硬件装置范文

硬件装置范文（精选5篇）

硬件装置 第1篇

关键词：微机保护,可靠性,筛选条件

一、可靠性强化试验

可靠性强化试验最早是90年代初美国波音公司考虑市场竞争的需要, 为了减少产品的研制费用, 同时为了得到更加可靠的产品而提出的, 较广泛地应用在航天和航空产品的研制生产过程中。目的就是通过对产品施加步进的环境应力, 所施加环境应力的强度大大超出实际的使用条件, 以此激发产品的潜在缺陷来暴露制造和设计上的不足, 以便对其改进来提高产品的可靠性。

二、试验剖面的建立

强化试验剖面的建立是整个试验的核心, 涉及应力的选择、试验项目的设计、应力的大小和应力的施加顺序等。

(一) 应力的选择。

强化试验是否能达到目的, 所施加的应力起着关键作用。为了选择一个合适的试验应力条件需要研究以下两个问题:产品存在的缺陷可能有哪些?采取哪些应力能有效的激发这些缺陷?由于微机保护装置是一种特殊的电子设备, 选择应力条件要考虑保护装置本身的功能特点及其主要故障模式, 其次的故障模式是元器件损坏和印制板损坏。

(二) 试验项目的设计。

查找试验装置的工作极限对后来的环境应力筛选条件选择有重要作用, 为此首先选择步进应力试验来找试验装置的工作极限, 选择的步进试验分别是高温步进、低温步进和振动步进。试验目的就是找到微机保护装置的工作极限, 所谓的工作极限是在可靠性试验过程中, 环境应力超过该极限值, 产品失效, 无法正常工作, 当环境应力恢复正常值时, 产品又恢复正常, 并能正常工作。为了确定装置的潜在缺陷在哪种应力下更容易激发, 在做温度循环和振动的综合强化试验之前增加了快速温变试验。这样通过快速温变和综合强化试验来对比确定微机保护装置受哪种环境应力影响更大, 也据此确定最终选择合适的应力筛选条件。

(三) 应力大小的设计。

施加应力的大小决定了能否将潜在缺陷变成故障, 选择应力要求一方面不能过小这样不足以尽可能多的激发和暴露装置缺陷, 一方面又不能过大这样会导致装置的失效机理发生改变。一般情况选取保护装置的工作极限的70%到80%作为综合应力的极限。

(四) 应力的施加顺序。

施加采用步进应力的方式, 充分考虑到试验的成本问题, 使得装置能最大限度的利用, 应进可能地从破坏性小的试验开始, 试验顺序依次为:低温步进、高温步进、快速温变循环、振动步进、最后是温度和振动的综合应力。综合考虑到实际的使用条件和微机保护装置的耐受条件, 温度上下限和振动的极限按照工作极限的80%设计。

三、筛选应力条件的选取

(一) 环境应力筛选。

环境应力筛选是通过向电子产品施加合理的环境应力和电应力, 将其内部的潜在缺陷加速变成故障, 并加以发现和排除的过程, 作为一种工艺手段环境应力筛选效果主要取决于施加的环境应力、电应力水平和检测仪表的能力。施加应力的大小决定了能否将潜在缺陷变成故障。

(二) 筛选发现的缺陷类型。

筛选的基本依据是故障物理学。筛选的缺陷可以分为工艺缺陷、元器件缺陷和设计上的缺陷。工艺缺陷主要是由于工艺不当造成的, 诸如虚焊、断裂、短路和开路等;元器件缺陷主要是由于器件质量低劣造成的;设计缺陷主要是设计不合理造成的。

(三) 筛选试验剖面的确定。

基线筛选条件主要是按照综合强化试验的应力条件来确定, 工程实际中应该采用人为植入实际缺陷的办法对基线筛选条件进行优化调整, 并对选好的筛选条件进行反复的试验, 保证一方面在筛选过程中不损伤好的样本, 另一方又要尽可能多地暴露产品问题。

四、结语

本文首次提出了把综合强化试验应用在考核微机保护装置硬件的可靠性上, 通过该试验来确定非常有效的微机保护装置环境应力筛选条件, 并进一步查找设计和制造过程中的潜在缺陷, 改进后来提高保护装置的硬件可靠性。

参考文献

[1].Deppe, R.W.Minor, E.O.Reliability Enhancement Testing (RET) , Reliability and Maintainability Symposium, 1994.Proceedings, Annual24-27Jan.1994

[2].James N.Kurihava, Reliability Enhancement Testing, Boeing Commercial Airplance Group, Nov.2, 1995

[3].姜同敏.可靠性强化试验[J].环境技术, 2000

硬件装置 第2篇

关键词： 双目视觉； 视差； 三维坐标； 硬件系统

中图分类号： TN 29文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.02.015

Hardware design of marker positioning system based on binocular vision

WANG Ligang， MA Guoxin， XIANG Peng

（Institute of Industry Technology， Guangzhou & Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 511458， China）

Abstract： The binocular vision directly simulates the manner of human eyes observing one scene from different viewpoints to obtain the depth information of object. This system is for a particular application. The objects positioned by this system are markers which can reflect the light radiated by the light source， so they can be located by the passive reflection. The experiment platform is set up based on the principle of the binocular vision. The hardware components technology is analyzed. The system can find a good solution to the influence of complex background on recognition and localization of the markers. At last， experiments are conducted， which contain the distance and the angle measurements. The results demonstrate that the accuracy of the system is good.

Keywords： binocular vision； disparity； threedimensional coordinate； hardware system

引言立体视觉是计算机视觉领域的一个重要分支。双目立体视觉通过模拟人类双眼机制，利用两台摄像机从不同位置观察同一目标，获得不同视角下的一组目标图像，基于视差原理计算目标图像对应点间的位置偏差，以此来获取目标物体的三维信息[1]。目前立体视觉在机器人视觉、航空测绘、军事应用、医学诊断及工业检测中应用越来越广泛[2]。一个完整的立体视觉系统通常分为图像获取、摄像机标定、图像预处理、特征匹配及三维重建这五大部分。目前大多数研究集中在摄像机标定[34]、特征匹配[56]及精度分析[7]等方面，而在如何利用硬件设计优化图像获取方面文献较少。因此本文重点研究双目视觉系统中图像获取这一步，通过特殊的硬件设计来优化获取到的图像，为后续图像处理带来便利。光学仪器第37卷

第2期王立钢，等：基于双目视觉的标志点定位系统硬件设计

图1平行式摄像模式和汇聚式摄像模式

Fig.1Binocular parallel system and

binocular convergent system

图2汇聚式结构模型原理图

Fig.2Schematic diagram of binocular

convergent system

1双目视觉系统工作原理常见的双目视觉系统主要有两种模式：平行式摄像模式和汇聚式摄像模式，如图1所示。平行式摄像模式即两个CCD摄像机按光轴平行安装，该种模式便于标定且计算简单，但是对于视场较小的摄像机，若测量空间视场要求较大则很难满足测量要求。而汇聚式摄像模式由于两光轴成一定角度进行安装，使光轴同时汇聚于目标物体，因此可以通过适当调整两光轴夹角来满足测量的视场要求。由于本系统测量要求的视场范围较大，若采取平行式摄像模式则需要大视场摄像机，而视场角大的摄像机获得的图像畸变也较大，不利于提高系统精度[8]，因此本系统采用汇聚式摄像模式，其结构原理图如图2所示。图中O1C1与O2C2为左右摄像机的光轴，夹角为2θ，两摄像机光心间距为B，为简化计算，假设两摄像机关于YOZ平面绝对对称，P点为物点，P1、P2分别为P点在左右摄像机上的像点。坐标系XOZ中，假设P点的世界坐标为（X，Z），其像点P1、P2的世界坐标分别为（X1，Z1）、（X2，Z2），其在图像物理坐标系中XOZ平面上的坐标为（x1，0）、（x2，0）。若两摄像机焦距均为f，则根据小孔成像原理及几何关系可得X1=-B/2-fsinθ+x1cosθ（1）

Z1=-fcosθ-x1sinθ（2）

nlc202309040206

X2=B/2+fsinθ+x2cosθ（3）

Z2=-fcosθ+x2sinθ（4）由于P1C1与P2C2的交点为P，因此通过联立直线P1C1与P2C2的方程便可求得Z=B[f2cos2θ+12（x1-x2）fsin2θ-x1x2sin2θ]f2sin2θ-（x1-x2）fcos2θ+x1x2sin2θ（5）图3双目视觉系统组成及工作流程

Fig.3The workflow of binocular vision system2双目视觉系统组成一个完整的基于双目视觉的目标定位系统主要包括硬件和软件两大部分，系统的工作流程如图3所示，主要包括图像采集、摄像机标定、图像预处理、特征匹配及三维重建。其中图像采集这一环节主要由系统的硬件部分来完成，摄像机标定、图像预处理、图像匹配及三维重建主要由系统的软件部分来完成。而本文的重点便是系统的硬件部分设计。3系统硬件设计系统硬件部分主要由反光标志点、试验台架、摄像机、照明光源几个部分组成，整体硬件实物如图4所示。

3.1反光标志点反光标志点即为本系统需要定位及跟踪的目标。标志点反射光源打在其上的光，反射光被镜头接收后来进行定位。文献[6，9]中均使用一种主动发光的LED标志点，与其相比本系统采用的标志点为被动式反光的无源器件，无需接线，因此使用方便且更加可靠。标志点的外观及光路如图5所示，标志点为自主设计加工，尺寸很小，高度、直径均只有10 mm。应用时可以将多个标志点镶嵌在运动的刚体上，通过对标志点的定位来确定刚体的三维信息。

图4双目视觉系统硬件实物图

Fig.4The photo of binocular vision

hardware system图5标志点实物图及光路原理图

Fig.5The photo and the optical

configuration of the marker

该反光标志点的光路特点为，当入射光线进入标志点后，经过透镜折射聚光之后光线入射到一块镀有高反射膜的透镜上，反射后的光线与入射光线基本重合，即光线进入该反光标志点后会按原路被反射回去。反光标志点的入射角度范围设计值为0°～90°，由于加工精度的影响，实际工作中入射角在0°～70°时定位精度比较高。

3.2摄像机及试验台架系统采用两台型号参数一致的高分辨率低畸变CCD摄像机，安装在自制的试验台架上，通过调节试验台架，两台摄像机之间的间距、夹角及高度可以任意调节以满足不同的工作距离及有效视场范围的要求。测量误差与两镜头光轴夹角及基线距离间存在复杂的函数关系，在满足工作距离及有效视场的前提下，系统误差随基线距增大而减小，且当基线与光轴的夹角在55°～70°之间取值时，平均综合测量误差达到最小值[5]。同时镜头配有中心波长为635 nm（±10 nm）的窄带滤光片保证其他波段的光可以被有效滤除。

图6系统获取的标志点图像

Fig.6The photo of the markers

obtained by the system3.3照明光源系统采用635～645 nm波段的红光LED点光源作为照明光源，通过一块半透半反射镜使点光源主光轴与镜头主光轴重合，这种同轴光照明方式的优点是照明亮度非常均匀，且与反光标志点配合使用时，由于标志点可以将光按原路反射回镜头，而其他背景部分的反射光则很难反射回镜头，因此标志点会出现高亮而其他部分则较暗。同时由于镜头安装了窄带滤光片，只有635 nm±10 nm波长的红光可以通过镜头，因此能进一步消除背景杂光的干扰。系统的硬件部分主要负责图像获取这步工作，图6为实际工作时本系统获取到的图像，从图中可以看出，除了几个反光标志点为高亮之外，其他部分的光线非常暗。硬件这样设计的好处是为后续的软件处理提供了很大的方便，图像处理时只需简单的算法便可准确提取标志点的中心。图7试验用测试板

Fig.7The test board for the experiment4实验与数据分析为验证本系统硬件设计的准确性及系统精度，设计一组关于距离及角度的测量试验。设计并加工了两块测试板如图7所示，测试板1上面排布6×4个孔洞，反光标志点直接嵌入孔洞中，每相邻两个孔洞的中心间距均为24 mm，该测试板用来测试两标志点间距。测试板2上面有三条凹槽，两条凹槽之间的夹角为固定值，该测试板用来测试标志点旋转角度。

4.1距离测量试验距离测量实验具体做法是在测试板1上直接排布3×3个标志点，每相邻两个孔洞的中心间距均为24 mm。用本系统定位得到每个标志点三维坐标，如表1所示，进而根据三维坐标计算得到两点间距离。

表19个标志点的三维坐标

Tab.1Threedimensional coordinates of markers

标志点123456789坐标值x-1.075 9-24.963 8-49.040 3-0.265 7-24.091 5-47.908 51.011 5-22.811 4-46.640 0y-52.707 9-51.465 4-50.064 7-28.711 8-27.444 1-26.221 7-4.698 1-3.398 4-2.343 9z738.107 6737.760 3737.937 5738.688 1738.539 4738.772 6739.265 8738.517 1739.452 0

表2距离测量试验数据

Tab.2Results of distance measurement experiments

类别最大值最小值平均值绝对误差/mm0.520 80.002 30.093 6相对误差/%2.170.010.39测量值/mm24.217 823.479 223.906 4

nlc202309040206

图8测试板固定角度旋转示意图

Fig.8The test board at a fixed angle

表3角度测量试验数据

Tab.3Results of angle measurement experiments

类别最大值最小值平均值绝对误差/（°）0.780.060.36相对误差/%2.60.21.2测量值/（°）29.9429.2229.64

距离测量试验总计50组，每组各有12个24 mm点间距，共计600个24 mm点间距。测量数据统计如表2所示。

4.2角度测量试验测量实验具体做法是在测试板1上排布两个点，两点连线只要不与世界坐标系Y轴平行即可。如图8所示测试版在测量视场范围内拍摄一次，计算出两标志点三维坐标，然后按测试板2上的凹槽将板1旋转一个已知角度（30°）再拍摄一次，同样计算出旋转后两标志点的三维坐标。根据这两组坐标值可以计算出两点连线的旋转角度值，同样在测量视场范围内任意位置做50组实验，测量数据统计如表3所示。由表2、表3可以看出系统在测量两点间距时精度较高，误差只有0.1 mm左右，但对于旋转角度的测量误差则较大，平均值在0.36°左右。造成角度测量误差较大的原因主要有两点：其一为测试板加工精度不够带来的误差；其二为当测试板旋转后，进入反光标志点的入射光入射角度发生变化，由于标志点在入射范围0°～70°时精度较高，超过70°后入射角越大其精度越差。5结论本文详细阐述双目视觉系统硬件各部分实现方式，与现有双目视觉系统相比，通过设计反光标志点并与窄带滤光片、同轴光照明模式配合使用，在硬件上便很好地优化了获取到的图像。本文实验验证过程也具有一定的创新性，现有文章的实验过程大多只考虑到距离测量的精度[910]，而本文增加了旋转角度的测量，更好地验证了系统的准确度及可靠性。后续可以通过优化反光标志点设计在硬件方面进一步提高系统精度。参考文献：

[1]马颂德，张正友.计算机视觉[M].北京：科学出版社，1998：7273.

[2]游素亚，徐光祐.立体视觉研究的现状与进展[J].中国图象图形学报，1997，2（1）：1724.

[3]刘晓利，田媛，童飞，等.双目立体视觉的光学标定技术[J].光学仪器，2013，35（3）：1115.

[4]李中伟，王从军，史玉升.3D测量系统中的高精度摄像机标定算法[J].光电工程，2008，35（4）：5863.

[5]刘瑜，刘缠牢，苏海.一种基于结构光双目视觉的特征匹配算法研究[J].光学仪器，2014，36（2）：161166.

[6]魏振忠，高明，张广军.光笔视觉三维测量中光斑图像点立体匹配方法[J].光电工程，2009，36（8）：4549.

[7]肖志涛，张文寅，耿磊，等.双目视觉系统测量精度分析[J].光电工程，2014，41（2）：611.

[8]常铭，李亮，陈志强.CT扫描中的汇聚式双目立体视觉系统参数研究[J].中国体视学与图像分析，2011，16（1）：8995.

[9]解则晓，孙洪磊，王晓敏.光笔式双摄像机三维坐标视觉测量系统[J].光学技术，2012，38（4）：459464.

[10]ZHU S P，GAO Y.Noncontact 3D coordinate measurement of crosscutting feature points on the surface of a largescale workpiece based on machine vision method[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2010，59（7）：18741887.

（编辑：刘铁英）

硬件装置 第3篇

由于能源短缺和环境污染日益严重,具有可持续发展潜力的清洁可再生能源在世界范围内得到越来越广泛的关注和应用。光伏发电以其取之不尽、用之不竭、廉价无污染的特点,有着其他新能源发电无法比拟的优势。然而受光资源时间分布不均衡和气象变化的影响,光伏电源的输出具有随机性、波动性和间歇性的特点[1],导致其可调可控性较差。这种特点对智能电网的安全平稳运行产生很大影响[2,3]。

传统光伏发电监控系统中二次设备的功能和接口规范不统一,通信标准的采用缺乏一致性,导致互操作问题成为其长期维护和运行的巨大障碍。IEC61850标准作为当前电力自动化系统最为完善的通信标准,其在变电站中的成功应用有效解决了系统中各设备互操作一致性问题,达到信息共享。已有相关文献对该技术引入光伏相关的应用进行了探讨:文献[4]从光伏并网点安全展开研究,给出了分布式光伏发电并网接口装置的IEC61850信息模型;文献[5]从微电网监控角度考虑,给出了分布式能源监控终端的信息模型,重点突出了与微电网能量管理信息交互;文献[6]基于风光储微电网发电站,研究基于IEC61850的微电网控制结构;文献[7]从IEC61850-7-420标准角度分析了分布式电源通用硬件和信息模型操作方法,但文中未给出终端的具体信息模型。

现有文献针对光伏系统相关功能的信息建模研究表明,基于IEC61850标准的应用和开发是光伏发电系统的发展趋势。本文从光伏系统监控角度出发,分析IEC61850技术并基于该技术给出适合光伏监控系统的分层设计,研究光伏监控装置的实现,包含硬件平台设计、装置组件之间通信网络和实时数据映射、通信功能软件流程;结合光伏系统功能总结光伏监控系统相关的逻辑节点,并给出光伏监控装置的设备信息建模;最后在10 k W光伏发电系统中利用通用IEC61850上位机客户端软件与监控装置进行制造报文规范(MMS)通信验证,获取装置内设备模型,实现了光伏系统各组件的IEC61850标准支持。站控层可通过该装置实现与光伏系统各组件的信息共享和互操作,有效保障光伏电站安全运行。

1 光伏监控实现IEC61850的系统架构

1.1 IEC61850技术

IEC61850是IEC TC57制定的关于变电站通信网络和系统的国际标准,可以有效地实现设备间的无缝集成,目前已经推出2.0版本[8]。标准名称由《变电站自动化系统与网络》改为《电力企业自动化系统与网络》,表明标准制定者拓展其应用领域的愿望。IEC61850技术体系包含4个主要部分:信息模型、抽象通信服务接口ACSI(Abstract Communication Service Interface)、特定通信服务映射SCSM(Specific Communication Service Mapping)和变电站配置描述语言SCL(Substation Configuration description Language)配置文件。信息模型采用面向对象的统一建模技术,采用分布、分层的结构体系。ACSI只是抽象地描述设备之间如何交换信息,设备如何具体实现由设备自身制定。SCSM则利用具体的通信网络实现ACSI中的服务模型。SCL文件用于对变电站系统结构、通信系统结构和IED信息模型、服务模型的统一描述。

1.2 基于IEC61850分层技术的光伏监控系统

目前,IEC61850技术在智能变电站中应用已较为成熟[9],其通信体系设计按照分层结构实现,包括站控层、间隔层和过程层。站控层和间隔层之间的网络采用ACSI映射到MMS,传输介质基于以太网或者光纤。间隔层和过程层之间的网络采用单点到多点的以太网传输。如果光伏发电系统严格按照变电站通信体系实现IEC61850,则需对系统中各组件进行软硬件升级,新的光伏组件设备均需直接支持IEC61850,带来设备成本大幅提升。而且这种实现形式对目前已投入运行的光伏发电系统而言,需要对老设备进行改造或者替换,实际可行性不大。

针对光伏发电系统现有组件的技术特点,结合IEC61850技术分层设计的思路,弱化过程层的概念,通过间隔层的光伏监控装置实现光伏系统各组件的IEC61850通信传输,上行通过光纤或者以太网和站控层EMS进行MMS报文通信,下行通过G3_PLC电力线载波技术或者RS 485总线技术实现系统内各组件实时数据的交互,通信架构如图1所示。

2 光伏监控装置实现

2.1 光伏监控装置硬件设计

光伏监控装置采用双CPU平台设计,硬件结构图如图2所示。ARM微处理器运行嵌入式Linux操作系统,负责IEC61850模型实现和MMS传输、数据存储、人机接口等功能。数据信号处理器主要实现采样、控制等实时性要求较高的功能,考虑到芯片AD采样通道、IO管脚数量有限,而现场中测量、遥信遥控路数较多,硬件中通过采用模拟开关来实现多路模拟量分时进入AD采样,通过总线技术配合地址译码实现多路遥信遥控接入DSP的辨识。双CPU之间通过SPI总线进行数据通信。这种双核的硬件平台设计利用ARM平台运行操作系统,支持复杂软件功能的实现,同时利用DSP弥补其因运行操作系统在实时性方面表现弱的缺点。平台硬件满足需同时支持IEC61850和实时交采控制等功能的光伏监控装置技术要求。

2.2 通信网络模块

为实现IEC61850和光伏发电系统内的组件监控,光伏监控装置通信网络需分上行网络和下行网络。上行网络支持IEC61850的MMS报文传输,实现和站控层信息交互,通信网络实现方式为以太网或者光纤。光伏监控装置通过光纤接收模块接入智能变电站SDH通信专网,实现与站控层的信息交互。下行网络主要面对光伏发电站内系统,实现光伏监控装置对网络内各组件设备的数据通信,支持RS485和电力线载波,电力线载波采用基于OFDM的窄带G3_PLC技术,通过交直流电力线组成高速稳定通信网络[10,11],通信模块通过集成的芯片来实现,内部采用R-S编码作为外码,纠正随机符号错误和随机突发错误,以卷积码为内码,采用二级级联编码的方式在降低译码复杂度的同时提供很高的数据可靠性[12,13]。针对恶劣环境的Robust传输模式,使系统更可靠,抗干扰能力更强。同时,信号经过调制输出芯片后,需经过线路驱动单元实现对信号的功率放大,该单元一般由集成运放和功率放大电路组成,线路耦合器主要是将放大的OFDM信号耦合到交直流电力线上,并起到隔离作用。OFDM模块实现框图如图3所示。

下行G3_PLC网络中通信协议采用目前各组件常用的Modbus协议,光伏监控装置下行通过Modbus协议获取组件实时数据后需完成到模型数据域的映射,映射按照模型中数据功能约束FC(Function Constraint)进行类型分组。具体映射方式如图4所示。

2.3 光伏监控装置软件架构

由上可知,光伏监控装置采用的是双核设计,ARM微处理器主要完成IEC61850通信功能,数字信号处理器主要实现装置自身的交采功能。通信功能中实时数据获取分为2块:一块是装置自身的交采实现;另一块是通过G3_PLC通信模块采集光伏现场组件。通信功能中IEC61850通信规约通过调用MMS-EASE Lite软件库开发实现。MMS-ESAE Lite是MMS的C语言编程接口,是从SISCO公司的MMS-EASE软件继承发展而来,专门针对嵌入式应用,实现IEC61850向MMS的映射工作。通信功能的软件是基于嵌入式Linux平台开发的,实现框图如图5所示。由图可知,系统完成端口和通信相关参数初始化后,启动端口、Modbus和Ntp对时线程为后面的MMS通信做准备,延迟一段时间等待线程启动成功,接着进行数据映射相关和MMS通信相关的配置,配置完成后启动MMS和数据更新2个线程,实现MMS通信功能。主线程启动完各应用线程后,展开对各应用线程相关状态的循环监测,保证各应用线程始终运行在期望的正确状态下。

3 光伏监控系统IEC61850模型

3.1 光伏监控系统逻辑节点

光伏电站主要由光电池阵列、汇流箱、直流配电柜、逆变器、变压器等组成,依据技术需求,还可增加太阳跟踪系统和环境监测仪等辅助设备。光伏监控装置通过对光伏电站内各设备实时运行状态和现场环境的监控,配合站控层软件保障光伏发电系统的安全可靠运行。

IEC61850标准第2版纳入的IEC61850-7-420标准主要面向DER(Distributed Energy Resources),主要针对光伏发电系统、燃料电池等类型分布式电源相关的逻辑节点[14]。光伏发电系统中相关逻辑节点的分布如图6所示。由图可知,IEC61850-7-420基本将光伏系统中各环节的功能均定义了对应的逻辑节点,站控层可通过标准定义的MMS报文与这些信息模型交互,不用考虑实现这些模型的具体设备。

建模过程中,除了图6中所列出的逻辑节点,依据监控装置的功能需要还会用到其他一些逻辑节点,如电能质量、保护、人机接口等。表1给出了光伏监控装置涉及的各个逻辑节点。

3.2 光伏监控系统IEC61850模型

光伏监控系统的IEC61850模型建立由监控装置完成,建模采用面向对象的方式。建模形成的自描述ICD文件采用SCL实现,SCL是在可扩展标记语言XML(e Xtensible Markup Language)的基础上根据变电站自动化的特殊需要,利用XML的可扩展特性定义的一种行业专用语言[15]。语法上,遵循XML的语法规定,生成标准的XML文件;语义上,包含光伏监控装置配置所需要的各类对象。配置好的设备自描述ICD文件主要包含Server、逻辑设备(LD)、逻辑节点(LN)、数据(DO)和功能数据属性(FCDA)等。

光伏监控装置信息模型中Server主要指示SCSM服务映射MMS的具体功能,站控层通过MMS实现与监控装置的数据交互。MMS服务模型采用双边应用关联来传送服务请求和响应,是基于Client/Server模式的可靠通信方式,其通信实时性能指标为秒级,可满足光伏监控系统通信需求。MMS服务模型提供的服务内容在信息模型中通过XML格式的描述来告知站控层的客户端,客户端通过解析信息模型文件中的Services元素获取文件中MMS所支持的服务。Services元素及其含义见文献[16]。

光伏监控装置信息模型中逻辑设备主要是装置中各个功能的抽象表达,由不同逻辑节点按照具体功能来组合体现。逻辑设备的信息结构模型见图7。

逻辑设备的结构模型是从上到下的包含关系,下层为上层的必要组成部分。逻辑设备按功能实现由不同的逻辑节点组成。逻辑节点的内容为数据对象,是与1个或多个逻辑节点相关的预先定义好的对象名称,其类型或格式由公用数据类定义。公用数据类是建立在标准数据类型上的预定义分组及预定义公共属性,本质上用于定义数据对象的类型和格式。公共属性定义是可被许多对象反复使用的预定义属性。标准数据类型定义数据类型,包含常用的布尔型、整型、浮点型等。

按照系统实现功能的不同,光伏监控装置在建模时可包含6个逻辑设备,具体信息模型如图8所示。

按照IEC61850的建模标准,每个逻辑设备至少包含2个基本的逻辑节点:LLN0和LPDH,分别对应设备的一般属性和物理装置信息。其他逻辑节点则按功能集合,对站控层表现出监控装置的具体功能。各设备建模具体描述如下。

LD1:逆变器设备相关模型。ZINV定义直流转变交流逆变器相关定值和状态信息,DRAT定义相关铭牌数据,MMDC定义输入端直流值,MMXU定义输出端交流值。

LD2:电能质量设备模型。该设备主要完成光伏发电系统并网点的电能质量建模。光伏监控装置主要关心的电能质量有实时电压、电流测量值MMXU,谐波MHAI,三相不平衡MSQI,电压波动和闪变MLFK,电压和频率变化QVVR、QFVR,三相计量MMTR。

LD3:安全保护设备模型。该设备主要实现对过压/欠压、过频/欠频、过流保护的建模,对应的逻辑节点为PTOV/PTUV、PTOF/PTUF、PTUA。

LD4:光伏环境设备模型。该设备主要实现对光伏现场物理环境的建模,包括气象辐射测量信息模型MMET、现场环境温度和热量模型STMP和MHET。

LD5:光伏阵列设备模型。该设备主要实现光伏阵列相关特性和功能建模。组件额定参数和阵列特性模型为DPVM、DPVA。阵列运行调整阵列电流和电压水平及跟踪太阳系统模型为DPVC、DTRC。

LD6:人机接口和日志等设备模型。该设备包括人机接口和日志保存等辅助功能模型、供人员访问的人机接口模型IHMI、监控接口模型ITMI和监控装置中相关信息日志保存模型IARC。

最后,光伏监控装置信息模型中通过功能数据属性来指出逻辑设备中需要传输的状态信息、测量/计量值,以数据集(Data Set)形式实现相同类型数据的归类,通过报告控制块RCB(Report Control Block)实现批量传输。

4 MMS通信验证

为验证装置的MMS服务功能,本文通过在PC上安装第三方软件,模拟站控层对设备进行通信,验证装置端MMS实现是否正确。验证环境基于公司楼顶10 k W光伏发电系统搭建,所搭建的结构如图9所示。

光伏系统内各组件通过G3_PLC通信模块将实时数据信息耦合到直流电力线上,实现与光伏监控装置的数据传输,组件和通信模块之间可通过RS232/485连接。PC端调试软件采用IEDScout。IEDScout是奥地利的OMICRON electronics Gmb H开发的一款验证IEC61850通信规约的测试软件,常被电力系统开发者当作第三方工具来验证符合IEC61850规约的服务/客户端设备或平台。

IEDScout软件本身通过配置可支持标准IEC61850的各种功能。测试中光伏监控装置承担IEC61850服务端功能,对外支持符合IEC61850规约的客户端连接访问。IEDScout配置为客户端功能后,通过PC网口向监控装置进行MMS报文通信建立连接,连接成功后通过MMS的Get Name List和Read服务来获取监控装置内的设备模型和数据。

图10为IEDScout获取到的装置模型中逆变器设备模型,图11为逆变器设备模型中通过G3_PLC获取的现场组件实时数据。

5 结论

硬件装置 第4篇

1 技术背景与主要设计原理

在铁路调车作业过程中, 平面调车系统起着实现自动化选路、自动下达转动道岔命令、自动测量溜放车辆过岔速度、保证调车作业安全等重要控制作用。同时车载平调系统主机把信号状态、调车作业命令通过接口控制器 (接口盒) 及时传送给机车监控装置主机。当机车调车系统设备或监控设备出现故障时, 车载设备技术人员一般在平调主机、平调接口控制盒、机车监控装置范围内查找故障, 由于其原理及电路较复杂, 难以快速准确地查找出存在故障的具体电路。

现有的故障诊断和排除方法通常有以下几种:一是通过简单的万用表检测, 只能对设备损坏严重的情况进行判断, 准确率很低;二是不经过严格检测直接更换平面调车控制盒或其他设备, 使得检修面过大, 增加维修费用;三是采用现有的功能单一的同类测试设备进行检测, 这类测试设备绝大多数只能向平调控制盒发送简单的模拟信号, 即只能对平调接口控制盒进行故障判断, 不能对平调主机送来的信号进行分析, 且此类检测产品技术手段落后, 存在无触摸液晶屏、界面不友好、操作麻烦、功能简单等问题。使用此种设备进行故障检测, 容易再次出现调车设备故障, 影响调车作业效率。

所设计开发的检测装置采用便携式设计, 重量轻;采用32位ARM系统, 运算速度快, 装置性能好;开发语音提示功能;采用触摸式高亮液晶显示屏, 设计友好显示界面, 方便现场技术人员操作;以先进的检测诊断技术对铁路平调主机输出信号、平调接口盒、列车监控接口电路进行全面故障检测, 快速检测故障, 提高检测的准确率。

检测装置由ARM7控制器、电源电路和语音模块、液晶及按键模块、信号输入/输出电路等接口电路组成。

2 ARM7控制器设计

ARM7控制器电路 (见图1) 。ARM7嵌入式微处理器为LPC2132, 是PHILIPS半导体公司推出的一个基于ARM7TDMI-S核、支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位微控制器。该处理器封装较小功耗极低, 价格低廉, 具有2个32位定时器、8路10位ADC、10位DAC、PWM通道和47个可承受5V电压的通用I/O接口, 其在通信网络、工业控制和医疗系统得到了广泛的应用。

L P C2132为单电源供电, 含有上电复位和掉电检测电路, CPU操作电压为3.0～3.6 V。本控制器采用3.3 V供电, 系统时钟使用外部11.0592 MHz晶振, 支持LPC2132微控制器芯片内部PLL及ISP功能, RST为系统复位按键, ISP为调试用功能键, J2为JTAG程序调试及下载端口。

3 接口电路设计

接口电路主要包括语音模块、液晶及按键模块、信号输入/输出电路等。语音和液晶电路见图2, 信号输入输出电路见图3。

语音模块U 4由集成电路WT588D和FLASH存储器25X16组成, L P C2132的第15、19、21脚分别作为数据线、检测信号和复位信号与WT588D相连接, SPK1、SPK2用于外接扬声器。W T588D为3.3 V供电, 25X16为5 V供电。W T588D语音芯片是一款功能强大的可重复擦除烧写的语音单片机芯片。WT588D让语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路, 高度集成的单片机技术足以取代复杂的外围控制电路。配套WT588D VioceChip上位机操作软件可随意更换WT588D语音单片机芯片的任何一种控制模式。语音模块有PWM音频和DAC音频2种输出方式:PWM音频输出为直接驱动扬声器的方式, 扬声器两端接SP+和SP-, 此状态输出时, SP+/SP-两端不可短路、不可接电容电阻到地。也可采用DAC音频输出方式, 此时PWM+/DAC端做音频输出, PWM-端腾空。DAC端接一个1.2 K电阻和104电容到地, 再把音频输出给三极管8550构成的功率放大电路。

采用彩色液晶触摸屏和5个独立式按键作为装置显示和人机对话窗口。液晶模块分辨率为320240, +3.3 V供电, 采用16位并行标准8080数据接口, 内置背光亮度驱动控制 (PWM方式) , 内置SSD1289液晶控制器。SSD1289液晶控制器由16位并行数据接口、内部控制器和LCD驱动器组成。液晶数据传输方式为16位并行方式, LPC2132的16根I/O口线分别接液晶模块的数据线。

液晶模块底板带ADS7843触摸屏控制器。ADS7843是TI公司生产的四线电阻触摸屏转换接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取样模数转换器。在125 kHz吞吐速率和2.7 V电压下, 功耗为750μW。在关闭模式下, 功耗仅为0.5μW。由于具有低功耗和高速等特性, 被广泛应用在电池供电的小型手持设备上。触摸屏部分由触摸传感部件和触摸屏控制器ADS7843组成。触摸传感部件是一个四线电阻屏幕, 屏上引出四根线, 分别对应X轴和Y轴各两根。测量X方向的时候, 将X+, X-之间加上参考电压Vref, Y-断开, Y+作为A/D输入, 获得X方向的电压;同理测量Y方向的时候, 将Y+, Y-之间加上参考电压Vref, X-断开, X+作为A/D输入, 进行A/D转换获得Y方向的电压, 之后再完成电压与坐标的换算, 整个过程类似一个电位器, 触摸不同的位置分得不同的电压。以上所需要的参考电压、A/D转换等工作由触摸屏控制器ADS7843直接完成的, 微处理器LPC2132只需将相应的控制命令传输到ADS7843即可, 以获得相应电压的数据。

信号输入/输出电路的主要功能为接收平调系统送入的各种信号、模拟输出人为设定的各种信号状态。U31 (74HC245) 、R300～R305、R310～R315、J3等元件构成信号输入通道, U31为双向驱动器, 其第1引脚DIR设置为高电平 (+5 V) , A1-A6为信号输入端、B1-B6为信号输出端, 即平调系统输入的信号经J3到U31的A1-A6, 从B1-B6、R300～R305、R310～R315到LPC2132的数据口D0D5。U32 (74HC245) 、R310～R315、J4等元件构成模拟信号输出通道, U32第1引脚DIR同样设置为高电平 (+5 V) , 即在模拟信号输出工作状态时, 信号从LPC2132的数据口D0D5输出, 经R310～R315、U32的A1-A6、B1-B6, 最终从J4输出。

测试装置电源采用监控系统的+12 V直流电源供电。+5 V电路由三端集成稳压电路7805产生, +3.3 V电源由LM1117产生。

4 结束语

在铁路智能检测设备中, 采用先进的ARM嵌入式技术、数字语音技术和液晶触摸屏技术, 具有操作简便、界面友好、功能较强等优点。本检测装置采用便携式设计, 重量轻, 旨在解决铁路企业实际技术问题, 满足了铁路沿线调车机平调及监控接口设备故障时的维修使用, 对于提高检测速度和准确率有重要作用。设计开发完成后, 已直接应用于铁路监控车间及车载设备维保部门, 装置运行可靠, 使用方便, 验证了系统设计的可行性, 有很好地推广应用价值和市场前景。

参考文献

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[3]冯达, 吴星明.基于C8051F SPI接口液晶触摸屏的控制设计[J].微计算机信息, 2005, (7) :56-57

硬件装置 第5篇

随着测井技术的不断发展, 数字测井在很多领域得到广泛的应用, 越来越显示出重要的作用。其中重庆地质仪器厂研制生产的JGS-1B型轻便数字测井仪和陕西渭南煤炭设备厂研制生产的TYSC-QB型轻便数字测井仪在三侧向测井中应用非常普遍, 两个厂家的测井系统各有优缺点, 在硬件方面能互相取长补短, 但是不同厂家的探管和地上采集装置是配套使用的, 不能进行互换。为了节约成本和提高测井效率, 研制一种多功能数据采集装置具有很大的现实意义。

首先对多个厂家数字测井系统的结构、接口、信号形式等进行了探究, 在此基础上进行扩展, 分析不同厂家测井系统的差异, 从而设计出了一种适合多个厂家多种型号测井系统的地上数据采集装置, 对于不同型号的探管可以使用同一采集装置, 实现了仪器的兼容, 不仅提高了设备的集成化和智能化, 而且具有很高的实用价值。本文主要介绍此数据采集装置的硬件电路设计。

1 数据采集装置的工作原理及具体设计

1.1 数据采集装置的工作原理

目前测井仪器的测量信号分为四种形式:

(1) 数字测井仪探管信号, 传输二进制编码。

(2) 模拟探管输出为模拟信号, 有交流方波及直流信号。

(3) 脉冲信号的传输, 有正、负脉冲计数测量。

(4) 电桥供电测量形式。

除 (1) 外 , 其他三种形式的信号都变成数字量后, 进行存储、显示、打印等工作, 由于测量信号形式不同, 本文介绍的数据采集装置分别对不同形式的信号进行了处理。该装置的结构框图如图1所示。

从图1可以看出, 本数据采集装置以ARM7 Cortex-M3作为CPU, 控制数据信号的采集、处理和传输, 对井下探管输出的不同形式的信号, 分别作不同的处理。由于测井系统中需要传送的数据信息量越来越大, 为此必须解决数据的高速传输与正确接收两个问题, 所以对于数字信号, 首先通过缓冲电路, 然后进行曼彻斯特编解码, 通过编解码器来实现。实现编解码器与ARM7的接口需要添加大量的逻辑电路, 而采用CPLD可以大大简化。对于模拟信号, 先经过跟随器然后通过放大器对信号进行放大, 放大后的信号经过ARM芯片内置的12位A/D转换器进行模/数转换, 将模拟信号转换为数字信号。根据不同探管测井参数的测量原理, CPU对数字信号做相应的计算和处理。处理后的数据可以通过RS 485, USB, CAN, 蓝牙等多种总线接口方式传输到上位机, 上位机也可以通过这些总线发送命令从而对采集装置进行控制。此外, 在获取测井数据的同时, 还需得到电缆的深度信号。通过计数器对绞车控制器送来的脉冲信号进行计数, 由于一个脉冲代表的深度值一定, 则通过计数值可以计算出相应的深度。

1.2 硬件电路的具体设计

1.2.1 电源模块

不同型号的探管工作方式不同, 对于电性方法的探管, 有恒流式、恒压式、恒功率式, 所以本装置对于不同的工作方式提供相应的电压。例如对于JGS-1B型测井系统, 需要72 V直流电压供电, 本装置的电源模块包括24 V转72 V DC-DC电路, 还可以提供3.3 V电压供CPU使用, 12 V电压供运算放大器使用, 5 V电压等供扩展电路使用。通过电压转换器和稳压器等能够提供满足各器件要求的电压。

1.2.2 数据采集和测量电路

对于模拟信号, 本装置可以对三路模拟信号进行采集, 由于信号动态范围比较大, 从几μV～9 V, 为了使其满足12位A/D转换器的有效转换范围, 采用放大器LMH6646MA使模拟信号的幅度在0～3.6 V之间。三个通道放大器的放大倍数不同, 不同幅度的模拟信号可以选择相应的通道, 模拟信号首先经过缓冲电路, 进入放大器进行放大到合适的幅度, 然后进入STM32F103ZET6芯片进行数据采集和处理。

STM32F103ZET6增强型芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC内核, 工作频率为72 MHz, 内置高速存储器 (高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM) , 具有丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设, 包含3个12 b的ADC、4个通用16 b定时器和2个PWM定时器, 还包含标准和先进的通信接口:多达2个I2C, 3个SPI, 2个I2S, 1个SDIO, 5个USART, 1个USB和1个CAN。其供电电压在2.0～3.6 V之间, 一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。利用此芯片内部的12 b A/D转换器将模拟信号转换为数字信号进行处理和计算, 有效地利用了器件资源, 提高了运算效率。

对于脉冲信号, 可以通过CPLD对其进行计数累加转换为数字信号, 为了使大量的测井数据正确快速地传输, 对其进行曼彻斯特编解码, 然后再进行采集、处理和计算。曼彻斯特编解码通过HD9P6409_9Z编解码器实现。由于编解码器与ARM7的接口需要添加大量的逻辑电路, 所以采用可编程逻辑器件EPM240T100C5, 它具有用户可编程、时序可预测、速度高和容易使用等优点, 可以使电路大大简化。

对于深度信号, 通过计数器对绞车控制器送来的脉冲信号进行计数, 由于一个脉冲代表的深度值一定, 则通过计数值可以计算出相应的深度。

1.2.3 与上位机的接口电路

此数据采集装置与上位机具有丰富的接口方式:RS 485, USB, CAN, 蓝牙, 由于CAN和USB公用片内RAM, 不能同时使用, 其余几种接口可以同时使用, 实现和上位机方便高速的通信。

RS 485 标准串行口的实现方式是CPU发送的数据通过MAX485串口转换芯片, 将CPU发送的TTL电平信号转换为上位机的标准RS 485信号。

USB为通用串行总线, 采用USB 2.0 Device全速接口, 传输速率可达480 Mb/s。

CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络, 其构成的网络各节点之间的数据通信实时性强, 其实现方式是通过CAN收发器接口芯片SN65HVD230QD的发送和接收端与CPU相连。

蓝牙传输方式采用蓝牙转串口HC-06无线模块, 工作电压为3.3 V, 工作电流为40 mA, 波特率为1 200 b/s, 2 400 b/s, 4 800 b/s, 9 600 b/s, 19 200 b/s, 38 400 b/s, 57 600 b/s, 115 200 b/s, 用户可设置, 而且模块尺寸小, 功耗低, 是一种高性能无线收发系统。

1.2.4 数据的存储与传输电路

采集得到的测井数据通过数据总线存入由从ARM中事先分配好的RAM 地址中, 等待CPU 来取。STM32F103ZET6内置高速存储器 (高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM) , 为了满足大量数据存储的需要, 此装置还配置了SD卡和M25P64-VMF6TP 64 MB的FLASH存储器。

由于测井数据应与钻孔的深度一起传给主机, 所以当绞车每传送一个脉冲信号时, 计数器对其计数, 同时CPU从相应的地址中取出测井数据和深度数值, 进行处理和计算。

1.2.5 外围扩展电路

此数据采集装置还具有键盘、LCD液晶显示屏、LED等外围扩展电路。通过键盘可以与ARM7进行人机交互, 发送命令控制探管型号的选择、通信接口的选择等, 测井数据可以在LCD上进行显示, 当数据大小超出范围时可以用LED灯进行提示。这些扩展电路的设计使得数据采集装置更加智能化。

2 数据采集装置的特色及应用前景

本文设计的数据采集装置的特色在于能够对不同厂家不同型号的探管进行采集和处理, 实现了地上采集仪器的兼容, 对模拟信号的采集利用ARM内部自带的模/数转换器, 对数字信号进行曼彻斯特编解码来提高传输速度和可靠性, 与上位机之间具有多种通信方式, 而且键盘、LCD、LED等外围电路很好地实现了人机交互, 使此装置更加智能化。总的来说, 该装置电路设计简单、可行、方便易操作, 稳定性好, 而且还可以根据实际需要进行扩展, 大大节约了测井成本, 提高了工作效率。

随着测井技术的不断发展, 测井仪器也在不断更新换代, 正朝着高度集成化、简便实用性、智能多功能性、低成本等方向发展, 本文设计的数据采集装置可以实现地面采集仪器的兼容, 随着它不断的完善和扩展, 相信以后可以在越来越多的测井单位得到广泛的应用, 同时也为多种测井仪器的组合研制奠定了一定的基础。

3 结 语

不同厂家不同型号的探管和地面采集仪器必须配套使用, 为了节省仪器成本, 提高测井效率, 本文设计出了一种通用的数据采集装置, 实现了地面仪器的兼容。此数据采集装置经过测试显示工作稳定, 故障率低, 性能良好, 能满足基本的测井要求, 不过其功能还不是很完善, 有待于今后进一步的研究, 在各测井单位具有很大的发展前景和应用价值。

摘要：三侧向测井作为解决高矿化度泥浆和高阻薄层的测井问题的有效方法, 其测井仪器得到广泛应用。但是不同厂家不同型号的探管和地面采集装置不能互换使用, 为了节约成本和提高工作效率, 设计了一种数据采集装置, 该装置采用以ARM为核心的32位微控制器, 利用CPLD实现曼彻斯特编解码, 具有RS 485, USB, CAN, 蓝牙等多种总线接口方式, 从而便捷高速地与计算机进行通信, 同时配有键盘和液晶显示以及闪速存储器。经过测试证明, 该测井系统数据采集装置工作稳定, 性能良好, 故障率低, 能实现对不同型号探管不同形式信号的采集。

关键词：ARM,测井,数据采集装置,硬件设计,CPLD,通信

参考文献

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