嵌入式智能主动测量仪的研究与开发

论文摘要

主动测量仪广泛应用于磨削加工中,国内的主动测量仪存在智能程度低,测量对象单一,测量精度不高等缺点,随着机械加工水平的提高,已经远远不能满足实际需求。本文在对主动测量仪的理论与应用作了较深入研究后,针对现有问题,给出一种基于嵌入式系统的智能主动测量仪开发方案,并对其智能化功能、硬件和智能软件进行了全面设计。硬件设计从总体硬件框架和硬件需求分析出发,改进了电感式位移传感器的调理电路,提出了一种新型的低成本、高稳定性正弦波产生电路。采用ARM7处理器LPC2214进行控制并实现智能化信息处理,并以其为控制核心,完成了其外围电路的设计,包括数据采集电路,人机交互电路,RS-232通讯接口和掉电保持电路等。在硬件设计过程中,为产品升级留下了余地。以LPC2214微处理器、ADS1.2开发工具和μC/OS-Ⅱ实时操作系统建立嵌入式系统开发平台,设计了较为完善的智能化软件。首先进行详细的任务分析和任务设计,如优先级分配,关联分析等。给出各个任务的程序流程图,并为软件升级和功能扩展预留了任务优先级。在实现主动测量仪基本功能基础上,重点给出了圆度误差测量的实现方法。一些智能算法得到了实现,如断续表面测量、量程自动转换、自动零位调整、故障自诊断和非线性补偿等,使主动测量仪具有了较高的智能化程度。对代码进行优化,减少了程序开销。进行较全面的抗干扰设计,提出了具有“双向应答”机制的程序监控方式,它既监控主程序的运行,同时又判断定时中断是否正常。采用了具有较好平滑能力和快速响应速度的数字滤波方法,并给出了实现方法。本课题的智能主动测量仪基于嵌入式平台进行软硬件设计,有利于产品的升级和维护,并且具有精度高、测量对象多样性、良好人机交互和较高智能性等特点,在实际测试中获得了满意的效果,有着良好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的来源及研究意义
• 1.2 主动测量仪的发展和国内外研究现状
• 1.3 课题的研究重点
• 1.4 本文主要内容
• 第二章 嵌入式智能主动测量仪简介
• 2.1 主动测量仪器测量原理
• 2.2 智能主动测量仪的特点
• 2.3 嵌入式智能主动测量仪结构
• 2.3.1 传感器
• 2.3.2 调理电路
• 2.3.3 数据采集和处理电路
• 2.3.4 人机交互及机床信号接口
• 2.4 嵌入式系统开发平台的建立
• 2.4.1 微控制器选择
• 2.4.2 开发工具选择
• 2.4.3 RTOS 选择
• 第三章 硬件设计
• 3.1 硬件设计原则和硬件需求分析
• 3.1.1 硬件设计原则
• 3.1.2 硬件需求分析
• 3.2 调理电路
• 3.2.1 正弦波发生电路
• 3.2.2 变压器电桥电路设计
• 3.2.3 相敏检波电路设计
• 3.2.4 自感传感器灵敏度分析
• 3.3 微控制器
• 3.3.1 结构及性能
• 3.3.2 在本课题中的应用
• 3.4 A/D 转换器
• 3.4.1 A/D 转换器件的选择
• 3.4.2 AD7656 结构及性能
• 3.4.3 AD7656 工作原理
• 3.4.4 AD7656 在本课题中的应用
• 3.5 人机交互
• 3.5.1 键盘输入和数码管显示
• 3.5.2 光柱显示
• 3.6 通讯接口设计
• 3.7 掉电保持电路设计
• 第四章 智能化软件设计
• 4.1 μC/OS-Ⅱ的移植
• 4.1.1 在LPC2214 上移植μC/OS-Ⅱ
• 4.1.2 分散加载和启动代码
• 4.2 任务划分
• 4.2.1 任务划分的目标
• 4.2.2 任务划分的一般方法
• 4.2.3 智能主动测量仪任务划分
• 4.3 任务设计
• 4.3.1 任务函数结构
• 4.3.2 任务优先级安排
• 4.3.3 任务关联分析
• 4.3.4 任务的程序设计
• 4.4 具体功能程序实现
• 4.4.1 内圆磨削程序实现
• 4.4.2 断续表面测量程序实现
• 4.4.3 圆度测量
• 4.4.4 非线性补偿
• 4.5 代码优化
• 4.5.1 C 程序优化
• 4.5.2 运算优化
• 第五章 系统抗干扰措施及故障自诊断
• 5.1 干扰的来源
• 5.2 硬件抗干扰措施
• 5.3 软件抗干扰措施
• 5.3.1 程序监视定时器
• 5.3.2 数字滤波
• 5.4 系统故障自诊断
• 第六章 测试结果及讨论
• 6.1 功能测试
• 6.2 性能测试
• 第七章 总结与展望
• 7.1 主要工作总结
• 7.2 未来工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录：攻读硕士学位期间发表的论文