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东北大学硕士学位论文摘要 电机调速网络控制系统实验平台的开发 摘要 在反馈控制回路中，通过实时网络封闭的控制系统称之为网络控制系统。网络控制 系统综合了计算机网络，计算机通信和自动控制等多方面技术，具有很多优点，近几年 来在工业控制领域、楼宇自动化和家庭自动化等方面得到了广泛的应用。同时，网络控 制系统也带来了许多问题，包括时延问题、数据包丢失问题，单包多包问题等，所以其 理论和实际应用研究都有重要的意义，是当前研究热点之一。 为了给研究和设计网络控制算法提供真实的试验环境，本文以直流电机调速系统为 控制对象，设计了网络控制系统实验平台。论文的主要工作包括：设计了基于以太网的 远程直流电机调速系统、嵌入式网络接口、远端网络控制计算机系统的总体结构；探讨 了网络通讯，在嵌入式系统中实现t c p i p 协议：设计并实现了通过实际网络( 校园网) 控制实际对象的网络控制系统实验平台。该系统具有网络控制算法可嵌入调用、控制算 法动态性能直观显示、不同通讯协议性能比较、网络延时及数据包丢失、乱序对网络控 制系统性能影响分析。文末给出了试验结果，证明了该实验平台可以满足网络控制系统 理论研究的需要，能够对网络控制理论的研究提供足够的技术支持，达到了设计的基本 要求。 关键词：网络控制系统；t c p i p 协议：直流电机：r t l s 0 1 9 一一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to f t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o r t h e n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m sb a s e do nm o t o rs p e e dc o n t r o l a b s t r a c t f e e d b a c kc o n t r o ls y s t e m sw h e r e i nt h ec o n t r o ll o o p s 锄c l o s e dt h r o u g har e a l - t i m e n e t w o r k , w h i c hi sc a l l e dn e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m s ( n c s ) n c si n t e g r a t e sc o m p u t e r , n e t w o r k , c o m m u n i c a t i o na n da u t o m a t i cc o n t r o l ，a n dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s on c sh a su s e d c o m m o n l yi nt h em a n u f a c t u r i n gp l a n t s ，h v a cs y s t e m sa n dm a n yo t h e rf i e l d s b u tn c s a l s o e x i s t ss e r v e r a lp r o b l e m si n c l u d i n gt i m ed e l a y , p a c k e tl o s s e sa n dt h el i k e i no r d e rt o t e s tt h ec o r r e c t n e s so ft h en e t w o r k e dc o n t r o l a l g o r i t h m s ，t h en c s e x p e r i m e n t a ls y s t e mb a s e do nm o t o rs p e e dc o n t r o li sd e s i g n e d t h ep r i m a f y ， 6 r l 【si n c l u d e d e s i g n i n gt h ef r a m eo f t h es y s t e mw i t ht h r e es u b s y s t e m s ：t h ed cm o t o rs p e e dc o n t r o ls y s t e m ， t h ee m b e d d e ds y s t e mn e t w o r k - i n t e r f a c em o d u l eb a s e do i le t h e r n e t ，t h er e m o t en e t w o r k e d c o n t r o lc o m p u t e rs y s t e m ；s t u d y i n gt h et e c h n i q u eo fn e t w o r k e dc o m m u n i c a t i o n ；r e a l i z i n gt h e e m b e d d e dt c p i pp r o t o c o la n di m p l e m e n t i n gt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mw h i c hc o n t r o l sr e a l o b j e c tt h r o u g ha c t u a ln e t ( c a m p u sn e t ) t h i sp l a t f o r mc a ne m b e dd i f f e r e n tn e t w o r k e dc o n t r o l a l g o r i t h m ，d i s p l a yp e r f o r m a n c eo fd i f f e r e n ta l g o r i t h m ，c o m p a r ed i f f e r e n tc o m m u n i c a t i o n p r o t o c o la n da n a l y s et h ep e r f o r m a n c ew i t ht h em i s s i n go rd i s o r d e ro ft h ed a t ap a c k a g e s o m e e x p e r i m e n tr e s u k sa r eg i v e n t ov a l i d a t et h ef u n c t i o no f t h es y s t e mi nt h el a s t k e y w o r d s ：n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ；t c p i pp r o t o c o l ；d cm o t o r ；r t l 8 0 1 9 a s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：姚勇 签字日期：劬1 ，j 、s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：姚勇 导师签名： 签字 日期：洲；、s 签字日期： 俨7 了 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 i 研发的背景 随着控制科学、计算机网络及通信技术的日益发展和交叉渗透，控制系统结构越来 越复杂，空间分布越来越广，对系统控制性能的要求也愈发提高。这给自动化技术的发 展带来了新的机遇和挑战。目前，远程遥操作、遥医学、远程教学和试验、无线网络机 器人、菜些兵器系统以及新兴的现场总线和工业e t h e m e t 技术等，本质上都可归结为基 于网络的控制系统，或者称为网络控制系统【卜引。网络控制系统打破了传统控制系统在 空闻物理位置上的限制，拓宽了控划活动的场所，降低了系统的连接复杂性、降低了运 行成本和维护费用，便于实现管控一体化，提高了信息集成度。网络环境下的新型管理 信息系统及控制系统不仅可以应用于复杂的工业控制领域，而且在兵器系统、机器人工 业、航空及航天领域也极具潜力。 由于网络控制系统的优越性和广阔的应用前景，网络控制的研究自9 0 年代业己开 始，经过有关学者的辛勤劳动，己取得了若干成果，但总体上说，对网络控制问题的研 究目前还处于起步阶段，远不及对物理控制系统问题研究那样系统、准确和完善，所以 对n c s 的进一步研究迫在眉睫。 当前对网络控制系统所展开的研究，多数为理论研究和仿真验证。由于网络的实际 情况复杂，仿真软件很难全面刻画网络的实际情况，这使得理论研究与实际应用之间存 在差异。为了进一步深入研究网络的特性，获得更为实际的n c s 模型，并为理论研究 提供一个有效的检验平台，文中构建了一个通过实际网络控制直流电机速度的网络控制 实验平台，所以本项课题的研究具有积极和重要的意义。 1 2 网络控制系统概述 1 2 1 网络控制系统的概念 网络控制系统( n c s ，n e t w o r k e dc o n t r o ls y s t e m ) 是指控制环路通过实时网络的反 馈控制系统是网络控制系统，特点是信息( 参考输入、对象输出和控制输入等) 通过网络 在控制系统部件 寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节可由编译器管理： 程序有规范的结构，可分为不同的函数，这种方式可使程序结构化； 具有将可变的选择与特殊操作组合在一起的能力，改善了程序的可读性； 关键字及运算函数可用近似人的思维过程方式使用； 编程及程序调试时间显著缩短，从而提高效率； 提供的库包含许多标准子程序，具有较强的数据处理能力； 已编好程序可容易的植入新程序，因为它具有方便的模块化编程技术。 远端网络控制计算机的控制软件开发环境为v i s u a lb a s i c6 0 与a c c e s s 2 0 0 0 。 v i s u a lb a s i c 是目前最为广泛的、易学易用的面向对象的开发工具。作为一种面向 对象的可视化编程工具，v b 具有简单易学、灵活方便和易于扩充的特点【2 ”。v i s u a lb a s i c 提供了大量的控件，这些控件可用于设计界面和实现各种功能，减少了编程人员的工作 量，也简化了界面设计过程，从而有效的提高了应用程序的运行效率和可靠性。v b 是一 个相对较好的选择。作为一个功能完备的w i n d o w s 软件开发平台，v i s u a lb a s i c 专业版 提供了对数据库应用的强大支持。尤其提供了使用数据控件和绑定控制项，使用数据库 存取对象变量( d a m a c c e s s o b j e c t v a r i a b l e ) ，直接调用o d b c2 0 a p i 接口函数等三种 访问数据库的方法。对其标准内置的m sa c c e s s 数据库，它可以提供不弱于专业数据库 软件的支持，可以进行完整的数据库维护、操作及其事务处理。故而，实现本上位机系 统。 一1 1 东北大学硕士学位论文 g - - 章网络控制系统实验平台的总体设计 a c c e s s 是一种关系数据库工具，关系数据库是已开发的最通用数据库之一。关于 关系数据库，a c c e s s 的优点在于它能使用数据表示图或自定义窗体收集信息 2 2 1 。数据表 示图提供了一种类似于e x c e l 的电子表格，可以使数据库一目了然。另外，a c c e s s 允许 创建自定义报表用于打印或输出数据库中的信息。如上所述，作为关系数据库开发具备 了许多优点，可以在一个数据包中同时拥有桌面数据库的便利和关系数据库的强大功 能。加之前面所述的它与v b 为同一引擎的特性，故在本系统中，后台数据库选择 a c c e s s 2 0 0 0 。 一1 2 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 网络控制系统实验平台的硬件设计主要是嵌入式以太网接口模块设计、数据采集模 块设计、输出控制模块设计和电源设计。 3 1 嵌入式网络接口模块设计 嵌入式网络接1 3 主要包括两个部分，c y g n a l f 0 2 0 单片机电路和r t l 8 0 1 9 a s 接口电 路。下面简单的介绍c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机、r t l 8 0 1 9 a s 以太网控制芯片及网络接口原 理。 3 1 1 混合信号i s pf l a s h 微控制器c 8 0 5 1 f 0 2 0 介绍 作为嵌入式以太网接口的核心控制单元，m c u 微控制器的选择至关重要，它直接 关系到系统的整体性能。m c u 除了完成测控等任务外，最重要的是运行t c p i p 协议栈， 完成以太网通信的功能。但t c p i p 协议栈是一个复杂的工作系统，它最后编译生成的 目标执行代码比较庞大，需要大量的系统资源支持，因此为了确保整个嵌入式系统的可 靠运行首先必须有大容量的r o m ，r a m 资源，其次运行速度要足够快，在p c 机中的 t c p i p 协议栈有操作系统的支持，被划分成多个任务和进程来运行，丽在本系统中没有 采用操作系统，仍然是单任务、单进程，所以只有加快速度才能弥补t c p i p 协议栈执 行起来的不足。根据上述要求，m c u 微控制器选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 。 c 8 0 5 i f 0 2 0 是一种新型的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) ，由美国c y g n a l 公司研制生产， 它是一种高性能的片上系统微控制器，其片内除了与8 0 5 1 兼容的内核c i p ，5 1 外，还集 成了多种模拟数字部件，是模拟数字混合信号系统级芯片，只要在外围加上放大、滤波 等信号调理模块可基本上利用一个芯片实现数据的采集处理、控制任务。1 0 0 脚的t q f p 封装减小了电路板的面积，降低了系统成本。3 v 的工作电压也降低了系统功耗，由于 片内集成了多种器件功能，这在一定程度上也增强了其对外界的抗干扰性。因此。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 是一款性价比非常高的微控制器。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机有以下特点【2 3 】。 ( 1 ) 指令系统。c 8 0 5 1 f 0 2 0 采用c y g n a l 公司的专利与m c s 一5 1 兼容的c i p 一5 1 微控制 器内核，c i p 一5 1 采用先进的指令流水线结构，与同类的5 1 内核的单片机相比指令执行 速度大大提高，在2 5 m h z 时，峰值速度达到2 5 m i p s 。并且，系统时钟可以编程以满足 一l3 一 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 各种系统不同速度的要求。由于其内核与5 1 内核兼容，因此指令系统就可以采用5 l 指 令集，为编程带来极大的方便。并且，它的开发工具与k e i lc 5 1 完全兼容，可以使用c 语言编程。 ( 2 ) 片内存储器。c 8 0 5 1 f 0 2 0 的c i p 5 1 内核具有标准的8 0 5 1 程序和数据地址配置。 另外，还具有位于外部数据存储器空间的4 k 字节的r a m 块和一个可用于访问外部数 据存储器的外部存储器接n ( e m i f ) 。这个片内的4 k 字节r a m 块可以在整个6 4 k 外部 数据存储器地址空间中被寻址。外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只 映射到片外存储器、或两者的组合。e m i f 可以被配置为地址数据线复用方式或非复用 方式。 m c u 的程序存储器包含6 4 k 字节的f l a s h 。该存储器以5 1 2 字节为一个扇区，可 以在系统编程( i s p ) ，且不需特别的编程电压。 ( 3 ) 中断和复位系统。c i p - 5 1 改进了8 0 5 1 的中断系统，提供多达2 2 个中断源，允 许大量的模拟和数字外设中断微控制器。 另外，系统还提供了7 个复位源：一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个片 内电压监视器、一个软件强制复位、一个由比较器0 提供的电压检测器、c n v s t r 引脚 和r s t 引脚。这些复位源可以有效的确保系统稳定的运行。 ( 4 ) 可编程数字i o 口和交叉开关。c 8 0 5 1 f 0 2 0 有4 个附加的端口p 4 ，p 5 ，p 6 ，p 7 ，因 此共有6 4 个通用i o 口。每个端口加引脚都可以被编程配置为推挽或漏极开路输出。 但最大的改进是引入了数字交叉开关。这是一个大的数字开关网络，允许将内部数字系 统资源映射到p o ，p 1 ，p 2 ，p 3 端口的i o 引脚。可通过设置交叉开关寄存器x 3 r 0 ，x b r i ， x b r 2 将片内的计数器定时器、串行总线、硬侔中断、a d c 转换启动输入、比较器输 出以及微控制器内部的其它一些数字系统资源配置到端口i ，o 脚。 ( 5 ) a d 和d a 资源。c 8 0 5 1 f 0 2 0 片内集成有一个1 2 位s a ra d c ，一个9 通道输 入多路选择开关m u x 和可编程增益放大器p g a 。该a d c 工作在1 0 0 k s p s 的最大采样 速率时可以提供1 2 位的精度转换。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 除了含有a d 之外，还配置有2 个功能强大的1 2 位电压方式数模转换 器d a c 0 和d a c l 。将要转换的数据写入特殊功能寄存器d a c o h 。d a c o l 和d a c l h 。 d a c l l 就可以得到输出电压值。每个d a c 的输出幅度均为0 v 到( v r e f 1l s b ) ，通 过编程设置控制寄存器d a c o c n 和d a c l c n 可以允许或禁止d a 、配置d a 转换的启 动方式、数据格式。 1 4 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 ( 6 ) 片内其它资源。c 8 0 5 1 f 0 2 0 除了上述功能外，还具有多种接口。内部有2 个全双 工的增强型u a r t 、s p i 总线和s m b u s 1 2 c 总线。每种串行总线都用硬件实现，都能向 c i p - 5 1 产生中断，因此需要很少的c p u 干预。这些串行总线不共享定时器、中断或端 口i o 等资源，可以通过数字交叉开关配置任意一个或全部功能。4 个1 6 位的可编程计 数器定时器。以上的功能可满足绝大部分系统设计的需要。 ( 7 ) y f a g 调试和边界扫描。用流行的i s p ( 在系统可编程) 编程方式，具有片内y r a g 边界扫描和调试电路，通过4 脚j t a g 接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就 可以进行非侵入式、全速的在系统调试。该j t a g 接口完全符合i e e e l l 4 9 1 规范。对于 开发和调试嵌入式应用来说，该系统的调试功能比采用标准m c u 仿真器要优越得多， 标准的m c u 仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有m c u 的插 座。c y 印_ a l 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 c 8 0 5 l f 0 2 0 引脚图如图3 1 所示： 图3 1c 8 0 5 i f 0 2 0 ；i 脚图 f i g 3 1p i nc o n f i g u r a t i o no f c s 0 5 2 f 0 2 0 3 1 。2 以太网控制器l l 8 0 1 9 a s 介绍 嵌入式以太网接口的另一个重要部分就是以太网接口芯片的选择。它通过隔离耦合 变压器与以太网络连接1 2 4 ，是数据发送和接收的中枢。r e a l t e k 公司生产的以太网控制 芯片r t l 8 0 1 9 a s 具有功能强大、成本低、应用广泛的优点嗍，是一款性价比较高的网 卡控制芯片。它具有以下一些特点： 一1 5 东j b 大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 ( 1 ) 支持e t h e r n e ti i 与i e e e 8 0 2 3 ( 1 0 b a s e 5 ，1 0 b a s e 2 ，1 0 b a s e t ) 标准； ( 2 ) 全双工，收发可同时达到l o m b p s 的速率，自动产生c r c 校验码、数据帧同步码、 帧起始定界符； ( 3 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理器的速度要求； ( 4 ) 支持8 1 6 位数据总线，8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择； ( 5 ) 支持u t p ，a u i ，b n c 自动检测； ( 6 ) 1 0 0 脚的p q f p 封装，减小了p c b 尺寸。 其引脚图如图3 2 所示： 图3 2r t l 8 0 1 9 a s ； 脚图 f i g 3 2p mc o n f i g u r a t i o no f r t l 8 0 1 9 a s r t l s 0 1 9 a s 可提供1 0 0 脚的t q f p 封装，其引脚可分为电源及时钟引脚、网络介 质接口引脚、自举r o m 及初始化e e p r o m 接口引脚、主处理器接口引脚、输出指示 及工作方式配胃引脚。由于本文主要讨论非p c 环境下的以太网接口该接口不必具有即 插即用功能( p n p ) 和远程自举加载功能，因此不介绍r t l 8 0 1 9 a s 与自举r o m 、初始 化e e p r o m 接口的引脚。其余各部分引脚的功能如表3 ，l 所示。 表3 1r t l s 0 1 9 a s 部分引脚功能表 t a b l e3 1g e n e r a ld e s c r i p t i o no f t h ep a r t i a lp i n so f 8 0 1 9 与网络介质接口引脚 a u i 输入用于外部m a u 检测 c d + ，c d 一输入 a i m 冲突，接收来自m a u 的冲突 r x + r x 一 输入a u i 接收，接收m a u 的输入信号 一1 6 一 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 t x + ，1 x 一输出 a u i 发送，发送m a u 的输出信号 t p r x + ，t p r x 输入 从双绞线接收的差分信号 t p t x + ，t p t x 输出发往双绞线的差分输出信号 与主处理器接口的引脚 a e n 输入 f o 端口操作允许 i n r 7 _ o 输出中断输出 i o c s l 6 输出1 6 位f o 方式 ，i o r ，巾0 w 输入端口读写控制 l o c h r d y 输出f o 通道准备好 ，s m e t ，s m e m w 输入存储器读写控制 r s r d r v 输入复位 s a l9 - 0 输入2 0 位地址总线 s d l 5 _ oi ，o 1 6 位数据总线 发光二极管输出引脚 l e d b n c 输出介质类型指示 l e d o _ 2 输出 指示控制器的工作状态 工作方式配置引脚 j p 输入跳线和非跳线模式选择 p n p 输入p n p 模式选择； i o s 3 - 0 输入i ，o 口基地址选择 p l l 0 输入介质类型选择 i r q s 2 - - 0 输入 中断输出 r t l 8 0 1 9 a s 片内寄存器分为n e 2 0 0 0 寄存器组和p n p 寄存器组( 由于p n p 方式 不适合嵌入式系统使用，这里不再介绍) 。n e 2 0 0 0 寄存器组地址如表3 - 2 所示。n e 2 0 0 0 寄存器分为4 页，都映射到1 6 个i o 端口地址上。主机通过命令寄存器( c r ) 中的p s 0 、 p s i 位来寻址不同的页，通过1 6 个i o1 2 地址来寻址页内寄存器。 表3 2r t l s 0 1 9 a s 寄存器地址表 t a b l e3 2r e g i s t e rt a b l eo f r t l s 0 1 9 a s p a g e op a g e l队g e 2p a g e 3 ( h e x )冈 【w 】t w w 限 【r 】网 0 0c rc rc r c r c rc r 0 lc l d a op s l a r t队r op s l a r t9 3 4 6 c r9 3 4 6 c r 0 2c l d a lp s t o pp a r lp s t o pb p a g eb p a g e 1 7 一 东北大学硕士学位论文 第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 0 3b n r yb n r yp a r 2 c o n f i g o 0 4t s rt p s rh u ut p s r c o n f i g lc o n f i g l 0 5n c rt b c r 0 p a r 4c o n f i g 2c o n f i g 2 0 6f i f ot b c r lp a r 5 c o n f i g 3c o n f i g 3 0 7i s ri s r c u r r 0 8c r d a 0r s a r 0i v l a r o c s n s a v 0 9 c r d a lr s a r lm a r lh i t c l k 0 a8 0 1 9 i d or b c r ov i a r 2 o b 8 0 1 9 i d l r b c r lm a r 3 矾t r o cr s rr c rm a r 4r c r o dc n t r ot c rm a r 5 t c r 0 ec n t r ld c rm a r 6d c r o fc n t r 2i m rm a r 7i m r 1 0 1 7 远程d m a 端口 1 8 1 f 复位端口 r t l 8 0 1 9 a s 与主机的接口模式有三种，即跳线模式、p n p 模式和r t 模式。 ( 1 ) 跳线模式这种模式与早期的网络控制器兼容。r t l 8 0 1 9 a s 的端口基地址、中 断口等都由开关或跳线器决定。跳线模式简单，但配置资源麻烦。 ( 2 ) p n p 模式与微软的p n p 协议兼容。在这种模式下，r t l 8 0 1 9 a s 的端口基地址、 中断口等都由9 3 c 4 6 设定，但需要进行p n p 芯片的识别，不便与单片机连接。 ( 3 ) r t 模式为了避免p n p 模式下的p n p 芯片识别和配置过程，r e a l t e k 公司提 供r t 模式。在r t 模式下r t l 8 0 1 9 a s 的端口基地址、中断口等也是由e e p r o m9 3 c 4 6 设定的。 本课题选用的是第一种方式即跳线方式。在原理图中只需要把6 5 脚j p 接至+ 5 v 即 可。第6 5 脚j p 是输入引脚，当6 5 脚为低电平时，8 0 1 9 工作在第2 种或第3 种方式， 具体由9 3 c 4 6 里的内容决定。我们买到的r t l 8 0 1 9 a s 网卡一般第6 5 脚为悬空的，r t l 8 0 1 9 a s 悬空时，引脚的输入状态为低电平( 其它引脚也是这样，悬空的输入脚的电平为低电平， 里面有一个1 0 0 k 的下拉电阻) ，网卡工作在第2 ，3 种工作方式，需要使用9 3 e 4 6 芯片。 如果把6 5 脚接高电平( v c c ) ，那么网卡的i o 和中断就不是用9 3 c 4 6 的内容决定，这 时可以不接9 3 c 4 6 。那么这时候的i o 和中断i r q 向量是多少呢? 这时需要用到6 4 ，6 5 ， 7 8 ，7 9 ，8 0 ，8 1 ，8 2 ，8 4 ，8 5 等引脚。 芯片的i o 地址由引脚8 5 ，8 4 ，8 2 ，8 1 ( i o s 3 一t o s 0 ) 决定。本文选中的基地址是 一1 8 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 3 0 0 h ，即把上述的四个引脚( 1 0 8 3 一i o s 0 ) 悬空。 芯片的中断线由以下引脚8 0 ，7 9 ，7 8 ( r q 2 i r q 0 ) 决定。本设计中使用的是查询 方式。 3 1 3 嵌入式网络接口原理 由于篇幅有限，本文原理图位于附录中，见图a 1 。 由图可知：单片机和以太网控制芯片的连接主要是三总线的连接。这里有几点需要 说明。 ( 1 ) 由于c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为8 位数据总线结构，在与r t l 8 0 1 9 a s 连接时必须将 8 0 1 9 的9 6 脚i o c s l 6 接地，一般通过一个2 7 1 ( 的电阻连接。 ( 2 ) 8 0 1 9 的复位引脚与c 8 0 5 1 f 0 2 0 的p 5 2 连接。 ( 3 ) 8 0 1 9 的2 0 根地址总线主要是为了读写自举r o m ，对单片机来说只要使用1 6 根地址总线就够了；r t l 8 0 1 9 a s 的3 l 、3 2 脚接v c c ，这样可以屏蔽了远程自举加载功 能；a e n 接g n d ，使能i o 操作。 ( 4 ) 单片机工作在地址复用的方式( a l e 有效) 。 ( 5 ) 由于8 0 1 9 的基地址为3 0 0 h ，本设计中采用的是以下的连接方式。 8 0 1 9 a 0a l a 2a 3a 4a 5 a 6 姻a 84 9a 1 0 a 1 9 v gv c cg n d f 0 2 0a 0 a 1a 2a 3a 4a 5a 6a 7a 1 5 表中v 表示v c c ，g 表示g n d 。 当a 1 5 为高电平时将选中r t l 8 0 1 9 a s 的基地址，即当单片机片外地址为8 0 0 0 h 时 将对应r r l 8 0 1 9 a s 的基地址3 0 0 h 。 ( 6 ) 本网络接口主要应用于以太网，应用的接口主要是r j 4 5 ，采用1 0 b a s e t 布线 标准通过l r r p 非屏蔽双绞线与以太网通讯，而8 0 1 9 内置了1 0 b a s e t 收发器，所以网 络接1 ：3 的电路比较简单脚i 。芯片的外部i o 脚t p i n 士( 接收线) 、t p o u t 士( 发送线) 通过耦合隔离变压器h r 9 0 11 7 0 a 接入r j 4 5 与r ) 汪、相连接，实现以太网的物理连 接。 3 2 数据采集模块设计 3 2 1 光电编码器及其接口电路设计 光电编码器 一1 9 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 置f ”。该光电编码盘是一种增量码盘式转速传感器，结构简单、价格低，而且精度容易 保证，是一种应用较为广泛的转速传感器。只要测出单位时间内的脉冲数，便可以计算 出电机的转速。 采用增量式码盘的测速单片机系统，通常定时时间及计数均由定时器计数器来完 成。单片机每隔单位时间采样一次，并读取计数器的数值。该光电编码器技术指标如下： 每转标准脉冲数：2 0 0 0 输入电压：5 v 输出形式：在正交输出中，当转轴顺时针转动时，a 通道的方波领先于b 通道9 0 。； 当转轴逆时针转动时，a 通道的方波落后于b 通道9 0 。，电压输出。 频率响应：0 1 0 0 k 也 光电编码器接口电路 光电编码器的接口电路如图3 3 所示： 幽3 3 光电编码器接口电路 f i g 3 3i n t e r f a c ec i r c u i to f t h ec o d e r 光电编码器 将定时器计数器4 配置为计数器模式，通过配置交叉开关将t 4 e x 分配到p 1 l ，当 t r 4 = i 时，光电编码器每送入一个脉冲，计数器的值加l 。 读取光电编码器信号软件流程图 读取光电编码器信号软件流程图如图3 4 所示： 一2 0 一 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 图3 4 读取光电编码器信号流程图 f i g 3 4f l o wc h a r to f r e a d i n gt h ec o d e rs i g n a l 3 2 2d a 采样及其处理 3 2 2 1 数字信号的采样方法及性能比较 信号的采样方法 信号的采样方法主要有以下几种 2 硼： ( 1 ) 常规采样 采样连续进行，信号的频率越高，测量时间越长，所需的数据存储空间就越大。计 算机的存储空间是非常庞大的，自行设计的采集器的存储空间也可以设计的很大，这样 就能够保证在高速数据采样或长时间数据采集的时候有足够的存储空间，记录下所有的 采样数据，从而保证系统的测量精度。 ( 2 ) 间歇采样 采样是间歇进行的，信息的丢失量对速度测量和测量结果将会产生直接的影响，信 息量较大时，将影响数据处理的精度。间歇采样是以丢失信号的部分信息为代价来解决 数据存储空间不足的问题的。 ( 3 ) 变频采样 采样的过程中，采样的频率是可以变化的。它是为使数据采集的过程中测速精度近 似不变而提出的。实现变频采样的先决条件是清楚目标多普勒信号频率对时间的变化关 系。 ( 4 ) 下采样 信号的变化很慢，采样所需的采样频率比正常情况下的采样频率要低，精度要高。 并且，由于采样频率较低，相同的时间里，所采集的数据量比正常情况要少；在数据量 要求较多的情况下可以通过增加测量时间来弥补。 一2 1 一 一 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件堡盐 采样频率较高，单片机系统资源有限，常规采样方法显然不能满足要求；系统信号 频率较为稳定，没有必要采用变频采样；系统信号频带较宽，也不适合用下采样。综合 以上的因素，可见，间歇采样是比较适合的采样方法。单片机每查询一次，采样一次， 每次采样单位时间，间歇采样的频率由电机的转速决定。试验验证，这种采样方法采集 的数据完全能够反映信号的信息。 3 2 2 2d a 数摸转换器 数，模转换器d a 数模转换器是一种器件，它将采集到的数字信号转换成与此数值成正比的模拟量并 输出【2 9 】。因此在将数字量转换成模拟量的过程中，数模转换器是一核心器件，简称为 d a 或d a c ( d i g i t a lt o a n a l o gc o n v e r t e r ) 。 每个c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件都有两个片内1 2 位电压方式数模转换器d a c ，每个d a c 的 输出摆幅均为0 v 到( v r e f 1 l s b ) ，对应的输入码范围是o x 0 0 0 到o x f f f o 可以用对 应的控制寄存器d a c o c n 和d a c l c n 允许禁止d a c 0 和d a c l 。在被禁止时d a c 的 输出保持在高阻状态，d a c 的供电电流降到1 肛a 或更小。每个d a c 的电压基准在 v r e f d 或v r e f 引脚提供。如果使用内部电压基准，为了使d a c 输出有效，该基准必 须被使能脚】。 图3 51 2 位d a c 功能框图 f i g 3 51 2 一b i td a c f u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 3 2 2 3d a 采样程序流程图 根据上述分析的系统测量原理，本系统中设计的每次查询光电编码器d a 采样流程 图如图3 6 所示： 一2 2 东北大学硕士学位论文 第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 图3 6 d a 采样程序流程图 f i g 3 6f l o wc h a r o f d as a m p l i n gp r o g r a m 3 2 2 4 采集数据的数字信号处理 为了提高转速测量的精确性，一般在进行数据处理之前，先要对采样数据进行数字 滤波。所谓的“数字滤波”，就是通过特定的计算机程序处理，减少干扰信号在有用信 号中所占的比例，故实质上是一种程序滤波四。 这里我们使用了算术平均值法来消除由于脉冲干扰而引起的采样偏差。 补而、而、毛、毛、而、毛 y = ( + 而+ 毛+ + 毛) 8 其中：x 1 - x 8 为采样数值 y 为滤波后的数值 3 3 输出控制模块设计 3 3 1 直流电机调速原理 直流电机的转速n 和其他参量的关系可以表示为 n2 u 。一，。r 。 c e 矽 式中玑一一电枢供电电压( v ) l 一电枢电流( a ) r 。电枢回路总电阻( q ) 毋励磁磁通( w b ) c ，电势系数 从上式可以看出，式中以、r 。、矿三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个 参量就可以改变直流电机的转速【3 。本文采取改变电机电枢的供电电压达到调速的目 的。 一2 3 东北大学硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 3 3 2 单相集成移相调压模块e u v - 1 0 a i i 介绍 本模块具有输入端与输出端光隔离，以利于实现弱电对强电的控制，由于输入端电 压的高低实现对输出端负载功率的控制，输入阻抗高，可直接通过数模转换器与计算机， 数字程控电路接口，不必再外配电源同步电路，十分方便地实现了对输出端负载电压功 率的无级调节。移相控制调压是改变晶闸管每周导通的起始点，从而调节其输出电压和 功率【3 2 1 。 单相移相触发调压模块具有直流控制端施加信号，交流输出端便立即导通的性能， 因此，当控制信号为与交流电网同步的可移相的脉冲信号时，负载端便可以实现从 o o 一1 8 0 0 范围内电压的平稳调节。 移相触发器的功能是根据控制电压的大小，输出端产生与电网同步的双倍电网频率 的从o 。一1 8 0 0 范围内移相的宽脉冲，用以驱动双向晶闸管，从而达到移相调压的。 幽3 7 单相集成移相调压模块 f i g 3 7s i n g l ep h a s ei n t e l l i g e n tp h a s es h i f t i n gv o l t a g er e g u l a t i o nm o d u l e 技术参数 工作电压2 2 0 v a c 有效值电流1 0 a 偏置电压1 2 v d c 偏置电流( 3 0 m a 输入控制信号1 5 v d c 输出电压范围o 2 2 0 v d c 3 3 3 脉宽调速电路设计 脉宽( p w m ) 调速是利用单片机产生的p w m 信号配合外围器件来驱动大功率半导 体器件的导通与关断，从而把直流电压变成电压脉冲序列，并通过控制电压脉冲宽度或周 一2 4 东北大学硕士学位论文 第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 期以达到变压的目的f 3 3 】。其电路如图3 8 所示： 图3 8 调速电路图 f i g ，3 8t i m i n gc i r c u i t 光耦u 实现输入和输出的光隔离，输出p w m 信号作为单相集成移相触发调压模块 控制端电压，控制触发调压模块的输出电压( 其整流滤波后为直流电机的输入) ，从而 达到调节直流电机转速的耳的。 3 3 4 导通相位角调速电路设计 导通相位角调速是通过改变晶闸管的导通相位角来控制整流器的输出电压，从而控 制直流电机的转速。利用单相集成移相触发调压模块就能实现导通相位角调速，其电路 如图3 9 所示： 图3 9 调速电路图 f i g 3 9t u n i n gc i r c u i t 这里使用l m 3 2 4 的输出端电压作为单相集成移相触发调压模块控制端电压，控制 触发调压模块的输出电压( 其整流滤波后为直流电机的输入) ，从而达到调节直流电机 转速的目的。 一2 5 东北大擘硕士学位论文第三章网络控制系统实验平台的硬件设计 3 3 5 整流滤波电路设计 单相集成移相触发调压模块的输出为交流电压，用于直流电机调速必须整流滤波为 稳定直流电压。整流滤波电路如图所示。整流电路是a c d c 转换器。现在市场上这样 的a c d c 转换器很多，可以找到比较合适，价格相对廉价，僵转换质量好的转换器。 输出的直流电压比较平稳，但仍然有锯齿波。滤波电路是由容感电路组成，目的是削去 高次谐波，比如三次、五次或者更高次的谐波波纹，让整体的波纹趋于平滑，滤波完成 以后，得到比较平稳的直流电压。 图3 1 0 整流滤波电路 f 远3 1 0r e c t i f i c a t i o nf i l t e r e dc i r c u i t 图中r 为压敏电阻，用以保护单相移相触发调压模块，d 为续流二极管，由于直流 电机为感性元件，在断电的瞬间会产生很大的感应电压，可能会损坏电路中的其它元件，为 此需要在其线圈两端并接一个二极管加以保护，在直流电机断电瞬间，线圈两端产生的感 应电压，与原先所加电源电压方向相反，它使二极管导通，从而消除了对外电路的影响， 起到了抑制瞬时高压的作用1 3 0 。 3 4 低压直流电源设计 3 4 1 低压直流电源选型 目前，直流电源主要包括三种：相控电源、线性电源、开关电源。 相