（电力系统及其自动化专业论文）新型智能电熔焊机控制系统设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o f u s i o nw e l d i n gi se l e c t r i l y i n gt h er e s i s t o rb u r i e di nt h ep i p e l i n e ，a n d i tw i l lb eh e a t e dt om e l tt h ep i p e t h ep o l y e t h y l e n ep i p e l i n ew i l lb ec o n n e c t e d w i 廿lt h ec o n n e c t o r e l e t r o f u s i o nw e l d i n gi sn o wa l le s s e n t i a la n dw i d e l yu s e d m e t h o di n a p p h c a f i o nt ot h ep o l y e t h y l e n ep r e s s u r ep i p e l i n es y s t e m sw h i c hi s c o l d - r e s i s t a n t , a n dc a u t e r i z a t i o n - r e s i s t a n t e l e t r o f u s i o nw e l d i n gm a c h i n ei st h e s p e c i a lt o o lf o rt h ep i p e l i n e s ，p r o v i d e ss t e a d yw e l d i n gv o l t a g eo rc u r r e n ta n d d e t e c t sa n dc o n t r o l st h ew e l d i n gs i t u a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t sad e t a i la n a l y s i so ft h ew e l d i n gs y s t e m w h i c hi sb a s e d o nt h eh i g hf r e q u e n c yi n v e a e nt h eh a r d w a r ea n db o t t o md r i v e rp r o g r a ma r eb o t h i n t r o d u c e dp a r t i c u l a r l y t h eo p e r a t i n gs y s t e mi sr e a l - t i m e e m b e d d e d s y s t e m ， s m a l lr t o s 51r u n n i n gi nm c u c o m p a r e dt o t h et r a d i t i o n a le l e c t m f u s i o nw e l d i n gm a c h i n e ，t h ep r o j e c t p r o c e s so fp r o p e rd e s i g n ，f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n t h ew e l d e rp r o v e dt oh a v es u c he x c e l l e n c e sa s e n e r g y - s a v i n g 、l i g h tw e i g h t t h r o u g he x p e r i m e n t i t sag o o da s s i s t a n tf o rt h ep o l y e t h y l e n ep r e s s u r ep i p e l i n e w e l d i n g k e y w o r d s ：e l e c t r o f u s i o nw e l d i n gm a c h i n ei n t e l l i g e n tc o n t r o l r e a l - t i m e e m b e d d e d s y s t e m 2 浙江大学硕士学位论文 第一章电熔焊机系统简介 聚乙烯燃气管道具有耐低温、韧性好、刚柔相济、质量轻、耐腐蚀、寿命长 等特点，在各国燃气管道上得到广泛的应用。在聚乙烯管道的敷设中，管道的连 接技术是影响管线质量和结构完整性的关键环节。电熔焊接作为一种有效的焊接 方法在国外聚乙烯压力管道系统中得到了广泛的应用。由于我国高强工程塑料管 道焊接水平与国外有一定的差距，焊接技术和焊接设备方面都落后于国外。为了 适应我国高强工程塑料管道焊接技术的发展，针对我国国情开展焊接技术和设各 的研究，对我国的聚乙烯压力管道的焊接技术有着重要的实践意义。 1聚乙烯管道的电熔焊接技术 1 1 聚乙烯管道的电熔焊接的特点 电熔焊接“卜叫是使用预埋在电熔管件内的电热丝通电而使其发热，从而 使管件的内表面及外表面分别被熔化，由塑料焊管自身的热涨效应，使塑料 管道与其连接件熔焊在一起，然后冷却而达到焊接的目的。电熔焊接的特点 是连接方便、迅速，外界因素干扰小。 1 2 电熔焊接的基本过程 电熔焊焊接过程由4 个基本阶段组成5 嘲：准备阶段，主要是焊接表 面的准备，特别是清除掉塑料表面的氧化皮、油污和泥土等脏物；定位阶 段，将电熔管接头装入焊接的两个管道上；焊接阶段，用焊接设备对管道 和电熔管接头加热，根据不同的材质控制加热时问和加热电流或加热电压， 保证焊接质量；保持阶段，保持电熔管接头和管道的相对位置，直到它们 完全冷却。电熔焊接的质量控制如下，电熔焊接的三个主要控制参数：焊 接塑料表面的温度，加热和冷却过程中塑料管道和接头问的压力和加热时 间。这三个参数是相互联系的，因为温度和压力随时间变化。另外，间隙也 是影响焊接过程的主要参数。主要应保证管道和管件间的间隙在整个圆周上 5 浙江大学硕士学位论文 均匀，管道端在管件中位置应到位，同时应考虑环境条件( 如气温、风速等) 的影响来调整工艺参数。电熔焊接适合于2 0 9 0 咖的塑料管的焊接，可以 用于管路的修补。 1 3 电熔焊机的基本概念 电熔焊机又叫电热熔焊机0 1 。是一种用于p e 管材电熔焊接的专用工具， 主要为焊接提供稳定的焊接电压或焊接电流，并对焊接过程进行检测与控 制，使焊接效果达到最佳状态。 从技术上讲，电熔焊机属于功率电源范畴，它集电力电子技术、自动控 制技术、自动检测和自动辩识技术、计算机硬件技术、软件技术、显示技术、 条码扫描技术和数据库技术于一体，因此，要真正做好一台高水平的电熔焊 机并非易事。目前电熔焊机尚无国家标准，可用的只有i s 0 1 2 1 7 6 2 、 i s 0 1 2 1 7 6 3 、i s 0 1 2 1 7 6 4 标准。所以，开发具有自主知识产权、技术一流 的全自动电熔焊机并制定出科学的技术标准，是业界的重要任务。 1 4 电熔焊机的分类 1 ) 管件电熔焊机 这种电熔焊机用于p e 、p p 电熔管件的电热熔焊接，是一种可调电压源， 其输出电压和焊接时间可在大范围内连续调节，以满足不同电熔管件的焊接要 求。 2 ) 电热带电熔焊机 这种电熔焊机用于p e 电热带的电热熔焊接，其输出采用有效值恒流输 出，输出电流和焊接时间可在大范围内连续调节，以满足不同电热带的焊接要 求。 目前管件电熔焊机主要用于压力p e 和p p 管道的电熔焊接，而电热带电 熔焊机主要用于非压力p e 和p p 直管或波纹管的电熔焊接。 其实从理论上讲，无论是电熔管件还是电热带，都是阻性负载，所需的焊接热功 量为q = o 2 4 i ：r t ，只要满足焊接热功要求，至于用电压型焊机还是电流型焊机 6 浙江大学硕士学位论文 并无本质区别。比如一个电阻为6 欧姆的p e 电热带，焊接1 2 0 0 m m 的波纹管，厂家 给出的焊接电流为2 0 a ，此时用2 0 a 恒流焊接和用1 2 0 v 恒压焊接，其效果是完全一 样的。不过需要指出的是，电熔管件属于低阻负载，而电热带为高阻负载，按 照i s 0 1 2 1 7 6 2 标准，管件电熔焊机的常用输出电压为3 9 5 v ，向上调最高只能 输出4 8 v ，只能用于低阻负载，无法输出1 2 0 v 的焊接电压，所以不能用于电热 带的焊接。正是由于这个原因，才产生了电热带电熔焊机。 1 5 焊接电压的控制方式 控制方式是电熔焊机的关键技术。h “1 ，一种电熔焊机的优劣，主要取决 于控制方式。 1 ) 交流相控型电熔焊机这种电熔焊机直接利用工频电源通过变压器降压 后作为焊接电压。为了达到调节焊接电压的目的，采用可控硅移相控制， 其输出波形如图1 1 所示。 、u 多偿。 + ：v 细诣 7 ( i ) t 图1 1 相控型电熔焊机输出波形( q - - - 9 0 口) 输出电压的最大导通角定为9 0 度，其目的是实现间断加热，这样有利于热传 导，保护电阻丝不至于烧断。其输出电压为u = u m 2 ，一台最高输出电压为 3 9 5 v 的电熔焊机，其输出电压的峰值为7 9 v 。一台最高输出电压为5 0 v 的电熔 焊机，其输出电压的峰值为l o o v 。由此不难看出，如果要做一台最高输出电压 为3 9 5 v 的电熔焊机，只需做一台功率满足焊接要求，其变比为 n = 2 2 0 x4 2 7 9 = 3 9 4 的工频变压器并对原边电压进行移相控制，然后再 加上其他控制功能就可以了。这是一种最容易最简单的实现方法，意大利r i t m o 和法国塑龙等进口电熔焊机和许多国产电熔焊机都采用这种方案。从功率因 浙江大学硕士学位论文 数来看，由于控制角的移相范围为9 卜1 8 0 度，对应的功率因数为 0 7 0 7 o 。不难看出，功率因数最大只能达n o 7 0 7 。输出电压越低，功率因数也 越低。功率因数低自然就不节能。 相控型电熔焊机的最大优点是，电路简单，容易实现。其缺点是：( 1 ) 因 为它工作于5 0 h z 工频范围，必须背一个体积笨重的环形工频变压器。所以，国 产的相控型电熔焊机最小都在2 0 k g 以上，进口的也不低于1 7 k g ，体积很笨 重，不便于携带。这里有一个简单的方法可以判断：只要重量在1 5 k g 以上的电 熔焊机一定是相控型，因为视在功率为3 2 0 0 v a 的工频变压器，2 0 k g 以下根本做 不出来。如果2 0 k g 以下作出来了，要么功率不够，要么暂载率达不到要求。 ( 2 ) 谐波分量大，直接对电网产生谐波污染。因为相控过后的正弦波产 生大量的高次谐波，而这些高次谐波直接注入电网周此从电网环保的角度看， 相控型电熔焊机是不宣推广的。 ( 3 ) 管件冲击电流太大。由于输出电压的峰值u 2 m = 2 u ， 一台输出电压 为3 9 5 v 的相控型电熔焊机，其输出峰值电压为7 9 v ，如果管件电阻为1 欧姆， 最大峰值电流为7 9 a 。如此之大的冲击电流一方面产生强大的谐波干扰，另一 方面还可能烧断电阻丝。施工中经常出现断丝现象，就是因为电阻丝的耗散 功率偏小，阻值偏低，而焊机的冲击电流又很大所至。 ( 4 ) 焊机效率低。因为焊机变压器的效率一般只有8 0 ，不利于节能 ( 5 ) 输出电压精度低。输出电压u 与控制角n 之间是一个复杂的非线性 关系，给定一个u 值，要通过实时计算来求得n 值非常困难，所以实际中都 采用查表方法来实现。但这又出现一个新的问题，如将输出电压分辨率取0 1 v ， 在有些值域，n 值将小得难以辩识。如将分辨率取得过大，输出电压精度又不够。 所以折中起来，输出电压分辨率取0 5 v 。这就是国外相控型电熔焊机的输出电 压分辨率都取0 5 v 的真正原因。严格讲，这个分辨率是比较低的。 8 浙江大学硕士学位论文 一。 、 j 接电熔管件 图1 2 相控型电熔焊机的原理框图 2 ) 交流全波型电熔焊机 这种电熔焊机，其输出是一个有效值为3 9 5 v 的完整正弦波，峰值电压为 5 6 v ，如图1 3 所示。 u 劾励。 澎2 “坳7 图1 3 全波形电熔焊机输出型 这种电熔焊机输出电压固定不变，只控制焊接时间，笔者曾测试过浙江某厂 的产品， 就是这种方案。其最大优点是： ( 1 ) 制造技术难度小，容易实现。 、s 2 ) 由于焊接电压是一个完整的正弦波，功率因数为1 ，对电网无谐波污 梁o ( 3 ) 峰值电压低，对管件冲击小。 其缺点是： ( 1 ) 由于工作在工频，必须背一个工频变压器，体积仍然很笨重。 ( 2 ) 输出电压无法改变，不能满足需要改变焊接电压的焊接要求。 ( 3 ) 因为是连续加热，当管件耗散功率偏小时，经常烧断电阻丝，使 9 浙江大学硕士学位论文 管件报废，焊接失败。 ( 4 ) 效率低，不利于节能。 严格讲，这是一种档次很低的电熔焊机，与i s o 一1 2 1 7 6 2 标准要求相差很 远，焊接质量根本无法保证。图1 4 是全波型电熔焊机的原理框图。 、 i 按电熔管件 图1 4 全波型电熔焊机的原理框图 3 ) 逆变型电熔焊机 逆变型电熔焊机与前二者截然不同，它不是直接将工频电压通过变压器降 压后作为焊接电压，而是将工频电压进行全波整流，再进行逆变。然后再对逆 变电压进行再次整流，最后再将整流电压逆变成工频交流作为焊接电压。焊接 电压和焊接时间仍可在大范围内任意调节。其原理框图如图1 5 n 示。 图1 _ 5 逆变型电熔焊机原理框图 与前二者相比，逆变型电熔焊机的主要优点在于： 、 i 接电熔管件 l o 浙江大学硕士学位论文 1 ) 由于采用了高频逆变技术，甩掉了体积笨重的工频变压器，实现了焊 机的轻量化，便于携带。 2 ) 由于采用二极管全桥糇流，其功率因数为i 。 3 ) 逆变效率高，一般可达9 0 以上，最低也不低于8 5 ，有利于节约电能。 1 6 新型智能电熔焊机简介 电熔焊机采用微机控制：带背光、大屏幕液晶显示；采用逆变技术； 具有过压欠压保护；对变压器一次侧以及最后输出回路均设有电流保护； 同时该设备还具有温度补偿；数据存储、打印功能，并提供条形码读入功 能，整体设计轻巧，美观。 图1 6 新型智能电熔焊机的硬件框图 2 电熔焊机的设计要求 2 1 焊接电源 焊机所使用的电源旧，通常是采用斩波的正弦波交流电通过加热线圈产生热 量。大多数使用的是3 9 5v 的电压。电源的电压和频率的波动范围一般不超过 正常值的1 0 。可以通过改变熔化时间来补偿功率的波动，但这种方法有不利 的因素。因为它得把管接头的熔化参数和焊机的设计联系起来，限制了焊机的通 用性。另一方面，根据一个简单的预定义方法，使用一个调节器来调制功率。比 如调节到恒压，恒定的电流或恒定的功率。其中，最常用是恒压的方法。通过晶 闸管的调节，保证电压波动不超过2 的预定电压值。熔化时间的容差在l 浙江大学硕士学位论文 2 之间。 通过加热时间来控制总的能量输入。电源供给必须在规定的电压下 给予管接头稳定的能量。对于稳压类型的管接头，电流开始于高值，并随着时间 的增加而下降。这是因为在熔化周期开始线圈电阻最小，电流开始值( i o ) 最大口 j 。剐开始的功率p n 是开始电流和电压的乘积。然而，n 不能超过额定值。随着熔 化的进行，随着线圈温度的增加，其电阻也增加。引起电流随着时间下降，其下 降速率取决于使用的导线。从整个电流曲线看，整个能量输入0 ( 焦耳) 大小是 注意方程是对于恒定电压下的。整个能量输入分散在整个熔化区域，对于联轴节 形式的管接头，每单位熔化区域的能量输入是 q ，= v p ( t ) d t 0 式中：，( f ) 时间f 时刻电流值 ，整个融化周期的时间 2 2 “预定义参数”的焊机设计 此方法是采用在实验室确定好的功率和时间的最优参数。焊机内部的探针能 够检测环境的温度，因为所处环境的天气对焊接质量有很大的影响。根据管接头 的设计要求，能量供给必须每摄氏度修正0 4 0 7 。每个管接头上都贴有 自己的条形码，扫描器读入条形码中的参数，机器能够自动调节电压和加热时间， 只要接头的焊接参数与焊机的电压或电流相兼容，焊机就能正常工作，可用于制 造通用性的电熔焊机。 2 3 “自动调节”焊机的设计 此方法能够在管问达到足够的温度和压力时自动停止焊接过程。焊机内置的 传感器能够检测到物质的高度局部化位移，并把完成信号送到焊机，焊机能够自 动切断电源。因此系统能够准确地进行能量调节，能够在容差范围内进行自动地 控制。但是它也有许多限制的地方：一是树脂的影响。高密度聚乙烯管的密度在 0 9 3 8 0 9 5 5k g 一，流动性从0 3g m i n 至r j d x 于0 o l g m i n 且焊接能量 大约有2 0 的上下波动。因此，只有在其它焊接参数提供足够多的补偿时，自动 浙江大学硕士学位论文 调节才能允许这么大的变动。二是管道和管接头温度的影响。焊机必须考虑当温 度不同时，分子扩散程度也不同的环境因素。三是管道和管接头之间的相互作用 的影响。由于焊接之前要除去管子外面0 1 5 o 3 r m 的氧化物，导致管子外径 的减少，增大了管间隙，以至对焊接以后的接头强度有一定的影响。 3 电熔焊机控制的操作系统的设计 在激烈的竞争下，公司( 特别是小公司) 往往因为市场的压力，要求开发 人员在较短的时间内把产品开发出来，从而导致产品不稳定和维护困难。在针对 8 0 c 5 1 的编程中，使用c 语言的确会提高开发效率，并提高软件的可维护性；但 仅仅依靠编程语言还远远不够，应该要建立自己的开发平台。在平台上开发，才 能事半功倍。嵌入式实时操作系统( r t o s ) 就是一个很好的嵌入式软件开发平 台。近年来，随着半导体工业的发展，3 2 位单片机的总体成本更低，而在3 2 位 单片机中不使用r t o s 几乎不可能。因而，在嵌入式系统中使用r t o s 是大趋势。 3 1 嵌入式系统的基本概念 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬 件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的计算机 系统。 1 ) 实时系统【1 3 - 1 1 6 l 实时系统是任何必须在指定的有限时间内给出响应的系统。在这种系统， 时间起到重要的作用，系统成功与否不仅要看是否输出了逻辑上正确的结果，而 且还要看它是否在指定时间内给出了这个结果。 按照对时间要求的严格程度，实时系统被分为硬实时、固实时和软实时。 硬实时系统是指系统响应绝对要求在指定的时间范围内。软实时系统中，及时响 应也很重要，但是偶尔响应慢了也很重要也可以接收。而在固定实时系统中，不 能及时响应会造成服务质量的下降。飞机的飞行控制系统是硬实时系统，因为一 次不能及时响应可能会造成严重后果。数据采集系统往往是软实时系统，偶尔不 能及时响应可能会造成采集数据不准确，但是没什么严重后果。v c d 机控制播 放器如果及时播放画面。不会造成什么大的损失，对产品质量失去信心，这样的 1 3 浙江大学硕士学位论文 系统可以算作固实时系统。常用的实时系统通常由计算机通过传感器输k - - 些数 据，对数据进行加工处理后，再控制一些物理设备作出响应的动作。比如冰箱的 温度控制系统需要读入冰箱内的温度，决定是否需要继续或者停止降温。由于实 时系统往往是大工型程项目的核心部分，控制部件通常嵌入在大的系统中，而在 控制程序固化在r o m 中，因此有时也被称作嵌入式系统。实时系统需要响应的 时间可以分成周期性和非周期性的。比如空气检测系统每过l o o m s 通过传感器 读取一次数据，这是周期性的；而在战斗机中系统需要面对各种突发事件，属于 非周期的。 2 ) 实时操作系统 实时操作系统( r t o s ) 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序。用 户的应用程序是运行于r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进 行资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度和异常处理等工作。 在r t o s 支持的操作系统中每个任务均有一个优先级，动态的切换各个任务，保 证对实时性的要求。工程师在编写程序时可以分别编写各个任务，不必同时将所 有任务运行的各种可能情况记在心中，大大减少了程序编写的工作量，而且减少 了出错的可能，保证最终程序具有高可靠性。实时多任务操作系统，以分时方式 运行多个任务，看上去好像是多个任务“同时”运行。任务之间的切换应当以优 先级为依据，只有具有优先服务方式的r t o s 才是真正的实时操作系统，而时间 片方式和协作方式的的r t o s 并不是真正的“实时”。 3 ) 任务 一个任务，也称作一个线程，是一个简单的程序。该程序可以认为c p u 完 全只属于该程序自己。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分成多个任务， 每个任务都是整个应用的某一部分。每个任务被赋予一定的优先级，有它自己的 一套c p u 寄存器和自己的栈空间，典型地每个任务都是。个无限的循环。每个 任务都处在以下5 种状态之一的状态下。这五种状态是休眠态、就绪态、运行态、 挂起态( 等待某一事件发生) 和被中断态。休眠态相当于该任务驻留在内存中， 但并不被多任务内核所调度。就绪态意味着该任务已经准备好，可以运行了，但 由于该任务的优先级比正在运行的任务的优先级低，还暂不能运行。运行态的任 务是指该任务掌握了c p u 的控制权，正在运行。挂起态也可以叫做等待状态， 1 4 浙江大学硕士学位论文 是指该任务在等待，等待某一时间的发生，例如等待某外i o 操作；等待某共享 资源由暂不能使用变成能使用状态；等待定时脉冲的到来或等待超时信号的到来 以结束目前的等待状态等等。最后，发生中断时，c p u 提供相应的中断服务， 原来运行着的任务暂不能运行，就进入了被中断状态。由于s m a l lr t o s 不能删 除任务，故s m a l lr t o s 的任务没有休眠态。 4 ) 任务切换 当多任务内核决定运行另外的任务时，保存正在运行的当前状态，即保存 c p u 寄存器中的全部内容。这些内容保存正在任务的当前状态保存区，也就是 任务自己的栈区之中。入栈工作完成之后，就把下一个将要运行的任务的当前状 态从任务的栈中重新装入c p u 的寄存器，并开始下一个任务的运行。这个过程 就称为任务切换。这个过程增加了应用程序的额外负荷。c p u 的内部寄存器越 多，额外负荷就越重。做任务切换需要的时间取决于c p u 有多少寄存器入栈。 实时内核的性能不应该以每秒钟能做多少次任务切换来评价。 5 ) 调度 调度是内核的主要指责之一。调度就是决定该轮到哪个任务运行了。多数 实时内核是基于优先级调度法的。每个任务根据其重要程度的不同被赋予一定的 优先级。基于优先级的调度法指c p u 总是让处在就绪态的优先级最高的任务先 运行。然而究竟何时让高优先级任务掌握c p u 的使用权，有两种不同的情况。 这要看用的是什么类型的内核，是非占先式还是占先式内核。 6 ) 消息队列 消息队列用于给任务发消息。通过内核提供的服务，任务或中断服务子程 序可以将一个消息放入消息队列。同样，一个或多个任务可以通过内核服务从消 息队列中得到消息。通常消息队列传递的是一个指针，以便任务可以通过它发送 和接收任意类型数据。然而，为了节省r a m 的占用，s m a l l r t o s 的消息队列是 以字节变量作为消息，而不是以指针指向的内容作为消息。也就是说，消息队列 发送一个消息实质将一个0 2 5 5 的数值存到消息队列中，而不是将一个指针存 到消息队列中。类似地，从消息队列中得到一个范围为0 2 5 5 的值，这个o 2 5 5 的数值用户可以任意解释。通常，先进入消息队列的消息先传给任务，也就 是说，任务先得到的是先进入消息队列的消息，即先进先出原则。然而s m a l l 浙江大学硕士学位论文 r t o s 也允许使用后进先出方式l i f o 。 当一个以上的任务要从消息队列接收消息时，每个消息队列有一张等待消 息任务的等待列表。如果消息队列中没有消息，即消息队列是空，则等待消息的 任务就被放入等待消息任务列表中，直到有消息队列到来。通常，内核允许等待 消息的任务定义等待超时的时间。如果在限定时间内任务没有收到消息则任务 就进入就绪态并开始运行，同时返回出错代码，指出出现等待超时错误。一旦一 则消息放入消息队列，则消息将传给等待消息的任务中优先级最高的那个任务， 或者最先进入等待消息任务队列的任务。内核提供的典型消息队列服务如下： 消息队列初始化，队列初始化时总是清为空。放一则消息到队列中去。等待 - - n 消息的到来。无等待取得消息。如果队列中有消息则任务可以得到消息， 消息可以从队列中取走；但如果此时队列为空，则内核不将该任务挂起，只是用 特别的返回代码通知调用者，队列中没有消息。 3 2s m a l lr t o s 简介 s m a l lr t o s 5 1 有以下特点【1 州玷】：公开源代码。只要遵循许可协议，任何 人可以免费获得源代码。可移植。作者尽量把c p u 相关部分压缩到最小，与 c p u 无关部分用a n s ic 编写。可固化。s m a l lr t o s 5 1 为嵌入式系统设计， 如果有固化手段，可以嵌入到产品中成为产品的一部分。占先式。s m a l lr t o s 可以管理1 6 个用户任务，每个任务优先级不同。s m a l lr t o s 总是就绪条件下优 先级最高的任务。中断管理。中断可以使正在执行的任务挂起。如果优先级更 高的任务被中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行。中断 嵌套层数可达2 5 5 层。如果需要，可以禁止中断嵌套管理。 ) r a m 需求小。s m a l l r t o s 5 1 为小r a m 设计，因而r a i v l 需求小，相应的系统服务也少。 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章i i c 总线驱动程序的实现 2 - 1 标准模式i i c 总线简介 i i c 总线通过两根线一串行数据( s d a ) 和串行时钟( s c l ) 线，连接到总 线上的任何一个器件。每个器件都应有一个唯一的地址，而且都可以作为一个发 送器或接收器。此外器件在执行数据传输时也可以被看作主机或从机。 发送器：本次传输中发送数据( 不包括地址和命令) 到总线的器件。 接受器：本次传送中从总线( 不包括地址和命令) 的器件。 主机：初始化发送、产生时钟信号和终止发送的器件，可以是发送器或接收器。 主机通常是微控制器。 从机：被主机寻址的器件，可以是发送器或接收器。 i i c 总线是一个多主机的总线，可以连接多于一个能控制总线的器件到总线。 当两个以上能控制总线的器件同时发动传输时，只能有一个器件真正控制总线而 成为主机，并使报文不被破坏，这个过程叫做仲裁。与此同时，i i c 总线能使多 个能控制总线的器件产生的时钟信号同步。 s d a 和s c l 都是双向线路，连接到总线的器件的输出级必须是漏极开路或 集电极开路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到真正的电源电压，这样才能实 现“线与”功能。当总线空闲时，这两条线路都是高电平。 在标准模式下，数据传输的最高速率可达1 0 0 k b i v s 2 2 位传输 i i c 总线上每传输一个数据位，必须产生一个数据脉冲。 1 数据的有效性 s d a 线上的数据必须在时钟线s c l 的高电平周期保持稳定，数据的电平状态 只有在s c l 线上的时钟信号是的电平才能改变，如图2 1 所示。在标准模式 下，高低电平的宽度必须不小于4 7ps t 7 浙江大学硕士学位论文 f d a t a s t a b l ed a t as t a b l e o 瞒 c h a n g # 图2 1 t i c 总线的位传输 2 起始和停止条件 i i c 总线数据和命令发送的起始和停止条件时序图如下： s c a s c l s 1 a r t 图2 2 起始和停止条件 s t o p 起始条件：当s c l 线是高电平时，s d a 线从高电平向低电平切换。 停止条件：当s c l 线是高电平时，s d a 线从低电平向高电平切换。 起始和停止条件一般由主机产生。起始条件作为一次传送的开始，在起始条 件后总线被认为处于忙的状态。停止条件作为一次传送的结束，在停止条件的某 段时间后，总线被认为再次处于空闲的状态。重复起始条件既作为上次传送的结 束，又作为下次传送的开始。 1 8 浙江大学硕士学位论文 2 3 数据传输 1 字节格式 发送到s d a 线上的每个字节必须为8 位。每次传输可以发送的字节数量不受限制。 每个字节后必须跟一个应答位。首先传输的是数据的最高位( m s b ) ，见图2 3 所 示。如果从机要完成一些其他功能后例如一个内部中断服务程序才能接收或发送 下一个完整的数据字节，可以使时钟线s c l 保持低电平追使主机进入等待状态， 当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线s c l 后，数据传输继续。 7 1 下 涨一4 l 卫 一- - 【 厂弋 ) ：工 二卫旺 ：悯盎黜瑞勰穗黯| 8 r ： 。寸 爪瓜。* - ! 昙i u ，u ：l 。 l 叫 慧胛 图2 31 2 c 总线的数据传输 2 应答 相应的应答时钟脉冲由从机产生。再应答的时钟脉冲期间，发送器释放s d a 线( 高) 。在应答的时钟脉冲期间，接收器必须将s d a 线拉低，使它在这个时钟 脉冲的高电平期间保持稳定的低电平，如图2 3 时钟信号s c l 的第9 位。 一般来说，被寻址匹配的从机或可继续接收下一字节的接收器将产生一个应 答。若作为发送器的主机在发送完一个字节后，没有收蓟应答位饿收到一个非 应答位) ，或作为接收器的主机没有发送应答位( 或发送一个非应答位) ，那么主 机必须产生一个停止条件或重复起始条件来结束本次传输。 如果从机接收器响应了从机地址但是在传输了一段时间后不能接收更多数 据字节主机必须再一次终止传输。这个情况用从机在第一个字节后没有产生响应 来表示，从机使数据线保持高电平，主机产生一个停止或重复起始条件。如果传 输中有主机接收器，它必须通过在从机不产生时钟的最后一个字节不产生一个响 应，向从机发送器通知数据结束，从机发送器必须释放数据线允许主机产生一个 1 9 浙江大学硕士学位论文 停止或重复起始条件。 2 4 仲裁与时钟发生 1 同步 所有主机在s c l 线上产生它们自己的时钟来传输1 2 c 总线上的报文，数据 只在时钟的高电平周期有效。因此，需要一个确定的时钟进行逐位仲裁。 时钟同步通过线与连接1 2 c 接口至u s c l 线来执行。这就是说：s c l 线的高 到低切换会使器件开始数它们的低电平周期，两且一旦器件的时钟变低电平，它 会使s c l 线保持这种状态直到到达时钟的高电平，但是如果另一个时钟仍处于 低电平周期，这个时钟的低到高切换不会改变s c l 线的状态，因此，s c l 线被 有最长低电平周期的器件保持低电平此时低电平，周期短的器件会进入高电平的 等待状态。 当所有有关的器件数完了它们的低电平周期后，时钟线被释放并变成高电 平。之后，器件时钟和s c l 线的状态没有差别，而且所有器件会开始数它们的高 电平周期，首先完成高电平周期的器件会再次将s c l 线拉低，这样产生的同步 s c l 时钟的低电平周期由低电平时钟周期最长的器件决定，而高电平周期由高 电平时钟周期最短的器件决定。 2 仲裁 主机只能在总线空闲的时侯启动传输。两个或多个主机可能在起始条件的最 小持续时间t h d 内，产生一个起始条件，结果在总线上产生一个规定的起始条 件。当s c l 线是高电平时，仲裁在s d a 线发生；这样，在其他主机发送低电平 时，发送高电平的主机将断开它的数据输出级，因为总线上的电平与它自己的电 平不相同。 仲裁可以持续多位，它的第一个阶段是比较地址位有关的寻址信息，如果每 个主机都尝试寻址相同的器件，仲裁会继续比较数据位( 如果是主机一发送器) 或者比较响应位，如果是主机接收器，因为1 2 c 总线的地址和数据信息由赢得仲 裁的主机决定在仲裁过程中不会丢失信息。 由于1 2 c 总线的控制只由地址或主机码以及竞争主机发送的数据决定，没有 2 0 浙江大学硕士学位论文 中央主机，总线也没有任何定制的优先权。 必须特别注意的是：在串行传输时，当重复起始条件或停止条件发送n 1 2 c 总线的时侯，仲裁过程仍在进行。如果可能产生这样的情况，有关的主机必须在 帧格式相同位置发送这个重复起始条件或停止条件。 也就是说，仲裁在不能下面情况之间进行： 重复起始条件和数据位 停止条件和数据位 重复起始条件和停止条件 从机不被卷入仲裁过程 用同步时钟机制作为握手 器件可以快速接受数据字节，但可能需要更多时间保存接收到的字节或准备 一个要发送的字节。此时，这个器件可以使s c l 线保持低电平，迫使与之交换数 据的器件进入等待状态，直到准备好下一字节的发送或接收。 2 5 传输协议 1 寻址字节 主机产生起始条件后，发送的第一个字节为寻址字节。该字节的高7 位为 从机地址，最低位( l s b ) 决定了报文的方向；“0 ”表示主机写信息到从机，“1 ” 表示主机读从机中的信息，如图2 4 所示。当发送了一个地址后系统中的每个器 件都将头7 位与它自己的地址做比较；如果一样，则器件会应答主机的寻址。至 于是从机一接收器，都有r w 位决定。 从机地址由一个固定的和一个可编程的部分构成。例如，某些器件有4 个固 定的位( 高4 位) 和3 个可编程的地址位( 低3 位) ，那么同一总线上共可以连接8 个相同的器件。1 2 c 总线委员会协调1 2 c 地址的分配，保留了2 组8 位地址 ( 0 0 0 0 x x x 和1 1 l l x x x ) 。这2 组地址的用途可查阅有关资料。 匹叵曰匝回区固圈i m s bl s 8 i 图2 4 起始条件后的第一个字节 2 寻址字节 主机产生起始条件后，发送一个地址字节，收到应答后跟着就是数据传输。数据 2 l 浙江大学硕士学位论文 传输一般由主机产生的停止位终止。但是，如果主机仍希望在总线上通信，可以 产生重复起始条件和寻址另一个从机，而不是首先产生一个停止条件。在这种传 输中，可能有不同冻得读写格式组合。 可能的数据传输格式有： 主机一发送器发送数据到从机一接收器，见图2 5 。寻址字节的m 位为0 ， 数据传输的方向不变。寻址字节后，主机一接收器立即读从机一发送器中的数据， 见图2 6 ，寻址字节的i v w 位为1 。在第一次从机产生相应时，主机一发送器转变 为主机一接收器，从机一接收器变成从机一发送器。之后，数据由从机发送，主 机接收，每个应答由主机产生，时钟信号c l k 仍由主机产生。若主机要终止本次 传输，则发送一个非应答信号，接着主机产生停止条件。 f l 一d a t a l r a n 蜘m b d 一 0 ( w r i t e ) ( nb y t e s + a c k n o w l e d g e ) 囫f r o mm a s t e rt os l a v e 口f r o m s l a v et om a s t e r a ：a c k n o w l e d g e ( s d al o v v ) 五= n o ta c k n o w l e d g e ( s d ah i g h ) s = s n r 丁c o n d n i o n p ：s t o pc o n d i t i o n 图2 5 主机一发送器发送数据到从机一接收器，传输方向不变 後扬够啭鞲address溉旁翰aid a t a 幽一隧獗 乏s 形s l a v e死洲刁 ， ，川 id a t at 怕n s f e r r e d j ( r e a d ) ( nb y t e s + a c k n o w l e d g e ) 图2 6 寻址字节后，主机一接收器立即读从机一发送器中的数据 复合格式，见图2 7 。传输改变方向的时候，起始条件和从机地址都 会被重复，但w 位取反。如果主机一接收器发送一个重复起始条件，则它 之前应该发送一个非应答信号。 浙江大学硕士学位论文 删柏l ( nb y t e ) s j ll 也瓣- j i r e a do r w r i l e - j l d i r e c t i o n o f 咖s f e r + n o ts h a d 洲e d b e c a u o f s es r = k s m 删鼎勰 ：熙群滞留嘶 图2 7 复合格式 2 61 2 c 总线驱动程序的实现 1 驱动程序的简介 驱动程序为标准的5 l 系列c p u 编写，让c p u 模拟成一个1 2 c 总线主器 件，并部分支持多个主器件同时存在。当c p u 晶振为1 2 m h z 时，1 2 c 总线频 率不超过1 0 0 k h z 如果1 2 c 总线上有多个1 2 c 总线主器件，贝用户程序需要进 行一些额外处理。 2 驱动程序的使用 本驱动程序可以在没有s m a l lr t o s 5 1 的情况下使用。此时，要使用驱 动程序只需要配置1 2 c 总线使用的i o i e i 。在驱动程序的主文件中包含一个配 置文件用，户需要的是在这个文件中设置1 2 c 总线使用的i o 口s d a 和s c l 。 如果用户不止一个任务读写使用1 2 c 总线，则驱动程序需要使用信号量保证 各个任务对1 2 c 总线的互斥操作。这时，需要将宏i i c s e m 定义为分配给1 2 c 总 线的驱动程序的信号量的索引，并在使用驱动程序前建立信号量。 在使用1 2 c 总线驱动程序前应该调用l l c i n i t 0 ，初始化1 2 c 总线。当单独 使用或单任务使用本驱动程序时，使用函数l l c r e a d 0 对总线进行读操作；使 用函数l l c w r i t e 0 对1 2 c 总线进行写操作。如果有多个任务对1 2 c 总线进行操 作，则分别调用宏o s i i c r e a d 0 和o s i i c w r i t e 0 对其进行读写操作。 s b i t s d a = p 2 i ；i 2 c 总线驱动使用的数据线 s b i t s d a = p 2 2 ；i 2 c 总线驱动使用的时钟线 3 基本1 2 c 总线信号的产生 1 2 c 总线有很多基本总线信号，每一个基本信号由一个函数产生，1 2 c 浙江大学硕士学位论文 总线启动信号由函数i i c s t a r t 产生。当操作成功时，函数返回t r u e 。当函数 返回f a l s e 时，可能有别的总线主器件正在使用总线或总线故障。 u n i t 8i i c s t a r t o s d a = 1 ： s c l = i ； i f ( s d a = = l 、 s d a - - 0 ； - n o p o ； s c l = o ； s d a = i ； r e t u r nt r u e ； e l s e r e t l l r nf a l s e ； ) i i c 总线终止信号由函数u c s t o p 产生，函数没有返回值。 v o i di i c s t o p ( v o i d ) s d a = 0 ： _ n o p _ o ； _ h o p _ o ； s c l = i ； s d a = 1 ： _ n o p _ o ； _ h o p _ 0 ； _ h o p _ o ； s c l = 0 ： i i c 总线应答信号由函数c _ _ a c k 产生，函数没有返回值。 v o i di i c _ a c k ( v o i d ) ( s d a = 0 ： _ n o p _ o ； _ n o p _ o ； s c l = 1 ； _ h o p _ o ； n o p _ o ； _ h o p _ o ； 浙江大学硕士学位论文 _ n o p _ 0 ； s c l = 0 ： i i c 总线非应答信号 f l i h c n o a c k 产生，函数没有返回值。 v o i di i cn oa c k ( v o i d ) s d a = 1 ； _ n o p _ 0 ； n o p _ d ； s c l = l ； _ h o p _ o ； n o j ) - o ； _ n o p _ o ； n o p 一( ) ； s c l = o ： r e t u r n ； ) 4 i i c 总线初始化 在使用c 总线前必须初始化1 2 c 总线，使得1 2 c 总线处于空闲状态。 这是通过发送线停止信号实现的。 v o i dl l c i n i t ( v o i d ) s c l = 0 ： i i c s t o p o ； 5 发送和接受一个字节 发送一个字节和接收一个字节也是1 2 c 总线的基本操作。对1 2 c 的写操 作需要用到这两个操作。发送一个字节使用函数c s e n d 0 实现。函数同时处 理了应答位。 u i m 8i i c s e n d ( u i n t 8i i c _ d a m ) u i n t $ i ； f o r ( i = o ；i 8 ；i ) i i cd a t a = n cd a t a 1 f o = s d a = c y _ s c l = 1 ； i f ( f 01 = s d a ) 浙江大学硕士学位论文