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摘要 煤粉流量动态测量控制系统的研究 摘要 本文在调研了国内外煤粉流量测量控制系统的基础上，结合电厂锅炉燃烧控制系统运行维 护的特点，提出了基于冲量式流量计的给粉机煤粉流量测量与控制的方案。同时，根据给粉机 煤粉流量控制的特点，把模糊控制策略引入到测量控制系统中，初步实现了煤粉流量的模糊控 制 首先介绍了冲量式流量计的基本原理，分析测量中煤粉流量的信号，指出了平行粱传感器 弹性元件阻尼设计的重要性，提出了通过动力消振原理增加弹性元件阻尼的方法，并进行了相 应的理论分析，对传感器的结构进行了改进，从根本上提高了测量精度。 在硬件设计方面，设计基于d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 的d s c 测量控制主板，实现了传感器的信号采集、 c a n 通讯、p , s 一4 8 5 通信和l e d 显示等功能针对开发环境的建立、v s c 芯片的配置和在线编程 调试等具体技术问题进行了详尽的论述在软件设计方面，运用v i s u a lc + + 和a c c e s s 建立了 上位机监控软件和煤粉流量的数据库管理系统，采用p c i 一9 8 4 0 实现了上位p c 机与现场控制主 板的c a n 通讯，从而成功地实现了基于d e v i c en e t 的煤粉流量分布式集散控制与测量。 最后，对系统运行过程中可能产生的误差及其原因进行分析，并通过数据处理减小了误差 对系统的影响，运用野值剔除法剔除数据中的野值，根据处理后的数据对系统进行标定试验 表明，测量精度可达土0 器 关键词，嫉粉流量，冲量式流量计，致字信号控制器，模期控制，误差分析 s t u d yo nd y n a m i c m e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mf o rt h e f l o wo fp u l v e r i z e dc o a l a b s t r a c t o nt h eb a s i so ft h o r o u g h l yi n v e s t i g a t i o no nt h ef l o wm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo f p u l v e r i z e dc o a li nt h ew o r l d ，c o n s i d e r i n gt h eb o i l e rb u r n i n gc o n t r o ls y s t e mi np o w e rp l a n t t h ef l o w m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fp u l v e r i z e dc o a lb a s e do ni m p a c t - b a s e df l u xs e n s o ri sp r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a t e ro ft h ef l o wc o n t r o ls y s t e mo fp u l v e r i z e dc o a li np o w e rp l a n t , t h ef u z z y c o n t r o li sp r o v i d e d 。a n dt h ef u z z yc o n a o l l e ro f t h ef l o wc o n t r o ls y s t e mi sr e a l i z e dp r i m a r l l y f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r yo fi m p a c t b a s e df l u xm e t e ri si n t r o d u c e d i t sp r e c i s i o ni ss e a s i t i v et ot h e b a s ev i b r a t i o np r o d u c e db yt h ep u l v e r i z e dc o a lf e e d e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ot h ea p p r o p r i a t e c a n t i l e v e rd a m p i n ga n dt h es e n s o rp r e c i s i o ni ss t a t e d 1 1 a p p r o a c ho f u s i n gt h ed y n a m i cd a m p i n gt o e l i m i n a t et h ec a n t i l e v e rv i b r a t i o ni sp r o p o s e d a f t e ri m p r o v e i n gt h es t r u c t u r eo ft h e 鲥蜘s o lt h e p r e c i s i o ni se n h a n c e d i nh a r d w a r ed e s i g n , t h em a i nb o a r di sd e s i g n e db a s e do nt h e 出p i c 3 0 f 4 0 1 3 t h ed a t aa c q i i i s i f i o n , c a nc o m m u n i c a t i o n , r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o na n dt i l el e dd i s p l a yj sr e a l i z e di nt h es y s t e m t h e d e t a i lt e c h n i c a lp r o b l e m sr e f e r r i n gt ot h er e a l i z a t i o no ft h em e n t i o n e dt a r g e t ss u c ha st h e e s t a b f i s h m e n to f t h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t , t h ep r o g r a m m i n go f t h ed s c ss e t u pc o n f i g u r a t i o na n d t h ed e b u gm o d ee t c a r ea l s od e a c r i b e d i ns o f t w a r ed e s i g n , t h cp c i 9 8 4 0i su s e dt oc o m m u n i c a t ep c a n dt h em a i nb o a r d , w h i c hi sb a s e do nt h es o f t w a r ep a c k a g ev i s u a lc - h - a n da c c e s sd e v e l o p e df o rt h e f l o wm e a s u r e m e n t c o n t r o lo f p u l v e r i z e dc o a l f i n a l l y , t h ee l f u rt h a tm a yo c c u ri nt h ee x p e r i m e n ti sa n a l y z e da n dt h er e l k 9 0 1 sa r ef o u n d ， t h e r e f o r et h ei n f l u e n c eo f t h es y s t e m a t i ce r r o rw a sr e d u c e dd u r i n gd a t ap r o c e s s i n go f t h ee x p e r i m e n t t b e o u t l i e r d a t a w a se l e l i m i n a t e d a n d t h e r a t i o n o f o n t p u t v o l t a g e t o t h e f l o w m a s so f p u l v e r i z e dc o a l w a sc a l c u l a t e d t h ee x p e r i m e n ts h o w st h a t 山em e a s u r ep r e c i s i o no f t h ef l o wr e a c h e s o 5 k e yw o r d s ：f l o wo f p u l v e r i z e dc o a l ；i m p a c t - b a s e df l u xm d 【c cd s c ；f u z z yc o n t r o l ；e r r o ra n a l y s i s 东南大学学位论文独创性声明 本人声明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 研究成果尽我所知，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，也不包含为获得东南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已在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：、0 立f 日期：啦 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签签名：虹日期：兰型嗣 第一章绪论 1 1 课题背景和意义 第一章绪论 在电力生产行业中，发电机组尤其是大容量机组安全、经济运行的迫切要求实现发电设备 控制现代化。近年来，随着计算机技术、现代控制理论及其他相关技术高速发展，数据采集系 统( d a c ) 、分散控制系统( d c s ) 、现场总线系统( f c s ) 在电力生产行业中广泛应用，这就 要求实现运行机组的大量参数的在线监测以满足计算机显示和控制的需要。在锅炉燃烧系统 监控方面，如炉温、压力、水和蒸汽流量等参数的测量技术已经成熟i l j 但作为重要运行参数 的煤粉供给流量的在线测量与控制，因现有测量装置不能实现实时显示、累加，不能精确快速 反应流量变化 2 1 ，测量值与实际的耗煤量存在一定的偏差埘，从而限制了发电设备控制的现代 化进程。 煤粉供给流量的在线监测对于整个燃烧系统的在线监测及锅炉的安全运行与优化调整都是 至关重要的1 4 l 。首先，测量偏差过大，过高的供给速度将导致高能量消耗、严重的管道损耗和 颗粒分解。过低的供给速度会导致管道内颗粒沉积，甚至造成管道堵塞。其次，炉灰中未燃烧 的煤是降低锅炉燃烧率的主要原因之一，若要将损失降到最小，需要对注入炉膛的煤粉和空气 的混合比进行精确测量控制，以保证每条管道中的煤粉质量流量连续、稳定。另外，输送管道 之间的煤粉不均匀分布会导致一系列燃烧问题，例如火焰熄灭过多的氮氧化物，燃烧不稳定 和结渣等1 5 1 这些问题的解决必须通过测量和控制每条管道内煤粉的流速来实现【6 l 。为了全方 位的实现锅炉负荷、燃料量及配风量等在线监测及自动协调控制，必须提高流量测量精度。 针对当前的实际情况，研制一种给煤机的煤粉流量在线监测控制系统迫在眉睫。该系统要 能适应发电现场的恶劣环境，具有较高的可靠性且经济节能，能实现对风、煤比的最优控制， 使锅炉中煤粉达到最佳燃烧状态。这对节约能源、改善炉况、提高发电机组运行的安全性和经 济性有着重要的现实意义和社会效益 1 2 煤粉流量测量控制技术的研究现状 目前，电厂使用的3 0 0 m w 及以上的大机组的锅炉正在大量采用直吹式制粉系统，即一台 磨煤机配备一台给煤机，磨煤机磨出的煤粉直接吹入锅炉燃烧器中燃烧，磨煤机与燃烧器中间 没有煤粉仓。这样给粉机的供给煤粉的流量由给煤机决定，则可以通过控制给煤机的给煤率来 问接控制煤粉流量。国外也在使用这种方法控制煤粉流量，现在一般采用电子称重式锅炉给煤 机微机控制系统来控制给煤率，进而达到控制煤粉流量的目的。国内许多新建与引进整套设备 的电厂也开始应用该控制方案“”电子称重式给煤机包括给煤机控制器、皮带输送及张紧驱动 机构、电子称重设备及标定机构、各种传感器设备及清扫机构等。其中给煤机微机控制器可以 实现在运行过程中对煤粉进行计量，并根据中央控制室要求以及人工设定值和燃烧控制系统得 反馈信息控制给煤率，自动调整皮带的行进速度以调节给煤量，使送入锅炉的燃煤与所需燃料 相匹配。现今，许多大型电厂都采用引进国外整套给煤设备，如美国s t o c k 公司生产的成套给 煤系统，这类系统计量精度高、控制功能强大带有精确的称重传感器装置，精度能达到 0 5 5 “”但这些成套给煤系统的人机界面复杂、操作繁琐、控制滞后，而且需要的称重传感器 数量大、价格高，而称重传感器本省又是一个易损件，每年国内许多用户都因称重传感器损坏 而影响给煤机的正常工作”。而中小型电厂一般采用电子称进行炉前计量，但精度不高，且给 煤机控制系统与称量系统分离导致实时性差，难以满足精度控制减少煤耗的需要。随着分散控 制系统d c s 在电厂锅炉系统中的广泛应用，上级调度需要控制给煤系统的运行方式，同时本地 硕士学位论文 控制装置需要通过网络接口上传给煤系统相关数据，如瞬时给煤率、累计煤量、运行状态、故 障报告等。这种方式就不能满足要求。 目前国内生产的给煤机计量及控制系统主要以上海电力学院电气研究所与上海微程电气设 备工程有限公司合作研制的s w g k - x t 给煤机计量及控制系统为代表。此系统将传统的电气控制 和计量系统独立配置的控制方式改为电气控制和称重计量统一的控制模式他的计量原理是采 用的皮带秤计量原理，将称重机构安装于给煤机进料口与驱动滚筒之问称重机构由三个托辊 组成“，如图1 - 1 所示，托辊a 和托辊b 固定在机座上，构成称重跨距；托辊c 悬挂在称重传 感器上，组成一个典型的单托辊皮带秤。皮带秤的测速装置安装在皮带头部的驱动装置上综 合称重传感器发出的皮带上的负荷重量信号和皮带速度信号得到给煤率信号，再通过时问累计 得到累计煤量信号1 图1 1 皮带秤计量单元原理图 由上面的介绍可以知道，目前国内外煤粉流量测量控制都是通过测量控制给煤机的燃煤流 量而实现的。从前述可以知道，这种测量控制的前提是磨煤机与燃烧器中间没有煤粉仓，磨煤 机磨出的煤粉直接吹入锅炉燃烧器中燃烧所以这种方式不具有通用性，这样对一些已经有煤 粉仓的电厂就不能使用此种方式就限制了这类电厂进行煤粉流量的测量和控制了，影响了他们 实现发电设备控制的现代化。同时通过这种方式进行间接的测量控制煤粉流量的精度不高、控 制滞后等缺点针对这种情况，我们就设计了一种能直接对给粉机的给粉流量进行测量控制的 系统 煤粉属于粉状固体，具有一定的流动性，可采用流量方式测量，也可以采用称重的方式测 量。目前广泛应用的粉状固体流量测量设备主要有以下几种：冲量式流量计、失重式流量计、 科里奥地力式( 扭矩式) 流量计”1 冲量式流量计的测量范围比较广，可用于测量绝大多数固体物料，测量范围可至1 0 0 0 t h 。 其结构简单，安装维护方便，可适应恶劣的工业环境，测量流量在最大流量的2 0 e k - - 1 0 0 之间的 测量精度可达2 。如s m c 4 1 流量计系统，工作人员从数字调节仪输入期望的物料流量值作为设 定值，流量计作为实际流量的反馈环节，将实际流量反馈入数字调节仪作为测量值，数字调节仪 将设定值和测量值的差经过运算获得对变频调速器的调节输出，变频调速器根据输入的控制信 号直接控制螺旋给料机的转速，从而精确地以设定流量输送物料”1 ；广东南方制碱有限公司采 用的e + h 公司生产的固体物料冲板式流量计，该流量计的冲板密封安装在输料管道中，物科在 输送过程中，不存在失料、堵料等不利因素对称重精度的影响为准确计量提供了保证，它的一、 二次仪表也为全密封型，有利于在粉尘大的环境中使用。改装后采用了南仪自动化公司生产的电 脑显示仪表，该仪表具有自动去皮功能，不需要人为调整差动变压器铁芯零点位置；d e c - 1 0 型流量计是采用冲板式测量方法，可进行动态测量、消除静态误差。 失重式流量计和科里奥地力式流量计测量范围比较窄，也不能应用于较恶劣的环境，所以 一般应用在化工、食品等对精度要求高、要求封闭测量的地方。其中失重式流量计实际应用精 度可达0 2 5 测量范围为0 5 k g ，h - - 9 0 t h ：科里奥地力式流量计精度在最大流量的1 0 一 1 0 0 之间可达o 5 ，测量范围为0 5 k g i r - - 1 0 0 “h 。如m u l t i c o r $ 4 0e x 质量流量计通 过控制器i n t e c o n t p l u s 控制l 台由变频器驱动的回转阀，通过流量计的反馈控制回转阀的 转速，从而精确控制物料的流量。在实际标定测量中，当控制流量为额定流量的4 0 9 0 时， 控制精度o s ；在流量计正常工作区间额定流量的7 0 一8 0 时，控制精度可以达到 2 第一章绪论 o 1 纠“1 1 3 模糊控制理论的发展概况 在煤粉流量测量控制系统中，虽然煤粉控制系统是一个单输入、单输出的系统，但是中间 涉及到了很多变量，所以难以建立精确的数学模型，使用常规的p i d 控制方法很难达到预期的 效果。所以本系统采用了当前流行的模糊控制算法 模糊控制技术在各个领域中获得了广泛的应用。最早取得的应用成果是在1 9 7 4 年英国伦敦 大学教授e h 1 i a m d a n i ，首先利用模糊控制语句组成的模糊控制器，应用于锅炉和汽轮机的运 行控制，在实验室中取得成功。他不仅把模糊控制理论首先应用于控制而且充分展示了模 糊控制技术的应用前景。1 9 7 5 年，英国的p j k i n g 和e h 1 i a m d a n i 将模糊控制系统应用于工 业反应过程的温度控制中”1 9 7 6 年荷兰学者j m k i c k e r t h r v 将模糊控制系统应用于热 水装置中。1 9 7 7 年，丹麦学者j j o s t e r g a a d 利用模糊控制器对2 输入2 输出的热交换过程进 行控制“”同时，英国学者r 也t o n g 于1 9 7 6 年用模糊控制对压力容器内部的压力和液面进行 控制，而他随后发表的多篇文章”“”，对模糊控制应用和发展起到了积极的推动作用。他们的 研究成果解决了过程控制中非线性、强耦合、时变和时滞特性等难题，达到了最佳的控制效果； 1 9 7 7 年英国的c p p a p p i s 和e h m a m d a n i 对十字路口的交通枢纽指挥采用模糊控制，试验结 果使车辆平均等待时间减少7 1 1 9 7 9 年英国i j p r o c y k 和e h m a = d a n i 研究了一种自组织 的模糊控制器，它在控制过程中不断修改和调整控制规则，使控制系统的性能不断改善“自 组织模糊控制器的问世，标志着模糊控制器。智能化”程度进一步向高级阶段发展，毫无疑问 地证实了它归属于“智能控制器”范畴。1 9 8 3 年日本学者h s u g e n o 和k m u r a k a n i 将一种基于 语言真值推理的模糊逻辑控制器应用于汽车速度控制，并取得成功。此后模糊控制在化工、 机械、冶金、工业炉窑、水处理、食品生产等多个领域得到应用。模糊控制充分显示了在大规 模系统、多目标系统、非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效果。 我国在模糊控制理论及其应用方面的研究工作是从1 9 7 9 年开始的，至今已有近2 0 年的历 史大多数是在著名的高等院校和研究所中进行理论研究，如对模糊控制系统的结构、模糊推 理算法、自学习或自组织模糊控制器，以及模糊控制稳定性问题等的研究，而其成果应用主要 集中于工业炉窑方面，如对退火炉、电弧冶炼炉、水泥窑以及造纸机的控制等 今后控制理论面l 临的突出问题是既要继续发展自身理论，又要在应用方面创下实实在在的 成果。就此模糊控制将有得天独厚的优势。随着新技术发展，机电设备的性能更加完善与提高， 但往往不能得到很好的发挥。这是因为机电性能越提高、越完善，对用户知识和熟练技术的要 求也越高，要百分百的发挥机器性能就越难，特别在与计算机相关联的技术中，这种倾向更为 激烈模糊控制工程在某种程度上可以把人们的思维模糊化。通过严格的逻辑处理，就可以构成 人与计算机在控制工程中的新型途径 1 4 本课题的主要研究内容 本课题结合d s c 技术、控制器技术、误差分析和传感器技术的最新发展，主要进行了煤粉 流量测量控制系统的硬件设计、硬件调试和上位机数据库以及界面的设计本课题的主要研究 内容如下。 ( 1 ) 测量控制系统的硬件设计 根据d s p i c 3 0 f 控制器技术，设计煤粉流量测量控制系统的测控核心，完成流量的测量和流 量控制的控制器的功能。同时，外围配置l e d 显示，以实现测量控制系统数据的实时显示 ( 2 ) 传感器的选择和改进 硕士学位论文 对系统中现有的悬臂粱压力传感器进行相关的理论分析，改进了传感器的结构，有效的提 高了测量精度。 ( 3 ) 控制算法研究和实现 采用模糊控制理论，设计模糊控制器，实现煤粉流量的模糊控制。利用测量的煤粉流量进 行反馈，实现闭环流量调节控制。 ( 4 ) 基于c a n b u s 的集中控制 测控主板以d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 内嵌的c a n2 0 b 控制器模块为核心，配以m i c r o c h i p 的c a n 驱动芯片m c p 2 5 5 1 ，实现主板的c a n 通信，同时上位机采用周立功单片机发展有限公司的 p c i - 9 8 4 0 四路非智能c a n 接口卡来实现系统的集中控制 ( 5 ) 上位监控软件的界面设计和数据库设计 监控软件的界面主要用于实现数据实时显示、控制指令的输入和历史数据查询等功能数 据库用于存储数据用本系统采用v i s u a lc + + 编程语言实现监控软件的界面编程，数据库采用 m i c r o s o f t a c c e s s 。 ( 6 ) 测量数据的误差分析和数据处理 分析了系统中可能产生的误差，找出了产生系统误差的原因，并从数据处理上减小误差对 系统的影响，并运用野值剔除法剔除数据中的野值，根据处理后的数据对系统进行标定试验 表明，测量精度可达0 5 4 第二章煤耪流量嗣量原理及传感器选用 第二章煤粉流量测量原理及传感器选用 2 1 冲量式流量计的测量原理 冲量式流量计是基于牛顿第二定律及动量守恒定律而工作的。其测量原理如图2 - 1 所示， 当被测物料送到冲料板上方，以一定的高度自由落下，冲击到冲料板上，形成一个水平力尼作 用于测量弹簧上，产生一个与流量成正比例的位移 在力学的动量定义中，一个物体对其他物体的冲击效果与这个物体的速度和质量有关。即 物体的动量是物体的质量日和速度y 的乘积 p = 拼y 而牛顿第二运动定律是用动量来描述，即 f ：a ( m v ) ；生 出 国 图2 - 1 板式流量计的受力模型 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 由上可知，在任一瞬时，物体的动量的时间变化率在量值上等于这一瞬间作用在物体上的 合外力，而且动量时间变化率的方向与合外力的方向相同，根据微积分可把式( 2 2 ) 写成 f = m d v + 矿皇堕( 2 - 3 ) 出西 根据经典力学，物体的质量被认为恒定不变，因此 f f r a 业：聊叼 破 ( 2 - 4 ) 这就是牛顿第二定律的表达式，而冲量式流量计符合牛顿第二定律当质量为的散状物料以 初速度为零，从高度为h 的位置自由落体冲击冲料板，则 ，：巫型：型( 2 - 5 ) 击出 由于物料流量是连续不断的冲击冲料板，单位时间的内力，用下式来描述 5 硕士学位论文 ，：堑塑：m a y ：_ m a y 田出t ( 2 - 6 ) 设g ；一m ，即单位时间内质量流量，单位为k g l s ，那么式( 2 6 ) 改写成 ， f = g ( 2 - 7 ) 由于初速度为零，故 a y = 2 驴 ( 2 8 ) 根据动量守恒，作用在垂直冲料板上的力，j 与冲料板平行方向动量不变 e = 0 , i n # 4 2 曲 ( 2 - 9 ) 而丹可分解成一个垂直力为p 和一个水平分力凡，垂直力，由于冲量流量计的结构被抵消了， 水平分力f m 是要测量的力 己= g s m a , s i n f l 2 劝 ( 2 1 0 ) 从式( 2 1 0 ) 可以看出当落料角口、冲料板与水平成夹角和高度h 一定时，水平分力，_ 与 流量g 成正比，只要把水平力f ；测量出来就可以知道物料流量的大小了 但是实际应用中。煤粉落到冲料板表面上又具有反弹作用，反弹后又重新落到表面而顺其 下滑流出的，这样煤粉在冲料板上会逗留一段时间，尽管此力只在冲料板垂直方向起作用，无 水平分力，但是，流动粒子与冲料板表面之间的摩擦力将在冲料板表面产生一沿着流动方向的 力，当冲料板与流动粒子之间的摩擦系数不变时，力的大小只随流动粒子敷量的多少而变。这 就是说，假定煤粉从高度h 落下，冲料板倾角、粒子在冲料板表面滑下距离及粉体特性一定， 则冲料板所承受的水平分力便只与粉体瞬间流量g 成正比在实用应用中，有着下列的经验公 式1 7 j q ： e = i o o g s i n 口s i n 口、_ i l ( 2 1 1 ) 其中。为落料角度，即煤粉流与冲料板间夹角，而b 为水平分力与检测板之间的夹角，h 为常 数则： g ： 五 ； 1 0 0 s i n a s i n f l v h 2 2 传感器的选用 ( 2 1 2 ) 在煤粉流量测量控制过程中，为了确保测量控制系统的精度，选择合适的传感器至关重要 传感器一旦选定，则测量控制系统的精度基本确定。从冲量式流量计的测量原理中可以知道， 冲量式流量测量控制系统中一般采用的是称重传感器。称重传感器多种多样，选择时应考虑称 重传感器的量限、准确度。在设计时，需要考虑称重传感器的安装空间、周围环境对检定装置 可能产生的影响、加载类型和使用寿命以及密封和防暴要求等因素 2 9 1 3 0 1 2 2 1 传感器量程范围的选择 称重传感器的称重适用范围是分级的这是因为压力传感器的弹性膜承受压力有一个限度， 6 第二章煤粉流量嗣量原理及传盛器选用 超过此极限弹性膜便会破裂。一般来说，每一传感器都有2 0 - 3 0 0 的过压能力称重量程的 选用应主要考虑以下三个方面的因素：传感器的最大过压能力、精度与压力量程的关系和传摩 器的价格与压力量程的关系。 传感器在承受静压力与动压力这两种状态下时，传感器的最大过压能力是有很大区别的 后者往往会出现冲击压力，甚至冲击波。冲击压力远高于静压力。如果选用的最大工作压力量 程是指静压力的话，传感器在承受动压力时，应选用较大的过压能力，否则冲击压力很容易达 到极限耐压，使传感器遭到损坏。本系统所采用的称重传感器就将要承受动压力，需要要选用 较大的过压能力，所以本系统选用的传感器的过压能力为1 5 0 。 压力传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移系数及非线性误差是影响传感器精度的重要指 标。对同一压力传感器来说热零点漂移系数随工作压力增加而减小，而热灵敏度系数和非线 性误差随工作压力增加而增加。因此，工作压力增加有利于减少热零点漂移，而不利于热灵敏 度漂移和非线性误差。热零点漂移比较大时，提高工作压力量程有利于提高压力传感器的精度； 热零点漂移较小时减小工作压力量程有利于提高精度。本系统中选用的传感器中： 热灵敏度( n 正r m a i ，s e n s ec o e f f ) ： d 0 8 f s 1 0 0 f 热零点漂移( n 正r m a lz e r oc o e f f ) ： 用模拟器或仿真器测量时间； 在观察窗口中查看变量； 使用m p l a bi c d 2 等器件编程器烧写固件； 使用m p l a bi d e 丰富的在线帮助快速找出问题的答案 2m p l a bc 3 0 编译器介绍p 5 i m p l a bc 3 0c 编译器是一个全功能的优化编译器，可将标准的a n s ic 程序翻译为d s p i cd s c 汇编语言源代码。同时它还支持许多命令行选项和语言扩展，可以对d s p i cd s c 器件的硬件功 能进行完全访问，以便更好地控制代码的生成该编译器有以下主要功能 a n s ic 标准：m p l a bc 3 0 编译器是一个完全经过验证的编译器，符合a n s ic 标准 优化：编译器使用一套采用多种先进技术的高级优化将c 源代码编译为高效而紧凑 的代码。优化包括适用于所有c 代码的高级优化，以及；f ! i 用d s p i cd s c 架构特征专门针 对d s p i cd s c 器件的优化 a n s i 标准函数库支持：m p l a bc 3 0 带有一个完整的a n s i 标准函数库所有这些库函 数都经过验证并遵循a n s ic 库标准。这个函数库包括字符串处理、动态存储器分配、 数据转换、计时和数学函数( 三角、指数和双曲线函数) 。还包括用于文件处理的标准 i o 函数，支持通过命令行模拟器对主机文件系统进行完全的访问。同时还提供低级文 件i o 函数的完整功能性源代码，这可以作为需要这些功能的应用的一个起点。 灵活的存储器模型：编译器可同时支持大小两种代码和数据模型小代码模型利用调用 和分支指令的更有效形式，而小数据模型支持使用压缩指令对s f r 空间的数据进行访 问编译器支持两种模型来访问常量 编译器驱动程序：m p l a bc 3 0 包括一个强大的命令行驱动程序通过这个驱动程序， 应用程序的编译、汇编和链接可以一步完成。 5 1 2 开发环境硬件介绍 整个调试系统的硬件连接如图5 1 所示。安装有m p l a b 集成开发环境o d e ) 和m p l a b c 3 0 编译器的上位p c 机，通过u s b 接口与m p l a bi c d 2 在线调试器相连，仿真器再通过i c s p 接 口与目标系统板进行通信。 m p l a bi c d 2 在线调试器利用f l a s h 工艺芯片的程序区读写功能，把监控程序连同用户程 硕士学位论文 序一同烧入待调试的芯片中，利用监控程序来实现仿真调试功能同时，i c d 2 也具备烧写功能， 可以作为开发型的编程器使用。 图5 - 1 调试系统的硬件连接图 5 2 系统主板调试与软件编程 在该煤粉流量控制系统的硬件调试和软件开发的过程中，使用了c 语言和汇编语言的混合 编程。因为这两种语言各有所长：用c 语言开发d s p i c 3 0 f 芯片，开发速度快，可读性好，可 移植性强：而用汇编语言则能充分利用d s p i c 3 0 f 芯片的软硬件资源，程序代码的执行效率高 在d s p i c 运算能力比较宽裕，实时性要求不是很高的场合，用c 语言非常合适；在对运算速度 以及实时性要求极高或者是在不能扩展外部存储器而且片内存储器又非常有限的条件下，使用 汇编语言几乎是必须的。 5 2 1 配置器件 器件配置寄存器允许每个用户定制器件的某些方面以适应应用的需要器件配置寄存器是 程序存储器映射空间中的非易失性存储单元，在掉电期问它保存d s p i c 器件的设置。这些配置 寄存器保存器件的全局设置信息，诸如振荡器来源、看门狗定时器模式和代码保护设置 器件配置寄存器映射在程序存储器以地址o x f s 0 0 0 0 开始的单元中，在器件正常工作期间可 以访问这些单元。此区域也称为“配置空问”可以通过对配置位编程或不编程来选择不同的器 件配置 1 、器件配置寄存器 虽然每个器件配置寄存器都是2 4 位寄存器，但只有它们的低1 6 位可用来保存配置致据 有四个器件配置寄存器可供用户使用： f o s c ( o x f 8 0 0 0 0 ) ：振荡器配置寄存器 f w d t ( o x f 8 0 0 0 2 ) ：看门狗定时器配置寄存器 f b o r p o r ( o x f 8 0 0 0 4 ) ：b o r 和p o r 配置寄存器 f g s ( 0 x f s 0 0 0 a ) ：通用代码段配置寄存器 2 、器件标识寄存器 d s p i c 3 0 f 器件有两组提供标识信息的寄存器位于配置空间内 器件i d 寄存器 器件i d 字段 本系统中，配置振荡器工作在4 倍频晶振下f a i l s a f e 时钟关闭，掉电复位禁止，其配置程 序如下： 系统初始化 j o s c ( c s w f s c m _ o f f x t _ p l l 4 ) ；4 倍频晶振，f a i l s a f e 时钟关闭 第五章系统调试和外围扩展功能的实现 _ f w d t ( w d to f f ) ； ，关闭看门狗定时器 _ f b o r p o r ( m c l r _ e n p w r t _ o f f ) ； ，掉电复位禁止，m c l r 复位使能 _ f i g s ( c o d e _ _ p r o t _ o f f ) ； ，代码保护禁止 5 2 2a d 模块调试 d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 自带1 2 位的a d c 转换模块，具有以下主要特点： 逐次逼近寄存器( s a r ) 转换 最大2 0 0 k s p s 的转换速度 最大1 6 个模拟输入引脚 外部参考电压输入引脚 单极性差分s h 放大器 自动通道扫描模式 可选转换触发源 1 6 字转换结果缓冲器 可选缓冲器填充模式 四种结果对齐选择 在休眠和空闲模式下运行 当根据需要选择好a d 转换模块后，在开始转换之前。必须先选择转换通道选中的模拟 输入通道响应的方向寄存器的t r i s 位必须被设置为输入只有当数据采集过程完成之后，d 转换才能开始，实现a d 转换的流程图如图5 2 所示 图5 - 2a d 转换流程图 1 配置a d 模块 在使用a d 转换模块前必须配置a d 模块，d s p l c 3 0 f 4 0 1 3 的a d 模块有以下6 个控制和 状态寄存器： a d c o n l ：a ，d 控制寄存器l a d c o n 2 ：a d 控制寄存器2 a d c 0 n 3 ：a ，d 控制寄存器3 a d c h s ：a d 输入通道选择寄存器 a d p c f g ：a d 端口配置寄存器 硕士学位论文 a d c s s l ：a d 输入扫描选择寄存器。 a d c o n l 寄存器、a d c o n 2 寄存器和a d c o n 3 寄存器控制a d 模块的工作。a i x ：h s 寄 存器选择连接到s h 放大器的输入引脚。a d p c f g 寄存器将模拟输入引脚配置为模拟输入或数 字i o a d c s s l 寄存器选择扫描输入的顺序。在本程序中，a d 初始化程序如下所示： a d 初始化 v o i da d c _ i n i t ( v o i d l a d c o n l b i t s a d s m l = 1 ： a d c o n lb i t s f o r m = o ： a d c o n l b i t s s s r c = 0 ： a d c o n l b i t s a s a m = 1 ： a d c o n 2 b i t s v c f g = o ： a d c o n 2 b i t s s l p i = 1 5 ； a d c o n 2 b j t s c s c h i a = o ： a d c o n 2 b i t s b u f m = 0 ： a d c h s = 0 x 0 0 0 c ； a d c s s l = 0 x 1 0 0 0 ： a d p c f g = o ) 【e f f f ； i f s 0 b i l s a d i f = 0 ： i e c o b i t s a d i e = 1 ： a d c o n l b i t s a d o n = l ： ) 2 配置定时器2 脏空闲模式下关闭转换器 设置数据输出格式为整数 ，设置a f d 工作于手动工作模式 a d 采样使能 ，设置a d 参考电压为a v d d 、a v s s 每完成1 6 个采样，转换过程中产生中断 ，使能通道扫描 ，缓冲器填充状态位 ，扫描模拟通道1 2 ，设置通道1 2 为模拟输入 清除a d 中断标志 ，使能a i d 中断 ，打开a d 模块r d s p i c 3 0 f 4 0 1 3 的a d 转换模块可以工作于自动工作模式，而本系统中流量的变化相对而言 是比较缓慢的，所以没有必要让a d 一直处于工作状态，本系统中利用定时器2 定时启动a d 模块。配置定时器2 工作于1 6 位模式下每隔2 5 m s 产生一个中断来启动a d ，程序如下： ，一定时器2 初始化 v o i dt u n e r 2 _ i n i t ( v o i d ) 1 2 c o n = 0 x 0 0 1 0 ； t m r 2 = 0 ： p r 2 = f f c y 8 ) 4 0 ； i f s 0 b i t s t 2 i f = 0 ： 坤c l b i t s 1 r 2 i p = 5 ； 班c o b i t s t 2 i e = 1 ： t 2 c o n b i t s t o n = i ： 2 5 m s 2 5 m s ，清除定时器2 标志 ，设置中断优先级 ，使能定时器2 ，启动定时器2 l 3 定时器i 中断程序 每隔2 5 m s ，定时器2 将会产生中断，启动a d 模块，程序如下： 定时器2 中断程序 | v o i d 砷咖i l i e 二- ( ( - m t e m i i n ) ) j 2 i n t c i t u p t ( v o i d ) a d c o n l b i t s s a m p = 0 ：启动a d 模块 i f s o b i t s t 2 珲= 0 ：清除定时器中断标志 第五章系统调试和外围扩展功能的实现 ) 4 、a d 中断程序 我们知道，每当a d 完成1 6 个采样，转换过程中产生中断，产生中断后a d 转换器模块 将其转换结果写入缓冲器。我们利用a d 中断事件将这1 6 次a d 转换值从缓冲器中取出并 取这1 6 次结果的平均值，这样我们就可以得到当前的流量值。程序如下： v o i d a d 中断程序一一， a d c l 6 p t z = & a d c b u f 0 ； f o k i = 0 ；i 1 6 ；i - h - )，求此组中a d 转换的平均值 a d d a t a + = + a d c l 6 p l 斗： a d d a t a _ - 1 6 ； i f s 0 b i t s a d i f ；o ： ) 5 2 3c a n 通信调试 控制器局域网( c o n t r o l l e r a r e a n e t w o r k , c a n ) 模块是一个串行接口，可用于与其它外设或 者单片机之间进行通信此接i = i 协议是针对允许在噪声环境下通信而设计的 1 c a n 协议综述 控制器局域网是串行通信协议，它能有效支持高性能的分布式实时控制r o b 廿b 佛c h o m b h 在1 9 9 1 年的c a n 规范v 2 0 b 中完整定义了c a n 协议。 c a n 应用涵盖从高速网络到低成本多路复用线路的各种领域。汽车电子设备( 即引擎控制 单元、传感器和防滑系统等) 均是使用c a n 以最大i m b s 的比特率连接的。c a n 网络可以用 来取代汽车中的线路连接以有效节约成本。c a n 总线在噪声环境中的可靠性及故障状态检测和 从故障状态恢复的能力使其适用于d e v i c e n e t 、s d s 和其它现场总线协议等工控应用。 c a n 是一条逻辑总线线路的异步串行总线系统它具有开放式总线型网络结构，总线节点 平均分布。c a n 总线由两个或多个节点组成。总线上的节点数量可以动态改变而不会干扰其它 节点的通信。这使得总线节点可方便地连接和断开 总线逻辑采用“线与”机制，“隐性”( r e c e s s i v e ) 位( 通常位逻辑“l ”但非必须如此) 被“显 性”( d o m i n a n t ) 位覆盖( 通常逻辑电平为o ”) 只要没有总线节点在发送显性位，总线线路就 处于隐性状