控制系统论文范本

第三章智能温度监测、采集、传输系统设计31测温系统框架311数字温度采集概述传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术。计算机和通信技术发展极快，相当成熟，而传感器应用技术因为需要使用模拟技术，而模拟技术还有很多问题难以解决，因此传感器应用技术也有待进一步发展。为了适应现代科学技术的发展，世界众多国家都把传感器技术列为现代的关键技术之一。通常将能把感知量转换为电量的器件称为传感器，其实质上是一种功能块，作用是将来自外界的各种信号转换成电信号。它是实现测试与自动控制系统的首要环节。如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号转换或信息处理，或者最佳数据的显示和控制都将无法实现。温度传感器，使用范围广泛，居各种传感器之首。温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段传统的分立式温度传感器含敏感元件，主要是能够进行非电量和电量之间转换；模拟集成温度传感器控制器；智能温度传感器。目前，国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式、集成化、智能化及网络化的方向发展。温度传感器按传感器与被测介质的接触方式可分为接触式温度传感器和非接触式温度传感器两类，其中，接触式温度传感器的测温元件与被测对象要有良好的热接触，通过热传导及对流原理达到热平衡，示值即为被测对象的温度。这种测温方法精度比较高，并可测物体内部的温度分布。但对于运动的、热容量比较小的及对感温元件有腐蚀作用的对象，这种方法将会产生很人的误差。非接触测温的测温元件与被测对象互不接触。常用的是辐射热交换原理。此种测温方法的主要特点是可测量运动状态的小目标及热容量小或变化迅速的对象，也可测量温度场的温度分布，但受环境的影响比较大。温度传感器的发展大致可分为以下几种1热电偶传感器。热电偶传感器是工业测量中应用最广泛的一种温度传感器，它与被测对象直接接触，不受中间介质的影响，具有较高的精度，测量范围广。2模拟集成温度传感器。采用硅半导体集成工艺制成的，因此亦称硅传感器或单片集成温度传感器。模拟集成温度传感器是在20世纪80年代问世的，它将温度传感器集成在一个芯片上、可完成温度测量及模拟信号输出等功能。模拟集成温度传感器的主要特点是功能单一仅测量温度、测温误差小、价格低、响应速度快、传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温，不需要进行非线性校准，外围电路简单。3光纤传感器。光纤测温技术可分为两类全辐射测温法，单辐射测温法，双波长测温法，多波长测温法等。特点是光纤挠性好、透光谱段宽、传输损耗低，无论是就地使用或远传均十分方便而且光纤直径小，可以单根、成束、Y型或阵列方式使用，结构布置简单且体积小。缺点是测量起米困难，难于实现较高的精度，工艺比较复杂，且造价高，推广应用有一定困难。4半导体吸收式光纤温度传感器。半导体吸收式光纤温度传感器是利用了半导体材料的吸收光谱随温度变化的特性实现的。一种传光型光纤温度传感器，是指在光纤传感系统中，光纤仅作为光波的传输通路，而利用其它如光学式或机械式的敏感元件来感受被测温度的变化。5智能温度传感器。智能温度传感器亦称数字温度传感器是在20世纪90年代中期问世的。它是微电子技术、计算机技术和自动测试技术ATE的结晶。目前，国际上已开发出多种智能温度传感器系列产品。智能温度传感器内部包含温度传感器、AD传感器、信号处理器、存储器或寄存器和接口电路。有的产品还带多路选择器、中央控制器CPU、随机存取存储器RAM和只读存储器ROM。智能温度传感器能输出温度数据及相关的温度控制，适配各种微控制器MCU，并且可通过软件来实现测试功能，即智能化取决于软件的开发水平。随着科学技术的不断进步与发展，温度传感器的种类日益繁多，数字温度传感器更因适用于各种微处理器接口组成的自动温度控制系统具有可以克服模拟传感器与微处理器接口时需要信号调理电路和AD转换器的弊端等优点，被广泛应用于工业控制、电子测温计、医疗仪器等各种温度控制系统中。其中，比较有代表性的数字温度传感器有DS18B20、DSL722、MAX6635等。DSL8B20与热敏电阻比较如表31所示。相比较而言，传统的温度检测以热敏电阻为温度敏感元件，热敏电阻成本低，但需要后续信号处理电路，而且热敏电阻的可靠性相对较差，测量温度的准确度低，检测系统的精度差。数字式温度传感器的种类也不少，并且在实际工程设计中具有上述诸多优点。DS18B20热敏电阻测量精度051需校正抗干扰性好比较差扩充性全世界编号唯一，易管理布线有关数字化全无稳定性很高较差线缆影响精度无有线缆用量节省较多控制分机数量少多集成化高无互换性很好一般系统管理性能很好较差警告设定有无传统模拟信号温度检测通常使用热敏电阻等器件作为感温元件，虽然这类器件具有成本低的优势，但需A/D转换等后续信号转换、处理电路，而且可靠性相对较差，准确度和精度不高，若期望达到较高的测量精度，则需要解决引线误差补偿、多点测量误差和放大电路零点漂移误差等技术问题。另外，温度采集现场一般均为工况环节，各种电磁干扰信号较强，模拟温度信号容易受到干扰而产生测量误差，影响测量精度。因此，在温度测量系统中，采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器是解决这些问题的最佳方案。为了克服上述一系列问题，本研究采用美国DALLAS半导体公司1WIRE系列的高精度数字式温度传感器DS18B20。它具有超小体积，超低硬件资源占用率，抗干扰能力强，精度高，附加功能强等诸多优点。基于上述优点，采用DS18B20温度传感器与FPGA技术来实现温度检测控制系统的新方法，无论是从抗干扰性，还是从运行可靠性的角度都能达到理想的效果。表31数字温度传感器DS18B20和热敏电阻比较TABLE31COMPARISONWITHDIGITALTEMPERATURESENSORDS18B20ANDTERMISTOR温度显示温度采集FPGA驱动电路温度测量废热量冷媒图31系统结构图FIG31DIAGRAMOFSYSTEMSTRUCTURE312状态机图32状态机图FIG32DIAGRAMOFSTATEMACHINEORIGERESET1JUDGECONVERTMATCHSTORAGESKIPRESET2GETRESETDSL8B20EXISTDSL8B20NOTEXISTWAIT1MSWAIT600S根据状态机状态变化，访问DS18B20的流程为初始化，发送ROM命令，发送功能命令，通过初始化使主设备知道从设备存在并可以工作。通过发送ROM命令可以知道某特定的DS18B20是否存在或者是否超过温度设定闸门值。共有5种ROM命令，分别是读ROM33H、匹配ROM55H、搜索ROMFOH、跳过OMCCH、告警搜索命令ECH。发送功能命令，即可读写DS18B20的存储区，启动温度转化，设定电源供电方式。共有6种功能命令，分别是转换温度44H、读存储区BEH、写存储区4EH、拷贝存储区48H、调用EEPROMB8H、读电源供电方式B4H。每个命令均对应不同代码，在总线上传送时，由器件根据接收代码完成相应操作。DS18B20的单线通信功能为分时完成，有严格的时隙要求。主要操作时序分为初始化、主机写0、主机写1、主机读0、主机读1。32数字温度传感器DS18B20321DS18B20内部结构64位ROM和单线接口存储器和控制器电源检测高温触发器TH温度敏感元件低温触发器TL配置寄存器高速缓存存储器8位CRC生成器图33DS18B20内部结构图FIG33INTERNALSTRUCTUREOFDS18B20DS18B20的内部结构如图3336所示。主要由四部分组成光刻温度传感器、ROM、非易失性的温度报警触发器、TH和TL配置寄存器。DS18B20封装形式有很多种类，在封装中，GND为接地引脚，DQ为数据输入/输出引脚，VDD为可TO92选的外部电源供电引脚，在寄生电源工作方式下接地。（1）64位光刻ROM光刻ROM中的64位序列号为DS18B20的地址序列码。作用是使每个DS18B20的地址不同，这样可以在一条总线上接多个这样的芯片，相互之间不受影响。（2）温度传感器温度传感器主要实现对温度的测量。温度传感器的分辨率根据系统的要求，可以在912位之间单独设置,当设置分辨率越高转换时间就越长。DS18B20的核心是其数字温度传感器，精度可以通过用户编程配置为9、10、11和12位，其分别对应于05、025、0125和00625，可以满足各种不同的分辨率要求37。（3）非易失性温度报警触发器非易失性温度报警触发器主要是在系统控制中用软件输入温度的报警上下限。（4）高速暂存寄存器高速暂存寄存器是由九个连续字节组成，其中前两个用来存放当前温度测量值，第三、第四个字节为温度易失性备份，第五个字节为结构寄存器备份，第六、七、八个字节是系统计算所用，第九个字节是CRC校验所用。（5）CRC发生器CRC在64光刻ROM的最高字节，主要是实现串行通信中的数据校验，判断接收的数据是否正确。图34DS18B20封装方式FIG34ENCAPSULATIONMETHODOFDS18B20322DS18B20测温原理DS18B20测温原理如图35所示，图中低温度系数晶振的振荡固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化振荡率明显改变，所产生信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。33温度采集系统设计331温度采集系统硬件设计斜率累加器预置低温系数晶振高温系数晶振温度寄存器计数器10计数器20预置比较加1预置停止加1预置图35DS18B20测温原理FIG35TEMPERATUREMEASUREMENTROPERTIES一线式1WIRE串行总线是利用1条信号线与总线上若干器件进行通信。具体应用中可以利用微处理器I/O端口对DS18B20直接进行通信，也可以通过现场可编程门阵列FPGA等可编程逻辑器件PLD实现对1WIRE器件的通信。FPGA可以将读出DS18B20的48位ID号和12位温度测量结果保存在内部寄存器中，微处理器可以随时快速地从FPGA寄存器中读取这些信息。利用FPGA实现与DS18B20通信不存在被迫关闭中断的情况，可以满足对实时性要求严格的应用要求。422FPGA控制EP2C8Q208支持NIOSII嵌入式处理器，通过使用QUARTUSII软件、NIOSII集成开发环境（IDE），可以很好地完成对系统的控制。YN开始DS18B20初始化发查找ROM命令读在线DS18B20序列号下一个DS18B20DS18B20初始化发命令指定所有在线DS18B20温度转换命令启动温度/数字转换DS18B20初始化发匹配ROM命令指定一个DS18B20发一个DS18B20序列号发READSCRATCHPAD命令读匹配的DS18B20的温度列号所有器件读完YN图36FPGA控制测温流程图FIG36TEMPERATUREMEASUREMENTROPERTIES332温度采集系统软件设计DS18B20_DRIVECLK,RST_N,ONE_WIRE,TEMPERATUREINPUTCLK/时钟INPUTRST_N/异步复位INOUTONE_WIRE/ONEWIRE总线OUTPUT150TEMPERATURE/输出温度值/控制状态机ALWAYSPOSEDGECLK_1USORNEGEDGERST_NBEGINIFRST_NBEGINONE_WIRE_BUF4ASSIGNTEMPERATURE74T_BUF7410T_BUF7410T_BUF74ASSIGNTEMPERATURE118T_BUF7410T_BUF1181T_BUF118ASSIGNTEMPERATURE1512TEMPERATURE_BUF1210ENDMODULE333硬件支持条件硬件设计上要保证DS18B20接触良好，一旦某个DS18B20接触不好或者断线，则程序读不到存在信号，就检测不到DS18B20所在点的温度；连接DS18B20的总线电缆普通三芯线距离最长时需根据分支点数、总线长度匹配其线间电容及阻抗，在实际运用中，测温电缆线应采用屏蔽4芯双绞线,其中一组接地线与信号线；另一组接地线,屏蔽层在源端单点接地2；在同一根数据总线上挂多个DS18B20时，有时会存在数据不稳的现象，适当减小上拉电阻的阻值可在一定程度上消除数据不稳现象。在软件设计上必须保证FPGA与DS18B20之间的通信严格按照DS18B20的DATASHEET上读写时序，不然无法读取温度数值。本设计的温度检测系统共有N个支路，每条支路上挂八个DS18B20即可满足多点测温的需求，当然我们可以在每条支路上考虑挂更多的DS18B20，但这将涉及到每条支路的具体驱动能力，也是我们下一步工作要解决的问题。本系统设计采用了电力制冷、数字传感器技术与可编程技术相结合的设计思想，简化了硬件设计，提高了整个系统的可靠性，不仅可以用于工业温度检测，还可以用于其他领域的温度检测,实用性很高。34系统其它外围电路设计341时钟电路设计时钟电路为单片机和控制电路提供工作时钟，由晶体和74HC4060组成。74HC4060是带振荡器的14位二进制异步计数器，由14个主从触发器和一个振荡器组成，每个触发器的输山供给下一级触发器，每个触发器的输出信号频率为前一级的一半。振荡器的频率右OSC和OSC端外接晶体米控制。CR为我清除端，高电平有效。时钟电路电路图如图37所示。图中，CP为时钟输出，跳线为双排插针，用于改变时钟输出频率。图37时钟电路图FIG37TIMERCIRCUIT342键盘电路设计键盘输入电路用于改变控制电路中设置的温度、湿度初装的期望值。如温度、湿度的初装期望值分别为20、10，可以通过键盘输入电路来改变这个值，例如将期望值改成25、15。键盘输入电路共设置8个按键，分别控制温度、湿度期望值的十位、个位的加减。另外，还设置一个报警灯，如果出现同时按下两个或两个以上的按键，则报警。键盘输入电路电路图如图38所示。51K51K51K51K51K51K51K51KPDT3PDT4PDT1PDT2PDT3PDT4PDT1PDT2温度十位加温度十位减温度个位加温度个位减温度个位减温度个位加温度十位减温度十位加5VLEDDTH470图38键盘输入电路电路图FIG38KEYBOARDINPUTCIRCUIT343DATAPATH设计数据通道实现的是数据间的运算和传输。数据可能是8/16/32/64位的，本设计采集信号为16位。一般所有的位经过的运算并没有太大的不同。但是，它又要同时实现FSM状态机的功能，其设计是要和CONTROLBLOCK中的FSM的结构一起考虑的。一旦FSM确定了，数据通道的计划就要着手进行。由于数据通道的性能决定了整个系统的性能的高低，所以它又非常的关键。以往通用处理器因为生产数量大，数据通道用全定制的方法设计比较多，线路和版图设计的精雕细刻，以求换得低的芯片生产成本和用其他方法难以达到的性能水平。一般来说，数据通道是一定形式的流水线，因为数据的读取，运算，和结果的写入都在同一个周期内实现，时钟频率就很难提高，所以高性能处理器的数据通道现在都采用流水线设计。数据通道和数据寄存器和数据存储器的关系十分密切，这当然是由处理器的结构确定的。在本设计中的DATAPATH的数据流处理功能并不是非常的复杂，可以不用限制于采取流水线设计，并在FSM的控制下进行正确的数据流传输，同时会反馈给FSM中的“下一状态逻辑”一些输入信号来使其能够进行正确的状态转换。35温度采集系统仿真与分析351系统仿真波形图39DS18B20模块仿真波形FIG39SIMULATEWAVEFORMOFDS18B20MODULE352仿真结果分析我们可以看到当地址进行变化时即AD20发生变化时，采集芯片得到的数据值也将随之变化，即DATA70随着地址值的变化而变化，从而可以获得FPGA中八个寄存器的数据测量数据。DS18B20提供多位精度的温度测量，由于本系统对温度精度的要求不极度苛刻，读取DS18B20测温数据的高8位，因此寄存器的位数为8位。若测量精度提高，要读取DS18B20的12位测温数据，则可以把寄存器的位数扩展成12位，MCU再增加一根地址线，通过增加的地址线去控制MCU读寄存器的高4位和低8位来完成高精度温度测量。36本章小结本章介绍担负整个系统温度检测、感知温度的,以智能温度传感器DS18B20为核心器件构成的温度传感系统。文中介绍了该温度传感器的结构特点，及它的工作原理。阐述了温度传感电路的选择依据，它的外围电路设计及在系统中的工作过程，并给出了DS18B20的仿真波形。第四章FPGA通信、控制电路系统设计41现场可编程逻辑器件（FPGA）411CYCLONEII系列FPGA器件特点现场可编程门阵列（FPGA）是当今应用最广泛的可编程专用集成类电路之一，FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚，同时具有静态可重复编程和动态在系统重构特性，极大提高了设计灵活性和通用性。20世纪80年代中期，ALTERA公司和XILINX公司分别推出了基于乘积项结构的CPLD和基于查找表结构的FPGA。其具有体系结构和逻辑单元集成度高、适用范围广、设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进的特点，被广泛应用于产品设计和生产中。FPGA几乎可以实现任何规模电路系统。在数据采集、数字信号处理、工业控制、医疗、军事等领域都有大量应用。在数据采集领域，FPGA以其高速性主要用于高速数据采集系统；在信号处理方面，FPGA主要应用于信号实时采样和实时处等领域38。本研究采用的是支持SOPC的芯片EP2C8Q208作为系统控制器。它是CYCLONEII系列的FPGA芯片，支持NIOSII嵌入式处理器。该系列芯片将处理器、存储器、I/O口、LVDS等系统设计所需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统。采用这个系统解决方案可以缩短开发周期、减少器件数目、提高了系统可靠性，使系统易实现、易升级、易移植，具有较强的适应性和可扩展性。412硬件描述语言硬件描述语言HARDWAREDESCRIPTIONLANGUAGE是硬件设计人员和EDA工具之间的界面，它主要用于从算法级、门级到开关级的多种抽象设计层次的数字系统建模。被建模的数字系统对象既可以是简单的门，也可以是完整的电子数字系统。硬件描述语言的主要功能是用于编写设计文件，建立电子系统行为级的仿真模型。利用高性能的计算机对用VERILOGHDL和VHDL建模的复杂数字逻辑模型进行仿真。并对它进行自动综合以生成符合设计要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑网表NETLIST。根据网表和适合某种工艺的器件自动生成具体电路，并生成该工艺条件下具体电路的延时模型。仿真验证无误后的电路用于制造ASIC芯片或写入FPGA和CPLD器件中。在EDA领域中，一般把用HDL语言建立的数字模型称为软核SOFTCORE,把用HDL建模和综合后生成的网表成为固核HARDCORE。重复利用这些模块可以缩短开发时间，提高产品开发成功率，并提高设计效率。42FPGA控制系统结构与硬件设计421控制电路框图EPCSI配置芯片（AS）LCD显示JTAG接口石英晶振电源电路FPGAEP2C8Q208C8输出控制量语音提示驱动电路多路温度测量（DS18B20）温度测量DS18B20DS18B20图41硬件结构整体框图FIG41DIAGRAMOFHARDWARESTRUCTUREEP2C8Q208支持NIOSII嵌入式处理器，通过使用QUARTUSII软件、NIOSII集成开发环境（IDE），可以很好地完成对系统的控制。本研究根据系统的偏差变化率来控制，温度控制系统的结构如图41所示。1交互操作简单2前置处理功能强大3后置处理功能性强4集成性强422FPGA的选型及配置电路1选型本设计使用的是ALTERA公司CYCLONEII系列的EP2C8Q208C8。CYCLONEII系列是ALTERA公司于2004年6月29日推出的新款FPGA，是CYCLONE系列的第二代产品，是目前业界成本最低的FPGAT2。CYCLONEII采用了与高端器件STRATIX相同的90NMLOWK工艺，保证了CYCLONEII的强大性能。CYCLONEIIFPGA比上一代成本低近三成，但是逻辑容量却多三倍。另外，根据大量的测试结果显示，CYCLONEIIFPGA的成本大约是相竞争的低成本FPGA的一半，而速度快50以上。并且CYCLONEII系列带来了新的特性和增强特性片内的逻辑单元的数量大幅增加，最多可以达68416个逻辑单元；内部含有150个1818硬件乘法器，这些乘法器能运行至250MHZ，可以高速地完成乘法操作，使得CYCLONEII系列FPGA具有较强的数字信号处理能力；内部存储器以M4K存储器块的形式存在，每个M4K存储器块的大小为4608BIT。片内存储器的容量最大达11MBIT，支持多种配置模式如单口模式、简单双口模式、完全双口模式、移位寄存器模式、只读存储器模式和先入先出FIFO存储器模式41,42。2配置电路设计图42EPCSL引脚图FIG42PINFIGUREOFEPCS1图43EPCSL配置CYCLONEII的电路原理图FIG43SCHEMATICDIAGRAMOFEPCS1CONFIGURATECYCLONEII由于CYCLONEII系列FPGA是基于SRAM工艺制造的，SRAM属于易失性的存储媒质，故FPGA每次上电时需要重新配置。通常在系统上电时可以通过存储于ALTERA串行配置器件中的配置数据或由系统控制器提供的配置数据来完成。用户可以通过设置MSEL的状态选取使用的配置方式。本设计中采用了ALIEM公司提供的专用配置芯片EPCSL对EP2C8Q208C8进行配置。EPCSI配置芯片属于闪存FLASHMEMORY器件，具有可擦写功能。EPCSL芯片的容量为LMB，工作电压是33V。本设计中使用一片EPCSL来配置EP2C8Q208C8。EPCSL本身的编程由JTAG接口完成。EPCSL的引脚如图41所示，EPCSL配置CYCLONEII的电路原理图如图42所示24，各引脚功能说明如下VCC电源引脚3、7、8，接33V；GND电源地4；NCS片选输入信号1，低电平有效。该信号高电平时，器件未被选中，数据信号为高阻状态。该信号低电平时，器件被选中并被激活。上电后，串行配置器件要求在该信号的上升沿出现后才可进行操作。DATA串行数据输出引脚2。ASDI主动串行数据输入引脚5。用来传输串行数据到串行配置设备中。接收向串行配置设备编程的数据，在DCLK上升沿给寄存器赋值。DCLKDCLK信号6由CYCLONEIIFPGA芯片提供。该信号提供串行接口的时钟。在DCLK的上升沿，ASDI上传送过来的数据被锁存到串行配置器件里。在DCLK的下降沿来后，引脚DATA上的数据会发生变换。整个配置过程如下在系统上电后，FPGA和配置器件EPCSL都进入到上电复位状态POR。同时，FPGA驱动NSTATUS为低电平，即处于“忙“状态，驱动CONF_DONE为低电平，表示器件未被配置。当POR过程完成后，FPGA即刻释放NSTATUS信号，当这个信号被外接的上拉电阻拉为高电平后，FPGA就进入了配置模式。在AS配置中，所有的操作均由FPGA发起，整个配置过程中完全处于主动状态。在该配置模式下，FPGA输出由其内部的振荡器产生的有效时钟配置信号DCLK，在配置完成后关掉该振荡器。然后FPGA驱动NCSO信号为低电平，使能串行配置器件EPCSL。FPAG使用ASDO到ASDI的信号控制EPCSL，DATA管脚读出配置数据，将其配置到FPGA中39,40。423FPGA控制器理论基础与设计控制策略的核心思想是利用输入的偏差和偏差变化率的工况，决策相适应的输出量，而不依赖于对象的模型，其控制过程具有很强的逻辑性。因此，选择FPGA设计控制器能够充分发挥其数字逻辑设计的优势，有利于简化控制算法。根据以下阐述控制器的原理，将FPGA设计过程分为计算偏差、计算偏差变化率及决策控制输出三个步骤。EP2C8Q208是属于CYCLONEII系列的FPGA芯片，支持NIOSII嵌入式处理器，通过使用QUARTUSII软件、NIOSII集成开发环境（IDE），可以很好地完成对系统的控制。本研究根据系统的偏差变化率来控制，温度控制系统的结构如图45所示。图44CYCLONEII系列FPGA芯片FIG44CYCLONEIISERIESFPGACHIPS图45控制器构成的控制系统结构FIG45STRUCTUREOFCONTROLSYSTEM在图45中，为设定值，是控制系统输出量，即系统被控量。为偏差，是RSCE设定值与系统输出量之间的差值，即。为控制器的输出量，是根据系RERCU统偏差和偏差变化率的状况决定的。偏差变化率为单位时间内偏差的变化量，EE当前时刻K时的偏差变化率为K时刻偏差与前一时刻（K1时刻偏差的差值除以相邻两时刻间的时间长度，即采样周期，如式41所示，ET411/EKEK由于采样过程中采样周期固定不变，为简化运算过程，本设计中用偏差变化量来代替偏差变化率，如式42所示。421EKEK系统运行过程中，偏差E和偏差变化率各自有三种变化情况，控制器根据二者不同变化情况的组合，将系统的动态过程分成九种工作状况，简称“工况“，每种工况对应控制器的一种输出。九种控制输出协调作用，使整个系统的输出稳定在UC期望值上。控制器的九种工况可以用图8所示的相平面图来表示，相平面图是分析控制器的基本工具。FPGA控制器设定值R排废热闸门开启数等参数（制冷量）EUCCL3L4L2L1图46控制器的相平面图FIG46THEPHASEPLANEOFCONTROLLER在图46中，横轴和纵轴分别为偏差P和偏差变化率，、所夹的区域构成偏E1L2差变化率零带，二者所在位置的大小分别为。、所夹的区域构成偏差零带，034二者所在位置的大小分别为。、四条线将整个相平面划分成个0E1L2九工况，分别对应控制器的种控制输出。控制器的控制原则为偏差为正则输出增九E大，偏差E为零则输出保持，偏差E为负则输出减小。控制器的输出为其中UCKI。控制器的具体控制策略可以描述如下43210I、1偏差是负值，且偏差变化为负即系统运行于区，系统输出在负偏差区，并有V背离设定值的趋势，控制器应给出“多减”指令，控制输出。4UCKE2偏差是负值，且偏差变化为即系统运行于区，系统输出在负偏差区，没有0I背离或靠近设定值的趋势，控制器应给出“减“指令，控制输出。33偏差是负值，且偏差变化为正即系统运行于区，系统输出在负偏差区，并VI有靠拢设定值的趋势，控制器应给出“稍减”指令，控制输出。2UCKE4偏差是0，且偏差变化为负即系统运行于区，系统输出在设定值范围内，但I有正向偏离设定值的趋势，控制器应给出“微减”指令，控制输出。15偏差是0，且偏差变化为即系统运行于区，系统输出在设定值范围内，且0IX没有偏离设定值的趋势，控制器应给出“保持“指令，控制输出。0UCKE6偏差是0，且偏差变化为正即系统运行于区，系统输出在设定值范围内，但IV有负向偏离设定值的趋势，控制器应给出“微加”指令，控制输出。17偏差是正值，且偏差变化为负即系统运行于区，系统输出值小于设定值，但I有向设定值靠拢的趋势，控制器应给出“稍加“指令，控制输出。2UCKE8偏差是正值，且偏差变化为即系统运行于区，系统输出值小于设定值，并0I有保持此正偏差的趋势，控制器应给出“加”指令，控制输出。39偏差是正值，且偏差变化为正即系统运行于区，系统输出值小于设定值，并I有负向偏离设定值的趋势，控制器应给出“多加“指令，控制输出。4UCKE控制核心思想为通过输入偏差和偏差变化率的工况，决策相适应的输出量，而不依赖于对象的模型，其控制过程具有很强的逻辑性。因此，选择FPGA设计此控制器能够充分发挥其数字逻辑设计的优势，有利于简化控制算法。根据点控制器的原九理，将FPGA设计过程分为计算偏差、计算偏差变化率及决策控制输出三个步骤。1偏差的计算E由于当前时刻K时的偏差为，对于FPGA来说只要一个减法器便可实EKRC现该运算。设在FPGA设计中当前时刻为，则偏差为NEN43ENRCNOTCI式（43）中为取反运算，为进位标志，由于是减法运算，所以此处应NOTICIN为1。式中偏差可能为负数，为了后续运算的方便，同时避免因为数据极性的混淆而产生错误，特别地给这些变量增加一个符号位，其中，用表示正数，表示01负数一般地，设定值和实际值都是正数，所以此时偏差为0,ENRCNOTCNI442偏差变化率E的计算对于K时刻的偏差变化率，、分别为K时刻和KL1EKEK1时刻的偏差。将通过寄存器延迟一个采样周期后便得到，然后通过FPGAEKE减法器的运算便得到偏差变化率。同理，和均含有符号位。EK3决策控制输出UC系统的工况是控制算法的依据，根据控制域的工况，输出相应的控制量。判断工况就是判断和所在的区间，即判断二者分别与和作比较的大小。在EK0EFPGA中，各种运算和数据都是靠硬件实现的。例如，要比较1和0的大小，在FPGA中，是用补码表示的，如果直接比较会得到这个错误结果。因此，在11FPGA中作数据比较时，应将作比较的数据都设置一个符号位，先由符号位判断数据的正负，然后再比较同符号数据的大小。在FPGA控制器设计中，判断工况是一个复杂的过程，可以设置四个辅助变量以简化判断过程。令当前时刻K时、01XKE02XKE03XKE。在FPGA设计中设当前时刻为N，将上述四个辅助变量进行算式转换04XE后的描述如式45所示。4510203XNEXN式5中，X1N、X2N用来判断偏差的范围，X3N、X4N用来判断偏差变化率的范围。、均含有符号位，且数据位数相同，因此可以根据XLN、X2N、EN0EX3N、X4N的符号位来判断与、与相比较的大小。例如，式46N0EN0中有（46）100XE根据公式6可以推断偏差的工况，即IF符号位为1XNTHEN0/即EN0IF符号位为01THEN0/即XN0可见，FPGA设计中将控制器的控制算法转化为只需判断的1234,XNNX符号位，即可知道与、与比较的大小的过程，依此推断系统当前EN0N0E时刻所处的工况，决策相应的输出控制量，算法简单、实用。图47控制器仿真结果FIG47SIMULATIONRESULTOFCONTROLLER43本章小结本章着重介绍担负整个废热制冷系统的中央处理器功能的FPGA控制系统，并阐述了控制系统结构及控制原理。系统采用以FPGA为核心的控制芯片对系统的温度采集、比较、控制、显示等主要参量进行实时监测和控制，系统框图如图48所示。硬件电路主要包括FPGA及其配置电路、电源电路、驱动电路、语音提示报警电路、温度测量电路、控制按键和显示单元。设计使用的FPGA芯片是由美国ALTERA公司生产的CYCLONEII系列的EP2C8Q208C8，并且采用了ALTERA提供的专用配置芯片EPCSL对其进行数据配置；外部20MHZ的石英晶振为FPGA提供时钟信号；系统所需的33V和5V电压由外部220V电源通过电源电路获得。首先叙述了现场可编程逻辑器件FPGA基本情况，其次介绍了描述其功能的工具语言HDL和开发平台。系统阐述了整个控制系统结构和原理。仿真过程发现控制器存在控制参数多和上升时间慢的情况，通过在满足控制要求的四个无关的工况，取消了对系统性能影响较小的几个参数，使参数整定的复杂度大大降低，并且降低了FPGA设计的难度和资源消耗。在实际应用中更易于实现。第五章基于FPGA的液晶显示系统设计51使用FPGA设计液晶控制器方案可行性分析液晶屏LCD显示部分以FPGA为核心，应用硬件描述语言VERILOGHDL设计逻辑电路控制液晶屏显示。其功能模块包括时钟模块、串行接口电路、内部RAM读写电路以及时序产生电路，将多个模块集成在一片FPGA芯片上，实现了12864点阵液晶屏的实时显示。并可较好实现更多像素点的液晶显示，增加了系统的灵活性42。52温度显示系统实现521液晶显示原理一、液晶显示屏的内部原理及功能特征1液晶显示屏内部结构原理图1给出了液晶模块的内部结构框图，从图中可以看出，它的内部集成了一个行驱动控制器，两个列驱动控制器，一个12864点阵的LCD液晶屏，以及一块LED背光板2，有部分型号的液晶显示屏没有背光板。由图1可知12864液晶屏是分为左、右两块显示屏进行控制的。对屏幕的所有操作要通过控制信号线来控制。LCD一液晶显示屏，因其具有微功耗、平板化、微型化等一系列显著特点而广泛应用于仪器仪表、计算机显示终端、各类电子显示装置等各个方面。LCD由段位式和点阵式之分。段位式LCD的应用随处可见，如电子表、计算器、电子秤、家用电器等。但它只能显示09十个数字及少数几个字符，其应用因而有一定的局限性。点阵式LCD能显示丰富的信息一汉字或图形，具有操作提示和菜单显示等人机交互功能，这是段位式LCD所无法达到的。因此，点阵式LCD的应用，尤其在便携式产品的开发研制中日益广泛。64SEGVCCVOC62C31LEDALEDX64SEGG4COMKSO107OREQVLCDPANEL12864DOTSDC/DCCONVERTERKS0108OREQVKS0108OREQVLEDBACKLIGHTRSR/WE/RSTVOUTVSS图5112864LCD内部控制式FIG51INTERNALCONTROLLEROF12864LCD全屏幕图形点阵式LCD的组件模块，一般由控制器、驱动器和全点阵液晶显示器组成，其特点是以点阵位图方式控制LCD的某一点像素的亮与不亮，因此，它既可以显示图形，又可以显示汉字J点阵式LCD按其点阵数的构造方式有多种规格，常见的有12832、12864、128112、160128、24064、256128、48064、640480等等。12864的液晶显示屏在市面上主要分为两种，一种是带有中文字库字模，另一种是不带字库，它只是点阵模式，也就是说要想显示汉字只能从外部输入汉字编码数据。本文介绍的是12864图形点阵液晶显示器AML2864A与FPGA芯片的接口及其编程方法。522运作控制方式表51液晶屏运作控制方式TABLE51CONTROLMODEOFLIQUIDCRYSTALDISPLAYD/IR/W运作方式11由输出寄存器读取数据，内部运作先将显示RAM放入输出寄存器10将数据写入输入寄存器，内部运作则将输入寄存器写入显示RAM中01忙碌信号及状态数据读取00指令寄存器写入片选是由CSL和CS2来控制的，只有在片选信号有效时，显示模块才能执行数据或指令的输入输出，此时，DI和RW则分别控制数据和指令的读写以及寄存器的选择。表1给出了DI和RW选择输入或输出寄存器以及所执行操作的具体功能的组合制方式。图52液晶控制仿真波形FIG52SIMULATIONRESULTOFLCDCONTROLLERVHDL程序控制原理对液晶显示模块进行控制要考虑两个问题，其一就是接口的逻辑设计，其二就是接口的时序设计。根据FPGA芯片的程序控制原理，RAM地址产生器用于控制产生RAM地址，MUX21一BUS是二选一多路选择器，用于存储器输出的数据和CONTROLCENTER输出的数据中选择一个输出；双向口控制器用于控制是读取LCD的数据还是向LCD写入数据；CONTROLCENTER则是对I。CD的5根控制线以及双向口控制器、RAM地址产生器、MUX21BUS进行控制。它们之间的时序关系要根据控制指令和程序流程来决定。53本章小结本章主要包括液晶显示原理和驱动控制原理的研究，对可编程逻辑器件的了解、设计，以及液晶控制器具体系统的设计；并使用EDA方式完成控制器的设计，包括接口部件的设计，时序脉冲信号的产生，时间抖动算法原理以及实现，SDRAM控制器设计等等。介绍了采用大规模可编程逻辑器件（FPGA）设计与实现液晶显示电路的一种新的方法。设计了以FPGA为核心的液晶显示、控制硬件电路和基于硬件描述语言（VERILOGHDL）的各功能模块，相应地设计了外围驱动电路；通过对驱动电路的分析，设计了时钟模块、串行接口电路、内部RAM块、读写电路以及时序产生电路，并将多个模块集成在一片FPGA芯片上，实现了12864点阵液晶屏的实时显示。通过扩展外部的行、列驱动器和利用FPGA的快速定制性，可方便地实现更多像素点的液晶显示，增强了系统的灵活性。参考文献1刘志刚溴化锂制冷技术在火力发电厂中的应用J节能技术,2002,116372CHENL,SUNF,CHENW,ETALOPTIMALPERFORMANCECOEFFICIENTANDCOOLINGLOADRELATIONSHIPOFTHREEHEATRESERVOIRENDREVESIBLEREFRIFERATORJJPOWERANDENERGYSYSTEMS,1997,172062123俞炳丰中央空调新技术及应用M北京化学工业出版社，20054尉迟斌实用制冷与空调工程手册北京机械工业出版社，20022602625陈立云废热驱动热管溴化锂制冷系统的比较J制冷与空调,2008,8472736谢英强澳化铿吸收式制冷在热电厂中的应用J节能技术,2007,1165417JE艾亨能量系统的火用分析方法M北京机械工业出版社，1984941168NAOKISUGANO,MYOSHISAITOSIMULATIONANDEXPERIMENTALRESEARCHOFSTARTUPCHARACTERISTICSOFSINGLEEFFECTABSORPTIONREFRIGERATORSDRIVENBYWASTEHOTWATERJTRANSACTIONOFJSME,1996,625963043109辛长平溴化锂吸收式制冷系统使用教程北京电子工业出版社200410张卫华,金苏敏,等热管废热溴化锂吸收式制冷系统计算机辅助设计J流体机械,1999,2712434511周岳斌基于FPGA的数字温度传感器接口设计J现代电子技术,2007,121515212董伟,王俊杰,杨士元单总线测温系统J自动化仪表2005,266273013万军华，基于FPGA的温度测控器设计探索J电子工程师，2008,347495214SPINDTCA,BRODIEI,HUMPHREYLANDWESTERBERGER,JAPPLPHYSJ1976,4712,5248526315TALINAA,DEANKA,JASKIEJE,SOLID2STATEELECTRONJ2001,456,96397616邓洋波,解茂昭等烟气余热回收利用型溴化锂吸收式冷热水机的研发J暖通空调,2007,379828317ANALYTICINVESTIGATIONOFTHEINTERNALCONDITIONSOFAMOLTENCARBONATEFUELCELLSTACKRCRIEPIANNUALRESEARCHREPORT,199618BTODD,JBYOUNGTHERMODYNAMICANDTRANSPORTPROPERTIESOFGASESFORUSEINSOLIDOXIDEFUELCELLMODELINGJOURNALOFPOWERSOURCES110200218620019尉迟斌，实用制冷与空调工程手册，机械工业出版社，2001920郑玉清，蒸汽两效溴化锂吸收式制冷系统，七零四研究所，198721卫永祉，热力学函数关系，成都科技大学出版社，198922沈裕浩,丁力行，LIBR吸收式制冷系统工质对的热物性，1994，61682