实时控制系统设计.doc

第1章 实时控制系统设计11 微机测控系统设计一、实验目的 1了解实时控制系统的构成。2学会较复杂的实时系统的设计。二、实验设备微机一台、实验用的传感器和集成电路以及导线若干。三实验内容及步骤 实验要求设计一个微机测控系统，要求如下。 1测量对象：温度、压力、流量等共4路非电路参量（要求以一定周期巡回检测）。 2控制对象：温度（要求控制范围为0200，温度控制精度为 2）。 3对各参数的测量值实时显示。 4当温度参数超限并失调时，能声音报警。 5操作员能在运行过程中通过人机对话修改温度设定目标值。 7测量的各参数中，除温度用作控制外，其余只用作监视系统运行，对测量精度可不予考虑或自定。 鉴于上述给定的设计任务和要求，按以下步骤来进行系统设计。根据任务要求，设计系统功能结构。根据设计要求，本微机测控系统除对温度要进行闭环控制外，对其余3个参量只作巡回检测，对各个参数要能实时显示和故障报警。因此，系统的功能结构可用图5.1表示。其中微型控制器作为整个系统的控制核心，除了完成对A/D通道、D/A通道和键盘、显示、报警等外部过程与设备的控制任务外，还要完成对采样数据的数字滤波、非线性校正、标度变换和温度控制算法的实现等数据处理任务。图1.1 微型控制器测控系统的总体功能结构框图根据系统功能结构，选择主体芯片和相关元器件，设计系统组织结构（即物理结构）。 从功能结构图可知，实现本测控系统的主体功能单元是由模拟多路开关、A/D转换器、D/A转换器等模块组成的。由于4个参量中，只有温度有测量和控制精度的要求，因此，可以只以它作为选择ADC、DAC的出发点。由温度控制的范围（0200）和精度（20）要求，可确定选取8位分辨率的ADC和DAC。ADC0809芯片不仅内含了8位ADC，而且内含了8选1模拟多路开关（AMUX），是一个很好的8位数据采集系统，所以可选ADC0809作为A/D通道主体芯片；同理，DAC0832不仅内含了8位DAC，而且内含了两级数据缓存器，有利于简化接口设计，故可选DAC0832作为D/A通道主体芯片。为了保证参量检测，特别是温度控制的实时性和巡回采集周期性，最好采用定时中断的方法来启动每个周期的检测，为此可选定时计数器，由它来产生所需频率的时钟，作为ADC0809的时钟输人。至于定时中断的时间间隔，则取决于温度控制的周期。控制周期最短不能少于以下几部分时间之和：（1）对4路参量顺序采集一遍的时间Tc。（2）对4路参量采集值进行数据处理的时间Tt。（3）按照控制算法形式控制信号，并输出对执行机构施效的时间Ts。鉴于温度属大惯性参量，上述几部分时间之和远小于温度对控制的响应时间，因此，没有必要作精确的计算，只需根据经验选择控制周期，本系统取控制周期即定时中断的时间间隔为12s。选定了主体芯片后，便可以选择与这几种主体芯片相关的其他芯片和元器件。例如，选用运算放大器747将D/A转换后的电流信号转换为电压信号；选用固态继电器（内含光耦电路和双向可控硅及触发控制电路等）作为对温度调节机构（加热/降温设备）的驱动电路；选取合适的传感器和变送器将温度、压力、流量等非电量变换为满足A/D转换器输人所需要的电压信号；选取74LS138作为向系统中各I/O接口提供端口地址的地址译码器等等。其中关于传感器及变送器的选取，要特别说明几点。（1）为了避免失灵区和非线性对传感精度的影响，在选传感器量程时，对惯量较大的参量，如温度、流量等传感器，应保证正常变化范围在10%90%中程内；对惯性小的参量，如电流、压力等传感器，其使用下限值仍可按量程的10考虑，上限量程考虑到冲击宜取正常上限值的l.5倍左右（有时还有附加限值措施）。（2）传感器的分辨率和精度的取值一般要比系统控制精度高一个数量级，以弥补后级各种系统干扰带来的误差。例如本系统温控要求的控制精度是1（20/200=1），则温度传感器的分辨率和精度起码要取到0.1。（3）各种参数传感器后面的变送器主要是解决传感器输出与A/D转换器输入之间的匹配问题，保证送到A/D转换器输入端的模拟量形式（单/双极性、电压/电流形式）及量程符合A/D转换器模拟接口的规范。综上所述，可以得到本系统的组织机构（物理结构）如图1.2所示。根据系统组织结构，设计I/O接口硬件电路。图1.2 微机测控系统的组织结构图实验步骤：本测控系统主要包括以下几部分I/O接口硬件电路的设计。1 ADC0809的接口电路设计ADC0809与PC系列微机总线的接口方法有多种，可以通过可编程并行接口（如8255）与总线相连，也可以通过常规TTL/MOS芯片组成的接口与总线相连；可以是中断式接口，也可以是查询式接口或其他同步方式接口；以8个模拟输入通道的选择可用3根数据线来控制，也可用3位地址来控制；对A/D转换的启动控制，可以由START和ALE分别控制，也可将它们合并起来统一控制。这几方面的方案取舍不同，接口电路的设计细节也将不同。本系统决定采用常规TTL芯片来实现用3位地址线A2A0选择输入通道的查询式接口，并且将START和ALE合起来作为启动转换控制，这样便可得到ADC0809的接口电路如图1.3所示。根据图中的接法，它的8个通道分别使用的端口地址是2B0H2B7H，向这8个端口地址循环写人任何一个数，便可实现对8个模拟输人通道的巡回采样；对这8个端口地址的任何一个执行读操作，即可读取A/D转换的结果。同样，对端口地址2B8H2BFH的任何一个地址执行一次读操作，再从读值中提取位值，即可获得A/D转换是否结束的状态。图1.3 ADC0809的接口电路2DAC0832的接口电路设计由于DAC0832内部有两级数据缓冲器，所以不必为它另加接口电路，只需从74LS138的输出线中选用一根作为它的数据缓冲器端口地址选通信号线即可（假定选用Y0线，则0832占用的端口地址是8000H8FFFH）。对于本系统的应用，没有必要采用两级缓存，所以可通过正确连接控制线使第二级缓冲器直通。这样，只要将输出数据向280H287H之中的任何一个地址进行一次写操作，即可完成D/A转换。38253接口和其他I/O接口电路的设计 8253的接口很简单，只要为它提供一根74LS138的输出线作为CS信号，其余RD、WR和所选通道的OUT信号与总线的IOR、IOW和IRQi分别相连，A1、A0和D7D0与总线的同名信号对应相连即可。 键盘操作、显示和故障报警等功能，如果由自己设置相应的设备来完成，则需要设计相应的接口。但本系统既然采用PC系列微机作为控制核心，就完全可利用微机系统中己有的资源，通过软件来完成这些功能。因此，没有必要考虑这些接口的设计问题。 根据系统硬件电路和系统功能要求，设计系统软件。 本系统软件设计采用模块化结构，主要由三类模块组成：主程序模块、中断服务模块和子程序模块。常用的程序段尽量采用于程序的形式，这样使程序结构清晰灵活，内存占用量减少，而各子程序模块又可独立存在，用户可根据需要调用。4主程序模块主程序模块主要完成各项初始化工作和开放中断，为接收中断请求作准备。与控制有关的各项实质性工作都在中断服务程序中完成。主程序模块流程如图1.4所示。其中数据缓冲区包括A/D转换后的4路参数输入数据缓冲区和准备打印的打印输出数据缓冲区。输入数据缓冲区的大小以能装下4路参数值为原则，如果考虑数字滤波的额外需要，还应扩大若干倍。输出数据缓冲区的大小，根据题目要求，以能缓冲存储最近10 次的各参数测量值为下限，即至少要有 40个存储单元。图1.4 主程序模块5中断服务程序模块中断服务程序模块指的是2秒钟定时中断服务程序。该模块的程序流程图如图1.5所示。图1.5中断服务程序模块 6子程序模块 这部分软件实际上是许多子程序模块的集合。主程序和中断服务程序中的许多功能模块，甚至于子程序中嵌套的某些功能程序段，都可以以子程序的形式编制和被调用。这些子程序模块包括如下子程序。 （1）4通道巡回采样子程序。 （2）数字滤波子程序：对于被采点的参数，连续采5次，然后以算术平均滤波法，中值滤波法或比较取舍滤波法等进行滤波。 （3）标度变换子程序：将各测量参数按线性变换公式从二进制数字值变换为相应工程量单位，以便于显示和打印。 （4）温度非线性校正子程序：按查表法或折线拟合法进行温度测量值的非线性校正。 （5）温度控制子程序：根据控制算法（如PID算法、预测控制算法等）计算温度控制量，然后送D/A通道，实现温度调节。 （6）音响报警子程序：利用机内定时器通道2的音频信号发生器功能，控制扬声器发出报警信号。 （7）按键识别与处理子程序：在扫描键盘的基础上识别功能键，并转向相应的功能子程序模块。 （8）温度变化曲线设置子程序：通过人机对话设置或修改温度变化曲线，作为温控的标准。 （9）显示当前各参数值子程序：在显示器上按一定的格式显示4个参数的最新测试值。 这10个子程序模块的功能，大多数在前面各章的实验中已经实现过，这里仅将“4通道巡回采样子程序”这个基本子程序模块的流程图示于图1.6中