（电力电子与电力传动专业论文）嵌入式控制器在啤酒稀释配比中的应用.pdf

摘要 a d s t r a c t h i g h - d e n s i t yb e e rd i l u t i o ns y s t e m sa g em a i n l yc o n t r o l l e db yat w o - l e v e ls y s t e mw h i c hc o n t a i n s ai n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra n dap l ca tp r e s e n t ，a l t h o u g ht h ep r i c ei sc h e a pc o m p a r et ot h e s y s t e mi m p o r t e df r o mf o r i g nc o u n t r y , w h i c hc o s t ，s t i l li ti se x p e n s i v et os p r e a dt h r o u g ht h em i d d l e o rm i n i t y p eb e e rm a n u f a c t u r e cs oi nt h i sd i s s e r t a t i o nw ea d o p tt h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rs y s t e mt o r e p l a c et h ef o r n 忙rt w o - s t a g ec o m p u t e rs y s t e ma n dt or e a l i z et h ed i l u t i o nf u n c t i o nf o rh i g h - d a n s i t y b e e ra n ds t a t em o n i t o rt ot h es y s t e m t h ef u n c t i o no f w a t e rt r e a t m e n ts y s t e mf o rh i g h - d e n s i t yb e e rd i l u t i o ni sb r i e f l yi n t r o d u c e df k s l t h ea u t h o re l e c t sa n du s e st h ep h i l i p sc o m p a n ya r mc o r ec h i p c 2 2 1 4a st h em a i nc o n t r o l c h i pt h e nt h ec o r r e s p o n d i n gi n t e r r a c ec i r e a i t ，s u c ha sl c d 。t o u c h e ss c r e e i t , a d ，g p i o 。p w me t c a r ea d d e dt or e a l i z et h em o n i t o r i n gf u n o t i o n 1 1 埠m a i nc o n t r o l l e ra n di n t e r f a c ei sa n a l i s e di nd e t a i l e d a n dt h e nt h et e c h n o l o g yo ft h ed i l u t i o ns y s t e m sf o rh i g h - d e n s i t yb e e ra n df u n c t i o no ft h ed i l u t i o n s y s t e m sf o rh i g h - d e n s i t yb e e ri si n t r o d u c e d t h ed i l u t i o ns y s t e mf o rh i g h - d e n s i t yb e e ri sal a r g e ri n e r t i as y s t e m a n di ti sv e r yd i f ! f i c u l tt og e t a ni d e a le f f e c tb yu s i n gt h et r a d i t i o np i dc o n t r 0 1 i nt h i sr e s e r c hw ed e s i g n e dat w o - d i m e n s i o nf u z z y c o n t r o l l e rf o rt h es y s t e m so ft h ed i l u t i o nf o rh i g h - d e n s i t yb e e r , a n dg e tap e r f e c te f f e c t b ya n a l y s i s i n gt h es y s t e ms o f t w a r e , t h ed r i v e rf o rt h el c d ，t o n c h e ds c r e e n , a d ，p 、) l ，mo u t p u t , a m o u n t ss w i t c ha n du 肿a r ed e s i g n e da n du c o s i io si st r a n s p l a n t e d t h e nt h ed e s i g no fl c d d i s p i a ym o d u l e , o n t p u ta n dc o n t r o lm o d n l e ，f u z z yc o n t r o lm o d u l ea n dt h ed a t as a m p l l i n gm o d u l ea r e a n a l y s t e di nd e t a i l d h et ot h ea p p l i c a t i o no ft h eh i g h - p e r f o r m a n c ea r m 7p r o c e s s o ra n dt h ee m b e d d e dr e a ll i m e u c o s i is y s t e m , t h es y s t e mh a v eag r e a td e a la d v a n t a g e ss u c ha sl o wp r i c e h i g hp e r f o r m a n c e , h i g hs e c u r i t ya n dg o o dm o r rf o ri t sh i g hw o r k i n gs t a b i l i t y ，g o o dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e , s u o n g a n t i - i n t e f f e 陀n c ep e r f o r m a n c e , a n di ti sd e m o n s t r a t i n gf i n ep r a c t i c a lv a l t l ei np m j e c t s f i g u r e3 0t a b l e1 0r e f e r e n c e5 3 k e y w o r d s ：t h eh i g h d e n s i t yb e e rd i l u t i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，l p c 2 2 1 4 ，u c o s i i ， f u z z yc o n t r o l c h i n e s eb o o k s c a t a l o g ：t p 2 7 3 n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 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 塞徼堡王太堂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 表示谢意 学位论文作者张单日期碑“月笪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞筮堡兰太堂有保留、使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞徼理王太堂学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文( 保密的学位 论文在解密后适用本授权书) 安徽理工大学硕士论文 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的目的和意义 高浓度啤酒稀释技术就是在糖化生产高浓度麦汁，经过发酵和后酵贮藏，在啤 酒灌装前加入适量脱氧水控制其麦芽糖含量，使之达到希望的原麦汁浓度和酒精 含量，此项技术是目前国际上的先进技术低浓低醇的生产技术五花a f - i ，有真 空蒸馏法、透析法、反渗透法、低温接触法、限制发酵法和稀释法等。根据原有 设备的平衡能力，在麦汁制各工序以后，对冷麦汁、嫩啤酒或成熟啤酒进行稀释， 使之达到最终啤酒所要求的原麦汁浓度。以提高糖化、发酵、贮酒、甚至啤酒澄 清设备的利用率。从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，在低浓度啤酒的 生产中，稀释技术显示出更大的优势“1 。 近年来，我国已有一些厂家从国外引进了高浓度啤酒稀释系统，每套系统投 资都在百万元人民币以上，投资高，为此安徽理工大学应古井雪地啤酒厂之邀采 用两级计算机( 上位机为工业控制计算机i p c ，下位机为可编程控制器p l c ) 开发 研制了高浓啤酒稀释监控系统，使其设备投资得以减少，提高了高浓度啤酒稀释 配比系统的性能，然而由工业控制计算机和可编程控制器组成的两级计算机控制 系统造价仍然较高，难以在一些中小型啤酒生产厂家推广，为此作者采用基于a r m 核的嵌入式控制器l p c 2 2 1 4 代替两级计算机系统实现高浓啤酒的配比控制及其监 视等功能。正是在这样的背景下进行本课题的研制并形成本文的。 1 2 国内外发展情况 改革开放二十多年来，中国啤酒工业迅猛发展。从2 0 0 2 起啤酒产量就超过美 国而成为世界第一啤酒生产大国。随人们生活水平的提高，人们对啤酒需求越来 越多的情况下，由于个人偏好、各地文化差异、自然环境差别等多种因素的影响 对啤酒口味的需求越来越多样化。 啤酒消费的个性化趋势创造了多样化的市场需求，促进了啤酒企业产品多样 化步伐，市场上啤酒产品越来越多，啤酒品种从以前单一的淡色啤酒发展到目前 的纯生啤酒、无醇啤酒、小麦啤酒、黑啤酒、干啤酒，还有具有营养、保健作用 的果味啤酒、芦荟啤酒、苦瓜啤酒、菊花啤酒等等。生产多样化啤酒的技术有很 多种，从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，高浓度啤酒稀释技术生产多 样化啤酒是相对较好的一种方法。 高浓度啤酒稀释技术是目前国际上的先进技术。采用此项新工艺，仅在增加 少量设备的条件下，不仅可以提高糖化、发酵、贮酒的设备利用率，提高啤酒产 量：还可以降低生产成本及能源消耗，改善啤酒的风味和非生物稳定性。近年来， 我国已有一些厂家从国外引进了高浓啤酒稀释配比系统，每套设备多在百万元以 上，投资较高，两国产设备虽然价格便宜，但配比效果不太理想，为此开发研制 高浓啤酒稀释配比系统有广阔的市场前景。 目前国内大多数企业所使用的啤酒稀释系统是采用p l c 控制。本课题是采用 高性能a r m ? 处理器和嵌入式实时操作系统u c 0 s i i 开发设计，在成本、性能上 有很强的优势，并且具有运行稳定、实时性好、抗干扰能力强等优点。 嵌入式系统是近几年才风靡起来的，其历史可追溯到2 0 世纪7 0 年代。经过 3 0 多年的发展，在硬和软件双螺旋式交替发展的支撑下，嵌入式技术趋于稳定和 安徽理工大学硕十论文l 绪论 成熟，已被广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、p 0 s 网络及电子商务、环境检测、机器人等各个领域毫不夸张的说。嵌入式系统已 经无所不在。所以，研究和开发嵌入式系统有着十分重要的意义“。 1 3 本文的主要工作 本文主要工作包括： 啤酒水处理配比系统的总体设计 啤酒水处理配比系统的电气控制部分硬件设计 系统控制芯片的选型、接口电路设计 基于嵌入式系统的模糊控制设计 啤酒水处理系统模糊控制器的设计 嵌入式实时操作系统的选择与移植 传感器、l c d 、触摸屏等硬件设备的选型与接口设计 设备驱动程序设计 软件应用模块设计 显示界面设计 1 4 本章小结 本章对课题的来源和意义，嵌入式系统的发展历史与近况，高浓啤酒稀释工 艺、高浓啤酒稀释系统的特点和目前国内外应用情况以及本文的主要工作等作了 简要介绍。 2 一 安徽理工丈学硕士论文 2 水处理配比系统稀释高浓度啤酒技术 2 水处理配比系统稀释高浓度啤酒技术 2 1 啤酒水处理工艺 2 1 1 水处理配比系统稀释技术的优点 概括地讲，高浓度啤酒稀释技术就是在糖化生产高浓度麦汁，经过发酵和后酵 贮藏，在啤酒灌装前加入稀释水，使之达到希望的原麦汁浓度和酒精含量。此项 技术是目前国际上的先进技术，在我国的研究和应用虽只有十余年的历史，但己 被很好地消化吸收。 当今对啤酒生产的要求是生产上的高速度和技术设备上的低花费，而高浓度 啤酒稀释技术的优点就在于此。由于在麦汁制备时，先酿造高浓度麦汁，灌装前 进行稀释，因此，一方面大大提高了糖化、发酵、贮酒、澄清设备的利用率，换 句话讲，就是在不增加上述设备的条件下，提高啤酒产量；另一方面，加热、冷却、 贮藏所消耗的能源，以及清洗和过滤费用都相应地减少，因而可降低生产成本。 另外，生产高浓度原麦汁，洗糟水用量相对低一些，所以高浓度麦汁的麦皮物质 较少，生产出的啤酒口味更柔和，又由于稀释用水经过特殊的工艺处理，充分脱 氧，充c 0 2 ，故啤酒的风味和非生物稳定性有所改进。 2 1 2 水处理配比技术在低浓低醇啤酒中的应用 啤酒发展的今天，远远超出了其传统的内涵，“酒”的特性逐渐淡化，而“饮 料”的特性则逐渐显露。近年来，西方国家开始流行低浓低醇啤酒，其原麦汁浓 度一般为7 9 p ，而酒精含量则在1 0 3 0 。低浓低醇的生产技术五花八门， 有真空蒸馏法、透析法、反渗透法、低温接触法、限制发酵法和稀释法等。根据 原有设备的平衡能力，在麦汁制备工序以后，对冷麦汁、嫩啤酒或成熟啤酒进行 稀释，使之达到最终啤酒所要求的原麦汁浓度，以提高糖化、发酵、贮酒、甚至 啤酒澄清设备的利用率。从投资规模、经济效益和质量的可靠性来看，在低浓度 啤酒的生产中，稀释技术显示出更大的优势。 没有好的原料，难以生产出优质的啤酒。用于稀释的啤酒对原料的要求则更显 重要。据报道，啤酒中的风味物质达8 5 0 多种，挥发性成份就有3 5 2 种，而麦芽 中含有的挥发性物质达120 种。麦芽的溶解度、各种成份的组成及辅料的添加比 例均会在不同程度上对稀释啤酒的质量产生影响。 啤酒稀释用水应具有和啤酒相同的质量特性。稀释用水的氧含量和c 0 2 含量 是重要的质量指标，必须严格控制。过多的氧含量不仅会加速啤酒的氧化，破坏 啤酒的胶体和风味稳定性，而且还会导致啤酒中c 0 2 的含量降低据测定啤酒中 每溶解0 1g 空气，就会导致5g c 0 2 被替代，这是相当危险的。 稀释用水的生产工艺有多种，如离子交换、电渗析、反渗透、加热灭菌、紫外 线灭菌、无菌过滤、真空脱氧、加热c 0 2 洗涤等。在生产实践中，我们发现比较 好的工艺是：原水一沙滤一活性炭吸附一反渗透一加热一真空脱氧- - c 0 2 饱和它 集去金属离子、杀菌、除硬、排氧和充c 0 2 等优点为一体，使水的硬度由1 3 。降 至1 。，铜、铁、锰等离子接近于零；水中的氧含量降至0 0 3 mg kg 基本上保 证了稀释后啤酒的质量。 由于各厂生产设备及生产能力的不同，在啤酒稀释方面采用的工艺也有差别 目前常见的有发酵前稀释、下酒后熟时稀释、过滤前稀释和过滤后稀释。每一种 一3 一 安徽理工大学硕士论文2 水处理配比系统稀释高浓度啤酒技术 工艺都有其自己的优缺点。发酵前稀释只是最大限度地提高了麦汁制备的设备 利用率，其后续设备的生产能力并没有大的提高，但这种稀释工艺可以使稀释后 的啤酒经发酵、后熟等工序后，在风味的协调性和胶体稳定性方面有了很大的提 高，对稀释用水的氧含量也要求不商。下酒后熟时稀释工艺与发酵前稀释相似， 但它同时提高了发酵设备的利用率。过滤前稀释和过滤后稀释均可最大限度地提 高设备的利用率，但稀释后啤酒的稳定性不如前两个工艺。过滤前后稀释用水的 质量要求最高，除了卫生和理化指标外，水的温度和c 0 2 含量均应与啤酒一致， 否则会导致稀释后啤酒温度升高，c 0 2 溶解不完全，严重时会对硅藻土滤层产生 冲击，导致滤层松动l “ 2 1 3 水处理配比系统稀释高浓啤酒稀释工艺流程 高浓发酵后稀释是在高浓度麦汁经发酵后的酒液中，加入一定比例经除氧、 杀菌、冷却并通入二氧化碳的酿造用水，而制成符合要求浓度的啤酒，这些稀释 后的啤酒能被人们所接受。 高浓度麦汁发酵稀释流程如图2 1 所示 f i 9 2 - 1f l o w c h a r to ft h eh i g h - d e n s i t y b e e rf e r m e n ta n dd i l u t i o n 在高浓发酵后稀释过程中，酿造用水通过升温、加热、抽真空、充c 0 2 处理。 若出酒管路较长，则考虑在进入过滤机前安装一台薄板冷却器将酒液进行激冷， 使后酵液进一步冷却以及灌装时严格控制瓶颈空气等措施，来解决啤酒中含氧量 的问题，从而保持啤酒风味的稳定。因为成品酒中含有过多的氧会造成瓶装熟啤 香气和口味的较大改变，造成啤酒中酒花芳香气味的消失并产生氧化味和因啤酒 中不饱和脂肪酸的氧化生产纸板味。严重的会不同程度出现悬浮颗粒物质或混浊。 因此，要保持啤酒风味的稳定，除在原料及工艺上严格控制外，就是解决啤酒中 含氧量的问题 2 1 4 高浓啤酒稀释特点 1 在不扩大现有发酵、贮存能力的情况下提高酿造量2 5 3 5 ； 4 安徽理工大学硕士论文2 水处理配比系统稀释高浓度啤酒技术 2 降低能量消耗( 加热、冷藏) ，节省人力，减少清洁工作量，降低酒损； 3 解决了灌装能力大于酿造能力时所产生的酒夜供应不足的问题： 4 提高最终啤酒的非生物稳定性和风味的稳定性： 5 利用降低酵母生长，提高单位可发酵物质转化为酒精的量； 6 可采用更高的辅料量： 7 高浓酿造技术，可随意加入不同的水量稀释，由一种原液获得一系列的啤酒。 8 高浓酿造技术是有效缓解产品供不应求的矛盾，提高设备的利用率，降低成 本的一种可行的手段p i 2 2 啤酒水处理配比系统的功能 水处理配比系统稀释技术的主要功能就是实现混合酒浓度配比自动控制，从 而生产出符合要求浓度的啤酒。另外还有缓冲罐液位的检测与控制、平衡罐液位 检测与控制以及各种参数的检测与显示功能。 2 2 1 混合酒浓度配比控制 根据原酒浓度口。及要求的混合酒浓度口z 以及输入的原酒流量n ，控制稀释水 的流量圪，从而达到满足混合酒浓度的要求。 由原酒( 高浓度啤酒) 浓度b l 、配制浓度b 2 、酒流量n ，可按( 2 1 ) 式计算 出所期望的水流量n 见式( 2 1 ) 。 吒。里尝k ( 2 1 ) 口 式中：占。、历是已知量，由操作人员设定：n 是洒流量的检测值。 脱氧水流量的控制是通过改变混合泵的转速来实现的。本系统采用无静差闭 环调节系统来控制水流量。 为了提高混合酒浓度的控制精度，对原酒和水流量进行累计，且对积累偏差 进行补偿控制，在每罐6 0 m 3 的容积下，水的偏差不超过0 0 3 m 3 ，即o 0 5 。 由式( 2 - 1 ) 可知，当原酒流量h = 0 时，必然有胁= o ，模猢控制器的输出为零， 变频器的频率给定为零。为了在没有酒流量的条件下能单独启动混合泵供水，本 系统设置了手动控制方式通过控制变频器的频率给定的功能【“。 2 2 2 缓冲罐和平衡罐液位的检测 缓冲罐液位是通过选用上海科普乐自动化仪表有限公司生产的磁致伸缩液位 传感器k s rf f g t 来实时测量。 k s rf f g - t 液位传感器为流动介质的液位提供持续测量，通过磁致伸缩效应原 理确定浮子( 液面) 的位置。 2 2 3 其它参数的检测与显示 系统还将检测并显示平衡罐温度乃、热交换器温度如、稀释水p h 值、稀释 水含氧量0 2 等参数以及检测并显示残氧浓度超标k l 、流量开关k 2 、平衡罐进水 阀k 3 、平衡罐出水阀k 4 、真空泵状态i ( 5 、冷却阀k 6 、原水泵状态k 7 、回流泵 状态k 8 、出水泵状态k 9 、泵操作选择开关状态k 1 0 等开关量状态以及输出控制 混合泵变频器启停信号q 1 、真空泵起停信号1 2 、回流电磁阀开关信号q 3 、出水 一5 一 安徽理r ：人学硕士论文2 水处理配比系统稀释高浓度啤酒技术 电磁阀开关信号q 4 以及冷媒电磁阀开关信号0 5 等信号。 2 3 本章小结 本章主要叙述水处理配比系统稀释高浓啤酒技术。详细介绍啤酒水处理工艺。 阐述了水处理配比系统稀释技术的优点、在低浓低醇啤酒中的应用以及该技术的 工艺流程。另外，本章还对啤酒水处理配比系统的功能实现做出详细介绍 - 6 安徽理工大学硕士论文3 啤酒水处理配比系统结构 3 啤酒水处理配比系统结构 3 1 系统的基本结构 高浓度啤酒稀释配比系统由嵌入式控制器l p c 2 2 1 4 加上相应的接口电路组成， 实现系统中各种参数的检测、信息处理、系统参数设定以及控制和监视等功能。 系统共有8 路模拟量输入，分别为原酒流量k 、脱氧水流量k 、平衡罐温度 z 、热交换器温度7 ；、平衡罐液位y 、缓冲罐压力尸、稀释水p h 值、稀释水含氧 量仉。这些模拟量输入信号由相应的传感器检测后由嵌入式控制器l p c 2 2 1 4 内嵌 的a d 转换器采集。 系统只有路模拟量输出，该输出通过变频器控制混合泵的转速控制配比系 统的水流，进而控制混合啤酒的浓度。由于嵌入式控制器l p c 2 2 1 4 内核没有d a 转换器，因此其由嵌入式控制器l p c 2 2 1 4 内嵌的p w m 输出再经滤波后实现。 系统共有l o 路开关量输入信号，分别为残氧浓度超标k 、流量开关k 2 、平衡 罐进水阀k 3 、平衡罐出水阀k 4 、真空泵状态k 5 、冷却阀k 6 、原水泵状态k 7 、回 流泵状态k 8 、出水泵状态k 9 、泵操作选择开关状态k 1 0 等。 系统共有5 路开关量输出信号，分别为混合泵变频器启停信号q 1 、真空泵起 停信号1 2 、回流电磁阀开关信号q 3 、出水电磁阀开关信号q 4 以及冷媒电磁阀开 关信号q 5 等。 这些开关量输入信号的采集和开关量输出信号的控制均由嵌入式控制器 l p c 2 2 1 4 自身的开关量g p l 0 通道加上相应的光电耦合器等来完成。 啤酒稀释水处理配比系统结构图如图3 - i 所示 总线 刊峋) ，触摸屏 i a d g p i o 总线 二= 堰匦圃 u p c 2 2 1 4 g p l o餐 g p i o 一滤波器l p w m 图3 - i 高浓啤酒稀释计算机监控系统结构图 f i g3 - 1c o m p u t e rm o n i t o ra n do o n t r o ls y s t e mf o r t h e d i l u t i o no fh 蛐舶碗yb e e 7 ， 安徽理工大学硕士论文 3 啤酒水处理配比系统结构 3 2l p c 2 2 1 4 简介 3 2 1 概述 l p c 2 2 1 4 是基于一个支持实时仿真和跟踪的3 2 位a r m 7 t d m i s t mc p u 微控制器， 并带有2 5 6k 字节( k b ) 嵌入的高速f l a s h 存储器1 2 8 位宽度的存储器接口和独特 的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码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* 1 1 4 , 。 由于l p c 2 2 1 4 有较小的1 4 4 脚封装、极低的功耗，并且具有：多个串行接口，2 个1 6 ( 2 5 5 0i 业标准u a r t 、高速i z c 接口( 4 0 0k h z ) ，2 个s p i 接口：8 路1 0 位a o 转换器，转换时间可低至2 4 4 u s ：2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通 道) ：p w m 单元( ( 6 路输出) ：实时时钟和看门狗：1 1 2 个通用i 0 口( 可承受5 v 电压) ：2 个低功耗模式，空闲和掉电：片上集成高速闪存。使它们特别适用于工业控制、医 疗系统、访问控制和p o s 机。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适 合于通信网关、协议转换器、嵌入式软m o d e r n 以及其它各种类型的应用p l o l 。 3 2 2l p c 2 2 1 4 结构 l p c 2 2 1 4 包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i - sc p u 、与片内存储器控制器接口的 a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e r b u s a r c h i t e c t u r e ，先进的微控制器总线体系结构) 高性能总线 a h b ( a d v a n c e d h i g h - p e r f o r m a n c eb u s ) 和连接片内外设功能的v l s i 外设总线( v p b ( d v a n c e p e r i p h e r a lb u s ) ，a r ma m b a 总线的兼容。l p c 2 2 1 4 将a r m t t d m i s 配置 为小端( 1 i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。 a l t b 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 存储器空间的最顶端。 每个a h b 外设都分配了1 6 k 字节的地址空阈。l p c 2 2 1 4 的外设功能( 中断控制器除 外) 都连接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连。v p b 外设也 分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始每个v p b 外设在v p b 地址空间 内都分配了1 6 k 字节地址空问。 片内外设与器件的连接由管脚连接模块控制，该模块必须由软件进行控制以符 合外设功能与管脚在特定应用中的需求 3 2 31 2 c 2 2 1 4 内核 a 跚7 t d m i s 是通用的3 2 位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。a r m 结 构是基于精简指令集计算机( r i s c ) 原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复 杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高 的指令吞吐量和实时的中断响应。 由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在 执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。 a r m 7 t d m i s 处理器使用了一个被称为t h u m b 的独特结构化策略，它非常适用 于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。 3 2 4l p c 2 2 1 4 存储系统 l p c 2 2 1 4 集成了2 5 6 k 的f l a s h 存储器系统。该存储器可用作代码和数据的存 储。对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来实现：通过内置的串行j t a g 接口， 一8 安徽理工大学硕+ 论文3 啤酒水处理配比系统结构 通过在系统编程( 1 s p ) 和u a r t o ，或通过在应用编程。使用在应用编程的应用程序 也可以在应用程序运行时对f l a s h 进行擦除或编程。这样就为数据存储和现场固 件的升级都带来了极大的灵活性。 l p c 2 2 1 4 含有i b k b 的静态r a m ，可用作代码和或数据的存储。s r a m 支持8 位、 1 6 位和3 2 位访问。 s r k m 控制器包含一个回写缓冲区，它用于防止c p u 在连续的写操作时停止运 行。回写缓冲区总是保存着软件发送到s r a m 的最后一个字数据。该数据只有在软 件请求下一次写操作时才写入s r a m ( 数据只有在软件执行另外一次写操作时被写 入s r a m ) 。如果发生芯片复位，实际的s r a m 内容将不会反映最近一次的写请求( 即： 在一次“热”芯片复位后，s r a m 不会反映最后一次写入的内容) p o i 。 3 2 5l p c 2 2 1 4 控制模块 系统控制模块包括几个系统特性和控制寄存器，这些寄存器具有众多与特定外 设器件无关的功能。系统控制模块包括：晶体振荡器、外部中断输入、p l l ，功率 控制、复位、v p b 分频器和唤醒定时器。 每种类型的功能都有其自身的寄存器，不需要的位则定义为保留位。为了满足 将来扩展的需要，无关的功能不共用相同的寄存器地址。 3 3l p c 2 2 1 4 接口电路设计 3 3 1 存储器接口 l p c 2 2 1 4 采用3 2 位统一编址的方式，将系统的片外存储器、片内存储器、特 殊功能寄存器和外部的i 0 设备，都映射到4 o g b 的地址空间，同时，为便于管 理，又将地址空问分为若干个存储器组。也就是说l p c 2 2 1 4 把每个存储器组都映 射在一个物理位置上，它是一个地址范围，该范围内可写入程序代码，每一个存 储器都永久固定在同一个位置。这样就不需要将代码设计成在不同地址范围内运 行。 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n - s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失 的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧 写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入 式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于 存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的 f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。 l p c 2 2 1 4 集成了一个2 5 6k b 的f l a s h 存储器系统。该存储器可用作代码和 数据的存储。对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来实现。可通过串口进行在 系统编程，也可以在应用程序运行时进行在应用编程。这样为数据存储和现场固 件的升级都带来了极大的灵活性。当使用片内b o o t l o a d e r 时，有2 4 8k bf l a s h 存 储器可作用户代码使用。 s r a m 为静态r a m 存储器。具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用来作数 据存取，或者将程序复制到s r a m 中运行，减缓f l a s h 较低的读取速度对系统性能 造成的影响，以提高系统性能。 该系统的数据量很大，不少数据还需长期保存，仅仅依靠芯片自带的1 6k b 片 内静态r a m 是不够的。所以本系统扩展72 个外部s r a m ，用于存储各类数据如原 酒流量等 9 安徽理t = 大学硕士论文3 啤酒水处理配比系统结构 为了发挥l p c 2 2 1 4 的3 2 位高性能，本设计采用两片1 6 位数据宽度的s r a m 芯 片并联构建3 2 位s r a m 存储系统，其中一片为高1 6 位另一片为低t 6 位，共埘 的s r a m 空间，可满足嵌入式操作系统及各种较复杂的程序的运行要求。 图3 2 为采用两片i s 6 l l v 2 5 6 1 6 a l 并联的方式构建的3 2 位s r a m 存储器系统， 由于需要在l p c 2 2 1 4 外部存储器接口b a n k o 上使用i s 6 i l v 2 5 6 1 6 a l ，所以将两片 s r a m 作为一个整体配霓到b a n k o ，即将l p c 2 2 1 4 的n c s o 接至两片i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 的c e 端：两片i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 a l 的o e 端接l p c 2 2 1 4 的n o e 。 涟酉 v - = 与 一。l 图3 2l p c 2 2 1 4 与s r a m 的接1 ：3 设计 f i g3 - 2i n t e r f a c ed e s i g nb e t w e e nl p c 2 2 1 4a n ds r a m 3 3 2l c d 本系统采用图形与数字方式显示行程，速度，各开关量等。作者采用了深圳 迪威公司d v 3 2 0 2 4 0 g b 显示器。d v 3 2 0 2 4 0 g b 是一款内含硬件字库的图形点阵液晶 显示器。它主要采用动态驱动原理由行驱动一控制器和列驱动器两部分组成了 3 2 0 ( 列) 2 4 0 ( 行) 的全点阵液晶显示，编程模式简洁方便采用了s u m s u n g 公司 s m t 的封装方式，性能稳定主要有以下特点m 9 1 ： 1 0 ， 安徽理t 大学硕士论文 3 啤酒水处理配比系统结构 1 内建7 6 0 2 个常用简体字库，国家标准g b 码字库； 2 内建对比度调节电路，可软件设置对比度； 3 内建多组半宽字符( a s c i i 码) ，方便编程； 4 内建粗体字型和行距设定； 5 提供显示屏幕水平卷动和垂直拖动功能： 6 提供单个字符反白显示和n 彳亍反白显示： 7 提供简单4 级灰度显示功能； 8 提供中英文对齐，不对齐功能： 9 提供触摸屏控制阵数为3 2 0 ( 列) x 2 4 0 ( j t ) ，可显示2 0 ( 列) 1 5 ( 行) 个( 1 6 1 6 点阵) 汉字，也可功能； 1 0 全屏幕点阵，点完成图形，字符的显示。 d v 3 2 0 2 4 0 g b 共有8 路并行输入输出管脚，分别与l p c 2 2 1 4 的p 1 m p l 7 连接， 还有5 路控制管脚( 包括使能，时钟等) 分别与l p c 2 2 1 4 的p 1 8 p 1 1 2 进行连接。 硬件连接如图3 - 3 所示 p 1 o p 1 7，t 卜 8 位地址部线 、r 一 p 1 8 p 1 1 2 r 5 位控制总线 i p c 2 2 1 4 d v 3 2 0 2 4 0 g b 图3 3l p c 2 2 1 4 与l c d 硬件连接示意图 3 - 3t h eh a r d w a r ec o n n e c t i o nb e t w e e nl p c 2 2 1 4 a n d l c d 3 3 3 触摸屏 嵌入式系统的触摸屏装置是一种人机交互设备。本设计将触摸屏安装在l c d 液晶屏上，用l p c 2 2 1 4 实现对触摸屏和l c d 的控制。用户通过触摸操作实现同触 摸屏系统相连接设备的信息交互。触摸屏由触摸检测部件和触摸屏控制器组成， 触摸检测部件安装在l c d 液晶屏前面，用于检测用户触摸位置，用户触摸信息送 往触摸屏控制器a d s 7 8 4 3 ，并将它转换成触点坐标，送给m c u ( l p c 2 2 1 4 ) 。淝u 在 接收到触摸信息后进行相应画面的更新。 触摸屏系统由传感器和控制器组成。传感器是一层放置在l j c d 或c r t 上的 透明塑料或玻璃。当触摸涂层时，传感器内电压变化的信息经四个引脚：x + 、x 一、y + 、y 一传送至触摸屏控制器a d s 7 8 4 3 。控制器对这些信号进行处理，由内 部的a d 转换将电压信号转换成数字信号并以中断的方式传送至l p c 2 2 1 4 ，计算 出触摸点的坐标值。 a o s 7 8 4 3 控制器是连续近似记录( s a i d 的 d 转换器。 d s 7 8 4 3 的内部结 构很容易实现电极电压的切换，并能进行快速a d 转换。a d s 7 8 4 3 采取了可以消 除开关导通压降影响的差动模式。通过设置控制寄存器来实现这一功能。表3 1 为a d s 7 8 4 3 的控制寄存器的控制字，其中s 为数据传输起始标志位，该位为“1 ” 时开始发送控制字。m o d e 是a d 转换的精度选择位，1 选择8 位，0 选择1 2 位 安徽理工大学硕士论文3 啤酒水处理配比系统结构 s e r 选择参考电压的输入模式。p d l 、p d o 选择省电模式，o o 省电模式允许，在 两次a d 转换之问掉电，允许中断，0 l 同0 0 ，但不允许中断，1 0 保留，i l 禁 止省电模式。为了完成一次电极电压切换和 d 转换，先向a d s 7 8 4 3 发送控制 字，转换完成后再读出电压转换值。 a d s 7 8 4 3 与l p c 2 2 1 4 接口电路如图3 - 4 所示 表3 - 1a d s 7 8 4 3 的控制 t a b l e 3 1t h ec o n t r o lo fa d s 7 8 4 3 p o 3 p e n i r q p o 4d c l kx + i p c p 0 5dout)( 触摸屏 2 2 1 4 p o 6 d 玎呵y + f o 7c sy - p 1 1b u s y a d s 7 8 4 3 图3 4 触摸屏控制器接口电路 f i 9 3 4i n t e r f a c ec i r c u i to ft o u c h s c r e e n - c o n t r o l l e r 3 3 4g p l 0 一开关量输入输出检测与控制 l p c 2 2 1 4 有1 1 2 个通用i o 口( 可承受5 v 电压) ，管脚可以动态配置为输入 或输出。寄存器可以同时对任意个输出口进行置位或清零。输出寄存器的值以及 管脚的当前状态都可以读出。 除了作为g p i o 接口，这1 1 2 个通用i o 口大部分还有其他功能。当用作g p i o 接口时，这些管脚的其他功能不可用。其由p i n s e l o 寄存器控制选择使用功能。 这1 1 2 个通用i 0 口具有单个位的方向控制、输出置位和清零可单独控制等 特性，所有i 0 在复位后的默认状态都为输入例。 前已述及，本系统使用了1 5 路开关量，其中p o 9 、p 0 1 0 、p o 1 2 、p o 1 4 、 p o 1 5 、p 0 1 6 、p o 1 7 、p o 1 8 、p o 2 4 、p o 2 5 ，l o 个端口被作为输入，其对应输 入的开关量信号分别为：残氧量浓度超标k l 、流量开关k 2 、平衡罐进水阀k 3 、平 衡罐出水阀k 4 、真空泵冷却k 5 、冷却阀k 6 、原水泵k 7 、回流泵状态k 8 、出水泵 状态k 9 、泵操作选择开关k i o 。 另有5 个端口p 0 8 、p o 1 3 、p 0 1 9 、p o 2 0 、p o 2 3 ，作为输出。对应的输出 控制信号分别为：混合泵变频器起停信号q 1 、真空泵起停信号q 2 、回流电磁阀开 1 2 安徽理f 人学硕士论文 3 啤酒水处理配比系统结构 关信号q 3 、出水电磁阀开关信号q 4 和冷却媒电磁阀开关信号q 5 。 开关量输入输出接口电路如图3 - 5 所示。 u c 2 2 1 4 陋氧量浓度超标k 1 一-p 0 9 k 合泵割 匪要翌雪一 _ p 0 1 0 p 0 8_ - 叫频器起瑚 降号q 1 光 光 f f 衡罐进水阀k 3 卜_ + _ p 0 1 2 电 p 0 1 4 p 0 1 3_ - 电 - 真空泵起 i 平衡罐出水阀即 _ 停信号0 2 耦 耦 i 真空泵冷却k 5 - p 0 1 5 合 a b 流电剖 口 1 阀号q 3 剑】 _ -p 0 1 6 p 0 1 9 匝堕固一+ 器器 脬水泵状态l q +p 0 1 7 出水电磁 旧流泵状态k 8 l 呻 +眦1 8 p 仉2 0_ 阀开关信 号0 4 l 出水泵状态k 9 卜+ _ p o 2 4 i 海却媒电 p 0 2 3_ 1 磁阀开关 - 瞻号q 5 孽豢堡选择罚- + p 0 2 5 关状态k 1 0 f 图3 5 开关量输入输出接口电路 f i g3 - 5i n p u t o u t p u ti n t e r f a c ec i r c u i to fs w i t c hs i g n a l 3 3 5a d 转换 l p c 2 2 1 4 包含一个带8 路输入的1 0 位逐次逼近模一数转换器。测量范围为： o o v 、每秒可执行4 0 0 ，0 0 0 次l o 位采样，具有单路或多路输入的突发转换模 式、根据输入脚的跳变或定时器匹配信号执行转换等特性。 d 转换器的基本时钟由v p b 时钟提供。可编程分频器可将时钟调整至逐步 逼近转换所需的4 5 m l t z ( 最大) 完全满足精度要求的转换需要1 1 个这样的时 钟 4 5 1 。 d 管脚描述如表3 2 所示 一1 3 一 安徽理工大学硕士论文3 啤酒水处理配比系统结构 表3 - 2a i d 管脚描述 管脚名称类型管脚描述 a i n 7 ：0输入 模拟输入a d 转秧器卑兀叫测