（电力系统及其自动化专业论文）新型输煤计量测控装置研究与应用.pdf

太原理f i 火学硕士研究生学位论文 成预定的功能、指标。系统的硬件和软件在经过不断改进 和完善后都达到比较完美的程度，其给料率精度误差范围 小于0 5 ，速度控制精度范围小于5 p 蹦，且响应速 度比原系统大为提高，达到2 0 0 m s 。系统的设计采用模块 化结构，具有灵活方便、易于扩展的特点。该系统填补了 大型发电厂自动测控给料系统的一项空白，受到使用单位 好评。 关键词；自动测控，给料机，a d u c 8 3 4 ，m a x 4 8 5 太原理i - 人学硕一1 ：研究生学位论文 e n v i r o n m e n t ，p o r t - a d d r e s sa s s i g n a t i o n ，m a i np r o g r a m a n d p e r i o di n t e r r u p tp r o g r a m u s i n gm a x 4 8 5s e n d ss a m p l i n g d a t a st o e p i g y n y m a c h i n e a n ds w i t c hr s - 2 3 2t o r s 一4 8 5 f i n a l l yd e s i g n e dr e l i a b i t ym e a s u r ei nh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea s p e c t s t h i sh a n d ys a m p l i n gd e v i c ei sp r o v i d e dw i t ht i g h t e n s t r u c t u r e 、l o wp o w e r - l o s s 、e x c e l l e n ta n t i - j a m m i n g 、f a c i l i t y t o t e 、h i g hs t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t y i nf a c t ，a d u c 8 3 4m a y s h o r t e nt a pt i m ea n dr e d u c ec o s t i t se f f e c ti sv e r yw e l l t h i s i t e mr e a l i z e sd e s i g nd e m a n d ，t h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea t t a i nr o u n dd e g r e eb yb e t t e r m e n ta n dp e r f e c t ，t h e f e e d e re r r o rr a n g el e s st h a n 0 5 ，t h es p e e dc o n t r o lr a n g e l e s st h a n 5 p r m ，t h ea n s w e rr a p i di m p r o v ea n dr e a c h2 0 0 m s t h es y s t e md e s i g na d o p tm o d u l a r i z es t r u c t u r e ，a g i l i t yf a c i l i t y a n db ep r o n et oe x t e n d t h i ss y s t e mp a d d e da u t o m a t i s mf e e d e r b l a n k n e s s ，g e tu s e ra p p l a u s e k e yw o r d s ：a u t o m a t i cc o n t r o l ，f e e d e r , a d u c 8 3 4 ，m a x 4 8 5 i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 在现代化工业生产的各个领域，具有计量功能的给料机在散状物 料输送系统中的应用日渐增多，调速定量给料秤( 即定量给料机) 是集 给料输送、称重计量和定量控制为一体的产品，广泛地应用于工业生 产过程的 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 在现代化工业生产的各个领域，具有计量功能的给料机在散状物 料输送系统中的应用日渐增多，调速定量给料秤( 即定量给料机) 是集 给料输送、称重计量和定量控制为一体的产品，广泛地应用于工业生 产过程的粉、粒、块状散体物料连续给料计量和定量控制系统。主要 包括：预给料装置或进料斗、秤体、称重传感器和测速传感器、变频 调速器、称重( 显示) 控制器等。称重显示控制器的作用是实时对称 重传感器信号和速度信号进行采集、运算，根据设定要求，输出控制 信号控制机械传动装置。同时显示必要参数，从而完成称量、运算、 显示、控制的功能，它的性能优劣直接关系测量控制系统整体技术水 平的高低。 1 1 国内外给料测控仪表的现状 5 0 年代中期电子技术的渗入推动了称重控制仪表的发展。6 0 年 代初期出现机电结合式称重测控仪表以来，经过4 0 多年的不断改进 与完善，我国从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能 型。我国电子称重技术装备和检测试验手段基本达到国际9 0 年代中 期的水平。其制造技术及应用得到了新发展。电子称重技术从静态称 重向动态称重发展；计量方法从模拟测量向数字测量发展；测量特点 从单参数测量向多参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研 究与应用；但就总体而言，我国称重测量仪表产品的数量和质量与工 业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、 1 太原理= = 大学硕：b 研究生学位论文 装备与测试仪表老化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不 全、稳定性和可靠性较差等“。随着微电子技术的发展和微型计算 机技术的广泛应用，称重显示控制器的功能不断增加，准确度、稳定 性和可靠性都有所提高。开发出一些功能较全、性能较好、稳定耐用 的高、中、低档产品，促进了电子测量技术的发展。这是近几年来称 重显示控制器生产厂家紧抓功能、性能、抗干扰能力开展研究攻关的 结果。提高称重显示控制器的性能，多采用低漂移高增益放大器，高 分辨率的a d 转换器，单片微型机，电可擦只读存储器和不易丢失随 机存储器等。一般零点漂移为0 1 0 2 1 tv 。c ，增益漂移为8 1 5 p p m ，噪音0 1 0 2uv p p ，上述指标实现了小漂移、高稳定。提 高稳定性和可靠性的另一途径是采用集成度高的器件。尽量减少硬 件，将大量软件存储在少量的芯片上，并采用印刷电路板表面安装新 技术。由于体积缩小、元器件减少、焊点和引线成倍减少，使得工作 可靠性有较大的提高。 作为计量控制系统的“大脑”、“心脏”，国外公司对计量控制 仪表的研究开发工作尤为重视，开发出一系列智能化、模块化的产品， 如申克公司的f c o 一4 3 1 、i n t e p l u s 、m u l t i c o n t 、d i s c o n t ，日本大和 衡器公司c f c 一1 0 0 ，美国拉姆齐公司的m t 2 0 0 0 ，美国梅特勒一托利多的 p a t h e r 表等等。近年来，国内许多厂家如承德自动化计量仪表厂、成 都科学仪器厂等单位推出一些称重控制仪表。从总体上说，由于受国 内制造水平限制，仪表的技术含量、功能，特别是在通信网络等方面 与国外相比尚有一些差距。 1 ，2 称重显示控制器的发展趋势 2 太原理丁大学硕十研究生学位论文 通过分析近年来称重测控仪表产品的发展情况及陋内外市场的 需求总的发展趋势是小型化、模块化、集成化、智能化；其技术性 能趋向是速率高、准确度高、稳定性高、可靠性高；其功能趋向是称 重计量的控制信息和非控制信息并重的“智能化”功能：其应用性能 趋向于综合性和组合性。电子称重技术的发展规律就是不断的加强基 础研究并扩大应用，扩展新技术领域，向相邻学科和行业渗透，综合 各种技术去解决称重计量、自动控制、信息处理等问题。在工业称重 计量过程或工艺流程中，不少称重计量系统还要求具有可组合性，即 测量范围等可以任意设定：硬件能够依据一定的工作条件和环境作某 些调整，硬件功能向软件方向发展；软件能按一定的程序进行修改和 扩展；输入输出数据与指令可以使用不同的语言，并能与外部的控制 和数据处理设备进行通信。 1 3 本文的主要工作 在考察国内外给料机称重测控仪表发展的基础上，针对电厂的输 煤系统，致力于研究一种新型的面向对象的给料测控终端装置，该模 块可以直接安装在设备上“”，具有安全可靠、精度高、抗干扰能力强 等特点。 文中首先阐述了系统的运行原理，总体讨论系统的软硬件设计， 其中重点研究系统硬件方案阻及主要功能模块。然后在软件设计部分 结合硬件中所涉及的电子芯片，介绍了系统开发环境、程序口地址分 配、主程序流程等。最后提出了装霞的一些抗干扰措施。系统的设计 采用模块化形式，只要在系统中适当的地方修改有关参数即可实现系 统的扩展，使系统能适应以后由于技术发展而增加的某些扩展功能， 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 大大提高了系统的适应性。 常用的称量控制仪表一般包括测力传感器、信号处理以及核心电 路，核心电路是以单片机为主加上扩展芯片( 如a d 转换芯片等) 组成。 目前，新型的微控制器越来越多，美国a d i 公司新近推出的a d u c 8 3 4 是最强功能的芯片之。本课题就是以该芯片为核心，设计出电路更 简洁、功能更强的工业称重仪表。 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 第二章系统测控原理及软、硬件设计 2 1 给料机的称重原理 太原理工大学硕士研究生学位论文 给料机微机控制系统要求可以用于条件恶劣，电源干扰频繁的工 业环境。它采用特殊的电路，特殊的软件子程序和非易失存储器存储 数据、程序和操作参数。该系统实现在运行过程中对物料进行精确计 量，并根据人工设定值和物料控制系统的反馈信息控制给料率，自动 调整皮带的行进速度，以调节给料量，使输送入物料与所需物料相匹 配，从而达到理想的经济效益及管理效果。微机控制系统主要包括电 源动力装置和微机控制柜。微机控制柜装于机器本体上，动力柜安装 于给料机附近，除遥控给料率的显示器和遥控总物料量的显示器安装 于集控室，其他的设备都安装在给料机的本体上，它们是：左右称重 传感器各一只：机内入口照明灯各一只；皮带断料( 有料) 信号装置； 出口堵料信号装置；皮带电磁调速电动机；清扫电动机。 控制系统结构框图如图2 2 由用户提供的信号 型i 黼| i 输麓点l 一：篁 l i 4 2 0 l i i a ii 信号垩互 电源 逻辑 电源与i o 光电隔离 测速电机 图2 - 2 微机控帝j 系统工作原理 f i g 2 - 2m i c r o c o m p u t e rc o n t r o ls y s t e mw o r kp r i n c i p l e 该测控系统具有如下功能： 7 提 供 给 用 户 的 信 号 型篓一 太原理t 大学硕士研究生学位论文 1 、应用于斗式称量，能与3 个传感器接口。 2 、具备继电器接点，快速给料、慢速给料、下料超过给定值、 回零( 指示物料已卸完) 节点。 3 、接受给料启动节点。 4 、有键盘、显示接口。物料给定值、快速给料提前量、慢速给 料提前量、仪表的量程( 传感器信号与实际重量的比例系数) 、称重仪 的编号等可以通过键盘输入至仪表；三组5 位l e d 数码显示可以显示物 料的实际重量、给定值、误差等信息。 5 、仪表具有串行接口，与0 妻通信。实现分散控制、集中管理。 6 、仪表有不挥发存储器，存储关键数据。系统掉电，存储器信 息不丢失。 7 、具有抗干扰及保护功能。系统设计了“看门狗”和断电保护 装置，保证微机控制系统在现场环境恶劣的条件下也能够正常工作， 即使电源中断，系统能够将现场状态参数及时保存下来，在电源恢复 时，使系统恢复到原样。 2 3 测控系统硬件设计方案 给料系统测控终端一一称重控制器的作用是接受一次元件检测 的负荷、速度等信号，进行处理、显示、运算和控制相应机构，以实 现连续计量和定量给料控制等。它的技术质量水平在很大程度上决定 了定量给料秤的使用性能和稳定可靠性。 目前，常用的称重控制器主要有3 种，即：以单片机为硬环境的 单机( 仪表) 控制器，以p l c 为硬环境的智能可编程序微机控制器和以 p c 机为硬环境的机组微机控制器。“3 前两种适用于d c s 系统，实现分 8 太原理t 大学硕= = 研究生学位论文 经光电隔离再驱动继电器输出，其间也附加了输出状态l 印指示灯， 既便于调试，也便于运行中观察适时状态。 2 、转脉冲输入：给料机系统中采用交流测速发电机把电机速度 转换成脉冲频率信号。交流测速发电机输出的交流信号不但频率正比 于转速，而且电压也随转速的增加而增大，因此输入到光电耦合器的 信| l | 型爱霉匿蘩霞| l | | l 麓；瓣嚣鹱冀篓薷嚣。鬈嘲馋矗f g 翼羹豁j 蠢 墼鬻崔弧酝蝎鞭渺i 堪灞漫点；鉴塑誊型蠢i 毽趔醵叫矧霉与辅助鲐 餮示凄w 张驯矗幽烈型j 唼匾灞卿酬憩孰秘j 舔虱阳氟搿稽矗带短撼 镐竿金鼗熊酣秘n 妻； 3 。哪引尉粥营掣玉裂驵麓t 琵譬整摆鞠篷湍两骖鹭隧豫静聪融 踅翟的可绸；趱猜霎e 色菲掣稿酬鞘甥l 指令、6 0 5 l 指令、6 2 k 的可编程程序髓p r o m 、4 k 的数据1 2 x 太原理t 大学硕士研究生学位论文 f l a s hm e m o r y 、2 3 0 4 字节的片f q r a m 、1 2 位d a c 以及定器、1 2 c 兼容的 s p i ，可以方便地与外部设备进行连接方便扩展、标准的串行i o 与模 拟p o d ，支持串行下载与调试，并有一套低成本的软件与硬件集成开 发环境q u i c k s t a r ts y s t e m 等。由此可见，a d u c 8 3 4 本身就是一个内嵌 m c u 的高性能数据采集系统，利用它可以极方便地构成各种二次仪表 系统。 2 5 给料机控制系统的软件设计 2 5 1 软件设计工作 a d u c 8 3 4 的内核为8 0 5 2 ，因此其软件的开发应该是一般单片机用 户都熟悉。不过a d u c 8 3 4 的特殊寄存器的数目比8 0 5 2 大大增加，在编 程时要注意对他们的操作。系统的软件包括主程序、子程序及各功能 程序，采用模块化的程序设计方法。主要有以下几个部分构成： 1 、系统初始化模块：完成a d u c 8 3 4 、m a x 4 8 5 、d s l 3 0 2 等可编程芯 片的初始化工作； 2 、系统自测试及出错处理模块：实现采集仪自检功能，提示系 统错误信息； 3 、显示、键测试模块：实现日历时钟和采集数据的显示，判别 是否有键按下以及何键按下： 4 、闪速电擦除数据存储器数据输入、输出模块：完成数据的 存储、输出功能； 5 、通讯模块：实现采集仪与上位机的数据传送。 主程序流程见图2 5 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 出：定时中断 信号 6串行通信接r x d ：t x o p 3 0 输入有硬件接口： 口：u a r t 用定时器t lp 3 1 输出 m a x 4 8 5 芯片 7 中断输入：定i n t op 3 2 输入 时中断：接定 时中断信号 8 中断输入 i n t l p 3 3 输入 9 用s p i 接口 s c l o c ks c l 0 c k 有硬件接口： ( 不用i i c ) 输m o s i ：m i s om o s i ：m i s o输入接口芯片 入输出接口 s s s s ( 高电平)输出接口芯片 1 0脉冲输出 口线1 路输出p 3 5 输出 累计量脉冲 1 l 外部s p i 接口输入芯片片p 2 5 输出 扩展选：输出芯片p 2 6 输出 用做片选片选：电源芯 片：显示 1 2通信控制 口线1 路输出p 2 7 输出 发送使能 1 3时钟芯片口线3 路：p 2 0 双向有硬件接口： 串行d s l 3 0 22 路输出l 路双 i o ：p 2 1 ，p 2实时钟芯片 向。2 输出 1 4键盘输入用标 口线3 路输入 p o o - 一p o 3 有硬件接口： 准6 键输入专用芯片 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 5串行显示模块 控制线4 p o 4 一p o 7 控制：4 出信号线2输出： 信号：2 出p 2 3 一p 2 4 输出 1 6输出驱动指示2 4 译码 p 3 6 ，p 3 7 输有硬件接口： 灯出 2 4 译码电路 其中：p l 用作专用口( 8 路) p 3 0 一p 3 4 用作专用口( 5 路) p 3 5 一p 3 7 用作通用输出口( 3 路) p 0 0 一p 0 3 用作通用输入口( 4 路) p o 4 一p 0 7 用作通用输出口( 4 路，要加上拉电阻) p 2 1 一p 2 7 用作通用输出口( 7 路) p 2 o 双向i o ( 1 路，在程序中改变) 2 5 3 测控装置的编程语言和开发环境 l 、开发中使用汇编语言与c 语言的比较“” 目前针对单片机的开发主要有两种开发语言，种是传统的汇编 语言，是伴随着5 l 系列单片机的诞生就一直在进行使用之中的开发语 言。 汇编语言的特点是编译出的代码往往较小，执行速度快，与硬件 结合紧密，参考资料丰富等特点。但同时其缺点也是显而易见的，其 结构较复杂，难于理解尤其是算法部分的实现很难将算法直接对应到 相应的指令之上，很多输入输出部分都需要重复地进行编程，代码维 护繁琐不利于大型程序的编写等。 另一种是c 语言，它是一种编译型程序设计语言，兼顾多种高级 】6 太原理丁大学硕士研究生学位论文 语言的特点，并具备汇编语言的功能。c 语言有功能丰富的库函数， 运算速度快，编译效率高，有良好的可移植性而且可以直接实现对 系统硬件的控制。c 语言是一种结构化程序设计语言，它支持当前程 序设计中广泛采用的由顶向下结构化程序设计技术。此外c 语言程序 具有完善的模块程序结构，从而为软件开发中采用模块化程序设计方 法提供了有力的保障。因此，使用c 语言进行程序设计已成为软件开 发的一个主流。用c 语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期， 且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充，从而研制出规模更大、 性能更完备的系统。 综上所述，用c 语言进行8 0 5 1 单片机程序设计是单片机开发与应 用的必然趋势。采用c 语言也不必对单片机和硬件接口的结构有很深 人的了解，编译器可以自动完成变量的存贮单元的分配，编程者就可 以专注于应用软件部分的设计，大大加快了软件的开发速度。采用c 语言可以很容易地进行单片机的程序移植工作，有利于产品中的单片 机的重新选型。随着国内单片机开发工具研制水平的提高现在的单片 机仿真器普遍支持c 语言程序的调试，为单片机编程使用c 语言提供了 便利的条件。过去长时间困扰人们的“高级语言产生代码太长，运行 速度太慢不适合单片机使用”的致命缺点已被大幅度地克服，目前 8 0 5 l 上的c 语言的代码长度，在加入人工优化的条件下，已经做到了 最优汇编程序水平的1 2 倍1 5 倍。可以说，比得上中等程序员的水 平。目前，8 0 5 l 系列芯片中，片上r o m 空间做到1 6 3 2 k 字节的已经很 多，代码长度多的2 0 5 0 已经不是重要问题。关于执行速度的问 题，只要有好的仿真器的帮助，用人工优化关键代码就是很简单的事 了。如果谈到开发速度、软件质量、结构严谨、程序坚固等方面的话 1 7 太原理丁大学硕十研究生学位论文 试时不需要额外的目标r m 、程序存储器、定时器或通信通道，并且 所有的模拟和数字外设都正常工作。当m c u 单步执行或遇到断点而停 止运行时，以保持同步。对于开发和调试嵌入式应用来说，该系统的 调试功能比采用标准m c u 仿真器要优越的多，标准的u 仿真器要使用 仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有m c u 插座，而本开发系统 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章测控装置的数据采集单元 在工业过程控制、称重测控系统等许多应用中，对系统的速度、 功耗及成本等性能的要求越来越高。a d ( a n a l o gt od i g i t ) 和 d a ( d i g i tt oa n a l o g ) 转换是计算机与外部世界联系的重要接口。自 上世纪7 0 年代中期以来，大多数单片数据采集模数转换器采用了积 分、逐次逼近或并行比较技术，进入8 0 年代，一技术进一步扩展 了选择的余地。 3 1a 0 采样原理 模数转换是将模拟输入信号转换为n 位二进制数字输出信号的技 术。采用数字信号处理8 够方便实现各种先进的自适应算法，完成模 拟电路无法实现的功能，因此，越来越多的模拟信号处理正在被数字 技术所取代。与之相应的是，作为模拟系统和数字系统之间桥梁的模 数转换的应用日趋广泛。一转换器具有相对简单的结构，又称为 过采样转换器。这种转换器由一调制器及连接于其后的数字滤波 器构成。该转换器提供双通道、低成本、高分辨率模数转换功能。由 于采用一结构实现模数转换，使得该器件在噪音环境下能免受干 扰，因此它很适合于工业控制用。同时它还提供了可编程的增益放大 器，数字滤波器和校准选项。因此，它提供比普通的积分a d c 更多的 系统功能。 3 1 1 数据采集硬件 太原理t 大学硕十研究生学位论文 样”，然后在将各信号子样转化为i b i t 分辨率码流的同时，作频谱成 形，使得输出的量化噪声大部分被转移至基带之外。 a d c 之所以能够实现高分辨率，主要在于它使用了过采样、 量化噪声波形、数字滤波、采样抽取等几项技术，以极高的采样速率 将模拟信号转化为高速数据流，然后对a d c 输出进行采样抽取和梳值， 实现正常采样速率下的a d 转换结果。这些技术令它具有易与数字信 号处理系统单片集成，无需采样保持电路，对输入抗混迭滤波器要求 很低等特点。 a d c 的工作过程为：首先以很低的采样分辨率( 1 位) 和很 高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样、噪声整形和数字 滤波等方法增加有效分辨率，然后对a d c 输出进行采样抽取处理以降 低有效采样速率，实现a d 转换。 二、过采样 对于一理想的3 位单极性a d c ，转换时第一位的变迁发生在相当于 i 2 l s b 的模拟电压值上，以后每隔i l s b 都发生一次变迁，由于a d c 模 拟量输入可以是任何值，但数字输出是量化的，所以实际的模拟输入 与数字输出之间存在着i 2 l s b 量化误差。在交流采样中，这种量化误 差会产生量化噪声。 若对理想a d c 加一恒定直流输入电压，则多次采样得到的数字输 出值总是相同的，且分辨率受量化误差的限制。那么在这个直流输入 信号上叠加一个交流信号。并用比这交流信号频率高得多的采样频 率进行采样，此时得到的数字输出值将是变化的，用这些采样结果 的平均值表示a d c 的转换结果便能得到比同样a d c 高得多的采样分辨 率，这种方法称做过采样( o v e r s a m p l i n g ) 。若模拟输入电压本身就是 2 3 太原理工大学硕十研究生学位论文 制。 a d c o l m h ：主a d c 的2 4 位转换结果保存在这3 个8 位寄存器中。 a d c i l h ：辅助a d c 的1 6 位转换结果保存在这2 个8 位寄存器中。 o f o l m h ：主a d c 的2 4 位失调校准系数保存在这3 个8 位寄存器中。 o f i l h ：辅助a d c 的1 6 调校准系数保存在这2 个8 位寄存器中。 g n o l m h ：主a d c 的2 4 位增益校准系数保存在这3 个8 位寄存器中。 g n i l b ：辅助a d c 的1 6 位增益校准系数保存在2 个8 位寄存器中。 ( 1 ) a d c s t a t ( a d c 状态寄存器) a d c s t a t 反映2 通遂的状态，包括数据准备、数据校准及不同的( 与 a d c 有关的) 出错状态包括基准检测和转换上溢或下溢错误。 s f r 地址：d b h s f p 上电缺省值：o o h 位可寻址：是 d 7d dd j d 4d 3d 2 r d y or d y ic a l n o r e fe r r oe r r l r d y o ：主a d c 准备好位。当数据写入主a d c 的数据寄存器或校准周 期完成时为i ；直接由用户0 或将0 间接写入模式位可启动另1 个主a d c 转换或校准。除非r o y o 位被清除，否则将禁止主a d c 把更多的转换结 果写入它的数据或校准寄存器。 r d y i ：辅助a d c 准备好位。对辅助a d c 来说r d y o 有相同的规定。 c a l ：校准状态位。1 表示校准完成：将0 间接写入模式位可启动 另1 个a d c 转换或校准。 n o x r e f ：无外部基准位( 只有当主a d c 或辅助a d c t 作时才有 效) 。1 表示r e f i n 弓i 脚的1 个或2 个是悬浮的，或施加的电压低于规定 2 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 的阀值，如果使用外部基准，当该位为1 对，转换结果将锁紧成全为l ： o 表示有效v r e f 日l 脚电压。 e r r o ：主a d c 错误标志位。l 表示写入主a d c 数据寄存器的结果都 被锁紧成全0 或全为l 。在校准后，该位也标志了导致校准寄存器不能 写入的出错状态。将0 写入模式位，以启动转换或校准。 e r r l ：辅助a d c 错误标志位。 此装置晶振选为3 2 k h z ，故d 。设置为1 ( 2 ) a d c m o d e ( a d c 模式控制寄存器) 用于控$ | j a d c 的2 通道的工作模式 s f r 地址：d i h s f p 上电缺省值：o o h 位可寻址：无 d 7 d 6 d 5 d 4d 3d 2d 1d o 。 a d o e na d l e n m d 2m d im d 0 a d o e n ：主a d c 使能位。若用户设置为1 ，可启动主a d c ，并将其设 置为下列m d 2 o 所选模式：若用户设置为0 ，则可将主a d c 设置为调 电模式。 a d i e n ：辅助a d c 使能位。规则跟a d o e n 类似。 表3 1a d c 工作模式设置 t a b 3 一l t h eo p e r a t i o n a lm o d eo f a d c m d 2m d l m d o 启动相应的a d c 工作模式 o00调电模式( 缺省为上电) 待机模式，在待机模式下，尽管仍然提供调 001 制器时钟，但a d c 滤波器和调制器都保持为 太原理1 二大学硕士研究生学位论文 对m d 位的任何改变，将会立即对两a d c 进行重置。即使对m d 2 m d o 位的写入没有变化，也会当成一次复位操作。 如果当a d o e n = i 时，对a d o c o n 寄存器进行写操作，或a d o e n 从0 变为1 ，那么两a d c 也将立即重置。换句话说，主a d c 的优先级高于辅 助a d c ，对主a d c 的任何改变将立即响应。 另一方面，如果对a d c i c o n 进行写操作，或a d i e n 从0 变为1 ， 那么将只有辅助a d c 重置。例如，若主a d c 在进行连续转换，同时辅助 a d c 发生改变或启动时，主a d c 继续工作，不会被打扰。辅助a d c 与主 a d c 的输出同步，而不允许辅助a d c 的工作与主a d c 有相位差异；结果 是辅助通道的第一次转换时间将比主通道滞后3 个数据输出的时间， 雨辅助a d c 的数据更新率与主a d c 同步。 一旦将a d c m o d e 写为校准模式，r d y o r d y l 位( a d c s t a t ) 将立 即复位，并且校准也开始。当对正确的校准寄存器完成写操作之后， 在a d c s t a t 中的相关位将被改写，并且m d 2 m d o 位也将重置为0 0 0 以表 示a d c 返回掉电模式。 当选中温度传感器时，辅助a d c 的任何校准要求将不能完成。 虽然在校准周期后r d y i 位将被置1 ，修正了的校准寄存器将代替r d y i 位置l 。 校准在s f 的最大允许值下执行，s f 寄存器在校准之后将重置 为用户配置。 ( 3 ) a d c o c o n ( 主a d c 控制寄存器) a d c o c o n 用于设置主a d c 的范围、通道选择、外部基准使能及单极 性或双极性编码。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 6 ) g n o h g n o m g n o l ( 主a d c 增益校准系数保存寄存器) 这3 个8 位寄存器保存了主a d c 的2 4 位增益校准系数。这些寄存器 在上电时，将设置成厂家计算出来的内部满量程校准系数，且每个器 件都有不同的系数。但是，如果用户通过a d c m o d e 寄存器中的m d 2 一m d o 位启动了内部或系统满量程校准，那么这些字节将会自动被重写。 s f r 地址： g n o h 主a d c 增益校准系数的高位字节 e b h g n o m 主a d c 增益校准系数的中间字节 e a h g n o l 主a d c 增益校准系数的低位字节 e 9 h s f r 上电缺省值：由厂家最终测试时设置，参见上面的注释 位可寻址：无g n o h ，g n o m ，g n o l ( 7 ) s f s i n c 3 滤波器寄存器 s f 寄存器中所存数据用于设定抽样因子，并从而改变主a d c 和辅 助a d c 的输出更新率。当有一个a d c 在工作时，用户软件就不能对该s f r 做写操作。更新率不仅适用于主a d c ，也适用于辅助a d c ，其计算公式 如下： 如= ；忐( s 圳 式中厶：a d c 的输出更新率 k ：调制器的时钟频率= 3 2 7 6 8 k h z s f ；写入s f 寄存器的十进制数 s f r 地址： d 5 h s f r 上电缺省值：0 0 h 太原理工大学硕士研究生学位论文 位可寻址：无 s f 寄存器允许写入范围为o d h f f h 。表3 4 列出了s f 值和对应的 转换率( 厶。) 及转换时间( r “) 。s f 寄存器上电设置为4 5 h ，导致 刷新率低于2 0 h z 。为使偏移误差趋于最小值，要切断两a d c 的输入通 道，这意味着单个转换的时间或第一次转换结果的时间是2 乞。像 上面提到的，在s f 值为最大f f h 时所有的校准周期将自动执行以达到 最佳校准效果。一旦校准周期结束，用户软件的s f 值就将储存。 表3 4s f 值和对应的转换率和转换时间 t a l b 3 - 4s fs f rb i td e s i g n a t i o n s f ( d e c )s f ( h e x ) ，二h z“m s 1 3o d1 0 5 39 5 2 6 94 51 9 7 95 0 3 4 2 5 5f f 5 3 51 8 6 7 7 ( 8 ) i c o n ( 电流源控制寄存器) 用于控制和设置偏内不同的激励和驱动电流源。 s f r 地址：d 5 h s f r 上电缺省值：o o h 位可寻址：无 d id 6d 5d 。d 3d 2d ld o b oa d l i ca d o i c1 2 p i ni l p i n1 2 e n1 1 e n b o ：驱动电流使能位若用户设置为1 ，则接同主a d c 信号通路上 两转换器的驱动电流源；若用户设置为o ，则使两转换器的驱动电流 源无效。 3 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 a d l i c ：辅助a d c 电流校正位。若用户设置为1 ，则允许通过内部 电流源校准字对辅助a d c 进行定标。 a d o i c ：主a d c 电流校正位。若用户设置为l ，则允许通过内部电 流源校准字对主a d c 进行定标。 1 2 p i n ：i e x c 2 电流源定向位。若用户设置为l ，则使2 0 0 灶a 电流 源接到外部引脚3 上；若用户设置为0 ，则使2 0 0 ua 电流源接到外部引 脚4 上。 i l p i n ：i e x c l 电流源定向位。若用户设置为l ，则使2 0 0 ua 电流 源接到外部引脚4 上；若用户设置为o ，则使2 0 0ua 电流源接到外部引 脚3 上。 1 2 e n ：i e x c 2 电流源使能位。若用户设置为l ，则接通i e x c 2 激励 电流源；若用户设置为o ，则断开i e x c 2 激励电流源。 1 1 e n ：i e x c l 电流源使能位。若用户设置为l ，则接通i e x c l 激励 电流源；若用户设置为o ，则断开i e x c l 激励电流源。 3 3 本装置采集模块的实际应用 进行a d 采集时，可选择a d u c 8 3 4 的内部参考电压( 注意此时内部参 考电压是v r e f = 1 2 5 v ，所以a d c 通道输人范围都缩小一半) ，并通过 写寄存器a d o c o n 的r n 2 、r n l 和r n 0 来选择不同的输人范围，同时通过 写寄存器a d o c o n 的c h l 、c h o 来进行通道替换，以实现对两个通道输人 电压的a d 采样。其初始采集流程图如图3 2 ： 图3 2 测控装置采样流程图 f i 9 3 2s a m p l i n gf l o w c h a n 太原理丁大学硕士研究生学位论文 第四童测控装置模拟量输出单元 在许多数字化仪表和单片机控制系统中，绝大部分电路设计中均 要设计一级模数转换器，以便把模拟量转换成数字量供计数电路或单 片机处理。脉冲宽度调制模块( p w m ) 是实现d a 转换和精确的脉冲序 列输出的有效手段o ”，虽然通过程序设计也可实现任意脉冲输出，但 即使使脉冲生成程序独占c p u ，生成精确的脉冲序列也非常困难，因 此许多单片机设置了p _ i j y m 输出功能。p w m 输出经过低通滤波就可以变成 模拟电压输出。p w m 的基本应用是输出一定周期、占空比可调的脉冲 序列o “。 4 1 脉冲宽度调制模块( p w m ) a d u c 8 3 4 的p w i u i 具有高度的灵活性，分辨率和输入时钟可编程，可 配置为6 种不同的工作模式，还可将其中的2 种模式合起来使其具有1 6 位的分辨率。p w m 是单片机上常用的模拟量输出方法，通过外接转换 电路，可以将脉冲的占空比变成电压，程序中通过调整占空比来输出 模拟电压。p w m 原理图如图4 1 。 p w m 有5 个特殊寄存器，控制寄存器p w m c o n ，和4 个数据寄存器 p w m o h 、p w m o l 、p w m l h 、p w m l l ，p w m c o n 控制着p w m 不同的操作模式及 p w m 时钟频率，p w m o h l 和p w m l h l 是数据寄存器，指定p w m 在p 1 o 或者 p 1 1 的输出。写p # m c o n 控制字，选择p w m 操作模式，在任意1 6 位操作 模式下( 模式l 、3 、4 、6 ) ，用户软件应该首先写p w m o l l l ，写p w i o q 3 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 或p w m i h 更新p 毳羹x h 和p w m x l ，但是直到p 嘲程序循环结束才改变输出 值，写入寄存器的值在下一次p w m 循环中使用。 1 2 5 8 3 m h z t 0 3 2 7 6 8 k h z 3 27 6 8 k h “1 5 图4 - ip w m 框图 f i g 4 一ip w mb l o c kd i a g r a m o 1 ( 1 ) p w m c o n p w mc o n t r o ls f r 寄存器地址 a e h 上电复位值 o o h 位可寻址否 d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d o m d 2m d lm d oc d i v ic d i v oc s e l ic s e l o m d 2 i o 选择p w m 模式如下： m d 2m d lm d 0 模式 000 模式0 ：p w m 失效 oo1 模式1 ：仅分辨率可变的p 莲蓬 ol0 模式2 ：双8 位p w m 011模式3 ：双1 6 位p w m l00 模式4 ：双n r z l 6 位一a d c l0l 模式5 ：双8 位p w m ll0 模式6 ：双r z1 6 位一a d c 1i1 留做今后使用的命令 c d i v i c d i v o 为p 嚣羹时钟分频，为p 蒌蒌计数器选择时钟源如下： c d i v ic d i v o 描述 太原理工大学硕士研究生学位论文 厂 一；厂一n - 厂l 黍辫一4 ； 娥! 蓉鍪 m ， 奏4 、5p w m 争毒5 f i g 4 5p w m m o d e 5 爨潇6l 黼 t 嚣馨一a d a c 舔娶6 黼程勤酣法疆泳誓一ad a c 劬漫艨i 嚣毫埽i 世器| “畦 涟鬻丞确韵4 j 冀德殍鳆簖酲6 馨l l r e t u r nt oz e r o i 薹一ad a c 栩皋j 鬻誊畏n r z ；j g i 一! 方便地实现p w m 输出，以精确调节电机转速， 从而达到高精度控 x 太原理丁大学硕士研究生学位论文 d a c c o n d a c 控制寄存器 寄存器地址 f d h 上电复位值 o o h 位可寻址否 d 7 d ed d 4d 3d 2 d id o 一一一一一一d a c p i nd a c 8d a c r nd a c c l rd a c e n d c p i n ：d a c 输出引脚选择位。若用户设置为l ，则将d a c 输出接至 引脚1 2 若用户设置为o ，则将d a c 输出接至引脚3 。 d a c 8 ：d a c 8 位模式选择位。若用户设置为1 ，则使用8 位d a c 工作， 在此模式下，d a c l s f r 中的8 位数据进入d a c 的高8 位，d a c 的低4 位置0 ： 若用户设置为o ，则d a c 处于正常的1 2 位工作模式。 d a c r n ：d a c 输出范围选择位。若用户设置为1 ，则设置d a c 的输出 范围为0 v a v 。引脚电压；若用户设置为o ，则设置d a c 的输出范围为 o v 2 5 v 。 d a c c l r ：d a c 清除位。若用户设置为l ，则将d a c 数据寄存器 d a c l d a c h 复位至o ；若用户设置为0 ，则使能d a c 正常工作。 d a c e n ：d a c 掉电位。若用户设置为1 ，则使能d a c 正常工作；若用 户设置为o ，则d a c 掉电。 d a c l h ：d a c 数据寄存器 功能：d a c 数据寄存器，由用户写入，更新d a c 的输出。 s f r 地址：d a c ld a c 数据低字节f b h d a c hd a c 数据高字节f c h s f r 上电缺省值：o o h两个寄存器都如此 位可寻址：无两个寄存器都如此 太原理一大学硕士研究生学位论文 第五章测控装置s p i 通讯接口 5 1 s p i 的功畿特点 为便于m c u 与各种外围设备进行通信，a d u c 8 3 4 提供了3 种串行i 0 端口、u a r t 接口、1 2 c 兼容的串行接口和串行外设接口。其中， s p i ( s e r i a lp e r i p h r a li n t e r f a c e ) 接口是工业标准的同步串行接口， 主要应用于同步串行通信，它使m c u 具备与外围设备及其他微处理器 进行同步通信的能力，也能够在多主系统中实现处理器间的通信。”。 可连接的设备包括简单的移位寄存器( 例如7 4 l s l 6 5 用作并行输入口， 或7 4 l s l 6 4 用作并行输出口等) 、l c d 显示驱动器或a d 转换器的接口 等。m c u 可选择4 种不同的位传送频率、两种不同的时钟极性和相位， 因此可以直接与各个厂家生产的多种标准的串行外围接口器件连接。 在串行外围接口中，数据和时钟线是分开的。“在s p i 格式中，时钟不 包括在数据流中，它必须是另一个独立的信号线。a d u c 8 3 4 的s p i 可定 义为主机或从机方式，主要特性如下： l 、全双工，三线同步传送； 2 、主机和从机的工作方式； 3 、每一晶体频率下可通过程序选择4 种不同的主机位传送频率： 4 、可程控时钟极性。相位； 5 、发送完成中断标志，写冲突标志保护； s p i 可在软件控制下构成各种不同复杂程度的系统，如： l 、一个主m c u 和一个或者几个从m c u ； 4 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 、几个m c u 相互连接构成多主机的系统( 全分布式系统) ； 3 、一个主m c u 和一个或者几个从i l o 设备； 4 、一个其他主微机系统和一个或者几个从m c u ： 5 2s p i 的工作过程和引脚说明 在s p i 接口中，数据的传输需要1 个时钟信号和2 条数据线。s p i 可 工作在主模式或从模式下。在主模式下每一位数据的发送接收需要 一次时钟作用：而在从模式下，每一位数据都是在接收到时钟信