（计算机应用技术专业论文）实时嵌入式系统在纺织化纤行业的应用.pdf

天津t 业人学2 0 0 0 级坝l 。毕业论文计算机应用技术 摘要 随着电子技术和生产制作1 艺的迅速发展，单片机以其高可靠性、高性能价 格比，在工业测控系统等领域的应用f 1 益广泛。同时，为了适应现代工、l k 测控系 统越来越高的要求，单”机的复杂程度和性能都大幅度提高。 本文主要论述了以新型的单片机作为热辊温度的检测和控制的核心部件，采 目新的测温方式通过检测热辊加热器的电流来、h j 接得到热辊导丝盘温度的 了法。该方法与传统的测控方式相比，由于不使用铂电阻等测温传感器，简化了 兀械：l l 的步骤，提高了热辊本身的工艺性能，降低了生产成本。 系统以c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为控制核心，把热牵伸辊温度和速度的实时检测、 譬制以及显示集中在一个嵌入式系统中，使得整个系统的运行可靠、稳定、迅速， j rj + 使用和维护方便。 在对热辊温度控制系统进行必要的分析后，确定了系统的目标和控制方式。 热辊温度控制系统的组成：数据采样、数据通讯和智能控制三个部分。采样部分 毙成对数据的实时采集，由带a d 转换的采集系统采集现场数据；在依据采样数 据建立数学模型的基础七，由核心微处理器分析现场采集到的数掘，在p i 算法 勺控制下确定控制参数：采用异步串行通讯的方式实现上下位机的通讯，使系统 可以在上位机实时设定各个控制参数，并进行温度、速度等运行参数的实时监测。 将c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机用于纺织化纤行业热牵伸辊的温度控制系统，现场实 用表i 列，在数据处理能力、工作稳定性和抗干扰等方面与同类单”机相比具有明 a 的优越性。 关键词：嵌入式系统单片机 a d 转换数学模型 温度控制系统化纤行业数据采集 串行通讯p i 调节 天津丁业人学2 0 0 0 级硕f ：毕业论文计算机心用技术 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ca n dc r e a t i v e t e c h n o l o g y , t h es i n g l e - c h i p m i c r o c o m p u t e rh a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s ，s u c h a sd e t e c t i o na n da u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m ，b e c a u s ei t ss e c u r i t y , h i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp r i c e a ts a m et i m e ，i no r d e rt of l l l f i lt h e r e q u i r e m e n t s o fa u t o m a t i cc o n t r o l s y s t e m ，t h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r i s i m p r o v i n g i t s c p l e x i t y a n d c a p a b i l i t y t h i sd i s s e r t i o ni sd e v o t e dt oan e w c o n t r o l l i n ga n dd e t e c t i n gs y s t e m ，w h i c hh a sb e e n n o tu s e d b e f o r ew ec a nk n o wt h ed r a w r o l l st e m p e r a t u r e b y m e a n so f d e t e c t i n gt h e c u r r e n tt h r o u g l lh e a t i n g c o i lw i t h o u tu s i n gp tr e s i s t a n c e s oi tc a l ln o t o n l ys i m p l i f i e s t h ep r o c e s s e s ，i m p r o v e st h e p e r f o r m a n c eo f d r a w r o l lb u ta l s or e d u c et h ec o s t t h es y s t e mb a s e so nt h es i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r c 8 0 5 1 f 0 2 0 i tc o n c e n t r a t e st h e d e t e c t i o n ，c o n t r o la n dd i s p l a yo ft e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t yo no n er e a l - t i m es y s t e m a l lo ft h e s e m a k et h es y s t e mm 吣d e p e n d a b l e s t e a d y , r a p i da n ds oe a s yt ob em a i n t a i n e d a t i e ra n a l y z et h ew h o l es y s t e m w ec o n f i r mt h ea i ma n dm e t h o dt h a ts h o u l db eu s e d t h e d i s s e t a t i o ni sm a i n l ym a d eu po ft h r e ep a r t s ：d a t aa c q u i s i t i o n ，e n m m u e a t i o na n dc o n t r o l l i n g i n s a m p l ep a r t ，w ed e s i g na d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，w h i c hi n c l u d e sa dc o n v e r s i o na n ds a m p l i n g c o n t r o lc o d e t h r o u g hr e g r e s sa n a l y s et os a m p l i n gd a t aa b o v em e n t i o n e d ，am a t h e m a t i cm o d e lo f d r a w r o l lt e m p e r a t u r ed e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gi sb u i l ti ne o t r o l t i n gp a r t f u r t h e r m o r et h r m i 曲 m i c r o p r o c e s s o r , w ea n a l y z et h es a m p l i n gd a t aa n dd e t e r m i n et h em a n i p u l a t i v ep a r a m e t e r su n d e r t h ec o n t r o l l i n go fp i i nt h ec o m m u n i c a t i o np a r t ，b ym e a n so f d e b u g g i n gt h es e r i a le o m m u e a t i o n b e t w e e nt h es i n g l e - - o h i pm i c r o c o m p u t e ra n dp c ，s ot h a tw ec a nm a k et h es y s t e mc o m p l e t i n gm a n y f u n c t i o ni np c ，s u c ha ss e t t i n ge a c hc o n t r o l l i n gp a r a m e t e ra n d i n s p e c t i n gr e a d - t i m et e m p e r a t u r e o f d r a w r o l l o n - l i n e c i p 5 1 ，w h i c hi s an e w - s t y l es i n g l e - o h i pm i c r o c o m p u t e r , a p p l i e dt o t e m p e r a t u r ec o n t r o l s y s t e mo fr o l l f o rs y n t h e t i cf i b e ra n dr a y o nf a b r i c s i nm a n ya s p e c t s ，s u c ha sd a t at r a n s a c t i o n ， s t a b i l i t ya n da n t i - j a m m i n g ，c i p 5 1h a sg r e a ta d v a n t a g e t oc o n g e n e r i cs i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e r k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e ms i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m c h e m i c a lf i b e ri n d u s t r yd a t aa c q u i s i t i o na dc o n v e r s i o nm a t h e m a t i cm o d e l s e r i a lc o m m u n i c a t i o np ia d j u s t m e n t 2 一 天津1 _ 业人学2 0 0 0 级坝i + 毕业论文计算机应用技术 第一章前言 第一节概述 一、热牵伸辊简介 热牵伸辊( 简称热辊) 是纺牵联合机上的关键部件之一。热辊主要由导丝盘、 加热器、主轴系统、电机、测温传感器、旋转测温变送器、温度控制器等构成。 导丝盘是热辊的关键部分。由于从喷丝板上喷下来的丝要缠绕在上、下两个 热牵伸辊的导丝盘上，均匀受热，利用上下导丝盘的线速度差进行牵伸、定型， 所以对导丝盘有两个最重要的要求：其一，要求导丝盘表面耐磨且有一定的粗糙 度，一般在导丝盘表面采用镀硬光铬、镀毛铬或喷涂陶瓷的生产工艺使其达到一 定的摩擦力；其二，要求导丝盘表面的工作温度稳定，工作区表面温度均匀，以 确保每一束丝及位与位之间的丝在各方面特性的致。同时为了保证导丝盘能够 及时补充由冷丝所带走的热量，要求导丝盘导热迅速。不同类型的热辊可适应不 同品种、不同速度的纺丝要求。所以，对热辊导丝盘的温度进行检测、控制并使 其表面温度均匀是各热辊生产厂家的重要目标。 加热器是给导丝盘加热的主要部件。早期导丝盘的加热主要采用电阻丝方式 加热，现在主要采用工频或高频电感应方式加热。由于加热器在导丝盘内静止不 动，当热辊工作温度较高时，加热器的温度就会更高，这就要求加热器能得到良 好的散热并且达到一定的绝缘等级，否则加热器就可能损坏。 主轴系统是保证热辊平稳工作的重要部件。热辊是一个处于连续工作状态下 的纺丝关键部件，其工作环境一般较为恶劣，有时轴承处的局部环境温度可达上 百度，转速达到上万转。这就要求做好专门的设计，进行精密的加工，保证可靠 的润滑条件，以及尽可能地降低轴承处的环境温度。轴承的使用寿命与温度之间 的关系密切，以5 5 为标准工作温度，大约每升高1 5 ，其寿命就要减少一半。 轴承润滑一般采用润滑油脂，并且需要定期加油。现代的热辊润滑方式大都采用 油雾涧滑以提高润滑系统的效率和效果。 纺丝时为了保证从喷丝板下来的丝不会由于热辊的线速度过高而拉断或者 由于热辊的线速度过低而达不到牵伸效果，就必须尽量使各个热辊在符合产品工 艺要求的情况下线速度恒定。热辊电机大多采用同步电机或较为复杂的异步电机 并加入速度反馈控制环节，通过变频器进行同步控制。同步电机有稀土材料永磁 同步电机、铁氧体永磁同步电机、磁阻电机等。它们同步运行时的运行精度完全 取决于变频器的控制精度。 测温传感器用来检测热辊导丝盘的温度，现在通常的做法是使用p t l 0 0 或 p t 2 0 0 铂电阻作为测温传感器的检测部件。铂电阻的阻值会随温度的变化而变化， 温度变化又导致铂电阻两端电压的变化，通过检测电压值得至相应的温度值。 热辊导丝盘在高速旋转的同时要将p t l 0 0 或其他的温度传感器检测到的温度 信号传送出去，这就需要经过一对旋转测温变送器。旋转测温变送器由一个转子 和一。个定子组成，其中转子与主轴连接，定子安装在机座上，定予通过线圈将电 能传给转子，然后转予的湿度信号再通过线圈传回定子，最后由定予将温度信号 传往主控制器。 热辊的种类很多，根据加热方式可以把热辊分为电阻加热式热辊和电感应加 热式热辊，或根据均热方式将热辊分为热管式热辊和单壳体感应加热及多区感应 加热式热辊。 兀评丁业人学2 0 0 0 级坝i ：毕业论文汁算射i 心用技术 早期的热辊，导丝盘加热主要采用电阻丝方式加热，利用电阻丝的排列分布 来调整导丝盘表面温度。测温般不采用测温变送器，只是通过热电阻伸入导丝 盘的端面槽中来感知热辊温度。这种热辊温度特性差、热效率低、能耗大、工作 寿命短。对于热管式的热辊( 由于水的热容很大，一般都是用水作介质) 在温度 较高处水被汽化，蒸汽压力增高，由于压力的作用，高温处的蒸汽迅速扩散到压 力低的低温处，当蒸汽冷凝成水时，释放热量，从而使温度均匀。热管式热辊最 大的优点是热量补充快，表面温度均匀性好，此外其工作范围为6 0 到2 3 0 ， 能够满足一般的纺丝：i ：艺要求。但是，当热辊工作温度较高时，空腔内部蒸汽的 | 三力很大，容易引起导丝盘变形，而且较大的内部压力也容易产生爆炸的危险。 在热管式热辊工作一定年限后，内部的真空度降低，使其均热效果变差。 我们使用的热辊是采用工频电感应加热的方式。当感应加热器上接通工频电 源时，在导丝盘的二次导体内产生感应电流，此电流使导丝盘迅速加热。电感应 加热的热效率高，工作寿命长。但是由于感应加热器的漏磁很大，故导丝盘表面 温度分机呈馒头状。如图卜1 所示。为了使工作区表面的温度达到均匀，我们改 变了导丝盘内二导体的分布，或者也可以采用多区感应加热方式热辊，这样导丝 盘表面的温度均匀性会更好。调整二导体后的导丝盘表面湿度分布图如图1 2 所 不。 温度( ) 温度( ) 导丝盘表面长度 图1 - 1 导丝盘表面温度分稚图 导丝j i 【表面艮度 图1 2 调整二导体后的导丝盘表面温度分布图 由上所述的单区感应加热式热辊，通过调整导丝盘的二导体及加热器绕线排 列来改善热辊表面温度均匀性，但它属予被动式工作，一般只使用于工作速度、 r 作温度低或者工作条件基本不变的情况。为了适应不同纺丝工艺的要求，同时 保证导丝盘表面温度均匀，可把加热器分为多个区，在每个区对应的导丝盘的相 应的位置上埋置一个铂电阻，测量其温度，再通过多路旋转测温变送器将各个区 的温度分别送入温控系统中，以控制各分区的加热线圈通断的时间比例，使各个 区的温度在控制器所设定的温度上达到稳定。多区感应加热属于主动式，即哪个 区域温度低，经过检测后即加热哪个区，所以它的特性要硬得多。 灭津r 业人学2 0 0 0 级坝i 毕业论文计算机心用技术 二、热牵伸辊的国、内外的发展现状 1 、刚外：德圜和门本是热辊生产技术发展十分成熟的国家，当然在制作成 本方面要人大高于国产产品。 ( 1 1 德国b a r m a g 公司较早地在我国推出了f d y ( f u l ld r a w ny a r n 全拉 伸丝) 设备。其热辊是蒸汽夹套式，是典型的旋转热管设计，它传热 快，温度均匀性好。缺点是当热辊的工作温度较高时，内部蒸汽压力 很大，这就要求导丝盘内外壁套的厚度要增大以增加其结构强度，特 别是热辊工作区较长时，导丝盘易变形，呈腰鼓型，如果保护措施不 当，当温度出现失控时就有可能产生爆炸。b a r m a g 公司早期的蒸汽 夹套式热辊结构设计复杂，电机选用西门子二级同步电机，通过柔性 联轴器与热辊相连，温度变送器在电机和热辊之问，此处温度容易升 高，变送器经常因温度过高而失效。由于这种热辊生产成本较高，现 在该公司已经不在生产这种热辊了，取而代之的是多段( 六段或八段) 高频感应加热式热辊，其特点是导丝盘不需要二导体，由于高频感应 加热，加热可集中在外表面，热效率高又因为采用多段温度控制，即 采用多个铂电阻分别控制各段温度，所以温度均匀性及热传导能力都 较强，并且可以使其工作温度较高。但由于段数较多，且要把感应加 热电源由工频改为高频，使生产成本增加。 ( 2 ) 还有两家德国公司d i e n e s 和n e w m a g 在中国推广工频感应加热多段 控温式热辊，其特点是导丝盘为单壳体，重量较轻，可以在较高的温 度下运转。但由于设计上的不完善，加热线圈容易烧毁。 ( 3 1f j 本帝人公司的热辊特点是在热辊导丝盘上打十几个孔，每个孔内放 一只热管，把它密封在其中，如果发现温度特性不好时，可以更换或 修复其中特性变坏的热管。从而使导丝盘的维护变得容易了。但是， 在导丝盘上打孔使得机械加工过程十分复杂，效率不高。另外，由于 钻孔造成的导丝盘表面应力的变化，必须作好整机动平衡。 ( 4 ) h 本东丽公司与美国的b o u l i g n g 公司的热辊导丝盘与帝人公司相仿， 在导丝盘上打十几个孔。但不同的是，把这些孔灌上水封装起来为一 个热管束工作。这种热辊的不便之处与日本公司的产品类似，就是过 多的机械加工带来的负面影响不能忽略。 2 、国内：目前，国内生产热辊的厂家不太多，其测控温的方式也比较简单， 只是将测温元件嵌入导丝盘端面来传感温度。虽然加工工艺比较简单， 但是控温精度不高，属于档次较低的热辊。除了制作成本低的优势之外， 在制造工艺、使用寿命、工作稳定性等方面与国外生产的同类产品还有 很大的差距。 三、热辊温度的几种主要测控方式分析 无论采用何种加热方式，最后都需要进行温度的测量和控制，以满足生产不 同品种的丝的工艺要求。在热辊生产工艺发展过程中主要有以下几种测温方式。 l 、电耦或铂电阻深入导丝盘的端面中来感知热辊温度。这种测量方式的优 点是操作和加工简单。最大的缺点是测温迟后太大，而且导丝盘端面的 温度不能完全反映导丝盘表面的温度，使测温精度降低，现在只在档次 较低的热辊上采用这种方式。 2 、用红外测温仪器测量热辊的表面温度，再把测量信号传送到控制系统。 这种测量方式最大的优点是操作简单。其缺点在于其一，由于不同加工 天津t 业人学2 0 0 0 级坝i ! 毕业论文计算机心用技术 【艺的热辊表面不同，因此红外发射系数也不同，特别是当导丝盘缠绕 卜丝后，表面差异就更大，很容易引起测量的不准确或者需要频繁地调 整红外系数；其二二，由于红外测温仪工作在比较恶劣的现场环境时红外 仪发射头的震动和蒙尘都会引起测量的较大偏差；其三，一台红外测温 仪只能测量导丝盘表面的一点温度，不能全面地反映整个导丝盘表面的 温度，这样就需要安装很多的红外测温仪。不论是从制作成本和安装等 方面出发都难以实现；最后，红外测温仪在现场的安装也是一个技术难 题。由此看来，红外测温仪更适合于在产品测试阶段使用。 3 、现在国内外较高档次的热辊中最重要的测控方式是，在紧贴导丝盘的表 面埋设测温铂电阻( 单段或多段) 。如图1 3 所示。 红色线黄色线 图1 3 铂电阻与变送器连接图 铂电阻的引出线通过装在电机轴内的芯管接在旋转测温变送器转子的 相应位置上。旋转测温变送器是由装配在电机轴上同轴旋转的转子和装 在电机壳体上的定子组成。随电机一起旋转的转子，通过铂电阻检测温 度，将检测到的信号转变成特定的频率信号，耦合到静止的定子上。这 种测温方式测量比较准确，控制精度也比较高。但是这种方式也存在着 明显的技术难题：埋设铂电阻及其引线，需要在导丝盘内紧贴外表面打 平行于轴向的深孔用于埋设铂电阻，而且还要沿轴中心线打一个深孔， 用于埋设连接铂电阻和旋转测温变速器的引出线。目前使用的深孔数字 钻床的效率还不是很高，比较费时，另外更为困难的是，由于打孔引起 的热辊内部应力分布变化，可能引起轴的变形，因此对于高速旋转的热 辊，为了保证良好的同轴性还要认真作好动平衡。可见，热辊本身需要 较大的加工和处理，这些都很难在原有传统热辊的基础上经过简单地改 造或加工而实现。 第二节课题的基本思想和研究意义 一、课题的基本思想 上_ 节中所阐述的各种温度检测方法都是利用了热敏元件和温度传感器来采 集现场温度。温度传感器利用材料的热敏特性，实现热一电转换。它主要包括： 利用温差引起热电动势( 即热电效应) 的热电耦；利用热电阻温度特性的热敏电 阻；利用半导体温度特性的集成化温度传感器。这些传统和常规的温度检测温度 方式要接触被测物，接触方式的缺点是难于检测热容量小的物体的温度分布和运 动物体的温度。虽然人们丌发了检测被测物体热辐射的非接触式温度传感器，但 是这种传感器的成本还很高，且容易受外部环境的影响。 经过实践考察发现，在热辊系统中导丝盘以及其内配有的二导体( 短路环) 的电阻都随着热辊导丝盘温度的变化而变化。虽然加热器的感应加热线圈与导丝 兀津t 业人学2 0 0 0 级坝i 毕业论史计算机m 用技术 盘没有电路上的联系，但可以通过磁场相互作用。短路环电阻的变化可以通过加 热线圈c f t 的电流变化反映出来。所以通过测量电流的大小，问接得出此时的温度 值。关键是要确定这个温度值是否真实地反映了实际的温度值，也就是说短路环 电阻的变化与加热线圈中的电流变化是否有必然联系，这要通过反复的实验来验 证。 二、课题的研究意义 通过测量加热线圈中电流的大小来确定温度值，这种测量方法简化了产品的 加：【一手续，提高了生产效率。省去了测温元件铂电阻，不需要在导丝盘上打深孔 埋没铂电阻，也不需要安装旋转测温变送器。只要对传统热辊进行较小的改动即 可。如果在测温精度和控制灵敏度方面能够达到甚至超过原有产品，就可以替代 现有产品。这种方法在德国一家公司已经被采用，在2 0 0 0 年国际纺织机械展览 会上曾经展出过实验机台。它的思想是：短路环的电阻和导丝盘表面温度呈一定 的函数关系，而短路环电阻的值又可以通过加热电流和电感磁路磁通的计算得 到其中磁通是通过缠绕在加热器上的一个匝数很少的测量线圈测量的。 我们f 是在这种思想的启发下，借鉴了国外同类产品的优点，致力于开发国 产的新型热辊，尽量能够满足纺纤工业对热辊加热温度均匀一致的工艺要求。 第三节总体构想 热辊是一个复杂的电气机械构件，为了便于整个系统的设计，我们按照系统 不同的重要组成部分将系统细分为多个相对独立的单元。根据实际的情况选择和 合理配置系统的资源。在控制系统的处理器选择方面，为了实现把温度检测、控 制、显示集中在一个嵌入式系统中，我们选择了新一代的单片机产品一一 c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机，它的微控制器内核c i p - 5 1 是8 位的微控制 器，指令集完全兼容标准8 0 3 r d 8 0 5 x ，标准8 0 3 x 8 0 5 x 的汇编和编译程序就可用 r 软件丌发。但与标准的8 0 5 l 结构相比指令处理能力大大提高，在一个标准的 8 0 5 i 中除了m u l 和d i v 两条指令外，在1 2 m h z 的最大系统时钟下所有的指令 均要l 与用1 2 或2 4 个系统时钟周期，而对于c i p 5 1 内核指令的执行时间为1 或 2 个系统时钟周期，只有4 条指令执行时间多于4 个系统时钟周期。 以c i p 5 l 微处理器为内核的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机是高集成度的混合信号系统 芯片一i 二作电压为2 7 伏至3 6 伏，1 0 0 个引脚t q f p 封装，它具有4 3 5 2 个字节 ( 4 k + 2 5 6 ) 的内部r a m 、6 4 k 的f l a s h 程序存储器，可在系统地多次重复编 程，用t f 非易失性数据的存储。该单片机符合i e e e l l 4 9 1 标准，支持j t a g 接 l - 1 进行片内的调试和边界扫描。此外，c 8 0 5 1 f 0 2 0 还具有丰富的模拟、数字外设 ( 7 个i o 口) 、不同频率的多种时钟源以及多达2 2 个的矢量中断源等。这些丰 富的资源使得c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机非常适合于把热牵伸辊的温度检测、控制、显 示集中在一一个运行可靠、稳定、快速的嵌入式系统中。同时，工厂使用、维护也 卜分方便，经济上节省。 整个系统的设计大致分为以下几个主要部分： l 、数据采集系统的设计，主要包括接口电路的设计和印刷电路板的制作。 结合微处理器的特点，编写数据分析和采样控制代码。 2 、分析和处理采集到的数据，建立电流随温度变化的具体数学模型，最终 将电流值与实际的温度值能够一一对应起来。 3 、温度控制部分是整个设计的重点部分。在完成数据采集、滤波和必要处 理的基础上，设计温度控制系统的电路。确定实时控制方案和p i 算法。 灭滓t 业人学2 0 0 0 级坝卜毕业论史汁算机心用技术 4 、异步串行通讯的方式需要的硬件电路和实现上下位机通讯的软件代码。 5 、对最终的系统性能和控制效果进行客观的总结和评价，并对将来的后续 研究提m 建议或设计雏形。 灭津t 业人学2 0 0 0 级坝l 毕业论文计算机成用技术 第二章系统组成和基本原理 第一节实时嵌入式系统 个嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 就是一个计算机硬件和软件的集合体， 它是为完成某利，特定的功能而设计的。与个人计算机( p c 机) 形成鲜明的对比， 同样是计算机硬件和软件和一些机械部件组成，但个人计算机却不是用来完成某 个特定的功能的，相反可以做各种不同的事情。有必要指出的是，通用计算机本 身就是山很多嵌入式系统组成的。比如，电脑包含了键盘、鼠标、显示卡、调制 解调器、硬盘、软盘、和声卡等，它们中的每一样都是个嵌入式系统。每个设 备都包含处理器和相应的软件来完成特定的功能。如果一个嵌入式系统设计得很 完善，那么它的使用者完全可以忽略它的内部结构和运行过程。 作为嵌入式系统的一个子集实时系统( r e a l t i m es y s t e m ) 就是有一定时问约 束的讨算机系统，若逻辑和时序出现偏差将会引起严重的后果。有两种类型的实 时系统：软实时系统和硬实时系统。在软实时系统中系统的宗旨是使各个任务运 行得越快越好，并不要求限定某一任务必须在多长时间内完成。在硬实时系统中， 各任务不仅要执行无误而且要做到准时。 在实际的工作中，我们采用了硬实时系统的类型。将硬件的可靠性、快速性、 可编程性和软件的灵活性、易修改性结合在一起就组成了我们的实时嵌入式系 统。如尉1 - 4 所示是一个基本的嵌入式系统，控制用的微处理器，一定数量的存 储区，构成任务的输入和输出，是一个基本嵌入式系统必不可少的。但是要做到 一个真m 的嵌入式操作系统，还要包括其他更多的软硬件功能。 幽1 - 4 基本嵌入式系统 第二节系统的组成及基本原理 实时系统的特点就是要在线地完成数据的采集、加工、处理、计算，并把结 果迅速输出到被控对象。具体到我们的系统由以下几个部分组成。 1 、数据采集装置用来完成信号检测、隔离和转换。它接收现场测量到的温 度信号，并将其转变为计算机能够接收的标准信号。 2 、执行机构是驱动被控对象按控制性能指标的要求完成相应动作的装置。 3 、计算机输入信号的a d 转换器将计算机与外部设备和工作环境联系起来， 实现被控系统与计算机的数据传输和信息交流。 4 、q ，央处理器主要完成数掘加工、处理、计算和程序调度运行。用它来对 被检测到的信号进行分析和计算，得出系统正常工作所必需的指令和参数，然后 输出给相关设备。 5 、操作、显示、报警以及记录现场工作状态的专用控制设备，如操作面板、 液晶昆示板等。它用来作为人机对话的交互界面，实现控制系统的在线检测、控 制方案和参数的在线整定。 天津t 业人学2 0 0 0 级坝l 毕业论文计算机心用技术 小系统采用汇编语言编制实时应用程序。先把系统划分层次，明确目标，完 成各个卜要功能模块的硬件设计，在此基础上编写计时、中断等控制子程序。与 高级编程语苦相比，汇编语言的程序设计难度和工作量都很大，但整个程序对于 设汁人员来说是完全透明的，适应性强。如图1 - 5 、图1 - 6 所示分别为系统的基 本组成框图和基本数据流图。 图1 - 5 系统基本组成框图 系统有一台上位机作为主机最多可以下挂3 1 台下位机，上位机监控所有下 位机的运行状态，可以实时采集现场数据和修改控制参数。每一台下位机由 c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机组成采用轮询方式控制8 个热辊，可以通过操作面板修改控制 参数并| ! 二传至上位机。 现场采滤波数据 图1 - 6 基本数据流图 天津i 业人学2 0 0 0 级坝l j 毕业论文计算机应用技术 第三章采样部分软硬件设计 采样部分是系统的重要组成环节之一，采集到的数据是否正确、及时将影响 着后续的各个处理过程的进行，错误的或者不及时的采样值都会严重影响系统的 控制结果。 第一节信号分析 厅虫 i 的热辊温度控制系统的执行元件是过零型的固态继电器( s s r - - s o l i d s t a t er e c t i f i e r ) 。采用工频5 0 h z 交流电加热，由固念继电器参考与给定温度的温 差大小控制导通时间的长短。在控制的初期，实际温度与给定温度差距较大，对 热辊进行全加热，即固念继电器全部导通，待温差在5 v 之间时，系统进入控 制阶段，i j 控制算法计算出相应导通的时间。温度的测量由铂电阻实现，铂电阻 阻值随温度变化而变化，而阻值的变化导致两端电压的改变，不同的电压值代表 了不同的温度。由于电压是5 0 h z 的交流工频电压，对于这样的信号，用普通的 仪表( 万用表、数字表) 测量的结果只是电压的平均值，并不能真实的反映信号 的数值，所以需要将电压、电流、温度等模拟量转换成离散的数字量才能被计算 机处理。这种转换通常由a d 转换器或者v f 转换器来完成。在对原有系统进 行实验时使用的是v f 转换器来将电压转换成频率值，通过频率计数器记下频率 数，最后推算出温度值。所以在实验过程中先将温度或温差信号转换成统一标准 信号( 在此即电压信号) ，再把此信号作为、垤转换器的输入，再经过温度( 温 差) 变送器上传数据，完成数据的采集。 在实际设计的薪系统中由于取消了铂电阻测温元件，也没有了旋转温度变送 器。改为采集电感加热器的电流值，所以我们先通过电流互感器将流过热辊加热 器的几十安培的电流变小，再通过合适的电阻将电流转变为电压作为a d 转换 器的输入。 第二节数据采集电路的设计 一、a d 转换器的选择 a d 转换器位数的确定与整个测控系统所要测量控制的范围和精度有关，但 又不能唯一确定系统的精度，因为系统精度涉及的环节较多。 o 转换器的位数 至少要比总精度要求的最低分辨率高一位。经实验证硬，当热辊温度从l o 升 高到2 1 0 c 时，流过加热器的电流减少了5 a 左右。为了提高系统的精度，增大 电流对温度的分辨率，同时考虑到实验的条件和成本，决定采用1 2 位的a d 转 换器。目前市场上使用最为广泛的a d 转换器是a n a l o gd e v i c e s 公司的1 2 位逐 次逼近型快速a d 转换器a d 5 7 4 h 。其最大转换时间3 5 ，转换误差o 0 5 。 a d 5 7 4 a 片内含三态输出缓冲电路，因而可以直接与各种微处理器相连，而无需 逻辑接口电路，且能与c m o s 及t t l 电平兼容。a d 5 7 4 a 片内还有高精度的参考电 压源和时钟电路，这样就不需要任何外部的时钟信号也能完成a d 转换任务。 二、信号采集及数字滤波 从硬件设计考虑，希望模拟量的数字化尽量粗些，采样周期尽可能长些。这 样可以降低对a d 精度和速度以及c p u 计算速度的要求，但这样将使控制误差大， 导致系统的刁i 稳定。反之，从控制性能考虑，希望模拟量数字化尽量细些，采样 周期尽”r 能短些，使数字控制系统更接近连续的模拟系统。为此，必须从技术和 经济指标综合考虑信号采集的速度和信号数字化的精度这两个问题。可见，采样 天津厂业人学2 0 0 0 级颂1 毕业论文计算机心用技术 周圳的确定就显得十分重要。香农采样定理指出：对一个具有有限频谱 ( 一曲。 a y ，贝o y ( 七) ：y ( 七一1 ) 在实际的系统中我们的数字滤波程序采用比上面提到的限幅滤波稍微复杂 的“防脉冲干扰平均值法”，即采集n 个数据，比较这n 个数，去掉其中的最大值 和最小值，然后计算余下的n 2 个数据的算术平均值作为最终的采样结果，这种 方法既可滤去脉冲干扰又可滤去一些小的随机干扰，兼且计算量不大、速度快、 需要的存储量小，所以比较实用。 三、a d 5 7 4 a 与c i p 一5 1 单片机的接口设计 a d 5 7 t a 由模拟芯片和数字芯片两片混合集成，其中模拟芯片是a d 5 6 5 a 型快 速1 2 位单片集成d a 转换器芯片。数字芯片则包括高性能比较器、逐次比较逻 辑寄存器、时钟电路、逻辑控制电路以及三态输出数据锁存器等。由于a d 5 7 4 a 片内有时钟，所以转换操作所需要的时钟信号由内部提供不需外接任何元件。 a d 5 7 4 a 有多种供电方式，实验中我们采用了单极性输入方式，o - + i o v 输入端。 a d 5 7 4 a 的工作状态由c g 、i c 文r i c 、1 2 1 一g 、4 五个控锚信号决定，这些控制 信号的组合控制功能见表3 - 1 。 表3 - 1a d 5 7 4 a 控制信号功能组合表 天津丁业人学2 0 0 0 级坝f j 毕业论文汁算机应用投术 100 i 启动8 位转换 l0i接i 脚( + 5 v ) x1 2 位并行输出有效 10i接地0高8 位并行输出有效 10l 按地 i低4 位加上尾随4 个0 有效 由于c 1 1 ) _ 5 l 单片机是8 位单片机，而a d 5 7 4 a 采用1 2 位输出，所以单片机 读耿转换绐果时，要分两次进行：先高8 位，后低4 位。从表3 - i 看出，由a 。= 0 或a n = l 来分别控制是读耿高8 位还是低4 位。由于系统采用了查询方式来确定 转换是甭纬柬，将p l 口作为输入口，转换结束状态线s i s 与c i p 一5 1 的p i 0 相 连。a d 5 7 4 a 的西与c i p 一5 1 的锁存器7 4 l s 3 7 3 的如相连。a d 5 7 4 a 的a 。与c i p 一5 1 的锁存器7 4 l s 3 7 3 的q 相连，r 已与c i p 一5 1 的锁存器7 4 l s 3 7 3 的q o 相连。分 别茜：c e = l 、c s = o 、r 虿= 0 、a 0 - o ，启动转换，此时c i p - 5 1 执行对数据存储器 的写指令。c l i 。5 1 单片机不断查询s t s 的状态，当s t s 为低电平时，表示转换 结束。为了能够读取1 2 位数据，c i p 一5 1 单片机执行两次读数据存储器操作，按 照表3 一l 的要求f 确的设置各个控制信号的状态可以先后读取高8 为和低4 位。 为了取得1 2 位的精度，要对a d 5 7 4 a 的电源进行很好的滤波，还要避开高频 噪声源。a d 5 7 4 a 的所有电源管脚都要有去耦电容。对于+ 5 v 电源，去祸电容直接 接在电源管脚v 和数字地管教d g 之间，并且v 。和v 。要通过电容耦合到模拟地 管脚a g ，合适的去耦电容是一个4 7 uf 的固态钽电容再并联一个0 1 l if 的陶 瓷电容。模拟地管脚a g 是内部参考电压的地线参考点。因此，它应该是一个高 质量的地线，应直接接在系统的模拟参考点上。为了在较大的数字信号干扰的情 况下仍能保持a d 5 7 4 原有的转换精度，数字地线和模拟地线应接在一起。 第三节峰值保持电路设计 对模拟信号进行模数变换时，从启动转换到变换结束的数字量输出，需要一 定的时问，即a o 转换器的孔径时闯。当输入信号频率较高时，由于孔径时间的 存在，会造成较大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在a d 转换开始时 将信号电平保持住，而在a d 转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即对输入信 号处于采样状态。可见，在模拟信号输入通道中是否需要加采样保持器，取决于 模拟信号的变化频率和a d 转换的孔径时间。原则上直流和变化非常缓慢的信号 呵不用采样保持器，其他情况都要加采样保持器。 一、采样信号的允许频率 在术系统中要采集的信号是一个断续的且导通时间不定的交流信号，导通时 为交流正弦频率5 0 h z 。对于a d 转换器来说，如果没有采样保持器，信号的允 许频率将很低，这样在采集高频率信号时会使采样很不精确。要保证a d 转换的 精度，就必须确保a d 转换过程中输入的模拟信号的变化量不得大于l s b 2 。下 面对比一。f 不使用采样保持器和使用采样保持器进行转换的情况。 。随接使媚a d 转换器对模拟信号进行转换时由于a d 转换器孔径时间的存 侄，容易发生在转换时问t 。内，输入的模拟信号仍在变化的情况，如果恰巧在 此州进行量化就不可避免地产生误差。 对l f ：弦信号u ，= ( u 。s i n c o t ) 2 采样，在a t = i c o n ，内，模拟信号电压的最大 灭津厂、i t 人学2 0 0 0 级倾1 j 毕业论文汁算射l 应用技术 变化率发，l 二存1 r 弦信号过零时，如下图3 一l 所示，则 d u f d t l 一= ( u 。r o c o s r o t ) 2 【 ：l 止车缱 ( 式3 - 1 ) 幽3 - 1 止弦信号变化剀 由于在1 f 弦信号过零时，r o t = - - - - n , t ，1 c o s ( n l r ) i = l ，而且c o = a n y ( f 为正弦 信号的频率) 。所以有 d u ，出j 。= ( 叻2 = 班。( 式3 2 ) 而在转换时阃l 。内，输入的模拟信号电压最大变化可能为 a u ，= ( f f u ) d u ，出j 。 ( 式3 3 ) i i 式3 - 2 和式3 - 3 得出 a u ，u ，= 庀，r ( 式3 4 ) 一个n 位的a i ) 转换器能表示的最大数字是2 “，设它的模拟量电压信号满量程电 压为f s r ，则它的量化单位或最小有效位l s 8 所能表示的电压u ，= f s r 2 ”。 如果在转换时间t 内，f 弦信号电压的最大变化不超过1 l s b 所代表的电压，则 存u 。= f s r 条件下。数据采集系统可采样的最高信号频率为 ，。= 1 ( 2 “g t c o n p ) ( 式3 - 5 ) 如果允许正弦信号变化为l s b 2 ，则系统可采样的最高信号频率为 厶。= 1 ( 2 ”疗f c n r ) ( 式3 6 ) 就本课题的a d 5 7 4 a 而言，其最大转换速率为3 5 鹏，位数n = 1 2 ，允许信号变化 l s b 2 ，则数据采集系统可采集的最高信号频率为 厂。= 1 ( 2 ”“巧f y ) = 1 ( 2 8 “x 3 1 4 3 5 x 1 0 “) = 1 7 7 6 h z 也就是蜕系统无法采样高于l 7 7 6 h z 的信号。 如果使用了采样保持器，由采样定理可知，一个有限带宽的模拟信号是可以 在某个采样频率下重新恢复而不会丢失任何信息，该采样频率至少应两倍于最高 信号频率。因此，系统可处理的最高输入信号频率为 t = 1 2 ( t c + t p + f p ) 天津r 业人学2 0 0 0 级坝1 毕业论史计算机心用技术 其中，t 。是采样保持器的捕捉时| ! 白j t 。是采样保持器的最大孔径时间( 包括抖动时间) t 。、。是a d 转换器的转换时间 采样保持器l f 3 9 8 的捕捉时间t c = 6 s ，孔径时间t r = 5 0 n s ，a d 5 7 4 a 的转换时间 t 。= 3 5 “s 。这样由l f 3 9 8 和a d 5 7 4 a 构成的采集系统的最高输入信号频率为( t 。 与t 。和t 。相比可以忽略) 厶。，= l 2 ( t _ f + t c o n y ) = 1 2 ( 6 x 1 0 “+ 3 5 x 1 0 “) = 1 2 2 k h z 山此可见，加上采样保持器后，可采集信号的最高频率得到了很大地提高。 但是要把原输入的模拟信号重新恢复，并根据采集的数据描绘出输入信号的波 形，再通过。系列的计算得到所需要的数据，会有很大的计算量。可以考虑用另 一种办法，如果能把模拟输入信号转变得变化非常缓慢，最好是稳定的直流信号， 对于采样将变得很简单。 二、峰值保持电路的设计 采用采样保持器构成一个峰值保持电路。选用l f 3 9 8 和比较器l m 3 1 1 构成峰 值保持电路，其电路原理图如下图3 2 所示。 v 图3 - 2 峰值保持电路原理圈 如| 二图所示电路，将电流互感器的副边电阻两端经过滤波后的输出电压作为 保持电路的输入电压v i n 。在信号的上升阶段，比较器l m 3 1 1 的正向输入电压