發(fā)布時間：2022-06-24 18:19:55
序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們?yōu)槟x了8篇的模塊化設計樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發(fā)，請盡情閱讀。
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、典型的通用獨立單元。定義成模塊的零部件應具有以下幾個典型特點：
（一）功能的獨立性：給定輸入和輸出，能夠獨立的完成一定的功能；
（二）結(jié)構(gòu)的獨立性：應該具有獨立的物理組成和外觀結(jié)構(gòu)；
（三）接口的標準化：標準的接口保證了模塊的互換性，以便與其他模塊進行組合。
對于工程機械產(chǎn)品，模塊可以是機械結(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。同時模塊亦可以根據(jù)其復雜程度及在實施過程中的制造、裝配、物流等實際情況進行進一步的下級模塊劃分，也就是模塊可以有層級概念，比如說混泥土泵車的臂架定義為一級模塊，往下還可以細分為單節(jié)臂架模塊、臂架油缸模塊、連桿模塊等二級模塊。從而可通過不同長度的單節(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、模塊設計的內(nèi)涵及特點
（一）模塊化設計內(nèi)涵
設計任務可以從多個層面共同進行，并且這一特征是傳統(tǒng)設計方法中所不具備的。先對產(chǎn)品的框架進行設計，在逐層開展內(nèi)容完善，這樣機械設計任務開展形式擁有更多的選擇，并且不會出現(xiàn)設計形式混亂的情況。機械設計需要將參數(shù)完善記錄，方便對設計圖形進行審核，完全達到安全標準才能夠投入到生產(chǎn)環(huán)節(jié)中。通常情況下是同橫向與縱向兩方面來探討設計形式，將數(shù)據(jù)依次填寫到框架中，對比分析是否存在誤差。設計期間結(jié)合使用需求可以隨時對模塊進行改變，確保工作任務能夠高效開展。
（二）設計的特點
1、便于維修。模塊化設計理念與傳統(tǒng)設計方法相比較，擁有很多新的特點。首先是使用階段發(fā)生故障更便于維修，修理任務也可以在局部進行，節(jié)省時間的同時在維修效率上也有明顯提升。各模塊均可靈活拆卸，故障嚴重時，通過調(diào)試很難使之恢復正常，此時直接將木塊更換，快速完成維修任務。由此可見，無論是設計還是使用，該種設計理念都有很多突破，解決了機械設備使用中遇到的問題。
2、簡化包裝設計。包裝是設計工作中的重要內(nèi)容，同時也十分復雜。要根據(jù)設備的外形對包裝進行設計，保護運輸安全也要合理利用空間，這些標準很難同時實現(xiàn)，但通過模塊化設計，包裝環(huán)節(jié)更簡單便于實施。傳統(tǒng)包裝方法中，工作人員要根據(jù)不用零件的設計形式探討包裝方案，對基層工作人員相關專業(yè)知識要求嚴格，并且在包裝過程中會浪費大量時間，并不利于機械生產(chǎn)加工高效進行。應用模塊化設計理念后，包裝工程中所面對的產(chǎn)品也都是劃分后的，并不需要基層工作人員了解機械設計原理，對控制成本支出及提升生產(chǎn)效率都有很大的幫助。加強模塊化設計理念應用后，工作人員可以更高效的完成包裝任務，為機械設備使用階段提供便捷性。
3、模塊化包裝的成本低。應用模塊化設計方法后，在機械生產(chǎn)包裝流程中有明顯的簡化，同時成本支出也得到有效控制。傳統(tǒng)的設計理念中，存在很多不確定因素，因此預算的成本支出也很容易發(fā)生變化，在工作任務開展過程中，包裝所用材料通過計算可以得到準確結(jié)果。這樣管理人員更明確不必要的成本支出，嚴格控制資金使用，這也是模塊化設計理念中節(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)量并不會因此受到影響。
（三）模塊化劃分原則
模塊化的設計就是要以少數(shù)的模塊組成極可能多的產(chǎn)品，同時產(chǎn)品具有高度的穩(wěn)定性、精度，并且結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。所以在設計之初應對模塊進行詳細的劃分。當前并沒有標準化的模塊劃分原則，根據(jù)側(cè)重點的不同可進行不同模塊的劃分。從模塊本身的概念來看，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、典型的通用獨立單元。通過對產(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。單從這方面講，應滿足下述原則：首先應保持模塊功能和結(jié)構(gòu)具有一定的完整性和獨立性；其次應確保模塊接口要素便于聯(lián)系和分離；第三應保持模塊之間的相關盡可能少，同時模塊內(nèi)部間應為強耦合；遵照典型性和通用性的原則。
（四）模塊化設計方法在機械設計中的應用
當前具有多種設計方法，首選從功能側(cè)重方面來說，主要的流程是需求分析、功能分解、探索式集成和評估。首選對客戶的需求進行分析，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，再次過程中應準備多種功能目標，滿足客戶的首要需求。在確定產(chǎn)品各個不同層次的功能后，對產(chǎn)品進行分解，分解成基本功能和物理元素，同時對功能及物理元素進行集成。然后對綜合指標及可行性進行分析，最后實施設計。
另一種是基于結(jié)構(gòu)特征的設計。這一方法要求先對零部件的形狀特征進行分析，并規(guī)劃減少零部件的種類，達到優(yōu)化成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。在次過程中需對標準化模塊參數(shù)進行分析，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，利用關鍵參數(shù)描述零部件外形和各尺寸之間的關系。設計過程中在基本模塊模型中輸入數(shù)值，自動形成變形模塊。其中零部件幾何模型和對應的事物特性表是零部件的重要組成部分。通過變形模塊的加入，最終形成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)可描述為一個可配置、包括所有標準構(gòu)建的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)的組成。
三、結(jié)語
在技術迭代步伐愈來愈快的背景下，模塊化設計顯然與市場發(fā)展趨勢相契合。模塊化設計不僅滿足了用戶的個性化需求，同時還提升了產(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，使工業(yè)設計水平邁向了更高的階層。
參考文獻：
[1]梁偉勇.機械產(chǎn)品的可拓模塊化設計方法研究與應用[D].南京航空航天大學，2014.
1接口設計
作為高速傳輸方式，LVDS接口在應用中的關鍵問題是如何保證其信號的完整性。1）模塊間數(shù)據(jù)傳輸接口設計。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，接收端采用相對應的LVDS解串器將接收到的數(shù)據(jù)進行串/并轉(zhuǎn)換。為完成電路環(huán)流，在差分數(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)長線傳輸接口設計。由于中心節(jié)點模塊與上位機間數(shù)據(jù)傳輸距離較遠，為抵消LVDS長線傳輸?shù)男盘査p，需在信號發(fā)送端對信號進行驅(qū)動，并在信號接收端對信號進行均衡以降低信號失真和畸變。長線傳輸容易使數(shù)據(jù)收發(fā)兩端由于地電勢差產(chǎn)生直流電，因此在差分信號輸出端需采用隔直電容進行交流耦合。同時，采用一對相當于傳輸線1/2的電阻進行差分信號傳輸?shù)脑炊似ヅ洹?/p>
2系統(tǒng)信號傳輸協(xié)議設計
2.1傳輸協(xié)議模型設計為減少傳輸中的冗余數(shù)據(jù)，在本系統(tǒng)中未采用標準通信協(xié)議，僅保留了物理層、傳輸層及應用層。分析本測試系統(tǒng)所需完成的功能，在設計中提出了如圖2所示的傳輸協(xié)議模型。圖2信號采集系統(tǒng)傳輸協(xié)議模型物理層：即接口層，用于實現(xiàn)現(xiàn)場設備與傳輸媒質(zhì)的連接，LVDS接口芯片可自動完成LVDS信號編碼/解碼、串/并（并/串）轉(zhuǎn)換及信號同步。傳輸層：功能模塊在傳輸層中將采集到的信號建幀上傳至中心節(jié)點模塊，并判定由中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的上位機指令是否指向本模塊。中心節(jié)點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。應用層：對接收到的指令及采集數(shù)據(jù)進行處理，執(zhí)行各功能模塊的專屬任務。各功能模塊在應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)上位機對各獨立模塊進行的指令控制及數(shù)據(jù)傳輸都是通過中心節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的，中心節(jié)點模塊接受上位機控制，因此上位機占用傳輸線下發(fā)指令及數(shù)據(jù)的優(yōu)先級高于各功能模塊通過中心節(jié)點向上位機傳送數(shù)據(jù)請求的級別。1）上位機向?qū)崟r測控系統(tǒng)下發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。上位機向?qū)崟r測試系統(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)前加入目標指令，以明確下發(fā)數(shù)據(jù)的目標電路模塊。在每輪數(shù)據(jù)發(fā)送前都加有控制指令、數(shù)據(jù)頭標識，而在數(shù)據(jù)幀尾部加入數(shù)據(jù)尾標志，加入這些標志的目的均為進一步確保數(shù)據(jù)的成功接收，提高數(shù)據(jù)傳輸及接收的可靠性。中心控制模塊對上位機下發(fā)數(shù)據(jù)中的目標指令部分進行判斷，再將去掉目標指令的其余數(shù)據(jù)發(fā)送至目標模塊。目標模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行判定，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數(shù)據(jù)進行編幀處理，以供上位機對每一路數(shù)據(jù)進行識別（見圖4）。各信號采集模塊對采集數(shù)據(jù)進行循環(huán)讀數(shù)，每讀取一輪數(shù)據(jù)后增加幀計數(shù)及幀標識，再經(jīng)中心節(jié)點模塊打包上傳。上位機通過對數(shù)據(jù)幀長度、幀計數(shù)及幀標識的判斷，即可判定數(shù)據(jù)是否完整并計算出信號采集的時間。系統(tǒng)上電后信號采集模塊開始進行幀計數(shù)，頻率為1kHz，則32位的幀計數(shù)可提供時長為4194304s的計數(shù)時間，數(shù)據(jù)采集時間=幀計數(shù)時間+上電時間。幀標識的作用為標識一個數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，以較小的數(shù)據(jù)幀為單位進行數(shù)據(jù)發(fā)送有助于差錯控制。各信號采集模塊經(jīng)由中心節(jié)點模塊向上位機傳送數(shù)據(jù)時使用同一條傳輸通道，因此，中心節(jié)點模塊在傳輸層需將各功能模塊上傳的數(shù)據(jù)進行打包，在上傳數(shù)據(jù)包的前端及尾端增加不同的標識頭及標志尾，以供上位機判斷數(shù)據(jù)來源模塊。
2.3差錯控制如果采集數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了與標識頭或標識尾相同的數(shù)據(jù)，且兩者間隔恰好與數(shù)據(jù)幀長度相同，則可能出現(xiàn)誤判斷，提取錯誤的采集量信息。因此中心模塊上傳數(shù)據(jù)時采用8字節(jié)急變數(shù)據(jù)作為標識頭及標識尾，從而與系統(tǒng)所需采集的緩變信號形成反差，降低誤判斷的概率。如：模擬采集量的包頭采用ABAB4545ABAB4545作為標識頭，在16位信號中ABAB為較大數(shù)據(jù)，而4545則為較小數(shù)據(jù)，這組數(shù)據(jù)重復出現(xiàn)的概率低，同理在包尾采用5454BABA5454BABA作為標識尾，這樣，兩組數(shù)據(jù)組成的標識結(jié)構(gòu)可有效地將數(shù)據(jù)標識與采集信號分離，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>
3測試結(jié)果及分析
關鍵詞：稱重儀表；模塊化設計；網(wǎng)絡化；VFD
中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：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
隨著微電子技術和計算機技術的快速發(fā)展,傳統(tǒng)的機械式稱重儀表正逐步被基于嵌入式技術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,被廣泛地用于各種計量、定量稱重系統(tǒng)中[1]。目前稱重儀表重要的發(fā)展趨勢是采用模塊化設計，通過硬件或軟件的積木式組合來實現(xiàn)不同的功能需求。例如用戶提出的要求后，只需在儀表機箱里選用不同的電路板組合或更改代碼儲存芯片。本文設計的儀表中模擬量采集與控制模塊主要負責稱重傳感器數(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、使用壽命長的真空熒光顯示屏，且選用VFD專用控制／驅(qū)動芯片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的微處理器，使得顯示屏通用性很強；Ethernet接口模塊采用通用型串口轉(zhuǎn)以太網(wǎng)設備ZNE-10T，將儀表RS232網(wǎng)絡升級到Internet網(wǎng)絡。電源模塊選用美國功率集成公司的TOP224Y芯片設計單片集成電源電路，具有效益高、性能指標高、可實現(xiàn)多路輸出等優(yōu)點。儀表中各個模塊相對獨立，模塊之間通訊采用標準的RS232接口，方便根據(jù)需求組合，例如儀表應用場所沒有以太網(wǎng)接入口，因為使用標準的RS232接口，儀表數(shù)據(jù)傳輸則可以選擇近距離直接與計算機的COM口連接或者遠距離外加RS232轉(zhuǎn)RS485的模塊連接到其他的控制器上。同時，標準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)設計
儀表分為五個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，使陰極溫度達到6000C左右而放射熱電子，再將陽極加上正電壓，因柵極的作用而放射熱電子加速，將會互相沖擊而激發(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，本儀表選用美國功率集成公司TOPSwitch系列單片開關電源芯片，該系列芯片具有集成PWM控制器和MOS? FET功率開關管、支持極寬的輸入交流電壓和頻率范圍、電路簡單，成本低廉，芯片本身功耗低，電源的總體效率可達80%等特點[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，設計一路10V/0.4A電壓經(jīng)過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電壓則直接設計一路24V/0.3A。
根據(jù)VFD顯示供電要求，首先設計一路-37V/0.3A電壓經(jīng)過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)過實驗測試驗證，該VFD供電方案可行。
根據(jù)要求，電源電路核心部分開關電源設計如圖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)換芯片的選擇對決定儀表性能至關重要，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，應用了電荷平衡技術，其分辨率達到24位。芯片內(nèi)部有一個極低噪聲的斬波穩(wěn)定儀表放大器，最大增益高達64倍。該ADC非常適合測量稱重儀表、過程控制、科學和醫(yī)療等應用領域的單/雙極性小信號[3]。
圖中稱重傳感器模擬信號接入ADIN+、ADIN-，經(jīng)過有電容電感組成的濾波網(wǎng)絡消除高頻干擾后送入通道1。模擬信號在CS5532中經(jīng)過放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波，最后數(shù)字信號從SDO輸出到MCU，等待進一步處理。MCU通過SDI線對CS5532進行通道選擇、前置放大器增益、校正方式以及數(shù)據(jù)輸出頻率等設置。SDI和SDO是在時鐘信號SCLK的配合下進行讀寫操作，CS是片選信號，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，該單片機具有超低功耗、16位RISC結(jié)構(gòu)、強大的處理能力、系統(tǒng)工作穩(wěn)定等特點。為使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行，使用帶I2C串行CMOS E2PROM、精密復位控制器和看門狗定時器的監(jiān)控芯片CAT1161，且儀表掉電仍需保存的數(shù)據(jù)存儲在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擴展電路原理一樣，故在IO擴展模塊中講述。
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)生串行時鐘信號。P1.3與STB相連，產(chǎn)生數(shù)據(jù)/命令識別信號。DOUT口是N溝道開漏輸出，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的陽極(anode)P1―P13相連。動態(tài)掃描顯示由CS16312內(nèi)建硬件電路自動完成。GRID線循環(huán)輸出柵極掃描信號，SEG線輸出取之內(nèi)部顯示RAM區(qū)與之對應的顯示信號[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鍵盤掃描電路，在顯示周期的末端掃描數(shù)據(jù)將存儲在鍵值數(shù)據(jù)RAM內(nèi)，24個按鍵使用3個字節(jié)存儲。本儀表數(shù)字鍵和功能鍵一共有20個，所以設計了4×5鍵盤掃描電路。CS16312的LED驅(qū)動鎖存器的低4位對應于LED0～LED3引腳，每個引腳的最大驅(qū)動能力為20mA。當其值為0時，LED燈亮；值為1時，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，該元件是廣州致遠電子有限公司開發(fā)的一款嵌入式網(wǎng)絡設備，它內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，用戶利用它可以輕松實現(xiàn)嵌入式設備的網(wǎng)絡功能[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)絡升級到以太網(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、串口波特率等參數(shù))。選用ZNE-10T大大縮短了儀表開發(fā)周期，且設備價格不高。
如圖5所示，J0是帶兩個LED燈的以太網(wǎng)RJ45接口，ZNE-10T設備中引腳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設備引腳TXD和RXD是串口信號接收發(fā)送口，使用ZNE-10T時，RXD、TXD直接和MSP430的UTXD1、URXD1相連。注意使用時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設備復位，低電平有效，直接與MSP430的P6.4引腳。
2.5 IO擴展模塊
輸入輸出電路選用鎖存器74HC373，該芯片具有三態(tài)總線驅(qū)動能力。因為MSP430F147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
本儀表性能穩(wěn)定、設計合理、功能強大、使用靈活,能廣泛應用于各種稱重現(xiàn)場,滿足不同用戶的需要，應用前景廣闊。其合理的硬件模塊化設計、便捷的Internet網(wǎng)絡接入、美觀的VFD人機界面設計體現(xiàn)了當前電子稱重儀表的發(fā)展方向。
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1.1系統(tǒng)集成的實現(xiàn)組件技術的運用，需要進行標準化總線技術的借助，以便進行組件間的靈活配置通信關系的實現(xiàn)。而建立在組件技術的基礎之上，設備控制的自動化思路則可以得到擴展，從而進行基于生產(chǎn)過程的多設備、多進程控制模式的實現(xiàn)。而作為一種橫向集成，該種集成工作的實現(xiàn)不需要依靠編程來實現(xiàn)。而縱向集成的實現(xiàn)，則需要進行TIA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的利用，以便進行高速網(wǎng)絡系統(tǒng)的構(gòu)建。在進行該網(wǎng)絡構(gòu)建時，可以路由為系統(tǒng)交互節(jié)點，以便進行現(xiàn)場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)點可以直接接收采集與產(chǎn)生的信號，而現(xiàn)場也可以直接通過網(wǎng)絡進行管理層指令的接收。所以，縱向集成的實現(xiàn)，可以進行海量信息傳遞需求管理模式的實現(xiàn)，以便進行管控一體化的實現(xiàn)。
1.2“積木”模式的實現(xiàn)作為組件技術的突出特性，可組合性可以滿足用戶長期進行重復運作的應用軟件應用的需求。而該種模式被稱之為“積木”模式，被廣泛應用在自動化控制系統(tǒng)中。為了使不同組件供應商可以進行數(shù)據(jù)的自由交換，需要進行相關的具備一定開放性的信息通信協(xié)議的制定。而在組件技術的自動化控制下，則可以進行模塊化應用的實現(xiàn)。而該種模塊的使用較為簡便，只需要與電源相連接。
2組件及模塊化機械設計在自動化技術中的實際運用
2.1在設計文件方面的運用一般的情況下，機械設計需要進行數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)與文件的納入。所以，設計人員只有做好文件和數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)工作，才能較好的完成機械產(chǎn)品的設計工作。但就目前來看，多數(shù)設計人員一味關注產(chǎn)品的開發(fā)問題，卻忽視了將組件設計與模塊相結(jié)合的問題，于是導致了組件設計與模塊的應用遭受了限制。而為了進行組件設計中的自動化與模塊化的結(jié)合，則可以將設計劃分成多個模塊，并且為其進行相應接口的設置。而這樣一來，這些接口與模塊就形成了組合，以便設計人員采用組件形式進行組合的整合[3]。此外，在實踐工作中，為了進行模塊化應用水平的提高，在堅持傳統(tǒng)理念開展作用的基礎之上，設計人員還應該做好模塊化的改造工作，從而使設計內(nèi)容與實踐內(nèi)容良好的結(jié)合起來。而設計文件是設計人員經(jīng)驗的累積，所以設計人員需要對設計文件進行模塊化的改造，以便為后續(xù)設計打下良好的基礎。而設計文化的模塊化設計，就是將設計組件結(jié)合起來，從而在需要時進行提取。
2.2模塊化的步驟在自動化技術中進行模塊化機械設計的運用時，要按照一定的步驟來進行。首先，設計人員應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行設計。在設計的過程中，設計人員需要按照這一設計思路進行產(chǎn)品模塊的劃分。而在運用組件技術的基礎之上，則可以使多個模塊都具有連接接口，從而使不同模塊可以進行組合的完成。其次，在完成模塊的劃分后，則可以根據(jù)劃分情況進行工作與設計重點的調(diào)整[4]。一方面，需要考慮產(chǎn)品生命周期的各個環(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，要進行組件自動化技術的運用，以便將組件自動化與生產(chǎn)相結(jié)合，從而將設計成果在生產(chǎn)中應用。此外，應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準的連接接口和輸出輸入接口，并且具有相對獨立的功能的同時，也具有相應的組合能力。總之，在進行模塊化的設計時，首先要使模塊對應的零件的功能性得到保證，然后還要進行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)歸屬性的保證。
3結(jié)論
關鍵詞：機電一體化；單片機；模塊化；實驗臺；數(shù)字溫度控制系統(tǒng)
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2011）30-0050-03
隨著工業(yè)自動化控制設備的集成度越來越高，控制功能日趨完善，作為控制系統(tǒng)的核心部件――單片機日益受到重視，具有完善控制功能的單片機逐漸在自動控制系統(tǒng)領域大放異彩，而企業(yè)對于掌握單片機控制系統(tǒng)開發(fā)設計能力的人才更是求賢若渴，為此，必須要對機電專業(yè)學生的單片機設計能力進行重點培養(yǎng)和訓練。而現(xiàn)有的單片機實驗臺很多都是集成度很高的實驗臺，由于集成度高而大大限制了其應用的范圍，且由于集成度高而使得實驗臺系統(tǒng)相當脆弱，后期維護養(yǎng)護工作量較大。因此，相關人員有必要開展單片機能力訓練和拓展方面的實驗臺研究。
本論文主要結(jié)合當前單片機實驗臺的應用現(xiàn)狀，結(jié)合模塊化的設計理念，對單片機綜合實驗臺進行設計研究，以期從中能夠找到模塊化單片機實驗臺的設計應用模式，從中開發(fā)出合理有效的單片機能力訓練拓展的實驗方法，并以此和同行分享。
一、單片機實驗臺總體設計
（一）高校單片機實驗臺應用現(xiàn)狀
當前各個高校的機械電子工程專業(yè)都普遍開設有單片機相關課程，但是配套的實驗設備均是簡單的演示性實驗器材，只是讓學生照著書本上的范例輸入程序，即可完成單片機控制系統(tǒng)的全部控制功能的演示，對于學生動手設計單片機控制系統(tǒng)毫無實踐動手的意義；國內(nèi)一些教學實驗儀器生產(chǎn)廠家所設計的單片機實驗臺，其控制功能過于復雜，并且配套設備多，零部件之間的依賴關系較大，集成度高，反而不利于學生對單片機控制系統(tǒng)內(nèi)部原理的認識和理解，同時由于這些實驗開發(fā)板大多已經(jīng)將實驗功能程序固化在系統(tǒng)內(nèi)部了，因此實驗系統(tǒng)的擴展功能較差，只能夠進行預先設計好的實驗項目，對于學生自主性設計綜合實驗實訓項目，其實施難度較大，且這些實驗儀器設備普遍存在著后期維護量大的問題，成本十分高昂，動輒高達十幾萬元，且并不適合我校學生的學習情況，因此并不適宜通過直接購買的方式引進相關實驗設備。
綜上所述，只有自制基于單片機控制功能的多功能實驗臺，才能從根本上解決我院學生微機原理與應用課程的實驗設備配備問題，并且提高學生真正動手設計單片機控制系統(tǒng)進而達到應用開發(fā)的實踐動手能力。
（二）實驗臺總體結(jié)構(gòu)設計
該試驗臺從模塊化設計的角度出發(fā)，從簡單實驗到綜合設計實驗，均采用模塊設計、接口預留、連接組建的方式來實現(xiàn)單片機的具體控制應用；對于綜合性的單片機測控系統(tǒng)實驗，利用四個小型單片機控制實現(xiàn)的測控系統(tǒng)，組建綜合性單片機控制實驗中心，進而實現(xiàn)對相關單片機設計的應用。
該實驗臺是面向?qū)W生進行單片機課程實驗而設計的，因此在設計時，一定要能夠考慮到學生的動手能力、多名學生同時進行實驗的可行性以及實驗的可重復性。鑒于此，采用面包板的設計模式，將實驗臺中可能用到的各單片機模塊掛在面包板上，面包板上可以刻畫出不同測控系統(tǒng)的電路原理圖，學生根據(jù)電氣原理圖，選擇相應的單片機模塊掛在面包板上，單片機模塊與面包板之間采用專用連接插頭進行電氣連接，而各單片機模塊之間采用杜邦連接件進行電氣連接，從而搭建出不同測控功能的單片機測控實驗系統(tǒng)。如圖1所示，為基于單片機的模塊化實驗臺結(jié)構(gòu)框架示意圖。
（三）實驗臺功能模塊設計
如圖2所示，該多功能實驗開發(fā)板主要是圍繞單片機控制與測試系統(tǒng)的基本構(gòu)成，從傳感器的輸入開始，到信號處理電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，主MCU控制電路，存儲電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，輸出顯示等模塊，該系統(tǒng)囊括了單片機控制與測試系統(tǒng)的全部構(gòu)成環(huán)節(jié)，通過模塊化設計思路，將不同功能的單片機控制與測試系統(tǒng)環(huán)節(jié)模塊化，并通過設計不同的接口選擇電路，實現(xiàn)讓學生動手連接不同電路模塊，進而搭建不同功能的測試系統(tǒng)或單片機控制系統(tǒng)。
二、基于單片機的模塊化實驗臺的實現(xiàn)
（一）實驗臺模塊硬件模塊的設計實現(xiàn)
對于該多功能實驗開發(fā)板，采用獨立化的模塊設計方式，將搭建各種不同功能的單片機控制系統(tǒng)及測試系統(tǒng)的必要組成模塊進行分離，借鑒“堆積木”的思想，使學生自主的選擇不同的模塊，進而按照實驗功能要求構(gòu)建具有不同實驗功能的單片機控制系統(tǒng)。
在具體實現(xiàn)方式上，每一個模塊都會設計統(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)一采用標準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）進行連接的設計示意圖。
從下圖設計上可以發(fā)現(xiàn)，每一個獨立模塊都設計了由標準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。實際上，本實驗開發(fā)板的全部模塊均采用此種模塊化的設計方式，從而有利于學生動手能力和自主設計能力的提升。
（二）基于單片機實現(xiàn)的模塊化數(shù)字溫度測控系統(tǒng)構(gòu)建
基于模塊化的單片機數(shù)字溫度測控系統(tǒng)，是利用了模塊化的設計理念，將數(shù)字溫度測控系統(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行硬件連接連線，從而完成數(shù)字溫度測控系統(tǒng)的設計，再配以合適的程序，即可實現(xiàn)對環(huán)境溫度的數(shù)字測量與顯示的功能。這樣利用模塊化的設計方法極大的提高了機電專業(yè)學生動手實驗實踐的能力，對于單片機的設計應用能力的提高有很大幫助。
圖4 數(shù)字溫度測控系統(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、ADC0809電路及七段數(shù)碼顯示電路三部分組成。由于電路比較簡單，在總線上沒有其他器件，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，試驗中要將所有的電源的地線相連，包括+5V和+24V之間的。當＋5V的VCC本身波動不超過ADC0809的測量精度時，可以將參考基準電壓輸入端直接接到VCC（Vref+）和GND（Vref-）上。輸入電壓來自于溫度變送器，在protues中可以按圖所示，采用電阻分壓，以產(chǎn)生電平信號。溫度值與輸入的數(shù)值之間的關系為：T=D*Vref/256*20。其中D為ADC0809輸出的數(shù)據(jù)值。
三、結(jié)語
本論文結(jié)合當前高校單片機課程實驗臺普遍存在集成度較高、實用性較低的現(xiàn)狀，從模塊化設計的角度出發(fā)，設計了基于模塊化單片機的集成實驗臺，能夠面向高校單片機課程教學使用，本論文從硬件設計和軟件設計的角度詳細論述了實驗臺的實現(xiàn)方案，且該實驗臺造價合理，功能相對于目前國內(nèi)市場上在售的單片機教學型實驗臺也比較完善全面，因而其性價比較高，經(jīng)濟合理適用，適宜在各高校機電專業(yè)實驗教學設備中推廣應用。
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關鍵詞：船舶；舾裝；模塊化；設計應用
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.06.030
0 引言
船舶廣泛應用在國防、經(jīng)濟、海洋開發(fā)等多個領域，是指通過航行或停泊在水域上來進行運輸或作業(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，值得不斷地研究來全面了解它的細節(jié)構(gòu)造及加工制造過程等。模塊化設計方法是一直以來受到廣泛認可的造船方法，發(fā)揮了一定的優(yōu)勢，也有其特殊的要求和規(guī)范。另外，從整體來看，我國造船業(yè)的發(fā)展雖然有著明顯的進步，但同其他發(fā)達國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)展的因素和問題，提出適合我國發(fā)展的新的設計方案，有利于完善模塊化設計理論，對船舶的發(fā)展必將起到重要的促進作用。
1 船舶外舾裝模塊化設計的發(fā)展現(xiàn)狀
早在上個世紀七十年代左右，模塊化造船理念就被提出，這一概念開始于艦船，后來得到了深入的研究和推廣，在船舶的設計、制造思想上和維修管理方法上都具有重大的意義和影響，是促進船舶發(fā)展的一大推動力。模塊化技術的應用滲透到船舶制造的各個方面，從總體到部分，包括控制系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、機電裝置、舾裝設備等等，而且都表現(xiàn)出優(yōu)質(zhì)的效果和強大的優(yōu)勢，發(fā)展趨勢一片光明。日本是最早進行模塊化造船的國家，并且一直處于世界領先水平，對歐美等國家都產(chǎn)生了一定影響。相比之下，我國的模塊化技術起步較晚，在上個世紀八十年代初才初露端倪，而且應用范圍也十分有限，只集中在部分機電設備和衛(wèi)生單元模塊等方面。我國目前主要存在這樣三個突出性的問題，第一，在生產(chǎn)效率方面，我國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)效率過低也導致了造船工期的延長、產(chǎn)品多余功能過剩，整體效益大大降低。這種種問題對我國船舶行業(yè)的發(fā)展又將帶來嚴重的阻礙。第二，在造船成本方面，我國造船企業(yè)的能源消耗水平與其他國家也存在明顯差距，管理模式不合理和造船技術落后都是造成資源浪費從而產(chǎn)生差距的重要原因。第三，在工作環(huán)境方面，我國大部分造船企業(yè)處于勞動力密集型狀態(tài)，而且工作環(huán)境大多臟亂、危險，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行和工作質(zhì)量的保證，也不利于企業(yè)長久和穩(wěn)定的發(fā)展。
2 船舶外舾裝模塊化設計理論與方法
2.1 船舶產(chǎn)品應用模塊化設計的原理
全面完整地了解船舶外舾裝模塊化設計，并保證這一技術方法可以得到順利地進行，當然首先就要從設計原理的分析入手。進行船舶產(chǎn)品的模塊化設計，主要的發(fā)展方向就是殼舾涂一體化模塊，從船體和舾裝兩個大的方面同時推進。這種技術方法得到廣泛使用，而且與舾裝模塊的特點十分契合，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備模塊化為主的模塊類型，擁有獨立的支架結(jié)構(gòu)，用于安裝到船體或其他各個部分。而依附式模塊需要從功能和布置兩方面進行研究，具備可選性和通用性等特點，設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度的限制，并不是獨立進行的過程。進行舾裝模塊設計時，必須全面分析這兩類模塊類型的特點，然后有針對性地選擇最合理的設計方法，保證各個環(huán)節(jié)能夠順利完整地進行，從而實現(xiàn)更加完善的舾裝模塊設計技術。
2.2 船舶外舾裝模塊化的設計特點
外舾裝設備要按照依附式模塊的一系列要求進行，也就是說工程進度會受到造船總體建設進度制約。進行船舶外舾裝模塊化設計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行詳細地模塊化設計研究。在船舶外舾裝功能模塊化設計方面，完善設備的配套功能模塊化是最重要的工作內(nèi)容，需要嚴格按照規(guī)范進行，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、完善設計工作，而且能夠縮短工作周期，避免不必要的資源浪費。另外，外舾裝功能模塊化設計是容易實現(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、對稱性強等特點，是進行設計時需要考慮的重要因素。另外需要注意的一點就是，外舾裝暴露在外部區(qū)域，影響別人對它的第一眼印象，所以設計時還應該保證外表上的整齊性和美觀性。經(jīng)過總結(jié)，布置設計的工作主要在四個不同的系統(tǒng)上，分別為錨、舵、桅檣信號和救生系統(tǒng)，當然，不同系統(tǒng)包含不同的設備，也同樣需要不同的設計方法。傳統(tǒng)的外舾裝布置設計經(jīng)過長期的發(fā)展暴露出越來越多的問題和不足，資源過度浪費、設計者能力不足、工作質(zhì)量低下等弊病已經(jīng)嚴重阻礙了船舶舾裝制造業(yè)的發(fā)展，是當前形勢下迫切需要改善的問題。所以，提出新的設計方案很有必要，我們可以在傳統(tǒng)的基礎上做出修改，然后根據(jù)實際情況不斷進行調(diào)整和完善，進一步找到最合理的設計，為船舶發(fā)展做出貢獻。
2.3 船舶外舾裝模塊化設計的方法和應用
外舾裝模塊化設計開始于功能設計，也就是配套設備的功能模塊化設計，重點工作為子系統(tǒng)的模塊化和通用化設計，然后通過完善子系統(tǒng)模塊構(gòu)成的中間產(chǎn)品來最終實現(xiàn)外舾裝功能模塊。這一工作的基礎和前提就是要全面了解設備的性能和屬性，明確設備模塊化的范圍?，F(xiàn)主要從兩個設計方面進行分析和總結(jié)，第一個就是重要的子系統(tǒng)模塊化和通用化設計。首先要從構(gòu)建產(chǎn)品平臺角度進行概念設計，了解產(chǎn)品系統(tǒng)的功能及原理等；然后就要對產(chǎn)品的功能、總系統(tǒng)和子系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)進行全面分析，了解系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特點，選取最佳設計方案；最后通過進行工藝設計的工作來增加工藝的通用性。第二個內(nèi)容則是接口設計，首先進行的工作就是對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行設計工作，滿足接口部分的要求。這兩項內(nèi)容是船舶外舾裝模塊化設計的重要組成部分，也是需要認真并嚴格進行的工作環(huán)節(jié)。當然，要想保證整體工作過程的完善和順利并全面提高工作質(zhì)量，就要在每個細節(jié)處按照設計方案來嚴格把關。
3 總結(jié)
船舶的發(fā)展是社會發(fā)展的一項重要內(nèi)容，未來也必然會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計應用對完善造船技術、促進船舶發(fā)展具有強烈的現(xiàn)實意義，值得進行深入探討和分析，從而不斷總結(jié)經(jīng)驗，爭取實現(xiàn)創(chuàng)新。我國目前造船技術的發(fā)展同國外相比存在明顯的差距，暴露的諸多問題也為進一步發(fā)展帶來重重阻礙。因此，全面分析船舶外舾裝模塊化設計理論與方法，深入了解這一設計理念，才能將模塊化設計更加高效合理地應用到我國船舶發(fā)展中。未來必將有更多關于這一設計應用的研究工作的開展，也將會對船舶外舾裝設計甚至船舶行業(yè)的發(fā)展帶來更大的幫助。
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關鍵詞：空調(diào)自控系統(tǒng)；模塊化設計；設計優(yōu)化
當設計工作任務重、工期緊時，需要在短時間內(nèi)完成大量的設計工作，大力開展設計流程優(yōu)化工作勢在必行。通過進行設計流程分析，對設計工作形成模塊化設計，達到縮短設計周期，減少設計工作，提高設計效率、設計質(zhì)量。
模塊化設計是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能分析、劃分并設計出一系列功能模塊，然后通過模塊的選擇和組合構(gòu)成不同的顧客定制的產(chǎn)品。是設計過程中的一種創(chuàng)新思維，模塊化設計的關鍵是模塊劃分。
模塊化設計方法的最初目的是通過分解問題來降低整個系統(tǒng)的復雜度，在設計過程中應用模塊化設計方法將一個系統(tǒng)分解為多個模塊化子系統(tǒng)，提高設計成果的可重用度。每個模塊化子系統(tǒng)都可認為是重用單元，伴隨著系統(tǒng)復雜度的提高，如何令設計人員模塊化設計成功的關鍵就在于實現(xiàn)提高模塊化子系統(tǒng)的重用度。
空調(diào)自控系統(tǒng)的模塊化設計關鍵就在于如何將如此龐大的系統(tǒng)分解為多個模塊化的子系統(tǒng)。根據(jù)不同空調(diào)機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)多個工程的空調(diào)系統(tǒng)，常用到的空調(diào)機組主要有：組合式空調(diào)機組、螺桿式冷水空調(diào)機組、風冷柜式空調(diào)機組、風機盤管機組、恒溫恒濕空調(diào)機組等。空調(diào)機組的模塊化設計：主要是接口問題，要求制造廠按照標準的接口進行設計，這樣設計時一方面可以減少制造廠資料的制約，掌握設計的主動權(quán)，另一方面還可以減少控制系統(tǒng)的點數(shù)，精簡空調(diào)自控系統(tǒng)。
現(xiàn)將各個空調(diào)機組的模塊化介紹如下：
1 組合式空調(diào)機組模塊
組合式空調(diào)機組一般包括下列各段：回風段、回風消音段、回風機段、新排風調(diào)節(jié)段（節(jié)能段）、初效過濾段、中效過濾段、表冷段、加熱+加濕段、送風機段、送風消音段、送風段及部件。每臺組合式空調(diào)機組還有新風閥、排風閥、混風閥、送風閥、回風閥、水閥，顯而易見組成一臺組合式空調(diào)機組的設備是很多的，如果每臺組合式空調(diào)機組的控制都由空調(diào)自控系統(tǒng)完成，工作量是很大的，并且IO點數(shù)也會增加很多，這樣整個空調(diào)自控系統(tǒng)就顯得很復雜、很龐大。
因此需要先將組合式空調(diào)機組進行模塊化設計，首先要求組合式空調(diào)的控制由空調(diào)機制造廠商完成，并包括以上所有設備的供貨，設備統(tǒng)一由制造廠供貨后可以實現(xiàn)組合式空調(diào)機組的機電一體化設計，這樣大量工作可以在工廠內(nèi)完成，減少很多設計及現(xiàn)場施工的工作量。
組合式空調(diào)機組的控制由制造廠完成，是需要制造廠完成對整個空調(diào)機組所有設備的控制，包括新風閥、排風閥、混風閥、送風閥、回風閥、水閥這六個閥門的控制，還有組合式空調(diào)機組送、回風口溫濕度傳感器，組合式空調(diào)機初、中效過濾段壓差開關等所有需要監(jiān)視及連鎖的測點，如果組合式空調(diào)機組帶有加熱器，則加熱器的控制也需要由制造廠統(tǒng)一控制。
所有設備均由空調(diào)機組制造廠完成后，不僅減少了空調(diào)機組與空調(diào)自控系統(tǒng)之間的配合工作，也為模塊化設計提供了前提條件。這樣就可以統(tǒng)一要求制造廠提供與遠方控制的接口清單，在技術規(guī)范書中就可以這樣寫：“應配供組合式空氣處理機組的電控柜，并預留遠方控制的接口，接口位置在電控柜的端子排上。提供每臺機組應留有與空調(diào)自控系統(tǒng)的硬接線接口，包括：空調(diào)機組遠程啟動指令、停止指令，空調(diào)機組故障及報警反饋、運行反饋、停止反饋、遠方允許反饋，空調(diào)機組溫濕度設定、溫濕度反饋。賣方提供與空調(diào)自控系統(tǒng)接口所需的資料及其他支持，以實現(xiàn)空調(diào)自控系統(tǒng)監(jiān)控機組的運行?！?/p>
將組合式空調(diào)機組模塊化以后，每臺空調(diào)機組至少可以減少18個DI點、8個DO點、3個AI點、3個AO點，這樣每臺空調(diào)機組至少可以減少32個IO點數(shù)，如果一個工程使用4臺組合式空調(diào)機組就可以減少128個IO點，數(shù)量是相當可觀的，這樣就可以大大精簡空調(diào)自控系統(tǒng)，簡化了空調(diào)自控系統(tǒng)的控制邏輯。而且還減少了設備訂貨、供電、接線等大量配合及現(xiàn)場施工工作。
2 螺桿式冷水空調(diào)機組
螺桿式冷水空調(diào)機組與組合式空調(diào)機組的要求一樣，空調(diào)機組本身所需的所有設備均由制造廠配套提供并完成控制，只需空調(diào)機組預留6個硬接線接口以便于電廠DCS系統(tǒng)能監(jiān)控機組運行，這6個硬接線接口分別為：“機組遠程啟動指令、停止指令、機組運行狀態(tài)、停止狀態(tài)、就地/遠方狀態(tài)、故障報警信號”。并提供螺桿式冷水空調(diào)機組冷凍水的流量開關及安裝。
另外還需注意一般螺桿式冷水空調(diào)機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)機組的數(shù)量一一對應，這些設備的控制也要求制造廠配套完成，并預留每臺設備的遠程啟動指令、停止指令、機組運行狀態(tài)、停止狀態(tài)、就地/遠方狀態(tài)、故障報警信號6個硬接線接口，提供以上設備就地控制箱的電氣原理圖及端子排接線圖。
3 風冷柜式空調(diào)機及風機盤管模塊
風冷柜式空調(diào)機及風機盤管的控制比較類似，所以可以作為一種模塊，這兩種空調(diào)機組也是要求預留機組遠程啟動指令、停止指令、機組運行狀態(tài)、停止狀態(tài)、就地/遠方狀態(tài)、故障報警信號6個硬接線接口。
另外需要注意的是每臺風機盤管入口有個電動三通水閥，這個水閥是根據(jù)房間的溫度用來調(diào)節(jié)風機盤管的進水量，實現(xiàn)對房間溫度的調(diào)節(jié)，由于風機盤管一般是每個房間有一臺，風機盤管所需的溫度傳感器以及電動三通水閥均需要由制造廠配供，并負責完成風機盤管機組根據(jù)溫度調(diào)節(jié)的自控控制。否則還需要為每臺風機盤管訂購溫度傳感器、電動三通閥，還要負責相關接線及電動三通閥的配電，而且風機盤管的數(shù)量一般比較龐大，這些瑣碎的工作一般處理起來就比較困難。
按照上述要求即可以完成模塊化設計，可以減少很多現(xiàn)場工作量，還可以簡化控制系統(tǒng)，對供貨、施工、設計、運行等都方便了很多。
4 恒溫恒濕空調(diào)機組模塊
恒溫恒濕空調(diào)機組與組合式空調(diào)機組類似也是屬于復雜的空調(diào)機組，都有很多設備組成，這里就不再贅述。不過為了達到模塊化設計的要求，對恒溫恒濕空調(diào)機組的要求與其它空調(diào)機組的要求是一樣的，恒溫恒濕空調(diào)機組也留有6個硬接線接口信號以便于電廠DCS系統(tǒng)能監(jiān)控機組運行，6個硬接線接口信號分別為：“機組遠程啟動指令、停止指令、機組運行狀態(tài)、停止狀態(tài)、就地/遠方狀態(tài)、故障報警”，這樣就與其他空調(diào)的接口信號一致，可以做到不同空調(diào)接口信號的模塊化。
完成空調(diào)機組的模塊化設計后，可以要求不同的制造廠按照相同的要求完成空調(diào)機組的控制及供貨，這樣就實現(xiàn)了模塊化設計，不管最終選用哪個制造廠的空調(diào)機，要求是一樣的，預留的接口是一樣的，設計也是一樣的，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)的模塊化設計。
5 結(jié)束語
這樣就可以實現(xiàn)整個空調(diào)自控系統(tǒng)的模塊化設計了，不管最終選用那個制造廠的空調(diào)機，不管軸流風機、排煙閥與排煙風機有多少臺我們的要求是一樣的，預留的接口是一樣的，最終設計出來的成品也是一樣的。從而減少了大量的重復性設計工作，縮短了空調(diào)自控系統(tǒng)設計的周期，提高了本系統(tǒng)設計效率、設計質(zhì)量。
參考文獻
[1]田寶慶，韓新民.模塊化設計的實現(xiàn)方法研究[J].成組技術與生產(chǎn)現(xiàn)代化，2008，25（4）：48-51.
關鍵詞：內(nèi)燃動車組；制動系統(tǒng)；模塊化設計；低地板區(qū)；司機室 文獻標識碼：A
中圖分類號：U266 文章編號：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)燃動車組由6輛車編組而成，其中2輛動車和4輛拖車（即Mc+T+Th+T+T+Mc），拖車設有低地板區(qū)。制動系統(tǒng)采用間接作用式空氣制動，列車以100km/h運行時，緊急制動距離不大于600m。
動車組的主要技術參數(shù)：
軌距：1067mm
最高運營速度：100km/h
定員：683人（4人/平方米）
動車軸重：≤15.5t
拖車軸重：≤13t
動車車體長度：17800mm
拖車車體長度：20000mm
車體寬度：2650mm
車輛定距（動車）：11700mm
車輛定距（拖車）：14000mm
2 制動系統(tǒng)原理
制動系統(tǒng)采用國內(nèi)成熟的JZ-7自動制動閥+F8G分配閥匹配的間接作用式空氣制動，即當列車管壓力降低時，產(chǎn)生制動作用；列車管壓力上升時，緩解制動。采用雙管雙側(cè)供風，制動管路采用不銹鋼材質(zhì)，制動系統(tǒng)主要由風源、自動制動閥、中繼閥、分配閥、風缸、防滑器、截斷塞門、管路等部件組成。
3 制動系統(tǒng)組成
由于加納內(nèi)燃動車組零部件繁多和安裝空間的局限性，制動系統(tǒng)采用模塊化、集成化技術。制動系統(tǒng)模塊化的設計是把具有相似屬性和功能的零部件聚類成為模塊，通過模塊的組合形成制動系統(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。
制動系統(tǒng)是動車組的重要組成部分，將制動系統(tǒng)分為以下模塊：制動控制模塊、中間管排組成、兩端管路組成、司機室制動裝置、風源模塊、防滑模塊和手制動機。
3.1 動車制動控制模塊
制動控制模塊是將動車組制動控制元件集成在一個吊架上，整體安裝，主要由分配閥、風缸、氣路控制箱、減壓閥、截斷塞門、過濾器等元件組成（見圖1），連接管路采用不銹鋼管，通過吊碼和管卡把控制元件和管件固定在模塊吊架上。動車組組裝時，將預先組裝好的制動模塊采用螺栓直接固定到車體底架上，模塊上設有與車下制動管路連接的接口，再與車下制動管路連接。這種組裝方式即便于制動系統(tǒng)控制元件的集中管理和檢修，同時也節(jié)省了車下零部件的組裝空間。
3.2 司機室制動裝置
司機室制動裝置安裝在動車司機臺下，主要由自動制動閥、中繼閥、均衡風缸、緊急制動電磁閥、壓力開關、快插接頭、測試接頭及連接管路等元件組成，由于司機臺下安裝空間有限，對整個司機室制動裝置采用模塊化設計，將所有元件集成在兩個氣路板模塊上，通過尼龍軟管把兩個模塊的氣路進行連接，接口采用快插連接方式，整個模塊結(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試接口，試驗操作更加方便，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車組兩端方向所有管路，分為一位端管路和二位端管路。動車組設有貫通整列車的總風管和列車管各一根，總風管與主風缸連接，向制動設備、空氣彈簧及各種輔助設備（如撒砂裝置、風笛、集便器等）供風，列車管與司機室中繼閥連接，通過控制列車管壓力變化實現(xiàn)每輛車上分配閥的制動和緩解。
3.3.1 一位端管路M成。一位端管路組成的主要制動元件包括總風管、列車管、空簧管、制動管、緩解指示器、防滑排風閥等。設有司機室制動裝置接口和列車管救援接口。司機室制動裝置接口采用不銹鋼管與車上司機室制動裝置連接；當列車需要救援時，通過列車管救援接口與救援車輛連接，在救援運行中，動車組仍然有制動功能；所有管件采用管卡固定在車體底架或支架上；防滑排風閥根據(jù)控制單元提供的控制信號動作，控制制動力大小，實現(xiàn)防滑控制功能，兩個防滑閥集成一個模塊，吊裝在車體底架下面；緩解指示器安裝在車輛的兩側(cè)，便于在車下確認車輛制動和緩解的狀態(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元件包括總風管、列車管、空簧管、制動管、防滑排風閥等。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特點是設置了低地板區(qū)，主要安裝了中部管路和拖車制動控制模塊，端部管路與動車基本相同。
3.4.1 中部管路。中部管路包括管排組成、連接管、乘客緊急制動管路、總風管、列車管、集便器供風管路等。中間管排組成設多個管吊，把不同規(guī)格的制動管和管接件集成一個模塊。與車體進行組裝時，整體吊裝，通過螺栓固定在底架橫梁預留接口上。中間設3個規(guī)格不同的接口通過連接管與制動模塊連接，簡化了工藝流程，縮短了工藝技術準備周期，使產(chǎn)品更加美觀，如圖4所示：
3.4.2 拖車制動控制模塊。拖車制動控制模塊主要由分配閥、工作風缸、制動風缸、總風缸、氣路控制箱、減壓閥、截斷塞門、過濾器等元件組成。整個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計，底架邊梁下面距離軌面為603mm，拖車制動控制模塊集成的部件基本與動車制動控制模型相同，但是模塊高度受到了很大的限制。通過對模塊部件進行外形尺寸分析，除了風缸外，其他部件均能滿足模塊設計尺寸要求。現(xiàn)對風缸進行改進設計，在不改變風缸容積的前提下，將風缸的直徑由386mm改為256mm，然后將所有部件進行集成設計，集成后模塊高度為400mm，完全滿足低地板的車輛對設備的高度要求，如圖5所示：
3.5 風源模塊
動車組安裝有兩個風源模塊，位于每輛動車的車體底架下方。風源模塊包括空壓機、雙塔干燥器、電空箱、調(diào)壓閥、安全閥、壓力開關、測試接口等部件。各部件集成一個模塊，采用模塊吊架整體吊裝在車體底架預留的吊鉤上。風源模塊設有3個接口，X1和X2為電氣接口，安裝在電控箱處；還有一個為輸氣接口，位于模塊的端部?？諌簷C產(chǎn)生的壓縮空氣經(jīng)冷卻器和干燥器輸出，存儲在總風缸里，并通過總風管向列車所有用風設備。空氣壓縮機采用的是固定式、風冷、噴油螺桿壓縮機，額定功率為15kW，排風量為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
