（测试计量技术及仪器专业论文）飞机发动机低循环疲劳试验控制系统设计.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得电子科技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己在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：2 0 0 3 年；月z h 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：刃悫i 象 日期：2 0 0 3 年乡月z 日 摘要 本课题受航天部某研究所委托，设计了一套微机控制系统，以满足航空发动 机涡轮盘多种载荷谱的低循环疲劳试验需要。 在总体设计方案上，采用微型计算机外置式，即上位机f 微机) 和下位机f 单片 微机测控系统) 相结合的主从工作方式。上位机采用了美国n i 公司的 l a b w i n d o w s c v i 软件编程，创建虚拟仪器界面，通过串口对下位机进行操作和 管理。 在单片微机测控系统的设计中，采用划分多个功能模块的办法，使得硬件和 软件的设计思路清晰，调试方便。转速输入通道采用双峰值检波、双d 触发器 互锁电路，提高了系统的抗干扰能力。转速测量采用多周期同步测频方法，减小 了测频误差，有利于提高控制精度。控制量输出采用串行d a c 实现，电路简洁 可靠。软件设计上采用跟踪控制和数字p i d 控制算法，较好地解决了多种运行模 式下各个不同阶段的控制问题。 在硬件和软件的设计上，采取了多种抗干扰措施。如电源屏蔽、限幅、通道 隔离、数字滤波、越限报警等，确保控制系统的安全可靠运行。测试结果表明各 项性能指标均优于设计要求。 关键词：微机控制器，通道电路，多周期同步测频，数字p i d 算法，虚拟仪器。 a b s t r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e s i g nas y s t e mo fa u t o m a t i cc o n v o l l e rf o rt h e t u r n t a b l e st i r e d n e s se x p e r i m e n to fam o t o ra c a d e m e w ea d o p t e dt h ec o l l e c t i v i t ys o l u t i o nc a l l e dp r i n c i p l ea n ds u b o r d i n a t em o d e ，a n d u s e dn ic o m p a n y sl a b w i n d o w s c v it 0p r o g r a m m eo nc o m p u t e w ei m p l e m e n t e dt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lb yu s i n gm i c r o c o n t r o l l e r i n d e t a i l s ，s o m em e t h o d ss u c ha sd o u b l ep e a l 【v a l u ed e m o d u l a t i o n ，d o u b l edt r i g g e r f l i p l a t c h ，m u l t i c y c l eo fs y n c h r o n i z a t i o nf r e q u e n c yt e s t ，d i g i t a lp i d a r i t h m e t i ca r e a l la d o p t e di nm yp r o j e c t i th a sb e e np r o v e dt h a tt h e s em e t h o d sa r ea v a i l a b l ea n d e r i e c t i v e w h i l ed e s i g n i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，s o m em e t h o d sa l eu s e dt od e c r e a s et h e n o i s es u c ha sp o w e rs h i e l d e d ，s i g n a lv a l u el i m i t e da n da l a r m ，e r e t h et e s to f t h es y s t e ms h o w e dt h a tt h ep e r f o r m a n c ea n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r e e l i g i b l ea se x p e c t e d k e y w o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r , f r e q u e n c ym e a s u r e ，d i g i t a lp i da r i t h m e t i c ，v i r t u a l i n s t r u m e n t 电子科技大学硕士学位论文 1 1 课题简介 11 1 课题的提出 第一章前言 飞机发动机涡轮盘是发动机的一个关键部件，航空科研机构经常要研制新的 飞机发动机或对已有发动机进行改造。轮盘的寿命参数是一个非常重要的参数， 必须通过理论分析和试验来确定。疲劳试验即模拟飞机反复起飞、巡航、降落的 实际情况，使被试轮盘按照选定的模式，反复地升速、稳速、降速，连续不断地 运行下去，直到轮盘出现裂纹为止，从而获得轮盘的寿命参数。 系统要求运行时间长，通常一次试验要连续运行几个月；模拟特性要好，转 速精度要高，尽可能准确地模拟实际工作情况；可靠性，安全性要高，被控对象 为高速旋转体，要求运行平稳可靠。 直到八十年代，我国进行飞机发动机研制生产的几个单位的试验器还是五十 年代的产品，其升降速均由手工调节完成，只能进行简单的超转试验，无法进行 反复、精确的循环试验。航天部江油6 2 4 所曾在1 9 8 8 年委托我校研制了一套型 号为s b 一8 0 4 的低循环疲劳试验器微机控制系统。开创了我国在这个领域使用微 机控制并获得成功的先例。该系统硬件上采用t p s 0 1 单板机以z 8 0 芯片为核心， 软件设计采用传统的模拟算法，基本可以完成常规、等幅、变幅和随机模式的试 验。1 9 9 0 年，航天部贵阳0 1 1 基地设计二所也委托我校成功研制了一套型号为 s b - 7 的微机控制系统。相对于s b 一8 0 4 机型，s b 一7 在硬件和软件设计上都有明显 的提高。它采用了以8 0 3 1 单片机为核心的s t d 总线结构设计，软件上采用了数 字p i d 控制算法。但是，在长期的运行过程中，发现存在一些问题。主要是系统 稳定性不够好，高转速上不去，低转速下不来，超转速不报警，循环周期越来越 长，人机交互、参数预置及维护均不方便等。为此，航天部江油6 2 4 所在进行涡 轮盘疲劳试验时，委托我们对原有系统进行改进以适应实际的需要和更高的可靠 性要求。 1 1 2 试验设备系统原理 控制对象是一个直流发电机一电动机调速系统。系统组成如图1 1 所示， 它由三相交流电动机j d 、直流发电机z f 、直流电动机z d 、励磁发电机l f 、直 流测速发电机c f 以及可控硅控制系统等组成。 工作时j d 带动z f 和l f 同轴旋转，l f 为z d 和c f 提供直流励磁电压，z f 为z d 提供驱动电压u d ，可控硅控制系统为z f 提供直流励磁电压u d 。因此u d 与u d 成正比，控制u d 就能控制z d 的转速。z d 再带动一个变速比为1 6 7 的变 电子科技大学硕士学位论文 速箱，将转速提升到1 6 7 倍后带动被试件旋转，从而达到控制被试件转速的目 的。 c f 和z d 同轴旋转，因此c f 的输出电压正比于z d 的转速，此电压作为转 速负反馈量送至可控硅控制系统。 可控硅控制系统的任务是向z d 的励磁绕组提供一个可控的励磁电流。它可 将手动或微机控制系统提供的控制电压转换成可控硅整流系统导通角的变化，进 而改变励磁电流的大小。 图1 1 试验设备微机自动控制系统原理图 1 1 3 技术要求与性能指标 1 技术要求 为了对发动机涡轮盘进行全面的疲劳模拟试验，将轮盘的转速变化规律归结 为以下六种模式。 ( 1 ) 常规模式 也称为超转模式，是为了测量轮盘在超转速情况下的参数而设置的，这种模 式只完成一个梯形波，如图l 一2 所示。需要预置的参数有：( a ) 高转速n 。，( b ) 上保持时间t 。，( c ) 报警转速。 电子科技大学硕士学位论文 n n h 图l 一2 常规模式 ( 2 ) 等幅模式 是为模拟飞机频繁的起飞，降落的疲劳试验而设计的，如图1 3 所示。需 要预置的参数有：( a ) 高转速n 。( b ) 低转速n 。，( c ) 报警转速，( d ) 循环次数。 n n h 图l 一3 等幅模式 ( 3 ) 等幅保载模式 是为模拟飞机频繁的起飞，巡航，降落对轮盘寿命影响而设计的，如图1 4 所示。需要预置的参数有：( a ) 高转速n 。，( b ) 上保持时间t 。( c ) 低转速n 。( d ) 下保持时间t 。，( e ) 报警转速，( f ) 循环次数。 n n h 图1 4 等幅保载模式 ( 4 ) 变幅循环模式 是为模拟飞机复杂的起飞，降落对轮盘寿命影响而设计的，如图1 5 所示。 需要预置的参数有：( a ) 高转速n 。，( b ) 中间转速n m ，( c ) 低转速n 。，( d ) 报警 转速，( e ) 小循环次数，( f ) 大循环次数，( g ) 总循环次数。 电子科技大学硕士学位论文 n n h n h n l 图1 5 变幅循环模式 ( 5 ) 变幅保载模式 是变幅模式的扩充，它除了有变幅模式的全过程之外，在每个转速上还可保 持，如图1 6 所示。需要预置的参数有：( a ) 高转速n 。，( b ) 中间转速n 。，( c ) 低转速n 。，( d ) 报警转速，( e ) 上保持时间t 。，( f ) 中间保持时间t 。，( g ) 下保 持时间t 。，( h ) 小循环次数，( i ) 大循环次数，( j ) 总循环次数。 n n h n m n l 图1 6 变幅保载模式 ( 6 ) 随机模式 随机模式是为了适应一些复杂要求而设计的，其特点是可以在各种高低转速 之间循环，如图1 7 所示。需要预置的参数有：( a ) 最后一个低转速( 每个大 循环的起始低转速，必须等于上一个大循环的最后一个低转速) ，( b ) 一个大循 环中的小循环次数，( c ) 第一个高转速，( d ) 第一个上保持时间，( e ) 第一个低 转速，( f ) 第一个下保持时间，( g ) 第二个高转速，( h ) 第n 个下保持时 间，( i ) 报警转速，( j ) 总循环次数。 n 图1 7 随机模式 t 电子科技大学硕士学位论文 2 性能指标 所有轮盘的六种模式运行均要求达到以下技术指标： ( 1 ) 调速范围：试件转速在o 2 5 0 0 0 r p m 范围内连续可调。 ( 2 ) 稳速精度：试件转速在5 0 0 0 r p m 以下的稳速精度为0 3 以内，在5 0 0 0 r p m 以上时的稳速精度为0 2 以内。 ( 3 ) 上升和下降结束时过冲量应控制在0 5 以内。 ( 4 ) 试验件转速在2 5 0 0 2 5 0 0 0 r m p 范围内任何一点均可稳速。 1 2 本课题的任务及完成的工作 按照课题的要求，研制一套微机控制系统，能够实现整个试验过程的自动控 制。具体地，有以下几项任务： 1 硬件设计与调试 包括电路图设计，画p c b 图、制板，焊接组装，做出实验样机，进行电路调 试，排除样机故障，包括设计错误和工艺性错误等。 2 软件设计与调试 包括底层的驱动程序，控制算法的实现和上层软件的编写和调试。 3 硬件、软件联合调试 在系统硬件、软件单独调试完成后，还要进行硬件、软件的联合调试，找出 硬件和软件之间不相匹配的地方，反复修改和调试。 4 模拟调试 在系统硬件、软件联合调试完成之后，在实验室里采用模拟信号模拟被控系 统，完成初步的系统调试和测试工作。 5 现场调试 在控制现场，完成最后的软、硬件调试和参数的整定工作。 本人在导师的指导和帮助下，经过前后一年多的努力，已顺利完成了控制系 统的硬件、软件设计和调试工作，在实验室进行的模拟调试也收到了预期的效果。 由于某些客观原因，现场调试工作被延迟而没有展开。 1 3 总体方案设计 随着计算机技术的快速发展，微型计算机的性价比不断提高，在自动控制领 域得到广泛应用，常见的有两种工作模式。 一种模式是内置插卡式，即直接将控制板插入微机的i s a 或p c i 插槽中， 充分利用p c 机的内部资源，通过软件编程实现对被控系统的控制； 另一种则是采用外置式，即上位机( 微机) 和下位机( 单片微机测控系统) 相结 电子科技大学硕士学位论文 合的主从工作方式，如图1 8 所示。由于微机的分析处理能力较强，处理速度 快，界面友好。而单片机使用灵活方便，廉价可靠。所以一般主机采用微机及相 应控制软件，从机则采用单片机测控系统，主机和从机之间按照预先规定的协议 方式进行通信，构成主从多机工作模式。 图1 8 主从机工作模式 在这种模式中，单片机测控系统既可脱离上位机独立工作，对被控系统进行 有效控制，也可和上位机联机工作。 由于本控制系统要求运行一次时间长，考虑到系统的稳定可靠性，因此，我 们采用的是第二种方案。 在s b 一7 微机控制系统中，单片机测控系统采用了s t d 总线结构设计。在 我的设计中，考虑到本系统主要功能模块有主c p u 模块、测速模块、控制模块 等，总体结构不算复杂，因此在硬件设计时把它们做在了一块电路板上。另外， 为了操作方便，人机交互模块做成了单独的一块电路板。 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统硬件设计 要研制一个微机控制系统，其硬件设计方案的制定和功能模块的划分，以及 合理的电路设计是十分重要的。 2 1 硬件整体结构 微机自动控制系统硬件结构方框图如图2 一l 所示。 + 5 v ( a )+ s v ( d ) v p c + 1 2 v一1 2 v控制信号输出 系统电源 入 图2 1 微机自动控制系统硬件结构方框图 在硬件设计中，是以单片机为核心的。单片机按字长分有四位机、八位机和 十六位机，位数越长，功能也越强。四位机的特点是价格便宜，片内同样具有 r a m 、r o m 、串行和并行i o 接口、定, , - t 计数器等，但由于字长短，决定了它 主要用于简单的控制系统，以及开关量控制及顺序控制系统。十六位机功能强大， 它不但可用于过程控制，而且还可以用于数据处理及管理，但是开发技术和市场 还不太成熟。目前，八位机仍然是工业控制和智能化仪器中应用最多的单片机， 电子科技大学硕士学位论文 尤其以5 l 系列应用最为广泛。 本设计选用的是s s t 公司的八位单片机8 9 c 5 8 ，其性能特点是： 与标准的8 0 5 2 引脚、指令和片内资源全兼容：2 5 6 字节x 8 b i t 内部r a m ， 四个八位并行i o 口，一个全双工、可编程串行通讯口，3 个1 6 位定时计数器。 此外，内部还含有3 6 k b y t e 的f l a s h ，支持外主模式和i a p 模式编程。 2 2 转速测量 2 2 1 输入通道 本课题的输入信号为测速传感器产生的类似正弦波信号。转盘转动一周测速 传感器输出六个周期的转速信号，转盘转速范围为0 3 0 ，0 0 0 转分，因此转速 信号的频率范围为o 一3 ，0 0 0 h z 。信号的特点是频率不高，幅度较大，干扰严重。 输入通道电路的基本功能是将正弦波等连续波形转换成矩形脉冲( 通常称为 “整形”) ，并要求具有放大衰减及较强的抗干扰能力。 1 旋密特触发器 施密特触发器是脉冲波形变换中经常使用的一种电路，施密特触发器的电压 传输特性如图2 2 所示。 v o 图2 2 施密特触发器的电压传输特性 v t = v t + 一v t 一称为回差电压，也叫触发窗宽度。 它利用回差产生的迟滞比较特性实现通道的抗干扰性能。当干扰信号较小 时，施密特电路的抗干扰效果比较好。但是当干扰信号的峰峰值很大时，仍将产 生额外的误触发。由于本课题的被控对象为电机调速系统，控制现场的干扰很大， 因此，用施密特触发器构成的整形电路不适合在这种场合下工作。 2 自动触发电平调节的通道电路 本设计采用了一种自动触发电平调节的高抗干扰性能的通道电路。 ( 1 ) 原理方框图 输入通道原理框图如图2 3 所示。由输入衰减器、限幅器、增益可调放大 器、正负峰值检波器、双比较器、高速光电隔离器和互锁d 触发器组成。 丑一 电子科技大学硕士学位论文 电路原理框图如图所示 图2 3 输入通道原理方框图 ( 2 ) 电路工作原理 触发电平自动调节原理：输入信号u i 经限幅，衰减放大后为u s ，正峰值检 波器检测出u s 的正峰值电压vp + ，负峰值检波器检测出u s 的负峰值电压v p 一， v p + 和v p 一经r 1 ，r 2 和r 3 分压形成比较电平v n 和v l 。显然，当输入信号u j 的 幅度变化时，比较电平v h 和v l ( 也即触发电平) 也随之变化，从而实现触发电 平的自动调节。 工作波形分析：工作波形如图2 4 所示。假定q a 、q b 的初始状态均为o 。 八八八 l ；lm m i v ： ：一 j ， 门l ； ii l l i l 门 i ； r 广1 ；广1nn ：i ： j l ill ：! ； | | ； | | ： ! ； ； 厂 广 广 厂 广 厂 图2 4 输入通道工作波形 由波形分析可以看出，输出信号u o 是和输入信号u i 同频率的矩形波。 ( 3 ) 抗干扰性能分析 由于双d 触发器的互锁联接，当其中一个触发器的时钟端因受寄生干扰产 生振荡脉冲时，由于由另一触发器的稳定的输出状态反馈作为该触发器的数据端 保持稳定，因此其输出状态不变，有效地消除了寄生干扰脉冲的影响。 理论和实践表明，触发窗宽度v h v l 不宜太小，否则将降低抗干扰性能， 电阻r l ，r 2 和r 3 的选择就很重要。选择合适的电阻值后，通过测试，通道灵敏 度优于o ，1 v ，适于频率范围为0 i h z 5 0 0 k h z 。 咖幽 仉仉 伽 仍 电子科技大学硕士学位论文 2 2 2 频率测量 1 直接测频法 频率即周期性信号在单位时问内变化的次数。若在一定时间间隔t 内计得这 个周期性信号的重复变化次数为n ，则频率的计算公式为： f 。= n t公式( 2 - 1 ) 直接测频法是通过电子计数器按照频率的定义式进行测频的方法。其实质是以比 较法为基础，它将被测信号频率和时基信号频率相比，得到被测信号的频率。直 接测频法原理方框图如图2 5 所示。 被测 图2 5 直接测频原理方框图 因此，直接测频法的最大相对误差为： f 。f x = ( n n + j t t f )公式( 2 - 2 ) 式中，n = 1 ，n = t f ；，t t = 一f d f c 。f c 为时基信号发生器产生的信号频 率。所以，上式可写成： n r = 1 ( t r ) + j f c f 。j 公式( 2 - 3 ) 通常，石英晶体振荡器的输出频率准确度f c f 。优于1 0 。数量级。可见，测量 误差主要是由第一项带来的，当r 较小时，由- 4 - 1 误差产生的测频误差很大。 因此，测量低频时不宜采用直接测频的方法。 2 多周期同步测频 本设计采用了基于8 2 5 3 计数器的多周期同步测频方法。 ( 1 ) 多周期同步测频原理 多周期同步测频原理方框图如图2 6 所示。 输入信号经放大、整形后得到同频率的矩形脉冲，该脉冲作为同步电路的时 钟信号。因此，同步电路的输出信号即同步闸门同步于与输入信号。然后在同步 闸门范围内对整形后的的矩形脉冲和本地时钟脉冲分别计数，最后通过一定的 运算得到输入信号的频率值。 0 电子科技大学硕士学位论文 输入 f x 图2 6 多周期同步测频原理方框图 o ) f 口 工作波形图如图2 7 所示： 开门脉冲p 1 一厂 输入信号f x 同步脉冲q f x 计数器的 计数脉冲n x 时钟脉冲f 0 f 0 计数器的 计数脉冲n o u | uuuu f 二= = 可= 二习 | ii | ij | uuuui l jl j j 山l i juuuuu 山山uuu 山u 山山山山u 山山l ul 一 图2 7 多周期同步测频工作波形图 误差分析：同步闸门是由开门脉冲p l 经f x 同步后得到，因此f x 计数器的 计数脉冲n x 无1 误差，而f o 计数器的计数脉冲n o 则存在1 误差。 由t = n o f n 可得： f x = n x t = ( n x ，n o ) f o公式( 2 - 4 ) 最大相对误差为：f x f x = ( 1 n o + | a f o f o | )公式( 2 - 5 ) a f o f o 为f o 的频率准确度，采用晶体振荡器可使该项误差很小( 如上所述优于 1 0 _ 7 数量级) ，若同步闸门时间t = 0 1 s ，则n o 为2 】0 5 ，所以a f x f x 可达 1 0 。数量级，大大提高了测量精度。 ( 2 ) 基于8 2 5 3 计数器的多周期同步测频 8 2 5 3 是i n t e l 公司生产的可编程微机外围器件，可作为定时器计数器，使 用单一的5 v 电源供电。该器件包括三个独立的1 6 位计数器0 、1 和2 ，每个计 数器都可以按照= 进制或二一十进制计数，最高计数速率可达2 m h z ，另外，每 个计数器的六种工作方式，读写的顺序，均可由程序设置和改变。此处计数器0 工作在方式2 ，计数器1 和计数器2 工作在方式0 。 电子科技大学硕士学位论文 图2 6 中，f x 为频率较低的被测信号频率，f o 为较高的本地时钟脉冲频率 2 m h z 。8 2 5 3 的计数器2 对转速脉冲f x 计数，计数器0 和计数器1 串联组成一 个3 2 位计数器对标准时钟f o 计数，计数器0 为低1 6 位，计数器1 为高1 6 位。 通过软件设计对闸门时间检测和自动调节，可实现宽范围频率的高精度快速 测量。开门脉冲p 1 由软件产生，其电平的高或低，即预置闸门的开或关，具体 地是由8 9 c 5 8 的p 1 6 脚发出l 或0 来实现的。同步闸门则是由硬件( d 触发器) 产生，如上所述，是开门脉冲p 1 经f x 同步后得到，其开或关状态送到 8 9 c 5 8 的p 1 7 脚来检测判定。 8 2 5 3 打入脉冲的形成：8 2 5 3 在应用中，控制字必须在“打入脉冲”作用下 才能有效写入。“打入脉冲”的产生电路如图所示。 图2 88 2 5 3 打入脉冲形成电路 通过软件由8 9 c 5 8 的p 1 6 脚打开预置闸门，对r c 回路充电使d 触发器的 复位脚c d 为高电平，期间由与非门输出得到脉冲宽度大约为2 2 r 2 c 2 的负脉冲， 即为8 2 5 3 的打入脉冲。工作波形如图2 9 所示。 p 1 6 ，c d f 0 ，q 打入脉冲 l l | ii i i i i i i i | | i i l l l i i i i i | l l l 图2 98 2 5 3 打入脉冲形成波形图 2 电子科技大学硕士学位论文 2 3 控制部分 1 数模转换 单片机输出控制量为数字量，需要转换成模拟信号作为系统的输出。数模转 换的常用方法有： ( 1 ) p w m 方式 p w m 信号是一种具有固定周期( t ) ，不定占空比( r ) 的数字信号。采用 脉宽调制p w m 信号来实现d a 转换的基本原理是：如果p w m 信号的占空比 随输入的控制量变化，那么通过滤波之后的输出信号将是幅度变化的模拟信号。 因此通过输入信号控制p w m 信号的占空比，滤波后就可得到相应的模拟信号。 ( 2 ) 直接采用数模转换器件d a c d a c 按接口方式分为串行d a c 和并行d a c ，并行d a c 处理速度快，但是 占用了较多的i o 口。 本设计采用t i 公司的1 2 位串行数模转换器t l c 5 6 1 8 。 2 t l c 5 6 1 8 工作原理 ( 1 ) 电路结构 t l c 5 6 1 8 是一种可编程、双通道、1 2 b i t 的串行d a c ，输入数据速度可达 1 2 1 m h z ，和8 9 c 5 8 通过三线接口，电路结构简单，接口电路如图2 1 0 所示。 图2 1 0 单片机和串行d a c 的接口电路 输出电压： u o = 2 u r e f i n ( d i ! d o ) b 4 0 9 6 公式( 2 - 6 ) 式中的系数2 是芯片内部输出运放的增益。 u r e f i n 是d a c 的基准电压，要求稳定性好，受各种干扰的影响小。此处u r e f j n 的获得是先经过电压基准源m c l 4 0 3 ，得到稳定的2 5 v 参考电压，为了便于分 电子科技大学硕士学位论文 析计算，再通过电阻串联分压得到2 0 4 8 v 。 ( 2 ) 工作时序 t l c 5 6 1 8 的工作时序如图2 一1 1 所示。 5 i t l m v a l u e 蛐a l 阳 图2 1 lt l c 5 6 1 8 工作时序图 片选c s = 0 时，在s c l k 下降沿作用下，d i n 的1 6 位数据( 从高位到低位) 依次送入片内的串行按1 2 1 寄存器，其中d 1 5 d 1 2 为四位编程位，决定了d a c 的 工作方式，如表2 1 所示，d 1 1 d o 为1 2 位数据位。 c s 为上升沿时，d a c 寄存器中的1 2 位数据位送入d a c 模块，输出模拟 电压值，完成次d a 转换。 表2 一lt l c 5 6 1 8 工作方式 p r o g r 醵刚t s d e v i c ef i , i n c t o n d 1 5d 1 4d 1 3d 1 2 w r i t et 。l a t c hav d t hs e r i a li n l e r t a c ef e a s t e rd a t a 1xxx a n dl a t o hbu p d e t e c lw i t h1 3 m 讳e r l a t e hd a t 日 o ) (0 w 哺et ol a t c hba n dd o u b l eb u h e f l a t c h 0x x 1w r i t et ad o u b l sb u f f e rl a 乜 ho n l y x0xx1 2 5i t ss e t t l i n gt i m e x1xx2 5p ss e l t l i n gt i m e xx0x p o w e r e d - u po p e r a t i o n x1x p o w e rd o w n m o d e 由于设计中只有一路控制量输出，仅用了t l c 5 6 1 8 的a 通道，因此，设置 方式控制位d 1 5 d 1 2 = 1 0 0 0 ，由表2 1 可以看出其工作方式为图2 1 2 所示。 电子科技大学硕士学位论文 s e r | a i 甲 i h i e r f 矗c e r 螂i s t e f 0 1 2 = x 膝焉恫 o s = h 眺 1 0 d a c a 1 b n a cb 图2 1 2 单通道工作方式 ( 3 ) 测试程序 在以下的测试程序中，选择单通道( a 通道) 的工作方式1 ，根据t l c 5 6 1 8 的工作时序编写。通过程序输入不同的代码，可测出t l c 5 6 1 8 的输出电压值。 d i ne q up 1 2 s c l ke q up 1 3 c se q up 1 4 d i s p c t r le q u8 0 0 3 h o r g0 0 0 0 h s j m pl l l a l n o r g0 0 3 0 h m a i n ：m o vd p t r ，# d l s p - c t r l m o va # o m o v x d p t r a m o va ，# 8 0 h ；编程位为“1 0 0 0 ”，1 2 位数据位的高四位为“0 0 0 0 ” m o vr l ，# 2 ；1 6 位数分两次输入 c l rc s s e t bs c l k s e t hc s n e x t ：m o vr 0 # 8 l o o p ：c l rs c l k r l ca c p lc m o vd i n ，c s e t bs c l k d j n zr 0 ，】o o p d j n zr 1 ，l o w c l rs c l k 电子科技大学硕士学位论文 c l rc s s j m pm a i n l o w ：m o va ，# 0 8 a h ；1 6 位中的低八位为“1 0 0 0 1 0 1 0 ” s j m pn e x t e n d 每次输入的1 6 位数据中，高4 位编程位不变，改变低1 2 位的数据位，即改 变输入量，测出其相应的输出值。表2 2 所示为一组不同的输入得到各自的输 出，表中还包括有测试结果和理论计算值的对比。表中输入量为十六进制，输入 为4 0 0 h 以下时输出电压单位为m v ，4 0 0 h 以上( 含4 0 0 h ) 为v 。由于测试工具为三 位半的电压表，所以表中主要列出了2 v 以下的实测值和理论值的比较。 表2 2t l c 5 6 1 8 的测试报表 输入量 00 10 21 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0盯 实测值 3 34 35 42 6 05 1 67 7 11 0 2 7 1 2 8 31 5 4 01 7 9 54 1 0 理论值 o 1 2 2 5 65 1 27 6 81 0 2 41 2 8 01 5 3 6l _ 7 9 24 0 9 5 2 4 人机界面 2 4 1 键盘 键盘是人机对话的纽带。操作人员可以通过键盘输入数据和命令，它是单片 机系统中不可或缺的输入设备。键盘各按键大多采用矩阵的连接方式，键盘矩阵 和单片机的连接，一般采用i o 接口芯片，如8 1 5 5 、8 2 5 5 等；或采用锁存器和 缓冲器，如7 4 l s 2 7 3 ，7 4 l s 2 4 5 等；也可与单片机的i o 口直接连接。 单片机采用“扫描”的方法对键盘进行管理。通常有程控扫描法、定时扫描 法和中断扫描法。 程控扫描法是由程序控制键扫描的方法。它是后两种方法的基础，但是占用 了大量机时。 定时扫描法即c p u 每隔一定的时间对键盘扫描一遍。当发现有键按下时，便 进行读入键盘操作，咀求出键值，再进行键值分析处理。这种方法可以减少计算 机扫描键盘的时间，以减少c p u 的开销。 中断扫描法是在没有键入操作时，c p u 不对键盘进行扫描。一旦键盘输入， 则向c p u 申请中断。c p u 响应中断后，即转入相应的中断服务程序，完成对键盘 扫描、获取键值、键值分析处理等任务。这样可节省大量的空扫描时间，从而提 电子科技大学硕士学位论文 高计算机的工作效率。 本设计中，键盘由一个2 8 的按键矩阵构成，共设置了六个功能键和0 - - 9 十个数字键。8 9 c 5 8 通过锁存器7 4 l s 2 7 3 输出扫描码，键盘则通过缓冲器7 4 l s 2 4 5 输入键盘码，键盘扫描采用定时扫描法。 2 4 2 显示器部分 在控制系统进行参数预置和运行时，显示器是重要的人机对话接口。 在本设计中，采用了l e d 数码管显示转速和其它参数值，另外用发光二极管 指示运行模式和参数类别。 在微机控制系统中，常用的显示方法有动态显示和静态显示。动态显示是指 单片机定时对显示器进行扫描，通过对显示器的位控和段控操作，每次只显示一 个或部分器件。这种显示的优点是使用硬件少。静态显示是指单片机每次输出完 整的显示后，就能保持该显示结果，直到下次送新的显示模型为止。这种显示的 缺点是使用元件多，线路较复杂。 本系统由于需要显示的参数及指示比较多，因此采用动态扫描显示的办法， 但是如果动态显示时一次只显示一位，则有可能由于总的显示周期较长造成显示 不稳定，所以将显示器接成矩阵的形式，动态扫描一次显示多个显示器。并采用 了显示驱动器7 5 4 5 2 驱动数码管显示。 在本设计中，8 9 c 5 8 通过锁存器7 4 l s 2 7 3 同时实现了对键盘扫描和输出显示 器的位控码，使硬件设计进一步简化。 控制系统前面板如图2 一1 3 所示。 电子科技大学硕士学位论文 圈 葛 潜 垂 狲 潜 恐 罾 茹 簿 冉灌潜篝 辫灌萄啦 姑痢萄嘏 冉斌面槲 辫采萄埘 冉斌彗爵 赫蕊耐姗 湍撼奔如 国墨苛砩 港盈爿赢 潜蜀爿赫 瀚呻毒拜 冷赫 奇葡 衄藩 皿 莉 簿 赫 细 爿l 眺 撵 意 茸 潞 洋 胀辞赫诲 电子科技大学硕士学位论文 2 5 参数存储 系统运行过程中的一些参数需要存储，便于操作人员对系统的运行情况进行 掌握和分析。 1 实现方式 参数非易失性存储的方式通常有用e 2 p r o m 、f l a s h 、内含电池的s r a m 等器件实现。e 2 p r o m 又有串行和并行e 2 p r o m 可供选择。并行e 2 p r o m 比串 行e 2 p r o m 要占用单片机更多的i o 口。 考虑到成本因素，另外系统一次运行时间长，存储量不大，本设计采用的是 h o l t e c k 公司的串行e 2 p r o m 芯片2 4 l c 0 2 。 2 2 4 l c 0 2 与8 9 c 5 8 接口分析 ( 】) 电路结构 2 4 l c 0 2 是具有1 2 c 总线的e 2 p r o m ，存储容量是2 5 6 字节，可以直接和 m c s 5 1 系列单片机接口。 1 2 c 总线是一双线串行总线，两根传输线中，一根是串行时钟线( s c l ) 、另 一根是串行数据线( s d a ) ，主、从器件间的数据传送由这两根线完成。主器件 是启动数据发送并产生时钟信号的器件，从器件则是被主器件寻址的器件。在这 里，8 9 c 5 8 是主器件，2 4 l c 0 2 是从器件。接口电路如图2 1 4 所示。 图2 1 48 9 c 5 8 与2 4 l c 0 2 接口电路 ( 2 ) 时序分析 总线上，每一次数据的传送，都是由主器件发送起始信号开始，发送停止信 号结束，如图2 1 5 所示。 电子科技大学硕士学位论文 弋 厂_ 一 ：? 鞘麓翻雕嘲 f 蕊跚感需憩盎。l f 笛麓。 、a l i dt oc h n o e , s t o p c o n d n i 。n 图2 1 58 9 c 5 8 与2 4 l c 0 2 的握手信息 然后由主器件发送从器件的特征地址，如图2 1 6 所示，对e 2 p r o m 而言， 从器件地址的前四位是固定的“1 0 1 0 ”，接下来的三位“a 2a la 0 是从器件的组 合地址，此处为“0 0 0 ”，最后一位是读写位，“1 ”表示读命令，“0 ”表示写命令。 从地址位： 图2 一1 6 从器件的特征地址 在大多数情况下，当主器件发送完一帧数据后，相应的从器件会产生一个应 答位，如图2 1 7 所示。 触“紫蛳 s g l s d t m m m i l 曹舢醴嘲。攫* t 镕s o * 脯越u 1 i l p a i n lff 融妇r r i 斟l 。| 乜辐。l l | 。g 噙- 憎引t 证p o i n l a l l o 城n g t 俺r o o e i 镩r 位叫i t h 。s 强i m h b 一 一蜘0 1 砷州时。扑c o l l i n l 1 es e n d 嘲蛐 枞蛳h 咧眦i 州嘶d 蛐 图2 1 7 从器件应答信号时序 2 4 l c 0 2 的读和写有随机方式和顺序方式可选。随机地址写入的时序如图 2 一1 8 所示： d 利；0 由盘目ew o 目r , a 出身目sd a t a ，_ 、_ 、弋 姒圈_ 厂| 圈。口 二= 工工口 工工工= 日 蛳 酬删 俐瑚咚妇 图2 1 8 随机地址写时序 2 0 电子科技大学硕士学位论文 随机地址读出的时序如图2 1 9 所示： ss 。b u 艏s 瑚a c t wl c o m n f r 。o 。础溅；c o n t r 。o 。 s 1 o c k 图2 1 9 随机地址读时序 ( 3 ) 测试程序 8 9 c 5 8 利用编程模拟1 2 c 可和2 4 l c 0 2 进行通信，2 4 l c 0 2 与8 9 c 5 8 接口随 机地址写和随机地址读的测试程序如下。它首先将一个十六进制数“a b h ”写入 地址“0 8 h ”，再从此地址将该数读出，要注意内部写入时需要一定时间，因此 这里调用了一个延时程序。 s c le q up 1 0 s d ae q up 1 1 d i s p _ c t r le q u8 0 0 3 h o r g0 0 0 0 h s j m pm a i n o r g0 0 3 0 h m a in ：i l l o vd p t r ，# d i s p _ c t r l m o va # 0 m o v x d p t r ，a a c a l ls t a r t i i i o v a ，# o a o h m o vr 1 # 3 u p o n ：a c a l lw r i t e a c a l la c k d e cr 1 a d d r e s s ：c j n er l ，# 2 ，d a t m o va ，# 0 8 h s j m pu p o n d a t ：c j n er 1 ，# l ，r e a d m o va ，# o a b h s j m pu p o n r e a d ：a c a l ls t o p ：s t a r t 写控制字“1 0 1 0 0 0 0 0 ” 从应答 写存储地址和从应答 写存储数据和从应答 电子科技大学硕士学位论文 a c a l ld e l a y h o p a c a l ls t a r t m o va ，# o a o h m o vr 1 # 3 l o o p ：a c a l lw r i t e a c a 1a c k d e cr l a d d r ：c j n er l ，# 2 ，r d _ c t r l m o va ，# 0 8 h s j m pl o o p r d _ c t r l ：a c a l l s t a r t m o va ，g o a l h a c a l lw r i t e a c a l la c k m o vr o # 8 r d 8 ：s e t bs c l n o p m o vc ，s d a r l ca n o p c l rs c l h o p d j n zr o ，r d 8 a c a l ln oa c k a c a l ls t o p l j m pm a i n e n d ；延时以完成e 2 p r o m 内部写 ；s t a r t ；写控制字“1 0 1 0 0 0 0 0 ” ；从应答 ；写存储地址和从应答 ；s t a r t ；写控制字“1 0 1 0 0 0 0 1 ” ；从应答 ；读存储数据 ；无应答 ；s t o p 电子科技大学硕士学位论文 2 6 联机通信 1 联机通信方式 数据通信方式可分为两种：并行传送和串行传送。并行传送速度快、效率高， 但传送可靠性差，不适合远距离数据传送；串行传送数据按位顺序移动，速度较 慢、效率偏低，但传送可靠，可以节省通信子系统的硬件投资。 本设计中，单片机测控系统和p c 机之间采用标准的r s 一2 3 2 c 接口联机通信。 2 串行通信接口 ( 1 ) 接口电路 单片机的串行口有四种工作方式，这里采用的是方式1 。方式l 是1 0 位为 一帧的异步通信方式，包括l 位起始位( 0 ) ，8 位数据位和1 位停止位( 1 ) ，起 始位和停止位是在发送时自动插入的，数据位是低位在前，高位在后。 上位机( p c 机) 的串行口采用的是标准的r s 2 3 2 c 接口，由于8 9 c 5 8 单片机 的串行口电平是t 1 l 电平，但是t t l 电平特性与r s 2 3 2 的电气特性不匹配， 因此为了使8 9 c 5 8 单片机的串口能与r s 一2 3 2 c 接口通信，必须将串行口的输入 输出电平进行转换。采用常用的芯片m a x 2 3 2 或1 4 8 8 1 4 8 9 即可实现r s 2 3 2 c 与t t l 的电平转换。图2