CN104407605A - 一种氢原子钟监控系统 - Google Patents
一种氢原子钟监控系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104407605A CN104407605A CN201410720293.0A CN201410720293A CN104407605A CN 104407605 A CN104407605 A CN 104407605A CN 201410720293 A CN201410720293 A CN 201410720293A CN 104407605 A CN104407605 A CN 104407605A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- atomic clock
- hydrogen atomic
- diagnosis
- fault
- knowledge
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 108
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 108
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 108
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 claims abstract description 76
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 26
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 27
- 238000012806 monitoring device Methods 0.000 claims description 26
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 12
- 230000015654 memory Effects 0.000 claims description 11
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims description 10
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 6
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 claims description 5
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 15
- 230000006870 function Effects 0.000 description 13
- 108010083687 Ion Pumps Proteins 0.000 description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 12
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 5
- 238000013024 troubleshooting Methods 0.000 description 5
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 4
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 208000023414 familial retinal arterial macroaneurysm Diseases 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N Titanium ion Chemical compound [Ti+4] LCKIEQZJEYYRIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 230000007257 malfunction Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B23/00—Testing or monitoring of control systems or parts thereof
- G05B23/02—Electric testing or monitoring
- G05B23/0205—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults
- G05B23/0218—Electric testing or monitoring by means of a monitoring system capable of detecting and responding to faults characterised by the fault detection method dealing with either existing or incipient faults
- G05B23/0224—Process history based detection method, e.g. whereby history implies the availability of large amounts of data
- G05B23/0227—Qualitative history assessment, whereby the type of data acted upon, e.g. waveforms, images or patterns, is not relevant, e.g. rule based assessment; if-then decisions
- G05B23/0229—Qualitative history assessment, whereby the type of data acted upon, e.g. waveforms, images or patterns, is not relevant, e.g. rule based assessment; if-then decisions knowledge based, e.g. expert systems; genetic algorithms
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Evolutionary Biology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Testing And Monitoring For Control Systems (AREA)
Abstract
本发明提供一种氢原子钟监控系统，包括监控装置和上位机平台，该上位机包括故障诊断专家系统模块，该专家系统模块包括：人机交互接口，实现用户或专家与故障诊断专家系统的信息交互；知识获取器，将用户或专家提供的信息转换为相应的故障诊断知识；知识库，接收并存储故障诊断知识；数据库，存储氢原子钟的各运行参数的实测值；推理机，根据各运行参数的实测值以及故障诊断知识进行分析推理，以获取相应的诊断结论和解决方案；解释机，对推理机获取的诊断结论和解决方案进行解释，并将解释结果传递至人机交互接口进行显示。本发明可及时、智能地诊断出氢原子钟发生故障的部位和原因并给出相应的解决方案，因而大大提高了氢原子钟的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及氢原子钟故障诊断领域，尤其涉及一种氢原子钟监控系统。
背景技术
氢原子钟作为一种最稳定的频率标准，是许多科学实验室和生产部门广泛使用一种精密的时钟。我国自1972年研制成功第一台实验室型氢原子钟，经过近半个世纪的改进工作，氢原子钟频率稳定性指标从初期的E-12量级水平已经迈进了E-16量级的行列。但对氢原子钟的可靠性而言，目前还有很大的改进空间，主要包括以下几个方面：
(1)氢原子钟腔内温度变化引起的腔频率变化对钟频率的牵引效应是目前直接影响氢原子钟频率稳定度的主要因素，而现有的氢原子钟温控设计还是沿用老式的模拟电位器控温模式，即，通过人工计算，手动调节电阻的方式来调整腔泡系统的温度，显然这种模式对温度的控制是很难精确把握的。
(2)现有氢原子钟的频率综合器数值是经过多级电路板间数据处理然后输出数据的，因而在任何一级出现故障都会造成输出数据错误。
(3)在电路设计方面，目前的氢原子钟监控装置的主控芯片仍采用51系列单片机，由于51单片机结构简单、功能有限，所以在设计中需要连接很多的外围电路来实现诸多设计功能，因此所设计出的电路臃肿、庞杂，存在很多故障点。就串口通信来说，出于产品对双串口的需求，采用了8251的串口扩展模式，从产品的运行状况来看，串口通信出错频度居高不下，从而失去了对产品的远程监控功能。
(4)就现有上位机平台监控方面而言，仅能实现对氢原子钟的运行参数数据进行采样，并对历史数据进行绘图、查询的功能。出现故障后，并不能快速定位和诊断故障并给出解决方案，也不能对各个参数间的变化关系进行分析统计。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供一种基于故障诊断专家系统的氢原子钟监控系统，以满足智能故障诊断的要求，从而提高氢原子钟的可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种氢原子钟监控系统，包括一监控装置和一上位机平台，其中该上位机平台包括故障诊断专家系统模块，该故障诊断专家系统模块包括：
人机交互接口，其实现用户或专家与故障诊断专家系统的信息交互；
连接至所述人机交互接口的知识获取器，其将所述用户或专家提供的信息转换为相应的故障诊断知识；
连接至所述知识获取器的知识库，其接收并存储所述故障诊断知识；
连接至所述监控装置的数据库，其存储所述监控装置检测到的所述氢原子钟的各运行参数的实测值；
连接至所述知识库和数据库的推理机，其根据所述各运行参数的实测值以及所述故障诊断知识进行分析推理，以获取相应的诊断结论和解决方案，并将所述诊断结论、解决方案以及在推理过程中产生的中间数据存储至所述数据库中；以及
连接在所述人机交互接口与所述推理机之间的解释机，其对所述推理机获取的所述诊断结论和解决方案进行解释，并将解释结果传递至所述人机交互接口进行显示。
进一步地，所述知识库包括事件库和规则库，所述事件库存储基于所述氢原子钟的所述各运行参数的故障事件，所述规则库存储根据所述故障事件诊断所述氢原子钟的故障状态的诊断规则。
优选地，所述事件库至少包括以下事件：
事件B(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数正常传输；
事件O(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数超出合理范围；
事件M(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数发生突变；以及
事件R(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数发生大范围波动。
优选地，所述推理机包括：
参数状态推理单元，其根据所述各运行参数的实测值所触发的相应所述事件来判断所述各运行参数的状态；
连接至所述参数状态推理单元的故障诊断推理单元，其根据所述各运行参数的状态以及所述诊断规则推理出所述氢原子钟发生故障的原因和部位；以及
连接至所述故障诊断推理单元的解决方案推理单元，其根据所述发生故障的原因和部位推理出解决方案。
进一步地，所述监控装置包括：
连接至所述上位机平台的ARM主处理器；
分别连接至所述ARM主处理器的FPGA从处理器和频率综合器；以及
分别连接至所述FPGA从处理器的AD采样模块和温度控制模块。
进一步地，所述监控装置还包括连接至所述ARM主处理器的液晶屏、以及分别连接至所述FPGA从处理器的LED显示模块、按键模块和存储器。
进一步地，根据权利要求5所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述频率综合器采用DDS技术实现。
优选地，所述温度控制模块采用数字化温度控制器实现。
优选地，所述监控装置通过串口或网口连接至所述上位机平台。
优选地，所述ARM主处理器通过FSMC总线连接至所述FPGA从处理器。
综上所述，本发明通过在上位机平台中集成故障诊断专家系统模块，从而可以通过远程手段及时、智能地诊断出氢原子钟发生故障的部位和原因并给出相应的解决方案，因而大大提高了氢原子钟的可靠性。此外，本发明通过采用ARM(Advanced RISC Machine,高级精简指令集机器)、FPGA(Field－Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)替代原本功能单一、外围复杂的51单片机，从而使监控装置的电路集成度提高、外围电路简化、功能更加强大、性能更加稳定，确保了氢原子钟监控系统在硬件电路方面的可靠性。同时，由于本发明的频率综合器模块采用DDS技术实现，温度控制模块采用数字化温度控制器实现，因而进一步提高了监控系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的氢原子钟监控系统的连接框图；
图2为本发明中的故障诊断专家系统模块的连接框图；
图3为本发明中的推理机的连接框图；
图4为本发明中的推理机的工作原理图；
图5为本发明中的故障诊断专家系统模块的一个实施例的工作流程图。
附图标记如下：
1、上位机平台；11、故障诊断专家系统模块；111、人机交互接口；112、知识获取器；113、知识库；114、数据库；115、推理机；1151、参数状态推理单元；1152、故障诊断推理单元；1153、解决方案推理单元；116、解释机；2、监控装置；21、ARM主处理器；22、FPGA从处理器；23、液晶屏；24、频率综合器；25、AD采样模块；26、温度控制模块；27、LED显示模块；28、按键模块；29、存储器。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
本发明的氢原子钟监控系统如图1所示，包括一监控装置2和一上位机平台1，且该上位机平台1包括一故障诊断专家系统模块11。
图2示出了故障诊断专家系统模块11的一个实施例，其包括人机交互接口111、连接至人机交互接口111的知识获取器112、连接至知识获取器112的知识库113、连接至监控装置2的数据库114、连接至知识库113和数据库114的推理机115、以及连接在人机交互接口111与推理机115之间的解释机116。其中，
人机交互接口111用于实现用户与故障诊断专家系统的信息交互，其一方面实现对知识库113的扩充、修改和维护，另一方面为用户提供菜单选择和屏幕提示，从而可以方便地进行诊断、咨询，直观地了解诊断情况。
知识获取器112是人机交互接口111与知识库113之间的接口，用于将人机交互接口111输出的信息转换为相应的故障诊断知识后传输至知识库113。
知识库113是专家系统的关键部件之一，其用于存储故障诊断知识，并且知识可以通过人机交互接口111或自学习进行更新。在本实施例中，知识库113包括事件库和规则库，事件库存储基于氢原子钟的运行参数的故障事件，规则库存储根据故障事件诊断氢原子钟的故障的诊断规则。
数据库114采用SQL数据库114进行设计，其主要功能是用于存储监测模块检测到的氢原子钟的各运行参数的实测值、以及推理机115输出的诊断结论、解决方案以及在推理过程中产生的中间数据；
推理机115是专家系统的核心，其根据数据库114中的各运行参数的实测值和知识库113中的故障诊断知识进行分析推理，以获取相应的诊断结论和解决方案，并将诊断结论、解决方案以及推理过程中产生的中间数据存储至数据库114中；
解释机116用于对推理机115的诊断结论和解决方案进行解释，并将解释结果传递至人机交互接口111进行显示，以供用户了解推理过程。这样做可以使用户更容易接受整个推理过程和所得出的结论，同时也为系统的维护和专家经验的传授提供了方便。
上述故障诊断专家系统模块11主要执行知识获取、推理诊断和结果显示三大流程。其中，知识获取是指氢原子钟研发人员和系统维护人员将表征氢原子钟运行状态的先验知识通过人机交互接口111抽象并录入知识库113，知识库113也可以通过自学习方式进行知识的扩充；推理诊断是指推理机115根据氢原子钟的运行参数实测值，采用知识库113中的故障诊断知识进行推理分析并得出氢原子钟的运行状态，当推理出氢原子钟发生故障时，则进一步分析出故障原因和故障部位并给出解决方案；结果显示是指对推理的结果进行解释并通过人机交互接口111显示，以供用户了解推理过程。
在故障诊断专家系统的一个优选实施例中，知识库113包含事件库和规则库。事件库存储基于氢原子钟的运行参数的故障事件，规则库存储根据故障事件诊断氢原子钟故障状态的诊断规则。其中，事件库中至少包括以下事件：事件B(Pi)，表示氢原子钟的第i个运行参数正常传输；事件O(Pi)，表示氢原子钟的第i个运行参数超出合理范围；事件M(Pi)，表示氢原子钟的第i个运行参数发生突变；以及事件R(Pi)，表示氢原子钟的第i个运行参数发生大范围波动。而根据氢原子钟的工作原理和故障原因，可以生成不同的规则存储于规则库，从而为诊断推理提供依据。其中，诊断规则可以是由运行参数的实测值直接诊断出故障，也可以是经过推理得到的结果。例如，若氢原子钟的离子泵电流IONI突然增大，即发生事件M(IONI)，且离子泵电压IONV突然减小，即发生事件M(IONV)，则可诊断出氢原子钟发生离子泵打火，该打火现象表示为F，这种方式即是由数据直接产生规则：M(IONI)∧M(IONV)－＞F；若氢原子钟的打火次数大幅度增加，即发生事件M(F)，则诊断为氢原子钟的离子泵抽气单元(C(TI))需要更换，这种方式即是由推理产生规则：M(M(IONI)∧M(IONV))－＞C(TI)。通过这两种方式即可建立较为全面的知识库113，也可以在使用过程中让知识库113不断充实。
另外，本发明中的故障诊断专家系统模块11还可以实现如下现象的诊断：1、如果监控装置2检测到的离子泵电流IONI突然变大长时间不回复，离子泵电压IONV突然变小，则诊断为微漏气现象；2、通过检测综合器参数信息及氢原子钟频率稳定度的采样数据，来判断数据信息是否丢失，当数据信息丢失即弹出对话框，提示监测人员如何重新置入频率综合器24的数值；3、专家系统可以通过检测一段时间参数的变化来检测串口通信是否正常，并给出相关的可行性维护方案。
本发明的氢原子钟优选采用图3的所示的形式，其包括：参数状态推理单元1151，其根据数据库114中存储的各运行参数的实测值所触发的事件库中的相应事件来判断各运行参数的状态；故障诊断推理单元1152，其根据各运行参数的状态并结合诊断规则推理出氢原子钟的运行状态，若发生故障，则进一步推理出发生故障的原因和部位；以及解决方案推理单元1153，其根据发生故障的原因和部位推理出解决方案。该推理机115的工作原理如图4所示，首先，根据数据库114中存储的各运行参数的实测值所触发的事件库中的相应事件来判断各运行参数的状态；然后，根据各运行参数的状态并结合诊断规则推理出氢原子钟是否发生故障，若发生故障，则进一步推理出发生故障的原因和部位；最后，根据发生故障的原因和部位推理出解决方案。可见，本发明采用前推启发式推理机便于快速定位和诊断故障，诊断逻辑清晰，便于维护人员解决问题。
图5示出了故障诊断专家系统模块11的一个实施例的工作流程图。从氢原子钟上电开始，开启上位机与监控装置2之间的串口通信功能，开始对氢原子钟的运行参数进行采集并在上位机上显示，然后开始对采集到的各运行参数以及频率综合器24数值、时间信息进行正常工作与否的诊断，具体诊断步骤如图5所示：首先，检测时间信息是否更新，如果更新说明串口通信正常执行后续步骤，否则，给出诊断结论：串口硬件连接或软件接口的配置有误，同时提供解决方案：检查串口硬件连接和软件配置。然后，检测频率综合器24的数值是否在000000～999999Hz范围内(一般正常工作时数值在510000～519999)，如果在该范围内则跳转到下一步，否则给出诊断结构：频率综合器24故障，同时提供解决方案：通过上位机平台1向监控装置2发送频率综合器修改指令，以将其频率值改为正常工作时数值或出厂原值。步骤S3，针对控制装置采样的各运行参数实测值的超限情况做出详尽的分析判断并给出可行性结论，图中示例性的给出了以下三种故障情况：
第一种，当IFL(接收机中频信号)变弱触发事件M(IFL)时，首先判断氢原子钟内的光感传感器电压数值PSV(依据电离泡亮度转化来的电压值)是否在正常数值范围内，即判断电离泡是否变暗，若电离泡变暗(即触发事件O(PSV))，则给出诊断结论：氢分子在射频电场作用下电离出的氢原子变少，导致信号变弱，同时给出解决方案：调节相应可变电容的容值来调亮电离泡，以使IFL达到正常工作数值；如果电离泡未变暗，则判断氢气压力传感器的数值HPS(通过氢瓶氢气多少来显示的数值)是否在正常数值范围内，即判断氢气是否用完，如果氢瓶没气了(即触发事件O(HPS))，那么给出诊断结论：氢气用完，同时给出解决方案：更换氢瓶，如果氢气未用完，则给出诊断结论：氢气量不足，同时给出解决方案：增加氢气流量。
第二种，在正常工作过程中，当离子泵电流IONI(参数数值变大(即触发事件M(IONI))且离子泵电压IONV变小(即触发事件M(IONV))时，则进一步判断IONI参数数值是否长时间不回复到正常数值，如果是，给出诊断结论：存在漏气现象，同时给出解决方案：检查与内部真空接口处，恢复真空系统；如果IONI参数数值短时间内即可恢复为正常数值，则给出结诊断论：发生真空钛离子泵高压打火现象，同时给出解决方案：更换钛泵抽气单元。其中，打火现象初期只是会引起工作流量以及离子泵高压的变化，但是打火现象频繁发生后会导致氢原子钟锁相系统瞬间失锁，使氢原子钟的输出频率发生变化，很可能没有信号产生。
第三种，DIO(自动调谐系统变容二极管端电压)参数超出正常工作范围(即触发事件O(DIO))时，那么可以根据所检测到数值的大小进行相应的修改。例如：如果DIO数值为0，给出诊断结论：电压数值太小了，同时给出解决方案：调小恒温的BCD区电位器的电阻阻值以增大DIO电压值；如果DIO数值为9，给出诊断结论：电压数值太大了，同时给出解决方案：调大恒温的BCD区电位器的电阻阻值以减小DIO电压值。
上述三种方案仅表示本发明的故障诊断专家系统模块11的诊断示例，应该理解，本发明的专家系统还可以诊断其它多种故障案例。
再次参阅图1可知，本发明的监控装置2包括：通过串口或网口连接至上位机平台1的ARM主处理器21、分别连接至ARM主处理器21的FPGA从处理器22、频率综合器24和液晶屏23模块、以及分别连接至FPGA从处理器22的AD采样模块25、温度控制模块26、LED显示模块27和按键模块28。其中，ARM主处理器21主要负责协议层处理工作，包括通信信息、人机交互设定、系统工作参数监测、报警数据设定和监测以及系统数据分析处理等多方面的工作，整体采用抢占式进行多任务分配，提高CPU利用率以及系统鲁棒性；FPGA从处理器22主要负责所有外围硬件设备的底层驱动的书写，FPGA与ARM的关系就相当于将FPGA当作ARM的一个外部扩展RAM来进行读写操作，所有FPGA采集、输出的数据，均可通过ARM的可变静态存储控制器(Flexible Static Memory Controller，FSMC)总线读写；LED显示模块27用于显示氢原子钟的天时分秒等时间信息；液晶屏23模块用于显示氢原子钟工作中重要运行参数的数据信息；频率综合器24用于输出氢原子钟频率综合器24数据信息；AD采样模块25用采集氢原子钟物理部分的模拟量(例如前述的光感传感器电压、接收机中频信号、氢气压力传感器的数值、离子泵电流、离子泵电压等)并进行模数转换处理；温度控制模块26用于对氢原子钟内炉温度进行采集并采用数字化模式进行温度控制设计；按键模块28用于实现不同参数信息的输入。
下面对本发明在监控装置2的硬件方面的改进点进行详细描述，主要包括如下改进：
1、关于主控制器的改进
通过采用ARM、FPGA结合的方式替代原本功能单一、外围复杂的51单片机，从而使监控装置2的电路集成度提高，外围电路简化，功能更加强大，性能更加稳定，从而确保了氢原子钟监控系统在硬件电路方面的可靠性。
2、关于串口通信接口的改进
现有氢原子钟监控系统的上位机平台和监控装置之间的串口通信设计为了满足两路串口通信的技术指标，采用的是AT89C52结合通用同步异步接收发送器8251A实现双串口的扩展，从产品的运行状况来看，串口通信出错频度居高不下。而本发明采用ADM3251E来解决多路串口的通信功能，ADM3251E是一款高速、2.5kV完全隔离、单通道RS-232/V.28收发器，采用5V单电源供电。由于其RIN和TOUT引脚提供高压ESD保护，因此该器件非常适合在恶劣的电气环境中或频繁插拔RS-232电缆的场合工作。ADM3251E集成了具有isoPower隔离电源的双通道数字隔离器，因而无需使用单独的隔离DC-DC转换器。ADI公司的芯片级变压器iCoupler技术，能够同时用于隔离逻辑信号和集成式DC-DC转换器，因此该器件可提供整体隔离解决方案，使得串口通信不容易出错。
3、关于AD采样模块的改进
现有氢原子钟监控装置中的AD采样模块采用两片ADC0816芯片构成，ADC0816是逐次比较式16路8位A/D转换器，其内部包含有一个8位A/D转换器和16路的单端模拟信号多路转换开关，转换精度为1/2LSB，转换时间为100us(时钟频率为640KHz)。
本发明的AD采样模块25采用AD7490实现，它是一款12位高速、低功耗逐次逼近型ADC。同时AD7490采用单电源工作，电源电压为2.7V至5.25V，最高吞吐量可达1MSPS，其内置一个低噪声、宽带宽采样/保持放大器，可处理1MHz以上的输入频率。转换过程和数据采集过程通过CS和串行时钟进行控制，从而为器件与微处理器接口创造了条件。输入信号在CS的下降沿进行采样，而转换同时在此处启动。该器件无流水线延迟。
4、关于温度控制模块的改进
温度对于氢原子钟来说是个很重要的因素，温度控制不好会引起氢原子钟稳定度变差；温度失控会直接导致氢原子钟无中频信号输出。因此在温度控制模块的设计中首先要保证可靠、稳定。现有的氢原子钟温度控制模块采用模拟控制方式，多块电路板各温度区域独立控制，其缺点在于当变容二极管参数数值不在正常工作范围内之后，需要人为调整电路板的电位器，即通过改变电阻的模式来达到调整温度的目的。
本发明的温度控制模块26采用数字化温度控制器实现，在数字化温度控制器设计中采用了AD7792芯片，AD7792具有两个高精度的可编程恒流激励源，内置有可编程的仪表放大器，可以对不同的输入信号选择相对应的放大倍数，实现信号的匹配。它内置16位ADC，采用SPI串行接口与FPGA连接，容易实现光耦隔离，简化了电路。此芯片具有低电源、低噪声的特点，有三路差分模拟输入，可以满足设计中分别对内炉顶、上、底三部分温度进行采集的设计要求。
AD7792为适应高精度测量应用的低功耗、低噪声、完整模拟前端，内置一个低噪声、带有三个差分模拟输入的16位Σ-Δ型ADC。它还集成了片内低噪声仪表放大器，因而可直接输入小信号。内置一个精密低噪声、低漂移内部带隙基准电压源，而且也可采用一个外部差分基准电压。
5、关于频率综合器的改进
现有氢原子钟的频率综合器数值是经过多级电路板间数据处理然后输出数据的，因而在任何一级出现故障都会造成输出数据错误。
本发明中的频率综合器24可选取AD9956等DDS(Direct DigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器)技术实现，使用DDS技术直接从监控板输出所需的频率信号，AD9956是由美国Analog Device公司推出的高性能的DDS芯片，提供速度高达400MHz的内部时钟，可合成频率高达160MHz，支持2.7GHz的时钟输入(可选2，4或8分频)、内部集成14位的D/A转换器，具备快速频率转换、精细频率分辨率和低相位噪声输出的性能，适用于快速跳频频率合成器的设计，本设计DDS输出频率信号可以根据键盘键入的频率值不同而输出不同的频率值。
6、关于存储器的设计改进
氢原子钟监控装置必需具有对时间以及对所监测数据实时保存的功能。然而外部存储器的选择也是多种多样的，目前应用最多的仍是SRAM、EEPROM及NVRAM这三种方案。
现有监控装置中的存储器主要采用的是SRAM加后备电池的模式，型号62256，它是组织结构为32K*8位字长的高性能CMOS静态RAM。在设备掉电的情况下，存储数据易丢失；同时SRAM加后备电池的方法增加了硬件设计的复杂性，降低了系统的可靠性。另外，EEPROM方式可擦写次数较少(约10万次)，且写操作时间较长(约10ms)；而NVRAM的价格问题又限制了它的普遍应用。因此越来越多的设计者将目光投向了新型的非易失性铁电存储器(FRAM)。铁电存储器具有以下几个优点：可以总线速度写入数据，而且在写入后不需要任何延时等待；有近乎无限次擦写寿命；数据保持45年不丢失；具有较低的功耗。
本发明存储器29采用的FM25L16是串行FRAM。其内部存储结构形式为2k×8位，地址范围为0000H～07FFH，FM25L16支持SPI方式0和方式3。具有先进的写保护设计，包括硬件保护和软件保护双重保护功能。FM25L16的数据读写速度能达到18MHz，可与当前高速的RAM相媲美。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。
Claims (10)
1.一种氢原子钟监控系统，包括一监控装置和一上位机平台，其特征在于，该上位机平台包括故障诊断专家系统模块，该故障诊断专家系统模块包括：
人机交互接口，其实现用户或专家与故障诊断专家系统的信息交互；
连接至所述人机交互接口的知识获取器，其将所述用户或专家提供的信息转换为相应的故障诊断知识；
连接至所述知识获取器的知识库，其接收并存储所述故障诊断知识；
连接至所述监控装置的数据库，其存储所述监控装置检测到的所述氢原子钟的各运行参数的实测值；
连接至所述知识库和数据库的推理机，其根据所述各运行参数的实测值以及所述故障诊断知识进行分析推理，以获取相应的诊断结论和解决方案，并将所述诊断结论、解决方案以及在推理过程中产生的中间数据存储至所述数据库中；以及
连接在所述人机交互接口与所述推理机之间的解释机，其对所述推理机获取的所述诊断结论和解决方案进行解释，并将解释结果传递至所述人机交互接口进行显示。
2.根据权利要求1所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述知识库包括事件库和规则库，所述事件库存储基于所述氢原子钟的所述各运行参数的故障事件，所述规则库存储根据所述故障事件诊断所述氢原子钟的故障状态的诊断规则。
3.根据权利要求2所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述事件库至少包括以下事件：
事件B(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数正常传输；
事件O(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数超出合理范围；
事件M(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数发生突变；以及
事件R(Pi)，表示所述氢原子钟的第i个运行参数发生大范围波动。
4.根据权利要求2所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述推理机包括：
参数状态推理单元，其根据所述各运行参数的实测值所触发的相应所述事件来判断所述各运行参数的状态；
连接至所述参数状态推理单元的故障诊断推理单元，其根据所述各运行参数的状态以及所述诊断规则推理出所述氢原子钟发生故障的原因和部位；以及
连接至所述故障诊断推理单元的解决方案推理单元，其根据所述发生故障的原因和部位推理出解决方案。
5.根据权利要求1所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述监控装置包括：
连接至所述上位机平台的ARM主处理器；
分别连接至所述ARM主处理器的FPGA从处理器和频率综合器；以及
分别连接至所述FPGA从处理器的AD采样模块和温度控制模块。
6.根据权利要求5所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述监控装置还包括连接至所述ARM主处理器的液晶屏、以及分别连接至所述FPGA从处理器的LED显示模块、按键模块和存储器。
7.根据权利要求5所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述频率综合器采用DDS技术实现。
8.根据权利要求5所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述温度控制模块采用数字化温度控制器实现。
9.根据权利要求1所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述监控装置通过串口或网口连接至所述上位机平台。
10.根据权利要求5所述的氢原子钟监控系统，其特征在于，所述ARM主处理器通过FSMC总线连接至所述FPGA从处理器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410720293.0A CN104407605B (zh) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | 一种氢原子钟监控系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201410720293.0A CN104407605B (zh) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | 一种氢原子钟监控系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104407605A true CN104407605A (zh) | 2015-03-11 |
| CN104407605B CN104407605B (zh) | 2017-03-22 |
Family
ID=52645243
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201410720293.0A Active CN104407605B (zh) | 2014-12-02 | 2014-12-02 | 一种氢原子钟监控系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104407605B (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105223495A (zh) * | 2015-10-20 | 2016-01-06 | 国家电网公司 | 一种基于专家系统的模数混合电路故障诊断的测试方法 |
| CN105302112A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-02-03 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | Icni系统智能故障诊断系统 |
| CN107290588A (zh) * | 2017-05-03 | 2017-10-24 | 芯海科技（深圳）股份有限公司 | 一种高精度多线程测量频率的系统 |
| CN108415407A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-17 | 徐工集团工程机械有限公司 | 找平故障检测控制器、摊铺机找平控制装置和方法 |
| CN109412592A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-03-01 | 中国科学院上海天文台 | 一种氢原子钟电离源系统 |
| CN109459956A (zh) * | 2018-11-22 | 2019-03-12 | 中国科学院上海天文台 | 一种氢原子钟远程监控系统及监控方法 |
| CN110840674A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-28 | 山东大学 | 一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4290030A (en) * | 1979-05-29 | 1981-09-15 | Hughes Aircraft Company | Atomic frequency standard using free induction technique |
| CN201812151U (zh) * | 2010-08-19 | 2011-04-27 | 中国人民解放军63680部队 | 铷原子频率标准校准装置 |
| CN102759885A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-10-31 | 西安交通大学 | 一种高可靠性的脉冲星时间同步装置 |
| CN103199860A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-07-10 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法 |
| CN203149300U (zh) * | 2013-01-31 | 2013-08-21 | 江汉大学 | 一种原子钟 |
-
2014
- 2014-12-02 CN CN201410720293.0A patent/CN104407605B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4290030A (en) * | 1979-05-29 | 1981-09-15 | Hughes Aircraft Company | Atomic frequency standard using free induction technique |
| CN201812151U (zh) * | 2010-08-19 | 2011-04-27 | 中国人民解放军63680部队 | 铷原子频率标准校准装置 |
| CN102759885A (zh) * | 2012-07-13 | 2012-10-31 | 西安交通大学 | 一种高可靠性的脉冲星时间同步装置 |
| CN203149300U (zh) * | 2013-01-31 | 2013-08-21 | 江汉大学 | 一种原子钟 |
| CN103199860A (zh) * | 2013-03-01 | 2013-07-10 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法 |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105223495A (zh) * | 2015-10-20 | 2016-01-06 | 国家电网公司 | 一种基于专家系统的模数混合电路故障诊断的测试方法 |
| CN105302112A (zh) * | 2015-10-23 | 2016-02-03 | 中国电子科技集团公司第十研究所 | Icni系统智能故障诊断系统 |
| CN107290588A (zh) * | 2017-05-03 | 2017-10-24 | 芯海科技（深圳）股份有限公司 | 一种高精度多线程测量频率的系统 |
| CN108415407A (zh) * | 2018-03-14 | 2018-08-17 | 徐工集团工程机械有限公司 | 找平故障检测控制器、摊铺机找平控制装置和方法 |
| CN108415407B (zh) * | 2018-03-14 | 2023-11-03 | 江苏徐工工程机械研究院有限公司 | 找平故障检测控制器、摊铺机找平控制装置和方法 |
| CN109412592A (zh) * | 2018-09-17 | 2019-03-01 | 中国科学院上海天文台 | 一种氢原子钟电离源系统 |
| CN109459956A (zh) * | 2018-11-22 | 2019-03-12 | 中国科学院上海天文台 | 一种氢原子钟远程监控系统及监控方法 |
| CN110840674A (zh) * | 2019-11-21 | 2020-02-28 | 山东大学 | 一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法 |
| CN110840674B (zh) * | 2019-11-21 | 2020-10-02 | 山东大学 | 一种双电机驱动的可移动病床及其工作方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104407605B (zh) | 2017-03-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104407605B (zh) | 一种氢原子钟监控系统 | |
| CN102806853B (zh) | 一种带监测、参数设定、报警功能的车辆用数字仪表系统 | |
| CN110514355B (zh) | 一种航空飞行器滑油室压力传感器校准装置及其校准方法 | |
| CN111141333A (zh) | 一种多通道集成式传感器数据采集器 | |
| CN103532550A (zh) | 一种基于虚拟仪器的电流频率转换器测试方法 | |
| CN101826753A (zh) | 双电源转换智能控制器 | |
| CN205749513U (zh) | 一种基于pic单片机的变压器绝缘油在线监测系统 | |
| CN207703260U (zh) | 制氧装置检测仪 | |
| CN105978536B (zh) | 一种斜波信号发生装置 | |
| CN110794770A (zh) | 一种可远程控制的三轴联动经济型数控系统 | |
| CN104634929A (zh) | 变压器气体在线监测仪 | |
| CN201867474U (zh) | 一种六氟化硫断路器密度继电器综合校验仪 | |
| CN211401294U (zh) | 一种多通道集成式传感器数据采集器 | |
| CN104750038A (zh) | 继电保护测试装置监控系统 | |
| CN209103124U (zh) | 一种现场采集信号的数字显示单元 | |
| CN114441054A (zh) | 一种支持传感通道诊断的一体化智能温度变送器 | |
| CN208187447U (zh) | 一种管道气体参量监测仪表 | |
| CN207924653U (zh) | 基于单片机的计算机硬件监控系统 | |
| WO2020238090A1 (zh) | 直流电源智能综合监控仪表 | |
| CN214622863U (zh) | 一种机载无线电导航模块测试仪 | |
| CN218037791U (zh) | 一种吊舱温度控制装置的控制电路 | |
| CN111725893A (zh) | 一种嵌入式电源健康检测及管理系统 | |
| CN113804636A (zh) | 一种紫外气体监测设备校准装置 | |
| CN201644112U (zh) | 电子滴定器 | |
| EP2784651B1 (en) | Transmitter with rotating knob |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |