（控制理论与控制工程专业论文）旋风预热器的控制研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在水泥生产过程中旋风预热器的工作过程属于复杂的热工反应过程，是水 泥生产的重要组成部分，对生料的预热效果将直接影响到最后产品的质量的优 劣、能耗的大小以及环保等众多方面。目前国内各大、中型水泥回转窑的旋风 预热器的闭环控制回路依然采用传统的p i d 控制算法，而旋风预热器是一个大 惯性，大滞后，时变和严重的非线性系统，使用常规的p i d 控制器，存在着参 数难以整定，误差比较大、显示精度较低、控制效果不够理想等诸多不足。本 课题采用两维控制系统，改进控制策略，采用模糊控制和传统p i d 控制分段控 制方法，实现旋风预热器生产的自动控制。另外，对工艺要求的一些参数进行 实时监控，以保证生产的“均衡稳定”与设备的安全运行，使生产过程经常处于最 佳状态，以达到优质、高效、低消耗的目的。 本课题针对旋风预热器生产工艺要求设计控制方案。以三星公司生产的 s 3 c 4 4 b o x 芯片为主控芯片，根据实际需要在其外围扩展了相应功能的主控平 台，对于系统中需要采集的信号量：温度( t ) 、压强( p ) 、流量( f ) 选择相应 的传感器，自行设计了信号调理板和双向可控硅电路来实现对信号的检测和硬 件电路的控制。另外，采用了目前世界上非常流行的# c l i n u x 操作系统来作为 软件平台，自行编写了a d c 和p w m 等底层驱动程序来实现相应的功能。对旋 风预热器出口气体温度改进传统p i d 控制方式，引进改良的控制策略，进行模 糊控制和经典p i d 控制算法相结合的方法，获得了动态响应速度快，超调量小， 温度控制稳定的良好的效果。在系统总体上实现了数据监控、图形显示，对工 艺以及电气故障通过i o 口处的蜂鸣器进行实时报警的功能。 关键词：水泥回转窑，旋风预热器，嵌入式系统，模糊控制，i ic l i n u x 底层驱 动 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep r o c e s so ft h ec y c l o n ep r e - h e a t e ri st h ec a ) r ep a r to ft h ec e m e n tp r o d u c e ， w h i c hb e l o n g st ot h ec o m p l e xh e a r tr e a c t i o np r o c e s s t h ee f f e c to fp r e - h e a t e rt or a w w i l l i m p a c to nt h eq u a l i t yo fc e m e n t , e n e r g yc o n s u m p t i o na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n a tp r e s e n t , t h ec y c l o n ep r e - h e a t e r sc l o s e dl o o pu s e st r a d i t i o np i dc o n t r o l s t r a t e g yi n t h en a t i o n t h e r ea r em a n yd e f e c t si ni t , s u c ha si ti ss od i f f i c u l tt o a s c e r t a i nt h ep a r a m e t e ro fs y s t e mt h a tc a nn o tr e a c ht ot h ei d e a le f f e c t ，b i ge r r o r s ，l o w d e m o n s t r a t i o np r e c i s i o n ，t o os i m p l ec o n t r o l l e da l g o r i t h ma n ds oo n t h i sp a p e ru s e t w oc l a s sd c sc o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v ec o n t r o ls t r a t e g y , w h i c hc a nr e a l i z et h e c o n t r o lo ft h ep r o c e s so ft h ec y c l o n e p r e - h e a t e ra n ds u p e r c i s et h er e q u e s tp a r a m e t e r t h ec y c l o n ep r e - h e a t e rn o to n l ye n s u r eb o t ht h es t a b i l i z a t i o no fp r o d u c ea n d e q u i p m e n t ss a f e t y , b u ta l s om a k et h ep r o c e s so fp r o d u c ea n de q u i p m e n t ss a f e t y , b u t a l s o m a k et h ep r o c e s so fp r o d u c et ot h eb e s tp o i n t , w h i c hc a nr e a c ht oa i mo fh i g h q u a l i t y , h i g he f f i c i e n c y , l o wc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lr e q u e s to fc y c l o n ep r e - h e a t e r , t h i sp a p e rp r e s e n t sa c o n t r o ls t r a t e g y ic h o o s et h ec h i po fs 3 c 4 4 b o xw h i c hi sp r o d u c e db ys a m s u n g c o r p o r a t i o n , t h em a s t e rc o n t r o lp l a t f o r ma c c o r d i n gt ot h er e a l i t yn e e d sf u n c t i o nt o e x t e n to u tc i r c u i t a c c o r d i n gt ot h er e a l i t yn e e do f s y s t e m ，is h o u l dc o l l e c tt h r e es i g n s ： t h et e m p e r a t u r e ，t h ei n t e n s i t yo fp r e s s u r e ，r a t eo ff l o w ic h o s e nt h ec o r r e s p o n d i n g s e n s o r , p r o p e rm o t i o nh a sd e s i g n e dt h a tt h es i g n a lr e a l i z e st h ed e t e c t i n gt ot h es i g n a l a n dc i r c u i t a lc o n t r o l l i n go fh a r d w a r ec o m i n gt h ec i r c u i tn u r s i n gb o a r da n dt h e t w o - w a ys i l i c o nc o n t r o l l e dh a r d w a r e r e a l i z et h ec o r r e s p o n d i n gf u n c t i o nd u r i n gt h e p a s tb o t t o md r i v es u c h 弱b e s i d e s ，h a v i n ga d o p ta d ca n dp w m t ob et h es o f t w a r e p l a t f o r ma tp r e s e n ti nt h ew o r l dc o m ev e r yp o p u l a rm u c l i n u xo s ，h a v i n gc o m p i l e d a n dc o m p o s e db ys e l f t h eg a st e m p e r a t u r eh a si m p r o v e dt h et r a d i t i o np i dc o n t r o l m o d et ow h i r l w i n dp r e h e a t e ro u t l e t ，h a si n t r o d u c e du n d e rt h ec o n t r o lo ft a c t i c s a m e l i o r a t i n g ，h a sb e e ni np r o g r e s sm i x i n gu pm e t h o do fi n t e g r a t i o no fp i dw i t h c l a s s i c sp i dc o n t r o la l g o l i t h m ，h a sg a i n e dd e v e l o p m e n ts p e e do fr e s p o n s eq u i c k l y , h a ss u r p a s s e dat u n em e a s u r i n gt h ef i n ee f f e c tt h a tt h et e m p e r a t u r eu n d e rt h ec o n t r o l 武汉理工大学硕士学位论文 o fs t a b i l i z e sf o ras h o r tt i m e h a v er e a l i z e dd a t as u p e r v i s o r yc o n t r o l ，t h ea r t w o r k d i s p l a ya saw h o l ei ns y s t e m ，t h eb u z z e rp h o n et h a tt h em o u t hg e t sa l o n gt oh a n d i c r a f t a n dt h ee l e c t r i c i t ym a l f u n c t i o nb yi oc a r r i e so u tr e a lt i m ew a r n i n gf u n c t i o n k e yw o r d s ：c e m e n tr o t a r yk i l n ，c y c l o n e dp r e h e a t e r ，e m b e s ts y s t e m ，f u z z y c o n t r o l ，t h eb o t t o md r i v e so fu c l i n u x i n 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丕查【兰 日期：塑丝：! 笪 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：氆筮盟耋日期：迦墨：! 墨 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章首先通过介绍旋风预热器的基本结构和工作原理从而引出在国内外的 研究现状来阐述本课题的目的和意义，进而结合自动化方面在实际工业领域应 用中的发展现状和趋势设计了自己的研究内容和方法。 1 1 旋风预热器的基本结构及工作原理 旋风分离器是一种利用气固两相流体的旋转运动，使固体颗粒在离心力的 作用下从气流中分离出来的设备。由于它结构简单、设备紧凑、无相对运动部 件、价格低廉、操作维修方便，而且可以满足不同生产特殊要求，所以被广泛 应用于化工、能源、矿山、炼油、食品、冶金、建材等众多行业，成为最常用 的气固分离、除尘设备。本文所研究的旋风预热器就是在旋风分离器上面添加 预热装置而组成的设备。 常规的旋风预热器，一般由进气管、排气管、圆筒体、圆锥体和固体出口 组成。当含固体颗粒的气体进入旋风预热器时，由于筒壁的约束力作用，气流 将由直线运动转变成圆周运动，旋转气流的绝大部分沿器壁成螺旋状向下，朝 锥体流动，通常称为外漩流。含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度远远 大于气体的颗粒甩向器壁，固体颗粒一旦与器壁接触，便失去惯性力而靠入口 速度的初始动量随外螺旋气流沿壁面下落，最终进入固体出口。因圆锥体半径 的收缩，根据“旋转矩 不变原理，其切向速度不断提高；另一方面，外旋流 旋转过程中使周边气流压力升高，在圆锥中心部位形成低压区，由于低压区的 吸引，当气流到达锥体下端某一位置时，便向分离器中心靠拢，即以同样的旋 转方向在旋风预热器内部，由下反转向上，继续作螺旋运动，称为内漩流。最 后，气体中的固体小颗粒在气体旋转向上，继续作螺旋状运动时，碰到器壁， 则减速螺旋的沿器壁滑落出来，从而达到了气固分离，固体加热的目的。 1 2 旋风预热器的研究现状 由于旋风预热器的内部流场是一个三维流场，人们通常是以热力学和流体 武汉理工大学硕士学位论文 力学为理论基石，因此仅仅局限于热物理学，流体动力学等方面的学者和研究 人员来研究。但是这些理论通常需要极为繁琐的迭代运算，并且由于不同对象 的内部流场不同，检测手段有限，使得其理论在实际应用中难以取得突破性的 进展。近年来，计算机的高速发展和仿真技术的逐渐成熟，使得研究者能够利 用c f d ( 计算流体力学) 软件来对旋风预热器内部流场进行了模拟，从而利用 仿真的形式来模拟场内运动i 。但仅仅通过模拟来分析气相流场、颗粒运动轨迹、 压降及分离效率等在随机性较大的实际应用中不会取良好地效果。 在自动化方面，通常采用普通的m c u ( 微控制器) 来进行温度、流量、压 强的监测和控制。在现代工业领域的应用中，往往会造成控制精度差、反应速 度慢、控制算法简单响应速度慢、显示能力差等缺点，使旋风预热器的效果难 以令人满意。 1 3 本课题研究的目的和意义 旋风预热器是目前工业生产中应用极为广泛的一种气固换热分离的设备， 在能源、环保、化工、冶金、建筑、采矿等许多领域广泛的应用着。本课题所 用的旋风预热器是属于水泥回转窑的中用于生料( 一般为石料) 加热和气固分 离。在实际应用中往往容易出现旋风预热器系统堵塞，生料加热不够，有毒性 气体排放超标等问题。本课题的目的就是设计一个控制仪器使其能够妥善地解 决这些问题以及对旋风预热器的工况进行实时监测和自动控制以达到生产的 “均衡稳定 与设备的安全运行，使生产过程经常处于最佳，达到优质、高效、 低消耗地状态。 意义：能源作为人类现代文明的支柱产业之一，越来越受到人们的高度重 视。与此同时，能源消耗所排放的各种废气将导致温室效应并引起环境问题， 已经成为全球最为关注的热点之一，也是日益深刻的社会问题。环境污染不仅 给人类及生物生存空间带来了严重威胁，而且会给子孙后代留下无究的隐患。 全世界的科学家与有识之士纷纷呼吁各国政府与产业部门，在大力研究开发新 能源以及充分利用能源的课题，加快解决能源危机的同时，还应保护地球环境， 保护人类生存的空间。另外，由于旋风预热器应用范围广，所涉及的领域非常 广，而这些领域大多都是与国家经济建设休戚相关的行业。所以本课题的研究 无论是对保护地球环境，防止大气污染和温室效应都是一个积极可行的策略， 2 武汉理工大学硕士学位论文 对于任何国家的经济建设都具有相当重要的意义。 1 4 本课题的研究内容和方法 在现代工业领域的应用中，对于数据采集、处理以及模拟量和开关量控制 等方面由于受限于低级的m c u 往往会造成控制精度差、反映速度慢、控制算法 比较简单等缺点，使整个温控和数控系统难以达到实际的要求。因此，设计一 个满足现代要求的旋风预热器控制仪在工业应用领域显得非常迫切。按照现代 工业控制领域智能、快速、精准的要求，在旋风预热器控制仪的设计中，首先 选择一个合适m c u 作为控制平台的主控制器，设计一个合理的硬件平台，使其 能够高精度地采集数据，高速度地响应m c u 的命令；在算法方面选择合适的控 制算法，使控制系统能够做到响应快、超调量小，使整个系统能够安全、稳定、 高效地运行。 随着计算机的普及，互联网技术的使用以及纳米微电子技术的突破，它 们强而有力的推动着工业生产，商业活动，科学实验以及人们的日常生活。在 自动化产品制造，大范围电子商务活动，高度协同的系统构建以及现代化工业 仪表等方面的不断完善，为嵌入式产品造就了巨大的商机。 现在3 2 位嵌入式c p u 的性价比不断的提高，这为3 2 位嵌入式系统的广泛 应用提供了广阔的前景。然而对于3 2 位的m c u 来说仅仅把它当作单片机使用 是远远没有开拓它的潜能，而操作系统的移植才使他的潜能更好的挖掘出来。 尽管从2 0 世纪8 0 年代末开始，陆续出现了一些嵌入式操作系统，比较著名的 有v x w o r k s 、l lc o s 、n i o s 、w c e 等，但是这些操作系统都属于商用型的专 用产品，昂贵的价格使许多致力于开发低端产品的小公司望而却步，而且，源 代码的封闭大大限制了开发者的应用和积极性。l i n u x 为嵌入式操作系统提供了 一个极有吸引力的选择，它是与u n i x 相似以内核为基础的，完全的内存保护、 多任务、多进程的操作系统。嵌入式l i n u x 操作系统由于其源码开放，价格低廉， 功能强大和易于移植等优点正被广泛应用，已成为新兴的力量，使业界的众多 的商家纷纷转入嵌入式l i n u x 。其版本相当多，比如r e dh a t ，r e d o r a c o r e 等等，这些主要是应用于桌面系统和服务器，由于其具有开放的源代码和可裁 减的内核的特性，它逐渐被修改而应用在嵌入式操作系统中，如：l ic l i n u x ， r tl i n u x 等。其中pc l i n u x 是主要针对无m m u 的微处理器开发的一个嵌入式 3 武汉理工大学硕士学位论文 l i n u x 版本发挥着巨大的作用。 随着信息时代的来临，越来越多的智能仪表应用在各种工业现场，发挥着 巨大的作用，它们不仅使工业化的程度提高，更使检测精度和速度以及控制水 平有了很大的提高。它们的进步主要表现在以下几个方面： 1 以d s p 为代表的m p u ( 微处理器) 以其强大地高速运算能力，在数据检测， 运算，控制上面表现的快速响应能力使工业现场的各种数据都能快速采集和处 理，有力地保证了采集以及控制的实时性。 2 以a r m 为代表的m c u 虽然它们的运算能力不如d s p ，但是它们能够移 植例如：v x w o r k s 、i ic o s i i 、w i n c e 、l i n u x 等操作系统。由于操作系统 的作用是一组直接控制和管理硬件资源的软件资源，使系统高效，协调，自动 地工作，以方便用户充分而有效地利用资源的程序。操作系统的目的有两个： 首先是方便用户使用，用户通过操作系统提供地命令和服务去操作微控制器而 不需要直接操作硬件；其次操作系统尽可能使用微控制系统中的各项资源而得 到充分合理地应用。操作系统提供了五个方面地功能：存储器地管理，处理器 管理、设备管理、文件管理和作业管理。因此它们对采集的数据具有存储，运 算，逻辑判断以及自动操作的能力。随着技术不断地进步，控制系统的应用要 求也在不断地提高，这促使它们朝着更高的要求发展，如网络化、微型化、智 能化等1 2 1 。 因此鉴于以上的背景，本系统提出了以下方法。选择一款3 2 位的微控制器 作为主控芯片，然后根据实际工程需要在其外围开发相应的硬件；在主控芯片 中移植一个合适的操作系统使整个硬件平台，充分利用操作系统是一组直接控 制和管理硬件资源的软件资源，使系统高效，协调，自动地工作，以方便用户 充分而有效地利用资源的优点；在控制算法方面采用了经典p i d 控制算法和模 糊控制算法相结合的方式以达到快速、精确的控制；在监测方面利用串行通讯 在上位机开发v b ( v i s u a lb a s i c ) 平台作为人机接口使工作人员能够方便、直观 地观测现场运行情况。 1 5 本章小结 本章阐述了旋风预热器在水泥回转窑中的意义和现状，再根据实际应用中 旋风预热器在控制方面的不足引出了嵌入式技术的现状和智能检测与控制的 4 武汉理工大学硕士学位论文 现状，提出了利用现代的具有高性能的微处理器的嵌入式技术与比较合理的 控制算法相结合来对旋风预热器控制仪进行改进。阐述了本课题在实际生产 中的重要意义。图1 - 1 为旋风预热器的外观，图1 - 2 为旋风预热器控制系统的 电路板。 图1 - 1 旋风预热器的外观 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 2 旋风预热器控制系统的电路板 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章旋风预热器控制仪总体设计思想 在嵌入式技术中有很多款m p u ( m i c r op r o c e s s o ru n i t ) ，本章根据实际功能 需要选择一款m p u ，对系统的总体方案进行设计。 2 1 控制系统框架的设计 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。i e e e ( 国际电气和电 子工程师协会) 对嵌入式系统的定义为：嵌入式系统是“d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ， m o n i t o ro ra s s i s t a n tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s l 引。而国内 普遍认为嵌入式系统是以应用为主，以计算机技术为基础，软硬件可以裁减， 适应于应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功耗等严格要求的专用计算机 系统【4 j 。在旋风预热器控制仪的设计中采用全新的嵌入式技术作为温度控制仪的 核心技术，采用嵌入式微处理器作为旋风预热器的主控制器。 控制系统主要由硬件，软件和算法3 部分组成，其中每一个环节的设计都 会直接影响到控制系统的整体性能。软硬件的设计直接影响到系统的数据采集 速度、精度、相应能力，算法的设计直接影响到控制系统的控制能力如：快速 响应能力。 硬件系统的总体构架：由于控制系统的控制目标为温度( t ) 、压强( p ) 、 流量( f ) ，其中温度具有较大的时滞性，因此需要具有快速响应的能力来对这 种缺点进行改善，而压强和流量对产品的产量和现场的安全具有极大的意义， 因此实时性要求非常高。拟以基于s a m s u n g 公司生产的s 3 c 4 4 b o x 的a r m 7 做 主控板的m p u ，外围的硬件电路有数据调理板和控制板。数据调理板的功能为 信号调理，使a r m 能够利用其自带的a d c 模块直接进行数据处理；控制板拟 定由发热丝来提供热量，由风机来提供动力。闭环的控制方式主要是根据实际 的情况来控制双向可控硅的通断来控制风机两端的电压。主控板的设计框架如 图2 - 1 所示，各个模块的具体功能如下： j t a g 接口：j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ) 是1 9 8 5 年制定的检测p c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) 板和i c 芯片的一个标准，1 9 9 0 年被修改后成为i e e e 的 一个标准，即i e e e l l 4 9 1 1 1 9 9 0 。通过这个标准，可对具有j t a g 口芯片的硬件 7 武汉理工大学硕士学位论文 电路进行边界扫描和故障检测。j t a g 单元在旋风预热器控制仪中也是非常重要 的一部分，它在主控板的工作期间不起作用，它的设计主要是为了在设计过程 中进行程序的调试代理【5 1 。 囤 弋怎 i j t a g 接e l 0 s 3 c 4 4 8 0 x 图2 - 1 主控板的结构方框图 按键接口：按键接口主要功能是进行外部的强制复位。 报警器接口：由于在实际的工业现场中，安全往往是放在第一位的，虽然 一个完整的系统会具备对突发事件的处理能力，但是由于硬件的响应能力以及 软件的可靠性不足以让人绝对放心，因此，除了一般的看门狗电路，突发事件 的硬件软件响应以外，还需要具备现场的声控系统来提醒现场的工作人员能够 关注事态的发展，这样才能够起到双保险的作用。 数据采集接口：参数温度( t ) 、流量( f ) 、压强( p ) 的模拟量是经过数据 调理板整理来的，在主控板上面需要设置专门的a d 转换接口来进行数据采集。 l c d 接口：l c d 接口的设计主要是为了能够满足现场检测的数据能够实时 显示，这样使在现场的值班工作人员能够通过l c d 对现场的运行情况及时了解， 做到心中有数。 以太网的接口：以太网的接口主要是作为下载通道把操作系统的内核以及 设备驱动的程序下载到f l a s h 中。 u a r t 接口：串口在设计的阶段主要用于程序串口下载，调试和监测的作用。 8 武汉理工大学硕士学位论文 在系统设计完成以后主要用于现场的数据显示。拟定p c 机上利用v b 来进行数 据的实时显示和曲线显示。 p w m 接口：s 3 c 4 4 b o x 中的定时器具有p w m ( 脉宽调制) 功能，通过对 一些功能寄存器的配置，可定义占空比的大小以及定时频率的高低。这样就能 配合控制板上面的可控硅来调节风机和发热电阻丝两端的电压。 h a s h ：f l a s h 单元主要是给启动程序( b o o t l o a d e r ) ，启动参数，操作系统， 文件系统以及字符设备的驱动程序和应用代码提供存储空间的。一般这种f l a s h 芯片采用n o r f l a s h 芯片，它的存储速度比r a m 要慢，但具有调电保存的功能。 s d r a m ：s d 删主要是提供程序运行空间。它的存取速度比f l a s h 快， 但与嵌入式芯片中自带的c a c h e 相比就慢很多了，而且当整个系统调电时，存 储在s d r a m 中的数据全部消失。 2 2 信号调理板和控制板的构思 由于在实际生产中所采集到的信号均是借助传感器得到的，而传感器得到 的信号往往与我们通常需要用到的4 2 0 m a 、0 5 v 是有差距的，因此我们需 要把他们调理到主控芯片能够识别的范围。在对强电的控制中还需要采用光电 隔离的手段来实现。 2 3 本章小结 本章主要是根据实际的需要来对m p u 进行选型，然后依据实际的功能需要 开发了它的几个功能模块以及阐述了各个模块的功能。介绍了信号调理板和控 制板的作用。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章旋风预热器控制仪硬件设计 本章根据实际需要选择了合适的主控芯片，然后在主控芯片外围开发了相 应的硬件电路：主控板和信号采集板，为系统搭建了一个合理的硬件平台。 3 1 主控板的硬件设计 3 1 1 主控芯片的选择和简介 嵌入式微处理器的种类有许多，如a r m 7 ，a r m t t d m i ，a r m 9 ，a r m l 0 ， p o w e r p c 等等【6 】。在一个嵌入式系统中由于对可靠性，成本，体积，功耗等严 格要求因此需要综合考虑各方面的因素加以权衡，根据实际的要求决定采用 a r m 7 t m d i 的内核，但是采用a r m t t m d i 内核的芯片有很多公司制造，最常 见的就是三星公司生产的s 3 c 4 4 b o x 芯片和菲利普公司生产的 c 2 1 0 4 芯片。 由于本系统中需要用到的p w m 和a d c 等功能，而三星的s 3 c 4 4 b o x 芯片内部 集成了这些功能模块，所以最终决定采用s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器作为主 控板的核心处理器。 s a m s u n gs 3 c 4 4 b o x 微处理器片内集成a r m t t d m i 核，采用0 2 5 u r nc m o s 工艺制造，并在a r m t t m d i 核基本功能的基础上集成了丰富的外围功能模块， 便于低成本实际嵌入式应用系统。片上集成的主要功能如下阴： ( 1 ) 在a r m 7 t d m i 基础上增加了8 k b 的c a c h e ； ( 2 ) 外部扩充存储器控制器( f p e d c i s d r a m 控制，片选逻辑) ； ( 3 ) l c d 控制器( 最大支持2 5 6 色的d s t n ) ，并带有1 个l c d 专用d m a 通道； ( 4 ) 2 个通用d m a 通道、2 个带外部请求引脚的d m a 通道； ( 5 ) 2 个带有握手协议的u a r t ，1 个s i o ： ( 6 ) 1 个多主的i i c 总线控制器； ( 7 ) 1 个i i s 总线控制器； ( 8 ) 5 个p w m 定时器和1 个内部定时器； ( 9 ) 看门狗定时器； ( 1 0 ) 7 1 个通用可编程i 0 口，8 个外部中断源： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 1 ) 功耗控制模式：正常，低，休眠和停止； ( 1 2 ) 8 路1 0 位a d c ； ( 1 3 ) 具有日历功能的r t c ( 实时时钟) ； ( 1 4 ) p u 时钟发生器。 在系统( 存储) 管理方面具有如下特点【8 】： 1 支持大，小端模式( 通过外部引脚来选择) ； 2 地址空间：包含8 个地址空间，每个地址空间为3 2 m b ，总共有2 5 6 m 的地址等存储器，如图3 - 1 所示，2 个用于r o m ，s r o m ，f p e d o s d r j 气m 等存储 器。 0 x l o o o0 0 0 0 o x o e 0 00 0 0 0 o x o c 0 00 0 0 0 o x o a 0 00 0 0 0 o ) 0 8 0 00 0 0 0 o x 0 6 0 00 0 0 0 0 x 0 4 0 00 0 0 0 o ) 0 2 0 00 0 0 0 o x o l c q _ 0 0 0 0 o x 0 0 0 00 0 0 0 j l s r o m m r a m 为l d r a m n g c s 7 1 么锚8 | j3 到2 m 量b 一 s r o m d r a m , s d r a m ( n g c s 6 ) r s r o m n g c s 5 ) ji r3 2 m b r ji s r o m n g c s 4 ) ，3 2 m b l jl s r o m n g c s3 ) r3 2 m b j1 s r o m ( n g c s 2 )3 2 m b 。 ji s r o m n g c s1 ) 1r3 2 m b ， s p e c i a lf un c t i o n r e g i s t e r s 4 mb y t e s ) r r s r o mf n g c s o ) j 2 8 m b 1r l 图3 - 1s 3 c 4 4 b o x 存储器地址分配 3 1 2s 3 0 似b o x 的最小系统设计 s 3 c 4 4 b o x + 电源电路+ 晶振电路+ 复位电路+ j t a g 接口电路可构成真正 意义上的最小系统【9 】。下面从最小系统开始设计硬件电路。 ( 1 ) 电源电路设计 由于s 3 c 4 4 b o x 的内核电压为2 5 v ，i o 口的电压为3 0 v - 3 6 v ，推荐3 3 v 。 另外由于l e d 的供电电压为5 v ，因此需要设计3 种直流电源。电源设计如图 3 2 至图3 - 4 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 l l c 睁5 厶j l l l l k 力 i 唧暑h 2强 孤u h b c j ! 13 卜娜s 露广苫一 1 0 4 笔叠昙g 一d l l e 一 j 一 - - c , 6 i2 卜一 = c 神 i1 卜一一 1 0 d c 1 2 v 日蚶 1 呐，b * z 蛐 q 弋 ：飞 图3 25 v 直流电压源硬件图 图3 32 5 v 直流电压源硬件图 ( 2 ) 晶振电路的设计 根据s 3 c 4 4 b o x 的最高工作频率以及p i j l 电路的工作方式，选择1 0 m h z 的无源晶振，1 0 m h z 的晶振频率经过s 3 c 4 4 b o x 片内的p i j l 电路倍频后，最高 可以达到6 6 m h z 。片内的p i j l 电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系 统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所 造成的高频噪声。 图3 43 3 v 电压源硬件图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) j t 觚接口电路设计 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协 议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。目前大多数比较复杂的 器件都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。 标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、 测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。j t a g 测试允许多个器件通过j t a g 接口串联在一起，形成一个j t a g 链，能实现对各个器件分别测试。j t a g 接口 还常用于实现i s p ( h a s y s t e mp r o g r a m m a b l e 在系统编程) 功能，通过j t a g 接 口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简 洁高效的手段。目前j t a g 接口的连接有两种标准，即1 4 针接口和2 0 针接口。 表3 - 1 为各管脚的接线方式，1 4 针的接口电路如图3 5 所示。 表3 - 11 4 针的j t a g 的管脚接线方式 引脚名 称描述 1 、1 3 v c c 接电源 2 、4 、6 、8 、1 0 、1 4g n d 接地 3n t r s t 测试系统复位信号 5t d l 测试数据穿行输入 7t m s 测试模式选择 9t c k 测试时钟 1 1t d o 测试数据串行输出 1 2n c 不连接 g n d n h g t d i t c k 图3 - 5j t a g 的硬件接线图 1 3 c o n 2 田” 37 9 儿n 2 4 6 8 加屹h 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 外围硬件电路的设计 ( 1 ) f l a s h 存储器的设计 由于s 3 c 4 4 8 0 x 自身不具有r o m ，因此必须外接r o m 存储器来保存代码 和数据。 闪速存储器( f l a s hm e m o r y ) 具有非易失性，并且容易擦写。f l a s h 技术结 合了o p t 存储器的成本优势e e p r o m 的可再编程能力，因此得到越来越广泛的 使用1 9 】。在本系统中选中了h y 2 9 l v l 6 0 作为f l a s hr o m 存储器。 f l a s hr o m 采用标准总线接口与处理器交互，对它的读取不需要任何特殊的代 码，但需要首先在硬件上设定o m 0 ，o m l 和大小端，以便使处理器知道f l a s h r o m 的数据长度和位序。 h y 2 9 l v 2 9 0 作为代码存储器，映射在处理器的b a n k 0 地址空间，即从地址 0 x 0 0 0 0 0 ( ) 0 0 开始。系统上电复位后，处理器就自动从0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址处开始取 得指令运行。因此f l a s hr o m 中要存放系统启动代码，这些代码必须在系统上 电时完成一系列初始化的工作。经过了初始化，系统才得以正确启动并且开始 工作。 h y 2 9 l v l 6 0 的容量为1 6 m b 的c m o s 多用途f l a s hr o m 其主要特性如下： 1 存储空间组织：( 1 mx1 6 b i 2 mx8 b i t ) ： 2 读写操作采用单电源2 7 v 一3 6 v ： 3 可擦写1 0 0 0 0 0 次，数据可以保存1 0 0 年； 4 低功耗； 5 扇区擦除能力：统一为2 kx1 6 b i t 大小的扇区； 6 快速读写操作时间：7 0 n s ，8 0 n s ，9 0 n s ，1 2 0 n s4 个等级； 7 具有锁存地址和数据功能； 8 快速擦除和以字为单位编程： 9 自动写时序内部自动产生v p p ； 1 0 写结束的检测：翻转位；数据轮流检测； 1 1 与c m o s 电平的i o 口兼容； f l a s hr o m 的数据线从d q l 5 - - d q 0 ，因此数据宽度位1 6 位。注意此时应 将$ 3 c 4 5 1 0 b 的o m 1 ：0 1 置为0 1 ，选择b a n k o 为1 6 位工作方式。处理器的 a d d r 2 0 - - a d d r l 对应的f l a s hr o m 的a 1 9 - - a 0 ，偏移了一位，这是由于 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 s 3 c 4 4 b o x 是按照字节进行编址的，而f l a s hr o m 是以1 6 位为一个存储单元， 因此，处理器的地址左移1 位，采用a d d r l 与f l a s hr o m 的a 0 相连。由于 f l a s hr o n 映射在处理器的b a n k e 0 区域内，因此，h y 2 9 l v 2 9 0 的片选信号 线n c e 与处理器s 3 c 4 4 b o x 的n g c s o 相连；n o e 引脚与s 3 0 钳b o x 的n o e 引 脚相连；n w e 引脚与s 3 c 4 4 b o x 的r l w e 引脚相连。具体连接方式如图3 6 所示。 d d r l2 52 9d a t 0 d d 勉2 4 o d q o 3 1d 工 l d d r 32 3 l d 0 l 3 3d t 如 p d r 牛j 2 2d 0 2 3 5d a t a 3 d d e j2 l 3 d 0 3 3 8d a i d d r 6，0 a t , a t d q 4 0d 争工 s a d d r 71 9 5 d 0 j 2d a t a 6 a d d 暑蛤1 8 6d 0 6 id 虹垂0 d d 摹o0 ，d07 3 0d t a 8 d d r l 07 a 8d 3 2d a t a 9 d d 窟1 l6 9 d q 9 3 id a 工a 1 0 d d r l 】j 1 0d q l 0 3 6d t a l l d d r l 3 u d 0 l l 3 9d a t 1 2 d d r l 3 1 2d q l 2 1d 工a 1 3 d d r l j2 1 3 d q l 3 4 3d t a l d d r l 6l 1 4d q l 5d 工a l j d d r l 74 8 u d 0 1 5 ， ，l d d r l 81 7 1 6 2 6 n 毋c s 0 d d r l 91 6 1 7n 旺 2 8n 0 e i eh 0 e p d i o o9l lh w e 1 9i i ：吼 2 7 n r y 店y 1 5 3 3 i 6 碍s on r l 笛l 耳 i r n r 豳g rq 、舀s 1n b y 4 1 1 3 7t 蕴岳 、d d 0 图3 6f l a s h 硬件接线图 ( 2 ) s d r a m 存储器的设计 随机存储器r a m 是易失性的存储器，在掉电后数据立即消失，不能够长久 保存。但是与r o m 不同的是，它的随机读取速度非常快，而且在写入数据之前 也不需要进行数据擦除。在嵌入式系统中，常常把数据区和堆栈区放在r a m 中， 供快速地读写。常用的r a m 分为s r a m 和d r a m 两种类型。s 3 c 4 4 8 0 x 芯片 本身提供了与d r a m 或s d r a m 进行直接接口的解决方案。因此不需要通过编 程来实现它们所需的接口时序，而只须对存储器相关的寄存器进行适当配置。 这个配置工作一般在启动代码中完成，系统在每次上电后但还未开始执行c 代 码之前，配置好s d r a m 的参数，然后再运行c 代码。 s d r a m 器件h y 5 7 v 6 4 1 6 2