（测试计量技术及仪器专业论文）自动定容压机控制系统的设计与实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作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。 学位论文作者：扣：互岷舞- j 日期：p f 啤6 月阳日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅：本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：互碉衣1 日期：加p 年6 月，o 日 摘要 摘芰 世界房产建筑业、交通运输、能源、电子信息业的发展，为金刚石制造业提 供了巨大的市场和发展机遇。但是国内的金刚石刀头加工仍然普遍采用“手工称 重装料 的老工艺，这成了制约我国金刚石制造业发展的瓶颈。 针对这个问题，本文研究了基于a r m 和i 上c o s i i 的采用“容积法装料自动 冷压成型工艺的自动定容压机控制系统。全面分析了a r m 和g c o s i i 的性能 和特点，并充分利用了a r m 微处理器高性能、低功耗、低成本的优势，发挥了 t c o s i i 可移植性好、开发成本低的优点。 本控制系统采用先进的嵌入式技术，模块化设计，以l p c 2 3 7 8a r m 微控制 器为核心，完成自动定容压机软硬件设计和实现，开发出一款高性能的自动定容 压机，以满足市场需求。具体工作包括： 硬件方面，主要是结合了自动定容压机的功能择核心处理器芯片和其它硬件 芯片，在划分功能模块的基础上设计各部分电路，最后完成整体的电路设计、样 板制作和调试。 软件方面，采用分层分模块的设计方法完成了各部分的底层驱动程序，利用 改进的p i d 控制算法实现了对系统动态过程的精确控制。以及在此基础上的应用 层各功能任务的划分和软件设计。 最后在分析了影响系统稳定性和可靠性的因素，从各个角度分析了干扰的来 源和成因，并从硬件方面详细地给出了多种抗干扰的方法和措施。 关键词：自动定容压机l p c 2 3 7 8 i i c o s i i a d s 8 3 4 4t l v 5 6 3 0 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr e a le s t a t e ，c o n s t r u c t i o n , t r a n s p o r t a t i o n ，e n e r g y , e l e c t r o n - i ci n f o 衄a t i o n ，w eh a v eah u g em a r k e ta n dd e v e l o p m e n to p p o r t u n i t i e sf o r t h ed i a m o n d m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y m a n u a lw e i g h i n g i ss t i l lw i d e l y u s e di nc h i n aa n di th a s b o c o m et h eb o t t l e n e c ko fd i a m o n dm a n u f a c t u r i n gd e v e l o p m e n t i no u rc o u n t r y i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sr e s e a r c hs t u d i e st h ec o n t r o ls y s t e mo fa u t o m a t i cc o n s t a n tv o l u m ep r e s sb a s e do na r m a n dp c o s - i ia n dt h eu s eo f ”v o l u m e t r i c l o a d i n ga u t o m a t i cc o l df o r m i n gp r o c e s s t h ep e r f o r m a n c ea n df e a t u r e so f a r m a n d 心o s i ia r ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y i tm a k e sf u l lu s eo f t h eh i g hp e r f o r m a n c e , 1 0 wp o w e r 锄dl o wc o s to f a r mm i c r o p r o c e s s o ra n dt h ea d v a n t a g e o fi t c o s _ i i t h e “l v a n c e de m b e d d e dd e s i g na n dm o d u l a rd e s i g na r eu s e di nt h i sr e s e a r c h i n l p c 2 3 7 8m i c r o c o n t r o n e ra st h ec o r e ，t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n so f a u t o m a t i c c o n s t a n tv o l u m ep r e s sa r ec o m p l e t e d a n dd e v e l o p e dah i g hp e r f o r m a n c ea u t o m a t i c c o n s r a n tv o l u m ep r e s s s p e c i f i cw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： h a r d w a r e ，m a i n l yb a s e d0 1 1t h ef e a t u r e so fc o n s t a n tv o l u m ep r e s s t oc h o o s ea c o r ep r o c e s s o rc h i p sa n do t h e rh a r d w a r ec h i p o nt h eb a s i so f f u n c t i o n a lm o d u l e s ，t h e e a c hp a r to ft h ec i r c u i ta r ed e s i g n e d f i n a l l y , t h eo v e r a l lc i r c u i td e s i g n ，m o d e lm a k i n g a n dc o m m i s s i o n i n ga r ec o m p l e t e d s o f t w a r e , i tc a na c h i e v ep r e c i s ec o n t r o lo f t h ep r o c e s su s i n gi m p r o v e dp i d a l l p a r t so f t h eu n d e r l y i n g d r i v e rp r o g r a ma r ec o m p l e t e db yu s i n gs t r a t i f i e dp o i n ta n d n 1 0 d u l a rm e t h o d t h ed i v i s i o no ft a s k sa n ds o f t w a r ed e s i g no fa p p l i c a t i o nl a y e r f u n c t i o n a l sa r ec o m p l e t e do nt h eb a s i so ft h e s e a tl a s t t h ei n n u e n c ef a c t o r so ft h es y s t e ms t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t ya r ea n a l y z e d t h i sp a p e ra n a l y z e si n t e r f e r e n c es o u r c ea n dc a u s e sf r o m v a r i o u sa n g l e sa n dg i v e sd e t a i l e d m e t h o d sa n dm e a s u r e so f a n t i - j a m m i n gf r o mt h ea s p e c t so f h a r d w a r e k e y w o r d s ：a u t o m a t i cc o n s t a n tv o l u m ep r e s s l p c ，2 3 7 8 t l v 5 6 3 0 r t c o s i i a d s 8 3 4 4 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录、i i i i 绪论i 1 1 引言1 1 i i 金刚石工具的概述1 i 1 2 金刚石工具的全球市场需求与发展前景1 i 1 3 金刚石刀头2 1 2 自动定容压机的工艺和工作流程2 i 2 i 冷压工艺2 i 2 2 定容法装料+ 2 1 2 3自动定容压机3 1 3 选题的意义及章节安排4 1 3 1 选题的意义4 1 3 2 内容及个章节安排4 2 a r m 体系结构6 2 1a r m 简介6 2 i ir i s c 结构特性6 2 i 2a r m 微处理器的特点7 2 1 3 常用a r m 处理器系列7 2 2l p c 2 3 7 8 微处理器简介8 2 2 1l p c 2 3 7 8 的特性8 2 2 2 三级流水线9 2 2 3 l p c 2 3 7 8 的存储系统一1 0 2 2 4l p c 2 3 7 8 寄存器和处理器模式1 0 3 自动定容压机控制系统硬件设计1 2 i l l 目录 3 1 系统硬件整体框架1 2 3 2 电源设计1 2 3 2 15 v 电源设计1 3 3 2 23 3 v 电源设计1 4 3 2 3 1 5 v 电源设计1 5 3 3 时钟电路设计1 6 3 4 复位电路设计1 7 3 5s p i 总线j 1 9 3 5 1s p i 概述1 9 3 5 2s p i 数据传输1 9 3 5 3s p i 接口应用2 0 3 6 放大器及a d 转换电路2 0 3 6 1 a d 转换模块原理2 0 3 6 2a d 转换芯片的选择2 1 3 6 3a d 转换电路2 2 3 7 d a 转换及传感器驱动电路2 3 3 7 t l v 5 6 3 0 i d w 概述2 3 3 7 2d a 转换电路2 4 3 8 开关量输入输出电路2 7 3 9 j t a g 调试接口电路2 7 3 1 0 r s 一4 8 5 接口电路2 8 4 自动定容压机控制系统软件设计3 1 4 1 肛c o s i i 实时操作系统概述3 1 4 2 软件开发工具3 2 4 2 ia d s l 2 开发环境3 2 4 2 2e a s y j t a g - h 仿真器3 4 4 3 此0 s i i 在自动定容压机上的移植3 5 4 4 自动定容压机软件设计3 5 4 4 i 驱动程序设计：3 6 4 4 2 控制算法4 3 4 4 3 应用层程序设计4 7 i v 目录 5 系统的可靠性及安全性研究5 5 5 1 合理设计硬件电路5 5 5 2 抗干扰技术5 5 5 2 1 干扰的来源5 5 5 2 2 抗干扰措施5 6 5 2 3 总结5 8 5 3 接地技术5 9 5 4 合理布置p c b 板6 0 6 总结与展望j 6 2 6 1 全文总结6 2 6 2 展望。6 2 参考文献6 3 个人简历6 5 致谢6 6 v 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 1 1 1 金刚石工具的概述 金刚石工具是以金刚石为关键性原材料的一种新型的切割工具。它是在2 0 世纪7 0 年代发展起来的，由于充分利用并有效发挥了金刚石本身超硬、超耐磨、 耐高温、耐腐蚀等优异的综合性能，使它成为切割、加工大理石、花岗岩等各类 矿石；砖、耐火材料等各种建筑材料；沥青路面、钢筋混凝土、机场跑道等不可 替代的新型工具【。 1 1 2 金刚石工具的全球市场需求与发展前景 我国是世界上金刚石工具加工和出口的大国，在2 0 0 7 年，我国金刚石工具 直接出口就已遍及世界5 大洲1 0 4 个国家和地区，如果再加上转口贸易的话，我 国的金刚石工具几乎遍及世界各个角落。而且在未来一段时期内，金刚石工具的 市场需求仍将继续快速增长【2 3 】。 1 世界各国的建筑行业都在迅速发展，而且不断地更新施工理念，提高工 程环保的要求，所以传统的加工工具将逐渐地被金刚石工具所取代。目前，部分 比较发达国家在市政工程施工中已明文规定：在公共广场、高速公路、机场跑道 修复中禁止采用传统的手工开挖，而必须用金刚石锯片进行切割。这种趋势将会 很快地扩展到世界上其它的国家和地区： 2 随着科技的发展，新技术、新工艺、新产品的不断地推出，为金刚石工 具的创新提供了技术基础也大大增加了市场需求。如树脂结合剂、塑料结合剂等 新工艺技术；环锯、链锯、绳锯等新产品；玻璃切割、陶瓷切割、铸铁切割等新 用途，把金刚石工具的市场领域极大地拓宽了； 3 目前，亚洲一些新兴的发展中国家正处于高速公路、机场等大型的公共 设施兴建的高峰期。而欧美一些主要工业发达国家的高速公路、机场均较长的历 史，也已经到了进行修补、重建的高峰期【3 】。 以上的一切都为金刚石工具提供了巨大的新的市场需求，预计在未来5 1 0 年内，金刚石工具需求量的增长速度每年仍将会在1 0 以上。因此对金刚石工具 制造业来说，未来l o 年仍然有巨大的市场空间。 1 绪论 1 1 3 金刚石刀头 金刚石刀头是由金刚石粉末压制而成，用于金刚石工具上作为切割的部分， 它是金刚石工具上最重要的部分。由于金刚石工具在全球市场上有着巨大的市场 需求，也就是是金刚石刀头的需求量大大增加。从某种程度上来讲，金刚石刀头 的发展程度直接决定着金刚石工具的发展。因此金刚石刀头的制造已成为金刚石 工具制造业的重要组成部分，对金刚石行业的发展产生重大的影响。 1 2 自动定容压机的工艺和工作流程 在介绍本文设计的自动定容压机之前先简单介绍下两种工艺：冷压工艺、 定容法装料工艺： 1 2 1冷压工艺 冷压是相对于热压而言的，即是在室温下将粉末压制成型的一种工艺。由于 直接将粉末装模在高温下烧结并压制成的刀头时，压头与模框之间不能完全配 合，会有一定的配合公差，这样就容易进入空气，会造成刀头氧化，外观色泽差， 受力时模具也会很容易容易被压坏。因此采用直接热压的方法生产的刀头尺寸偏 差大、废品多、质量不稳定，而且模具的损耗也较大【4 】。 因此采用冷压的方法就不会出现上面的情况，生产出来的刀头外观色泽好、 刀头尺寸偏差不大、废品少、刀头质量稳定，而且对模具的损耗也比较小。 1 2 2 定容法装料 定容法装料就是不用传统的称重系统，而是利用容积来控制重量。由于物料 的容重比较稳定，所以就可以利用液压伺服阀来控制相对位置，改变容积的大小， 从而就实现了改变了物料的重量。采用定容法配料比传统的人工称重装料具有如 下几个优剧5 】： 1 可以减少因为称、装料过程中产生的组份偏差甚至是人为差错，有利于 稳定产品质量、提高产品性能； 2 定容法配料采用的是修正填料高度，提高了装料的精确性。 3 适合大批量生产，在降低人工成本、改善劳动条件的同时，提高了劳动生 产率。给企业的机械化生产和现代化管理创造良好条件。 2 1 绪论 1 2 3自动定容压机 。 图1 1 自动定容压机 如图1 1 所示，该机器就是本文要设计的自动定容压机，具有3 个部分：装送 料系统、上位机部分、刀头压制部分。 装送料系统由4 个料斗( 每2 个是一组，图中只显示l 组) 组成的。每一组料 斗可以装两种粉末：一种是金刚石粉末，一种是金属粉末。这样压制出来的刀头 带有过渡层，金刚石部分用于切割，底部的金属部分由于不含金刚石便于刀头的 焊接，既节约了成本又方便了焊接。两组料斗来回装料的话，也可以压制出多层 刀头。 上位机部分采用的是工业的p c 机作为触摸式屏幕，运行可靠、保护功能齐 全、分辨率高、抗干扰能力强、响应速度快、人机界面友好，使其操作更加直观、 可靠。 工作台 下压头 f 油缸 图1 2 自动定容压机压制部件略图 3 1 绪论 刀头压制部分如图1 2 所示，在上、下压头上分别装有磁致伸缩位移传感器， 使得冲压定位精度控制在0 0 1 m m 。这样就保证了刀头的高度由压缸的设定位 置自动设定，并随机进行调整，采用的是先进的“容积法装料自动冷压成型 工 艺，而无需再使用任何的称量装置。 工作流程： 两个料斗装满不同材料的粉末，经传送装置将这些粉末送到模具并进行定容 投料，接着进行冷压成型。根据程序选择，压成普通刀头、带过渡层的刀头还是 多层刀头。最后判断刀头是否合格，将从压模中弹出的合格刀头放到合格品里面， 不合格的放到废品里面。 1 3 选题的意义及章节安排 1 3 1 选题的意义 由上文我们可知在金刚石工具制造业需要大量的金刚石刀头。但是，由于 加工的材料种类千差万别，金刚石刀头制作的技术要求也各不相同j 所以刀头在 几何形状、结合剂以及金刚石品质上都存在着差别，而且刀头的设计也会因为用 途不同而有很大的差别。 2 0 0 3 年在维罗纳国际石材展会上德国飞羽公司首次展出了一种新型的高 性能冷压机设备k p v 2 l8 ，但是国内市场上大多数还停留在“手工称装粉料 直接热压 的老工艺，还没有此类型的冷压机，而且进口的自动定容压机价格昂 贵，不利于我国金刚石行业的发展，因此我们自主研制出一台高性能的自动定容 压机势在必行【_ 7 1 。 1 3 2 内容及个章节安排 第一章首先介绍了金刚石工具及其在全球市场的应用和发展前景，接着引 出了冷压和定容法装料工艺的概念，然后又介绍了下本文设计的自动定容压机及 其操作流程，最后阐述了本课题研究的目的和意义。 第二章首先简单介绍下a r m 以及它的r i s c 结构和a r m 处理器的一些特 点、常用的处理器系列，最后详细地介绍了l p c 2 3 7 8 处理器。 第三章详细讲述自动定容压机系统控制部分的硬件电路设计。首先对自动定 容压机系统整体框架的硬件设计，接着详细设计了供电系统、复位系统、时钟系 统、j t a g 调试接口、放大器及a d 转换电路、d a 转换及传感器驱动电路、开 关量输入输出电路、通信接口电路的。 4 1 绪论 第四章首先介绍本系统软件设计采用的 i c o s i i 实时操作系统，接着介绍 了调试程序使用的开发环境、调试工具以及e a s y j t a g 仿真器，然后给出了整个 系统的底层的硬件驱动以及利用改进的p i d 算法对自动定容压机控制系统的4 个动态过程进行精确的控制。最后对应用层各个功能任务进行划分和实现。 第五章进行系统安全性即可靠性的研究。首先分析了影响自动定容压机硬件 系统可靠性的因素，给出了干扰的来源和提出了一些抗干扰的措施。 第六章对全文所做的工作进行了总结，分析了本课题存在的不足以及后对续 工作的展望。 5 2a 蹦体系结构 2 a r m 体系结构 2 1a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既是一个公司的名称，又是对一类微处 理器的通称，还可以认为是一种技术的名字【1 0 】。 a r m 公司是一家知识产权( p ) 供应商，他与一般的半导体公司最大的不 同就是不制造芯片且不向终端用户出售芯片。而是通过转让设计方案，由合作公 司生产出各具特色的芯片。世界许多的半导体器件生产商都从a r m 公司购买其 设计的a r m 微处理器核，再根据其各自不同的应用领域，加入适当的外围电路， 最后就形成了自己的a r m 微处理器芯片。这种模式也给用户带来了很大的好处， 因为用户只需要掌握了一种a r m 内核结构及其开发手段，就能够使用多家公司 相同a r m 内核芯片【9 tl 们。 目前，总共超过1 0 0 个公司与a r m 公司签订了技术使用许可协议，其中包 括i n t e l 、i b m 、l g 、n e c 、s o n y 、n x p ( 原p h i l i p s ) 和n s 这样的大公司。至 于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和m r i 等一系列知名公司。因此这既 使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本 减低，使产品更具有竞争力。采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，也 就是我们通常所说的a r m 微控制器，约占据了3 2 位r i s c 微处理器8 0 以上的 市场份额。2 0 0 4 年a r m 公司的合作伙伴生产了1 2 亿片a r m 处理器，已遍及 工业控制、通信系统、消费类电子产品、网络系统、无线系统等各类产品市场， 所以a r m 技术逐步渗入我们生产、生活的各个方面【1 0 1 。 2 1 1rls c 结构特性 a r m 构架是a r m 公司面向市场设计的第一款低成本r i s c 微处理器，它具 有很高的性价比和代码密度以及出色的实时中短响应和极低的功耗，并且占用硅 片的面积很少，从而使它成为嵌入式系统的理想选择，因此应用范围非常广泛 9 1 。 a r m 内核采用精简指令集计算机( r i s c ) 体系结构，指令集和相关的译码 机制比复杂指令集( c i s c ) 要简要的多，其目标就是设计出一套能在高时钟频 率下单周期执行，简单而有效的指令集。r i s c 的设计重点在于降低处理器中指 令执行部件的硬件复杂程度，这是因为软件比硬件更容易提供更大的灵活性和更 高的智能化，因此a r m 具备了非常典型的r s i c 结构特性【9 】： 1 具有大量的通用寄存器； 2 通过装载保存( 1 0 a d s t o r e ) 结构使用独立的l o a d 和s t o r e 指令完成数据在 2a 删体系结构 寄存器和外部存储器之间的传送，处理器之处理寄存器中的数据，从而可以避免 多次访问存储器； 3 寻址方式比较非常简单，所有装载保存的地址都只有寄存器内容和指令域 决定； 4 使用统一和固定长度的指令格式； 此外a r m 体系结构还提供： 1 每一条数据处理指令都可以同事包含算术逻辑单元( a l u ) 的运算和移位 处理，以实现对a l u 和移位器的最大利用； 2 使用地址自动增加和自动减少的= 寻址方式优化程序中的循环处理； 3 1 0 a d s t o r e 指令可以批量传输数据，从而实现了最大数据吞吐量； 4 多数a r m 指令是可“条件执行的，通过使用条件执行，可以减少指令 的数目，从而改善程序的执行效率和调高代码密度。 这些在基本r i s c 结构上增强的特性是a r m 处理器高性能、低代码规模、低功 耗和小的硅片尺寸方面取得良好的平衡。 2 1 2a r m 微处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点【1 0 】： 1 代码密度高、占用硅片面积少、体积小、功耗低、成本低性价比高； 2 支持双指令集：t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) ，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 大使用量寄存器，指令执行速度比较快； 4 寻址方式比较灵活简单，执行效率高； 5 指令长度固定； 6 实时中断响应比较快。 2 1 3 常用a r m 处理器系列 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核，应用比较多的有如下几个系 列：是a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m l 0 系列、a r m l l 系列、i n t e l 的x s c a l e 系列和m p c o r e 系列，还有针对低端的8 位m c u 市场最新推出的c o r t e x m 3 系 列，其具有3 2 位c p u 性能、8 位c p u 价格。 a r m 7 系列 a r m 9 系列 7 2a 雕体系结构 a r m l 0 系列 a r m l l 系列 i n t e r 的x s c a l e s e c u r c o r e c o r t e x 系列 每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域，其中，a r m 7 、 a r m 9 、a r m l 0 、a r m l1 、c o d e x 系列系列为5 个通用处理器系列，每一个系 列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。x s c a l e 处理器将i n t e r 处理器和a r m 体系结构融为一体，致力于手提通信和消费电子类设备提供理想 的解决方案。s e c u r c o r e 系列专门为安全要求较高的应用而设训9 1 0 1 。 2 2l p c 2 3 7 8 微处理器简介 l p c 2 3 7 8 是n x p 公司生产的一款基于a r m 7 t d m i s 内核的高性能3 2 位 r i s c 处理器，a r m 7 t d m i 是基于a r m 体系结构v 4 版本的a r m 核，具有6 4 位乘法指令( 带m 后缀的) 、支持片上调试( 带d 后缀的) 、高密度1 6 位的t h u m b 指令集扩展( 带t 后缀的) 和e m b d d e d l c e 硬件仿真功能模块( 带l 后缀的) 。 a r m 7 t d m i s 是a r m 7 t d m i 的可综合( s y n t h e s i z a b l e ) 版本，编程模式一致。 l p c 2 3 7 8 包含了1 0 1 0 0 e t h e r e n tm a c 、u s b 2 0 全速接口、4 个u a i 玎、2 路c a n 通道、3 个1 2 c 接口、一个1 2 s 接口和一条m i n i b u s 总纠9 1 。 2 2 1 l p 0 2 3 7 8 的特性 我们可以由l p c 2 3 7 8 的结构图可以得到l p c 2 3 7 8 的特点如下： 1 代码密度高、占用硅片面积少、体积小、功耗低、成本低、性价比高 2 高达5 1 2 k b 的片内f l a s h 程序存储器，具有在系统编程( i s p ) 和在应用 编程( i a p ) 功能。 3 高达3 2 k b 的静态r a m ( s r a m ) ，可以进行高性能的c p u 访问； 4 以太网接口具有1 6 k b 的静态r a m 、u s b 接口具有8 k b 静态r a m ，都 可作通用s r a m ； 5 两个a h b 系统，可以同步进行e t h e r e n td m a 、u s bd m a 以及片内f l a s h 执行程序的操作， 6 具有外部存储器控制器，具备8 位数据1 6 位数据地址并行的总线，支持 诸如f l a s h 和s r a m 静态设备； 8 2a r m 体系结构 7 先进的向量控制器，支持多达3 2 个向量中断； 8 多个串行接口：1 个s p i 接1 3 、1 个1 2 s 接1 2 1 、2 个c a n 接1 3 、2 个同步 串行端e l ( s s p ) 、2 个u s b ( 1 2 m b p s ) 接1 3 、3 个1 2 c 、4 个u a r t 9 8 路1 0 位a d 转换器和l o 位的d a 转换器； 1 0 4 个通用的3 2 位定时器； 1 1 实时时钟( 1 玎c ) 和看门狗定时器： 1 2 4 m h z 内部r c ( i r c ) 振荡器，可以调节到1 的精度； 1 3 安全数字( s d ) 多媒体存储卡( m m c ) 接口 1 4 1 0 4 个通用i o 口，这些i o 口可在高达1 8 m h z 的速率下触发 1 5 支持实时仿真和嵌入式跟踪支持，使用标准的a r m 测试调试j t a g 接 口。 1 6 只需一个3 3 v 输入电源 2 2 2 三级流水线 l p c 2 3 7 8 使用流水线来增加处理器指令流的速度，这样就可以使几个操作同 时进行，并可以使处理和存储器系统之间的操作更加流畅、连续【9 1 。 3 级流水线如图2 1 所示，流水线使用3 个阶段，因此指令分3 个阶段执行 ( 其中的p c 为程序计数器) ： 1 取指：从存储器装载一条指令； 2 译码：识别将要被执行的指令； 3 执行：处理指令并将结过写回寄存器。 a r m t h u m b p c p c p c 一4p c 一2 p c 8 p c 一4 指令从存储器中取出 对指令使用的寄存器进行译码 从寄存器组中读出寄存器 执行移位和a l u 操作 寄存器写回到寄存器组 图2 1 l p c 2 3 7 8 三级流水线 在传统的8 0 5 1 单片机中，处理器只有在完成一条指令的读取和执行之后， 才能开始下一条指令的处理，所以p c 总是指向正在“执行”的指令。由于l p c 2 3 7 8 将指令分成3 个阶段，分别为取指、译码和执行。所以处理器“正在执行”第1 条指令的同时对第2 条指令进行译码，并将第3 条指令从存储器中取出，那么一 9 2a 脚体系结构 条l p c 2 3 7 8 流水线只有在取第4 条指令的时候，第1 条指令才算真正完成执行。 也就是说流水线同时存在三条指令，他们分别处于不同的处理阶段【9 】。 指令l p c - 8 指令2p c - 4 指令3p c 指令4p c + 4 当前周期 图2 23 级流水线结构的指令执行顺序 如图2 2 所示，无论处理器处于何种状态，程序计数器p c 总是指向“正在 取指 的指令。 - 2 2 3 l p 0 2 3 7 8 的存储系统 l p c 2 3 7 8 采用的是冯诺依曼结构，指令和数据公用一条3 2 位数据总线， 只有装在、保存和交换指令可以访问存储器中的数据j 引。 l p c 2 3 7 8 将存储器看作是一个从0 开始的线性递增的字节集合： 字节0 到3 保存第1 个存储的字； 字节4 到7 保存第2 个存储的字，依次类推。 l p c 2 3 7 8 可以将存储器中的字以下列格式存储： 大端( b i g e n d i a n ) 格式：处理器将最高位字节保存在存储器的低地址，最 低位字节保存在高地址。 小端( l i t t l e e n d i a n ) 格式：处理器将最高位字节保存在存储器的高地址， 最低位字节保存在低地址 2 2 4 l p c 2 3 7 8 寄存器和处理器模式 l p c 2 3 7 8 处理器内部共有3 7 个用户可访问的3 2 位寄存器，被分为若干个组， 这些寄存器包括： ( 1 ) 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器； ( 2 ) 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位， 目前只使用了其中的1 2 位。 l p c 2 3 7 8 处理器支持7 种处理器模式，并以当前程序状态寄存器c p s r 中 l o 2a 蹦体系结构 的控制为m e 4 ：0 反映处理器正在操作的模式，如表2 1 所示。除了用户模式之外 的其它6 种处理器模式称为特权模式，它们分别是：系统模式和异常模式，其中 管理模式、中止模式、未定义模式、中断模式、快速中断模式都是异常模式。 表2 1 l p c 2 3 7 8 处理器模式 处理器模式说明备注 不能直接从用户模式切换 用户正常程序运行的工作模式 到其他模式 与用户类似，但是有直接 系统用于支持操作系统的特权任务等 切换到其它模式等特权 只有在系统复位和软件中 管理 共操作系统使用的一种保护模式 断响应时，才进入此模式 特 在a r m 7 内核中没有多大 权异 中止用于虚拟内存和( 或) 存储器保护 用处 模常 只有在未定义指令异常响 式模 未定义 支持如见仿真的硬件协处理器 应时，才进入此模式 式 只有在i r q 异常响应时， 中断中断请求处理 才进入此模式 只有在f i q 异常响应时， 快速中断快速中断请求处理 才进入此模式 只用在特权模式下才允许对当前程序状态寄存器c p s r 的所有控制位直接 进行读写访问，而在非特权模式下只允许c p s r 的控制位进行间接访问。 同时，l p c 2 3 7 8 在每一种处理器模式下都有一组寄存器与它相对应。即在任 意一种处理器模式下，可以访问1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、1 2 个状态寄存 器和程序计数器【位1 。 3自动定容压机控制系统硬件设计 3 自动定容压机控制系统硬件设计 3 1系统硬件整体框架 自动定容压机控制系统采用l p c 2 3 7 8 作为下位机的主控芯片，用工控p c 机 为上位机监控系统，并采用r s 4 8 5 进行上下位机的通信。l p c 2 3 7 8 要想工作的 一个最小系统就该包含：供电系统、复位系统、时钟系统、j t a g 调试接口。而 本控制系统又含有5 路传感器的模拟输入量和5 路驱动电路的模拟输出量，这就 需要a d 转换电路和d a 转换电路。综述上面分析，自动定容压机硬件整体框 图如图3 1 所示： i 开关量输入电路 1一 称霞传感器b 刊 二二二二二二= ：堡堡堡壁塑 = 爿放大及 葡蕊晤恧司l a d 转换 = = = = = = l 电路 上压力传感器b i = 二二二= = = = i 下压力传感器自l 晶振ij t a g 调试接口ll 通信接口 电源转换电路 i 复位级看门狗电路 图3 1自动定容压机硬件框图 开关量输出电路 。一 k i 上缸比例阀 i = = = 二二= = 二二 h 下缸比例阀 d a 转换i = = = = 二二二 及驱动h 上伺服换向阀 电路b n 雨丽丽两 l = 二二二二二 = 剖电机变频器 3 2电源设计 电源对于整个控制系统来说具有重要的地位，它为整个控制系统提供能量， 是系统工作的基础。如果电源电路设计的好，整个系统的故障往往会减少许多。 设计电源的过程实质是在了解整个系统实际需要基础上的一个权衡过程，必 须考虑如下因素9 】： 安全因素； 电磁兼容和电磁干扰； ，输出的电压、电流功率； 输入的电压、电流； 输出波纹； 体积限制； 1 2 3自动定容压机控制系统硬件设计 功耗限制； 成本限制。 在设计之前对系统的分析：本系统需要的电源有4 种：3 3 v 、5 v 、1 5 v 、 2 4 v 。其中3 3 v 电源用于给主芯片l p c 2 3 7 8 供电的；5 v 是用来给所有的芯片供 电的；5 v 和1 5 v 在d a 模块中用于运放，前者用于产生0 2 0 m a 模拟输出， 后者用于产生1 0 v 模拟输出；2 4 v 是工业现场提供的一台高品质电源。所以我 们要做的工作就是要把2 4 v 的电源转换出3 3 v 、5 v 、1 5 v 。 目前，设计电源电路时候常用两种方法：开关稳压电源和线性稳压电源。 开关稳压电源是利用改变调整管开关管的导通时间来得到稳定的电压输出。 其特点是：使用简单、效率高、电流输出能力强、发热量小，但是转化压差较大。 一般常用的芯片有l m 2 5 7 5 、m c 3 4 0 6 3 等 9 , 1 5 】。 线性稳压电源是利用调整管的线性放大来得到稳定输出电压的。它的特点是 响应较快、输出电压纹波较小、稳定性较高，但是功耗较大、体积较大等。常用 的经典芯片有l m 3 1 7 x 系列、l m 7 9 0 0 系列、l m 7 8 0 0 系列以及s p x l 0 8 5 系列、 s p x l l l 7 系列等。 本文采用l m 2 5 7 5 5 0 配合s p x l1 17 3 3 得到5 v 和3 3 v ，用m c 3 4 0 6 3 得到 1 5 v 和5 v 的电源方案。 3 2 1 5 v 电源设计 本系统选用l m 2 5 7 5 获得+ 5 v 电源电压，它是美国国家半导体公司生产的， 具有输入电压范围宽，输出电流大( 1 a ) ，耗散功率小等优点【1 6 1 ，电路图如下： 图3 25 v 电源电路图 在利用l m 2 5 7 5 设计电路时要注意一下几点5 】： ， 1 电感的选择： l m 2 5 7 5 电感的选择是根据电感图来选的。根据输入的最大电压v i n 、输出 最大的负载电流等参数选择电感，可以根据相应的电感图来查找所需要的电感值 1 3 3 自动定容压机控制系统硬件设计 9 、_ ， 幽 脚 一 o u t e 时输出电压u 0 ，t 1 导通，输出的电压为正，最大值为+ i o v ；当o u t f o u t e 礤 3自动定容压机控制系统硬件设计 时，输出电压u 0 ，t 2 导通，最终输出电压为负，最大值为一1 0 v 。同理可由o u t g 和o u t h 得到另外1 路得1 0 v 的电压输出，电路图和图3 1 5 相似。 3 8 开关量输入输出电路 开关量是工业现场最常见的信号之一，开关量信号可以分为“电压型开关量 信号 和“无源触点型开关量信号。前者一般为传感器的输出信号，后者一般 为继电器的输出、按钮开关输出【3 到。 根据外部输入输出信号与输入输出电路是否需要共地，可以采用“非隔离 输入输出 或“隔离输入输出的方式。在设计开关量输入输出电路时，必须 根据外部信号的类型选择合适的电路。隔离型开关量输入输出电路与非隔离型 的主要不同是：输入输出信号并不与输入输出电路共地。在非隔离输入输出电 路中加入光耦隔离器件就可以实现信号的隔离输入输出。由于工业现场干扰源 较多，所以本文采用的是隔离型开关量输入电路，其电路框图如图3 1 6 所示： 图3 1 6 开关量输入输出电路框图 图3 1 6 中的光电耦合电路将在第五章详细讲述。 3 9j t a g 调试接口电路 虽然调试与测试接口不是系统正常运行所必需的，但是它在工程开发阶段发 挥极大地作用，而且现代系统越来越强调可测性，因此调试、测试接口这部