MCS方法范文

MCS方法范文（精选7篇）

MCS方法 第1篇

进度控制是工程项目的三大控制目标之一, 进度控制的成功与否会直接影响到另外两个目标的实现。然而影响工程建设进度的不利因素有很多, 如人为因素, 施工方法和技术因素, 设备、材料及构配件因素, 资金因素, 水文、地质与气象因素, 以及其它自然与社会环境等方面等不确定性因素。在网络计划的编制与实施过程中, 不能不充分考虑这众多的不确定性和可能存在的突发事件, 若对它们不加强管理与监控, 会导致计划实施过程中对不确定性和突发事件产生的影响缺乏快速反应的能力, 将导致工程项目工期延误, 对工程造成极大的损失。本文引入基于蒙特卡洛模拟 (Monte Carlo Simulation, 简称MCS) 的PERT技术解决项目工期的求解问题。

二、MCS

MCS又称随机模拟法或统计实验法, 本质上属于离散事件系统仿真, 就是在工程项目尚未进行之前通过仿真试验在计算机上预演实际工程系统的运行情况, 属于预测研究的范畴[1, 2], 起源于早期的用几率近似概率的数学思想, 是充分利用计算机计算能力的随机试验方法。其基本思想是:为网络计划中的各随机变量 (本文主要考虑工序持续时间) 构造概率模型, 对概率模型进行抽样试验, 并利用统计分析法对试验数据进行分析处理以获取问题的解。对应MCS的要点, 实施应蒙特卡洛方法有以下三个主要的步骤[3～5]:

1) 建立概率模型, 即对所研究的问题构造一个符合其特点的概率模型 (随机事件, 随机变量等) , 包括对确定性问题;

2) 产生随机数序列, 作为系统的抽样输入进行大量的数字模拟试验, 得到大量的模拟试验值;

3) 对模拟试验结果进行统计处理 (计算频率、均值等特征值) , 给出所求问题的解和解的精度的估计。

三、MCS原理

设x1, x2, …, xn是相互独立的随机变量, 且具有一定的概率分布, 又y=f (x1, x2…, xn) 是满足某一特定关系的函数表达式。当对xi进行随机抽样时, 可以得到一个相应的yi, 其中i=1, 2, …, n。由中心极限定理, 当独立抽样次数足够多时, y的概率分布呈现出正态分布。

对工程项目而言, MCS根据工序持续时间概率分布形式通过随机抽样的方法产生一组随机模拟持续时间值, 以此作为计算用的基本数据, 求得一次项目模拟的相关时间参数和关键路线信息。并根据求解精度的需要, 对项目反复进行多次模拟, 最终以多次模拟的统计值作为计算结果。蒙特卡洛仿真的一般流程见图1。

四、PERT的蒙特卡洛仿真模型

对工程项目而言, y=f (x1, x2, …, xn) 数学模型中的因变量y可以看作为建设工程的工期T, 自变量xi可以看作为PERT网络中的第i个活动的持续时间;函数f (X) 可以看作为CPM网络计划的时间参数计算事件。PERT假设网络活动持续时间服从一定的概率分布, 常见的概率分布有:分布、三角分布、正态分布等。对随机变量X= (x1, x2, …, xn) T的进行随机抽样, 得到一个网络计划方案, 带入函数f (X) , 进行CPM时间参数计算, 求取建设工程的一次工期。进行多次随机模拟, 便得到建设工程项目工期的一组时间序列 (T1, T2, …Tn) T, 对该时间序列进行统计分析, 便可以求得该建设工程项目PERT网络工期的分布。依据建设项目工期的临界值便可以求得该项目的完工概率。

五、统计分析

当抽样仿真N次后, 得到建设工程工期时间序列 (T1, T2, …Tn) T。针对该时间序列组成的集合, 进行统计分析:计算均值T、标准差S。

对项目工期序列抽样样本进行排序, 得出最大值Tmax和Tmin最小值, 按分组组数确定组距d, 然后, 统计样本在每组中出现的频数Mi, 绘制出总工期分布的直方图或者曲线图。

和经典PERT网络计划相比, 结合MCS求解PERT网络方法的优点在于它提高了计算精度, 与实际符合性较强;从其程序特点来看, 程序结构比较简单, 收敛的概率性和收敛速度与问题维数无关, 算法适应性较强。此外, MCS克服了PERT的多条关键路径的不可计算性问题, 引入关键度来衡量活动的关键性。其缺点主要表现在计算量大, 耗用机时较多, 但随着计算机硬件技术的发展, 此缺点已经表现不明显。下面用实例说明此方法的应用过程。

六、实例应用

网络图及数据来源于文献[6], 见图2。

表1所示为一组活动的前导和每个活动的乐观估计时间, 最可能时间和悲观估计时间, 及其期望和方差。

仿真运行100000次, 运行结果得出最长工期为121.11天, 最短工期是63.03天, 期望工期为92.01天, 标准差为0.291。本例中施工工期的分组组距取为10天, 完工概率曲线见图3。这样, 若要知道某一完工概率所对应的施工工期, 只需在图3的曲线中找到相应的点即可。从图中可以看出, 项目在90天的完工概率是40.83%, 而在100天时, 工期保证率可达到81.68%。

另外应注意以下两个问题:

(1) 应用蒙特卡洛仿真进行施工进度计划安排时, 考虑了工序持续时间的随机因素, 每次仿真得到的工期与关键路线都有所不同, 需要采用合理的方法对多次仿真结果进行仿真分析, 才能较好的描述施工进度计划的不确定性。

(2) 工程施工进度计划或控制中, 人们不仅关心总施工进度计划的完工概率有多大, 同时也希望知道关键线路的分布情况, 这样可以使施工管理人员预先把握工期的变化范围以及关键路线的可能变化趋势, 为工程管理与决策提供更多的信息。

七、小结

本文针对项目工期的不确定性, 着重分析了应用PERT结合蒙特卡洛仿真求解完工概率问题。

尽管在PERT的应用过程, 考虑了不确定性对项目的影响, 然而由于PERT基于的各种假定, 使得使用这种方法算得的项目工期有所偏差, 而且网络中的并行度越大, 方差的误差越大, 偏差也就越大。最后, 求出项目的完工工期不是目的, 还要归结到对工期进行控制, 即对影响工期的各个因素进行控制, 而PERT对影响因素的量化也比较复杂, 这将为后人留下思索。

摘要：网络计划本身具有不确定性, 只有在特定条件下才取某个定值, 在许多情况下, 估计项目活动时间是困难的。本文针对项目活动时间不确定的特征, 结合MCS引入PERT解决项目工期的求解问题。

关键词：PERT,MCS,工期,分布

参考文献

[1]王仁超, 欧阳斌, 褚春超.工程网络计划蒙特卡洛仿真研究[J].水利水电技术, 2003-11, (11) :63-66

[2]徐哲, 冯允成.网络计划进度的风险分析[J].系统工程理论与实践.1998 (4) :24-28

[3]傅廷亮.计算机模拟技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社, 2001 (12) :50-55

[4]黄柯隶等.系统仿真技术[M].长沙:国防科技大学出版社, 1998 (10) :32-50

[5]肖田元, 张燕云, 陈加栋.系统仿真导论[M].北京:清华大学出版社, 2000 (7) :20-34

MCS方法 第2篇

1 单向并行通信

在应用中, 如果只需单方向传送数据, 则可以采用单向并行通信接口方式, 这种方式较为简单。根据接收机工作原理的不同又可分为中断方式和查询方式。由于查询方式下单片机工作效率低, 所以一般均采用中断工作方式。图1所示即为中断工作方式下单向并行通信接口的组成方法。图中, 单片机A为数据发送方, 单片机B为数据接收方, 8位端口可以使用P0口。数据传送的流程是:单片机A将数据送到端口后, 通过STB信号中断单片机B, 单片机B进入中断并从端口读取数据, 读完后, 利用BUSY信号进行应答, 单片机A在检查到端口线CLK上的应答信号后, 就可以发送下一个数据了。

2 主从双向并行通信

主从双向并行通信接口的特点是两单片机都能够将数据发送到对方, 但这种方法必须有一个单片机处在主机状态, 另一个单片机处在从机状态。图2为主从并行通信接口原理图。单片机A是主机, 单片机B是从机, 该接口使用了一个8位端口 (可以使用P0口) 和4根控制信号线。在主从工作方式下, 该接口的工作方式包括主机发送从机接收和主机接收从机发送。

2.1 主机工作流程

(1) 主机发送从机接收。

①主机设置数据传送方向控制位DIR为0, 以表示主机有数据发送到从机;②主机在STB端口产生一个负脉冲, 以使从机进入中断, 并准备接收数据;③主机将数据送8位数据端口, 再设定ACK信号表示数据有效;④主机检查CHK端口, 等待从机从8位端口取走数据;

⑤数据发送完成返回。

(2) 主机接收从机发送。

①主机设置数据传送方向控制位DIR为1, 以表示主机将从从机读取数据;②主机在STB端口产生一个负脉冲, 以使从机进入中断, 并准备发送数据;③主机查询CHK端口, 等待从机将数据送到8位端口上;④主机从8位端口上读取数据, 再设定ACK信号以表示数据已被读取;⑤数据接收完成返回。

2.2 从机工作流程

(1) 进入中断服务程序。

(2) 检查数据传送的方向。

(3) 如果DIR为0, 则等待CHK信号有效, 再从8位端读取数据, 读完后设定ACK信号有效。

(4) 如果DIR为1, 从机将数据送到8位端上, 再设定ACK为有效, 并等待主机取走数据 (即CHK信号有效) 。

(5) 退出中断服务程序。

3 无主从双向并行通信

无主从双向并行通信接口的特点是两个单片机处在平等的地位, 两个单片机均可随时提出申请, 向对方发送数据, 当然也可通过简单的接口协议从对方读取数据。这种情况下, 就有可能出现两个单片机同时提出申请而发生冲突, 从而影响双方数据的传送。要解决这个问题, 就要求每一方必须在数据传送之前进行检查, 以判断8位端口是否被对方所使用, 从而避免冲突的发生。图3是无主从双向并行通信接口的原理图。该接口中采用了5根控制信号线, 其中CHK/ACK控制信号线的功能可以复用, 8位端口可以使用P0口。

在无主从双向并行通信接口中, 由于单片机A与单片机B没有主从关系而处在平等位置, 所以单片机A与单片机B的数据接收发送流程完全相同。这里以单片机A为例讨论数据接收发送的流程。

3.1 数据发送流程

(1) 检查CHKREQ, 判断单片机B是否提出了数据传送申请。

(2) 如果单片机B提出了申请, 则转 (1) 继续等待;否则, 单片机A提出申请, 将REQ置为有效。

(3) 再次检查CHKREQ, 判断单片机B是否同时提出了申请。

(4) 如果单片机B提出了申请, 则发生冲突;清除REQ并延时;然后执行 (1) 。

(5) 将数据送8位端口, 设定STB有效。

(6) 检查CHK, 等待单片机B将数据取走。

(7) 检查单片机A的数据是否全部送完, 如没有则转执行 (5) 。

(8) 撤销REQ信号, 释放8位端口。

(9) 数据发送完成, 退出流程。

3.2 数据接收流程

(1) 进入中断服务流程。

(2) 从8位端口读取数据。

(3) 设置ACK信号有效, 表示数据已成功读取。

(4) 退出中断服务流程。

4 三种并行接口方式的特性分析

本文介绍的三种并行通信接口连接方式能够适用于不同的要求。下面分别对三种工作方式的优缺点分析如下。假设单片机的工作时钟频率为12MHz, 系统中每一个单片机只使用一个中断源。在单个中断源情况下的中断响应时间为3-8μs。在单向并行通信接口工作方式下, 线路结构最简单, 数据只从单片机A向单片机B传送, 假设接收方单片机B以中断方式接收。其数据发送程序的一般写法为:

MOV P0, #DATA

CLR STB

JB CHK, $

那么在这种方式下, 一个字节的传送时间在10μs左右, 最短可到5μs, 因此数据的数传率较高, 但同时该方式也只能进行单一方向的数据传送。

在主从并行通信接口方式下, 线路结构相对复杂, 数据传送包括接收和发送两个方向, 由于数据传送均在主机控制下进行, 且数据的接收和发送两个方向的时间大体相等。根据其数据传送流程, 主机发送数据的程序如下:

CLR DIR

CLR STB

MOV P0, #DATA

SETB ACK

JB CHK, $

这种方式下一个字节的传送时间在12μs左右, 最短可到7μs, 可见仍有效高的数传率。但该方式下已经可以进行两个单片机之间的数据交换了。

在无主从并行通信接口方式下, 线路结构最复杂, 此时两个单片机之间可以自由的进行数据交换, 。根据图3和其数据发送流程可知, 在没有8位数据端口使用冲突的情况下, 其数据传送的基本步骤与主从方式数据传送的步骤基本相同, 但需要对8位端口的使用进行声明确认的撤销, 这需要执行至少4条指令, 时间约需4μs, 因此, 这种方式单字节数据的传送时间在11-18μs。当遇上8位数据端口使用有冲突时, 则数据传送的时间还会受8位数据端口被占时间的影响, 因而变得不确定。

参考文献

[1]余锡存, 曹国华.单片机原理及接口技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2000.

[2]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计系统配置与接口技术[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1990.

MCS方法 第3篇

MCS常伴随着雷暴、暴雨、冰雹等灾害性天气,因此对人们的日常活动和生产造成较大影响,甚至是巨大损失。所以,准确识别MCS的位置,进而预测其发展和移动的趋势就显得尤为重要。过去,对MCS的预报和研究大多借助于常规观测资料,但受其时空分辨率低的限制,并不能满足追踪、分析和研究MCS的需要。随着静止气象卫星探测能力的增强,使得卫星遥感资料具有观测范围广、时空分辨率高的突出特点,这些是其他资料所无法比拟的,因此卫星数据已逐渐成为分析、研究、监测和预警MCS的主要数据来源。

目前,国内外利用卫星资料识别和追踪MCS已取得了一定的成果。如: 白洁等[2]采用区域平滑滤波和阈值剔除相结合的方法,对强对流云团进行识别与追踪; 李汇军等[3]应用连续小波基函数变换法提取对流云团,实现强对流云团边界的分割; Peak与Tag[4,5]提出多阈值启发式和人工神经网络相结合的方法,将云图分割成与天气系统相联系的云区; Arking等[6]对云团做傅里叶变换,使用傅里叶相位差估计云团的移动。

1 MCS的定义

国内外学者对MCS发生和发展过程已进行过诸多个例分析和数值模拟,尤其是对尺度较大的中尺度对流复合体( MCC) 的研究。对MCS进行普查,很大程度上为更全面的了解和分析MCS提供了便利。在我国,马禹等[7]普查了1993 ~ 1995 年我国夏季8. 5 个月的MαCS,同时和陶祖钰等[8]采用类似Maddox定义MCC的方法,结合Orlanski[9]α-中尺度和 β-中尺度对流系统的划分标准,重新定义了基于静止卫星红外云图普查MαCS和MβCS的标准。在该普查标准中,首次提出了MβCS在普查中的最小尺度标准为: TBB值≤-32 ℃ 连续冷云区的短轴为1. 5 ~ 3. 0 个纬距。费增平等[10]普查了2003 年淮河大水期间的MCS,根据我国造成剧烈灾害性天气的系统的空间尺度特征,重新修订了MCS的最小尺度标准,即TBB≤-52 ℃ 连续冷云区的直径≥20 km。本文根据我国强对流系统及其云团的物理量特征,结合费增平等对MCS最小尺度标准的修订,确定文中MCS识别和追踪的判据,如表1所示。

2 MCS的自动识别

2. 1 获取灰度卫星云图

本文使用的卫星资料是从国家卫星气象中心下载的,FY-2E标称格式平均相当黑体亮温产品数据,并以该数据为基础转换出识别所需的灰度卫星云图。

从原始卫星数据直接转换得到的灰度图像,将夹杂着包括地表和大气在内的各种物体的红外辐射,因此整张卫星云图看起来模糊不清。为获取较清晰且云团边界较明显的灰度图像,文中取阈值180 K( TBB值) ,剔除不相关物体的黑体亮温值,即TBB值<180 K时将不参与灰度图像转换。灰度卫星云图如图1( a)所示。

2. 2 滤波预处理

从卫星数据中转换出的灰度图像,不可避免地会存在一些干扰和噪声,所以在识别前需要对图像进行预处理。文中采用中值滤波的方法消除噪声干扰。在识别MCS时需要较为鲜明的轮廓特征,以便提取轮廓,所以结合锐化滤波对图像进行二次滤波处理,以加强图像的轮廓特征。

中值滤波: 采用3 ×3 滑动窗口,将邻域中的像素按灰度级排序,取中间值为输出像素,数学描述如下[11]

其中,S为像素( x0,y0) 的邻域集合; ︱S︱表示集合S中元素的个数; Sort表示排序; f( x,y) 表示( x,y) 点的灰度值。

锐化滤波: 选用3×3 的线性锐化滤波器模板,系数取值为[0 -1 0; -1 4 -1; 0 -1 0],即为拉普拉斯算子。离散函数的拉普拉斯算子表达式为

2. 3 MCS的轮廓提取

灰度卫星图像经过两次滤波处理后,可用来进行进一步的数字图像处理。对MCS进行轮廓提取,其实就是阈值判断并剔除的过程。在此过程中,涉及两次阈值判断,分别是黑体亮温( TBB) 阈值和面积阈值判断。

( 1) 黑体亮温阈值。文中按照MCS判据选取黑体亮温阈值为221. 15 K( -52 ℃) ,并作为灰度图像二值化的依据。二值化过程,即是以1 和0 分别表示亮温值低于和高于阈值的像素点。二值化图像如图1( b)所示;

( 2) 面积阈值。按照MCS判据,要求当TBB值低于-52 ℃时连续冷云区的面积>6 400 km2。由于风云二号卫星的分辨率为5 km,所以面积阈值取256,即在二值化后的图像中剔除像素点总数<256 的区域。

经过黑体亮温阈值和面积阈值剔除后的二值化图像如图1( c) 所示,此时已完成卫星云图的二值化和MCS识别判据的初步判断,在此二值化图像的基础上,便可提取MCS的边界轮廓。文中使用SUSAN边缘检测算子识别边界轮廓,因其在运算过程中不涉及梯度的计算,故对噪声图像的边缘检测效果优于传统的边缘检测算法[12,13]。提取轮廓结果如图1 ( d)所示。

2. 4 特征值计算

识别和追踪MCS需要对其进行完整的描述,即涉及描述云团特征的特征值的计算。在后续的追踪过程中,需要构建追踪模板,均与特征值计算有关,需要计算的特征值包括: 周长、面积、圆形率、体态比、质心、中心矩、亮温直方图等。

周长: 假设待求区域的轮廓线由N+1 个点组成,坐标值标记为Ci( x,y) ,i=1,2,…,N,则周长C为

面积: 区域面积的求解转化为区域内像素点数目的计算,云图的分辨率为5 km,所以单个像素点的面积为25 km2,设N为区域内像素点数,则面积S =25 ×N;

圆形率: 椭圆率的一种近似表达,用来表征区域边界形状的复杂程度,计算

体态比: 区域在x轴上投影的长度/区域在y轴上投影的长度,即

质心: 用来表征云团所在的位置,其计算公式为

其中,xi,yi为像素点的网格坐标值; f( i) 表示第i个像素点处的亮温值。

中心矩: 用来反映区域的形状特征,且具有平移不变性。设f( i,j) 为( i,j) 点的亮温值,对其进行归一化处理

则g( i,j) 的p+q阶中心矩为

其中,( m,n) 为区域的中心坐标。

亮温直方图: 该直方图的思想来源于灰度直方图。亮温直方图可表示为一个关于亮温值的离散函数

其中,n是单个MCS云团亮温值像素点总数; nk是云团中第k个亮温级( 亮温值向下取整) 的亮温值像素点总数; rk是第k个亮温级,k = 0,1,2,…,400。如图2所示为两个不同MCS云团的亮温直方图。

3 MCS的自动追踪

3. 1 追踪匹配模板的构建

匹配模板的构建是以特征值为基础,但在构建前需要对特征值构建模板的可行性进行评估。即对相邻两个时刻MCS的单一特征值进行相关值计算,并进行相应的追踪实验,验证该特征值的追踪有效性。文中采用最小平均绝对差值函数( MAD) 进行相关值计算,MAD定义如下[14]

其中,i=1,…,M,j=1,…,N。

根据MAD的相关值计算进行了追踪实验,选用云图时次为2014 年5 月10 日的12 时和13 时,如图2 所示为圆形率和周长的追踪对比结果。试验中根据计算结果,将平均绝对差值最小的两个云团认为是同一云团,并标记上相同的英文字母。实验发现,A,B云团在采用周长的实验中,可较好地实现追踪,如图3( c) 所示。而采用圆形率的实验中,A云团的追踪效果较差并出现了追踪错误,如图3( b) 所示。C云团在13 时已消散,但在13 时次出现的新云团与C云团极其相似,实验中根据计算结果将其视为同一云团,这一错误结论归因于单一特征值追踪,所以只用于追踪有效性评估。

根据多次实验和总结发现,计算的特征值中,圆形率和体态比不具有较理想的匹配效果,而周长、面积、质心、中心矩、亮温直方图等可获得较理想的匹配效果。所以,文中确定由周长、面积、质心、中心矩、亮温直方图等特征量构建匹配模板。

由于涉及多个特征值的匹配,现引入模糊数学中贴近度的概念,由多个特征值组建模糊集,利用贴近度来表征两个模糊集的接近程度。文中使用海明距离来计算两个集合的贴近度,归一化处理后的计算公式为

单个MCS云团的亮温直方图存储方式为1×400 的矩阵,第一位存储最低亮温值,最后一位存储亮温值<221 K的像素点数,其它位自动存储相应的亮温级数据,这样每个MCS云团对应一个亮温直方图数据集。

3. 2 MCS追踪实验

在追踪过程中,对每一时次中识别出的MCS进行逐一特征值计算,并组建模糊集,即以周长、面积、质心、中心矩等特征值组建一个模糊集,以亮温直方图数据集组建另一模糊集,并分别计算贴近度,最后将两个计算结果乘以不同权重系数并相加,作为最终贴近度计算值。相邻两时次中,根据贴近度计算结果,选取最大贴近度者作为同一目标。

追踪实验发现,只按照贴近度匹配出的追踪结果,存在一定的误差,并不能很好地实现较高准确率的追踪。为消除这一误差,根据强对流云团的最大移动速度,一小时内最大移动距离不超过180 km,对贴近度计算结果进行二次计算并判断。图4 所示为部分追踪实验结果。

追踪自动标记的原则: 第一幅图依次按英文字母顺序标记,后续时次的云图根据追踪结果将同一云团标记相同的字母,新生云团在原有字母的基础上递增标记。对于大面积、多时次的MCS追踪时,将涉及多个云团的标记,文中按照26 个英文字母循环标记的方法依次标记。

追踪结果中看到,13 时的D云团和14 时的F云团,可认为是同一云团,但14 时的F云团由于云团面积拉伸较大,从而导致质心位置偏移较多,所以根据每小时180 km变化量判定为不同云团,因此导致追踪误差的存在。故文中将有新生云团并入而导致质心发生较大偏移的云团视作为新生云团,并更新字母加以标记。

4 结束语

本文根据国内多次MCS普查工作而逐步修订完善的判定标准,提出了一种有效实现MCS自动识别与追踪的方法。该方法与人工识别相比具有快速、准确的优势,与常规观测资料相比可达到更广的观测范围和更高的时空分辨率,为实现MCS的实时观测和气候学特征研究提供了便利。

基于MCS的实时采集数据存储设计 第4篇

随着深度信息时代的发展, 人们面对着与日俱增的各种信息, 不仅要处理信息, 更重要的是如何存储信息, 为经济生产和军工服务。信息存储、传输和处理将是提高社会整体发展水平最重要的关键条件之一, 也是世界各国高技术竞争的制高点之一。单片机发展到今天, 已经广泛应用到各个领域, 特别是信息服务领域。这种变化使得单片机进入了以输入/输出特别是存储系统为中心的阶段, 数据已经成为一种重要的社会财富。在实时数据采集中, 经常需要进行大量的数据采集和存储操作。采样点有成千上万个, 产生了大量的数据, 保证这些现场数据的可靠存储是设计中的关键问题之一。为此设计了一款超量存储模块, 它的存储单元采用大容量电子盘, 也称CF卡。CF卡体积小、重量轻、功耗低、容量大、读写速度快、机械性能优、硬件兼容性好, 非常适用于解决户外实时数据采集系统中数据传输及大容量存储的问题。

1 数据采集与存储原理

对于基于PC机的智能设备, 采集的大量数据可直接以DOS或Windows文件的形式存入硬盘;而对于基于单片机的现场设备, 则由于系统处理速度慢、没有操作系统支持和存储容量小等原因, 难以满足上述要求。通常, 单片机支持的存储单元为RAM、EEPROM或小容量的Flash存储芯片, 它们的一个共同特点是受寻址空间的限制, 不能满足大量存储的要求。

文中系统设计的存储模块由微处理芯片、扩展I/O芯片、电子盘、IDE接口以及串行接口电路等组成。它通过串口与外部设备进行命令和数据的传输, 通过IDE接口实现对电子盘的操作, 由微处理芯片来协调和控制各部分的工作, 这样便构成了基于单片机的超量数据存储系统。系统结构如图1所示。

2 存储模块的组成结构

存储方式可以分为分布式存储、集中式存储和混合型3种:

1) 分布式存储

所有的前端编码设备将信号数据压缩编码后, 传送到距离自己最近的基层监控中心, 存储所有该监控中心连接的编码设备。信号进入该基层监控中心后, 也被编码设备转换成数据信号存储。各个基层监控中心存储自己接入的摄像资源的数据, 上级监控中心需要数据时直接向各个基层监控中心调用。

2) 集中式存储

将所有编码设备产生的信号数据实时地通过网络存储到一级监控中心的网络存储服务器。集中式存储将图像统一存储、统一管理, 增加了数据管理的便利性, 统一的高性能大容量存储设备提高了数据存储的安全性和可扩展性, 数据可以方便地进行备份。

3) 混合型存储

将前面两种方式进行结合, 以分布式存储为基础, 同时在一级监控中心设置网络存储服务器。短/近期的数据临时存放在基层监控中心的录像服务器内, 长期的数据上传到网络存储服务器中。重要监控点位的信号资料不仅存储在基层监控中心, 也实时地传输到网络存储服务器中作为备份。

分布式存储加上集中式存储和管理, 既可以利用实时数据, 又可以利用超量数据存储, 具有很好的灵活性;部分采用集中式存储, 易于空间管理和数据搜索以及数据备份, 总体上提高了工作效率, 同时也降低了管理的成本;这种模式有非常良好的扩展性, 整个系统可以按比例扩展, 大大提高了系统的可靠性。

2.1 CF卡的结构和读写控制

如图1所示, 微控制器通过I/O扩展电路和IDE接口来控制CF卡。由于CF卡与IDE设备接口兼容, 这里的IDE接口实际上实现了CF读卡器的功能, 完成了CF卡接口到标准IDE接口的转换, 所以, 利用该IDE接口电路, 微控制器读写CF卡采用的软硬件结构与控制IDE硬盘的结构完全相同。下面对IDE接口作一简单介绍。IDE接口引脚如图2所示。其中, D*是数据线, GND为地线, IOW、IOR分别为写、读信号, RESET为复位信号, /CS0、/CS1、HA*为地址信号, I/O CHRDY为驱动器就绪信号。

IDE接口基于寄存器结构, 所有的输入输出均通过对相应的寄存器进行操作来实现。IDE接口的操作时序为:

(1) 等待驱动器将状态寄存器中的Bit7 (BUSY位) 清零。

(2) 向相关的寄存器写操作硬盘所需的参数, 即写扇区数寄存器、扇区号寄存器等。

(3) 向命令寄存器写命令代码。

(4) 使中断使能位有效。

(5) 等待驱动器置DRY#, 发中断请求。

IDE接口有两种读写方式:LBA (逻辑块地址) 和CHS (柱面/磁头/扇区) 方式。本模块使用CHS方式。

2.2 系统硬件组成

微控制芯片采用C系列的特制芯片, 该芯片中含有1 kB的RAM和64 k+8 k字节的内置Flash存储器, 支持在系统编程 (ISP) , 系统开发非常简便。对于电子盘的读写只能以扇区为单位, 一个扇区有512字节, 因此一次读写最少要有512字节。

串口的作用是实现与外部设备之间的命令和数据传输。该芯片共有2个串口, 一个用来实现与单片机的通信, 另一个用来实现与PC机的通信。这样, 该模块可以在现场接收来自单片机采集系统的数据并实时存储, 而存储的数据也能被PC机读取, 并进行事后数据分析。

3 CF卡存储模块的程序结构

CF卡存储模块的程序采用C语言编写, 主要包括主程序以及初始化、写扇区、读扇区和串口输入输出子程序。其程序流程如图3所示。串口输入采用硬件中断方式。程序能够接收来自2个串口的命令并执行相应的数据读写操作。

主程序的任务就是等待串口输入的命令。当串口中有字符输入时, 首先判断输入的命令是否为真命令, 若为真命令, 则调用相应的命令函数。

在初始化子程序中完成初始化串口和电子盘, 设置串口的工作方式和合适的波特率, 并使电子盘处于工作状态。

当接收到来自串口的写扇区命令后, 系统将在规定时间内等待扇区号的输入和数据的输入, 如果超出规定时间, 则系统会回到主程序的等待状态。然后系统驱动IDE接口, 把数据写入指定的扇区中。

对于读扇区命令, 同样也会在规定的时间内等待扇区号的输入, 然后从指定的扇区中读出数据, 并从串口将这些数据送出。

4 存储模块的应用

为了实现现场大量数据的存储, 将上述存储模块用于在线智能测产及军工系统, 并通过串口实现存储模块与测产主控制模块之间的数据通信。测产主控制模块由嵌入式微控制器、GPS接收器、割台传感器、速度传感器、产量传感器、湿度传感器等组成, 安装在机器上。在作业中, 主控制模块将现场采集的传感信号经过处理之后传送给存储模块保存。作业结束后, 将存储模块上的产量信息读入到PC机。PC机与存储模块的数据通信程序采用VB 6.0编写, 通过串口读取数据, 并将其存储到Access数据库中。

5 结束语

本文的设备在项目开发和实践过程中, 分别以不同数量级的记录写入CF卡, 结果表明, 系统的存储速度有了很大的提高。由此看来, 基于单片机的实时采集数据存储方法在处理大量数据存储上比传统数据存储设备具有速度上的优势。但是, 系统中采集到的信息数量庞大, 如何将大量数据在CF卡中进行压缩仍然是值得探讨的问题。该设备的设计也为嵌入式测控系统的数据采集与存储提供了很好的解决方案。

摘要：在现场数据采集与存储中, 往往有数以万计的采样点数据需要采集与存储, 但是传统存储器无法保证大量数据采集与存储的可靠性。如何保证这些现场数据的可靠存储是测量仪器设计中的关键问题之一。本文设计了不同于传统结构的基于MCS的智能仪器大量数据存储方法, 并采用82C55A设计了一种通用存储模块, 此模块成本低廉, 运行可靠, 硬件兼容性好, 为嵌入式测控系统的数据采集与存储提供了很好的解决方案。

关键词：MCS,数据采集,数据存储,存储卡

参考文献

[1]丁元杰.单片微机原理及应用[M].2版.北京:机械工业出版社, 1999.

[2]田颖, 许鲁.分布式文件系统中的负载平衡技术[J].计算机工程, 2003, 29 (19) :42-44.

MCS方法 第5篇

为寻求棉花机械采收新途径, 2008年, 兵团科技局正式立项, 由新疆农垦科学院承担兵团重大产学研专项“4MCS-300梳齿式棉花联合采收机”的研制工作。2009年8月底, 研制工作取得突破性进展, 完成第二轮样机的试制工作;2009年10月, 在一三二团十一连棉田与阿根廷原装进口采棉机进行对比性能试验, 自研新型采棉机采收面积近26.67 hm2, 性能良好。2009年10月27日, 兵团农业机械检测站对项目组研制的采棉机进行了性能检测, 采净率达到96.68%, 含杂率17.50%。

4MCS-300梳齿式棉花联合采收机与人工采收相比, 一台采棉机平均每天可采收3.33~4 hm2约1.5万kg的籽棉, 相当于300个拾花工1 d的工作量, 1kg机采棉的成本比人工采收低0.80~1元。另外, 该机背负在拖拉机正前方, 机具进地作业不需人工拾花开道, 配套动力55.13~73.50 k W拖拉机, 对棉花种植模式没有特定要求, 适合多种行距的采收。据悉, 4MCS-300棉花联合采收机目前已获得6项国家专利。

MCS方法 第6篇

方案1:采用单片压控函数发生器, 如8038可同时产生正弦波、方波和三角波, 调节外部元件参数可改变8038的输出频率, 但频率范围低、稳定度差、精度低, 较难用键盘数控调节。

方案2:采用DDS芯片AD9851直接合成信号, 其系统框图如图1.1, 其主要优点如下:DDS频率转换快, 一般在纳秒级。分辨率高, AD9851提供分辨率可达0.03 Hz。合成范围宽, 可达0.03Hz～46.8MHz。AD9851输出信号相位噪声低, 信号纯度高, 再配以少量外围电路产生方波、三角波。控制方便, 写入命令字改变频率, 输出信号做为DAC0832参考电压, 方便键盘数控调节输出电压范围。综合考虑本设计采用此方案。

本设计由单片机控制电路、信号产生电路、幅度控制电路、功率放大电路、稳压电源电路等六部分组成。系统框图如图1。

二、系统硬件设计与实现

1. 单片机控制系统。

本部分是以AT89S52为核心的最小控制系统模块, 单片机使用8279键盘/显示器接口芯片, 配以3～8译码器选通各芯片的使能端, P2、P0结合HC573锁存器控制各编程芯片的读写。显示电路部分采用12864液晶显示 (LCD) 保证显示质量。

2. 信号产生电路。

波形产生电路主要由AD9851为核心结合外围元件组成的正弦波电路、方波电路、三角波电路。

3. 正弦波产生电路。

为了简化电路设计选用D D S芯片AD9851, 它内部包含高速、高性能D/A转换器和6倍参考时钟倍乘器, 转换速率达到纳秒极, 分辨率高达0.03 Hz。

本设计中参考频率选用20MHz有源晶振, 经AD9851内部倍频器6倍频后的系统时钟为120MHz, 由频率合成公式可以计算其分辨率为:

因此, 在20MHz晶振参考频率下的最高分辨率可达0.03Hz。AD9851内部有5个输入寄存器用来存储32位频率控制字, 单片机通过对32位控制字的赋值可精确控制最终合成的信号频率。最终合成信号频率的计算公式为:

AD9851输出频率受设计参数限制, 输出频率范围可达0.03Hz～46.8MHz, 完全能满足设计要求, 配以少量外围元件可以产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制且稳定性很好的正弦波, 经过放大、扩流可获得频率、幅度标准的正弦信号, 作为DA转换的基准电压进行数控调节。电路原理图如图2所示。

4. 方波产生电路。

方波是在正弦波的基础上, 通过其内部高速比较器转换所得。电路原理图如附录。

5. 三角波产生电路。

三角波是在方波电路的基础上通过RC积分电路处理后得到。由于RC积分电路的特性, 不同频率范围的方波需用档位开关切换到不同参数的积分电路, 即可变换出不同频率范围的三角波。

6. 幅度控制电路。

DAC0832是8位高速的D/A转换器, 最高工作频率可达1MHZ, 基准电压可达10V, 分辨率为1/255。本部分电路基准电压源采用AD9851输出的10Hz～1MHz正弦信号, 由数据口D0～D7控制输出电压信号的幅度, 为了保证工作频率能达到1MHz, 电路采用直通型工作方式, 输出跟随输入同时变化。

7. 功率放大电路。

为了保证DAC0832输出的电压具有良好的带动负载能力, 需要在输出前级加上功率放大电路。该电路使用高速运放LF356进行电压跟随缓冲隔离, 9012、9013组成甲乙推挽放大电路使信号无失真的进行扩流。9012、9013为低噪声放大管, 性能参数相同, 反压Vbe050V, 电流Icm0.5A, 功率Pcm0.6W, 工作频率150MHz, 从而保证带宽和扩流驱动能力。

8. 稳压电源部分。

电源部分提供了+5V和±15V电源, +5V提供给集成电路芯片。±15V提供给其他外围电路, 两路电源供电保证整机系统正常工作。

三、系统软件设计与实现

1. 单片机软件的设计。

本系统可实现频率10Hz～1MHz的步进调整, 并且可以通过键盘设置参数。幅度参数在0～5.0V范围内可以调节, 其参数也可通过键盘设置。信号的类型、幅度、频率、和频率的步进值可以实时显示。

2. 系统操作说明。

本系统开机先首进入一个主界面, 等待0.5S使系统稳定后, 进入菜单。关于菜单的设定, 定义了6个第一功能键:正弦波输出、方波输出、三角波输出、幅度调整、频率调整、扫频输出。此外, 还有6个功能键:频率加、频率减、幅度加、幅度减、返回键、步进值选择。通过以上功能键可以很好的完成人机对话。

3. 软件流程图3所示

四、电路参数测试

正弦波幅度频率调节

方波三角波频率调节

参考文献

[1]胡宴如:模拟电子技术[M].高等教育出版社

[2]杨志忠:数字电子技术[M].高等教育出版社

MCS方法 第7篇

设计任务:设计并制作一个用于篮球比赛计时计分器, 能显示各种比赛时间, 并显示比赛比分, 能实现每次加1分、加2分、减1分操作。

设计要求:

(一)

采用单片机控制, 响应迅速, 判别精确;主控台面上有按键控制, 可同时对比赛时的分数显示进行加分减分, 能显示整个赛程的比赛时间, 暂停时间和比赛的节数。

(二)

在比赛的过程中能够随时刷新各队在整个赛程中的比分, 通过按键输入比分, 显示在数码管上;按键分别为加1分、加2分、减1分键和改变当前记分球队功能键。

(三) 能正确设置倒计时时间和比赛的节数。

比如, 第二节开始12分种倒计时, 屏幕显示“2 12 00”准备开始倒计时, 按开始键开始倒计时。

二、设计方案

(一) 单片机的选型

方案一:51单片机

虽然51单片机是8位的, 采用总线结构, 但具有编程控制简便、接口简单、工作可靠, 价格经济, 能耗少, 容易实现系统小型化。

方案二:61单片机

61单片机是在51的基础上扩展起来的, 虽然比51多了看门狗, 并且是非总线结构, 它是16位的, 支持16位硬件乘法, 还有专门的乘加指令, 现在应用非常广泛, 但61单片机价格较贵, 要继续扩展, 比较不方便。

因此本系统采用51单片机来实现。

(二) 计时方案

方案一:采用计时芯片

针对计算机系统对计时芯片的要求, 各大芯片厂家推出了键时钟/倒计时/正计时各种芯片, 可采用自动控制计时芯片, 通过触发控制电路使计时器自动地计时, 达到预定时间后芯片重新开始计时 (实现倒计时功能) ;也可以通过触发控制电路使计时器不计时, 达到预定时间后芯片重新开始计时 (实现暂停功能) , 不需要程序干预。计算机可通过中断或查询方式读取计时器数据, 实现计时的暂停的功能, 并进行显示, 计时功能的实现就无需占用CPU的时间, 程序简单, 控制精度高, 因此在工业控制系统中多采用这一类专用芯片来实现计时功能。

方案二:软件控制

利用MCS-51内部的定时器/计数器进行中断定时, 配合软件延时实现计时。该方案节省硬件成本, 并且可综合运用定时器/计数器、中断以及程序设计的知识, 因此本系统采用软件方法来实现计时。

三、硬件设计

(一) 电路原理图

由于系统的控制方案简单, 数据量不大, 因此选用AT89S52单片机作为篮球计分器的控制核心, AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器, 具有8K在系统可编程Flash存储器。将P1口作为按键输入控制口, P2口和P3口分别作为篮球计时和篮球记分显示控制口, 其电路原理图如图1所示。

AT89S52的时钟晶振频率为12MHZ。

电源采用220V/8V的交流变压器降压、整流、滤波后, 再通过LM7805三端稳压器稳压后为单片机供电。实践表明, 单片机工作稳定, 完全能够满足系统的要求。

(二) 系统工作流程

当接通电源, 7位共阴极的数码管显示“1 12 00”, 表示第一节12分钟倒计时准备开始, 按开始键时, 开始计时, 比赛开始。

记分显示:要给红队或者篮队加分, 分别按下不同的记分键+1分、+2分键, 经过数码管进行显示。

当第一节打完后, 自动进行2分钟节间休息倒计时, 计时时间到, 进入第2节比赛, 第2节比赛完成, 自动进行10分钟中场休息倒计时, 计时时间到, 进入第3节比赛, 第4节比赛类似。

四、软件设计

程序流程图如图2所示。接通电源, 按下开始按钮后, 系统初始化, 显示记分的缓冲区清0显示0, 计时的缓冲区初始化并显示“1 12 00”, 表示第一节开始12分钟倒计时, 通过不断地查询加分按键是否按下后松开, 若有, 经过按键去抖动程序后, 选择给红队或者篮队加分, 并进行相应队的记分显示处理, 同时不断地查询按键, 判断有无暂停, 有就调用暂停程序, 执行暂停;直到第一节倒计时间到时, 自动运行2分钟 (节间休息) 倒计时, 时间到后, 又进行第二节的比赛。第二节、第三节、第四节与第一节的处理方法相同, 只是第二节打完后 (半场) 休息时间为10分钟。当第四节比赛时间到时, 比较红、篮两队的得分数, 如果不相等, 就结束比赛, 否则就要进行10分钟的加时赛, 打完加时赛, 再进行比较, 直到红、篮两队的得分数不相等为止, 才结束比赛, 程序运行结束。

五、仿真实验

在Keil uVision软件中编写好程序, 通过Proteus画原理图, 将编好的程序载入, 得到仿真图形, 如图3所示。

按下S11可进行复位, 按下P1.0/S1到P1.2/S3可实现红队的加1分、加2分、减1分, 按下P1.3/S4到P1.5/S6可实现篮队的加1分、加2分、减1分, 通过P0口输出不同的字型码L1、L2数码管的显示。

按下P3.2/S9, 由于单片机的中断口的内部是一个JK触发器, 输入一个方波, 在下降沿有效, 所以外部中断0的响应, 使定时器T0开始工作, 右P0口输出不同的字型码, 进行12分倒计时, 按下P3.3/S10, 外部中断1的响应, 使定时器T1停止工作, 计时将会停止。

六、篮球计分器制作与调试

在Protel中, 画出电路原理图, 完成PCB板的制作。并打印PCB的焊盘图形, 通过转印机转印, 腐蚀电路板, 钻孔后完成PCB板的加工。

将编好的程序, 通过编程器写入到AT89S52中。

将所有元件检测后, 确保所有元件良好, 再安装、焊接元件。在焊接完所有元器件之后, 仔细检查电路中是否存在短路、虚焊等现象。检查无误后, 通电调试, 直到满足设计要求为止。

七、结束语

本设计系统采用MCS-51单片机AT89S52实现, 外围电路简单, 可维护性强;该系统在我校的篮球比赛中已经应用了三年, 效果非常好, 完全能满足篮球比赛中计时、记分的设计要求, 通过改变系统软件的方法, 还可以将该系统改为乒乓球、排球计分系统。

参考文献

[1]刘守义主编.《单片机应用技术》[M].西安电子科技大学出版社, 2002年.

[2]张大明主编.《单片微机控制应用技术》[M].机械工业出版社, 2000年.