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b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现中文摘要 b c s - i 型烘干机控制系统的设计与实现 中文摘要 集成电路( i c ) 生产过程中，电子部件需要进行高温烘烤一定时间后冷却再进行 测试。目前市场上小型烘干机使用很不方便，不具备恒温计时及快速冷却等功能，也 无法实现后台监测管理，仍靠人工观察和纸质保存信息。因此，开发一种能解决上述 问题的新型烘干机系统对i c 生产过程具有重要意义。 本系统是受苏州工业园区一家i c 生产企业委托开发。整个系统主要由两大部分 组成。第一部分为以f r e e e a s l em 0 8 h c 9 0 8 g p 3 2m c u 为核心的嵌入式采集与控制系 统，其硬件由m c u 及其支撑电路、l c d 、电位器、热电耦、三色报警灯、红外传感 器、数据采集与控制模块等组成，嵌入式软件主要包括数据采集与滤波、三色报警灯 驱动控制、l c d 显示及串行通信等。第二部分为p c 方的软件系统。主要功能是与 m c u 方进行串行通信、物理量回归、通过数据库操作实现对控制器历史状态的查询 与管理等。 文中给出了控制器的串行通信、串口h u b 、数据采集和a d 转换、l c d 显示、 继电器驱动等部分的硬件设计以及面向这些硬件对象的软件设计，阐述了p c 方软件 数据库结构与软件设计要点。重点介绍了串口h u b 的硬件设计以及分段直线回归方 法的设计与实现。 目前，新型烘干机系统在该公司得到了广泛的应用，现控制与管理4 套烘烤机与 冷却箱，可扩展至1 0 0 套。本系统运行安全可靠，大大节约了成本，提高了公司的经 济效益，具有良好的应用推广价值。 关键词：烘干机系统，热电耦，红外传感器，a d 采集，物理量回归，串口h u b 作者：赵蓉 指导老师：王宜怀 a b s t r a c t t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f b c s - ib a c kc o n t r o ls y s t e m t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f b c s - - i b a k ec o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t i i li cp r o c e d u r eo fp r o d u c t i o n , t h ed e c t r o nc o m p o n e n tf o rh i g h - t e m p e r a f u mb a k i n gn e e d t om a i n t a i nac e l t a i np e r i o do ft i m e ，a n dt h e nt e s ta f t e rc o o l i n g b u ti n t h ec u r r e n tm a r k e t , s m a l l o v e nh a sn of u n c t i o n so f t h e r m o s t a t s , r a p i dc o o l i n ga n db a c k g r o u n dm o n i t o r i n gm a n a g e m e n t , a n d a r t i f i c i a lo b s e r v a t i o na n dp a p e r - p r e s e r v a t i o ni sv e r yi n c o n v e n i e n t s oi th a st h ei m p o r t a n t s i 班6 c 锄c et od e v e l o pa i l e wo v e ns y s t e mf o rt h ei cp r o d u c t i o nt os o l v et h e s ep r o b l e m s t h es y s t e mw 勰e l l t t x l s t e dt od e v e l o p m e n tb ya l li cp r o d u c t i o ni nt h es u z h o ui t c o r p o r a t i o nc o m p r i s e st w om a i nc o m p o n e n t s t h ef i r s ti st h ee m b e d d e da c q u i s i t i o na n dc o n t r o l s y s t e m , i t sh a r d w a r ec o n t a i n sm c u a n ds u p p o r tc i r c u i t , l c d ，p o t e n t i o m e t e r s ，t h r e e - a l a r m - l i g h t , i n f r a r e ds e n s o r s , d a t aa c q u i s i t i o na n dc o n t r o lm o d u l e ，a n di t se m b e d d e ds o f b v a r ec o n t a i n sd a t a a c q u i s i t i o na n df i l t e r i n g , t h e d r i v ec o n t r o lo ft h r e e - a l a r m - l i g h t , l c d d i s p l a y i n g a n d c o m m u n i c a t i o nw i t hp ce t c t h es e c o n di sp c ss o n 啊啊r et h a ti m p l e m e n t sc o m m u n i c a t i o nw i t h m c u , t h eb l o c ks t r a i g h t - l i n er e g r e s s i o n , i m p l e m e n t i n gt h eo p e r a t i o no ft h ed a t a b a s eo nt h e h i s t o r yo f s t a t ec o n t r o l l e r ss e a r c ha n dr e c o r d sm a n a g e m e n t t h i sp a p e rs h o w st h eh a r d w a r ed e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o n , s e r i a lp o r th u b ，d a t a a c q u i s i t i o na n da dc o n v e r t i n g ，l c dd i s p l a y i n ga n dr e l a yd r i v i n g , a n dt h es 0 f t 懈d e s i g no f t h e s eh a r d w a r eo b j e c t - o r i e n t e d , d e s c r i b e st h ed a t a b a s es t r u c t u r ea n ds o f t w a r ed e s i g nf e a t u r e so f p c ss o f t w a r e i ti n t r o d u c e st h eh a r d w a r eo fs e r i a lp o r th u b ，t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h eb l o c ks t r a i g h t - l i n er e g r e s s i o ni nd e t a i l s n o w , t h en e wo v e l ls y s t e mh a sb e e nr u ns t e a d i l ya n dr e l i a b l yi nt h i sc o m p a n y i tc a n c o n t r o la n dm a n a g e4b a k e sa n d4c o o l i n gb o x e s ，a n dc a nb ee x p a n d e dt o10 0b a k e sa n d10 0 c o o l i n gb o x e s i ti sp r o v e dt h a tt h es y s t e mc a ns a v et h ec o s ta n di m p r o v et h ec o m p a n y s e c o n o m i ce f f i c i e n c y t h ea p p l i c a t i o no f t h i ss y s t e mi sv e r yp r o m i s i n ga n dv a l u a b l e k e y w o r d s ：b a k et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m , t h e r m o e l e c t r i cc o u p l i n g ，i n f r a r e ds e n s o r s ， d a t aa c q u i s i t i o na n da dc o n v e r s i o n , b l o c ks t r a i g h t - l i n er e g r e s s i o n , s e r i a lp o r th u b w r i t t e n b yz h a or o n g s u p e r v i s e db yw a n g y d a u a i 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：竖日 导师签名：建窒兰日 b c s - i 型烘干机控制系统的设计与实现 第一章概述 第一章概述 烘干机广泛地应用于电子、塑胶、五金、玩具等各行业的耐高温检测。它一般是 将工件加热到一定高温挣续一段时间后拿出，冷却到常温后再进行测试。目前市场上 只有进口的或大型烘干机才具备这些自动控制功能，但是价格很昂贵。应苏州园区某 外资企业委托，本课题负责对现今市场上的小型烘干机进行改造。本章首先介绍了本 课题的工程背景和意义，然后给出b c s i 型烘干机控制系统应具备的主要功能及其系 统结构，最后交待了本课题工作和论文的主要结构。 1 1 课题背景及意义 本课题是应苏州工业园区某外资企业委托开发的一套嵌入式应用系统，作者全程 负责了该系统的软硬件开发。本系统是针对当前市场上小型烘干机存在的不足，将其 改造成一个完整的新型烘干机控制系统，使其具有恒温计时、快速冷却及后台监测管 理等传统小型烘干机不具备的功能。首先，市场上小型烘干机不具备恒温计时功能， 其定时功能需要人工干预，即人为观察炉内温度达到设定温度后进行定时时间的设 定，没有达到真正的自动化控制。其次，小型烘干机不具备快速冷却功能。加热的目 的是为了最终的测试，但是经过高温加热的工件不能直接用来测试，需要先对其进行 冷却，而现有的冷却箱是不具备自动感知功能的。靠工作人员手动开启和关闭冷却箱 电源比较繁琐，且容易因忘记关电源而造成浪费。再次，小型烘干机的历史温度信息 只能通过打点机进行纸张的保存，这种方法不仅比较落后，而且还不易于查询，此外， 记录误差比较大。随着企业的现代化发展，生产自动化规模不断扩大，烘干机数量不 断增加，对烘干机的控制与管理提出了更高的要求。因此开发自动化程度高、运行可 靠的烘干机系统，就显得十分必要。 本系统已在苏州工业园区某外资企业成功运行，小型烘干机在功能和性能上得到 了进一步改进和完善，使得企业自动化程度进一步提高。不仅为该公司节约成本提高 了经济效益，而且为该公司制造部的测试大大地提高了工作效益。所以，作者觉得有 必要将工程实践中的设计经验和研究心得整理成文。 另外，本系统是一个完整的嵌入式应用系统，涉及面比较广，包括a d 采集、输 第一章概述b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 入捕捉、l c d 显示、串行通信等，在中小型嵌入式开发方面有一定的代表性。若对 设计稍作修改，还可以推广到类似的项目，对今后开展其它类似工作具有指导意义。 1 2b c s i 型烘干机控制系统概述 1 2 1 系统的主要功能 本系统的目标是通过对当前市场上小型烘干机进行改造，设计一个具有以下恒温 计时及快速冷却等功能的烘干机自动控制系统。 ( 1 ) 温度监测与恒温计时 自上电开始，m c u 实时监测烘干机内温度，当其内温度达到事先设定的温度后， 开始计时，计时达到设定时间后，自动切断烘干机电源，并通过三色报警灯的黄灯闪 和蜂鸣器响提示操作员可以将烘烤的工件拿出进行冷却了。 ( 2 ) 异常报警 在加热期间，如果检测到烘干机内部温度出现异常，则立刻切断烘干机电源，并 通过三色报警灯的红灯亮和蜂鸣器响告警。 ( 3 ) 快速冷却 工件自烘干机内取出后，需移至旁边的冷却箱进行冷却。冷却箱通过红外传感器 可以实时感知工件的放入和取出，自动开启和关闭冷却功能。 ( 4 ) 后台监溅管理 后台连接计算机，可实时监控4 台烘干机内的温度，并记录备份，以供管理员查 看，且在不改变任何软硬件条件下，可直接扩展成同时监控1 0 台烘干机。 ( 5 ) 物理量回归 在实际应用中，通过各种传感器得到稳定的a d 采样值以后，还需要把该采样 值与实际物理量对应起来，这一步称为物理量回归。a d 转换的目的是把模拟信号转 化为数字信号，供计算机进行处理，但必须知道a d 转换后的数值所代表的实际物 理量的值，这样才有实际意义【。 本系统的一项重要任务是采集烘干机内部温度，并与其自身显示保持一致，这就 需要将通过a d 转换获得的数字量还原为实际的物理量。方面考虑到公司内存在不 同制造厂商的烘干机，其自带的温度输出端子的信号不尽相同；另一方面，随着使用 2 b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现第一章概述 频度不同，各传感器输出信号会有不同程度变化，为了回归后的物理量与实际物理量 始终基本保持一致，本系统提供了一个校准功能，采用的是分段直线回归方法，详细 介绍参见5 4 节。 1 2 2 系统的体系结构 ，系统构成总框图如图1 1 所示，p c 通过串口的一转多接口串口h u b 同时与 多个控制器进行串行通信，实现实时监测。 图1 1 系统体系结构总框图 本系统主要由控制器、串口h u b 、监控p c 三大部分组成。控制器是本系统的核 心，是带有微处理器的可独立运行的智能测控模块，负责数据的采集与处理、现场执 行机构的控制，以及对烘干机和冷却箱的控制，同时具有与监控p c 进行串行通信的 能力，也可以脱机独立工作。监控p c 就是一台工控机和系统软件，可通过串口h u b 同时与多个控制器进行通信，实时监控各种现场参数信息。 1 3 本课题主要工作及论文结构 1 3 1 本课题主要工作 本课题的主要工作安排如下： 第一章概述b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 ( 1 ) 需求分析 作者负责了b c s i 型烘干机控制系统的前期准备和需求分析工作。 ( 2 ) 总体设计 对烘干机控制系统的软、硬件设计的具体内容进行分析，确定软、硬件平台的通 用性的设计思路以及系统的总体设计方案。 ( 3 ) 硬件设计 硬件模块划分。 芯片选型，根据确定的硬件方案选择适当的m c u 和电子元件，并做相关的实 验，最终确定可行的硬件方案。 了解和确定各硬件模块的外围电路，分析芯片间的接线方式。 硬件原理图设计。 元器件的采购，了解各个元件的封装。 根据元件封装，绘制p c b 电路图，联系p c b 制作厂家生产。 焊接、装配、测试、完成硬件系统。 ( 4 ) m c u 方软件的设计、实现与调试 串行通信协议及通信程序的设计与测试。 1 l 路模拟量的数据采集程序的设计与测试。 l c d 显示程序的设计与测试。 继电器驱动程序的设计与测试。 输入捕捉中断的设计与测试。 总体功能分析与主程序设计。 整体测试。 ( 5 ) p c 方软件的设计与实现 界面的设计。 数据库的建立。 串口通信程序的设计。 物理量回归程序的设计。 总体测试。 ( 6 ) 综合调试 4 呈竺! ：! 型些王垫丝型至堑堕望茎量茎翌墨二主堡垄 进行软硬件联合调试，最终完成本系统的设计。 1 3 2 论文结构 全文共分为六章，各章的内容安排如下： 第一章首先介绍了b c s i 型烘干机控制系统的工程背景和意义，然后分析了本系 统应具备的主要功能和系统构成，最后给出了本课题主要工作和论文结构。 第二章对系统进行了详细分析，给出了系统控制原理结构框图和输入输出分析， 然后对硬件进行了选型，并对所选芯片的工作原理进行了概要介绍。 第三章详细叙述了系统硬件的设计过程，具体介绍了m c u 及核心处理部分、数 据采集与控制部分等主要单元电路的结构和功能，并给出电路测试方法。 第四章介绍了m c u 方软件的设计与实现，并给出了关键子程序的源代码、流程 图和算法描述。 第五章介绍了p c 方软件的设计与实现，并给出了关键子程序的源代码、流程图 和算法描述，详细介绍了分段直线回归的物理量回归方法。 第六章对本文进行总结，并提出了一下尚待改进的后续工作。 5 第二章系统分析与硬件选型b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 第二章系统分析与硬件选型 上一章初步分析了b c s i 型烘干机控制系统应具有的功能及其系统结构，下面 就要进入设计阶段。对于同一个设计目标，有不同的实现手段，但在功能的完备性、 性能的完善性、开发周期、成本等方面，不同的设计方案具有一定的差异，所以选择 合理的设计方案和硬件就非常重要。本章首先根据系统外部硬件需求对输入输出量进 行了详细分析，然后介绍了烘干机控制系统中硬件的选型并对所选的芯片作了概要介 绍。 2 1 系统总体结构 本系统的体系结构总框图见图1 1 所示。为了方便以后的设计，本节将系统的体 系结构划分成机械部分和电器硬件部分，并对其进行了细化，然后给出了系统控制原 理结构图。 2 1 1 系统外部硬件需求 烘干机控制系统所需的外部硬件主要有以下几部分。 1 机械部分 工控机：主机、液晶显示器、键盘、鼠标 货架：网状结构，材料为不锈钢，四个脚均配有可调支撑结构。 烘干机：对工件进行高温加热。 冷却箱：对高温加热后的工件进行冷却。 2 电器硬件部分 ( 1 ) 输入器件 热电耦：由烘干机自带，提供炉内当前温度参数。 红外传感器：实时感知冷却箱内是否有物体放入，从而控制冷却阀的通断。 电位器：用于调节设定温度和设定时间。 ( 2 ) 输出器件 警报灯：每个控制器配有一个报警灯，基本颜色为绿色、黄色与红色。 6 b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现第二章系统分析与硬件选型 蜂鸣器：当炉内温度异常时，系统报警。 b a k e 阀：控制烘干机电源的通断。 冷却阀：控制冷却箱电源的通断。 l c d ：显示当前温度、设定温度、当前时间、设定时间。 重启按钮：重启烘干机。 复位按钮：报警后对系统进行复位。 电源按钮：对控制器电源进行控制。 2 1 2 系统控制原理结构图 图2 - 1 系统控制原理结构框图 该系统控制原理结构框图如图2 - 1 所示。p c 通过串口h u b 与多个控制器进行通 信。每个控制器上有l c d ，电源、复位以及重启按钮，还有设定加热温度和加热时 间的温控电位器和时控电位器。烘干机自带有一个热电耦输出端子，u v 级信号，需 要通过传感器电路将信号放大后由控制器将其转换为当前温度显示在l c d 上。将红 外对射传感器装在冷却箱两侧，实时监测是否有工件放入冷却箱。另外，控制器还可 7 第二章系统分析与硬件选型b c s - i 型烘干机控制系统的设计与实现 以通过b a k e 阀和冷却阀分别控制烘干机和冷却箱的电源。 2 2 输入输出分析 为了方便硬件分析与设计，根据图2 1 的系统控制原理结构框图，图2 - 2 给出了 输入输出框图。 1 开关信号 一继电器仁型 红灯与蜂鸣器 红外传感器r _ 一继电器p 型一 绿灯 10 - - 3 0 0 。c 一继电器尚黄灯】设定温度( 电位器) 广一 i1 二二u 1 呲4 0 分 m c u 叫继电器hb a k e vf阀 设定时间( 分电位器) 卜一 每0 。2 q 对应 q 继电器p 竺q 冷却阀j 热电耦p k 0 1 8 5 巧4 0 1 2 。 f l c d 。臣 1 0 p s ) 。 置f l c r 的h v e n 位为1 ，打开电荷泵加电平到f l a s h 阵列。 延时t e r a s e ( 1 m s ) ：f l a s h 页擦除时间。 清f l c r 的e r a s e 位为0 。 延时m v h ( 5 s ) 。 清f l c r 的h v e n 位为0 。 延时t r e y ( 1 p s ) ，完成一页的擦除操作。 程序的前导注释如下： 功能：擦除以a d d r 为首地址的f l a s h 一页 ，参数：a d d r 要擦除的首地址 o 返回：无 扛一一一 1 2 i 垒星翌兰曼里! 垒塑坚墅盟盟垫! 鲤箜 5 0 b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 第四章m c u 方软件设计 ( 2 ) f l a s h 写入子程序 该段子程序的功能是将r a m 区中从指定的首地址开始的n 1 个字节数据一个一 个地复制到f l a s h 中。其入口是：r a m 区中的首地址 a d r r e s s l ，a d r r e s s l + l 。内 存n 1 ，即要写入的字节数。( 要) f l a s h 中的首地址f l a s h a d d r e s s 。 ：这段程序及其内部调用的延时子程序，也需在执行前移入r a m 区执行例。f l a s h 乞： 写入过程如下： 置f l a s h 控制寄存器( f l c r ) 的p g m = 1 ，读出f l a s h 块保护寄存器f l b p r 。 向被写入的f l a s h 行内任意一个地址写入任意值，为方便起见，一般向行首地 址写入o ，这一步选定了所要编程的行，以下的目标地址必需在这一行中。 延时t p g s ( l o s ) 。 置f l c r 的h v e n 位为l ，打开电荷泵加电平到f l a s h 阵列。 延时t p g s ( 1 0 “s ) 。 向页内目标地址写入一个字节数据。 延时t p g s ( 3 0 p s ) ，完成一个字节的写入工作。 菇重复、，直至同一行内各字节写入完毕。 清f l c r 的p g m 位为0 ，延时印g s ( 1 0 “s ) 。 警清f l c r 的h v e n 位为0 ，延时t p g s ( 6 p s ) ，完成本行写入工作，可以读出 校验。 程序的前导注释如下： w r i t e f l a s h ：向a d d r 指向的f l a s h 区写入数据 ，功能：向指定f l a s h 地址写入数据 参数：a d d r 要写入的首址 ，返回：无 力一一 1 2 坦型塑堡! ! 竺垒虫翌! ! 罂鲤垫! 鲤盟 4 4 软件测试 测试是项目开发过程中重要的一环。嵌入式系统的测试包括硬件和软件两方面的 测试。通常情况下，硬件和软件的测试是交互进行的。m c u 方的软件测试一般结合 硬件测试完成，先进行各模块测试，再进行总体测试。可以编写一些测试用例，下载 到m c u 中，然后观察硬件的相应动作，实现软硬件协同设计、联合调试。通过对硬 第四章m c u 方软件设计b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 件的测试也能反过来验证软件的功能。另外，还可以与p c 方测试程序进行通信，进 一步验证通信程序乃至整体m c u 软件的功能和性能。 测试一定要充分。编程者往往对自己的程序非常自信，代码一写完，几次测试后 没发现问题便认为程序是正确的。而实际上，程序潜伏的错误因为没有经过充分测试 而未能发现，这样的程序在集成到系统中之后一旦出现问题，便很难定位，因而使得 后续的调试维护工作极其困难。 4 5 本章小结 本章首先对m c u 方软件进行了总体设计，并给出了m c u 方软件流程图、中断 函数功能列表和子函数功能列表；然后叙述了硬件驱动程序的设计原则；最后根据面 向硬件对象的思想给出了s c i 通信、a d 转换、输入捕捉、l c d 显示、开关量输出、 f l a s h 擦写等功能模块的设计与实现。整个过程对于使用f r e e s e a l e 其它系列芯片具有 借鉴作用。 5 2 b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现第五章p c 方软件设计 第五章p c 方软件设计 本系统可以完全脱离p c 机独立工作，但p c 方软件仍是本系统的一个重要组成 ； 部分，可以实现多个m c u 控制器同时进行实时监控、历史记录查询及打印、物理量 备 回归校准等重要功能。本章首先介绍了p c 方软件设计原则及集成开发环境的选择， 然后介绍了p c 方软件的总体设计和各界面的功能，最后介绍了物理量回归的实现。 5 1p c 方软件设计原则及集成开发环境的选择 p c 方软件设计与m c u 方软件设计不一样，因为p c 方软件需要界面。界面是软 件与用户交互的最直接的层，界面的好坏决定用户对软件的第一印象。而且设计良好 的界面能够引导用户自己完成相应的操作，起到向导的作用。同时界面如同人的面孔， 具有吸引用户的直接优势。设计合理的界面能给用户带来轻松愉悦的感受和成功的感 觉，相反由于界面设计的失败，让用户有挫败感，再实用强大的功能都可能在用户的 畏惧与放弃中付诸东流。然而，p c 方软件设计与m c u 方软件设计又有相同之处， 即都需要遵循软件设计的原则。如必须遵循子程序设计原则；程序设计要便于扩充、 便于版本升级；程序名、变量、常量命名要规范；程序注释需规范；软件测试充分等。 同时，p c 方软件设计时还要注意用户界面的友好性、操作简便和具有良好的交互性 能。 集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i d e ) 是进行开发时的重要 平台，在进行p c 方软件设计前，必须先进行集成开发环境选择。本系统的p c 方软 件选用了v b n e t 作为其编程语言。v b n e t 具有安全健壮的执行环境，简化开发过 程，同时支持多种语言，可以任意选择工具来开发应用程序。 5 2p c 方软件总体设计 p c 方软件的设计使用v b n e t 集成开发环境，其设计流程图见图5 1 所示。 5 3 系统数据库 本系统用a c c e s s 创建了一个数据库，以记录该系统所需的各种信息。该数据库 5 3 第五章p c 方软件设计b c s - i 型烘干机控制系统的设计与实现 图5 - 1p c 方软件流程图 主要包含了回归参数表、回归坐标表、i # m c u 状态参数表、2 # m c u 状态参数表、 3 # m c u 参数表、错m c u 状态参数表以及管理员表，具体如下。 ( 1 ) 表5 - 1 ，回归参数表( a d j a f o ) 。存放校准的各参数。 表5 - 1 回归参数表( a or n f o ) 字段名 m a n o xkb y 含义m c u 号a d 值斜率偏移量a d 值对应的物理量 类型数字数字数字数字数字 ( 2 ) 表5 - 2 ，回归坐标表( a d _ t i t l e ) 。用来记录回归界面显示时确定物理量名称、 坐标的单位、物理量最大、最小值。 表5 - 2 回归坐标表( a d i j i t l e ) 字段名 m c u n ot i t l e m i l lm a x u n i t 含义 m c u 号物理量名称物理量最小值 物理量最大值物理量的单位 类型 数字文本数字数字 文本 b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 第五章p c 方软件设计 ( 3 ) 表5 3 ，i # m c u 状态参数表( n 0 1 ) 。用于记录i # m c u 的当前温度、设定温 度、当前时间、设定时间等状态信息，还有记录日期和是否出现异常情况。2 拌、3 撑、 4 # m c u 状态参数表同1 撑，不妨以1 撑为例。 表5 - 3i # m c u 状态参数表( n 0 1 ) 字段名 c u r t m ps e t t m p c u r t i m es 刮t i m ed a t e a n d l r i m e w r o n g 。冶义当前温度设定温度当前时间设定温度记录日期和时间是否异常 类型数字数字数字数字日期，时间文本 ( 4 ) 表5 4 ，管理员表( m a n a g e r ) 。用于记录管理员姓名、条形码( 工号) 、密码。 普通作业员只能登陆动态显示界面，其他所有的界面都需要管理员身份方可进行操 作。 表5 _ 4 管理员表( m a n a g e r ) 5 4 物理量回归 奎在嵌入式应用系统中，模拟量的数据采集是整个系统的基础之一。模拟量数据采 集的典型过程一般为：实际物理量一传感器一变换器一放大器一d 转换器一计算机 ( m c u 、d s p 或通用计算机) 。实际的数据采集电路可能还含有滤波、整流、非线性 校正等电路模块，但实际物理量变成计算机能够识别的数字量，总要经过这样一个过 程。由此过程，必然提出一个问题，实际物理量y 与它所转成的计算机能够识别的 数字量x 之间的关系如何? 可以用关系式y _ - - f ( x ) 来表达，这个f 可以是线性关系 ( y - a x 岫) ，也可以是非线性关系。事实上，从实际物理量转变到采集器所能识别的 数字量的过程中，任何一个电路的非线性，必然导致实际物理量与数字量的非线性关 系。对于非线性问题，通常的处理方法是：首先在硬件上尽可能减少非线性，然后在 软件上再做一些处理：对于非线性度, r e 4 , 的系统采用线性近似。若系统a d 转 换芯片的位数较小( 如4 位、8 位) ，可采用逐点回归。若系统a d 转换芯片的位 数较大( 8 位以上) ，可采用分段直线回归。可以用传统的回归方法( 如最小二乘 法) 进行多项式回归。综合运用分段直线、分段多项式等方法进行回归。采取这些 第五章p c 方软件设计b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 措施的目的只有一个：利用软件方法尽可能消除由于非线性问题所产生的误差，使得 x 真实地代表y 。本系统采用的是分段直线回归法。 5 4 1 分段直线回归的基本思想 模拟量数据采集的典型过程一般包括以下几个步骤。首先，经过传感器采集物理 量。然后通过变换器将物理量转变成可采集的信号。由于这些信号一般比较弱，通常 要将这些信号经过放大器放大。接下来将放大的信号送到a d 转换器，a d 转换器 把模拟信号转换成单片机所能识别的数字信号。最后，单片机对这些数字信号进行处 理，并将处理的结果显示或作为其他应用程序的输入。该流程如图5 2 所示。 图5 - 2 模拟量数据采集流程图 传感器、变换器、放大器以及a d 转换器自身的制造工艺以及这些元件的支撑 电路，造成了实际物理量y 与m c u 获得的数字量x 之间的非线性关系。 目前对这种误差的补偿方法有多种：对非线性规律较强的，则可通过简单的函数 进行回归计算；对没有明显规律可循的，则可以通过实验的方法得到补偿数据，将数 据写入表格，用查表的方法进行补偿。 为了能够满足线性化表示的精度且尽可能减少存储容量，又能够达到去除非线性 的目的，本文采用逐步求精的分段直线回归方法，即用有限多个直线段表示模拟量( 物 理量) 与数字量之间的复杂曲线关系。逐步求精的分段直线回归的基本思想是在屏蔽 物理量至数字量之间通路的基础上，对不同的数据段采用大小不同的数字量粒度，并 通过最小二乘估计法逐段拟合线性参数。 逐步求精的分段直线回归的方法具有一般性，逐点回归的方法以及线性回归的方 法是其特例。与三点式折线补偿法相比，分段直线回归方法的准确性提高，可以针对 5 6 b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 第五章p c 方软件设计 实际情况灵活应用。与逐点查表法相比，减少存储空间，也提高了应用的灵活性，适 应面更宽。 5 4 2 分段直线回归的数据结构及存储实例 受逐步求精的分段直线回归的目的是寻找实际物理量y 与计算机所能识别的数字 量菩x 之间的分段线性函数关系。不妨假设每个数据段上的线性关系为y = a i x i + b i ，i = 0 ，1 ，n ，( n 为分段直线个数一1 ) 。其中，x i ，y i 已知。x i 可由数据采集系统获得， 它表示每个回归直线段的起始数字量值；y i 可通过测量获得，它表示实际的物理量； a ；和b ；是需要通过回归计算的参数。 为了很好的表示分段直线回归的结果以及方便的进行模拟量数据校正，本文使用 后台数据库作为其数据结构以及数据存储的工具，具体格式如表5 5 所示。 表孓5 分段直线回归数据结构及数据存储实例 变量xa ib i 数据l 0便2 8 4 0 6 9 50 数据2 4 0 30 2 51 6 5 4 50 9 7 3 2 3 5 2 i数据3 8 1 40 2 0 81 0 0 l0 6 1 0 5 0 0 5 数据41 6 3 30 1 8 1 0 5 1 26 6 1 0 5 0 0 ：。 数据5 2 4 5 3 0 1 3 0 6 8 6 1 8 9 1 0 5 0 0 数据63 7 0 0 0 0 5 6 6 8 6 1o 数据74 0 9 5 l0 表中也列举了一个具体实例的分段直线回归数据，该结果是通过反复实验得出的 结论，其分段直线回归曲线比较能够逼近实际曲线。 5 4 3 分段直线回归的实现 分析分段直线回归方法的数据结构，可以了解p c 方完成的软件功能主要包括实 时采集回归量( 数字量) 、输入该数字量对应的物理量、计算分段直线回归的参数、 将回归参数写入数据库以及能够计算某个具体数字量对应的物理量。p c 方软件的运 行界面如图5 3 所示。 ( 1 ) 计算分段直线回归的参数 如图5 3 所示，当数据采集人员点击“校准 按钮后，p c 方截取当前的采集数字量 第五章p c 方软件设计b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 “2 0 0 0 ”，系统并要求输入一个与该数字量对应的理论物理量，假设为“4 0 0 ”，而图 中的物理量“3 5 5 4 9 ”是根据现有分段直线回归参数计算而得到的。这样便获得一组 新的回归基点( 2 0 0 0 ，4 0 0 ) ，将该基点表示为a ( x o ，y o ) 、与其数字量相邻的前基点 表示为b ( x l ，y 1 ) 以及与其数字量相邻的后基点表示为c ( x 2 ，y 2 ) ，接着根据最 小二乘估计法分别计算数据段在 x l ，x o l 和e x o ，x 2 】上的线性参数k 值和b 值。 二， 一，：， ： 0 一t7 ：，j ? ：一_ y i 。j _ ：? 谙生丢掉不重量示诵。 二。： 、：i 。九? 一j ， “ 一”o j 一一，z 一 = 2 ；焉而 枣 烘干j几系统? ，o b a k e 背专能后按贡始一、 暂 、j 、 0 _ ! _ 。，j o 开始。一，o 。一，追出 ， 。i 修改j ：。i 校准， r 壕澎、。哆蔑j l 、黧 一 ； 蔓毋，。；圭询 ，： “? _ ：，_ 。 “， ，_ 、“， ，。， ： ? 。+ 二， 一 ；。， 。 。| ，t 。 m ，：i - ；? 鍪赢h b 值- 、 。请选择b a k e 妒g - ：_ 岛受 箨 、+ 鬟嚣麓懿覆蘸l 1 ，当前温度 瑟 - j 。_ + 。 一： 移，_，、j 。一。- j ， 。 t _ 浚 蔓蒜 一3 - ? j ，7 ：c ”i ，1 1 q ： ，7j 一；，。+ ，- = in i“0，“。d ，”? 二 & i “：驰。j 炼z 0 一j ! 丝z “ ， ：z 6 40y = 2 5 0 r 一 ：x 一7 i8y - 50 0 l ：x - - 12 n ，v - - 2nn 二：二。曩弼曩、。t ox ； i 笋；、岛；f t ，y & * 档硝蕊静g 彝，；o _ 。 4 一。m “￥。+ k ；。7 v 门疋耀! i ? 2 2 ；”篓。孝。；誊； ，；。 a t 。- 一。赫。冀整# 甜 。焉胡菇fj _ 摹? 罐k ：j 一4 。一。- 。v 叫。 。 i+ l ，ic _- 一 j j 囊毫：j 营。麓：。爱菇鼢一r 舶。 鬻蒸鬻攀麟攀 ? ：妻 = ：i 0 ，：书一t ：f ：l 婀i z _ 二。 ， 。 j ，曼， b c s i 型烘干机控制系统的设计与实现 第五章p c 方软件设计 p u b l i cs u br e v i s e 0 r e mx o 为本路当前的 d 值，已知，下面找 i x l 、x 2 两点x i x o g _ c u r r e n t a dt h e n x l = g = - x ( j 1 ) ：x 2 = g _ x ( j ) 找到了两点 y l = g j ( j 一1 ) ：y 2 = g _ y ( j ) i f ( gc u r r e n t a d x 1 ) 10 r ( x 2 一gc u r r e n t a d ) lt h e n m s g b o x ( 选择点距离太近，放弃本次选择，1 6 选择点错误) e x i tf o r e n di f f l a g l = t r u e e x i tf o r e n di f n e x tj i ff l a g l = f a l s et h e n e x i ts u b 如果没有合适的两点。退出 r 蹦i n p u tx o 得v o t i t l e = 模拟量校正物理量标准值输入。 m e s s a g e = 当前值g _ c u r r e n t f h y ，请输入标准值( g _ _ m i n p h y 一g _ m a x p h y ) m y v a l u e = i n p u t b o x ( 田e s s a g e t i t l e ，) y o = v a l ( m y y a l u e ) i fy o gm a x p h yt h e n m s g e o x ( 输入的数值超出范围i ) e x i ts u b e n di f k l = ( y o y 1 ) ( g - c u r r e n t a d x 1 ) ：b l = y l k l x l k 2 = ( y 2 一y 0 ) ( x 2 一g _ c u r r e n t a d ) ：b 2 = y 2 一k 2 率x 2 e n ds u b ( 2 ) 将分段直线回归的参数存入数据库 上文所计算的线性参数必须存入数据库，实现该过程的操作包括打开数据库、打 。 开记录集、定位插入记录的位置、添加记录集、关闭记录集和数据库等操作。下面给 j 出相关的程序。 p u b l i cf u n c t i o nw r i t e d b ( b y v a ln oa sb y t e ，b y v a lx oa si n t e g e r ，b y v a ly oa ss i n g l e 。b y v a lx la s i n t e g e r ，b y v a ly la ss i n g l e ，b y v a lx 2a si n t e g e r ，b y v a ly 2a ss i n g l e ) 建立连接 d i mo b j c o n na so l e d b c o n n e c t i o n = g e t c o n