硬件系统设计论文范文

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论文关键词:计算机电力系统网络安全

1概述

随着计算机技术的发展和应用范围的扩大，电力信息化的不断深人，计算机在电力系统中已从简单数据计算为主发展到数据库处理、实时控制和信息管理等应用领域，并在OA系统、电能电量计费系统、电力营销系统、电力ISP业务、经营财务系统、人力资源系统中得到广泛的应用。在电力系统内，它已经成为各项工作必不可少的基础条件，发挥着不可替代的作用。同时，由于各单位、各部门之间的现存的计算机网络硬件设备与操作系统千差万别，应用水平也参差不齐，因此，在计算机网络覆盖全球，计算机技术迅猛发展的今天，讨论和研究电力系统计算机的应用及安全性则显得尤为重要。

2电力系统的计算机网络应用和管理

电力系统的计算机网络应用是十分广泛的，并且将随着技术的发展而不断发展。这里从Interanet方面讨论电力系统的应用。首先各个单位应该申请工nternet国际域名和注册地址，建立省电力系统WWW服务。将各个部门的公用信息和数据进行WWW，使所有的具有不同计算机水平的员工都可以用浏览器对文档方便地进行调用、查询、浏览和维护，并且建立面对Inter-net的WWW主页服务，不仅宣传企业形象，而且可以将各种电力信息与产品进行工nternet，为了安全可以设立独立的服务器。建立电力系统的E-mail服务，使所有部门和员工拥有自己的电子信箱，不受时间和地域的限制接收电子信件。建立电力系统的FTP服务，使计算机文件方便地在Intranet和Internet上传递。建立电力系统的BBS服务，使所有分布在全省各个地区的员工在开设的不同交谈站进行实时交流。建立电力系统的服务，对系统内的新闻进行播放，同时开辟NEWS讨论主题，给所有员工发表自己见解的机会与场所，群策群力讨论企业的发展与建议。

电力系统的计算机网络管理应对各方面管理进行集成，来管理带宽、安全、通讯量、存储和内容。同时进行数据信息标准化和数据资源共享，保证系统的完整性和灵活性，适应不断变化的要求，满足系统多层次的不同应用，使系统的开放性符合国家标准和规范，保证应用软件和数据资源有较长的生命期，并具有良好的可靠性、安全性和可扩充性，体现集中与分布式的管理原则。

(1)集中就是由省局统一规划全省的计

算机网络结构，统一对全省的计算机网络应用进行协调;对已有的局域网进行论证分析，使其从结构上与总网相适应，对建立的新网进行指导与监督;对网络的通讯建设统一规划管理。建立一个范围广泛的工ntranet，应使用广域网网管，提供与工nternet的出口并进行防火墙技术安全管理，对于在系统内有广泛共性的工作要进行统一的开发与推广。

(2)分布式管理就是体现基层部门的内部管理，各个不同部门在其内部进行网络应用管理，基层部门与省局联系时进行统一的协议管理，保持全省通讯与应用协调一致，又根据单位性质的不同，开发不同特点的Intranete。

3电力系统计算机应用的现状及问题

计算机安全是指计算机信息系统的安全。计算机危害主要指计算机信息系统的软硬件资源遭到破坏、更改或泄露，系统不能正常运行。要保障计算机系统安全就必须治理(即清除、控制或预防)计算机危害。计算机系统的安全与不安全是从多方面反映的，从目前使用和发现的情况看，系统运行不稳定、内部资料外泄、网络利用率低等是主要常见的现象。

通过计算机网络使得电力系统的工作效率提高了，管理范围扩大了，工作人员的办事能力增强了，但计算机系统网络安全问题也随之变得更加严重了。例如:通过电子邮件感染病毒，电力系统管理网络互联接口的防火墙只配置了包过滤规则，提供的安全保证很低，容易受到基于IP欺骗的攻击，泄露企业机密，有些局域网没有进行虚拟网络VLAN划分和管理，造成网络阻塞，使工作效率减低。绝大多数操作系统是非正版软件，或网上下载免费软件，不能够做到及时补丁(PATCH)系统，造成系统漏洞，给攻击者留下木马后门;绝大多数工作站没有关闭不必要的通讯端口，使得计算机易受远程攻击病毒可以长驱直人，等等。

4解决问题的措施和方法

安全性是电力系统计算机网络最重要的部分。安全性既包括网络设施本身的安全，也包括信息的安全;既要防止外界有害信息的侵入和散布，又要保证自身信息的保密性、完整性和可用性。笔者觉得可以从以下几方面人手，提高网络的安全性:

(I)提高网络操作系统的可靠性。操作系统是计算机网络的核心，应选用运行稳定、具有完善的访问控制和系统设计的操作系统，若有多个版本供选择，应选用用户少的版本。在目前条件许可的情况下，可选用UN工X或LINUX。不论选用何种操作系，均应及时安装最新的补丁程序，提高操作系的安全性。

(2)防病毒。防病毒分为单机和网络两种。随着网络技术的快速发展，网络病毒的危害越来越大，因此，必须采用单机和网络防毒结合的防毒体系。单机防毒程序安装在工作站上，保护工作站免受病毒侵扰。主机防护程序安装在主机上，主机的操作系统可以是WINDOWS,UN工X,LINUX等。群件防毒程序安装在Exchange,Lotus等群件服务器中。防病毒墙安装在网关处，及时查杀企图进人内网的网络病毒。防毒控管中心安装在某台网络的机器上，监控整个网络的病毒情况，防毒控管中心可以主动升级，并把升级包通过网络分发给各个机器，完成整个网络的升级。

(3)合理地使用防火墙。防火墙可以阻断非法的数据包，屏蔽针对网络的非法攻击，阻断黑客人侵。一般情况下，防火墙设置会导致信息传输的明显延时，因此，在需要考虑实时性要求的系统，建议采用实时系统专用的防火墙组件，以降低通用防火墙软件延时带来的影响。

(4)对重要网络采用和MIS网物理隔离的方法保证安全。物理隔离是在物理线路上进行隔离，是一种最安全的防护技术。

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关键词：VHDL，电路系统，数据选择器

 

1 引言

VHDL (Very HighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language)是美国国防部在20世纪80年代中期开始推出的一种通用的硬件描述语言。作为IEEE的工业标准硬件描述语言，又得到众多EDA公司的支持，VHDL语言在电子工程领域已成为事实上的通用硬件描述语言。VHDL为设计者提供了一种全新的数字系统的设计途径。使用VHDL语言不只是意味着代码的编写，更是为了便于建立层次结构和元件结构的设计，利用VHDL编写的电路模块可被重复利用。故可以简化设计者的设计工作，大大缩短设计时间，减少硬件设计成本，提高工作效率。

2 VHDL的优点

VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。应用VHDL进行工程设计的优点是多方面的：

（1）具有更强的行为描述能力，是系统设计领域最佳的硬件描述语言。

（2）具有丰富的仿真语句和库函数，使得在任何大系统的设计早期就能查验设计系统的功能可行性，随时可对设计进行仿真模拟。

（3）VHDL语句的行为描述能力和程序结构决定了它具有支持大规模设计的分解和已有设计的再利用功能。该功能能满足市场大规模系统高效、高速的需要，可替代多人甚至多个组共同工作。

VHDL的许多优点给硬件设计者带来了极大的方便， 自然被广大用户接受， 得到众多厂商的大力支持。使用VHDL设计数字系统已成为当今电子设计技术的必然趋势[4 ] 。

3 “自顶向下”( Top-Down) 的设计方法

随着数字系统设计规模的急剧加大，“自顶向下”的设计方法成为现代EDA设计的趋势。论文参考。传统的系统硬件设计方法是采用自下而上的设计方法。即系统硬件的设计是从选择具体元器件开始的，并用这些元器件进行逻辑电路设计，完成系统各独立功能模块设计，然后再将各功能模块连接起来，完成整个系统的硬件设计。而在VHDL的设计中，采用“自顶向下”( Top-Down) 的设计方法，设计常用流程图如图1所示，系统被分解为各个模块的集合后，可以对设计的每个独立模块指派不同的工作小组，这些小组可以工作在不同地点，甚至可以分属不同的单位，最后将不同的模块集成为最终的系统模型，并对其进行综合测试和评价。论文参考。“自顶向下”设计的基本步骤为:

(1) 分析系统的内部结构并进行系统划分，确定各个模块的功能和接口;

(2) 编写程序，输入VHDL代码，并将其编译成标准的VHDL文件;

(3) VHDL 源代码进行综合优化处理;

(4) 配置，即加载设计规定的编程数据到一个或多个LCA器件中的运行过程，以定义器件内的逻辑功能块和其互连的功能。

(5) 下载验证，通过编程器或下载电缆载入将步骤(4) 得到的器件编程文件下载到目标芯片中，以验证设计的正确性。

图1 VHDL工程设计流程图

Fig.1 The design flow based on VHDL

4 VHDL的设计举例

下面以4选1数据选择器为例说明使用VHDL的设计过程。4选1数据选择器框图如图2所示。论文参考。

该数据选择器的VHDL描述如下：

entity sel is

port(a,b,c,d,sel_1:IN bit;

out_1:OUT bit);

end sel;

architectureexample of sel is

begin图2 4选1数据选择器

process((a,b,c,d, sel_0, sel_1) Fig.2 The one-in-four selector

begin

if sel_0=‘0’andsel_1=‘0’then

out_1<=a;

elsef sel_0=‘0’andsel_1=‘1’then

out_1<=b;

elsef sel_0=‘1’andsel_1=‘0’then

out_1<=c;

else

out_1<=d;

end if;

end process;

end example;

利用VHDL强大的仿真功能，经过编译后运行仿真，之后可以产生信号波形，用以分析仿真结果。本例中产生波形如图3所示。仿真结果符合设计功能的要求。

图3 仿真结果

Fig.3The waveform of simulation

5 结束语

本文以4选1数据选择器设计为例，说明利用VHDL设计电路系统的基本方法和过程。用VHDL语言实现电路的设计过程，是一个以软件设计为主，器件配置相结合的过程。这种软件设计与硬件设计的结合，以一片器件代替由多片小规模集成数字电路组成的电路，其优势已经越来越明显。在进行系统设计时，如果系统比较复杂，所需器件数目多，并要求体积小、速度快、功耗低时，首先应该考虑使用VHDL进行芯片设计，然后再进行整体设计。

参考文献

[1] Stafan Sjoholm，Lennart Lindh. 边计年,薛宏熙译. 用VHDL设计电子线路[M]. 北京:清华大学出版社,1999.

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[5] 张利萍, 胡玉兰. 硬件描述语言VHDL应用设计及实例[J]. 沈阳工业学院学报，2002，21（2）：70-73.

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上海交通大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：周烨斐日期：2007年1月25日

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变频调速协调控制系统设计摘要新型粗纱机在机械结构、系统传动以及电气控制方面都有较大的改变，它除去了传统粗纱机中的上、下锥轮，差速器，龙筋升降传动部件和成型机构，机械结构变得大为简化。新型粗纱机采用PLC控制四台变频器，分别独立驱动锭翼、罗拉、筒管和龙筋的电机来实现高效高质纺纱。机械结构的简化虽然可以在很多方面提高粗纱机的性能和稳定性，但是罗拉、锭翼、筒管、龙筋四个电机的同步控制成了整个控制系统设计的难点，从而粗纱的张力控制也成了最需要解决的问题。如何设计一个全新的控制系统来代替原先机械传动部分，实现和超越其功能是新型四电机粗纱机设计的关键和核心部分。张力控制的好坏决定着新型粗纱机能够开发成功。针对以上的关键和难点，本文从硬件和软件系统两方面来阐述解决方案，并且着重对张力控制系统的设计进行详细的分析。在硬件系统的设计方面，本文首先对整个控制系统的机械结构做了个简要说明；在电气系统方案方面，我们选择了由工控机、PLC、矢量

变频基础传动、光电传感器组成的系统，其中，工控机为综合监控系统，人机界面采用WINCC来设置纺织工艺参数，监控整车的运行和故障状态，它通过MPI网络协议和PLC进行通讯；PLC是实时控制的核心，获取粗纱位置光电传感器的检测值，并通过PROFIBUS-DP总线和四台矢量变频器进行通信，读取矢量变频器中各电机的速度，计算出各个电机的理论速度，然后向矢量变频器发送指令，设置各变频电机的速度，从而控制电机的运转。由于变频器对整个系统的重要性，本文又对变频器的选择以及其与PLC的通讯作了一个详细的描述。在硬件结构搭建完毕的基础上，本文在对控制对象分析后提出了张力控制方案。张力控制方案主要包括两方面：一、张力软测量模型。该模型的主要作用就是取代原先机械锥轮，根据实时的径向线密度调整卷绕直径，从而调整四电机的速度，改善其同步性。并且该模型具有自学的功能，使得该模型能够适应多种不同的机型，从而超越了机械锥轮的功能，有着更加广泛的应用。二、张力控制算法。该算法建立在软测量模型的基础上，通过优化过的闭环控制算法，不断地调整径向线密度，并且使其趋于稳定。这两方面相辅相成，从而使张力控制达到最优化。最后本文对整个软件系统作了分析，对软件的主要模块分开剖析，概述了模块与模块之间的关系，并且对最为复杂的几个模块进行仔细阐述，使得本系统的设计思路跃然纸上。通过合理的硬件系统，周详的软件系统和创新的张力控制方案，新

型四电机粗纱机在测试阶段运行良好，为其研发成功奠定了基础。关键词：同步控制，张力控制，变频器，软测量模型

Design of Coordinated Control SystemBased On Frequency ConversionAbstractThe new type of roving machine has undergone a great change in mechanical structure，systematictransmission and electrical control.It eliminated the up and down cone drums，differential device，railsdrive assembly and forming device，which simplified the mechanical architecture a lot.Inthis design，PLC controlled four frequency converters to separately drive four motors tomake flyer，roller，bobbin and rails run in a synchronized way.Thus，the roving machinecould product roving of high quality efficiently.Although simplification of mechanical architecture could enhance the performanceand the stability of the roving machine in many fields，it became difficult to execute asynchronized control over the four motors of roller，flyer，bobbin and rails in the wholedesign，which also made the tension control of rove become the key problem to be solved.The core of the design of the new type of machine is how to invent a brand-new controlsystem to substitute the traditional mechanical parts and to realize or even surpass theoriginal functions.Whether this new type of machine can be developed or not just dependson the performance of the tension control.According to the key problems and the most difficulties，this thesis expatiates on the solutionsfrom two aspects，hardware and software.Moreover，it emphasizes on the control system of the tensioncontrol in details.In the design of hardware，the thesis gives an overall view on its mechanical design.Then，in the

electrical design，we choose industrial computer，PLC，frequency converters，photo-electricitysensors.The industrial computer works HMI，it communicated with PLC via MPI;thePLC is the center of real-time control，it get the signal of roving height fromphoto-electricity sensors，communicates with frequency converter via PROFIBUS-DP，read the speed of four motors from frequency converter，compute the preset speed of fourmotors，then send commands to frequency to control the speed of motors.Due to theimportance of frequency converters in the whole system，the thesis gives a detailedpresentation on how to choose the frequency converters and its communication with PLC.On the basis of hardware system and the analysis of the control objects，the thesisputs forward the scenario of tension control，which consists of two programs.Firstly，it’sthe tension measuring model.The major function of this model is to substitute thetraditional mechanical cone drums to adjust the winding diameter in terms of the real-timeradial density and then accordingly to adjust the speed of the four motors to improve thesynchronization.Besides，this model has the self-teaching ability to adapt to various kindsof machines.It surpassed the mechanical cone drums and therefore has a more extensiveapplication.Secondly，it’s the algorithm of tension control.The algorithm is based on themeasuring model to adjust the radial density to a stable value through the optimizedclosed-loop methods.These two programs supplement each other to achieve theoptimization of the tension control.In the end，the thesis analyzes the whole software system，anatomizes the majorblocks and gives a profile of the relations among the blocks.In addition，it expatiates onthe most complicated blocks carefully to present a clear picture of the design.By our building a reasonable hardware system and a comprehensive software systemand inventing the tension control scenario，this new type of four-motor roving machineoperated well in the testing phases，which has placed a solid foundation of its successfuldevelopment.

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关键词：大数据 云存储 Hadoop HDFS

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）02-0172-01

1 引言

随着移动互联网以及物联网的发展，“大数据”渐渐成为发展的一种趋势，如何有效存储数据成为我们面临的一个问题，云存储技术成为首要选择。因为用户不需要进行硬件的管理和维护，它本身能够根据所需容量大小对用户数据进行定制，从而大大缩减了用户的成本和人力的投入。另外云存储技术具有易扩充、价格低、易管理等优点，同时它也可以通过对外提供数据的存储以及业务的访问功能，以降低数据管理和运维成本。Hadoop分布式文件系统（HDFS）是一个运行在普通的硬件之上的分布式文件系统，具有高传输率、高容错性等特点，来满足当前海量数据的存储管理问题。

本文主要提出了一种在大数据场景下基于HDFS的云存储服务系统设计方案，满足对大数据进行高效存储的需求。

2 HDFS数据管理机制分析

Hadoop是一个分布式系统基础架构，由Apache基金会开发。它实现了一个分布式文件系统，简称HDFS。

由图1可知， HDFS是主从式的分布式系统，对于数据的操作集中在名称节点（NameNode）以及数据节点（DataNode）。NameNode上保存着控制信息的元数据，DataNode上保存的是实际数据，因此客户端可以通过NameNode对元数据进行相关操作。

3 系统分析与设计

3.1 系统分析

目前许多企业面临空前的海量数据管理难题，存储数据的成本也居高不下，并且信息存储的安全性也有待加强。因此，结合云存储的特点，要设计一个成功的云存储服务系统案例，可以从以下几个方面考虑：

（1）大容量。通过对连接的普通PC机上的存储文件类型进行设置，从而合理分配数据。

（2）高效性。将客户端对文件数据的请求尽可能分散，提高其并发性。

（3）安全性。通过Hadoop集群的副本策略提高安全性，同时也可以兼顾Hadoop平台的容错技术。

（4）可扩展性。当请求增加时，系统可以通过增加PC机节点来扩展系统存储容量和计算性能。

3.2 系统设计

本文将设计的基于HDFS的云存储系统命名为“望远镜”云平台系统，实现用户对存储在本地的文件数据进行管理和维护，并可通过客户端将指定文件上传到集群系统中，或实现下载功能。

本系统的功能需求分为管理员的功能需求和普通用户的功能需求。共分为三个模块：管理员、普通用户和平台管理。图2所示为系统功能模块图。

4 结语

本系统的主要任务是对来自用户的大容量数据进行存储，所以系统满意度最重要的判断标准是对于用户作业的处理时间的响应，由于本系统在实现中，因此这部分工作后续完成，另外可以在用户的存储空间管理方面以及信息安全等方面可以进行进一步的优化和改进。

参考文献

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[2]OtisGosvodnetie，ErikHateher.Lueeneinaetion.London：Manning，2005.

[3]赵文辉，徐俊，周加林，李晨.网络存储技术.北京：清华大学出版社，2005.

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[5]李武.面向现代服务业的大规模分布式文件存储系统设计和实现：（硕士学位论文）.杭州：浙江大学，2008.

[6]李学干，徐甲同.并行处理技术.北京：北京理工大学出版社，1994.

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关键词：开放式实验室；三层架构；

中图分类号：TP311.52 文献标识码：A

1 引言(Introduction)

现今，随着高校实验室设备资源在质与量上的提升，越来越多的问题摆在了学生、教师、管理员及各级院系领导面前。例如,各实验室相互独立，导致资源无法最大化的使用和很低的实验设备使用率；实验室功能虽多，但多而散，无法形成综合优势[1]；各级管理员无法有效并清晰的随时随地对相关软件、硬件资源信息进行统计与掌控，造成管理上的不便；除此之外，设备的购买、保修、送检及维护也需要进行很多报表的填写，若是需要对某一时间段或者某一类型的设备进行相关统计任务，则需要花费很多的时间及精力。

综上，设计并实现一个开放式的实验室管理系统具有极大的实际使用价值。在此之前，有些人对高校实验室管理模式经过研究与实践，提出自己的观点，例如：论文[2]基于_Net的开放式实验室管理系统的设计与实现所提出的解决方案，在新实验课标的要求下，对于综合性、创新性实验无法进行有效管理,导致该实现方案过于简单；论文[3]高校开放式实验室设备管理系统研究，对于教师及学生的功能需求考虑较少；论文[4]开放式实验室管理系统的设计与实现，未能体现开放式的真正内涵，即实验设备信息的网上查询、统计及预约。

本文内容组织如下：首先，设计了开放式实验室管理系统OLMS(英文全拼)的基本体系结构，并进行了系统需求分析；在此基础上，进行了系统设计，给出了系统功能结构图；接着对该系统的主要实现过程进行了详细说明；最后，给出了该系统下一步需要完善的功能及小结。

2 开放式实验室管理系统OLMS的基本体系结

构(The basic architecture of open laboratory

management system)

2.1 OLMS系统的基本体系结构

OLMS系统的基本体系结构由五层构成，从上到下依次为网络设施、系统服务支持环境、数据层、逻辑层和用户操作层即显示层。

2.2 OLMS系统需求分析

OLMS系统的主要使用者有四类人员：学生、教师、实验室管理员、院系各级领导及教研室主任。这四类角色对于OLMS系统的主要功能期望为：课内/外实验、综合性、设计性实验的相关管理及操作；实验设备及资源信息的管理操作；在线预约实验设备及资源；查询预约结果等；实验室设备、资源的电子化管理功能；新实验的申报及审核流程；提交、批改、指导实验报告功能；浏览、查询、编辑实验电子课件；统计报表功能；除此之外，该OLMS还需实现部分系统或者公用功能。

3 系统设计(System design)

根据前述的基本体系结构及系统需求分析，设计OLMS系统的系统功能结构，如图1所示。

图1 OLMS系统功能结构图

Fig.1 System function structure

4 系统实现(System implementation)

4.1 程序开发及运行环境

本系统开发中，采用Microsoft Visual Studio 2005工具，SQL Server 2005， Framework SDK v2.0。

4.2 编码规范

为了项目的规范，在系统实现之前，定义了相关的数据库命名规范，包括数据库、数据表、字段、视图、存储过程、触发器等的命名规范；程序代码命名规范，包括变量及对象名称定义规则、数据类型简写规则、控件命名规则等。

4.3 编码实现

编码实现主要包括以下部分：数据处理层、主要功能模块及界面层的实现。

4.3.1 数据处理层的编码实现

为了简化大量重复性的数据库访问及数据处理操作，本系统单独做了数据处理层的编码实现，以供功能模块的调用。

4.3.2 主要功能模块的实现

功能模块主要为功能服务，实现各个单独的逻辑功能，主要包括以下各子模块：

(1)系统功能模块及其编码实现

系统功能模块及其算法主要包括：第一,系统的初始化功能；第二,对数据信息等的管理；包括用户信息管理[5]、平台的管理、数据与资料的管理等；第三,用户权限的分层设置及管理。

(2)学生功能模块及其编码实现

学生功能模块主要实现的功能有：学生个人信息的浏览及部分修改功能；学生信用度算法模块；本学期课内/外实验、综合性或创新性实验的相关功能实现，使用在线资源例如在线答疑、在线讨论区、在线题库等功能。

(3)教师功能模块及其编码实现

教师功能模块主要实现的功能有：学期初的课内/外实验申请；综合性、创新性实验申请；新开设实验项目的填报及申请；查询本学期实验课表及实验安排内容；布置预习实验要求；审核学生的课外或其它实验申请；对个人信息的管理或依据条件查询学生的基本信息。

(4)实验室管理员功能模块及其编码实现

实验室管理员功能模块主要实现的功能有：第一，实验室子系统管理；第二，审核实验预约功能；第三，实验室设备运行管理，即设备运行时的过程数据管理；第四，实验室设备资源的管理；第五,设备统计分析功能等。

4.3.3 界面层的实现

该系统界面层的实现主要满足简洁、清晰、个性化定制的目标。为了实现简洁、清晰，系统以蓝色为主色，统一了系统的界面框架，任何用户访问该系统时，都能看到一个布局统一、颜色一致的界面。

5 结论(Conclusion)

系统经过一年多的运行，极大地方便了实验课程管理、实验预约等教学工作的开展，取得了良好效果。后续需解决的问题：如何由点及面，打破原有小而散的模式，进行校一级的实验室管理系统设计及实现？如何与硬件控制器相结合，实现远程控制和管理，确保实验室的全天候开放和安全？如何为各种终端设备用户提供友好的服务等问题。

参考文献(References)

[1] 张松,陈志刚,金亮.开放实验室管理系统设计方案比较及实

现[J].计算机工程与应用,2004,40(3):230-232.

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[3] 谢健,刘原奇,易先卉.高校开放式实验室设备管理系统研究

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[4] 姜浩,等.开放式实验室管理系统的设计与实现[J].实验室研

究与探索,2010,29(6):110-112.

[5] 尹红,李海燕.基于C/S和B/S混合结构的高校开放式实验室

管理系统的研究与实现[J].信息系统工程,2009(6):29-32.

作者简介：

刘海玲(1978-),女,硕士,讲师.研究领域：web应用及开发.

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关键词：现代电子系统设计；教学改革；综合素质

一、引言

现代电子系统设计是我校电子科学与技术专业（以下简称为“电子”专业）的一门选修课程。通过该课程的学习与实践，目的是使学生对现代电子系统设计及原理有一个较为完整和系统的认识，并具有一定工艺分析、解决工艺问题和提高产品质量的能力，可以掌握嵌入式系统开发的主要过程，从专业的角度对嵌入式计算机系统进行分析设计，并且掌握ARM处理器的体系结构。从课程的教学目的可知，本课程要求培养学生在知识综合应用和动手实践方面的能力，不仅要求学生具有扎实的基础知识和对知识的综合应用思维，还需要学生具有很强的动手能力和应用能力。

近年来，随着电子技术的发展，电子系统的设计方法和手段也在不断更新和进步。电子系统设计方法在快速发展的电子技术应用中不断受到挑战。从传统手工设计方法到EDA设计方法，从分立元件系统到集成电路设计，从PCB集成系统到芯片集成系统（SoC），从纯硬件系统设计到硬件与软件结合的系统开发，新型电子系统层出不穷，其设计理念也发生着革命性的变化。这使得企业不仅需要毕业生在进入该领域时具备良好的专业能力和素质，更需要他们了解和形成现代电子系统设计的团队思维方式和综合设计方法。同时，学校要促进教学知识与时俱进，培养符合社会需要的实用型工程技术人才，提高学生的就业竞争力；也要对现代电子系统设计课程的教学方法和教学模式进行深刻的思考和改进。

二、存在的问题

现代电子系统设计课程的传统教学模式主要包括理论授课和实践实验两个部分。理论授课主要包括对现代电子系统设计的方法、思维、工具、应用基础的介绍与强化，常用处理器及其体系结构的应用、设计、改进知识和FPGA重构思维、Altium Designer电路原理图及PCB绘制软件的使用，在本课程的教学授课过程中需要贯穿系统设计方法和设计思想。实践实验则以上机实验为主，进行规定实验内容的验证、观察和简单电路的原理设计。电子系统课程所存在的问题主要在教学方法和人才培养方面。

1.教学方法问题

在几年的教学过程中，笔者通过思考和分析课程教学中的问题以及学生的反馈意见，总结了以下几点问题：

（1）基础知识不牢。教师在课堂授课、实践过程中不能很好地将各门课程综合应用，各门课程间缺乏沟通，学生无法将所学知识串连起来，进行综合应用。

（2）教学内容有所欠缺。学生对处理器知识的理解和实际软件编程思维不够深刻，习惯于有实验手册指导条件下的惯性实验模式，一旦教师让他们进行开放性实验来完成设计时，就无法形成系统性思维，各自为战，团队意识不强。

（3）考核方法陈旧。课程的考核方式主要采用大众式的“本门课程成绩=平时成绩+期末考试成绩”的计算方式，学生疲于应付考试，应试态度明显，不去思考本门课程所学内容与先修课程和本学期其他课程的关联，只去死记硬背些条条框框，对于思考题和实际现象无法进行有效分析，形成了固化思维。

2.人才培养问题

除此之外，电子专业在人才培养方面也存在一些问题，主要体现在学生学习主动性以及创新活动的参与度上：

（1）2013年前，电子专业在全国大学生电子设计大赛、辽宁省机器人设计大赛、飞思卡尔杯智能汽车大赛（现更名为“恩智浦”杯智能汽车大赛）、大学生创新创业训练计划等体现和锻炼综合素质的活动中的参与度非常低，仅有3人次参与，这些都侧面反映出学生对所学习的C语言程序设计、模拟电子、数字电子、单片机原理、EDA与VHDL语言等课程的综合应用能力较差，学习和参与的主动性和积极性不高，综合设计能力不强。

（2）根据对学生就业数据的统计调查发现，学生在毕业后两年内从事与本专业相关的研发、技术设计、理论研究工作的人数不到业人数的20%，其他学生多选择改行。在校学生对本专业的认可度也普遍偏低，选择考研的学生中有90%选择了外校。

三、课程改进的方法

为使学生能够更好地掌握现代电子系统设计课程内容，并真正提高系统设计思维和教学效果，我系针对上面出现的问题进行思考，对所发现的问题进行教学环节的切实改进。

1.加强实践训练和实际电路设计

实际的动手训练和电路设计，需要具体分析常用电路原理和具体电路常见故障问题，并加强对学生实际设备操作和实用能力的培养。采用理论教学和实践教学结合的项目驱动方式，由教师结合实际工作经验和教学需要，对学生下发开发板、相关元器件，改变传统仅使用多媒体课件观看图片和以教师理论说教方式完成对电子系统各组成元器件的认知，以硬件电路的设计与开发实践项目为引导，使学生全程接触实际电路和处理器，以实际项目为驱动进行电子系统设计流程、方法、步骤的掌握和训练。教师将STC单片机公司和德州仪器公司赠送的开发板下发给学生，学生2～3人一组进行实际项目的开发和学习，由浅入深，从STC89C52、MSP430单片机开始，逐步接触ARM处理器，完成电路系统的设计与开发，为后续FPGA处理器设计打下良好的应用思维基础。

2.以科技学术活动为激励

学校以全国大学生电子设计大赛、辽宁省机器人设计大赛、飞思卡尔杯智能汽车大赛（现更名为“恩智浦”杯智能汽车大赛）、大学生创新创业训练计划等科技学术活动为激励，通过相关大赛培养学生的应用能力，激发他们的学习积极性和自主性。通过这几年的积极引导，笔者发现，学生在以上竞赛和活动的参与率上得到了明显提升，共获得全国大学生电子设计大赛省级竞赛一等奖、二等奖各2项，参与3人次；获批大学生创新创业计划国家级立项2项，省级立项3项，参与14人次；获智能汽车大赛赛区一等奖1项，二等奖2项，参与2人次；获辽宁省机器人设计大赛二等奖1项，三等奖1项，参与12人次；参与校级及其他各类科技学术活动50余人次。这些大赛不但提高了学生的专业综合素质，还提高了学生的总结能力、文档设计能力、电路设计和软件编程能力。

3.教学团队形式优化学生学习内容

本专业教师联合为同一教学团队，在提高教学质量和学生动手能力的目标下，尽量为学生设计一个统一的综合性题目，增强学生的能力，同时，使各门课程的知识点相辅相成、互相印证，使学生更容易将所学知识进行综合和理解。

4.考核办法改进

考核办法从六个方面考核综合训练完成的成绩，即报告、设计能力、动手实践能力、功能完成情况、课堂研讨回答所提出问题的程度以及综合训练过程中的工作态度等。其中，报告占14%、设计和实践能力占10%、功能完成情况占8%、训练设计掌握程度占6%、课堂研讨回答出的问题占7%、综合训练过程中的工作态度（考勤）占5%。在期末考试的试题中，要增加创见性题目。同时，教师可以鼓励学生发表学术论文，以学术论文替代期末考试。

增加小组设计和小组讨论环节，教师团队设定十组中等难度的综合应用设计题目，将学生按2～3人一组进行实践项目分组，完成设计白皮书（包括系统需求描述、功能概述、拟采取的解决方法），完成系统电路设计，绘制电路图、PCB文件，完成硬件焊接、软件编程并进行答辩。组员各负其责，完成各自项目中的任务，教师和学生一起进行实际项目的需求分析、设计步骤安排、实验验证等环节。这样，可以使学生在学习之余提高团队合作能力和综合运用知识的能力。经实际操作此过程，学生反应强烈，讨论和学习动力增加，分组实践情况如图所示。

分组实践现场

四、结束语

本文在现代电子系统设计课程教学和本专业教学的基础上，对本课程的教、学、练等三个方面进行设计和改进，发挥和突出本专业应用特色，并且从几年来的实践效果看，新的改进方法增强了学生学习的主动性和教学过程中的灵活性，提高了学生综合能力素质和成果比例。

参考文献：

[1]宋晓梅.现代电子系统设计教程[M].北京：北京大学出版社，2011.

篇7

这次毕业设计阐述了EFAT/P过程控制实验装置和新华分散控制系统XDPS－400。通过在EFAT/P过程控制实验装置上做进水流量F1定值调节，了解 EFAT/P过程控制实验装置的构成，以及实验基本环节，设计出进水流量F1定值调节的实验。通过了解XDPS－400的体系结构，设计出与进水流量F1定值调节实验的软硬件，最终与过程控制实验装置结合，对EFPT/P实验中进水流量F1定值调节进行组态，实现实时数据采集、过程控制、顺序控制、高级控制、报警检测、监视、操作，对数据进行记录、统计、显示、打印等处理。

关键词：EFAT/P，XDPS－400，进水流量，定值调节，系统设计.

：19000多字的自动化专业论文

有中英文摘要、目录、参考文献、图表

200元

篇8

【关键词】ARM9 点阵显示屏 SD卡

LED显示屏是近几年全球迅速发展起来的新型信息显示媒体，它利用发光二极管构成的点阵模块或像素组成大面积显示屏幕，以可靠性高、使用寿命长、环境适应能力强、价格性能比高、使用成本低等特点，在短短的十来年中，迅速成长为平板显示的主流产品，在信息显示领域得到了广泛的应用 本论文以ARM9高性能单片机来设计电子点阵显示屏的硬件系统。

一、电子点阵显示屏的硬件系统框图如图1所示

图1 电子点阵显示屏硬件系统框图

二、采用16个LED8*8显示屏，构成16行*64列点阵显示

点阵显示屏由16个8×8点阵LED显示模块。16片8×8点阵LED显示模块利用总线形组成一个16×64的LED点阵，用于同时显示4个16×16点阵汉字或8个16×8点阵的字母p字符或数字。单元显示屏可以接收来自控制器（主控制电路板）或上一级显示单元模块传输下来的数据信息和命令信息，并可将这些数据信息和命令信息不经任何变化地再传送到下一级显示模块单元中，因此显示板可扩展至更多的显示单元，用于显示更多的显示内容。

三、显示驱动电路

采用74HC138三-八译码器和74HC164移位寄存器。将从ARM里出来的列信号通过8个164级联而成的64位的信号输出端连接到16*64的点阵LED的输入端，作为点阵的行驱动信号。通过164移位这64位的信号，来控制显示内容的变化。再从ARM输出三个信号分别输入到2个级联的74HC138译码器，然后输出16位行信号，经过16个1K的电阻，再输入到16个PNP（8550）三极管的B极来进行对行信号的放大，其中所有的三极管的E极相连接+5V的电源，所有的C极接16个470欧姆的电阻，得到的信号作为点阵LED 的行输入信号。通过对138的三个输入信号进行控制，改变行信号。由138和164的信号，控制二极管的亮、灭来显示出所要求的字符、汉字。

行驱动电路：每个LED管亮需要7mA的电流，那么64个同时亮就需要448mA的电流，所以我们要对列进行驱动，我们采用晶体管8550对列信号进行放大。驱动电路如图2所示：

图2 点阵显示屏驱动电路

列驱动电路：此电路是由集成电路74HC164构成的，它具有一个8位串入并出的移位寄存器，可以实现在显示本行各列数据的同时，传送下一行的列数据。如图3所示：

图3 列驱动电路

四、总结

本论文完成了LED点阵电子显示屏的主要电路的设计。在系统设计中使用SD卡的扩展，是存储容量大大的增大，实现了海量存储，并具有掉电保护功能。通过和PC机的通讯，使显示的信息能实时的更新。也实现了显示屏的多字体显示。整个系统简洁，可靠性高，性能稳定。

参考文献：

[1]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社，1995.

篇9

论文摘要：从数字系统设计的性质出发，结合目前迅速发展的芯片系统，比较、研究各种硬件描述语言；详细阐述各种语言的发展历史、体系结构和设计方法；探讨未来硬件描述语言的发展趋势，同时针对国内EDA基础薄弱的现状，在硬件描述语言方面作了一些有益的思考。

现在，随着系统级FPGA以及系统芯片的出现。软硬件协调设计和系统设计变得越来越重要。传统意义上的硬件设计越来越倾向于与系统设计和软件设计结合。硬件描述语言为适应新的情况，迅速发展，出现了很多新的硬件描述语言，像Superlog、SystemC、cynlib c++等等。究交选择哪种语言进行设计，整个业界正在进行激烈的讨论。因此，完全有必要在这方面作一些比较研究，为EDA设计做一些有意义的工作，也为发展我们未来的芯片设计技术打好基础。

1、目前HDL发展状况

目前，硬件描述语言可谓是百花齐放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、Cynlib C++、C Level等等。虽然各种语言各有所长，但业界对到底使用哪一种语言进行设计，却莫衷一是，难有定论。

而比较一致的意见是，HDL和C/C++语言在设计流程中实现级和系统级都具有各自的用武之地。问题出现在系统级和实现级相连接的地方：什么时候将使用中的一种语言停下来，而开始使用另外一种语言?或者干脆就直接使用一种语言?现在看来得出结论仍为时过早。

在2001年举行的国际HDL会议上，与会者就使用何种设计语言展开了生动、激烈的辩论。各方人士各持己见：为Verilog辩护者认为，开发一种新的设计语言是一种浪费；为SystemC辩护者认为，系统级芯片SoC快速增长的复杂性需要新的设计方法；C语言的赞扬者认为，Verilog是硬件设计的汇编语言，而编程的标准很快就会是高级语言，Cynlib c++是最佳的选择，它速度快、代码精简；Supedog的捍卫者认为，Superlog是Verilog的扩展，可以在整个设计流程中仅提供一种语言和一个仿真器，与现有的方法兼容，是一种进化，而不是一场革命。

当然，以上所有的讨论都没有提及模拟设计。如果想设计带有模拟电路的芯片，硬件描述语言必须有模拟扩展部分，像Verilog HDL－A，既要求能够描述门级开关级，又要求具有描述物理特性的能力。

2、几种代表性的HDL语言

2．1 VHDL

早在1980年，因为美国军事工业需要描述电子系统的方法，美国国防部开始进行VHDL的开发。1987年。由IEEE(In，stitute of Electrical and Electro－nics Engineers)将VHDL制定为标准。参考手册为IEEE VHDL语言参考手册标准草案1076/8版，于1987年批准，称为IEEE 1076－1987。应当注意，起初VHDL只是作为系统规范的一个标滞，而不足为设计而制定的。第二个版本是在1993年制定的，称为VHDL－93，增加了一些新的命令和属性。

虽然有“VHDL是一个4亿美元的错误”这样的说法。但VHDL毕竟是1995年以前唯一制订为标准的硬件描述语言，这是它不争的事实和优势；但同时它确实比较麻烦，而且其综合库至今也没有标准化，不具有晶体管开关级的描述能力和模拟设计的描述能力。目前的看法是，对于特大型的系统级数字电路设计，VHDL是较为合适的。

实质上，在底层的VHDL设计环境是由Verilog HDL描述的器件库支持的，因此，它们之间的互操作性十分重要。目前，Verilog和VDHL的两个国际组织OVI、Ⅵ正在筹划这一工作，准备成立专门的工作组来协调VHDL和Verilog HDL语言的互操作性。OVI也支持不需要翻译，由VHDL到Verilog的自由表达。

2．2 Verilog HDL

Venlog HDL是在1983年，由GDA(GateWay Design Au－tomation)公司的Phil Moorby首创的。Phil Moorby后来成为Verilog－XL的主要设计者和Cadence公司的第一合伙人。在1984“1985年，Phil Moorby设计出了第一个名为Venlog－XL的仿真器；1986年，他对Verilog HDL的发展义作出了另一个巨大的贡献：提出了用于快速门级仿真的XL算法。

随着Verilog－XL算法的成功，Verilog HDL语言得到迅速发展。1989年，Cadence公司收购了GDA公司，Verilog HDL语言成为Cadence公司的私有财产。1990年，Cadence公司决定公开Verilog HDL语言，于是成立了OVI(Open Verilog InternaUonal)组织，负责促进Verilog HDL语言的发展。基于Verilog HDL的优越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE标准，即Verilog HDL 1364－1995；2001年了Verilog HDL 1364－2001标准。在这个标准中，加入了Verilog HDL－A标准，使Verilog有了模拟设计描述的能力。

2．3 Superlog

开发一种新的硬件设计语言，总是有些冒险，而且未必能够利用原来对硬件开发的经验。能不能在原有硬件描述语言的基础上，结合高级语言c、c++甚至Java等语言的特点，进行扩展，达到一种新的系统级设计语言标准呢?

Superlog就是在这样的背景下研制开发的系统级硬件描述语言。Verilog语言的首创者Phil Moorby和Peter Flake等硬什描述语言专家，在一家叫Co－Design Automation的EDA公司进行合作，开始对Verilog进行扩展研究。1999年，Co－Design公司了SUPERLOGTM系统设计语言，同时了两个开发工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一个用于系统级开发，一个用于高级验证。2001年，Co－Design公司向电子产业标准化组织Accellera了SUPERLOG扩展综合子集ESS，这样它就可以在今天Verilog语言的RTL级综合子集的基础上，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的EDA软件工具所利用，

至今为止。已超过15家芯片设计公司用Superlog来进行芯片设计和硬件开发。Superlog是一种具有良好前景的系统级硬件描述语言。但是不久前，由于整个IT产业的滑坡，EDA公司进行大的整合，Co－Design公司被Synopsys公司兼并，形势又变得扑朔迷离。

2．4 SystemC

随着半导体技术的迅猛发展，SoC已经成为当今集成电路设计的发展方向。在系统芯片的各个设计中，像系统定义、软硬件划分、设计实现等，集成电路设计界一直在考虑如何满足SoC的设计要求，一直在寻找一种能同时实现较高层次的软件和硬件描述的系统级设计语言。

systemC正是在这种情况下，由Synopsys公司和CoWare公司积极响应目前各方对系统级设计语言的需求而合作开发的。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、lP公司、半导体公司和嵌入式软件公司宣布成立“开放式SystemC联盟”。著名公司Cadence也于2001年加入了systemC联盟。SystemC从1999年9月联盟建立初期的0.9版本开始更新，从1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2，0版。

3、各种HDL语言的体系结构和设计方法

3．1 SystemC

实际使用中，systemc由一组描述类库和一个包含仿真核的库组成。在用户的描述程序中，必须包括相应的类库，可以通过通常的ANSI c++编译器编译该程序。SystemC提供了软件、硬件和系统模块。用户可以在不同的层次上自由选择。建立自己的系统模型，进行仿真、优化、验证、综合等等。

3．2 Supeflog

Superlog集合了Verilog的简洁、c语言的强大、功能验证和系统级结构设计等特征，是一种高速的硬件描述语言。

①Verilog 95和Verilog 2K。Superlog是Verilog HDL的超集，支持最新的Verilog 2K的硬件模型。

②c和c++语言。Superlog提供c语言的结构、类型、指针，同时具有C++面对对象的特性。

③Superlog扩展综合子集ESS。ESS提供一种新的硬件描述的综合抽象级。

④强大的验证功能。自动测试基准，如随机数据产生、功能覆盖、各种专有检查等。

Superlog的系统级硬件开发工具主要有Co－Design Au－mmation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同时可以结合具它的EDA工具进行开发。

3．3 Verilog和VHDL

这两种语言是传统硬件描述语言，有很多的书籍和资料叫以查阅参考，这里不多介绍。

4、目前可取可行的策略和方式

按传统方法，我们将硬件抽象级的模型类型分为以下五种：

(1)系统级(system)－用语言提供的高级结构实现算法运行的模型：

(2)算法级(aIgorithm)－用语言提供的高级结构实现算法运行的模型：

(3)RTL级(Register Transfer Level)－描述数据在寄存器之间流动和如何处理、控制这些数据流动的模型。

(4)门级(gate－level)－描述逻辑门以及逻辑门之间的连接模型。

(5)开关级(swish－level)－描述器件中三极管和存储节点以及它们之间连接的模型。

根据目前芯片设计的发展趋势。验证级和综合抽象级也有可能成为一种标准级别。因为它们适合于IP核复用和系统级仿真综合优化的需要，而软件(嵌入式、固件式)也越来越成为一个和系统密切相关的抽象级别。

目前，对于一个系统芯片设计项目，可以采用的方案包括以下几种：

①最传统的办法是，在系统级采用VHDL，在软件级采用c语言，在实现级采用Verilog。目前，VHDL与Verilog的互操作性已经逐步走向标准化，但软件与硬件的协凋设计还是一个很具挑战性的工作。因为软件越来越成为SOC设计的关键。该力案的特点是：风险小，集成难度大，与原有方法完全兼容，有现成的开发工具：但工具集成由开发者自行负责完成。

②系统级及软件级采用Superlog，硬件级和实现级均采用Verilog HDL描述，这样和原有的硬件设计可以兼容。只要重新采购两个Superlog开发工具SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM即可。该方案特点是风险较小，易于集成，与原硬件设计兼容性好。有集成开发环境。

③系统级和软件级采用SystemC，硬件级采用SystemC与常规的Verilog HDL互相转换，与原来的软件编译环境完全兼容。开发者只需要一组描述类库和一个包含仿真核的库，就可以在通常的ANSI c++编译器环境下开发；但硬件描述与原有方法完全不兼容。该方案特点是风险较大，与原软件开发兼容性好，硬件开发有风险。

5、未来发展和技术方向

微电子设计工业的设计线宽已经从0.251um向0.18um变迁，而且正在向0.13um和90nm的目标努力迈进。到0.13um这个目标后，90％的信号延迟将由线路互连所产生：为了设计工作频率近2GHz的高性能电路，就必须解决感应、电迁移和衬底噪声问题(同时还有设计复杂度问题)。

未来几年的设计中所面临的挑战有哪些?标准组织怎样去面对?当设计线宽降到0.13um，甚至更小尉，将会出现四个主要的趋势：设计再利用；设计验证(包括硬件和软什)；互连问题将决定剥时间、电源及噪声要求；系统级芯片设计要求。

满足来来设计者需要的设计环境将是多家供应商提供解决方案的模式，因为涉及的问题面太广且太复杂，没有哪个公司或实体可以独立解决。实际上，人们完全有理由认为，对下一代设计问题解决方案的贡献，基础研究活动与独立产业的作用将同等重要。

以后EDA界将在以下三个方面开展工作。

①互用性标准。所有解决方案的基础，是设计工具开发过程的组件一互用性标准。我们知道。EDA工业采用的是工业上所需要的标准。而不管标准是谁制定的。但是，当今市场的迅速发展正在将优势转向那些提供标准时能做到快速适应和技术领先的组织。处于领先的公司正在有目的地向这方面投资，那些没有参加开发这些标准的公司则必须独自承担风险。

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关键词：气象数据；Linux ARM；串行通信

中图分类号：TP368.2 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 15-0000-02

Multi-Channel Weather Data Serial Communication Design Based on ARM System

Huang Jiansong,Wu Yue,Hu Hanfeng

(Institute of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information&Technology,Nanjing210044,China)

Abstract:In this paper,multi-field weather observation data transfer and storage requirements,a core processor with ARM9 S3C2440 development platform,focusing on the serial communication interface is designed.Paper describes meteorological data multiple serial communication research background and significance of structures based on the ARM S3C2440 processor hardware platform and Linux-based development environment,and established under Linux cross-compiler for ARM board environment,prepared serial communication applications and its structure was analyzed.

Keywords:Meteorological data;Linux ARM;Serial communication

一、引言

随着大气探测科学研究的深入和传感器技术的进步，各类气象传感器和大气探测设备在科学试验和日常业务中正在发挥日益重要的作用。如今在进行外场试验时，通常会使用较多类型的探测设备观测各种气象要素和环境参数。这些探测设备一般具有串行通信接口，以便向上位机传输数据。如果使用普通计算机接收各类观测数据，通常需要多台PC机，并且数据的收集和存储将会变得非常麻烦。而以ARM核为处理器的嵌入式数据采集系统具有功耗低、体积小、接口多、程序编写调试方便等特点。因此，鉴于国内外气象数据采集系统的发展趋势，结合串行通信技术和ARM系统的特点，本文在一款以ARM9 S3C2440为核心处理器的开发平台上，重点对串口进行设计，以实现多路气象数据串行通信数据的传输和存储。

二、嵌入式系统硬件部分设计

作为嵌入式系统的核心，选择一款合适型号的ARM芯片非常重要。经过多方调研，本文的硬件部分采用以三星公司生产的S3C2440芯片为处理器的ARM9开发板。该开发板提供3个独立UART接口，可外接多路串行通信智能传感器，实现传感器与开发板间的数据传输与控制。

利用RS232串口线以及USB数据线连接好宿主机和目标，通过执行BIOS功能指令和运行dnw.exe软件，即可实现数据的烧写和下载。在windowsXP系统中，通过建立一个超级终端，设置好串口参数，进入BIOS模式界面。之后安装好ARM板的USB驱动，配合使用dnw.exe软件，就可以实现ARM板和电脑之间的Linux系统和应用程序文件的移植和烧写。

三、嵌入式系统软件开发平台的搭建

建立嵌入式系统开发平台，首先要在宿主机和目标机上安装指定的操作系统。根据本文设计要求选择Linux系统。对于一般的PC机，通常都带有windows系统，因此，宿主机的操作系统选择虚拟系统Red Hat Linux5.0，使用虚拟机（Vmware-workstation）的方式建立开发环境。

安装好Vmware，即可在宿主机上安装Red Hat 5.0 Linux系统。首先根据宿主机的配置来确定虚拟机的内存和硬盘配置。虚拟机硬盘大小根据目标需求分配，默认为8G。本文选择利用虚拟光驱来安装系统。系统安装完毕后即可设置ARM板的交叉编译环境，在Linux系统下安装arm-linux-gcc编译器。

构建嵌入式系统的软件开发平台，需要在ARM板上安装Linux系统。利用之前安装好的USB驱动和dnw.exe软件，通过操作BIOS模式的指令完成Linux系统的安装。Linux系统的安装过程主要包括以下几个步骤[1]：对Nand Flash进行分区、安装BootLoader、安装Linux内核文件、安装根文件系统。

四、数据采集功能程序设计

本文的设计目的是利用RS-232串口实现气象仪器与嵌入式系统之间的数据传输和存储。因此，设计的嵌入式系统的工作流程[2，3]是：首先系统上电进行初始化操作系统和外设模块操作，然后就可以运行特定的应用程序，流程图如图1所示。

图1：嵌入式系统串口通信应用程序流程图

其中初始化部分由设备驱动程序来完成。RS-232串口驱动程序主要包括串口初始化，字符发送程序，字符接受程序等。应用程序部分包括打开串口和文件，重新设置串口参数，读取数据，将数据存储到SD卡中，关闭串口和文件。由于驱动程序代码无需自行编译，因此，以下只对应用程序关键部分进行分析。

（一）打开串口和文件：通过使用标准的文件打开函数open（参数1，参数2）来实现的[4]。设备的打开方式本文选择可读可写方式。程序中三个串口的打开方式都一样，只是路径不同，所以在程序的开始，将设备和文件的路径定义为字符串常量，将其分别放在两个数组中，从而简化应用程序。

（二）设置串口信息：Linux系统中定义了一个查询和操纵各种终端的标准接口，称为termios。它包含了各终端特性的完整描述，相关联的函数可以查询和修改这些特性。在本设计中，串口参数分别设置为：波特率115200、8位数据位、无校验方式、无数据流控制、1位停止位。

（三）串口数据的读写：串口数据的读写类似于文件数据的读写。向串口发送数据，使用write（）函数；而读取串口数据，使用read（）函数。读写函数的返回值分别为函数读到或写入的数据的字节数。若返回值为-1，则表示出错。对于read函数，若返回值为0，则表示已经到达文件尾[5，6，7]。在打开串口和文件并设置好串口信息之后，每隔一段时间依次读取三路串口的数据，同时将读取数据存在SD卡中，存储格式为二进制。

应用程序编写完成后，在arm-Linux-gcc交叉编译环境中编译。利用交叉调试器进行分析和调试，使得该应用程序能够在开发板上运行，从而实现气象传感器与嵌入式系统之间的通信。

五、结论与展望

本论文利用嵌入式技术，搭建了基于ARM芯片S3C2440的硬件平台和基于嵌入式Linux系统的软件平台，并在Linux系统下建立了针对ARM板的交叉编译环境。根据实际需要，编写了嵌入式Linux系统下的串口通信应用程序，初步实现了多路RS-232串口的数据传输和储存。其应用程序还有待于进一步开发，例如实现应用程序的界面化、实时分析显示数据等功能。

参考文献：

[1]张景璐,杜辉,吴友兰.ARM9嵌入式系统设计与应用案例[M].中国电力出版社,2008,16

[2]李筠,邬登风.基于linux的RS-232C串口通信的研究[J].仪表技术,2010,7:43-47

[3]云霞,曾连荪.基于VC++6.0的RS-422串口通信设计[J].信息技术,2010,9:73-75

[4]刘盛辉.嵌入式多路数据采集平台的开发与研究[D].长安大学硕士学位论文,2006,47-55

[5]刘小成,朱佳华,林峰.Linux下串口通信在工业控制方面的应用技术[J].机械制造与自动化,2010,12,39(6):96-98