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  如歌岁月

回顾计算机应用研究在电工所的历程
作者:沈国镠  日期:2008-09-03     【背景色 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色) 】  【字体:
 

 

1972年,文化大革命进入了第7个年头,被文革动乱摧残的科研工作逐渐有所恢复。电工所的组织机构也由文革高潮时的连队编制恢复为研究室。所内的8个研究室重新组建。新组建的五室包括了老五室(电工测量)和原二室(电机)的部分人员,他们先前都承担过09工程中电源的研制工作。在该项工作已告完成的情况下,新组建的五室面临着下一步往哪一方向发展的问题。根据室内人员过去的工作积累和相关学科当时的发展趋势,经过广泛讨论,室主任万遇良听取多方建议后,决定五室今后的研究方向是数字技术及其应用,具体内容就是数字计算机在电工领域中的应用。这一方向,因它不是传统电工学中所包含的分支,曾经有过一些不同意见,但经过讨论,最终得到了所领导的支持,并迅速开展了研究工作。

此后,计算机(主要是小型机和微型机)在电工领域中的应用这一方向曾经成为电工所的主要研究方向之一。从1972年自行研制小型计算机开始,在所内经过了30余年的历程。这一时期正好是数字计算机在全世界范围内从少数科学家专用的计算工具发展成为各行各业都离不开的得力助手的时期,也是计算机由价值不菲的庞然大物转变成一般人都能问津并可随身携带的有广泛用途的电器的时期。这给计算机应用研究带来了大好机遇和广阔的发展空间。电工所五室敏锐地把握住这一机遇,及时开展了数据采集和处理,计算机控制、机床数控、电工科学计算以及相应的基础应用研究等计算机应用的各个方面的研究工作,并取得一系列成果。

上世纪80年代初,中央作出了科研体制改革的决策。五室(计算机应用研究室)华元涛鉴于当时科研工作存在的问题,在所内率先走出了科研改革的第一步,与当时由科学院和海淀区共同创办的科海公司合作,以五室的506组为基础,于1985年建立了MCS(即微机控制系统)实验室,从事微机应用的研究开发,作为科研改革的一种尝试。MCS实验室实现科研、生产、经营(即科、工、商)一体化,以科为主,以商养科,改变了过去向国家要科研经费的传统和科研与生产脱节的弊病。这一改革创议得到了所领导的大力支持,MCS实验室在科研选题、财务、用人机制等方面享有一定的自主权,并承担相应的风险与义务。在改革大方向的推动下,MCS实验室成立当年,就完成了十余项开发项目,并取得了可观的经济效益,成为所内、院内科研体制改革的一个亮点,得到了院领导的肯定与支持。当时周光召院长、严东生、胡启恒副院长等领导都来MCS实验室参观指导,周院长并题词鼓励。MCS试验在成立的7年中完成了大量计算机应用方面的研发项目。当时五室因为主要力量投入了可变矩形电子束曝光机的研制工作,所内计算机应用的工作基本上转由MCS实验室承担。到上世纪90年代初,根据形式发展,在MCS实验室的基础上,合并了所内相关单位,成立了机电控制工程中心,继续从事相关研究工作,并为电工所在院内的定位进程,起到了独特的作用。

下面分述电工所进行的计算机应用方面的主要工作。其中数控研究因涉及面广,将另有专题叙述。

一、研制成功XDJ73小型计算机

1972年五室重新组建并确定了数字技术及其应用作为自己的研究方向。当时与本所三室合作研究海上石油勘探的大港油田提出,为了对地震勘探数据进行数值分析,他们需要数字计算机,希望与我们合作,请我们研制小型数字计算机供他们使用,并提出了具体型号是美国DEC公司的PDP-8小型机作为蓝本。

那时,国外小型计算机在各方面的应用已得到相当发展,但在国内既无具体的应用研究,更没有现成的小型计算机可以提供。当时,由国内的计算机研究和制造单位联合提出了仿制美国Data General公司的NOVA小型机作为我国小型机的主流机型,并已着手研制。五室经过对包括用户单位、正在研制大型计算机的单位如北京大学、和研制数字集成电路的院内研究单位在内的多个单位进行调研之后,决定不等待和依靠由国内提供计算机,而是自行着手研制小型机,以此作为切入点,开展计算机应用研究。这样做不仅可加快进度,而且有利于培养和锻炼自己的队伍。研制工作于1973年初正式开始。

为了尽快取得成效,五室倾全室之力,成立了4个研制组,即总体组,负责机型选定和总体设计;运控组,负责运算控制部分;内存组,负责磁芯存贮器;和外设组,负责配套的数模模数转换器。随着工作的进展,总体组还负责乘除运算加速部件、三台基本外部设备(光电读入机、纸带穿孔机和作为人机交互用的电传打字机),软件部分也由总体组负责。

经过二年多的奋力拼搏,参加研制的人员在没有样机、缺少资料以及难以找到配套的器材设备的条件下,终于率先在国内研制成功了真正意义上的小型数字计算机。1975年初,整机调试成功。利用美国DEC公司为PDP-8机编制的全套软件系统对整机进行考核,结果全部都顺利通过,说明该机与DECPDP-8机完全兼容,研制工作取得成功。

这台计算机研制成功后,定名为XDJ-73机。它在当年就被推广到北京无线电一厂(后改名为北京计算机一厂),由该厂安排批量生产,并报国家电子工业部(四机部),正式命名为DJS19机,进入国家的系列计算机行列。后来该机又推广到兰州市135厂、大连机车车辆厂、和昆明市云南电子设备厂(后改名为云南计算机厂),也都取得成功。1977年,原机改型成XDJ73型机,机箱由柜式改为台式,部分部件和外设也作了改进。1978年,该机获中国科学院科技大会奖。

研制成功小型机为开展其应用提供了硬件基础。五室接着就利用这台计算机和其后引进的微型机,在机床数控、数据采集和处理、计算机控制等方面开展了应用研究,并不断取得成果。除数控部分另立专题外,其它各种应用研究将在下文中阐述。

图:我所于70年代初在国内率先研制成功的DJS-19型小型计算机

 

二、微型计算机的引进、推广和应用

上世纪70年代的中后期,也就是电工所研制成功XDJ73机的几乎同时,微型计算机又开始在国外兴起。微型计算机以微处理器为其核心,同时采用大规模集成电路和小型磁盘机作为主要组成部件。它比小型机更加小型化,体系结构更灵活,性价比更高,应用更方便,并且可靠性更高。所以,一经推出,发展极快,很快就普及到各个应用领域,使许多原来无缘使用计算机的场合都成为微型机的应用对象。有鉴于此,五室在推广小型计算机应用的同时,有一部分科研人员也积极致力于微机的应用工作。由于当时国内在微处理器研制方面尚无基础,自行研制微机似不现实。因此,五室把重点放在引进和推广应用方面,以使国内的各个方面能尽快用上这一先进工具。

最先引进的是TRS80机。这是美国Radio-Shack公司的一款家用机。经分析研究,发现由于它的可扩充性,该机具有一定的工业应用的可能;并且因它的高性价比,很适合于普及推广。经过对它的软硬件作了分析并进行再次开发,使该机成功地用于控制线切割机床,并在此基础上研制成功了编程机,与线切割机床配套使用,大大提高了线切割机床的性能和效率。这一工作后来成为电工所数控研究的一项成果和产品,产生了深远影响。

上世纪80年代初,美国的IBM公司一改其专注大型主机的传统,推出了IBMPC微机,并与美国微软公司合作,配套推出了操作系统PCDOS和一系列应用软件,从此拉开了微机在全世界大发展的序幕,也改变了人们对微机的看法。五室看到了这个苗头,并依靠自己在TRS80 Apple微机应用方面的经验,很快掌握了IBMPC机的应用技术。成为国内第一批从事PC机应用推广的科研单位。除了为把PC机用于数据采集处理、机床控制、自动控制和各种管理软件等方面而开展多项研发工作以外,还在培训PC机的应用人才方面发挥了独特的作用,先后开办了数十次应用培训班,学员来自全国各行各业并参与了当时国内IBMPC机用户协会的筹建工作。可以说,在微机的应用方面电工所在整个科学院内甚至在国内都是领先的。

图:70年代引进的TRS80

 

三、数据采集和处理技术

在计算机应用中,除了纯粹的数学计算外都必须与外界打交道,即把外界参量输入计算机,由计算机处理后把结果送回外部世界。由于外部世界的参量大都是模拟量,所以必须有模数和数模转换装置在输入时把模拟量变成数字量,输出时则反之。为此,在研制XDJ73机的同时,五室的外设组也研制成功了模数与数模装置作为XDJ73机的配套装置以进行数据采集和输出。这在国内也是比较早的。

在引进微型机的同时,为了配合微机在各个领域中更广泛的应用,五室开发了与微型机配套的模数数模转换系统或数据采集系统。1980年与院成都科仪厂合作研制成功的CD80通用数据采集系统是在微机开始引进不久后就为市场提供的最早的数据采集系统之一,对推广微型机在各种场合下的应用起了促进作用。

针对不同机种和不同要求,五室还研制成功了多种专用的数据采集系统。最初的工作是与本所一室合作,利用微机和数据采集系统实时测量磁流体发电试验中的电压、电流和功率,该项工作最后由一室完成。以后又为四室的超导体试验研制了低温(液氦温度)测量系统。另外,还与院内外有关单位合作,在使用微机与数据采集系统的基础上,与相应的测试仪器设备配套,并编写相应的软件,先后研制成功多种具有数据处理功能的科研或生产用的仪器设备。如与院北京科学仪器厂合作研制成功的LT1型离子探针质谱分析仪;与中科院新疆物理所等单位合作研制成功的GDY型光电直读光谱议;与山东纺织工学院和北京光学仪器厂合作研制成功的WSC型带微处理器的色差计;与中科院地质所合作研制成功的带微型机的穆斯堡尔谱仪;与中科院生物物理所合作研制成DS-80高速数据采集系统;与桂林电表厂合作研制成功的高精度数字功率计;与天津第二电子仪器厂合作研制成功的频谱分析仪等。这些成果都得到了实际应用或进行了生产,并得到相应的奖励。如LT1型离子探针和GDY型光电直读光谱仪都得到了1978年全国科学大会奖。WSC型色差计得到了国家科技进步奖,在提高我国纺织工业的染色质量方面起了应有的作用。在MCS实验室成立后,由该实验室完成了多种数据采集系统并进行了小批量生产,如手表综合测试仪,饱和水蒸汽干度分析仪、油田数据采集系统等,均取得良好效果。

此外,在提高数模和模数变换器的精度方面,五室研制成功了计算机控制的模数和数模转换精度的自动测量系统。为了使微机能方便地与各种测量仪器或其它设备配合使用,还开发了用于微机的IEEE488通用接口,并开发了微机与静电绘图仪联机使用的直接内存存取接口板和它的共享器等。

 

四、计算机控制

计算机控制是计算机应用领域中一个重要方面。在1975年研制成功XDJ73机从而具备了开展应用研究的物质基础和技术储备后,五室立即开展了这方面的研究。其中较为主要且规模较大的应用大致有三项,分别叙述如下:

1. 加速器主环磁体电源的计算机控制

1975年中央批准了代号为八七工程的在北京中科院高能所建造500亿电子伏质子同步加速器的工程。1976年中科院将加速器的主环磁体供电系统控制及检测的任务下达给电工所,所领导决定此任务由五室承担。

主环磁体电源由180块二极(弯转用)磁体和120块四极(聚焦用)磁体组成。两种磁体都直接由电网经相控可控硅整流器供电,每台整流器的峰值功率分别为7兆瓦和2.5兆瓦,电流波形均为梯形。电源系统由两台PDP-11小型机控制和调节,由计算机检测和校正弯转磁体的磁场(电流)。除了实时控制电流反馈回路和电压反馈回路外,计算机作为自校正系统对下一个脉冲周期的电压程序加以修正,以确保磁场精度。两种磁体电源的控制与调节方式类似。为了保证跟踪精度,以弯转磁场或电流作为校正参考值。

控制系统由控制计算机和控制信息传输系统量部分组成。控制计算机除计算机本身外,还包括直流检测部件、数模和模数转换器等。控制信息传输部分包括通信控制器、中继器、监控逻辑和数字点火线路等。

五室承担的工作在1978年完成了初步设计,由高能所汇编在《500亿电子伏北京质子同步加速器初步设计》资料中。此外,五室还完成了控制系统所需的电流检测部件,命名为DB系列电流比较仪,并在1980年被评为院重要成果。

由于国家对重大工程进行调整,整个八七工程在上世纪80年代初下马,五室承担的任务也随之结束。

2. PDH自动绘图仪

1975年中国科学院为了解决院地理所地图自动绘制中遇到的问题,提高绘图的速度和精度,在沈阳召开院内有关单位的会议,讨论解决方案。电工所二室朱维衡提出以平面电机作为绘图机的执行元件可以解决这一问题。这一方案经院同意后,由二室承担平面电机和平面绘图机的研制任务。平面电机绘图机系统包括平面步进电机、气浮技术和计算机控制三个主要问题。经过二室的努力,平面电机首先得到了圆满成功。然后,由二室、所工厂和五室三方合作研制平面电机自动绘图系统。五室负责计算机配置、硬件接口和软件开发等任务。

整个绘图机系统采用当时国产主流机DJS130小型机作为主控机。软件系统以移植国外同类系统的软件为主,并在充分消化的基础上作了改进和发展。主控机和软、硬件系统在完成后与平面绘图机进行了联调,取得完全成功,各项指标均满足了地理所提出的要求。

此项成果除了为地理所解决了地图绘制的问题外,绘图机本身还可用作为计算机的一台通用输出设备。与其它绘图机相比,它具有精度高、速度快和寿命长的优点,可用于各种计算机精密绘图输出的场合。因此,该成果后来转让给哈尔滨龙江仪表厂进行商品化生产。这项成果于1981年获中科院成果一等奖,于1985年获首批国家科技进步二等奖。

在此基础上,七五期间又承担了国家科技攻关项目计算机控制的滚动式绘图机,该机于1990年研制成功,并在1991年通过国家验收。

图:PHD-120型自动绘图机,1985年获国家科技进步二等奖

3. 可变矩形电子束曝光机的计算机控制和图形发生器的研制

电子束曝光机是制造大规模集成电路的关键设备之一。可变矩形电子束曝光机比圆束机具有速度快、产率高的优点,一直是西方国家对我国的禁运设备。六五期间,国家把它列为重大科技攻关项目,由中科院电工所、电子所、北京科仪厂、成都光电所和上海冶金所共同承担,并延续到七五期间。电工所为院攻关项目的牵头单位,其它各单位各有分工。作为牵头单位,电工所内的分工是:六室(后为九室)负责整机的总装总调(其它有关单位参加),并负责真空系统和部分电子线路。五室负责计算机控制部分,包括图形发生器和高速数据传输系统,控制软件和图形变换软件。

图形发生器的主要功能是把曝光用的数字数据按顺序转换成曝光机能接收的模拟曝光图形,使电子束曝光机的相关部件依次将图形曝光在硅片(直接光刻)或模板(掩模制作)上。图形发生器还要控制电子束的通断,并根据各种反馈数据,对电子束的位置进行校正,最后在硅片或模板上曝出正确的图形。这里要说明的是,在为变形束曝光机研制这台图形发生器之前,五室已为六室以前研制的圆形束曝光机研制成功了两种型号的图形发生器,它们都通过了鉴定并交付使用。在此后九室研制的亚微米圆形束曝光机时还合作研制了该机的图形发生器并取得成功。

高速数据传输系统负责传输曝光加工数据信息,这些信息通过一些特殊指令将存放在相关装置中的曝光数据按需要传送给图形发生器,并与图形发生器一起指挥曝光操作。

软件系统包括控制软件和图形变换软件。控制软件要对包括电子束镜筒和工件台等部件进行实时控制,并要配合图形发生器和高速数据传输系统的工作,因此它是一台多任务实时控制软件。它参照了国外同类产品但结合本绘图的硬件进行了重新开发。图形转换软件的作用是把由CAD设计得到的原始的半导体芯片图形数据格式如PG3000等转换成曝光图形所能接受的格式,并进行各种图形处理,如曝光机分割、缩放、镜像、旋转、黑白翻转等。

以上三项由五室承担的任务都按要求如期完成,并用于与主机的联调。整机系统在19913月由中科院组织了评审,达到了规定的技术指标。

 

五、计算机在其它方面的应用

五室除在机床数控、数据采集和处理以及计算机控制方面做了许多应用研究的项目外,还根据国家和市场需要,进行了其它方面的应用研究,主要有以下方面:

1. 在医用设备中的应用

医用设备是计算机的一个重要的用武之地,这只要举出计算机断层摄影(CT)和磁共振成像(MRI)两个例子就足以说明了。五室从上世纪80年代开始就着手进行了计算机与医用设备相结合的研究。这些年来先后进行了三个项目:

①B型超声诊断仪   1988年在所长基金的支持下,五室与北京医用电子仪器厂合作,进行了微机化的B型超声诊断仪的研制工作。五室负责用单片微机进行检测、控制、图像重建和显示部分。1990年初研制成功,由该厂接产。

微波治疗机

微波治疗机是利用微波辐射会在人体局部产生热量的效应,使体内局部产生高温(42℃以上)以杀灭癌细胞而达到治疗肿瘤的效果,并可治疗其它某些适应症。该机的主要技术除提供合适的微波源外,关键是要解决治疗区域的实时测温和直接实时检测微波功率这两个问题。这是因为热疗对温度有严格的要求,过高会损伤人体组织,过低则不起作用。这两个实时测量当时国内尚未解决,阻碍了微波治疗技术的应用。

项目于1990年立项,在重点解决了上述两个问题后,1992年中完成了样机研制,并由北京医科大学附属二院(人民医院)临床试用,1994年又由北大医院临床试用。在该两个医院的临床研究报告的基础上,于199412月通过了国家医药管理局的产品鉴定。此后由中科集团的医电技术公司接收技术转让并进行生产。1995年该成果又通过了国家医药管理局的成果鉴定,认为达到国内领先水平;1995年被评为中科院重要成果;1999年获中科院科技进步奖,同时也取得了良好的经济和社会效益。

自体血液回收机

1998年与北京手表厂合作,研制自体血液回收机。该机主要用于手术中病人血液回收再利用,对手术中输血用血清不足和防止输血感染有重要意义。该机在1999年底研制成功,后转交北京万东医疗装备公司进行产品化并生产推广。

2. 非接触型磁卡及其应用系统

上世纪90年代初,随着市场经济的发展壮大,各种类型的卡的应用迅速普及。1991年针对国内非金融领域磁卡应用尚属空白的状况,五室开展了非接触磁卡及其应用系统的研究。内容包括:非接触磁卡、读写卡机、考勤管理系统、计时收费系统、会议管理系统、门禁系统等的研制。

1992年非接触磁卡及其应用系统列为国家“产学研”产业化计划项目“数据卡及其配套电子设备”的子项。

199311月非接触磁卡及考勤管理系统通过技术鉴定。鉴定认为,该系统为国内首创,达到国外同类产品的90年代水平,并被评为中科院重要成果。1994年到1995年,又陆续完成计时收费系统、会议管理系统、门禁系统等的研制工作。

1993年到1999年间,按“产学研”计划要求,将非接触磁卡及考勤管理系统转让给天津手表厂,对该厂技术人员进行了技术培训,并移交了全部图纸和源程序清单等资料。全部工作于1995年完成。

3.管理软件的开发

在微型机已经普及到各行各业后,各种管理软件也应运而生。五室在进行硬件系统研制的同时,也开发了各种管理软件。最初的尝试是为所财务处开发了工资管理软件,这在国内是把微机用于管理的一项开创性工作,取得了成功后又开发了多种管理软件。如微机计算检索文件管理系统、WMS工资管理系统等,以后又为医务室开发了公费医疗管理系统等,为电工所行政管理计算机化开了先河。

 

六.应用基础方面的研究

   五室在进行具体的计算机应用研究的同时,还对应用基础有关的工作进行了探索研究。这类应用基础的研究一方面为以后的实用项目做好储备,另一方面也是探索新的应用领域。所进行的工作有以下几个方面。

1.计算机网络特别是局域网的研究。这方面的工作主要在上世纪80年代初中期进行。当时计算机网络研究在美国ARPA网的推动下正以迅猛势头进入大规模普及化阶段。五室见到此苗头后也及时开展了这方面的工作。由于室里科研人员都参与了重要任务,所以工作基本上是导师确定课题而由研究生承担。他们分别在网络软件、传输介质、分布式数据库、局域网的计算机辅助设计与分析以及汉字网络软件作了若干探索,取得了一定成果。

2.专家系统的研究。把专家的知识系统化规范化后规划存入计算机,利用计算机超凡的检索和判断能力,根据人们的需要进行检索以得到对特定问题的解决方案,这就是专家系统的主要功能。五室曾对专家系统作了一定探索,准备用于数字逻辑电路的故障诊断分析。

3.计算机图形图像处理。计算机图形学式计算机应用的一个重要方面。五室曾结合大规模集成电路的图形数据处理、三维线切割编程中的图像处理、以及肾结石破碎机定位图像处理等方面进行过研究,这些工作都有具体的应用对象。

以上三方面的应用基础研究都取得一定成果,后因任务及建制变更等原因而没有继续下去。

 

七.人才培养和服务性工作

   作为国内较早开展计算机应用的科研单位,五室在进行具体的科研课题,在人才培养和作为所内外服务方面也作出了相应的贡献。

1.人才培养:在五室将要完成XDS73小型机的研制工作时,中科院新疆物理所在院的支持下派出了沈兰荪为首的科研小组来五室进行交流学习,主要内容是小型计算机的应用研究。他们回去后加强了该所的计算机应用研究室,并在新疆地区开展了多项计算机应用的研究,取得很好的成果。五室也在以后多次派人前往交流讲学,促进了双方的学术交流。

2.与相关单位合作,多次举办了全国性的微机应用培训班,学员来自全国各地,为普及计算机应用作出了贡献。

3.建立电工所的公用机房,为全所的科学计算服务。电工所在1979年初建了公用机房,当时仅一台国产的DJS130小型机。1984年由五室主持为我所公用机房购买了美国DEC公司的VAX750机,并配置了相应的外设和终端,为全所职工,特别室研究生提供了大量机时和各种服务。后来又为所内开展CAD工作引进了工作站和CAD软件(包括机械设计和电子线路设计)。此外,还为我所机房与全院联网提供了技术支援和物质条件。

 

电工所各研究室几乎都有与五室合作的科研项目。1985年电工所获得的第一批国家科技进步奖的两个奖项都是与计算机应用合作研究的成果。五室在最鼎盛时期室内有70余研究人员,是所内的一个大室。电工所虽不是计算技术的专业所,但五室以及随后的MCS实验室的工作在院内甚至在全国都有一定影响。五室和MCS实验室还为电工所内普及和推广计算机应用作出了自己的贡献。随着科技体制改革的深入,五室在上世纪90年代与所内机电控制工程中心合并。但它在电工所这一段历史中的作用,仍值得重视。

 

笔者附记:

本文取材于《中国科学院电工研究所成立三十周年》的小册子,并根据万遇良、华元涛、藏景、吴石增等同志提供的材料汇编而成,是作为所史中关于计算机应用方面的初稿而发表于此。笔者想请读者不吝指正与补充,以使所史能更翔实正确地放映历史的真实情况,至盼。



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