计算机测控技术研究小论文

2017-03-06

计算机测控技术研究小论文篇一

探析微型计算机测控系统抗干扰技术综合策略

【摘要】微型计算机测控系统在运行过程中会受到较多方面的影响，使得系统无法正常运行，针对这种情况就要对这些干扰因素进行抗干扰措施。本文将详述干扰对测控系统的影响、常见的干扰现象以及抗干扰的综合策略。

【关键词】微型计算机测控系统抗干扰技术

微型计算机测控系统在运行过程中会受到外界环境的较大干扰，微型计算机测控系统的干扰指的是除了有用信号之外的杂散信号，这些杂散的信号会使得测控系统的数据传输或者控制系统受到很大的影响，严重的时候还会导致微型计算机测控系统无法运行。微型计算机测控系统的运行环境非常复杂，因为运行环境中有非常强烈的电磁干扰现象。电磁干扰现象会使得微型计算机测控系统受到较严重的影响，并且可能对测控系统的数据造成破坏，那么所得到的测控数据则存在着较大的差异。微型计算机测控系统能在运行中发挥智能作用，而且在测控系统受到干扰的同时发挥智能作用，使得微型计算机测控系统的抗干扰能力更强，有效的增强微型计算机系统的稳定性以及可靠性。

一、干扰对计算机测控系统的影响

干扰有多种形式而且还有多种传导模式，干扰可以通过耦合通道来传入计算机测控系统，使得计算机测控系统的稳定性显著降低，干扰对计算机测控系统的影响如下。

(一)数据采集误差变大

干扰会入侵到测控系统信号的输入通道，使得有用信号中包含干扰信号，那么在数据采集的过程中就会产生较大的误差[1]，如果有用信号的强度较小时，那么干扰信号对于计算机测控系统的数据采集干扰就更加严重。

(二)控制状态失灵

微型计算机测控系统所传出的控制信号非常强，在传播过程中较难被外界干扰，但是输出的控制信号会与状态信号结合，一旦状态信号受到干扰就会使得影响控制信号，从而导致微型计算机测控系统的控制失常。

(三)数据受干扰而发生变化

微型计算机测控系统中RAM储存器是可以读写的，如果受到干扰的情况下RAM的数据会被篡改，但是微型计算机测控系统中的程序数据不容易被损坏，而RAM中的数据受干扰的影响较大，系统受到的损坏部分是由RAM中的数据受损数据而决定的。

(四)程序运行失常

CPU是维持程序正常运行的关键，如果CPU中的程序受到干扰的就会使得微型计算机测控系统的运行受到非常大的影响[2]，使得系统所有程序的执行都变得没有作用，最终导致系统陷入死循环，系统瘫痪。

二、常见的微型计算机测控系统干扰现象

微型计算机测控系统在运行过程中会产生较多的干扰，而且还有无线电波、雷电以及强电流都会对微型计算机测控系统造成影响，而干扰主要是通过以下方式来实现的。

(一)直接耦合方式

直接耦合方式对微型计算机测控系统的干扰较多，但是直接耦合方式对于微型计算机测控系统的干扰程度较小。而干扰噪声是直接通过耦合方式进入到系统内部，使得系统内部受到较严重的损坏。

(二)公共抗阻耦合方式

公共耦合方式是一种非常常见的耦合方式，公共耦合方式发生的环境是要两个电路有共同通路，即两个电路的电源流进同一个公共抗阻，这样就会使得抗阻上的电压变换到另一个电路之上[3]，那么对于微型计算机测控系统的稳定性有非常大的影响，使得微型计算机测控系统在运行过程中不可靠。

(三)静电耦合方式

静电耦合也被称为电场耦合或者电容耦合，是由于分布电容的存在而产生的一种耦合方式，因为分布电容的附近会产生噪声电压，从而影响微型计算机测控系统的稳定性。

(四)磁场耦合方式

微型计算机测控系统的运行环境大多为大功率设备或者强电流设备，而这些设备运行的同时会产生较大的磁场，这些磁场互相叠加就会使得系统的信号受到较大的影响，因为强电场叠加会产生较大的噪声电压。

三、微型计算机测控系统抗干扰技术的综合策略

微型计算机测控系统抗干扰技术的综合策略分为硬件抗干扰技术以及软件抗干扰技术，下面将详述这两者技术的抗干扰措施。

(一)微型计算机测控技术的硬件抗干扰技术

微型计算机测控技术的硬件抗干扰措施主要包括电源系统抗干扰技术、I/O通道的抗干扰措施、接地系统抗干扰措施以及其它抗干扰措施。微型计算机测控系统中最大的干扰源是交流电源，而且随着工业的迅猛发展，交流电源干扰日趋严重。由于大功率用电设备的影响会产生较大的电压波动，高峰电压可以达到几千伏，这样的话对于微型计算机测控系统的危害是非常大的。

(二)微型计算机测控技术的软件抗干扰技术

微型计算机测控技术的软件抗干扰技术包括数字滤波、软件冗余以及利用监控定时器是CPU复位，数字滤波是软件抗干扰技术中最实用的措施，数字滤波可以对微型计算机内的数字信号利用软件进行逻辑运算和处理，使得微型计算机测控系统的运行更加稳定[4]。利用监控定时器是CPU复位即俗称的看门狗，其作用是在CPU受到极大干扰的情况下使得CPU内部运行的程序回到原来的运行轨道上，这样就可以使得微型计算机测控系统的稳定性极大的提高，对于无人遥测的微型计算机测控技术而言更加可靠。

微型计算机测控系统及其容易受到外界环境的干扰，如果测控技术没有较好的抗干扰能力就不能保证测控系统的稳定运行。

参考文献：

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[2]吴秋宁邵建龙吕英英;提高单片机测控系统的抗干扰能力的研究[J];电子测量技术;2010年

[3]李桂岩魏宾谷秀明;单片机测控系统的抗干扰措施[J];可编程控制器与工厂自动化;2011年

[4]吴兴纯赵金燕杨秀莲;单片机运用系统的软件抗干扰技术研究与分析[J];电子设计工程;2011年

计算机测控技术研究小论文篇二

计算机在测控网领域的应用探析

一、引言

随着微电子技术、计算机技术、软件技术、网络技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经突破传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用已经发生了质的变化。在这种背景下，美国国家仪器公司(National Instruments Corporation，简称NI)在20世纪80年代最早提出虚拟仪器 (Virtual Instrument，简称VI)的概念。虚拟仪器这种计算机操纵的模块化仪器系统在世界范围内得到了广泛的认同和应用，国内近几年的应用需求急剧高涨。因此，虚拟仪器的产生是测控领域的一次革命。

二、虚拟仪器的基本概念、特点及其构成

所谓虚拟仪器，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义、具有虚拟前面板、测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。其基本思想就是在测试系统或仪器设计中尽可能地用软件代替硬件，即“软件就是仪器”。简而言之VI系统是由计算机、应用软件和仪器硬件组成的。用户可以通过友好的图形界面(这里称作虚拟前面板)操作计算机，如同操作功能相同的单台传统仪器一样。虚拟仪器具有以下特点：1)在通用硬件平台确定后，由软件取代传统仪器中的硬件来完成仪器的功能。2)仪器的功能是用户根据需要由软件来定义的，而不是事先由厂家定义好的。3)仪器性能的改进和功能扩展只需进行相关软件的设计更新，而不需购买新的仪器。4)研制周期较传统仪器大为缩短。5)虚拟仪器开放、灵活，可与计算机同步发展，可与网络及其他周边设备互联。与传统非数字化仪器相比，虚拟仪器技术的优势在于用户自定义仪器功能、结构等，且构建容易，转换灵活以及其开放性。虚拟仪器的基本构成包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。其中，硬件接口模块可以包括插入式数据采集卡(DAQ)、串/并口、IEEE488接口(GPIB)卡、VXI控制器以及其他接口卡。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。在这里，硬件仅仅是为了解决信号的输入输出，软件才是整个系统的关键。

(1)虚拟仪器的硬件构成。1)基于数据采集的虚拟仪器系统。这种方式借助于插入计算机内的数据采集卡与专用的软件如LabVIEW(或LabWindows/CVI)相结合，通过A/D变换将模拟、数字信号采集到计算机进行分析、处理、显示等，并可通过D/A转换实现反馈控制。根据需要还可加入信号调理和实时DSP等硬件模块。2)基于通用接口总线GPIB接口的仪器系统。GPIB(General Purpose Interface Bus)仪器系统的构成是迈向虚拟仪器的第一步，即利用GPIB接口卡将若干GPIB仪器连接起来，用计算机增强传统仪器的功能，组织大型柔性自动测试系统，技术易于升级，维护方便，仪器功能和面板自定义，开发和使用容易。它可高效灵活地完成各种不同规模的测试测量任务。利用GPIB技术，可由计算机实现对仪器的操作和控制，替代传统的人工操作方式，排除人为因素造成的测试测量误差。同时，由于可预先编制好测试程序，实现自动测试，提高了测试效率。3)基于串行口或其他工业标准总线的系统。将某些串行口仪器和工业控制模块连接起来，组成实时监控系统。将带有RS-232总线接口的仪器作为I/O接口设备通过RS-232串口总线与PC计算机组成虚拟仪器系统，目前仍然是虚拟仪器的构成方式之一。当今，PC计算机已更多地采用了USB总线和IEEE1394总线。

(2)虚拟仪器的软件体系构成。构成一个虚拟仪器系统，基本硬件确定以后，就可通过不同的软件实现不同的功能。软件是虚拟仪器系统的关键。没有一个优秀的控制分析软件，很难构成一台理想的虚拟仪器系统。根据VPP(VXIPlug&Play)系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构应包含3部分。1)I/O接口软件。I/O接口软件存在于仪器(即I/O接口设备)与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器寄存器单元进行直接存取数据操作，并为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件，是实现开放的、统一的虚拟仪器系统的基础与核心。在VPP系统规范中，详细规范了虚拟仪器的I/O接口软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符合VPP规范的虚拟仪器I/O接口软件定义为VISA软件。2)仪器驱动程序。每个仪器模块均有自己的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的较抽象的操作函数集。对于应用程序来说，它对仪器的操作是通过仪器驱动程序来实现的;仪器驱动程序对于仪器的操作与管理，又是通过I/O软件所提供的统一基础与格式的函数库(VISA)的调用来实现的。对于应用程序设计人员来说，一旦有了仪器驱动程序，在不是十分了解仪器内部操作过程的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计工作。虚拟仪器驱动程序是连接上层应用程序与底层I/O接口软件的纽带和桥梁。

三、虚拟仪器的整体设计

在科学研究与工程实验室里，有各种各样的仪器与设备。如何提高它们的综合使用效率?如何对它们进行更有效的管理?是仪器用户值得考虑的问题。目前，最有效的方法是采用“虚拟仪器”技术。即充分利用计算机强大的管理与处理能力，以此为基础，将实验室相关设备搭配起来，构成一种全新的实验环境。实验室中的仪器与设备一般都是具有特定功能的单台设备。如果它们具有某种总线接口，就有可能进行虚拟仪器的构造。步骤如下：

1)确定所用仪器或设备的接口形式。如果仪器设备具有RS-232串行总线接口，则不用进行处理，直接用连线将仪器设备与计算机的RS-232串行接口连接即可;如果是GPIB或HP-IB接口，则需要额外配备一块GPIB-488接口板，将接口板插入计算机的ISA插槽，建立起计算机与仪器设备之间的通讯渠道;如果使用计算机来控制VXI总线设备，也需要配备一块GPIB接口卡，通过GPIB总线与VXI主机箱零槽模块通信，零槽模块的GPIB-VXI翻译器将GPIB的命令翻译成VXI命令并把各模块返回的数据以一定的格式传回主控计算机。由于计算机的RS-232串行接口有限，若仪器设备比较多，必要时必须扩展计算机的RS-232接口。市场上此类产品品种繁多，用户可以根据具体情况，选择合适的RS-232总线接口扩展产品。2)确定所选择的接口卡是否具有设备驱动程序。接口卡的设备驱动程序是控制各种硬件接口的驱动程序，是连接主控计算机与仪器设备的纽带;如果有设备驱动程序，它适合于何种操作系统?如果没有，或者所带的设备驱动程序不符合用户所用的操作系统，用户就有必要针对所用接口卡，编写设备驱动程序。3)确定应用管理程序的编程语言。如果用户有专业的图形化编程软件，如LabVIEW、HPVEE，那么就可以采用专业的图形化编程软件进行编程。如果没有此类软件，则可以采用通用编程语言，如VisualC++、Visual Basic或者Delphi。由于它们易于使用、功能强大而倍受测控人员的青睐。4)在硬件连接无误的情况下，编写用户的应用管理程序。

参考文献：

[1] 李刚，林凌.LabVIEW——易学易用的计算机图形化编程语言[M].北京航空航天大学出版社.

[2] 袁翔，等.基于总线式的虚拟仪器系统[J].机电工程，2008(4).

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[4] 施珍珠，张玮，等.虚拟仪器技术[J].国外电子测量技术，2012(1).

计算机测控技术研究小论文篇三

数控系统单片机测控技术的应用及实现

摘要：近年来，随着我国科学技术水平的不断提高，推动了数控系统的发展速度，在航空航天、模具加工等行业中，数控系统的应用越来越广泛。然而，由于各个行业对产品加工质量的要求不断提高以及产品零件本身越来越复杂，致使一部分数控系统很难满足实际加工需要。为了进一步提高数控系统的执行效率，本文将单片机测控技术应用到数控系统当中，并从基于单片机的数控系统设计思路、设计原则以及具体应用及实现这三个方面对文章进行详细论述。

中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)04(A)-0000-00

可以说在当今全世界的机床制造业中，数控系统起着举足轻重的作用。作为高尖端技术之一的数控系统集机械制造、自动控制、计算机、测量以及电气传动等技术于一身，各方面功能均十分强大。通过笔者对当前数控系统市场的调查发现，一些中高档的数控系统基本采用的都是以PC机为控制平台实现对步进电机进行驱动控制的。虽然这种控制方式具有性能优良、功能齐全、响应速度快等特点，但其价格却相对比较昂贵。对于生产企业来讲，需要的是一种既能满足生产需求，价格又相对低廉的数控系统。为此，本文将单片机测控技术应用到数控系统当中，以此来实现这一需求。

1 基于单片机的数控系统设计思路

基于单片机的数控系统，能够根据用户的实际需求以及CPU种类的不同实现产品细分，并以此使设计出来数控系统产品具有系列化的特征。通过对市场的调查研究发现，人们对数控系统产品的需求大致可分为以下两类：

1.1 单片机加实时操作系统

以这种形式构成的数控系统主要都是一些中高端的系统，它们的功能相对来讲比较丰富，可实现网络信息共享，而且还可以进行闭环控制，精确度相当高。其中操作系统是确保任务实时性的关键。在此类数控系统当中，使用较多的单片机为ARM系列等，实时系统则为Windows、RT-Linux等。这种类型的数控系统常被用于对精度要求较高或是联动数目在四轴以上的数控机床当中。

1.2 单片机加控制模块

在此类组成结构的系统当中，由于采用的是控制模块，而不是实时操作系统，所以各个任务的实时性均是由系统中的控制软件以及处理器的中断等予以保证的。此类系统应用的单片机主要以高性能的CPU为主，这样能够有效地确保系统的运算速度符合插补和管理等功能的需要。这种系统通常仅能满足三轴联动和四轴联动的数控机床的需求。

通过上述分析不难看出，研发不同等级的数控系统，只需要根据用户的实际需求，采用的不同平台，然后在平台中对系统的主要功能略作改进，便能够开发出满足用户需要的数控系统。这在一定程度上避免了基于单片机的数控系统研发的缺点，有效地减少了重复性工作，从而使整个研发周期相应地缩短很多。若是将数控系统中的主要技术模块进行总结和提炼，便可以组成一个系统平台，在此基础上对相应的功能进行适当地删减或增添，便可以完成系统的研发。这就是基于单片机的数控系统的基本设计思路。

2 基于单片机测控的数控系统设计原则

任何一种数控系统实现的关键均在于其软件及硬件的设计，应用单片机测控技术的数控系统也不例外，下面简要介绍一下软件及硬件在实际设计过程中需要遵循的主要原则：

2.1 规范化原则

一个数控系统的设计研发，最忌讳的就是重复开发，这样不仅会浪费大量的时间，而且也会浪费大量的资源，所以在进行软件及硬件设计过程中，必须有一个规范的标准，以此来规范系统的通讯协议以及软硬件界面，可以使设备生产商和控制器制造商均能在相应的标准下进行研发和生产，以此来杜绝重复性开发的情况发生，减少资源的浪费。为此，在进行系统软硬件设计时，必须遵循规范化原则。

2.2 系列化、标准化原则

在系统硬件的设计过程中，应以系列化和标准化的原则进行设计，这样有利于提高系统整体的实时性和可靠性。通过对系统通讯方式、CPU结构、运动及辅助控制等的模块化处理，根据实际功能的不同制成所需的模块，借此来实现系列化和标准化，同时模块与模块之间还可通过预先定义好的标准化接口实现通讯。

2.3 开放性原则

在进行系统软件设计时，为有效地降低系统软件对硬件的依赖性，应使软件平台独立于系统硬件之外，并且也要将软件设计成为模块化，这样有利于实现系统软件的开放性。对于整个数控系统而言，设计一个独立的软件平台是较为重要的。由于书库系统本身都具有多任务性和实时性，所以软件平台的构建也应以此为前提，同时软件平台的基本功能还应实现典型化和模块化，从而使每个功能模块之间均能实现相互独立和统一调度。这样的软件设计可以适应不同的硬件系统，进而实现了软件的开放性和独立性。

3 单片机测控技术在数控系统中的具体应用及实现

基于以上的设计思路及设计原则，下面笔者以一种数控钻铣床为例，对单片机测控技术的应用及实现进行分析。

3.1 数控钻铣床的基本功能及具体控制方案

由于该数控机床是钻、铣相结合的一类机床，为此先简要介绍一下该数控机床的加工顺序：首先，工作台就位，然后钻头钻进，钻孔后钻头快退，移至下一位置继续重复上述动作，直至全部钻孔完毕为止后，工作台恢复原位。铣削的加工顺序基本与之相同。因本系统属于钻、铣一体的机床，故此在其各方面参数均满足实际加工要求的前提下，决定采用连续控制系统对其加工进行控制，具体控制方案为采用单片机控制的步进电动机对系统工作台进行开环控制。当进给指令由单片机系统发出后，经过功率放大后对步进电动机的旋转角度进行驱动，然后经由齿轮减速器带动丝杠进行旋转，直线位移的完成主要依靠丝杠螺母的转换，具体移动速度及位移量的大小由输入脉冲数及脉冲频率决定。

3.2 单片机测控系统的主要功能

该数控系统中，单片机采用的是集中控制方式，对于系统中的各项任务采取的是分时处理进行的，如插补运算、CRT显示、输入输出控制以及存储等等。测控系统的主要功能如下：其一，初始化处理。主要是对I/O接口、步进电动机旋转频率定时器以及中断等进行初始化;其二，复位功能。机床开机工作时工作台应自行恢复至初始加工位置，如有需要也可尽心手动复位;其三，监视功能。具体是对开关、键盘以及按键等进行监视，如监视行程开关、急停按键等;其四，加工数据的输出和显示功能;其五，超程控制机报警功能。当工作台在进行实际加工过程中，若超出规定的位置则立即停止工作，并相应的做出报警显示;其六，控制方式选择功能。主要包括手动和自动两种控制方式，有特殊要求时可进行控制方式切换。

3.3 测控功能的实现

(1)硬件设计。按照该数控机床工作台的实际测控要求，决定采用STC12C5A62S2系列单片机作为主控制器，并行设置44个I/O控制接口和双UART串口，电路为MAX810专用复位电路，2路8位PWM/16位PCA模块，8路10位精度ADC，其转换速度最高可达到250K/S，即每秒25万次，Flash ROM60K，SRAM 1208字节。这一系列的单片机具有以下特点：可靠性高、反应速度快、功耗低、价格便宜、抗静电及抗干扰能力超强，无需对片外存储空间进行扩展，便可用于数控机床工作台的电动机控制，本身自带PWM/PCA和A/D，不需要在配置外部检测电路。为使加工数据能够顺利输入到系统当中，采用矩阵键盘，规格为4×8;加工数据显示器则采用6位LED显示器，以便于显示加工数据信息;为确保开机指示电源能够正常工作，电源指示灯决定采用发光二极管;为有效地控制步进电动机的旋转速度，决定采用I/O口对脉冲分配器的输出信号进行控制，再经由功率放大电路及光电隔离器后传送至步进电动机线圈当中;为对机床工作台的超程进行监视及报警功能的实现，决定采用全行程开关作为监视信号进行输入，并采用发光二极管作为超程报警指示灯。

(2)软件设计。如果将测控硬件系统的设计实现，看作是整个数控系统的物质基础的话，那么系统软件的设计实现则是测控系统整体控制思路、控制方式以及控制过程的体现。测控系统各个功能的实现，需要应用到单片机的如下技术，其中主要包括中断、定时、LED显示以及键盘扫描等技术。系统软件设计主要以模块化结构为主，下面对各个模块的具体功能进行介绍：①主模块。该模块主要负责完成测控系统的各项管理工作，数控系统开机后会自行进入到管理模块当中，然后接收并执行由机床操作者发出的操作指令。在这一模块当中，需要对键盘上各个相关案件的功能进行自定义，以此来确定接收指令的形式以及实现加工数据的输入和、自动钻铣加工、急停等操作功能;②自动加工测控模块。按照该数控机床工作台的实际工作需要，自动加工应包括钻削和铣削两部分。所以在该模块中设计两个子模块分别用于钻削和铣削的测控;③步进电动机控制模块。该模块主要是对电动机的转速、转角以及方向等进行控制。在对这一模块进行设计时，应重点考虑电动机运转时会出现一个加速或减速的过程，这样有利于解决突然启停时，惯性及负载造成电机损坏的问题。可以通过对进给脉冲的时间间隔及具体脉冲数进行确定，来实现对电机速度及转角的控制。控制时间常数可预先定义好后存储到程序当中，并以此作为对步进电动机运行控制的基本参数，然后利用单片机本身自带的定时器功能，并以中断的方式来实现对电动机频率的控制。

由于该单片机中集成有可编程的应用程序，故此无需设计专用的仿真器及编程器。通过将单片机测控技术应用到数控系统当中，使得系统自动化功能的实现变得更加简单、各方面性能也更为可靠。

参考文献

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