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【關鍵詞】 測控應答機 軟件無線電 測控通信 自主無線電Application of Software Radio Technology in Aerospace TT&C Transponder

Jin Jun， Sun Chen， Wang Wenwei， Jiang Yong

Abstract： TT&C transponder is core part of spacecraft C&T subsystem and it can finish the tasks of measuring range & velocity of a spacecraft， transmitting telecommand & telemetry information， etc. in cooperation with ground TT&C network. TT&C transponders in different spacecraft C&T subsystems have various operating frequency， operating bandwidth， bit rate， modulation system， coding system and ranging system. Universalization and miniaturization of TT&C transponders can be realized by taking advantage of software reconfiguration， reprogramming and multi-band multi-mode characteristics of software defined radio （SDR） technology. This article introduced application methods and research progress of SDR technology in TT&C transponders. Radiation resistant design of SDR TT&C transponders is also described. Finally the article introduced the application prospect of autonomous radio technology in future deep space TT&C transponders.

Key Words： TT&C transponder， software defined radio， C&T， autonomous radio

一、引言

測控應答機是航天器（衛(wèi)星、飛船、探測器）測控通信（C&T）分系統的核心組成部分，是航天器與地面站之間進行通信聯絡的主要通道之一，配合地面測控網完成對航天器的測控（TT&C）任務。測控應答機的主要功能如下：

1、對來自地面站的測距和測速信號進行轉發(fā)，完成地面對航天器的跟蹤及軌道測量；

2、接收來自地面站的遙控信息；

3、將航天器上的各類遙測數據發(fā)送至地面站。

各類航天器測控通信分系統所采用的測控應答機，其工作頻率、工作帶寬、碼速率、調制體制、編碼體制和測距體制各不相同。就工作頻率而言，主要有S波段、C波段、X波段、 Ka波段四種；就調制體制而言，分PM/PM體制、FM/PM體制、擴頻體制等；就編碼體制而言，有PCM、PPM、ADPCM、PACM等；就測距體制而言，分純側音測距、偽碼測距和音碼混合測距等。由于各類測控通信系統之間體制標準各異，因此相對應的測控應答機設備也無法通用。針對不同的測控通信系統，需要分別研制不同的應答機，或者在同一臺應答機上集成不同的功能，這樣無疑在成本和時間進度上加重了研制負擔，也增加了設備的復雜性。

軟件無線電技術是本世紀初發(fā)展起來的通信領域的重大技術突破。采用軟件無線電技術，利用軟件可重配置、可重編程以及多頻帶多模式的特點，使多個軟件模塊在同一個硬件平臺上實現不同的標準，同一臺測控應答機就可以兼容兩種甚至多種測控通信體制，實現測控應答機的通用化，從而降低開發(fā)成本，縮短研制周期，也更容易保障產品的質量。另外，軟件無線電技術還能簡化測控應答機的硬件電路，實現小型化。

二、測控應答機的基本工作原理

一種傳統測控應答機的原理框圖如圖21所示。該應答機由鎖相接收機和相干發(fā)射機兩部分組成。鎖相接收機包括低噪聲放大器（LNA）、混頻器（Mixer）、自動增益控制（AGC）、倍頻電路、載波跟蹤環(huán)和相干解調電路等部分。接收機接收的上行射頻信號，經過下變頻和自動增益控制后輸出中頻信號。中頻信號分為兩路，其中一路進入載波跟蹤環(huán)，另一路進入相干解調電路。

載波跟蹤環(huán)包括鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LPF）、壓控晶振（VCXO）和分頻器，用于對上行載波進行鎖定、跟蹤。載波跟蹤環(huán)輸出的信號分別用作接收本振、發(fā)射本振和相干解調器（Demodulator）的基準信號。相干解調器輸出信號經濾波后分別為測距信號和遙控BPSK信號。其中測距信號還要送往發(fā)射機進行轉發(fā)。

相干發(fā)射機包括倍頻電路、調相器（PM）、功率放大器（PA）等。測距信號和遙測DPSK信號相加后直接調相在發(fā)射本振上，經功放放大后下行輸出。

三、軟件無線電應答機的實現方法

3.1軟件無線電應答機的射頻接收前端

測控應答機的射頻接收前端電路包括低噪聲放大器、混頻器、自動增益控制等部分。軟件無線電應答機對射頻前端的要求是通用性好。由于軟件無線電應答機往往是多信道多模式同時工作，因此射頻帶寬要足夠寬，能覆蓋不同的頻點或體制。

圖2為一種能兼容統一載波純側音測距和偽碼測距兩種測控體制的軟件無線電應答機接收前端，可同時接收處理純側音測距的PM信號和偽碼測距的BPSK信號。該接收機采用了一個I/Q解調器來處理中頻信號。當上行信號為PM信號時，由I/Q解調器中的一路（Q路）進行載波提取，后續(xù)載波跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器在數字域中實現；而當上行信號為BPSK信號時，I/Q解調器輸出I路信號和Q路信號，送入科斯塔斯環(huán)中進行載波恢復，其乘法器和環(huán)路濾波器均在數字域中實現。對于兩種測控體制，該射頻接收前端做到了完全通用。數字部分則可通過裝載不同的軟件來實現不同的功能，充分體現了軟件無線電的靈活性。

3.2數字下變頻（DDC）技術

數字下變頻（DDC）技術也經常用于多模式測控應答機中。數字下變頻模塊由數字混頻器、數控振蕩器（NCO）和低通濾波器構成。占有較寬頻帶的兩個或多個射頻信號作為一個整體下變頻到接近基帶的位置，A/D轉換后，NCO與數字混頻器實現正交下變頻，在基帶I、Q采用數字低通濾波器來實現不同測控信號的選擇。與模擬下變頻相比，數字下變頻不存在混頻器雜散、本振相噪等技術難題，且具有通過軟件進行控制修改等優(yōu)點。

文獻[1]介紹了一種既能滿足統一S波段（USB）測控要求，又能滿足跟蹤與數據中繼衛(wèi)星系統（TDRSS）要求的雙模應答機。該應答機同時接收寬帶擴頻信號和窄帶調相信號，對兩種信號統一以1/fs進行采樣。數字下變頻之后，采用窄帶濾波器提取載波的方式對兩種模式進行識別，并對兩種信號采用不同的處理算法。

3.3數字調制發(fā)射機

傳統的PM/PM體制測控應答機，下行調相通常采用射頻直接調相法。在軟件無線電應答機中，可采用DDS實現中頻數字調相。在DDS的相位累加器與相位-幅度ROM之間加上一個相位加法器即可實現PM調相（圖3）。通過改變相位字，可使DDS的輸出信號產生所需要的相移。DDS調相有更高的溫度穩(wěn)定性和抗干擾能力，但難點在于調制度的控制時序生成[2]。

文獻[3]介紹了一種全數字調制的發(fā)射機，利用NCO和CORDIC算法（坐標旋轉數字計算方法）實現多種碼速率、帶寬和調制方式的調制信號，占用硬件資源小，可在一塊FPGA上實現NRZ/BPSK/PM、SP-L/PM、QPSK三種調制方式的VHDL代碼。CORDIC算法可以只利用移位、相加等簡單的邏輯操作便可以產生正弦信號，結構靈活簡單，還能得到較高的調制精度（圖4）。

3.4數字載波跟蹤環(huán)

測控應答機中的載波鎖定、跟蹤環(huán)路可采用低中頻數字采樣方案，整個過程在數字域中完成（圖5）。中頻信號帶通采樣，經過正交下變頻和低通濾波后，在信號處理模塊中選出所需要的載波信號頻率特征，控制NCO的輸出頻率，從而完成FFT載波捕獲和載波跟蹤。采用FFT頻率引導方式只需一次引導就可捕獲較大頻偏并跟蹤一定的頻率變化率，相比自然牽引方式捕獲速度更快，可在較寬的多普勒頻偏范圍內實現應答機的迅速鎖定。信號處理模塊還要控制DDS的輸出頻率，輸出相干載波用于后續(xù)的轉發(fā)和調制解調。對于采用了數字載波跟蹤環(huán)的測控應答機來說，由于多普勒頻偏不會引起轉發(fā)相位誤差，因此可以大幅減小測距漂移誤差，實現高精度測速測距[4]。

3.5軟件無線電應答機的抗輻照設計

軟件無線電應答機通常采用現場可編程門陣列（FPGA）作為硬件實現平臺。FPGA具有可編程、高集成度、高速和高可靠性等優(yōu)點。但由于測控應答機工作于太空環(huán)境，宇宙射線和高能粒子會對應答機的正常運行產生一定的威脅。基于FPGA等邏輯器件的軟件無線電應答機對于單粒子效應尤為敏感[5]，因此針對FPGA的抗輻照設計應十分重視。

具有航天成功應用經歷的FPGA主要有兩類，一類為一次性編程的反熔絲型FPGA，另一類為可重編程的SRAM型FPGA。相比較而言，SRAM型的FPGA雖然在邏輯門資源、動態(tài)重構等方面優(yōu)勢明顯，但其對單粒子效應尤其是單粒子翻轉（SEU）的敏感使其在宇航領域的應用受限，而反熔絲型的FPGA則對單粒子效應免疫。

為充分利用兩種類型FPGA各自的優(yōu)勢，通常采取用反熔絲型FPGA和反熔絲型PROM對SRAM型FPGA進行監(jiān)控的方法。基帶處理過程由SRAM型FPGA負責，但在設備運行過程中，反熔絲型FPGA定時讀取SRAM型FPGA中的數據并與反熔絲型PROM中的數據進行比對，若發(fā)現存在異常則進行重配置。采用這種方法，就可以兼顧邏輯門資源的充分利用和抗輻照可靠性的實現。

3.6用于深空探測的自主無線電技術

2004年，美國噴氣推進實驗室（JPL）提出的深空自主無線電（Deep Space Autonomous Radio， DSAR）技術可以認為是未來深空探測應答機中軟件無線電技術的一個發(fā)展方向。該技術能利用人工智能、現代信號處理等前沿科技，在未知無線電環(huán)境下，僅通過觀測信號，就能自動識別無線電信號在碼速率、協議和調制類型等方面的區(qū)別，從而對軟件進行重新配置，實現各種無線電數據的接收和處理。自主無線電技術無需從地面獲取信號特性，便可自動軟件重配從而與不同的探測器進行通信。

另一方面，自主無線電克服了深空測控通信的盲目性，使深空探測器處理突發(fā)事件的能力加強，從而適應各種未知的空間環(huán)境。比如，深空探測器在某外星球下降和著陸的過程中，將產生非常劇烈而不確定的多普勒變化和通信鏈路信噪比惡化。

采用了自主無線電技術的測控應答機，能夠對來自遙遠地球的無線電信號進行參數估計，快速重配鏈路參數，從而以近乎最佳的方法處理劇烈的多普勒變化和信噪比變化，確保信號收發(fā)的有效性和可靠性[6]。

四、結論

測控應答機作為宇航應用設備，工作環(huán)境十分惡劣，因此對質量可靠性的要求極為嚴格。采用軟件無線電技術，可以把不同測控通信體制的應答機統一到一個標準化的通用硬件平臺，更容易實現質量控制。另外，基于軟件無線電的測控應答機在性能參數上受環(huán)境溫度、工作時長、供電質量等因素影響較小，性能一致性較好，易于實現測控應答機的批量生產。軟件無線電技術必將成為未來測控應答機領域的研究熱點，在航天測控通信領域引發(fā)新的革命，深刻地改變人類探索宇宙的方式。

參 考 文 獻

[1]莫乾坤，何晨.星載數字化TDRSS/USB雙模應答機設計與試驗.無線通信技術，2008，3，55-58

[2] A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis. Analog Device Inc.， 1999

[3]姜建文，張朝杰，金小軍，金仲和.基于CORDIC算法的微小衛(wèi)星發(fā)射機設計與實現.傳感技術學報，2010，23（1），57-61

[4]L. Simone， D. Gelfusa， S. Cocchi. A Novel Digital Platform for Deep Space Transponders. IEEE Aerospace Conference Proceedings， 2004， 1432-1445

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關鍵詞：

隨著我國信息化建設的推進，為了滿足當前航空航天事業(yè)快速發(fā)展的需求，航空航天系統應用了信息化的很多應用系統。這些資源系統一般分布在不同的部門，開發(fā)技術多種多樣，操作系統有基于UNIX的，也有基于WINDOWS的，系統框架和開發(fā)平臺有C/S結構，也有B/S結構的。而且各系統之間缺乏總體規(guī)劃，往往是各個部門根據自身需求來設計實施信息管理系統，缺乏對整體資源信息的開發(fā)挖掘。傳統開發(fā)方式開發(fā)的信息平臺與開發(fā)工具、操作系統、數據庫的緊密耦合使得分散的獨立信息系統逐漸成為所謂的“信息孤島”，信息資源沒得到充分利用。多個信息系統的許多功能都是僅僅為了滿足其特定的業(yè)務需求設計的，它們之間存在相似相通之處卻又無法復用，造成軟件升級或重新開發(fā)的成本巨大。

這些問題的解決，需要航空航天各部門對現有業(yè)務流程和軟件系統體系結構進行重新梳理和規(guī)范化改造，考慮面向服務的信息資源整合，充分利用航空航天系統內部信息資源，實現信息的統一控制和管理。

本文首先研究了SOA的思想，SOA的最佳實現技術，以及Web服務的一種開發(fā)工具，然后把SOA思想運用在無人機信息交換平臺中。

1 面向服務的架構

SOA（Service-Oriented Architecture，面向服務的體系結構）將應用程序中的不同功能單元（稱為服務）通過對這些服務之間定義良好的接口和契約聯系起來。接口是采用中立的方式進行定義的，也就是說它獨立于實現服務的硬件平臺、操作系統和編程語言。這使得構建在各種此類系統中的服務可以用統一和通用的方式進行交互。SOA架構的基本元素是服務，SOA指定一組實體（服務提供者、服務消費者、服務注冊表、服務條款、服務和服務契約），這些實體詳細說明了如何提供和消費服務。遵循SOA觀點的系統必須要有服務，這些服務是可互操作的、獨立的、模塊化的、位置明確的、松耦合的，并且可以通過網絡查找其地址。面向服務的參考架構主要由5部分組成，即Web層、服務層、應用程序層、企業(yè)級安全層和業(yè)務服務管理層。

2 通過Web服務和Java EE實現SOA

Web服務為應用程序通過Internat互操作提供了一種新方法，為了迅速實現或者向外界提供一個Web服務，要求有一個功能強大且全面的應用程序開發(fā)和部署平臺，而且同時易于開發(fā)者和部署者使用。Java EE平臺提供了一個完整的Web服務技術集。

Web服務平臺是為使用特定編程語言來調用和部署Web Service而提供的一套工具集。本文主要研究了Java EE平臺對Web服務開發(fā)的支持。Web服務平臺有服務器端組件和客戶端組件。服務器端組件通常封裝在某種類型的容器中。客戶端組件通常封裝為工具，用于訪問綁定到Web Service的Java接口實例。任何一種Web Service平臺都支持三個核心子系統：調用子系統、序列化子系統，以及部署子系統。

3 基于SOA無人機數據交換平臺

3.1 無人機數據交換平臺分析

無人直升機不僅廣泛應用于民用，在國防軍事領域同樣具有非常重要的作用，尤其在保衛(wèi)祖國，完成偵察等任務中凸顯重要，所以，無人直升機的發(fā)展在我國航空科學技術領域倍受關注，如何管理其復雜的測控數據問題也是當今研究的熱點之一。本文主要研究基于無人直升機測控數據分析的要求，利用數據融合技術，結合SOA的架構理念，實現新型的數據交換平臺。

采用SOA設計方法可以擴展本系統的適用范圍。類似的數據交換平臺可以通過通用的標準接口，實時地在線重用本系統所提供的部分功能，從而達到資源共享，減少重復工作的目的。

3.2 系統服務的設計與實現

SOA方法以服務為中心對象構建層次架構，將功能方面涉及的對象、數據、組件、業(yè)務流程、界面等從服務提供者和服務消費者角度進行層次化。在服務層中將各業(yè)務功能點以服務的形式暴露于系統之外，其它信息系統可以通過服務協約對服務進行訪問。這種技術簡化了系統集成，可以快捷、容易地對業(yè)務需求的變化做出反應。服務的設計與實現是實現SOA的核心。下面主要描述系統服務的設計與實現，也就是重點描述業(yè)務層。

無人機信息查詢服務，主要提供無人機信息的修改、查詢等服務。相關人員可能會查詢關心的無人機型號的具體信息，這樣不同的部門都可以調用無人機信息查詢服務。其中有無人機基本信息的描述。

發(fā)動機性能查詢服務，主要提供不同型號發(fā)動機性能信息的修改、查詢等服務。發(fā)動機信息是人們關心的另一個主題。發(fā)動機的品牌、性能決定著無人機的性能，不同部門都可能要用到這個服務。

4 結論

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測控技術與儀器畢業(yè)生應獲得的知識和能力：

1、具有較扎實的自然科學基礎，較好的人文、藝術和社會科學基礎及正確運用本國語言、文字的表達能力。

2、較系統地掌握該專業(yè)領域寬廣的技術理論基礎知識，主要包括機械學、電工電子學、光學、傳感器技術、測量與控制、市場經濟及企業(yè)管理等基礎知識。

3、掌握光、機、電、計算機相結合的當代測控技術和實驗研究能力，具有現代測控系統與儀器的設計、開發(fā)能力。

4、具有較強的外語應用能力。

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（南京航空航天大學航天學院，南京 210016）

摘要： 南航航天學院的本科畢業(yè)實習不僅是整個教學活動中不可缺少的重要組成部分，也對學生未來成為航天設計師起著至關重要的作用。本文結合南航航天學院本科畢業(yè)實習的實踐，先介紹了實習基地的基本情況和學生的實習內容，然后摘錄了兩位學生的實習日記來展現實習的效果，最后總結歸納畢業(yè)實習中存在的問題和獲得的啟示，并對實習指導教師提出了建議。

關鍵詞 ： 畢業(yè)實習；南航航天學院；實習日記；實習指導教師

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）03-0245-02

基金項目：2013年度南京航空航天大學教學改革項目；2013年度南京航空航天大學“三育人”項目。

作者簡介：聞新（1961-），男，遼寧沈陽人，教授，研究方向為航天器控制和故障診斷。

0 引言

南航航天學院的本科畢業(yè)實習不僅是整個教學活動中不可缺少的重要組成部分，也是航天學院特色課程“空間飛行器總體設計”課程專業(yè)教學的繼續(xù)，更是學生畢業(yè)前為適應航天院所擇業(yè)而進行的一次實訓演練，對于學生未來成為航天設計師起著至關重要的作用。但是，畢業(yè)實習和課堂教學不同，本文結合南航航天學院本科畢業(yè)實習的實踐，進行總結歸納，并提出一些建議。

1 南航航天學院本科畢業(yè)實習基地介紹

南航航天學院本科畢業(yè)實習基地選在江陰市的中國衛(wèi)星海上測控部，這個單位成立于1978年，是中國航天測控網的一個重要組成部分。畢業(yè)實習主要安排在基地的技術部、通信總站、遠望2號測量船、港灣勤務大隊、勤務船大隊和船修所等部門，其中，技術部、通信總站和遠望2號測量船為重點實習單位。

2 南航航天學院本科畢業(yè)實習的實習內容

在半個月的實習期間，首先進行具體的定點操作實習，獲得感性認識，進而了解測控跟蹤系統的工作原理及網絡體系結構，包括空間信息傳輸、地面測控、指揮、綜合布站、航天器軌道及測控參數分析等。然后參觀江陰航天測控基地的各個職能場所，了解地球站系統主要儀器設備的基本使用和操作，包括地球站監(jiān)視系統及測試設備、分布式測控網絡傳輸與監(jiān)視顯示系統等。最后，運用大學期間所掌握的專業(yè)理論知識結合具體的實習內容，完成專業(yè)實習報告和生產實習報告。

3 畢業(yè)實習學生日記一覽

實習過程中，國內要求學生每天寫實習日記的教學方法已經獲得廣泛采用，南航也不例外。通過學生日記，可以了解實習效果。下面是學生的實習日記摘錄。

2013年7月8日，出發(fā)：早上8點從南航出發(fā)，在兩小時的車程后，來到遠望二號實習基地。盡管在來這里之前，我已經上網查閱了遠望二號的相關資料，但親眼見到遠望二號后，還是不禁感嘆它宏偉氣派的外形。

2013年7月9日，第一天實習：今天上午，我們系統地學習了船艇安全管理規(guī)定和保密十條禁令。接著，我們召開了暑期實習動員大會，介紹了這次實習的學習任務要求和安排：在進駐實習基地后，由基地安排人員給學生進行基地情況簡介，并組織全體學生參觀測控基地，全面了解航天測控系統,基地安排專門的技術人員負責學生在各專業(yè)實驗室的實習輔導。

2013年7月11日，認識實習：今天上午，我們去機房待職，觀察船上的工作人員如何進行實戰(zhàn)操作。要求我們不許說話，只能看、聽、想，可惜我完全沒有看懂，這也讓我知道自己還有許多知識需要學習，許多技能需要掌握。下午，我們觀看了工程師對雷達天線的調試，看工作人員對地球同步軌道上的衛(wèi)星進行跟蹤。

2013年7月13日，參觀：原本以為遠望二號上的工作環(huán)境已經非常好了，在參觀完遠望21號和遠望六號后，我再也不會這樣認為了。

2013年7月15日，航天特色：今天早上舉行了升旗儀式，我們和全船的官兵一起參加。盡管這是一只科研船，但是我還能深刻感受到軍隊的嚴謹作風。在下令轉身時，所有官兵的腳步聲整齊一致，甲板似乎都為之一振，感覺十分震撼。

2013年7月19日，結束：十天前，我?guī)е闷娴男那椤W習的動力來到遠望二號；十天后，我?guī)е鴮教鞙y控系統的初步認識。

筆者認為實習日記可以對實習情況進行反饋，同時通過學生日記獲取進一步改革的思路，特別是對于提高實習效果大有裨益。再看另一個學生的日記，也會得到一些啟示。

2013年7月12日，活動：下午我們去爬山了黃山公園的小山，全程7公里。天氣悶熱，36度。整個過程揮汗如雨，T恤都濕透了。最郁悶的是被蚊子咬了，我兩下拍死4個蚊子。明天還有去華西村參觀……。

2013年7月16日，感覺空空蕩蕩：實習漸漸接近尾聲，早上不出操了，講座也少了，沒有什么可以參觀了。因為船上迎接大檢查，所以我們活動也受限制。晚上我們看了在船上最后一場電影，無聊得很。

2013年7月17日，無聊了：實習就要結束了，晚上不睡了，起床也沒有激情了。早上起來就到碼頭集合，回去在整理內務。上午沒有活動，一堆人聚在一起打發(fā)時間，聊聊過去時光，打打牌……。

4 對畢業(yè)實習的若干問題的認識與啟示

4.1 問題 ①畢業(yè)實習實際上是接觸社會，接近現實生活，不像學校環(huán)境，而且一般的實習現場都不喜歡學生動手，所獲得的效果與學生想象的效果不符。②當前國內高校教師的水平有了很大的提高，都具有博士學位，大多擅長某一很窄的研究方向，所以很難理解實習基地的各種環(huán)節(jié)的真實含義。③最近幾年的實習經費有了較大的提高，但其他各種費用的增長，與國家其它實習單位一樣，南航航天學院的實習單位向學校收取的實習費也逐年增加，這使得畢業(yè)實習的經費捉襟見肘。④很多學生對實習作用缺乏認識，對實習缺乏積極性，個別學生在實習動員和實習過程中，也未能產生足夠的認識，還有一些學生此階段忙于他事，例如復習外語和考研等活動。

4.2 啟示 ①現在指導教師的部分職能可以指導學生干部來完成，而指導教師大部分精力應該挖掘實習怎樣與專業(yè)課程結合，提高學生思考解決問題的方法和能力；探索如何引導學生能在有限的實習時間里，學到學校學不到的知識。②對于大多數學生來說，基地及科研試驗中的很多內容還是比較生疏的，如果實習指導教師不研究，在短時間實習過程中，難以使得學生對實習獲取真正的認識。因此實習指導教師必須研究實習工程，實習指導教師還需要充當設計實習任務總師的角色。③實習指導教師應該結合畢業(yè)實習的目的，與基地人力資源部門進行協商，制定實習內容，并把核心課程知識引入到實習中。④畢業(yè)實習不僅是讓學生將所學專業(yè)核心課程知識與科研試驗相結合，更重要的是讓大學生了解航天系統的科研試驗與管理體制，實習指導教師應該引導學生融入到基地文化中去。

5 總結

本科生畢業(yè)實習是學生離開校園、進入社會所必須經歷的重要環(huán)節(jié)，畢業(yè)實習獲得的實踐經驗有利于學生畢業(yè)時尋找工作。但是，畢業(yè)實習和課堂教學相比有很大不同，也沒有多少固定模式可供遵循。為了達到良好的實習效果，筆者認為，實習指導教師需要充當設計實習任務總師的角色，把核心課程知識引入到實習中，把實習與專業(yè)課程相結合，引導學生融入到基地文化中去，從而讓學生學到學校里學不到的知識，提高思考解決問題的方法和能力。

參考文獻：

[1]康君奇.大學創(chuàng)新人才培養(yǎng)與實踐教學改革[J].實驗技術與管理，2009，26（4）：8-9．

[2]盛守照.自動化專業(yè)生產實習教學方式的改革[J].電氣電子教學學報，2008，30（1）：6-7．

[3]李長庚，孫克輝，盛利元.高校理工類專業(yè)生產實習模式改革的探索與實踐[J].電氣電子教學學報，2003，25（3）：12-14．

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關鍵詞:單片機; 軟時鐘; 定時計數器; 計數器中斷間隔; 優(yōu)先級

中圖分類號:TP368文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)15-0187-03

Optimization Methods of Soft-clock Design in MCS-51 Single Chip Computer

ZHANG Le-fang1, PANG Xin-fa2, HUANG Tian-lu3

(1.School ofInformation Engineering, Xi’an Eurasia University, Xi’an 710065, China;2. Shaanxi Province Party School of CPC, Xi’an 710061, China;

3. Xi’an Communication Institute, Xi’an 710106, China)

Abstract: A soft-clock design method cumulative with timing counter interruptive interval is proposed according to the characteristics of the timing counter in MCS-51 single chip computer. On this basis, a further optimization method to accumulate the interruptive interval time of the timing counter is put forward. This method not only simplifies the program design and reduces the hardware costs but also improves the clock timing accuracy of the computer. Therefore, it has a very wide range of applications.

Keywords: single chip computer; soft-clock; timing counter; counter interruptive interval; priority grade

0 引 言

隨著微電腦應用的普及,以MCS-51單片機為核心的微機測控系統已隨處可見。為滿足用戶要求,這些系統通常都具有數碼顯示時鐘的功能。由于MCS-51內部包含2個定時計數器,通過采用將其中一個定時計數器用于軟時鐘設計的方法,可以大大節(jié)省硬件開銷。本文提出了如何提高軟時鐘的定時精度,以及在軟時鐘存在的情況下,如何提高以 MCS-51單片機為核心的測控系統的設計質量的方法。

1 MCS-51單片機內部定時計數器概述

MCS-51單片機內部包含2個定時計數器T0和T1,它們都是16位的加法計數器,既可用于定時,也可用于計數,在用于定時的情況下,計數脈沖由內部提供,因此計數速率固定為 CPU振蕩頻率的1/12;在用于計數的情況下,計數脈沖來自外部,外部計數脈沖通過 MCS-51的引腳T0(第14腳)或T1(第15腳)輸入[1-2],在發(fā)生從1到0的跳變時計數加1。每個定時計數器又有4種工作方式可供選擇:方式0構成13位定時計數器,高3位未用;方式1構成16位定時計數器;絞2構成8位定時計數器,低位字節(jié)用于計數,高位字節(jié)存放初值[3-4];方式3只適合于T0,構成兩個獨立的8位定時計數器。在方式0、方式1及方式3時,初值不能自動裝入,當定時時間已到或計數次數已滿時,若要進行下一次定時計數,必須利用軟件裝入初值,否則,系統會按上限自動定時或計數,即以0初值進行定時或計數[5-6];而在方式2時,初值可自動裝入,只需向高位字節(jié)寫入一次初值,則當低位字節(jié)定時時間到(或計數滿)時,高位字節(jié)的初值會自動裝入低位字節(jié),且高位字節(jié)的值保持不變。當系統需用MCS-51單片機的串行接口進行串行通信時,定時計數器T1被固定為波特率發(fā)生器,因此,在軟時鐘設計中,總是選擇T0作為定時器[7-8]。

2 軟時鐘程序設計方法1――0.1 s計數法

0.1 s計數法的基本原理如下,通過設置定時計數器0每經過0.1 s請求一次中斷,中斷處理程序會令軟時鐘的基準0.1 s單元增加1,而該單元每增加10次,再令軟時鐘的秒單元增加1,以此類推,按照時間進位令分、時、日、月直至年單元增加1。設CPU所接晶體振蕩器的振蕩頻率為6 MHz,則1個機器周期為2 μs,當T0作為定時器工作時,定時器溢出,即中斷周期:ИT=2×TC×10-6 s,式中TC為時間常數[9-10]。令中斷周期T=0.1 s,可得:TC=0.1/(2×10-6)=50 000=0C350H,此時間常數決定了T0必須為16位定時器,故設置為工作方式1。由于是加法計數器,初值IC應為時間常數TC的補碼,所以IC=216-TC=10000H-0C350H=3CB0H,修正以后,取IC=3CB4H,有關程序段具體設計如下。

初始化程序:

……;月、日、時、分單元初始化(略)

CHKS0:MOV A,(SBF);秒單元初始化

ADD A, #0

DA A

MOV (SBF), A

CJNE A, #60H, CHKS1

CHKS1:JC CHKL0

MOV (SBF),#0

CHKL0:MOV (BUF),#0 ;0.1 s單元初始化

MOV TL0,#0B4H ;送初值低位字節(jié)

MOV TH0,#3CH ;送初值高位字節(jié)

MOV TMOD,#01H;設置T0為定時工作方式1

MOV IP,#02H;設置T0中斷為高優(yōu)先級

ORL IE,#82H;T0允許中斷

SETB TR0;啟動T0

中斷服務程序:

ORG 000BH;入口引導

LJMP CLOCK

ORG ****H

CLOCK:MOV TL0,#0B4H ;送初值低位字節(jié)

MOV TH0,#3CH ;送初值高位字節(jié)

PUSH PSW;保護程序狀態(tài)字

PUSH ACC;保護累加器

SETB RS0;選區(qū)1

CLR RS1

INC (BUF);0.1 s單元增加1

MOV A, (BUF)

CJNE A, #0AH, DONE

MOV (BUF), #0

MOV A,(SBF) ;秒單元增加1

ADD A, #1

DA A

MOV (SBF), A

CJNE A, #60H,DONE

MOV (SBF), #0

……;分、時、日、月單元增加1(略)

DONE:POP ACC;恢復累加器

POP PSW;恢復程序狀態(tài)字

RETI;中斷返回

由上述程序可知,作為16位定時器使用時,T0不能自動裝入初值,每次進入中斷服務程序后,首先必須用程序裝入初值,下一次定時實際上是從裝入初值低位字節(jié)后開始的,所以在設定T0中斷為高優(yōu)先級以及CPU對T0中斷請求的響應無等待延時的理想情況下,1個中斷周期所包含的實際時間t=初值到計數滿所需時間+入口引導時間+裝入初值低位字節(jié)時間。

由于入口引導與裝入初值低位字節(jié)共占4個機器周期,所以為了使中斷周期等于0.1 s基準時間,上文對按理論推算出來的初值進行了加4修正。盡管如此,按照方法1設計的時鐘程序與測控系統的其他程序有機聯接在一起運行時,要實現準確定時也是十分困難的,因為在實用工業(yè)測控系統中常常不止1個中斷源,而是含有多個中斷源,存在著中斷優(yōu)先權的管理問題。要使上述軟時鐘能夠準確定時,T0中斷必須設置為高優(yōu)先級,這樣CPU對T0的定時中斷才有可能不受影響,確保每隔0.1 s執(zhí)行一次定時中斷服務程序。如果T0定時中斷被設置為低優(yōu)先級,那么CPU對T0定時中斷的響應就要受到影響。當CPU正在執(zhí)行某一高優(yōu)先級中斷源的中斷服務程序時,T0計數滿會產生中斷請求,CPU必須等到當前正在執(zhí)行的中斷服務程序執(zhí)行完畢之后,才能響應T0中斷,這必將延長中斷間隔,使初值不能如期裝入,破壞定時的準確性。由此可見,采用方法1設計的時鐘程序限制了系統設置中斷優(yōu)先級的靈活性,降低了設計效率。例如,某些以數碼管作為顯示器的測控系統,為了節(jié)省硬件開銷,通常采用對數碼管進行巡回掃描的方法進行顯示輸出,為使顯示穩(wěn)定,且無抖動現象,必須將數碼管顯示中斷設置為高優(yōu)先級,以便保證掃描程序的執(zhí)行周期固定不變,這便與時鐘定時中斷對優(yōu)先級的要求發(fā)生了矛盾。為克服方法1的缺陷,在實際工程中,通過采用如下所述的方法2來設計時鐘程序,可獲得較好的效果。

3 軟時鐘程序設計方法2――中斷周期累加法

方法2和方法1的程序結構是完全相同的,只是在對秒以下時間的處理上有所不同。將方法1的中斷服務程序中“0.1 s單元增加1”程序段改為:

MOV A, (BUF);0.1 s單元增加1

ADD A, #10H

DA A

MOV (BUF), A

JNC DONE

通過對照容易看出,雖然兩個“0.1 s單元增加1”程序段所用指令不同,但效果是完全一樣的,可以互相替代。改動后的程序將對0.1 s中斷周期的計數,變成了對0.1 s中斷周期的累加,由此引申,對任何小于秒的中斷周期都可以進行累加,當最高位有進位時實施秒增1,同樣可以達到時鐘定時的目的。MCS-51單片機內部定時器選擇工作方式1時為16位計數器,在上述假定條件下,當初值為0時,T0的定時中斷周期T=0131 072 s,131072定義為中斷周期常數,在中斷服務程序中對其進行累加。以下是采用方法2設計的時鐘程序。

定義中斷周期常數:

CONST: DB 00H, 13H, 10H, 72H

初始化程序:

…… ;月、日、時、分、秒單元初始化(同方法1)

CHKL0: MOV (BUF0),#0 ;秒以下單元初始化

MOV (BUF1),#0 ;秒以下單元初始化

MOV (BUF2),#0 ;秒以下單元初始化

MOV TMOD,#01H;設置T0為定時工作方式1

ANL IP,#0FDH ;設置T0中斷為低優(yōu)先級

ORL IE,#82H ;T0允許中斷

SETB TR0 ;啟動T0

中斷服務程序:

……;入口引導(同方法1)

CLOCK: PUSH PSW;保護程序狀態(tài)字

PUSH ACC ;保護累加器

PUSH DPH ;保護DPTR高位字節(jié)

PUSH DPL ;保護DPTR低位字節(jié)

SETB RS0 ;選區(qū)1

CLR RS1

MOV R0,#BUF0;中斷周期累加

MOV R2, #3

MOV DPTR,#CONST

CLR C

LJIA:MOV A, R2

MOVC A,@A+DPTR

ADDC A,@R0

DA A

MOV @R0, A

INC R0

DJNZ R2, LJIA

JNC DONE

…… ; 秒、分、時、日、月單元增1(同方法1)

DONE: POP DPL ;恢復DPTR低位字節(jié)

POP DPH ;恢復DPTR高位字節(jié)

POP ACC ;恢復累加器

POP PSW ;恢復程序狀態(tài)字

RETI;中斷返回

方法2采用對中斷周期進行累加的方法,令定時器滿量程計數,初值為0,計數滿后,自動重新從0開始計數,不需用程序裝入初值,從根本上擺脫了裝入初值的困擾,當然也就避免了對初值進行修正的繁瑣過程。由于不需要裝入初值,CPU可在中斷周期的任意時刻,響應定時器的中斷請求,只需保證下一次中斷請求到來之前將中斷服務程序執(zhí)行完畢即可,從而使定時器大大降低了對中斷優(yōu)先級的要求。因此方法2將定時器中斷設置為低優(yōu)先級,而方法1則將其設置為高優(yōu)先級。顯然,采用方法2不僅便于程序設計,而且提高了程序設計的效率。

方法2中,當定時器滿量程計數時,中斷周期不再是標準的0.1 s,因此中斷周期在累加過程中向秒單元的進位,大多數發(fā)生在非整秒時刻,而且進位間隔也不盡相同,具體來講,假設秒以下時間單元從0開始累加,那么向秒單元進位第一次是在1048 576 s時刻,┑詼次是在2097 152 s時刻,第三次是在3.014 656 s時刻,…,第一次與第二次間隔為1.048 576 s,第二次與第三次間隔為0917 504 s,……,進位間隔有時候大于1 s,有時候小于1 s,然而,對分、時、日、月這些長期時間過程來說,積累誤差可以認為等于0,從這個意義上說,方法2大大提高了定時精度。

4 結 語

提出了采用MCS-51內部定時計數器作為軟時鐘設計的方法,不僅節(jié)省了硬件開銷,而且提高軟時鐘的定時精度,具有廣泛的應用價值。在實際測試中,當晶體振蕩器的振蕩頻率不是標準6 MHz時,通過調整中斷周期常數,以及必要時通過增加秒以下時間單元緩沖區(qū)的字節(jié)數,可使中斷周期常數準確到所需精度。

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篇6

是什么原因釀成了“哥倫比亞號”的慘禍呢？其實，這場慘禍在“哥倫比亞號”發(fā)射的時候，就已經注定要發(fā)生了。可悲的是，身在航天飛機里面的7名宇航員卻毫不知情。

當“哥倫比亞號”升空的時候，有一片約如單人課桌面大小、厚15厘米、重約1.2千克的泡沫塑料塊，從外部燃料箱上脫落，撞擊到左機翼前緣根部附近。當時地面測控人員已經看到了這一狀況，卻沒有引起足夠重視。

原來，外部燃料箱內的液態(tài)氫和液態(tài)氧，需要保持零下180攝氏度以下的低溫狀態(tài)。因此，在燃料箱的外面噴上了一種泡沫塑料，隔絕周圍的熱量。這種泡沫塑料在航天飛機發(fā)射升天過程中，由于周圍空氣的強烈沖擊，有可能會局部發(fā)生碎裂脫落。另外，為了讓航天飛機本身在重返大氣層時能夠承受與空氣摩擦產生的高溫，在機體表面包裹了一層即使在高溫下強度也不會降低的耐熱材料。 這些耐熱材料雖然不怕熱，卻十分脆。在航天飛機過去的飛行中，耐熱材料發(fā)生損傷的情況并不罕見，平均每次飛行有100處以上較小的損傷，但從未造成重大事故?？墒牵@一次就惹下大禍了。

為了證明“哥倫比亞號”的慘劇確是因耐熱材料損壞引起的，7月7日，在美國得克薩斯州圣安東尼奧西南研究所進行了一次模擬實驗，一塊重約0.75千克的泡沫隔熱材料，以每秒200多米的速度，撞上曾隨“阿特蘭蒂斯號”航天飛機27次進入太空的增強型碳基復合材料板，結果形成了直徑約40厘米的孔洞。

耐熱材料受撞擊之后嚴重損壞，招致機翼前緣的鋁合金在返回大氣層時暴露在高熱空氣之中，并迅速融化。這使得“哥倫比亞號”的機翼上出現一個大洞，改變了這架航天飛機的空氣動力學性能，以致航天飛機的飛行姿態(tài)出現紊亂。在當時飛行速度高達每秒數十千米的情況下，機體勢必解體。

航天飛機向何處去？

在這次模擬實驗之前，曾有一部分人不相信是脫落的泡沫塑料塊導致了“哥倫比亞號”的慘禍，認為可能是與太空垃圾相撞?，F在，幾乎可以肯定，造成這場慘禍的真正原因，在航天飛機本身，在設計的時候就已經隱藏在那里。

在“挑戰(zhàn)者號”爆炸以后，美國航空航天局曾經用了2年8個月，對其余航天飛機作了400多處大大小小修改，才重新恢復了飛行?！案鐐惐葋喬枴钡慕怏w，使得美國剩下的三架航天飛機不得不暫停飛行，等待修理和改裝。

直到目前為止，世界上仍然只有美國采用航天飛機這種可重復使用的航天器。其余的國家，例如俄羅斯，也包括即將進行載人航天飛行的我國，依舊采用只能一次性使用的宇宙飛船。美國的航天飛機停止飛行之后，國際空間站宇航員的接送，只能依靠俄羅斯的“聯盟號”宇宙飛船來完成?？墒?，“聯盟號”一次飛行最多只能載運3名宇航員，而且每次發(fā)射必須建造新的，不能像航天飛機那樣頻繁地發(fā)射升空。因此，國際空間站不得不減少了在那里面工作的宇航員的數量，并延長輪換的時間間隔。這對國際空間站的建設和科學實驗活動無疑會帶來很大的不利影響。

美國現有的航天飛機何日能重返太空尚不得而知。然而由于這些航天飛機在設計上存在一些已經無法彌補的缺陷，為了進一步推進航天發(fā)展計劃，設計制造下一代新型的航天飛機勢在必行。早在20世紀90年代中期，美國已經著手開始新一代航天飛機的研制。1996年6月，美國航空航天局為此舉行了一次聲勢浩大的招標會，洛克希德―馬丁公司的X―33中標。然而，X―33采用了許多不成熟的新技術和新材料，這使得美國航空航天局在經過5年的研究，耗資12.6億美元后，不得不以開發(fā)費用過高之類的理由，決定停止這一開發(fā)計劃。

現在，美國未來的航天飛機究竟如何發(fā)展，趨向并不明朗。這將有待于對“哥倫比亞號”事故的進一步評估。可是，無論如何，新一代航天飛機的開發(fā)，很可能會加速進行。同時，像俄羅斯以及我國的載人宇宙飛船，也會得到更快的發(fā)展。

閱讀提示

2003年2月，美國“哥倫比亞號”航天飛機完成了在太空中的科學實驗任務，返回地球。就在人們正為它的回來歡呼的時候，慘劇在一瞬間發(fā)生，飛機因左翼受到某種損傷，致使機體在離地面63千米處解體，機上7名宇航員全部遇難。失事的原因是什么？這篇兼有科技報道和科技說明文特點的文章，就是要探個究竟。這里，我們摘錄了全文中的兩個小標題的文章，既說明了“哥倫比亞號”機毀人亡的原因，又預測了航天飛機將加快發(fā)展的前景。全文說明有序，條理分明。

思考練習

1.本文標題“折戟探因”用的是什么修辭手法？“折戟”是什么意思？

2.文章第一個小標題“發(fā)射時就注定要機毀人亡”，為什么說是“注定”，它與后面的哪一句話相照應？

3.文中說明“哥倫比亞號”機毀人亡的慘劇發(fā)生的原因，表述最確切的一項是（ ）

A.外部燃料箱內的液態(tài)氫和液態(tài)氧，需要保持零下180攝氏度以下的低溫狀態(tài)。而隔熱的泡沫塑料局部發(fā)生脫落碎裂。

B.能夠承受與空氣摩擦產生高溫的耐熱材料雖然不怕熱，但卻十分脆，容易發(fā)生損傷。

C.當“哥倫比亞號”升空的時候，有一片約如單人課桌面大小，厚15厘米、重約1.2千克的泡沫塑料塊，從外部燃料箱上脫落，撞擊到左機翼前緣根部附近。

D.耐熱材料受撞擊之后嚴重損壞，招致機翼前緣的鋁合金在返回大氣層時暴露在熱空氣中，并迅速融化。機翼出現大洞，飛行出現紊亂，導致機體解體。

4.“哥倫比亞號”機毀人亡的慘劇應吸取的教訓，印證了下面關于“科學”的哪一句格言？（ ） A.反復地推斷，無休止地修正，就能在科學上取得毋庸置疑的進步。 ――杜克洛克斯

B.科學的進展是十分緩慢的，需要爬行才能從一點到達另一點。 ――丁尼生

C.科學哪怕透出一絲虛假之光或半點疏忽，就會導致混亂與迷惘。 ――貝蒂

D.真正的科學首先教人們懷疑，教人們摸不著頭腦。 ――馬納穆諾

5.“航天飛機”和“宇宙飛船”的根本區(qū)別是什么，請引用文中的話加以概括。

6.請找出文中的兩句話來回答“美國現有的航天飛機何日能重返太空”的問題：

篇7

關鍵詞：測控技術與儀器，高科技，實踐

前言：在經濟全球化的浪潮下，各個國家都在大力發(fā)展經濟與科技，我國也不甘落后，開始大力發(fā)展科技與經濟，伴隨著科學技術快速的發(fā)展，我們的作業(yè)方式更加高科技化，而測控技術與儀器的發(fā)展在全球高科技化中尤為不可或缺，成為時代的一個主流發(fā)展專業(yè)，如今要想跟上科技的發(fā)展科技發(fā)展的速度，就迫切地需要投入更多精力深入了解測控技術與儀器專業(yè)，這樣才能夠適應二十一世紀的需求，所以對于測控技術與儀器專業(yè)的深入研究與新興生力軍的培養(yǎng)都是未來科技發(fā)展的必然趨勢。

1.測控技術與儀器的概述

1.1測控技術與儀器的內涵

測控技術與儀器是多種學科相結合產生的一個綜合性很強的專業(yè)，主要包含的是儀器技術與控制技術，測控技術與儀器在實際生產生活中起作用的地方在于儀器儀表自動化控制與處理統計數據信息，通過數字化的管理達到最佳的控制效果是最終要達成的效果。其主要的研究領域是收集統計處理信息，同時還包括控制其中的相關要素，它也包含了電力電子、精密機械、計算機、自動控制和電力電子等領域的相關知識。

由于控制技術和人工生產技術的測量和儀器技術已經占了很大的比例，是一個非常廣泛的應用在現實生活中，現實意義是非常高的，監(jiān)測和控制技術的未來生產和生活的是能夠達到一個非常有用的功能，比如很多是網絡化管理，數字化管理，采用智能系統，因為它有很多的功能和優(yōu)勢，應用的儀器是更廣泛將這些屬性都是利用起來。對人而言是一種有效的技術支持，以減少人工費用支出，以提高系統的效率。同時，在監(jiān)視和控制技術的當前應用中，數字控制處理信號可以提供給人們最有效率的方法。監(jiān)測，對同一時間的技術和設備的控制，這樣的便利性，可以大大降低成本，加快了生產速度。許多測控技術的優(yōu)點逐漸被發(fā)現，它的發(fā)展不僅可以造福于人的技術發(fā)展，也給在生活中的實際應用提供技術支持。

2.測控技術與儀器在實踐中的應用

2.1航天、農業(yè)等領域的應用

測量和控制技術在航空航天工業(yè)和農業(yè)中扮演著重要的角色，其對航空航天技術的發(fā)展，起著監(jiān)測和控制的重要作用，利用測控技術對太空飛船的飛行時間和飛行狀態(tài)進行監(jiān)控，還要進行數據收集和處理更方便工程人員修改數據，測控技術是中國的航天技術發(fā)展的一個不可缺少的一部分。在中國農業(yè)生產也將適用于測量儀表和控制設備，這要歸功于其使用的農業(yè)生產將能夠實現數字化控制，會讓農業(yè)生產的生產效率得到前所未有的提高，以及更智能的農業(yè)生產管理監(jiān)測得到的實時生產數據，可以為制造商提供有效的參考數據，幫助人們作出生產計劃的改進，提高了生產效率和質量。

2.2新型傳感器技術的應用

對于新的傳感器技術，在目前的社會環(huán)境中，它已被很好的在現代測量和控制技術和設備技術中發(fā)展，數字傳感器和集成傳感器是新型傳感器的兩大代表傳感器，在測量數據如溫度壓力和其他數據上集成傳感器很有用。使用數字傳感器主要使用在監(jiān)視系統上。近年來，開發(fā)新的傳感器技術已經成為一個重要任務，新的傳感器技術領域已經開始使用新開發(fā)的傳感器技術，以反映實際意義巨大的實用價值，生活種新的傳感器技術提供了很大的技術支持和重要性。證實了新型傳感器開發(fā)的價值和潛力。

2.3遠程測控技術的應用

目前，測控技術的實際應用有很多方面，使用測控技術和儀器在生活和工業(yè)中已經是一個現實狀況，重要的工業(yè)活動常用的監(jiān)控技術是測控技術。 使用電話網絡的監(jiān)測和控制技術，包括遠程監(jiān)控和控制技術，綠色技術和無線通信的遠程監(jiān)控和控制，可用于檢查特定設備，維護設備，在管道故障，水電 ，氣體等方面有效，同時減少人力的使用和降低人工檢修難度，解決使用遠程運輸上存在難以管理的技術問題，實現高效的運行效率。

3.測控技術與儀器的發(fā)展前景

儀器在開發(fā)時已經開始結合社會科學與技術和測控技術。工業(yè)生產已經逐漸規(guī)范化，網絡化，在生活的各個方面使用的數字化管理，這些有效的科技，和技術的飛速發(fā)展，是我們社會發(fā)展和科學研究控制技術和設備的重要先決因素。引起別人注意的越來越多的是，測控技術和設備在當今社會越來越受重視，學校也加強了對這方面人才的培養(yǎng)，用以成為以后的專家。測控技術能加以促進發(fā)展和中國科技的進步，有更多的新鮮血液加入到測控技術中來，深入測控技術與設備的研究儀器的研究。而且，越來越多的測控技術和設備的行業(yè)，在這樣的全球化的經濟、市場環(huán)境下，測控儀器儀表的技術有了更為迫切進一步的發(fā)展，將發(fā)展和社會需求的繁榮。在當前的社會環(huán)境下，發(fā)展測控技術與設備將有很好的發(fā)展前景。開發(fā)和研究的測控技術儀器是公司競爭力的重要因素。為了應對社會的發(fā)展，未來的趨勢，教育機構將會重點培養(yǎng)測控方面的人才，以提高相關的儀器儀表和控制技術的影響力。

4. 總結

根據我國的當前實際情況，測控技術和儀器的發(fā)展需要積極地被支持。支持測控技術和設備在未來工業(yè)中的技術開發(fā)，可為國民經濟提供良好的基礎，提供科學和技術扶持，有效提高國家工業(yè)生產力和生產效率。為了實現快速發(fā)展，國家在使用計量和測控技術方面的實踐同時也促進該專業(yè)的發(fā)展，以達到相互支持和互惠互利。測控技術和專業(yè)測控技術與設備的使用已經開始應用到數據采集過程中，同時發(fā)展了生活中的測控技術和設備的重點培訓，具有很強的實用價值。在監(jiān)控方面也很具有開發(fā)潛力。除了實施遠程監(jiān)控技術外，還可以應用于農業(yè)生產的數字化管理，用于航天航空機器的運行分析，也可用于石油、天然氣、電源等方面的新型傳感器。對于更多的現有生產條件，更方便的是測試相關機器的障礙，及時的故障排除以及幫助工作人員確保運輸系統的正常運行。測控技術在傳感器方面的應用將非常強大，在未來的研究中也具有巨大的潛力，更高的性能。

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篇8

【關鍵詞】水位控制；超聲波；STM32F103VET6

Abstract：With the development of modern social production and technological，the increasingly rapid development of microeletronics technology，the application of water level control is becoming more and more widely.This paper introduces the circuit principle and the design of the circuit of the water level detection circuit which controls the height of the water level.The system uses STM32 microcontroller as the control core of the system，and the ultrasonic circuit as the detecting sensor circuit，to control the system for the water level.The circuit has a high precision and is easy to control.This paper discusses the circuit design which controls the water level on the basis of above principle.

Key words：water level control；ultrasonic；STM32F103VET6

1.引言

水位控制一直以來都是工業(yè)生產的一項重要的控制指標，其控制方法目前使用的也較多，但是隨著計算機技術的快速發(fā)展與應用，使得水位控制有了更加精確的控制定位，本文運用ARM技術實現了一個水位控制器的設計，該控制器以微控制器為核心，利用超射波檢測傳感電路實現了水位的高精度控制。

2.硬件電路設計

本水位控制系統硬件電路主要由電源電路、檢測超聲波檢測電路及接口電路構成，其具體設計如下：

2.1 電源電路

本系統采用的STM32F103VET6，STM32的工作電壓（VDD）為2.0～3.6V。通過內置的電壓調節(jié)器提供所需的1.8V電源。當主電源VDD掉電后，通過VBAT腳為實時時鐘（RTC）和備份寄存器提供電源。具體電路圖如圖2.1所示。

圖2.1 系統的供電電路圖

圖2.2 超聲波檢測電路

2.2 超聲波監(jiān)測系統設計

其測距原理為：通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時（超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2）。圖2.2所示為超聲波檢測電路。

其超聲波時序圖如圖2.3所示。

由圖2.3可看出只需要提供一個10uS以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距離=高電平時間*聲速（340M/S）/2；建議測量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。

圖2.3 超聲波時序圖

2.3 串口通信電路

在本系統中需要用到串口通信，控制發(fā)送數據到PC上顯示，以實現單片機與PC機的通信。在串口通信中使用到的芯片是MAX3232CSE，MAX3232CSE是一種低功耗擁有兩個接收器和兩個發(fā)射器的串口接口芯片。它兼容了RS-232的特性。供電范圍是3V-5.5V。在MAX3232CSE內部，有兩個充電泵。該芯片的電路非常簡單，外部只需要接上4個0.1uF的充電電容就可以使用了。通信速率在120kbps能夠保證數據不出錯。并且能夠保持RS232的輸出電平。MAX3232CSE具有低至1uA的關閉模式，在便攜式設備中，降低了電源的消耗，延長了電池的壽命。在低能耗的關閉模式中，接收器任然處于激活模式，允許調制解調器接收數據，該接口電路圖如圖2.4所示。

圖2.4 串口通信電路圖

以上為本水位控制系統的硬件設計。該硬件設計是實現本系統精確水位控制的基礎。

3.系統軟件設計

3.1 系統軟件部分概述

本系統的程序設計是基于常用的嵌入式系統軟件開發(fā)平臺Keil uVision4，用于實現數字控制器的設計，本系統對水位的控制主要采用數字PID控制器。以下是該數字控制器的設計實現。

3.2 數字PID控制算法實現

在本設計中對于控制器的實現主要采用增量式PID算法，這是因為增量式PID算法只需保持當前時刻以前三個時刻的誤差即可。它與位置式PID相比，有下列優(yōu)點：

（1）位置式PID算法每次輸出與整個過去狀態(tài)有關，計算式中要用到過去誤差的累加值，因此，容易產生較大的累積計算誤差。而增量式PID只需計算增量，計算誤差或精度不足時對控制量的計算影響較小。

（2）控制從手動切換到自動時，位置式PID算法必須先將計算機的輸出值置為原始閥門開時，才能保證無沖擊切換。若采用增量算法，與原始值無關，易于實現手動到自動的無沖擊切換。

PID算法代碼如下：

void pidcontrol（void）

{

int kp=0.8；

int ki=1.2；

int kd=10；

error=setspeed-speed；

dianji_pwm=FTM0_C0V+kp*（error-last_error） +ki*（error）+kd*（error+llast_error-2*last_error）；

if（dianji_pwm

{

dianji_pwm=0；

}

else if（dianji_pwm>=5000）

{

dianji_pwm=5000；

}

FTM0_C0V = dianji_pwm；

llast_error=last_error；

last_error=error；

}

3.3 系統流程圖

3.3.1 下位機軟件流程圖

如圖3.1所示，系統總體流程是：設定水位值，STM32F103VET6初始化，初始化后繼而運行同時使電機轉動，通過超聲波不斷反饋回來的數據判斷是否到達了設定的水位值，如果到達了，則使電機以這樣的速度穩(wěn)定運行下去，如果沒有達到設定的水位值，則將超聲波檢測到的數值與給定值做比較，得出誤差值，然后將誤差值通過DAC0832芯片轉換成0～5V電壓信號，反饋給執(zhí)行機構（電機），再通過電機控制水泵的水流速度，來達到水位控制的要求。

圖3.1 下位機軟件控制流程圖

圖3.2 上位機軟件程序流程圖

3.3.2 上位機軟件流程圖

該模塊主要是完成接收下位機傳送上來的數據，并將數據以正確的形式顯示在控制界面當中。該模塊包括界面的設計以及具體的響應函數的設計。上位機的串口通信用的不是VC自帶的MSCOMM控件，.這里使用一個動態(tài)庫，分別是Pcomm.h，Pcomm.lib，Pcomm.dll。輸入參數為串口的接收數據，輸出參數為編輯框的顯示數據。程序的流程圖如圖3.2所示。

4.系統測試結果

4.1 測試結果

根據要求，水位給定的范圍是0～150mm。分別取兩組數據進行測量，每組取6個數值。

4.2 測試結果分析

將以上數據進行比較可得，設定水位值每次變化10mm，大約所需要的調節(jié)時間為12S到15S，基本符合題目的要求，系統的各個檢測單元的測試數據精度很高、顯示值與設定值非常接近，這與硬件的選擇及其參數的匹配選擇是不可分割的。當設定水位值和當前水位值有誤差時，會自動通過超聲波檢測到的數值與給定值做比較，得出誤差值，然后將誤差值通過DAC0832芯片轉換成0～5V電壓信號，反饋給執(zhí)行機構（電機），再通過電機控制水泵的水流速度，來達到水位控制的要求。

5.結束語

本文設計了一個基于ARM的水位控制控制系統，通過能采用ARM7內核芯片和串口通信電路及超聲波檢測技術實現了水位的精確控制，從測試結果可以看出該系統具有良好的穩(wěn)定性，而且該系統還具有功耗低穩(wěn)定性好等特點，具有較高的實用價值。

參考文獻

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[5]譚浩強著.C程序設計（第三版）[M].北京：清華大學出版社，2007.

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作者簡介：

篇9

關鍵詞 溫濕度測量；無線收發(fā)

中圖分類號 TP274 文獻標識碼 A 文章編號 1673-9671-（2012）092-0154-02

科學技術的發(fā)展，工農業(yè)生產逐漸趨向于智能化，自動化。越來越多的工廠都采用了全自動監(jiān)測運行控制系統。減少了人工的投入，同時避免了由于人工操作而帶來的生產出錯，也極大的提高了生產效率。

在另外一個方面，生產自動化智能化程度的不斷提高使得對設備裝置提出了新的更高的要求。設備往往要檢測環(huán)境中很多個模擬信息量，反饋給主控制器，以便主控制器作出相應的調整動作。如智能溫度控制系統，則設備首先需要以一定的間隔時間采集溫度信號，然后根據人們設定的溫度值做出相應的調整運算控制加熱或者暫停加熱，以便使溫度穩(wěn)定在設定的值范圍內。

在某些工業(yè)應用場合，環(huán)境的溫濕度是必不可少的需要知道的一個物理條件。傳統的溫濕度檢測，采用模擬傳感器將溫濕度信息轉換成相應的電信號。需要對此信號進行濾波，放大，AD裝換等等，才能夠獲取到最終的信息。由于當中環(huán)節(jié)過多，每一個部分都可以導致測量精度的下降。同時裝置的復雜度也意味著失效出問題的可能性更大。

基于以上種種考慮，設計一個數字化的無線溫濕度檢測系統是很有必要的。數字化的溫濕度傳感器將信號采集，處理，AD裝換等過程全部集成在一塊晶片上面。同時對外提供兩線式串行接口，特別適合與微控制器接口使用。2.4G的無線頻率也適合近距離的無線通信需求。

根據設計要求，整個裝置分為主機和從機節(jié)點兩個主要部分。主機負責輪流從各個從機節(jié)點中獲取到溫濕度信息。從機則負責溫濕度信息的采集，并將其通過無線方式發(fā)送出去。

1 主從機的框架圖如下所示

1.1 從機部分框圖（見圖1）

1.2 主機部分框圖（見圖2）

2 本機的硬件設計

本系統的硬件設計主要分為主機和從機兩個部分進行描述。

2.1 主機部分硬件設計

本設計采用ATMEL公司的8位精簡指令集單片機ATMEGA16作為主機端的主控CPU。利用PCF8563作為實時時鐘驅動，采用兩片74HC165級聯作為按鍵輸入端口，I2C串行EEPROM AT24C64作為存儲記錄介質。顯示部分采用帶字庫的ST7920為主控芯片的12864液晶顯示模塊。人機接口利用并入串出的芯片74HC165，8位并行輸入，串行輸出，同時每一個芯片均可以級聯起來。即16個輸入，只需要兩片這樣的芯片即可完成按鍵的接口。無線數據接收部分采用2.4G無線接收模塊NRF24L01作為無線數據的收發(fā)端口。主從機電源及無線收發(fā)電路的供電均采用單片的穩(wěn)壓芯片AMS1117 3.3實現。

2.2 從機部分硬件設計

從機部分采用8051內核的AT89S52單片機，溫濕度檢測采用一體化的數字溫濕度傳感器SHT10，通過無線模塊NRF24L01與主機進行通信，將所采集到的溫濕度數據傳送給主機顯示并進行相關處理。每個從機都可以單獨設置自身的地址。主機則輪流檢測每個從機的溫濕度數據。

3 軟件設計

3.1 主機部分軟件設計

在設計具體的程序之前，必須先對整個程序的結構進行相應的規(guī)劃。在主機中，使用到主控MCU的內部外設單元主要有定時器，PWM TWI SPI接口，以及外部中斷。因此，在主程序中必須有這些外設的初始化語句。然后才是依據各個任務模塊的劃分來進行任務的運行。當初始化完成之后，主機開始運行主循環(huán)，按鍵控制主循環(huán)，背光控制主循環(huán)，顯示主循環(huán)，無線模塊主循環(huán)。初始化模塊與主循環(huán)的流程圖如圖3所示。

3.2 從機部分軟件設計

從機部分相較于主機而言，其工作量要小的多。僅僅只是在每一秒的時間里負責采樣溫濕度數據，然后將數據通過無線模塊發(fā)送出去即可。在這里也采取了主機部分的程序構架，即時間驅動+狀態(tài)轉移。不同的是這里的時間驅動更加模塊化。是完全基于時間觸發(fā)的嵌入式系統。

從機的主程序結構也類似于主機。在開始運行相關具體任務之前，需要完成相應資源的初始化，如定時器，I/O的設置等等。

至此，一個基于時間觸發(fā)模式的嵌入式軟件開發(fā)環(huán)境便搭建起來了。依據這種模式，可以很方便的設定任務的運行時間，每秒鐘運行多少次等等信息。需要注意的是，單個任務的時間必須小于系統的定時時間間隔。如果單個任務的運行時間過長，則可以依舊任務狀態(tài)，將其拆分，每次只執(zhí)行一個狀態(tài)，即將一個長任務拆分為幾個小的短任務執(zhí)行。

本系統在調試階段與試驗階段運行基本正常，但因未嚴格按工業(yè)工藝環(huán)境標準進行嚴格封裝導致無線信號傳輸距離有限并易受干擾，在異常溫濕度環(huán)境下，元器件工作不穩(wěn)定，元器件及電路易受腐蝕受風化，若用于工業(yè)化生產還需進一步實驗、改進、完善。

參考文獻

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[5]沙占友，孟志永，王彥朋.單片機電路設計[J].電子工業(yè)出版社，2007，5.

作者簡介

篇10

［關鍵詞］鉑電阻 恒流源 溫度控制 顯示電路

［中圖分類號］TH811 ［文獻標識碼］A［文章編號］1009-5349（2011）04-0120-02

引言

在日常的生活生產和工業(yè)生產中，物體的很多化學性質與物理現象都和溫度相關，溫度是作為被測量與控制的重要參數之一，很多的生產過程都是在特定的溫度范圍內進行的，這就需要控制與測量溫度。鉑電阻溫度傳感器零攝氏度標稱電阻值為100Ω和10Ω，電阻變化系數為0.003851，精度高、穩(wěn)定性好，是工程上應用廣泛的溫度傳感器。該電路結合單片機和傳感器技術，采用89C2051芯片和鉑熱電阻來實現信號檢測、處理及顯示，系統設計簡單，具有較高測溫分辨率和較高的測量精度。

一、恒流源電路

如圖1虛框所示，電源經過電阻R1為TL431提供工作電流，在TL431的陰極和基準端之間接鉑電阻，電位器W調節(jié)基準端流向地的電流大小。流過鉑電阻的電流大小是：I=IZ-Iref=Vref/RW-Iref，其中Iref是基準端的吸收電流，RW是電位器電阻值，IZ為基準端流向電源地端的電流值?；鶞识说奈针娏髟诃h(huán)境溫度-48℃～+122℃變動時值為1.4～2.4μA，鉑電阻PT正常時的工作電流大小為10Ma，因環(huán)境溫度變化其基準端的吸收電流的測量誤差為1‰，非常穩(wěn)定。

圖1 恒流源和雙積分轉換電路

二、雙積分A/D轉換電路

如圖1所示，雙積分A/D轉換電路主要由運放電容C3、LM358、二極管D7、電阻R4與單片機INT0、P1.7構成。INT0采用的是邊沿觸發(fā)中斷方式，定時器T0為16位計數工作狀態(tài)。當輸入電壓為正向定時積分時，此時P1.7為高電平，D7處于截止狀態(tài)，電壓信號經過鉑電阻兩端的R4、R3對電容C3充電，充電的時間由T0進行控制。當P1.7處在低電平時，電容C3通過電阻R4、二極管D7放電，T0開始計數，一直到運放IC2A的輸出反轉，此時INT0響應中斷并停止計時器T0的計數。因C3上的電壓值與鉑電阻兩端電壓成正比，計時器T0的計數值就是鉑電阻兩端的電壓值。如果電阻R4用精密電阻，電容C3用聚丙烯電容，則該系統的分辨率可達到13位。

三、信號處理和顯示電路

如圖2所示，單片機89C2051對溫度信號經過濾波、線性補償與運算后，送到移位寄存器4094之中，從P1.5、P1.4、P1.3與P1.2輸出位選信號，從而完成溫度的顯示。P1.6接修改鍵，P1.1接設置鍵，按下設置鍵后進入溫度設置狀態(tài)，然后按下修改鍵修改閃爍位的溫度值，再次按下設置鍵就可以改變閃爍位的位置，然后就可以依次修改溫度值。斷電時該溫度值保存在串行的EEPROM 24C04之中。當溫度高于控制值的時候，P3.0輸出的是低電平，繼電器斷電釋放，系統停止加熱，當溫度低于控制值的時候，P3.0輸出的是高電平，繼電器通電吸合，系統開始預熱，從而實現了溫度的自動調控。

四、軟件設計

該系統軟件的設計語言采用單片機C51的語言為主，運用模塊化的設計構想，將該系統的設計劃分為不同的程序應用模塊，整個系統軟件主要包括：初始化程序、參數設置子程序、運算子程序、報警子程序、顯示子程序等等。圖3為單片機主程序流程圖。

五、結束語

本溫度控制器采用以單片機89C2051為測溫裝置的數據處理和控制核心，設計了一種基于鉑電阻的高精度測溫電路，該電路測量的范圍在-10℃～+100℃之間，其誤差在±0.5℃以內。該溫度控制裝置具有閉環(huán)溫度控制的輸出功能，可以由鍵盤修改控制溫度值的大小。該溫度控制器的測量精度較高，適合溫度的精細控制。此外，可以通過軟件，使溫度測量模塊具有上下限的報警輸出功能，可以滿足大多數對溫度測控的要求。

【參考文獻】

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