嵌入式PID流量控制实现设计

SHANDONG 毕业设计说明书 嵌入式 PID 流量控制实现设计 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 自动化 学生姓名： 王智敏 学 号： 0812104316 指导教师： 吴兴华 20 12 年 6 月 摘要 I 摘要 现代工业生产过程中，随着生产规模的不断扩大，对产品质量的要求日益 提高，以及现场环境的复杂化，使工业过程控制系统已成为生产过程中必不可 少的设备。工业控制器作为过程控制系统的核心，在现代工业过程控制中起着 至关重要的作用。 PID控制是迄今为止最为通用的控制方法，是经典控制理论在实际控制系 统中的典型应用。作为最早发展起来的控制策略之一，由于PID控制算法简单、 鲁棒性好、可靠性高等特点，被广泛应用于工业过程控制。但是，PID控制器 的核心内容：参数整定，还多依赖于人工经验，参数整定的偶然性较大，整定 结果往往不能令人满意，而且常规PID控制器是依赖于具体的对象模型的，对 于纯滞后、非线性、时变系统控制效果不好。 近些年发展起来的智能PID控制技术，包括基于规则的智能PID自学习控制、 加辨识信号的智能自整定PID控制、专家式智能自整定PID控制、模糊PID控制、 基于神经网络的PID控制等多种类型。 本文通过对基于 2812 系列 DSP 的嵌入式流量系统的设计，培养综合运用 所学知识分析与解决实际问题的能力，增强计算、绘图、编制技术文件和动手 制作的能力，强化实际应用技能训练，为今后在电子系统设计和开发方面打下 基础。 关键词：嵌入式 PID,流量控制,DSP ABSTRACT II ABSTRACT The modern industrial production process, with the continuous expansion of production scale, product quality requirements increasing, as well as the complexity of the environment of the scene, industrial process control systems have become essential equipment in the production process. The core of the industrial controller as a process control system plays a vital role in the modern industrial process control. PID control is by far the most common control method is a typical application of classical control theory in the actual control system. As one of the earliest developed control strategies, PID control algorithm is simple, robust, and high reliability are widely used in industrial process control. However, the core content of the PID controller: parameter tuning, but also more dependent in the human experience, parameter tuning contingency larger tuning results are often unsatisfactory, and the conventional PID controller is dependent on the specific object model for pure lag, nonlinear, time-varying system control ineffective. Intelligent PID control technology developed in recent years, including rule- based intelligent PID control self-learning, plus the identification signal of intelligent self-tuning PID control, expert intelligent self-tuning PID control, fuzzy PID control, PID control based on neural networksvarious types. In this paper, based on the 2812 series of DSP embedded flow system design, training the integrated use of knowledge to analyze and solve practical problems to enhance the computing, graphics, preparation of technical documents and hands-on production ability to strengthen the practical application of skills training,lay the foundation for future electronic systems design and development. Keywords: Embedded PID ,flow control,DSP 目录 III 目录 摘 要 .I ABSTRACT（英文摘要）.II 目 录 .III 第一章第一章 引引 言言 .1 1.1 研究目的及意义1 1.2 本领域的国内外研究现状及发展趋势2 1.2.1 国内研究动态. 2 1.2.2 国外研究动态. 2 第二章 系统总体设计 .4 2.1 功能模块的实现方案4 2.1.1 处理器的选择 4 2.1.2 串行通信方案 5 2.2 系统模块设计图5 2.3 系统流程图6 第三章 硬件设计 .8 3.1 电源输入9 3.2 3V 和 1.8V 电源模块的实现. 10 3.3 晶振选择 11 3.3.1 无源晶振 11 3.3.2 有源晶振 11 3.4 JTAG 模块实现 12 3.5 复位电路 13 3.6 DA 转换模块 14 3.7 串行通信模块的实现 15 3.8 电磁阀 19 3.9 系统总原理图 20 第四章 软件设计 . 21 4.1 PID 算法程序 . 21 4.2 串行通讯程序22 4.3 上位机程序. 23 目录 IV 第五章 综合调试 . 26 结论 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 29 附录. .30 第一章 引 言 1 第一章 引言 在工业企业生产过程中，自动化技术起了关键的作用。工程上通过工业过 程控制系统来操作和控制实际的工业生产过程。而过程控制系统作为生产自动 化的最重要组成部分，常采用测量仪表和计算机等自动化工具，应用控制理论 进行设计而成。工业控制器是专门针对控制参数进行现场控制的装置，应用非 常广泛。 1.1 研究目的及意义 在科学技术不断发展和人们物质生活水平不断提高的今天，一方面，为满 足优质、高产、低消耗及安全生产、保护环境等要求，制造产品的工艺变得越 来越复杂；另一方面，工业过程不仅要求控制的精确性，更加注重控制的鲁棒 性、实时性、容错性以及对控制参数的自适应和自学习能力。工业过程控制领 域中常用的现场仪表主要包括：（1）变送器（压力/差压、温度、流量、物位 等）；（2）执行器（电动执行器机构、阀门定位器、电动气动调节阀门等）； 仪表为溶入自动化控制系统中必须从仪表的智能化、数字化、模块化、低功耗、 多变量、多参数等方面改进，而替代“一对一”的单向的通信方式，总线化的 智能仪表不仅应具有起始值、量程、阻尼特性的调整、非线性的校正、多变量 的补偿、工程单位的换算等功能，而且还有故障自诊断、PID调节和运算、自动 报警以及同系统双向通信的功能。传统的过程控制绝大多数是基于对象模型的， 即按照建模控制优化进行，建模的精确程度决定着控制质量的高低。 尽管目前的建模理论和方法有长足的进步，但仍有许多过程或对象的机理不清 楚，动态特性难以掌握，甚至有些过程难以用数学语言描述。这样，我们不得 不对过程模型进行简化或近似，将一个理论上极为先进的控制策略应用在这样 的模型上，控制效果必然大打折扣。如自适应控制，对缓慢的变化过程比较有 效，但是对变化剧烈的过程却力不从心了。 PID控制器（也称PID调节器）因其实现简单、精度稳定而被广泛地应用于 工业过程控制，通过调节整定PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数， 使其能够适应于各种不同的对象，成为一种较为通用的调节器。PID控制是经 典控制理论在实际控制系统中的典型应用。据统计至今在全世界过程控制中用 的84%仍是纯PID调节器，若改进型包含在内则超过90%。随着计算机技术的发 展，现代控制理论在实用性方面获得了很大进展，解决了许多经典控制理论不 第一章 引 言 2 能解决的问题，这使很多人认为，新的理论和技术可以取代PID控制，但后来 的发展说明，PID控制并没有让位。目前，PID控制仍然是在工业控制中应用得 最为广泛得一种控制方法。这一方面是由于其结构简单，鲁棒性和适应性较强； 另一面，其调节整定很少依赖于系统的具体模型。随着计算机技术的发展，人 们先后将模糊控制、自适应控制、专家控制、神经网络控制等自动控制理论应 用于PID控制，使PID控制的性能不断提高，可以逐步克服不能同时很好地满足 稳态精度与动态稳定性，平稳性与快速性的要求以及对于存在强非线性、快速 时变不确定性、强干扰等特性地对象，控制效果较差等缺点，适用范围越来越 广。 最近几年，应用嵌入式作为一种新技术从单片机独立发展而来，美国著名 未来学家尼葛洛庞帝于1999年1月访华时曾预言，4、5年后嵌入式智能工具将是 继PC和因特网之后最伟大的发明。但近几年将工业控制器以嵌入式技术来实现 的研究还很少。笔者认为将先进的智能PID控制由高性能的微控制器来实现， 以应用嵌入式技术为控制器作软硬件升级保证，加上实时操作系统的支持，使 得工业现场应用的智能PID控制器高速、智能、稳定的完成控制任务，另外， 通讯及互联网技术的普及己经极大的改变着人们的工作和生活，但传统的工业 控制器由于本身的硬件电路设计的局限性对各种通讯协议的支持是很不到位的， 研究多总线通讯的智能PID控制器控制也将使控制器的应用领域进一步扩大， 有着广阔的应用前景，这也是是工业仪器智能化的主要研究任务之一。 1.2 本领域的国内外应用现状及发展趋势 1.2.1 国内研究动态 目前国内商品化自整定控制器研究仍处在起步阶段，主要原因有两个：第 一，自整定技术是一门集自适应控制、智能控制、自动化过程控制为一体的高 科技工程新技术，由于商业上保密的原因，国外许多关键设计技术细节都没有 公开发表。如何在线利用最少的被控过程数学模型信息来自动获取鲁棒性强且 可靠的最优化PID整定参数，以适应不同的被控过程，这种理论及实践方法在 国内还处在理论分析、仿真实验阶段；第二，自整定控制器是微处理计算机、 新型精密电子元器件及高密度的工艺制作技术为一体的高集成度的自动化仪表， 国内在这些方面与国外同类技术差距甚远，影响了国内自整定控制器商品化的 研制。 1.2.2 国外研究动态 第一章 引 言 3 主要的自动化仪表生产厂家主要集中在美国、日本、德国等工业发达国家， 这些公司大多是实力雄厚的跨国公司，代表着自动化仪表领域的最新成就。在 智能仪表的设计方面体现出以下几个方面的特点： （1）良好的可靠性设计。国外产品在设计阶段就十分注意可靠性的分析与 设计，运用可靠性分配理论，将可靠性指标逐级分配，从而是整机的可靠性的 到了保证。 （2）注重可维护性设计。高的可维护性可使仪表便于生产调试和维修，包 括在设计中实施与自动检测系统。 （3）产品的通用化和系列化。产品系列化体现在功能性、量程范围、精度 等方面。这样会对用户带来巨大的吸引力，先进的智能仪表，其通用性很强。 体现在大多数产品的通用接口系统，可以方便地将系统互联与计算机组成测试 系统，将用途和使用范围大大地扩展。 第二章 系统总体设计 4 第二章 系统总体设计 本设计要求是设计一个控制回路，实现对阀门流量的控制。并通过上位机 实现流量测量值的实时显示。通过前端流量传感器实现传感器的模拟信号到数 字信号的转换，通过 RS232 接口将测量值实时传输给 2812 单片机，单片机内 运行 PID 控制算法，计算得到输出值，通过驱动器控制阀门的流量，最终使实 际的流量测量值逼近设定值，并实时显示测量值。 2.1 功能模块的实现方案 按照上述要求，在模块化设计思想的指导下，我们将系统任务分成以下模 块。硬件设计包括：处理器最小系统模块、电源模块、DA 转换模块、串口通 讯模块等。软件设计包括：PID 控制算法程序、串口通讯程序、上位机串口显 示程序等。下面我们讨论几个模块实现方案的选择。 2.1.1 处理器的选择 DSP（digital singnal processor）是一种独特的微处理器，有自己的完整指 令系统，是以数字信号来处理大量信息的器件。一个数字信号处理器在一块不 大的芯片内包括有控制单元、运算单元、各种寄存器以及一定数量的存储单元 等等，在其外围还可以连接若干存储器，并可以与一定数量的外部设备互相通 信，有软、硬件的全面功能，本身就是一个微型计算机。DSP 采用的是哈佛设 计，即数据总线和地址总线分开，使程序和数据分别存储在两个分开的空间， 允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行上一条指令的同时就可取出 下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度 。另外还允许在程 序空间和数据空间之间进行传输，因为增加了器件的灵活性。其工作原理是接 收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化， 并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有 可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过 通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。它的强大数据处理 能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。由于它运算能力很强，速度很 快，体积很小，而且采用软件编程具有高度的灵活性，因此为从事各种复杂的 应用提供了一条有效途径。根据数字信号处理的要求，DSP 芯片一般具有如下 主要特点： 第二章 系统总体设计 5 （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件 I/O 支持； （6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器； （7）可以并行执行多个操作； （8）支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 综合考虑我们选择广泛使用的 DSP 芯片 TMS320F2812 作为处理器。 2.1.2 串行通信方案 1969 年,美国电子工业协会(EIA)公布了 RS-232C 作为串行通信接口的电 气标准,该标准定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间按位串行传 输的接口信息,合理安排了接口的电气信号和机械要求,在世界范围内得到了广 泛的应用.但它采用单端驱动非差分接收电路,因而存在着传输距离不太远(最大 传输距离 15m)和传送速率不太高(最大位速率为 20Kb/s)的问题.远距离串行通 信必须使用 Modem,增加了成本.在分布式控制系统和工业局部网络中,传输距 离常介于近距离之间的情况,这时 RS-232C(25 脚连接器)不能采用,用 Modem 又不经济,因而需要制定新的串行通信接口标准。 考虑到我们的设备对输距离和传送速率要求不是很高，再考虑到性价比以 及实现的简易程度，我们选择的是 RS-232 通信协议。 2.2 系统模块设计图 按照功能模块要求，以及模块话设计的理念，本系统的模块设计图如图 2.1 系统模块设计图所示。 第二章 系统总体设计 6 图 2.1 系统模块设计图 2.3 系统流程图 本系统的软件编制大体上包括以下几大部分：AD 初始化，AD 采集当前传感 器的值。将采集到的 AD 值换算成当前流量，并通过串行通信送给上位机。然后 利用关系式 r(k)-y(k)L 时才能获得较好的滤波效果。L 愈大，滤波效果愈好。另 外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近 ，减小了二极 管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。 经过滤波电路使外部电源不稳定时，系统的供电仍然能正常。 图 3.1 电源电路 3.2 3V 和 1.8V 电源模块的实现 LM1117 是低差压电路元件，它与国家半导体的工业标准器件 LM317 有相同 的管脚排列。LM1117 有过流和过热保护。输出端需要一个至少 10uF 的钽电容 来改善瞬态响应和稳定性。其管脚图如图四 LM1117 管脚图所示,电路原理图如 图 1 五 LM1117 电路原理图所示。 图 3.2 LM1117 管脚图 第三章 硬件设计 11 经过分析该系统需要 3.3V 和 1.8V 电源模块，所以分别选择了 LM1117-3.3 和 LM1117-1.8 来完成电压的转换。转换原理如图 1LM1117 电路原理图所示。在 电路中分别使用了两个 10uf 电容做输入前和输出的滤波电容。并在电路中加入 LED 指示灯，这样很容易的观察电压电路能否正常工作。 图 3.3 LM1117 电路原理图 3.3 晶振选择 3.3.1 无源晶振 无源晶体需要用 DSP 片内的振荡器，在 datasheet 上有建议的连接方法。 无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是 说是根据起振电路来决 定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的 DSP，而且价格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许 可建议用晶体， 这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是 信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电 感、电 阻等） ，更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度 较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。 3.3.2 有源晶振 有源晶振不需要 DSP 的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方 式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的 PI 型滤波 第三章 硬件设计 12 网 络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可） ，不需要复杂的配置电路。 有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对 于无源晶 体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电 平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源 的晶振好，因为可 以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些 DSP 内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如 TI 的 6000 系列等。有源晶 振相比于无源晶体通 常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体 相当，有的甚至比许多晶体还要小。 综上所述本系统使用无源晶振。 11.0592M 是因为在进行通信时，12M 频率进行串行通信不容易实现标准的 波特率，比如 9600，4800，而 11.0592M 计算时正好可以得到，因此在有通信 接口的单片机中，一般选 11.0592M。 图 3.4 晶振电路 3.4 JTAG 模块实现 JTAG 的介面是一种特殊的 4/5 个接脚介面连到晶片上 ，所以在电路版上 的很多晶片可以将他们的 JTAG 接脚通过 Daisy Chain 的方式连在一起，并且 Probe 只需连接到一个“JTAG 端口”就可以访问一块电路板上的所有 IC。这些 连接引脚是：TDI（测试数据输入） 、TDO（测试数据输出） 、TCK（测试时钟） 、 TMS（测试模式选择） 、TRST（测试复位）可选。 因为只有一条数据线，通信协议有必要像其他串行设备接口，如 SPI 一样 为串列传输。时钟由 TCK 引脚输入。配置是通过 TMS 引脚采用状态机的形式一 次操作一位来实现的。每一位数据在每个 TCK 时钟脉冲下分别由 TDI 和 TDO 引 第三章 硬件设计 13 脚传入或传出。可以通过加载不同的命令模式来读取芯片的标识，对输入引脚 采样，驱动（或悬空）输出引脚，操控芯片功能，或者旁路（将 TDI 与 TDO 连 通以在逻辑上短接多个芯片的链路） 。TCK 的工作频率依芯片的不同而不同，但 其通常工作在 10-100MHz（每位 10-100ns） 。 当在集成电路中进行边界扫描时，被处理的信号是在同一块 IC 的不同功能 模块间的，而不是不同 IC 之间的。 TRST 引脚是一个可选的相对待测逻辑低电平有效的复位开关通常是异 步的，但有时也是同步的，依芯片而定。如果该引脚没有定义，则待测逻辑可 由同步时钟输入复位指令而复位。 尽管如此，极少消费类产品提供外部的 JTAG 端口接口，但作为开发样品的 残留，这些接口在印刷电路板上十分常见。在研发后，这些接口常常为反向工 程提供了非常良好的途径。 图 3.5 JTAG 模块电路 3.5 复位电路 手动按钮复位需要人为在复位输入端 RST 上加入高电平。一般采用的办法 是在 RST 端和正电源 Vcc 之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则 Vcc 的+5V 电平就会直接加到 RST 端。手动按钮复位的电路如所示。由于人的动作再快也 会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。 第三章 硬件设计 14 图 3.6 复位电路 3.6 DA 转换模块 本次设计使用的数模转换是美国资料公司研制的 8 位双缓冲器 D/A 转换器 DAC0832。芯片内带有资料锁存器，可与数据总线直接相连。电路有极好的温度 跟随性，使用了 COMS 电流开关和控制逻辑而获得低功耗、低输出的泄漏电流误 差。芯片采用 R-2RT 型电阻网络，对参考电流进行分流完成 D/A 转换。转换结 果以一组差动电流 IOUT1和 IOUT2输出。 DAC0832 主要性能参数：分辨率 8 位； 转换时间 1s;参考电压 10V；单电源+5V+15v；功耗 20mW。 DAC0832 的内部结构如图所示。DAC0832 中有两级锁存器，第一级锁存器称 为输入寄存器，它的锁存信号为 ILE；第二级锁存器称为 DAC 寄存器，它的锁 存信号为传输控制信号XFER。因为有两级锁存器，DAC0832 可以工作在双缓冲 器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量，这样能有效地提高转换 速度。此外，两级锁存器还可以在多个 D/A 转换器同时工作时，利用第二级锁 存信号来实现多个转换器同步输出。 图中 LE 为高电平、 CS和 1 WR 为低电平时，1 LE 为高电平，输入寄存器 的输出跟随输入而变化；此后，当1 WR 由低变高时，1 LE 为低电平，资料被锁 存到输入寄存器中，这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变 化。对第二级锁存器来说，XFER和2 WR 同时为低电平时，2 LE 为高电平，DAC 寄存器的输出跟随其输入而变化；此后，当2 WR 由低变高时，2 LE 变为低电平， 将输入寄存器的资料锁存到 DAC 寄存器中。 第三章 硬件设计 15 图 3.7 DA0832 原理图 3.7 串行通信模块的实现 1串行通讯的通讯协议 所谓通讯协议是指通讯双方的一种约定。约定包括对数据格式、同步方式、 传送速度、传送步骤、检纠错方式以及控制字符定义等问题做出统一规定，通 讯双方必须共同遵守。因此，也叫做通讯控制规程，或称传输控制规程，它属 于 ISO，OSI 七层参考模型中的数据链路层。 2串行通讯接口的基本任务 (1)实现数据的格式化：因为来自 CPU 的数据是普通的并行数据，所以， 接口电路应具有实现不同串行通讯方式下数据格式转化的能力。在异步通讯方 式下，接口自动生成起止式的帧数据格式。在同步通讯方式下，接口要在待传 送的数据块前加上同步字符。 (2)进行串/并转换：串行传送数据，数据是一位一位串行传送的，而计算机 处理数据是并行数据。所以当计算机接收到数据时，首先把串行数据转换为并 行数据才能送入计算机处理。因此串/并转换是串行接口电路的重要任务。 (3)控制设定波特率：串行通讯接口电路应该具有对数据的传输速率波特 率进行选择和控制的能力。 (4)进行错误检测：在发送时接口电路对传送的字符数据自动生成奇偶校验 位或其它校验码。在接收时，接口电路检查字符的奇偶校验位或其它校验码， 以确定在传送过程中是否发生错误。 第三章 硬件设计 16 (5)进行 TTL 与 EIA 电平转换：CPU 和终端均采用 TTL 电平及正逻辑，它 们与 EIA 采用的电平及负逻辑不兼容。因此需要在串行接口电路中进行转换。 (6)提供 EIA-RS-232C 接口标准所要求的信号线：远距离通讯采用 Modem 方式时，需要 9 根信号线；近距离不使用 Modem 时，只需要 3 根信号线。这 些信号线由接口电路提供，以便与 Modem 或终端进行联络与控制。 3串行通讯的接口标准 在数据通讯、计算机网络以及分布式工业控制系统中，经常采用串行通讯 来交换数据和信息。1969 年，美国电子工业协会(EIA)公布了 RS-232C 作为串 行通讯接口的电气标准，定义了数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)间按 位串行传输的接口标准，合理安排了接口的电气信号和机械要求，在世界范围 内得到了广泛的应用。 RS-232C 标准有两个地：一个为直接连接到系统屏蔽罩上的机壳地，在将 两个设备的地连接起来时应保证这种连接对设备是安全的；另一个是作为其它 信号参考点的信号地，信号地在使用过程中必须连接在一起。 RS-232C 标准定义了一个 25 针的 D 型连接器，它能够使用全部的 RS- 232C 特性。其中，DCE 接头（终端电缆）采用公外壳、母连接针，而 DTE 接 头（计算机）采用母外壳、公连接针4。25 针接头是 RS-232C 标准的标准接头， 但是随着使用的越来越广泛，电器设备也变的越来越小巧，在很多情况下使用 RS-232C 标准接口的设备采用了一种简化了的 9 针 D 型接头。和 25 针接头一 样，DCE 接头(终端电缆)采用公外壳、母连接针，而 DTE 接头(计算机)采用母 外壳、公连接针。 为了避免通讯电路上的噪声干扰，RS-232C 信号需要很大的电压摆幅。由 于在发送端与接收端之间有公共的信号地，无法使用双端信号，从而导致共模 噪声干扰信号会固有的耦合到信号传输系统之中，除非共模噪声干扰信号能够 被清除掉。 TTL 电平在逻辑 0(0.8V 或者更低)和逻辑 1(2.0V 或者更高)之间的电压至少 大于 1.2V，在这种情况下大约 0.5V 的噪声电压就会对信号产生严重的影响； 同时由于它采用单端驱动非差分接收电路，因而存在着传输距离不太远(最大传 输距离 15m)和传送速率不太高(最大位速率为 20Kb/s)的问题。远距离串行通讯 必须使用 Modem，增加了成本。在分布式控制系统中，传输距离常介于近距离 (小于 20m)和远距离(大于 2km)之间的情况，这时 RS-232C（25 脚连接器)不能 第三章 硬件设计 17 采用，用 Modem 又不经济，因而需要制定新的串行通讯接口标准。 1977 年 EIA 制定了 RS-449 标准。它除了保留与 RS-232C 兼容的特点外， 还在提高传输速率，增加传输距离及改进电气特性等方面作了很大努力。与 RS-449 同时推出的还有 RS-422 和 RS-423，它们是 RS-449 标准的子集。另外， 还有 RS-485，它符合 RS-422 的所有要求，但功能更加强大。RS-422、RS-423 是全双工的，而 RS-485 是半双工的。 RS-422 标准规定采用平衡驱动差分接收电路和双端传输方式，提高了数据 传输速率(最大位速率为 10Mbit/s)，增加了传输距离(最大传输距离 1200m)。 RS-423 标准规定采用单端驱动差分接收电路，它的电气性能与 RS-232C 几 乎相同，并可与 RS-232C 和 RS-422 进行连接。它一端可与 RS-422 连接，另一 端则可与 RS-232C 连接，提供了一种从旧技术到新技术过渡的手段。同时又提 高了位速率(最大为 300Kb/s)和传输距离(最大为 600m)。 RS-485 总线标准符合 RS-422 的所有要求，同时允许最多 32 个驱动器 32 个接收器连接于总线，实现了真正的多点总线。RS-485 标准采用平衡式发送、 差分式接收的数据收发器驱动总线，为半双工的，当用于多站互连时可节省信 号线，便于高速、远距离传送。许多智能仪器设备均配有 RS-485 总线接口，将 它们联网也十分方便。 串行通讯由于接线少、成本低，在数据采集和控制系统中得到了广泛的应 用，产品也多种多样。在本系统中，根据系统的工作环境和现有的技术条件采 用 RS-232C。 4芯片 MAX232C 的功能 在异步串行通讯中应用最广的标准总线；适用于终端设备（DTE）和数据 通讯设备（DCE）之间的接口；最高数据传送速率可达 19.2Kb/s，最长传送电 缆可以达到 15m。RS-232C 标准定义了 25 根引线，对于一般的双向通讯，只需 使用串行输入 RXD，串行输出 TXD 和地线 GND 即可满足要求。RS-232C 标准 的电平采用负逻辑，即规定+3V+15V 之间的任意电平为逻辑 0 电平， 3V15V 之间的任意电平为逻辑 1 电平，这与 TTL 和 CMOS 电平是不同 的。由于在进行电路设计时和单片机接口芯片中大都使用 TTL/CMOS 电平，所 以在串行通讯时，为了与 RS-232C 标准的电平相匹配，必须进行电平转换。在 本统中选用 MAX232C 芯片来进行电平的转换工作。 第三章 硬件设计 18 MAX232C 芯片是 MAXIM 公司生产的低功耗，单电源双 RS-232C 发送/接 受器。MAX232C 芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V 电源变 换为 RS-232C 输出电平所需要的10V 电压，所以采用此芯片接口的串行通讯 系统只需单一的+5V 电源就可。MAX232C 外围需要 4 个电解电容，它们是内 部电源转换所需电容，引脚 T1OUT，T2OUT，R1IN，R2IN 为接 RS-232C 电 平的引脚，因此 TTL/CMOS 电平的 T1IN，T2IN 引脚应接 MCS-51 单片机的串 行发送引脚 TXD；R1OUT，R2OUT 应接 MCS-51 单片机的串行接收引脚 RXD。与之对应的 RS-232C 电平的 T1OUT，T2OUT 应接 PC 机的接收端 RD；R1IN，R2IN 应接 PC 机的发送端 TD。 RS232 是用正负电压来表示逻辑状态的，它与 TTL 以高低电平来表示逻辑 状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或与终端的 TTL 器件连接，必 须在 RS232 与 TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。目前广泛使用的集成 电路转换器件是 MAX232 芯片，可在单 5V 电源供电时提供 EIATIA-232-E 电平。每个接收器均可将 EIATIA-232-E 电平转换为 5VTTLCMOS 电平。 这些接收器具有 1.3V 的门限值及 0.5V 的典型迟滞，而且可以接收30V 的输入。 如图 3.8 MAX232 功能框图所示，MAX232 有两路输入和输出转换。在最 基本的 232 通信中我们只是用一组。电路图为图十一 串行通讯电路图。 图 3.8 MAX232 功能框图 第三章 硬件设计 19 图 3.9 串行通信电路图 3.8 电磁阀 本文采用上海奇胜仪表有限公司的直行程电子式电动调节阀 ZDSP20、上 海光华仪表厂的电磁流量传感器 LDG-20S,另外还有高位水箱、管道、手动阀 等。电磁阀工作电源为 220VAC 50HZ，功耗 5VA，输入控制信号可为 010mA，输出阀位反馈信号 420mA 或 15VDC，无论输入控制信号还是 输出阀位反馈信号，对应阀的开度为 0100，可以由模拟信号控制。 第三章 硬件设计 20 3.9 系统总原理图 经过上面的分析我们绘制了原理图如下。 图 3.10 系统总原理图 第四章 软件设计 21 第四章 软件设计 4.1 PID 算法程序 工程实践中，比例、积分、微分的控制规律即 PID 算法应用最为广泛。PID 算法是 19 世纪 40 年代左右问世的，它结构简单、工作可靠、稳定性好、调整 方便，这些优点使其成为主要的控制技术之一。 PID 算法的优点是当被控对象数学模型或者控制参数不能确定的情况下， PID 可以依靠经验和现场调试来确定控制参数，这时候其他控制算法是不能奏 效的。就是说当我们不了解被控对象，或者不能通过有效的测量手段来获得系 统参数时，最适合用 PID 控制技术。在实际中 PI 或者 PD 控制应用也是很多的。 比例（P）根据控制器的输出与输入误差信号乘以系数形成控制，其缺点是 会使系统最终输出存在稳态误差。 积分（I）的输出与输入误差信号的积分成正比关系，其作用是消除稳态误 差。只要存在静态误差，不管多小，随着时间的增加，积分项的作用将会很大， 使得稳态误差进一步减小，直到等于零。PI 控制是无静态误差控制。 微分（D）的输出与误差的变化率成正比关系。其作用是使得抑制误差的作 用的变化“超前” 。一般来说，仅在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的， 比例作用仅是放大误差的幅值，而“微分项” ，却能预测误差的变化趋势，对于 有较大惯性或滞后的被控对象，PID 控制能改善系统的动态特性。 PID 算法的实现代码如下所示。 void PIDControl () error =set-present; /计算当前偏差 sume +=error; /计算积分变量 if(sumeMAXSUME) sume=MAXSUME; /积分上限饱和 else if(sume2) | (IO0PIN IO1SET |= ad7606_rd; DelayNS(5); /*PID 控制*/ void PIDControl () error =set-present; /计算当前偏差 sume +=error; /计算积分变量 if(sumeMAXSUME) sume=MAXSUME; /积分上限饱和 else if(sume #include #include #include “Host.h“ #define uchar unsigned char #define uint unsigned int 附录 35 static int panelHandle; signed char Open_State = 0; uint ParticleNumberin30s=0; uchar ReCeiveBuffer4=0; void CVICALLBACK ComCallback (int portNo,int eventMask,void *callbackData); int main (int argc, char *argv) uchar i=0; if (InitCVIRTE (0, argv, 0) = 0) return -1; /* out of memory */ if (panelHandle = LoadPanel (0, “Host.uir“, PANEL) 0) return -1; /SetCtrlVal (panelHandle, NUMERIC_TOTAL, 1); DisplayPanel (panelHandle); /打开串口 Open_State = OpenComConfig (1, “COM1“, 9600, 0, 8, 1, 512, 512); for(i=0;i10;i+) if(Open_State0) SetCtrlVal (panelHandle, PANEL_COMSTATELED, 0); MessagePopup (“LINK ERROR“, “Please Check COM1 !“); Open_State = OpenComConfig (1, “COM1“,