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論文關鍵詞:計算機電力系統(tǒng)網(wǎng)絡安全

1概述

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和應用范圍的擴大，電力信息化的不斷深人，計算機在電力系統(tǒng)中已從簡單數(shù)據(jù)計算為主發(fā)展到數(shù)據(jù)庫處理、實時控制和信息管理等應用領域，并在OA系統(tǒng)、電能電量計費系統(tǒng)、電力營銷系統(tǒng)、電力ISP業(yè)務、經(jīng)營財務系統(tǒng)、人力資源系統(tǒng)中得到廣泛的應用。在電力系統(tǒng)內(nèi)，它已經(jīng)成為各項工作必不可少的基礎條件，發(fā)揮著不可替代的作用。同時，由于各單位、各部門之間的現(xiàn)存的計算機網(wǎng)絡硬件設備與操作系統(tǒng)千差萬別，應用水平也參差不齊，因此，在計算機網(wǎng)絡覆蓋全球，計算機技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，討論和研究電力系統(tǒng)計算機的應用及安全性則顯得尤為重要。

2電力系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡應用和管理

電力系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡應用是十分廣泛的，并且將隨著技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。這里從Interanet方面討論電力系統(tǒng)的應用。首先各個單位應該申請工nternet國際域名和注冊地址，建立省電力系統(tǒng)WWW服務。將各個部門的公用信息和數(shù)據(jù)進行WWW，使所有的具有不同計算機水平的員工都可以用瀏覽器對文檔方便地進行調(diào)用、查詢、瀏覽和維護，并且建立面對Inter-net的WWW主頁服務，不僅宣傳企業(yè)形象，而且可以將各種電力信息與產(chǎn)品進行工nternet，為了安全可以設立獨立的服務器。建立電力系統(tǒng)的E-mail服務，使所有部門和員工擁有自己的電子信箱，不受時間和地域的限制接收電子信件。建立電力系統(tǒng)的FTP服務，使計算機文件方便地在Intranet和Internet上傳遞。建立電力系統(tǒng)的BBS服務，使所有分布在全省各個地區(qū)的員工在開設的不同交談站進行實時交流。建立電力系統(tǒng)的服務，對系統(tǒng)內(nèi)的新聞進行播放，同時開辟NEWS討論主題，給所有員工發(fā)表自己見解的機會與場所，群策群力討論企業(yè)的發(fā)展與建議。

電力系統(tǒng)的計算機網(wǎng)絡管理應對各方面管理進行集成，來管理帶寬、安全、通訊量、存儲和內(nèi)容。同時進行數(shù)據(jù)信息標準化和數(shù)據(jù)資源共享，保證系統(tǒng)的完整性和靈活性，適應不斷變化的要求，滿足系統(tǒng)多層次的不同應用，使系統(tǒng)的開放性符合國家標準和規(guī)范，保證應用軟件和數(shù)據(jù)資源有較長的生命期，并具有良好的可靠性、安全性和可擴充性，體現(xiàn)集中與分布式的管理原則。

(1)集中就是由省局統(tǒng)一規(guī)劃全省的計

算機網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一對全省的計算機網(wǎng)絡應用進行協(xié)調(diào);對已有的局域網(wǎng)進行論證分析，使其從結(jié)構(gòu)上與總網(wǎng)相適應，對建立的新網(wǎng)進行指導與監(jiān)督;對網(wǎng)絡的通訊建設統(tǒng)一規(guī)劃管理。建立一個范圍廣泛的工ntranet，應使用廣域網(wǎng)網(wǎng)管，提供與工nternet的出口并進行防火墻技術(shù)安全管理，對于在系統(tǒng)內(nèi)有廣泛共性的工作要進行統(tǒng)一的開發(fā)與推廣。

(2)分布式管理就是體現(xiàn)基層部門的內(nèi)部管理，各個不同部門在其內(nèi)部進行網(wǎng)絡應用管理，基層部門與省局聯(lián)系時進行統(tǒng)一的協(xié)議管理，保持全省通訊與應用協(xié)調(diào)一致，又根據(jù)單位性質(zhì)的不同，開發(fā)不同特點的Intranete。

3電力系統(tǒng)計算機應用的現(xiàn)狀及問題

計算機安全是指計算機信息系統(tǒng)的安全。計算機危害主要指計算機信息系統(tǒng)的軟硬件資源遭到破壞、更改或泄露，系統(tǒng)不能正常運行。要保障計算機系統(tǒng)安全就必須治理(即清除、控制或預防)計算機危害。計算機系統(tǒng)的安全與不安全是從多方面反映的，從目前使用和發(fā)現(xiàn)的情況看，系統(tǒng)運行不穩(wěn)定、內(nèi)部資料外泄、網(wǎng)絡利用率低等是主要常見的現(xiàn)象。

通過計算機網(wǎng)絡使得電力系統(tǒng)的工作效率提高了，管理范圍擴大了，工作人員的辦事能力增強了，但計算機系統(tǒng)網(wǎng)絡安全問題也隨之變得更加嚴重了。例如:通過電子郵件感染病毒，電力系統(tǒng)管理網(wǎng)絡互聯(lián)接口的防火墻只配置了包過濾規(guī)則，提供的安全保證很低，容易受到基于IP欺騙的攻擊，泄露企業(yè)機密，有些局域網(wǎng)沒有進行虛擬網(wǎng)絡VLAN劃分和管理，造成網(wǎng)絡阻塞，使工作效率減低。絕大多數(shù)操作系統(tǒng)是非正版軟件，或網(wǎng)上下載免費軟件，不能夠做到及時補丁(PATCH)系統(tǒng)，造成系統(tǒng)漏洞，給攻擊者留下木馬后門;絕大多數(shù)工作站沒有關閉不必要的通訊端口，使得計算機易受遠程攻擊病毒可以長驅(qū)直人，等等。

4解決問題的措施和方法

安全性是電力系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡最重要的部分。安全性既包括網(wǎng)絡設施本身的安全，也包括信息的安全;既要防止外界有害信息的侵入和散布，又要保證自身信息的保密性、完整性和可用性。筆者覺得可以從以下幾方面人手，提高網(wǎng)絡的安全性:

(I)提高網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的可靠性。操作系統(tǒng)是計算機網(wǎng)絡的核心，應選用運行穩(wěn)定、具有完善的訪問控制和系統(tǒng)設計的操作系統(tǒng)，若有多個版本供選擇，應選用用戶少的版本。在目前條件許可的情況下，可選用UN工X或LINUX。不論選用何種操作系，均應及時安裝最新的補丁程序，提高操作系的安全性。

(2)防病毒。防病毒分為單機和網(wǎng)絡兩種。隨著網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展，網(wǎng)絡病毒的危害越來越大，因此，必須采用單機和網(wǎng)絡防毒結(jié)合的防毒體系。單機防毒程序安裝在工作站上，保護工作站免受病毒侵擾。主機防護程序安裝在主機上，主機的操作系統(tǒng)可以是WINDOWS,UN工X,LINUX等。群件防毒程序安裝在Exchange,Lotus等群件服務器中。防病毒墻安裝在網(wǎng)關處，及時查殺企圖進人內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡病毒。防毒控管中心安裝在某臺網(wǎng)絡的機器上，監(jiān)控整個網(wǎng)絡的病毒情況，防毒控管中心可以主動升級，并把升級包通過網(wǎng)絡分發(fā)給各個機器，完成整個網(wǎng)絡的升級。

(3)合理地使用防火墻。防火墻可以阻斷非法的數(shù)據(jù)包，屏蔽針對網(wǎng)絡的非法攻擊，阻斷黑客人侵。一般情況下，防火墻設置會導致信息傳輸?shù)拿黠@延時，因此，在需要考慮實時性要求的系統(tǒng)，建議采用實時系統(tǒng)專用的防火墻組件，以降低通用防火墻軟件延時帶來的影響。

(4)對重要網(wǎng)絡采用和MIS網(wǎng)物理隔離的方法保證安全。物理隔離是在物理線路上進行隔離，是一種最安全的防護技術(shù)。

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關鍵詞：VHDL，電路系統(tǒng)，數(shù)據(jù)選擇器

 

1 引言

VHDL (Very HighSpeed Integrated Circuit Hardware Description Language)是美國國防部在20世紀80年代中期開始推出的一種通用的硬件描述語言。作為IEEE的工業(yè)標準硬件描述語言，又得到眾多EDA公司的支持，VHDL語言在電子工程領域已成為事實上的通用硬件描述語言。VHDL為設計者提供了一種全新的數(shù)字系統(tǒng)的設計途徑。使用VHDL語言不只是意味著代碼的編寫，更是為了便于建立層次結(jié)構(gòu)和元件結(jié)構(gòu)的設計，利用VHDL編寫的電路模塊可被重復利用。故可以簡化設計者的設計工作，大大縮短設計時間，減少硬件設計成本，提高工作效率。

2 VHDL的優(yōu)點

VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。應用VHDL進行工程設計的優(yōu)點是多方面的：

（1）具有更強的行為描述能力，是系統(tǒng)設計領域最佳的硬件描述語言。

（2）具有豐富的仿真語句和庫函數(shù)，使得在任何大系統(tǒng)的設計早期就能查驗設計系統(tǒng)的功能可行性，隨時可對設計進行仿真模擬。

（3）VHDL語句的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了它具有支持大規(guī)模設計的分解和已有設計的再利用功能。該功能能滿足市場大規(guī)模系統(tǒng)高效、高速的需要，可替代多人甚至多個組共同工作。

VHDL的許多優(yōu)點給硬件設計者帶來了極大的方便， 自然被廣大用戶接受， 得到眾多廠商的大力支持。使用VHDL設計數(shù)字系統(tǒng)已成為當今電子設計技術(shù)的必然趨勢[4 ] 。

3 “自頂向下”( Top-Down) 的設計方法

隨著數(shù)字系統(tǒng)設計規(guī)模的急劇加大，“自頂向下”的設計方法成為現(xiàn)代EDA設計的趨勢。論文參考。傳統(tǒng)的系統(tǒng)硬件設計方法是采用自下而上的設計方法。即系統(tǒng)硬件的設計是從選擇具體元器件開始的，并用這些元器件進行邏輯電路設計，完成系統(tǒng)各獨立功能模塊設計，然后再將各功能模塊連接起來，完成整個系統(tǒng)的硬件設計。而在VHDL的設計中，采用“自頂向下”( Top-Down) 的設計方法，設計常用流程圖如圖1所示，系統(tǒng)被分解為各個模塊的集合后，可以對設計的每個獨立模塊指派不同的工作小組，這些小組可以工作在不同地點，甚至可以分屬不同的單位，最后將不同的模塊集成為最終的系統(tǒng)模型，并對其進行綜合測試和評價。論文參考。“自頂向下”設計的基本步驟為:

(1) 分析系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并進行系統(tǒng)劃分，確定各個模塊的功能和接口;

(2) 編寫程序，輸入VHDL代碼，并將其編譯成標準的VHDL文件;

(3) VHDL 源代碼進行綜合優(yōu)化處理;

(4) 配置，即加載設計規(guī)定的編程數(shù)據(jù)到一個或多個LCA器件中的運行過程，以定義器件內(nèi)的邏輯功能塊和其互連的功能。

(5) 下載驗證，通過編程器或下載電纜載入將步驟(4) 得到的器件編程文件下載到目標芯片中，以驗證設計的正確性。

圖1 VHDL工程設計流程圖

Fig.1 The design flow based on VHDL

4 VHDL的設計舉例

下面以4選1數(shù)據(jù)選擇器為例說明使用VHDL的設計過程。4選1數(shù)據(jù)選擇器框圖如圖2所示。論文參考。

該數(shù)據(jù)選擇器的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圖2 4選1數(shù)據(jù)選擇器

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強大的仿真功能，經(jīng)過編譯后運行仿真，之后可以產(chǎn)生信號波形，用以分析仿真結(jié)果。本例中產(chǎn)生波形如圖3所示。仿真結(jié)果符合設計功能的要求。

圖3 仿真結(jié)果

Fig.3The waveform of simulation

5 結(jié)束語

本文以4選1數(shù)據(jù)選擇器設計為例，說明利用VHDL設計電路系統(tǒng)的基本方法和過程。用VHDL語言實現(xiàn)電路的設計過程，是一個以軟件設計為主，器件配置相結(jié)合的過程。這種軟件設計與硬件設計的結(jié)合，以一片器件代替由多片小規(guī)模集成數(shù)字電路組成的電路，其優(yōu)勢已經(jīng)越來越明顯。在進行系統(tǒng)設計時，如果系統(tǒng)比較復雜，所需器件數(shù)目多，并要求體積小、速度快、功耗低時，首先應該考慮使用VHDL進行芯片設計，然后再進行整體設計。

參考文獻

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上海交通大學學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學位論文，是本人在導師的指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔。學位論文作者簽名：周燁斐日期：2007年1月25日

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上海交通大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)上海交通大學可以將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。學位論文作者簽名：周燁斐指導教師簽名：楊煜普日期：2007年1月25日日期：2007年1月25日

變頻調(diào)速協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)設計摘要新型粗紗機在機械結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)傳動以及電氣控制方面都有較大的改變，它除去了傳統(tǒng)粗紗機中的上、下錐輪，差速器，龍筋升降傳動部件和成型機構(gòu)，機械結(jié)構(gòu)變得大為簡化。新型粗紗機采用PLC控制四臺變頻器，分別獨立驅(qū)動錠翼、羅拉、筒管和龍筋的電機來實現(xiàn)高效高質(zhì)紡紗。機械結(jié)構(gòu)的簡化雖然可以在很多方面提高粗紗機的性能和穩(wěn)定性，但是羅拉、錠翼、筒管、龍筋四個電機的同步控制成了整個控制系統(tǒng)設計的難點，從而粗紗的張力控制也成了最需要解決的問題。如何設計一個全新的控制系統(tǒng)來代替原先機械傳動部分，實現(xiàn)和超越其功能是新型四電機粗紗機設計的關鍵和核心部分。張力控制的好壞決定著新型粗紗機能夠開發(fā)成功。針對以上的關鍵和難點，本文從硬件和軟件系統(tǒng)兩方面來闡述解決方案，并且著重對張力控制系統(tǒng)的設計進行詳細的分析。在硬件系統(tǒng)的設計方面，本文首先對整個控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)做了個簡要說明；在電氣系統(tǒng)方案方面，我們選擇了由工控機、PLC、矢量

變頻基礎傳動、光電傳感器組成的系統(tǒng)，其中，工控機為綜合監(jiān)控系統(tǒng)，人機界面采用WINCC來設置紡織工藝參數(shù)，監(jiān)控整車的運行和故障狀態(tài)，它通過MPI網(wǎng)絡協(xié)議和PLC進行通訊；PLC是實時控制的核心，獲取粗紗位置光電傳感器的檢測值，并通過PROFIBUS-DP總線和四臺矢量變頻器進行通信，讀取矢量變頻器中各電機的速度，計算出各個電機的理論速度，然后向矢量變頻器發(fā)送指令，設置各變頻電機的速度，從而控制電機的運轉(zhuǎn)。由于變頻器對整個系統(tǒng)的重要性，本文又對變頻器的選擇以及其與PLC的通訊作了一個詳細的描述。在硬件結(jié)構(gòu)搭建完畢的基礎上，本文在對控制對象分析后提出了張力控制方案。張力控制方案主要包括兩方面：一、張力軟測量模型。該模型的主要作用就是取代原先機械錐輪，根據(jù)實時的徑向線密度調(diào)整卷繞直徑，從而調(diào)整四電機的速度，改善其同步性。并且該模型具有自學的功能，使得該模型能夠適應多種不同的機型，從而超越了機械錐輪的功能，有著更加廣泛的應用。二、張力控制算法。該算法建立在軟測量模型的基礎上，通過優(yōu)化過的閉環(huán)控制算法，不斷地調(diào)整徑向線密度，并且使其趨于穩(wěn)定。這兩方面相輔相成，從而使張力控制達到最優(yōu)化。最后本文對整個軟件系統(tǒng)作了分析，對軟件的主要模塊分開剖析，概述了模塊與模塊之間的關系，并且對最為復雜的幾個模塊進行仔細闡述，使得本系統(tǒng)的設計思路躍然紙上。通過合理的硬件系統(tǒng)，周詳?shù)能浖到y(tǒng)和創(chuàng)新的張力控制方案，新

型四電機粗紗機在測試階段運行良好，為其研發(fā)成功奠定了基礎。關鍵詞：同步控制，張力控制，變頻器，軟測量模型

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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關鍵詞：大數(shù)據(jù) 云存儲 Hadoop HDFS

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2014）02-0172-01

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，“大數(shù)據(jù)”漸漸成為發(fā)展的一種趨勢，如何有效存儲數(shù)據(jù)成為我們面臨的一個問題，云存儲技術(shù)成為首要選擇。因為用戶不需要進行硬件的管理和維護，它本身能夠根據(jù)所需容量大小對用戶數(shù)據(jù)進行定制，從而大大縮減了用戶的成本和人力的投入。另外云存儲技術(shù)具有易擴充、價格低、易管理等優(yōu)點，同時它也可以通過對外提供數(shù)據(jù)的存儲以及業(yè)務的訪問功能，以降低數(shù)據(jù)管理和運維成本。Hadoop分布式文件系統(tǒng)（HDFS）是一個運行在普通的硬件之上的分布式文件系統(tǒng)，具有高傳輸率、高容錯性等特點，來滿足當前海量數(shù)據(jù)的存儲管理問題。

本文主要提出了一種在大數(shù)據(jù)場景下基于HDFS的云存儲服務系統(tǒng)設計方案，滿足對大數(shù)據(jù)進行高效存儲的需求。

2 HDFS數(shù)據(jù)管理機制分析

Hadoop是一個分布式系統(tǒng)基礎架構(gòu)，由Apache基金會開發(fā)。它實現(xiàn)了一個分布式文件系統(tǒng)，簡稱HDFS。

由圖1可知， HDFS是主從式的分布式系統(tǒng)，對于數(shù)據(jù)的操作集中在名稱節(jié)點（NameNode）以及數(shù)據(jù)節(jié)點（DataNode）。NameNode上保存著控制信息的元數(shù)據(jù)，DataNode上保存的是實際數(shù)據(jù)，因此客戶端可以通過NameNode對元數(shù)據(jù)進行相關操作。

3 系統(tǒng)分析與設計

3.1 系統(tǒng)分析

目前許多企業(yè)面臨空前的海量數(shù)據(jù)管理難題，存儲數(shù)據(jù)的成本也居高不下，并且信息存儲的安全性也有待加強。因此，結(jié)合云存儲的特點，要設計一個成功的云存儲服務系統(tǒng)案例，可以從以下幾個方面考慮：

（1）大容量。通過對連接的普通PC機上的存儲文件類型進行設置，從而合理分配數(shù)據(jù)。

（2）高效性。將客戶端對文件數(shù)據(jù)的請求盡可能分散，提高其并發(fā)性。

（3）安全性。通過Hadoop集群的副本策略提高安全性，同時也可以兼顧Hadoop平臺的容錯技術(shù)。

（4）可擴展性。當請求增加時，系統(tǒng)可以通過增加PC機節(jié)點來擴展系統(tǒng)存儲容量和計算性能。

3.2 系統(tǒng)設計

本文將設計的基于HDFS的云存儲系統(tǒng)命名為“望遠鏡”云平臺系統(tǒng)，實現(xiàn)用戶對存儲在本地的文件數(shù)據(jù)進行管理和維護，并可通過客戶端將指定文件上傳到集群系統(tǒng)中，或?qū)崿F(xiàn)下載功能。

本系統(tǒng)的功能需求分為管理員的功能需求和普通用戶的功能需求。共分為三個模塊：管理員、普通用戶和平臺管理。圖2所示為系統(tǒng)功能模塊圖。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)的主要任務是對來自用戶的大容量數(shù)據(jù)進行存儲，所以系統(tǒng)滿意度最重要的判斷標準是對于用戶作業(yè)的處理時間的響應，由于本系統(tǒng)在實現(xiàn)中，因此這部分工作后續(xù)完成，另外可以在用戶的存儲空間管理方面以及信息安全等方面可以進行進一步的優(yōu)化和改進。

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關鍵詞：開放式實驗室；三層架構(gòu)；

中圖分類號：TP311.52 文獻標識碼：A

1 引言(Introduction)

現(xiàn)今，隨著高校實驗室設備資源在質(zhì)與量上的提升，越來越多的問題擺在了學生、教師、管理員及各級院系領導面前。例如,各實驗室相互獨立，導致資源無法最大化的使用和很低的實驗設備使用率；實驗室功能雖多，但多而散，無法形成綜合優(yōu)勢[1]；各級管理員無法有效并清晰的隨時隨地對相關軟件、硬件資源信息進行統(tǒng)計與掌控，造成管理上的不便；除此之外，設備的購買、保修、送檢及維護也需要進行很多報表的填寫，若是需要對某一時間段或者某一類型的設備進行相關統(tǒng)計任務，則需要花費很多的時間及精力。

綜上，設計并實現(xiàn)一個開放式的實驗室管理系統(tǒng)具有極大的實際使用價值。在此之前，有些人對高校實驗室管理模式經(jīng)過研究與實踐，提出自己的觀點，例如：論文[2]基于_Net的開放式實驗室管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)所提出的解決方案，在新實驗課標的要求下，對于綜合性、創(chuàng)新性實驗無法進行有效管理,導致該實現(xiàn)方案過于簡單；論文[3]高校開放式實驗室設備管理系統(tǒng)研究，對于教師及學生的功能需求考慮較少；論文[4]開放式實驗室管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，未能體現(xiàn)開放式的真正內(nèi)涵，即實驗設備信息的網(wǎng)上查詢、統(tǒng)計及預約。

本文內(nèi)容組織如下：首先，設計了開放式實驗室管理系統(tǒng)OLMS(英文全拼)的基本體系結(jié)構(gòu)，并進行了系統(tǒng)需求分析；在此基礎上，進行了系統(tǒng)設計，給出了系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖；接著對該系統(tǒng)的主要實現(xiàn)過程進行了詳細說明；最后，給出了該系統(tǒng)下一步需要完善的功能及小結(jié)。

2 開放式實驗室管理系統(tǒng)OLMS的基本體系結(jié)

構(gòu)(The basic architecture of open laboratory

management system)

2.1 OLMS系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)

OLMS系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)由五層構(gòu)成，從上到下依次為網(wǎng)絡設施、系統(tǒng)服務支持環(huán)境、數(shù)據(jù)層、邏輯層和用戶操作層即顯示層。

2.2 OLMS系統(tǒng)需求分析

OLMS系統(tǒng)的主要使用者有四類人員：學生、教師、實驗室管理員、院系各級領導及教研室主任。這四類角色對于OLMS系統(tǒng)的主要功能期望為：課內(nèi)/外實驗、綜合性、設計性實驗的相關管理及操作；實驗設備及資源信息的管理操作；在線預約實驗設備及資源；查詢預約結(jié)果等；實驗室設備、資源的電子化管理功能；新實驗的申報及審核流程；提交、批改、指導實驗報告功能；瀏覽、查詢、編輯實驗電子課件；統(tǒng)計報表功能；除此之外，該OLMS還需實現(xiàn)部分系統(tǒng)或者公用功能。

3 系統(tǒng)設計(System design)

根據(jù)前述的基本體系結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)需求分析，設計OLMS系統(tǒng)的系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 OLMS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 System function structure

4 系統(tǒng)實現(xiàn)(System implementation)

4.1 程序開發(fā)及運行環(huán)境

本系統(tǒng)開發(fā)中，采用Microsoft Visual Studio 2005工具，SQL Server 2005， Framework SDK v2.0。

4.2 編碼規(guī)范

為了項目的規(guī)范，在系統(tǒng)實現(xiàn)之前，定義了相關的數(shù)據(jù)庫命名規(guī)范，包括數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)表、字段、視圖、存儲過程、觸發(fā)器等的命名規(guī)范；程序代碼命名規(guī)范，包括變量及對象名稱定義規(guī)則、數(shù)據(jù)類型簡寫規(guī)則、控件命名規(guī)則等。

4.3 編碼實現(xiàn)

編碼實現(xiàn)主要包括以下部分：數(shù)據(jù)處理層、主要功能模塊及界面層的實現(xiàn)。

4.3.1 數(shù)據(jù)處理層的編碼實現(xiàn)

為了簡化大量重復性的數(shù)據(jù)庫訪問及數(shù)據(jù)處理操作，本系統(tǒng)單獨做了數(shù)據(jù)處理層的編碼實現(xiàn)，以供功能模塊的調(diào)用。

4.3.2 主要功能模塊的實現(xiàn)

功能模塊主要為功能服務，實現(xiàn)各個單獨的邏輯功能，主要包括以下各子模塊：

(1)系統(tǒng)功能模塊及其編碼實現(xiàn)

系統(tǒng)功能模塊及其算法主要包括：第一,系統(tǒng)的初始化功能；第二,對數(shù)據(jù)信息等的管理；包括用戶信息管理[5]、平臺的管理、數(shù)據(jù)與資料的管理等；第三,用戶權(quán)限的分層設置及管理。

(2)學生功能模塊及其編碼實現(xiàn)

學生功能模塊主要實現(xiàn)的功能有：學生個人信息的瀏覽及部分修改功能；學生信用度算法模塊；本學期課內(nèi)/外實驗、綜合性或創(chuàng)新性實驗的相關功能實現(xiàn)，使用在線資源例如在線答疑、在線討論區(qū)、在線題庫等功能。

(3)教師功能模塊及其編碼實現(xiàn)

教師功能模塊主要實現(xiàn)的功能有：學期初的課內(nèi)/外實驗申請；綜合性、創(chuàng)新性實驗申請；新開設實驗項目的填報及申請；查詢本學期實驗課表及實驗安排內(nèi)容；布置預習實驗要求；審核學生的課外或其它實驗申請；對個人信息的管理或依據(jù)條件查詢學生的基本信息。

(4)實驗室管理員功能模塊及其編碼實現(xiàn)

實驗室管理員功能模塊主要實現(xiàn)的功能有：第一，實驗室子系統(tǒng)管理；第二，審核實驗預約功能；第三，實驗室設備運行管理，即設備運行時的過程數(shù)據(jù)管理；第四，實驗室設備資源的管理；第五,設備統(tǒng)計分析功能等。

4.3.3 界面層的實現(xiàn)

該系統(tǒng)界面層的實現(xiàn)主要滿足簡潔、清晰、個性化定制的目標。為了實現(xiàn)簡潔、清晰，系統(tǒng)以藍色為主色，統(tǒng)一了系統(tǒng)的界面框架，任何用戶訪問該系統(tǒng)時，都能看到一個布局統(tǒng)一、顏色一致的界面。

5 結(jié)論(Conclusion)

系統(tǒng)經(jīng)過一年多的運行，極大地方便了實驗課程管理、實驗預約等教學工作的開展，取得了良好效果。后續(xù)需解決的問題：如何由點及面，打破原有小而散的模式，進行校一級的實驗室管理系統(tǒng)設計及實現(xiàn)？如何與硬件控制器相結(jié)合，實現(xiàn)遠程控制和管理，確保實驗室的全天候開放和安全？如何為各種終端設備用戶提供友好的服務等問題。

參考文獻(References)

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現(xiàn)[J].計算機工程與應用,2004,40(3):230-232.

[2] 焦鉻,劉輝,陳受凱.基于.Net平臺的開放式實驗室管理系統(tǒng)

[J].衡陽師范學院學報,2010,31(3):88-91.

[3] 謝健,劉原奇,易先卉.高校開放式實驗室設備管理系統(tǒng)研究

[J].計算技術(shù)與自動化,2007(1):102-103;107.

[4] 姜浩,等.開放式實驗室管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].實驗室研

究與探索,2010,29(6):110-112.

[5] 尹紅,李海燕.基于C/S和B/S混合結(jié)構(gòu)的高校開放式實驗室

管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].信息系統(tǒng)工程,2009(6):29-32.

作者簡介：

劉海玲(1978-),女,碩士,講師.研究領域：web應用及開發(fā).

篇6

關鍵詞：現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計；教學改革；綜合素質(zhì)

一、引言

現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計是我校電子科學與技術(shù)專業(yè)（以下簡稱為“電子”專業(yè)）的一門選修課程。通過該課程的學習與實踐，目的是使學生對現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計及原理有一個較為完整和系統(tǒng)的認識，并具有一定工藝分析、解決工藝問題和提高產(chǎn)品質(zhì)量的能力，可以掌握嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的主要過程，從專業(yè)的角度對嵌入式計算機系統(tǒng)進行分析設計，并且掌握ARM處理器的體系結(jié)構(gòu)。從課程的教學目的可知，本課程要求培養(yǎng)學生在知識綜合應用和動手實踐方面的能力，不僅要求學生具有扎實的基礎知識和對知識的綜合應用思維，還需要學生具有很強的動手能力和應用能力。

近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子系統(tǒng)的設計方法和手段也在不斷更新和進步。電子系統(tǒng)設計方法在快速發(fā)展的電子技術(shù)應用中不斷受到挑戰(zhàn)。從傳統(tǒng)手工設計方法到EDA設計方法，從分立元件系統(tǒng)到集成電路設計，從PCB集成系統(tǒng)到芯片集成系統(tǒng)（SoC），從純硬件系統(tǒng)設計到硬件與軟件結(jié)合的系統(tǒng)開發(fā)，新型電子系統(tǒng)層出不窮，其設計理念也發(fā)生著革命性的變化。這使得企業(yè)不僅需要畢業(yè)生在進入該領域時具備良好的專業(yè)能力和素質(zhì)，更需要他們了解和形成現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的團隊思維方式和綜合設計方法。同時，學校要促進教學知識與時俱進，培養(yǎng)符合社會需要的實用型工程技術(shù)人才，提高學生的就業(yè)競爭力；也要對現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計課程的教學方法和教學模式進行深刻的思考和改進。

二、存在的問題

現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計課程的傳統(tǒng)教學模式主要包括理論授課和實踐實驗兩個部分。理論授課主要包括對現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計的方法、思維、工具、應用基礎的介紹與強化，常用處理器及其體系結(jié)構(gòu)的應用、設計、改進知識和FPGA重構(gòu)思維、Altium Designer電路原理圖及PCB繪制軟件的使用，在本課程的教學授課過程中需要貫穿系統(tǒng)設計方法和設計思想。實踐實驗則以上機實驗為主，進行規(guī)定實驗內(nèi)容的驗證、觀察和簡單電路的原理設計。電子系統(tǒng)課程所存在的問題主要在教學方法和人才培養(yǎng)方面。

1.教學方法問題

在幾年的教學過程中，筆者通過思考和分析課程教學中的問題以及學生的反饋意見，總結(jié)了以下幾點問題：

（1）基礎知識不牢。教師在課堂授課、實踐過程中不能很好地將各門課程綜合應用，各門課程間缺乏溝通，學生無法將所學知識串連起來，進行綜合應用。

（2）教學內(nèi)容有所欠缺。學生對處理器知識的理解和實際軟件編程思維不夠深刻，習慣于有實驗手冊指導條件下的慣性實驗模式，一旦教師讓他們進行開放性實驗來完成設計時，就無法形成系統(tǒng)性思維，各自為戰(zhàn)，團隊意識不強。

（3）考核方法陳舊。課程的考核方式主要采用大眾式的“本門課程成績=平時成績+期末考試成績”的計算方式，學生疲于應付考試，應試態(tài)度明顯，不去思考本門課程所學內(nèi)容與先修課程和本學期其他課程的關聯(lián)，只去死記硬背些條條框框，對于思考題和實際現(xiàn)象無法進行有效分析，形成了固化思維。

2.人才培養(yǎng)問題

除此之外，電子專業(yè)在人才培養(yǎng)方面也存在一些問題，主要體現(xiàn)在學生學習主動性以及創(chuàng)新活動的參與度上：

（1）2013年前，電子專業(yè)在全國大學生電子設計大賽、遼寧省機器人設計大賽、飛思卡爾杯智能汽車大賽（現(xiàn)更名為“恩智浦”杯智能汽車大賽）、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等體現(xiàn)和鍛煉綜合素質(zhì)的活動中的參與度非常低，僅有3人次參與，這些都側(cè)面反映出學生對所學習的C語言程序設計、模擬電子、數(shù)字電子、單片機原理、EDA與VHDL語言等課程的綜合應用能力較差，學習和參與的主動性和積極性不高，綜合設計能力不強。

（2）根據(jù)對學生就業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學生在畢業(yè)后兩年內(nèi)從事與本專業(yè)相關的研發(fā)、技術(shù)設計、理論研究工作的人數(shù)不到業(yè)人數(shù)的20%，其他學生多選擇改行。在校學生對本專業(yè)的認可度也普遍偏低，選擇考研的學生中有90%選擇了外校。

三、課程改進的方法

為使學生能夠更好地掌握現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計課程內(nèi)容，并真正提高系統(tǒng)設計思維和教學效果，我系針對上面出現(xiàn)的問題進行思考，對所發(fā)現(xiàn)的問題進行教學環(huán)節(jié)的切實改進。

1.加強實踐訓練和實際電路設計

實際的動手訓練和電路設計，需要具體分析常用電路原理和具體電路常見故障問題，并加強對學生實際設備操作和實用能力的培養(yǎng)。采用理論教學和實踐教學結(jié)合的項目驅(qū)動方式，由教師結(jié)合實際工作經(jīng)驗和教學需要，對學生下發(fā)開發(fā)板、相關元器件，改變傳統(tǒng)僅使用多媒體課件觀看圖片和以教師理論說教方式完成對電子系統(tǒng)各組成元器件的認知，以硬件電路的設計與開發(fā)實踐項目為引導，使學生全程接觸實際電路和處理器，以實際項目為驅(qū)動進行電子系統(tǒng)設計流程、方法、步驟的掌握和訓練。教師將STC單片機公司和德州儀器公司贈送的開發(fā)板下發(fā)給學生，學生2～3人一組進行實際項目的開發(fā)和學習，由淺入深，從STC89C52、MSP430單片機開始，逐步接觸ARM處理器，完成電路系統(tǒng)的設計與開發(fā)，為后續(xù)FPGA處理器設計打下良好的應用思維基礎。

2.以科技學術(shù)活動為激勵

學校以全國大學生電子設計大賽、遼寧省機器人設計大賽、飛思卡爾杯智能汽車大賽（現(xiàn)更名為“恩智浦”杯智能汽車大賽）、大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃等科技學術(shù)活動為激勵，通過相關大賽培養(yǎng)學生的應用能力，激發(fā)他們的學習積極性和自主性。通過這幾年的積極引導，筆者發(fā)現(xiàn)，學生在以上競賽和活動的參與率上得到了明顯提升，共獲得全國大學生電子設計大賽省級競賽一等獎、二等獎各2項，參與3人次；獲批大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃國家級立項2項，省級立項3項，參與14人次；獲智能汽車大賽賽區(qū)一等獎1項，二等獎2項，參與2人次；獲遼寧省機器人設計大賽二等獎1項，三等獎1項，參與12人次；參與校級及其他各類科技學術(shù)活動50余人次。這些大賽不但提高了學生的專業(yè)綜合素質(zhì)，還提高了學生的總結(jié)能力、文檔設計能力、電路設計和軟件編程能力。

3.教學團隊形式優(yōu)化學生學習內(nèi)容

本專業(yè)教師聯(lián)合為同一教學團隊，在提高教學質(zhì)量和學生動手能力的目標下，盡量為學生設計一個統(tǒng)一的綜合性題目，增強學生的能力，同時，使各門課程的知識點相輔相成、互相印證，使學生更容易將所學知識進行綜合和理解。

4.考核辦法改進

考核辦法從六個方面考核綜合訓練完成的成績，即報告、設計能力、動手實踐能力、功能完成情況、課堂研討回答所提出問題的程度以及綜合訓練過程中的工作態(tài)度等。其中，報告占14%、設計和實踐能力占10%、功能完成情況占8%、訓練設計掌握程度占6%、課堂研討回答出的問題占7%、綜合訓練過程中的工作態(tài)度（考勤）占5%。在期末考試的試題中，要增加創(chuàng)見性題目。同時，教師可以鼓勵學生發(fā)表學術(shù)論文，以學術(shù)論文替代期末考試。

增加小組設計和小組討論環(huán)節(jié)，教師團隊設定十組中等難度的綜合應用設計題目，將學生按2～3人一組進行實踐項目分組，完成設計白皮書（包括系統(tǒng)需求描述、功能概述、擬采取的解決方法），完成系統(tǒng)電路設計，繪制電路圖、PCB文件，完成硬件焊接、軟件編程并進行答辯。組員各負其責，完成各自項目中的任務，教師和學生一起進行實際項目的需求分析、設計步驟安排、實驗驗證等環(huán)節(jié)。這樣，可以使學生在學習之余提高團隊合作能力和綜合運用知識的能力。經(jīng)實際操作此過程，學生反應強烈，討論和學習動力增加，分組實踐情況如圖所示。

分組實踐現(xiàn)場

四、結(jié)束語

本文在現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計課程教學和本專業(yè)教學的基礎上，對本課程的教、學、練等三個方面進行設計和改進，發(fā)揮和突出本專業(yè)應用特色，并且從幾年來的實踐效果看，新的改進方法增強了學生學習的主動性和教學過程中的靈活性，提高了學生綜合能力素質(zhì)和成果比例。

參考文獻：

[1]宋曉梅.現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計教程[M].北京：北京大學出版社，2011.

篇7

這次畢業(yè)設計闡述了EFAT/P過程控制實驗裝置和新華分散控制系統(tǒng)XDPS－400。通過在EFAT/P過程控制實驗裝置上做進水流量F1定值調(diào)節(jié)，了解 EFAT/P過程控制實驗裝置的構(gòu)成，以及實驗基本環(huán)節(jié)，設計出進水流量F1定值調(diào)節(jié)的實驗。通過了解XDPS－400的體系結(jié)構(gòu)，設計出與進水流量F1定值調(diào)節(jié)實驗的軟硬件，最終與過程控制實驗裝置結(jié)合，對EFPT/P實驗中進水流量F1定值調(diào)節(jié)進行組態(tài)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、過程控制、順序控制、高級控制、報警檢測、監(jiān)視、操作，對數(shù)據(jù)進行記錄、統(tǒng)計、顯示、打印等處理。

關鍵詞：EFAT/P，XDPS－400，進水流量，定值調(diào)節(jié)，系統(tǒng)設計.

：19000多字的自動化專業(yè)論文

有中英文摘要、目錄、參考文獻、圖表

200元

篇8

【關鍵詞】ARM9 點陣顯示屏 SD卡

LED顯示屏是近幾年全球迅速發(fā)展起來的新型信息顯示媒體，它利用發(fā)光二極管構(gòu)成的點陣模塊或像素組成大面積顯示屏幕，以可靠性高、使用壽命長、環(huán)境適應能力強、價格性能比高、使用成本低等特點，在短短的十來年中，迅速成長為平板顯示的主流產(chǎn)品，在信息顯示領域得到了廣泛的應用 本論文以ARM9高性能單片機來設計電子點陣顯示屏的硬件系統(tǒng)。

一、電子點陣顯示屏的硬件系統(tǒng)框圖如圖1所示

圖1 電子點陣顯示屏硬件系統(tǒng)框圖

二、采用16個LED8*8顯示屏，構(gòu)成16行*64列點陣顯示

點陣顯示屏由16個8×8點陣LED顯示模塊。16片8×8點陣LED顯示模塊利用總線形組成一個16×64的LED點陣，用于同時顯示4個16×16點陣漢字或8個16×8點陣的字母p字符或數(shù)字。單元顯示屏可以接收來自控制器（主控制電路板）或上一級顯示單元模塊傳輸下來的數(shù)據(jù)信息和命令信息，并可將這些數(shù)據(jù)信息和命令信息不經(jīng)任何變化地再傳送到下一級顯示模塊單元中，因此顯示板可擴展至更多的顯示單元，用于顯示更多的顯示內(nèi)容。

三、顯示驅(qū)動電路

采用74HC138三-八譯碼器和74HC164移位寄存器。將從ARM里出來的列信號通過8個164級聯(lián)而成的64位的信號輸出端連接到16*64的點陣LED的輸入端，作為點陣的行驅(qū)動信號。通過164移位這64位的信號，來控制顯示內(nèi)容的變化。再從ARM輸出三個信號分別輸入到2個級聯(lián)的74HC138譯碼器，然后輸出16位行信號，經(jīng)過16個1K的電阻，再輸入到16個PNP（8550）三極管的B極來進行對行信號的放大，其中所有的三極管的E極相連接+5V的電源，所有的C極接16個470歐姆的電阻，得到的信號作為點陣LED 的行輸入信號。通過對138的三個輸入信號進行控制，改變行信號。由138和164的信號，控制二極管的亮、滅來顯示出所要求的字符、漢字。

行驅(qū)動電路：每個LED管亮需要7mA的電流，那么64個同時亮就需要448mA的電流，所以我們要對列進行驅(qū)動，我們采用晶體管8550對列信號進行放大。驅(qū)動電路如圖2所示：

圖2 點陣顯示屏驅(qū)動電路

列驅(qū)動電路：此電路是由集成電路74HC164構(gòu)成的，它具有一個8位串入并出的移位寄存器，可以實現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)。如圖3所示：

圖3 列驅(qū)動電路

四、總結(jié)

本論文完成了LED點陣電子顯示屏的主要電路的設計。在系統(tǒng)設計中使用SD卡的擴展，是存儲容量大大的增大，實現(xiàn)了海量存儲，并具有掉電保護功能。通過和PC機的通訊，使顯示的信息能實時的更新。也實現(xiàn)了顯示屏的多字體顯示。整個系統(tǒng)簡潔，可靠性高，性能穩(wěn)定。

參考文獻：

[1]胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，1995.

篇9

論文摘要：從數(shù)字系統(tǒng)設計的性質(zhì)出發(fā)，結(jié)合目前迅速發(fā)展的芯片系統(tǒng)，比較、研究各種硬件描述語言；詳細闡述各種語言的發(fā)展歷史、體系結(jié)構(gòu)和設計方法；探討未來硬件描述語言的發(fā)展趨勢，同時針對國內(nèi)EDA基礎薄弱的現(xiàn)狀，在硬件描述語言方面作了一些有益的思考。

現(xiàn)在，隨著系統(tǒng)級FPGA以及系統(tǒng)芯片的出現(xiàn)。軟硬件協(xié)調(diào)設計和系統(tǒng)設計變得越來越重要。傳統(tǒng)意義上的硬件設計越來越傾向于與系統(tǒng)設計和軟件設計結(jié)合。硬件描述語言為適應新的情況，迅速發(fā)展，出現(xiàn)了很多新的硬件描述語言，像Superlog、SystemC、cynlib c++等等。究交選擇哪種語言進行設計，整個業(yè)界正在進行激烈的討論。因此，完全有必要在這方面作一些比較研究，為EDA設計做一些有意義的工作，也為發(fā)展我們未來的芯片設計技術(shù)打好基礎。

1、目前HDL發(fā)展狀況

目前，硬件描述語言可謂是百花齊放，有VHDL、Superlog、Verilog、SystemC、Cynlib C++、C Level等等。雖然各種語言各有所長，但業(yè)界對到底使用哪一種語言進行設計，卻莫衷一是，難有定論。

而比較一致的意見是，HDL和C/C++語言在設計流程中實現(xiàn)級和系統(tǒng)級都具有各自的用武之地。問題出現(xiàn)在系統(tǒng)級和實現(xiàn)級相連接的地方：什么時候?qū)⑹褂弥械囊环N語言停下來，而開始使用另外一種語言?或者干脆就直接使用一種語言?現(xiàn)在看來得出結(jié)論仍為時過早。

在2001年舉行的國際HDL會議上，與會者就使用何種設計語言展開了生動、激烈的辯論。各方人士各持己見：為Verilog辯護者認為，開發(fā)一種新的設計語言是一種浪費；為SystemC辯護者認為，系統(tǒng)級芯片SoC快速增長的復雜性需要新的設計方法；C語言的贊揚者認為，Verilog是硬件設計的匯編語言，而編程的標準很快就會是高級語言，Cynlib c++是最佳的選擇，它速度快、代碼精簡；Supedog的捍衛(wèi)者認為，Superlog是Verilog的擴展，可以在整個設計流程中僅提供一種語言和一個仿真器，與現(xiàn)有的方法兼容，是一種進化，而不是一場革命。

當然，以上所有的討論都沒有提及模擬設計。如果想設計帶有模擬電路的芯片，硬件描述語言必須有模擬擴展部分，像Verilog HDL－A，既要求能夠描述門級開關級，又要求具有描述物理特性的能力。

2、幾種代表性的HDL語言

2．1 VHDL

早在1980年，因為美國軍事工業(yè)需要描述電子系統(tǒng)的方法，美國國防部開始進行VHDL的開發(fā)。1987年。由IEEE(In，stitute of Electrical and Electro－nics Engineers)將VHDL制定為標準。參考手冊為IEEE VHDL語言參考手冊標準草案1076/8版，于1987年批準，稱為IEEE 1076－1987。應當注意，起初VHDL只是作為系統(tǒng)規(guī)范的一個標滯，而不足為設計而制定的。第二個版本是在1993年制定的，稱為VHDL－93，增加了一些新的命令和屬性。

雖然有“VHDL是一個4億美元的錯誤”這樣的說法。但VHDL畢竟是1995年以前唯一制訂為標準的硬件描述語言，這是它不爭的事實和優(yōu)勢；但同時它確實比較麻煩，而且其綜合庫至今也沒有標準化，不具有晶體管開關級的描述能力和模擬設計的描述能力。目前的看法是，對于特大型的系統(tǒng)級數(shù)字電路設計，VHDL是較為合適的。

實質(zhì)上，在底層的VHDL設計環(huán)境是由Verilog HDL描述的器件庫支持的，因此，它們之間的互操作性十分重要。目前，Verilog和VDHL的兩個國際組織OVI、Ⅵ正在籌劃這一工作，準備成立專門的工作組來協(xié)調(diào)VHDL和Verilog HDL語言的互操作性。OVI也支持不需要翻譯，由VHDL到Verilog的自由表達。

2．2 Verilog HDL

Venlog HDL是在1983年，由GDA(GateWay Design Au－tomation)公司的Phil Moorby首創(chuàng)的。Phil Moorby后來成為Verilog－XL的主要設計者和Cadence公司的第一合伙人。在1984“1985年，Phil Moorby設計出了第一個名為Venlog－XL的仿真器；1986年，他對Verilog HDL的發(fā)展義作出了另一個巨大的貢獻：提出了用于快速門級仿真的XL算法。

隨著Verilog－XL算法的成功，Verilog HDL語言得到迅速發(fā)展。1989年，Cadence公司收購了GDA公司，Verilog HDL語言成為Cadence公司的私有財產(chǎn)。1990年，Cadence公司決定公開Verilog HDL語言，于是成立了OVI(Open Verilog InternaUonal)組織，負責促進Verilog HDL語言的發(fā)展。基于Verilog HDL的優(yōu)越性，IEEE于1995年制定了Verilog HDL的IEEE標準，即Verilog HDL 1364－1995；2001年了Verilog HDL 1364－2001標準。在這個標準中，加入了Verilog HDL－A標準，使Verilog有了模擬設計描述的能力。

2．3 Superlog

開發(fā)一種新的硬件設計語言，總是有些冒險，而且未必能夠利用原來對硬件開發(fā)的經(jīng)驗。能不能在原有硬件描述語言的基礎上，結(jié)合高級語言c、c++甚至Java等語言的特點，進行擴展，達到一種新的系統(tǒng)級設計語言標準呢?

Superlog就是在這樣的背景下研制開發(fā)的系統(tǒng)級硬件描述語言。Verilog語言的首創(chuàng)者Phil Moorby和Peter Flake等硬什描述語言專家，在一家叫Co－Design Automation的EDA公司進行合作，開始對Verilog進行擴展研究。1999年，Co－Design公司了SUPERLOGTM系統(tǒng)設計語言，同時了兩個開發(fā)工具：SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM。一個用于系統(tǒng)級開發(fā)，一個用于高級驗證。2001年，Co－Design公司向電子產(chǎn)業(yè)標準化組織Accellera了SUPERLOG擴展綜合子集ESS，這樣它就可以在今天Verilog語言的RTL級綜合子集的基礎上，提供更多級別的硬件綜合抽象級，為各種系統(tǒng)級的EDA軟件工具所利用，

至今為止。已超過15家芯片設計公司用Superlog來進行芯片設計和硬件開發(fā)。Superlog是一種具有良好前景的系統(tǒng)級硬件描述語言。但是不久前，由于整個IT產(chǎn)業(yè)的滑坡，EDA公司進行大的整合，Co－Design公司被Synopsys公司兼并，形勢又變得撲朔迷離。

2．4 SystemC

隨著半導體技術(shù)的迅猛發(fā)展，SoC已經(jīng)成為當今集成電路設計的發(fā)展方向。在系統(tǒng)芯片的各個設計中，像系統(tǒng)定義、軟硬件劃分、設計實現(xiàn)等，集成電路設計界一直在考慮如何滿足SoC的設計要求，一直在尋找一種能同時實現(xiàn)較高層次的軟件和硬件描述的系統(tǒng)級設計語言。

systemC正是在這種情況下，由Synopsys公司和CoWare公司積極響應目前各方對系統(tǒng)級設計語言的需求而合作開發(fā)的。1999年9月27日，40多家世界著名的EDA公司、lP公司、半導體公司和嵌入式軟件公司宣布成立“開放式SystemC聯(lián)盟”。著名公司Cadence也于2001年加入了systemC聯(lián)盟。SystemC從1999年9月聯(lián)盟建立初期的0.9版本開始更新，從1.0版到1.1版，一直到2001年10月推出了最新的2，0版。

3、各種HDL語言的體系結(jié)構(gòu)和設計方法

3．1 SystemC

實際使用中，systemc由一組描述類庫和一個包含仿真核的庫組成。在用戶的描述程序中，必須包括相應的類庫，可以通過通常的ANSI c++編譯器編譯該程序。SystemC提供了軟件、硬件和系統(tǒng)模塊。用戶可以在不同的層次上自由選擇。建立自己的系統(tǒng)模型，進行仿真、優(yōu)化、驗證、綜合等等。

3．2 Supeflog

Superlog集合了Verilog的簡潔、c語言的強大、功能驗證和系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)設計等特征，是一種高速的硬件描述語言。

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++語言。Superlog提供c語言的結(jié)構(gòu)、類型、指針，同時具有C++面對對象的特性。

③Superlog擴展綜合子集ESS。ESS提供一種新的硬件描述的綜合抽象級。

④強大的驗證功能。自動測試基準，如隨機數(shù)據(jù)產(chǎn)生、功能覆蓋、各種專有檢查等。

Superlog的系統(tǒng)級硬件開發(fā)工具主要有Co－Design Au－mmation公司的SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM，同時可以結(jié)合具它的EDA工具進行開發(fā)。

3．3 Verilog和VHDL

這兩種語言是傳統(tǒng)硬件描述語言，有很多的書籍和資料叫以查閱參考，這里不多介紹。

4、目前可取可行的策略和方式

按傳統(tǒng)方法，我們將硬件抽象級的模型類型分為以下五種：

(1)系統(tǒng)級(system)－用語言提供的高級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)算法運行的模型：

(2)算法級(aIgorithm)－用語言提供的高級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)算法運行的模型：

(3)RTL級(Register Transfer Level)－描述數(shù)據(jù)在寄存器之間流動和如何處理、控制這些數(shù)據(jù)流動的模型。

(4)門級(gate－level)－描述邏輯門以及邏輯門之間的連接模型。

(5)開關級(swish－level)－描述器件中三極管和存儲節(jié)點以及它們之間連接的模型。

根據(jù)目前芯片設計的發(fā)展趨勢。驗證級和綜合抽象級也有可能成為一種標準級別。因為它們適合于IP核復用和系統(tǒng)級仿真綜合優(yōu)化的需要，而軟件(嵌入式、固件式)也越來越成為一個和系統(tǒng)密切相關的抽象級別。

目前，對于一個系統(tǒng)芯片設計項目，可以采用的方案包括以下幾種：

①最傳統(tǒng)的辦法是，在系統(tǒng)級采用VHDL，在軟件級采用c語言，在實現(xiàn)級采用Verilog。目前，VHDL與Verilog的互操作性已經(jīng)逐步走向標準化，但軟件與硬件的協(xié)凋設計還是一個很具挑戰(zhàn)性的工作。因為軟件越來越成為SOC設計的關鍵。該力案的特點是：風險小，集成難度大，與原有方法完全兼容，有現(xiàn)成的開發(fā)工具：但工具集成由開發(fā)者自行負責完成。

②系統(tǒng)級及軟件級采用Superlog，硬件級和實現(xiàn)級均采用Verilog HDL描述，這樣和原有的硬件設計可以兼容。只要重新采購兩個Superlog開發(fā)工具SYSTEMSIMTM和SYSTEMEXTM即可。該方案特點是風險較小，易于集成，與原硬件設計兼容性好。有集成開發(fā)環(huán)境。

③系統(tǒng)級和軟件級采用SystemC，硬件級采用SystemC與常規(guī)的Verilog HDL互相轉(zhuǎn)換，與原來的軟件編譯環(huán)境完全兼容。開發(fā)者只需要一組描述類庫和一個包含仿真核的庫，就可以在通常的ANSI c++編譯器環(huán)境下開發(fā)；但硬件描述與原有方法完全不兼容。該方案特點是風險較大，與原軟件開發(fā)兼容性好，硬件開發(fā)有風險。

5、未來發(fā)展和技術(shù)方向

微電子設計工業(yè)的設計線寬已經(jīng)從0.251um向0.18um變遷，而且正在向0.13um和90nm的目標努力邁進。到0.13um這個目標后，90％的信號延遲將由線路互連所產(chǎn)生：為了設計工作頻率近2GHz的高性能電路，就必須解決感應、電遷移和襯底噪聲問題(同時還有設計復雜度問題)。

未來幾年的設計中所面臨的挑戰(zhàn)有哪些?標準組織怎樣去面對?當設計線寬降到0.13um，甚至更小尉，將會出現(xiàn)四個主要的趨勢：設計再利用；設計驗證(包括硬件和軟什)；互連問題將決定剝時間、電源及噪聲要求；系統(tǒng)級芯片設計要求。

滿足來來設計者需要的設計環(huán)境將是多家供應商提供解決方案的模式，因為涉及的問題面太廣且太復雜，沒有哪個公司或?qū)嶓w可以獨立解決。實際上，人們完全有理由認為，對下一代設計問題解決方案的貢獻，基礎研究活動與獨立產(chǎn)業(yè)的作用將同等重要。

以后EDA界將在以下三個方面開展工作。

①互用性標準。所有解決方案的基礎，是設計工具開發(fā)過程的組件一互用性標準。我們知道。EDA工業(yè)采用的是工業(yè)上所需要的標準。而不管標準是誰制定的。但是，當今市場的迅速發(fā)展正在將優(yōu)勢轉(zhuǎn)向那些提供標準時能做到快速適應和技術(shù)領先的組織。處于領先的公司正在有目的地向這方面投資，那些沒有參加開發(fā)這些標準的公司則必須獨自承擔風險。

篇10

關鍵詞：氣象數(shù)據(jù)；Linux ARM；串行通信

中圖分類號：TP368.2 文獻標識碼：A文章編號：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

隨著大氣探測科學研究的深入和傳感器技術(shù)的進步，各類氣象傳感器和大氣探測設備在科學試驗和日常業(yè)務中正在發(fā)揮日益重要的作用。如今在進行外場試驗時，通常會使用較多類型的探測設備觀測各種氣象要素和環(huán)境參數(shù)。這些探測設備一般具有串行通信接口，以便向上位機傳輸數(shù)據(jù)。如果使用普通計算機接收各類觀測數(shù)據(jù)，通常需要多臺PC機，并且數(shù)據(jù)的收集和存儲將會變得非常麻煩。而以ARM核為處理器的嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有功耗低、體積小、接口多、程序編寫調(diào)試方便等特點。因此，鑒于國內(nèi)外氣象數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，結(jié)合串行通信技術(shù)和ARM系統(tǒng)的特點，本文在一款以ARM9 S3C2440為核心處理器的開發(fā)平臺上，重點對串口進行設計，以實現(xiàn)多路氣象數(shù)據(jù)串行通信數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。

二、嵌入式系統(tǒng)硬件部分設計

作為嵌入式系統(tǒng)的核心，選擇一款合適型號的ARM芯片非常重要。經(jīng)過多方調(diào)研，本文的硬件部分采用以三星公司生產(chǎn)的S3C2440芯片為處理器的ARM9開發(fā)板。該開發(fā)板提供3個獨立UART接口，可外接多路串行通信智能傳感器，實現(xiàn)傳感器與開發(fā)板間的數(shù)據(jù)傳輸與控制。

利用RS232串口線以及USB數(shù)據(jù)線連接好宿主機和目標，通過執(zhí)行BIOS功能指令和運行dnw.exe軟件，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的燒寫和下載。在windowsXP系統(tǒng)中，通過建立一個超級終端，設置好串口參數(shù)，進入BIOS模式界面。之后安裝好ARM板的USB驅(qū)動，配合使用dnw.exe軟件，就可以實現(xiàn)ARM板和電腦之間的Linux系統(tǒng)和應用程序文件的移植和燒寫。

三、嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺的搭建

建立嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，首先要在宿主機和目標機上安裝指定的操作系統(tǒng)。根據(jù)本文設計要求選擇Linux系統(tǒng)。對于一般的PC機，通常都帶有windows系統(tǒng)，因此，宿主機的操作系統(tǒng)選擇虛擬系統(tǒng)Red Hat Linux5.0，使用虛擬機（Vmware-workstation）的方式建立開發(fā)環(huán)境。

安裝好Vmware，即可在宿主機上安裝Red Hat 5.0 Linux系統(tǒng)。首先根據(jù)宿主機的配置來確定虛擬機的內(nèi)存和硬盤配置。虛擬機硬盤大小根據(jù)目標需求分配，默認為8G。本文選擇利用虛擬光驅(qū)來安裝系統(tǒng)。系統(tǒng)安裝完畢后即可設置ARM板的交叉編譯環(huán)境，在Linux系統(tǒng)下安裝arm-linux-gcc編譯器。

構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺，需要在ARM板上安裝Linux系統(tǒng)。利用之前安裝好的USB驅(qū)動和dnw.exe軟件，通過操作BIOS模式的指令完成Linux系統(tǒng)的安裝。Linux系統(tǒng)的安裝過程主要包括以下幾個步驟[1]：對Nand Flash進行分區(qū)、安裝BootLoader、安裝Linux內(nèi)核文件、安裝根文件系統(tǒng)。

四、數(shù)據(jù)采集功能程序設計

本文的設計目的是利用RS-232串口實現(xiàn)氣象儀器與嵌入式系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和存儲。因此，設計的嵌入式系統(tǒng)的工作流程[2，3]是：首先系統(tǒng)上電進行初始化操作系統(tǒng)和外設模塊操作，然后就可以運行特定的應用程序，流程圖如圖1所示。

圖1：嵌入式系統(tǒng)串口通信應用程序流程圖

其中初始化部分由設備驅(qū)動程序來完成。RS-232串口驅(qū)動程序主要包括串口初始化，字符發(fā)送程序，字符接受程序等。應用程序部分包括打開串口和文件，重新設置串口參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲到SD卡中，關閉串口和文件。由于驅(qū)動程序代碼無需自行編譯，因此，以下只對應用程序關鍵部分進行分析。

（一）打開串口和文件：通過使用標準的文件打開函數(shù)open（參數(shù)1，參數(shù)2）來實現(xiàn)的[4]。設備的打開方式本文選擇可讀可寫方式。程序中三個串口的打開方式都一樣，只是路徑不同，所以在程序的開始，將設備和文件的路徑定義為字符串常量，將其分別放在兩個數(shù)組中，從而簡化應用程序。

（二）設置串口信息：Linux系統(tǒng)中定義了一個查詢和操縱各種終端的標準接口，稱為termios。它包含了各終端特性的完整描述，相關聯(lián)的函數(shù)可以查詢和修改這些特性。在本設計中，串口參數(shù)分別設置為：波特率115200、8位數(shù)據(jù)位、無校驗方式、無數(shù)據(jù)流控制、1位停止位。

（三）串口數(shù)據(jù)的讀寫：串口數(shù)據(jù)的讀寫類似于文件數(shù)據(jù)的讀寫。向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，使用write（）函數(shù)；而讀取串口數(shù)據(jù)，使用read（）函數(shù)。讀寫函數(shù)的返回值分別為函數(shù)讀到或?qū)懭氲臄?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)。若返回值為-1，則表示出錯。對于read函數(shù)，若返回值為0，則表示已經(jīng)到達文件尾[5，6，7]。在打開串口和文件并設置好串口信息之后，每隔一段時間依次讀取三路串口的數(shù)據(jù)，同時將讀取數(shù)據(jù)存在SD卡中，存儲格式為二進制。

應用程序編寫完成后，在arm-Linux-gcc交叉編譯環(huán)境中編譯。利用交叉調(diào)試器進行分析和調(diào)試，使得該應用程序能夠在開發(fā)板上運行，從而實現(xiàn)氣象傳感器與嵌入式系統(tǒng)之間的通信。

五、結(jié)論與展望

本論文利用嵌入式技術(shù)，搭建了基于ARM芯片S3C2440的硬件平臺和基于嵌入式Linux系統(tǒng)的軟件平臺，并在Linux系統(tǒng)下建立了針對ARM板的交叉編譯環(huán)境。根據(jù)實際需要，編寫了嵌入式Linux系統(tǒng)下的串口通信應用程序，初步實現(xiàn)了多路RS-232串口的數(shù)據(jù)傳輸和儲存。其應用程序還有待于進一步開發(fā)，例如實現(xiàn)應用程序的界面化、實時分析顯示數(shù)據(jù)等功能。

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