發(fā)布時(shí)間：2022-06-24 18:19:55
序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的模塊化設(shè)計(jì)樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。
關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；模塊化；設(shè)計(jì)
一、模塊的定義
模塊是可組合成系統(tǒng)的、具有某種確定功能和接口結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨(dú)立單元。定義成模塊的零部件應(yīng)具有以下幾個(gè)典型特點(diǎn)：
（一）功能的獨(dú)立性：給定輸入和輸出，能夠獨(dú)立的完成一定的功能；
（二）結(jié)構(gòu)的獨(dú)立性：應(yīng)該具有獨(dú)立的物理組成和外觀結(jié)構(gòu)；
（三）接口的標(biāo)準(zhǔn)化：標(biāo)準(zhǔn)的接口保證了模塊的互換性，以便與其他模塊進(jìn)行組合。
對(duì)于工程機(jī)械產(chǎn)品，模塊可以是機(jī)械結(jié)構(gòu)件、也可以是液壓或電氣單元、控制軟件，如混泥土泵車可以定義為臂架、轉(zhuǎn)塔、泵送系統(tǒng)等模塊。同時(shí)模塊亦可以根據(jù)其復(fù)雜程度及在實(shí)施過(guò)程中的制造、裝配、物流等實(shí)際情況進(jìn)行進(jìn)一步的下級(jí)模塊劃分，也就是模塊可以有層級(jí)概念，比如說(shuō)混泥土泵車的臂架定義為一級(jí)模塊，往下還可以細(xì)分為單節(jié)臂架模塊、臂架油缸模塊、連桿模塊等二級(jí)模塊。從而可通過(guò)不同長(zhǎng)度的單節(jié)臂架模塊組合成滿足不同客戶需求的不同臂架高度的泵車。
二、模塊設(shè)計(jì)的內(nèi)涵及特點(diǎn)
（一）模塊化設(shè)計(jì)內(nèi)涵
設(shè)計(jì)任務(wù)可以從多個(gè)層面共同進(jìn)行，并且這一特征是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中所不具備的。先對(duì)產(chǎn)品的框架進(jìn)行設(shè)計(jì)，在逐層開(kāi)展內(nèi)容完善，這樣機(jī)械設(shè)計(jì)任務(wù)開(kāi)展形式擁有更多的選擇，并且不會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)形式混亂的情況。機(jī)械設(shè)計(jì)需要將參數(shù)完善記錄，方便對(duì)設(shè)計(jì)圖形進(jìn)行審核，完全達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)才能夠投入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。通常情況下是同橫向與縱向兩方面來(lái)探討設(shè)計(jì)形式，將數(shù)據(jù)依次填寫(xiě)到框架中，對(duì)比分析是否存在誤差。設(shè)計(jì)期間結(jié)合使用需求可以隨時(shí)對(duì)模塊進(jìn)行改變，確保工作任務(wù)能夠高效開(kāi)展。
（二）設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
1、便于維修。模塊化設(shè)計(jì)理念與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比較，擁有很多新的特點(diǎn)。首先是使用階段發(fā)生故障更便于維修，修理任務(wù)也可以在局部進(jìn)行，節(jié)省時(shí)間的同時(shí)在維修效率上也有明顯提升。各模塊均可靈活拆卸，故障嚴(yán)重時(shí)，通過(guò)調(diào)試很難使之恢復(fù)正常，此時(shí)直接將木塊更換，快速完成維修任務(wù)。由此可見(jiàn)，無(wú)論是設(shè)計(jì)還是使用，該種設(shè)計(jì)理念都有很多突破，解決了機(jī)械設(shè)備使用中遇到的問(wèn)題。
2、簡(jiǎn)化包裝設(shè)計(jì)。包裝是設(shè)計(jì)工作中的重要內(nèi)容，同時(shí)也十分復(fù)雜。要根據(jù)設(shè)備的外形對(duì)包裝進(jìn)行設(shè)計(jì)，保護(hù)運(yùn)輸安全也要合理利用空間，這些標(biāo)準(zhǔn)很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)，但通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，包裝環(huán)節(jié)更簡(jiǎn)單便于實(shí)施。傳統(tǒng)包裝方法中，工作人員要根據(jù)不用零件的設(shè)計(jì)形式探討包裝方案，對(duì)基層工作人員相關(guān)專業(yè)知識(shí)要求嚴(yán)格，并且在包裝過(guò)程中會(huì)浪費(fèi)大量時(shí)間，并不利于機(jī)械生產(chǎn)加工高效進(jìn)行。應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)理念后，包裝工程中所面對(duì)的產(chǎn)品也都是劃分后的，并不需要基層工作人員了解機(jī)械設(shè)計(jì)原理，對(duì)控制成本支出及提升生產(chǎn)效率都有很大的幫助。加強(qiáng)模塊化設(shè)計(jì)理念應(yīng)用后，工作人員可以更高效的完成包裝任務(wù)，為機(jī)械設(shè)備使用階段提供便捷性。
3、模塊化包裝的成本低。應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法后，在機(jī)械生產(chǎn)包裝流程中有明顯的簡(jiǎn)化，同時(shí)成本支出也得到有效控制。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念中，存在很多不確定因素，因此預(yù)算的成本支出也很容易發(fā)生變化，在工作任務(wù)開(kāi)展過(guò)程中，包裝所用材料通過(guò)計(jì)算可以得到準(zhǔn)確結(jié)果。這樣管理人員更明確不必要的成本支出，嚴(yán)格控制資金使用，這也是模塊化設(shè)計(jì)理念中節(jié)約成本的依據(jù)。雖然資金支出得到了控制，但產(chǎn)品使用質(zhì)量并不會(huì)因此受到影響。
（三）模塊化劃分原則
模塊化的設(shè)計(jì)就是要以少數(shù)的模塊組成極可能多的產(chǎn)品，同時(shí)產(chǎn)品具有高度的穩(wěn)定性、精度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。所以在設(shè)計(jì)之初應(yīng)對(duì)模塊進(jìn)行詳細(xì)的劃分。當(dāng)前并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化的模塊劃分原則，根據(jù)側(cè)重點(diǎn)的不同可進(jìn)行不同模塊的劃分。從模塊本身的概念來(lái)看，模塊就是可組成系統(tǒng)的、具有某種特定功能和結(jié)構(gòu)的、典型的通用獨(dú)立單元。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品功能的結(jié)構(gòu)，建立總功能、子功能、功能單元之間的聯(lián)系，為模塊的劃分建立基礎(chǔ)。單從這方面講，應(yīng)滿足下述原則：首先應(yīng)保持模塊功能和結(jié)構(gòu)具有一定的完整性和獨(dú)立性；其次應(yīng)確保模塊接口要素便于聯(lián)系和分離；第三應(yīng)保持模塊之間的相關(guān)盡可能少，同時(shí)模塊內(nèi)部間應(yīng)為強(qiáng)耦合；遵照典型性和通用性的原則。
（四）模塊化設(shè)計(jì)方法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
當(dāng)前具有多種設(shè)計(jì)方法，首選從功能側(cè)重方面來(lái)說(shuō)，主要的流程是需求分析、功能分解、探索式集成和評(píng)估。首選對(duì)客戶的需求進(jìn)行分析，將顧客的需求配置到產(chǎn)品中，以滿足客戶需求為主。根據(jù)客戶需求分析確定產(chǎn)品要求，再次過(guò)程中應(yīng)準(zhǔn)備多種功能目標(biāo)，滿足客戶的首要需求。在確定產(chǎn)品各個(gè)不同層次的功能后，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分解，分解成基本功能和物理元素，同時(shí)對(duì)功能及物理元素進(jìn)行集成。然后對(duì)綜合指標(biāo)及可行性進(jìn)行分析，最后實(shí)施設(shè)計(jì)。
另一種是基于結(jié)構(gòu)特征的設(shè)計(jì)。這一方法要求先對(duì)零部件的形狀特征進(jìn)行分析，并規(guī)劃減少零部件的種類，達(dá)到優(yōu)化成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在次過(guò)程中需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化模塊參數(shù)進(jìn)行分析，減少可變參數(shù)的數(shù)量，以方便模塊建模。根據(jù)分析結(jié)構(gòu)首先建立零部件主模型，利用關(guān)鍵參數(shù)描述零部件外形和各尺寸之間的關(guān)系。設(shè)計(jì)過(guò)程中在基本模塊模型中輸入數(shù)值，自動(dòng)形成變形模塊。其中零部件幾何模型和對(duì)應(yīng)的事物特性表是零部件的重要組成部分。通過(guò)變形模塊的加入，最終形成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)可描述為一個(gè)可配置、包括所有標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)的組成。
三、結(jié)語(yǔ)
在技術(shù)迭代步伐愈來(lái)愈快的背景下，模塊化設(shè)計(jì)顯然與市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)相契合。模塊化設(shè)計(jì)不僅滿足了用戶的個(gè)性化需求，同時(shí)還提升了產(chǎn)品生產(chǎn)效率及質(zhì)量水平，為行業(yè)整體發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，使工業(yè)設(shè)計(jì)水平邁向了更高的階層。
參考文獻(xiàn)：
[1]梁偉勇.機(jī)械產(chǎn)品的可拓模塊化設(shè)計(jì)方法研究與應(yīng)用[D].南京航空航天大學(xué)，2014.
1接口設(shè)計(jì)
作為高速傳輸方式，LVDS接口在應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題是如何保證其信號(hào)的完整性。1）模塊間數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)在模塊間的傳輸路徑較短，因此其接口可直接由LVDS串化器及解串器組成。發(fā)送端采用LVDS串化器將數(shù)據(jù)以高速串行數(shù)據(jù)方式發(fā)送，接收端采用相對(duì)應(yīng)的LVDS解串器將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換。為完成電路環(huán)流，在差分?jǐn)?shù)據(jù)接收端（DS92LV1224的數(shù)據(jù)輸入端）跨接100Ω電阻。2）數(shù)據(jù)長(zhǎng)線傳輸接口設(shè)計(jì)。由于中心節(jié)點(diǎn)模塊與上位機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)，為抵消LVDS長(zhǎng)線傳輸?shù)男盘?hào)衰減，需在信號(hào)發(fā)送端對(duì)信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并在信號(hào)接收端對(duì)信號(hào)進(jìn)行均衡以降低信號(hào)失真和畸變。長(zhǎng)線傳輸容易使數(shù)據(jù)收發(fā)兩端由于地電勢(shì)差產(chǎn)生直流電，因此在差分信號(hào)輸出端需采用隔直電容進(jìn)行交流耦合。同時(shí)，采用一對(duì)相當(dāng)于傳輸線1/2的電阻進(jìn)行差分信號(hào)傳輸?shù)脑炊似ヅ洹?/p>
2系統(tǒng)信號(hào)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)
2.1傳輸協(xié)議模型設(shè)計(jì)為減少傳輸中的冗余數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中未采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，僅保留了物理層、傳輸層及應(yīng)用層。分析本測(cè)試系統(tǒng)所需完成的功能，在設(shè)計(jì)中提出了如圖2所示的傳輸協(xié)議模型。圖2信號(hào)采集系統(tǒng)傳輸協(xié)議模型物理層：即接口層，用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與傳輸媒質(zhì)的連接，LVDS接口芯片可自動(dòng)完成LVDS信號(hào)編碼/解碼、串/并（并/串）轉(zhuǎn)換及信號(hào)同步。傳輸層：功能模塊在傳輸層中將采集到的信號(hào)建幀上傳至中心節(jié)點(diǎn)模塊，并判定由中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的上位機(jī)指令是否指向本模塊。中心節(jié)點(diǎn)模塊在傳輸層中完成將功能模塊上傳的數(shù)據(jù)打包傳送，上位機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)解包轉(zhuǎn)發(fā)及數(shù)據(jù)流尋址控制功能。應(yīng)用層：對(duì)接收到的指令及采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，執(zhí)行各功能模塊的專屬任務(wù)。各功能模塊在應(yīng)用層所需完成的具體功能有所不同。
2.2數(shù)據(jù)傳輸幀結(jié)構(gòu)上位機(jī)對(duì)各獨(dú)立模塊進(jìn)行的指令控制及數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的，中心節(jié)點(diǎn)模塊接受上位機(jī)控制，因此上位機(jī)占用傳輸線下發(fā)指令及數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)高于各功能模塊通過(guò)中心節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)請(qǐng)求的級(jí)別。1）上位機(jī)向?qū)崟r(shí)測(cè)控系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。上位機(jī)向?qū)崟r(shí)測(cè)試系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，在向某一功能模塊下發(fā)第一輪數(shù)據(jù)前加入目標(biāo)指令，以明確下發(fā)數(shù)據(jù)的目標(biāo)電路模塊。在每輪數(shù)據(jù)發(fā)送前都加有控制指令、數(shù)據(jù)頭標(biāo)識(shí)，而在數(shù)據(jù)幀尾部加入數(shù)據(jù)尾標(biāo)志，加入這些標(biāo)志的目的均為進(jìn)一步確保數(shù)據(jù)的成功接收，提高數(shù)據(jù)傳輸及接收的可靠性。中心控制模塊對(duì)上位機(jī)下發(fā)數(shù)據(jù)中的目標(biāo)指令部分進(jìn)行判斷，再將去掉目標(biāo)指令的其余數(shù)據(jù)發(fā)送至目標(biāo)模塊。目標(biāo)模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，確定下發(fā)數(shù)據(jù)是否正確，并執(zhí)行指令或發(fā)送數(shù)據(jù)。2）測(cè)控系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。由于本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集通道較多，因此各功能模塊在傳輸層需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編幀處理，以供上位機(jī)對(duì)每一路數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別（見(jiàn)圖4）。各信號(hào)采集模塊對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行循環(huán)讀數(shù)，每讀取一輪數(shù)據(jù)后增加幀計(jì)數(shù)及幀標(biāo)識(shí)，再經(jīng)中心節(jié)點(diǎn)模塊打包上傳。上位機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度、幀計(jì)數(shù)及幀標(biāo)識(shí)的判斷，即可判定數(shù)據(jù)是否完整并計(jì)算出信號(hào)采集的時(shí)間。系統(tǒng)上電后信號(hào)采集模塊開(kāi)始進(jìn)行幀計(jì)數(shù)，頻率為1kHz，則32位的幀計(jì)數(shù)可提供時(shí)長(zhǎng)為4194304s的計(jì)數(shù)時(shí)間，數(shù)據(jù)采集時(shí)間=幀計(jì)數(shù)時(shí)間+上電時(shí)間。幀標(biāo)識(shí)的作用為標(biāo)識(shí)一個(gè)數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，以較小的數(shù)據(jù)幀為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送有助于差錯(cuò)控制。各信號(hào)采集模塊經(jīng)由中心節(jié)點(diǎn)模塊向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)時(shí)使用同一條傳輸通道，因此，中心節(jié)點(diǎn)模塊在傳輸層需將各功能模塊上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，在上傳數(shù)據(jù)包的前端及尾端增加不同的標(biāo)識(shí)頭及標(biāo)志尾，以供上位機(jī)判斷數(shù)據(jù)來(lái)源模塊。
2.3差錯(cuò)控制如果采集數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了與標(biāo)識(shí)頭或標(biāo)識(shí)尾相同的數(shù)據(jù)，且兩者間隔恰好與數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度相同，則可能出現(xiàn)誤判斷，提取錯(cuò)誤的采集量信息。因此中心模塊上傳數(shù)據(jù)時(shí)采用8字節(jié)急變數(shù)據(jù)作為標(biāo)識(shí)頭及標(biāo)識(shí)尾，從而與系統(tǒng)所需采集的緩變信號(hào)形成反差，降低誤判斷的概率。如：模擬采集量的包頭采用ABAB4545ABAB4545作為標(biāo)識(shí)頭，在16位信號(hào)中ABAB為較大數(shù)據(jù)，而4545則為較小數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)重復(fù)出現(xiàn)的概率低，同理在包尾采用5454BABA5454BABA作為標(biāo)識(shí)尾，這樣，兩組數(shù)據(jù)組成的標(biāo)識(shí)結(jié)構(gòu)可有效地將數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)與采集信號(hào)分離，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
3測(cè)試結(jié)果及分析
關(guān)鍵詞：稱重儀表；模塊化設(shè)計(jì)；網(wǎng)絡(luò)化；VFD
中圖分類號(hào)：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)06-1427-04
The Modularize and Networked Design of Weighing Instrument
WU Kun-chang
(Xiamen University, Xiamen 361005, China)
Abstract: According to the development trend of weighing instruments, this paper designs a modular, networked weighing instrumenta? tion. The meter adopts double processor (MSP430F147 combining AT89C52) to implement modular design, contains an analog data acqui? sition and control, VFD display ( vacuum fluorescent screen), Ethernet interface, IO extension and power five modules. Ethernet interface module uses a universal serial Ethernet switches, convenient access Internet meter. Test show that the instrument operation is stable and reli? able, easy to use and flexible and powerful function diversity.
Key words: weighing instrument; modular design; networked; VFD
1概述
隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的機(jī)械式稱重儀表正逐步被基于嵌入式技術(shù)的電子稱重儀表所取代。電子稱重儀表具有性能可靠、體積小巧、易于安裝使用等特點(diǎn),被廣泛地用于各種計(jì)量、定量稱重系統(tǒng)中[1]。目前稱重儀表重要的發(fā)展趨勢(shì)是采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)硬件或軟件的積木式組合來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能需求。例如用戶提出的要求后，只需在儀表機(jī)箱里選用不同的電路板組合或更改代碼儲(chǔ)存芯片。本文設(shè)計(jì)的儀表中模擬量采集與控制模塊主要負(fù)責(zé)稱重傳感器數(shù)據(jù)采集和邏輯控制，其中A/ D轉(zhuǎn)換芯片選用美國(guó)CirrusLogic公司的CS5532ASZ；儀表顯示屏采用高清晰度和高亮度、使用壽命長(zhǎng)的真空熒光顯示屏，且選用VFD專用控制／驅(qū)動(dòng)芯片CS16312，該芯片集成了VFD顯示控制、按鍵控制、LED顯示控制等功能。VFD顯示模塊并采用單獨(dú)的微處理器，使得顯示屏通用性很強(qiáng)；Ethernet接口模塊采用通用型串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設(shè)備ZNE-10T，將儀表RS232網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到Internet網(wǎng)絡(luò)。電源模塊選用美國(guó)功率集成公司的TOP224Y芯片設(shè)計(jì)單片集成電源電路，具有效益高、性能指標(biāo)高、可實(shí)現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點(diǎn)。儀表中各個(gè)模塊相對(duì)獨(dú)立，模塊之間通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，方便根據(jù)需求組合，例如儀表應(yīng)用場(chǎng)所沒(méi)有以太網(wǎng)接入口，因?yàn)槭褂脴?biāo)準(zhǔn)的RS232接口，儀表數(shù)據(jù)傳輸則可以選擇近距離直接與計(jì)算機(jī)的COM口連接或者遠(yuǎn)距離外加RS232轉(zhuǎn)RS485的模塊連接到其他的控制器上。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的接口也使得方便將儀表模塊用具有類似功能的產(chǎn)品替代，如用戶打算使用觸摸屏顯示操作，只需將帶有RS232接口觸摸屏代替現(xiàn)有的VFD顯示模塊即可。
2系統(tǒng)設(shè)計(jì)
儀表分為五個(gè)部分模擬量采集與控制、VFD(真空熒光顯示屏)顯示、Ethernet接口、IO擴(kuò)展接口及電源，整體構(gòu)架如圖1所示。
圖1稱重儀表整體結(jié)構(gòu)圖
2.1電源模塊
真空熒光顯示屏（VACUUM FLUORESCENT DISPLAY）是從真空電子管發(fā)展而來(lái)的顯示器件，由發(fā)射電子的陰極（直熱式，統(tǒng)稱燈絲）、加速控制電子流的柵極、玻璃基板上印上電極和熒光粉的陽(yáng)極及柵網(wǎng)和玻蓋構(gòu)成。在燈絲兩端加上規(guī)定的燈絲電壓，使陰極溫度達(dá)到6000C左右而放射熱電子，再將陽(yáng)極加上正電壓，因柵極的作用而放射熱電子加速，將會(huì)互相沖擊而激發(fā)熒光粉，而使熒光粉發(fā)光[4]。
根據(jù)上面敘述，再結(jié)合采集控制模塊、Ethernet接口模塊供電，將整個(gè)儀表需要的供電情況匯總?cè)缦卤恚?/p>
表1儀表供電匯總
基于上述要求，本儀表選用美國(guó)功率集成公司TOPSwitch系列單片開(kāi)關(guān)電源芯片，該系列芯片具有集成PWM控制器和MOS? FET功率開(kāi)關(guān)管、支持極寬的輸入交流電壓和頻率范圍、電路簡(jiǎn)單，成本低廉，芯片本身功耗低，電源的總體效率可達(dá)80%等特點(diǎn)[2]。
模擬量采集與控制板和VFD顯示板都需要+5V電壓供電，且采集板上A/D轉(zhuǎn)換要求模擬量參考電壓要求較嚴(yán)格，為了不相互影響，分成兩路供電。根據(jù)兩塊板功率要求，設(shè)計(jì)一路10V/0.4A電壓經(jīng)過(guò)LM340T5轉(zhuǎn)換給模擬量采集與控制板供電，VFD顯示板則采用12V/0.3A經(jīng)LM340T5轉(zhuǎn)換供電。輸入輸出板需要的+24V電壓則直接設(shè)計(jì)一路24V/0.3A。
根據(jù)VFD顯示供電要求，首先設(shè)計(jì)一路-37V/0.3A電壓經(jīng)過(guò)LM317轉(zhuǎn)化成-30V，作為CS16312EN的參考電壓，再使用4.7V穩(wěn)壓管將電壓拉升成-25V接到燈絲一端，而燈絲之間3.3V/145mA壓差則是在-25V電壓的基礎(chǔ)上反串上電壓為3.3V的不共地電壓，這樣就可獲得燈絲另一端-21.7V電壓。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證，該VFD供電方案可行。
根據(jù)要求，電源電路核心部分開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)如圖2所示。
圖2電源模塊電路2.2模擬量采集與控制模塊
如圖3所示，模塊主要包含模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和MCU及其他電路。
稱重儀表的精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換芯片的分辨率。A/D轉(zhuǎn)換芯片的選擇對(duì)決定儀表性能至關(guān)重要，本文儀表選用CirrusLogic公司的CS5532ASZ轉(zhuǎn)換器，該芯片是高集成度的ΔΣ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用了電荷平衡技術(shù)，其分辨率達(dá)到24位。芯片內(nèi)部有一個(gè)極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器，最大增益高達(dá)64倍。該ADC非常適合測(cè)量稱重儀表、過(guò)程控制、科學(xué)和醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域的單/雙極性小信號(hào)[3]。
圖中稱重傳感器模擬信號(hào)接入ADIN+、ADIN-，經(jīng)過(guò)有電容電感組成的濾波網(wǎng)絡(luò)消除高頻干擾后送入通道1。模擬信號(hào)在CS5532中經(jīng)過(guò)放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波，最后數(shù)字信號(hào)從SDO輸出到MCU，等待進(jìn)一步處理。MCU通過(guò)SDI線對(duì)CS5532進(jìn)行通道選擇、前置放大器增益、校正方式以及數(shù)據(jù)輸出頻率等設(shè)置。SDI和SDO是在時(shí)鐘信號(hào)SCLK的配合下進(jìn)行讀寫(xiě)操作，CS是片選信號(hào)，低電平有效。CS5532與MCU的具體連接如圖3所示。模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一個(gè)精確穩(wěn)定的模擬量參考電壓，本儀表選使用DC-DC器件ZY0505BD產(chǎn)生隔離5V電壓再采用基準(zhǔn)電壓芯片LM236-2.5等到精確穩(wěn)定的2.5V參考電壓。
本儀表的主控制器選用TI公司MSP430F147，該單片機(jī)具有超低功耗、16位RISC結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等特點(diǎn)。為使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，使用帶I2C串行CMOS E2PROM、精密復(fù)位控制器和看門(mén)狗定時(shí)器的監(jiān)控芯片CAT1161，且儀表掉電仍需保存的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CAT1161自帶的16K E2PROM中。另外與VFD顯示模塊、以太網(wǎng)接口模塊通信接口選用美信公司的MAX202CSE。模塊中IO電路與IO擴(kuò)展電路原理一樣，故在IO擴(kuò)展模塊中講述。
圖3模擬量采集與控制電路 2.3 VFD顯示模塊
如圖4所示，AT89C52與VFD專用控制芯片CS16312EN通信是使用了三根口線。P1.0與CS16312的DIN相連用于數(shù)據(jù)輸入。P1.1與DOUT相連用于數(shù)據(jù)輸出。P1.2與CLK相連，產(chǎn)生串行時(shí)鐘信號(hào)。P1.3與STB相連，產(chǎn)生數(shù)據(jù)/命令識(shí)別信號(hào)。DOUT口是N溝道開(kāi)漏輸出，故外接4.7K上拉電阻。CS16312芯片內(nèi)建了OSC，振蕩頻率由外接電阻決定，電阻典型值為51K。CS16312的7根GRID線分別接到VFD的柵極（grid）G1--G7,13根SEG線與VFD的陽(yáng)極(anode)P1―P13相連。動(dòng)態(tài)掃描顯示由CS16312內(nèi)建硬件電路自動(dòng)完成。GRID線循環(huán)輸出柵極掃描信號(hào)，SEG線輸出取之內(nèi)部顯示RAM區(qū)與之對(duì)應(yīng)的顯示信號(hào)[4]。
圖4 VFD顯示模塊電路
引腳KEY1～KEY4和SK1～SK6可以一起構(gòu)成4×6鍵盤(pán)掃描電路，在顯示周期的末端掃描數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)在鍵值數(shù)據(jù)RAM內(nèi)，24個(gè)按鍵使用3個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)。本儀表數(shù)字鍵和功能鍵一共有20個(gè)，所以設(shè)計(jì)了4×5鍵盤(pán)掃描電路。CS16312的LED驅(qū)動(dòng)鎖存器的低4位對(duì)應(yīng)于LED0～LED3引腳，每個(gè)引腳的最大驅(qū)動(dòng)能力為20mA。當(dāng)其值為0時(shí)，LED燈亮；值為1時(shí)，LED燈滅。
2.4 Ethernet接口模塊
如圖5所示，Ethernet接口模塊電路的核心元件是ZNE-10T，該元件是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開(kāi)發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，它內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，用戶利用它可以輕松實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能[5]。ZNE-10T具有10M以太網(wǎng)接口，最大115200bps的串口波特率，多種工作方式(UDP、TCPServer、TCPClient)，功耗小于200mW等特性。ZNE-10T使RS232或RS485網(wǎng)絡(luò)升級(jí)到以太網(wǎng)，使得向以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)等同串口傳輸數(shù)據(jù)(配置好模塊的IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關(guān)、串口波特率等參數(shù))。選用ZNE-10T大大縮短了儀表開(kāi)發(fā)周期，且設(shè)備價(jià)格不高。
如圖5所示，J0是帶兩個(gè)LED燈的以太網(wǎng)RJ45接口，ZNE-10T設(shè)備中引腳LED_RXD和LED_TXD是以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送接收指示燈輸出口，所以將兩引腳連接在RJ45接口LED燈上用于指示發(fā)送接收狀態(tài)。圖中D1是水晶頭連接正常指示燈。ZNE-10T設(shè)備引腳TXD和RXD是串口信號(hào)接收發(fā)送口，使用ZNE-10T時(shí)，RXD、TXD直接和MSP430的UTXD1、URXD1相連。注意使用時(shí)要將模擬量采集與控制板上的跳線帽拔除，使得UTXD1、URXD1引腳不與MAX202相連，以免串口通訊收到干擾。另外RST_H引腳用于ZNE-10T設(shè)備復(fù)位，低電平有效，直接與MSP430的P6.4引腳。
2.5 IO擴(kuò)展模塊
輸入輸出電路選用鎖存器74HC373，該芯片具有三態(tài)總線驅(qū)動(dòng)能力。因?yàn)镸SP430F147所有端口都是雙向口線，本儀表選用P4端口作為輸出端口，P5端口作為輸入端口。74HC373鎖存信號(hào)LE由P6.1、P6.2、P6.3經(jīng)3-8譯碼器74HC138獲得。輸入輸出都采用
圖5 Ethernet接口模塊電路光耦隔離，增強(qiáng)抗干擾性。其中輸出電壓外接，即輸出電壓可以根據(jù)需要連接，最大耐壓為50V。
3結(jié)束語(yǔ)
本儀表性能穩(wěn)定、設(shè)計(jì)合理、功能強(qiáng)大、使用靈活,能廣泛應(yīng)用于各種稱重現(xiàn)場(chǎng),滿足不同用戶的需要，應(yīng)用前景廣闊。其合理的硬件模塊化設(shè)計(jì)、便捷的Internet網(wǎng)絡(luò)接入、美觀的VFD人機(jī)界面設(shè)計(jì)體現(xiàn)了當(dāng)前電子稱重儀表的發(fā)展方向。
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[3] CS5532芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].
1.1系統(tǒng)集成的實(shí)現(xiàn)組件技術(shù)的運(yùn)用，需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化總線技術(shù)的借助，以便進(jìn)行組件間的靈活配置通信關(guān)系的實(shí)現(xiàn)。而建立在組件技術(shù)的基礎(chǔ)之上，設(shè)備控制的自動(dòng)化思路則可以得到擴(kuò)展，從而進(jìn)行基于生產(chǎn)過(guò)程的多設(shè)備、多進(jìn)程控制模式的實(shí)現(xiàn)。而作為一種橫向集成，該種集成工作的實(shí)現(xiàn)不需要依靠編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。而縱向集成的實(shí)現(xiàn)，則需要進(jìn)行TIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的利用，以便進(jìn)行高速網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建。在進(jìn)行該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)，可以路由為系統(tǒng)交互節(jié)點(diǎn)，以便進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制總線與工藝以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的交互，從而使系統(tǒng)的速度得到最大限度的提升[2]。此外，管理節(jié)點(diǎn)可以直接接收采集與產(chǎn)生的信號(hào)，而現(xiàn)場(chǎng)也可以直接通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理層指令的接收。所以，縱向集成的實(shí)現(xiàn)，可以進(jìn)行海量信息傳遞需求管理模式的實(shí)現(xiàn)，以便進(jìn)行管控一體化的實(shí)現(xiàn)。
1.2“積木”模式的實(shí)現(xiàn)作為組件技術(shù)的突出特性，可組合性可以滿足用戶長(zhǎng)期進(jìn)行重復(fù)運(yùn)作的應(yīng)用軟件應(yīng)用的需求。而該種模式被稱之為“積木”模式，被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。為了使不同組件供應(yīng)商可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的自由交換，需要進(jìn)行相關(guān)的具備一定開(kāi)放性的信息通信協(xié)議的制定。而在組件技術(shù)的自動(dòng)化控制下，則可以進(jìn)行模塊化應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。而該種模塊的使用較為簡(jiǎn)便，只需要與電源相連接。
2組件及模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)在自動(dòng)化技術(shù)中的實(shí)際運(yùn)用
2.1在設(shè)計(jì)文件方面的運(yùn)用一般的情況下，機(jī)械設(shè)計(jì)需要進(jìn)行數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)與文件的納入。所以，設(shè)計(jì)人員只有做好文件和數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)工作，才能較好的完成機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作。但就目前來(lái)看，多數(shù)設(shè)計(jì)人員一味關(guān)注產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)問(wèn)題，卻忽視了將組件設(shè)計(jì)與模塊相結(jié)合的問(wèn)題，于是導(dǎo)致了組件設(shè)計(jì)與模塊的應(yīng)用遭受了限制。而為了進(jìn)行組件設(shè)計(jì)中的自動(dòng)化與模塊化的結(jié)合，則可以將設(shè)計(jì)劃分成多個(gè)模塊，并且為其進(jìn)行相應(yīng)接口的設(shè)置。而這樣一來(lái)，這些接口與模塊就形成了組合，以便設(shè)計(jì)人員采用組件形式進(jìn)行組合的整合[3]。此外，在實(shí)踐工作中，為了進(jìn)行模塊化應(yīng)用水平的提高，在堅(jiān)持傳統(tǒng)理念開(kāi)展作用的基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)該做好模塊化的改造工作，從而使設(shè)計(jì)內(nèi)容與實(shí)踐內(nèi)容良好的結(jié)合起來(lái)。而設(shè)計(jì)文件是設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)的累積，所以設(shè)計(jì)人員需要對(duì)設(shè)計(jì)文件進(jìn)行模塊化的改造，以便為后續(xù)設(shè)計(jì)打下良好的基礎(chǔ)。而設(shè)計(jì)文化的模塊化設(shè)計(jì)，就是將設(shè)計(jì)組件結(jié)合起來(lái)，從而在需要時(shí)進(jìn)行提取。
2.2模塊化的步驟在自動(dòng)化技術(shù)中進(jìn)行模塊化機(jī)械設(shè)計(jì)的運(yùn)用時(shí)，要按照一定的步驟來(lái)進(jìn)行。首先，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該遵循高層模塊依賴于低層模塊和抽象層次依賴于具體層次的思路和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要按照這一設(shè)計(jì)思路進(jìn)行產(chǎn)品模塊的劃分。而在運(yùn)用組件技術(shù)的基礎(chǔ)之上，則可以使多個(gè)模塊都具有連接接口，從而使不同模塊可以進(jìn)行組合的完成。其次，在完成模塊的劃分后，則可以根據(jù)劃分情況進(jìn)行工作與設(shè)計(jì)重點(diǎn)的調(diào)整[4]。一方面，需要考慮產(chǎn)品生命周期的各個(gè)環(huán)節(jié)的工作，使其生產(chǎn)流程與使用流程得到結(jié)合。另一方面，要進(jìn)行組件自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用，以便將組件自動(dòng)化與生產(chǎn)相結(jié)合，從而將設(shè)計(jì)成果在生產(chǎn)中應(yīng)用。此外，應(yīng)該保證模塊具有二元性。而所謂的二元性，就是保證模塊具有標(biāo)準(zhǔn)的連接接口和輸出輸入接口，并且具有相對(duì)獨(dú)立的功能的同時(shí)，也具有相應(yīng)的組合能力?？傊谶M(jìn)行模塊化的設(shè)計(jì)時(shí)，首先要使模塊對(duì)應(yīng)的零件的功能性得到保證，然后還要進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)歸屬性的保證。
3結(jié)論
關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；單片機(jī)；模塊化；實(shí)驗(yàn)臺(tái)；數(shù)字溫度控制系統(tǒng)
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2011）30-0050-03
隨著工業(yè)自動(dòng)化控制設(shè)備的集成度越來(lái)越高，控制功能日趨完善，作為控制系統(tǒng)的核心部件――單片機(jī)日益受到重視，具有完善控制功能的單片機(jī)逐漸在自動(dòng)控制系統(tǒng)領(lǐng)域大放異彩，而企業(yè)對(duì)于掌握單片機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力的人才更是求賢若渴，為此，必須要對(duì)機(jī)電專業(yè)學(xué)生的單片機(jī)設(shè)計(jì)能力進(jìn)行重點(diǎn)培養(yǎng)和訓(xùn)練。而現(xiàn)有的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)很多都是集成度很高的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，由于集成度高而大大限制了其應(yīng)用的范圍，且由于集成度高而使得實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)相當(dāng)脆弱，后期維護(hù)養(yǎng)護(hù)工作量較大。因此，相關(guān)人員有必要開(kāi)展單片機(jī)能力訓(xùn)練和拓展方面的實(shí)驗(yàn)臺(tái)研究。
本論文主要結(jié)合當(dāng)前單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合模塊化的設(shè)計(jì)理念，對(duì)單片機(jī)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期從中能夠找到模塊化單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用模式，從中開(kāi)發(fā)出合理有效的單片機(jī)能力訓(xùn)練拓展的實(shí)驗(yàn)方法，并以此和同行分享。
一、單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)
（一）高校單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用現(xiàn)狀
當(dāng)前各個(gè)高校的機(jī)械電子工程專業(yè)都普遍開(kāi)設(shè)有單片機(jī)相關(guān)課程，但是配套的實(shí)驗(yàn)設(shè)備均是簡(jiǎn)單的演示性實(shí)驗(yàn)器材，只是讓學(xué)生照著書(shū)本上的范例輸入程序，即可完成單片機(jī)控制系統(tǒng)的全部控制功能的演示，對(duì)于學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)毫無(wú)實(shí)踐動(dòng)手的意義；國(guó)內(nèi)一些教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器生產(chǎn)廠家所設(shè)計(jì)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其控制功能過(guò)于復(fù)雜，并且配套設(shè)備多，零部件之間的依賴關(guān)系較大，集成度高，反而不利于學(xué)生對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)內(nèi)部原理的認(rèn)識(shí)和理解，同時(shí)由于這些實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板大多已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)功能程序固化在系統(tǒng)內(nèi)部了，因此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展功能較差，只能夠進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)好的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)于學(xué)生自主性設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，其實(shí)施難度較大，且這些實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備普遍存在著后期維護(hù)量大的問(wèn)題，成本十分高昂，動(dòng)輒高達(dá)十幾萬(wàn)元，且并不適合我校學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，因此并不適宜通過(guò)直接購(gòu)買(mǎi)的方式引進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
綜上所述，只有自制基于單片機(jī)控制功能的多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，才能從根本上解決我院學(xué)生微機(jī)原理與應(yīng)用課程的實(shí)驗(yàn)設(shè)備配備問(wèn)題，并且提高學(xué)生真正動(dòng)手設(shè)計(jì)單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)而達(dá)到應(yīng)用開(kāi)發(fā)的實(shí)踐動(dòng)手能力。
（二）實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該試驗(yàn)臺(tái)從模塊化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，從簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)到綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，均采用模塊設(shè)計(jì)、接口預(yù)留、連接組建的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的具體控制應(yīng)用；對(duì)于綜合性的單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，利用四個(gè)小型單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)的測(cè)控系統(tǒng)，組建綜合性單片機(jī)控制實(shí)驗(yàn)中心，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)單片機(jī)設(shè)計(jì)的應(yīng)用。
該實(shí)驗(yàn)臺(tái)是面向?qū)W生進(jìn)行單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，一定要能夠考慮到學(xué)生的動(dòng)手能力、多名學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的可行性以及實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。鑒于此，采用面包板的設(shè)計(jì)模式，將實(shí)驗(yàn)臺(tái)中可能用到的各單片機(jī)模塊掛在面包板上，面包板上可以刻畫(huà)出不同測(cè)控系統(tǒng)的電路原理圖，學(xué)生根據(jù)電氣原理圖，選擇相應(yīng)的單片機(jī)模塊掛在面包板上，單片機(jī)模塊與面包板之間采用專用連接插頭進(jìn)行電氣連接，而各單片機(jī)模塊之間采用杜邦連接件進(jìn)行電氣連接，從而搭建出不同測(cè)控功能的單片機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖1所示，為基于單片機(jī)的模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)框架示意圖。
（三）實(shí)驗(yàn)臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)
如圖2所示，該多功能實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板主要是圍繞單片機(jī)控制與測(cè)試系統(tǒng)的基本構(gòu)成，從傳感器的輸入開(kāi)始，到信號(hào)處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，主MCU控制電路，存儲(chǔ)電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出顯示等模塊，該系統(tǒng)囊括了單片機(jī)控制與測(cè)試系統(tǒng)的全部構(gòu)成環(huán)節(jié)，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)思路，將不同功能的單片機(jī)控制與測(cè)試系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊化，并通過(guò)設(shè)計(jì)不同的接口選擇電路，實(shí)現(xiàn)讓學(xué)生動(dòng)手連接不同電路模塊，進(jìn)而搭建不同功能的測(cè)試系統(tǒng)或單片機(jī)控制系統(tǒng)。
二、基于單片機(jī)的模塊化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)現(xiàn)
（一）實(shí)驗(yàn)臺(tái)模塊硬件模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
對(duì)于該多功能實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板，采用獨(dú)立化的模塊設(shè)計(jì)方式，將搭建各種不同功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)的必要組成模塊進(jìn)行分離，借鑒“堆積木”的思想，使學(xué)生自主的選擇不同的模塊，進(jìn)而按照實(shí)驗(yàn)功能要求構(gòu)建具有不同實(shí)驗(yàn)功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)。
在具體實(shí)現(xiàn)方式上，每一個(gè)模塊都會(huì)設(shè)計(jì)統(tǒng)一的具有一定通用性的接口，有輸入模擬量接口，輸入數(shù)字量接口，輸出模擬量接口，輸出數(shù)字量接口，接口統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)2.54mm的插針插母，方便不同模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸和交換。如下圖3所示，是A/D轉(zhuǎn)換模塊和處理器模塊（8051）進(jìn)行連接的設(shè)計(jì)示意圖。
從下圖設(shè)計(jì)上可以發(fā)現(xiàn)，每一個(gè)獨(dú)立模塊都設(shè)計(jì)了由標(biāo)準(zhǔn)2.54mm插針構(gòu)成了接口，按照接口類型的不同，可以具體分為輸入模擬量接口，輸入數(shù)字量接口，輸出模擬量接口和輸出數(shù)字量接口，不同模塊之間采用杜邦連接件連接。實(shí)際上，本實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)板的全部模塊均采用此種模塊化的設(shè)計(jì)方式，從而有利于學(xué)生動(dòng)手能力和自主設(shè)計(jì)能力的提升。
（二）基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的模塊化數(shù)字溫度測(cè)控系統(tǒng)構(gòu)建
基于模塊化的單片機(jī)數(shù)字溫度測(cè)控系統(tǒng)，是利用了模塊化的設(shè)計(jì)理念，將數(shù)字溫度測(cè)控系統(tǒng)按照其構(gòu)成模塊，如CPU控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊及數(shù)字顯示模塊等分別進(jìn)行硬件連接連線，從而完成數(shù)字溫度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再配以合適的程序，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的數(shù)字測(cè)量與顯示的功能。這樣利用模塊化的設(shè)計(jì)方法極大的提高了機(jī)電專業(yè)學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的能力，對(duì)于單片機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用能力的提高有很大幫助。
圖4 數(shù)字溫度測(cè)控系統(tǒng)硬件接線原理圖
硬件連線如上圖4所示，該電路由51單片機(jī)、ADC0809電路及七段數(shù)碼顯示電路三部分組成。由于電路比較簡(jiǎn)單，在總線上沒(méi)有其他器件，所以直接選通ADC0809，ADC0809轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果顯示在七段數(shù)碼管顯示電路上。需注意，試驗(yàn)中要將所有的電源的地線相連，包括+5V和+24V之間的。當(dāng)＋5V的VCC本身波動(dòng)不超過(guò)ADC0809的測(cè)量精度時(shí)，可以將參考基準(zhǔn)電壓輸入端直接接到VCC（Vref+）和GND（Vref-）上。輸入電壓來(lái)自于溫度變送器，在protues中可以按圖所示，采用電阻分壓，以產(chǎn)生電平信號(hào)。溫度值與輸入的數(shù)值之間的關(guān)系為：T=D*Vref/256*20。其中D為ADC0809輸出的數(shù)據(jù)值。
三、結(jié)語(yǔ)
本論文結(jié)合當(dāng)前高校單片機(jī)課程實(shí)驗(yàn)臺(tái)普遍存在集成度較高、實(shí)用性較低的現(xiàn)狀，從模塊化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于模塊化單片機(jī)的集成實(shí)驗(yàn)臺(tái)，能夠面向高校單片機(jī)課程教學(xué)使用，本論文從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的角度詳細(xì)論述了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案，且該實(shí)驗(yàn)臺(tái)造價(jià)合理，功能相對(duì)于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上在售的單片機(jī)教學(xué)型實(shí)驗(yàn)臺(tái)也比較完善全面，因而其性價(jià)比較高，經(jīng)濟(jì)合理適用，適宜在各高校機(jī)電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備中推廣應(yīng)用。
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關(guān)鍵詞：船舶；舾裝；模塊化；設(shè)計(jì)應(yīng)用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.030
0 引言
船舶廣泛應(yīng)用在國(guó)防、經(jīng)濟(jì)、海洋開(kāi)發(fā)等多個(gè)領(lǐng)域，是指通過(guò)航行或停泊在水域上來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸或作業(yè)的一種交通工具。舾裝是構(gòu)成船舶的重要部分，建造工程量大，占船舶總工程量的一半以上，值得不斷地研究來(lái)全面了解它的細(xì)節(jié)構(gòu)造及加工制造過(guò)程等。模塊化設(shè)計(jì)方法是一直以來(lái)受到廣泛認(rèn)可的造船方法，發(fā)揮了一定的優(yōu)勢(shì)，也有其特殊的要求和規(guī)范。另外，從整體來(lái)看，我國(guó)造船業(yè)的發(fā)展雖然有著明顯的進(jìn)步，但同其他發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍然存在較大的差距，有很大的提升空間。盡早找出阻礙發(fā)展的因素和問(wèn)題，提出適合我國(guó)發(fā)展的新的設(shè)計(jì)方案，有利于完善模塊化設(shè)計(jì)理論，對(duì)船舶的發(fā)展必將起到重要的促進(jìn)作用。
1 船舶外舾裝模塊化設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀
早在上個(gè)世紀(jì)七十年代左右，模塊化造船理念就被提出，這一概念開(kāi)始于艦船，后來(lái)得到了深入的研究和推廣，在船舶的設(shè)計(jì)、制造思想上和維修管理方法上都具有重大的意義和影響，是促進(jìn)船舶發(fā)展的一大推動(dòng)力。模塊化技術(shù)的應(yīng)用滲透到船舶制造的各個(gè)方面，從總體到部分，包括控制系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)、機(jī)電裝置、舾裝設(shè)備等等，而且都表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的效果和強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展趨勢(shì)一片光明。日本是最早進(jìn)行模塊化造船的國(guó)家，并且一直處于世界領(lǐng)先水平，對(duì)歐美等國(guó)家都產(chǎn)生了一定影響。相比之下，我國(guó)的模塊化技術(shù)起步較晚，在上個(gè)世紀(jì)八十年代初才初露端倪，而且應(yīng)用范圍也十分有限，只集中在部分機(jī)電設(shè)備和衛(wèi)生單元模塊等方面。我國(guó)目前主要存在這樣三個(gè)突出性的問(wèn)題，第一，在生產(chǎn)效率方面，我國(guó)的人均造船修正總噸與日本相差10倍，差距明顯。而且生產(chǎn)效率過(guò)低也導(dǎo)致了造船工期的延長(zhǎng)、產(chǎn)品多余功能過(guò)剩，整體效益大大降低。這種種問(wèn)題對(duì)我國(guó)船舶行業(yè)的發(fā)展又將帶來(lái)嚴(yán)重的阻礙。第二，在造船成本方面，我國(guó)造船企業(yè)的能源消耗水平與其他國(guó)家也存在明顯差距，管理模式不合理和造船技術(shù)落后都是造成資源浪費(fèi)從而產(chǎn)生差距的重要原因。第三，在工作環(huán)境方面，我國(guó)大部分造船企業(yè)處于勞動(dòng)力密集型狀態(tài)，而且工作環(huán)境大多臟亂、危險(xiǎn)，給工作人員的正常工作增加難度。這種工作模式既不利于造船工作的進(jìn)行和工作質(zhì)量的保證，也不利于企業(yè)長(zhǎng)久和穩(wěn)定的發(fā)展。
2 船舶外舾裝模塊化設(shè)計(jì)理論與方法
2.1 船舶產(chǎn)品應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)的原理
全面完整地了解船舶外舾裝模塊化設(shè)計(jì)，并保證這一技術(shù)方法可以得到順利地進(jìn)行，當(dāng)然首先就要從設(shè)計(jì)原理的分析入手。進(jìn)行船舶產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)，主要的發(fā)展方向就是殼舾涂一體化模塊，從船體和舾裝兩個(gè)大的方面同時(shí)推進(jìn)。這種技術(shù)方法得到廣泛使用，而且與舾裝模塊的特點(diǎn)十分契合，受到大多數(shù)造船企業(yè)的青睞。舾裝模塊根據(jù)其與船體之間的不同關(guān)系而分為自持式模塊和依附式模塊，自持式模塊是以單元中的設(shè)備模塊化為主的模塊類型，擁有獨(dú)立的支架結(jié)構(gòu)，用于安裝到船體或其他各個(gè)部分。而依附式模塊需要從功能和布置兩方面進(jìn)行研究，具備可選性和通用性等特點(diǎn)，設(shè)備固定要求較高而且布置范圍廣，但這一模塊容易受到造船工作進(jìn)度的限制，并不是獨(dú)立進(jìn)行的過(guò)程。進(jìn)行舾裝模塊設(shè)計(jì)時(shí)，必須全面分析這兩類模塊類型的特點(diǎn)，然后有針對(duì)性地選擇最合理的設(shè)計(jì)方法，保證各個(gè)環(huán)節(jié)能夠順利完整地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)更加完善的舾裝模塊設(shè)計(jì)技術(shù)。
2.2 船舶外舾裝模塊化的設(shè)計(jì)特點(diǎn)
外舾裝設(shè)備要按照依附式模塊的一系列要求進(jìn)行，也就是說(shuō)工程進(jìn)度會(huì)受到造船總體建設(shè)進(jìn)度制約。進(jìn)行船舶外舾裝模塊化設(shè)計(jì)就要全面了解依附式模塊的各種特征，從功能和布置兩方面進(jìn)行詳細(xì)地模塊化設(shè)計(jì)研究。在船舶外舾裝功能模塊化設(shè)計(jì)方面，完善設(shè)備的配套功能模塊化是最重要的工作內(nèi)容，需要嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行，不能出現(xiàn)任何差池。做好這一環(huán)節(jié)的工作不僅有利于最大限度地提高安裝效率、完善設(shè)計(jì)工作，而且能夠縮短工作周期，避免不必要的資源浪費(fèi)。另外，外舾裝功能模塊化設(shè)計(jì)是容易實(shí)現(xiàn)的，可以充分保證總系統(tǒng)和子系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，全面提升穩(wěn)定性。在船舶外舾裝布置模塊化方面，我們要嚴(yán)格遵循外舾裝區(qū)域的要求，特殊環(huán)節(jié)特殊處理。外舾裝布置具有范圍廣而且比較分散、對(duì)稱性強(qiáng)等特點(diǎn)，是進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的重要因素。另外需要注意的一點(diǎn)就是，外舾裝暴露在外部區(qū)域，影響別人對(duì)它的第一眼印象，所以設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)該保證外表上的整齊性和美觀性。經(jīng)過(guò)總結(jié)，布置設(shè)計(jì)的工作主要在四個(gè)不同的系統(tǒng)上，分別為錨、舵、桅檣信號(hào)和救生系統(tǒng)，當(dāng)然，不同系統(tǒng)包含不同的設(shè)備，也同樣需要不同的設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)的外舾裝布置設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展暴露出越來(lái)越多的問(wèn)題和不足，資源過(guò)度浪費(fèi)、設(shè)計(jì)者能力不足、工作質(zhì)量低下等弊病已經(jīng)嚴(yán)重阻礙了船舶舾裝制造業(yè)的發(fā)展，是當(dāng)前形勢(shì)下迫切需要改善的問(wèn)題。所以，提出新的設(shè)計(jì)方案很有必要，我們可以在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上做出修改，然后根據(jù)實(shí)際情況不斷進(jìn)行調(diào)整和完善，進(jìn)一步找到最合理的設(shè)計(jì)，為船舶發(fā)展做出貢獻(xiàn)。
2.3 船舶外舾裝模塊化設(shè)計(jì)的方法和應(yīng)用
外舾裝模塊化設(shè)計(jì)開(kāi)始于功能設(shè)計(jì)，也就是配套設(shè)備的功能模塊化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)工作為子系統(tǒng)的模塊化和通用化設(shè)計(jì)，然后通過(guò)完善子系統(tǒng)模塊構(gòu)成的中間產(chǎn)品來(lái)最終實(shí)現(xiàn)外舾裝功能模塊。這一工作的基礎(chǔ)和前提就是要全面了解設(shè)備的性能和屬性，明確設(shè)備模塊化的范圍?，F(xiàn)主要從兩個(gè)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析和總結(jié)，第一個(gè)就是重要的子系統(tǒng)模塊化和通用化設(shè)計(jì)。首先要從構(gòu)建產(chǎn)品平臺(tái)角度進(jìn)行概念設(shè)計(jì)，了解產(chǎn)品系統(tǒng)的功能及原理等；然后就要對(duì)產(chǎn)品的功能、總系統(tǒng)和子系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面分析，了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，選取最佳設(shè)計(jì)方案；最后通過(guò)進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)的工作來(lái)增加工藝的通用性。第二個(gè)內(nèi)容則是接口設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行的工作就是對(duì)外舾裝模塊接口的定義，明確模塊自身的功能及特征。然后就要按照一定的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)工作，滿足接口部分的要求。這兩項(xiàng)內(nèi)容是船舶外舾裝模塊化設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是需要認(rèn)真并嚴(yán)格進(jìn)行的工作環(huán)節(jié)。當(dāng)然，要想保證整體工作過(guò)程的完善和順利并全面提高工作質(zhì)量，就要在每個(gè)細(xì)節(jié)處按照設(shè)計(jì)方案來(lái)嚴(yán)格把關(guān)。
3 總結(jié)
船舶的發(fā)展是社會(huì)發(fā)展的一項(xiàng)重要內(nèi)容，未來(lái)也必然會(huì)有更大的需求量并面臨更大的挑戰(zhàn)。研究外舾裝模塊化設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)完善造船技術(shù)、促進(jìn)船舶發(fā)展具有強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)意義，值得進(jìn)行深入探討和分析，從而不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新。我國(guó)目前造船技術(shù)的發(fā)展同國(guó)外相比存在明顯的差距，暴露的諸多問(wèn)題也為進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)重重阻礙。因此，全面分析船舶外舾裝模塊化設(shè)計(jì)理論與方法，深入了解這一設(shè)計(jì)理念，才能將模塊化設(shè)計(jì)更加高效合理地應(yīng)用到我國(guó)船舶發(fā)展中。未來(lái)必將有更多關(guān)于這一設(shè)計(jì)應(yīng)用的研究工作的開(kāi)展，也將會(huì)對(duì)船舶外舾裝設(shè)計(jì)甚至船舶行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)更大的幫助。
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關(guān)鍵詞：空調(diào)自控系統(tǒng)；模塊化設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)優(yōu)化
當(dāng)設(shè)計(jì)工作任務(wù)重、工期緊時(shí)，需要在短時(shí)間內(nèi)完成大量的設(shè)計(jì)工作，大力開(kāi)展設(shè)計(jì)流程優(yōu)化工作勢(shì)在必行。通過(guò)進(jìn)行設(shè)計(jì)流程分析，對(duì)設(shè)計(jì)工作形成模塊化設(shè)計(jì)，達(dá)到縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)工作，提高設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量。
模塊化設(shè)計(jì)是在對(duì)一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能分析、劃分并設(shè)計(jì)出一系列功能模塊，然后通過(guò)模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的顧客定制的產(chǎn)品。是設(shè)計(jì)過(guò)程中的一種創(chuàng)新思維，模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是模塊劃分。
模塊化設(shè)計(jì)方法的最初目的是通過(guò)分解問(wèn)題來(lái)降低整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用模塊化設(shè)計(jì)方法將一個(gè)系統(tǒng)分解為多個(gè)模塊化子系統(tǒng)，提高設(shè)計(jì)成果的可重用度。每個(gè)模塊化子系統(tǒng)都可認(rèn)為是重用單元，伴隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的提高，如何令設(shè)計(jì)人員模塊化設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵就在于實(shí)現(xiàn)提高模塊化子系統(tǒng)的重用度。
空調(diào)自控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)關(guān)鍵就在于如何將如此龐大的系統(tǒng)分解為多個(gè)模塊化的子系統(tǒng)。根據(jù)不同空調(diào)機(jī)組分成不同的小模塊化子系統(tǒng)，可提高模塊的可用度?？偨Y(jié)多個(gè)工程的空調(diào)系統(tǒng)，常用到的空調(diào)機(jī)組主要有：組合式空調(diào)機(jī)組、螺桿式冷水空調(diào)機(jī)組、風(fēng)冷柜式空調(diào)機(jī)組、風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組、恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組等。空調(diào)機(jī)組的模塊化設(shè)計(jì)：主要是接口問(wèn)題，要求制造廠按照標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣設(shè)計(jì)時(shí)一方面可以減少制造廠資料的制約，掌握設(shè)計(jì)的主動(dòng)權(quán)，另一方面還可以減少控制系統(tǒng)的點(diǎn)數(shù)，精簡(jiǎn)空調(diào)自控系統(tǒng)。
現(xiàn)將各個(gè)空調(diào)機(jī)組的模塊化介紹如下：
1 組合式空調(diào)機(jī)組模塊
組合式空調(diào)機(jī)組一般包括下列各段：回風(fēng)段、回風(fēng)消音段、回風(fēng)機(jī)段、新排風(fēng)調(diào)節(jié)段（節(jié)能段）、初效過(guò)濾段、中效過(guò)濾段、表冷段、加熱+加濕段、送風(fēng)機(jī)段、送風(fēng)消音段、送風(fēng)段及部件。每臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組還有新風(fēng)閥、排風(fēng)閥、混風(fēng)閥、送風(fēng)閥、回風(fēng)閥、水閥，顯而易見(jiàn)組成一臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組的設(shè)備是很多的，如果每臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組的控制都由空調(diào)自控系統(tǒng)完成，工作量是很大的，并且IO點(diǎn)數(shù)也會(huì)增加很多，這樣整個(gè)空調(diào)自控系統(tǒng)就顯得很復(fù)雜、很龐大。
因此需要先將組合式空調(diào)機(jī)組進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，首先要求組合式空調(diào)的控制由空調(diào)機(jī)制造廠商完成，并包括以上所有設(shè)備的供貨，設(shè)備統(tǒng)一由制造廠供貨后可以實(shí)現(xiàn)組合式空調(diào)機(jī)組的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，這樣大量工作可以在工廠內(nèi)完成，減少很多設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量。
組合式空調(diào)機(jī)組的控制由制造廠完成，是需要制造廠完成對(duì)整個(gè)空調(diào)機(jī)組所有設(shè)備的控制，包括新風(fēng)閥、排風(fēng)閥、混風(fēng)閥、送風(fēng)閥、回風(fēng)閥、水閥這六個(gè)閥門(mén)的控制，還有組合式空調(diào)機(jī)組送、回風(fēng)口溫濕度傳感器，組合式空調(diào)機(jī)初、中效過(guò)濾段壓差開(kāi)關(guān)等所有需要監(jiān)視及連鎖的測(cè)點(diǎn)，如果組合式空調(diào)機(jī)組帶有加熱器，則加熱器的控制也需要由制造廠統(tǒng)一控制。
所有設(shè)備均由空調(diào)機(jī)組制造廠完成后，不僅減少了空調(diào)機(jī)組與空調(diào)自控系統(tǒng)之間的配合工作，也為模塊化設(shè)計(jì)提供了前提條件。這樣就可以統(tǒng)一要求制造廠提供與遠(yuǎn)方控制的接口清單，在技術(shù)規(guī)范書(shū)中就可以這樣寫(xiě)：“應(yīng)配供組合式空氣處理機(jī)組的電控柜，并預(yù)留遠(yuǎn)方控制的接口，接口位置在電控柜的端子排上。提供每臺(tái)機(jī)組應(yīng)留有與空調(diào)自控系統(tǒng)的硬接線接口，包括：空調(diào)機(jī)組遠(yuǎn)程啟動(dòng)指令、停止指令，空調(diào)機(jī)組故障及報(bào)警反饋、運(yùn)行反饋、停止反饋、遠(yuǎn)方允許反饋，空調(diào)機(jī)組溫濕度設(shè)定、溫濕度反饋。賣(mài)方提供與空調(diào)自控系統(tǒng)接口所需的資料及其他支持，以實(shí)現(xiàn)空調(diào)自控系統(tǒng)監(jiān)控機(jī)組的運(yùn)行。”
將組合式空調(diào)機(jī)組模塊化以后，每臺(tái)空調(diào)機(jī)組至少可以減少18個(gè)DI點(diǎn)、8個(gè)DO點(diǎn)、3個(gè)AI點(diǎn)、3個(gè)AO點(diǎn)，這樣每臺(tái)空調(diào)機(jī)組至少可以減少32個(gè)IO點(diǎn)數(shù)，如果一個(gè)工程使用4臺(tái)組合式空調(diào)機(jī)組就可以減少128個(gè)IO點(diǎn)，數(shù)量是相當(dāng)可觀的，這樣就可以大大精簡(jiǎn)空調(diào)自控系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了空調(diào)自控系統(tǒng)的控制邏輯。而且還減少了設(shè)備訂貨、供電、接線等大量配合及現(xiàn)場(chǎng)施工工作。
2 螺桿式冷水空調(diào)機(jī)組
螺桿式冷水空調(diào)機(jī)組與組合式空調(diào)機(jī)組的要求一樣，空調(diào)機(jī)組本身所需的所有設(shè)備均由制造廠配套提供并完成控制，只需空調(diào)機(jī)組預(yù)留6個(gè)硬接線接口以便于電廠DCS系統(tǒng)能監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行，這6個(gè)硬接線接口分別為：“機(jī)組遠(yuǎn)程啟動(dòng)指令、停止指令、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、就地/遠(yuǎn)方狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)”。并提供螺桿式冷水空調(diào)機(jī)組冷凍水的流量開(kāi)關(guān)及安裝。
另外還需注意一般螺桿式冷水空調(diào)機(jī)組還有配套使用的冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔，數(shù)量一般與空調(diào)機(jī)組的數(shù)量一一對(duì)應(yīng)，這些設(shè)備的控制也要求制造廠配套完成，并預(yù)留每臺(tái)設(shè)備的遠(yuǎn)程啟動(dòng)指令、停止指令、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、就地/遠(yuǎn)方狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)6個(gè)硬接線接口，提供以上設(shè)備就地控制箱的電氣原理圖及端子排接線圖。
3 風(fēng)冷柜式空調(diào)機(jī)及風(fēng)機(jī)盤(pán)管模塊
風(fēng)冷柜式空調(diào)機(jī)及風(fēng)機(jī)盤(pán)管的控制比較類似，所以可以作為一種模塊，這兩種空調(diào)機(jī)組也是要求預(yù)留機(jī)組遠(yuǎn)程啟動(dòng)指令、停止指令、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、就地/遠(yuǎn)方狀態(tài)、故障報(bào)警信號(hào)6個(gè)硬接線接口。
另外需要注意的是每臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管入口有個(gè)電動(dòng)三通水閥，這個(gè)水閥是根據(jù)房間的溫度用來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的進(jìn)水量，實(shí)現(xiàn)對(duì)房間溫度的調(diào)節(jié)，由于風(fēng)機(jī)盤(pán)管一般是每個(gè)房間有一臺(tái)，風(fēng)機(jī)盤(pán)管所需的溫度傳感器以及電動(dòng)三通水閥均需要由制造廠配供，并負(fù)責(zé)完成風(fēng)機(jī)盤(pán)管機(jī)組根據(jù)溫度調(diào)節(jié)的自控控制。否則還需要為每臺(tái)風(fēng)機(jī)盤(pán)管訂購(gòu)溫度傳感器、電動(dòng)三通閥，還要負(fù)責(zé)相關(guān)接線及電動(dòng)三通閥的配電，而且風(fēng)機(jī)盤(pán)管的數(shù)量一般比較龐大，這些瑣碎的工作一般處理起來(lái)就比較困難。
按照上述要求即可以完成模塊化設(shè)計(jì)，可以減少很多現(xiàn)場(chǎng)工作量，還可以簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)，對(duì)供貨、施工、設(shè)計(jì)、運(yùn)行等都方便了很多。
4 恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組模塊
恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組與組合式空調(diào)機(jī)組類似也是屬于復(fù)雜的空調(diào)機(jī)組，都有很多設(shè)備組成，這里就不再贅述。不過(guò)為了達(dá)到模塊化設(shè)計(jì)的要求，對(duì)恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組的要求與其它空調(diào)機(jī)組的要求是一樣的，恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組也留有6個(gè)硬接線接口信號(hào)以便于電廠DCS系統(tǒng)能監(jiān)控機(jī)組運(yùn)行，6個(gè)硬接線接口信號(hào)分別為：“機(jī)組遠(yuǎn)程啟動(dòng)指令、停止指令、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、就地/遠(yuǎn)方狀態(tài)、故障報(bào)警”，這樣就與其他空調(diào)的接口信號(hào)一致，可以做到不同空調(diào)接口信號(hào)的模塊化。
完成空調(diào)機(jī)組的模塊化設(shè)計(jì)后，可以要求不同的制造廠按照相同的要求完成空調(diào)機(jī)組的控制及供貨，這樣就實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，不管最終選用哪個(gè)制造廠的空調(diào)機(jī)，要求是一樣的，預(yù)留的接口是一樣的，設(shè)計(jì)也是一樣的，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。
5 結(jié)束語(yǔ)
這樣就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)空調(diào)自控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)了，不管最終選用那個(gè)制造廠的空調(diào)機(jī)，不管軸流風(fēng)機(jī)、排煙閥與排煙風(fēng)機(jī)有多少臺(tái)我們的要求是一樣的，預(yù)留的接口是一樣的，最終設(shè)計(jì)出來(lái)的成品也是一樣的。從而減少了大量的重復(fù)性設(shè)計(jì)工作，縮短了空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的周期，提高了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)
[1]田寶慶，韓新民.模塊化設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法研究[J].成組技術(shù)與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2008，25（4）：48-51.
關(guān)鍵詞：內(nèi)燃動(dòng)車組；制動(dòng)系統(tǒng)；模塊化設(shè)計(jì)；低地板區(qū)；司機(jī)室 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
中圖分類號(hào)：U266 文章編號(hào)：1009-2374（2017）07-0011-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2017.07.005
1 概述
出口加納內(nèi)燃動(dòng)車組由6輛車編組而成，其中2輛動(dòng)車和4輛拖車（即Mc+T+Th+T+T+Mc），拖車設(shè)有低地板區(qū)。制動(dòng)系統(tǒng)采用間接作用式空氣制動(dòng)，列車以100km/h運(yùn)行時(shí)，緊急制動(dòng)距離不大于600m。
動(dòng)車組的主要技術(shù)參數(shù)：
軌距：1067mm
最高運(yùn)營(yíng)速度：100km/h
定員：683人（4人/平方米）
動(dòng)車軸重：≤15.5t
拖車軸重：≤13t
動(dòng)車車體長(zhǎng)度：17800mm
拖車車體長(zhǎng)度：20000mm
車體寬度：2650mm
車輛定距（動(dòng)車）：11700mm
車輛定距（拖車）：14000mm
2 制動(dòng)系統(tǒng)原理
制動(dòng)系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)成熟的JZ-7自動(dòng)制動(dòng)閥+F8G分配閥匹配的間接作用式空氣制動(dòng)，即當(dāng)列車管壓力降低時(shí)，產(chǎn)生制動(dòng)作用；列車管壓力上升時(shí)，緩解制動(dòng)。采用雙管雙側(cè)供風(fēng)，制動(dòng)管路采用不銹鋼材質(zhì)，制動(dòng)系統(tǒng)主要由風(fēng)源、自動(dòng)制動(dòng)閥、中繼閥、分配閥、風(fēng)缸、防滑器、截?cái)嗳T(mén)、管路等部件組成。
3 制動(dòng)系統(tǒng)組成
由于加納內(nèi)燃動(dòng)車組零部件繁多和安裝空間的局限性，制動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化、集成化技術(shù)。制動(dòng)系統(tǒng)模塊化的設(shè)計(jì)是把具有相似屬性和功能的零部件聚類成為模塊，通過(guò)模塊的組合形成制動(dòng)系統(tǒng)，有利于提高產(chǎn)品的整體性、制造性、維修性和回收性等特征。
制動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)車組的重要組成部分，將制動(dòng)系統(tǒng)分為以下模塊：制動(dòng)控制模塊、中間管排組成、兩端管路組成、司機(jī)室制動(dòng)裝置、風(fēng)源模塊、防滑模塊和手制動(dòng)機(jī)。
3.1 動(dòng)車制動(dòng)控制模塊
制動(dòng)控制模塊是將動(dòng)車組制動(dòng)控制元件集成在一個(gè)吊架上，整體安裝，主要由分配閥、風(fēng)缸、氣路控制箱、減壓閥、截?cái)嗳T(mén)、過(guò)濾器等元件組成（見(jiàn)圖1），連接管路采用不銹鋼管，通過(guò)吊碼和管卡把控制元件和管件固定在模塊吊架上。動(dòng)車組組裝時(shí)，將預(yù)先組裝好的制動(dòng)模塊采用螺栓直接固定到車體底架上，模塊上設(shè)有與車下制動(dòng)管路連接的接口，再與車下制動(dòng)管路連接。這種組裝方式即便于制動(dòng)系統(tǒng)控制元件的集中管理和檢修，同時(shí)也節(jié)省了車下零部件的組裝空間。
3.2 司機(jī)室制動(dòng)裝置
司機(jī)室制動(dòng)裝置安裝在動(dòng)車司機(jī)臺(tái)下，主要由自動(dòng)制動(dòng)閥、中繼閥、均衡風(fēng)缸、緊急制動(dòng)電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)、快插接頭、測(cè)試接頭及連接管路等元件組成，由于司機(jī)臺(tái)下安裝空間有限，對(duì)整個(gè)司機(jī)室制動(dòng)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，將所有元件集成在兩個(gè)氣路板模塊上，通過(guò)尼龍軟管把兩個(gè)模塊的氣路進(jìn)行連接，接口采用快插連接方式，整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝和管路連接?？觳褰宇^的使用，不需要考慮工具的工作空間，只需將尼龍軟管直接查入到接頭即可。模塊上集成了各種管路的壓力測(cè)試接口，試驗(yàn)操作更加方便，如圖2所示：
3.3 兩端管路組成
兩端管路是與中間管排連接的動(dòng)車組兩端方向所有管路，分為一位端管路和二位端管路。動(dòng)車組設(shè)有貫通整列車的總風(fēng)管和列車管各一根，總風(fēng)管與主風(fēng)缸連接，向制動(dòng)設(shè)備、空氣彈簧及各種輔助設(shè)備（如撒砂裝置、風(fēng)笛、集便器等）供風(fēng)，列車管與司機(jī)室中繼閥連接，通過(guò)控制列車管壓力變化實(shí)現(xiàn)每輛車上分配閥的制動(dòng)和緩解。
3.3.1 一位端管路M成。一位端管路組成的主要制動(dòng)元件包括總風(fēng)管、列車管、空簧管、制動(dòng)管、緩解指示器、防滑排風(fēng)閥等。設(shè)有司機(jī)室制動(dòng)裝置接口和列車管救援接口。司機(jī)室制動(dòng)裝置接口采用不銹鋼管與車上司機(jī)室制動(dòng)裝置連接；當(dāng)列車需要救援時(shí)，通過(guò)列車管救援接口與救援車輛連接，在救援運(yùn)行中，動(dòng)車組仍然有制動(dòng)功能；所有管件采用管卡固定在車體底架或支架上；防滑排風(fēng)閥根據(jù)控制單元提供的控制信號(hào)動(dòng)作，控制制動(dòng)力大小，實(shí)現(xiàn)防滑控制功能，兩個(gè)防滑閥集成一個(gè)模塊，吊裝在車體底架下面；緩解指示器安裝在車輛的兩側(cè)，便于在車下確認(rèn)車輛制動(dòng)和緩解的狀態(tài)，如圖3所示：
3.3.2 二位端管路組成。二位端管路組成的主要制動(dòng)元件包括總風(fēng)管、列車管、空簧管、制動(dòng)管、防滑排風(fēng)閥等。安裝形式和一位端管路一致。
3.4 拖車低地板區(qū)模塊
拖車車體底架的主要技術(shù)特點(diǎn)是設(shè)置了低地板區(qū)，主要安裝了中部管路和拖車制動(dòng)控制模塊，端部管路與動(dòng)車基本相同。
3.4.1 中部管路。中部管路包括管排組成、連接管、乘客緊急制動(dòng)管路、總風(fēng)管、列車管、集便器供風(fēng)管路等。中間管排組成設(shè)多個(gè)管吊，把不同規(guī)格的制動(dòng)管和管接件集成一個(gè)模塊。與車體進(jìn)行組裝時(shí)，整體吊裝，通過(guò)螺栓固定在底架橫梁預(yù)留接口上。中間設(shè)3個(gè)規(guī)格不同的接口通過(guò)連接管與制動(dòng)模塊連接，簡(jiǎn)化了工藝流程，縮短了工藝技術(shù)準(zhǔn)備周期，使產(chǎn)品更加美觀，如圖4所示：
3.4.2 拖車制動(dòng)控制模塊。拖車制動(dòng)控制模塊主要由分配閥、工作風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸、總風(fēng)缸、氣路控制箱、減壓閥、截?cái)嗳T(mén)、過(guò)濾器等元件組成。整個(gè)模塊采用螺栓直接固定到車體底架上。由于拖車底架采用低地板設(shè)計(jì)，底架邊梁下面距離軌面為603mm，拖車制動(dòng)控制模塊集成的部件基本與動(dòng)車制動(dòng)控制模型相同，但是模塊高度受到了很大的限制。通過(guò)對(duì)模塊部件進(jìn)行外形尺寸分析，除了風(fēng)缸外，其他部件均能滿足模塊設(shè)計(jì)尺寸要求?，F(xiàn)對(duì)風(fēng)缸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在不改變風(fēng)缸容積的前提下，將風(fēng)缸的直徑由386mm改為256mm，然后將所有部件進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，集成后模塊高度為400mm，完全滿足低地板的車輛對(duì)設(shè)備的高度要求，如圖5所示：
3.5 風(fēng)源模塊
動(dòng)車組安裝有兩個(gè)風(fēng)源模塊，位于每輛動(dòng)車的車體底架下方。風(fēng)源模塊包括空壓機(jī)、雙塔干燥器、電空箱、調(diào)壓閥、安全閥、壓力開(kāi)關(guān)、測(cè)試接口等部件。各部件集成一個(gè)模塊，采用模塊吊架整體吊裝在車體底架預(yù)留的吊鉤上。風(fēng)源模塊設(shè)有3個(gè)接口，X1和X2為電氣接口，安裝在電控箱處；還有一個(gè)為輸氣接口，位于模塊的端部?？諌簷C(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)冷卻器和干燥器輸出，存儲(chǔ)在總風(fēng)缸里，并通過(guò)總風(fēng)管向列車所有用風(fēng)設(shè)備?？諝鈮嚎s機(jī)采用的是固定式、風(fēng)冷、噴油螺桿壓縮機(jī)，額定功率為15kW，排風(fēng)量為1200L/min；空氣干燥器為雙塔再生干燥器，使用活性氧化鋁作為干燥劑，最大工作壓力為l050kPa。如圖6所示：
4 結(jié)語(yǔ)
