DZ248電阻爐溫度的控制,DZ248,電阻爐,溫度,控制 摘要 [英文] [中文] 目錄 第一章 緒 論 第二章 方案論證 第三章 硬件電路 3．1 溫度檢測和變送器 3．2 溫度控制電路 3．2．1 DSP及其片上外設(shè) 3．2．2 采集電路 3．2．3 觸發(fā)電路 3．2．4 過零同步脈沖的產(chǎn)生 3．3 接口電路（人——機(jī)接口） 第四章 溫度控制的算法 第五章 軟件設(shè)計 第一章 緒 論 在冶金工業(yè)、化工生產(chǎn)、機(jī)械制造和食品加工等領(lǐng)域中，都需要對各類加熱爐、熱處理爐和鍋爐中的溫度進(jìn)行檢測和控制，采用數(shù)字量對它們進(jìn)行控制，控制方便、簡單、靈活，而且可以提高被控溫度的指標(biāo)，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。因此，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字控制異突起，發(fā)展迅速。依靠一定的硬件基礎(chǔ)，針對特定的控制目的，實現(xiàn)一個高可靠性，高效率的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，是現(xiàn)代工業(yè)和社會發(fā)展的迫切需要。當(dāng)代計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，微電子技術(shù)的推動，使這一需求得以實現(xiàn)。單片機(jī)，數(shù)字信號處理器（DSP）等，都是這個大家庭中的一員。和單片機(jī)相比，DSP具有較大的存儲器容量，更豐富的，功能強(qiáng)大的片上外設(shè)等等?；谶@些優(yōu)點，我們采用數(shù)字信號處理器，即：DSP控制器。 我們通常所說的DSP有兩個含義：其一是Digital Signal Processing 的簡稱，是指數(shù)字信號處理技術(shù)，它不僅涉及許多學(xué)科，還廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。特別在20世紀(jì)60年代，隨著計算機(jī)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，進(jìn)一步推動了數(shù)字信號處理技術(shù)的理論和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展；DSP的第二個含義是Digital Signal Processor 的簡稱， 即數(shù)字信號處理器（也稱為DSP芯片），它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器。它是一種適合于數(shù)字信號處理的高性能微處理器。數(shù)字信號處理器已成為數(shù)字信號處理技術(shù)和實際應(yīng)用之間的橋梁，并進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，也極大地拓展了數(shù)字信號處理技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。 DSP芯片，即數(shù)字信號處理器，是一種特別適合于數(shù)字信號處理運算的微處理器，其主要應(yīng)用是快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。 根據(jù)數(shù)字信號處理的要求，DSP芯片一般具有如下特點： （1）在一個指令周期內(nèi)完成一次乘法和一次加法運算。 （2）程序和數(shù)據(jù)存儲空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)。 （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問。 （4）具有低開銷或無開銷執(zhí)行循環(huán)及跳轉(zhuǎn)操作的硬件支持。 （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持。 （6）在單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器。 （7）可以并執(zhí)行多個操作。 （8）支持流水線操作，不同操作階段可以重疊執(zhí)行。 自1982年美國德州儀器（TI）公司推出通用可編程DSP芯片以來，DSP技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在DSP技術(shù)與DSP芯片的相互幫助下，在計算機(jī)與微電子技術(shù)飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，DSP芯片性能已得到了極大的提高。作為實現(xiàn)數(shù)字信號處理的硬件核心，DSP的應(yīng)用領(lǐng)域取得了不斷的拓展。DSP芯片已經(jīng)深入到我們的工作與生活中，無論是在計算機(jī)外設(shè)、通信、工業(yè)控制、航空航天、精密儀器，還是在家用電器，如CD機(jī)、變頻空調(diào)器、MP3播放器、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備中，都有DSP芯片的身影。 第二章 方案論證 縱觀設(shè)計題目要求，電阻爐溫度控制是采集模擬量——溫度，然后進(jìn)行控制?？刂频姆椒ê芏啵? （1）以模擬電路硬接線方式建立的控制系統(tǒng)。 （2）以微處理器為核心的控制系統(tǒng)。 （3）用可編程DSP控制器為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)。 1．模擬控制系統(tǒng) 模擬控制系統(tǒng)一般采用運算放大器等分立元件以硬接線方式構(gòu)成，但這種系統(tǒng)很難應(yīng)用于一些功能要求比較高的場合。 2．以微處理器為核心的控制系統(tǒng) 這里的微處理器實際上是指以MCS——51、MCS——96等為代表的8位或16位單片機(jī)。以微處理器為控制器，所構(gòu)成的控制系統(tǒng)有如下優(yōu)點： （1）使電路更簡單。模擬電路為了實現(xiàn)邏輯控制需要許多分立電子元件，從而使電路變得復(fù)雜。采用微處理器后，絕大多數(shù)控制邏輯可采用軟件實現(xiàn)。 （2）可以實現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。微處理器具有更強(qiáng)的邏輯功能，運算速度快、精度高、具有較大容量的存儲器（128KB RAM，8051有4KB ROM，8751有4KB EPROM，8031無ROM或EPROM。使用時往往外括ROM），因此有能力實現(xiàn)較復(fù)雜的控制算法。 （3）靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)。微處理器的控制方式主要由軟件來實現(xiàn)，若需要修改，一般不必修改控制系統(tǒng)的硬件電路，只對軟件修改即可。 （4）無零點漂移，控制精度高。 （5）可提供人機(jī)界面，實現(xiàn)多機(jī)聯(lián)網(wǎng)工作。 在一些性能要求不是很高的場合，現(xiàn)在普遍采用單片機(jī)作為控制器。然而，由于微處理器一般采用馮——諾依曼總線結(jié)構(gòu)，處理器的速度有限，處理能力也有限；另外單片機(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，軟件編程的難度較大。同時，一般單片機(jī)的集成度較低，片上不具備控制系統(tǒng)所需要的專用外設(shè)，如PWM產(chǎn)生電路等。因此，基于微處理器構(gòu)成的系統(tǒng)仍然需要較多的元器件，這增加了系統(tǒng)電路板的復(fù)雜性，降低了系統(tǒng)的可靠性，也難以實現(xiàn)先進(jìn)控制算法，如預(yù)測控制、模糊控制等。 由于技術(shù)的發(fā)展，新的單片機(jī)無論從制造工藝上，還是性能、功能上都有了極大的改進(jìn)。新單片機(jī)（如C8051Fxxx系列、AVR系列等）的工作頻率一般在20MHZ以上，采用流水線技術(shù)，片內(nèi)集成大量存儲單元和功能外設(shè)，有的單片機(jī)內(nèi)部甚至集成了DSP核，這些措施都使單片機(jī)的性能得到了很大提高，可以較好地滿足高性能控制系統(tǒng)的需要。然而。與同樣性能的DSP控制器相比，這些微處理器的價格往往比較昂貴。 3．以可編程DSP控制器為核心構(gòu)成的控制系統(tǒng)。 為滿足世界范圍內(nèi)控制系統(tǒng)的需要，TI公司推出了TMS320x24x系列DSP控制器。 x24x系列DSP控制器將一個高性能的DSP核，大容量的片上存儲器（片內(nèi)的數(shù)據(jù)和程序存儲器可達(dá)上百千字）和專用的運動控制外設(shè)電路（PWM產(chǎn)生電路、可編程死區(qū)、SSVPWM產(chǎn)生電路、捕獲單元等）以及其他功能的外設(shè)電路（16通道A/D轉(zhuǎn)換單元、串行通信接口、CAN控制器模塊等）集成在單芯片上，保持了傳統(tǒng)微處理器可編程、集成度高、靈活性/適應(yīng)性好、升級方便等優(yōu)點；同時，其內(nèi)部的DSP核可提供更高的運算速度、運算精度和處理大量數(shù)據(jù)運算的能力。 x24x系列DSP控制器采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，分別用獨立的總線來訪問程序和數(shù)據(jù)存儲空間，配合片內(nèi)的硬件乘法器，指令的流水線操作和優(yōu)化的指令集。DSP控制器的控制算法如Kalman濾波、模糊控制、神經(jīng)元控制等。 基于DSP控制器構(gòu)成的控制系統(tǒng)實際上是一個單片系統(tǒng)，因為整個控制所需的各種功能都可由DSP控制器來實現(xiàn)。因此，可大幅度縮小目標(biāo)系統(tǒng)的體積，減小外部元器件的個數(shù)，增加系統(tǒng)的可靠性。另外，由于各種功能都通過軟件編程來實現(xiàn)，因此，目標(biāo)系統(tǒng)升級容易，擴(kuò)展性、維護(hù)性都很好。同時，DSP控制器的高性能使最終系統(tǒng)既可滿足要求比較低的系統(tǒng)，更可以滿足對系統(tǒng)性能和精度要求較高的場合的需要。 通過上面各種方法的比較，我們選擇可編程DSP控制器為主控制器來組成控制系統(tǒng)。 第三章 硬件電路 3．1 TMS320F240簡介? TMS320F24X系列是美國TI公司推出的高性能16位定點DSP，專門為電機(jī)控制和其它數(shù)字控制系統(tǒng)而設(shè)計的新一代數(shù)字信號處理器。它不僅擁有數(shù)字信號處理器的一般特點，還增加了片內(nèi)外設(shè)，有強(qiáng)大的處理能力。TMS320F240是其中典型的一種。 TMS320F240主要由CPU、存儲器和片上外設(shè)三部分組成，其主要特點如下：（1）采用改進(jìn)型哈佛結(jié)構(gòu)，具有分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線，使用四級流水線作業(yè)，并且允許數(shù)據(jù)在程序存儲空間和數(shù)據(jù)存儲空間之間傳輸，從而提高了運行速度和編程的靈活性。 （2）指令執(zhí)行速度為20MIPS，幾乎所有的指令都可以在50ns的單周期內(nèi)執(zhí)行完畢。 （3）CPU內(nèi)含有32位中央算術(shù)邏輯單元、32位累加器、16位﹡16位并行硬件乘法器，并帶有32位結(jié)果寄存器、3個定標(biāo)移位器和8個輔助寄存器。 （4）片內(nèi)有16K字的Flash EEPROM，544字的DARAM，存儲器最大可尋址空間為224K字（64K字程序空間，64K字?jǐn)?shù)據(jù)空間，64K字I/O空間，32K字全局空間）。且?guī)в熊浖却隣顟B(tài)產(chǎn)生器的外部存儲器接口，可實現(xiàn)與各種類型外部存儲器的接口。 （5）雙10位A/D轉(zhuǎn)換器，共16位輸入通道，轉(zhuǎn)換時間為6μs。 （6）片上還集成了事件管理器（含有3個定時/計數(shù)器，4個捕獲單元等）、28個可編程復(fù)用I/O引腳、鎖相環(huán)時鐘發(fā)生器、具有實時中斷的看門狗電路、串行通訊接口、串行外設(shè)接口等功能外設(shè)。 3．2 前向通道 前向通道是指TMS320F240對被控參數(shù)的輸入通道，包括溫度檢測元件、A/D轉(zhuǎn)換等。在工業(yè)控制中，由于被控對象的參數(shù)常常是非物理量（如溫度等），因此如何把它們變?yōu)殡娏坎⒔?jīng)過A/D變換而輸入到TMS320F240中是每個應(yīng)用工作者必須考慮的問題。 3．2．1 溫度檢測和變送器 溫度檢測元件和變送器的類型選擇和被控溫度及精度等級有關(guān)。 溫度測量儀表按照測量方式人為地分為接觸式與非接觸式兩類。所謂接觸式即兩個物體接觸后，在足夠長的時間內(nèi)達(dá)到熱平衡（動態(tài)平衡），此時兩個物體溫度相等；非接觸式即選為標(biāo)準(zhǔn)并當(dāng)作溫度計使用的物體與被測物體相互不接觸，利用物體的熱輻射（或其它特性），通過對輻射能量（或亮度）的檢測實現(xiàn)測溫。常用工業(yè)溫度計可分為：接觸式——熱膨脹溫度計（常用范圍：-200℃——620℃），熱電阻溫度計（常用范圍：-258℃——900℃），熱電偶溫度計(常用范圍：-200℃——1800℃)；非接觸式——熱輻射溫度計（常用范圍一般非常高）。 根據(jù)溫度需要，所以選擇接觸式溫度計中的熱電偶。同時熱電偶測量溫度范圍廣，可靠性高，自身能產(chǎn)生電壓，不需要外加激勵電源，使用方便。由測溫范圍：0℃——1000℃，測溫精度：1℃，我們選擇華宇儀表線纜廠的鉑銠10——鉑，代號WRP，分度號S，測溫范圍：長期0℃——1300℃，短期0℃——1600℃，一級允差1℃。而且它具有耐高溫，精度高，物理、化學(xué)性能好，熱電勢穩(wěn)定性好，高溫下抗氧化性能好的優(yōu)點。 同理，根據(jù)被控溫度和精度等級選擇變送器。由于被測的溫度量經(jīng)過溫度檢測元件的捕捉和轉(zhuǎn)換，其輸出信號幅度（如電流和電壓等）往往很小，無法進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此，溫度檢測元件輸出接變送器。變送器由毫伏變送器和電流/電壓變送器組成：毫伏變送器用于把熱電偶輸出的0mV~9.659mV變換成0mA~10mA范圍內(nèi)的電流；電流/電壓變送器用于把毫伏變送器輸出0mA~10mA的0電流變換成0V~5V范圍內(nèi)的電壓。 3．2．2 TMS320F240的ADC（模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器） TMS320F240內(nèi)部集成了兩個10位的A/D轉(zhuǎn)換器，并帶有內(nèi)部采樣保持電路。共有16路模擬輸入通道，每8個通道經(jīng)過一個8選1多路選擇器和一個采樣保持器（前向通道中采樣保持器的作用主要有兩點：一是能保證輸入模擬量在A/D轉(zhuǎn)換期間保持不變，以提高A/D轉(zhuǎn)換的精度；二是使某一時刻各個檢測點上的模擬量同時保持下來，供控制器分時加以檢測和處理，以確保檢測到的數(shù)字量具有時間上的一致性。當(dāng)然，對于緩慢變化的模擬量如溫度，采樣保持器可以不用。但對于快速變化的模擬量，只有使用采樣保持器才能確保檢測精度。）到10位的ADC，ADC的轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到兩級先進(jìn)先出的（FIFO）寄存器。每個ADC的轉(zhuǎn)換時間大約6μs (不同DSP會略有不同，準(zhǔn)確數(shù)據(jù)見各芯片的data sheet)。A/D轉(zhuǎn)換的模擬參考電壓VREFHI和VREFLO由外部電源提供，可以接0~5V的任何電壓。VCCA和VSSA應(yīng)該分別連到5V電源和模擬地。 1． ADC引腳說明 ADC模塊有21個引腳可以與外部電路連接。其中ADCIN0~ADCIN15為16路模擬輸入，VREFHI和VREFLO為模擬參考電壓輸入引腳，VCCA和VSSA為模擬電源引腳，另一引腳步為ADCSOC外部啟動ADC轉(zhuǎn)換引腳。 ADCIN0~ADCIN7屬于第一個ADC，ADCIN8~ADCIN15屬于第二個ADC，其中ADCIN0、ADCIN1、ADCIN8和ADCIN9四個引腳與數(shù)字I/O（IOPA0、1、3、2）多路復(fù)用，通過學(xué)習(xí)編程可設(shè)定這4個引腳為數(shù)字I/O引腳。這4個引腳的精度低于專用的模擬輸入引腳ADCIN2~ADCIN7和ADCIN10~ADCIN15。外部啟動引腳ADCSOC也與I/O（IOPC0）多路復(fù)用。 2．ADC操作模式 ADC模塊的功能如下： （1）可以同時采樣和轉(zhuǎn)換2路模擬輸入（每個ADC單元各一個）。 （2）每個ADC都可以進(jìn)行單獨或連續(xù)的采樣/保持和轉(zhuǎn)換操作。 （3）兩個ADC可以由軟件指令、器件ADCSOC引腳電平跳變、每個通用定時器的下溢、周期匹配和比較匹配事件和捕獲單元4個來啟動ADC操作。 （4）ADC控制寄存器的某些位是具有映象寄存器的雙級緩沖位，對這些位的寫不影響下在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，因為新寫入的值是先進(jìn)入映象寄存器而不是直接進(jìn)入工作寄存器，當(dāng)前的轉(zhuǎn)換開關(guān)結(jié)束后，ADC會自動地將映象寄存器內(nèi)容載入工作寄存器，下一個轉(zhuǎn)換就由新的配置一決定。 （5）轉(zhuǎn)換結(jié)束后，中斷標(biāo)志被置位。如果中斷未被屏蔽且使能，則將產(chǎn)生一個中斷請求。 （6）如果第3次轉(zhuǎn)換完成時，CPU還沒有讀FIFO，那么第1次轉(zhuǎn)換的結(jié)束將會丟失。 3．模擬信號采樣/轉(zhuǎn)換 每個ADC在1個A/D轉(zhuǎn)換預(yù)定標(biāo)時鐘周期內(nèi)完成輸入的采樣，在5個A/D轉(zhuǎn)換預(yù)定標(biāo)時鐘周期內(nèi)完成轉(zhuǎn)換，所以每個采樣/轉(zhuǎn)換需要6個ADC時鐘周期。ADC模塊結(jié)構(gòu)要求采樣/轉(zhuǎn)換時間要大于等于6μs以保證正確轉(zhuǎn)換。因此，對所有系統(tǒng)時鐘頻率，都必須有6個ADC時鐘周期大于等于6μs，ADC提供了一個預(yù)定標(biāo)功能，來保證無論DSP時鐘如何變化都不得可以確保ADC最佳性能。這樣一來，通過學(xué)習(xí)選擇合適的預(yù)定標(biāo)就可以滿足上述要求。 預(yù)定標(biāo)值由下式?jīng)Q定： SYSCLK時鐘周期TSYSCLK﹡預(yù)定標(biāo)值﹡6＞=6μs 預(yù)定標(biāo)值由ADC控制寄存器ADCTRL2的其中三位決定，在編程時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)時鐘周期的取值和上式的關(guān)系確定預(yù)定標(biāo)值。 4．?dāng)?shù)字量輸出 ADC的10位數(shù)字量結(jié)束由下面公式近似給出，進(jìn)行結(jié)果驗證。 數(shù)字量結(jié)果=1023*（輸入模擬電壓-VREFLO）/（VREFHI-VREFLO） 每個ADC包含一個2級FIFO數(shù)字輸出寄存器，該寄存器包含一個模擬輸入轉(zhuǎn)換后的10位數(shù)字量結(jié)果，存放在寄存器的高10位，讀FIFO時，低6位D5~D0始終為零。FIFO是只讀寄存器，復(fù)位時被清零。 5．雙10位A/D轉(zhuǎn)換器編程 每個DSP的單元模塊都有多種功能或多種工作方式，它的功能實現(xiàn)是由相關(guān)的寄存器和引腳完成。寄存器分為控制類寄存器、狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。每個模塊在工作以前，由控制類寄存器對模塊進(jìn)行初始化編程，設(shè)置其功能或工作方式等。因此，對于各類寄存器的地址以及格式的了解至關(guān)重要的。ADC模塊共有4個寄存器，其地址映射在數(shù)據(jù)存儲器空間的7030H~703FH之間。 1． ADC寄存器 （1）ADC控制寄存器1（ADCTRL1）——地址7032H D15：S。僅用于仿真期間。 D15=0 當(dāng)D14=0時，立即停止； D15=1 仿真器停止之前，完成本次轉(zhuǎn)換。 D14：F。僅用于仿真期間。 D14=0 操作由位D15確定； D14 =1 仿真器停止時，ADC繼續(xù)運行。 D13：ADCIMSTRAT。ADC立即開始轉(zhuǎn)換。 D13=0 無動作； D13=1立即開始轉(zhuǎn)換。 D12：ADC2EN。ADC2的禁止/使能位，該位是映象的。可以在轉(zhuǎn)換進(jìn)行過程中寫入，不影響 本次轉(zhuǎn)換 ，寫入本位的信息在下一次轉(zhuǎn)換 時才生效。 D12=0：ADC2禁止（不進(jìn)行采樣、保持和轉(zhuǎn)換，ADCFIFO內(nèi)容不變）； D12=1 ADC被使能。 D11：ADC1EN，ADC1的禁止/使能位，作用與ADC2EN一樣。 D10：ADCCONRUN。將ADC連續(xù)轉(zhuǎn)換設(shè)置位。 D10=0 無操作； D10=1 連續(xù)轉(zhuǎn)換。 D9：ADCINTEN。ADC中斷允許位。如果該 位被置位，則當(dāng)ADCINTFLAG=1時，將產(chǎn)生一次中斷。 D8：ADCINTFLAG。ADC中斷標(biāo)志位。如果該位為1，表示有中斷發(fā)生。向該 位寫清除本位。 D7：ADCEOC。轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志。 D7=0 轉(zhuǎn)換結(jié)束 D7=1轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。 D6~ D4：ADC2CHSEL。ADC2通道選擇。D6~ D4=000~111依次選擇通道8~通道15。 D3~ D1：ADC1CHSEL。ADC1通道選擇。D3~ D1=000~111依次選擇通道0~通道7。 D0：ADCSOC。轉(zhuǎn)換啟動位。 D0=0 無動作； D0=1 啟動轉(zhuǎn)換。 注意：ADC1或ADC2進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換以前，必須被使能。 （2）ADC控制寄存器2（ADCTRL2）——地址7034H ADC控制寄存器2選擇ADC輸入時鐘預(yù)定標(biāo)、轉(zhuǎn)換模式、仿真操作及ADCFIFO寄存器的狀態(tài)。 D15~ D11、D8、D5：保留。讀操作不確定，寫無效。 D10：ADCEVSOC。事件管理模塊啟動轉(zhuǎn)換使能位。ADC的轉(zhuǎn)換操作可以由事件管理比較匹配信號同步。該位為映象位，可以在任何時候?qū)懭耄瑢ο麓无D(zhuǎn)換有效。 D10=0 禁止事件管理模塊啟動轉(zhuǎn)換； D10=1 允許事件管理模塊啟動轉(zhuǎn)換。 D9：ADCEXTSOC。外部信號（即ADCSOC引腳）啟動轉(zhuǎn)換使能位。ADC轉(zhuǎn)換可以由外部信號的上升沿啟動，該位為映象位。 D9=0 禁止外部ADCSOC引腳啟動轉(zhuǎn)換； D9=1 允許ADCSOC啟動轉(zhuǎn)換。 D7~ D6：ADCFIFO1。表明ADC1數(shù)據(jù)寄存器FIFO的狀態(tài)，在進(jìn)行任何操作前可以存儲兩個轉(zhuǎn)換結(jié)果，但如果第三次轉(zhuǎn)換結(jié)束，那么最早一次的結(jié)果將丟失。D7~ D6為映象位。 00——FIFO空； 01——FIFO有一個數(shù)據(jù)； 10——FIFO有兩個數(shù)據(jù)； 11——FIFO有兩個數(shù)據(jù)，而且之前的數(shù)據(jù)至少丟失一個。 D4~ D3：ADCFIFO2。表明ADC2數(shù)據(jù)寄存器FIFO的狀態(tài)。與ADCFIFO1類似。 D2~ D0：ADCPSCALE。A/D轉(zhuǎn)換輸入時鐘預(yù)定標(biāo)因子。 （3）A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字輸出寄存器 每個ADC包含一個2級FIFO數(shù)字輸出寄存器，這為從數(shù)字寄存器中讀出數(shù)據(jù)之前轉(zhuǎn)換兩次提供了靈活性。該寄存器包含一個模擬輸入轉(zhuǎn)換后的10位數(shù)字結(jié)果，存放在寄存器的高10位，即10位A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果D9~ D0，依次存放在FIFO的高10位D15~ D6中，讀FIFO時，低6位D5~ D0始終為零。FIFO是只讀寄存器，復(fù)位時被清零。ADCFIFO1地址為7036H，ADCFIFO2地址為7038H。 3.3 后向通道 后向通道是TMS320F240把處理后的數(shù)字信號進(jìn)行傳送、輸出、控制和調(diào)節(jié)的通道。 3．3．1 溫度控制電路 TMS320F240對溫度的控制是通過可控硅調(diào)功器電路實現(xiàn)的。雙向可控硅管和加熱絲串接在交流220V、50HZ市電回路。在給定周期T內(nèi)，TMS320F240只要改變可控硅管的接通時間便可改變加熱絲功率，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。圖2給出了可控硅管在給定周期T內(nèi)具有不同接通時間的情況。顯然，可控硅在給定周期T的100%時間內(nèi)接通時的功率最大?？煽毓杞油〞r間是通過可控硅控制板上觸發(fā)脈沖加以控制的，該觸發(fā)脈沖由TMS320F240的 IOPB4引腳上產(chǎn)生的高電平控制，受過零同步脈沖同步后經(jīng)光耦管TIL117和驅(qū)動器輸出送到可控硅的控制板上。 過零同步脈沖是一種50HZ交流電壓過零時刻的脈沖，可使可控硅在交流電壓正弦波過零時觸發(fā)導(dǎo)通。過零同步脈沖由過零觸發(fā)電路產(chǎn)生。電壓比較器LM311用于把50HZ正弦交流電壓變?yōu)榉讲?。方波的正邊沿和?fù)邊沿分別作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528的兩個輸入觸發(fā)信號，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器MC14528輸出的兩個窄脈沖經(jīng)二極管和門混合后就可得到對應(yīng)于門交流220V市電的過零同步脈沖，此脈沖一方面作為可控硅的觸發(fā)同步脈沖加到溫度控制電路，另一方面還作為計數(shù)脈沖加到TMS320F240的TMRCLK上。 其中，電壓比較器（如LM311）是對輸入信號進(jìn)行鑒幅與比較的電路，是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元電路，在測量和控制中有著相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。輸入電壓是模擬信號，而輸出電壓是高電平或低電平，用以表示比較的結(jié)果。 雙向可控硅相當(dāng)于兩個可控硅反向并聯(lián)，但只有一個門極。雙向可控硅的允許電流由有效值表示，允許電流大小不僅與可控硅的額定電流有關(guān)，而且也與溫度有關(guān)，為提高可靠性，一般降額使用，即使用額定值的70%。因為雙向可控硅是正反向都可控，所以沒有反向耐壓問題。當(dāng)外加電壓瞬時超過阻斷電壓時，元件變?yōu)閷?dǎo)通工作狀態(tài)，經(jīng)過半個周期后，元件恢復(fù)正常工作，所以一般不必考慮過電壓保護(hù)，但需加過流保護(hù)措施。 u 12．5% t u 25% t u 50% t u 100% t 圖2可控硅調(diào)功器輸出功率與通斷時間的關(guān)系 3．3．2 外圍驅(qū)動 由于TMS320F240的輸出信號電平很低，無法直接驅(qū)動外圍設(shè)備工作，因此一般采用專門的驅(qū)動器，稱為外圍驅(qū)動器。外圍驅(qū)動器的電路形式和結(jié)構(gòu)一般具有以下兩個特點： （1）采用集電極開路輸出，以便使輸出高電平近似等于外加電壓，調(diào)節(jié)外加電壓一定程度上可以輸出比較高的電平去滿足負(fù)載要求，而不受邏輯電平的限制； （2）要求輸出晶體管具有比較強(qiáng)的負(fù)載能力，能夠受比較大的電流。 3．3．3 電氣隔離 在工業(yè)領(lǐng)域中，控制器不僅要對被對象進(jìn)行監(jiān)測，輸入被控系統(tǒng)的開關(guān)量和模擬量，而且還要把經(jīng)過處理后的信息以開關(guān)量和模擬量形式輸出并控制被控系統(tǒng)工作，這些開關(guān)量（如動力回路的啟停等）和模擬量（如壓力、溫度和流量傳感器的輸出等等）本身往往就是強(qiáng)電系統(tǒng)。因此，強(qiáng)電路必將會對系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。控制系統(tǒng)和強(qiáng)電控制回路的共地是引起干擾的主要原因，因為強(qiáng)電控制回路中的電流和電壓往往很大，并會在強(qiáng)電使用的電器和地之間形成強(qiáng)大的脈動干擾。這個脈動干擾必然會通過接地不良電阻和電容耦合到主機(jī)回路中。消除這些脈沖干擾的最有效方法是使主機(jī)弱電部分和強(qiáng)電控制回路的地隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通道。因此，隔離器件兩側(cè)必須使用獨立的電源分開供電。我們通常使用的是光電耦合器，它是一種有效的電隔離手段，它價格低廉，可靠性好，得到廣泛的應(yīng)用。 光電耦合器由封裝在一個管殼內(nèi)的發(fā)光二極管和光敏三極管組成。輸入電流流過二極管時使其發(fā)光，照射到光敏三極管上使其導(dǎo)通，完成信號的光電耦合傳送，它實現(xiàn)了輸入和輸出在電氣上的完全隔離。此外，利用光電耦合器還可以起到電平轉(zhuǎn)換的作用。 3．3．4 其他電路 TMS320F240的IOPA0~IOPA3和IOPC0~IOPC3作為LED字形碼口；IOPC4~IOPC7用作4×4鍵盤的行掃描口；IOPB5用來點亮報警燈；IOPB0~IOPB3可以控制LED的點亮和用作4×4鍵盤的列值的讀出口；ADCIN7和ADCIN15為溫度檢測電路的模擬量輸入端；TMRCLK用于輸入50HZ市電的過零同步脈沖；IOPB4用控制與非M1，由TMS320F240通過軟件控制，M1輸出經(jīng)過光耦和驅(qū)動電路產(chǎn)生的觸發(fā)信號控制可控硅的導(dǎo)通和截止，以達(dá)到對爐溫的調(diào)節(jié)。 第四章 人機(jī)接口 LED和鍵盤是人機(jī)對話的重要設(shè)備。其中LED用來顯示控制過程和運算結(jié)果；鍵盤用于輸入數(shù)據(jù)、代碼和命令。在應(yīng)用系統(tǒng)中，在同時需要使用鍵盤和顯示器接口時，為了節(jié)省I/O口線，常常把鍵盤和顯示電路做在一起，構(gòu)成實用的鍵盤、顯示電路。 圖中設(shè)置了16個鍵。 LED顯示器采用共陰極接法。段選碼由PA口（IOPA0~IOPA3）和PC口的IOPC0~IOPCIOPC3提供，位選碼由PB口的IOPB0~IOPB3提供。鍵盤的列輸入由PB口的IOPB0~IOPB3提供，行輸出由PC口的IOPC4~IOPC7提供。 LED采用動態(tài)顯示軟件譯碼，鍵盤采用逐列掃描查詢工作方式。 LED的驅(qū)動采用7407。 4．1 LED顯示 采用共陰極LED顯示。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地，當(dāng)某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮，如圖（1）。 錯誤dp g f e d c b a 通常的七段LED顯示塊中有八個發(fā)光二極管，因此也被叫做八段顯示器，其中七個二極管組成一個七段字型“8”，另外一個組成點“.”，可作為小數(shù)點顯示。七段顯示塊的連接非常容易，只要將一個8位并行輸出口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符，其段碼如圖。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼。共陰極和共陽極的段選碼互為補(bǔ)數(shù)。 七段LED碼的顯示碼 顯示字符 共陰極段選碼 共陽極段選碼 顯示字符 共陰極段選碼 共陽極段選碼 0 3FH C0H C 39H C6H 1 06H F9H D 5EH A1H 2 5BH A4H E 79H 86H 3 4FH B0H F 71H 8EH 4 06H F9H P 73H 8CH 5 6DH 92H U 3EH C1H 6 7DH 82H H 76H 89H 7 07H F8H T 31H CEH 8 7FH 80H Y 6EH 91H 9 6FH 90H 8． FFH 00H A 77H 88H “滅” 00H FFH B 7CH 83H 在控制系統(tǒng)中通常使用LED顯示塊構(gòu)成N位LED顯示器，N位LED顯示器有N根位選線和8×N根段選線（這里N=4）。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同。位選線控制顯示位的亮、暗；段選線控制字符選擇。雖然，LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種方式，但由于N位靜態(tài)顯示器要求有8×N根I/O口線，占用I/O資源較多；同時靜態(tài)驅(qū)動需要大量的硬件來實現(xiàn)鎖存，代價昂貴，而且電路相對復(fù)雜，在某些領(lǐng)域可能由于成本的問題不能采用。故在位數(shù)較多時往往采用動態(tài)顯示方式，即在多位LED顯示時，將所有位的段選線（數(shù)據(jù)線）并聯(lián)在一起，由一位8位的I/O控制，而共陰極或共陽極點分別由相應(yīng)的I/O口線控制。由于所有位的段選碼由一個I/O控制，因此，在每個瞬間，8位LED只可能顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式。即在每一瞬間只使某一位顯示相應(yīng)字符。在此瞬間，段選控制I/O口輸出相應(yīng)字符段選碼，位選控制I/O口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平，共陽極送高電平）以保證該位顯示相應(yīng)字符。如此輪流，使每位顯示該位應(yīng)顯示字符，并保持延時一段時間，以造成視覺暫留效果。 4．2 鍵盤接口設(shè)計 鍵盤是實現(xiàn)人機(jī)對話的必要輸入設(shè)備之一，它有獨立式按鍵和矩陣式按鍵兩種方式。獨立式按鍵電路，每個按鍵需要獨占一根I/O口線，每根I/O口線工作狀態(tài)互之間不會產(chǎn)生影響。但當(dāng)按鍵較多時，I/O口線浪費較大，故只在按鍵少時才采用這種按鍵電路，通常多采用矩陣式鍵盤接口電路（又稱行列式接口電路）。它由行線和列線組成，按鍵位于行、列的交叉點上。 （1）矩陣鍵盤工作原理 按鍵設(shè)置在行、列線的交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。當(dāng)行線通過上拉電阻接+5V時，被鉗位在高電平狀態(tài)。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線如果為低，則行線電平為低；列線電平如果為高，則行線電平亦為高，這一點是識別矩陣式鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此各按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將行、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。 （2）按鍵的識別方法 一般采用掃描法，此方法分兩步進(jìn)行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。分述如下： 識別鍵盤有無鍵被按下的方法是：讓所有列線均置為0電平，檢查各行線電平是否發(fā)生變化，如果沒變化，則說明沒有鍵被按下；如果發(fā)生變化，則說明有鍵被按下。 識別具體按鍵的方法是（亦稱之為掃描法）：逐列置0電平，其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行電平由高電平變?yōu)?電平，則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。掃描法的特點是逐列掃描查詢。這時，相應(yīng)的行應(yīng)有上拉電阻接高電平。 （3）非編碼鍵盤 通常，鍵盤有編碼和非編碼兩種。編碼鍵盤通過硬件電路產(chǎn)生被按按鍵的鍵碼和一個選通脈沖。選通脈沖作為CPU的中斷請求信號，以通知CPU以中斷方式接收按按鍵的鍵碼。這種鍵盤使用方便，所需程序簡單，但硬件電路復(fù)雜，常不被微型計算機(jī)采用。非編碼鍵盤常用按鍵排列成矩陣式的。鍵盤上每鍵都有一個鍵值，一般采用依次排列的鍵值的方法，這時的鍵值與鍵號相一致。采用非編碼鍵盤必須對所有按鍵進(jìn)行監(jiān)視，一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，CPU應(yīng)通過程序加以識別，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)鍵的處理程序，實現(xiàn)該鍵功能。 （4）按鍵開關(guān)狀態(tài)的可靠輸入 目前，無論是按鍵或鍵盤都是利用機(jī)械觸點的全、斷作用。由于機(jī)械觸點的彈性作用，在閉合及斷開瞬間均有抖動過程，會出現(xiàn)一系列負(fù)脈沖。抖動時間長短，與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5~10ms。 按鍵的穩(wěn)定閉合期，由操作人員的按鍵動作所確定，一般為十分之幾秒至幾秒時間。為了保證CPU對鍵的一次閉合，僅作一次鍵輸入處理，必須去除抖動影響。通常去抖動影響的措施有硬、軟件兩種。這里我們采用軟件除去抖動，辦法是在檢測到不鍵按下時，執(zhí)行一個10 ms的延時程序，然后再確認(rèn)該鍵電平是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如保持閉合狀態(tài)電平則確認(rèn)為真正鍵按下狀態(tài)，從而消除了抖動影響。 第五章 溫度控制的算法 4．1 PID算法 通常，電阻爐爐溫控制采用偏差控制法。偏差控制的原理是先求出實測爐溫對所需爐溫的偏差值，然后對偏差值處理而獲得控制信號去調(diào)節(jié)電阻爐的加熱功率，以實現(xiàn)對爐溫的控制。在工業(yè)上，偏差控制又稱為“PID控制”，即按偏差的比例、積分、微分進(jìn)行控制。這是工業(yè)過程控制中應(yīng)用最廣泛的一種控制形式，它結(jié)構(gòu)靈活，一般都能收到令人滿意的效果。 控制論告訴我們，PID控制的理想微分方程為： u(t)=Kp[e(t)+1/Ti∫t0e(t)dt+Td de(t)/dt] ★ 式中：e(t)=r(t)-y(t)稱為偏差值，可作為溫度調(diào)節(jié)器的輸入信號，其中r(t)為給定值，y(t)為被測變量值；Kp為比例系數(shù)；Ti積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)；u(t)為調(diào)節(jié)器的輸出控制電壓信號。 因為，計算機(jī)只能處理數(shù)字信號，故必須將上述數(shù)學(xué)方程表示的模擬PID算式離散化，變?yōu)閿?shù)字PID算式。若設(shè)溫度的采樣周期為T，第n次采樣得到的輸入偏差為en，調(diào)節(jié)器輸出為un。，有： u(t)≈u(n) e(t)≈e(n) de(t)/dt=(en-en-1)/T ∫t0e(t)dt=∑ek×T 其中：n為采樣序號，n=0，1，2，3，……k,……n 這樣，★式便可改寫成為： un=Kp [en+1/ Ti×∑ek×T +Td×(en-en-1)/T] 式中，un是全量值輸出，每次的輸出 值都與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如控制閥門的開度）一一對應(yīng)，所以稱之為位置型PID算法。 在這種位置型控制算法中，由于算式中存在累加項，因此輸出的控制量un不僅與本次偏差有關(guān)，還與過去歷次采樣偏差有關(guān)，使得un產(chǎn)生大幅度變化，這樣會引起系統(tǒng)沖擊，甚至造成事故。所以在實際中當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的不是控制量的絕對值，而是其增量時，可采用增量型PID算法，寫成遞推形式為： un=un-un-1 =Kp[en+1/Ti×∑ek×T+Td×(en-en-1)/T]-Kp[en-1+1/Ti×∑ek×T +Td×(en-1-en-2)/T] = Kp[en-en-1+T/Ti×en+Td/T×(en-2en-1+en-2)] 改寫成： u(n)=u(n-1)+Kp｛E(n)-E(n-1)+KIE(n)+KD[E(n)-2E(n-1)+E(n-2)]｝ =u(n-1)+PP+PI+PD 4．2 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定，除了需要確定Kp、Ti、Td外，還需要確定系統(tǒng)的采樣周期T。通常采用的方法有三種：擴(kuò)充臨界比例度法、擴(kuò)充響應(yīng)曲線法和試湊法。其中，用擴(kuò)充臨界比例度法整定PID參數(shù)不需要事先知道對象的動態(tài)特性，是直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行的。如果已經(jīng)知道系統(tǒng)的動態(tài)特性曲線，那么就可以采用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法來整定PID參數(shù)。這兩種方法特別適用于一階滯后環(huán)節(jié)的被控對象。另外，由于實際生產(chǎn)過程錯綜復(fù)雜，參數(shù)千變?nèi)f化，因此并不是所有的數(shù)字PID調(diào)節(jié)器都有能用上面的兩種方法，所以目前應(yīng)用最多的還是試湊法。試湊法是從一組初始PID參數(shù)出發(fā)，經(jīng)過閉環(huán)試驗，再根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)品質(zhì)的定性影響，反復(fù)試湊，不斷修改參數(shù)，直到獲得滿意的控制效果為止。表1是PID參數(shù)的經(jīng)驗選擇范圍。為了減少參數(shù)試湊的盲目性，初始PID參數(shù)可按表1選取，然后再按如下步驟試湊。 表1 被調(diào)量 特 點 Kp Ti Td 溫 度 滯后大，用微分 1．6~5 3~10 0．5~3 壓 力 滯后一般不大，不用微分 1．4~3．5 0．4~3 液 位 若允許有靜差，可不用積分和微分 1．25~5 流 量 時間常數(shù)小，有噪聲，故Kp 較小，Ti較短，不用微分 1~2．5 0．1~1 （1）只采用比例控制，Kp由小變大，若響應(yīng)時間、超調(diào)、靜差已達(dá)到要求，只采用比例調(diào)節(jié)。 （2）若靜差不滿足，則加入積分控制，將Kp減小，例如取0。8Kp代替Kp，Ti由大到小，反復(fù)測試多組的Kp和Ti值，從中確定合適的參數(shù)。 （3）若動特性不滿足，比如超調(diào)量過大，或調(diào)節(jié)時間過長，則加入微分控制，Td由小到大，逐步湊多組PID參數(shù)，從中找出一組最佳調(diào)節(jié)參數(shù)。 這一個裝置包含六個獨立的門,每個 DM 7407 都有緩沖功能。 這種設(shè)備輸出 為了適當(dāng)?shù)倪壿嫴僮餍枰獠可侠娮琛? SN7407這些單塊集成的TTL hex 緩沖/ 驅(qū)動器高電壓為高級電路( 如 MOS), 或驅(qū)動高電流負(fù)載( 如燈或繼電器),也可驅(qū)動TTL 輸入。。 MC14528B 是雙邊單穩(wěn)多諧振動器，無論上升沿還是下降沿它都可能被觸發(fā)，而且輸出一個寬脈沖。 參考文獻(xiàn) 1． 韓安太，劉峙飛，黃海。DSP控制器原理及其在運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。北京：清華大學(xué)出版社，2003。 2． 寧改娣，楊拴科。DSP控制器原理及應(yīng)用。北京：科技出版社，2002。 3． 胡漢才。單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計。北京：清華大學(xué)出版社，2002。 4． 何立民。MCS——51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)配置與接口技術(shù)。北京航空航天大學(xué)出版社出版，1990。 5． 閻石。數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)（第四版）。北京：高等教育出版社，1998，12（2001重?。?。 6． 何希才，江云霞?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)。北京：國防工業(yè)出版社，1996，7。 7．游泊坤，詹寶。溫度測量儀表。北京：機(jī)械工業(yè)出版社出版，1982。 16