基于移动设备目标检测的学习延迟感知结构

李美莲

(安徽三联学院，安徽 合肥 230601)

由于电路信号延迟缺陷会导致电路以及配件出现不同程度故障，因此在电路教学方面极注重电路信号延迟问题。学生在学习操作电路时，无法直观感受电路信号延迟情况[1-2]，为学生学习电路操作造成一定难度，为清楚掌握电路操作时出现的电路信号延迟情况，很多学者注重于电路信号延迟检测技术。如姚庆华等人研究的二次回路延时检测方法[3]，该方法针对电路的二次回路延时进行检测，利用二次回路装置检测电路的延时情况，该方法仅针对电路的二次回路延时进行检测，适用范围较小；而韩笑等人研究的延时反馈负荷在线快速辨识算法[4]，该算法利用目标函数求解方式缩小电路设备组合范围，并计算电路负荷情况，通过暂态特征提取后获取电路负荷延迟结果，该算法虽然可有效获取电路延迟情况，但仅针对延电路信号延迟时间较长情况，当电路信号延迟时间较短时则无法实现较好的识别。针对上述情况，本文以电路小延迟缺陷感知为目标，设计基于移动设备目标检测的学习延迟感知结构，为掌握学生操作电路情况提供较为科学精准的数据基础。

1 学习延迟感知结构

1.1 结构框架

学习延迟感知结构使用Compact-RIO控制器实现学生学习电路时的电路信号采集，学习延迟感知结构使用系统软件Labview开发，将Compact-RIO控制器作为该电路信号采集硬件，集实时控制器、可重配置的嵌入式系统和工业级I/O模块等于一体，实现各种电路信号采集，基于Compact-RIO控制器的学习延迟感知结构如图1所示。

图1 学习延迟感知结构示意图

在学习延迟感知结构内，学生学习时操作电路发生的电路信号传输至Compact-RIO模块内，该模块中的FPGA机箱通过控制实时控制器实现电路信号时序的控制，实时控制器是实现电路信号数据交互功能的必要设备；使用Compact-RIO模块内的数字I/O子模块实现不同接口的电压、电流以及数字电路信号的交互；Compact-RIO模块内的模拟输入子模块则模拟学生操作电路时所发出的电路信号，并利用调理电路将电路信号小延迟缺陷放大处理，以便后续对小延迟缺陷的感知。通过Compact-RIO模块进行电路信号实时控制、传输以及电路信号模拟后，输出模拟后的电路信号，利用小延迟缺陷感知模块感知学生操作电路时的小延迟缺陷。

1.2 硬件选取

为了提升小延迟缺陷感知效果，本文选取了Compact-RIO模块、FPGA机箱、RIO-9119嵌入式机箱、I/O子模块作为硬件。

Compact-RIO模块由控制子模块、数字I/O子模块和模拟输入子模块组成，三个组件各司其职，其中实时控制器作为Compact-RIO模块的中枢，具备多个串口和网口，用于电路信号的传输和控制指令发送与接收等，控制子模块是以RIO-9046型实时控制器为核心原件，该控制器具备10Base-T的网络接口，CPU具备1.3GHz的基础频率和8GHz的超高频率，其网络同步精度低于1us，其通信速率为10～1000Mb/s，可用于与移动终端相连。

FPGA机箱内嵌入FPGA系统，该机箱内存在多个引脚资源和编程方式，可实现多任务同步进行，以提升电路信号时序控制精度[5]。

I/O子模块主要负责连接FPGA机箱和模拟输入子模块，实现各个功能模块之间的数据传输功能。选择工业NI9402I/O集成模块作为学习延迟感知结构的I/O子模块，该子模块具备CAN、SPI、IIC、串口等若干通信接口，且各个接口之间不存在互相干扰情况[6]，使用者可依据业务需求定义相关接口，具备较强的扩展性。该子模块的通道具备2个端口，每个端口具备4个通道，端口的通道传输方向均相同。

1.3 调理电路设计

模拟输入模块负责模拟学生操作电路时所发出的电路信号，通过调理电路将学生操作电路时发出的电路信号放大，以便于检测电路信号内存在的小延迟缺陷。设计调理电路如图2所示。

图2 调理电路示意图

在上述调理电路中，设置输入电压区间为-8V～8V，放大倍数为1.5倍。

1.4 小延迟缺陷感知方法

依据路径相关性原理，在感知学生操作电路时出现的小延迟缺陷时，使用电路信号变量关系差值实现小延迟缺陷检测，通过计算电路信号变量的相关系数，计算电路信号变量的标准估计误差，其表达公式如式(1)所示。

(1)

上述公式中，σe表示电路信号变量标准估计误差，X1、X2表示两个变量，ρ2表示相关系数的平方。

由公式(1)可知，电路信号变量的标准估计误差由变量平方和变量相关性决定[7-8]。

以每一个电路信号作为变量，即可获取每两个电路信号变量的相关性数值。假设用X1,i、X2,i表示电路信号样本，当电路信号样本高于阈值间隔时，表明两个电路信号样本之间不具有相关性[9]，反之则表示两个电路信号样本具有相关性。令变量X2的全相关假设由X2,iFC表示，电路信号样本X2,i若符合预测关系，其范围需符合公式(2)。

(2)

公式(2)中，σX1、σX2分别表示标准偏差，μX1、μX2表示变量的平均数值。

依据公式(2)可知，当两个电路信号关系为相关关系时，两个电路信号样本满足公式(2)，该公式主要利用变量X1估计变量X2的感知间隔，若想要利用变量X2估计变量X1的感知间隔，则需要将公式(2)中的X1替换成X2、X2替换成X1即可。

由于电路信号的路径各异[10]，因此路径间的相关性不够高，在感知电路信号小延迟缺陷时，需通过多路径的相关性呈现电路信号的跨径相关性[11]。在感知小延迟缺陷时，设置电路信号的目标路径，由OP表示，感知路径为(P1,P2,…,Pn)。依据小延迟缺陷感知路径和目标路径相关系数方差可获取目标路径的样本值。令ROP,P1…Pn表示多路径的电路信号相关性，则感知小延迟缺陷的标准误差表达公式如式(3)所示。

(3)

利用公式(3)获取到多路径的感知小延迟标准误差数值后，需对小延迟缺陷标准误差数值相同的电路信号路径进行覆盖处理[12-13]，并按照顺序排列感知到的电路信号小延迟标准差数值，由于不同的电路信号路径的相关度不同，为提升感知结果的精准性[14]，以标记和修改节点的形式描述电路信号路径排序过程，详情如下。

当电路信号路径的相关性相同时，在该路径内设置若干个修改节点，令修改节点的集合由C={c1,c2,…,cm}表示，小延迟缺陷标准误差数值相同的电路信号路径即为待覆盖路径的集合由P={p1,p2,…,ps}表示，在修改节点集合和待覆盖路径集合内，m表示修改节点数量，s表示待覆盖路径数量。利用修改节点与待覆盖路径相关性，建立相关矩阵，其表达公式如式(4)所示。

(4)

公式(4)中，γ(C,P)表示相关矩阵，γij取值区间为[0,1]，当γij取值为0时，电路信号路径pj与修改节点ci不重合；当γij取值为1时，电路信号路径pj与修改节点ci重合。

当电路信号路径内存在的修改节点数量较少时，则该电路信号路径与其感知对比的电路信号路径的相关性数值较大，因此依据公式(4)结果，计算反映转换前后的电路信号路径pj的变化节点数量，其计算公式如式(5)所示。

(5)

公式(5)中，N(pj,C)表示电路信号路径pj的变化节点数量，在电路信号路径内，设置的修改节点位置滞后，则说明该条电路信号路径与其感知对比的电路信号路径相关性数值较高。

基于公式(4)结果，令F(pj)表示电路信号路径内的修改节点位置，其表达公式如式(6)所示。

(6)

当对电路信号小延迟缺陷标准误差数值相同的电路信号路径进行覆盖并排序时，需结合该路径内的修改节点数量，当修改节点数量较多时，则覆盖该条电路信号路径难度较大[15]。基于上述思想，设置电路信号路径pj被覆盖优先级由PR(pj)表示，其表达公式如式(7)所示。

PR(pj)=-ω1N(pj,C)+ω2F(pj)-ω2|pj|

(7)

公式(7)中，ω表示权值，其下角标数字由小至大分别表示电路信号路径pj的变化节点数量权值、电路信号路径内的修改节点位置权值和电路信号路径pj的权值。

利用公式(7)可获取所有电路信号路径覆盖的优先级，依据优先级数值大小排序后，即可获得小延迟缺陷程度的电路信号感知路径，其表达公式如式(8)所示。

(8)

至此，经过上述步骤，可获取到学生操作电路时，电路信号内存在的小延迟缺陷，依据路径相关性排列电路信号路径后，得出电路信号小延迟缺陷程度。

2 实验分析

为验证本文结构实际应用效果，以某高校电气专业学生学习电路实操课程为实验对象，使用本文结构感知学生操作电路时发生的小延时缺陷。

2.1 稳定性测试

稳定性是衡量框架应用效果指标之一，为验证本文结构的稳定性，对学生操作电路时发生的电路信号添加电压抖动，抖动发射中心频率为160kHz，绘制本文结构接收到的电路信号波形图和添加抖动后的电路信号波形图，结果如图3所示。

图3 框架稳定性测试结果

分析图3可知，对电路信号添加抖动后，电压波形与实际电压波形差别较大，添加抖动后的电压信号最高数值达到3.5V左右，但本文结构所接收到的电压波形与实际波形相差无几，仅在时间约为6～7us和12～13us之间时，存在轻微偏差，但偏差数值较低可忽略不计，在其余时间时，本文结构所接收到的电压波形均与实际波形完全重合，该结果表明本文结构不受电路信号抖动影响，可较好的接收实际电路信号，具备较强的稳定性，可应用于感知学生操作电路时发生的小延迟故障。

2.2 电路信号放大效果

电路信号放大会存在饱和失真情况，测试本文结构在放大电路信号过程中的饱和失真情况，结果如图4所示。

(a)电压

(b)电流图4 电路信号放大测试结果

分析图4(a)可知，本文结构在放大电压信号时，其波形与放大前的电压信号完全相同，不存在饱和失真情况；分析图4(b)可知，本文结构在放大电流信号时，其波形与放大前的电流信号完全相同，与电压信号一样不存在饱和失真情况，以此证明本文结构电路信号放大效果较好，放大后的电路信号不存在饱和失真情况，保证信号的清晰性。

2.3 小延时缺陷感知

测试本文结构感知电路信号小延时缺陷能力，从电压和电流两种电路信号角度出发，以某位同学操作电路内的电流与电压为实验对象，测试电流与电压的小延迟缺陷情况，结果如图5所示。

(a)标准电压

(b)实操电压图5 电压小延时缺陷感知结果

分析图5内(a)图可知，标准电压的波动的起始点从0us后及开始出现波动，不存在时间延迟情况，而图5内(b)图中，该学生实操时的电压波动情况虽然与标准电压波形相同，但在电压波动的初始时间与结束时间上均错后约为3.8us，表明该学生操作的电路电压出现小延时缺陷，缺陷持续时间为3.8us左右。上述结果说明：本文结构可感知电路电压存在的小延时缺陷。

为更充分全面地呈现本文结构应用效果，从电流角度展开验证，结果如图6所示。

图6 电流小延迟缺陷感知结果

分析图6可知，本文结构感知的电流波形与标准电流波形完全相同，但该电路出现小延迟缺陷，导致本文结构感知的电流波峰与标准电流波峰出现错位情况，且错位时间约为3.8us，结合图6结果得出，该学生操作的电路电流与电压变化时间相同，说明该电路存在小延时缺陷，综合上述结果，当电路出现电流、电压小延时缺陷时，本文结构均可感知到，且感知结果较为准确。

上述仅针对单个学生操作电路出现小延迟缺陷进行的实验，下面从多路径电路信号角度展开，以3条电路信号为实验对象，分别标记为线路A、线路B、线路C，分别对上述3条电路进行10次操作，统计10次操作中出现的小延迟缺陷持续时间，结果如表1所示。

表1 多路径小延迟感知结果

分析表1可知，在对3个路径电路操作时，3个路径的电路信号均出现不同程度的小延迟缺陷，其中线路A与线路C均有4次小延迟缺陷时间为0，线路B有3次小延迟缺陷时间为0，说明此次学生操作电路未出现缺陷，而在其他操作次数时均出现不同程度的小延迟缺陷，其中最大小延迟缺陷出现在线路A内，在其第5次操作时，该线路出现持续时间为0.36us的小延时缺陷，综上所述，本文结构可有效感知多路径的小延时缺陷，具备较好的应用性。

3 结论

本文通过设计基于移动设备目标检测的学习延迟感知结构，感知学生操作电路时所发生的电路信号小延迟缺陷。通过实验验证，该框架不受电路信号抖动影响，具备较好的稳定性；在放大电路信号时，其波形与电路信号未放大前的波形完全相同，不存在饱和失真情况，电路信号放大能力较好；在感知电压与电流小延迟缺陷时，小延时缺陷错位时间均为0.48us左右，感知结果较为精准。