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电路设计前景范文1
关键词：两型三新 输电线路 设计 环境保护
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
1 前言
电力工业是关系国民经济的重要基础产业之一，国家电网承担着优化能源资源配置，保障国家能源安全和促进国民经济可持续发展的重要任务。为落实科学发展观，提高输电线路建设的效率和效益，国家电网公司在输电线路通用设计的基础上，应用全寿命周期管理理念，开展“资源节约型、环境友好型，新技术、新材料、新工艺”输电线路建设工作。但在高压输电线路建设过程中，不可避免的对线路周围生态环境产生影响。当前，建设项目需要配套建设环境保护设施，须与主体工程同时设计、同时施工、同时投产使用，即“三同时”。因此，输电线路设计与环境保护需齐抓并进。
2输电线路的环境影响
输电线路的环境影响包括电磁环境影响和区域环境影响两个部分。电磁影响系指输电线路电磁场对邻近有线及无线通信设施产生的干扰及危险影响，以及静电感应产生的生态影响。区域环境影响系指输电线路工程砍伐树木、损害农田、爆破开山、堆渣弃土、破坏植被等造成对沿线自然生态环境的影响1。
下面选取蓟县―北寺220kV双回输电线路双破口进邵府220kV站双回输电线路工程作为评估对象，它是蓟北220kV双回输电线路在小石各庄村东北角双破口向北同塔双回架设至邵府220kV变电站西侧时，右转向东进站。本高压输电线路工程地处华北平原，线路长度较短。
2.1 电磁环境影响
220kV输电线路工作时，其电压等级较高，相对地面产生一定的静电感应，形成电磁辐射场。三相导线离地面越高，相当于带电体离地面越远，则它在地面附近产生的电场强度就越小。由于导线弧垂影响，相应的最大场强影响区域位于档距中央。在靠杆塔处，导线悬挂较高，杆塔自身的屏蔽，靠杆塔处为最小场强影响区。
220kV线路导线可能产生电晕放电。在高压线路导线的选择时，注意到使其在最大工作电压下，导线表面最大场强不超过电晕放电的起始电压。但由于机械损伤、污秽和降水等使导线表面变得粗糙，从而导致局部电场强度增加，使得在电压比表面无损伤的清洁导线自放电起始电压低的情况下，在导线上也发生局部电晕，形成电晕脉冲，产生无线电干扰波，沿着导线（纵向）以及空气（横向）向外传播。
2.2 区域环境影响
2.2.1 对土地的影响
输电线路对土地的利用主要是永久占用和临时占用两种。永久占地主要指塔基占地。由于单个塔基占地较少，因而，输电线路的永久占地对土地利用类型的影响不大。临时占地主要指输电线路施工过程中，如建设期发生在作物生长期，则有可能会毁掉一部分农作物、林地和灌丛，对农林业生产带来一定损失，会使其他自然植被遭到一定程度的破坏。但工程结束后，临时占地便可恢复原有功能，土地利用类型不会发生改变，因而，临时占地对土地利用类型的影响是短期的2。
2.2.2对植被生产的影响
输电线路建设工程中，沿线施工位置的植被会遭到破坏，同时当输电线路与线下树木垂直距离小于4.5m时（《110~750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）规定，220kV标称电压，导线与树木之间的最小垂直距离为4.5m），线下树木需要砍伐（为保证建成后线路的安全运行），因而，输电线路在建设时将砍伐一定数量的树木，造成林草植被遭到一定程度的破坏，引起水土流失，破坏自然环境，工程建设场地征用及清理费用增加，从而静态投资费用增大。
3 考虑保护环境输电线路的设计方案
3.1严格按照《110~750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）5.0.4规定：海拔不超过1000m时，距输电线路边相导线投影外20m处且离地2m高且频率为0.5MHz时的无线电干扰限值当220~330kV标称电压时，为53 dB（µV/m）。蓟县―北寺220kV双回输电线路双破口进邵府220kV站双回输电线路距线路中心3m处的电场强度最高为5.86kV/m，8m范围内的电场强度均超过4kV/m标准限值的要求，但该区域内无居民区。距线路中心8m以外工频电场强度满足4kV/m标准限值的要求；工频磁感应强度最大值出现在距线路中心4m处，其值为55.20µT，之后随与中心线距离的增加，其值逐步降低，所有结果都满足100µT标准限值的要求；无线电干扰值出现在距线路中心4m处，为47.7dB（µV/m），满足53 dB（µV/m）标准限值的要求，以后随距离的增加其值逐步降低，所有结果都符合53 dB（µV/m）标准限值的要求。
3.2对线路路径进行优化，减少输电线路对农业生产的影响，减少塔位落入农田、果树林、树林之中，对塔位定位时，尽量绕过林地、或者选择森林覆盖率较低的区域通过。蓟县―北寺220kV双回输电线路双破口进邵府220kV站双回输电线路路径较短，交叉跨越较少。
3.3严格按照《110~750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）14.0.6规定：输电线路经过经济作物或林区时，宜采取跨越设计。现阶段220kV的输电线路在设计过程中一般会对树木采用高塔跨越的方式进行，也就是在有树木的地方增加杆塔的呼高，尽量少砍伐树木，以减少生态影响。这不仅有很好的社会效益，保护国家日益匮乏的森林资源，而且有较好的经济效益。
3.4选取路径时，要考虑保证线路走廊边线两侧各15m所形成的平行线内的区域无环境敏感建筑物3。设计过程中排平断面时，对地距离及交叉跨越，严格按照《110~750kV架空输电线路设计规范》（GB50545-2010）13章的规定进行设计。
3.5设计说明施工注意事项中，建议施工期选择在非生产季节，为避免对农作物的破坏施工尽量选择在秋收后播种前；对临时占地，以尽量不砍树为原则；施工过程中要洒水抑尘、面覆盖减少二次扬尘，文明施工；工程施工结束后，恢复施工通道的原有功能和绿化水平即：进行植被恢复，将表土覆在地表，恢复土地的原有功能，保证土壤质量不受到影响。
4结论
环境保护这一理念应贯穿于输电线路建设的全过程：规划、设计（选线、定位设计等）、施工、运行阶段。在设计阶段提前考虑到工程建设对生态环境的影响，做好防护设计和防护措施，在施工阶段，尽可能的减少对生态环境的破坏，更好的保护环境。坚持“三同时”原则，严格依法履行环保与水土保持审批手续、加强输变电建设项目的规范化管理、推动电力事业的可持续发展。
参考文献：
王守礼.高压输电线路的环境保护［J］.云南电力技术，2004（32）:11-14.
柳明.高压输电线路建设对沿途生态影响的综述［J］.科技资讯，2009（15）:32.
河北省辐射环境保护技术咨询中心.邵府220kV输变电工程项目环境影响专项评价［M］.
电路设计前景范文2
论文摘要:本文以数字电路的精品课程建设、教毕内容、教学方法、教学手段探讨教毕改革。
《数字电路》是高等职业技术学院电子信息技术类专业的一门重要基础课，是学习其它专业课程的前提条件。它的任务是使学生掌握现代电子技术基础的有关知识，提高专业知识水平、职业技能和综合素质，增强适应职业变化能力和继续学习能力，把握“以能力为本位”的课程特征。课程建设与改革的最终目标，就是培养学生的职业能力和关键能力。职业能力是指从事职业活动所需要的知识和技能，它是劳动者胜任职业工作、赖以生存的核心能力。关键能力指那些与具体的职业和专业无直接关系，但对于一个人在现代社会中的生存和发展起着关键作用的能力，其目的在于填补学校教育与产业界实际之间的断层与空白。培养具有创新精神和较强实践能力的，掌握必要的基本文化知识和专业知识的，具有扎实的电子信息技术基本技能和综合职业能力的，在生产、管理、销售及服务第一线工作的高级技术应用性人才。
我院自建校以来，《数字电路》一直是骨干课程，也是学生的必修课程，因此教研室始终重视教学内容和课程体系改革。对课程内容进行了优化整合，引人最新的数字电子技术。将经典内容与新技术内容有机结合，使课程内容既具有基础性，又具有时代性。该课程已被评为山东省省级精品课程。
1、建设二以学生为中心”的新型课程模式
数字电路课程历来是学生感到难学的课程，“化难为易”是本课程改革的基本原则之一。我们针对当前高职高专学生的知识能力和学习特点，强调课程的基础性和应用性。无论是介绍常用电子器件，还是研究性能参数、测试技术、使用方法等以基础问题为主，而没有像传统的电子技术课程那样，对电子线路进行较深的理论分析。本课程避免了较为烦琐的数学推导和计算，目的是使学生易于接受和掌握现代电子技术的基础知识和实用技术，体现高职高专教育培养职业技能的特点。课程改革充分体现“以学生为中心”的主要特点包括:“学”重于“教”，教师的作用是评估、判断、建议和指导而不仅仅是信息与知识的传递。课程改革积极探索教学活动的多样化和考核方式的多样化，考核形式包括笔试、课程设计、综合性作业、小制作和实践操作等。该课程的考核包括五个部分:①期末的笔试，考核基本知识、理论占70%;②课程设计项目制作占10% ;③平时成绩占5%;④单项考核10% ;⑤课外电子制作占5%。
2、开发‘’任务驱动”的学习进程
课程改革倡导开发“任务驱动”的学习进程，在教学活动中实践“以学生为中心”的课程思想。学生通过完成“项目任务”进而完成课程的学习，同时将其“成果”用作学生评价的主要依据。这种采用“任务驱动”的学习进程，能够有效地促进教学过程中的师生互动，有利于培养学生自主学习的能力和方法。在数字电路教学中、首先介绍数字信号的特点、数字系统的组成、数字电路在电子系统中的作用，使学生建立一个对数字逻辑电路的系统的概念。然后是数字逻辑电路的主要内容，包括门电路、组合逻辑电路、触发器、时序逻辑电路、半导体存碍着储器、可编程逻辑器件(PLD)、脉冲波形的产生和整形、模/数和数/模转换电路。在此基础上我们把教学的重点放在数字电路的基本概念、基本原理、基本的分析方法和设计方法以及常用电子器件的使用方法上。
3、建设丰富多样的教学资源
教学资源的种类丰富，包括教学计划、课程标准、教学指导书、课件、教案、教学器材、参考资料、图书、期刊以及在线资源等。课程改革充分应用现代化的教育技术和设施，在教学的活动中最大限度地运用包括计算机技术、网络技术、多媒体技术等在内的现代技术手段，将“课堂教学、实验教学、EDA教学和网路教学”有机地结合。新的课程内容系统科学、先进实用，保证了教学资源的先进性和课程建设的可持续发展性，在培养高素质人才中发挥着重要的作用。课堂教学主要采用多媒体电子课件授课，解决了教学信息量大、课时有限的矛盾;同时结合传统的黑板粉笔，更好地进行师生的交流讨论。
4、实践课程的任务和创新
本课程的实践教学环节在提高学生的技术素质方面所承担的任务是相当重要，课程实验作为课程教学的一部分，起着巩固所学理论知识、提高理论与实际相结合、培养动手能力的重要作用，实验教学改变了以验证理论实验为主的模式，开设了从EDA虚拟实验、硬件电路、基础实验到电子系统设计实验和创新实验的不同层次的实验。将电子设计竞赛等课外科技活动与实验教学紧密结合，注重培养学生的综合应用能力、工程实践能力和创新能力。
(1)实践环节以设计性为主，较好地培养了学生的动手能力与创新意识。通过更新实验内容、使实验和课程设计向综合性、设计性和开放性发展。课程设计题目多样性和自创性，针对不同层次的学生，提供多个可选择的设计题目，鼓励学生自创课题。
(2)课堂教学与课外教学相结合。利用我校多个实习基地，带学生到现场考察利用数字技术生产的各种通信和家电产品，通过对现场工艺文件和图纸资料的学习，进一步理解数字技术的应用，并引导学生提出自己的电路改进措施和方案。
电路设计前景范文3
李浩楠 红塔辽宁烟草有限责任公司沈阳卷烟厂 辽宁沈阳 110000
【文章摘要】
介绍了一种基于CS5460A 的单相智能功率表的设计。本设计以AVR 单片机MEGA128 为系统的控制核心，运用带SPI 接口的功率计量芯片CS5460A，系统配置RS485 接口， 128×64 点阵LCD、键盘输入、实时时钟、FLASH 存储器等。该功率表要实现的主要功能是功率参数的实时测量，存储与显示，并能够实现与PC 机的通信。
【关键词】
CA5460 ；功率表；MEGA128
0 引言
本次设计的单相智能功率表准确度高，响应速度快，测量面广，可用于交流电压电流有效值、有功功率、无功功率，功率因数等电参数的综合测量，采用液晶显示，读数直观、准确，并使用掉电保护存储器保存数据，可以方便地查讯历史数据， 同时带有串行接口RS485 与计算机进行通信，方便的用于集散系统或采集系统。具有广阔的市场和发展前景。
1 系统硬件设计
本系统采用模块化设计的硬件设计原则，整个装置分为两大部分：功率计量处理和AVR 控制器处理部分。系统工作过程如下：通过电压/ 电流互感器分别采集单相交流电信号，将其转化得到的弱电信号经信号调理电路、模拟滤波电路送入功率计量芯片，处理后将有效数据送入CPU 中进行下一步处理，完成数据的实时显示或远程传输。
系统通讯电路部分包含RS-485 串行接口，可进行数据的远程传输；系统中包含键盘、显示（LCD）和开关量输入/ 输出、数据存储等外围电路，可以实现参数设置、数据显示、存储等功能。系统硬件框图如图1（A）所示。下面主要介绍主控制器和功率计量电路。
2 核心控制电路设计
本系统中主控器为ATMega128，负责液晶显示、数据存储、数据传输、键盘管理、时钟芯片管理、功率芯片管理等诸多任务。其硬件接口电路设计如图1(B) 如示。
在本设计中用到的外设接口分为以下几类：
1) 通用I/O 口：用于单个信号的控制。
2) SPI 口：用于与功率计量芯片CS5460A 和FLASH 存储芯片AT45DB041D 通信。
3) I2C 接口：用于与实时时钟芯片DS1307 通信。
4) UART1 接口：与上位机通信的部分。
3 功率计量电路设计
3.1 功率计量芯片CS5460A 介绍
CS5460A 是CIRRUS LOGIC 公司推出的带有SPI 接口的单相双向功率/ 电能计量集成电路芯片。CS5460A 初始化后，经过互感器将电流电压信号转化为小信号的电压信号，电流通道和电压通道的信号被片内放大器放大后，通过两个同时采样的模/ 数转换器转换为数字信号，再通过高通滤波器消除信号中的直流成分，得到的瞬时电压、电流值进入高速数字乘法器相乘，产生瞬时有功功率；瞬时有功功率又经过时间累计、平均，得到电能E，单位时间内的能量就是有功功率。经过计算后得到的电压和电流有效值、瞬时电压、瞬时电流、瞬时有功功率、电能分别存入对应的内部寄存器中，等待微处理器读取。
3.2 电压电流信号采集电路:
使用电压互感器，电流互感器将220V 电压，0 － 6A 电流转化为符合功率芯片CS5460A 输入要求（0 ～ 0.15V）的小信号。电路设计如图2（A）。
3.3 小信号调理电路设计
这部分电路实现对由电压电流互感器采集的已符合CS5460A 输入电压信号要求（信号有效值：-0.15V~+0.15V）的电压电流信号进行限流，滤波，以提高测量精确度。如图2（B）。
3.4 功率计量电路设计
本部分电路的功能是使用CS5460A 对经过调理的电压电流信号进行处理，并将处理得到的电压和电流有效值、瞬时电压、瞬时电流、瞬时有功功率分别存入对应的内部寄存器中，等待微处理器读取。电路设计如图2（C）。
4 硬件电路设计总结
1）原理图设计时需考虑各模块的功能和可行性，大到整个系统，小到每个芯片的引脚，都要仔细考虑；
2） PCB 布线时需遵守抗干扰规则。PCB 设计结束后需仔细检查，对需要改正的地方进行修改。
3） 调试应遵循由简单到复杂的过程， 以功能为单位，一部分一部分电路的进行，确保每部分运行准确无误再进行下一部分的调试，这样便于找出问题。
5 结束语
本文中基于CS5460A 设计的单相智能功率表有多种优良的性能, 能够满足电力部门的需要, 具有一定的推广价值和较好的市场前景。
【参考文献】
［1］王幸之，王雷，翟成，王闪. 单片机应用系统抗干扰技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，1999
［2］刘京南主编，王成华副主编. 电子线路基础[M]. 电子工业出版社， 2003.263-283
［3］曾智刚, 周岳松, 谢晨旸. CS5460A 芯片与及在功率测来那个的一种应用[J], 现代电子技术, 2004(5): 100-102
电路设计前景范文4
【关键词】数字电路 模拟电路 发展
1 前言
随着国民经济的快速增长，科学技术的快速进步，电子信息产业得到快速发展，逐渐渗透到国民经济生活的各个领域，使人们的生活发生了翻天覆地的变化。电子信息产业对军事领域也有着深远的影响，改变了传统战争的作战模式，在现代国防中发挥着越来越重要的作用，其在其在国防领域的应用也彰显了一个国家的综合国防水平。
作为高新技术产业，知识、技术和资本是电子信息技术产业得以快速发展的三个重要因素，它彰显了一个国家或地区制造业的整体水平，也是一个国家或地区科学技术和制造业综合实力的重要标志。就我国目前的社会经济现状而言，我国正处于传统产业结构转型时期。如何平衡新的产业结构，达到经济的稳定快速发展，解决目前政府资本过剩、内需不足、市场疲软等宏观经济问题是我国目前经济社会发展面临的一个重要挑战。而加速电子信息产业的建设与发展，对于促进传统产业变革、改变传统产业结构、增加就业率、提升就业水平具有重要作用是应对这一挑战的最好办法。
电子电路是电子信息产业的技术支撑。是电子信息产业的发展重要限制因素。电子信息产业的快速发展离不开电子科学技术的发展及应用。生产技术的提高及加工工艺的改进加快了集成电路的更新速度，也为电子信息产业注入了蓬勃的朝气以及更加旺盛的生命力，使其得以快速发展。根据其结构、功能的不同，电子电路可以分为模拟电路和数字电路。
2 模拟电路
模拟电路是一种针对模拟信号（幅值随时间连续变化的信号）行传输或处理的电子电路。它主要是利用电流或电压对真实信号进行模拟，使其等比例的再现。如调幅/调频的收音机，接收处理无线电广播信号，然后经过一系列的混频、放大、解调等过程，最终完成音乐的播放和新闻等的报道。模拟电路在生活中的应用非常广泛，如晶体管小信号放大器，低频功率放大器，负反馈放大器，MOS 集成运放，谐振放大器，直流稳压电源等。都是用模拟电路制作的。
模拟电路的设计过程比较复杂，其设计的重点在于电路参数的实现。其设计的基本流程主要包括以下几个方面：
2.1 系统定义
系统定义是模拟电路设计的基本前提。根据设计要求，模拟电路设计工程师需要对电路系统及子系统做出相应的功能定义，并确定面积、功耗等相关性能的参数范围。
2.2 电路设计
电路结构的选择是电路设计的重要环节。模拟电路设计工程师需要根据模拟电路需要实现的功能要求、设计规范及相应的参数指标选择合适的电路结构，并在此基础上确定元器件的组合方式等。针对模拟电路的设计，目前暂时没有可以利用的比较成熟的设计软件，因此，只能是有工程师根据自己的经验手工完成。这在一定程度上增加了模拟电路设计的难度，限制了模拟电路的发展速度。
2.3 电路仿真
电路仿真是模拟电路的设计过程中必不可少的一个环节，是模拟工程师判断模拟电路是否可以达到设计要求的一个重要依据。工程师根据仿真结果，不断对电路进行修改和调整，直到模拟电路的仿真结果可以达到设定的指标及相应的功能要求。常用方法主要有参数扫描法，直流和交流分析法、蒙特卡罗分析等
2.4 版图实现
版图将电路设计转化生产的重要桥梁。在由前面的设计及仿真结果确定了模拟电路的结构及相关参数后，设计工程师对设计的模拟电路进行物理几何性的描述，将其转换成图形格式，以便于模拟电路后续的加工与制作。
2.5 物理验证
在物理验证阶段，需要对设计的模拟电路进行设计规则检查（DRC）。设计规则检查是在给定的设计规则的基础上对其最小线宽、孔尺寸、最小图形间距等限制工艺进行检查，衡量版图工艺实现上的可行性。此外，还要对版图与电路图的一致性进行检查（LVS）。可以利用LVS工具提取版图的参数，将得到的电路图与原电路设计图进行比较，保证版图与原电路设计的一致性。
2.6 寄生参数提取后仿真
在版图之前进行的电路设计的仿真称之为“前仿真”，“前仿真”都是比较理想的仿真，没有考虑到连线的电阻、电容等寄生参数。将寄生参数加入版图后进行的电路仿真称之为“后仿真”，只有当后仿真的仿真结果达到设计指标及系统功能要求，电路的设计工作才算完成。寄生参数对模拟电路的影响较大，前仿真的仿真结果满足的情况下，后仿真结果却无法满足要求。因此，设计工程师需要根据后仿真结果不断进行晶体管参数的修改，有时甚至要进行电路结构的调整，直至后仿真结果达到系统设计要求。
目前，模拟电路设计难度高且比较复杂，使用的EDA工具的功能和系统配套性又相对落后，且在设计过程中需要进行频繁的人工干预，对寄生参数等比较敏感等，这些都在一定程度上限制了模拟电路的发展，导致模拟电路发展速度相对缓慢。
3 数字电路
电路设计前景范文5
关键词：电火花震源；C51；同步触发；数据采集
0 引言
目前，在国内的工程地震物探中常用锤击震源，炸药震源。锤击震源是以人力为能源的一种地面震源，使用器具轻便，但能量较弱、穿透深度小及操作者劳动强度大；炸药震源能量强，但运输保管成本高，对环境破坏力大，且有安全问题；电火花震源是把电能转化成脉冲机械能从而产生地震波的震源。具有操作简单、安全，施工效率高、重复性好，子波稳定、激发频带宽且高信号丰富等优点。因此，在油气勘探及工程物探领域应用具有广阔的前景。但随着勘探技术的不断发展，地震采集仪的种类不断增加，对其时间精度的要求也在不断提高。为了使电火花震源与采集仪器更加匹配，保持同步。必须设计一套完整的同步触发装置使地震采集仪在地震波开始传播时，就同时进行地震数据的采集。
该创新型同步触发装置是基于C51为核心的控制系统数字电路设计，匹配电火花震源及地震采集仪，保证数据采集时间同步，提高地震数据采集的质量。
1 电火花震源的同步系统
电火花震源的同步系统主要由电火花震源控制系统，同步触发装置组成。由电火花震源控制系统发出各种控制指令，控制放电开关，同步触发装置工作。放电开关在电火花震源控制系统控制下闭合，通过放电电极把电容储存的电能瞬间释放，转化成脉冲机械能，产生地震波；与此同时，同步触发装置在电火花震源控制系统的控制下，产生一个下降沿信号，启动地震仪进行数据采集。关于电火花震源同步系统功能示意图如图1所示。
电火花震源控制系统发送指令控制放电开关闭合，通过放电电极产生地震波。同时，发送指令，控制同步触发装置，通过C51控制的数字电路，产生一个低电压下降沿的触发信号输出给地震仪，使它在地震波刚开始传播，就同时进行地震数据的采集。图2为同步触发装置的数字电路设计：
2 现场实验与结果分析
电路设计前景范文6
在人类的科学研究中，有不少研究成果得益于大自然的启发，例如仿生学技术。随着计算机技术和电子技术的发展，许多的科学研究越来越与生物学紧密相联。在人工智能方面，已经实现了能用计算机和电子设备模仿人类生物体的看、听、和思维等能力；另一方面，受进化论的启发，科学家们提出了基于生物学的电子电路设计技术，将进化理论的方法应用于电子电路的设计中，使得新的电子电路能像生物一样具有对环境变化的适应、免疫、自我进化及自我复制等特性,用来实现高适应、高可靠的电子系统。这类电子电路常称为可进化硬件(EHW, Evolvable HardWare)。本文主要介绍可进化硬件EHW的机理及其相关技术并根据这种机理对高可靠性电子电路的设计进行讨论。
1 EHW的机理及相关技术
计算机系统所要求解决的问题日趋复杂，与此同时，计算机系统本身的结构也越来越复杂。而复杂性的提高就意味着可靠性的降低，实践经验表明，要想使如此复杂的实时系统实现零出错率几乎是不可能的，因此人们寄希望于系统的容错性能：即系统在出现错误的情况下的适应能力。对于如何同时实现系统的复杂性和可靠性，大自然给了我们近乎完美的蓝本。人体是迄今为止我们所知道的最复杂的生物系统，通过千万年基因进化，使得人体可以在某些细胞发生病变的情况下，不断地进行自我诊断，并最终自愈。因此借用这一机理，科学家们研究出可进化硬件（EHW,Evolvable HardWare），理想的可进化硬件不但同样具有自我诊断能力，能够通过自我重构消除错误，而且可以在设计要求或系统工作环境发生变化的情况下，通过自我重构来使电路适应这种变化而继续正常工作。严格地说，EHW具有两个方面的目的，一方面是把进化算法应用于电子电路的设计中；另一方面是硬件具有通过动态地、自主地重构自己实现在线适应变化的能力。前者强调的是进化算法在电子设计中可替代传统基于规范的设计方法；后者强调的是硬件的可适应机理。当然二者的区别也是很模糊的。本文主要讨论的是EHW在第一个方面的问题。
对EHW的研究主要采用了进化理论中的进化计算（Evolutionary Computing）算法,特别是遗传算法（GA）为设计算法，在数字电路中以现场可编程门阵列（FPGA）为媒介，在模拟电路设计中以现场可编程模拟阵列（FPAA）为媒介来进行的。此外还有建立在晶体管级的现场可编程晶体管阵列（FPTA），它为同时设计数字电路和和模拟电路提供了一个可靠的平台。下面主要介绍一下遗传算法和现场可编程门阵列的相关知识，并以数字电路为例介绍可进化硬件设计方法。
1．1 遗传算法
遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程的一种自适应全局优化算法，它借鉴了物种进化的思想，将欲求解问题编码，把可行解表示成字符串形式，称为染色体或个体。先通过初始化随机产生一群个体，称为种群，它们都是假设解。然后把这些假设解置于问题的“环境”中，根据适应值或某种竞争机制选择个体（适应值就是解的满意程度），使用各种遗传操作算子（包括选择，变异，交叉等等）产生下一代（下一代可以完全替代原种群，即非重叠种群；也可以部分替代原种群中一些较差的个体，即重叠种群），如此进化下去，直到满足期望的终止条件，得到问题的最优解为止。
1．2 现场可编程逻辑阵列(FPGA)
现场可编程逻辑阵列是一种基于查找表(LUT, Lookup Table)结构的可在线编程的逻辑电路。它由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态，工作时需要对片内的RAM进行编程。当用户通过原理图或硬件描述语言（HDL）描述了一个逻辑电路以后， FPGA开发软件会把设计方案通过编译形成数据流，并将数据流下载至RAM中。这些RAM中的数据流决定电路的逻辑关系。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用，灌入不同的数据流就会获得不同的硬件系统，这就是可编程特性。这一特性是实现EHW的重要特性。目前在可进化电子电路的设计中，用得最多得是Xilinx 公司的Virtex系列 FPGA芯片。
2 进化电子电路设计架构
本节以设计高容错性的数字电路设计为例来阐述EHW的设计架构及主要设计步骤。对于通过进化理论的遗传算法来产生容错性，所设计的电路系统可以看作一个具有持续性地、实时地适应变化的硬件系统。对于电子电路来说，所谓的变化的来源很多，如硬件故障导致的错误，设计要求和规则的改变，环境的改变（各种干扰的出现）等。
从进化论的角度来看，当这些变化发生时，个体的适应度会作相应的改变。当进化进行时，个体会适应这些变化重新获得高的适应度。基于进化论的电子电路设计就是利用这种原理,通过对设计结果进行多次地进化来提高其适应变化的能力。
电子电路进化设计架构如图1所示。图中给出了电子电路的设计的两种进化，分别是内部进化和外部进化。其中内部进化是指硬件内部结构的进化，而外部进化是指软件模拟的电路的进化。这两种进化是相互独立的，当然通过外部进化得到的最终设计结果还是要由硬件结构的变化来实际体现。从图中可以看出，进化过程是一个循环往复的过程，其中是根据进化算法（遗传算法）的计算结果来进行的。整个进化设计包括以下步骤：
（1）根据设计的目的，产生初步的方案，并把初步方案用一组染色体（一组“0”和“1”表示的数据串）来表示，其中每个个体表示的是设计的一部分。染色体转化成控制数据流下载到FPGA上，用来定义FPGA的开关状态，从而确定可重构硬件内部各单元的联结，形成了初步的硬件系统。用来设计进化硬件的FPGA器件可以接受任意组合的数据流下载，而不会导致器件的损害。
（2）将设计结果与目标要求进行比较，并用某种误差表示作为描述系统适应度的衡量准则。这需要一定的检测手段和评估软件的支持。对不同的个体，根据适应度进行排序，下一代的个体将由最优的个体来产生。
（3）根据适应度再对新的个体组进行统计，并根据统计结果挑选一些个体。一部分被选个体保持原样，另一部分个体根据遗传算法进行修改，如进行交叉和变异，而这种交叉和变异的目的是为了产生更具适应性的下一代。把新一代染色体转化成控制数据流下载到FPGA中对硬件进行进化。
（4）重复上述步骤，产生新的数代个体，直到新的个体表示的设计方案表现出接近要求的适应能力为止。
一般来说通过遗传算法最后会得到一个或数个设计结果，最后设计方案具有对设计要求和系统工作环境的最佳适应性。这一过程又叫内部进化或硬件进化。
图中的右边展示了另一种设计可进化电路的方法，即用模拟软件来代替可重构器件，染色体每一位确定的是软件模拟电路的连接方式，而不是可重构器件各单元的连接方式。这一方法叫外部进化或软件进化。这种方法中进化过程完全模拟进行，只有最后的结果才在器件上实施。
进化电子电路设计中，最关键的是遗传算法的应用。在遗传算法的应用过程中，变异因子的确定是需要慎重考虑的，它的大小既关系到个体变异的程度，也关系到个体对环境变化做出反应的能力，而这两个因素相互抵触。变异因子越大，个体更容易适应环境变化，对系统出现的错误做出快速反应，但个体更容易发生突变。而变异因子较小时，系统的反应力变差，但系统一旦获得高适应度的设计方案时可以保持稳定。
对于可进化数字电路的设计，可以在两个层面上进行。一个是在基本的“与”、“或”、“非”门的基础上进行进化设计，一个是在功能块如触发器、加法器和多路选择器的基础上进行。前一种方法更为灵活，而后一种更适于工业应用。有人提出了一种基于进化细胞机（Cellular Automaton）的神经网络模块设计架构。采用这一结构设计时，只需要定义整个模块的适应度，而对于每一模块如何实现它复杂的功能可以不予理睬，对于超大规模线路的设计可以采用这一方法来将电路进行整体优化设计。
3 可进化电路设计环境
上面描述的软硬件进化电子电路设计可在图2所示的设计系统环境下进行。这一设计系统环境对于测试可重构硬件的构架及展示在FPGA可重构硬件上的进化设计很有用处。该设计系统环境包括遗传算法软件包、FPGA开发系统板、数据采集软硬件、适应度评估软件、用户接口程序及电路模拟仿真软件。
遗传算法由计算机上运行的一个程序包实现。由它来实现进化计算并产生染色体组。表示硬件描述的染色体通过通信电缆由计算机下载到有FPGA器件的实验板上。然后通过接口将布线结果传回计算机。适应度评估建立在仪器数据采集硬件及软件上，一个接口码将GA与硬件连接起来，可能的设计方案在此得到评估。同时还有一个图形用户接口以便于设计结果的可视化和将问题形式化。通过执行遗传算法在每一代染色体组都会产生新的染色体群组，并被转化为数据流传入实验板上。至于通过软件进化的电子电路设计，可采用Spice软件作为线路模拟仿真软件，把染色体变成模拟电路并通过仿真软件来仿真电路的运行情况，通过相应软件来评估设计结果。
