1、本科毕业论文（20 届）双绞线节距在线监测系统的设计与实现所在学院 专业班级 光电工程与光通信 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要I摘 要线缆是电气产品的重要组成部分，线缆的质量直接影响到产品的整体质量。为保证产品质量的可靠性，并且为了提升产品质量，有必要对线缆进行在线检测。双绞线节距是双绞线的重要参数，目前对于双绞线节距检测以及在线工厂监测的研究少有所见。本文论述了一种基于光电检测的双绞线在线监测系统，该系统的检测精度、检测速度和准确度可达到工业应用标准，可以取代目前采取的人工监测。该系统基于 ST 公司生产的 Cortex-M4 架构的 STM32F429 单片机。通过
2、搭建光路，利用光电转换原理，将双绞线节距信息转换为电信号，然后通过对信号的滤波、放大、整形，得到可以被 STM32F429 采样的信号。最后通过软件滤波算法和判断节点算法得到双绞线的节距长度信息。该系统涉及光路设计、硬件电路设计、以及嵌入式软硬件设计。具有检测速度快、检测精度高、准确率高的优点。可以极大地提高企业的生产效率、提升产品的可靠性，具有明显的经济效益和社会效益。关键词：双绞线，线缆检测，STM32，AD 采集ABSTRACTIIABSTRACTCable is an important part of electrical products, the quality of the c
3、able directly affect the overall quality of the product. To ensure the reliability of product quality, and in order to improve product quality, it is necessary to wire-line testing. Twisted pair UTP pitch is an important parameter, the current pitch of the twisted-pair line factory testing and monit
4、oring of research rarely seen. This paper discusses a photo-detector based on a twisted pair line monitoring system, the detection accuracy of the system, detection speed and accuracy attainable standard industrial applications. It can replace manual monitoring current approach.The system is based o
5、n the companys ST Cortex-M4 architecture STM32F429 microcontroller. By building the light path, the use of photoelectric conversion principle, the twisted pitch information into electrical signals, then the signal filtering, amplification, shaping, to obtain a signal that can be sampled STM32F429. F
6、inally get twisted pitch length information through software filtering algorithm and the determination node algorithm. The system involves optical design, hardware design, and embedded software and hardware design. Detecting speed, high precision and high accuracy advantages. It can greatly improve
7、production efficiency, improve product reliability, has obvious economic and social benefits.Key Words: Twisted Pair, Cable Test , STM32, AD Acquisition目录III目 录第 1 章 引言 .11.1 课题背景 .11.2 课题价值及意义 .31.3 研究的难点与重点 .31.3.1 检测速度 .31.3.2 检测精度 .41.3.3 信息采集 .41.4 本文结构安排 .4第 2 章 系统总体方案论证 .52.1 系统总体方案简述 .52.1.1
8、 光学信号采集系统 .52.1.2 探测器 .52.1.3 信号放大整形电路 .62.1.4 STM32F429 开发板 .62.1.5 上位机 .62.2 系统各部分信号类型分析 .6第 3 章 系统光学采集设计 .93.1 凸透镜成像原理 .93.2 光电二极管的原理 .10目录IV3.2.1 光电二极管的伏安特性 .113.2.2 光电二极管的噪声 .123.2.3 光电二极管的工作模式 .13第 4 章 系统硬件设计 .154.1 处理器选择 .154.1.1 微处理器选型分析 .154.1.2 STM32F429 开发板介绍 .174.2 运算放大器基础 .204.2.1 理想运算放
9、大器 .204.2.2 运算放大器反馈电路 .214.2.3 运算放大器的开环増益和闭环增益 .234.2.4 运算放大器器件的选型 .244.3 光电二极管放大器设计 .254.4 A/D 转换模块 .27第 5 章 系统软件设计 .305.1 软件开发环境简介 .305.2 系统软件开发设置 .325.3 系统用到的外设描述 .335.3.1 系统时钟配置 .345.3.2 通用输入输出口配置 .355.3.3 串口 USART.37目录V5.3.4 PL2303 USB 转串口模块和串口调试助手简介 .375.3.5 ADC1 配置 .385.4 数字滤波程序实现 .395.5 检测节点
10、算法 .415.6 数据传回上位机 .42第 6 章 系统调试与应用实例 .446.1 硬件调试 .446.1.1 硬件调试说明 .446.1.2 硬件调试流程 .466.2 软件调试 .476.2.1 软件调试说明 .476.2.2 滤波程序调试 .486.2.3 判断波峰算法调试 .52第 7 章 总结和展望 .547.1 论文总结 .547.2 前景展望 .54参考文献 .55致 谢 .57附录 .58第 1 章 引言1第 1 章 引言1.1 课题背景单片机与嵌入式系统应用技术在目前飞速发展，凭借其性能高、功能全、体积小和环境适应性强等优点，在自动控制、监测领域的应用发挥着越来越重要的作
11、用，在军用民用设备领域中的应用也逐渐显示出广阔的前景和应用潜力 1。光电检测技术是一门新兴的科学检测技术，它把精密的光学和方便处理的电子学完美的结合起来，主要是利用电子技术中的光电探测器把不能直接处理的光学信号转化为有用的电信号，进而达到对未能直接处理的光学信息进行处理的目的 2。光电检测具有精度高、速度快、非接触测量、抗干扰能力强的特点，令其发展速度迅速，越来越受到人们的重视，在多个领域广泛应用 3。在工业领域方面，如在线监测零件尺寸，设备故障诊断等；在军事国防领域方面，如卫星红外线监测，夜视猫准系统，微痕量爆炸物检测等；在医学领域方面，如医学成像方面、红外温度计等 4；在这些领域中，通过光
12、电探测器把非电量的信息进行转换，使检测到的非电量的信息转变为可以电路识别的电信号。随着科学技术的发展，特别是计算机、嵌入式微处理器，信息通信等技术的发展和应用，计算机逐步代替人工进行繁琐的劳动，并应用在广大的生产生活领域中。自动化检测技术的应用，使人从大量重复的测试工作中走了出来，提高了测试速度、性能，也使工作效率成倍提高，成为目前生产、生活中不可缺少的一部分。第 1 章 引言2图 1-1 双绞线如图 1-1，双绞线( Twisted Pair Cable)是由两根相互绝缘的铜导线按照一定的规格互相缠绕在一起而成的网络传输介质 5。双绞线主要是用来传输模拟信号的，但同样适用于数字信号的传输。双
13、绞线（twisted pair，TP）是一种综合布线工程中最常用的传输介质，是由两根具有绝缘保护层的铜导线组成的。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起，每一根导线在传输中辐射出来的电波会被另一根线上发出的电波抵消，有效降低信号干扰的程度 6。双绞线是日常生产生活中最常见的一种电缆。多芯电缆中最基础的组成也为双绞线，随着设备自动化水平的提高，下至普通家用电线，上至飞机、导弹、卫星、舰船、航天器以及特种车辆等大型装备中，使用双绞线的地方几乎无处不在。图 1-2 为普通网线中的双绞线。图 1-2 网线中的双绞线第 1 章 引言3双绞线作为线缆的一种，广泛应用在日常生活中。其具有抗电磁干扰以及低耗
14、、廉价的性能。而在生产加工过程中线缆质量的检测效率则直接影响到产品的生产效率。双绞线具有周期性的结构，其节距在很大程度上决定了其机械电磁特性和电气特性。在高频领域，双绞线节距将在寄生电感和寄生电容上极大影响其特性 7。由于线缆生产速度较快，可达 60150 m/min，人工无法完成在线检测。对于双绞线节距的检测基本都采用离线抽检的方式，无法及时发现生产过程中的品质问题，也无法保证所生产产品的品质。市场上一些专用检测仪，如网线检测仪，能够快速可靠地检测线缆的质量，但只是针对特定类型的线缆进行检测，检测的内容主要为线缆通断，虚焊和线损等方面 8。对线缆外观检测和节距的检测却少有设备能做到。国外线缆
15、检测设备多为高端产品，难以满足广大中小企业对性价比的要求。1.2 课题价值及意义电气产品内部往往密布着各种线缆，线缆是电气产品的重要组成部分，电气产品的质量问题中有相当一部分是由于线缆质量不合格引起的。双绞线节距直接影响电缆的机械弯曲强度和屏蔽干扰特性。如果外界电磁信号在两条导线上产生的干扰大小相等而相位相反，那么这个干扰信号就会相互抵消。所以，节距会影响干扰信号的抵消作用。相关研究表明，在高频条件下，双绞线的各个方面因素对其传输性能有着极大影响。对于电缆的测试，我国目前还主要采用人工作业的方法对其性能进行检定。目前对于一般的双绞线的检测采用的是产品生产后进行抽检。而对于一些要求高的双绞线则采
16、用全部人工检查的办法。这种传统的手工测试方法存在速度慢、精度低、操作手工作量大，容易人为造成误差等问题。已明显不能满足现代化检测技术的要求；急需开发电缆自动测试系统。因此，开发一套具备检测速度快、测量精度高、操作简便、人为干扰因素少的电缆自动测试系统，对于确保设备仪器的正常使用，促进设备仪器检测的现代化具有重要社会效益和显著经济意义。第 1 章 引言4针对目前在生产制造过程中普遍存在的双绞线检测困难的实际情况，考虑到市场上尚无准确度高、性价比高的线缆自动化检测设备，为实现线缆检测手段的自动化、准确化、标准化和便捷化，有必要开发一款专用的双绞线在线监测设备，能够对双绞线节距进行方便、快捷、准确地
17、自动监测，提升产品的生产效率。本文从提高测量速度以及减少测量人员劳动强度，提高工作效率方面作深入研究，用以解决双绞线生产过程中对双绞线节距这一参数的在线监测。1.3 研究的难点与重点1.3.1 检测速度在真实的双绞线生产线上，双绞线出厂的速度是非常快的，可以达每分 60-100 米。在速度非常快的情况下比较准确检测出双绞线的节距长度是该系统的一个难点。1.3.2 检测精度由于双绞线应用于多种不同应用场合，对双绞线节距检测要求达到的精度难以以一个标准概括。越是精密仪器，对其精度要求就越高。在本系统中，设计所需达到的精度为 0.5 mm，如何保证精度是本文研究的难点和重点。1.3.3 信息采集双绞线为实物，计算机处理的为数字信号。对于双绞线的节距信号的采集，并将其转化为计算机可以处理的数字信号，是本文关键的部分。采集系统做得好不好直接影响检测精度。1.4 本文结构安排本文的机构安排如下：
