毕业设计（论文）-基于ARM的热风炉监控系统设计.doc

摘 要矿井加暖系统在矿产、冶金、化工等工业中具有广泛的应用。近年来,它以其风温高、投资少、易维护等优点在我国中型高炉中得到不断发展。热风炉风温控制水平也有了明显的提高,对高炉冶炼具有非常重要的影响及重大意义。 LPC2106是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的 ARM7DMI-S 微处理器，嵌入 128KB高速 Flash存储器。 采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，非常适用于那些将小型化作为主要要求的应用。本文就是基于LPC2106的一个设计。根据热效率、寿命、自动化程度等方面存在的问题，经过调查、分析和研究开发了一套新型矿用环保热风炉系统，该系统主要由数据采集系统、温度监测系统和主机控制系统三部分组成。数据采集系统，要对复杂的现场环境进行监测控制，是整个新型热风炉自动控制系统的关键。温度监控系统，是用一个热电偶对炉内温度进行实时监控，通过A/D转换，将数据传给LPC2106通过数码管进行显示，再通过D/A转换对热风炉接口的实时控制。本文设计的数据采集系统由LPC2106、模拟量采集(AD)、模拟量输出(DA)、通信接口及其他辅助电路组成，结构简单、机构可靠性高，使用寿命长，能够对系统的各种现场数据进行实时监测和控制，对于矿井的安全可靠生产具有重要的意义。关键词：热风炉，数据采集，输出控制，LPC2106IAbstractMine calefaction system is broadly applied in industry， such as mine，metallurgy， chemistry industry and SO onIn recent years, with its high temperature, low cost, easy maintenance in blast furnace in medium. Hot air temperature control level has obvious increase of bf operation, and has important significance. Philips has a support LPC2106 is real-time simulation and tracking ARM7DMI - S 128KB embedded microprocessor, high Flash memory. Using 3 line technique, decoding and implementation, and at the same time, can improve the CPU commands, parallel processing speed. Because of the very small size and low power consumption, and is suitable for those who will be required, as the main application of miniaturization. This article is based on the design of a LPC2106.Life-span，degree of automation，we designed a new type of hot air furnace system which used in Mine and protect environment via research and analysisThe system is mainly constituted by data collection system， temperaturemonitoring system and host computer controlling systemThe data collection system is the key of entire new type hot air furnace automation controlling system， which monitor and control complicated locale circumstanceData collection system designed in this paper is composed to singlechipLPC2106， simulating quantity collection(AD)， simulating quantity outputting(DA)，storage，communicating interface and other assistant circuit， which have simple configuration，high organization dependability and long usage life， and can realtimely monitor and control different kinds of locale dataIt has magnitude importance to the manufacture of mine on the safe sideKeywords: hot air furnace，data collection，output control， LPC2106II 目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11. 1 课题背景112国内外研究现状113 本课题的特点与要求314 本文的主要工作4第二章 数据采集系统的硬件仿真521 概述52. 2 新型热风炉自动控制系统的结构5221 系统的组成结构5222 系统的功能823 主控单元核心处理器824 模拟信号采集1425 模拟信号输出电路1626 开关量信号输入电路1927 开关量信号输出电路2028 数码管显示电路2229 晶振电路25210 电源管理模块设计26第三章 系统的软件设计2831 启动代码程序模块.28321 PLL28322 IRQ/FIQ 中断30323 外部寄存器31324 存储器加速模块（MAM）3332 SPI通信程序模块3333 主程序模块3634 A/D转换程序38第四章 温度控制系统的实现及PID的温度控制系统3941 温度控制系统的实现3942 PID的温度控制系统40第五章结论43参 考 文 献44致 谢46附 录47沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第一章 引言1.1 课题背景矿井加暖系统在矿产、冶金、化工等工业中得到了广泛的应用，其主要用于井下防冻和通风。矿井井筒防冻是保证矿井冬季安全生产的必要措施和重要保证。矿井的通风问题是煤矿安全的核心问题之一，矿井通风是煤矿开采中的一个重要组成部分，是矿井安全生产的基本保障。进入20世纪90年代以后，有些煤矿开始采用热风炉系统加热空气，即用热风炉直接加热空气至800左右，送至井筒，无需二次换热。热风炉加暖方式较传统的锅炉空气加热室加暖方式，有设备少、易于安装和维护、安全节能、低成本等优点。但仍然存在热效率低、寿命短、自动化程度低等问题。为解决上述问题，研究一种新型矿用环保热风炉系统，具有热效率高，结构简单、机构可靠性高，使用寿命长、经济节能环保的矿井加暖设备，能实现对系统的各种现场数据的监测和控制，对于矿井的安全生产具有重要的意义。新型的矿用环保热风炉系统的优势在于其自动化程度，实现热风炉燃烧、焖炉、排气等的智能控制，替代人工操作，不仅使效率大为提高，同时也提高了系统的安全性和可靠性，自动化程度的高低很大程度上决定了该系统的应用前景1。那么，如何实现对现场的各种电压、电流、温度、压力、流量等参数进行检测，并对阀门、继电器、按钮等开关量的检测以及控制，是该新型热风炉系统的关键所在。本课题所要讨论的就是该热风炉自动控制系统的模拟量输入输出和开关量输入输出系统，统称为数据采集系统2。1.2 国内外研究现状近年来国内外有关矿井加暖系统的发展很快，其主要表现在3个方面：一是对高效节能、环保安全等矿井加暖系统相关技术的研究；二是对大型、高温矿井加暖系统产品的研究；三是对其自动化程度的研究。有关上述第三个方面的关键技术与装备的研究有以下特点：设备大型化，主要技术参数与装备向着大型化发展，以满足高产高效集约化生产的需要。应用动态分析和机电一体化、计算机监控、高精度的数据采集等新技术，如采用模糊控制技术，实现了热风炉燃烧的智能控制，不仅替代了人工操作，而且取得了较好的控制效果。采用新型、可靠性高的关键元部件技术。如先进的大功率送风机与耐热高强度管道、电磁阀等。采用何种数据采集系统，对复杂的现场环境进行监测控制，是整个新型热风炉自动控制系统的关键。目前工业控制现场广泛使用的数据采集系统3有如下几种：1基于通用微型计算机(比如Pc机、工控机)的数据采集系统这种系统基于通用微机或工业控制机，通过各种采集卡和总线来采集现场数据，通过接口电路送入微机内进行处理，然后再显示处理结果，输出控制信号。具有如下特点：(1)系统较强的软、硬件支持。计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统进行工作。(2)具有二次开发能力，软硬件扩展能力好。同时生产厂家比较多，可获得较好的技术支持。(3)系统的成本较高。2基于单片机的数据采集系统它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，是近年来微机技术快速发展的结果，它具有如下特点：(1)系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用配置比接近于1，具有最佳的性价比。(2)系统集成度高，提供有标准接口，可作为数据采集单元灵活应用到各种控制系统中。(3)系统的可靠性好、使用方便，无需用户过多的配置，操作简单。3基于DSP处理器的数据采集系统DSP数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，一种是通用基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统，其特点如下：精度高、可靠性好、容易集成等，但同时其成本也比较高。4基于混合型计算机采集系统它是由通用计算机(PC机)与单片机通过标准总线如RS485、ISA、PCI等相连而成。单片机及其外围电路构成的部分是专门为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、数据的计算、记录、打印、图形显示等任务。混合型计算机数据采集系统具有如下特点：(1)通常具有二次开发能力。(2)系统配置灵活。易构成各种大中型测控系统。(3)主机可远离现场而构成各种局域网络系统。(4)充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CPU时间。随着计算机技术、微电子技术、通信技术的发展，对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面：(1)新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。(2)高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。(3)智能化传感器、高精度高速AD和DA转换器、现场总线的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。(4)与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域的应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。(5)分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。13 本课题的特点与要求热风炉控制系统工作在环境极为恶劣的现场，存在大量的噪声信号，温度等参量的变化范围大，系统需采集的各种参数较多，并要求对历史数据做出分析，以提供趋势曲线。本着使用更少的元器件、低成本、简易实用、降低系统功耗以及使系统更加可靠为目标，本课题设计了基于ARM的数据采集系统，作为数据采集单元应用到热风炉自动控制系统中，与热风炉控制系统的控制主机采用标准接口4-20。该数据采集系统的主要特点和功能如下：主处理器采用LPC2106完成对8路模拟信号的采集，模拟信号的输出 完成对8路开关量信号的采集和输出可编程增益放大(1，2，4，8，X 16)，板上采样保持AD转换的分辨率为2位采样速率不低于400Hz提供通信接口SPI接口，与主机控制系统连接十分方便14 本文的主要工作本文详细阐述了一套应用于热风炉自动控制系统的数据采集系统的设计与实现，主要包括硬件电路的设计仿真与单片机的接口设计仿真以及各模块的软件C编程和调试等【20-24】。第二章 数据采集系统的硬件仿真21 概述本章首先对整个热风炉自动控制系统从系统组成结构、功能特点、主控制单元(ARM平台)以及系统工作流程作了简单的综述，指出了数据采集子系统在整个系统中所处的位置和重要作用。然后针对数据采集子系统的硬件仿真做了详细的论述，包括模拟量输入输出、显示电路和晶振电路等。22 新型热风炉自动控制系统的结构221 系统的组成结构热风炉自动控制系统的硬件部分主要由模拟量输入和输出、开关量输入和输出、温度监测系统和主机控制系统四部分组成，如图2一l所示。图2-1 系统结构图(1)主机控制系统采用ARM7TDMI-S处理器，ARM7内核。完成各个子系统的协调工作和通信，实现数据的显示、存储、打印、分析和故障报警等功能，是整个系统的核心。(2)模拟量输入和输出系统传感器、变送器、热电偶等采集现场气体流量、压力和温度信号。主机系统根据现场情况调节各种阀门，包括助燃冷风调节阀和煤气调节阀共两套，可以调节流量信号，并提供阀门位置反馈信号。有害气体检测器探头利用扩散采样，可将现场的有害气体浓度转变成05V的电压信号，通过传输线可将信号传输到微机控制系统，完成远距离气体检测报警。(3)开关量输入和输出系统主机系统根据现场情况，控制继电器、按钮、电机、限位开关等。控制两座热风炉的冷风阀、热风阀、煤气阀、混风阀、烟道阀等阀门，实现燃烧、送风和焖炉功能。通过控制变频器的频率调节风机的转速，以调节气体流量。(4)温度监控系统该系统的主要功能是通过输入设备(热电偶)对热风炉内的温度进行采集监控，然后由计算机控制存储到存储设备中，并且经过计算机软件处理系统的分析、处理之后输出相应的指令到输出设备，用以控制相应的阀门动作。系统工作流程如图22所示：图2-2 系统工作流程图222 系统的功能该系统的功能主要包括数据采集、状态显示和现场控制确保热风炉安全、可靠、高效的运行。(1)数据采集采集气体温度、压力、流量、火焰燃烧状况和有害气体浓度等信号和开关量的状态，送往主机系统。并根据主机的指令输出相应的模拟量和开关量，控制调节阀、变频器、阀门等，实现整个系统的高效、安全运行。(2)状态显示考虑到热风炉控制系统的现场环境特点，我们采用了液晶显示屏加防水键盘的设计。信号参数包括各个监测点的温度、流量、压力、火焰燃烧情况、阀门状态、报警画面和历史纪录等，上传到控制中心后，通过图形界面显示。控制中心对采样来的各项数据参数进行归纳及分析，提出下一步操作步骤。操作人员根据界面数据及提示进行控制操作，极大地避免了误操作及人为疏忽。(3)现场控制控制系统的主要控制方式有“自动”和“手动”，可在两种控制方式之间进行切换。在“自动”控制方式下，控制系统按照预先设定的生产方案，自动完成所有控制及监视功能。在“手动”控制方式下，控制系统不参与控制和操作，操作人员在现场操作箱上直接操作控制。(4)历史趋势和报表功能热风炉运行过程中的一些重要参数，如气体温度、压力、流量等，可对其进行历史数据存储，形成历史趋势，随时进行查看。23 主控单元核心处理器LPC2106是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的 ARM7DMI-S 微处理器，嵌入 128KB高速 Flash存储器。采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，非常适用于那些将小型化作为主要要求的应用。多个32位定时器、PWM 输出和32个GPIC使它特别适用于工业控制和小型机器人系统。ARM内核在嵌入式应用领域的绝对占有率无疑让他成为很多工业系统的首选方案。PHILIPS推出的这个低成本的ARM7芯片，同时却包含了比51单片机丰富许多的片上资源。LPC2106的硬件结构示意图如下：图2-3 LPC2106的硬件结构图特性 ARM7TDMI-S处理器 128k字节片内Flash程序存储器，具有ISP和IAP功能 Flash编程时间：1ms可编程512字节行；每个512字节行保证10000次编程擦除；单个扇区（8kB）或整片擦除时间为400ms Flash编程时间：1ms可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms 64字节静态RAM 向量中断控制器 仿真跟踪模块，支持实时跟踪 RealMonitor模块支持实时调试 标准ARM测试/调试接口，兼容现有工具 极小封装：TQFP48 (77mm2) 双UART，其中一个带有完全的调制解调器接口 I2C串行接口 SPI串行接口 两个定时器，分别具有4路捕获/比较通道 多达6路输出的PWM单元 实时时钟 看门狗定时器 通用I/O口 CPU操作频率可达60MHz 双电源CPU操作电压范围：1.65V1.95V(1.8V8.3%) I/O电压范围：3.0V3.6V(3.3V10%) 两个低功耗模式：空闲和掉电 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒 外设功能可单独使能/禁止，实现功耗最优化 片内晶振的操作频率范围：10MHz25MHz 片内PLL允许CPU以最大速度运行，可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。图2-4 LPC2106引脚图结构概述LPC2106包含一个支持仿真的ARM7TDMI-S CPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB，ARM AMBA总线的兼容超集）。LPC2106将ARM7TDMI-S配置为小端（little-endian）字节顺序。AHB外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节ARM存储器空间的最顶端。每个AHB外设都分配了16k字节的地址空间。LPC2106的外设功能（中断控制器除外）都连接到VPB总线。AHB到VPB的桥接将VPB总线与AHB总线相连。VPB外设也分配了2M字节的地址范围，从3.5GB地址点开始。每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16k字节地址空间。片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。ARM7TDMI-S处理器ARM7TDMI-S是通用的32位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。ARM结构是基于精简指令集计算机(RISC)原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。ARM7TDMI-S处理器使用了一个被称为THUMB的独特结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。在THUMB后面一个关键的概念是“超精简指令集”。基本上，ARM7TDMI-S处理器具有两个指令集： 标准32位ARM指令集16位THUMB指令集THUMB指令集的16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，这些优势是使用16位寄存器的16位处理器所不具备的。因为THUMB代码和ARM代码一样，在相同的32位寄存器上进行操作。THUMB代码仅为ARM代码规模的65%，但其性能却相当于连接到16位存储器系统的相同ARM处理器性能的160%13。 图2-5 处理器结构图LPC2106存储器寻址 图2-6 存储器寻址图24 模拟信号采集在热风炉控制现场，由于各种机电设备的存在，干扰严重，数据采集单元不能直接和强电信号连接，而是使用各种传感器，通过各种隔离器件，将需要的信号传送到信号处理电路。由于LPC2106内部没有A/D转换功能，所以模拟信号转换为数字信号的任务交给了外接的ADC0808，ADC0808为8路输入通道、8位逐次逼近式A/D转换器，可分时转换8路模拟信号。ADC0808的结构由一个8位逐次逼近式A/D转换器、8路模拟转换开关、3-8地址锁存译码器和三态输出数据锁存器组成。ADC0808的引脚：（1）8路模拟量分时输入信号端：IN0IN7；（2）8位数字量输出信号端：D0D7；（3）通道选择地址信号输入端： ADDA、ADDB、ADDC；（4）基准参考电压为VR（+）和VR（-）：决定输入模拟量的范围。典型值分别为+5V和0V。（5）转换结束信号EOC：0：正在进行转换；1：一次转换完成。（6）时钟信号输入端：CLK（其内部无时钟电路）。多路转换开关A B CIN0IN1IN7A/D转换注意：ADC0808应用说明 （1）ADC0808内部带有输出锁存器，可以与LPC2106直接相连。 （2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。 （3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。 （4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。 （5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。 （6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。 ADC0808的应用电路如下图所示：图2-7 ADC0808连接图25 模拟信号输出电路在工业过程控制系统中，被测参数经采样处理之后，还需要计算并输出控制，达到自动控制的目的。对于本课题的热风炉来讲，为了调节热风炉的温度，稳定在给定的值上，需要控制加热炉的阀门，调节进入炉中的煤气量。通常由DA转换器输出模拟信号来控制电动执行机构。大多数DA转换器输出的都是电压信号，电压信号易受工业现场的电磁干扰影响，因而许多场合需要使用电流信号进行模拟信号的传送。因此，在这种情况下，就需要对系统输出的电压信号进行电压电流转换，使系统输出为电流信号。本课题采用TLV5616设计了模拟量输出接口，用05V电压信号进行输出。图2-8 TLV5616连接图TLV5616是一个12位电压输出数模转换器(DAC)，带有灵活的4线SPI串行接口，可以方便地与处理器连接。供电电压范围2755V，输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出放大器是AB类以提高稳定性和减少建立时间。Rail-to-rail输出和关电方式非常适宜单电源、电池供电应用。该芯片的管脚图如下：图2-9 TLV5616引脚图表2-1 TLV5616的各引脚说明端口号端口名I/O说明5AGND模拟地3/CSI芯片选择，低电平有效1DINI串行数字输入4FSI帧同步7OUTODAC模拟输出6REFINI参考模拟输入电压2SCLKI串行数字时钟输入8VDD正电源电压TLV5616具有如下特性：12位电压输出DAC可编程设置时间功耗高速模式下3us低速模式下9us极低的功耗，3V电源高速模式下典型值900uw，低速模式下21mw微分非线性度小于05LSB兼容TMS320和SPI总线一掉电模式下功耗仅为10nA高阻抗参考输入缓冲一宽电压范围，2倍于参考电压输入TLV5616与LPC2106通过单片机的硬件SPI总线读写数据。TLV5616工作时需要一个参考电压，本课题选用微功耗精密电压基准二极管LM38512，产生稳定精确的123v基准电压作为TLV5616的参考电压。TLV5616输出通道的电压为：2 REFCODE2n (V) (2-1)公式(2-1)中，表示数模转换的数字量，REF是参考电压。如需要获得其它范围的电压，需改变CODE或基准电压值。26 开关量信号输入电路在为工业控制设计的数据采集控制系统中，控制状态常常以某些条件状态的输入和逻辑处理结果为判断依据，在这些环节中常有大量的开关信号输入到计算机接口。同样也经常需要开关量进行输出控制。所谓开关量控制就是通过控制设备的“开”或“关”状态的时间来达到控制的目的。例如采用继电器或可控硅控制通、断电。由于工业现场干扰源多，倘若对开关量处理不当，很容易造成判断失误甚至控制失常，给生产带来损失。开关量输入电路主要完成数字量输入信号的接收，并通过接口传给CPU。外部开关量信号需经过光耦隔离，这样可使输入输出在电气上完全隔离，提高抗干扰能力，尤其是抗电磁干扰能力，同时具有电平转换作用。每路的开关量状态均由CPU通过巡检方式读出，即CPU通过直接读取IO口上的数据来判断输入信号的状态。当外部开关量的电压信号进入开关量端子后，经过前级处理后进入光耦器件，使光耦导通，并由施密特触发器滤波后，在D11端输出低电平：反之光耦截止，在D11端输出高电平。图2-10开关输入电路图DINI+，DINI-：开关量的电压信号输入端子。C16、C17：滤波电容。D1：稳压二极管，起保护作用，当输入端子的电压过大时，稳压管击穿起稳压作用，保护后级电路，这里选用24V的稳压管。R23：限流电阻，防止流入光耦的电流过大。U9：光电隔离芯片，型号是PC817，起到隔离大电压信号和单片机的作用。U10：施密特触发器，起滤波作用。型号为74HCl4；开关量输入的现场设备是接触开关或者继电器，这些设备的接点都会有抖动或粘连现象，造成信号反复变化。此外脉冲经传输后受干扰往往发生波形畸变。所以需要在硬件电路将其过滤。送反相器74HCl4对传输信号进行整形，利用施密特特性消除毛刺干扰。D11：进入CPU的开关量信号。27 开关量信号输出电路开关量输出电路主要完成数字量输出信号的输出，用于外部电路的开关控制。由于单片机的IO口不足以驱动一些功率开关(如继电器、电机、电磁开关等)，需要一些大功率开关量输出接口电路。常用的大功率IO接口电路有双向可控硅输出接口电路，继电器输出接口电路，直流型固态继电器输出接口电路，集成功率电子开关输出接口电路等。本课题选择大功率三极管BD435驱动继电器输出的接口电路，电路如图2-11所示。图2-11 开关量输出电路图在实际使用中，实际电路设计有许多考虑。依然采用光电隔离的方法将输入和输出隔离，然后通过驱动管来驱动输出继电器。对输出继电器的考虑，由于继电器的线圈呈感性，流过的电流相对较大，这样在继电器动作的时候，在继电器线圈的两端会产生瞬间感应高压，超过继电器的驱动管的工作电压范围。为了防止瞬间高压对电路造成的损坏，就要在继电器线圈动作时提供放电回路。因此在电路中加上了耐压和耐流较大的二极管IN4007，这就降低了继电器线圈瞬间高压对元件造成的损坏的可能。Ull：7407，提高CPU引脚驱动光耦的能力。U12：光耦器件，隔离CPU和外部继电器电路。D2二极管：接收继电器的反向电流，抑制电路关断时电感产生的反向电动势，防止继电器误动作。Q2：功率三极管，提高I/O口的驱动能力，驱动继电器动作。RL：干簧继电器，干簧继电器的主要组成部分是两个磁性簧片，两个簧片在由磁场作用时接触导通，但干簧继电器的动作没有方向性。这种继电器要求的控制电流很小，触点开关的电流却比较大，因而具有隔离作用，又具有电平转换和驱动作用。28 数码管显示电路显示部分是本次设计核心的部分之一，在这次设计中显示部分采用74HC595进行驱动数码管。74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别的时钟。数据在SCHCP的上升沿输入，在STCP的上升沿进入的存储寄存器中去。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（Ds），和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。 8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。三态。图2-12 74HC595引脚图74HC595的特点8位串行输入/8位串行或并行输出存储状态寄存器，三种状态。输出寄存器可以直接清除100MHz的移位频率74HC595的输出功能行输出，总线驱动；串行输出；标准中等规模集成电路。74HC595移位寄存器有一个串行移位输入（Ds）和一个串行输出（Q7）,和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。LED数码管简介发光二极管LED是能将电信号转换成光信号的发光器件，7段LED数码管则是在一定形状的绝缘材料上，利用单只LED组合排列成的“8”字型，分别引出它们的电极，点亮相应的笔段来显示出0-9的数字。LED数码管的结构与特性LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解这些特性，对编程是很重要的，不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的,它们的发光原理是一样的，只是电源极性不同。LED数码管的主要特点如下：l）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL电路兼容；2）发光响应时间极短(08V且VINVOUT07V时，其最大输出电流将被限制在12A，以防过载而引起器件损坏；当工作温度超过160时，输出也将自动关闭，当温度降低后输出又会自动打开；当输出对地短路时，输出电流将被限制在350mA，如果散热好的话，只要器件温度不超过150， 那么对地短路即使持续1分钟也不会损坏器件26-28。第三章 系统的软件设计对于数据采集和控制系统来说，软件是功能的最终实现，也是系统性能优劣的重要因素。这其中主要包括功能的实现，可靠性的高低，同时包括程序的可读性，功能的可扩展性等方面。本系统中根据系统的功能要求，需要软件完成模拟量的采集与处理，与监控中心的通信，并控制模拟量。在软件的实现上主要采用模块化结构，各模块之间功能相对独立，每一模块对外提供尽量少的接口，这使得编程的工作量和难度得到降低。系统的软件功能主要有：启动代码程序，SPI通信程序，主程序和A/D转换程序等29。本次设计用的软件设计平台是keil uvision3下面是对的一些简单介绍keil uvision3KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。uVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x，以及Infineon的XC866等。 31 启动代码程序模块321 PLLLPC2106具有PLL电路，通过PLL升频，可以获得更高的系统时钟(cclk)，PLL的方框图见图3-1。PLL接受的输入时钟频率范围为10MHz25MHz，输入频率通过一个电流控制振荡器（CCO）倍增到范围10MHz60MHz。倍频器可以是从1 到32 的整数（实际上，由于CPU最高频率的限制，LPC2114/2124/2210/2212/2214 的倍频值不能高于6）。CCO 的操作频率范围为156MHz320MHz，因此在环中有一个额外的分频器使PLL提供所需要的输出频率时CCO保持依然在允许频率范围内。输出分频器可设置为2，4，8 或16分频。输出分频器的最小值为2，保证了PLL 输出有50%的占空比。PLL 的激活由PLLCON 寄存器控制。PLL 倍频器和分频器的值由PLLCFG 寄存器控制。为了防止PLL参数发生意外改变或PLL失效，对这两个寄存器进行了保护。当PLL 提供芯片时钟时，由于芯片的所有操作，包括看门狗定时器在内都依赖于它，因此PLL设置的意外改变将导致CPU执行不期望的动作。对它们的保护是由一个类似于操作看门狗定时器的代码序列来实现。图3-1 PLL方框图PLL 在芯片复位和进入掉电模式时被关闭并旁路。PLL 只能通过软件使能。程序必须在配置并激活PLL 后等待其锁定，然后再连接PLL。警告：PLL 值的不正确设定会导致芯片的错误操作。为了使系统基本能够工作，必须在进入main()函数前对系统进行一些基本的初始化工作，这些工作startup.s文件中完成。LPC2106 的启动代码程序清单。PLL_BASE EQU 0xE01FC080 ; PLL Base AddressPLLCON_OFS EQU 0x00 ; PLL Control OffsetPLLCFG_OFS EQU 0x04 ; PLL Configuration OffsetPLLSTAT_OFS EQU 0x08 ; PLL Status OffsetPLLFEED_OFS EQU 0x0C ; PLL Feed OffsetPLLCON_PLLE EQU (10) ; PLL EnablePLLCON_PLLC EQU (11) ; PLL ConnectPLLCFG_MSEL EQU (0x1F0) ; PLL MultiplierPLLCFG_PSEL EQU (0x035) ; PLL DividerPLLSTAT_PLOCK EQU (110) ; PLL Lock StatusPLL_SETUP EQU 1PLLCFG_Val EQU 0x00000024322 IRQ/FIQ 中断当用户使用IRQ/FIQ 中断时，需要设置CPSR 寄存器的I 位或F 位，并在用户主程序中设置VIC 来使能相应片内外设的中断，设置片内外设中断使能。一旦产生IRQ 中断，微控制器即会切换到IRQ 模式，并且跳转到向量表0x00000018地址执行程序。在IRQ 向量使用的指令与其它向量不同，当CPU执行这条指令但还没有跳转时，PC 的值为0x00000020(因为ARM7TDMI 内核是三级流水线结构)，0x00000020 减去0x00000ff0 为0xFFFFF030，这是向量中断控制器（VIC）的特殊寄存器VICVectAddr，这个寄存器保存当前将要服务的IRQ 的中断服务程序的入口，用这一条指令就可以直接跳转到需要的中断服务程序中。一旦产生FIQ 中断，处理器即会切换到FIQ 模式，并且跳转到向量表0x0000001C 地址执行程序。如程序清单所示，程序将跳到FIQ_ Handler 标号处，处理FIQ 中断服务程序。Vectors LDR PC, Reset_Addr LDR PC, Undef_Addr LDR PC, SWI_Addr LDR PC, PAbt_Addr LDR PC, DAbt_Addr NOP ; Reserved Vector ; LDR PC, IRQ_Addr LDR PC, PC, #-0x0FF0 ; Vector from VicVectAddr LDR PC, FIQ_AddrReset_Addr DCD Reset_HandlerUndef_Addr DCD Undef_HandlerSWI_Addr DCD SWI_HandlerPAbt_Addr DCD PAbt_HandlerDAbt_Addr DCD DAbt_Handler DCD 0 ; Reserved Address IRQ_Addr DCD IRQ_HandlerFIQ_Addr DCD FIQ_Handler323 外部寄存器由于 LPC2106是总线开放型芯片，具有4个Bank 的存储器组，总线宽度可设置为8 位、16 位或32 位。LPC2106的启动代码中包总线的初始化设置，如程序清单所示：LDR R0, =PINSEL2 (1)IF :DEF: EN_CRPLDR R1, =0x0f814910 (2)ELSELDR R1, =0x0f814914 (3)ENDIFSTR R1, R0 (4)LDR R0, =BCFG0 (5)LDR R1, =0x1000ffef (6)STR R1, R0 (7)LDR R0, =BCFG1 (8)LDR R1, =0x1000ffef (9)STR R1, R0 (10)LDR R0, =BCFG2 (11)LDR R1, =0x2000ffef (12)STR R1, R0 (13)LDR R0, =BCFG3 (14)LDR R1, =0x2000ffef (15)STR R1, R0 (16)将P0.8、P0.9 设置为TxD1、RxD1 功能PINSEL0 = 0x00050000;或 PINSEL0 = 0x0516;PINSEL0、PINSEL1 和PINSEL2 寄存器是可读可写的，为了不更改原先的引脚功能设置，可以先读取寄存器值，然后进行逻辑“与”、“或”操作，再回写到此寄存器。PINSEL0 = (PINSEL0 & 0xFFF0