基于新型分布式算法的自动化检测流水线

赵 成，张宏宾，龚 辉，李雪城，仝 霞，王文静

(国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100161)

基于新型分布式算法的自动化检测流水线

赵 成，张宏宾，龚 辉，李雪城，仝 霞，王文静

(国网北京市电力公司电力科学研究院，北京 100161)

自动化电表检定流水线的运行精度是流水线检定效果的决定性因素。为维持自动化流水线的高精度运行，提出了一种基于新型分布式算法的自动化流水线精度改进方法。该方法首先着重于算法的改进，不同于传统的分布式算法，所提出的分布式算法侧重于对传统算法中查找表中的值进行重组优化；然后在改进算法的基础上进行了结构的最优化设计，特别是采用了查找表分割的方法实现资源最小化；最后，该方法在FPGA上得到了实现。该方法以检测精度最优化为目标，综合考虑流水线各个环节的具体运行状态，以取得自动化检测效果最优化。经具体实践测试，该方法不仅提高了电表的检定效果，而且还有效地减少了对系统各类资源的占用。通过对目前已经投入现场作业的系统进行实际检测，证明该方法取得了优异效果，值得在相关检测系统中大力推广。同时，所提出的新型滤波器算法也将对现有的数字信号处理研究产生影响。

自动化检定流水线； 数字信号处理； 分布式算法； 查找表； FPGA; 精度优化； 电表检测； 滤波器

0 引言

智能电表以其结构简单、易操作等特点，目前在国家智能电网系统中被大规模使用[1-4]。随之而来的问题就是如何实现对这些电表的自动化检测。传统采用的人工检测的方法存在效率低下、成本高、精度低等缺陷，已经无法满足时代的需要[5-8]。目前，自动化检测流水线在一定程度上已经被大量使用。但是由于这些检测流水线的技术不够完善，整体效率还有待提高。此外，由于具体作业环境的区别，目前的自动化检测线的效果还需要继续改进[9-12]。

在流水线作业中，检测的精度不仅决定了整个系统的检测效果，还决定了系统的运行速度。在现有系统中，主要存在系统的信号滤波处理不够精准等问题。因此，需要研制新型的滤波方法来改进精度[5]。

在该背景下，本文提出了一种基于新型分布式算法的精度改进方法。该方法将在现场可编程门阵列(field-programmable gate array,FPGA)平台上进行实现验证。该系统由于直接采用硬件方法实现，在信号处理的效果和运行结果上都具有良好表现。其不仅有效地改善了系统的检测精度，而且极大地减少了系统占有的资源。最后，该系统被实际应用到具体的自动化检测系统中进行验证通过。

1 自动化智能电表检定系统

1.1 自动化流水线检定系统

本文所涉及的自动化流水线检定系统主要针对各类智能电表。自动化流水检定系统的作业主要由设备完成，很少涉及到人工操作。与传统检定系统相比，自动化流水检定系统存在效率高、速度快等诸多优点。单相电能表自动化检定流水线系统可细分为7大模块，其检定流程如图1所示[1-4]。

图1 检定流程图

①耐压模块：该模块是整个系统的第一个模块，主要完成对电表的外形测试、压力检测，并记录测试信息。②外观模块：主要对整个系统进行外观检测，包括电表外观规格检测。③功耗模块：主要对电表的功耗进行检测，并登记检测所得的数据。④功能模块：主要对电表的综合功能进行检测。综合功能主要包括电表的运行速度、精度、显示和警示等。⑤封印模块：主要对检测完的电表进行封印，封印后的电表将被送入下一个模块。⑥刻码模块：主要对电表进行刻码作业，包括电表的性能和参数。⑦贴标模块：主要对电表进行贴标。这是整个系统的最后一个模块。

图1中，虚线框内就是自动化检定流水线存在精度问题的环节，本文将主要针对该类问题进行改进设计。

1.2 自动化流水线技术指标

自动化检定系统各模块间主要存在运行精度的问题，平均检定精度如表1所示。

表1 平均检定精度

其中，功耗和功能2个模块的检定精度有待进一步提高。由于这2个模块的精度主要由信号精确性决定，因此有必要进行更高精度的信号滤波。

2 新型分布式算法的结构和实现

分布式算法广泛地应用在各类数字信号处理系统中，其中包括信号滤波。如图1所示，检定模块之间的信号需要更有效地滤波。分布式算法最早由Croisier在1973年提出，然后由Liu和Peled推广使用,并由Yiu将其扩展到符号数[5]。从此有许多的改进型分布式算法被提出。分布式算法的主要思想是把需要相乘的结果事先存储在查找表内，然后以信号的输入作为地址，把这些数值读取出来；读取出来的数值累加后即为最终结果。

2.1 新型分布式算法

考虑2个数量是N的任意实数C和X的内积[5]：

(1)

式中：{Ci}为有N个位整数C。

则可以把{Xi}表示为W位的补码形式：

(2)

然后，把式(2)代入式(1)中，则：

(3)

式(3)可改写为：

(4)

(5)

按照式(5)，所需的乘积值可以事先在查找表中进行存储。输入已存储的乘积值作为可读取的地址数据，经过N次的读取和数据累加以后，可得最终结果。

将式(4)代入式(5)，可得：

(6)

(7)

因此，原有查找表内的值被改变。举例来说，滤波器的4个参数分别是10、-11、12和-13。表2给出了传统分布式算法和本文所提出分布式算法的查找表内容对比。

表2 查找表内容对比

同时，由式(6)和表2可以看出，当输入的地址数量是N位时，查找表的规模就达到2N。在这种情况下，查找表就非常占用整个系统的资源。为降低对系统的资源占用率，本文采取了一种查找表分割的方法。

设定N是可以由2个正整数相乘而得的整数，则：

(8)

式中：

(9)

这样就把原来的一个查找表分成许多小的查找表了。

2.2 滤波结构

在实际运行情况中，考虑到信号的滤波功能，本文采取有限脉冲响应滤波器的方式。

基于分布式算法的滤波结构如图2所示。首先，所有的输入都通过输入端口到达一个位串行字平行的转换器。该转换器负责将所有输入信号的字节转换到由最低位到最高位排列的方式。这些平行的数据就作为地址去读取查找表的数值(这些数值都是事先计算好并且存储在表内的)。当每个表收到相关的输入，存在表内相关的值就会被读出来，然后这些值通过一个流水线加法器进行加法运算，最终输出结果。

图2 基于分布式算法的滤波结构示意图

3 结构实现仿真

本节主要对图2所示的基于分布式算法的滤波系统进行结构实现仿真。本文采用硬件描述语言(VHSIC hardware description language,VHDL)对图2的滤波结构进行编程，然后在Altrea公司的Quartus II软件上进行仿真，最后在FPGA器件(Altera Stratix-II EP2S15F484C3)上进行实际运行验证。

同时，对本文设计在FPGA上的实现与参考文献[5]进行比较，仿真和功耗比较结果分别如表3、表4所示。比较的具体参数包括系统的实现面积、最大频率fmax和功耗。实现面积，即可适应性查找表(adaptive lookup table,ALUT)的数量。同时，为了使该比较更加公平，本文也采用了不同数值N进行具体的实现比较。

表3 仿真结果比较

表4 功耗结果比较

通常情况下，一个系统的设计优越性主要由3个参数来决定：面积、速度和功耗。面积通常是由该结构的复杂度所决定，越复杂的结构所占用的面积越大。速度主要是由该结构的最大频率决定，频率越高，速度就越快。功耗主要是由系统的消耗功率所决定，功率数值越大，功耗越高。由表3可以看出，本文所设计的结构在两个方面，即占有面积和速度，比文献[5]的设计更有优势(拥有更少数量的ALUT和更高的最大频率)。在输入数据N分别为16、32、64和128这4种情况下，本文所提出的设计都取得了较好的效果，从而可以肯定该设计的结构优越性。

表4的功耗数值是在同一的运行条件下测出的，即同一个FPGA器件和同一运行频率(功耗和运行频率有很大关系，因此统一对运行频率进行公平比较)。由表4可以看出，本文设计比文献[5]的功耗更低。

综上所述，本文所设计结构的效果更好，可以在自动化检定线中进行应用(主要检测精度问题)。

4 系统具体实现

在基于分布式算法的滤波系统具体化硬件实现之后，该部分就被应用到电表自动化检定流水线中。首先，该滤波系统被嵌入到检测流水线的检测装置中。接着，检测流水线上的机器人和检测装置进行协同作业，并对电表进行自动检测。同时，滤波系统也进行工作以确保信号的处理准确性。最后，对该检定系统的实际运行效果进行测评。

由于基于分布式算法的应用在基于FPGA平台的硬件实现中已经取得优异结果。将该算法具体应用到电表检定流水线系统后，主要针对系统的运行精度进行检测。假定某一电表自动化系统的设计要求是每日检测7 000只电表，那么检测准确率在6 990只以上的就设定为检测效果优秀(99.85%)。在将本文所提出的滤波系统应用到该系统之后，系统的具体运行结果如表5所示。

表5 系统运行结果

由表5可以看出，在使用本文滤波系统后，整体系统和单个系统的检定精度均有大幅度提高(都达到优秀级别)。由于该系统性能优异，即资源占有面积更小、最大频率更高，检定取得了较好结果。

5 结束语

本文通过对电表自动化检定流水线的检测精度问题的具体分析和讨论，结合分布式算法的硬件实现的优异表现，对现有的检定电表的自动化流水线系统进行了改进。具体运行结果证明，该方法在电表的自动化检定流水线运行中有优异的精度改善表现，效果十分显著。此外，由于该检定流水线的基于分布式算法的滤波系统性能优异，运行结果出色，值得在相关系统生产建设中推广。

[1] 李绍炎，钟健，熊伟堂.自动化装配生产线结构原理及节拍优化设计[J].深圳职业技术学院学报，2008，7(1):22-24.

[2] 代燕杰，孟平.模拟现场的用电信息采集终端检测系统[C]//中国电机工程学报年会论文集，2013.

[3] 黄剑锋，赵晶英.装配线生产节拍优化系统的研究与开发[J].计算机工程与应用，2013(16):244-247.

[4] 贾丽萍，茹世文.用电信息采集终端自动化检测系统构建[J].产业与科技论坛，2012，11(17):67-68.

[5] XIE J F,HE J J,TANG Z.FPGA realization of FIR filters for high-speed and medium-speed by using modified distributed arithmetic architectures[J]. Microelec- tronics Journal,2010,41(6):365-370.

[6] 张然.天线辐射性能并行测试场研究[J].计算机仿真,2016,38(12):185-188.

[7] 张海栗，安志国，李英春，等.基于Wi-Fi组网的分布式站所终端系统 [J].农村电气化,2016(6):43-44.

[8] 高雄，史哲，彭勇刚，等.智能双向计量与监控终端设计[J].机电工程,2016,33(3):326-382.

[9] 蒋洁茹.智能电能表的概念、标准化和检测方法的研究[J].电子技术与软件工程,2016(4):108.

[10]巩蕾.智能电能表的功能可靠性及检测技术研究[J].工业设计,2016(6):139-140.

[11]邢智.解析电能计量表计及终端运行的可靠性[J].企业技术开发,2016(1):114.

[12]徐玲.农村电网信息化管理之浅见[J].农村电工,2016(7):5-6.

Automated Detection Line Based on New Type of Distributed Algorithm

ZHAO Cheng,ZHANG Hongbin,GONG Hui,LI Xuecheng,GONG Xia,WANG Wenjing

(Electric Power Research Institute of Beijing State Grid Company,Beijing 100161,China)

The operational accuracy of automated smart meter calibration line is the key factor that determines the effects of the calibration line. To maintain the operational accuracy at higher level,the modified method based on a novel distributed arithmetic is proposed. Firstly,the method focuses on the modification of algorithm.Unlike the traditional distributed arithmetic,the proposed algorithm;mainly reconstructs and optimizes the values stored in the lookup table of traditional algorithm,then on the basis of the modified algorithm,the optimal design of the structure is conducted;especially a lookup table decomposition strategy is employed to reduce the resource usage;finally,the method is implemented on FPGA platform.With the optimal accuracy as the target of design,and based on the comprehensive consideration of the specific operational state of each section of the calibration line,the optimization of the effects is obtained. Through practical testing,it is found that the proposed method not only improves the calibration effects,but also effectively reduces the resource occupation. It is further found that the method is worthy to be popularized in other detecting systems,meanwhile,the proposed filter algorithm will impact the present digital signal processing research.

Automated verification line; Digital signal processing; Distributed arithmetic; Lookup table; FPGA; Accuracy optimization; Meter detection; Wave filter

赵成(1982—)，男，硕士，高级工程师，主要从事电能计量方向的研究。E-mail:men_boys@sina.com。

TH6；TP205

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201708021

修改稿收到日期:2017-02-17