基于新型分布式算法的自動(dòng)化檢測(cè)流水線(xiàn)

趙 成，張宏賓，龔 輝，李雪城，仝 霞，王文靜

(國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100161)

基于新型分布式算法的自動(dòng)化檢測(cè)流水線(xiàn)

趙 成，張宏賓，龔 輝，李雪城，仝 霞，王文靜

(國(guó)網(wǎng)北京市電力公司電力科學(xué)研究院，北京 100161)

自動(dòng)化電表檢定流水線(xiàn)的運(yùn)行精度是流水線(xiàn)檢定效果的決定性因素。為維持自動(dòng)化流水線(xiàn)的高精度運(yùn)行，提出了一種基于新型分布式算法的自動(dòng)化流水線(xiàn)精度改進(jìn)方法。該方法首先著重于算法的改進(jìn)，不同于傳統(tǒng)的分布式算法，所提出的分布式算法側(cè)重于對(duì)傳統(tǒng)算法中查找表中的值進(jìn)行重組優(yōu)化；然后在改進(jìn)算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別是采用了查找表分割的方法實(shí)現(xiàn)資源最小化；最后，該方法在FPGA上得到了實(shí)現(xiàn)。該方法以檢測(cè)精度最優(yōu)化為目標(biāo)，綜合考慮流水線(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的具體運(yùn)行狀態(tài)，以取得自動(dòng)化檢測(cè)效果最優(yōu)化。經(jīng)具體實(shí)踐測(cè)試，該方法不僅提高了電表的檢定效果，而且還有效地減少了對(duì)系統(tǒng)各類(lèi)資源的占用。通過(guò)對(duì)目前已經(jīng)投入現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)，證明該方法取得了優(yōu)異效果，值得在相關(guān)檢測(cè)系統(tǒng)中大力推廣。同時(shí)，所提出的新型濾波器算法也將對(duì)現(xiàn)有的數(shù)字信號(hào)處理研究產(chǎn)生影響。

自動(dòng)化檢定流水線(xiàn)； 數(shù)字信號(hào)處理； 分布式算法； 查找表； FPGA; 精度優(yōu)化； 電表檢測(cè)； 濾波器

0 引言

智能電表以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作等特點(diǎn)，目前在國(guó)家智能電網(wǎng)系統(tǒng)中被大規(guī)模使用[1-4]。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)這些電表的自動(dòng)化檢測(cè)。傳統(tǒng)采用的人工檢測(cè)的方法存在效率低下、成本高、精度低等缺陷，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足時(shí)代的需要[5-8]。目前，自動(dòng)化檢測(cè)流水線(xiàn)在一定程度上已經(jīng)被大量使用。但是由于這些檢測(cè)流水線(xiàn)的技術(shù)不夠完善，整體效率還有待提高。此外，由于具體作業(yè)環(huán)境的區(qū)別，目前的自動(dòng)化檢測(cè)線(xiàn)的效果還需要繼續(xù)改進(jìn)[9-12]。

在流水線(xiàn)作業(yè)中，檢測(cè)的精度不僅決定了整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)效果，還決定了系統(tǒng)的運(yùn)行速度。在現(xiàn)有系統(tǒng)中，主要存在系統(tǒng)的信號(hào)濾波處理不夠精準(zhǔn)等問(wèn)題。因此，需要研制新型的濾波方法來(lái)改進(jìn)精度[5]。

在該背景下，本文提出了一種基于新型分布式算法的精度改進(jìn)方法。該方法將在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field-programmable gate array,FPGA)平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證。該系統(tǒng)由于直接采用硬件方法實(shí)現(xiàn)，在信號(hào)處理的效果和運(yùn)行結(jié)果上都具有良好表現(xiàn)。其不僅有效地改善了系統(tǒng)的檢測(cè)精度，而且極大地減少了系統(tǒng)占有的資源。最后，該系統(tǒng)被實(shí)際應(yīng)用到具體的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)中進(jìn)行驗(yàn)證通過(guò)。

1 自動(dòng)化智能電表檢定系統(tǒng)

1.1 自動(dòng)化流水線(xiàn)檢定系統(tǒng)

本文所涉及的自動(dòng)化流水線(xiàn)檢定系統(tǒng)主要針對(duì)各類(lèi)智能電表。自動(dòng)化流水檢定系統(tǒng)的作業(yè)主要由設(shè)備完成，很少涉及到人工操作。與傳統(tǒng)檢定系統(tǒng)相比，自動(dòng)化流水檢定系統(tǒng)存在效率高、速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)。單相電能表自動(dòng)化檢定流水線(xiàn)系統(tǒng)可細(xì)分為7大模塊，其檢定流程如圖1所示[1-4]。

圖1 檢定流程圖

①耐壓模塊：該模塊是整個(gè)系統(tǒng)的第一個(gè)模塊，主要完成對(duì)電表的外形測(cè)試、壓力檢測(cè)，并記錄測(cè)試信息。②外觀(guān)模塊：主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行外觀(guān)檢測(cè)，包括電表外觀(guān)規(guī)格檢測(cè)。③功耗模塊：主要對(duì)電表的功耗進(jìn)行檢測(cè)，并登記檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)。④功能模塊：主要對(duì)電表的綜合功能進(jìn)行檢測(cè)。綜合功能主要包括電表的運(yùn)行速度、精度、顯示和警示等。⑤封印模塊：主要對(duì)檢測(cè)完的電表進(jìn)行封印，封印后的電表將被送入下一個(gè)模塊。⑥刻碼模塊：主要對(duì)電表進(jìn)行刻碼作業(yè)，包括電表的性能和參數(shù)。⑦貼標(biāo)模塊：主要對(duì)電表進(jìn)行貼標(biāo)。這是整個(gè)系統(tǒng)的最后一個(gè)模塊。

圖1中，虛線(xiàn)框內(nèi)就是自動(dòng)化檢定流水線(xiàn)存在精度問(wèn)題的環(huán)節(jié)，本文將主要針對(duì)該類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

1.2 自動(dòng)化流水線(xiàn)技術(shù)指標(biāo)

自動(dòng)化檢定系統(tǒng)各模塊間主要存在運(yùn)行精度的問(wèn)題，平均檢定精度如表1所示。

表1 平均檢定精度

其中，功耗和功能2個(gè)模塊的檢定精度有待進(jìn)一步提高。由于這2個(gè)模塊的精度主要由信號(hào)精確性決定，因此有必要進(jìn)行更高精度的信號(hào)濾波。

2 新型分布式算法的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)

分布式算法廣泛地應(yīng)用在各類(lèi)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)中，其中包括信號(hào)濾波。如圖1所示，檢定模塊之間的信號(hào)需要更有效地濾波。分布式算法最早由Croisier在1973年提出，然后由Liu和Peled推廣使用,并由Yiu將其擴(kuò)展到符號(hào)數(shù)[5]。從此有許多的改進(jìn)型分布式算法被提出。分布式算法的主要思想是把需要相乘的結(jié)果事先存儲(chǔ)在查找表內(nèi)，然后以信號(hào)的輸入作為地址，把這些數(shù)值讀取出來(lái)；讀取出來(lái)的數(shù)值累加后即為最終結(jié)果。

2.1 新型分布式算法

考慮2個(gè)數(shù)量是N的任意實(shí)數(shù)C和X的內(nèi)積[5]：

(1)

式中：{Ci}為有N個(gè)位整數(shù)C。

則可以把{Xi}表示為W位的補(bǔ)碼形式：

(2)

然后，把式(2)代入式(1)中，則：

(3)

式(3)可改寫(xiě)為：

(4)

(5)

按照式(5)，所需的乘積值可以事先在查找表中進(jìn)行存儲(chǔ)。輸入已存儲(chǔ)的乘積值作為可讀取的地址數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)N次的讀取和數(shù)據(jù)累加以后，可得最終結(jié)果。

將式(4)代入式(5)，可得：

(6)

(7)

因此，原有查找表內(nèi)的值被改變。舉例來(lái)說(shuō)，濾波器的4個(gè)參數(shù)分別是10、-11、12和-13。表2給出了傳統(tǒng)分布式算法和本文所提出分布式算法的查找表內(nèi)容對(duì)比。

表2 查找表內(nèi)容對(duì)比

同時(shí)，由式(6)和表2可以看出，當(dāng)輸入的地址數(shù)量是N位時(shí)，查找表的規(guī)模就達(dá)到2N。在這種情況下，查找表就非常占用整個(gè)系統(tǒng)的資源。為降低對(duì)系統(tǒng)的資源占用率，本文采取了一種查找表分割的方法。

設(shè)定N是可以由2個(gè)正整數(shù)相乘而得的整數(shù)，則：

(8)

式中：

(9)

這樣就把原來(lái)的一個(gè)查找表分成許多小的查找表了。

2.2 濾波結(jié)構(gòu)

在實(shí)際運(yùn)行情況中，考慮到信號(hào)的濾波功能，本文采取有限脈沖響應(yīng)濾波器的方式。

基于分布式算法的濾波結(jié)構(gòu)如圖2所示。首先，所有的輸入都通過(guò)輸入端口到達(dá)一個(gè)位串行字平行的轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將所有輸入信號(hào)的字節(jié)轉(zhuǎn)換到由最低位到最高位排列的方式。這些平行的數(shù)據(jù)就作為地址去讀取查找表的數(shù)值(這些數(shù)值都是事先計(jì)算好并且存儲(chǔ)在表內(nèi)的)。當(dāng)每個(gè)表收到相關(guān)的輸入，存在表內(nèi)相關(guān)的值就會(huì)被讀出來(lái)，然后這些值通過(guò)一個(gè)流水線(xiàn)加法器進(jìn)行加法運(yùn)算，最終輸出結(jié)果。

圖2 基于分布式算法的濾波結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿真

本節(jié)主要對(duì)圖2所示的基于分布式算法的濾波系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)仿真。本文采用硬件描述語(yǔ)言(VHSIC hardware description language,VHDL)對(duì)圖2的濾波結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程，然后在A(yíng)ltrea公司的Quartus II軟件上進(jìn)行仿真，最后在FPGA器件(Altera Stratix-II EP2S15F484C3)上進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證。

同時(shí)，對(duì)本文設(shè)計(jì)在FPGA上的實(shí)現(xiàn)與參考文獻(xiàn)[5]進(jìn)行比較，仿真和功耗比較結(jié)果分別如表3、表4所示。比較的具體參數(shù)包括系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)面積、最大頻率fmax和功耗。實(shí)現(xiàn)面積，即可適應(yīng)性查找表(adaptive lookup table,ALUT)的數(shù)量。同時(shí)，為了使該比較更加公平，本文也采用了不同數(shù)值N進(jìn)行具體的實(shí)現(xiàn)比較。

表3 仿真結(jié)果比較

表4 功耗結(jié)果比較

通常情況下，一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)越性主要由3個(gè)參數(shù)來(lái)決定：面積、速度和功耗。面積通常是由該結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度所決定，越復(fù)雜的結(jié)構(gòu)所占用的面積越大。速度主要是由該結(jié)構(gòu)的最大頻率決定，頻率越高，速度就越快。功耗主要是由系統(tǒng)的消耗功率所決定，功率數(shù)值越大，功耗越高。由表3可以看出，本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方面，即占有面積和速度，比文獻(xiàn)[5]的設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢(shì)(擁有更少數(shù)量的ALUT和更高的最大頻率)。在輸入數(shù)據(jù)N分別為16、32、64和128這4種情況下，本文所提出的設(shè)計(jì)都取得了較好的效果，從而可以肯定該設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性。

表4的功耗數(shù)值是在同一的運(yùn)行條件下測(cè)出的，即同一個(gè)FPGA器件和同一運(yùn)行頻率(功耗和運(yùn)行頻率有很大關(guān)系，因此統(tǒng)一對(duì)運(yùn)行頻率進(jìn)行公平比較)。由表4可以看出，本文設(shè)計(jì)比文獻(xiàn)[5]的功耗更低。

綜上所述，本文所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的效果更好，可以在自動(dòng)化檢定線(xiàn)中進(jìn)行應(yīng)用(主要檢測(cè)精度問(wèn)題)。

4 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)

在基于分布式算法的濾波系統(tǒng)具體化硬件實(shí)現(xiàn)之后，該部分就被應(yīng)用到電表自動(dòng)化檢定流水線(xiàn)中。首先，該濾波系統(tǒng)被嵌入到檢測(cè)流水線(xiàn)的檢測(cè)裝置中。接著，檢測(cè)流水線(xiàn)上的機(jī)器人和檢測(cè)裝置進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，并對(duì)電表進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。同時(shí)，濾波系統(tǒng)也進(jìn)行工作以確保信號(hào)的處理準(zhǔn)確性。最后，對(duì)該檢定系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行效果進(jìn)行測(cè)評(píng)。

由于基于分布式算法的應(yīng)用在基于FPGA平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)中已經(jīng)取得優(yōu)異結(jié)果。將該算法具體應(yīng)用到電表檢定流水線(xiàn)系統(tǒng)后，主要針對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行精度進(jìn)行檢測(cè)。假定某一電表自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是每日檢測(cè)7 000只電表，那么檢測(cè)準(zhǔn)確率在6 990只以上的就設(shè)定為檢測(cè)效果優(yōu)秀(99.85%)。在將本文所提出的濾波系統(tǒng)應(yīng)用到該系統(tǒng)之后，系統(tǒng)的具體運(yùn)行結(jié)果如表5所示。

表5 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

由表5可以看出，在使用本文濾波系統(tǒng)后，整體系統(tǒng)和單個(gè)系統(tǒng)的檢定精度均有大幅度提高(都達(dá)到優(yōu)秀級(jí)別)。由于該系統(tǒng)性能優(yōu)異，即資源占有面積更小、最大頻率更高，檢定取得了較好結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)電表自動(dòng)化檢定流水線(xiàn)的檢測(cè)精度問(wèn)題的具體分析和討論，結(jié)合分布式算法的硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)異表現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有的檢定電表的自動(dòng)化流水線(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。具體運(yùn)行結(jié)果證明，該方法在電表的自動(dòng)化檢定流水線(xiàn)運(yùn)行中有優(yōu)異的精度改善表現(xiàn)，效果十分顯著。此外，由于該檢定流水線(xiàn)的基于分布式算法的濾波系統(tǒng)性能優(yōu)異，運(yùn)行結(jié)果出色，值得在相關(guān)系統(tǒng)生產(chǎn)建設(shè)中推廣。

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Automated Detection Line Based on New Type of Distributed Algorithm

ZHAO Cheng,ZHANG Hongbin,GONG Hui,LI Xuecheng,GONG Xia,WANG Wenjing

(Electric Power Research Institute of Beijing State Grid Company,Beijing 100161,China)

The operational accuracy of automated smart meter calibration line is the key factor that determines the effects of the calibration line. To maintain the operational accuracy at higher level,the modified method based on a novel distributed arithmetic is proposed. Firstly,the method focuses on the modification of algorithm.Unlike the traditional distributed arithmetic,the proposed algorithm;mainly reconstructs and optimizes the values stored in the lookup table of traditional algorithm,then on the basis of the modified algorithm,the optimal design of the structure is conducted;especially a lookup table decomposition strategy is employed to reduce the resource usage;finally,the method is implemented on FPGA platform.With the optimal accuracy as the target of design,and based on the comprehensive consideration of the specific operational state of each section of the calibration line,the optimization of the effects is obtained. Through practical testing,it is found that the proposed method not only improves the calibration effects,but also effectively reduces the resource occupation. It is further found that the method is worthy to be popularized in other detecting systems,meanwhile,the proposed filter algorithm will impact the present digital signal processing research.

Automated verification line; Digital signal processing; Distributed arithmetic; Lookup table; FPGA; Accuracy optimization; Meter detection; Wave filter

趙成(1982—)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電能計(jì)量方向的研究。E-mail:men_boys@sina.com。

TH6；TP205

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708021

修改稿收到日期:2017-02-17