（通信与信息系统专业论文）多功能工业控制器的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 业控制设计厂家为了能够简单地实现需要的控制，并能够得到较好的可靠 性和性能，通常用p l c 来实现工业控制。而且由于原来的控制过程不成熟，经常 需要修改，这样也是p l c 得到广泛应用的原因。但对于一些控制比较简单，控制 过程基本不变，需要大规模生产的产品，用p i 。c 实现成本就会比较昂贵。为了满 足降低生产成本的要求，使自己在同行的竞争中处于有利地位，迫切需要设计 一种产品来取代这种控制方式。 本课题设计了一种以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为核心的控制器，不仅降低了生产成 本而且具有很好的性能，能够实现p l c 的基本控制功能。只要略作修改就能方便 的实现各种专业控制器，对工业控制中其他设备的设计也有借鉴作用。 本文首先介绍了控制器没计的总体方案，然后详细说明了控制器的硬件设计 和软件设计。硬件设计包括开关量输入输出设计，模拟量输入输出设计，通信 电路的设计；软件设计给出了对t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 编程的关键程序。完成了基于硬件 的软件调试，基本能满足多种小型工业控制的要求。 关键词：工业控制器，数字信号处理，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，p l c ，d s p ，c p l d 多功能工业控制器的研制 a b s t r a c t p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) i sw i d e l yu s e d i ni n d u s t r i a l c o n t r o lb e c a u s ei th a sh i g hd e p e n d a h i l i t ya n dg o o dp e r f o r m a n c ea n di t i se a s i l yu s e d ，o nt h eo t h e rh a n dw h e nw ed e s i g n e dap r o d u c to fc o n t r o l i nt h ep a s tw eu s e dt o c h a n g et h es o f t w a r e ，a n dw ec a r lp r o g r a mt h ep l c o nli n e i ft h ec o n t r o lp r o c e s siss i m p l ea n df i x e da n dt h ep r o d u c t sa r e n e e d e dm a n u f a c t u r eal o t ，i ti se x p e n s i v et od e s i g nt h ec o n t r o l s y s t e m b yp i c o n ep r o d u c to fl o wc o s t sw h i c hc a nd i s p l a c et h ep l ci su r g e n t l y n e e d e d i ta s oc a r l h e l pt h ec o m p a n y i f lt h ec o m p e t i t i o n o n em u ltif u n c t i o f fc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nt m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p ir lt h isp a p e r ，i ti sn o te x p e n s i v ea n dh a sg o o dp e r f o r m a n c ea n dc a nr e a l i z e t h em a i nf u n c t i o no fp l c i ti se a s i l yu s e dt od e s i g na l lk i n d so fs p e c i a l c o n t r o l l e r i ta l s oc a nh e l po t h e r sw h od e s i g ne q u i p m e n t su s e di n i n d a s t r i a lc o n t r 0 1 f i r s t l yt h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em a i nm o d u l e so ft h i sc o n t r o l l e r s e c o n d l yt h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na r eg i y e n t h eh a r d w a r e d e s i g nc o m p r is e ss w it c hs i g n a t si n p u ta n do u t p u t ，a n a l o gs i g n a l si n p u t a n do u t p u t ，a n dc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t s t h ei m p o r t a n ts o f t w a r eo f p r o g r a t m n in gt m s 3 2 0 f 2 8 1 2i sg i v e no u t t h es o f t w a r ed e b u g g i n gb a s e do i l h a r d w a r ei sc o m p l e t e di nt h ep a p e r i tc a nr e a l i z ea 1 1k i n d so fl i t t le c o n t r o1 s y s t e m k e y w o r d s ：i n d u s t r i a lc o n t r o l l e r ，d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，p l c ，d s p ，c p l d 承诺书 本人郑霞声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 1 7 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果小包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 杏1 蒯和借阅，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 以采朋影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 季备， i 期：浏：l ：返 南京航空航天大学硕十学位论文 1 1 研究的目的 第一章绪论 现代工业控制中，由于p l c 的使用非常简单并且具有良好的性能，所以被大 量广泛使用。但是由于国p l c 的市场被西门子、施奈德、三菱等国外大公司牢 牢占据着，所以价格相对比较昂贵。一般小容量的都是儿千元，大的甚至是几 万元。 考虑到工业控制中存在这样一类产品： l 、产品控制容量不是很大，即不要求有很多的i o 口及其他输入输出设备 2 、大批量生产，工艺要求基本不变 3 、程序一旦固定基本不需修改 4 、生产成本是主要考虑的问题 用传统的p i 。c 来设计这些控制就显得有些大材小用了，所以我们就考虑设计 一个产品，它既能满足工业设计要求又能大大降低成本，能够方便的实现专用控 制。 1 2 研究的任务 设计一个多用途的工业控制器，能够实现小型p l c 的大多数功能，满足多 种工业控制的要求。所以它必须包括：开关量输入输出，模拟量输入输出，以 及通信等模块，采用模块化的设计方法，能够方便实现多种组合。应尽可能的 简化设计电路，节约生产成本，但同时应能够保证产品的性能，满足工业控制 的需要。各个功能接口应与传统的p l c 兼容，符合工业控制的电气特性，对本 设计不作修改或只需简单修改就能取代原来用p l c 设计的控制。 1 3 研究的意义 本设计为小型的工业控制提供了一个稳定可靠的硬件平台，这样对于一些 专fj 从事对某领域的厂家有十分重要的意义。事实上，这也是专门从事纺织 行业电气控制的某公司提出的方案，因为他们的产品的领域比较单一，控制方 式基本相同，而且量比较大。所以设计一种符合自己需要的通用控制器就有十 多功能工业控制器的研制 分重要的意义，这样不仅能在不改变硬件的情况下，方便的实现多种相近的产 品，提高自己产品的专业化程度，而且不像用p l c 设计那样容易被别人仿制， 同时还能节约成本。 1 4p l c 简介 可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ) 是计算机家族中的一员，是为 工业控制应用而设计制造的。早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 ( 阶g g r a 蕊曲l el o g i cc o a t r o t l e t ) ，简称p l c ，它主要用来代替继电器实现逻 辑控制。随着技术的发展，这种装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围， 冈此，今天这种装置称作可编程控制器，简称p c 。但是为了避免与个人计算机 ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的简称混淆，所以将可编程控制器简称p l c 。 为了能够设计出符合工业控制要求的控制器，能够替代p l c 设计的产品，必 须对p l ，c 作简单介绍。 1 4 1p l c 的由来 在6 0 年代，汽车生产流水线的自动控制系统基本上都是由继电器控制装置 构成的。当时汽车的每一次改型都直接导致继电器控制装置的重新设计和安装。 随着生产的发展。汽车型号更新的周期愈来愈短，这样，继电器控制装置就需 要经常地重新设计和安装，十分费时，费工，费料，甚至阻碍了更新揭期的缩 短。为了改变这一现状，美国通用汽车公司在1 9 6 9 年公开招标，要求用新的控 制装置取代继电器控制装置，并提出了十项招标指标，即： 1 、编程方便，现场可修改程序； 2 、维修方便，采用模块化结构： 3 、i j 靠性高于继电器控制装置； 4 、体积小于继电器控制装置； 5 、数据可直接送入管理计算机； 6 、成本可与继电器控制装置竞争； 7 、输入可以是交流1 1 5 v ； 8 、输出为交流1 1 5 v ，2 a 以上，能直接驱动电磁阀，接触器等； 9 、在扩展时，原系统只要很小变更： 1 0 、用户程序存储器容量至少能扩展至1 4 k 。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 研制出第一台p l c ，在美国通用汽车自 动装配线上试用，获得了成功。这种新型的工业控制装置以其简单易懂，操作 方便，可靠性高，通用灵活，体积小，使用寿命长等一系列优点，很快地在美 国其他工业领域推广应用。到1 9 7 1 年，已经成功地应用于食品，饮料，冶金， 造纸等工业。这一新型工业控制装置的出现，也受到了世界其他国家的高度重 视。1 9 7 1 日本从美国引进了这项新技术，很快研制出了日本第一台p l c 。1 9 7 3 年，西欧国家也研制出它们的第一台p l c 。我国从1 9 7 4 年丌始研制。于1 9 7 7 年 丌始工业应用。“1 1 4 2p l c 的定义 p i c 问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。为了使其生产和发展标准化， 美国电气制造商协会n e m a ( n a t i o n a e 1 e c t r f c a lm a n u f a c t o r ya s s o c i a t i o n ) 经过四年的调查工作，于1 9 8 4 年首先将其难式命名为p c ( p r o g r a m m a b l e c o n t r o l l e r ) ，并给p c 作了如下定义：“p c 是一个数字式的电子装置，它使 用了可编程序的记忆体储存指令。用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演 算等功能，并通过数字或类似的输入输出模块，以控制各种机械或工作程序。 一部数字电子计算机若是从事执行p c 的功能，亦被视为p c ，但不包括鼓式或类 似的机械式顺序控制器。”以后国际电工委员会( i e c ) 又先后颁布了p l c 标准的 草案第稿，第二稿，并在1 9 8 7 年2 月通过了对它的定义：“可编程控制器是 - - , d 数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可 编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与 算术操作等而向用户的指令，并通过数字或模拟式输入输出控制各种类型的机 械或尘产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联 成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”总之，可编程控制器是一台计算 机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。它具有丰富的输入输出接口， 并且具有较强的驱动能力。但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用， 在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配茕，其软件需根据控制要求 进 j ：设计编制。“1 1 4 3p l c 的发展阶段 虽然p l c 问世时间不长，但是随着微处理器的出现，大规模，超大规模集 成电路技术的迅速发展和数据通讯技术的不断进步，p 1 c 也迅速发展，其发展 多功能：【业控制器的研制 过程大致可分三个阶段： l 、早期的p l c ( 6 0 年代末一7 0 年代中期) 早期的p l c 一般称为可编程逻辑控铷器。这时的p l c 多少有点继电器控制 装置的替代物的含义，其主要功能只是执行原先由继电器完成的顺序控制，定 时等。它在硬件上以准计算机的形式出现，在i 0 接口电路上作了改进以适应 _ 业控制现场的要求。装置中的器件主要采用分立元件和中小规模集成电路， 存储器采用磁芯存储器。另外还采取了一些措施，以提高其抗干扰的能力。在 软件编程上，采用广大电气工程技术人员所熟悉的继电器控制线路的方式梯 形图。因此，早期的p l c 的性能要优于继电器控制装置，其优点包括简单易懂， 使于安装，体积小，能耗低，有故障指使，能重复使用等。其中p l c 特有的编 程语言梯形图一直沿用至今。 2 、中期的p l c ( 7 0 年代中期一8 0 年代中，后期) 在7 0 年代，微处理器的出现使p l c 发生了巨大的变化。美国，日本，德国 等一些厂家先后开始采用微处理器作为p l c 的中央处理单元( c p u ) 。这样，使p l c 得功能人大增强。在软件方面，除了保持其原有的逻辑运算、计时、计数等功 能以外，还增加了算术运算、数据处理和传送、通讯、自诊断等功能。在硬件 方面，除了保持其原有的丌关模块以外，还增加了模拟量模块、远程i o 模块、 各种特殊功能模块。并扩大了存储器的容量，使各种逻辑线圈的数量增加，还 提供了定数量的数据寄存器，使p l c 得应用范围得以扩大。 3 、近期的p l c ( 8 0 年代中、后期至今) 进入8 0 年代中、后期，由于超大规模集成电路技术的迅速发展，微处理器 的市场价格大幅度下跌，使得各种类型的p l c 所采用的微处理器的当次普遍提 高。而且，为了进一步提高p l c 的处理速度，各制造厂商还纷纷研制开发了专用 逻辑处理芯片。这样使得p l c 软、硬件功能发生了巨大变化。“ 1 4 4p l c 的分类 1 、小型p l c + 型p l c 的i o 点数一般在1 2 8 点以下，其特点是体积小、结构紧凑，整个 硬件融为一体，除了开关量i o 以外，还可以连接模拟量i o 以及其他各种特 殊功能模块。它能执行包括逻辑运算、计时、计数、算术运算、数据处理和传 送、通讯联网以及各种应用指令。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 、中型p 1 。c 中型p l 。c 采用模块化结构，其i o 点数一般存2 5 6 1 0 2 4 点之间。i o 的处 理方式除了采用一般p l c 通用的扫描处理方式外，还能采用直接处理方式，即 在扫描用户程序的过程中，直接读输入，刷新输出。它能联接各种特殊功能模 块，通讯联网功能更强，指令系统更丰富，内存容量更大，扫描速度更快。 3 、大型p l c 一般i 0 点数在1 0 2 4 点以上的称为大型p i c 。大型p l c 的软、硬件功能极强。 具有极强的自诊断功能。通讯联网功能强，有各种通讯联网的模块，可以构成 三级通讯网，实现工厂生产管理自动化。大型p l c 还可以采用= c p u 构成表决 式系统，使机器的可靠性更高。“1 多功能工业控制器的研制 2 1 系统的主要特点 第二章系统设计 为了满足工业控制的需要，系统应该具有以下特点： l 、高可靠性 ( 1 ) 所有的i o 接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路内部电路之间 电气| 二隔离。 ( 2 ) 各输入端口均采用r c 滤波器，其滤波时间常数一般为l o 一2 0 m s ( 3 ) 各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。 ( 4 ) 采用性能优良的开关电源。 ( 5 ) 对采用的器件进行严格的筛选。 ( 6 ) 良好的自诊断功能，一旦电源或其他软、硬件发生异常情况，c p u 立即采 用有效措施，以防止故障扩大。 2 、丰富的i o 接口模块 针对不同的工业现场信号，如：交流或直流；开关量或模拟量；电压或电 流：脉冲或电位；强电或弱电等。有相应的i o 模块与工业现场的器件或设备， 如：按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接 连接。另外为了提高操作性能，它还有多种人一机对话的接口模块，为了组成工 业局部列络，它还有多种通讯联网的接口模块，等等。 3 、采用模块化结构 为了适应各利，工业控制需要，系统采用模块化结构。系统的各个部件，包 括c p b ，电源，i o 等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系 统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。 2 2 系统的功能 1 、逻辑控制 2 、定时控制 3 、计数控制 4 、步进( 顺序) 控制 南京航空航天大学硕b 学位论文 5 、p i d 控制 6 、数据控制 7 、通信和联网 8 、其它，如：定位控制模块，c r t 模块。 2 3 系统的基本构成 r _ ： 叫! ! ! ! ! ! ：i 图2i 系统基本结构框图 圈2 1 给出了系统的基本结构框图： 1 、中央处理单元( c p u ) 中央处理单元( c p u ) 是系统的控制中枢。它内部集成有定时器、中断控制器、 加法器、乘法器等功能模块，中央处理器协调各功能模块执行程序。中央处理 器顺序执行应用程序，扫描i o 输入模块，将数据写人i o 映像寄存器：分析输 入的状态，根据应用程序给出相应的输出控制。 2 、程序存储器 存放系统应用软件的存储器。 3 、数据存储器 数据存储器用来存放中间变量，保存系统数据如：i o 映像输入输出数据。 q 、电源 电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可靠得电源 系统是无法正常工作的。一般交流电压波动在+ 1 0 ( + 1 5 ) 范围内，可以不采取 多功能工业控制器的研制 其它措施而将系统直接连接到交流电网上去。 5 、输入输出模块 ( 1 ) 数字量( 开关量) 接口 用作系统与外部开关量信号之间的接日。它完成诸如电平转换、电气隔离、 串并行数据转换以及对外提供一定的驱动能力等工作。数字r o 讯号常来自按 钮、开关和继电器触点等实际开关量，以及其它外设或受控对象送来的数字量。 ( 2 )模拟量接口 模拟量接口输入部分主要完成阻抗匹配、信号放大、信号滤波、 i v 变换、 v f 变换或者a d 变换等工作，以便将来自受控对象的各种信号转换成系统能 够处理的数字量。其输出部分主要实现阻抗匹配、功率放大、波形校正等功能。 在工业控制场合，模拟量也需要在电气上与内部系统隔离。 ( 3 ) 特殊功能模板 常见的特殊功能模板包括：高速计数板( 能满足i o o k h z 以上的计数或定时 要求) 、具有快速p i d 调节器的死循环控制模板、通讯模板等。 2 4 基于d s p 的设计方案 通常专用的工业控制器多用单片机来实现，因为单片机具有良好的控制特 性，而且现在的单片机发展速度也很快，不但集成了f l a s h 、r a m 、通用i 0 ，有 的单片机还集成了a d 、o a 等接口，有的单片机还采用了精简指令结构，速度 也有了很大的提高。但考虑到有时工业控制将相当复杂，如果控制的运算量相 当大时，单片机就显得有些力不从心了。 为了尽可能的考虑到多种情况，同时为了能够满足系统扩展的需要，本设 计采用t i 最新推出的、一款号门片j 于工业控制的d s p ( t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ) 作为系统 的c p u 。这款d s p 芯片的时钟可到达1 5 0 m h z ，不仅集成了大容量的f l a s h 、r a m ， 还集成了专门用于工业控制的事件处理模块，能够方便的实现对马达和其他工 业设备的控制。而且由于d s p 集成了专用的乘法指令，所以有很强的数据处理能 力，这也是传统单片机所无可比拟的。 南京航空航天大学硕十学何论文 圈2 2 系统功能组成 图2 2 给出了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心c p u ，系统的功能组成。它包括：开关量 输入输出、模拟量输入输出、l e d 模块和通讯模块。第三章将详细给出各个功能 模块的设计。 2 5 系统的主要性能指标 数字量输入范围：a c 2 4 v a c i i5 v ，频率 o 1 模拟量输出范围：l o v 或4 2 0 m a ，频率 o 1 串口通信接口：r s 2 3 2 和r s 4 8 5 多功能工业控制器的研制 第三章硬件电路设计 3 。1o s p 芯片基本结构 3 1 1 什么是d s p 芯片 d s p 芯片，也称数字信号处理器芯片，是一种具有特殊机构的微处理器。d s p 芯片的内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采 用流水操作，提供特殊的d s p 指令，可以快速地实现各种数字信号处理算法。 根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下主要特点“： ( 1 )在一个指令周期内可以完成一次乘法和一次加法。 ( 2 )程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 ( 3 )片内具有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线同时访问 两块芯片。 ( 4 )具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 ( 5 )快速的中断处理和硬件i o 接口支持。 ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 ( 7 ) 可以并行执行多个操作。 ( 8 )支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 3 1 ，2d s p 芯片的基本结构 吣p ：出片的基本结构包括“”： ( 1 ) 哈佛结构哈佛结构的主要特点使将程序和数据存储在不同的存储空 m 中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，对每个存 储器独立编址，独立访问。与两个存储器相对应的是系统中设置了程序 总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一倍。由于程序和数据存 储在两个分开的空间中，因此取指和执行能完全重叠进行。 ( 2 ) 流水线操作流水线与哈佛结构有关。d s p 芯片广泛采用流水线，以减 少指令执行的时间，从而增强了处理器的处理能力。处理器可以并行处 理2 4 条指令，每条指令处于流水线的不同阶段。图3 1 所示为一个四 级流水线的例子。 ( 3 ) 专用的硬件乘法器由于具有专用的应用乘法器，乘法可以在一个指令 周期内完成。乘法速度越快，i ) s p 的性能越高。 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 4 ) 特殊的d s 时旨令。 ( 5 ) 快速的指令周期哈佛机构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的 d s p 指令，加上集成电路的优化设计，可以使d s p 芯片的指令周期在5 0 n s 以下，现在高档的d s p 指令周期可以到达5 n s 。 叫钟 取指 译码 取操作数 执行 厂 厂 厂 厂 nn + ln + 2n + 3 n lnn + ln + 2 n - 2n 一1nn + l n - 3n 一2n 1n 图31 四级流水线操作 3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 控制器简介 3 2 1 基于控制领域的应用 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 是为了满足工业控制应用而设计的。通过把一个高性能的 d s p 内核和处理器的片外设备集成为一个芯片的方案，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 成为传 统的微控制单元( m c u ) 和昂贵的多片设计的一种廉价替代产品。1 3 5 m 条指令 s ( 1 3 5 m i p s ) 的处理速度( 当内核供电为1 9 v h i 可达1 5 0 m i p s ) ，使t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 可以提供远远超过传统的1 6 位微控制器和微处理器的性能。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的3 2 位定点d s p 内核为模拟系统的设计者提供了一个不牺 牲系统精度和性能的数字解决方案。实际上，对那些诸如自适应控制、卡尔曼 滤波和状态挖制等技术，通过使用先进的控制算法，系统的性能会得到提高。 l m s 3 2 0 1 ：2 8 1 2d s p 提供了高可靠性和可编程性。 3 2 2t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点和资源 采用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 3 v ，减小了控制器的功 耗；1 5 0 m i p s 的执行速度使得指令周期缩短到6 6 7 n s ( 内核供电1 8 v 时为 1 3 5 m i p s ) ，从而提高了控制器的实时控制能力； 高性能的3 2 位c p u 多功能_ 业控制器的研制 2 可以进- 3 i q 6 16 位的m a c 和3 2 3 2 位的m a c 操作 双路的1 6 1 6 位的m a c 操作 采用哈佛总线结构 快速的中断响应和处理 统一的内存设计模式 4 m 的程序地址和数据地址空间 在使用c c + + i i 汇编时都具有很高的效率 代码与t m s 3 2 0 f 2 4 0 处理器兼容 片内存储空间 f l a s h ：1 2 8 k x1 6 的f l a s h 空间( 4 个8 k 1 6 段和6 个1 6 k 1 6 段) r o m ：1 2 8 k 1 6 的r o m j o t pr o m ：l k 1 6 l o 、i 。1 ：每块都是4 k 1 6 ( s a r a m ) h o ：8 k 1 6s a r a m m o 、m i ：每块都是1 k 1 6 ( s a r a m ) b o o tr o m ( 4 k 1 6 ) 包含内部的启动软件 集成了数学函数表 外部扩展 可以扩展至1 m 的内存空间 对每块内存空间分别设置等待周期 可以设置读写时间 有三个独立的片选信号 有个三外部中断 时钟和系统控制 可调的p l l 支持 片内晶振 看门狗设置 外围中断扩展模块( 支持4 5 个外围中断) 1 2 8 一b it 的密码空间 三个3 2 位的计数器 南京航空航天大学硕士学位论文 马达控制接口( 两个事件管理器e v a 、e v b ) 串行接口 串行接口( s p i ) 两个串行通讯接口( s c i ) ，标准的u a r t 接口 一个e c a n 总线控制 多通道缓冲串口( m c b s p ) 1 6 通道的1 2 b i ta d c 两个8 通道多路选择器 两个采样保持电路 可以单独或同时采样 采样速度可达8 0 n s 1 2 5 m s p s 最多可达到5 6 个独立的通用输入输出接口( g p i o ) “” 3 2 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 系统结构 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 包括：c 2 8 xc p u 内核、存储空间、外部扩展接口( 1 9 根地址线、 1 6 根数据线和控制总线) 、通用输入输出接口、a d c 输入模块、时钟控制模块、 计数模块、特殊功能模块( 如：s p i 、s c i 、m c b s p 、e c a n 、e v a e v b ) 等组成。 如图3 。2 所示。2 8 1 多功能工业控制器的研制 团m 岍自e * “_ “m ：然鬈卷揽黜徽 l o n c 站“出岫i n 6 町p i ir e 幽t “训h 似x 博“o 吐时r o n 圈3 2t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的功能结构框图 3 2 4t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的存储空间 图3 3 给出了t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 的内存分布图。m o 向量空问、p i e 向量空间、 f l r o m 向量空间和x i n f 向量空间在同一时刻只能有一个被使用。它们由 v m a p 、m p m c 、e n p l e 来控制：v m a p = 0 选择彬o 向量；v m a p = 1 、 e n p i e = 1 选择p 饱向量；v m a p = 1 、脚m c = 0 、e n p i e = 0 选择b r o m 向 量：v m a p = l 、脚埘= 1 、e n p i e = 0 选择x i n f 向量。b o o t r 讲，和x t n f z o n e7 在同一时刻也只能有一个被使用，在上电复位的时候如果m p m c = 1 南京航空航天大学硕十学位论文 则程序从肼fz o n e7 开始执行：反之，如果m p m c = 0 则从b o o tr o m 丌 始执行程序，一旦复位后， 护m c 可以由软件置1 ，这样x 1 n fz o n e7 还可 以被使用。p e r i p h e r a l f r a m e0 、1 、2 只能用于数据存储，而不能被用作程序 存储器。z o n eo 和z o n el 、z o n e6 和z o n e7 的片选信号是连在一起的。 “r e s e r v e d ”表示该区域暂时没有被使用，而是为了以后设计保留的空间。瞳们 “? ： o n a - m ”ve d m x l m 图3 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的存储空间分布 3 3 开关量输入硬件设计 由于系统用于工业控制的场合，通常环境相当恶劣，这就要求在电路设计的 时候考虑到抗干扰的问题，所以我们采用隔离的设计思想，将外部的输入信号 和内部的数据信号用光耦隔离开来。图3 4 给出了基本的开关量隔离输入原理 多功能工业控制器的研制 图。 4 c c 例3 4 开关量信号输入 其中d 1 为双向光耦，本文以t o s h i b a 的四输入双向光耦t l p 6 2 0 4 为例。图3 5 和表3 1 分别给出t t l p 6 2 0 4 的输入输出特性和开关特性“”。因为d 1 的输入导 通电压阿：i v ，所以：v i n r i 。v f + v f ： 代2 取：r = 4 ，3 k q ，r = 6 8 0 f l ； 则：“卸3 矿； 同h , 寸d 1 的输入电流i f = 5 0 m a ；由图3 5 可知：v f “1 3 矿 v i n = v f + 鬃+ i f ) x 纠3 + + 5 0 x l o - 3 ) x 4 3 1 0 3 翊4 义因为d 1 为双向导通的，所以： 7 3 v v i n 2 2 4 5 v 一2 2 4 5 o 7 v 时，q 2 导通，这时对输出具有很大的吸入电流的驱动能力。其实q 1 、 q 2 组成了个达林顿，具有很强的驱动能力。k l 为单触点继电器，它可以通过 2 a 2 2 0 v 的电流。继电器触点释放的时候会产生很大的方向电压，叭在继电器产 生反向电压的时候起到旁路的作硝，这样就能保护内部电路不受损坏。 d 1v c c 图3 7 开关量信号输出 事实上。不需要对每路输出都采用上述电路驱动，u i 。n 2 8 0 3 就可以完成对8 路继电器输出的驱动控制，u l n 0 3 是8 路达林顿管吸入电流驱动芯片。图3 8 给 出了系统输出控制的框图。 多功能工业控制器的研制 开关量信号输出 图3 8 开关信号输出框图 3 5 模拟信号输入的硬件设计 3 5 ，1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带a d c 模块的模拟输入 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带1 6 路模拟信号输入通道，它被分配成两个8 通道的端口， 分别是端口a 和端口b 。这两个端口也可以连接在一起使用，作为个1 6 通道的 端口。尽管输入的通道为1 6 个，但真正的a d 转换模块只有一个。图3 9 给出了 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a d c 模块的框图。 两个8 通道端口可以自动的完成转换功能，并且通过多路模拟选择器( m u x ) 可以选择任何一个输入通道。在重合模式下，两个8 通道端口作为个1 6 通道端 ll ，自动时序功能模块可以对每一个通道进行选择采样，并且将采样的数据值 分别存入相应的a d c r e s u l t 寄存器。自动采样功能对每个通道的采样速率是 样的，允许用户实现过采样算法。这样能比传统单个采样更快的得到结果。 由图3 9 可知，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 的a d c 模块具有如下功能： 1 ) 个1 2 b i t 的a d c ，两个采样保持模块 2 ) 可以工作在同时采样和顺序采样方式 3 ) 模拟输入的范围为：o 3 v 4 ) 最快的采样时钟为2 5 m i i z ，也就是1 2 5 s p s 5 ) 1 6 通道输入 6 ) 自动顺序采样功能可以一下子完成最多1 6 通道的采样，每次采样可以设 置为l 到1 6 路通道。 7 ) 可以作为两个8 通道使用也可以作为一个1 6 通道使用，有1 6 个结果寄存 南京航空航天人学硕七学位论文 器可以存储采样结果：d v = 4 0 9 6 v , , - a d c l o 图3 9t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a d c 框图 可以通过t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 方便的实现多路模拟信号的采集，如果简单的将外部 模拟输入信号变化为0 3 v 的信号，一般情况下也能满足设计的要求，同时也能 简化1 乜路的设计并能降低设计的成本，但是考虑到利用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带的a d c 不能完全将模拟信号和内部的数据信号隔离开来，这也就不能满足系统设计的 要水。“” 3 5 2 线性光耦隔离的模拟量输入 如果在模拟信号接, x t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 之前加入线性隔离就能将外部模拟信号 和内部的数据信号在电气上完全隔离开来，从而能够到达很强的抗干扰的效果， 实现设计系统的要求。这里以h p 的h c n r 2 0 0 为例。h c n r 2 0 0 是惠普公司新推出的 一款线性隔离光耦，非线性度小于0 0 1 ，最大隔离电压为8 k v ，最大的带宽超 多功能工业控制器的研制 过1 m 。 图3 1 0 给出- ) h c n r 2 0 0 的框图。其中1 、2 为信号输入端；3 、4 为反馈输出； 5 、6 为a a a 。图3 1 1 和图3 1 2 分别给出了单极性和双极性信号输入下的电原 理图。1 l e o a d e ”p d “1a n 。0 0 1 1 5 e0 舻1 d 1o j i。惫：1i：。p，。ill：。c6。t。h。o。de r 圈3 1 0h c n r 2 0 0 图3 儿单极性 h t t 毒翠轳 峨 叫p v 。u r 母， 占 幽3 1 2 双极性信号输入 南京航空航天大学硕士学位论文 通过线性光耦可以很好的将模拟信号隔离丌来，并能保证很好的线性度。但 是这种方法也存在着不足之处；1 ) 线性光耦能很好的把模拟电流信号隔离开柬， 但如果是电压信号时，线性光耦存在着截止区，这就需要把电压信号转变为电 流信号：2 ) 线性光耦的特性对温度很敏感：图3 1 3 给出了线性光耦的输入特性 和温度特性。 5 5 9 c r 4 0 0 c 2 5 c ， 8 铲c i0 0 。c ，- n o r h l a l i z e dt ok 1c t r a t i f = 1 0 i 仙t = 2 5 。c in vc v - 一1 v i ii f 。l t a = 2 铲c ! v c f o r w a r dv o l t a g e v o l t s v p d =1 5v j j ； ， ， r l 一 5 5嚣5拓6 5靶12 5 t a t e m p e r a t u r e 一4 c i r = 10 m a 卜、 - - 。 钮2 563 56 59 51 3 5 t a t e m p e r a t u r e 一。c 图3 1 3h c n r 2 0 0 的特性曲线 利用线性光耦隔离并使用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 自带的a d c 模块基本能完成系统的a d 输入功能。但是由于线性光耦存在着温度的影响，虽然利用温度补偿能够解决 这个问题，但这样会使电路比较复杂。同时由于模块化设计的要求，我们还是 采用另外一种方法实现系统的模拟信号的输入一数字隔离的方法，本文将着重 加 t堪著山一吕石80工n； r言pu口。一8hb工血-台签 伸 ” ” 协 ” 他 山qvloo芷萎石止ouj，k 多功能工业控制器的研制 介绍这种方法的实现。 3 5 3 数字隔离的模拟信号输入 。嬲j 盐圳p 翌卜匹互卜+ e 噩卜 三卜曰 图3 1 4 数字隔离模拟信号输入框图 将输入模拟信号( o 2 0 m a 的电流信号或一i o v + i o v 的电压信号) 转化为可 以被a d c 采样模块允许的电压范围之内( 一2 5 v + 2 5 v ) ，这里采用的1 2 b i ta d c ( t i 公司的a 1 ) $ 7 8 3 5 ) 将采样的1 2 位数据为串行输出的，通过光电隔离将外部 信号和内部信号在电气上隔离开来，将信号传输给c p l d ，由c p i 。d 完成串转并的功 能，再将并行数据通过数据总线传输给d s p 。 1 ) 模拟信号转换 c 2 酗3 1 5 模拟信号转换 图3 1 5 给出了将输入的模拟信号( o 2 0 m a 的电流信号或一l o v + l o v 的电压 信号) 转换成a d c 芯片能够采样的电压范围。其中v i n l 是电压输入信号，i l n l 为 电流输入信号，当输入为电流信号时将f i n l 和删l 连接在一起，这样在r 6 上就 产生( 0 l o v ) 的电压信号。d l 、0 2 起到钳位的作用，使得输入信号不会超出 一( ，+ 1 5 ) 矿( + 1 5 ) v 的范围，可以很好的保护内部元器件。r l 、r 2 起到分压 的作用，r 1 、c 5 形成r c 滤波，滤去输入的高频脉冲干扰。当输入信号经过一级 南京航空航天大学硕士学位论文 射级跟随后，再用一级放大电路将信号变换为一2 5 v + 2 5 v 之间，满足采样电 路的要求。r 4 、c 3 又起到平滑滤波的作用。最后将信号接入a d 采用芯片a d s 7 8 3 5 。 2 ) 采样隔离电路 图3 1 6 给出了采样隔离电路。a d s 7 8 3 5 是1 2 b i t 的模数转换芯片( a d ) ，内部 集成了采样保持电路，它的特性如下： 最大采样频率为5 0 0 k i i z 2 5 v 的内部基准电压 消耗功率为1 7 5 m w ( 采样速率为5 0 0 k h z 时) 单电源5 v 供电 串行接r 1 保证不丢码 m s o p 一8 的引脚 v r e f 的输入范围 工作温度为4 0 。c 8 0 0 c 图3 1 6 采样隔离电路 图3 1 7 给出了a d s 7 8 3 5 的结构框图，图3 1 8 则给出了基本工作方式下 a 9 5 7 8 3 5 的时序图。 。巨 多功能工业控制器的研制 c l r c o n v l u i ：f s j o ， o 图3 1 7a d s 7 8 3 5 的结构图 a d s 7 8 3 5 可以工作在几种不同的方式之下： 低功耗方式：在这种方式下，如果在两次采样间隔中间，采样开始信号c o n v 直保持为低电平，j j a d s 7 8 3 5 在完成最小位数据d 0 输出后，芯片进 入低功耗状态，直到下一次采样开始。所以在同样的采样速率的 情况下提高采样时钟就可以增加低功耗的时间，也就能降低系统 的功耗。图3 1 9 给出了这种方式下的时序图。 低位数据先输出：如果c o n v 信号在采样完成之前变成高电平( 1 2 个时钟周期之 前) ，并且