数字处理信号控制器（精选十篇）
数字处理信号控制器 篇1
So PC技术是基于可编程逻辑器件的可重构So C, 并可进行可重塑设计。系统设计者可以将系统设计中所需要的各个功能单元以IP的形式集成到FPGA中, 具备硬件可编程、可升级、可裁减、可扩充等诸多优点, 让硬件设计工作变得更加灵活[1,2]。So PC技术在我国也受到了相当大的重视, 取得了一定的研究进展, 如中科院计算机所设计的GODSON、北大计算机系的JB-Core32、西北工业大学航空微电子中心的“龙腾”、苏州国芯科技公司的C*Core、中芯微系统的方舟一号、二号等[3,4,5,6]。
本文针对数字家电应用的特点, 探讨了一种基于So PC技术的数字家电微控制器YL8MCU设计与实现方案, 并通过功能验证和洗衣机应用实例的仿真测试来验证系统的功能设计要求。
2 YL8MCU指令系统
2.1 指令周期及格式
如图1所示, 表示了指令的执行步骤, 其中隐含了机器指令的要素, 即操作码、源操作数参照、结果操作数参照、下条指令参照。设计的指令系统共有58条指令。
2.2 指令编码及寻址方式
本次设计的微控制器指令采用RISC指令系统, 具有单周期执行、流水线操作、以面向寄存器堆的操作为主、寻址方式简单、指令格式简单、硬连线实现控制电路等优点, 如表1所示。
3 YL8MCU系统设计与实现
3.1 体系结构
整体架构采用Harvard结构, 程序、数据分别拥有各自独立的存储器和总线, 使得一条指令在执行时可以预先读取下一条指令的值, 减轻了程序运行时的访问瓶颈。微控制器的体系结构如图2所示。
3.2 IP核可重塑设计
基于IP核的So PC将设计重心从功能设计转移到功能集成, 把IP核作为So PC设计的基础, 可以充分地利用前期设计积累, 加快设计流程, 降低产品开发的风险[7,8]。
参数化可重塑设计可分为接口参数可重塑和功能参数可重塑。IP内核模块的顶层接口如图3所示。
3.3 系统实现
微控制器的系统实现可分为三个部分:MCU实现、编程和硬件实现, 如图4所示。
表2、表3为所设计微控制器经过综合约束、布局布线后的资源使用报告和性能报告, 目标FPGA为Xilinx Sparten3EXC3S500EPQG208。分析报告表明, 所使用的片上扇区占目标器件资源的54%, 微控制器最大可工作在64MHz的时钟频率之下。
4 YL8MCU系统验证与仿真
4.1 系统验证
验证方案采用基于覆盖率的IP功能模块验证和系统集成验证, 基于覆盖率的IP功能模块验证是根据被测IP子模块的规模, 选择合适的激励产生方式, 验证IP子模块的功能。系统集成验证时将IP内核例化, 并与外部接口模块串口、定时器/计数器、中断控制器等相连接, 编写测试文件Test Bench于存储单元中, 系统复位后执行预先存储的指令机器码文件[9]。
如图5所示为系统集成验证平台。该平台对系统模型设计, 施加激励文件观察结果输出。激励文件为机器码.hex文件, 测试结果波形文件保存于Monitor文件中。
4.2 实例仿真
利用所设计完成的微控制器来实现洗衣机的全自动控制, 即洗涤、漂洗、脱水个工序之间的转换无需人工介入而完成, 具有智能化程度高、安全可靠等特点。如图6所示为全自动洗衣机的程序流程图。采用Xilinx公司ISE软件自带的ISIM仿真工具用对系统进行功能仿真和时序仿真, 采取了将测试向量 (汇编代码) 加载到ROM模块的测试方式。具体的仿真结果完全符合系统的功能设计要求, 能够实现洗衣机用户参数输入、洗涤、漂洗、脱水的整个控制流程。
4.3 比较分析
选取Microchip公司的PIC16F914, STC公司的STC90C51RC和ATMEL公司的AT90S1200-12这三款微控制器与所设计的微控制器在各个性能指标上做了比较, 如表4所示。
由于设计的微控制器采用IP核参数化技术和可重塑设计方法, 使得微控制器在引脚、I/O口、功能、程序存储空间和数据存储空间上可以方便灵活地进行配置, 以满足不同的应用需求。指令系统较为精简, 微控制器工作频率较高, 与传统微控制器相比, 具有一定的功能选择性和性能优势。
5 结束语
本文探讨了一种基于So PC技术的数字家电微控制器YL8MCU设计与实现方案, 对开发具有微处理器功能的集成电路设计提供了参考。
摘要：提出一种基于SoPC技术的数字家电微控制器设计与实现方案, 利用IP核参数化技术, 把可重塑设计方法应用于RISC架构数字家电微控制器, 通过洗衣机控制流程仿真测试的方式, 验证其正确性和可行性。
关键词：数字家电,IP核,SoPC,可重塑设计,微控制器
参考文献
[1]Monmasson E, Cirstea M N.FPGA design methodology for industrial control systems-a review[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2007, 54 (4) :1824-1842. (下转第33页)
[2]Deng Q, Xu H, Wei S, et al.An embedded SOPC system using automation design[C].Proceedings of International Conference Workshops on Parallel Processing, 2005:232-239.
[3]Gao X, Chen Y J, Wang H D, et al.System architecture of Godson-3multi-core processors[J].Journal of Computer Science and Technology, 2010, 25 (2) :181-191.
[4]白龙飞, 樊晓桠, 张萌, 等.龙腾Stream流处理器验证[J].计算机工程与应用, 2013, 49 (15) :65-69.
[5]胡伟武, 张福新, 李祖松.龙芯2号处理器设计和性能分析[J].计算机研究与发展, 2006, 43 (6) :959-966.
[6]朱春涛.基于C~*Core~ (TM) RISC CPU的FLASH控制器设计[D].上海:复旦大学, 2011.
[7]Saleh R, Wilton S, Mirabbasi S, et al.System-on-chip:reuse and integration[J].Proceedings of the IEEE, 2006, 94 (6) :1050-1069.
[8]Coussy P, Baganne A, Martin E.A design methodology for integrating IP into SoC systems[C]//Proceedings of Custom Integrated Circuits Conference, 2002:307-310.
数字处理信号控制器 篇2
应用MATLAB进行语音信号的处理是与我们所学课程及专业紧密相连的，有着很强的实践性。做这个课程设计的时候，并不是非常的顺利，我也有遇到很多困难。刚开始，我用自己的mp3录制的一个wav文件做语音信号处理，程序始终现实如下错误提示：
??? Error using ==> wavread Error using ==> wavread Data compression format(IMA ADPCM)is not supported.我在查阅了很多资料，在网上也查阅相关信息，花费了大量时间也没找出结果，最后发现在WAV格式的语音文件有两种格式，即PCM格式和IMA ADPCM格式，而在MATLAB中用wavread函数进行语音处理时，并不能直接处理IMA ADPCM格式的语音信号，经过格式转换之后（选择PCM格式），我运行出了正确的结果。刚开始由于对滤波器的滤波原理并不是很了解，于是我又翻出学过的数字信号处理课本，认真研究起各种滤波器了，这才使我明白了大多数滤波器是如何工作地，不再单单只是懂理论，理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论。实验过程中，我感觉到初始语音信号和滤波输出后的语音信号在音色上有一定的差别，这说明了信号在处理、传输过程中有损耗。不管对于什么样的课题，其实也是有很多东西可以发掘的，这需要我们在平时多积累，多思考，只有这样，才能取得更大的进步，才能学有所用，学有所长。
通过这次设计，进一步加深了对数字信号处理的了解，让我对它有了更加浓厚的兴趣。通过这次课程设计使我懂得了，平时的理论知识只有通过自己动手做一个课题，从做这个课题的过程中发现问题，解决问题，这个学习的过程，会比我们平时只通过课堂上听讲得到的知识更加生动立体，跟让人记忆深刻。在设计的过程中，我发现同学间的互帮互助真的很重要。当我们有问题的时候，大家一起讨论，将自己的观点表达出来，当发现别人的观点与自己的不同的时候，我们通过查阅资料找到最终正确的答案，这个过程是互利互惠的。这也培养了我们以后走上工作岗位后的团队精神，对我们以后的为人处世都有很大帮助。同时我们在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固。
数字处理信号控制器 篇3
关键词 信号与系统；数字信号处理；课程体系
中图分类号：G642.4 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2013）12-0083-02
周口师范学院电子与信息工程、自动化专业均把信号与系统、数字信号处理两门课程（以下简称“两门课程”）列入新专业教学计划中的两门主干专业基础课。如何教好和学好这两门课对学生能力和素质的培养具有至关重要而且深远的影响[1]。改革前，两门课存在内容重复量大，内容配合不好以及衔接不合理等问题，这些问题随着教学计划的完善造成的课时减少被进一步的激化。本文针对两门课程设置的现状和存在的问题，提出对原有课程体系教学内容进行优化整合的新思路，教学实践表明此方案缩短了教学时间，提高了教学质量，激发了学生的学习兴趣。
1 现阶段两门课程的教学内容和设置存在的主要问题
信号与系统主要介绍的是信号与系统分析的基本理论和分析方法、连续信号和离散信号的描述和线性时不变性和时域与变换域分析方法，它以工程数学和电路分析为基础，同时又是后续专业课如数字信号处理、自动控制原理等课程的基础。在周口师范学院最新的教学计划中，该课理论教学为68学时，实验教学为17学时。数字信号处理是通过对各种不同信号的分析，应用数字的方法，实现对不同信号的处理，达到所希望得到的信号，可见数字信号处理又是信号与系统在离散时域中的深入扩展。该课在学校最新的教学计划中的教学为63学时和45学时不等。
两门课在教学上主要存在下面几个问题。
1）理论教学的内容上存在内容重复和学时数的浪费，从而造成授课学时紧张。
2）两门课程的实验课程内容的安排没有考虑到相关课程的前后衔接，没有用一个系统的观念来设计实践环节。
3）学生对专业基础课和专业课的关系认识不到位，两门课程有一个共同的特点就是理论性很强，突出数学分析，工程概念薄弱[2]，学生感到内容枯燥。
4）教学模式上存在偏颇，更偏向于理论，理论联系实际不够。
5）毕业设计时反映出所学的知识面偏窄，各学科知识的综合应用能力较为欠缺。
2 教学的改革实践
原来的课程设置严重影响学生对专业的兴趣和学习的效果。各门课程自身内容体系的最优不一定是整个教学计划的最优[3]，因此，必须对两门课程进行改革与创新。为此，结合实际，从理论教学的内容与模式、实践教学的模式以及考核评价体系等几个方面进行有益的探索和改革。
2.1 理论教学内容的改革
针对两门课程内容重复和衔接的问题，提出理论教学内容的改革。具体处理：在讲授数字信号处理前，对离散信号和系统的时域与z域分析采用约10学时的时间来复习。在信号与系统中，对于离散时域分析和z变换两部分内容按计划用16～20学时来讲授。在这一部分的复习过程中，尝试采用优秀学生代替教师讲解部分内容的方法，教师进行适当的补充和小结。
2.2 理论教学模式的改革
针对传统课堂教学手段单调和两门课程公式推导繁杂等特点，提出利用MATLAB软件精心制作多媒体演示，把抽象的频谱、卷积、滤波、调制等概念形象化，激发学生学习兴趣，而习题、推导还采用传统的粉笔教学，多媒体和粉笔教学有机结合，使课堂教学达到最佳的教学效果。
2.3 实践教学模式的改革
目前，信号与系统实验课的内容是纯粹的硬件实验，学生对单一实验内容感到厌倦和没有兴趣，而数字信号处理没有开设实验课程。针对实验环节存在的主要问题，提出实验内容分为课内必修和课外选作两个系列，以及上机实验、综合实验和课程设计实验3个层次。以MATLAB为工具，从上机实验（安排在信号与系统实验的前半阶段）、综合实验（信号与系统实验的后半阶段和数字信号处理实验的前半阶段）、课程设计（数字信号处理实验的后半阶段）[4]等方面加强学生的实践，通过以上各实践环节，拓展传统意义上的实验的深度和广度。
2.4 考核评价体系的改革
改革后两门课程的成绩计算公式为：总成绩=实验成绩*30%+70%*（10%*平时成绩+20%*课程设计+70%*考试成绩）。课程改革后加大平时成绩的比重。
3 结束语
对两门课程进行整合和优化表明：改革后两门课程体系清晰完整，内容更趋科学，结构更趋合理，便于教学组织实施。提高了教学质量。
参考文献
[1]陈戈珩，王宏志.“信号与系统”和“数字信号处理”课程优化整合的探索与实践[J].长春工程学院学报：社会科学版，
2008，9（2）：83-86.
[2]陈华丽，程耕国.“信号与系统”和“数字信号处理”两课优化整合的探讨[J].中国电子教育，2009（3）：48-51.
[3]李俊生，张立臣，蒋小燕.“电路分析”、“信号与系统”和“数字信号处理”课程的优化整合[J].常州工学院学报，
2009，22（6）：89-92.
[4]张学敏，倪虹霞，吕晓丽，等.电子信息工程专业信号类课程教学改革实践探索[J].长春工程学院学报：社会科学版，
数字处理信号控制器 篇4
MICROCHIP公司最近推出了将DSP技术与微控制器相结合的DSC(Digital Signal Controller,数字信号控制器),其内部采用了改进型的哈佛结构。在某些应用场合,综合了16位单片机和DSP功能的ds PIC30F器件要大大优于32位单片机,而且可降低成本,同时,C代码效率也降低了对存储器的要求,从而缓解了16位单片机和低端数字信号处理器D S P存在的性能差。由于它本身的D S P功能大大提高了运算和响应能力,因而提高了系统的实时性,可完全适应现代工业控制技术发展的要求。丰富的外围模块以及I/O设备,必然使得ds PIC30F在未来的DSP市场中占有重要地位。目前,该产品在电机控制、网络连接、语音和音响、电源变换和监视、传感器控制、汽车控制等领域中得到了广泛应用。基于这些因素,本文采用ds PIC30F4013数字信号控制器设计了耐高温脉码传输短节,它完全取代了PCM3506在组合测井中的全部功能。
一、系统原理分析与总体设计
在数控测井系统中,经常由多个下井仪器进行组合测井,这些下井仪器通过下井仪器总线连接到下井仪器控制装置,其中本文设计的脉码传输仪就是下井仪器的核心部分。下井仪器控制装置根据地面指令控制各个下井仪器的工作,并将下井仪器所采集的数据通过测井电缆传输到地面。
1. 脉码传输短节的工作原理
主要用它来采集模拟信号、脉冲信号,并且实时传输所采集到的数据。脉冲编码调制系统(P C M)的数据发送和数据接收是由地面计算机来控制的,更准确地说,P C M数据的井下发送是由地面计算机系统利用声波逻辑信号启动的。计算机按一定的深度间隔,控制3700系统内的52#面板的声波逻辑电路,产生双极性的声波逻辑脉冲,由传输电缆的2#与5#两根芯线传到井下脉码接收单元,在其控制下,启动井下脉码传输短节及其他组合测井仪工作:通知传输仪采集10道模拟量、6道脉冲量;决定传输仪在何时传送17道P C M数据,以及实时分离出送给井下仪的发射与接收逻辑脉冲。数据首先转换成为双极性归零码(P C M),然后经过驱动,由脉冲变压器耦合到传输电缆的2#与5#两根芯线上,再由它们传到地面计算机。
2. PCM信号的形式及主要参数
一帧的P C M数据有16个数据道,加上模拟地道则共有17数据道。第一道是同步道,紧接着是6个脉冲数据道和10个模拟数据道。每一道的时间是2m s,含16个数据位。由于基本时钟频率为8k H z,因此数据位宽为125u s。每道实际携带的测井信息为12位,其余4位为特征码。例如脉冲道第一位为1,第十四,十五,十六位为0;模拟道第一位为1,第十四位为增益位,第十五位为1,第十六位为0。其数据格式如图1所示。
二、数字信号控制器硬件系统设计
从以上分析可知,我们的主要工作是设计一个适合测井工艺的数据采集系统。为完成该工作过程,设计原理框图如图2所示。它由供电部分、声波检测部分、逻辑再生部分、脉冲处理部分、模拟处理部分、中央处理器部分及输出驱动部分等七部分组成。智能化的中央处理器,具有功耗低、与外围器件非常容易对接的特点,并且它本身能代替许多硬件的工作,处理数据也非常灵活。
1. 模拟信号数据采集
模拟信号包括井径信号、测向信号等,它们都是变化缓慢的信号,电压幅度范围一般在0~+5V,其中测向测井信号中有几十个m v的电压信号。信号通过井下仪器进行检测后,再由传输线传到脉码传输短节时,将融进一定的噪声,所以在前置端一般要加图3所示的模拟信号调理电路,采用AD574作为转换器件。传感器的输出信号首先经过电压跟随器,然后经过反相输入一阶低通滤波器。通带截止频率为
两个可调电位器分别用来进行调零、校满量程,使输入信号在线性范围内。在A/D通道的输入端2个二极管起过载保护作用,当输入电压高于VREF+0.7V左右时,D7导通,输入电压被箝位在VREF左右的水平上;当输入电压低于约-0.7V左右时,D8导通,输入电压被箝位在约-0.7V的水平上。这种过载往往是尖峰干扰,持续时间很短。
2. 脉冲信号采集
放射性测井产生的信号一般是脉冲信号,脉冲信号频率的大小,就表征了一定的地层信息。频率的范围在5Hz~20KHz之间,脉宽一般为几十微秒。由于脉冲道的数据范围是从5Hz到20KHz,所以在设计该仪器中选用了8253芯片,以保证计数范围。
3. 控制系统的电源设计
AD574ATD由±15V、+5V供电,运算放大器也由±15V供电。在增益控制电路中,由于输入信号被放大到0~10V的范围,所以控制增益的模拟开关4051的供电电压范围必须达到这个范围,而4051的V C C供电电压范围是-0.5V~+7V,而VCC到VEE的供电电压范围为-0.5V~13V,所以4051的供电电压分别是:VCC为+15V,然后经过一个电阻串联进行分压,VEE接到电源地上,从而满足输入电压的范围。
三、系统软件设计
系统总体软件就是通常所说的主程序,它起到组合各个功能模块的作用,是本系统工作程序的主体框架。主程序的功能有:一方面预置中断入口地址,响应中断后及时转入中断服务子程序;另一方面就是初始化各个功能寄存器,例如在本系统软件设计中,需要用到中断控制寄存器TCON,这样就要在主程序中预置它;又如程序要运行时,必须初始化程序地址指针等,这些工作都必须在主程序中完成。
在主程序中,用各种标志位来确定是何种中断的到来,从而响应相应的中断模块。在该软件设计中,以10H、11H和18H、19H分别来标志T1、R1、T2、R2中断;以00H来标志声波时序的合拍,当00H=1时,表示声波时序合拍。
以下是主程序设计的流程图,如图4所示。
四、结束语
该仪器设计完成后进行了测井试验,首先在测井仪器实验教学中得到了应用,地面接收到伽马测井数据正确,接收误码率小,无异常现象。
第一,设计的仪器完全符合专业实验室小型化的需要,其短节的长度由原来的156.21c m缩短为101.6cm,该短节比PCM3506短节缩短了54.61cm。
第二,实验电路简洁,具有智能化的优点,功耗低。
第三,该实验仪器在200oC~230oC高温条件下能够连续工作4、5个小时而不会停机,满足深井测井的要求。此设计增加了该仪器的技术含量,节约成本,实现测井仪器实验装置国产化,提高了社会效益,为学生从事石油勘探行业提供了良好的实验平台。
摘要：实现了一种以数字信号控制器为核心的脉码传输短节设计方案,该短节能完成测井仪器PCM3506的全部功能。在脉码传输短节的设计中,充分利用数字信号控制器的资源,采用软硬相结合的方法,在简化电路结构、降低功耗、降低成本、耐高温高压、提高仪器的稳定性等这几个方面进行研究与设计,解决了石油仪器教学装置匮乏的现状。
关键词：测井仪器,脉码传输,数字信号控制器
参考文献
[1]胡澍.地球物理测井仪器[M].北京:石油工业出版社,2007
[2]张礼维.CLS声波测井仪[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2009
[3]张礼维.CLS地面数据采集系统[M].陕西:西安电子科技大学出版社,2008
数字信号处理学习心得 篇5
通信工程 0801 赖立根
《数字信号处理》是我们通信工程和电子类专业的一门重要的专业基础课程，主要任务是研究数字信号处理理论的基本概念和基本分析方法，通过建立数学模型和适当的数学分析处理，来展示这些理论和方法的实际应用。
数字信号处理技术正飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科：它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连；它影响或改变着我们的生产、生活方式，因此受到人们普遍的关注。信息科学是研究信息的获取、传输、处理和利用的一门科学，信息要用一定形式的信号来表示，才能被传输、处理、存储、显示和利用，可以说，信号是信息的表现形式，而信息则是信号所含有的具体内容。
一单元的课程我们深刻理解到时域离散信号和时域离散系统性质和特点；时域离散信号和时域离散系统时域分析方法；模拟信号的数字处理方法。
二单元的课程我们理解了时域离散信号（序列）的傅立叶变换，时域离散信号Z变换，时域离散系统的频域分析。
三单元的课程我们学习了离散傅立叶变换定义和性质，离散傅立叶变换应用——快速卷积，频谱分析。
四单元的课程我们重点理解基2 FFT算法——时域抽取法﹑频域抽取法，FFT的编程方法，分裂基FFT算法。
五单元的课程我们学了网络结构的表示方法——信号流图，无限脉冲响应基本网络结构，有限脉冲响应基本网络结构，时域离散系统状态变量分析法。
六单元的课程我们理解数字滤波器的基本概念，模拟滤波器的设计,巴特沃斯滤波器的设计,切比雪夫滤波器的设计，脉冲响应不变法设计无限脉冲响应字数字滤波器，双线性变换法设计无限脉冲响应字数字滤波器，数字高通﹑带通﹑带阻滤波器的设计。
七单元的课程我们学习了线性相位有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，窗函数法设计有限脉冲响应（FIR）数字滤波器，频率采样法设计有限脉冲响应（FIR）数字滤波器
通信工程是一门工程学科，主要是在掌握通信基本理论的基础上，运用各种工程方法对通信中的一些实际问题进行处理。通过该专业的学习，可以掌握电话网、广播电视网、互联网等各种通信系统的原理，研究提高信息传送速度的技术，根据实际需要设计新的通信系统，开发可迅速准确地传送各种信息的通信工具等。
对于我们通信专业，我觉得是个很好的专业，现在这个专业很热门，这个专业以后就业的方向也很多，就业面很广。我们毕业以后工作，可以进入设备制造商、运营商、专有服务提供商以及银行等领域工作。当然,就业形势每年都会变化，所以关键还是要看自己。可以从事硬件方面，比如说PCB，别小看这门技术，平时我们在试验时制作的简单，这一技术难点就在于板的层数越多，要做的越稳定就越难，这可是非常有难度的，如果学好了学精了，也是非常好找工作的。也可以从事软件方面，这实际上要我们具备比较好的模电和数电的基础知识。
我选择了这个专业，在这里读了三年关于通信知识的书，我还是想以后毕业能够从事这个方面的工作，现在学了通信原理、数字信号处理这些很有用的专业课，所以，我在以后的学习中，我会把这些方面的知识学扎实，从事技术这一块要能吃苦，我也做好了准备，现在还很年轻，年轻的时候多吃点苦没什么，为了我自己美好的将来，我会努力学好这个专业的。
数字信号处理课程属于专业基础课，所涵盖的内容主要有：离散时间信号与系统的基本概念及描述方法，离散傅立叶变换及快速傅立叶变换，数字滤波器结构及设计等。对于电气信息类专业的学生来说，这些内容是学习后续专业课程的重要基础，也是实际工作中必不可少的专业基础知识。目前几乎所有的高等院校都在电子工程类、信息工程类、通信工程类、电子技术类、自动控制类、电气工程类、机电工程类、计算机科学类等工科电类及其他相关专业的本科生中开设了该门课程。随着计算机技术、微电子技术、数字信号处理理论和方法的发展，半个世纪以来，尤其是最近的三十来年里，数字信号处理的方法和应用得到了飞跃式的发展，数字信号处理的地位和作用变得越来越重要。因此，加强该课程的建设具有重要的意义。
我们的数字信号处理课是罗老师教的，罗老师有过实际工作的经验，对于这门课的实际用途很了解，罗老师对于这门课采用多种教学方法，丰富教学内容，吸引学生对课程的关注。利用实验课使学生亲自编程，体会信号处理课程的乐趣，这样子激发了学生的兴趣、提高了教学的效果。因此，我们班的同学在这一个学期的学习中，这门课都学的比较好。
数字信号处理课程的特点是课程本身理论性强、公式推导较多、概念比较抽象，学生常有枯燥难学之感。近年来，国外及国内有些学校对一般电类专业该课程的教学主要强调应用性学习，主要介绍数字信号处理的用途和用法，而对其深奥的理论推导仅做一般介绍，并给学生提供进行实验的机会，以激发学生对该课程的兴趣和学习主动性。
数字处理信号控制器 篇6
关键词：数字信号处理；教学方法与措施；教学手段
作者简介：王玉德（1970-），男，山东临朐人，曲阜师范大学物理工程学院，副教授。（山东 曲阜 273165）
中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0096-01
“数字信号处理”课程是电子信息、通信工程、计算机技术等专业的重要专业基础课程。随着电子信息技术的迅速发展，“数字信号处理”课程在专业课程体系中的作用和地位日益突出。但是，“数字信号处理”课程内容抽象、公式多，数值计算的物理意义不明显，不容易理解，学生学习较困难。[1-6]针对课程的学习特点，结合多年的课程教学经验和教学改革探索的成果，在课程教学过程中，采用了课堂互动、角色转换、板书推导与多媒体课件以及创新应用课题研究等几个方面来进行教学，取得了较好的教学效果。
一、教学理念
1.理论与实践并重，不断进行教学研究，将研究成果应用于教学过程中
理论教学与实践教学是相互交叉、相互渗透的，实践教学是理论教学的延伸与应用。理论教学过程中注重理论与实践教学的结合，合理分配课堂时间安排，适当地在理论教学过程中应用实践性教学手段进行理论教学内容的验证与演示，把课堂教学时间按6∶2∶2的分配比例完成课堂的理论讲解、例题与习题解答、现场仿真演示等教学活动，让学生既看到理论知识的推导过程，又能看到理论知识的应用结果。在教学过程中，注重研究教材、教学方法以及学生的学习认知规律，针对课程章节内容的联系与不同，探索和研究有针对性、灵活的教学方法解决课程教与学的问题。
2.正确处理和衔接好“数字信号处理”课程与前、后续课程的关系
“数字信号处理”课程在“信号与系统”课程后开设，它的后续课程一般有“数字图像处理”、“语音信号处理”以及“DSP原理与应用”等课程。在课程讲授过程中讲清楚“数字信号处理”课程与“信号与系统”以及后续课程的联系与不同，使学生在学习过程中能够清楚“数字信号处理”与前授、后续课程的关系，明确课程任务，带着目的、兴趣去学习。还可以使学生所学的知识能够构成一个有机整体，有利于学生对后续课程的学习和培养学生的综合应用能力。
3.创新性课题研究与理论教学相互促进
紧密结合数字信号处理技术的发展与应用现状，将课堂教学与实际生产密切结合，在学生学习过程中让学生能够看到或了解到所学课程在哪些方面有具体应用。根据生产实际需要设计紧密联系实际的课题，指导学生应用信号处理理论解决生产实际问题的创新型研究，做到边学知识边进行课题研究，研究促进理论教学，使学生可以做到学以致用。
二、教学方法与措施
1.整合教材内容，优化课时分配
“信号与系统”、“自动控制原理”与“数字信号处理”等课程中都对数学基础理论部分进行了阐述，对于单门课程来讲保证了课程体系的完整性，但纵观整个专业的课程体系就出现了内容的重复。为解决课程内容的衔接问题，又能优化课程课时分配，将课程重叠的数学基础部分进行整合处理。
2.进行课题研究，研究促进理论知识的学习
应用現代教育技术手段进行教学改革，解决学生理论知识学习的融会贯通问题。让学生访问国内、外著名大学的相关数字信号处理课程的网站，学习国外课程综合大作业的完成与考核方式，鼓励学生利用业余时间选择老师指定或自己拟定的课题，利用所学的知识提出问题、分析问题并应用相关工具工具解决问题。在研究的基础上撰写研究报告并进行学术交流，通过解决问题和学术交流来提高学生应用信号处理知识解决实际问题的能力。
3.进行教材建设，保证教材内容的先进性
教材是进行教学活动的重要媒介，必须保证教材内容的科学性、适用性和先进性。紧跟数字信号处理技术的发展和应用，将科研成果和教学改革成果融入教材内容中。通过数字信号处理应用实例的阐述和应用图片的展示导入课程，知识点的联系框图给出章节内容之间的联系，知识拓展模块进一步地阐明课程内容的延伸，进一步优化了教学内容。[7]
4.改革实践教学模式，提高实践教学效果
改革原有的实践教学方法，实践性教学环节通过课堂演示、基于MATLAB的算法仿真验证及分析、基于DSP的硬件算法综合与创新实验等三个层次的实践活动来完成。通过课堂演示的形式介绍数字信号处理的应用实例和基本的数值计算，MATLAB软件来验证和实现数字信号处理的基本算法，采用创新性习题训练、DSP硬件实现等手段完成综合与创新性实验研究。通过实践性教学环节的改革与实施，使学生具备工程开发和应用的能力，深化数字信号处理理论，提高实践教学效果。
三、教学手段
第一，针对“数字信号处理”课程的特点，借助MATLAB软件来解决数字信号处理概念抽象、基本理论和分析方法难以理解的问题。应用MATLAB软件完成序列的运算、连续信号的采样、离散傅里叶变换、DFT分析连续非周期信号的频谱以及滤波器的设计与应用等，使学生可以直观看到数值计算的结果，明白数值计算的目的和意义，帮助学生进一步领会和深化课堂上学到的有关数字信号处理的基本概念、基本原理以及基本的信号处理操作。
第二，改变传统的灌输式教学为引导启发式教学，灵活运用板书、课堂软件仿真演示、多媒体课件和网络技术等多种教学手段。基本原理和基本方法的推导和证明应用板书讲解，让学生跟上老师的教学思路；难点和重点内容，还要在理论推导的基础上，应用MATLAB仿真演示，使学生亲身感受数字信号处理算法的性能，巩固所学的基本理论知识；例题与习题解答使学生学会分析问题和分析问题的方法，巩固基本理论；对于一些需要形象理解、图示举例以及演示的部分，采用多媒体教学方式，充分利用声音、图像、视频、动画等多种形式进行互动教学；课后的复习、相关背景知识的学习以及课堂内容的扩展部分，可以在课程网站上自助或在线寻求老师帮助解决问题，也可在论坛上进行学习经验交流。
第三，加强 MATLAB 实现与数字信号处理理论相结合的教学方式。注重理论教学与算法实现相结合的教学环节，指导学生应用MATLAB软件或其他工具完成自拟或老师指定的创新性课题研究，使学生在学习基础理论的同时能够学会查阅文献资料，完成相关的课题研究，学会撰写并提交课题研究报告。通过理论讲解、学生研究等各个环节来提高学生的应用能力。同时，把课题研究的评价成绩纳入课程成绩评价之中，使成绩考核分散在教学过程的各个环节，使得成绩的评定更加合理、客观、全面，其检查、帮助和引导的效果更明显，调动了同学们的学习积极性，收到了比较满意的教学效果。
四、小结
针对“数字信号处理”课程特点，通过多种介质展示和阐述数字信号处理的应用与发展趋势，让学生明确课程学习目的和知识的应用领域，调动学生学习的积极性和主动性。在教学过程中整合教学内容和改进教学方法，采用灵活多样的教学方法和教学手段进行教学，注重理论教学与实践教学的结合，鼓励学生完成创新性课题研究。经过几年的教学实践和探索，学生的学习效果明显提高，教学质量有大幅提升。
参考文献：
[1]王玉德.“数字信号处理”课程教与学的探讨[J].电气电子教学学报，2008，（6）.
[2]朱幼莲.MATLAB在数字信号处理教学中的应用[J].电气电子教学学报，2001，（6）.
[3]叶永凯，王玉德.数字信号处理课程教学方案设计[J].中国电力教育，2009，（7）.
[4]张刚，贺利芳， 何方白，等.基于Matlab的“数字信号处理”课程教学探索[J].高等教育研究，2007，（2）.
[5]聂小燕，鲁才.数字信号处理教学改革探讨[J].实验科学与技术，
2008，（6）.
[6]许建霞.基于MATLAB的数字信号处理教学改革与探讨[J].中国科技信息，2009，（12）.
[7]王玉德，陈万平，刘学柱，等.数字信号处理[M].北京：北京大学出版社，2011.
数字处理信号控制器 篇7
在对多通道高速CCD相机输出图像信号的采集系统设计过程当中,需要对此系统在正式使用之前进行调试,以测试它是否正常工作。如果采用现场调试的方法,由于现场调试的不可控因素太多,增加了调试的难度,在技术上难以实现,所以迫切需要一种新的调试方法。
本课题是由上位机通过PCI总线发出图像数据,并通过FPGA进行整体时序控制,输出接口信号转换成符合camera link标准的低压差分信号(LVDS)进行传输。一方面可以对图像进行处理,模拟添加不同杂物的各种情况,可控性强,可重复性高,另一方面可以提高信号传输距离和精度,从而可以方便快捷地调试出该采集系统能否达到工业现场的要求,是否可以准确及时的对识别烟叶中的杂物。
1 Camera Link接口标准
Camera link是一个工业高速串口数据和连接协议,它是由NI,DALSA,Foresight Image,Coreco,Cognex,Basler,Datacube,Intergral Technologies等13家数码相机供应商和图像采集公司在2000年10月联合推出的,旨在为数码相机和PC机间的高速、高精度数字传输提供一种标准连接。在现阶段,应用camera link技术可实现高达2.38 GB/s的传输速率,足以满足当今数码相机对数据传输速率的要求,在工业自动检测、航空、航天等高分辨率数码相机领域得到了越来越广泛的应用。
在camera link标准中,相机信号分为四种:相机控制信号、图像数据信号、电源和串行通讯。其中高速图像数据信号:FVAL,LVAL,DVAL和SP,它们分别是帧允许信号、行允许信号、数据允许信号和保留信号。相机控制信号有以下四组:CC1,CC2,CC3和CC4,分别是外同步信号(EXSYNC),重置信号(Prin),向前信号(Forword)和保留信号(FUTRUE USE)。高速图像数据信号:FVAL,LVAL,DVAL和SP,它们分别是帧允许信号、行允许信号、数据允许信号和保留信号。低速串行通讯信号:serial—to—frame—grabber(SERTFG),serial—to—camera(SERTC),支持RS232异步串行通信协议。电源:camera link接口相机采用专用的电缆供电,一般为12V。
2 系统硬件结构框图
检测调试图像采集装置性能、图像信号源的标准图像生成方法有两种。一种是由FPGA直接生成信号,输出图像一般为0～255的灰度值的图像;另一种是通过上位机软件下载图像到信号源中,FPGA产生视频同步信号和进行整体逻辑控制。
方案选择通过上位机软件下载图像到信号源中,采用FPGA与camera link专用接口芯片相结合的方案,FPGA作为主控模块产生视频同步信号和进行逻辑时序整体控制。Camera link接口器件DS90CR285是专用电平转换器件,能将28位CMOS/TTL电平数据和一位像素时钟信号分别转换成4组LVDS数据流及一对LVDS时钟信号进行传输,由于采用差分传输方式,提高了传输距离及信号精度。考虑到FPGA的现场可编程特性,使用灵活方便,能够降低硬件电路设计难度。
其系统硬件结构框架如图1所示。
由于camera link支持高速的数据传输,而该发送卡又要考虑到与上位机的兼容问题。所以PCI总线接口技术中的DMA传输控制是设计急需解决的问题。
3PCI总线接口技术
3.1PCI总线概述
所谓PCI,是外围部件接口(peripheral component interconnector)的缩写。而PCI局部总线标准的制定主要目的是为了实现一种将周边设备与处理器高速结合起来的总线结构,以便适应用户对于数据率越来越高的要求。使用PCI总线结构的设备,可以达到理论峰值为132MB/s的数据率。而且使用PCI总线的一个突出的优点就是CPU的占用率极低,因为它和存储器之间的交互基本上通过DMA方式。
3.2PCI芯片选择
系统采用美国PLX公司生产的先进的PCI I/O加速器PCI9054,它采用了先进的PLX流水线结构技术,符合PCIV2.1和V2.2规范;提供了两个独立的可编程DMA控制器;每个通道均支持块和散/聚的DMA模式;在PCI总线端支持32位/33MH;本地端(local bus)可以编程实现8,16,32位的数据宽度;传输速率最高可达132MB/s;本地总线端时钟最高可达50MHz支持复用/非复用的32位地址数据。PCI9054内部图如图2所示。
PCI 9054的数据传输模式灵活多样,包括直接主模式(PCI master),直接从模式(PCI target),DMA模式。数据传输模式的选择主要是要根据硬件设计者对硬件设计的需求而定的。当硬件设计者选择由PCI发起控制的时候,则PCI 9054应该为PCI的工作目标,这时应选择PCI 9054的工作方式为PCI从模式。当硬件设计者选择本地端发起控制的时候,PCI 9054成为主控设备,而PCI则成为PCI 9054的工作目标,这种情况下应选择PCI 9054的工作方式为PCI主模式。在数据进行DMA传输时,PCI 9054对PCI端和LOCAL端都是主控设备,本身具有DMA控制器完全可以脱离PC机进行DMA控制,此时PCI 9054工作在DMA传输模式。
3.3DMA控制器设计
DMA控制器的全称是直接内存访问(direct memory access)控制器,在很多计算机系统和嵌入式系统中具有非常重要的地位。它的作用是在不需要CPU参与的情况下,完成数据的传输。数据的传输可以在内存与内存之间进行,也可以在内存和外设之间进行,甚至可以在外设和外设之间进行。
PCI 9054集成了两个互相独立的DMA通道,每个通道都支持block DMA和scatter/gather DMA,通道0还支持demand DMA传输方式
Block DMA要求PCI主机或Local主机提供PCI和local的起始地址、传输字节数、传输方向。主机设定DMA开始位启动数据传输,一旦传输完成,PCI 9054设定DMA“传输结束位”结束DMA,如果中断允许位被使能,在传输结束时PCI 9054将向主机申请中断。在DMA传输中,PCI 9054既是PCI总线的主控器又是local总线的主控器。
Scatter/gather DMA要求主机在PCI空间或local空间设定descriptor模块,模块包括PCI和local的起始地址、传输字节数、传输方向和下一个descriptor模块的地址。PCI 9054载入第一个descriptor模块并发起传输,连续加载下一个模块,直到它侦测到“链结束位”有效,PCI 9054设置“传输结束位”,或者申请PCI或Local中断。这种模式下,PCI 9054也可以在每个模块加载时有效中断信号结束DMA传输。若descriptor模块在本地存储空间,可以编程使DMA控制器在每次DMA传输结束后清除传输字节数。
PCI 9054的DMA传输过程可由以下几个步骤实现:
a) 设置方式寄存器:设置DMA通道的传输方式,寄存器DMAMODE0或者DMAMODE1的位9:0——表示块传输,1——表示散/聚传输;
b) 设置PCI地址寄存器:设置PCI总线侧的地址空间;
c) 设置LOCAL地址寄存器:设置LOCAL总线侧的地址空间;
d) 设置传输计数寄存器:以字节为单位设置传输数据量;
e) 设置描述寄存器:设置DMA传输的方向;在散/聚方式下,位0表示传输参数的加载地址,0——PCI地址,1——Local地址;位1表示传输链结束,0——未结束,1——结束;位2设置当前块传输结束后中断;位3指示DMA的传输方向,0——从PCI总线到Local总线,1——从local总线到PCI总线;高28位[31∶4]表示传输参数表的地址指针;
f) 设置命令/状态寄存器:启动或停止DMA操作,并读此寄存器返回DMA状态。
下面为PCI 9054芯片中有关DMA传输配置的引脚:
LHOLD:输入信号,申请使用本地总线。
LHOLFA:输入信号,对LHOLD应答。
ADS:输出信号,表示新的总线访问有效地址的开始。在总线访问的第一个时间周期设置。
BLAST:输出信号,表示总线访问的最后传送。
LW/R:输出信号,高电平表示读操作,低电平表示写操作。
LA:地址线。
LD:数据线。
READY:输出信号,表示总线上读数据有效或写数据完成。用以连接PCI 9054等待状态产生器,输入信号。
设计时选用ALTERA的FPGA EP1C3T144C8芯片,用verilog HDL语言编写代码实现硬件控制逻辑的设计,仿真时序图如图3所示。
3.4 驱动程序的实现
设备驱动程序是衔接计算机操作系统与硬件设施,其基本功能是识别硬件,完成对设备的初始化,能对端口进行读写操作,中断设置和响应及中断调用,以及对内存的直接读写。图4反映了设备驱动程序在操作系统中的作用。
驱动程序的开发使用Numega公司的Driver Studio。它包含完善的源代码生成工具以及相应的类库和驱动程序样本;提供了在VC++下进行驱动程序开发的支持;包含有调试工具Monitor和SoftIce。
Driver Studio中的Driver Works软件为开发WDM程序提供了一个完整的框架。它包括一个可快速生成WDM驱动程序框架的代码生成向导工具Driver Wizard,而且还带有许多类库。
开发者只需要关心中断响应操作、数据端口读取以及与应用程序通信,大部分PnP处理和电源管理等由程序提供基类的默认操作实现。
Driver Studio提供了三个类:KDma Adapter,KDma Transfer和KCommon Dma Buffer类,用于实现DMA操作。KDma Adapter用于建立一个DMA适配器,它说明DMA通道的特性。DMA数据传输的具体操作则由类KDma Transfer来实现的。要开发DMA驱动程序,通常还要涉及到硬件访问和中断处理的问题。因此,在DMA驱动程序中应包含有硬件访问编程部分和中断处理编程部分。通常可以使用KIo Range类实现对I/O映射芯片的访问,KMemory Range类实现对内存映射芯片的访问。
Driver Studio中使用KInterupt类实现中断的处理,主要调用其成员函数对中断进行初始化,控制一个中断服务程序和一个中断之间连接和断开。对于Driver Wizard生成的框架,它在On Start Device(KIrp I)中对一个中断对象调用了Initialize And Connect(),完成了中断的初始化与连接,但是作为实际应用,最好在On Start Device(KIrp I)中只作初始化,而在需要中断服务的时候在PASSIVE-LEVEL级别上调用Connection()。
在中断服务例程中,首先必须根据硬件信息来判断该中断是否是自己的设备发出的。这是因为PCI总线共享中断,系统在接收到中断后,顺序调用各个注册该中断资源的驱动程序的中断处理例程。如果有返回TRUE的例程,那么代表该中断已处理,就不再调用其它例程。如果是返回FALSE的例程,则说明该中断没有处理,则继续调用其它的例程。如果返回错误,就会扰乱系统,造成系统崩溃。其框图如图5所示。
编写设备驱动的最终的目的是需要由用户程序来调用驱动并实现一定的功能。驱动程序加载以后需要用户应用程序去调用。应用程序利用Win32 API直接调用驱动程序,实现驱动程序和应用程序的交换。首先用Create File()打开设备,然后用DeviceIo Control()与驱动程序通信,设备使用完后用Close Handle()关闭设备句柄。
4 结语
主要阐述了在数字图像信号源项目中,基于PCI总线接口技术实现DMA数据传输的设计模式及其驱动程序的设计思想。在项目开发中发现,PCI 9054以其强大的功能和简单的用户接口,为高速PCI总线接口的开发提供了一种简洁的方法。采用PCI 9054专用接口芯片可以避开复杂的PCI协议,能够减少许多相应的外围器件,降低开发难度,缩短开发周期,大幅度降低压缩成本。目前设计的数字图像信号源已用于测试系统中,达到了设计要求。
摘要：在阐述基本设计要求的基础上,介绍一种基于FPGA的模拟高速CCD相机数据数字图像信号源的开发,着重对PC I总线部分的DMA传输控制器设计及其在Windows 2000下WDM设备驱动程序的编程要点进行介绍。
关键词：外围部件接口总线,DMA传输,WDM驱动程序
参考文献
[1]Altera可编程逻辑器件的应用与设计[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2]黄身锞.PCI总线接口芯片9054及其应用[J].世界电子元器件,2006(6).
[3]陈宇.基于Driver Studio的PCI设备WDM驱动程序的设计[J].电子器件,2008(6).
[4]颜建峰.基于PCI总线的DMA高速数据传输系统[J].电子科技大学学报,2007,10.
数字处理信号控制器 篇8
自动消防炮灭火装置(以下简称“自动消防炮”)是集自身报警、扫描定位、灭火于一体的高智能灭火设备。具体是指在大空间内可以实现自动探测火灾、自动寻找火源点、自动报警、自动定位喷水灭火,并在灭火后可以自动关闭水源的智能灭火产品。
1自动消防炮的电气功能技术要求
1.1火灾数据采集
自动消防炮采集火灾数据主要分为两个阶段。一是在监控状态实时采集保护范围内的环境光数据,该数据有红外光和紫外光两组。其有效光谱集中在4.35μm和190nm附近,这也是火焰燃烧光谱能量集中的位置。二是在自动消防炮扫描起火点,确定火焰位置的状态。该阶段对数据处理的实时性要求极高,通常每秒至少要采集并且处理200个以上数据才能满足探测精度的需要, 否则自动消防炮的性能指标将会大幅度下降。
1.2火灾数据分析与提取
自动消防炮主控系统将采集到的火焰数据分析处理后与预存的火焰数据数学模型进行相似度判断,用以确定当前保护区域内是否存在火灾。该部分数据处理对系统运算能力有一定的要求,在自动消防炮扫描起火点时, 需要在几十毫秒、甚至十几毫秒内,通过预先设计的数学算法提取出有效的火焰强度、频率及燃烧趋势等信息。
1.3控制执行机构
自动消防炮采用蜗轮蜗杆传动的机械结构,使用直流电机驱动。辅以高精度的电子角度反馈系统,与采集到的火焰数据匹配,以便精确定位起火点。
1.4通信系统
自动消防炮与消防控制中心需要建立通信链路,接收远程控制命令。同时上传自动消防炮的运行状态(监控、扫描、灭火等)及灭火信息(报警、打开阀门、阀门开启状态等)。根据现场的视频,操作人员可以在消防控制中心手动控制自动消防炮定位起火点,打开阀门喷水灭火。
自动消防炮还需要 与现场手 动控制盘 建立通信 连接,以便现场手动控制其旋转、定位起火点、打开阀门、报警以及喷水灭火等动作。此外,通过现场控制盘的通信接口,可以实现在现场对自动消防炮的运行参数即时调整,如定位准确度、探测灵敏度等参数。
2自动消防炮系统设计
基于上述电气性能的技术要求,一般自动消防炮的数据处理和逻辑控制采用多个微处理器共同工作的方式来处理。否则,会造成数据处理和逻辑控制协调不当,或降低数据处理的工作量。这两种方式都会影响自动消防炮的工作可靠性和稳定性。
Microchip公司的dsPIC30F系列微处理器具有高性能改进型RISC CPU内核和DSP引擎,这极大地提高了内核的运算和数据吞吐能力,可同时满足逻辑控制的实时性和高速数据处理两方面的要求。
2.1dsPIC30F系列微处理器的结构特点
dsPIC30F系列16位微处理器是一种具有单片机和DSP综合功能的16位CPU,不但保留 了单片机 的基本性能、丰富了外围模块,还兼具DSP的高速运算能力,是嵌入式系统设计的最佳解决方案之一。由于集多种功能于单一芯片,从而大大节省了电路板空间。目前开发的dsPIC30F产品主要分为通用系列、电机控制和电源变换系列、传感器系列等。其中,dsPIC30F6014A以其丰富的外围模块、I/O接口、可支持多种电机控制等特点,广泛应用于电机控制、开关电源控制等领域、消防自动设备控制及数据处理分析等领域。该微处理器在许多应用中优于32位控制器。
2.2功能叙述
自动消防炮 控制系统 的总体结 构,如图1所示。 dsPIC30F6014A微处理器实时采集多个火焰传感器传递来的数据经过DSP核的处理,依据特定的数学模型分析出相应的结果,指挥相应的执行机构,并通过串行通信模块将数据与消控中心的通信系统进行数据交换。
2.3自动消防炮的硬件设计
2.3.1火焰信号采集模块
采集火焰信号的硬件部分包括红外扫描电路和紫外扫描电路。各路信号经放大、滤波等硬件处理,传送至控制主板的信号调理电路。信号调理电路部分输出的模拟信号,经过dsPIC30F6014A内部高速A/D转换为数字信号,方便微处理器进行数据分析及火焰数学模型比对。
(1)红外扫描电路。使用专用的火焰红外传感器采集火灾红外光谱信息,利用运放集成电路LM224和高精度电压基准AD586,设计火灾红外信号的采集和信号调理电路。用以分析火灾红外光谱特性,包括火点红外能量强度、火焰闪烁频率、变化趋势等火灾红外光谱信息。 该部分数据通过dsPIC30F6014A的A/D变换通道直接进入芯片内部等待处理。
(2)紫外扫描电路。紫外传感器采用日本某公司的R2868,该传感器光谱响应范围为185~260nm,可以满足探测火灾紫外光谱的技术要求。
2.3.2系统控制主板
以dsPIC30F6014A微处理器为控制主板核心,包括直流电机驱动模块、通信控制模块等。
(1)电机驱动模块。采用4个大功率场效应管组成的桥式驱动电路,控制直流电机的正反转。为了提高系统的抗干扰能力,电机状态控制端使用了光电隔离电路。 同时,在电机主电源端增加电流保护电路,避免电机堵转时造成电流瞬时增大而烧毁电路板。
(2)通信控制模块。dsPIC30F6014A微处理器 具有双路增强型UART模块,可满足自动消防炮同时与消防控制中心和现场手动控制盘通信的需求。该芯片还具有CAN现场总线通信功能,给系统通信功能扩展预留了足够硬件空间。
与消防控制中心远程通信采用M-BUS总线,具有抗干扰能力强、对总线拓扑结构不做特殊要求的特点,方便现场的工程施工,保证了系统通信的可靠性。
自动消防炮与现场手动盘的通信总线使用RS485的方式。该总线结构简单,与多种电子设备容易接口,方便现场控制及二次对自动消防炮的运行参数进行修改。由于现场手动盘距离自动消防炮较近(一般安装在可直接看到水炮的地方),且是点对点通信。所以,RS485的总线方式可以满足设计要求。
2.4自动水炮系统的软件设计
为充分利用dsPIC30F6014A微处理器的资源,数据处理、算法分析部分由DSP核独立完成,逻辑控制、输入输出I/O控制以及通信控制的软件部分由控制核完成。
2.4.1数据处理算法
通过大量的模拟火灾试验,分析常见火灾类型的红外物理特性和紫 外物理特 性。将上述分 析结果存 储起来,作为依据设计相应的数学模型,对采集到的火灾数据信息进行特征提取。设计的分析算法必须要将其中所有火焰特征提取出来才能保证火灾探测的可靠性,同时还要保证处理数据的速度足够快。此部分的工作主要由微处理器的DSP核独立完成。
2.4.2逻辑控制和通信控制
控制逻辑主要协调执行机构动作、火灾探测结果、系统状态采集(位置信息、工作状态、阀门状态等)以及自动消防炮预 设功能的 执行等内 容。 其通信控 制完全由dsPIC30F6014A的中断硬件实现,不占用中主控逻辑的处理时间。
自动消防炮工作流程,见图2所示。
3结语
笔者采用dsPIC30F6014A微处理器 的软硬件 设计方案已经成功应用于自动消防炮设备中。实际工作外频使用8 MHz的频率源,微处理器工作时基本没有温升。 自动消防炮的数据处理实时性、可靠性均能满足相关国家标准的要求。经过多个工程现场的实际应用检验,达到了自动消防水炮灭火系统的设计要求。
摘要：介绍了一种高性能数字信号控制器,其具有高性能改进型RISC CPU内核和DSP引擎。应用于自动消防水炮的控制系统之中,可以同时满足逻辑控制的实时性和高速数据处理两方面的要求。
数字处理信号控制器 篇9
牵引疗法是治疗颈椎病的常用而有效的方法之一。它通过外力牵拉脊柱颈段及相关组织结构,使颈椎间隙增大,调节颈椎椎间孔大小,缓解由损伤、蜕变或椎间盘突出造成的神经根刺激或压迫性疼痛。间歇牵引还可改善血流循环,松解肌纤维粘连,刺激关节和肌肉感觉神经,起到按摩、镇痛的作用[1,2]。目前,国内市场上的牵引装置仅限于手动操作,施加持续力,疗效较差;而进口智能化牵引仪功能单一,体积大,且价格昂贵,不利于广大颈椎病患者在家进行日常而有效的治疗。
本文介绍一种新型智能化颈椎病牵引控制系统的设计。它集显示、力反馈控制、通讯等功能于一体,可选用多种牵引工作模式,设置牵引力大小、牵引时间、间歇时间、治疗时间等程序化参数;它还配有程序扩展空间与接口电路,以扩充其他物理治疗功能。本系统体积与质量小,适用于便携式、家用、多功能颈椎病治疗仪的智能化控制。
2 系统工作原理
控制系统的工作原理如图1所示。当系统按照所设定的工作模式运行时,步进电动机转动产生牵引力的变化,牵引装置中的力传感器通过A/D转换器将牵引力大小实时反馈给微处理器,微处理器将其与程序预设置的牵引力参数相比,以得到步进电动机的控制参数,从而调节当前施加牵引力的量值等参数。同时,LCD液晶显示器和发光二极管实时、动态显示所施加的参数及系统状态。遇到异常情况,系统自动报警,并立即停止治疗。牵引治疗完成后,仪器根据预设置程序,自动进入理疗程序,以放松患者颈肩部肌肉,减轻患者患处的疼痛,增强牵引治疗的疗效。系统配有RS232串口,可与计算机通讯,以便医生根据患者治疗情况,通过计算机将康复处方及疗程控制参数定期写入牵引控制系统,从而确保牵引康复治疗的有效性和安全性[3]。计算机亦可对治疗仪器进行控制操作。
3 硬件电路设计
硬件电路由微机控制、电动机及驱动、力反馈信息采集、实时显示与人机接口、计算机-微机串口通讯、物理治疗功能扩展接口、实时保护等7个单元电路组成。
3.1 微机控制部分
微机控制系统采用了美国TI公司的TMS320F2812数字信号处理器,为32位定点DSP控制器,其频率高达150 MHz,大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力,是电动机等数字化产品升级的最佳选择。它本身带有128 KB闪存,可用于开发及对现场软件进行升级时的简单再编程。该器件还包括12位的A/D转换器,吞吐量可达16.7 Mb/s的采样。片上带有两个事件管理器,是数字电动机控制应用使用的非常重要的外设[4,5,6]。
3.2 电动机及驱动部分
电动机采用Kinco型步进电动机。它的步进角为1.8°,额定电流为1 A,保持转矩为8.82 kN·m。电动机驱动器采用Motek细分型步进驱动器2M412,它的工作电压为12～36 V,输出电流可调,最大驱动电流为1.2 A。该驱动器具有高功率、性能稳定、体积小,价格低廉等特点。它可提高步进电动机的转速精度、降低其振动和噪声。CPU通过时间管理器产生PWM波为2M412提供步进控制脉冲信号。步进控制脉冲信号要求具有10 m A左右的驱动能力,脉冲控制信号宽度应大于10μs,占空比保持在10%～90%,以免引入干扰。
3.3 力反馈信息采集
力反馈信息采集由S型传感器和A/D7705转换器来实现。A/D7705可以直接接受来自传感器的低电平(0～20 mV)输入信号,然后产生16位串行数字输出。它的增益值(1～128)、信号极性和更新速率可由软件设置实现。S型传感器具有体积小、质量小且价格低廉等特点,是理想的测绳拉力传感器。
3.4 实时显示部分和人机接口部分
实时显示与人机接口主要由LCM168651液晶块实现。128×64点阵,接口模式采用直接访问方式。由于TMS320F2812的I/O口供电电压为3.3 V,而液晶模块的电源电压为5 V,所以,中间需加上电平转换电路进行电平转换。本系统采用LVC16245作为电平转换芯片。人机接口部分中,键盘采用独立式键盘工作方式,键盘信号的读取通过74HC573由CPU的通用I/O口完成。
3.5 计算机-系统串口通讯
上位机(计算机)和下位机(系统)的串口均工作于异步全双工通信模式,两者通过RS-232串行接口进行直接传送通讯。电平转换芯片采用MAX3160EAP。
3.6 物理治疗功能扩展接口
理疗功能扩展接口主要包括数模转换DAC7643和功率放大器17358。它为软件设计了物理治疗方式,如中频电治疗等,提供适当输出功率与接口。
3.7 实时保护电路
系统采用TMS320F2812内部的看门狗电路作为实时保护电路。当系统在设置时间内无信号输入时,看门狗定时器会启动复位脚,使CPU复位。另外,系统使用了一个蜂鸣器,如果患者在使用过程中出现异常(牵引力过大、理疗电流过大等),蜂鸣器亦会自动报警,同时中断系统工作。
4 软件设计
仪器软件部分采用模块化结构,使用C语言对DSP进行编程,从而实现对步进电动机和理疗部分的控制。
4.1 控制系统主程序
控制系统主程序和键盘中断程序流程图如图2所示。主程序初始化(定义常量、变量及LCD初始化,EEPROM初始化,AD7705初始化,RAM初始化等)结束后,系统开外部中断XINT1,可处理键盘外部中断,它的中断优先级最高。然后进入主循环,调用LCD显示程序和键盘处理子程序。键盘处理程序根据变量KEYCODE的值调用相应的功能函数。
当有键按下时,进入中断处理子程序,查询键值,如果为牵引键或理疗键,则赋予KEYCODE值,退出中断;如果为数字键、中频键、STOP键、PLAY键、PAUSE键等,则调用相应的程序,改变对应的变量(如数值大小、STOP_F状态等)后,退出中断。
在患者做完牵引后,主程序可根据LCD显示菜单中设定的理疗参数,自动进入理疗程序,之后判断有无“PLAY键”按下,决定波形是否输出,并根据菜单输入的时间参数启动定时器,中间如有异常,系统自动报警并停止工作。
4.2 牵引程序
牵引子程序的流程图如图3所示。用户通过LCD显示菜单中设置牵引模式和牵引参数,如:何种间歇牵引模式、牵引相最大加载力、松弛相最小加载力、牵引相时间长度、松弛相时间长度、总牵引治疗时间等。当主程序接到启动牵引中断申请,进入牵引子程序后,程序首先调入LCD的设置参数,转换成控制步进电动机的执行程序,启动并控制步进电动机的转速、旋转方向。在电动机运行过程中,程序通过A/D7705定时读取牵引装置上力传感器反馈的实际施力数据,与LCD的设置参数进行比较,从而给步进电动机提供正转、反转或停止等控制信号。该控制程序可提供两种工作模式:持续牵引和间歇牵引。间歇牵引的牵引方式包括梯形、正三角形、正斜三角形、倒斜三角形、阶梯形等,由机内计算机程序提供[7,8]。牵引力过度时自行退出牵引程序,同时蜂鸣器发出警报。
4.3 实时显示部分和人机接口部分
液晶显示程序包括初始化设置,清显示RAM区,建立字符发生器CGRAM程序及直接方式下的读状态字,读数据子程序,写指令,写数据子程序和图形方式下的显示程序等。其中,CGRAM建立在系统程序区内,由程序逐字节向图形显示区写入,并在显示屏上显示相应的汉字。这里,关键是建立CGRAM汉字库、建立偏置寄存器内容、建立字符模块数据、定义该字符的字符代码以及写入CGRAM。
独立式键盘采用中断工作方式包括:中断响应后关中断→去抖处理→确定具体按键→实现按键功能。
4.4 串口通讯程序
控制系统通过RS-232串口完成与计算机之间的通讯。上位机可利用VC++6.0提供的MSComm通讯控件编写VC程序,实现串口控制,通讯端口号、通讯协议及传输率的设定,并通过MSComm控件的事件驱动来捕捉串口事件,发送、接收端口数据。下位机则采用串行中断方式实现串行数据的传送。DSP有独立的接收器和发送器中断,同时也可以设置发送器和接收器中断的优先级。当RX和TX中断申请设置相同的优先级时,接收器总是比发送器具有更高的优先级,这样可以减少接收超时错误。
5 结论
本牵引控制系统设计采用了自动控制、微电子技术和计算机软件技术。它具有自适应反馈控制功能,以解决动态牵引过程中的恒定拉力控制问题。系统提供了多样性牵引康复处方设置功能,以满足具有不同个体特征的颈椎病患者选用不同牵引康复处方的需求。系统具有牵引过度保护及报警功能,以便在因施加牵引力偏大,或牵引力增加过快、过大引起患者颞颌部不适时,及时采取应急措施,中止治疗,以避免造成患者颞颌部关节痛、牙痛、头痛和肌肉、韧带、关节囊等软组织的损伤[9,10]。
系统还配有程序扩展空间与接口电路,以扩充其他物理治疗功能。这种集牵引、理疗于一体的程序化操作,不仅方便用户,更重要的是它可大大提高牵引治疗的效果。系统配有与计算机的通讯接口,以便医生输入、更新康复治疗处方,从而确保患者安全、可靠地在家中或旅馆中使用。
摘要：目的:研制一种基于数字信号处理器(digital signal processor,DSP)并带实时反馈的智能化颈椎牵引控制系统。方法:将生物力学、人体工程学、自动控制技术、电子和计算机技术相结合,以事先设定的自动调整牵引模式进行牵引治疗。结果:该系统由DSP控制电路构成,具有牵引力信息采集与反馈控制、显示、实时保护及串口通讯等功能。结论:适用于便携式、家用、多功能颈椎病治疗仪的智能化控制。
关键词：颈椎,牵引,数字信号处理器,智能化
参考文献
[1]陆银春,李建平,朱国兴,等.间歇式颈椎治疗仪的研制[J].医疗卫生装备,2008,29(5):64-67.
[2]赵定麟.现代颈椎病学[M].北京:人民军医出版社,2001.
[3]Harris P R.Cervical traction Review of literature and treatment guidelines[J].PhysTher,1977,57:910-914.
[4]苏奎峰,吕强,耿庆锋,等.TMS320F2812原理与开发[M].北京:电子工业出版社,2005.
[5]邹彦,唐东,宁志刚,等.DSP原理及应用[M].北京:电子工业出版社,2005.
[6]汪安民.TMS320C54XX DSP实用技术[M].北京:清华大学出版社,2002.
[7]伍瑞昌.卫生装备配置优化研究[J].医疗卫生装备,2006,27(2):13-15.
[8]马敏,张云新,王国柱,等.自重式颈椎牵引梯稳定牵引力的研究[J].医疗卫生装备,2004,25(7):55.
[9]陆银春,李建平,朱国兴,等.间歇式、加热型颈椎治疗仪及应用[J].中国医疗设备,2008,23(1):108-109.
数字处理信号控制器 篇10
关键词：数字荷尔蒙模型,计算粒子,分布式信号,交通控制
1 引言
大中城市的道路交通网通常包含数百甚至数千的路口, 如此庞大复杂的交通网络必须通过交通信号控制车流的通行。与单路口的交通信号控制不同, 多路口的交通网络存在路口之间交通流的相互影响, 仅考虑单个路口的通行问题无法使整个网络达到最佳的通行状态。如何在保证每个路口交通基本畅通的前提下提高路口之间交通信号的协调以增加整个路网的通行能力是分布式交通网信号控制的关键。
首先, 交通模型的建立需要大量路网几何数据和交通流信息, 因此费时费力;其次, 控制子区的划分问题尚未解决;另外, 饱和流率的校准急需自动化。由于现有交通网信号控制方式的不足, 随着分布式问题求解方式和多智能体技术的发展[1], 人们开始探讨交通信号的分布式控制问题, Hakim Laichour等、Jeffrey L.Adler等、John France等相继提出多种基于多智能体的道路交通分布式控制概念模型[2,3,4]。李英构建了分布式交通信号控制的概念模型, 并对由两个路口组成的简单交通系统进行仿真实验, 证明分布式控制方法优于传统控制方式[5]。李灵犀等建立了两相邻路口的分层递阶模糊控制模型, 并通过仿真实验证明该方法优于传统感应控制[6]。
本文在基于荷尔蒙信息的基础上, 结合数字荷尔蒙模型, 建立了分布式道路交通信号协调控制, 并对一个由8个路口组成的交通网进行实验, 实验结果表明这种新控制方法的控制效果明显优于定时控制、感应控制和实时控制。
2 数字荷尔蒙模型
2.1 数字荷尔蒙模型的基本思想
数字荷尔蒙模型 (The Digital Hormone Model, DHM) 是由自组织性应用于生物界所得到的分布式计算模型, 数字荷尔蒙模型的理论来源于4个因数:第一是复杂生物样式, 它是同源细胞自组织的结果, 自组织的过程由类似于荷尔蒙的化学信号来调控;第二是分布式自组织控制, 它能使自身可重构的机器人表现其运动和重组的能力;第三是现有的自组织模型, 例如Turing的反应-扩散模型;第四是随机细胞自动机。数字荷尔蒙模型的思想就是利用这些因素来协调细胞之间的行为。这样的协调是分布式的, 网络中有大量的计算粒子, 粒子之间自由的通过协作来选择他们的行为;协作是动态的, 粒子间的相互协调关系会实时变化;协调是异步的, 协调在粒子间自由的进行, 没有全局的时钟控制。
数字荷尔蒙模型中计算粒子通过类似荷尔蒙的信息、协作从而完成全局的行为。这些类似荷尔蒙的信息与那些基于内容的信息很相似, 但又不相同[7]。它们没有一个固定的ID, 而是通过实体间的链接扩散传播。所有实体运行相同的决策协议, 它们根据本地的拓扑结构和状态信息, 对接收到的荷尔蒙做出相应的反应。故不同粒子接受到同一个荷尔蒙, 由于本地的拓扑结构和环境状态不一样, 会产生不同的反应。而且, 荷尔蒙的传播也不同于传统意义下的信息传播, 它并不保证网络中所有的粒子接收到的都是相同的荷尔蒙, 因为在传播过程中, 随时可能会发生变化。
荷尔蒙包括吸引因子和抑制因子。类似于磁铁同性相吸、异性相斥的原理, 吸引因子代表着细胞之间的聚合驱动的程度;抑制因子刚好相反, 代表着它们之间的排斥力。如图所示给出了简单的数字荷尔蒙模型。
由坐标 (x, y) 给出标准分布方程:
其中aA, aI, σ, ρ是常数, 并且σ<ρ以满足自身稳定条件中抑制因子扩散率必须大于吸引因子扩散率的要求。注意到由于σ<ρ, A的分布比I的更陡更窄。这些特点类似于生物学中的实验现象 (Jiang等, 1999;Chuong等, 2000;Yu等, 2002) 。假定荷尔蒙激素A为正值, 而激素I为负值, 对于一个独立细胞而言, 其邻近格荷尔蒙集中程度形似三个彩环 (见图1右下角) 。吸引因子荷尔蒙控制内环;抑制因子控制外环;中环由A和I作用相互抵消呈现中立。格中两种荷尔蒙素作用由叠加格中所有的A和I而得:
当两个或更多细胞相邻时, 周围格的荷尔蒙叠加来计算荷尔蒙浓度。图1上部显示了围绕着单个及双细胞的组合的荷尔蒙浓度。由于格子是离散的, 细胞周围的环以方形来代替圆形显示。
当所有的细胞同时移动时, 多个细胞可能于同一格中相碰撞。细胞的碰撞可由简单方法予以避免。所有细胞首先虚拟地移向其所选定的格子。如果同一格中有多个细胞, 多余的细胞立即随机向附近空格分布。这是环境作用并非细胞行为。但这一行为能确保任何时间任一格中最多只有一个细胞。
针对细胞行为, 数字荷尔蒙 (DHM) 由函数P0 (B|C, S, V, H) 确定, 定义如下:
B:每一细胞有10种行为 (模式) 。B0指隐藏A和I. B1, …, B9指移向邻格:北、南、西、东、东北、西北、东南、西南及自身占据格。
C:每一细胞在该简单模型下有8个邻格, 每一个邻格对应一个。
S:每一细胞有9个荷尔蒙感应器, 每一个邻格对应一个 (包括自身) 。
V:细胞在该模型下无本地变量。
H:由感应器探到的9个荷尔蒙值:公式如下:
最佳邻接函数的定义使得移向特定邻格的概率和CA与CI均成比例 (正比例和反比例) , 概率之和为1。每一细胞总是以隐蔽荷尔蒙执行B0.注意到P0 (B|C, S, V, H) 这一概率由两部分独立计算而得:一部分由B0计算, 另一部分由B1, …, B9计算。
2.2 数字荷尔蒙模型的主要组成部分
数字荷尔蒙模型包括三个部分:动态网络、计算粒子的行为规则、荷尔蒙反应扩散规则[8,9]。
动态网络反映N个对等的计算粒子之间的拓扑结构。粒子之间存在着物理或者逻辑的链接, 这些链接构成了整个网络的拓扑结构, 链接的概念很广泛:在超级计算机网络中, 链接表示的是链接相邻节点的通道;在无线网络中, 节点的链接是用于通讯的通道;在自身可重组的机器中, 链接表示机器人不同的部件之间相链接的物理关节。
DHM网络拓扑结构可表示为:
式中:DNSRt为DHM网络在t时刻的拓扑结构;Nt为网络中计算粒子集合;Et为计算粒子间的链接集合。
DHM网络的拓扑结构是不确定的, 公式的Nt和Et都是动态可变的, DHM允许计算粒子遭受外力破坏, 也允许外力增加计算粒子, 同时, 粒子之间的链接是不定的, 随着粒子的运动而动态的变化。
动态网络是计算粒子间通讯的基础, 计算粒子通过这个网络拓扑结构来接收和发送荷尔蒙。动态网络具备一些性质:
每个接点都是一个自身可重组的计算粒子;
每个计算粒子都有有限个的接口, 每对接口相连构成一个链接;
网络的拓扑结构是动态变化的, 计算粒子之间的链接是不确定的, 根据环境的改变而动态的生成;
荷尔蒙通过计算粒子间的链接传播;
计算粒子不知道整个网络的大小和信息, 也没有固定的ID.
DHM的第二部分是计算粒子行为的规格。每个计算粒子在网络中根据相同的机率函数P来选择它的行动B, 公式表示如下:
由式 (5) 可知:粒子的运动由4个因素决定, 分别是链接信息C、传感器信息S、局部变量的值V以及接收到的荷尔蒙信息H. 在DHM网络中, 每个粒子都动态的与相邻粒子之间创建链接, C就表示这些链接的信息, 对应于所有与之相邻的粒子;同时, DHM中也为每个粒子设置多个传感器, 每个传感器对应相邻的粒子以及本粒子, 它们的信息用S来表示;V代表粒子的本地信息;H即是该粒子接收到的所有荷尔蒙值, 这是粒子运动的最重要决定因素。
第三部分是荷尔蒙反应、扩散规格。荷尔蒙的浓度是一个关于空间和时间的方程, 用C (x, y) 来表示荷尔蒙的浓度函数, x和y分别表示空间的x轴和y轴。则控制荷尔蒙的反应-扩散等式为:
式中右边的第一个式子表示的是荷尔蒙在空间上的扩散, a1和a2是代表小x和y方向的扩散率。函数R是控制着C的反应函数, 它取决于所有其他的荷尔蒙浓度。常数b是散逸率。
2.3 数字荷尔蒙模型的基本规则和步骤
数字荷尔蒙模型为计算粒子提供一个强有力的协调机制。通过这个协调机制, 大量行为不确定的计算粒子可以形成一个确定的全局模式。全局模式的具体样式是不确定的, 它完全依赖低层计算粒子之间的相互关系;但是, 全局模型的出现又是不确定的, 计算粒子之间的不确定的行为必然会自下而上的涌现出一个全局模式。在某一时刻, 计算粒子感知周围环境的信息, 根据内部的行为规则选择并且执行一个或多个行动。这些规则可以是确定性的也可以是概率性的。给定网络、计算粒子、荷尔蒙、行为和规则, 单个计算粒子在异步中执行基本控制, 如下循环, 粒子间通过进行下列的循环到达全局的样式[8]:
① 计算粒子由它们的行为规则选择行动;
② 计算粒子执行它们所选择的动作;
③ 计算粒子的动作引起本地荷尔蒙浓度发生变化;
④ 荷尔蒙由本地向有链接的相邻粒子传播;
⑤ 返回步骤①。
在数字荷尔蒙模型中, 两个简单的行为规则控制着计算粒子的行为[9]。第一个规则是:“计算粒子在每一步分泌吸引因子和抑制因子”, 这意味着每个计算粒子在状态发生改变时都会伴随着相应荷尔蒙浓度的改变。第二个规则是说:“计算粒子是根据不同位置的荷尔蒙浓度来决定移动的位置”, 也就是说, 计算粒子移动到一个特定位置的可能性 (包括停留在它当前位置) 与相应位置的吸引因子的浓度成正比, 与抑制因子的浓度成反比, 荷尔蒙的浓度是随时变化的, 因此移动的位置也是事先无法预料的。
结合上面的行为规则, 在初始状态, 计算粒子的随机的分布在动态网络中, 计算粒子首先接受它所处的相应信息, 结合自身的一些数据, 根据式 (5) 来选择它的行为, 并做出反应, 移动到相应的位置中, 由于计算粒子的位置发生改变, 随即引起本地荷尔蒙浓度的改变, 之后, 荷尔蒙根据式 (6) 随着空间和时间向外扩散传播, 使与该计算粒子有链接的相邻粒子的荷尔蒙浓度也随之发生改变, 并逐渐影响到整个网络。计算粒子的行为如下图:
DHM中计算粒子之间存在着某种链接, 荷尔蒙信息通过粒子间的链接传播扩散, 但是这种链接是不确定的, 每个粒子的运动都是可能使整个网络的拓扑结构发生变化。粒子间链接不是按照它们的标识符来确定的, 它们根据某种特性相连, 所以粒子间的链接是动态变化的。
3 数字荷尔蒙模型下的分布式控制仿真
本文实验采用HSpice仿真软件进行仿真, 实验采用一个由8个路口组成的交通网络 (如图3所示) , 各路段的上下行均为2车道, 共4车道;路口1、2、4、5、7、8 的信号机设置三个相位, 路口3、6 的信号机设置四个相位[10]。各个路口的道路情况和信号控制相位设置如图4和图5的说明。
路口1、2、4、5、7、8 (见图4) 的信号设置三个相位, 相位1控制车道1、2;相位2控制车道3、4;相位3控制车道5、6。
路口3、6 (见图5) 的信号设置四个相位, 相位1控制车道2、3;相位2控制车道1、4;相位3控制车道5、8;相位4控制车道6、7。实验采用等步长方法, 步长时间为1/15秒, 模拟时间为3小时。在8个不同交通量的条件下, 交通信号控制类型分别为定时点控制方式、感应点控制方式、遗传算法的实时控制方式[10]、数字荷尔蒙的分布式控制方式, 实验的结果如表1所示。
4 总结
图7中横坐标1～8分别代表1080、1540、2230、2700、3220、3740、4480、5400 (辆/小时) 8种不同的交通量。从图中可以看出, 采用基于数字荷尔蒙模型下的分布式交通信号控制方式对多路口交通网控制产生的车辆总延迟明显小于定时点控、感应点控和实时控制的方式。由表1的数据计算平均值可知, 基于数字荷尔蒙模型的分布式控制方式比定时点控的车辆总延迟平均减少39.28%, 比感应式点控的车辆总延迟平均减少21.84%, 比基于遗传算法的实时控制的车辆总延迟平均减少11.67%, 控制效果的改进相当显著。
参考文献
[1]Weiss G.Multiagent systems:a modern approachto distributed artificial intelligence[M].Cambridge, Mass:MIT Press, 1999.
[2]Laichour H, et al.Traffic control assistance inconnection nodes:multi-agent applications in urbantransport systems[C]//International Workshop onIntelligent Data Application and Advanced Comput-ing System:Technology and Application.Foros, Ukraine, 2001:133~137.
[3]Adler J L, Blue V J.A cooperative multi-agenttransportation management and route guidancesystem[J].Transportation Research Part C, 2002, 10:433~454.
[4]France J, Ghorbani A A.A Multiagent System forOptimizing Urban Traffic[C]//Proceedings of theIEEE/WIC International Conference on IntelligentAgent Technology (IAT’03) .2003.
[5]李英.基于Agent的预测与交通控制研究[D].天津:天津大学, 2000.
[6]李灵犀等.两相邻路口信号的分层递阶模糊控制[J].中国公路学报, 2002, 15 (4) :66~68.
[7]Staab S.Neurons, viscose fluids, freshwater polyphydra and self-organizing information systemspublished by the IEEE computer society[Z].2003IEEE IEEE INTELLIGENT SYSTEMS:72~74.
[8]Shen W M, Chuong C M, Will P.Simulating self-organization for multi-robot systems[C]//Proc.2002 IEEE/RSJ Intl.Conf.on Intelligent Robotsand Systems, Switzerland, 2002:2776~2781.
[9]Shen W M, Will P, Galstyan A.Hormone-inspiredself-organization and distributed control of roboticswarms[Z].Information Sciences Institute, Univer-sity of Southern California, 2004:93~105.
