基于ARM的氢钟模型温度控制的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 10 4 1.57MB 64 页 15积分
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摘 要
时间和频率是最重要的两个基本物理量。最初时钟的基准源是钟摆，其精度
非常差。当今世界，科技飞速发展，在对准确度和精确度要求非常高的时钟领域，
发展了原子钟。时间频率是非常基本的概念，在科技的各个领域有着广泛的应用，
尤其是空间技术日新月异的今天，对高精度的时间频率要求日益迫切。氢钟是一
种性能突出的原子钟，短期稳定度相当优秀。在其稳定的精度背后，有着对环境
温度相当高的要求。
本文研究的课题就是为氢钟的工作环境创造一个稳定的温度基础。前期，对
氢钟的工作原理和结构做了全面分析，从理论上得出了环境温度对氢钟稳定度有
非常大的影响这一结论。接着深入研究了在国外氢钟温度控制方面的先进技术以
及我国的研究现状，发现 PID 控制的参数整定在控制中的重要性，在研究比较了
多种 PID 算法以后提出了模糊 PID 控制的思想，能够实现参数在线自整定。硬件
方面，采用了功能强大的 ARM7 嵌入式处理器和经过裁剪后适合本次应用的μ
C/OS-Ⅱ操作系统相结合。在理论分析以后设计出了一套控制系统，经过调试和仿
真实验，发现本设计能够实现预期目标，达到精确控制的目的。设计中所采用的
先进控制技术也为今后氢钟温度控制的进一步研究做了铺垫。
文章的开始部分介绍了氢钟的工作原理，国内外的技术现状。第二章：详细
介绍了嵌入式µC/OS-Ⅱ操作系统以及本文用到的 ARM 芯片；第三章：主要介绍系
统的硬件电路设计，包括测温电路、恒流、恒压电路、PCB 设计以及最终硬件调
试；第四章：主要介绍系统的软件部分；包括µC/OS-Ⅱ系统的移植，ARM 控制部
分的设计原理，PWM 工作方式，并附了部分程序及流程图。第五章：阐述了模糊
-PID 算法的基本原理，设计方案以及仿真图，并附部分程序图；第六章：对系统
移调试以及算法程序的测试结果，并附图；第七章：对本文进行了总结，指出了
改进建议，展望了未来的发展方向和进一步的研究工作。
关键词：氢钟 模糊 PID ARM µC/OS-Ⅱ
ABSTRACT
Time and frequency are the two most important basic physical quantities.The
initial clock depended on the swing of the pendulum, its accuracy is very
poor.Nowadays,following the increasing development about technique,in some
field,very high clock accuracy and precision requirements.The development about
atomic clock technique is very quickly.Time/frequency is a very basic concept ,has been
widely applied in various fields of science and technology.As space and technology
increasingly urgent, high-precision time and frequency are required.Hydrogen maser
clock has a high performance like short-term frequency, but it’s long-term frequency is
not ideal. Temperature is a very important factor which can impact on the long-term
frequency. If the hydrogen clock wants to work in an accuracy state, we must put it in a
steady temperature condition.
The purpose of this paper is to provide this kind of condition. This paper affords a
digital temperature control system based on ARM and µC/OS-Ⅱ. This design adopts
the Fuzzy-PID arithmetic ，is able to achieve the control parameters self-tunning
on-line,to achieve precise control.
This paper introduces the basic principle about the hydrogen maser clock, and the
development status of abroad. The second chapter introduces the embedded operation
system µC/OS-Ⅱthat is used in this paper. In the third and forth chapters, this paper
introduce the design of hardware and software. The fifth chapter introduces the control
arithmetic, and gives out the diagram of MATLAB. The sixth part introduces the detail
in the debugging, and gives out some data. This design of temperature control system
has achieved the desire target.
Keyword:ARM,hydrogen maser, Fuzzy-PID, µC/OS-Ⅱ
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.....................................................................................................................1
§1.1 课题背景.........................................................................................................1
§1.2 国内外技术现状.............................................................................................2
§1.2.1 国外发展现状.......................................................................................2
§1.2.2 国内发展现状.......................................................................................3
§1.3 氢钟概述.........................................................................................................4
§1.4 本论文研究的主要内容及组织结构.............................................................5
§1.5 本章小结.........................................................................................................6
第二章 嵌入式系统及µC/OS-Ⅱ操作系统.................................................................. 7
§2.1 嵌入式系统简介.............................................................................................7
§2.1.1 嵌入式操作系统的特点.......................................................................7
§2.1.2 嵌入式系统的分类...............................................................................8
§2.1.3 嵌入式系统体系结构...........................................................................9
§2.2 µC/OS-Ⅱ操作系统........................................................................................ 9
§2.2.1 实时系统的概念...................................................................................9
§2.2.2 µC/OS-Ⅱ的简介................................................................................ 10
§2.2.3 µC/OS-Ⅱ的运行机理........................................................................ 11
§2.2.4 开发平台的介绍.................................................................................17
第三章 系统硬件设计.................................................................................................19
§3.1 ARM 处理器特点及选型 .............................................................................19
§3.1.1 ARM 处理器的特点 ...........................................................................19
§3.1.2 ARM 处理器应用选型要求 ...............................................................19
§3.1.3 LPC213X 系列处理器特点 ............................................................... 20
§3.2 直流电源.......................................................................................................21
§3.3 测温电路设计...............................................................................................21
§3.3.1 PT100 测温电路 .................................................................................22
§3.3.2 高精度恒压恒流源.............................................................................25
§3.3.3 测温电路缆线内阻的消除.................................................................26
§3.4 外部接口电路设计.......................................................................................27
§3.4.1 加热驱动模块.....................................................................................27
第四章 系统软件设计.................................................................................................28
§4.1 ARM 控制部分设计 .....................................................................................28
§4.1.1 程序初始化设计.................................................................................28
§4.1.2 数据处理设计.....................................................................................28
§4.1.3 PWM 控制设计 .................................................................................. 29
§4.1.4 控制算法程序设计.............................................................................30
§4.2 µC/OS-Ⅱ内核移植...................................................................................... 31
§4.2.1 µC/OS-Ⅱ的移植条件和移植准备.................................................... 31
§4.2.2 OS_CPU.H 的编写.............................................................................33
§4.2.3 OS_CPU_C.C 的编写 ........................................................................ 33
§4.2.4 OS_CPU_A.ASM 的编写.................................................................. 35
§4.2.5 µC/OS-Ⅱ剪裁性的实现.................................................................... 37
第五章 模糊 PID 控制算法设计................................................................................ 39
§5.1 PID 控制....................................................................................................... 39
§5.1.1 PID 控制原理........................................................................................ 39
§5.1.2 PID 控制特点........................................................................................ 40
§5.2 模糊控制理论...............................................................................................40
§5.2.1 模糊控制原理.....................................................................................40
§5.2.2 模糊控制器的结构.............................................................................42
§5.2.3 隶属度函数.........................................................................................43
§5.2.4 模糊控制器的设计步骤.....................................................................45
§5.3 模糊-PID 算法的设计..................................................................................46
§5.3.1 自适应 PID 参数整定原则................................................................ 46
§5.3.2 模糊 PID 控制器的结构.................................................................... 47
§5.3.3 模糊控制规则.....................................................................................47
第六章 调试及仿真测试结果.....................................................................................50
§6.1 硬件调试.........................................................................................................50
§6.2 软件调试.........................................................................................................50
§6.3 整体调试.........................................................................................................51
§6.3.1 输出调试...............................................................................................52
§6.3.2 参数调试...............................................................................................52
§6.4 测试结果及数据.............................................................................................52
第七章 总结及展望.....................................................................................................54
§7.1 课题总结.........................................................................................................54
§7.2 改进建议.........................................................................................................54
§7.3 课题展望.........................................................................................................55
附录一 LPC2132 开发板结构图 ................................................................................ 56
参考文献.........................................................................................................................57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................60
致 谢...............................................................................................................................61
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 课题背景
随着科技的不断进步，人们对时间的精确度要求越来越高，世界上许多先进
国家都开展了对原子钟技术的研究，原子钟时间精度的提高相当迅速，平均每 年
便有一个数量级的改善，秒长测定的准确度越来越高，达到 /天。原子钟的诞生是
时间计量领域的一次重要革命。预示着对时间的定义进入了围观领域。对微观粒
子和电磁波相互作用、原子的量子态和能级跃迁做了大量的研究，找到了一种前
所未有并且具有高度准确性的时间频率标准：原子的量级跃迁。1949 年出现了原
子钟的雏形，以氨分子作为样品，输出频率为 23.56 GHz，1955 年，英国国家物理
实验室发明了第一台以铯为样品的原子钟，其稳定性和实用性非常突出。
当今世界，空间技术飞速发展，飞行器测控与制导、通讯和数据传输、GPRS
定位等领域都需要精密的时间和频率。高精度的原子钟已经在这些领域发挥极其
重要的作用[1]。
温度是影响原子钟长期稳定度的重要因素，当然也受其他因素的制约，比如
其微波谐振腔频率，但是温度的影响尤为突出。如二级多普勒效应、壁移效应等，
都会改变时间频率的稳定度与准确度[41]。目前，在时钟的精确度上，铯钟最高，
其准确度可达 10-13~10-14 量级，此外铷钟也广泛应用在卫星上，精度可达 10-11 量级。
并且它比铯钟更具有便携性和价格优势，在稳定性方面不如铯钟。氢钟短期精度
很好，可以高达 10-11~10-15 量级，在使用 CAT（腔频自动协调技术）后，长期精度
也大大改善，基本上可以和标准铯频标媲美。
随着科技的进步和人们对精确时间的要求越来越高，原子钟作为标准时间的
代表，越来越受到国内外科研机构和政府的重视。要提高时间频率的稳定性和精
度，就必须改善谐振腔温度稳定度，所以高精度控温系统已成为研究的重要部分。
原子钟其理论依据是原子在吸收或释放能量时，会产生一定频率的电磁波，
通过使用精密仪器对其进行控制后该频率的稳定度会非常突出。目前最常见的有
氢钟，铯钟和铷钟，铷钟价格低廉，被广泛用于商业时钟，但使用周期较短；小
型铯钟长期稳定性不错，但是寿命较短,氢钟集合了两者的优点，因此得到广泛的
认可[2]。氢钟即氢脉泽，具有优秀的短期稳定度和极高的准确度，普遍比铯钟超出
100 倍，其结构如下图 1-1：
基于 ARM 的氢钟模型温度控制系统
2
图1-1 氢原子钟
为了实现氢钟的优良性能，需要为其提供一个良好的稳定的工作环境，尤其
对温度的稳定性要求非常高。具体要求为：
1）工作温度：10℃~28℃±5℃
2）存储温度：-30℃~50℃
3）湿度：0~70%
4）磁场：0~0.5 高斯
理论上要求氢钟的工作环境温度变化必须在 0.5℃以内，磁场强度不能大于 0.5
高斯，而且要与其他的电气设备隔离以免造成扰动。在实际应用中，往往要求把
温度稳定在±0.1 的范围以内，以实现频标的长期稳定。
§1.2 国内外技术现状
§1.2.1 国外发展现状
1976 年，
NASA/SAO 将载有氢钟的探测器到外太空进行 GPA 实验之后，空间
研究计划日趋活跃，目前，欧洲正在开展的 ACES(Atomic Clock Ensemble in Space)
计划，使瑞士 NENCHATEL 天文台的氢钟在 2005 年进入在轨阶段，以启动一项
GESNS(Galileo European Satellite Navigation System)计划[3]。
美国的原子钟温度控制系统的核心思想是结合主动加热与被动隔热控制。采
用多等温炉和多控制区方式，抑制热流动和温度梯度变化到最小限度，使整个系
统稳定度达到 10-4℃。其控制核心采用 Motorola 公司的 68HC11 单片机，算法核
摘要：

摘要时间和频率是最重要的两个基本物理量。最初时钟的基准源是钟摆，其精度非常差。当今世界，科技飞速发展，在对准确度和精确度要求非常高的时钟领域，发展了原子钟。时间频率是非常基本的概念，在科技的各个领域有着广泛的应用，尤其是空间技术日新月异的今天，对高精度的时间频率要求日益迫切。氢钟是一种性能突出的原子钟，短期稳定度相当优秀。在其稳定的精度背后，有着对环境温度相当高的要求。本文研究的课题就是为氢钟的工作环境创造一个稳定的温度基础。前期，对氢钟的工作原理和结构做了全面分析，从理论上得出了环境温度对氢钟稳定度有非常大的影响这一结论。接着深入研究了在国外氢钟温度控制方面的先进技术以及我国的研究现状，发现...

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