多通道电极（共7篇）
多通道电极 篇1
在体多通道电生理技术是采用细胞外记录方法监测活体动物神经元群电活动的方法[1],最早是将阵列电极植入猴子不同脑区观察其大脑神经元的放电特征[2],近些年由于新材料和新技术的应用,使该技术在多种动物身上得以推广,研究的内容也日益多样,如研究学习记忆、运动信息的加工整合、神经突触传递的LTP现象等[3,4]。在神经电生理学研究中,为了探讨某一核团或脑区在神经通路中的作用,往往要结合药理学方法,对目标核团或区域给予药物干预[5]。目前在体多通道电生理技术的应用日益增多,该技术有以下优点:(1)在清醒的、自由活动的动物身上记录,并将行为活动与脑电记录同步观察;(2)可跨脑区记录,进行多个核团或脑区之间的同步观察;(3)具有较高的时间(ms)和空间(μm)分辨率;(4)可以长期记录,数周乃至数月;(5)记录到的是神经元的单位放电而不是神经元群的复合电位;(6)一次记录可获得大量神经元的放电数据[1,6]。正因如此,在体多通道电生理学技术受到越来越多的研究者的关注。目前本实验室正从事于前扣带皮层吻侧部(rostral anterior cingulate cortex,r ACC)神经元参与痛情绪活动的机制研究[7,8,9,10],涉及到在活体大鼠的双侧r ACC脑区既要给予药物干预又要记录神经元的放电活动,如果将埋管和埋置电极分开操作的话,一方面不能满足进行慢性实验的要求,另一方面会对动物造成较大的创伤,影响结果前后的一致性。另外,目前进口的带给药管的多通道电极价格昂贵、成本太高,而国内尚无此类电极上市,为此笔者自行设计了能双侧给药并记录神经元放电的在体记录电极。
1 材料与方法
1.1 实验动物及分组
雄性Sprague-Dawley(SD)大鼠24只,体重240~260 g,由北京海淀兴旺实验动物养殖场提供。大鼠分笼饲养,自由进食,饲养室室温(22±1)℃,相对湿度40%~60%,12 hrs~12 hrs昼夜循环光照,适应3~5 d后可进行相应的实验。将24只大鼠均分到三种材质给药管组中,每组8只。
1.2 实验材料及仪器
16通道电极:16通道微电极阵列电极基座和电极电路板(Samtec),0.0013 inch镍铬合金丝(CFW),固态聚乙二醇(Enox);双侧给药管:25G橙色平头针头;表面无涂层的石英毛细玻璃管,内径0.32 mm,外径0.5 mm;表面有聚酰胺胶涂层且具一定柔韧性的的石英毛细玻璃管,内径0.32 mm,外径0.45 mm;另外还需常规大鼠脑手术器械、1%戊巴比妥钠、牙托水、牙托水泥及石蜡油等材料。
1.3 制作流程
1.3.1 16通道电极的制作
(1)将电路板金手指和电极基座一一对应焊接;(2)将镍铬合金丝切成一定长度,然后一根根排于电路板上,共两排,每排8根,左右各四根,中间间隔1.2 mm,丝与丝间距300μm,一根参考电极排于一侧;(3)轻柔剥掉将穿入电路板上金属孔处电极丝的绝缘层,并将剥好裸露的电极丝一一穿过圆孔;(4)参考电极穿入一侧的孔内,另一侧穿入一根地线;(5)将电极丝与电路板金属孔一一焊好,再将固体聚乙二醇融化后涂于电极丝表面,以起到固定作用;(6)将AB胶1∶1混合后涂于电极基座和电极电路板连接处,以起到固定和绝缘的作用;(7)最后用剪刀剪掉电路板两侧多余的边框,用锋利的眼科剪迅速剪掉电极丝末端部分,保证电极丝末端整齐并暴露横截面。制作完成的电极见图1。
注:图A为2×8多通道电极示意图,1为电极基座;2为电路板;3为地线;4为参考电极;5为电极丝;6为聚乙二醇。图B为2×8多通道电极实物图
1.3.2 给药管的制作
笔者分别选用了三种材质的毛细管作为给药管。一种是实验中常用到的金属给药管(图2A),来自于25G橙色平头针头[11];一种是不带涂层裸露的石英毛细玻璃管(图2B);一种是表面有聚酰胺胶涂层的石英毛细玻璃管(图2C)。
注:图A为金属管;图B为无涂层石英毛细玻璃管;图C为带涂层的石英毛细玻璃管
1.3.3 带双侧给药管的电极制作
将给药管用AB胶粘在已做好的16通道电极其中一面,要保证双侧给药管间距离为1.2 mm,给药管与电极丝间的距离为1 mm,粘好后在两个给药管中间插一个U型的堵丝,其中金属管需与地线焊在一起。具体见图3。
注:图A为电极+金属管;图B为电极+无涂层玻璃管;图C为电极+有涂层玻璃管
1.4 手术流程
大鼠以1%戊巴比妥钠溶液行腹腔麻醉,固定于脑立体定位仪上,在头部正中切开皮肤/筋膜,双氧水清理骨板暴露Bregma点;按照Paxinos&Watson大鼠解剖图谱[12],以前囟点为0点,确定r ACC下电极的区域:AP(0.5~4.0)、ML(0.5~1.5)、DV(2.0)。待目标脑区打磨好后用微推仪以1μm/s的速度下2.0 mm,最后用牙托水泥固定。取下Headstage;大鼠回笼单独饲养。待术后1周状态恢复良好后可进行后续实验。
1.5 给药流程
将大鼠自然的固定于啮齿动物固定装置上,轻轻地安抚大鼠,小心拔掉给药管内的管芯。进药针末端通过PE-10管连接于5μL的微量进样器,进药针头端比给药管长0.3 mm。抽取1μL的生理盐水,用微量给药泵以0.2μL/min的速度缓慢将药物泵入r ACC。进药针在给药结束后继续停留于给药管里1~2 min,保证药物被充分吸收;同样操作另一侧r ACC。
1.6 神经元活动的在体记录
笔者采用美国Blackrock公司的Cerbus128通道神经电生理信号记录系统对神经信号进行采集。该系统主要由多通道电极阵列、Headstage、前置放大器、光纤、神经信号处理器(NSP)、PC工作站等组成。采集到的原始信号可经高频和低频滤波分为两种信号:高频(250 Hz~5 k Hz)的胞外动作电位;低频(<250 Hz)的局部脑区场电位。再经Offline Sorter和Neuroexplore软件进行处理和分析。
1.7 记录位点的鉴定
大鼠麻醉后将1μL的滂胺天蓝从给药管缓慢注射至目标脑区;然后剪开胸腔,暴露心脏。将注射针头经心尖插入主动脉,剪掉右心耳。先使用约400 m L的生理盐水冲洗血液,然后缓慢灌注400 m L的4%的多聚甲醛至身体僵硬。灌流结束后,取出全脑,在4%的多聚甲醛中再浸泡2 h,然后30%的蔗糖4℃过夜。待组织沉降后便可进行冰冻切片。每片厚30μm,后贴片,HE染色,中性树脂封片,镜下观察。
1.8 统计学处理
采用Graph Pad Prism 6软件进行统计分析,计量资料以(±s)表示,采用oneway ANOVA及多重比较进行分析,以P<0.05为差异有统计学意义。
2 结果
2.1 组织定位
组织切片、HE染色显示:药物能被准确注射到目标脑区(r ACC脑区),而且多通道电极也位于目标脑区,见图4。
2.2 带给药管的多通道电极所测神经信号
采用带金属给药管的多通道电极记录到的大鼠前扣带皮层吻侧部神经元放电的动作电位和场电位背景噪音很大,信噪比<3,信号往往淹没于背景噪音中无法辨识,将地线缠绕于金属给药管也未能明显改善(图5A)。采用表面无涂层的毛细石英玻璃做给药管,采集到的动作电位和场电位背景噪音较小(图5B),其信噪比与金属管组比较[(5.37±1.35)vs(2.35±0.64)],差异有统计学意义(P<0.05),见图6;但由于该玻璃纤维太脆,不利于插入堵丝及长时间记录。采用表面有涂层的石英毛细玻璃管做给药管,可清晰记录到r ACC脑区神经元发放的动作电位和场电位,波形较好、背景噪音较小,信噪比>3(图5C)。信噪比与金属管组比较[(5.20±1.21)vs(2.35±0.64)],差异有统计学意义(P<0.05),见图6;且该玻璃管柔韧性较好,便于插入堵丝,长时间记录也未破损。
注:图A为带双侧金属给药管的多通道电极记录的spike波形;图B为带双侧无涂层石英毛细玻璃给药管的多通道电极记录的spike波形;图C为带双侧有涂层石英毛细玻璃给药管的多通道电极记录的spike波形
*与金属管组比较,P<0.05
3 讨论
中枢神经元放电的在体多通道同步记录技术(in vivo multi-channel recording methods for centural neural activities)是采用细胞外记录的方法来监测神经元群的同步电活动[13,14]。与离体实验方法相比,应用这一方法可以记录清醒、自由活动动物脑区神经元的放电活动[15,16,17],将行为学和电生理学的方法相结合,可直观地分析大脑对外部事件的编码机制[18,19]。与单通道电生理技术相比,该技术克服了单通道电生理技术所具备的弊端,即一次只能记录一个神经元放电,以及单通道记录时动物活动受限,无法将外部事件与神经元放电相同步[17]。由于该技术的优越性,在神经生物学领域受到广泛使用,尤其在对与学习认知相关机制的探索中[20,21],同时在对神经环路的研究中常需要对某个或某几个核团进行给药处理[22],因此能长期多次给药并记录电信号的带给药管的多通道电极使之成为可能。由于神经元放电活动较微弱,因此很容易受周围环境的影响[23]。笔者尝试用常规金属针头改作为给药管,发现电极记录的信号背景噪音很大,将地线缠绕并焊于其上也未能明显缓解。然后改用具有绝缘特征的石英毛细玻璃管作为给药管,背景噪音明显减小,但是硬质易碎的石英玻璃管不利于笔者实验操作;最后笔者找到了表面有聚酰胺胶涂层且具一定柔韧性的石英毛细玻璃管替代,效果很好。经笔者改良后的带双侧给药管的多通道电极,可保证药物扩散到目标核团的,而且能清晰记录到活体动物在行为活动时神经元的同步放电活动。
需要注意的是:(1)应保证电极尖端未被绝缘层包裹,这样才能使得电极与神经元接触;(2)剥离电极表面绝缘层时要轻柔,可多次操作,以免断开;(3)手术剥离硬脑膜也要轻柔,切勿损伤脑实质或导致出血;(4)下电极的速度要慢,一般来说,电极经过的地方神经元会失活,因此记录电极只进不退;(5)电极要固定好以后才可将Headstage拔下,以免将电极位置移动;(6)给药时速度也要慢,一般为0.2μL/min,因为如果给药太快会对细胞产生冲击作用,而使其位置发生改变;注药结束后要停留5~10 min再将注射内芯移除,这样有利于药物被充分吸收。
综上所述,本实验成功设计了带双给药管的16通道电极,使得能在对目标核团给予药物处理后记录神经元的放电活动,满足了笔者的实验需求,而且,药理学实验与在体记录相结合可以获得更有意义的研究成果。
摘要：目的:利用在体多通道电生理学记录技术研究前扣带皮层吻侧部(rostral anterior cingulate cortex,rACC)神经元参与情绪情感活动时的放电特征时,除在rACC脑区埋置多通道电极外,还需同时埋置给药管以观察药物对rACC神经元放电特征的影响。本文将介绍带给药管的多通道在体记录电极的制作及埋置方法。方法:自制带双侧给药管的多通道在体记录电极,所采用给药管材质有三种,分别为金属、表面无涂层的石英玻璃纤维(玻璃裸管)和表面有聚酰胺胶涂层且具一定柔韧性的石英玻璃纤维(玻璃涂层管),然后埋植电极并记录神经电信号,最后插管位置组织定位。结果:盐水被注射到目标脑区,即rACC脑区;电极丝也定位于双侧前扣带皮层吻侧部;用带金属给药管的多通道电极,记录到的神经元放电背景噪音较大(信噪比<3)。用带玻璃裸管的电极可清晰记录到目标神经元的放电活动(信噪比>3),信噪比与金属管组比较[(5.37±1.35)vs(2.35±0.64)],差异有统计学意义(P<0.05),但该玻璃管质硬易碎,不易插入堵丝,也不易在慢性实验中脑部长时间保存。用带玻璃涂层管的电极也可清晰记录到神经元的放电活动(信噪比>3),信噪比与金属管组比较[(5.20±1.21)vs(2.35±0.64)],差异有统计学意义(P<0.05),且易于插入堵丝,便于在动物脑中长时间保留。结论:自制带涂层石英毛细玻璃管的电极成功实现了对某一脑区或核团同步埋植给药管和电极,使得药物干预并记录清醒活动大鼠脑电活动的实验便于进行。
关键词：双侧给药管,多通道电极,前扣带皮层,神经元放电,大鼠
多通道电极 篇2
关键词：整体叶盘,电解加工,轨迹,切向恒速
0 引言
电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理去除材料的加工方法[1], 由于其所具有的突出优点, 在航空航天、兵器、汽车、模具等行业中得到了广泛的应用[2]。航空发动机整体叶盘叶栅通道扭曲、空间狭窄, 制造难度大, 若采用机械加工会受到刀具成本、生产效率及刀具易与工件干涉等诸多因素的限制[3,4], 而电解加工具有加工效率高、无刀具损耗、不受工件材料限制等诸多优点[5,6], 已成为其最主要的加工方法之一。一般来说, 整体叶盘叶片的电解加工分为两步:首先粗加工出一个叶间通道, 然后让成形电极运动到叶间通道中加工叶片型面。因此, 叶盘通道的加工是叶盘叶片加工不可缺少的步骤。国内外学者对整体叶盘叶间通道的电解加工开展了有益的研究。康敏等[7]采用数控展成电解加工加工整体叶轮, 电极在工件轴线方向的直线进给速度相同, 但合成进给速度在加工过程中并不相同。文献[8]采用一种环形或倒置杯形的电极进行叶盘的电解加工研究。
本文提出了一种工具电极相对于工件运动轨迹的切向速度在加工过程中保持恒定的加工方法, 采用圆管工具电极进行整体叶盘扭曲通道的电解加工, 使加工过程稳定, 工件加工精度高。建立了扭曲通道电解加工的速度计算模型, 讨论了工具电极单向恒速和切向恒速两种运动方式对加工稳定性和加工精度的影响, 并开展了相关工艺试验。
1 单向恒速运动分析
在叶盘通道电解加工过程中, 通常采用工具电极沿毛坯轴向恒速运动的方式, 工件配合工具电极做相应的旋转和平动, 使工具电极相对于工件沿轨迹线L运动。上述运动方式在加工过程中工具电极沿毛坯轴向的分速度v1始终保持恒定, 但合成速度vc (或称切向速度vt) 的大小不同, 导致加工间隙Δb不断变化, 如图1所示。
在上述工具电极运动方式中合成速度vc不断变化, 引起加工间隙时大时小, 导致叶盘通道电解加工始终无法进入平衡状态, 使得加工过程不稳定。当合成速度突然变大时, 由于进给速度大于工件的蚀除速度, 有可能导致加工间隙过小而使电解产物无法及时排除, 严重时容易造成短路。当合成速度突然变小时, 又可能导致工件杂散腐蚀现象加剧, 造成工件局部加工精度下降。
为解决上述问题, 本文采用工具电极在加工轨迹切线方向上的速度保持恒速 (简称切向恒速) 的运动方式, 以提高电解加工稳定性和加工精度。如图2所示, 合成速度vc (切向速度vt) 均一化以后, 加工间隙在加工过程中保持恒定, 一方面有利于加工产物的及时排除, 使加工区中各处电解液压力、流量保持一致, 有利于流场均匀稳定, 使电解加工能够稳定进行, 另一方面由于加工间隙一致, 使得杂散腐蚀现象减弱, 可以提高叶盘通道表面加工精度。
2 扭曲通道电解加工方式
在整体叶盘通道电解加工中, 工具电极接电源负极, 工件接电源正极, 采用的工具电极为一端开口另一端封闭的圆管状电极, 电解液从电极开口端流入, 从工具电极侧壁上规律排布的出液口流出, 进入加工间隙, 不断带走电解产物并及时更新加工区的电解液。
由于整体叶盘通道扭曲程度较大, 为了使叶片不发生过切且余量均匀, 工具电极除了沿工件轴线方向直线运动和工件绕自身轴线转动外, 还需要在加工过程中绕一条垂直于工件上表面的直线进行转动。如图3a所示, 为了使叶盘叶根处的余量均匀, 该直线应通过叶盘的叶根圆与电极轴线的延长线的交点, 电极端部在加工过程中与叶根圆的距离保持不变;若旋转中心不在叶根圆上, 工具电极在转动时叶根处的余量不均匀, 如3b所示。
(a) 中心在叶根圆上 (b) 中心不在叶根圆上
如图4所示, 工具电极沿叶盘毛坯轴线l1方向直线运动, 并绕一条与叶盘轴线平行的直线l2旋转, 同时工件绕自身轴线l1旋转, 通过工具电极和工件的复合运动, 实现扭曲通道的电解加工。
3 进给速度计算的数学模型
在计算工具电极的运动轨迹时, 可假定工件静止, 用工具来分析其运动轨迹, 下文所述的轨迹均指工具电极相对于工件的运动轨迹。然而, 工具电极中心线的轨迹为复杂的直纹面, 难以用数学形式表达。为了计算进给速度, 采用n个等间隔且相互平行的平面P1, P2, …, Pn将该直纹面分成n-1个曲面段, 在每个小曲面段上分析工具电极和工件的运动过程。
如图5所示, P1、P2为相互平行且距离为h的两个平面, 电极中心线在平面P1上的位置为Ⅰ, 工具电极中心线与叶盘径向的夹角为α, 叶盘圆心为O1, 叶盘叶间圆为C1, 圆心在O1圆周过电极端部的圆为D1;工具电极投影到平面P2上的位置为Ⅱ, O1、C1、D1投影到平面P2上依次变为O2、C2、D2。
工具电极自D1至C1的长度上被分为n-1段, 相应的采样点标记为1, 2, …, n, 各点的坐标记为 (xi, yi, zi) (i=1, 2, …, n) 。直角坐标系如图5所示, 其中坐标原点为叶盘圆心O1, Y轴为过采样点1的径向, Z轴垂直于平面P1。
在该曲面段中, 工具电极相对于叶盘从位置Ⅰ运动到位置Ⅳ, 这个复合运动可视为工具电极下面三个独立运动之合成:①工具电极从位置Ⅰ沿叶盘轴向以速度v1直线运动距离h到位置Ⅱ, 工具电极中心线与叶盘径向角度为α;②工具电极从位置Ⅱ绕叶盘圆心O2以角速度v2旋转角度β到位置Ⅲ, 工具电极中心线与叶盘径向角度为α;③工具电极从位置Ⅲ绕其端部O3以角速度v3旋转角度γ到位置Ⅳ。
根据第一步中工具电极的直线速度v1及直线位移h, 可计算出运动时间, 三个独立运动的时间均等于复合运动的时间。再根据第二步的角位移β及第三步的角位移γ可计算出第二步工具电极的角速度v2及第三步的角速度v3, 记合成速度 (切向速度) 为vc。同理, 可计算出工具电极在其他曲面段对应的分速度v1、v2、v3, 由此可获得整体叶盘通道电解加工轨迹。
4 切向恒速运动分析
4.1 通道电解加工数学模型
叶盘扭曲通道电解加工的数学模型如图6所示, 其中, lJc 为工具电极中心线在叶尖圆柱面上的运动轨迹。
端面加工间隙为
式中, η ω为体积电化学当量, mm3/ (A·h) ;U为加工电压, V;δE为电极电位差, V;κ为电解液的电导率, S/m;va为阳极的蚀除速度, cm/min。
由式 (1) 可知, 若每个分段中的切向速度v (i) c不同, 则可能始终无法和工件的蚀除速度相等, 即无法达到动态平衡, 所以端面加工间隙在不断变化。进给速度小时, 加工间隙较大, 电解液能够及时带走电解产物和气泡;进给速度突然变大时, 由于进给速度大于工件的蚀除速度, 导致加工间隙突然变小, 由于速度提高导致加工间隙中温度上升, 电解产物可能无法及时排除, 当这种情况加剧时, 可能导致间隙中工件局部地区蚀除过慢或无法蚀除, 当电极继续进给时, 可能导致加工间隙的进一步减小而发生火花放电甚至造成直接两极接触而短路。
若每个分段中的切向速度v (i) c相同, 则电解加工能够较快地进入平衡状态, 并使端面加工间隙维持恒定, 因此在其他加工参数不变的情况下, 加工电流和电流密度波动较小, 有利于提高电解加工稳定性和加工精度。
4.2 切向恒速运动对加工稳定性的影响
如前文所述, 计算电解加工轨迹时将工具电极的切向速度分为三个独立运动的合成。其中, v (i) 1、v (i) 2和v (i) 3分别为第i个曲面段中工具电极的直线进给速度、工具电极和毛坯转动的角速度, v (i) c为工具电极相对于工件的切向速度, i=1, 2, …, n。
工具电极单向速度相同时, 切向速度大小不同, 为使切向速度均一化, 在诸多大小不一的切向速度中选择一个作为统一的切向进给速度, 该切向速度是使得电解加工能够稳定进行的进给速度vc最大值, 假定其出现在第i行, 即v (i) 为均一化后的切向速度值。其余分段中的速度按相应比例进行修改, 第一个曲面段中的修正系数为
第一个曲面段中的速度矢量变为
按照上述方法, 可获得第j个曲面段的速度矢量为
依次可以获得其余曲面段的进给速度, 具体如表1所示。
分段切向速度在整个加工过程中保持恒定, 端面加工间隙在进入平衡状态后维持恒定, 加工间隙中的电解产物和氢气能够被及时地排出, 电解液流动较为稳定, 短路机率大幅度降低。
5 试验与分析
为了验证切向速度统一之后对加工稳定性的影响, 在自行研制的整体叶盘扭曲通道电解加工机床上开展了工艺试验。图7所示为整体叶盘通道电解加工试验装置。试验工件采用扇段毛坯, 材料为GH4169, 加工电压为20V, 电解液为体积分数为25%的NaNO3, 温度为32±1℃, 进口压力为0.8MPa, 电解液流速约为22m/s。工具为一端封闭的管状不锈钢电极, 电极管壁面上有规律排布的出液口, 电解液从电极管的开口端流入, 从上述出液口流出。
图8为试验控制系统软件界面, 加工轨迹数据从软件后台读取, 由工控机通过运动控制卡发送给电机, 驱动电机带动电极和工件做相应的运动, 以进行整体叶盘通道电解加工。
图9所示为分别采用单向恒速和切向恒速加工出的通道试件, 从图9a可以看出, 由于切向速度大小不一, 试件通道型面在排气边附近区域散蚀现象明显, 加工精度较低;而图9b中的试件采用切向恒速的运动方式进行加工, 加工精度较高。
以第一组通道为例, 说明单向恒速和切向恒速两种情况下加工过程中加工电流的对比情况。从图10可以看出, 当采用单向恒速的运动方式时, 电流波动较大, 在加工至第17个曲面段时发生短路, 因此电流数值剧增, 加工短暂中断后继续加工, 电流仍起伏不定;而采用切向恒速时, 电流平稳上升, 加工至第7个曲面段时已进入加工平衡状态, 电流趋于稳定。
6 结论
(1) 建立了曲面段中电极和工件运动的数学模型, 分析了工具电极和工件的速度匹配方式。
() ()
通过将工具电极相对于工件的运动轨迹分割为若干个小曲面段, 分析了每个曲面段上工具电极和工件运动速度的计算方法, 最终得到叶盘扭曲通道的电解加工轨迹。
(2) 在每个曲面段上电极和工件的切向速度保持恒定, 使得端面加工间隙不变, 电流密度波动较小, 叶盘通道电解加工得以顺利进行。
(3) 工艺试验证明, 采用分段切向速度恒定的运动方式可以减少短路故障的发生, 保证叶盘扭曲通道电解加工稳定进行, 有利于提高工件表面的加工精度。
参考文献
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多通道电极 篇3
交货期对于模具制造业来说是至关重要的,它是模具企业在竞争中生存的重要条件。在尽可能满足交货期的前提下,合理安排生产,尽量避免资源浪费,实现生产准时化、均衡化,这是优秀企业追求的目标。
在模具制造过程中,电火花加工(EDM)是一个重要的生产环节,其过程如下:首先在CNC工序生产电极,然后用完成CNC的电极在对应的内模上进行电火花加工(一个内模对应多个电极)。电极在内模上进行电火花加工的过程是一个串行加工过程,即一次只能用一个电极在内模上进行加工。在最后一个电极加工完成后,内模的EDM工序才算完成。由于同时进入CNC、EDM单元加工的电极数目众多,资源有限,所以,制定一个合理的电极CNC和EDM加工顺序计划,使之既能保证内模按时完成,又能实现电极生产均衡化,是非常有意义的。
上述加工过程可以看作是一个由CNC和EDM两道工序构成,且后工序带成组特征的柔性流水车间(FF2)作业排序过程。柔性流水车间排序是并行机排序与流水车间排序的推广,它的特征是在某些加工工序上存在着并行机,因而它又具有并行多机调度问题的特征,其求解比一般的Flow Shop调度问题更为困难。1973年,Salvador[1]首次提出了FFS环境下的生产调度问题,在随后的30多年里,学者们对于该类问题进行了深入研究,其中Wittrock在文献[2]、[3]分别用周期调度和非周期调度启发式算法来解决FFS排序问题,Brah和Hunscke在文献[4]、[5]利用分枝定界法解决小规模的FFS问题。文献[6]对一个阶段有并行机,另一个阶段是单机的特殊Flowshop作了研究,给出了近似解算法。文献[7]对两个阶段,其中一个阶段有并行机,另一个阶段是单机的特殊情况作了研究,给出了近似解算法。可以看到,以往所讨论问题的目标多数是最小化最大完工时间。而对调度的另两个重要指标交货期和准时化指标的研究却很少;另外,对于柔性Flow Shop的带成组特征的调度问题研究也很少,Rasaratnam Logendran在文献[8]讨论了柔性Flow Shop的成组调度问题,通过试验设计比较分析了三种启发式算法(LN2PT2S、LN2PT2M、PT2LN2S)的性能,目标函数是最小化总的完工时间和;文献[9]通过建立提前/拖期惩罚费用最小的数学模型,利用启发式算法得到一个使提前拖期总成本为零的调度方案;文献[10]运用遗传算法对车间调度问题进行了优化,给出了自适应的遗传算子,进行了遗传算法参数设置,使得遗传操作大大简化,达到有效调度的作用。
本文对具有CNC和EDM两道工序,且后道工序带有成组特征水车间工作调度问题进行了一般描述,并以最小化停机待料时间、工件无效等待时间及模具拖期时间的总惩罚费用为目标建立了该问题的数学模型,然后利用遗传算法求满意解,并应用实例验证该算法的有效性。
2 问题描述
具有两道工序的柔性流水车间(FF2)调度问题的基本思想是:有n个工件,每个工件需要进行2个不相同阶段的加工,其中至少有一个阶段存在并行机。所有工件的阶段加工次序相同。每个工件在每个阶段中只能在一台机床上加工,每台机床每次只能加工一个工件。
本文所研究的问题在上述一般FF2模型的基础上,考虑了后道工序存在模具约束的调度模型,即电极在后道工序(EDM工序)的加工是受到EDM工序上加工的内模约束的,带有成组加工的特点。
为了进一步使问题具体化,根据模具加工的实际情况,本文提出以下假设:
(1)模具及其对应的工件的数量已知且确定;
(2)每套模具的最早开工时间、最迟完工时间已知且确定;
(3)每个工件在每个阶段必须并且只能在一台机床加工;
(4)工件在同个机床阶段中的并行机上的加工时间相同;
(5)允许工件在工序之间等待,两道工序之间具有无限的缓存能力;
(6)每一台设备同时只能加工或使用一个工件;
(7)工件一旦在设备上开始加工,不允许中途停下来,或插入其它的工件;
(8)在后道工序中,通常是用多个工件来加工一套模具,工件加工模具是一个串行加工过程,即一个工件一次只能加工一套模具。
文中涉及到的变量定义如下。
mj为第j道工序阶段内的机床总数,j=邀l,2妖;Mkj为第j道工序阶段内的第k个机台,k=邀l,2,…,m妖;nkj为安排在第j道工序内第k个机台上加工的工件数,k=邀l,2,…,m妖;n为待加工的工件总数,第i(1≤i≤N)套模具对应的工件数为ni,其中n1+n2+…+nN=n;[i,x]为在第i套模具上加工的第x个工件;p[t,x]j为工件[i,x]在第j道工序的加工时间;r[i,x]j为工件[i,x]最迟到达第j道工序的时间;t[t,x]j为工件[i,x]在第j道工序的开始加工时间;c[i,x]j为工件[i,x]在第j道工序的完成加工时间;tESi为第i套模具的最早开工期;tLFi为第i套模具的最迟完工期;Ti为模具i对应的最后一个加工工件ni的拖期时间,Ti=max(0,c[i,ni]2-tLFi);pjky和cjky分别为第j道工序内机台k中第y项加工任务的加工时间和完工时间;S为一个调度方案;f(S)为调度S的目标函数值。
本文的研究目的是将所有工件分配到各机台上加工,并且决定其加工次序,使得在模具既满足交货期要求,同时也满足准时化生产的要求。为此,本文定义三类造成增加模具制造成本的时间及其对应的单位惩罚成本系数:
(1)第i组工件后道工序停机待料的时间对应的单位惩罚费用系数为αi,其中Δt[i,x]h为第i组工件第x个工件导致的停机待料时间;
(2)第i组工件后道工序无效等待时间其对应的单位惩罚费用系数为βi,其中Δt[i,x]w为第i组工件第x个工件产生的无效等待时间;
(3)第i套模具的拖期时间Ti(即该组工件后道工序最后一个加工工件[i,ni]的拖期时间),Ti=max(0,c[i,ni]2-tLFi)其对应的单位惩罚费用系数为γi。
这样就初步得出本文的优化目标函数:
其中:
上述的表达式中:式(1)表示问题的目标函数;式(2)表示单位惩罚系数均为大于0的常数(3)表示每套模具的第1个工件在EDM工序内的开始时间不能早于模具的最早开工时间;式(4)表示每个工件在每个工序阶段必须被加工1次;式(5)表示任意一个工件必须在某一工序阶段中的某一机台上加工;式(6)表示同一个工件必须在前一道工序阶段加工完成后才能在下一道工序阶段上加工;式(7)表示同一台机床只有在加工完一个工件之后才可以加工另外一个工件;式(8)表示每个工序阶段中所有机床上加工的工件数目之和为总的工件数;式(9)表示每个工件只有在到达第1道工序后才可以被安排加工。
为使目标函数更加具体化,对目标函数中的Δt[i,x]h,Δt[i,x]w,c[i,ni]2作进一步推导如下。
(1)首先排程之前(t=0,CNC加工之前)给各工件集的工件加以编号,如第i组里的各工件记为Ji,1,Ji,2,…,Ji,ni为工件的初始记号。
(2)设S为任意一个调度方案,各组工件按S方案在第1道工序的各台机床里排序加工,记工件组J1k1,J1k2,…,J1knkj为第1道工序第k台机床上各工件加工序列,p1k1,p1k2,…,p1knkj为其对应的加工时间,c1k1,c1k2,…,c1knkj为完工时间,则有
(3)在S方案下,对第一道工序各机床排序的所有工件按其对应的模具i(i=1,2,…,N)的重新分组,然后对各组工件根据c1ky作不减排列,并加以编号,记为J[i,1]2,J[i,2]2,…,J[i,ni]2,此次序即为第二道工序的第i组工件的加工次序(第二道工序加工顺序遵循工件先到先加工原则),记下此组工件对应的前道工序的完工时间并标记为c[i,1]1,c[i,2]1,…,c[i,ni]1,设p[i,1]2,p[i,2]2,…,p[i,ni]2和c[i,1]2,c[i,2]2,…,c[i,ni]2为此组工件第二道工序对应的加工时间和完工时间。
(4)当c[i,x]1-c[i,x-1]2>0时,后道工序加工的工件J[i,x]2会导致一个EDM机床缺料等待时间量Δt[i,x]h,如图1所示。
则工件组i产生的总的停机待料等待时间量为:
(5)当c[i,x]1-c[i,x-1]2<0时候,J[i,x]2会产生一个工件无效等待时间量Δt[i,x]w,如图1所示。
则工件组i产生的总的工件无效等待时间量为:
(6)C[i,ni]2为第二道工序第i组最后一个加工工件J[i,ni]的完工时间,则有:
3 带成组特征的FF2问题求解遗传算法
遗传算法自从1975年由Holland提出至今已被广泛的应用到组合优化、机床学习、模式识别以及人工神经元网络等方面,它是一种高度并行、随机和自适应优化算法,它将问题的求解表示成“染色体”的适者生存过程,通过种群的一代又一代的进化,淘汰劣质解,最终收敛到最适应环境的个体,从而得到问题的最优解或满意解。本文运用遗传算法对上文提出的数学模型进行求解,过程如下。
3.1 编码设计
根据问题的特征,提出以下染色体编码方法。染色体根据第一道工序机床数目分为k个子段,每个子段上的基因排列代表某台机床上工件排列,不同的机床上的工件排列用标记符“0”隔开。基因aij包括两部分,集合(1,2,…,N)中的一个整数和(0,1)中的随机小数,整数部分代表该工件所对应的模具号,小数部分代表该工件在该组中的初始记号。
例如有2套模具,第一套模具有5个工件第二套模具有4个工件,第一道工件共有3台机床,分别为M11、M21、M31,则染色体[2.1,1.3,1.1,0,1.2,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4],表示代表的工件在第一道工序各机床的加工顺序如下:
3.2 适度函数设计
根据上文给出的数学模型,可以得到染色体的适应值F(S)=σ·e-εf(S),其中f(S)为目标函数,σ、ε为大于零的常数,为计算方便本文这两个值始终取1。
3.3 种群初始化
本文采用完全随机方法产生初始种群中的所有个体。由于编码非常简单,因此,产生初始种群的算法也容易实现。
3.4 复制操作
复制过程的目的是为了从当前的群体中选出优良的个体,使它们有机会作为父代将其优良的个体信息传递给下一代。在第M代第j个体的选取概率计算公式为:
通过以上式子采用赌轮方式来决定每个个体的复制份数,把复制后的个体送到配对库,以备配对繁殖。
3.5 交叉操作
遗传算法的交叉操作就是模仿自然生态系统的双亲繁殖的机理而获得新个体的主要方法,它通过一定的交叉概率,将两个亲代个体的部分基因进行交换,产生新的基因组合而得到新的个体,这个新个体从两个亲代个体中获得遗传信息,有机会产生比亲代更优秀的个体。本文染色体交叉具体过程如下:
(1)从一个父代染色体中找到字符“0”所在的位置,建立一个空白后代染色体,并将父代染色体中的字符“0”复制到后代染色体相应的位置;
(2)从该父代染色体中随机取出一个子段,并将其填入所建后代染色体中的相应位置;
(3)在另一个父代染色体中,将与步骤2中取出的子段中相同的基因标记为“-1”;
(4)将第二代父代中不为“0”和“-1”的基因通过从左到右扫描,依次填入后代染色体中的空余位置。
假设有2个父代P1和P2,选择P1和P2的最右边的子段扩展成后代C1和C2,交叉运算的执行过程如下所示:
父代P1:2.1,1.3,1.1,0,1.2,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4;
父代P2:2.3,1.4,2.4,0,2.2,1.5,2.1,0,1.3,1.2,1.1。
中间执行过程如下:
父代P1':2.1,-1,-1,0,-1,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4;
父代P2':2.3,-1,-1,0,-1,1.5,2.1,0,1.3,1.2,1.1;
结果如下:
3.5 变异操作
利用遗传算法的编码特点,本文以随机方式选取两个位置,然后互换基因位置(SWAP)。随机交换的基因可以是工件号和工件号,也可以是工件号和“0”的不同组合,所以导致了4个基本类型的变异:
(1)如果两个基因都是工件,可能出现两种情况。一种情况是两个工件在同一台机床上加工,这时实质是改变工件的加工顺序,如下所示:
变异前:2.1,1.3,1.1,0,1.2,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4;
变异后:2.1,1.1,1.3,0,1.2,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4。
(2)另一种情况是两个工件在不同的机床上加工。这时变异改变染色体的工件顺序和工件对机床的分配,如下所示:
变异前:2.1,1.3,1.1,0,1.2,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4;
变异后:2.1,1.3,1.4,0,1.2,1.5,2.3,0,1.1,2.2,2.4。
(3)如果两个基因都是“0”,则把原有机床上的加工任务按照原来的加工顺序对调,如下所示:
变异前:2.1,1.3,1.1,0,1.2,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4;
变异后:1.2,1.5,2.3,0,2.1,1.3,1.1,0,1.4,2.2,2.4。
(4)如果一个基因是“0”,另一个基因是工件,变异同时改变染色体的工件顺序和工件对机床的分配,如下所示:
变异前:2.1,1.3,1.1,0,1.2,1.5,2.3,0,1.4,2.2,2.4;
变异后:2.1,1.3,1.1,0,1.2,1.5,2.3,1.4,0,2.2,2.4。
3.7 停止准则
算法停止准则一般以预先设定的最大繁殖代数Gmax作为停止准则。本文在数值仿真中也采用了这个准则。
4 应用实例
为验证本遗传算法的有效性,本文结合车间的具体加工数据设定了如下实例。
前道工序(CNC)有3台机床,后道工序(EDM)有4台机床,现有4套内模(I1,I2,I3,I4)上的电极需要加工,各套内模及对应电极的相关数据见表1~3。设各内模对应的所有电极原料在当前排程时刻(t=0)均已经准备就绪。
在上述给定条件下,应用本文的遗传算法求解,设置运行环境为种群4个,交叉率为0.5,变异率为0.03,遗传代数为12。
通过仿真,发现最好的染色体出现在第7代~11代,均为:
该方案下,总的EDM停机待料时间为13小时,其中1号和4号EDM机床停机待料时间较多,分别为4小时和5小时;工件总的无效等待时间为12小时,其中1号EDM机床工件无效等待时间为10小时;编号为1的模具产生4小时的拖期量,其余几套模具均没有拖期情况发生。
结果证明,运用本文设计的遗传算法确能有效地求解后阶段带成组特征的两阶段流水车间准时生产调度问题,并能应用到实际生产排程系统中。
5 结束语
后工序带成组特征的两阶段柔性Flow Shop作业调度问题是模具电极CNC和EDM工序加工过程的主要特点,它也普遍存在于各类制造业企业中。本文针对此类生产过程建立数学模型,并利用遗传算法求解,对于该数学模型提出针对性的编码设计方法和遗传操作方法,最后利用一个比较小规模的实际例子证明该算法的有效性。
摘要：模具电极在CNC和EDM工序加工的调度是一个两阶段且后阶段带成组特征的柔性Flow Shop问题,目标是既要尽可能满足交货期,又要实现模具的准时生产。为此,首先建立问题的数学模型,然后用遗传算法求解,并应用实例验证该算法的有效性。
关键词：模具成组,准时生产,柔性流水加工,成组调度,遗传算法
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多通道电极 篇4
近年来我国汽车的产销量与保有量呈快速增长的趋势, 汽车工业的迅猛发展一方面促进了国民经济的发展, 另一方面也使得我国面临石化类燃料紧缺和空气环境破坏严重两大问题。为了解决上述问题, 必须对发动机实行电子控制以提高燃油经济性和降低发动机的有害排放。发动机电控的关键技术之一就是对工作过程中燃烧信息的提取, 而对发动机缸内燃烧过程直接测量能够实时为电控系统提供反馈信号。近年来离子电流法在国内外发动机测量领域逐渐兴起, 该方法通常以火花塞作为传感器, 能够对火花点火发动机气缸内的燃烧过程进行在线测量, 并且可以实现多缸机各气缸单独测量, 具有结构简单、成本低廉和响应性能好等优点, 现已成为发动机在线测量和控制领域的研究热点。离子电流法是根据火焰导电原理, 在火花塞两端加一偏置电压, 发动机工作过程中火焰燃烧使得火花塞两电极间导通形成电流, 根据电流的特征值提取发动机缸内燃烧信息, 如早燃与爆震、空燃比及点火信号等[1,2,3]。虽然在离子电流测量法领域取得了诸多进展, 但是由于离子电流测量电路与火花塞正极相连接, 而微安级的离子电流信号非常微弱, 易受点火高压信号 (上万伏) 干扰, 同时发动机缸内的燃烧是非常复杂的湍流燃烧, 涉及诸多化学及物理过程, 因此各处的导电性能也不尽相同[4,5,6], 这直接影响对离子电流信号包含的燃烧信息的分析。此外, 非火花点火发动机 (如HCCI发动机、柴油机等) 没有火花塞, 离子电流法在此类发动机上应用开发也是亟待解决的问题。为此, 本文在发动机气缸垫内对称性布置八个测量电极, 火花塞仍作为离子电流测量电极, 应用九个电极同时对汽油机的工作过程进行离子电流信号采集, 最大限度地获取发动机燃烧室多位置的燃烧信息。研究通过诸多电极获取的离子电流特征参数与最大压力之间的相关性强弱, 提出了最优化的最大压力的评估特征参数, 并给出了离子电流测量电极的最佳布置方案, 为离子电流法在发动机缸内燃烧检测领域的应用提供了基础试验数据。
1 试验装置及方法
1.1 发动机台架
试验用发动机为日本冈山大学 (Okayama University) 工学部热工实验室的四缸火花点火发动机, 试验采用的燃料为汽油。发动机试验台架布置如图1所示。发动机主要结构与性能参数如表1所示。
试验系统由四缸发动机、尾气组份分析仪、电机、测功机、数字采集仪和进气压力控制仪器组成。传感器采用曲轴相位传感器、进气管压力传感器与控制器、进气与排气温度传感器、氧传感器、气缸内燃烧压力传感器和冷却水温传感器。该发动机配套的电控系统可以调整进气压力、点火提前角、空燃比等参数。
1.2 离子电流检测原理
为了避免点火干扰, 在气缸垫上附加安装了多测量电极, 与火花塞电极同时作为离子电流测量电极对发动机内燃烧状况进行测量, 两种电极连接的测量电路相互独立。试验采用的离子电流测量系统示意图如图2所示。以火花塞作为测量电极系统的测量线路从火花塞正极引出, 连接偏置电源, 通过测量电阻Rp与发动机机体连接, 发动机机体与火花塞负极共地, 离子电流信号从电阻Rp两端取出。多电极测量系统中的电极是安装在气缸垫的多个片状电极, 每个电极都与直流电源相连接 (偏置电压为12V) , 之后通过电阻Rg (Rg=100kΩ) 与发动机机体相连接, 离子电流信号从电阻Rg两端取出。
多电极测量系统片状电极的布置位置如图3所示。火花塞测量电极布置在气缸中心, 八个几何结构相同的电极围绕气缸布置在气缸垫中;每个电极为“凸”字状片状电极, 电极上下为绝缘的气缸垫, 发动机气缸垫与电极的总厚度为2.0mm, 电极的厚度为1.6mm, 两个绝缘层总厚度为0.4mm。本试验中共九个测量电极, 在发动机工作过程中同时采集离子信号, 并将九个信号输出到数字采集系统中。
2 离子电流信号及特征参数
2.1 离子电流信号
为了更深入地分析离子电流的组成部分, 研究取样需要具有代表性和一般性, 本节选取的工况为:进气压力为80kPa, 当量空燃比, 转速为1500r/min, 点火时刻为20°CA BTDC。图4～图6为火花塞电极和八个片状电极测量得到的典型离子电流曲线及相对应的离子电流特征参数。燃烧过程中缸内压力曲线、已燃质量分数和放热率曲线如图7所示。
图4为数字采集仪直接记录的离子电流信号和压力信号的屏幕截图。其中, 信号均为数字采集仪测量得到的电压值。可以看出, 多电极测得的离子电流信号出现时间比火花塞测得的离子电流出现时间晚, 原因是安装在气缸垫内的多个电极与点火中心距离为气缸半径, 火焰传播到气缸垫电极需要一定时间。
图5给出了火花塞测量得到的离子电流。可以看出, 该信号明显分为点火、前锋区和焰后区三个阶段。点火阶段主要与火花放电有关, 在图上是指从点火时刻 (20°CA BTDC) 到7°CA BTDC点这一阶段, 该阶段表现为幅值很高的高频波动。高频是由于点火系统释放出的高压产生的高频感应电势产生的[7]。前锋区指7°CA BTDC～7°CA ATDC这一阶段。从图7中可以看出, 在该阶段压力和已燃质量比已经发生开始上升, 但上升幅度较小, 可知在该阶段只有小部分燃料燃烧。前锋区峰值与火焰形成和发展初期产生的带电粒子有关, 主导该阶段离子电流的离子为H3O+。焰后区指从7°CA ATDC开始上升, 在17°CA ATDC左右时达到峰值之后下降至幅值较小这一阶段。从图7中可知该阶段已燃质量比和压力上升幅度很大, 大约70%的燃料在该阶段燃烧, 图7中的放热率也急剧升高到最大, 燃料燃烧释放出的热量使得缸内充满高温已燃气体。所以该阶段离子电流取决于高温区的离子浓度[2,8], 高温区的自由活动离子大多与NO有关。
图6中给出了多电极测量得到八个离子电流信号、八个信号之和与离子电流信号时间参数的雷达图。由于八个电极均远离点火电极, 每个电极测量得到的离子电流均避免了点火信号的干扰, 并与火焰发展初期无关, 因此出现在10～45°CA ATDC之间。图中标记了多电极测量的离子电流的出现、峰值和结束三个特征参数, 采用图5的定义定义方法, 给出了三个特征参数对应的时刻:离子电流出现时刻θstart、峰值时刻θpeak和结束时刻θend。信号的出现取决于火焰与电极的接触, 由于火焰中含有大量的化学离子化产生的带电粒子, 所以当火焰接触到电极时, 带电粒子被电极吸收, 离子电流出现;随着缸内火焰的不断发展, 更多的燃料参与燃烧 (图7) , 火焰与电极接触面积逐渐增加, 越来越多的带点粒子被电极收集, 因此离子电流信号也逐渐增大;随着缸内燃烧的结束, 信号到达峰值后逐渐下降为零。根据多电极测量系统片状电极测得的离子电流信号可以获知在八个电极对应方向的发动机工作工程中气缸内火焰发展信息。图6 (f) 给出了八个电极测得的离子电流信号的θstart、θpeak和θend的雷达图。可以看出, 八个电极测量得到的三个特征时间并不以点火中心对称, 可知火焰是以非对称形式发展。
2.2 离子电流特征参数的提取
图8给出了与前文相同工况时68个循环的离子电流曲线和压力曲线。图9给出了八个气缸垫电极测量得到的68个循环的离子电流曲线。
从图8中可以看出, 火花塞测得的离子电流的前锋区峰值出现在上止点附近, 后焰区峰值及压力峰值均出现在15°CA ATDC以后。多电极测量得到的离子电流都呈现一个峰, 而离子电流出现时间集中在10～15°CA ATDC之间, 说明火焰主要在这一阶段到达气缸壁面。通过火花塞测得的离子电流与多电极测得的离子电流对比进一步证明了火花塞测量得到的离子电流前锋区阶段与火焰接触气缸壁面之前的燃烧有关, 后焰区峰值则取决与火焰接触到壁面之后的燃烧状态。
根据图8和图9明显可以看出, 离子电流的特征参数中, 火花塞离子电流后焰区峰值、后焰区峰值时刻、八个离子电流之和的峰值及出现时刻循环变动均较大。根据文献[9]可知, 上述四个离子电流特征参数的循环变动系数分别为24.9%、21.9%、19.8%和21.8%, 八个电极测得的离子电流峰值循环变动均超过20%, 离子电流峰值时刻循环变动也均大于10%。这是由发动机燃烧的复杂性所决定的, 气缸内局部的气体流动、温度和空燃比等均会影响离子电流的特征参数, 所以与最大压力时刻和平均有效压力循环变动相比, 离子电流特征参数相对较大。而压力为燃烧过程中的全局参数, 所以在同工况下循环变动较小[10]。由此可知, 需要建立压力与离子电流之间的联系, 以采用离子电流传感器替代或者部分替代压力传感器。
3 离子电流特征参数与燃烧参数的关系
由于离子电流循环变动的存在, 本节研究了点火提前角、过量空气系数和转速分别改变时, 离子电流的出现时间 (θstart) 与最大压力之间的关系。之前研究[6]中发现, 第三电极到第七电极离子电流出现的平均时间 (AS (3-7) ) 与最大压力 (pmax) 相关性最强, 本节重点研究AS (3-7) 与最大压力之间的关系。
图10为其他两个参数一定情况下, 点火提前角改变时, AS (3-7) 与最大压力之间的关系。其中, 进气压力为80kPa, 过量空气系数为1, 发动机转速为1500r/min。可以看出, AS (3-7) 与最大压力的对应点在一条线性带上, 根据相关性计算得到AS (3-7) 与最大压力的相关系数为0.993。
图11为进气压力为80kPa时, 不同过量空气系数下AS (3-7) 与最大压力之间的关系。其他两个参数分别为:点火时刻为25°CA BTDC, 转速为1500r/min。可以看出, AS (3-7) 与最大压力对应的点同样集中在一条线性带上, 根据相关性计算得到AS (3-7) 与最大压力的相关系数为0.967。
图12为进气压力为80kPa时, 不同发动机转速下AS (3-7) 与最大压力之间的关系。其他两个参数分别为:点火时刻为25°CA BTDC, 过量空气系数为1。可以看出, AS (3-7) 与最大压力对应点也明显地集中在一条线性带上, 根据相关性计算得到AS (3-7) 与最大压力的相关系数为0.970。
综上所述, 在进气压力恒定, 转速、负荷和过量空气系数改变时, AS (3-7) 与最大压力对应的点均集中在一条线性带上, 且AS (3-7) 与最大压力强相关, 相关系数均在0.96以上。本节数据为通过布置多个电极测量得到的离子电流获取缸内最大压力等燃烧参数提供了试验数据基础。
4 结论
(1) 采用多个离子电流电极测量能够避免点火信号的干扰。因诸电极在气缸内的布置位置相对全面, 能够获得更多缸内燃烧信息。
(2) 在不同的点火提前角、空燃比和转速下, 第三到第七电极测量得到的离子电流出现时间的平均值与压力峰值有很强的线性正相关性, 位置的相关系数在0.96以上。
(3) 采用多个离子电流电极测量, 能够获得缸内火焰传播情况, 通过离子电流信号反映的火焰传播信息, 可以建立燃烧与压力之间的联系。
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多通道DVR系统设计 篇5
2006年起, 嵌入式DVR加快发展, 现在较为先进的DVR回放格式可达到D1, 然而多数DVR目前只能达到标清预览输出, 或由VGA接口来支持720P的输出。如今, 高清显示器已经得到了广泛的应用, 且价格也越来越低, 监控系统在显示方面也变得越来越清晰, 这就促使新一代的DVR开始追求更佳的预览与回放显示效果。在部分高端DVR方案中, 高清解码器已开始得到应用, 目的是使安防产品在显示方面达到更好的效果, 其水平可与专业级视频播放器媲美。DVR显示效果在专业级的解码、处理以及显示下变得更加理想。近几年, DVR不断朝着高清化的方向发展, 多通道编码芯片也随之出现。本文基于上述背景, 针对多通道DVR应用的两种系统进行了软件架构设计。
1 PNX8550软件设计
嵌入式DVR按照架构可将设计方案分为3类:硬件方式、软件方式以及单芯片解决方案。
硬件方式也就是CPU+硬压缩芯片, 如通过三星S3C2510+INTIME芯片来实现。这种方案所受到的制约因素不少, 如:压缩算法无法定制、无法灵活升级、缺乏统一的标准以及硬压缩芯片成本高等。
当前, 嵌入式CPU技术已发展到较为成熟的阶段, 对于当前的部分算法, ARM、POWERPC、专用DSP便可达到要求。因此, 现在比较时兴的实现方式是软件方式, 即CPU+DSP, 然而不足的是这种方式需对两种处理器都进行编程, 程序设计可能在多个操作系统下完成, 同时, 保持DSP程序稳定有一定的难度[1]。
单芯片解决方案即由微控制器核和DSP处理核组合成多媒体SOC, 其设计对象为数字多媒体设备。作为一种综合性解决方案, 它通常将DSP处理核、软件、操作系统、技术支持等融合在一起, 其优点在于设计简单、便于开发、集成程度高以及成本较低, 对于开发速度较快的嵌入式DVR设备比较适合。不足的是选择过少、不够灵活、受制于芯片厂商。这种方案又可分为采用可编程的DSP处理核与不可编程的硬处理核两类, 前者如飞利浦公司的PNX8550, 后者如SIGMA DESIGNS的EM8620L。
1.1 PNX8550分析
作为媒体处理器, PNX8550集成化程度很高, 它有1个250MHz的MIPS32处理器和2个240MHz VLIW多媒体处理器, 前者负责Linux操作系统的运行, 对网络信息传递、文件系统以及存储等任务进行处理;后者则主要是处理视音频。另外, 部分重要视频操作是由功能较为稳定的硬件模块来完成的, 例如解码器VMPG, 其中MBS主要是对视频的大小进行处理, 而QVCP则主要是对图像进行处理, 如合成、处理、输出等。
PNX8550是基于PNX8525扩展而来的, DSP核在原有的基础上也有所升级, 2007年时已经是TM5250, 其媒体处理能力有了进一步的提升。
PNX1700与PNX1500引脚完全兼容, 不管是在DSP核还是时钟频率方面, 都有很大程度的提升。PNX1700可以对H.264、Windows Media Technology、DivX、MPEG2、MPEG4、MP3、Dolby DigitalTM、TCP/IP以及以太网等时下较为流行的视音频、通讯标准以及图像进行处理, 与PNX1500相比, 其性能优势十分明显[2,3,4], 此外, 它还可对WMV9、MPEG2、DivX-HD等高清视频格式进行解码, 在同一时刻实现MPEG2、MPEG4、H.264格式的编码和解码。
1.2 系统架构
作为主要控制处理器, PNX8550内部的TM3260内核的功能主要包括:对4~8路视频、音频进行编码与解码, 预览视频、音频, 对视频、音频进行输出等;作为通用CPU, MIPS32内核的功能主要包括:指导系统, 为用户提供图形接口、文件保存管理、设置音频、视频以及参数、用户操作与权限管理、日志管理、控制报警的输入与输出、网络管理等。内核之间的通讯是通过内存与硬件信号共享来完成的。
外部设备的扩展主要由33MHz的PCI总线来实现。10/100M自适应以太网控制器带有以太网接口, 可支持网络与IE浏览、远程下载与回放等功能。USB2.0接口除了支持USB升级、鼠标及刻录等功能外, 还可对数据进行备份。ATA/SATA接口主要用于存储, 不同的容量与型号所支持的硬盘数量及规格也有所不同。1394接口主要用于对存储进行扩展, 在系统存储容量不足的时候, 可通过连接磁盘阵列设备来扩展容量。容量扩展离不开PNX1700, 小于8路的设备不需要用到外扩PNX1700, 格式为CIF的8路视音频压缩可通过单片PNX1700进行处理。
若将以上图形中的视音频输出模块和USB2.0以及1394控制器减去, 则系统将变为一个DVS设备, 那么就可统一有关产品线的软件、硬件平台, 从而可以在很短时间内通过同一个平台发布不同系列的产品。
1.3 软件架构
1.3.1 TM3260
TM3260在飞利浦的DVP软件系统下运行, TSSA流组件的实现主要依靠它, 另外, 还增加了Resource封装, 用户可享受Streaming System服务。
硬件抽象层:英文缩写HAL, 它包括HwAPI、BSL以及DevLib这3层。片内设备和片外设备的访问主要是由前面两层负责, 对于上层设备库与设备驱动程序给予了相应的支持, 但它们与操作系统并无关联, 不具备对设备共享与同步的支持功能。硬件资源的同步访问则由DevLib负责。
基础结构:DVP基础结构所提供的函数是DVP软件系统的基本组成部分, 与操作系统无关。它主要由操作系统抽象库、内存管理库以及处理器间通讯这3部分组成。
操作系统:pSOS 2.5。
流组件:TSSA组件的功能主要是提供视音频与数据, 可实现媒体流的处理, 提供两层接口, 即AL与OL。
Rsource:对TSSA组件及其Client、TSSA的IOD进行了封装, 为Streaming System提供流系统的相关应用, 包括Pins、控制、API接口等。
Streaming System:Resource通过流系统连接在一起, 形成一个Streaming Graph。如:H.264码流解码功能可将多个Resource连接起来, 形成一个Streaming Graph, 以对码流文件进行读取, 解码和输出视频与音频。
TM3260与MIPS32之间通过RPC实现信息传递, 传递通道为IPC。
1.3.2 MIPS32软件架构
MIPS32的运行平台为Linux, 主要负责嵌入DVR外部设备驱动的实现, 基于DirectFB显示控制来支持嵌入DVR应用程序的实现。
Linux驱动:该驱动程序在Linux系统中表现形式为内核模块, 必要时, 系统会对其进行加载与调用;硬件平台直接受控于它, 将标准的接口函数和统一的HAL提供给内核和应用程序。
DirectFB:它是由德国公司发起的开放资源计划, 是基于Frame Buffer Device建立的图形标准, 可加快硬件图形的速度, 处理与抽象输入设备, 支持透明窗口, 显示层为两个以上, 可提供输入设备、字体、图像以及视频等4种接口, 为DirectFB提供不同码流文件解码的VideoProvider, 是TM3260Streaming System的主要功能之一。
应用程序:包括以下5个部分:显示控制子系统、系统管理子系统、存储管理子系统、输入输出控制子系统以及网络控制子系统。其中, 显示控制主要是输出视频信息, 包括3个模块:菜单、预览以及回放显示;系统管理内容有录像控制、参数、报警及网络设置、用户管理、视频遮盖等;存储管理主要是对数据进行存储和查询, 包括磁盘与日志管理、文件与参数存储以及检索备份;输入输出控制则是对键盘、鼠标、按键等外部输入设备的控制命令给予响应, 并对报警输出等外部输出设备进行控制, 组成部分有键盘、鼠标接口、遥控器以及云台控制等;网络控制的服务对象是客户端与集中监控软件, 它所提供的接口可实现远程操作。
作为媒体SOC, PNX8550具有较高的集成化, 3个处理器内核与嵌入式Linux操作系统决定着它能基于该平台在很短的时间内推出DVR与DVS, 加上高集成化与较少的外围芯片等特点, 在很大程度上提高了系统的稳定性[5]。
考虑到成本优势, 通用的CPU+DSP/ASIC方案将会逐步被高集成化的SOC方案所取代。另外, 芯片厂商将会推出各自的SOC产品, 安防行业将会出现新一轮升级。
2 SMP8655软件设计架构
SMP8655的集成化程度比较高, 不管是在CPU速度、内存带宽还是架构效率方面, 都有很大提升, 与同类芯片相比, 其性能优势十分明显。其500MHzMIPS24k主处理器可实现用户信息的传递和多个以应用为基础的功能, SMP8655也因此可适应不同应用需求, 其功能主要有以下几个特点:
(1) SMP8655的运行平台为Linux, 主要负责嵌入DVR外部设备驱动的实现, 基于FrameBuffer显示控制来支持嵌入DVR应用程序的实现[6]。
(2) Linux驱动。该驱动程序在Linux系统中表现形式为内核模块, 必要时, 系统会对其进行加载与调用;硬件平台直接受控于它, 将标准的接口函数和统一的HAL提供给内核和应用程序。
(3) 应用程序。包括5个部分:显示控制子系统、系统管理子系统、存储管理子系统、输入输出控制子系统以及网络控制子系统。其中, 显示控制主要是输出视频信息, 包括3个模块, 即菜单、预览以及回放显示。作为系统的核心功能模块, 显示控制通过提供API以实现菜单、预览以及回放显示等功能。获取预览数据的通道是PCI, 通过GUI来显示所获取的预览数据, 并对多个画面进行合成与拼接;系统管理的内容有录像控制、参数、报警及网络设置、用户管理、视频遮盖等。通过PCI驱动程序与API来配置FH8735的参数, 对预览与编码参数进行设置, 获取码流;存储管理主要是对数据进行存储和查询, 由磁盘与日志管理、文件与参数存储以及检索备份组成;输入输出控制主要是对键盘、鼠标、按键等外部输入设备的控制命令给予响应, 并对报警输出等外部输出设备进行控制, 组成部分有键盘、鼠标接口、遥控器以及云台控制等;网络控制的服务对象是客户端与集中监控软件, 它所提供的接口可实现远程操作。
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多通道材料信息采集系统 篇6
在生产生活中, 常需要对多种材料的数量进行统计。例如, 超市需要对消费品的库存情况进行统计, 电子或机械维修部门需要对使用较多的元件进行统计, 以便确定哪些元件需要购买, 药店需要统计哪些药品卖得较快, 需要购进。对于超市可以通过查看采购记录和销售记录来获得库存信息, 但是像电子或机械维修部门或者小型药店, 特别是中药店, 对销售情况进行统计就会不那么容易。而对电子元器件、机械元件、药品等进行统计时, 人工统计费时费力且容易出错。本文提出的多通道材料信息采集系统就可以解决此问题。
多通道材料信息采集系统, 通过称重传感器获取各材料的重量信息, 通过单片机采集处理。一方面可以现场显示材料的数量, 方便工作人员获取各材料信息, 及时补缺;另一方面可将数据以通信方式传送至上位PC机, 进行记录、统计和分析, 以便对资源进行更合理配置。此系统可用于电子或机械维修部门、药店及超市等场所。
2 系统总体设计
2.1 设计思想
对材料数量的统计, 可以采用人数方法, 但对多种材料的数量进行统计是件很麻烦的事情, 特别是当被统计的材料个体较小时。如电子元器件、机械零部件等, 这些材料体积较小, 重量也比较小, 而个体质量差异却不是很大。所以采用称重传感器获取材料重量信息, 然后通过计算获得材料数目不失为一种有效方法。
例如在机械维修部门, 元件的种类相当多, 各种不同的元件会被分放在不同的盒子里, 以便使用时进行索取。但不同的元件消耗情况是不确定的, 所以在对元件进行采购时就有必要获得各元件库存信息。如果在放置元件的盒子底部预先安装称重传感器, 对信息采集后经过处理我们就能获得各元件的数量信息。许多时候我们并不需要知道材料剩余的准确数量信息, 只需知道剩余的材料大概有多少即可, 因此系统在显示部分采用8个发光二极管对一个数据进行示意显示。
2.2 系统组成
多通道材料信息采集系统由称重传感器、放大电路、模拟开关、A/D转换器、微控制器、显示器及键盘等组成, 同时留有通讯接口, 可与上位PC机通信, 系统组成如图1所示。
3 硬件电路设计
系统硬件电路设计本着简单、实用的原则, 并不要求很高的精确度。传感器选用使用广泛的应变电阻, 其输出的小信号需经过放大调理。多路模拟开关使用8片CD4501扩展64路模拟通道, 后经过8位8通道模数转换器ADC0809对信号进行模数转换, 送入单片机, 再由单片机控制将数据载入MAX7129对数据进行显示。每8个数据为一组, 对8组数据进行循环显示。单片机还可通过串口与计算机进行通信, 响应上位机命令, 向计算机传送采集数据, 作为企业物料管理的一部分, 实现对材料使用情况的记录及分配管理。
3.1 称重传感器
称重传感器是一种将质量信号转变成可测量的电信号进行输出的装置。称重传感器按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类, 以电阻应变式使用最广。
电阻应变式传感器:利用电阻应变片变形时其电阻也随之改变的原理工作。主要由弹性元件、电阻应变片、测量电路和传输电缆4部分组成。此系统目的是实现对材料现存状况进行采集, 当材料处于一定范围内时, 就会考虑要购进新的材料。所以并不要求非常精确的数据, 因此不采用桥式电路, 而是直接使用电阻应变片来实现数据采集, 如图2所示。
3.2 多路模拟开关
多路模拟开关是一种重要的器件, 在多路被测信号共用一路A/D转换器的数据采集系统中, 通常用来将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换, 以便控制器能对多路被测信号进行处理。CD4501是单8通道数字控制模拟电子开关, 有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入, 具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。选用8片CD4501和一片ADC0809可扩展为单64通道数字控制模拟开关。控制信号Control1-Control6由单片机发出, 对采集信号通道进行选择导通。
3.3 A/D转换
A/D转换器采用ADC0809模数转换器。ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关, 它可以根据地址码锁存译码后的信号, 只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0809与单片机的连接图如图4所示。
IN0-IN7为8路模拟量输入端, D0-D7为8位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC为3位地址输入线, 本系统中接高三位地址选择信号, 用来选择导通相应CD4051输出地信号。ALE为地址锁存允许信号。START为A/D转换启动脉冲输入端, 输入一个正脉冲使其启动。EOC为A/D转换结束信号, 当A/D转换结束时, 输出一个高电平。OE数据输出允许信号, 当转换结束时, 给此端输入一个高电平, 打开输出三态门, 输出数字量。
ADC0809的工作过程是:首先输入3位地址, 并使ALE=1, 将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存器复位, 下降沿启动A/D转换, 之后EOC输出信号变低, 指示转换正在进行。直到A/D转换完成, EOC变为高电平, 指示A/D转换结束, 结果数据已存入锁存器, 这个信号可用作中断申请。当OE输入高电平时, 输出三态门打开, 转换结果的数字量输出到数据总线上。
3.4 单片机控制单元
控制器选用AT89S51。AT89S51是一个低功耗, 高性能的CMOS 8位单片机, 片内含4k Bytes的Flash只读程序存储器, 器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造, 兼容标准MCS-51。图5为单片机各控制信号的分布。
3.5 显示单元
传统的数码管显示驱动电路占用系统资源较多, 本系统采用MAX7912, 一种串行接口的8位数码管显示驱动器。它与通用微处理器只有3根串行线相连, 最多可驱动8个共阴数码管或64个发光二极管。内部有可存储显示信息的8×8静态RAM, 动态扫面电路, 以及段、位驱动器。本系统采用驱动64个发光二极管的模式, 显示材料剩余量信息。
图5中, 单片机P2.0口作为串行数据线, P2.1作为数据加载控制线, P2.2作为时钟线。单片机向MAX7219输送信息的工作流程描述如下: (1) 将P2.1, 即数据加载控制线置低电平有效; (2) 将P2.0置成与D7相同状态; (3) 将P2.2先置低, 再置高, 产生一个移位脉冲将D7移入MAX7219; (4) 重复 (2) 、 (3) 过程, 将D7-D0移入MAX7219。
对MAX7219各控制器和位寄存器赋值也可方便地由循环程序来完成。因为MAX7219有自动的动态刷新功能, 所以赋值完毕后, 单片机不必对它做其它的操作, 即可完成显示。
3.6 单片机与PC通信
使用MAX232芯片实现单片机与PC的串行通信, 实现与计算机通信后可通过计算机读取采集到的信息, 也可向单片机发送相应命令来实现某一数据采集通道的导通, 从而使显示器显示相应采集量。
4 系统程序流程图
系统软件流程如图6所示。单片机系统上电后, 先进行系统自检并初始化。然后通过对控制口赋值打开采集通道启动A/D转换, 转换结束则将采集到的数据保存至单片机内存中, 然后导通下一通道对下个数据进行采集。当对所有通道数据采集一遍后, 可关闭A/D转换, 将保存的数据送入MAX7219进行显示。MAX7219外接64个发光二极管, 分为8组, 每组对一个数据进行显示, 也就是将采集数据分为8个等级, 这样可以很直观地看到材料的剩余状况。同时为方便管理, 系统与PC机也进行了连接, 通过编写上位机软件, 可以随时启动系统进行信号采集, 并将数据传送至PC机中, 可作为企业物料管理的一部分。
5 结论
本系统设计了一个多通道材料信息采集系统, 使用应变电阻片构成称重传感器, 采集材料的重力信息, 保存至单片机内存, 可控制条形显示器对材料现存状况进行显示, 并可以通过串行端口将数据传送至上位机, 方便进行记录和管理。系统还可以增加报警提示电路, 当某材料缺少时, 可通过声、光等报警电路以及在上位机采集信息后对个别信息进行特殊显示来提醒工作人员及时补充。
摘要：本文设计了一种多通道材料信息采集系统, 将材料分类放置, 通过称重传感器将各材料的重量信息转换为电信号, 经过多路模拟开关及A/D转换, 将材料信息传给单片机并在现场实时显示, 方便工作人员及时对材料进行补充。同时单片机采集的数据可传送至上位机, 实现对材料的库存情况进行随时记录, 以方便对材料进行管理。
关键词：多通道,信息采集,称重传感器,单片机
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职校多寒士源于通道太窄 篇7
社会现实中大学生毕业即失业的“就业难”,与企业难招技术人才的“用工荒”形成的结构性矛盾,足以让职业院校拥有“被选择”的独特优势,但缘何职业教育仍旧难脱舅舅不疼姥姥不爱的尴尬困局,笔者认为,人们对职校的认知和相关制度的政策“矮化”,当属重要原因,比如重学历轻技能,公务员考录拒招职校生,等等。
其实,正如纪宝成所言,人们轻视职业院校的实质是“拥抱资本、疏远劳动、轻视劳动者”。诚然,与普通高等院校的“学历教育”不同,职业教育本身就属“技能培训”的教育性质,国家早已将其定位于“在完全中等教育的基础上培养出一批具有大学知识,而又有一定专业技术和技能的人才,其知识的讲授是以能用为度,实用为本”也就是说,职业院校的任务就是培养技术工人,即人们习惯所称的“蓝领”。在“乐意当白领,不做工农兵,即便进企业,也留管理层”的观念日益成为人们的普遍择业念的背景下,以制造“蓝领”为业的职业教育如何能成香饽饽?
不错,“领导带头”送子女就读职业院校的确有引领社会的示范作用,但以促进“就业”为主的制度性指挥棒的魔力应该更具效力。换句话说,只有打通职校生的向上渠道,职业教育才会具有吸引力。比如,拆除国家机关公务员考试、村官招考不准职业院校毕业生参加的制度门槛,让职校生同样具有进入公务员队伍的入围机遇;拆除职校毕业生在企业发展的“天花板”屏障,完善疏通其由工人序列向职称序列转变的制度设计,等等