（机械设计及理论专业论文）大型液压控制系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 课题来源于近年来的工程运用需求。近年来大型液压控制系统的应用逐渐 增多，如大型液压滑移系统，大型液压提升顶升系统等，其各个控制点相互存 在制约关系。控制系统趋于智能化，网络化，精度、可靠性和安全性要求高， 人际交互要求增强。但由于施工环境恶劣，某些干扰因素会造成系统的不稳定， 可能会造成一些原本在正常环境下可靠运行的系统在施工环境下出现故障，存 在安全隐患。 本文以基于单片微机的大型液压控制系统为对象，基于模块化和网络化设 计，进行了相关的理论及设计方法研究。 基于模块化设计的理念，控制器采用了基于r a m 共享的多c p u 系统结构， 每个模块完成各自相应的功能，通过外部总线对共享r a m 读写完成各个模块间 的通讯。论文提出了基于多种通信协议的网络化结构，各个模块采用a n y b u s 通 信，可方便进行r s 4 8 5 、u s b 、c a n 等通信，增强了系统扩展性。论文对r a m 扩 展、r a m 共享与竞争及数据存储结构进行了研究，且对扩展后电路进行了基于 p s p i c e 的传输延时仿真。通过对静态总线扩展的研究，扩展了系统输入输出端 口，提高了传输距离，增强了传输可靠性。 论文分析了大型液压控制系统电源、输入输出通道、微机系统、通信系统 的特征，从硬件、软件方面进行了可靠性研究。论文对电源部分进行了基于e m c 的反激式开关电源的设计；论文对数字量、模拟量信号输入输出进行了抗扰性 设计；论文从系统时钟和复位电路、总线、接地、死机预防四个方面对微机部 分进行了研究并给出改善方案；论文对采用r s 4 8 5 、c a n 总线的通讯系统进行了 抗扰性设计。 论文研究了基于p c 机的人机控制界面，采用d e l p h i 软件进行上位机监控 系统开发，综合了数据库技术、串行通信技术、故障诊断技术，并对其中几个 关键功能的实现进行了详细说明。最后，关于进一步工作的方向进行了简要的 讨论。 本文的研究成果已经成功应用在振华港机岸桥链板提升系统中，于2 0 0 7 年 3 月首次在美国新泽西港应用。 关键词：液压控制系统，监控系统，电磁兼容 a b s t r a c t 一。一 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o no r i g i n a t e sf r o mt h ed e m a n do fp r o j e c t s n o wt h ea p p l i c a t i o no f t h el a r g eh y d r a u l i cs y s t e mi si n c r e a s e d f o re x a m p l e ，t h el a r g eh y d r a u l i cs l i p p i n g c o n t r o ls y s t e ma n dt h eh y d r a u l i cc l i m b i n g l i f tc o n t r o ls y s t e m ；e a c hc o n t r o ln o d ei s r e l a t e dt oa n o t h e r t h ec o n t r o li sg e t t i n gi n t e l l i g e n ta n dn e t w o r k i n g ，t h ep r e c i s i o n a n d s e c u r i t yd e m a n di sh i g h ，a n dt h ed e m a n do fh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o n l sg e t t i n g i m p o r t a n t b u tt h eo p e r a t i n ge n v i r o n m e n ti se x e c r a b l e ，a n ds o m ef a c t o r sw i l lm a k e t h es y s t e mu n s t a b l ea n dg e ti n o r d i n a t e ，e v e nb r e a kd o w n o nt h i st h e s i s t h er e s e a r c ho b j e c ti st h el a r g eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi s b a s e do nm i c r o c o n t r o l l e r b a s e do nt h et h e o r yo fm o d u l a r i z a t i o na n dn e t w o r k ，a n d t h e o r ya n dd e s i g nm e t h o do f t h i sc o n s i d e r a t i o ni sr e s e a r c h e d b a s e do nt h et h e o r yo fm o d u l a r i z a t i o n ，t h em a i nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do n s h a r e dr a m ，m a d eu po fs e v e r a ls e p a r a t ec p us y s t e m s ，e a c hs y s t e mh a si t s o w n 如n c t i o n c o m m u n i c a t ew i t he x t e r n a lb u sb yr e a d i n g o rw r i t i n go fr a m t h en e t w o r k b a s e do ns e v e r a lc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l si sa d v a n c e d a n y b u ss y s t e mm a k e s c o m m u n i c a t ew i t hr s 4 8 5 u s b c a nb u sb e c o m ee a s y , s y s t e me x p a n s i b i l i t y i s i m p r o v e d e x t e n dr a m ，s h a r e dr a m a n dt h ed a t as t o r es t r u c t u r ei sr e s e a r c h e d ，t h e t i m ed e l a yo fs i g n a lt r a n s m i s s i o ni sp e r f o r m e dw i t hp s p i c e t h r o u g ht h er e s e a r c ho f e x t e n do fs t a t i cb u s ，t h ei op o r t sa n dt h et r a n s m i s s i o nd i s t a n c ei si n c r e a s e d ，a n dt h e a c c u r a c yo fd a t ai si m p r o v e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fp o w e rs y s t 锄，i oc h a n n e l s ，m c ua n dc o m m u t a t i o n s y s t e mi sa n a l y z e d t h em e t h o do fi m p r o v i n gr e l i a b i l i t yb o t h o nh a r d w a r ea n d s o r w 羽ei sr e s e a r c h e d t h ef l y - b a c ks w i t c hp o w e rs y s t e m b a s e do ne m ci sd e s i g n e d ， t h ea r l t i d i s t u r b a n c ed e s i g nc o v e r sb o t hd i g i t a la n ds i m u l a t es i g n a l t h es y s t e mc l o c k a n dr e s e tc i r c u i t ，t h eb u s ，g r o u n d i n ga n da n t i f a i l u r eo fm c u a r er e s e a r c h e da n dt h e m e t h o d sa r eg i v e n ，r s 4 8 5a n dc a nc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r eo p t i m i z e d t h ed e v e l o p m e n tm e t h o df o rp cm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hd e l p h ii sr e s e a r c h e d ， a n dt e c h n o l o g i e so fd a t ab a s e ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o na n d f a u l td i a g n o s i sa r ei n v o l v e d ， a n ds o m ek e yf u n c t i o nr e a l i z a t i o n sa r e s p e c i f i e d i nt h ef i n a l i t y , t h ep r o b l e m s r e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r ed i s c u s s e d t h er e s e a r c h r e s u l t sh a v eb e e n a p p l i e do nz p m cc h a i n - p l a t ee l e v a t o r c o n t r o l l e r sd e s i g nf o rt h ef i r s tt i m e o nm a r c ho f 2 0 0 7 k e yw or d s ：h y d r a u l i cc o n t r o l s y s t e m ，e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y n 1 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：稿卑 伽年弓月，尝日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：镐耳 硼廿年弓月i2 日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题提出的背景和意义 近年来大型液压控制系统的应用逐渐增多，如大型液压滑移系统，大型液压 提升顶升系统等。它们在建筑施工、港口等方面运用很多。施工作业由计算机 通过传感器和信息传输、控制电路进行智能化的闭环控制。计算机控制装置的 同步作业，控制施工偏差，对整个作业进行监控，实现信息化施工。计算机控 制具有智能化功能，可以在施工过程中自动对施工系统进行自适应调整，进行故 障的自动检测与诊断，并能模仿与代替操作人员的部分工作，提高施工的安全性 和自动化程度。这些液压系统中除了传统的液压泵站等构成外，更加侧重控制 的网络化设计、模块化设计、人机交互界面的优化，可靠性要求更高。但是由 于施工现场的各种干扰因素的影响，可能会造成一些原本在证常环境下可靠运 行的系统在工控环境下出现故障，带来安全隐患。设计人员往往忽略了一些细 节，“细节决定成败”，这些细节造成了系统运行的不稳定，带来了安全隐患。 液压控制系统包括了机械、液压、电气、计算机、控制及传感检测等多学科 的技术，是具有数据采集、数据通讯、状态显示、远程遥控等功能的控制系统。 主控监控系统可以对液压控制系统进行工作状态的实时显示、远程控制，极大 地降低劳动强度、减少误操作、保证操作人员的安全。课题研究目的是对控制 系统的一些关键技术进行研究，优化控制系统，模块化控制系统构成，优化其 网络机构，增强控制系统硬件电磁兼容性，增强控制系统抗干扰能力，优化人 机交互界面。控制系统功能应该齐全，符合系统的要求；控制系统应该设计合 理，在确保控制功能和必要精度的前提下，简化控制方案和线路，力求做到低 成本高性能；控制系统应具有可靠的性能，不但在露天、高空、风雨等恶劣的 环境下能正常运行，且始终能保持良好的控制质量；控制系统应具有很强的安 全性，具有完备的互锁机制、故障对应报警处理措施及紧急情况下的应急措施。 大型液压系统的控制系统设计涉及了多个学科的内容，具有很强的综合性。 课题具有很强的实际意义和应用价值： ( 1 ) 减少危险作业，保障施工人员的安全，缩短工期； 第1 章引言 性； ( 2 ) 减少研发所需时间，缩短调试过程，增强系统实际运行可靠性和灵活 ( 3 ) 节约工程费用，节约社会资源。 1 2 大型液压控制系统的研究现状和发展趋势 自从1 9 7 5 年英国制成第一台水压机起，液压技术进入了工程领域。液压技 术是一项比较成熟的技术，液压传动在工程机械中得到了广泛的应用。几乎所 有工程机械装备都能见到液压技术的踪迹，其中不少已成为主要的传动和控制 方式。 随着液压技术与微电子技术的密切配合，液压控制系统能在尽可能小的空间 内传递尽可能大的功率并加以准确的控制，在各行各业中发挥了巨大的作用。 早期的液压控制系统一般为就近控制，控制系统无需网络。由于常常为单台设 计，无需专用控制器，这就缺乏了对共性问题的研究。对液压系统可靠性的研 究不多，系统有可能不稳定，形成安全隐患。随着工艺要求的提高，对控制系 统系统提出了更高的要求，控制系统向模块化和网络化方法发展，精度和可靠 性要求不断提高。需求带动设计的进一步优化，现以液压控制系统在构件滑移 提升技术的应用为例进一步说明大型液压控制系统的发展动态。 液压同步滑移技术在建筑施工中发挥了极大的作用。滑移工艺是利用能够 控制同步的牵引设备，将分成若干个稳定体的结构单元沿一定的轨道，由拼装 位置水平移动到设计位置的施工工艺。液压同步滑移技术已在国家体育场( 鸟 巢) 工程、青岛流亭机场、天津奥林匹克体育中心、温州国际会议展览中心、 哈尔滨国际会展体育中心、郑州国际会展中心等国内大型工程中的广泛使用。 滑移施工的发展趋势为滑移轨道由直线向圆弧曲线发展，由二点同步滑移向四 点、八点同步滑移发展，同步要求逐步提高。其牵引系统由卷扬机单独牵拉，操 作人员报数控制一多台卷扬机联动，单动双重控制，全站仪三维连续监控一液压 千斤项牵引，计算机同步控制。这对控制系统提出了很高的要求，控制精度及可 靠性都必须保证。大型液压控制系统在滑移工程中的应用如图1 1 所示。 2 第1 章引言 剥 幽l1 人型液j i i 控制系统在筘涵同步推进i 样中的麻川 山于某些大型构什重量大、跨度大且起升高度岛，由于现场条件的局限，采 用起重机或卷扬机+ 滑轮组的传统方式提升 u 奉满足不了吊装要求。液压同步提 升丁硪州技术伴随这一需求产生。与传统施工j 艺相比，采用计算机挖制的液压 整体提升施工工艺在安全性、经济性、可操作性和精度控制等方血有着明显的 优势。它采用柔性钢绞线或刚性立柱支承，提升器集群，计算机控制，液压同 步提升原理，实现大吨忙、大跨度、大面积的超人型构件超高空艴体同步提升， 完成人与现有设备难以完成的施工任务。它超重量不受限制，通过扩展组合， 能满足f 吨级甚至万吨级构件的吊装”。8 0 年代木液压同步提升技术先后麻用 十l 海右洞口电厂和外高桥电厂六座2 4 0 米制炳囱顶升，上海东疔明珠广播电 视塔4 5 0 吨刑天线桅杆整体提升( 距地面旆度3 5 0 m ，钢天线眭1 1 8 m ) ，北京西 客站= ；e 站房1 8 0 0 吨钢楼整体提升( 门楼蚝4 5 m ，宽2 8 5 m ) ，北京首都机场四 机位库和乌鲁术齐机场二机位库大型钢屋架提升以及上海大剧院6 0 7 5 吨钢屋架 整体提升( 见图l2 ) 等一系列重大建醴l 帮，技得了巨人成功取得了显著的 经济效益和社会效益。 斟l2 液；| 三提升控制系统在上辩 剧院施i 冲的廊川 第l 章引吉 液五提升装霄的关键技术是“同步控制技术”，h 前发展成为连续式司步提 升滑移控制技术。计算机同步控制的通讯由有线发展成为无线网络化通讯，通 过人机界面实施监测构件的位冒及同步情况。讨算机控制系统实现完全自动同 步控制，负载均衡，姿态校矿，操作闭锁，过程硅示和故障报警等工作，大大 提高r 工科实施的安全可靠性，保证了工程质量。同济大学为上海振华港l j 机 械股份有限公卅设汁rt 套以计算机为核心的岸边集装箱起熏机( 简称岸桥) 链 板同步爬升系统( 如图i3 所示) ，控制稳定刈鞋，这套系统已于0 7 年3 月在 美国新泽曲港刚i 顷利宽成施工。 i 3 主要研究工作 幽l3 振华港机岸桥链扳周少提升i w 针刘大型液胍控制系统的特点，控制系统山就地控制器、主控制器和监控计 算机二部分组成。各个模块通过有线或尢线连接。可靠性i 殳i , l 的思想贳穿于每 个模块设计之叶1 ，对每个模块进行优化，解决其中存在的一些影响系统可靠运 行的问题，实现- u 靠的控制。一个好的控制系统还应该具有良好的人机交互能 力直观地反映系统运行状态及参数，实时控制性能良好，对重要的数据及故 障情况备份存储。 奉论文的土要研究内容工作包括以下儿个方面： ( 1 ) 模块化和网络化设引。 第1 章引言 功能和结构分析是系统设计的基础，s u h 针对功能特点提出的功能独立设计 公理指出，“一个最优设计必须保持功能需求的独立性”。因此，如果可能，产 品或系统所具有的某个功能与所具有的其他功能将互不相关。由一系列模块组 成的体系就构成了产品或系统族实现的基础。如图1 4 所示，大型液压控制系 统可由主控模块、就地模块和人机界面模块组成，单独模块能完成指定功能并 能与其它模块进行通讯完成整体要求的功能。各个模块不是孤立存在的，它们 之间通过总线联系，可以为有线或无线连接。主控模块和就地模块可采用c a n 总线或r s 4 8 5 4 2 2 总线连接，主控模块和人机界面模块可采用 u s b r s 2 3 2 r s 4 2 2 r s 4 8 5 总线连接。u s b 总线具有热插拔、即插即用和高速传输 的特点。主控可采用多个m c u 对单口r a m 双口r a m 进行读写操作，共享数据。 各个m c u 互不影响，可以实现不同的操作。其中，通信协议设计的合理与否直 接关系到软件编写的优异。 泵站l 嚣 泵缶控制器l f c 图1 4 系统总体结构 发计 ( 2 ) 控制系统硬件可靠性设计。 施工工作环境比较恶劣，所以控制系统所受到的干扰远比在一般的工业环境 中所受的干扰复杂。系统一旦因干扰出现故障，不但会延误施工进程，严重的 还会造成重大事故。因此系统应具有良好的电磁兼容性，有很强的抗干扰能力。 5 第1 章引言 硬件抗干扰设计包括单片机外围通道的抗干扰设计、电源的抗干扰设计方法、 微机抗干扰设计、通讯系统抗干扰设计等。 ( 3 ) 控制系统软件可靠性设计。 常用的方法有系统自诊断程序设计、指令冗余设计、软件陷阱设计、软件“看 门狗”、r a m 数据保护的软件设计、睡眠抗干扰设计、数字滤波等。此外还需考 虑系统误操作闭锁。系统可设置手动误操作闭锁、停电后复送误操作闭锁、联 机状态下随动吊点误操作闭锁和计算机受干扰后误动作闭锁，具备足够的安全 保护措施口1 。 ( 4 ) 监控软件的开发。 运用面对对象的d e l p h i 开发监控软件，使系统具有良好的人机交互能力。 监控应具有实时数据显示及存储、故障分析诊断功能，还应设置软件相应功能 的权限，提高安全性。通过数据库技术的运用，存储需要记录的数据和故障。 监控系统除了显示实时数据供操作人员监视外，同时对重要参数如高差、油压等 数据进行检测，有效地监视传感器和控制系统的故障。 6 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 2 1 基于r a m 共享的多c p u 系统结构 2 1 1 概述 基于r a m 共享的多c p u 系统是根据模块化设计的理念，将一复杂系统划分为 若干模块，每个模块完成各自相应的功能，通过对共享r a m 的读写，通过并行 接口相互交换数据完成各个模块间的通讯。在这个系统中，r a m 作为a n y b u s 总 线转换的接口，模块可有其独特的通讯方式，如r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、u s b 、c a n 、1 2 c 、 s p i 、- 1 - 业以太网等，通过这种方式可实现各种总线间的通讯。r a m 共享可采用 双口r a m h l 或普通静态r a m ，普通s r a m 只有一套地址总线、数据总线和控制总线， 同一时间只能执行同一总线操作，而双口r a m 有左右侧两套地址总线、数据总 线和控制总线，可提供两套总线对其进行访问。但双口r a m 较单口r a m 昂贵且 接线复杂，也存在读写冲突的情况( 如同一地址两侧同时写，或一侧读一侧写) ， 且处理2 个以上c p u 时无突出优点等。本文中涉及的r a m 共享指多个c p u 通过 共享普通静念r a m 实现数据共享。图2 1 为基于r a m 共享的多c p u 系统框图。 怒剥 运 r 状态设置 碍割 系统运行操作 静态i o 总刮 运行状态血板显示j 引1 。丽嘶司 一一 臣习| 锉 嚣。一8 主控c p u l c a n 通讯模板 刺 c p u 2 8 絮姆_ 。竺斧j m r a m ( 3 2 1 0 图2 1 基tr a m 共享的多c p u 系统框图 7 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 单片机通过外部总线接口访问外部r a m 。外部存储器组的最大容量取决于被 激活的地址的位数。普通r a m 只有一组独立的访问存储器控制电路，因此，在 系统中引入了总线共享方式来实现r a m 数据共享。由于数据传输的独占性，每 一时刻只能有一个设备占用总线，总线共享带来了总线竞争和总线隔离问题。 系统中必须有一个总线仲裁器，协调系统中各个c p u 对r a m 的读写操作。 2 1 2 总线结构 x c l 6 4 系列单片机通过外部总线接口可将1 2 m b 的外部r a m 和或r o m 连接到 微控制器。总线访问类型可设定为： 1 ) 1 6 2 4 位地址总线，1 6 位数据总线，非复用； 2 ) 1 6 2 4 位地址总线，1 6 位数据总线，复用： 3 ) 1 6 2 4 位地址总线，8 位数据总线，复用； 4 ) 1 6 2 4 位地址总线，8 位数据总线，非复用； 图2 2 总线读写驱动电路结构图 8 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 本文采用的是1 6 位地址总线，8 位数据总线，非复用类型。根据实际情况， 只使用了1 4 根地址总线和8 位数据总线。总线读写驱动电路结构图如图2 2 所 示。 x c l 6 4 系列单片机外部总线时序定义为6 个不同的时序节拍( a - f ) 。这些节 拍定义了访问外部模块所需的所有控制信号。当一个节拍开始时，在给定的输 出延迟时间内输出信号可改变。在输出延迟时间过后，控制输出信号在该节拍 内保持稳定。输出延迟时间在a c 特性中进行了详细说明。每个节拍占用的时钟 周期数可编程设定。非复用总线读写时序分别见图2 3 和2 4 。 阶段 a b c d ef ! ；一 a l e ii a d d r c s r d 凌数据 n i 编氍时钟 阶段 a l e a d d r c s w r j 致舔 “f 编f ，时钟 各个节拍的定义如下： 节拍a ：地址有效，a l e 高，无命令。c s 切换后的高阻等待状态( 默认3 个 时钟周期) ； 节拍b ：地址有效，a l e 高，无命令。a l e 有效时问长度( 默认1 个时钟周 9 读 一一 一 聪d 二二 “ 3 c 一 一 一 一 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 期) ； 节拍c ：地址有效，a l e 低，无命令。r w 延时( 默认0 个时钟周期) ； 节拍d ：写数据有效，a l e 低，无命令。写周期数据有效( 默认o 个时钟周 期) ； 节拍e ：命令( 读或写) 有效。读写操作时间( 默认9 个时钟周期) ； 节拍f ：命令无效，地址保持。读数据呈高阻态，写数据保持。( 写默认3 个时钟周期，读默认0 个时钟周期) 。 实际使用中应该根据存储部件的参数，合理选择节拍长度。 对于没有数据、地址、控制总线的单片机来说，可以采用通用i 0 口模拟总 线方式访问外部存储器，只需满足时序要求即可晦1 。 2 1 3r a m 的扩展 1 静态洲的扩展 读写存储器又称随机存储存储器( r a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 简称r a m ，它能 在存储器中任何指定地方随时写入或读出信息，当电源掉电时，r a m 旱的内容即 消失。其最大优点是读写方便，读写速度快，使用灵活，但存在数据易丢失性 特点。根据存储单元原理，r a m 又分为静态r a m 和动态r a m 。动态r a m 必须在硬 件系统中设置相应的刷新电路完成动态r a m 的刷新，为了避免多余的硬件开销， 单片机系统一般不使用动态r a m 。 随机存储器电路通常由存储矩阵( 体) 、地址译码器和读写( 输入输出) 控制电路三部分组成，其结构如图2 5 所示。 缝 娩 搋 雅 野魑 缓；织，彩； 输凡，镶蹦 图2 5r a m 结构框图 目前市场上许多著名厂商生产有各种系列的快速存储器件，可从容量、数据 1 0 异一 一 一1 ：二竺 一静一 | | 一 一一一 | | 一 一读一 田掣1磁一 一 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 位数、存取速度及价格等方面综合选择所需的产品。以w 2 4 2 5 8 - 5 5 l l 为例，其 为3 2 k x 8 位的静态r a m ，采用c m o s 工艺制造，单+ 5 v 电源供电，最大存取时间 5 5 n s ，其读写控制时序如图2 6 所示。 图2 6w 2 4 2 5 8 5 5 l l 读写控制时序图 动态总线扩展外部s r a m 数据存储器连接图如图2 7 所示，可根据情况在两 者问加入h c 2 4 5 双向总线收发器。参照图2 3 和图2 4 ，若一个时钟周期为5 0 n s ， 单片机编程时节拍e 使用两个时钟周期即可，即为l o o n s ，节拍b 为一个时钟周 期，则一次读写一个字节的操作可在1 5 0 n s 内完成。 a 1 4a 1 4 1 5 位地址总线 l 1r a oa o d 7d 7 x c l 6 4 8 位数据总线 s r a m l ( 3 2 k ) r d 0d o w r 控制总线 w r r d k r d 1r c sc s 图2 7 动态总线扩展外部数据s r a m 示意图 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 2 f r a m 的扩展【6 j 近年来，铁电r a m ( f r a m ) 受到越来越多的关注。f r a m 产品兼有r a m 和r o m 优 点，读写速度快且可以像r o m 一样使用。因铁电晶体的固有缺点，访问次数是 有限的，超出限度，f r a m 就不再具有非易失性。f r a m 可以以总线速度写入数据， 而且在写入后不需要任何延时等待。f r a m 特别适合于那些对数据采集、写入时 间要求很高的场合，而不会出现数据丢失，其存储能力可靠，其近乎无限次写 入的使用寿命，使其适合担当重要系统罩的暂存记忆体，用来在子系统之间传 输各种数据，供各个子系统频繁读写。以f m l 8 0 8 为例，容量为3 2 k b y t e ，可进 行1 0 0 亿次读写操作。铁电存储器的特殊性在于每一次读操作都会破坏原有数 据，必须在完成读操作后再执行一个回写操作，所以铁电存储器的读写操作都 会减少一次读写寿命，为了最大限度地增加存储器的使用寿命，同时又不妨碍 用户使用的灵活性，f m l 8 0 8 通常使用独特存储器组织，其内部结构框图如图2 8 所示。图中f m l 8 0 8 的3 2 k b y t e 存储器阵列被划分为3 2 块，每块是1 k 字节，每 个块包括2 5 6 行和4 列，地址线a 0 a 7 对行译码，a 8 a 9 对列译码，由于每访问 一行都将减少一次寿命，因此，采用这种方案可容易地在个块内均匀进行周 期读写，如2 5 6 个字节数据无须两次访问同一行即可被顺序访问，而一个完整 的1 k 字节被读或写仅需4 个周期。f m j 8 0 8 使用a i o a 1 4 高位地址线来选择3 2 个不同的存储块，由于存储器每行不能超过块的界限，因此读写频率不同的数 据应放在不同的块中。 图2 8f m l 8 0 8 内部结构框图 f m l 8 0 8 读写时序如图2 9 所示。f m l 8 0 8 的读操作在c e 的下降沿开始，这时 1 2 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 地址被锁存，存储器读周期开始。一旦开始，一个完整的存储器周期可在内部 完成。在访问时间结束后，总线上的数据变为有效。 f m l 8 0 8 写操作由c e 和w e 控制，地址均在c e 的下降沿锁存。c e 控制写操 作时，w e 在c e 有效前先为低电平。f r a m 没有写延时，读与写访问时间是一致 的，整个存储器操作一般在一个总线周期完成。 f m l 8 0 8 预充电操作是准备一次新访问存储器的一个内部条件，存储器周期 包括一个存储器访问时间和一个预充电时间，预充电在c e 脚为高电平或无效时 开始，因此它至少在最小的预充电时间内保持高电平。 卜一k 二_ 一厂叫 趣叩。 k x义 - kk ix 滞滞瞄pt 心滞心 p 、7 k 叫 一 9 c e a o - 1 7 o e d q 0 - 7 图2 9f m l 8 0 8 的读写时序 c e 的连接f m l 8 0 8 的每一次访问都必须保证c e 由高到低的跃变，原因有二， 其一是要锁存新地址，其二是当c e 为高电平时实现预充电过程。这与s r a m 不 一样，见图2 1 0 。设计中必须改变c e 的选通方式，满足时序上的要求，同时还 需注意存储器寻址空间和c e 时序的兼容。由于单片机的a l e 引脚为地址锁存允 许信号，访问单片机外部存储器时，该脚将输出一个负跳沿的脉冲以用于锁存 1 6 位地址的低8 位，可利用a l e 这一特点提供c e 信号的变化。 一c e 、 、l 厂 s i g f n r a h a n m g a d a m ”( 二二二j 二二) 负端电压，l p 为高电平，该模块 可以占用总线。总线被占用时，新的c p u 申请，正端电压为1 3 v c c 。正端电压 1 9 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 负端电压，l p 为低电平，该模块不可以使用总线。由于中央仲裁电路处理信号 有一段时延，因此c p u 在发出申请信号后需要稍等一段时间at 后，才能读到正 确的授权信号。在实验电路中，等待at 大约为1 2 9 s 。软件实现申请r a m 操作 框图如图2 2 0 所示。 上 r e q = 0 退j l j 申请 ，ve sr r e q = l 申请 延时 上 ， r e q = 1 延时 申请 t td n f 、 延时 ： ， ，、 、t n。，；i 弓r 甜1 1 w 7 憋凹 图2 2 0 申请r a m 程序框图 每个模块都有其独立的总线，总线共享带来了一个总线隔离的问题u 。当双 机访问共享r a m 时，需要采用总线隔离技术将数据总线、地址总线、读写及片 选信号隔离。如果不进行总线隔离，各总线之间可能会相互影响，正常的地址、 数据、控制总线会被破坏。常见的总线隔离方法有三态门和0 c 门“线与”总线 隔离，单片机一般都能支持o c 门输入输出方式，可采用o c 门“线与进行总 线隔离。 常见的总线隔离可采用三态门的高组态进行隔离，如7 4 h c 2 4 5 ，其结构原理 图及功能表见图2 2 1 。d i r 与w r 或r d 线连接，控制数据流动方向。o e 与某控 制总线连接，选通相应的芯片，具体连接可参见图2 2 。 2 0 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 、_ v t o s e v e no u l e rc h t i l l e l - , 2 1 5r a m 数据结构 f u n c t l o n1 a b l e i n p u t s _o p e r a 刖o n 0 ed l r l l 1 3d a t at oab u s lhad a t at obb u s hl s o l a t i o n 图2 2 17 4 h c 2 4 5 结构原理图及功能表 对于3 2 k x 8 的s r a m ，可寻址的地址范围为：0 x 0 0 0 0 0 x 7 f f f ，可划分为公共 区和5 0 4 个地址段区。 划分0 x 0 0 0 0 。0 x 0 1 f f 为公共区，记录每个地址段区的写入和读写情况。每个 地址段区占用1 个标志字节( 如表2 1 所示) ，当该地址区写入新的数据时，将 该字节置为a 5 ( 假设) ，需读取该地址段区数据的设备读取自i 先读此标志字节并 比较相应的位，确认数据更新后将该标志字节改写并读取相对应的地址段区， 否则放弃读写该地址段区，最多可允许8 个不同设备读取该地址区且记录相应 信息。 表2 1 字节结构 0 x 0 0 0 3b 7b 6b 5b 4 b 3 b 2b lb 0 已更新数据 第3 地 1o10010l 是 址区0 o 00o000否 每2 5 6 个字节为一地址段区，如0 x 0 2 0 0 0 x 0 2 f f ，共1 2 6 个地址段区( o 、1 2 5 ) ， 地址段区的第一个字节记录该地址段写入设备编号，第二个字节为这一地址段 区的有效字节数( 包括首尾) 。如0 3 地址段区地址0 x 0 5 0 0 0 x 0 5 f f 中的数据如 下： 业塑星q 墨q 垒q 墨q 鱼q 堑o o0 0o o ( 1 6 进制数据) 编号写入字节数据 同理，对于铁电存储器也可采用相似结构。可以2 5 6 字节为一字节段，写 2 1 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 入数据尽量集中在同一行或块中。 为了方便软件读取，可在程序中设立读写矢量表，将所要读写的参数区与 相应的读取地址对应起来，这样可提高效率，减少出错概率。 2 1 6 相关软件编制 读写r a m 可采用x a r r a y 函数，它包含在a b s a c c h 库函数旱。其宏定义为： # d e f i n eh a r r a y ( o b j e c t ，b a s e ) ( ( o b j e c tv o l a t il eh u g e ：i c ) ( b a s e ) ) ，用这个 函数可以轻松地进行读写操作。当然，这个功能也可通过定义指针来实现。读 写r a m 以字节为单位读取。 2 1 7 性能评价 1 快速性 并行通信带宽大，可以一次性获取多位数据信号。动态总线指令执行速度快， 且r a m 存取数据时间短，数据传输速率高，实时性高。相对于串行存储，并行 存取速度比串行快。并行通信传递8 b i t 的数据只需2 0 0 n s ，其波特率为4 0 m b p s ， 而x c l 6 4 提供的a s c ( 异步同步串行接口) 在4 0 m h z 的模块时钟工作，若选择 全双工异步工作模式，最大波特率为2 5 m b i t s ，若为半双工8 位工作模式，最 大波特率为5 m b i t s ，若采用1 0 位u a r t 帧，起始位l 位，数据位8 位，停止位 1 位，传递1 个字节的数据最短需要1 3 3us 。 系统中，高速通讯模块可以设为高优先级，频繁读写数据，而低速通讯模块 可以设为较低优先级，更新数据时间较长。这样便可兼顾高速与低速通讯的不 同要求，合理分配资源。 两个c p u 交换数据是异步的，交互数据时互不影响，具有一定的独立性。 各个模块在需要读写数据时才与共享r a m 交换数据，不影响自身其它工作，同 样对其它c p u 工作无影响。 2 冲突概率 各个设备延时时间差异越大，冲突的概率越小。在实验中，三个模块的延时 2 2 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 时间比尽可能互奇，经实验验证，出现冲突的概率非常小。若三个模块中程序 8 0 m s 循环一次，每次分别读写6 4 字节数据，读写共需时间2 5 6 9 s ，r a m 在8 0 m s 中被使用的概率为0 9 6 。若c p u 从申请到读到授权信号为2 9 s ，失败重申请时 间，a 模块设为5 s ，b 模块设为1 4 “s ，c 模块设为2 3 肛s ，优先级最低的模块最 长需等待5 1 2 p s ，而从申请到读写完成所需时间为7 7 0 9 s ( 2 + 5 1 2 + 2 5 6 ) ，占整个 循环时间的比例为0 9 6 2 5 ，c p u 仍然有足够时间处理其他事务。 3 灵活性 加入新模块后，除了增加了r a m 的使用率外，若不修改优先级，其它模块软 件程序无需改变。可根据需要加入新的r a m 接口和通讯模块，不受通讯扩展的 限制；可通过软件修改优先级，比较方便。 一 2 2 静态总线扩展 2 2 1 地址译码电路 静态总线为采用i o 口重构的总线系统，通过控制i o 口组成数据线、控 制线，扩展了i o 口。静态总线数据传输速度不及动态总线，但传输距离和 传输可靠性都提高了。地址译码电路及选通条件分别见图2 2 2 和表2 2 。两 个1 3 8 译码器组成了一个1 6 选1 的读选通和写选通电路。使用6 根地址线， p 1 l 3 为“1 ”时选通u 1 芯片，为“0 ”时选通u 2 芯片。p 1 l 4 作写选通线使 用，p 1 l 5 作读选通线使用。p 1 l 4 和p 1 l 5 均为高电平时，闭锁1 3 8 全部输 出。选通线与相应的7 4 h c 2 4 5 的使能线相连，可扩展最多1 2 8 个输入和输出 端口。 2 3 图2 2 2 地址译码电路 表2 2 表选通条件 o e l d e 2 彳o e 2 b选通条件备注 lp ll 3p 1l 4p 1 l 5l ，0 ，l 写选通1 2p l l 3p 1l 4p 1 l 5 0 ，0 ，1写选通2 3p l l 3p 1 l 4p 1l 51 ，l ，0读选通1 4p i l 3“p i l 4p 1l 50 ，l ，0 读选通2 2 2 2 输入端口扩展 在开关量输入较多的情况下，如果每个按键占用一根i 0 口线，在按键数量 较多时，i o 口浪费大，电路结构复杂，故独立式设计只适用于开关量输入较少 或操作速度较高的场合。本文采用了一种“片选+ 扫描”的方式来扩展单片机的 输入。如图2 2 3 所示，h c 2 4 5 为双向数据总线驱动芯片，c s x ( 0 、1 5 ) 中译码输出的选通线( h o h 1 5 ) 。该结构使用于内部丌关量( 如按键， 为图2 2 2 低压信号 且共地) 和外部开关量( 高压且不共地丌关量信号) ，在图中这两种输入方式分 2 4 第2 章嵌入式系统的总线结构与通讯 别用按键和发光三极管表示。电阻r 1 r 8 可避免软件设置错误时造成电流过大 破坏单片机引脚，还可增大总线上的阻抗，避免振铃现象。 图2 2 3 输入端口扩展原理图 系统中有1 6 条读写选通线，即最多1 6 路输入( 出) 信号组。上拉电阻保证 了在按键断开的情况下输入端口有确定的高电平。截止时，集电极仍有少量电 流通过，三极管中存在漏电流i 彻及i 伽，由于电阻r 1 0 的接入，避免了i 。帅的影 响，故只需考虑i 诬。的影响，i 咖为穿透电流，l f o = i 。+ bi 咖，常温下i 旺。为几 微安。i 诬。是一与温度有关的量，在一定温度下为一常数，温度每升高1 0 。c ，电 流增长一倍。假设有一选通线都为选通，即除此相连三极管以外其它每一个三 极管都处于截止状态，任