智能测量（通用7篇）
智能测量 篇1
——“精密GPS惯导轨道检测系统项目研讨会”在北京召开
由萨伏威 (西安) 导航技术有限公司主办的“精密GPS惯导轨道检测系统项目研讨会”于2013年1月20日下午在北京金色夏日商务酒店二层会议室召开。
国家科技部火炬中心处长王德智, 科技部国家遥感中心教授邵立勤, 中国科学院自动化研究所研究员常红星, 中国铁道科学研究院研究员王英杰、副研究员卢文龙, 北京交通大学电气工程学院副教授王剑, 《电子技术与软件工程》杂志社副主编陈家忠等20位领导、专家出席了会议。
“精密GPS惯导轨道检测系统项目”系德籍华人、萨伏威 (西安) 导航技术有限公司总经理韩云飞博士经过多年的努力研发的专利技术, 2012年1月, 此项技术获得国家的发明专利 (专利号:201010230227.7) 。
韩云飞博士为与会领导和专家作了题为《精密GPS惯导轨道检测系统项目》学术报告。韩博士在学术报告中说, 人类文明社会的发展离不开测量与测绘技术的进步, 虽然上个世纪末的GPS技术为测量与测绘行业带来长足的发展, 但是特别在21世纪的今天, 随着越来越多高铁建设和投入使用, 对各种测量、测绘、检测与监测技术和设备都提出了前所未有的要求。速度慢、精度低、工作繁琐、劳动量大、成本高、效率低、可靠性差等是目前各种轨道检测设备所共有的缺陷。
萨伏威 (西安) 导航技术有限公司打破在测量行业中传统的观念, 树立全新的测量思想, 模仿人脑智能思维方式, 用形状代替位置对线路进行描述和测量, 在此基础上建立了一套新的线路测量理论和方法, 同时, 成功地将高精度航空导航技术运用到轨道检测与检测行业中, 发明了一套新的轨道检测设备——精密GPS惯导轨道检测系统。
GPS惯导轨道检测系统突破了传统测量设备测量精度与速度成反比的定律, 实现了高精度与高速度的结合, 具有速度越高, 精度也就越高的特点。实现了在时速20千米的条件下, 以0.1毫米的精度检测轨道的几何不平顺。新检测设备具有精度高、速度快、功能全、抗干扰、可靠性强、操作简单的优点, 其综合指标是同类产品的十几倍乃至数十倍。
因此可以说, 此项技术的发明与应用, 将会在未来的测量测绘行业中引发的一场新的技术革命。与会专家对于这个项目, 认为具有创新、实用特点,
早在研讨会举办之前, 韩博士曾经到国家铁道部原副部长、本刊顾问国林府上拜访, 并把此项目向国林老部长作了详细汇报, 国林认为此项目很有推广前景。 (本刊记者陈家忠)
测量气体绝热指数的智能仪器研制 篇2
关键词：气体绝热指数,智能仪器,单片机,A/D转换,液晶显示模块LCD
物质的比热容是物理学中一个重要的物理量。气体的定压比热容和定容比热容之比(比热容比)称为气体的绝热指数。在热力学过程特别是绝热过程中气体的绝热指数是反映气体性质的一个重要热力学参量。气体绝热指数的计算公式为
学院物理实验室中使用FD-NCD空气比热容比测定仪来测量气体绝热指数。该实验仪器是在稳定状态下进行测量的,即实际测量的是整个绝热膨胀过程和等容吸热过程的初末两个稳定状态,实验结果只能反映状态量,不能直观地显示出气体发生变化的过程曲线,这样不利于分析热力学现象。还有一点就是,FD-NCD空气比热容比测定仪是用三位半数字电压表作为压力传感器的二次仪表,测量空气压强;用四位半数字电压表作为集成温度传感器的二次仪表,测量空气温度,而这两种电压表在该实验中都略显精度不够。由此可看出,气体绝热指数测量的实验装置需要改进。
本文就是针对原实验装置存在的问题设计一个由MCU(Micro ControllerUnit)为核心的智能仪器。
1 智能仪器总体设计
针对FD-NCD空气比热容比测定仪不能直观显示气体状态变化曲线和数据采集精度不够的缺点,该智能实验仪的设计中应该包括显示器和高精度的A/D转换器。
1.1 硬件设计
采用绝热膨胀法测量气体绝热指数需要测量储气瓶内气体的压强和温度,在本文的智能仪器设计中使用了高精度、高灵敏度的扩散硅压阻式差压传感器和电流输出型半导体集成温度传感器AD 590来测量压强和温度。并经过一系列的信号调理电路(SignalProcessing)、放大电路和滤波器(Filter)电路。压力传感器和温度传感器同时将模拟信号输入A/D转换器。在进行A/D转换时间内,输入信号不能再变化,以免造成转换误差。这样,在A/D转换器之前加入采样保持器S/H(SampleHolder)[1]。如图1所示。
本实验中考虑到对采样频率和采样精度以及节约成本的要求,在本设计中采用的是AD公司生产的16位A/D转换器AD7705。图1中虚线框内的所有器件只需一个AD7705就可以完全实现所需要的功能,使仪器的开发和维护更加方便[2]。单片机是气体绝热指数测量的智能仪器的核心器件,该智能仪器采用了 AT89C52低电压、高性能CMOS 8位单片机。在智能仪器中接一个显示器LCD(Liquid Crystal Display)来作为数据的输出设备,适时测得的实验数据,作出气体的状态变化曲线。我们选择北京青云创新公司生产的LCM240128ZK模块作为本仪器来完成图形和文本的输出显示。整个智能仪器的硬件结构框架如图2所示。图2中左边虚线框内的部分包括传感器和A/D转换器,是数据采集部分;右边虚线框内的部分为人机接口部分,包括键盘和显示器。
1.2 软件设计
只把硬件连接起来并不能称为智能仪器,还需要对硬件进行编程控制, 在本次设计中编程语言全部选择汇编语言。为了增加程序的可读性和可移植性,在程序编写过程中使用模块化的程序设计方法。
2 数据采集
数据采集就是传感器将储气瓶内气体的压强和温度等非电量转化为电信号,然后再由A/D转换器将模拟电信号转换为数字电信号,单片机接收数字电信号并对其进行进一步的处理。传感器和A/D转换器是进行数据采集的主要部分。
2.1 传感器
2.1.1 压力传感器
实验中采用高精度扩散硅压阻式差压传感器来测量储气瓶内气体的压强。测量压强时将差压传感器一端与瓶内被测气体相通,另一端与大气相通。差压传感器电源输入端输入一恒定电压,当瓶内被测气体压强发生变化时,传感器信号输出端的输出电压值相应产生变化[3]。传感器输出电压和压强的变化成线性关系,可表示为
Ui=U0+KP(pi-p0) (1)
(1)式中pi为被测气压强;p0为大气压强;Ui 为传感器两端压差为pi-p0时传感器的输出电压值;U0为传感器两端压差为零时传感器的输出电压值;Kp为传感器的灵敏度(传感器系数)。根据式(1)被测气体的压强为
由此可知,若已知Ui、U0和Kp,根据式(2)可求出气体的压强pi。
2.1.2 温度传感器
AD590是单片集成温度传感器,是电流输出型半导体集成温度传感器的代表产品[4] ,具有良好的互换性,且校准准确度可达±0.5℃[5]。如用摄氏度tc表示温度,则输出电流为
I(μA)=Kc(tc+273.2) μA 。
在AD590的终端使用一只取样电阻,即可实现电流到电压的转换。
2.2 A/D转换
仪器中AD7705是AD公司推出的16位Σ-Δ(电荷平衡式)A/D转换器[6]。
2.2.1 AD7705与单片机连接
AD7705灵活的串行接口使其能很容易地与大多数微处理器进行连接,因而可将它直接与各种传感器相连,构成对采样速率要求不高的数据采集系统。AD7705与单片机AT89C52的电路连接如图4所示。
2.2.2 AD7705的工作流程及寄存器设置
AD7705与单片机之间按照图5连接完成,片选输入端CS已经直接接入低电平,时钟信号输入端MCLK IN和MCLK OUT已经接入外部晶振,所以在接上电以后,只要单片机P1.4口给RESET端一个可靠的复位信号,然后单片机执行一个数据写入的子程序,将控制字分别写入AD7705内部的通信寄存器、设置寄存器和时钟寄存器。AD7705就可以正常进行A/D转换了。每当转换完成一个数据,转换完成标志位DRDY从高电平变为低电平,表示可以将转换完成的数字量以串行方式输出了。在程序控制中,单片机采用的是查询的方式来判断A/D转换是否完成。
设置寄存器是一个8位寄存器。AD7705的输入增益为128倍。AD7705的工作状态是标准状态。数据采集使用了AD7705以后,原仪器分别用三位半和四位半数字电压表作为压力传感器和温度传感器的二次仪表,三位半和四位半的数字电压表显示精度分别相当于二进制的11位和14位,而AD7705可以将测量值转换为16位二进制数据。由此可见,智能实验仪的测量精度已经远远超过了原仪器。 另一方面,AD7705的采样频率最高可达到500 Hz,即每秒钟可以采集500个数据,这与原仪器只能读取状态值相比,在数据的全面性上又是一大进步。
3 人机接口
在单片机应用中,为了控制检测系统的工作状态以及向系统输入数据,应用系统应设有按键或键盘,实现简单的人机会话。键盘和显示器是两种很重要的人机接口设备。该智能实验仪的操作界面如图5所示。面板上部为LCD显示器,可以同时显示图形和数据。面板下部设置八个按键,分别为ON/OFF键、GO/END键、PIC键、DATA键和四个方向键。
3.1 键盘电路
本设计采用了靠软件识别的未编码键盘。如图5所示,ON/OFF键为开关键,直接控制电源通断,不受程序控制。GO/END键为开始/停止键,电源打开后,按下GO/END键整个智能仪器开始工作,单片机自动控制AD7705进行数据采集并进行A/D转换,然后将转换得到的数据存入存储器,同时将数据输出到LCD,并在LCD[7]的坐标区和数据区分别以点和数字的形式显示。PIC键为图形区选择键,在有效状态时按下,可以选中LCD显示器上部的图形显示区。
3.2 LCD模块
根据气体绝热指数测量实验的特点,仪器需要采集的数据量相当大,因此,需要在AT89C52单片机外部扩展外部存储器。液晶显示模块内部就有存储器,并且可读可写,利用LCD内部的存储器存储数据节约了成本,我们选用的北京青云创新公司生产的液晶显示模块LCM240128ZK[8]。单片机和LCM240128ZK的连接如图6所示。
人机接口设计完成以后实验者可以通过操作面板,控制测量数据的采集和显示,可以清楚地观察到实验进行过程当中,气体状态是怎么变化的,并可以查看实验过程中任意时刻的的气体状态值,这对实验者从宏观上理解气体绝热指数的测量原理有重要意义。
4 结 论
测量气体绝热指数的智能仪器完成后,实现的效果是:气体在进行绝热膨胀和等容吸热的过程中,压力传感器和温度传感器输出的电信号经A/D转换后输入单片机,单片机将数据存入存储器,并通过LCD显示器将数据实时显示出来。数据的显示分两种方式,一种是坐标形式,一种是数字形式,两种形式分别在LCD的坐标区和数据区显示。当实验数据采集完毕之后,可以通过键盘控制光标移动在坐标区的图形上选择适当的点,并可同时在数据区查看到该点所对应的数值;也可通过左右方向键在数据区选择合适的状态值。最后,实验完成,可以对照气体变化的状态曲线,分析气体的变化过程,并选择合适的状态值计算出气体的绝热指数。
实时显示气体状态变化曲线是该智能仪器的最大特色,也是智能化的一个标志。但是由于AD7705的转换速率最高只能达到500 Hz,即每秒钟最多只能采集500个数据,而这500个数据中,压强数据和温度数据各250个,对于实时显示气体状态变化曲线来说,数据个数太少,这样会导致曲线的平滑度不够,分辨率不高。所以该智能仪器的采样频率还有待提高。
参考文献
[1]Cullen J D,Arvanitis N,Lucas J.In-field trials of a tyre pressure monitoring system based on segmented capacitance rings.Measure-men,2002;32(3):181—192
[2]陆佳,刘任先.硅压阻式传感器与AD7705芯片在压力测量中的应用.河海大学常州分校学报,2003;17(2):71—75
[3]物理实验教程(上册).山东东营:中国石油大学(华东)物理实验中心,2006;84—85
[4]蒋敏兰,胡生清,幸国全.AD590温度传感器的非线性补偿及应用.传感器技术,2001;20(10):54—56
[5]Pang Yutai,Wang Tuanbu.Integrated Circuit Temperature Transducer AD590And Its Application.国外电子元器件,2002;(7):22—24
[6]刘红玲.16位Σ-ΔA/D转换器AD7705及其应用.单片机与嵌入式系统应用,2002;(1):47—49,81
[7]陈杨杨,陈梅.基于单片机的通信和LCD显示.电气时代,2005;(8):124—125
基于GPS智能测量船设计与实现 篇3
近代科学技术的发展,带动测量设备技术性能的提高及手段的多样化。发达国家首先意识到综合测量系统的突出效益,纷纷将研究及投资重点转向测量系统的研制和发展,未来的测量船将向着“万能”的方向发展。本次研究就是基于当今应用广泛的导航技术GPS,综合各类测量系统于一体,在数据的采集、处理、储存及传输都做了相关研究,成果可应用于港口码头水文测量、江河水质的监测、水库地形测量及渔业监测等领域。
1 总体方案
通过理论分析研究将该设计分为两大部分:船载设备和地面站设备。船载设备包括:GPS导航定位系统、在线监测系统、自动采样系统;地面站设备包括:数据接收及处理、显示及无线电辅助监控。单机GPS导系统框图如图一所示:
地面站接收系统框图如图二所示:
本系统采用的是单机GPS导航,虽然该导航方式较差分GPS导航信号定位精度要低些,但在定位精度要求不是很高的情况下,可以实现自主导航。
船载计算机把船载GPS接收机接收到的船的位置数据与预先设定的航线位置数据进行比较,得到实际航迹点偏离预定航线的误差信号,从而通过控制测量船转向舵机,使船体回到预定航线上,完成自主导航。通过无线串口数据系统将船的实时位置数据传回到地面站,坐标数据通过液晶显示,以此监控船体的行进。如果导航出现偏差将进行手动的纠正,使得船体回到正常轨道上来。
水质的采样是水文测量的重要部分,通过“分时分瓶”采样可以提供水质研究的可靠数据。在每到达一个预订的区域时系统自动采样,通过控制微型水泵的工作时间来控制采样的多少。水流量、水温以及水深是水文的重要指标,通过测试其数据并发回至显示系统并且被记录下来。水温的测量是通过采用DS18B20传感器实现的,水流量选用了专门的水流量传感器来测试,而水深则是通过机械的方法来测试。
GPS卫星距地面20 000km,GPS接收机只能接收到很微弱的卫星信号。为了保证GPS正常工作,对所有船载电器、电子设备在设计时都要周密考虑,如电机的电磁干扰、无线电接收频率、高频信号对低频线路的干扰等。
2 硬件设计
系统硬件主要包括船载设备及地面部分。由于测量实时性的需要,以及考虑GPS接收信号和其他系统数据的快速处理,最终选择飞思卡尔半导体公司的MC9S12系列16位单片机中的MC9S12DG1281单片机作为核心处理单元,该单片机内有多达256KB容量的FLASH存储器、EEPROM和RAM可储存各种控制参数。该单片机有很高的集成度,片上集成了很多功能模块,如串行通信接口、串行设备接口、16个A/D转换器及8路PWM,内部时钟可以通过软件调节,最高可达48M。
单片机强大的运算能力及高的集成度使系统的高效设计成为可能。省去了很多外围电路的设计,例如A/D的转换、串行接口电路的设计等。
2.1 自动采样系统
自动水质采样具体做法是:在模型船内安装一个舵机,通过它来转动一个嵌放有采样瓶的离心轮盘,微型水泵的出水口固定于一处,通过单片机控制采样时间及分时输出不同大小的PWM值给舵机来给不同的采样瓶采样。
2.2 在线监测系统
在线监测系统可同时监控位置水域的流量、温度、深度。水流量的测量使用固定在船底的水流量传感器,通过单片机发出采样启动信号及控制采样时间,可以测量的流量范围1-30L/MIN,综合器件给的出厂数据及实际的参数修正,测得如表一所示。
由表格数据分析知其输出脉冲大小与流量成简单的比例关系,故可得水流量F=M/42(M为输出脉冲大小)。
温度测量使用温度探头DS18B2O,其测温范围-55℃-+125℃,通过程序可设定9-12为分辨率,精度为±0.5℃,符合系统的要求。
在进行深度测量模块的研究时,开始采用的方案是利用超声波测距技术,该技术很成熟并且硬件设计程序设计等都不复杂。在论证时发现超声波测距最大的缺陷是在功率较小时其测量的距离有限,如果使用大功率的测距设备无疑会增加系统的复杂度,其成本也会增加很多,同时在水藻以及其他生物的干扰下超声波测距会产生较大的误差。由于超声波技术存在上述缺陷故本设计采机械式的方法,即通过适当大小的重锤沉入水底,通过减速电机带动绕线齿轮转动,由耦合的测速编码器(如图三)来测得绕线齿轮转过的圈数,以此换算出此水域的深度。
2.3 无线数据收发及显示
此系统不仅要将所有测得数据储存在DG128单片机的FLASH中,而且部分数据要实时传送到地面监测站进行分析,这就决定要使用无线串口数据传输,这里使用北京龙丘公司生产的收发一体无线串口通信模块LQ_RF9501。由于该模块配有标准DIP插针,与DG128串口可直接连接,只要在其外部附加一个3.3V电源给无线模块供电,且软件编程比较简单方便,如图四所示。
对于显示系统,采用常用的12864中文显示液晶,与单片机连接,可以实时更新无线接收到的船的位置数据,显示在线监测系统传回来的数据、水流量的大小、水的深度,如图五所示。
3 软件
系统软件主要分为两部分:船载计算机软件和地面计算机软件。
3.1 船载计算机软件
该软件主要功能就是提取GPS接收到的数据与对各个子系统的控制。在整个系统工作当中,单片机将得到船位置数据,以此来输出各子系统的控制信号,调整整个系统的运行状态,如图六所示。
3.2 地面计算机软件
该程序设计主要在无线接收及液晶显示,将接收到的各种数据保存并按照一定的格式显出来,如图七所示。
4 结束语
该系统的设计是集微机技术和执行器技术于一体,通过微机的控制来实现执行器的动作,整个测量船集水温测量、水流量测量、水深测量、GPS定位等功能于一体,较好地实现了设备的自动采集,实时的动态显示性能稳定可靠。并且对比以前的智能化设备,具有高度的智能化,且设备的成本较低,能够满足大多数的测量场合,是当今测量行业发展的趋势,为智能化测量做的一次成功的尝试。
参考文献
[1]张守信,等.GPS技术与应用[M].北京:国防工业出版社,2004.
[2]孙同景.Freescale 9S12十六位单片机原理及嵌入式开发技术[M].北京:机械工业出版社2010.
[3]杨燮庆,等.国外测量船技术现状及发展趋势[J].船舶2000,4(3):6-7.
[4]黄婷,等.单片机无线系统的设计与实现[J].2010,3(8).
[5]曾庆喜.GPS软件接收机信号处理关键技术研究[J].仪器仪表学报,2009(,12).
智能脱扣器高精度电流测量的设计 篇4
1 Rogowski线圈的工作原理
Rogowski线圈是在1912年由俄国科学家首先提出,其工作原理是根据安培环路定律和法拉第电磁感应定律得出,它实际上是均匀密绕在一环形非磁性骨架上的空心螺线管,由于骨架为非铁磁材料,因而在理论上不存在磁滞、饱和或非线性问题,传感器在几安到几百千安的范围内仍然具有优良的线性[2]。它的结构示意图如图1所示。
输出电压正比于被测电流的变化率,Rogowski线圈的截面采用矩形,其输出电压为:
互感系数为:
式中:i为被测电流;h为骨架高度;n为线圈匝数;b为骨架的外径;a为骨架的内径;μ0为真空磁导率。当线圈均匀密绕,骨架的内径尽可能小,而且线圈内不存在磁场梯度方向的分量时,公式(1)近似成立。因此,对Rogowski线圈的输出电压积分即可还原出被测电流[3]。
Rogowski线圈的测量准确度取决于稳定的互感系数M。为了获得理想状态下的空芯线圈,制作时尽可能满足以下条件:(1)单位骨架长度上的线圈密度恒定;(2)每一匝线圈的横截面与中心线垂直;(3)骨架截面积恒定。上述条件对绕制工艺提出了极高的要求,为了保证精度,采用自动化程度很高的绕线机进行加工。对绕制好的线圈进行严格检测和筛选,保证线圈整个测量范围的线性度和精度。
2 信号变换电路的设计
信号变换电路的主要功能是将电流互感器的信号进行适当转换,使信号能满足测量要求。设计采用的ADC范围为0～5 V,因此,电流互感器感应的电压信号经转换后送到ADC端口的50Hz交流信号的峰峰值不能超过5V[4]。为了满足断路器测量范围的不同和2%的理论设计精度,电流互感器设计成不同的规格,其输出电压在0～12V(有效值)之间,由于电压输出范围较大,为了提高小信号的信噪比,降低大信号的幅度,设计采用双通道两段放大系数的方法,当信号小时用信号变换电路进行放大,信号大时进行衰减。在设计中,小量程的测量范围选择为(0～2.5)In,大量程的测量范围选择为(1.5～25)In,大小通道的增益比为10,通道量程倍数交替,可以很好地克服瞬时跳变问题,使采样处理平滑,减少误差,提高精度,电路的原理图如图2所示。
信号电路设计成双通道,均是中心频率为50 Hz的滤波器,这样可以提高信号通道的抗干扰能力,采用这种滤波器的特点是,电路的暂态过程不会出现瞬时过冲现象,克服了瞬时测量的误差,保证了瞬时保护的可靠性,因而提高了系统的性能。
根据ADC通道转换模拟信号的范围,电流互感器输出转换电压峰值小信号通道大于2.2 V时,软件处理的采样数据应切换到大信号通道采样数据。表1给出了脱扣器两种电流互感器对应的大小信号通道切换和最大可测量信号值。
在信号变换电路部分还有一个重要的电路,就是ADC采样参考稳压电路,用于分割互感器正弦信号的正负半周。由于ADC通道的采样范围是0～5 V,因此,参考电压设为2.5 V。这样就可以采集信号的负半周信号,原理图如图3所示。该参考稳压电路要求非常高,必须选择参数稳定性好、温度漂移系数较小的器件,否则,将会在电路上产生直流偏置信号,降低采样的精度。
该信号变换电路虽然很好地考虑整个量程的线性度要求,但是,由于运算放大器存在着失调电流、温度漂移、偏置电流大等问题,经运放积分电容的不断积累,会出现所谓的“积分漂移”问题,给测量带来更大的误差。因此,要求合理设计电路参数,选用温漂小的积分电容,软件处理数据时对采样数据进行修正等措施,可以将硬件运放信号转换误差控制在理论设计所允许的涉及范围内。
3 ADC采样的中断处理
ADC采样设计为1个电流周期20ms内采样64点,即每隔0.312 5 ms采样一次数据。为了保证采样间隔的均匀,运用MCU的定时器T0实现中断,在T0中断时启动ADC转换,在转换完成时进入ADC中断读取数据,如图4所示。T0中断内涉及到信号大小通道的切换问题,当信号数据大于设定的通道切换值时进行通道切换,但是这样会造成数据的瞬变效应,影响采样数据的精度,为了解决这个问题,利用磁阻特性曲线的原理,让大小通道的切换有一个数据叠加区域,这样数据过渡就比较平滑,避免数据的瞬变效应。
4 采样数据的软件处理
采样到的数据必须经过软件处理,乘以设计的理论系数才能得到需要的测试电流。根据ADC模块的转换特性和设计的要求精度,ADC转换参数设计为:1个信号周期20 ms内采样64个点,一次采样全部通道,采用真有效值算法,这样可以保证采样数据的同步性,更利于谐波抗干扰的处理判断。
根据周期性连续函数有效值的定义,电流的有效值表达式为:
上式中,T为电流的周期。将这个函数离散化,可以得到电流有效值的离散表达式:
其中N=64为每周波采样点数,i(k)为电流的离散采样值。这样采到的电流能真实地反映电网电流参数的变化,具有很高的精度。为了得到理想的设计精度,需要采用如下的方法进行处理[5]:
(1)限幅滤波法。根据设计经验和理论数据进行判断,确定两次采样允许的最大偏差值,每次检测到新值时作判断,如果本次值与上次值之差小于设计的最大偏差值,则本次采样值有效;如果本次值与上次值之差大于设计的最大偏差值,则本次采样值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。这种方法的优点是能有效克服因偶然因素引起的脉冲干扰,特别适用于脱扣器瞬时保护特性的判断,提高瞬时动作的可靠性。
(2)递推平均滤波法。将采样到的连续数据取N个排成一个队列,队列的长度固定为N,每次采样到一个新数据放入队尾,并扔掉原来队首的一个数据(先进先出原则)。把队列中的N个数据进行算术平均运算,就可获得新的滤波结果。优点是对周期性干扰有良好的抑制作用,平滑度高,能解决信号通道纹波干扰大的问题。
(3)非线性修正。运用以上方法虽然可以克服单点间的干扰误差,但却无法克服由于Rogowski线圈加工生产工艺达不到理想条件和信号变换电路自身参数变化引起的线性度差的问题。按照理论设计的理想状态,测量通道信号在整个测量范围内,应该是一条理想的直线,实际却无法做到,会出现下端小信号时数据上扬偏大,而在上端大信号时数据下垂,偏离理论的设计曲线,如图5所示。
非线性误差修正方法主要有线性插值法,可以实现实际曲线与理论曲线的拟合。线性插值的方法如下,对于值介于两个校准点之间时,可以按最邻近的一个值或去查找对应的值,作为最后的结果。利用分段直线拟合来提高准确度,最简单的是线性内插。
表2是在小信号时实测的数据。通过分析可见小信号时数据曲线上扬,误差较大,需要修正。
当标准大电流发生器输出电流为y i
由此公式可以得出每段的修正值,这样一来就可以得到修正后任一点的值,用线性插值法结合曲线拟合技术可以实现自动修正,从而保证整个范围采样的线性度要求,满足了设计精度。
5 结语
通过采用以上介绍的软硬件结合的处理方法,提高了脱扣器的电流测量精度和保护动作控制功能的准确性,很好地满足了市场用户对高性能智能脱扣器的要求。
摘要：智能脱扣器的电流测量采用的是基于茹可夫斯基(Rogowski)线圈的电流互感器。介绍了Rogowski线圈的工作原理和信号变换电路的设计,给出了ADC采样的中断流程图和采样数据的修正方法,提高了脱扣器的电流测量精度和保护动作控制功能的准确性,满足了用户对高性能智能脱扣器的要求。
关键词：茹可夫斯基线圈,智能脱扣器,高精度电流测量,信号变换
参考文献
[1]何瑞华,尹天文.我国低压电器行业现状与发展趋向[J].低压电器,2004(1):3-7.
[2]朱志杰,朱健,车琳娜,等.基于Rogowski线圈的交流电流测量[J].低压电器,2004(3):45-49.
[3]廖京生,郭晓华.用于小电流测量的Rogowski线圈电流互感器[J].电力系统自动化,2003,27(2)56-59.
[4]张辉,陈粤初.Motorola单片机应用技术[M].北京北京航空航天大学出版社,2000.
智能测量 篇5
关键词：电量检测,MSP430F149单片机,ZigBee,超低功耗
随着信息时代的来临,如何更高效地利用能源、节约能源,在全球范围内被给予了越来越多的关注,电力行业正面临着诸多新挑战。而智能建筑(Intelligent Building)作为时代的产物,既是高科技与现代建筑艺术的巧妙集成,也是综合经济实力的象征,必将是未来发展的潮流。同时,智能电网作为智能建筑必不可少的一部分,为顺应电力发展趋势,智能电网必将掀起一番新浪潮。智能电网是以传统电网为基础,融合计算机、通信、传感等多种技术于一身的新型电网,具有数字化、自动化、信息化和互动化等基本特。随着微电子技术和超大规模集成电路的迅速发展,电量检测由传统的基于常规电子线路的仪器仪表发展为基于各种微处理器、微控制器的智能化测量控制仪表。
大型公共建筑能耗检测与控制系统以坚强智能电网为基础,物联网技术为依托,涵盖适合家庭使用的智能终端、智能插座、智能开关、家庭网络通讯设备、智能家用电器等设备;支持智能家用电器及智能家居的全面集成。可远程监测每个用电器的用电量、用电功率,可对各个用电器远程控制,可以采集环境等各种外界因素,按预定的方案控制用电器运转。有效提高人们的生活质量,使人们更智能、更高效的用电。电量测量功能是智能用电基础数据获得的必然依托,本文将对电量测量功能的设计和实现做详细分析和介绍。
1 总体设计
在系统的设计工作中,首先应该结合具体的应用,综合考虑系统对成本、功耗、可靠性、可扩展性、开发周期等各个方面的要求,确定系统的主控器件,并以之为核心搭建系统硬件平台,然后根据具体的应用确定系统的硬件选型和软件开发模式。在电量检测系统设计中,以MSP430F149 单片机为控制核心,实现整体控制功能,包括输入输出、信号比较等;运用Zig Bee技术, 并以TI/Chipcon公司的无线芯片CC2530 作为Zigbee主控制器,其8051 内核经过特别设计,可以同2.4GHz的Zig Bee无线收发电路完美地配合工作,有效消除了以往数字电路对高频通信的影响,从而实现数据的无线传输,采用带串行接口和脉冲输出的高精度有功和视在能量计量的ADE7753 电能测量集成电路实现电压电流信号的采集输入、功率计算以及脉冲输出,并将时间及采集参数信息显示在液晶显示器上,同时以TCP/IP网络技术为依托,实现真正意义上的家居无线性和远程控制的智能化。系统总体框图如图1 所示。
2 主控制器模块设计
美国TI(德州仪器)公司的MSP430 系列微控制器,是一种16 位超低功耗的混合信号处理器,具有强大的处理能力、高性能模拟技术、丰富的片上外围模块以及方便高效的开发环境。MSP430F149 最小系统包括电源电路、复位电路、晶体振荡电路及简易仿真器JATG下载线。MSP430F149 微处理器最小系统电气原理图如图2 所示。在晶体连接中,XIN和XOUT之间的低速晶体采用32768HZ的手表晶体,X2IN和X2OUT之间采用8MHZ的高速晶体;简易仿真器JATG电路与电路板的连接采用14针的P1连接器。
3 电量检测模块设计
3.1 ADE7753 电量检测芯片
ADE7753 是ADI公司一款功能先进的电能计量片上系统(SOC)芯片。ADE7753 内部集成了二阶 Σ- △ ADCs、一个数字积分器(在电流通道上)、一个参考电压源和一个温度传感器,能对电压、电流有效值(RMS)计算,可进行有功、无功和视在功率测量。特别是其片内数字积分器具有-20d B/dec的衰减和约-90o的相移,其相频响应和幅频响应较为理想。数字积分器提供直接接口到微分电流传感,省去了外部的模拟积分器,既保证了长时间稳定性,又与高精度的电压、电流通道相位匹配。
ADE7753 具有实用的电量监测、计量功能。ADE7753 包含一个至少保持若干秒满负载累积功率的有功电能寄存器、视在电能寄存器和电压、电流有效值,可通过串行口读得ADE7753 的数据。它同时提供一个与有功能量成比例的脉冲输出(CF). 除了有效值计算、有功和视在能量的信息外,ADE7753 提供一个有符号的无功能量信息和各种各样的系统校准特点,如通道偏置校准、相位校准和能量校准。它还集成了一个检测线电压高低跌落的检测电路,可提前发出掉电和过压预警。
ADE7753 具有可选正的累积模式,这样仅当检测到正能量时才进行能量的累积。当空载时,内部空载门限确保ADE7753 没有输出。过零输出(ZX)产生与线电压过零同步的输出信号,ZX信号可用来测量线电压周期,它还用于芯片内部有功能量和视在能量的周期校准模式。这就能更快、更精确地校准能量计算结果。该信号也可以用于与线电压过零同步来切换继电器,防止拉弧。
ADE7753 电路将采样的的电流电压模拟信号数字化,电流通道中高通滤波器(HPF) 滤掉了输入信号中的直流成分,通过数字积分器还原成电流信号。电压信号送入电压通道,经模/ 数转换和相位校正后与电流信号相乘即可得到视在功率。电压和电流的有效值相乘获得有功功率。有功功率信号通过数/ 频转换由CF脚输出;同时,与电压信号、电流信号、视在功率信号一起送入ADE7753 的寄存器,与串行接口经DOUT脚输出并连接到单片机的I/O口。这样不仅可以检测出各项参数,而且还可以获得更高的精度。这对提高整个系统的精度等级是很有意义的。
3.2 ADE7753 电量检测电气原理图
实际使用时,先通过一个600 K和一个1 K固定电阻进行分压,得到400 m V左右的电压采样信号,再送给ADE7753进行A/D转换。而来自互感器的信号是电流形式的,需要经过电阻转换为电压形式的信号送入ADE7753 的电流测量通道。ADE7753 的串口与MSP430 单片机I/O口相连。当系统加电或复位时,置CS为有效低电平,同时通过串口的DIN脚向ADE7753 写入寄存器命令字,确定其工作模式。电子式互感器传感头输出的被测电流信号从V1P/V1N端口送入V1 通道,电压信号从V2P端口送入V2 通道,通过可编程增益放大器(PGA)放大接入ADC,通过后续处理后输入串行接口。当R10 阻值为10 欧时通道一增益为1;其中通道二增益为1。其外围电路设计如图3 所示。
电压通道V2 以零线为基准,用一个电阻分压器R13 和R14 完成仪表的电压输入校准。
3.3 ADE7753 电量检测方法
MCU在内部定时器设定的积分时间内对P5.7 端口进行计数, 平均功率正比于平均频率, 由下式确定:
在一个积分周期内消耗的电能为:
ADE7753 电量检测信号流向框图如图4 所示。
ADE7755 将数字化的电流和电压信号直接相乘,得到瞬时功率信号。其计算公式如为:
ADE7755 的低频输出是通过对上述有功功率信息的累计产生,即在两个输出脉冲之间经过长时间的累加,因此输出频率正比于平均有功功率。当这个平均有功功率信息进一步被累加(如通过计数器累加),就能获得电能计量信息。
4 结论
智能测量 篇6
随着飞机零部件朝着尺寸大型化、型面复杂化、制造精密化方向发展,航空企业对型面三维测量技术提出了一系列新的要求,尤其要求能够适应不同尺寸部件和大型型面的非接触式、现场在位测量。当前针对飞机大部件三维测量采用的设备主要包括大型龙门式三坐标测量机、激光扫描仪、机器人关节臂及激光跟踪仪等[1,2]。龙门式三坐标测量机测量精度高,但体积庞大、灵活性差、测量范围有限,不适宜用于主机厂测量现场,难以满足飞机大尺寸结构件的测量要求;激光扫描仪为非接触式测量,测量效率高,但其运动精度依靠安装此扫描仪的机床的传动精度,测量精度受限于配套的机械装置,无法满足飞机部件高精度测量的需求;机器人关节臂具有测量精度高、移动灵活和测量柔性好等特点,可以实现飞机复杂曲面上某些其他方法难以测量的点的测量,但其测量过程需借助人工辅以夹具,测量效率低,人工劳动量大;迅速发展的激光跟踪仪三维数字化测量技术,作为一种非接触式测量工具给制造业带来很多新的变化与便捷,但其通过人工手持靶标对点进行逐个测量的方式,在一些测量线、飞机大型复杂曲面等的测量中[3,4,5],不仅测量效率低,而且受持靶人工劳动强度影响,靶标放置精度不高。因此,对新型便携、成本低廉、测量精度及测量效率高的三维测量技术的研发就显得愈来愈迫切。
基于上述测量需求,本文提出一种基于激光跟踪仪的新型飞机大部件智能三坐标辅助测量技术,该技术集数据提取技术、离线编程技术[6]、数据通讯技术、控制技术于一体,不仅克服了大型龙门式三坐标测量机测量范围小、便携性差、自动化测量程度低的不足,而且很好地继承了激光跟踪仪测量精度高的优点,具有较高的实用价值。
1系统组成及工作原理
1.1系统组成
该测量系统主要由计算机控制系统、激光跟踪仪、直角三坐标伺服机构、末端执行器、导航小车5个部分组成。直角三坐标伺服机构由滑台、进给机构和立柱组成,可实现沿X方向、Y方向、Z方向的三维运动,另外,在3个方向上分别安装有两个限位开关和一个复位开关,限位开关用于控制三轴行程,复位开关用于控制三轴复位。末端执行器上装有夹持靶标的夹持机构及其防护装置、弹簧、接近开关和限位开关。其中,弹簧在靶标接触产品时起缓冲作用;接近开关在靶标接触待测产品时触发判断信号;限位开关在测量过程中防止进给机构进给过量致靶标损伤产品。为了避免激光跟踪仪因机构本身的遮光而出现的断光现象,整个进给装置在X方向为一活动装置,该装置可以根据实际需要自行调节到合适位置,同时夹持机构呈弧状向Y轴负方向偏置。整个直角三坐标伺服机构的运动靠导航小车平台实现,并依托其实现站位与站位之间的移动以扩展测量范围,测量系统组成如图1所示。
1.2工作原理
智能三坐标辅助测量技术工作原理是:根据产品CAD模型提取待测产品数据[7],对导航小车与直角三坐标伺服机构进行任务规划与优化,生成相应的NC代码,导航小车运动到位后,真空吸盘将其吸附在地面上防止测量过程中小车移动;测量时,控制直角三坐标伺服机构运动使靶标接触产品,此时弹簧被压缩,接近开关发出信号使激光跟踪仪进行数据测量与存储,同时通过激光跟踪仪实时反馈靶标位置以补偿靶标放置误差;当该点数据测量完成后,进给机构自动退回然后进行下一点位的测量,直至该站位的测量工作全部完成;导航小车通过识别不同站位上的NC代码,实现测量机构在站位与站位之间的移动。测量工作流程如图2所示,图中的N表示站位数。
2坐标系转换
本文提出的基于激光跟踪仪的飞机大部件智能三坐标辅助测量技术涉及3个坐标系对象,即激光跟踪仪测量坐标系P(L)、产品坐标系P(P)和直角三坐标伺服机构坐标系P(T)。激光跟踪仪测量的数据是相对于自身坐标系下的坐标,离线编程提取的数据是相对于产品坐标系下的数据,整个系统是以直角三坐标伺服机构坐标系下的数据为基准进行控制的。因此,为了满足测量需求,需要统一大尺寸三维测量过程中各个对象坐标系。
2.1坐标转换算法
采用Bursa坐标转换模型[8,9],通过构建一系列具有一定位置关系的公共点,将其映射到2个坐标系下,然后通过坐标转换,实现坐标系的转换和统一。2个空间直角坐标转换通常含有7个转换参数,即3个平移参数Δx、Δy、Δz,3个旋转参数、θ、φ,1个尺寸缩放因子ε[10]。一般来说,有3个公共点就可以求得7个转换参数,但由于公共点在2个坐标系中的坐标都受到随机误差或其他系统误差的影响,通常采用7个及以上的公共点组成超定方程,利用非线性最小二乘法进行求解。由三维直角坐标转换的布尔莎(Bursa)模型表达式为
式中,R为旋转矩阵;ΔP为平移矩阵;ε为尺度缩放因子。
将式(1)展开可得
式中,x1 ~ x7为求解的7个转换参数;m为3倍的公共点数。
式(2)超定方程的求解过程如下:
取二次泛函函数为
则函数μ(x)的极小点x* 就是超定方程组的最小二乘解,其表达式为
求解非线性超定方程组f(x)=0的问题从而转化成求多元函数μ(x)的极小值问题,由极值存在的必要条件,若f(x)在定义域可微,令μ(x)的梯度函数ρ(x)= ▽μ(x)=0,则有
Guass-Newton算法的计算模型表达式为
将函数f(x)在xk点进行泰 勒展开,则有f(x)≈Df(xk)(x-xk)-f(xk),将其代入式(5)可得
根据式(8)选取初始值进行迭代,迭代过程直至相邻7个参数向量差的范数小于某阈值时停止,此时结果即为最小二乘法则下的最优解。
2.2坐标系统一
以某主机厂X型号垂尾为测量平台,以该产品设计及制造部门提供的工艺孔在产品坐标系下的坐标为依据,采用激光跟踪仪分别测量其中7个工艺孔在激光跟踪仪坐标系下的坐标,通过上述坐标转换方法求取产品坐标系与激光跟踪仪坐标系之间的转换参数,使测量过程中激光跟踪仪的示值为产品坐标系下的数据坐标。
当控制测量机构到位后,将直角三坐标伺服机构复位。以复位点为坐标原点,精确控制直角三坐标伺服机构运动到空间7个已知位置,用激光跟踪仪分别测量每个空间位置在产品坐标系下的坐标,采用上述坐标转换方法求取产品坐标系与直角三坐标伺服机构坐标系之间的转换参数。
3导航小车与直角三坐标伺服机构任务规划
导航小车与直角三坐标伺服机构任务规划是离线编程系统的重要组成部分,是实现大尺寸三维自动化测量的关键环节。借助直角三坐标伺服机构及导航小车实现对产品外形的三维连续自动化测量,可视为离线点位测量,鉴于直角三坐标伺服机构的空行程时间对测量效率影响较大,同时合理规划导航小车在站位与站位之间的移动也是提高测量效率的有效方法,本文首先对导航小车在不同站位上的测量区域进行任务规划,然后采用遗传-蚁群的混合优化算法[11,12],对不同站位上的直角三坐标伺服机构路径优化问题进行求解,最终完善测量NC程序。
3.1数据提取
根据待测产品测量规范要求,提取产品测量数据[13]。所提取的待测产品几何数据包括:产品表面点的三维坐标X、Y、Z以及该点处外法向矢量信息。
(1)待测产品偏置变换。由于在测量过程中并非靶标中心接触待测产品,因此需要对所提取的数据沿产品外法向方向做偏置处理。设产品任一点坐标为(x,y,z),外法向矢量为(dx,dy,dz),产品偏置靶标半径为r,经过偏置后点的坐标值(x′,y′,z′)为
(2)点位坐标转换。由于所提取的数据是相对于产品坐标系P(P)的,而测量机构的参考坐标系是直角三坐标伺服机构坐标系P(T)。因此,需要将提取的 点位转化 到P(T)下,根据P(T)=RP(P)+ΔP即可完成转换。其中,R、ΔP为2.2节求取的产品坐标系P(P)与直角三坐标伺服机构坐标系P(T)之间的旋转参数和平移参数,P(P)为转换前的坐标 (x′,y′,z′)(T),P(T)为转换后 的坐标(x″,y″,z″)(T)。
3.2导航小车与直角三坐标伺服机构任务规划
3.2.1问题描述
直角三坐标伺服机构任务规划的实质是寻求一种最优的测量序列并使总行程最短的过程,即指导航小车在每一个站位上的测量机构从初始位置原点出发,完成对待测产品所有点位的测量再回到初始位置时形成的空间路径最短。目前较为常用的方法是将全局路径规划转化为图论中的旅行商问题(TSP)进行求解[14,15]。
将产品待测量点i的位置坐 标记为 (xi,yi,zi),点i与点j之间的距离记为d(ci,cj),pi 表示第i个测量点位。假设共有n个测量点,以自然数子集{1,2,…,n}进行编号,测量路径的全局优化结果就是寻找自然数子集{1,2,…,n}的一个排列R = {P1,P2,…,Pn},以直角三坐标伺服机构移动路径最短为评价标准,即
3.2.2导航小车与 直角三坐 标伺服机 构任务规划
(1)导航小车与直角三坐标伺服机构任务规划。由于直角三坐标伺服机构在导航小车上的行程有限,为了扩展测量机构的工作范围,在进行大曲面三维测量时需要控制导航小车在站位与站位之间的移动,并尽量减少导航小车往返运动次数,以保证系统运行效率。
设直角三坐标伺服机构在导航小车上沿X向的行程为L,即站位与站位之间的距离为L,设第一个站位坐标为S0= (x0,y0,z0),则第i个站位的坐标为
直角三坐标伺服机构在第i站位的实际工作区域为
通过遍历3.1节中经过坐标转换后的坐标,按照式(12)中不同站位工作区域将各点坐标顺序划分到不同站位,完成导航小车在不同站位上的数据规划[16,17]。
为了寻求直角三坐标伺服机构在不同站位上进行测量的最优路径,鉴于遗传算法全局寻优能力差、蚁群算法搜索初期信息素匮乏而存在搜索初期信息素积累时间较长、求解速度慢的缺陷,本文采用遗传 -蚁群混合优化算法进行路径寻优。首先利用遗传算法的随机搜索功能和其全局收敛性快速产生最短路径的初始解,并将其转化为蚁群算法的初始信息素分布,然后利用蚁群算法的并行性和正反馈机制以及求解效率高等特点寻求最优解[18]。遗传 -蚁群混合寻优方式,能有效减少蚁群算法的搜索时间,提高其整体求解速率和保证所得解为全局最优。图3为本文所采用的遗传 -蚁群混合优化算法的主要流程图,图中NG表示遗传迭代次数,NGmax表示遗传算法的最大迭代次数,即种群的最大繁殖次数;NA表示蚁群迭代次数,NAmax表示蚁群算法的最大迭代次数,即蚂蚁遍历所有节点的最大次数。
为验证任务规划的效果,现从曲面上随机选取60个特征点进行验证。不同站位测量区域用不同颜色的点表示,空心圆表示起始点,黑色十字表示终点。仿真参数设置为:种群规模m =100,交叉概率Pc=0.7,变异概率Pm=0.1,信息素浓度比重γ=1.0,可见度比重ε=5.0,信息强度Q =100,信息素局部与全局挥发系数ρ =θ =0.5,根据经验和试算,结合种群规模,设定NGmax= 1000,NAmax=10。所得优 化路径总 长度为16016mm,仿真结果如图4所示。
4测量实例与分析
为了验证上述算法的可行性,以某主机厂X型号垂尾上12个点为测量对象进行了测试,测量结果如表1所示。实验结果表明,沿X、Y、Z3个方向上直角三坐标伺服机构的平均定位误差分别为X= 0.2343mm,Y= 0.0266mm,Z=0.0589mm。由于直角三坐标伺服机构的总质量主要集中在X向滑台上,同时沿Z向移动的机构质量比沿Y向移动的机构质量大,因此X向定位误差最大,Z向定位误差大于Y向定位误差。相较于激光跟踪仪人工手持靶标进行点位测量,本实验所采取的测量方案的靶标放置误差小、测量效率高,在很大程度上减少了人工劳动量及劳动强度,靶标放置精度及测量效率评估如表2所示。
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5结论
(1)以夹持有靶标的直角三坐标伺服机构为测量机构,以导航小车为测量机构的移动平台,通过激光跟踪仪实时反馈靶标位置进行误差补偿,实现测量过程的闭环控制,提高了靶标放置精度,扩展了测量范围,很好地解决了传统大尺寸三维测量过程中测量精度低、测量范围有限的缺陷。
(2)采用遗传-蚁群混合优化算法对导航小车与直角三坐标伺服机构进行任务规划,缩短了测量机构空间路径空行程时间,提高了工作效率,实现了测量系统的自动化。
智能测量 篇7
眼球生物测量(Ocular Biometry)具有重要的临床意义[1]。眼球结构的准确数据对分析屈光不正的原因以及进行适当治疗提供了依据;在白内障病人的晶体摘除联合人工晶体植入手术前也必须进行眼球生物测量,据此选择正确的人工晶体,保证术后视力的恢复[2,3]。
眼的生物测量通常有光学和A型超声(A-scan ultrasonography,简称A超)两种方法,由于A超具有方便,经济等优点,被临床普遍应用[4]。尤其对于高度白内障病人,光学设备失去作用,超声是生物测量的唯一方法。
传统的眼科A超设备是集成了数据采集、波形显示、数据分析计算及存储的一体化专用设备,有些还和眼科B型成像仪集成在一个设备中。
随着智能手机和平板电脑的功能日益强大,其功能渐渐超越其原先的范围,正在演变成通用的移动计算平台。智能移动设备不仅具备移动通信能力,而且小巧便携,通常具有高分辨率显示屏,方便的人机界面,通用的信号传入接口以及强大的数据处理能力。把测量型设备的信号获取和转换部分独立出来,利用移动设备作为控制、处理、通信和图像图形显示平台,可以方便增强设备功能,显著减小整机体积,降低成本,基于移动平台的医疗设备越来越显示出其价值[5,6]。
本文提出并实现了一种基于智能移动设备的A超眼球生物测量系统,该系统的超声发射和接收电路构成数据采集模块,该模块独立可穿戴,智能移动设备与数据采集模块通过蓝牙通信接口交互,移动设备控制数据采集模块工作,同时显示并分析处理数据采集模块传送的回波信号。
1 系统构成
一个基于移动平台操作系统的应用程序运行在智能移动设备上,应用程序通过蓝牙向数据采集模块发出采集指令,采集模块驱动探头工作采集到眼球回波信号并由采集模块上的电路放大,模数转换后通过蓝牙发出,软件端实时地把收到的回波数据以一维图像的形式予以显示并进行分析处理,将符合眼球各结构判别条件的回波计算出眼轴各结构长度,数据保存在移动设备本地,并可通过网络将数据上传到指定服务器备份保存,以备日后其他眼科疾病诊断和治疗的需要。系统整体架构如图1所示。
1.1 A型超声测厚原理
超声波在传播过程中当遇到由不同声阻抗的介质构成的界面时会发生反射回波。A超扫描用幅值的高低来表示回波的强弱,扫描时A超探头对准眼轴后固定不动,发出超声束,超声束每遇到一个界面产生一个回波,根据两个回波之间的时间间隔t和超声在介质中传播速度c可得对应两个界面之间的距离d:
A超波形就是回波处理后以幅值的形式按接收到的时间顺序显示出来的沿着声束方向的一维空间的波形图[7]。对于正常眼(结构简图如图2所示)眼轴进行A超测量得到的回波图通常如图3所示,由图可知超声在角膜、晶状体前后沿以及视网膜等处均有回波产生,角膜到视网膜之间的距离即为眼轴长度,包括前房深度、晶状体厚度以及玻璃体长度[8]。具体到本系统中,由于移动端显示的A超图像是数据采集模块对回波进行采样得到的采样点数据,则根据A/D采样频率f,两个回波之间的采样点数n,可以得到两个回波之间的距离即对应眼球结构的长度d。
1.2 数据采集模块
数据采集模块由超声探头、超声发射/接收电路(Rx/Tx)、模数转换器(A/D)、幅度检测电路、时间增益补偿放大器(TGC)、控制器、蓝牙通信接口以及电源组成。该模块采用FPGA作为主控制器,控制探头的工作、回波的采集以及与移动设备的通信。控制器通过持续监听蓝牙模块,当判断蓝牙模块收到移动端传来的工作指令时,立即发出触发脉冲触发超声发射电路发出高压脉冲,驱动探头发出超声波。超声接收电路将探头收到的回波信号转化为电信号,A/D采样后通过蓝牙接口发送给移动端。蓝牙接口采用HC-05嵌入式蓝牙串口通讯模块,与控制器通过串行接口连接,连接前利用T命令将蓝牙模块设置为从模式,即可被其他蓝牙设备被动连接,考虑到串口通信的速度限制,蓝牙模块传输速率设为115200bit/s。
1.3 智能移动设备软件端
基于智能移动设备的软件端是整个系统的控制与运算中心,本系统在实现时,选用普及程度最高的移动设备即智能手机作为测量软件的载体,手机端操作系统为智能移动平台上使用最广泛的Android操作系统。利用手机自带的蓝牙接口和数据采集模块通信。借助Wi-Fi、3G等无线网络,手机本地数据可以上传远端服务器,实现数据的备份存储。软件端的主要工作流程如图4所示。
2 眼球生物测量软件设计
2.1 Android软件开发环境
采用Google在2013年推出的专为Android应用开发设计的集成开发环境Android Studio来开发手机端的眼球生物测量软件,Android Studio基于Intelli J IDEA.,集成了Android SDK、ADT插件等Android开发工具用于开发和调试。与广泛使用的Eclipse集成开发环境相比,Android Studio在开发和测试过程中更快捷与智能化。
2.2 软件功能模块
如图5所示,基于Android Studio开发的眼球生物测量软件由通信控制、眼球回波显示、眼球回波分析、IOL计算器、用户管理这五大模块组成。
2.2.1 通信控制模块
由蓝牙通信和网络通信子模块构成。蓝牙通信负责手机端与数据采集模块的交互,而网络通信模块负责手机端与服务器之间的通信。
蓝牙通信:在进入眼轴测量主界面(如图6所示)时,程序首先利用Android提供的蓝牙相关API完成蓝牙的打开、搜索以及与数据采集模块蓝牙端的连接,最终通过Bluetoothsocket类建立蓝牙套接字即与采集端蓝牙的连接点。按下主界面的扫描按钮,则定时器工作,每单位时间通过套接字的get Output Stream()方法向数据采集模块发送工作指令,并通过套接字的getlnput Stream0方法读取采集端发回的回波数据。
网络通信:手机端可以利用Wi-Fi或者GPRS网络实现与指定远程服务器的通信,考虑到通信费用问题,程序中优先使用Wi-Fi连接。在数据回顾界面点击操作栏中的数据上传按钮,则利用Android提供的相应API开启建立Wi-Fi或GPRS连接,利用Http Client类建立与远程服务器的连接,通过HT-TPPOST类发送数据。
2.2.2 眼球回波显示模块
回波显示模块负责实时显示蓝牙模块获取的回波数据。Android中View类是所有图形控件的基类,图形控件的显示绘制是通过重写View类的onDraw()函数实现的,此函数在控件被创建时由UI线程中自动调用。因此可以通过继承View类自定义一个显示控件,在on Draw()函数中,利用“画布”即Canvas类对象上实现眼球回波显示所需的坐标、阈值线、波形的绘制。通过post Invalidate()函数通知UI线程重新调用on Draw()函数来刷新界面显示,从而达到当蓝牙通信模块收到一次完整的回波数据时回波显示也更新的效果。
2.2.3 眼球回波分析模块
由参数配置和波形分析两个子模块构成。
参数配置:参数配置提供眼球生物测量各类参数的选择与配置,主要有测量模式(浸润式和接触式)、分析模式(自动式和手动式)、眼球类型选择等参数。在眼轴测量界面,通过Android提供的Button按钮类实现测量模式与分析模式的切换,借助Spinner下拉列表类实现多种眼球类型的选择,当选择“自定义眼”项时,自定义的Dialog对话框显示,在其中可自定义眼球各结构的速度,保证眼球生物测量的准确性。
波形分析:主要分析回波是否符合眼球各结构界面判别条件,若符合计算出各结构长度。眼轴测量的准确性在于眼球各结构位置的判断,其中超声入射波与眼轴的对准情况是关键。当入射波基本与眼轴对准时,回波与入射波沿同一路径返回,探头接收到全部的回波,则回波强且上升沿非常陡峭,但当探头与眼轴未对准即有一定角度偏差时,则回波返回路径偏离入射波路径,探头接收不到全部回波,偏差角度越大,探头得到的回波越弱,回波上升沿陡峭程度也会降低[9]。因此可以利用各回波的幅值以及回波上升沿的斜率作为判别条件来判定入射波即探头与眼轴的对准情况,进而也确定了各回波的具体位置。具体实现中,还需对照参数配置子模块中设置的测量模式和眼球类型选择等参数来进一步细化各结构判别条件,最终计算出眼轴长度。通过眼轴测量界面导航栏的“数据查看”选项,可以列出当前病人所测的所有数据的界面如图7所示,数据以Listview列表的形式展示,通过点击列表项可以查看具体波形如图8所示。
2.2.4 IOL计算器模块
提供人工晶状体(IOL)计算所需的眼轴长度、角膜曲率等眼球参数以及人工晶体参数的输入,提供六种人工晶体计算公式选择,即S.R.K-Ⅱ、S.R.K-T、BINKHORST-Ⅱ、HOLLADAY、HOFFER-Q和HAIGIS,程序将输入得到的各参数带入所选的公式,最终可计算出人工晶体度数以及其他相关数据。此模块可直接当计算器独立调用,也可以从眼球分析模块进入使用已经测得的眼轴长度参数。
2.2.5 病人信息管理模块
主要包括新建病人和数据保存、病人数据回顾三部分。此模块借助Android提供的轻量级SQLite数据库来存储和管理病人信息。借助SQLite OpenHelper类实现对数据库的基本操作。根据病人信息类别建立了三个数据表,即病人基本信息表、病人眼轴数据表、病人IOL数据表,三个表均以创建病人的时间作为主键即唯一标识码。数据以JSON格式存储,方便与服务器端进行数据传输。
新建病人:选择眼轴测量主界面操作栏中的“新建病人”按键将显示自定义的Dialog,在其中输入病人姓名、年龄、性别这些信息后,点击确认按钮将调用SQLite Open Helper类的get Writable Database()方法把此组病人信息加入病人基本信息表中,并且显示、存储数据的相关对象都将初始化为接收显示病人眼轴数据等信息做准备。
数据保存:指的是病人眼轴数据信息和IOL数据信息的保存,通过相关显示界面对应的Activity进入“暂停”状态时检查数据有无保存,若未保存则调用get Writable Database()方法将对应信息写入对应数据表,以此来实现数据的自动保存。同时也提供数据的手动保存,即通过相应界面操作栏的保存按钮调用get Writable Database()方法。
病人数据回顾:通过功能导航界面(如图9所示)的数据回顾按钮触发按钮的监听器函On ClickListener(),借助Android的多功能通信工具Intent跳转到数据回顾界面。数据回顾界面利用Android提供的列表类Listview把数据库中的病人信息以列表的形式展现,如图10所示,点击某一列表项可查看具体数据。
3 实验和结果
为了对本系统测量准确性进行验证,针对同一超声体模,分别采用商用眼超仪(上海瑞影RU-1020CG)与本系统进行长度测量,测量采用同一A超探头,接触式测量方法。本体模包含三个反射面,模拟前房(AC)、晶状体(LEN)、玻璃体(VITR)三段距离,三者相加即为眼轴长度(AL)。本系统测量时,利用设备固定探头,使其端面垂直触及体模顶端平面。打开手机软件端,连上数据采集模块后,眼型选为自定义眼型,由于体模浸润在25.8摄氏度的水中,对应声速为1499m/s,则各结构声速均设为此速度。借助手动模式下的波形显示,调整增益和微调探头位置,使所有回波清晰陡峭且幅值接近饱和,此时切换到自动测量模式,回波分析模块自动识别各结构计算并显示结果,由于探头固定不动,得到十组一样数据。商用眼超仪测量步骤类似,最终也得到10组一样的试块各结构长度数据。两设备各取一组数,其值与对比情况如表1所示,实验结果表明本系统与商用眼超仪测量结果平均相对误差在1%左右,一致性好。
挑选三位志愿者,分别对应正常眼、老花眼和近视眼三种类型眼,采用本系统进行眼球生物测量,通过在体实验来检验系统的稳定性。三位志愿者除一位轻度近视(小于200度)、一位轻度远视(小于200度)外无其他眼部疾病。测量实验由同一人操作,测量前,用盐酸奥布卡因滴眼液对眼球进行表面麻醉,并对探头进行消毒。测量时,被测者取仰卧位,告知被测者始终注视探头中心的红灯,探头对准眼轴,端面轻触角膜表面。采用自动模式,合适增益下若不出数则微调探头,最终得到10组数据以及其平均值与方差。三位志愿者对应的手机软件端测量结果页显示如图11所示,以眼轴长度为例,正常眼、老花眼及近视眼的测量值分别为(24.54±0.03)mm、(23.49±0.03)mm和(25.88±0.08)mm,由图可知三种类型眼各结构长度10组测量值标准差均小于0.1,测量结果稳定性好。
4 结束语
本系统设计实现了基于移动计算平台的眼球的生物测量系统,借助蓝牙无线网络实现了数据采集与移动平台的分离,利用医师本身都有智能移动设备来处理眼球回波数据,大大降低了眼球生物测量的设备成本、增强了便携性。从实验来看,系统测量的准确性与传统A型超声仪相当,值得在实际使用中推广。A超设备的便携化将会为眼科医师为行动不便的老年人等群体开展白内障手术带来方便,也有利于对青少年群体的眼屈光普查。而对于一些医疗条件相对落后的国家和地区,医疗设备价格的下降也有利于提高其普及程度[10]。
摘要：眼球生物测量具有重要的临床意义,为了提高眼球生物测量设备的便携性与经济性,文中提出一种基于智能移动设备的A超眼球生物测量系统。该系统由数据采集模块和智能移动设备构成,两者通过蓝牙接口进行信息交互,数据采集模块用于发射超声和接收回波,智能移动设备用于显示和处理回波数据、整机控制及远程通信。体模实验和在体实验均表明,文中系统测量结果准确可靠,稳定性好。如果医师利用自带的智能移动设备,可以大大降低眼球生物测量的成本值得在临床推广。
关键词：生物测量,A型超声,智能移动设备
参考文献
[1]李宁,陈子林.眼轴的临床意义及测量方法新进展[J].医学综述,2014,20(10):1812-1814.
[2]牛露芳.白内障患者的发病年龄和治疗方法变化[J].河南外科学杂志,2012,18(1):82-83.
[3]叶剑,陈小璠.白内障手术现状及人工晶体研究进展[J].实用医院临床杂志,2005,2(4):13-14.
[4]杨青华,黄一飞.眼轴长度测量的研究进展[J].解放军医学院学报,2014,35(5):505-508.
[5]Wang H,Liu J.Mobile phone based health care technology[J].Recent Patents on Biomedical Engineering,2009,2(1):15-21.
[6]刘静,于洋,刘琳.手机平台上的生物医学工程[M].北京:科学出版社,2011.7-8.
[7]Byrne S F.A-scan axial eye length measurements:a handbook for IOL calculations[M].Grove Park Publishers,1995.
[8]杨文利,王宁利.眼超声诊断学[M].北京:科学技术文献出版社,2006.
[9]Byrne S F,Green R L.Ultrasound of the Eye and Orbit[M].St.Louis:Mosby,2002.