金刚石压机压力控制系统的建模与仿真

精选文库窗体顶端摘要：分析了人造金刚石压机压力控制系统的构成及其控制特性，建立了压机压力控制系统的数学模型和仿真模型。由于该系统参数拥有大时变性，常规 PID 控制缺乏适应性，压力控制效果比较差。为了解决这一问题，设计了一种模糊自适应 PID控制器，并在 MATLAB 环境下进行仿真实验，仿真结果和理论实践表明，该方法响应速度快，控制精度高，自适应性强，使系统具有更好的动态特性和稳定性，有效的保持了压力的稳定。 关键词：金刚石压机 数学建模 模糊PID控制 MATLAB仿真 中图分类号：TP237.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-00012-02 目前，我国主要采用六面顶压机在超高温高压的条件下合成金刚石单晶及其复合片、开发新材料1。六面顶压机压力控制的稳定性是决定生产效果的重要因素，传统的压机控制系统采用PID 控制器缺乏适应性，对人造金刚石压机这类压力时变系统的控制效果很差，控制精度不高。本文分析了金刚石压机压力控制系统的构成和特点，建立了压力控制系统的数学模型和仿真模型，采用模糊PID的控制方式，从仿真结果来看达到了超调量小，精度高，自适应性好的控制效果。 1 压力控制系统的建模 1.1 轴向柱塞泵的数学模型 根据金刚石压机压力控制系统的构成建立系统模型如图1所示，主要由轴向柱塞泵、增压器和工作油缸以及相关的油路管道组成2，如图1： 依据轴向柱塞泵的工作原理3-4，设柱塞直径为d，柱塞数为Z，柱塞中心分布圆直径为D，斜盘倾角为，则 泵的流量为： （1） 上式中n为泵的转速，pv为泵的容积效率。 增压器的压力为： （2） 上式中为液体体变弹性模量，Vh为排油室体积，Qleak为总泄露的流量，与压力成正比，即Qleak=ClhPS，Clh为比例系数。QL为输出流量，超高压时输出量较小，近似为零。结合（1）、（2）两式，则轴向柱塞泵的传递函数为： （3） 1.2 增压器的数学模型 （1）增压器的受力平衡和流量方程为： （4） （5） 上式中A1、A2为增压缸大小腔面积，MZ为增压缸活塞的质量，PS为增压缸缸前压力，PC为工作油缸缸前压力，y为增压器位移。 （2）工作油缸的流量方程为： （6） 式中Clp为工作油缸的内泄系数，Pc为工作油缸缸前压力，P2工作油缸的回油背压，Vhl为液压缸控制腔的容积，be为有效体积弹性模数，y1为工作油缸的位移。由于保压阶段压力几乎维持不变，压缩量y1为零，压力控制系统保压阶段压力大于50MPa，流体的弹性模量be很大，1/be=0，所以联立（4）（6）式，化简为： （7） 结合（3）和（7）两式，得： （8） （8）式即为压力系统的数学模型，带入系统相关数据，整理得： （9） 2 控制系统的设计与仿真 2.1 模糊PID控制系统的设计 模糊控制具有控制速度快、过程参数的变化适应性强、可靠性高、鲁棒性灵敏度高、无需精确建模等特点。但模糊控制由于是按档处理，是一种非线性控制，存在着静态余差，而传统PID控制却能使控制消除稳态误差5。结合两者优点，本文采用一种以模糊PID调节器作为控制核心的压力控制系统，使系统即具有PID调节器的动态跟踪品质和稳态精度，又具有模糊控制器的自适应特性，以改善金刚石压机压力控制系统的动态与静态特性。 本模糊控制器设计为二维模糊控制器，以压力值偏差e和偏差变化率为模糊控制器的内部输入变量，以Kp、Ki、Kd为输出变量。其结构图如图2所示。 系统所有输入输出量在整个论域上被分成七个模糊子集，即NL，NM，NS，ZE，PS，PM，PL，分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。模糊控制规则主要是通过总结专家知识和生产实践中的经验获得，进而建立总体控制规则方案。根据具体PID参数对系统的影响和实际调试经验，结合Kp、Ki、Kd自整定原则，制定出Kp、Ki、Kd在工作过程中语言控制规则表，Kp模糊语言控制表如下表1所示。 经过模糊推理后的结论是模糊集合中的模糊值，还需要通过去模糊化得到精确值，进而控制目标对象。本系统去模糊化采用重心法去模糊。 2.2 模糊PID控制系统的仿真 运用Matlab软件的simulink工具进行仿真分析，建立压机压力控制系统的仿真模型如下图3，其中模糊控制子系统为Fuzzy controller。 由常规PID整定得到的Kp0、Ki0、Kd0参数设为模糊PID的的初始值，分别为Kp0=1，Ki0=10，Kd0=0.01。为了验证自动控制的动静态性能，通过利用单位阶跃信号跟踪控制响应效果，系统常规PID和模糊PID阶跃响应对比如下图4所示。 由上图可知，在输入单位阶跃信号作用下常规PID响应超调量大，响应时间较慢，对于压力控制这类纯滞后时变系统，控制效果不够理想，而模糊PID控制不仅响应时间较短，超调量小，震荡幅度小，而且稳态性能也优于常规PID。 3 结语 本文首先对研究对象六面顶压机控制系统的数学模型进行了研究，建立了控制系统的数学模型和仿真模型，设计了一种模糊PID 控制算法，并用MATLAB软件进行了仿真。通过仿真表明： 采用模糊PID 控制方案有效解决了人造金刚石压机压力控制过程中精度低，超调大，严重滞后等问题，提高了系统的抗干扰能力，适应性能强，获得了比较好的压力控制效果，对提高人造金刚石产品的质量有较大的作用。 参考文献 1张文凤，郝仪，高波，涂赣峰.金刚石合成研究进展.科技资讯，2010，24：115. 2莫金海.基于VVVF 调压的人造金刚石压机压力控制系统设计J.系统仿真学报，2008，（20）. 3王宇清.流体力学 泵与风机M.北京：中国建筑工业出版社，2001，147-186. 摘要：本文通过对CA认证系统的分析，采用数字认证和数字签名技术，对如何构建可靠的电子印章系统进行了一些探索 关键词：CA认证 数字签名 电子印章 中图分类号：TP393.08 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0147-02 1 引言 在信息时代的今天，随着电子政务应用的推进，越来越多的政府机关采用办公自动化系统办公，将公文电子化，通过网络实现电子公文的签收、处理、审批和分发，缩短了公文运行处理的时间，降低了行政成本，提高了机关的工作效率。但是，如何保证传送的公文不被篡改？如何确认发文者的身份？如何控制审批者的权限？这都是电子公文处理面临的问题。本文将电子印章和数字签名技术结合，设计一种基于内部CA认证的电子印章系统，较好地解决了以上问题。 2 总体框架设计 如图1所示： 通过CA认证系统为最终用户颁发数字证书，通过电子签章安全解决方案，解决电子文档安全需求。对于需要进行签名的电子文档、要会签的流转公文等要求实现电子签章的操作，最终用户可以从CA认证系统申请数字证书，通过电子签章工具和数字证书对电子文档进行签名。当使用者得到签名后的电子文档时，通过对电子文档中的签名进行验证，来保证电子文档的真实性、完整性，同时可以保存签名后的电子文档，作为以后抗抵赖的鉴定证据。 3 CA认证系统分析 CA是用于对最终用户进行身份确认的数字认证系统，能保证数据传输时的完整性、真实性，是文档签章时的基础设施。CA系统为最终用户签发数字证书，并保存在USB Key中，用户通过它访问网络与文档签章，完成对文档签章的验证工作。 3.1 CA认证系统模式选择 CA有第三方CA和自建型CA两种，本次系统设计采用自建型CA。采用自建型CA是考虑到政府电子公文主要在内部流转和运行，很少涉及公民、法人和其他社会组织，不需要进行第三方认证，且自建型CA使用成本较低，部署较快。自建型CA是指客户购买单独的PKI/CA软件，建设一个独立的PKI/CA系统，除了购买系统软件之外，还包括系统、通信、数据库以及物理安全、网络安全配置、高可靠性的冗余系统和容灾备份系统等方面的建设。对于自建型CA系统，需要考虑系统的后期运营和维护，建立完整的运营管理体系，并负责系统的日常维护和升级等。可以利用第三方认证中心的运营管理、运营服务经验，来建设自己的运营管理体系。可以借助PKI/CA软件提供商提供的维护和升级服务，对系统进行日常运维。 3.2 CA认证系统架构 如图2所示，CA系统采用模块化结构设计，由最终用户、RA管理员、CA管理员、注册中心（RA）、认证中心（CA）等构成。 （1）CA中心。CA中心是整个CA系统的核心后台，负责签发用户证书，将它独立建设在电子签章依托的网络内部。认证中心根据CA管理员对最终用户证书申请的批准，为用户签发证书，同时提供证书吊销列表（CRL）和证书目录（LDAP）查询服务。 认证中心的硬件设备组成，包括证书管理服务器、系统管理服务器、签名服务器、密钥恢复服务器、数据库服务器、数据库、加密设备等。实现的功能包括系统管理、LDAP查询、OCSP查询、证书签名、密钥管理等工作。当需要查询数据库或进行CA签名等工作时，向签名服务器和数据库服务器发出请求。 （2）RA中心。RA中心是整个CA平台面向最终用户的前台，为最终用户提供证书管理服务，它可以CA建设在一起，也可以在专门的数字证书服务机构内。包括两个组成部分： 证书注册模块：最终用户通过证书注册模块，提交证书注册申请，获得数字证书。同时，还为最终用户提供证书查询、证书下载、证书更新和证书吊销等管理功能。 自动管理模块：自动管理模块具有对证书申请自动审批的功能。在实现自动审批时，需要连接用户数据库，通过与用户数据库中保存的信息进行自动匹配，从而验证用户的注册信息是否正确，是否具有申请证书的权限。如果验证通过，将自动批准用户的证书申请请求，提交给CA中心自动为用户签发证书，否则，自动拒绝用户的证书申请请求。通过自动管理模块的处理，可以自动实现对证书申请请求的处理，并且自动的为用户签发证书，不需要CA管理员手工干预。 （3）最终用户。最终用户包括个人用户和单位用户，他们是CA系统的最终服务对象。通过CA系统可以为最终用户颁发数字证书，将数字证书保存到USB Key中，在应用系统中使用。 4 电子印章系统性能设计 （1）合法性。系统严格遵循国家中华人民共和国电子签名法关于电子签名的规范，同时支持RSA算法和国秘办算法，符合国家安全标准，通过公安部信息安全产品检测，并作为电子签章产品获得公安部信息安全产品许可证。 （2）安全性。私钥生成与加密运算均在E-key中进行，私钥不能够以任何方式导出E-key，从而确保私钥安全。 （3）严密性。电子签章软件在签章时都通过验证服务器软件来验证电子印章的有效性，避免了证书被废止的电子印章或者处于无效状态的电子印章也可以加盖印章的非安全盖章行为。 （4）易用性。只要会移动鼠标和输入密码就可以使用电子签章的各项功能，使得非专业电脑操作人员使用起来轻松自如。 （5）实用性。实现多个签章部分重叠时的透明显示，可以在已有电子签名上面加盖电子印章，如同传统方式一样将印章加盖在领导签名上。在文档处于锁定状态下可以进行会签，即在同一个文件上加盖多个印章。 （6）开放性。独立于特定的应用系统或OA系统，拥有丰富灵活的开发接口函数，使得与应用系统或者OA系统的结合非常容易，接口开容易完成。 （7）防复制。印章不可通过Word的复制功能进行复制，杜绝利用已有电子签章仿造新的文件，即使是在同一文档中也不可以利用复制功能加盖印章。 （8）防伪造。签章不可仿造，签章图片与证书绑定在一起，具有唯一性，即使是同一个签章图片在不同的时刻生成的电子印章也不一样。 5 电子印章系统功能设计 签章软件包括下列主要功能： （1）定制签名戳。在第一次使用文档签章前，需要定制签章。用户可以根据自己的喜好，选择那些经过扫描的手写签名、自已的照片或自己的印章图片，作为文档签章的显示图标，政府机构要使用正式的公章影印件作为显示图标。同时，为图标增加对应的数字证书。 （2）签名。文档签章分为分段签名和全文签名，分段签名是文档内的某一部分进行签名，全文签名是对整个文档进行签名。在进行分段签名时，必须先选择被签名的内容，然后进行签名。签名时，需要选择签名的证书，选择事先添加的签章图标，并选择采用分段还是全文的签名方式。确定后，点击签名，就可以产生一个文档签章图标。 （3）验证。文档签章的验证可以验证文档签章者的真实身份，可以发现文档内容是否被他人非法更改。文档签章验证时，可以点击签章图片或点击菜单内的验证按钮，进行验证。验证时，会明确的为用户显示验证的结果，并且包括详细的签章信息。当内容被更改时，验证结果可以明确的显示，当签章的证书无效时，验证结果可以明确的显示证书无效，显示验证失败信息。 （4）删除签名。用户可以手工删除签名，但是删除签名必须由签名者本人才能进行。删除签名只能从最后一位开始删除；手工删除签名图片，并不能删除真正的签名，重新打开文档时，签名图片将重新加载到文档内；删除签名时，必须有签名者的证书，才可删除签名。 （5）设置签名。通过设置签名功能可以为快捷签名按钮设置签名戳，通过快捷签名按钮，可以实现快捷签名。在设置签名时，除了可以像设置签名戳一样添加签名证书和图标之外，可以先填写好签名意见；在进行快捷签名时，直接选择证书进行签名时，可以将设置的图标和签名意见自动的添加在文档签章图标中。 （6）快捷签名。快捷签名功能是指通过快捷签名按钮，进行文档签章，不需要用户设置签名图标和填写签名意见，直接生产文档签章图标。在进行快捷签名之前，必须先设置签名。 （7）自动验证签名。文档签章产品具有自动验证签名的功能，被签章文档在保存、打开和关闭时，系统会自动对所签名的文档自动进行验证，当验证失败时，会明显的标识签章验证失败。 6 电子印章的实现原理（图3） 文档签章的实现原理如上图电子印章实现原理图所示，对电子文档进行文档签章，需要设计文档签章模块、数字证书两个功能模块来实现。 （1）文档签章模块。文档签章模块是针对Word、Excel、Html以及GDF版式文件而开发的文档签章软件，在使用文档签章前，安装软件，安装后该模块自动添加到常用工具栏中，提供文档签章的各项操作功能。 （2）数字证书。数字证书用来标识文档签章者的身份。用户具有与数字证书对应的私钥，在进行文档签章时，需要使用数字证书应用的私钥来进行签名运算，生成签章图标。验证文档签章时，使用数字证书对签章进行验证。数字证书可以到政府内部建设的CA认证系统申请，在进行文档签章及签章验证时，签章时使用的数字证书必需是签名者和验证者都信任的，否则签章验证无效。 文档签章的基本原理是通过文档签章模块，使用数字证书对应的私钥，对选择进行签章的电子文档的内容进行数字签名，数字签名信息以图像，即签章图标方式显示出来，即显示的签章图标绑定了签名结果、被签名信息和签名证书。进行签章验证时，通过文档签章模块，使用签名证书对签名结果进行验证，实现文档签章的验证。 参考文献 1吴庆敏，韩义勇，覃东海，雷霆.CA认证系统的设计.微型机与应用，2011.22. 2赵琛.基于PKI的CA认证系统的研究.信息安全与技术，2011.10. 3王淼，刘胜厚.安全电子印章系统的设计与实现.北京工业职业技术学院学报，2012.1. 4谢秀维.电子印章加密与解密算法研究.计算机安全，2012.3. 摘要：目的：设计交通灯。方法：运用虚拟仪器技术labview设计。结果：设计了预定功能的交通灯。结论：运用labview设计交通灯系统，编程、调试与修改简单，增加功能方便。 关键词：虚拟仪器技术 labview 交通灯 中图分类号：TP3 11 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0149-02 交通灯通常指由红、黄、绿三种颜色灯组成用来指挥交通的信号灯。在道路十字路口，每条道路上有一组红，黄，绿灯和倒计时显示器，用以指挥车辆和行人有序地同行。 基于虚拟仪器技术，利用labview而设计的交通灯，可以用来模拟真实交通灯而进行工作。使用虚拟仪器技术，工程师可以利用图形化开发软件labview方便、高效的创建完全自定义的解决方案，以满足灵活多变的需求趋势。1 设计的交通灯是利用虚拟仪器技术labview而完成的，可以完成用于自动控制十字路口交通灯的明暗和倒计时器的状态，指挥各种车辆和行人安全通行。 1 总体设计方案 1.1 实现的功能 要完成一个十字交通信号灯的设计，这个交通信号灯系统能为向北和向东两个方向行驶的车辆指示能否通行。这个交通路口每一个方向上的红绿黄灯按绿黄红的顺序循环，每个循环的时间为70s，其中通行（绿灯）的时间为30s，等待通行（黄灯）的时间为5s，禁止通行（红灯）的时间为35s。当停止键按下时，循环停止。 1.2 设计思路 通过采用基于虚拟仪器labview的交通灯控制系统的设计，自动控制十字路口两组红、黄、绿交通灯的状态转换的方法，指挥各种车辆和行人安全通行，实现十字路口交通管理的自动化。同时还提供人行横道的指示和时间显示。（图1-1） 2 程序的设计 2.1 主界面的设计 主界面的设计尽量符合实际应用情况。北灯下面有个数字显示的是相应灯亮的倒计时，东灯左边显示的数字也是相应灯亮的倒计时。（图2-1） 2.2 时间信号的分段 将得到的时间信号除以每个循环所用的时间70s，取余数。得到的余数x的范围为0=x70，当0=x5时，条件满足，执行第一个条件结构里面的程序，北黄和东红灯点亮。当5=x35时，条件满足，执行第二个条件结构里的程序，北红和东绿灯点亮。当35=x40时，条件满足，执行第三个条件结构里的程序，东黄和北红灯点亮。当40=x70时，条件满足，执行第四个条件结构里的程序，北绿和东红灯点亮。时间分段的labview程序结构如图2-2所示。 2.3 关键技术 运用虚拟仪器技术labview设计交通灯，有自己独特的技术特色。 2.3.1 判定范围并强制转换 Labview中有判定范围并强制转换控件，应用这个控件可以判定输入的数是否在上限和下限之间。它的图标和作用如图2-3所示。如果输出信号在范围之内，“？”接口将产生一个信号，此信号恰可以输入到条件结构作为分支选择器信号。 2.3.2 倒计时的实现 按照图1-1所示和2.2时间信号分段，运用四个条件结构就可以控制按照预定的规律交通灯的亮和灭。但倒计时会有问题： （1）当5=x35和35=x40时，两个相连的时间段北红灯都是亮，要是分开倒计时显然不符合实际。通过添加一个条件结构，把5=x35和35=x40时间段红灯亮的事件合为5=x40，这样就方便了两个相邻的时间段北红灯的倒计时的实现。 （2）当0=x5和40=x70时，似乎不是相邻的时间段，其实是。这两个时间段是循环的首尾，东红灯亮40=x70，然后就是下一个0=x5东红亮，显然时间上应该是相连，要是分开倒计时肯定是错误的。但解决方案不能像（1），因为40=x70和下一个0=x5时间段的合并变成了40=x75，而x范围是不禁止超过70的。解决方案是：让当40=x70时，倒计时模块30秒变成35秒，结束时不是0秒而是5秒，而5秒正好是下一个0=x5模块的倒计时的时间起点。 2.4 交通灯的系统设计程序框图 本程序框图通过一个while循环套用六个条件结构，其中4个条件结构是实现基本时间段的功能，另外2个条件结构是为了实现相邻时间段的红灯亮的倒计时。（图2-4） 2.5 运行结果分析 运行结果分析：红绿黄灯交替亮灭，伴随着相应的倒计时，符合设计预期。 3 讨论 运用虚拟仪器技术labview设计控制交通灯系统，思路清晰，编程、调试和增加功能十分简单，非常适合大学生实践创新项目和毕业设计项目。2该文采用的是定周期程控技术，即主要依靠经验和已往统计数据红绿黄亮灭的时间， 而不是根据不同方向的车辆和行人数量的多少，来自动控制交通灯的亮灭。34 参考文献 1郑对元.精通LabVIEW虚拟仪器程序设计M.清华大学出版社，2012，05：3. 2基于NI+ELVIS平台的交通灯控制系统设计J.电脑知识与技术，2010，06：9123. 3智能交通信号灯控制系统设计与Labview仿真实现J.电子技术，2008，01：78. 4基于ARM的智能交通信号灯系统设计J.信息系统工程，2011，02：76. 摘要：针对流星余迹通信中链路数据处理的特点，提出一种基于Nios II多核架构的链路协议设计方法，在一片FPGA芯片中通过SOPC Builder开发工具构建双核处理器系统，分别执行前端数据处理及链路协议处理任务，实现了流星余迹通信链路协议设计。解决了流星余迹链路数据处理设计结构复杂的难题，提升了系统的工作效率，使得流星余迹信道资源得到最大限度的利用。 关键词：多处理器 Nios II 链路协议 流星余迹通信 中图分类号：TM929.5 文献标识码：B 文章编号：1007-9416（2013）02-0151-02 流星余迹通信是利用流星余迹对电波的反射和散射作用实现通信的1，其具有间断性、突发性的特点。流星电离余迹的可用时间一般都很短，仅为几百毫秒到一秒钟，且一个余迹消失后，要等几秒钟至几分钟，甚至更长的时间才会有下一个适用的流星余迹出现2。因此，流星余迹通信系统中，对数据处理的速度和效率要求很高，是影响系统指标的重要因素之一。 链路协议处理器作为流余通信系统的数据处理核心，承担着实现空中链路数据的分片、打包、重传、转发等功能，同时也要接收业务终端的报文输入，及时上报已经收好的报文数据。如此众多且复杂的任务，大量的数据交互，以及对数据处理的实时性要求，使得处理器系统必须具备较高的性能，以及高效的数据处理能力。采用多核技术，进行任务分摊，由多个处理器并行处理，是一种最佳的解决方案。 本文提出一种采用基于双Nios II核架构的设计方法，在一块FPGA 芯片中设计两个CPU来分担任务，实现协同工作与并行处理。其基于Altera公司的SOPC Builder开发工具，能够快速地设计并实现可配置、可裁减的多软核系统，具有高度集成、可重配置与性价比良好等优点。利用FPGA内部的硬件可编程特性，可提供很强的灵活性和可扩展能力，从而大幅度提高系统的工作效率，满足系统需求。 1 总体设计 1.1 系统原理 系统中链路收发数据处理所包含的功能模块如图1所示。从图中看出，功能模块可以比较清楚的分为两部分，其中一部分为和用户终端接口的前端数据处理部分，完成对用户收发的完整报文处理，接口方式为网口；另一部分为和空中信道接口的链路数据处理部分，完成对单一报文的分片发送及组包还原功能。 根据以上功能任务划分，可以在系统中构建两个处理器，一个处理器完成前端数据处理，另一个处理器完成链路数据处理，两个处理器之间交互的内容是完整的报文数据。处理器各自完成承担的任务，其程序执行是独立且并行的，且它们之间的接口也比较清楚简单。 1.2 Nios II处理器系统的设计 Altera公司提供基于图形界面的系统定制工具SOPC Builder，可以很方便的进行片上系统的定制。它包含了很多常用接口的IP核，从SOPC元件库中选中后双击即可轻松添加进系统中，并能对接口的一些常用属性进行配置；对于一些SOPC元件库内不支持的模块，可以使用硬件描述语言设计实现其功能，并使其总线接口满足Avalon总线时序，从而作为用户自定义模块连接到总线上。本系统的处理器及外设架构如图2所示。 系统中的两个CPU均选用Nios II/f快速型软核处理器，分别命名为cpu_lan与cpu_air。PIO、timer、uart、spi等接口在SOPC元件库中都有对应的IP核，可直接添加到系统中。其中处理器cpu_lan连接的外设主要包括网络接口、定时器、串口、片上ram、pio中断以及若干普通I/O端口等；处理器cpu_air连接的外设则主要包括EPCS控制器、SDRAM控制器、调试串口、定时器以及pio中断。一个片上双端口ram同时连接到两个处理器，用作核间通信及数据共享。每个处理器的指令访问主端口（instruction_master）与数据访问主端口（data_master）与各自需要访问与控制的外设模块的从端口进行连接，从而构成两套独立的Avalon总线。对于系统中各模块的访问地址，SOPC Builder会自动分配基地址，并根据该模块与Avalon总线接口的地址宽度计算模块占用的地址空间，生成结束地址。与同一条总线相连的各模块使用的地址区域不能有相互重叠的部分，否则会引起冲突。SOPC Builder也会为有中断信号接口的模块自动分配中断号，软件设计时使用该号码进行中断控制。同一条总线内相连的各模块使用的中断号不能有重复，否则也会引起冲突。 1.3 软件设计 处理器的软件是在Nios II集成开发环境下开发完成，两个处理器分别建立软件工程，并依据其承担的工作任务进行程序编写，对处理器之间的资源共享及启动顺序应进行重点设计。 链路协议处理任务由处理器cpu_air承担，主要包括报文分片组帧、接收数据包组合还原报文、数据缓冲、数据帧转发、数据帧重传、路由选择、通过双口RAM交换报文数据等功能。 数据接口处理任务由处理器cpu_lan承担，主要包括通过网口收发报文数据、数据加解密处理、数据缓冲、通过双口RAM交换报文数据等功能。 2 关键问题及解决方法 2.1 程序存储及运行方式 对于多核设计中各个处理器程序运行时内存的分配，NiosII支持两种方式：一为共享式，即将一个存储器划分为多片独立的区域，每个处理器使用其中的一片；二是独占式，即系统中使用多个存储器，每个处理器独立使用其中的一个存储器，互不干扰。 如果使用共享式设计，两个处理器在同一存储器的不同区域运行各自的软件，由Avalon 总线模块提供仲裁机制实现对存储器的分时访问3。系统启动时，各处理器根据各自的复位地址（reset address）读取boot copier并运行，把各自的用户程序拷贝到异常地址开始的内存区域，然后跳转到异常地址处开始执行用户程序，启动系统。这样可以减少存储器数量，节省成本，后期程序维护也会比较方便，但这样也使得访问存储器时会产生竞争，导致效率偏低。 在本设计中采用的是第二种方式，两个处理器各自使用不同的存储器。处理器cpu_air使用外部SDRAM，用于程序运行和链路中收发数据的缓冲；处理器cpu_lan使用片内onchip_ram，用于程序运行和网口收发数据缓冲。这样既没有增加存储器数量，也没有共享存储器时所产生的访问竞争问题，极大提高了系统运行效率。 2.2 核间通信及资源共享 系统中多个处理器的运行是独立且并行的，这种体系结构能提高系统的性能，但是为了实现协同工作，也存在处理器之间信息的交互、共享存储资源的分配等问题。为实现对临界资源的互斥读写，SOPC Builder提供了支持多处理机通信的互斥硬核和邮箱内核4，但其本质为获取权限-使用权限-释放权限的原子操作方式，在一个处理器占用资源的时候，另一个处理器只能进行等待，从而对程序的运行效率有一定影响。本文提出一种基于双口RAM和PIO中断的通信方式，多核处理器之间可以互相发送中断，接收中断方响应中断进行共享资源的提取。这种方式通信效率较高，适用于突发性的大量数据交换。其连接如图3所示。 两个处理器之间通信的中断信号使用PIO组件产生和接收。双端口RAM可以直接使用FPGA片上资源构建，它有两套从端口，分别挂载在两个不同的软核上，Avalon 总线把它当作两个设备，两个处理器可以同时对其进行读操作。如果使用单端口RAM，有访问竞争时是由总线仲裁决定哪个处理器取得访问权，对其的读写操作是分时进行的。可以看出，使用双端口RAM会使资源共享效率得到显著提升。 双端口RAM被分为3个区域，第一个区域为处理器cpu_lan的消息发布区，cpu_lan将要发往cpu_air的数据写在此区域，然后给cpu_air发送中断信号，由cpu_air读走数据；第二个区域为处理器cpu_air的消息发布区，cpu_air将要发往cpu_lan的数据写在此区域，然后给cpu_lan发送中断信号，由cpu_lan读走数据；第三个区域为状态区，包含若干状态寄存器，分别对应前2个区域内存储消息的条数、长度等信息，由双方处理器共同维护。采用此分区方式，可以使得两个处理器读写互不冲突，同时大容量的缓冲区也能轻松实现大量数据的交互。 3 工程应用结果与分析 工程应用中选择了Altera公司的Cyclone III EP3C80型FPGA 芯片，在此芯片上设计构建了双Nios II 架构的SOPC 系统。结合相关外围设备，设计完成了流余通信链路处理单元。 将流余通信链路处理单元通过流余信道模拟器连接起来，构成一个测试系统。用户终端堆积100条消息数据进行发送，通过改变信道模拟器的工作模式及通信节点数，统计信息的传输时间，对单核设计和双核设计进行对比。通过多次测试并进行平均，结果如下： （1）信道模拟器为常通模式，通信方式为点对点时，采用单核设计需12秒传完全部消息，而采用双核设计只需8秒； （2）信道模拟器为指数衰减模式，通信方式为点对点时，采用单核设计需26秒传完全部消息，而采用双核设计只需15秒； （3）信道模拟器为常通模式，通信方式为一点对两点时，统计中心节点的传输时间，采用单核设计需18秒传完全部消息，而采用双核设计只需10秒； （4）信道模拟器为指数衰减模式，通信方式为一点对两点时，统计中心节点的传输时间，采用单核设计需45秒传完全部消息，而采用双核设计只需22秒。 通过以上测试得出，双核架构设计相比传统单核设计，响应速度快，实时性强，提高了数据处理效率。而且随着信道恶劣程度和通信系统复杂度的增加，双核架构设计的优势更加突出。流余通信系统用于组网通信时，采用双核架构无疑会更加适合。 4 结语 本文以FPGA芯片为核心，提出了双Nios II核架构的SOPC 系统的设计方法。两个软核处理器与外设接口高度集成到一块FPGA 芯片中，减少了硬件电路的面积和复杂性，降低了成本；两个CPU并行处理各自任务，通过特定机制进行数据传输与同步，良好地实现了协同工作，成倍地提高了系统的工作效率；NIOS II的软硬件自由配置空间极大，其编程结构清晰、扩展方便，可以方便地调整系统和不断提升系统性能。该设计方法对其它数据处理应用具有一定的参考意义。 参考文献 1王莹，高轶，冯微.流星余迹信道与组网技术仿真分析J.无线电工程，2011，（04）. 2张永涛，叩瑞龙.链路自适应技术在流星余迹通信中的应用J.无线电通信技术，2010，（02）：50-52. 3Altera Corporation.Quartus II Version 9.0 Handbook Volume 5：Embedded PeripheralsZ.2009. 4Altera Corporation.Nios II Software Developers HandbookZ.2009. 摘要：起重量智能监控仪以实现起重机监控、维护、管理一体化的功能，是起重机在以后重要的安全保护装置之一，智能监控仪开发基于起重量限制器功能的基础上进行功能扩展，融入液晶显示技术，微机接口技术，智能单片机控制技术，串口通信技术，芯片存储技术完成对起重设备的全程监护记录和报警保护工作 关键词：自动监控管理 单片机AT89C52 起重量限制器 中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0153-02 随着我国现代化建设不断推进，工业大发展，起重机械在各个领域越来越发挥着重要的作用。然而由于起重机使用环境恶劣、工况复杂、操作人员水平不一，起重机每年都有发生各类事故，给安全高效生产带来了隐患，迫切需要起重设备更加智能化的，保证起重机安全、高效运行，起重量智能监控仪的设计开发正是解决这个问题。飞机上装有俗称“黑匣子”的智能记录仪，能对飞机飞行的各个状态参数进行记录和监控，在发生故障和危险时发出报警，从而保证飞机的运行安全。本智能监控仪的功能设计模仿了飞机上的“黑匣子”功能，在起重机运行过程中对起重量、各安全机构状态进行监控和记录，当发生起重机超载和安全机构动作时发出报警和记录，采取相关全措施，从而保证起重机的运行安全。 1 智能起重机监控仪的系统原理及组成 1.1 起重机监控仪的系统原理概述 起重机起吊重物时，由电阻应变片式称重传感器检测后，将实物重量线性化转换成模拟量电信号（0-20mv），电信号送到放大器放大（0-5V），通过滤波电路去除高频信号和谐波信号，然后输入到模数转换芯片转换，把模拟电压信号转换成数字信号；数字信号被高速单片机采集到内部存储器保存，通过数值运算得出起重量值，通过液晶显示程序和液晶显示电路显示起重量值；当起重量数值超过程序设定的报警值时，单片机驱动显示程序和报警程序，监控仪发出声光报警；当起重量数值超过程序设定时发出报警同时立即切断起重机起升电源，防止超载事故的发生，单片机会将报警时间和事故类型保存至存储芯片，需要时可调取监控记录进行管理。起重机监控仪在监控起重量时，同时对吊钩起升限位和起升继电器的状态进行检测和监控，当起升限位动作时而起升继电器不断开时立即报警，同时切断起升电源，防止冲顶事故的发生。单片机会记录各个故障事件发生的时间、故障代号，日后可调取监控记录进行管理。通过对安全机构的状态监控和记录，从而达到对起重机监控、维护、管理一体化的目标。 1.2 起重机监控仪的系统组成 起重机监控仪以单片机为核心，由硬件和软件两大系统组成。硬件系统包括传感器模块、信号放大转换模块、单片机控制模块、液晶显示模块、按键模块、信息存储模块、声光报警模块、电源模块八大模块组成。软件系统由液晶显示模块、信息存储模块、自检模块、按键检测设定模块、数值运算比较模块、中断响应模块六大模块组成。软件系统和硬件系统相辅相成，合为一体，构成整个系统。 1.3 系统构成总图 系统的原理框图如图1所示。 1.4 系统主要技术参数 适用范围：150吨各类起重机； 综合误差：5%； 显示误差：3%； 动作误差：3%； 报警点的设定： （1）预报警点：额定起重量的90%； （2）延时报警点：额定起重量的105%； （3）立即报警点：额定起重量的110%； 延时报警时间：12秒； 传感器过载能力：1.5倍； 使用环境条件：-10+50 90%RH； 电源电压：380V-15%（+10%） 50HZ 传感器防护等级：IP65； 电器控制箱防护等级：IP42。 2 智能起重机监控仪的硬件系统设计 2.1 电源模块 电源模块给起重机监控仪供给符合电路要求的电源电压。监控仪中有各种电路，对电源点要的要求也不一。单片机的电源是5V直流电，传感器的电源要求是+6V和-6V直流电源，放大电路电源是+6V和-6V直流电源，液晶显示器的电源是+5V直流电源。电源电路输入电压为起重机三相电源相电压380V，经过变压器变压成8V交流电。8V交流电经过整流桥整流成直流电，直流电通过直流稳压芯片7805得到标准直流+5V电压。直流+6V和-6V电压由8V交流电通过整流桥和稳压芯片7806和7906得到稳定的+6V和-6V直流电源。 2.2 传感器模块 起重机监控仪采用起重量传感器类型有多种，根据起重机结构形式的不同，测量的位置也不同。电动单梁起重机一般采用卡式传感器，通用桥式和门式起重机采用的的类型LF型压式传器、轴承式传感器。虽型号不同但功能相同。这些传感器都是专门为工业用途而设计的，采用全密封结构，内充氮气。应变片选用环氧酚醛箔式电阻应变计，使用温度范围为-20+60，具有精度高，长期稳定性好的特点。 2.3 信号放大转换模块 电阻应变传感器的输出电压为020mv的微电压无法进行转换和处理，因此需要进行通过放大器放大处理。放大电路用的是OP07，OP07是高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于微弱信号的放大。如果使用双电源，能达到最好的放大效果。 传感器输出的电压信号经过0P07PD放大为05V电压，电压输入到AD转换芯片进行模数转换。ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片由于它体积小，兼容性强，应用较为广泛。 2.4 单片机模块 单片机是整个起重机监控仪的核心，整个智能系统的运行都要依靠单片机的参与和工作。对数字信号的计算转换为起重量值，和预定值比较，驱动液晶显示器显示数据、图像，驱动报警电路发出声光报警等等功能的都是依靠单片机的程序运行的。单片机系统的运行稳定性直接影响到监控的正常工作。 AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。 2.5 液晶显示模块 起重机监控仪的输出部分采用液晶显示，液晶显示能显示文字、字符和图形，具有显示数据量大的特点，符合起重机监控仪输出信息多样化和智能化查询管理的要求，因此选用带中文字库的12864液晶显示器。通过液晶模块可显示起重机监控仪的工作状态，起重量的值，有无故障信号和故障记录查询等功能。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。 2.6 按键模块 起重机监控仪的输入模块采用按键来实现，通过按下不同的按钮，实现不同的功能。可实现起重机监控故障记录查询，报警值设定，立即停止值设定，日期更改等相关功能。单片机AT89C52每隔一个运行周期就对按键进行扫描，当扫描到按键按下时则跳转到按键程序，执行相应的程序。按键设有“故障记录”“+健”“-健”“确定”“时间设定”“上翻”“下翻”“系统设定”。 2.7 信息存储模块 起重机在运行时发生故障或误操作发生超载、冲顶、互撞时，监控仪会发出报警同时对发生事件进行记录。记录的保存依靠存储芯片24C02。24C02芯片串行E2PROM是基于I2C-BUS 的存储器件，遵循二线制协议，由于其具有接口方便，体积小，数据掉电不丢失等特点。 2.8 声光报警模块 监控仪在发现起重机出项故障和发生危险事件时发出声光报警。声光报警顾名思义是运用声音和光进行报警。报警装置为蜂鸣器和红色报警灯。当起重机发生危险事件时，监控仪拉响蜂鸣器，红色报警灯亮起，提醒操作者。 3 智能起重机监控仪的软件系统设计 起重机智能监控仪的工作依靠硬件的正常工作，同时也依靠软件的正常运行。软件好比是人的大脑，完成一件事要什么步骤，先做什么再做什么，在突发情况下采取什么行动，这些在单片机的软件芯片上都得一一编写好。单片机按照预定的程序一步一步执行，所以软件的编写好坏直接影响监控仪的正常运行。监控仪的软件编写也按照模块化的方式来编写。软件系统由液晶显示模块、信息存储模块、时间读取模块、按键检测设定模块、数值运算比较模块、安全响应模块六大模块组成。单片机主流程图如下： 4 结语 在个各个模块的通力合作下完成着系统设定的各个功能，各系统相辅相成，缺一不可。完成对起重机运行的各个状态进行监控记录。相信起重机黑匣子的应用对起重机的运行起到很好的作用，为起重机的安全运行保驾护航，为社会建设发挥更大的作用。 参考文献 1学院出版社.起重机械技术检验.2000年第一版. 2机械工业出版社.检测与转换技术.2004年第二版. 3高等教育出版社.电子技术基础.2000年第四版. 4机械工业出版社.单片机原理及应用.2004年第二版. 摘要：随着社会经济的迅速发展，手机已是人们生活中不可缺少的信息通讯工具。并且手机硬件性能的提高使得手机软件应用程序日渐复杂，如面向实用性，体积小，集成度高，质量有保证，内存不丰富等等所以手机的软件开发是非常重要的。 关键词：基本方法 嵌入式 测试手段 可靠性 中图分类号：TP311.52 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）02-0155-01 1 软件测试的基本概念和方法 1.1 基本概念 这里关于软件测试方法都有基本的概念和方法，其中有六种相关测试方法：黑箱测试、白箱测试、灰箱测试、有效用例和无效用例、边界条件以及等价类测试。黑箱测试是通过整个软件或某种软件功能来严格的测试，而并没有通过检查程序的源代码很清楚的了解该软件代码程序的具体是怎样设计的。白箱测试这种类型的测试需要代码句法发现内部代码在算法、路径、条件等等中的错误和缺点，并且进行修改。灰箱测试就像黑箱测试一样是通过用户界面来进行测试的，但是工作已经对这种测试的代码源具体设计很了解，所以这种测试方法如果你想知道就能很容易测试出来。有效用例一般是指软件输入的测试用例，是那些已知软件程序能够正确的输入用例。等价类如果软件程序能正确处理一个值，也就是该程序能正确的处理这个范围内除了边界意外的任何有效输入值。边界条件，通常意味着最大值和最小值或者所有涉及软件能够处理的最长的字符等等。 1.2 软件测试的基本方法 不同的书籍中软件的分类，叫法和解释都