硬件系统

硬件系统（精选12篇）

硬件系统 篇1

前言

中国建设银行 (以下简称建行) 是在中国金融市场率先实现股份制的商业银行之一, 被评为“亚洲最赚钱银行”。建行为客户提供全面的商业银行产品与服务, 多种产品和服务需要强大科技平台的支撑, 强大的业务需求成为推动建行科技力量快速发展的动力。尤其是对于这样一个数据密集型企业来说, 企业级存储系统性能与建行核心业务处理能力息息相关。对数据存储系统及其相关硬件的有效管理将为建行维持公众形象、免业务损失和降低管理成本提供有力保障。

一、需求

为了更好地支持业务发展, 建行需要对正在使用的高端存储系统建立有效的监控、预警和评估体系, 在借鉴IT最佳实践和管理规范的存储硬件监控系统, 达到存储性能监控自动化处理、故障事件被动处理变为主动预警、存储系统性能管理报告和分析的目的。另外该系统还应该能够帮助建行降低存储的操作和管理成本, 并与建行其它管理流程进行集成。

建行以ITIL及其它理论为指导在逐步建立和完善自己的运行管理平台体系。原有的管理系统在主机平台高端磁盘阵列方面, 缺乏有效的监控、预警和评估手段, 监控和预警停留在简单的人工巡检的原始方式;性能评估数据也只能通过系统随机抽取RMF报表的方式才能获得。因此, 建立存储硬件监控系统, 实现对高端存储及相关硬件设备的性能和事件管理成为迫切的需求。

二、方案概述

目标方案应能够满足上述需求, 方案应能够对生产环境中的存储及硬件系统做出全面细致的自动化监控、预警和评估。为可用性、事件、性能和容量管理提供一套自动的基于策略的工具。可以通过单一用户界面监控多设备, 包括SAN网络、主机、虚拟带库、物理带库, 以及存储系统的性能、配置、事件采集和报警、综合评估报表和视图展现的管理平台。

方案在实施过程中结合行里战略和管理要求, 评估当前硬件相关环境, 对兼容性和架构进行技术分析, 对需求规范和设计进行了充分交流;在测试系统中进行功能和性能验证, 对性能指标进行实际筛选和数据展现, 对指标体系和参考依据进行编写和整理, 对报告模版和各类事件进行集成, 对使用和管理流程进行交流和优化。在测试过程中结合IBM全球试验室的资源, 对需要的知识进行了持续充分的交流和培训, 之后将存储硬件监控系统部署到生产环境。

方案投产后可按照间隔周期持续的搜集存储系统的性能数据;通过时间或性能指标等关键字展现存储系统当前或历史状态的性能状况及趋势;根据性能指标数据所对应的存储系统的物理和逻辑组件依据进行分析;定义存储系统管理周报的内容并自动化生成周报;对关联的性能指标进行定制查询和展现分析;对存储系统的性能指标的阈值进行分析定义;对超过存储系统性能阈值的事件进行展现;对存储系统的故障和状态事件进行展现;将存储系统的事件与建行统一的事件管理流程进行集成。系统运行期间结合对最佳实践和指标体系参数的运行状态分析, 将运行信息按照管理流程传递给相关部门进行更充分和深入的讨论。

三、性能管理

性能管理可以为能力规划和性能调优提供强大的支持和依据。但性能管理也需要了解被管理的存储设备的架构, 组件, 关系, 重要指标和工作原理。下面结合存储设备的工作环境 (物理, 软件和业务) , 管理系统 (TPC) 特性以及日常使用和管理流程进行论述。

磁盘阵列也称为Subsystem或Box。根据其使用特性分为Frontend IO和Backend IO, Frontend IO指的是Server到Cache之间的IO;Backend IO指的是从Cache到磁盘组的IO。

指标要从多个方面去进行评估。比如我们经常说的吞吐量 (Throughput) , 在指标中体现为I/O Rate。I/O Rate的评估角度可以参考以下图示进行:

另外, 有些指标还需要考虑业务类型和业务特点。比如我们经常说的响应时间 (Response Time) , 在TPC的指标中体现为Response time。Response Time对于联机事务处理 (OLTP) 和批处理应用 (Batch application) 的响应时间是明显不同的;另外根据时间周期的变化业务运行可以接受的响应时间也是不同的。请参考下图:

另外指标之间也有互相影响的关系, 比如吞吐量和响应时间, 在进行批处理应用数据传输时, 吞吐量会增加, 响应时间相应的会变长。

基于上述角度的指标管理是TPC根据使用经验进行了更细致的划分。比如,

吞吐量 (Total IO Rate Overall-ops/s) :每秒I/O操作数 (吞吐量) , 俗称的IOPS, 指每秒连续和随机读/写操作的I/O操作的平均数。

缓存命中率 (Total Cache Hits percentage overall-%) :指连续和随机读写操作中全部读写Cache的百分比。在采样的时间段内读写操作来自Cache的占所有读写操作的百分比。命中率高说明Cache的使用率高, 速度快。Cache能够满足业务使用。

响应时间 (Overall Response Time-ms/op) :指每个操作需要的平均响应时间-毫秒。对于事务处理型业务来讲, 响应时间越小越好。

日常使用和管理流程。每周一上午10点, 在某一固定的目录下自动生成每周的专题报告。根据报告和实际数据进行分析记录后将报告发送给用户管理员, 然后用于每周部门 (硬件/系统/运行/网络) 的联合周会讨论异常的部分然后采取相应的措施。

四、事件管理

事件管理通过管理存储系统状态和故障预警为快速发现问题提供可能。存储事件的管理针对事件的类型由两部分组成, 一部分是存储系统的性能事件, 另一部分是存储系统的状态和故障事件。其中性能事件通过基于TPC性能指标的ALERT功能进行体现;状态和故障事件通过存储硬件系统的SNMP TRAP将状态和故障事件进行定制的展现。最终将这两部分事件集成到建行的统一事件管理流程中。

性能事件。对重要的性能指标进行定义, 并对出现情况后需要采取的行动进行定义, 将性能事件的策略在TPC界面进行配置。以下为性能事件举例,

1. 吞吐量 (Total IO Rate Overall-ops/s) :

IO rate最高值>100, 000->警告:提交系统人员参考RMF report和业务类型进行原因分析。

IO rate最高值>150, 000->警告:要求系统人员和IBM产品人员进行性能评估 (进行单CU和单卷的具体性能分析等) , 进行调整 (由于盘卷分布原因造成单CU忙) 或扩容 (由于业务发展原因造成大多数CU都忙)

响应时间 (Overall Response Time-ms/op) :

2. Response Time每周日最高值超过100ms>

●1次:警告, 结合Write cache delay和Cache hit rate进行分析。

●3次:警告, 提交系统人员参考RMF report和业务类型进行原因分析。

Response Time每周日最高值超过300ms>3次:警告, 要求系统人员和IBM产品人员进行性能评估 (进行单CU和单卷的具体性能分析等) , 进行调整 (由于盘卷分布原因造成单BOX忙) 或扩容 (由于业务发展原因造成大多数BOX都忙)

硬件状态和故障事件。状态和故障事件结合存储系统的SNMP TRAP功能和存储系统的状态和故障代码的解析说明, 将事件中关键的SRC进行提炼并对该SRC对应的MESSAGE进行整理以便于清晰的对事件进行描述和展现。SRC与MESSAGE的对应关系举例如下:

日常使用和管理流程。存储系统DS8K发送TRAP到存储硬件监控系统, 存储硬件监控系统解析出SRC码, 然后使用该SRC作为关键字根据存储硬件监控系统中的ERROR表 (包含SRC和MESSAGE的对应) 中取出该SRC码对应的MESSAGE存入存储硬件监控系统数据库中的EVENT表, 并将该记录发送给建行的集中事件管理流程, 及时展现事件记录, 进行短信和邮件通知。

传统上磁盘和主机的硬件故障是通过厂商内部Call Home方式发送到厂商再反馈到用户, 由于监管的要求, 在建行禁止采用这种方式, 在目标系统上线前通过定期的机房巡检发现硬件故障。目标系统上线后, 通过事件管理的功能可以及时通过短信的方式告知客户管理员, 大大缩短了故障发现时间。事件告警实例:

设备环境部::大机硬件:IP:磁盘:DS_B04:于2012-11-16 22:06:40产生SRC错误, 错误代码为BE310408, 详细解释为:Location:[U2107.D02.BG07LXG-P1-D1dummyxxx].A drive has been removed fromthe array by RAID.

管理人员根据收到的告警短信, 根据告警内容已经能够初步判断为磁盘阵列硬盘故障。同时与IBM驻场工程师进机房确认此事件, 确认为DDM故障, 暂无大的影响, 可根据事先定义的日常维护策略, 在恰当的时间点进行更换, 解决问题。大大缩短了故障发现时间和故障定位时间, 更加有效地保障了系统的高可用。

五、其它管理方面

根据未来的工作需要和方案研究, 我们还规划了并逐步展开了其它管理能力, 如容量管理、配置管理、变更管理、存储供应、分析模型和流程管理。

其中配置管理结合CAD技术可以从物理机房到设备和组件的图形定位及展示, 并支持与事件管理的集成, 有效协助管理人员实现故障定位。配置数据的统计分析可以查询并分析当前的和历史的物理容量信息, 为硬件升级提供必要的数据支持。例如对当前已安装设备进行现状分析, 以了解主要设备的数量、配置信息、故障历史;对设备可扩展容量查询分析, 如DS8000可扩展的磁盘仓数目、DDM数目、IO板卡数目、系统处理器板卡数目等, 为可行性研究报告提供相应的数据支持。

六、方案价值论述

价值评估方法-各行业采用IT技术的最主要目的就是提高工作效率和加速业务进程, IT技术既可以为现有商业环境中出现的新业务模式和流程提供支持, 也可以把相关业务流程集成起来。数据的不断增长迫使IT企业不得不建立灵活的、高可靠性的存储体系。商业需求提出的关键业务应用, 使得管理者加深了对于科技能够影响ROI (投资回报率) 的印象。为了完善科技应用, 需要了解与管理业务相关的商业需求, 了解真正需要哪些功能和特性, 以此来确定采购计划。

ROI——管理软件可以通过应用程序、数据集成、策略管理和任务自动化等途径来节约成本, 以提高设备的ROI。无论是嵌入式还是独立式软件, 它都能帮用户提高效率、简化流程以及降低成本等。用户定制化管理程序也有助于提高ROI, 特别是在自动化、应用集成和报告等方面。IT企业在业务和技术需求方面不断增长, 其IT体系也将不断扩大。需求有维护、应用响应时间的缩短、数据管理、分类定义, 以及其它的日常业务需求, 这一切都将使IT方面的采购数量增加, 这需要关注技术手段和商业需求, 要透彻了解ROI, 让效率最大化。

框架——在进行完整的投资收益率分析时需要特定的信息, 然而对不同行业的企业来说, 这些数据的类型不全相同。必须清楚定制化投资收益率框架才能够更准确地分析结果。框架提供足够的定制方法, 以帮助建立和完善自己的技术和商业目标。

唯一正确的ROI分析是按照上述原则、立足自身的业务环境, 并只关注比较重要的环节。标准、浮现中的新技术、智能硬件、应用集成以及策略问题等在关键ROI分析中并不十分重要, 可以在分析过程中忽略不计。

结束语

解决方案优化了存储管理流程, 主动的存储系统性能和事件管理帮助建行在存储系统性能下降或出现其它糟糕的情况之前识别和解决问题。通过存储系统管理的策略和自动化为建行每周节省了两人天的成本, 其中包括存储系统的软硬件和人工管理工作成本。为存储系统的配置和能力评估提供了数据和工具依据, 节省了存储资源的消耗。解决方案在建行的落实过程中引用了大量的最佳实践和方法论提高了建行存储管理及其团队的效果和能力, 也为建行和IBM共同在建行的存储管理工作中的深度合作和发展成长设定了更高目标和价值参考。

摘要：本文论述了中国建设银行在存储硬件监控方面的需求、方案和价值。需求部分从日常行为入手, 解决工作中遇到的不便, 满足未来需要。解决方案借助成型产品的功能进行应用, 思考整体功能的实现, 并进行新功能的定制开发。价值部分在提高效率方面进行重点评估。

关键词：硬件监控,存储监控,性能管理,事件管理,配置管理

参考文献

[1]Appendix A.Disk Manager Reference of<<IBM TotalStorage Productivity Center User’s Guide Version 3 Release 1>>GC32-1775-00[M].

[2]存储系统的规格[EB/OL].http://www-900.ibm.com/storage/cn/disk/ds8000/specifications.shtml.

[3]TPC:IBM Tivoli TotalStorage Productivity Cente[M].r

[4]ITIL:Information Technology Infrastructure Library[M].

[5]SRC:System Reference Code[M].

[6]ROI:Return on Investment[M].

硬件系统 篇2

新县首府实验学校 马筝

一、教学目标

知识与技能：

1、掌握计算机的基本结构及工作原理。

2、掌握计算机的硬件组成及其作用。过程与方法：

1、通过对实物的观察，培养学生认真观察思考能力。

2、通过以小组为单位的竞赛活动，培养学生的团队意识。

3、通过学生合作式学习，给学生提供互动的空间，让学生相互交流、学习，同时，使学生学会分享。

情感、态度与价值观：

1、使学生在相互讨论、小组合作学习的过程中，培养学生的团队合作精神。

2、让学生在探究式学习中，体验成功的快乐，从而增强学生的学习兴趣。

二、学情分析

学生通过第一章网络的学习，已经掌握了基本的网络搜索信息的能力。

学生对于理论性强的知识的学习总是不那么感兴趣。因此，增强本节课的趣味性，以激发学习的学习热情是很重要的。

由于个人原因，学生的信息技术技能差异较大，课堂教学要求每位学生在原有都有进步。

三、教学重点

计算机硬件设备的组成及各部件的名称与实物的对应。

四、教学难点

了解计算机硬件的功能及特点。

五、教学过程

活动1 情景导入

1.将事先拆开的计算机主机箱内部构成展示给学生。

伴随问题：平时我们用计算机上网冲浪，获取信息，那么大家打开过电脑的主机箱吗？你知道这些元器件在机箱里的位置吗？

2.展示并着重点出CPU、内存条、硬盘等计算机元器件。伴随问题：你知道这是什么吗？它的作用是什么？ 这些都是主机箱内的元器件，同学们对这些看的见、摸得着的小元件了解多少呢？这节课老师给大家一个探秘的机会。

活动2 新课讲授

首先让我们来想一想，什么是硬件呢？

明确：通常，人们把能看得见摸得着的电子的或机械的部件称为硬件，它是计算机进行工作的物质基础。

提问：你所知道的计算机硬件都有哪些呢？（鼓励回答后，幻灯片出示硬件图片）明确：人们习惯把微型计算机的硬件系统分为主机和外设两部分：（播放幻灯片并出示实物讲解）

（一）主机

主机是微机最主要的部件，通常人们又把CPU、内存、主板看成主机最主要的部件。

1、中央处理器（CPU）

中央处理器简称CPU，主要包括两个部件：运算器和控制器。运算器主要完成各种算术运算和逻辑运算，而控制器不具有运算功能，它只是读取各种指令，并对指令进行分析，进行相应的控制。CPU可以进行分析、判断和计算，并控制计算机各部分协调工作。CPU 好比人的大脑，它是计算机的运算和控制中心，是整个计算机系统的核心部件，计算机完成任何任务，都需要通过CPU来实现。

CPU的主要技术参数：（１）字长

字长就是计算机能同时处理数据的长度。字长是CPU最重要的一个品质标志，字长越长，计算机的处理能力越强。

（２）CPU主频

主频是CPU内核运行的时钟频率，它表明计算机的工作速度。频率越高，CPU运行速度就越快。

2、内存储器

内存储器是电脑的一个临时存储器，它只负责电脑数据的中转而不能永久保存，所有的数据都通过内存储器和CPU进行交换的。它的容量和处理速度直接决定了电脑数据传输的快慢。它是电脑的核心部件，重要性仅次于CPU。

内存储器分为只读存储器ROM和随机存取存储器RAM。ROM中的程序只能读出，不能被重新写入，断电后存储内容也不会丢失。RAM主要用于存储工作时的程序和数据，需要执行的程序或需要处理的数据都必须先装入RAM才能工作，关机后RAM中的存储内容将消失。微机中的RAM一般集成在一个长方形的小片上，称“内存条”，通常将它插在系统主板上。

内存的性能指标是存取速度，以纳秒表示，存取时间越短，工作速度越快。

（二）外设

外设可以分为三部分：外存储器、输入设备、输出设备。

1、外存储器

外存储器主要包括软盘、硬盘、光盘、移动存储器等。（1）软盘

目前常用软盘规格为3.5英寸，容量为1.44MB，存取速度较慢，但携带方便。（2）硬盘

硬盘是计算机最重要的外存储器，它是程序、各种数据和结果的存放处，里面存储的信息不会由于断电而丢失。目前微型计算机硬盘容量一般都以吉字节为度量单位了，硬盘存储器的另一个性能指标为转速，现在硬盘的转速一般为7200转/分。与软盘相比，硬盘容量大，转速快，存取速度高，但是硬盘多固定在机箱内，不便携带。

（3）光盘

光盘利用激光原理存储数字信息。它的数据存取速度比硬盘要慢一些。目前计算机中常用的光盘分为两类：CD光盘和DVD光盘。计算机上常见的光盘是只读式光盘（CD-ROM），即只能读出信息而不能写入信息，存储量可达约650MB。光盘存储器存储容量大，数据可长期保存, 易携带，价格低。

（4）移动存储器

随着通用串行总线（USB）开始在PC机上出现并逐渐盛行，借助USB接口，移动存储产品也逐步成为现在存储设备的主要成员，替代软盘作为随身携带的存储设备。常用的移动存储设备有优盘和移动硬盘等。

优盘体积小巧，携带方便，可靠性高，容量一般为32MB～512MB，部分优盘的容量可超过2GB。移动硬盘体积要比优盘大，但其容量大，一般为20GB～80GB，可以满足大容量数据的存储和备份。除了优盘和移动硬盘，常见的MP3播放器同时具有优盘的功能。

2、输入设备

输入设备是将原始数据和人们编好的程序输入到计算机中的部件。常见的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、数码相机等。

（1）键盘

键盘是最常用的输入设备，用来输入字符和数字。（2）鼠标

鼠标是必备的输入设备之一，主要功能是进行光标定位或用来完成某种特定的输入。目前常用的鼠标是机械式鼠标、光电式鼠标和光机式鼠标。机械式鼠标结构简单，价格便宜，但准确度和灵敏度稍差。光电式鼠标速度快，准确度和灵敏度高，但需要专门的垫板。光机式鼠标结合了两者的优点，是目前最流行的一种鼠标。使用鼠标使计算机的某些操作 更容易、更方便、更有趣，它对计算机的普及具有伟大的贡献。

（3）扫描仪

扫描仪就是将照片、书籍上的文字和图片获取下来，以图片文件的形式保存在计算机中的一种输入设备。

（4）数码相机、摄像头

它们都不是计算机的常规外设，但可以拓展计算机的使用功能，人们可以根据需要选择是否需要配置。

3、输出设备

输出设备可以将计算机的工作结果以数字、字符、图表等形式表现出来。最常用的输出设备是显示器、音箱和打印机等。

（1）显示器

显示器也称监视器或屏幕，是人机交互的窗口。（2）音箱

音箱是多媒体计算机不可缺少的部件，通过它可以实现各类软件的发声。（3）打印机

打印机是微机的一种常用输出设备，用来把字符、图形、图像打印在纸上。活动3 活动探秘

通过实物观察、阅读课文，尝试说出计算机有哪些设备组成，它们有何作用？回想我们的日常用的计算机，还有哪些设备是和计算机相连，一起为我们服务的？

检验方法：给每组学生发一页纸，从前到后，学生不断补充答案，由组长负责。教师活动：活动结束时，将学生的答案汇总，并在大屏幕上显示出来。

紧接着提出问题：计算机系统可以有这么多设备，我们能不能对它们进行分类呢？按什么标准进行分类呢？

由此导入到五大功能部件的学习。

六、课后作业

1、通过小组合作方式从网上下载关于计算机硬件的资料，并把它整理归类，供同学们参考。

硬件系统 篇3

【关键词】智能小车；语音无线遥控系统；硬件；设计

1语音无线遥控器的设计原理

语音无线遥控器结构主要由STM32F103ZET6核心控制板模块、SD卡存储器模块、语音识别模块和NRF24L01无线模块组成。其中语音识别模块是由语音输人与输出模块、语音识别芯片组成。所有的模块都是通过串行SPI方式与核心控制板相连，并由它控制。结构原理框图如图3.1所示。

语音无线遥控器的工作原理如下：通过麦克风发出控制指令控制，语音识别模块识别，产生一个32位控制码取决于控制信号由单片机的SD存储模块匹配“【关键词】列表”，然后由语音识别模块扬声器说话的声音播放出来，然后MCU发送控制信号以控制无线传输模块发送到控制码以无线电波的形式，由一个小的车接收的车辆控制单元的后MCU处理和控制小车产生预期的作用。它接收到的语音命令，通过语音识别处理的麦克风，和将识别结果作为二进制码到中央控制器，用于处理输出。

2 语音识别模块设计

LD3320芯片是一个“语音识别”专用芯片。这种芯片融合了语音识别处理器和一些包括AD，DA转换器，音频输出接口，麦克风插孔等外部电路。注重节能减排和芯片设计效率，该芯片不需要任何外部援助，如闪存，RAM等，直接集成在可实施的语音识别/语音/互动功能的现有产品，并确定关键词的列表可以在任何动态编辑。目前，语音识别芯片，通常是基于特定人的语音识别技术，芯片不能被修改，以确定工厂出厂后的条目只能识别进入识别预制之前。本文采用语音识别芯片LD3320作为研究的系统，制定语音识别解决方案。ICRoute产生LD3320是基于语音识别技术，语音识别/声音芯片的非特定的人。外围只需要低级单片机水平，让MCU控制芯片LD3320，麦克风连接到AD引脚，就能达到语音识别功能。LD3320具有高效的非特定人语音识别搜索引擎和完整的特征库。LD3320语音识别有高达94%准确率，而且无需语音训练。LD3320模块原理图如图3.3所示。

2.1 语音识别芯片LD3320的工作原理

LD3320语音识别芯片采用的就是ASR技术，LD3320的语音识别进程，首先对由麦克风输入的语音进行频谱分析。让语音与关键词列表的词进行比较，最后最相近的关键词作为识别结果。

语音识别芯片LD3320采用ASR技术，提供了一种脱离各种各样操作方式只用语音来控制系统的操作，这样使得操作更简单、快速和自然。使用者只需要以字符串的形式把识别的关键词语传送进芯片，就可以让识别立即生效，例如，使用者编程时，简单地通过设置芯片的寄存器，把诸如“关灯”这样的关键词语的内容动态地传人芯片中，芯片就可以识别所设定的关键词语了，关键词就是由汉语拼音组成。LD3320的语音识别系统可以随着程序，在运行时动态地更改关键词语列表的内容，应用到多种不同的场景，而且不需要语音训练。

2.2 语音识别技术

语音识别（ASR）技术是基于“关键词语列表”的识别技术，它是对大量的语音数据经语言学家语音模型分析，建立数学模型，并经过反复训练提取基元语音的细节特征，以及提取各基元间的特征差异，得到在统计概率最优化意义上的各个基元语音特征，再利用算法以及语音模型转换成硬件芯片并广泛应用在嵌入式系统中。ASR技术的每次语音识别的过程就是把使用者说出的语音内容，利用频谱转换为语音特征，再将这个转换后的语音特征和“关键词语列表”中的条目一一进行匹配，匹配到与列表中最相近的就作为识别结果。如ASR技术在语音控制的手机应用中，这个“关键词语列表”的内容手机中各个应用的名称，不论这个识别列表的内容是什么，只需要使用者设置相关的寄存器，就可以把相应的待识别条目内容以字符形式传递给识别引擎，就能达到识别的目的[14]。

2.3 LD3320的用户使用模式

LD3320具有两种识别模式，分别是“触发识别模式”和“循环识别模式”。两种不同的识别模式可以通过编程设置。触发识别模式：通过按键让MCU开启定时识别过程（比如5 s），在这个定时过程中使用者说出要识别列表中的语音关键词语。直到整个识别过程结束后，使用者才能再一次触发识别[15]。循环识别模式：MCU 反复开启识别过程，如果声音输入就不会产生识别结果，每次识别都有一个定时的识别过程；如果产生了识别结果，则根据识别列表的作相应处理后（比如播放语音），才允许开启下一个识别过程。

3主控制器模块

无线语音遥控系统跟智能小车系统所采用的核心控制器都是ST公司的STM32F103ZET6这一款芯片。其电路图附录A所示。该芯片基于ARM Cortex—M3 32位的RISC内核，工作频率最高可达72 MHz，内置高速存储器（256 KB 的闪存和20 KB 的SRAM）。STM32系列提供了全新的32位产品选项，具有高性能、实时、低功耗、低电压等特性，同时让高集成度和易于开发的优势结合在一起，将32位MCU世界的性能和功效引向一个新的级别。

4 存储模块

一般的芯片里面都没有足够的储存空间，然而语音数据又必须有个地方存储，才能正常的播报出来。本系统采用了通用的SD卡模块，可以随意扩张内存。最主要作用用来保存剪辑的或自己录制与制作的MP3格式的语音材料，存储模块的电路图如图3.5所示。

5无线模块

1、nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段，里面有频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，可通过程序进行配置输出功率和通信频道[18]。nRF24L01是低功耗，在以-6 dBm的功率发射时，也只有9 mA的工作电流；接收的时候，只有12.3 mA工作电流，大量的低功率工作模式（掉电和空闲模式）使设计节能更方便。

2、发射数据：将nRF24L01设置为发射模式，利用SPI协议把接收地址和数据写到nRF24L01缓存区，CSN为低时才能连续写入数据，发射时只要配置一次发射地址就可以，再保持CE为至少10μs高电平和延迟130μs，这样就能发射数据[19]。

3、接收数据：将nRF24L01配置为接收模式，延迟130μs，则就为接收状态，这时只要等待数据的到来。当接收到正确地址和CRC时，数据包就会被存储在RX FIFO中，同时RX_DR中断标志位被置高，IRQ被置低，中断发生，MCU这时就会去读数据，这样就接收到数据了[20]。

医院信息系统的硬件集成 篇4

1 系统集成内容

1.1 系统规划、设计

(1) 新旧硬件和运行环境调研、评估;

(2) 实施方案制定[1]。

1.2 群集系统安装、优化

(1) 网络操作系统群集安装 (Windows server 2003企业版+sp2) ;

(2) 数据库系统群集安装, HIS/LIS等业务负载均衡到2台服务器;

(3) 网络操作系统和数据库系统根据实际运行环境优化配置 (硬件资源分配利用合理化、通道负载均衡最大化、系统整体性能最优化、数据库系统配置优化) 。

1.3 应用数据库迁移、优化、备份

(1) 模拟应用数据库上线测试;

(2) THIS、LIS等应用数据库和前台程序迁移 (切换不超过15 min) ;

(3) 根据实际运行环境制定应用数据库日常优化;

(4) 根据实际运行环境制定应用数据库日常备份策略。

1.4 网络设备安装、配置

如果项目中包括交换机、路由器、VPN等设备, 则需要:

(1) 硬件安装、调试、上线切换;

(2) 交换机配置VLAN;

(3) 网络负载均衡 (双核交换机载量平衡) 。

2 数据库安全策略

数据作为医院信息系统唯一性的标志, 医院根据自身信息系统 (THIS4、LIS40) 的特点制定详细的数据备份策略, 以减少数据丢失给系统带来的风险。按照备份周期来对数据进行如下周期性备份:

(1) 自动日备份———保留3 d;

(2) 自动周备份———保留2周;

(3) 自动月备份———保留1个月并通过冷备份存档。

按照备份方式来对数据进行如下方式备份:

(1) 完整性备份;

(2) 增量备份;

(3) 日志增量备份。

按照备份存放位置来对数据进行如下方式备份:

(1) 自动本地存储设备热备份;

(2) 自动异地存储设备热备份;

(3) 自动异地存储设备冷备份。

利用THIS4特点及备份策略灾难恢复应急系统:

该方案可保证在主服务器系统灾难性宕机后, 还可以保证数据损失仅在20 min以内甚至不损失的情况下最短时间内恢复全院系统运行。

3 集成所能达到的目标

不论医院信息系统如何发展, 对于任何一个医院来说, 最重要的是医院的数据不能有任何丢失。任何时候有任何数据丢失发生, 对医院来说都会造成非常巨大而无法弥补的损失[2]。鉴于这个要求, 我们做以下规划:

我们在网络中设置1台小型的服务器作为主域 (primary domain) 服务器, 负责网络的安全性与用户登录工作;而将2台性能较强 (IBM3950) 的服务器作为数据库 (database) 服务器, 分别运行医院的HIS和LIS等医院信息应用系统, 应用数据库的数据存储在共享的磁盘阵列中, 从而确保应用系统数据的安全性与高可用性。通过微软集群服务器服务 (MSCS) 实现双机热备, 当一台主机发生故障或关机时, MSCS会自动地将其上的应用切换到另一台机器。不仅可以实现系统级的服务器切换能力, 而且还可以提供强大的应用级服务器切换能力, 表现在对任意应用可以进行检测, 如数据库。当一台服务器的数据库发生故障时, 系统便会自动切换到另一台服务器上的数据库, 由此服务器接管业务, 并且还可以分为不同的资源组切换到不同的服务器, 而且切换的速度很快, 这一点对于应用是至关重要的。

存储这一环节上采取最安全、读写性能较高的RAID 0+1+Hot Spare技术, 以便在数据安全上做好第一步。

规划方案说明如图1所示。

经过上述的系统集成, 医院信息系统不管从运行效率还是数据安全性上都得到大幅度提高, 有效保障了医院信息系统的正常运行, 能够更好地为临床一线服务。

参考文献

[1]李满琴, 谭敏.医院信息系统集成与研究[J].医学信息, 2009, 22 (1) :32-33.

IT软硬件系统购置流程 篇5

IT软硬件系统购置流程分公司或需求部门总公司信息技术部总公司财务部招标小组总公司领导供应商01申购02本地购买小设备或系统统购06信息技术部审批07预算审批在预算内是03分公司或部门采购审批流程是否在预算内08追加预算流程09领导审批04采购结算10是否为常规采购No22成立招标小组Yes05资产管理处理11是否签订大客户协议项目性设备或系统Yes23确定技术方案No结束12签订大客户协议流程24撰写招标书14供货自购设备或系统13下单分公司系统15是否为分公司申购25实施招标流程总公司系统16验收19验收26评标17资产管理处理20资产管理处理27是否需要多次招标Yes不同意29领导审批No18结算21结算28商务谈判同意结束总公司统购的常规设备或系统结束30签订合同31供货或集成系统32IT项目验收流程33资产管理处理34结算项目性设备或系统35报告和总结

IT软硬件系统购置流程说明

IT软硬件系统购置一般可以划分为三大类：自购小设备或系统、由总公司统购的常规设备或系统、项目性设备或系统。对于类别的划分由总公司信息技术部和财务部共同商定，自购小设备或系统一般指价值小于2000元（对于成熟公司该额度可以调高）且非经常性（非批量）采购的软硬件系统，如光驱等电脑配件、活动硬盘、维修工具、小型软件等，也包括总公司信息技术部同意在当地自购或委托购买的设备或系统；由总公司统购的常规设备或系统主要指大于2000元或经常性采购的设备或系统，如电脑、打印机、分公司使用的网络设备、操作系统、日常使用的应用软件等；项目性设备或系统主要是指一次性或非经常性的设备或系统采购，该类采购一般涉及的金额比较大，如机房工程、小型机设备、总公司网络系统、核心业务系统、财务系统、销售支持系统等。

对于自购小设备或系统，由于涉及金额较小，且为非经常性采购，在当地自购可以获取更低总拥有成本，一般在当地实施采购，但必须在分公司或总公司的部门预算之内，如果不在预算内，需要走追加预算审批流程。

对于由总公司统购的常规设备或系统，由于批量采购可以获得更好的价格和更好的售后服务，因此采取集中统一采购的方式，先由总公司与供应商签订大客户协议，需求部门或分支机构在办理本地申请手续后，由总公司信息技术部确定型号和规格，然后交财务进行预算审批，并在主管领导审批通过后，由信息技术部或物控部门下订单，并由供应商直接发货给需求机构或部门。

对于项目性设备或系统，由于涉及金额比较大，且为非经常性采购，一般需要成立临时招标小组进行招标处理。

具体流程说明：

一、需求部门或分支机构购置申请

1.申购。需求部门或分支机构提出设备或系统购买申请，对于项目性设备或系统采购需要进行立案，并经过主管领导审批通过后，方可进行申请。

2.申购设备或系统类别判定。申购部门或分支机构根据总公司相关文件判定本次采购申请的类别（自购小设备或系统、非自购小设备或系统）。

二、“自购设备或系统”处理流程

如果属于自购设备或系统的范畴，将按照自购设备或系统处理流程处理，由申请机构的电脑部门在本地实施采购，并办理相关资产管理手续。

3.申购部门或分支机构采购审批流程。申购的设备或系统需要经过财务预算的审批，如果不在预算内，需要走追加预算的审批流程，并需要经过相关领导审批。4.采购结算。由分支机构的电脑部门确定型号和规格，并进行采购和结算（总公司各部门的自购设备或系统由总公司信息技术部或物控部实施采购）。5.资产管理。申购部门或机构所在财务部门办理资产管理相关手续。

三、“由总公司统购的常规设备或系统”和“项目性设备或系统”的审批 如果不属于自购设备或系统的范畴，需要上报总公司进行采购审批。

6.信息技术部审批。对于非自购设备或系统，由信息技术部审核采购申请是否符合公司相关要求，如项目性设备或系统是否立项通过，常规设备或系统采购是否符合在预算内，型号和规格是否符合要求等；对于需要确定型号和规格的采购，信息技术部根据实际需求确定型号和规格。

7.预算审批。总公司财务部审核该采购申请是否在预算范围内。

8.追加预算流程。如果该采购申请不在预算范围内，需要申请部门或机构申请追加预算，具体流程参见财务部门的追加预算处理流程。

9.领导审批。如果预算审批通过或追加预算审批通过后，该采购申请需要请相关领导进行审批。

10.采购申请类别判定。该采购申请审批通过后，由信息技术部判定本次采购申请的类别（由总公司统购的常规设备或系统、项目性设备或系统），并根据采购申请的类别分别按照不同的流程进行处理。

四、“由总公司统购的常规设备或系统”处理流程

如果属于“由总公司统购的常规设备或系统”的范畴，信息技术部或物控部将根据大客户协议进行采购，并由申请部门或机构所在财务部门办理资产管理手续。11.判定该采购申请是否为大客户协议范围。对于常规采购申请，信息技术部先判定该申请是否为大客户协议范围。

12.签订大客户协议流程。如果该申请不在大客户协议范围，且该类设备或系统为经常性采购范围，信息技术部将会同相关部门尽快与供应商进行商务谈判和签订大客户协议，对于大客户协议一般直接与生产厂商签订，只有对于不能在中国境内直接销售的厂商才与其代理商签订，以获得更低的成本和更好的服务。13.下单。信息技术部或物控部根据信息技术部提供的技术参数、产品型号和规格，向已经签订大客户协议的供应商下订单。

14.供应商供货。供应商根据公司订单上的产品型号、规格和数量，发货到订单上指定的分支机构或部门。

15.采购申请地域判定。需要根据采购申请地域确定验收和资产管理流程，如果为分支机构申请，则在分支机构进行设备、系统验收、结算和资产管理；如果为总公司申请，则在总公司进行设备、系统验收、结算和资产管理。

16.分公司验收。如果为分支机构采购申请，由分支机构电脑部门验收设备或系统，并将情况反馈给总公司信息技术部。

17.分公司资产管理处理。设备或系统在电脑部门验收通过后，办理资产管理的相关手续。

18.分公司结算。分支机构在收到供应商的发票且通过电脑部门的验收后与供应商进行货款的结算。

19.总公司验收。如果为总公司采购申请，由总公司信息技术部验收设备或系统。20.总公司资产管理处理。设备或系统在信息技术部验收通过后，由财务或相关部门办理资产管理的相关手续。

21.总公司结算。财务部在收到供应商的发票且通过信息技术部的验收后与供应商进行货款的结算。

五、“项目性设备或系统”处理流程

如果属于“项目性设备或系统”的范畴，需要成立招标小组进行招标处理。22.成立招标小组。根据项目性质成立招标小组，招标小组主要组成为使用部门、信息技术部、财务部、物控部等部门，招标小组需要通过主管领导的审批。23.确定技术方案。通过共同商议，招标小组确定技术方案，在确定技术方案时可能需要与厂商或供应商进行接触和探讨方案。

24.撰写招标说明书。根据技术方案和公司招标要求，招标小组撰写招标说明书。25.实施招标。IT项目的招标一般有两种方式：公开招标和邀标。一般常用的是邀标方式，即根据邀标条件先在市场上进行供应商初选，然后对符合条件的供应商邀标，招标小组对愿意参加招标的供应商发标，供应商领取标书后在指定的期限内回标。为了取得较好的价格，尽管在技术方案确定是有明显的品牌倾向，但在招标时尽量既招标集成商同时也进行品牌（厂商）的招标，以引入厂商的适度竞争。在招标过程中，与厂商进行深入的沟通，对于降低成本也有很大的帮助。26.评标。在IT项目评标前，需要招标小组根据项目情况事先制定评标指标和权重，然后招标小组根据各供应商情况和回标情况进行评分，对于比较重大的项目，可能还需要各供应商进行讲标。

27.招标结果的确认。招标小组将根据招标和评标的结果，以及预算等实际情况决定是否需要调整技术方案和实施下一轮招标，一般对于重大和复杂的项目，可能因修改方案而需要进行二次招标，也可能为了更好的降低成本而实施第二轮招标。28.商务谈判。招标小组将根据评标结果选择一家或二家供应商进行价格等方面的进一步探讨，以获得更低的成本，并根据商谈结果基本确定供应商，并进行商务方面的谈判。

29.领导审批。招标小组将招标结果和商务谈判情况上报主管领导，如主管领导不同意招标和商务谈判结果，需要招标小组重新进行商务谈判，甚至重新实施招标；如主管领导同意招标和商务谈判结果，由招标小组继续实施合同签署流程。30.签订合同。招标小组将根据领导审批通过的招标结果和商务谈判结果，与选定的供应商进行商务合同条款的确定，并签订商务合同。

31.供货或集成系统。供应商将根据商务合同要求供货或集成系统。

32.IT项目验收流程。IT项目验收小组将根据验收要求实施IT项目验收流程，具体内容见《IT项目验收流程》。33.资产管理处理。IT项目验收通过后，由财务部或相关部门办理资产管理的相关手续。

34.结算。财务部门将根据合同条款和项目验收情况进行财务结算。

硬件系统 篇6

关键词：计算机；安全隐患；硬件选购；系统维护

中图分类号：TP307

1 计算机硬件的选购

计算机的硬件组成主要包括中央处理器、存储器、输入设备和输出设备。计算机各硬件的选购有不同的标准，选购参数也各不相同，具体如下：

第一，是CPU（中央处理器）的选购，CPU作为计算机的核心构件，对计算机的整体运行起着决定作用，它主要负责数据运算，控制程序的运行，计算机性能的主要判断依据是CPU的三个指标——核心数、缓存、主频。

第二，是内存的选购，所谓内存是计算机的主要存储器，作为主要存储器，其存储速度由于辅助存储器，在计算机硬件选购这一环节，内存容量是极为重要的，当前计算机内存容量主要流行的是2GB到8GB，更高容量的内存也已逐步兴起，并发展迅速广为所用，由此可见，内存的选购的主要参数是容量及主频。

第三，是硬盘的选购，所谓硬盘就是在内存作为主要存储器的前提下的辅助存储器，副主存储器的读取速度快、存储容量较大，硬盘接口分穿行和冰箱两种，当下开始流行无机械部件的固态硬盘，读取速度较原始硬盘有较大突破，SATA串行接口的硬盘是当前的主流硬盘。容量和转数是硬盘选购的主要参数。

第四，是显示器的选购，显示器是计算机的输出设备，当前液晶显示器以取代台式显示器成为主流，液晶显示器分为LCD和LED两种，这两种显示器的划分依据是显示技术的不同，LCD的显示屏有液态晶体组成，LED的显示屏是由发光二极管组成。显示器选购的重要参数主要包括以下几个：（1）对比度。液晶显示器要想展示丰富多彩的画面依靠的就是对比度，对比度良好的显示器可以还原出极具层次感的画面。（2）亮度。亮度可以提高液晶显示器对外界的抗干扰能力。（3）点距。点距是组成液晶显示屏各像素点之间的间距，该间距越小越好。（4）可视角度。苏伟可视角度是指液晶显示器不失真的范围，可视角度越大越好。（5）响应时间。液晶显示器对输入信息的反应速度就是响应时间，换句话说，响应时间就是显示器由亮转暗或由暗转亮的时间。响应时间越短越好。

第五，是主板的选购，主板是连接板，对上述各部件进行合理有序连接，它是计算机的重要部件，它主要由CPU插槽、内存插槽、南北桥芯片、各种扩展插槽、SATA接口、IDE接口、USB接口、外部接口、电源接口、电源供电模块、机箱面板控制开关接口等组成。主板支持硬件的能力及芯片是主板选购的重要参数。

第六，是显卡的选购，显卡的性质和主板类似，也是其连接部件的作用，主要连接主板和显示器，显卡分为两种：独立显卡和集成显卡，目前使用最多的是独立显卡。多数游戏玩家和各种设计师往往选择独立显卡，目前许多普通电脑使用者也大多选择独立显卡，独立显卡的显存在显卡上，显存的大小及速度是独立显卡选购的重要参数。

第七，是机箱的选购。机箱要与计算机各硬件的总能耗相适应，与主板板型相匹配。主板板型加大、功耗多的应该选择大机箱，反之选择小机箱。机箱在做工和材料方面应选择做工精细、板材厚实的，此外散热良好、可避免漏电、案件可靠的优先考虑。一般而言，普通商务办公选择中小型机箱；家庭使用选择大机箱。

最后是鼠标和键盘的选购，鼠标和键盘属于输入设备，即外部插件。质量好的鼠标指针定位准确、灵敏，按键弹性良好。质量好的键盘同样按键具有良好的弹性，松开后立即弹起，无水平方向晃动，且击键声音小。一般家用可选罗技、戴尔等中等价位的鼠标，办公选用较低价位的鼠标。

2 计算机系统的维护

2.1 计算机系统维护策略

第一，进行预防性维护。预防性维护根据业务发展趋势对一些可预见的可能出现的问题进行预防，对系统进行有针对性的改善，减少日后对系统维护的工作量。预防性维护可以改进系统的可靠性和容错性，是用户主动对系统进行的维护。第二，进行纠错性维护。日常简单地系统测试难以检测出系统中存在的所有问题，对于系统内隐藏的错误和程序运行的问题则由纠错性维护在计算机系统的使用过程中进行诊断和修复，从而保证系统的正常运行。系统的隐藏故障主要包括三种：编程性错误、操作性错误、需求性错误。编程性错误是由系统程序的逻辑性错误所致，主要表现形式是账目管理中的错误、程序运行时的自动停止等。操作性错误主要是人为造成的，由于程序使用人员的非法操作或违规操作导致的数据丢失或损坏等。需求性错误也是人为造成的，是业务人员由于经验不足，在程序运行的控制条件下出现的账目偏差等问题。计算机通过对系统进行纠错处理可以有效避免这些错误，保证系统健康良好的运行。第三，进行适应性维护。适应性维护是为了保证计算机系统能够适应不断更新的软件和硬件环境，提高系统运行效率，同时也是为适应设备更新和网络制度改革而进行的维护。另外，对于管理信息系统而言，应用对象的改变和信息的更新都需要系统不断进行适应性调整。适应性维护是对系统进行的重要维护措施，对系统的更新发展具有重要意义。

2.2 计算机系统维护的具体措施

首先，可以安装并设置杀毒软件和防火墙。众所周知，杀毒软件和防火墙对计算机系统的安全十分重要，对大部分非法访问起到了至关重要的限制作用。另外，防火墙可有效抑制计算机病毒的传播。当然，适当的设置才能发挥杀毒软件和防火墙的最大作用。用户在安装杀毒软件和防火墙的同时必须对其使用进行详细了解。其次，定期备份计算机系统信息。任何计算机在使用过程中都难以避免的会出现不可预见的系统故障，这些故障会损坏系统文件等，一些人为失误也会导致系统资料丢失等。Ghost软件是常用的数据备份软件，通过Ghost软件进行数据备份的方法主要有两种：（1）通过光盘进行Ghost数据备份。（2）通过Ghost软件在计算机硬盘上进行备份。另外，还可通过网络或隐藏分区进行数据的备份和恢复。再次，定期查补网络漏洞。网络漏洞查补可以减少非法程序对计算机进行网络攻击。采用agent方式与计算机的重要服务器主机进行连接，对检测系统的安全漏洞非常有帮助，并能及时锁定黑客破坏系统的方法，实时提醒用户进行各种漏洞的修补。另外，查补网络漏洞在保障系统安全的同时，还能有效保证数据库安全。由于各种不健全因素，计算机安装使用的各种软件都存在一定程度的安全隐患，对主机数据库进行筛选以便预测安全漏洞，并及时进行补救。例如通过口令密码等确定系统的安全系数，对存在的安全隐患采取相应措施。

3 结束语

计算机的使用和维护是一项复杂的工作，不仅需要掌握多种硬件选购的技巧和必要的杀毒软件等的协助，而且需要掌握多种日常维护的技巧。网络再带给人们便捷的同时也存在诸多安全隐患，如若使用不当将会给使用者带来麻烦甚至导致重要数据的丢失，本文针对硬件选购和系统维护分别给出了相关建议，但限于篇幅，笔者的建议不能覆盖计算机使用中遇到的所有问题，具体问题的解决方案需要用户在使用中不断积累，在此基础上优化计算机的安全隐患并发挥计算机对用户的积极作用。

参考文献：

[1]孙卓.加强计算机系统维护与管理的具体措施[J].中国科技纵横，2012（03）.

[2]沈大林.计算机硬件组装维护与操作系统[M].中国铁道出版社，2009，07.

[3]张迎献.试谈计算机系统维护与管理[J].电脑编程技巧与维护，2011（06）.

[4]马广为.计算机系统的维护与管理探讨[J].科技资讯，2011（16）.

头部动作识别系统的硬件设计 篇7

现如今,人们平均寿命不断提高,但是身体的衰老依然在继续。丧失了四肢行动能力的人越来越多。如何帮助这些人进行正常的生活成为一个难题。于是出现了助残的智能机械装置,重庆邮电大学设计了一种通过唇部检测提供人机接口的智能轮椅装置[1],通过视觉检测唇部的运动变化来控制轮椅。马来西亚的人员通过检测EOG信号来控制轮椅的运动[2],即在人的面部安装电极,即通过测量人面部肌肉运动时的电压变化来控制轮椅。通过机器视觉检测人头部运动提供人机接口,出现了基于双目视觉的智能轮椅[3],通过机器视觉检测人眼的移动来控制轮椅。常用方法还有语音识别方法,即通过建立语音库,采取端点检测,特征提取,利用识别语音信息控制轮椅的运动[4]。

本文利用加速度计与陀螺仪组合单元检测人的头部的机械运动,控制机械臂运动并抓取目标,之后人可以控制机械臂将物品放在适当的位置,可以为四肢瘫痪的人提供一种交互式的辅助装置。根据系统功能,将模块分为头部动作识别单元和机械手部分。

2 头部运动测量单元设计

头部运动识别单元采用三轴数字陀螺仪与三轴加速度传感器融合的策略。将采集到的信息经过数字滤波处理后,估算出头部的运动姿态,通过无线单元发送到机械臂执行端。系统框图如下:

模块详细设计如下:

2.1 运动检测单元设计

陀螺仪采用意法半导体(ST)推出的L3G4200D。L3G4200D是三轴数字陀螺仪,支持I2C和SPI接口,量程范围从±250dps到±2000dps,用户可以设定全部量程,低量程数值用于高精度慢速运动测量。器件提供一个16位数据输出,以及可配置的低通和高通滤波器等嵌入式数字功能[5]。

加速度传感器采用ADXL345。ADXL345是ADI公司的三轴加速度传感器,支持I2C和SPI接口,,最大可感知16g的加速度,感应精度可达到3.9mg/LSB,具有10位的固定分辨率和用户可选择分辨率,可通过串行接口配置采样速率。具有自由落体检测,单击双击检测等功能。系统造价低廉,并且全数字输出,省去模拟信号调理电路,提高抗干扰性。两种传感器都支持标准的I2C通信协议,只需要I2C接口即可控制[6]。

2.2 无线通信单元设计

无线发送单元采用由NORDIC出品的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM频段的无线收发器nRF24L01。无线收发器包括:频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。芯片具有极低的电流消耗:当工作在发射模式下发射功率为0dBm时电流消耗为11.3mA,接收模式时为12.3mA,掉电模式和待机模式下电流消耗更低。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。MCU只需通过SPI接口发送指令即可完成无线信息的收发工作[7]。

2.3 主控MCU

M C U主控芯片采用意法半导体的增强型A R M cortex-m3处理器STM32F103RBT6,最高72MHz系统时钟,集成128K FLASH和20K SRAM,16通道12bit ADC,集成多达7通道的DMA控制器,多达4个16位定时计数器其中包括一个面向于电机控制的高级定时器,集成I2C,SPI,CAN,USART和USB通信接口[8]。满足系统需求。

2.4 姿态估计

通过I2C总线与陀螺仪和加速度传感器进行通信,通过定时器中断控制加速度传感器和陀螺仪的同步采样。微控制器采得传感器数据后计算系统姿态参数。

开机头部静止时,通过加速度传感器可以获得三个方向的加速度值Gx,Gy,Gz,这三个方向的加速度在静止状态下的合加速度即为重力加速度

G2=Gx2+Gy2+Gz2(方向为竖直向下)

它与坐标轴的夹角为θx,θy,θz满足:

一旦加速度计脱离初始状态,则此时Gx',Gy',Gz'的矢量和则为重力加速度和实际加速度的和,利用这个值和初始状态合成的重力加速度即可计算出此时加速度的一个估计值

通过陀螺仪可以获得当前时刻的角速度值ωx,ωy,ωz,假如每隔Δt时间采样一次则

由上一次通过加速度计得到的,此次由陀螺仪得到的Δθi,则可以得到当前加速度的另一个估计值(此时间内加速度大小不变,只是方向改变Δθi)。

当前时刻的加速度矢量估计值由从加速度传感器测得的当前加速度矢量与通过陀螺仪的信息获得的加权平均得到,由于当加速度方向接近于G时陀螺仪误差变大,而当加速度与重力加速度夹角接近于90度时加速度计误差变大,所以当选取的陀螺仪权值为:

时效果是比较理想的。

此时的加速度值为由加速度传感器或者的数据解算出的的加权平均值:

通过对得到的加速度进行积分即可得到当前的速度:

至此已经得到了人头部运动的加速度和速度值,M C U控制机械臂按照头部的运动加速度和速度而运动。实现头部动作的估计和机械臂的随动。

由于初始状态的重力加速度方向可以确定,所以再经过简单计算就可得到该模块当前的各种运动参数。

本系统在使用中只是应用上述简单的估计方式,实际发现效果比较理想,MCU的运算负担也比较小,故没有采用复杂的惯性技术。

2.5 模组安装

本系统将头部运动测量单元电路安装于头盔中,使用者只需佩戴头盔即可实现通过头部的运动控制机械臂的运动。本系统预定义了四个动作:左右摇头分别对应机械臂的左右旋转,低头对应机械臂的前伸动作,仰头对应于机械臂的收缩动作。头部运动测量单元实物图如下。

3 机械臂部分设计

机械手随人的头部运动而运动,在人头部运动的引导下找到目标,当人做出点头动作时,机械臂的夹持装置闭合,抓起目标。人通过头部的运动控制机械臂将物体移动到合适位置,当人在此做出点头动作时,机械臂释放目标。系统框图如下:

各个模块详细设计如图3。

3.1 伺服驱动硬件电路设计:

本项目采用MOSFET搭建H桥功率单元电路,在MOSFET驱动电路采用IR公司的集成HVIC驱动器IR2103[9],高端通道采用自举升压,在低端开启时为高端充电,输入逻辑信号只能是脉冲信号,高端不能长时间的开启,否则高端将无法充电。在高频率和PWM占空比较高的情况下,驱动将开启不良。在高占空比下,可以采用辅助电荷泵的方法,即在低端关断时通过NE555和自举升压电路组成的电荷泵为IR2103的高端浮动电源提供电力[10],提高高端的充电能力。功率管采用的是IR的IRFZ44N,在GS极直接集成双向稳压管[11],可以在驱动电压出现突增时保护功率管。实际电路如下:

实际验证IR2103在12V电源电压下,有NE555辅助自举升压的情况下可以工作在40K(占空比在90%,高端驱动电压不低于12V),驱动额定电流5A的直流电动机,场效应管无明显发热。

对于电机控制,电流的测量很重要,当驱动端逻辑信号发生异常或者HVIC损坏时,如果不及时关断,就会烧毁功率单元[12]。采样电流常用的有电阻采样和专用霍尔电流传感器采样等。从成本考虑,我们选择电阻采样。电流通过采样电阻后,会在电阻产生压降,此信号经过运放放大,通过MCU的ADC测量压降可以计算出电流大小。

对于闭环伺服系统,必须有位置反馈,在位置反馈上,我们采用了安格创科技的磁性绝对值编码器[13]。它直接输出运动轴的绝对位置,断电后信息不变,不需要开机找零点。信号为线性模拟信号,11位/周分辨率及12位/周准确度。只需要将输出信号连接MCU的ADC即可获得运动轴的位置与速度信息。可以显著提高运动部件重复定位精度。

3.2 机械部分设计

机械臂运动结构采用5自由度设计。底盘旋转动力采用蜗杆减速电机,同步带带动机械臂主轴旋转。机械臂臂关节的动力部分采用电动推杆。电动推杆是一种将电动机的旋转运动转变为推杆的直线往复运动的执行器。具有性能可靠,动作灵敏,运行平稳,推拉力相同,环境适应性好等特点。可用于各种简单或复杂的工艺流程中作为执行机械使用,以实现运动控制。本项目的电动推杆速度在2mm/s至60mm/s,推力1500N,行程200mm,内置限位开关,低噪音设计,工作噪音小于42dB[14]。腕关节采用扁平型蜗杆减速电机,高转速,反应迅速,体积小,便于安装。夹持机构采用减速电机带动螺杆,可提供较大的夹持力。

机械系统的三维视图和实物图如下:

4 结束语

机房环境监控系统硬件设计 篇8

整个现场监控系统分为现场监控站、浏览站及智能设备三层, 其中的数据库和WEB服务等组件, 与现场监控软件安装在同一台监控主机上, 提供远程访问服务;设备通过串口扩展模块或串口联网服务器、以太网与主机构成物理连接。

二、系统硬件设计

2.1系统硬件结构图

系统硬件结构图如图2.1所示。各类变送器与LPC2214的串行通讯通过485串行口完成;IO LINE与LPC2214的串行通讯通过232串行口完成;UPS电源屏与LPC2214之间的通讯通过232/485复用串行口完成;系统的上电复位功能由复位电路实现;LPC2214与其它电路所需的1.8V、3.3V和5V工作电压由电源电路实现;当系统所需的RAM大于LPC2214中的RAM时, SDRAM存储器为系统提供不足的RAM;系统可以通过JTAG接口进行编程与调试;检测系统中的一些开关量及直流模拟量通过遥信、遥测电路实现;遥信量的采集和系统的扩展串行口与LPC2214的传输通过EPLD电路实现。

2.2MCU单元。

MCU单元是本系统的核心单元, 其主要负责采样数据的存储和处理, 协调各个模块之间的工作, 并且负责与上位机之间的通信。本文采用了PHILIPS公司生产的LPC2214 ARM7 TDMI芯片。

2.3数据传输接口。

数据传输接口由以太网接口和串行通信接口组成。串行通信接口分为RS-232接口、RS-485接口、RS-232/RS-485复用串口和10M嵌入式串口网联接口。

1. 以太网接口。

以太网接口负责与终端电脑传送监控数据。本文采用的控制芯片RTL8019AS是高度集成的以太网控制器, 支持以太网全双工通信模式, 支持对BNC、UTP和AUI的自动检测, 支持对额外的I/O地址进行输入输出及16条I/O基本地址选项的完全解码方式, 支持瞬时读写, 能够与微处理器方便地进行连接。RTL8019AS以太网控制器是全双工的控制器, 可以实现即插即用, 其接口符合Ethernet2和IEEE802.3 (10Base5, 10Base2, 10BaseT) 标准。

2. 串行接口。

本文设计的系统与上位机进行数据交换采用两组光电隔离三线制RS-232接口, 主要负责上传各个变送器的实时数据、通信状态及接受上位机向下传达的命令。通过光电隔离RS-485接口[1]的通信来实现总线挂接各种变送器, 从而监测机房中的相关参数, 其中包括机房温湿度、烟浓度、电源等。

TL16C554[2]是L16C550C的增强型异步通信组件 (ACE) , 整合了四个通道。它的每个通道接收数据都能通过外围设备或MODEM来实现, 完成串与并之间的转换;同时, 可以从CPU端接收数据, 完成并与串之间的转换。CPU可以对任何一个通道的状态进行查询, 并监视执行中的各种命令及发生的任何错误。

2.4监控单元的设计。

遥测是指对连续变化的模拟信号的数据采集, 并将采集的主要参数及时编码成遥测信息, 将其传送给调度室, 这里的模拟信号是指交流配电箱的三项交流电压;电池电压以及标示电池湿度等;机房温度、湿度等。遥信是将离散状态的开关信号状态传送给调度中心, 这里的信号状态是指对交流配电箱的停电、缺相、空开跳闸、交流保险;空调的工作、制冷;机房的火警、盗警、积水等。本文采用光电耦合器对遥测信号进行采集, 其开光量为无源模式。遥控是指监控系统送出离散状态的控制命令, 以实现设备执行相应的动作的过程。本课题中的控制命令是指对空调的开关机。

三、结论

本文是基于ADS1.2的嵌入式软件开发平台和PHILIP公司的LPC2214为核心的硬件平台开发了通用RS232通信组件, 并经过严格的测试, 可以在Windows环境下、串口进行通信和数据上的处理。结合了单片机环境监控仪、RS485总线通信、计算机数据的实时处理等多项技术。

摘要：本文设计的机房环境监控系统是基于PHILIPS公司生产的LPC2214 ARM7 TDMI芯片为嵌入式核心的处理器, 扩展了数据传输、遥信、遥测接口单元, 采用EPLD逻辑器件对串行扩展芯片接口的中断管脚进行集中处理。系统具有较好的开放性, 不仅可以向下集成各种软硬件接口, 还可对外提供各种接口, 完全实现与其他平台的无缝对接, 传递各种报警信息。对以后的环境监控系统的研发有很大的经济和社会方面的意义。

关键词：机房环境,环境监控,监控与管理,嵌入式系统,监控检测

参考文献

[1]段朝伟.大温室温湿度远程监控系统[M].武汉理工大学, 2008.

硬件系统 篇9

衬砌裂缝作为隧道病害中最为危险的病害之一, 严重影响着隧道寿命和行车安全, 即使是很细微的裂缝在外载荷作用下由于疲劳效应使之不断扩展也可能会引起结构的进一步变形破坏、引起结构漏水、掉块等一系列重大病害[1]。因此, 定时检测和发现衬砌表面裂缝并跟踪裂缝扩展趋势, 对高速公路隧道安全运营、延长使用寿命、降低维护费用等方面有着不可替代的作用, 也是高速公路信息管理系统的需要。

目前国内公路隧道裂缝的检测方法主要以人工肉眼和人工仪器为主。前者主要在日常巡检中检测人员沿着隧道走, 用肉眼观察裂缝大小、形状和位置, 并做好相应记录。定期检测中主要通过人工仪器检测, 借助路灯车或升降平台将检测人员送至拱顶附近, 这种方法不仅工作效率低, 检测速度约为0.02km/h, 同时个人主观程度大、花费高、危险性大, 且需要交通管制, 更重要的是不能够对病害信息进行数据化管理, 无法得到裂缝等病害扩展趋势和速率[2]。面对公路隧道检测过程中的上述问题, 2015 年修订的《公路隧道养护技术规范》中规定隧道经常检查宜采用人工与信息化手段相结合的方式, 就是考虑了现有检测手段的缺点和快速智能检测方式的优点, 鼓励智能检测设备投入应用[3]。图像检测技术作为快速检测手段最主要的方式之一, 近年来得到广泛应用[4], 本文提出的快速检测装置即基于图像处理技术。

1 隧道裂缝快速检测装置整体设计方案

智能检测系统分为图像采集、图像处理和数据管理三个环节, 涉及的硬件主要在图像采集系统中, 该子系统采用机器视觉技术将采集系统 (数字相机、镜头、图像采集卡、数据存储器等) 、定位系统 (惯性导航装置、距离传感器、速度编码器等) 、照明系统 (高强度光源等) 、供电系统 (蓄电池等) 、多轴稳定平台集成于移动设备上, 形成一套载体式集成检测系统, 各部件的工作关系如图2所示。

快速检测装置在隧道中行驶, 光源发射器将恒定功率的辅助光照射至衬砌表面。工业相机和光源保持相对固定关系, 时刻接收衬砌表面图像, 将光信号转换成电信号, 再通过数据传输线将信号存储在计算机上。在公路隧道行驶中路面随机颠簸和系统自身震动会对图像接收过程产生影响, 进而降低图像采集质量, 不利于后期图像分析, 所以需要一套运动补偿系统来抵消系统的震动。由于检测装置在行驶过程中不能保持恒定速度, 相机触发频率需要与行驶速度保持恒定关系, 通过速度编码器来实现这个功能。

通常公路隧道为两车道, 检测装置在行驶过程中对靠近的半幅隧道轮廓进行画面采集。这种相机分布方式需要对同一个隧道进行两次画面采集, 但是能够有效避免全幅画面采集过程中被旁边车道超车时阻挡另一侧隧道表面的问题, 相机方位示意图如图3。

2 工业相机选型

工业相机作为整个硬件系统的核心部件, 直接关系着图像采集质量和精度, 工业相机按照不同感光芯片分为有CCD和CMOS两种[5]。CCD称为电荷耦合器件, 里面排列整齐的光电二极管能够感应光线, 把光信号转变成电信号。CMOS称为互补金属氧化物半导体, 将晶体管集成在电路板上来接收光信号。CCD图像传感器的像素集成度高、体积小、成像质量好, 但是相比于CMOS图像传感器价格昂贵, 在拥有高分辨率的时候行频较低, 拍摄速度会受到一定限制。

相机从感光单元的排列方式可以分为线阵和面阵两种, 线阵相机通常只有一行感光单元, 相对面阵相机制作简单、成本较低, 具有两行感光单元的可以对物体同一个部位拍摄两次, 通过相机内部算法求平均值后输出该部位的拍摄效果, 这样有效提高了拍摄的稳定性。面阵相机可以获得一幅完整的图像, 得到的数据量很大, 不是很适合进行高清画面采集, 同样不适用于隧道细微裂缝的拍摄。

公路隧道裂缝智能检测设备最主要的优势在于检测过程不需要交通管制, 检测速度需要达到高速公路车辆正常行驶速度, 目前我国规定隧道最高限速为80km/h即22.2m/s, 对于检测精度为1mm裂缝的目标相机拍摄行频需要达到22.2×103mm/1mm=22.2k。对于设计时速为120km/h的高速公路, 隧道净宽11m, 侧墙建筑限界高度为2.5m, 起拱线通常取1.6~1.7m, 最小起拱半径为

设计中起拱半径可以超过最小值约30cm, 则最大起拱半径为5.9m, 拍摄半幅画面的总视场为

设定裂缝检测精度为1mm, 检测过程中为了避免其他车辆从旁边超过时阻挡画面拍摄, 所以每次只对靠近检测车占用的行车道一侧的半幅隧道断面进行拍摄, 每拍摄一次需要的像素为

单个线阵相机分辨率通常为2k、4k、8k, 考虑到工控机主板PCI插槽最多为4 个, 相机个数不宜超过4 个, 在此我们选择3个分辨率为4k的线阵相机。满足分辨率和行频为4k和22.2k的相机有:DALSA公司生产的p2-4x-04K40-7 和p2-4x-04K40-10 两款CCD相机, 后者较前者有更大的像元尺寸和感光性, 具体参数见表2。

3 结语

分析了我国公路隧道建设状况和现有隧道检测技术之后, 提出了一套基于机器视觉技术的隧道裂缝快速检测方案, 阐述了检测装置的整体设计思路和工作原理, 详细介绍了硬件系统中各个构成部件的作用。相机作为整个系统的核心部件, 选型工作起着至关重要的作用, 对比了线阵和面阵相机的适用场合, 结合公路隧道结构断面、检测速度和检测精度计算了线阵相机的分辨率和行频, 选定了DALSA公司生产的p2-4x-04K40-10 型号。智能化和快速化检测养护手段为我国高速公路隧道检测提供了一种全新而高效的方式, 将会得到更加广泛的应用。

参考文献

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[2]钟悦鹏.某公路隧道衬砌结构检测及评价[D].广州:华南理工大学, 2012.

[3]JTG H12-201.公路隧道养护技术规范[S].

[4]张娟, 沙爱民, 孙朝云.数字图像处理在道路无损检测中的应用[J].山西交通科技, 2002 (6) :10-12.

数字语音加密系统的硬件设计 篇10

关键词：AD73311,AMBE-2000,加密

语音是人们获取信息的重要手段, 语音通信是现代通信中最常用、最方便的通信手段之一。随着通信技术的发展, 针对语音通信的攻击也越来越严重, 如窃听、“电话跟踪”、电话劫持和拒绝服务等对语音通信安全构成了极大威胁, 因此, 研究语音加密, 对保障语音通信的安全十分重要。在研究语音通信保密性的同时, 也要考虑通话的实时性。本文所提出的语音保密通信系统设计方案, 首先将语音信号压缩, 以减少数据量, 而后用一种基于数字混沌序列的快速加密算法对压缩后的数据进行加密。此种方案能较好地满足我们在实际中对语音通信安全性和实时性的要求。

1、系统总体设计

该系统主要由语音编解码模块、加密模块这两大模块组成, 系统框图如图1所示。

在发送端, 系统首先将接收到模拟语音信号经A/D转换芯片转换成数字信号, 而后编解码芯片对转换后的数字语音信号进行压缩编码输出给加密模块, 最后加密模块完成对信号的加密操作。在接收端, 系统对信号的处理流程与发送端相反。

2 各模块设计

2.1 编解码模块

在此模块中, 本文采用AD73311模数/数模转换器芯片和AMBE-2000语音压缩/解压芯片对输入的语音信号进行编解码。

AD73311是美国AD公司推出的低成本、低功耗的数模转换器件。它具有可变增益的输入、输出放大器, 采样频率可通过编程改变, 小的转换群延时, 允许8个芯片级联, 自身带参考电压和低功耗等许多优良特性, 可广泛应用于信号处理、无线通信、数据通信等领域。

AD73311包括四个部分:A/D转换通道, D/A转换通道, 串行输入/输出端口和片内参考电压电路。有5种工作模式:程序模式、数据模式、混合模式、模拟环路模式、数字环路模式。其中前三种是正常的工作模式;后两种是调试模式, 仅在调试时使用。AD73311启动或者重置后即工作于程序模式, 此时可以通过串口往芯片内的控制寄存器写控制字, 来设定工作状态。设定完成后, 写“进入数据模式”的命令进入数据模式, 此时AD73311串行口输出的是A/D转换的16位数据, 输入的是D/A转换的16位数据。

AMBE-2000是一种高性能、低功耗的单片实时语音压缩解压芯片, 其压缩率可在2kbps~9.6kbps范围内由软件调节, 且具有FEC (前向纠错) 、VAD (语音激活检测) 功能和DTMF信号检测功能。AMBE2000可以分为两个独立的元件-编码器和解码器。编码器从语音串行接口接收8KHZ的语音采样数据流 (16位线性, 8位A律, 8位μ率) 并且在给定速率下输出通道数据流。解码器接收通道数据流, 然后合成语音数据流。AMBE-2000编码器和解码器接口时序是完全异步的。语音串行接口接A/D、D/A转换器, 我们选用的AD73311转换器配合AMBE2000使用, 在实际应用中取得了良好的效果。如图2所示是AMBE2000与AD73311的连接图

语音信号经过AD73311转换后的数据和控制信息, 以串行的方式送到声码器。声码器中的编码器接收到8KHZ的采样数据流, 然后输出压缩数据流给解码器;解码器对其进行解压缩, 同样输出8KHZ的语音数据流, 该数据流随后进入AD73311进行D/A转换, 并以差分的形式输出原始的语音信号。

2.2 加密模块

该模块以AT89C51单片机为核心来完成对数据的加解密操作。它接收到来自AMBE-2000的数据后用设计好的加解密算法对其进行加解密操作。为确保数据通信的保密性, 加解密算法的设计是关键。本文所设计的加密的算法是, 让输入的语音信号与一个混沌序列进行模2运算, 即:Yt=Xt⊕St其中, St为发送端的数字语音信号, Xt为发送端的混沌加密序列, Yt为加密后的信号。解密算法是, 让经加密处理后的语音数字信号与同样一个混沌序列进行模2运算。即:Sr=Yr⊕Xr;Yr=St+Nr其中, Sr为解密后的语音信号, Yr为接收端收到的加密信号, Nr为通道噪声。显然, 当收方与发方采用同一初始条件相同的混沌系统时, Xt=Xr;若双方在通信过程中信号传输无误, Nr=0, 则有St=Sr, 此时信号得以还原。

混沌序列的生成:

一类非常简单却被广泛研究的动力系统是Logistic映射, 其定义如下:

其中, 0<μ≤4称为分支参数, Xk∈ (0, 1) 。当3.5699…<μ≤4时, Logistic映射工作于混沌态。也就是说, 由初始值Xk在Logistic映射的作用下所产生的序列j是非周期的、不收敛的, 并对初始值非常敏感。

由于Xk∈ (0, 1) , 因此在计算机中采用浮点运算。但在实际的应用中, 浮点数运算内存需求大, 运算速度慢。又由于单片机对浮点数的运算能力十分有限, 用此生成序列几乎难以实现数字语音信号加密的实时性。研究发现, 我们可以通过关系式 (1) :

使混沌序列的浮点迭代过程变为适合单片机指令的整点迭代过程。转换过程如下:

令

从上式可知:X是十进制整数。由此就完成了从小数到整数的转换。

该方法运算量明显小于浮点运算, 它降低了对计算精度的要求。加快了运算速度。从而降低了对硬件电路的要求。

3 结束语

在数字语音加密通信系统中, 最重要的是加解密密钥的产生, 本文所采用的混沌序列生成方法, 减少了运算量, 加快了运算速度, 降低了对硬件电路的要求。使得加解密算法可在单片机上实现。理论分析表明, 该系统很好地满足了我们对语音保密通信的要求。

参考文献

[1]AD73311Datasheet, Analog Devices, Inc., 1998.

[2]AMBE-2000TM Vocoder Chip User's Manual Version4.8, 2007.

基于谷电峰用系统的硬件设计 篇11

摘要：因长期以来，国家电网与用电用户存在供需不平衡的关系；峰电时电力不足，谷电时电力过剩；为鼓励用户在谷电时多用电以减少电能的浪费，国家将谷电价格大大降低。这就是为什么要进行谷电峰用的模型的原因。本文主要从谷电峰用系统的硬件方面对电路进行设计。

关键词：控制 谷电峰用 设计

1 硬件系统的控制要求

①三菱FX2N的PLC作为下位机，采用具有触摸功能的电脑作为上位机。②FX2N-4AD模数转换模块的作用，是通过检测模块用来获取储能设备电压状况。③PLC利用采集到的电压比较，判断是否需要通过硬件控制模块控制充电模块，从而确定是否需要对储能设备充电。④对电池的电压、功率放大控制为负载供电。

2 硬件系统原理框图

根据谷电峰用的控制系统要求，图1为原理框图。

电路][充电电路][检测电路][逆变电路][蓄电池][负载][A/D模块]

图1 谷电峰用原理框图

3 检测电路及A/D模块的接线

①模数转换模块将从12V的蓄电池处获得0-10V电压，如图2所示。②接线时，模拟输入要用过双绞线屏蔽电缆，电缆要远离电源线或其它可能产生干扰的电气电线。

4 PLC系统接线图

X0、X1、X2分别用来作启动、停止及手动充电的开关，KM1、KM2分别用来作谷时充电和手动充电的直流继电器，如图3所示。

图3 PLC接线图

5 逆变电路

在实际控制过程中，要实现直流12V升压到交流22V，如图4所示。

基于独立演化系统的演化硬件实验 篇12

关键词：演化硬件,外部演化,DSP

1 概述

演化硬件由两个主要部分组成:可重构硬件和演化机制。其工作原理是采用遗传算法对演化硬件的结构进行编码作为遗传个体,实现对电路性能(适应度)的评估和电路拓扑的进化。个体电路适应度评估一般把电路的功能:传递函数或传输特性曲线、功耗、占用芯片面积、时延、串扰等,作为进化算法的主要目标函数,评估方式分内部进化和外部进化两种。

外部进化是离线式评估,不受器件具体型号的结构(如虚拟FPGA/FPTA)和进化实验平台资源的限制。其缺点是软件仿真的计算量大、仿真时间长,电路仿真性能与实际情况之间可能有较大误差(尤其对模拟电路或存在多约束条件时)。外部进化方式适于研究阶段,探索进化方法,可进化硬件的新型结构与模型。内部进化为在线评估,评估速度快,利用了器件的真实特性(如温度、功耗、局部故障等),能实现系统在线自适应和自修复,是仿生硬件工程应用的基础。个体测试评估方法需要兼顾硬件进化速度和功能评价精确性两个方面,所以需要设计合适的外部演化系统实现外部演化。本文设计的独立演化系统属于一种外部演化系统。

本文包括三个部分:第2部分介绍了独立演化系统的构成,第3部分介绍了系统的软件设计,第4部分进行了下载测试实验。第5部分总结了结果。

2 组成

从对演化硬件的研究中我们知道:除了需要具有重构能力的硬件,也需要能实现进化的机制。即:不仅要实现对硬件的重新编码,而且要能够运行遗传算法。所以围绕遗传算法的实现,可以将该系统分解为几个部分:1)遗传运算;2)编码下载;3)功能测试;4)结果保存。由DSP实验系统来实现则需要使用到:A/D、D/A、SCI、数字输出、等模块。

其中D/A模块用来产生测试个体电路的波形。本文用到的实验系统安装有TLC7226数模转换芯片,能提供8位精度,0～5V的测试波形。波形的产生可以由运行在DSP中的程序轻松管理,只需改变定时器模块的设置,即可改变产生波形的频率。而改变输出寄存器的值即可改变输出波形的幅度及相位。

A/D模块用来采集电路输出,作为计算个体电路适应度的依据。实验系统采用的TMS320LF2407A处理器带有内置采样/保持的10位模数转换模块。能提供16个模拟输入通道,可由软件立即启动转换,每次转换仅需500nS。经过适当配置,可以在测试波输入电路的同时,对电路响应进行采样。保证了个体电路适应度测试的精确度。

SCI模块用来与PC通信。PC机在这个系统中并不参与进化,其作用是直观显示进化结果,为分析电路功能提供依据。由于该过程只在演化结束之后进行,所以不会影响到演化的速度。

数字输出模块用来为FPTA下载配置信息。这些端口按功能可分为3组:配置数据、时钟信号、地址选择。TMS320LF2407A处理器有多达44个可由用户自定义的数字输入/输出管脚,本文设计的方案使用了其中的10个。

3 软件设计

演化算法用C语言在CCS中编译实现,嵌入到main函数中。整个流程由main函数控制,如图1。程序原理如下:

N最大演化代数

FIT目标适应度

n当前演化代数

在下载染色体(配置位串)时,DSP综合实验系统的激励(D/A)输出被禁止,只有当配置完成之后激励信号才会重新发出。既保证了器件的安全,也保证了测试的精确度。

某染色体下载功能函数按如下结构:

/*循环下载染色体,每个染色体有n个基因(对应n个细胞),每个基因包含有8组8位数据(共53位)*/

4 下载测试实验

该演化体统实现了由DSP控制的内部演化,不仅有速度快,精度高的优点,而且演化算法可更新升级,测试波形也可任意选择。接口规范、统一,可为新开发的FPTA芯片提供实验支持。演化系统结构如图2。

放大器是模拟电路中的基础电路之一,同时在模拟演化电路中也是研究得较多的电路,所以本次实验针对一次放大器的外部演化结果进行了下载测试。针对放大器已经有很多不同的演化方法。本文是基于Hereboy算法的演化。以正弦输入的放大器演化为例,采用的输入的测试信号Ui幅值为10mv,频率为1KHz,而目标增益设为G0,则输入信号与电路目标响应U0(t)的表达式分别如公式(1)和公式(2)所示。

经多次实验最优解对应的染色体为00111010010010010001111111111001001111011000,将此染色体下载到细胞中后用形同参数的正弦波测试,发现无法得到与外部演化相同的输出。经分析后认为,原因是晶体管参数与仿真试验PSPICE中所设参数有别。并且外部演化得到的电路配置结果与常规设计也有一定区别,在外部演化中出现的最优解有可能只是瞬时最优解,在实际的试验中无法复制。

5 总结与展望

由于平台性能所限,进一步提高演化速度仍有空间,同时选用更高精度的D/A和A/D芯片能更好的实现功能评价,从而更好的解释外部演化与内部演化的差异。在与PC机通信方面可以选择更及时的信息反馈,则可以在PC屏幕直观显示电路配置,当然此功能需要编写PC显示程序相配合。

参考文献

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[2]朱开阳,王友仁.基于可重构模拟细胞阵列的进化电路研究[J].计算机测量与控制,2005,(10):1102-1104.

[3]王友仁,姚睿,朱开阳,黄三傲.仿生硬件理论与技术的研究现状与发展趋势分析[J].中国科学基金,2008,18(5):273-237.

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