自动化工程导论报告.docx

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自动化工程导论报告

工程导论

供电系统设计

核心理论

WhenanapplicationcommandS1issuppliedfromamasterpowersupply,acontrolcircuit11sendsacommandS2forapplicationofpowersupplytoaCPU,forexample,correspondingtoapowersupplycontrolunit1.IftheCPUwhichreceivedthecommandS2hasnopowersupplyfault,ananswersignalS3issuppliedtoanANDgate14.WhilethesignalS3isnotsuppliedtoatimemonitorcircuit12ifthecorrespondingdevicehasapowersupplyfault,andthereforeacommandissentforciblytoapowersupplycontrolunitofthenextstagefromthecircuit12afterafixedperiodoftime.IfthesignalS3exists,thecommandisimmediatelysenttothecontrolunitofthenextstage.Inaddition,adelaycircuit13isprovidedtocontrolthecommandtimingfortherisetimeofamagneticdiskdevice,etc.Thenthecommandtimingiscontrolledforeachdevicetobeconnected.

基于TPS54350型DC/DC变换器的供电系统设计[1]

介绍德州仪器公司推出的内含MOSFET的TPS54350型高效DC—DC变换器的特性及引脚功能。

描述TPS54350在某信号处理器供电系统中的应用。

给出供电系统的详细设计方案和参考电路。

TPS54530支持中等范围的电流输出.能够将输出电压降至0.891V.其精度可达l%。

TPS54530集成了高端MOSFET和一个可选择的低端外部MOS-FET栅极驱动器。

此外，该器件还采用了高性能电压误差放大器，极大地改善了瞬时条件下的性能，从而可灵活选择输出滤波电感器与电容器。

开关频率固定在250kHz或500kHz，也可以将其升高到7OOkHz，以缩小无源组件的尺寸。

图1示出TPS54350的实际应用电路，图中给出的是其中一种情况，其输出电压是可变的，通过改变电阻器R2的阻值，可得到期望的输出电压值。

图l中的输入电压为12V，输出电压为3.3V，其中R2的计算公式为：

R2=R1x0.891/（Vo-0.891）

R1=1KΩ

本信号处理系统采用的是ADl公司的TS201S型ADSP组成的多片某仿真雷达信号处理系统.系统主要由5个DSP、1个FPGA和7个TPS54350组成。

在以往使用的MAXl951和。

PEGlll7的经验基础上.经过多方面的设计考虑，采用了TPS54350型DC/DC变换器.从表1可以看出.TPS54350可以输出3.3V、2.5V和1.2V的电压。

系统中的DSP采用240MHz时钟，每个指令周期约为4.17ns。

根据TS201S型ADSP的工作条件可知，当温度为25℃、时钟CCLK（为250MHz时，典型情况下的VDD（1.25V）供电电流典型值为1.2A，VDD的供电电流小于137mA。

TPS54350的额定输出电压为3A.所以此系统的设计是合理的。

TigerSharDSP有3个电源，其中数字2.5V（VDD_Io）为I/0供电;数字1.2V（VDD）为DSP内核供电;模拟1.2V（VDD_A）内部锁相环和倍频电路供电。

系统将主机提供的5V,经过TPS54350得到2.5V和1.2V的电压。

各片DSP的数字1.2V（VDD）电源各由1个TPS54350供给。

5个。

DSP内部模块1.2V（VDD）由同一个。

DSP的VDD（+1.2V）经滤波网络后解决。

5个。

DSP的FO2.5V电源直接由主机提供的5V经过TPS54350得到2.5V统一供给，同时提供FPGA（EPU1。

K30）的VccM（+2.5V）电压。

其中FPGA的Vcc_IO（+3.3V）利用TPS54350输出的+3.3V电压来供电。

本系统的供电电路框图如图2所示。

图3示出单个DSP的内核供电电路框图及外围电路配置。

应用背景

TPS54350是德州仪器（TI）新推出的一款内置MOSFET的高效DC/DC变换器.采用小型16引脚HISSOP封装.连续输出电流为3A时，输入电压范围为4.5V~20V。

该变换器极大地简化了负载电源管理的设计，使得设计人员可直接通过中压总线（而不依赖额外的低电压总线）为数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）及微处理器供电。

TPS554350SWIFT（采用集成FET技术的开关）DC/DC变换器的效率高达90%以上，非常适用于低功耗工业与商用电源、带液晶显示屏（LCD）的监视器与电视、硬盘驱动、视频图像卡以及9V或12V墙式适配器负载点稳压装置。

与自动化的联系及后续课程

电力系统自动化是电力系统一直以来力求的发展方向，它包括：

发电控制的自动化（AGC已经实现，尚需发展），电力调度的自动化（具有在线潮流监视，故障模拟的综合程序以及SCADA系统实现了配电网的自动化，现今最热门的变电站综合自动化即建设综自站，实现更好的无人值班。

DTS即调度员培训仿真系统为调度员学习提供了方便）,配电自动化（DAS已经实现，尚待发展。

课程：

电力系统自动化

参考文献

OkadaH,SatoT.Powersupplycontrolsystem:

US,US3873894A[P].1975.

段炼红.基于USB的供电控制系统设计[D].成都理工大学,2015.

指纹和人脸识别

技术原理

自动指纹识别的基本原理和方法

自动指纹识别系统主要涉及四个功能读取指纹图像、指纹图像处理、提取特征、保存数据和比对。

首先,通过指纹读取设备采集读取人体指纹的图像,取得指纹图像之后,要对原始图像进行初步的处理,使之更清晰。

然后,建立指纹的数字表示即特征数据,这是一种单方向的转换,可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹,而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。

识别系统从指纹上找到被称为“节点”而的数据点,也就是那些指纹纹路的分叉、端点等的坐标位置,这些点的唯一性特征数据形成模板。

最后,通过计算机识别算法和模糊比较的方法,把两个指纹的模板进行比较,计算出它们的相似程度,最终得到两个指纹的识别匹配结果。

一个自动指纹识别系统至少需要解决三个关键性的问题,即指纹图像的采集、指纹图像的处理、指纹识别匹配。

对于指纹的图像采集,近几年,随着电子集成技术的发展,出现了可以直接获取数字图像的活体指纹传感器,一些体积小、操作方便的活体指纹图像传感器己广泛应用。

活体采集技术中的传感器一般都采用了自动增益控制技术,可以通过软件调整的方法来获取不同质量的数字指纹图像。

例如,公司的电容式指纹传感器,在指纹采集过程中,根据反馈信息调节电容放电时间、和电荷藕合时间等参数可以增强其灵敏度,使图像不清晰对比度差的区域也能够被检测到如手指压得较轻的地方,并在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度。

同时,还可根据指纹图像的面积、灰度极差等特性来控制捕捉效果最佳的图像。

指纹图像的处理技术是指纹自动识别系统中的关键技术,指纹图像处理算法的好坏直接决定了指纹自动识别系统的可靠性和速度等参数。

目前在指纹图像处理领域关键的技术有指纹图像有效区域提取算法、方向图分割算法、指纹图像增强算法、细化算法等。

目前常用的自动指纹识别系统,基本上都采用细节匹配的方法,主要依靠的是指纹细节特征。

根据的建议,自动指纹识别系统一般只用脊线的端点和分叉点作为指纹的细节特征,因为其他几种特征都可以看作是这两种特征的合成。

即脊线的端点是脊线结束的位置,分又点是脊线分叉的位置。

在指纹图像识别或匹配时,无论是人工匹配还是机器匹配,一般都可分为以下两步

（1）根据确定的参考点校正两幅指纹图像,并搜索两幅图像的细节特征

（2）根据匹配上的细节点对来确定两幅图像是否来自同一指纹。

自动人脸识别的基本原理和方法：

人脸识别是一个复杂的过程,它主要包括以下四个模块首先是图像采集模块其次是人脸检测模块,主要进行人脸检测和眼睛定位,确定人脸的位置然后是图像预处理模块,对人脸图像进行图像的预处理,包括光照补偿、几何变换及提取人脸区域等最后是人脸识别模块,进行人脸的识别匹配,并给出最终的识别结果。

人脸识别系统的四个模块是密不可分的部分,一个完整的人脸识别系统将是这四部分的有机结合。

目前,对人脸识别技术研究较多的是人脸检测定位和人脸识别两个模块,下面主要是对基于二维图像的人脸识别方法进行论述。

人脸检测目前国内外流行的方法主要有基于特征的人脸检测算法、基于统计的人脸检测算法、基于模板的人脸检测算法和基于人脸彩色信息的检测算法等。

①基于面部重要特征的人脸检测方法是利用人脸的先验知识导出的规则进行人脸检测的。

人脸各个器官的分布总是存在着一定的规律性,利用这些描述人脸局部特征分布的规则来进行人脸检测。

当满足这些规则的图像区域找到后,则认为一幅人脸己被检测出来,然后可以对候选的人脸区域进行进一步的论证,以确定候选区域是否是人脸。

②基于统计的人脸检测方法它是从整个人脸的角度出发,利用统计的原理,从成千上万张人脸图像中提取出人脸共有的一些规律,利用这些规律来进行人脸的检测。

此类方法将人脸区域看作一类模式,使用大量的“人脸”与“非人脸”样本,构造并训练分类器,通过判别图像中所有可能区域属于哪类模式的方法实现人脸的检测。

这种方法主要包括基于特征空间的方法和基于人工神经网的方法。

③基于模板匹配的人脸检测方法该方法首先建立一个标准的人脸模板,由包含局部人脸特征的子模板构成,然后对一幅输入图像进行全局搜索,对应不同尺度大小的图像窗口,计算与标准人脸模板中不同部分的相关系数,通过预先设置的闽值来判断该

图像窗口中是否包含人脸。

应用背景

指纹识别系统的应用：

指纹作为人体的重要特征，因为具有比期不变性和唯一性，才成为生物识别领域的重要手段。

通过指纹特征来鉴别人的身份技术正在得到越来越广泛的应用。

随着指纹检测技术和指纹识别算法的不断改进，指纹识别技术的指纹产品，如：

指纹考勤门禁机，指纹考勤机等产品还将在越来越多的部门得到更广泛的应用

人脸识别技术的应用：

   随着社会的不断进步以及各方面对于快速有效的自动身份验证的迫切要求，生物特征识别技术在近几十年中得到了飞速的发展。

作为人的一种内在属性，并且具有很强的自身稳定性及个体差异性，生物特征成为了自动身份验证的最理想依据。

当前的生物特征识别技术主要包括有：

指纹识别，视网膜识别，虹膜识别，步态识别，静脉识别，人脸识别等。

与其他识别方法相比，人脸识别由于具有直接，友好，方便的特点，使用者无任何心理障碍，易于为用户所接受，从而得到了广泛的研究与应用。

除此之外，我们还能够对人脸识别的结果作进一步的分析，得到有关人的性别，表情，年龄等诸多额外的丰富信息，扩展了人脸识别的应用前景。

与自动化的联系及后续课程

较多用于ATM机

课程：

自动检测技术、自动控制原理

参考文献

陆霞.指纹识别技术研究与应用[D].江苏大学,2010.

甘树坤.指纹与人脸识别相关图像处理算法研究[D].大连理工大学,2005.

王卫国.指纹识别系统与自动化系统的结合[J].农村电气化,2012（12）:

45-46.

GayathriD,RaniRU.FingerprintandFaceRecognition[J].InternationalJournalofComputerScience&InformationTechnologies,2012（3）:

3985-3988.

JainLC.Intelligentbiometrictechniquesinfingerprintandfacerecognition[J].CrcPress,1999.

智能无线开关

核心理论

智能化开关的心脏是其信号测量与控制系统,信息技术的发展为其提供了相当完备的理论与实践基础。

高电场环境下工作或把电参数传输到二次控制系统都涉及电磁兼容问题,因此,对于智能化开关测控系统来说,要着重解决电磁兼容问题。

1信号的检测、变换与输出常规的电参数测量大多使用电磁式互感器,测量范围受铁芯磁饱和的限制,体积大、可靠性差,无法适应开关智能化的要求。

智能化开关的执行单元对检测信号无功率要求,只需电量传感器。

电压传感器,其特点是具有很大的动态测量及线性测量区间。

二者还可以用绝缘树脂浇注成一体,形成组合式传感器。

在高电压等级开关和GIS中,取代电磁互感器的则是光电传感器。

常规开关中反映工作位置的辅助开关一般由若干组触点组成,通断时间不稳定,触点弹跳容易熔焊或烧毁,是开关控制系统的薄弱环节。

ABB的v4D型真空断路器采用感应临近开关（传感器）取代上述辅助开关,使之无触点化,解决了控制单元的可靠性问题。

临近开关引用导电材料临近一感应元件时所产生的涡流,破坏原电路的谐振状态的原理,当连动杆件运动到感应元件面前时,输出一个orV以上的电平。

临近开关的所有元件密封在一个带自锁外螺纹的金属管内,安装在机构传动杆的一侧。

由于和外界的隔离,同时解决了污秽、温升、震动及外磁场的影响间题,信号也可融人其他电子控制系统。

为了进一步提高信号的抗干扰能力,智能化开关中大量引人光电转换和光传输,上述辅助开关也可以采用光隔离开关。

目前已有装配好的由光纤连接的电一光一电连接器,可把高电场下的开关量信号用绝缘光纤传到低场区,或由低场区向高场区发送指令。

传统开关的动作控制一般由各种继电器来完成,智能化开关则一般由计算机/无触点半导体开关元件组成的控制指令系统来完成。

指令系统要可靠,需要格外考虑的是电磁兼容问题。

GWH多点智能无线遥控器是一种大屏幕液晶显示型信息管理器:

该技术采用蓝牙技术和单片机程序,是一种具有双向通讯功能的数字化无线遥控器,遥控时无方向性影响,在数字编译码电路中采用PC机的协议通讯技术,误码触发率小于百万分之一,在程序控制电路中采用16位程序,双CPU微处理器控制整机信息流。

由PC机输人或更新控制信息,可以随意控制电压、电流、频率及信息交流,实现人机对话。

它可以做到对信息采集、通讯、记录、判别、控制、反馈等过程进行控制,并将这些过程集成一个平台上围绕着人们的需求实现远程自动控制,从而为智能化提供了前提和必要条件。

应用背景

随着科技发展,智能化家庭领域无论是网络联接技术,或是自动化产品技术都有了极大的发展。

智能无线开关是的一种取代现有传统用电器具控制装置的多点智能无线遥控器开关,在欧美日等发达国家普遍盛行。

随着经济的发展，在我国也得到了使用，智能开关打破了传统墙壁开关的开与关的单一作用，除了在让我们体验了高科技还赋予了开关装饰点缀的效果。

智能无线开关被广泛应用于家居智能化改造、办公室智能化改造、工业智能化改造、农林渔牧智能化改造等多个领域，极大节约了能源，提高了生成效率和降低了运营成本，真正做到了智能行天下。

与自动化的联系及后续课程

无线射频技术作为本世纪最有发展前景的信息技术之一，已经得到业界的高度重视。

该技术利用射频方式进行非接触双向通信，可以自动识别目标对象并获取相关数据，具有精度高、适应环境能力强、抗干扰强、操作快捷等许多优点。

无线电遥控器是利用无线射频信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备，该系统由发射模块和接收模块组成，以单片机为核心，以单片机应用技术、无线收发技术为理论基础，实现数据的无线收发及状态的显示。

与自动化课程息息相关。

课程：

单片机原理及接口技术、自动控制原理、人工智能控制电路原理

参考文献

钱惠富,郭颖.多点智能无线遥控器（开关）的原理及促进住宅智能化方面的作用[J].建筑创作,2001（S1）.

王常明.智能无线开关在电气工程中的应用[J].中小企业管理与科技,2013（33）:

193-194.

邹积岩,王毅.开关智能化的概念与相关的理论问题[J].高压电器,2000,36（6）:

43-46.

KaganE.Intelligentelectronicdeviceforprovidingbroadbandinternetaccess:

US,US8907657[P].2014.

后续课程

温度速度自动测量

核心理论

车昌射测温与光纤测温

近年来,辐射测温技术发展很快,其原因是1）辐射温度计的性能有了很大提高.性能稳定可靠,测温范围广2）价格比较便宜,国产红外辐射温度计与B型热电偶价格相当;3）在应用中采用“工艺温度”或“控制温度”的概念用于生产过程中温度参数的在线检测,已取得可喜成果目前主要的研究开发工作有如下3个方面:

（1）消除发射率的影响及多波长温度计

对对象真实温度的测量及材料发射率测量的要求,导致了多波长温度计和各种消除发射率影响的技术的发展。

用光电二极管列阵和棱镜分光技术,已研制出可同时最多测量35个波长信号的温度计。

美国铝公司和普渡大学等研究表明,即使只用2个波长,用这种补偿的方法也比普通的比色温度计能更好地减少发射率的影响,尤其是发射率变化影响。

（2）光纤测温

光学纤维的抗电噪声和其它外来干扰的能力特别好,而且既细又软,耐腐蚀,易弯曲,耗损小,便于遥测。

这些特点,对于克服工业现场的电噪声及光路中多种外来干扰的影响十分有效,已成功用于电力系统等强电磁干扰的苛刻环境中测温〔`习。

光纤测温技术主要包括两个方面:

1）用光纤传导辐射构成传统的辐射温度计;

2）用光纤或荧光余辉时间测量技术相结合的温度计。

美国用荧光余辉时间技术开发出光纤温度计,用于航空工业,使用温度为一70~350℃。

加拿大采用紫外激光激励的荧光余辉时间技术,在线测量大型发电机组转子的表面温度。

光纤温度计的形式多种多样L,,6j,前途不可估量。

（3）黑体传感器式辐射温度计

将光纤技术、接触式与非接触式测温技术结合起来,即将套管、透镜及光纤组成一体,构成接触式辐射温度计,也称黑体传感器式辐射温度计。

如采用蓝宝石的黑体传感器,用于加热炉或隧道窑测温,使用温度范围为5000~1900℃,。

>0.95,使用方法与热电偶相似。

存在的问题是,宝石加工困难,成本高,难以实用化”二。

国内采用SIC、A12O。

管插入热电偶测温的相应位置,形成黑体空腔,再用光电高温计或辐射温度计,通过光纤瞄准黑体空腔底（靶面）。

目前,已有几个研究单位及高校,批量生产此种辐射温度计。

存在的问题是:

在化性气氛中,缺乏使用温度超过1600℃的保护管,使用温度受到黑体空腔材料的限制。

另外,黑体空腔的质量对测量精度的影响很大SIC管的发射率较高（。

一0.91）,而刚玉管的发射率较低（。

=0.35~0·5）。

总之,以光学测量技术与图象测量技术为代表的非接触测量技术,正在推广应用。

可以预见,辐射测温技术与光纤测温技术将会有更大的发展。

3.2新型温度传感器近年来,在温度检测技术领域,多种新的检测原理与传感器的开发应用取得具有实用性的重大进展,新型温度传感器不断出现与完善化。

新型检测元件与传感器有〔’“二:

半导体集成电路温度计,石英温度计,核磁共振温度计,超声温度计,热噪声温度计,激光温度计,微波温度计等。

它们之间既相互竞争,又相互补充。

最近,出现两种温度计联合使用,起到多功能协同动作的良好效果,值得注意。

超声波体内温度传感器采用数MHz以上的超声波,开发出超声波医用诊断装置,实时监测人体内脏器情况是可能的。

利用超声波对人体脏器进行选择性加热,既可以得到超声波断层象,又可以测其温度,测温精度约士0.5℃。

应用背景

当前,各企业为了在竞争中获得生存与发展,都在努力提高产品质量,降低消耗,达到高产、优质、节能、省力与减少岗位人员的目的。

这就迫切需要提高自动化水平,将工艺过程参数准确、及时地检测出来,按要求控制在规定的数值上,并能按预定的顺序进行自动操作。

由日本铁钢协会计测与控制委员会的调查报告〔`口,也可以看出温度检测技术的必要性。

当前,国际仪器仪表市场前景广阔，的确是一个难得的发展机遇。

与自动化的联系及后续课程

.测量系统以单片机为核心,外围采用单线器件作为温度传感器和存储器,测量系统能对环境温度进行定时自动测量并存储测量结果.分析系统设置在PC机中,分析软件用VisualBasic语言编写.通过接口,分析系统可将存储在单片机中的温度数据提取到PC机中进行分析.在这些过程中都要用到与自动化专业相关的知识。

课程：

单片机原理及接口技术、自动控制原理、人工智能控制电路原理

参考文献

丁轲轲.自动测量技术[M].中国电力出版社,2007.

王魁汉.温度测量技术的现状及展望（上）[J].控制工程,1997

（1）:

1-6.

李江昊,李娜.环境温度自动测量和分析系统的研究[J].自动化仪表,2004,25（11）:

20-21.

RossD,GaitanM,LocascioLE.Temperaturemeasurementinmicrofluidicsystemsusingatemperature-dependentfluorescentdye.[J].AnalyticalChemistry,2001,73（17）:

4117-4123.

王魁汉,李友,王柏忠.温度测量技术的最新动态及特殊与实用测温技术[J].自动化仪表,2001,22（8）:

1-7.

BurnsD,SandbergCL.Continuoussubsurfaceheatertemperaturemeasurement:

US,US20090189617A1[P].2009.

后续课程

智能机器人

技术原理

机器人关键技术

随着社会发展的需要和机器人应用领域的扩大,人们对智能机器人的要求也越来越高。

智能机器人所处的环境往往是未知的、难以预测的,在研究这类机器人的过程中,主要涉及到以下关键技术:

1.1多传感器信息融合　　多传感器信息融合技术是近年来十分热门的研究课题,它与控制理论、信号处理、人工智能、概率和统计相结合,为机器人在各种复杂、动态、不确定和未知的环境中执行任务提供了1种技术解决途径[4]。

机器人所用的传感器有很多种,根据不同用途分为内部测量传感器和外部测量传感器两大类。

内部测量传感器用来检测机器人组成部件的内部状态,包括:

特定位置、角度传感器;任意位置、角度传感器;速度、角度传感器;加速度传感器;倾斜角传感器;方位角传感器等。

外部传感器包括:

视觉（测量、认识传感器）、触觉（接触、压觉、滑动觉传感器）、力觉（力、力矩传感器）、接近觉（接近觉、距离传感器）以及角度传感器（倾斜、方向、姿式传感器）。

多传感器信息融合