自動化技術(shù)在電子信息工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用研究

福州真蘭水表有限公司 俞清龍

本文對電子信息工程設(shè)計(jì)中自動化技術(shù)的應(yīng)用意義、應(yīng)用表現(xiàn)進(jìn)行分析，通過該技術(shù)的應(yīng)用，有助于工程設(shè)計(jì)朝著機(jī)械化、智能化、精確化的方向轉(zhuǎn)變，在工程設(shè)計(jì)中提高生產(chǎn)力的同時，節(jié)約更多成本投入。最后，以智能水表系統(tǒng)為例，闡述自動化技術(shù)在該系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方法，推動電子信息工程的穩(wěn)健發(fā)展。

在科技迅猛發(fā)展下，先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)出來，在電子信息工程設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手法相比可節(jié)約更多設(shè)計(jì)成本，促進(jìn)設(shè)計(jì)效率提升。以自動化技術(shù)為例，在電子工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可促進(jìn)設(shè)計(jì)成果朝著機(jī)械化、智能化方向轉(zhuǎn)變。為保障居民飲水安全，實(shí)現(xiàn)快捷繳納與支付等等，在自動化技術(shù)支持下智能水表系統(tǒng)被設(shè)計(jì)出來，支持一家一戶水表與階梯計(jì)費(fèi)等功能，為水利部門業(yè)務(wù)開展提供極大助力。

1 電子信息工程設(shè)計(jì)中自動化技術(shù)的應(yīng)用意義

自動化技術(shù)作為技術(shù)模式的一種，將控制技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等融合起來，是現(xiàn)代科技尖端級別的代表。其中，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論產(chǎn)生的影響最大，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。將自動化技術(shù)引入電子工程設(shè)計(jì)中，具有以下意義。

一是促進(jìn)工程設(shè)計(jì)機(jī)械化。自動化技術(shù)的主要優(yōu)勢在于依靠機(jī)器力量替代人力，達(dá)到解放生產(chǎn)力的目標(biāo)。在電子工程設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員不但要了解基本設(shè)計(jì)原理，還要充分掌握計(jì)算機(jī)應(yīng)用、信息工程設(shè)計(jì)等理論知識。電子工程作為電子信息、計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)晶，對設(shè)計(jì)工作機(jī)械化提出嚴(yán)格要求。該項(xiàng)技術(shù)在電子工程誰中的應(yīng)用不但有助于機(jī)電一體化，改變工程設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，還可將電子工程設(shè)計(jì)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，充分展現(xiàn)設(shè)計(jì)多元化、多功能等特點(diǎn)。

二是推進(jìn)工程設(shè)計(jì)智能化。以往電子工程設(shè)計(jì)主要借助人力完成信息開發(fā)、集成與應(yīng)用等工作，工作速度較慢，且出錯率高，無法滿足當(dāng)前工業(yè)化的信息需求。將自動化技術(shù)應(yīng)用后，可從根本上改變信息開發(fā)與處理方式，提高工程設(shè)計(jì)的智能化水平。通過將網(wǎng)絡(luò)、信息、計(jì)算機(jī)等技術(shù)相結(jié)合，可為處理與應(yīng)用高頻率、海量信息開創(chuàng)一條“綠色通道”，有助于工程設(shè)計(jì)智能化，促進(jìn)工作效率與準(zhǔn)確率的全面提升。

三是提高精確化水平。自動化技術(shù)將多種技術(shù)優(yōu)勢融合起來，達(dá)到單一技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的目的，充分符合電子工程設(shè)計(jì)的各項(xiàng)要求。在此類工程設(shè)計(jì)中，對信息處理、控制與應(yīng)用提出更高要求，單純?nèi)肆o法達(dá)到要求的精確度，而借助自動化技術(shù)便可順利達(dá)成。例如，在信號與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)對系統(tǒng)分析、信號分解等技術(shù)綜合掌握，此類設(shè)計(jì)的精度要求較高，需具備自動化特點(diǎn)。對此，設(shè)計(jì)人員便可將自動化技術(shù)引入其中，使整體工程設(shè)計(jì)取得巨大進(jìn)步，特別是在設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度方面更是有目共睹。

2 電子信息工程設(shè)計(jì)中自動化技術(shù)的應(yīng)用表現(xiàn)

2.1 電路分析設(shè)計(jì)

在電子信息工程設(shè)計(jì)方面，電路分析、計(jì)算機(jī)控制作為工程設(shè)計(jì)的核心所在，同時也是關(guān)鍵技術(shù)類型。自動化技術(shù)主要表現(xiàn)為三相電路、互感電路、雙口網(wǎng)絡(luò)等等，在電子工程設(shè)計(jì)中均發(fā)揮重要作用。此外，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)滲透到電子工程設(shè)計(jì)的方方面面，因其本身便是自動化技術(shù)的分支之一，也可將自動化技術(shù)應(yīng)用狀態(tài)充分展現(xiàn)出來。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

自動化技術(shù)的作用主要通過計(jì)算機(jī)展現(xiàn)出來，輔助設(shè)計(jì)（CAD）實(shí)則是自動化技術(shù)的衍生物，通過對計(jì)算機(jī)軟件、硬件與網(wǎng)絡(luò)綜合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程自動化目標(biāo)。在設(shè)計(jì)期間，設(shè)計(jì)人員只需將產(chǎn)品功能、規(guī)格與要求等數(shù)據(jù)輸入進(jìn)去，計(jì)算機(jī)便可自動分析、計(jì)算與設(shè)計(jì)，并將最終設(shè)計(jì)結(jié)果輸出?，F(xiàn)階段，CAD計(jì)算在紡織、服裝、機(jī)械與造船等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從廣義層面上看，CAD還涵蓋虛擬裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等，均可為電子工程設(shè)計(jì)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2.3 計(jì)算機(jī)集成制造

因電子工程設(shè)計(jì)的內(nèi)容眾多，工作較為復(fù)雜，需采用多項(xiàng)技術(shù)才可實(shí)現(xiàn)。對此，在實(shí)際工作中應(yīng)結(jié)合現(xiàn)實(shí)情況制定方案，特別是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，更要將計(jì)算機(jī)集成制造作用充分發(fā)揮出來，優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，確保整個設(shè)計(jì)過程精準(zhǔn)高效。對此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間應(yīng)引入計(jì)算機(jī)輔助設(shè)備，實(shí)現(xiàn)更加便捷合理的設(shè)計(jì)。值得強(qiáng)調(diào)的是，自動化技術(shù)的應(yīng)用雖然可優(yōu)化設(shè)計(jì)過程，但無法優(yōu)化整個工程，利用集成制作技術(shù)可將多個環(huán)節(jié)整合起來，構(gòu)建完善的系統(tǒng)，促進(jìn)信息高效傳遞，將自動化技術(shù)優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品創(chuàng)新。在此基礎(chǔ)上，可節(jié)約更多產(chǎn)品成本的投入，將更多時間與精力應(yīng)用到生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使企業(yè)在激烈競爭中取得更大優(yōu)勢，贏得更多經(jīng)濟(jì)效益。

3 基于自動化技術(shù)的智能水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該水表整體結(jié)構(gòu)包括7個方面，即主控單片機(jī)芯片，型號為MSP430F413，作為系統(tǒng)核心所在，主要作用是數(shù)據(jù)處理；電源管理與電路模塊，可為全部模塊供電；脈沖采集電路的作用在于，當(dāng)用戶用水時，傳感器采集脈沖信號后，將信息傳遞到主控芯片，開啟系統(tǒng)計(jì)費(fèi)。通信基站模塊作用在于為遠(yuǎn)程抄表提供無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸讀?。婚y門控制電路模塊，待用戶充值額度用完后，系統(tǒng)可自動關(guān)閉閥門進(jìn)行停水，待用戶充值后閥門便會自動開啟，恢復(fù)正常供水；LCD液晶顯示，用戶可實(shí)時查看水表相關(guān)信息，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能水表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 硬件系統(tǒng)

在自動化技術(shù)基礎(chǔ)上，智能水表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容。

（1）傳感器電路設(shè)計(jì)。為了讀取智能水表上的數(shù)據(jù)，在脈沖信號采集中采用“1＋1”模式設(shè)計(jì)雙簧管傳感器。技術(shù)原理為：在系統(tǒng)自動檢測數(shù)據(jù)期間，當(dāng)1個簧管獲取到用水信息后，系統(tǒng)便可自動記錄相關(guān)信息，再對其他管路的供水情況進(jìn)行檢測，只有在兩個簧管均正常運(yùn)行時，系統(tǒng)才具備信號采集、用水計(jì)費(fèi)等功能，傳感器設(shè)計(jì)有效減少人為因素、磁鐵干擾等產(chǎn)生的計(jì)數(shù)誤差。

（2）電磁閥門電路設(shè)計(jì)。為了有效控制智能電表的用水狀態(tài)，如供水、停水等，系統(tǒng)可利用電磁球閥驅(qū)動電路。在用戶水表信息采集時，如若處于欠費(fèi)狀態(tài)，電磁閥便會自動關(guān)閉，暫停供水；待用戶繳納相應(yīng)費(fèi)用后，電磁閥門便會自動開啟，恢復(fù)正常工會。為確保閥門因長期不轉(zhuǎn)動出現(xiàn)生銹情況，閥門定時器每月都會自動轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)，確保系統(tǒng)各模塊正常使用。

（3）LCD屏顯電路設(shè)計(jì)。為了便于查詢智能水表信號，使用戶隨時掌握自身用水信息，水表系統(tǒng)與LCD屏顯功能相連接，該項(xiàng)功能如下：一是顯示電磁閥門狀態(tài)，用戶通過查看閥門狀態(tài)，掌握自家供水情況；二是余額查詢，LCD可將用戶水量剩余情況實(shí)時顯示出來，便于用戶決定何時繳費(fèi)、確定繳費(fèi)金額等等；三是具備水表供電、階梯水價、異常報(bào)警等功能，依靠主控芯片中的LCD驅(qū)動器，將供水信息在LCD顯示出來，屏幕可選用100mm×80mm規(guī)格產(chǎn)品。

3.3 軟件系統(tǒng)

智能水表系統(tǒng)可采取與之相連的任意區(qū)域的信息，在自動抄送后存儲到控制中心，集中器可根據(jù)主站設(shè)置時間、時間間隔、抄收項(xiàng)目，并將數(shù)據(jù)存儲起來，軟件系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）統(tǒng)計(jì)功能。利用統(tǒng)計(jì)表記錄數(shù)值，根據(jù)定期計(jì)算處理，將所得結(jié)果通過直方圖、表格、數(shù)據(jù)庫等形式輸出，準(zhǔn)確計(jì)算損耗情況，并自動分?jǐn)偨o各個用戶；用戶可隨時查閱、檢索集中器內(nèi)的表計(jì)數(shù)值。

（2）管理功能。可分別查詢各表對應(yīng)的用戶信息。針對欠費(fèi)狀態(tài)下的用戶，主站可發(fā)布指令進(jìn)行遠(yuǎn)程通斷操控；針對預(yù)付費(fèi)狀態(tài)下的用戶，自動查詢余額信息并為用戶發(fā)送繳費(fèi)提醒，供用戶實(shí)時查詢，打印用水單據(jù)，對該區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)用情況進(jìn)行全面監(jiān)控，準(zhǔn)確判斷超負(fù)荷點(diǎn)、泄露點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)價格變動時，可及時更改響應(yīng)，系統(tǒng)未設(shè)置分級密碼，十分安全可靠。

3.4 實(shí)際應(yīng)用

將智能水表系統(tǒng)安裝在小區(qū)信息中心，用戶用水?dāng)?shù)據(jù)可經(jīng)過無線接口與信息中心內(nèi)的集中器相連，再將集中器利用GPRS技術(shù)與透明數(shù)據(jù)傳輸端連接起來，由傳輸端內(nèi)置嵌入式處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將協(xié)議封裝后傳遞到GSM網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，依靠GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞給相關(guān)管理部門的抄表系統(tǒng)中，將數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)與表數(shù)據(jù)實(shí)時相連。無線模塊采用遠(yuǎn)程喚醒傳輸模塊，與水表中的傳感器相連，可存儲采集水表的用量，剩余時間均為休眠狀態(tài)。當(dāng)傳感器檢測到信號后，模塊才轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，并自動計(jì)量，且模塊可不間斷的醒來，對外界是否存在喚醒信號進(jìn)行檢測，適用于抄表器抄取信息，當(dāng)檢測到喚醒信號后，則進(jìn)入到工作狀態(tài)等待指令，接收指令后開展后續(xù)工作。如此反復(fù)，可節(jié)約大量無線模塊的功耗，利用5號電池供電，可使用0.5—1年時間。

綜上所述，在電子信息工程設(shè)計(jì)中，自動化技術(shù)的應(yīng)用有助于豐富設(shè)計(jì)功能，將工程設(shè)計(jì)核心作用體現(xiàn)出來，獲取更多電子信息，加快發(fā)展速度。在智能水表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將自動化技術(shù)應(yīng)用到軟硬件設(shè)計(jì)工作中，豐富系統(tǒng)功能，可使電子信息工程整體進(jìn)步，走上智能精確化的發(fā)展道路，節(jié)約運(yùn)營成本，為水務(wù)企業(yè)謀取更多經(jīng)濟(jì)效益。