基于现场总线的冗余控制系统设计

基于现场总线的冗余控制系统设计 学院 电气信息工程学院 专业 自动化11 02 姓名 李立凡 学号 1 1 第一章第一章 概述概述 所谓冗余系统 就是一个具有相同设备功能的备用设备系统 当主设备出现故障时 冗余设备是可以立刻使用的替代设备 设备在启停和运行过程中发生危及设备和人身安全的故障时 自动采取保护和联锁 防止事故的产生和避免事故扩大 从而保证 正常启停和安全运行 具有极其重要的意义 通过对设备工作状态 和机组运行参数的严密监视 发生异常时 及时发出报警信号 必 要时自动启动或者切除某些设备或者系统 维持原负荷运行或减负 荷运行直至安全退出运行 因此可以说 冗余系统是工业控制系统 中不可或缺的组成部分 冗余系统是通过发生中断的单元自动切换到备用单元的方法实 现系统的不中断工作 通过部分的冗余实现系统的高可靠性 冗余 控制系统能给很多的工业生产中能提供一个更高的可靠性 因此 了解和掌握冗余控制系统的控制方法并设计相应的显示单元很有意 义 且有利于了解相关控制的原理和方法 实验过程中需熟悉冗余 系统的控制原理及方案 PLC软件编程 I O分配 控制对象的调试 单片机显示系统的设计方法等多个任务 冗余的实现方式是同时 采用两台控制器ControlLogix5550 其中一台为主机 另一台作为 系统的备份 为副机 正常情况下由主机控制整个系统 副机保持 与主机通讯 监控主机的运行状态 当副机监视到主机的运行故障 的时候 立即运行切换程序 将控制权转到副机 而当主机的故障 恢复之后 则控制权重新交还给主机 2 第二章第二章 方案论证方案论证 世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司 DEC 研 制的 20世纪70年代初出现了微处理器 人们很快将其引入可编程 控制器 使PLC增加了运算 数据传送及处理等功能 完成了真正具 有计算机特征的工业控制装置 20世纪70年代中末期 可编程控制 器进入实用化发展阶段 计算机技术已全面引入可编程控制器中 使其功能发生了飞跃 20世纪末期 可编程控制器的发展特点是更 加适应于现代工业的需要 目前 可编程控制器在机械制造 石油 化工 冶金钢铁 汽车 轻工业等领域的应用都得到了长足的发展 1 在石油 化工 冶金等行业的某些系统中 要求控制装置有极 高的可靠性 如果控制系统发生故障 将会造成停产 原料大量浪 费或设备损坏 给企业造成极大的经济损失 但是仅靠提高控制系 统硬件的可靠性来满足上述要求是远远不够的 因为PLC本身可靠性 的提高是有一定的限度 使用冗余系统或热备用系统就能够比较有 效地解决上述问题 单片机自70年代问世以来得到蓬勃发展 目前单片机功能正日渐完 善 1 单片机集成越来越多资源 内部存储资源日益丰富 产品小 巧美观 同时系统也更加稳定 2 单片机抗干扰能力加强 使的它 更加适合工业控制领域 具有更加广阔的市场前景 3 单片机提供 在线编程能力 加速了产品的开发进程 为企业产品上市赢得宝贵 时间 4 在线仿真变的容易 3 现场总线发展它是一种工业数据总线 是自动化领域中底层数据 通信网络 现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动 装置之间的数字式 串行 多点通信的数据总线 简单说 现场总 线就是以数字通信替代了传统4 20mA模拟信号及普通开关量信号的传输 它是连接智能现场设备和自动化系统的全数字 双向 多站的 通信系统 主要解决工业现场的智能化仪器仪表 控制器 执行机 构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统 之间的信息传递问题 主要用于制造业 流程工业 交通 楼宇 电力等方面的自动化系 统中 从现场总线技术本身来分析 它有两个明显的发展趋势 一是寻求统一的现场总线国际标准 二是Industrial Ethernet走向工业控制网络 统一 开放的TCP IP Ethernet是20多年来发展最成功的网络技术 过去一直认为 Ethernet是为IT领域应用而开发的 它与工业网 络在实时性 环境适应性 总线馈电等许多方面的要求存在差距 在工业自动化领域只能得到有限应用 事实上 这些问题正在迅速 4 得到解决 国内对EPA技术 Ethernet for Process Automation 也取得了很大的进展 随着FF HSE的成功开发以及PROFInet的推广应用 可以预见Ethernet技术 将会十分迅速地进入工业控制系统的各级网络 第第三三章章 系系统统设设计计 1 整体结构 从控制器需要与主控制器相同的工程以便接替其控制 同时 也 需要最新的标签数据 交叉加载 主控制器中的部分或全部内容传送到从控制器 可 以更新标签值 在线编辑或工程的其它信息 交叉加载最初发生在 两控制器同步的时刻 然后在控制器执行其逻辑过程中反复运行 同步 从控制器做好一旦主机架发生故障 立即接替其控制的 准备 在同步期间 1757 SRM模块检查在冗余机架上的对等方模块是否兼容 SRM模块也提供 将主控制器内容交叉加载到从控制器的路径 同步发生在用户打开 从机架的电源后 它也发生在其它时刻 取消资格 表示从控制器与主控制器同步失败 如果从控制器 的资格被取消 它无法控制机器和过程 用户可以手动选择取消从 控制器的资格 ControlLogix系统采用了基于 生产者 消费者 的通讯模式 为用 5 户提供了高性能 高可靠性 配置灵活的分布式控制解决方案 Con trolLogix系统实现了离散 过程 运动三种不同控制类型的集成 能够支持以太网 ControlNet控制网和DeviceNet设备网 并可实现 信息在三层网络之间的无缝传递 因而 ControlLogix被广泛地应 用于各种控制系统 构建ControlLogix冗余系统的核心部件是处理 器和1757 SRM冗余模块 目前 有1756 L55系列处理器模块支持冗余功能 其内存容量从750KB到7 5MB不等 1757 SRM冗余模块是实现冗余功能的关键 如图3 1所示 在冗余系统中 处理器模块和1757 SRM冗余模块处于同一机架内 为了避免受到外界电磁干扰 提高数 据传输速度 两个机架的1757 SRM模块通过光纤交换同步数据 所有的I O模块通过ControlNet控 制网与主 从控制器机架内的1756 CNB R 控制网通讯模块相连接 图3 1 冗余系统结构 以往的冗余系统通常需要用户编制复杂的程序对处理器状态进行 判断 在两个处理器之间传输同步数据并实现I O控制权的切换 两 6 个处理器中的程序也各不相同 这使得冗余系统本身的建立和维护 工作非常繁琐 通过1757 SRM冗余模块 不需要任何编程就可以实现冗余功能 还可以方便地 使主 从处理器内的程序保持一致 用户对主处理器程序的修改可 自动同步到从处理器 主 从处理器所处机架内的1756 CNB R 控制网通讯模块地址各不一样 当主处理器出现故障后 从 处理器接管控制系统 相对应的控制网通讯模块之间相互交换地址 从而不影响其它控制器和上位机与该冗余系统的通讯 2 硬件结构设计 2 1 硬件结构设计 硬件设计采取双机架冗余系统 2 系统结构如图3 2所示 尽管 系统增加机架和CNB模块的数量 但由于CPU分别插在两个分离的机 架上 使其适用于系统掉电或通讯模块出现故障的情况 弥补了单 机架结构的不足 7 图3 2 双机架冗余系统 在系统运行中 如果出现下列情况 单机架系统存在着不足 1 机架断电 由于两个CPU都插在同一个背版上 导致机架断电 时 两个CPU也同时断电 都无法正常工作 也都无法对输出模块进行 控制 2 通讯模块出现故障 由于一个机架上的两块CPU都必须和本 地的CNB模块相连 导致CNB模块出现故障后 两块CPU同时无法与Cont rolNet相连 也就造成了通讯的彻底瘫痪 所以双机架结构的应用就避免了当上述情况发生时 整个冗余系 统的运行不畅 此外 应用双机架系统还可以为真正的硬件冗余系统作好铺垫 2 2 I O配置 如果使用双机架 输入模块和输出模块分开放置 这样的放置 减少了在切换过程中梯形图的数量 因为一个控制器一次只能拥有一个输出模块 梯形图将禁止或 8 不禁止它和输出模块的连接 如果把输出模块放置在所有权机架上 在远程机架上可以禁止或不禁止与通讯模块的连接 从而禁止或 不禁止整个机架 如果把输入模块和输出模块放置在同一机架上 我们只有进入梯形图来禁止或不禁止在机架上的每个输出模块 2 3 电缆 如果一个电力系统包含继电器和被控制控制的输出模块的连接 在切换输出模块控制权的时候将会重置 继电器将会掉电 请求 手动重新运行 1 电力系统必须保证在发生切换时继电器不会被重置 2 在任何情况下 都能够在仅有一台控制器运行的情况下启动系 统 3显示单元设计 1 光电传感器是应用非常广泛的一种器件 有各种各样的形 式 如透射式 反射式等 基本的原理就是当发射管光照射到接收 管时 接收管导通 反之关断 以透射式为例 如图3 3所示 当不 透光的物体挡住发射与接收之间的间隙时 开关管关断 否则打开 为此 可以制作一个遮光叶片如图3 4所示 安装在转轴上 当扇 叶经过时 产生脉冲信号 当叶片数较多时 旋转一周可以获得多 个脉冲信号 9 图3 3 光电传感器的原理图 图3 4 遮光叶片 2 计数脉冲通过计数电路进行有效的计数 按照设计要求每 一秒种都必须对计数器清零一次 因为电路实行秒更新 所以计 数器到译码电路之间有锁存电路 在计数器进行计数的过程中对 上一次的数据进行锁存显示 这样做不仅解决了数码显示的逻辑 混乱 而且避免了数码显示的闪烁问题 3 对于脉冲记数 有测周和测频的方式 测周电路的测量精 度主要受电路系统的脉冲产生电路的影响 对于低频率信号 其精 度较高 测频电路其对于正负一的信号差比较敏感 对于低频率信 号的测量误差较大 但是本电路仍然采用测频方式 原因是本电路 对于马达电机转速精度要求较低 本电路还有升级为频率计使用 而测频方式对高频的精度还是很高的 4 显示电路采用静态显示方法 由于静态显示易于制作和调 试 原理也较简单 所需元易于购买 5 电路时钟是整个电路的关键 他是整个电路有效工作的核 心 负责电路的锁存和清零 其基本思路是 产生频率一秒是时钟 当秒时钟到来时 既上升沿到来时 对锁存电路进行锁存 锁存 以后才能对计数器进行清零 锁存和清零间隔要充分小 否则就影 10 响电路的计数准确度 鉴于此 对锁存集成必须采用边沿触发形式 的集成 并且计数器应该与锁存同步工作 既都在秒时钟的上升沿 触发工作 另外大多的译码器都带有锁存功能 3 但是他的锁存方式基本 上都是电平触发 若设计成电平触发的话 势必会增加电路的复杂 度 还不如直接采用边沿琐存的单集成 所以不使用译码器中的锁 存电路 时钟实现方法很多 本电路采用晶振电路 已求得高精度的时钟 需求 11 第四章第四章 硬件 软件设计硬件 软件设计 1 冗余硬件设计 1 1 PLC简介 可编程控制器是一种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 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置 其软件需根据控制要 求进行设计编制 虽然PLC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 PLC也 迅速发展 1 2 PLC在冗余系统中 PLC冗余可以分为 软件冗余和硬件冗余 硬件冗余对硬件型号 有所要求 连接方式也不同 但对软件并无特殊要求 在工业自动 化系统中大量选用可编程逻辑控制器 PLC 作为控制器 随着技术的 发展又组建冗余系统进一步提高系统的可靠性 目前冗余的分类方 12 式很多 而采用PLC冗余方式的有两种 即软冗余和硬亢余 西门子 公司在软 硬冗余两方面均给出了解决方案 而基于硬冗余的可靠 性高 但构建系统成本也较高 而基于S7 300或S7 400的软冗余是一种成本低又能提高可靠性的方案 目前 软冗余系 统已经在冶金 交通 电力 化工 污水处理等工业控制工程中得 到了较广泛的应用 但是对于软冗余的性能仍没有进行系统的研究 硬冗余系统的冗余结构确保了任何时候的系统可靠性 例如所有 的重要部件都是冗余配置 这包括了冗余的CPU 供电模件和用于冗 余CPU通信的同步模块 根据特定的自动化控制过程需要 还可以配 置冗余客户服务器 冗余通讯介质 冗余接口模件IM153 2等 硬冗余系统能够 1 平滑的主从切换 2 自动事件同步 3 集成的错误识别和错误定位功能 4 操作期间可对系统进行修改 5 类似标准CPU的在线编程 6 下载程序时 只考虑单个CPU 程序可自动拷贝到另一个CPU中 7 CPU修复后自动再进入 8 运行中所有部件可更换 软冗余实现原理 13 系统运行过程中两个CPU同时启动和运行 但是在正常运行时只有主 CPU发出控制命令 而备用CPU检测主CPU状态和记录主CPU发出的命 令 当主CPU发生故障时能够延续当时的实际状态接替主CPU发出执 行命令 与主CPU通信的IM153 2模块处于激活状态时主CPU能访问I 0模块 当系统发生特定故障 时 系统可以实现主备切换 备站接替主站继续运行 1 3 硬件冗余 硬件冗余 图4 1 图4 1 硬件冗余 两个互为冗余的控制站配置必须完全相同 图4 1中的主 从机 架 冗余功能是依靠双槽冗余模块1757 SRM实现 当主控制器失效时 从控制器在100ms内接替主控制器 主从控制器的同步对用户来说是完全透明的 冗余模块之间通过2根 1米长的光缆 62 5 25 m多模光纤 SC连接 连接起来 14 冗余功能的设置 图4 2 1757 SRM Auto Synchronization 自动同步设置为Always 保持 Controller Properties Redundancy 属性设置为Enabled 允 许 图4 2中 每一个I O远程机架配置一组1756 PAR2冗余电源 每组冗余电源由两个1756 PA75R电源模块 两根1756 CPR电缆和一个1756 PSCA适配器构成 它们分别由两路不同的系统供电 当任一路供 电系统故障时 另一路仍保持供电 因此可以确保I O机架供电不间 断 图4 2 冗余设置 15 图4 3冗余通道 集成过程控制系统的控制层是ControlNet 它是罗克韦尔自动化 NetLinx开放网络架构三层 EtherNet IP ControlNet DeviceNet 网络之一 满足IEC61158国际工业现场总线标准 图1中1756 CNBR是ControlNet通信模块 它有两个冗余的网络通道 A通道和B 通道 图4 3 使控制信息实现冗余 传送速率达5Mbps 传送介质 是75 阻抗的1786 RG6同轴电缆 通过BNC连接器与ControlNet总线相连 注意 A B 通道不能交叉 冗余链路两边的介质必须相同 信息层网络冗余 集成过程控制系统的信息层是EtherNet IP 图4 3中1756 ENBT是EtherNet IP通信模块 通过工业以太网交换机将信息传送到 上层监控管理中心 冗余功能通过光纤环网实现 服务器冗余 采用主 从服务器结构 当主服务器出现故障时 从服 16 务器自动转为主服务器 提供与控制器 RTU的通信 数据采集等功 能 并为其他操作站提供服务 主服务器定时将数据库中的所有数 据信息传送到从服务器 以确保主从服务器之间的完全同步 1 4 冗余系统的原理及过程 可编程控制器一个工作周期内的主要任务有 内务整理 扫描 输入映像表 执行程序 更新输出映像表 ControlLogix控制器在 冗余系统中 主处理器执行完程序之后 将所有输出指令的结果传 送给从控制器 由于ControlLogix系统所有的I O设备都在控制网内 按照其自有的 生产者 消费者 通讯模式 从处理器作为一个 消费者 可以与主处理器具有一样的地位 获取I O的输入信息 4 这样 确保了主 从控制器内输入 输出映像表的一致 如图2 4所 示 在正常情况下 程序执行到位置1时 主处理器将具有较高优先 权任务和前一段普通任务的执行结果分先后传送给从处理器 然后 程序返回到位置2 继续执行剩下的普通任务 位置3时 所有任务 已经完成 主处理器将执行结果传送给从处理器 如果在执行某个 任务时 主处理器出现故障 如图4 4所示 这时 从处理器便会接 替主处理器 重新执行出现故障时的那段任务 可见 这时从处理 器使用的输出映像表数据来自于主处理器上一个工作周期的执行结 果 17 图4 4正常情况下主处理器程序执行过程 图4 5 主从处理器之间的切换过程 如图4 5可见 在冗余系统的切换过程中 没有出现数据的丢失 和突变 处理器内部无需执行繁杂的判断决策程序 实现了系统的 无扰切换 当主机架的任一组件发生故障 控制权切换到从控制器 下列 原因会引起切换 1 主机架中发生下列情况之一 1 掉电 2 控制器产生主要故障 18 3 主机架中的任一模块被拔掉 安装或出错 4 折断或断开ControlNet分接头或以太网电缆 2 主控制器发出命令 3 RSLinx软件发出命令 根据用户对RSLogix5000工程的组织方法不同 在切换期间 输出状 态可能会发生变化 1 输出优先级任务控制的输出可能会改变状态 热备系统的切换时间由故障类型和ControlNet网络的网络刷新 时间 NUT 决定 如果一个NUT为10ms 切换时间大约从80ms到220 ms 2 在切换期间 优先级最高的任务控制的输出将无扰切换 1 5 基于Controlnet的PLC冗余系统硬件设计 无论单机架还是双机架 都采用RSLogix5000对系统进行编程 软件 程序都是大致相同的 程序的主要思路是 两块CPU 同时在线运行 一块处于主控制模式 另一块处于热备模式 拥有 主控制权的CPU 具有输出控制权 而热备CPU 输出被禁止 两个CPU模块互相监视对方的运行状态和通讯情况 一 旦发现主CPU出现故障 立即由主CPU自行禁止或由从C P U 通过MASSAGE指令传送特定的数组代码来禁止主CPU的对外控制权 19 视主CPU的错误类别定 定时一段时间以后 热备CPU模块获得主 控制权 两个CPU程序完全相同 只需更正各自程序中对方的处理器 名即可 需要注意的是 为保证系统的无扰切换 在控制权转移之 前 主控制器对于输入输出状态的改变必须能实时地通知给从控制 器 2 显示单元硬件设计 系统全部采用Rockwell Automation公司的软硬件 硬件包括两台ControlLogix5550 控制器 控制开关 1305 变频器以及DeviceNet及ControlNet接口适配器 软件有组态软件RS Linx和RSNetworx 以及对ControlLogix5550进行编程的RSLogix500 0 在连接好网络之后 使用上述软件对DeviceNet下的设备网设备 进行组态 然后进行编程调试 即可完成对系统的实现 系统采用 了CPU冗余的实现方案 即由两个CPU同时控制被控对象 两台控制 器分别监视对方的工作状态 以便在需要的时候迅速做出切换 系 统中的被控对象主要是以三相异步电动机为负载的1305变频调速器 由于程序的不稳定性 CPU运行错误造成故障的可能性要远比由硬 件损坏造成故障的可能性要大 因而本例中采用双PLC单总线的结构 两台控制器均为ControlLogix5550 以下简称PLC1和PLC2 在编 程时对两台控制器分别写入程序 两台控制器中的程序是完全对称 的 参照图4 6 以节点14 的控制开关控制终端的起停 节点06 60 代表两台PLC 节点17 20 是驱动三相异步电动机的变频调速器AC Driver 1305 图4 6 系统网络节点 扫描模块1756 DNB是设备与控制器ControlLogix5550之间的通信接口 它通过网络 与DeviceNet的现场设备进行通信 即从设备读入数据 输出数据到 设备 下载组态数据和监视设备的运行状态 工作时 1756 DNB以一定的方式依次扫描各个设备 对其参数进行采集 并将采集 到的数据映射到扫描器中与扫描方式相对应的数据缓冲区 再转换 成ControlLogix5550能接受的数据格式供控制器读取 这样就可以 将现场总线中各设备的实时信息反馈到控制器 以便根据程序做出 相应的反应 数据经ControlLogix5550处理之后 送到扫描器的与 扫描方式相对应的输出数据缓冲区 转换为各设备可以接受的数据 格式 输出到各设备 从而对其工作进行控制 由此可见 PLC控制 器只需要读入 输出规定格式的数据 专门负责数据处理 而数据 的 采 集 发 送 缓 冲 和 格 式 转 换 由 扫 描 器 完 成 ControlLogix5550和1756 DNB并行工作也使得控制器的输出对输入的响应时间缩短 有利于实 21 现实时闭环控制 这样即便是像PID指令这种对实时性要求较高的操 作也可以收到良好的效果 因为单片机工作电源为 5V 且底层电路功耗很小 采用7805三 端稳压片即可满足要求 9 具体电路图如下 图 4 7 电源电路图 红外发光二极管或称电 光二级管SE303 白色 出红外光 近 红外线约0 93 m 管压降约1 4V 工作电流一般小于20mA 外形尺寸 5mm 红外接收二极管或称光 电二级管 黑色 品牌 金威 型号 PD5308B B 工作电压 1 4 1 6 波长 940 工作电流 20 接收距离 10 12 外形尺寸 5mm 红外接收二极管工作在反向状态 当没有接收到红外发光二极 管的光信号时 二极管截至 负级输出低电平 当接受到红外发光 二极管的光信号时 二极管导通 负极输出高电平 能正常接受到 红外发光二极管的光信号的距离大概为3 4米 这取决于发射管的 发射功率 实物图片及原理图如下 22 图 4 8 红外发光二极管实物图 图4 9 工作原理图 实际焊接电路如下 图4 10 红外发光二极管焊接电路 电路核心由一个光电开关管组成 平时电机转轮静止 发光二 极管所发出的光被轮子挡住 所以接收管处于截止状态 1端为高电 平 当电机转动一圈 会使接收管导通一次 1端输出一个低电平 1端波形为 红外发光二极管红外发光二极管红外接收二极管红外接收二极管 发射红外线接收红外线 23 图4 11 1端的输出波形图 在实际电机工作状态中 会受到各方面的干扰 波形会存在许 多杂波成分 需要对波形进行处理 处理成符合记计数器所需要的 矩型波 波形处理电路有一个三极管组成 如上图 当输入电压逐步升高时 红外接收管收到红外发光二极管发出的光时导通 三极管就不导 通 输出高电平 当红外接收管没有接到红外发光二极管发出的光 时截止 三极管导通 这样就有效的防止了杂波的干扰 并使输出 得到矩形脉冲 符合了下级计数的需求 工作波形如下 图4 12 经处理电路后的输出波形图 根据红外测速的原理 系统的电路设计如图4 13所示 24 图 4 13 红外测速系统总设计图 本系统采用AT89C52单片机 它是美国ATMEL公司生产的低电压 高性能CMOS8位单片机 片内含8KB的可反复擦写的Flash程序存储 器和256B的随机数据存储器 RAM 器件采用ATMEL公司的高密度 非易失性存储技术生产 与标准MS 51指令系统及8052产品引脚兼容 片内置有8位中央处理器 CPU 功能强大的AT89C52单片机适用于许多较为复杂的控制应用场合 10 电路中选用红外光敏二极管作为受光器件 它与红外发光二极 管一起组成一对红外发射接收管 红外光敏二极管在电路中处于反 向工作状态 没有光照射时 光敏二极管处于截止状态 反向电阻 很大 反向电流 暗电流 很小 随着光照的增强 光敏二极管处 于导通状态 其反向电阻减小 反向电流 光电流 增大 其光电 流与照度之间呈线性关系 转速显示选用字符型液晶显示模块 LCM JHD12864 可显示16 8或16 16点阵字符 其主控制驱动电路为HD44780 具有标准的 接口特性 适配M6800系列和MCS 51系列MCU的操作时序 模块内部具有64个字节的自定义字符RAM 可自定义显示字符 该模块采用 5V电源供电 共有20个引脚 其与 单片机的接口 其中可变电阻RW2用来调节显示器的对比度 3 显示单元的软件设计 3 1 C51的基础知识 25 随着大规模集成电路的出现和发展 芯片生产厂家把中央处理 器CPU Central Processing Unit 随机存取内存RAM Random Access Memory 只读存储器ROM Read Only Memory 定时器 计数器以及I O Input Output 接口电路等主 要计算机部件 集成在一块集成电路芯片 硅片 上 形成芯片级 计算机 称为单片微型计算机 single chip microcomputer 直译为单片机 11 虽然单片机只是一个芯片 但从组成和功能上看 它已具有了微机系统的含义 又称微型处理 部件MCU Micro Controller Unit 单片机商品名称为微控制器单元 单片机具有优异的性能价 格比 体积小 可靠性高 控制功能强 广泛应用在智能仪表 机 电一体化 实时过程控制 机器人 家用电器 模糊控制 通信系 统等领域 根据单片机能够一次处理的数据的宽度 二进制位数 单片 机分为1位机 4位机 8位机 16位机 32位机 目前 应用最广的 产品是8位单片机 其中又属Intel公司出品的MCS 51系列单片机应用最广 MCS 51系列单片机已经成为事实上的工业标准 其内部包含如下功能部 件 1 一个 8位的中央处理器CPU 完成运算和控制功能 2 一个片内振荡器及时钟电路 外接石英晶体和微调电容需外 26 接 为单片机产生时钟脉冲序列 系统允许的晶振频率0 33MHz 3 256B RAM数据存储器 前128单元作内部数据存储器 可擦写的数据 后128单元为专用寄存器 4 两个16位定时器 计数器 以实现定时或计数功能 并以其定 时或计数结果对计算机进行控制 5 可寻址的64KB外部数据存储器以及控制电路 6 可寻址的64KB外部程序存储器以及控制电路 7 21个特殊功能寄存器 8 32条可编程的I O线 四个8位I O并行端口 9 一个可编程全双工串行口 可作全双工异步通信收发器使用 实现单片机和其它设备之的串行资料传送 也可作为同步移位器使 用 10 五个中断源 外中断2个 定时 计数中断2个 串行中断1个 两个优先级 全部中断分为高级和低级共两个优先级 11 根据内部程序存储器ROM多少 MCS 51系列主要芯片与差异 8031 片内无ROM 27 8051 片内4K掩膜ROM 8751 片内4K紫外线可擦除可编程程序存储器 EPROM 89C51 片内4K电可擦除可编程程序存储器 FLASH EEPROM 89S51 片内4K电可擦除可编程程序存储器 FLASH EEPROM 支持ISP 89S52 片内8K电可擦除可编程程序存储器 FLASH EEPROM 支持ISP 图 4 14 51系列单片机 AT89系列单片机的型号编码由 前缀 型号和后缀三个部分组成 例如 AT 89SXXXX XXXX其中 AT是前缀 89SXXXX是型号 XXXX是后缀 1 前缀 28 由字母 AT 组成 表示该器件是ATMEL公司的产品 2 型号 由 89CXXXX 或 89LVXXXX 或 89SXXXX 等表示 9表示内部含 Flash存储器 89CXXXX 中 C表示 CMOS产品 89LVXXXX 中 LV表示低压产品 89SXXXX 中 S表示含有串行下载 Flash存储器 3 后缀 由 XXXX 四个参数组成 后缀中的第一个参数 X用于表示速度 X 12 表示速度为12 MHz X 24 表示速度为24 MHz 后缀中的第二个参数 X用于表示封装 X J 表示 PLCC封装 Plastic Leaded Chip Carrier X P 表示塑料双列直插 DIP封装 Dual Inline Package 后缀中第三个参数 X用于表示温度范围 它的意义如下 X C 表示商业用产品 温度范围为0 十 70 X I 表示工业用产品 温度范围为 40 十 85 29 X A 表示汽车用产品 温度范围为 40 十 125 X M 表示军用产品 温度范围为 55 十 150 后缀中第四个参数 X用于说明产品的处理情况 它的意义如下 X为空 表示处理工艺是标准工艺 3 2 软件结构划分 采用结构化软件设计的方法 使得设计简单 易于调试和移植 提高编程效率 采用结构化设计软件的方法将本系统软件划分为 图4 15所示的4个模块 齿数计数模块 计时模块 转速计算模块和 转速显示模块 其中最主要的是计时模块和转速计算模块 图4 15 软件模块划分 3 2 1 计时模块 30 由图4 15可知当红外线发射管发射的红外线未被轮齿挡住时 接收管受红外线照射呈导通状态 经三极管输入到单片机中断端口 的电压为高电平 不产生中断 而当红外线发射管发射的红外线被 轮齿挡住时 接收管不受红外线照射则呈截止状态 经三极管输入 到单片机中断端口的电压跳变为低电平 从而激活中断程序对脉冲 进行计数 计数流程图如图4 16所示 由于计数需要与计时同步 所以需要在产生第一次红外光被挡住时 红外光被挡住时Pass 0 反 之Pass 1 也即中断口电位由高变低时打开定时器 31 图 5 16 计数与计时程序流程图 3 2 2转速计算模块 由于系统采用同步M T法测量转速 所以计算转速时 需要的参 数有盘脉冲数和计时值 本系统中AT89C52单片机采用频率为12MHz 的外接晶振 则每个机器周期为1us 单片机定时器的计数脉冲周期 为一个机器周期 若定时器从零开时计数 关闭定时器时其计数值 为m 则计时时间就是m微秒 计算转速部分程序如下 32 m TH0 256 读出计数器的计数变量TH0 并将其左移8位 m TH0 TL0 获得时钟脉冲数 time m 计算出计时时间 n 60 106 9 time 计算转速r min 第五章 调试 一个产品从实验室阶段走向实际应用的过程 系统的调试是一个重 33 要的环节 系统的测试主要包括三个部分 硬件部分 系统离线模 拟测试 系统的在线测试 1 硬件测试 主要借助仿真器 信号发生器等相关的测试仪器 对相关的硬件进行检测 确保系统在进行整体测试时设备的 可靠性 2 系统离线模拟测试 是整个测试环节种十分重要的环节 与 实际在线测试没太大区别 如果说有区别的话 主要在于环 境和干扰的影响 从技术角度来说 模拟测试结果的正确与 否 直接反应了系统的设计是否正确 3 系统的在线调试 调试的最后阶段对产品是否应用到实际生 产中尤为关键 会出现很多离