電氣控制工程畢業(yè)設(shè)計（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本論文通過對虛擬控制技術(shù)應(yīng)用的深入研究，提出了一種基于通用控制平臺的虛擬控制對象設(shè)計。并對通用控制平臺硬件配置和控制對象的實現(xiàn)方法進(jìn)行了全面的設(shè)計。</p><p>　　本論文對通用控制平臺硬件電路的各功能模塊進(jìn)行了設(shè)計，各模塊主要從指標(biāo)、結(jié)構(gòu)組成、原理設(shè)計等幾個部分展開。根據(jù)實際控制對象的信號特點以

2、及實驗仿真的需要，運(yùn)用模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和單片機(jī)接口技術(shù)等知識，設(shè)計了模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、通信模塊、人機(jī)接口模塊、電源模塊等。</p><p>　　基于硬件平臺，選取了電子鐘以及儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)作為典型控制對象進(jìn)行了仿真。為了在設(shè)計的硬件平臺上進(jìn)行實驗室仿真其控制過程，設(shè)計了控制器、控制對象和計算機(jī)組成為一套完整的仿真系統(tǒng)。</p><p>

3、;　　通過Modbus協(xié)議，實現(xiàn)與上位機(jī)的通信，通過VB與組態(tài)的DDE連接將被控對象的仿真結(jié)果以動畫的形式顯示出來。</p><p>　　通過對基于通用控制平臺的虛擬控制對象設(shè)計，能夠方便的仿真出多種實際的控制對象的工作過程，歷史曲線等，不用采取復(fù)雜的物理模型，不用進(jìn)入到設(shè)備現(xiàn)場即可完成對這些典型控制對象的工作原理和工作過程的認(rèn)識。</p><p>　　關(guān)鍵詞：通用控制平臺 控制對象仿真

4、 硬件電路 電子鐘 儲液罐</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper based on virtual control technology applied research, put forward a kind of universal control platform based on virtual con

5、trol object design.And the universal control platform hardware configuration and control object of the realization methods of the comprehensive design.</p><p>　　This paper gives the platform from overall des

6、ign scheme, and expounds scheme formation from control engineering simulation angle. The platform hardware circuit modules are designed in the paper and roughly every module is designed from main indexs, structures,desig

7、n principles and other several aspects. On the basis of fully understanding signal features of processing control occasions, simulation and measurement needs, using analog electronic technology, digital electronic techno

8、logy and singl</p><p>　　Keywords: universal control platform, control object simulation, hardware circuit design, electronic clock, reservoir</p><p><b>　　目錄</b></p><p>&

9、lt;b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)2</p><p>　　1.3 課題設(shè)計目標(biāo)4</p><p>　　1.4 課題設(shè)計內(nèi)容4</p><p>　　1.5 課題設(shè)計的特色與優(yōu)勢5</p>

10、;<p>　　2 通用控制平臺設(shè)計方案6</p><p>　　2.1 方案選擇6</p><p>　　2.2 總體設(shè)計方案6</p><p>　　2.3 硬件電路設(shè)計方案9</p><p>　　2.4 控制對象實現(xiàn)過程13</p><p>　　3 平臺硬件功能模塊設(shè)計15</p>

11、;<p>　　3.1 模擬量輸入模塊15</p><p>　　3.2 模擬量輸出模塊18</p><p>　　3.3 開關(guān)量輸入模塊21</p><p>　　3.4 開關(guān)量輸出模塊24</p><p>　　3.5 人機(jī)接口模塊26</p><p>　　3.6 RS-485通信模塊30</

12、p><p>　　3.7 供電電源模塊31</p><p>　　4 控制對象仿真之電子鐘35</p><p>　　4.1虛擬電子鐘系統(tǒng)概述35</p><p>　　4.2 電子鐘被控對象設(shè)計36</p><p>　　4.3 電子鐘控制器設(shè)計42</p><p>　　4.4 電子鐘仿真結(jié)果

13、51</p><p>　　5 控制對象仿真之儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)55</p><p>　　5.1儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)概述55</p><p>　　5.2 儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)被控對象設(shè)計56</p><p>　　5.3 儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)控制器設(shè)計60</p><p>　　5.4 儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)仿真結(jié)果65</p>

14、<p>　　6 系統(tǒng)性能的改善與提高69</p><p><b>　　7 總結(jié)70</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)71</b></p><p><b>　　致謝73</b></p><p><b>　　附錄74</b&g

15、t;</p><p>　　附錄1 外文文獻(xiàn)74</p><p>　　附錄2 文獻(xiàn)翻譯80</p><p>　　附錄3 畢業(yè)設(shè)計總原理圖86</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義</p><p>　　1.

16、1.1 研究背景</p><p>　　虛擬控制技術(shù)是設(shè)計制造領(lǐng)域的一種高新技術(shù)。傳統(tǒng)新產(chǎn)品的設(shè)計需要經(jīng)歷“概念設(shè)計-物理實驗-重新設(shè)計與完善”這樣反復(fù)的設(shè)計流程，最終才進(jìn)行實際的投產(chǎn)，設(shè)計周期長，投入人力物力成本大，已經(jīng)不適應(yīng)于當(dāng)前激烈的競爭。采用虛擬控制技術(shù)，可以結(jié)合用戶需求，用最短時間開發(fā)出用戶接受的產(chǎn)品。虛擬控制最初應(yīng)用于軍事、制造等行業(yè)，目前已廣泛滲透于它可應(yīng)用于建模與仿真、教育與訓(xùn)練、科學(xué)計算可視化、

17、設(shè)計與規(guī)劃等多個方面。</p><p>　　目前，國內(nèi)多所高校及企業(yè)單位相繼開展了電氣信息類實驗教學(xué)裝置的研究[1-5]，取得了一定的成果。基于某個教學(xué)實際，針對某門或某幾門課程，對于某個主體學(xué)科，或者基于某一項或幾項技術(shù)，作為研究的出發(fā)點，但研究的成果雖然針對性強(qiáng)、但是在通用性、先進(jìn)性、集成性等方面有不足。</p><p>　　本課題根據(jù)對實際控制對象進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試的經(jīng)驗，針對當(dāng)前高校電氣

18、信息類專業(yè)實驗教學(xué)裝置的不足，采用虛擬控制技術(shù)，綜合運(yùn)用電子技術(shù)、計算機(jī)控制技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等技術(shù)成果，開發(fā)了基于C8051F單片機(jī)的虛擬控制對象通用平臺。該虛擬控制平臺在同一硬件平臺上集成不同控制對象的仿真算法，能仿真多種實際控制對象，對提高我國實驗教學(xué)裝備水平及虛擬控制技術(shù)的應(yīng)用具有重要作用。</p><p>　　1.1.2 研究意義</p><p><b>　　

19、（1）實驗教學(xué)意義</b></p><p>　　實驗教學(xué)方面，有利于加強(qiáng)實驗室設(shè)備的充實與完善，加強(qiáng)和改進(jìn)實驗教學(xué)，促進(jìn)貫徹理論教學(xué)和實驗教學(xué)并重的教學(xué)理念。一直以來，限于資金、設(shè)備的匱乏，電子信息、檢測與儀表、自動化等專業(yè)學(xué)生理論教學(xué)重視有余，而實驗教學(xué)與訓(xùn)練不足，直接導(dǎo)致學(xué)生的工程化意識沒有或不足，動手操作能力欠缺，創(chuàng)新能力不強(qiáng)，限制或者阻礙了學(xué)生綜合素質(zhì)的提高。本平臺的研制成功，可以以其低成本、

20、高性能的優(yōu)勢，彌補(bǔ)教學(xué)上的不足，使學(xué)生接受更多的控制對象實驗訓(xùn)練，更好的啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，更多的培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的高素質(zhì)人才。</p><p><b>　　（2）科學(xué)研究意義</b></p><p>　　教師、工程技術(shù)人員或理論研究人員研究某個算法或數(shù)學(xué)模型，一般要通過計算機(jī)仿真或者實際的工作現(xiàn)場來驗證，本平臺可以模擬實際工業(yè)控制對象[6]，將算法或數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到

21、本裝置的虛擬控制對象上，可以直觀地驗證算法的正確性和可行性。這對于經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論的研究有重要意義。</p><p><b>　?。?）工程應(yīng)用意義</b></p><p>　　提供一套通用硬件平臺，根據(jù)實際情況進(jìn)行嵌入式開發(fā)，可以滿足工業(yè)場合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)控制等功能；通過計算機(jī)軟件設(shè)計，該平臺可對工業(yè)過程中的實際控制對象進(jìn)行實驗室仿真，

22、構(gòu)造圖形化顯示界面，實驗人員可方便對樣機(jī)的參數(shù)進(jìn)行修改，仿真設(shè)計系統(tǒng)的性能與效果，加快產(chǎn)品研發(fā)與創(chuàng)新，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究動態(tài)</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)研究動態(tài)</p><p>　　據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)有34家科研機(jī)構(gòu)、高等院校和企業(yè)正在開展虛擬控制技術(shù)的研究。國家863/CIMS主題組也將“制造系統(tǒng)的可視化、虛

23、擬建模與仿真”確定為研究重點。國家自然科學(xué)基金也有專門的研究課題。國內(nèi)以清華大學(xué)、上海交大為主的高等院校正在開展基礎(chǔ)技術(shù)研究，正處于理論體系初步研究階段。其中清華大學(xué)CIMS工程研究中心虛擬制造研究室是國內(nèi)最早開展虛擬制造研究的機(jī)構(gòu)之一，目前該中心正在建立支持產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的虛擬制造平臺。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對虛擬樣機(jī)要求的相關(guān)技術(shù)如數(shù)據(jù)庫技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布交互仿真技術(shù)等已有一定的基礎(chǔ)。</p><p&

24、gt;　　國內(nèi)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究屬于起步發(fā)展階段，而將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)控制對象仿真通用平臺的研究，目前國內(nèi)尚未見報道。而開發(fā)可集成多種控制對象仿真的通用平臺，將會對推動國內(nèi)高校及科研單位開展虛擬控制技術(shù)的研究和普及起到示范引領(lǐng)作用。</p><p>　　1.2.2 國外研究動態(tài)</p><p>　　國外虛擬控制技術(shù)于上世紀(jì)九十年代初開始發(fā)展，其研究和應(yīng)用迅速得到許多研究機(jī)構(gòu)及軟件

25、供應(yīng)商的重視。目前，國外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)的軟件化過程已經(jīng)完成，較有影響的有美國機(jī)械動力公司（Mechanical Dynamics Inc，MDI）的ADAMS，CADSI的DADS，德國航天局的SIMPACK，其它還有Working Model、FLOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash等等。</p><p>　　以美國為首的西方國家，將虛擬控制技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)、汽車等領(lǐng)域并獲得了成

26、功，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。比如：波音777 全面應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，其整機(jī)設(shè)計、部件測試、整機(jī)裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機(jī)上完成的，使其開發(fā)周期從過去8年時間縮短到5年，甚至在一架樣機(jī)未生產(chǎn)的情況下就獲得了訂單。英國BAE系統(tǒng)公司利用計算機(jī)建模與仿真技術(shù)在EF2000多功能戰(zhàn)斗機(jī)的驗收試驗中，對戰(zhàn)斗機(jī)的抗自然閃電轟擊的能力進(jìn)行研究。在汽車制造領(lǐng)域經(jīng)典應(yīng)用是：福特（Ford）和克萊斯勒（Chrysler）公司與IBM合作開

27、發(fā)的虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制。在樣車生產(chǎn)之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設(shè)計缺陷，縮短了研制周期。由于實施了虛擬產(chǎn)品開發(fā)策略，F(xiàn)ord和Chrysler將他們新型汽車的開發(fā)周期由36個月縮短至24個月。</p><p>　　1.3 課題設(shè)計目標(biāo)</p><p>　　本課題的研究目標(biāo)是設(shè)計一種通用控制平臺，并在控制平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行控制對象仿真。其中主要包括兩大部分：</p&g

28、t;<p>　?。?）通用硬件平臺的設(shè)計。硬件部分，能夠用作通用控制器或虛擬控制對象，具有采集常見電量信號（模擬量、開關(guān)量、頻率量），并能夠輸出電壓或電流型控制量。該通用硬件平臺接口完備，應(yīng)包括：多路開關(guān)量輸入輸出接口、多路模擬輸入輸出接口、異步通信口、人機(jī)接口。該硬件平臺自帶保護(hù)功能，接線錯誤時不至于損壞；操作方便，可容易進(jìn)行關(guān)鍵模塊的更換；接口豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)。</p><p>　　（2）在硬件

29、基礎(chǔ)上，選擇某些實際控制對象進(jìn)行仿真。對控制思路、仿真算法、硬件連接以及計算機(jī)虛擬控制對象應(yīng)用軟件的研制提供范例。</p><p>　　1.4 課題設(shè)計內(nèi)容</p><p>　　本設(shè)計首先對總體的方案進(jìn)行了選擇與論證；分析了實際控制對象仿真用于實驗平臺的控制器設(shè)計、控制對象設(shè)計以及計算機(jī)圖形化顯示；用于數(shù)據(jù)采集時，描述了系統(tǒng)構(gòu)成及數(shù)據(jù)處理方法；本課題重點對平臺的硬件電路部分進(jìn)行了設(shè)計，包

30、括模擬量輸入/輸出通道、開關(guān)量輸入/輸出通道、人機(jī)接口、通信模塊、電源等的設(shè)計；最后選擇電子鐘與儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)作為具體的控制對象，詳細(xì)分析了硬件接口設(shè)計、仿真算法，控制流程，計算機(jī)根據(jù)控制器和控制對象的數(shù)據(jù)，將控制對象的運(yùn)動過程及物理規(guī)律以動畫的形式呈現(xiàn)。</p><p>　　1.5 課題設(shè)計的特色與優(yōu)勢</p><p>　　本課題設(shè)計的特色之處在于：調(diào)用不同的仿真對象軟件，虛擬控制對象

31、能夠接受控制器輸出的控制量，經(jīng)仿真算法形成特定受控對象的響應(yīng)，且將此種響應(yīng)轉(zhuǎn)換為與指定的傳感器相一致的電信號輸出，回饋給控制器?？刂破髋c控制對象和計算機(jī)連接，運(yùn)行過程的參數(shù)可以在計算機(jī)顯示，參數(shù)可設(shè)置或修改；以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，可以進(jìn)行動畫演示。</p><p>　　本課題設(shè)計的優(yōu)勢之處在于：</p><p>　　（1）控制對象參數(shù)易于改變。如做溫度控制實驗時，常規(guī)加熱器的參數(shù)已由物理模型本

32、身確定，是難以改變的。而在加熱器的虛擬樣機(jī)中，加熱器的參數(shù)可在計算機(jī)界面上設(shè)置。又如，在電梯物理模型中，樓層的層高是不可能或者是不易改變的，而在電梯虛擬樣機(jī)中，層高是可以設(shè)置的。改變了控制對象的參數(shù)，在同一控制算法下，控制對象的響應(yīng)就會發(fā)生變化，這有利加深對控制算法的理解。</p><p>　　（2）控制對象的響應(yīng)以動畫、曲線、表格形式顯示，形式直觀，容易對比，容易得出對控制效果的整體認(rèn)識和理解。采用物理模型則難

33、以形成控制對象的歷史響應(yīng)，而虛擬樣機(jī)模型既可方便給出實時響應(yīng)曲線，又方便地可給出歷史響應(yīng)曲線。</p><p>　?。?）可方便地改變仿真時間比例尺，故可提高實驗效率、實驗質(zhì)量。如進(jìn)行含有溫度控制的實驗，往往需經(jīng)歷數(shù)十分鐘以上的時間，溫度控制才能達(dá)到給定值。采用虛擬樣機(jī)控制對象，可通過調(diào)節(jié)時間比例，縮短實驗時間，通過改變控制器和控制對象的參數(shù)，獲得多個實驗結(jié)果。</p><p>　　2

34、通用控制平臺設(shè)計方案</p><p><b>　　2.1方案選擇</b></p><p>　　目前，控制裝置的研究主要遵循三種研究思路，一種是基于物理樣機(jī)或純硬件的實驗教學(xué)儀器，主要以東南大學(xué)、浙江天煌教儀和浙大工控等單位為代表；第二種是基于計算機(jī)軟件仿真的計算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，采用采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，主要是采用Matlab和Labview開發(fā)實驗裝置；第三種，就是硬件軟件結(jié)

35、合、具備控制對象仿真多功能實驗平臺的研制。綜合比較研發(fā)成本、安全性、操作性、易維護(hù)性、教學(xué)效果、科研用途等各方面，本課題選擇第三種方案作為最優(yōu)化選擇。</p><p>　　2.2 總體設(shè)計方案</p><p>　　本課題的設(shè)計目標(biāo)是設(shè)計一套控制對象仿真通用平臺，該平臺通過一定的硬件和軟件設(shè)計，能夠進(jìn)行控制對象仿真實驗。</p><p>　　2.2.1 用于控制對

36、象仿真的總體設(shè)計</p><p>　　平臺用作控制對象仿真時，需要硬件電路與計算機(jī)一起構(gòu)成回路系統(tǒng)，硬件電路分為控制器和控制對象，分別虛擬工程場合的實際控制器和實際控制對象；計算機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，主要是用于數(shù)據(jù)通信和信息處理、軟件虛擬再現(xiàn)實際工作狀況等。方案框圖如圖2.1所示。</p><p>　　硬件電路的控制器能夠采集過程控制對象傳感器輸出的0V-10V模擬電壓量、4-20mA模擬電流量

37、和開關(guān)量，運(yùn)行控制算法，計算出控制量，輸出電壓、電流、開關(guān)量等控制信號，用以控制被控對象的工作或運(yùn)行狀態(tài)；控制對象運(yùn)行反映某特定對象的仿真算法，輸出反映自身工作或運(yùn)行狀態(tài)的模擬電壓量、模擬電流量或開關(guān)量。</p><p>　　根據(jù)計算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)計算功能、圖形顯示功能、多任務(wù)軟件運(yùn)行功能以及數(shù)據(jù)通信和網(wǎng)絡(luò)通信功能，選擇計算機(jī)作為硬件下位機(jī)數(shù)據(jù)的處理中心，一些運(yùn)算的中間結(jié)果和數(shù)據(jù)能夠在計算機(jī)軟件上顯示出來，這些數(shù)據(jù)

38、能夠保存到數(shù)據(jù)庫；控制對象的工作或運(yùn)行狀況，能夠以動畫、曲線等形式顯示出來，從而生動的觀察到控制效果；計算機(jī)具有具有通用串行總線（USB）、串行口、網(wǎng)絡(luò)等通信方式，因此硬件下位機(jī)的數(shù)據(jù)可以方便傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，通過計算機(jī)和一定總線連接形式，組成網(wǎng)絡(luò)，方便集中管理。</p><p>　　硬件下位機(jī)和計算機(jī)的通信，采用RS232總線、RS485總線或Internet進(jìn)行，前兩種通信方式可以組網(wǎng)實驗，多臺計算機(jī)之間可以通過

39、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，硬件下位機(jī)之間也可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互間的數(shù)據(jù)通信。平臺實現(xiàn)Internet網(wǎng)絡(luò)接入實現(xiàn)遠(yuǎn)程實驗仿真的的常見方法是通過以太網(wǎng)服務(wù)器，客戶端通過訪問服務(wù)器并發(fā)出控制命令從而達(dá)到對多臺計算機(jī)的控制功能[7]。</p><p>　　圖2.1 控制對象仿真方案框圖</p><p>　　用于數(shù)據(jù)采集的總體設(shè)計</p><p>　　平臺硬件用于多參數(shù)測量場合，

40、能夠采集儀器儀表輸出的標(biāo)準(zhǔn)模擬量、開關(guān)量、頻率量信號，控制器對接收的信號進(jìn)行處理，然后輸出控制信號，測量平臺可以選擇多種通信方式對外通信；多個測量平臺可以組成測控網(wǎng)絡(luò)。方案框圖如圖2.2所示。</p><p>　　硬件平臺具有通用的信號轉(zhuǎn)換接口，能夠接收標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的模擬電壓、模擬電流信號或其它類型電平信號，經(jīng)過信號調(diào)理通道后，控制器能夠?qū)π盘柌蓸硬⑻幚?。根?jù)任務(wù)要求，平臺硬件運(yùn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理算法或控制算法，

41、通過一定的通信手段對外數(shù)據(jù)傳輸，控制端口能夠輸出控制信號對繼電器、報警器等外部設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動，完成測控任務(wù)。</p><p>　　硬件電路通信方式靈活、多樣，可以選擇有線或無線方式，以適應(yīng)不同的傳輸需要。</p><p>　　由于硬件所具有的網(wǎng)絡(luò)工作能力，一臺或數(shù)臺設(shè)備可以聯(lián)合工作，需要通過一臺計算機(jī)來進(jìn)行管理，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、處理及顯示。另外，也可以通過手持終端向測控平臺發(fā)送命令，進(jìn)

42、行數(shù)據(jù)讀取和接收，這樣可以滿足移動工作的需要。</p><p>　　圖2.2數(shù)據(jù)采集方案框圖</p><p>　　2.3 硬件電路設(shè)計方案</p><p>　　2.3.1 單片機(jī)選型</p><p>　　單片機(jī)選型主要考慮因素有：</p><p>　　1. 集成度高，資源豐富。隨著半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，片上系統(tǒng)成為集

43、成電路的主要解決方案，能夠在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)。目前的片上系統(tǒng)單片機(jī)，包括中央處理器、存儲器、晶體振蕩器、外圍電路等全部集成于單個芯片上，很多功能都能夠具備，免去了用戶的開發(fā)設(shè)計工作，這樣就可以最大限度的滿足用戶需求。</p><p>　　2．處理速度。單片機(jī)的速度是指執(zhí)行指令的速度，它與所采用的晶振頻率有一定關(guān)系，一般來講晶振頻率越高執(zhí)行指令的速度越快。</p><p>　　3

44、．工作穩(wěn)定，性能良好?；谄舷到y(tǒng)的設(shè)計方案，現(xiàn)在的單片機(jī)普遍具有模擬信號、數(shù)字信號的混合信號處理功能，在這樣的情況下，保證做到模擬信號和數(shù)字信號的各自性能指標(biāo)，既讓兩者相互獨立、又能很好的統(tǒng)一到一塊芯片上。</p><p>　　4．嵌入式開發(fā)方便?；趩纹瑱C(jī)的應(yīng)用開發(fā)，該單片機(jī)應(yīng)支持常用的匯編語言和C語言的程序設(shè)計語言；開發(fā)方式應(yīng)該是在線式，提高開發(fā)速度和效率；開發(fā)對象主要是面向寄存器的操作；配套開發(fā)軟件應(yīng)該功

45、能強(qiáng)大，同時簡便易學(xué)，方便使用。</p><p>　　另外，價格、兼容性、功耗、接口資源、售后服務(wù)、開發(fā)人員使用偏好等也是單片機(jī)選型的重要考慮因素。</p><p>　　在基于上述選型要點，選擇美國Cygnal公司的C8051F單片機(jī)作為本課題的平臺硬件核心和控制核心。該公司單片機(jī)型號眾多，各具體型號產(chǎn)品有一定的差異性，主要特點是資源豐富、性能好、高速處理、價格低、適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用、混合信

46、號處理。根據(jù)設(shè)計的要求以及單片機(jī)自身特點，從C8051F家族中選擇C8051F020[8]、C8051F350[9]、C8051F340[10]這三個型號的單片機(jī)作為硬件平臺的核心。</p><p>　　C8051F020單片機(jī)主要資源為：模擬外設(shè)部分，有8路12位逐次比較型ADC（轉(zhuǎn)換速率可調(diào)，最大可達(dá)100ksps，放大器增益可調(diào)，最大倍數(shù)為16倍），2路12位DAC輸出，2個模擬比較器；數(shù)字外設(shè)部分，有64

47、個I/O端口，5個通用定時器，硬件SMBus(I2CTM兼容)、SPI及2個UART串口，還提供看門狗定時器和復(fù)位引腳；存儲器部分，含有4352字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM（4K+256），64K字節(jié)在系統(tǒng)編程FLASH存儲器和外部64K字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器接口；時鐘源部分，具有內(nèi)部2-16MHz可編程振蕩器和外部振蕩器（晶體、RC、C、或外部時鐘）。</p><p>　　C8051F350單片機(jī)主要資源為：模擬外設(shè)部分，8路2

48、4位ADC輸入（轉(zhuǎn)換速率可調(diào)，最高可達(dá)1 ksps，每一路均含有可編程增益放大器，最大放大倍數(shù)為128倍，可以內(nèi)部偏移量或增益校準(zhǔn)），2路8位電流輸出型DAC（輸出電流可調(diào)，最大輸出為2mA），一個可編程電壓比較器；數(shù)字外設(shè)部分，，提供UART、SMBus和增強(qiáng)型SPI串口，4個通用16位計數(shù)器/定時器，3個捕捉/比較模塊；存儲器部分，內(nèi)部RAM 768字節(jié)（256+512），8KB在系統(tǒng)編程的；時鐘源部分，內(nèi)部振蕩器頻率為24.5MH

49、z、精度±2%，外部振蕩器為晶體、RC、C、或外部時鐘，時鐘乘法器可產(chǎn)生50MHz內(nèi)部時鐘。</p><p>　　C8051F340單片機(jī)主要資源為：模擬外設(shè)部分，21路10位ADC，2個比較器；數(shù)字外設(shè)部分，25個I/O端口，硬件增強(qiáng)型SPI、SMBus和2個增強(qiáng)型UART串口，4個通用16位計數(shù)器/定時器，16位可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），有5個捕捉/比較模塊；USB2.0控制器，可工作于全

50、速(12Mbps)或低速(1.5Mbps)方式；存儲器部分，4352字節(jié)數(shù)據(jù)RAM，64K字節(jié) FLASH；時鐘源部分，0.25%的精度的內(nèi)部振蕩器，外部振蕩器（晶體、RC、C、或外部時鐘）。</p><p>　　2.3.2 硬件電路設(shè)計要求</p><p>　　根據(jù)選型的三款單片機(jī)不同特點，將每個單片機(jī)進(jìn)行外部功能擴(kuò)展，從而組成三個不同的單片機(jī)系統(tǒng)。硬件平臺中他們的分工為：020單片機(jī)

51、用作主控制器，平臺的主要信號處理（模擬量信號采集與輸出、數(shù)字量信號采集與輸出、脈沖量信號采集等）、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)通信等由它完成；350分擔(dān)一部分信號采集與處理，主要是實現(xiàn)信號的高精度采集；340用作通信中心，通過串行口擴(kuò)展，可以方便地與其他設(shè)備進(jìn)行通信兼容擴(kuò)展，通過USB實現(xiàn)與計算的高速通信；340獲取020、350處理完成的數(shù)據(jù)，通過不同的通信方式將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)或者其他終端設(shè)備。單片機(jī)之間的工作關(guān)系框圖2.3所

52、示。</p><p>　　圖2.3 硬件平臺單片機(jī)系統(tǒng)工作關(guān)系</p><p>　　為使所設(shè)計平臺完成控制對象仿真的任務(wù)，需要硬件上具備以下設(shè)計要求：</p><p>　　1．設(shè)計48路的開關(guān)量輸入通道。每個輸入通道具備完善的保護(hù)措施，在發(fā)生錯誤接線時（接入過大正電壓或負(fù)電壓）不至于損壞單片機(jī)或其他部分。該通道對輸入0~1V幅值范圍的信號理解為低電平，2.5V以上

53、的信號電平應(yīng)被理解為高電平。輸入的高低電平可硬件通過發(fā)光二極管指示。</p><p>　　2．設(shè)計48路的開關(guān)量輸出通道。開關(guān)量輸出通道應(yīng)具有一定的電壓驅(qū)動能力或電流輸出能力。當(dāng)有開關(guān)量輸出高低電平時，可通過硬件方式發(fā)光二極管進(jìn)行狀態(tài)指示。</p><p>　　3．設(shè)計16路模擬量輸入通道。每個輸入通道能實現(xiàn)對模擬量輸入信號的限幅、濾波調(diào)理，能對模擬輸入信號進(jìn)行一定的放大與衰減，并且能夠?qū)?/p>

54、現(xiàn)電壓信號或電流信號的輸入并轉(zhuǎn)化為單片機(jī)AD可以采集的電平范圍。輸入通道放大倍數(shù)可調(diào)，輸入的模擬信號可以是單端方式或差分方式，能夠?qū)ξ⑷跣盘栠M(jìn)行放大及采集。</p><p>　　4．設(shè)計20路的模擬量輸出通道。輸出通道應(yīng)能輸出-10V~10V范圍的的模擬電壓，-20mA~20mA范圍的模擬電流，輸出信號幅值可根據(jù)寫入的控制字的不同方便地調(diào)節(jié)，通過短路套連接可方便選擇電壓型或電流型模擬量信號輸出。輸出電壓信號時，應(yīng)

55、為低阻輸出狀態(tài)，輸出電流信號時應(yīng)為高阻輸出狀態(tài)。</p><p>　　5．通信方式可選，可以提供符合RS485通信規(guī)范的接口。</p><p>　　6．具有對單片機(jī)有限的串口資源進(jìn)行擴(kuò)展，具有至少6路串行接口。</p><p>　　7．具有鍵盤、顯示接口，可顯示漢字、引文字符，有圖片顯示功能，。</p><p>　　8．?dāng)U展外部非易失性數(shù)據(jù)存

56、儲器，至少64KB以上外擴(kuò)空間。</p><p>　　9．上述資源應(yīng)由一個單片機(jī)統(tǒng)一管理，以減少上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。</p><p>　　10．易于與同類硬件平臺組網(wǎng)。</p><p><b>　　11．穩(wěn)壓電源。</b></p><p>　　硬件平臺系統(tǒng)組成模塊框圖如圖2.4所示。</p><p>　

57、　圖2.4 硬件平臺組成模塊框圖</p><p>　　2.4 控制對象實現(xiàn)過程</p><p>　　1．硬件平臺的設(shè)計。根據(jù)選擇C8051F單片機(jī)，分析其接口特性，采用模擬電子技術(shù)和數(shù)字電子技術(shù)以及單片機(jī)接口技術(shù)，進(jìn)行單片機(jī)外圍電路的設(shè)計。利用電路仿真軟件Multisim對設(shè)計的硬件電路進(jìn)行仿真，通過仿真或計算確定電路參數(shù)。利用Protel 99 SE軟件進(jìn)行制作PCB板，然后在PCB上

58、焊接元器件并進(jìn)行電路功能測試，從而完成整個硬件平臺的研制。</p><p>　　2．對象的數(shù)學(xué)模型的建立。根據(jù)控制對象運(yùn)行規(guī)律及實際調(diào)試經(jīng)驗，按照機(jī)理法來建立傳遞函數(shù)模型，然后盡量采用簡約化處理逐步逼近真實模型。對于無法運(yùn)用機(jī)理法來建模的，可以采用系統(tǒng)辨識的方法( 一般采用最小二乘法)來建立相應(yīng)的模型。</p><p>　　3．控制器控制算法。對于控制算法方面，根據(jù)控制對象的特點以及要完成

59、的控制任務(wù)，選用不同的控制算法。</p><p>　　4．控制器與控制對象下位機(jī)程序開發(fā)。由于Keil具有庫函數(shù)豐富和開發(fā)調(diào)試方便的特點，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性、可移植性等方面有明顯的優(yōu)勢，因此通過在Keil軟件開發(fā)平臺上對C8051F單片機(jī)進(jìn)行C語言編程。</p><p>　　5．參數(shù)設(shè)定與顯示界面設(shè)計。選用計算機(jī)面向?qū)ο缶幊陶Z言Visual Basic，計算機(jī)與下位機(jī)

60、通過RS232或RS485進(jìn)行通信獲取數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并在對象框中顯示，一方面用于觀察下位機(jī)運(yùn)行效果，另一方面用于提供給組態(tài)被控對象數(shù)據(jù)。</p><p>　　6．組態(tài)界面設(shè)計。利用組態(tài)王提供的圖庫以及開發(fā)菜單，可以對具體的控制對象進(jìn)行虛擬設(shè)計。選用組態(tài)王6.5.1與Visual Basic數(shù)據(jù)交換，將虛擬控制對象的運(yùn)行規(guī)律和控制規(guī)律，以動畫界面和各種曲線呈現(xiàn)。</p><p>　　3

61、 平臺硬件功能模塊設(shè)計</p><p>　　3.1模擬量輸入模塊</p><p>　　實際控制系統(tǒng)中，傳感器將生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)轉(zhuǎn)換為直流輸出的電壓或電流信號，但由于傳感器輸出的信號一般比較微弱，需要將測量元件的輸出信號通過一定的變換，變成行業(yè)統(tǒng)一的0~10mA或4~20mA信號[11]。模擬量通道檢測變送器輸出的標(biāo)準(zhǔn)模擬信號，將其轉(zhuǎn)變成微控制器能處理的二進(jìn)制數(shù)字信號。本平臺硬件部分所設(shè)

62、計的模擬量輸入模塊，可以將傳感器輸出的上述標(biāo)準(zhǔn)電流信號進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，也可以將標(biāo)準(zhǔn)0~10V電壓信號進(jìn)行調(diào)理，然后送入單片機(jī)的ADC完成信號采集。</p><p>　　3.1.1主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　根據(jù)所選C8051F020和C8051F350各自特點，所所設(shè)計的模擬量輸入模塊主要技術(shù)指標(biāo)為：</p><p>　?。?）設(shè)計16個模擬量輸入通道。其中02

63、0單片機(jī)有8個模擬量輸入通道，350單片機(jī)有8個模擬量輸入通道。</p><p>　?。?）可采集標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的0mA~10mA或4mA~20mA電流信號，以及0V~10V電壓信號；</p><p>　?。?）所設(shè)計模擬量采集模塊既允許單端信號輸入，也可以對差分信號采集；</p><p>　　3.1.2 模擬量輸入模塊結(jié)構(gòu)</p><p>

64、　　模擬量輸入模塊的結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。模擬量輸入模塊能夠?qū)ψ兯推鬏敵龅臉?biāo)準(zhǔn)電流信號轉(zhuǎn)換為電壓，可以對輸入的電壓進(jìn)行放大或衰減，從而送入到單片機(jī)的AD進(jìn)行轉(zhuǎn)化。為保證電路的可靠性，設(shè)計中采取了保護(hù)措施，主要是對放大器輸入端及輸出端的進(jìn)行了保護(hù)，從而不至于信號輸入或輸出過大，損壞放大器或者單片機(jī)[12]。</p><p>　　圖3.1 模擬量輸入模塊電路組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　模擬量輸

65、入模塊，設(shè)計了兩種電路。一種是以O(shè)P07為放大器構(gòu)成的單端信號采集電路，電路具有最大增益為32倍，主要用于控制對象仿真信號的處理；另一種是以AD620為放大器構(gòu)成的差分信號采集電路，具有對輸入信號進(jìn)行放大256倍，可對很微弱的信號進(jìn)行采集。這兩種電路的基本結(jié)構(gòu)基本與上圖類似。</p><p>　　3.1.3 單端模擬量信號采集電路設(shè)計</p><p><b>　　1．電路原理設(shè)計

66、</b></p><p>　　根據(jù)上述指標(biāo)及思路設(shè)計的電路原理圖為：</p><p>　　圖3.2 單端模擬量信號輸入電路原理設(shè)計</p><p>　　4~20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號要轉(zhuǎn)換為電壓信號，才能夠使單片機(jī)AD能采集與處理。采用無源器件電阻來完成電流到電壓的轉(zhuǎn)換?？紤]到單片機(jī)AD最大輸入電壓為2.4V，因此選用的電阻值為</p><

67、;p>　　電壓變換電路采用滑動電阻器，利用其分壓特性達(dá)到將輸入電壓衰減到合適的值已輸入到運(yùn)放。</p><p>　　由于平臺有多個集成運(yùn)放共用同一直流電源，通過電源內(nèi)阻的耦合有時會產(chǎn)生低頻震蕩。利用小容量電容對高頻信號形成低阻抗通路，在電源端連接小容量的瓷片電容C3、C5（0.1uF）起到高頻濾波的效果[13]。</p><p>　　為了濾除輸入信號中混入的高頻干擾，在放大器的輸入端

68、用R3、C1、R4、C2構(gòu)成二階低通濾波器[12]，圖3.2所示電路的輸出電壓即單片機(jī)的輸入電壓為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　根據(jù)式（3.1），配置R6=31001Ω，R5=1KΩ，可實現(xiàn)對輸入信號放大32倍。</p><p>　　運(yùn)放工作在閉環(huán)狀態(tài)時，容易因共模電壓超出運(yùn)放承受的極限值而損壞[12]

69、，二極管、構(gòu)成運(yùn)放輸入端的防止共模電壓過大的保護(hù)電路，可保證加在輸入端的的電壓不超過±(12+0.7)V，在OP07輸入電壓±13.5V范圍[14]要求之內(nèi)。在運(yùn)放的輸出端，限流電阻和穩(wěn)壓管構(gòu)成限幅輸出電路，既可以對OP07的輸出電流進(jìn)行限制，也對OP07的輸出電壓幅值進(jìn)行限制，從而對單片機(jī)的ADC輸入端進(jìn)行了保護(hù)。IN60采用鍺二極管，保證V0端的負(fù)電壓不低于-0.3V；3.3V穩(wěn)壓管保證V0端的正電壓不超過3.3

70、V，滿足所選C8051單片機(jī)端口引腳極限參數(shù)要求。</p><p>　　精密電位器R7 用于對OP07的外調(diào)零，失調(diào)調(diào)節(jié)范圍±4mV。調(diào)零時將輸入端接地測試OP07放大器的輸出信號，調(diào)節(jié)電位器R7直到輸出端信號為零即可[13]。</p><p><b>　　2．電路的使用</b></p><p>　　電路在使用時，要明確輸入的信號類型

71、，以及信號的特性及大小。對于輸入4~20mA電流信號，只需將短路塊S1、S3短接即可；對于輸入信號是大電壓信號，需要將S2、S4短接，再調(diào)節(jié)滑動變阻器R2，將信號衰減到單片機(jī)能夠采樣的范圍之內(nèi)；對于輸入的是標(biāo)準(zhǔn)0~2.4V范圍內(nèi)的電壓信號，可以直接輸入到單片機(jī)的模擬量采集端。通過調(diào)整滑動變阻器，若信號電壓值在0~2.4V范圍內(nèi)，此時需將S3、S5短接，信號放大1倍；若輸入端輸入的電壓或電流信號很微弱，這時還需要將短路套S5斷開，先將微弱

72、的電信號進(jìn)行放大，然后輸入給單片機(jī)的ADC進(jìn)行采樣。由于020單片機(jī)內(nèi)部可編程增益最大可設(shè)定為16倍，可知單端模擬量輸入模塊最大放大倍數(shù)為32*16=512倍。</p><p>　　3.2 模擬量輸出模塊</p><p>　　模擬量輸出模塊是平臺實現(xiàn)控制信號輸出的關(guān)鍵，其任務(wù)是把控制器輸出的控制量轉(zhuǎn)換成模擬量的電壓或電流信號，以驅(qū)動相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)控制任務(wù)[11]。本模塊由020單片機(jī)擴(kuò)

73、展的模擬量輸出電路和350單片機(jī)自帶的電流源兩部分組成。</p><p>　　3.2.1主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　（1）采用多路DA擴(kuò)展芯片，通過SPI總線擴(kuò)展16路模擬量輸出通道，020單片機(jī)自帶2路DA輸出，350單片機(jī)自帶2路恒流源輸出。總共有20路模擬量輸出信號；</p><p>　　（2）輸出信號可以是-10~10V的模擬電壓，也可以是-20~20

74、mA的模擬電流，通過短路套方便選擇電壓型或電流型輸出。</p><p>　　3.2.2 模擬量輸出模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于020單片機(jī)只有兩路模擬量輸出接口，根據(jù)多輸出通道的設(shè)計要求，需要利用控制器的總線對模擬量輸出接口進(jìn)行多路輸出擴(kuò)展。然后在輸出擴(kuò)展接口上，進(jìn)行模擬量輸出信號的調(diào)理，主要包括信號的放大與電壓信號輸出、電流信號輸出的轉(zhuǎn)換。另一種模擬量輸出形式是350單片機(jī)自帶的兩

75、路可調(diào)精密電流源輸出。電路組成結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3 模擬量輸出模塊電路組成結(jié)構(gòu)</p><p>　　多路DA轉(zhuǎn)換器選用德州儀器公司的Tlv5630，電壓放大器選用OP07。</p><p>　　在TLV5630的16腳外接OP07放大器，構(gòu)建反相比例運(yùn)算電路，使參考端輸出-Vref電壓，用于數(shù)字量到模擬量輸出通道的參考電壓。</p

76、><p>　　3.2.3 模擬量輸出電路設(shè)計</p><p>　　1、調(diào)理電路原理設(shè)計</p><p>　　根據(jù)上述指標(biāo)及思路設(shè)計的電路原理圖為：</p><p>　　圖3.4 模擬量輸出信號調(diào)理電路原理圖</p><p>　　假設(shè)OP07-1其輸出的值為，C8051F020單片機(jī)的DAC輸出或者TLV5630的輸出為，

77、則</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　式（3.2）中為C8051F020單片機(jī)參考電壓或者TLV5630的參考電壓，經(jīng)過反相變換其值為-2.4V或者-2.048V。當(dāng)=-2.4V時，要使的值處于-10-10V之間，可取參數(shù)為R2=7.5K，R1=15K，R4=62.5K；當(dāng)=-2.048V時，要使的值同樣處于-10-10V之間，可取參

78、數(shù)為R2=7.5K，R1=15K，R4=73.25K；為了實現(xiàn)用低成本低精度的電阻構(gòu)成高精度電阻，R4由三個不同大小的電阻構(gòu)成。R3為匹配電阻，其值為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　OP07-2、OP07-3及其外圍元件構(gòu)成雙向電流源，其輸出電流為</p><p><b>　　(3.4)</

79、b></p><p>　　根據(jù)式（3.5），可得DA轉(zhuǎn)換器的輸出電壓計算公式為</p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　以單片機(jī)的DAC0端輸出模擬量為例，簡介單片機(jī)或多路模擬量輸出芯片通過填充控制字，控制需要產(chǎn)生的輸出電壓或電流。將相關(guān)參數(shù)=-2.4V，R2=7.5K，R1=15K，R4=62.5K代入式（3

80、.5），可得以下算式：</p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　若期望模擬量輸出模塊輸出電壓為-10V~10V之內(nèi)的某個值，則代入上式計算出。由于020單片機(jī)或Tlv5630皆為12位DAC，因此往DAC數(shù)據(jù)寄存器裝填的數(shù)字量值為</p><p><b>　　(3.7)</b></p>

81、;<p>　　同樣，期望模擬量輸出模塊輸出電流為-20~20mA之內(nèi)某個值，可以參照式（3.6）、（3.7）進(jìn)行計算并更新DAC數(shù)據(jù)寄存器的值。</p><p>　　3.3 開關(guān)量輸入模塊</p><p>　　開關(guān)量輸入模塊作用是接收外部裝置或生產(chǎn)過程的狀態(tài)信號，信號以高低電平的形式被控制器采集。為了仿真諸如雙螺桿擠出機(jī)、電梯等的控制對象，由于020單片機(jī)開關(guān)量資源的限制，需

82、要外部擴(kuò)展開關(guān)量的接口數(shù)。接口電路具有輸入信號調(diào)理能力，能夠?qū)顟B(tài)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換、濾波、隔離、保護(hù)等，再輸入到控制器端進(jìn)行處理。</p><p>　　3.3.1主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　?。?）設(shè)計48路開關(guān)量輸入通道；</p><p>　?。?）電路保護(hù)措施完善，對于輸入的大電壓或負(fù)電壓，電路能夠保單片機(jī)器不損壞；</p><p>　　

83、3.3.2 開關(guān)量輸入模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于020單片機(jī)總共有64路開關(guān)量口，其中很多用于通信、使能控制接口等占用，需要外部擴(kuò)展以滿足設(shè)計要求。主要是通過譯碼器和緩沖器構(gòu)成多路開關(guān)量輸入，然后外部再接入輸入信號調(diào)理電路，就構(gòu)成了整個開關(guān)量輸入模塊的結(jié)構(gòu)。采用這樣設(shè)計就解決了020單片機(jī)開關(guān)量資源緊張的狀況。</p><p>　　圖3.5 開關(guān)量輸入模塊電路組成結(jié)構(gòu)</p

84、><p>　　輸入信號緩沖器/鎖存器選用74HC373，地址譯碼器選用74HC138。</p><p>　　3.3.3 輸入信號調(diào)理電路的設(shè)計</p><p>　　所設(shè)計的開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 開關(guān)量輸入信號調(diào)理電路</p><p>　　根據(jù)C8051F020單片機(jī)I/O口的

85、電氣特性知，輸入到單片機(jī)的高電平最小為0.7*VDD，低電平最小為0.3*VDD，單片機(jī)才能分辨出高低電平的。對于設(shè)計的電路，當(dāng)外部開關(guān)量輸入信號大于2.5V時，單片機(jī)將其理解為高電平；超過5V，則通過二穩(wěn)壓二極管作用，將信號電平穩(wěn)定在2.369V，統(tǒng)統(tǒng)理解為高電平；低于1V時，單片機(jī)將其理解為低電平。電阻R和電容C構(gòu)成一階積分電路，用于清除由于觸點的機(jī)械抖動而產(chǎn)生的振蕩信號，一般要求有較長的時間常數(shù)。用于泄放掉電容C1上殘存的電荷。&

86、lt;/p><p>　　3.3.4多路開關(guān)量輸入信號擴(kuò)展電路的設(shè)計</p><p>　　74HC373[15-16]是8位數(shù)據(jù)鎖存器，常應(yīng)用在地址鎖存及輸出口的擴(kuò)展中。其工作原理：74HC373的鎖存信號輸出端Q0~Q7直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端為低電平時，Q0~Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng)為高電平時，Q0~Q7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯

87、操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時，Q被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，在5V供電且處于常溫工作時，其高電平為4V左右，低電平最高位為0.26V。根據(jù)前述所設(shè)計的開關(guān)量信號調(diào)理電路，高電平經(jīng)過3.3V穩(wěn)壓二極管處理，因此74HC373可以與單片機(jī)直接接口。</p><p>　　74HC138[17]是一款高速CMOS器件，是一種反相輸出型譯碼器。其工作原理：可接受3位

88、二進(jìn)制地址輸入（A2, A1和A0），使能控制端時，提供8個互斥的低有效輸出（至）。74HC138特有3個使能輸入端：兩個低有效和一個高有效。除非、置低且E3置高，否則74HC138將保持所有輸出為高。利用這種復(fù)合使能特性，僅需1片74HC138芯片和6片74HC373即可擴(kuò)展48路開關(guān)量輸入通道。</p><p>　　74HC373的數(shù)據(jù)8個輸出端共用一個字節(jié)寬的IO口，單片機(jī)可以編程為只對某一位開關(guān)量的讀入，

89、也可以面向字節(jié)的讀入數(shù)據(jù)。74HC138的輸出控制74HC373的使能端，每次只允許一片74HC373處于工作狀態(tài)。原理圖如圖3.7所示。 </p><p>　　圖3.7 48路開關(guān)量信號的輸入電路原理設(shè)計</p><p>　　3.4 開關(guān)量輸出模塊</p><p>　　開關(guān)量輸出模塊的作用是控制器運(yùn)行控制算法，需要對控制對象施加作用，通過開關(guān)量信號輸出驅(qū)動繼電

90、器，從而達(dá)到控制目的，也可用于對控制對象輸出狀態(tài)的指示。</p><p>　　3.4.1 主要技術(shù)要求</p><p>　?。?）設(shè)計48路開關(guān)量輸出通道；</p><p>　?。?）開關(guān)量輸出的高低電平信號可通過發(fā)光二極管指示。</p><p>　　3.4.2 開關(guān)量輸出模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　開關(guān)量輸出模塊需

91、要在020單片機(jī)控制下，采用譯碼器和緩沖器，擴(kuò)展構(gòu)成多路信號輸出，輸出信號經(jīng)過調(diào)理電路進(jìn)行處理，就構(gòu)成了整個開關(guān)量輸出模塊的結(jié)構(gòu)。采用譯碼器和緩沖器擴(kuò)展輸出，可以多個IO口復(fù)用，這樣就減輕了020單片機(jī)開關(guān)量資源緊張的狀況。</p><p>　　3.8 48路開關(guān)量信號的輸入電路原理設(shè)計</p><p>　　輸入信號緩沖器/鎖存器選用74HC373，地址譯碼器選用74HC138，輸出驅(qū)動

92、器選用ULN2003。</p><p>　　3.4.3 輸出信號調(diào)理電路的設(shè)計</p><p>　　所設(shè)計的開關(guān)量輸出信號調(diào)理電路如圖所示</p><p>　　圖3.9 開關(guān)量輸出信號調(diào)理電路</p><p>　　由上圖可知，b點與c點連接在一起，因此Ueb =Uec ，從而使T0工作在放大狀態(tài)。兩個三極管之間的電壓很小可以忽略不計，因此兩

93、個三極管的基極與發(fā)射極之間電壓相等。從而兩個三極管的基極電流相等，且放大倍數(shù)相同，可知兩個三極管的集電極電流相等。</p><p>　　3.4.4多路開關(guān)量輸出信號擴(kuò)展電路的設(shè)計</p><p>　　ULN2003共有16引腳，其中有7個脈沖信號輸入端，7個脈沖信號輸出端，1個接地端和1個公共端。采用74HC138譯碼器、74HC373鎖存器和ULN2003輸出驅(qū)動器設(shè)計的多路開關(guān)量擴(kuò)展電

94、路如圖3.10所示。要設(shè)計48路開關(guān)量輸出，需要用到1片74HC238，6片74HC573和7片ULN2003。</p><p>　　圖3.10 48路開關(guān)量信號的輸出電路原理設(shè)計</p><p>　　3.5 人機(jī)接口模塊</p><p>　　為了將單片機(jī)處理或控制的數(shù)據(jù)顯示出來，以及設(shè)置初試參數(shù)或操作命令，需要設(shè)計人機(jī)接口。本平臺根據(jù)不同的出發(fā)點設(shè)計了兩套人機(jī)接

95、口，一種是基于經(jīng)濟(jì)和基本顯示設(shè)置功能的角度，采用傳統(tǒng)的矩陣鍵盤加液晶顯示器的方式實現(xiàn)；另一種是基于簡便、高效能的原則，采用最近幾年發(fā)展起來的觸摸屏的方式來完成。</p><p>　　3.5.1 矩陣鍵盤+液晶顯示器電路設(shè)計</p><p>　　矩陣鍵盤按鍵識別有兩種方法，行掃描法和線反轉(zhuǎn)法，相應(yīng)的硬件電路的設(shè)計稍有不同[18]。相比行掃描法，線反轉(zhuǎn)法識別按鍵速度快，安全性好，程序設(shè)計簡便，

96、容易解決重鍵問題，且適合于按鍵數(shù)目較多的鍵盤電路。但在硬件單路的設(shè)計上，線反轉(zhuǎn)法需要行線和列線都要有上拉電阻路，而行掃描法只需要列線有上拉即可。采用線反轉(zhuǎn)法設(shè)計的4×4鍵盤如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 單片機(jī)與4×4鍵盤接口電路</p><p>　　圖形點陣式液晶顯示模塊具有成本低、功耗低、尺寸小、壽命長、可顯示各種圖像與文本信息等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用

97、于儀器儀表、移動通訊及家用電器等顯示場合。OCM4X8C[19]是具有串行/并行接口、內(nèi)部含有GB2312簡體中文字庫的液晶顯示模塊。該顯示模塊的主要特點為：顯示屏為128*64點陣，可顯示4行數(shù)據(jù)，每行8個漢字或16個字符。該模塊具有2Mb的中文字型CGROM，內(nèi)部含有8192個16*16中文字庫；還有16Kb的16*8點陣的ASCII字符庫，用于顯示英文或其他字符；提供了一個64*256點陣的GDRAM繪圖區(qū)域，方便用戶根據(jù)需要構(gòu)造

98、圖形；具有4組16*16點陣造字空間，用戶用來構(gòu)造字形。利用上述功能，OCM4X8C可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示。模塊提供了4位并行、8位并行、兩線串行、三線串行等多種接口方式以方便和單片機(jī)等微處理的連接。</p><p>　　設(shè)計的OCM4X8C與單片機(jī)的接口電路如圖3.12所示。該模塊采用5V直流電源供電。為了節(jié)約單片機(jī)的端口資源，設(shè)計的單片機(jī)與OCM4X8C接口采用兩線串行方式交換

99、數(shù)據(jù)。因此需要將RS(數(shù)據(jù)/指令選擇)端接高電平和PSB(串行/并行模式選擇)端接地實現(xiàn)串行操作，而并行的端口DB0-DB7則未用；單片機(jī)與OCM4X8C進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通過SIO(串行輸入輸出)和SCLK(串行時鐘)兩個引腳實現(xiàn)；LEDA（背光源正極）接5V電源，LEDK（背光源負(fù)極）接地。</p><p>　　圖3.12 單片機(jī)與顯示模塊OCM4X8C的接口電路</p><p>　　3.

100、5.2 觸摸屏接口電路設(shè)計</p><p>　　觸摸屏具有堅固耐用、反應(yīng)速度快、節(jié)省空間、便于人機(jī)交流等許多優(yōu)點，在工業(yè)控制、家電、醫(yī)療儀器、個人智能終端等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。綜合考慮適用場合、色彩指標(biāo)、分辨率指標(biāo)、尺寸、價格、功能等要素，選擇5.0英寸、640*480圖形點陣的產(chǎn)品DMG80480S050_01WT。該產(chǎn)品內(nèi)部具有集成的標(biāo)準(zhǔn)字庫，主要為ASCII、(12×12，16×16)點陣

101、GBK、(24×24，32×32)點陣GB2312；可以根據(jù)需要安裝其他的字庫，比如GBK(簡體)、BIG5(繁體)、SJIS(日文)、UNICODE文本編碼標(biāo)準(zhǔn)，支持用戶自行設(shè)計字庫。操作模式可選，可以直接接收觸摸屏的位置坐標(biāo)值，也可以直接接收觸摸屏的觸摸鍵值。硬件軟件開發(fā)簡單，硬件連接可通過TTL或CMOS電平工作，也可以通過RS232電平接口，波特率可達(dá)921600bps，最高的達(dá)6.25Mbps，部分終端支持

102、USB下載圖片功能；軟件開發(fā)只需要根據(jù)指令表和指令集，根據(jù)不同的控制或顯示任務(wù)需求，通過串口發(fā)送命令即可。</p><p>　　選型的觸摸屏模塊對外提供8個引腳，當(dāng)需要用到觸摸屏操作，只需要引出8條線連接并編制相應(yīng)程序即可。VCC為供電電源端，接12V直流穩(wěn)壓電壓。BUSY端為輸出端，指示串口緩沖區(qū)滿，使用BUSY信號判忙可以避免傳送指令時丟失數(shù)據(jù)幀；DOUT端為串口輸出，DIN為串口輸入，GND為公共地。設(shè)計的

103、觸摸屏模塊與RS232接口電路圖如圖3.13所示。</p><p>　　圖3.13 平臺與觸摸屏顯示模塊接口電路</p><p>　　3.6 RS-485通信模塊</p><p>　　RS-485總線是一種多點差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，這種通信接口允許在一對雙絞線上進(jìn)行多點雙向通信。它的最大通信距離可達(dá)1200米，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可到10Mbps，還具有很強(qiáng)的噪聲抑

104、制能力及可靠性。因此，許多領(lǐng)域都采用RS-485作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路，如汽車電子、智能樓宇等可經(jīng)常見到具有RS-485 接口電路的設(shè)備。這種總線得到廣泛接受的另外一個重要原因是它的通用性。RS-485標(biāo)準(zhǔn)只對接口的電氣特性做出了規(guī)定，而沒有涉及接插件電纜或協(xié)議。因此用戶可以在此基礎(chǔ)上建立自己的高層通信協(xié)議，如MODBUS協(xié)議。</p><p>　　MAX485[20]接口芯片是Maxim公司的生產(chǎn)一種RS-485芯片

105、。該芯片采用+5 V單一電源工作，額定電流300 μA，半雙工通訊方式。它具有將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-485電平的功能。MAX485芯片的結(jié)構(gòu)和引腳都非常簡單，內(nèi)部含有一個接收器和驅(qū)動器。其中，RO和DI端分別為接收器的輸出和驅(qū)動器的輸入端，分別與單片機(jī)的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當(dāng)/RE=0時，器件處于接收狀態(tài)；當(dāng)DE=1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，因此只需用單片機(jī)的一

106、個管腳即可控制這兩個引腳；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當(dāng)A引腳的電平信號高于B引腳時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)是1；當(dāng)A端的電平信號低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據(jù)是0。</p><p>　　采用兩片MAX485芯片設(shè)計兩路RS485通信電路，MAX485的通信控制端及串口端與340單片機(jī)連接，設(shè)計原理圖如圖3.14所示。</p><p>　　圖3.14 RS-485通信電路原理圖</

107、p><p>　　為消除由于阻抗不連續(xù)而產(chǎn)生的信號反射效應(yīng)，采用終端電阻方法進(jìn)行終端匹配，選取終端電阻120Ω。在RS485組成的工作網(wǎng)絡(luò)中，匹配電阻一般要消耗較大功率，這對于功耗限制比較嚴(yán)格的系統(tǒng)不太適合。故而在MAX485差分信號輸出端另外加上短路套，在較近距離通信且要求降低系統(tǒng)功耗情況下，末端可以不用連接終端電阻，將短路套S1或S2斷開即可。</p><p>　　3.7 供電電源模塊<

108、;/p><p>　　硬件平臺供電電源部分設(shè)計思路為：首先，選用開關(guān)電源，將市電轉(zhuǎn)化為質(zhì)量較高的直流電源給硬件平臺供電；然后，根據(jù)平臺各模塊不同用電需要，采用集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生不同的電源。由于有的集成運(yùn)放需要±12V供電，所以選用應(yīng)該能夠輸出至少±15的開關(guān)電源。硬件平臺的電源模塊，大體可分為模擬電路供電電源和數(shù)字電路供電電源兩大部分。模擬電路供電電源主要為模擬量信號模塊的集成運(yùn)放±12V電源