系统参数

系统参数（精选十篇）

系统参数 篇1

ZigBee具有低成本,低功耗,低复杂度以及自组网的特点,在物联网的数据传输中得到了广泛的应用。TI公司推出的CC2530芯片结合其推出的Z-STACK协议栈,在ZigBee应用中占有重要地位,设计使用CC2530作为ZigBee数据传输的芯片。使用ST公司最新推出的一款集成了以太网MAC层协议的STM32F107处理器,加上物理层DP83848芯片,实现了传感器数据同以太网数据服务器的数据传输。

1 总体方案

系统设计目标是将家庭或户外需要检测的环境参数信息进行采集,并发送到服务器上储存以便随时查看。如图1所示,系统主要包括3部分:(1)传感器节点。即获取各种环境参数数据并且将其传输到协调器的节点。(2)网关。接收传感器节点数据然后将其转发到以太网服务器。(3)网络数据管理。接收到网关发送来的数据,并储存到服务器数据库以供查询。

2 系统具体实现方案

2.1 传感节点设计

传感器节点用于接收环境参数监测传感器发送来的数据,进行初步处理后通过ZigBee网络发送到网关[2]。传感器节点模块如图2所示,主要包括供电装置,传感器和数据接收处理与通信3部分。

供电部分使用1 200 mA的可充电锂电池,在没有交流电的情况下,可以使用锂电池供电,使用时间长达15天,室内使用可以直接通过稳压电源接到220 V交流电,实现不间断供电。

系统使用的传感器包括温湿度传感器和可燃气体传感器。温湿度传感器使用的是SHT11[3],是由瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片,该芯片其特点有:高集成度体积小,采用两线串行接口方便各类单片机系统使用,测量精度高且可编程调节,内置A/D转换器;功耗低,平均功耗150 μW。温湿度传感器通信时钟线SCK与CC2530的P2.2管脚连接,数据线DATA与CC2530的P2.3管脚连接,通过CC2530软件模拟两线串行通信实现与SHT11的通信,模块连接图如图4所示。可燃气体传感器使用TGS813[4],是Figaro公司生产的宽范围可燃气体传感器,主要特点有:对多种气体敏感,如甲烷、一氧化碳、乙醇等多种气体具有较高的灵敏度、寿命长、工作电压范围宽(5～24 V)[5]。TGS813的简化设计图如图3所示,为简化设计将传感器供电端Vc与加热丝供电VH连接在一起用一个5 V电源供电。将处理后的TGS813模拟信号连接到CC2530的模拟数据采集端P0.6管脚,实现对于可燃气体浓度数据的采集,由于集成了温度和湿度传感器,所以可使用采集到的温湿度数据对可燃气体的浓度数据进行校正,从而得到更加准确的数据,与CC2530管脚连接如图4所示[6,7]。

数据处理以及通信使用TI公司的ZigBee芯片CC2530。CC2530是用于2.4 GHz IEEE802.15.4,ZigBee和RF4CE应用片上系统(SoC)解决方案。其结合了RF收发器的优良性能和业界标准的增强型8051 CPU。CC2530还具有不同的运行模式,使它适应超低功耗的应用需求,而且运行模式之间的转换速度快进一度减小了其功耗。在数据处理时使用CC2530自带的8051内核进行处理,然后进行数据发送。传感器节点在软件配置时配置成路由节点或终端节点[8]。

2.2 网关设计

网关用于接收传感器节点发送来的数据进行二次处理,然后将数据发送到网络服务器上。网关包括两部分:接收传感器数据部分、处理和发送数据到网络服务器部分。

接收传感器数据使用的是CC2530芯片,与STM32F107核心处理器通过串口进行数据交换连接方式如图5所示。在Z-STACK协议栈配置时将这个节点配置成协调器节点。协调器节点起到了网络组建以及接收节点网络发送来的数据的作用。

数据处理以及转发数据使用ST公司针对以太网推出的基于ARM Cortex-M3核的STM32F107作为主控芯片,最高工作频率为72 MHz、内置高速存储器,具有丰富的增强I/O端口和外设资源,其内部虽然包含了以太网MAC控制器,但并未提供物理层接口。设计使用的是DP83848作为物理层接口,其是美国国家半导体生产的10/100 Mbit·s-1以太网接口芯片,具有低功耗、性价比高及通用的网络接口。在STM32F107芯片上移植了LwIP网络协议栈,LwIP是瑞典计算机科学院的一个开源的TCP/IP协议栈实现,LwIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM 的占用,一般只需几百Byte的RAM和约40 kB的ROM就可运行,这使LwIP协议栈适合在低端的嵌入式系统中使用。STM32F107支持IEEE 802.3协议定义的两种标准接口,分别为默认的独立于介质的接口(MII)与精简的独立于介质的接口(RMII)[5]。为简化系统设计,这里使用的是MII,其与STM32F107的连接如图5所示,降低了端口设备硬件设计的复杂度。

2.3 网络数据管理

在连接Internet网络的服务器上建立数据库,将网关发送来的数据按照类别存储到数据库中,以便随时查询环境参数。数据服务器主要分3个模块:数据接收模块、数据处理模块和数据存储模块。数据接收模块,获取路由发送过来的数据,按照协议组成报文,通过Servlet技术与后台数据库建立连接,实时将数据包发送至数据服务器。数据处理模块,获取客户端发送的数据,将数据包按照协议解包,对数据进行格式化,并过滤掉异常的数据。数据存储模块,将格式化之后的数据储存至数据库,采用MySQL技术,支持多平台数据操作、方便查询。

3 结束语

环境作为人们生存的重要条件,了解和掌握它可使人们生活的更加安全、幸福。在物联网的大背景下,环境监测传感器网络也得以快速发展,环境监测传感器网络也将是未来传感器网络发展的重要方向。

参考文献

[1]常超,鲜晓东,胡颖.基于WSN的精准农业远程环境监测系统设计[J].传感技术学报,2011,24(6):879-883.

[2]张永梅,杨冲,马礼,等.一种低功耗的无线传感器网络节点设计方法[J].计算机工程,2012,38(3):71-73.

[3]冯达,余轩,黄景峰.单片数字式温湿度传感器SHT11的应用[J].电子产品世界,2011,18(12):44-46.

[4]郭伟伟,赵聪.基于TGS813的家用可燃气体泄漏报警装置的设计[J].现代电子技术,2009,32(24):177-179.

[5]于春雪.基于STM32F107的高速以太网接口设计与应用[J].电声技术,2011,35(9):63-67.

[6]吴光荣,,柳书涛,章剑雄.基于ZigBee的无线传感器网络数据管理平台[J].电子科技,2009,22(2):64-67.

[7]王中生,曹梅.基于ZigBee的串口监控软件设计与实现[J].电子设计工程,2011,19(14):13-15,19.

船舶电力系统基本参数 篇2

一、电流种类的选择

电流有直流和交流两种。早期船舶多采用直流电力系统。30年代开始在军用舰船上采用交流电制，以后逐渐推广到各种船舶，代形成电制更替高潮。然而舰船电力系统的电流种类，的限制，例如，采用蓄电池组为能源的常规潜艇，就很难推行交流电制；有较高调速要求的推进电力系统也往往采用直流电制。交流电站与直流电站相比，工作量比后者少得多；因为交流电动机没有整流子，结构简单、体积小、重量轻、运行可靠此外，交流动力网络与照明网络之间可通过变压器实现电气隔离。绝缘电阻低的照明电网基本上不影响动力电网。舶电气化程度的提高和系统容量的增长。简单，电动机起动时冲击小。可实现大范圈平滑调速机尤为有利)，蓄电池组充电毋须整流器等。然而，由于电力电子技术的发展，直流电制的优点越来越不明显，舶中占了主要地位。

二、电压等级

60-70仍然会受到舰船能源类型或某种条件前者设备成本和维护保养方面的费用及.鼠笼式电动机可以直接起动，控制设备少。50年 使(这对电动起货我国舰船在年代完成了向交流电制过渡。交流电制也有利于船直流电站的优点是调压并车交流电制在国内外各种船 确定电力系统及其负载的电压等级，是电力系统设计的一项重要内容。从减少导体电流的角度来看。提高电压是有利的，可以减小电器元件的导电截面，节约有色金属。如以电器在电压为127V时的重量为1，则当电压为220V、380V和500V时，电器的重量分别近似地等于0.58、0.33和0.25。

另一方面，电压的提高增加了电器灭弧的困难，为此对电气设备的绝缘和安全方面提出了更高的要求，需要加大灭弧间隙，器的重量、尺寸增大，故在电压高于600V时，其重量、尺寸减小很少。

目前世界各国对电压等级的考虑，主要与本国陆上电制的参数能统一。我国发电设备具有230V(单相)、400V(三相)的额定电压。欧盟从1992年起规定低压发电没备的额定电压只允许使用由于船舶容量的增加，提高电压是必然趋势。在一些大型船舶、工锉船舶及舰船上，电站容量已达20 000-40 000kW以上，单机功率达000-5 000kW,这时仍采用400V电压等级已成为不可能。因为当三相400V和Cos=0.8，发电机额定相电流为5 700A时，就需要截面为电缆18根并联运行，这是不合理的。此外，这样大的电流使开关保护电器复杂化。

船舶电站额定电压有向中压发展的趋势。国际电工委员会建议采用3.3kV电压；英美等国因为陆上有3.3，6.6kV电压等级，所以这些国家在巨型船舶上采用3.3，6.6kV；德国允许最高工作电源电压为11 000V。这是充分估计了船舶电压发展趋势的最高电压。我国电力

这样又使电230V/400V。3 推进系统最高允许电压规定直流为1 000V，交流为6 300V。英国“伊丽莎白皇后二世”号客轮(3台5 500kW主发电机)和我国500t浮吊船上已采用了3.3kV电压。

三、额定频率

船舶交流电力系统现行额定频率有工频和中频两种。工频是船舶动力电气设备使用的频率，按各国传统习惯，有国船舶与陆用电源一致。用60Hz。有些国家和地区如巴西、在一定范围内提高频率。设备自动化元件的重量和尺寸。部设备由中频发电机供电的可能。400Hz频率供电，我国舰船规范也推荐优先采用电源采用中频(1)减少电气设备重量。因为转速和拖动机械转速提高，如M=975P/n(P机绕组的导线因电流减小而其截面可以缩小。积可以减小。对于高速机械，因转矩小，其相应重量、体积也小压器、电抗器和电容器也因此而减小重量和尺寸。影响，频率提高到指标有些增加拖动机械的重量将减小到50Hz和60Hz两种50Hz的标准频率。美国、韩国等采用日本等采用50Hz和60Hz两种频率。可提高自动化系统动作的快速性。降低电气因此，船舶电力系统有采用中频或局近年来，国外有些军舰已开始采用400Hz频率。400Hz的优点是:

n=60f/a(a为磁极对数)。使发电机a=2,n=12 000r/min.而电机的电磁转矩)。当功率恒定时.M随着n的升高而减小，因而电动机的重量和体但由于集肤效应的400Hz.电缆、配电装置和电器元件的重量和尺寸.总的来说，频率提高到4001Hz，则电气设备和电动机60%。

.我电.变 为电磁功率(2)用静止整流器对直流用电设备供电时，滤波要求低。

(3)因短路电流近似与短路电路电抗成反比，电抗随着频率而增大。因此可限制短路电流，并改善装置安全工作条件。(4)动态性能好。因为负载控制线路的时间常数，T随f的提高而减小。使系统快速性增加，起动与发电机功率可比拟的异步电动机也快。电机的惯性常数量，n为转速)，当功率不变时，的12 000r/min(5)电动机在高频轻载时提高频率也会带来一些不利因素，如要求制造高速电机、电器、仪表和高速机械，交流阻抗增大，损耗增大。为了实现准同步并车，必须采用新型调速器和高速开关是现代舰船所不希望的

(C由50Hz的转速，高。

.中频电器、高速机械工作噪声较大，这,GD2为转子的飞轮惯

系统参数 篇3

關键词：：监测系统；Android系统；GPRS；蔬菜大棚；环境参数

中图分类号：TP273；S126文献标志码： A

文章编号：1002-1302（201412-0423-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-03-14

基金项目：广西高校科研项目（编号：2013LX233；广西高校优秀中青年骨干教师培养工程培养对象项目。

作者简介：黄莺（1980—，男，广西武宣人，硕士，副教授，研究领域为智能检测与控制技术、物联网技术。E-mail：huangying800816@163com。

我国的蔬菜大棚已经形成规模化和产业化，大棚管理水平直接影响着蔬菜的产量和质量，在生产过程中对大棚环境参数的监控具有重要的意义[1-2]。及时了解蔬菜大棚的温度、湿度、可燃气体浓度、火焰有无、CO2浓度、光照等数据信息是非常必要的，通过手工采集大棚中的环境参数数据费时费力。传统的有线监控方式操作复杂，不能满足实际的需要。目前基本上是通过人工干预的方式，对蔬菜大棚指定区域内的环境参数进行调控，使之适合所培养作物生长的需求。

传统的管理和监控过程中监测点都是有线接入，过程繁琐、建置和维护成本较高，系统的可扩展性和移动性较差[5-7]。无线传感器网络的数据采集系统可以实现对多个监测点的数据采集，采集后的数据通过无线收发模块传送到主控端[8-10]，以便能实时监测和更好管理。王建平等采用物联网技术和Internet技术实现温室大棚的智能化[11]。石建飞等以PLC为核心对育秧棚的空气温湿度、土壤温度、土壤水分等参数进行实时采集和监控，并利用无线通信方式把数据上传上位机，达到远程实时监控的目的[12]。

Android系统基于Linux内核，是一款先进的、流行的嵌入式操作系统。选择Android具有技术先进成熟、开发周期短、实用性强的特点，符合嵌入式发展方向，已广泛应用在各行业，同时Android系统本身支持众多的传感器，易于开发。随着智能手机的普及，并且有可能人手一台，网络覆盖广，不受距离限制[1，13]。陈刚阐述了在Android 驱动程序中对传感器数据进行转换的方法[14]，吴振深等设计了基于Android 智能手机的移动式环境监控系统[15]，郭志伟等利用GSM技术对农田气象信息进行远程监控[16]，徐巧年等设计了利用GSM无线传输技术的温室环境监测系统[17]。为了能够实时监测生产过程中大棚蔬菜环境数据信息，利用GSM网络覆盖面广，不受距离限制的特点，可以以短消息的方式实现实时无线通信[18-19]，因此使用当前的智能手机进行传感器数据收集及传输可以达到实时监控的目的。

为了解决生产过程中蔬菜大棚种植区域不集中、种植人员掌握科技能力欠缺、传统有线监控操作复杂组网困难、监控距离受限制、采集数据不科学和不准确的问题，设计了基于Android手机的蔬菜大棚环境参数监控系统，利用手机实现对蔬菜大棚环境参数监测、处理与控制。该系统可以实时检测蔬菜大棚中环境温度、湿度、光照强度、CO2 浓度、火焰参数以及人体感应检测，并与系统中预设的参数范围进行比较，如果超出范围，则发送相应命令到控制器模块自动打开控制设备，如灯光、风扇、加热器、加湿器等，使蔬菜大棚内的环境参数适合蔬菜生长。

1系统工作原理

监测系统由传感器终端节点、协调器、GPRS模块和 Android 监测软件组成。把传感器终端节点安装在需要采集数据的地方，对蔬菜大棚内的温度、湿度、可燃气体浓度、光照强度、CO2 浓度、火焰感测和人体感应进行监测，各个监测节点把采集的数据信息通过igBee无线传输技术传送到协调器，协调器通过串口通信与Android平板电脑或GPRS模块进行通信，发送到智能手机上；点击智能手机上的按钮，协调器传送命令到控制器，通过I/O口驱动继电器动作，控制机电设备工作状态。同时，在手机上可以设置各个参数的范围，当采集到的数据超过设置范围，实现报警；也可能通过点击手机上的按键去控制相应设备工作。

2系统硬件设计

传感器终端节点和控制器节点都是采用CC2530作为核心，配合传感器完成数据信息的采集，并把信息发送到协调器。控制器接收协调器发送过来的信号，经过继电器电路控制与之连接的机电设备，系统可以快速地扩展其他传感器终端节点和控制器节点，只要设置好地址、频道等，就可以与协调器组成网络，进行通信。

网络的建立维护和数据的中转是协调器的主要职责，主要是给传感器终端节点分配地址和完成与各个传监测节点间的数据通信，并与平板电脑、GPRS模块结合完成信息的处理和控制。

借助GPRS无线数据传输技术，实现了对蔬菜大棚内数据的实时性、准确性、高效性管理[20]。系统中采用RS232标准实现协调器与GPRS的通信。

3系统软件设计

31GPRS功能实现

GPRS模块控制的方法是使用AT 命令[21]。程序首先对串口、串口波特率、DCB、奇偶校验、流量控制、以及创建线程、发送数据格式等进行设置。设置完成后，手机进入监听状态，当有数据写入缓冲时，就发送到指定手机上。

32传感器终端节点功能实现

由于系统中存有多个传感器终端节点和控制器节点，程序定义一个参数SENSOR_TYPE用来标记使用传感器终端节点，还定义了igBee的频道、网络id、主控器地址、传感器终端节点地址和控制器地址等信息，以实现协调器能正常与多个传感器终端节点和控制器节点通信，而不发生数据传输冲突。传感器终端节点向协调器发送数据格式如下：

FF FD 00 04 30 30 00 00 hh hh hh（byte1-byte11

其中数据格式说明如表1所示。

[F（W14][HT6H][J]表1发送数据格式[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W9，W20W] 数据符号数据格式说明

byte1 byte2传感器端数据发送的固定头，固定为 FF FD

byte3数据类型的标志

00 光电感测器的数据

01 温湿度感测器的数据

03 火焰感测器的数据

04 CO2感测器的数据

05 可燃感测器的数据

06 人体感测器的数据

byte4传感数据长度（统一为04

byte5-byte8传感器数据

byte9-byte10保留

byte11byte1-byte10 校验值（相加取低8位[HJ][BG）F][F）]

33控制器节点功能实现

协调器在接收到相应信息后会向控制器节点发送数据，通过I/O口驱动继电器动作，控制机电设备工作状态。协调器向控制器送数据格式如下：

FA FB 06 06 01 00 00 00 00 00 chk（byte1-byte11

其中数据格式说明如表2所示。

[F（W15][HT6H][J]表2发送数据格式说明[HTSS][STB]

[HJ5][BG（！][BHDFG12，W6，W23W]数据符号数据格式说明

byte1 byte2协调器端数据发送控制继电器命令的固定头FA FB

byte3协调器数据发送对象

06：发送命令给继电器1端

07：发送命令给继电器2端

08：发送命令给继电器3端

09：发送命令给继电器4端

0A：发送命令给继电器5端

0B：发送命令给继电器6端

byte4命令长度，固定为6

byte5发送给继电器的命令内容

02为关闭继电器命令

01为开启继电器命令

byte6-yte10保留

byte11byte1-byte10 校验值（相加取低8位[HJ][BG）F][F）]

34Android監控软件设计

由于Android系统是开源性、集成操作的系统，提供了丰富的用户界面中间件和重要应用程序，用户可以快速进行二次开发，广泛应用在智能手机中。Android监控软件主要由底层通信模块和界面设计模块组成。

341底层通信模块

底层通信模块主要实现与igBee模块间的通信，包括串口操作和读取数据2部分。在串口操作文件（linuxsjava中对打开串口、关闭串口、设置串口信息、发送串口信息和接收串口信息进行了功能函数定义。通过异步读取传感器值文件（ReceiveThreadjava在后台实时读取传感器数据，并储存在相关数据类中。具体定义如下：

（1打开串口。函数格式为：public static native int openUart（int I，int j。

其中i是串口值，如com3值为3；j是串口形式，0表示是COM，1表示USB。

（2关闭串口。函数格式为：public static native int ocloseUart（int fd。

其中fd是串口数值。

（3设置串口。函数格式为：public static native int setUart（int fd，int burd，int returntimeout，int returnminlen。

其中fd是串口数值；burd是波特率，默认值是38 400，数值为5；returntimeout是返回超时时间，设置成0是立即返回；returnminlen是最小返回长度，设置成0不管长度多少立即返回。此函数返回0值表示设置出错，返回大于0数值表示设置成功。

（4发送串口信息。函数格式为：public static native int sendMsgUartHex（int fd，String msg，int len。

其中fd是串口数值；msg是十六进制格式数据；len是数据长度。

（5接收串口。信息函数格式为：public static native int receiveMsgUartHex（int fd。

其中fd是串口数值；返回十六进制的传感器数值。

342界面设计模块

系统参数 篇4

数字化是现在多媒体发展的趋势,数字信号凭借其优势迅速发展。数字信号处理器DSP拥有运算速度快、功能强等特点,其应用领域在不断的扩展。在音频处理领域,由于音频处理的算法越来越复杂,很多音频信号的处理现在都采用DSP来实现[1,2,3]。

目前,在音频处理系统中DSP一般只用来进行音频信号的处理,信号处理需要的参数则由外部主机计算好后发送给DSP。当外部主机参数调整的幅度很大时,直接将新参数传递到DSP中则会使DSP相邻两个处理周期中处理参数相差很大,此时则可能使输出信号产生噪声。

为了解决上述问题,本文提出了一种新的音频处理参数管理方法,将参数分为渐变参数和直接参数两部分,并提出了渐变参数的参数渐变算法。

1实时音频处理系统

在实时音频处理系统中,一般由DSP进行音频信号的处理,连接到A/D和D/A芯片,而单片机则处理用户的操作,连接到按键或者触摸屏等。单片机和DSP之间则通过串口或者HPI接口相连接[4]。

A/D采样后的信号一般要经过DSP中多个处理模块的串行处理,如均衡器、混音器、压缩器、自动增益控制器、延时器等,然后再经过D/A输出。DSP中各个处理模块的参数则由单片机确定,单片机根据用户的操作计算出所需的参数,然后再将其发送给DSP,DSP接收到参数后则修改当前使用的参数。其处理流程如图1所示。

2音频参数管理方式

在音频处理系统中,有些参数即使变化很大,对输出的效果影响也很小,如自动增益控制器的上冲时间等;而有些参数的变化会对输出效果产生明显的影响,如压缩器的阈值等。基于这种情况,将实时音频处理系统的DSP处理参数分为两类,一类是对输出效果影响较大的参数,在调整参数时是需要渐变调节的参数,称之为渐变参数;另一类是对输出效果影响较小的参数,是可以直接改变的参数,称之为立即参数。

在定义DSP中数据结构时将两种参数分开,如:

Struct DSP_Parameters

{

Gradual_Para A; //渐变参数

Immediate_Para B; //立即参数

}

定义这样的数据结构则在单片机修改DSP参数时,根据要修改的参数的相对偏移地址就可以判断出改变的参数是渐变参数还是立即参数。

在DSP中开辟共享存储器保存所有的处理参数,这部分存储器是DSP与外部主机都可以访问的,外部主机将参数写到共享存储器,DSP可以从中读取。如图2所示,DSP数据结构DSP_Parameters的总长度为ADDR3-ADDR1+1,其中渐变参数Gradual_Para的数据长度为ADDR2-ADDR1+1。

当外部主机通过HPI主机接口访问DSP时,外部主机访问DSP内存的操作与DSP的信号处理操作是两个相互独立的过程,因此在DSP的一个处理周期中,共享存储器的值可能会被外部主机改变。为了避免DSP同一个处理周期中参数不一致的问题,增加了两个用来存放参数的存储器。在DSP内存中共开辟三块区域用作参数存储管理,分别为共享存储器、目标参数存储器和当前参数存储器。

目标参数存储器与共享存储器中的渐变参数部分长度相同。当音频系统的渐变参数变化时,外部主机将新的渐变参数写到共享存储器中的渐变参数部分,DSP检测到渐变参数发生变化后则访问共享存储器读取新的参数,将其保存到目标参数存储器中,作为当前渐变参数的目标值。目标参数存储器中的参数与共享存储器中渐变参数一致。

当前参数存储器保存当前DSP音频处理所用的参数,与共享存储器长度相同。当DSP检测到立即参数改变时,则直接将当前参数存储器中的立即参数替换成外部主机新写入到共享存储器中的立即参数。当前参数存储器中的立即参数部分和共享存储器中的立即参数一致。当检测到渐变参数改变时,则首先将目标参数存储器中的参数替换成外部主机写入到共享存储器中的渐变参数,然后再将当前参数存储器中的渐变参数与目标参数对比,并调整当前参数逐渐向目标参数靠近,以实现渐变参数的逐渐变化。

增加了目标参数存储器和当前参数存储器后,只有当一个周期处理完成后,DSP从共享存储器中读到了新的数据,目标参数存储器和当前参数存储器的值才会发生改变,保证了同一个处理周期中DSP处理参数的一致性。

3DSP参数处理

3.1参数处理流程

在DSP中设置一个标志变量flag表示共享存储器中参数的状态,flag中包含了标志着参数是否改变的状态变量state,还有被修改参数的相对偏移地址Addr以及被改的数据的长度Length。在DSP中单独开辟固定位置存放flag变量,外部主机也可以访问该变量,并且每次外部主机改变共享存储器的参数后,就要将flag中的各个变量设置为相应的值。DSP在每个循环中根据flag的值进行参数的操作。

flag{

BOOL state;

long Addr;

unsigned int Length;

}

DSP在每个处理周期中都要先检查flag标志中的状态变量state的值,若为1的话则表明共享存储器中有处理参数被修改了,根据flag标志中的偏移地址和数据长度对应到目标参数存储器和当前参数存储器中的相应位置做修改。采用这种方式则每次循环中只修改变化了的参数,节省了处理时间,其处理流程如图3所示。

在每个采样周期开始后先判断state的状态,若是state为1则表示共享存储器中有参数被修改,则根据偏移地址Addr和数据长度Length修改相应的参数存储器中的参数。根据Addr判断被修改的是渐变参数还是立即参数。若是立即参数,则将共享存储器中偏移地址在Addr到Addr+Length-1之间的参数覆盖当前参数存储器中相应位置;如果是渐变参数被修改则将共享存储器中偏移地址在Addr到Addr+Length-1之间的参数覆盖目标参数存储器的相应位置。再将state置为0,表明完成了新修改的参数的覆盖。然后判断当前渐变参数和目标参数是否一致,不一致的话则按照一定的渐变方式调整当前参数存储器中相应位置的参数向目标参数靠拢。

参数设置完成后,进行输入信号采样,然后对采样数据进行信号处理,最后输出信号,完成一个采样周期的处理,接着进入下个周期重复相同的过程。

渐变参数的变化需要多个处理周期才能完成,因此在每个周期中不管state是否为1,都要判断目标参数与当前参数是否一致,不一致则要进行相应的渐变处理。

3.2参数处理实例

下面举例说明DSP中参数处理的流程。假设标志变量flag中的state为1、Addr为ADDR1+10、Length为15。循环开始后,首先根据state的值判断出有参数被改变了,然后从Addr判断出被改变的参数为渐变参数,被改变的参数长度为15。标志变量判断完成后DSP将共享存储器中地址为ADDR1+10到ADDR1+24之间的数据覆盖目标参数存储器中相应的长度为15的区域。完成后将state置为0。接下来判断出目标参数和当前渐变参数不一致,则按照一定的渐变方式调整当前渐变参数向目标参数靠拢,完成后再进行输入信号采样、信号处理以及信号输出,一个采样周期的处理完成。

接下来的一个采样周期中,由于state为0,则直接进入目标参数和当前渐变参数的比较操作,不一致的话则继续调整当前渐变参数,然后实现输入信号采样、信号处理以及信号输出。接下来的采样周期都是根据flag变量的不同进行不同的操作。

3.3参数渐变方式

当前渐变参数向目标参数逐渐靠拢是遵循一定规律的,使用Current表示当前渐变参数的值,Target表示目标参数的值,从当前渐变参数值到目标参数的逐渐变化可以选择线性渐变、等比渐变、指数渐变等多种方式,渐变方式不同则输出的音频效果也不同。

线性渐变是指当前渐变参数按照线性规律向目标参数变化,两个相邻采样周期的当前渐变参数的差为常数,即遵循公式(1):

Current=Current+A (1)

式中A为常数。每个采样周期中判断出当前渐变参数和目标参数不一致后,则将当前渐变参数朝着目标参数的方向变化A,当前渐变参数值超过目标参数时则让其直接等于目标参数,实现的代码如下。

if(Current > Target)

{

Current = Current - A;

if(Current < Target)

Current = Target;

}

else if(Current < Target)

{

Current = Current + A;

if(Current > Target)

Current = Target;

}

等比渐变是指每次参数的变化量与当前参数与目标参数的差值的比值为常数,满足公式(2):

Current=Current+(Target - Current)×B (2)

指数渐变是指相邻的采样周期中的两个当前渐变参数呈指数变化趋势,满足公式(3):

Current=(Current)C (3)

式中B和C都为常数,等比渐变、指数渐变与线性渐变的处理方式类似,只是每次向目标参数方向调整的大小不同。

4实验结果

实验系统采用的DSP为TMS320C6727,单片机选用PIC24FJ256GB610,单片机通过DSP的UHPI接口调整音频系统处理参数,用户操作面板连接到单片机。

实验系统中DSP的采样频率设置为48KHz,输入信号为一段长度为1.8s的音乐,音乐信号如图4所示。图4采用音频系统A/D采样输入到DSP的数据拟合而成,图5和图6采用DSP计算完成后将要输入到D/A的数据拟合而成。

以改变音频处理系统中压缩器的阈值参数为例。在操作面板上将阈值从20dB变为0dB时,如果不采用参数渐变的方式,当在第0.4s左右参数发生变化,单片机参数改变后的下一个DSP处理周期中,DSP的压缩器阈值由20dB变为0dB,变化时间为1/48ms,即一个DSP处理周期的时间。采用这种方式则输出的声音信号如图5所示。

如果采用本文的参数管理方式,则单片机中参数改变后DSP中的压缩器阈值立即从20dB逐渐向目标值0dB靠近,从第0.4s开始阈值逐渐减小,经过约0.2s后阈值才完全变为0dB,参数渐变处理的输出信号如图6所示。

人耳的反应时间为0.1s,图5的信号人耳听来声音急剧减小,会有刺耳的感觉,声音不自然,破坏了听觉效果。图6的信号则经过一段时间的缓冲才完成声音的转变,渐变过程所花的时间大于0.1s,人耳能够分辨出逐渐变化的过程,因此声音听起来更加自然流畅。

实验证明本文提出的参数管理方式能够有效地抑制DSP参数调整引起的噪声问题,适合音频处理系统采用。同时,这种参数管理方式及渐变算法对其他系统中的参数调节也有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]吕盼稂,孙立婷,汪静姝,等.基于伪随机序列的DSP程序运行参数加密算法[J].计算机应用与软件,2010,27(7):102-103,109.

[2]宋辉,刘加.基于微分麦克风阵列的自适应语音增强算法研究及DSP实现[J].自动化学报,2009,35(9):1240-1244.

[3]李辉,李平,王忆文.音频专用DSP核的硬件循环设计[J].微电子学,2008,38(6):851-854.

钻探参数数据智能采集系统的研制 篇5

详细介绍了最新研制成功的`智能钻探测控数据采集系统的设计原则、技术特点、结构、参数设置方法以及测试应用情况.

作 者：丁景祥 丁健 DING Jing-xiang DING Jian 作者单位：丁景祥,DING Jing-xiang(煤炭科学研究总院西安研究院,陕西,西安,710054)

丁健,DING Jian(明大网络测控公司,陕西,西安,710048)

系统参数 篇6

关键词：马铃薯储藏；温湿度环境；自动控制；农业现代化

中图分类号： TP274+.1；TP273；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2014）09-0374-03

收稿日期：2013-12-12

基金项目：国家自然科学基金（编号：60974005）。

作者简介：尹飞凰（1975—），女，河南郑州人，硕士，讲师，研究方向为电气工程与自动控制。E-mail：yinfeihuang@126.com。我国每年播种的马铃薯面积在533.33万hm2左右，是世界上马铃薯产量最大的国家。如此巨大的马铃薯资源不可能在短时间内完成加工，所以马铃薯在加工生产前需要进行长时间的储藏[1]。目前我国大部分地区还是以传统的地下窖的方式储藏马铃薯，这种方式导致无法调节环境的温度和湿度，也不能通风换气，为储藏期间病害发生创造了条件，以至于在春季开窖的时候出现冻窖、烂窖、伤热、发芽和黑心等现象[2]。吴晓玲等研究了不同的储藏温度对马铃薯营养物质含量及酶活性的影响，结果表明，在0～4 ℃时，马铃薯的可溶性糖和还原糖含量最高，淀粉酶活性最高，有利于促进蛋白质的合成，提高蛋白质的含量[3]。另外，环境过湿易促使马铃薯块茎发芽，过干则易造成块茎失水变软皱缩，失去饱满度，湿度在85%左右可减少马铃薯萎缩失水，保持表皮保鲜[4]。为实现马铃薯的安全储藏，本研究设计了适宜马铃薯储藏的环境参数智能调节系统，采用ZigBee无线通信网络采集分布在储藏室内的温度和湿度，通过控制室内空调和风机，使储藏室内的温度控制在0～4 ℃，湿度控制在85%左右，避免了马铃薯收获后的二次损失，使马铃薯保持最大的营养价值。

1系统总体结构

为了使整个马铃薯储藏室内各个角落的温湿度控制在最佳值，必须先获取准确的环境参数，再根据当前的状态控制相应的设备进行调节。马铃薯储藏的环境参数智能调节系统主要由监控终端、环境监测节点、空调及风机控制节点组成，环境参数智能调节系统结构如图1所示。由于马铃薯存储空间相对不是太大，但是要想通过有线的形式将节点数据传到监控终端，显然布线是相当复杂的，考虑到数据的传输量不是很大，且传输距离较短，系统选择了ZigBee无线通信技术。ZigBee具有超低功耗特性，采用干电池独立供电，保证了一个节点可以连续工作1～2年。设置好参数后，各节点与监控终端组成星型拓扑网络结构，实现数据的传输[5]。

根据储藏室的空间大小和马铃薯的密度，确定监测节点的数量和摆放位置。在系统中每个监测节点具有唯一的地址识别ID，采集周围环境中的温湿度，并通过ZigBee网络发送至监控终端[6]；监控终端负责接收、处理、分析、显示和存储从各监测节点发来的数据，当马铃薯储藏室内的温度过低或过高时，通过控制空调或者风机的工作状态，使室内的温度达到最佳后停止工作。同时，为了使空调的效果快速并均匀地达到各个角落，储藏室的内空气循环风机会自动启动，整个室内的温度更加均匀，避免出现局部过热或过冷的现象；当室内的湿度过高或者过低时，通过控制换气风机的正反转，排风或者进风对室内的湿度进行调节，直到控制湿度在马铃薯的最佳保持范围。

2监控节点硬件平台

监控节点主要分环境监测节点和空调风机控制节点2种类型，共用一个硬件平台开发而成。

2.1节点硬件平台

环境参数监测节点主要由单片机控制器ATmega128L、温湿度传感器DHT11、ZigBee通信模块CC2420、8位地址选择拨码和干电池等组成；空调风机控制节点没有配备温湿度传感器DHT11，而是增加了继电器和与空调的接口模块。监控节点硬件结构如图2所示。

单片机ATmega128L主要负责协调各模块之间的工作，每个监控节点通过8位地址选择拨码开关设置独有的ID；控制器ATmega128L通過SPI接口与ZigBee通信模块CC2420连接进行数据通信，包括设置模块的工作模式、频道分配、传输速率和功率等；通过P0.1口直接与温湿度传感器DHT11连接读取温湿度数据，并通过PWM口驱动功放三极管控制继电器的开合，来控制风机的工作状态；与空调的通信采用RS232接口，实现对空调的工作模式和温度的调整控制[7]。

2.2节点软件设计

监测节点的软件开发采用C语言设计，由AVR Studio编写C语言程序，经过GCC交叉编译得到能在单片机 ATmega128L 上可运行的HEX文件[8]。程序由一个主循环函数和多个子函数组成，各子总能的执行是通过调用子函数完成的，包括ZigBee无线通信模块CC2420的配置、温度传感器DHT11的数据读取、数据打包、发送和指令的接收等。监测节点软件工作流程如图3所示。

监测节点上电后，单片机ATmega128L进行系统初始化，包括读取自身的地址ID、对单片机内部各寄存器状态、ZigBee无线通信模块CC2420的工作方式、频道分配、传输速率和功率等的配置等，然后建立与监控终端的无线网络连接，连接成功后进入循环函数，读取监控终端发来的控制和配置指令，采集周围环境的温湿度数据，再把节点的ID、采集时间和温湿度等信息打包，并发送到监控终端进行处理，最后延时N分钟再进入下次的循环[9]。

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3嵌入式监控终端平台设计

监控终端采用嵌入式处理器S3C2410平台开发而成，运行在嵌入式操作系统Linux上，并在Qt环境下为其专门设计了管理软件，负责管理各监测节点的通信状态、数据收发、处理运算、显示、存储、空调和风机的控制等。

3.1监控终端硬件平台

监控终端硬件平台主要由嵌入式处理器S3C2410、ZigBee通信模块CC2420、LCD显示屏、系统存储、声光报警模块以及电源管理单元组成。监控终端硬件平台结构如图4所示。

S3C2410处理器是基于ARM920T的32位微控制器，具有丰富的偏上资源，提供了与LCD显示屏、系统存储和按键等各种成熟的接口，完全满足系统在设计功能上的需要。

3.2软件设计

根据系统的需要对嵌入式Linux操作系统进行裁剪，并

移植到设计的平台上。利用图形用户界面工具包Qt开发了监控管理应用程序，首先是创建QApplication对象，负责图形用户界面应用程序的控制流和包含在main（）循环体中的设置，然后再对各源文件的事件进行处理和调度等操作[10]。

监控终端上电后，首先进行嵌入式处理器S3C2410和各模块的初始化，包括配置ZigBee无线通信模块CC2420、LCD控制器的工作方式和参数进行初始化；根据系统的配置搜寻各节点，并进行网络连接，发送控制参数给各节点，然后进入等待接收数据状态[11]。当收到从各节点发来的数据时，经过处理统计，再将这些数据显示在LCD显示屏上，并根据这些数据计算出控制策略。如果储藏室内的温湿度超出了预设的安全范围，则向控制节点发送控制指令调整环境参数，直到达到适宜马铃薯保存的最佳温湿度值；如果由于设备故障长时间无法调整到最佳值，则启动声光报警器，提醒管理人员采取必要的措施。同时，系统将所有的数据和操作日志存储到监控终端的存储器内，便于历史查询。

4结果与分析

马铃薯大部分的储藏时间在冬季，尤其是北方的冬季昼夜温差比较大，为了验证设计的马铃薯储藏的环境参数智能调节系统的功能和性能，在封闭的储藏室内进行了24 h的监测试验。系统配置了16个环境监测节点和2个控制节点，其中16个环境监测节点分2层，在8个方向进行部署。储藏室当天外界温度变化范围为-10～8 ℃，湿度约为35%，在监控终端上预设的控制温度范围为0.5～3.5 ℃，湿度为81.0%～890%，对储藏室内的温度和湿度每隔1 h进行平均统计和记录，结果见表1。

从表1数据可以看出，储藏室内的温度变化随外界的气温变化比较大，但始终控制在0～4 ℃的范围内；但由于储藏室相对封闭，马鈴薯的密度也比较大，再加上马铃薯的呼吸作用，会释放一些水蒸气和二氧化碳，为了对湿度进行微调，大概每天的03：00—05：00会进行自动启动风机进行排风换气，使室内的湿度一直保持在80%～90%之间。

通过试验结果表明，马铃薯储藏的环境参数智能调节系统所有监控节点工作正常，16个监测节点能够准确、实时地传回各个角落的温湿度数据；控制节点能够通过接收监控终端的指令操作空调和风机的运行，始终保持马铃薯储藏室的温度控制在0～4 ℃，湿度控制在80%～90%。

5结论

采用ZigBee无线通信技术设计的适宜马铃薯储藏的环境参数智能调节系统，避免了繁杂的布线，对储藏室内各个角落的环境参数采集更加灵活，并能够在嵌入式处理器监控终端进行集中显示和管理空调及风机的工作状态。

多参数数据采集系统 篇7

数据采集系统, 从严格的意义上来说, 应该是用计算机控制的数据自动采集, 并且能够对数据实行存储、处理、分析计算以及从检测的数据中提取可用的信息, 供显示、记录、打印的系统。

数据采集系统的任务就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号, 然后进行相应的计算和处理, 得出所需的数据。在生产生活的各个领域, 数据采集系统几乎无处不在, 凡是有自动检测及控制的地方都会有数据采集系统的出现。

在某些特殊的场合, 需要对多种不同类型的参数进行采集, 为了节省成本, 就要求一个数据采集系统能够同时对多种类型的参数进行采集。本文提出的多参数数据采集方案能够提供多路通道, 对温度、压力、流量等多种不同类型的模拟量进行高精度的数据采集、处理和显示, 必要时还可以根据数据类型和传感器的特性进行扩展和调整。

2 系统方案

系统设计了64路采样通道, 可以对温度、压力、流量等传感器的模拟量输出信号进行采集。

为了使用方便, 系统设计了64个通用接口, 每个接口均可接不同的传感器。为了节省硬件成本, 64路采集通道共用一个AD转换通道, 分时轮流进行数据采集。

实际使用过程中, 只要在确定端口连接的传感器类型、量程等参数后, 通过上位机对系统进行参数配置, 即可进行数据采集工作。

数据采集本身不涉及控制环节, 因此数据采集采用开环系统, 其组成如 (图1) 所示。

在对多种类型的数据进行采集时, 为了保证数据采集系统的通用性, 采用变送器将各种传感器输出的模拟电信号均转换为4~20m A的电流信号, 然后通过采样电阻进行电压采样, 接下来通过采样通道选择器进行巡检, 在某一时刻只允许某一个采样通道的模拟量被采样保持, 再经过AD转换后送显示器显示采样结果或通过串行口发送采样数据。

系统设计了64路采样通道, 在硬件设计环节, 每路采样通道的硬件构成完全相同, 这样增加了数据采集的灵活性, 在软件设计时, 可以根据所需采集的不同数据类型和数量, 合理分配采样通道, 配置相关参数, 并编制相应的数据采集和处理程序。

将各种类型及不同量程的传感器通过相应的变送器将输出信号统一成4~20m A的电流信号, 首先是考虑到采样端口的通用性, 这样使传感器经变送器后的输出信号可以和任意数据采集端口相连, 其次, 当传感器与数据采集系统距离较远时, 涉及到信号传输问题, 如果传感器的输出是电压信号, 长距离的导线传输会引起原始信号的衰减, 导致数据采集错误, 尤其是在工业应用场合, 还容易受到外界干扰, 因此变送器的采用可以提高系统的稳定性和端口的通用性。

由于64路数据采集通道共用一个AD, 采用分时轮流采集的方式进行AD转换, 每次AD转换及数据处理时间约为10ms, 因此, 每一路数据采集通道的数据采集频率最高可达100Hz, 可满足常用的温度、压力、流量等中低频变化的物理量数据采集要求。

3 硬件设计

系统硬件原理图如 (图2) 所示。

3.1 CPU

主控芯片采用ATmegal6芯片, ATmegal6基于增强性的AVR RISC (精简指令集) 结构的低功耗8位CMOS微控制器, 具有1MIPS/MHZ的性能。片内集成了16KB的Flash程序存储器、1K字节的SRAM、512字节的EEPROM;32个通用工作寄存器;2个8位的定时器/计数器;1个具有输入捕获输出比较以及PWM功能的16位定时/计数器;UART通用串行接口;SPI同步串行接口以及片内模拟比较器;且片内具有可编程看门狗定时器, 具有很好的抗干扰能力。

3.2 AD转换

ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC, 用于进行模拟量到数字量的转换。ADC包括一个采样保持电路, 以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。ADC由AVCC引脚单独提供电源。ADC的参考电压源VREF反映了ADC的转换范围。VREF可以是AVCC、内部2.56V基准或外接于AREF引脚的电压。AVCC通过一个无源开关与ADC相连。片内的2.56V参考电压通过内部放大器产生。无论是哪种情况, AREF都直接与ADC相连, 由于VREF的阻抗很高, 因此只能连接容性负载, 基准电压可以通过在AREF引脚上加一个电容进行解耦, 以更好地提高参考电压的抗噪性。

3.3 采样通道选择器

为了节省硬件管脚资源, 采样通道选择器由一片74HC138芯片和8片CD4051芯片组成。

CD4051芯片为8路模拟开关, 每片可选通8路采样通道。

74HC138芯片为3输入, 8输出译码器。单片机的3路输出端口与74HC138输入端口相连, 74HC138芯片的8路输出端分别与8片CD4051的片选端口相连。

8片CD4051模拟开关采用并联方式, 8片CD4051的路选通信号共用单片机P1口的8个输出口线, 8路模拟开关轮流选通。74HC138输出的8个片选信号使8片CD4051轮流选通。通过单片机编程, 将CD4051模拟开关的路选通信号和74HC138产生的CD4051片选信号相结合, 便可对64路采样通道进行选择。

3.4 串行通信

系统提供RS232及485两种通信端口, 可根据用户需要进行选择。串行通信用于数据采集系统与上位机之间的数据交换。

在人机交互环节, 用户将选用的传感器类型、量程以及该传感器占用的采样通道等信息通过上位机传递给数据采集系统, 数据采集系统则根据相应信息进行数据采集和数据处理后将结果发送给上位机或直接进行显示。

除上述公用硬件设备外, 在针对特定的参数进行数据采集时, 需要根据所需采集数据的量程范围、测量精度、分辨力等指标选用相应的传感器, 并配备相应的变送器。

4 软件设计

系统软件结构如 (图3) 所示。

系统软件采用模块化的形式进行编程, 其主程序流程如 (图4所示。

主程序主要完成数据采集工作。

主程序初始化内容包括CPU管脚配置、寄存器配置、用于定时器中断以及串行口中断的特殊功能寄存器配置等。

参数配置则是根据所选择的传感器类型、量程及采样通道等信息通过串行口由上位机发送到下位机, 然后由下位机进行数据匹配。

AD转换则根据当前选通的采样通道获取的信息进行模拟量到数字量的转换。

数据处理则是根据此前参数配置的结果进行相应的计算, 得到所采集的实际温度、压力、流量等数据信息, 然后将结果存入设定的存储区域, 等待显示子程序调用相应数据进行显示, 或在下位机接收到发送采样数据命令后, 将结果向上位机发送。

定时器中断服务程序中设置显示程序标志位disp_flag, 以决定主程序中是否调用数据采集结果显示子程序。

与上位机之间进行的串行通信采用异步通信方式, 将数据打包进行发送。数据包格式如 (图5) 所示。

STX: (数据包开始) 16进制代码为02H, 占用一个字节存储空间。

COMD: (命令) 为00-99的ASCII码, 将高位和地位拆分分别用ASCII码表示, 占用两个字节存储空间, 最多可表示100个不同的命令。

DATA: (数据) 为0-F的ASCII码, 是真正需要传输的数据, 字节长度根据所需传输的数据内容而定。

ETX: (数据包结束) 16进制代码为03H, 占用一个字节存储空间。

SUM_H: (校验位高字节) 为0-F的ASCII码, 是STX及ETX之间数据累加和的256余数高半字节的ASCII码。

SUM_L: (校验位低字节) 为0-F的ASCII码, 是STX及ETX之间数据累加和的256余数低半字节的ASCII码。

上位机通过串行口向下位机发送控制命令和传感器连接的端口序号, 以及传感器自身的特性参数, 供下位机参数配置使用。

在复杂环境下进行远距离数据传输时, 可采用RS485方式通讯, 可有效提高抗干扰能力, 保证数据传输的准确性。

5 结语

本文介绍的多参数数据采集系统能够实现温度、压力、流量等不同性质参数的64路通道数据采集。本系统硬件成本低, , 采样通道选择灵活, 参数配置方便, 数据采集精度高, 抗干扰能力强, 尤其适用于工业控制领域的数据采集。

摘要：介绍了一种多参数数据采集系统, 共64路数据采集通道, 能够对不同类型的传感器输出的模拟信号进行数据采集。可根据传感器类型, 配置相关参数, 并能任意选择数据采集通道, 实现温度、压力、流量等不同性质参数的多通道数据采集、存储、传输及显示。系统数据采集端口通用性强, 数据采集精度高, 抗干扰能力强, 尤其适用于工业控制领域的数据采集。

关键词：多参数,多通道,通用性,数据采集

参考文献

[1]施吉方.单片机数据采集器的设计[J].电测与仪表, 1998 (01) .

[2]冯乐雯, 张敏, 黄国兵.基于ARM智能数据采集模块的设计[J].工业控制计算机.2009 (11) .

[3]王勇, 张浩, 彭道刚, 李辉.ARM平台在多功能数据采集系统中的设计与实现[J].自动化仪表, 2010 (01) .

[4]李国柱.基于单片机和USB接口的数据采集系统设计[J].现代电子技术, 2009 (04) .

云南电网雷电参数分析系统开发 篇8

云南省位于雷电活跃区, 为更好的了解雷电活动规律, 提高雷电防护措施的有效性和针对性, 云南电网于2004年着手建设雷电定位系统, 系统在雷击故障判断和雷击故障点查找方面, 起到了很好的作用, 同时也积累了大量的雷电数据。但从防雷角度看, 还需要在雷电资料的统计与分析上进行深度挖掘, 加上用户单位对于雷电监测数据更详细统计分析功能的实际需求, 促使了本项目的开展。项目涉及雷电探测技术、计算机技术、网络技术及数学统计等诸多技术领域, 目前, 在国内外属于较新兴的研究领域。

项目主要内容为建立统计样本数据库、开发雷电参数的统计分析软件、统计分析云南典型雷电参数以及雷电参数分析功能的应用探索等, 以期获得方便、实用、准确的雷电参数统计分析技术手段, 能够多方位、深入地进行雷电活动的规律总结和探索, 对电力工程的选址、防雷设计和防雷改造等发挥直接的指导作用。

项目开发的雷电参数分析专家系统, 具备强大、灵活、实用的统计分析功能, 提升了云南电网雷电研究的水平。通过系统, 首次得到了云南省地闪密度空间分布图、雷电流幅值空间分布图、雷电流幅值概率分布的指数形式的数学表达式以及网格法求出的雷电日等雷电活动的统计结果或规律, 同时对雷电参数在输电线路防雷工作中的应用研究进行了探索。目前, 系统已经得到良好应用, 在雷电活动总结、输电线路易击区段划分方面发挥了重要作用。随着雷电数据的积累, 应用水平的提高, 可期望系统在雷电活动规律总结、工程设计、工程选址、设备耐雷水平计算等方面发挥有效作用。该系统的整体技术和应用效果处于国内领先水平。

远程参数自适应控制系统 篇9

振动台模拟试验是试验室进行地震模拟或者道路模拟的重要手段。振动台模拟试验比较接近实际地震时地面的运动情况, 是研究结构地震破坏机理和破坏模式、评价结构整体抗震能力的重要手段和方法, 在理论研究和工程实际中都得到了广泛的应用[1]。在道路模拟试验中, 作为一种进行车辆可靠性试验的方法, 以较高的试验精度、良好的经济性和安全性, 正越来越受到重视, 具有广阔的应用前景。文献[2]、[3]中的振动台模拟试验都采用远程参数控制 (RPC) 技术来实现, 这种数字迭代控制方法是每次驱动振动台之后, 将台面再现结果与期望信号进行比较, 根据两者的差异对驱动信号进行修正后再次驱动振动台, 重复比较台面再现结果与期望信号, 直到结果满足要求为止[4]。这就需要进行多次试验, 该方法计算复杂、精度不高。因此本文在此基础上提出了一种基于自适应FIR滤波器的振动台模拟试验的新方法, 它是一种新的可变步长的自适应滤波算法。文中详细地讨论了自适应FIR滤波器的具体实现方法, 以及多通道振动台模拟试验系统的设计方法, 最后给出了模拟仿真结果。

1基于LMS自适应滤波器的逆向控制

每个通道中都有一个自适应FIR滤波器系统, 它包括自适应控制滤波器和自适应辨识滤波器两部分。

辨识滤波器产生辨识信号, 驱动振动台模拟试验系统, 试验系统的输出又被送回辨识滤波器, 它根据输入输出识别试验系统的阶次以及各项参数, 并根据这些信息设置控制滤波器的系数初值, 并在试验过程中不断调节, 使控制滤波器的传递函数等于系统传递函数的逆。再将期望信号输入到控制滤波器, 因为控制滤波器的传递函数和试验系统的传递函数互逆, 所以试验系统的输出响应就是期望信号, 从而达到利用自适应滤波器进行逆向控制的目的。

自适应控制滤波器的工作原理见图1, 首先将期望信号y (n) 输入到自适应控制滤波器, 产生一个数字滤波器输出信号x (n) , 将其输入到试验系统中, 可以测得试验系统的输出响应r (n) 。然后将y (n) 与r (n) 一起输入到加法器进行比较, 产生误差信号e (n) 。根据e (n) 反复迭代更新滤波器的系数直到均方误差E{e2 (n) }为最小。自适应控制滤波器的系数更新方程为:

ak (n+1) =ak (n) -μsE{∂e2 (n) /∂ak} 。 (1)

其中:ak (n+1) 为自适应控制滤波器系数ak的下一轮迭代值;ak (n) 为自适应控制滤波器系数ak的当前值;μs为自适应滤波器的收敛因子。参见图1, 可得:

∂e2 (n) /∂ak=∂[y (n) -r (n) ]2/∂ak 。 (2)

由于期望信号不受自适应控制滤波器系数的影响, 式 (2) 可化简为:

∂e2 (n) /∂ak=-2e (n) ·∂r (n) /∂ak 。 (3)

再参见图1, 可得:

∂r (n) /∂ak=∂[hk*ak*y (n) ]/∂ak 。 (4)

其中:hk为试验系统的传递函数;*表示卷积和。

故式 (4) 可写为:

∂r (n) /∂ak=hk*y (n) 。 (5)

用∂e2 (n) /∂ak代替E{∂e2 (n) /∂ak}, 可将式 (1) 近似写为:

ak (n+1) =ak (n) +2μse (n) hk*y (n) 。

由于滤波器收敛因子本身为一个系数, 将计算出的整个系数2μs作为μs的值, 得到公式 (6) :

ak (n+1) =ak (n) +μse (n) hk*y (n) 。 (6)

固定的收敛因子在算法的收敛速度和收敛精度上存在矛盾, 因此采用变步长自适应滤波算法。用信号误差的相关值|e (n) e (n-1) |来调节收敛因子, 可以同时获得较快的收敛速度、跟踪速度和较小的稳态误差, 因此μs可写为:

μs=β (1-exp (-α|e (n) e (n-1) |) ) 。 (7)

其中:α、β为算法的参数, 分别控制收敛因子函数的形状和取值范围。

式 (6) 中试验系统的传递函数hk未知, 为此需要设计自适应辨识滤波器来解决这一问题。

自适应滤波识别的原理框图见图2。自适应辨识滤波器所采用的是MS-LMS算法, 其系数更新方程为:

ak (n+1) =ak (n) +μse (n) x (n) 。 (8)

2解藕自适应滤波器的设计

振动台模拟试验系统是一个具有多通道输入、多通道输出的试验系统, 其多通道间有很强的相关性, 因此要使用解藕自适应滤波器来提供必要的补偿, 以保证试验系统的控制精度。在每个通道中都包含一个解藕自适应滤波器, 其解藕自适应滤波器的设计方法和LMS自适应滤波器的设计方法相同。

3多通道振动台模拟试验系统的设计

下面以一个两通道输入和两通道输出的振动台模拟试验系统为例, 每个通道都包含一个自适应FIR滤波器系统和一个解藕FIR滤波器, 它们分别产生伺服命令去驱动振动台模拟试验系统的伺服控制器。如图3所示, 伺服控制器1的输入信号s1 (n) 可写为:

s1 (n) =x1 (n) +xo2 (n) 。 (9)

经过展开, 可得:

s1 (n) =y1 (n) *ak1 (n) +y2 (n) *ako2 (n) 。 (10)

其中:y1 (n) 为通道1的期望响应信号;y2 (n) 为通道2的期望响应信号;ak1 (n) 为自适应FIR滤波器1系数ak1的当前值;ako2 (n) 为解藕FIR滤波器2系数ako2的当前值。

解藕FIR滤波器的设计方法和自适应滤波器的设计方法相同, 因此由式 (6) 得到自适应FIR滤波器1和解藕FIR滤波器2的系数更新方程如下:

ak1 (n+1) =ak1 (n) +β (1-exp (-α|e1 (n) e1 (n-1) |) ) e1 (n) hk1*y1 (n) 。 (11)

ako2 (n+1) =ako2 (n) +β (1-exp (-α|eo2 (n) ·eo2 (n-1) |) ) eo2 (n) hk1*y2 (n) 。 (12)

其中:e1 (n) 为自适应FIR滤波器1的误差函数当前值;eo2 (n) 为解藕FIR滤波器2的误差函数当前值;hk1为伺服控制器1的传递函数。

通道1的输出信号r1 (n) 可写为:

r1 (n) =s1 (n) *hk1 。 (13)

结合式 (10) 跟式 (13) 可得:

r1 (n) = (y1 (n) *ak1 (n) +y2 (n) *ako2 (n) ) *hk1 。 (14)

伺服控制器2的工作原理与伺服控制器1完全一致, 可以直接得出伺服控制器2的输出信号r2 (n) 为:

r2 (n) = (y2 (n) *ak2 (n) +y1 (n) *ako1 (n) ) *hk2 。 (15)

4多通道振动台模拟试验系统的仿真

下面以一个单通道的振动台模拟试验系统为例, 对其进行MATLAB仿真。仿真的计算机模拟条件为:

(1) 假设此试验系统的模型为一个七阶模型, 其系统的离散传递函数为:

undefined

(2) 参考的期望信号y (n) 为经过了低通滤波器滤波的高斯白噪声, 采样时间为2 000ms。

由图4的仿真曲线可以看到, 试验系统的输出信号r (n) 很好地跟踪了期望信号y (n) , 两者基本上达到了一致, 只存在微少的延时, 准确地再现了期望信号, 和前面的理论分析一致。

5在DSP上的试验

试验采用的是TI公司的TMS320F2812 DSP电路板, 通过A/D、D/A采集发送数据。

我们以5mH的电感、0.47μF的电容和10kΩ的电阻构成一个二阶电路来模拟实际的试验系统。由于DSP的A/D采样时间为4ms, 所以以4ms为周期对系统的输入输出进行采样, 则系统的离散传递函数为:

undefined。 (16)

期望信号与系统输出见图5。

试验证明这种基于LMS算法自适应滤波逆向控制系统可以很好地达到再现期望信号的目的。

6结束语

文中提出的可变步长的自适应滤波逆向控制方法可以较好地解决了传统的控制方法所存在的问题。其自适应FIR滤波器的系数可以通过自适应迭代程序不断迭代更新, 大大提高了控制精度和稳定性, 达到了试验系统的控制要求。

参考文献

[1]田永波.电压伺服地震模拟振动台的数字控制[D].武汉:武汉理工大学, 2004:1-5.

[2]杜永昌, 管迪华, 宋健.汽车道路模拟算法研究[J].公路交通科技, 2001, 18 (6) :115-118.

[3]程永金.道路模拟试验系统的关键技术——远程参数控制技术[J].试验技术与试验机, 2001, 41 (3) :32-33.

[4]李忠献.工程结构试验理论与技术[M].天津:天津大学出版社, 2004.

[5]徐凯, 纪红, 乐光新.一种改进的变步长自适应滤波器LMS算法[J].电路与系统学报, 2004, 9 (4) :115-117.

[6]叶华, 吴伯修.变步长自适应滤波算法的研究[J].电子学报, 1990, 18 (4) :63-69.

[7]高鹰, 谢胜利.一种变步长LMS自适应滤波算法及分析[J].电子学报, 2001, 29 (28) :1094-1097.

[8]王霄锋, 杨春伟, 杜永昌.道路模拟控制系统的研究与开发[J].仪表技术与传感器, 2004 (10) :22-25.

[9]杜永昌.汽车道路动态试验模拟控制系统的研制与开发[J].汽车技术, 1999 (3) :16-18.

薄壁零件切削参数优化系统研究 篇10

切削参数是影响加工过程的主要因素，关于切削参数优化，目前大多数的研究主要是基于生产效率和生产成本为目标函数进行优化，以变形控制为目标函数的研究较少。但是对于薄壁零件切削而言，由于薄壁零件结构复杂,相对刚度较低,在切削加工中极易发生加工变形,造成壁厚上厚、下薄尺寸超差等问题。

在装夹情况、刀具情况、工件情况等相同的前提下，薄壁零件变形主要是受动态切削力和切削时是否颤动影响，切削参数又是影响切削力和切削时是否颤动的主要因素，本文在前期开发智能参数优化系统的基础上，对薄壁零件的切削参数进行第二次优化，进而控制动态切削力，并使切削参数小于加工颤动的临界值，最终实现薄壁零件的高效高精加工。

1 影响薄壁零件加工时产生颤动、变形的因素

影响零件加工精度的主要因素有：机床刚性、机床几何精度、刀具震动、刀具磨损、工件内应力、工件受力变形、工件装夹影响等。对于薄壁零件而言，因为其刚度小，在加工过程中受残余应力、装夹力、切削力、切削热等因素影响极易发生加工变形和切削振动，导致加工误差。但是在材料、装夹条件和加工路径确定的情况下，薄壁件的加工变形主要是由切削力和切削震动引起的。为了保证薄壁零件加工过程的平稳和加工质量,应采用大径向切深、小轴向切深的切削方式、选择合适的每齿进给量和切削速度等。

2 系统功能结构设计

2.1 系统功能设计

本系统是在智能参数优化系统的基础上而设计的，其目的是通过对切削参数的二次优化保证加工薄壁零件时不发生颤动，有较为合理的切削力，既能保持较高的生产效率和较低的生产成本，又能减小因颤动、切削力造成的工件变形，使薄壁零件变形在公差允许的范围内。

2.2 结构设计

切削参数优化系统是数学模型法和数据库法相结合的智能优化系统，文献[4]已有详细说明。本系统是在根据数学模型法和数据库优化切削参数的基础上的针对薄壁零件加工的又一次参数调整和优化，其工作原理如图1所示。

3 系统稳定运行的切削参数优化

在洗削薄壁零件时，同一轴线不同高度的切削厚度会出现不一致，有的过切有的欠切，随着切削的不断进行，切削厚度会出现不断变化，造成动态切削力也不断变化，这样就容易使工艺系统产生颤动，从而影响加工精度。根据文献[5]和[6]可知，要保证系统稳定，可求的对应的切削参数的极限值，计算公式如下式所示：

为颤动回路的频率，当其小于1时，系统为稳定状态。

4 基于洗削力控制的参数优化

4.1 洗削力的计算

关于洗削力计算的数学模型很多，本系统采用Kline平均铣削力立铣切削模型。洗削力与洗削面积相关联，为便于分析，将铣刀切削刃划分为多个微单元，通过计算所有处于切削区域的各微单元的受力，再将微单元受力相加，即可得出总的切削力。根据文献4，可将切削力分解为切向切削力DFT与径向切削力DFR，其关系如下[7]:

式中，DZ为微单元的轴向宽度;KT、KR为切削力系数，计算方法如下式所示;tc为微单元瞬时未变形切屑厚度。

4.2 变形量求值与参数优化

薄壁零件变形预测采用刚性预测方法，即直接采用径向切深αe、切向切深αp和每齿进给量fe预测，通过ANSYS11.0分析薄壁件就可以求出模拟铣削过程中工件的变形量[8]。

5 实例

系统软件的编写采用Visual C++6.0语言，数据库部分采用SQL Server2005关系型数据库，结合ANSYS11.0有限元分析软件，在作者前期开发的智能切削参数优化系统的基础上，开发出了基于薄壁零件切削参数优化系统。实验仍然采用某公司生产的XD-40数控铣床为实验机床，加工对象为槽状2A12铝合金工件，工件壁厚要求为6mm，选择直径为12、齿数为2的高速钢立铣刀。实验先采用针对普通工件的智能切削参数优化系统得到一组数据，把这组数据输入到铣床上进行试加工;然后再采用薄壁件专用优化系统对上一组数据进行第二次优化，得到另外一组切削参数数据，同样输入到同一铣床上试加工。观测比较两组数据加工情况，其结果如表1所示。从实验结果来看，薄壁件专用优化系统具有加工变形量小、几乎不颤动的特点，更满足薄壁零件加工要求。

6 结束语

本文通过求解稳定状态下切削薄壁零件所对应的临界值和计算动态切削力，并利用ANSYS11.0软件进而求得工件变形量，通过调整切削参数进而改变切削力的大小，实现对薄壁零件加工的变形控制。在前期开发智能化切削参数优化系统的基础上，开发出了专一针对薄壁零件加工的切削参数优化系统。实验结果表明，新开发的薄壁零件切削参数优化系统更具有高精、高效、低成本加工的效果。

参考文献

[1]汤爱君,马海龙.薄壁零件切削稳定性的研究现状[J].工具技术,2007,41(12):11-13.

[2]王志刚,等.薄壁零件加工变形分析及控制方案[J].中国机械工程,2002,13(2):114-117.

[3]潘永智,等.基于切削力预测模型的刀具几何参数和切削参数优化[J].中国机械工程,2008,19(4):428-431.

[4]毛新华,黄婷婷.智能的切削参数优化系统设计[J].制造技术与机床,2010,(4):48-50.

[5]梁睿君,叶文华.薄壁零件高速铣削稳定性预测与验证[J].机械工程学报,2009,45(11):146-151.

[6]李亮,查文伟.薄壁零件高速铣削的振动问题分析[J].盐城工学院学报(自然科学版),2006,19(2):9-13.

[7]楼文明等.薄壁工件铣削加工变形的预测[J].工具技术,2007,41(5):40-43.