（控制理论与控制工程专业论文）智能复合真空计的研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的不断的进步，真空技术的应用日益广泛，真空度测量的 意义亦愈来愈重要。在真空测量中受传感器的限制，采用单一的传感器时测 量范围较窄。为了扩展测量范围，可将两种或两种以上的传感器复合使用， 并实现传感器间的智能切换，从而使用一台复合真空计即可实现大范围的真 空测量。 复合真空计在测量过程中除能实现传感器间的智能切换外，还要能实现 同一种传感器的不同量程间的智能切换。一种传感器的测量范围通常跨越 3 5 个数量级，在不同的数量级下传感器的工作参数是不同的，真空计应 能在不同的数量级下适时地调整传感器的工作参数，才能保证测量精度。 本系统将用于低真空测量的z j - - 5 3 b 型热偶规和用于中真空测量的z j 一1 0 型电离规复合使用，并实现智能控制。该系统中使用的热偶规传感器 具有明显的非线性，为提高测量精度，必须对其进行非线性校正。本论文通 过比较论证，选用了三次样条插值算法。通过对三次样条插值算法的分析和 验证得知该方法用于热偶规的非线性校正是合适的，满足真空测量的一般精 度要求，具有一定的推广应用价值。 本系统选用f r e e s c a l e 的m c 9 s 1 2 系列1 6 位单片机作为核心控制器实现智能 控制。传感器输出的微弱电信号，经过信号放大和a 0 转换，送入单片机中，经过 量程转换、非线性处理和标度变换后以数字的形式显示出来，并通过m c 9 s 1 2 内 置的t u s c a n l 2 模块向c a n 总线上传送数据，实现与其他设备的实时通讯；该系统 还能够根据真空度的变化控制三路继电器的输出以实现简单的对外控制。 本论文对智能真空计的总体结构、工作原理、校正算法、硬件电路设计和软 件编程等部分作了论述。 关键词：真空测量单片机智能控制非线性校正 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s es c i e n c ep r o g r e s s e su u r e m i t t i n g l y ，t h e t e c h n i q u eo f v a c l l u i na p p f i e s i n c r e a s i n g l ya n de x t e n s i v e l y , a n dt h es i g n i f i c a n c eo fv a c u u mm e a s u r e m e n tb e c o m e sm c r e a n dm o l ei m p o r t a n t m e t e r a g ei nt h ev a c t l u mi ss u b j e c t e dt or e s t r i c t i o no f 辩n s o r s ，t h e m e a s u r i n gr a n gi sn i r r o ww h e no n l yas i n g i es e n s o ri su s e d f o re n l a r g i n gt h em e a s u r i n g r a n g ，w ec a ns p r e a d2k i n d so r2k i n d sa b o v et h es c n s o rc o m p o u n du s a g e ，a n dr e a l i z et h e i n t e l l i g e n ts w i t c h i n ga m o n gs e n s o f s t h u sw ec a nu s e es e tc o m p o u n dv a c u o m e t e rt o a c c o u n tt h ev a c u u l nt h a tc a ni m m e d i a t e l yc a t t yo u tb i gs c o p et om e a s u r e c o m p o u n dv a c u o m e t e rm u s tb ea b l et or e a l i z ei n t e l l i g e n ts w i t c h i n ga m o n gs e n s o r s , a n di n t e l l i g e n ts w i t c h i n ga m o n gd i f f e r e n tr a n g e so fo n es e n s o ri nt h em e a s u r i n gp r o g r e s s t h em e a s u r es c o p eo fo n e5 e n g o ru s u a l l yc r o s s e so v e r3 - 5p i e c e st om e a s u r ec l a s s u n d e r t h ed i f f e r e n ta m o u n tc l a s s ，t h ew o r kp a r a m e t e ro ft h es e l l $ o ri sd i f f e r e n t i no r d e rt o p r o m i s et h em e a s u r i n ga c c u r a c yt h ev a c u o m e t e rm u s tb ea b l e t oa d j u s tt h ew o r k p a r a m e t e ro ft h es e l l s o l u n d e rt h ed i f f e r e n ta m o u n tc l a s si ng o o dt i m e t h i ss y s t e mc o m p o u n d st h ez j 一5 3b t h e r m o c o u p l eg a u g ew h i c hi su s e df o rl o w v a c u l l m m e a s u r i n ga n dt h ez j 一10i o n i z a t i o ng a u g ew h i c hi su s e df o rm e d i a nv a c u u m m e a s u r i n g ，a n dr e a l i z e st h ei n t e l l i g e n tc o n 拄0 1 t h et h e r m o c o u p l eg a u g eu s e di nt h i s s y s t e mi so b v i o u s l yn o n - f i n e a r f o rr a i s i n gm e a s u r ea c c u r a c y , w em u s ti m p r o v e n o n l i n e a r i t y t h i st h e s i sp a s s e sc o m p a r i s o na a g u n m n t ，c h o s et o u s et h r i c e s p l i n e i n t e r p o l a t i o nm e t h o d a f t e ra n a l y s i sa n dv a l i d a t i o n ，w ek n o wt h a tt h i sm e t h o di ss u i t a b l e f o ri m p r o v i n gn o n l i n e a r i t y , a n ds a t i s f yt h em e a s u r ea c c u r a c yi nv a c u u mm e a s u r i n g ，s oi t h a v eac d - t a i ne x p a n s i o na p p f i c a f i o nv a l u e 。 t h i ss y s t e mu s e sf r e e s c a l e sm c 9 s 1 2s e r i f 81 6b i ts i n g l e - c h i pc o m p u t e ra st h e c e n t e rc o n 扛o h e rf o ri n t e l l i g e n tc o n t r 0 1 t h el o we l e c t r i cs i g n a lt h a ti so u t p u u e df r o mt h e n s 讲i sp u ti n t ot h es i n g l e - c h i pc o m p u t e ra f t e rm a g n i f y i n ga n da dc o n v e r s i o n t h e n t h r o u g hr a n g ec o n v e r s i o na n dn o n - l i n e a rc o r r e c t i o n ，s c a l et r a n s f o r m a t i o n ，t h es i g n a lw i l l b ed i s p l a y e da sf i g u r e s a n dt h r o u i g ht h em s c a n l 2m o d u l ee m b e d d e di nt h em c 9 s 1 2 ， d a t ac a nh et r a n s m i t t e dt ot h ec a nb u s ，r e a l i z i n gr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o nw i t ho t h e r 摘要 d e v i c e s t h i ss y s t e mi sa b l et oc o n r o lt h eo u t p u to ft h r e e - r o u t er e l a ya c c o r d i n gt ot h e c h a n g eo fv a c u u mv a l u e t h e ni o a , i t 鹭s i m p l ee x t e r n a lc o n t r o l t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ec o l l e c t i v i t ys w a c t u r eo ft h ei n t e l f i g e n tv a c u o m e t e r , w o r k t h e o r y , e m e n d a t i o n i t h m e t i c ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t r ya n dp r o g r a m m e do f s o f t w a r ea n d 0 1 3 k e y w o r d ：v a c t i r l nm e a s u r e m e n ts i n g l e - c h i pc o m p u t e r i n t e l l i g e n tc o n t r o l n o n - l l n e a rc o r r e c t i o n 附件一： 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。 论文作者签名：之阻 日期：坦：坐! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、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；本人授权山东大学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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 第一章概述 1 1 课题简介 第一章概述 随着科学技术的不断进步，真空技术日益广泛应用于国防、工业生产、高 新技术产业及科学研究的各个领域。比如，薄膜技术、电真空技术、高能粒子 加速器、表面科学、大规模集成电路制造、空间技术和材料制备等领域都离不 开真空技术。近十几年来，随着真空技术的成功推广应用，真空技术在许多工 业领域和科学研究领域的作用愈显重要，在电子、航天、信息、生物工程等高 新技术方面尤其是这样。这是由于许多现代科学技术必须依靠真空技术作为手 段，才能实现其高要求的技术指标。在某些传统的工业领域，也采用真空技术， ， 从而大大提高了产品的性能。因此真空技术的应用正日益成为高科技不可缺少 的重要环节。 真空技术包括两个方面，一是真空的获得，即真空的产生和保持，它一般 由机械方法实现，二是真空度的测量，由传感器和相应的测量电路完成。真空 测量工作对保证真空产品质量，促进产品质量稳定和提高真空产品的水平，都 起着积极的作用，同时也能为科研论文、技术文件、工艺文件提供准确、可靠 的数据。所以真空测量有着非常重要的意义【1 2 3 】 目前，国内市场上的真空测量仪表品种较多，但由于各种真空测量方法的 局限性，每种真空仪表都受其测量上限和下限的限制，可测量的真空范围窄。近 几年来也出现了较先进的智能复合真空计，即将两种或两种以上的测量方法结 合起来以扩展测量范围并实现两种测量方法的自动切换，但多采用8 位单片机 实现自动调节与控制，采用串行口与外部设备通讯t 4 5 , 6 m 随着单片机和网络技 术的发展，1 6 位、3 2 位单片机在嵌入式系统中的应用呈迅速增长趋势。为进一 步提高复合真空计的性能、开辟智能复合真空计新的应用前景，现将f r e e s c a l e ( 原 m o t o r o l a ) 公司的m c 9 s 1 2 系列1 6 位单片机用于智能复合真空计中，以提高智 能复合真空计的整机性能，并利用m c 9 s 1 2 所包含的c a n ( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k ) 总线将智能复合真空计纳入现场总线控制系统，为智能复合真空计在 真空系统中的进步应用开辟新的道路。 山东大学硕士学位论文 本论文采用热偶真空计和电离真空计复合，热偶真空计测1 0 3 p a 1 0 p a ， 电离真空计测l o p a lo - 4 p a ，整机测量范围为t 0 3p a l o - 4 p a ，实现了从低真空 到高真空的全量程测量。 该复合真空计的核心控制芯片采用m c 9 s 1 2 d g l 2 9 单片机，具有c a n 总线 j 通讯接口，可以方便的和p c 机或p l c 连接成总线型d c s 系统，通讯距离长达 i o k m ，数据传输速率高达1 m b s ；具有3 路压控继电器；软件实现传感器的非 线性校正、量程自动切换等保证了测量精度；电离规不怕暴露大气，电离规和 热偶规均有完善的故障保护电路。同时该复合真空计在硬件和软件上采取了抗 干扰措施，实现了工业级设计。 1 2 热偶规、电离规的真空测量原理 该智能复合真空计测量真空的传感器是热偶规和电离规，下面分别介绍测 量原理： 1 2 1 热偶规的压强测量原理n 阄 加热丝热电偶 图1 - 1 热偶规结构示意图 如图1 一l 所示，热偶规是利用气体的热传导现象来测量气体真空度的。工作 时给热偶规热丝通入一恒定电流，由热电偶测量热丝的温度，真空度低时压强 高，气体分子多，导热性能好，热丝散走的热量多，所以热丝温度低；真空度 。 高时压强低，气体分子少，导热性能下降，热丝温度高，将热电偶输出的热电 势转换为压强值就实现了真空度的测量。测量过程中压强值是热电偶输出热电 势的函数p = f ( v ) ，v 是热电偶输出值，p 是压强值。熟偶规的测量下限一般为 2 第一章概述 1 0 1 p a ，为扩充测量上限，选用了短丝抗污染的z j - - 5 3 b 型热偶规，其测量范 围是2 7 0 p a o 2 5 p a 。 1 2 2 电离规的压强测量原理【1 羽 收集极加速楹灯丝 图1 2 电离规结构示意图 如图l 一2 ，灯丝通电后可发射电子；加速极上加正电位，使发射的电子加 ， 速；收集极加负电位，用以收集气体电离后产生的正离子。 电离规是利用低压强下气体的压强与离子流成正比例的关系测量压强的。 工作时，灯丝通电加热后发射的电子在带正电位的加速极的加速电场作用下， 飞向加速极，在飞行过程中获得了足够的动能，并与管内空间的气体分子相碰 撞，使气体分子电离，产生了正离子和电子，正离子被带负电的收集极所吸收， 形成离子流i + ，电子被加速极所吸收形成电子流或称为发射电流i e 。在低真空 下，离子流r 与被测系统的气体压强p 及发射电流k 成正比，即 i + = s * p * i e 其中s 为规管灵敏度( 为常数) ；i e 为发射电流，可由稳发射电路控制， 使之保持恒定。此时离子流i + 只与被测系统的气体压强p 成正比关系，那么， 我们就可以根据离子流r 的大小确定气体压强即真空度的大小了。 电离规选用z j - - 1 0 型，为保证加速极具有正电位，加+ 1 6 5 v 直流电压； 为保证收集极具有负电位，给灯丝加+ 4 5 v 直流偏压，收集极为零电位。 热偶规的缺点是量程窄，线性度不高。但它结构简单，使用方便。在真空 测量中，电离真空规是最主要的一种规型。在本系统中，将热偶规和电离规复 合使用，实现了从低真空到中真空的测量，扩大了压强测量范围。 3 山东大学硕士学位论文 1 3 真空计的总体结构 真空计的结构示意图参见图1 3 ：智能化真空计的组成框图。 图1 - - 3 ：智能化真空计的组成框图 如图1 3 所示，智能真空计由电源部分、测量部分、多路选通开关、a d 转换部分、单片机部分、继电器输出部分组成。测量部分包括热偶规测量、放 大和电离规测量、放大。工作时，测量部分通过传感器( 热偶规管和电离规管) 对真空室中的压强进行测量，将气体压强转换成电压信号( 热偶规测量) 或电 流信号( 电离规测量) ，采样值再经过模拟信号放大和调理，经a d 转换后送入 单片机，经过数据处理得到相应的压强值并通过显示部分直接显示出来，同时 可根据预先设定的压强值改变继电器输出状态，从而对真空泵的运行进行控制。 另外，智能化真空计具有c a n 总线接口，他可通过c a n 总线与其他智能 设备进行通讯。如图1 4 ：真空计联网示意图。如图中所示，通过c a n 总线真 空计可与具有c a n 总线接口的其他现场设备组成一个网络系统。c a n 总线作为 现场设备级的通信总线时，其通讯距离远，通信速率高，具有很高的可靠性和性 能价格比，在工业测量和控制领域应用越来越广，口，l 川 4 第一章概述 节点1 节点2 节点n 图1 4 真空计联网示意图 1 4 真空计的主要功能 本系统主要用于工业现场容器内真空度的检测和控制。系统的主要功能有： 真空度测量。采用热偶规和电离规双传感器检测真空度( 复合型) ，在不同 的压强下，通过热偶规和电离规的搭配使用测量真空室的压强值，测量范围 可达2 7 1 0 2 p a 1 3 l o - 4 p a 。其中热偶规的测量范围是2 7 1 0 2 p a 2 5 1 0 1 p a ，而电离规的测量范围是1 3 p a 1 3 1 0 a 。 量程自动切换。当真空室压强值在2 7 1 0 2 p a l s p a 范围内时用热偶规测 量可得到满意的线性度，而此时由于电离规在该范围内线性度降低，不能使 用，仪器可自动控制热偶规进行测量；当真空室压强值在t p a 1 3 x l o - 4 p a 范围时热偶规的线性度降低，不能使用，而电离规测量才能获得高线性度， 仪器可自动无扰动地将测量传感器由热偶规切换到的电离规；当真空室压强 由7 p a 1 3 1 0 - 4 p a 变化到2 7 1 0 z p a 1 5 p a 时，仪器又可自动无扰动地 将测量传感器由电离规切换到热偶规。 全数字控制。选用f r e e s c a l e 公司的m c 9 s 1 2 系列中的m c 9 s 1 2 d g l 2 8 作为 控制器。 l e d 显示。热偶规和电离规的测量结果分别用双窗口显示。 参数设置。根据实际要求可以灵活有选择的由键盘设置继电器动作对应的压 强值，从而控制真空泵的运行。该参数只需一次置入，掉电后不丢失，并且 可以反复设置。 5 山东大学硕士学位论文 软件修正规管非线性。热偶规和电离规测量得到的采样值，经信号放大，通 过a d 转换得到电压数字量，用样条插值法进行数据处理，得到真空的压强 值。 c a n 通讯接口。c a n 总线通讯接口，可以方便的和p c 机或p l c 连接成总 线型d c s 系统，通讯距离长达1 0 k m ，数据传输速率高达1 m b s 。 规管自动保护。电离规具有自动保护措施，真空系统暴大气时，电离规自动 关闭，灯丝不会烧断，可大大延长电离觌的使用寿命。 手动自动切换。可由键盘在手动和自动控制方式间切换，自动控制方式下， 量程可以自动切换，可自动实现全量程测量，电离规具有自动保护功能。手 动控制下，可以单独使用电离规，但需键盘实现开、关控制。 采用光电隔离。模拟量和数字量间采用光耦进行隔离，抗干扰能力强。 1 ：5 量程的智能转换 该功能包含两方面的含义：1 、测量规管在不同压强值的相互智能转换；2 、 电离规处于工作状态时，其测量量程的智能转换。 为了获得满意线性度的真空室的压强值，测量中、低真空压强值时需要将 用于低真空测量的热偶规和用于高真空测量的电离规配合使用。本设计中使用 的热偶规量程为2 7x1 0 2 p a 2 5 l f f l p a ，电离规的量程为1 3 p a 1 3 1 0 - 4 p a 。根据实际的需要，当真空室压强处于2 7 x 1 0 z p a 1 5 p a 时，热偶规在 工作状态，测量压强值；当真空室压强处于7 p a 1 3x1 0 - 4 p a 时，电离规在工 作状态，测量压强值。另外，为满足调试需要，必须有两种切换方式：一种方 式是，依据热偶规的测量值来决定是否由热偶规切换到电离规；另一种方式是 依据电离规的测量值来决定是否由电离规切换到热偶规。 测量规管的相互智能切换的实现是由硬件电路和软件联合完成的。在硬件 上采用了模拟开关和a d 转换电路。热偶舰和电离规输出的测量信号经过转换 和放大后变成电压信号分别被加到模拟开关的两个输入端。单片机控制着模拟 开关的输入端的选择。被选中的输入端的输入信号被传递到a d 转换电路，该 电路将输入的电压信号转换成数字信号输入到单片机。单片机经过数据处理得 到压强的测量值。真空计上电后默认为热偶规处于工作状态，此时由程序控制 第一章概述 接通热偶规的输入通道，程序把测量值与切换的域值比较。当压强值低于域值 时，程序控制热偶规和电离规的输入通道交替接通，此时电离规便处于工作状 态，显示电离规的测量值。在这里之所以交替接通热偶规和电离规，是为了根 据设定的切换方式来使用热偶规的测量值或者使用电离规的测量值判断是否应 该由电离规工作反状态切换回热偶规的工作状态。 下面介绍在电离规处于工作状态时，测量值量程的切换的要求和实现概述。 由电离规测量压强的原理可知压强低时，电离规灯丝的发射电子碰撞气体 分子所得到的离子浓度很低，因而电离规收集极得到的离子变少，使得电离规 的输出信号微弱，很容易被噪声淹没，而使最终显示测量值发生偏差。为了避 免此种情况，就需要在电离规输出信号微弱时，增大信号的放大倍数，或者通 过增多发射电子的数量来提高离子的数量，从而直接使电离规的输出信号得到 增大。 测量值量程的切换也是由硬件和软件联合而实现的。硬件上具有对应两种 量程的信号放大电路，可由程序控制放大倍数的切换；另外硬件上还具有对应 的两种量程的发射电子电路，也可由程序控制切换这两种电路。软件上，通过 测量值和域值的比较来决定是否进行硬件电路的切换。当压强较低时，测量值 低于域值，单片机控制切换放大电路，增大放大倍数，通过软件将测量值变换 到较小的量程。当压强更低时，单片机通过域值比较，来控制切换发射电子的 电路以增多发射电子，用来提高信号值，软件将测量值变换到更小量程。当真 空室气体的压强增大时，经过上述的相反的过程，将测量值切换到大量程。【i l 1 2 1 3 】 7 山东大学硕士学位论文 第二章热偶规的非线性校正 由于热电偶传感器输出信号热电势x 与被测压强y 之间存在着明显的非线 性，校准的特性曲线如图2 1 所示，该曲线没有一个精确的数学模型。在测量 过程中，为了提高测量精度，必须对其非线性特性进行校正。线性化处理的方 法，常用的有两大类：硬件线性化和软件线性化。在有微控制器机参与的本系 统中，为了节省硬件投资，简化系统结构，选取软件校正方法。 喜 噩 善 出 i i 电鲁( 4 酌 ( ) 图2 一l热偶规的校准曲线 ( ) 1 0 2 l o p a ( b ) l o 1 3 3 p a 在本应用中因热偶规的测量范围跨越了几个数量级，而取样点( 即节点) 又不能取得太多。如果采用线性插值算法，在低次插值时，得到的插值多项式 是不光滑的，误差较大；在次数较高时，计算量又太大。采用添加了一阶导数 插值条件的埃尔米特三次插值算法时，虽然使曲线光滑了，但求解时需要内节 点处的一阶导数，这是不现实的。为此，本设计中选用三次样条插值法进行软 件校正， 1 4 , 1 5 , 1 6 , 1 7 , 1 8 , 1 9 三次样条插值法在内节点处的一、二阶导数都是连续的，因此得到的曲线 第二章热偶规的非线性校正 更光滑，只是求解时比线性插值算法多两个插值区间端点处的边界条件，如果求 解方法选得合适，可以使算法很容易地实现。这里我们就选用易于求解的三弯距 算法。 2 1 校正算法 先对传感器进行“标定”，即在充分多的测试点进行实际测试，记录下每个 测试点用其他精密仪器测得的气压值和传感器对应的电压值。然后将所有测试 点的数据按增序( 或减序) 整理成插值表如表2 - 1 。 表2 - 1 插值表 记子区问【而，而“】的长度为：岛= 工i + i ，墨，i = 0 , 1 ，2 ，n - 1 三次样条插值多项式的二阶导数f 弋记为m ( x ) ，称为弯距，设其在节点 处的待定值为m 。= m ( x t ) ，i = 0 , 1 ，2 ，n 由肘( 为折线可得： s m 州c 力= m t 竿+ m r “寻 j 吃，玉+ l 】，i = 0 ，1 ，2 ，n 一1 对上式两边作两次不定积分可得： 啦譬啦。譬+ 啦竿+ 尼等 并【五，而“】，f = o , 1 ，2 , - - - , n - 1 其中q ，届为待定系数，由插值条件j ( 工) = f ( x ) 得： 地阳c 班鸩芋啦。警+ 啦罕+ 屈半 m 护如护鸩气竽啦。产+ i 半+ 屈半 9 山东大学硕士学位论文 整理后得： q = 删一t mh ：舡瓶) 一华 代入( 1 ) 式即可得每个分段i ( x 。，x 一) 上的三次样条插值多项式 舡，= 譬m ，一缸，竿 + ( y 。一等虬。) 午 工b f ，工f “t i = 0 , 1 ，厅一1 ；h l = 毛+ l 一而；肘f = j 。( _ ) 对上式两边求一阶导数，得： 以加一m ；+ 哮。 一等( ，一m 其中，b ，工f + l 】为一阶均差。从而有 占7 ( 工；+ o ) = ，b ；，t + ，】一i h i ( 2 m ，+ 膨) s ( 工；+ 。一o ) = ，b ；，石；+ 。】+ g ，+ 2 膨。+ 。) ( 2 ) 于是，由一阶导数在内节点处的连续条件s ( 石。一0 ) = j ( x ，+ 0 ) ，得 1 0 m+膨 但 啊一6 一j m 加 = j 乞 蝴 吐 r - l 膨 红6 + 五k 厂 第二章热偶规的非线眭校正 若记 舻矗 见t ；元： ；1 _ 2 - 一t d ；= 6 f b ，x 】 其中的，k _ 1 ，墨，薯+ l 】为二阶均差，则关系式( 3 ) 可简写为 i mi l + 2 mi + a j m “l = d i ，i = 1 , 2 ，l 一1 ( 4 ) 方程组( 4 ) 与边界条件 联立可得三对角型方程组如下： 2 t 1 1 2 t 。一t 2 旯。一i 12 该方程组存在唯一解，可用追赶法解之。 2 2 求解过程 m o 肘l ： 膨一i 肘。 d o d l ： d 。一l d 。 设已知函数f ( x ) 在插值节点处的值为y f = ，( ) ，f = 0 , 1 ，2 ，露。 l 、计算系数 h b 严： 以 b ， ；一一掣百 撕 肼 ， 纠 m 山东大学硕士学位论文 啊t 嘞北川5 罕枷坛 l “= 矗小卜肛 f i x , 一l ，t ，x i + l 】=! 苎兰! 苎! 二! 兰! 苎生j ，i = 1 ，2 ，咒一1 x i 一x i + 1 d i = 6 i x , _ l ，石i ，石j 十l 】 2 、设置与边界条件有关的参数 磊= - ( y x o ，而卜厂( 而) ) d n = 善( 厂，o 。) 一，【矗4 ，】) _ l 3 、求解与边界条件对应的三弯距方程( 4 ) 得到弯距值膨，( i - o , 1 ，n ) 。 m 。一经求得，则对任意分段i 上的插值点x ，都可由( 2 ) 式计算出所需的值。 2 3 算法验证 本实验以z j - - 5 3 b 热偶规为对象进行。实验系统由真空泵、热偶规、放大电 路、f r e e s c a l e 的单片机开发工具等组成。热偶规作为传感器，将被测容器的压强 信号转换成电信号，经放大电路放大成a d 转换所需的标准输入信号直流电压 0 5 v ，1 2 位a d 与o 5 v 的对应输出数据d 为0 4 0 9 6 ，它反映的压强变化范围 是1 0 - 1 p a - l o a 。 标定的部分数据如表2 2 。压强变化范围共5 个数量级，每个数量级中大致 取十个数据。 表2 - - 2 实验标定数据 d3 8 5 93 6 5 23 4 7 23 2 8 43 1 1 72 9 6 62 8 3 22 7 0 幸2 5 7 4 p ( p a ) o 1o 2o 30 4o 5o 6o 70 8o 9 2 4 0 8 1 6 9 6 1 2 8 6 1 0 5 79 0 48 0 7 7 2 26 6 56 1 2 l23456789 5 5 94 5 33 8 93 5 43 3 53 2 23 1 03 0 22 9 4 1 02 03 04 05 06 07 08 09 0 第二章热偶规的非线性校正 2 8 62 7 82 7 62 7 42 7 22 7 02 6 82 6 62 6 4 1 0 0 2 0 0 3 0 04 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 0 通过三次样条插值得到的部分数据如表2 - 3 。 表2 - 3 部分插值结果 d 3 8 5 93 7 9 23 6 9 03 5 8 03 4 7 23 1 8 32 9 3 92 7 0 42 5 7 4 p ( p a ) o 1o 1 3o 1 8o 2 4o 30 4 6o 6 2o 8 o 9 2 3 1 62 0 6 81 5 5 9 1 6 9 6 1 5 5 l1 4 2 0 1 3 1 9 1 1 5 1 1 0 5 7 1 1 1 4 1 72 o2 32 62 93 44 3 3 53 3 23 2 93 2 63 2 03 1 63 1 23 1 0 2 7 2 5 05 35 6 5 9 6 46 66 8 7 05 0 0 2 7 l2 7 0 2 6 92 6 8 2 6 7 2 6 62 6 52 6 42 6 3 5 4 06 0 06 4 07 0 07 5 08 0 08 6 09 0 0 9 8 0 插值结果在节点处与实验值相等，非节点上的插值p 与校准系统所测数据 比对，亦有良好吻合。实验表明：该方法用于真空测量中的非线性处理是合适的。 1 3 山东大学硕士学位论文 第三章系统的硬件设计 本章着重介绍智能复合真空计的硬件设计思路及原理。智能复合真空计主 要分为主控模块、测量模块和电源模块三部分，其中主控模块包括测量输入接 口、控制输出接口、人机界面和c a n 通讯接口四部分。 3 1 微控制器 在本文的前面部分曾提到在本系统中所采用的单片机为f r e e s c a l e ( m o t o r o l a ) 公司的m c 9 s 1 2 系列单片机。在这部分，首先对m c 9 s 1 2 系列单 片机的功能特点做简单介绍。 f r e e s c a l e ( m o t o r o l a ) 公司是全球最大的微控制器供应商，它生产的微控制 器已广泛使用在成百上千种产品的嵌入式系统或制成品内。目前，全球有超过 8 0 亿个m o t o r o l a 处理器在使用中。f r e e s c a l e ( m o t o r o l a ) 公司的m c u 已经有多 个系列。其中，m 6 8 0 0 系列8 位微处理器是f r e e s c a l e ( m o t o r o l a ) m c u 的先驱， m 6 8 0 1 系列m c u 是在它的基础上开发的，但仍采用n m o s 工艺，c p u 功能和 指令系统与m 6 8 0 0 向上兼容。为了进一步降低成本，满足家电领域的需求， m o t o r o l a 公司在m 6 8 0 1 的基础上进行了简化，并采用高性能的l i m o s 技术，改 用模块结构推出了m 6 8 0 5 系列8 位单片机，在家电领域得到了广泛应用。之后， 又对m 6 8 0 1 进行了更新换代，推出了同样采用h c m o s 技术的m 6 8 h c l l 系列， c p u 和i o 功能比m 6 8 0 1 有了大幅度的提高，是一种功能强大的8 位单片机。 2 0 , 2 1 , 2 2 1 为了适应单片机在人工智能、精密控制、激光打印机等领域的应用，1 9 9 6 年，推出了m 6 8 h c l l 的升级换代产品、性能更强、指令更丰富、调试更方便的 1 6 位系列m 6 8 h c l 2 ，后来又进一步推出了h c s l 2 系列，性能又有所进步。 2 3 1 1 6 位单片机的c p u 寄存器组中的寄存器都是1 6 位的，数据总线，无论片 内数据总线还是扩展片外寄存器用的外部数据总线都是1 6 位的，c p u 每次对存 储器的读、写操作都是1 6 位宽度的，即2 b 或一个字( w o r d ) 。1 6 位宽度的2 进制数可以代表的无符号整数是0 6 5 5 3 5 ，可以表示的有符号整数是一3 2 7 6 8 3 2 7 6 7 。二进制1 6 位数还可以表示分数，精度为1 6 5 5 3 6 ，或1 3 2 7 6 8 ，这一 1 4 第三章系统的硬件设计 范围内的数值的加、减、乘、除等运算都可以用单条指令完成。并且，目前单 片机的片内r a m 己可以做到几十k b ，片内f l a s h 也可以做到几百k b ，使用 1 6 位c p u 的单片机很容易做到应用系统的单片化。h c s l 2 单片机把寻址空间 限制在1 6 位地址宽度，可以使程序相对较短，代码效率高，运算速度快，使用 某些实时操作系统也很合适。 m c 9 s 1 2 系列即是h c s l 2 系列1 6 位单片机，与h c l 2 相比，该系列在总 线速度、时钟、存储器、接口等方面均有变化。首先，h c s l 2 采用m o t o r o l a 的 第三代快闪存储器，容量3 2 5 1 2 k b ，具有快速编程能力、灵活的保护与安全 机制，有利于软件版权的保护，而且擦除和写入无需外加高电压，并可实现在 线编程；h c s l 2 的r a m 和e e p r o m 容量总体上高于h c l 2 系列，分别为2 1 4 k b 和1 4 k b 。在串行接口方面，h c s l 2 最多可支持5 个c a n 总线接口、1 个j 1 8 5 0 接口、1 个i 2 c 总线接口、2 个s c i 接口、3 个s p i 接口，以后还计划 增加u s b 和其他接口。其次，h c s l 2 时钟发生器模块内设锁相环p l l ，内部时 钟可软件调节，可以产生高于外部晶振频率的时钟。c p u 周围还有周期性的时 钟中断电路、看门狗电路、时钟监控电路、硬件断点电路。h c s l 2 的一些性能 优于h c l 2 系列，尤其是f l a s h 模块，采用了先进的0 2 5 帅工艺，无需外加 编程电压，最短整体擦除时间仅1 0 0m s ，5 1 2 字节页擦除时间仅2 0 m s 。 h c s l 2 系列单片机的中央处理器c p u l 2 的结构如图3 一l 所示，主要包括 c p u 控制单元，c p u 寄存器组和算术逻辑单 元a l u 及指令队列四部分。控制逻辑统一协 调各部分逻辑，a l u 部件完成指令所要求的 算村逻辑运算等操作，寄存器用于存储操作 数或运算结果。累加器a 和b 是8 位的，也 可以组成1 6 位累加器d 。1 6 位寄存器d 、x 、 y 用于暂存数据或存储器寻址，s p 为堆栈指 针，p c 为程序指针，用于寻址程序代码，c c r 主要反映运算结果特征，也控制c p u 的行为。 c p u l 2 外部总线频率为8 m h z ，内部运算速 度可达2 5 m f i z ，并具有很强的高级语言支持 累加器d 匪 三二习三卫 变址寄存器臣 二二薹二二二习 变址寄存器巨三二二至 堆栈指针匡二二二至二 程序指针匝 二二医二二习 程序状态字节匝j i i i 固 图3 1 ：c p u l 2 结构组成 1 5 山东大学硕士学位论文 功能。1 2 4 , 2 5 1 m c 9 s 1 2 系列有多种型号，本系统选用m c 9 s 1 2 d g l 2 8 ，该芯片采用8 0 引 脚封装，共有5 9 个i o 端。其内部主要资源如图3 2 嘲 3 2 主控模块设计 图3 2 ：m c 9 s 1 2 d g l 2 8 结构框图 主控模块包括测量输入接口、控制输出接口、人机界面和c a n 通讯接口 四部分。下面将对这四部分的设计思路及原理进行阐述。 3 2 1 测量输入接口 前面已经提到该真空计为复合真空计，在不同压强范围内使用的传感器不 同，测量输入接口必须能在两路输入信号间切换，为此选用多路开关来实现信 号的切换。在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而其他路断开，从而达到 信号切换的目的。经多路开关引入的模拟信号再通过a 巾转换后输入单片机。 1 6 图3 3 测量输入通道 第三章系统的硬件设计 其组成框图如图3 - - 3 所示。 传感器一般都是模拟量小信号电流或电压输出，经过信号调节器调节成能 满足a d 转换器输入要求的大电压信号。关于信号调节将在3 5 测量模块的设 计中介绍。下面介绍多路开关，本系统采用8 选1 的模拟开关c d 4 0 5 1 ， m c 9 s 1 2 d g l 2 8 与c d 4 0 5 1 的通道选择控制端之间用光耦4 n 3 5 进行隔离，防止 模拟电路的扰动造成单片机系统的程序跑飞或其他故障，增强系统的抗干扰性。 光耦是微机测控系统中常用的器件，它利用光电转换的原理传输信息，不 仅使输入端与输出端绝缘，从而抑制地电位差的干扰，而且对电磁干扰也有很 强的抑制能力，且速度高，价格低，接口简单，但光耦的线性度差，通常只适 用于传输数字信号。光耦的输入端是发光二极管，输出端有多种形式，如光敏 二极管、光敏三极管等，4 n 3 5 属于输出端为三极管的光耦，发光二极管导通时 发出的光照射到光敏三极管上，起到基极电流的作用，激发产生集电极电流， 使输出端导通田l c d 4 0 5 1 各通道分配如下： 表3 - 14 0 5 1 通道分配表 4 0 5 1 的c4 0 5 1 的b4 0 5 1 的a作用通道 oo 热偶规 o o1 电离规 1 9 s 1 2 一p a 79 s 1 2 一p a 6 下面介绍a d 转换。 虽然m c 9 s 1 2 d g l 2 8 内集成了8 路1 0 位a d 转换器，但在工业应用中1 0 位分辨率一般不能满足精度要求，本系统需要扩展a d 转换器，因真空测量中 传感器的输出信号是缓慢变化的直流信号，为提高测量精度，增强抗干扰能力， 故这里选用1 2 位双积分型a d 转换器i c l 7 1 0 9 。 i c l 7 1 0 9 是一种高精度、低噪声、低漂移的1 2 位双积分型a d 转换器， 其内部有基准电压源和用于产生时钟信号的振荡电路，只要在外部接少量的器 件，内部就可产生时钟信号。i c l 7 1 0 9 的输出是三态可控的，t r l 电平，易于 与各种微机接口，简化了接口硬件电路。另外，i c l 7 1 0 9 的数据同时输出，因 而可一次读取，也可分两次读出，方便了软件设计。 1 7 山东大学硕士学位论文 图3 4a d 转换原理图 i c l 7 1 0 9 的外部电路和参数的选择如图3 4 。因该系统的单片机采用普通 单芯片运行模式，1 2