养羊控制监测系统方案报告

1、- 1 - 名 称养殖环境温湿度自动化监控 系统方案设计报告单位编写校对审核批准沧州爱艾诺威电子设计有限公司 - 2 -内容提要：本文主要对养殖环境温湿度自动化监控系统的设计方案进行了详细阐述，重点描述了养殖环境温湿度自动化监控系统的技术要求、实现方案，并规定了任务的完成内容及形式。主题词养殖环境温湿度自动化监控系统、方案设计更改单号更改日期更改人更改办法更改栏 - 3 -目 录1任务的来源与目的.42产品的用途、功能与组成.42.1产品用途.42.2产品组成.42.3产品功能.53主要技术指标要求.53.1目标信号.53.2第二本振信号 F276.53.3第三本振信号 F23.53.4中频闭

2、塞/距离波门控制信号 TI.53.5AGC 控制信号.63.6输出信号特性测试.63.7供电.73.8接口要求.74方案设计.84.1工作原理.84.2主机箱.94.3工控机.124.4测试软件.134.5可校准性设计.245质量保证及可靠性设计.245.1质量管理.245.2外协、采购产品质量保证.245.3可靠性设计.246产品验收与交付.25- 4 -1 任务的来源与目的根据客户需求，研制拟定养殖环境温湿度自动化监控系统。养殖环境温湿度自动化监控系统目标是实时监测的羊场内部环境，使羊场能够保持通风、温湿度适宜、空气质量状况良好。2 产品的用途、功能与组成2.1 产品用途养殖环境温湿度自动

3、化监控系统目标是实时监测的羊场内部环境，使羊场能够保持通风、温湿度适宜、空气质量状况良好。2.2 产品组成养殖环境温湿度自动化监控系统由 IN0083 控制器、水温水深传感器、mcgsTPC7062 液晶触控屏、JVS-H411JVS-H411 监控摄像头、PC 主机、交换机等。表 1 控制系统的主要组成部分序号名称数量说明123456789101112131415161718- 5 -2.3 产品功能监控系统完成如下功能：a. 实时监测多室环境；b. 实时监测多室水温水量等参数；c. 控制炉内蓄水量；d. 控制水泵运行；e. 实时监测水温；3 方案设计3.1 工作原理监控系统工作原理如图 1

4、 所示：信号源频谱仪本振信号源SP3T开关本振电源开关+15V+5V组合电源+15V-15V+5V-5VX3I/O接口TISP5T-2SP5T-1SP2T中频接收机S1DY2SD3S2SD2DZ1SD1DY1DZ2SD4SDZDYX3AGC衰减控制TI本振2本振3主机箱工控机GPIBI/OAC220VAC220V图 1 监控系统工作原理养殖环境温湿度自动化监控系统由工控机（包括 GPIB 卡和 I/O 卡）和主机箱组成，在图中以黄色标示。配合标准信号源和频谱仪完成对中频接收机组合的电性能测试。监控系统为接收机提供目标信号（由外接标准信号源产生）、本振信号，提供供电电源，包括：+15V、-15V

5、、+5V、-5V 并监测电压、电流情况。- 6 -工控机通过内置的 GPIB 通讯卡（IEEE488 接口）控制信号源频率及功率的设置，控制和采集频谱仪参数。通过工控机内置的 I/O 卡产生的 TTL 电平信号控制专用监控系统内部的输入、输出信号选择开关，以及被测中频接收机组合的 AGC 数控衰减器。通过电脑软件控制各种测试的开始与结束，完成相应的各种测试，并生成报表。3.2 主机箱主机箱采用标准 4U 机箱，深 500mm，外部尺寸约为：485(W)x196(H)x560(D)，前面板带把手。3.2.1 前后面板主机箱的前后面板如图 2 所示：图 2 监控系统主机箱前后面板示意图前面板上方是

6、 1 个电压表和 4 个电流表，用于对 4 路组合供电电源提供电压、电流监测，4 路电源的电压监测共用 1 个电压表，采用 1 个四选一波段开关进行选择。电压表、电流表采用陕西协力光电仪器有限公司生产的 XL5135 系列（三位半）数字面板表，数字表采用直流 5V 供电，内部加装隔离模块，其测量参数及精度如表 5 所示：- 7 -表 5 前面板电压表、电流表参数序号测量内容型号量程分辨率准确度1电源电压XL5135V-319.99V10mV0.3%+1 字2+15V 电流XL5135A-51.999A1mA0.5%+1 字3-15V 电流XL5135A-51.999A1mA0.5%+1 字4+

7、5V 电流XL5135A-51.999A1mA0.5%+1 字5-5V 电流XL5135A-51.999A1mA0.5%+1 字“AC220V” 、 “组合电源” 、 “本振电源”开关采用 eao 公司的 31 系列开关，配开关保护盖。 “TI”控制开关采用 eao 互锁开关。 “X3”接口采用 3419 厂的 J30J-21TJP 插座。其它中频输入输出接口采用 BNC 转 SMA 方盘插座。后面板安装有 220V 电源插座、接地柱、交流风扇、接 I/O 卡接口以及电压表、电流表的校准端子，其中“接 I/O 卡”接口采用中航光电的 Y11X-1626ZJ10-5 插座，通过专用测试电缆与工控

8、机的 I/O 控制卡连接。3.2.2 内部结构主机箱的内部结构布局如图 3 所示：- 8 -单刀十掷(+12/2A,-12V/2A), +5V/5A159*98*38+15V/1.5A,-15V/0.5A, +5V/1A, -5V/0.5A+15V/0.5A,+5V/0.5A本振源TI脉冲SP3T接线端子排接线端子排图 3 主机箱内部结构布局示意图监控系统主机箱内部由多个电源、本振源、TI 信号生成电路板和用于中频输入输出信号选择的中频同轴开关组成。其中本振源由二十五所提供。同轴开关采用大华佳威的单刀十掷、单刀三掷机械式同轴开关，采用 12V 驱动，TTL 控制，隔离度优于60dB。3.2.3

9、 电源监控系统除了要为中频接收机提供电源外，还要给监控系统内部的本振信号源、脉冲电路板，以及电压表、电流表、同轴开关和开关指示灯等提供电源。被测组合供电采用朝阳线性电源，共 4 路输出：- 9 -第 1 路：+15V，1.5A；第 2 路：-15V，0.5A；第 3 路：+5V，1A；第 4 路：-5V，0.5A。在电源输入端加统一的“组合电源”开关控制。因本振信号源对电源纹波要求较高，故采用 1 个单独的朝阳线性电源为本振源供电，共 2 路输出：第 1 路：+15V，0.5A；第 2 路：+5V，0.5A。在电源输入端加“本振电源”开关控制。其它部分的电源采用开关电源，分别为脉冲电路板、同轴

10、开关、电压表、电流表和开关指示灯供电，共？路输出：第 1 路：+12V，2A，为同轴开关和电路板供电；第 2 路：-12V，2A，为电路板供电；第 3 路：+5V，5A，为电路板、数字电压表、电流表和开关指示灯供电。3.2.4 TI 信号TI 信号为中频闭塞/距离波门控制信号。采用两种输出方式：一种为脉冲信号，另一种为高低电平。通过前面板控制开关来选择一种方式输出。TI 信号生成电路板使用公司成熟的技术和电路，可靠性高，有效降低了硬件设计的周期，减少电路开发设计风险。TI 信号生成电路板以 xilinx 公司的 Spartan-6 系列的FPGA：XC6SLX25CSG324 为核心器件。3.

11、3 工控机工控机的型号为阿科美 EMP370，17 吋 LCD 显示屏，分辨率为 1280*1024。内部采用研华工控主板，硬件配置如下：CPU：i7 3.0GHz；内存：4GB；硬盘：1TB；显卡：显存 1GB 独立显卡。工控机内装 GPIB 通讯卡和通用 I/O 控制卡。其中 GPIB 通讯卡选用凌华公司的LPCI-3488A，该板卡为 PCI 接口的高性能 IEEE-488 GPIB 卡。I/O 控制卡选用研华公- 10 -司的 PCI-1753，该板卡是一款 PCI 总线的 96 路数字量 I/O 卡。PCI-1753 仿真 8255 PPI模式 0，但是缓存电路提供了比 8255 更

12、高的驱动能力，96 路 I/O 线分成了 12 个 8 位I/O 端口，用户可以使用软件配置每个端口作为输入或输出端口。3.4 测试软件3.4.1 软件主要功能测试软件通过友好界面，实现以下功能：a.通用测试仪器的初始化、测试状态设置与控制。主要通用仪器有：频谱仪（Agilent E4402B 或 E4408B） 、信号源（MARCONI 2031 或 2041） ；b.完成中频接收机参数的测试，具体如下：1)采集每一路输入到输出（S1，S2，DY1，DY2, DZ1，DZ2，SD1，SD2，SD3，SD4）的增益、滤波器特性。通过采集频谱仪的读数计算得出，并能控制频谱仪。2)采集 S1、DY

13、1、DZ1 输出的通道隔离度、开关闭塞量、AGC 值。通过采集频谱仪的读数计算得出。c.完成中频接收机测试软件设置以下操作记录功能；1)测试人员登记。2)被测试设备型号登记。3)测试时间的设定、累计工作时间记录。4)测试记录、数据查询。d.根据中频接收机技术指标的要求，形成如下测试记录表格。1)增益和动态范围测试；2)通道隔离测试；3)开关特性测试；4)AGC 特性测试；5)中频 1.7KHz 晶体滤波器特性测试；6)中频 5MHz 带通滤波器特性测试；7)中频 3.5KHz 晶体滤波器特性测试。3.4.2 系统概述养殖环境温湿度自动化监控系统测试软件是在 Windows XP 系统下 Lab

14、Window 8.5编写的。该系统软件的主界面（如图 4）作为人机交互界面能够控制操作界面可实时显- 11 -示被测设备状态，并能在后台生成对应的测试表格。图 4 养殖环境温湿度自动化监控系统测试软件主界面3.4.3 系统结构养殖环境温湿度自动化监控系统测试软件主要由系统主菜单、产品编号输入区、系统时间显示区、信号源参数显示区、衰减手动设置区、通道状态手动设置区、生成对应测试表格按钮区组成，通过 GPIB 接口保证测试软件与频谱仪和信号源交互通信，信号源设置为通道 1，频谱仪设置为通道 2。示意图如图 5 所示。- 12 -系统主菜单产品编号输入区公司LOGO系统时间生成测试表格衰减测试区通道

15、状态手动设置区信号源参数显示区图 5 上位机软件功能划分示意图测试软件在 Windows XP 系统下以“.exe”形式运行。整个应用程序只有一个线程，主线程用于控制程序流程、接收鼠标键盘操作。3.4.4 接口说明上位机软件通过 GPIB 卡与标准仪器通信，GPIB 只有一种标准模式供使用，使用GPIB 自定协议控制以实现业务功能。标准仪器包括微波信号源、频谱仪，其中信号源给受试设备提供输入信号，频谱仪用来获取测试所需的数据，标准仪器都采用远程控制模式，接收上位机软件通过 GPIB 卡发送过来的业务指令。 上位机和下位机采用 422 全双工应答通信方式，上位机发送命令，下位机应答并返回数据，串

16、口波特率设定为 9600，通过自定协议实现设置和查询功能，详细协议见养殖环境温湿度自动化监控系统通信协议，信号源数据的发送间隔为 500ms，每次读取功率值、频率值、RF 开关状态等，对测量值进行简单修正（数据码当量），显示更新延迟时间不大于 500ms，显示刷新间隔不大于 400ms。软件界面显示功率精度：0.0001V软件界面显示频率精度：0.01V软件界面显示计时精度为：1s- 13 -上位机软件提供了便于用户使用的操作界面，用户在界面上可以修改标准仪器的参数和状态，动态生成测试报告，可以用按用户模板格式来生成测试报告。3.4.5 系统的运行流程测试软件能够控制操作界面接受用户输入，实现

17、后台自动生成对应格式的测试表格等，软件界面的交互性好，其软件流程图如图 6 所示。开始用户输入初始化参数和产品编号读入主菜单命令选项选择关于选择退出选择初始化仪器系统退出显示测试软件版本信息标准仪器初始化成功提示错误信息否用户选择生成测试表格是根据输入端口调整信号源的输入参数根据用户选择的测试表格类型判断输入端口控制频谱仪采集与输入端口对应的输出端口的频率、功率值计算得出测试项的值生成表格并保存图 6 养殖环境温湿度自动化监控系统测试软件流程图- 14 -3.4.6 系统主菜单3.4.6.1 模块概述主菜单中包括系统、关于 2 个一级菜单，系统菜单中包括初始化仪器、退出 2 个二级菜单。选择初

18、始化仪器根据用户输入的初始化参数初始化信号源和频谱仪。3.4.6.2 设计说明菜单模块为用户选择后触发操作的方式，用户操作或处理相关动作，系统应用程序响应时间不大于 5 秒。3.4.6.3 运行流程由用户输入设备编号、信号源的初始值，点击初始化仪器菜单后主线程读取用户设置的参数值保存到后台数据结构中，并用这些值初始化标准仪器。仪器初始化失败提示用户失败原因后退出测试系统。点击退出按钮后退出测试系统。3.4.7 信号源参数显示模块3.4.7.1 模块概述信号源参数显示模块用于显示信号源的实时参数，衰减手动设置区用于设置特定的衰减值并根据实际情况输入线损和本振的校正参数，通道状态手动设置区可以手动

19、设置特定通路的 IO 开关状态，示意图如图 7 所示。图 7 信号源参数显示模块3.4.7.2 设计说明此模块用于在微波信号源打开的条件下读取微波信号源参数并显示，可以手动调节 AGC 衰减器衰减量，可以手动输入线损和本振的校正值用于计算信号源的正确参数，可以单独控制每一路输出端口的 IO 开关状态。- 15 -3.4.7.3 运行流程接收用户输入的初始值并保存到后台数据结构中，也可以由用户选择状态进行手动测试。用户按下步进衰减按钮后，根据用户输入的 AGC 衰减步进值控制衰减器进行衰减，用于手动测试衰减器性能。测试过程中根据用户输入的线损校正和本振校正值对信号源的功率和频率值作校正处理，S1

20、(2)、DY1(2)、DZ1(2)、SD1(2、3、4)10 个按钮用于设置对应端口状态，按下表示当前正在使用这个端口，弹起表示当前这个端口没有被使用，按下复位按钮后测试系统用到的所有 IO 端口全部关闭，外设仪器回复到初始参数状态。3.4.8 生成测试表格模块3.4.8.1 模块概述点击生成表格按钮主程序在后台自动生成对应格式的表格，执行完毕后提示用户运行结果，数据来源是测试过程中通过频谱仪采集到的数据，可以根据用户手动输入的增益值执行增益和动态范围测试，示意图如图 8 所示：图 8 生成测试表格模块按下任意一个测试按钮后，首先弹出测试结果界面，示意图如图 9 所示：- 16 -图 9 测试

21、结果示意图测试结果自动保存为后台测试表格文件，并在表格控件中显示表格内容并提示用户测试结果，点击关闭按钮后退出测试结果界面。3.4.8.2 增益和动态范围测试增益和动态范围测试表格格式如图 10 所示：图 10 增益和动态范围测试表格- 17 -测试项获得方法：a.S1：用频谱仪测量 S1 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 S1 端口的功率值；b.DY1：用频谱仪测量 DY1 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 DY1 端口的功率值；c.DZ1：用频谱仪测量 DZ1 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm

22、、-85dBm、-105dBm 时 DZ1 端口的功率值；d.S2：用频谱仪测量 S2 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 S2 端口的功率值；e.DY2：用频谱仪测量 DY2 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 DY2 端口的功率值；f.DZ2：用频谱仪测量 DZ2 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 DZ2 端口的功率值；g.SD1：用频谱仪测量 SD1 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 SD1 端口的功率值；h.SD2：

23、用频谱仪测量 SD2 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 SD2 端口的功率值；i.SD3：用频谱仪测量 SD3 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 SD3 端口的功率值；j.SD4：用频谱仪测量 SD4 输出端口，分别采集输入源功率为-60dBm、-85dBm、-105dBm 时 SD4 端口的功率值。3.4.8.3 通道隔离测试通道隔离测试表格格式如图 11 所示：图 11 通道隔离测试表格测试项获得方法：- 18 -a.S：切换输入为 S 端口，使用频谱仪采集 DY1、DZ1、DY2、DZ2 端口的功率值

24、；b.DY：切换输入为 DY 端口，使用频谱仪采集 S1、DZ1、S2、DZ2 端口的功率值；c.DZ：切换输入为 DZ 端口，使用频谱仪采集 S1、DY1、S2、DY2 端口的功率值。3.4.8.4 AGC 特性测试AGC 特性测试表格格式如图 12 所示：图 12 AGC 特性测试表格测试项获得方法：a.S1：切换输入为 S 端口，控制输入源功率依次为表格所示的输入功率值，通过I/O 卡控制被测设备内部数控衰减器接收对应的衰减量，使用频谱仪采集 S1 端口的功率值；b.DY1：切换输入为 DY 端口，控制输入源功率依次为表格所示的输入功率值，通过 I/O 卡控制被测设备内部数控衰减器接收对

25、应的衰减量，使用频谱仪采集DY1 端口的功率值；c.DZ1：切换输入为 DZ 端口，控制输入源功率依次为表格所示的输入功率值，通过 I/O 卡控制被测设备内部数控衰减器接收对应的衰减量，使用频谱仪采集DZ1 端口的功率值。3.4.8.5 中频 1.7KHz 晶体滤波器特性测试中频 1.7KHz 晶体滤波器特性测试表格格式如图 13 所示：- 19 -图 13 中频 1.7KHz 晶体滤波器特性测试表格测试项获得方法：a.f1：使用频谱仪采集输出端口 S1、DY1、DZ1 在中心频率 5.0475MHz 处的功率值，再采集中心频率功率值-3dBm 处的频率值；b.f2 ：使用频谱仪采集输出端口

26、S1、DY1、DZ1 在中心频率 5.0475MHz 处的功率值，再采集中心频率功率值+3dBm 处的频率值；c.(f1+f2)/2：填入(f1+f2)/2 的值；d.f2-f1 ：填入 f2-f1 的值；e.带内波动：使用频谱仪采集 f1 和 f2 之间逆向波形的最高点和最低点处的功率值，两个值的差值就是带内波动值；f.B-1：使用频谱仪采集中心频率 5.0475-精度值处的功率值，精度值待确认；g.B+1：使用频谱仪采集中心频率 5.0475+精度值处的功率值，精度值待确认。3.4.8.6 中频 5MHz 带通滤波器特性测试中频 5MHz 带通滤波器特性测试表格格式如图 14 所示：图 1

27、4 中频 5MHz 带通滤波器特性测试表格测试项获得方法：a.f1：使用频谱仪采集输出端口 S2、DY2、DZ2 在中心频率 28.0125MHz 处的功率值，再采集中心频率功率值-3dBm 处的频率值；b.f2：使用频谱仪采集输出端口 S2、DY2、DZ2 在中心频率 28.0125MHz 处的功率值，再采集中心频率功率值+3dBm 处的频率值；c.(f1+f2)/2：填入(f1+f2)/2 的值；d.f2-f1：填入 f2-f1 的值；e.带内波动：使用频谱仪采集 f1 和 f2 之间逆向波形的最高点和最低点处的功率值，两个值的差值就是带内波动值；- 20 -f.B-1：使用频谱仪采集中心

28、频率 28.0125-精度值处的功率值，精度值待确认；g.B+1：使用频谱仪采集中心频率 28.0125+精度值处的功率值，精度值待确认。3.4.8.7 中频 3.5KHz 晶体滤波器特性测试中频 3.5KHz 晶体滤波器特性测试表格格式如图 15 所示：图 15 中频 3.5KHz 晶体滤波器特性测试表格测试项获得方法为：a.f1：使用频谱仪采集输出端口 SD1、SD2、SD3、SD4 在中心频率5.04375MHz、5.04625MHz、5.04875MHz、5.05125MHz 处的功率值，再采集中心频率功率值-3dBm 处的频率值；b.f2：使用频谱仪采集输出端口 S2、DY2、DZ2

29、 在中心频率 28.0125MHz 处的功率值，再采集中心频率功率值+3dBm 处的频率值；c.(f1+f2)/2：填入(f1+f2)/2 的值；d.f2-f1 ：填入 f2-f1 的值；e.带内波动：使用频谱仪采集 f1 和 f2 之间逆向波形的最高点和最低点处的功率值，两个值的差值就是带内波动值；f.B-1：使用频谱仪采集输出端口对应的中心频率值-精度值处的功率值；g.B+1：使用频谱仪采集输出端口对应的中心频率值+精度值处的功率值。3.4.8.8 开关特性测试开关特性测试表格格式如图 13 所示：图 15 开关特性测试表格- 21 -测试项获得方法为：a.TI 打开闭塞量：TI 开关打开

30、时，使用频谱仪采集输出端口 S1、DY1、DZ1 的功率值；b.TI 关闭闭塞量：TI 开关关闭时，使用频谱仪采集输出端口 S1、DY1、DZ1 的功率值。3.4.8.9 设计说明此模块用于自动生成测试表格，数据精度为 0.01，根据用户点击的按钮类型生成不同测试内容的表格，数据来源是从通过 GPIB 卡读取的标准仪器参数和通过自定协议从下位机获取的数据，生成时间取决于测试流程的不同以及标准仪器的响应速度。生成、显示、存储表格使用了第三方控件 FlexCell，生成.cel 后缀的表格文件，也以用excel 打开查看文件内容。3.4.8.10运行流程测试软件主界面实时显示 TI 开关状态，TI 开关状态通过采集 I/O 卡管脚读数获得，TI 开关打开时 TI 状态指示灯点亮，TI 开关关闭时指示灯熄灭。点击界面上的生成测试表格按钮后，测试软件按照