DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 引言 反事实思维是对过去已经发生了的事情，进行评价和决策后产生的一种心理模拟(mental simulation)。它通常是以条件句的形式进行表征，例如：如果我不那么懦弱(前提)，那么我就不会错过这段感情了(结论)。个体产生反事实思维，是为了和周围环境建立联系，这种联系可以帮助个体归纳总结过往经历，从而提取出有价值的信息。Byrne认为反事实思维是人类生存的关键，如果没有反事实思维，人们只能思考现实的问题，不会从多角度看待问题，不会拥有理想和希望，不会产生焦虑和担忧感，也不会体验内疚和后悔等情绪(Byrne & Tasso， 1999)。反事实思维是人类意识的重要内容，在高级认知活动中起着重要的作用，它是个体在可能世界和现实世界切换的重要媒介，有关反事实思维的研究早期大多是探讨反事实思维的产生机制、影响因素等，近年来随着交叉学科研究的不断深入，反事实思维也越来越受到各个领域的学者重视，既有利用脑认知神经技术去研究反事实思维的研究，也有从元认知框架去扩展反事实思维测量方式的研究，既有关注反事实思维功能的实证探讨，也有关于病理群体的反事实思维应用。本研究拟就反事实思维领域的最新进展进行概述。
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user: 2. 反事实思维的定义及分类 2.1. 定义 反事实的汉语字面意思就是与事实相反，是个体对过去发生了的事情进行替换的一种心理模拟过程。汉语中，与反事实思维字面意思相近的有虚拟思维、假设思维。自Kahneman等人于1982年提出至今 (Kahneman &Tversky， 1982)，国内学者纷纷给出了自己的定义，张结海、朱正才将其译为“假设思维”，是指对过去状态的一种假设，并直接将其与后悔情绪联系起来(张结海，朱正才，2003)。蒋勇则将其翻译成“虚拟思维”，其从“if……then”的虚拟条件句直译而来；他认为这种主要以虚拟语气表征的思维是虚拟思维(蒋勇，2004)。而陈俊等认为将其译为“反事实思维”更贴切、更符合其科学含义，他结合“prefactual”与“counterfactual”的对应关系，对虚拟条件句进行了拆解，认为虚拟思维或假设思维应该包含两部分，即对已发生的事情进行想象替换(counterfactual thinking)和还未发生的事情进行想象替换(prefactual thinking) (陈俊，贺晓玲，张积家，2007)。本研究采用陈俊等提出的反事实思维概念，认为虽然反事实思维和假设、虚拟思维都可以采用虚拟条件句进行表征，但反事实思维的内容并不是脱离实际的；相反，它是以现实为基础，强调前提和结论的内在联系，目的是为了预测、推理、进行因果归因，它可以帮助人们明确目的、改善行为、缓解情绪。而假设思维和虚拟思维则泛指所有与实际不相符的思维，不强求前提和结论之间需要满足何种条件，更多的是含有创造和想象的成分。 2.2. 分类 根据反事实思维的结构和内容，主要有以下几种分类。 根据命题前提的性质可以分为3种类型：1) 加法式(additive)：在前提条件中添加事实上并未发生的事件或未采取行动的事件。例如，在虚拟命题“要是当时能好好学习，就不会考不上大学了”中，“好好学习”是事实没有发生的，在反思时添加上去的；2) 减法式(subtractive)：在前提条件中删除某些已有的事件，然后重新进行建构。例如，“如果晚上不打游戏的话，我们早上就不会迟到了”；3) 替代式(substitutional)：这类比较少，是指直接用另一种前提去替代原来的前提。例如，“如果平时好好锻炼而不是打游戏的话，我的身体也不至于这么糟”。 根据反事实思维的方向可以分为：1) 上行反事实思维(upward counterfactual)：是指个体对已发生的事件不满意，想象其要是满足其他条件，可能会出现比现在更多的情况。例如，“要是我不那么粗心，那我肯定不会被骂”；2) 下行反事实思维(downward counterfactual)：是指个体总是会想象一个比现实更糟糕的情境。例如，“要不是考试前还看了点书，我肯定就及不了格”。 根据反事实思维内容可以分为：1) 自我聚焦(self-focused)：自我聚焦的反事实思维源自个体的自我层面，即个体长期的、稳定的人格和能力等方面，如“如果我不那么胆小，就不至于一事无成了”；2) 行为聚焦(behavior-focused)：行为聚焦的反事实思维关注的是个体的行为，即个体在某件事情中做或未做的行为，如“要是当初我能帮他把钱还了，或许他不会这么伤心”；3) 环境聚焦(situation-focused)：环境聚焦的反事实思维将关注的对象指向他人或无法控制的外在情景因素(天气、运气等)，如“要是那天不下雨，我就能赶上火车了”。
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user: 3. 反事实思维的测量 3.1. 反事实列表(Counterfactual List) 反事实思维作为一种带有反思性认知特点的心理活动，其测量往往很难客观统计，自Kahneman首次提出以来，大部分反事实思维的研究都沿用或改编其创造的情景故事脚本来诱发反事实思维的产生，并以反事实思维列表的方式来计算反事实思维产生的数量，以此评估个体反事实思维能力和类型特点。下面以一则改编自Kahneman的情境故事为例：小明偶然得知自己非常喜欢的一位歌手将于本月在他所在的城市开演唱会，并于明天开始售票，于是他决定第二天就去买票，谁知道第二天他睡过头了，一觉醒来已经快十点，小明想着这才刚开始售票，人应该不会很多，因此也没有着急，打算吃过午饭才去售票点买票，此时，小明的一个朋友打电话过来告诉小明，售票点排队的人特别多，要他赶紧过来不然就可能没票了。小明这才急忙收拾出门，来到车站，车刚好到站，到了售票点排队的人很多，等排到小明时，售票员告诉小明，座位较好的那几排票刚好到前面那个人卖完了，只剩下离舞台较远的票了。过后，小明常常想：“要是……就可以买到前排的票了！”或者“幸亏……不然连票都没了”。要求被试尽可能多完成类似的反事实思维条件句。之后，有研究者提出诱发产生的反事实思维并不能完全测出个体的反事实思维水平，应增加自发反事实思维的测量，采用自我报告法，要求个体从自己经历的事件中进行反事实思维，统计反事实思维数量，同时为了排除病理思维，增加了对思维合理性的测量，依据个体给出的反事实思维条件句中的前提，评定个体是否可能做到或前提是否可以影响结果的程度进行合理性评分：“0”代表个体不可能做到其产生的前提条件或其填写的前提根本不可能影响结果；“1”代表个体有可能做到其产生的前提条件或前提有可能影响结果；“2”代表被试肯定可以做到其产生的前提条件或前提条件可以影响结果。评分为“1”或“2”的反事实思维是合理的(Teigen & Jensen， 2011；魏娟娟，冯正直，刘庆英，黄赛，2009)。 3.2. 反事实效力(Counterfactual Potency， CP) 目前，反事实思维领域中比较有影响力的研究普遍通过反事实思维列表的形式呈现，并没有对反事实思维有效力进行综合的解释，虽然这种列表对提取信息，解释结果和作为预测而言是一种有效的方式。但其统计方法的概念是有问题的，不仅是因为它的理论粗糙，而且它缺乏清晰的定量分析和精确的预测价值。为了解决这个问题，Petrocelli等提出一种简单的概念化框架去定义反事实效力，同时其有助于更深入的理解反事实思维背后的加工过程(Petrocelli， Percy， Sherman， & Tormala， 2011)。这种概念整合下的反事实效力主要包括两部分：反事实条件句中知觉到的前提可能性(“if likelihood” or IL)和在给定的前提条件中，知觉到的结果可能性(“then likelihood” or TL)。这两部分之间的交互效应即为反事实效力(counterfactual potency， CP)。 IL和TL实际上更像是一个元认知结构，它们反映了判断和思考自己反事实思维的能力。在大量关于元认知的文献中，与反事实效力(CP)框架联系紧密的是思维可靠性(thought confidence) (Briñol & Petty， 2009)。思维可靠性在说服和阻抗过程中非常重要，它可以调节思维对态度的影响。尽管反事实效力(CP)与思维可靠性的结构不同，但相同的是它们都属于衡量个体思维可靠性的一种元认知结构。CP的测量主要通过被试提供的条件句中自己对前提和结论的所做的可靠性评价，评价采用1~9级评分，从一点都不可能到非常可能。例如：IL的测量主要是让个体从自己提供的条件句的前提中，主观知觉自己对前提实际发生的可能性，从而得出IL的等级评分，TL同理；因此，Petrocelli等提出反事实效力(CP)的公式为：CP = IL * TL。即只有前提和结果可能性都高时，反事实思维对情绪和决策才会有更强的影响。换言之，如果前提和结果中只有某一个得分高时，那么这类反事实思维效力也很弱，例如在经历飞机失事事件后，如果出现“要是能遇到外星人帮忙，也许飞机就不会失事了”的反事实思维，那么这对情绪和决策没有任何效力(Petrocelli， Percy， Sherman， & Tormala， 2011)。 综上所述，相比传统的只通过反事实思维数量的方式去解释反事实思维能力的大小，反事实效力(CP)的提出无疑促进了反事实思维发展，主要体现在以下两个反面：一、方法学上的进步，它采用定量的方式计算反事实效力(CP)的大小，可以非常直观地从数据对反事实思维进行评价，同时也能促进同类研究之间的比较；二、理论上的进步，它采用可能性判断替代因果判断去解释和综合大量的反事实思维现象，进一步发展了Spellman等关于人们如何通过可能性去估计决策行为的方法。
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user: 4. 反事实思维的功能 Roese把反事实思维的功能分为准备功能和情绪功能两个方面(Roese， 1997)。Smallman和Roese运用实验考查了行为意向功能，之后McCrea提出反事实思维的自我价值保护功能(Smallman & Roese， 2009; McCrea， 2008)。综合已有研究，本研究认为准备功能实为行为意向功能的基础，故将反事实思维功能归纳为情绪功能、行为意向功能和自我价值保护功能。 4.1. 情绪功能 个体经历了不满意的事件后，常常随之而来的是不好的情绪体验；在社会化的进程中，人们为了缓解这种负性情绪体验，往往会让自己想象一些可能的情况使自己感觉更舒服，这就是反事实思维的情绪功能，它通过比较效应来实现对现实的替换。后悔与庆幸是伴随反事实思维产生的一种特定的情绪体验，称为反事实情绪(童薇，阳泽，2014)。例如，小明平时没有好好学习，以致于期末考试没考好。尽管当时很难受，但他常常会想“至少我没有挂科……”，想象一个比现实更糟糕的情况让自己不那么难受。Johnson和Sherman对奥运会上亚军和季军的满意度进行了调查发现，亚军对成绩的满意度明显要低于季军，亚军常常处于“差一点就拿到金牌了”的上行反事实思维中，而季军则更多地会产生“差一点就拿不到奖牌”的下行反事实思维(Johnson & Sherman， 1990)。这个研究非常有意思，它提示我们，个体的满意度不仅会受到表现好坏的影响，同时也会受到反事实思维方向的影响。当然，个体体验的情绪除了与事件本身有关，还与个体的态度和人格有关，如自尊、对未来的关注程度等都对反事实思维的情绪功能有一定影响(陈秀兰，2010；Kray， George， Liljenquist， Galinsky， Tetlock， & Roese， 2016)。 4.2. 行为意向功能 就反事实思维的行为意向功能而言，大部分研究都发现，上行反事实思维容易诱发更强的动机去提高自己未来行为的成功，这也就说明上行反事实思维往往服务于个体的准备功能，同时上行反事实思维又容易产生不满意、失望等消极情绪，为了消除这种消极情绪，个体通常会有强烈的动机提高自己的行为表现(Smallman & Mcculloch， 2012; Petrocelli， John， Seta， Catherine， Seta， John， & Prince， 2012; Smallman， 2013)。因此反事实思维可以在情绪功能和行为意向功能上维持平衡。Smallman和Roese认为反事实思维影响行为主要包括内容中性(content-neutral)与内容特定(content-specific)通路(Smallman & Roese， 2009)。内容中性通路是反事实思维激活信息处理的通用方式，这是一种间接影响。同化效应、对比效应、心态、动机等都会通过它引发行为的改变，因为这些因素与反事实思维中的原始特定信息是相互独立的；内容特定通路是指反事实思维中的某些特定信息会直接引发行为的改变(杨青，陈姣艳，2012)。Epstude与Roese认为当两条通路互为有益时，反事实思维与行为之间的联系最强(Epstude & Roese， 2016)。 4.3. 自我价值保护功能 大量研究显示上行反事实思维和下行反事实思维所产生的结果是对立的，但反思评价模型(The Reflection Evaluation Model)认为个体关注反事实思维的可能性选择(即模型中的反思)比实际获得的结果(模型中的评价)更容易产生积极的情绪体验(上行反事实思维)和更强的提高行为表现的动力(下行反事实思维)。幻想更好的结果会产生积极的情绪体验，但同时也会降低提高行为表现的努力，这似乎与之前结论不一样，Bacon等探讨了幻想倾向(Fantasy proneness)与反事实思维之间的关系，发现具备幻想倾向特质的个体会产生更多的上行反事实思维，但却没有出现非常明显的行为改变动机(Oettingen & Kappes， 2009; Bacon， Walsh， & Martin， 2013)。因此，McCrea提出反事实思维的自我价值保护功能，他认为如果个体受成就动机驱使，那么出现上行反事实思维会导致个体体验到失望和自我愤怒，因为一个好的结果本应获得却没有获得。这种情绪会激发个体努力提高自己未来的表现(McCrea， 2008)。这个效果在反事实思维的研究中被大量证实。然而，如果个体受自我保护动机驱使，那么相同的思维通常认为不好的的表现是由于缺乏努力而不是能力或者天赋的缺乏。因此，个体可能在失败后延续自己同样的思维方式去保护自己的自尊(服务其情绪功能)，但这样会损伤自我提升动机。自我设限(Self-Handicapping)是个体用来保护自我价值的策略。自我设限是个体预期事情可能会失败时，就故意在其前进的道路上找寻、声称或创造某种看起来有说服性的障碍。McCrea发现自我设限情境中，会出现更多的上行反事实思维，帮助个体维持自尊，同时会降低对随后行为表现中的准备。
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user: 6. 未来研究展望 自上世纪80年代Kahneman提出反事实思维概念以来，国内外的学者对此做了大量的基础研究，为了解反事实思维提供了丰富的资料，但反事实思维作为一种独特的高级认知心理过程，其是自发产生的还是主要由认知因素影响的，目前仍不清楚。这可能与研究者对反事实思维的理解和采用的研究工具有所差异有关。在未来研究中，研究者可以尝试从以下视角进一步展开研究：首先是研究工具的确定，工具是推广和发展研究的重要媒介，但目前有关反事实思维的研究工具明显不足，仍然采用的是情景故事法，这种方法的操作过程带有很大的偶然性，实验过程很难控制，使得研究结果很难统一，这也是当下反事实思维研究比较混杂的原因之一，如果能在之后的研究中不断促进研究工具和测量方法标准统一，将能极大地促进反事实思维研究的深入开展；其次随着认知科学的不断发展，反事实思维与其他认知过程之间的关系非常值得探讨，虽然已有部分研究正在进行，但相关研究仍不够深入，例如，如何控制这些认知因素对反事实思维产生过程中的作用？最后是对反事实思维的应用推广，反事实思维主要以条件句的形式存在，同时通过不同的方向能调节情绪和行为，这种认知调节是否可以通过训练得到推广，从而应用到病理群体中，值得研究者们尝试。
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user: 摘 要 首先采用软件ABAQUS模拟齿轮喷丸加工，进行有限元仿真，作为对比分析，分别构造了25丸粒和49丸粒喷丸强化的三维有限元模型。其次，根据合理有效的喷丸强化有限元分析建立了喷丸强化后的微观表面的数学模型。该数学模型用来描述齿面喷丸强化后表面微观形貌。分析结果为齿轮全齿喷丸强化后润滑分析提供了理论支撑。对于改善齿轮的润滑性能有很强的指导价值和现实意义。 关键词 :喷丸，微观形貌，有限元仿真 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 齿轮传动在当代工业制造业里广泛应用，喷丸工艺是一种很好的大幅度提高齿轮的弯曲疲劳强度的措施。喷丸齿轮表面微观形貌对润滑特性的影响很大，当前粗糙度影响润滑的研究重点放在了机加工形貌对润滑特性的影响，而对齿面喷丸强化后形成的粗糙形貌对润滑的研究仅仅停留在试验阶段。 主要研究弹丸直径和喷丸强度对20Cr 2 Ni 4 A钢试样表层显微组织、残余奥氏体、残余应力、显微硬度、表面形貌、摩擦磨损性能和冲蚀性能的影响。利用ABAQUS软件研究了弹丸直径和喷丸速度对9310钢表层残余应力场和表面粗糙度的影响 [ 1 ] [ 2 ] 。表面喷丸强化技术是工程上应用最广的表面强化技术之一。通过喷丸强化技术在工件表面引入残余压应力，并改善工件表层组织结构，使工件表面的硬度和强度、抗疲劳性能以及抗应力腐蚀性能等均能得到显著提高 [ 3 ] [ 4 ] 。Nobre、Coelho等人研究发现齿轮经过喷丸强化处理后，表层显微硬度得到提高，组织得以改善，并产生较大的残余压应力，表面完整性得到改善，因此疲劳寿命得以提高 [ 5 ] 。S. A. Meguid和A. Gariepy等 [ 6 ] 建立了具有四个对称面的喷丸强化元胞模型，利用少量板材单元模拟了大量弹丸对板材的撞击过程。H. Y. Miao等人 [ 7 ] 采用类似的模型研究了多个喷丸工艺参数对残余应力分布的影响规律。建立了无对称面的三维喷丸强化模型，研究了弹丸撞击位置随机分布情况下，喷丸强度、覆盖率、粗糙度与弹丸数目的定量关系。 本文以揭示齿面喷丸微观形貌为目标，拟建立一种合理的描述齿面喷丸的微观形貌的数学模型，使其不局限于实验性的探究，为齿轮全齿喷丸强化后润滑分析做理论支撑，对于改善这种工况下的润滑性能有很强的指导价值和现实意义。
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user: 2. 有限元分析 本文运用ABAQUS/Explict有限元软件对喷丸强化进行有限元仿真，再利用Matlab对表面微观形貌进行数值模拟 [ 8 ] 。目的是为了获取齿轮喷丸后金属表面微观形貌的数值模型。同时也获得机加工表面形貌的数值模型。 2.1. 喷丸强化有限元模型建立 目前多弹丸喷丸强化有限元模型分为几种，本文借鉴9丸粒模型的建模方法，喷丸强化仿真采用了常用的25丸粒模型喷丸、典型的3D四层49丸粒偏置模型 [ 9 ] 。如图1所示。 2.2. 覆盖率对比 25丸粒模型喷丸强化时，喷丸形成的凹坑规则明显且独立，没有相互影响，因此可以单独研究凹坑对弹流润滑特性的影响。49丸粒模型喷丸强化时，齿轮表面原始形貌被完全破坏，其他影响喷丸效果的因素不再考虑，此时对喷丸齿轮弹性流体润滑的研究分析是最全面，最真实的(图2)。 图1. 49丸粒偏置有限元模型 图2. 两种模型覆盖率对比：(a) 25丸粒模型；(b) 49丸粒模型 2.3. 参数选取 试件材料为40Cr钢。弹丸材料选择铸钢丸。具体参数选择如下： 目标靶材力学性能参数：弹性模量210 Gpa、密度7800 Kg/m 3 、泊松比0.3、初始屈服应力800 Mpa、硬化模量1000 Mpa。库仑摩擦系数为0.2。 弹丸力学性能参数：弹丸直径0.5 mm、弹性模量210 Gpa、密度7800 Kg/m 3 、泊松比0.3。选择刚性体模拟，喷丸初始速度50 m/s。 2.4. 单元的选择和网格的划分 网格细化会造成计算时间长，消耗大量的内存和存储空间，同时为了让表面形貌模拟精确，尽可能的细化靶材表面网格。同时综合考虑后文Matlab数值模拟分析所需时间与精度，表面网格划分设置为100 × 100。从接触表面往下，将靶材划分成了四份，越往底层网格变得越稀疏。在不影响分析结果的条件下，提高运算效率，减少运行时间。如下图3所示。 图3. 喷丸有限元模型网格划分 2.5. 载荷和边界条件 由于本例只是截取的齿轮表面的一部分，因此四个侧面实际上并不是边界，这里本例将侧面法向位移设置为0，“固定”四个侧面。仿真采用库仑摩擦模型对弹丸与工件间相互接触进行描述，并设置摩擦系数为0.2。
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user: 3. 表面形貌描述 3.1. 表面微观形貌参数及表征方法 表面微观形貌是利用几何特征或者波峰波谷来表征，具体表达参数包括表面粗糙度、表面波纹度、表面纹理几何特征和表面缺陷。在机械制造领域，通常用表面粗糙度来衡量表面形貌的加工质量和精度。 3.2. 机加工表面形貌模拟 为了对比喷丸强化前后表面微观形貌的变化，本文利用Matlab模拟多个机加工表面形貌 [ 10 ] [ 11 ] 。假定齿面粗糙度分布函数为 S = R S cos ( 2 π x / w x ) cos ( 2 π y / w y ) ，R S 为余弦函数粗糙峰的幅值。其中R S = 3.2 μm比R S = 1.6 μm粗糙峰峰值非常大，波动情况一致(图4)。 3.3. 喷丸有限元仿真后表面形貌 3.3.1. 25丸粒模型的表面形貌 25丸粒模型中ABAQUS分析结果如图5所示。靶材微观形貌如图6所示。可以看出弹丸和靶材表面发生了碰撞并全部反弹，在靶材表面留下了许多规则的弹坑，这是因为弹丸是规则排列的。一个弹丸形成一个弹坑，弹坑之间没有形成相互的影响，25丸粒模型并没有完全改变了齿轮表面的微观形貌，在弹坑与弹坑之间，还有许多“平面”区域。本文研究25丸粒模型的喷丸模型，可以更直观的观察出单个弹坑对喷丸齿轮弹流润滑特性的影响。 图4. 机加工表面形貌 图5. 25丸粒模型喷丸有限元计算结果 图6. 25丸粒模型喷丸靶材表面结果 3.3.2. 49丸粒模型的表面形貌 49丸粒模型中ABAQUS分析结果如图7所示。金属摩擦表面形貌如图8所示。可以看出弹丸和靶材表面发生了碰撞并全部反弹，在靶材表面留下了许多规则的弹坑，这些弹坑相互叠加，相互影响，完全改变了齿轮表面的微观形貌。形成了喷丸强化微观表面标志性橘皮凹坑形貌。真实的喷丸强化覆盖率更高，喷丸强度更大，凹坑相互影响更多，且不规则，凹坑更加细密平滑。但总体形貌特点和此例中的表面形貌类似，此例中的表面形貌可以作为后续喷丸齿轮弹流润滑分析的喷丸强化后齿轮表面微观形貌研究依据。 图7. 49丸粒模型有限元计算结果 图8. 49丸粒模型靶材表面结果
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user: 4. 结论 本文首先对有限元理论在喷丸强化中的应用进行了比较详细的阐述，包括有限元软件的选择、有限元软件的建模，参数选取，网格划分，沙漏控制等有限元仿真时的关键技术；建立了25丸粒和49丸粒模型两个偏置多丸粒喷丸强化模型；对靶材采取了喷丸强化有限元的仿真，得到了喷丸强化后有限元模拟仿真结果。结果显示：25丸粒模型一个弹丸形成一个弹坑，弹坑之间没有形成相互的影响，25丸粒模型并没有完全改变齿轮表面的微观形貌。49丸粒模型中弹丸和靶材表面发生了碰撞并全部反弹，在靶材表面留下了许多规则的弹坑，这些弹坑相互叠加，相互影响，完全改变了齿轮表面的微观形貌，形成了喷丸强化微观表面标志性橘皮凹坑形貌，凹坑更加细密平滑。
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user: 摘 要 作物系数和水分生产效率是分析评估灌溉用水定额和灌溉效益的基础参数，本文基于滴灌灌区生产实际调研采用数理统计方法，对12种大田滴灌作物系数和灌溉水分生产率进行了分析，结果表明：全生育期滴灌春麦作物系数和水分生产率为0.79、1.52 kg/m 3 ；滴灌水稻作物系数和水分生产率为1.04、0.76 kg/m 3 ；滴灌土豆作物系数和水分生产率为0.74、8.08 kg/m 3 ；滴灌谷子作物系数和水分生产率为0.70、2.04 kg/m 3 ；滴灌大豆作物系数和水分生产率为0.83、0.87 kg/m 3 ；滴灌油菜作物系数和水分生产率为0.89、0.54 kg/m 3 ；滴灌葵花作物系数和水分生产率为0.85、0.82 kg/m 3 ；滴灌甜菜作物系数和水分生产率为0.64、17.05 kg/m 3 ；滴灌打瓜作物系数和水分生产率为0.78、0.55 kg/m 3 ；滴灌蕃茄作物系数和水分生产率为0.81、24.12 kg/m 3 ；滴灌胡萝卜作物系数和水分生产率为0.80、19.18 kg/m 3 ；滴灌苜蓿作物系数和水分生产率为0.80、4.15 kg/m 3 。分析结果为滴灌作物需水量及灌溉水分生产效率评估提供了参考依据。 关键词 :干旱灌区，滴灌作物，作物系数，水分生产率，分析 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 作物系数是分析作物灌溉用水定额的基本参数，过去对常规沟畦灌作物系数试验分析较多，随着滴灌节水技术的应用，滴灌作物系数近年有所研究 [ 1 ] 。田间试验滴灌春麦出苗、拔节、抽穗、开花灌浆、成熟各生育期作物系数分别为0.76、0.77、1.11、1.16、0.46，全生育期平均作物系数为0.87。田间试验结果表明 [ 2 ] 马铃薯初始生长期、生育中期和成熟期实测作物系数分别为0.3、1.06和0.72，生育中期作物系数最大。大田膜下滴灌玉米、向日葵灌溉用水制度试验研究表明 [ 3 ] ，生长初期、快速生长期、生长中期、成熟期，膜下滴灌玉米作物系数分别为0.16、0.72、1.25、0.41；膜下滴灌向日葵作物系数分别为0.19、0.78、1.26、0.32。近年滴灌枣树用水量及作物系数试验分析较多，黄土高原区滴灌枣树不同灌水量、不同灌水次数作物系数影响试验表明 [ 4 ] ，作物系数随灌水定额和灌水次数增加而增大，枣树萌芽展叶期、开花坐果期、果实膨大期、成熟期作物系数分别为0.47、0.65、1.15、1.13；陕西米脂县 [ 5 ] 试验观测枣树萌芽展叶期、开花坐果期、果实膨大期、果实成熟期作物系数分别为0.50、0.68、1.26、0.94；新疆干旱区成龄滴灌枣树田间试验表明 [ 6 ] ，萌芽展叶期作物系数0.74~0.86，开花坐果期作物系数1.24~1.36，果实膨大期作物系数1.22~1.45，果实成熟期作物系数0.63~0.92。综合滴灌枣树作物系数可以看出，不同地区生长枣树在不同生长期作物系数大小不同，但具有前期小生长中期增大生长后期减小的相同变化规律。灌溉水分生产率反映了作物灌溉用水效率，是衡量灌区农业生产水平、灌溉工程状况、灌溉管理水平的指标 [ 7 ] 。根据 [ 8 ] 1998~2010年灌溉水资源和粮食产出数据分析全国灌溉水分生产率为1.108 kg/m 3 ，表明我国粮食单方水产粮已过1 kg。地埋滴灌紫花苜蓿灌溉水分生产率试验结果表明 [ 9 ] ，地埋滴灌紫花苜蓿耗水量、产量和水分生产率均随灌水量增加而显著增加，灌溉水分生产率1.80 kg/m 3 。滴灌樱桃西红柿产量和灌溉水分生产率试验结果表明 [ 10 ] ，与沟灌相比灌溉水分生产率提高了31.2%；西瓜、棉花间作模式滴灌、沟灌灌溉水分生产率试验结果表明 [ 11 ] ，灌溉水分生产率比沟灌提高了14.9%、9.2%； [ 12 ] 采用统计资料、卫星遥感和地面气象数据相结合方法，分析2005~2013年间盘锦市稻田平均灌溉水分生产率为1.17 kg/m 3 。 综上，目前国内滴灌春小麦、玉米、马铃薯、向日葵以及枣树作物系数，滴灌苜蓿、樱桃西红柿、西瓜、棉花等灌溉水分生产率试验分析较多，其他滴灌作物尚未更多的研究报道，本研究基于灌区生产调查对12种作物滴灌作物系数和灌溉水分生产率进行了分析，为干旱区滴灌作物灌溉用水量和灌溉用水效益分析评估提供参考依据。
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user: 2. 材料与方法 2.1. 研究区概况 研究区位于新疆头屯河流域天山北坡准格尔盆地南缘昌吉滴灌农业区，87˚18'E、44˚01'N，平均海拔600 m。多年平均降水量181.7 mm、蒸发量1739.1 mm、平均日照时数7.8 h，平均气温13.1℃，≥0℃积温3834.3℃，属典型内陆干旱气候。灌区主要分布棕漠土，质地多为中、轻壤土，由实际样品检测结果分析，0 cm~30 cm耕作层土壤容重以及田间持水量分别为1.50 g/cm 3 ~1.60 g/cm 3 、20.1%~23.4%。灌区地下水埋深3.0 m~4.5 m，地表与地下水矿化度多年平均值均小于1 g/L，耕层土壤全盐含量0.10%~0.20%属于非盐渍化，土壤pH值8.7碱性。耕作层土壤有机质含量在1.05%~1.95%，多年平均1.51%，土壤肥力中偏下，多年平均土壤全氮、全磷、全钾分别为0.09%、0.07%、1.51%，土壤养分表现为缺氮少磷钾富状态。 2.2. 灌区调查方法 灌区种植作物有20余种，本研究对种植的春小麦(新春6号)、水稻(新稻11号)、土豆(费乌瑞它)、谷子(SF黄金谷)、大豆(95-33)、油菜(塔油2号)、葵花(高油王DK567)、甜菜(丰甜2号)、打瓜(SWBB-01)、蕃茄(利丰早熟)、胡萝卜(驰诚黄)、苜蓿(紫花)，即12种滴灌作物农业种植技术灌溉用水量和滴灌作物产量及气象数据等进行调查统计。滴灌作物主要施尿素和速溶性二铵滴灌肥，施肥3次分别在作物生长前期(5月上旬)、中期(6月中旬)及中后期(7月上旬)实施，施肥量375 kg/hm 2 ~450 kg/hm 2 。滴灌田间采用“覆膜1管2行”即1条毛管(滴灌带) 2行作物滴灌方式，春麦、水稻、土豆、油菜、胡萝卜、苜蓿6种作物田间不铺地膜滴灌，其他6种作物为膜下滴灌方式。滴灌农田气象数据由田间自动气象站采集，滴灌作物灌溉单位面积用水量、作物不同生育生长阶段时间、滴灌作物单位面积产量、不同作物产量收购价格等基本情况，均为灌区实际调查统计。 2.3. 分析研究方法 参考作物蒸发蒸腾量，按彭曼–蒙特斯(Penman-Monteith)公式分析 [ 13 ] ： E T o = 0.408 ⋅ Δ ⋅ ( R n − G ) + γ ⋅ 900 T + 273 ⋅ u 2 ( e a − e d ) Δ + γ ⋅ ( 1 + 0.34 ⋅ u 2 ) (1) 式中：ET 0 为参考作物蒸发蒸腾量，mm/d；∆为温度–饱和水汽压关系曲线在T处的切线斜率，kPa/℃；R n 为净辐射，MJ/m 2 ·d；G为土壤热通量，MJ/m 2 ·d；γ为湿度表常数，kPa/℃；T为平均气温，℃；u 2 为2 m高水平处风速，m/s；e a 为饱和水汽压，kPa；e d 为实际水汽压，kPa。 由式(1)看出需要计算参数较多，为了简化采用水利部灌溉试验总站计算软件分析，利用当地平均气温(T)、水气压(e d )、2米高处风速(u 2 )、日照时数(n)气象参数分析计算得ET 0 值。 作物系数为滴灌作物生育期或某阶段需水量与参考作物蒸发蒸腾量比值，按下式分析： K C = ∑ i = 1 n E T i / E T 0 i (2) 式中：K C 为作物系数；i为作物生长的第i阶段；n为作物生长划分的阶段数目；ET i 为作物生长的第i阶段需水量，mm；ET 0i 为作物生长的第i阶段参考作物蒸发蒸腾量，mm。 作物需水量、参考作物蒸发蒸腾量、作物系数关系如下： E T = E T 0 ⋅ K C (3) 式中：ET为作物需水量，mm；ET 0 为参考作物蒸发蒸腾量，mm；K C 为作物系数。 滴灌作物水分生产率，表征作物单位面积产量与该作物全生育用水量比值，反映单方水量可以产出作物产量水平，按下式分析 [ 14 ] ： ŋ 产 = Y i / E (4) 式中：Y i 为某种作物单产，kg/hm 2 ；E为该作物全生育期灌溉用水量，m 3 /hm 2 。 调查统计数据利用Excel 2007进行分析绘制图。
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user: 4. 结论与讨论 4.1. 结论 灌区滴灌作物调查分析结果表明，全生育期滴灌作物系数及其大小为：旱作水稻1.04、油菜0.89、葵花0.85、大豆0.83、蕃茄0.81、胡萝卜0.80、苜蓿0.80、春麦0.79、打瓜0.78、土豆0.74、谷子0.70、甜菜0.64。旱作水稻作物系数较大，油菜、葵花、大豆、蕃茄、胡萝卜和苜蓿作物系数0.80以上，春麦、打瓜、土豆、谷子和甜菜作物系数相对较小在0.65~0.70之间。由于滴灌作物灌溉需水量不同灌溉水分生产率大小差异变化较大，分析的12种滴灌作物水分生产率为0.54 kg/m 3 ~24.12 kg/m 3 ，其中滴灌油菜水分生产率最小其值为0.54 kg/m 3 ，最大为工业番茄24.12 kg/m 3 。 4.2. 讨论 经灌区调查统计分析获得了12种滴灌作物系数，以及滴灌作物灌溉水生产效率，为滴灌作物在缺少需水量基础资料条件下，利用当地相关气象信息估算作物需水量，以及评估滴灌不同作物灌溉水生产效率提供了基本参考数据。文中数据分析主要源于灌区不同滴灌作物的调查统计，为进一步提升灌区多数滴灌作物系数和灌溉水分生产效率研究分析效果，可在灌区调查统计分析基础上进一步结合田间试验方式开展测验，以获得数据较为充实全面的相关试验研究分析结果。
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user: 摘 要 由于大气的摩擦和周围流场的对流换热作用，整流罩的温度升高，其产生的气动热辐射效应被红外传感器所接收，形成辐射干扰，使得背景亮度增加，降低了系统对目标的检测和跟踪能力。一般都是用MATLAB软件基于图像处理方法和光线追迹法等常用的红外成像传感器建模仿真方法得到的。针对这种复杂建模仿真的情况，本文将提出一个更快速、简便的新系统红外仿真方法，即利用TracePro软件对整流罩温度场和红外辐射进行建模仿真，将实验结果与前人进行对比分析，最终得到了与前人一致性非常高的仿真数据，说明此方法可以更快速简便地实现红外辐射仿真。 关键词 :TracePro红外辐射仿真 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 高速飞行器的整流罩受气动热效应影响对成像系统产生辐射干扰，使得红外图像的背景噪声增加、降低图像信噪比，光学成像探测系统成像质量下降。所以非常有必要去除由整流罩引起的红外热噪声，而除去噪声的首要条件是对整流罩产生的温度场进行正确分析。目前绝大多数温度场建模以及红外成像系统仿真都是基于MATLAB软件来实现的，可以保证实验数据准确性，同时不可避免计算步骤复杂，计算时间长等问题。本文将提出一个新的更快速、简便的实现方式，首先对整流罩气动热辐射效应的温度场分布进行建模，实现整流罩的气动热辐射效应的仿真，然后建立整流罩红外辐射模型。最后进行整流罩热噪声对成像质量影响的建模及仿真。
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user: 2. 整流罩温度场建模 飞行器整流罩受气动热效应影响产生红外辐射，导致红外图像噪声增加。当红外噪声从整流罩透射到光学系统，再在光学系统中经过反射，呈现在探测器上，增加图像噪声。假设整个系统无任何辐射吸收情况，建立整流罩气动热辐射仿真流程见图1。 图1. 整流罩气动热辐射对成像的影响 2.1. 整流罩的温度分布 高速飞行器在大气层内以声速或超声速飞行时，整流罩的气动热效应非常严重，整个整流罩表面气动热分布是不均匀的，整流罩的温度分布也是不均匀的，与整流罩的换热边界条件相关，且随着飞行时间而发生变化。因此，在计算整流罩热辐射效应时，不能将其近似成一个温度分布均匀的漫射灰体。为精确描述头罩温度场的分布情况，可将光学头罩看成具有不同温度的单元组成，采用不规则网格对头罩温度场进行划分 [ 1 ] 。 利用MATLAB软件模拟上述飞行器在高速飞行状态下，光学头罩受气动热效应的温度场分布。首先采用有限差分法从空间和角度对整流罩进行划分。然后利用有限差分方法、初始条件和表面的边界条件建立温度场控制方程，并联立求解，见图2。 图2. 整流罩模型网格划分图 2.1.1. 导热基本定理 [ 2 ] [ 3 ] 1) 导热过程： 导热过程是指热量由温度较高的区域转移到温度较低的区域的过称。 Q = λ Δ t δ F Q为热量，单位为W；Δt为平壁两侧面的温度差，℃；δ为平壁的厚度，m；F为平壁的面积，m 2 ；λ为导热系数。 2) 对流换热 由于流体微团改变空间位置所引起的流体和固体壁面之间的热量传递过程。 Q = α ( t w − t f ) t w ， t f 为壁面和流体的平均温度，单位为℃； ∂ 是平均对流换热系数。 3) 热流密度 如果忽略热扩散，不计算辐射传热，对于等扩散系数混合气体，在整流罩表面能量输运时，热流密度既与温度有关，同时也与浓度有关： ( − q w ) = ( μ P r ∂ h ∂ y ) w + [ μ P r ( L e − 1 ) ∑ i h i ∂ C i ∂ y ] w P r 称为普朗特数。 4) 传热过程 [ 4 ] 物体的传热过程分为三种基本传热模式，即：热传导、热对流和热辐射，热量从高温向低温的传递就称为传热过程。 K = 1 / ( 1 h 1 + δ λ + 1 h 2 ) K——传热系数，W/(m 2 ∙℃)； h 1 ， h 2 ——围护结构两表面热交换系数，W/(m 2 ∙℃)。 2.1.2. 仿真过程 在球坐标系下，整流罩节点差分方程： T r ， θ ， φ k + 1 = α Δ τ Δ r 2 ( T r − 1 ， θ ， φ k + T r + 1 ， θ ， φ k ) + 2 α Δ τ r ⋅ Δ r T r + 1 ， θ ， φ k + α Δ τ r 2 sin 2 φ Δ θ 2 ( T r ， θ − 1 ， φ k + T r ， θ + 1 ， φ k ) + α Δ τ r 2 Δ φ 2 ( T r ， θ ， φ − 1 k + T r ， θ ， φ + 1 k ) + α cos φ Δ τ r 2 sin φ Δ φ T r ， θ ， φ + 1 k + ( 1 − 2 α Δ τ Δ r 2 − 2 α Δ τ r ⋅ Δ r − 2 α Δ τ r 2 sin 2 φ Δ θ 2 − 2 α Δ τ r 2 Δ φ 2 − α cos φ Δ τ r 2 sin φ Δ φ ) T r ， θ ， φ k 整流罩边界条件： T r ， θ ， φ k + 1 = h Δ τ ρ c Δ r T 1 − λ Δ τ ρ c Δ r 2 T r − 1 ， θ ， φ k − λ Δ τ ρ c r 2 sin φ Δ θ Δ φ T r ， θ ， φ + 1 k − λ Δ τ ρ c r 2 sin φ Δ θ Δ φ T r ， θ + 1 ， φ k + ( 1 − h Δ τ ρ c Δ r + λ Δ τ ρ c Δ r 2 + λ Δ τ ρ c r 2 sin φ Δ θ Δ φ + λ Δ τ ρ c r 2 sin φ Δ θ Δ φ ) T r ， θ ， φ k 2.1.3. 仿真实验结果 当飞行器飞行马赫数为1、1.5、2、2.5时，整流罩温度分别为228 K、330 K、373 K、473 K。利用MATLAB软件对整流罩温度场进行分析。分别得到4个不同整流罩温度的温度场分布图，见图3。 通过图3仿真结果可以看出，当飞行器飞行速度在2.5 Ma时，整流罩大部分面积的温度在450 K以上，而真实情况下，飞行器飞行速度会达到3 Ma以上，整流罩温度将会远高于450 K，对系统产生很大影响。由此可见，整流罩的气动加热现象非常明显，气动热使整流罩温度变得很高。 2.2. 整流罩红外辐射计算 [ 5 ] [ 6 ] 2.2.1. 红外辐射理论基础 整流罩红外辐射可以根据红外辐射的基本定律得到： 1) 普朗克定律 M b λ = c 1 λ 5 1 e c 2 λ T − 1 2) 斯蒂芬–玻尔兹曼定律 M = ∫ 0 ∞ M λ d λ = σ T 4 3) 距离平方反比定律 E = d Φ d A = I d 2 图3. 不同运动速度下整流罩温度云图 4) 扩展源产生的辐射照度 如果探测器视场角达到 π ，辐射源面积又充满整个视场(如在室外工作的红外装置面对的天空背景)，则探测器表面上产生的辐射照度等于辐射源的辐出度，即 E = M 2.2.2. 仿真过程 根据以上定律计算红外辐射： θ 1 = arctan ( R sin θ d 1 + d 2 − ( R − R cos θ ) ) E = I cos θ 2 cos θ 1 ( R sin θ sin θ 1 ) 2 2.2.3. 仿真实验结果 预设目标及其辐射通量见图4。 图4. 目标辐射通量 通过仿真结果(见图5)可以看出，当飞行器飞行速度不断增加的时候，整流罩辐射强度增长变化率也在不断地迅速增大。整流罩温度达到450 K以上的时候，由温度变化引起的整流罩辐射强度将大于目标辐射强度，即其产生的气动热噪声完全将目标信息淹没。 图5. 不同温度下的整流罩辐射强度坐标图
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user: 3. 整流罩红外辐射的建立与仿真 TracePro是一款基于蒙特卡罗法的非序列光线追迹软件，普遍用于照明系统、光学分析、辐射分析及光度分析。TracePro可采用“普适光线追迹”技术来追击辐射，可以引入一个辐射源辐射到一个设定好的模型上，在模型内部和界面处没有额外的损耗，在每个界面上，辐射遵从吸收、反射等定律。相对于传统的MATLAB软件建模仿真方式，TracePro软件可以仿真辐射在模型中不同的传播路径时，还可追踪其辐射通量以及辐射吸收量情况，特别是它能够对真实场景计算和显示。可以利用TracePro建立实体模型，设置辐射源、光学系统、探测器以及相关光学参数和辐射参数，对整个系统进行模拟仿真。辐射源是一切辐射系统的根本，所以首先就是建立辐射源，其次建立卡塞格林光学系统 [ 7 ] ，最后设置一个接收面。本文将飞行器整流罩作为辐射源进行设计。 3.1. 整流罩红外辐射建立模型 3.1.1. 辐射源建立 本文辐射源拟用外形为半球形的整流罩。先对整流罩模型进行设定：半径设为400 mm，厚度为8 mm，表面材料设定为氟化镁材料，发射形式拟定为光照度，表面温度根据飞行速度而设定，分别为288 K、330 K、373 K、473 K (图6)。 对整流罩进行有限元法进行划分，本文划分微元不同于传统模式的不规则四边形有限元划分方式，采用以圆环的新微元划分方式，简化步骤快速实现对整流罩进行辐射模拟。分别对每一个微元圆环面计算设定。 3.1.2. 光学系统建立 本文拟用卡塞格林系统作为光学系统。设置其表面材质为lens材质。 图6. 整流罩辐射强度划分 本文仍使用最简单的由主镜为抛物面和次镜为双曲面组成的卡塞格林系统，结构见图7。 图7. 卡塞格林光学系统模型 在双反射系统中，由于次镜的存在，都要发生遮拦现象。遮拦比 ∂ 用来描述遮拦程度的量。即 ∂ = D 2 D 1 由反射镜焦距公式和组合系统焦距公式可知 f ′ 1 = r o 1 2 = f 1 f ′ 2 = r o 2 2 = f 2 f ′ = − f ′ 1 f ′ 2 Δ = f ′ 1 f ′ 2 f ′ 1 − f ′ 2 − d = f 3.2. 整流罩红外辐射仿真过程 整流罩安装在红外探测系统的最前面，整流罩截面与成像面平行，并且整流罩中心、光学系统中心和接收面中心在同一条直线上。利用Monte Carlo法 [ 8 ] 对所有进入卡塞格林光学系统的光线进行追迹。在计算中，跟踪记录每一部分辐射的行踪直到它被系统接收。然后再跟踪下一部分辐射，通过跟踪大量的辐射，就可以计算出接收面入射光线的数量、总光通量的数值以及整流罩的辐射通量在接收面的分布情况。 3.3. 仿真结果 通过对飞行器整流罩的建模和仿真，分析了高速运动下整流罩的气动热效应对红外成像的影响。对不同飞行速度下的飞行器整流罩进行建模和气动热辐射仿真，将整流罩气动热看作是红外背景热噪声，研究导引头整流罩气动热对红外成像结果的影响。根据距离平方反比定律计算接收面上的辐射照度，并进行灰度量化。结果见图8。 图8. 不同温度下的整流罩辐射强度分析图 由图8~9可知，在TracePro软件中得到的整流罩辐射强度结果与在MATLAB软件中得到的整流罩辐射强度数值完全一致。说明TracePro软件也可以用来进行红外辐射仿真，而且TracePro软件相比较于MATLAB软件有建模更简单、计算更快速、仿真更快捷等优点。同时，对在TracePro仿真的结果进行分析，可以看出整流罩的红外辐射产生的热背景，使探测器所成的像的亮度增加，造成图像模糊，甚至，整流罩的温度升高到一定温度时，将使探测器产生饱和，即产生所谓的热障问题。因此，红外成像系统要正常工作，就必须采取必要的措施。 图9. 不同温度下的整流罩辐射强度图
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user: 4. 整流罩热噪声对成像的影响 整流罩经过气动加热后温度升高，辐射到红外探测器阵列上成为一种背景噪声，使红外成像的质量下降。设定整流罩与接收面相距为580 mm，不考虑光学系统的折射效应，整流罩表面温度均匀，对不同温度整流罩影响下的红外图像进行仿真，仿真结果见图10。 图10. 不同整流罩温度下，目标红外仿真图像 通过图10仿真结果看出，当整流罩温度在330 K以下时可以清晰地分辨出红外图像中的预警机目标，随着红外成像探测系统载机飞行速度加快，整流罩温度升高，达到400 K以上时，红外仿真图像中背景变亮，目标变得很模糊。当整流罩的温度高到一定程度时，目标信号会被背景噪声完全湮没，从图像上无法对目标进行识别，需要将整流罩温度控制在一定范围内，才可保证红外成像的有效性。
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user: 5. 总结 本文的红外辐射及热噪声对成像影响的仿真结果与前人 [ 1 ] [ 9 ] 的仿真结果一致性很高。而且目前一般都使用MATLAB根据相关公式对温度场和红外辐射进行模拟计算，所以从本文的仿真结果来看，证明了利用TracePro软件进行红外辐射建模仿真这一新思路是可行的，为红外成像系统仿真提供了一个实现方式新思路。相对于传统方式，本文新方式无需编程等复杂步骤，极大地缩短了建模仿真时间，简化了实现过程，同时还可以得到准确的实验数据。利用新建模方式的优点，可以为后续图像降噪以及目标识别节约更多的时间。
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user: 摘 要 为满足具有多个RS422串口的硬件产品平台研发和调试，本文研制一种多RS422串口服务器，连接计算机与被调试产品。该服务器以Xilinx的Zynq为核心，配合相应的外围接口芯片，实现了网口到多串口的扩展，串口特性的动态可重配，以及实现了串口的非标准波特率。 关键词 :串口服务器，Zynq，动态可重配，非标准波特率 Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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user: 1. 引言 RS422串行总线采用差分传输的方式，其传输速率最大可达到10 Mbps。因其总线的可靠性、通信协议的简单性以及对硬件要求不高，所以在当前各类工业系统平台上具有广泛应用。 当前，现有的大多数串口服务器采用USB转串口的模式，该模式存在两点不足：无法实现较长距离的数据传输和无法完成非标准波特率的串口数据传输 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 。 针对此状况，本文研制一套基于Xilinx公司的Zynq芯片为核心的多功能串口服务器。该服务器由以太网口转换出多个RS422串口(以下简称422)，既通过网线实现了长距离数据传输，又充分利用Zynq的灵活架构，完成了标准和非标准波特率兼顾的422串口数据传输。
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user: 2. 组成框图及原理 2.1. 组成框图 多功能串口服务器组成框图如图1所示。 图1. 多功能串口服务器组成框图 2.2. 工作原理 多功能串口服务器以Zynq为主控核心，主要功能是通过网口接收计算机的指令，并将指令解码分发给各422端口，同时将各422端口的返回数据打包，再通过网口反馈给计算机。 当前，Zynq作为Xilinx公司新一代的FPGA，内部除了常规的FPGA的资源外，还集成了ARM硬核，这使得其既具有通信和控制上的灵活性，同时也具有逻辑上的实时性。基于该平台的串口服务器，充分利用了Zynq内部的这两种资源，并通过AXI (Advanced Extensible Interface)总线完成两种资源之间的数据交互，实现了波特率的动态重配，同时也实现了特殊波特率通信。 首先，计算机通过以太网与Zynq中的ARM进行通信，然后ARM通过内部AXI总线与FPGA进行数据交互，最终再由FPGA来完成对外的422数据输入输出。 数据下传时，ARM通过以太网获得计算机端数据，经解码和校验正确后，会根据数据包中格式字的不同被分为三种类型：指令包、标准波特率422数据包和非标准波特率422数据包。其中，指令包用来对串口的通信波特率、校验等进行配置；标准波特率422数据包则在ARM中进行打包，然后通过AXI总线传输给FPGA，并调用FPGA中的IP模块axi_uart16550，将数据进行串行化并输出；非标准波特率422数据包同样也在ARM中进行打包并通过AXI总线传输，但由于FPGA中的axi_uart16550只能完成标准波特率的数据传输，所以，针对所需要的非标波特率，需在FPGA内采用自定义模块，根据协议来完成数据的串行化，并分配给相应的端口输出。 数据上传时，首先由FPGA从各个端口接收串行数据，同样，包括标准和非标准波特率422串行数据，标准波特率的由IP模块axi_uart16550完成串并转换并通过AXI总线传输到ARM，非标准波特率则采用用户自定义的串并转换模块完成转换，再通过AXI总线传输给ARM。上传数据在ARM汇总后，进行重新打包，再通过以太网传输至计算机。
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user: 3. 设计实现 3.1. 硬件及接口设计实现 硬件系统采用Xilinx公司的Zynq系列XC7Z020为核心，配合相应的外围驱动及接口芯片构建。框图如图2所示。 图2. 系统硬件框图 Zynq系列作为Xilinx公司新一代的FPGA，其内部由两个主要部分组成：一个由双核ARMCortex-A9构成的处理系统和一个等价于一片FPGA的可编程逻辑部分。另外还具有集成的存储器、各种外设和高速通信接口等 [ 4 ] 。 FPGA部分适合用来实现高速逻辑、算术和数据流子系统，而ARM支持软件程序和操作系统，这使得任何被设计的系统功能可以恰当地在一块芯片上做出硬件和软件之间做出划分。FPGA和ARM之间的链接采用了高速的工业标准的高级可扩展接口AXI连接方式，如图3所示。 为提高Zynq输出接口的驱动能力，硬件设计上采用了TI公司的74lvc164245数字驱动芯片，不但提高了接口驱动能力，同时对外起到隔离保护作用。接口芯片的作用则是完成信号的差分和单端之间相互转换的功能。 图3. Zynq内核架构示意图 3.2. ARM部分设计实现 ARM部分的编译环境采用了Xilinx SDK ® 。设计中，ARM作为一个中间单元，充分发挥其在通信上的灵活性，调用其中的网口驱动子模块，来完成与上位机的通信 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 。为提高通信速率，网口通信协议采用UDP格式。由于UDP协议本身存在信息传输上的不可靠性，所以在用户层的信息帧格式中，添加了帧流水号和帧尾的和校验。 为使得系统兼顾专用性和通用性，在设计上，将422分为两部分实现。一部分422驱动内核采用ARM实现，另一部分则采用FPGA实现。工作中，ARM接收计算机通过网口发送来的指令帧和数据帧，若为指令帧，则解析出指令帧中的指令码，根据指令码的不同来完成相应的工作，这其中包括：串口选择、串口配置(波特率，校验方式配置)等；若为数据帧，则分两种状况：标准波特率422数据帧，先在ARM中完成422的协议实现，然后经由AXI总线传输给FPGA来最终输出(由于系统中，Zynq的422对外接口均是从其FPGA部分的硬件管脚引出)；如果是非标准422数据帧，则ARM不做处理，直接打包通过AXI总线传输给FPGA，由下级的FPGA负责协议实现和驱动输出。 3.3. FPGA部分设计实现 FPGA作为ARM的下游设备，负责高速和通用422信号的最终对外交互，编译环境选用Xilinx公司的Vivado ® 。 标准波特率422信号驱动协议层已由ARM部分完成，串行数据通过AXI总线传输给FPGA。在FPGA端，只需在图形界面Block Design中，调用AXI总线IP模块axi_uart16550，如图4所示，便可将该串行指令通过FPGA的硬件端口uart_rtl对外进行数据交互 [ 7 ] 。IP核的个数根据422端口需要可配置多个。这一类串口的特点是：协议层由ARM完成，灵活性强，可通过网口动态重配。 图4. axi_uart16550 IP核接口图 由于ARM受到内部寄存器配置及工作时钟的限制，所以无法驱动和处理一些非标准波特率的串行信号。而FPGA因其具有很好的实时性和灵活的时钟配置，使得在一些特殊以及较高波特率的工程应用中，就需要由其来完成底层协议工作。系统中，首先，由ARM判断解码出来的数据，如果属于非标准波特率数据，则直接打包，通过AXI总线发送给FPGA进行处理。FPGA在收到总线上的数据后，先进行解码，解析出需要串行化输出的数据(数据位宽一般为8bit)，然后，按照设定的波特率将数据串行化输出到芯片引脚。同样，在接收外部输入的串行数据时，FPGA采用特定的波特率时钟对串行数据进行并行化处理，转换成8bit位宽的数据，再进行打包，通过AXI总线传输给ARM。FPGA的底层驱动程序中，有一个模块专门负责生成串口波特率时钟，其基本原理是采用时钟计数的方式，根据工程需求，灵活配置波特率 [ 8 ] [ 9 ] 。
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user: 4. 实验验证与分析 针对标准和非标准波特率的端口，采用了两种不同的通信回路进行实验验证。 4.1. 标准波特率通信实验验证 该类端口的验证采用了USB转422数据转接器来进行辅助验证。具体连接关系如图5所示。 图5. 标准波特率验证实验接线图 实验中，用网线将串口服务器和计算机相连接，然后将一路422端口波特率配置为115，200 bps，再通过USB转422数据转接器连接至计算机。计算机端采用网络调试助手发送数据，串口调试助手接收返回的422数据，测试结果如图6所示。图中，左侧的网口发送数据和右侧串口接收数据一致。 图6. 以太网发送和422串口接收数据对比图 4.2. 非标准波特率通信实验验证 由于采用的非标准波特率，所以无法接至计算机端采用串口调试助手进行观测，所以实验中采用路由器自闭环的方式进行验证。具体连接关系如图7所示。 图7. 非标准波特率验证实验接线图 实验中，用网线将串口服务器和计算机相连接，然后将通信接口1的一路422和通信接口2的一路422波特率配置为2 Mbps，并在硬件接口处闭环短接(通信接口2的422线路进行了收发交叉)。计算机端采用网络调试助手发送和接收数据，测试结果如图8所示，图中，下方的发送数据和上方的接收数据一致。 图8. 以太网发送和接收数据对比图 4.3. 实验结果分析 上述实验结果表明，该串口服务器可实现标准和非标准波特率的发送和接收，且数据传输稳定。
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user: 5. 结论 相比于市场上的大多数采用USB转串口的服务器，该服务器采用了以太网，实现了长距离的串行数据传输；同时，相比于现有的只采用FPGA或微处理器实现的串口服务器，多功能串口服务器在设计过程中，充分利用了Zynq中ARM内核和FPGA内核各自的优势，既实现了串口波特率的动态可重配，又实现了非标准波特率的串口通信。