前言：中文期刊網精心挑選了電路設計前景范文供你參考和學習，希望我們的參考范文能激發你的文章創作靈感，歡迎閱讀。
電路設計前景范文1
關鍵詞：兩型三新 輸電線路 設計 環境保護
中圖分類號： S611 文獻標識碼： A 文章編號：
1 前言
電力工業是關系國民經濟的重要基礎產業之一，國家電網承擔著優化能源資源配置，保障國家能源安全和促進國民經濟可持續發展的重要任務。為落實科學發展觀，提高輸電線路建設的效率和效益，國家電網公司在輸電線路通用設計的基礎上，應用全壽命周期管理理念，開展“資源節約型、環境友好型，新技術、新材料、新工藝”輸電線路建設工作。但在高壓輸電線路建設過程中，不可避免的對線路周圍生態環境產生影響。當前，建設項目需要配套建設環境保護設施，須與主體工程同時設計、同時施工、同時投產使用，即“三同時”。因此，輸電線路設計與環境保護需齊抓并進。
2輸電線路的環境影響
輸電線路的環境影響包括電磁環境影響和區域環境影響兩個部分。電磁影響系指輸電線路電磁場對鄰近有線及無線通信設施產生的干擾及危險影響，以及靜電感應產生的生態影響。區域環境影響系指輸電線路工程砍伐樹木、損害農田、爆破開山、堆渣棄土、破壞植被等造成對沿線自然生態環境的影響1。
下面選取薊縣―北寺220kV雙回輸電線路雙破口進邵府220kV站雙回輸電線路工程作為評估對象，它是薊北220kV雙回輸電線路在小石各莊村東北角雙破口向北同塔雙回架設至邵府220kV變電站西側時，右轉向東進站。本高壓輸電線路工程地處華北平原，線路長度較短。
2.1 電磁環境影響
220kV輸電線路工作時，其電壓等級較高，相對地面產生一定的靜電感應，形成電磁輻射場。三相導線離地面越高，相當于帶電體離地面越遠，則它在地面附近產生的電場強度就越小。由于導線弧垂影響，相應的最大場強影響區域位于檔距中央。在靠桿塔處，導線懸掛較高，桿塔自身的屏蔽，靠桿塔處為最小場強影響區。
220kV線路導線可能產生電暈放電。在高壓線路導線的選擇時，注意到使其在最大工作電壓下，導線表面最大場強不超過電暈放電的起始電壓。但由于機械損傷、污穢和降水等使導線表面變得粗糙，從而導致局部電場強度增加，使得在電壓比表面無損傷的清潔導線自放電起始電壓低的情況下，在導線上也發生局部電暈，形成電暈脈沖，產生無線電干擾波，沿著導線（縱向）以及空氣（橫向）向外傳播。
2.2 區域環境影響
2.2.1 對土地的影響
輸電線路對土地的利用主要是永久占用和臨時占用兩種。永久占地主要指塔基占地。由于單個塔基占地較少，因而，輸電線路的永久占地對土地利用類型的影響不大。臨時占地主要指輸電線路施工過程中，如建設期發生在作物生長期，則有可能會毀掉一部分農作物、林地和灌叢，對農林業生產帶來一定損失，會使其他自然植被遭到一定程度的破壞。但工程結束后，臨時占地便可恢復原有功能，土地利用類型不會發生改變，因而，臨時占地對土地利用類型的影響是短期的2。
2.2.2對植被生產的影響
輸電線路建設工程中，沿線施工位置的植被會遭到破壞，同時當輸電線路與線下樹木垂直距離小于4.5m時（《110~750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）規定，220kV標稱電壓，導線與樹木之間的最小垂直距離為4.5m），線下樹木需要砍伐（為保證建成后線路的安全運行），因而，輸電線路在建設時將砍伐一定數量的樹木，造成林草植被遭到一定程度的破壞，引起水土流失，破壞自然環境，工程建設場地征用及清理費用增加，從而靜態投資費用增大。
3 考慮保護環境輸電線路的設計方案
3.1嚴格按照《110~750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）5.0.4規定：海拔不超過1000m時，距輸電線路邊相導線投影外20m處且離地2m高且頻率為0.5MHz時的無線電干擾限值當220~330kV標稱電壓時，為53 dB（µV/m）。薊縣―北寺220kV雙回輸電線路雙破口進邵府220kV站雙回輸電線路距線路中心3m處的電場強度最高為5.86kV/m，8m范圍內的電場強度均超過4kV/m標準限值的要求，但該區域內無居民區。距線路中心8m以外工頻電場強度滿足4kV/m標準限值的要求；工頻磁感應強度最大值出現在距線路中心4m處，其值為55.20µT，之后隨與中心線距離的增加，其值逐步降低，所有結果都滿足100µT標準限值的要求；無線電干擾值出現在距線路中心4m處，為47.7dB（µV/m），滿足53 dB（µV/m）標準限值的要求，以后隨距離的增加其值逐步降低，所有結果都符合53 dB（µV/m）標準限值的要求。
3.2對線路路徑進行優化，減少輸電線路對農業生產的影響，減少塔位落入農田、果樹林、樹林之中，對塔位定位時，盡量繞過林地、或者選擇森林覆蓋率較低的區域通過。薊縣―北寺220kV雙回輸電線路雙破口進邵府220kV站雙回輸電線路路徑較短，交叉跨越較少。
3.3嚴格按照《110~750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）14.0.6規定：輸電線路經過經濟作物或林區時，宜采取跨越設計?，F階段220kV的輸電線路在設計過程中一般會對樹木采用高塔跨越的方式進行，也就是在有樹木的地方增加桿塔的呼高，盡量少砍伐樹木，以減少生態影響。這不僅有很好的社會效益，保護國家日益匱乏的森林資源，而且有較好的經濟效益。
3.4選取路徑時，要考慮保證線路走廊邊線兩側各15m所形成的平行線內的區域無環境敏感建筑物3。設計過程中排平斷面時，對地距離及交叉跨越，嚴格按照《110~750kV架空輸電線路設計規范》（GB50545-2010）13章的規定進行設計。
3.5設計說明施工注意事項中，建議施工期選擇在非生產季節，為避免對農作物的破壞施工盡量選擇在秋收后播種前；對臨時占地，以盡量不砍樹為原則；施工過程中要灑水抑塵、面覆蓋減少二次揚塵，文明施工；工程施工結束后，恢復施工通道的原有功能和綠化水平即：進行植被恢復，將表土覆在地表，恢復土地的原有功能，保證土壤質量不受到影響。
4結論
環境保護這一理念應貫穿于輸電線路建設的全過程：規劃、設計（選線、定位設計等）、施工、運行階段。在設計階段提前考慮到工程建設對生態環境的影響，做好防護設計和防護措施，在施工階段，盡可能的減少對生態環境的破壞，更好的保護環境。堅持“三同時”原則，嚴格依法履行環保與水土保持審批手續、加強輸變電建設項目的規范化管理、推動電力事業的可持續發展。
參考文獻：
王守禮.高壓輸電線路的環境保護［J］.云南電力技術，2004（32）:11-14.
柳明.高壓輸電線路建設對沿途生態影響的綜述［J］.科技資訊，2009（15）:32.
河北省輻射環境保護技術咨詢中心.邵府220kV輸變電工程項目環境影響專項評價［M］.
電路設計前景范文2
論文摘要:本文以數字電路的精品課程建設、教畢內容、教學方法、教學手段探討教畢改革。
《數字電路》是高等職業技術學院電子信息技術類專業的一門重要基礎課，是學習其它專業課程的前提條件。它的任務是使學生掌握現代電子技術基礎的有關知識，提高專業知識水平、職業技能和綜合素質，增強適應職業變化能力和繼續學習能力，把握“以能力為本位”的課程特征。課程建設與改革的最終目標，就是培養學生的職業能力和關鍵能力。職業能力是指從事職業活動所需要的知識和技能，它是勞動者勝任職業工作、賴以生存的核心能力。關鍵能力指那些與具體的職業和專業無直接關系，但對于一個人在現代社會中的生存和發展起著關鍵作用的能力，其目的在于填補學校教育與產業界實際之間的斷層與空白。培養具有創新精神和較強實踐能力的，掌握必要的基本文化知識和專業知識的，具有扎實的電子信息技術基本技能和綜合職業能力的，在生產、管理、銷售及服務第一線工作的高級技術應用性人才。
我院自建校以來，《數字電路》一直是骨干課程，也是學生的必修課程，因此教研室始終重視教學內容和課程體系改革。對課程內容進行了優化整合，引人最新的數字電子技術。將經典內容與新技術內容有機結合，使課程內容既具有基礎性，又具有時代性。該課程已被評為山東省省級精品課程。
1、建設二以學生為中心”的新型課程模式
數字電路課程歷來是學生感到難學的課程，“化難為易”是本課程改革的基本原則之一。我們針對當前高職高專學生的知識能力和學習特點，強調課程的基礎性和應用性。無論是介紹常用電子器件，還是研究性能參數、測試技術、使用方法等以基礎問題為主，而沒有像傳統的電子技術課程那樣，對電子線路進行較深的理論分析。本課程避免了較為煩瑣的數學推導和計算，目的是使學生易于接受和掌握現代電子技術的基礎知識和實用技術，體現高職高專教育培養職業技能的特點。課程改革充分體現“以學生為中心”的主要特點包括:“學”重于“教”，教師的作用是評估、判斷、建議和指導而不僅僅是信息與知識的傳遞。課程改革積極探索教學活動的多樣化和考核方式的多樣化，考核形式包括筆試、課程設計、綜合性作業、小制作和實踐操作等。該課程的考核包括五個部分:①期末的筆試，考核基本知識、理論占70%;②課程設計項目制作占10% ;③平時成績占5%;④單項考核10% ;⑤課外電子制作占5%。
2、開發‘’任務驅動”的學習進程
課程改革倡導開發“任務驅動”的學習進程，在教學活動中實踐“以學生為中心”的課程思想。學生通過完成“項目任務”進而完成課程的學習，同時將其“成果”用作學生評價的主要依據。這種采用“任務驅動”的學習進程，能夠有效地促進教學過程中的師生互動，有利于培養學生自主學習的能力和方法。在數字電路教學中、首先介紹數字信號的特點、數字系統的組成、數字電路在電子系統中的作用，使學生建立一個對數字邏輯電路的系統的概念。然后是數字邏輯電路的主要內容，包括門電路、組合邏輯電路、觸發器、時序邏輯電路、半導體存礙著儲器、可編程邏輯器件(PLD)、脈沖波形的產生和整形、模/數和數/模轉換電路。在此基礎上我們把教學的重點放在數字電路的基本概念、基本原理、基本的分析方法和設計方法以及常用電子器件的使用方法上。
3、建設豐富多樣的教學資源
教學資源的種類豐富，包括教學計劃、課程標準、教學指導書、課件、教案、教學器材、參考資料、圖書、期刊以及在線資源等。課程改革充分應用現代化的教育技術和設施，在教學的活動中最大限度地運用包括計算機技術、網絡技術、多媒體技術等在內的現代技術手段，將“課堂教學、實驗教學、EDA教學和網路教學”有機地結合。新的課程內容系統科學、先進實用，保證了教學資源的先進性和課程建設的可持續發展性，在培養高素質人才中發揮著重要的作用。課堂教學主要采用多媒體電子課件授課，解決了教學信息量大、課時有限的矛盾;同時結合傳統的黑板粉筆，更好地進行師生的交流討論。
4、實踐課程的任務和創新
本課程的實踐教學環節在提高學生的技術素質方面所承擔的任務是相當重要，課程實驗作為課程教學的一部分，起著鞏固所學理論知識、提高理論與實際相結合、培養動手能力的重要作用，實驗教學改變了以驗證理論實驗為主的模式，開設了從EDA虛擬實驗、硬件電路、基礎實驗到電子系統設計實驗和創新實驗的不同層次的實驗。將電子設計競賽等課外科技活動與實驗教學緊密結合，注重培養學生的綜合應用能力、工程實踐能力和創新能力。
(1)實踐環節以設計性為主，較好地培養了學生的動手能力與創新意識。通過更新實驗內容、使實驗和課程設計向綜合性、設計性和開放性發展。課程設計題目多樣性和自創性，針對不同層次的學生，提供多個可選擇的設計題目，鼓勵學生自創課題。
(2)課堂教學與課外教學相結合。利用我校多個實習基地，帶學生到現場考察利用數字技術生產的各種通信和家電產品，通過對現場工藝文件和圖紙資料的學習，進一步理解數字技術的應用，并引導學生提出自己的電路改進措施和方案。
電路設計前景范文3
李浩楠 紅塔遼寧煙草有限責任公司沈陽卷煙廠 遼寧沈陽 110000
【文章摘要】
介紹了一種基于CS5460A 的單相智能功率表的設計。本設計以AVR 單片機MEGA128 為系統的控制核心，運用帶SPI 接口的功率計量芯片CS5460A，系統配置RS485 接口， 128×64 點陣LCD、鍵盤輸入、實時時鐘、FLASH 存儲器等。該功率表要實現的主要功能是功率參數的實時測量，存儲與顯示，并能夠實現與PC 機的通信。
【關鍵詞】
CA5460 ；功率表；MEGA128
0 引言
本次設計的單相智能功率表準確度高，響應速度快，測量面廣，可用于交流電壓電流有效值、有功功率、無功功率，功率因數等電參數的綜合測量，采用液晶顯示，讀數直觀、準確，并使用掉電保護存儲器保存數據，可以方便地查訊歷史數據， 同時帶有串行接口RS485 與計算機進行通信，方便的用于集散系統或采集系統。具有廣闊的市場和發展前景。
1 系統硬件設計
本系統采用模塊化設計的硬件設計原則，整個裝置分為兩大部分：功率計量處理和AVR 控制器處理部分。系統工作過程如下：通過電壓/ 電流互感器分別采集單相交流電信號，將其轉化得到的弱電信號經信號調理電路、模擬濾波電路送入功率計量芯片，處理后將有效數據送入CPU 中進行下一步處理，完成數據的實時顯示或遠程傳輸。
系統通訊電路部分包含RS-485 串行接口，可進行數據的遠程傳輸；系統中包含鍵盤、顯示（LCD）和開關量輸入/ 輸出、數據存儲等外圍電路，可以實現參數設置、數據顯示、存儲等功能。系統硬件框圖如圖1（A）所示。下面主要介紹主控制器和功率計量電路。
2 核心控制電路設計
本系統中主控器為ATMega128，負責液晶顯示、數據存儲、數據傳輸、鍵盤管理、時鐘芯片管理、功率芯片管理等諸多任務。其硬件接口電路設計如圖1(B) 如示。
在本設計中用到的外設接口分為以下幾類：
1) 通用I/O 口：用于單個信號的控制。
2) SPI 口：用于與功率計量芯片CS5460A 和FLASH 存儲芯片AT45DB041D 通信。
3) I2C 接口：用于與實時時鐘芯片DS1307 通信。
4) UART1 接口：與上位機通信的部分。
3 功率計量電路設計
3.1 功率計量芯片CS5460A 介紹
CS5460A 是CIRRUS LOGIC 公司推出的帶有SPI 接口的單相雙向功率/ 電能計量集成電路芯片。CS5460A 初始化后，經過互感器將電流電壓信號轉化為小信號的電壓信號，電流通道和電壓通道的信號被片內放大器放大后，通過兩個同時采樣的模/ 數轉換器轉換為數字信號，再通過高通濾波器消除信號中的直流成分，得到的瞬時電壓、電流值進入高速數字乘法器相乘，產生瞬時有功功率；瞬時有功功率又經過時間累計、平均，得到電能E，單位時間內的能量就是有功功率。經過計算后得到的電壓和電流有效值、瞬時電壓、瞬時電流、瞬時有功功率、電能分別存入對應的內部寄存器中，等待微處理器讀取。
3.2 電壓電流信號采集電路:
使用電壓互感器，電流互感器將220V 電壓，0 － 6A 電流轉化為符合功率芯片CS5460A 輸入要求（0 ～ 0.15V）的小信號。電路設計如圖2（A）。
3.3 小信號調理電路設計
這部分電路實現對由電壓電流互感器采集的已符合CS5460A 輸入電壓信號要求（信號有效值：-0.15V~+0.15V）的電壓電流信號進行限流，濾波，以提高測量精確度。如圖2（B）。
3.4 功率計量電路設計
本部分電路的功能是使用CS5460A 對經過調理的電壓電流信號進行處理，并將處理得到的電壓和電流有效值、瞬時電壓、瞬時電流、瞬時有功功率分別存入對應的內部寄存器中，等待微處理器讀取。電路設計如圖2（C）。
4 硬件電路設計總結
1）原理圖設計時需考慮各模塊的功能和可行性，大到整個系統，小到每個芯片的引腳，都要仔細考慮；
2） PCB 布線時需遵守抗干擾規則。PCB 設計結束后需仔細檢查，對需要改正的地方進行修改。
3） 調試應遵循由簡單到復雜的過程， 以功能為單位，一部分一部分電路的進行，確保每部分運行準確無誤再進行下一部分的調試，這樣便于找出問題。
5 結束語
本文中基于CS5460A 設計的單相智能功率表有多種優良的性能, 能夠滿足電力部門的需要, 具有一定的推廣價值和較好的市場前景。
【參考文獻】
［1］王幸之，王雷，翟成，王閃. 單片機應用系統抗干擾技術[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，1999
［2］劉京南主編，王成華副主編. 電子線路基礎[M]. 電子工業出版社， 2003.263-283
［3］曾智剛, 周岳松, 謝晨旸. CS5460A 芯片與及在功率測來那個的一種應用[J], 現代電子技術, 2004(5): 100-102
電路設計前景范文4
【關鍵詞】數字電路 模擬電路 發展
1 前言
隨著國民經濟的快速增長，科學技術的快速進步，電子信息產業得到快速發展，逐漸滲透到國民經濟生活的各個領域，使人們的生活發生了翻天覆地的變化。電子信息產業對軍事領域也有著深遠的影響，改變了傳統戰爭的作戰模式，在現代國防中發揮著越來越重要的作用，其在其在國防領域的應用也彰顯了一個國家的綜合國防水平。
作為高新技術產業，知識、技術和資本是電子信息技術產業得以快速發展的三個重要因素，它彰顯了一個國家或地區制造業的整體水平，也是一個國家或地區科學技術和制造業綜合實力的重要標志。就我國目前的社會經濟現狀而言，我國正處于傳統產業結構轉型時期。如何平衡新的產業結構，達到經濟的穩定快速發展，解決目前政府資本過剩、內需不足、市場疲軟等宏觀經濟問題是我國目前經濟社會發展面臨的一個重要挑戰。而加速電子信息產業的建設與發展，對于促進傳統產業變革、改變傳統產業結構、增加就業率、提升就業水平具有重要作用是應對這一挑戰的最好辦法。
電子電路是電子信息產業的技術支撐。是電子信息產業的發展重要限制因素。電子信息產業的快速發展離不開電子科學技術的發展及應用。生產技術的提高及加工工藝的改進加快了集成電路的更新速度，也為電子信息產業注入了蓬勃的朝氣以及更加旺盛的生命力，使其得以快速發展。根據其結構、功能的不同，電子電路可以分為模擬電路和數字電路。
2 模擬電路
模擬電路是一種針對模擬信號（幅值隨時間連續變化的信號）行傳輸或處理的電子電路。它主要是利用電流或電壓對真實信號進行模擬，使其等比例的再現。如調幅/調頻的收音機，接收處理無線電廣播信號，然后經過一系列的混頻、放大、解調等過程，最終完成音樂的播放和新聞等的報道。模擬電路在生活中的應用非常廣泛，如晶體管小信號放大器，低頻功率放大器，負反饋放大器，MOS 集成運放，諧振放大器，直流穩壓電源等。都是用模擬電路制作的。
模擬電路的設計過程比較復雜，其設計的重點在于電路參數的實現。其設計的基本流程主要包括以下幾個方面：
2.1 系統定義
系統定義是模擬電路設計的基本前提。根據設計要求，模擬電路設計工程師需要對電路系統及子系統做出相應的功能定義，并確定面積、功耗等相關性能的參數范圍。
2.2 電路設計
電路結構的選擇是電路設計的重要環節。模擬電路設計工程師需要根據模擬電路需要實現的功能要求、設計規范及相應的參數指標選擇合適的電路結構，并在此基礎上確定元器件的組合方式等。針對模擬電路的設計，目前暫時沒有可以利用的比較成熟的設計軟件，因此，只能是有工程師根據自己的經驗手工完成。這在一定程度上增加了模擬電路設計的難度，限制了模擬電路的發展速度。
2.3 電路仿真
電路仿真是模擬電路的設計過程中必不可少的一個環節，是模擬工程師判斷模擬電路是否可以達到設計要求的一個重要依據。工程師根據仿真結果，不斷對電路進行修改和調整，直到模擬電路的仿真結果可以達到設定的指標及相應的功能要求。常用方法主要有參數掃描法，直流和交流分析法、蒙特卡羅分析等
2.4 版圖實現
版圖將電路設計轉化生產的重要橋梁。在由前面的設計及仿真結果確定了模擬電路的結構及相關參數后，設計工程師對設計的模擬電路進行物理幾何性的描述，將其轉換成圖形格式，以便于模擬電路后續的加工與制作。
2.5 物理驗證
在物理驗證階段，需要對設計的模擬電路進行設計規則檢查（DRC）。設計規則檢查是在給定的設計規則的基礎上對其最小線寬、孔尺寸、最小圖形間距等限制工藝進行檢查，衡量版圖工藝實現上的可行性。此外，還要對版圖與電路圖的一致性進行檢查（LVS）?？梢岳肔VS工具提取版圖的參數，將得到的電路圖與原電路設計圖進行比較，保證版圖與原電路設計的一致性。
2.6 寄生參數提取后仿真
在版圖之前進行的電路設計的仿真稱之為“前仿真”，“前仿真”都是比較理想的仿真，沒有考慮到連線的電阻、電容等寄生參數。將寄生參數加入版圖后進行的電路仿真稱之為“后仿真”，只有當后仿真的仿真結果達到設計指標及系統功能要求，電路的設計工作才算完成。寄生參數對模擬電路的影響較大，前仿真的仿真結果滿足的情況下，后仿真結果卻無法滿足要求。因此，設計工程師需要根據后仿真結果不斷進行晶體管參數的修改，有時甚至要進行電路結構的調整，直至后仿真結果達到系統設計要求。
目前，模擬電路設計難度高且比較復雜，使用的EDA工具的功能和系統配套性又相對落后，且在設計過程中需要進行頻繁的人工干預，對寄生參數等比較敏感等，這些都在一定程度上限制了模擬電路的發展，導致模擬電路發展速度相對緩慢。
3 數字電路
電路設計前景范文5
關鍵詞：電火花震源；C51；同步觸發；數據采集
0 引言
目前，在國內的工程地震物探中常用錘擊震源，炸藥震源。錘擊震源是以人力為能源的一種地面震源，使用器具輕便，但能量較弱、穿透深度小及操作者勞動強度大；炸藥震源能量強，但運輸保管成本高，對環境破壞力大，且有安全問題；電火花震源是把電能轉化成脈沖機械能從而產生地震波的震源。具有操作簡單、安全，施工效率高、重復性好，子波穩定、激發頻帶寬且高信號豐富等優點。因此，在油氣勘探及工程物探領域應用具有廣闊的前景。但隨著勘探技術的不斷發展，地震采集儀的種類不斷增加，對其時間精度的要求也在不斷提高。為了使電火花震源與采集儀器更加匹配，保持同步。必須設計一套完整的同步觸發裝置使地震采集儀在地震波開始傳播時，就同時進行地震數據的采集。
該創新型同步觸發裝置是基于C51為核心的控制系統數字電路設計，匹配電火花震源及地震采集儀，保證數據采集時間同步，提高地震數據采集的質量。
1 電火花震源的同步系統
電火花震源的同步系統主要由電火花震源控制系統，同步觸發裝置組成。由電火花震源控制系統發出各種控制指令，控制放電開關，同步觸發裝置工作。放電開關在電火花震源控制系統控制下閉合，通過放電電極把電容儲存的電能瞬間釋放，轉化成脈沖機械能，產生地震波；與此同時，同步觸發裝置在電火花震源控制系統的控制下，產生一個下降沿信號，啟動地震儀進行數據采集。關于電火花震源同步系統功能示意圖如圖1所示。
電火花震源控制系統發送指令控制放電開關閉合，通過放電電極產生地震波。同時，發送指令，控制同步觸發裝置，通過C51控制的數字電路，產生一個低電壓下降沿的觸發信號輸出給地震儀，使它在地震波剛開始傳播，就同時進行地震數據的采集。圖2為同步觸發裝置的數字電路設計：
2 現場實驗與結果分析
電路設計前景范文6
在人類的科學研究中，有不少研究成果得益于大自然的啟發，例如仿生學技術。隨著計算機技術和電子技術的發展，許多的科學研究越來越與生物學緊密相聯。在人工智能方面，已經實現了能用計算機和電子設備模仿人類生物體的看、聽、和思維等能力；另一方面，受進化論的啟發，科學家們提出了基于生物學的電子電路設計技術，將進化理論的方法應用于電子電路的設計中，使得新的電子電路能像生物一樣具有對環境變化的適應、免疫、自我進化及自我復制等特性,用來實現高適應、高可靠的電子系統。這類電子電路常稱為可進化硬件(EHW, Evolvable HardWare)。本文主要介紹可進化硬件EHW的機理及其相關技術并根據這種機理對高可靠性電子電路的設計進行討論。
1 EHW的機理及相關技術
計算機系統所要求解決的問題日趨復雜，與此同時，計算機系統本身的結構也越來越復雜。而復雜性的提高就意味著可靠性的降低，實踐經驗表明，要想使如此復雜的實時系統實現零出錯率幾乎是不可能的，因此人們寄希望于系統的容錯性能：即系統在出現錯誤的情況下的適應能力。對于如何同時實現系統的復雜性和可靠性，大自然給了我們近乎完美的藍本。人體是迄今為止我們所知道的最復雜的生物系統，通過千萬年基因進化，使得人體可以在某些細胞發生病變的情況下，不斷地進行自我診斷，并最終自愈。因此借用這一機理，科學家們研究出可進化硬件（EHW,Evolvable HardWare），理想的可進化硬件不但同樣具有自我診斷能力，能夠通過自我重構消除錯誤，而且可以在設計要求或系統工作環境發生變化的情況下，通過自我重構來使電路適應這種變化而繼續正常工作。嚴格地說，EHW具有兩個方面的目的，一方面是把進化算法應用于電子電路的設計中；另一方面是硬件具有通過動態地、自主地重構自己實現在線適應變化的能力。前者強調的是進化算法在電子設計中可替代傳統基于規范的設計方法；后者強調的是硬件的可適應機理。當然二者的區別也是很模糊的。本文主要討論的是EHW在第一個方面的問題。
對EHW的研究主要采用了進化理論中的進化計算（Evolutionary Computing）算法,特別是遺傳算法（GA）為設計算法，在數字電路中以現場可編程門陣列（FPGA）為媒介，在模擬電路設計中以現場可編程模擬陣列（FPAA）為媒介來進行的。此外還有建立在晶體管級的現場可編程晶體管陣列（FPTA），它為同時設計數字電路和和模擬電路提供了一個可靠的平臺。下面主要介紹一下遺傳算法和現場可編程門陣列的相關知識，并以數字電路為例介紹可進化硬件設計方法。
1．1 遺傳算法
遺傳算法是模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程的一種自適應全局優化算法，它借鑒了物種進化的思想，將欲求解問題編碼，把可行解表示成字符串形式，稱為染色體或個體。先通過初始化隨機產生一群個體，稱為種群，它們都是假設解。然后把這些假設解置于問題的“環境”中，根據適應值或某種競爭機制選擇個體（適應值就是解的滿意程度），使用各種遺傳操作算子（包括選擇，變異，交叉等等）產生下一代（下一代可以完全替代原種群，即非重疊種群；也可以部分替代原種群中一些較差的個體，即重疊種群），如此進化下去，直到滿足期望的終止條件，得到問題的最優解為止。
1．2 現場可編程邏輯陣列(FPGA)
現場可編程邏輯陣列是一種基于查找表(LUT, Lookup Table)結構的可在線編程的邏輯電路。它由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀態，工作時需要對片內的RAM進行編程。當用戶通過原理圖或硬件描述語言（HDL）描述了一個邏輯電路以后， FPGA開發軟件會把設計方案通過編譯形成數據流，并將數據流下載至RAM中。這些RAM中的數據流決定電路的邏輯關系。掉電后，FPGA恢復成白片，內部邏輯關系消失，因此，FPGA能夠反復使用，灌入不同的數據流就會獲得不同的硬件系統，這就是可編程特性。這一特性是實現EHW的重要特性。目前在可進化電子電路的設計中，用得最多得是Xilinx 公司的Virtex系列 FPGA芯片。
2 進化電子電路設計架構
本節以設計高容錯性的數字電路設計為例來闡述EHW的設計架構及主要設計步驟。對于通過進化理論的遺傳算法來產生容錯性，所設計的電路系統可以看作一個具有持續性地、實時地適應變化的硬件系統。對于電子電路來說，所謂的變化的來源很多，如硬件故障導致的錯誤，設計要求和規則的改變，環境的改變（各種干擾的出現）等。
從進化論的角度來看，當這些變化發生時，個體的適應度會作相應的改變。當進化進行時，個體會適應這些變化重新獲得高的適應度?；谶M化論的電子電路設計就是利用這種原理,通過對設計結果進行多次地進化來提高其適應變化的能力。
電子電路進化設計架構如圖1所示。圖中給出了電子電路的設計的兩種進化，分別是內部進化和外部進化。其中內部進化是指硬件內部結構的進化，而外部進化是指軟件模擬的電路的進化。這兩種進化是相互獨立的，當然通過外部進化得到的最終設計結果還是要由硬件結構的變化來實際體現。從圖中可以看出，進化過程是一個循環往復的過程，其中是根據進化算法（遺傳算法）的計算結果來進行的。整個進化設計包括以下步驟：
（1）根據設計的目的，產生初步的方案，并把初步方案用一組染色體（一組“0”和“1”表示的數據串）來表示，其中每個個體表示的是設計的一部分。染色體轉化成控制數據流下載到FPGA上，用來定義FPGA的開關狀態，從而確定可重構硬件內部各單元的聯結，形成了初步的硬件系統。用來設計進化硬件的FPGA器件可以接受任意組合的數據流下載，而不會導致器件的損害。
（2）將設計結果與目標要求進行比較，并用某種誤差表示作為描述系統適應度的衡量準則。這需要一定的檢測手段和評估軟件的支持。對不同的個體，根據適應度進行排序，下一代的個體將由最優的個體來產生。
（3）根據適應度再對新的個體組進行統計，并根據統計結果挑選一些個體。一部分被選個體保持原樣，另一部分個體根據遺傳算法進行修改，如進行交叉和變異，而這種交叉和變異的目的是為了產生更具適應性的下一代。把新一代染色體轉化成控制數據流下載到FPGA中對硬件進行進化。
（4）重復上述步驟，產生新的數代個體，直到新的個體表示的設計方案表現出接近要求的適應能力為止。
一般來說通過遺傳算法最后會得到一個或數個設計結果，最后設計方案具有對設計要求和系統工作環境的最佳適應性。這一過程又叫內部進化或硬件進化。
圖中的右邊展示了另一種設計可進化電路的方法，即用模擬軟件來代替可重構器件，染色體每一位確定的是軟件模擬電路的連接方式，而不是可重構器件各單元的連接方式。這一方法叫外部進化或軟件進化。這種方法中進化過程完全模擬進行，只有最后的結果才在器件上實施。
進化電子電路設計中，最關鍵的是遺傳算法的應用。在遺傳算法的應用過程中，變異因子的確定是需要慎重考慮的，它的大小既關系到個體變異的程度，也關系到個體對環境變化做出反應的能力，而這兩個因素相互抵觸。變異因子越大，個體更容易適應環境變化，對系統出現的錯誤做出快速反應，但個體更容易發生突變。而變異因子較小時，系統的反應力變差，但系統一旦獲得高適應度的設計方案時可以保持穩定。
對于可進化數字電路的設計，可以在兩個層面上進行。一個是在基本的“與”、“或”、“非”門的基礎上進行進化設計，一個是在功能塊如觸發器、加法器和多路選擇器的基礎上進行。前一種方法更為靈活，而后一種更適于工業應用。有人提出了一種基于進化細胞機（Cellular Automaton）的神經網絡模塊設計架構。采用這一結構設計時，只需要定義整個模塊的適應度，而對于每一模塊如何實現它復雜的功能可以不予理睬，對于超大規模線路的設計可以采用這一方法來將電路進行整體優化設計。
3 可進化電路設計環境
上面描述的軟硬件進化電子電路設計可在圖2所示的設計系統環境下進行。這一設計系統環境對于測試可重構硬件的構架及展示在FPGA可重構硬件上的進化設計很有用處。該設計系統環境包括遺傳算法軟件包、FPGA開發系統板、數據采集軟硬件、適應度評估軟件、用戶接口程序及電路模擬仿真軟件。
遺傳算法由計算機上運行的一個程序包實現。由它來實現進化計算并產生染色體組。表示硬件描述的染色體通過通信電纜由計算機下載到有FPGA器件的實驗板上。然后通過接口將布線結果傳回計算機。適應度評估建立在儀器數據采集硬件及軟件上，一個接口碼將GA與硬件連接起來，可能的設計方案在此得到評估。同時還有一個圖形用戶接口以便于設計結果的可視化和將問題形式化。通過執行遺傳算法在每一代染色體組都會產生新的染色體群組，并被轉化為數據流傳入實驗板上。至于通過軟件進化的電子電路設計，可采用Spice軟件作為線路模擬仿真軟件，把染色體變成模擬電路并通過仿真軟件來仿真電路的運行情況，通過相應軟件來評估設計結果。
