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随着测控技术的迅猛发展,以嵌入式计算机为核心的数据采集系统己经在测控领域中占到了统治地位。数据采集系统是将现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作。数据采集系统的主要功能是把模拟信号变成数字信号,并进行分析、处理、存储和显示。
本论文工作所开发研制的数据采集系统由嵌入式微处理器、日历时钟芯片、模数转换器、非易失性存储器等器件组成。运用最小功耗设计理论设计,可以在电池供电的情况下长期采集和记录数据,可长时间处于工作状态。通过具有报警输出的日历时钟芯片等组成唤醒单元,可在设定时间开启电源。上电后,采用单片机控制数据采集、存储以及对时钟芯片的再设定等,而数码管作为设定指示和时间、采集到模拟量信号的显示。
系统通过仿真总线的方式扩展较大容量外部存储器,可存储的多次采集时间和采集数据。而利用更换存储器方式,或利用串行口通信方式可将存储器中的数据发送到便携式电脑中作进一步处理。
关键字:单片机,低功耗,数据采集,定时
摘要 1
Summary 2
第1章 文献综述 1
略………
第2章 定时采集系统的硬件设计 18
略………
第3章 定时采集系统的软件设计 38
略………
第4章 系统低功耗设计 48
略………
第5章 定时数据采集系统使用介绍 51
结论 56
致谢 58
参考文献 59
附录1 60(程序)
附录2 70(数字仪器)
附录3 76(Digital Instruments)
(附录不在论文字数内)
:33000多字的本科论文,适合自动化、电信与通信专业
有中英文摘要、目录、图、参考文献
400元
关键词:化无线温度传感器,电子闹钟
1 引言
集成化智能传感器概念的提出仅仅十余年,但近年发展很快,国外刊物上关于新型集成化智能传感器研制的报道很多,国内一些著名高校和研究所也在开展此类工作。和经典的传感器相比,集成化智能传感器具有体积小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以及功能强大等优点。集成化智能传感器的优点使它成为目前传感器研究的热点和传感器发展的主要方向,必将主宰下个世纪的传感器市场。
本文的数字化无线温度传感器具有集成化、智能化的特点,它由温度测量(发射部分)、温度处理(接收部分)和温度值显示(上位机)三部分构成。温度测量采用一线制数字温度传感器DS18B20,其体积小,集成度高,自带A/D,功耗低。。处理器选用低功耗单片机PIC16F74。温度传输采用超低功耗发射接收模块PTR4000,以方式与处理器通讯。PTR4000在测量点接收传感器的数据并把数据以无线方式传输出去,接收部分通过接受模块(PTR4000)接收数据,并进行数字滤波,同时将接收到的数据以异步串行通信方式传给上位机。
2 系统硬件设计
2.1 PIC16F74单片机
带8位A/D转换输入
高驱动电流,I/O脚可直接驱动数码管(LED)显示
双向可独立编程设置I/O引脚
8位定时器/计数器TMR0,带8位预分频
有1~2路捕抓输入/比较输出/PWM输出(CCP)
16位定时器/计数器TMR1,睡眠中仍可计数
8位定时器/计数器TMR2,带有8位的周期寄存器及预分频和后分频
并行口操作
同步串行口I2C/SPI总线操作
同步通讯接口SCI/USART操作
2.2 温度传感器DS18B20
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃,被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出;其工作电源既可在远端引入,也可采用寄生电源方式产生;多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
2.3无线模块PTR4000
PTR4000具有全球开放的2.4GHz频段,125个频道,能满足多频及跳频需要,其最高速率为1Mbps,,具有高数据吞吐量,内置硬件CRC纠检错,发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成,其供电压为1.9~3.6V,能满足低功耗的设计要求。
2.4串行接口
为实现系统与上位机之间的串行通信,在硬件结构上采用了单电源转换芯片ICL232,ICL232是一个双组驱动/接收器,它内含一个电容性电压发生器,可在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。。
3.系统实现
3.1低功耗技术
本设计的低功耗设计贯穿整个设计的方方面面。首先是CPU的选择上,PIC系列的CPU具有较宽的操作电压(2.0~5.5V),四种可选振荡方式:低成本阻容(RC),标准晶体/陶瓷(XT),高速晶体/陶瓷(HS),低频晶体(LP)。,在选择合适的电压和晶振的情况下,其功耗可以降到微安级(如SLEEP模式下,功耗只为 1μA,工作电压为3.0V,工作频率为32kHz时,功耗为15μA[1]);其外围器件减少,功耗自然可以降低;即使使用了较高的晶振频率,由于CPU内部有一个特殊功能寄存器DIVM可以对时钟分频,从而达到节电目的。PIC系列单片机有睡眠方式,在空闲时可以设置为低功耗工作方式,非空闲时,用看门狗、中断等方式唤醒。
在其他元器件的选用上,尽量采用低功耗器件,如无线收发模块选用超低功耗无线收发模块PTR4000,其最大工作电流仅为18mA,在掉电模式下仅为1uA.
总之,在以PIC单片机为核心的控制硬件电路设计上,采用及筛选低功耗的电子元件与集成电路,进行低功耗线路设计和线路板优化;在软件控制上采用降低功耗的休眠技术及采样周期优化,以期达到最大限度地降低计量仪表功耗,延长电池寿命。
3.2无线温度采集流程
系统实现无线温度采集步骤:发射模块的单片机上电复位后,配置其端口的输入输出状态,此时应是PTR处于非掉电状态,然后开始组织配置数据,设置CE=0,CS=1,将120位的配置数据传入PTR4000,传送完毕后设置CS=0,完成配置,再设置PWR=1,CE=1,调用测温子程序,测量5个温度值,温度值经组织后传入PTR4000,置CE=0,发射数据,延时100us,等待发射完毕,置PWR=0,将PTR设置为掉电模式,然后将PIC的所有I/O口设置为输入状态,最后进入SLEEP模式,等待WDT唤醒,然后重复次发射过程。。接收模块的单片机上电复位后,也是配置其端口的输入输出状态,此时应是PTR处于非掉电状态,然后开始组织配置数据,设置CE=0,CS=1,将120位的配置数据传入PTR4000,传送完毕后设置CS=0,完成PTR的配置,然后配置串口,使能串行中断和全局中断,再设置CE=1,PTR4000处于接受状态,等待DR1的电平发生变化后,接受数据及完成数据处理、数字滤波,并把采集来的温度值转换为ASCⅡ码传送给上位机。
4.结论
本设计中的数字化无线温度传感器具有性能可靠、功耗极低、构造简洁、使用安全等一系列优点。其测温范围在0℃~100℃之间,传感器采用具有12位转换精度的单线温度传感器DS18B20,测温精度可达±0.0625℃,射频模块选用PTR4000,无线传输距离大于50米,静态功耗电流小于3,这些指标大大高于设计指标的要求。
参考文献
[1].张宝.基于nRF905和DS18B20的无线温度采集系统设计[J].中国新技术新产品,2010,(02)
[2].王振,胡清,黄杰.基于nRF24L01的无线温度采集系统设计[J].电子设计工程,200,(12)
[3].李余庆,张华,刘继忠.基于DS1820的无线温度采集系统的设计[J].微计算机信息,2009,(09)
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低功耗模拟前端电路设计
超低功耗、高集成的模拟前端芯片MAX5865是针对便携式通信设备例如手机、PDA、WLAN以及3G无线终端 而设计的,芯片内部集成了双路8位接收ADC和双路10位发送DAC,可在40Msps转换速率下提供超低功耗与更高的动态性能。芯片中的ADC模拟输入放大器为全差分结构,可以接受1VP-P满量程信号;而DAC模拟输出则是全差分信号,在1.4V共模电压下的满量程输出范围为400mV。利用兼容于SPITM和MICROWIRETM的3线串行接口可对工作模式进行控制,并可进行电源管理,同时可以选择关断、空闲、待机、发送、接收及收发模式。通过3线串口将器件配置为发送、接收或收发模式,可使MAX5865工作在FDD或TDD系统。在TDD模式下,接收与发送DAC可以共用数字总线,并可将数字I/O的数目减少到一组10位并行多路复用总线;而在FDD模式下,MAX5865的数字I/O可以被配置为18位并行多路复用总线,以满足双8位ADC与双10位DAC的需要。
1 MAX5865的工作原理
图1所示为MAX5865内部结构原理框图,其中,ADC采用七级、全差分、流水线结构,可以在低功耗下进行高速转换。每半个时钟周期对输入信号进行一次采样。包括输出锁存延时在内,通道I的总延迟时间为5个时钟周期,而通道Q则为5.5个时钟周期,图2给出了ADC时钟、模拟输入以及相应输出数据之间的时序关系。ADC的满量程模拟输入范围为VREF,共模输入范围为VDD/2±0.2V。VREF为VREFP与VREFN之差。由于MAX5865中的ADC前端带有宽带T/H放大器,因此,ADC能够跟踪并采样/保持高频模拟输入>奈魁斯特频率 。使用时可以通过差分方式或单端方式驱动两路ADC输入IA+ QA+ IA-与QA- 。为了获得最佳性能,应该使IA+与IA-以及QA+与QA-间的阻抗相匹配,并将共模电压设定为电源电压的一半VDD/2 。ADC数字逻辑输出DA0~DA7的逻辑电平由OVDD决定,OVDD的取值范围为1.8V至VDD,输出编码为偏移二进制码。数字输出DA0~DA7的容性负载必须尽可能低<15pF ,以避免大的数字电流反馈到MAX5865的模拟部分而降低系统的动态性能。通过数字输出端的缓冲器可将其与大的容性负载相隔离。而在数字输出端靠近MAX5865的地方串联一个100Ω电阻,则有助于改善ADC性能。
MAX5865的10位DAC可以工作在高达40MHz的时钟速率下,两路DAC的数字输入DD0~DD9将复用10位总线。电压基准决定了数据转换器的满量程输出。DAC采用电流阵列技术,用1mA1.024V基准下 满量程输出电流驱动400Ω内部电阻可得到±400mV的满量程差分输出电压。而采用差分输出设计时,将模拟输出偏置在1.4V共模电压,则可驱动输入阻抗大于70kΩ的差分输入级,从而简化RF正交上变频器与模拟前端电路的接口。RF上变频器需要1.3V至1.5V的共模偏压,内部直流共模偏压在保持每个发送DAC整个动态范围的同时可以省去分立的电平偏移设置电阻,而且不需要编码发生器产生电平偏移。图2(b)给出了时钟、输入数据与模拟输出之间的时序关系。一般情况下,I通道数据ID 在时钟信号的下降沿锁存,Q通道数据QD 则在时钟信号的上升沿锁存。I与Q通道的输出同时在时钟信号的下一个上升沿被刷新。
3线串口可用来控制MAX5865的工作模式。上电时,首先必须通过编程使MAX5865工作在所希望的模式下。利用3线串口对器件编程可以使器件工作在关断、空闲、待机、Rx、Tx或Xcvr模式下,同时可由一个8位数据寄存器来设置工作模式,并可在所有六种模式下使串口均保持有效。在关断模式下,MAX5865的模拟电路均被关断,ADC的数字输出被置为三态模式,从而最大限度地降低了功耗;而空闲模式时,只有基准与时钟分配电路上电,所有其它功能电路均被关断,ADC输出被强制为高阻态。而在待机状态下,只有ADC基准上电,器件的其它功能电路均关断,流水线ADC亦被关断,DA0~DA7为高阻态。
图2
2 MAX5865的典型应用
Abstract: With the continuous development of the technology of the Internet of things, people's expectations and definition of the family no longer stick to the traditional way of life. The smart home has become a hot research in the field of information technology in recent years. In this paper, the smart home design of Internet of things is based on FPGA technology. It can collect the information of temperature, humidity and light intensity in real time, implement the environmental control system, intelligent fish raising system, intelligent food and beverage systems, multimedia control system, security alarm system and other functions, and provide new physical network smart home life experience for the users.
关键词:智能家居;FPGA;ZigBee;无线传感器节点
Key words: smart home;FPGA;ZigBee;wireless sensor node
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1006-4311(2016)18-0068-02
0 引言
智能家居系统的概念起源于上世纪70年代的美国,随后,传播到欧洲、日本等国并且得到了很好的发展。在我国,智能家居这一概念推广较晚,约在90年代末家居智能化系统才得以进入国内,但发展速度惊人。随着物联网技术的不断发展,根据人们需求而开发设计的智能家居系统拥有更加优越及复杂的配置,可以将家庭中各种通信设备、家用电器以及家庭保安装置通过物联网技术连接起来,实现环境控制、养鱼养花、烧水煮饭、多媒体控制及安全报警等功能,并可以异地监控、管理、报警,为住户提供安全舒适、高效便利的学习生活及工作环境。
由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准,许多公司开发出的产品都是基于自己组网和信息交换协议,很多产品是针对特定的组网环境开发的,部分核心技术没有对外公布,技术复杂,直接导致了使用范围的局限性。再者,缺乏对应的第三方产品,各个接入设备之间不能兼容,互操作性差,不利于产品的扩充,因而进一步局限了产品的发展。再加上有的系统成本过高,严重影响了产品的普及。本文通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台,利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点,实现了物联网智能家居控制部分的设计,能够满足家居需要。
1 FPGA在物联网智能家居中的应用
目前常见的智能家居系统大多基于ARM的嵌入式系统,这类系统并不能同时支持多种无线通信协议。通过整合多种无线通信控制方式,来实现基于FPGA的物联网智能家居控制器,为智能家居的控制领域探索了一种新可行性的方法。利用FPGA芯片可自由定制以及接口灵活性的特点,设计智能家居控制器各个模块,相比ARM单片机支持串口少的短板,可以使系统在同一时刻支持多种通信方式,从而使系统具有更高的适应性和可扩展性,能够同时控制多达31个家用电器,基本满足日常家居需要。基于FPGA的物联网智能家居在设计实现的过程中,使用了Quartus II等集成开发环境,以及ModelSim专业仿真工具,利用Verilog HDL硬件描述语言,在Altera公司的DE2开发板上进行开发设计。
2 基于FPGA的物联网智能家居设计
2.1 系统功能
基于FPGA的物联网智能家居系统能够最大限度地使家居更加智能化,其三大关键功能是通过网络信息终端进行信息的获取、处理以及,进行信息的及时反馈;对相应的单元以及一些机构进行控制,实现实时监测;兼容性一定要足够强大。该系统特色功能具体如下:
①环境控制系统:对室内温度、湿度、亮度进行实时测量,通过人设模式控制空调、加湿器、窗帘、灯光等设备达到宜居的室内环境;②智能养花系统:通过测量相关参数,提供浇水、施肥、遮盖阳光等功能,可以远程监控养花,或者自动养花;③智能养鱼系统:通过测量相关参数,提供补氧、喂食、控温、换水等功能,可以远程监控养鱼,或者自动养鱼;④智能餐饮系统:通过控制烧水壶、微波炉、电饭锅等设备电源及煤气开关,完成烧水、蒸煮、烹饪等功能,可以远程监控完成或自动完成;⑤多媒体系统:通过开关控制,可以远程操控电视、音响、电脑等设备;⑥完全报警系统:通过测量相关水电气参数或者红外感知参数,对室内实时监控,如有危险提示则报警。
2.2 系统架构
该系统是以单个家庭为单位进行安装,智能家居控制台采用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱,ZigBee中心节点采集环境信息。FPGA相当于智能家居系统中的管理中心,其核心是采用Altera公司推出的32位高性能软处理器nios2与每个子节点连接。管理中心通过串口可根据接收到的ZigBee中心节点数据进行处理,并通过家庭总线系统与其他节点设备进行关联操作,实现家庭环境的监测与管理,从而为用户提供安全、舒适的生活或工作环境。智能家居控制器系统结构图如图1所示。
2.3 硬件结构
2.3.1 FPGA部分
系统的核心控制部分由FPGA实现,其设计思路是:采用Altera公司DE2-70开发平台来完成系统设计,从ZigBee网络传输过来的数据经过串口后存储到DE2-70开发板上的SDRAM中,在FPGA控制平台上,由Altera的IP核构成Nios II软核,并植入FPGA芯片中,然后通过软件编写来实现FPGA控制平台的功能,然后系统从SDRAM中读取数据后将温度、湿度等信息显示在LCD液晶屏上。FPGA系统的Nios II软核结构如图2所示。
2.3.2 无线传感器节点
无线传感器模块由ATMEGA128和CC2420组成,CC2420通过SPI总线连接到ATMEGA128。CC2420是Chipcon As公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器,该器件包括众多额外功能,是第一款适用于ZigBee产品的RF器件。该模块能够在低电压低频率模式下开始工作,同时能够进行低功耗操作,还能够支持许多种不同的低功耗模式,例如睡眠模式以及深度睡眠模式等,都是可以实现的,从而达到系统更加智能化的目的。无线传感器模块如图3所示。
2.3.3 ZigBee中心节点
ZigBee中心节点使用大唐移动公司研制的智能家居控制试验箱配套产品,模块内嵌工作频率2.4GHz基于IEEE802.15.4标准的ZigBee通信协议,支持最新的RS232串行模式,在此标准通信协议下,经测试,ZigBee中心节点每次接力通信都能在75m范围内提供250kbps的速率,能在网状或多次跳接无线网络内支持串行数据路由,速率最高可达38.4kbps,能够达到目前国内产品的最好性能,完整体现了最新ZigBee网络层的强大功能。
3 结论
本系统通过FPGA构建了一个嵌入式控制处理平台, 利用FPGA技术低功耗、定制性高、扩展性强、接口灵活等优点,实现了物联网智能家居控制部分的设计。最终通过Altera公司的DE2开发板验证,本控制系统在板载50MHz的时钟频率下稳定运行,实验结果达到了预期目标。该系统中的部分模块已在我学院SMT实训基地自主开发研制并生产。另外以该系统项目为例,通过翻转课堂教学模式激发了学生的实践操作能力、创新能力,对在研课题具有较好的理论价值和实际意义。
参考文献:
[1]韩德强.嵌入式家庭控制器系统的设计与实现[J].电子技术应用,2008(3):23-25.
[2]文璧,张洁,徐谦.基于无线射频与FPGA技术的数据采集系统[J].中国测试,2009.
关键词 CCD 宽度测量 蓝牙4.0 非接触测量
中图分类号:TB96 文献标识码:A
Width Measurement System Design Based on Array CCD
LI Sha
(School of Physics and Mechanical and Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan, Hubei 430205)
Abstract Proposed width of the non-contact measurement system based on CCD array, introduced the measurement principle and hardware of the system components, the use of Bluetooth 4.0 technology for wireless transmission of acquired signals to the computer. Experiment with different widths of steel were measured, the results show that the system measurement error is small, the effect is good, has some practical value.
Key words CCD; width measurement; Bluetooth 4.0; non-contact measurement
0 引言
CCD(Charge Coupled Device),电荷耦合器件,是贝尔实验室在20世纪60年代末期发明的图像传感器。由于其在检测方面的独特空间特性和结构特性,CCD自问世以来便广泛应用于光电检测领域,尤其在工业在线检测领域具有不可替代的地位。与传统的机械式、电磁式、光学式检测技术相比,基于CCD传感器的非接触式检测技术在尺寸检测的智能化和自动化方面体现出明显的优势。文献[1]提出一种基于面阵 CCD 和激光辅助的测宽系统用于在线测量钢板宽度。文献[2]采用两个面阵CCD的图像拼接方法实现对 130mm的大尺寸轴径的高精度测量,并就图像拼接时需要注意的问题进行了说明。文献[3]介绍了一种基于面阵CCD的振动非接触测量系统,并对该系统参数的确定方法和系统所采集的序列运动图像的处理方法进行了分析。本文介绍一种基于面阵CCD的宽度测量系统,并运用蓝牙4.0技术实现图像信息的传输。蓝牙4.0整合包括传统蓝牙技术、蓝牙低耗能技术和蓝牙高速技术,低功耗是蓝牙4.0的突出特点,使其在短距无线应用和便携式操作控制方面具有优势。
1 硬件系统组成
基于面阵CCD的非接触测量系统的硬件部分由面阵 CCD、传感器固定附件、图像采集模块以及计算机组成,如图1所示。CCD将被测物体成象后的光信号转换为电信号,图像采集模块则进行模数转换获得相应的数字信号,运用蓝牙4.0技术实现信号的无线传输,通过计算机上的图像处理软件对获取的图像进行处理、提取,最终将计算的测量结果输出。
1.1 CCD图像传感器
CCD图像传感器将光学信号直接转换为对应大小的模拟电流信号,再经放大和模数转换从而实现图像的获取、存储、传输和处理。根据感光单元的排列方式不同,CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两大类。前者价格低廉,结构简单,适用于一维动态目标的测量,但在获取二维图像时需配以运动扫描,获取时间长且测量效率低,不适于高精度的平面曲线轮廓检测;后者则应用面较广,可以获取二维图像信息,测量图像直观,适合测量面积、尺寸、位置、形状甚至温度等信息。面阵CCD图像传感器是感光单元有序排列成二维网状的传感器,因其具备自扫描特性,能够把光学图像变换成按空间域分布的离散电压信号,再通过计算机系统进行处理,就可以完全实现高精度、高分辨率检测。①
图1 测量系统框图
图2 CCD检测原理
用面阵CCD的非接触测量物体宽度的原理如图2所示,光源发出的均匀光线照在被测物体上,其宽度信号通过成象物镜成象在面阵CCD的光敏面上,CCD再将光信号转换成对应的模拟电信号。
1.2 蓝牙4.0
蓝牙无线技术是使用范围最广泛的全球短距离无线标准之一,蓝牙4.0包括了传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙三种蓝牙技术。②③低功耗技术(Low Energy)是蓝牙4.0的核心,其最大的特点是运行功耗和待机功耗极低,只需一粒纽扣电池便可使蓝牙低功耗设备连续工作达数年之久,这种技术即为蓝牙4.0BLE。测量系统中,由CCD获取的模拟电信号经图像采集模块转换为数字信号后,采用蓝牙4.0技术传输至计算机端进行相应的处理。蓝牙无线传输技术可以实现非接触测量系统的便携式操作和户外应用。蓝牙4.0BLE不仅有低功耗特点,还具有高可靠性、高安全性、低成本、快速启动、瞬间连接的特点,其有效的传输距离较传统蓝牙有极大提高,可达60~100m。这些保证了测量系统的无线传输的可靠和高效,也大大提高了户外非接触测量的应用范围。
表1 钢板宽度测量记录
2 测量实验
为了检测系统的测量效果,实验选取10块不同宽度的钢板进行测量,选用激光光源照在被测钢板上,测量结果见表1。数据显示10次测量的误差8在0.1mm以内,10次测量误差的平均值为0.08743mm,测量效果是理想的。测量误差主要是因为系统中存在光学系统造成的误差、环境误差、设备误差等。
3 结语
本文介绍了一种简单易行的非接触式宽度测量系统,利用面阵CCD摄像机获取被测物体的图像,接着经图像采集模块进行模数转换,并通过蓝牙无线传输技术传送至计算机,再经图像处理获得宽度值。实验对10块不同的钢板进行测量,测量误差较小,效果理想,证明了本系统是可行的。
基金项目:湖北省教育厅科学研究计划资助项目(Q20133006)
注释
① 郭伟.基于面阵CCD的钢板几何尺寸测量系统的研究[D].太原科技大学硕士学位论文,2013.
② 欧阳骏,陈子龙,黄宁淋.蓝牙4.0BLE开发完全手册[M].北京:化学工业出版社,2013.4.
③ 张德龙.基于蓝牙 4.0 的无线扭矩测量分析[J].电子测试,2013.15:79-80,62.
参考文献
[1] 秦广胜,何对燕,商红林.一种新的激光辅助钢板宽度测量系统的实现[J].电子设计工程,2009.10:31-33.