（电力电子与电力传动专业论文）基于cpld计算机控制直流电机.pdf

广东工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t t h en o i s ee x i s t sw h e nm o t o ri sw o r k i n g i ti so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so f m o t o rt h a ti ts h o u l db ea sl e s sa sp o s s i b l e t h en o i s es h o u l db er e c o r d e di nd e t a i li n o r d e rt ob en o i s ew a v e f o r mg r a p h i cb yw h i c hi se s t i m a t e db e t w e e nm e c h a n i c a ln o i s e a n de l e c t r o m a g n e t i cn o i s e t h en o i s ei st e s t e da b o u ts i z ea n ds h a p ew e l la n dt r u l yf o r a n a l y z i n gs ot h a tm o t o ri st e s t e dn o i s ei nv e r ys i l e n tp l a c e ，w h i c hi si s o l a t i o nb o o t h ， w h e r ei sn oo t h e rs o u n d a n dt h e n t h ec h e c k e rw h oi so u to ft h ei s o l a t i o nb o o t h c o n t r o l st h em o t o rw h i c hi si nt h ei s o l a t i o nb o o t h t h i si ss t u d yp u r p o s eh o wt oc o n t r o l t h em o t o ri n l o n g d i s t a n c e i no r d e rt oh a v eav e r ye x a c tn o i s er e c o r d t h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n dm o t o rc o n t r o l l e ra n dm o t o rc o n t r o l l e db ym o t o r c o n t r o l l e ra r es t u d i e di nt h i sp a p e r i na l l u s i o nt ob es h o r to ft h ec u b a g e ，s t a b i l i z a t i o na n dn i c e t yo fc o n t r o l l e r sa t p r e s e n t ，m o t o rc o n t r o l l e ri sp u tf o r w a r dt h ec o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) t ob e m a d eo f f o re x a m p l e ，t h ep r o g r a mr u n sa w a y e a s i l y i nm c u ， c o n t r o l l i n gu n s t a b l y , n o te n o u g hp r e c i s i o n ，h i g hp r i c eo fd s pa n ds oo n i t si nu s eo fc o m m u n i c a t i o nk n o w l e d g e r s 一2 3 2c a b l ei no r d e rt ob ec o n t r o l l e d b yc o m p u t e ri nl o n g - d i s t a n c ec o m m u n i c a t e sw i t has e r i a lp o r tt ot h ec p l d h o w e v e l t h ec p l dc a l ln o tb ec o m m u n i c a t e dw i t hc o m p u t e rd i r e c t l ye x c e p ti th a sa ni n t e r f a c e t h a ti su n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e ra n dt r a n s f e r ( u a r t ) o nt h eo t h e rh a n d ，i t w a n t st h ec p l dh a v i n gaf u n c t i o no fm o t o rc o n t r o l l i n gw h e nt h e r ei sap u l s ew i d t h m o d u l a t i o nc o n t r o l l e rt h r o u g hv e r yh i g hh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ( v h d l ) c o d ec o m p i l i n g ，p r o g r a m m i n gt ot h ec p l dc h i p a n dt h e n ，i ti sb u i l tt h em o t o rc o n t r o l s y s t e mi nu s eo fr s 一2 3 2c a b l e ，hb r i d g ec i r c u i ta n dc p l dd e v e l o p e db o a r d a tl a s t ，t h e i n p u ta n do u t p u ts i g n a li st e s t e da n de m u l a t e di nal o n g - d i s t a n c e c o n t r o la n dm o t o rc o n t r o l l e ra f t e rt h ew h o l et h em o t o rc o n t r o ls y s t e mb e i n gb u i l t i t s t o l du st h a tt h es o f t w a r ew h o s en a m ei sm o t o rc o n t r o la s s i s t a n ti sa b l et os e n d c o m m a n ds ot h a ti tc a nc o n t r o lt h em o t o ri nl o n g d i s t a n c eb yr e s u l t a n dt h et e s tr e s u l t i i a b s t r a e t p r o v e st h a ti tm a k e st h em o t o rp o s i t i v er u n n i n g ，r e v e r s a lr u n n i n g ，s p e e du pr u n n i n g ， s p e e dd o w nr u n n i n ga n dt h es a m es p e e dr u n n i n g i tp r o v e st h em o t o rc o n t r o l l e rh a s m o r e n i c e t ys e r i a lc o m m u n i c a t i o na n df u n c t i o ne x t e n d e d k e y w o r d s ：c o m p u t e r ；s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；l o n g d i s t a n c ec o n t r o l ；c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) ；p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) ；m o t o r i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的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，不包 含本人或其他用途使用过的成果。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。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 口月 抒泡 氢知汨 ： ：乃7 字 字 月 签 签 歹 师 者 e 黼 储 年 导 文q 6 指 论 种 第1 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题得到广东威灵电机制造有限公司的资助。 1 2 课题意义 高集成度、高速和高可靠是c p l d 最明显的特点，其时钟延迟可达纳秒级， 结合其并行工作方式，在超高速应用领域和实时测控方面有非常广阔的应用前景。 在高可靠应用领域，如果设计得当，将不会存在类似m c u 的复位不可靠和p c 可能 跑飞等问题【1 1 。这就是采用c p l d 来控制直流电机而不采用单片机的原因。 噪音是测试电机性能的一个重要的指标。若要测试出噪音的精确值，除了需 要特定的隔音良好的静音室，还要在控制电机过程中杜绝发出其他声音。硬件按 钮不能做到毫无噪音，按钮的按下和弹回都会发出声音。可以利用静音室外的计 算机来远程控制静音室里的电机工作，就能测出正转，反转，加速，减速，匀速 时的精确的噪音值。 1 3 课题背景 1 3 1 可编程逻辑器件概述 可编程逻辑器件( p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，p l d ) 是2 0 世纪7 0 年代发展起 来的一种新型逻辑器件，是目前数字系统设计的主要硬件基础。目前生产和使用 的p l d 产品主要有可编程只读存储器( p r o m ) 、现场可编程逻辑阵列( f i e l d p r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y , f p l a ) 、可编程阵列逻辑( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ， p a l ) 、通用阵列逻辑( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，g a l ) 、可擦除的可编程逻辑器件 广东工业大学工学硕十学位论文 ( e r a s a b l ep r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ，e p l d ) 、复杂可编程逻辑器件( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e c p l d ) 、现场可编程门阵y 0 ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y , f p g a ) 等几钟类型【2 】。其中e p l d 、c p l d 、f p g a 的集成度较高，属于高 密度p l d 。 c p l d 是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基 本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相 应的目标文件，通过下载电缆( “在系统”编程) 将代码传送到目标芯片中，实现 设计的数字系统【3 】。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、 开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测 试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应 用于产品的原型设计和产品生产( 一般在1 0 ，0 0 0 件以下) 之中。几乎所有应用中小 规模通用数字集成电路的场合均可应用c p l d 器件。c p l d 器件已成为电子产品 不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。经过几 十年的发展，许多公司都开发出了c p l d 可编程逻辑器件。比较典型的就是a l t e r a 、 l a t t i c e 、x i l i n x 世界三大权威公司的产品，这里给出常用芯片：a l t e r a 的 e p m 7 1 2 8 s ( p l c c 8 4 ) ，l a t t i c e 的l c 4 1 2 8 v ( t q f p l 0 0 ) ，x i l i n x 的x c 9 5 1 0 8 ( p l c c 8 4 ) 。 本设计就是采用x c 9 5 1 0 8 芯片来控制直流电机。 1 3 2 直流电机概述 在电机的发展史上，直流电机发明得较早，它的电源是电池。迄今为止，工 业领域里仍有使用直流电机的，这是由于直流电机具有调速范围广，易于平滑调 速；启动、制动和过载转矩大；易于控制，可靠性较高。直流电机多用于对调速 要求较高的生产机械上，如轧钢机、电车、电气铁道牵引、挖掘机械、纺织机械 等。传统的转速控制多用直流电动机，这是由于直流电动机可以通过改变电枢输 入电压以及调节励磁电流实现无级调速。因为直流电机转矩与电枢电流和励磁磁 通两者的乘积成正比，而且电枢电流和励磁磁通两者可以独立控制，动态性能好， 所以在现代调速系统中仍然有一定的市场。但是直流电机存在着结构复杂，造价 昂贵，机械换向器与电刷之间存在换向火花等问题，而且维修困难，尤其不适应 2 第1 章绪论 在恶劣的环境中工作1 4 j 。 直流电机的主要缺点是换向问题，它限制了直流电机的极限容量，又增加了 维护的工作量【5 1 。为了克服这个缺点，许多人在研究交流电机的调速，也取得了 一定的效果，在某些调速场合可以代替直流电机。这是发展的方向。但是，反过 来由于利用了可控硅整流电源，使直流电机的应用增加了一个有利因素。目前使 用直流电机的场合也很多。 1 4 本文的主要工作 本文以直流电机控制系统为背景，以直流电机控制器为研究对象，结合直流 电机控制技术，计算机串口通信技术，c p l d 系统芯片技术，以实现基于c p l d 作 为带有计算机串口接口功能的电机控制器使计算机来控制直流电机。主要工作如 下： 1 对传统的直流电机进行研究，分析其工作原理。如何控制直流电机正转， 反转，加速，减速和匀速工作。 2 研究结合计算机串口的结构， v i s u a lb a s i c 6 0 程序编写，实现一个控 制直流电机工作的上位机软件。 3 以c p l d 硬件开发板为目标平台，运用可编程片上系统( s o p c ) 技术，研究 该种结构的实现方法。把具有通用异步收发器( u a r t ) ，脉宽调制( p w m ) 等功能的i p 核移植在芯片上。通过输入输出信号的仿真来验证该结构的可行性。 4 建立系统测试的软硬件平台，从计算机控制和具有接口的控制器两个方 面对原型系统进行测试和评价，以验证该种新结构的可行性。 1 5 论文结构 本文共分5 章，第1 章为绪论，主要提出课题的来源、意义和相关的研究背景， 同时介绍本文所做的工作。第2 章介绍当前直流电机的工作原理，传统的电机控制 电路。分析如何控制直流电机正转、反转、加速、减速和匀速。第3 章以v i s u a lb a s i c 6 0 的软件开发平台，深入了解计算机串口的结构，运用串口技术，实现计算机在 特定距离范围内控制直流电机。第4 章介绍硬件平台的接口设计，即通用异步收发 器的设计和电机控制器的设计即脉宽调s j i p 核的设计。第5 章对原型系统进行测 广东工业大学_ 学硕上学位论文 试，通过实验来证明该种结构的可行。 4 第2 章直流电机原理 第2 章直流电机原理 2 1 直流电机的基本结构 直流电机由定子和转子( 电枢) 两大部分组成如图2 - 1 、图2 2 所示。 2 1 1 定子 l 一撬趣t t , 老一电捌辘置l3 一概礁 毒_ 囊壤掇t 鑫一援 每搬l 黪磺麓，7 一甄癔l 簿电橙绕缀l9 - - 瞧辍镶心 图2 - 1 直流电机纵剖面图 f i g 2 - 1v e r t i c a ld i a g r a mo fd cm o t o r ( 1 ) 主磁极。主磁极的作用是产生主磁通，它由铁心和励磁绕组所组成。主磁 极铁心包括极身和极掌两部分。磁极用螺钉固定在磁轭上。磁极上套的线圈称为 励磁绕组，其结构如图2 3 所示。 ( 2 ) 换向极。在两个相邻的主磁极之间有一个小的刺激，构造与主磁极相似， 这就是换向极。它由换向极铁心和换向极绕组组成，如图2 - 4 所示。 ( 3 ) 机座。机座一方面用来固定主磁极、换向极和端盖等部件，另一方面作为 磁路的一部分。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 2 直流电机横剖面图 f i g 2 - 2h o r i z o n t a ld i a g r a mo fd cm o t o r 图2 - 3 主磁极 f i g 2 - 3h o s tm a g n e t i cp o l e 2 1 2 转子 图2 4 换向极 f i g 2 - 4c o m m u t a t o rp o l e ( 1 ) 电枢铁心。电枢铁心的作用是通过主磁通和安放电枢绕组。 6 第2 章直流电机原理 ( 2 ) 电枢绕组。电枢绕组是直流电机主要的部件，感应电动势、电流和电磁力 的产生，机械能和电能的相互转换都在这里进行【引。电枢绕组的结构对电机最基 本的参数和性能都有影响。电枢绕组也是比较容易出现故障的地方，它将直接影 响到电机的正常运行。由于直流的容量和电压等级不同，因而绕组的形式有多种， 但最基本的有两种，即单叠绕组和单波绕组。 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少。单叠绕组可以通 过增加极对数来增加并联支路对数，适用于低电压大电流的电机；单波绕组的并 联支路对数啊a = l ，但每条并联支路串联的元件数较多，都使用于小电流及较高 电压的电机。 ( 3 ) 换向器。它起到机械整流的作用。 ( 4 ) 电刷装置。为了使电枢绕组和外电路连接，必须装设固定的电刷装置。 2 1 3 直流电机的分类 根据直流电动机的定子磁场不同，可将直流电动机分为两大类。其中一类用 永磁式直流电动机，它的定子磁极由永久磁铁组成；另一类为激磁式直流电动机， 它的定子磁极由铁心和激磁线圈组成【7 j 。 永磁式直流电动机的体积小，功率也较小，但运动速度稳定【s j 。录音机、录 像机、电动剃须器中的电动机都是永磁式直流电动机。 激磁式直流电动机的定子磁极由铁心和激磁绕组组成。由于激磁绕组的供电 方式不同，激磁式直流电动机又分为下面四种【9 】( 如图2 5 所示) 。 ( 1 ) 它励直流电动机。它的激磁绕组与电枢绕组使用两个单独电源。这种电动 机具有良好的启动性能和稳定的运动性能，并且易于调速，参看图2 5 ( a ) 。 ( 2 ) 并励直流电动机。这种电动机的激磁绕组与电枢绕组并联，共同用一个直 流电源。此种直流电动机运行稳定，参看图2 5 ( b ) 。 ( 3 ) 串励直流电动机。这种电动机的激磁绕组与电枢绕组串联，共同用一个直 流电源。此种直流电动机具有较强的过载能力，其机械特性属于软特性，参看图 2 5 ( c ) 。 ( 4 ) 复励直流电动机。这种电动机的激磁绕组分为两组，其中一组与电枢绕组 并联，另一组与电枢绕组串联；电枢绕组与激磁绕组共同用一个直流电源，参看 7 广东工业大学1 = 学硕l 学位论文 图2 - 5 直流电机励磁方式 f i g 2 - 5m a g n e te n c o u r a g i n gm o d eo fd cm o t o r 2 2 直流电机的基本工作原理 2 2 1 直流电动机的基本工作原理 直流电动机的工作原理图如图2 - 6 所示。 由图2 - 6 ( a ) 可以看出：将直流电源正极加于电刷a ，电源负极加于电刷b ， 则线圈a b c d 中流过电流，在导体a b 中，电流由a 流向b ，在导体c d 中，电流由 c 流向d 。载流导体a b 和c d 均处于n s 极间的磁场当中，受到电磁力的作用，电 磁力的方向用左手定则确定，可知这一对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩。 转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢呈逆时针方向旋转。当电枢旋转1 8 0 。时， 导体c d 转到n 极下，a b 转到s 极下，如图2 - 6 ( b ) 所示，由于电流仍从电刷a 流 入，使c d 中的电流变为由d 流向c ，而a b 中的电流由b 流向a ，从电刷b 流出。 用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方向。电磁转矩的大小可用下 式表示 t = k t i 。 式中，t 一直流电机电磁转矩( n m ) ： k t - - 与电机结构有关的常数； 一个磁极的磁通( w b ) ； i 。是电枢电流( a ) 。 由此可见，加于直流电动机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直 第2 章直流电机原理 流电动机电枢线圈中流过的电流，方向是交变的。从而使电枢产生的电磁转矩的 方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。这就是直流电动机的基 本工作原理【10 1 。 绚蝴 图2 - 6 直流电动机的工作原理 f i g 2 - 6w o r k i n gp r i n c i p l eo fd ce l e c t r o m o t o r 2 2 2 直流发电机的基本工作原理 直流发电机的工作原理图如图2 7 所示。直流发电机的模型与直流电动机相 同，不同的是电刷上不加直流电压，而是用原动机拖动电枢朝某一方向例如朝逆 时针方向旋转。这时导体a b 和c d 分别切割n 极和s 极下的磁力线，产生感应电 动势，电动势的方向用右手定则确定。图2 7 所示情况，导体a b 中电动势的方向 由b 指向a ，导体c d 中电动势的方向由d 指向c 。所以电刷a 为正极性，电刷b 为负极性。电枢旋转1 8 0 。时，导体c d 转至n 极下，感应电动势的方向由c 指向d ， 电刷a 与d 所连换向片接触，仍为正极性，同理电刷b 仍为负极性。可见，直流 发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷的作用， 在电刷a ，b 两端输出的电动势是方向不变的直流电动势。若在电刷a ，b 之间接 上负载，发电机就能向负载供给直流电能。 直流电机电刷间的电动势常用下式表示： e = k e n 式中，e _ 一直流电机电刷间的电动势( v ) ； k 广与电机结构有关的常数； 一一个磁极的磁通( w b ) ； 9 广东工业大学工学硕士学位论文 n 一电机转速( r m i n ) 。 这就是直流发电机的基本工作原理【l l 】。 图2 7 直流发电机工作原理 f i g 2 - 7w o r k i n gp r i n c i p l eo fd cd y n a m o t o r 2 3 直流电动机的启动、反转和调速 2 3 1 直流电动机的启动 电动机接通电源，由静止状态开始加速到某一稳定转速的过程称为启动过程。 启动时间虽然很短，但如不能采取正确的启动方法，电动机就不能正常安全地投 入运行。为此，应对直流电动机的启动过程和方法进行必要的分析。 它励直流电动机的启动一般有下列要求。 ( 1 ) 启动过程中启动转矩t 。足够大，使t 。 t 。( 负载转矩) ，电动机的加速度 d n d t 0 ，保证电动机能够启动，且启动过程时间较短，以提高生产效率。 ( 2 ) 启动到了i 。不能太大，否则会使换相困难，产生强烈火花，损坏电机， 还会产生转矩冲击，影响传动机构等。 ( 3 ) 启动设备与控制装置简单、可靠、经济、操作方便。 由直流电动机的转矩公式t = k ，i 。可知，启动转矩t 。= k ，i 。( i 。一启动电流) 。 为使t 。较大而i 。又不能太大，首先要加足励磁，即调节励磁电阻使励磁电流 i f - i ，。( 额定励磁电流) ，磁通= 。( 电机额定运行时的磁通) 或者将励磁回路的调 1 0 第2 章直流电机原理 节电阻调节到最小，使磁通最大，再将电枢回路接通电源，通以电枢电流，产生 启动转矩，进行启动。 如果将额定电压直接加至电枢两端进行启动，称为直接启动。由于启动初始 时刻，电动机因机械特性还未来得及转起来，转速n = o ，电枢电动势e = k 。中。= o ， 忽略电枢回路电感的作用时，可得启动电流的起始值i 。= ( u n - e 。) r 。= u 。r 。( 式中： u - 电动机的端电压；r 。一电枢回路电阻) 。一般它励直流电动机的r a 较小，所以 启动电流可达到额定电流的1 0 3 0 倍，远远超出一般电动机规定值。但在小功率 例如家用电器采用的某些直流电动机，相对来说r 。较大，i 。的倍数较小，加上电 机惯性小，启动快，可以直接启动；一般工业用它励直流电动机不允许直接启动。 由i 。= u 。r 。可以看出，为限制它励直流电动机的启动电流，可以采用两种启 动方法：一是电枢回路串接电阻，使分母加大；二是降低电源电压，使分子减小。 电枢回路串接电阻启动，能量消耗较大，经济性较差，常用于容量不大，对启动 调速性能要求不高的场合。 2 3 2 直流电动机的反转 录音机和录像机中的电动机，必须既然正转，也能反转。电动机实现正、反 转是很容易的。由前面介绍的知识可知，改变电枢绕组电流方向，或者改变定子 磁场方向，都可以改变电动机的转向。但对于永磁式直流电动机来说，则只能通 过改变电流方向实现改变电动机旋转方向的目的。下面具体介绍并励直流电动机 正、反转控制电路的工作原理，如图2 8 所示。r p l 和r p 2 都是可调电阻，改变 r p l 的电阻值，可以改变激磁绕组电流，起到调节磁场强弱的目的；而改变r p 2 的阻值，可以改变电动机的转速。图中的双刀双掷开关s 是用来改变电动机旋转 方向的控制开关。 广东工业大学工学硕士学位论文 图2 8 并励直流电动机正、反转电路 f i g 2 - 8p a r a l l e le n c o u r a g i n gi np o s i t i v ea n dr e v e r s a lc i r c u i to fd ce l e c t r o m o t o r 当将开关s 拨向“1 位时，电流从a 电刷流入从b 电刷流出。当将开关s 拨向“2 位时，电流从b 电刷流入从a 电刷流出。由此可见，只有改变s 的状态， 就能改变电枢绕组的电流方向，从而实现电动机转向改变的目的。 2 3 3 直流电动机的调速 许多生产机械、家用电器，其工作机构的转速要求能够用人为的方法进行调 节，以满足生产工艺过程的需要。电力拖动系统通常采用两种调速方法，一种是 电动机的转速不变，通过改变机械传动机构( 如齿轮、皮带等) 的速比实现调速， 这种方法称为机械调速，其特点是传动机构比较复杂，调速时一般需要停机，且 多为有级调速；另一种是通过改变电动机的参数调节电动机的转速，从而调节生 产机械转速的方法，称为电气调节。其特点是传动机构比较简单，调速时不要停 机，可以实现无级调速，其易于实现电气控制自动化。也有一些负载机械将机械 调速和电气调速配合使用。 电气调速是指在负载转矩不变的条件下，通过人为的方法改变电动机的有关 参数，从而调节电动机和整个拖动系统的转速。它励直流电动机的调速方法有三 种：电枢回路串联电阻调速，降压调速，弱磁调速。 1 2 第3 章上位机软件设计和实现 3 1vi $ u aib a sic 6 o 简介 v i s u a lb a s i c ( v b ) 是种由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编 程语言【1 2 1 。从任何标准来说，v b 都是世界上使用人数最多的语言不仅是盛赞 v b 的开发者还是抱怨v b 的开发者的数量。它源自于b a s i c 编程语言。v b 拥有图形用 户界面( g u i ) 和快速应用程序开发( r a d ) 系统，可以轻易的使用d a o 、r d o 、a d o 连接 数据库，或者轻松的创建a c t i v e x 控件。程序员可以轻松的使用v b 提供的组件快速 建立一个应用程序。 对于p c 主机外围接口的驱动程序来说，用户可以选择v i s u a lc + + 、d e l p h i 、 v i s u a lb a s i c 或l a b v i e w 等程序设计语言编写。但对于程序设计的初学者或硬件工 程师来说，如果想快速学习p c 主机的外围接口程序设计，一般采用简单灵活的 v i s u a lb a s i c 语言来实现。v i s u a lb a s i c 是1 9 9 1 年推出的开发软件，该程序语言 主要用于解决复杂的程序设计。过去在w i n d o w s 操作系统下设计一些复杂的人机接 口( 如对话框、滚动条控制或者建立菜单等) 都非常困难。但通过v i s u a lb a s i c 的 事件驱动概念，可使设计程序变得相当简单。换句话说，读者只需针对事件来设 计驱动的方法，就可以实现所要的功能。 v i s u a lb a s i c 是一种面向对象程序设计语言( o o p l ) ，可以将程序代码和数据 视为对象【1 3 】。因此可以将引用的窗体或是窗体的控件以及整个应用程序视为一个 对象。由对象的概念引申出与对象相关的属性、事件和方法。从而大大简化了整 个程序设计的步骤和难度。因此，通过v i s u a lb a s i c 设计w i n d o w s 应用程序也越来 越普及了。当然，随着p c 主机外围接口的控制和应用越来越重要，如何使用v i s u a l b a s i c 来实现相关接口的功能，也是目前工程师和学生所亟待解决的问题。 广东工业大学工学硕士学位论文 3 2 串行外围端口的基本概念 3 2 1 串行传输的格式和协议 同步传输：在串行传输进行连接的时候，所谓的传送器或驱动器等设备在每 一个固定时刻以顺序方式传输一个位。在串行连接和传输中还需要一个额外信号， 这就是频率或参考时序，额外信号用来控制传输数据。这样就衍生了两种串行数 据格式：同步和异步【1 4 】。其中的差异就是当传送器和接收器送出和接收一个位 时，如何使用频率决定。如图3 1 所示，图3 1 ( a ) 为同步传输，图3 - 1 ( b ) 为异步传 输。 时钟 数据 ( 6 1 岣 传送器在时钟的下降沿送出数据 接收器在时钟的上升沿读取数据 ： 传送器使用内部时钟决定何时送出每一位 接收器检测到开始位的下降沿，使用内部时钟读取 ：lli- 黼1hi | ! h 厂 并始位：b i t 0 ：t i l r r 7 ：停止位 非同步协议先送出l s b 位 图3 - 1 同步传输和异步传输的格式 1 4 第3 章上位机软件设计和实现 f i g 3 1s y n c h r o n o u sa n da s y n c h r o n o u st r a n s m i s s i o nf o r m a t 在同步传输中，所要设备使用一个共同的频率，该频率通过其中一个设备或 外部信号源产生。当然这个频率具有固定的频率，也可以使用不规则的方式切换。 所要传输位与该频率同步。换句话说，在频率转变( 上升或下降) 后定义的时间内， 每一个传输位都有效。因此，当接收器读取每一个传入的位数据时，可以使用频 率转变决定。例如，接收器能够在频率的上升沿或下降沿，或者通过检测逻辑高 电平和低电平栓锁住传入的位数据。 同步信号格式可以使用多种方式通知传输的开始和结束，其中包括利用开始 位和停止位，以及专用的芯片选择信号引脚( c s ) 。这种同步传输接口对于短距离 ( 小于1 0 米) 或使用单一电路板中两个电子组件的传输特别好用。但对于较长距离 的传输，这种同步信号传输不太适宜。这是因为还需额外的频率信号线，并且容 易受到噪声干扰。 异步传输：与同步传输不同，异步传输不需要频率引线。这是因为在每一条 引线的终端都会提供自己的频率。当然，每一个终端必须允许设定频率，而且所 有频率必须在相当小的误差范围内。在每一个传输字节中，包含了同步频率的开 始位以及一个或更多的停止位，用来通知整个传输的字节已经结束。 p c 主机的r s 一2 3 2 ) 围端口使用异步传输方式与m o d e m 或其他设备相互通信。而 稍后介绍的r s - 4 8 5 也使用的是异步传输方式。 异步传输使用多种数据格式。只要传输双方能够维持相同格式即可。最常用 的传输数据格式是8 n - 1 。这意味着，传送器传输的每一个字节格式是1 个开始位， 再跟8 个数据位。当然，需要特别注意，传输的字节以l s b ( 位0 ) 开始，以结束位结 束，如图3 1 ( b ) 所示。8 n - 1 传输格式的n ( n o ) 代表这个传输过程没有使用同位检查。 这个同位用来进行简单的错误检查，稍后做进一步介绍。 从这两种传输格式中可以了解到，如果要延长传输距离，最好采用异步传输 格式。 3 2 2r s - 2 3 2 c 规格介绍 r s - 2 3 2 ( r e c o m m e n d e ds t a n d a r d - 2 3 2 ) 是由电子工业协会( e le c t r o n i c 广东工业大学工学硕士学位论文 i n d u s t r i e sa s s o c i a t i o n ，e i a ) 在1 9 6 9 年制定的异步传输( a s y n c h r o n o u s t r a n s m i s s i o n ) 标准接口【l ”。这变成了个人计算机上的标准通信接口之一。在i b m p c 上，通过连接的串行适配卡，可连接4 个r s - 2 3 2 接口。这种接口称为序列端口或 串行端口。由于r s 一2 3 2 由e i a 定义，所以也常称为e i a - 2 3 2 。目前相关规格已制定 到第4 个版本r s 一2 3 2 d 。其中“r s 表示推荐标准( r e c o m m e n ds t a n d a r d ) 。 因此，我们常见r s 一2 3 2 c 表示一连串的意义，2 3 2 表示一个代码，c 代表公布舨 本，也是目前常用的版本。在标准中列出了缆线电容特性、最高波特率等相关规 格标准。但是在r s 一2 3 2 c 标准中，规格的最高波特率仅为2 0 0 0 0 b i t s 。读者可以发 现这与目前使用的通信协议差异甚大。因此，读者需要对不断更新的接口规格有 所了解，这样才会熟悉新开发的相关外围设备。比r s - 2 3 2 c 更新的标准就是 r s 一2 3 2 d 。 这种串行接口最常见的是i b mp c 主机上的c o m i 和c o m 2 接口，也就是r s 一2 3 2 c 接口。如果组装过计算机或者装过m o d e m 通信设备，通常都会在p c 主机背后看到 r s - 2 3 2 c 接口是9 个引脚( d b - 9 ) 或者2 5 个引脚( d b 一2 5 ) 。一般个人计算机上会有两组 r s - 2 3 2 接口，分别为c o m l 和c o m 2 。还可以扩充连接至i j c o m 3 及c o m 4 ，不过因为 c o m l c o m 3 共享i r q 4 、c o m 2 c o m 4 共享i r q 3 ，所以同时最多只能使用4 个c o m 中的两 个。如果使用更多的c o m ，需要以“虚拟”的c o m 端口。 3 2 3r s - 2 3 2 数据格式 基本上异步传输用于不连续的数据传送，且在传送和接收端设备处理速度不 一致的情况下，才会普遍采用异步传输。但当传送端送出数据后，接收端在数据 传输过程中，在没有保持规则频率的情况下，如何知道数据何时传送和接收。因 此必须在数据的前后加上几个位，使得接收端能正确接收数据。在数据前面所加 的位称为开始位( s t a r tb i t ) ，在数据后面所加的位称为结束位( s t o pb i t ) 。从外， 还需要在结束位前，再加上检查位( p a r i t yb i t ) ，用于错误检测，确保接收数据 正确无误。因此，完整异步传输的数据格式包括4 部分：开始位，数据位，检查位， 停止位【1 6 1 。 图3 2 所示的t t l c m o s 串行逻辑波形是从串行端口中取得的，其格式是8 n - i 。 这意味着一个开始位、8 个数据位、无校验位和1 个停止位。 1 6 第3 章上位机软件设计和实现 = = = ! ! ! ! e = ! 目目目目目= ! ! 目自! = e = = e i i i m 一i = ! 自= 自= 自 逻辑电平1 逻辑电平0 图3 - 2t t l c m o s 串行逻辑波形图 f i g 3 - 2s e r i a ll o g i cw a v e f o r md i a g r a mo ft t l c m o s + 5 v 0 v 在r s 一2 3 2 传输线空闲时，表示处于m a r k ( 标记) 状态( 逻辑电平为1 ) 。传输过程 以开始位( 逻辑电平为0 ) 启动。每一个位依次传送到这个传输线。此外，可以看到 l s b ( 最低的位) 最先传送出去。最后，停止位则被添加到信号上用来组成这个传送 的数据格式。在图3 2 所示的波形中，显示了停止位后的下一位会变成逻辑0 电平。 这意味着，下一位跟随的另一位是开始位。如果没有任何数据传送进来，那么接 收线就会保持在空闲状态( 逻辑l 电平) 。 有时，我们也会遇到称之为“中断”信号线的情况。当数据线保持逻辑0 电平 的时间达到可以送出一个完整的字符时，就会发生中断。如果对此时没有将信号 线切换到空闲状态，那么在接收端的结尾处将会被视为一个中断信号线。所以对 送出的数据需要按照这种方法，将数据“框住 ，避免数据传到一半就被中断。 介于开始和停止之间的数据由帧( f r a m e ) 框住。因此，接收到的停止位应为逻辑0 电平，否则就会产生帧错误信息。这一定需要规范，尤其是通信双方以不同的传 输速度相互通信时更需要规范。 图3 3 所示的波形图对于u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r ；通用异步接收器传送器) 的信号相当重要。r s 一2 3 2 逻辑电平使用 + 3 v + 2 5 v 表示“空格”( 逻辑o ) ，一3 v - 2 5 v 表示“标记 ( 逻辑1 ) 。 m a r k ( 标记) s p a c e ( 空格) l 2 i 3 | 45 6 叩 | s t a r t 01 | 图3 - 3r s 一2 3 2 逻辑波形图 1 7 1 0 v + 1 0 v 广东1 = 业大学工学硕士学位论文 f i g 3 - 3l o g i cw a v e f o r md i a g r a mo fr s - 2 3 2 上述波形应用n r s 一2 3 2 ) 围端口的传送和接收引线上。这些传输线携带了串 行数据，因此才会命名为串行外围端口。在r s - 2 3 2 ) 围端口上的其他信号线其实 类似并行线。这些引脚( r t s 、c t s 、d c d 、d s r 、d t r 、r t s 和r i ) 也通过r s - 2 3 2 逻辑 电平通信。有了r s 一2 3 2 数据格式的基本概念后，下面列出各个位的含义以及使用 方法。 1 开始位：这个位用来通知接收端有数据即将送达，准备开始接收送来的数 据。通常这个位以逻辑0 电平，负电压表示，且仅有一个位。 2 数据位：一般数据位，包含7 个位和8 个位两种格式。一般的文字符号只需 0 1 2 7 就可以表示。所以使用7 个位的格式。而特殊符号以1 2 8 2 5 5 之间的数字表示。 因此，需要使用8 个位的格式。 3 校验位：这个位用来检测传输的结果是否正确无误，这是最简单的数据传 输错误检测方法。但需注意检查位本身只是标志，无法将错误更正。 4 停止位：这个位用来表示数据传送的结束位置，是一个逻辑1 电平。基本上， 这个位经常使用1 个位。此外，还有1 5 位和2 位。异步传输可能根据这些字符使用 许多命令格式。其中最常见的是8 n - 1 ，这个格式代表每一个传输的数据位以1 个开 始位开始，8 位数据位( l s b 为第一个传输的位0 ) 以及通过1 个停止位表示传输结束。 此外，n ( n o ) 代表整个传输的过程没有使用检查位。数据传输过程中难免会发生错 误，其中大致归纳为检查错误( p a r i t ye r r o r ) 、帧错误( f r a m i n ge r r o r ) 、溢出错 误( o v e r f l o we r r o r ) 以及溢出覆盖错误( o v e r r u ne r r o r ) 等4 大类。 传输双方的位传输率( b i tr a t e ) 指的是传输或接收单位时间内每秒的位数， 以b i