（机械电子工程专业论文）基于dsp的智能测控系统的研究与开发.pdf

独创性申明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学 位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果，二尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外，论文4 ，不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的t 作的任何贡献均已在论文中作j 明确的 说明并已致谢。 本论文及其；f 【i 关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：立孚佳和4 年弓 月，岁h 保护知识产权申明 本人完全了解西安理t 大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属两安理工夫学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理 ：大 学，无论何时何地，未经学校许可，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校有权保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( 加密学位论文解密之前后，以上申 论文作者签名：舀蜱导师签名 髟年) 月ou 论文题 学科名称：扭越电王王猩 论文作者：主佳堕 指导教师：鄞俊盎煎握 答辩时间：2 q q 垒生3 旦 签名： 签名： 摘要 计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成的智能测量控制系统不仅具有传统 的检测功能，而且具有存储、判断、信息处理、实时补偿、白诊断，自校正等功能。 由于d s p 器仆具有较高的硬什集成度，高速的数据运算能力，高度专业化的指令集以 及较高的性价比，冈此，基于d s p 的智能测控系统是便携式钾能洲控系统发展的一个 重要趋势。 本课题结合实际【：科背景，对基丁d s p 的智能测控系统进行了研究。研制成果土 要是应_ e j 予现代化测控领域，以实现数控机床自动控制和管理，达到提高系统的准确 性和检测精度，为工业生产过程中的白动化仪器的改良和优化提供了借鉴。 该文着重阐述了硬件系统的组成、功能和特点：介绍了系统软件的设计流程和体 现测控系统智能特性的软件模块：并对智能测控系统中常用到的通讯方式作了开发设 计和研究：最后对测控系统的性能进行验证。 该智能测控系统已达到用户提出的各项技术要求，并已交付用户，准备投入批量 生产，是实现工业生产过程白动化的一种较理想的测量控制仪器。 关键词：智能化，测控，数字信号处理器，r s 2 3 2 c ，通用串行总线 趱 s u b j e c t ：旦! ! 堕l l h n 旦旦垦y 垦l q 旦丛垦盟! q 盟i 盟! 曼l l i 鱼星盟! s y s ! 曼丛q 曼 m e a s u r e m e n t c o n t r o lb a s e do nd s p s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ce n g i n e e r i n g c a n d i d a t e ：q ic b - 出口i s i g n a t u r e ： i n s t r u c t o r ：鱼坐q 望旦ji s i g n a t u r e ： a b s t r a c t c o m b i n e dw i t h c o m p m e rt e c h n o l o g ya n d m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g y ， i n t e l l i g e n ts y s t e mn o to n l yh a st r a d i t i o n a li n s p e c t i o nf e a t u r e ，b u ta l s oc a ns t o r e ，j u d g e ， d i s p o s eo ft h em e s s a g e ，c o m p e n s a t er e a l t i m e ，s e l f - d i a g n o s e ，”l g e m e n d b e c a u s ed s p p o s s e s s e sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sl a r g es c a l e di n t e g r a t i o ni nh a r d w a r e ，d i s p o s i n go f m e s sm e s s a g e ，s p e c i a l i z a t i o no fi n s t r u c t i o ns e ta n do u t s t a n d i n gr a t i oo fp r i c e p e r f o r m a n c e ， t h ei n t e l l i g e n ts y s t e mo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb a s e do nd s pi sa ni m p o r t a n td e v e l o p i n g t r e n do f t h ei n t e l l i g e n tp o r t a b l em e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m t h ei n t e l l i g e n ts y s t e mo fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb a s e d0 nd s pi sr e s e a r c h e du p o n p r a c t i c a lp r o j e c ti nt h i st h e s i s t h es y s t e mh a sa d v a n t a g e so fh i g hp r e c i s i o na n ds t a b i l i t y t h a tc a nb ea p p l i e dt om o d e r nf i e l di nm e a s u r ea n dc o n t r o l ，a n da c c o m p l i s h sa u t oc o n t r o l a n dm a g e m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e t h a to f f e r sag o o gi d e ao fi m p r o v i n g a u t o i n s t r u m e n ti nt h ep r o d u c tl i n e t h i st h e s i sm a i n l yi n c l u d e sf o u rp a r t s f i r s t l y , t h ea u t h o ri l l u m i n a t e sc o n s t i t u t i o n ， f u n c t i o n ，f e a t u r e sa b o u th a r d w a r eo fs y s t e m ；s e c o n d l y , h o wt od e s i g ns o f t w a r eo fs y s t e mi s i n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h ef l o wc h a r ti su s e dt os h o wh o wi n t e l l i g e n c ei sr e a l i z e d ；t h i r d l y , d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho nc o m m o nc o m m u n i c a t i o nt y p e so fi n t e l l i g e n ts y s t e ma t t h e p r e s e n tt i m ei si n t r o d u c e d ；f i n a l l y ，e x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t et h ef e a t u r e so f t h es y s t e m t h ei n t e l l i g e n ts y s t e mt h a ta c h i e v e st h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sh a sb e e nd e l i v e r dt o c o n s u m e r , a n db e e nr e a d yt op u ti n t om a s sp r o d u c t i o n i ti s a ni d e a li n s t r u m e mi nt h e a u t o m a t i ci n d u s t q p r o d u c t i o np r o c e s s k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n c e ，m e a s u r ea n dc o n t r o l r , d s p , r s - 2 3 2 ，u s b 1 绪论 1 1 智能测控系统概述 “测量”和“控制”是人类认识世界和改造世界的两项工作任务，而 测控仪器和系统则是人类实现这两项任务的工具和手段。按照仪器或系统 担任的任务不同，测控仪器或系统可分为三大类：单纯以测试或检验为目 的的“测试( 检测) 仪器或系统”；单纯以控制为目的的“控制系统”以 及测量控制为一体的“测控系统”。 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经 可以在一块芯片上同时集成c p u 、存储器、定时器计数器、并行和串行 接口、甚至a d 转换器等。人们把这种超大规模集成电路芯片称作“单片 微控制器”( s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r ) 。单片微控制器的出现，引 起了仪器仪表结构的根本性变革，以单片微控制器为主体取代传统仪器仪 表的常规电子线路，可以很容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一 起，组成新一代的“智能化测量控制系统”“1 。 1 1 1 智能测控系统的基本组成 由智能测控系统的概念可知，智能测控系统实际上是一个专用的微型 计算机系统，由硬件和软件两大部份组成。 智能测控系统的硬件组成如图i l 所示“1 ：包括单片微控制器、过程 输入通道( 模拟量输入通道和开关量输入通道) 、过程输出通道( 模拟量 输出通道和开关量输出通道) 、人机联系输入输出设备及接口电路( 键盘、 扫描仪、打印机等) 、片外存储器以及数据通信接口。 智能测控系统的软件部分主要包括监控程序和接口管理程序两部分。 具体内容见表卜1 。 圈1 1 智能化测量控制仪器的硬件组成 表1 一l智能测拧系统的软件组成 监控程序 接u 管理程序 1 、受面向通讯接口。 2 、j e 内容是接收并分析来自通讯接u 总 线的符种有关功能、操作方j t 作参数 的程控操作码； 3 、并通过通讯接i ：j 输f l i 仪器的现行工作 | ：黑：酬靴式蛳硎惦似以 状态及测量数据的处理结果，以响应计算 机的远程命令。 1 1 2 智能测控系统的特点 智能测控系统中由于引入了微型计算机，中央处理单元具有四则运算 和逻辑运算，控制，通讯等功能，所以与传统的电子仪器相比较，智能测 控系统具有以下几个主要特点： ( 1 ) 极高的准确性：具有自动修正各类测量误差的能力；具有快速多次重 复测量的能力。 ( 2 ) 极强的可靠性：智能测控系统如果发生了故障，不但可以自检出来， 而且可以自诊断出发生故障的根源，从而保证了测量控制工作的可靠性。 白检的方式有三种，分别是丌机自检、周期性自检和键控自检。 ( 3 ) 数据处理功能：智能溅控系统对测筵数据进行整理和加工处理，能实 现各种复杂运算，如：查找排序、数字滤波、标度变换、统计分析、函数 遁近和频谱分析等。 ( 4 ) 能实现复杂的控制规律：智能测控系统不很能够实现p i d 运算，还能 实现各秭复杂的控裁规帮，妊：串级、前馈、瓣疆岛适瘦、模粕羧截、专 家控制、神经网络控制、混沌控制等。 ( 5 ) 其有凳多点多参数测控功能：智能测控系统g e 对多个通遂、多个参数 进行快速、实时测量或控制。 ( 6 ) 多秘形式输出功能。 ( 7 ) 数据通讯组成复杂控制系统：智能测控系统可以按照串行总线( 如 r s 2 3 2 标准接口、r s 4 2 2 接目标准) 或并行总线( 如：g p i b 标准、i e c 6 2 5 标准) 规约，与其他智能测控系统或计算机或常规数字仪表方便的实现互 联，可完成更复杂的测控任务。 ( 8 ) 掉电保护功能：智能测控系统内装有后备电池和电源自动切换电路， 或采用e e p r o m ，存储重要数据。“ 1 2 课题的来源及意义 本课题是与河南中原精密有限公司合作进行的，目的是开发出一套与 数按磨床配套使用的在线测量控制系统，用于零件加工过程中的实时测量 并撩制数控蘑床加工工序的交化，如图1 2 。 该测控系统的最大特点是主动测控。它使用接触式差动变压器式电感 测头实时测麓被加工零件的加工余量，采样数耀经过前向通道处理后由 a d 转换成数字信号后进入系统的微处理器，微处理器对采样数据进行处 理看，根据存储在系统志部的一组控制点( 如图1 2 鼹示豹p 1 、p 0 、s - c u t ) 的大小，判断出工件当前应该处于何种加工工序，然后立即向数控磨床发 出楣应豹控制信号，从两实现对孝凡床的实嬲控副，| 习时还哥由智能测控系 统提供的人机接口实现交互式控制，对各项测量结果进行在线浏览，根据 工件的质蘩捡测结果斑冬矮设攫参数进行及时修正，并透过系统的通讯接 口将各台测控仪器用计算机连接起来，从而实现自动化整体一元化管理。 该渊控系统豹使用极大地提高零件的摭工精度和工韭生产过程自动纯的 程度，同时减轻了工人的劳动强度。 测量数据流 p l ：精麝控制点 p 0 ：退刀控制点 5 - c u t ：信号切断点 。智能涮控系统i 1 3 论文的主要内容 数控腑床 粗辨 4 精廓 避刀 斯死控制信号l 捌1 - 2 ：智能删挣系统的成用 本文围绕这实际项磊，做了如下工作： 1 智能测控系统的硬件电路设计：微控制器的选取，系统的前向通 道和后向通道的设计，存储器l 毫路接嗣设计，入机接曰界面设诗。 2 智能测控系统的软件模块设计：在软件设计中充分体现测控系统 的智能纯：囱检查自诊断，自动鲞程转换，泡。 乙测量功麓，数攥处理功能。 3 智能测控系统的通讯接口设计：设计了异步串行通信接口 r s 一2 3 2 c ，同步串行通信接嗣s p i ，开发了u s b 接习豹嗣律程旁。 4 联机调试与性能实验 2 智能测控系统的硬件设计 根据智能测控系统的功能要求，设计系统的硬件时，首先选取系统的 微处理器，然后设计系统的前向通道、存储器接口电路、后向通道、通信 接口模块。在设计通信接口模块时，由于对多种通信方式进行研究，所以 将智能测控系统的通讯单独作为一章，在第四章进行阐述。 2 1 微处理器的选取 由于d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s so r ) 器件内置有高速的c p u ；采 用改进的哈佛结构：较高的硬件集成度；高速的数据运算能力；高度专业 化的指令集以及较高的性价比，所以基于d s p 的智能测控系统是便携式智 能测控系统发展的一个重要趋势，较之基于单片机的智能测控系统，它具有 的以下优势： 1 ) 提高系统测量的准确性：实时、高速处理数据，采用复杂的滤波 算法，具有快速多次重复测量的能力。 2 ) 提高系统控制的精确性：能实现更复杂的控制算法。 3 ) 增强系统的可靠性：自检周期将显著地缩短。 4 ) 推动测控仪器的“硬件软化”：硬件集成度高。 因此，本课题选取d s p 器件作为系统的核心微处理器。 d s p 器件经过近2 0 年的发展，已有各种系列的d s p 产品涌现到市场上， 仅以德州t i 公司为例，就有t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、c 5 0 0 0 、c 6 0 0 0 三大系列几十种 规格的d s p 芯片。不同的d s p 芯片的内部结构和特性都是不相同的，因此 芯片的应用场合也不尽相同。由于课题所研究的智能测控系统是将要用于 生产现场使用的和进行大批量生产的成品。所以我在选择系统的d s p 芯片 时考虑了如下因素： ( 1 ) d s p 芯片的生产商：目前生产d s p 芯片的公司有很多，如t i 公司、 m o t o r o t a 公司、a d 公司、n e c 公司等，这些公司的产品种类繁多。这其中 要数美国t i 公司产品占有的市场分额最大，产品类型齐全，并且产品的软 件和硬件开发工具比较完善，技术资料比较完备，这样会缩短开发时间， 从而降低开发成本。所以我决定选取t i 公司生产的d s p 芯片。 ( 2 ) d s p 芯片的应用场合：美国t i 公司的产品主要有t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列， c 5 0 0 0 系列以及c 6 0 0 0 系列。其中c 6 0 0 0 是用于移动式无线基站、多媒体系 统、数字图象处理等领域；c 5 0 0 0 系列适用于实时嵌入设备，如电信设备； c 2 0 0 0 系列则常用于工业自动化控制、仪器仪表以及机器人等领域。因而选 取c 2 0 0 0 系列是显而易见的。 f 3 ) d s p 芯片的硬件资源：不同d s p 芯片所提供的硬件资源是不相同的， 如片内r a m 、r o m 的数量，外部可扩展的程序和数据空间，总线接口，i o 接口等。通过查阅有关的技术资料可知c 2 0 0 0 系列中的c 2 4 x 系列的资源配 置与系统所需的要求比较接近。c 2 4 x 的片内r o m 最大可达3 2 k ，片内r a m 最大可达4 5 k ，2 4 4 k 字可寻址空问，程序存储空间6 4 k 字，数据存储空间 6 4 k 字，i o 空间6 4 k 字，还有3 2 k 字全局存储空间。 ( 4 1d s p 芯片的价格：d s p 芯片的价格也是选择d s p 芯片所需要考虑的 一个重要因素。d s p 芯片的价格从几美元到上百美元不等，所以必须选定一 个性价比适中的d s p 芯片。考虑到价格因索，决定选取c 2 4 x 系列中的 t m s 3 2 0 f 2 4 0 作为该系统的核心处理器。 ( 5 ) d s p 芯片的功耗：t m s 3 2 0 f 2 4 0 有5 v 工作模式和3 3 v 工作模式， 虽然使用3 3 v 工作模式可以降低功耗，但是由于系统中的其他芯片是工作 在5 v 工作模式下，所以为了与这些芯片兼容，只有选用5 v 工作模式。 经过以上所述的选取过程，我最终选取了美国t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片作为该智能测控系统的核心处理器。t m s 3 2 0 f 2 4 0 的指令周期是5 0 n s ， 具有程序存储空间6 4 k 字，数据存储空间6 4 k 字，i o 空间6 4 k 字。还有 3 2 k 字全局存储空州，片内r a m 有5 4 4 字，片内1 6 k 的f l a s hm e m o r y ，2 8 个可独立编程的i o 引脚，一个同步串行口以及一个异步串行口“。 第二章智能测控系统的硬件设计 2 2 前向通道设计 由于智能测控系统的微控制器只能处理数字信号，而被测对象常常是 一些非电量，所以需要通过前向通道的传感器、信号调理电路和采样电路 将被测信号转化成m c u 可以处理的数字信号。 2 2 1 模拟量的前向通道 客户要求该测控系统需要进行接触式测量，测量范围是：+ 。1 0 0 0 u m ( + - 2 0 0 0 耻m 可选) ：分辨率：0 5 帅( 0 1 m 可选) 。 传感器是测控系统中的关键装置，它的性能直接影响系统的性能。传 感器的种类繁多，根据技术要求，经过分析决定选用差动变压器式传感器。 这是由于差动变压器的结构简单可靠，输出功率大，输出阻抗小抗干扰 能力强，对工作环境要求不高，具有良好的环境适应性、使用寿命长、灵 敏度高，稳定性好，测量范围大，分辨率较高，在测量长度时可以达到 0 】um “1 。系统选用的差动变压器式电感测头的测定位移范罔是+ - 1 0 0 0 1 a m ， 每一个m m 位移的输出电压是1 v 。 出于差动变压器的输出是一个调幅波，为了辨别差动变压器衔铁移动 的大小和方向，必须对其进行调制和滤波，系统使用普通运算放大器和场 效应管搭建的相敏检波电路对调幅波解调。系统的测量电路如图2 - 1 所示。 图2 - 1 差动变胜器测量f u 路示意l 茎| 系统采样电路的a d 转换器使用a n a l o gd e v i c e s 公司的a d l 6 7 4 ，这是 一款带有三态输出锁存器的1 2 位( 8 位可编程) 转换器，转换时间是1 0 9 s ， 鍪 输入电压的范围可以是+ 5 、+ 1 0 、o l o v 、0 2 0 v 中任一种。 经过调理后的惫信号是双极性电压，为了提高测量数据的分辨枣，联 以使用k d l 6 7 4 的输入电压类型是- i o v j i o v 。要将电信号增大至+ 一l o ，这 样就必须将信号一l v l v 放大i 0 倍至一l o v 、l o v 。在放大竣入信号时，采用分 级放大的方法，如图2 1 所示。系统的后级放大电路包括一个跟随器和1 0 倍率同相逡放，目的是实现测量系统的量程自动切换功能。 该智能测控系统的输入信号随着应用场合的不同，可以是一路输入信 号、两路信号、三路最多达到四路，丽系统内部的a d 转换器只有一个，因 此必须采翊了多路分漪的输入方式。如图2 2 所示。 专攀! vi 磊蠢j 箱蔹瓣：；i 磊一崴蕊，蠢 一一一一 -。一 蓑j 、a 。d c 1 i ，r r z a 。 ! 鳖： 堑螬，窭受 簟j 照曩一：嚷 一 l 笙| 2 - 2 多路分时处理模拟篮输入顷道永盥| 璺i 2 2 2 数字量的前向通道 除了模拟信号外，在测控系统中还经常会出现各种按键、继电器和( 无 触点丌关) ，以及编码器、感应同步器和光栅等测量装置，它们所产生的信 号只有开和关，或低电平和高电平两种状态。 a 计量光栅 计量光栅是一种把位移变换成数字量的转换装置，作为测控系统的测 量和传感元件，它具有以下主要优点：高精度、高分辨率、抗千抗能力强 以及处理电路简便。主要用于高精度赢线位移和角位移检测系统中，如三 坐标测量机以及一棼高精度溺距仪。 由于智能测控系统现在e 朝着高精度的趟贽发展，所以从研究的角度 出发，本文中除了设计模叛餐输入通道外，还对数字量输入通道做了研究。 光栅测量系统采用英国r e n i s h a w 公司的r g s 2 0 一s 反射式镀金钢带光栅( 5 0 线m 帮r g h 2 2 数字式光掰读数关( 分辨率为0 5p 臻) ，经后委的细分电 路4 0 细分后( 系统细分数n = 4 0 ) ，可达到0 5um 的分辨率。 测量系统中光橱信号的细分使蠲赢传式电阻链分耀绥分窀路，电阻链 分相细分是一种应用很广的细分技术。其工作原理是：将相位不同、频率 相冈的交交信号( 通常楣差9 0 度) 藏操在电阻链的嚣端，由于两信号的叠 加作用，在电阻网络的各电阻抽头上将得到幅值和相位各不相同的一系列 信号，孬用箍零器对这些信号鉴幅、熬形后，便霹在莫尔条纹的一个周期 内得到若干个脉冲信号而达到细分的目的”1 。 通过广泛查阅资享斗，选用了一种裹性能的w 编程可逆计数芯片对细分 电路的输出信号进行计数，计数芯片的计数器怒2 4 位，不再需要级联就可 以满足通常的需要“1 ，这种计数芯片可以大大地简化电路的设计，提高了 系统的可靠性，而鼠，计数方式多样，可以通过编程来指定，使用起来相 当灵活。并熙该计数芯片的读写周期是5 0 n s ，根据2 一】式，可知f 2 4 0 在读 写该芯片时需要插入1 个等待周期，所以可以通过向w s g r 寄存器中写o x 0 4 命令字产生所需的等待周期。读取光栅输入信号的计数电路如图2 3 所示。 i 璺l2 - 3 计数电路巨 9 b 拨粥开关 除了上述光撵测璧系统外，还有种开关量式的数字臻入信号。在该 智能测量系统就设计了三组2 0 个拨码开关，通过设定这些拨码开关，可以 实现妇下功能：系统测量范围的选择( + 1 0 0 0 p r n 或+ ，2 0 0 0 p r o ) ，控制信号 的输出形式( b c d 码或二进制) ，不同的测量场合( 内径或外径、测头个数 的选择、测量项个数的选择) ，是否具有自动量程转换功能，是否具有断续 测量功能以及是否具有无限远点功能等。 当用户将智能测量系统设戳成用来进行断续测量功能时，这时系统就 可以自动检测用于断续测量的p 功能扳工作是否正常。如果正常，接着就 渎取p 功能板上的四个拨码开关的输入状态，利用四个拨码开关的缀合来 判蹶瘸户需要以何秭方式来实现断续溺羹功能，是幂u 用出系统内部定时器 的定时中断产生同期中断信号源，还是幽外部中断( 如光电开关) 给系统 提供同媚中断信号源，或者崮系统根摅预嚣数据国动产生嗣期中辑滚，或 者是自动汜忆工件的最大最小值。 通过援码歹 ：关产生的输入信号，可意接逶遗8 2 5 5 渎取后送入f 2 4 0 。 8 2 5 5 和f 2 4 0 的接口电路示意图见图2 8 。 c 数字量输入逐道示意鹰 该测控系统的数字量前向通道如图2 - 4 所示。 j 面光蔷吲丽磊吲甏嘉鬻 蕊嚼= 之鬣羚_ 二= ：| 一“一一 一一一一：t m s 3 2 0 f 。4 0 1 拨码开关b = _ = = ：| 8 2 5 5 童，： 鹫2 4 数字量输入通道结构 2 3 存储器接口电路设计 本课题所选用的t m s 3 2 0 f 2 4 0 器件内含5 4 4 字片内双口r a m 和1 6 k 字片 虎f l a s he e p r o m 。1 6 k 字片内f l a s he e p r o m 对于一般的用户程序来滋已经 够用，因而可以不必在系统中外扩程序存储器：而5 4 4 字的r a m 对于测控 系统显然跫不够熙，设计系统硬馋瓣必须要夕 扩r a m 。 2 3 1r 删芯片的选取 选取r a m 芯片时需要考虑的最重要的问题是存储器的存取速度是否与 d s p 的读写速度相匹配。t m s 3 2 0 f 2 4 0 工作时的c p u c l k 是2 0 m h z ，单指令周 期是5 0 n s 。在f 2 4 0 汇编指令集中，s p l k ( s t o r el o n gi m m e d i a t et od a t a m e m o r y ) 是两周期指令，指令周期l o o n s ：s a c l h ( s t o r e1 0 w h i g h a c c u m u l a t o rw i t hs h i f t ) 是挚周蛹指令，指令周鹣5 0 n s ；l a c c ( 1 0 a d a c c u m u l a t o rw i t hs h i f t ) 是单周期指令，指令周期5 0 n s ；可以看出f 2 4 0 揉 乍存储嚣的时闻最短可达5 0 n s ”，考虑到实际龟貉中芯片鞠互连接及片 选需要一然门电路，而一级门电路的最大延时在6 n s 左右，所以在选取r a m 孵，选用读写周勰为4 0 n s 豹存储嚣是比较合适的。 在本课题中选取c y p r e s ss e m ic o n d u c t o r 公司的c y 7 c 1 9 9 芯片作为外 扩数据存储器。c y 7 c 1 9 9 系列芯片的读写周期在8 n s 4 5 n s 之润，棂摄上 述分析同时考虑价格因素后，系统确定使用c y 7 c 1 9 9 3 5 ( 读写周期最 3 5 n s ) ，该芯片是3 2 k 8 位的s r a m ( s t a t l cr a m ) “”，面f 2 4 0 是】6 位 的数据总线，因而在系统中需要使用两片c y t c l 9 9 ，构成3 2 k 1 6 位的外 扩数据存储器。 2 3 2c y 7 c 1 9 9 和f 2 4 0 接口电路 出予该系统是使用f 2 4 0 的1 6 k 字片内f l a s he e p r o m 作为程序存赭器， 在程序调试阶段，旦程序出现错误，就必须首先使用批处理文件b c o 清 涂程序，然后使用援处理文件b e o 擦除程序，秀使月掇处理文俘b p l 6 k 编 辑程序，最后装载到片内f l a s he e p r o m 中“”。这样的步骤对于程序调试阶 段显然是比较烦琰的，为了方便调试程序可以透过硬馋跳线办法将 c y 7 c 1 9 9 用做程序存储器，如图2 - 5 所示。这样在调试程序的过程中，一 旦发现问题，修改后的程序可以立即进行装载调试。实验证明，这种方 法是可行的。 圈2 5 所示是两片c y 7 c 1 9 9 作为外扩数据程序存储器的接口方法。图 中c y 7 c 1 9 9 构成3 2 k x1 6 位数据程序存储器的地址为0 0 0 0 h 7 f f f h 。 a 0 1 4 p s d s a 15 r w s t r b w r r e a d y c e w e o e c e w e o e | p 8 d i5 圈2 - 5c y t c l 9 9 j 1 f 2 4 0 接l t 电路 2 4 后向通道设计 陔智能测控系统主要是和数控机床配套使用，测控系统输出开关量信 号来控制数控机床，输出信号的功能如图2 - 6 所示。 剖2 - 6 测拄系统的输d5 信号 螫善 k日墨置叠啊国屋1 _ 一磐丝 一 一掣墅 ：_ 号一 虻 控 小一 些啤垫墼 洲_ 据 宁 拼| 数 时 源 些磐竺枞 ll蟹_ - 科j 由丁f 2 4 0 自身仅带有2 8 个可编程i 0 引脚，都是功能复用型所虬 能徽i o 功能的日l 脚l i 多，园瓶系统必须外扩i o | 脚。 可以选用三态门缓冲器和锁存器作为i 0 接口电路这种设计方式硬 件缕车龟简单，但是一丝硬件确定之后，就不能再更改数据流的方向。考虑 到系统还有开关量信号的输入( 见图2 - 4 ) ，所虬在设计系统硬件时选用可 编程通用并 亍i o ：片8 2 5 5 来输入输出开关量信息，如图2 - 8 。 选用m i t s u b i s h i 公司的5 l 8 2 5 5 a p - 5 芯片。由于8 2 5 5 芯片的读写周 期均是3 0 0 n s ，而f 2 4 0 的i n 指令是2 周期指令，o u t 指令是3 周期指令“， 这样如果f 2 4 0 直接对8 2 5 5 进行读写操作，就会发生时序不匹配的情况。 f 2 4 0 支持与慢速外设接口的软悼和硬件等待状态插入。等待状态的产生可 以通过软件和硬件两种方式。 a 软件等待状态产生 t m s s 2 0 f 2 4 0 存储器空州的w s g r ( w a i ts t a t eg e n e r a t o rc o n t r o l r e g is t e r ) 寄存器是专门用来控制等待状奋产生的特殊寄存器，地址为隈 莉割i o 空间的f f f f h 。w s g r 各个位的古义如图2 7 所示“”。 1 5432i o r e s e r w da v i si s w sd s * sp s * s 0w lw 一1w - lw 一1 圈2 7w s g r 寄存器俺澄明 w s g r 的0 、1 、2 位分别是控制读取映射到程序空间、数据空间以及i 1 0 空闯存储器的等待状态的产生。当这些控制位被置0 时，表示读取相应的 存储器空间时不产生等待状念：置i 时，表示产生一个时钟周期的等待状 态。 由于8 2 5 5 的读取周期是3 0 0 a s ，由哥址时间与等待状态数的关系式“ 2 - 1 所示，其中t a 是外设涛闽时潮；n 是等待状惑数， 【l o o ( n 一1 ) 一一4 0 n s l a 1 0 0 n + 4 0 ( 2 - 1 式) 可知需要3 个等待状态数，所阻运过编程w s g r 仅产生个对铮的等待状 态是不能解决时序不匹配的问题的。 b 等待状态发生器 t m s 3 2 0 f 2 4 0 芯片的3 6 号引脚r e a d y 是数据就绪引脚，表示一个外围设 备经总线传送的数据准备就绪。如果设备未准备好( r e a d y 引脚的电平为 低) ，则处理器等待一个时钟周期后再检测r e a d y 引脚，至到r e a d y 引脚的 电平为高。所以可以利用多个j k 触发器产生多个等待状态周期“”。 图2 8 所示是f 2 4 0 与8 2 5 5 的接口电路图，使用j k 触发器产生3 个 等待状态，插入到f 2 4 0 对8 2 5 5 的读写操作时序中。经实验，采用该方法， 能够实现慢速外设与快速处理器的读写操作。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 r e a d v m s c 、 l s 2 5 人机接口设计 图2 8f 2 4 0 8 2 5 5 的接口 智能测控系统应具有人机对话功能，即人与机器交换信息的功能。作 用是：用户可以对智能测控系统进行状态干预和数据输入；智能测控系统 可以向用户报告系统的运行状态与处理结果。实现人机对话的部件有键盘、 显示器和打印机等，这些部件与系统主体之间的连接是通过人机接1 2 电路 完成的1 。 该智能测控系统要求人机界面具有显示功能和键盘输入功能。显示部 分包括两部分，一部分是八段数码管，以数字方式实时显示当前测量数据： 另部分是由6 1 个发光二极管组成的条型显示器，按比例直观的显示当前 测量数据的大小。该系统须向用户提供2 4 个键，分为功能键和数字键两类， 实现密码的输入和修改，参数的设置和浏览，测量数据的运算和浏览等功 能。如图2 9 所示 为了实现以上要求，通过查阅资料，键盘显示驱动器采用i n t e l 公司 的8 2 7 9 5 芯片。8 2 7 9 芯片作为显示输出接口时，内设1 6 8 位显示r a m 存储字形编码，最多可连接16 个8 段数码显示器。作为输入接口时，键 盘可最多设置6 4 ( 8 8 ) 个键“。 由于课题采用的人机接口电路是8 2 7 9 一j 芯片的典型应用，所以在此省 略接口电路。其中值得| 兑明的是因为8 2 7 9j 芯片的读写周期是2 5 0 n s ，不 能把8 2 7 9 5 和f 2 4 0 直接相连，需要在接口电路中插入等待状态发生器， 根据式2 一i 可知同样需要插入3 个等待状态，同样采取卜k 触发器实现。 设计加工好的测控系统人机界面如图2 - 9 所示。 幽29 测挣系统的人帆抖由 2 6 硬件抗干扰技术 智能测控系统在不同的环境条件下工作时，不可避免地会受到干扰的影 响，尤其是该测控系统是用于数控机床的在线主动测量。这些干扰会妨碍 测控系统的币常工作和测量控制精度，当干扰严重时甚至会破坏系统的器 件和程序。因此为了保证该系统能够稳定可靠地工作在设计系统的软件 和硬件 寸都必须采取一定的抗干扰措施。 本节仅阐述系统在硬件方面采取的抗干扰措施，软件方面的抗干扰措施 放在第三章的第三节阐述。 硬件抗干扰设计的基本原则是：抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高 敏感器件的抗干扰性能( 类似于传染病的预防) ”1 。 2 6 1 抑制干扰源 抑制干扰源就是尽可能的减小干扰源的d u d t ，d i d t 。这是抗干扰设 计中晟优先考虑和最重要的原则，常常会起到事半功倍的效果。 在设计该系统时，采用的抑制干扰源的措施如下： ( 1 ) 设计系统的后向通道时，给继电器线圈增加续流二极管，消除断 丌线圈时产生的反电动势干扰。 ( 2 ) 给电路板上每个1 c 要并接一个0 0 1uf o 1uf 高频电容，连线 应靠近电源端并尽量粗短。 ( 3 ) 布线时避免9 0 度折线，减少高频噪声发射。 ( 4 ) 系统使用稳压电源，防止电网电压波动干扰仪器正常工作。 2 6 2 切断干扰传播路径 为了切断干扰的传播路径，布线时一定要设计合理的地总线布线结构， 这是测控系统可靠工作的重要保证。系统中对地的处理有以下几个方面： ( 1 ) 电路板使用四层板，其中一层是地线。 ( 2 ) 晶振与d s p 引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来。 ( 3 ) 用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地要分离，最后在一 点接于电源地。 ( 4 ) d s p 的地线要单独接地，以减小干扰对处理器的影响。 ( 5 ) 测头电路部分用模拟地环绕。 除了接地的措施外，还采取了在测头电路中的使用差分放大器，用来 抑制共模干扰；以及合理规划电路板，如高频、低频信号；强、弱信号； 数字、模拟信号，尽可能把干扰源( 如电机，继电器) 与敏感元件( 如d s p ) 远离，强电的馈线必须单独走，绝对不能和信号线混在一起，努力使强信 号线与弱信号线正交，保持强信号线与弱信号线的距搿。 2 6 3 提高敏感器件的抗干扰性能 提高敏感器件的抗干扰憾能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰 噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。 为了提高敏感器件的抗干扰性能，设计系统 寸考虑了如下方面： ( 1 ) 布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。电源线和地线尽 鲞粗。除藏小压海外，更重要的是降低藕合嗓声。 ( 2 ) 在速度能满足要求的前提下，尽量降低d s p 的晶振和选用低速数字 电路。i c 器件尽量蠢接焊在电路扳上，少餍l e 窿。 ( 3 ) 对于d s p 闲罱的i 0 口，输入引脚不要悬空要根据情况接地或接 电源。其它i c 的阑嚣端在不致交系统逻辑的情提下接遗或接电源。 ( 4 ) 对d s p 使用专用的微处理器电源监控复位监控：c ! ：= 片，如：i m p 8 0 9 ， i m p 7 0 6 ，i m p 8 1 3 ，x 2 5 0 4 3 ，x 5 0 4 5 等，可大幅度提高整个电路醵挠于挠性 能。 本系统选用的美国x i c o r 公司生产的x 5 0 4 5 芯片楚集看门狗、电压驻 控和串行e e p r o m 三项功能于一体的集成电路产品。x 5 0 4 5 和f 2 4 0 使用s p i 方式通信，接口电路和通信程序见本文的第蹬章第二节。芯片的看f 狗定 时器和v 。电压监视器都对微处理器提供独立的保护，当系统发生故障时， 只要看f 狗定时器达到其可编程的超时极限( 1 。4 秒) ，r e s e t 引脚立即皇 动产生一个静续2 0 0 m s 的高f 靓平复位信号。当电源电压v 降到4 5 v 以下 时，r e s e t 引脚立即自动产生烹电平复位信号，并一直保护到电源电压恢复 正常。在系统电源上电或掉电时，r e s e t ；j 脚也立即自动产生一个高电平复 位信号。这样，就能有效地防止系统毵机、数据误写及误操作等故障现象 的发生“”。 3 智能测控系统的软件设计 3 1 软件开发工具 3 1 1 编程语言 基于o s p 的应用系统开发可以使用汇编语言、高级语言( 如：c 语言) 或者汇编和高级语言混合编程。对于编程空间小、偏重效率的场合，开发 语言需要使用汇编语言，这就要求开发人员一定要熟悉d s p 芯片的内部结 构和指令系统，使用汇编语言开发的缺点是：程序的可读性和可移植性较 差，不便多人合作设计编程，并且一旦产品丌发完毕，回过头来再对软件 进行修改、升级是非常困难的。基于这些原因，各个d s p 芯片公司都相继 推出了相应的高级语言( 如c 语言) 编译器。使得d s p 芯片的软件可以直 接用高级语言编写而成，从而使d s p 芯片的丌发速度大大提高，也使程序 的修改和移植变得十分方便。但是由于现有的高级语言编译器的效率还比 不上手工编写汇编语言。的效率，因而在实际应用系统中常常采用高级语言 和汇编语言的混合编程方法。 3 1 2d s p 编程基础 在进行d s p 系统的软件设计之前，必须要了解有关d s p 软件开发的基 础知识，包括：c o f f 公共目标文件格式、d s p 代码生成工具以及d s p 代码调试器等。 a c o f f _ 公共目标文件格式 t i 公司的汇编和链接器创建的目标文件格式为c o f f ( c o l r e f l o r lo b j e c t f i l ef o r m a t ) 。这种格式使得模块化编程变得十分容易。它鼓励程序员在 用汇编语言或高级语言编程时采用基于代码段和数据段的概念，丽非一条 命令或一个数据，不必为程序代码和变量指定目标地址。这使得程序的可 读性和可移植性得到增强，并为管理代码段和目标系统存储器提供了更强 lr 有利和更加灵活的方法，而且这也为高级语言和汇编语言的编写提供了极 大的便到。 在c o f f 目标文件格式中，最关键的概念是段。一般c o f f 中包含三个 缺省的段： t e x t 通常包含可执行代码 d a t a - - 通常包含已初始化的数据 b s s 通常为未初始化的数据保留空间 此外，汇编器和链接器允许软件开发人员建立和链接自定义的段，自 定义段可以由u s e c t 、s e c t 、a s e c t 来定义。新有的块可以分两大类，即 已初始化段和未初始化段。i 已初始化段包括t e