多通道电源论文（精选8篇）
多通道电源论文 第1篇
地震勘探是近代发展变化最快的地球物理勘探方法之一,它的基本原理是利用人工激发的地震波在弹性不同的地层内传播规律来勘探地下的地质情况。具体操作时,采用专门的仪器记录反射波或折射波信号,然后通过专用的软件对数据进行特定的分析处理,就能较准确地测定这些界面的深度和形态,从而为判断地层的岩性提供最直接的参考。因此,地震勘探方法称为勘探含油气构造甚至直接找油的主要方法[1]。
随着地震勘探仪器的发展,能够适应海量数据记录(万道)的高速磁盘记录逐渐成为主流,常规三维观测向宽方向高密度三维观测发展,与之配套的高精度成像、叠前反演和多信息融合的解释技术也得到极大的发展,多波地震、时移地震、井中地震、微地震监测等技术也得到快速发展[2,3]。这就使得地震勘探仪器逐渐发展成为大型、分布式的系统架构。比如斯伦贝谢公司的Q-Marine海上设备可以达到20条拖缆,总通道数可达8万道,每条缆长度达到12km[4]。要实现这样的大型高精度海上地震勘探系统,需要解决很多关键技术问题,包括长距离电缆供电技术、高精度数据采集、海量数据传输和存储、多通道高精度同步采集等,而其中长距离电缆供电技术对于小道具电缆显得尤为重要,供电效率的优劣将直接采集通道数和电缆长度。另一方面,供电技术还影响到电缆的故障排查,先进的供电技术能够缩短故障排岔周期,这样便于成本的降低和野外施工的便捷[5]。
由于海上地震拖缆有着特殊的结构和供电需求,目前并未有文献提供成熟的方法和技术。本文提出一种用于大型海洋多通道地震勘探系统的供电方法。该方法基于数字包进行高压并行传输及低压装换,通过精心设计的供电网络和上电方式实现了单缆3200ch、10km的供电能力。实际的海上试验结果表明,本文所提方法完全能够满足高精度海上地震勘探数据采集的要求。
1 海上地震勘探水下设备的结构
如下图所示,海上地震勘探电缆通常由甲板电缆、滑环、前导段、光电转换板、前导段测试小段、弹性段、旁路测试小段、拉力小段、头部工作包、工作段、尾包、尾部弹性段、尾部滑环、尾靶等部分组成。
工作段每段长100m,上面有8块采集板,每块采集板上有4道检波器,道间距为3.125m。每段电缆间由数字包连接,每个数字包收集前后两段工作段上与之相邻的8块采集板上的32道检波器的数据。
由于电缆长度可达几千km,电源传输线线损和电源损耗产生的无功功率会非常大,如下图所示是电缆供电等效电路图。图中,U是供电电压,通常是380V直流电。每百米电缆的功耗用W表示,它包括传输电路功耗、采集电路功耗、高低压转换消耗的功耗以及从数字包到采集电路传输的电源损耗,它们相对固定,因此统一用W表示。而高压电源线上的损耗,由于电压不同而不同,越靠近船的地方由于电流越大,损耗也越大。
2 高效电源分配
电缆的供电电源初始值约为380V,而到电缆末端只有约120～150V,因此需要选用宽范围、高效率的变压器;由于水下电缆的直径只有约50mm,这也对变压器提出了很高的要求。这里仅给出变压器的技术参数:输入电压:90～400V直流电;输出电压:5.5V直流电;额定输出功率:15W;最佳转换效率:75%(在输出功率为15W时),72%(输出功率为10W时);
数字包内电路的功耗约为2.5W,每个采集板的功耗为0.8W,每百米8块采集板,因此每百米电缆的有功功耗为8.9W。
由于电源的转换效率约为72%,因此每百米电缆的功耗W约为12.5w。
百米电源线的电阻r约为0.3Ω。
得到了图2中的W和r,根据焦耳定律、欧姆定律等,我们就可以通过迭代算法,由电缆供电电压算出电缆末端电压了。图3和图4显示的是软件计算结果,在输入电压为380V时,如果连接80段电缆,末端电压为302.954V,整体功耗为1161W;如果连接100段电缆,末端电压为230V,整体功耗为1725W。
因此,只要船载电源的额定功率达到2kW,就能够实现单缆32000ch,10km的水下电缆供电。
3 逐级上电
如果缺乏有效的故障排查手段,长达数千米甚至上万米的电缆,如果出现故障,排查起来将会非常耗时和低效。但如果在每个数字包内部加入一个电源开关,将电缆逐级上电进行检查,就可以准确定位电缆故障点。
具体做法如图5所示:在数字包内加入一块电源控制板,1)前级(左边)数字包电源变压器收到高压电源后,给传输板供电;2)传输板接收船载工作站的上电命令;3)传输板打开高压电源线上的开关;4)后级数字包上电,再重复前面过程。这样使得工作站能够让任意多级电缆上电,排查故障。
4 测试
为了测试和验证本同步采集方法,我们进行了大量的各单元模块测试、实验室系统联合测试以及野外试验。下图是我们今年2月份在北部湾涠洲10-1工区做的6000m单缆采集初始波形图,可以看到,这种供电方式实现了1920ch/6000m的电缆供电。
5 结论
本文介绍了一种海上高精度地震勘探设备的水下供电方式,此方法已经成功应用于实际的海上高精度地震勘探设备中,取得了良好的效果。此方法已申请了一项专利(《用于地球物理勘探的逐级上电板》,专利号:201120046429.6)并获得授权。
参考文献
[1]荣钧,王尚旭,詹世凡,等.石油地球物理勘探技术进展[M].北京:石油工业出版社,2006.
[2]张玮,詹仕凡,张少华,等.石油地球物理勘探技术进展与发展方向[J].中国工程科学,2010, 12(5):97-101.
关于多通道显示融合技术的研究 第2篇
【关键词】多通道显示融合技术 应用 发展
【中图分类号】G【文献标识码】 A
【文章编号】0450-9889（2013）12C-0182-02
近年来，计算机显示技术及多通道投影显示边缘融合技术的发展，给一些需要超大屏幕、超高分辨率展示及曲面投影显示的专业应用领域提供了方便，如北京奥运会“鸟巢”顶部环形大屏幕，上海世界博览会各场馆的特色展示、交通实时监控管制、气象云图观测，以及广泛应用于飞行模拟、铁路机车、特种车辆、航行船舶、汽车驾驶员培训等的模拟训练系统。多通道显示融合技术就是将相邻画面的重叠部分进行拼接融合处理，使其亮度、对比度、色彩保持协调一致，并保证相邻画面边缘对齐无重叠，将整个屏幕完全融为一体，满足超大画面，超高分辨率无缝显示的需求。
一、多通道显示融合技术的运算处理方式
多通道显示融合技术与早期的三维图形加速技术分软件加速、硬件加速一样，根据所采用的运算处理方式分为硬件融合与软件融合两种。硬件融合即采用专业的边缘融合处理器，全硬件实时运算处理架构，可对任意视频源进行多通道显示边缘融合拼接、像素点对点显示输出，不占用任何其他设备处理资源，无需额外添置计算机，且硬件具备可编程机制，可自适应不同投影设备和投影环境的要求，具有非常强的使用灵活性，安装调试无需专业人员，具备融合画面快速调节功能。硬件融合处理整体架构可靠性非常高，开关机过程迅速，通电即能工作，可达到“即插即用”的标准，但硬件融合架构成本非常高，限制了它的使用范围，通常都应用于专业领域。
软件融合技术则是利用计算机的处理资源应用投影融合软件结合多头显示输出显卡的功能实现视频源的多通道融合显示输出，即完全由软件进行融合处理，特点是成本低廉，只需配置一台具备视频采集和多头显示输出功能的计算机即可。受限于融合软件的研发水平，软件融合对不同投影设备、投影使用环境的自适应能力相对较差，且需要专业的调试人员进行设备调试，边缘融合输出效果较硬件融合架构略差。软件融合虽然效果上略逊于专业的硬件融合，但由于成本低廉，因而应用范围非常广。
软件融合的系统主要由通用计算机平台及相应的投影融合控制软件组成。其中通用计算机平台为一台高性能的计算机，配置有高像素、高带宽视频采集卡及支持多通道显示输出的图形加速显示卡，为实现边缘融合软件的实时运算处理，CPU至少采用四核处理器，内存容量不低于4GB。考虑到系统工作过程的稳定性，计算机电源、主板、硬盘等的配置都以高可靠性为前提。投影设备至少配置3台，且尽量采用同一品牌、同一型号以减少不同品牌型号之间产生的匹配问题。软件融合的工作原理是通过视频采集卡将视频信号输入融合计算机，再由投影融合软件将视频图像经过曲面几何校正、画面比例调整、融合带生成以及图像拼接消融等运算处理后将图像划分为多个通道从不同的投影机投影至幕布以构建融合统一、色彩均匀、无变形失真的画面，完美实现高分辨率、无缝拼接的大视景。
二、多通道显示融合技术的应用
目前融合投影技术的应用除最常见的高清影院、广告展示外，已开始向其他领域发展，如高铁机车乘务员培训、多媒体娱乐甚至军事训练等。经过近年来的发展，虽然铁路机车模拟驾驶教学已由最初的事先录制好机车驾驶室运行视频并通过对视频播放速度的控制达到模拟机车驾驶的简单教学向基于计算机虚拟仿真和传感技术的新型机车模拟驾驶系统过渡，但此类系统仅有一个投影通道，画面的尺寸相对较小，虽然可显示基本的机车运行信息，但显示的画面内容还是比较单一。随着铁路多次大提速和动车组的迅速普及，特别是京沪、京广、哈大等高速铁路的开通运营，此类单通道显示模拟教学设备无法满足新时代高速铁路发展的要求，因此基于多通道显示投影技术的新型高速动车组机车模拟驾驶系统应运而生。
多通道显示高速动车组机车模拟驾驶系统组成包括1∶1模拟驾驶操纵台，视景生成计算机，三通道投影融合机，其中融合机即为软件融合系统。视景计算机将驾驶视景实时运算生成后输送给融合机，融合机通过采集卡获得视景画面后经过投影融合软件转换为三通道投影画面，最后由三台同型号的投影机投射至120度的环形幕布实现无缝超宽、高分辨率画面显示，具备身临其境的效果。得益于宽大的画面，可显示的机车运行信息更加丰富，模拟机车运行状态更接近于真实环境，对培训人员从模拟设备平稳过渡到真实车辆的操纵更加有利。
除一些专业应用需要显示融合技术之外，多媒体娱乐领域也通过显示融合技术将更真实刺激的娱乐体验带给人们，如最常见也是最流行的第一人称射击类电脑游戏（FPS）。FPS简单来说就是以游戏玩家的主观视角来进行射击游戏。玩家们不需要像其他游戏那样操纵屏幕中的虚拟人物来进行游戏，而是身临其境地感受游戏带来的强烈视觉冲击，大大增强了游戏的真实感。随着计算机硬件的逐步发展，特别是显示融合技术的出现以及多通道环绕音响的应用，第一人称射击类游戏提供了更加丰富的视觉体验和更生动的音效。在普通的游戏环境下，只有单一的一台显示器，玩家能够观察到游戏画面只有视线前方左右20度范围内的情况，如敌人或者怪物，假如在此范围之外出现情况，玩家必须上下左右晃动鼠标才能观察到，这不符合人眼的观察特性。假如使用多通道显示融合技术则不仅可将视线范围拓宽到左右45度甚至更宽，更可将视线向空间上下延伸，这样玩家不需要晃动鼠标即可将前方情况一览无余，视野更加开阔，如再配合7.1声道的环绕音响，带来的游戏体验将更加真实刺激。应用多通道显示融合技术的FPS电脑游戏软件经过定制改进同样可用于军事训练中，根据美国《国家防务》杂志的报道，美国陆军和海军已计划将类似的培训设备投入到士兵的训练中，合同预算达几亿人民币。在利比亚战争和阿富汗战争中大放异彩，目前美国陆军空军装备数量最多的无人驾驶飞机“全球鹰”、“掠食者”的远程地面控制系统中也有应用显示融合技术的大屏幕用于飞行员遥控操作时对前方战场的有效观察与高效攻击，足可见该技术的应用前景非常之广阔。
三、多通道显示融合技术的发展
不管是硬件融合还是软件融合在视频源之后都少不了一套融合设备，有没有更简单成本更低廉的融合系统解决方案呢？美国Nvidia公司的nvidia surround技术和AMD公司的Eyefinity多头显示技术就是解决方案中的代表。nvidia surround技术是应用两块相同的图形卡通过SLI（允许多个图形卡同时工作而获得更高性能）的方式连接起来，利用三台分辨率相同的显示器将画面分布开来，实现显示融合的效果。Nvidia公司的解决方案目前来看还不够成熟，存在须配置两块图形卡且支持SLI技术的主机、仅支持三台显示终端、配置安装较为烦琐、成本较高等缺点。相对于Nvidia公司的方案，AMD公司的Eyefinity技术则简单实用多了，除投影机、显示器等显示终端外，仅需配置支持Eyefinity技术的图形加速卡即可，因为支持Eyefinity技术的图形卡最少支持三通道显示输出，可通过图形卡驱动程序里的多画面边缘融合功能简单拼接，实现大屏幕输出，因此无须单独配置融合设备。如果将两块相同的图形卡配置于支持Cross Fire技术（类似于SLI技术）的主机中可实现六个屏幕的显示融合输出。目前支持Eyefinity技术的图形卡最便宜的只需200多元，组建简易的三通道融合系统成本非常低廉，但效果还是不能与单独配置融合系统相提并论，仅仅是简单应用而已。相信在不久的将来，随着计算机显示技术的发展，融合技术将越来越先进，经过融合输出后的画面形状将更多样化，画面边缘将差异更小，让人无法分辨，系统成本也愈发低廉，大屏幕融合技术将得到普及，应用领域将更加广泛。
【作者简介】谢 健（1980- ），男，广西南宁人，柳州铁道职业技术学院机电工程系CAD综合实训室实验员。
多通道电源论文 第3篇
空间辐射环境中存在多种高能射线粒子, 它们会对空间工作的卫星等各种航天器造成威胁, 其中高能质子和重离子对微电子器件的辐射损伤很大, 易引发单粒子效应, 从而导致器件失效。DC/DC电源广泛应用于各种航天器, 其引发的单粒子效应会造成航天器内部器件特性产生波动甚至烧毁, 严重威胁航天器的在轨寿命和可靠性。
DC/DC电源的单粒子效应主要包括单粒子烧毁、单粒子锁定、单粒子功能中断和单粒子瞬态。当电流超过预设最大值, 判定DC/DC电源发生单粒子锁定效应;当DC/DC电源输出电压异常, 电流未明显增大, 且被试器件不重启无法恢复正常, 判定DC/DC电源发生单粒子功能中断效应;当DC/DC电源输出电压值跌至零附近, 且被试器件重启仍无法恢复正常, 判定DC/DC电源发生单粒子烧毁效应。单粒子瞬态效应对DC/DC电源的影响表现为在电压输出端产生瞬态脉冲 (电压超出设定阈值) , 通过对电压输出端进行实时采样和数据存储, 并对存储数据进行分析处理, 可以准确记录单粒子试验期间DC/DC电源发生的单粒子效应。
2 多通道高速测控系统设计及实现
目前, 针对DC/DC电源单粒子效应试验的传统测试装置主要有两种方案, 一是采用示波器进行单次触发或多次触发采集, 但随着触发数量的增加, 采样率亦随之降低。此外, 触发电平只能设置为高或低电平, 不能同时设置高低电平的阈值。二是采用集成数据记录仪, 但是采样速率通常小于1 MHz, 无法满足高速采集要求。
本文设计了一种基于PXIe总线的多通道高速测控系统, 采用NI公司的高性能硬件构建高速数据采集与存储部分, 通过GPIB总线与现场程控仪器进行通信, 构建完整测控系统。基于本地局域网, 可实现远程控制功能, 距离测试现场20 m内可实现对DC/DC电源单粒子试验过程的远程测控。
2.1 系统硬件实现
2.1.1 系统技术指标
采集通道数:4通道;
采样率:典型10 MHz, 最高50 MHz;
采样精度:14位;
数据采集系统总线传输速率:最高400 MB/s;
数据存储容量:12 TB;
可配置程控仪器数:10台。
2.1.2 系统总体架构
测控系统由高速采集和存储单元、远程控制单元和挂接程控仪器组成, 见图1。
高速采集和存储单元实现四路高速数据并行采集和存储, 采样速率可达50 MHz, 采样精度14 bit, 数据存储容量可达到12 TB。
在远程控制单元中, 远程计算机、控制计算机及示波器通过路由器连接组成本地局域网, 通过控制计算机实现对全部挂接仪器设备的操作与控制。控制计算机通过GPIB总线接口与挂接程控仪器进行通信, 可实现电压跃变、负载跃变等动态测试功能。
2.1.3 高速数据采集和存储单元设计
(1) 采样速率分析
单粒子瞬态是DC/DC电源主要的单粒子效应, 表现为在电路输出端上产生瞬态脉冲。前期研究表明, 瞬态脉冲的脉宽可达1μs左右。为了完整地捕捉到瞬态脉冲, 系统采用10倍过采样速率, 即10 MHz采样率。作为未来扩展, 要求系统应具有50 MHz采样率。
(2) 数据流量分析
在10 MHz采样率和14 bit采样精度条件下, 对于单个通道, 单位时间数据流量为10 MHz*14 bit=20 MB/s, 4个通道的单位时间数据流量为80 MB/s。在50 MHz采样率条件下, 4通道的单位时间数据流量为400 MB/s。因此, 数据总线应具有最高400 MB/s的数据传输能力, 每小时数据流量最高可达1.44 TB。
(3) 系统实现
为实现高速采集存储, 我们采用PXIe总线构建系统硬件设备, 采用基于G语言的Labview进行系统软件开发。
高速数据采集和存储分系统框图如图1所示。控制器采用PXIe-8133, 其CPU采用Intel最新的1.73 GHz的四核处理器i7-820QM, 单核最大3.06 GHz。可扩展最大8 GB 1 333 MHz的DDR3内存。集成四个高速USB接口, 集成IEEE 488 GPIB控制器以及RS232串口。
高速数据采集卡是实现系统采样率和分辨率的核心功能单元。NI的PXIe-5122采集卡提供2通道14位分辨率采样能力, 带宽100 MHz。此外, PXIe-5122还提供每通道256 MB的板载内存。
为实现采样数据高速流盘, 系统采用磁盘阵列HD-8265作为存储介质。HDD-8265提供750 MB/s的写入速度, 最大提供12 TB的数据存储空间。
采用上述硬件配制的系统实物如图2所示。PXIe控制器位于第一槽, 第二槽为磁盘阵列, 第三、四槽为高速数据采集卡, 剩余四槽可用于系统后续扩展。机箱选用PXIe-1082。
2.1.4 程控仪器设计
程控仪器包括多路电子负载和直流电源等。选型仪器应具有GPIB接口, 控制器通过GPIB接口对程控仪器进行控制。
电源选用荷兰Delta公司的SM330-AR-22直流稳压电源, 输出电压200 V, 可满足目前国内所有核心电子器件DC/DC产品的需求。控制器通过GPIB接口编程调节电源输出电压, 实现电压跃变功能。
电子负载采用德国H&H公司的PMLI-M多路电子负载, 监测通道数为4通道。控制器通过GPIB接口编程调节电子负载, 实现负载跃变功能。
2.1.5 远程控制单元设计
系统需要使用远程计算机对主控制器以及示波器进行远程控制和操作, 考虑到实现难度以及操作距离, 采用局域网技术将三台设备组成局部通信网。网络采用星型结构, 采用多端口集线器 (HUB) 作为中心设备, 通过RJ-45接口双绞线连接仪器。为了仪器之间进行通信, 对每台仪器分配IP地址信息, 通过必要的配置, 即可实现仪器间的相互通信。
2.2 系统软件实现
软件部分采用Labview作为编程工具, 开发单粒子效应试验测试软件。
系统软件可实现功能如下:
●通过软件界面, 可定时、同时或顺序开关现场程控仪器;
●可设置信号阈值/门限值, 对超过阈值/门限值脉冲进行实时计数;
●本地与远程界面可对存储使用情况进行显示, 并可设置低限报警;
●采样率可通过软件进行调节;
●软件可进行数字滤波, 包括均值滤波、平滑滤波、低通、高通及带通滤波等;
●软件可进行数字信号处理, 包括快速FFT计算、功率谱计算等;
●采样数据可拷贝或导出至其他存储介质;
●采样结束后, 可对采样结果进行回放, 对正反向脉冲进行计数;
●采样结束后, 可自动生成过阈值/门限值的数据报告;
●可对局部数据进行放大显示;
●可通过远程计算机对现场计算机进行监视与控制。
DC/DC电源的单粒子效应试验流程图如图3所示。
3 结语
本文设计了一种基于PXIe总线的多通道高速数据采集存储测控系统, 该系统可实现对于DC/DC电源的单粒子效应远程测控。利用本系统, 已经对多种典型国产核心DC/DC电源进行了单粒子效应监测, 系统运行良好。未来, 本系统可广泛应用于宇航用国产核心DC/DC电源的鉴定检验工作中, 具有良好的社会和经济效益。
摘要：设计了一种多通道高速数据采集测控系统, 用于监测DC/DC电源在单粒子试验中发生的单粒子效应。系统基于PXIe总线构建, 采用程控仪器组网方式, 采样率可达50 MHz, 数据总线传输速率最高达400 MB/s。该系统可实现对DC/DC电源单粒子试验过程的远程测控。
关键词：DC/DC电源,单粒子效应,高速数据采集存储,远程测控
参考文献
[1]Kevin Warren, David Roth, Jim Kinnison, et al.Single Event Testing of DC/DC Converters for Space Flight[J].IEEE, 2002, 10 (02) :106-108.
[2]P.C.Adell, R.D.Schrimpf.Total-dose and singleevent effects in DC/DC converter control circuitry[J].IEEE Trans.on Nuclear Science, 2003, 50 (06) :1867–1872.
[3]P.C.Adell, R.D.Schrimt, B.K.Choi, et al.TotalDose and Single-Event Effects in Switching DC/DC Power converters[J].IEEE Trans.on Nuclear Science, 2002, 49 (06) :3217-3221.
多通道数据采集系统设计 第4篇
该数据采集系统的框图如图1所示。该系统主要由A/D转换电路、下位机、上位机、片外存储器、LCD显示器、键盘等部分构成。共同完成三路数据的采集和存储及显示工作。
2、硬件电路设计
硬件电路主要包括:A/D转换电路、外部存储器电路、LCD显示电路、键盘电路,它们都以单片机为核心,现在分别进行介绍。
2.1 A/D转换电路
该电路主要完成将三个通道的模拟量转换为数字量,采用ADC0809作为转换器件。三个模拟量均为电压信号,其值都在0~5V之间,如果是其他形式的模拟量,需要先转换为电压信号,三个模拟量分别加在IN0、IN1、IN2三个模拟量输入端,如图2所示。
2.2 外部存储器电路
外部存储器采用24C128,该芯片是一个128K位的串行CMOS E2PROM。内部包含16384个字节,每个字节8位,该芯片采用CATALYST公司的先进CMOS技术,减少了器件的功耗。该器件通过I2C总线接口进行操作。24C128的管脚较少,与控制器件的连接十分简单,采用单电源供电,使用方便。24C128与下位机的连接如图3所示。
下位机采用单片机89C51,将24C128的SDA端与下位机的P1.0连接,实现串行地址和数据的发送,将24C128的SCL端与下位机的P1.1连接,用下位机的P1.1作为24C128的串行时钟。
2.3 双机通信电路
双机通信实现下位机与上位机的双向数据传送,如图4所示。
双机通信利用单片机的串行口进行,上位机向下位机发送启动信号及读取数据请求信号,下位机收到信号后,进行相应的操作。
2.4 LCD显示电路
LCD显示电路依次显示三个通道的数据,显示的格式是:
NO:
其中“NO”表示采集次数;“CH”表示通道号;“X.X”表示电压值(一位整数,一位小数)。
显示电路如图5所示:
LCD显示电路采用液晶显示器件RT12864M,RT12864M是一种图形液晶显示器,它主要由行驱动/列驱动和128*64全点阵液晶显示器组成。可完成图形显示,也可显示8*4个(16*16点阵)汉字。内置8192个中文汉字库,RT12864提供了并口和串口两种数据传输的接口方式。这里采用串口方式。
2.5 键盘电路
键盘电路包括启动键,显示键,如图6所示:
该电路由四个独立式按键组成,其中S1为启动采集键,按下时表示开始对三个通道分别采集一次;S2为显示键,按下时表示要将测试结果显示在LCD上,至于要显示第几次采集的结果则由S3表示;S3为加一按钮,每按下一次会自动加一,次数在0~9之间巡回变化。如果需要显示的次数大于采集到的次数,下位机将返回出错信息;S4为确认键,当按下时上位机就将需要显示的信息通知下位机,下位机则将数据从片外存储器中取出送到上位机,并由上位机送到LCD进行显示。
3、软件设计
软件包括上位机程序和下位机程序两部分,流程图如图7所示。
4、结束语
多通道数据采集系统能实现数据的多次采集,分批存储,具有结构简单,使用方便的特点,不仅可以显示当前的多通道数据信息,还能显示前几次的数据,而且通过对软件的升级,还能实现平均值,最大、最小值的显示,具有一定的可扩展性。
摘要：本系统利用A/D转换器件采集三个通道的模拟信号并转换为数字信号,下位机读取数字信号并将采集次数信息连同得到的数字信号一起保存在片外存储器中。上位机读取键盘信息,如果需要显示数据,就向下位机发送请求信号,下位机再从片外存储器读取相应的数据传递给上位机,上位机则将数据送入液晶显示器进行显示。
关键词：巡回检测,双机通信,片外存储器,液晶显示
参考文献
[1]曹天汉.单片机原理与接口技术[M].北京:电子工业出版社.2006
[2]马家辰,孙玉德,张颖.MCS-51单片机原理及接口技术.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社.1998
[3]强锡富.传感器.北京:机械工业出版社.2001
多通道医学信号控件的研制 第5篇
生物医学信号是来自人体的各种信号, 其种类繁多, 复杂多变。其中包括:外源性的信号, 即人体对外源信号的反射、吸收、散射等响应 (如超声波、同位素) ;内源信号, 即人体组织或者器官自发产生的信号 (如心电、心音、血压) ;感生信号, 即外源诱发的内源信号 (如磁共振) 。有的医学信号确定性较好 (如心电、脉搏) , 有的随机性较强 (如脑电、肌电) 。因此, 生物医学信号处理和分析有时十分复杂[1]。
为了满足临床疾病诊断、治疗的需要, 以及人体生理心理状态监测、研究的需要, 人们研制了许多完成特定任务的医学信号仪器, 如多导心电图仪、心电HOLTER, 可连续同步记录1~24导联心电图信号;床旁监护仪, 可连续同步记录心电、脑电、血压、呼吸、体温、心输出量、血氧浓度、呼气末二氧化碳浓度等信号;多道睡眠图仪[2], 可连续同步记录脑电、肌电、眼动电、心电、脉搏波、胸部呼吸运动、腹部呼吸运动、口鼻气流、血氧饱和度、鼾声、腿动等信号。特别是近年来发展起来的低负荷睡眠监测技术[3]和穿戴式生理信号监测技术, 产生了一些新的医学信号仪器, 如床垫式睡眠检测仪, 可连续同步记录胸冲击、腿冲击、呼吸波、体动、血氧饱和度、脉搏波等信号;生理头帽, 可连续同步记录加速度、体温、血氧饱和度、脉搏波等信号。为了监护和分析的需要, 通常把这些信号经过滤波放大和A/D之后连续同步记录到磁盘之中, 以便进一步回顾分析处理。
生物医学信号具有种类多、信号复杂、多通道同步记录、记录时间长、数据量大等特点, 检测生物医学信号的仪器也多种多样, 为了充分挖掘蕴涵在大量数据中的有用信息, 通常配备有相应的分析软件系统。已有的医学信号仪器, 软件经常需要升级换代和功能提升, 新的医学信号仪器, 需要配备相应的分析软件系统。因此, 医学信号分析软件系统的开发和完善任务复杂、繁重, 需要研究高效、快速、可移植、可重用的开发工具[4,5,6]。
1 多通道医学信号控件设计
1.1 控件化软件系统开发
人类世代传承与积累, 丰富了知识宝库。软件作为人们思维与知识载体已经成为信息产业的灵魂与核心。软件作为人们逻辑思维的知识产品, 如何在互联网时代持续不断地共享、延续、传播与发展, 出路在于软件复用, 软件复用归根到底是知识复用。软件构件化已经成为软件工业化的必由之路, 同时也是提高软件生产率与质量、解决软件危机的主要技术手段。构件的主要特点是可复用 (reusable) 、可组装 (assemblable) 和可替换 (replaceable) 。构件是软件工业化的标志, 是软件发展的新契机, 基于构件的软件开发[7,8]是软件产业的一次革命。
Active X技术是一种共享程序数据和功能的技术, 它由微软提出并大力推广, 并已成为事实上的标准。Active X控件[9]就是符合这个标准规范的一种软件构件, 可以使用Microsoft Visual Baic 6.0、Microsoft Visual C/C++6.0等开发工具制作Active X控件, 形成完成特定功能的软件部件。Active X控件作为软件系统开发零部件, 隐藏了软件实现代码细节, 通过控件的属性、方法和事件实现控件之间以及控件与程序各部分之间的联系交流和控制。
基于控件的软件系统开发, 就是把具有不同功能的相关控件有机地组合在一起, 构建完成指定任务的软件系统。这些控件可能是来源于微软, 也可能来自于第三方开发商, 也可以是自己研制的。因此, 基于控件的软件系统开发, 可以充分发挥各公司的专业优势, 灵活组装各种相关控件, 达到高效、快速、专业的目的。为了满足各种医学信号分析软件系统的实现要求, 研制多通道医学信号控件。
1.2 控件的组成部分
多通道医学信号软件系统通常包括数据采集存储、多通道信号波形同步浏览、信号自动分析算法、信号的人机交互分析, 以及信号分析结果的表达和总结报告的打印等几个部分[4,5,6]。其中各部分实现的具体内容和形式需要根据软件系统所完成的任务不同而异, 但其中很多基础性、普遍性的功能总是经常需要用到, 比如插值和拟合、快速傅里叶变换、矩阵运算、数据排序等, 就在医学信号处理算法中经常需要用到;而多通道信号波形的浏览、测量、人机交互编辑等, 在界面设计中经常需要用到;曲线图、饼图、直方图、统计表格等, 在信号分析结果表达中经常需要用到。常用的医学信号处理算法, 如对心电图、脉搏波、呼吸波、脑电图、血压、心率变异性的处理算法, 在综合的医学信号分析系统 (如多道睡眠图仪信号分析系统) 中也经常用到。实际上, 很多基础性的算法和程序都比较成熟, 但比较零散, 在需要使用时很难找到现成的, 因此经常给系统设计者带来困难和重复劳动。设计多通道医学信号控件就是要集成这些算法和界面, 用可复用的Active X控件形式出现, 通过控件的属性、方法和事件来调用其中的复杂功能。所以其实现的技术难点是, 需要融合医学信号处理领域的经验、知识, 把成熟但零散的各种相关算法集成在一起, 构成对用户来说简单、易用和共享的软件系统编程部件。Microsoft Visual Studio.NET既可以作为Active X控件的制作工具, 也可以作为运用Active X控件开发应用软件系统的工具, 这些应用软件系统通常运行在Windows操作系统下。
1.3 控件的功能
长时间连续同步记录的多通道医学信号, 通常以二进制格式保存在磁盘文件之中, 数据量常常很大。每个通道信号的采集频率和幅度分辨率可能都不一致, 但它们的变化规律却彼此关联。多通道医学信号的分析处理是从这些大量数据中挖掘出有用信息, 以便于疾病的诊断和治疗, 以便于研究人体生理心理状态变化规律。为了便于构建、升级医学数据信息挖掘工具, 将其中大部分共性功能抽象出来, 研制多通道医学信号Active X控件, 集成实现这些功能。多通道医学信号Active X控件具有如下功能:
(1) 多通道医学信号的描述, 包括对不同类型的信号赋予唯一的ID、信号名称、幅度范围、采样速率等。
(2) 每个通道的信号表达, 包括波形表达、颜色带表达、直方图表达等。
(3) 信号波形的标注, 包括在信号波形中标记数字、字符串、信号时段或时间点等。
(4) 用户界面交互功能, 包括对鼠标和键盘操作的响应、控件中内置按钮和对话框操作、分析结果的人机交互校正等。
(5) 信号处理算法, 包括构建医学信号自动分析方法的基础算法, 如基本数值计算、基本信号处理、基本医学信号处理算法。
(6) 信号处理结果的表达, 包括用图形图像方式形象直观地呈现信号处理分析结果, 以及信号处理结果的保存、读取和统计报告。
最后将上述功能用Active X控件实现, 形成软件开发部件, 通过对控件属性、方法、事件的运用来调用这些功能, 达到快速开发医学信号分析系统的目的。
2 多通道医学信号控件的属性、方法和事件
2.1 控件的属性
2.1.1 信号数据描述
多通道医学信号中每路信号都有其自己不同的属性, 为此, 定义如下控件属性来描述各通道信号:
(1) 信号分类标志 (KIND) , 用一个16位整数来区分本通道的信号类型。例如Ⅰ导心电图为1, Ⅱ导心电图为2, 脉搏波为30, 血氧饱和度为34, 胸部呼吸运动波为32等。
(2) 信号采样速率 (Fs) , 单位为Hz。
(3) 信号总的样点数目 (n Points) 。
(4) 信号描述 (Desc) , 说明信号的名称。
(5) 信号中最小可能的A/D值 (AD1) , 通常该值为0。
(6) 信号中最大可能的A/D值 (AD2) , 对于8位A/D来说该值是255。
(7) 信号中的基线A/D值 (ADZ) , 该值应当为AD1~AD2。
(8) 信号中的无效值 (Hole) 。在记录失败的时间段用该值来替代, 这些无效值不参与数据分析, 该值不应当在AD1~AD2范围内。
(9) 信号最小实际幅度值 (AM1) , 与AD1相对应。
(10) 信号最大实际幅度值 (AM2) , 与AD2相对应, 例如AM2=3.3 m V。
(11) 信号定标符指示的实际幅度值 (AMMARK) 。如果该值小于或者等于0则不显示定标符, 对于心电图该值为1 m V。
(12) 信号序列数组x () 。16位有符号整数序列, 存放信号A/D值。
2.1.2 信号显示
每个通道的信号显示只是很长信号中的一段, 在指定的绘图区域中显示这段信号, 需要定义如下信号显示参数属性:
(1) 图形绘制类型 (CHARTID) 。信号根据其特性, 可以采用连续曲线、离散竖条线、颜色条来直观表示。
(2) 曲线颜色 (Fore Color) 。
(3) 信号显示数据起点 (Start Points) 。
(4) 信号显示数据长度 (Show Points) 。
(5) 信号显示放大倍数 (Amplifier) 。
(6) 信号显示绘图矩形区域 (Left, Top, Right, Bottom) 。
(7) 绘图区域的背景颜色 (Back Color) 。
(8) 区分曲线上下部分的A/D值 (Down Level) 。该值应当为AD1~AD2, 该值之上的曲线和之下的曲线分别采用不同的颜色绘制。
(9) 曲线下部分颜色 (Down Color) 。当Down Color=-1时不区分上下部分曲线颜色, 曲线上部分颜色采用Forecolor。
(10) 幅度坐标刻度值 (Yscale (50) ) 。它是一个数组, 给定幅度坐标值;还需要设定是否显示刻度值、坐标线和坐标刻度值的颜色。
(11) 该通道信号是否可见。
2.1.3 信号时段描述
在长时间记录的连续多通道信号中, 有些时间段信号可能代表特殊含义, 称之为事件。这些信号段需要在波形显示中标记、编辑、添加、删除、修改。如睡眠呼吸监测中出现的睡眠呼吸暂停的信号段、心电的QRS波或者用户触发事件段。为此, 需要定义描述这些信号段的属性。
(1) 分段代码 (KIND) , 用此代码分别代表信号段的类型。
(2) 分段描述字符串 (Desc) , 说明信号段的名称。
(3) 分段信号的起点 (Start) , 单位是点数。它与秒的对应关系是:Start Sec=Start/Seg Fs, Seg Fs是所有段的公用采样速率。
(4) 分段信号的长度 (Len) , 单位是点数。
(5) 分段所在的通道号 (Channel) 。若该值为-1, 则表示该段是全通道信号段。
2.1.4 多通道医学信号的总体描述
在各通道描述的基础上, 从总体上完整地描述出多通道医学信号。
(1) 信号总的通道数目 (n Channels) 。
(2) 信号总的长度 (Total Seconds) 。
(3) 信号各通道数据属性 (Data Attr sig[128]) 。
(4) 信号各通道显示属性 (Signal Show disp[128]) 。
(5) 信号段 (Seg Desc seg[Nsegs]) 。
(6) 段总数目 (NSegs) , 其中可以包含波峰 (指心电图R波、呼吸波、脉搏波波峰等) 、事件 (指睡眠呼吸事件、用户触发事件等) 、打印段等。
(7) 患者资料 (Patient) , 包括记录号、患者标志号、住院序号、床位号、姓名、性别、年龄、记录日期、记录时间、身高、体质量、收缩压、舒张压、电话、邮编、地址、诊断、主诉、过敏药物史、病史、建议、医生、备注等。
2.2 控件的方法
2.2.1 数据显示方法
在屏幕窗口指定的区域里用图形 (如曲线、直方图、色带条等) 表示数据, 便于用户直观地观察信号随时间的变化规律, 在控件中设计相关方法, 以完成如下功能:
(1) 指定区域内信号连续波形绘制。
(2) 指定区域内信号竖条图形绘制。
(3) 指定区域内信号序列上下部分不同颜色波形曲线绘制。
(4) 指定区域内信号序列的颜色条绘制 (如睡眠结构颜色条) 。
(5) 指定区域内信号幅度刻度值和刻度线绘制。
(6) 时间刻度线和刻度值绘制。
(7) 单通道信号波形的回绕显示。
(8) 信号说明字符串显示。
(9) 信号定标符号显示。
(10) 信号中的段显示, 含波峰、信号段显示。
(11) 信号曲线对应数值显示。
(12) 在信号中叠加任何文字的显示。
(13) 在信号波形中叠加任何图形的显示。
2.2.2 基本信号处理方法
在多通道医学信号控件中集成信号处理基本算法[10], 以便于灵活组合这些算法实现复杂信号分析方法。这些基本算法包括:
(1) 信号重新抽样方法, 包括重复抽样、线性插值抽样、三点插值抽样、拉格郎日插值抽样、保持峰值抽样。
(2) 信号正交变换, 包括快速傅里叶变换、快速余弦变换、小波变换等。
(3) 随机信号线性模型估计, 包括AR、MA、ARMA模型参数估计。
(4) 信号功率谱估计, 包括FFT方法、AR模型方法功率谱估计。
(5) 短时傅里叶变换时变功率谱阵列估计。
(6) 信号幅度分布直方图。
(7) FIR、IIR滤波器设计与滤波。
(8) 信号平滑, 中值滤波。
(9) 信号统计参数计算, 包括均值、方差、过零率、偏度、峰度、中值、众数、最小值、最大值等。
(10) 统计检验。
(11) 矩阵运算, 包括转置、求逆、行列式、相乘、特征值与特征向量等[11,12]。
(12) 线性方程组求解, 实系数代数方程求根。
2.2.3 医学信号处理方法
把比较成熟的医学信号处理算法[13,14,15,16,17]在控件中实现, 便于在构建医学信号分析应用软件系统时直接调用控件的方法, 避免重复劳动。
(1) 心电图QRS波识别。
(2) 心律失常分析。
(3) S-T段分析。
(4) 脉搏波分析。
(5) 呼吸波分析。
(6) 心动周期和心率趋势图计算。
(7) 心率变异性分析。
(8) 呼吸率趋势图计算。
(9) 呼吸事件检测。
(10) 睡眠分期分析。
(11) 其他医学信号处理, 如血氧饱和度、鼾声、体动、咳嗽检测与统计等。
2.3 控件的事件
在多通道医学信号分析中, 人机交互分析有时是很重要的任务, 因为信号经常很复杂, 单凭计算机自动分析不足以完成分析任务, 需要人工干预, 提高分析结果的准确性。通常人机交互任务需要将抽象数据可视化, 用计算机图形图像表达出来, 让人脑参与数据分析的过程。在多通道医学信号控件中包含了对信号操作的常用界面, 包括按钮与弹出式菜单, 同时提供鼠标和键盘操作事件。它们包含信号的幅度和时间测量、通道显示设置、波形浏览、时间和幅度缩放等。多通道医学信号控件的主要事件包括:
(1) 波形定位。第一页、最后一页、上一页、下一页、上半页、下半页、指定显示起点、时程条定位, 上事件、下事件定位, 事件列表定位。
(2) 波形显示长度设置。紧密、稀疏, 设定显示长度。
(3) 事件编辑。增加、删除单个事件, 修改单个事件类型, 重新定义事件的类型和起点, 事件列表批量修改和删除, 事件列表排序。
(4) 心电QRS波编辑。单个心电QRS波类型修改、删除、增加;异常心电QRS波列表、排序、批量删除和修改、定位波形。
(5) 信号通道选择。
(6) 波形的高度和宽度以及点测量。
(7) 鼠标按键按下、松开、移动事件。
(8) 键盘上按键按下、松开事件。
(9) 信号通道是否可见设置。
(10) 控件尺寸改变事件。
(11) 通道的幅度范围和基线设置。
3 控件的应用
多通道医学信号控件可以在各种医学信号分析软件系统的开发中得到应用, 例如, 在多导心电HOLTER、多道睡眠图仪、床旁监护仪、睡眠监测床垫、穿戴式生理监测设备等医学信号仪器配套软件系统的开发中, 该控件可以作为公用的基础软件部件, 通过与其他控件的配合, 在Microsoft Visual Basic或者Microsoft Visual C/C++开发环境中构建Windows操作系统下各类医学信号分析软件系统。
多地块地下公共通道消防设计初探 第6篇
城市综合体群内部多地块的地下开发空间往往通过市政地下公共通道连成一片,这些地下公共通道是未来各地块二级开发的接口和连接界面,由于地下公共通道不隶属于任何一个地块,在开发商对各地块进行二级开发的过程中往往只会解决本地块内的消防问题而忽略地下公共通道的消防设计,导致地下公共通道的消防设计成为设计盲区。地下公共通道的消防设计应结合将来规划的各地块条件,既能满足公共通道的消防安全性,又能尽量避免公共通道的消防设计对地块的二级开发造成过多的限制性条件。因此,有必要对地下公共市政通道的消防设计进行研究,以期为相关政府部门的前期区域规划及后期具体设计提供技术支撑。
1 地下公共通道的尺寸
典型的多地块地下开发空间如图1所示。从图中可以看出,市政地下公共通道成为各地块的天然防火分隔带。通道的宽度越大,某一地块发生火灾后蔓延至相邻地块的可能性越低。公共通道的宽度可根据热辐射理论模型计算确定,并且与规划的各地块功能有关。
根据相关资料,相邻建筑火灾蔓延引燃可燃物的最小辐射热流量为10kW/m2,距离火源中心R处的可燃物接收到的火源辐射和火源的热释放速率的关系可以表示为式(1):
式中:Q为火源的热释放速率,kW;χr为热辐射系数,表示火源热释放速率中辐射部分所占的比例,对于一般可燃物形成的火源来说,可取值1/3;R为可燃物距火源中心的距离,m;qf为可燃物接收到的火源辐射,kW/m2。
若地块对应功能为商业,根据相关规范,喷淋失效后商业的火灾规模可以达到20 MW,可推算出通道的最小宽度不宜小于8m;若地块对应功能为汽车库,则其火灾规模较商业小,喷淋失效后为3 MW,可推算出通道的最小宽度不宜小于3 m。据此,保守建议当地块功能为商业和汽车库时,相应的通道宽度分别不得小于10m和4m,以确保某一地块的火灾不会通过地下公共通道蔓延至相邻地块。
2 地下公共通道的防火分隔
由于各地块的二级开发仅考虑本地块内的消防设计,忽略了地块间地下公共通道的消防设计,因此建议政府部门在进行地块规划时首先将地下公共通道视为独立于各地块的防火区块,然后再在该防火区块内按照相关消防规范进行防火分区的划分。尤其应重视地下公共通道与地块交界面的防火分隔。
(1)当地块功能为车库时,应直接采用防火墙进行分隔,局部车行出入口处可采用防火卷帘分隔;
(2)当地块规划功能为商业时,通常来说有以下几种分隔方式:
一是防火墙与防火门相结合的分隔方式。该方式为规范推荐的分隔方式,可靠性较高;但若地下通道为商业客流的主要购物通道之一,采用此方式将影响店铺面向购物通道一侧的通透性。
二是防火玻璃加喷淋保护的形式。该分隔方式亦能在一定程度上起到阻止或减缓火灾蔓延的作用,且相关规范已明确该分隔方式可以用于中庭的防火分隔;建议对防火玻璃施加喷淋保护,保证该分隔方式的消防安全性。这种分隔方式可以弥补方式一的缺点,满足店铺的通透性要求。
三是店铺面向公共通道一侧设置防火卷帘的形式。该分隔方式与卷帘产品的可靠性和安装工艺有很大关系,采用此种方式应选择可靠性较高的卷帘产品,以保证分隔的有效性。
3 地下公共通道的疏散设计
地下通道的疏散设计应能保证火灾情况下通道内部人员的安全逃生。由于政府部门在地块规划时,各地块的具体设计尚未开始,无从得知各地块后期在进行消防疏散设计时是否会利用公共通道进行逃生。
建议地下公共通道的疏散设计应结合相邻地块的规划功能设计,且疏散出口的宽度宜预留一定的余量,避免给后期的设计带来限制性条件。疏散出口的设计应保证人员在地下通道内的行走距离符合相关规范规定,即双向疏散距离不超过50m,单向疏散距离不超过25m。一般情况下,由于地下公共通道的功能连通性要求,不会在通道内部设置疏散楼梯。建议政府规划部门在进行区域规划时,在地下通道两侧各地块合适区域预留疏散楼梯的位置,该位置在后期各地块二级开发中不得被其他功能用房占用。典型地下公共通道的防火分隔及疏散设计,如图2所示。
4 地下公共通道的消防系统设计
4.1 灭火系统
地下公共通道定性为市政地下空间,传统的自动喷淋系统、消火栓系统及灭火器均应配置。建议相关灭火系统的设计与将来规划的地块功能保持一致。例如,将来地下通道毗邻地块规划为商业,则地下通道的灭火系统均应按照商业功能设计;若将来地下通道毗邻地块的功能规划为仓库,则地下通道的灭火系统应按照仓库功能设计;若各地块的功能不同,则地下通道的灭火系统宜参照危险性较高的功能进行设计。
4.2 防排烟系统
由于地下公共通道位于地下,除位于通道出入口的防火分区外,其余防火分区均无自然通风的条件,因此建议对该类防火分区采用机械排烟,建议排烟量按照每平方米60m3/h取值,同时应设置机械补风,且考虑补风量不小于排烟量的50%。为了保证地下通道的消防安全性,建议地下公共通道的排烟系统与各地块功能区独立设置,且各地块应为地下通道的防排烟系统预留机房等设备空间。
若条件允许,市政道路上方有开口的条件,可以对通道出入口处的防火分区采用自然排烟,建议自然排烟窗的开口面积不小于公共通道地板面积的5%,且两个自然排烟口的距离不超过60m。
4.3 其他消防系统
地下公共通道应设置火灾时的应急照明系统,由于地下公共通道为人员通行的通道,且可能作为火灾时消防队员进攻火场的通道之一,建议应急照明灯接入的备用消防电源应能保证至少60min的照明时间。
消防广播系统应按照相关消防规范设计,确保通道自身发生火灾或者毗邻地块发生火灾时位于通道内的人员能够及时得到通知。
地下公共通道内应设置火灾探测器及自动报警系统,相关探测器的选用亦应结合规划的地块功能。特别是对于地铁换乘中心的公共通道,建议采用隧道专用的火焰探测器、缆式感温火灾探测器或者光纤感温探测器等,提高火灾报警的灵敏度和准确性。
5 地下公共通道的报警及联动控制
各地块的二级开发中会分别设置消防控制室,负责实时监控各地块内的消防状况。由于地下公共通道不属于任何一个地块,如何确保公共通道或者毗邻地块发生火灾时,火灾信息能够在彼此之间及时有效地传递成为一个设计难点。
目前的常见做法是将某一地块毗邻通道的消防设计纳入相应地块,公共通道的报警系统亦接入该地块的消防控制中心,这种做法虽然在一定程度上能够保证整个区域内的消防设计无盲区,但是实际上该做法在逻辑关系上并没有厘清公共通道与其他毗邻地块的联系。以图2的建筑平面布局为例,4个地块之间由两条市政的地下公共通道相连,由于每个地块的建设进度不一致,假定4个地块的开发顺序从早到晚依次为A、B、C、D,往往由最后开发建设的地块D负责两条地下公共通道的消防设计及相关系统安装。若火灾发生于地块A与地块C之间的公共通道,即通道防火分区1内,则报警信号仍然传递给D地块的消防控制中心,而距离火源更近的地块A及地块C无法及时得到报警信号,该设计方式显然不合逻辑,也无法保证整个区域的消防安全性。
因此,尽管相关设计规范并无明确要求,仍然建议政府部门在地下公共通道设置专门的区域消防应急指挥平台,该平台不仅可供相关物业人员监控包括地下公共通道在内的整个城市综合体群的消防状况,还可供火灾情况下消防指挥人员指挥灭火救援使用。该应急平台接入城市消防应急管理指挥中心,日常管理可由各毗邻地块派专人值班。具体的联动关系建议如下:
(1)地下公共通道发生火灾时,区域消防应急指挥平台应能具备控制通道内各消防系统启动的功能,且可以将通道内的火灾信号传递给毗邻地块的消防控制室;考虑到城市综合体的规模越来越大,有的综合体项目建筑面积达到十几万甚至几十万平方米,若地下通道发生火灾,要求与其相连的所有地块同时疏散没有必要,甚至可能会带来不良的社会效应。因此,要求区域消防应急指挥平台不仅能够传递消防信号,而且应能向各地块的消防控制室告知具体的火灾位置,各地块内的消防控制室根据实时的火灾信号和火灾区域判定本地块是否需要进行人员疏散。
(2)若与公共通道毗邻的某一地块发生火灾,除了本地块的消防控制室外,区域消防应急指挥平台亦应能够接收到相关的火灾报警信号,以便做出响应。为了安全起见,一旦公共通道的任一毗邻地块发生火灾,建议通道内的应急广播通知通道内人员立即疏散。同时,由于地下公共通道具有一定的“防火隔离带”的功能,一定程度上能够起到阻止火灾蔓延的作用,其他地块的人员则暂时不需要进行疏散。
6 结语及展望
大型城市综合体群的多地块地下公共通道的消防设计不应成为消防设计的薄弱环节,笔者从政府部门的前期规划阶段初步探讨了地下公共通道的消防设计,针对不同的地块功能提出了合理的地下公共通道尺寸,分析了通道的防火分隔及疏散策略,并着重探讨了地下公共通道与毗邻地块的消防联动关系,以期为今后区域规划及政策制定提供一定的技术支撑。
参考文献
[1]李静影.地下人行通道消防设计审查要点[J].消防技术与产品信息,2014,27(1):13-14.
[2]陈纲,原伟.城市综合体的设计模式探讨[J].四川建筑,2010,36(2):10-12.
[3]霍然,胡源,李元洲.建筑火灾安全工程导论(第二版)[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009.
[4]BR187,External Fire Spread:Building Separation and Boundary Distances[R].Building Research Establishment Report,UK,1991.
[5]NFPA 92B,Guide for Smoke Management Systems in Malls,Atria and Large Areas[S].
[6]陈雪文.防火隔离带取代防火卷帘的设计探讨[J].消防科学与技术,2011,30(10):927-930.
[7]黄白蓉.室内防火隔离带的设计要点分析[J].消防科学与技术,2012,31(1):40-42.
[8]CJJ 69-95,城市人行天桥与人行地道技术规范[S].
[9]谢飞,褚新颖,薛奕.地下建筑购物中心火灾风险评估及人员疏散研究[J].科学科学与技术,2009,28(3):163-166.
多通道电机转速测量方法研究 第7篇
转速是电动机极为重要的一个状态参数, 大多数电动机调速系统都需要一个速度反馈环节, 即根据所检测到的电动机转子角位移信号, 计算得到电动机当前转动速度, 然后和速度参考值比较, 得到速度误差信号, 去控制电动机的电流或转矩, 从而得到较高的动、静态特性。而速度传感器测量的实际转速将影响着整个系统的调速精度和调速性能。随着科学技术的发展, 电动机转速测量方法也在不断地更新和完善。电机转动速度的数字检测基本方法是利用与电动机同轴连接的光电脉冲发生器的输出脉冲频率与转速成正比的原理, 根据脉冲发生器发出的脉冲速度和序列, 测量转速和判别其转动方向。本文以8031和霍尔传感器构成的检测系统为例来分析转速测量方法, 并对转速的计算方法和精度进行了分析, 同时开辟了一种可行的精度更高的转速测量方法——多通道转速检测。
2 检测方法
2.1 转速的一般检测方法
在进行测速试验时, 被检测的转速为小车模型的车轮转速。转速传感器由永磁体、集成霍尔电路及电平转换电路组成。在车轮端面的圆周边缘等距离地布置若干高磁能积、高矫顽力的钕铁硼永磁片, 集成霍尔元件固定在距磁片端面1～2mm处。
将小车倒置, 启动电源开关, 车轮开始转动, 车轮转动时带动磁片转动, 使磁片与霍尔元件的相对位置发生变化。当磁片靠近霍尔元件时, 穿过霍尔元件的磁感应强度B增大, 从而产生较强的霍尔电势, 经差动放大器放大后, 最后由输出级输出高电平。当磁片离开霍尔元件时, 磁感应强度B减弱, 输出级输出为低电平。这样, 车轮在转动过程中, 霍尔传感器输出为连续的脉冲信号, 其频率与转速成正比关系。此脉冲信号经过放大处理、整形后送入8051单片机进行轮速计算等数据处理工作。
设小车车轮上固定有n个永磁体, 则每采样时间t (单位:s) 内霍尔元件输出的脉冲信号个数为
所以, 转速为
或
由上式可见, 该方法测量转速时分辨率的大小由转盘上的小磁体的数目决定。要得到较高的测速精度, 一是增加小磁体的数目, 二是延长采样时间。增加小磁体数目, 会使脉冲频率提高, 从而受到传感器中光电器件最高工作频率的限制。而延长采样时间, 会使系统的实时性受到很大影响。怎样既能保证足够高的测速精度, 又不需要增加小磁体的数目、延长采样时间, 文中提出了一种转速检测的可行方法——多通道转速检测。
2.2 多通道转速检测
多通道转速检测的基本思路是在系统内置多个计数器, 但多个计数器不是同时启动, 而是根据采样速率的要求, 顺次启动, 每个计数器仍然计满能保证测速精度的时间, 但从整体来看, 采样速率提高了, 精度并不下降。此即为多通道转速检测原理。
3 检测系统的硬件设计
整个检测系统的硬件部分包括霍尔传感器、信号处理电路、单片机 (8051) 和显示电路等。通过霍尔传感器对数据进行采集, 采集到的信号经过信号处理电路的放大等处理送入单片机, 通过合理的转速计算方法得到转速值, 并进行存储、显示等。
实现多通道计数可以采用5个硬件计数器, 计数脉冲分别送入单片机, 由单片机每隔0.2s顺次计算各通道的转速值。
图2所示为基于霍尔元件的转速测量电路, 霍尔元件检测的脉冲信号经UO向外输出。
图1中的输出脉冲信号经过放大整形后送入8051的T0引脚, 通过单片机内部的定时/计数器T0进行计数, 并通过定时/计数器T1定时0.2s。由于T0和T1工作时不消耗CPU的时间, CPU可以尽管处理其它事情, 大大节省了CPU的时间。
MC14495是一种常用的硬件译码显示芯片, 它将要显示数字的BCD码直接转换为LED的显示段选码, 这样, 不仅可以节省计算机的时间, 而且相比软件译码来讲程序设计更加简单。一般旋转式机械的最高转速为几千转, 故采用4个LED数码管显示转速。
4 检测系统的软件设计
转速脉冲送入计数器T0, 由定时器T1控制定时中断, 每次计0.2s的转速脉冲, 存入缓冲区, 并始终保存最后5次计数, 计算最后5次计数的脉冲总数, 即1 s内的脉冲总数, 就是转速。这样每隔0.2s计算一次, 即可连续输出转速值, 采样速率是5次/s。计算完毕送LED显示。程序流程如图3所示。
5 结束语
利用多个硬件计数器对霍尔元件的输出脉冲进行计数, 即多通道转速检测, 可以在不增加小磁体数目和不延长采样时间的情况下获得较高的采样速率和测速精度, 是一种较为可行的提高电机转速测量精度的方法。
摘要：文章给出了电机转速测量的一般检测方法, 并针对测速系统的实时性和测速精度间的矛盾, 提出了一种可行的电机转速测量方法——多通道转速检测, 并给出了系统的软、硬件设计。
关键词：霍尔元件,多通道,单片机,计数器
参考文献
[1]杨海马, 刘瑾.一种新型转速测量方法研究[J].仪器仪表学报, 2005, 26 (8) :85-87.
[2]于炳亮.电机转速测量方法研究[J].山东科学, 2005, 18 (5) :41-42.
多通道ADC的高速接口设计 第8篇
现代电子对抗系统多使用多通道处理平台实现信号的测向、定位。随着电子技术的发展,电子设备的小型化、低功耗设计成为一个趋势,系统设计中经常使用多通道ADC组建多通道采样处理平台[1]。TI公司的ADS6445采样器是4通道14位125 Msps高速同步采样器[2],适用于多通道同步采集系统的设计,芯片接口使用8对高速串行差分线传输采样数据,每对差分线最高传输速率高达1 Gbps,实现如此高速的接口传输除了要注意物理设计外,还要保证数据采集的时钟沿应处于最佳采样位置。在使用FPGA实现与高速数据接口时,使用普通的DDR接口和解串逻辑不能稳定的实现高速解串。Xilinx公司Vertex5系列的FPGA的高速IO支持最高1.25 Gbps的传输速率,具备高速片同步(ChipSync)技术[3],利用这一技术通过实时调整I/O延时、收发校准的方法,能够有效保证数据传输的同步性和可靠性[4]。
1 设计方案
1.1整体设计
以某采样卡为例来说明高速接口的设计,采样卡硬件结构如图1所示。
采样卡主要由1片4通道采样器ADS6445、1片Vertex5系列FPGA和CPCI总线接口芯片等组成。ADC的采样率为112 MHz,4路并行采样数据通过8:1的高速串行转换后以LVDS-DDR(一种差分电平双沿锁存数据传输方式)的电平传输,ADC与FPGA之间接口单线传输速率达到896 Mbps。高速LVDS-DDR串行数据首先进入FPGA的SelectIO将双线差分LVDS信号转换成单端FPGA内部信号,然后经片同步模块实现Dmux 1:8的解串,解串后的4路并行采样数据在区域时钟clk驱动下锁存入FPGA内部FIFO,通过全局时钟clk’驱动FIFO的另一端口读出采样数据后才可在FPGA内部实现存储、处理等功能。
整个高速接口设计的关键是高速解串模块的设计,它是以Vertex5系列FPGA的片同步技术为基础,通过接口时序控制实现的。整个接口的时序调整都是通过计算机的CPCI总线控制的,这样与在FPGA程序内部调整时序的方式相比大大减少了调试时间。
1.2FPGA的片同步技术
为了支持高速源同步接口的设计,Xilinx公司在其高端Vertex4/Vertex5系列FPGA中引入了片同步技术(ChipSync)。Xilinx Vertex5中的ChipSync主要由IODELAY延时调整模块、ISERDES解串模块、OSDRDES并串转换模块及时钟网络组成,其特点如下:
① 内嵌 64级每级78 ps的可调延时器[5],方便应用于高速信号时序调整;
② 具备高速加串/解串模块,可实现位宽为2、3、4、5、6、7、8和10的串并数据变换[6];
③ 特有的区域时钟网络在物理接口区域可驱动高达710 MHz的时钟。
1.3物理设计规则
在印制电路板上设计高速传输线时首先应考虑信号完整性设计,在布局布线时要注意保持高速传输线参考平面的完整性和阻抗的连续性,保证一定的线间距减少串扰[7]。
除了考虑信号完整性问题以外还需要注意FPGA的走线规则。根据Vertex5系列FPGA的结构特点Xilinx建议在设计高速源同步接口时同一组信号线应连接在同一时钟区域的管脚上,时钟信号连接在“CC”特性的专用时钟管脚上通过FPGA内部的BUFR可导入高速区域时钟网络。
1.4接口工作原理
ADS6445使用LVDS-DDR方式传输数据,芯片输出同步时钟的频率为数据速率的一半即448 MHz,高速时钟和经过BUFR后的4分频时钟进入FPGA的区域时钟网络,为解串器提供时钟驱动。
高速数据的解串是一个自适应调整的过程,程序控制ADC发送训练序列,以接收数据与发送训练序列对比校验为判定依据,通过IODELAY调整延时搜索最佳锁存位置实现比特对齐,通过滑动调整ISERDES串并变换的节点位置实现字节对齐。
1.4.1 比特对齐
整个比特对齐过程会测量出一个完整的数据眼图(以78 ps数据时延为步进),最后会找到该眼图的中心点[8],如图2所示[9]。
在比特对齐的搜索过程,为找到数据眼图的中心时刻,必须正确搜索眼图的起始点和终止点,在实际工作环境中需要重点考虑数据的抖动。在图2中的第2步计算时,如果没有数据抖动,则此时刻就应该判决为数据的起始点,如果考虑抖动,算法在发现第一次跳变点后还应该继续搜索下去,直到第3步中搜索到稳定的跳变区域才能记为眼图的起始点。
1.4.2 字节对齐
比特对齐后就找到了数据的最佳锁存时刻,但是解串后并行数据位的顺序与发送端有可能不同。字节对齐就是利用ISERDES单元的比特滑动(BITSLIP)功能实现顺序的滑动调整。字节对齐开始时先要在发端发送已知的特殊码字,通过在接收端不断的进行数据校验和顺序调整找到正确的解串顺序。
2高速接口时序分析
数据传输眼图的张开宽度对于精确实现在眼图中心对数据采样极为重要。理想眼图宽度为数据速率的周期(对于实际工作时896 Mbps的数据TPERIOD=1.116 ns),在实际传输过程中有很多因素会减小眼图的宽度。
在发送端,影响眼图主要因素是ADC输出时钟及数据本身的抖动TADCJ,发送数据眼图宽度为:
TTX_EYE=TPERIOD-TADCJ。 (1)
高速数据在印制板上传输过程中,因布线等原因产生传输抖动TPCBJ。接收时钟进入FPGA内部时钟网络并经过BUFR分路驱动传输时会引起额外的时钟抖动TRCKJ。如果使用IODELAY模块调整FPGA管脚处传输延时,对于数据来说调整一级延时会引入TDELAYJ,对于时钟来说TDELAYJ为0,而且由于IODELAY的工作特点,还会引入一个75 ps的时序抖动TQ_ERR。在接收端,数据眼图的宽度为:
式中,NTAP为延时调整级数。
在896 Mbps的高速接口中,通过发送端ADS6445手册给出的抖动数据可以计算发端数据眼图宽度[10]:
TTX_EYE=1 116-350=766 ps。 (3)
在接收端,通过PCB仿真及Xilinx给出的数据计算出接收数据眼图宽度:
其中延时调整级数为9 taps,转换为延时调整级数为:
TRX_EYE_TAP=519ps÷78ps/tap≈6 taps。 (5)
从时序分析中可以看出高速数据传输眼图宽度达到了6级tap,能够通过ChipSync技术实现稳定的数据锁存。
3 仿真与试验
高速接口的FPGA程序是在Xilinx ISE10.1i编译环境下实现的,通过编写测试激励文件在ModelSim 6.5a软件下进行了功能仿真。在仿真时,调整输入时钟和数据的相对时延来模拟实际的工作环境,最后通过输入不规则的串行数据依据接口解串结果对程序的正确性进行了验证。
在CPCI调试平台上对采样板的高速接口进行了调试并通过采样波形验证了接口的正确性,其中采样的一路数据接口在比特对齐过程中不同延时的测试结果如表1所示。
从测试结果可以看出896 Msps高速数据传输眼图宽度为6 taps,与分析结论一致。
4 结束语
结合实际应用介绍了一种多通道ADC与FPGA的高速接口,对接口实现的关键技术进行了深入分析。这种高速接口采用了Xilinx的ChipSync技术,以在线时序调整和收发校准的方式实现了数据最佳锁存和高速解串,降低了硬件设计复杂度,减少了调试工作量。测试结果表明该高速接口在极高的数据速率上工作稳定,并已应用于实际工程。这种高速接口方式也可应用在其他点对点的高速数据传输系统,具有很好的设计参考价值。
摘要：针对多通道高速采样器ADS6445的高速串行数据接口特点,提出了一种高速接口的实现方法。使用Xilinx Vertex5系列FPGA接收采样串行数据,利用FPGA的片同步技术通过在线时序调整实现了高速解串;对高速接口的组成及工作原理、片同步技术的特点、设计规则进行了简要介绍,描述了高速接口的时序调整过程;对高速接口的适应能力进行了分析,最后通过仿真及试验验证了接口工作的正确性。
关键词：片同步,多通道ADC,高速接口,SERDES,FPGA
参考文献
[1]杨洁茹,王春.一种折叠式宽带信道化电子对抗接收机[J].安徽电子信息职业技术学院学报,2008,7(5):37-38.
[2]李燕春.高速信号处理终端设备的设计[J].电讯技术,2011,51(8):66-69.
[3]孙海涛,马小兵,陈兵,等.一种基于片同步技术的高速接口电路设计方法[J].测试技术学报,2008,22(5):442-448.
[4]武荣伟,苏涛,翁春蕾.一种基于片同步技术的高速接口电路设计方法[J].重庆邮电大学学报,2010,22(2):205-206.
[5]Xilinx.Virtex-5 FPGA Data Sheet-DC and SwitchingCharacteristics[M].San Jose:Xilinx,2008:33-35.
[6]Xilinx.Virtex-5 FPGA User Guide[M].San Jose:Xilinx,2008:351-357.
[7]崔迎炜,张晓林.软件无线电中的高速设计技术[J].北京航空航天大学学报,2004,30(1):55-58.
[8]刘丽格,李天宝,石鑫刚.一种板间高速传输系统的设计与实现[J].无线电通信技术,2011,37(4):53-55.
[9]Xilinx.16-Channel DDR LVDS Interface with Per-Channel Alignment[M].San Jose:Xilinx,2006:14-16.
【多通道电源论文】相关文章：
多通道信息融合06-12
多通道音频信号08-18
开关多电源06-28
Ω焊缝多通道涡流检测定量方法研究09-14
基于ARM+FPGA的多通道多档可调组态滤波器设计与制作09-13
上行通道论文06-13
地下通道论文07-09
跟踪通道数字信号论文04-25
跟踪通道数字信号论文提纲10-01