电子系统级设计（共10篇）
电子系统级设计 篇1
目前, FPGA系统 (通常包括软件和硬件部分) 设计人员在面对日益缩短的产品生命周期要求和产品的功能和复杂性日益增加的双重压力下, 还需要克服来自产品面市时间和成本控制的苛刻要求。基于电子系统级设计的方法为解决上述日益突出的矛盾提供了重要思路。
本文就结合Agility Design Solutions Inc. (简称Agility) 公司的基于C语言的电子系统级设计的工具和方法, 介绍整合了电子系统设计方法的FPGA系统开发流程。
1. 整合电子系统级设计的FPGA开发流程
一般来说, 基于Agility公司的FPGA的电子系统设计流程包括系统规划、算法描述、软硬件划分、协同验证、系统行为综合及寄存器传输级综合和布局布线等后续流程等主要步骤, 如图1所示。
系统规划阶段, 目前主要由系统应用工程师以文字等自然语言的方式提交。具体包括如系统的性能指标、基本的设计功能要求等方面的内容。
1.1 系统算法 (包括描述和验证两方面)
在图1所示的硬件和软件协同开发环境中, 设计师首先可以利用高层次的C语言对系统的功能、算法进行描述, 并配合Matlab以及相关的IP库等对设计进行建模。在系统建模的同时, 可以利用Agility公司的仿真、验证及系统分析工具工具对系统进行仿真以验证系统的功能, 分析设计的架构等, 并根据分析结果对设计作出实时的调整, 从而达到在系统级满足系统规划阶段提出的对于FPGA系统设计的所提出的要求。
1.2 系统模块软硬件划分
现在的FPGA设计, 尤其是一个完整的系统设计都是既包含软件部分, 又包含有硬件部分, 根据不同的需要和应用特点, 采用相应的处理器或DSP来运行系统软件或操作系统;而硬件更多的是采用FPGA来实现, 以达到软件系统的硬件化, 实现系统算法的加速。要想使系统达到最优的运行处理速度, 就需要对系统的架构进行分析, 并基于此分析结果对设计进行软硬件模块的划分, 然后对划分的结果进行二次验证和分析, 反复探测设计, 从而找到最优的系统软硬件平衡。基于Agility的开发设计, 使得设计师在设计的任意阶段都可进行软硬划分及重新划分。
1.3 系统软硬件协同验证
设计师可以在同一环境之中利用统一测试平台对包含有诸如C、System C、Handel-C (是Agility公司提出的基于标准C语言开发的硬件C描述语言) 、VHDL、Verilog及Matlab等多种语言模型的软件及硬件设计部分进行仿真, 而这种验证手段可以贯穿从设计规划到设计实现的整个过程。支持全平台的库和底层驱动降低甚至避免了开发人员过多地对外围硬件详细信息的干预, 使得设计师把更多注意力集中在应用层次和增值功能上, 提高了在最终设计实现定型之前对设计架构的分析。其对DSP以及各种处理器的全方位支持保证了此系统的通用性, 并保证了系统协同验证的正确性和精确性。
1.4 系统行为综合
当我们完成了对系统的软硬划分, 找到了最优的系统架构之后, 设计师可以直接利用Agility提供的行为综合技术从C语言之中得到需要的寄存器传输级 (RTL) 级代码和网表。根据需要设计师可以得到VHDL、Verilog以及EDIF等形式的设计代码, 这是适应目前复杂系统设计并进行快速系统设计及验证的关键技术, 没有这种工具就谈不上设计的自动化。利用C综合技术直接把高层次设计模型综合成需要的RTL代码。
在得到RTL代码之后设计师就可以把系统级设计和芯片级设计结合到一起, 从而完成全流程的设计验证。而最终的实现, 根据不同的需要和场合可以选用不同的方法和工具, 而Agility对这些包括FPGA生产厂商在内的不同厂商的工具有着广泛的支持。
1.5 后续流程
后续流程包括针对并利用不同FPGA生产厂商寄存器传输级 (RTL) 的综合、后期的布局布线、静态时序分析并产生相应的下载文件从而下载到相应的FPGA器件的所有相关过程。
2. 整合后流程的优势分析
从图1中可以看出, 基于Agility公司的FPGA设计流程有以下的明显优点:
2.1 满足了系统总体要求和特点
基于这种开发流程的软件 (微处理器) 或硬件 (FPGA) 可以方便地进行重构, 并可快速实现整个系统, 设计重点在于整个系统, 而不在于具体实现。
2.2 系统建模语言
用C和Matlab语言定义系统的架构和功能, 可以充分利用高级语言的描述能力。
2.3 软硬件功能的平衡点 (系统划分)
通常将如命令、控制、链接、网络安全部分用软件处理 (包括DSP) , 各种信号变换、处理等用硬件 (FPGA) 处理, 而对于软硬件接口的测试及验证能力是快速实现系统验证的关键。
2.4 验证方法
系统的总体验证适应了系统规格的变更要求, 并且通常能有足够快的速度来适应如外部需求发生变化等而导致的对于系统要求的改变, 而单独系统的仿真必须兼顾软、硬件开发。
2.5 实现方法
软件硬件化 (提高系统运行速度、算法加速) 硬件实现方法软件化 (“基于软件编译的实现系统”) 。
2.6 无缝整合了基于RTL的设计流程方法
基于RTL的FPGA设计流程方法可以非常方便与此流程整合在一起, 如可以利用在图1中的虚线框中的过程形成的RTL代码后, 再利用基于RTL的FPGA设计流程方法进行后续开发。
3. 结论
Agility公司的以C语言为基础的方法论, 为FPGA系统设计工程师提供了面向算法的系统级设计解决方案, 它可以完成从系统算法设计、软硬件划分、设计输入、软硬件协同验证、行为综合等相关工作。它使得FPGA系统级设计师可以在很高的层次上进行软硬件的规划与协同设计验证, 大大提高了开发效率。
摘要：本文针对目前日益复杂的包括软件和硬件设计的FPGA系统设计开发, 提出了整合电子系统级设计的FPGA系统开发流程, 从而提高了FPGA系统设计开发的效率。
关键词：FPGA,电子系统级设计,流程
参考文献
[1]http://www.agilityds.com
[2]詹瑾瑜, 熊光泽, 桑楠.一种针对SoC的嵌入式系统软件/硬件协同综合算法.四川大学学报 (工程科学版) .2006.1 (38) 109-14
[3]蒋昊, 李哲英.基于多种EDA工具的FPGA设计流程, 微计算机信息.2007.23 (11-2) .201-3
[4]曹瑞.EDA工具如何应对FPGA设计中的多重挑战.半导体技术.2007.32 (7) 626-8
电子系统级设计 篇2
电子病历系统应用水平分级评价管理办法
（试行）
第一条
为进一步完善工作机制，明确工作流程，保证电子病历系统应用水平分级评价工作（以下简称分级评价工作）公正、透明、规范、有序开展，有效引导医疗机构积极开展以电子病历为核心的信息化建设，制定本办法。
第二条
参与分级评价工作的各级卫生健康行政部门及所属机构、相关医疗机构等适用本办法。
第三条
国家卫生健康委负责管理全国分级评价工作，具体工作由国家卫生健康委指导有关单位承担。各级卫生健康行政部门负责本辖区内分级评价工作，组织辖区内医疗机构进行电子病历信息化建设并开展分级评价。地方卫生健康行政部门可以委托所属事业单位或组建电子病历分级评价专家组承担相关工作。
第四条
分级评价工作按照“政府引导、免费实施、客观公正、安全规范”的原则进行。
承担评价工作的单位、个人不得以任何形式向医疗机构收取评价费用。参与评价工作的单位、个人不得以任何形式影响评价工作的公平公正。
第五条
分级评价工作通过“电子病历系统分级评价平台”进行。国家卫生健康委向各省级卫生健康行政部门发放平台管理权限。
第六条
各级卫生健康行政部门要按照国家卫生健康委统一要求，组织辖区内医疗机构按照规定时间登录“电子病历系统分级评价平台”填报数据，由平台出具自评报告，报告内容包括电子病历应用水平自评等级与得分。二级以上医院要全部按时参加分级评价工作，鼓励其他各级各类医疗机构积极参与。
第七条
自评等级为0—4级的医疗机构，经省级卫生健康行政部门进行审核后生效。审核内容主要包括医疗机构填报信息是否真实有效等。
第八条
自评等级为5级及以上的，由省级卫生健康行政部门进行初核，初核其填报信息真实有效后，提交国家卫生健康委进行复核。
第九条
省级卫生健康行政部门可以将4级及以下分级的审核权限下放至地市级卫生健康行政部门。经省级卫生健康行政部门批准，有条件的地级市卫生健康行政部门可以向国家卫生健康委申请5级初核权限，经培训考核合格后发放相应权限，并进行动态考核管理。
第十条
医疗机构要建立分级评价工作管理机制，明确本机构相关职能部门和专人负责分级评价工作。
第十一条
医疗机构要确保填报数据客观、真实，并按要求准备相关备查材料。提交的评价申请材料不全、不符合规定内容及形式或未在规定时间内提交材料，或未按要求补充材料的，视为放弃评价工作。
第十二条
分级评价工作周期为一年，评价结果反映其参评周期内的电子病历应用水平。间隔超过2年未参加评价的医疗机构，需再次通过原级别评价后再申请更高级别评价。
第十三条
按2011年《电子病历系统功能应用水平分级评价方法及标准（试行）》要求已获评5级及以上的医疗机构，可在已取得级别的基础上直接申报更高级别。
第十四条
参与分级评价工作的各单位及人员应当加强信息安全管理，提高信息系统安全防护水平，不得向无关人员泄露相关数据信息。
第十五条
各省级卫生健康行政部门可依据本管理办法制定本省份分级评价工作实施细则。
—
END
电子系统级设计 篇3
关键词：学籍异动；管理信息系统；数据库技术；Access
一、研究背景
我国高等教育的发展给高校学籍管理工作带来了很多新要求，学籍异动管理是其中重要的工作之一，原有的一些操作模式已远不能满足现实的需要。探讨目前学籍异动管理工作所处的形势，提出解决当前学籍异动管理工作中所存在问题的思路，有着很现实的意义。
笔者在实际工作中发现，在学籍异动成绩审核中，各个基层学院教学秘书均是将学生成绩与计划逐门核对，工作量大且不准确，尤其是已经做过异动的学生有选课时，审核起来更复杂；由于教学计划变动而导致课程号、课程名的变动，学生选择重考后，成绩无法替代，只得借助人工审核，这也加大了工作的难度。现有的学校综合教务系统在统计此类数据中，由于具体情况的复杂性，学生信息处理收集不及时或不全面而造成信息錯误和缺失，造成学籍异动处理不严谨。必须积极开发软件进行辅助管理，借助计算机开发配套适用的学籍异动管理软件才能确保数据的准确性。
二、系统设计
1Access2003简介
Microsoft Access2003是一种基于关系型、面向对象的数据库管理系统。Access 2003提供了丰富的开发工具和向导，可以在一个数据库文件中管理所有的数据。它包含7个对象，通过7个对象可以收集、存储和操纵各种不同的信息，实现高效的信息管理和数据共享。Access提供了完整的可视化工作环境：用户可自定义工作环境、自定义个性化菜单以及个性化的工作界面。
2系统说明
系统基本信息包括“学生名录”、“教学计划表”以及“学生成绩表”，其中学生名录包含学生的基本信息，即班级、学号以及姓名；教学计划表包含专业、课程号、学分、课程属性等信息；学生成绩表包含学生各学期的具体考试信息。基本信息中各个表通过学号、专业以及课程名称相关联，其关系视图如下：
系统具备以下查询功能：针对教学计划表进行更新查询，针对学生成绩表进行更新查询，学生未修课程的查询，依据学生成绩不及格列表生成考试成绩交叉列表。
三、系统功能
由于各个学期教学计划的变更，导致教学计划表中各个学期的课程名称有可能不一致，因此需要甄别出课程名称变动的科目并进行修改。基于该变动科目的课程号保持不变，于是可以将同一课程号的科目赋给相同的课程名。在设计视图中更改课程名称项以及相关联的课程号项即可方便完成修改。例如：将课程号为“10720014”的科目均命名为“大学英语一”，可利用如下代码：
UPDATE教学计划表SET教学计划表，课程名称=‘大学英语一’
WHERE(((教学计划表，课程号)=’10720014’))
教学计划表更新后，学生成绩表由于历年的存档，也不能及时更新，因此仍需要对学生成绩表进行修改。例如：将课程号为“10940123”的科目均命名为“电路理论2”，可利用如下代码：
UPDATE学生成绩表SET学生成绩表，课程名称=‘电路理论2’
WHERE (((学生成绩表，课程号)=‘10940123’))；
系统主要功能是筛选出学生不及格科目，并求出学生累计的不及格学分。每个学生每个学科的考试属性可能为“缓考”、“补考”以及“重修”，因此应用考试属性对学生数据进行筛选显然不恰当。但是可以考虑将学生考试数据按日期排序后，把相同科目的最后一个数据项筛选出来，即排序后按“课程名称”分组，保留最后一条记录。按此，本系统预先生成查询“不及格表生成-Basic”。其设计视图如下：
在该查询中，“不及格表生成-Basic”与“教学计划表”通过“专业”以及“课程名称”相关联。学生不及格科目的考察应主要针对必修及限选科目，因此可将课程属性的条件设为“必修’Or‘限选”。若对-学生科目的考察包括考试成绩项为空的科目，可将“考试成绩Final”的条件设置为“<60’Or‘IsNull”。最终生成表的视图如下：
利用上述查询可生成不及格综合列表，最后利用交叉表查询即可生成“考试成绩交叉列表”，包含各个学生不及格科目名及对应的学分，并汇总出不及格学分合计。
四、系统应用
1基本信息的录入
针对系统的查询功能应首先从外部获取数据，信息的获取可通过从其他数据库文件导入，也可以从Excel表中直接导入。由于学生成绩表多以Excel表形式存档，故在此以Excel表录入数据进行说明。
如图所示，只需从外部获取与“学生成绩表”相同格式的Excel表，并导入到现有表中，提示导入成功过后即将学生成绩信息录入系统中。
按照相同的方法，可以将“教学计划表”、“学生名录”信息录入到系统中去。
2查询功能的应用
若想更改教学计划表及学生成绩表的信息，可利用“教学计划—更新”及“学生成绩表—更新”，在设计视图中更改课程名称项以及相关联的课程号项即可完成修改。
应用“不及格表一生成”可生成“不及格综合列表”，而后通过“考试成绩交叉列表”即可获取学生学籍异动信息。
电子病历系统应用水平分级评价 篇4
2009年中共中央国务院正式发布的《关于深化医药卫生体制改革的意见》, 把卫生信息化建设作为深化医改的八大支撑之一, 要求大力推进医药卫生信息化建设, 加强信息标准化和公共服务信息平台建设, 逐步实现统一高效、互联互通[1]。医院信息化建设作为卫生信息化重要组成部分, 要求从“以管理为中心”转变到“以病人为中心、以业务人员为主体, 全面提升医疗决策、医院管理和诊疗水平”上来。为配合新医改, 2010年卫生部提出加强以电子病历 (EMR) 为核心的医院信息化建设。
目前, 对EMR存在不同的认识[2], 许多厂商也开发了具有一定方便性的病历书写软件。2011年11月卫生部发布《电子病历系统功能与应用水平分级标准》[3], 以期帮助医疗机构沿正确路线发展EMR系统, 引导EMR系统向着科学、高医疗管理水平、高质量的方向发展。同时, 为EMR产品分级、市场准入、评价提供基础检验规则。
1 EMR概念
EMR是指医务人员在医疗活动过程中使用医疗机构信息系统生成的文字、符号、图表、图形、数据、影像等数字化信息, 并能实现存储、管理、传输和重现的医疗记录, 是病历的一种记录形式[4,5]。
EMR的主要内容包括:门 (急) 诊EMR、住院和其他医疗电子记录 (包括病历概要、健康体检记录、转诊记录、法定医学证明及报告、医疗机构信息等) 基本医疗服务活动记录[6]。
可见, EMR贯穿整个医疗过程, 完整集中地记录了各种医疗服务者下达的医疗指令及执行结果, 并被诊疗过程的各个环节使用, 具有高度的共享性, 是医院信息系统 (HIS) 的核心。因此, 医疗机构选择和建设EMR的水平对医疗管理水平及质量具有深远影响。
2 EMR系统应用水平评价方法
EMR系统功能应用水平评价标准应该遵循规范性、客观性、连续性、扩展性、针对性等原则, 并从以下3个方面进行评估: (1) EMR系统所实现功能; (2) 电子医疗信息的有效应用; (3) EMR系统基础环境。其考察分为2个层次:针对各个具体业务局部应用的定量评分和针对整体应用水平的分级[3]。
按照EMR系统发展规律, 可将系统功能应用水平划分为数据采集 (数据进入计算机) 、信息共享 (网络数据传输、信息多部门共享) 和智能支持 (知识库支持、综合信息判断、自动警示等) 3个层次。这3个层次可进一步细分为0~7共8个等级。据此对EMR系统的各个具体业务局部应用和整体应用水平进行分级。
2.1 局部应用的定量评分方法
根据《电子病历系统功能规范 (试行) 》[7]、《电子病历基本规范 (试行) 》[6]等规范性文件, 确定了医疗工作流程中的9个角色、37个评价项目。就37个评价项目分别对EMR系统功能、有效应用2个方面进行评分, 将2个得分相乘, 得到此评价项目的实际评分。各项目实际评分相加, 即为该医疗机构EMR系统评价总分。
EMR系统功能评分。对37个评价项目均按照EMR应用水平0~7等级对应的系统局部要求, 确定每一个评价项目对应等级的功能要求与评价内容 (评为某一级别必须达到前几级别相应的要求) 。根据各医疗机构EMR系统相应评价项目达到的功能状态, 确定该评价项目的得分。
EMR系统有效应用评分。按照每个评价项目的具体评价内容, 分别评价该项目在医疗机构内有效使用的范围。对37个评价项目分别统计使用电子化信息处理系统的比例, 所得比值即为得分, 精确到小数点后两位。
2.2 整体应用水平的分级方法
依据当前我国医疗机构EMR系统应用的实际情况, 按照EMR系统应用水平0~7等级中对整体应用水平的要求, 将每个评价项目相应级别的评价内容分为“基本项目”和“选择项目”。其中, 基本项目必须支持对应级别中的全部基本项目功能, 且每个基本项目的有效应用范围必须达到80%以上;达标的选择项目数量不低于该等级要求的最低数量 (选择项目的有效应用范围超过50%即为达标) 。综合考虑医疗机构EMR系统评价总分、基本项目和选择项目实现情况, 确定该医疗机构EMR应用水平的等级。通过EMR功能应用评价, 得到某医院的评价总分与整体级别情况, 见表1。
3 分级标准的应用
2011年11月6日, 进行首次EMR应用水平分级评价, 参加评级的医院共29个省的178家, 其中EMR试点医院165家, 非EMR试点医院12家。利用上述评价标准绘制的某医院电子病历系统各个项目等级分布情况, 见图1。从图中可以直观地了解与掌握EMR系统在该院的建设与应用, 帮助医院了解需要改进的内容。
医院信息化系统是医院业务运行中必不可少的基础性建设内容, 医院信息化建设过程是一个长期不断发展完善的过程, 利用该分级标准对医院EMR应用水平进行分级评估, 不但可以了解过去, 也能预测发展, 从而能够指引医疗机构做出正确、高效的决策和规划, 并根据既往分析推测未来1年该系统的应用水平。某医院过去5年来EMR应用水平的展现, 见图2。
由于EMR应用水平分级标准中使用了统一的考察项目, 与医院使用的信息系统模块划分无关, 因此该评价标准不仅能够应用在医院内部, 也可以对多家医院进行应用水平的比较。横向对几所医院综合评分和总体应用水平等级的比较, 见图3。通过该图能够掌握各个医院EMR系统建设与应用情况。
整体等级:3综合总分:144.24
4 小结
以EMR为核心的医院信息化建设是公立医院改革的重要内容之一, 为保证我国以EMR为核心的医院信息化建设工作顺利开展, 逐步建立适合我国国情的EMR系统应用水平评估和持续改进体系有着重要作用和重大意义[8,9]。
参考文献
[1]中共中央, 国务院.关于深化医药卫生体制改革的意见[S].2009.
[2]徐勇勇, 张玉海, 刘丹红, 等.电子病历与临床信息标准[J].中华神经外科疾病研究杂志, 2005, 4 (6) :481-485.
[3]卫生部医政司.电子病历系统功能应用水平分级评价方法及标准 (试行) [S].2011.
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[5]马锡坤, 于京杰, 杨霜英, 等.电子病历系统的集成和建设[J].中国医疗设备, 2012, 27 (1) :59-60, 38.
[6]卫生部医政司.电子病历基本规范[S].2010.
[7]卫生部医政司.电子病历系统功能规范[S].2010.
[8]王炳胜, 王景明, 李德炳, 等.电子病历应用效果评价标准初探[J].中国医院管理, 2009, 29 (10) :48-49.
电子系统级设计 篇5
2009级综合课程设计（创新项目）实施方案
一、总则
1．综合课程设计是学校《本科培养方案》中设置的一门必修课程，为加强该门课程建设，为同学们提供创新实践的机会，学院决定以创新项目的形式开展综合课程设计；
2．创新项目由学生自行完成，主要训练学生的自学能力、独立工作能力、综合应用能力及创新能力。
3．创新项目结题时被评为合格者，获得综合课程设计学分，答辩成绩计为综合课程成绩；
4．创新项目结题时被评为优秀者，可在获得综合课程设计学分的同时获得创新学分。
二、实施时间
创新项目从2011年6月开始，至2012年4月结束，项目执行期原则上为10个月。
三、实施方式
创新项目分为项目申报、中期检查、项目结题三个阶段：
1．项目申报：申请者可选择学院发布的创新项目题目，也可自拟题目，填写《创新项目申请书》，一式两份，2011年9月前提交学院学生科并提交电子档，具体时间另行通知；
2．中期检查：学院在2011年12月组织创新项目中期检查，对项目执行和进展情况进行跟踪了解；申请者提交《创新项目中期检查表》，向评审委员会汇报前期成果、存在的问题和下一步计划；
3．项目结题：2012年4月，项目组向学院评审委员会提交《创新项目结题报告书》，专家组以答辩会的形式，根据项目组提交的报告及成果实物对项目进行评审，并评定成绩。
四、组织形式
1．创新项目以团队为基本单位进行组织；
2．团队在班级范围内自由组合，且班级内题目不能重复，请各班统一协调；
3．项目组成员只能参与一个项目，每个团队由3至4人组成；
4．项目组成员明确任务，结题时以团队与个人打分相结合的方式评定成绩。
五、保障支持
（一）专家组
1．学院成立由专门教师组成的专家组对创新项目进行支持；
2．专家组负责创新项目的命题，为学生提供咨询；负责项目立项、中期检查和结题评审。
（二）经费资助
1．创新项目资助额度为每个团队原则上不超过300元；
2．项目资助经费支出范围包括：与资助项目相关的资料费；与资助项目相关的实验材料、耗材费；发表论文的版面费等；
3．资助经费分三期划拨，立项后划拨资助金额的1/3，中期检查合格后划拨1/3，验收结题后划拨1/3；
4．资助经费在项目完成之后根据完成情况凭相关发票给予报销。
电子工程学院
电子系统级设计 篇6
焖烧炉是电子级玻璃纤维布表面热处理的关键设备,它通过高温焖烧将玻纤布上的残留有机物含量降低到0.05%以下,这是电子级玻璃纤维布生产的一个重要指标。高温焖烧是用设定温度(500℃)对玻纤布进行恒温加热,保证有机物的完全分解。高温焖烧时温度的稳定性直接关系着产品的质量和能源消耗,只有确保焖烧炉温度的稳定性才能保证产品质量,缩短焖烧时间,减少能源消耗,提高炉子的效率。因此,就必须设计出一个焖烧炉恒温控制系统,以保证玻纤布的高效生产。
焖烧炉恒温控制系统具有大滞后、大惯性和时变性的特点,很难用数学方法建立精确数学模型,用传统的PID控制很难达到理想控制效果。因此,本系统将不需要精确数学模型,灵活性好的模糊控制算法和PID控制算法相结合,扬长避短,形成一种参数自整定的模糊PID控制算法[1,2,3]。系统选择高性能、低功耗的Mega128[4]作为主控制器,利用模糊自适应PID控制算法,实现焖烧炉的恒温控制。
2 系统硬件结构
2.1 焖烧炉简介
电子级玻璃纤维布焖烧炉采用天然气燃烧供热,用热风循环机在炉中形成热风循环,以提高炉内温度场均匀性。该焖烧炉是一个13m×3m×4m的长方体形,延长度方向上布置了5个燃烧机,每个燃烧机对面有一个热风循环机,在炉子顶部有两个排废孔,用于排出分解的有机物。温控热电偶布置于焖烧炉右侧每个循环风机下方,用于控制焖烧炉内温度。监控热电偶布置于焖烧炉左侧每个燃烧机下方,用于判断焖烧炉内温度均匀性。焖烧炉简易结构如图1所示。
2.2 控制系统的硬件部分
本恒温控制系统硬件部分主要由Mega128处理器,温度采集,燃烧机功率调节和人机界面组成。系统硬件总体结构框图如图2所示。
主控部分采用Mega128芯片,它是一个具有128k字节的系统内可编程Flash存储器,4K可擦除只读存储器和4K字节的内部SRAM的高性能AVR单片机。
温度采集部分采用5路温控热电偶,5路监控热电偶和热电偶专用数字转换芯片Max6675[5]及外围器件组成。Max6675芯片的功能是将热电偶的模拟信号经过放大,冷端补偿和a d转换器转换为数字信号,然后Mega128利用Max6675的SPI接口实现温度的采集。
人机界面由LCD显示和键盘构成。LCD采用128*64的中文图形液晶显示模块,Mega128采用并口直接访问方式与LCD连接。键盘采用四个按键,实现对焖烧炉温度和焖烧时间的设定与控制。Mega128单片机一方面将采集的温度显示在LCD上,另一方面将采集的温度与设定值进行比较,根据偏差采用模糊PID算法进行温度控制。
燃烧机功率调节部分由D/A转换,压控恒流源和比例调压阀构成。如图2所示,D/A转换采用Max518芯片,单片机通过模拟I 2C时序,将输出的控制信号通过D/A转换为0-5V的电压信号。压控恒流源模块由运算放大器加上扩流管构成,由0-5V电压信号控制输出0-3 0 0 m A的恒流源信号。比例调压阀的驱动电流是0-300m A的恒流源信号,从而实现Mega128对比例调压阀的控制。由于比例调压阀的开度与燃气压力呈线性关系,因此,通过控制调压阀的开度就可以控制燃烧机的燃气压力(燃烧机的输出功率大小),进而达到对焖烧炉温度控制的目的。对整个焖烧炉来说,Mega128根据5路温控热电偶的温度,利用控制算法分别对5路输出信号进行调节,从而调节了燃烧机输出功率,最后达到控制整个焖烧炉的目的。
3 模糊自适应PID控制器设计
PID控制的特点是当模型准确时系统的稳态精度较高,甚至可以完全消除静差,但动态特性不是很好;模糊控制的特点是系统动态特性较好,但存在静态误差。由于焖烧炉模型复杂,很难获得准确数学模型,而模糊控制又无法满足用户要求,故在本系统中考虑采用基于模糊推理的PID参数自整定方法进行系统控制器的设计。
3.1 模糊自适应PID控制器结构
模糊自适应PID控制器以误差信号e和误差变化信号ec作为输入(利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改),以满足不同时刻的e和ec对PID参数自整定的要求。模糊自适应PID控制器结构如图3所示。
此处以焖烧炉温控点温度偏差e和偏差变化率ec作为模糊推理的输入变量,以ΔKp,ΔKi,ΔKd作输出。模糊集E和模糊集EC均取{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,P B},论域为[-6,-4,-2,0,2,4,6];模糊输出ΔKp,ΔKi,ΔKd取为{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB},ΔKp和ΔKd论域为[-3,-2,-1,0,1,2,3],ΔKi论域为[-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3]。E,E C,ΔKp,ΔKi和ΔKd隶属函数均取三角形函数。
3.2 建立模糊规则表
PID参数的整定必须考虑到在不同时刻3个参数的作用以及相互作用。针对焖烧炉的特性,由PID参数整定原则和专家经验[7],可得出模糊控制规则如表1所示:
3.3 模糊推理和去模糊化
本控制器中,模糊规则是“Ai a n dBi=>Ci(i为第i条模糊条件语句)”形式,共49条规则,模糊推理采用最小最大重心法[6]。因此,推理结果Ci′为:
式中:∧表示min;x0,y0为输入变量在其论域内的取值;表示输入x0属于第i条规则误差变量的隶属度的值,表示输入y0属于第i条规则误差变化变量的隶属度的值,表示第i条规则在z点的隶属度,表示在x0和y0为输入条件下,用第i条规则推理得到在z点的输出隶属度。
综合推理结果C′为:
式中:∨表示max,µC‘(z)表示在x0和y0为输入条件下,对所有规则进行推理后的综合结果。
去模糊化我们采用重心法,计算公式如下:
式中:z是输出变量论域的取值,对(2)式得到的综合推理结果在输出论域内取加权平均,得到最后的精确输出值。
通过模糊推理与去模糊化得出PID的各个调整参数后,利用下式实现PID参数自整定。
式中:Kp0、Ki0、Kd0为初始值;∆Kp、∆Ki和∆Kd为经模糊推理后PID参数的调整值。
4 系统软件设计
焖烧炉的恒温控制,首先要经过升温过程,当温控点的温度高于460℃时,进入恒温控制阶段。恒温控制包括数据采集,模糊自适应PID参数修正,D/A转换和输出显示部分。(1)数据采集部分:单片机通过对Max6675的片选端控制,分时采集各热电偶温度数据。(2)模糊自适应PID参数修正:先将输入的温度误差和误差变化模糊化,再去查模糊规则表和去模糊化,然后对PID参数进行在线修正。(3)D/A转换:单片机通过IO口模拟I2C时序,通过Max518实现D/A转换。(4)输出显示部分:实现温度实时显示和温度设定。系统软件主流程如图4所示:
5 实验结果
将焖烧炉温度设定到500℃,得到焖烧炉内其中一个温控点的温度曲线如下图所示:
由图5和图6温度曲线可以看出,模糊自适应PID温度控制超调量很小,稳态误差较小,恒温过程中没有出现震荡现象,系统的抗干扰能力强,对炉内的各种干扰有较好的抑制作用。而PID控制超调量较大,而且由于系统内误差的影响,最终稳态误差较大。所以,采用模糊自适应PID控制算法对焖烧炉进行恒温控制可达到较好的效果。
6 结束语
本系统将模糊自适应PID控制算法运用于电子级玻璃纤维布焖烧炉恒温控制中,解决了温控系统大滞后和强干扰的影响,提高了焖烧炉温度控制的精度和系统的稳定性,保证了产品的质量,又节省了能源。
摘要：针对电子级玻璃纤维布高温焖烧的工艺要求,设计出一个焖烧炉恒温控制系统。该系统采用Mega128单片机作为控制核心,采用模糊自适应PID方法进行恒温控制。详细介绍了系统的硬件控制方案和软件算法的实现过程。实验结果表明,利用模糊推理在线整定PID参数方法调节温度,有效地控制了焖烧过程温度和燃料供应的参数,达到了降低能耗、保证产品质量、提高效率的目的。
关键词：焖烧炉,Mega128,模糊自适应PID,恒温控制
参考文献
[1]廖明,罗利文.智能多点模糊PID温度控制系统[J].微计算机信息,2007,23(4):18-20.
[2]李士勇.模糊控制●神经网络和智能控制[M].哈尔滨工业出版社,1998.
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[5]祖一康.基于K型热电偶与Max6675多路温度采集系统[J].江西理工大学报,2007,28(4):25-27.
[6]李人厚.智能控制理论和方法[M].西安电子科技大学出版社,1999.
高安全级电子密码锁的设计与研究 篇7
与传统的机械锁相比,电子锁具有使用方便、 工作安全可靠、保密性强等特点。4位密码的电子锁在上世纪80年代风靡国外,成为当时人们生活中的新颖时尚品。90年代初,国外又推出采用12位密码的TWH9013专用保密锁集成电路,广泛用于汽车门锁[1]。目前,电子锁的密码普遍只能输入0~9数字[2,3,4],单纯数字组成的密码组合较少,容易破解,在一些特殊场合难以满足高安全性的需求。针对这一问题, 文章研究与设计了一种可输入由数字、大写字母和小写字母组合的电子密码锁。
1系统整体方案设计
电子密码锁由键盘输入、微处理器和电磁锁组成。 当主控芯片STC90C51检测到键盘输入,微处理器根据设计的程序并通过信息提示来执行修改密码和开锁功能。在执行功能模块之前,需要进行身份初识别。当输入正确的身份识别密码后才能执行修改密码和开锁功能。需要开锁时,输入开锁密码,若正确, 电磁锁打开。为了防止误操作,还需要进行随机验证码的验证才能修改密码,密码的修改包括身份识别密码和开锁密码两种,修改后的密码存储在系统外部存储器EEPROM中。上述两阶段密码的输入, 各自只有三次错误机会,产生三次错误系统将报警。 系统整体方案设计如图1所示。
2硬件电路设计
字母和数字组合的电子密码锁选用STC90C51单片机作为主控芯片,STC90C51单片机是宏晶科技推出的超强抗干扰高速低功耗的一款单片机。它具有35个通用I/O口、3个16位定时器/计数器、4路外部中断、独立看门狗等特性。由于该型号单片机片上集成内存大小满足不了存储需求,故外接程序存储器AT24C02。外围电路由电源电路、晶振电路、键盘驱动电路、LCD显示电路、报警电路、开锁电路组成。
2.1电源电路
电源电路是整个外设电路的动力来源。STC90C51芯片所需驱动电压为3.3~5.5V,LCD1602液晶驱动电压为4.5~5V,蜂鸣器驱动电压在1.5~15V,在正常供电的情况下用220V转5V电源模块为外设电路提供驱动电压。为了避免断电等突发事件对使用的影响, 备用了7.2V转5V的电源模块。
2.2晶振电路
晶振电路为智能电子密码锁主要模块提供基本的时钟信号。晶振电路产生时钟信号,是为了保证处理器工作按一定时序进行,单片机XIAL1管脚和XIAL2管脚分别接22pF的电容,中间再并一个12MHz的晶振,形成单片机的晶振电路。
2.3键盘驱动电路
键盘驱动的工作原理利用二维数组的定义,当外设管脚传递的一个字节数据的高四位全部输出高电平,低四位输出低电平,通过接收的数据值判断按键S的行号X。然后再反过来,高四位输出低电平, 低四位输出高电平,根据接收到的数据判断按键S的列号Y,(X,Y)即为按键S的物理位置。
2.4 LCD显示电路
LCD显示实现一个很好的人机交互功能,用户在实际操作过程中,LCD1602液晶立刻显示当前的状态并提示下一步操作。
2.5提示音和报警电路
提示音和报警电路主要采用一个蜂鸣器,用户在按键操作时,所有有效按键,蜂鸣器将响起一次清脆的“嘀”声;若密码输入错误,蜂鸣器将大声的“ 嘟嘟嘟”响个不停,待安保工作人员来处理。
2.6开锁电路
开锁电路由电子锁专用集成电路ASIC和电磁锁组成。如果用户密码输入正确,则电磁锁被打开, 表示开锁成功。
3软件设计
为了提高普通电子密码锁的安全系数,文章设计的高安全级电子密码锁将普通电子锁的输入键盘调整为4×4矩阵按键,共16个按键。包括10个数字输入按键0~9,1个功能键,1个*键,1个#键,1个Cancel键,1个Exit键,1个Enter键。功能键即为Mode键,Mode键的功能是实现输入按键数字、大写字母、小写字母三种模式的切换,当输入的密码为0~9的数字时,不需按Mode键,直接按对应的数字键;当输入的是大写字母A~J时,需按一下Mode键,即为大写字母输入模式,再按对应的字母键, 之后输入按键自动恢复数字模式;当输入的是小写字母a~j时,需按两下Mode键,即为小写字母输入模式,再按对应的字母键,之后输入按键自动恢复数字模式。*键和#键在开锁和修改密码、修改识别密码和修改个人密码的功能二选一时使用,Cancel键删除错误字符,Exit键实现返回、退出功能, Enter键在输入完毕一串字符后起确认作用。其他按键操作与普通电子锁相同。图2为输入键盘。
本文设计的电子密码锁在软件上主要完成三大功能:身份初识别、开锁、修改密码。软件采用C语言编程,开发环境为keil uvision4。软件设计流程图如图3所示。
3.1身份初识别
身份初识别设计的目的是为了提高智能电子密码锁的安全系数,只有通过身份初识别后才能进行开锁或修改密码功能,身份识别密码是由字母和数字组合的6位普通密码。 电子锁复位上电后, LCD1602界面提示用户输入密码,用户输入若与设定的身份识别密码一致,进入开锁和密码修改模式的选择,LCD1602给出相应的提示。如果用户输入的密码错误,LCD1602显示“Try again”,以提示用户再次输入,若错误次数累积三次,系统将发出“嘟嘟嘟”报警。
3.2修改密码
修改密码功能模块包括修改开锁密码和身份识别密码。当用户选择修改密码功能时,为了防止误操作,首先需要输入由系统随机分配的6位字母和数字组合的验证码,若输入正确,则LCD1602提示选择修改开锁密码还是身份识别密码;若不正确则系统将刷新随机验证码并提示用户再次输入,每连续三次错误将“锁死”1分钟,然后再继续输入验证码直到正确为止。进入修改密码模式后,用户可选择修改开锁密码或修改身份识别密码。两种密码的修改步骤相同, 都是先输入旧密码, 若正确则在LCD1602提示下输入两次新密码,两次新密码输入相同则密码修改成功,否则,需要重新进行上述步骤,直至密码修改成功。
3.3开锁
开锁模块是在用户需要开锁时,系统在通过身份初识别后选择进入此功能,LCD1602提示输入密码,若正确,电磁锁打开,若否,则不打开, LCD1602提示重新输入密码,输入错误累积三次系统将“嘟嘟嘟”报警。
4结束语
软件系统时钟级程序的设计 篇8
程控交换机软件是一种实时性、并发性很强的软件, 其程序复杂性大, 调试困难。由于交换机业务功能很多, 彼此之间关系密切, 给交换机软件的设计带来了很大的困难, 因此选择合理的软件结构是整个交换机软件系统设计的关键所在。程控交换机在电力系统中有着极其重要的作用, 特别是小门数程控交换机有着较好的市场前景。由于电力系统对程控交换设备的要求很高, 主要要求通信电路具有稳定可靠、畅通无阻、实时性强、接续速度快、调度功能完善等特点。
程控数字交换机是现代数字通信技术、计算机技术与大规模集成电路 (LSI) 有机结合的产物。先进的硬件与日臻完美的软件综合于一体, 赋予程控交换机以众多的功能和特点, 使它与机电交换机相比, 有以下优点:⑴体积小, 重量轻, 功耗低。⑵能灵活的向用户提供众多的新型服务功能。⑶工作稳定可靠, 维护方便。⑷便于采用新型共路信号方式。⑸易于与数字终端, 数字传输系统连接, 实现数字终端、传输与交换的综合与统一。
本文编制的是时钟级程序, 包括不同模式的定时方式, 考虑到采用51单片机作为控制系统 (指令为串行方式) , 因此采用了整体时钟控制 (基本周期为8ms) 的方法。
2 程控交换软件的基本特点
程控交换软件的基本特点是:实时性强、具有并发性、适应性强、可靠性和可维护性要求高。
2.1 实时性在正常情况下对实时性要求最为严格的是信号接收及信号处理程序 (微秒、毫秒级) , 相对而言对实时性要求最低的是运行管理程序 (秒级) 。
2.2 并发性和多道程序运行并发性就是在同一时间段内CPU运行多道程序。采用多道程序运行方式可以使CPU在一段时间内保持若干进程处于激活状态。不同用户启动的呼叫处理进程可使用相同的处理代码, 各进程的差别仅在于它们处理的数据不同。
2.3 可靠性的要求可靠性指标是99.8%的正确呼叫处理和40年内系统中断运行时间不超过2小时。提高可靠性的措施有:⑴对关键设备 (如控制系统、交换网络) 采用冗余配置;⑵采用各种措施及时发现已出现的错误, 如为软件故障, 则采用程序段的重新执行或再启动, 予以恢复。
2.4 适应性的要求⑴为使之能适应不同交换局对交换机的具体要求, 在交换机的软件设计中采用参数化技术, 使描述处理逻辑大程序部分与给出数据处理参量的数据部分分离;⑵可用局数据和用户数据来适应不同的局条件。
2.5 软件的可维护性要求采用模块化、结构化设计方法, 使用数据驱动程序结构, 在编程时尽量采用有意义的标识符常数, 建立完备、清晰的文档资料, 把易随硬件更新、扩充而变化的软件部分相分离等都有助于提高软件可维护性。
3 软件系统优先级介绍
软件系统的优先级分为:中断级、时钟级、基本级。
3.1 中断级程序
⑴中断程序的两个特点:一是实时性要求高;二是事件发生的随机性;⑵中断级程序主要用于故障处理和输入/输出处理;⑶中断级程序由硬件中断启动, 一般不通过操作系统调度。
3.2 时钟级程序
⑴时钟级程序主要用来发现外部出现的事件, 时钟级程序对于发现的事件不进行处理, 而是将其送入不同的优先级队列等待基本级程序处理;⑵时钟级程序由时钟调度程序调度执行, 而时钟调度程序是由时钟中断启动的。
3.3 基本级程序
⑴基本级程序的功能是对外部发现的各种事件进行处理;⑵应用程序的大部分在运行时构成进程, 基本级也称为进程级;⑶呼叫处理各进程具有较高的优先级, 管理与维护程序的大部分进程优先级较低;⑷基本级程序由任务调度程序调度执行。
4 时钟级程序的设计
时钟级程序具有一定的执行周期, 又称为周期级程序, 如摘挂机识别、拨号脉冲识别及各种扫描程序都具有一定的执行周期, 均属于时钟级程序。另外, 忙音、回铃音和振铃信号的通断也是由CPU控制产生, 这种控制方式也于时间有关, 同样属于时钟级程序。
本文完成的是系统软件时钟级程序的设计, 主要包括对外部事件的检测 (摘挂机识别、双音频拨号的识别或拨号脉冲识别) 和对服务信号 (忙音、回铃音和振铃信号) 的时钟通断控制。各种检测方式的时钟周期为:摘挂机识别200ms;双音频拨号识别16ms;拨号脉冲识别8ms;位间隔识别96ms。各种检测方式均使用基本时钟周期8ms, 这样设计可以大大提高系统的使用效率。检测结果直接送至基本级程序进行分析处理。由于硬件设置为8用户, 相应软件也是依照8用户完成控制, 如果需要扩充用户, 软件只需稍做变动即可实现相关功能。
用户信息检测内容主要包含用户摘挂机状态检测和对用户拨号信息的检测 (识别拨号方式并进行收号) 。
4.1 用户摘挂机状态的检测根据硬件电路的设置, 用户挂机状态为高电平'1', 摘机状态为低电平'0'。程序设定检测确认周期为200ms。为了避免由于干扰而引起的误操作, 在识别一个用户是否有摘挂机动作时判断是否能连续25个周期 (每一个基本周期为8ms) 均能检测到该用户的同一状态, 如能够检测到是同一状态则确定用户动作, 并将检测结果送至基本级程序分析处理 (是否转变用户状态由基本级程序分析处理) 。由于每个用户摘、挂机状态只占用一个二进制位, 而每次只对一个二进制位进行检测会大大降低系统运行效率, 所以采用群处理的方法 (每次对8个用户同时进行检测, 检测结果送至相应存储单元, 然后等待基本级程序处理) 。用户摘挂机状态的检测使用96ms的基本时钟周期, 连续保持192ms (2个基本周期) 同一状态, CPU才进行判断处理 (基本级完成) 。由于硬件设计系统为8用户, 因此系统采用群处理方式对用户进行摘挂机状态的检测只需检测一次。
4.2 拨号脉冲的识别与接收号盘话机送来拨号信息的是脉冲信号, 与用户的摘挂机状态一样也是用户线的断、续状态。因此这部分设计仍然使用判别用户线状态的方法来识别拨号脉冲。
4.3 双音频信号的识别在双音频话机号码接收中, 由于采用了单片滤波译码芯片MT8870, 因此号码的接收比较简单。MT8870芯片从DTMF信号输入至检测识别出其对应的代码的建立时间是40ms左右, 因此, 采用16ms周期对其进行扫描 (仍然使用8ms基本周期) 。由于此种方式工作过程比较简单, 在此就不再详细介绍。
值得说明的是, 在用户摘机之初, 时钟级程序对用户同时使用两种拨号检测方法同时进行扫描, 直到以一种方式接收到号码之后, 才停用另一种收号方式。由于硬件系统只提供了两路双音频收号系统, 因此, 软件程序就需要对收号资源进行分配, 这部分功能主要是由基本级程序实现的。
5 结束语
综上所述, CPU对用户状态 (信息) 的检测均是通过8ms的基本周期来完成的。用户摘挂机状态采用的是不间断的扫描方式;其它信息的检测是通过相应的启动标志来进行控制, 以达到对用户的各种状态在不同周期进行定时扫描的目的。
摘要：程控交换机特别是小门数程控交换机有着较好的市场前景。由于电力系统对程控交换设备的要求很高, 主要要求通信电路具有稳定可靠、畅通无阻、实时性强、接续速度快、调度功能完善等特点。本文对程控交换系统特别是软件系统时钟级程序进行了研究。
关键词：程控交换机,通信,时钟设计
参考文献
[1]叶敏.程控数字交换与交换网 (第2版) [M].北京:北京邮电大学出版社, 1998年
电子系统级设计 篇9
在制定天气预报以及气候预测时,地面气象数据是这个环节的重要基础资料,数据质量越高,天气预报和气候预测就越准确。二十世纪九十年代末以来,我国着手在实验中对个别台站创建自动站,伴随软件硬件各方面技术的不断成熟,自动气象站建设的速率也显著提升。到了2011年,我国的地面自动气象站
在海量数据需要进行采集、传输以及保存的要求下,地面气象站的观测手段越来越趋于自动化,数据传输的速率也不断提升。此时,为了确保用户可以及时迅速的使用到尽可能可靠的观测数据信息,并且尽可能地让预报人员做出确切的业务决策,急需研制一套质控方法,用来标记可疑观测记录或者错误观测记录。从人类有器测量开始,地面气象资料观测数据就是最长久的气象资料,同时也是判断气候状况的关键参数。气象事业的发展将直接受到来自气象观测资料准确性的影响。而地面气象数据又最容易受到下垫面环境状态的改变、人为观测误差以及设备状态等因素的影响,所以地面气象资料的质量控制显得尤为重要。
在此背景下,本文设计了一种台站级地面观测数据综合质量控制系统。采用综合质量控制方法对气象资料进行处理,以visual studio作为开发平台,以C#作为开发语言,使用多线程操作机制提高系统处理气象资料的效率;进行数据库设计以达到存储海量气象数据的效果;进行综合质控方法的研究,保证气象资料的准确性、代表性,提高气候预测的可靠性。
1 质量控制方法研究
本文以数据质量控制和评估业务系统为基础平台,用计算机技术实现各类气象数据的质量控制、评估和数列均一性检验,以人机交互的方式实现气象资料的订正。
1.1 传统质量控制方法应用
气象观测资料会反映出大气变量的具体物理特征和气候特征,传统的质量控制方法正是基于这些基本规律制定的,并且,传统的质量控制方法也在各国的质量控制中起到主导作用。实时检查是对地面气象观测资料中各要素进行质控的主要手段,其检查手段囊括人机交互辨别手段,检查方法包括数据预处理、气候学界限值检查、时间一致性检查、内部一致性检查等
1.2 基于数据挖掘算法的质量控制方法研究
地面气象资料历史长远,由于气象站探测设备故障、人工误差等原因不可避免的会出现一些误差。虽然通过传统的质量控制方法可以实现数据准确性提高,但由于设备状态异常也会引起的观测数据异常
1.2.1 因子分析法
因子分析的主要内容是将许多指标或因素与多种因素的相关性用个别几个因素来描述,也就是说,将相关性较强的几个因素放到一种类型里面,将这种类型的变量看作一个因素,用相对少的几个因素体现出原始资料的多数重要信息。
通过SPSS因子分析实验,以云高、云量为例,将云高、云量各要素分解与降维,综合原始变量,确定模型最终变量,结果如表1所示。新变量中或者是由多个原始变量组合而成,或者是直接保留某个原始变量。新变量都是互不相关的,这些新变量能够解释原始变量的主要信息,更重要的是它们彼此之间不存在相关性,可以作为进一步研究的主要依据。
表1 降维前后对比图
1.2.2 Logistic回归模型
利用Logistic回归进行预测,将设备状态作为新的变量,逐一与观测要素变量进行回归。Logistic回归模型是一种分类模型,因变量Z是一个二分类变量,其取值Z=1和Z=0,分别表示加入设备状态后要素的预测值与实际观测值一致和不一致。影响Z取值的n个自变量分别为X1,X2,…,Xn,其中,X1,X2,…,Xn-1为降维后的观测要素变量,Xn为设备状态变量。在这n个自变量作用下,预测值与实际值一致的条件概率为P=P(Y=1|X1,X2,…,Xn),则Logistic回归模型可表示为:
式中,P代表预测值与实际值一致的概率;Z代表权重向量;是回归系数,输出结果P趋近于0.5表示预测值与实际不一致,趋近于0.73表示一致
1.3 质量控制对数据可疑度分级及处理
系统将对数据进行各项检查处理,对于通过检查的数据则认为是经过质控的数据,视为可信数据,没有通过检查的数据被视为可疑数据,系统对可疑数据设定了四种可疑度。
(1)A级:有足够的证据证明其为错误数据,直接剔除。
(2)B级:强可疑数据,为危险等级数据,将其从业务数据库中剔除,作为参考检测数据列入参考数据库保存。
(3)C级:可疑数据,数据比较可疑,但是具有一定的可信度,对此类数据只进行本地保存,不上报。
(4)D级:弱可疑数据,数据有一点可疑,但可以作为可信数据进行处理,但要进行弱可疑备注。
(5)E级:正常数据。
1.4 综合使用质控方法
为了让入库的气象资料数据更准确、更权威、更有代表性,所以推荐综合使用多种质控方法对气象资料进行排错、控制以提高精度。图1为综合使用质控方法流程图。
图1 综合质控方法流程图
2 系统设计与实现
系统设计的任务是基于软件体系结构的系统逻辑模型的分析设计,实现全面的质量控制系统的地面观测数据。系统物理模型必须符合逻辑模型,设计合理的系统架构,完成逻辑模型所规定的信息处理能力;集成多种实时数据质量控制功能提高数据准确率,将综合质量控制算法模型进行编码,生成类库.dll文件,方便气象业务系统使用;采用多线程操作机制对气象数据进行处理,提高系统的稳定性能;以Postgre SQL9.2作为后台数据库,达到提高数据存储及处理效率的目的,提高了系统对海量气象资料处理的吞吐率。
2.1 系统架构
考虑到系统对网络数据负载、安全性、稳定性以及拓展要求较高,本系统选择使用C/S(Client/Sever)开发方式,但不再局限于三层架构的开发模式。系统总体架构分为四层体系结构:设备层、通信解析层、汇聚处理层和表现层,如图2所示。每一层根据各自的功能定义一些基础类,派生出来的不同对象可以组合覆盖类似的质控系统
图2 系统多层架构设计图
2.2 质控算法类库
系统对研究得到的地面气象观测数据综合质量控制算法进行编码,将算法生成综合质量控制类库,以dll文件形式存在。类库对外部程序提供接口,通过引用类库,输入解析赋值后的要素变量,输出要素值的综合质控码。生成dll类库文件,使算法程序拥有良好的封装性,同时方便其他气象业务系统调用。如图3为类库概要图。
图3 类库概要图
2.3 后台数据库
Postgre SQL是由美国伯克利大学设计的数据库系统,经过不断的设计发展,最终发展为一种对象-关系型数据库管理系统。这是一种开源的数据库系统,经过发展已经成为开源界功能最先进的开放源代码的数据库系统之一
Postgre SQL作为一种开放的数据库管理工具,与其他的数据库系统相比,有着鲜明特征,包括:(1)面向对象特征,可以任意添加属性;(2)数据类型丰富,不仅包括数字字符,还可以包含点线面等类型;(3)全面支持SQL;(4)可以与Web集成,解决Web问题能力更高,支持ODBC和JDBC;(5)大数据库,可以支持海量数据存储达到100 GB。系统的良好支持特性可以为未来前台数据提取的项目开发提供良好的后台数据库支持
2.4 多线程处理
数据资料是以Txt报表的方式存在,通过3G/4G网络传递到中心服务器,由于报文种类的多样性系统采用了多线程的操作方式
在使用多线程处理数据的过程中,一方面使用了线程同步机制,即处理数据的各线程依赖扫描主线程,需要扫描线程提供消息进行唤醒调用,而其他线程则是处于等待状态。另一方面,当有多个线程同时需要访问资源时,则需要使用一个互斥机制,即任何时刻只允许一个线程访问资源,如果剩余线程也需要访问此资源,就需要等待使用资源的线程释放该资源才能对该资源进行访问。
图4 数据处理多线程操作流程图
2.5 系统总体设计
本系统输入项为TXT格式的《地面气象观测数据文件》,需将文件数据导入数据库,供查询、统计、分析使用。系统的每个模块之间需要进行信息的传输,信息的传输需要通过接口来实现。数据在传递之前需要按照特定数据结构要求进行封装,以参数的形式输入。经过函数的调用,将函数返回值输出。系统拥有的优势在于:(1)支持多终端操作;(2)支持多用户的并行操作;(3)系统响应时间较短;(4)有权限设置;(5)具有备份功能
1)观测员对报告书进行填报,数据录入,观测员包括县级,市级,省级基站的观测人员;
2)观测的数据会以类似于GPRS方式上传到中心服务器,中心服务器会对当前的气象数据进行预处理,再提交审核;
3)数据审核模块进行审核,审核部门为省局和国家局,相关的审核结果为省级业务管理人员审核报告和国家级业务管理人员审核报告,根据报告反馈信息对报表进行修改;
4)审核之后会产生告警模块和日志模块信息,告警模块将警告信息以短信的方式提交上传,日志模块则是将系统运行的具体信息做记录,并将权限进行更变,认定用户的权限;
5)信息审核完毕之后会进入质量控制模块,质控模块会综合使用各种控制方法及手段对当前的地面气象资料进行处理,包括人工检查,算法检验等;
6)经过质量控制的资料会产生多种级别的数据类型,需要判断数据的异常性,异常则进入异常处理环节给出提示或标记;
7)最后则是入库模块,入库模块接收多种类别的数据,包括警告信息、日志信息、用户权限信息、未经过质量控制的信息、质控处理后的信息等等,入库程序将对这些信息进行具体的判断操作处理,最后做入库处理。图5为系统总体设计流程图。
图5系统总体设计流程图
3 系统运行
本系统采用C#语言和最新的.NET技术编程[13],同时结合Postgre SQL开源数据库,系统运行环境为Windows 7,实际运行效果表明系统各项性能良好,能够满足当前用户基本需求。
3.1 质控入库界面
用户输入获取气象资料文件所在目录,点击报文质控入库按钮后,进行批量文件的处理。系统响应用户请求获取文件名打开文件,逐行读取文件数据,调用对应文件类别的数据处理类对文件进行解析、质控、入库。文件的处理状态和处理结果在Data Grid View中呈现出来。如图6为入库效果图。
图6 入库效果图
3.2 质控查询界面
查询质控结果时,用户可在查询界面选择查询要素、查询时间后发出查询指令,系统响应用户请求从数据库中查询相应的要素值及其质控码,通过质控码确定数据可信度颜色,并在Data Grid View中呈现出来,如图7为质控查询效果图。
图7 质控查询效果图
4 结语
电子系统级设计 篇10
安装在现场, 经过调试运行后并网发电的机组就进入了维护状态, 随着风电机组的数量的不断增多, 需要维护的风机的的数量也在相应的增加, 经过现场的实地调研, 汇总当前现场所用的风力发电机组的维护方案主要有以下两种:
(1) 故障维护:当风力发电机组运行直至某一部件发生故障时, 然后进行维修、维护或者更换; (2) 计划检修:对于风力发电机组的某一些部件或者单元进行定期的维护、维修或者更换, 不同的设备、部件和单元, 维修、维护或更换的时间和方法都有所不同;
一般情况下, 计划检修方案和故障维护方案会同时进行, 但是上述两种常见的修护方案存在以下的问题:
1) 对于故障维护方案。 (1) 当风力发电机组大部件或关键部件 (主轴、齿轮箱, 发电机、塔筒等) 出现故障时, 备件准备的时间较长, 降低了机组可利用率; (2) 风力发电机组在运行到故障状态时, 该部件的维修的成本将变得很高, 或不再具有重复利用的价值; (3) 风力发电机组运行到故障状态时, 可能已经影响到周围部件的运行性能, 将问题扩大化, 造成更大的隐患; (4) 在进行机组部分部件 (如主轴, 齿轮箱, 发电机、塔筒等) 的更换时, 需要有合适的工况和天气的配合, 这一点对于海上机组尤为重要, 这将大大影响到机组的停机时间和可利用率;
2) 对于计划检修方案。 (1) 很难确定不同设备, 部件或单元的定检方案 (时间, 方式) , 因为风力发电机组是一个负荷和载荷都在不断变化的系统, 且相同功能的设备 (齿轮箱) 的不同供货商所采用的技术和工艺都有所不同, 更加增加了确定定检方案的难度; (2) 会导致过度维护或导致故障维护, 正是由于定检方案的不确定性, 使用定检维护时, 可能会导致过度维护, 即将一个部件很早的更换下来, 致使设备利用率降低;或者可能会导致故障维护, 如定检周期太长, 部件已经进入故障状态。
鉴于上述维修维护方案所存在的问题, 近年来, 风电场不断的在探索新的维修、维护模式, 而基于状态监测系统的维修、维护方案备受青睐, 因为它能够有效的克服上述两种常规的维修、维护方案存在的问题。
2 需要进行状态监测的部件
2.1 风机的典型故障及其停机时间
德国ISET大学对安装在德国各地的1000多台风力发电机组进行了跟踪分析, 得出了风机常见的故障类型, 各故障发生占比, 故障发生后所引起的停机时间分布规律, 结论是:对于带有齿轮箱的风力发电机组而言, 塔筒、主轴、齿轮箱和发电机的故障停机时间比一般性故障停机时间要长, 所引起的发电量损失也相对大得多。
2.2 海上风力发电机组所需要进行状态监测的部件
对于海上风力发电机组而言, 除了一般陆地机组所需要考虑的因素之外, 由于海浪、台风等特有自然条件对于风机支撑结构、整机机械结构的影响比较大, 更增添了各关键部件的状态监测系统的分析难度。
综上所述, 对于兆瓦级的海上风力发电机组而言, 有必要对于塔筒, 主轴, 齿轮箱和发电机等系统进行状态监测, 最大限度的减小故障停机时间, 提高机组的可利用率。
3 状态监测方法的选择
3.1 风力发电机组部件失效的演变规律
机械部件从故障发生到彻底失效, 一般会经历几个步骤。以轴承的磨损为例, 当轴承有细小的磨损时, 首先将体现在振动信号上, 而当细微的磨损能够成像时, 超声波分析将可以发挥作用, 同时, 机械磨损所产生的碎屑将不断的增大, 增多, 从而根据油品的分析谱可以看出故障的发展、演变规律, 当轴承出现温度上升, 噪声增大时, 说明轴承的损坏程度已经达到了中晚期了。
3.2 状态监测手段的选择
机械系统故障发现的越早, 就越容易进行修复, 为了较早的发现机械系统的问题, 结合实现难度和投入成本的因素, 一般会采集振动信号和油品信号的方法来进行状态监测。
4 状态监测系统设计
4.1 风力发电机组上需要安装的传感器的选型
(1) 机组上需要安装传感器的类型、数量及其安装位置。1) 对于塔筒而言, 为了更好的监测波浪载荷对于塔筒这一支撑结构的影响, 一般在塔基安装两个方向的低频振动传感器, 其中一个与主洋流的方向一致, 而另外一支在第一支的垂直方向上安装;2) 对于传动系统而言, 需要考虑主轴, 齿轮箱内部的轴承和齿圈以及发电机的轴承特征, 根据其频率特性, 安装不同类型的振动传感器;3) 为了更加有效的监测齿轮箱内部机械结构的磨损演变情况, 增加了一组颗粒计数器, 用于监测齿轮箱内部的油品的变化, 颗粒计数器安装在油泵和过滤器之间的油路上, 可以有效的监测齿轮箱油内所含金属颗粒的尺寸和数量。
(2) 机组上所安装传感器的参数。由于海上发电机组叶片侧的旋转速度较低, 所以在低频传感器的选择需要重点考虑, 而一般的传感器在低频率段的测量精度较差或衰减很厉害, 通过计算, 塔筒和传动链系统所使用的振动传感器的参数指标可参考下表1。
4.2 采集器系统的设计
数采系统由信号采集单元和信号处理单元组成, 信号采集单元需要能够同时采集多组振动信号, 还需具备通讯接口, 如网口, CAN口等, 需配备有供电系统, 柜体;考虑到海上的特殊环境, 还需要重点考虑防腐和IP等级设计。
4.3 数据传输, 存储、显示和分析系统设计
采集器所采集的信号输入传输到中央控制室或远程诊断中心, 并在当地进行存储, 信息显示和数据分析, 传输子系统包括光电交换机, 风场光纤环网等, 存储子系统包括服务器, 后备电源灯, 分析和显示子系统包括工作站等。
5 状态分析方法
5.1 常用的状态监测系统分析方法
各种传感器所采集到的信号存储入数据库系统之后, 选择合适的信号分析方法是决定状态监测系统效果的关键, 传统的状态在线系统只监测传动部件的振动信号, 主要的分析方法有:时域分析法, 频域分析法, 包络谱分析法, 倒谱分析法和趋势分析法等。
5.2 海上机组应使用的其他分析方法
考虑海上风力大电机组的特点, 在使用上述分析方法的基础之上, 引入了一些新的分析方法:1) 使用颗粒计数信号结合齿轮箱的振动信号进行齿轮箱的详细评估。油品信号可以体现出齿轮箱油中的金属碎屑的特征, 结合其轴承和齿圈的振动信号, 就可以更加清晰的了解齿轮箱内部的磨损情况, 进行健康预判;2) 应用轴心轨迹法将发电机驱动侧的轴向和径向传感器的信号进行关联分析, 评估联轴器的对中情况;3) 使用安装在塔基的振动传感器, 评估波浪载荷对于塔筒和整机的影响;4) 使用阶次分析法消除转速变化对于振动信号影响, 阶次分析法可以将不同转速所对应的振动信号进行调制, 消除转速对于分析过程的影响。
6 远程诊断和报告管理
6.1 远程诊断中心
机组的故障诊断需要经验的积累, 特别时对于疑难故障的分析, 有时还需要进行专家“会诊”, 因此, 为了更好的开展机组健康状态的评估工作, 有必要建立远程诊断中心。远程诊断中心的建立, 可以采集并存储足够多的风机数据, 探索不同部件、不同技术路线和工艺设备的故障产生特征和规律, 建立专家库系统, 并结合实际器件的维修、维护情况进一步提高故障诊断的准确率。
6.2 报告管理平台
状态监测系统的故障诊断信息需要以报告的信息来管理并发布, 为了更好, 更直观的让用户获取风机关键部件的运行状态和健康情况, 且便于其对于不同风机之间, 同一风机不同时间段的健康情况进行对比分析, 需要建立一套报告管理平台, 该平台也可以结合实际的风机的维修、维护反馈信息, 对于状态监测系统的诊断性能进行评估, 为后续分析提供参考建议。
7 智能分析平台
由于安装状态监测风机数量越来越多, 使用传统的人工分析的方式并不能及时的反映所有机组的健康状况, 智能分析平台在一定程度上可以较好的解决这一问题, 它是将人工分析的过程智能化, 将人工分析过程中的经验程序化, 配合信号抽取的手段, 实现故障的自动预判。当前, 智能开发平台还处在一个不断优化和“自学习”的阶段, 可以处理一些常规性的故障工况, 但是对于相对疑难的机械系统故障, 还是需要人工采集更多层次的信号进行补充分析。
8 结语
综上所述, 通过设计并安装一套状态监测系统, 将各种信号采集并传输到中央控制室或者远程数据中心, 并使用适合于海上风力发电机组的数据分析方法, 配合报告管理平台和智能分析平台, 就可以实时掌握风机的重要部件的运行状态和健康情况, 为风电场的维修、维护提供重要的参考依据。
摘要：本文主要介绍兆瓦级海上风电发电机组状态监测系统的设计背景、目的和设计过程。第一部分主要介绍状态监测系统开发的意义;第二部分和第三部分主要介绍对于兆瓦级海上风力发电机组需要进行状态监测的部件和使用的手段;第四部分, 重点介绍状态监测系统的设计过程;第五部分, 主要介绍数据分析方法, 还提出了几种新型的适用于海上环境和大型机组的数据分析方法;最后, 还介绍了开发报告管理平台和智能分析系统的意义和功能。
关键词：海上风力发电机组,数据分析方法,智能分析平台
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