（计算机应用技术专业论文）基于MSP430的航空制冷控制专用系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 在工业自动化控制领域，p l c ( p r o 酉a m m a b l el o 西c a lc o n 仃o l l e r 可编程逻辑控 制器) 受到广泛应用的同时，基于s o c ( s y s t e i i lo nc h i p 片上系统) 的i p c ( i n d u s t r i a l p e r s o n a lc o m p u t e r 工业计算机) 开发越来越得到重视，相比p l c 而言，p c 系统 具有能耗低，速度快，体积小，针对性强，开发方便，成本低等显著特点。因此， 使用口c 代替p l c 实现工业自动化控制不但是可行的，还应该给予足够的重视。 本文针对工业自动化控制的航空制冷领域，设计开发了航空制冷控制专用系 统。在此系统中，采用了基于s o c 理念的m c u ( 微程序控制器) m s p 4 3 0 作为系 统的主控芯片，以内置t 6 9 6 3 c 控制单元的液晶显示模块作为系统显示单元，使用 r s 2 3 2 和r s 4 8 5 通信协议实现系统内外的数据通信，另外系统还采用了c h 3 7 5 u s b 控制芯片实现对u 盘移动存储的控制，使用p i d ( p r o p o n i o n a l1 1 1 t e 伊a t i n g d i 侬把n t i a l i o n 比例积分微分) 控制算法实现对系统加热模块的控制，设置了j t a g 接口，为后期及现场调试预留了调试接口，采用p r o t e l 专业绘制软件，设计实现系 统硬件电路。 程序的开发使用了l 堰e m b e d d e dw b r k b e l l c h 软件开发平台，采用了专用的嵌 入式c 语言作为程序开发的编程语言，设计实现系统软件编程。 本文首先对航空制冷控制专用系统的原系统构成逻辑，组成模块，所涉及使 用的主要技术进行了全面分析；然后对新方案所涉及的两项主要技术( s o c 和p d 控制算法) 进行了全面分析和研究，在p d 算法方面有针对性的进行了算法改进； 最后，对系统功能需求进行了详细分析整理，进行了整体规划设计，并最终实现 了硬件、软件，包括系统显示和主控两大模块。 通过本课题的实现，对i p c 应用于工业自动化控制的优缺点有了明确的把握， 对其在工业化境下的抗干扰技术和p i d 应用于温度控制，尤其在参数整定方面形 成了相关结论。 关键词：工业自动化控制，航空制冷控制专用系统，片上系统，比例积分微分控 制算法 a 泌妇c f a b s t r a c t i i lt 1 1 ef i e l do fh l d u s 仃ya u t o m a t i o 坞w i l i l ep l c ( p r o g r a l m a b l el o 西cc o n 昀l l 哪 i su s e dp 叩u 1 砌y ，i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) d e v e l o p m 毗b a s e do ns o c ( s y s t 锄0 n 伽p ) t e c h o l o 鼢h a s 舭a c t e dm o r e 砌m o r e 拣枷o n c 0 m p 撕n g t op l c ， 口cl 娜s om a n yo u t s t a l l d i n gs p 碱a l 坝w h i c hi n c l u d e sl o w e r g yc o n s u m i n 岛f a s t n m n i n gs p e e d ，s m a l ls y s t e m ，s 协) i 玛t 鹕e t 一嘶e n t e dw a mc o n v m e n td e v e l o p m e n t ，a 1 1 d 1 0 wc o s t n m s ，i ti sn o to n l yf e a s i b l eb u ta l s os h o u l dp a ys u 伍c i e n ta 位e n t i o nt o 吐l eu s e o f 口ci 1 1 s t e a do fp l cf o rh l d u s 仃ya u t o m a t i o n a i n l i n ga t 廿1 ef i e l do fa e r or e 衔g e r a t i o 玛衄sm e s i sd e s i g i l sa n d 血p l e m e i l t sa s p e d a ls y s t e mo fa e r or e 伍g e r a t i o nc o r l 仃0 1 h lm es y s t e m ，m c u ( m i c r o p r o g r a m i l l e d c o n 仃o lu i l i t ) m s p 4 3 0b a s e do ns o ct e c l l i l o l o g yi su s e da s 廿1 em a i l lc o n 们l l e ro ft 1 1 e s y s t e m ；l c dw i 也t 6 9 6 3 c n 缸o n e ri 】1 t e 舀a t e di 1 1i su s e da s 廿1 ed i s p l a ym o d u l e ； r s 2 3 2a n dr s 4 8 5a r eu s e da l sm ec 0 加m u n i c a t i o np r o t o c o l ；c h 3 7 5i su s e da sm eu s b c o r 血o l l e r ；p i d ( p r o p o r t i o n a l ，h l t e 蓼a t i n g ，d i f 】衙e n t i a t i o n ) c o n 缸d la l g o r i t h mi s1 l s e dt o h a l l d l e 吐1 eh e a t i n gm o d u l e f u r t l l e r m o r e ，j 1 a gi n t e r f a c ei sa d d e df o rs y s t 锄d e b u g p r o t e l l a y o u ts o f h a r ei su s e d h 1t h i sw a y m es y s 搬n a r ei sc a 耐e do u t i i l 1 es y s t 锄，l 垤e n l b e d d e dw b r l ( b e i l c h 锄dc l a i l g u a g cs p e c i a l l yo p t i m i z e df o r 锄b e d d e ds y s t e ma r eu s e dt oi m p l 锄e i l t 也es y s t e ms o 厅w a r e f i r s t l y ，t 1 1 ec o m p o n e n ：t sa n dl o 舀cu s e di 1 1 也eo l ds y s t e mo fa e r or e 酗g e r a t i o n c o n 缸d la r ea 1 1 a l y z e di 1 1 l e 廿l e s i s ；s e c o n d l y ，m oc o n c e m e dt e c l l l l o l o g y ，m c l u d i n gs o c a n dp i d ，a r eu s e di 1 1t h en e ws y s t 锄，s p e c i 6 e da 1 9 0 r i t l l l l l i i i l p r o v e m e n ti sb r o u g h t f 0 州o r do np i d ；f i i l a l l y s y s t 锄r e q u i r e m e n t sa r es t u d i e d ，a i l di t ss t m c t u r ei sd e s i 印e d 7 i kw h o l es y s t e m ，迅d u d i n g 似om a i nm o d u l e s ，d i s p l a ya n dc 0 n 们l ，i sc 栅e do u t 台d m h a r d w a l et o ls o n w 砌e f r o mm ep r o j e c t ，s e v e r a lr e s u l t sa r ec o n c i u d e d ，m c l u d m gm e 水i v a n t a g e sa 1 1 d d i s a d v a n t a g e s ，a n 矗- j a n u n i l l gt e c l m o l o g yo fi p c sa p p l y i n gi nt h ef i e l do fi n d u s t 巧 a u t o m a t i o n ，p dt e c h n o l o g y s 印p l y 血gi nt 锄p e r 撕爬c o n 们lo np a r a m e t e rs 甜i n g s k e y w o r d s ：h l d u s 仃ya u t o m a t i o n ，s p e c i a ls y s t 锄o fa e r or e 伍删i o nc o n 们l ，s o c ， p i d i i 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 为获得电子科技大学或其它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。 聊年厂月2 妇 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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。本人授权电子科技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应遵守此规定) 二 签名：三匦址导师签名：憋 日期：矽万年厂月2 日 第一章引言 1 1 项目背景和价值意义 第一章引言 工业生产过程中广泛应用了工业控制自动化技术，来实现对工业生产过程的 检测、控制、优化、调度、管理和决策，以达到提高产品品质和产量、降低生产 消耗、确保安全等目的。控制理论、仪器仪表、计算机和其它信息技术的应用， 极大地推进了工业控制自动化技术的发展。工业自动化体系主要包括工业自动化 软件、硬件和系统三大部分。作为2 0 世纪现代制造领域中最重要的技术之一，工 业控制自动化技术主要解决生产效率与一致性问题。自动化系统与计算机信息科 学的紧密结合，给工业生产过程带来了新的技术革新。 民用航空的地勤服务领域涉及到大量的工业控制。它们在信息技术飞速发展 的今天，向着信息化、自动化控制的方向快速的发展，是工业自动化控制应用的 重要领域之一。民用航空控制领域，涉及技术先进，仪器仪表精密，成本高昂， 服务质量要求苛刻，工作环境变化大，对其控制技术提出的很高的要求。采用传 统技术，不能很好的满足其高性能要求，因此针对该领域的信息化、自动化控制 技术得以相当的重视，并快速的发展，已存在相当丰富的软硬资源和成熟的产品。 在航空制冷控制方面，广泛采用的一个成熟产品为p l c ，即可编程逻辑控制 单元。p l c 作为一个通用的成熟的产品，具有通用性强、使用方便、适应面广、 可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。它在工业自动化控制特别是顺序控 制中占有显著的地位。 而在工业自动化体系中，还有一个重要的角色就是工业控制计算机，即i p c ， 或者叫产业p c 。工业控制计算机是工业自动化设备和信息产业基础设备的核心。 传统意义上，将用于工业生产过程的测量、控制和管理的计算机统称为工业控制 计算机，包括计算机和过程输入、输出通道两部分。但今天的工业控制计算机的 内涵已经远不止这些，其应用范围也已经远远超出工业过程控制。 工控机之所以大受欢迎，其根本原因在于p c 机的开放性。其硬件和软件资 源极其丰富，并且为工程技术人员和广大用户所熟悉。基于p c 的( 包括嵌入式 p c ) 控制系统，正以2 0 以上的速率增长，并且已经成为d c s 、p l c 未来发展 的参照物。 电子科技大学硕士学位论文 工业控制计算机在工业自动化中的重要意义在于如下几个方面： 首先是工业控制计算机技术是开放式的系统，其高可靠性、易用性促进了在 工业环境的使用，并且在其基础上发展起来的网络化和现场总线技术又进一步促 进了工业自动化的发展。工业控制计算机可谓是工业自动化发展的源动力。 其次，口c 建立的系统可以显著提高企业的生产效益，节约运营成本，使生 产企业得以实现深层次的信息化，对企业管理提供准确可靠的参考，使企业得以 取得最大的效益，赢得发展先机。 最后，更深层面上来讲，口c 是目前阶段满足我国工业自动化改造与创新发 展的一个强大的动力，推动了国民经济各个行业的发展，使我国向信息化的方向 迈向前进。 1 2 工业控制自动化行业的技术发展潮流 1 p l c 向微型化、网络化、p c 化和开放性方向发展。 长期以来，p l c ( p r 0 簪a m m a b l el o 西cc o n 仃0 1 1 e r ) 始终处于工控自动化领域 的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与d c s 和工 业p c 形成了三足鼎立之势。同时，p l c 也承受着来自其它技术产品的冲击，尤 其是工业p c 所带来的冲击。 微型化、网络化、p c 化和开放性是p l c 未来发展的主要方向。在基于p l c 自动化的早期，p l c 体积大而且价格昂贵。但在最近几年，微型p l c ( 小于3 2i o ) 已经出现，价格只有几百欧元。随着软p l c ( s o rp l c ) 控制组态软件的进一步 完善和发展，安装有软p l c 组态软件和p c b a s e d 控制的市场份额将逐步得到增 长【。 2 面向测控管一体化设计的d c s 系统。 小型化、多样化、p c 化和开放性是未来d c s ( d i s t r i b u t e dc o n 仃o ls v s t e m ) 发展的主要方向。目前小型d c s 所占有的市场，已逐步与p l c 、工业p c 、f c s 共享。今后小型d c s 可能首先与这三种系统融合，而且“软d c s ”技术将首先 在小型d c s 中得到发展。p c - b a s e d 控制将更加广泛地应用于中小规模的过程控 制，各d c s 厂商也将纷纷推出基于工业p c 的小型d c s 系统。开放性的d c s 系 统将同时向上和向下双向延伸，使来自生产过程的现场数据在整个企业内部自由 流动，实现信息技术与控制技术的无缝连接，向测控管一体化方向发展【l 】。 2 第一章引言 3 控制系统正在向现场总线f c s 方向发展。 由于3 c ( c o m p u t e r 、c o n 仃o l 、c o m m u n i c a t i o n ) 技术的发展，过程控制系统 将由d c s 发展到f c s ( f i e l d b u sc o n 仃o ls y s t e i l l ) 。f c s 可以将p i d 控制彻底分散 到现场设备( f i e l dd e v i c e ) 中。基于现场总线的f c s 又是全分散、全数字化、全 开放和可互操作的新一代生产过程自动化系统，它将取代现场一对一的牝0 i i 认 模拟信号线，给传统的工业自动化控制系统体系结构带来革命性的变化。 根据i e c 6 1 1 5 8 的定义，现场总线是安装在制造或过程区域的现场装置与控 制室内的自动控制装置之间的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。现场 总线使测控设备具备了数字计算和数字通信能力，提高了信号的测量、传输和控 制精度，提高了系统与设备的功能、性能。 采用现场总线技术构造低成本的现场总线控制系统，促进现场仪表的智能化、 控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统的技术发展趋势。计算机 控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控 制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统( d c s ) 后，将朝着现场总线控 制系统( f c s ) 的方向发展【l 】。 4 仪器仪表技术向数字化、智能化、网络化、微型化方向发展。 经过五十年的发展，我国仪器仪表工业已有相当基础，初步形成了门类比较 齐全的生产、科研、营销体系。2 0 0 1 年8 月，国家计委把仪器仪表明确列为国民 经济重要技术装备，国家经贸委制定并公布的仪器仪表行业“十五”规划，确立 了6 项高技术产业化项目： 基于现场总线技术的全开放分散控制系统及智能仪表； 新型传感器； 智能化工业控制部件与执行机构； 环境与污染源监测仪器及自动监测系统； 城市污水处理利用成套工艺设备中的仪表自动化控制系统； 炼钢转炉煤气净化回转成套装置中的仪表自动化控制系统。 今后仪器仪表技术的主要发展趋势：仪器仪表向智能化方向发展，产生智能 仪器仪表；测控设备的p c 化，虚拟仪器技术将迅速发展；仪器仪表网络化，产 生网络仪器与远程测控系统【。 5 数控技术向智能化、开放性、网络化、信息化发展。 就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4 种类型： 传统数控系统 电子科技大学硕士学位论文 “p c 嵌入n c 结构的开放式数控系统 “n c 嵌入p c 结构的开放式数控系统 s o f t 型开放式数控系统 国外数控系统技术发展的总体发展趋势是：新一代数控系统向p c 化和开放 式体系结构方向发展；驱动装置向交流、数字化方向发展；增强通信功能，向网 络化发展；数控系统在控制性能上向智能化发展。 智能化、开放性、网络化、信息化成为未来数控系统和数控机床发展的主要 趋势：向高速、高效、高精度、高可靠性方向发展；向模块化、智能化、柔性化、 网络化和集成化方向发展；向p c - b a s e d 化和开放性方向发展；出现新一代数控加 工工艺与装备，机械加工向虚拟制造的方向发展；信息技术( 玎) 与机床的结合， 机电一体化先进机床将得到发展；纳米技术将形成新发展潮流，并将有新的突破； 节能环保机床将加速发展，占领广大市场【l 】。 6 工业控制网络向有线和无线相结合方向发展。 在工业现场，一些工业环境禁止、限制使用电缆或很难使用电缆，有线局域 网很难发挥作用，因此无线局域网技术得到了发展和应用。随着微电子技术的不 断发展，无线局域网技术将在工控网络中发挥越来越大的作用。 无线局域网( w i r e l e s sl a n ) 技术可以非常便捷地以无线方式连接网络设备， 人们可随时、随地、随意地访问网络资源，是现代数据通信系统发展的重要方向。 无线局域网可以在不采用网络电缆线的情况下，提供以太网互联功能。在推动网 络技术发展的同时，无线局域网也在改变着人们的生活方式。 在工业自动化领域，有成千上万的感应器，检测器，计算机，p l c ，读卡器 等设备，需要互相连接形成一个控制网络，通常这些设备提供的通信接口是 r s 2 3 2 或r s 4 8 5 。无线局域网设备使用隔离型信号转换器，将工业设备的r s 2 3 2 串口信号与无线局域网及以太网络信号相互转换，符合无线局域网i e e e8 0 2 1 1 b 和以太网络i e e e8 0 2 3 标准，支持标准的t c p 仰网络通信协议，有效的扩展了 工业设备的联网通信能力。 计算机网络技术、无线技术以及智能传感器技术的结合，产生了“基于无线 技术的网络化智能传感器 的全新概念。这种基于无线技术的网络化智能传感器 使得工业现场的数据能够通过无线链路直接在网络上传输、发布和共享。无线局 域网技术能够在工厂环境下，为各种智能现场设备、移动机器人以及各种自动化 设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构，在一些特殊 环境下有效地弥补了有线网络的不足，进一步完善了工业控制网络的通信性能【1 1 。 4 第一章引言 7 工业控制软件向先进控制方向发展。 工业控制软件作为一种应用软件，是随着p c 机的兴起而不断发展的。工控 软件主要包括人机界面软件，基于p c 的控制软件以及生产管理软件等。 作为工控软件的一个重要组成部分，国内人机界面组态软件研制方面近几年 取得了较大进展，软件和硬件相结合，为企业测、控、管一体化提供了比较完整 的解决方案。在此基础上，工控软件将从人机界面和基本策略组态向先进控制方 向发展。 先进过程控制a p c ( a d v a n c e dp r o c e s sc o n 的1 ) 目前还没有严格而统一的定 义。一般将基于数学模型而又必须用计算机来实现的控制算法，统称为先进过程 控制策略。如：自适应控制、预测控制、鲁棒控制、智能控制( 专家系统、模糊 控制、神经网络) 等。 在未来，工业控制软件将继续向标准化、网络化、智能化和开放性发展方向 【1 1 。 1 3 本文研究内容 航空制冷控制专用系统是一个主要应用于民用航空地勤服务领域，针对飞机 动力设备，以温度、压力等环境因素控制、设备调整、故障排查、系统监控为主 的工业自动化感应、控制系统。其控制部分原采用s i 锄e n ss 7 2 0 0p l c ( p r o g r a m 珈a b l el o 百c a lc o r l 仃0 1 l e r ) 单元，连接各种压力、温度传感器，发动机， 控制设备，根据传感器采集的数据，人机指令，分析结果，产生相应的温度，压 力控制、设备工作逻辑、器件运行指令，并与其它现场设备通讯数据，人机交互。 t i ( t e x a l si i l s 仉l i l l e n t s ) m s p 4 3 0 系列是一个1 6 位的精简指令架构，超低功耗 类型的m c u ( m i c r oc o n 仃o l l e ru i l i t ) ，有大量的工作寄存器和数据存储器，其r a m 单元也可以实现运算。并将大量的外围模块整合到片内，有丰富的不同型号的可 供选择，特别适宜以其为核心，基于s o c 的基本思想，设计实现其它专用控制系 统。 此项目主要计划使用t im s p 4 3 0 系列m c u ，基于s o c 设计实现航空制冷控 制专用系统，实现s 7 2 0 0p l c 绝大部分功能，用于替代传统工控系统中的p l c 单元实现对整个系统的设置、调整、监控，以减小对国外原厂的技术依赖，降低 产品成本，增强自主性以及在行业中的竞争能力。 在本项目中需要解决实现的主要内容及目的包括如下： 电子科技大学硕士学位论文 1 、需求分析，了解系统所基于的硬软资源，所需要实现的具体功能，包括： 系统整体所需实现功能； 系统工作的实际环境以及其对设计所带来的特殊性要求。 2 、系统分析，分析系统流程与功能，项目可行性，设计实现的重点、要点、 难点： 系统整体运行流程； 系统模块的划分、硬件结构及其所实现的基本功能； 各模块间联系通信的内容、方式、方法； 各模块与p l c 控制单元的连接、控制方式，信号的组织、通信方式； p l c 与其它现场设备所需通讯信息( 包括数据、控制两种) ，及该信息在 系统中的数据结构、所采用的通信协议( p p i ，p o i n tt op i n t ) ： 研究系统硬件部分中的模拟电路、数字电路、电源电路和j t a g 接口电路 的设计； 探讨使用片上系统进行数字、模拟信号采集、处理的可行性； s o c 与p c 及其它设备通信的方式方法。 3 、设计实现，以m s p 4 3 0 系列m c u 为核心，开发相应的硬件、软件，实现 整个控制系统： 主控模块对各传感数据和人机指令的采集； 显示模块对采集数据、人机指令的回显； 采集数据的存储： 控制逻辑的具体实现； 主控模块与显示模块的正确可靠通讯。 1 4 本文组织结构 第一章引言 描述项目背景及意义；介绍工业控制自动化的现状和潮流；以及本文所研究 的主要内容。 第二章主要技术综述 简介工业控制领域主流技术；详细分析本课题主要涉及的两项重要技术：片 上系统思想( s o c ) 和比例积分微分控制算法( p d ) 。 第三章系统需求分析及总体设计 6 第一章引言 对原系统进行概述，对其功能需求进行详细分析，在此基础之上对系统进行 硬件设计和软件功能的划分设计。 第四章系统设计与实现 对系统的显示模块和主控模块的设计方案、功能分析、模块划分、设计实现 过程进行详细介绍。 第五章系统调试与现场测试 介绍系统调试的方法步骤，现场测试的方案，并对结果进行总结说明。 第六章总结 总结介绍本文的主要工作内容，并阐述在此课题中得到的结论，主要包括p d 和口c 应用的两个方面，另还对系统存在的不足，可能的改进方向做了思考。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 工控机主要产品 第二章主要技术综述 工控机的主要产品包括有： 1 p l c ( p r o g r a m m a b l el o 西cc o n 乜d l l e r ) ，可编程逻辑控制器，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、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟 式输入输出控制各种类型的机械或生产过程【l 】【2 】o 2 d c s ( d i s 埘b u t e dc o n 仃0 1s v s t e m ) ，集散型控制系统。在模拟量回路控制 较多的行业中广泛使用，可以尽量将控制所造成的风险分散，并将管理和显示功 能集中【3 j 【4 1 。 3 i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) ，一种加固的增强型个人计算机，它可 以作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。由于口c 的性能可靠、软件丰富、 价格低廉，工控机中异军突起，后来居上，应用日趋广泛【5 】【6 1 。 4 f c s ( f i e l d b u sc o n 们ls v s t e m ) ，现场总线控制技术，核心在于总线协议， 即总线标准，基础是数字智能现场装置，本质其实就是信息处理现场化【7 】【引。 5 r 1 u ( r e m o t et e 衄i n a lu 血t ) ，全称为远程终端控制系统，负责对现场信号、 工业设备的监测和控制。主要特点有：通讯距离较长；适用于各种恶劣的工业现 场；模块结构化设计，便于扩剧9 】【1 0 1 。 在本课题中，主要涉及的是s o c 技术、基于该技术的主流m c um s p 4 3 0 ，以 及运用于其上的p i d 控制算法，下面对它们加以详细分析。 2 2s o c 技术 s o c ( s y s t 锄o nc h i p ，片上系统) 是a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i 丘c h l t e g r a t e d c i r c u i t s 专业集成电路解决方案) 设计方法学中的新技术，是指以嵌入式系统为核 心，以口复用技术为基础，集软、硬件于一体，并追求产品系统最大包容的集成 芯片。狭义些理解，可以将它翻译为“系统集成芯片”，指在一个芯片上实现信号采 集、转换、存储、处理和i 0 等功能，包含嵌入软件及整个系统的全部内容；广义 8 第二章主要技术综述 些理解，可以将它翻译为“系统芯片集成”，指一种芯片设计技术，可以实现从确定 系统功能开始，到软硬件划分，并完成设计的整个过程。 从技术层面上看，以下几个方面推动了s o c 技术的发展： 1 微电子技术的不断创新和发展。其特点为：工艺特征尺寸越来越小、芯片 尺寸越来越大、单片上的晶体管数越来越多、时钟速度越来越快、电源电压越来 越低、布线层数越来越多、i o 引线越来越多。这使得将包括的微处理器、存储器、 d s p 和各种接口集成到一块芯片中成为可能。 2 计算机性能的大幅度提高，使很多复杂算法得以实现，为嵌入式系统辅助 设计提供了物理基础。 3 e d a ( e 1 e c 仃0 i l i cd e s i 盟a u t o m a t i o n ，采用c a d 技术进行电子系统和专用 集成电路设计) 综合开发工具的自动化和智能化程度不断提高，为嵌入式系统设 计提供了不同用途和不同级别的一体化开发集成环境。 4 硬件描述语言h d l ( h a r d w a r ed e s 研p t i o nl a j l g u a g e ) 的发展为电子系统设 计提供了建立各种硬件模型的工作媒介【1 1 】【1 2 1 。 2 2 1ip 复用技术 s o c 的设计基础是( i n t e l l e 曲l a l i ? r o p e r t y ) 复用技术。s o c 芯片需要集成一 个复杂的系统，这导致了它具有比较复杂的结构，如果是从头开始完成芯片设计， 显然将花费大量的人力物力。为了加快s o c 芯片设计的速度，人们将已有的i c 电 路以模块的形式，在s o c 芯片设计中调用，从而简化芯片的设计，缩短设计时间， 提高设计效率。这些可以被重复使用的i c 模块就叫做p 模块( 或者系统宏单元、 芯核、虚拟器件) 。 i p 模块是一种预先设计好，已经过验证，具有某种确定功能的集成电路、器 件或部件。它有3 种不同形式：软口核( s o ri pc o r e ) 、固口核( 矗彻i pc o r e ) 和 硬口核( h 莉i pc o r e ) 【1 3 】 1 4 】。 1 软口核 软口核主要是基于i p 模块功能的描述。它在抽象的较高层次上对i p 的功能 进行描述，并且已经过行为级设计优化和功能验证。它通常以h d l 文档的形式提 交给用户，文档中一般包括逻辑描述、网表，以及一些可以用于测试，但不能物 理实现的文件。使用软p ，用户可以综合出正确的门电路级网表，进行后续结构 设计，并借助e d a 综合工具与其他外部逻辑电路结合成一体，设计出需要的器件。 9 电子科技大学硕士学位论文 虽然软口的灵活性大，可移植性好，但同硬i p 相比，因为它不含有任何具体的物 理信息，所以如果后续设计不当，很可能导致设计失败。另外，后续的布局布线 工作也将花费大量的时耐1 5 j 。 2 硬口核 硬口核主要是基于口模块物理结构的描述。它提供给用户的形式是电路物理 结构掩模版图和全套工艺文件，是可以拿来就用的全套技术。其优点为，完成了 全部的前端和后端设计，已有固定的电路布局和具体工艺，可以确保性能，并缩 短s o c 的设计时间。但因为其电路布局和工艺是固定的，同时也导致了灵活性较 差，难以移植到不同的加工工艺。 3 固口核 固核主要是基于d 模块结构的描述，可以理解为介于硬口和软i p 之间的 i p 核。固i p 一般以门电路级网表和对应具体工艺网表的混合形式提交用户使用。 以便用户根据需要进行修改，使它适合某种可实现的工艺流程。近年来电子产品 的更新换代周期不断缩短，而系统芯片的复杂程度却在增长，为了缓和这一矛盾， s o c 设计普遍采用基于i p 模块的设计方法。因为口模块是预先设计好的，并通过 了验证，设计者可以把注意力集中于整个系统，而不必考虑各个模块的正确性和 性能，这除了能缩短s o c 芯片设计的时间外，还能降低设计和制造成本，提高可 靠性。口重用技术使芯片设计从以硬件为中心，逐渐转向以软件为中心，从门级 的设计，转向口模块和m 接口级的设计【1 6 1 【17 1 。 2 2 2s o c 技术的优缺点 s o c 具有以下几方面的优势： 1 降低耗电量：随着电子产品向小型化、便携化发展，对其省电需求大幅提 升，由于s o c 产品多采用内部讯号的传输，可以大幅降低功耗； 2 减小体积：数颗i c 整合为一颗s o c 后，可有效缩小电路板上占用的面积， 达到重量轻、体积小的特点； 3 丰富系统功能：随微电子技术的发展，在相同的内部空间内，s o c 可整合 更多的功能元件和组件，丰富系统功能； 4 提高速度：随着芯片内部信号传递距离的缩短，信号的传输效率将提升， 而使产品性能有所提高； 5 节省成本：理论上，p 模块的出现可以减少研发成本，降低研发时间，可 1 0 第二章主要技术综述 适度节省成本。不过在实际应用中，由于芯片结构的复杂性增强，也有可能导致 测试成本增加，及生产成品率下降【l8 1 。 虽然使用基于口模块的设计方法可以简化系统设计，缩短设计时间，但随着 s o c 复杂性的提高和设计周期的进一步缩短，也为口模块的重用带来了许多问题： l 、要将口模块集成到s o c 中，要求设计者完全理解复杂口模块的功能、接 口和电气特性，如微处理器、存储器控制器、总线仲裁器等； 2 、随着系统的复杂性的提高，要得到完全吻合的时序也越来越困难。即使每 个m 模块的布局是预先定义的，但把它们集成在一起仍会产生一些不可预见的问 题，这些对系统的性能有很大的影响。 m 模块的标准化可以在一定程度上解决上述问题。国际上出现了多个类似 v s 队这样的s o c 标准化组织，v s 认于1 9 9 6 年成立，目前有2 0 0 多个成员，其目 标是建立统一的系统级芯片业的目标和技术标准，通过规定开放标准，方便不同 口模块的集成 1 9 】【2 0 】【2 l 】。 2 2 3 基于s o c 的m s p 4 3 0 系列m c u 特性分析 t i ( 1 e x a si n s 咖m e n t s ) 公司的m s p 4 3 0 系列是一个特别强调超低功耗的m c u 品种，很适合应用在各种功率消耗要求特别低的场合。这个系列又可以分为 x 1 凇，x 3 x x ，x 4 x x 几个系列，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合 而成的，而且在不断发展中。从存储器角度，又可分为r o m ( c 型) 、o t p ( p 型) 、 e p r o m ( e 型) 、f 1 a s hm 锄。可( f 型) 。系列的全部成员均为软件兼容，可以方 便地在系列各型号间移植。m s p 4 3 0 系列m c u 设计成适合各种应用的1 6 位结构。 它采用“冯一纽曼结构”，因此，r a m 、r o m 和全部外围模块都位于同一个地址 空间内。 在超低功耗方面，m s p 4 3 0 系列能够实现在1 8 3 6 v 电压，1 m 王z 的始终条件 下运行，耗电电流( 在0 1 4 0 0 “a 之间) 因不同的工作模式而不同，同时能够在 实现液晶显示的情况下，只耗电o 8 p a 。典型情况：在4 i z ，2 2 v 条件下工作消 耗电流2 5 p a ；在1 m h z ，2 2 v 条件下工作消耗电流2 8 0 a ；在只有r a m 数据保 持的低功耗模式下耗电o 1u a 。 在运算速度方面，m s p 4 3 0 系列m c u 能在8 m h z 晶体的驱动下，实现1 2 5 n s 的指令周期。1 6 位的数据宽度、1 2 5 n s 的指令周期以及多功能的硬件乘法器( 能实 现乘加) 相配合，能实现数字信号处理的某些算法( 如f f t 等) 【捌【2 3 】【2 4 1 。 电子科技大学硕士学位论文 2 2 3 1m s p 4 3 0 m c u 集成模块 在整合方面，m s p 4 3 0 系列m c u 将大量的c p u 外围模块集成在了片内，有 如下一些模块【2 5 】： 看门狗( w d t ) 定时器a ( t i m e ra ) 定时器b ( t i m e rb ) 模拟比较器 串口o 、1 ( u s a r to 、1 ) 硬件乘法器 液晶驱动器 1 0 位1 2 位a d c 1 4 位a d c ( a d c l 4 ) 端口0 ( p 0 ) 端口l 6 ( p 1 p 6 ) 基本定时器( b a s i ct i m e r ) 2 2 3 2m s p 4 3 0 m c u 的主要特点 同其它微控制器相比m s p 4 3 0 系列主要包括以下特剧2 6 】： 大大延长电池的使用寿命 6 s 的启动时间可以使启动更加迅速 e s d 保护抗干扰力强 低电压供电 多达6 4 l 寻址空间包含r o m 、洲、闪存和外围模块 通过堆栈处理中断和子程序调用层次无限制 仅3 种指令格式，全部为正交结构 尽可能做到1 字指令 源操作数有7 种寻址模式，目的操作数有4 种寻址模式 外部中断引脚i o 口具有中断能力 中断优先级，对同时发生的中断按优先级别处理 嵌套中断结构可以在中断服务过程中再次响应其它中断 外围模块地址为存储器分配，全部寄存器不占用洲空间均在模块内 定时器中断可用于事件计数时序发生p w m 等 12 第二章主要技术综述 看门狗功能 d 转换器1 0 位或更高精度 正交指令简化了程序的开发，所有指令可以用任意寻址模式 已开发了c 编译器 模块设计思想，所有模块采用存储器分配 m s p 4 3 0 全部为工业级1 6 位刚s cm c u ，适应一4 0 0c 8 5 0 c 2 2 4m s p 4 3 0 系歹um c u 与8 9 c 5 1 系歹i jm c u 的比较 除了m s p 4 3 0 系列m c u ，另有很具有代表性的a t 8 9 c 5 1 也很流行，它们都有 着很强的功能实用性，为了为系统选择最合适的主控芯片，本文在此将两者进行 分析比较。 a t 8 9 c 5 1 ( 以下简称8 9 c 5 1 ) 是一种低功耗，高性能的片内含有4 k b 快闪可 编程擦除只读存储器( f p e r o m f l a s hp r o g r a m 加a b l ea 1 1 de r a s a b l er e a do n l y m 锄。巧) 的8 位c o m s 微控制器，使用高密度，非易失存储技术制造，并且与 8 0 c 5 1 引脚和指令系统完全兼容。芯片上的f p e r o m 允许在线编程或采用通用的 非易失存储编程器对存储器重复编程。 8 9 c 5 1 将具有多种功能的8 位c p u 与f p e r o m 结合在一个芯片上，为很多嵌 入式控制应用提供了非常灵活而又便宜的方案，其性能价格比远高于8 7 5 1 。由于 片内带e p r o m 的8 7 c 5 1 价格偏高，而片内带f p e r o m 的8 9 c 5 1 价格低且与 i n t e l 8 0 c 5 l 兼容，这就显示出了8 9 c 5 1 的优越性。a t 8 9 c 2 0 5 1 是一种带2 k 字节 闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦 除1 0 0 0 次。该器件采用a t m e l 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准 的m c s 一5 1 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位c p u 和闪烁存储器组合 在单个芯片中，删e l 的a t 8 9 c 5 1 是一种高效微控制器，a t 8 9 c 2 0 5 1 是它的一 种精简版本。a t 8 9 c 单片机为很多嵌入式控制系统提供了种灵活性高且价廉的 方案。8 9 c 5 l 性能及特点主要包括： 与m c s 5 1 微控制器产品系列兼容 片内有4 l 可在线重复编程的快闪擦写存储器( f 1 a s hm 锄o r y ) 存储器可循环写入擦除1 0 0 0 次 存储数据保存时间为l o 年 宽工作电压范围：v c c 可为2 7 u 6 v 电子科技大学硕士学位论文 全静态工作：可从o h z 到1 6 m h z 程序存储器具有3 级加密保护 1 2 8 宰8 位内部洲 3 2 条可编程i o 线 两个1 6 位定时器计数器 中断结构具有5 个中断源和2 个优先级 可编程全双工串行通道 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容 m s p 4 3 0 和a = r 8 9 c 5 1 两种m c u 的差异特点主要体现在以下方面： 首先，8 9 c 5 1 m c u 是8 位m c u 。其指令是采用的被称为“c i s c ”的复杂指令集， 共有1 1 1 条指令。而m s p 4 3 0m c u 是1 6 位的m c u ，采用了精简指令集( r i s c ) 结构，只有简洁的2 7 条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内 数据存储器都可参加多种运算。这些内核指令均为单周期指令，功能强，运行的 速度快。 其次，8 9 c 5 1 m c u 本身的电源电压是5 伏，有两种低功耗方式：待机方式和 掉电方式。正常情况下消耗的电流为2 4 m a ，在掉电状态下，其耗电电流仍为3 m a ； 即使在掉电方式下，电源电压可以下降到2 v ，但是为了保存内部i 乙蝴中的数据， 还需要提供约5 仉a 的电流。而m s p 4 3 0 系列m c u 在低功耗方面的优越之处，则 是8 9 c 5 1 系列不可比拟的。正因为如此，m s p 4 3 0 更适合应用于使用电池供电的仪 器、仪表类产品中。 再者，8 9 c 5 1 系列m c u 由于其内部总线是8 位的，其内部功能模块基本上都 是8 位的虽然经过各种努力其内部功能模块有了显著增加，但是受其结构本身的 限制很大，尤其模拟功能部件的增加更显困难。m s p 4 3 0 系列其基本架构是1 6 位 的，同时在其内部的数据总线经过转换还存在8 位的总线，在加上本身就是混合 型的结构，因而对它这样的开放型的架构来说