可重构无线电系统（精选7篇）
可重构无线电系统 第1篇
20世纪以来, 随着多种无线电新技术、无线网络的投入和扩展, 有限的无线电频谱资源空前拥挤、干扰严重, 成为制约无线电通信系统发展的瓶颈, 但实际频谱资源的利用率却相当低。在此背景下, 瑞典Joseph Mitola博士于1999年提出了认知无线电 (Cognitive Radio) 概念[1], 在通信领域产生了很大的影响力。之后许多权威机构和个人纷纷提出各自的定义, 虽然侧重点各不相同, 但都具有两个主要特点:认知能力和动态可重构能力。其中动态可重构能力, 是指系统能够在不中断工作的情况下, 在线调节收发信机工作参数。重构性是“适应动态变化的无线环境”的具体体现, 可依托软件定义无线电 (SDR) 平台, 开发适用于认知无线电的动态可重构软件波形。鉴于可重构软件波形的重要性, 本文介绍一种使用GNU Radio软件和通用软件无线电外设 (USRP) , 开发适用于认知无线电系统的、能快速动态重构的软件波形。
1 软件波形开发平台
在目前的实验室环境, 基于SDR的软件波形开发有多种可选平台, 如:BEE2[2], WARP[3] 等。但从性价比和开放性出发, 本文选择GNU Radio[4]软件定义无线电实现方案。GNU Radio是一个免费的开源软件包, 包含丰富的无线通信数字信号处理模块, 运行在通用计算机的Linux操作系统中, 主要对物理层基带信号和链路层数据帧进行处理。与GNU Radio配套的硬件平台是USRP[5] (通用软件无线电外设) , 包含4个64 MSa/s的12位ADC, 4个128 MSa/s的14位的DAC, 1块高速FPGA, 主要进行数字上下变频、射频前端的信号处理, 频率覆盖范围0～2.9 GHz, 最高可发送和接收的信号带宽为8 MHz。USRP与PC机通过USB 2.0接口相连, 在PC机中使用Python语言调用GNU Radio信号处理模块, 编写必要的控制程序和外部接口程序, 构成一个基于通用微处理器的灵活的软件波形开发平台, 如图1所示。
2 动态可重构软件波形的设计
2.1 认知无线电系统模型
目前认知无线电研究领域已提出了多种认知无线电系统模型, 大多数都比较复杂, 实现难度较大。本文根据对认知无线电的理解, 提出一种简单、易实现的系统模型, 如图2所示。认知无线电系统由认知引擎和SDR两部分组成, 分别实现认知无线电的认知能力和波形动态可重构能力。认知引擎由感知模块和AI (人工智能) 模块组成, AI模块是使认知无线电具有判断、学习、计划、决策能力的核心部件, 能根据用户需求和外界电磁环境的感知信息、SDR的内部状态信息, 优化和控制SDR通信波形, 使用可用的通信资源努力满足上层应用的链路质量和用户需求。
根据这一模型, SDR通信系统参照ISO/OSI模型划分为7层[6]。第一层, 物理层负责bit流的调制发射与接收解调。第二层, 链路层主要负责数据帧的可靠传输和数据发送的控制。第一层和第二层是无线数据传输的基础, 为上层应用和协议提供服务。而更上层主要提供数据帧的寻址、路由、应用软件的传输通信。为了对波形参数进行控制, 每层都有相应的波形参数调节“旋钮” (Knobs) 。API (Application Programming Interface) 作为与外界交互的接口, 对外与认知引擎连接, 实时接收、解析波形请求信息, 向认知引擎报告接收质量信息;对内调用各层的Knobs调整波形参数, 实现波形的动态重构。
2.2 通信系统的设计[7]
为了降低系统复杂度, 首要解决物理层和链路层的波形参数重构问题, 上层结构只保留应用层。由于信号的插值、抽取、滤波、频率变换、信号的发射与接收都由USRP处理, 因此软件部分物理层主要处理基带信号的调制与解调;链路层主要包括成帧、错误检测、纠错编译码及链路层控制协议;应用层为实时视频传输服务。
2.2.1 发射机信号流程图
发射机信号流程图如图3所示, 图中usrp_sink模块是USRP作为发射机在GNU Radio中例化的软件模块。信号处理流程是:链路层通过socket接口从应用层获得待传送的业务数据帧, 首先进行CRC校验计算, 在该帧数据尾部添加CRC校验码, 然后对业务数据帧和CRC校验码进行卷积编码、交织、扰码, 最后在帧头部添加指示帧长度的信令字与帧同步码, 合为一帧送入缓存中。物理层从缓存中取出待发送数据, 按照相应的调制模式生成基带符号序列, 经幅度控制后送入USRP, 由 USRP的硬件电路进行数字上变频、数/模转换、射频混频、功率放大、发射。卷积编码、交织、调制、幅度控制、USRP模块都可以根据波形参数重配置。
2.2.2 接收机信号流程图
接收机信号流程图如图4所示, 图中usrp_source模块是USRP作为接收机在GNU Radio中例化的软件模块。信号处理流程是:USRP接收外界电磁信号, 通过滤波、放大、频谱下搬移, A/D采样, 数字下变频形成基带信号, 通过USB接口送入PC机的软件中, 经解调算法获得判决后的bit流;帧同步模块对bit流进行相关峰检测, 帧同步后提取帧长度控制字指示的有效数据, 去除扰码后交维特比译码进行纠错译码, 最后由CRC校验模块计算每帧中恢复数据的CRC校验值并与每帧尾部附带的CRC校验值相比较, 不相同, 则丢弃该帧;相同, 则将该帧通过socket接口送入应用层。CRC校验模块还负责通过API接口向认知引擎上报误帧指示。同样译码、去交织、解调、USRP模块都可以根据波形参数重配置。
2.3 波形参数Knobs的实现
根据文献[8]的介绍, 影响波形的参数分布在通信系统各层的信号处理模块中, 表1给出了本文设置的Knobs和实现的函数。
表1中帧大小、视频码率、bit速率、发射功率、载波频率的动态调整, 只是某些参数值的在线修改。信道编码速率、交织细节、调制类型的动态调整则是整个信号处理模块的动态生成和动态更新, 一般的编程语言难以实现。但Python程序无需进行编译连接, 由Python虚拟机翻译成字节码执行, 这使新模块可以在程序运行中生成。GNU Radio信号处理模块的线程控制机制又解决了模块的动态更新问题, 它可以暂停流程图线程的运行, 将流程图中的模块替换为新模块, 恢复流程图运行后, 系统会自动使用新的信号处理模块继续工作, 使系统能快速切换到新的波形上通信。
2.4 API接口与波形重构的实现[9]
如图5所示, API是处于认知引擎与SDR之间的部件, 一方面可以屏蔽SDR内部程序的复杂性, 简化外部程序的访问;另一方面易于与多种类型的认知引擎平台连接, 提高软件波形的可移植性。波形重构实时响应的原理是:API与认知引擎之间的TCP socket接口每一次传送数据都要先建立链路再发送数据。因此在主程序中设置监视线程, 一直监听API打开的TCP端口是否有连接请求, 有则接收波形请求信息, 进行解析, 然后调用各个波形参数的Knobs进行配置, 波形重构完成后又开始TCP端口监视。流程如图5所示。
3 动态可重构软件波形功能验证
3.1 测试系统的设置
为了测试软件波形的特点和重配置能力, 设置一模拟认知引擎同时连接收发两端的SDR, 模拟认知引擎发送波形请求信息, 观察波形变化, 测试波形重构的响应速度。测试系统的组成与连接如图6所示。SDR1配置为发射机, SDR2配置为接收机。PC3使用Python编程模拟认知引擎程序, 通过以太网与SDR1和SDR2连接, 传递波形请求信息, 控制波形参数。PC3接1个USRP对外部电磁频谱进行实时感知和显示。 SDR2的接收质量信息通过以太网发送到PC3。收发两端的USRP相距3.5 m, 频谱感知的USRP紧邻收端USRP。3台PC机配置均为:AMD 3核2.4 GHz, 4 GB内存。
3.2 软件波形功能测试
3.2.1 波形重构测试
波形重构测试使用认知引擎对波形参数进行配置, 通过PC3的频谱实时分析窗口观察波形变化, 图7, 图8为波形重构前后的对比图。
图7波形参数为:频率2 458.7 MHz, 比特率1.1 Mb/s, 调制方式GMSK, 功率为5 mW。图8波形参数为:频率2 460 MHz, 比特率1.1 Mb/s, 调制方式DQPSK, 功率为18 mW。
3.2.2 波形参数配置能力测试
中心频率可在2 300～2 900 MHz范围内配置, 步进可设为1 Hz。发射功率可在0～50 mW之间调整, 步进可设为5 mW。调制/解调模式可在DBPSK, DQPSK, GMSK三种模式之间动态切换, 从而迅速切换到新的调制波形上通信。
USRP发送和接收的符号速率范围是125 KSPS～4 MSPS, 理论上比特速率由符号速率和所使用调制方式决定。而实际能使用的速率受微处理器处理能力和程序复杂度的制约, 以上文所述PC机配置, 比特速率配置范围如表2所示。
信道编码可选择按照码率R=2/3, 1/3, 1/2进行卷积编码和维特比译码, 使用信道编解码后一定程度上改善了系统抗误码性能, 但也加大了系统处理负荷, 直接表现为最高可靠通信速率下降。
3.2.3 波形重构响应时间
波形重构的响应时间定义为:从认知引擎发出控制信息开始, 经波形重构, 到SDR2重新接收到第一个正确的帧为止所经历的时间。经过100次测试, 响应时间如图9所示。经统计:平均响应时间为64.06 ms, 均方差为11.57 ms, 最小值为52.41 ms, 最大值为100.23 ms。响应时间主要分布在52～60 ms之间, 图中的较大偏差主要由于USRP的重配置会出现随机的短时阻塞 (不超过60 ms) 。
4 结 语
通过上面的测试可以看出, 本文依托SDR的波形开发平台不但有较多可调波形参数, 还可以实时接收和解析认知引擎的波形请求信息, 进行动态配置, 波形重构的响应时间在100 ms量级, 符合波形快速重构的要求, 可为认知无线电系统提供灵活的动态可重构软件波形。
摘要：为了使未来的认知无线电系统具备有很强的灵活性, 支持各种各样的波形, 适应不断变化的外部环境, 使用GNU Radio软件和USRP硬件搭建一个成本低, 适用于认知无线电的软件波形开发平台。设置多个可动态在线调整的波形参数调节“旋钮”, 和一个API用于实时接收和解析认知引擎的波形请求信息, 调节波形参数。通过实验测试表明, 该平台能很好地为认知无线电系统提供丰富的动态可重构软件波形。
关键词：认知无线电,波形,动态重构,API
参考文献
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[8]FETTE B A.认知无线电技术[M].赵知劲, 译.北京:科学出版社, 2008.
可重构无线电系统 第2篇
可重构系统一般由主处理器耦合一组可重构的硬件部件, 处理器负责任务的调度, 而可重构的硬件部件负责执行算法[1]。可重构架构的研究主要集中在以下几个方面:不同粗细粒度的架构研究、处理单元结构研究、处理单元的互联方式研究、新型存储结构研究等。可重构系统的重构方法主要包含两大类:静态重构技术、动态重构技术。静态重构需要整个系统复位, 往往需要断电重启;动态重构技术是在系统不断电的情况下, 可以完成对指定计算资源、逻辑资源的模块级或电路级重构, 具有功能实时切换、资源可复用等优势。
动态重构技术作为一种计算系统的新型配置设计思路, 从传统的追求计算资源“大而全”, 向追求资源的利用率转变。与传统的静态配置或完全配置方法相比, 动态重构技术无需对所有计算资源重构, 可以有选择性的进行重构资源加载, 一方面, 能够保证系统在其他单元正常工作的同时, 根据待处理任务需求及数据特点完成自适应配置, 保证了对逻辑资源的时分复用;另一方面, 能够大大缩短功能切换单元的配置时间, 保证任务的无缝对接及实时处理。
文章组织结构如下:首先提出了可重构系统原型的设计思路, 从可重构计算单元、存储单元、可重构控制单元等多个方面做了细化阐述;然后分析了动态配置技术的实现原理, 并基于Xilinx开发平台, 搭建了“嵌入式处理器+可重构计算单元”的验证系统, 实现了粗化、细化两种边缘提取IP核的动态配置;最后对试验结果进行评估。
1 可重构计算系统架构设计方案
可重构计算原型系统的体系架构采用RISC架构通用处理器 (CPU) 、可重构控制单元、可重构计算阵列、可重构I/O接口和存储系统等部分组成。CPU与可重构计算阵列之间为并行处理关系。从系统设计复杂度和灵活度考虑, 两者采用总线结构耦合。因此, 在系统平台架构中, 通用处理器、计算单元和接口单元之间采用总线连接方式。其系统架构见图1。
系统变换形态流程如下:系统进行计算功能变换时, 通用处理器向可重构控制单元发送重构命令, 可重构控制单元管理、调度硬件资源, 并上报系统工作状态;当系统资源准备就绪后, 通用处理器控制可重构硬件读取硬件配置数据并加载到器件中, 以变换可重构计算单元或接口单元的形态, 统一变换系统中全局存储空间的划分、管理及访问控制, 各计算模块共享内存区的映射关系图;同时, 根据新的计算形态加载相应的软件和数据, 最终完成整个系统形态变换流程。功能切换时, 只对可重构硬件的一部分进行重新配置, 其他部分可继续执行任务。动态部分重构可以减少配置数据, 加快了计算形态变换速度, 提高了系统的适应性和灵活性。
通用处理器运行操作系统, 负责系统的控制、计算形态管理、计算资源管理和任务调度;处理那些控制比较复杂、不便映射到硬件上, 且计算量较少的计算任务, 如变长循环、分支控制、存储器读写等。可重构硬件则用于处理计算量大、并行度高、任务相关度低的部分, 执行程序中拥有规则的数据访问模式, 控制简单的那部分“计算密集型”代码, 主要由可重构控制单元、可重构计算单元、可重构I/O接口及片上高速总线组成。其中计算单元及I/O接口可根据应用需求重构为不同的计算形态。
1.1 可重构系统计算单元模型设计
可重构系统计算单元的基本思想要求将计算和存储两部分进行解耦合, 因此采用了数据和指令存储物理分离的哈佛结构, 将数据访问模块、指令组织与调度模块和指令执行模块分离。同时, 根据流处理模型中生产者消费者局部性的特点, 将数据访问模块划分成软件可管理的多个存储层次, 各自保持独立运行。可重构系统计算单元主要有三个部分组成:控制单元、存储单元、可重构处理单元阵列。
控制单元。执行算法时, 控制单元对可重构系统计算单元进行总体控制, 协调可重构处理单元阵列、配置存储器、本地存储器、数据分配单元、数据合并单元的运行, 根据系统运行状态和各个单元内部控制信号的反馈信息, 改变各个单元的状态, 保证系统正确运行。
存储单元。存储单元分为三部分:数据存储, 寄存器堆以及配置存储。数据存储包括本地存储器, 数据分配单元以及数据合并单元。本地存储器用于存储可重构处理单元阵列计算需要的输入数据和输出数据;数据分配单元用于从本地存储器或寄存器堆中读取数据;数据合并单元用于向本地存储器或寄存器堆写入计算单元的输出数据。寄存器堆用于存储中间数据, 并向阵列发送配置字。
可重构计算基础单元。可重构计算单元是可重构阵列的核心部分, 可以理解为粗粒度的最小计算单元。为了能够执行更多类型的算法, 需要支持尽量更多的功能。例如, 对于常用的计算密集型运算, 需要支持FFT、FIR、DCT和点积等功能。因此成熟的可重构系统中, 应该包含足够多基础功能、不同粒度需求的可重构计算资源库, 以便于更加灵活的资源组合。
1.2 可重构系统存储单元模型设计
可重构计算系统的存储单元由CPU和可重构阵列共同访问操作。因此, 存储单元主要研究CPU和可重构计算单元对内存访问的协调与控制机制, 存储单元的模型设计需要主要解决如下问题:避免内存访问冲突、解决多个处理器模块并行工作会降低主存的访问效率的问题、解决可重构计算单元面临的端口和速度的限制。
存储管理单元主要解决多个模块并行工作时会降低访存效率的问题:多个模块共享片外内存会引起访问冲突从而导致等待;访问片外内存的端口数量非常有限, 不利于数据通路中的并行访问。主要采取如下改进措施: (1) 为可重构硬件平台增加内存管理单元, 实现片外和片上内存的映射, 保持数据一致性; (2) 为内存访问提供多端口流水化处理或数据预读取;为应用提供定制化的缓存结构。
1.3可重构管理单元模型设计
可重构管理单元负责控制任务, 它主要接收通用处理器指令, 完成系统形态管理和资源管理;计算单元的软件加载、配置管理和数据交换等任务。
其主要完成的工作有: (1) 实现全局存储空间的划分、管理及访问控制, 解决数据访问冲突, 阻止非法访问;将各模块传递的数据存储在统一的存储区, 以并行方式协同完成计算任务; (2) 接收通用处理器的指令, 将共享存储系统中的操作系统及应用软件加载到计算单元; (3) 对系统内部可重构硬件资源进行管理, 确保相应可重构计算单元或I/O接口功能变换时, 不影响系统正常运行功能; (4) 用于实现对可重构计算单元的动态配置, 可以根据应用任务需求修改计算单元架构和计算模块的功能, 并将计算单元、I/O接口的总线转换为统一的内部互连总线, 提高了对外连接的适应性。
2 基于可编程逻辑阵列的动态配置技术实现
2.1 动态配置技术原理
动态配置技术是实现可重构计算单元切换的关键技术, 保证逻辑资源的时分复用, 在优化资源配置的基础上实现对不同任务的响应。动态配置技术支持的配置阶段及配置策略, 直接决定了不同重构单元是否能够实现无缝切换, 进而影响了任务实时响应能力。目前成熟的动态配置技术需要提前编译待重构的逻辑资源、定义各硬件模块的接口和时序约束、明确各模块在可编程逻辑阵列上的实现区域及模块之间的物理连线。动态配置技术主要包括三个阶段, 即设计阶段、编译阶段、运行阶段[2]。
设计阶段, 根据任务处理需求, 需要设计不同计算任务对应的功能电路, 每种计算任务可能对应一种功能电路, 或者是若干个功能电路的组合。在基于可编程逻辑阵列的逻辑设计中, 电路设计采用硬件语言描述或者原理图描述的方法;顶层设计文件通过综合器生成网表文件, 在布局/布线阶段, 依旧可以对流处理器进行优化设计。
编译阶段, 基于配置文件的生成工具, 生成初始配置文件及若干动态配置文件;初始配置文件包含了非重构区域的系统或电路描述, 每个动态配置文件对应一种计算任务。动态配置文件经过重构文件生成器, 生成最终可以动态加载的配置文件。
运行阶段, 非重构区域的处理器或者控制电路, 可以自行分析待处理数据的特点或依据顶层控制指令, 完成配置文件的动态加载。加载过程往往通过重构控制器及动态配置接口完成, 重构配置器在重构数据库中选择相应计算任务对应的配置文件, 通过动态配置接口将其加载到可重构平台中, 并将可重构分区内的逻辑资源重构。
2.2 基于ICAP动态配置技术实现
Xilinx公司提供支持动态配置技术的整套开发工具, 包括用于动态配置的配置接口IP硬核及相应的加载配置函数。开发者需要基于标准开发流程, 搭建硬件平台并制作可重构计算单元的IP核;根据可重构部分的资源占用情况, 在FPGA内部划分可重构区域资源的大小、位置及种类。ICAP (Internal Config Access Port) 是可重构资源的内部配置接口, 可以挂在到内部总线上;硬件平台搭建完成之后, 编译系统会为ICAP提供唯一寻址地址, 作为从外部存储空间向内部可重构区域加载的数据入口和通道。
如图2所示, 基于ICAP的动态配置技术主要包含如下步骤:创建处理器硬件系统、创建顶层设计、创建布局/布线工程、定义可重构分区、添加可重构模块、设计规则检测、自定义配置、生成比特流、生成启动文件。创建处理器硬件系统及顶层设计后, 需要对模块占用的资源进行预估, 并根据预估结果创建顶层设计的约束文件。定义可重构分区、添加可重构模块阶段, 需要充分考虑布局布线的时序及资源要求。图3为可重构系统的布局图, 主要包括处理器、可重构分区、数据总线及其他非重构IP核等, 处理器负责资源调度、可重构接口控制等;可重构分区用于实现流处理器的多形态变换;数据总线同时用作动态配置文件加载、各模块数据通信通道。
2.3 可重构计算系统平台搭建
如图4所示, 基于动态配置技术的可重构架构的验证系统包括上位机、可重构计算系统 (主要由可编程逻辑阵列组成) , 两者之间通过通信总线连接。主要包含以下模块: (1) 可重构控制单元。该单元包含:内嵌通用处理器Power PC、Linux操作系统、PLB总线等, 主要负责可重构单元的控制、数据传输、资源调度等。 (2) 通信单元。该单元主要包含:以太网接口及串口, 用于图像传输及控制指令传输。 (3) 内存管理单元。该单元主要包含片内定制的乒乓存储单元, 用于源图像及中间处理数据的缓存。 (4) 可重构逻辑单元。可重构控制单元根据待处理数据的信息特征, 通过动态重构方式加载不同配置文件。如可重构硬件模块1支持图像边缘的粗提取, 可重构硬件模块2支持图像边缘的精细化提取。
上位机负责可重构配置单元的加载控制, 能够根据待处理任务的数据特点和大小以及处理内容, 选择最适应的可重构加载文件, 并向可重构计算系统发出重构指令。可重构计算系统通过加载不同配置信息, 可重构计算单元来并完成处理任务。在任务处理过程中, 可重构计算系统可将任务状态信息、任务处理结果等用户关心的参数上报给上位计算机并打印输出。
文章实现的图像边缘提取算法包括如下步骤:图像平滑、图像锐化、边缘提取、边缘连接, 最终得到完整的边缘图像。高斯平滑与LOG锐化过程采用空间域滤波方法, 二值处理采用自适应阈值分离方法, 边缘细化采用形态学变换的方法。其中粗提取模块主要包含以下三个步骤:图像平滑、图像锐化、二值处理。精细提取模块包括以下四个步骤:图像平滑、图像锐化, 二值处理和边缘细化四个步骤。
3 试验结果分析
3.1 试验环境
可重构计算系统的试验平台基于Xilinx提供的ML507开发板, 处理器采用Power PC440, 操作系统采用Linux, 处理器通过PLB总线与可重构配置区域及其他IP核通信。具体配置参数如表1所示。
3.2 试验结果评估
配置文件规模评估。实验结果表明, 如果将“Power PC处理器+PLB总线+图像处理IP核”的硬件系统全部重构, 需要配置的比特流文件为1914KB;而图像处理IP核的重构只需285KB。由此可以看出, 与静态配置技术相比, 动态配置技术能够在保证大部分逻辑资源不变的情况下, 选择性的完成资源重构。
配置时间评估。动态配置技术实现中采用的内部配置访问接口ICAP的时钟频率为50MHz, 数据带宽8bit, 理论配置速度为0.5×108B/s。实验结果表明, 动态配置技术无论在配置数据的加载时间还是重构总耗时, 都大大减少。配置时间的减少, 保证了计算资源的无缝切换, 提高了不同任务的响应速度及实时处理能力。
4 结束语
文章主要有如下贡献: (1) 提出了可重构计算原型系统的设计思路, 着重介绍了可重构系统计算单元、可重构系统存储单元、可重构管理单元等关键模块的设计理念。 (2) 搭建验证平台, 并实现了动态配置技术。文章基于Xilinx开发平台, 搭建了“Power PC处理器+PLB总线+可重构计算单元”的验证系统, 设计了边缘提取的自主知识产权核, 实现了基于ICAP动态配置接口的可重构计算。实验结果表明该验证平台不仅具有较高的计算能力和计算灵活性, 而且具有较强的资源调度能力, 能够大大缩短资源重构的占用时间。
未来工作包括以下几方面: (1) 进一步完善体系结构设计方案和系统计算模型; (2) 结合可重构硬件的发展, 进一步开展可重构支撑技术的研究, 如:任务时域划分模型、软硬件划分及调度模型、硬件资源管理模型等; (3) 深入研究可重构计算基础模型, 建立多种架构的可重构单元模型库, 以适用于更多的应用场景。
摘要：可重构计算具有应用灵活、性能高、功耗低、成本低等优势。动态重构技术作为可重构计算的配置方法, 具有配置方法灵活、耗时短、任务实时响应能力强等特点。文章首先提出了可重构系统原型的设计思路, 并着重分析了可重构计算单元、存储单元、可重构管理单元等关键模块的设计理念。然后分析了动态配置技术的实现原理, 并且基于可编程逻辑阵列, 搭建了“嵌入式处理器+总线+可重构计算单元”的硬件系统, 并实现了两种图像处理IP核的动态配置。
关键词：可重构计算,系统原型,动态配置技术
参考文献
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可重构无线电系统 第3篇
随着市场竞争日益加剧和客户需求多样化,大规模定制(Mass Customization,MC)、单元制造(Cellular Manufacturing,CM)等先进制造模式得到了广泛应用,制造过程管理(Manufacturing Process Management,MPM)、制造执行系统(Manufacturing Execution System,MES)等制造信息系统也对全面质量管理提出了敏捷化、精确化、可重构的要求[1,2]。加工误差分析作为调整工艺系统、稳定和提高产品质量的重要手段,也必须满足MC、CM等先进制造模式的需求,不仅要能够快速、精确地完成基于各种统计方法的加工误差分析,适应不同工艺系统和加工方法对数据分析的特定要求;也要满足与MPM、MES等制造信息系统的集成和融合,实现企业制造系统实时反馈和调整的全面数字化驱动。传统的手工加工误差统计分析方式工作量大、分析周期长、容易出错,目前主要用于理论分析[3,4]。误差分析的实现已经逐步被计算机辅助方法所代替,如基于特定开发工具实现的加工误差分析系统[5]、基于办公软件实现的加工误差分析工具[6]等。但是由于上述分析工具多针对具体统计方法进行特定实现,不能满足不同统计方法的需求,同时其算法的性能和可靠性尚有待加强。因此也有部分研究人员采用特定数学统计分析软件进行加工误差分析,如文献[7]应用Matlab进行齿轮的加工误差分析。这种方法可以利用统计分析软件强大的分析功能,算法的效率和可靠性也得到了保障,但是其使用需要一定的统计学知识,门槛较高;而且领域需求满足不完善,如分析结果输出的形式等;另外也不能和现有的制造信息系统集成应用,其应用与配置不能灵活重构以适应当前的制造模式。
作为世界3大统计分析软件平台之一的SPSS(Statistical Package for the Social Science,社会科学统计软件包),不仅拥有强大而全面的统计分析功能,也提供了完全基于组件的开发平台,能够为特定应用领域提供定制化应用。因此本文提出基于SPSS的可重构加工误差分析系统,屏蔽SPSS直接应用的复杂性,支持企业多样化的加工误差统计分析方式,提供高性能的分析过程和可靠的分析结果,满足不同企业对加工误差分析中数据采集、录入、分析、输出等各环节的特定需求,以可重构的方式实现与MPM、MES等系统的全面集成应用,实现敏捷、精确、可重构的加工误差统计分析。
1加工误差统计分析领域模型
目前的计算机辅助加工误差分析工具不能实现敏捷、精确、可重构的应用需求,问题本质在于加工误差统计分析领域的基本元素及其关系没有在高层得到全面抽象,不能完整、统一、灵活地表达误差分析数据及其逻辑,从而无法支撑误差分析系统在应用模式和配置模式上的灵活配置与重构。本文将全面分析加工误差统计分析领域概念和元素,构建全面的系统模型,以驱动可重构的系统实现。
在机械加工实际生产过程中,影响加工精度的因素错综复杂,因此需要通过对生产现场加工数据加以采集,并根据不同工艺系统的特点,采用相应的概率统计方法进行数据的处理和分析,然后依据分析结果,从中发现加工误差的波动规律,从而找出影响加工精度和质量的问题,并且控制工艺过程正常运行。因此可以看出加工误差统计分析过程中,涉及工艺系统、误差源和统计方法及其之间的相互关系等静态元素,也涉及加工数据的录入、数据分析处理以及分析结果输出等动态元素。因此加工误差统计分析系统的领域元素可以分为工艺系统、误差源、统计方法、加工数据、分析结果及其之间的相互关系。图1表示了加工误差统计分析领域基本元素及其关系,不同的工艺系统对应采取不同的统计方法,工艺系统之间的相互关系形成了误差源,通过工艺系统产生加工数据,利用统计方法分析加工数据,得到相应的分析结果,对应的特定误差源隐藏于分析结果中,通过统计方法可以发现误差源。
对于工艺系统来讲,其组成包括机床、夹具、工件、刀具等基本元素。对于误差源来讲,可以分为原理误差、系统几何误差、受力变形误差等。对于统计方法来讲,常用于加工误差分析的方法有统计描述、线性回归等方法。加工数据可以是任意制造对象测量数据,包括形状精度、尺寸精度和位置精度;另外数据分析还需要将总体划分为不同的样本空间。用统计方法对加工误差分析的结果往往呈现一定规律性,直观和便于发现规律的方法是以图形的方式表现出来,因此分析结果主要以直方图、正态曲线、控制图等形式展现,误差类型则可能是系统误差或者随机性误差。同时上述元素的组成部分均会随着企业生产能力改造、产品与工艺创新等因素发生变化,如设备更新、应用新的统计方法等,这就要求这些组成元素能够进行动态的调整和扩展。因此本文采用面向对象的方法,进行系统模型的构建。领域模型的UML基本类图如图2所示。加工误差统计分析领域模型完整描述了加工误差统计分析领域的基本对象及其关系,同时又保留了可动态派生的机制以适应领域变化,为模型驱动的架构和系统的可重构奠定基础。
2 基于SPSS的可重构加工误差分析系统架构
SPSS作为功能强大的统计分析平台,不仅提供了统计描述、方差分析、相关分析、回归分析等86大类几乎所有的统计分析方法,也提供了完全基于组件的系统架构模式和多种二次开发方法。SPSS提供的开发方式分为OLE自动化、第3方API、输入/输出DLL、内置脚本和内置命令语法等几种。其中OLE自动化方法专门用于基于SPSS组件的独立应用开发。通过SPSS的4个基本组件及其包含的26个COM类,可以调用任何SPSS的功能,通过240余种语法形式的Syntax命令行可以调用任意SPSS统计方法。因此,基于SPSS的可重构加工误差统计分析系统的应用模式如图3所示。当加工误差统计分析系统运行时,SPSS以后台程序方式运行,加工误差统计分析系统引入SPSS的4个COM组件,使用其中COM类调用特定的Syntax命令,可以使用SPSS的用户界面进行各种选项的设置,继而调用SPSS算法进行运算,最后得到分析结果,调用SPSS的输出方式,进行可视化输出。
加工误差统计分析系统必须同时满足两方面的重构需求。首先必须满足应用模式的重构,既要可以作为独立应用满足企业单元信息化的需求,还要能够完全的、以工具集的形式集成到MES、MPM等系统中,实现企业应用集成,应用模式重构的目的是满足不同信息化程度的企业需求。其次必须满足配置模式的重构,既要能够满足企业现状的误差分析需求,又要能够满足误差分析业务变化所带来的应用扩展需求,配置模式重构的目的是满足对误差分析业务的连续性支持。通过对加工误差统计分析领域模型的分析和构建,通过对领域基本元素及其关系的支持,以及领域模型的灵活可变性,综合考虑领域模型中的共性、可变性、绑定和依赖关系,通过构建领域模型驱动的分层架构来实现面向加工误差统计分析领域的可扩展的系统架构。系统架构以组件为基本元素,通过装配形成应用,满足应用模式的重构。另外通过扩展点(Hot Spot,HS)方式来满足变化的需求,实现配置模式的重构。系统架构以.Net Framework的编程模型为基础,支撑整个系统的组件化实现。通用框架层不包含误差分析特定知识,为误差分析中的各种特定功能提供底层功能支持,如数据读写、图形绘制,另外需要提供领域模型建模组件,快速建立不同企业、不同阶段的应用需求模型,另外还需要系统配置组件配置数据录入的界面、图形输出方式等。领域框架层由针对误差分析领域的专有组件组成,实现误差分析业务过程中的主要功能,如数据录入、结果输出、统计分析、算法选择等组件。扩展点层提供在误差分析业务过程中可能会发生变化的功能店扩展接口,通过对扩展点的定制,实现系统的客户化,主要扩展点存在于算法匹配、缺失值替代、误差元匹配以及定制化的图形绘制方式,同时所提供的接口以插件的方式实现外部开发扩展。应用层面向最终用户,可以是组件装配后的独立应用,也可以是集成于MES、MPM等系统的工具化应用。基于SPSS的可重构加工误差统计分析系统的架构如图4所示。
3 系统实现与应用实例
基于SPSS的可重构加工误差分析系统的实现主要基于以下几种技术。系统的组件开发基于.Net Framework,所有组件均以.Net DLL组件的形式实现。对于扩展点的实现,采用插件(Plug-in)方式实现,以接口方式描述方法的外部特征,然后通过接口的实现类来实现特定功能,并插入到系统装配使用。整个系统以C#语言开发,开发环境为Visual Studio 2005。系统的基本运行过程如图5所示。其中在进行缺失值替代处理、匹配统计方法、分析结果输出时,均会调用扩展点接口所预定义的各种规则以满足特定需求。
下面以一个应用实例说明系统的实现机理和运行过程。表1数据为轴径设计尺寸为的磨削工件尺寸数据。
注:表中数据为实测尺寸与基本尺寸之差,**表示此值录入中失误导致的数据缺失。
数据分析过程如下:
(1)读入加工数据,根据SPSS预定义的“用缺失值相邻4点的非缺失值的中位数替代”规则来进行缺失值替代,经过计算缺失值为“37.6”,则以“38”替代;
(2)由于拟采用直方图的方式进行数据分析,因此进行样本空间的划分,100条数据比较合适分为10组;
(3)匹配直方图的统计方法,形成并执行用于绘制直方图的Syntax命令PLOT HISTOGRAM;
(4)进行数据分析,并输出分析结果图形,并获取其统计描述,如尺寸分散范围为0.038,尺寸分散中心为60.037,标准差σ=8.927;
(5)进行结果后置处理,输入工件尺寸公差T=(0.06-0.01)×1000=50,计算工艺能力系数。
因此,基于上述分析结果,可以得知工件尺寸的分散范围比公差带还小,但与公差带中心不重合,因此加工误差类型为“系统性误差”,根据当前使用的工艺系统,如果将机床的径向进给量增大0.012mm,则可以消除系统性误差。从其工艺能力系数也可以看出来,1.00>CP>0.67,属于第3级“工艺能力不足,会出现少量不合格品”。分析结果的最终界面如图6所示。
4 结论
数据的有效处理是获取有用信息的重要手段,充分利用SPSS强大的统计分析功能,不仅可以减轻加工误差分析的劳动强度,还能有效地提高分析的效率和质量。而基于SPSS的可重构加工误差分析系统能够同时满足企业单元信息化的要求,也能满足企业应用集成的需求,并能从架构上满足误差分析业务的不断变化和发展,为企业全面质量管理和控制提供了基础支撑技术。目前,无线技术已经广泛的应用于数字化车间[7],如何结合无线网络实现加工数据的动态实时采集,进一步降低数据录入劳动强度和提高输入效率,是加工误差分析系统适应现场质量控制的一个重要研究方向。同时企业联盟日益频繁,每一个结点的质量都会对整体产品的质量产生影响,如何实现远程加工误差分析与控制,对保证动态联盟企业加工质量,提高生产效率有重要的实际意义。
摘要：为满足制造企业多样化、高效率的加工误差数字化分析需求，实现单元应用以及与制造信息系统的集成化应用。通过分析和构建加工误差统计分析领域模型，提出并实现了基于SPSS (Statistical Packase for the Social Science，社会科学统计软件包)的可重构加工误差分析系统。通过引入SPSS组件，执行SPSS Syntax命令。基于SPSS强大的统计分析功能实现对加工误差的可视化统计分析，并以组件化的可重构架构满足企业应用模式和配置模式的可重构需求。最后以实例说明系统具有良好的可用性，为制造企业全面质量控制提供应用平台和一种数字化手段。
关键词：加工误差,统计分析,SPSS,可重构
参考文献
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可重构无线电系统 第4篇
1.1可重构的定义。可重构就是在电子系统的作用状态下, 动态地改变电路的结构。这主要是通过系统的可编程逻辑器件进行全部或者局部的重新编制。利用可重构技术仅仅利用少量的硬件资源, 使系统具备软件实现和硬件实现的优点[1]。按照重构的方式可以分为:静态系统重构和动态系统重构。
1.2静态系统重构。静态系统重构只能在运行前配置, 它是指目标系统的逻辑功能静态重载。FPGA的功能是:实现芯片逻辑功能的改变。
1.3动态系统重构。动态系统重构是指在运行过程中进行配置。动态系统重构的FPGA具有缓存逻辑, 它利用这种逻辑通过全部或局部芯片的动态重构来实现数字逻辑系统的时序逻辑的发生。
二、基于FPGA的局部动态的可重构技术
2.1具有局部动态可重构功能的FPGA。FPGA基于SRAM结构, SRAM结构各个部分相互独立, 互不干扰, 它的各个单元能够单独访问配置, 这就是:局部重构。局部重构除上述明显的优点之外[2], 也有增大硬件电路规模和功耗的缺点。因此要实现电子系统的完全实时重构, 就必须使用具有局部动态可重构功能的FPGA器件。
2.2基于FPGA局部动态可重构技术主要特征及原理。它的主要特征就是将整体按照不同的功能或者时序分解成不同的系统, 利用这些系统, 根据实际情况, 对芯片进行局部的重新配置。它的优点就是利用很少的硬件设施来实现最大的时序系统整体功能。它的原理是在外部逻辑控制的情况下, 对芯片实施局部重构。
2.3FPGA实现局部动态可重构的结构要求。 (1) 不仅具有重新编程能力, 更要具有可以动态的对系统资源进行重新的配置, 且不能破坏操作的能力。 (2) 内部配置信息要对称。在任何情况下, 器件的任何一个位置都可以对基本的逻辑功能进行配置[3]。
三、基于FPGA的动态可重构系统实现研究
3.1系统的硬件组成。系统的硬件组成主要有:SRAM和flash存储器、FPGA、JTAG、两个PROM-XCF32P、两组测试线 (每组4根) 、两通道的PROM控制信号线、一路RS-232驱动接收器和PCI总线。
3.2系统的工作原理
3.2.1上电复位。在上电复位时, 要保证ARM和FPGA同步进行复位, 一般来说, FPGA上电要需要200ms的配置时间, 因此在输入或输出信号时, 要采取上下拉, 这样可以保障ARM的信号处于正常的状态, 避免了信号的冲撞。
3.2.2初始化。由ARM和FPGA分别完成系统的初始化。 (1) ARM执行的初始化工作。包括监控程序自举→监控程序执行ARM内部寄存器初始化→硬件自检→加载标志检测→ (软件更新加载) →FPGA参数设定→用户软件加载及完整性正确性校验→控制权叫用户软件→用户软件初始化→用户软件运行。 (2) FPGA执行的初始化工作。主要是它内部的寄存器和逻辑状态的初始值, 利用复位信号来完成内部缓冲区内部清零的状态。
3.2.3重构结构。当系统内出现问题时, ARM可以读取FLASH存储器内的重构方案。然而, 存储器内的重构方案受外部控制, 这时可对FPGA发出命令对进行重构的单元操作。在ARM处理器的控制下, 对被重构的FPGA进行重构。
3.3实现局部动态可重构的FPGA的选型。在进行局部动态可重构的FPGA选型的时侯, 相关人员一定要保证器件资源多出一定的数量, 这样既可以使布线的数量在一定程度上减少, 同时还可以使其所具有的测试修改功能以及功能扩展变得更加容易[4]。
四、结语
总而言之, 随着时间的推移, 该领域的研究将会有进一步的突破。基于FPGA的动态可重构系统的实现, 是可重构系统技术研究的一次重大飞跃, 缩减了该领域的普及的进程。基于FPGA的动态可重构系统, 通过对内部不同的算法进行设计, 创造了其运行的最佳环境, 进一步使系统的利用效率得到了提高, 其次其还有一个最大的特点就是可以在动态的情况之下完成各种电路的必须配置, 也即虚拟硬件可重构技术的运用, 而这些都是在微处理器的帮助之下, 通过程序的设计进行的。对此, 希望这些内容在一定程度上能够给相关的人员提供一定的帮助。
参考文献
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[3]包艳琴.FPGA动态可重构技术及其应用现状[J].电子技术教育, 2011 (3) .
动态可重构的企业应用系统开发方法 第5篇
目前企业应用系统开发面临的巨大挑战之一就是系统的可重构行。如果系统结构固化, 则难以满足企业变革的需要, 从而成为企业发展的桎梏[1]。企业 (用户) 也不得不面临多次巨大的升级、换代投入, 造成极大的资源浪费, 甚至会给企业带来经营风险[4]。
企业管理的多样性和变革的持续性要求应用系统具有高度可重构性, 目前这种需求随着企业外部环境的日益复杂多变而更为强烈, 寻找提高系统可重构性和开发效率的开发方法势在必行[5]。
相关研究表明, 企业管理的多样性体现在业务流程的多样性上, 企业管理变革最终体现为业务流程的变革[6]。如果将应用系统的设计与业务流程紧密结合起来, 随流程改变而改变就可以实现系统运作与企业管理的协调发展。
基于工作流技术和SOA构架的软件开发可以实现上述需求, 但是开发周期长、开发费用高, 很多中小企业无力负担。本文设计了一种小型化的、类似于工作流机制的web应用系统构架, 并提出了相应的开发方法。
1. 相关术语介绍
活动 (Actions) :最小的可执行单元, 具有不可分割性。在本方法体系中定义为a:=
角色 (Roles) :用户可执行的活动集合。在本方法体系中定义为c:={id, name, ai, aj, …}。id是角色标识, name为角色名称, ai为角色所要执行的活动。角色将用于权限控制。
流程 (Processes) :指系统执行的业务流程, 是活动的有序序列, 反映了企业成员为满足顾客需求而付出的一系列努力。在本方法体系中定义为p:=
2. 应用服务器设计
应用服务器是基于流程配置的系统开发与运行平台。其结构如下图所示:
虚框以内为应用服务器核心部件, 具有通用性。虚框以外是客户化的业务部件。以下对各系统部件给与详细说明。
系统管理部件: (1) 角色管理:根据用户需求定义角色; (2) 流程配置:根据用户需求定义流程; (3) 活动管理:根据用户需求定义企业活动; (4) 用户管理:管理用户的基本信息及角色分配。
系统控制部件: (1) 登录控制:检查用户的合法性及角色权限; (2) 任务生成器:负责产生要执行的任务实例; (3) 任务引擎:执行任务实例, 通常是一个应用服务器。
系统数据部件：(1)用户列表：存储用户信息; (2)角色字典：存储角色定义;(3)活动字典：存储 企业活动定义;(4)流程字典：存储企业流程定义; (5)任务列表：等待执行的任务实例的集合。任务实 例具有如下结构：< Start Time，Undertaker ，p，f ({x1， y1}，{x2，y2}，…，) ，auto ，log>
Start Time是任务的启动时间;Undertaker是任务的执行用户, 可以缺省, 缺省时表明该任务可由任一具有含有此任务的角色的用户执行;P为活动所在业务流程;f ({x1, y1}, {x2, y2}, …, ) , auto来源于活动的定义, 但此时{x1, y1}, {x2, y2}已经具有明确的值指明了处理的对象;log为工作记录, 记录了该任务的处理情况, 如完成时间, 执行用户, 是否成功等。
客户化业务部件: (1) 业务数据库:存储业务处理对象及其结果; (2) 方法库:存储业务逻辑的执行体, 它不是数据部件。每个执行体对应着一个活动, 是业务逻辑的代码化。比如一个asp、jsp或php页面。
客户化业务部件都是业务相关的, 需要通过需求分析以确定, 并通过设计和编码来实现, 整个系统的开发将集中于客户化部件开发。
3. 系统运行模式
在上述应用服务器平台上开发的系统采用“活动驱动”模式运行。基本过程如下: (1) 用户登录; (2) 登录控制检查用户的合法性, 如果合法则将用户信息发送到任务生成器; (3) 任务生成器根据用户角色和系统时间从任务列表中选取可执行任务实例, 生成任务清单。对于自动任务直接交任务引擎执行, 对于非自动执行任务则需用户手动提交任务至任务引擎。任务生成器始终检查有无新任务生成; (4) 任务引擎执行指定任务, 完毕后将执行情况记录到该任务实例的日志中, 并从流程字典中查询该任务在流程中的下一活动, 生成新的任务实例, 将新的任务实例写入任务列表, 等待相关用户执行。
4. 系统开发方法
开发工作主要集中在角色、活动、流程、数据资源的分析、设计和实现。根据软件工程规范, 开发活动共分3个阶段13个步骤。
第一阶段, 系统 (需求) 分析阶段。 (1) 组织结构分析——确定角色及其所在组织部门, 工具:组织结构图[2]; (2) 组织/职能分析——确定角色对应的活动, 工具:业务/组织矩阵[2]; (3) 功能/数据分析——确定活动及处理对象, 工具:U/C矩阵[1]; (4) 业务流程分析——分析与定义流程, 工具:业务流程图[1]。
第二阶段, 系统设计阶段。 (1) 根据应用服务器规定格式和系统分析成果定义活动、角色、流程; (2) 功能设计——活动的处理逻辑设计, 工具:IPO图等[1]; (3) 数据设计——设计业务数据结构, 工具:E-R图[3]; (4) 其它方面的设计工作, 如界面设计, 网络设计等采用现有方法。
第三阶段, 系统实现阶段。 (1) 建立方法库, 进行业务数据初始化; (2) 活动执行体编程, 建立执行体集合; (3) 初始化角色字典、活动字典、流程字典、任务列表 (每个流程的初始活动需预先定义) ; (4) 添加用户, 分配角色, 进行调试与测试; (5) 系统上线。
5. 系统的运行与维护
(1) 系统启用。根据企业实际需求, 定义角色、配置流程、设置用户, 修改或增减活动及对应执行体, 启用系统。
(2) 系统维护。系统维护主要是根据企业管理变革的需要对系统做出相应调整, 一般来讲, 调整工作主要针对角色、活动、和流程进行。主要形式包括:角色的添加、修改、撤消;任务的添加、修改、撤消;流程的添加、修改、撤消。
通常情况下, 这三方面是相互关联的。在维护过程中, 如果基本业务处理 (即活动) 没有改变, 则通过上述三类调整即可满足企业的需要, 如果个别业务处理发生改变 (有新业务加入或业务处理方式改变) 则仅需进行个别活动执行体的重新编程, 不会影响其它业务的处理, 也不会出现系统停工, 等待大规模重新开发的情况。H
摘要：企业组织结构的多样性和持续变革要求应用系统具备高度可重构性。本文提出了一种基于流程配置的应用系统开发方法, 设计了通用的应用系统开发构架, 介绍了框架支持的运行机构, 推荐了相应的开发步骤。经实际应用, 该框架提高了应用系统的可重构性。
关键词：可重构,流程,应用系统,开发方法
参考文献
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[5]黄文卿.可配置管理信息系统的通用开发平台研究[D].复旦大学硕士论文, 2009.
可重构螺旋球窝机床控制系统研究 第6篇
关键词：可重构,螺旋球窝,控制系统,机床
引言
全球化经济激发的市场激烈竞争和客户对产品需求的日益个性化趋势,引起产品品种增多及市场生命周期不断缩短[1]。可重构制造系统的出现使得以大批量生产的效率和成本进行中小批量生产成为可能。
可重构机床作为可重构制造系统的组成部分,其可通过自身结构的变化,重新配置机床功能;当工序需求发生变化时,能通过快速、经济地重新配置其硬件、软件,从而定制地响应新需求。可重构机床是可重构系统实现的基石。
1 可重构机床控制系统
可重构机床机械是一般是由一系列机械模块(包括可重构机械模块)构成,从而实现了可重构,为了与可重构机床机械系统的重构同步,可重构机床控制系统也必须是可重构的[2]。作为可重构机床动力源,为了提高各功能模块的可重构性,一般采用伺服电机;为了保证多种运动的相关性,各动力源之间应具有相应的联动性。因此作为可重构机床的控制系统可以采用数控系统控制或PLC控制。
数控系统与PLC都可以用于可重构机床的控制器,两种系统相对而言,数控系统的特点是:终端使用简单、多轴联动控制方便、二次开发对人员的求较、一次性投入较高;PLC的特点是:编程方法简单易学、可靠性高、一次性投入较少等。因此,数控系统更适用于大型的、需复杂运动轨迹的、具有多轴联动要求较高的、需闭环控制待较复杂的可重构机床或系统,PLC更适用于小型的、运动轨迹较单一的、开环控制等较简单的可重构机床。
2 可重构螺旋球窝机床
(1)工序族分析
随着国民经济的发展和社会需求的不断提高,拖拉机制动器上的压盘呈现出系列化和个性化发展趋势。压盘上球窝分布直径、球窝大小、球窝升角、球窝深度、球窝数量每一种都有几个系列,由此催生了适于压盘球窝加工的可重构机床研究。
压盘上螺旋球窝的加工方法为:采用球头铣刀直接从螺旋球窝最浅处下刀,工件围绕中心线作旋转运动,刀具沿主轴轴线向内运动,直至螺旋球窝最深处,然后工件停止转动,刀具沿轴线退刀;按此方法依次完成每一个球窝的加工。也可以采用多动力头进刀方式同时完成所有球窝的加工,但由于同一规格压盘的批量不大,所以相对成本较高。
(2)机械模块设计
如图2所示,可重构螺旋球窝机床机械部分由主轴模块、进给模块、定位模块、夹具模块、支座模块(调整模块)、床身模块等六大模块所构成。其中主轴模块、进给模块、定位模块需要有动力源。为了保证各动力模块具有良好的重构性、模块之间具有联动能力,因此动力源采用伺服电机。
(3)重构策略
根据工序族的变化,可重构螺旋球窝机床的重构策略如下表:
3 螺旋球窝加工机床控制系统设计
(1)螺旋球窝加工机床控制器的选取
通过对可重构机床的动作分析与控制要求分析,就可以知道所需控制器的复杂程度,也就可以知道是选用哪一种控制系统。图3为可重构螺旋球窝加工机床的动作时图。
图中,快进行程:进给模块快速将主轴模块运动至加工位置,同时主轴起动,按给定转速旋转,定位模块将工件旋转定位相对正确的加工位置,这几种运动不需要联动。
切削行程:进给模块向前进给切削,同时定位模块作旋转进给,主轴旋转提供主运动,此时进给模块的直线进给与定位模块的旋转进给需要联动。
退刀行程:进给模块向后退出工件,定位模块保持工件现在的位置不变,主轴保持转速,这几种运动不需要联动。
快退行程:进给模块作快速后退运动,主轴停,定位模块停。
由上分析可知,对于可重构螺旋球窝加工机床而言,每一次重组后加工时,所需要求控制的运动比较单一,主要为直线运动与旋转运动,每一个运动过程速度一样不需要变化,因此该机床的控制器可以采用PLC控制。
(2)控制系统的硬件层设计
可重构螺旋球窝机床PLC控制系统的硬件层如图4所示。
(3)程序编写
可重构螺旋球窝机床的控制系统程序编写主要难点在于,如何用PLC来实现直线进给与旋转进给联动?因此必需要建立直线进给与旋转进给之间的数学模型。
由图5我们可以得到直线进给距离与旋转进给角度:
直线进给行程B=H+L;
切削至最深处,刀具沿圆周方向移动弧长
旋转进给转角;
其中:H为螺旋球窝深度;L为直线进给与旋转进给前刀具离工件距离;D为球窝分度圆直径;α为螺旋球窝升角。
直线进给本机床是由伺服电机(SGMGH-20ACA)直接驱动交流伺服数控机械滑台(型号NC-YHJ32,导程10mm)来实现的;旋转进给是由伺服电机(SGMGH-20ACA)通过蜗杆(头数1)带动蜗轮(齿数70)来带动工件作旋转进给的。SGMGH-20ACA型伺服电机,带17位编码器,所以驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈,即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。因而我们可得到每完成一次切削,直线与旋转进给所需脉冲数的公式:
直线进给所需脉冲数:
旋转进给所需脉冲数:
以图1所示压盘零件为例:
条件:H=9.4mm,L=3mm,D=135mm,α=24°,
直线进给所需脉冲数m=162529.28,旋转进给所需脉冲数n=602508.08。
结合上述分析,根据螺旋球窝自动加工过程动作(如图6所示),就可以编写螺旋球窝加工机床控制系统PLC程序。
4 结论
根据上所述方法设计出的可重构螺旋球窝机床满足了生产需求,能较快的完成生产转换,取得了良好的经济效益。以PLC作为可重构机床控制系统,为可重构机床的研究提供了一种思路,并取得了良好的效果,有一定推广价值。
参考文献
[1]许虹,博士学位论文.可重构机床设计理论与方法研究.杭州:浙江大学,2003:1~5.
可重构无线电系统 第7篇
关键词：可重构,元模型,企业建模
0 引言
生产执行系统 (Manufacturing Execution System, MES) 作为企业计划层 (ERP) 和控制层 (PCS) 之间的桥梁, 是面向车间的综合信息管理系统。通过MES的实施, 能够有效地提高制造企业的生产效率和市场响应能力。由于车间层业务的变化性与多样性, 可重构成为了生产执行系统未来的发展方向, 是当前学术界和工业界研究的热点之一:文献[2]基于公共对象请求代理结构 (Common Object Request Broker Architecture, CORBA) 分布式组件技术进行可重构MES的开发, 解决MES的结构敏捷性;文献[3]和文献[4]将框架作为MES组件的描述方法, 设计组件的搜索匹配算法, 通过多代理合作机制实现组件装配;文献[5]采用DNA三层结构构造MES系统, 建立MES组件层次模型。由上可见, 当前的研究思路主要是基于组件实现MES重构, 一方面往往单纯强调MES组件库的积累、检索和组件的装配, 缺乏对MES重构从需求到实现的整体规划和系统管理;另一方面, 由于组件的抽象层次较低, 修改和重用都存在较大困难, 完备性与正确性无法得到保证。
模型驱动的架构 (Model Driven Architecture, MDA) 是对象管理组织提出的新一代软件开发方式, 能够弥补系统建模与实现之间的鸿沟, 使得两者有机地集成在一起。目前, 已经有相关的研究将MDA应用于生产执行系统的开发, 提出了模型驱动的软件工程方法, 从全生命周期的角度和较高的抽象层次对MES的重构进行全面的管理与实现。
1 生产执行系统的可重构性对企业元模型的需求
可重构性 (reconfigurability) 描述MES通过改变自身行为以适应业务需求变化的能力, 表明了MES的灵活性、适应性和可用性。通常来说, MES需要支持车间组织结构的重构、制造资源的重构等, 某些情况下还包括跨平台的重构。本文将MES的可重构性归纳为两个方面, 分别从时间和空间的维度来进行刻画。
时间维度的可重构性指MES可以随着应用车间业务环境的改变在不同运行时刻进行重构, 例如业务规则的演进、组织结构的调整等。当企业上层的ERP系统与底层的控制系统发生变动时, 也有可能需要MES重构自身的功能模块和集成接口。时间维度的重构通常由MES管理人员主导。空间维度的可重构性指MES可以根据所应用的行业、企业和车间的不同进行重构。流程行业和离散行业对MES的要求差异很大, 行业内部企业、车间的业务需求也会有所不同, MES必须适应本地的管理体系和生产特点。空间维度的重构通常由MES开发人员主导。
无论是时间维度上的重构还是空间维度上的重构, 对企业模型和工厂模型的要求都是能够适应灵活多变的企业和车间组织结构和不断演进的业务规则, 这就要求企业的元模型必须具备两个能力, 一是具有高度的抽象层次, 脱离行业背景的束缚, 忽略与业务无关的细枝末节;二是具有完备的表达能力, 能够准确的刻画企业和车间的组织结构功能, 此二者既对立又统一。总之, 企业的元模型脱胎于具体行业中的企业模型和工厂模型, 但又高于特定应用的领域模型, 高度的抽象性和完备准确的表达能力是可重构生产执行系统对企业元模型的自然要求。
2 面向重构的企业层级结构
2.1 企业的功能层级结构
图1描述了一个企业的功能层级模型:业务规划与运筹, 制造经营与控制以及批次、连续、离散控制。
第0, 1, 2层分别定义处理段或生产线的处理控制功能、运营功能和监管功能, 这三种功能是逐层递进的。依据实际所采取的生产策略的不同, 有三种不同类型的控制模式:批次、连续和离散。
第3层的主要业务活动包括:报告车间生产中的各种消耗;实时采集和维护来自生产过程、设备、动力能源等方面的数据, 并进行离线统计分析;快速为车间制订生产进度计划、设备维护计划、运输计划以及生产相关的其他计划, 并在生产中断时, 对各计划及时作出调整和必要的修改等。
第4层的主要业务活动包括:收集和维护原料、备件的利用和库存情况, 为原料、备件的采购提供决策支持数据;收集和维护所有在制品和入库成品的文档;为工厂粗略地制订生产进度计划, 并根据可用资源的变动对计划进行调整;在与基本生产进度计划协调一致的基础上, 制订出最适宜的机械设备维修计划等。
2.2 企业的设备层级结构
与企业的功能层级结构相适应, 一个企业在生产中所涉及到的物理设备通常以层级 (hierarchy) 的方式进行组织, 如图2所示。
企业 (Enterprise) 由一个或多个生产点 (Site) 有机组合而成, 它负责将需要生产的产品指派给特定的生产点进行生产, 并制订一套完整的生产工艺流程及生产规范用以指导生产点的生产活动。
生产点是一个由企业决策建立的物理上的、地理上的或逻辑上的组织, 它一般包含车间 (Area) 、生产线 (Production line) 、处理段 (Process cell) 和生产单元 (Production unit) , 主要职能是做粗略的计划分解, 具有特定的制造能力。
车间是一个由生产点决策建立的物理上的、地理上的或逻辑上的组织, 它由三种更低层次的实现制造功能的元素组成, 分别对应于连续制造模式、离散制造模式和批次制造模式。根据制造需求的不同, 一个车间可能只含有这三种元素中的某一个, 也可能含有其中的多个。一般情况下, 处理段用于批次制造模式, 生产单元用于连续制造模式, 生产线用于离散制造模式。
生产单元是连续制造过程调度的最小单位, 生产线和加工中心 (Work cell) 是离散制造过程调度的最小单位, 处理段和处理单元 (Unit) 是批次制造过程调度的最小单位。加工中心通常存在于生产线中具有柔性的工艺路线区段内, 类似地, 处理单元通常存在于处理段中具有柔性的工艺路线区段内。
3 面向重构的企业元模型及形式语义
3.1 面向重构的元建模语言
面向重构的企业元建模关注的焦点是企业内部制造资源的重组, 本文以设备层级结构为基础, 采用多类别基调 (many-typed signature) 的语言对元模型进行形式化描述。
定义1 一个元模型是一个带有九种类别的基调∑meta=
ⅰ.S={entpr, site, area, prodline, proccell, produnit, workcell, unit, bool}是九个类别的集合;
ⅱ.F是类型化的函数符号的集合, 包含:
常量符号:FALSE:bool, TRUE:bool;
二元函数符号:
并在一定的类型指派下对变元∀x∈X和项∀M∈Termss (∑, Γ) 满足如下一组等式E : (为简明起见, 省略了类型化函数符号的下标, 并进行了语法美化)
在上述定义中, 类别集合中的九种类别分别对应企业、生产点、车间、生产线、处理段、生产单元、加工中心、处理单元和布尔值。三个二元操作符;、+和‖分别表示变元的顺序组合、选择组合和并行组合。这三个二元操作符是类型化的, 分别作用于类别unit, proccell, produnit, prodline和workce‖。对应于这五种类型的二元操作符有三个类型提升操作符, 记作;↑、+↑和‖↑, 他们的语义已经在等式组ε中给出。
定义元模型∑meta的目的是用于将企业层级结构中的各层元素写成代数项的形式, 并考虑项中含有变元的情况, 用以将项的语法代换纳入模型的表达范围之中。项的语法代换是刻画模型可重构性的重要特征。
3.2 企业元模型的形式语义
确定了元模型的语法描述后, 需要一种方式解释元模型的形式语义。
基调代数 (signature algebra) 是为代数项提供指称语义的数学结构, 因此本文采用基调代数作为元模型的形式语义描述。
定义2 给定一个元模型∑meta=
ⅰ.对s∈S中的每个类型, 有一个载体As; ⅱ.一个解释映射I把函数I (f) :As1×…×Ask→As指派给类型化函数符号f:s1×…sk→s∈F, 通常把I (f) 写成fA。
这个基调代数给出了解释∑meta上的项所需的全部信息, 因为解释映射I已经由这个代数的函数命名方式给出。
事实上, 元模型的指称语义模型可以看作是特定的领域模型。同一个基调可以解释到不同的基调代数上, 同样道理, 同一个元模型可以有诸多实例化的领域模型。从这一角度来看, 元模型是诸领域模型的高度抽象化的语法概括, 而诸领域模型是元模型不同的语义解释。
3.3 基于基调语言描述的企业元模型的完备性和可靠性
企业元模型的基调语言描述是一个形式理论, 它包含了一组定义良好的符号和一个等式证明系统 (或称公理系统) 。等式证明系统的两个重要性质是可靠性和完备性。可靠性是指从元模型经证明系统推导出的等式, 所有的领域模型也必满足;完备性是指一个使得所有领域模型均满足的等式, 一定可以从元模型使用证明系统推导出来。
基调∑meta=
引理 Specmeta=<∑meta, E> 满足最小进程代数规范。
证明 在元模型∑meta的定义中, 每个函数符号的定义与进程代数中组合算子的定义是一一对应的[], 等式组ε蕴含了最小进程代数的公理系统。
命题 Specmeta=<∑meta, E> 的证明系统是完备且可靠的。
事实上, 假设一个从等式组E出发的证明系统, 在这个证明系统内, 每个导出规则中的等式是一个公式M=N[Γ], 它是语义相等的, 即需要将项M和N解释到基调代数Ameta中, 分别得到〖M〗和〖N〗, 若〖M〗=〖N〗[Γ], 则M=N[Γ]成立。而〖M〗=〖N〗[Γ]由具体领域模型中进程项之间的互模拟等价来定义。所以Specmeta的等式证明系统也就是最小进程代数的等式证明系统。文献[11]已经给出了一个进程代数的基于互摸拟等价的完备且可靠的证明系统。
4 结语与展望
本文从设备的角度对企业的一般组织结构进行了分析, 得到基本的可重构资源, 将这些可重构资源及其组合形式用基调语言描述为代数项, 这一表示方式很好地抽取了可重构资源的组合及替换特性, 其中的组合算子和代换算子是实现重构的重要操作。通过证明该表达方法的完备性和可靠性, 使得用基调语言描述的企业元模型具有广泛的应用性。基调语言描述的企业元模型有它自己的特点, 比起其他描述方法 (如UML图形化建模语言) 来说, 基调模型方法具有语法语义精确, 表达能力强的特点, 可对生产执行系统的模型驱动开发提供更有力的支持。
参考文献
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