基于粒度的電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的確定方法*

羅天峰，易 瑔，曹 勇

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

半實(shí)物仿真是在計(jì)算機(jī)仿真回路中接入一些實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，取代相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，這樣更接近實(shí)物，獲取信息更準(zhǔn)確［1］。半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)主要根據(jù)原有系統(tǒng)的某種屬性建立仿真模型，其重點(diǎn)關(guān)注系統(tǒng)作用的實(shí)現(xiàn)。曹勇等人提出的環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系建模方法，為復(fù)雜系統(tǒng)的半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)提供了一種可行性方法［2-3］。

但僅僅為半實(shí)物仿真設(shè)計(jì)提供基本模型還不夠，仍存在以下問題：一是仿真模型的分辨率是否滿足仿真任務(wù)的需求；二是仿真模型中的部分環(huán)節(jié)能否進(jìn)行工程實(shí)物化，即是否易于工程實(shí)現(xiàn)；三是建立的實(shí)物模型能否易于檢測，從而獲取實(shí)驗(yàn)信息。

為解決上述問題，本文在環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型研究基礎(chǔ)上，引入了粒度的概念。粒度是對問題的不同角度、不對層次進(jìn)行細(xì)化的度量［4］。1979年Zadeh在文獻(xiàn)中提出并討論了模糊信息粒度。本文采用粒度作為評價(jià)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系的指標(biāo)，確定電子系統(tǒng)的環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型，以滿足仿真任務(wù)的不同層次及分辨率要求，提高了其工程適應(yīng)性。

1 基于粒度的環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型

環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型是選取全系統(tǒng)功能作為數(shù)據(jù)域，按照系統(tǒng)功能劃分域，在系統(tǒng)功能域構(gòu)成的解空間內(nèi)，構(gòu)建基于功能域的信息流傳播模型。在確立功能域的基礎(chǔ)上，按照環(huán)節(jié)的形式劃分系統(tǒng)的內(nèi)部事件，以功能相關(guān)的獨(dú)立結(jié)構(gòu)作為一個(gè)環(huán)節(jié)，將映射作為運(yùn)算置于環(huán)節(jié)中，每個(gè)環(huán)節(jié)獨(dú)立構(gòu)建輸入輸出映射模型，并將環(huán)節(jié)按照信號的傳遞關(guān)系連接起來，特定功能由一系列相關(guān)環(huán)節(jié)級聯(lián)而成。環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型在建模過程中關(guān)注系統(tǒng)功能空間的維數(shù)、信號的接口屬性、映射作用及功能環(huán)節(jié)間的傳遞關(guān)系。環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型如圖1所示。

圖1 環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型

電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型在某種屬性下，經(jīng)過聚合后，使模型結(jié)構(gòu)得到簡化，仿真設(shè)計(jì)簡化，但仿真建模的分辨率下降；在某種屬性下，經(jīng)過解聚后，仿真建模的分辨率提高，但模型結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，仿真設(shè)計(jì)工作量增加。因此，如何評價(jià)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型是否合理，從而建立恰當(dāng)?shù)姆抡婺Ｐ褪且豁?xiàng)重要技術(shù)，而粒度為確定電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的結(jié)構(gòu)提供了一種有效手段。

環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型中的不同環(huán)節(jié)可以看作是一個(gè)個(gè)不連續(xù)的信息顆粒，每個(gè)信息顆粒具備的信息量是不同的。因此，通過描述每個(gè)環(huán)節(jié)的粒度，可以恰當(dāng)?shù)胤从吃摥h(huán)節(jié)的某種屬性。本文將環(huán)節(jié)的粒度定義為級別、單一性和透明性3個(gè)屬性。其中，粒度的級別描述的是信息粒的粗細(xì)，粒度級別越高，信息粒越粗，模型分辨率越低，反之則模型分辨率越高；粒度的單一性和透明性則描述環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，環(huán)節(jié)的粒度具備單一性，則該環(huán)節(jié)所有輸出信號均相關(guān)，環(huán)節(jié)的粒度具備透明性，則該環(huán)節(jié)所有輸入信號均相關(guān)。通過引入粒度這一概念，可以反映出環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的分辨率和各環(huán)節(jié)的輸入輸出特性。

2 模型的確定方法及步驟

確定電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的基本方法如下：將模型按照功能域劃分為若干相關(guān)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系，采用粒度作為評價(jià)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系的指標(biāo)，通過粒度的級別、單一性和透明性3個(gè)基本特性規(guī)劃和修正該模型，從而實(shí)現(xiàn)確定電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的目的。具體步驟如下：

2.1 確定環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型粒度的級別、單一性和透明性

2.1.1 確定環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型粒度的級別

如果在系統(tǒng)的功能域 F={f1，f2，…，fn}中，環(huán)節(jié) Hx對應(yīng)的獨(dú)立功能fx∈F，可以拆分成n個(gè)獨(dú)立功能fx1，fx2，…，fxn∈F，且獨(dú)立功能 fx1，fx2，…，fxn對應(yīng)的 n個(gè)新環(huán)節(jié)Hx1，Hx2，…，Hxn間具有串聯(lián)或并聯(lián)相關(guān)性，則環(huán)節(jié)Hx可以解聚為多個(gè)子環(huán)節(jié)Hx1，Hx2，…，Hxn，即：

則子環(huán)節(jié)Hx1，Hx2，…，Hxn的粒度級別小于原環(huán)節(jié)Hx的粒度級別。

粒度級別體現(xiàn)了仿真模型的粗細(xì)程度。模型經(jīng)過聚合后，模型的復(fù)雜程度降低，但粒度變粗，粒度級別升高，模型的分辨率下降；模型經(jīng)過解聚后，模型的復(fù)雜程度增加，但粒度變細(xì)，粒度級別下降，模型的分辨率得以提升。因此，粒度級別的確定，為模型分辨率的評價(jià)提供了定性依據(jù)。

2.1.2 確定環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型粒度的單一性

在環(huán)節(jié)H{A，B，T}中，若輸出信號集B中的元素bi之間具備相關(guān)性，則該環(huán)節(jié)的粒度具備單一性。否則，該環(huán)節(jié)的粒度不單一。

粒度的單一性表征了環(huán)節(jié)輸出信號B中元素之間的相關(guān)性，其特征為：當(dāng)環(huán)節(jié)為單一粒度時(shí)，其輸出信號為相關(guān)信號集，即輸出信號類型保持一致。不難看出，單一粒度的模型較不單一粒度的模型更加適于建模仿真的工程實(shí)現(xiàn)。

2.1.3 確定環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型粒度的透明性

在環(huán)節(jié)H{A，B，T}中，若輸入信號集A中的元素ai之間具備相關(guān)性，則該環(huán)節(jié)的粒度具備透明性。否則，該環(huán)節(jié)的粒度不透明。

粒度的透明性強(qiáng)調(diào)了環(huán)節(jié)輸入信號A元素之間的相關(guān)性，其特征為：當(dāng)環(huán)節(jié)為透明粒度時(shí)，其輸入信號為相關(guān)信號集，即輸入信號類型一致?？梢钥闯觯该髁６鹊哪Ｐ洼^不透明粒度的模型更加易于工程檢測。

2.2 通過粒度的級別，規(guī)劃環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的結(jié)構(gòu)

電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的功能域F={f1，f2，…，fn}中，環(huán)節(jié) Hx對應(yīng)的獨(dú)立功能 fx∈F。當(dāng)環(huán)節(jié)Hx的粒度級別高于仿真任務(wù)的分辨率需求時(shí)，且環(huán)節(jié) Hx可以拆分成 n 個(gè)獨(dú)立功能 fx1，fx2，…，fxn∈F，獨(dú)立功能 fx1，fx2，…，fxn對應(yīng)的 n 個(gè)新環(huán)節(jié) Hx1，Hx2，…，Hxn間具有串聯(lián)或并聯(lián)相關(guān)性，則環(huán)節(jié)Hx解聚為多個(gè)子環(huán)節(jié) Hx1，Hx2，…，Hxn；當(dāng)環(huán)節(jié) Hx的粒度級別低于仿真任務(wù)的分辨率需求時(shí)，且n個(gè)環(huán)節(jié)H1，H2，…，Hn間具有串聯(lián)或并聯(lián)相關(guān)性，則n個(gè)環(huán)節(jié)H1，H2，…，Hn聚合為一個(gè)新環(huán)節(jié)Hn+1，Hn+1對應(yīng)的獨(dú)立功能 fn+1∈F。

通過對環(huán)節(jié)Hx的粒度級別與仿真任務(wù)分辨率需求相比較，可評價(jià)該模型結(jié)構(gòu)是否滿足任務(wù)需求，并通過對不滿足任務(wù)分辨率需求的環(huán)節(jié)Hx進(jìn)行聚合和解聚，使其產(chǎn)生的新環(huán)節(jié)滿足分辨率需求，從而實(shí)現(xiàn)對電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。

2.3 通過粒度的單一性，修正環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型，優(yōu)化模型的工程可實(shí)現(xiàn)性

在環(huán)節(jié)Hx{A，B，T}中，該環(huán)節(jié)的粒度不單一，輸出信號集B中的元素bi之間不具備相關(guān)性，若該環(huán)節(jié) Hx可以拆分成n個(gè)獨(dú)立功能 fx1，fx2，…，fxn∈F，獨(dú)立功能 fx1，fx2，…，fxn對應(yīng)的 n 個(gè)新環(huán)節(jié) Hx1，Hx2，…，Hxn間具有串聯(lián)或并聯(lián)相關(guān)性，則環(huán)節(jié)Hx解聚為多個(gè)子環(huán)節(jié) Hx1，Hx2，…，Hxn，每個(gè)子環(huán)節(jié)的粒度具有單一性，其輸出信號為相關(guān)信號集，即輸出信號類型保持一致，則這些子環(huán)節(jié)可工程實(shí)現(xiàn)。

2.4 通過粒度的透明性，修正環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型，優(yōu)化模型用于工程檢測的適應(yīng)性

在環(huán)節(jié)Hx{A，B，T}中，該環(huán)節(jié)的粒度不透明，輸入信號集A中的元素ai之間不具備相關(guān)性，若環(huán)節(jié)Hx 可以拆分成 n 個(gè)獨(dú)立功能 fx1，fx2，…，fxn∈F，獨(dú)立功能 fx1，fx2，…，fxn對應(yīng)的 n 個(gè)新環(huán)節(jié) Hx1，Hx2，…，Hxn間具有串聯(lián)或并聯(lián)相關(guān)性，則環(huán)節(jié)Hx解聚為多個(gè)子環(huán)節(jié)Hx1，Hx2，…，Hxn，每個(gè)子環(huán)節(jié)的粒度具有透明性，其輸入信號為相關(guān)信號集，即輸入信號類型一致，則這些子環(huán)節(jié)易于工程檢測。

圖2 確定電子系統(tǒng)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的步驟

3 實(shí)例建模

下面以一個(gè)實(shí)際電路為例，說明本文提出的方法步驟。

圖3所示為火控計(jì)算機(jī)D/A轉(zhuǎn)換電路（DAC1230芯片）內(nèi)部邏輯關(guān)系，DAC1230為輸入鎖存12位D/A轉(zhuǎn)換器，是一個(gè)模/數(shù)混合芯片，內(nèi)部有一個(gè)T型電阻網(wǎng)絡(luò)，用以實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，其輸出為電流信號，需要外接運(yùn)算放大電路，得到模擬電壓輸出。

圖3 12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1230的電路原理圖

其環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型如圖4所示。

圖4 12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1230對應(yīng)的環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型

通過粒度的3個(gè)基本特性，確定DAC1230芯片環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的步驟如下所示。

3.1 通過粒度的級別，規(guī)劃DAC1230芯片環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型的結(jié)構(gòu)

如圖4所示模型中，與圖3電路原理圖對應(yīng)，其各個(gè)環(huán)節(jié)分別為：

①H1：等效于8位輸入寄存器的單向可控環(huán)節(jié)；

②H2：等效于4位輸入寄存器的單向可控環(huán)節(jié)；

③H3：等效于12位寄存D/A轉(zhuǎn)換器的單向可控環(huán)節(jié)；

④H4：等效于控制信號組合邏輯的單向可控環(huán)節(jié)；

⑤H5：等效于供電的源環(huán)節(jié)；

⑥HX：為外部某個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)，不屬于本模型。

3.1.1 DAC1230芯片仿真模型要求精確到元件層次

環(huán)節(jié)H3是由12位DAC寄存器和12位D/A轉(zhuǎn)換器兩個(gè)電路單元共同構(gòu)成的，該環(huán)節(jié)粒度級別高于仿真任務(wù)的分辨率需求，將12位DAC寄存器構(gòu)建為環(huán)節(jié)H31，12位D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)建為環(huán)節(jié)H32，則環(huán)節(jié)H31及環(huán)節(jié)H32具有串聯(lián)相關(guān)性，可以將環(huán)節(jié)H3解聚為H31、H32兩個(gè)新的環(huán)節(jié)，如下頁圖5所示。解聚后兩個(gè)環(huán)節(jié)均等效于單個(gè)元件，其粒度級別滿足仿真任務(wù)的分辨率需求。

環(huán)節(jié)H4是一個(gè)組合邏輯，是由12位輸入寄存控制邏輯和12位DAC寄存控制邏輯共同構(gòu)成的，該環(huán)節(jié)粒度級別高于仿真任務(wù)的分辨率需求，將12位輸入寄存控制邏輯構(gòu)建為環(huán)節(jié)H41，12位DAC寄存控制邏輯構(gòu)建為環(huán)節(jié)H42，則環(huán)節(jié)H41和環(huán)節(jié)H42具有串聯(lián)相關(guān)性，可以將環(huán)節(jié)H4解聚為H41、H42兩個(gè)新的環(huán)節(jié)，如圖5所示。解聚后的兩個(gè)環(huán)節(jié)均等效于單個(gè)元件控制邏輯，其粒度級別滿足仿真任務(wù)的分辨率需求。

經(jīng)過解聚后的模型粒度級別均滿足仿真任務(wù)需求，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對DAC1230芯片仿真模型結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。

圖5 第1種規(guī)劃的環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型

3.1.2 DAC1230芯片仿真模型要求精確到基本功能層次

如圖4中，環(huán)節(jié)H1等效于8位輸入寄存器的單向可控環(huán)節(jié)，H2等效于4位輸入寄存器的單向可控環(huán)節(jié)，兩個(gè)環(huán)節(jié)具有相同的輸入寄存器功能，環(huán)節(jié)H1和H2的粒度級別低于仿真任務(wù)的分辨率需求，在輸入寄存器功能限定下，H1，H2兩個(gè)環(huán)節(jié)具有并聯(lián)相關(guān)性，可以將H1，H2兩個(gè)環(huán)節(jié)聚合為一個(gè)新的環(huán)節(jié)H6，如圖6所示。聚合后的環(huán)節(jié)粒度級別滿足仿真任務(wù)的分辨率需求，據(jù)此實(shí)現(xiàn)對DAC1230芯片仿真模型結(jié)構(gòu)的規(guī)劃。

圖6 第2種規(guī)劃的環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型

3.2 通過粒度的單一性，修正DAC1230芯片環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型，優(yōu)化模型的工程可實(shí)現(xiàn)性

如圖4所示模型中，與圖3電路原理圖對應(yīng)，其環(huán)節(jié)輸出信號B如表1所示。

由表1可知，由于環(huán)節(jié)H3粒度不單一，該環(huán)節(jié)難以工程實(shí)現(xiàn)，因此，將環(huán)節(jié)H3解聚為環(huán)節(jié)H31和環(huán)節(jié)H32，其中環(huán)節(jié)H31輸出信號為2維，等效于信號IOUT1、IOUT2，環(huán)節(jié)H32輸出信號為1維，等效于信號Rn，則環(huán)節(jié)H31及環(huán)節(jié)H32具有并聯(lián)相關(guān)性，如圖7所示。解聚后兩個(gè)子環(huán)節(jié)的粒度具有單一性，其輸出信號為相關(guān)信號集，則這兩個(gè)子環(huán)節(jié)可工程實(shí)現(xiàn)。

表1 輸出信號特性表

3.3 通過粒度的透明性，修正DAC1230芯片環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型，優(yōu)化模型用于工程檢測的適應(yīng)性

如圖4所示模型中，與圖3電路原理圖對應(yīng)，其環(huán)節(jié)輸入信號A如下頁表2所示。

由表2可知，由于環(huán)節(jié)H3粒度不透明，該環(huán)節(jié)不易進(jìn)行工程測試，因此，將環(huán)節(jié)H3解聚為環(huán)節(jié)H31和環(huán)節(jié)H32，其中環(huán)節(jié)H3輸入信號為12維，等效于信號DO0～DO11，環(huán)節(jié)H32輸入信號為1維，等效于信號Vref，則環(huán)節(jié)H31及環(huán)節(jié)H32具有并聯(lián)相關(guān)性，如下頁圖7所示。解聚后兩個(gè)子環(huán)節(jié)的粒度具有透明性，其輸入信號為相關(guān)信號集，則這兩個(gè)子環(huán)節(jié)易于工程檢測。

綜上所述，通過用粒度作為評價(jià)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系的指標(biāo)，確定DAC1230芯片環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型，使DAC1230芯片環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型滿足仿真任務(wù)的不同層次及分辨率要求，并提高了其工程適應(yīng)性和可檢測性。

表2 輸入信號特性表

圖7 修正的環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型

4 結(jié)論

本文通過將模型按照功能域劃分為若干相關(guān)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系，采用粒度作為評價(jià)環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系的指標(biāo)，定義粒度的級別、單一性和透明性3個(gè)基本特性來確定該模型結(jié)構(gòu)并進(jìn)行修正，使環(huán)節(jié)及傳遞關(guān)系模型滿足仿真任務(wù)的不同層次及分辨率要求，并提高了其工程適應(yīng)性和可檢測性。

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