（电力电子与电力传动专业论文）动态称重系统的设计与实现.pdf

东北大学硕士学位论文a b s t r a c l t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fd y n a m i cw e i g h i n g s y s t e m a b s t r a c t m u l t i f u n c t i o n a le x p e d i t i o u sw e i g h t i n ge q u i p m e n to fx k 3l a r g e s c a l e v e h i c l e si st h ei t e mt h a ti sm a n u f a c t u r e db ys h e n y a n gr a i l w a yb u r e a ua n d n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y a f t e rv a l i d a t i n gr a t i o n a l i t yo fw e i g h tp r i n c i p l eb yu s i n gm e c h a n i c a l f o r m u l aa n dd e s i g n ，f i x i n g ，d e b u g g i n g ，w eh a v ef i n i s h e dt h i si t e mf o ro n e y e a rb yt u t o rm a x i a ng u i d i n g t h i sd y n a m i cw e i g h t i n gs y s t e mi su s e db yt r u c kw e i g h to fr a i l w a y w e i g h tt a b l e - b o a r di sa d o p t e db yr a i l i n gs e n s o ra n dr e a l i z a t i o no f n or a d i c e l h o l e m o r e o v e rm a yu c o m m o nd e t r i t u sp a t hc o u c h t h ew h o l es y s t e mi s c o m p o s e db yw e i g h tt a b l e b o a r d ，h y p o g y n ym a c h i n ea n de p i g y n ym a c h i n e t h ew e i g h tt a b l e b o a r di s c o m p o s e db yr a i l ，s e n s o r ，s i g n a li n p u t t i n ga n d o u t p u t t i n gs t r i n g t h e m a i n c o n t r o l l i n gc h i p o f h y p o g y n y m a c h i n ei s s e l e c t e db y8 0 c19 6 k bs i n g l e c h i po fi n t e l c o r p d a t am e m o r yp a r to u t s i d e c h i ps t o r a g em o d e i t se x t e r i o rs t r u c t u r ei s d a i st y p ea n di t sf u n c t i o n sh a v e n u m e r a ld i s p l a y ，k e y b o a r de m e n d a t i o na n df u n c t i o ne n a c t m e n t b o t hl i n e a t e a n dw i r e l e s ss e r i a lc o m m u n i c a t i o nc a nb ef a rd i s t a n c ec o m m u n i c a t i o nw i t h e p i g y n ym a c h i n e e p i g y n ym a c h i n es y s t e ma d o p t s t h a tp cs t o r a g e sa n d d i s p l a y st h ed a t ac o m i n gf r o mh y p o g y n ym a c h i n e i t sd i s p l a yi sc o m p i l e d b yv c i t sv i s i o ne f f e c ti sg o o da n di t sm a n i p u l a t ei ss i m p l e i tc a nj o i n t p r i n t e ra n do u t p u tr e p o r tf o r m s b yt i m ea f t e rt i m el o c a l c o n s t a n tv e h i c l e c h e c k i n g ，m e a s u r ee r r o ro f t h i sw e i g h ts y s t e mi sl e s st h a n5 o t h i ss y s t e m i sa l r e a d yr u nb y f r e i g h ts t a t i o no fs h e n y a n gw e s t e r na n dw i l ls p r e a d t h i s p a p e ri n t r o d u c e s t h e c o l l e c t i v i t yp r e c e p to fw e i g h t i n gs y s t e m f i r s t l y s e c o n d l y ，i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r ep a r t i n c l u d i n gt h em a i nc h i p s a n dh a r d w a r e d e s i g n i n gg e n e r a lp i c t u r e ，w o r ke x p l a i n o f e v e r yp a r t s t h i r d l y ，i ti n t r o d u c e ss o f t w a r ed e s i g n i n gi d e ab a s e do i l h a r d w a r ed e s i g na n d l i 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t f l o wc h a r t so fs o m em a i ns u b p r o g r a m s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r em e a s u r e st h a tb eu s e dt oi m p r o v ew e i g h t i n g p r e c i s i o n i t a l s o e x p a t i a t e s s o f i w a l ef i l t e rw h i c hd e c i d e so nt h e p r e c i s i o n o f w e i g h t i n gs y s t e m i t s u m m e r i z e st h em e r i t sa n dd e m e r i t so fm u l t i f u n c t i o n a l e x p e d i t i o u sw e i g h t i n ge q u i p m e n t so fx k 3g r e a tv e h i c l e sb yc o m p a r i n ga n da n a l y s i n g t h ed a t at h a tc o m e sf r o ml o c a l ed e b u g g i n g k e y w o r d s ： w e i g h t i n gs y s t e m ，r a i l i n g s e n s o r ，n or a d i c e lh o l e ， h y p o g y n ym a c h i n es y s t e m ，e p i g y n ym a c h i n es y s t e m ，8 0 c 1 9 6 k b ，s e r i a l c o m m u n i c a t i o n ，s o f t w a r ef i l t e r v 东北大学硕士学位论文声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外。不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：嗲维 日期：2 0 。牟拶之， 东北大学硕士学位论文第一章引言 第一章引言 1 1 动态称重系统的历史与现状 纵观世界车辆称重技术的发展历程车辆称重技术的发展与完善和科 技与铁路运输业的发展紧密相连。就称重装置的结构而言，车辆称重系统 可分机械式和机电式两大类。机械式的称重系统是通过杠杆传动装置把被 测质量和以知质量相比较实现称重的。机电式的称重系统是利用传感器把 被测质量产生的作用力转变成电信号。再经过转换、放大、输入到计算机 进行采集处理，由打印机直接将被测质量的重量打印出来。 第一台带有加载与卸载设备的机械称重装置是1 9 4 0 年由德国率先研 制定型的。车辆只能停在台面上实现静态称重，误差一般为千分之二到千 分之三。这一阶段由4 0 年代初期一直延续到6 0 年代的中期。此间，大多 数欧洲国家和美国车辆称重技术的发展和德国相似。 = 战后，美国率先研制成世界上班第一台机电式车辆动态称重系统并 于1 9 6 4 年安装在美国宾夕法尼亚的列琴格。为组装此系统、建造了一个 很深的混凝土基坑，采用了4 个传感器和一个重物桥，在称重装置附近建 了驼峰调车场，车辆一节一节自驼峰缓缓溜放通过称重装置，实现了车辆 的动态称重。安装该系统花费了约1 0 万美元。 1 9 7 9 年，美国s n e a dr e s e a r c h 研究院率先研制不用基坑的称重装置， 其主要部件是或得了专利权的“轨道式”传感器。对大多数车辆误差仅为 千分之五左右。 在港口、车站的吞吐货物的计量中，为不影响装卸速度，常常要求货 物在称量时处在运动状态。动态称重系统是对智能运输系统的一次加强， 它改善了人和货的运行方式，使其更为安全、有效。这种检测方式比人工 方法更为快捷、有效。在执法的同时降低了称重车站的磨损，提高了称重 车站的工作能力，达到了改善道路安全的目的。一直以来，超限运输现象 在我国十分普遍，而货车的货物超限是引起铁路非正常损坏的重要原因。 全国铁路部门因韶限运输产生的额外道路维修保养费用非常高昂( 这还不 包括超限运输车辆因钻收费标准的空子而流失的大量路桥通行费和机动 车养路费) 。不仅如此，超载超限货车还是安全行驶的隐患，不少超载超 限的货车行驶时，一旦遇到紧急情况在惯性作用下，刹车不灵，往往会 东北大学硕士学位论文 第一章引言 引发交通事故。因超限运输导致桥梁坍塌的事故也时有发生。因此，治理 超限运输对保护道路，延长道路使用寿命，减少维修保养费用和净化货物 运输市场起有重要的现实意义。为此，交通部于2 0 0 0 年4 月1 日颁布实 施了超限运输车辆行驶管理规定，随后部分省市还出台了相关的实施 办法和收费标准，在全国范围内掀起了整治超限运输的高潮。 实践证明：治理超限运输光靠“源头治理”或宣传教育是行不通的，除 必要的宣传教育外，还必须在关键路段设置重量检测设备，对过往车辆进 行自动检测并对恶意或严重超限的车辆收取补偿费等方式，对超限车辆形 成一种有形的威慑，使超限运输从偷逃通行费、养路费和变相减低运输成 本的好处中变成无利可图时，超限运输现象才有可能减少或逐步杜绝。 目前国内生产或代理国外相关产品的厂家已经不少，成形的产品也很 多，但性能和价格存在极大差异。根据目前已应用的工程情况来看，国外 的产品价格昂贵，且技术保障能力相对较弱；国内已有的产品总体技术水 平还有待进一步的完善和提高；另外还有几家国内企业正在从事新一代产 品的研制开发，很快就可以推向市场( 例如深圳市司百力实业有限公司采 用最新的计算机软硬件技术研制开发的s p r 一1 0 2 b 型高速动态称重系统， 各项性能指标已达到国际先进水平，且价格仅为进1 ：3 同类产品的1 4 ，比 国内同类产品低1 5 ) ；又如中国铁道科学研究院研制的g c u 1 0 0 h 型微 机动态轨道衡等等。这些产品无论在快速性上还是在精确度上都足以满足 目前对行进中的机车车辆的高速，准确的自动测量的需要。届时业主的选 择将会更加广泛。而且，随着火车的不断提速以及对称重精度要求的提高， 国内对于动态轨道衡的研究还会不断加强，而动态轨道衡的功能也会随之 更加强大。 1 2 本项目成立的必要性 货车运载的物资计量是生产经营活动的一个重要环节其计量手段多 以静态或动态轨道衡为主，且机械式轨道衡现今普遍已改造为机电结合式 的计量形式，并配备有自动显示、打印系统等装置。基本上消除了人为误 差，使计量数据的采集更加科学化、准确化。静态轨道衡测量的误差低， 但在用静态轨道衡对货车进行计量时，对于每节车箱是否完全停在轨道衡 上，要依靠计量人员及调车人员的高度责任心和认真的工作态度来保证， 稍有疏忽便会造成被检车辆不能准确停在轨道衡上计量发生严重的计量 误差，给单位和用户带来严重的经济损失。 东北大学硕士学位论文第一章引言 沈阳西货运站的老称重系统体积大、安装繁琐、维护困难、称重数据与上 位机通讯手段单一( 为缆线传输) 。另外，对上台称重的列车车速限制在 以小于5k m h 的速度通过称重台面时才能准确称量，因此需要拦截车辆后 缓慢检测，处理时间较长。另外，由于它的机动性差和人工干预较多，因 此该设备不适应现况的需要。 为保证计量准确，针对沈阳西货运站出站货车多的特点，我们研制了 本动态称重系统，解决了沈阳西货运站过去的对货车称重效率低，管理混 乱的问题。自动轨道衡。根据o i m l 第1 0 6 号国际建议，它是在铁路线上 称量运行中货车重量的一种自动秤。其称量台面( 秤台) 有足够的工作长 度，以保证列车通过台面时有足够的时间进行有效的采样。按其计量方式 可分为轴计量、转向架计量以及整车计量3 种”1 。本动态轨道衡| 3 】可以实 现列车在行驶过程中的不停车、不摘钩、多节车箱、整列车连续称重。系 统处理的数据结果可发送给上位机，并可存储、打印。它与车号识别装置， 远程通讯装置共同构成全自动列车称重系统。可广泛应用于化工、煤炭、 冶金、电力等需要大宗列车装运的货物进行快速称重的场合。称重过程中 列车可以最高为6 0 公里，小时的速度行驶。这种装置也可对汽车等车理进 行静态或动态快速连续称重。通过分析获得的称重数据，检查车辆运行中 货物在车辆中的分配情况，及时发现车辆超载和偏载的隐患，以避免事故。 其应用可以大大提高运输效率，减轻对设备的磨损。 1 3 本称重系统的技术特点及主要功能 1 3 1 主要特点 1 ) 环境适应性强，主要元件经过严格筛选，可靠性高。 2 ) 体积小，结构合理，操作简便易学，为无人职守装置。 3 ) 系统配有温控装置，可在低温度下运行。 4 ) 通讯方式多样化，可用无线方式串行通讯。 5 ) 功能完善，除具有称重功能外，还可编制打印计量单据、数据分类统 计等。 6 ) 针对钢轨式传感器及现场干扰的特点采用复合滤波算法，滤波效果好， 系统抗干扰性能强。程序运行稳定，效果良好。 东北大学硕士学位论交 第一章引言 1 3 2 主要功能 动态计量，静态计量，计量报表，数据统计。 1 4 本人的主要工作 本人由始至终参与了整个项目的研制。在系统硬件电路的设计阶段， 本人在马老师的指导下参与设计了下位机的主控制板，并用p r o t e l9 9 制作出硬件电路板，独立购置电子元件、焊接、调试。例如，在实验板上 用信号发生器对a i d 6 2 5 的发大精度进行测定，对4 5 0 4 ( 升压芯片) 控制 c d 4 0 6 6 ( 多路开关) 方案可靠性进行测试，并设计温控系装置并加以实现 等。 本人也参与了软件编制。例如键盘显示、上( 下) 位机间的数据串行 通讯、采样子程序等程序的编制。并重点对影响称重系统精度的干扰问题 做了深入的工作，对抗干扰的硬件措施，本人结合称重现场的实际情况， 设计了模拟器针来对现场信号的形式进行模拟实验，增强称重系统的抗扰 能力，并大大提高了调试效率。在软件滤波方面结合现场的情况，编制程 序对称重系统采集到的采样数据用几种算法加以处理、比较和检验，并确 定出了有效的算法。 4 东北大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 系统总体方案 2 1 1 确立方案 2 0 0 1 年6 月开始，就钢轨式传感器形式、种类、计量方式和称重系 统的基础建设等问题我们展开了充分的论证，最后确立了室内腰部粘贴式 钢轨式轨道衡这一方案。方案的主要特点是：在铁路线上安装、调试、维 修时，停运时间短。真正实现了无基坑，可用普通碎石道床。适合于铁路 系统的各种坡度及各种车型。传感器与钢轨一体，并处于低应变状态下_ | = = 作，抗振性能好，过载能力强，工作可靠，寿命长。可同时进行货车的超、 偏载检测。 2 1 2 称重系统的原理 2 1 2 1 称重原理的力学证明： 在一段钢轨底面相距一定的间隔粘贴4 个应变传感器，通过测量这四 个点的弯矩达到称重目的。图2 1 为传感器原理模型。1 、2 、3 、4 为传感 器，k 为传感器间距，w 表车轮重量。传感器的输出值取决于车轮的位置 和重量。设m 1 、m 2 、m 3 、m 4 为1 、2 、3 、4 为传感器测得的弯矩，根据材 料力学可知，当车轮处于2 和3 两个传感器之外时，综合弯矩为零。车轮 处于2 和3 两个传感器之间时，则综合弯矩为重量的比例值。 - mw 1234 图2 1 称重台面的受力 f i g 2 1t h ep r e s s u r eo ft h ew e i g h t i n gp l a t f o r m 一5 一 x 东北大学硕士学位论文第二章系统总体方案矬计 当车轮处于2 和3 两个传感器之外时综合弯矩为下式( 2 1 ) 所示 m = m 4 一m 3 + m 1 一m 2 = o( 2 1 ) 如果车轮处于2 和3 两个传感器之间时，则综合弯矩为下式( 2 2 ) 所示： m = m 4 一m 3 + m 1 一m 2 = k w( 2 2 ) 为了适应动态测量的需要，在称重测力系统中作为系统输入端的传 感器至关重要。室内腰部贴粘式钢轨轨道衡是对一根长7 m 的钢轨，在规 定的尺寸内进行机械加工和应变片粘贴。将现场贴应变片位置的手动加工 工艺改为在室内机械精密加工工艺，将普通粘结剂改为高性能粘结剂，将 环境温度下固化改进为固化炉中高温固化。并在在室内进行静态标定和线 性硬件补偿，使每一组传感器的输出保持一致。这样，一个标准的钢轨式 传感器就形成了。与锥形塞入式比较，它去掉了难以配合的剪力传递界面 的影响；与现场贴片式比较，室内标定十分方便，工作寿命很长；并且机 械加工比较方便。 当列货车匀速( 或滑行) 通过动态计量装置时，先到达速度传感器， 系统由“零点跟踪”等车状态转入“数据采集”程序，并作好了称重的准 备工作。当被称车辆通过钢轨计量段时，每一组传感器惠斯顿桥电路中的 应变片就将轮重成正比例剪切应变转换为相应的毫伏级电压信号，经过接 线盒组桥并进行滤波，经微调平衡后信号通过电缆线进入单片机称重系统 ( 共计12 组传感器) 。单片机发出各种控制命令，采集、存储数据，实 时修正某些变量函数。当一列货车计量完成后，就由“数据采集”程序转 入“数据处理”程序，在上位计算机系统存储、显示、打印计量结果。 本称重系统台面长度为0 8 米，两侧钢轨上共计有1 2 路称重传感器。 其中的侧钢轨上有8 路传感器，4 路用于测量列车的单侧轮重，4 路用 用于测列车的行驶方向。在钢轨的另一侧上也有4 路传感器，用于测量列 车的另侧轮重。列车的每节车箱有两个转向架，每个转向架有两根轴。 由于称重台面的长度小于列车的轴距，因此称重时在同一时刻，列车只能 有单根轴上的两个轮通过称重台面。当有车轴在称重台面上时，我们可以 分别测出两侧的轮重。每单节车箱有四根轴共计八个车轮，故需分别求出 八个轮的重量，其重量和为单节车箱的重量。 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体方案敬计 2 1 3 系统的工作原理及各部分功能模块其工作框图如 系统的工作框图如图2 2 所示。 图2 2 系统结构 f i g 。2 2t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 东北大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计 2 2 系统组成 2 2 1 硬件部分 ( 1 )以i n t e l1 9 6 k b 为核心的单片机系统。 ( 2 ) 高精度的1 2 位的模，数转换器。 ( 3 ) 存储器选用片外存储方式。 ( 4 ) 三个串行口进行通讯。 ( 5 ) 称重门限设定装置。 ( 6 ) 高速的电子开关阵列，用于进行分通道高速采样。 ( 7 ) 高精度、高稳定的前置放大系统，有很强的抗共模干扰能力，保 证称重系统的精确性。 ( 8 ) 阻抗匹配放大器，提高线路的负载能力。 ( 9 ) 键盘显示电路，8 位八段发光管数码显示，2 0 位功能键。 ( 1 0 ) 按特殊的力学公式配置的压力传感器。 ( 1 1 ) 防电源干扰的开关电源及接地装置。 ( 1 2 ) 上位机数据显示和打印及报警部分。 ( 1 3 ) 称重系统的自动调温装置。 以上部分的详细内容见第三章。 2 2 2 软件部分 本称重系统的软件设计采用模块化构。本系统软件主要包括： ( 1 ) 程序模块。 ( 2 ) 称量子程序模块、 ( 3 ) 标定子程序模块、 ( 4 ) 键盘处理子程序模块、 ( 5 ) 数据处理子程序模块 ( 6 ) e e p r o m 读写子程序模块以及数制转换予程序等，用反复调用 子程序的办法，实现循环工作，达到自动监测的要求。 详细内容见第四章。 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体方案实现 第三章系统总体方案实现 3 1 简介其它轨道衡产品的系统组成、与本系统进行比较 江苏省连云港港务局铁路运输公司g c u 1 0 0 h 型和g c u 1 0 0 g 型两种微 机动态轨道衡，采用数据库管理系统，使用较方便、功能较全面。其系统 工作框图如图3 1 所示。 系统组成：这两种动态轨道衡系统都是单台面结构型式，均采用微机 控制技术，都是由机械称量台面系统、传感器、a ，d 转换通道系统、微机 控制系统等组成。a ，d 转换通道系统又包括放大器、滤波器、传感器供电 桥路、基准电源、a ，d 转换器等。从机械组成部分、控制过程及具体电路 来看有较大的差别。两者的主要区别是：( 1 ) 机械称量台面系统不同， g c u 一1 0 0 h 型采用整体组装，浅基坑的结构型式，有过渡装置。两个称量主 梁，4 个称量传感器，限位装置等均安装在一个共同的焊接锕结构整体框 形底座上。g c u 一10 0 h 型采用无基坑、无缝的结构型式，无过渡装置。8 个 传感器，4 个安装在钢结构整体底座上，另4 个安装在铁轨上。( 2 ) a d 转换通道系统不同，g c u - 1 0 0 h 有专门的a d 转换通道设各，有专门研制 的接口电路插于微机主板扩展槽上，而g c u - 1 0 0 g 的a ，d 转换通道则是一 块接i ：1 电路板，直接插于微机主板扩展槽上。 工作原理：两种动态轨道衡所采用的计量方式都是转向架计量方式。 图3 1 系统工作框图 f i g 3 1t h es t r u c t u r eo ft h es y s t e m 查苎垄堂塑主堂堡垒墨 笙兰里墨竺璺竺变塞兰坐 中国计量学院计量技术工程分院的单片机控制动态公路称重系统，数 字电路主机为8 0 c 3 1 单片机，称重板临时可移动。车辆以低遮( 小_ ：卜 1 5 k m h ) 通过称重板进行动态称重。，还有用a t 8 9 c 5 1 单片机崎洲火车上 衡计量的称重产品等4 1 。 北京万集科技有限责任公司动态称重系。统介绍： f称重感应板。p 一 0 叫控制计算机。 高速数据采集器。 采用多通道高速a i d 转换，可同时采集多条车道的数 据。 系统软件 实施称重测速、车辆分型功能。设置开放式车型分类 表，可由使用者指定车型分类方式。 数据存储与传输：可提供多种方案的存储与传输方式。 软盘( 【4 4 m b ) z i p ( 1 2 0 m b ) 等存储方式 r s 2 3 2 c 和r s 一4 8 5 等通讯方式。 供电 计算机系统采用交流市电。 数据分析软件包 为称重系统配套使用可按用户要求实现数据分析、 统计查询和打印报表等功能。 主要性能指标： i 测试范围：额定载荷( 单轴) ：3 0 t 最大过载能力：1 5 0 测速范围：5 - 2 0 0 k m h 2 测试精度：轴重误差：1 0 ( 轴重 1 0 0 0 k g ) 士3 0 0 k g ( 轴重1 0 0 0 k g ) 总重误差：6 ( 总重 5 0 0 0 k g ) 3 0 0 k g ( 总重5 0 0 0 k g ) 测速误差：2 k m h 轴距误差：1 5 0 r a m 置信度：9 5 ( 2o ) 东北大学硕士学位论文第三章系统总体方j 案实规 3 2 动态称重系统的整机硬件设计思想及外型结构 在硬件设计中，充分利用集成电路技术的最新成果和低功耗设计，使 电路板体积小、功耗低。如图3 2 所示为主控制板的p c b 板图，图3 3 所示为其接口连接图。 图3 2 主控制板 f i g 3 2t h em a i nc o n t r o lb o a r d 图3 3 主控制板的接口方式 f i g 3 3t h ej a c km o d eo ft h em a i nc o n t r o lb o a r d 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体方案实现 图3 4 一级放大部分 f i g 3 4t h ep a r to ft h eo n ec l a s sm a g n i f y 图3 5 一级放大板的接口方式 f i g 3 5t h ej a c km o d eo ft h eo n ec l a s sm a g n i f yb o a r d 图3 4 所示为一级放大部分的p c b 板图，图3 ：5 所示为其接口连接图。 一1 2 查! ! 垄兰塑主堂苎垒查 塑三主墨竺璺堡查塞壅些 图3 , 6 键盘控制板 f i g 3 6t h ek e y b o a r d 图3 7 键盘的接口方式 f i g 3 7t h ej a c km o d eo ft h ek e y b o a r d 图3 6 所示为键盘控制板的p c b 板图。图3 7 所示为其接口连接图。 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体方案实现 b 机箱外壳： 图3 8 称重系统外型 f i g 3 8t h ee x t e r i o ro fw e i g h t i n gs y s t e m 圉3 9 称重系统接口方式 f i g 3 9t h ej a c km o d ew e i g h t i n gs y s t e m 图3 8 所示为下位机的正面外型图。面板有8 位数码显示区及2 0 位 的按键区，并另有一手动复位按键。图3 9 所示为其接口连接示意图。 4 东北大学硕士学位论文 箱三章系统总体方案实埘 3 3 称重系统的下位机部分 3 3 1 称重系统的电源部分 本设备需配备开关电源一个，电源输入电压为交流2 2 0 v ，频率5 0 赫兹。 具有0 v ，+ 5 v ，+ 1 2 v ，一1 2 v 的电压输出。 3 3 2 核心芯片选择 微型计算机的出现，使电子计算机更广泛地应用于人类生活中的各个 领域。单片微型计算机作为微型机的一员，在工业控制、仪器仪表及家用 电器的智能化等方面，更具有特殊的意义，发挥着更好的作用。 单片微型计算机，它是在一个芯片上集成了微型计算机系统的许多功 能，要包括中央处理单元( c p u ) 、存储器( r a m 和r o m ) 及外围输入 输出接口( i o 口) 。它与通常所说的微处理器不同，微处理器( 如i n t e l 公司的8 0 9 6 ) 只是个c p u 和一些辅助功能部件，其本身并不能构成一 个微型计算机系统。而单片机不同，它具有许多适用于控制的软件指令和 相应的硬件支持，因而广泛的应用于各种设备和仪器的控制之中。 i n t e l9 6 系列单片微型机( 包括8 9 和8 c 1 9 k b ) 简称9 6 系列 单片机。它是1 9 8 3 年后陆续推西茸勺、i 国内的开发、应用自8 0 年代末才开 始，但其发展速度却很惊人。耳前，几乎占领了我国1 6 位及准1 6 位单片 机的全部市场，而且发展潜力很大。 9 6 系列产品单片机之所以受到用户的青睐，与它的高性能分不开。其 片内的寄存器阵列兼有多种功能。彻底克服了面向累加器而引起的“瓶颈” 问题 5 1 了改造，可以方便地进行软件优先级的设置；其它诸如以先进先出 队列( f i f o ) 为基础的高速输入( h i s ) 、以内容寻址存储器( c a m ) 为 基础的高速输出( h s o ) 、以比较为基础的脉宽调制( p w m ) 和以1 6 位定 时器为基础的监视定时器( w a t c h d o g ) 均属首次引入单片机的功能部 件：其1 0 位多路采样保持和a d 转换器也非常具有特色。再配上高效指 令系统，使9 6 系列成为同类单片机中的佼佼者。 8 x c l 9 6 x x - - c h m o 芯片耗电少，除正常工作外还可工作于两种节电 方式：待机方式以及掉电方式，进一步减少了芯片的功耗。m c s 9 6 家族 中的全部成员都共享一套指令系统，有一个共同的c p u 组织结构。根据 东北大学硕士学位论文 第三帝系统总体方案实现 不同的应用场合，在单片机内部“嵌入”了以往被认为是“外围设备”的 各种电路，例如8 0 c 1 9 6 m c 是专门用于电机高速控制的 6 1 。于是形成了各 种不同型号的单片机。如图3 1 0 所示。列出了m c s 一9 6 基本框图。 图3 1 08 0 c 1 9 6 k b 功能框图 f i g 3 1 08 0 c 1 9 6 k b b l o c kd i a g r a m 3 3 2 18 0 c 1 9 6 k b 的特点： 8 k 字节片内e p r o m ，2 3 2 字节寄存器阵列，寄存器至寄存器结构， 2 3 微秒1 6 1 6 乘法( 1 2 m h z 时钟) ，具有掉电和空闲方式，5 个八位i o 口，1 6 位监视定时器，可动态配置八位或1 6 位总线宽度，全双工串行通 讯口，高速i t o 子系统，1 6 位定时器及1 6 位具有捕获功能的可逆计数器 脉宽调制输出，4 个1 6 位软件定时器，l o 位具有采样，保持的a d 转换器 h o l d ，h l d a 总线协议。 3 3 2 2 c p u 与内部定时 8 0 c 1 9 6 k b 的c p u 有两个主要组成部分：寄存器阵列和算数逻辑单元 ( r a l u ) 。其中r a l u 中控制重复移位的循环计数器是六位的。 8 0 c 1 9 6 k b 内部操作的基础是晶体或外部振荡频率的二分频。每个振 荡器周期被称作一个状态周期( 8 0 c 1 9 6 k b 的一个基本时间单位) 。对于 1 2 m h z 晶振，个状态周期是1 6 7 n s 。 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体方案实现 3 3 2 3 存储器空间 在6 4 k b 的可寻址空间中，除0 0 0 0 h o o f f h 和1 f f f h 2 0 8 0 h 单元 有专门用途外，其它单元都可用于存储程序和数据，或用于按存储器配置 的外部设备。8 0 c 1 9 6 k b 的存储器布局图见下图3 1 1 所示。 d 酬戚i o na c i d r i l e x i s t n t a lm e m o r yo fi ，oo f f f f h 0 4 0 0 0 h h n e f n a lr o m e p r o m0 4 e x t e ；n a l3 f f f h m e m o r y d e t e c m t n e db y 酾2 0 日o h 器嚣簧啪舢。忡阼h 2 0 7 f h 2 0 4 0 h u p 雌i n t p t v e l d | o c s 2 0 3 f h 2 0 3 0 h r o m e i p r o m s e c u r n yk e y 2 0 2 f h 卸2 0 h l ：= ；：帮。脚越。o “删“阼h 2 0 1 f h 2 0 1 a h 脚啪啦洲“剐 2 d 1 口h c c b2 0 1 8 h ：鹄= 驾啪矾e 。删“伴h 2 d 1 7 h 垒d 1 4 h l o w e fl n l e l t u p tv e c t o r s2 0 1 3 h 2 0 0 0 h p o r t 3 a n d p o r t 41 f f f ：h 1 f f e h e x 钯t r n a lm e m o r y1 f f d h 0 1 0 0 h 2 8 2 囟r i r e 删m 目r a mc n o t e1 ) 0 0 f f h 0 0 1 b h c p u s f r e ( n o t e s 封 0 0 1 7 h 0 0 0 0 h 图3 1 18 0 c 1 9 6 k b 存储器配置 f i g 3 1 i8 0 c 1 9 6 k bm e m o r ym a p ( 1 ) 寄存器阵列 包含有2 3 2 字节的r a m 单元，这些单元可以按字节、字或双字进行 访问，每个单元都可以为r a l u 所用，就好象有2 3 2 个累加器一样。寄存 器阵列的1 8 和1 9 单元被保留作堆栈指针用，故凡有发生栈操作的场合， 这个字不能挪用。用于访问寄存器阵列和专用寄存起的地址被c p u 分作 两个8 位，暂存在地址寄存器中。 ( 2 ) 专用寄存器s f r ， 片内存储单元0 0 h 1 7 h 是i o 控制寄存器或其它专用寄存器。 8 0 c 1 9 6 k b 的所有片内外设装置，除p 3 口和p 4 口外，都受这些寄存器的 控制。 ( 3 ) 存储器保留空间 存储单元2 0 0 0 h 2 0 8 0 h 是8 0 c 1 9 6 k b 的保留空间，用于专门的用途 或留作后用。 东北大学硕士学位论文 第兰章系统总体方案实现 ( 4 ) 内部r o m 和e p r o m 8 0 c 1 9 6 k b 子系列中，8 3 c 1 9 6 k b 是带片内掩膜r o m 型的芯片， 8 7 c 1 9 6 k b 是带片内e p r o m 型的芯片。这两种芯片的片内r o m e p r o m 的容量都为8 k b ，位于2 0 0 0 h 3 f f f h ，其中2 0 0 0 h 2 0 7 f h 为保留区， 2 0 8 0 h 3 f f f h 为程序区。 3 3 2 4 系统的总线 8 0 c 1 9 6 k b 有一个1 6 位分时切换的地址，数据总线a d oa d l 5 。该系 统总线可工作于标准的1 6 位方式，8 位总线方式和8 位1 6 位动态切换方 式。为保证系统正常工作，芯片设置了若干条有关的控制线，它们是： 总线地址分离控制线a l e a d v 读控制线r d 写控制线w r l 和w r h 或w r 、b h e 和a d o 总线宽度选择线 b u s w i d t h 取指信号线i n s t 就绪信号线r e a d y 如图3 1 2 所示，为其外部存储器操作时序。 图3 1 2 外部存储器操作时序 f i g 3 1 2s y s t e m b u st i m i n g s - 1 8 - 东北大学硕士学位论文第三章系统总体方案实现 读信号r d 为保证c p u 可靠的读得来自外部存储器的数据，在距读信号r d 上升 沿一段时间之前，此数据就应稳定地出线在总线上。在r d 的上升沿，该 信息被锁存到i n t e l8 0 c1 9 6 k b 中。如果读的是指令，在地址有效期间，i n s t 脚将保持高电平；否则，i n s t 脚将变低。读取芯片配置字节和中断向量 时，i n s t 腿保持低电平。 写信号w r 写外部存储器的时序类似于读的时序。主要区别在于w r 信号代替了 矗d 信号。此外，在w r 信号的下降沿，i n t e l8 0 c 1 9 6 k b 从总线上移走了地 址，代之以数据，这时r e a d y 信号应保持在所期望的状态上。丽线变 高时，数据应锁存到外部存储器内。指令是不能写的，故在写周期内i n s t 总是保持低。 在可能对字节单元进行写操作的系统中，必须利用a d o 和b i l e 把信 号译成写低位字节信号w r l o w 和写高位字节w r h i g h 。 就绪信号r e a d y r e a d y 用于扩展c p u 发出的w r 信号和r d 信号的有效脉冲宽度，以 适应慢速存储器或外设的时序要求。r e a d y 信号还可以用于d m a 传输 中。 如果c p u 不得不访问一个慢速存储器或按存储器配置的外设，则c p u 寻址后，在规定的时间内将得不到反应( c p u 读不到有效的数据或写到总 线上的数据未被及时取走) ，这时就将利用r e a d y 线，以便总线插入等 待状态。 总线工作方式和芯片配置寄存器 8 0 c 1 9 6 k b 在系统配置方面提供了一些可选性，以便简化存储器系统、 接口要求和就绪控制。由于可以有选择地定义总线控制信号，并在运行中 选取外部总线的宽度，使得系统总线的灵活性很大。此外为了简化访问慢 速器件时对外部硬件的要求，系统提供了几种就绪控制的方式。所有这些 可供选择的信息都存储在一个所谓芯片配置寄存器c c r 内。 在8 0 c 1 9 6 k b 存储空间中，有一个特殊的单元，叫芯片配置字节 ( c c b ) ，它的地址是2 0 1 8 h ，在一般用户系统中，这个单元应属于程序 存储器，事先加以编程。当系统复位且只有系统复位时，c c b 的内容被自 动装载到c c r 中。装载后，c c r 的值不能再改变，除非又产生一此复位。 在每个总线周期，8 0 c 1 9 6 k b 都读一次c c r 。 东北大学硕士学位论文 第三章系统总体方案实现 若瓦= 0 ，由外部存储器访问c c b 。若面：1 ，由内部r o m e p r o m 访问c c b 。若瓦接至+ 1 2 5 v 即在编程时，c c r 是由另外一个称为编程芯 片配置字节p c c b 的单元来装载的，这个字节不是存储器映射单元，而是 一个独立的e p r o m 单元。 或一w r 、丽万) 8 0 c 1 9 6 k b 的外部总线宽度可以在运行中动态地改变，配置成标准的 1 6 位分时切换的地址，数据总线，或配置成8 0 8 8 最小方式型的1 6 位地址8 位数据总线。 1 6 位总线周期中，p 3 和p 4 作为1 6 位地址和1 6 位数据的分时切换总 线。a l e 信号用于锁存地址。8 位总线周期中，地址仍为1 6 位，数据8 位，p 3 用作分时切换的地址，数据总线p 4 只作高8 位地址线。在整个8 位总线周期内，p 4 上的地址一直是有效的。总线宽度受c c r 1 和引腿 b u s w i d t h 的控制。若c c r 1 = 0 或b u s w i d t h = 0 ，外部访问是通过1 6 位地址，8 位数据总线进行的。若c c r 1 = 1 和b u s w i d t h = 1 ，则外部访问 是通过1 6 位地址1 6 位数据总线进行的。内部访问时总线宽度总是1 6 位。 当c c r 1 = 1 时，总线宽度实际上受b u s w i d t h 信号的控制，因此，通过 运行中改变b u s w i d t h 上的值，就可以动态地选择总线宽度。 当采用8 位总线时，某些性能将会降低，在下列情况下，指令执行速 度会减慢。首先，对外部存储器执行写1 6 位字指令时，要多花2 个状态 周期。其次，对外部存储器执行读1 6 位指令时，要延长一个状态周期。 最后，当请求取指令时，若预取指队列是空的，则每当从外部取一个字节， 指令执行时间就要延长一个状态周期，最坏的情况下，要延长的状态周期 是指令字节数减1 。 总线控制： 8 0 c 1 9 6 k b 能提供几种类型的总线控制信号。3 根双功能控制线是： 东北大学硕士学位论文第三章系统总体方案实现 w r l 和w r h 或w r 、b h e 及a l e a d v 。这三根控制线的功能由