（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式电真空管排气智能控制器的研究与开发.pdf

摘要 电真空管制造有很强的工艺性，排气是其生产加工过程中的关键步骤，决定着产品的质量。目 前，大多数国内生产厂家的电真空管捧气设备落后，由于采用人工控制，人为因素导致的产品质量 问题时有发生，严重影响了产品性能的稳定性和企业效益。所以，电真空管排气设备的改造升级己 成为当务之急。 结合实际工程需要，本文讨论了基于嵌入式系统技术的电真空管排气智能控制器的设计。该控 制器的设计充分利用了嵌入式操作系统多任务能力，不但能够使整个加工过程实现自动化，还能在 无人值守出现故障情况时停机报警，保证加工工艺的实施和设备的安全。它对于保证产品质量、节 约生产成本、提高国内电真空管生产技术水平有着重要的意义。 本文在介绍电真空管排气工艺及国内加工设备现状的基础上，提出了电真空管排气装置自动控 制系统的结构以及该系统智能控制器的系统组成、功能要求和性能指标。在分析设计要求的基础上， 阐述了智能控制器硬件设计，它以a r m 微控制器l p c 2 2 2 0 为核心，配置信号测量、控制输出、数 字i o 、s d 卡存储器、串行接口和以太网接口等模块电路，线路板布线设计可以与标准仪表机壳配套 安装。该控制器软件采用分层设计的方法，编制了测量、控制、人机交互与显示、数据通信、数据 记录与查询等功能模块。在nc 0 s - i i 平台上采用一种新的系统菜单调度机制，完成了多任务操作 系统下的仪表功能编程实现，通过t c p i p 协议移植实现了网络数据通信。最后，对本文研究开发工 作做了总结并提出了对今后研究开发工作的建议。 关键词：电真空管排气智能控制器嵌入式系统p c o s i i t c p i p a b s t r a c t a b s t r a c t e x h a u s ti sac m c i a lp r o c e d u r ei nt h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s so fe l e c t r i cv a c l n n nt u b e w h i c hn d s s p e c i a lt e c h n i c sa n de q u i p m e n t s 耽ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cv i 略哪t u b ep r o d u c t sm a i n l yd e p e n d so n e x h a u s tp r o c e d u r e a tp r e s e n lt h ee q u i p m e n t sf o re x h a u s tp r o c e s s i n ga l eo u t - o f - d a t ai no u rc o u n t r y t h e p r o d u c tq u a f f t ya n dp r o d u c t i o ne f f i e i e n c ya ms e r i o u s l ya f f e c t e db yt h em a n u a lo p e r a t i o ni nc x t m u s t p r o c e s s i n g t h e r e f o r e , i t i s b e c o m i n g a b u r g e n t t a s k t o u p g r a d e t h e m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s i nt h i sp a p o r , t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fa l li n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e rf o re x h a u s tp r o c e s s i n go f e l e c t r i cv a c u u mt u b e sb a s e d0 1 1e m b e d d e ds y s t e mt e c h n i q u ei sd i s c n s s e d ，w i t hc o n s i d e r a t i o no fp r o d u c t i o n n e e d s w i m t h e h e l po f m u l t i t a s k - p r o c e s s i n ga b i l i t y o f e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m s t h ec o n t r o l l e r c a l i n o t o n l yr e a l i z et h ea u t o m a t i o no fe x h a u s tp r o c e s s i n g b u ta l s op r o t e c te q u i p m e n t si nf a u l tc o n d i t i o n s ，s o 鹊t o g u a r a n t e et h ep r o c e s s i n gt e c h n i c sa n de q u i p m e n ts a f e t y i th a sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ei ne n s u r i n g p r o d u c to u a l i t y , s a v i n gp r o d u c t i o nc o s t sa n dp r o m o t i n gd o m e s t i ce l e c t r i cv a c u u n lt u b em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y w i t ha ni n t r o d u c t i o no fp r o c e s s i n gt e c h n c se n dp r e s e me q u i p m e n t s t h es t r u c t u r eo fa u t o m a t i c e x h a u s t i n gp r o c e s s i n gs y s t e mi sp r o p o s e d a n dt h ec o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o no ft h ei n t e l l e c t u a lc o n t r o l l e r a r ep r e s e n t e d b a s e do nt h ea p p l i c a t i o na n a l y s i s ，t h eh a r d w a r ed e s i g no f t h ec o n t r o l l e r , w h i c hc o n s i s t so f a l l a r mc o 愆l p c 2 2 2 0 ，s i s g n a ls a m p l e , c o n t r o lo u t p u t 。d i g i t a li n p u t - o u t p u t ，s dc a r dm e r n o t 了, s e r i a lp o r ta n d e t h o m e = ti n t e r f a c e w i t hac i r c u i tb o a r df i r i n gt h es t a n d a r di n s t r u m e n ts h e l l n ”c o n t r o l l e rs o f t w a r ei s d e s i g n e db yu s i n gl a y e r e dm e t h o d , e n df u n c t i o n a lm o d u l e so fm e a s u r e m e n t ，c o n t r o l ，m a n - m a c h i n e i n t e r a c t i o n , d i s p l a y , d a t ac o m m u n i e d o n , d a t ar e c o r da n di n q u i r ya r ei sp r o g r a m m e d an e v rs y s t e r nm e n u s c h e d u l e ri su s e dt oi m o l c m e n tc o n t r o l l e rf u n c f i o n so nm u l t i - t a s ko p e r a t i o ns y s t e mo fpc 0 s 1 1 n e n e t w o r kc o m m u n i c t i o ni sc o m p l e t e db yt r a n s p l a n to ft c p i pp r o t o c 0 1 f i n a l l v t h ep r o j e c tw o r ki nt h i s p a p e ri s 胡山a r i z c d a n d 翻m n es u g g e s t i o n so nf l l r t h e rd e v e l o p m e n t a r cp r e s e n t e d k e y w o r d s ：e x h a u s tp r o c e s s i n go f e l e c t r i cv a c e m nt u b e i n t e l l e c m a lc o n t r o l l e r e m b e d d e ds y s t e m t t c o s i i t c p i p 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他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：弛纭 日期：2 竺：墨! 兰! ? 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。 魏址一名：懈 第一章引言 1 1 课题研究的背景 1 1 1 电真空管 第一章引言 电真空管是一种在气密性封闭容器( 一般为玻璃管) 中产生电流传导，以获得信号放大或振荡 的电子器件。电真空管具有抗辐射能力强、抗宇宙射线、线性放大区域宽等特点，在无线电领域、 航空航天领域等很多方面有着重要的应用。在发明晶体管以前，电真空管被广泛用于收音机、扩音 机、电视机中，是当时最重要的电子组件之一。目前，虽然在许多电子产品中体积小、功耗低的晶 管、九极管和复合管等。三极以上的电真空管又称为多极管或多栅管。 ( 3 ) 按外形分类 电真空管按其外形及外壳材料可分为：瓶形玻璃管( s t 管) “、橡实”管、筒形玻璃管( g t 管) ， 大型玻璃管( g 式管) 、金属管、锁式管、金属陶瓷管、小型管( 也称花生管或指形管、| f r 管) 、 塔形管、超小型管( 铅笔形管) 等多种。 ( 4 ) 按内部结构分类 电真空管按其内部结构可分为：单二极管、双二极管、双二极三极管、双二极五极管、单三极管、 功率五极管、束射四极管、束射五极管、双三极管、二极五极复合管、双束射四极管、三极一五 极复合管、三极一六极复合管、三极一七极复合管、束射功率管等多种类型。 ( 5 ) 按阴极的加热方式分类 电真空管按阴极的加热方式可分为：直热式阴极电真空管和旁热式阴极电真空管 ( 6 ) 按屏蔽方式分类 电真空管按屏蔽方式可分为：锐截止屏蔽电真空管和遥截止屏蔽电真空管。 ( 7 ) 按冷却方式分类 电真空管按冷却方式可分为：水冷式电真空管、风冷式电真空管和自然冷却式电真空管。 2 、电真空管的主要参数 电真空管的主要参数有：灯丝电压、灯丝电流、屏极电流，屏极内阻、屏极电阻、帘栅极电压、 极间电容、放大系数、跨导、输出功率等。 ( 1 ) 灯丝电压 灯丝电压v f 是指电真空管灯丝的额定工作电压。不同结构和规格的电真空管，其灯丝电压也不 相同。通常，电子二极管的灯丝电压为：l i2v 或2 4v ( 双二极管) ，三极以上电真空管的灯 丝电压为：6 3v 、1 2 6v ( 复合管) ，部分直热式电真空管、低内阻管、柬射管等的灯丝电压还 有：2 5v 、5v 、6v 、7 5v 、1 0v 、2 6 5v 等多种规格。 ( 2 ) 灯丝电流 灯丝电流i f 是指电真空管灯丝的工作电流。不同结构和规格的电真空管，其灯丝电流也不同。 ( 3 ) 屏极内阻 东南大学硕士学位论文 雨丽丽面函霸丽西丽办醯面f 示菱而板百压u a 的变化量与其对应的屏极电流i a 变化量的 比值。 ( 4 ) 放大系数 放大系数u 是指在电真空管阴极k 的表面上，由栅极电压u g 和屏极电压u a 所形成的两个电场 的有效值之比，或指在屏极电流i a 变化时，栅极电e , u g 的变化与其对应的屏极电压u a 变化的 比值。放大系数用来反映电真空管的放大能力。通常将放大系数值大于4 0 的三极电真空管称为 高放大系数管，将放大系数低于4 0 、高于1 0 的三极电真空管称为中放大系数管，将放大系数低 于l o 的三极管称为低放大系数管。 ( 5 ) 跨导 跨导s 是指屏极电压u a 为定值时，栅极电l 毛u g 的变化量与因u g 变化引起屏极电流i a 变化量的 比值。跨导用来反应电真空管的栅极电压对屏极电流控制能力。 ( 6 ) 极间电容 极间电容是指电真空管各电极之间分布电容。 1 1 2 电真空管加工 电真空管的加工包括很多方面，在此我们就针对本课题研究的内容，谈一下电真空管加工过程 中最重要的一步：电真空管的排气。 电真空管的排气关系到整个管子的性能，是加工的关键一步。在将产品的零、部件组装成密封 整管后。接上真空排气台进行排气和烘烤，并分别对吸气剂，电离规管等按照一定的工艺规程进行 计，其型式繁多，各具不同特点和适用不同的压力测量范围。如图卜2 所示为其中的一种普通真空计 热阴极电离真空计由测量规管和电气测量电路( 真空计控制单元和指示单元) 组成。规管功能是 把非电量的气体压力转换成电量离子电流。热阴极电离真空计规管的基本结构主要包括三个电 极： ( 1 ) 提供一定数量电子流五的灯丝，( 阴极) ： ( 2 ) 产生电子加速场并收集电子流的阳极4 ( 亦称电子加速极) ： ( 3 ) 收集离子流五的离子收集极f ( 相对阴极为负电位) 离子流五与压力尸可用下式表示： i i = xi t 式中卜发射电子流 f 规管系数，单位为p a z 在一定压力范围内为一常数，若保持发射电子流厶为一恒量时，则离子流五与压力尸呈线性关 系。当压力高到某一值时。f 值会随压力p 而变化，这就达到了压力线性测量上限儿r ，它由电极 的几何结构、电极间电位分布以及发射电流大小所决定。 规管系数在气体压力尸很低时仍可保持为常数，但离子流 随压力尸降低而减小到一定限 度后，将会埋没在电离计工作中不可避免地存在着的其它与压力既关的本底电流之中，因而达到 其压力测量下限尼。这种本底电流包括x 射线光电流等。按线性压力范围的不同，热阴极电离真空 2 第一章引言 计主要分三类： ( 1 ) 普通型电离真空计( 1x1 0 - 1 l o 6 p a ) ： ( 2 ) 超高真空电离真空计( 1 l f f 1 0 _ 。p a ，有的下限为1 0 - 1 0 p a ) ； ( 3 ) 高压力电离真空计( 1 旷1 0 一a ) 。 2 、电真空管捧气控制设备分析： 目前，多数电真空管的生产厂家的排气加工设备为手动操作的，如图卜3 为手动操作的设备系 统框图。 图l - 3 原有排气装置系统框图 如图所示，所有的操作都是要有人的参与进行的系统上电后，要人为的完成以下操作： ( 1 ) 、设置温控仪的过程参数。因为排气是个很长的过程，并且加工的过程复杂，一般对温度的 控制是分段的，温度的曲线呈阶梯状，每一步都要持续很长时间 ( 2 ) 、开启预抽机械泵对系统进行抽真空，当达到工艺要求的压力后停止。 ( 3 ) 、真空度比较低的时候，先开启前机械泵，当达到工艺要求的压力时候停止，然后开启分子 泵进行高真空度的抽气。 ( 4 ) 、调解手动调压器。为电真空管的阴、阳极加上变化的电压、电流。 ( 5 ) 、以上步骤都不是独立的，每一个步骤都与其它的操作相关联。是以真空度为主导参量、以 温度、阴极阳极电压电流为辅助参量、以时间为工艺参量的。在抽真空和加温的同时， 操作人员还要不断的监视数显真空仪的显示，还要不断的按照工艺的要求变化加在电真 空管的阴、阳极的电压和电流。 一般来说以上的步骤都要持续几个小时或数十个小时，这对操作人员来说无疑是巨大的压力， 因为每一步操作不当，都有可能导致产品的严重缺陷。从而为公司带来巨大的损失。由此可见，传 统的排气控制设备不仅工作效率低下，而且容易引起产品的质量问题，特别是影响了产品性能的一 致性，对传统设备的改造迫在眉睫。 1 2 本课题的提出 电真空管的制造有很强的工艺性，其工艺设备和制造工艺都直接影响其质量。在制造工艺中电 真空管排气是生产加工过程中的关键步骤，直接决定着真空管的质量。电真空管的零、部件分别由 金属( 不锈钢、铜、钛等) 、陶瓷、玻璃、云母、吸气剂等材料制成，各种材料的吸气量、放气率是各 不相同的。因而真空排气是一个动态过程，是一个比较复杂工艺过程，它与排气过程中各种材料的放 气量、烘烤温度、烘烤时间和处理工艺是紧密相关的，要对多个参数( 真空度、温度、电压、电流 等) 进行测量、控制，由于各参数相互关联并且必须协调同步地满足工艺要求，所以控制难度较大。 3 东南大学硕士学位论文 使电真空管获得并长期保持能正常工作的良好真空环境，须对影响真空度的各种因素进行分析、研 究。以制定出合理的、科学的真空排气工艺规程，并采用计算机技术实现真空排气的自动控制，保证 工艺的稳定性和一致性，才能提高产品的质量和可靠性。如电真空管在真空排气过程中的烘烤温度 偏低和烘烤、抽真空的时间短，都会使零部件中的残余气体不能完全被排除，达不到较高真空度的目 的。 目前，绝大多数国内生产厂家的电真空管捧气的工艺设备落后，同时大多采用人工控制。从系 统上电开始就要有人值守，集中精力面对着操作台的各种仪表，按照事先规定好的操作流程操作控 制各种阀门、电机的起停。因为这个过程是个长时间过程，一般要持续加工几个甚至几十个小时， 排气要保证不能太快也不能太慢，要严格按照加工的工艺进行，所以，人为因素导致的产品质量问 题时有发生，它同时也严重影响了产品性能的一致性。 综上所述，电真空管的排气设备的改造升级成为当务之急。为使真空器件的排气工艺科学、合 理，排除人为因素，保证工艺的稳定性和一致性，本谍题正是应南京某电子管生产企业的排气设备改 造需求，研制开发出一套用于控制真空管的排气过程的现代化的嵌入式设备，能够使整个加工过程 的自动化，在无人值守时出现意外情况可以停机报警，保证产品的加工工艺和设备的安全；另外， 能够记录排气过程中的各种参数及时间，便于进行产品质量跟踪，利于改进加工工艺。它对于保证 产品质量、节约生产成本、提高国内电真空管生产技术水平有着重要的意义。 1 3 本文的研究内容与结构安排 本论文首先从生产需求出发提出排气装置自动控制系统的构成，再讨论系统中主控制器的设计。 该控制器以嵌入式系统为核心，配置测量控制、人机交互、通信接口等硬件，基于p c o s i i 开发软 件并实现控制器功能。本论文的后续章节主要围绕电真空管排气智能控制器的设计和实现展开阐述， 主要包括以下内容： 第二章讨论了电真空管排气智能控制器系统设计。首先给出了电真空管排气智能控制器系统结 构图，详细分析了电真空管排气智能控制器设计的需求和功能指标，给出了系统架构设计和相关技 术开发的条件，包括开发平台的选择和嵌入式操作系统的选型等。 第三章在功能需求的基础上。阐述了电真空管捧气智能控制器硬件设计方案，详细给出了各硬 件功能模块的设计原理图，包括电源设计、存储器扩展模块、系统采样及控制模块、以太网模块、 s d 卡模块等，并给出了电真空管排气智能控制器p c b 版图的设计和e m c 设计。 第四章首先给出软件的总体设计方案，然后分别介绍软件模块的设计。在简要介绍与硬件操作 有关的底层软件模块设计的基础上，介绍了如何将! u c o s - i i 移植到本设计的处理器上论文详细地 阐述了r 1 18 0 1 9 a s 、n a n d f l a s h 等底层硬件驱动的编写，在硬件驱动程序的基础上详细讨论了 t c p f f p 协议的移植以及以太网通讯模块和应用层程序的设计与实现，提出了一种新的菜单调度管理 方法，并作了详细讨论和实现。 第五章对电真空管排气智能控制器开发调试中的一些技术问题及解决方法做了介绍，并给出了 各控制器功能的实现情况。 第六章总结了本文研究工作，并对今后的研究开发工作提出了建议。 4 第二章系统设计 2 1 系统构成 第二章系统设计 随着计算机技术与微电子技术的发展，越来越多的系统设计更强调智能化与自动化。在硬件技 术上，从传统的8 位单片机已经发展到今天的3 2 位单片机甚至更高；在软件上，更多的设计系统已 经从前后台模式转向了多任务方式。等等的这一切，都为我们设计嵌入式的电真空管排气智能控制 器提供了强大的基础。 图2 - l 捧气装置自动控制系统框图 在仔细研究了排气加工工艺和现有的排气控制设备的基础上，结合当今较为先进的嵌入式系统 开发技术，我们重新设计了如图2 - 1 所示的一套智能控制系统。由图可见，排气加工过程中的所有 参数控制都是在智能控制器的统一协调控制下完成的，并不需要人的全程参与。操作人员只需要在 智能控制器上按照加工工艺要求、通过屏幕提示设置好排气过程参数，然后启动系统，此后捧气加 工过程中的所有控制操作都由智能控制器自动完成，操作人员只需定期查看智能控制器记录的过程 数据即可。 如前所述，排气加工过程中需要控制的参数有管内真空度、管体温度、阴极电压电流、阳极电 压以及加工时间，这些参数都必须由智能控制器进行测量、控制和协调，以达到加工工艺要求。该 系统中，智能控制器对各参数的测量控制采用如下方式完成； 1 真空度 真空度测量由原系统中的真空度测量仪完成，采用上下位机的方式，用赂一4 8 5 通讯读取当前的 5 东南大学硕士学位论文 真空度数据。加工开始时，低真空度排气由机械真空泵完成，当达到一定真空度后启动分子泵排气 并在整个捧气加工过程中一直开启运行，以获得工艺要求的高真空度。机械真空泵分子真空泵的 启动和停止、各电磁阀的的开启和关闭均由智能控制器通过数字i o 输出完成控制。 2 温度 温度探头将信号送智能控制器，由其测量输入电路完成信号采样和温度计算，由铡量值与设定 值之间的偏差采用p i d 算法计算控制量，通过智能控制器的控制输出电路输出4 - 2 0 m a 电流。送到 具有触发器功能的可控硅调压模块，调节电加热功率，达到控制温度的目的。排气加工工艺要求温 度控制范围为o 撕0 0 ，控制误差不超过3 3 阴极电压电流、阳极电压 阴极工艺参数可能以电压或电流的形式给出，而实际上就是控制阴极电压。所以阴极、阳极都 是要根据要求施加电压，使其处于一定的工作状态。电压控制由2 台智能化调压器完成，智能控制 器通过r s 一4 8 5 向调压器发送电压设定值，即可实现阴极电压电流、阳极电压的控制。 4 加工时间 时间是排气加工过程中的重要参数。智能控制器在真空度、温度、阴极电压电流、阳极电压都 满足本阶段工艺要求时，进行时间计数，达到加工时间要求后自动进入下一个加工阶段，并以此推 进排气加工过程。 在具备基本的测量控制功能的基础上，智能控制器还要能够方便地设置、存储工艺参数和加工 流程，并按照参数和流程自动地推进排气加工过程；当出现可修复故障时能够按照工艺规定自动恢 复运行，当出现不可修复故障时，应停止排气加工过程，并通过声光报警通知操作人员进行处理。 对整个捧气加工过程，智能控制器应能够记录过程参数、操作状态和故障状态并回放显示。考虑到 企业技术升级的需求，智能控制器应配置通信接口，能够与p c 微机进行数据通信。 2 2 设计要求 智能控制器应根据电真空管排气加工过程中工艺要求的特点，进行针对性的设计，即智能控制 器的功能和性能必须满足生产要求，同时在考虑成本的前提下尽量提高系统能力，使设计具有一定 的灵活度和超前性，为设计开发和今后的功能扩展预留空间。 根据前一节讨论的系统应用要求及要求，智能控制器设计中各部分的总体目标和要求如下： 1 微控制器系统 采用先进的在3 2 位处理器，扩展功能强大的外围电路。使整个智能控制器具有较为强大的计算 处理能力，以适应目前的加工要求和今后更为先进的排气加工工艺和控制要求。作为智能控制器的 核心，微控制器系统在结构上和连接形式上应具备一定的可扩展能力，以适应设计开发和应用升级 的要求。 2 测量输入 目前需要智能控制直接测量的模拟量只有1 个温度测点，考虑到测量校正和扩展需要，采用多 通道测量输入的结构，配置8 路模拟开关进行信号通道切换，采用1 2 位以上的 d 转换器以保证信 号测量精度，并在模拟信号输出端与微控制器系统之间进行光电隔离。 3 控制输出 目前需要智能控制直接输出的控制量只有1 路标准的4 - 2 0 m a 电流信号，用于控制电加热功率。 考虑到控制输出信号的多样性，在这里不预留控制更多的输出信号 4 数字i o 数字输入用于读取排气装置上一些人工控制按钮的操作信号，数字输出用于控制真空泵的启动 停止、输出状态指示和声光报警等。根据目前的需要，应设计8 路数字输入和8 路数字输出。数字 输入信号为开关触点信号，数字输出信号为0 v 2 4 v 电压信号，驱动外接继电器完成控制动作。 5 大容量存储功能 由于电真空管排气加工过程很长、工艺参数较多，智能控制器需要记录、处理大量的参数、状 态数据，所以系统需要配置一个大容量数据存储器；同时，系统还需要具有大容量的非易失性数据 存储器，定时保存加工过程中的历史数据，以供以后的数据查证和工艺分析。 6 通讯 智能控制器通过船一4 8 5 与真空度测量仪、电压调节器交换数据，所以需要有一个r s 一4 8 5 通讯 接口，考虑到电路调试和扩展的需要，再预留一个i l s 一2 3 2 通讯接口；另外，智能控制器还要能够与 p c 微机进行通信，考虑到组建工业自动化网络系统的应用发展趋势，配置一个以太网接口，这样可 6 第二章系统设计 以更为方便实现远端信息交换和远端的监控与维护，使智能控制器更好地适应今后的应用。 7 人机接口 考虑到系统应用中要求能够集中显示过程参数与工程单位、过程历史曲线、运行和报警状态、 实时数据和历史记录查询等操作，同时要求能够在中文操作菜单提示下逐级完成加工工艺参数的设 定操作。智能控制器应配置图形化显示器，配合方向按键和功能按键，完成较为复杂的操作功能， 并通过编程实现方便友好的人机界面。 8 软件编程 软件是智能仪表的灵魂。考虑到硬件系统的特点以及系统软件开发方便性、可移植性和可维护 性，智能控制器软件的开发应采用高级语言，并在嵌入式操作系统下进行编程开发。 2 3 控制器开发相关技术与条件 2 3 1 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器是以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成r a m 、f l a s h 、总线、总线逻辑、 定时计数器、w a t c h d o g 、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、d a 等各种必要功能和外设。嵌 入式微控制器目前的品种和数量最多，但终究是8 位、1 6 位、和3 2 位微控制器这三大类。 在一般使用的8 位微控制器中最为普遍的是5 1 系列。如8 0 3 1 ，8 0 5 1 ，8 7 5 1 ，8 9 5 1 等，1 6 位单 片机的代表为9 6 系列，如8 0 9 8 ，8 0 x c 9 6 等，他们的特点是成本低，使用灵活，但缺点是运算速度 慢，一般还需要扩展r 埘和r o m ，硬件电路较复杂，故一般只用于所需工作速度不是很高，数据处 理量不大的场合中。 在3 2 位的微控制器器中主要有两类，一是d s p 微处理器，另一类是a 脒微处理器。d s p 处理 器采用哈佛总线结构，程序处理器与数据处理器分开，有各自的总线结构，减少了总线对系统的压 力，并可在执行指令时采用流水线操作，读取指令、译码等操作均可并行进行；它具有高速阵列乘 法器等专用硬件，增强的多级流水线，使d s p 器件具有高速的数据运算处理能力；它还具有满足信 号处理要求的一些特殊指令集，提高了f f t 快速傅立叶变换和滤波器的运算速度。嵌入式d s p 处理 器比较有代表性的产品是t e x a si n s t r u m e n t s 的t m s 3 2 0 系列和m o t o r o l a 的1 ) s p 5 6 0 0 0 系列。在数 字滤波、f f t 及频谱分析等方面d s p 算法正在大量进入嵌入式领域。但是它大多作为从处理器，协 助主处理器进行数据处理 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理 器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a 跚公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技 术的授权目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a 脚微处理器， 已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技 术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我 们生活的各个方面 采用r i s c 架构的a 跚微处理器一般具有如下特点： 1 、体积小、低功耗、低成本，高性能； 2 、支持t h u m b ( 1 6 位) 删( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； 3 、大量使用寄存器，指令执行速度更快； 4 、大多数数据操作都在寄存器中完成； 5 、寻址方式灵活简单，执行效率高； 6 ，指令长度固定； a 跚微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构的处理器，除了具有 r m 体系结构的共同特点以外，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。a p u m 7 系列、a r m 9 系列、a 跚9 e 系列、a r m i o e 系列，s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 。在工业控制 领域应用较多的主要是a 刚7 系列。 由于智能控制器要支持多种通讯方式，尤其是要实现t c p i p ，d s p 处理器显然不合适，而如果 选用8 位单片机将使系统资源非常紧张，可能会影响智能控制器运行的稳定性。而且在选择处理器 时，不仅要满足性能的要求，还要考虑软件的支持( 包括操作系统和硬件驱动程序的资源) 、市场的 供货情况及最终产品成本等实际因素。选型最关键的是根据应用量体裁衣，找到一款合适的，性价 比较高的微处理器。经分析比较，选择3 2 位的a 1 珏4 7 处理器l p c 2 2 2 0 作为微处理器。 7 东南大学硕士学位论文 2 3 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中 显得越来越重要 常见的嵌入式操作系统主要有以下几种： 1 、1 1c l i n u x ，完全开放代码，可以使用几乎所有l i n u xa p i 函数，具有稳定、良好的移植性， 优秀的网络功能0 1 ； uc l i n u x 是一个符合6 n u 6 p l 公约的开放源代码项目，是由l i n e o 公司在 l i n u x 2 0 的基础上裁减得到的。在i ic l i n u x 这个英文单词中，p 表示m i c r o ，即小的意思：c 表示 c o n t r o l ，即控制。所以c l i n u x 就是m i c r o - c o n t r o l l i n u x ，字面上的理解就是“针对微控制领域 而设计的l i n u x 系统”。c l i n u x 内核要比原l i n u x2 0 内核小得多，但保留了l i n u x 操作系统的 主要优点。 2 、w i n d o w sc e ，是精简的w i n d o w s 9 5 ，图形界面出色，基于w i n 3 2a p i ，可以使用v b 、v c + + 等 编程工具；w i n c e ( w i n d o w sc e ) 是为各种嵌入式系统和产品设计的一种紧密的、高效的、可升级的 操作系统。初始设备开发商( o e m ) 或者嵌入式操作系统开发商可以从适合目标平台的操作系统中自 行选择系统模块和组件。选择的系统模块和组件的多少决定了所需内存的大小。 3 、v x w o r k s ，良好的可靠性和卓越的实时性，主要是用在通信、军事、航空航天等要求高的领 域。v x w o r k s 是专门为实时嵌入式系统设计开发的操作系统软件，它为程序员提供了高效的实时 任务调度、中断管理、实时的系统资源以及实时的任务间通信。v x w o r k s 自1 9 8 3 年问世以来，已成 功应用在航天、航空、舰船、通信、医疗等关键领域。目前，v x w o r k s 己经成为事实上的工业标准 和军用标准，大量软硬件厂家都提供v x w o r k s 的扩展组件，因此，v x w o r k s 在各种c p u 硬件平台上 可以提供统一的接口和一致的运行特征，应用程序不用任何改动就可以运行在各种c p i j 上，为程序 员提供了一致的开发和运行环境，减少了重复的劳动。 4 、pc 0 s 一，源码公开、可移植、可固化、可裁减及占先式的实时多任务操作系统。t tc 0 s 一 的源代码绝大部分是使用移植性很强的a n s i c 编写的，与微处理器硬件相关的部分是使用汇编语 言编写“”。目前uc 0 s 一已经被移植到多种不同架构的处理器上。它使用条件编译实现可剪裁，用 户程序可以只编译自己需要的功能，以减少uc o s - i i 对代码空间和数据空间的占用c 0 s 一是 完全可剥夺型的实时内核。总是运行就绪条件下优先级最高的任务。用户可以管理6 4 个任务，然而， pc 0 s u 的作者建议用户保留8 个给uc o s - i i ，这样，留给用户的应用程序最多可有5 6 个任务。 pc 0 s i i 提供很多系统服务，例如信号量、互斥信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列、块大小 固定的内存的申请与释放及时间管理函数等。其中断嵌套层数可达2 5 5 层。 uc 0 s 一基于pc o s ，白1 9 9 2 年以来，已经有数百个商业应用pc o s 。p c o s i i 与uc 0 s 的内核是一样的，只是提供了更多的功能。另外，2 0 0 0 年7 月，p c o s i i 在一个航空项目中得到 了美国联邦航空管理局对商用飞机的、符合r t c ad o - - 1 7 8 b 标准的认证。这一结论表明，该操作系 统的质量得到了认证，可以在任何应用中使用。 综上所述，操作系统的嵌入是嵌入式系统构建的基础，目前市场上的大型商用嵌入式实时系统， 如w i n c e ，v x w o r k s 。p s o s 等，己经十分成熟，但商用嵌入式实时系统价格昂贵，而且都针对特定的 硬件平台，对于中小型系统的开发，购买商用实时系统并不划算。此时，采用免费软件和开放代码 不失为一种选择。 作为开源嵌入式操作系统的典型代表，pc 0 s 一和pc l i n u x 在嵌入式系统中得到了广泛应用， 但pc 0 s 一作为微内核结构与# c l i n u x 的大而全的一体化内核相比，pc l i n u x 在实时性方面存在 不足，因为i ic l i n u x 是不可抢占的内核，同时由于pc l i n u x 的体积的限制，使它只适合应用在中 高端的嵌入式产品中。而在实时控制系统领域，往往采用各种各样的中低档硬件系统。pc o s j i 简 单易学，提供了嵌入式系统的基本功能，其核心代码短小精悍，如果针对硬件进行优化，还可以获 得更高的执行效率。i 1c l i n u x 功能强大，运行稳定，可以获得广泛的支持，但代码过于复杂，完全 移植没有必要，需要的系统资源也较多。 经过以上的比较，我们认为pc o s 一结构简单，开发费用低，移植容易，有较多的参考文献， 适用于中低端的嵌入式系统应用，可以满足我们设计的智能控制器的要求。但是p c o s i i 在应用 中与其它系统相比也有缺点，它仅仅是一个内核，没有提供网络功能和用户接口等，并且它与硬件 无关不能单独形成完整的应用 8 第三章系统的硬件设计与实现 3 1 系统的硬件结构 第三章系统硬件设计 在智能控制器的设计中，我们选用l p c 2 2 2 0 嵌入式处理器作为智能控制器核心，用x c 9 5 1 4 4 进 行逻辑译码和引脚扩展：选用蠲字节n o r f l a s h 芯片s s t 3 9 v f l 6 0 ，用于存放所有的程序代码、智 能控制器运行所需参数；扩展5 1 2 k 字节静态数据存储器( s r 删) i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l ，用于运行程序和 存放临时数据；扩展1 6 1 1 字节的n a n d f l a s h 用于存储现场数据。扩展以太网接口r t l 8 0 1 9 a s ，进行 t c p i p 通信；扩展s d 卡接口用于大量历史数据的存储；选用3 2 0 * 2 4 0 的l c d 进行人机操作的相关 显示。 智能控制器硬件框图如图3 - i 所示。 3 2 核心系统 图3 一l 控制器系统硬件结构 核心系统包括微控制器m c u 、扩展存储器、调试接口、看门狗电路和c p l d 电路，它是智能控 制器硬件电路的核心部分，考虑到器件升级的可能性，微控制器m c u 与扩展存储器部分做成可插 拨的电路模块。 3 2 1m c 【i 选型 本智能控制器的设计选用一款性价比较高的微控制器l p c 2 2 2 0 ，它是基于一个支持实时仿真和 嵌入跟踪的3 2 1 6 位a r m 7 t d m i - sc p u 。规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模 降低超过3 0 ，而性能的损失却很小由于l p c 2 2 2 0 的1 4 4 脚封装、极低的功耗、3 2 位定时器、 8 路1 0 位a d c 、p 删输出以及多达9 个外部中断管脚使它们特别适用于工业控制等领域，l p c 2 2 2 0 最 多可提供7 6 个g p i o 。由于内置了宽范围的串行总线，l p c 2 2 2 0 也非常适合于通信网关、协议转换 器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。其主要特性有”1 ： 1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s 微控制器，l q f p l 4 4 和t f b g a l 4 4 封装： 1 6 6 4l 【b 片内静态r a l i ； 9 东南大学硕士学位论文 串行b o o t 装载程序通过u a r t 0 来实现在系统下载和编程； e m b e d d e d i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片内r e a l m o n i t o r 软件对任务进行实时调试 并对代码进行无干扰的高速实时跟踪； 8 路1 0 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 us ； 2 个3 2 位定时器( l p c 2 2 2 0 也具有外部事件计数器) 带4 路捕获和4 路比较通道p w m 单元 ( 6 路输出) ，r t c 和看门狗； 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t ，i t c 总线( 4 0 0k b i t s ) 和2 个s p i 接口 在l p c 2 2 2 0 上，可选择带有数据缓冲区和可变长度传输的同步串行口( s s p ) 来代替一个s p i ； 向量中断控制器( v i c ) ，可配置优先级和向量地址； 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b ，数据宽度为 8 1 6 3 2 位； 多达7 6 个通用i 0 口( 可承受5 v 电压) ，9 个边沿或电平触发的外部中断管脚； 通过可编程的片内锁相环( p l l ) 可实现最大为6 0 7 5m h zc p u 操作频率，设置时间为1 0 0 us ； 带外部晶体的片内振荡器频率范围：1 3 0 姗z ，外部振荡器的频率高达5 0 m h z ； 2 个低功耗模式：空闲和掉电； 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗； 双电源，c p u 操作电压范围：1 6 5 v - i 9 5v ， i 0 操作电压范围：3 o 一3 6v ，i