傳感與測控技術(shù)試題

碩士研究生試題考試科目：傳感與測控技術(shù)總2頁第1頁一、名詞解釋（20分，每空4分）傳感與測控技術(shù)：基于傳感器的計算機測控技術(shù)。所謂傳感器是指能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。該定義包含以下幾方面的意思：a.傳感器是測量裝置，能完成檢測任務(wù)；b.它的輸入量是某一被測量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；c.輸出量是某種物理量，這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理、顯示等等，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；d.輸入輸出有對應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確度。而計算機測控技術(shù)是從事自動化、控制系統(tǒng)工程、計算機應(yīng)用技術(shù)人員應(yīng)該掌握的一門新型技術(shù)，是分析、研究、設(shè)計控制系統(tǒng)的強有力工具，是自動控制、計算機及其相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)應(yīng)用技術(shù)課程。熱電效應(yīng):是當受熱物體中的電子(空穴)，因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動時，所產(chǎn)生電流或電荷堆積的一種現(xiàn)象。而這個效應(yīng)的大小，則是用稱為thermopower(Q)的參數(shù)來測量，其定義為Q=E/-dT(E為因電荷堆積產(chǎn)生的電場，dT則是溫度梯度)。DSP:即數(shù)字信號處理，是利用計算機或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)字形式對信號進行采集、變換、濾波、估值、增強、壓縮、識別等處理，得到符合人們需要的信號形式的過程。相對于模擬方式來講，數(shù)字方式可以采用更先進的算法，易于實現(xiàn)更高的性能、更多的功能，同時也使系統(tǒng)具有更好的靈活性。壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。5、內(nèi)外光電效應(yīng):是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類：(1)外光電效應(yīng):在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等；(2)內(nèi)光電效應(yīng):當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：a、光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻；b、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。二、填空：（26分，每空2分）1、光電傳感器的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。通常把光線照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類。第一類是利用在光線作用下光電子逸出物體表面的外光電效應(yīng),這類元件有光電管、光電倍增管；第二類是利用在光線作用下使材料內(nèi)部電阻率改變的內(nèi)光電效應(yīng)，這類元件有光敏電阻；第三類是利用在光線作用下使物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向電動勢的光生伏特效應(yīng)，這類元件有光電池、光敏二極管、三極管。2.壓磁式傳感器的工作原理是：某些鐵磁物質(zhì)在外界機械力作用下，其內(nèi)部產(chǎn)生機械壓力，從而引起極化現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為壓磁效應(yīng)。相反，某些鐵磁物質(zhì)在外界磁場的作用下會產(chǎn)生機械變形，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮效應(yīng)。變氣隙式自感傳感器，當街鐵移動靠近鐵芯時，鐵芯上的線圈電感量增大。變面積型電容傳感器的輸入被測量與輸出被測量間的關(guān)系是線性的。5．壓電陶瓷是人工制造的多晶體，是由無數(shù)細微的電疇組成。電疇具有自己方向，經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷才具有壓電效應(yīng)。6．單線圈螺線管式電感傳感器主要由線圈、鐵磁性殼體和可沿線圈軸向活動鐵芯組成。77．濕敏電阻是一種濕敏元件的電氣特性（如電阻值）隨環(huán)境相對濕度變化而變化的敏感元件。8．電渦流式傳感器的測量系統(tǒng)由傳感器和被測體兩部分組成?？?頁第2頁三、簡答題（40分，每題10分）1、簡要說明電容式傳感器的原理。利用它可以測量哪些參數(shù)？答：電容式傳感器的工作原理：用兩塊金屬平板作電極可構(gòu)成電容器，當忽略邊緣效應(yīng)時，其電容C為SSCr0s—極板相對覆蓋面積；—極板間距離；—相對介電常數(shù)；r—真空介電常數(shù)，＝8.85pF/m； 0 0—電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。、s和中的某一項或幾項有變r化時，就改變了電容C0、δ或S的變化可以反映線位移或角位移的變化，也可以間接反映壓力、加速度等的變化；εr的變化則可反映液面高度、材料厚度等的變化。利用它可以測量的參數(shù)：壓力、位移、厚度、加速度、液位、物位、濕度和成分含量等簡述TMS320LF2401A的系統(tǒng)配置和中斷系統(tǒng)。答：TMS320LF2401A的系統(tǒng)配置和中斷操作的內(nèi)容包括:系統(tǒng)配置寄存器、中斷優(yōu)先級和中斷向量表、外設(shè)中斷擴展控制器(PIE)、中斷向量、中斷響應(yīng)的流程、中斷響應(yīng)的時間、CPU中斷寄存器、外設(shè)中斷寄存器、復(fù)位、無效地址檢測、外部中斷控制寄存器。系統(tǒng)配置用來對DSP片內(nèi)的功能模塊進行用戶配置，根據(jù)具體用途來進行模塊定制。數(shù)字信號處理器系統(tǒng)與模擬信號處理器比較有什么特點。答：數(shù)字信號處理器（DSP）是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，流水線結(jié)構(gòu)和豐富的片內(nèi)硬件資源，可以進行快速、大批量的數(shù)據(jù)處理。以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的DSP系統(tǒng)與模擬信號處理系統(tǒng)相比具有以下優(yōu)點；（1）接口簡單方便。由于數(shù)字信號的電氣特性簡單，不同的DSP系統(tǒng)相互連接時，在硬件接口上容易實現(xiàn)。在數(shù)據(jù)流接口上，各系統(tǒng)間只要遵循特定的標準協(xié)議就可以了。（2）精度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強。數(shù)字信號處理僅僅受量化誤差和有限字長影響，處理過程不引入其它噪聲，因此具有較高的信噪比。另外，模擬系統(tǒng)的性能受之器件參數(shù)性能影響較大，而數(shù)字系統(tǒng)基本不變，因此，數(shù)字系統(tǒng)便于測試、調(diào)試及批量生產(chǎn)。編程方便，容易實現(xiàn)復(fù)雜算法。在DSP系統(tǒng)中，DSP芯片提供了一個高速計算平臺，系統(tǒng)功能依賴于軟件編程實現(xiàn)。當其與現(xiàn)代信號處理理論和計算數(shù)學(xué)鄉(xiāng)結(jié)合時，可以實現(xiàn)復(fù)雜的信號處理功能。集成方便?，F(xiàn)代DSP芯片都是將DSP核及其外圍電路綜合集成在單一芯片上，這種結(jié)構(gòu)便于設(shè)計高集成度的引信產(chǎn)品。目前可用于處理數(shù)字信號的芯片主要有單片機，可編程邏輯器件(CPLD/FDGA)和數(shù)字信號處理器（DSP）等。單片機的控制接口種類較多，適用于以控制為主的模數(shù)混合系統(tǒng)設(shè)計。CPLD/FPGA使用于計數(shù)、譯碼、鎖存、乘加、編解碼、查表等數(shù)字信號處理運算的高速數(shù)字系統(tǒng)中。DSP面向高速、重復(fù)性、數(shù)值運算密集型的實時處理，其處理速度比普通微處理器快的多。在成本上略高于單片機和CPLD。對于功能復(fù)雜處理數(shù)據(jù)量大的引信系統(tǒng)適合應(yīng)用于DSP作為微處理器。信號處理是抗干擾的重要手段，要充分利用大規(guī)模的集成電路、微處理器、數(shù)字處理器的技術(shù)優(yōu)勢，充分利用引信可獲取的廣泛信息，探索新的信號處理原理。數(shù)字圖像處理技術(shù)的飛速發(fā)展使得所有圖像處理的問題可以用數(shù)字信號處理的形式來解決，這為實時圖像處理的應(yīng)用提供了廣闊的空間。隨著大規(guī)模集成電路的高速發(fā)展,數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor）的發(fā)展為高速的實現(xiàn)信號處理，為達到系統(tǒng)的實時性提供了可能。4、舉例說明DSP系統(tǒng)的應(yīng)用。答：DSP最典型的應(yīng)用——手機，可見DSP的應(yīng)用市場之大。在世界眾多的DSP廠商中，德州儀器（TI）的DSP始終占有較大的市場份額（百分之六十）。全球每10部手機中就有6部采用TI的DSP，每10部手機中就有8部嵌進TI公司的模擬芯片。自20世紀70年代末誕生，得到飛速發(fā)展。已廣泛應(yīng)用，價格越來越低。主要應(yīng)用:相關(guān)運算，譜分析，卷積，模式匹配，加密，波形產(chǎn)生處理器,可采用先進的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯控制等人工智能算法。機器人智能的視覺、聽覺和四肢的靈活運動必須有DSP技術(shù)支持才能實時實現(xiàn)。不僅僅是控制，還有繁重的數(shù)字信號處理任務(wù)，如字符識別、圖像增強、色彩調(diào)整等。網(wǎng)絡(luò)控制及傳輸設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)功能和性能的不斷提高，如視頻信箱、交互式電視等，要求更寬、更靈活的傳輸帶寬，實時傳輸和處理數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)控制器、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)都需要DSP的支持。自適應(yīng)均衡,數(shù)據(jù)加密,數(shù)據(jù)壓縮,擴頻通信,糾錯編碼,傳真,可視電話。語音合成,語音識別,語音郵件,語音存儲。自動測試診斷設(shè)備及儀器儀表、虛擬儀器：現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)備中，有近百分之六十的設(shè)備及資金是用于測試設(shè)備，自動測試設(shè)備集高速數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、實時處理于一體，又一廣闊應(yīng)用領(lǐng)域。圖像處理：二維三維圖形處理，圖像壓縮、傳輸與增強，動畫，機器人視覺，模式識別。軍事:保密通信，雷達處理，導(dǎo)航，導(dǎo)彈制導(dǎo)。如機載空-空導(dǎo)彈，在有限的體積內(nèi)裝有紅外探測儀和相應(yīng)的DSP處理部分，完成目標的自動鎖定與跟蹤，戰(zhàn)斗機上的目視瞄準器和步兵頭盔式微光儀，需DSP完成圖像的濾波與增強，智能化目標的搜索、捕獲。自動控制:機器人控制，磁盤控制，自動駕駛，聲控，發(fā)動機控制。醫(yī)療儀器:助聽、診斷工具、超聲儀,CT、核磁共振。家用電器:數(shù)字電話，數(shù)字電視，音樂合成，音調(diào)控制，玩具與游戲，高保真音響，數(shù)字收音機、數(shù)字電視。汽車:防滑剎車、引擎控制、伺服控制、振動分析、安全氣囊的控制器、視像地圖。四、論述（14分）1、設(shè)計一個測控金屬加工切削力系統(tǒng)。要求：1）提出原理方案；2）畫出結(jié)構(gòu)簡圖；3）簡要分析工作原理。2、編寫基于DSP開發(fā)系統(tǒng)的LED指示燈輪流亮滅的程序#include"DSP281x_Device.h"http://DSP281xHeadfileIncludeFile#include"DSP281x_Examples.h"http://DSP281xExamplesIncludeFileunsignedintdata;//輸出指示燈控制字unsignedintIOloop;//輸出循環(huán)控制字voidIOinit(void)//IO初始化程序{EALLOW;GpioMuxRegs.GPAMUX.all=0x0000;//使能2812的GPIOA0～7為輸入輸出端口GpioMuxRegs.GPADIR.all=0x00FF;//使能2812的GPIOA0～7的方向為輸出}voidIO(){GpioDataRegs.GPADAT.all=data;//輸出控制字控制燈亮滅IOloop++;//循環(huán)次數(shù)加1次DELAY_US(1