航空航天测控技术范文

导语：如何才能写好一篇航空航天测控技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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【关键词】 测控应答机 软件无线电 测控通信 自主无线电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

测控应答机是航天器（卫星、飞船、探测器）测控通信（C&T）分系统的核心组成部分，是航天器与地面站之间进行通信联络的主要通道之一，配合地面测控网完成对航天器的测控（TT&C）任务。测控应答机的主要功能如下：

1、对来自地面站的测距和测速信号进行转发，完成地面对航天器的跟踪及轨道测量；

2、接收来自地面站的遥控信息；

3、将航天器上的各类遥测数据发送至地面站。

各类航天器测控通信分系统所采用的测控应答机，其工作频率、工作带宽、码速率、调制体制、编码体制和测距体制各不相同。就工作频率而言，主要有S波段、C波段、X波段、 Ka波段四种；就调制体制而言，分PM/PM体制、FM/PM体制、扩频体制等；就编码体制而言，有PCM、PPM、ADPCM、PACM等；就测距体制而言，分纯侧音测距、伪码测距和音码混合测距等。由于各类测控通信系统之间体制标准各异，因此相对应的测控应答机设备也无法通用。针对不同的测控通信系统，需要分别研制不同的应答机，或者在同一台应答机上集成不同的功能，这样无疑在成本和时间进度上加重了研制负担，也增加了设备的复杂性。

软件无线电技术是本世纪初发展起来的通信领域的重大技术突破。采用软件无线电技术，利用软件可重配置、可重编程以及多频带多模式的特点，使多个软件模块在同一个硬件平台上实现不同的标准，同一台测控应答机就可以兼容两种甚至多种测控通信体制，实现测控应答机的通用化，从而降低开发成本，缩短研制周期，也更容易保障产品的质量。另外，软件无线电技术还能简化测控应答机的硬件电路，实现小型化。

二、测控应答机的基本工作原理

一种传统测控应答机的原理框图如图21所示。该应答机由锁相接收机和相干发射机两部分组成。锁相接收机包括低噪声放大器（LNA）、混频器（Mixer）、自动增益控制（AGC）、倍频电路、载波跟踪环和相干解调电路等部分。接收机接收的上行射频信号，经过下变频和自动增益控制后输出中频信号。中频信号分为两路，其中一路进入载波跟踪环，另一路进入相干解调电路。

载波跟踪环包括鉴相器（PD）、环路滤波器（LPF）、压控晶振（VCXO）和分频器，用于对上行载波进行锁定、跟踪。载波跟踪环输出的信号分别用作接收本振、发射本振和相干解调器（Demodulator）的基准信号。相干解调器输出信号经滤波后分别为测距信号和遥控BPSK信号。其中测距信号还要送往发射机进行转发。

相干发射机包括倍频电路、调相器（PM）、功率放大器（PA）等。测距信号和遥测DPSK信号相加后直接调相在发射本振上，经功放放大后下行输出。

三、软件无线电应答机的实现方法

3.1软件无线电应答机的射频接收前端

测控应答机的射频接收前端电路包括低噪声放大器、混频器、自动增益控制等部分。软件无线电应答机对射频前端的要求是通用性好。由于软件无线电应答机往往是多信道多模式同时工作，因此射频带宽要足够宽，能覆盖不同的频点或体制。

图2为一种能兼容统一载波纯侧音测距和伪码测距两种测控体制的软件无线电应答机接收前端，可同时接收处理纯侧音测距的PM信号和伪码测距的BPSK信号。该接收机采用了一个I/Q解调器来处理中频信号。当上行信号为PM信号时，由I/Q解调器中的一路（Q路）进行载波提取，后续载波跟踪环的环路滤波器在数字域中实现；而当上行信号为BPSK信号时，I/Q解调器输出I路信号和Q路信号，送入科斯塔斯环中进行载波恢复，其乘法器和环路滤波器均在数字域中实现。对于两种测控体制，该射频接收前端做到了完全通用。数字部分则可通过装载不同的软件来实现不同的功能，充分体现了软件无线电的灵活性。

3.2数字下变频（DDC）技术

数字下变频（DDC）技术也经常用于多模式测控应答机中。数字下变频模块由数字混频器、数控振荡器（NCO）和低通滤波器构成。占有较宽频带的两个或多个射频信号作为一个整体下变频到接近基带的位置，A/D转换后，NCO与数字混频器实现正交下变频，在基带I、Q采用数字低通滤波器来实现不同测控信号的选择。与模拟下变频相比，数字下变频不存在混频器杂散、本振相噪等技术难题，且具有通过软件进行控制修改等优点。

文献[1]介绍了一种既能满足统一S波段（USB）测控要求，又能满足跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）要求的双模应答机。该应答机同时接收宽带扩频信号和窄带调相信号，对两种信号统一以1/fs进行采样。数字下变频之后，采用窄带滤波器提取载波的方式对两种模式进行识别，并对两种信号采用不同的处理算法。

3.3数字调制发射机

传统的PM/PM体制测控应答机，下行调相通常采用射频直接调相法。在软件无线电应答机中，可采用DDS实现中频数字调相。在DDS的相位累加器与相位-幅度ROM之间加上一个相位加法器即可实现PM调相（图3）。通过改变相位字，可使DDS的输出信号产生所需要的相移。DDS调相有更高的温度稳定性和抗干扰能力，但难点在于调制度的控制时序生成[2]。

文献[3]介绍了一种全数字调制的发射机，利用NCO和CORDIC算法（坐标旋转数字计算方法）实现多种码速率、带宽和调制方式的调制信号，占用硬件资源小，可在一块FPGA上实现NRZ/BPSK/PM、SP-L/PM、QPSK三种调制方式的VHDL代码。CORDIC算法可以只利用移位、相加等简单的逻辑操作便可以产生正弦信号，结构灵活简单，还能得到较高的调制精度（图4）。

3.4数字载波跟踪环

测控应答机中的载波锁定、跟踪环路可采用低中频数字采样方案，整个过程在数字域中完成（图5）。中频信号带通采样，经过正交下变频和低通滤波后，在信号处理模块中选出所需要的载波信号频率特征，控制NCO的输出频率，从而完成FFT载波捕获和载波跟踪。采用FFT频率引导方式只需一次引导就可捕获较大频偏并跟踪一定的频率变化率，相比自然牵引方式捕获速度更快，可在较宽的多普勒频偏范围内实现应答机的迅速锁定。信号处理模块还要控制DDS的输出频率，输出相干载波用于后续的转发和调制解调。对于采用了数字载波跟踪环的测控应答机来说，由于多普勒频偏不会引起转发相位误差，因此可以大幅减小测距漂移误差，实现高精度测速测距[4]。

3.5软件无线电应答机的抗辐照设计

软件无线电应答机通常采用现场可编程门阵列（FPGA）作为硬件实现平台。FPGA具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点。但由于测控应答机工作于太空环境，宇宙射线和高能粒子会对应答机的正常运行产生一定的威胁。基于FPGA等逻辑器件的软件无线电应答机对于单粒子效应尤为敏感[5]，因此针对FPGA的抗辐照设计应十分重视。

具有航天成功应用经历的FPGA主要有两类，一类为一次性编程的反熔丝型FPGA，另一类为可重编程的SRAM型FPGA。相比较而言，SRAM型的FPGA虽然在逻辑门资源、动态重构等方面优势明显，但其对单粒子效应尤其是单粒子翻转（SEU）的敏感使其在宇航领域的应用受限，而反熔丝型的FPGA则对单粒子效应免疫。

为充分利用两种类型FPGA各自的优势，通常采取用反熔丝型FPGA和反熔丝型PROM对SRAM型FPGA进行监控的方法。基带处理过程由SRAM型FPGA负责，但在设备运行过程中，反熔丝型FPGA定时读取SRAM型FPGA中的数据并与反熔丝型PROM中的数据进行比对，若发现存在异常则进行重配置。采用这种方法，就可以兼顾逻辑门资源的充分利用和抗辐照可靠性的实现。

3.6用于深空探测的自主无线电技术

2004年，美国喷气推进实验室（JPL）提出的深空自主无线电（Deep Space Autonomous Radio， DSAR）技术可以认为是未来深空探测应答机中软件无线电技术的一个发展方向。该技术能利用人工智能、现代信号处理等前沿科技，在未知无线电环境下，仅通过观测信号，就能自动识别无线电信号在码速率、协议和调制类型等方面的区别，从而对软件进行重新配置，实现各种无线电数据的接收和处理。自主无线电技术无需从地面获取信号特性，便可自动软件重配从而与不同的探测器进行通信。

另一方面，自主无线电克服了深空测控通信的盲目性，使深空探测器处理突发事件的能力加强，从而适应各种未知的空间环境。比如，深空探测器在某外星球下降和着陆的过程中，将产生非常剧烈而不确定的多普勒变化和通信链路信噪比恶化。

采用了自主无线电技术的测控应答机，能够对来自遥远地球的无线电信号进行参数估计，快速重配链路参数，从而以近乎最佳的方法处理剧烈的多普勒变化和信噪比变化，确保信号收发的有效性和可靠性[6]。

四、结论

测控应答机作为宇航应用设备，工作环境十分恶劣，因此对质量可靠性的要求极为严格。采用软件无线电技术，可以把不同测控通信体制的应答机统一到一个标准化的通用硬件平台，更容易实现质量控制。另外，基于软件无线电的测控应答机在性能参数上受环境温度、工作时长、供电质量等因素影响较小，性能一致性较好，易于实现测控应答机的批量生产。软件无线电技术必将成为未来测控应答机领域的研究热点，在航天测控通信领域引发新的革命，深刻地改变人类探索宇宙的方式。

参 考 文 献

[1]莫乾坤，何晨.星载数字化TDRSS/USB双模应答机设计与试验.无线通信技术，2008，3，55-58

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

[3]姜建文，张朝杰，金小军，金仲和.基于CORDIC算法的微小卫星发射机设计与实现.传感技术学报，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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关键词：

随着我国信息化建设的推进，为了满足当前航空航天事业快速发展的需求，航空航天系统应用了信息化的很多应用系统。这些资源系统一般分布在不同的部门，开发技术多种多样，操作系统有基于UNIX的，也有基于WINDOWS的，系统框架和开发平台有C/S结构，也有B/S结构的。而且各系统之间缺乏总体规划，往往是各个部门根据自身需求来设计实施信息管理系统，缺乏对整体资源信息的开发挖掘。传统开发方式开发的信息平台与开发工具、操作系统、数据库的紧密耦合使得分散的独立信息系统逐渐成为所谓的“信息孤岛”，信息资源没得到充分利用。多个信息系统的许多功能都是仅仅为了满足其特定的业务需求设计的，它们之间存在相似相通之处却又无法复用，造成软件升级或重新开发的成本巨大。

这些问题的解决，需要航空航天各部门对现有业务流程和软件系统体系结构进行重新梳理和规范化改造，考虑面向服务的信息资源整合，充分利用航空航天系统内部信息资源，实现信息的统一控制和管理。

本文首先研究了SOA的思想，SOA的最佳实现技术，以及Web服务的一种开发工具，然后把SOA思想运用在无人机信息交换平台中。

1 面向服务的架构

SOA（Service-Oriented Architecture，面向服务的体系结构）将应用程序中的不同功能单元（称为服务）通过对这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。接口是采用中立的方式进行定义的，也就是说它独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。这使得构建在各种此类系统中的服务可以用统一和通用的方式进行交互。SOA架构的基本元素是服务，SOA指定一组实体（服务提供者、服务消费者、服务注册表、服务条款、服务和服务契约），这些实体详细说明了如何提供和消费服务。遵循SOA观点的系统必须要有服务，这些服务是可互操作的、独立的、模块化的、位置明确的、松耦合的，并且可以通过网络查找其地址。面向服务的参考架构主要由5部分组成，即Web层、服务层、应用程序层、企业级安全层和业务服务管理层。

2 通过Web服务和Java EE实现SOA

Web服务为应用程序通过Internat互操作提供了一种新方法，为了迅速实现或者向外界提供一个Web服务，要求有一个功能强大且全面的应用程序开发和部署平台，而且同时易于开发者和部署者使用。Java EE平台提供了一个完整的Web服务技术集。

Web服务平台是为使用特定编程语言来调用和部署Web Service而提供的一套工具集。本文主要研究了Java EE平台对Web服务开发的支持。Web服务平台有服务器端组件和客户端组件。服务器端组件通常封装在某种类型的容器中。客户端组件通常封装为工具，用于访问绑定到Web Service的Java接口实例。任何一种Web Service平台都支持三个核心子系统：调用子系统、序列化子系统，以及部署子系统。

3 基于SOA无人机数据交换平台

3.1 无人机数据交换平台分析

无人直升机不仅广泛应用于民用，在国防军事领域同样具有非常重要的作用，尤其在保卫祖国，完成侦察等任务中凸显重要，所以，无人直升机的发展在我国航空科学技术领域倍受关注，如何管理其复杂的测控数据问题也是当今研究的热点之一。本文主要研究基于无人直升机测控数据分析的要求，利用数据融合技术，结合SOA的架构理念，实现新型的数据交换平台。

采用SOA设计方法可以扩展本系统的适用范围。类似的数据交换平台可以通过通用的标准接口，实时地在线重用本系统所提供的部分功能，从而达到资源共享，减少重复工作的目的。

3.2 系统服务的设计与实现

SOA方法以服务为中心对象构建层次架构，将功能方面涉及的对象、数据、组件、业务流程、界面等从服务提供者和服务消费者角度进行层次化。在服务层中将各业务功能点以服务的形式暴露于系统之外，其它信息系统可以通过服务协约对服务进行访问。这种技术简化了系统集成，可以快捷、容易地对业务需求的变化做出反应。服务的设计与实现是实现SOA的核心。下面主要描述系统服务的设计与实现，也就是重点描述业务层。

无人机信息查询服务，主要提供无人机信息的修改、查询等服务。相关人员可能会查询关心的无人机型号的具体信息，这样不同的部门都可以调用无人机信息查询服务。其中有无人机基本信息的描述。

发动机性能查询服务，主要提供不同型号发动机性能信息的修改、查询等服务。发动机信息是人们关心的另一个主题。发动机的品牌、性能决定着无人机的性能，不同部门都可能要用到这个服务。

4 结论

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测控技术与仪器毕业生应获得的知识和能力：

1、具有较扎实的自然科学基础，较好的人文、艺术和社会科学基础及正确运用本国语言、文字的表达能力。

2、较系统地掌握该专业领域宽广的技术理论基础知识，主要包括机械学、电工电子学、光学、传感器技术、测量与控制、市场经济及企业管理等基础知识。

3、掌握光、机、电、计算机相结合的当代测控技术和实验研究能力，具有现代测控系统与仪器的设计、开发能力。

4、具有较强的外语应用能力。

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（南京航空航天大学航天学院，南京 210016）

摘要： 南航航天学院的本科毕业实习不仅是整个教学活动中不可缺少的重要组成部分，也对学生未来成为航天设计师起着至关重要的作用。本文结合南航航天学院本科毕业实习的实践，先介绍了实习基地的基本情况和学生的实习内容，然后摘录了两位学生的实习日记来展现实习的效果，最后总结归纳毕业实习中存在的问题和获得的启示，并对实习指导教师提出了建议。

关键词 ： 毕业实习；南航航天学院；实习日记；实习指导教师

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0245-02

基金项目：2013年度南京航空航天大学教学改革项目；2013年度南京航空航天大学“三育人”项目。

作者简介：闻新（1961-），男，辽宁沈阳人，教授，研究方向为航天器控制和故障诊断。

0 引言

南航航天学院的本科毕业实习不仅是整个教学活动中不可缺少的重要组成部分，也是航天学院特色课程“空间飞行器总体设计”课程专业教学的继续，更是学生毕业前为适应航天院所择业而进行的一次实训演练，对于学生未来成为航天设计师起着至关重要的作用。但是，毕业实习和课堂教学不同，本文结合南航航天学院本科毕业实习的实践，进行总结归纳，并提出一些建议。

1 南航航天学院本科毕业实习基地介绍

南航航天学院本科毕业实习基地选在江阴市的中国卫星海上测控部，这个单位成立于1978年，是中国航天测控网的一个重要组成部分。毕业实习主要安排在基地的技术部、通信总站、远望2号测量船、港湾勤务大队、勤务船大队和船修所等部门，其中，技术部、通信总站和远望2号测量船为重点实习单位。

2 南航航天学院本科毕业实习的实习内容

在半个月的实习期间，首先进行具体的定点操作实习，获得感性认识，进而了解测控跟踪系统的工作原理及网络体系结构，包括空间信息传输、地面测控、指挥、综合布站、航天器轨道及测控参数分析等。然后参观江阴航天测控基地的各个职能场所，了解地球站系统主要仪器设备的基本使用和操作，包括地球站监视系统及测试设备、分布式测控网络传输与监视显示系统等。最后，运用大学期间所掌握的专业理论知识结合具体的实习内容，完成专业实习报告和生产实习报告。

3 毕业实习学生日记一览

实习过程中，国内要求学生每天写实习日记的教学方法已经获得广泛采用，南航也不例外。通过学生日记，可以了解实习效果。下面是学生的实习日记摘录。

2013年7月8日，出发：早上8点从南航出发，在两小时的车程后，来到远望二号实习基地。尽管在来这里之前，我已经上网查阅了远望二号的相关资料，但亲眼见到远望二号后，还是不禁感叹它宏伟气派的外形。

2013年7月9日，第一天实习：今天上午，我们系统地学习了船艇安全管理规定和保密十条禁令。接着，我们召开了暑期实习动员大会，介绍了这次实习的学习任务要求和安排：在进驻实习基地后，由基地安排人员给学生进行基地情况简介，并组织全体学生参观测控基地，全面了解航天测控系统,基地安排专门的技术人员负责学生在各专业实验室的实习辅导。

2013年7月11日，认识实习：今天上午，我们去机房待职，观察船上的工作人员如何进行实战操作。要求我们不许说话，只能看、听、想，可惜我完全没有看懂，这也让我知道自己还有许多知识需要学习，许多技能需要掌握。下午，我们观看了工程师对雷达天线的调试，看工作人员对地球同步轨道上的卫星进行跟踪。

2013年7月13日，参观：原本以为远望二号上的工作环境已经非常好了，在参观完远望21号和远望六号后，我再也不会这样认为了。

2013年7月15日，航天特色：今天早上举行了升旗仪式，我们和全船的官兵一起参加。尽管这是一只科研船，但是我还能深刻感受到军队的严谨作风。在下令转身时，所有官兵的脚步声整齐一致，甲板似乎都为之一振，感觉十分震撼。

2013年7月19日，结束：十天前，我带着好奇的心情、学习的动力来到远望二号；十天后，我带着对航天测控系统的初步认识。

笔者认为实习日记可以对实习情况进行反馈，同时通过学生日记获取进一步改革的思路，特别是对于提高实习效果大有裨益。再看另一个学生的日记，也会得到一些启示。

2013年7月12日，活动：下午我们去爬山了黄山公园的小山，全程7公里。天气闷热，36度。整个过程挥汗如雨，T恤都湿透了。最郁闷的是被蚊子咬了，我两下拍死4个蚊子。明天还有去华西村参观……。

2013年7月16日，感觉空空荡荡：实习渐渐接近尾声，早上不出操了，讲座也少了，没有什么可以参观了。因为船上迎接大检查，所以我们活动也受限制。晚上我们看了在船上最后一场电影，无聊得很。

2013年7月17日，无聊了：实习就要结束了，晚上不睡了，起床也没有激情了。早上起来就到码头集合，回去在整理内务。上午没有活动，一堆人聚在一起打发时间，聊聊过去时光，打打牌……。

4 对毕业实习的若干问题的认识与启示

4.1 问题 ①毕业实习实际上是接触社会，接近现实生活，不像学校环境，而且一般的实习现场都不喜欢学生动手，所获得的效果与学生想象的效果不符。②当前国内高校教师的水平有了很大的提高，都具有博士学位，大多擅长某一很窄的研究方向，所以很难理解实习基地的各种环节的真实含义。③最近几年的实习经费有了较大的提高，但其他各种费用的增长，与国家其它实习单位一样，南航航天学院的实习单位向学校收取的实习费也逐年增加，这使得毕业实习的经费捉襟见肘。④很多学生对实习作用缺乏认识，对实习缺乏积极性，个别学生在实习动员和实习过程中，也未能产生足够的认识，还有一些学生此阶段忙于他事，例如复习外语和考研等活动。

4.2 启示 ①现在指导教师的部分职能可以指导学生干部来完成，而指导教师大部分精力应该挖掘实习怎样与专业课程结合，提高学生思考解决问题的方法和能力；探索如何引导学生能在有限的实习时间里，学到学校学不到的知识。②对于大多数学生来说，基地及科研试验中的很多内容还是比较生疏的，如果实习指导教师不研究，在短时间实习过程中，难以使得学生对实习获取真正的认识。因此实习指导教师必须研究实习工程，实习指导教师还需要充当设计实习任务总师的角色。③实习指导教师应该结合毕业实习的目的，与基地人力资源部门进行协商，制定实习内容，并把核心课程知识引入到实习中。④毕业实习不仅是让学生将所学专业核心课程知识与科研试验相结合，更重要的是让大学生了解航天系统的科研试验与管理体制，实习指导教师应该引导学生融入到基地文化中去。

5 总结

本科生毕业实习是学生离开校园、进入社会所必须经历的重要环节，毕业实习获得的实践经验有利于学生毕业时寻找工作。但是，毕业实习和课堂教学相比有很大不同，也没有多少固定模式可供遵循。为了达到良好的实习效果，笔者认为，实习指导教师需要充当设计实习任务总师的角色，把核心课程知识引入到实习中，把实习与专业课程相结合，引导学生融入到基地文化中去，从而让学生学到学校里学不到的知识，提高思考解决问题的方法和能力。

参考文献：

[1]康君奇.大学创新人才培养与实践教学改革[J].实验技术与管理，2009，26（4）：8-9．

[2]盛守照.自动化专业生产实习教学方式的改革[J].电气电子教学学报，2008，30（1）：6-7．

[3]李长庚，孙克辉，盛利元.高校理工类专业生产实习模式改革的探索与实践[J].电气电子教学学报，2003，25（3）：12-14．

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关键词:单片机; 软时钟; 定时计数器; 计数器中断间隔; 优先级

中图分类号:TP368文献标识码:A

文章编号: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

随着微电脑应用的普及,以MCS-51单片机为核心的微机测控系统已随处可见。为满足用户要求,这些系统通常都具有数码显示时钟的功能。由于MCS-51内部包含2个定时计数器,通过采用将其中一个定时计数器用于软时钟设计的方法,可以大大节省硬件开销。本文提出了如何提高软时钟的定时精度,以及在软时钟存在的情况下,如何提高以 MCS-51单片机为核心的测控系统的设计质量的方法。

1 MCS-51单片机内部定时计数器概述

MCS-51单片机内部包含2个定时计数器T0和T1,它们都是16位的加法计数器,既可用于定时,也可用于计数,在用于定时的情况下,计数脉冲由内部提供,因此计数速率固定为 CPU振荡频率的1/12;在用于计数的情况下,计数脉冲来自外部,外部计数脉冲通过 MCS-51的引脚T0(第14脚)或T1(第15脚)输入[1-2],在发生从1到0的跳变时计数加1。每个定时计数器又有4种工作方式可供选择:方式0构成13位定时计数器,高3位未用;方式1构成16位定时计数器;绞2构成8位定时计数器,低位字节用于计数,高位字节存放初值[3-4];方式3只适合于T0,构成两个独立的8位定时计数器。在方式0、方式1及方式3时,初值不能自动装入,当定时时间已到或计数次数已满时,若要进行下一次定时计数,必须利用软件装入初值,否则,系统会按上限自动定时或计数,即以0初值进行定时或计数[5-6];而在方式2时,初值可自动装入,只需向高位字节写入一次初值,则当低位字节定时时间到(或计数满)时,高位字节的初值会自动装入低位字节,且高位字节的值保持不变。当系统需用MCS-51单片机的串行接口进行串行通信时,定时计数器T1被固定为波特率发生器,因此,在软时钟设计中,总是选择T0作为定时器[7-8]。

2 软时钟程序设计方法1――0.1 s计数法

0.1 s计数法的基本原理如下,通过设置定时计数器0每经过0.1 s请求一次中断,中断处理程序会令软时钟的基准0.1 s单元增加1,而该单元每增加10次,再令软时钟的秒单元增加1,以此类推,按照时间进位令分、时、日、月直至年单元增加1。设CPU所接晶体振荡器的振荡频率为6 MHz,则1个机器周期为2 μs,当T0作为定时器工作时,定时器溢出,即中断周期:ИT=2×TC×10-6 s,式中TC为时间常数[9-10]。令中断周期T=0.1 s,可得:TC=0.1/(2×10-6)=50 000=0C350H,此时间常数决定了T0必须为16位定时器,故设置为工作方式1。由于是加法计数器,初值IC应为时间常数TC的补码,所以IC=216-TC=10000H-0C350H=3CB0H,修正以后,取IC=3CB4H,有关程序段具体设计如下。

初始化程序:

……;月、日、时、分单元初始化(略)

CHKS0:MOV A,(SBF);秒单元初始化

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单元初始化

MOV TL0,#0B4H ;送初值低位字节

MOV TH0,#3CH ;送初值高位字节

MOV TMOD,#01H;设置T0为定时工作方式1

MOV IP,#02H;设置T0中断为高优先级

ORL IE,#82H;T0允许中断

SETB TR0;启动T0

中断服务程序:

ORG 000BH;入口引导

LJMP CLOCK

ORG ****H

CLOCK:MOV TL0,#0B4H ;送初值低位字节

MOV TH0,#3CH ;送初值高位字节

PUSH PSW;保护程序状态字

PUSH ACC;保护累加器

SETB RS0;选区1

CLR RS1

INC (BUF);0.1 s单元增加1

MOV A, (BUF)

CJNE A, #0AH, DONE

MOV (BUF), #0

MOV A,(SBF) ;秒单元增加1

ADD A, #1

DA A

MOV (SBF), A

CJNE A, #60H,DONE

MOV (SBF), #0

……;分、时、日、月单元增加1(略)

DONE:POP ACC;恢复累加器

POP PSW;恢复程序状态字

RETI;中断返回

由上述程序可知,作为16位定时器使用时,T0不能自动装入初值,每次进入中断服务程序后,首先必须用程序装入初值,下一次定时实际上是从装入初值低位字节后开始的,所以在设定T0中断为高优先级以及CPU对T0中断请求的响应无等待延时的理想情况下,1个中断周期所包含的实际时间t=初值到计数满所需时间+入口引导时间+装入初值低位字节时间。

由于入口引导与装入初值低位字节共占4个机器周期,所以为了使中断周期等于0.1 s基准时间,上文对按理论推算出来的初值进行了加4修正。尽管如此,按照方法1设计的时钟程序与测控系统的其他程序有机联接在一起运行时,要实现准确定时也是十分困难的,因为在实用工业测控系统中常常不止1个中断源,而是含有多个中断源,存在着中断优先权的管理问题。要使上述软时钟能够准确定时,T0中断必须设置为高优先级,这样CPU对T0的定时中断才有可能不受影响,确保每隔0.1 s执行一次定时中断服务程序。如果T0定时中断被设置为低优先级,那么CPU对T0定时中断的响应就要受到影响。当CPU正在执行某一高优先级中断源的中断服务程序时,T0计数满会产生中断请求,CPU必须等到当前正在执行的中断服务程序执行完毕之后,才能响应T0中断,这必将延长中断间隔,使初值不能如期装入,破坏定时的准确性。由此可见,采用方法1设计的时钟程序限制了系统设置中断优先级的灵活性,降低了设计效率。例如,某些以数码管作为显示器的测控系统,为了节省硬件开销,通常采用对数码管进行巡回扫描的方法进行显示输出,为使显示稳定,且无抖动现象,必须将数码管显示中断设置为高优先级,以便保证扫描程序的执行周期固定不变,这便与时钟定时中断对优先级的要求发生了矛盾。为克服方法1的缺陷,在实际工程中,通过采用如下所述的方法2来设计时钟程序,可获得较好的效果。

3 软时钟程序设计方法2――中断周期累加法

方法2和方法1的程序结构是完全相同的,只是在对秒以下时间的处理上有所不同。将方法1的中断服务程序中“0.1 s单元增加1”程序段改为:

MOV A, (BUF);0.1 s单元增加1

ADD A, #10H

DA A

MOV (BUF), A

JNC DONE

通过对照容易看出,虽然两个“0.1 s单元增加1”程序段所用指令不同,但效果是完全一样的,可以互相替代。改动后的程序将对0.1 s中断周期的计数,变成了对0.1 s中断周期的累加,由此引申,对任何小于秒的中断周期都可以进行累加,当最高位有进位时实施秒增1,同样可以达到时钟定时的目的。MCS-51单片机内部定时器选择工作方式1时为16位计数器,在上述假定条件下,当初值为0时,T0的定时中断周期T=0131 072 s,131072定义为中断周期常数,在中断服务程序中对其进行累加。以下是采用方法2设计的时钟程序。

定义中断周期常数:

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

初始化程序:

…… ;月、日、时、分、秒单元初始化(同方法1)

CHKL0: MOV (BUF0),#0 ;秒以下单元初始化

MOV (BUF1),#0 ;秒以下单元初始化

MOV (BUF2),#0 ;秒以下单元初始化

MOV TMOD,#01H;设置T0为定时工作方式1

ANL IP,#0FDH ;设置T0中断为低优先级

ORL IE,#82H ;T0允许中断

SETB TR0 ;启动T0

中断服务程序:

……;入口引导(同方法1)

CLOCK: PUSH PSW;保护程序状态字

PUSH ACC ;保护累加器

PUSH DPH ;保护DPTR高位字节

PUSH DPL ;保护DPTR低位字节

SETB RS0 ;选区1

CLR RS1

MOV R0,#BUF0;中断周期累加

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、时、日、月单元增1(同方法1)

DONE: POP DPL ;恢复DPTR低位字节

POP DPH ;恢复DPTR高位字节

POP ACC ;恢复累加器

POP PSW ;恢复程序状态字

RETI;中断返回

方法2采用对中断周期进行累加的方法,令定时器满量程计数,初值为0,计数满后,自动重新从0开始计数,不需用程序装入初值,从根本上摆脱了装入初值的困扰,当然也就避免了对初值进行修正的繁琐过程。由于不需要装入初值,CPU可在中断周期的任意时刻,响应定时器的中断请求,只需保证下一次中断请求到来之前将中断服务程序执行完毕即可,从而使定时器大大降低了对中断优先级的要求。因此方法2将定时器中断设置为低优先级,而方法1则将其设置为高优先级。显然,采用方法2不仅便于程序设计,而且提高了程序设计的效率。

方法2中,当定时器满量程计数时,中断周期不再是标准的0.1 s,因此中断周期在累加过程中向秒单元的进位,大多数发生在非整秒时刻,而且进位间隔也不尽相同,具体来讲,假设秒以下时间单元从0开始累加,那么向秒单元进位第一次是在1048 576 s时刻,┑诙次是在2097 152 s时刻,第三次是在3.014 656 s时刻,…,第一次与第二次间隔为1.048 576 s,第二次与第三次间隔为0917 504 s,……,进位间隔有时候大于1 s,有时候小于1 s,然而,对分、时、日、月这些长期时间过程来说,积累误差可以认为等于0,从这个意义上说,方法2大大提高了定时精度。

4 结 语

提出了采用MCS-51内部定时计数器作为软时钟设计的方法,不仅节省了硬件开销,而且提高软时钟的定时精度,具有广泛的应用价值。在实际测试中,当晶体振荡器的振荡频率不是标准6 MHz时,通过调整中断周期常数,以及必要时通过增加秒以下时间单元缓冲区的字节数,可使中断周期常数准确到所需精度。

参考文献

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篇6

是什么原因酿成了“哥伦比亚号”的惨祸呢？其实，这场惨祸在“哥伦比亚号”发射的时候，就已经注定要发生了。可悲的是，身在航天飞机里面的7名宇航员却毫不知情。

当“哥伦比亚号”升空的时候，有一片约如单人课桌面大小、厚15厘米、重约1.2千克的泡沫塑料块，从外部燃料箱上脱落，撞击到左机翼前缘根部附近。当时地面测控人员已经看到了这一状况，却没有引起足够重视。

原来，外部燃料箱内的液态氢和液态氧，需要保持零下180摄氏度以下的低温状态。因此，在燃料箱的外面喷上了一种泡沫塑料，隔绝周围的热量。这种泡沫塑料在航天飞机发射升天过程中，由于周围空气的强烈冲击，有可能会局部发生碎裂脱落。另外，为了让航天飞机本身在重返大气层时能够承受与空气摩擦产生的高温，在机体表面包裹了一层即使在高温下强度也不会降低的耐热材料。 这些耐热材料虽然不怕热，却十分脆。在航天飞机过去的飞行中，耐热材料发生损伤的情况并不罕见，平均每次飞行有100处以上较小的损伤，但从未造成重大事故。可是，这一次就惹下大祸了。

为了证明“哥伦比亚号”的惨剧确是因耐热材料损坏引起的，7月7日，在美国得克萨斯州圣安东尼奥西南研究所进行了一次模拟实验，一块重约0.75千克的泡沫隔热材料，以每秒200多米的速度，撞上曾随“阿特兰蒂斯号”航天飞机27次进入太空的增强型碳基复合材料板，结果形成了直径约40厘米的孔洞。

耐热材料受撞击之后严重损坏，招致机翼前缘的铝合金在返回大气层时暴露在高热空气之中，并迅速融化。这使得“哥伦比亚号”的机翼上出现一个大洞，改变了这架航天飞机的空气动力学性能，以致航天飞机的飞行姿态出现紊乱。在当时飞行速度高达每秒数十千米的情况下，机体势必解体。

航天飞机向何处去？

在这次模拟实验之前，曾有一部分人不相信是脱落的泡沫塑料块导致了“哥伦比亚号”的惨祸，认为可能是与太空垃圾相撞。现在，几乎可以肯定，造成这场惨祸的真正原因，在航天飞机本身，在设计的时候就已经隐藏在那里。

在“挑战者号”爆炸以后，美国航空航天局曾经用了2年8个月，对其余航天飞机作了400多处大大小小修改，才重新恢复了飞行。“哥伦比亚号”的解体，使得美国剩下的三架航天飞机不得不暂停飞行，等待修理和改装。

直到目前为止，世界上仍然只有美国采用航天飞机这种可重复使用的航天器。其余的国家，例如俄罗斯，也包括即将进行载人航天飞行的我国，依旧采用只能一次性使用的宇宙飞船。美国的航天飞机停止飞行之后，国际空间站宇航员的接送，只能依靠俄罗斯的“联盟号”宇宙飞船来完成。可是，“联盟号”一次飞行最多只能载运3名宇航员，而且每次发射必须建造新的，不能像航天飞机那样频繁地发射升空。因此，国际空间站不得不减少了在那里面工作的宇航员的数量，并延长轮换的时间间隔。这对国际空间站的建设和科学实验活动无疑会带来很大的不利影响。

美国现有的航天飞机何日能重返太空尚不得而知。然而由于这些航天飞机在设计上存在一些已经无法弥补的缺陷，为了进一步推进航天发展计划，设计制造下一代新型的航天飞机势在必行。早在20世纪90年代中期，美国已经着手开始新一代航天飞机的研制。1996年6月，美国航空航天局为此举行了一次声势浩大的招标会，洛克希德―马丁公司的X―33中标。然而，X―33采用了许多不成熟的新技术和新材料，这使得美国航空航天局在经过5年的研究，耗资12.6亿美元后，不得不以开发费用过高之类的理由，决定停止这一开发计划。

现在，美国未来的航天飞机究竟如何发展，趋向并不明朗。这将有待于对“哥伦比亚号”事故的进一步评估。可是，无论如何，新一代航天飞机的开发，很可能会加速进行。同时，像俄罗斯以及我国的载人宇宙飞船，也会得到更快的发展。

阅读提示

2003年2月，美国“哥伦比亚号”航天飞机完成了在太空中的科学实验任务，返回地球。就在人们正为它的回来欢呼的时候，惨剧在一瞬间发生，飞机因左翼受到某种损伤，致使机体在离地面63千米处解体，机上7名宇航员全部遇难。失事的原因是什么？这篇兼有科技报道和科技说明文特点的文章，就是要探个究竟。这里，我们摘录了全文中的两个小标题的文章，既说明了“哥伦比亚号”机毁人亡的原因，又预测了航天飞机将加快发展的前景。全文说明有序，条理分明。

思考练习

1.本文标题“折戟探因”用的是什么修辞手法？“折戟”是什么意思？

2.文章第一个小标题“发射时就注定要机毁人亡”，为什么说是“注定”，它与后面的哪一句话相照应？

3.文中说明“哥伦比亚号”机毁人亡的惨剧发生的原因，表述最确切的一项是（ ）

A.外部燃料箱内的液态氢和液态氧，需要保持零下180摄氏度以下的低温状态。而隔热的泡沫塑料局部发生脱落碎裂。

B.能够承受与空气摩擦产生高温的耐热材料虽然不怕热，但却十分脆，容易发生损伤。

C.当“哥伦比亚号”升空的时候，有一片约如单人课桌面大小，厚15厘米、重约1.2千克的泡沫塑料块，从外部燃料箱上脱落，撞击到左机翼前缘根部附近。

D.耐热材料受撞击之后严重损坏，招致机翼前缘的铝合金在返回大气层时暴露在热空气中，并迅速融化。机翼出现大洞，飞行出现紊乱，导致机体解体。

4.“哥伦比亚号”机毁人亡的惨剧应吸取的教训，印证了下面关于“科学”的哪一句格言？（ ） A.反复地推断，无休止地修正，就能在科学上取得毋庸置疑的进步。 ――杜克洛克斯

B.科学的进展是十分缓慢的，需要爬行才能从一点到达另一点。 ――丁尼生

C.科学哪怕透出一丝虚假之光或半点疏忽，就会导致混乱与迷惘。 ――贝蒂

D.真正的科学首先教人们怀疑，教人们摸不着头脑。 ――马纳穆诺

5.“航天飞机”和“宇宙飞船”的根本区别是什么，请引用文中的话加以概括。

6.请找出文中的两句话来回答“美国现有的航天飞机何日能重返太空”的问题：

篇7

关键词：测控技术与仪器，高科技，实践

前言：在经济全球化的浪潮下，各个国家都在大力发展经济与科技，我国也不甘落后，开始大力发展科技与经济，伴随着科学技术快速的发展，我们的作业方式更加高科技化，而测控技术与仪器的发展在全球高科技化中尤为不可或缺，成为时代的一个主流发展专业，如今要想跟上科技的发展科技发展的速度，就迫切地需要投入更多精力深入了解测控技术与仪器专业，这样才能够适应二十一世纪的需求，所以对于测控技术与仪器专业的深入研究与新兴生力军的培养都是未来科技发展的必然趋势。

1.测控技术与仪器的概述

1.1测控技术与仪器的内涵

测控技术与仪器是多种学科相结合产生的一个综合性很强的专业，主要包含的是仪器技术与控制技术，测控技术与仪器在实际生产生活中起作用的地方在于仪器仪表自动化控制与处理统计数据信息，通过数字化的管理达到最佳的控制效果是最终要达成的效果。其主要的研究领域是收集统计处理信息，同时还包括控制其中的相关要素，它也包含了电力电子、精密机械、计算机、自动控制和电力电子等领域的相关知识。

由于控制技术和人工生产技术的测量和仪器技术已经占了很大的比例，是一个非常广泛的应用在现实生活中，现实意义是非常高的，监测和控制技术的未来生产和生活的是能够达到一个非常有用的功能，比如很多是网络化管理，数字化管理，采用智能系统，因为它有很多的功能和优势，应用的仪器是更广泛将这些属性都是利用起来。对人而言是一种有效的技术支持，以减少人工费用支出，以提高系统的效率。同时，在监视和控制技术的当前应用中，数字控制处理信号可以提供给人们最有效率的方法。监测，对同一时间的技术和设备的控制，这样的便利性，可以大大降低成本，加快了生产速度。许多测控技术的优点逐渐被发现，它的发展不仅可以造福于人的技术发展，也给在生活中的实际应用提供技术支持。

2.测控技术与仪器在实践中的应用

2.1航天、农业等领域的应用

测量和控制技术在航空航天工业和农业中扮演着重要的角色，其对航空航天技术的发展，起着监测和控制的重要作用，利用测控技术对太空飞船的飞行时间和飞行状态进行监控，还要进行数据收集和处理更方便工程人员修改数据，测控技术是中国的航天技术发展的一个不可缺少的一部分。在中国农业生产也将适用于测量仪表和控制设备，这要归功于其使用的农业生产将能够实现数字化控制，会让农业生产的生产效率得到前所未有的提高，以及更智能的农业生产管理监测得到的实时生产数据，可以为制造商提供有效的参考数据，帮助人们作出生产计划的改进，提高了生产效率和质量。

2.2新型传感器技术的应用

对于新的传感器技术，在目前的社会环境中，它已被很好的在现代测量和控制技术和设备技术中发展，数字传感器和集成传感器是新型传感器的两大代表传感器，在测量数据如温度压力和其他数据上集成传感器很有用。使用数字传感器主要使用在监视系统上。近年来，开发新的传感器技术已经成为一个重要任务，新的传感器技术领域已经开始使用新开发的传感器技术，以反映实际意义巨大的实用价值，生活种新的传感器技术提供了很大的技术支持和重要性。证实了新型传感器开发的价值和潜力。

2.3远程测控技术的应用

目前，测控技术的实际应用有很多方面，使用测控技术和仪器在生活和工业中已经是一个现实状况，重要的工业活动常用的监控技术是测控技术。 使用电话网络的监测和控制技术，包括远程监控和控制技术，绿色技术和无线通信的远程监控和控制，可用于检查特定设备，维护设备，在管道故障，水电 ，气体等方面有效，同时减少人力的使用和降低人工检修难度，解决使用远程运输上存在难以管理的技术问题，实现高效的运行效率。

3.测控技术与仪器的发展前景

仪器在开发时已经开始结合社会科学与技术和测控技术。工业生产已经逐渐规范化，网络化，在生活的各个方面使用的数字化管理，这些有效的科技，和技术的飞速发展，是我们社会发展和科学研究控制技术和设备的重要先决因素。引起别人注意的越来越多的是，测控技术和设备在当今社会越来越受重视，学校也加强了对这方面人才的培养，用以成为以后的专家。测控技术能加以促进发展和中国科技的进步，有更多的新鲜血液加入到测控技术中来，深入测控技术与设备的研究仪器的研究。而且，越来越多的测控技术和设备的行业，在这样的全球化的经济、市场环境下，测控仪器仪表的技术有了更为迫切进一步的发展，将发展和社会需求的繁荣。在当前的社会环境下，发展测控技术与设备将有很好的发展前景。开发和研究的测控技术仪器是公司竞争力的重要因素。为了应对社会的发展，未来的趋势，教育机构将会重点培养测控方面的人才，以提高相关的仪器仪表和控制技术的影响力。

4. 总结

根据我国的当前实际情况，测控技术和仪器的发展需要积极地被支持。支持测控技术和设备在未来工业中的技术开发，可为国民经济提供良好的基础，提供科学和技术扶持，有效提高国家工业生产力和生产效率。为了实现快速发展，国家在使用计量和测控技术方面的实践同时也促进该专业的发展，以达到相互支持和互惠互利。测控技术和专业测控技术与设备的使用已经开始应用到数据采集过程中，同时发展了生活中的测控技术和设备的重点培训，具有很强的实用价值。在监控方面也很具有开发潜力。除了实施远程监控技术外，还可以应用于农业生产的数字化管理，用于航天航空机器的运行分析，也可用于石油、天然气、电源等方面的新型传感器。对于更多的现有生产条件，更方便的是测试相关机器的障碍，及时的故障排除以及帮助工作人员确保运输系统的正常运行。测控技术在传感器方面的应用将非常强大，在未来的研究中也具有巨大的潜力，更高的性能。

参考文献：

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篇8

【关键词】水位控制；超声波；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

水位控制一直以来都是工业生产的一项重要的控制指标，其控制方法目前使用的也较多，但是随着计算机技术的快速发展与应用，使得水位控制有了更加精确的控制定位，本文运用ARM技术实现了一个水位控制器的设计，该控制器以微控制器为核心，利用超射波检测传感电路实现了水位的高精度控制。

2.硬件电路设计

本水位控制系统硬件电路主要由电源电路、检测超声波检测电路及接口电路构成，其具体设计如下：

2.1 电源电路

本系统采用的STM32F103VET6，STM32的工作电压（VDD）为2.0～3.6V。通过内置的电压调节器提供所需的1.8V电源。当主电源VDD掉电后，通过VBAT脚为实时时钟（RTC）和备份寄存器提供电源。具体电路图如图2.1所示。

图2.1 系统的供电电路图

图2.2 超声波检测电路

2.2 超声波监测系统设计

其测距原理为：通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：s=340t/2）。图2.2所示为超声波检测电路。

其超声波时序图如图2.3所示。

由图2.3可看出只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

图2.3 超声波时序图

2.3 串口通信电路

在本系统中需要用到串口通信，控制发送数据到PC上显示，以实现单片机与PC机的通信。在串口通信中使用到的芯片是MAX3232CSE，MAX3232CSE是一种低功耗拥有两个接收器和两个发射器的串口接口芯片。它兼容了RS-232的特性。供电范围是3V-5.5V。在MAX3232CSE内部，有两个充电泵。该芯片的电路非常简单，外部只需要接上4个0.1uF的充电电容就可以使用了。通信速率在120kbps能够保证数据不出错。并且能够保持RS232的输出电平。MAX3232CSE具有低至1uA的关闭模式，在便携式设备中，降低了电源的消耗，延长了电池的寿命。在低能耗的关闭模式中，接收器任然处于激活模式，允许调制解调器接收数据，该接口电路图如图2.4所示。

图2.4 串口通信电路图

以上为本水位控制系统的硬件设计。该硬件设计是实现本系统精确水位控制的基础。

3.系统软件设计

3.1 系统软件部分概述

本系统的程序设计是基于常用的嵌入式系统软件开发平台Keil uVision4，用于实现数字控制器的设计，本系统对水位的控制主要采用数字PID控制器。以下是该数字控制器的设计实现。

3.2 数字PID控制算法实现

在本设计中对于控制器的实现主要采用增量式PID算法，这是因为增量式PID算法只需保持当前时刻以前三个时刻的误差即可。它与位置式PID相比，有下列优点：

（1）位置式PID算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去误差的累加值，因此，容易产生较大的累积计算误差。而增量式PID只需计算增量，计算误差或精度不足时对控制量的计算影响较小。

（2）控制从手动切换到自动时，位置式PID算法必须先将计算机的输出值置为原始阀门开时，才能保证无冲击切换。若采用增量算法，与原始值无关，易于实现手动到自动的无冲击切换。

PID算法代码如下：

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 系统流程图

3.3.1 下位机软件流程图

如图3.1所示，系统总体流程是：设定水位值，STM32F103VET6初始化，初始化后继而运行同时使电机转动，通过超声波不断反馈回来的数据判断是否到达了设定的水位值，如果到达了，则使电机以这样的速度稳定运行下去，如果没有达到设定的水位值，则将超声波检测到的数值与给定值做比较，得出误差值，然后将误差值通过DAC0832芯片转换成0～5V电压信号，反馈给执行机构（电机），再通过电机控制水泵的水流速度，来达到水位控制的要求。

图3.1 下位机软件控制流程图

图3.2 上位机软件程序流程图

3.3.2 上位机软件流程图

该模块主要是完成接收下位机传送上来的数据，并将数据以正确的形式显示在控制界面当中。该模块包括界面的设计以及具体的响应函数的设计。上位机的串口通信用的不是VC自带的MSCOMM控件，.这里使用一个动态库，分别是Pcomm.h，Pcomm.lib，Pcomm.dll。输入参数为串口的接收数据，输出参数为编辑框的显示数据。程序的流程图如图3.2所示。

4.系统测试结果

4.1 测试结果

根据要求，水位给定的范围是0～150mm。分别取两组数据进行测量，每组取6个数值。

4.2 测试结果分析

将以上数据进行比较可得，设定水位值每次变化10mm，大约所需要的调节时间为12S到15S，基本符合题目的要求，系统的各个检测单元的测试数据精度很高、显示值与设定值非常接近，这与硬件的选择及其参数的匹配选择是不可分割的。当设定水位值和当前水位值有误差时，会自动通过超声波检测到的数值与给定值做比较，得出误差值，然后将误差值通过DAC0832芯片转换成0～5V电压信号，反馈给执行机构（电机），再通过电机控制水泵的水流速度，来达到水位控制的要求。

5.结束语

本文设计了一个基于ARM的水位控制控制系统，通过能采用ARM7内核芯片和串口通信电路及超声波检测技术实现了水位的精确控制，从测试结果可以看出该系统具有良好的稳定性，而且该系统还具有功耗低稳定性好等特点，具有较高的实用价值。

参考文献

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作者简介：

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关键词 温湿度测量；无线收发

中图分类号 TP274 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2012）092-0154-02

科学技术的发展，工农业生产逐渐趋向于智能化，自动化。越来越多的工厂都采用了全自动监测运行控制系统。减少了人工的投入，同时避免了由于人工操作而带来的生产出错，也极大的提高了生产效率。

在另外一个方面，生产自动化智能化程度的不断提高使得对设备装置提出了新的更高的要求。设备往往要检测环境中很多个模拟信息量，反馈给主控制器，以便主控制器作出相应的调整动作。如智能温度控制系统，则设备首先需要以一定的间隔时间采集温度信号，然后根据人们设定的温度值做出相应的调整运算控制加热或者暂停加热，以便使温度稳定在设定的值范围内。

在某些工业应用场合，环境的温湿度是必不可少的需要知道的一个物理条件。传统的温湿度检测，采用模拟传感器将温湿度信息转换成相应的电信号。需要对此信号进行滤波，放大，AD装换等等，才能够获取到最终的信息。由于当中环节过多，每一个部分都可以导致测量精度的下降。同时装置的复杂度也意味着失效出问题的可能性更大。

基于以上种种考虑，设计一个数字化的无线温湿度检测系统是很有必要的。数字化的温湿度传感器将信号采集，处理，AD装换等过程全部集成在一块晶片上面。同时对外提供两线式串行接口，特别适合与微控制器接口使用。2.4G的无线频率也适合近距离的无线通信需求。

根据设计要求，整个装置分为主机和从机节点两个主要部分。主机负责轮流从各个从机节点中获取到温湿度信息。从机则负责温湿度信息的采集，并将其通过无线方式发送出去。

1 主从机的框架图如下所示

1.1 从机部分框图（见图1）

1.2 主机部分框图（见图2）

2 本机的硬件设计

本系统的硬件设计主要分为主机和从机两个部分进行描述。

2.1 主机部分硬件设计

本设计采用ATMEL公司的8位精简指令集单片机ATMEGA16作为主机端的主控CPU。利用PCF8563作为实时时钟驱动，采用两片74HC165级联作为按键输入端口，I2C串行EEPROM AT24C64作为存储记录介质。显示部分采用带字库的ST7920为主控芯片的12864液晶显示模块。人机接口利用并入串出的芯片74HC165，8位并行输入，串行输出，同时每一个芯片均可以级联起来。即16个输入，只需要两片这样的芯片即可完成按键的接口。无线数据接收部分采用2.4G无线接收模块NRF24L01作为无线数据的收发端口。主从机电源及无线收发电路的供电均采用单片的稳压芯片AMS1117 3.3实现。

2.2 从机部分硬件设计

从机部分采用8051内核的AT89S52单片机，温湿度检测采用一体化的数字温湿度传感器SHT10，通过无线模块NRF24L01与主机进行通信，将所采集到的温湿度数据传送给主机显示并进行相关处理。每个从机都可以单独设置自身的地址。主机则轮流检测每个从机的温湿度数据。

3 软件设计

3.1 主机部分软件设计

在设计具体的程序之前，必须先对整个程序的结构进行相应的规划。在主机中，使用到主控MCU的内部外设单元主要有定时器，PWM TWI SPI接口，以及外部中断。因此，在主程序中必须有这些外设的初始化语句。然后才是依据各个任务模块的划分来进行任务的运行。当初始化完成之后，主机开始运行主循环，按键控制主循环，背光控制主循环，显示主循环，无线模块主循环。初始化模块与主循环的流程图如图3所示。

3.2 从机部分软件设计

从机部分相较于主机而言，其工作量要小的多。仅仅只是在每一秒的时间里负责采样温湿度数据，然后将数据通过无线模块发送出去即可。在这里也采取了主机部分的程序构架，即时间驱动+状态转移。不同的是这里的时间驱动更加模块化。是完全基于时间触发的嵌入式系统。

从机的主程序结构也类似于主机。在开始运行相关具体任务之前，需要完成相应资源的初始化，如定时器，I/O的设置等等。

至此，一个基于时间触发模式的嵌入式软件开发环境便搭建起来了。依据这种模式，可以很方便的设定任务的运行时间，每秒钟运行多少次等等信息。需要注意的是，单个任务的时间必须小于系统的定时时间间隔。如果单个任务的运行时间过长，则可以依旧任务状态，将其拆分，每次只执行一个状态，即将一个长任务拆分为几个小的短任务执行。

本系统在调试阶段与试验阶段运行基本正常，但因未严格按工业工艺环境标准进行严格封装导致无线信号传输距离有限并易受干扰，在异常温湿度环境下，元器件工作不稳定，元器件及电路易受腐蚀受风化，若用于工业化生产还需进一步实验、改进、完善。

参考文献

[1]Michael J Pont.时间触发嵌入式系统设计模式[J].中国电力出版社，2004，6.

[2]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[J].北京航空航天大学出版社，2007，10.

[3]刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用[J].北京航空航天大学出版社，2008，3.

[4]邹久朋.80C51单片机实用技术[J].北京航空航天大学出版社，2008，4.

[5]沙占友，孟志永，王彦朋.单片机电路设计[J].电子工业出版社，2007，5.

作者简介

篇10

［关键词］铂电阻 恒流源 温度控制 显示电路

［中图分类号］TH811 ［文献标识码］A［文章编号］1009-5349（2011）04-0120-02

引言

在日常的生活生产和工业生产中，物体的很多化学性质与物理现象都和温度相关，温度是作为被测量与控制的重要参数之一，很多的生产过程都是在特定的温度范围内进行的，这就需要控制与测量温度。铂电阻温度传感器零摄氏度标称电阻值为100Ω和10Ω，电阻变化系数为0.003851，精度高、稳定性好，是工程上应用广泛的温度传感器。该电路结合单片机和传感器技术，采用89C2051芯片和铂热电阻来实现信号检测、处理及显示，系统设计简单，具有较高测温分辨率和较高的测量精度。

一、恒流源电路

如图1虚框所示，电源经过电阻R1为TL431提供工作电流，在TL431的阴极和基准端之间接铂电阻，电位器W调节基准端流向地的电流大小。流过铂电阻的电流大小是：I=IZ-Iref=Vref/RW-Iref，其中Iref是基准端的吸收电流，RW是电位器电阻值，IZ为基准端流向电源地端的电流值。基准端的吸收电流在环境温度-48℃～+122℃变动时值为1.4～2.4μA，铂电阻PT正常时的工作电流大小为10Ma，因环境温度变化其基准端的吸收电流的测量误差为1‰，非常稳定。

图1 恒流源和双积分转换电路

二、双积分A/D转换电路

如图1所示，双积分A/D转换电路主要由运放电容C3、LM358、二极管D7、电阻R4与单片机INT0、P1.7构成。INT0采用的是边沿触发中断方式，定时器T0为16位计数工作状态。当输入电压为正向定时积分时，此时P1.7为高电平，D7处于截止状态，电压信号经过铂电阻两端的R4、R3对电容C3充电，充电的时间由T0进行控制。当P1.7处在低电平时，电容C3通过电阻R4、二极管D7放电，T0开始计数，一直到运放IC2A的输出反转，此时INT0响应中断并停止计时器T0的计数。因C3上的电压值与铂电阻两端电压成正比，计时器T0的计数值就是铂电阻两端的电压值。如果电阻R4用精密电阻，电容C3用聚丙烯电容，则该系统的分辨率可达到13位。

三、信号处理和显示电路

如图2所示，单片机89C2051对温度信号经过滤波、线性补偿与运算后，送到移位寄存器4094之中，从P1.5、P1.4、P1.3与P1.2输出位选信号，从而完成温度的显示。P1.6接修改键，P1.1接设置键，按下设置键后进入温度设置状态，然后按下修改键修改闪烁位的温度值，再次按下设置键就可以改变闪烁位的位置，然后就可以依次修改温度值。断电时该温度值保存在串行的EEPROM 24C04之中。当温度高于控制值的时候，P3.0输出的是低电平，继电器断电释放，系统停止加热，当温度低于控制值的时候，P3.0输出的是高电平，继电器通电吸合，系统开始预热，从而实现了温度的自动调控。

四、软件设计

该系统软件的设计语言采用单片机C51的语言为主，运用模块化的设计构想，将该系统的设计划分为不同的程序应用模块，整个系统软件主要包括：初始化程序、参数设置子程序、运算子程序、报警子程序、显示子程序等等。图3为单片机主程序流程图。

五、结束语

本温度控制器采用以单片机89C2051为测温装置的数据处理和控制核心，设计了一种基于铂电阻的高精度测温电路，该电路测量的范围在-10℃～+100℃之间，其误差在±0.5℃以内。该温度控制装置具有闭环温度控制的输出功能，可以由键盘修改控制温度值的大小。该温度控制器的测量精度较高，适合温度的精细控制。此外，可以通过软件，使温度测量模块具有上下限的报警输出功能，可以满足大多数对温度测控的要求。

【参考文献】

[1]周润景,张丽娜.基于PROTEUS 的电路及单片机系统设计与仿真[M].北京:航空航天大学出版,2006.

[2]李全利.单片机原理及应用技术[M].北京:高等教育出版社,2004．