数字化设计手册软件（共8篇）
数字化设计手册软件 篇1
摘要：当前我们正处于数字化时代, 数字信号处理技术受到了人们的广泛关注。数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一, 几乎出现在所有的数字信号处理系统中。本设计所采用的LabVIEW软件是一种基于图形化编程语言的开发环境, 它为虚拟仪器设计者提供了一个便捷、轻松的设计环境。所以, 本文选取LabVIEW作为设计数字滤波器的软件。
关键词：数字信号处理,数字滤波器,虚拟仪器,LabVIEW
0 引言
当今, 数字滤波器技术正飞速发展, 它不但自成一门学科;更是以不同形式影响和渗透到其它学科, 它与国民经济息息相关, 与国防建设紧密相连;它影响或改变着我们的生产、生活方式, 因此受到人们普遍的关注。
数字化、智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势, 而数字化是智能化和网络化的基础, 实际生活中遇到的信号多种多样, 例如广播信号、电视信号等等。上述这些信号大部分是模拟信号, 也有小部分是数字信号。模拟信号是自变量的连续函数, 自变量可以是一维的, 也可以是二维或多维的。数字滤波器技术是数字信号分析、处理技术的重要分支。无论是信号的获取、传输, 还是信号的处理和交换都离不开滤波技术, 它对信号安全可靠和有效灵活地传输是至关重要的。在所有的电子系统中, 使用最多最复杂的要算数字滤波器了。
1 数字滤波器的设计原理
数字滤波器根据其冲击响应函数的时域特征, 可分为两种, 即无限长冲击响应 (IIR) 滤波器和有限长冲击响应 (FIR) 滤波器。IIR滤波器的特征是, 具有无限持续时间冲击响应。这种滤波器一般需要用递归模型来实现, 因而有时也称之为递归滤波器。FIR滤波器的冲击响应只能延续一段时间, 在工程实际中可以采用递归的方式实现, 也可以采用非递归的方式实现。数字滤波器的设计方法有多种, 如双线性变换法、窗函数设计法和切比雪夫逼近法等等。
随着LabVIEW软件, 尤其是LabVIEW的信号处理工作箱的不断完善, 不仅数字滤波器的计算机辅助设计有了可能, 而且还可以使设计达到最优化, 而使用LabVIEW设计的滤波器不仅设计简单, 而且使用起来要比利用文本文件实现的滤波器方便得多。LabVIEW为设计者提供了FIR和IIR滤波器VI, 使用起来非常方便, 只需要输入相应的指标参数即可, 不需要进行复杂的函数设计和大量的运算。不同滤波器VI滤波时均有各自的特点, 因此它们用途各异。
2 滤波器的选择方法
在利用LabVIEW实现滤波功能时, 选择合适的滤波器是关键, 在选择滤波器时, 可参照不同滤波器的特点, 考虑滤波的实际要求来选择合适的滤波器。各种滤波器的特点及选择滤波器的步骤如图1:
3 IIR数字滤波器
IIR数字滤波器设计原理:IIR数字滤波器是通过因果稳定的Ha (s) 映射成因果稳定的H (z) , 即s平面的左半平面必须映射到z平面单位圆的内部。H (z) 的频率响应能模仿Ha (s) 的频率响应, 即s平面的虚轴必须映射到z平面的单位圆上。变换前后的滤波器在时域或频域的主要特征 (频率响应或单位冲激响应等) 应尽可能相同或接近。将传输函数Ha (s) 从s平面转换到z平面的方法有多种, 主要有冲激不变法和双线性变换法。
如果不考虑混叠现象, 利用冲击不变法实现的数字滤波器会很好地重现原模拟滤波器的频率特性。而且数字滤波器的单位脉冲响应完全模仿模拟滤波器的单位冲激响应, 时域特性逼近好。在本设计中, 用冲激函数作为系统激励信号, 用各种数字滤波器作为测试系统。冲激函数具有无限宽广的频谱, 用冲激函数做激励信号相当于对测试系统输入所有频率的信号, 系统必然有对应的输出。用Transfer函数计算出系统输出与输入的傅立叶变换之比, 从而得到系统的频率响应函数。
LabVIEW程序由两部分组成:前面板程序和框图程序。整个程序基于多线程设计, 即前面板和系统程序各占用一个线程。前面板是用户接口, 即交互式界面, 用于用户向程序中输入各种控制参数和观察输出量。在前面板中, 使用了各种仿真图标, 如开关、旋钮等, 并以数字或实时趋势图等各种形式的输出测试结果来模拟真实仪器的面板。通过信号经过巴特沃斯和切比雪夫带通滤波器以后的波形和信号经过贝塞尔和椭圆带通滤波器以后的波形。
程序包含有两个模块, 即两个case结构:一个用来实现频率响应测试;另一个用来模拟从混有高频噪声的信号数据中提取正弦波。由于滤波器对信号的分析要求循环进行, 而整个过程都希望是人为控制的, 因此框图程序里需要一个While循环结构。
模块一:频率响应测试模块。频率响应测试时采用冲激函数做激励信号, 通过函数子模板中调用来实现, 并且需要对冲激函数的采样数、幅值和延时3个参数进行设置。用Transfer函数计算出系统输出与输入的傅立叶变换之比, 从而得到系统的频率响应函数。在本设计系统中, 共包含有4种类型滤波器, 分别为:巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、贝塞尔滤波器、椭圆滤波器。通过在模块中调用相应的函数子模板来实现, 并且对滤波器的阶次、类型、低 (高) 端截止频率、通带波纹等各项参数进行设置, 为了验证所设计的系统对滤波器频率响应特性分析的效果, 将开关设置为“开”的状态。如果由于四种滤波器的波形全部在一个波形测量节点显示会影响观测效果, 所以在程序设计时, 将滤波器的波形分成两组输出。
在LabVIEW中利用transfer function. vi来计算两个滤波器的频率响应函数。
模块二:使用低通滤波器提取正弦波模块。通常微机应用系统的输入信号中会不可避免地受到各种噪声的干扰, 可以采用数字滤波方法对其予以削弱或滤除。本模块输入信号为一个正弦波, 并加入一个白噪声来模拟信号传输中的干扰信号。在设计过程中, 使用巴特沃斯低通滤波器滤除噪声分量, 从而达到提取正弦波的目的。该模块程序中共有两个巴特沃斯滤波器。首先调用SinePattern vi子程序和Uniform WhiteNoise vi子程序产生一个正弦波和均匀分布的白噪声 (用来模拟实际混入的干扰信号) , 干扰信号通过一个巴特沃斯高通滤波器, 生成一个高频噪声并与正弦信号叠加, 用来模拟含有噪声的采样序列, 该信号再经过一个巴特沃斯低通滤波器, 进而实现正弦波提取。
通过仿真实验可以证实, 当滤波器的阶次较高时, 系统的频率响应速度越快, 阶次越高就越接近理想特性。本例选用巴特沃斯滤波器, 它拥有最平滑的频率响应, 在截断频率以外, 频率响应单调下降。在通带中是理想的单位响应, 在阻带中响应为零。巴特沃斯滤波器的优点是具有平滑的单调递减的频率响应, 缺点是通带与阻带之间过渡缓慢。相比之下, 切比雪夫滤波器的幅度特性在通带中具有这种等波纹特性, 并且阶次越高等波纹也相应增加, 同时阻带内衰减也相应增加。基于LabVIEW的数字滤波器设计, 使得滤波后噪声得到了有效抑制, 滤波效果良好。
4 FIR数字滤波器
FIR数字滤波器设计原理:FIR滤波器就是用H (z) =∑h (n) z-n表示的多项式, 使其在单位圆上的特性逼近要求的频率特性。FIR滤波器的设计任务就是给定要求的频率特性, 按照一定的最佳逼近准则, 选取多项式系数h (n) , 即滤波器的单位抽样响应及阶数N, 使得频率特性满足设计要求。通常FIR滤波器设计有三种方法:窗函数加权法、频率采样设计和切比雪夫等波纹逼近法。这里通过窗函数加权法来设计。
本设计采用窗函数法, 利用前面板用于设置输入数值和观察输出量, 来模拟真实滤波器的前面板。由于虚拟面板直接面向用户, 是虚拟滤波器控制软件的核心。实际中的待测信号可以由数据采集卡实时采集滤波, 也可以由数据采集卡采集后保存为LabVIEW所能够识别的文件形式, 之后再由LabVIEW进行分析滤波。在这里用基本的信号 (正弦波, 余弦波, 方波) 来模拟原始信号。程序采用窗函数法的计算流程, 将窗函数与需要滤波的信号进行卷积实现信号的滤波。使用者可对原始信号, 噪声信号和滤波器参数进行设置。原始信号的波形图, 滤波的结果都可得到实时显示。这样, 在程序成功的运行后就可以从显示区得到结果, 使结果更为直观地反映出来。
5 结论
数字滤波器可以通过编程实现各种不同系统, 满足不同的需要, 也可以随时改动系数, 调整滤波器参数, 选择最佳方案。使用LabVIEW软件平台开发电气参数测量仪等虚拟仪器, 实现了更高的效率, 节省了更多的硬件开销, 方便了系统的维护和减轻了仪器更新的负担。使用虚拟仪器逐步代替传统仪器已经成为测试领域发展的趋势。但是在实际应用中, 仍要根据具体情况进行程序的优化和软硬件的结合, 使虚拟仪器发挥更高的性能。
参考文献
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数字化设计手册软件 篇2
Bentley 包括一个基于 Bentley promise 控制系统设计软件的电气设计引擎。电线就作为电线而不作为图形线处理;它们在放置或取消时会自动粘合和断开。连接处由软件辨认。电线编号可以自动指定，不同类型的电线分配到不同的层以更便于编辑。放置符号时，软件会提示唯一 ID，并自动交叉参考相关符号。通过这种方式，可以迅速生成单线图及保护和控制简图而不会出现错误。而且还可以自动生成电路原理图。工作被组织为项目，使得许多图可以链接在一起以便进行交叉参考、错误检查和清单生成。项目中一个部分的更改便会立即反映在项目的其余部分，从而大大减少了编辑时间，并确保了准确性。组件标识符、页面格式、标题栏等的项目级默认设置确保了与标准相符。此外，Substation 软件还可以完成防雷、接地、照明、电缆敷设、端子接线图等系统的设计，帮助设计人员高质高效地完成电力工程有关电气设计的部分。
(2)自动创建的平剖图
BentleyAutoPlant Equipment 支持自动创建二维平剖图。这些工程图引用自模型，因此，对模型所做的任何更改都会更新平剖图。Autoplant Equipment 提供了许多工具，支持使用从数据库中提取的.信息(例如：坐标系、立面图和绝缘厚度等)来添加元素批注。XM Edition 引入了全新的“公文包模式”技术。使用这项技术，只要稍加管理和设置，设计人员不需要项目协同工作功能，即可独立开展工作。使用这项技术后，大型项目模型可以轻松在各个项目之间移动，亦可断开与项目的联系，或者从备份中恢 复 单 个 项 目 模 型。Bentley AutoPlantEquipment 以 AutoCAD 为基础运行。它包括各种旨在创建并修改设备模型的菜单和命令工具栏。Equipment 菜单按级联样式排列，与 AutoCAD 中的菜单类似。此外，Equipment 还提供了许多轻松访问 AutoCAD 的命令，并支持大多数 AutoCAD 命令行键入操作。BentleyAutoPlant Equipment 模型并不仅仅只是工程图。创建该模型时，系统还会维护外部项目数据库中的组件数据。在工程图会话过程中，随时可以编辑组件数据。此外，还可以编辑最初为放置组件而定义的维度参数和位置参数，并重新绘制相应图形以反映所做更改。如果父设备基本工具的维度参数已修改，那么链接的子设备直径也自动进行调整。采用Bentley 三维数字化软件进行电力工程设计，具有较大的便利性。自动创建平剖图。
(3)异地协同设计
电力工程项目往往需要多个专业协同设计完成。电力工程设计是多专业配合设计的成果，强调整体水平和相互协调配合，因此整个设计过程是各专业间反复配合的过程，最终设计成果不是简单的叠加，而是有机结合。协同设计的目的不仅仅是数据设计，更重要的是注重对信息的交流和管理。PDMS 就是作为一体化多专业协同设计数据平台，通过计算机网络使不同专业设计者，分散的设计部门连为一体，改变了以电话、传真、邮件和会议为基础的传统配合模式，从而设计效率达到最大化。对于 PDMS，通过多专业配合，建立整个项目的统一的数字化三维模型，不仅解决了管道、设备、土建、暖通、电缆桥架等各专业详细设计的交叉配合问题，而且能以三维模型为基础在平台上实现各专业间的提资配合、工程图纸和报表的提交等工程配合问题。
三、结语
数字化设计手册软件 篇3
一、数字化思维训练的成果
室内设计专业中, 设计是基本环节, 但是设计作为一个抽象的概念, 在课上又很不好被学生们所理解, 只有通过自己的感知去理解, 造成了学生上课的困难。正是在这个情况下, 数字化技术应运而生, 为课堂上提供了, 可视化的思维训练平台, 学习者进入平台后, 清晰的视觉效果会引发学习者的探索欲。螺旋式的观察法就是其中的一个方法, 他通过Autodesk 3ds Max来制作出一些三维动态图, 在配合Adobe Premiere软件来添加音乐。【1】我们需要在3ds Max里建立一个方形体, 把每个数据调到合适的位置, 让其产生重叠的立体效果。空间形态的思维训练需要数字化的软件才能达到。学生只需要把空间中的各种元素组合起来, 进行实践分析, 这样可以在使得, 学生对于空间的理解更到位。在Au-todesk、3ds Max中使用一定的主题, 构造不同种类的空间模型, 利用色彩、材料等不同的要素进行数字化设计。数字化设计, 也是使得学生的创意得到了极大的发挥。一个元素的发展是不同的, 虚拟成果进行量化, 就是通过多维的设计, 平面不一定是观察的唯一方法, 是片面的, 我们需要多维空间的帮助, 而数字化的出现更好的满足了这一变化。
二、软件思维训练模块的数字化设计
我们可以应用3ds Max软件, 进行模型的建造, 还可以通过动态的观察, 进行人与机器的交流, 这种交流能够更好的对学生进行个性化的测试, 使得学生很少受到思维的限制。我们需要在3ds Max中进行数字化创作, 学生们可以使用简单的命令, 进行形态的创建, 把这些形态增加色彩, 变得更清晰夺目, 还可以应用软件的照明系统, 进行排列组合, 这样会使得我们建立的模型, 更加接近实际的模型。该种方法的特点是, 应用Autodesk 3ds Max和Vray等高级渲染器中的灯光系统进行效果的渲染, 从而实现不同场景中, 不同效果模型的建立。这种数字化的方式, 可以让使用者在三维空间中, 对图形的不同组合, 想要得到高仿真的效果, 只需要将摄像头, 对准某个部位就能够实现。通过调整光线的强度, 还可以变换不同的空间造型。【2】通过这种方式, 能够不断锻炼学生的立体能力, 还有审美效果。
三、室内的相关软件设计
(1) 设计的可能分析。数字化软件的应用, 能够在一定的空间中, 构建大量的视觉元素, 我们要不断对这些元素, 进行探究, 不断在其中发现灵感。此外, 数字技术在记录方面有许多优势, 我们需要好好利用这一优势。在3D集成的软件中, 可以应用云技术进行存档, 这些都给实际的操作中带来一定的帮助, 为室内设计教学起到更为重要的作用。在人脑与电脑进行同步设计时, 完整记录数据, 并且结合云计算, 为数据的存储提供了可靠的保障。
(2) 根据设计的需要来定软件架构。在进行室内设计时, 3ds Max和CAD等软件可以互相打通服务渠道的, 并且进行软件的完美连接, 这个设计者提供了很大的便利, 无论从哪个角度都可以进行设计。与此同时, 可以将以前的设计成果, 转到另一个软件中, 在进行设计。透视效果也包括在室内设计中, 在以往的教学方式中, 需要大量的透视理论知识进行学习。【3】为此浪费了许多时间, 还不一定能够完全掌握, 这也造成了创造进度的缓慢, 不能按规定完工, 对工程有一定的损伤。我们需要应用到数字化软件, 才能更加轻松的完成任务。例如, 像CAD之类软件的使用使得一些平面图, 能够很容易让他们以三维形式, 导入到3ds Max等三维软件中, 进行继续塑造与加深设计, 这样能够不断的提升效率, 也给室内设计带来了一定的便利, 也在一定程度上激发了学生的创造力, 与开发力。
以上这些就是, 数字化软件在室内设计教学中的应用, 这些应用可以帮助我们解决一系列的问题, 将二维空间变成三维空间, 使得画面更加的立体逼真, 也使得空间感更加的清晰, 对学生的教学产生巨大的作用。也使得我们受益很深。
结束语:
我们通过对, 数字化软件在室内设计教学中的应用探究, 可以看出, 目前数字化的教学, 已经成为教学的大致发展趋势, 能够适应到不同的领域。在室内设计的教学中, 更是发挥了举足轻重的作用, 她使得室内设计的教学更加的容易, 能让学生更好的理解三维空间, 对于空间的设计能更加出色, 还可以培养学生们的创新能力, 让学生通过多方面去看待问题, 让问题解决的更加清晰明确。以上就是我们对此问题的探究。
摘要：随着, 教学方式的不断进步, 教学方式也在越来越与科技接轨, 体现在诸多方面。从中我们不难发现, 与科技结合的教学给我们带来了极大的便利, 也给学生带来了更好的教学方法。本文主要对, 数字化软件在室内设计教学中的应用进行探讨, 我们通过对数字化室内教学方法的使用, 能够看出教学和数字化的完美结合。经过数字化思维的培训、设计路径的复杂过程、逻辑表达可视化等, 初步形成了抽象理论变现实化的教学方式。这种新的方式, 给室内设计专业的教学, 带来了很大的方便, 这种方式的教学模式, 也能极大限度的满足日常教学的需要, 给学生空间理论的教学, 更加的直接化、清晰化, 对学生的学习带来很大的帮助。
关键词：数字化软件,室内设计,教学,应用探究
参考文献
[1]王叶.室内设计教学数字化应用研究[D].北京工业大学, 2012.
[2]丁亮.数字化软件在室内设计教学中的应用[J].电子设计工程, 2015, v.23;No.32624:175-178.
数字眼底荧光造影分析软件设计 篇4
本项目 (数字眼底荧光造影分析软件) 是新乡学院、新乡市中心医院两家单位共同承担的新乡市科技发展计划项目。新乡学院负责数字影像分析软件编制工作, 中心医院负责提供医学素材、影像分析技术和测试环境。
1 眼底
眼底[1]是眼球内后部的组织, 即眼球的内膜——视网膜、视乳头、黄斑和视网膜中央动静脉。
在视盘的外侧, 有一个颜色略深, 中心凹处有一反射光点, 称为黄斑, 它是视力最敏锐的部分。
眼底检查十分重要, 许多疾病都可以从眼底上反映出来。眼底的视网膜血管是人体中唯一可看见的血管, 医生把它当作了解其它脏器血管情况的窗口。因此, 它的变化在一定程度上反映了一些器官的改变程度。医生可据此来分析、判断疾病的严重程度[2]。
2 眼底图像及其处理
眼底图像是利用眼底照相机对眼球内壁进行不同角度拍摄而成的图像, 图像经过数字化存入计算机中, 医师可通过对眼底图像的分析[3], 为各种疾病的诊断提供参考依据。
医学图像研究可以分为两大部分:医学图像成像技术研究、医学图像处理与分析, 两者又都包含广泛的研究内容。医学图像处理与分析中主要包括:①图像增强技术;②图像分割技术;③图像配准与拼接技术;④图像显示技术;⑤图像指导治疗技术;⑥图像引导手术技术;⑦医学虚拟环境技术。
医学图像处理与分析一直都是图像处理和分析领域中研究的重点和热点问题, 借助图形、图像技术的有力手段, 医学图像的质量和显示方法得到了极大的改善, 使得医疗水平大大提高, 不论在基础学科还是临床应用, 都是图像处理种类极多的领域。但是, 由于医学图像的处理技术难度大, 依然存在着较多的关键问题, 使得很多处理很难达到临床实用化程度。
本课题以眼底图像为研究对象, 主要集中在对眼底图像的后处理及其应用等方面。结合临床实际, 对这些关键问题展开深入的研究, 并将成果应用于医学临床分析和诊断。
3 研究内容
本项目主要的研究工作是:开发眼底照片辅助分析诊断软件, 实现医师在电脑上完成对眼底影像的浏览、分析、诊断、病历编辑、打印、存档等一系列工作 (其中分析、诊断功能是本项目的关键技术) 。
黄斑是视网膜上一个重要的部位, 是中心视力最敏锐 (视细胞最密集) 的区域, 直径仅有1.5mm。多数眼科疾病与黄斑病变 (视网膜病变) 有关, 中心性视网膜炎、出血性黄斑等病变, 伴有视网膜下新生血管、渗漏及出血, 病灶边缘处有弧形或环形出血, 偶有呈放射形排列的点状出血。病程末期, 黄斑区形成黄白色瘢痕。黄斑病变 (视网膜病变) 的眼底荧光血管造影中, 会发现渗出灶处有颗粒状、花边状 (本项目中称为血管芽) 等多种形态的新生血管网。因此, 采用数据图像处理技术 (阈值化轮廓提取法、半径直方图等) 对眼底图像进行处理, 获得黄斑区域 (包括其附近区域) 的图像特征 (如区域边缘的轮廓、形状等) 和人为图像特征 (如直方图、圆度、长半轴、短半轴等) 。
总之, 从眼底图像中要获得的信息是:拱环 (黄斑) 、灌注区、亮点、血管芽及它们的属性, 然后根据这些信息帮助眼科医生做出初步诊断。
4 技术方案
在分析和比较现有眼底图像分析与处理方法的基础上, 针对眼底图像处理与分析中存在的关键问题, 从以下4个方面进行研究:①图像预处理;②区域识别;③轮廓提取;④参数获取及诊断。
本课题研究的主要内容及模块间关系、研究技术路线如图1所示。将信息学与生物医学紧密结合起来, 充分利用现代计算机图像处理技术, 对彩色眼底图像进行分析与处理, 为临床诊断与科学研究提供定性与定量的参考依据。
解决技术问题所采用的方案:①用二值SOBEL法, 对图像进行边缘提取, 得到眼底图像的二值轮廓;②通过动态阈值法获得适合当前图像的阈值 (包括黄斑阈值、亮点阈值、血管芽阈值) , 根据获得的阈值对图像进行二值化处理, 进而得到“拱环 (黄斑区) 、无灌注区”图、“亮点”图、“血管芽”图, 便于后续的处理;③通过区域亮点密度 (亮点数) , 判断眼底图像中是否存在分支静脉栓塞;④通过区域芽点密度 (芽点数) , 判断眼底图像中是否存在血管芽;⑤通过黄斑区个数、无灌注区个数, 判断黄斑结构是否异常, 是否存在无灌注区;⑥获得基准面积、测量面积以及黄斑区的属性 (圆度、长半轴、短半轴等) ;⑦通过半径直方图法, 判断黄斑区的圆度;⑧汇总前面的处理结果, 作出初步诊断。
5 研究环境
本项目研究的数字眼底荧光造影分析仪包括数字影像采集设备和眼底照片分析诊断软件两个部分。①硬件:通用PC、眼底照相机 (TRC-50DX) ;②软件:Windows XP、Visual Studio 2005、C/C++、OpenCV (Open Source Computer Vision Library) 。
6 系统测试
测试选用三个实际来诊病人的眼底图像, 一人眼底图像正常, 两人眼底图像异常。
待处理A (正常) 眼底图像如图2所示。
待处理B (异常) 眼底图像如图3所示。
待处理C (异常) 眼底图像如图4所示。
基准值通过10张正常的眼底图像计算而得。
由于篇幅限制, 仅提供来诊病人——C (异常) 的测试图像。
通过动态阈值法和手动阈值法对眼底图像进行处理, 图5、6、7、8、9、10、11是动态阈值法获得图像, 手动阈值法获得的图像省略。
7 结语
通过对3个来诊病人眼底图像的测试, 说明了该课题设计的眼底影像辅助分析诊断及管理系统达到了预期的功能, 能够快速主动地为眼科医生提供一系列有价值的诊断参数和初步诊断结果, 极大提高了诊断时间。从测试所获得的参数和结果看, 动态阈值法要好些。
另外, 该系统能够快速生成诊断报告单 (见图12) , 极大提高了工作效率。关于生成诊断报告单的具体过程, 在软件使用说明书中描述。
该课题设计的眼底影像辅助分析诊断及管理系统还存在不足之处:
在对少数图像进行处理时, 没有完全达到预期的结果, 这也是使用该系统的医院反馈的信息。比如说, 在判断亮点时, 识别出来的亮点个数为47 (亮点个数<=45为正常) , 因此, 亮点过多, 系统自动给出的初步诊断结果会包含眼疾的描述, 然而, 该幅图像是正常的。经过观察、分析, 发现该幅图像整体过亮 (也就是次品图片) 。初步设想, 解决该问题的方法有两种:① 医生将这些图片删除, 保留亮度适中的图片;② 如果只剩下整体过亮的图片, 只能使用它们了, 因此, 需要对这些图片进行整体亮度调整 (增强或减弱) , 这是接下来要做的工作。
参考文献
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数字化设计手册软件 篇5
关键词：微机保护装置,VxWorks,实时任务,IEC 61850
当前中低压保护监控装置大多采用运算速度较低的单片机和前后台软件设计方法。其成本低,但处理器速度慢,运算能力差,有限的硬件资源更制约了软件的扩展和装置性能的提高。新型网络化微机保护监控装置采用多CPU板卡结构,板间使用交换式以太网进行数据交互。主控板采用基于ARM9内核的AT91RM9200处理器[1],运算速度快,处理能力强,硬件资源丰富。然而繁多的硬件管理工作和复杂软件设计在前后台程序模式下变得困难且低效。嵌入式实时操作系统(RTOS)的应用为复杂多任务软件的开发设计提供了解决方案。其简化了软件设计,增强了软件的可读性、可维护性、可扩展性,提高了可靠性,加快了软件开发进度。Vx Works嵌入式实时操作系统已广泛应用于航空、航天、军事、通信等领域,在高压保护设备中也有采用。其支持多任务、中断、任务抢占式调度等机制,系统可裁减配置,微内核机制使得其本身开销很小,具备强大的网络功能,完全支持TCP/IP栈,响应速度快、实时性强、可靠性高,非常适合电力系统微机保护的应用场合。
基于新型网络化保护平台,本文提出了Vx Works操作系统下微机保护装置的软件设计方法,详细介绍了各任务的划分、功能、任务间通信的实现。为支持IEC 61850[2,3],板间通信采用面向通用对象的变电站事件(GOOSE)和采样值传输(SAV)的编码方式。完整移植MMS-EASE-LITE软件后可完全支持IEC 61850标准。
1 微机保护监控装置的结构功能
1.1 装置的构成
微机保护装置由主控板、采样板、开入开出板、继电器板、液晶显示板、集线器(HUB)板、TA/TV板和电源板组成,各板卡以插件形式安装在背板上。
1.2 通信结构
主要功能板卡包括主控板、采样板、开入开出板和显示板,前三者由交换式HUB互连,实现装置内部通信,各网口和HUB均为10/100 Mb自适应。液晶显示板与主控板通过RS485接口连接,波特率4 800/9 600 b/s可设定。主控板负责装置外部通信,包括一个10/100 Mb自适应网口、4 800/9 600 b/s可设定的RS485接口和一个波特率最高为115 200 b/s的RS232接口。装置通信结构如图1所示。
1.3 功能介绍
采样板选用TI公司的TMS320 5X系列数字信号处理器(DSP),完成24通道模拟量采集和有效值计算,最高速率可达每周波64点。采样实时值和有效值按IEC 61850-9-2部分SAV格式向主控板实时传送。
开入开出板亦选用TI公司的TMS320 5X系列DSP,管理开入开出各16通道数字量,按IEC 61850GOOSE方式即时传送遥信量和遥信变位事件,接收主控板遥控分合闸命令。
液晶显示板采用51系列单片机管理用户图形接口,与主控板通过RS485进行信息交互。
主控板选用基于ARM9内核的AT91RM9200处理器,自带一个10/100 Mb以太网媒质访问控制器(Ethernet MAC),5个USART串行接口,1个SPI接口,扩展了一块10/100 Mb自适应网卡,16 MB SDRAM,1MB Nor Flash,64MB Nand Flash存储器。利用其强大运算处理能力,在实时操作系统Vx Works下实现了保护、内部通信、外部通信等功能。
2 Vx Works的结构和任务设计
Vx Works的板级支持包(Board Support Packet,BSP)是介于Vx Works的内核(Wind Kernel)和底层硬件驱动之间的软件抽象,完成硬件上电初始化,为Vx Works提供访问硬件的统一接口[4]。由于BSP的存在,使得Vx Works的上层软件,包括内核、库、I/O系统、通信协议栈以及应用软件不依赖于具体硬件。应用软件的开发完全独立于底层硬件,使得嵌入式系统中的代码可移植性大为提高,软件结构清晰明了。Vx Works的微内核提供了操作系统的基本服务,如任务创建、调度和管理,任务间通信、内存管理等;I/O和文件系统提供了文件相关的操作[5];通信协议栈完全支持TCP/IP族[6],系统结构见图2。
任务是Vx Works的最小运行单元,每个任务拥有自己的任务控制块。内核对任务运行进行调度、切换,支持优先级抢占式调度和同优先级时间片轮转调度。Vx Works支持256个优先级(0~255,0优先级最高,255最低),应用程序任务优先级一般低于100[7,8]。任务设计一般按功能划分,每个相对独立的功能成为一个任务,根据其重要性和对实时性的要求设定任务优先级。任务间采用信号量、管道、消息队列、共享内存等机制进行相互通信。
Vx Works详细说明和编程方法参见文献[4-8]。
3 微机保护监控装置的多任务设计
3.1 系统功能划分
基于本装置的系统结构,可将装置功能进行如下划分:
(1)从网口-1接收以太网报文,并根据其类型标识判断为SAV或GOOSE报文,分别存入相应缓冲区,同时通知其他任务进行处理。
(2)采样值更新时,根据配置的保护种类启动保护算法。
(3)实时判断GOOSE报文中的遥信量是否发生变化,监控开关位置和其他状态信息。
(4)根据采样实时值的变化决定是否启动故障录波功能。
(5)发生故障时,根据要求发出GOOSE跳闸报文通知开出板控制相应继电器闭合。
(6)从RS485-1接收报文,处理人机界面接口信息。
(7)从网口-0接收外部通信报文,按IEC 60870-5-104规约或IEC 61850标准进行通信服务。
(8)RS485-0可作为电能表、IO模块等设备接口,读取电度或其他信息。
(9)RS232一般为调试接口,输出调试信息,便于监视装置的运行情况。也可连接与其兼容的各种设备。
上述功能之外,完整的微机保护装置还包括事件记录、定值修改、开关手动控制、网络功能设置、装置自检等。
3.2 实时任务设计
根据微机保护装置的系统功能设计了系统实时任务,以下详细说明。
继电保护是微机保护装置的基本功能,也是最重要的功能,创建一保护任务,称为t Protect,并设置为最高应用任务优先级。按照Vx Works优先级设置原则,指定保护任务优先级为100。开关状态、遥信变位等同样是保护装置最为关心的事件,为此创建一任务对遥信量进行监测,称为t YXMonitor,设定优先级110,略低于保护任务。从装置功能分析可以看出,保护任务由采样值更新事件触发,遥信监测任务则由GOOSE报文的接收启动。事实上,以太网报文接收事件驱动上述两任务运行。据此分析,创建一任务从网口-1接收、分派报文,完成收包、分类识别、转存、释放信号量、启动其他任务等工作,称其t Pkt Recv。以上3个任务工作流程如图3所示。
GOOSE/SAV等网络报文由增强型网络驱动(END)从网口-1接收,同时启动Vx Works的系统网络任务t Net Task,其调用MUX的mux Receive()函数,mux Receive进一步调用应用程序提供的pkt Recv()函数接收报文,写入t Pkt Recv任务的循环缓冲区并释放信号量启动t Pkt Recv任务。上述过程在t Net Task任务中完成,其任务优先级默认为50。此时,t Pkt Recv的缓冲区虽已经写入报文,任务进入准备好(Ready)状态,但t Net Task任务优先级较一般应用任务优先级高,t Pkt Recv优先级如按一般规则设计,则不能马上运行。这种情况似乎不满足保护装置硬实时性要求。如果强制t Pkt Recv任务优先级高于t Net Task,可能导致系统网络任务不能及时响应,结果不可预测。故使用循环缓冲区进行速度匹配,设置t Pkt Recv任务优先级为105,低于t Protect任务,经实际测试,这种方案完全满足实时性要求。t Pkt Recv任务根据以太网类型标识区分GOOSE/SAV报文,分别存入相应任务缓冲区并释放信号量启动t Protect或t YXMonitor任务。t Protect任务发出跳闸指令实际是向开入开出板发送跳闸GOOSE报文,发送时使用mux Send()函数将报文直接写入MAC层,实现快速报文传输。GOOSE/SAV的编解码、数据访问方式在后文中介绍。
故障录波功能与保护功能工作方式相似,故图3中略去。t Pkt Recv任务获得实时值后将报文转存故障录波任务(称为t Record)缓冲区同时释放信号量启动该任务。t Record任务采用突变量等判据决定是否启动录波。故障录波任务初始化时需要建立较大的循环缓冲区用以存放实时数据,应根据系统内存的使用情况适当配置该缓冲的大小。本装置可存储24通道,6 400个采样时刻的实时数据,开辟内存约300 KB。3 200 Hz采样率下(64点每周波),至少可记录故障前10周波,故障后30周波。波形文件以COMTRADE格式保存于本地Nand Flash文件系统中,空闲时供后台召取。由于t Record任务对实时性要求不高且拥有足够大的缓冲区,故设置任务优先级为150,较系统大部分任务优先级都低。实际运行时录波可靠,不遗漏、不错录,满足要求。
根据装置的通信结构,内部与人机界面,外部与电能表及其他IO设备分别通过RS485-1和RS485-0两接口完成。两者功能虽有区别,但通信过程相似。设计了串口收发任务维护串行通信,称为t Uart Com。任务流程如图4所示。
t Uart Com任务使用2个串口和2个管道,通过select机制等待其中任何一个IO准备好,然后读写数据。管道作为串口写缓冲,避免其他任务直接操作串口,保证应用程序与硬件的速度匹配,防止其他任务写串口时因得不到资源而被阻塞(pend),也可视之为其他任务与t Uart Com任务之间的通信介质。由于串口读写速度较慢,t Uart Com任务的实时性要求可适当降低,任务优先级设置为140。
网口-0是装置通信的主要接口之一,可与IEC60870-5-104等通信协议绑定,实现远方通信功能。Vx Works提供标准网络套接字(socket)接口,网络编程十分方便,在深入理解规约通信流程的基础上,设计了两任务进行通信管理。任务一:侦听(listen)、接受(accept)、维护socket连接,对通信状态进行实时监控,保证远方通信的可靠性。任务二:接收、解析、处理、回复报文,根据命令条目进行相应操作,实现遥测、遥信、遥控、遥调、定值召唤、故障录波召唤等功能。远方通信是微机保护装置十分重要的任务,对于无人值守变电站,它是监控人员获取电网运行信息的惟一途径,根据其重要性和对实时性的要求,应设为较高优先级以保证其响应速度。104协议的具体通信过程和实现方法已有大量文献阐述,Vx Works和Windows下的实现差别很小,故不再详细说明。
自检是微机保护装置的必备功能,CPU空闲时应该循环检测装置各部分是否运行正常。实际上,装置很多功能都需要循环执行,如看门狗维护、电表读取、装置对时等。
故创建一个循环执行任务,通过task Delay()函数控制其运行频率。任务内设置一任务计数器,每执行一次,任务计数器加1。根据功能的执行频率,设置多个功能计数值,当任务计数器等于某功能计数值的倍数时,执行该功能。设置该任务优先级130,较保护、网络等任务优先级低。装置自检耗时较长,因此由循环任务发起自检任务,设置为系统最低任务优先级,其执行完成后自动结束。其他功能执行时间很短,不影响任务运行,故以函数调用形式完成,无需创建任务执行。
3.3 对IEC 61850标准的支持
随着国内企业对IEC 61850的研究逐步深入,工程化实施方法逐渐成熟,IEC 61850必将成为变电站自动化系统通信的主要标准。
软件参照IEC 61850-8-1、9-2部分GOOSE和SAV协议数据单元(PDU)的说明,利用SISCO公司开发的软件包MMS-EASE-LITE提供的ASN.1函数库,实现了GOOSE与SAV编解码,并且通过第三方软件MMS Ethereal抓包,验证了报文的正确性。GOOSE数据存储于共享内存中,任务读、写该内存时获取互斥信号量,访问完成后释放该信号量,保证数据同一时间只被一个任务访问。
MMS-EASE-LITE使用标准C语言编程,修改若干宏定义就能将服务器端移植到Vx Works上,运行后增加2个应用任务。移植成功后,只需要将实际数据映射到MMS的数据结构中就能够实现IEC 61850的各种通信服务。
4 结束语
微机保护监控装置要求高可靠性、高稳定性、强实时性,良好的软件设计是装置性能的保证。本文介绍的基于Vx Works的微机保护监控装置的软件设计仔细考虑了本装置的功能特点,设计了实时任务,经过实际测试,满足运行要求,装置产品已经在现场运行。
参考文献
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数字化设计手册软件 篇6
陆上集群无 线电 ( Terrestrial Trunked Radio,TETRA) 是欧洲通信标准协会 ( European Telecommunications Standards Institute,ETSI) 设计制订的具有统一空中接口、开放性的系统数字集群标准[1]。系统可以: 1满足各部门日常生产指挥调度和应急情况下的联合指挥调度通信需求; 2支持状态信息传输、短数据传输以及分组数据传输等数据功能; 3提供组呼、广播呼叫、个呼、紧急呼叫和电话互联等语音呼叫功能。
TETRA被全球120多个国家所采用,是全球范围内使用最广的数字集群通信体制,也是我国工信部确定的中国数字集群标准[2]。
Acro Tetra是河北远东哈里斯公司研发的,具有完全自主知识产权的,完全满足TETRA标准的数字集群系统设备。
1系统介绍
1. 1被测系统组成
被测系统为Acro Tetra系统,由如下设备组成。
1. 1. 1交换管理中心
主要包括: 1交换管理控制器( Mobile Switch Controller,MSC) ; 2网管子系统; 3安全子系统;4录音子系统; 5互联互通子系统; 6调度子系统。
1. 1. 2基站( Base Station,BS)
主要包括: 1基站控制器( Base Station Controller,BSC) ; 2信道机( Base Radio Unit,BRU) ; 3同步单元( Synchronism Unit,SYNU) ; 4射频分配系统( Radio Frequency Distribution System,RFDS) 。
1. 1. 3移动电台( Mobile Station,MS)
Acro Tetra域系统设备组成如图1所示。系统支持128个基站、8万个用户、2万个通话组,域模式系统指标主要体现在MSC的处理能力。
此外,每个Acro Tetra基站可以独自以全功能基站模式运行,全功能基站支持2 048个用户,500个通话组,全功能基站的主要指标主要体现在BSC的处理能力。
1. 2测试系统介绍
在被测系统( 以下简称系统) 性能测试阶段,用真实的设备对系统指标进行验证是不现实的,主要有如下困难: 1搭建128套完整的基站资金和场地投入巨大; 2采购8万部手台资金和场地投入巨大,测试人员无法进行操作; 3 128套基站同时运行,频点分配困难,电磁波污染严重; 4采用人工操作无法发起大话务量呼叫,无法进行呼叫结果统计。
因此,需要通过专用测试系统完成系统性能测试工作。测试系统需要测试全功能单基站模式系统指标和域模式系统指标,测试项目包括手台注册附属、组呼、全双工个呼、半双工个呼和短数据,测试系统可以完成定制测试计划、自动完成测试、统计并输出测试结果3项工作。
测试系统主要对MSC和BSC的业务处理能力进行测试。待测设备为MSC和BSC,测试系统需要模拟和测试项目相关系统的其他模块[3],主要包括: BRU、SYNU、RFDS和MS。测试系统不需要将这些模块的需求完全实现,但是必须保证测试系统和待测系统的接口和真实环境下完全一致。
测试系统和待测系统的接口位于BSC和BRU之间。
真实环境下,MS和BRU之间交互的数据承载在射频上[4]。射频传输功能由MS下媒体介入控制( Media Access Control,MAC) 层和物理层( Physical Layer,PL) 设备和BRU下MAC层和物理层设备提供。测试环境将射频部分功能全部删除,将两者之间交互的数据承载在了以太网上。
2设计实现
测试系统分为2个主要部分: 模拟MS和模拟BRU,测试系统架构如图2所示。
真实系统环境下,手台和基站通过各自的射频系统,将数据承载在某一个频率的无线电波上实现两者的通信。测试系统环境,未实现射频分配系统功能,将模拟手台和模拟BRU之间交互的数据承载在以太网上。
模拟BRU和BSC的接口,与真实BRU和BSC的接口完全一致,在测试BSC性能时,不需要对待测BSC进行任何修改,保证了测试结果的可信度。
模拟手台、模拟BRU和BSC可组成一套模拟基站设备,多套模拟基站设备同时运行,可以对MSC的性能进行测试。
模拟软件采用C + + 语言[5],使用VC + + 6. 0工具进行开发[6],系统平台为Windows操作系统,硬件平台为普通PC机。
2. 1手台模拟
手台模拟软件的模块划分和业务流程如图3所示。
1图形用户 界面 ( Graphical User Interface,GUI) 子系统: 负责系统配置,设定测试方案;
2控制子系统: 根据用户设定的测试方案,触发并管理手台注册、呼叫和短数据;
3协议栈子系统: 负责协议栈编解码[7],下行负责将控制子系统触发的业务转换为满足TETRA协议标准的协议数据单元( Power Distribution Unit,PDU)[8],上行负责将收到的数据,转换系统要求的应用程序接口 ( Application Programming Interface,API) 格式,提交给控制子系统,该子系统包括完整的手台侧的TETRA逻辑链路 控制 ( Logical Link Control,LLC)[9]以上层( 包括LLC层) 协议栈;
4数据收发子系统: 负责通过套接字[10]与模拟BRU通信;
5测试结果统计子系统: 对测试进行实时的记录及统计,便于对系统性能进行分析。
2. 2 BRU模拟
BRU模拟软件的模块划分和业务流程如图4所示。
1 GUI子系统: 负责配置BRU模拟软件,并可控制和查看软件的运行状态;
2定时子系统: 负责模拟TETRA时隙定时驱动模拟BRU工作;
3控制子系统: 上行,负责从缓冲区取出手台模拟软件发送的数据,调用协议栈编码,转换成标准的TMV PDU,保存在缓冲区中,待预设的定时器到时,根据接入控制,判断此时隙发送还是等待下一个发送机会发送; 下行,负责接收BSC发送的数据,调用协议栈编编解码,将分片后的数据组装成完成的PDU,发送给模拟手台软件;
4协议栈子系统: 实现了手台侧和基站侧部分UMAC层功能,主要包括: UMAC层编解码、随机接入、保留接入、数据分片和组装、信道挪用等功能;
5数据队列子系统: 缓存上行和下行的数据,将通过Socket收发到的数据,模拟成满足TETRA协议帧格式要求的数据;
6配置子系统: 配置模拟BRU的IP地址和端口,时隙驱动定时器时长,接收、处理并响应BSC的配置和健康检测消息;
7数据收发子系统: 负责通过套接字与模拟BRU以及BSC通信。
3模拟结果分析
模拟20个基站,每个基站1 000个MS,共计20 000个MS,平均附属在300个组,呼叫发起最小时间间隔为15 s,最大时间间隔为60 s,通话时长固定为20 s,测试时长为48 h,部分测试结果如表1所示。
从测试结果可以得出结论: 通过测试系统发起大呼叫量测试,在长时间,大呼叫量测试的情况下,测试系统部署方便,运行稳定,完成了测试系统的需求。
4结束语
使用测试软件对Acro Tetra数字集群系统进行性能测试,在完成了测试任务的基础上,具备真实测试环境所不具备的优势。测试软件以软件代替硬件、全天候无人职守的特性,在测试工具的开发、测试环境的搭建及测试过程中,均能节约大量的开发周期、硬件资源及人力成本,同时对相关及相似项目均有较大的复用及借鉴价值。
参考文献
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数字化设计手册软件 篇7
离心泵设计最关键的就是离心叶轮和蜗壳的水力设计, 设计过程中常采用的方式就是将空间模型进行简化, 采用一元设计理论。单一的对二维平面进行参数控制, 忽略空间模型的特殊性, 从而体现出一元设计理论的不足[1,2,3]。
借助计算机技术, 数字化技术在水力机械设计领域已得到广泛的应用。将离心泵水力设计全过程引进数字显示, 使设计对象即时可见, 设计性能可即时查询, 保证了设计的合理性, 符合设计要求[4,5,6]。江苏大学关醒凡教授将多年的设计实践经验与软件技术相结合, 开发出PCAD系列泵设计软件。软件以速度系数法为基础, 运用保角变换法绘形对离心泵水力部件进行设计。王凯等以Isight为平台, 集成Pro/E、Gambit和Fluent, 从而实现了离心泵叶轮轴面图的全自动CFD优化[7]。以上主要以一元理论设计优化离心泵水力部件。邓建刚等将CFturbo与Numeca相结合对离心风机进行气动设计并取得了很好的效果[8]。赖喜德以流体动力学为基础, 采用数字化技术对叶片式流体机械设计, 并在数字化设计的基础上对流体机械数字化制造[9]。本文将结合CFturbo、ANSYS-CFX、UG等数字化软件组成的软件系统构建一种新的离心泵水力部件的设计方法, 如图1 (b) 所示。
1 利用数字化软件系统对离心泵水力部件设计的方法
单凭某一款软件很难同时完成离心泵水力部件的设计、精确的性能预估、三维模型建立、二维设计图纸生成。为此本文将数字化设计软件CFturbo与流体动力分析软件ANSYS-CFX以及三维建模软件UG相结合对离心叶轮进行设计。这样就可形成以上数字化软件对离心泵叶轮进行水力设计的新的设计方法。
运用数字化软件系统对叶轮进行水力设计的内容有: (1) 运用CFturbo对离心泵叶轮的轴面投影进行确定, 如图2 (a) 所示。 (2) 在CFturbo中调整并控制离心泵叶轮叶片流道的面积变化, 保证面积变化光顺, 如图2 (b) 所示。 (3) 在CFturbo中查询叶轮的性能曲线, 评估叶轮是否符合要求。 (4) 运用ANSYS-CFX对叶轮的性能进行更进一步评估。 (5) 运用UG对三维模型进行处理, 抽取出二维工程图纸, 如图5所示。
1.1 离心泵水力部件的初步设计
在离心泵的设计过程中, 首先考虑的就是水力部件的设计, 对于常见的单级单吸离心泵水力部件包括叶轮和蜗壳。本文运用数字化设计软件CFturbo设计离心泵的叶轮与蜗壳并其整体性能初步预测。
CFturbo是一款广泛应用于离心泵、混流泵等旋转流体机械设计的专业软件, 这款软件基于设计方程与经验函数来开展叶轮及蜗壳的设计。同时又结合可视化技术, 可对设计对象的外观特征和关键部位的参数条件即时查询。
对离心泵水力部件设计的常规方法[如图1 (a) 所示]是运用速度系数法确定叶轮的主要尺寸, 或选用优秀模型换算主要尺寸, 再根据确定的尺寸以及对应的几何关系对叶轮和蜗壳的水力图进行绘形, 最终完成水力部件的设计。由于CFturbo同样是运用速度系数法设计叶轮和蜗壳的水力部分。其中模型的统计样本库与国内模型的统计样本库不同, 因此CFturbo中的统计系数与国内的统计系数具有一定的差异[10,11]。这种差异不仅仅只体现在系数的差异上, 更深层次的就涉及设计理论与方法以及制造工艺上的差异。考虑到这样的差异, 本文在上述基础上运用国内的统计系数进行水力设计, 然后依据计算出的尺寸对水力部件设计[12]。
在CFturbo中确定轴面投影时外形可以有贝塞尔曲线 (bezier curve) 、圆弧与直线结构 (circular arc+straight line) 供设计者选择。在调整轴面投影形状时可以通过查询窗口查看流道的光滑性, 为轴面投影的调整提供依据。在后续的参数设置完成后就可即时生成三维模型, 可以对空间流道的面积变化规律进行查询评估并适当的调整各部分的参数, 直到符合要求为止。对于蜗壳的参数设置与调整在此不过多赘述了。
1.2 离心泵水力部件的性能预估
在CFturbo环境中完成离心泵水力部件的设计, 并可对叶轮与蜗壳的综合性能进行初步的性能预测, 若需要更进一步的性能评估就需要借助专业的CFD分析软件。
在CFturbo中设置有与CFD软件的接口, 通过接口接入到CFD分析软件对水力部件的综合性能进行更准确分析评估。
1.3 离心泵水力部件二维水力图的抽取
基于数字化软件对离心泵水力部件设计是在给定设计参数的条件下完成的, 在没有二维图的条件下生成三维模型。后续的工作就是要将三维模型进行处理, 将二维工程图抽取出来, 这样离心泵的水力部件的设计就完成了。
图纸的转换运用CFturbo与三维建模软件UG的接口将CFturbo中生成的三维模型导入UG中再进行处理。根据水力部件水力图的绘制原理, 抽取出不同角度截面的截线, 再将所有的交线都旋转到指定的平面上。将产生的交线导出dwg/dwf格式, 在电子图版中绘制出木模图和蜗壳的水力图, 最终完成离心泵水力部件的设计。
2 设计实例
运用数字化软件系统对参数为:Q=300 m3/s, H=152.7m, n=2 985r/min的离心泵水力部件进行设计。
2.1 计算叶轮的主要尺寸
首先根据给定参数运用速度系数法[1]计算出叶轮的主要尺寸。水力部件主要参数如表1所示。
2.2 基于CFturbo的水力部件水力设计
将计算出的水力部件主要参数输入CFturbo中, 对叶片的进口安放角、叶片头部形状、各流线的包角以及叶片厚度和蜗壳的基圆直径、进口宽度等参数进行设定。首先确定叶轮的轴面投影, 并确定进口边的位置, 轴面投影图采用圆弧与直线结构 (circular arc+straight line) 。同时检查轴面流道的面积变化是否光滑光滑[见图2 (a) ], 并对轴面投影图以及进口边的几何参数微调调整直到满足要求为止。蜗壳断面采用梨形, 采用贝塞尔曲线 (bezier curve) 拟合, 各断面的面积变化呈线性关系, 第八断面面积为2 471.6mm2。从工艺角度考虑, 倒圆2 mm自然形成隔舌。
然后在对其余的参数调整设定, 所有参数设定完成后生成三维模型, 并对三维模型中的流道面积变化进行检查[见图2 (b) ]。然后有目的地对模型的几何参数进行修改, 同样将参数调整到符合要求为止。在CFturbo中对设计的叶轮与蜗壳的综合性能进行初步的性能预测, 以保证叶轮的性能参数不会偏离设计工况点太远。
2.3 对水力部件综合性能精确预估
在CFturbo中完成水力部件的设计后, 使用CFturbo与ANSYS-ICEM的接口将生成的三维模型导入ICEM中绘制网格, 将网格导入ANSYS-CFX中进行流场模拟, 对设计出的叶轮与蜗壳配合的整体性能精确的评估。本文中水力部件的性能预估使用ANSYS-CFX14.0求解雷诺时均方程, 采用RNGk-ε双方程模型封闭方程组。并且采用无滑移壁面, 叶轮与蜗壳利用“冻结转子”法进行耦合。网格使用非结构网格, 叶轮的网格数量为1 190 114, 蜗壳的网格数量为761 512, 保证网格的质量在0.3以上, 计算工况范围为 (0.6~1.4) Qd。
在运用ANSYS-CFX对水力部件流场解析, 得到离心叶轮的性能曲线 (如图3所示) 。在设计工况点的性能达到要求, 效率高于设计要求的效率, 一般来说运用CFD分析软件分析出的结果其效率要高于真机的效率。在在对离心泵流场的解析过程中考虑的因数有限, 例如在分析过程中忽略容积效率;叶轮与泵壳中间的空腔中的流体对叶轮的摩擦没能充分考虑等, 都可能致使整体效率比真机的效率高。
2.4 运用UG对水力部件的三维模型处理
在对水力部件的综合性能预估后, 并确定水力部件的水力性能符合要求, 再运用三维建模软件UG对在CFturbo中生成的模型进行处理, 形成二维水力图。将三维模型导入三维建模软件UG中后运用不同角度的面截叶片与蜗壳[10,12], 产生不同角度上的断面线, 如图4 (a) 、图4 (b) 所示, 再将这些不同角度上的截线旋转到轴面截线上, 就形成了水力图。将UG中的轴面截线图导成二维dwg/dwf格式, 再利用电子图版对二维轴面截线图进行处理, 最终完成离心泵水力图的设计, 如图5 (a) 、图5 (b) 所示。
3 结语
运用本文所提出的基于数字化软件系统的离心泵水力部件设计新方法可以很好地控制设计出的离心叶轮和蜗壳的空间几何特性, 进而可以保证水力部件的水力性能;同时可以大大地缩短离心泵叶轮及蜗壳等水力部件的设计开发周期;可以在无二维图纸的情况下快速生成三维模型, 节省了水力设计中绘制二维图纸所耗费的时间, 在设计方案满足要求后再抽取出二维图纸。
摘要：离心泵的水力部件是核心部件, 高效、高质量完成水力部件的设计是设计人员努力地目标。在计算机技术高度发展的今天, 数字化手段应用于各个领域, 同时在水力机械设计中也出现了很多相关的数字化软件。将数字化设计软件CFturbo、计算流体动力软件ANSYS-CFX以及三维建模软件UG等有机结合起来对离心泵的水力部件进行设计与开发, 形成基于数字化软件系统的离心泵水力部件的开发设计新方法。
关键词：数字化软件,水力设计,水力部件,设计方法
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数字化设计手册软件 篇8
1963年加拿大测量学家Roger.Tomlinson首次提出了“地理信息系统(Geographical Information System,GIS)”这一术语,并建立了世界第一个地理信息系统——加拿大地理信息系统(CGIS)。经过40多年的发展,其功能、内涵和应用领域不断发展和扩充。现已广泛应用于资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域规划、人口和商业管理、交通管理、石油和天然气、教育、军事等多个领域,产生了巨大的经济和社会效益。传统的GIS研究范畴一般指传统地理学所设及的范畴,主要在研究岩石圈和大气之间,即地球的表面,其构模多基于二维空间框架。随着计算机科学技术的飞速发展和地理信息系统应用不断深入,传统的二维系统已不能满足实际的需求,因此发展三维GIS是必然的趋势,同时三维场景又具有以下优点:①对复杂地形对象的处理和管理;②能够对由各种空间对象表进行有效的空间存取;③能对各种空间对象进行有效的空间操作;④在三维中能同时包含一维和二维的对象;⑤可视化三维对象;⑥三维空间DBMS的管理。
在另一方面,纯三维虚拟场景又具有一定的缺陷容易方向迷失感,因此可结合二维地图来进行导航。“数字益阳”是一项庞大的工作,需要多种专业的技术人员支持。二三维GIS系统即可对传统二维GIS系统空间数据的管理也可以对三维GIS空间数据的展示,可以提供一个有效的空间数据库的展示与管理的平台,为数字益阳提供服务平台。二维与三维系统的联动,可以利用三维GIS系统具有连续的数据结构和与之相应的分析功能和真实世界再现的优点,同时可以实现空间数据的共享,三维空间数据共享不论从研究角度还是应用方面都具有非常重要的意义。最直接的一个原因就是:我们只有一个地球,有助于有关部门充分利用已有的空间资源,同时也帮助人们更加准确真实地认识客观世界,服务群众。
1二三维联动的实现方法
二三维联动的基本思路是,就是要实现二维地图与三维虚拟场景之间的一一映射,需要解决二者之间的坐标系的唯一对应及对象的对应。在SuperMap object .net中创建数据的时会对每一个对象都自动生成一个SMID号,这是该对象在该数据集中的唯一编码,当添加到地图上可根据图层名的不同来对每一个数据集的区分,同样在当矢量数据添加到三维场景中也是如此。所以当二维地图与三维场景中数据相同时,可以通过获取其第一个图层中当前视图的SMID号来进行对比,如果相同则什么也不做,如果不同,则获取其SMID号重新设置视图与场景。流程如图1所示。
2系统设计
整个系统采用Visual C#语言在Visual Studio 2005集成环境中开发,系统功能结构图,如图2所示。
总系统既可以实现二维地图的功能又可以实现三维场景,并且二维地图可与三维场景进行互动,实现效果图,如图3所示。
3结束语
数字城市是在数字地球的提出下产生的,其发展离不开数字地球技术的发展、与虚拟技术的发展,数字益阳正是在这样一个大背景下应运而生,同时也得到了政府大力的支持,获得了相当大的成果,二三维联动的数字益阳软件框架的设计可同时实现对益阳空间数据的管理也可对益阳三维数据进行展示,结合GIS的分析功能对空间数据进行查询与修改,经过多次测试,系统有形象直观的可视化界面、动态的交互查询与分析等功能,对今后益阳数字化的发展有着莫大的作用,因时间、精力有限,加上各种条件制约,系统待完善的地方很多,如:如何加快二维矢量数据在三维场景中渲染等等。
参考文献
[1]刘贵明.地理信息系统原理及应用[M].北京:科学出版社,2008.
[2]吴慧欣.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].西安:西北工业大学,2007.
[3]DAVIS,T J,C P KELLER.Modelling and Visualizing MultiPleSpatial Uneertainties[J].Computes&Geoseienees,1997(24).