（机械电子工程专业论文）煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究.pdfVIP

壹塞塾至塾墨查堂堡主兰堡笙苎一 摘要 煮茧是丝绸生产中缫丝前的一个主要工艺流程，是关系到蚕茧解舒率，提高生丝 质量的一个重要工序。在煮茧过程中，煮茧汤的温度是重要的参数。煮茧温度的变化 对缫丝成绩以及原料茧消耗影响很大，同时，煮茧机内左右茧笼温度不一，也是影响 煮茧质量的一太原因；若能检测到煮茧过程中左右茧笼煮茧汤温度的实时连续变化状 况，对提高煮茧质量，指导生产，可起到积极作用。 本文全面、详细地阐述了煮茧温度遥测系统及专家系统的研究开发过程，并对整 个系统的性能作了分析。根据生产现场的实际情况出发，采用了模拟温度传感器、a d 转换器、低功耗的微控制器和射频发送接收模块，开发温度遥测系统，建立了一套专 用的无线通信系统。在煮茧机温度测量上，实现了实时测量的新突破，解决了煮茧机 内无法动态、实时、连续测温的难题，通过实验证明，本系统能够实现预定的目标。 在煮茧工艺设计上，由于原料茧质、煮茧目标、煮茧生产环境的不同，开发了一种基 于模糊逻辑、神经网络技术的煮茧工艺专家系统，使得煮茧过程具有一定的智能，效 果良好。 关键词：煮茧，温度测量，遥测系统，神经网络，专家系统 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 a b s t r a c t c o c o o n c o o k i n gp r o c e s si sp r i m a r yi m p o r t a n ti ns i l k r e e l i n gp r o c e s s ，w h i c hc o n c e m s t h e q u a l i t yo fr a ws i l ka n dt h es t r c c ho fp o d i nt h ep r o c e s so fc o c o o nc o o k i n g ，t h e t e m p e r a t u r eo f c o c o o n s o u pi so n eo f t h em o s t i m p o r t a n tp a r a m e t e r s ，i ta f f e c t st h eq u a l i t y o fc o c o o nc o o k i n ga n dt h ec o n s u m p t i o no fr a w p o d i f t h er e a lt i m ec h a n g eo f t e m p e r a t u r e c a nb et e s t e d ，i tw i l li m p r o v et h eq u a l i t yo fc o c o o n c o o k i n ga n db ef a v o u r a b l et od e v e l o p t h em a n a g e m e n to f t h e p r o d u c e a d e s i g no fc o c o o nc o o k i n gt e m p e r a t u r et e l e m e t e r i n gs y s t e ma n di t se x p e r ts y s t e m a r ep r o p o s e di nt h i st h e w s i no r d e rt ot e s tt h er e a lt i m et e m p e r a t u r ei nt h ec o c o o n c o o k i n g m a c h i n e ，at e m p e r a t u r et e l e m e t e r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d b ya d o p t i n gt e m p e r a t u r es e n s o l a d c ，m i c r o - p o w e rm c u a n ds i n g l ec h i pt r a n s c e i v e r o nt h eb a s i so fa c t u a lt h i n gi nt h e p r o d u c el o c a l e ，t h et h e s i ss o l v e st h ep r o b l e mt h a ti tc a l l tt e s tt h ed y n a m i cr e a lt i m ec o c o o n c o o k i n gt e m p e r a t u r e e x p e r i m e n t si m p r o v et h a tt h ed e s i g n e d t e l e m e t e r i n gs y s t e mh a sg o o d e f f e c ti nm e a s u r i n gt h et e m p e r a t u r eo fc o c o o nc o o k i n g n o w b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c e so f t h e q u a l i t yo fr a wp o d ，t h ea i mo fc o c o o nc o o k i n g ，t h ee n v i r o n m e n to fp r o d u c t i o n ，a n e x p e r ts y s t e mo fc o o k i n gc o c o o np r o c e s sb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f f u z z yl o g i c ，n e u r a l n e t w o r ki sd e v e l o p e d ，w h i c hm a k e st h e p r o c e s so f c o c o o nc o o k i n gi n t e l l i g e n t k e yw o r d ：c o c o o nc o o k i n g , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t , t e l e m e t e r i n gs y s t e m ，n e u r a ln e t w o r k , e x p e r ts y s t e m 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其它个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影e f 】、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 籼维 船互球 南京航空航天大学硕士学位论文 t t 前言 第一章引论 煮茧是丝绸生产中缫丝前的一个主要工艺流程，是关系到蚕茧解舒率，提高生丝 质量的一个重要工序。制丝的原料是干茧，干茧的茧丝间相互胶着，由于胶着力极不 均匀，不利于索取丝头，而且无法集束抱合成生丝，故必须通过一预处理过程，即利 用水、热或助剂，作用一定的时间后将茧丝外围丝胶适当膨润融解，减弱丝胶粒子间 结合，使其胶着力降低，改善胶着不匀，使缫丝时茧丝能连续顺次离解，并集束抱合 成生丝。这个过程称为煮茧。 除要减小茧丝胶着力外，还必须达到下列煮茧要求： ( 1 ) 缫丝中茧的解舒良好，索理绪效率高，缫丝中落绪茧少： ( 2 ) 煮熟程度均匀，以减少类节，提高净度，增强抱台，同时使生丝的色泽、 手触良好； ( 3 )防止产生瘪茧和减少产生丝条故障的棉条类和蛹吊； ( 4 ) 为减小缫折，特别要减少煮茧缫丝中的绪丝、汤茧、蛹衣量和丝胶溶失量： ( 5 )煮熟茧的浮沉要适应缫丝的要求： 、 以上可以看出，在煮茧过程中，煮茧汤的温度是重要的参数，煮茧温度的变化对 于缫丝成绩以及损耗影响是非常大的，并且煮茧机内左右茧笼温度不一，也是影响以 后工序生产质量的一大原因【4 】。若能检测到煮茧过程中左右茧笼内煮茧汤温度的实时 连续变化状况，对提高煮茧质嚣，指导生产，可起到积极作用。另外，这种检测既能 直观、准确地反映设备动态运行情况、运转是否正常，又可为煮茧机优化设计及煮茧 研究提供可靠依据，还可以为煮茧温度的遥测奠定基础：除此之外，该温度遥测系统 可以广泛应用于一些连续运行、封闭式的工艺过程中比如粮食的烘燥过程、煮茧过 程、以及烘茧过程等，具有很大的应用价值。 1 2 国内外研究现状 到目前为止，大多数煮茧机采用定点温度测量方式，由于各种煮茧机存在着测定 点位置不统一的弊病，不能如实地反映煮茧机内各部分的实际情况，加之有些测温点 并非设在茧子运行轨迹上，造成生产中茧子实际感受温度与检测温度不一致，导致煮 茧生产严重依赖于经验管理，这对实现生产的科学管理及提高煮茧质量都是不利的 【2 】。 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 1 2 1 煮茧机的研究发展概况 以前的煮茧机在材质上主要以木质煮茧机、普通钢质煮茧机为主，蒸汽泄漏严重， 温度调节范围窄，节能效果欠佳，结构上分为若干工作区段，过去靠操作工人不断来 回地跑动，调节各区段的阀门开度来保持其蒸汽压力和温度的恒定，不仅劳动强度大， 而且工艺稳定性差，煮茧质量受蚕茧种类的不同、工艺参数的改变、操作人员的素质 等因素影响很大1 2 6 1 。目前，国内一些研究机构在引进国外先进设备的基础上吸收消化， 研制开发了高效节能不锈钢循环式煮茧机，该类机型为全封闭结构，转动部分实现无 级调速采用保温性能好的轻质硅酸铝纤维保温，不仅节约蒸汽，还可调节茧浮沉和煮 熟度，具有原料适应性强、温度调节范围广、工效高及使用寿命长等特点。2 0 0 2 年浙 江省重点技术创新项目“飞宇2 0 1 v 型煮茧机”研制成功，在吸收国外煮茧工艺的同 时，采用了现代化程序控制的方法，用计算机控制台集中控制，工艺参数自动设定， 自动检测，自动调整。电气控制系统选用了触摸屏和p l c 等先进技术，系统主要完成 了茧的自动输送、自动加茧等动作，并对煮茧机各工艺区段的温度实施自动控制，全 机设有1 6 个温度自动控制点，各控制点参数可按煮茧工艺要求设定，保证了各区段工 艺参数的稳定和工艺设计的准确性【2 0 j 。 在温度检测方面，9 0 年代日本( 蚕桑试验场) 对煮茧过程的温度使用黑匣子进行 了测试，对掌握煮茧工艺的过程状态进而调整煮茧工艺，提高了较好的手段。这种方 法，只使用一个传感器，且必须在检测完煮茧一个过程之后，才能得到数据，无法在 线实测1 2 6 】。浙大等院校利用单片机技术开发了微机自动监控系统，对煮茧过程中的各 种参数进行自动检测、监视与实时控制，提高了缫丝生产的产量与质量，与“飞字2 0 1 v 型煮茧机”相同，都只是对每个区段的固定点进行温度采集，不能如实的反映茧汤温 度连续变化的趋势【1 4 l 。苏州丝绸学院研究了温度遥测系统，采用了数字温度传感器与 处理器结合的方式，为煮茧温度遥测系统做了一些探索性的研究，缺点是数字温度传 感器不能暴露在煮茧汤中，即不能准确地反映茧汤的温度f 4 】。 1 2 2 煮茧工艺专家系统的研究现状 煮茧作为缫丝工程中的一个重要环节，其煮茧效果直接与生丝的产量、质量及消 耗有关，而煮好茧并非易事，受原料茧质、设备、水质、煮茧技术人员的专业水平等 多种因素的影响，所以各缫丝厂没有一个固定的模式可参考，只能根据各厂具体情况 在实践中不断摸索和总结经验。在众多因素中，煮茧技术专家在长期实践中所积累下 来的宝贵经验和煮茧技术就显得尤为重要。为解决这个问题，人们开始研究煮茧专家 系统。专家系统是人工智能的一个分支，产生于6 0 年代中期，虽然发展至今不到三 十年的历史，但其发展速度相当惊人，它的应用几乎渗透到自然界的各个领域。日本 南京航空航天大学硕士学位论文 已经建立了“针对煮茧技术的专家系统”，该系统自1 9 9 3 年以来已经被应用到称作 “r i s s 网络系统”的个人电脑网络中【期。在丝绸行业里的煮茧工艺方面，我国在8 0 年代也曾经有人作过尝试，但由于种种原因，未能作深入研究，效果不是很理想，而 且都是基于经典专家系统的模式，它所固有的一些局限性也暴露出来，例如知识获取、 知识存贮容量与运行速度的矛盾问题，所有这些困难和问题促使人们冷静思考，单纯 依靠计算机从功能主义和软件方法来解决人类智能的复制与模拟的问题是不现实不 科学的。而人工神经网络的兴起，其固有的“联接机制方法”特性，进一步提高了专 家系统的性能，使专家系统开发者看到了解决其“瓶颈”问题的希望。进入九十年代 后，人们对专家系统的研究转向了与知识工程、模糊技术、实时操作系统、神经网络 系统技术、数据库技术等相结合的专家系统，这也是专家系统今后的发展方向与趋势 1 5 1 。1 9 9 8 年左右苏州大学等部分高校开始了煮茧工艺设计专家系统的研究，取得较 好的效果，但此专家系统用p r o l o g 语言编写，采用基于规则的模式，有一定的局限性。 1 3 本课题研究目的及主要内容 本课题的研究是江苏省科技攻关项目中的一个主要研究内容。在充分分析煮茧机 温度测量和煮茧专家系统的现状及市场需求的基础上，本课题旨在适应我国的实际需 求，开发一种实时的、低成本、使用方便的无线温度测试系统，使煮茧机能高效、可 靠地工作，提高缫丝的质量和产量。同时由于原料茧质、煮茧目标、煮茧生产环境的 复杂多变，开发一种基于模糊逻辑、神经网络技术的煮茧工艺专家系统，使得煮茧过 程具有一定的智能，达到煮茧专家的设计水平，以替代专家的作用。 本论文各章节内容安排如下： 第一章引论。介绍本课题的国内外研究现状、背景和研究意义。 第二章遥测系统总体概述。介绍了遥测系统的发展状况、无线时代5 1 单片机的 最新技术及本遥测系统的总体结构。 第三章温度采集系统。讨论了传感器信号处理电路、a d 转换以及软件滤波的 具体实现。 第四章遥测系统软件设计。分别讨论了如何正确配置无线单片机n l l f 2 4 e 1 ，使 得其正确地发送、接收数据包，以及整个系统的软件设计流程。 第五章煮茧专家系统的开发。介绍了利用神经网络技术实现的模糊专家系统原 理、b p 网络的改进算法、m a t l a b 仿真和工艺专家系统的实现。 第六章温度遥测系统性能测试。介绍了遥测系统实验所取得的一些性能指标。 第七章总结与展望。对本课题所做的研究进行了总结，并提出了下一步工作的 意见。 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 2 1 遥测系统的发展 第二章遥测系统总体概述 无线遥测、遥控，即是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号， 通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作，同时，受控端的状态信 息经同样的过程传输到控制端，从而实现对受控端的控制和监测的过程”。 遥测设备一般由发射机、接收机两部分组成。发射机主要包括编码电路和发射电 路。编码电路产生所需要的控制指令，这些控制指令是具有某些特征的、相互间易于 区分的电信号。不同的控制指令可以用不同频率的正弦信号代表。除此之外，还可用 正弦信号的幅度及相位特征、脉冲信号的幅度、宽度及相位特征及码组特征等表示各 种指令吣。 编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，抗干扰能力较差，也无法直接 传送到接收机上去，还要将指令信号送到发射电路，使它调制在高频载波信号上，再 由发射天线发送出去。 接收机由接收电路及译码电路组成。接收电路又包括高频部分及解调器部分。由 接收天线送来的微弱信号首先经高频部分的选择和放大，滤除噪声，分离出有用信号， 然后送解调器进行解调。解调电路的是将接收下来的已调信号还原为调制信号。即将 指令编码信号从载波上“卸”下来的过程，是调制的逆过程。 从载波上“卸”下来的指令信号并不能直接用来驱动或控制，还要送指令译码电 路进行译码，以获得各种控制指令。 最早的无线电遥测系统是2 0 世纪3 0 年代开始在气象部门中使用的无线电探测 仪。这一时期的无线电遥测系统都是模拟式遥测遥控系统。在2 0 世纪4 0 年代，由于 军事上的需要，遥测遥控技术得到了很大发展，相继出现了p a m 、f m 、p d m 等多种不 同体制的遥测遥控技术。 随着遥测参数不断增加，测量精度要求的不断提高，原来的单通道的遥测技术无 法胜任，这时开始出现了多通道的遥测技术。根据信道复用方式的不同，遥测技术又 分频制和分时制两种。2 0 世纪5 0 年代，出现了脉冲编码式( p c m ) 遥测系统。p c m 系统是数字传输系统，它易和数字通信、计算机技术紧密联系起来，成倍地提高遥测 系统的整体性能a 而且还可通过信源编码、信道编码、扩谱技术和保密通信等新技术 改善遥测系统的可靠性和抗干扰性。同时，在工艺上，随着v l s i 技术的发展，p c m 系统更容易实现模块化和小型化。因此，p c m 系统自诞生以来，迅速获得广泛的应用， 南京航空航天大学硕士学位论文 近二十年来，遥测系统也已经远远超出它原来的含义，它不但包括原来单纯的被测量 参数，还包括话音、运动静止图象和多样化的空间实验数据等其它信息，这就是人 们所说的遥技术。 无线遥测、遥控的方式多种多样，根据不同的应用需要，可采用适宜的方式。各 种遥测、遥控方式的不同，主要在于信息的编码处理方式和信息的传输方式。”。所传 信息的形式及信息量的大小决定采用何种信息编码及处理方式，而信息传输的距离决 定采用何种传输方式。 2 2 单片机的无线时代和无线时代的8 0 5 1 单片机 2 2 1 无线时代为8 位单片机带来新的机遇 现在已经进入了一个无线无处不在的时代；出门，人们使用手机打电话，发短信： 在家，使用无绳电话；开车，使用g p s 导航找路：上班，使用无线网卡上网，办公。 但是，现在人们很难将这些“高档”的无线应用和低价格，低功率消耗，小体积的8 位单片机联系起来，虽然8 位单片机已经在各行各业得到广泛应用，是目前工业用嵌 入式单片机的主流。 目前人们接触到的这些无线应用例如手机，b b 机，8 0 2 1 l 标准的网卡路由器等 都具有下面一些共同特点： 1 功率消耗较大，需要较大电池支持； 2 价格较高，动辄几十到几百美元： 3 需要一定体积，不能做到像一个纽扣那么小； 然而，正是这些特点，限制了无线产品向更广阔的应用空间发展，而能够突破这 个无线应用瓶颈的关键，却正是这个其貌不扬的8 位单片机。 大家知道，所谓8 位单片机，就是在单一芯片上，包括了8 位微处理器，外围接 口，静态存储器，闪存，数模转换等为一体高度集成的电路，例如大家熟悉的5 1 系 列单片机。 只要将这些8 位单片机和无线收发芯片组合在一起，( 组合的最佳方案是将单片 机系统和无线收发系统集成在在同一个芯片之中) 然后，编制各种应用程序，协议软 件，加上适当的传感器、执行部件、天线，就可以成为一个独立的单片机无线应用系 统或称为无线节点； 这些采用8 位单片机的无线系统，具有以下等特点： 体积小一一集成电路工业的快速发展，已经可以将越来越多的外围电路集成到 单一芯片上，由于8 位微处理器所占芯片积较小，所以可以使芯片面积越来越小，相 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 应无线节点面积也会更小： 低功耗一8 位微处理器较小的芯片面积，本身具有较小的功率消耗，加上8 位单片机的无线系统先进的自动电源管理，使这些无线节点使用微型电池，可以具有 i - 2 年的连续工作能力； 高可靠性一一8 位单片机的无线节点采用许多先进无线网络算法和通讯协议， 大大提高了通讯可靠性，特别适合于在许多新兴的高可靠无线应用中使用； 正是这些优点，加上人们对生活质量的不断提高等要求，大量的新的应用对无线 产品的市场需求，推动8 位单片机快速进入无线时代。 2 2 2 无线时代的5 l 单片机 在种种8 位单片机中，以8 0 5 1 8 0 5 2 系列8 位单片机最为流行，为广大电子工程 师所熟悉，随着技术的进步，集成电路工业的发展，今天的5 1 内核的8 位单片机芯 片，与2 0 年前的8 0 5 1 的8 位单片机有了长足进步，许多外围电路，存储器，都被集 成在同一芯片之中；同时功耗更低，速度更快，芯片更小，但是，在上述的无线应用 中，即使用这样的新单片机，和无线收发芯片组合，仍然很难满足设计的需要，这是 因为： 1 当无线通讯电路工作在非常高的频率下时，无线收发电路一般工作在 3 0 0 m h z 1 0 0 0 m h z ，高的频率甚至达到2 4 g 一5 8 g h z ，这样的高频电路非常容易受到 同一电路板上其它信号的干扰，而单片机的工作时钟和接口信号，非常容易对无线接 收发射电路造成致命的干扰； 2 相当多的应用要求更小的体积，往往只能容许单一芯片： 基于上述两个原因，理想的无线单片机应该将无线收发电路、8 0 5 1 内核、闪存、 外围电路集成为一体，并在低功率消耗的前提下，能兼容目前流行的开发环境，采用 高级语言开发；面对巨大的市场前景，许多大型集成电路生产商开足马力，开发这类 单片机，目前，市场上已经有这样的8 位无线单片机面世，相信今后几年，会有大量 的这类无线单片机出现。 下面，介绍一种本系统所使用的8 0 5 1 内核无线单片机n r f 2 4 e i ，其内部结构见 图2 1 。 圈2 , 18 0 5 1 内核无线单片机- n l i f 2 4 e 1 的内部结构 从图2 1 可知，该单片机以一个8 0 5 1 内核为核心，由于采用这个有长远应用背 景的内核，所以很多流行的8 0 5 1 软件开发工具，都可以用来开发这个新的无线单片 机：该无线单片机除了包含标准的8 0 5 1 、外围电路( 如同步异步串行接口) 、定时 计数器、输出输入接口外，还包括5 1 2 字节r o m 、4 k + 2 5 6 字节r a m 、1 0 位模拟数字 转换器等，来共同构成一个完整的单片微型计算机。 同时，在同一晶片上集成了完整的无线收发子系统n r f 2 4 0 1 ，可以实现2 4 g h z 的无线通讯，该无线收发子系统和8 0 5 1 单片机系统有机豹整合在一起，开发者只需 要象管理寄存器一样，就可以轻松管理这个高频工作盼无线收发电路；由于经过特别 的设计，最大限度的减少了单片机数字电路对高频模拟线路的干扰，使无线单片机的 使用交得更加方便：该无线单片机的无线通讯主要技术指标如下： 工作频率范围：2 ，4 - 2 5 g h z 工业频段： 接收灵敏度：典型- 1 0 7 d b m ； 电源：i 9 3 ，6 v ： 功耗：非常低的电流消耗； 芯片封装：3 6 脚小型q f n 封装： 7 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 2 35 1 内核无线单片机的通讯软件开发介绍 开发本系统时，由于在k e i lc 5 1 环境下，具有单步、断点、变量观察、寄存器( 包 括无线收发寄存器) 观察修改等全部高级无线调试功能，开发单片机程序很方便，故 选用很受欢迎的k e i lc 5 1 开发工具和u v 2 集成开发环境，具体的开发流程如下： 1 用c 5 1 编写程序并编译生成i n t e lh e x 格式文件，这个过程与普通5 1 单片机 开发一样。 2 用转换工具e e p r e p e x e 将步骤l 生成的h e x 文件转换为2 4 e i 格式的h e x 文 件。 3 用通用编程器将步骤2 生成的2 4 e i 格式的h e x 文件写入2 5 l c 3 2 0 中( 读入文 件时选择i n t e lh e x 格式) 。2 5 l c 3 2 0 为3 2 k b i t s p i 接口串行e e p r o m 。 4 n r f 2 4 e i 上电时，r o m 内的b o o tl o a d e r 先将外挂的2 5 l c 3 2 0 的程序全部下载， 读入内部的4 kb y t e 专用r a m 区，然后开始执行用户编写的程序。 5 在批量生产时，可以将程序掩膜在n r f 2 4 e i 中，将外挂的2 5 l c 3 2 0 省掉，进 一步节约成本。 2 4 煮茧温度遥测系统总体设计 本遥测系统是以无线单片机n r f 2 4 e i 为开发主件，充分利用芯片内的无线传输子 系统n r f 2 4 0 1 和模数转换子系统，构架整个遥测系统。”。系统总体要求实时地检测茧 笼里的温度变化，每秒能够获得5 次有效的温度数值，且检测温度与实际温度偏差在 0 5 之内。 2 4 1 发送端的模块设计 发送端的测试精度直接影响到整个遥测系统的功能要求。该模块实现主要包括传 感器的选定、信号放大处理、模数转换和数据的加密发送。传感器的精度、采样频率 都直接影响着遥测的效果。数据处理主要是对a d 转换值进行软件滤波以及对有效数 据进行校验处理。在本设计中采用c u 5 0 热电阻作为温度传感器，a d 转换器采用了 n r f 2 4 e i 内部集成的9 通道a d 转换器。基本结构框图见图2 2 所示。 n r f 2 4 e i 模块 一。_ 。- - 一。- - 匦垂曰匿巫啦匝巫卜岖亟乎 图2 2 发送端系统结构 垂 南京航空航天大学硕士学位论文 2 4 2 接收端的模块设计 接收端能否接收到有效的数据，关系到遥测系统的成败。n r f 2 4 e 1 会对接收到的 数据进行解包，得到正确的有效数据，然后把数据经串口传送到p c 机上，p c 机进一 步校验数据，把数据变换为温度数值实时显示：图2 3 展示了接收端的系统结构图。 - _ - _ - - - - - - - - 一_ _ - - - - _ _ 图2 3 接收端系统结构 2 4 3 系统数据协议设计 由于系统是靠无线数据传输和串口通信来完成各种状态与命令信息的交换，因此 软件设计部分一个重要的任务是保证通信的可靠性。煮茧生产现场的环境非常恶劣， 对无线通信的于扰很大。除了选用抗干扰能力较强蛇收发芯片外，还需要从软件上采 取必要的措施，剔除通信错误，保证数据传输的可靠。 发送端与接收端的可靠通信主要由两端试连接、温度数值传输、数据通道关闭三 个环节组成。 在发送、接收试连阶段，发送端发送两个字节的数据o x o o f f ，如果接收端能够 正确地收到此数据，立即把收到的数据返回给发送端，表示数据通道建立，可以进行 后续温度数据传输。发送端接收到本身发出的试连数据，则开始发送温度数据。 在温度数据传输阶段，采甩的是单王的传输模式，依靠多次重复发送来提高单向 传输的可靠性。总的数据流格式变化可参考图2 4 。本遥测系统所传输的温度有效数 据块不大，一共6 个字节，其中a d 值占两个字节，重复次数占个字节，为了不影 响遥测系统的温度采集性能重复次数不宜过大，每个有效a d 值被连续发送三次， 数据块的第三个字节存放重复次数。数据包的起始标志为o x f f 0 0 ，实验证明o x f f 0 0 数据出现的可能性很小，作为标志数据能有效地防止出错，o x 0 0 作为数据包的结束 标志。 数据块构建好之后，将被加上数据通道的地址一起送入n r f 2 4 0 1 传输予系统做迸 一步数据封装，在传输子系统中，n r f 2 4 0 1 分别在数据块的头尾补充字头和c r c 校验， 字头是根据地址的首位决定所加的数据，最后激活s h o c k b u r s t 高速数据发送，第四 章的射频器件配置这一节详细介绍了该阶段的数据封装格式。 接收端按照发送端数据封装的相反方向进行解包，移去字头、c r c 校验、地址得 到有效数据块，并通过串口通信传输到p c 机上处理，串口传输的数据格式为： 9 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 波特率固定为1 9 2 0 0 b p s ，无奇偶校验位，8 位数据位，1 位停止位。 p c 机得到数据包后，移除起始标志、重复次数、结尾标志，得到有效的a d 值。 显示温度数值。 发送端结束温度数据传输后，将发送0 x b b 到接收端，断开通信连接，使双方处 于空闲模式，降低能耗。 1 0 + 0 x f f l0 x 0 0 i 第i 次重复i a d 值i o x 0 0 、 i 地址| l 字头i 1 c r c 软件滤波 m c u 处理 n l u 2 4 0 1 处理 & 无线通信 字头i j c r c j 地址| i 、 。弋 0 x f f l o x 0 0j 第i 次重复i a d 位i 帆0 0 n r f 2 4 0 处理 串口通信 p c 处理 图2 4 数据包格式变化 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章温度采集系统 作为温度遥测系统的一个重要组成部分，发送端的温度采集系统负责将温度信号 的变化转换成易测量的电信号，然后放大处理转化为有效的数字信号，最后经射频器 件高频输出。该采集系统设计时，传感器的选定、处理电路的设计是难点所在。 3 1 温度传感器的选择 温度是实际应用中经常需要测试的参数，从钢铁生产到半导体生产，很多工艺都 要依靠温度来实现，温度传感器是应用系统和现实世界之间的桥梁。温度检测的经典 方法是使用诸如热电偶、热电阻、半导体p n 结( 如a d 5 9 0 ) 之类的模拟传感器，经 信号取样电路、放大电路和模拟转换器处理，获取表示温度数值的数字信号，再交由 微处理器或d s p 处理”1 。被测温度信号从敏感元件的非电模拟量开始，到转换为微处 理器可处理的数字信号之间，设计者必须考虑的线路环节很多，响应测温装置中元件 的数量难以下降，而模拟信号在长距离传输过程中，抗电磁干扰是令人头疼的问题， 这些问题给设计者增加了难度。采用具有直接数字量输出的传感器能够避免上述问 题。因此，人们越来越重视数字式传感器技术的发展。所谓数字式传感器，是指能把 被测( 模拟) 量直接转换成数字量输出的传感器。d s l 8 8 2 0 即为典型的数字式温度传 感器，但是在煮茧环境中，由于要实时测得汤水的温度，数字式温度传感器的诸多不 利因素，比如其对测温环境的要求苛刻，使之并不适用于本系统。考虑到被测对象 所处的环境及测量范围，采用了通用的热电阻传感器c u 5 0 。 热电阻传感器利用的是导体或半导体的电阻值随温度而变的原理。一般把金属热 电阻称为热电阻，而把半导体热电阻称为热敏电阻。用于制造热电阻的材料应具有尽 可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率，a r 关系最好成线性，物理化学性能稳定， 复现性好等。目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。由于铂是贵重金属，在一 些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为 一5 0 1 5 0 c 。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的，可近似地 表示为( 1 ) 式： r c 。如= r o ( 1 + 口t )( i ) 上式中，口为铜热电阻的电阻温度系数，取岱：4 2 8 1 0 一 c 。 铜热电阻有两种分度号，分别为c u 5 0 ( # 5 0 q ) 和c u l 0 0 ( 圮= l o o q ) 。铜热电阻 线性好，价格便宜，测量范围相对较窄，考虑到成本和所测温度量程，c u 5 0 为最佳 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 选择；其分度表见下表1 。 表3 1c u s 0 分度表 l 如舶筒 1 00 口剪捌21 伽土5 5 5 l 粥4 1 3 并孤湖 t 01 0孤 柚甜 为 凡o孤咖豇l 秘冀_ 嚣55 e x 辩j 菸瑚1 7 辨 以辩2翻。l 0 蚰l u sl l 鞠 h bl 知 丸a酊1 柚d 兜柳7 l 7 王s 娃7 5 _ 秘6 7 王貂3，矾28 l l 捌 3 2 信号处理及a i d 转换 c u 5 0 的阻值会随温度的不通而变化，近似成线性变化，信号处理则把阻值的变 化转化成能够模数转换的电压信号；工作原理：采用运算放大器对电压信号进行放大， 然后送至a d c 输入。图3 1 为所设计的电路。 圈3 i 信号处理电路 根据虚短和虚断的特点，可知2 、3 两点的电势相等，则 巧= k c u s 0 阻值的变化映射为电压k 的变化，则 巧。紊惫 通过反馈电阻r 4 上的电流为： 通过电阻r 3 上的电流为： 通过电阻r 5 上的电流为 又因为氏+ 氏= 气，故 由以上各等式可得到 ，。；! 丛 兄 ，一 气2 彳 k = 毫 坚墨+ 塑：堡 r马墨 k = 0 + 卺+ 每c i 笔篆，一惫 ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 8 ) 从上式中可以看出，屯。“焉时，v o 与屯如成线形关系。 其中，p 0 为模数转换的外部参考电压，对予元器件的选择，图3 1 中蜀为5 0 0 的可变电阻，垦、b ，r 、墨为0 1 的精密电阻，墨的阻值为1 x q ，其余电阻值 为1 0 k d ，运算放大器选择的单电源供电的l m 3 5 8 ，为低噪声运算放大器。亦可用一 般单电源运放如l m 3 2 4 、u a 7 4 1 等。“。由于在信号处理中可能出现各种噪声和干扰信 号，可以在通过a d 转换器的中间接入l c 低通滤波器，提高采样的效果。 在n r f 2 4 e 1 芯片内部集成了9 通道的a d 转换器，a d 转换器可以被配置成6 、8 、 l o 、1 2 位，控制器主要通过4 个寄存器来设置a d 转换器：a d c c o n ( o x a l ) 设置转换器 常用的功能，比如通道选择、参考电压、低功耗电源模式和转换器开始位； a d c s t a t i c ( 0 x a 4 ) 设置a d c 的时钟频率、位数选择、控制a d 偏置电流等；a d c d a t a ( 0 x a 2 、 0 x a 3 ) 主要用来存储所采得的数值。整个转换器系统可以通过n p d ( a d c c o n 5 ) 来开启 或关断。所采用的时钟频率为c p u 时钟频率的1 3 2 ，且每个时钟周期将产生两位a d 转换的数值“。在本系统中，采用的是1 2 位的转换精度，所得到的转换值与实际的 模拟电压值有如下关系： = v d a d _ c r d a t a ( 9 ) 转换器有两种参考电压，本系统选用的是接外部参考电压k ，而不是内部的以1 2 2 v 耋苎垫塑堡墨型墨竺墨耋堇童窒墨堑塑垫查婴茎 一 为准的参考电压。 在a d 转换中用到的数据结构( c 语言) 表示如下： s t r u c tt e m p _ d a t a u n s i g n e dc h a rt c m p _ d a t a h ； a d 转换数值高位 u n s i g n e dc h a rt e m p _ d a t a l ； a d 转换数值低位 ) ； s t r u c ts a m p l ed a t a ( t e m p _ d a t av a l u e _ t e m p 10 ； ，连续采得的1 0 个数值 t c m p _ d a t at e m p _ a v e r a g e ； ，存放滤波得到的平均值 i n ti ：，数组的下标 程序设计中主要有两个与a d 有关的函数： v o i di n i t a d c ( v o i d ) 产设置采样通道转换位数，开启转换位等吖 t e m p _ d a t ar e a d a d c ( v o i d 、 产轮询转换完成位，取得转换数值， 为了达到系统所要求的功能，采样频率取为5 0 h z ，即每秒钟采得5 0 个a d 转换数值。 3 3 软件滤波 在测试的过程中，可能会遇到很多未知信号的干扰，比如恶劣的工作环境、高频 信号的入侵、a d 转换中的量化噪声等等。所得到的a d 数值个别会异大或异小。这 就需要采用软件或硬件的滤波方法，排除这些噪声的干扰。该系统程序设计时采用了 软件滤波的方法，滤波的方法很多如中位值法、递推平均滤波法、一阶滞后滤波法等 等，但考虑到本系统需检测到煮茧过程中左右茧笼内煮茧汤温度的实时连续变化状 况，递推平均滤波法、一阶滞后滤波法延时较长，故不宣在系统中使用。在脉冲干扰 比较严重的场合，如果采用一般的平均值法，则干扰将会“平均”到结果中去，故平 均值法不易消除由于脉冲干扰引起的误差。为此，可先去掉n 个数据中的最大值和 最小值，然后计算n - 2 个数据的算术平均值。为了加快测量速度，n 不应太大，本系 统n 值取为l d 。对于本系统5 0 h z 的采样频率，每十个值作为一个单元，剔除异大 异小值，取其平均值，该值即为可靠的a d 值。通过软件滤波后，每秒钟能够准确获 l l o 个a d 值li l o 个a d 值f1 1 0 个a d 值ii i o 个a d 笪ll l o 尘a d 自薹_ j 滤波层卜r 卜“1 寸“ tt， 豳豳匦蛰圃匮訇 3 4 传感器的参数标定及数据仿真 由公式( 1 ) 、( 8 ) 和( 9 ) 联合可得到温度和a d 值的表达式 爿d c d a t a ：2 1 2 i ( 1 + 里+ 鸟( 堂竺! ! ) 一鱼i) l焉玛焉+ r o ( 1 + a t )尼j 在上式中，由于存在热电阻与温度的近似线形关系、电子元器件的影响、a d 转 换精度，这些都使得实际温度和所得到的a d 转换值之间存在一种未知的模糊关系。 为了提高检测的准确度和精度，本系统设计时，把中间的环节比如传感器处理电路、 信号放大、a d 转换作为黑箱处理，用软件编程的方法来解决温度与a d 转换值的非线 性问题。标定时，利用了o - 1 0 0 c 的水、高精度温度计，以及在p c 机上实时显示的 a d 值，对温度每隔5 ，多次读取其a d 转换值，利用m a t l a b 的强大运算功能，由已 知数据拟合多项式或者使用最小二乘法拟合，得到温度与a d 值的函数关系式( 1 1 ) 。 y = o 3 0 2 3 3 6 8 6 9 8 e 。x 3 - 0 6 2 4 1 4 9 3 0 6 1 e 4 x 2 + 1 7 4 2 2 2 0 7 6 9 x + 3 7 0 7 0 6 9 4 5 2 ( 1 1 ) 煮茧机温度遥测系统及煮茧专家系统的技术研究 表3 2 温度数值与a d c d a t a t ( )o51 01 52 02 5 3 03 54 04 55 0 3 6 74 5 55 4 36 3 17 1 68 0 28 8 89 7 41 0 6 0 1 1 4 51 2 3 1 一d d 一删 t ( )5 56 06 57 07 58 08 59 09 51 0 0 1 3 1 61 4 0 11 4 8 6 1 5 7 01 6 5 41 7 3 9 1 8 2 4 1 9 0 9 1 9 9 6 2 0 8 2 爿d d 矗拟 1 6 图3 3 数据拟合 v j t 量 南京航空航天大学硕士学位论文 第四章射频收发系统设计 射频收发系统作为温度遥测系统基本子系统之一，它的传输性能直接关系到整个 遥测系统的性能。如何在恶劣的煮茧环境中保证温度数据的高效、可靠传输，是本遥 测系统一个难点，本章将给出该难点的解决方法，重点介绍射频收发器件n r f 2 4 e 1 的配置和软硬件设计。 4 1n r f 2 4 e1 射频收发系统概述 n r f 2 4 e 1 是n o r d i cv l s i 推出的单片射频收发芯片，工作于2 4 2 5 g h zi s m 频 段，芯片内部集成了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输 出功率和通信频道可通过程序进行配置”“。其d u o c e i v e r t m 机技术使n r f 2 4 e 1 可以使 用同一天线，同对接收两个不同频道的数据。n r f 2 4 e 1 芯片是以n r f 2 4 0 1r f 芯片结 构为基础，将8 0 5 1 m c u 、9 输入1 0 位a d c 、1 2 5 通道、u a r t 、s p i 、p w m 、r t c 、w d t 全 部集成到单芯片中，是目前世界首次推出的、全球2 4 g h z 通用的低成本射频系统级 芯片。 由于n r f 2 4 e 1 片内集成了r a d i o 模块，在使用中，只需要一片n r f 2 4 e 1 和少数的 外围元件就能完成射频收发功能，因此，大大减少了系统的体积。 4 1 1r a d i o 口 n r f 2 4 e 1 收发器的收发任务由r a d i o 口控制。r a d i o 口使用标准8 0 5 1 中的p 2 口 地址。由于射频收发器是片内置的，并不是双向工作。为了满足射频收发子系统的需 要，r a d i o 口的默认值与标准8 0 5 1 的p 2 默认值也不一样。收发器由特殊功能寄存器 中的r a d i o ( o a o h ) 和s p i _ c t r l ( o b 3 h ) 控制。s p ic r r l = o o b 时，s p i 没用：s p ic t r l = o i b 时，s p i 连接到p 1 口：s p i _ c t r l = i o b 时，s p i 连到第一个n r f 2 4 0 1 频道：s p i _ c t r l = i i b 时，s p i 连接到第二个n r f 2 4 0 1 频道“”。 1 用s p i 口控制收发器 用芯片内嵌的s p i 口控制收发器的操作非常方便。如r f 配置和s h o c k b u r s tr x ( 接收) 或t x ( 发送) 。 2 复位时r a d i o 口的状态 复位引脚为高电平时( 无论是时钟是否有效) ，控制n r f 2 4 0 1 收发子系统的r a d