（机械电子工程专业论文）乳化液泵站智能监控系统研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着井下综合采煤技术的发展，要求配套的乳化液泵诂单机功率由7 5 k w 发展到2 5 0 k w ，国内无锡煤机厂等生产乳化液泵的厂家已经研制出装机功率为 3 1 5 k w 的乳化液泵。随着乳化液泵单机装机功率的增大，要求乳化液泵站安全 有效运行迫在眉睫。 随着工业自动化技术的快速发展，现场应用在实时性、可靠性、稳定性、 可扩展性等方面对监控系统提出了更高的要求。传统的数据采集系统已不能适 应现代工业网络化发展的需要。在这一背景下，速度更快、功耗更低、通信功 能更强的嵌入式远程数据采集系统得到迅速发展。 本文首先对乳化液泵站智能监控系统的需求进行分析，确定系统的功能目 标和性能要求，并提出总体设计框架，划分功能模块。通过3 2 位a r m 嵌入式 微处理器s 3 c 4 4 b o x 控制传感器采集数据，数据经采集电路送到处理器进行分 析处理，被监控参数用液晶显示屏进行显示，由键盘控制设置参数，必要时监 控系统发出报警信息并通过采集的信号控制电磁阀，进行断电保护，并可保存 出错记录，可供用户随时查询与分析，从而实现了乳化液泵站的智能监控。 然后着重阐述乳化液泵站智能监控系统的硬件设计、软件设计。主要讨论 了a r ms 3 c 4 4 b o x 嵌入式处理器及其扩展电路设计、多通道数据采集电路设 计、l c d 液晶显示屏及按键电路设计、储存参数电路设计及以上各模块的软件 设计。其中软件设计是本设计的核心，根据功能要求，软件工作模式可以分成 四种：巡回监测，参数设置，历史回查，时间设置。论文最后对监控系统可靠 牲提高及系统向网络化发展，人机显示美观改进提出一些想法。本监控系统最 大的特点就是功能强大、功耗低、成本低、实时性高，采用液晶键盘人机交互 界面易于操作，实现井下乳化液泵站全天候安全运行和无人自动监控，保证了 煤矿的安全生产。 关键词：乳化液泵站，智能监控、数据采集、s 3 c 4 4 8 0 x 、l c d 液晶显示屏 a b s t r a c t w i t ht h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n to ft h ep r o d u c t i o no fc o l l i e r y , t h ep o w e rd e m a n d o fe m u l s i o np u m ps t a t i o nn e e dt od e v e l o pf r o ms e n v e n t yf i v ek i l o w a t tt ot w o h u n 出e df i f t yk i l o w a t t t h ec o m p a n yo f w u x ic o l l i e r ye q u i p m e n ta n do t h e rc o m p a n y h a v ep r o d u c e de m u l s i o np u m ps t a t i o nt h a th a v et h r e eh u n d r e df i f t e e nk i l o w a t t w i t ht h e t h ep o w e ri n c r e a s eo fe m u l s i o np u m ps t a t i o n ，t h ed e m a n do fs a f e t yw o r k i s i n t h e f a c e w i t hd e v e l o p m e n to f t h ei n d u s t r i a la u t o m a t i o n ，t h en e e do nm o n i t o r i n gs y s t e mo f f i e l da p p l i c a t i o nh a sb e e ni n c r e a s e dg r e a t l y , s u c ha st h er e a l t i m ea b i l i t y , r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , e x p a n s i o na b i l i t y t h i sm o n i t o r i n gs y s t e m ，u n d e rt h ec o n t r o lo fs 3 c 4 4 b o x ， s e n s o r sa c q u i r e dd a t a a t i e rt r a n s a c t i o ni nc i r c u i t s t h ed a t ai ss e n tt op r o c e s s o rf o r a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n g t h ed a t ap m c e s s e di sd i s p l a y e do nt h el c dd i s p l a y s c r e e l l u s i n gt h ek e y b o a r dt os e t t i n gt h ep a r a m e t e r s ，a f t e rt h ea n a l y s i so f t h es e n s o r s a c u i r e d a t at h em o n i t o r i n gs y s t e mc o n t r o lt h ee l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e w h e nn e e d e d a l e r t i n gs i g n a lc o u l db es e n ta n dt h ep o w e ro fe m u l s i o np u m pc o u l db ec u to f f a n d w i l lp r o t e c tt h ep u m p t h i sm o n i t o r i n ga l s oc a ns a v et h et r o u b l er e c o r d st h a th a d h a p p e n e d a n d u s e rc a ne a s i l yc h e c kt h er e c o r da n dd om o r er e s e a r c h t h e m o n i t o r i n gc o n t r o lw i l lc o m et r u e t h et h e s i sf a s ta n a l y s e st h ed e m a n do ft h es y s t e m ，c o r l f i r n l ss y s t e mf u n c t i o n g o a l sa n dr e q u i r e dp e r f o r m a n c e t h e np u t sf o r w a r dt h ed e s i g n i n go v e r a l l 矗锄ea n d d i v i d e sf u n c t i o nm o d u l e s t h e n 协ee m p h a s i si sp u to nh a r d w a r ed e s i g n s o i b , v a r e p r o g r a m m i n g i ti sd i s c u s s e dt h a t t h es 3 c 4 4 b o xa n di t sp e r i p h e r a lc i r c u i t s m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t ，l c dd i s p l a ys c r e e nc i r c u i t ，k e ：y b o a r dc i r c u i t ， s a v ec i r c u i td e s i g na n dt h es o f t w a r ed e s i g no ft h e s em o d u l e s t h e r e i n t o ，t h ed e s i g n o fs o f t w a r ei st h et h em o s ti m p o r t a n to ft h i ss y s t e m ，b a s e do nt h ef u n c t i o n ，t h e s o f t w a r em a i n l yd i v e di n t of o r ep a r t s t h ef i r s tm o d e li sc i r c l ec h e c k ，t h es e c o n di st h e p a r a m e t e r ss e t t i n g 。t h et h i r dm o d e li sh i s t o r yc h e c k ，t h e f o r t hm o d e li st i m e s e t t i n g f i n a l l yg i v es o m es u g g e s t i o n st of a r t h e ri m p r o v ec r e d i b i l i t yo ft h es y s t e m a n dw e bd e v e l o p m e n ta n dt om a k em o r eb e a u t i f u ld i s p l a y t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h i s s y s t e r m i sl o wp o w e r , p o w e r f u l f u n c t i o n ，l o wc o s t ，r e a l - t i m ea b i l i t y , a n de a s i l y c o n t r o l ，t h i ss y s t e ma s s u r et h es a f ep r o d u c t i o no f c o l l i e r y k o yw o r d s ： e m u l s i o n p u m p ；m o n i t o r i n gs y s t e m ：d a t aa c q u i s i t i o n ； s 3 c 4 4 b o x ；l c dd i s p l a y ； 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 问题的提出 第一章绪论 世界各国，特别是发达国家都十分注重将高新技术与传统的工业技术相结 合，投入大量的物力和财力进行工业设备实时监控和远程测控，以达到更高 的安全性和提高管理效率。 乳化液泵站是煤矿井下作业的关键设备，它负责为整个液压系统集中供 液，是支架液压系统的动力源，并可用作高压水射流设备和其它液压设备的 动力源。乳化液泵站通常由两台乳化液泵和一台乳化液箱组成。 乳化液泵站是向煤矿综采工作面液压支架( 或高档普采工作面的外注式 单体液压支柱) 输送高压乳化液的设备，是液压支架的动力源，其工作状态 的好坏直接影响液压支架的工作性能和使用效果，同时对井下工作的安全性 起着至关重要的影响。现在国外乳化液泵站单机功率已由7 5 k w 发展到 2 5 0 k w ，国内乳化液泵生产厂家已经研制出装机功率为3 1 5 k w 的乳化液泵。 随着乳化液泵单机装机功率的增大，要求乳化液泵站安全有效运行已迫在眉 睫。就我国乳化液泵站机械技术水平而言，产品质量、性能已经达到或接近 国外同类产品水平，与国外产品的反差就在于未有配备必要的安全运行自动 保护装置。一些产品在井下使用时出现润滑不良造成盐轴烧瓦等质量事故， 甚至造成整机报废，出了事故，往往都从机器本身寻找原因，而不是从如何 预防的角度出发来解决问题，永远不出故障的机械产品是不存在的，如何将 即将出现的重大质量问题消灭在萌芽状态，才是最重要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 图1 - 1 乳化液泵圈 图1 - 2 乳化液箱图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 监控乳化液泵站工作状态的意义 以前在乳化液泵站运行时，工作人员往往凭经验和主观感觉来判断设备 的工作状态正常与否。由于工作人员的技术水平差距很大，使得许多乳化液 泵系统的故障不能及时检查出，导致泵站长期带病工作，这将直接影响工作 面安全生产并造成能源的大量浪费。当乳化液泵站性能降低到一定程度后， 就会造成工作面停产。 过去在工作面出现设备故障并影响生产正常进行时，往往都是从机器本 身的设计制造和维护等方面去寻找事故原因。而要保证机械设备长期不出故 障，代价高昂，事实上也很难做到。如果从预防的角度能及时发现问题，解 决问题，将可能发生的故障，特别是一些可能影响生产甚至造成停产的重大 问题，消灭在萌芽状态，对安全、稳定的生产显然具有十分重要的意义，经 济效益显著。 本论文研究的主要内容是研制煤矿用乳化液泵站智能监控系统。当乳化 液泵站工作状况不正常时，必然会导致相关参数的异动。通过实时监控乳化 液泵各部分的工作压力、温度、润滑油压力、润滑油温度以及乳化液箱液位 等关键参数，可以掌握泵站的实际工作状况。目前国内还没有成熟的、高性 价比的矿用智能在线监控产品问世。本项目的开发，对于防止乳化液泵的工 况故障、保障矿井安全生产具有重要的现实意义。 除煤矿乳化液泵站外，对于其他的类似场合，本设计方案的思路、技术 等也具有一定通用性。 1 3 课题的主要内容 传统的工业监控系统中，多采用8 位单片机如8 0 5 1 为其控制核心，数据 处理速度低。本课题针对目前矿山用乳化液泵站的实际需要，实时监控其各 个关键部位的温度、压力、液位等参数，设计并实现了嵌入式的乳化液泵站 智能数据采集、处理和控制系统地丽样机。该样机系统方案设计通用性好、 可靠性强、可扩展性强。在硬件技术上选用了接口丰富、处理能力极强的嵌 入式a r m 处理器，提升了系统性能。显示上用3 2 0 * 2 4 0 的液晶显示屏，清晰 美观。通过地面验证性实验，本项目研制的样机完成了系统的预定功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第二章监控系统总体结构设计 2 1 系统主要技术指标 依据技术协议，研制的乳化液泵站智能监控系统，能实现乳化液泵站运行 物理参数全天候连续实时采集和处理。具体而言应能动念实时监控下列八大参 数： 1 ) 乳化液箱液面的高度h ( 检i 煲! | 位置在乳化液箱 吸空液位3 9 0 r a m - 2 9 0 m m ；电控两位两通阀工作范围6 6 5 咖一8 6 5 m m ；溢出液位 9 0 0 m m - 9 1 5 m m ) 显示时增加修正值1 4 0 m m 。 2 ) 乳化液箱液体的温度t ( 检测位置在乳化液箱5 0 5 5 ) 。 3 ) 乳化液供液系统压力p ( 检测位置在乳化液泵主供液管起始连接处 额定压力3 1 5 m p a ，启动失败压力0 3 m p a ；启动后压力低7 0 电 液卸载阀工作范围8 0 - 1 0 0 ；预报警压力1 1 0 一1 2 0 ) 。 4 ) 曲轴箱润滑油的油位高度h o ( 检测位置在曲轴箱润滑油室 1 6 5 m m - 1 5 5 m m ) 显示时增加修正值l o m 。 5 ) 曲轴箱润滑油的油温t o ( 检测位置在曲轴箱润滑油室7 5 8 5 ) 。 6 ) 关键运动副压力润滑系统的压力p o ( 检测位置在润滑液泵主压力 油管起始连接处工作压力0 3 5 m p a ，0 2 0 m p a 一0 i o m p a ) 。 7 ) 乳化液高压过滤器进出口两边压差p 1 一p ( 检测位置在乳化液泵 主供液管高压过滤器0 2 5 m p a - o 3 5m p a ) 。 8 ) 乳化液低压过滤器进出口两边压差p 2 一井下大气压常数( 检测位 置在乳化液泵回液管低压过滤器0 2 5 m p a 0 3 5m p a ) 。 要求乳化液泵站智能监控系统压力p 采样周期在0 0 5 秒以内，曲轴箱温 度的采样周期在o 5 秒以内，其余参数采样周期在5 秒阻内。所有检测参数全 部实现数字化集中液晶显示，智能判别所监控参数是否在正常区间。系统运行 出现故障，参数超出正常区间时，应能立即进行声光预警。( 由于系统压力与 润滑油温度极其重要，且参数采样周期不同，该参数用计时器中断方式，其他 允许顺序延时方式) 。 要求检测参数达到报警极限，则可依据用户预定模式，选择切断主电机电 源或带故障继续工作( 出厂设置为切断主电机电源) 。同时进行粗略的故障诊 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 断，显示故障类型和大致可能位置。 2 2 监控系统技术总体方案 经过技术比选，并参考国外类似产品的经验，结合前期预研成果，本乳化 液泵站智能监控系统样机研制，以服务监控乳化液泵站系统为对象，监护仪工 作由人工开启。 乳化液泵站智能监控系统监控主机采用新型的嵌入式单片机，以充分利用 其高速计算能力、大容量存储能力、内嵌a d c 转换和多个i o 接口通道能力， 实现数据采集，数据分析，初步故障诊断定位，历史数据记忆存储。同时预留 今后外传数据上网能力。 乳化液泵站智能监控系统监控要监控的信号均是模拟连续量。决定采用合 格供应商本质安全防爆型的相关压力、压差、流量、液位传感器及变送器产品， 输出的信号为多路标准信号( 输出电压直流0 5 伏，输出电流直流4 2 0 毫安， 工作电压在直流2 4 伏以内) 。温度信号的采集采用本质安全防爆型p t 热敏电 阻温度传感变送器。这些信号经过屏蔽性能良好的多芯电缆并通过航空插头与 主机i 0 接口连接。 乳化液泵站智能监控系统执行单元采用现代无触点过零型固态继电器，能 切断井下6 6 0 伏主电源。声光报警采用常用的发光二极管和蜂鸣器。 乳化液泵站智能监控系统供电电源采用标准稳压电源。该电源输入为6 6 0 伏交流电压，输出为多路2 4 伏、正负1 2 伏和5 伏直流电压，总电流能力在2 0 0 毫安以上，具备短路保护、漏电保护等功能。 2 1 3 监控系统的总体组成 乳化液泵数字监护仪实际为个智能化的数字监控系统，本系统主要由 数据采集转换、单片机控制、输出控制三部分组成。 1 数据采集转换 根据实际要求选用能满足现场应用要求的压力、温度、液位传感器，采 购时注意要满足系统电压和防爆性能的要求，实现o 2 5 伏或0 2 0 m a 标准 输出。被测信号经a d 转换电路实现a 仍转换，输入单片机。 2 单片机控制 采用a r ms 3 c 4 4 b o x 处理器，配备电擦除f l a s h 存储器、可擦写大容 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 量s d r a m 存储器以及其他外围电路。采用3 2 0 * 2 4 0 点阵的l c d 显示屏显示 监控数据及提示信息。键盘设置采用密封数字触摸键，六键设计。 3 输出控制 采用固态继电器控制电机，当出现故障时，固态继电器动作，切断电源来保 护电机。还有两个电磁阀，一个依据系统压力参数控制电液卸荷阀上电磁阀 动作以保证系统工作压力处于j 下常区域；一个依据乳化液箱液位高度控制乳 化液箱上自动配液系统中液控单向阀上电磁阀动作，保汪该液位处于一个合 理区间水平。 图2 - 1 前面板图 图2 - 2 后面板图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 第三章监控系统硬件平台设计 本章对基于a r m 微处理器s 3 c 4 4 b o x 的嵌入式数据监控系统进行总体设 计，介绍了嵌入式系统的硬件结构，并详细介绍了嵌入式系统主要硬件功能 的具体实现过程。 3 1 系统硬件组成 系统硬件组成框图如图3 一i 所示： 图3 - i 系统硬件组成框图 按功能可以分为单片机控制单元、数据存储单元、数据液晶显示单元、 a d 转换电路单元、信号处理单元及检测传感器单元等几大部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 2 单片机控制单元 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心部件。本系统采用s a m s u n g 公司推出 的基于a r m 7 t d m i 核的3 2 位r i s c 高速处理器s 3 c 4 4 b o x 。它是基于工业控制应 用系统的高性价比微控制器，内含一个由a r m 公司设计的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i r i s c 处理器核，a r m 7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 核，最适合用于对价格 及功耗敏感的应用场合。它的工作电压为3 3 v ，内核a r m 7 t d m i 的工作电压仅 为2 5 v ，大大降低了芯片的功耗。 s 3 c 4 4 b o x 嵌入式处理器的结构框图如图3 2 所示。 图3 2 s 3 c 4 4 8 0 x 结构框图 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 s 3 c 4 4 b o x 在a r m 7 t d m i 内核的基础上扩展了完整的通用外围器件，使系统 性价比大幅提高，减少了对附加配置的需要。集成于片上的功能如下： 1 ) 8 个m e m o r yb a n k s ，用于管理外部存储器，最大存储容量达到2 5 6 m b 。 可扩展e p r o m 、f l a s h 、u s b 和l c d 。每个b a n k 支持8 1 6 3 2 位数据格式，可 寻址3 2 m b 。其中b a n k o 专用于系统启动，b a n k 6 、b a n k 7 专用于s r a m 、s d r a m 等。 2 ) l c d 控制器，支持单色、4 、1 6 级灰度的l c d 模块；支持4 位的单双 行扫描、8 位的单行扫描形式的显示类型。主要支持6 0 4 x 4 8 0 、3 2 0 x 2 4 0 、1 6 0 x 1 6 0 等显示点阵。 3 )两路u a r t ，最高传输速度为1 1 5 2 0 0 b s 。支持i r d a i 0 ，可用于红外 通信。 4 )5 路p w m 调制输出，可用于控制蜂鸣器输出不同声音，提示系统各类 信息。 5 ) 7 1 个i o 口，包括8 个外部中断源，可用于键盘、l c d 背光、照明 控制等。 6 ) 8 路1 0 位a d 转换器。 7 )带日历功能的系统实时时钟，可用于记录数据采集时间。 8 )4 种系统工作模式：正常、慢速、闲置和停止模式。根据不同的需要 设置不同的工作方式，可以降低系统功耗。 3 2 1s d r a m 设计 s d r a m 没有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器， 且具有可读写的属性。因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空i 旬、 数据及堆栈区。 一、s d & a m 存储器选型 当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读耿启动代码。在完成系统 的初始化后，程序代码一般应调入s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度。 同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各 种嵌入式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电， 为了避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 就要求微处理器具有刷新控制逻辑，否则就必须在系统中另外加入刷新控制 逻辑电路。s 3 c 4 4 b o x 及其他一些a r m 芯片在片内具有独立的s d r a m 刷新 控制逻辑，可方便地与s d r a m 接口。 目前常用的s d r a m 为8 位1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。 主要的生产厂商有h y u n d a i 、w i n b o n d 等。他们生产的同型器件”一般具有 相同的电气特性和封装形式，可以通用。 s 3 c 4 4 b o x 内部没有提供r a m 存储空间，需要扩展。在系统中选用了 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 。h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的存储容量为4 组1 6 m 位( 8 m 字节) ，工作 电压为3 3 v ，常见封装为5 4 脚t s o p ，兼容l v t t l 电平接口，支持自动刷 新( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度。其引脚信号描 述如表3 3 所示。 表3 1h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 引脚信号描述 引脚 名称描述 c l k时钟 芯片时钟输入。 c k e时钟使能片内时钟信号控制。 _ 一 c s 片选 禁止或使能除c l k 、c k e 和d q m 外的所 有输入信号。 b a 0 ，b a l组地址选择 用于片内4 个组的选择。 a 1 l a 0 地址总线行地址：a 1 1 a o ，列地址：a 7 a 0 ，自 动预充电标志；a 1 0 r a s ， 行地址锁存参照功能真值表，r a s ，c a s 和w e 定义 c a s ，列地址锁存 相应的操作。 w _ e 写使能 l d q m ，u d q m 数据i o 屏蔽在读模式下控制输出缓冲：在写模式下屏蔽 输入数据 d q l s d q 0 数据总线数据输入输出引脚 v d d ，v s s 电源地内部电路及输入缓冲电源地 v d d q v s s q 电源地输出缓冲电源地 n c 未连接未连接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 二、s d r a m 与处理器的连接 与f 1 a s h 存储器相比，s d r a m 的控制信号较多，其连接电路相对也要复 杂一些。 系统中，可以将h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 配置到d r a m s d r a mb a n k 6 d r a m s d r a mb a n k 7 的任一位置，一般配置到d r a n u s d r a v lb a n k 6 ，即将 s 3 c 4 4 b o x 的n s c s 0 连接至h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c s 端。连线关系如下： l 、l 王y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c l k 端接s 3 c 4 4 b o x 的s c l k 端； 2 1h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的c k e 端接s 3 c 4 4 b o x 的s c k e 端： 3 、h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的r a s 、c a s 、隔r e 端分别接s 3 c 4 4 b o x 的n s r a s 端、n s c a s 端、n w e 端： 4 1h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的a 1 1 a 0 接s 3 c 4 4 b o x 的地址总线a d d r l 2 a d d r l ； 5 1h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的b a l 、b a 0 接s 3 c 4 4 8 0 x 的地址总线a d d r 2 1 、 a d d r 2 0 ： 6 1 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的的d q l 5 d q 0 接s 3 c 4 4 b o x 的数据总线的 d a l a l 5 d a t a o ： 7 1h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 的的u d q m 、l d q m 分别接s 3 c 4 4 b o xn w e b l 、 n w e b o ： 其接口电路示意图如图3 3 所示。 a 0 c 自 m n l 3 ：1 1 一 d d r | 1 3 ，q 8 口 t n 5 埘 一 x t a t s ：棚 一 s c , l k n r 捌q 即黼s 喇 n c s h 8 r $ c $ 2 k 鸺 n w e n w b 吼划岫删1 ：川 图3 3s d r - a m 与单片机连接图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 3 2 2 实时时钟r t c $ 3 c 4 4 8 0 自带有r t c 模块。r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) 单元能在系统断电时， 通过备份电池来供电，r t c 能通过a r m 的s t r b l d r b 指令传输8 位b c d 数据至u c p u ， 该数据包括时分秒小时天月和年。r t c 使用一个外部3 2 7 6 8 的晶体也能执行报 警功能。 特征： 日历功能，支持闰年，解决t 2 0 0 0 年问题，独立的供电，支持毫秒滴答时间， 中断作为r t o s 核的时间滴答报警功能。 r t c 寄存器 lr t c 控制寄存器 r t c c o no x o t d 7 0 0 4 0 ( 1 i t t l ee n d i a n ) o x 0 1 d 7 0 0 4 3 ( b i ge n d i a n ) r w ( 字节) r t cc o n t r o lr e g i s t e r 位名称 b i t 描述 r t c 时钟计数复位 c l k r s t 3 0 = n or e s e t ，1 = r e s e t b c d 计数复位 c n t s e l 2 3 0 = m e r g eb c dc o u n t e r s i = 保留( s e p a r a t eb c dc o u n t e r s ) b c d 时钟选择 c l k s e l 1 0 = x t a l1 21 5d i v i d e dc l o c k l = r e s e r v e d ( x t a lc l o c ko n l yf o r t e s t r t c 读写允许 r t c e n 0 0 = d i s a b l e ，1 = e n a b l e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 3 2 3 键盘模块设计 图3 - 4r t c 原理图 键盘是标准的输入设备，可以用来输入数字型数据或者控制设备的工作 模式。 实现键盘控制有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；二 是使用软件实现。目前有很多芯片可以用来实现键盘扫描，但是键盘扫描的 软件方法有助予缩减一个系统的重复及其开发成本，而且只需要很少的c p u 开销就能实现。嵌入式微处理器的功能很强，可以充分利用这一资源。 键盘扫描的过程就是让微处理器按规定的时间间隔来查询键盘矩阵，以 确定是否有键被按下。每个键被分配一个称之为扫描码的唯一标示符。一旦 处理器判定有一个键被按下，键盘扫描软件将过滤抖动并根据该扫描码判定 哪个键被按下。 系统中按键和液晶显示屏组成了简便的人机交互界面。设计了六个按键， 功能分别为选择键、值增加键、值减少键、确定键、取消键、复位键。 系统中的按键信号输入采用了i o 口电平输入的方式，每一个键对应微 处理器的一个i o 口，共占用四个l d o 口。在没有按键按下时，i o 口保持高 电平，如果有按键按下，按键对应的端口电平就会被降为低电平。端口电平 的变化会被记录在相应的端口状态寄存器中。微处理器通过查询该寄存器的 状态就能准确判断按键的动作。在软件设计中还加入了防抖程序，微处理器 以规定的时间间隔对端口状态进行查询，这个间隔通常在2 0 l o o m s 之间( 称 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 为去除回弹周期) ，它主要取决于所用端口的回弹特征。 3 2 4 多通道a d 采集 图3 5 按键接口电路图 图3 6 按键面板图 数据采集与处理是实现测量及控制的首要环节。由于本系统为多路信号采 集系统，所以必须实现多通道a d 转换。 s 3 c 4 4 b o x 具有8 路模拟信号输入的1 0 位模数转换器( a d c ) ，它是 一个逐次逼近型的a d c ，内部结构中包括模拟输入多路复用器，自动调零比 较器，时钟产生器、1 0 位逐次逼近寄存器( s a r ) ，它具有以下特征。 最大转换速率：i o o k s p s 输入电压范围：o 一2 5 v _ 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15 页 输入带宽：0 - 1 0 0h z ( 无采样和保持电路) s 3 c 4 4 b o x 的a d 转换器不具备采样保持电路，因此虽然具有较高的采 样速率，但是为了得到精确的采样数据，输入的模拟信号频率不应超过1 0 0 h z ， 否则转换的精确度会受到影响。 理论上，当采样直流和变化非常缓慢的信号时，可以不用采样保持器。 在保证精确度的前提下，s 3 c 4 4 b o x 的a d c 只能够对频率小于1 0 0 h z 的信号 进行转换。这个采样频率，已经能满足本系统的设计需要。 因此基于$ 3 c 4 4 8 0 的特性，在进行多通道a d 转换设计时，不用考虑多 路模拟开关、采样保持器的设计问题。可以把各路模拟信号调理到1 0 0 h z 以 下、0 2 5 v 的电平范围内直接输入到$ 3 c 4 4 8 0 的a d 输入引脚上。 3 3 数据存储单元 数据存储单元一片采用存储容量为2 k 的串行e e p r o m 存储：器( 2 4 c 0 2 ) ， 主要用于对参数设置和历史数据进行存储。数据存储单元的数据存储和提取 都采用1 2 c 总线进行传送。 3 3 1i 总线概述 1 2 c 总线使用两根信号线来进行数据传输，一根是串行数据线( s d a ) ，另 一根是串行时钟线( s c l ) 。它允许若干兼容器件( 如存储器、a d 和d a 转换 器以及l e d 、l c d 驱动器等) 共享总线。i 2 c 总线理论上可以允许的最大设备数， 是以总线上所有器件的电容总和不超过4 0 0 p f 为限( 其中包括连线本身的电容 和与它连接端的引出电容) ，总线上所有器件要依靠s d a 发送的地址信号寻 址，不需要片选线。任何时刻总线只能由一个主器件控制，各从器件在总线 空闲时启动数据传送，由1 2 c 总线仲裁来决定哪个主器件控制总线。1 2 c 总线 数据传输的最高速率为4 0 0 k b p s ，标准速率为1 0 0 k b p s 。s d a 与s c l 为双向i o 线，都是开漏极端( 输出1 时，为高阻抗状态) 。因此1 2 c 总线上的所有设备的 s d a 、s c l 引脚都要外接上拉电阻。 i z c 总线的协议如下： 总线空闲：s c 蜊s d a 都保持高电平。 开始信号：s c l 保持高电平的状态下，s d a 出现下降沿。出现开始信号 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 以后，总线被认为“忙”。 停止信号：s c l 保持高电平的状态下，s d a 出现上升沿。停止信号过后， 总线被认为“空闲”。 总线忙：在数据传送开始以后，s c l 为高电平的时候，s d a 的数据必须 保持稳定，只有当s c l 为低电平的时候才1 允许s d a 2 9 _ 的数据改变。 1 2 c 总线的传送格式为主从式，对系统中的某一器件来说有四种可能的工 作方式：主发送方式、从发送方式、主接收方式、从接收方式。 3 3 21 2 c 总线位传输方式 由于连接n i 2 c , g 线的器件有不同种类的工艺( c m o s 、n m o s 、双极性) ， 逻辑0 ( 低) 和1 ( 高) 的电平不是固定的，它由v d d 的相关电平决 定。每传输一个数据位就产生一个时钟脉冲。 1 数据的有效性 s d a 线上的数据必须在时钟的高电平周期保持稳定，数据线的高或低电 平状态只有在s c l 线的时钟信号是低电平时才能改变，具体情况如图3 7 所 示。 ： 蛐断i 确_ 噼 跳蛐lo f d m d a bv 嫡d l 羽l o w 啪l 图3 - 7 1 2 c 总线的位传输 2 起始和停止条件 在1 2 c 总线中，唯一出现的是被定义为起始( s ) 和停止( p ) 条件见图 3 _ 8 的情况。其中一种情况是在s c l 线是高电平时，s d a 线从高电平向低电平 切换，这个情况表示起始条件。当s c l 是高电平时，s d a 线由低电平向高电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17 页 平切换表示停止条件。起始和停止条件一般由主机产生，总线在起始条件后 被认为处于“忙”的状态，在停止条件的某段时间后总线被认为再次处于空 闲状态。如果产生重复起始( s r ) 条件而不产生停止条件，总线会一直处于 忙的状态。此时，起始条件( s ) 和重复起始( s r ) 条件在功能上是一样的。 如果连接到总线的器件合并了必要的接口硬件，那么用它们检测起始和停止 条件十分简便。但是没有这种接口的微控制器在每个时钟周期至少要采样 s d a 线两次来判别有没有发生电平切换。 s 嗽乱l ：l 矿一s 队 llll il 啦_ 厂一、厂t 丁一姒 s t r t 柑 b s t o p n m b 图3 8起始和停止条件 3 3 31 2 c 总线数据传输方式 1 字节格式 发送到s d a 线上的每个字节必须为8 位，每次传输可以发送的字节数量不 受限制，每个字节后必须跟一个响应位。首先传输的是数据的最高位( m s b ) ， 如图3 9 所示。如果从机要完成一些其他功能后( 如一个内部中断服务程序) 才能接收或发送下一个完整的数据字节，可以使时钟线s c l 保持低电平迫使 主机进入等待状态。当从机准备好接收下一个数据字节并释放时钟线s c l 后 数据继续传输。在一些情况下可以用与1 2 c 总线格式不一样的格式，如兼容 c b u s 的器件。甚至在传输一个字节时，用这样的地址起始的报文可以通过产 生停止条件来终止，此时不会产生响应。 2 数据传输晌应 数据传输必须带响应，相关的响应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟 脉冲期间，发送器释放s d a 线( 高) 。在响应的时钟脉冲期间，接收器必须 将s d a 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。如图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18 页 3 1 0 所示。同时，必须考虑建立和保持时间。 通常被寻址的接收器在接收到的每个字节后，除了采用c b u s 地址开头的 报文，还必须产生一个响应。当从机不能响应从机地址时( 如正在执行一些 实时函数不能接收或发送) ，从机必须使数据线保持高电平，主机产生一个 停止条件终止传输或者产生重复起始条件开始新的传输。 筋勿一 吼i ，u 。l 鄹 鱼n t a 盯甲l r r f y l l n i m r r 隙 图3 - 9 1 2 c 总线的数据传输 式ii 四： d 吖a t ao t l 嘲u t t 寸一一 ii 喇粼朴几风 山 羽黼 l 日n 一l l a 乙。l 俯j 比k l 二j t 口p 计 器胖 ：x 二j 厂一 一 一r _ 7 一 b 吐n o 州出e ， - 8l ? l 一 描黜躲 图3 1 0 1 2 c 总线的响应 黠譬 瞰 曙 掣 钟 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 3 3 4i 总线线路的配线方式 一般来说，配线必须选择使总线线路的串扰和干扰最小。总线线路在高 电平的时侯最容易受到串扰和干扰的影响，因为上拉器件处于相应的高阻状 态。 如果p c b 板的总线长度或带状电缆超过1 0 c m ( 包括v d d 和v s s 线) ， 配线方式必须是： s d a v d d v s s s c l 如果只有v s s 线那么配线方式必须是 s d a v s s s c l 这些配线方式也会使s d a - l 和s c l 线的电容负载一样，如果p c b 用7 v s s 层或v d d 层，v d d 和v s s 线可被忽略。 如果总线线路是双绞线，每条总线都必须围着v s s 绕行。另一种方法是 s c l 线围着v s s 绕行，s d a 线围着v d d 绕行。后者必须在两条双绞线的末端 连接一个电容，使v d d 线向v s s 线解耦。 如果使用的是屏蔽的总线线路( 屏蔽连接到v s s ) ，干扰将会很小。但 是，屏蔽的电缆在s d a 和s c l 线之间的电容耦合必须很低才能减少干扰。 3 3 52 4 c 0 2 概述 2 4 c 0 2 是串行e e p r o m 存储器，存储容量为1 0 2 4 2b ，共分2 页，每页 2 5 6 b ：工作电压为+ 5v ；接口方式为工业标准的2 线接口：s d a 和s c l ，有读 和写两种操作状态，读、写时序和1 2 c 总线类似，2 4 c 0 2 外形图如图3 1 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 图3 - 1 12 4 c 0 2 的引脚排列示意图 2 4 c 0 2 弓i 脚定义： s d a ：串行数据地址端，在两线协议中，这是一个双向数据线，用来送 串行数据和地址。该端是开漏输出，在两线总线上可以和其他装鼍线或需要 加上拉电阻。 s c l 串行时钟，两线接口串行时钟输入，数据在s c l 的下降沿输出，数 据在s c l 的上升沿输出时，需要加上拉电阻。 w p ：写保护，当w p 为高电平时，物理地址a 2 = l 时，存储器的上半部分 地址的数据被保护，数据禁止写入，当w p 为低电平时，所有地址都能写