（通信与信息系统专业论文）大功率微波化反装置监控系统设计与实现.pdf

人连理t 大学硕士学位论文 摘要 微波化学是近年来十分活跃的前沿交叉学科，与其配套的微波化学设备，特别是工 业化生产设备的开发十分落后，为此我们根据微波化学反应智能型高级设备的要求和实 际工业化生产的需要，开发了既适用于大规模化工生产，也适用于实验室科研的常压大 功率大容量微波化学镀膜反应装置。 该反应装置由菱形微波谐振腔和监控系统两个部分组成。菱形谐振腔的设计保证了 微波的均匀辐射。监控系统分为化反器监控子系统和p c 机管理软件两个部分。监控子 系统负责采集微波磁控管输入功率、腔壁温度、压力，并能控制光纤温度计探头测试反 应釜内化学液体的实际温度，并将所采集的数据通过u s b 传送给p c 机管理软件；p c 机管理软件对采集的数据处理后，运用p i d 算法控制微波的输出功率，并能自动记录相 关信息；监控子系统根据p c 机管理软件的指令通过改变水袋厚度，继而改变了微波功 率透过水流到达反应釜的大小，实现了连续调节微波输出功率的目的并降低了设备成 本。 由于需要测控的目标多，考虑到电路的模块化，本设计将各测控点分布在两块电路 板上，利用三个单片机组成了混合型网络多机系统。针对强电磁干扰的工作环境，在 u s b 、s p i 通信协议的基础上设计了各自的帧格式和s p i 通信控制算法提高了通信的可 靠性。利用p r o t e u si s i s 软件的仿真功能，贯穿于硬件电路开发、调试过程中，提高了 工作效率、保证了电路设计的正确性。基于l a b v i e w 强大的控件支持在短时间内完成 了p c 机管理软件的开发。 最后将系统的各模块相结合，进行了调试和性能测试。经试验验证系统运行稳定、 微波均匀度好、软件界面友好、操作简单，达到了微波化学反应智能型高级设备的要求， 满足了化学工业生产的需要，具有良好的实用价值。 关键词：微波化学反应器；u s b 2 o ；多机通信；p r o t e u s 仿真；l a b v i e w 人连理工大学硕十学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh i g hp o w e rm i c r o w a v ec h e m i s t r y r e a c t i o nm o n i t o r i n gs y s t e m a b s t r a c t a saf r o n t i e ri n t e r d i s c i p l i n a r ys u b j e c t ，m i c r o w a v ec h e m i s t r yi sv e r ya c t i v ei nr e c e n ty e a r s ， w h i l et h ed e v e l o p m e n to ft h ec o r o l l a r ym i c r o w a v ec h e m i c a le q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l yt h e i n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o ne q u i p m e n t s ，a r eq u i t eb a c k w a r d t om e e tt h er e q u i r e m e n t so f a d v a n c e di n t e l l i g e n tf a c i l i t i e sf o rm i c r o w a v ec h e m i c a lr e a c t i o na n dt h en e e d so fp r a c t i c a l i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，w ed e s i g nam i c r o w a v ec h e m i c a lc o a t i n gr e a c t i o ne q u i p m e n tw i t hh i g h p o w e ra n dl a r g ec a p a c i t yu n d e ra t m o s p h e r i cp r e s s u r ew h i c hi sa p p l i e dt ob o t hl a r g e s c a l e c h e m i c a lp r o d u c t i o na n dl a b o r a t o r yr e s e a r c h t h er e a c t i o ne q u i p m e n ti sc o m p o s e do far h o m b u sm i c r o w a v er e s o n a t o ra n da m o n i t o r i n g s y s t e m t h er h o m b u sm i c r o w a v er e s o n a t o r i sd e s i g n e dt oe n s u r et h eh o m o g e n e o u sr a d i a t i o no f m i c r o w a v ef i e l d ；t h em o n i t o r i n gs y s t e mc o l l e c t st h ei n p u tp o w e r ，t h et e m p e r a t u r eo f c a v i t yw a l l a n dt h ep r e s s u r eo fm i c r o w a v em a g n e t r o n ，c o n t r o l st h ep r o b eo faf i b e rt h e r m o m e t e rt ot e s tt h e a c t u a lt e m p e r a t u r ei nt h er e a c t i o nv e s s e l ，a n dt r a n s f e r sa l lt h ed a t ac o l l e c t e dt op cs o f t w a r eb y u s b , p cs o f t w a r ep r o c e s s e st h ec o l l e c t e dd a t a ，c o n t r o l st h eo u t p u tp o w e ro fm i c r o w a v eb y u s i n gp i da l g o r i t h ma n dr e c o r d sc o r r e l a t i v ei n f o r m a t i o na u t o m a t i c a l l y ；t h em o n i t o r i n gs y s t e m a c c e p t st h ec o m m a n df r o mp cs o f t w a r e ，a l t e r st h em i c r o w a v ep o w e ro ft h er e a c t i o nv e s s e lb y c h a n g i n gt h et h i c k n e s so ft h ew a t e rb a g ，w h i c hi m p l e m e n t st h ec o n t i n u o u sa d j u s t m e n to f m i c r o w a v eo u t p u tp o w e ra n dr e d u c e st h ec o s t c o n s i d e r i n gt h em u l t i p l et a r g e t so f m e a s u r e m e n ta n dt h em o d u l a r i z a t i o no ft h ec i r c u i t ，w e d i s t r i b u t ea l lm e a s u r i n gc o n t r o lp o i n t si nt w oc i r c u i tb o a r d s ，a n dc o n s t i t u t eam i x e dn e t w o r k m u l t i - c o m p u t e rs y s t e mb yu s i n gt h r e es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r s ( s c m ) i nv i e wo f t h es t r o n g e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，w ed e s i g nt h e i rr e s p e c t i v ef r a m ef o r m a t s a n dc o m m u n i c a t i o n - c o n t r o l l i n ga l g o r i t h mb a s e do nu s b 、s p ic o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ， w h i c hi m p r o v e st h ec o m m u n i c a t i o nr e l i a b i l i t y t h es i m u l a t i o nf u n c t i o no fp r o t e u si s i s s o f t w a r ei su s e di nt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n ga n dd e b u g g i n gh a r d w a r ec i r c u i t s w o r k i n g e f f i c i e n c ya n da c c u r a c yo ft h ec i r c u i td e s i g na r ei m p r o v e da sar e s u l t t h ed e v e l o p m e n to fp c s o f t w a r ei sf i n i s h e di ns h o r tt i m ew i t ht h ep o w e r f u lc o n t r o ls u p p o r to fl a b v l e w f i n a l l ye a c hm o d u l e so ft h es y s t e ma r ec o m b i n e d ，a n dt h ed e b u g g i n ga n dp e r f o r m a n c e t e s t sa r em a d e b ye x p e r i m e n ti ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mh a st h ef e a t u r e so fr u n n i n gs t a b i l i t y , g o o dm i c r o w a v eu n i f o r m ，f r i e n d l yi n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n ，w h i c hm e e tt h e i i i 大功率微波化反装置监控系统没计与实现 r e q u i r e m e n t so fa d v a n c e di n t e l l i g e n tf a c i l i t i e sf o rm i c r o w a v ec h e m i c a lr e a c t i o na n dt h en e e d s o f p r a c t i c a li n d u s t r i a lp r o d u c t i o n i th a sag o o dp r o s p e c to f p o p u l a r i z a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o w a v ec h e m i c a lr e a c t o r ；u s b 2 0 ；m u t i - c o m p u t e rc o m m u n i c a t i o n ； p r o t e u ss i m u l a t i o n ；l a b v i e w i v 人连理ji ：人学硕+ 学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目_ 一幺碰垄熟迭巡堕丝叁鳖丛丝至垫 作者签名： 丝筮 日期：丝签年丘月盟日 导师签名：白哗一日期：斗年月乒日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：是始丛避丝型丝壑堕丝盏丝丝l 查耋塑 作者签名 ：刍篷垂奎一日期：2 竺l 年互月卫日 人连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 微波化学是研究在化学领域中应用微波的一门新兴前沿交叉学科。自1 9 8 6 年加拿 大g e d y e 教授利用家用微波炉作为试验仪器，把微波电磁场当成加速化学反应的手段， 发表了第一篇微波催化化学合成的论文，大批科学家利用微波在化学和化工的重点领域 做了许多开创性的试验，并获得了令人振奋的成果。1 9 9 2 年9 月在荷兰召开的第一次世 界微波化学会议，正式采用“微波化学 这个术语。利用微波加速化学物质反应是一种 催化过程，完全不同于通常使用特定的化学物质作为催化剂的过程，其反应速度较传统 方法快十倍乃至千倍。由于微波化学清洁、高效、低能耗、产率高、操作方便、反应速 度快、产品易纯化等特点成为继热、光、电、声、磁效应后的新兴化学催化技术，已经 广泛应用于有机合成、无机合成、分析化学和高分子化学等领域【l 捌。 微波化学的发展现在还处于初级阶段，关于微波加速化学反应的原因主要有两种不 同的观点： 一种观点认为：微波是一种超高频电磁波，微波加热是一种“冷热源 ，在产生和 接触到物体时，不是一股热气，而是电磁能。它具有一系列传统加热方法所不具备的独 特优点，如加热速度快、加热均匀无温度梯度、无滞后效应，可对物质进行选择性加热 掣3 1 。但是微波用于化学反应的频率2 4 5 0 m h z 属于非电离辐射，根据化学键理论，要 打断分子的化学键至少需要8 0 - 1 2 0 k c a l m o l 的能量，而微波光子的能量只有0 0 3 7 k c a l m o l ，还不及分之间的作用力( v a nd e rw a a l sf o r c e ) 大【4 1 。凭借这点能量显然不能 打断任何化学键，也不能使分子激发到更高的转动或振动能级，所以微波对化学反应的 加速主要归结为对极性物质的选择性加热，即微波的“致热效应 。 另一种观点认为：微波对化学反应的作用是非常复杂的，一方面反应物分子吸收了 微波能量，提高了分子运动速度，致使分子运动杂乱无章，导致熵的增加；另一方面微 波对极性分子的作用，迫使其按照电磁场作用方式运动，导致了熵的减少，因此微波对 化学反应的作用机理是不能仅用微波“致热效应”来描述的，并且近来的研究提供了越 来越多的用简单热效应无法解释的例证。也就是说，微波对化学反应的作用还存在一种 不是由温度引起的“非热效应”【5 j 。 正是由于微波化学还属于化学领域中尚待开垦的“处女地 ，有诸多原始创新的机 会，因此吸引了大批科研人员在此奋斗。但是由于进口微波化学设备价格昂贵，国产设 备某些性能还达不到化学试验或工业化生产要求，甚至直到今天，许多科研单位仍然利 大功率微波化反装置监控系统设计与实现 用家用或商用微波炉进行一些简易改装后充当试验仪器，因此大功率微波化学反应装置 的研究与推广具有深刻的意义【6 。 1 2 国内外研究概况 在微波化学反应器研究方面，国外研究制造起步较早，现已形成了比较完善的试验 仪器产品体系。如全球最大的微波化学仪器生产商美国c e m 公司在8 0 年代初期进入中 国市场，现可提供用于天然产物提取、药物合成、多肽合成、微波萃取、微波消解、高 温灰化等系列设备，并为广大用户提供分析化学全面解决方案。另外还有意大利 m i l e s t o n e 、澳大利亚c s i r o 等公司。 我国的微波化学反应设备产业虽然起步较晚，但是发展迅速。如：四川大学开发的 “蓝田”系列微波化学反应器，该项目自1 9 9 3 就得到国家杰出青年科学基会和国家“十 五 攻关计划的共同资助。上海新仪微波化学科技有限公司( 前身是煤科院上海新科微 波溶样测试技术研究所) 开发的m a s t e r 系列、m d s 系列和m a s 系列微波化学工作 站，该公司现已成为国内销量最大的微波消解仪供应商，目前拥有5 0 0 0 多家用户单位。 另外还有很多原微波炉制造厂商进入到微波化学反应设备的制造领域来，如：隶属于军 工七七二厂( 中国微波工业的发源地，中国第一台工业微波设备的诞生地) 的南京三乐 微波技术发展有限公司开发的s a n l e 微波化学试验炉，性价比也很高。 根据c e m 公司提出的在控制水平上对现有的微波产品进行分类，大致可分为三类 产品【7 】： ( 1 ) 初级型产品：无可靠的温度压力传感技术、无实时温度压力的监n 显示、 无自动微波功率控制，程序只能设定固定功率和时间模式运行，没有控制反馈过程，属 于原始的开环线性运行模式。 ( 2 ) 升级型中级产品：有简单的温度和压力的监测和显示功能，微波的辐射依然 是按照设定的固定功率时间进行，通过“开关 磁控管进行反应控制( “通断 控制不 能产生连续微波) ，但是可以通过程序人工设定功率时间模式和压力、温度限定等。 ( 3 ) 智能型高级产品：有可靠的温度压力传感技术，采用专业型变频磁控管( 产 生连续微波) ，并能通过温压反馈控制功率，可由程序设定自动调整的温压或r a m p 多 步模式。另外在此基础上更高一级的具备微波发射频率控制性能的产品，一般价格在二 十万美金以上，且其销售和采购审批受到美国法律的严格制约。 目前，国内大型微波化学设备生产厂家都能提供符合智能型高级产品要求的试验用 设备，该类设备设计目标实验室科研，通常容量较小，现报道的容量为2 0 l - - 4 0 0 l ，不 大连理t 大学硕十学位论文 适用于大规模工业化生产。当化学家们把实验室中取得的成果应用于化学工业生产中却 发现实际情况远比预料的复杂，首先是大容量的化学反应器很难获得均匀的微波加热； 其次在微波辐射的同时在线测温、具有温度控制功能的大容量微波化学反应器几乎没 有；最后用于化工生产的大功率微波化学反应器往往需要根据化学工艺设计特殊的微波 谐振腔，因而成本很高瞵j 。 综上可以看出，目前我国微波化学设备的研究尽管在实验室设备上有些突破，但是 工业化生产设备的研究还相对落后。随着越来越多的微波化学实验室研究成果应用于工 业化生产，非常迫切需要大功率、大容量、低造价的属于智能型高级产品类别的微波化 学反应装置，因此微波化学工业生产设备的研究必将进入一个全面发展的新阶段。 1 3 本文的设计任务与完成工作 我们应中科院大连化学物理研究所邀请，按照智能型微波化学反应器的要求，研制 了适用于生产和科研，容量为3 3 7 5 l 的常压大功率大容量微波化学镀膜反应装置。该装 置在研制的同时充分吸收了化物所专家的建议和要求，因此不仅适用于化学镀膜也适用 于其他常压微波化学反应，不仅适用于大规模工业生产，也适用于实验室科研。大功率 微波化反装置由微波谐振腔和监控系统两个部分组成，其中监控系统由化反器监控子系 统和p c 机管理软件两个部分构成，本文主要负责化反器监控子系统和p c 机管理软件 这两个部分的设计。以下是本文的任务和要求： ( 1 ) 设计大功率微波化反装置监控子系统。能够对反应釜压力、谐振腔温度、微 波磁控管输入功率进行在线监测；控制f o t l 光纤温度表和垂直步进电机对同一反应 釜内不同高度化学溶液的温度进行在线测试；化反器监控子系统能将这些监测数据实时 传送给p c 机，并能执行p c 机下发的各项指令。 ( 2 ) 设计大功率微波化反装置p c 机管理软件。该软件能够以图形和数字的形式 实时显示化反器监控子系统传递的各监测数据：能够手动或自动分析各监测数据，并根 据预设的工艺参数控制水平步进电机对微波输出功率进行连续调节；能够自动或手动记 录各监控数据；能够自动或手动设置测试反应釜内任意1 0 个测试点的温度。 本文针对设计任务和要求，进行了以下工作： ( 1 ) 利用p r o t e u s 设计仿真并实现了化反器监控子系统外围采集和控制电路，具 体实现方法将在第三章介绍。 ( 2 ) 完成了化反器监控子系统的通信模块设计，由于化反器监控子系统工作在强 电磁场环境中，因此通信模块设计是化反器监控子系统设计的难点，本文将在第四章着 重论述。 大功率微波化反装置监控系统设计与实现 ( 3 ) 通过p r o t e u s 仿真和实际电路调试完成了化反器监控子系统中三个单片机软 件程序的设计，具体流程图在第五章中介绍。 ( 4 ) 在l a b v i e w 开发环境下，编写了p c 机应用程序软件，实现了u s b 2 0 与 l a b v i e w 的通信，各类数据的处理，温度p i d 控制，以及a c c e s s 数据库的操作，具 体实现方法在第六章讲述。 ( 5 ) 在完成以上设计后，本文第七章将简单介绍大功率微波化反装置的调试情况 和结果。 大连理工大学硕士学位论文 2 大功率微波化反装置总体介绍 2 1微波输出功率连续调节装置工作原理 微波是波长在l e m l m ( 频率3 0 g h z 一3 0 0 m h z ) 区域内的电磁波。通常工业上用的 微波波长一般固定在1 22 e m ( 24 5 g h z ) 或3 28 e m ( 9 1 5 m h z ) 。微波作为电磁能量的 一种，遇到极性分子时会引起分子的剧烈振荡而产生分子热。概括起柬讲，物质分子偶 极振动同微波振动具有相似的频率，在快速振动的微波磁场中，分子的偶极振动尽力同 磁场振动相匹配，因此要随着不断变化的高频电场的方向重新排列就必须克服分子原有 的热运动和分子间相互作用的干扰和阻碍，产生类似于摩擦的作用，从而产牛大量的热， 因此微波对物质的加热是从物质分子出发的，又称为“内加热” 9 1 。 水是一种极性极强的分子，本身具有偶电距，由于它的极化弛豫时间正好与微波周 期相近因此对微波具有良好的吸收效应【悱”】，本课题正是利用该特性设计了微波输出 功率连续可调的控制装置，控制装置示意图见图2 1 。 图21 微波输出功率连续可调控制装置示意图 f i g 21 c o n t i n u o u s l y t u n a b l e m i c r o w a v e o u t p u t p o w e r c o n t r o l l i n g d e v i c es k e t c h m a p 在微波谐振腔中，增加一个固定的挡板和一个可以由水平步进电机推动的动板，两 个板中间放置一个水袋，水袋为上进水下出水模式，可以通过水泵给水袋注入循环水， 其叶1 的定板和动板由聚四氟乙烯制作，该材料硬度大、不吸收微波。当需要微波输出大 功率时，水泵关闭，动板运动到与定板接触的位置，水袋的水会被挤出，这时微波功率 会全部作用到反应釜；当需要减小微波输出功率时，动板会向远离定板的方向运动，这 时水泵开始向水袋内注入循环水水流会将一部分微波功率吸收并转化为自身的热量， 这时到达反应釜的微波功率就会减少；通过改变定板和动板间的距离可以控制水袋的厚 度，继而控制了微波功率透过水流到达反应釜的大小。由于水平步进电机的步进角度为 人功率微波化反装置监控系统设计与实现 18 。并通过步进电机驱动器的细分可以达到1 6 4 ，可视为水平电机步进距随无限小，因 此实现了连续i | 爿节微波输出功牢的目标。 2 2 大功率微波化反装置构成 大功率微波化反装置由微波谐振腔和监控系统两个部分组成，其中监控系统由化反 器监控子系统和p c 机管理软件两个子系统构成，大功率微波化反装置结构示意图如图 2 2 。微波谐振腔由菱形腔体和微波磁控管及其驱动电路组成，菱形谐振腔保证了微波场 的均匀辐射。化反器监控子系统负责采集1 0 路微波磁控管输入功率；1 0 路菱形腔壁温 度：一路压力信号：通过控制垂直电机使得光纤温度计探头能够在反应釜内上下运动 从而采集到反应釜内各高度卜化学溶液的实际的温度；控制水平电机推动动板，达到控 制微波输出功率的目的；将采集的信息通过u s b 传送给p c 机管理软件，并执行p c 机 下发的备类指令。p c 机管理软件首先对接收到的数据运用插值或滤波算法进行处理： 将处理后的数据以陶形和数字的形式显示出来：通过分析光纤温度表采集的温度值运用 p i d 算法对微波输出功率自动进行控制，在试验状态时可以手动调节微波输出功率：能 够自动或手动设置测试反应釜i 上| 某点的温度；能够自动或于动已录各监控信息。 惩 图2z 大功率微波化反装置结构示意图 f i g2 2 $ k e i h m 叩o f h i g h p d w 盯m i c r o w a v ec h e m i c a lr e a c i o r $ t r t l c l l , u - e 23 化反器监控子系统构成 化反器监控子系统主要由三个单片机以及外围采集、控制电路构成。由于需要测控 的目标多，并考虑到电路的模块化，现们将各测控点分碲在两块电路板e ，采用三个单 片机，分别负责一部分的工作，以减轻各单片机的负荷。化反嚣监控子系统结构示意图 大连理t 大学硕士学位论文 如图2 3 。鉴于工作现场电磁环境比较恶劣，单片机b 和c 我们选用了抗干扰能力比较 强的p i c l 6 f 8 7 7 a ，单片机a 采用了世界上第一款集成u s b 2 0 的微处理器e z u s bf x 2 。 本文为叙述方便将化反器监控子系统分为硬件外围采集、控制电路模块、通信模块以及 单片机软件三个部分介绍。 图2 3 化反器监控子系统结构示意图 f i g 2 3 s 打u c t u r ed i a g r a mo f c h e m i c a lr e a c t o rm o n i t o r i n gs u b s y s t e m 2 4p c 机管理软件构成 p c 机管理软件使用l a b v l e w 进行开发，由u s b 接口模块、数据处理模块、数据 显示模块、数据设置模块、p i d 控制模块、数据存储和查询模块组成，l a b v i e w 数据流 示意图如图2 4 。 图2 4l a b v i e w 数据流示意图 f i g 2 4 l a b v l e wd a t as t r e a md i a g r a m 一7 一 人功率微波化反装置监控系统设计与实现 3化反器监控子系外围采集、控制电路模块设计 外围采集、控制电路模块负责将温度、压力、微波磁控管输入功率信号转换成为电 压信号送到p i c l 6 f 8 7 7 a 的a d 转换引脚；将单片机引脚产生的脉冲信号转换为控制两 个步进电机运动的信号，并将电机限位开关的状态传送给单片机；单片机通过电磁继电 器控制水泵的开关。整个模块在电路板制作前采用p r o t e u s 软件进行了仿真，确保了电 路设计的正确性。 3 1p r o t e u s 仿真软件简介 p r o t e u s 软件是来自英国l a b c e n t e re l e c t r o n i c s 公司的e d a 工具软件，主要由p r o t e u s i s i s 混合模型s p i c e 仿真和p r o t e u sa r e sp c b 设计两个主要应用程序组成，集成了高 级原理图设计、混合模式s p i c e 仿真，p c b 设计以及自动布线等工具【1 4 1 。 本设计中主要使用了p r o t e u si s i s 软件的混合仿真功能，该软件革命性的特点是， 电路仿真是互动的，可以实现单片机仿真和s p i c e 电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、 数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、r s 2 3 2 动态仿真、1 2 c 调试器、 s p i 调试器、键盘和l c d 系统仿真等功能。它支持的单片机仿真型号很多，目前支持的 单片机类型有：6 8 0 0 0 系列、8 0 5 1 系列、a v r 系列、p i c l 2 系列、p i c l 6 系列、p i c l 8 系列、z 8 0 系列、h c l1 系列以及各种外围芯片。提供软件调试功能，实现了原来只能 在硬件系统中才能实现的全速、单步、设置断点，观察各个变量、寄存器的当前状态等 调试功能，同时支持第三方的软件编译和调试环境。另外还提供了各种虚拟仪器，如示 波器、逻辑分析仪、信号发生器等，配合这些虚拟仪器可以方便地观察电路的输入输出， 提高工作效率【1 5 。7 】。这些特点使得化反器监控子系中各硬件和软件模块的前期开发工作 基本在i s i s 环境中完成，具体应用将在相关章节中详细说明。 本设计在利用p r o t e u si s i s 实现硬件仿真时，发现在一些情况下会导致仿真失败， 如果要使仿真顺利进行，在制作仿真电路图时主要注意二个问题：一是在选择模拟器件 的时候一定要注意其是否支持仿真，i s i s 元件库提供了一些常用器件的仿真模型，使用 时直接将该元件布放到原理图上即可，但是也有一些元件仅仅提供了电路符号，并不支 持仿真功能，在库中选择器件的时候要注意看器件说明【l 引。另外仿真元件的选取尽量与 实际应用的元件为同一型号或替代型号，不要仅根据电路符号选取，以免仿真结果与实 际电路输出南辕北辙。二是注意数模混合电路仿真时计算机系统资源问题。i s i s 对于布 放在原理图上的任何电路都要进行仿真，这就对p c 机的处理速度提出了很高的要求。 大连理工人学硕士学位论文 例如在仿真p i c 单片机测试5 5 5 振荡电路频率时，当5 5 5 振荡频率超过1 0 0 k h z 时仿真 出现告警提示仿真失败，如果采用两张原理图分别单独仿真p i c 单片机频率测试部分和 5 5 5 振荡电路部分时则运行正常。 尽管i s i s 软件仿真能力很强，但使用时发现仿真结果与实际电路输出还有一定的差 距，因此不能完全相信仿真结果。 3 2 谐振腔温度采集电路设计与仿真 大功率微波化反装置设计上反应釜内化学溶液的温度是由室温到1 2 0 c ，腔壁温度 仅供给操作者作为参考，不参与调节微波功率的p i d 运算，属于测量精度要求不高、测 试温度较低的场合，因此腔壁温度采用c u 5 0 铜热电阻来测量。 铜热电阻测温是工业上常用的测温方法，热电阻把温度量转换成电阻值，然后用平 衡电桥法测得两臂的电压差值，通过电压差值经换算得到实际的温度值。热电阻测温通 常采用三线制接法，来消除连接导线电阻引起的测量误差。测量热电阻的电路一般是不 平衡电桥，热电阻作为电桥的一个桥臂电阻，其连接导线( 从热电阻到测试点) 也成为 桥臂电阻的一部分，这一部分电阻是未知的且随环境温度变化，造成测量误差。采用三 线制，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到热电阻所在的桥臂以及与其相 邻的桥臂上，这样消除了导线线路电阻带来的测量误差 1 9 - 2 0 】，图3 1 是三线制铜电阻测 温原理图。 图3 1 三线制铜电阻测温原理图 f i g 3 1 s c h e m a t i cc i r c u i to f3w i r ec o p p e rr e s i s t a n c et h e r m o m e t e r 一般工业热电阻工作电流被限制在6 m a 以内，这样自热温差就不会超过o 1o c 。 对于本设计选择r l 和r 2 电阻为1 l o 、r 3 电阻为5 0 q ，当温度从o o c 变到1 2 0 0 c 时铜电 阻阻值t u b ( t ) 变化了2 5 6 8 6 f 2 ，这时两臂电压差11 3 7 0 8 m v ，因此在后面的电路还要对差 分信号进行放大。 人功率微波化反装铃监控系统设计与实现 由于i b 桥输h f 乜压为差分信号，这里选j j 了常用的差分放大 a d 6 2 3 埘电压信号 进行放大，考虑到耍采集1 0 路温度信号，所以在差分电压信号进入放大器之前，还要 通过一个1 6 选1 的模拟开关芯片c d 4 0 6 7 。a d 6 2 3 可以二作在单电源或般电源供电模 式下，但是单电源供电对差分信号的其模电压和差分电压都有要求，当条件不满足肘芯 片下作不正常，在i s i s 仿真时发现软件对a d 6 2 3 仿真结果不够准确，因此使用前应根 掘设汁参数到a d i 公司提供的在线仿真页面上去试验一下。( 网址是 h t t p ：d e s i g n t o o l sa n a l o g e o m d t i n a m p i r t a m p h t m l ? i n a m p = a d 6 2 3 2 0 5 v ) 例如，当采用单 电源供电时，尽管本设计使用的放大倍数并不大，但电路第一级放大不能正常工作这 时输出肯定是错误的；当采用双电源供电时，输出j 下确。乖设计在a d 公司提供的模拟 页而的仿真结果见图31 和图3 2 ，1 葺】3i 为堆电源供电时的情况，可以看到第一级放大 已经产生了负电压，并且系统用红色字体提示n j 现错误，而采用双电压则能f 常工作。 腔壁温度采集电路i s i s 仿真原坪图如图3 , 4 所示。 霎。- 一蕈。“孽雾“ 幽32a d 6 2 3 在线仿真单电源 f i g3 2 o n - l i n es i m u l a t i o n - s i n g l e p o w e rs u p p l y 图33a d 6 2 3 住线仿真一烈l u 源 f i g 33 0 n - l i n es i m u l a t i o n - d o u b l e p o w e rs u p p l y 目34 腔璧温度采集电路i s i s 仿真原理幽 f i g3 4 i s i ss i m u l a t i o ns c h e m a t i cc i r e u i to f t h e r m o m e t e rs a m p l i n g 太连理1 ：大学硕l ? 学忙论文 33 微波磁控管输入功率采集电路设计与仿真 在磁控管工作时磁拄管内由阴极到达阳极的电了会形成阳极电流，本设计使用的 松下磁摔管在工作时电流为2 5 0 m a 3 5 0 m a 。我们在此利用一个1 0 i 1 1 0 w 的电阻将电 流转换为电压，考虑到电流可能超范围，因此得到的电压可能在2 v 4 v 这个区间。检 测此电压可以换算出磁控管的输入功率1 2 1 - 2 2 】。要注意的是磁控管工作时的通态电阻很 小，阳极电压稍微变化，将会引起磁控管阳极电流的很大变化，输出功率亦会发生很大 变化，而阳极电压足由电网提供的2 2 0 v 变流电经过升压和整流电路得到的，交流电压 可能存在着1 0 的波动，因此测得的电压先经过一个积分电路来初步消除电压波动十 扰和导线在强电磁工作环境中引入的干扰，并且在l a b v i e w 中还要对采集的数据进一 步处理。同时为了保护器件的安全，经过积分f 乜路后，进入单片机a d 变换之前使用了 线性光耦对外电路进行隔离。由于提供给p i c 单片机a d 电路的参考电压为3 v ，因此 通过光耦后要将4 v 的电压转换到3 v 以内 使用电压脉冲源产生一个0 4 v 的电脉冲 的电脉冲。 堆终的电路i s i s 仿真原理图如图3 5 ，图中 经电路转换后，单片机引脚输入为o 3 v 幽35 磁控管输入功率采集电路i s i s 仿真原理幽 f i g3 5 i s i ss i m u l a t i n ns c h e m a t i cc i r c u i t o f m a g n c t m n i n p u t p o w e rs a m p l i n g 34 反应釜压力检测电路设计与仿真 p r o t e u s i s i s 软件没有提供压力传感器模型，本设计中实际采用的压电式压力传感器 输出电流为4 2 0 m a ，这样在仿真时利用i s i s 的i p u l s e 元件提供脉冲电流输入，通 功率微波化反裟置瞌控系统殴计与实现 过电流转电瓜电路将形成o 3 v 的电压，送到p i c 竹片机进行a d d 转换，见图3 6 。其 中红线为转换后的f u 瓜，绿线为输入l b 流监线是第级放大嚣输小的电压。 幽36i f , 力检测l u 路i s i s 仿真原理h f i g3 6 i s i ss i m u l a t i o ns c h e m a t i cc i 化u i to f p r e s s u r ee x a m i n a t i o n 35 电机驱动、限位开关电路设计与仿真 本殴汁使用s h 2 0 4 6 d 型步进电机驱动器驱动步进电机，该驱动器内部提供了光耦 信号隔离电路单片机只用三个引脚分别提供联机、方向和脉冲信号就能驱动步进电机 动作。本设汁还要对电机带动的机械装置进行限位，限位开关信号在引入到单片机前经 过光耦进行隔离，这早采用了常见的t i l l l 7 非线性光耦。在i s i s 模拟时，我们利用l 2 9 7 和l 2 9 8 措建了一个简单的电机驱动电路模拟s h 2 0 4 6 d 型步进电机驱动嚣的动作。 嗤37 电机驱动、限位电路i s i s 仿真原理图 f i g3 7 i s i ss i m u i n f i o ns c h e m a t i cc i r c u i t o f m o t o r d r i v ea n d i n h i b i t 曩一 i强震凰 大连理】大学硕士学位论文 36 水泵开关控制电路设计与仿真 水泵丌关是利用单片机控制电磁继电器，继而控制外电路2 2 0 v 交流电源的通断， 当需要向水袋加水时接通水泵电源水泵开始工作。在i s i s 仿真时，利用继电器控制直 流4 8 v 电源观察灯的亮，灭，实际电路选用松乐s r d 一0 5 v d c s l - c 型继电器。 图38 继电器控制电路i s i s 仿真原理图 f i g 3 8i s i ss i m u l a t i o ns c h e m a t i cc i r c u i to f r e l a yc o n t r o l 3 7o a r 通信电路设计 p i c 单片机通过u a r t 接口与f o t - l 光纤温度表通信，电路中利用m a x 2 3 2 芯片 与p i c 单片机u a r t 接口组成d c e 设备，陵电路比较简单，电路图如图3 9 。 图39u a r t 接口电路原理图 f i g3 9 s c h e m a t i cc i r c u i to f u a r t 人功率微波化反装置监控系统设计与实现 4 化反器监控子系统通信模块设计 大功率微波化反装置的监控子系统由三个单片机构成，并且分布在两块电路板上， 如何使这三个单片机在复杂的电磁环境中高速、准确通信是化反器监控子系统设计的重 点和难点。 4 1 三单片机通信拓扑结构的确立 多单片机通信通常采用主从式结构，本设计也从一个主机两个从机的通信方式入 手，但发现若采用主从式结构则要使用e z u s bf x 2 作为主机，当e z u s bf x 2 既控制 其他两个从机又处理与p c 机的u s b 通信时不但程序复杂，u s b 传输速率受影响，而 且系统实时性得不到保证。为此我们借鉴操作系统任务间的同步与通信的思路结合 e z u s bf x 2 硬件特点提出e z u s bf x 2 与p i c 单片机采用并行结构，利用消息邮箱引 脚交换信息，两片p i c l 6 f 8 7 7 a 则采用主从结构，这种独特的混合三机通信方式，通信 逻辑拓扑结构如图4 1 所示。 f i g 4 1 c o m m u n i c a t i o nt o p o l o g yd i a g r a m 这样通信模块可以看成围绕u s b 进行设计的u s b 通信子模块和利用s p i 总线通信 的s p i 通信子模块两个部分组成。在u s b 通信子模块中涉及p c 机与化反器监控子系统 通过u s b 通信，p i c 单片机与e z u s bf x 2 单片机通过并行接口通信；在s p i 通信子模 块中两片p i c 单片机通过s p i 总线通信；为了进一步提高通信抗干扰能力，在各通信协 议实现的基