基于软测量技术的通用多维传感信息系统设计与应用

摘要

测控仪器的功能己由单一的模式向着多功能化、通用型的方向迅速发展,就需要同时采集多个不同传感类型的参数,并进行快速准确的融合处理。因此,如何快速满足多种不同传感类型以适用于多种应用场合,甚至具有自动识别的功能,正是当前智能测量仪器急待解决的问题。论文以“基于软测量技术的通用多维传感信息系统设计与应用”为题,系统分析软测量技术和测控系统的软硬件设计与实现。本论文对促进新一代测控系统构建和测量信息处理技术的发展,提高传感系统的综合性能,具有重要的学术价值和实际意义。课题的研究得到了广东省科技计划项目(2004B10201011)和广州市重点攻关项目(2005Z3-D0341)资助。 针对当前工业生产过程的特点,从测量技术和仪器硬件的要求两个角度,阐明了本课题的研究意义,提出了基于分段低次多维插值的软测量模型,并设计了基于DSP和ARM为核心芯片的测控仪和由VB.NET开发的上位机系统。主要内容包括：深入分析软测量原理,对其数学模型进行了阐述；分析软测量设计步骤,对辅助变量的选择做了详细说明,并给出了测量数据的预处理方法；阐述了一维Lagrange插值和二维线性Lagrange插值的数学关系,以及基于分段低次多维插值的软测量建模；详细介绍了软测量的数据预处理在线校正技术；立足测控仪器的发展趋势和亟待解决的问题,分析了现代测控系统的功能需求,提出了由DSP和ARM为核心芯片的硬件系统；对前工业流行的传感信号类型进行系统剖析,针对性选择其中几种典型信号做了硬件电路设计,使得系统具备处理多种传感信号的通用性；通过键盘、LCD显示和EEPROM功能模块软硬件结合,巧妙地实现了测控装置的在线可编程操作；丰富的扩展了当前流行的数据接口,比如串口、以太网络通信和USB等；就开发过程中,电路抗干扰措施做了相应介绍。提出了整体软件的功能结构图,并就主要功能板块进行了划分；设计了由CCS 2.0来实现的DSP主体功能模块,并给出了部分关键源代码；采用VB.NET对系统上位机系统进行了设计,并提出了ADO.NET和SQL Server 2000的Web数据库设计的方法；通过分析液态乙醇浓度在线检测的机理,成功的将所设计的系统应用于液态乙醇浓度在线检测。 结果表明,实验过程和结果基本符合系统预期的设计要求和使用目的,具有较高的测量准确度和响应速度,以及性能稳定和通用性好的特点。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题的提出及意义

1.2课题研究现状与发展

1.2.1软测量技术

1.2.2嵌入式系统技术

1.2.3多传感器信息融合

1.3论文的主要研究内容

第二章基于分段低次多维插值的软测量建模

2.1引言

2.2软测量原理

2.3软测量设计步骤

2.3.1机理分析及辅助变量的选择

2.3.2过程数据的采集

2.3.3测量数据的预处理

2.4.基于分段低次多维插值的软测量建模

2.4.1一维Lagrange插值

2.4.2二维线性Lagrange插值

2.4.3基于分段低次多维插值的软测量模型

2.5软测量的在线校正

2.5.1数据采集过程数据的在线校正

2.5.2软测量模型的在线校正

2.6本章小结

第三章测控系统的硬件设计与实现

3.1引言

3.2测控系统的总体设计

3.3信号调理模块

3.3.1电阻-电压(R-V)转换电路

3.3.2电阻-频率(R-f)转换电路

3.3.3差分电压放大电路

3.3.4其他转换电路

3.4 DSP板的硬件电路设计

3.4.1 DSP系统下位机CPU的选用

3.4.2 A/D采集接口模块

3.4.3 EEPROM模块

3.4.4键盘模块

3.4.5液晶(LCD)显示模块

3.4.6实时时钟模块

3.5 ARM板的硬件电路设计

3.5.1 ARM系统下位机CPU的选用

3.5.2电源模块

3.5.3JTAG调试接口模块

3.5.4串口通信模块

3.5.5 USB与CF接口设备模块

3.5.6基于ARM的网络接口设计

3.6硬件设计中的抗干扰措施

3.7本章小结

第四章测控系统的软件设计与应用

4.1引言

4.2软件系统的总体结构

4.3下位机软件设计单元

4.3.1 DSP的开发环境及流程

4.3.2 DSP初始化

4.3.3事件定理器软件设计

4.3.4 A/D采样模块软件设计

4.3.5 EEPROM数据存取软件设计

4.3.6LCD显示软件设计

4.3.7按键设置软件设计

4.3.8时钟DS 1302软件设计

4.4上位机软件设计单元

4.4.1 Visual Studio.NET软件平台

4.4.2基于VB.NET与EXCEL互连的标定系统

4.4.3 VB.NET串口通信实现

4.5基于ADO.NET的Web数据库设计

4.5.1多维传感信息系统的数据库的功能需求分析

4.5.2基于SQL Server的Web数据库设计

4.5.3基于ADO.NET技术的数据库访问技术

4.6本章小结

第五章系统在液态乙醇浓度检测中的应用

5.1引言

5.2系统在液态乙醇浓度在线检测中的应用

5.2.1液态乙醇浓度在线检测需求分析

5.2.2机理分析与软测量模型

5.3实验架构与实验步骤

5.3.1标定实验设计

5.3.2标定实验发生装置

5.3.3传感器的实验标定

5.4实验结果及分析

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢