一致;當(dāng)流量為0．83～0．91L/m時(shí)，噴頭平均流量與測(cè)量流量的最大相對(duì)誤差為3．88%。

4結(jié)論

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換接頭使用方便，密封性良好，對(duì)噴頭壽命影響較小，可便于系統(tǒng)同時(shí)對(duì)多類(lèi)噴霧機(jī)噴頭流量快速測(cè)量，且系統(tǒng)操作方便，上位機(jī)界面可實(shí)時(shí)顯示各噴頭流量值，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴霧機(jī)噴頭流量在線測(cè)量，測(cè)量精度較高。

作者：?jiǎn)挝唬何鞅鞭r(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院 國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心

硬件設(shè)計(jì)論文:鉆孔機(jī)械臂控制體系硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0緒論

工業(yè)機(jī)械臂（以下簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)械臂）是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，作為多學(xué)科融合的邊沿學(xué)科，它是當(dāng)今高技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。隨著機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的復(fù)雜化以及機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)控制精度、實(shí)時(shí)性能、可靠性的要求不斷變高，需要給機(jī)械設(shè)備裝備嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械的控制，將是機(jī)器控制領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向，為機(jī)器的智能控制的實(shí)現(xiàn)提供了廣闊的平臺(tái)。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(shù)優(yōu)點(diǎn)是高性能、低價(jià)格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此將ARM應(yīng)用于機(jī)械臂控制系統(tǒng)不失為一種好的策略。

1機(jī)械臂功能設(shè)計(jì)

本文主要研究的是單臂式鉆孔機(jī)械臂，這種機(jī)械臂需要完成的動(dòng)作有：前行、后行、左行、右行、上行、下行。這些動(dòng)作相互結(jié)合，完成相應(yīng)的動(dòng)作安排。根據(jù)上述動(dòng)作要求，工藝流程如下：(1)本文研究的機(jī)器臂主要由底座(或軀干)、機(jī)械臂構(gòu)成。底座的主要任務(wù)是支撐和完成手臂上下左右的移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在工作空間中的活動(dòng)；(2)機(jī)械臂的底座固定不動(dòng)，機(jī)械臂的Y軸由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)在平行于底座的平面進(jìn)行前后運(yùn)動(dòng)，即是在Y軸平面中的運(yùn)動(dòng)；(3)X軸在上位機(jī)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令后和Y軸同時(shí)移動(dòng)，進(jìn)行左右的運(yùn)動(dòng)，即在X軸平面中的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)運(yùn)動(dòng)就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在X-Y平面上的精確定位；(4)在X軸上安裝一個(gè)氣動(dòng)式動(dòng)力頭，當(dāng)在X-Y平面上精確定位之后，處理器通過(guò)控制電磁閥動(dòng)力頭進(jìn)給，帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)行既定的鉆孔。總結(jié)歸納可知，X-Y軸用于機(jī)械臂鉆孔的定位，Z軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行鉆孔；(5)機(jī)械臂完成上位機(jī)發(fā)出的脈沖指令，回到機(jī)械原點(diǎn)，等待下一次的指令。

工作過(guò)程如下：上位機(jī)對(duì)控制機(jī)發(fā)出脈沖指令，電機(jī)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(cè)在機(jī)械臂工作的范圍之內(nèi)有無(wú)障礙物，確定無(wú)障礙后開(kāi)始動(dòng)作，在系統(tǒng)運(yùn)行中與電機(jī)同軸度編碼器實(shí)時(shí)反饋機(jī)械臂所到達(dá)的位置，以判斷是否完成規(guī)定動(dòng)作。當(dāng)控制器接受編碼器反饋的數(shù)據(jù)判斷出規(guī)定動(dòng)作完成后系統(tǒng)暫停動(dòng)作，等待下一次指令。為了使機(jī)械臂在接受到指令后高速準(zhǔn)確的完成動(dòng)作，本設(shè)計(jì)在硬件上采用了伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，軟件上采用模糊控制算法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由ARM處理器及其相關(guān)外圍硬件和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成，ARM處理器發(fā)出指令脈沖下達(dá)給伺服驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，運(yùn)行期間，ARM處理器根據(jù)編碼器反饋的信息判斷機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)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(shí)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(yùn)行的軟件實(shí)現(xiàn)模糊控制，這樣就把能將原來(lái)的數(shù)字控制器改成模糊控制器，從而構(gòu)成了一個(gè)基于ARM的模糊控制系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，這種模糊控制器在本質(zhì)上只是一種控制算法與硬件的結(jié)合，與其它的模糊算法的差別在于用ARM的語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)模糊化、模糊推理決策以及反模糊化過(guò)程。這種模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)是資源消耗少，靈活性高，通用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣等。必須注意的是設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮到ARM的內(nèi)存空間，運(yùn)算速度，以及模糊算法的執(zhí)行效率和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在模糊控制器中，給定目標(biāo)為r，將光電編碼器檢測(cè)到的電機(jī)轉(zhuǎn)速作為反饋輸入。然后計(jì)算得到轉(zhuǎn)速偏差e(k)和轉(zhuǎn)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(gè)輸入信號(hào)，反模糊后得到精確的PID參數(shù)，經(jīng)過(guò)PID運(yùn)算得到電機(jī)控制信號(hào)，此控制信號(hào)經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的轉(zhuǎn)換，可得到PWM控制寄存器的設(shè)定值，寫(xiě)入PWM寄存器后，從ARM的PWM輸出端口將得到相應(yīng)的PWM控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，使鉆孔機(jī)械臂達(dá)到計(jì)算機(jī)的控制運(yùn)動(dòng)要求。在機(jī)械臂硬件平臺(tái)控制系統(tǒng)中,計(jì)算機(jī)通過(guò)串口與ARM處理器通信,發(fā)送控制命令控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。用編碼器檢測(cè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。

電機(jī)轉(zhuǎn)速的誤差:式中：n是當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速；n0是t0時(shí)刻對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速;當(dāng)上次的電機(jī)轉(zhuǎn)速為e(k-1)時(shí)，當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)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(jì)算得到的誤差和誤差變化率進(jìn)行處理,使他們的值落在[-3,3]區(qū)間,再進(jìn)行模糊化處理,才能進(jìn)行模糊控制器運(yùn)算。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn),可以得到e(k),Δe(k)的最大值,分別為em,Δem由此我們進(jìn)行歸一化公式:當(dāng)出現(xiàn)測(cè)量值大于我們的最大值時(shí)，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(jī)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(yǔ)句。在模糊控制器選用單變量二維最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)定誤差e,誤差變化ec及控制量輸出u的模糊子集為｛負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大｝，并簡(jiǎn)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(jiǎn)單易行，計(jì)算效率高，且僅與直線的形狀有關(guān)，適合于實(shí)時(shí)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(jī)械臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1LPC2138處理器

ARM內(nèi)核采用精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（RISC）體系結(jié)構(gòu)，具有大量的通用寄存器，指令格式使用統(tǒng)一和長(zhǎng)度固定，尋址方式簡(jiǎn)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(duì)功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。能夠提供0.9MIPS/MHz的三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)。

3.2傳感器模塊

本課題研究的鉆孔機(jī)械臂是一個(gè)用于加工的機(jī)械裝備，當(dāng)上位機(jī)設(shè)定好要加工的參數(shù)且啟動(dòng)機(jī)械臂臂進(jìn)行加工時(shí)，為了防止有意外的發(fā)生，需要加一些傳感器進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)檢測(cè)到有人或物進(jìn)入到機(jī)械臂加工的范圍之內(nèi)時(shí)，傳感器將檢測(cè)到的信號(hào)反饋給處理器，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。

（1）位置傳感器：即行程開(kāi)關(guān)，在X軸和Y軸上都裝有3個(gè)行程開(kāi)關(guān)，在Z軸的上下位置也裝有兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)，本系統(tǒng)中選用無(wú)觸點(diǎn)感應(yīng)式行程開(kāi)關(guān)，兩線制傳感器，型號(hào)為T(mén)L-05MD1。原理：無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)又稱(chēng)接近開(kāi)關(guān)，它可以代替有觸頭行程開(kāi)關(guān)來(lái)完成行程控制和限位保護(hù)，還可用于高頻計(jì)數(shù)、測(cè)速、液位控制、零件尺寸檢測(cè)、加工程序的自動(dòng)銜接等的非接觸式開(kāi)關(guān)。由于它具有非接觸式觸發(fā)、動(dòng)作速度快、可在不同的檢測(cè)距離內(nèi)動(dòng)作、發(fā)出的信號(hào)穩(wěn)定無(wú)脈動(dòng)、工作穩(wěn)定可靠、壽命長(zhǎng)、重復(fù)定位精度高以及能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等特點(diǎn)，所以在機(jī)床、紡織、印刷、塑料等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)分為有源型和無(wú)源型兩種，多數(shù)無(wú)觸點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)為有源型，主要包括檢測(cè)元件、放大電路、輸出驅(qū)動(dòng)電路3部分，一般采用5V～24V的直流電流，或220V交流電源等。當(dāng)被控物體到位,電子行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，常開(kāi)組導(dǎo)通(閉合)常閉組截止,(斷開(kāi))。完成相應(yīng)的動(dòng)作。

（2）光電編碼器：由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器獨(dú)立控制。

（3）紅外光柵傳感器又稱(chēng)為安全性光柵安全性光柵是一種保護(hù)各種危險(xiǎn)機(jī)械裝備周?chē)ぷ魅藛T的先進(jìn)技術(shù)。同傳統(tǒng)的安全措施，比如機(jī)械柵欄、滑動(dòng)門(mén)、回拉限制等來(lái)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(guò)合理地減少對(duì)實(shí)體保護(hù)的需求，安全性光柵簡(jiǎn)化了那些常規(guī)任務(wù)，如設(shè)備的安裝、維護(hù)以及維修。

4總結(jié)

本文在分析機(jī)械臂嵌入式控制體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了以LPC2138為主控制器的嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)。合理規(guī)劃?rùn)C(jī)械臂的任務(wù)模塊，設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)各功能子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、控制管理。本文只對(duì)機(jī)械臂底層控制系統(tǒng)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)并介紹。因此，真正的實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的精確控制還需要進(jìn)一步要有專(zhuān)業(yè)人員研究。

硬件設(shè)計(jì)論文:計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題與策略

摘要：隨著時(shí)代的發(fā)展，信息逐步走進(jìn)每個(gè)人的生活，與人們的生產(chǎn)與生活息息相關(guān)，在信息時(shí)代下計(jì)算機(jī)也在迅猛發(fā)展，但是隨之暴露出來(lái)的問(wèn)題也是不容忽視的，重點(diǎn)引起人們關(guān)注的問(wèn)題就是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題，因?yàn)檫@關(guān)系到人們信息的安全?；诖?，就重點(diǎn)針對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行分析研究，并根據(jù)現(xiàn)有問(wèn)題狀況提出幾項(xiàng)策略。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)硬件；信息安全；創(chuàng)新技術(shù)

在現(xiàn)階段中，世界已成功步入信息時(shí)代、科技時(shí)代，我國(guó)也不甘落后，我國(guó)有關(guān)計(jì)算機(jī)的科技技術(shù)也在迅猛發(fā)展，然而隨著發(fā)展速度的加快計(jì)算機(jī)硬件的問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)，相較于計(jì)算機(jī)的發(fā)展來(lái)說(shuō)較為落后，尤其引起人們關(guān)注的就是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題，這是一個(gè)很?chē)?yán)肅的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題勢(shì)在必行。

1計(jì)算機(jī)硬件安全的概述

在使用計(jì)算機(jī)的過(guò)程中，外部環(huán)境對(duì)計(jì)算機(jī)有很大的影響，所以對(duì)計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)外部環(huán)境的要求很苛刻，要求計(jì)算機(jī)外部環(huán)境清潔度較高，計(jì)算機(jī)溫度不能過(guò)高要適中，計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)硬件正常運(yùn)行、不出故障。保證計(jì)算機(jī)硬件安全還有一個(gè)很重要的技術(shù)，這個(gè)技術(shù)叫做加固技術(shù)，計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)生產(chǎn)中使用加固技術(shù)加固后能夠防震、防腐蝕以及防水，這樣的計(jì)算機(jī)能夠一整天在野外工作，所以加固技術(shù)是一個(gè)很重要的技術(shù)。計(jì)算機(jī)的硬件除了自身有問(wèn)題會(huì)影響自身安全外也會(huì)有其他多方面因素對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)造成安全影響。例如，計(jì)算機(jī)的中央處理器內(nèi)部都會(huì)存在一系列集成保密的指令代碼，雖然說(shuō)這些指令代碼是保密的，但是到底是否是絕對(duì)保密、安全的并不能得知。據(jù)悉，我國(guó)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(guó)能夠通過(guò)無(wú)線代碼激活中央處理器內(nèi)部的各種指令，使得計(jì)算機(jī)內(nèi)所有的信息、資料泄露，同時(shí)也可能會(huì)使計(jì)算機(jī)崩潰，并且這一崩潰將是毀滅性的，一旦這一消息是真實(shí)的，那么我國(guó)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將隨時(shí)可能會(huì)被攻擊，導(dǎo)致硬件泄密、信息泄露，甚至更嚴(yán)重的是硬件泄密還會(huì)很大程度上影響電源安全，從而導(dǎo)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(jì)算機(jī)所發(fā)出的電磁信號(hào)順著市電電線被傳導(dǎo)出去后被人為使用特殊的手段和工具把這一電磁信號(hào)攔截下來(lái)并加以還原。其實(shí)，計(jì)算機(jī)就像是人的身體，有很多零部件，計(jì)算機(jī)中的零部件每一個(gè)皆是能夠控制的，所以又出現(xiàn)了一個(gè)專(zhuān)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(zhǔn)確破解，那么就能夠控制計(jì)算機(jī)，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(jì)算機(jī)硬件安全防護(hù)工作，保證計(jì)算機(jī)硬件安全，保證計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全。綜上所述，可以看出，計(jì)算機(jī)硬件的最主要也是最重要的安全問(wèn)題就是信息安全問(wèn)題，信息安全重點(diǎn)工作就是保密、集成、實(shí)用，想要保證信息是安全的，就需要工作人員教授計(jì)算機(jī)購(gòu)買(mǎi)用戶(hù)操作計(jì)算機(jī)的方式方法，從而確保計(jì)算機(jī)硬件安全以及整個(gè)系統(tǒng)信息的保密安全。計(jì)算機(jī)硬件一直在發(fā)展中，它的發(fā)展過(guò)程比較漫長(zhǎng)，通過(guò)它的發(fā)展過(guò)程能夠知道一點(diǎn)，那就是計(jì)算機(jī)硬件安全是什么，它指的就是一個(gè)安全系統(tǒng)，這個(gè)安全系統(tǒng)是由以下三點(diǎn)結(jié)合在一起產(chǎn)生的，這三點(diǎn)分別是集芯片設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)以及工程設(shè)計(jì)。

2計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全發(fā)展現(xiàn)狀

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有各種各樣的元件，這些構(gòu)件組合起來(lái)構(gòu)成了物理部件，也就是所謂的計(jì)算機(jī)硬件。根據(jù)分析調(diào)查得出，現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)硬件發(fā)生的安全問(wèn)題基本上可以分為三種，相應(yīng)的，產(chǎn)生問(wèn)題的原因也大概能分為三種，包括輸入設(shè)備、儲(chǔ)存介質(zhì)、輸出設(shè)備。首先，就輸入設(shè)備來(lái)說(shuō)，以它為源頭產(chǎn)生的計(jì)算機(jī)硬件安全問(wèn)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(wèn)題引發(fā)安全威脅，一般情況下發(fā)生這種情況是因?yàn)檩斎氲男畔⒋嬖谀抉R病毒，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)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(guò)程中沒(méi)有依法進(jìn)行運(yùn)作而造成安全問(wèn)題爆發(fā)，一般情況下發(fā)生這種情況都會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)部信息數(shù)據(jù)被破壞與泄露，后果嚴(yán)重。其次，就儲(chǔ)存介質(zhì)來(lái)說(shuō)，以它為源頭產(chǎn)生的安全問(wèn)題主要是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部的儲(chǔ)存介質(zhì)沒(méi)有給信息資料、數(shù)據(jù)資料提供安全保障，安全保護(hù)層沒(méi)有搭建起來(lái)就會(huì)導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)在面臨被破壞以及非法拷貝時(shí)毫無(wú)抵擋之力。最后，就輸出設(shè)備來(lái)說(shuō)，以它為源頭產(chǎn)生的計(jì)算機(jī)硬件安全問(wèn)題主要是輸出設(shè)備自身具備的記憶性能會(huì)導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)輸出時(shí)的操作動(dòng)作留下痕跡被復(fù)制下來(lái)，這在一定程度上使得信息數(shù)據(jù)處于危險(xiǎn)狀態(tài)下。

3計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全分析

在信息時(shí)代迅猛發(fā)展的潮流下，計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題逐步顯現(xiàn)出來(lái)，相應(yīng)解決這些安全問(wèn)題的方案也逐漸被提出來(lái)，其中有一些新興安全方案設(shè)計(jì)精妙，實(shí)用性高，并且成本不高、功耗不高，這類(lèi)新興安全方案的主要代表有設(shè)計(jì)多樣性以及獨(dú)特?cái)?shù)字簽名等。除此之外，在新興安全方案出現(xiàn)的同時(shí)還有一大批新興技術(shù)產(chǎn)生，如納米技術(shù)、光纖技術(shù)、射頻互聯(lián)技術(shù)以及等離子技術(shù)等，新興技術(shù)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(cè)惡意攻擊行為的復(fù)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(yǔ)設(shè)置、硬件木馬檢測(cè)、新型綜合技術(shù)、物理不可復(fù)制技術(shù)、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(cè)已被普遍應(yīng)用于計(jì)算機(jī)，硬件木馬與病毒相似，都會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)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(duì)的是計(jì)算機(jī)原始芯片，它會(huì)惡意改變?cè)夹酒?。盡管在現(xiàn)階段看來(lái)僅有少部分硬件木馬被發(fā)現(xiàn)，但是由于硬件木馬對(duì)計(jì)算機(jī)硬件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全影響程度很大，所以現(xiàn)階段大部分有關(guān)研究人員都積極對(duì)硬件木馬進(jìn)行研究。研究人員在研究過(guò)程中選用的研究模型有很多種，所以每個(gè)研究人員研究的難易程度不同，普遍情況下，那些過(guò)于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的結(jié)構(gòu)以及性能檢測(cè)無(wú)法有效檢測(cè)木馬攻擊。如果將工程變異忽略不計(jì)，那么檢測(cè)木馬的工作實(shí)際上就是針對(duì)一截輸入序列的有關(guān)功耗進(jìn)行測(cè)量，主要測(cè)量的功耗有兩個(gè)方面，一方面是開(kāi)關(guān)功耗，另一方面是泄漏功耗，然后將測(cè)量結(jié)果與研究所用的模擬模型進(jìn)行對(duì)比。但是，之前忽略不計(jì)的工程變異對(duì)于硬件木馬的檢測(cè)工作來(lái)說(shuō)，使得檢測(cè)工作的困難程度以及復(fù)雜程度大幅度加大。若在不是關(guān)鍵的路徑上安放木馬，或者讓已有的門(mén)電路和硬件木馬連接在一起并且將其隱藏起來(lái)，會(huì)使得硬件木馬檢測(cè)工作難度、復(fù)雜度加大，這時(shí)對(duì)硬件結(jié)構(gòu)或者對(duì)旁道進(jìn)行的檢測(cè)都無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。在近期又有新的檢測(cè)方法被提出，它們能夠避免前面提到的傳統(tǒng)檢測(cè)方法的弊端進(jìn)行木馬檢測(cè)，如熱調(diào)節(jié)技術(shù)。硬件木馬檢測(cè)方法仍在不斷被提出，這對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全具有很大的意義。

3.2物理不可復(fù)制技術(shù)

計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全發(fā)展至今普遍被研究的還有一個(gè)課題就是物理不可復(fù)制技術(shù)，物理不可復(fù)制技術(shù)是一個(gè)新興的比較新的概念，物理不可復(fù)制技術(shù)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(guān)系，這種映射的方向是從輸入開(kāi)始到輸出結(jié)束。其實(shí)物理不可復(fù)制技術(shù)采用數(shù)學(xué)或者是統(tǒng)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)逆向工程是很難的，這正是由于物理不可復(fù)制技術(shù)中存在的依存關(guān)系，除此之外，芯片的映射還存在不可預(yù)測(cè)的問(wèn)題，這也使得實(shí)現(xiàn)逆向工程變得更加困難?，F(xiàn)階段，隨著對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題以及物理不可復(fù)制技術(shù)的研究深入，越來(lái)越多的物理不可復(fù)制技術(shù)被研究人員提出，并加以試驗(yàn)，最終成功實(shí)現(xiàn)，然而，在很多現(xiàn)在被提出的物理不可復(fù)制技術(shù)方案里，仍舊存在輸入到輸出的映射數(shù)量有限、芯片結(jié)構(gòu)存在線性或者偏低非線性特性等問(wèn)題，這些問(wèn)題使得物理不可復(fù)制技術(shù)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(fù)制技術(shù)的結(jié)構(gòu)都或多或少存在一部分弊端，例如輸入到輸出數(shù)據(jù)庫(kù)的指數(shù)級(jí)不穩(wěn)定時(shí)常變化。物理不可復(fù)制技術(shù)中有一種是公開(kāi)物理不可復(fù)制技術(shù)，它是一種能夠輕易被反向工程的特殊物理不可復(fù)制技術(shù)，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(duì)稱(chēng)加密系統(tǒng)。這種非對(duì)稱(chēng)加密系統(tǒng)里，相應(yīng)的加密和解密密鑰是不一樣的。非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)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(fù)制技術(shù)或者公開(kāi)物理不可復(fù)制技術(shù)以某種方式集成到設(shè)備電路的安全原語(yǔ)，有很多方式能夠?qū)崿F(xiàn)集成。

4計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全的策略

4.1做好內(nèi)置安全確認(rèn)工作

想要很好保證計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全，第一個(gè)需要做的事情就是做好內(nèi)置安全確認(rèn)工作，內(nèi)置安全確認(rèn)工作重點(diǎn)是在測(cè)試和制造計(jì)算機(jī)芯片時(shí)使用物理不可復(fù)制技術(shù)和外延平面集成電路技術(shù)以電路設(shè)計(jì)形式來(lái)保護(hù)硬件網(wǎng)絡(luò)之間互聯(lián)的協(xié)議也就是IP。那么怎樣來(lái)進(jìn)行內(nèi)置安全確認(rèn)工作呢？計(jì)算機(jī)硬件內(nèi)置安全確認(rèn)工作、保護(hù)工作的程序大概是下面的幾步，首先，使用物理不可復(fù)制技術(shù)將最初設(shè)計(jì)好的集成電路在集成電路制造工廠中進(jìn)行制造，在制造后能夠獲得一種發(fā)生變異的公開(kāi)物理不可復(fù)制技術(shù)序列，再通過(guò)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具進(jìn)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(kāi)物理不可復(fù)制技術(shù)序列和已經(jīng)過(guò)加密處理的集成電路信息進(jìn)行合成然后得到校驗(yàn)密鑰，接下來(lái)就在剛剛得到的集成電路的物理版圖中挑選關(guān)鍵區(qū)域，把校驗(yàn)密鑰進(jìn)行加密處理后得到驗(yàn)證模塊，隨后把驗(yàn)證模塊加在最初設(shè)計(jì)好的已形成保護(hù)層的集成電路的物理版圖上，最后將其應(yīng)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(hù)工作。有關(guān)工作者通過(guò)對(duì)內(nèi)置安全保護(hù)工作的了解和認(rèn)識(shí)能夠更好進(jìn)行內(nèi)置安全確認(rèn)工作，從而更好保障了計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全。

4.2檢測(cè)外置輔助安全

想要更好改善現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題還需要采取的策略就是做好外置輔助安全檢測(cè)工作。現(xiàn)階段，大多數(shù)都會(huì)使用可靠性R、可用性A、可維修性S3個(gè)指標(biāo)也就是RAS技術(shù)來(lái)進(jìn)行對(duì)外置輔助安全的檢測(cè)工作，與此同時(shí)，外置輔助安全檢測(cè)工作還要依賴(lài)可以信任的密鑰關(guān)機(jī)部門(mén)制造公開(kāi)密鑰以及私用密鑰，其中公開(kāi)密鑰一般是被把信息數(shù)據(jù)進(jìn)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(cè)外置輔助安全的密鑰儲(chǔ)存器內(nèi)。

4.3研發(fā)時(shí)注重安全設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題是多方面存在的，所以在進(jìn)行計(jì)算機(jī)安全設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程里不僅僅需要加強(qiáng)對(duì)技術(shù)領(lǐng)域的監(jiān)管檢測(cè)，還需要關(guān)注多方面，避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)想法、設(shè)計(jì)工作者以及實(shí)施工作時(shí)的重點(diǎn)這些因素產(chǎn)生計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題。除此之外，現(xiàn)階段存在的一個(gè)問(wèn)題是計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)研發(fā)工作者不夠了解計(jì)算機(jī)硬件，認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)硬件的程度不深，所以還需要提高他們對(duì)計(jì)算機(jī)硬件的了解與認(rèn)識(shí)，與此同時(shí)，還需要更加注重計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)安全功能[4]?？傊?，在設(shè)計(jì)研發(fā)中要注意內(nèi)置以及外置，搞好設(shè)計(jì)安全，制定計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全檢測(cè)制度以及相關(guān)檢測(cè)程序，除此之外，還要注意評(píng)估輸入設(shè)備、儲(chǔ)存介質(zhì)與輸出設(shè)備，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。

4.4注重創(chuàng)新技術(shù)

計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題的出現(xiàn)追根究底還是由于相關(guān)技術(shù)水平還有待提高，在目前來(lái)看無(wú)法適應(yīng)時(shí)代的進(jìn)步，所以，想要解決計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題重點(diǎn)需要注意創(chuàng)新技術(shù)，進(jìn)一步完善計(jì)算機(jī)硬件的安全設(shè)計(jì)技術(shù)。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全問(wèn)題需要引起設(shè)計(jì)人員、研究人員、使用人士的廣泛注意，不可以忽略問(wèn)題、輕視問(wèn)題，要敢于面對(duì)問(wèn)題并采取正確的方式，研究更為有效的技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題，保證計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)安全，保護(hù)計(jì)算機(jī)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

硬件設(shè)計(jì)論文:EDA技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)踐

【摘要】科學(xué)技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，EDA技術(shù)的發(fā)展為計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展水平。本文簡(jiǎn)單介紹了EDA技術(shù)，并以UART的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)為例，闡述了EDA技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)；EDA技術(shù)；實(shí)踐分析

前言

電子設(shè)計(jì)從手工設(shè)計(jì)逐步走向了自動(dòng)化設(shè)計(jì)，它的發(fā)展以EDA技術(shù)的發(fā)展為主要標(biāo)志。EDA技術(shù)以計(jì)算機(jī)為操作工具，融合了最新的應(yīng)用電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和智能化技術(shù)的成果，并且將設(shè)計(jì)人員從繁重且重復(fù)的勞動(dòng)中解脫出來(lái)，使得電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率提升了。

1EDA技術(shù)概述

1.1EDA技術(shù)的基本內(nèi)容

在沒(méi)有EDA技術(shù)的時(shí)代，計(jì)算機(jī)硬件的設(shè)計(jì)需要通過(guò)人工手動(dòng)完成集成電路的設(shè)計(jì)、布線等工作。而隨著集成線路復(fù)雜程度的增加，基于手工的設(shè)計(jì)方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足工作需求。因而人們開(kāi)始尋求一種更為高效的硬件設(shè)計(jì)方式。EDA技術(shù)的誕生，成功改變了這一情況。它以計(jì)算機(jī)為操作工具，讓學(xué)生可以在軟件平臺(tái)上，通過(guò)軟件化的設(shè)計(jì)方式來(lái)描述計(jì)算機(jī)硬件。由計(jì)算機(jī)代替人工完成邏輯編譯、優(yōu)化、布線、仿真等工作。整個(gè)過(guò)程是自動(dòng)的，直到能夠完成對(duì)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(shè)計(jì)流程

它創(chuàng)新性的顛覆了傳統(tǒng)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方式。將設(shè)計(jì)的順序從由下至上翻轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)。這使得硬件設(shè)計(jì)者能夠從更為宏觀的角度去掌控產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。包括設(shè)計(jì)的質(zhì)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(shè)計(jì)出發(fā)，進(jìn)行頂層功能模塊的解構(gòu)和劃分。并能夠按照方框圖系統(tǒng)級(jí)的次序逐級(jí)完成仿真糾錯(cuò)和驗(yàn)證。從而能夠使設(shè)計(jì)問(wèn)題更早的被凸顯出來(lái)。當(dāng)所有的仿真和驗(yàn)證確認(rèn)無(wú)誤后，再用邏輯綜合優(yōu)化工具的門(mén)級(jí)邏輯電路的網(wǎng)表來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件的物理級(jí)呈現(xiàn)。通過(guò)該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，將設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)強(qiáng)度減輕，僅需要通過(guò)軟件平臺(tái)，就可以實(shí)現(xiàn)硬件的電路設(shè)計(jì)和功能仿真。整體的設(shè)計(jì)效率被大幅度提升。硬件設(shè)計(jì)流程如圖1所示：

2基于EDA技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)踐探究

本文以可編程器件開(kāi)發(fā)工具M(jìn)AX+PLUSⅡ?yàn)殚_(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)，它的運(yùn)行速度快，界面統(tǒng)一，功能集中。同時(shí)該開(kāi)發(fā)平臺(tái)具備十分完整的可編程邏輯設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠完成從指標(biāo)設(shè)計(jì)、輸入、編輯綜合處理、校驗(yàn)直至編程下載的EDA設(shè)計(jì)的全過(guò)程。設(shè)計(jì)者可以按工作流程選用工作模塊。適用于多平臺(tái)操作，是一種理想的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本部分就計(jì)算機(jī)的基本硬件之一通用異步收發(fā)傳輸器基于EDA技術(shù)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的闡述。

2.1UART的基本介紹

通用異步收發(fā)器（UART），是計(jì)算機(jī)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(jī)與下位機(jī)的通訊串口，來(lái)實(shí)現(xiàn)有效通訊。根據(jù)當(dāng)前的計(jì)算機(jī)運(yùn)行機(jī)制，需要進(jìn)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(guò)異步傳輸才能夠解決。UART就是此過(guò)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，考慮各項(xiàng)功能模塊的調(diào)試工作，設(shè)置了三個(gè)按鍵輸入來(lái)實(shí)現(xiàn)UART的復(fù)位、接收和發(fā)送數(shù)據(jù)功能的啟動(dòng)。整體硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3模塊設(shè)計(jì)

（1）基本設(shè)計(jì)思路UART在工作中主要涉及兩個(gè)過(guò)程，發(fā)生和接收。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮模塊化的方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。發(fā)生的過(guò)程即并行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備階段，UART按照既定的格式，將信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在此過(guò)程中涉及到關(guān)鍵的時(shí)鐘信號(hào)。需要通過(guò)波特率發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生與本地系統(tǒng)同步的時(shí)鐘信號(hào)。而接收的過(guò)程，就是在信號(hào)轉(zhuǎn)換成RXD串行信號(hào)后，轉(zhuǎn)換成調(diào)制解調(diào)器需要的并行數(shù)據(jù)信號(hào)。在整個(gè)進(jìn)程中，由于本地時(shí)鐘信號(hào)與UART的時(shí)鐘信號(hào)會(huì)產(chǎn)生一定的延遲和誤差。當(dāng)這種誤差產(chǎn)生持續(xù)性的積累時(shí)，會(huì)產(chǎn)生接收偏差。使得UARD的功能不能夠被順利的實(shí)現(xiàn)。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要采用一個(gè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于波特率的本地時(shí)鐘信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)RXD不斷地采樣，來(lái)保持工作過(guò)程中UARTDE接收和發(fā)生不會(huì)出現(xiàn)步調(diào)不一致。（2）奇偶校驗(yàn)位發(fā)生器模塊設(shè)計(jì)奇偶校驗(yàn)是一種校驗(yàn)代碼傳輸正確性的方法，以保證串行數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在基于EDA技術(shù)進(jìn)行UART奇偶校驗(yàn)位發(fā)生器設(shè)計(jì)需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。一是該模塊能夠執(zhí)行奇偶校驗(yàn)規(guī)則，正確的選擇數(shù)據(jù)。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)既定二進(jìn)制數(shù)據(jù)與輸入的串行數(shù)據(jù)校驗(yàn)位的合理比較。驗(yàn)證輸入的正確性。二是該模塊必須要滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)功能的持續(xù)拓展性。在計(jì)算機(jī)工作中，會(huì)產(chǎn)生不確定的并行校驗(yàn)位的增加。那么該模塊應(yīng)該能在后續(xù)定義的規(guī)則基礎(chǔ)上進(jìn)行校驗(yàn)位的添加。對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)完成的奇偶校驗(yàn)位發(fā)生器模塊采用EDA的工具mod-elsim12.0進(jìn)行功能的仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析，以確保所有期望的功能都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于發(fā)生問(wèn)題的地方及時(shí)進(jìn)行修訂。（3）波特率發(fā)生器模塊設(shè)計(jì)此模塊的主要功能就是能夠根據(jù)時(shí)鐘的頻率和既定的波特率來(lái)計(jì)算出波特分頻因子。分頻因子就是分頻數(shù)。對(duì)于波特率發(fā)生器的系數(shù)一般在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)時(shí)基本上是固定的，但是當(dāng)實(shí)現(xiàn)出現(xiàn)變化時(shí)，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(zhuān)用的芯片，使得波特率的改變變得比較困難，需要加上相應(yīng)的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)波特率的變動(dòng)。在使用硬件描述語(yǔ)言的parameter語(yǔ)句（VerilogHDL）或者Generic語(yǔ)句（VDHL）就可以實(shí)現(xiàn)UART專(zhuān)用芯片的波特率的改變。那么就不需要通過(guò)后續(xù)的接口添加來(lái)改變系數(shù)，也就減少了設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。該發(fā)生器的分頻時(shí)鐘與波特時(shí)鐘的頻率比設(shè)置為16:1.那么信號(hào)采樣的準(zhǔn)確性就會(huì)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(shè)計(jì)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(yùn)用EDA仿真軟件，在進(jìn)行發(fā)送功能仿真時(shí)將能夠得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。對(duì)該模塊的仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析的時(shí)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(hào)后，其串行信號(hào)發(fā)生了改變，由01010101001010101[3]。利用EDA技術(shù)進(jìn)行UART的實(shí)際，能夠?qū)崿F(xiàn)利異步串行通信功能，同時(shí)可以利用EDA仿真工具就功能模塊進(jìn)行分別和整體的仿真校驗(yàn)，解決了計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)問(wèn)題發(fā)現(xiàn)晚的劣勢(shì)，能夠在設(shè)計(jì)的過(guò)程中及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)方案。

3結(jié)束語(yǔ)

EDA技術(shù)是計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)向軟件化轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志，它為計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)提供了全新的思路。這種設(shè)計(jì)方式使得計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)具備可視性、直觀性，且可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和調(diào)整，解決了復(fù)雜電路設(shè)計(jì)問(wèn)題發(fā)現(xiàn)滯后的問(wèn)題。

作者：景帆 單位：中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司

硬件設(shè)計(jì)論文:電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)如何提升產(chǎn)品實(shí)用性

【摘要】隨著我國(guó)信息化技術(shù)研發(fā)應(yīng)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(chǎng)功能持續(xù)擴(kuò)展。就電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)而言，硬件設(shè)計(jì)作為重要組成部分，既要實(shí)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(fèi)者的使用滿(mǎn)意度。做好硬件設(shè)計(jì)以提升產(chǎn)品實(shí)用性，對(duì)于電子產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展而言意義重大。本文首先就電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行概述，進(jìn)而指出硬件設(shè)計(jì)的主要流程，最后提出了設(shè)計(jì)當(dāng)中提升產(chǎn)品實(shí)用性應(yīng)注意的方面以供參考。

【關(guān)鍵詞】電子產(chǎn)品；硬件設(shè)計(jì)；實(shí)用性；提升

在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動(dòng)下，電子產(chǎn)品在市場(chǎng)中的火爆程度越來(lái)越猛烈，電子產(chǎn)品作為信息交流的工具越來(lái)越成為當(dāng)今社會(huì)的必須。我國(guó)電子產(chǎn)業(yè)作為成長(zhǎng)速度最快的行業(yè)之一，其產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)揮的作用尤為突出。保證產(chǎn)品功能性的同時(shí)，突出產(chǎn)品的實(shí)用性，才能讓消費(fèi)者更加滿(mǎn)意，積極追隨產(chǎn)品的更新迭代。電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)注重產(chǎn)品實(shí)用性，對(duì)于電子產(chǎn)業(yè)本身的長(zhǎng)足發(fā)展十分關(guān)鍵。

1電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)概述

電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)即依據(jù)產(chǎn)品需求、基于規(guī)格和成本進(jìn)行產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足產(chǎn)品功能性和電磁輻射、可生產(chǎn)性的前提下，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)硬件產(chǎn)品設(shè)計(jì)完整性，以進(jìn)入產(chǎn)品量產(chǎn)和銷(xiāo)售環(huán)節(jié)。對(duì)于電子企業(yè)而言，產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)尤為重要，產(chǎn)品設(shè)計(jì)承載的價(jià)值遠(yuǎn)大于生產(chǎn)成本，產(chǎn)品銷(xiāo)售成本在設(shè)計(jì)成本上占據(jù)優(yōu)勢(shì)，則能夠在電子產(chǎn)品市場(chǎng)獲得更大的企業(yè)收益。硬件設(shè)計(jì)需追求信號(hào)完整性和產(chǎn)品散熱、功耗等方面的水平達(dá)標(biāo)，保障產(chǎn)品多方面功能優(yōu)勢(shì)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(shè)計(jì)不斷優(yōu)化以受到市場(chǎng)青睞［1］。

2電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)流程分析

2．1基于設(shè)計(jì)項(xiàng)目作前期分析準(zhǔn)備

電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)之初需對(duì)硬件設(shè)計(jì)項(xiàng)目作前期的分析和準(zhǔn)備。首先明確電子產(chǎn)品的功能需求，對(duì)各個(gè)功能模塊作劃分并對(duì)各自的實(shí)現(xiàn)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和分布。其后對(duì)各電路所需的器件進(jìn)行品牌選擇，確保產(chǎn)品質(zhì)量與生命周期。設(shè)計(jì)電子電路方案并作驗(yàn)證試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)步驟和結(jié)果以確定項(xiàng)目的可行性，為下一步的功能模塊原理圖設(shè)計(jì)和硬件整體設(shè)計(jì)作好基礎(chǔ)。

2．2參考電路繪制功能模塊原理圖

完成項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期分析準(zhǔn)備工作后，為項(xiàng)目產(chǎn)品進(jìn)行原理圖設(shè)計(jì)和繪制。依據(jù)功能模塊對(duì)電路所需元件、電路布置等進(jìn)行繪制，于原理圖中明確功能塊，在功能塊之間以網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)作連接和分隔。完成功能模塊原理圖后，對(duì)整體原理圖作檢查分析，確保原理圖無(wú)錯(cuò)誤和紕漏后，確定各個(gè)功能模塊元件封裝，即可進(jìn)入下一步的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

2．3繪制

PCB圖并布局設(shè)置元器件經(jīng)過(guò)前幾項(xiàng)準(zhǔn)備環(huán)節(jié)后，進(jìn)入PCB圖的繪制環(huán)節(jié)。將原理圖中各個(gè)功能模塊的元件封裝導(dǎo)入到PCB圖當(dāng)中，按照原理圖的連接關(guān)系對(duì)元件進(jìn)行排列，確保相互之間的有序性，避免出現(xiàn)重疊和交錯(cuò)現(xiàn)象。依據(jù)前期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)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(jī)械定位，注意布線的規(guī)范性，完成關(guān)鍵部位的電氣布置，滿(mǎn)足硬件功能塊的功能性［2］。

3電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)中產(chǎn)品實(shí)用性提升策略

3．1簡(jiǎn)化調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，避免產(chǎn)品使用故障

電子產(chǎn)品實(shí)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(fèi)者的正常使用。為此，在硬件設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)對(duì)調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)作相應(yīng)簡(jiǎn)化，避免設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)可對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shí)快速調(diào)校和修復(fù)［3］。產(chǎn)品不易發(fā)生故障，產(chǎn)品實(shí)用性和使用體驗(yàn)也就相應(yīng)得到提升。

3．2權(quán)衡設(shè)計(jì)產(chǎn)品功能，強(qiáng)化產(chǎn)品可維修性

權(quán)衡設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能，對(duì)于產(chǎn)品可能出現(xiàn)的相似功能進(jìn)行整合，或?qū)Σ槐匾δ茏飨鄳?yīng)的刪減，實(shí)現(xiàn)硬件體系的輕便和一體性。在達(dá)到功能需求的前提下，對(duì)產(chǎn)品層次進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少組成單元數(shù)量，使得零件形狀得以簡(jiǎn)化，方便產(chǎn)品的順暢運(yùn)行。同時(shí)，追求產(chǎn)品外觀、操作和硬件設(shè)計(jì)的統(tǒng)一性，在確保產(chǎn)品外觀時(shí)尚和舒適操作體驗(yàn)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(dá)到維修成本降低的目的。

3．3優(yōu)化電路功率設(shè)計(jì)，避免無(wú)用功率過(guò)大

電子產(chǎn)品電路功率設(shè)計(jì)予以?xún)?yōu)化，盡可能減少無(wú)用功率設(shè)計(jì)，提高功率因素。在電子元器件的選擇上，通過(guò)計(jì)算該元器件在電路中的功耗，選擇合理的電子元器件。當(dāng)該元器件上流過(guò)的電流比較大的時(shí)候，我們要保證這兩邊的壓差不要太大。元器件功耗得當(dāng)，則產(chǎn)品使用中發(fā)熱問(wèn)題將得到有效控制，對(duì)于用戶(hù)使用體驗(yàn)而言將更加舒適。

4結(jié)語(yǔ)

電子產(chǎn)品在現(xiàn)代社會(huì)中的普及率越來(lái)越高，產(chǎn)品使用性能和體驗(yàn)是否突出將直接決定了產(chǎn)品的市場(chǎng)表現(xiàn)。對(duì)于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，關(guān)注硬件設(shè)計(jì)，突出硬件設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品實(shí)用性的影響，并從調(diào)整機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)和電路功率設(shè)計(jì)等方面入手進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，才能在滿(mǎn)足產(chǎn)品基本功能需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)用性的提升。

作者：?jiǎn)绦l(wèi)杰 單位：河南輝煌科技股份有限公司

硬件設(shè)計(jì)論文:計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

摘要：針對(duì)當(dāng)前高職院校計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)中存在的不足，提出了一種基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。分析了當(dāng)前計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在的不足，闡述了云技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，有針對(duì)性地給出了云技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。該方案改變了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)硬件試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，能夠降低成本投入、提高?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全性，具有重要的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：云技術(shù)；計(jì)算機(jī)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1概述

在高職計(jì)算機(jī)教學(xué)領(lǐng)域，人們對(duì)計(jì)算機(jī)教學(xué)信息化、智能化的需求也越來(lái)越高[1]，特別是在計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)中，不僅要對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行創(chuàng)新，同時(shí)還要不斷加強(qiáng)教學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，從而全面提高計(jì)算機(jī)教學(xué)的水平[2]。計(jì)算機(jī)硬件專(zhuān)業(yè)是一門(mén)實(shí)踐性很強(qiáng)的課程，學(xué)生只有通過(guò)實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)才能真正理解和掌握該課程的理論知識(shí)。因此，在計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)中，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)是重要的一部分[3]。一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、硬件設(shè)施完善的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是學(xué)生快速學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)的重要場(chǎng)所。當(dāng)前，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)存在著維護(hù)難度大、安全性較低等不足，已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的實(shí)際需要。為此，提出一種基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方法。在計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)中引入云技術(shù)，以云技術(shù)為支撐，使學(xué)生能夠根據(jù)自身的實(shí)際需求獲取計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的各類(lèi)信息，從而提高了計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的水平。

2計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的問(wèn)題以及云技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

2.1存在問(wèn)題

當(dāng)前階段，很多院校的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已經(jīng)難以滿(mǎn)足計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)的實(shí)際需求，其存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：（1）維護(hù)難度大。當(dāng)前，一個(gè)計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)經(jīng)常服務(wù)于多門(mén)專(zhuān)業(yè)或者課程，為了滿(mǎn)足不同專(zhuān)業(yè)或者課程的教學(xué)需要，維護(hù)人員經(jīng)常需要花大量的時(shí)間去安裝和更新各類(lèi)軟件，從而極大地增加了計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)的使用成本。（2）安全性較低。計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)U盤(pán)等移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)的使用也會(huì)使計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)引入大量的計(jì)算機(jī)病毒。若僅依靠還原卡來(lái)防范病毒，不僅會(huì)清除各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也會(huì)清除各類(lèi)軟件升級(jí)數(shù)據(jù)。因此，如何防范計(jì)算機(jī)病毒已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)中的一個(gè)重要課題。（3）軟件難以及時(shí)更新。在現(xiàn)有的教學(xué)模式下，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的軟件經(jīng)常需要手動(dòng)更新，一些計(jì)算機(jī)考試軟件的運(yùn)行也需要特殊的軟件才能運(yùn)行。若準(zhǔn)備時(shí)間較短，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的一些軟件就不能被及時(shí)更新，從而對(duì)相關(guān)計(jì)算機(jī)課程的考試計(jì)算造成影響。（4）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)保存中的難題。學(xué)生知識(shí)水平往往存在著較大差異，為了滿(mǎn)足不同學(xué)生學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)的連貫性，需要為學(xué)生保留一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)拷貝的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)病毒的防范又是個(gè)難題。

2.2云技術(shù)在計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的優(yōu)勢(shì)

利用云技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有以下顯著的優(yōu)勢(shì)：（1）降低了成本投入。由于所有的教學(xué)程序都是在云端運(yùn)行的，用戶(hù)端無(wú)需更高的存儲(chǔ)空間或者處理器，同時(shí)可以省去光盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等配置，因此可以大幅度降低用戶(hù)端的投入。教師和學(xué)生在進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)中需要的所有服務(wù)都從云端獲取，學(xué)校僅需投入較低的云端接入設(shè)備即可。利用云技術(shù)能夠很好地滿(mǎn)足不同用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)運(yùn)算的需求。云技術(shù)既降低了硬件的投入成本，同時(shí)也降低了人工維護(hù)成本。利用云技術(shù)可以對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的每一臺(tái)用戶(hù)終端中的應(yīng)用程序進(jìn)行批量安裝和升級(jí)，節(jié)省了大量的時(shí)間。（2）提高了平臺(tái)的性能。利用云技術(shù)能夠使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的計(jì)算機(jī)避免占用程序和后臺(tái)運(yùn)算能力，提高了用戶(hù)終端計(jì)算機(jī)的啟動(dòng)速度和運(yùn)算速度，從而使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的整體性能得到大幅度提高。（3）安全性高。在計(jì)算機(jī)硬件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，往往有多人共同使用同一臺(tái)設(shè)備，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)難以有效保存，安全性較低。而利用云技術(shù)，只需一個(gè)賬號(hào)，就能安全的保存各類(lèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且?guī)缀鯖](méi)有容量限制。本地實(shí)驗(yàn)平臺(tái)無(wú)需保存任何實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此不用擔(dān)心實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)被竊取、破壞或者病毒感染等。同時(shí)，即使實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的系統(tǒng)崩潰，也不會(huì)影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全性。因此，云技術(shù)能夠極大提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的安全性。

3系統(tǒng)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的效率，提高教學(xué)水平。因此，計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)該充分利用云技術(shù)等現(xiàn)有的IT技術(shù)，突破傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)室的觀念，最終將單純的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)資源與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。云技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可分為云技術(shù)平臺(tái)部分、教學(xué)資源部分、信息系統(tǒng)部分等3個(gè)部分。

3.1云技術(shù)平臺(tái)

虛擬化技術(shù)是云技術(shù)中的一個(gè)重要分支，利用虛擬化技術(shù)能夠?qū)⑺锌捎玫挠布Y源組合成一個(gè)資源池，并將虛擬功能將資源池中的資源按照不同用戶(hù)的需求提供用戶(hù)。虛擬化是通過(guò)虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)的，虛擬機(jī)是一種封閉運(yùn)行的軟件容器，在其內(nèi)部可以獨(dú)立運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，如同一臺(tái)真實(shí)的物理計(jì)算機(jī)。虛擬機(jī)包含自己的虛擬CPU、RAM存儲(chǔ)器和網(wǎng)絡(luò)接口NIC。云技術(shù)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)包括虛擬中心服務(wù)器、虛擬化操作系統(tǒng)、用戶(hù)端和數(shù)據(jù)庫(kù)等4部分構(gòu)成。（1）虛擬中心服務(wù)器（vCenterServer）。中心服務(wù)器采用的是兩臺(tái)型號(hào)為曙光天闊A840r-G的服務(wù)器，其配置為兩路12核2.1GHzCPU、64GECCDDR31333Registered內(nèi)存、4個(gè)1TB2.5英寸的SAS硬盤(pán)、1塊雙口千兆網(wǎng)卡、1個(gè)雙口8GbFCI-E光纖HBA卡、1+1冗余電源模塊。利用虛擬化技術(shù)能夠?qū)⒎?wù)器中的處理器、內(nèi)存、硬盤(pán)及網(wǎng)絡(luò)資源等虛擬化為多臺(tái)虛擬機(jī)，虛擬機(jī)可從服務(wù)器中運(yùn)行的ESX/ESXi獲取各類(lèi)資源。硬盤(pán)陣列采用的是曙光DS600-F20，25塊2TBSATA硬盤(pán)能夠提供50T的存儲(chǔ)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(wù)器中，在一臺(tái)高性能的服務(wù)器中安裝虛擬化操作系統(tǒng)，能夠?yàn)閷?shí)驗(yàn)平臺(tái)提供基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，如訪問(wèn)權(quán)限控制、提供個(gè)性化配置等功能。它能夠?qū)⑺杏布Y源和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一分配，使所有虛擬機(jī)共享資源。虛擬化操作系統(tǒng)的應(yīng)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(hù)終端（ViewClient）。師生用戶(hù)需要在物理機(jī)中通過(guò)用戶(hù)終端遠(yuǎn)程訪問(wèn)虛擬桌面，用戶(hù)終端是用戶(hù)與虛擬化操作系統(tǒng)進(jìn)行交互操作的橋梁，因此可將其作為虛擬機(jī)的控制臺(tái)和虛擬操作系統(tǒng)的管理界面。（4）數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)的作用是對(duì)虛擬操作系統(tǒng)中所有的配置數(shù)據(jù)進(jìn)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(gè)虛擬機(jī)中。

3.2教學(xué)資源

計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的教學(xué)資源包括計(jì)算機(jī)原理、匯編語(yǔ)言、接口技術(shù)、JavaEE課程、C/C+課程、以及其他實(shí)訓(xùn)課程。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的目的就是能夠?qū)W(xué)生將理論與實(shí)踐融合在一起。平臺(tái)中的教學(xué)資源可作為軟件既服務(wù)（SAAS）部分，所有的計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)資源都是以服務(wù)的形式提供給師生用戶(hù)用于實(shí)驗(yàn)，也可以提供給國(guó)內(nèi)外其他院校使用。平臺(tái)中的教學(xué)資源都是計(jì)算機(jī)硬件方面理論與實(shí)踐相結(jié)合的資源，其核心是計(jì)算機(jī)硬件的實(shí)驗(yàn)資源。將理論資源與實(shí)驗(yàn)資源相結(jié)合用于計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)，能夠極大地提高教學(xué)質(zhì)量。

3.3信息化系統(tǒng)

平臺(tái)中的信息化系統(tǒng)主要包括教學(xué)實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)、實(shí)驗(yàn)管理等3個(gè)子系統(tǒng)。教學(xué)實(shí)驗(yàn)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)理論課與實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)；計(jì)算機(jī)實(shí)訓(xùn)子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)學(xué)生進(jìn)行計(jì)算機(jī)硬件實(shí)際操作培訓(xùn)；實(shí)驗(yàn)管理子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)硬件教學(xué)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)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(wèn)接口，用于訪問(wèn)3個(gè)子系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中各類(lèi)資源能夠同時(shí)服務(wù)于計(jì)算機(jī)硬件的理論教學(xué)、案例教學(xué)、學(xué)生實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)管理、教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面。

4結(jié)語(yǔ)

基于云技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，能夠降低各類(lèi)高職院校計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件成本和維護(hù)成本。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的軟件和操作系統(tǒng)的下載、更新等都可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)及時(shí)進(jìn)行更新和維護(hù)，從而簡(jiǎn)化了計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的管理工作。師生通過(guò)云技術(shù)的計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲得個(gè)性化服務(wù)，為計(jì)算機(jī)硬件的教學(xué)提供了可靠的技術(shù)保障。

作者：王冠虎 單位：天津青年職業(yè)學(xué)院

硬件設(shè)計(jì)論文:計(jì)算機(jī)硬件測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：分析了計(jì)算機(jī)硬件測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，研究了各測(cè)試功能模塊的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)；硬件測(cè)試；設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

計(jì)算機(jī)硬件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各種物理裝置的總稱(chēng)，并且按照系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求可以將其形成一個(gè)統(tǒng)一的有機(jī)體，從而有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)各種軟件正常運(yùn)行的有效維護(hù)。因此，對(duì)數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行輸入和存儲(chǔ)，按照程序加工數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)硬件的主要功能。

1計(jì)算機(jī)硬件測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范

1.1通用設(shè)計(jì)方面的要求1）基于XML文件對(duì)測(cè)試時(shí)間和次數(shù)等通用參數(shù)的支持，配置時(shí)所輸入的文件必須為該形式的文件，其中測(cè)試時(shí)間指的是測(cè)試所能夠持續(xù)的時(shí)長(zhǎng)；測(cè)試次數(shù)則是在指定測(cè)試時(shí)間內(nèi)配置所完成的次數(shù)，每個(gè)測(cè)試所包括的不同可選測(cè)試項(xiàng)目的配置都是由XML文件指定的。2）每個(gè)測(cè)試工具只要是硬件相關(guān)，便都必須具備硬件顯示信息的基本功能，如硬件測(cè)試的廠商、端口號(hào)、型號(hào)以及驅(qū)動(dòng)的版本等，以UI模塊的設(shè)計(jì)為準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)測(cè)試工具UI的設(shè)計(jì)。測(cè)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(cè)試正常，非0則表示測(cè)試過(guò)程中程序出現(xiàn)自定義的錯(cuò)誤。3）測(cè)試模塊需要設(shè)計(jì)成自動(dòng)運(yùn)行，即不要安裝任何軟件便可以自動(dòng)運(yùn)行，在同一目錄內(nèi)使用測(cè)試所需要的非Windows自庫(kù)文件和相關(guān)執(zhí)行程序。同時(shí)，編寫(xiě)者在測(cè)試模塊要封裝成相關(guān)測(cè)試構(gòu)件的形式。1.2文檔需求測(cè)試模塊在進(jìn)行交付和驗(yàn)收時(shí)需要提交完整的文檔：1）交檔的目錄需要經(jīng)過(guò)一定的交付流程；2）文檔在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)涉及到多種軟件的應(yīng)用，如高層設(shè)計(jì)、組織結(jié)構(gòu)、相關(guān)的文件關(guān)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(duì)應(yīng)的各種程序設(shè)計(jì)文檔，函數(shù)和全局變量的說(shuō)明、函數(shù)輸入輸出以及關(guān)鍵數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)等；5）編譯和使用過(guò)程中會(huì)用到相關(guān)的說(shuō)明書(shū)，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(cè)試模塊所使用的各種說(shuō)明書(shū)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(cè)試構(gòu)件測(cè)試構(gòu)件是由運(yùn)行測(cè)試機(jī)上眾多的個(gè)體模塊構(gòu)成的，而測(cè)試模塊主要是每個(gè)單獨(dú)測(cè)試項(xiàng)目所需要的各種文件的集合體以及按照各種要求完成對(duì)相關(guān)文件和數(shù)據(jù)的配置，如對(duì)處理器、內(nèi)存以及硬盤(pán)的測(cè)試等。同時(shí)，在服務(wù)器或者PC等測(cè)試系統(tǒng)中，各種測(cè)試項(xiàng)目需要在同一個(gè)目錄內(nèi)進(jìn)行集中統(tǒng)一的存放和管理。但是，測(cè)試構(gòu)件可能是自行開(kāi)發(fā)的也可能是集成第三方開(kāi)發(fā)的，又或者是商業(yè)所集成的各種測(cè)試工具等。因此，測(cè)試構(gòu)件構(gòu)成的要求非常嚴(yán)格，不僅能夠直接運(yùn)行各種執(zhí)行程序文件，支持和滿(mǎn)足第三方程序的執(zhí)行，將各種測(cè)試結(jié)果的數(shù)據(jù)收集起來(lái)經(jīng)過(guò)整理確保其格式的統(tǒng)一性，并且對(duì)于各種商業(yè)測(cè)試還能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)安裝以及完成相關(guān)的執(zhí)行處理操作等。1.4目錄結(jié)構(gòu)定義測(cè)試流程是在測(cè)試構(gòu)件中所引用的最小測(cè)試單位，但是如果測(cè)試程序是相同的，測(cè)試流程和參數(shù)不同，則生成的測(cè)試構(gòu)件有很多個(gè)。但是這些測(cè)試構(gòu)件所指的測(cè)試程序都是相同的，只是所包含的測(cè)試和數(shù)據(jù)配置有所不同。同時(shí)，測(cè)試構(gòu)件在系統(tǒng)中是以目錄文件的形式存在的，其名稱(chēng)的區(qū)分主要是目錄名。

2各測(cè)試功能模塊的實(shí)現(xiàn)

2.1處理器測(cè)試1）設(shè)計(jì)要求。處理器的測(cè)試往往分為功能和壓力測(cè)試，對(duì)功能的測(cè)試是對(duì)處理器廠商、型號(hào)、類(lèi)別、當(dāng)前運(yùn)行的頻率、支持的指令集合以及標(biāo)稱(chēng)頻率的測(cè)試；壓力測(cè)試則是對(duì)單核和多核并行壓力的測(cè)試。2）總體設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn)。一方面，可以顯示CPU的各種信息，鼠標(biāo)相關(guān)信息的安裝，如驅(qū)動(dòng)等，左右鍵的調(diào)換以及具體移動(dòng)的數(shù)據(jù)；另一方面，還能測(cè)試CPU的速度。3）部分代碼實(shí)現(xiàn)。CPU速度測(cè)試的原理原本就十分簡(jiǎn)單，即在規(guī)定時(shí)間內(nèi)統(tǒng)計(jì)和記錄CPU運(yùn)行的次數(shù)以及變化情況，然后相應(yīng)地計(jì)算出其具體的速度。本模塊的模型是對(duì)話框形式，通過(guò)對(duì)各控件變量進(jìn)行一定的類(lèi)向?qū)в成?，以及定義相關(guān)時(shí)間類(lèi)，通過(guò)單擊相關(guān)事件按鈕便能夠測(cè)試速度的功能。另外，完成相應(yīng)的測(cè)試之后，還會(huì)在相應(yīng)的目錄下面生成result.txt文件，以此來(lái)對(duì)本次測(cè)試的相關(guān)信息進(jìn)行記錄。2.2存儲(chǔ)器測(cè)試1）設(shè)計(jì)要求。硬盤(pán)是電腦重要的外部存儲(chǔ)器之一，不僅擁有超大的容量，并且運(yùn)行速度非?？?，并且其作為機(jī)械部件的一種，指標(biāo)非常多，尋道時(shí)間、主軸轉(zhuǎn)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(pán)的子系統(tǒng)有關(guān)，雖然硬盤(pán)的外存很快，但是其速度相對(duì)于CPU內(nèi)存而言非常慢。另外，存儲(chǔ)器的測(cè)試主要包括對(duì)基本信息和讀寫(xiě)的測(cè)試。2）總體設(shè)計(jì)。在Windows和Linux系統(tǒng)中都可以把設(shè)備當(dāng)作相關(guān)的文件來(lái)操作，對(duì)于Windows系統(tǒng)而言，可以將串口1、2當(dāng)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(jìn)行訪問(wèn)和操作的硬件設(shè)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(wèn)的串行端口十分相似，并且還能實(shí)現(xiàn)對(duì)磁盤(pán)扇區(qū)的訪問(wèn)。值得注意的是硬盤(pán)操作的標(biāo)識(shí)并不需要用disk1和disk2來(lái)標(biāo)識(shí)?；谶壿嬌葏^(qū)在邏輯分區(qū)的上面，在對(duì)磁盤(pán)邏輯分區(qū)進(jìn)行訪問(wèn)的過(guò)程中需要指定某種特定的格式。3）算法實(shí)現(xiàn)。Windows磁盤(pán)本身具有相對(duì)較大的緩沖區(qū)，在讀取相關(guān)的磁盤(pán)數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)實(shí)際讀取數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度可能會(huì)比指定數(shù)據(jù)長(zhǎng)，這樣的好處便是當(dāng)你下次再讀取相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，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(pán)直接復(fù)制過(guò)去即可；在磁盤(pán)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提醒你將數(shù)據(jù)復(fù)制到緩沖區(qū)，待寫(xiě)入成功之后，系統(tǒng)后臺(tái)會(huì)逐漸在磁盤(pán)中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。若編寫(xiě)程序時(shí)沒(méi)有對(duì)上述因素進(jìn)行考慮，則所測(cè)試的結(jié)果可能并不準(zhǔn)確。

3結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)硬件測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范的探究，掌握其在通用設(shè)計(jì)、文檔、測(cè)試構(gòu)件以及目錄結(jié)構(gòu)方面的具體要求，在此基礎(chǔ)上從處理器和存儲(chǔ)器測(cè)試兩方面對(duì)各測(cè)試功能模塊的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入的研究和分析。

作者：郝幸之 單位：江蘇無(wú)線電廠有限公司