计算机前端编程范文

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中图分类号：TM57 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）06-0020-02

1 引言

智能摄像机前端控制器是通过接受智能摄像机的通信指令，利用单片机技术实现前端补光灯的控制。智能摄像机前端控制器的应用，避免了重复修改智能摄像机FLASH中的参数控制补光灯，有效地增加了摄像机的使用寿命，大大提高了前端设备的可控性能。在铁路系统中，设备监控系统将铁路设备的运行情况、车号识别、货检预检、受电弓接触网等的运行状态实时图像及智能设备的报警信息传输到监控中心，监控人员可通过实时图像和运动信息对车辆运行情况进行综合分析处理。常用的智能摄像机通常具有I/O控制接口，这些接口可以实现对前端补光、抓图以及云台等相关控制功能，但目前智能摄像机对I/O的控制只能通过修改FLASH中参数来实现，而FLASH的修改是有次数限制的，一般为10万次左右，因此对于频繁控制前端设备的应用场合，采用这种控制方式必然会影响摄像机的使用寿命，基于这种情况有必要研制一种既保证前端设备的可靠控制又不影响摄像机寿命的智能摄像机前端控制器。

2 智能摄像机前端控制器设计

智能摄像机的控制方式是造成对FLASH频繁擦写的主要原因，但什么时候打开摄像机的录像功能，使其与补光灯实现同步，需要研制一个控制器来实现这个功能。设计的控制方式如图1。

当有车辆来时，磁钢送信号到监控主机，监控主机与摄像机通过网线进行数据、视频、指令的传输.打开摄像机给前端摄像机的脉冲信号，这时摄像机的信号给前端控制器，前端控制器通过单片机的输出控制光耦合器来控制补光灯的开关，补光灯的频率来自摄像机，摄像机这样就实现了不用频繁修改FLASH，又能达到摄像机和补光灯同步的目的。

3 智能摄像机前端控制器的结构组成及各部分功能

3.1 系统工作原理描述

3.2 系统功能模块设计

3.2.1 单片机部分

单片机是把微型计算机的主要功能部件集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械。单片机是靠程序运行的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，单片机自动完成赋予它的任务的过程，也就是单片机执行程序的过程。学习单片机就要学会软件编程，有汇编语言，C语言等。前端摄像机的控制器采用C8051F320单片机，主要是控制电路板的通讯、光耦合器的开光等功能。

3.2.2 电源部分

电源转换模块主要功能是给单片机部分以及各个控制芯片供电，其特点是可为专用集成电路（ASIC）、数字信号处理器（DSP）、微处理器、存储器、现场可编程门阵列（FPGA）及其他数字或模拟负载提供供电。而本控制器采用摄像机的12V电压，经过三端稳压电路转换成3.3V给单片机及其它芯片供电。

3.2.3 开关部分

开关部分的主要功能是执行单片机发出的控制信号，实际上是执行机构。它是采用信号芯片实现控制接通和断开。前端控制器的开关部分是光耦合器，它接受输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出，起到输入、输出、隔离的作用，由于信号的单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，因此其具有抗干扰能力强，工作稳定，使用寿命长，传输效率高等优点。

4 智能摄像机控制器的硬件设计

4.1 CPU的选择

4.2 ADM3232E收发器

4.3 电源转换模块

前端控制器在工作时，需要由外界电源给单片机部分以及各个控制芯片供电。为方便起见，外界电源由智能摄像机12V供电，由于C8O51F320、ADM3232E收发器以及各个芯片所需电压为3.3V，因此需要进行电压转换。LM7805把来自摄像机的12V电源转成5V，LM117进一步把5V转为3.3V，采用分段式降压的主要目的是降低稳压电路的热损耗，提高电源供电的稳定性。

4.4 其智能摄像机前端控制器的硬件电路图如图3所示。

5 摄像机前端控制器的软件设计

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前言：近年来，广播已经成为了人们信息获取和娱乐的重要媒介，然而，受到互联网等因素的影响，传统模拟广播已经难以满足现代人们的需求，在很大程度上影响广播进一步发展。数字音频广播以其随时、随地的优势，得到了广泛推广和普及。为了提高数字音频广播质量，加强对其接收机前端设计的研究具有现实意义。

一、数字音频广播概念及前端接收机结构

（一）概念

数字音频广播实际上是调幅广播和调频广播之后的第三代广播，主要是将计算机等技术作为基础，利用数字化处理方式实现广播目标和任务。数字音频广播具有真实、噪声小等优势，能够为用户带来全新的听觉体验[1]。

（二）结构

数字音频广播前端接收机结构主要包括以下三种：

首先，高中频超外差。高中频超外差结构是一种应用范围比较广泛的结构，能够获得大而稳定的增益和良好的频率选择，但是，其中频滤波器多使用陶瓷等材质，使得难以在芯片上集成，同时还存在镜频干扰的状况，难以确保质量。

其次，零中频。零中频概念提出较早，但是发展较慢，甚至出现了停止发展的情况。在发展的过程中，零中频在很大程度上解决了高中频的弊端，但是又出现了新的问题，混频器与放大器之间的隔离效果不尽人意，且易出现干扰，相对来讲不适合在数字音频广播接收机中应用。

最后，低中频。低中频介于前两者中间，解决了零中频的问题，有具有较高的集成度，但是其镜频抑制能力较差。

综上所述，在选择接收机前端过程中，要综合考虑实际情况，选择合理的结构。

二、数字音频广播接收机前端设计分析

（一）DAB设计

DAB接收机前端主要采用U2731B专用芯片，并围绕着该芯片进行电路等内容的设计。在接收机前端设计之前要确定设计方案。将天线接收的射频信号转变到中频，并将中心频率设置到标准值；另外，还需要扩大微弱信号，为了确保A/D变换器稳定运行，要保障AGC输出信号稳定，最后，要完成本振频率的AFC，通过三个环节确定设计方案，为下个环节工作奠定基础。

U2732B作为专用芯片，具有射频前端的主要功能，并由多个模块构成，例如：增益可控射频混频器、中频混频器等，本文主要采用二次变频方案，分别设置两个频率，由于该芯片具有良好的自动增益控制性能，而且电路所有控制参数都由总线接口输入进去，可以人为设置信号幅度、灵敏度等，并经由外部中频带通滤波器滤波，将其作为前端电路输出[2]。

基于此种芯片下电路设计的射频和中频滤波器设计，受到输出信号幅度较大等因素的影响，本文采用电感、电容等无源器件进行设计。首先，对前端射频信号进行滤波处理，抑制镜像频率信号对接收效果的影响，提高广播质量。其次，中频主要通过第一、第二两个滤波器进行处理；最后，受到前端与基带相互独立的影响，需要将控制信号通过总线向芯片写入，以此来达到控制信号的目的。

通过对接收机进行实验发现，接收机符合标准，且性能、指标等良好，可以广泛使用。

（二）DRM可编程设计

目前，DRM已经成为了广播领域研究热点，由于数字信号处理器运算速度日渐提升，使得通信系统逐渐渗透其中，通信系统发射机将成为未来发展趋势。数字化无线电接收机具有性能优良、智能化处理等特点，且在一定程度上简化了接收机前端设计，通过对转化后的中频信号进行数字化，并进行编程变频器完成到基带，以此来降低码率输出。

由于存在多种数字音频广播体制，例如：DAB、DRM等，由此，可以设计出多体兼容可行方案。另外，模拟广播接收机将AM和FM两个频段接收机有机结合，而后，由于AM和DRM自身具有多模式等特征，将软件无线电融入其中，便能够设计出可编程数字下变频器。

DAB信号的射频载波频率范围是170MHz～230MHz，信号带宽1.536MHz，需要完成的功能包括将射频型号转变为中频信号、将微弱信号进行放大、完成本振频率AFC等。DRM接收机主要由前端模拟电路、模数转换电路等部分构成，而电路则由前端模拟电路、A/D变换电路和PDC电路组成，通过实际应用，这种模式能够实现兼容模拟广播和DAB、DRM数字广播的接收机前端，能够更好地提高广播质量，从而丰富人们的生活。就目前来看，广播主要采用模拟和数字广播并存的形式，吸取二者的精华，且越来越重视兼容的研究，主要是为了实现频率、宽带等之间的融合，为新技术能够推广奠定基础，从而提高广播质量，为研制符合我国标准的数字广播电视设备奠定了坚实的基础[3]。

（三）多制式兼容接收机设计

当前，世界广播发展的状况是模拟与数字广播并存，多种数字广播制式并存，同时这种状况在短时间内难以改变。因此，在对数字广播接收机进行设计的过程中应该对兼容多种体制的问题进行充分考虑。不同的数字广播体制中采用的激素都类似，例如在DAB与DRM中都采用的是OFDM调制，这些都为设计兼容不同标准的数字广播接收机奠定了一定的基础。不同的标准采用的频率、带宽等都存在一定的差异，导致其前端处理模块也不相同，在设计的过程中重视多制式兼容接收机的设计具有非常重要的现实意义。前文已经给出了DAB与DRM接收机前端的设计内容，将其作为多制式兼容接收机设计的基础。通过多制式兼容接收机中的模拟电路对DAB与DRM进行了整合；AD变换器一方面能够满足DRM前端采样率的要求，另一方面能够适应DAB前端4倍中频数字下变频算法；PDC 模块为 DRM 接收机相应模块增加 DAB 接收机数字正交解调的部分。

结论：根据上文所述，数字音频广播作为我国广播电视的重要组成部分，在社会主义精神文明建设等方面占据不可替代的位置。面对现代技术发展新形势，需要更好地进行接收机前端设计，促进广播质量的提高。本文主要从DRM和DAB两种模式入手，对二者接收效果进行分析，从而为我国广播事业可持续、健康发展提供支持。（作者单位：贵州工程应用技术学院）

参考文献：

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1 引言

PLC是面向工矿企业的工控设备。它具有梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近，为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人从事工业控制打开了方便之门；使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低；此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。

煤矿翻车机的作用是完成升井的矸石的翻车排放，翻车机是矿井生产系统的重要组成部分之一，翻车机系统运行是否正常运行，直接关系着矿井的正常生产。采用PLC编程控制器的翻车机系统是目前国内先进的翻车控制系统。采用PLC为做为控制系统具有使用维护简单、故障率低、性能稳定、智能逻辑闭锁、不发生误动作等优点。采用PLC编程控制器的翻车机自动控制系统是目前矿井矸石山翻车机自动化改造的首选。

2 工程概况

矿矸石山翻车机改造前的系统为：动力源是电机，经过减速机减速，减速机的输出端通过联轴器带动传动轴，传动轴上的轮与翻罐笼的滚圈通过摩擦带动翻车机运转。车辆通过架线机车运至指定位置，采用11.4KW绞车向翻罐笼牵引填车。

矿矸石山翻车机改造后的系统为：动力源为液压，通过液压马达带动传动轴运转，传动轴上的轮与翻罐笼的滚圈通过摩擦带动翻车机运转。。后部安装两部推车机：板链式推车机、钢丝绳式调车机，中部（调车机前端）增加安装阻车器一台。

3 三菱FX2N可编程控制器

低压控制系统主要三菱FX2N可编程控制器、可控变压器、中间继电器、交流接触器、开关电源等主要部件。该三菱FX2N可编程控制器接线，其内部编程梯形图有100多步实现电路核心控制，其他只需在图1的输入、输出端接线即可。其中：X表示输入、Y表示输出，FX2N-48MR可编程控制器输入、输出总点数为48，其中输入、输出点数各为24点。L、N是PLC外部所供电源的接线端子，为PLC提供运行的外部电源，适用电源AC110～240V，宽度比较大。严禁将AC电源直接接到输入和输出的接线端子上，否者会烧坏PLC控制器。+24V、COM是开关电源（AC/DC换流器整流出DC24V的安全电源）为PLC控制器内部供电，可用于扩展模块、外部传感器的电源供给。

4 工作原理

⑴手动、点动（输入点x0、x1）

手动是按运行编写的PLC梯形图扫描运行，各种程序有安全制约、相互闭锁，前面的不到位，后面的无法执行。例如：阻车器放（x24），操作正向推车（x2）就无效。

点动就是甩开PLC，运行设备，一般在检修、紧急状况下使用。在该状态下，翻车系统没有安全制约、相互闭锁。

⑵逻辑闭锁

下面用PLC梯形图简要介绍正向翻车。

通过第10步可以看出要想实现手动正向翻车必须满足：按下“手动”，不得按下“系统急停”，同时需要“阻车器关”，它们之间存在相互闭锁关系。

图2中字母含义：X内部输入继电器、Y内部输出继电器、M表示中间继电器、T表示时间继电器、C表示计数器等。梯形图中都有汉字的软元件注释，便于初学者理解。梯形图中使用的各个输入继电器、输出继电器、中间继电器等可以任意无限次使用，这是硬件接线所无法比拟的。

5 翻车机自动控制系统工作流程：

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中图分类号：TP336 文献标识码：B 文章编号：1004－373X(2009)04－062－03

Design of Automatic Wire－stripping Control Panel

LIANG Junying,HUANG Binglian,LUO Xiaoshu,CHEN Chi,LIU Jian,LIAO Zhixian,CHEN Donglian

(College of Physics and Electronic Engineering,Guangxi Normal University,Guilin,541004,China)

Abstract：Simple operation and friendly interface control panel usually makes people handle the equipment work easier and more convenient.The paper uses the technology of single chip computer and optimized programming,the PLC communications hardware interface circuits and the method of interface software programming as well as the corresponding technical details of the matrix button and ATmega32 circuit are analysed and discussed,and control panel design and production are completed.Testing shows that the control panel is well－functioning in the prototype,and has made obvious effectiveness in application.It can be used in industrial equipment,operating platforms,industrial display systems and digital instrumentation,and other fields.

Keywords：control panel;ATmega32;SSC2AC40;PLC

自动裁线剥皮扭线机以可编程控制器PLC为控制系统，其控制面板主要由矩阵键盘、ATmega32单片机、SSC2AC40液晶屏等组成。控制面板实现对设备相关规格数据设定，使设备按照人工干预信息完成工作任务，显示模块显示相关信息，实现人机交互。单片机以其低成本、使用灵活、高性能的特点广泛应用于工业设备，而液晶显示屏更以其显示直观、便于操作的特点被应用于显示前端。

1 控制面板硬件电路设计

图1为控制面板硬件电路图。单片机ATmega32识别每个键动作，将矩阵按键的每个键动作编成码(0x01～0x90)，并将编码信息输给PLC。由于编码信息为0 V，5 V，而PLC能识别的电平信号为0 V，24 V，所以用OC门7407芯片将编码信息(0 V，5 V)转换为PLC能识别的信号(0 V，24 V)，PLC读取编码信息，执行剥皮、扭线、裁线等相关动作，并将自动裁线剥皮扭线机工作状态信息(0000～1111，每个编码对应一种工作状态信息)上传到ATmega32。根据PLC输出口内部电路结构的特点如图2所示［1］，PLC输出口是集电极开路电路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出，否则 ATmega32无法检测到PLC输出口信息(高、低电平)的变化情况。SSC2AC40液晶在ATmega32控制下显示编码控制电路上的人工干预信息、错误提示信息、自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等，完成人机交互工作。

1.1 ATmega32单片机

ATmega32是基于增强型AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，以Atmel公司的高密度非易失性存储器技术生成,支持片内调试与编程,内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有寄存器都直接与运算逻辑单元(ALU)相连接，1条指令可以在1个时钟周期内同时访问2个独立的寄存器，因此大大提高了指令操作码效率，其数据吞吐率大约是普通CISC微控制器的10倍。8位RISC CPU与系统内可编程的FLASH集成在1个芯片内，使得ATmega32成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案［3］。

作为通用数字I/O 使用时，所有AVR I/O 端口都具有真正的读－修改－写功能。每个端口都有3个I/O存储器地址(数据寄存器PORTx、 数据方向寄存器DDRx 和端口输入引脚PINx)［4］。PA口定义为输出，DDRA=0xff，将指令信息、错误提示信息、自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等输送到SSC2AC40液晶显示屏数据口DB0~DB7，PB口定义为输入，DDRB=0x00，读取矩阵键盘动态信息。 PC口高3位设为输出，分别接SSC2AC40液晶显示屏的RS，R/W，E，输出正确的时序，使液晶屏有效显示相关信息。

#define Lcdssc2a40_RS OC5

#define Lcdssc2a40_RW OC6

#define Lcdssc2a40_E OC7

#define Lcdssc2a40_RS_R RC5

#define Lcdssc2a40_RW_R RC6

#define Lcdssc2a40_E_R RC7

Lcdssc2a40_RS_R=1;/*PC5设为输出*/

Lcdssc2a40_RW_R=1;/*PC6设为输出*/

Lcdssc2a40_E_R=1;/*PC7设为输出*/

PD口的PD0～PD2设为输入，DDRD=DDRD&0x07，接收PLC上传的自动裁线剥皮扭线机工作状态信息等。PD口的PD3～PD6设为输出，DDRD=DDRD&0x78，将矩阵键盘编码信息发送给PLC。

掉电后有关数据信息保存在ATmega32内部的1 024 B E2PROM，下次再工作时，无需再另行输入，直接调出原来的数据即可，大大节省调机时间。ATmega32内部的1 024 B E2PROM数据存储器是一个独立的数据空间，可以按字节读写，访问由地址寄存器、数据寄存器和控制寄存器决定，至少能擦除100 000次［4］。

avr－libc 对E2PROM 存储器读写API 定义在eeprom.h中［5］，包含形式如下：

#include

例如要保存前端剥皮设定好的参数q1：

eeprom_busy_wait();/*等待E2PROM 读写就绪*/

eeprom_write_byte(0,q1);/*将q1写入到E2PORM 0地址处*/

开机后，读出关机前前端设定好的“剥皮”参数q1：

eeprom_busy_wait();

q1=eeprom_read_byte(0);/*从E2PROM 0 地址处读取1个字节赋给RAM 变量q1*/

这样就可以实现掉电后设定好的相关参数得以保存，开机后显示关机前设定的参数。

1.2 SSC2AC40液晶显示器

SSC2AC40是40×2字符点阵式液晶显示器，逻辑工作电压4.5～5.5 V，驱动电压3.0～5.0 V，工作电流(背光除外)2.5 mA，常温下工作温度0～50 ℃/宽温下工作温度-20～+70 ℃，典型的16脚接口、带有LED边光/底光，温度范围较广，属宽温型，具有工作电压低，微功耗，显示信息量大和接口方便应用等优点。现在已被广泛应用于工业控制面板显示和数字式仪表等领域，成为测试结果显示和人机交互的重要工具［11］。

SSC2AC40数据口DB0~DB7接ATmega32的PA口，并行接收ATmega32发送的相关数据信息，RS，R/W，E分别接ATmega32的PC5～PC7，得到正确的时序，实时显示有效信息，实现人机交互。

2 软件设计

图3为控制面板程序流程图。开机后显示上一次关机前的信息，ATmega32读取矩阵键盘，判断键动作信息，执行相关参数设定；设定无误，按开始键，剥线机执行进行剥皮、扭线、裁线等工作；工作过程中PLC将信息上传给ATmega32 ，通过SSC2AC40显示。

编程语言以C为主，利用系统体积小，简单易学，语法着色，多文档，错误跟踪好，界面友好的GCC的AVR C/C++编译器和广州天河双龙电子有限公司的下载器SLISP作为开发工具，进行代码生成、软件测试和维护，开发一个操作方便、简单易用、稳定可靠且易于修改扩充的软件系统。经反复调试优化，程序在样机的使用中运行良好，显示稳定可靠，满足系统要求。程序稍作修改便可移植到其他类型的单片机，有利于产品硬件更换，缩短产品开发周期。

3 调 试

(1) ATmega32 JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI分别对应PC口的PC3～PC5；而在该

设计中没有用到JTAG 接口，所以配置熔丝时要禁止使用JTAG 接口功能，以免JTAG 接口的TMS，TCK，TDO，TDI与PC3～PC5冲突。

(2) 由于使用机械开关按键，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动。为保证对键动作的准确识别，采用软件延时缓冲按键动作时的抖动，待信号稳定后再进行键扫描，延迟时间大于10～20 ms即可［6］。

(3) 液晶显示屏置于控制面板上，工作环境的电磁干扰对显示屏的工作有一定的影响，故该系统采取的主要抗干扰措施如下：设计LCD模块的接口时，在VSS和VDD之间接入0.1 μF的去耦电容，并接入10 μF或20 μF的电源滤波电容，提高电源输入的稳定性。LCD模块的工作电流仅为几毫安，但其背光部分所需要的电流远大于其工作电流，因此需将工作电源和背光电源分别布线［12］。 为避免其他可能的干扰源对液晶显示过程的影响，采用软件定时复位液晶屏，屏蔽异常显示［12］。

(4) 在编码信息与PLC之间的电平转换电路中，PLC的电源与7407输出端的上拉电源一定要共负极。否则由于参考电压不同，PLC输入端获取的电平不正常，无法有效识别编码信息。

4 结 语

该文研制的控制面板电路简洁实用，编程灵活，成本低，抗干扰能力强，性能可靠，在反复测试中矩阵键盘工作正常；液晶屏有效屏蔽干扰源，显示稳定可靠，完成人机交互工作，适合用户需求，具有广泛的应用前景，对其他工业设备操作面板的研制有一定的参考价值。

参 考 文 献

［1］Cleaveland P.Programmable Controllers Adapt to New Industry Needs［J］.Control Solutions,2001.

［2］孙治国,成晓明,裘智峰.PLC与单片机串行通信的应用［J］.计算机控制与自动化,2003,22(2):190－191.

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［4］耿德根.AVR高速嵌入式单片机原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2001.

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［6］李广弟.单片机基础［M］.北京:北京航空航天大学出版社,2002.

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［8］赫建国,郑燕,薛延侠.单片机在电子电路设计中的应用［M］.北京:清华大学出版社,2006.

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［12］李维,郭强.液晶显示应用技术［M］.北京:电子工业出版社,2000.

［13］郭燕,李焕信.一种液晶显示系统的单片机接口设计［J］.陕西天文台台刊,1997(20):55－59.

作者简介

梁俊英 男，1981年出生，广西武鸣人，硕士研究生。研究方向为微机控制与检测技术等。

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Abstract：Basedonthesampleofsingle-circleTBMmadeinGermanyVMTCo.,thecomponentsofTBMandtheLaserNavigationSystemaredescribed,andtheprinciplesoftheAutomaticLaserNavigationSystem,especiallyintermsofSurveyingScience,arediscussed.Finally,themeasurestoimprovethesurveyingprecisionoftheNavigationSystemaresummarized.

Keywords:tunnelconstruction;TBM;Metro;controlsurvey;navigationsystem;positioning;correctioncurve

0引言：

20世纪70年代以来，盾构掘进机施工技术有了新的飞跃。伴随着激光、计算机以及自动控制等技术的发展成熟，激光导向系统在盾构机中逐渐得到成功运用、发展和完善。激光导向系统，使得盾构法施工极大地提高了准确性、可靠性和自动化程度，从而被广泛应用于铁路、公路、市政、油气等专业领域。

全面理解激光导向系统的原理，有助于工程技术人员在地铁的盾构施工中及时发现问题，解决问题，保证隧道的正确掘进和最后贯通；有助于国产盾构机研制工作的开展。

1盾构机和激光导向系统的组成

1.1盾构机的组成

盾构机按推力方式可分为网格式、压气式、插板式以及土压式和水压式；按形状划分，除典型的矩形、单圆筒形外，近年来又出现了双圆、三圆及多圆等异构形。它们的组成有一定差异。其中，土压式单圆盾构机在我国应用比较普遍。它主要由盾体（含刀盘等）、管片拼装机、排土机构、后配套设备、电气设备、数据采集系统、SLS-T激光导向系统及其他辅助设备组成。

1.2激光导向系统的组成

激光导向系统是综合运用测绘技术、激光传感技术、计算机技术以及机械电子等技术指导盾构隧道施工的有机体系。其组成(见图1：激光全站仪（激光发射源和角度、距离及坐标量测设备）和黄盒子（信号传输和供电装置）；激光接收靶（ELSTarget，内置光栅和两把竖向测角仪）、棱镜（ELSPrism）和定向点（ReferenceTarget）；盾构机主控室（TBMControlCabin）：由程控计算机（预装隧道掘进软件，具有显示和操作面板）、控制盒、网络传输Modem和可编程逻辑控制器（PLC）四部分组成；油缸杆伸长量测量（ExtensionMeasurement）装置等。其中，隧道掘进软件是盾构机激光导向系统的核心。

2激光导向系统和盾构机控制测量在盾构施工中的地位和作用

地铁盾构法施工过程如图3所示。在隧道掘进模式下，激光导向系统是实时动态监测和调整盾构机的掘进状态，保持盾构机沿设计隧道轴线前进的工具之一。在整个盾构施工过程中，激光导向系统起着极其重要的作用：

(1)在显示面板上动态显示盾构机轴线相对于隧道设计轴线的准确位置，报告掘进状态（见图2）；并在一定模式下，自动调整或指导操作者人工调整盾构机掘进的姿态，使盾构机沿接近隧道设计轴线掘进。

(2)获取各环掘进姿态及最前端已装环片状态，指导环片安装。

(3)通过标准的隧道设计几何元素自动计算隧道的理论轴线坐标。

(4)和地面电脑相连，对盾构机的掘进姿态进行远程实时监控。

从盾构施工基本过程（图3）可以看出，激光导向系统不能够独立完成导向任务，在盾构机始发、该系统启用之前，还需要做一些辅助工作：首先，激光全站仪首次设站点及其定向点坐标，需用人工测定。其次必须使用人工测量的方法，对盾构机姿态初值进行精确测定，以便于对激光导向系统中有关初始参数（如激光标靶上棱镜的坐标，内部的光栅初始位置及两竖角测量仪初值等）进行配置。

盾构机姿态是指盾构机前端刀盘中心（以下简称“刀头”）三维坐标和盾构机筒体中心轴线在三个相互垂直平面内的转角等参数。盾构机姿态除了可以通过人工测量、单独解算方式获得外，还可以由导向系统实时、自动地获取。用人工测量方式获得盾构机姿态的过程，被称作“盾构机控制测量”。盾构机控制测量的另一个作用是：在盾构机掘进过程的间隙，对激光导向系统采集的盾构机姿态参数进行检核，对激光导向系统中有关配置参数进行校正。

3盾构机激光导向系统原理：

3.1盾构机激光导向系统涉及的坐标系

为了阐明激光导向系统的原理，首先介绍一些与盾构机及隧道有关的坐标系（见图4）：

(1)地面直角坐标系（O-XYZ）：简称地面坐标系，根据隧道中线设计而定，一般为地方坐标系。洞内(外)控制点、测站点、后视点以及隧道中线坐标，均用该系坐标表示。

(2)盾构机坐标系（F-xyz）：在盾构机水平放置且未发生旋转的情况下，以盾构机刀头中心前端切点为原点，以盾构机中心纵轴为x轴，由盾尾指向刀头为正向；以竖直向上的方向线为z轴，y轴沿水平方向与x、z轴构成左手系。盾构机坐标系是连同盾构机一起运动的独立直角坐标系。盾构机尾部中心参考点、盾构机棱镜等相对盾构机的位置都以此系坐标表示，这些坐标由盾构机制造商测定并给出。

(3)棱镜中心坐标系（P-x’y’z’）：原点为安装在盾构机尾部的棱镜的中心，与盾构机坐标系平行。

除此之外，为了解算还引入了其他一些空间辅助坐标系，从略。

3.2描述盾构机姿态的要素

描述盾构机姿态的参数有：刀头坐标（xF''''，yF，zF）：水平角A；倾角α；旋转角κ。如图4所示。

由盾构机姿态及设计隧道中线，可推算如下数据：刀头里程：刀头、盾尾三维偏差；平面偏角（Yaw）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在水平投影面的夹角；倾角（Pitch）：盾构机中心轴线和设计隧道中线在纵向（线路前进方向）竖直投影面的夹角；旋角（Roll）：盾构机绕自身中心轴线相对于水平位置旋转的角度。

3.3激光导向系统原理和工作过程

激光导向系统的英文本义是“盾构指导系统”，在盾构施工中有指导隧道掘进、指导环片安装、数据采集等多种功能；其中指导掘进是核心功能。本文仅研究激光导向系统指导掘进的原理。

在掘进过程中，激光导向系统按如下流程工作：由系统控制激光全站仪实时测定盾构机棱镜的三维地面坐标；同时发射激光自动照准激光标靶，并自动记录激光水平方位角；标靶内部光栅捕获激光的入射角，间接得到盾构机纵轴水平方位角；利用安装在标靶中相互垂直两立面内的两把测角仪测得盾构机倾角和旋转角。利用以上参数及刀头、盾尾、棱镜中心三者的几何关系，通过空间坐标变换解算刀头、盾尾中心坐标，结合设计隧道中线参数计算盾构机与隧道中线的相对偏差。依据各偏差值拟合改正曲线，由PLC根据修正曲线控制机械装置，调整各油缸杆在不同时刻的伸长量。如此反复，指导盾构机掘进。

该导向过程包括如下6个步骤。

3.3.1棱镜P点坐标和旋转参数的获取：

P点坐标(XP,YP,ZP)：由系统控制架设在隧洞顶部吊篮上的激光全站仪自动测量。盾构机水平方位角：设自激光全站仪发射到激光标靶的激光束的水平方位角为A0，光栅根据折射率捕获的激光入射角为θ。则系统获取盾构机方位角为A=A0-θ(见图5)。竖向倾角α和旋角κ：依靠ELS中的两只相互垂直的测角仪测得。本文规定A顺时针旋为正，α、κ逆时针旋为正。

3.3.2刀头、盾尾中心的地面坐标系三维坐标解算：

1）将盾构机坐标转化为棱镜中心坐标：

设刀头中心F、盾尾中心B及棱镜中心在盾构机坐标系中的坐标分别为（0,0,0）（xB,yB，zB）和（xP,yP,zP）则三点在棱镜坐标系中的坐标为（-xP,-yP,-zP）、（xB-xP,yB-yP,zB-zP）和（0,0,0）。

2）刀头、盾尾中心地面坐标解算：

刀头中心在地面坐标系中的三维坐标为

3.3.3刀头、盾尾里程及盾构机与隧道中线相对偏差的解算：

根据解出的刀头、盾尾地面坐标和隧道中心轴线设计参数，计算刀头、盾尾里程（难点是刀头和盾尾位于隧道中线缓和曲线段的情形，解法可参考文献[5]、[6]），以及刀头、盾尾里程处设计隧道轴线平面坐标和高程。进而根据盾构机刀头、盾尾中心坐标、高程和对应的隧道中线理论坐标、高程，容易计算得到刀头、盾尾横向偏移和竖向偏移（方法略）。

前面已经提到，激光导向系统的显示面板在掘进模式下动态显示盾构机姿态及偏差。内容包括：以图形和数字方式显示刀头、盾尾横向偏差和竖向偏差，以数字方式显示刀头里程、水平偏角、纵向倾角和旋转角等参数（见图2）。

3.3.4拟合修正曲线：

以盾构机横向、竖向偏移量和设计隧道中线为参数，拟合修正曲线（拟合方式和算法有待进一步研究）。可人工输入修正曲线的曲率半径等参数，以控制盾构机回到设计轴线的速度。

3.3.5推进：

根据修正曲线由可编程逻辑控制器（PLC）控制机械设备，调整各油缸杆的伸长量。。

3.3.6重复1至5步。

从以上分析可以发现，自动导向系统的测绘学原理实质是：已知两坐标系之间的3个平移参数和3个转角参数，求解一个坐标系内的参考点在另一个坐标系中的坐标。进一步比较该系内盾构机参考点和对应理论隧道轴线坐标偏差，拟合修正曲线。

4盾构机控制测量

盾构机控制测量的原理是：通过人工测量盾构机体上具有精确盾构机坐标的若干个(盾构机始发前，机体全身多于16个；在隧道掘进中，仅尾部16个可见)参考点的地面坐标系坐标，以著名的“Bursa-wolf模型”为基础，建立盾构机姿态解算改进模型，按最小二乘原理平差解算两坐标系的转换参数，即得盾构机姿态参数。

建模方法和解算步骤限于篇幅，不再讨论。

5影响激光导向系统和盾构机控制测量精度的因素

从以上分析可知，激光导向系统和盾构机控制测量中，盾构机姿态解算的方法有本质区别：激光导向系统，通过直接采集一个参考点（P）地面坐标和三个转角参数，正解刀头、盾尾地面坐标；盾构机控制测量是通过采集多个(至少3个)参考点地面坐标，反解刀头、盾尾地面坐标和三个转角参数。正解不含平差，反解运用了最小二乘原理平差。因此，从理论上讲，后者在盾构机姿态解算方面比前者更能有效地减少或消除偶然误差。这也是采用盾构机控制测量对激光导向系统进行参数配置和校核的原因。

不论是激光导向系统,还是盾构机控制测量,原始依据都是用支导线形式获得的测站坐标和定向点（后视）坐标。对于前者，三个转角的精度取决于光栅和测角仪的灵敏程度，其误差相对于测站误差和定向误差微乎其微。对于后者，盾尾参考点的盾构机坐标，由于在出厂前精确测定，误差亦可忽略。因此，激光导向和盾构机控制测量的误差主要集中在测站点三维坐标和后视方向上。另外，由于隧道内空气温、湿度条件对视线和激光都会产生折光影响，使得激光导向系统和盾构机控制测量测角均产生误差。

6结论

在盾构施工中，采取以下措施，可提高激光导向系统的测量精度：

(1)在掘进始发前进行盾构机控制测量时,注意观测参考点的均匀分布、足数和有可能含粗差点的判定和剔除,以便精确解算盾构机初始姿态参数,保证激光导向系统正确初始化。

(2)向系统正确录入隧道平曲线、竖曲线参数。

(3)提高地下支导线的精度，并及时对激光全站仪设站点、定向点坐标进行人工检测。

(4)随隧道掘进、环片拼装进度，及时对激光全站仪进行移站，以减少外界温、湿度等气象条件的影响。一般激光全站仪到盾构机上棱镜最远距离，在直线段不应超过200m,在曲线段不应超过100m。

(5)隧道掘进过程的间隙，及时进行盾构机控制测量，以检核、修正激光导向系统的有关参数。

参考文献

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篇6

中图分类号：TN919-34 文献标识码：A

文章编号：1004-373X(2011)20-0043-03

Design for High Definition Infrared Camera Based on TMS320DM355

HAN Ping-ping, ZHANG Yu-lin

(School of Information Science and Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China)

Abstract： To acquire high resolution image for night surveillance in the low light intensity, the embedded design method is used. The high resolution CCD KAI-1010 and the time sequence generator chip KSC-1000 are chosen as the image acquisition module to implement the transform from light signal to electronic signal. In order to get digital signal, AD9945 which can change the analog signal to digital signal is adopted. The main image processing chip is TMS320DM355 which does image processing including front end processing and back end processing. The vedio images can be achieved on the upper computer by network after the digital signal is sent to network interface chip DM9000A.

Keywords： TMS320DM355; infrared night vsion; high definition camera; CCD

0 引 言

随着网络化的发展，网络视频越来越贴近人们的生活，高清网络视频的需求也在不断提升。高清视频会议、高清视频电话、高清视频监控等都提出了视频的高清需求。数字视频系统可以在同样的信道上传输更多的视频，而且可以利用现有的网络，与计算机多媒体处理相结合，便于分析处理、存储和显示。特别是采用了以太网通信的网络视频系统，更具有经济，组网灵活，使用方便等优点。

人们生活水平的提高，安全防范意识也在逐渐增强，高清智能分析摄像机在小区监控和家庭监控中也将起到越来越重要的作用，一方面它可以改善家庭周围的安全状况，防范盗贼起到重要作用；另外，它提供的资料可以用来作为事发现场的证明，对公安机关破案提供最有力的证据。为了实现24 h监控，低照度红外摄像机已经应用在监控场合，但是目前高清红外摄像机的成本相对较高。因此设计低成本、高效益的高清摄像机，具有现实的意义。

高清摄像机的使用，可以为智能分析和数据挖掘功能的价值体现提供原始图像基础。高清摄像机的使用，必然需要大量的存储空间，以存储大量的高清图片。目前高清监控系统存在的问题之一是较多的无用视频信息也被存储、传输，既浪费了存储空间，又增加了带宽压力，而采用智能分析后，对于这些无用视频则可采用低码流方式进行压缩或存储，以节省存储空间和减少带宽压力［1］。

1 硬件总体设计

在设计过程中，根据功能进行以下几个模块设计：CCD 模块、视频编解码模块、TMS320DM355（简称DM355）模块、存储模块、以太网电路模块、USB接口模块等，硬件设计框图如图1所示［2］。

高清晰度摄像机前端CCD图像传感器选择的是1/3英寸KAI-1010 总像素100万。网络部分采用以太网收发器与DM355直接相联。系统上电后，固化在FLASH中的软件代码通过引导程序自动装载到SDRAM 和DM355 片上内存中的指定地址，然后运行软件，完成对各硬件单元的初始化（如对DSP，CCD传感器，PHY等芯片的初始化配置）［3］。CCD传感器配置正确并启动后开始采集视频数据；视频数据通过DM355的视频端口进入DSP；DSP对视频数据进行压缩编码(MPEG4, JPEG), UDP打包，最后通过网络发到用户监控端。

图1 嵌入式视频系统DM355硬件设计框图

1.1 多媒体处理芯片DM355

高清摄像机的核心是高性能的数字多媒体处理芯片，DM355是TI公司推出的面向便携式高清视频应用的新型低成本、低功耗的达芬奇（DaVinci）数字处理器，能够实现720P高清MPEG4编码和解码，支持30 f/s实时视频处理，编码解码能力可达每秒5 000万像素，其内核包含ARM9处理器和MJCP协处理器，有前端和后端的视频处理子系统，可支持CCD控制器预览、图像缩放等功能［4］。VPSS+MJCP可以提供相当于640M DSP处理能力，以实现整体系统的控制，也可以实现实时操作系统［5］。

DM355作为Davinci系列双核数字媒体处理器，不仅具有ARM926E处理器，基于Linux操作系统方便地管理和控制整个芯片的外设，而且为便捷地实现多媒体功能，DM355的设备集成了非常丰富的视频和网络通信接口。

1.2 视频数据采集、处理和输出设计

CCD采集的数据，经过多媒体处理器的视频前端处理（预览引擎、直方图模块、图像缩放模块和自动聚焦/曝光/白平衡等模块）后，将数据送到视频后端处理，然后经过DM9000A芯片处理后，通过RG45接口传送到网络上或者存储到磁盘中，全过程如图2所示。

图2 视频数据采集、处理和输出过程

自然界的图像从镜头折射后，进入到CCD感光器上，CCD感光器将收集到的信息转换为RGB贝尔模板格式，传送给DM355的视频处理前端预览引擎，并将图像数据由RGB贝尔模板格式转换为YUV422格式，通过视频处理前端的直方图模块，可以统计计算出原始图像的信息，用于图像处理和图像内容的识别［6］。自动聚焦/曝光/白平衡模块，也可以根据直方图模块统计计算的结果做相应的调节操作。为了看到高清视频演示，在输出接口前外接选用合适的提帧扩展芯片THS8200，用来支持HDTV的720p格式的信号输出。

DM355通过EMIF接口与DM9000A芯片相联，DM355与DM9000A之间的数据传输采用默认的FIFO模式［7］。系统上电时， DM355主芯片通过I2C总线配置DM9000A内部寄存器，初始化DM9000A；初始化完毕，DM9000A进入数据收发等待状态［2］；DM355处理完视频数据后，将视频数据打包成UDP数据包，并通过总线将发送到DM9000A的数据发送缓存中，然后将数据长度等信息填充到DM9000A的相应寄存器内，当使能信号到达时，开始发送数据。当DM9000A接收到外部网络送来的数据时，首先检测收到的数据帧是否合法，若存在帧头标志有误，则丢弃帧数据，否则缓存到内部RAM，并通过中断标志位通知DM355，由DM355对DM9000A接收到的数据进行处理。

1.3 电源模块设计

电源模块的主要功能是为整个系统提供稳定的电源供应。在设计过程中，考虑到各个芯片的供电需求，将供电电压设置为1.3 V,1.8 V,3.3 V,5 V共4种电平的供应。在DM355系统中采用电源和休眠控制器控制电源和始终的开/关或重启［8］。在电源系统设计中使用到了电容的去耦和旁路，以防止能量从一个电路传到另一个电路，进而提供配电系统的质量。

1.4 DM355存储电路和接口控制逻辑设计

视频处理主模块以DM355以及辅助外设共同完成高清晰视频的MPEG-4编码，NAND FLASH用于保存U-Boot，Linux操作系统以及Ramdisk文件系统，还包括JTAG调试接口、异步外设存储器接口［9］。

为使DM355能够快速可靠的运行，设计中采用了SDRAM和FLASH的存储方式。SDRAM利用单一的系统时钟对数据、地址和控制信号进行同步，可以显著地提高系统性能，简化设计，提供高速的数据传输。AEMIF接口支持NAND FLASH存储器，NAND FLASH片内寻址采用26位地址形式，运用仿真器将DDR2中一段存储区的数据（如Bootloader）写到NAND FLASH存储空间，并能够被UBL读到DDR2中运行。

设计中采用的NAND FLASH存储器芯片，以扩展程序存储空间，它实现了与DM355的AEMIF接口进行无缝连接，图3所示为AEMIF外部引脚与NAND FLASH简化接口图，AEMIF的地址线用于NAND FLASH的命令锁存使能信号(CLE)和地址锁存使能信号(ALE)，任何EMIF地址引脚都可以当作CLE和ALE驱动NAND FLASH，但是在本设计中NAND FLASH主要用于保存DM355启动的U-Boot文件和MontaVista linux操作系统的内核［10］，在启动操作系统时，CLE和ALE需要一直使用，所以选用EMIF地址引脚中的EMA［2:1］作为CLE和ALE信号，因为EMA［2:1］没有与其他外设引脚复用，可以用作惟一功能控制NAND FLASH。

图3 EMIF接口与NANDFLASH 简化连接图

2 结 语

高清晰度摄像机的在今后的日常生活中将被广泛应用， 基于TMS320DM355高清摄像机， 具有成本低，功耗小的特点，可用于便携式设备，监控等场合。本论文设计了高清摄像机的硬件平台，为下面的软件设计提供了开发平台。由CCD获得原始图像，经过DM355芯片的处理，获得高清数字图像，不仅可以对提取的信号进行分析识别，有选择的保存重要信息，而且通过分析后，在存储过程中只存储有价值信息。

参考文献

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中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）12?0083?03

脉冲/数据发生器作为通用测试信号源，能够产生脉冲、群脉冲和数据三种类型的信号输出。参数连续可调的脉冲信号和大容量、多样化的数字信号，满足了高速数字设备中噪声容限的测试要求以及大型集成电路和射频系统的设计初期对激励信号源的需求。随着嵌入式技术的飞速发展以及广泛应用，利用嵌入式操作系统支持进行智能仪器设备开发正成为主流。Win CE系统是美国微软公司推出的一种32位嵌入式操作系统，可以实现实时、多任务、多线程操作，同时具备出色的图形用户界面[1]。本文实现了一种以嵌入式WinCE系统为支撑的脉冲/数据发生器应用软件设计。

1 系统设计方案

时钟模块能够产生系统所需的连续可调、高精度的时钟信号；触发模块用以接收外部触发信号，实现与外部电路的同步；模拟通道输出模块实现对前级产生的脉冲和数据信号的幅度、电平、沿的控制与调整；控制主板模块采用FPGA来构建主控制逻辑系统，实现触发模式、时钟频率、脉冲产生和数据地址产生等相关控制。嵌入式系统以及运行于其上的应用软件在整个系统结构中处于最前端。

通过仪器人机界面接收操作人员的指令并与后级的控制主板进行数据交换，最终由控制主板操控其后硬件模块完成用户指令，在模拟通道输出端得到相应的脉冲信号和串行数据信号。为了满足仪器设备实时性的要求，嵌入式操作系统选取WinCE 6.0，微处理器选择三星公司的S3C2440A，其内核为ARM920T，能够满足低价格、低功耗、高性能的需求[2]。

2 人机界面开发

软件集成开发环境选取微软公司提供的Visual Studio 2005。用于定制系统的Platform Builder for CE 6.0被作为插件集成到Visual Studio 2005中，这样定制操作系统和开发应用程序都在同一开发环境下，避免频繁切换开发环境的麻烦[3]。在完成WinCE操作系统的定制、导出软件开发包SDK之后，便可以进行驱动程序和应用程序的开发[4]。脉冲发生器作为现代电子测量仪器，其软件开发包含两部分：界面设计以及功能设计。界面是人机之间信息传递的桥梁，是仪器的重要组成部分。界面设计需要完成简洁、友好的人机界面，用户通过操作界面完成对仪器的控制。人机界面软件流程如图2所示。功能设计则是建立在硬件模块的基础之上，围绕硬件模块分别实现仪器系统各个功能。

系统启动后，软件开机自动运行，首先进行开机自检，确认仪器各个硬件设备是否工作正常。然后主线程启动，进行初始化工作，依次初始化所有工程变量，创建并初始化所有页面为最近一次关机前的状态。接着进入消息循环和建立错误信息报告循环。程序不断检测错误消息队列看是否有错误发生，一旦发现错误消息队列有错误需要响应时，依次读取并处理错误消息报告，转而执行相应的功能。比如用户操作错误时，错误信息显示就会弹出，提示用户正确的操作方法，直至用户操作正确。如果有键盘消息到达，则通过主线程交给相应的各个页面去响应控件消息，达到与仪器操作人员进行信息交互的目的。整个人机界面设计基于CFormView类。键盘信息处理等模块被设计成动态链接库的形式，既节省了系统资源，同时也便于程序以后的维护和升级。

3 数据传输的实现

数据传输的功能为实现脉冲/信号发生器上层应用软件和底层硬件系统之间的数据通信。嵌入式WinCE6.0操作系统通过对控制主板模块进行操作，最终实现对各个硬件的控制。ARM的GPIO口操作可以实现此功能需求。S3C2440A提供了130个通用IO口。GPIO操作主要由端口配置寄存器GPXCON、端口数据寄存器GPXDAT、设置接口上拉电阻寄存器GPXUP（其中X表示对应的GPA到GPJ端口）等寄存器来实现[5]。

在WinCE 6.0系统下，将GPIO的实地址（例如S3C2440A的GPIO的基地址为0X56000000）映射到虚拟地址空间（对应为0XB1600000），通过对这段虚拟地址空间的操作，就能够完成对GPIO或者其他片内资源的控制、输入输出工作。在编程中需要使用到两个关键函数VirtualAlloc和VirtualCopy。首先通过VirtualAlloc来获得一段虚拟地址空间的分配，然后VirtualCopy将一个虚拟地址绑定到一个物理地址上，从而实现对物理硬件的访问[6]。为了增强系统的安全性和稳定性，WinCE 6.0加强了对虚拟地址访问的限制，驱动被放到内核空间下，使得WinCE6.0在应用程序中不能再直接对物理地址进行操作[7?8]。虽然在上层应用程序中无法调用VirtualAlloc和VirtualCopy，但是可以在内核态下编写驱动程序，通过VirtualAlloc和VirtualCopy进行内存映射，故在WinCE6.0系统下，访问物理地址可以采取的一种方法是：在内核模式中编写流驱动程序，将驱动程序编译到内核后再下载到NandFlash中。相关代码如下：

S3C2440A整合了多种接口和总线。基于通用片选nGCSn的SRAM接口具有配置简单、逻辑控制信号少、寻址以及数据读写的速度高的特点，因此选择nGCS2作为片选信号，同时搭配写使能信号nWE以及读使能信号nOE完成对脉冲/数据发生器单数据通道的操作。

4 程序移植及系统测试

5 结 语

本文结合WinCE 6.0嵌入式系统，制定脉冲/数据发生器软件实现方案，实现了脉冲/数据发生器界面设计、嵌入式应用程序移植、上层软件与底层硬件的数据通信等工作。经过实际测试及运行，开发的脉冲发生器软件平台运行稳定，界面简洁美观且易于操作，上层应用软件功能齐全，系统的实时响应能力达到仪器的设计要求。

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篇8

前言

汽车工业要向前发展，就要获得相关参数，传统的手段是通过实验的方法，但此方法在耗费了大量的人力、物力、财力的同时实验效果也不理想，商业模拟软件的出现解决了这一问题，FLUENT软件能精确的模拟研究对象内的空气流动、传热和污染等物理现象，并具有降低设计成本、减少设计风险缩短设计周期的优点，其带来了巨大的经济效益，由此被广泛应用到汽车领域中。

1.应用研究进展

1.1汽车空调系统

汽车空调的性能是评价汽车性能优劣的重要指标，改善汽车空调系统的结构、降低噪声、减少蒸发器总成系统内流体偏流现象，可以提高汽车空调系统的运行效率，但传统的试验方法很难反映出空调系统内部影响空调运行效率的因素，而用数值模拟计算的方法可以解决这一难题。众多学者对FLUENT在汽车空调系统方面进行了相关研究。

Jeffrey　J.Case[1]和William　A.Cuddy对汽车空调系统的涡壳和叶轮的结构进行模拟后找出了效果明显的配合，从而达到提高HVAC效率和降低系统噪声的目的。于福义、凌泽民等人利用FLUENT软件对汽车空调系统的蒸发器总成进行数值模拟，找出了设计中存在的问题并进行了改进，使汽车制冷机组达到更好的制冷效果。另外，尚明、雷玉成等、运用三维不可压缩流体的　湍流模型CFD法，利用FLUENT软件对汽车空调风道的主体部分内气流进行了模拟与分析，并提出改进方案。杨国平、张媛媛等人对汽车空调风道部分的气流流动进行了模拟与分析，得到优化后的参数。

1.2汽车消声系统

汽车噪声大小直接影响汽车性能的优劣，如果仅通过实验方法很难满足其“低噪声、低振动、低排放、低功耗、低成本”的要求，进而要借助数值模拟的方法，此方法不仅从理论角度分析可能出现的问题，为系统的优化提供了理论基础，并降低了实验成本，由此得到了研究人员的青睐　。

胡效冬用CDF法定量的研究了简单消声器的压力损失随消声器结构参数和边界条件的变化规律。王计广用FLUENT对汽车消声器的压力场、流场、温度场进行了模拟和数值分析后表明在消声器过渡位置容易出现温度压力突变并提出消并声器各腔长度影响其频谱移动的理论。邹雄辉、颜伏武等人在Pro-E三维建模的基础上利用FLUENT对汽车消声器进行数值模拟仿真，后又对其内部流场、温度场和压力场进行了相应的分析并对消声器进行了改型和计算，通过和原型消声器的对比，指出了消声器的改型方案。许建民对简单扩张消声器进行了CFD仿真模拟，研究了相应的压力损失随入口流速的变化趋势后发现内插管对消声器的流场和压力损失有较大的影响，而且带内插管的消声器阻力损失比未带内插管的要小。

作为发动机消声降噪装置，消声器已经被广泛应用到汽车工业中，计算机数值模拟作为未来的发展方向会越来越多的被运用到实际中。

1.3汽车动力系统及其冷却方面

汽车动力系统是汽车的核心，对汽车的征程运行起决定作用，因此，动力舱内的热流动问题以及研发更加高效的热管理系统，已经成为改善车辆散热性能、提高整车动力性的关键。

基于此，通用汽车公司Damodaran[2]等人和雷诺汽车公司Gilliéron等人使用FLUENT　软件预测了发动机舱内流场和温度场并通过风洞试验进行验证。Yang　Zhigang和德尔福汽车系统公司的James　等人使用数值模拟方法研究了汽车发动机前置冷凝器、散热器和风扇模块的排列方式并比较分析了发动机舱内的流场和温度场。Tai通过CFD方法研究了发动机的进气格栅形状及位置以及多孔介质模型参数设置对流场形状的影响，并与一维计算结果进行了耦合分析后提供了车辆前端设计的方法。近几年，Subramanian[3]对动力舱结构进行模拟后提出改进动力舱的结构可以避免散热器出口形成回流，进而提高了散热器的散热能力。

1.4汽车外观和内饰

由于汽车在高速路上行驶过程中，50％的能量用于克服空气阻力，所以合理的汽车外观设计可以达到节能降耗的目的。

王淼首先采用计算流体软件对汽车外形流场进行了三维模拟计算，证实了其在应用过程中的优点。薛劲橹、张冰志、许国英[4]用FLUENT对汽车行驶的外流场进行仿真后得出外流场压力和速度的分布图，并通过计算结果相关数据对汽车气动特性进行分析，为汽车研究及改进提供可行手段。唐鹏、江宏等人用FLUENT对汽车外流场进行分析后提出在车前端应该增加倒流板以降低风阻。并且，于捷、刘德新等人对基于提升续驶里程的汽车车身造型参数进行了研究和模拟，总结出电动汽车车身的空气动力学的特性，同时，利用算例对AVL-FIRE软件的模拟精度进行可靠性验证。杨晓龙、林铁平对汽车外流场进行了DES、RANS的模拟研究对比了两种方法的模拟结果后得出结论：DES方法的计算量大，RANS方法在获取流场的时均信息方面更加经济。

1.5电动汽车电池方面

随着石油资源的减少，电动汽车被开发利用起来，但电动汽车电池的温度问题是电动汽车发展的障碍，电池的温度随放电过程而升高，温度过高时会影响电池的寿命，因此电动汽车电池的的冷却成为人们所关注的问题，模拟软件在此过程中得到应用。

朱晓彤分析了丰田RAV-4电动汽车电池冷却系统的结构设计针对电池包内对冷却气体的要求，采用计算空气动力学数值模拟方法，利用FLUENT软件模拟了电池包内空气流动的情况，为以后的研究提供了理论基础。杨凯、李大贺等综述了国内外电池热效应模型的研究进展，归纳总结了动力电池热效应的模型通用的建立方法及参数确定的计算或实验过程。刘振军建立了电动汽车锂离子电池组的三维散热模型，对电动汽车匀速行驶且自然风冷时锂离子电池的温度场进行了仿真和测试后提出优化方案。国外方面，Monzer　Al　Sakka，　Hamid　Gualous对超级汽车电容器进行热建模，根据所建模型对汽车运行周期和温度进行估计后提出加入强制制冷系统的必要性，Michael　R.　Giuliano等通过模拟的方式对钛酸锂动力电池温度场进行热分析后提出应该采取主动冷却的方式改善其温度场，Rajib　Mahamud对锂离子电池进行热模拟后提出，往复式空气流有助于提高锂离子电池的温度场的均匀性的理论，Riza　Kizilel、Rami　Sabbah和J.　Robert　Selman提出利用相变材料采取主动冷却的方式对结构紧凑的锂离子电池系统进行主动冷却，使电池的温度场达到均匀来确保电池的循环寿命。

现今，模拟软件在电动汽车电池方面已经得到了广泛的应用，电动汽车电池的模拟为动力电池的冷却系统的优化提供给了理论基础，为今后电动汽车的发展提供条件。

2.展望

作为一个应用便捷的计算机模拟软件，FLUENT的功能也在不断强大，将它应用在汽车工业中，不仅为汽车的发展提供的有效数据，还可以和相关实验数据，为汽车工业的进一步发展奠定了理论基础。在汽车工业发展领域，FLUENT不仅在传统汽车的开发中有所应用，在电动汽车的研发上也应用广泛。例如，电动汽车电池的温度场和速度场的模拟，这对解决电动汽车电池存在的温度失调问题尤为重要。因此，FLUENT软件在汽车发展领域会越来越被重视。

3.结论

FLUENT软件作为CFD通用软件的代表以其应用便捷、效果逼真、更直观的优点在汽车工业中得到广泛的应用。由于减少了在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动，将更多的精力和时间投入到考虑问题的物理本质，优化算法选用，参数的设定，因而提高了工作效率，FLUENT　必然会获得越来越多的应用，应用效果也将越来越好。但它对模型的要求高，忽略一些问题后，使结果不够精确，所以功能更强大的FLUENT软件有待进一步的开发与应用。

参考文献

[1]Jeffrey　J.Case，William　A.Cuddy.Application　of　an　Acoustical　Resonator　to　Reduce　HVACBlower　Noise.SAE.2001-01-1526

篇9

・集成收发(T／R)开关和功率放大器

・与集成电路匹配的表面声波(SAW)滤波器模块

然而，必须注意这种高集成度芯片确保它们完全兼容，从而降低了电路设计工程师优化性能的灵活性。目前由芯片供应商提供的系统级确认也是极其重要的，以确保能够产品的性能和满足面世时间的要求。

系统设计

由第三代合作伙伴计划(3GPP)开发的称为3GPPTS45．005的GSM技术规范规定了最低射频(RF)性能。在早期收发器系统的设计中，必须先将GSM技术规范正确地转化为设计参数，然后对系统各部分起作用的每个单元分配预算。如果某个单元是单独的器件，那么各器件供应商之间的技术指标应相互兼容以满足总体性能目标的要求。在完全集成压控振荡器(VCO)、储能电路和滤波器的收发器设计中，满足系统级技术指标的责任在于芯片供应商。因此用合适的系统分析工具验证系统体系结构非常重要。下表说明了对GSM收发器技术规范起主要作用的各单元电路的技术参数。

在利用共享RF频谱资源时，其发射器部分应根据通信网络性质受GSM技术指标的严格控制。这可以确保有效地管理网络并且避免受手机用户频谱之间的影响而降低质量。最后必须使用频谱屏蔽技术，这对于避免发射机在接受频带内产生阻塞其它用户信道的无用杂散输出或噪声是必需的。转换环路体系结构为发射部分提供一种高集成度解决方案，并且正确设计使得在发射部分无需外部滤波器。对于双频带或四频带GSM设计其受益会更大。

从表1可看出，发射机的性能取决于收发器和功放的设计及实现。

当代收发器的接收机部分全部采用完全集成的有源电路。仅需的外部元件是接收机前端的开关和频带选择SAW滤波器。滤波器用来在有很强的带外阻塞信号情况下确保高性能。但是仍然存在个别难题，例如RF频谱不受网络运营商控制，因此其易受来自其它通信系统的大功率信号和其它电子设备(例如，微波炉和汽车点燃系统等)引起的干扰的影响。

如果为接收机选择直接变频体系结构，我们就会获得几项重要的益处，从而允许使用完全集成设计来满足GSM规范。

・降低接收机信号链路的复杂程度

・需要单独的本机振荡器(LO)

・完全消除象频

・位于基带的中频(IF)器件使用更小电流支持内置滤波功能

这种体系结构的优势是为客户带来了高性能价格比的集成解决方案的好处。由于单独的LO最大程度减小了晶振串扰和耦合(晶振串扰和耦合会降低选择信道的灵敏度，产生有害的杂散响应或是造成手机在产品定型或网络互通性测试阶段失效的杂散发射)，所以其具有高集成度解决方案的优点。这些问题难以预测并且对外部印制电路板(PCB)的设计或布线非常敏感。该体系结构的低复杂度也降低了设计风险和最终的功耗，从而延长了手机的待机时间。

器件选择

如果手机设计工程师结合AD6548收发器和TriQuint公司的TQM6M4001发射模块以及SAW滤波器模块，则会很快达到1．5cm2GSM／GPRS高性能射频设计的设计目标。

收发器IC

AD6548(Othello-G收发器)是美国模拟器件公司(简称ADl)直接变频GSM收发器的最新产品，它采用5millx 5mm 32引脚LFCSP封装。该芯片采用Othello技术构建，这种技术是1999年首次用于开放市场直接变频的GSM射频收发器。它将拥有专利权的电路设计、体系结构和系统知识结合起来解决了自动检测、直流(DC)失调和压控振荡器(VCO)相位噪声等老的难题。因此GSM射频收发器大大减少了芯片数量并且降低了成本，而且无需IFSAW滤波器、VCO以及相关元件。AD65480thello-G收发器为GSM／GPRS射频收发器设计的集成度和总体解决方案的尺寸建立了新的标准。Othello―G收发器是真正的四频带设计，具有用于850MHz、900MHz、1800MHz和1900MHz频带的独立可编程增益低噪声放大器(LNA)。用于发射频带和接收频带的本地振荡(LO)发生器带有内置的快速锁定小数N分频锁相环(PLL)频率合成器和集成的环路滤波器发射和接受压控振荡器(VCO)和储能电路组成。AD6548也包含一个内置晶体振荡器和校准系统，从而无需使用传统的外部压控式温度补偿晶体振荡器(VCTCXO)并且降低了成本。这种变换环路发射器体系结构无需在收发器和功放之间使用外部滤波。

AD6548在电源管理方面具有极具吸引力的特性，其将用于收发器的低压差(LDO)稳压器完全集成到芯片内。这意味着芯片可以直接与电池电源相连，而无需附加的外部元件和复杂连接。LDO和芯片的电源控制全部由共用串行接口总线完成，从而无需附加的外部芯片并且确保射频和LDO时序命令要求之间的同步，以便在过渡期间对功耗进行严格控制。

开关与功率放大器

先进的处理能力、封装形式和设计技术使高集成度模块切实可行，从而减小电路尺寸并且提高性能。Triquint公司的TQM6M4001发射模块采用市场上最小的封装尺寸-6×6×1．1mm―集成了收发器和天线之间的所有RF发射功能，它与具有竞争力的解决方案相比大大减小了电路尺寸。TQM6M4001发射模块体系结构和接口适合于AD6548之类的收发器，并且确保在手机PCB板上实现最佳布线。

TQM6M4001模块采用了分立的GSM850／900和DCSl800／PCSl900功放模块以及当代功率放大器模块中的集成功率控制。此外，它还具有低插入损耗四频带pHEMT开关、发射端谐波滤波、集成开关解码器、四个接收端口以及实现完整RF发射所必需的全部防静电放电(ESD)功能。TQM6M4001发射模块无需进行外部功放匹配。

TriQuint公司采用了6英寸封装的GaAs处理器设计其电路，包括分别用于PA、低通滤波器(LPF)和开关的InGaPGaAsHBT和GaAspHEMT。其中PA和开关的所有控制功能都集成在其CMOS专利设计中。该发射模块是基 板结构，所有的管芯通过引线键合相连。TriQuint公司通过使用集成技术业界率先减小了电路尺寸以避免在模块中使用所有的匹配和偏置表面粘元件(SMD)。TQM6M4001发射(Tx)模块的主要设计目标是进一步提高GSM／GPRS％作在所有四个频带时完整发射链路的DC和RF性能，并且比单独的PA和天线开关模块阵列增强了性能。

SAW滤波器和匹配模块

正如前面所描述的，前端电路设计对于接收器性能极其重要。通常这需要很多器件。在每一个频带都需要一个SAW滤波器和四个LNA匹配器件，因此四频带设计需要16个器件，从而占用了相当大的PCB面积。由于前端电路对SAW滤波器和LNA输入电路很敏感，通常需要经验丰富的RF工程师调整匹配模块以获得满意的性能，这却是一件非常耗时的工作。

当今已经出现了另一种可行的方法以提供优良的解决方案。由日本富士通公司、日本村田公司、美国SAWTEK和厦门EPCOS有限公司等全球领先供应商提供的模块工艺允许将SAW滤波器和匹配电路完全集成在5mmx3mm的封装尺寸内。这种方案除了减小PCB面积并且缩短设计时间外，还通过缩短芯片间距离以减小PCB印制线上的寄生效应，从而提高性能。供应商通过插入替换封装的芯片可以提供双、三和四频带解决方案，从而为各种类型手机设计提供低成本高性能解决方案。

为了优化LNA匹配，收发器供应商将为模块生产厂商提供LNA输入的精确s―参数，包括键合线和封装寄生效应。使定制的器件以与具体的IC严格匹配。微调、测试和验证由两家供应商共同完成，并且完成参考设计中评估的解决方案。这种方案对于手机生产厂商具有明显的优势，因为甚至在手机设计之前都完成了设计任务，因此缩短了产品的面世时间并且减小了封装尺寸。

系统级验证

RF系统设计和实现一旦完成，下一个重要的步骤是完成全面验证。首先对基本RF参数做验证，例如噪声指数，IP2和IP3等，但是这种验证纯粹是为了确保要求的设计参数得到满足。主要测试参数应该集中在GSM规范中的系统验证等级。这只能通过测试使用基带芯片组和GSM软件协议栈的完整参考设计来实现。必须对通话成功地提供一台测试仪器以完成所要求的回送误码率(BER)测试。

Rohde&SchwarzCMU200射频收发通信测试仪器或类似仪器可用来进行基本的测试，因为它们能够依照GSM规范快速精确地测量参数。使用一台测试设备的局限性在于无法完成杂散发射、接收器阻塞、AM波抑制、交互失真以及相邻通道测试。如果一款手机在产品定型验证阶段没有满足这些测试要求，则会导致成本和时间的浪费。因此我们需要一个比较高级的测试设备，如图4所示。

为了确保快速、可重复并且精确测试表性参数对温度和电压的变化，需要一台自动化实验室测试设备是最基本要求。该设备由开关箱和滤波器组控制的GPIB总线、个人计算机(PC)和控制仪器仪表的软件控制程序以及将数据处理成容易检查格式的数据格式存储器组成。这对于信道总数达975的四频带GSM手机设计是必需的。每一个信道都需要做大量的测试，每一次测试都需要大量的数据点来完成测试。这样产生了大量的数据点，因此后处理和格式化也是非常重要的，以便快速处理测试结果并且得出结论。

在测试过程中干扰信号远远大于有用信号(例如阻塞信号或邻道干扰)，测试设备的相位噪声可能会影响测试结果。既然这样，在开关盒中需要增加滤波功能。我们也为测试设备增加一个衰落模拟器以完全符合GSM要求。

测试结果

下面的测试结果是在ADI公司的AD6548硬件平台上使用前面描述的自动测试设备测出的。这样能够全面、快速地评估和优化参考设计，以加速客户的设计周期。对于GSM最高频段PCSl900的主要测试曲线总结如下。

以上曲线表明测试结果超过GSM规范具有充分的裕量。这为手机制造商提高了产量同时为客户改进了性能。例如，灵敏度比GSM规范－102dBm具有高出7．1dB的裕量，但这是静态灵敏度测量。一旦包括了衰落条件，虽然取决于基带，通常还需要超过SNR3dB。本RF设计仍可超过性能裕量4dB。阻塞测试结果还表明具有超过GSM规范2％优良的BER裕量，甚至使用了超过GSM规范要求2dB的阻塞测试仪。

篇10

DVB2003数字机能否接收高码率的信号呢？可以接收绝大部分高符码率信号！上面我们已经说到30Ms/s的符码率，其实它就是一个分水岭，我们可以将大于30Ms/s的都称之为高符码率。在卫星数字电视发展的前几年，很多数字机的符码率上限就是30Ms/s，但作为最早数字机的诺基亚9500，它可以接收符码率42 Ms/s以下的信号，实属相当不易。在有线台服役的9500接收机，绝大部分收视的都是上星的省台，其符码统一为4.420Ms/s，当然接收不成什么问题，就是接收当时最高的欧洲5套也是轻松自如（符码率至今仍是28.125 Ms/s）。但到了爱好者手中，收视的信号就复杂了，什么信号都想试一下，收视最多的当属长城平台信号，因为它是免费的信号。此信号是典型的高码率信号，符码率高达41.25 Ms/s（现转星至亚太6号上，其符码率缩小为27.5 Ms/s），图303是其接收参数的界面，1/2的FEC还是非常好收的。另一个典型的信号便是CBTV了，图304是其接收参数的设置，信号也不错，即使将符码率加大至42 Ms/s（图305），同样可以将其搜索下来，再大就不行了。而境外平台的采用2/3纠错率的3组信号，将其由标称符码率41.53 Ms/s搞高至42.05 Ms/s，同样有信号显示（图306），再加大也就不会有信号显示了，但这并不能说明9500接收机的符码率的接收上限就是42.05 Ms/s，而只是说明此机的容错范围的大小。接收香港有线两组信号和艺华的一组43 Ms/s的符码率的信号，无论如何也是收不下来的。

每种数字接收机对下行频率和符码率都是有一定容错范围的，相对而言，9500数字机的容错范围是比较小的，也曾试着将香港有线的信号降至42.50Ms/s，仍不能将信号收下来，也许与其采用的FEC=3/4有关，综合上述的试验，我们可以得出结论，DVB2003（9500）接收机符码率上限不会超过42.50Ms/s！当然我们更不可能收下俄星上的44.95Ms/s高符码率信号，因为它采用了FEC=7/8更大的纠错率。

笔者也曾试着将9500刷成各种版本，但试验结果都是一样的，显然不是软件设计的问题，而是硬件上不支持。是不是所有的9500接收机都是如此呢？据说国内的9500S接收机外观及硬硬件上有四个版本（非软件），有一种是大高频调谐器的就可以收下香港有线43 Ms/s的信号。但笔者通过各种渠道仍未得到此机，但一好友已将此机相关图片发给了我，以便一睹其风采。图307就是这种机的内部电路（图片不是很清楚），图308是高频调谐器部分的特写，而其它三个版本的机器大都采用了图309所示的板子（本人手中的几台都是这样的）。通过对比我们发现，在高频调谐及QPSK解调板上，只是高频调谐部分（屏蔽盒）不同，也就是人们常说的大高频头（调谐器），其它部分是基本相同的。但并不是有了这种大高频头的9500就可以收下43Ms/s的高码率信号了，还要在主板上对个别元件进行更换和加装。据说国内就有专门精通此道的烧友，但是联系不上，或许也早就不做了吧。

其实，无论加装还是改装，决定接收符码率高低的这部分仍是机器当中的那一块单独的电路小板，也就是我们今天见到的数字机中的一体化调谐解调器。于是有烧友又设想用现在的夏普调谐器（或其它品牌的一体化调谐器）来代换9500S机中的那一块单独的电路板，低门限、高符码率接收等一系列问题都解决了，但这又谈何容易，硬件上的匹配、软件上的支持都是很棘手的问题，目前也仅仅是一种美好的愿望而已。还有的烧友旁观者清：即使你有机器，能收下来信号，你能解开香港有线和艺华信号？收下了看频道名玩？另一烧友则答曰：是啊，就是看着玩！看来像我这样烧糊涂的人还真有几个，当局者迷啊。

这里我们附带解释一个问题，就是CBTV的境内和境外两个平台，同样带宽的转发器，同样的符码率，为什么采用了不同的前向纠错率呢？因为境外平台的转发器传送的信号都比境内平台的多，我们来看一个公式：符码率=信号信息总速率×前向纠错的倒数×204/188÷2，现在是后面的数字及符码率都是定数（常数），显然信号信息总速率和前向纠错的倒数成反比，也就是说信号信息总速率和前向纠错成正比，即信号数量多相应的FEC就大（符码率一定的情况下）。这样看好像不太明显，将公式变形一下，就看得特别明白了：信号信息总速率=符码率×2×前向纠错×188/204，用字母公式表示就是Data Rate=SR×2×FEC×188/204，这回就看得非常明显了，在SR为定数的情况下，FEC越大，Data Rate就越大，即二者成正比，具体来看一下CBTV平台上的信号，境内平台的Data Rate=41.53×2×1/2×188/204=38.273Mbps，而境外平台的Data Rate=41.53×2×2/3×188/204=51.030Mbps，如果按境内平台的传输图像标准，一个转发器传送10套节目，则采用FEC=2/3时，则可传送13~14套节目，事实上每个境外平台的转发器都至少有11套，有些还有12套，看来还可以增加几套节目，如此看来CBTV境内平台转发器看来是有些浪费了，还可以增加更多节目。

如果还想再多传些节目，就可以将FEC再大些。但很大时，比如5/6和7/8，虽然可以传送更多的节目（转发器带宽一定的情况下），但由于纠错信息更少了，接收起来就相对困难一些。我们也可以回头看一下我们熟悉的亚太上空的节目参数，包括的节目数量及实际接收的情况，就足以说明这一点。俄星上的44.95Ms/s和7/8纠错率的信号，可以算出其信号信息总速率高达72.493Mbps，信号数量多，接收较困难不说，就是对接收机的数据处理量也是一个很大的考验。

长城（亚洲）平台信号由亚太5号转至亚太6号传送，不仅是下行频率的改变，符码率和前向纠错都有了新的改变：符码率由41.25Ms/s改为27.5Ms/s，FEC由1/2改为3/4，原来占用一个54MHz带宽的转发器（编号5B），现在只占用一个36MHz带宽的转发器（编号TP6，亚太6号卫星的Ku波段上只有11个36MHz带宽转发器和1个50MHz带宽的转发器，并没有54MHz带宽的转发器）。唯一没有改变的就是节目数，仍是11套相同的节目，符号率减小了，带宽也仅为原来的2/3（54×2/3=36），但节目总数未变，是否节目画质肯定下降了呢？因为大家心目当中，码率和画质是成正比的（本刊上有专门的文章介绍），其实我们只要利用上面的公式计算一下就非常清楚了：长城平台原来的Data Rate=41.25×2×1/2×188/204=38.0147Mbps，而现在亚太6号上的Data Rate=27.50×2×3/4×188/204=38.0147Mbps，转星前后二者的信号信息总速率没有任何改变，当然信号的画质（音质）也应该是完全相同的，事实上从实际的接收效果看，也是没有什么不同的。如此看来，当初租用一个54MHz带宽的转发器来传送11套节目，确实是很浪费的，但唯一的好处是接收容易一些，但作为两颗均为大功率的卫星来说，用同样的天线在同一地点接收，信号值几乎没有什么变化，都是很容易接收的。

前面只说了本机的高符码率接收情况，事实上，本机的低码率接收情况也不错。现在好了，不用再到处找低符码率的节目了，国内就有很多了，如亚洲四号上的4057/H/1482（四川广播网）、3885/H/2170（河南广播网），亚太6号上的3665/V/1472（黑龙江广播网）、3660/V/1472（江苏广播网），以上节目悉数拿下，看来本机的低码率接收还是相当不错的，现在我们可以初步下一个结论：DVB2003（9500S）卫星数字接收机符码率接收范围是1~42 Ms/s。

模块的应用：同时拥有模块插槽和智能卡插座，是诺基亚9500S接收机的一大特点，初识此机时，真是令人欣喜若狂，但事实却又令人很失望，因为无论将卡插在CA插座中，还是将模块插在CI插座中（图310），机器都无法正常识别卡的类型或读出卡的信息，当然也不可能解密了，应用模块时还死机或根本不能开机。

本人手头有各种模块，如Irdeto、 Viaccess 、Nagra 、NDS、Conax、MATRIX等（图311），最常见的就是爱迪德和法国电信了，但一插上模块就死机，接收机前面板显示出错信息：CL sucks，表明机器内部I2C总线短路；如果先插上模块再开机，则根本启动不了，机内不时发出类似于电源保护的嗒嗒声，显然现在流行的模块与此机存在着不兼容的现象，看来这里还是大有文章的，这就不得不迫使本人要重修数字机模块这一课。

所有的应用于数字机的CI都是符合DVB/CI标准的，即DVB公共界面标准，其实这个标准就是计算机上的PCMCIA标准，PCMCIA（PC机内存卡国际联合会）是英文“PERSONAL COMPUTER MEMORY CARD INTERNATIONAL ASSOCIATION”的缩写，是专门用在笔记本或PDA、数码相机等便携设备上的一种接口规范（总线结构）。它定义了三种不同形式的卡，它们的长宽都是85.6×54mm，只是在厚度方面有所不同。Type I厚3.3mm；Type II厚5.5mm，Type III厚10.5mm，68个脚的I/O连接线路标准。正是如此，我们数字模块机上用的模块就可以插在（笔记本）电脑的PCMCIA标准插槽中，电脑也可以正确地识别，图312就是模块插入电脑中的情形。

一般地，我们将直接插卡收视的接收机称为CA机，而将通过插模块转换加密格式再插收视卡的接收机称为CI机。我们再来看几个相关的概念：CA：是英语Conditional Access的缩写，意思是有条件接收，即收费节目；CAM：是英语Conditional Access Module的缩写，意思是有条件接收模块，就是我们通常所说的模块。而CI：是英语Common Interface的缩写，用于有条件接收机的一种通用接口（界面），其接口定义与笔记本电脑中PCMCIA一样的。但基于CI（PCMCIA）接口的模块（CAM）却有两种：一种称之为CI CAM，也就是我们现在所见的模块，另一种称之为CA CAM，就是非CI接口的CAM，多用于早期的有条件接收数字接收机中。

具体地说：直接将收视卡插在接收机智能卡插座中的机器就是CA机，也就是我们常说的插卡机，这种机的特点是一种卡对应一种系统，作为单一专用机，只能插同一种加密系统的卡（如航科410等），当然也有多卡机，可以有多个解密系统，但仍是一一对应的关系（如航科430等）。而模块机（CI机）不仅要插模块，而且还要插上卡才能解密，同样是一种模块对应一种加密系统，没有了模块则同免费机一样了。虽然模块的接收都相同，但模块的方式又分两种，这个我们上面已说过了。CA CAM模块机的特点是，有一个模块插槽，还有一个插卡座，卡与模块分别插入对应的位置中，这种机器多见于早期的数字机中，如我们的9500就是这种，还有早期的PACE（佩斯）IRD-5000及DVR-500（图313，DSTV专用机）等。CI CAM模块机则是将模块插入专用插槽中后，将收视卡直接插在模块中，这是与CA CAM模块机的最大不同，现在见到的模块机几乎都是这种类型。由此可见，这两种接口虽然完全一样的模块，但二者显然是不能通用的。

相对于多卡机，同样也有多模块机，一机插2~4个模块也是很常见的，当然如同单卡多系统一样，也有单模块多系统的MagicCAM、Joker、Matrix、FreeCam，一个模块能够兼容多种加密系统，其所用的收视卡也必须能够支持多种系统。DVB2003所应用的模块应是CA CAM，但这种模块只见于早期的机器，市场上并不流行，目前能找到的也只有爱迪德一种，图314是这种模块的外观，正面原有一块标签，上面有IRDETO字样，与现在流行的模块同样尺寸，只是有现在CAM的两个厚度（10.5mm），接口也是完全相同的。图315是这个模块的另一端，发现与现在模块有什么不同了吗？是的，这一端是封闭的，是不能插入任何东西的。现在我们看明白了，两种模块的外观区别，一是在厚度上，另一个是在能否插卡上，很好区分的。

图316是将模块插入机器中，同时又插入收视卡的情形，现在终于清楚了，为什么插卡的位置前面板预留了相应的开口，而为什么插模块的地方却是全封闭的，因为它的模块根本插不上卡，另外插上我们现在的爱迪德模块，前面板是根本装不上的，与现在插CI CAM的模块机来比，还有一个区别就是没有出仓的推杆，现在的模块机当模块插入后，推杆会弹出一块（电脑上也是如此），如欲退出模块，只要将伸出的推杆向里面推即可将模块弹出，而不是去用力向外拔。而本机则必须将模块用力才能拔出，图317则是插入模块和收视卡后机器内部的特写。

既然插入的是爱迪德的模块，那就要插入与之对应的爱迪德方式的解密卡（本例是香港天浪卡），不过在使用之前也是要对模块部分进行一番设置的。按M-8-3路径就打开了CAM的相关设置菜单（图318），这个菜单共有6项：1 CAM is ON，CAM 模块开/关设定，有两个选项，ON或OFF，我们当然要选ON；2 CAM Reset，CAM 模块重置；3 CAM Init CAM，模块初始化；4 CAM Info CAM，模块和收视卡的有关信息。6 SC Menu，密码设置，又有一个小菜单出现（图319）：1 general Pin，设定密码类型，还有Parent Pin、IPPV Pin、Homeshp Pin等几种；2 Find，查找密码，一般显示是0000；3 Chage，更改密码。7 Support 1722，选择支持的硬件类型。如果我们选择了第4项CAM Info，则会出现图320的显示信息：Amon5.4版本的模块，IRDETO解密系统，下面的几行数字可能是模块本身的一些信息，Ser是收视卡卡号，而EMM/ECM则是一些解密信息。图321则是未插模块和卡时显示的画面。图322是实际接收的一个例子，接收的是香港天浪中NHK的节目，图中的内容是2006年最后一天日本的红白歌会（相当于中国的除夕联欢会）画面。

如果我们已收下了相关的信号，而模块和收视卡都已插入机中，但仍看不到图像，可以进入M-8-3中，重复一下打开CAM（选择1），重置CAM（选择2），执行CAM 初始化（选择3）这3个步骤，一般就能看到解密后的图像，如仍然黑屏，将接收机关掉再打开。对于采用爱迪德加密系统的节目，如天浪、CBTV、DSTV等节目，均可插卡正常收视。但根据原版的英文说明书，本机的模块插槽既可以使用CA Irdeto （DVB9500,、9200、D-Box），也可以使用公共接口的CI CAM，例如 Irdeto，Seca， Cryptoworks，Viaccess，Conax 等，但事实上目前还没有人能使用CI CAM，据说可以重刷模块或改装来解决，于是不甘寂寞的我把刚到手没有几天的CA CAM拆开了。图323是背面图示，只有4只小贴片IC，而精华主要集中在正面了（图324），上面最醒目的莫过于印有IRDETO的集成电路了，其型号为SAS004，显然这是一块专用于爱迪德加密系统的IC。看到它我立即想起了在某些接收机中就有这块电路，这就是CBTV专用接收机DSD-660（诺基亚8800S机器电路与之完全相同，只是外观不同而已，见图325），图中上部中间位置的集成电路就是SAS004，图326是这块IC的特写，CBTV专用机只不过是将这块IC移植到了机器中，所以不用再麻烦模块而直接插卡就可以收视了。之所以提及此机还有另外一个原因，就是CBTV专用机中还有我们9500S接收机中所需要的、又难找到的东西，下篇文章我们将会提到。

其实在图324中还有一块重要的IC，这就是类似电脑中BIOS芯片的W27E512P，它位于图中的左下角，如果有可编程的27E512（PLCC方式）的编程器，重新刷写其内容，就有可能改9500的ALLCAM模为其他模块方式，但这一点也很难做到，关键是没有相关的软件和内容。另外据有关资料显示，这种CA CAM方式的模块只有Irdeto和NDS两种，并没有像Viaccess这样的解密方式，故而烧友大可不必在改装模块上下功夫，而应在改装机器方面探索，以Nokia 9500机器能使用当前的CI CAM为突破口，这才是正确的方向，因为现在流行的模块种类实在是太多了。

据说，并不是NOKIA公司的所有机型都不支持CI CAM模块，像9600就支持现在流行的模块，相同主板的9500就不支持CI，显然9600和9500硬件上肯定有差异。听说9500要用现在的模块，要将模块打开进行跳线改装，国内还没有这方面的报道，但国外的网站上已有改装成功的例子，它是应用Viaccess的模块。现仅摘录几张图片供大家参考：图327是拆开的Viaccess的模块，在模块相关位置焊接相应的引线（图328），加装部分FLASH闪存集成电路（图329），最后装将模块插入相应的插槽中（图330），当然此时的前面板是合不上的，再将相应的收视卡插入模块中，就可以看到相应解密的节目了（图331）。由于都是外文，外语能力好的朋友可去这家网站（nokia.dvb.lv/eurocam.htm）看一下。

篇11

1 绪论

1.1 连续铸钢的概念

连续铸钢是一项把钢水直接浇铸成形的节能新工艺，它具有节省工序、缩短流程，　提高金属收得率，降低能量消耗，生产过程机械化和自动化程度高，钢种扩大，产品　质量高等许多传统模铸技术不可比拟的优点。自从20世纪50年代连续铸钢技术进入工业性应用阶段后，不同类型、不同规格的连铸机及其成套设备应运而生。20世纪70年代以后，连铸技术发展迅猛，特别是板、方坯连铸机的发展对加速连铸技术替代传统的模铸技术起到了决定性作用。

1.2 连铸比的概念

连铸坯的吨数与总铸坯(锭)的吨数之比叫做连铸比，它是衡量一个国家或一个钢铁工厂生产发展水平的重要标志之一，也是连铸设备、工艺、管理以及和连铸有关的各生产环节发展水平的综合体现。

1.3 国内外连铸技术的发展

1.3.1 国外连铸技术的发展概况

20世纪50年代，连铸开始用于钢铁工业生产。连铸坯产量仅有110万t左右，连铸比约为0.34%

20世纪60年代，弧型连铸机问世，连铸进入了稳步发展时期。年产铸坯能力达4000万t以上，连铸比达5.6%。

20世纪70年代，世界范围的两次能源危机促进了连铸技术大发展，连铸进入了迅猛发展时期。铸坯产量已逾2亿t，连铸比上升为25。8%。

20世纪80年代，连铸进入完全成熟的全盛时期。世界连铸比由1981年的33。8%上升到1990年的64。1%。连铸技术的进步主要表现在对铸坯质量设计和质量控制方面达到了一个新水平。

20世纪90年代以来，近终形连铸受到了实际各过的普遍关注，近终形薄板坯连铸与连扎相结合，形成紧凑式短流程，其发展速度之快，非人们所料及。

1.3.2 我国连铸发展概况

近几年，我国连铸发展很快。除海南、西藏和宁夏，都有了连铸。2000年，连铸坯产量达到11450万吨，突破一亿吨，位居各国之首。连铸比88.08%，超过了世界连铸比的平均数87.2%。从1996~2000年的五年，连铸坯的产量增加7017万吨，平均年增1403万吨，连铸比比1995（46.48%）增长41.6个百分点 ，平均年增8.32个百分点.这个增速在世界上也是罕见的.2000年，全连铸单位达到130个占有连铸单位的总数165个的78.8%(没有连铸的单位仅12个);高效和较高效连铸机占连铸机总数339台的约50%.在品种质量方面，可以说除个别品种外都能生产并满足质量要求。

进入新世纪，连铸生产发展更快.2001年连铸坯产量达13820万吨，连铸比达92.8%，比2000年猛增2370万吨，增长21%，连铸比增长4.72个百分点。

2002年预计将产连铸坯16500万吨连铸比将达94%左右，全连铸单位将达157个，占当前有连铸的单位总数175的89.7%.2002年预计将新增连铸机60台200流，产能3500万吨以上.到2002年在线连铸机将达444台，产能共19450万吨.预计到2005年连铸机产能将达23500万吨，产量将达21000万吨，连铸比将达97%.现在新建的钢长起步都是全连铸，新建的连铸机基本上都是高效的，而且达产很快。

1.4 今后我国连铸发展要求

1.提高品质.国内市场所需的品种应能自己生产并保证质量，充分满足市场要求，并有利于扩大出口。

2.提高效率.还有近半数的连铸机需要进行高效化改造，已改造的效率需进一步提高，新建连铸机必须高效化且一 步到位，提高近终型连铸的比率，进一步提高效率。

3.提高连铸比.尤其是提高特钢连铸比，　进一步发展全连铸.目前，影响我国连铸比的主要是几个大的钢铁企业和一批老的特钢企业，　包钢和攀钢可望于2003或2004年实现全连铸，宝钢可望于2006年实现全连铸，太钢也正在努力。

4.流程最佳化．炉外精炼、铸坯热装、连轧成材，连铸是中间环节和中心环节，力求匹配、衔接最佳化，使　之充分发挥炼钢及轧钢的能力，缩短工艺流程，降低各项消耗，提高劳动生产率，增加经济效益。

1.5 连铸机的组成

连铸机主要由钢包运载装置、中间包、中间包运载装置、结晶器、结晶器振动装置、二次冷却装置、拉坯矫直机、引锭装置、切割装置和铸坯运出装置等部分组成。

图1.1 弧形连铸机

1-钢包转台; 2-中间罐; 3-结晶器; 4-二次冷却及导向装置; 5-结晶器振动装置

6-拉矫机; 7-引锭存放装置; 8-切割装置; 9-铸坯运出装置

1.6 弧形连铸机的生产流程

连续浇注时，钢水罐中的钢液经过中间罐注入水冷铜板结晶器内，结晶器的底部由引锭头承托，使引锭头与结晶器壁密封后便可开始浇注。注入结晶器的钢水受到水冷铜模的强烈冷却，迅速成为具有一定厚度坯壳的铸坯。当钢液浇至规定高度时，开动拉矫机，拉锟夹住引锭杆以一定速度把铸坯连续拉出结晶器。为了防止铸坯坯壳被拉断，并减少结晶器内的拉坯阻力，在浇注过程中，结晶器始终要进行往复振动。铸坯拉出结晶器以后，进入二次喷水冷却区，直到完全凝固。当铸坯拉出拉矫机后，脱去引锭装置，铸坯经过矫直，再经过割机切成定尺长度，由输送锟道运走，这一整个过程是连续进行的。

铸坯切割装置处于整个连铸装置的末端，也是整个连铸流程的结尾部分，负责把连铸坯按照轧钢机的要求切割成定尺或倍尺长度。铸坯是在连续运行中完成切割，因此切割装置必须与铸坯同步运动。

1.7切割设备的技术要求

1．把被矫直的铸坯，按要求切割成一定长度。

2．铸坯切口应与铸坯长度方向垂直，切面平整，切头不应有大于原铸坯断面的变形。

3．切割能力应适应铸坯温度的变化。

1.8切割设备的类型及特点

1.8.1 种类

小方坯连铸机采用的切割设备种类较多，有电动机械剪，液压剪，火焰切割机等。

1.8.2火焰切割机原理

火焰切割机是利用燃气和氧气将铸坯快速燃烧，达到切断铸坯的目的，其优点是在线设备轻，一次性投资省，适应铸坯的温度宽；缺点是切割渣不易处理，金属损耗大，但当铸坯定尺较长时，金属损耗则较少，因而目前有些中、小企业又趋向建火焰切割机。

1.8.3 火焰切割机的种类

火焰切割机用于小方坯铸机的机型目前有三种：其一自动化程度较高，投资也较大的为全自动化的火焰切割机，切割枪的摆动，切割小车的随动及返回，以及自动计数定尺，都由微机控制。电动或气压做动力源。

另两种近来较流行的经济型的火焰切割机：一种称无动力型火焰切割机，另一种称夹坯型火焰切割机。

（1）无动力型火焰切割机

这种火焰切割机不同于全自动的火焰切割机，除切割小车返回使用液压缸外，其余全无动力源，是靠铸坯带动产生各种动作，当撞头落在锟道线上，铸坯运行一个定尺长度至撞头处，则顶动撞头并带着切割小车前进，切割小车上装切割枪，切割枪的摆动运动来源于摆动机构上有一个导轮，当切割小车被铸坯带动

前进时，此导轮将沿着一个固定的靠模曲线前进，因曲线的起伏使导轮带动切割枪，产生切割摆动运动。定尺撞头的上部装在定尺导杆上，由于定尺不同，撞头在定尺导杆上的位置可以通过调节装置进行调节，导杆的末端有释放导模，当撞头走到导杆末端时，完成尺切割后，撞头将因导模的作用，自动释放抬起。则被切断的铸坯经锟道送出。撞头及切割小车又被液压缸带动返回原处，而撞头落下成等待位置，全部切割过程结束。

该切割机的动力来源是铸坯，铸坯不顶到撞头，则切割小车不会行走，切割枪不会摆动，无法进行切割，显然该机不能进行非定尺的切割，如切头、切尾，或事故切割，这是该机的最大弱点。

（2）夹坯型火焰切割机

为了克服上述切割机的缺点，一种新型的切割机对随动运动作了改进，不用被动的顶坯方式，而改为主动的夹坯随动方式，并用汽缸作动力，解决了不能切头、切尾的问题。

夹坯型火焰切割机，切割机前设置里夹坯锟，夹坯夹头，火焰切割枪的摆动仍是由摆动机构和靠模完成，切割小车返回用液压缸或用气动马达，夹坯夹头杠杆通过转轴，靠汽缸传动，产生夹紧或放松的动作，而气缸的进排气则由工人遥控，或由定尺装置发出信号，显然该机应另配备定尺发信号装置。目前小方坯连铸机采用这种带有主动夹坯机构的火焰切割机日渐增多。

1.8.4 切割枪

割炬又称为切割枪，是火焰切割机的重要部件。切割枪是由枪体和切割嘴组成。而切割嘴是它的核心部件。

外混式切割枪，它形成的火焰焰心为白色长线状，切割嘴可距铸坯50～100mm内切割；外混式切割枪具有铸坯热清理效率高，切缝小，切割枪寿命长等优点。切割枪是用铜合金制造，并通水冷却。

一般当铸坯宽度小于600mm时，用单枪切割；宽度大于600mm的铸坯，用双枪切割。但要求两支切割枪在同一条直线上移动，以防切缝不齐。切割时割枪应能横向运动和升降运动。当铸坯宽大于300mm时，切割枪可以平移，见图a，当坯宽小于300mm时，割枪可做平移或扇形运动，见图b，割枪的扇形运动的一个优点是切割先从铸坯角部开始，使角部得到预热有利于缩短切割时间，同时在板坯切割时先做约 5°的扇形运动，割枪转到垂直位置后，再做快速平移运动，见图C。

图1.2 割枪运动

1.8.5 铸坯自动定尺装置

锟子通过气缸与铸坯接触，铸坯带动锟子转动并发出脉冲信号，由计数器按定尺发出信号开始切割。

1.9 切割机的选用

火焰切割机，在线设备简单，一次性投资低，切头比较平整，不受铸坯温度的限制，但金属损耗高，有烟尘和切割渣的污染，需要增加额外的投资。这里选用了夹坯型火焰切割机。

图1.3 火焰切割装置

图1.4 夹钳式同步机构简图

1.10 课题关键问题及难点

这次课题关键问题及主要难点有：

1.工作环境温度高，零部件的选用与保护。

2.变频器的参数设置。

3. 电气元件的选用。

4．火焰切割机机械部件与PLC控制系统的搭配。

5.电气图主要技术参数的计算。

6.STEP 7的编程。

2 火焰切割机机械控制

2．1 切割机机架

由轨道和轨道梁、走行和检查平台、横梁和立柱、能介管道和电缆等组成。

1．轨道采用高架形式，每流两根。安装轨道的轨道梁断面为“日”字形，内部通有冷却水，火切机轨道梁公用一个大机架。

2．行和检修平台。平台盖板上部为钢制花纹板，下部为钢板。

3．分布在铸流两侧，为了保证切割操作工有良好的操作视线，横梁采用下置式安放。

4．机能介管道和电缆设置在远离拉矫机一侧，如配置测量辊装置空气管和电缆设置靠拉矫机一侧。

2．2 车体

由下箱体、安装板、上箱体、箱盖和前箱体组成。

1．箱体和上箱体是一个箱形双壁构件，通有冷水，可保护安装在其中的各部件，防止机下铸流热辐射的损害。

2．安装板在上、下箱体之间，火切机的各部件都装在此板上。

3．箱盖在上箱体上方，是一可折的轻型盖子，便于安装和维修。

4．前箱体是单壁箱体，用来保护切割枪、夹钳装置。

2．3 传动装置

两传动火焰切割机的传动装置由三相交流电机、两极蜗轮减速器、齿轮传动副、切割车行走和割枪驱动等部件组成。

1．电机：火焰切割机上，采用8极交流电机加变频器调速，使割枪在起切速度时，电机不会在低频带工作。

2．减速器组件：火焰切割机的减速器是本厂自制件，有两极蜗轮减速。在第一级蜗轮出轴上，装有开式传动齿轮，与带有电磁离合器（A）。在第二级蜗轮出轴上装有电磁离合器（B）。

3．切割车行走：切割车行走由传动部件与车轮组成，车轮安装在水冷箱体两侧，前端两个从动轮，后端两个主动轮，一侧车轮为槽型导向轮，另一侧车轮为平轮。传动部分安装在水冷箱体的中部，通过小车传动电机，带动自动车轮，来完成切割机到沪运动。

4．割枪驱动：火焰切割机的割枪驱动由割枪传动电机来控制。

2．4 同步机构

火焰切割机的同步机构由带阀气缸、上夹臂、旋转轴和夹钳组成，气缸安装在水冷箱体内，通过电磁阀的换向带动上夹臂，再由旋转轴带动安装在前箱体的通有冷却水的夹钳作夹紧和松开动作，来实现对铸坯的夹紧和切割机的同步运行。

工作程序:待机时，电磁阀失电，夹紧松开，处于极限待机位置(最大开口)。当铸坯运行到切割定尺时，气缸换向阀得电，气缸使夹钳夹紧铸坯，同时切割车传动电机失电，切割车即随铸坯同步运行。当切割完毕时，气缸换向阀失电，夹钳松开，气缸缩回至极限待机位置，夹紧极限位置接近开关发讯，机器处于待机位置。

2．5 边缘探测装置

方坯火焰切割机在边缘探测方面作了很大改进。割枪对铸坯边缘的定位是通过夹钳对铸坯的夹紧将割枪边缘（不同的铸坯需要调整在夹紧时夹钳和割枪的相对位置，这样解决了铸坯跑偏时，割枪的预热点偏差大的问题。

工作原理：待机时，切割机传动电机均失电，割枪停留在原位。当铸坯运行到切割定尺时，气缸换向阀得电。夹钳带动割枪，迅速达到铸坯边缘位置，对铸坯进行预热。

2．6 管路

由车间氧气、燃气、压缩空气、冷却水等管道供应的各种介质经过能源介质箱后，通过机外配管、机内配管送到机上各使用点。

1.路。氧气进入能源介质箱，在箱内经过滤器后分成割枪预热氧、切割氧二路，分别减压至设定压力，由电磁阀控制出能源介质箱后，经硬管送至拖链上的软管再接到主、副割枪上，高温区割枪的连接采用不锈钢波纹软管，预热氧管道进入割枪前装有氧气回火防止器。

2.燃气管路。燃气进入能源介质箱，在箱内经过滤器并减压至设定压力，由电磁阀控制出能源介质箱后，经硬管送至拖链上的软管再接到主、副割枪上，高温区割枪的连接采用不锈钢波纹软管。燃气进入割枪前需装有回火防止器。

3.压缩空气灌录。压缩空气进入能源介质箱在箱内经气源三联件（过滤、减压、油雾器）以设定压力出能源介质箱，经硬管送至拖链上的软管后进入机内配管，由换向阀控制进入同步气缸，使夹钳作夹紧与放开动作。

火焰切割机的冷却水进、出水管路如下：

SHAPE \* MERGEFORMAT

图 2.1 冷却水进、出水管路示意图

冷却水经机外硬配管、拖链软管引上切割机后，分两路进入割枪、上箱体下箱体和夹钳，然后进入拖链回水管，最后通过机外硬配管系统排放。

另一路由电磁换向阀控制进入长度测量装置气缸，使测量辊作靠拢铸坯与脱离铸坯动作。

2．7 切割车行程控制

切割车行程控制由接近开关与感应片组成。接近开关装在切割机上箱体的水套中，以防在高温状态下的失灵，感应片焊接在机架上。

2．8 长度测量装置

1. 度测量装置为一由气缸推动可摆动的空心轴，空心轴上装有一个表面经特殊硬化处理的测量轮，其摆动支撑座安装在切割机机架上。铸坯到达测量点之前，空心轴应摆动至上位。当上位机发出铸坯到位信号后，气缸推动其摆动至下位，测量轮与铸坯侧面接触，铸坯靠摩擦力通过测量轮带动空心轴旋转。在空心轴上端通过一对开式齿轮传动副连接一个增量式光电编码器。测量轮的周长与脉冲发生器的每转脉冲数是匹配的，通过光电编码器将测量数据反馈到PLC中去。冷却水流经测量轮、空心轴后排出。

2.产度测量装置也可以配置红外线热金属探测器，探测器每流一套安装在长度测量机架上，探测器需要一路压缩空气、冷却水出口和出口管路。

3.度测量装置也可选用DC24VP碰锤，碰锤每流一套安装在测量机架上，并与机架绝缘。

2．9 能源介质控制箱

2．9.1 概述

能源介质控制箱的功能是将用户管道来的各种不同压力的能源介质调整到火焰切割机正常切割所需的工作压力。

本厂提供的能源介质控制箱具有这样的特点：在进口压力波动较大，切割所需的气源流量也很大的情况下，通过具有先进水平的减压阀的调压，使出口气压控制在正常切割所需的工作压力，并持续稳定地供应各种气源。

安装位置：一般安放在离火焰切割机切割区域不太远（10米以内）的两侧。这样既可以使火焰切割机的现场配管长度比较合理，又便于在进行压力调整的时候，操作工可看清割枪的火焰。

结构形式：为立式箱形结构。箱体的前后均可开门，便于维修。箱体的一侧配有电气端子箱（地上接线端子箱），将切割机上所有电控元器件和能源介质箱内电磁阀的接线电缆连接到此端子箱。

2．9.2 简介

（1）箱体。为立式箱形结构。所有的控制元器件及联接管路均可安装在该箱体内，箱体下部为能源介质的进口，上部为能源介质的出口。如用户特殊需要，也可进、出口换向设计。箱体的前后均为双开门，便于维修。箱体的一侧配有一个电气端子箱（地上接线端子箱），将切割机上所有电控元器件和能源介质箱内电磁阀的电缆连接到此端子箱。

（2）阀门类。共有六种类型。

1. 安装在能介箱内各进气总管和分路管道上的球阀。其总管所用型号为Q11F-16TG2；分管所用型号为Q11F-16TG3/4。

2. 安装在燃气总管上的止回阀。型号为MF，其功能一是防止燃气回火，二是过滤气体种的杂质。

3. 安装在氧气和燃气分管上的减压阀。切割氧减压阀型号为MD200；预热氧减压阀型号为RE25-HG；燃气减压阀型号为RE4PM-G。

4. 安装在氧气和燃气分管上，控制每一路气源开、关的二位二通电磁阀（德国进口件）。

5. 安装在预热氧管和燃气管旁路上的气体调节阀。其型号为DP5。

6. 安装在压缩空气管路上的三联件气源处理装置。其型号为399．293。

（3）管路。分为进气总管和各供气分管。

各种介质的进气总管各一根。其中在氧气和燃气总管上装有过滤器和压力表。

氧气总管在箱体内分成预热氧和切割氧两路然后根据该箱体控制切割枪的数量再分成相应的十路分管。

在每一路预热氧分管上，装有Q11F-16TG3/4球阀、MD200氧气减压阀和二位二通电磁阀。

在每一路预热氧分管上，装有Q11F-16TG3/4球阀、RE25-HG预热氧减压阀和二位二通电磁阀，在电磁阀的下部配有一旁路，上装有DP5气体调节阀，供调节割枪点火火焰之用。

燃气总管在箱体内根据该箱体控制切割枪的数量分成相应的五路分管。

在每一路燃气分管上，装有Q11F-16TG3/4球阀，RE4PM-G燃气减压阀和二位二通电磁阀，在电磁阀的下部也配有一旁路，上装有DP5气体调节阀，供调节割枪点火火焰之用。

2.10 技术参数

1切割参数

铸坯规格

120×120mm--250×250mm

铸坯温度

>600℃

切割定尺

>2.5m

切割区最小行程

2400mm

2运动参数

切割机运行速度

11.0m/min(快进、快退)

2.5m/min（慢进、慢退）

割枪运行速度

0—700mm/min（可调）

割枪正常切割速度

300—450mm/min

3结构参数

轨距

800mm

轮距

750mm

辊道面与轨道面高差

1000mm

割枪行程

300mm

切割枪数

每台1把

4能源介质参数

种类

压力(MPa)

耗量(Nm³/h)

备注

氧气

≧1.0

58（每把枪）

纯度

燃气：

4—6（每把枪）

热值>57458KJ/Nm³

①乙炔

0.07—0.10

35--40（每把枪）

热值>16800KJ/Nm³

②焦炉煤气

0.25—0.50

9—11（每把枪）

热值>95900KJ/Nm³

③高能气

0.05—0.07

3（每台车）

热值>94100KJ/Nm³

④石油液化气

0.05—0.07

10（每台车）

无油污杂质

压缩空气

0.40—0.60

6（每台车）

工业净化水

冷却水

0.60—0.80

3 电气控制的设计

火焰切割机电气设计要求包括六流火焰切割机的供配电设计，传动设计和控制操作功能设计。

3.1 电气控制工艺要求

3.1.1 控制设备

火机行走传动电机（～380V交流变频控制快慢调速，0.37KW）另带DC24V失电制动器、火切机割枪摆动传动电机（～380V交流变频控制快慢调速，0.25KW）、同步夹紧臂电磁阀、预热氧电磁阀、切割氧电磁阀、燃气电磁阀、小车行程开关（原位、前位、PNP二线制）、切枪限位接近开关（原位、终位、PNP二线制）、夹紧臂原位限位开关（PNP二线制）。

3.1.2 操作控制

（1） 手动位

小车前进：传动电机制动器释放火切机传动电机正转小车前进指示灯亮 碰到小车前位限位 火切机传动电机停转、小车前进指示灯灭。

小车后退：传动电机制动器释放火切机传动电机反转小车后退指示灯亮 碰到小车原位限位 火切机传动电机停转小车后退指示灯灭，小车停止运行。

小车停止：火切机传动电机停止。

切割枪快进（切割速进）：火切机传动电机快速（以切割速度前进，调节操作台上的调速电位器改变切割速度）运转 切割枪快进（切割速进）指示灯亮 碰到割枪终位限位 火切机传动电机停转，切割枪快进（切割速进）指示灯灭。

切割枪停止：火切机传动电机停转，割枪停止运行。

切割枪退回：传动电机反转。

切割枪夹紧：切枪夹紧臂电磁阀得电，切割枪夹紧指示灯亮。

切割枪松开：切枪夹紧臂电磁阀失电，切割枪夹紧指示灯灭。

预热火焰开：预热氧电磁阀得电，燃气电磁阀得电，预热火焰开指示灯亮。

预热火焰关：预热氧电磁阀失电，燃气电磁阀失电，预热关火焰关指示灯亮。

切割火焰开：切割氧电磁阀得电，燃气电磁阀得电，切割火焰开指示灯亮。

切割火焰关：切割氧电磁阀失电，燃气电磁阀失电，切割火焰关指示灯亮。

（2）自动位

定尺装置发出切割指令或手动切割指令 切枪夹紧臂电磁阀得电、切割枪夹紧，预热氧电磁阀得电、燃气电磁阀得电，预热火焰打开 经延时6秒 切割氧电磁阀得电（切割火焰打开，割枪传动电机以切割速度正转（调节操作台上的调速电位器改变切割速度）），切割枪向前运行。碰到割枪终位限位 切枪夹紧电磁阀失电（切割枪松开）割枪传动电机停转、切割氧电磁阀失电、预热氧电磁阀失电、燃气电磁阀失电（切割火焰关闭） 割枪传动电机反转、割枪返回原位 经延时3秒小车传动电机快速反转，小车向后退行 碰到小车原位限位小车传动电机停转、小车停止运行。

3.1.3 电气设计中应注意的问题

（1）

尽量减少电气线路的电源种类。

（2）

尽量减少电气元件的品种、规格、数量。

（3）

合理安排触点位置。

（4）

尽可能减少通电电器的数量。

（5）

正确联接电路的线圈。

（6）

防止出现寄生电路。

（7）

设计控制电路时应考虑各种连锁关系以及电气系统中具有的各种电气保护措施，如过载、短路、欠压零压、限位超程保护等。同时还要考虑信号指示，故障检测及报警等。

3.2 电气传动方式的选择

电气传动形式的选择是电气设计的主要内容之一，也是以后各部分设计内容的基础和先决条件。一个电气传动系统一般由电动机、电源装置及控制装置三部分组成，电源装置和控制装置紧密相关，一般放在一起考虑，三部分各自有多种设备或线路可供选择，设计时应根据生产机械的负载特性、工艺要求及环境条件和工程技术条件选择电气传动方案。它是由工程技术条件来确定的。

在交流电动机能满足生产需要的场合都应采用交流电动机。具体应考虑以下几点。

（1） 需调速的机械，包括长期工作制、短时工作制和重复短时工作制机械，应采用交流电动机。仅在某些操作特别频繁、交流电动机在发热和制动特性不能满足要求时，才考虑直流电动机，只需几级固定速度的机械可采用多速交流电动机。

（2）需要调速的机械，宜采用交流电动机。目前交流调速装置的性能、转矩响应时间与成本已能和直流调速装置竞争，越来越多的直流调速应用领域已采用通用变频器控制。

（3）在环境恶劣场合，例如高温、多尘、多水气、易燃、易爆等场合，宜采用交流电动机。

（4）电动机的结构型式应当适应机械结构的要求，再考虑到现场环境、可选用防护式、封闭式、防腐式、防爆式以及变频器专用电动机等结构型式。

3.2.1 电动机的启动

直接启动

直接起动就是直接加额定电压起动，也叫全压起动。这是一种简单的起动方法，不需要复杂的起动设备，但起动电流大，一般可达额定电流的4～7倍。所以只适用于小容量电动机的起动。

这里所指的“小容量”，不仅取决于电动机本身容量的大小，而且还与供电电源的容量有关。电源容量越大允许直接起动的电动机容量也就越大。电源允许的起动电流倍数可用下面的经验公式估算

Ist/IN=3/4+电源总容量（KVA）/4电动机容量（KW）

式中：Ist为电源允许的起动电流；IN为电动机定子额定电流。

只有当电动机的起动电流倍数小于或等于电源允许的起动电流倍数时，才允许采用直接起动的方法。

3.2.2 电动机的制动

当电动机定子饶组断电后，由于惯性作用，电动机不能马上停止运转。而很多生产机械，如起吊重物的行车，机床上需要迅速停车、准确定位的机构等，都要求电动机断电后立即停转。这就要求对电动机进行制动，强迫其立即停车。常用的制动方式有机械制动和电气制动。

（1）机械制动

所谓机械制动就是利用机械装置使电动机断电后立即停转。目前使用较多的机械制动装置是电磁抱闸，它的主要工作部分是电磁铁和闸瓦制动器。电磁铁由电磁线圈、静铁心、衔铁组成；闸瓦制动器由闸瓦、闸轮、弹簧、杠杆等组成。其中闸轮与电动机转轴相连，闸瓦对闸轮制动力矩的大小可通过调整弹簧弹力来改变。

采用电磁抱闸制动的优点是通电时制动装置松开，断电时它能起制动作用，适用于要求断电时能进行制动的生产机械和其他机械装置。

（2）电气制动

所谓电气制动，就是电动机需要制动时，通过电路的转换或改变供电条件使其产生与实际运转方向相反的电磁转矩—制动力矩，迫使电动机迅速停止转动的制动方式。

3.2.3 电动机的选择

小车因为对起动制动位置精度要求较高，固选用带有机械制动器的电动机。割枪选用电气制动。

表3-1 交流电动机的电流计算公式

cosφ以0.75计算

η以0.75计算

cosφ以0.85计算

η以0.85计算

注：（1）计算公式中，如无功率因数cosφ，效率η的数据时；单像电动机均以0.75计算；三相电动机以0.85计算。

（2）电动机功率如以马力HP表示时，与千瓦KW的折算关系为：1HP=0.746KW。

3.2.4 电动机电流的估算

Y802-8：

0.25KW×2=0.5 A

YEJ7124：

0.37KW×2=0.74A

表3-2电动机参数

3.3 电动机的调速控制

异步电动机的变频调速是通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的，在调速中从高速到低速都可以保持较小的转差率，因而消耗转差功率小，效率高。可以认为，变频调速是异步电动机的唯一最为合理的调速方法。随着电力电子技术和微机应用的不断发展，能够提供一种合乎异步电动机调速要求的变频电源装置，与结构简单的异步电动机组成调速系统，在调速性能上已能和直流电动机调速系统相媲美。

3.3.1变频调速的基本控制方式

异步电动机的同步转速，即旋转磁场的转速为

式中 —同步转速（r/min）

—定子频率（Hz）

—磁极对数。

而异步电动机的轴转速为

式中 S—异步电动机的转差率，

改变异步电动机的供电频率，可以改变其同步转速，实现调速运行。

对异步电动机进行调速控制时，希望电动机的主磁通保持额定值不变。磁通太弱，铁心利用不充分，同样的转子电流下，电磁转矩小，电动机的负载能力下降；磁通太强，则处于过励磁状态，使励磁电流过大，这就限制了定子电流的负载分量，为使电动机不过热，负载能力也要下降。异步电动机的气隙磁通（主磁通）是定、转子合成磁动势产生的，下面说明怎样才能使气隙磁通保持恒定。

变频器分为交-交和交-直-交两种形式。交-交变频器可将工频交流直接变换成频率、电压均可控制的交流，又称直接式变频器。而交-直-交变频器则是先把工频交流电通过整流器变成直流电，然后再把直流电变换成频率、电压均可控制的交流电，它又称为间接式变频器。

图3.1 变频器示意图

3.3.2 变频器的选择

变频器选择：根据电动机额定电流I，或电动机实际运行中最大电流Imax而定，一般令变频器额定电流

≥（1.05～1.1）

或

≥ (1.05～1.1)

式中 —电流最大有效值

按容量选择，则变频器容量

（KVA）

式中—电动机额定电压，V；

—电动机额定电流，A；

K—安全系数，通常为1.05～1.1

电动机：

Y802-8

=0.5A 则 ≥0.55A

=1.1*1.732*380*0.55*

=0.4KVA

又1KVA=0.8KW

0.4*0.8=0.32KW

YEJ7124 =0.74A 则 ≥0.814A

=1.1*1.732*380*0.814*

=0.59KVA

0.59*0.8=0.472KW

表3-3环境温度40°C时标准额定数据，安装和尺寸

额定电机功率 （KW）

额定输出电流I2（A）

模块选型

模块尺寸及重量（kg）

200-240V，三相50/60HZ

0.37

0.55

0.75

1.1

1.5

2.2

2.2

3.0

4.3

5.9

7.0

9.0

ACS143-K75-1

ACS143-1K1-1

ACS143-1K6-1

ACS143-2K1-1

ACS143-2K7-1

ACS143-4K1-1

A/0.8

A/0.8

B/1.1

C/1.5

C/1.5

D/1.8

380-480，三相50/60HZ

0.37

0.55

0.75

1.1

1.5

2.2

0.37

0.55

0.75

1.1

1.2

1.7

2.0

2.8

3.6

4.9

1.2

1.7

2.0

2.8

ACS143-K75-3

ACS143-1K1-3

ACS143-1K6-3

ACS143-2K1-3

ACS143-2K7-3

ACS143-4K1-3

ACS143-H75-3

ACS143-1H1-3

ACS143-1H6-3

ACS143-2H1-3

A/0.8

A/0.8

B/1.1

B/1.1

C/1.5

D/1.8

H/0.7

H/0.7

H/0.7

H/0.7

由于主电路的电源为工频电源，所以选择380V，三相50/60HZ的变频器。

故电动机Y802-8取变频器

ABB ACS143-K75-3 0.37KW 额定输出电流1.2A 模块及重量A/0.8

电动机YEJ7124 取变频器

ABB ACS143-1K1-3 0.55KW 额定输出电流1.7A 模块及重量A/0.8

图3.2 宏的设置

3.3.3

变频器的参数设置

表3-4 变频器参数

代码

描述

设置

9902

APPLIC MACRO（应用宏）

9905

MOTOR NOM VOLT（电机额定电压）

380V

9906

MOTOR NOM CURR（电机额定电流）

0.5A（割枪）

0.74A（小车）

9908

MOTOR NOM SPEED（电机额定转速）

1440rpm

1105

EXT REF1 MIN（外部给定1低限）

1106

EXT PEF2 MAX（外部给定1高限）

50HZ

1201

CONST SPEED SEL（恒速选择）

DI 1

1202

CONST SPEED 1

1401

RELAY OUTPUT 1（继电器输出1）

4

1402

RELAY OUTPUT 2继电器输出2

2

3101

NR OF TRIALS（复位次数）

5

3102

TRIAL TIME（复位时间）

5S

3103

DELAY TIME（延时时间）

1S

3104

AR OVERCURRENT（AR过流）

1

3105

AR OVERVOLTAGE（AR过压）

1

3106

AR UNDERVOLTAGE（AR欠压）

1

3107

AR AI

1

3.4 电气工艺的确定

小车和割抢冷却水打开（否则电源打开后会自动报警），电源开关开，各置位复位触发器复位，小车制动器得电，自动定尺装置发出切割信号，夹紧臂电磁阀得电，夹紧臂气缸工作，夹紧臂夹紧方坯，火焰切割机随方坯一起前进。预热氧、预热燃气电磁阀开，预热氧、预热燃气管路通，割枪开始预热。预热6秒后，切割氧电磁阀开，切割氧管路通，割枪转为切割火焰。割枪变频器DI 1得电，割枪电动机正转。（此时可通过调节操作台上的电位计来调节割枪的切割速度）当割枪碰到割枪前限位时，夹紧臂电磁阀失电，气缸带动夹紧臂回原位，预热氧，预热燃，切割氧电磁阀均失电，各气体管路关闭，同时割枪变频器DI1、DI2、DI3均得电，割枪电动机得电、反转，割枪以设定的恒定速度返回。割枪碰到原位，停3秒，小车变频器DI1、DI2、DI3得电，小车电动机得电、反转，小车以设定的恒速返回，小车碰到原位限位，小车变频器DI1、DI2、DI3失电，小车制动器得电，小车停止在原位，等候下一个切割指令。

另：1.在小车和割枪冷却水没有打开的情况下打开电源，系统会自动报警。

2.为保护火焰切割机，小车设有前限位，当小车碰到前限位时，无论是否切割完毕，夹紧臂电磁阀失电，夹紧臂松开，割枪自动关闭切割火焰返回原位，小车返回原位。

3.各电路均有自动开关保护，当电器电流过载时，自动开关断开，系统失电。

4.各主电路中开关由操作台上按钮连接交流接触器来控制，出现紧急情况，可由人工断开电路。

4 PLC的选择

4.1 PLC简介

可编程序控制器（PLC）是微机技术与继电器常规控制技术相结合的产物，是近年来发展最迅速应用最广泛的工业自动控制装置之一。它以其可靠性高、逻辑功能强、体积小、可在线修改控制程序、具有远程通信联网功能、易于与计算机接口、能对模拟量进行控制、具备高速记数与位控等高性能模块等优异性能，日益取代由大量继电器、时间继电器、记数继电器等组成的传统继电器-接触器控制系统，在机械、化工、电力、轻工等工业控制领域得到广泛应用。

PLC的工作方式

PLC是采用循环扫描的工作方式来完成控制的，每个扫描周期分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。

1.输入采样阶段

每个扫描周期开始，控制器首先顺序读入所有输入端的信号状态（0或1），并逐一存入状态寄存器中。输入状态寄存器的位数与输入端子数目对应，因而输入状态寄存器又称为输入镜像寄存器。输入采样结束后，即使输入状态变化，输入状态寄存器的内容也不会发生改变，这些变化只能在下一周期的输入采样阶段才被读入。

2.程序执行阶段

组成PLC用户程序的每条指令都有顺序号，在PLC中称为步序号。程序是按步序号依次存入存储单元。程序执行期间，地址计数器顺序寻址，依次指向每个存储单元，控制器顺序执行这些指令。对指令指定的输入状态寄存器、输出或内部辅助继电器、定时器、计数器、状态器的状态进行逻辑运算，运算结果通过输出指令存入输出状态寄存器。输出状态寄存器的位数与输出元件数目相对应，所以它又称为输出镜像寄存器。

3.输出刷新阶段

在所有的指令执行完毕后，输出状态寄存器中所有的状态，在输出刷新阶段转存到输出锁存器，驱动输出继电器的线圈，形成PLC的实际输出。

在一个周期执行完毕后，地址计数器恢复到初始地址，重复执行上述三个阶段的工作。一个扫描周期一般为20～50ms。

4.2 SIMATIC S7-300 PLC

S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合构成不同要求的系统。与S7-200 PLC比较，S7-300 PLC采用模块化结构，具备高速（0.6~0.1μs）的指令运算速度；用浮点数运算比较有效地实现了更为复杂的算术运算；一个带标准用户接口的软件工具方便用户给所有模块进行参数赋值；方便的人机界面服务已经集成在S7-300操作系统内，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送；CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）；多级口令保护可以使用户高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改；S7-300 PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。具备强大的通信功能，S7-300 PLC可通过编程软件Step 7的用户界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300 PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统；串行通信处理器用来连接点到点的通信系统；多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATIC S7/M7/C7等自动化控制系统。

图4.1 PLC硬件图

1.电源模块 2.后备电池 3.24V DC 连接器 4.模式开关

5.状态和故障指示灯 6.存储器卡（CPU 313以上）