多通道接触电阻无线测控仪的研制

论文摘要

随着中国工业的不断发展,测控装备在工业控制中的地位逐渐显现。多通道接触电阻无线测控仪就是在这种前提下,为保障海上石油钻探平台输油设备系统安全而研制开发的。多通道接触电阻无线测控仪是对输油设备重要管线连接处进行实时监测,确保连接点连接牢固、无断裂或松动隐患的测控设备。作为新型测控设备的前端分系统,为后端系统提供可靠的数据信息支持。目前,市场上还没有此类专门用途的实时测控设备。对接触电阻的测试,现在也多集中在微电子、材料和电器领域,而将其应用于其他领域的也不多见。因此,无论在测控对象,还是在接触电阻测试应用领域,本课题多通道接触电阻无线测控仪的研制都做出了新的尝试。本论文通过对系统各部分方案进行论证分析,研究确定系统总体设计方案,选择芯片;完成各功能模块的硬件电路设计,论述设计原理并绘制PCB;研究设计系统程序流程图、编写软件程序并对各模块做台面实验。系统采用无线星型网络结构,选用集成了数据采集各种资源、总线接口丰富的SOC(片上系统)单片机C8051F040作为系统的主控芯片,控制芯片nRF2401完成中心机与终端机的无线传输、计算并输出数据控制数控恒流源的电流输出、采集数据并预处理。利用PDIUSBD12完成USB1.1接口硬件电路,实现系统中心机与主控机之间的实时通信。通过反馈闭环PID控制,使数控恒流源电流输出更加精确,减小电流输出误差。采用软件滤波、硬件滤波、PCB多层制板等技术有效减小各种干扰,以提高系统性能。经台面实验,本论文研制的多通道接触电阻无线测控仪实现了各部分的功能、达到了预期效果、验证了系统设计方案的可行性、并可为今后类似设备的设计开发提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及背景
• 1.2 测控装备研发的意义
• 1.3 智能仪表
• 1.3.1 智能仪表的概念及其发展现状
• 1.3.2 智能仪表的设计
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 多通道接触电阻无线测控仪系统方案论证与原理设计
• 2.1 测控仪系统方案论证
• 2.2 测控仪系统原理设计
• 2.2.1 系统总体设计
• 2.2.2 中心机设计
• 2.2.3 终端机设计
• 2.3 电阻测试技术设计
• 2.3.1 恒流测压法
• 2.3.2 惠斯通电桥法
• 2.3.3 双臂电桥法
• 2.3.4 开尔文测试法
• 2.3.5 电阻隔离测试法
• 2.4 终端机与中心机通信系统技术设计及芯片选择
• 2.4.1 无线通信技术设计
• 2.4.2 无线模块芯片选择
• 2.4.3 无线数传芯片nRF2401
• 2.5 中心机与主控机通信技术设计与芯片选择
• 2.5.1 USB通讯技术
• 2.5.2 USB芯片选择
• 2.5.3 USB接口控制芯片PDIUSBD12
• 2.6 微处理器芯片选择
• 2.6.1 C8051F040特点
• 2.6.2 C8051F040内核
• 2.6.3 C8051F040内部资源
• 2.7 本章小结
• 第3章 系统硬件电路设计
• 3.1 微处理器 C8051F040外围电路
• 3.1.1 电源电路设计
• 3.1.2 复位电路设计
• 3.1.3 JTAG接口设计
• 3.2 采样模块设计
• 3.2.1 抗混叠低通滤波电路设计
• 3.2.2 A/D转换器选择
• 3.3 数控恒流源电路设计
• 3.3.1 恒流源设计
• 3.3.2 D/A转换器选择
• 3.4 无线数传模块电路设计
• 3.4.1 nRF2401引脚配置
• 3.4.2 nRF2401外围电路设计
• 3.5 USB模块电路设计
• 3.5.1 PDIUSBD12管脚配置
• 3.5.2 PDIUSBD12的典型连接
• 3.5.3 PDIUSBD12接口电路设计
• 3.6 PCB制板
• 3.7 本章小结
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 系统主程序流程图
• 4.2 C8051F040初始化
• 4.2.1 看门狗初始化
• 4.2.2 交叉开关配置
• 4.2.3 晶振配置
• 4.2.4 ADCO配置及初始化
• 4.3 数控恒流源控制程序设计
• 4.4 软件滤波程序设计
• 4.5 无线数传模块程序设计
• 4.5.1 nRF2401编成配置接口
• 4.5.2 nRF2401初始化
• 4.5.3 nRF2401软件编程
• 4.5.4 SPI总线数据收发程序设计
• 4.6 USB模块程序设计
• 4.6.1 USB通信协议
• 4.6.2 PDIUSBD12读写命令
• 4.6.3 USB设备控制器（PDIUSBD12）的固件编程
• 4.7 主控机应用程序设计
• 4.8 本章小结
• 第5章 台面实验调试及数据分析
• 5.1 数控恒流源功能电路调试
• 5.2 无线通信功能电路调试
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文和取得的科研成果
• 致谢