基于移動設備目標檢測的學習延遲感知結構

李美蓮

(安徽三聯學院，安徽 合肥 230601)

由于電路信號延遲缺陷會導致電路以及配件出現不同程度故障，因此在電路教學方面極注重電路信號延遲問題。學生在學習操作電路時，無法直觀感受電路信號延遲情況[1-2]，為學生學習電路操作造成一定難度，為清楚掌握電路操作時出現的電路信號延遲情況，很多學者注重于電路信號延遲檢測技術。如姚慶華等人研究的二次回路延時檢測方法[3]，該方法針對電路的二次回路延時進行檢測，利用二次回路裝置檢測電路的延時情況，該方法僅針對電路的二次回路延時進行檢測，適用范圍較??；而韓笑等人研究的延時反饋負荷在線快速辨識算法[4]，該算法利用目標函數求解方式縮小電路設備組合范圍，并計算電路負荷情況，通過暫態特征提取后獲取電路負荷延遲結果，該算法雖然可有效獲取電路延遲情況，但僅針對延電路信號延遲時間較長情況，當電路信號延遲時間較短時則無法實現較好的識別。針對上述情況，本文以電路小延遲缺陷感知為目標，設計基于移動設備目標檢測的學習延遲感知結構，為掌握學生操作電路情況提供較為科學精準的數據基礎。

1 學習延遲感知結構

1.1 結構框架

學習延遲感知結構使用Compact-RIO控制器實現學生學習電路時的電路信號采集，學習延遲感知結構使用系統軟件Labview開發，將Compact-RIO控制器作為該電路信號采集硬件，集實時控制器、可重配置的嵌入式系統和工業級I/O模塊等于一體，實現各種電路信號采集，基于Compact-RIO控制器的學習延遲感知結構如圖1所示。

圖1 學習延遲感知結構示意圖

在學習延遲感知結構內，學生學習時操作電路發生的電路信號傳輸至Compact-RIO模塊內，該模塊中的FPGA機箱通過控制實時控制器實現電路信號時序的控制，實時控制器是實現電路信號數據交互功能的必要設備；使用Compact-RIO模塊內的數字I/O子模塊實現不同接口的電壓、電流以及數字電路信號的交互；Compact-RIO模塊內的模擬輸入子模塊則模擬學生操作電路時所發出的電路信號，并利用調理電路將電路信號小延遲缺陷放大處理，以便后續對小延遲缺陷的感知。通過Compact-RIO模塊進行電路信號實時控制、傳輸以及電路信號模擬后，輸出模擬后的電路信號，利用小延遲缺陷感知模塊感知學生操作電路時的小延遲缺陷。

1.2 硬件選取

為了提升小延遲缺陷感知效果，本文選取了Compact-RIO模塊、FPGA機箱、RIO-9119嵌入式機箱、I/O子模塊作為硬件。

Compact-RIO模塊由控制子模塊、數字I/O子模塊和模擬輸入子模塊組成，三個組件各司其職，其中實時控制器作為Compact-RIO模塊的中樞，具備多個串口和網口，用于電路信號的傳輸和控制指令發送與接收等，控制子模塊是以RIO-9046型實時控制器為核心原件，該控制器具備10Base-T的網絡接口，CPU具備1.3GHz的基礎頻率和8GHz的超高頻率，其網絡同步精度低于1us，其通信速率為10～1000Mb/s，可用于與移動終端相連。

FPGA機箱內嵌入FPGA系統，該機箱內存在多個引腳資源和編程方式，可實現多任務同步進行，以提升電路信號時序控制精度[5]。

I/O子模塊主要負責連接FPGA機箱和模擬輸入子模塊，實現各個功能模塊之間的數據傳輸功能。選擇工業NI9402I/O集成模塊作為學習延遲感知結構的I/O子模塊，該子模塊具備CAN、SPI、IIC、串口等若干通信接口，且各個接口之間不存在互相干擾情況[6]，使用者可依據業務需求定義相關接口，具備較強的擴展性。該子模塊的通道具備2個端口，每個端口具備4個通道，端口的通道傳輸方向均相同。

1.3 調理電路設計

模擬輸入模塊負責模擬學生操作電路時所發出的電路信號，通過調理電路將學生操作電路時發出的電路信號放大，以便于檢測電路信號內存在的小延遲缺陷。設計調理電路如圖2所示。

圖2 調理電路示意圖

在上述調理電路中，設置輸入電壓區間為-8V～8V，放大倍數為1.5倍。

1.4 小延遲缺陷感知方法

依據路徑相關性原理，在感知學生操作電路時出現的小延遲缺陷時，使用電路信號變量關系差值實現小延遲缺陷檢測，通過計算電路信號變量的相關系數，計算電路信號變量的標準估計誤差，其表達公式如式(1)所示。

(1)

上述公式中，σe表示電路信號變量標準估計誤差，X1、X2表示兩個變量，ρ2表示相關系數的平方。

由公式(1)可知，電路信號變量的標準估計誤差由變量平方和變量相關性決定[7-8]。

以每一個電路信號作為變量，即可獲取每兩個電路信號變量的相關性數值。假設用X1,i、X2,i表示電路信號樣本，當電路信號樣本高于閾值間隔時，表明兩個電路信號樣本之間不具有相關性[9]，反之則表示兩個電路信號樣本具有相關性。令變量X2的全相關假設由X2,iFC表示，電路信號樣本X2,i若符合預測關系，其范圍需符合公式(2)。

(2)

公式(2)中，σX1、σX2分別表示標準偏差，μX1、μX2表示變量的平均數值。

依據公式(2)可知，當兩個電路信號關系為相關關系時，兩個電路信號樣本滿足公式(2)，該公式主要利用變量X1估計變量X2的感知間隔，若想要利用變量X2估計變量X1的感知間隔，則需要將公式(2)中的X1替換成X2、X2替換成X1即可。

由于電路信號的路徑各異[10]，因此路徑間的相關性不夠高，在感知電路信號小延遲缺陷時，需通過多路徑的相關性呈現電路信號的跨徑相關性[11]。在感知小延遲缺陷時，設置電路信號的目標路徑，由OP表示，感知路徑為(P1,P2,…,Pn)。依據小延遲缺陷感知路徑和目標路徑相關系數方差可獲取目標路徑的樣本值。令ROP,P1…Pn表示多路徑的電路信號相關性，則感知小延遲缺陷的標準誤差表達公式如式(3)所示。

(3)

利用公式(3)獲取到多路徑的感知小延遲標準誤差數值后，需對小延遲缺陷標準誤差數值相同的電路信號路徑進行覆蓋處理[12-13]，并按照順序排列感知到的電路信號小延遲標準差數值，由于不同的電路信號路徑的相關度不同，為提升感知結果的精準性[14]，以標記和修改節點的形式描述電路信號路徑排序過程，詳情如下。

當電路信號路徑的相關性相同時，在該路徑內設置若干個修改節點，令修改節點的集合由C={c1,c2,…,cm}表示，小延遲缺陷標準誤差數值相同的電路信號路徑即為待覆蓋路徑的集合由P={p1,p2,…,ps}表示，在修改節點集合和待覆蓋路徑集合內，m表示修改節點數量，s表示待覆蓋路徑數量。利用修改節點與待覆蓋路徑相關性，建立相關矩陣，其表達公式如式(4)所示。

(4)

公式(4)中，γ(C,P)表示相關矩陣，γij取值區間為[0,1]，當γij取值為0時，電路信號路徑pj與修改節點ci不重合；當γij取值為1時，電路信號路徑pj與修改節點ci重合。

當電路信號路徑內存在的修改節點數量較少時，則該電路信號路徑與其感知對比的電路信號路徑的相關性數值較大，因此依據公式(4)結果，計算反映轉換前后的電路信號路徑pj的變化節點數量，其計算公式如式(5)所示。

(5)

公式(5)中，N(pj,C)表示電路信號路徑pj的變化節點數量，在電路信號路徑內，設置的修改節點位置滯后，則說明該條電路信號路徑與其感知對比的電路信號路徑相關性數值較高。

基于公式(4)結果，令F(pj)表示電路信號路徑內的修改節點位置，其表達公式如式(6)所示。

(6)

當對電路信號小延遲缺陷標準誤差數值相同的電路信號路徑進行覆蓋并排序時，需結合該路徑內的修改節點數量，當修改節點數量較多時，則覆蓋該條電路信號路徑難度較大[15]?；谏鲜鏊枷耄O置電路信號路徑pj被覆蓋優先級由PR(pj)表示，其表達公式如式(7)所示。

PR(pj)=-ω1N(pj,C)+ω2F(pj)-ω2|pj|

(7)

公式(7)中，ω表示權值，其下角標數字由小至大分別表示電路信號路徑pj的變化節點數量權值、電路信號路徑內的修改節點位置權值和電路信號路徑pj的權值。

利用公式(7)可獲取所有電路信號路徑覆蓋的優先級，依據優先級數值大小排序后，即可獲得小延遲缺陷程度的電路信號感知路徑，其表達公式如式(8)所示。

(8)

至此，經過上述步驟，可獲取到學生操作電路時，電路信號內存在的小延遲缺陷，依據路徑相關性排列電路信號路徑后，得出電路信號小延遲缺陷程度。

2 實驗分析

為驗證本文結構實際應用效果，以某高校電氣專業學生學習電路實操課程為實驗對象，使用本文結構感知學生操作電路時發生的小延時缺陷。

2.1 穩定性測試

穩定性是衡量框架應用效果指標之一，為驗證本文結構的穩定性，對學生操作電路時發生的電路信號添加電壓抖動，抖動發射中心頻率為160kHz，繪制本文結構接收到的電路信號波形圖和添加抖動后的電路信號波形圖，結果如圖3所示。

圖3 框架穩定性測試結果

分析圖3可知，對電路信號添加抖動后，電壓波形與實際電壓波形差別較大，添加抖動后的電壓信號最高數值達到3.5V左右，但本文結構所接收到的電壓波形與實際波形相差無幾，僅在時間約為6～7us和12～13us之間時，存在輕微偏差，但偏差數值較低可忽略不計，在其余時間時，本文結構所接收到的電壓波形均與實際波形完全重合，該結果表明本文結構不受電路信號抖動影響，可較好的接收實際電路信號，具備較強的穩定性，可應用于感知學生操作電路時發生的小延遲故障。

2.2 電路信號放大效果

電路信號放大會存在飽和失真情況，測試本文結構在放大電路信號過程中的飽和失真情況，結果如圖4所示。

(a)電壓

(b)電流圖4 電路信號放大測試結果

分析圖4(a)可知，本文結構在放大電壓信號時，其波形與放大前的電壓信號完全相同，不存在飽和失真情況；分析圖4(b)可知，本文結構在放大電流信號時，其波形與放大前的電流信號完全相同，與電壓信號一樣不存在飽和失真情況，以此證明本文結構電路信號放大效果較好，放大后的電路信號不存在飽和失真情況，保證信號的清晰性。

2.3 小延時缺陷感知

測試本文結構感知電路信號小延時缺陷能力，從電壓和電流兩種電路信號角度出發，以某位同學操作電路內的電流與電壓為實驗對象，測試電流與電壓的小延遲缺陷情況，結果如圖5所示。

(a)標準電壓

(b)實操電壓圖5 電壓小延時缺陷感知結果

分析圖5內(a)圖可知，標準電壓的波動的起始點從0us后及開始出現波動，不存在時間延遲情況，而圖5內(b)圖中，該學生實操時的電壓波動情況雖然與標準電壓波形相同，但在電壓波動的初始時間與結束時間上均錯后約為3.8us，表明該學生操作的電路電壓出現小延時缺陷，缺陷持續時間為3.8us左右。上述結果說明：本文結構可感知電路電壓存在的小延時缺陷。

為更充分全面地呈現本文結構應用效果，從電流角度展開驗證，結果如圖6所示。

圖6 電流小延遲缺陷感知結果

分析圖6可知，本文結構感知的電流波形與標準電流波形完全相同，但該電路出現小延遲缺陷，導致本文結構感知的電流波峰與標準電流波峰出現錯位情況，且錯位時間約為3.8us，結合圖6結果得出，該學生操作的電路電流與電壓變化時間相同，說明該電路存在小延時缺陷，綜合上述結果，當電路出現電流、電壓小延時缺陷時，本文結構均可感知到，且感知結果較為準確。

上述僅針對單個學生操作電路出現小延遲缺陷進行的實驗，下面從多路徑電路信號角度展開，以3條電路信號為實驗對象，分別標記為線路A、線路B、線路C，分別對上述3條電路進行10次操作，統計10次操作中出現的小延遲缺陷持續時間，結果如表1所示。

表1 多路徑小延遲感知結果

分析表1可知，在對3個路徑電路操作時，3個路徑的電路信號均出現不同程度的小延遲缺陷，其中線路A與線路C均有4次小延遲缺陷時間為0，線路B有3次小延遲缺陷時間為0，說明此次學生操作電路未出現缺陷，而在其他操作次數時均出現不同程度的小延遲缺陷，其中最大小延遲缺陷出現在線路A內，在其第5次操作時，該線路出現持續時間為0.36us的小延時缺陷，綜上所述，本文結構可有效感知多路徑的小延時缺陷，具備較好的應用性。

3 結論

本文通過設計基于移動設備目標檢測的學習延遲感知結構，感知學生操作電路時所發生的電路信號小延遲缺陷。通過實驗驗證，該框架不受電路信號抖動影響，具備較好的穩定性；在放大電路信號時，其波形與電路信號未放大前的波形完全相同，不存在飽和失真情況，電路信號放大能力較好；在感知電壓與電流小延遲缺陷時，小延時缺陷錯位時間均為0.48us左右，感知結果較為精準。