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太原理工大学硕士研究生学位论文 嵌入式智能p i d 控制器的设计 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己成为生产过程 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。 p i d 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p i d 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，p i d 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p i d 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p i d 控制技术，包括基于规则的智能p i d 自 学习控制、加辨识信号的智能自整定p i d 控制、专家式智能自整定p i d 控制、模糊p i d 控制、基于神经网络的p i d 控制等多种类型。 模糊控制是一种基于语言规则与模糊推理的智能控制，它模仿人类带 有模糊性的控制行为，将操作人员自然语言式的经验总结成控制规则，并 基于这些规则，进行模糊推理等过程，生成控制量。但是模糊控制对输入 变量的处理是离散的。且没有积分环节，控制精度不! t h p i d 控制，将模糊控 制与常规p i d 控制相结合，利用模糊推理判断的思想。根据不同的e 和e e 对 p i d 的参数进行在线自整定，就可以兼顾两者的优点，这就是基于模糊推理 的自整定p i d 控制器。 太原理工大学硕士研究生学位论文 本文对模糊自整定p i d 控制器设计进行了研究，通过硬件电路设计搭 建出一台模糊p i d 样机，它具有单回路常规p i d 控制、p i d 初始参数自整 定、多机网络通讯等功能。在此平台上开发模糊p i d 控制器具有参数自整 定、在线参数自调整功能，对于纯滞后、时变、非线性系统具有较好的控 制作用。p i d 控制器硬件核心选用了m s p 4 3 0 系列1 6 位单片机和l p c 2 0 0 0 系列a r m 7 内核3 2 位单片机，在嵌入式操作系统支持下完成双路模拟量 采样、输入滤波、模糊p i d 运算、双路模拟控制量输出、液晶显示、按键 设置、多总线通讯等功能。软件采用单片机系统常用的c 语言，部分与硬 件结合紧密部分采用了汇编语言进行设计编制，并对p i d 控制及其参数整 定理论进行了研究，设计了p i d 控制、l a b w l n d o w s c v i 的自动测试程 序。 关键字：p i d 控制器，自整定，模糊控制，单片机，比c o s i i ， l a b w l n d o w s c v i l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h ed e s i g n0 fe m b e di n t e l u g e n c ep i dc o n t r o l l e r a b s t r a c t w i t ht h ei n c e s s a n t l ye x p a n d i n go f p r o d u c t i o ns c a l e ，i n c r e a s i n g l yi m p r o v i n g o ft h ep r o d u c tq u a l i t y ，a n dm o r ec o m p l i c a t e df i e l d e n v i r o n m e n t ，i n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m sh a v eb e c o m i n gt h en e c e s s a r yp a r ti nm o d e mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o np r o c e s s i n d u s t r i a lc o n t r o l l e ra st h ec o r eo ft h em o d e mi n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r o ls y s t e m ，p l a y sav i t a lr o l eo fp r o c e s sc o n t r 0 1 b yf a r ，p i dc o n t r o lh a db e e nt h em o s tc o m m o nc o n t r o lm e t h o d ，i tw a st h e c l a s s i c a la p p l i c a t i o no fc o n t r o lt h e o r y ，i nt h ea c t u a lc o n t r o ls y s t e m a so n eo f t h ef i r s tp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sc o n t r o ls t r a t e g i e s ，f o rt h ef e a t u r e so fs i m p l e ， r o b u s ta n dh i g hr e l i a b i l i t y ，p i dc o n t r o la l g o r i t h mw e r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r 0 1 h o w e v e r ，t h ec o r eo fp i dc o n t r o l l e r - - t u n i n gp a r a m e t e r s ，m o r e d e p e n do na r t i f i c i a le x p e r i e n c e p a r a m e t e rt u n i n gc h a n g el a r g e l y ，t u n i n gr e s u l t s o f t e nd on o ts a t i s f i e d ，m o r e o v e r ，c o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e ri s d e p e n d e n to n t h e s p e c i f i co b j e c tm o d e l ，c o r r e s p o n d i n gt ot h ep u r ed e l a y ，n o n l i n e a r ， t i m e v a r y i n gs y s t e m s ，t h ep i dc o n t r o lh a sp o o re f f e c t s i nr e c e n ty e a r s ，t h ed e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tp i dc o n t r o lt e c h n o l o g i e s ， i n c l u d i n gt h er u l e - b a s e di n t e l l i g e n tp i ds e l f - l e a r n i n gc o n t r o l ，a n di d e n t i f i c a t i o n s i g n a lo fi n t e l l i g e n ts e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l ，e x p e r t si n t e l l i g e n ts e l f - t u n i n gp i d c o n t r o l ，f u z z yp i dc o n t r o l ，b a s e do nn e u r a ln e t w o r kp i dc o n t r 0 1 f u z z yc o n t r o li si n t e l l i g e n tc o n t r o lo fab a s e do nl a n g u a g er u l e sa n df u z z y i n f e r e n c e ，w h i c hm i m i ch u m a nc o n t r o lw i t haf u z z y , w i l lb et h eo p e r a t o ro f n a t u r a l l a n g u a g es u m m a r yo ft h ee x p e r i e n c eo fc o n t r o lr u l e s ，a n db a s e do nt h e s e r u l e s ，u s i n gf o rf u z z yr e a s o n i n gp r o c e s so ff o r m a t i o nc o n t r 0 1 b u tf u z z yc o n t r o l i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 o fi n p u tv a r i a b l e si st h ed i s c r e t e a n dn oi n t e g r a lp a r t ，t h ec o n t r o la c c u r a c yn o t a sg o o da sp i dc o n t r 0 1 f u z z yc o n t r o la n dc o n v e n t i o n a lp i di n t e g r a t i o nc o n t r o l ， u s eo ff u z z yi n f e r e n c ej u d g e a c c o r d i n gt od i f f e r e n tee ea n dt h ep i dp a r a m e t e r s o n l i n es e l f - t u n i n g ，w ec a nt a k ei n t oa c c o u n tb o t ht h em e r i t so ft h i sr e a s o n i n gi s b a s e do nf u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r ，s t u d i e dt h ed e s i g no ff u z z ys e l f - t u n i n gp i dc o n t r o l l e r ，af u z z y p i dp r o t o t y p et h r o u g hs t r u c t u r e dh a r d w a r ec i r c u i t ，i th a sas i n g l ec o n v e n t i o n a l p i dc o n t r o l l o o p ，s e l f - t u n i n g p i d i n i t i a l p a r a m e t e r s ，m u l t i - n e t w o r k c o m m u n i c a t i o n sc a p a b i l i t i e s o nt h e p l a t f o r m ，d e v e l o p m e n t o ff u z z yp i d c o n t r o l l e rw i t ht u n i n g p a r a m e t e r s ，t h ep a r a m e t e r s o fo n - l i n e s e l f - t u n i n g f u n c t i o n s ，h a sg o o dc o n t r o le f f e c to nt h ep u r ed e l a y ，t i m e v a r y i n g ，n o n l i n e a r s y s t e m p i dc o n t r o l l e rh a r d w a r es y s t e m su s em s p 4 3 0s e r i e sm c ua n d l p c 2 0 0 0s e r i e so fa r m 73 2b i tm i c r o c o n t r o l l e r ，w i t hs u p p o r to fe m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e ma c c o m p l i s hd u a la n a l o gs a m p l i n g ，i n p u tf i l t e r , c o n v e n t i o n a l p i dc o m p u t i n g ，d u a l a n a l o gc o n t r o lo u t p u t ，l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，k e y p a d s e t t i n g s ，t h em o r eb u sc o m m u n i c a t i o n s ，a n do t h e r sf u n c t i o n s d e v e l o p m e n t s c ms o f t w a r es y s t e mb yt h ec l a n g u a g e ，a n ds o m eo p e r a t i o n so fh a r d w a r eu s e d a s s e m b l yl a n g u a g ee s t a b l i s h m e n t ，a n dd os o m er e s e a r c ho np i dc o n t r o la n di t s p a r a m e t e r st u n i n gt h e o r i e s p r o g r a m m e dt h ep i dc o n t r o la n dl a b w i n d o w sl c v ia u t o m a t i ct e s tp r o c e d u r e s k e y w o r d s ：s e l f t u n i n g ，f u z z yc o n t r o l ，m i c r o c o n t r o l l e r ，【z c o s i i ， l 气b w i n d o w s c i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：逝速e l 期：论文作者签名：暨逖碰釜期： 毋，允“ 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：卫l1 鹚删瞻 日期：呈鱼：苎兰 导师签名：2 邋日期：& 。奎。以 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 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 课题的研究目的和意义 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、p i d 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“嘲。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。 p i d 控制器( 也称p i d 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p i d 控制器的比例系数k p 、积分系数l 【i 、微分系数k d ，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。p d 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8 4 仍是纯p i d 太原理工大学硕士研究生学位论文 调节器，若改进型包含在内则超过9 0 ) 。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能解决的问题，这使很多人 认为，新的理论和技术可以取代p i d 控制，但后来的发展说明，p i d 控制并没有让位。 目前，p i d 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，大多数反馈回 路用该方法或其较小的变形来控制。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得具体模型。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p i d 控制，使p i d 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，平稳性与快速性地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1 9 9 9 年1 月访华时曾预言，钙年后嵌入式智能工具将是继p c 和因 特网之后最伟大的发明。但仅近几年将工业控制器以嵌入式技术来实现的研究很少。 笔者认为将先进的智能p i d 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p i d 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已经极大的 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p i d 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 2p i d 控制器的研究现状 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p i d 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，自整定控制器是集微处理计算机、新型精密电子元器件及高密度的工艺制作技术 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 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。高的可维护性可是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。 1 3 本论文主要工作 1 、以应用嵌入式概念进行p i d 控制器的整体设计规划，独立完成p i d 控制器硬件实现 相关的算法实现研究； 2 、构建了以l p c 2 3 6 8 和m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机为核心的控制系统，包括a d 采样、数 据处理、按键设置单元、l c d 显示单元、d a 输出单元及多种通讯接口单元设计； 3 、为硬件平台移植了实时操作系统，编写了以基于嵌入式软件设计方式的模块化的系 统软件包； 4 、构建了一台p i d 控制器的样机，使其可以完成包括3 路信号( 1 路电压信号1 - 5 v 、 1 路电流信号4 2 0 m a 、一路测试用数字温度传感器信号) 的s i s o 模糊控制器； 5 、采用虚拟仪器设计语言c v i 设计了调试平台。 1 4 本章小结 本章主要介绍了p i d 控制器的应用发展、历程，对比了p i d 控制算法与当今流行控 太原理工大学硕士研究生学位论文 制理论的优缺点及其相互结合的趋势，总结了国内和国外p i d 控制器产品的特点，给出 了本文所设计的p i d 控制器的概要情况。最后对本论文要做的工作进行了介绍。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 常规p i d 控制 第二章p i d 控制理论 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、可靠性高，被广泛 应用于工业过程控制。常规p i d 控制器作为一种线性控制器，是按照偏差的比例 口一p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i i n t e g r a l ) 和微分( d d e r i v a t i v e ) 的线性组合构成控制量，对被控 对象进行控制。【3 】其控制规律为： 峥+ 荨雠+ 警】 阻1 ) 式中：“( f ) 为控制器的输出；p ( f ) 为控制器的输入，是给定值和被控对象输出的偏 差；群为控制器的比例系数；霉为控制器的积分系数；乃为控制器的微分系数。 2 1 1 比例控制作用对控制品质的影响【4 】 比例控制器其输出与偏差成比例： 蚴= + ( 2 2 ) 式中，“o ) 为控制器输出；e ( f ) 为设定值与测量变送信号之差；砭o ) 为控制器增 益：u 。为当偏差。e o ) 为零时的输出信号值，它反映了比例控制的q - 作点。 通常，工业用控制器不用而用比例度( 比例带) 船来进行刻度： p 曰。坐 ( 2 3 ) k c 通常1 船5 0 0 比例控制器的传递函数表达式为： 铲筘叫g c g ) = k ( 2 4 ) 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 1 比例控制系统框图 f i g 2 1t h eb l o c kf i g u r eo fp r o p o r t i o nc o n t r o ls y s t e m 在上图所示控制系统中，系统在干扰d ( s ) 作用下的闭环传递函数为： 塑； 兰： ；一_ 翌坠燮竺 ( 2 5 ) d ( s ) 1 + 垒坠觋s 2 + ( z + r d s + ( 1 + k k ) ( 互s + 1 ) ( 乏s + 1 ) p a _ k - - 阶系统可以从控制系统的阻尼系数0 进行分析，以此来判定放大系数 与系统稳定性之间的关系： s 2 + 苁p ( i ) 。s + ( i ) 。2 - 0 式中 = 乏a o 一等，弛= 乏a l = 磴 即 毛p 。牟。1 坚 ( 2 6 ) o 2 赢。可煮袁两 昭。6 由式( 2 6 ) 可见：当砭减小时，0 值较大，并有可能大于1 ，这时过渡过程为不 振荡过程。随着k 值的增加，0 值逐渐减小，直至小于1 ，相应的过渡过程将由不振 荡过程而变为不振荡的临界情况，并随砭的继续增大，0 继续减小，过渡过程的振 荡加剧。但是，不论k c 值增大到多大，0 不可能小于零，因而这个系统不可能出现 发散振荡，即该系统总是稳定的。 对于稳定的系统，可用终值定理求得在幅值为a 的阶跃干扰作用下，系统的稳态 值： 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 y p ) 4 ；i m 。y o ) 置l 刚i m t s j u a ( t ，s + 1 ) ( 互；s + 1 ) s 【椰2 + ( 互+ 瓦) s + 玉，c 蠡，d + 1 】1 + 屹k 式( 2 7 ) 表明：应用比例控制器构成的系统，其控制结果的稳定值不为零，即系 统存在余差。随着控制器放大系数的增大，余差将减小，但不能完全消除，因而 比例控制为有差控制。大小对受控变量过程的影响所产生的基本矛盾：稳定程度与 控制精度( 又称为最大偏差和余差) 的矛盾。& 增加能使控制精度提高，但是稳定程 度变差。参数的整定，就是对这两项指标在作权衡。 放大系数k 由小变大放大系数由小变大 衰减系数大一小稳定程序逐渐降低 衰减比 大- - d ,最大偏差大- - d , 余差大一小 表2 - 1k c 变化对控制过程各项指标的影响 t a b 2 - 1k ci n f l u e n c eo fv a r i a t i o nt ot h ei n d e x e so fc o n t r o lp r o c e s s 2 1 2 积分控制作用对控制品质的影响 积分控制器常和比例控制器一起组成比例积分控制器来完成控制作用。函数关系 式如2 6 所示： 二 “一k c ( e + 瓤础) 讽 ( 2 - 8 ) 如果偏差为零，则积分控制器的输出不变。视偏差是正或负，偏差积分后使控制 器输出u 向上或向下变化( 其变化方向还与控制器正、反作用有关) 。图2 2 所示为一 比例积分控制系统： 图2 - 2 比例积分控制系统 f i g 2 - 2 t h eb l o c kf i g u r eo fp r o p o r t i o na n di n t e g r a lc o n t r o ls y s t e m 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 系统在阶跃干扰d 的作用下，闭环传递函数为： = 而考g s ( 2 - 9 )= 一 、6j ， 酗+ 1 ) + 峰 + 1 ) 假定在阶跃干扰的幅值为a ，则应用终值定理，可求得在此阶跃干扰作用下的系 统稳态值 y p ) 一l i m s y ( s ) 一0 ( 2 1 0 ) j - u 添加积分作用的基本目的，是在系统经受扰动后，使系统输出返回设定值，即消 除余差，这是它独有的特点。 从闭环传函特征方程根的性质分析积分作用对控制系统稳定性的影响，即由式 ( 2 9 ) 的特征方程根的判别式如下，可得以下三种结果： = 瓦2 k + 1 ) 2 4 t i t k c k ( 1 ) 当 0 时，此式经移项化简可改为k c k + 1 4 t f k c k ，只有五较大，不等式 上1 才能成立，这时特征根卧是均为负实根，所以控制系统的过渡过程为非振荡的。 ( 2 ) 当_ o 时，此式可变换成( k c k + 1 ) 2 一慨，要使其成立，互一定要比 第一种情况时的值小，此时特征根卧屯均为两个相等的实根，控制系统的过渡过程处 于临界状态。 ( 3 ) 当高达5 1 2 k b 的i s p l a pf l a s h 高达3 2 k b 的s r a m f l a s h 编程极快，通过片内的b o o tl o a d e r 软件实现 1 0 1 0 0e t h e m e tm a c 接口，带d m a 控制器 全速u s b2 0 ( 1 2 m b p s ) 设备，带片内p h y 和d m a 控制器 2 条c a n2 0 b 总线，带2 路通道 通用d m a 控制器 1 0 位a d 转换器和1 0 位d a 转换器 2 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 多个串行接口：3 个1 2 c 、1 个1 2 s 、4 个u a r t 和3 个s p i s s p 4 个3 2 位定时器 实时时钟和看门狗定时器 4 m h z 内部r c ( 取c ) 振荡器，可以调节到1 的精度 芯片内部结构如图： 图4 - 1l p c 2 3 6 8 单片机结构框图 f i g 4 - 1t h eb l o c kd i a g r a mo fl p c 2 3 6 8 2 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 2 电源电路 电源部分需要为整个控制器电路提供外围接口芯片的5 v 和控制芯片的3 3 v 两种 电压。电源设计的主要任务是将输入2 4 v ，通过隔离的d c d c 模块转换为5 v 提供给5 v 器件，再经l m l l l 7 1 3 3 v 稳压输出供给l p c 2 3 6 8 和m s p 4 3 0 f 1 6 9 所需的3 3 v 电压。 d c d c 模块采用s u c c e e d 公司i f 2 4 0 5 l s 1 w ，它可以提供2 0 0 m a 电流输出，具有低功 耗( 1 w ) ，可靠性高( m 1 1 3 f = 1 0 0 万小时) 的特点。l m i i l 7 1 3 3 v 是n a t i o n a l 公 司生产的一种低压差、低功耗的3 3 v 线性电压调节芯片，具有高效的线性调节器。在 满载压差为1 2 v 时，参照数据手册l m l l l 7 1 3 3 v 可稳定输出电流8 0 0 m a 。转换电路如 图4 2 所示： u m l 7 1 ”v 23 3 v 砥删撇d55 v1 v l nv l x ，r 。上。l 与+ + v op j l 口 z o q o q 1 - + a s n 【1 2 1 9 一一 一 l 时m 心1 0 41 0 4 l 订；a： 口勉 。= 国i di 2 ：、。，i ! 上 一竺! 广一 亨 i f 2 4 0 5 l s - i wo 1 时 、 4 1 3 时钟电路 亨i 图化电源模块原理图 f i g 4 2t h ep r i n c i p l ef i g u r eo fp o w e rb l o c k l p c 2 3 6 8 包含三个独立的震荡器：主震荡器，内置r c 振荡器和实时时钟振荡器。 每个振荡器除了其特殊用途以外都可用作多种用途。系统复位后，控制器由r c 振荡器 ( 约4 m h z ) 来提供时钟信号，它不能使用在需要精确同步的场合。由软件切换其他时 钟源，设计从精确同步、提高c p u 时钟频率等方面考虑，参考数据手册，采用选择了1 2 m h z 晶振，为主振荡器提供时钟信号，为提高片内程序运行速度使用了p l l ( 锁相环 路) ，电路如图4 3 所示，实时时钟振荡器的管脚连接3 2 7 6 8 h z 的晶体，对该信号精确分 频负责为系统提供时间、日期等实时数据。电路图如4 4 所示： 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 4 复位电路 筮p f 图4 - 3 系统时钟电路 f i g 4 - 3s y s t e md o c k c i r c u i t a 盈p f 图4 4 实时模块时钟电路 f i g 4 - 4r t cb l o c kc l o c kc i r c u i t 复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。 l p c 2 3 6 8 有四个复位源：r e s t 管脚、看门狗复位、上电复位( p o r ) 和掉电检测复 位。硬件设计所涉及的复位是指在系统上电所产生的复位信号，使处理器可以忽略非 常短的外部干扰复位脉冲，并决定保证芯片复位所必须保持的最短时间。从可靠性考 虑选用了专用复位芯片s p 7 0 6 。 复位原理： 复位源提供的芯片复位信号会启动唤醒定时器，只有当晶振运行稳定并且 l p c 2 3 6 8 的x 1 脚上出现适当的信号时才能撤除。如果信号保持2 0 0 u s ，片内电路完 成其初始化。s p 7 0 6 r 复位低电平脉冲宽度为1 4 0 m s ，低电平输出( 0 3 v ) 小于l p c 2 3 6 8 输入低电平( o 8 v ) 完全保证了单片机正常初始化。复位电路如下： 图l p c 2 3 6 8 复位电路 f i g 4 - 5l p c 2 3 6 8r e s e tc i r c u i t 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 1 5s p i 接口电路 l p c 2 3 6 8 与m s p 4 3 0 f 1 6 9 芯片间采用s p i 总线进行通信，s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e 血c e 一串行外设接口) 是m o t o r o l a 公司提出的一种同步串行通信总线。各个设备 在同一个时钟下工作，以同步方式实现通讯。s p i 口只需要3 根( 发送、接收、时钟) 或4 根引脚线( 发送、接收、时钟和片选) 就可以实现d s p 之间的连接。由于s p i 是 以同步方式工作，它的传输速度很快，高达几十m b p s 。l p c 2 3 6 8 内置了独立的s p i 通讯模块具有如下特点： ( 1 ) 单个完整和独立的s p i 控制器 ( 2 ) 遵循串行外设接u i ( s p i ) 规范 ( 3 ) 同步、串行、全双工通信 ( 组合的s p i 主机和从机 ( 5 ) 最大数据位速率为输入时钟的1 8 1 、 不同数字器件的接口中最主要的问题就是逻辑电平兼容即噪声容限匹配。连接 在一起的两个逻辑器件要想正常工作，必须满足高、低噪声容限都为正值。 现参考数据手册对m s p 4 3 0 f 1 6 9 与l p c 2 3 6 8 的噪声容限进行比较满足要求，见表 舢1 。 表4 - 1l p c 2 3 6 8 5 与m s p 4 3 0 f 1 6 9 的噪声容限比较 t a b l e 4 - 5t h ev o l t a g et o l e r a n c ec o m p a r i s o no fl p c 2 3 6 8a n dm s p f l 6 9 电压 供电电压( v ) v m咯v o h饧 器鲈 m s p 4 3 0 f 16 9 3 3 1 9 0 9 2 7 5 0 2 5 l p c 2 3 6 83 32 0o 82 9o 4 2 、l p c 2 3 6 8 的s p t i 恿讯数据长度可选择1 6 位和8 位；m s p 4 3 0 f 1 6 9 的s p i 数据长度为7 位、8 位；所以选择8 位字长。 3 、l p c 2 3 6 8 和m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机的s p i 弓i 脚定义如表4 - 2 和4 3 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 表铊l p c 2 3 6 8 单片机的s p i 引脚说明 t a b 4 - 2s p ip i n sd e f i n i t i o no fl p c 2 3 6 8 引脚名 引脚号引脚名称引脚说明 引脚号引脚说明 称 6 2 s c ks p i 串行时钟 6 1h 以s o s p i 主机输入从机输出 6 3s s e ls p i 从机选择6 0m o s is p i 主机输出从机输入 表钙m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机的s p i 引脚说明 t a b 钙s p ip i n sd e f i n i t i o no fm s p 4 3 0 f 1 6 9 引脚号引脚名称引脚说明引脚号引脚名称引脚说明 2 9 s i m 0 0主出从入 3 1 u c l k时钟 3 0s o m i o主入从出2 8s 1 e 从机控制 4 、l p c 2 3 6 8 单片机的s p i 传输格式如图4 - 6 所示。 图4 - 6l p c 2 3 6 8 在c p o l = 0 时s p i 数据传输格式 f i g 4 - 6s p id a t at r a n s m i s s i o nf o r mo fl p c 2 3 6 8 ( c p o l = 0 ) 由上图可知，l p c 2 3 6 8 的s p i 数据与时钟相位的时序关系，在c p h a = 0 时，首个数 据先于第一个s c k j ：升沿；在c p h a = i 时，首个数据在s c k 的上升沿触发，c p o l 取值 不同触发方式相反。 5 、寄存器和波特率设置 am s p 4 3 0 f 1 6 9 的u s a r t 内部寄存器 它的主要寄存器如下： 太原理工大学硕士研究生学位论文 u a r t 控制寄存器：u x c t l 接收控制寄存器： u x r c t l 波特率控制寄存器0 ：u x b r 0 接收缓冲寄存器： u x r x b u f s f r 模块使能寄存器：m e l b 波特率的设置 发送控制寄存器：u x t c t l 调整控制寄存器：u x m c t l 波特率控制寄存器1 ：u x b r l 发送缓冲寄存器：u x t x b u f s f r 中断使能寄存器：i e l 波特率由波特率控制寄存器u x b r l 和u x b r 0 中的分频因子确定，其中u x b r 0 为低字节，u x b r l 为高字节。两字节合起来为一个1 6 位字，称为u x b r ，u x b r = u x b r o + u x b r l 。实际中，可以使用波特率计算软件来计算，只要给定输入时钟和需要的波特 率，就可以得到初始化u s a r t 需要的设置参数。 6 、为满足主从之间的时序要求，根据图4 1 6 所示的l p c 2 3 6 8 在c p o l = 0 与c p h a = 0 设置下工作的s p l 工作时序图，与m s p 4 3 0 f 1 6 9 在c k p h = 0 ，c k p l - - 0 设置下的时序图， l p c 2 3 6 8 i 作在主模式，要求m s p 4 3 0 f 1 6 9 将数据送入发送缓冲器u x t x b u f ，随后在 s c l 叫e l k & 升沿，m s p 4 3 0 f 1 6 9 的t x 端移出数据，同时l p c 2 3 6 8 的m i s o 端移入数据。 通信时，l p c 2 3 6 8 单片机作为主机，m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机作为从机p 埘。两芯片不需片 选信号，只将l p c 2 3 6 8 的s 刀m o 、s o m i 、s c k 分别与m s p 4 3 0 f 1 6 9 的s o m l 0 、s i m 0 0 、 u c l k 连接。 l p c 2 3 6 8 单片机与m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机连接如图。 4 1 6 调试与测试接口 u k 2 3 6 8 图 l p c 2 3 6 8 单片机与m s p 4 3 0 f 1 6 9 单片机的连接 f i g 4 - 7t h ec o n j u n c t i o no fl p c 2 3 6 8a n dm s p 4 3 0 f 1 6 9 l p c 2 3 6 8 有一个内置j t a g ( 符合m e e l l 4 9 标志) 调试接口，连接比较方便，通过 现有的j t a g 边界扫描口与a r m 核通信，a r m 芯片的j t a g 边界扫描口进行调试的 设备、控制芯片的运行并获取内部信息。调试与测试接口不是系统运行必须的，但现 代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也很重要。现在，j t a g 接口还常用 于实现i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m a b l e ；在线编程) ，对f l a s h 等器件进行编程。j t a g 太原理工大学硕士研究生学位论文 代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也很重要。现在，j t a g 接口还常用 于实现i s p ( i n s y s