（机械电子工程专业论文）自调节pdf控制系统的实验研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 本文是对一种新的控制算法一一在线自调节p d f 控制进行实验研究。 实验利用一台p c 一5 8 6 计算机和i o 接口卡组成的控制器，对一台单自由度 的机械臂进行控制。最后对实验的结果进行分析，从而验证了自调节p d f f 控制在实际应用方面的可行性。 【关键词】：在线；自调节：p d f 控制；接口卡 亘童壅望盔兰塑主堡塞生兰堡笙塞蔓! ! 要 a b st r a c t t h em a j o rc o n c e r no ft h i s p a p e rf o c u s e so ne x p e r i m e n t a ls t u d y o fai e wc o n t r o ls c h e m e 一一t h eo n - i i n e s e l f - t u n i n g p d f ( p s e u d o d e r i v a t i v e f e e d b a c k ) a l g o r i t h m ap c 一5 8 6c o m p u t e r b a s e d e o n t r o l le rw a sb u i l tt oa c h i e v ea n g l e - m o t i o nc o n t r o l o ft h e m a n i p u l a t o rt h r o u g ht h ei 0 ( i n p u t o u t p u t ) a d a p t e rc a r d t h er e s u l t f r o me x p e r i m e n tw a sa n a l y z e da n dd is c u s s e dt h o r o u g h l y ，s h o w i n gt h e l e a s i b i1i t yo ft h e t h e o r yo fo n 一1 i n es e l f - t u n i n gp d fc o n t r o li n p r a c t i c e 【k e yw o r d 】：o n l i n e ；s e l f - t u n i n g ；p d fc o n t r o l ；a d a p t e rc a r d 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 控制理论是关于控制系统建模、分析和综合的一般理论。随着科学技术 的发展，控制技术己广泛地应用于各个领域，如：机械、冶金、石油、化工、 电力、航空、航海等，从军事武器、工农业生产到家用电器，无一不存在自动 控制技术的应用。尤其是2 0 世纪后期科学技术所取得的巨大进步，数字技术 的广泛应用使控制理论扩大到了生物医学、社会经济和生态环境等众多领 域。 1 1 工程控制的现状 自1 7 世纪以来，自动控制理论技术及工程应用已取得了巨大的进步和成 功。人们通常把控制理论的发展过程分为两个阶段：经典控制理论阶段和现 代控制理论阶段。经典控制理论一般只适用于单变量线性定常系统。该理论 的主要特点是根据频域方法和根轨迹法，依照所要求的控制性能指标，采用 p i d ( 比例一积分一微分) 元件，使被控对象的输出符合预期目标。现代控制 理论适用于多变量、非线性和时变系统。该理论主要特点是它不仅要研究系 统的输入输出特性，而且还要研究系统的内部特性，运用的数学工具是矩阵 理论等现代数学在给定指标下所设计的系统基本上是最优的，并且一般都 采用计算机来完成。现代控制理论采用状态空间法进行系统分析和建模，其 核心是最优化技术。 一般说来，无论是用经典控制方法还是用现代控制方法对系统进行设计， 都需要精确的数学模型，但是由于种种原因，要事先完全掌握受控系统的动 力学特性几乎是不可能的， 这主要是因为：第一，现代工业装置的特征是既精细又复杂，所以除了比较 简单的情形外，一个受控系统总是或多或少具有某些非线性、时变性和随机 性，因而所有过程的数学模型都是近似的，受控系统的结构和参数存在不定 性是一种普遍的现象。第二，工业生产环境对工业控制过程的影响是不可避 免的，环境干扰必然在受控系统中引入某种不定性。第三，工业生产过程中 被控对象的参数在运行过程中也有变化。因此得到被控对象的精确数学模型 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 几乎是不可能的，所以需要精确数学模型的控制设计方法很难在工业中应用。 为了解决数学模型问题及其它新出现的控制课题，近3 0 年来又出现了一些新 的控制方法和理论： ( 1 ) 使用传递函数矩阵作为数学模型、将单变量系统频域技术推广到线性定 常多变量系统的“现代频域方法”。 t ( 2 ) 以提高模型精度为目标的“系统辨识和参数估计方法”。 ( 3 ) 在系统数学模型实时辨识基础上在线确定最优控制律，即“自校正与自 适应控制技术”。 ( 4 ) 在数学模型存在不确定性情况下保证控制系统稳定性及其它性能的“鲁 棒控制技术”与“m 设计方法”。 ( 5 ) 在多变量预测模型基础上采用滚动优化和反馈校正的“预测控制方法”。 ( 6 ) 处理结构特别复杂、状态变量特别多的被控制对象最优控制问题的“大 系统理论” ( 7 ) 用于难于用精确数学模型描述、具有模糊性的系统的“模糊控制方法”。 ( 8 ) 不是依最优先性能指标来确定最优控制规律，而是模仿人的智能来确定 最满意控制规律的“智能控制规律”。 以上技术的核心或最终目的是实现对存在不定性的对象的理想控制即 实现自适应控制。现在，自适应控制技术己广泛地应用于几乎整个工业部门。 在这些部门中，有的进行了工业可行性研究，有的已进入实际工业应用。但 迄今为止自适应控制技术主要用于对象参数变化比较缓慢或运行过程较长的 场合以使自适应控制器有充分的时间进行学习和较正。 虽然近年来控制理论取得了长足的进展，但目前绝大部分工业控制却仍 然基于传统的控制方法，如基本p i d 及由其衍生的p i - d 控制、i p d 控制和 二自由度p i d 控制等等，原因主要有两方面： ( 1 ) 虽然建立在状态空间精确描述基础上的现代控制理论对推动控制理论的 发展和应用起了重大的作用，然而在广泛的应用中发现它存在的重大缺陷， 主要是许多被控对象很难精确描述，在其数学模型中不可避免地存在各种形 式的不确定性，在以上情况下一些以精确数学模型为依据的控制理论就现出 不足和困难。 ( 2 ) 基于在线辨识技术的自适应控制过程和其它各种智能控制过程均需要完 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 成巨大的工作量，往往不能适应大多数机械制备或装置运行速度的计算要求， 或者是满足这种运行速度需要的在线计算速度过高而在经济上难以接受，使 自适应控制技术的应用受到很大限制。 因此，采用固定系数( 即无在线调节) 的p i d 控制器仍然在工程控制中 占据主导地位。p i d 控制系统由于其广泛的适用性及长久的使用经验而应用 普遍，其控制系数的确定可依据不同类型的调节律来计算，利用这些调节律， 可以对p i d 控制器系数进行初步设定。最常用的为齐格勒一尼柯尔斯法则。但 由于实际对蒙的复杂性，在初始计算参数的基础上对p i d 系数进行现场调试 是不可避免的重要环节，这往往是一项十分依赖操作者经验的复杂工作。随 着控制技术与数字技术相结合，近年来发展起来的自调节p i d 控制器能够在 一定范围内对p i d 控制系数进行在线调节，以适应模糊不清或不断变化的被 控对象参数，从而获得比较满意的控制结果。但是，自调节p i d 仍然是基于 p i d 算法的控制。这种相对简单的算法制约了系统性能的进一步提高，而且， 它的设计完全不考虑实际物理系统的能量传输限制结果往往是因系统中某 一元件饱和，使预期的响应性能根本无法达到因此，有必要利用其它的控 制理论开发一种控制性能更加优良的自调节控制器以适应被控对象的不断变 化并对其进行理想的控制。 1 2 伪微分反馈控制及应用 1 2 1 伪微分反馈控制简介 伪微分反馈( p s e u d od e r i v a t i v ef e e d b a c k ，简称p d f ) 控制是由美国 康奈尔大学的p b e l a n 教授，基于o n e m a s t e r 理论率先提出来的一种实用性 很强的工程控制理论。其控制原理如图1 - 1 所示。 从图卜1 可以看出，p d f 控制的特点是：1 在反馈环节中加入了确保系 统不存在静态误差的积分环节：2 。在被控对象的前面加入了一个起饱和限幅 作用的非线性环节，避免系统出现积分饱和。3 参数计算时，把末级元件最 大输出值作为设计条件，因此能够在控制过程中充分利用能量。4 在反馈环 中只需要比系统低一级的微分量，因此计算比较简单。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 圉1 1p d f 控制系 釉结掏 在p d f 控制的基础上，1 9 8 1 年，p h e l a n 教授又提出了次变量 ( s u b v a r i a b l e ) 控制的概念，即在控制主变量的同时，又对它的一阶导数和 二阶导数( 次变量) 的最大值进行限制，形成了伪微分反馈次变量( p d f s v ) 控制。 在p d f 控制理论的发展过程中，对于控制器系数计算问题的研究一直没 有间断，尤其是p h e l a n 教授和西南交通大学的陈留教授，基于不同的理论基 础，各自提出了一套完整的p d f 控制器系数设计的计算公式。进一步完善了 p d f 控制理论，推动了该理论的发展和在工程中的实际应用。 1 2 2 p d f 控制系统在工程中的应用 1 9 8 0 年以后p h e l a n 教授曾把p d f 控制用在电梯的自动控制、温室的 温度控制和船舶的自动驾驶仪等实际工程系统中。这些应用和研究结果显示， p d f 控制策略在抗干扰、响应速度及抑制微分突变现象等方面，较传统的p i d 控制具有更加突出的优越性。 为了进一步地探讨p d f 控制策略的工程应用前景，验证该控制理论的优 越性西南交通大学机电控制及自动化专业的研究生，在陈留教授和许明恒 教授的指导下，进行了大量的理论研究和实验，先后对工业机器人的手臂和 电液伺服控制系统进行了p d f 控制的研究。研究结果表明用p d f 控制具有 如下的优点：1 系统的响应速度快而无超调。2 系统在被控对象参数的变 化和外界干扰情况下，具有较强的鲁棒性。3 对被控对象的数学模型要求不 严模型误差对系统的响应结果影响较小。4 控制器的参数计算方便，工程 上易于实现。由此可以看出，p d f 控制较p i d 控制更能较好地满足实际工程 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 控制的要求。 1 3 在线自调节p d f 控制理论 鉴于目前的工程控制现状、计算机技术的飞速发展和p d f 控制系统的优 越的性能，西南交通大学硕士研究生董纵吴在陈留教授的指导下，提出了自 调节p d f 控制理论，并对该理论进行了理论上的探讨及研究。自调节p d f 框 图如图卜2 所示： 3 1 坠。 图卜2自调节p d f 控制结柯图 其工作原理：在初始时刻开关k ，、足：分别置于1 、3 处，巧断开，r 直接设定 为参考输入，直接用参考输入激励被控对象，根据被控对象的响应进行系统 辩识，计算p d f 控制器系数，然后立即将开关k 、k ：分别置于2 、4 处，如闭 合，进行p d f 控制。 1 3 1 p d f 控制系数的设定 在p d f 控制理论的发展历史中，控制器系数的计算方法主要有两种方法。 一种是由西南交通大学的陈留教授，在“特征根结构“理论的基础上，利用 量纲分析推导出的一组计算公式；另一种是p h e l a n 教授，对各个环节独立分 析后，利用级联的模式而得出的一组计算公式但两种方法的基本理论是相 同的。 系数设定的方法如下： 对于一阶被控对象： k t = 型掣型( 1 - 1 ) 1 k d t - 5 4 4 m m m , ( 1 2 ) r 0 k d 2 = 0 ( 1 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 对于二阶被控对象 k ，：6 0 7 + j “5 ( 丝4 ) ，0 k a l = 7 , 7 。4 。* ，m ，, m x ( 1 4 ) ( 1 5 ) k d 2 = 3 7 6 + ( 竺坚4 ) ” ( 1 6 ) ，0 式中，为被控对象的最高阶项系数，r 。为系统阶跃参考输入的最大值m 为末级控制元件的最大输出值，足，积分系数，足。比例系数，j 已：微分系数， l 为干扰输入。 对于一、二阶控制系统框图如图卜2 所示： 圈卜3 一阶和= 阶p d f 控制系薹 i 的结构 1 3 2 在线自调节p d f 控制算法 在工程应用中，阶跃参考输入量的幅值r 。和末级控制元件的最大容量 时。( 如功率放大器的瓦数电液伺服阀的饱和电流值) 都是已知的量，要实现 自调节控制，只需在线辨别出被控对象最高阶系数，及模态即可。 关于被控系统最高阶系数计算 文献 1 中的理论认为：对于任意n 阶对象，其阶跃响应曲线在初始阶段 是重合的；即在初始阶段，任意r l 阶对象的阶跃响应输出与纯n 阶对象的响 应输出是相同的。文献 1 通过这种思维方式推导出计算被控对象最高阶系数 的公式： i ：罢坚( 卜7 ) y ”( ，) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 公式中州0 ) 是阶跃激励信号，y “1 ( r ) 是输出曲线的n 阶导数。 在实际工程控制中，计算微分是采用中点差分的方法代替微分： 一阶导数的差分公式： ：丛l 二监( 卜8 ) f ，+ 】一r ， 二阶导数的差分公式： “：! ! f 垒：! 二垒( 1 - 9 ) + 2 一， 三阶导数的差分公式： ( ”： 垒l 生一一( 1 - 1 0 ) ( ，+ 3 + r ，+ 2 ) 一o 川+ f 。) 被控系统的模态分析 对于处于静止状态的任意n 阶最小相位过程或临界稳定过程，如果 以阶跃信号激励，其阶跃响应输出在初始阶段的n 阶及n 阶以下导数均大于 0 ，3 + l 阶导数小于0 。 通过以上理论及p d f 控制器系数计算公式，在工程中可以计算出所需控 制器的系数。 1 4 计算机控制系统简介 1 4 1 计算机控制系统的一般概念 控制系统实现形式在工程中主要有两种，一种是模拟控制，即控制策略 的实现是采用模拟元件完成的；另一种是数字控制，它是把模拟元件实现控 制规律的部分换成数字计算设备( 如微型计算机或单片机等) 利用计算机强 大的计算功能、逻辑判断功能和信息记忆功能等来实现控制规律。计算机控 制系统就是采用了数字控制器的结构形式来实现自动控制目的。由于计算机 作为控制系统中的一个环，处理的是数字信息，而被控物理量往往是模拟信 息，在计算机控制系统的信息传递过程中必须进行模数、数模转换，这就是 计算机控制系统独特的问题。计算机控制系统的典型框图如图卜4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 一嶙塾， 围 卜4 计算机控制系统框固 1 4 2 计算机控制系统的组成与分类 一、计算机控制系统的组成 计算机控制系统的组成方式取决于生产过程对自动化程度的要求。与生 产过程发生直接联系的计算机控制系统是由两大部分构成的，即工业生产设 备( 被控对象) 和控制计算机。控制计算机可分为硬件和软件两部分。 1 计算机控制的硬件组成 硬件是对被控对象实现计算机控制的物质基础。硬件系统主要是由主控 机、外设备和工业自动化仪表等组成的。 主控机是计算机控制系统的主体。采用不同的主控机，就有不同的控制 计算机硬件构成。它是完成控制策略的数据存储及程序运算的执行部件。 外部设备一般是指计算机控制系统必有的输入输出设备。输入输出设备 担负着计算机和被控对象进行信号传输、交换的任务。这一部分又常被称为 接口技术。 自动化仪表，包括传感器等检测仪器和执行器。过程输入输出设各必须 通过这些仪器才能和被控对象联系实现自动控制。 2 软件系统 计算机控制系统的软件是指计算机的程序系统和有关信息的总体它是 由计算机自身使用的软件( 叫系统软件) 和为了达到某种应用目的而编制的 软件( 叫应用软件，或应用程序) 构成的。一个优质的软件系统能大大地发 挥控制计算机的功能和提高整个控制系统的可靠性，从而达到预期的使用目 的。 由此可以知道，建立一个完整的计算机控制系统，除了完成其硬件部分 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 的设计与制造外，还要建立被控对象的数学模型，确定控制规律和控制算法， 同时还应编制相应的应用软件程序。 1 5 本文的主要工作内容 本论文是在自调节p d f 控制算法理论的指导下，通过对机械臂转角进 行控制，同时对各种情况进行分析和研究，在试验方面验证自调节p d f 控制 算法理论，并对其在实际应用方面进行了探讨。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 4 ) 轴承采用滚动轴承： 3 机械臂的参数 机械臂的配重为0 4 k g ，杆重为1 0 5 k g ，杆加关节重1 5 2 k g ，总重为5 5 k g 杆长为3 0 0 m m ，关节高5 8 0 m m 。实物如图2 - 1 所示： 图2 1机械臂结构图 2 2 检测元件 传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节- 没有传感器对原始信息 进行精确可靠的捕获和转换，那麽一切的测量和控制都是不可能实现的。按 感器输出信号的性质传感器可以分为模拟式和数字式传感器- 即传感器传出 的分别为模拟量或数字量。数字式传感器便于与计算机联用，并且抗干扰性 比较强。所以对机械臂转角控制采用的传感器是数字式传感器，即光电编码 器。 2 2 1 光电编码器种类及原理 光电编码器又称角度数字编码器( a d e 即：a n g u l a rd i g i t a le n c o d e r ) - 是一种角度测量装置，其分辨率、可靠性、精度都很高。为了得到精确的测 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 量结果，通常使用精密码盘和光学或光电技术。光电编码器有两种类型：增 量式编码盘和绝对式编码盘。增量式编码盘要求一个累加装置，阱便把转动 着的码盘产生的脉冲累积起来；此外，还要一个探测装置，用于测取码盘的 转动，产生增量：还要有一个基准值，脉冲增量就是加到该基准值上，或从 该基准值减去增量。绝对式编码盘就是在任意角度位置都给出完整的读数， 不需要原始的数据，也不需要进行加减运算。 对于光电编码器，其中的光码盘是用狭窄的光束来扫描，光线被遮住时 为“0 ”，光线通过时为“1 ”。光电编码器系统中所使用的光电元件，在l k 欧姆的电阻上产生2 0 4 0 m v 的电压。所以必须使用放大器，使其输出的逻 辑电平达到可以接受的数值。 本机械臂实验所使用的是长春第一光学仪器厂生产的q d b 9 0 b 型光电 编码器，其采用绝对式编码盘，九位输出，一转的分度范围为0 0 01 f f h ，共 5 1 2 个码值。 2 2 2 光电编码器的缺陷及改进 此实验中编码器直接与蜗杆相连， 而机械臂直接与蜗轮相连，而蜗轮蜗杆的 传动比为4 0 ：l ，所以机械臂转一圈，即 3 6 0 度，光电编码器需要转动4 0 圈，因实 验中使用的编码器是绝对式，所以不能连 续的测出关节的位置，因此需要用软件改 进。 因编码器为9 位，所以使用两个字节 来纪录关节转角位置，这样用低9 位来存 储编码器的数据，而高7 位作为累加器， 来纪录编码器转过的圈数。见图2 2 。关 节转3 6 0 度，寄存器数值为5 0 0 0 h ，所以分 辨率为1 l s b = 0 0 1 7 5 0 。 软件程序流程图如图2 3 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 t65432 l0 t6543 210 围2 吨位置寄存器的分配 2 。3 功率放大器 控制电路输出的电信号一般都比较小，不足以带动负载工作，因此往 往需要经过多级放大才能满足要求。通常电压放大级在前，功率放大级在后， 这样把控制信号经过电压放大级放大后，再经过功率放大级放大功率，以获 得足够大的功率去推动负载的工作。 2 3 1 功率放大电路应考虑的问题 1 要求输出功率尽可能的大 为了获得很太的输出功率，功放管的电压和电流都要有足够大的输出幅 度，管子往往在极限的工作状态下工作。 2 效率要高 由于输出功率大，因此真流电源功耗也大，这样负载得到的有用功率与 电源供给的直流功率的比值越大越好，即有用功率越多。 3 非线性的失真要小 在功率放大中，功放管的输出功率越大。非线性的失真就越大，这就使 输出功率和非线性失真成为一对矛盾。由于本实验是伺服控制系统，只要求 输出较大的功率，而对失真没有要求。 4 半导体三极管的散热问题 在功率放大器中，由于有相当大的功耗消耗在管子的集电结上，结温和 结壳温度会变得很高。因此散热问题变成了一个重要的问题。 2 3 2 功率放大电路的设计 1 功率放大参数的估计 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 因为d a 转换输出的功率是毫瓦级，极限电压是5 v ，而机械臂驱 动装置的死区电压为1 1 v ，此时相应驱动系统工作的电流约为o 6 a ，这样要 想使系统工作就必须将d a 转换的电压和电流放大。 2 元器件及设备的选择 ( 1 ) 电压放大芯片的选择 为了使系统达到良好的控制，首先将d a 转换的电压线性的放 大。本实验选择o p 0 7 线性放大芯片，将d a 转换的极限电压线性的放大到 15 v ，将此可控电压作为驱动电机工作的电源电压。 ( 2 ) 标准电源的选择 实验中为了给线性放大器及三极管提供电源，而机械臂又要求 有双向的运动能力，因此实验选用型号为d h l 7 1 8 - 4d u a lt r a c k i n g p 0 w e rs u p p l y 的电源，其能提供的工作电压为3 2 v ，电流为3 a ，所 以能提供的最大功率为1 9 2 w 。而实验选用的电压为2 0 v 。 ( 3 1 三极管的选择 实验中是将d a 转换的毫瓦级的功率放大到瓦级功率，所以要 选择两极功率放大电路，即第一级用小功率放大电路为第二级功率放大电路 提供足够大的基极电流。 因为机械臂要求有双向的运动能力，所以电路的设计采用甲乙类双电源 互补对称电路的形式电路图见附录【3 】。电路使用4 个三极管，两个是n p n 型，另外两个是p n p 型，其参数如下： 1 ) 2 s c l 8 1 5 ( 日) 特性：p c m = 4 0 0 m w ，i c m = 4 - 1 5 0 m a b v c e o 4 - 6 0 v 2 ) 2 s a l 0 1 5 ( 日) 特性：p c m = 4 0 0 m w ，i c m = 一l5 0 m a ，b v c e o 一6 0 v 3 ) 2 s d 2 0 8 ( 日) 特性：p c m = 1 5 0 w ，i c t a = 4 - 1 5 a ，b v c e o + 5 0 v 4 ) m j 2 9 5 5 ( 日) 特性：p c m = 1 5 0 w ，i c m = - - 1 5 a ，b v c e o 一1 0 0 v 酗套通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章计算机控制系统的i o 接口控制卡设计 实验采用计算机控制系统的主控机采用的是p c 一5 8 6 微机，其硬件设计 的任务就是i o 接口控制卡( 又称适配卡，本文称为接口卡) 的设计。接口 卡是在满足接口卡设计原则的基础上，由若干个集成芯片电路及辅助电路， 按照接口卡的功能作用要求，集结在一块印刷电路板上，并且能插在p c 主机 板内i o 扩展槽上运行的计算机扩充板件的总称。 3 1 p c 系列微机的总线技术和接口卡设计原则 3 1 1p c 微机的系统总线技术 系统总线是p c 微机的各个芯片之间、各个部件之间及i o 设备之间进 行数据传输和交换的主要路径。在微机测控系统中，最常用的标准总线有s t d 工业总线和p c 计算机总线两种。 p c 总线有p c x t ，a t ，e i s a 三种形式，具有向上兼容性使用十分方便。 p c x t 总线共有6 2 条信号线，分排列在i o 扩充槽的a 面( 相应于接口卡的 元件面) 和b 面，其结构形式如图3 一l 所示。这6 2 条信号线是由数据总线7 d b ( 共8 条) 、地址总线a b ( 共2 0 条) 、电源线、地线和控制总线c b 组成的。 它的主要信号线功能是： a 。a 是2 0 位地址信号线，用于在存储器的读写、t i o 口的读写时， 羹吕苫吕苫笛吕高吕萤重耋羞三羞暑羞暑暑i 暑叠翟；善1 2 薹翟譬i 暑 l l 军营弓营毒鹭；雾l 蕈l l 营霉营霉l 营萤蛩萤营l 三目睾l 昌 p c x t 总线 圈3 - ip 总线结构引脚 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 提供i o 口的口地址。在外插接口卡的口地址设计中，只能用a o a 9 这1 0 条地址线。 d 。阱：又称8 位数据总线( d b ) ，是p c 微机读写数据的通道。 a e n ：地址允许信号线，是一个高电平有效的输出信号。在d m a 操作时， 该信号应为高电平；在非d m a 操作时应为低电平。因此，在外插接口卡的 口地址设计中多采用此信号线参与接口卡的口地址译码，以确保在a e n 为 低电平时，提供的是接口卡的口地址。 i o r o 形：i 0 口的读写信号，是一个低电平有效的双向控制线。 电源线和地线：共有5 v 、1 2 v 四条电源线和三条地线。 3 1 2 p c 微机的i o 口地址分配 p c 微机对外寻址的方式是采用统一编址的形式，其寻址能力在理论 上可以达到1 m 个口地址，但在p c 微机实际应用中，只用了1 0 2 4 个( 1 k b ) 口地址。表3 - 1 示出了i b mp c x t 总线i o 口地址分配情况。 表3 - i i b m p c x t 总线i o 口地址分配表 口地址使用情况口地址使用情况 0 0 0 0 h 一0 0 f f h系统主机板0 3 8 0 h 一0 3 8 f h n 步n n - t e2 0 1 f o h - 0 1 f f h硬驱控制卡0 3 a o h 一0 3 a f h 同步通信卡2 0 2 0 0 h 一0 2 0 f h游戏控制卡0 3 b o h 一0 3 b f h单显m d a 0 2 7 0 h 一0 2 7 f h并行打印口20 3 c o h 一0 3 c f h彩显v g a e g a 0 2 f o h 一0 2 f f h串行口20 3 d o h 一0 3 d f h彩显c g a 原型插件板( 用 0 3 0 0 h - 0 3 l f h户可用)0 3 f o h 一0 3 f 7 h软驱控制卡 0 3 6 0 h 一0 3 6 f hp c 网卡0 3 f 8 h 一0 3 f f h串行口1 0 3 7 0 h - 0 3 7 f h 并行打印口1 由表3 一l 可知容许用户使用的端口0 3 0 0 - 0 3 1 f h ，这一段地址留给用户开发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 用，除表中已经分配了的i o 地址之外，其余地址均由厂商保留使用。 3 1 3 接口卡设计原则 接口卡是直接利用计算机主板上的总线信息工作的。因此，用户 设计的接口卡，应遵守计算机的总线标准，主要是： 1 接口卡的工作时序，应严格地符合微机i o 总线的读写周期时序。 2 由于i o 扩充槽上所有信号线的负载能力是有限的，因此须考虑总 线的驱动能力，以保证到达接口卡上有关元件的信号有效。 3 接口卡上元器件的插脚应与i o 插槽上的引线对应关系正确。 4 接口卡所用的口地址应是计算机系统未用的i o 口地址。 5 接口卡应有去藕滤波等抗干扰措旌，且走线合理，防止成为微机的 干扰源。 3 2 接口卡地址译码电路的设计 接口卡的口地址译码电路一般有两种形式，一种是可变式口地址译码 电路，另一种是固定式口地址译码电路。可变式口地址译码电路，又有两种 形式，种是采用拨动开关和电压比较器组成的硬件可变地址译码，另一种 是用可编程的逻辑器件( 如g a l ) 构成的软件可变地址译码。可变口地址译 码电路的应用可以避免用户之间开发的接口卡在使用时出现与其他板卡的 “争口”现象。 对于本实验计算机控制系统的接口卡，主要是应用在无任何其他外插 i o 卡的p c 一5 8 6 微机，可以说是专用设备。因此，接口卡的译码采用了固定 式口地址译码电路形式。具体就是由：一片3 8 地址译码器7 4 l s l 3 8 ，一片 非门7 4 l s 0 4 ，一片4 与非门7 4 l 8 2 2 和一或非门7 4 l s 0 2 组成的( 图4 2 ) 。该 电路的口地址是受p c 微机的a 2 a 9 及a e n 信号的控制，且在a e n 为低电平 时才保证译码器7 4 l s l 3 8 译出的口地址有效。表4 2 给出了译码电路译出 的口地址和各地址线的取值。 这样译码电路译出的8 个口地址可供接口卡上的接口芯片选用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 表3 - 2 地址线的取值表 la 9 a 8 a 7 a 6 a 5a 4a 3a 2a 1a 0 口地址作用 o003 0 0 h 8 2 5 5 p a 口 0013 0 1 h8 2 5 5 p b 口 0103 0 2 h8 2 5 5 p c 口 0l13 0 3 h 8 2 5 5 控制端口 】003 0 4 h 8 2 5 3 计数器0 lloo00o 10l3 0 5 h 8 2 5 3 计数器1 11o3 0 6 h 8 2 5 3 计数器2 1113 0 7 h 8 2 5 3 控制端口 l0oo3 0 8 h 启动a d 0 8 0 9 11oo3 0 c h 读a d 0 8 0 9 数据 100oo3 1 0 h d a c 0 8 3 2 地址 3 3 接口卡的数据采集系统设计 3 3 1数据采集系统的任务和芯片的选择 在自动测控系统中，所要采集的信号一般有开关量信号、数字信号 和模拟信号三种，但应用最多的是模拟信号。实验计算机控制的接口卡采集 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 位置是数字信号可通过接口芯片直接被计算机所接收。因此实验采用9 位 光电编码器作为位置传感器，所以计算机与传感器之间用8 2 5 5 并行接1 ：3 芯片 作为接口芯片。 3 3 2 并行8 2 5 5 接口芯片的引脚功能、内部结构及方式命令字 一8 2 5 5 接口芯片的引脚功能 8 2 5 5 是单电源+ 5 v 供电，采用了4 0 个引脚双列直插式d i p 封装形式， h 堇罂星耋譬镕昌昌謦昌苫昌兽宣釜基萎錾茧娶 8 2 5 b 引脚 品 星星星星昌蹿gi2 垂套娶釜量罾謦量量罾罂 囤3 - 38 2 s 5 引脚功耗 它是由c m o s 工艺实现，其外部引线如图3 3 所示。8 2 5 5 作为并行接口芯片 具有面向c p u 和面向外设的两个方向的连接能力。因此，它的引脚分为两个 部分。 1 与系统总线连接信号 ( 1 ) 面向数据总线的有： d o d ，：双向数据总线，用于c p u 向8 2 5 5 发送命令、数据和8 2 5 5 向c p u 回送状态、数据。 ( 2 ) 面向地址总线的有： c s ：片选信号，低电平有效，由系统地址线经i 0 端口地址译码电 路产生。一c s 低电平时。才能对8 2 5 5 进行读写操作。c s 高电平时，切断c p u 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 与芯片的联系。 a t 、a ：芯片内部端口地址信号，与系统地址总线低位相连，用来 寻址8 2 5 5 内部寄存器。 ( 3 ) 面向控制总线的有： r d ：读信号，低电平有效。读信号将使数据或状态信号从8 2 5 5 读至c p u 。 w r ：写信号，低电平有效。发写信号，将命令代码或数据写入c p u 。 r e s e t ：复位信号，高电平有效。他将清除控制寄存器并将8 2 5 5 的 a b c 三个端口均置为输入方式。 2 与外部端口的连接信号 p a 。p a ，：端口a 的输入输出线 p b 。p b 7 ：端口b 的输入输出线 p c 。p c ：端口c 的输入输出线 端口c 根据不同的工作方式，可以有不同的作用。如可以作为数据 口、状态口、专用联络信号线、按位控制。 二8 2 5 5 接口芯片内部结构 p c 4 p c t p c o p c 3 r b 0 一p b l 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 8 2 5 5 接口芯片内部结构如图3 4 所示。它主要由4 个部分组成。 1 数据总线缓冲器。这是一个三态双向8 位缓冲器，它是8 2 5 5 与c p u 系统数据总线的接口。 2 读写控制逻辑。读写控制逻辑有读写信号片选信号以及端口选择 信号组成。 3 输入输出端口a 、1 3 、c 。8 2 5 5 包括3 个8 位输入输出端口。每个输 入输出端口都有一个数据输入所存器和数据输出所存器，输入时端口有三态 缓冲器的功能，输出时端口有数据所存器的功能。 4 a 组和b 组控制电路。控制a 、b 、c 三个端口的工作方式，a 组控制 a 口和c 口的上半部( p c 。一p c ，) ，b 组控制b 口和c 口的下半部( p c 。- p c ，) 的 工作方式和输入输出。 并行8 2 5 5 接口芯片的方式命令字 作用：指定8 2 5 5 的工作方式以及其方式下3 个并行端口( p a 、p b 、p c ) 的功能，是作为输入还是输出。 格式：8 位，最高位为特征位，一定要写i ，其余各位定义如下， 应根据用户的设计要求填写1 或0 。 1d 6d 5d d d 3d 2d id o 特a 组方式 p a p c 4 7b 组方式 p b p c o 3 征0 0 = 0 方式 0 = 输出0 = 输 0 = 0 方式 0 = 输o = 输 位0 l = 1 方式 l = 输入出 l = 1 方式 出出 1 0 = 2 方式 l = 输l = 输l = 输 1 1 = 不用 入八八 本实验8 2 5 5 的控制方式是三个端口都作为 1 0 0 11o l l b ，十六进制为9 b h 启动8 2 5 5 的初始化程序为： m o vd x ，3 0 3 m o va l ，9 b h o u td x ，a l m o vd x ，3 0 0 h 0 方式输入端口方式字为 ：8 2 5 5 命令口地址 ；初始化方式字 ：送到命令口 ：8 2 5 5p a 口地址 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 读数据 3 4 接口卡的数模转换技术 微机采集来韵位移信号、速度信号和主信号经a 9 转换后，被送到计 算机，按照确定的控制程序和其它应用程序运行后得到的数字控制量，必须 经过数模转换技术才可以输送到被控对象的执行机构。以实现被控对象的计 算机控制目的。 3 4 1 数模转化技术系统的组成 一个典型的数模转换技术系统一般由三大部分组成，即d a c 转换 芯片，i v 转换电路及其它辅助电路。如图3 5 所示。 麓 图3 _ 5 失型a 埔换硬件原理围 3 4 2 数模转换器的选用 在选择数模转换芯片时，主要应考虑该芯片的性能、结构及其应 用特性，应使其应用性能满足d a 转换系统的技术要求，价格低廉而且外 接的接口电路简单等。在实验接口卡上的数模转换系统中，选用了电流输出 式的d a c 0 8 3 2 芯片。 一、d a c 0 8 3 2 的内部结构及引脚说明 d a c 0 8 3 2 是采用了2 0 个引脚双列直插式d i p 封装形式，它是由c m o s 工 艺实现的8 位乘法型d a 转换器除了具备一般d a 转换芯片的特性外，内 部采用了双缓冲寄存器形式。如图3 6 所示。 d a c 0 8 3 2 的2 0 条信号线中，有5 条控制线，8 条数据线和其他功能引脚。 堕堕至鎏查堂塑主堡壅圭堂笪堡塞蔓! ! 戛 它们的各自作用是： d o - - d 7 ：二进制数字量输入线，d 0 为最低位，d 7 是最高位。 c s ：是d a c 0 8 3 2 的片选信号线，低电平有效。同i l e 组合可选通w r ：一一一一一一一一一一 圈3 6 d a c 0 8 3 2 内部结构及外部引脚 v r e f i t 2 o u t l r 凸 鲫 y e e 瑚 i l e ：输入锁存选通信号，高电平有效。 x f e r ：传送控制信号低电平有效。它将选通w r ，。 w r ，：写信号l ，低电平有效。用来将输入数据送到锁存器中，当w r ，为 高电平是，输入到锁存器中的数据被锁存。 w r ，写信号2 ，低电平有效。与x f e r 组合，可以使输入到锁存器的8 位数据传送到d a 寄存器中。 ，o i ，1 0 2 ：d a 转换器的电流输出1 ，2 。 r ，。：反馈电阻。用作外部输出运算放大器的反馈电阻。 矿脚：参考电压输入端，可在一1 0 v + i o v 范围选择。当v p z f 接+ 5 v 电压时经i v 转换电路后，输出的电压范围是一5 v + 5 v 。 v c c ：数字电源端。 a g n d ：模拟地。 d g n d ：数字地。 二、0 a c 0 8 3 2 的工作方式 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 由图3 6 可知，d a c 0 8 3 2 的5 根控制线的不同组合，可以使d a c 0 8 3 2 工 作在不同的方式： 当只使用i l e + c s + w r ，构成的第一组控制信号线，或只使用 w r 2x f e r 组成的第二组控制信号线时，可以使d a c 0 8 3 2 工作在第一级缓冲 或第二级缓冲的单缓冲工作方式；当把以上两组控制信号一起使用时， d a c 0 8 3 2 就工作在双缓冲的工作方式；当5 条控制线中除i l e 线外，其余的4 条信号线全接在低电平上时，d a c 0 8 3 2 芯片就工作在直通方式下。本文使用 单缓冲工作方式。 三i ) a c 0 8 3 2 输出的i v 变换电路 数字量经d a c 0 8 3 2 转换后输出的是电流值。为了获得自调节p d f 控制 固3 一td ， 幸封 硬件连接原理圈 所需要的双极性模拟电压需外接i v 转换电路。接口卡的i v 转换电 路是由通用型的两级运算放大器l ) j 3 5 8 构成的。l m 3 5 8 的输入失调电压小 表3 - 1 数字量( n )模拟量( + 5 v ) m s bl s b 单极性v双极性v l l l l1 1 1 14 9 8 v+ 4 9 6 v 1 1 1 11 l l o4 9 6 v+ 4 9 2 v 1 0 0 00 0 0 12 5 2 v+ 0 0 4 v 1 0 0 00 0 0 02 5 0 v+ 0 o o v 0 1 1 11 1 1 1- 2 4 8 v0 0 4 v 0 0 0 00 0 0 10 0 2 v4 9 6 v 0 0 0 00 0 0 00 o o v5 o o v 注：v 。= + 5 v 时，d a 转换的数字量与模拟量的对应关系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 5 页 具有自调零功能，因此，省去了调零辅助电路。接口卡的i v 变换电路原理 如图3 7 所示。 图3 7 输出双极性电压范围是一5 v + 5 v ，d h c 0 8 3 2 输出电压范围是 o v 一5 v 。d a 0 8 3 2 输入的数字量与输出的模拟量的对应关系入表3 一i 所示： 3 4 3 数模转换系统的硬件连接及工作原理 图3 - 8 给出了接口卡的数模转换系统硬件连接原理，d a c 0 8 3 2 的 片选线是接在口地址0 3 1 0 h 上的( 图3 - 2 译出的一个口地址) a 圈3 - b自调节控常蟠 d “转换硬件连接原理固 由于d a c 0 8 3 2 的数模转换过程是自动进行的，因此，其工作原理相对简 单，只须以下几条语句即可完成d a 转换。 ；i o va l ，d a t a ；送需转换的数字数据d a t a m o vd x 。0 3 1 0 h ；启动d a c 0 8 3 2 o u td x ，a l ；。开始转换，并把转换结果送出 3 5 干扰及其抑制措施 接口卡的抗干扰问题是计算机测控系统设计的一个重要问题。因为各 种干扰对接口卡轻则会影响它的转换精度，重则会造成它的逻辑关系混乱， 使整个控制系统失灵无法控制实验台的正常工作n 因此，有效地排除和抑 制各种干扰，是接口卡硬件设计的重要任务之一。有效抗干扰措施的采用， 能使接口卡工作在稳定的状态中。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 3 5 1 噪声及其传输途径 噪声就是指在检测和控制系统中，有用的信号中夹杂着的无用又有 害的信号总和。通常所说的干扰就是噪声造成的不良效应。噪声是来自噪声 源的。在工业现场和环境中，噪声源呈现出各式各样形式，可以是来自系统 外的外部干扰，也可以是来自装置内部的各种元件引起的内部干扰。 噪声要对计算机测控系统形成干扰，必须同时具备三个要素：a 噪声源， 敏感的接收电路，y 噪声源到接收电路之间的传输途径。这三个要素之间 的关系如图3 9 所示。 为了消除和抑制干扰，除了消除和抑制干扰源及使接收电路对干扰不敏 感外，还有抑制和切断噪声的传输途径等措施。 囝3 - 9q 膀形成千扰三要素之间的关系 3 5 2 屏蔽、浮空和接地技术 对计算机控制系统中的噪声干扰抑制，需从三个方面采取措施这 就是屏蔽，浮空和按地技术。 1 、屏蔽 屏蔽是利用铜或铝等低电阻