（机械电子工程专业论文）基于can总线的单片机流量控制系统的研究.pdf

东北大学硕士学位论文摘要 基于c a n 总线的单片机流量控制系统的研究 摘要 传统的电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质 的方向、流量、速度和其他的参数。由于电磁阀是用电磁的效应进行控制， 主要的控制方式由继电器控制，这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预 期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。现在，电磁阀技术与控制技 术、计算机技术、电子技术的相结合，以及随着制造工艺的提高，电磁阀已 经能够进行更加复杂、更加精巧的控制。 本课题就是在传统电磁阀的基础上，对二位开关电磁阀实现流量的最大 及最小值这一单一特性进行发展和完善，使其流量值变成一个动态可调参 数。换言之，也就是让电磁阀更具有智能化以适应系统更高的要求。首先， 对其结构工艺进行一些合理的改进，然后通过分析和比较确立控制方案，使 之能够实现对流量的精确控制。本文以c a n 总线为分布式控制系统的智能 节点，一方面与上位机进行通信，完成数据交换；另一方面和以单片机为核 心的角控制器执行机构模块进行实时控制。在设计以a t 8 9 c 5 5 w d 芯片为核 心的角执行器控制模块时，依照模块化程序设计思想，把模块的硬件和软件 分成三大部分来进行设计和实现，最后将整个系统整合，完成一个完整的角 执行器控制模块。文中给出了该控制系统的可行性分析、整体控制方案、软 硬件设计，其中包括了部分电路图和各个模块的软件设计流程图。软件部分 的程序清单详见程序文本。最后还对本控制系统的实时在线仿真进行说明， 仿真的结果证明了对单一流量电磁阀性能改进达到精确控制流量的可行性。 关键词：电磁阀c a n 总线单片机流量控制角执行器 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e s t u d y o f f l u xc o n t r o l l e ds y s t e m b ys c m b a s e d o i lc a nb u s a bs t r a c t t r a d i t i o n a l e l e c t r o m a g n e t i s m v a l v ei sa n i n d u s t r ye q u i p m e n tw h i c hi s c o n t r o l l e db ye l e c t r o m a g n e t i s m ，i ti su s e di nt h ei n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mt o a d j u s t t h em e d i u m s d i r e c t i o n ，f l u x ，s p e e d ，a n d o t h e r p a r a m e t e r b e c a u s e e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e i sc o t r o l l e db yt h e e l e c t r o m a g n e t i s m se c h oa n dt h e m a i nc o n t r o lm o d ei s r e l a yc o n t r o l ，e l e c t r o m a g n e t i s mc a nm a k et h ee x p e c t e d c o n t r o lc o m et r u eb yc o o p e r a t i n gw i t hd i f f e r e n tc i r c u i t ，a n da tt h es a m et i m e ，t h e p r e c i s i o n a n d a g i l i t y o ft h ec o n t r o lc a na l s o g e te n s u r e d n o w , w i t h t h e c o m b i n i n g o f e l e c t r o m a g n e t i s mt e c h n o l o g y ，c o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g y ，a n d e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g ya n dt h ed e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r e t e c h n i c s ，e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ec a ng e tt h ec o n t r o lb e c o m em o r ec o m p l i c a t e d a n dm o r ed i a p h a n o u s t h i st a s ki sw ec a nd e v e l o pa n dp e r f e c tt h es i n g l ec h a r a c t e r i s t i co f g e t t i n g t h en l a na n dt h em i n i u mf l u xv a l u eb yc l o s i n ga n do p e n i n g ，a n dm a k et h ef l u x v a l u ead y n a m i cp a r a m e t e r t h a ti st os a y , w ec a nm a k et h ee l e c t r o m a g n e t i s m h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co f c a p a c i t ya n dh u m a n i t y t h ef i r s ts t e pi st oa m e l i o r a t e i t ss t r u c t u r et e c h n i c sw i t hr e a s o na n dt h e ne s t a b l i s ht h ec o n t r o ls c h e m eb y a n a l y s i sa n dc o m p a r i n g ，a tl a s tw ec a nh a v eap r e c i s i o nc o n t r o lo ff l u x t h i s l e t t e r p r e s sr e g a r d sc a n b u sa st h ea p t i t u d en o d eo f d i s t r i b u t i n gc o n t r o ls y s t e m ， a n do no n eh a n d ，i tc o m m u n i c a t e sw i t he p i g y n yc o m p u t e rt of i n i s hc o m m u t i n g d a t a ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tg e t sa l o n gw i t ha n g l ec o n t r o l l e re x e c u t i n gi n s t i t u t i o n m o d u l et o c o m p l e t e r e a lt i m ec o n t r 0 1 w h e n d e s i g n i n gt h ea n g l ee x e c u t i n g i m p l e m e n tc o n t r o lm o d u l ew i t ha t 8 9 c 5 5 w dc m o sc h i pa st h ec o r e ，w eo b e y t h et h i n k i n go fm o d u l ep r o g r a m m e ra n dd i v i d et h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f t h e m o d u l ei n ，t ot h r e ep a r t st ob e d e s i g n e da n dc a r r i e do u t f i n a l l y ，w eu n i t et h e 【i 东北大学硕士学位论文垒里! ! 坠垒! ! w h o l es y s t e mt oa c h i e v eo d ec o m p l e t e da n g l ee x e c u t i n gi m p l e m e n tc o n t r o l m o d u l e i nt h et e x t ，w ep r e s e n tt h ea n a l y s i so ff e a s i b i l i t y ，i n t e g e rc o n t r o lp r o j e c t s o f t w a r ed e s i g n ，a n dh a r d w a r ed e s i g n ，w h i c hi n c l u d es o m en e c e s s a r yc i r c u i t d i a g r a ma n ds o f t w a r ed e s i g nf l o wc h a r to f e a c hm o d u l e t h ep r o g r a m m el i s t i n g o fs o f t w a r ec a nb es e e ni nt h ep r o g r a m m et e x t a tl a s t ，w eg i v et h er e a d e rt h e e x p l a i no ft h e r e a lt i m ei m i t a t ef o rt h i sc o n t r o ls y s t e m ，a n dt h er e s u l to ft h i s i m i t a t e p r o v e st h a t t h ef l u xo ft h ee l e c t r o m a g n e t i s mv a l v ec a nb ec o n t r o l l e d a c c r a t e l yb ym e n d i n g i t sc a p a b i l i t y k e yw o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e ，c a nb u s ，s c m ，f l u xc o n t r o l ， a n g l ee x e c u t i n gi m p l e m e n t - 1 1 1 - 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的同学对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名： 日期： 印一 奄、 中 矽尹沙 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的目的及意义 本课题主要研究的是对比例电磁阀流量的精确控制。此电磁阀是在鞍山 电磁阀有限责任公司提供的系列产品中所作的一些改进和完善。原电磁阀为 a 1 0 0 e d - - s b o1 5 2 0 02 1 0 0 02 3 0 0 0 系列中的双向电磁阀。 原系列电磁阀技术特性为： 实用介质：气、水、油 介质温度：2 0 一+ 8 0o c 环境温度：3 0 一+ 6 0 。c 污垢介质：采用过滤器 安装位嚣：任意，最好i 竖赢，通径大于5 0 m m 必须竖真 主要特点：自动式结构，从零m p a 开始工作( 无压差) ，可实现正反两 个流向密封。原电磁阀分为常开式和常闭式，本课题选择常闭式。 原电磁阀的驱动力是通过给电磁铁上电，通过电磁铁来吸引衔铁，衔铁 直接与电磁阀的阀芯相连接，通电时阀门完全打开，流量值达到最大，断电 时阀门完全关闭流量值达最小。能否对衔铁的位移量，即阀芯的位移量进行 控制，进而达到对液体的流量大小的控制呢? 现在为了实现上述功能，我们 对原电磁阀进行结构上的改进，同时采用以单片微型计算机为核心的控制系 统方案，使其能够实现对流量的精确控制，同时兼备电磁阀的固有特性。 1 2 国内外电磁阀的现状及发展趋势 电磁阀足用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方 向、流量、速度和其他的参数。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统 的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀以及安全阀、方向控制阀、速度调 节阀等。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。 这样，电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活 性都能够得到保证。图1 1 中杆状的物体就是通过电控制的阀杆，利用电磁 力可以将阀杆打开或者关闭。 一一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 图1l 电磁j 回 f i gl 1e l e c t r o m a g n e t i s mv a l v e 追溯电磁阎的发展史到目前为止，国内外的i 旺磁阀从原理上来分可以 分为三大类：直动式、分布随动式、先导式。但是从阀瓣结构和材料上的不 同与原理上的区别又可以分为六个分支小类：真动膜片结构、分布膜片结构 以及先导式膜片结构、分布活塞结构、先导活壅结构。 1 2 1 直动式电磁阀 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把阀：苍从阀鏖上提起从而阀门打开； 断电时，电磁力消失，弹簧力把阀芯压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但一般通径不超过2 5 r a m 。 1 2 2 分步直动式电磁阀 原理：它是种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口压差小于或 等于0 0 5 m p a 、通电时，电磁力氨接把兜导阀芯依次向上提起，阀门打开。 当入口与出口压差犬j ：o0 5 m p a 、通电时，电磁力先打开先导小阀，主阀下 腔压力上升，上腔压力卜降，从而利用压差把主阀向上推开：断电时，先导 阀和主阀利用弹簧力或介质压力推动阀芯，向下移动，使阀门关闭。 特点：在零压差或真空、高压时亦能可靠工作，但功率较大，要求竖直 安装。 1 2 3 先导式电磁阀 原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在阀芯周 围形成上低下高的压荐，推动阀芯向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把 查! ! 查堂堡主堂垡堡苎兰二兰些笙 先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速进入上腔室在阀：签周围形成下低上高 的压差，推动阀芯件向下移动关闭阀门。 特点：流体压力范围上限很高，但必须满足流体压差条件。 1 2 4 一类特殊的电磁阀一比例伺服阀 伺服( s e r v e ) 这一术语，源于拉丁语( s e f v h s ) ，是“奴隶( s l a v e ) ”或 “奴仆( s e r v a n t ) ”的意思。它含有机械象奴隶一样忠实地按照命令动作的意 义，因此，“以物体的位置、方位、姿势、状态参数等作为被控量，使之能 跟踪目标值任意变化的控制系统”被定义为位置伺服系统( j i s 一日本工业标 准定义) 。伺服系统作为控制系统中的一类，它是伴随电的应用而发展起来 的。比例技术的发展大致可以划分为三个阶段： 从1 9 6 7 年瑞士布林格尔公司生产k l 比例伺服阀起，到7 0 年代初日本 油烟公司申请了压力和流量比例阀二项专利权，是比例技术的诞生时期。这 阶段的比例阀，仅仅是将比例型的电一机械转换器( 如比例电磁铁) 用于 工业液压阀，以代替开关电磁阀或调节手柄。阀的结构原理和设计准则几乎 没有变化，大多不含受控参数的反馈闭环，其工作频宽仅在l 5 h z 之间，稳 态滞环在4 - 7 h z 之间，多用于开环控制。 1 9 7 5 至1 9 8 0 年间可以认为比例技术的发展进入第二阶段。采用各种内 反馈原理的比例元件大量问世，耐高压比例电磁铁和比例放大器在技术上也 日臻成熟，比例元件的工作频率己达5 1 5 h z ，稳态滞环亦减少到3 左右， 其应用领域日渐扩大，不仅用于开环控制，也被用于闭环控制。 8 0 年代，比例技术的发展进入了第三阶段。比例元件的设计原理进一 步完善，采用了压力、流量、位移内反馈和电校正等手段，伺服阀的稳态精 度、动态响应和稳定性都有了进一步的提高。除了因制造成本所限，比例阀 在中位仍保留死区以外，它的稳态和动态特性均已和工业伺服阀无异。另一 项重大的进展是，比例技术开始和插装阀相结合，已开发出各种不同功能和 规格的二通、三通型比例插装阀，形成了8 0 年代电液比例插装技术。同时， 由于传感器和电子器件的小型化，还出现了电液一体化的比例元件，电液比 例技术逐步形成了8 0 年代的集成化趋势。第三个值得指出的进展是电液比 例容积元件，各类比例控制泵和执行器相继出现，为大功率工程控制系统的 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 节能提供了技术基础。 除模拟式电液比例元件外，早在6 0 年代人们就开始注意数字式或脉冲 比例元件的开发。这类元件的优点是对介质污染不敏感、工作可靠、重复精 度高、成批产品的性能致性好，其主要缺点是由于按载频原理实现控制， 故控制信号频宽较模拟器件低。数字式电液比例元件的电子一机械转换器主 要是步进马达和按脉冲方式工作的动铁或动圈式马达。数字式电液比例系统 实质上是一个电液数模转换系统或载频调制系统，其控制分辨精度取决于 每一脉冲的当量步长或调制精度。 电磁阀能够应用在气动系统中，另外在油压系统以及水压的系统中也能 够得到相同或者类似的应用，比如低功率不供油小型电磁换向阀( 图1 2 所 示) ，密封件不需供油，排出的气体不会污染环境，可用于食品、医药、电 子等行业。 现在，电磁阀技术与控制技术、计算机技术、电子技术相结合，已经能 够进行多种复杂的控制。比如可以把电磁阚应用在智能控制领域，应用在无 线控制技术等方面。电磁涧正是因为能够用电磁进行控制，所以它能与现在 的各种电子系统很好地接口，这也是它得到广泛应用的一个主要原因。就象 本文中的对鞍山电磁阀公司传统电磁阀改造所运用的原理和设计方案一样， 都是应用了现代控制技术和计算机技术的产物。 图1 2 电磁换向阎 f i 9 12e l e c t r o m a g n e t i s ms w i t c hv a l v e 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 电磁阀已经广泛地应用在生产的各个领域中，随着电磁控制技术和制造 工艺的提高，电磁阀能够实现更加精巧的控制，为实现不同的气动系统、液 压系统发挥它的作用。 1 3 单片机控制技术的应用 1 单片机就是在一块硅片上集成了中央处理器，随机存储器，程序存储器， 定时器和各种i o 接口，也就是说集成在一块芯片上的计算机。单片机的主 要特点是体积比较小，重量轻，再加上良好的抗干扰性和可靠性，单片枫已 经成为工业控制的不可缺少的器件之一。单片机的开发最早主要是处于汇编 级的开发，这样，为单片机开发程序还是比较复杂的，虽然单片机的指令系 统和普通计算机系统的指令非常类似，但它也有自己特殊的指令。比如m c s 系列单片机的位寻址就是一个特有的寻址方式，这也增强了该类型单片机在 处理布尔代数时候的能力。除此以外，单片机的指令格式也比较特殊。单片 机的主要的开发工作都集中在接口技术，也就是为单片机进行扩展外部功 能。单片机的接口技术主要包括了并行接口，串行接口，数模转换器和模数 转换器以及接口的扩展技术。通过这些扩展工作，单片机就获得了交互的能 力，也使得内部的处理能力得到有效的发挥。单片机发展到今天，出现了不 少高级语言的开发工具，这些系统通过仿真，在更高的平台上进行快速的开 发，也为单片机的广泛应用铺平了道路。可以说单片机已经无处不在，与我 们生活更加相关并渗透入生活的方方面面。单片机的特点是小，也就是其集 成的特性，其内部的结构是普通的计算机系统的简化。在增加一些外围电路 之后，就能成为一个完整的系统。比如，我们常用的一类电子秤，内部就安 装了一块单片机，再加上传感器、显示器和一些附加电路，就形成了一个应 用系统。所以单片机的可扩展性是相当好的。又比如k 8 5 这样的电脑中频电 疗仪。能够从病人身上获取数据，然后根据现有的算法扶几种治疗处方中选 择，而在每一种处方中还能够根据病人的病情而改变中频和波形及输出电流 强度。这样可以看出单片机本身也具有和普通计算机类似的强大的处理，可 以增加复杂的算法，获得很强的数据处理能力。单片机也可以应用在电脑缝 纫机上，这样单片机可以替代很多机械部分，还能提供很多老式的缝纫机无 法实现的图案。所以单片机在工业中的应用，极大地提高了工业设备的智能 东北大学硕士学位论文第章绪论 化，提高了处理能力和处理效率，而且无需占用很大的空间和复杂的设备。 对于本文的流量控制系统来说，就是采用以c 5 1 语言开发的，以a t 8 9 c 5 5 w d 为芯片的单片机控制系统的实际应用。 1 4 本文研究的基本内容 本论文的目的是设计一套自动控制系统对二位电磁阀原有系统进行改 造，以实现对流量控制在要求的任意精度范围内。需要解决的两个关键性问 题是：一、原有系统整体结构的改进；二、单片机智能控制系统的实现。主 要工作可分为以下四个部分： 1 机构设计的改进 动力部分： 使用原来的电磁阀的阀体，在此基础上主要对其内部进行改进。利用电 机带动锥齿轮。将与传动件一螺杆相配合的锥齿轮固定，从而确保螺杆传动 的精确性。螺杆和阀体内部的阀芯中间放置电磁铁，使其在通电时改变电流 的大小，实现原电磁阀的特性。如使电磁铁通电的电流固定而保证其与阀芯 和螺杆底部的衔铁吸为一体，在电动机转动的过程中，带动锥齿轮转动，并 且使螺杆在传动的过程中只实现上下移动，丽不进行转动，这样就能进行速 率计算。通过对电机转速的控制和调节使其达到给定的值，通过流量反馈计 来反馈当前的流量值。 密封方式的不同： 原电磁阀的电磁铁是不可动，故电磁阀内部实现封闭，电磁铁部分已经 将整个阀体密封，现在电磁铁变为可动部分，故不能用电磁铁作为密封部件， 而整个装置的液体或气体可能在螺杆与外壳的配合部分泄漏，故在外壳与螺 杆的插孔部分不应有螺纹存在，否则不能实现整个装置的密封性，故在阀芯 部分对整个阀体实行密封，用两个o 型密封圈套在电磁铁上，这样就实现了 整个系统的密封。 螺杆的定位： 由于考虑到要使流量得到控制，故应使螺杆只能上下移动，而不能转动， 故在阀体与螺杆的接触部分实现转动约束，即在阀体的开口部分开键槽，实 现定位。 查苎奎堂堡主茎垡丝苎墨二皇堕建 2 系统的组成 本研究课题的总体设计思想是将系统的各个模块部分进行有机的组合 使之成为一个作为整体的流量控制系统模块。流量控制系统模块分别由 a t 8 9 c 5 5 w d 芯片、c a n 控制芯片以及相关的接口模块等组成。模块实现 c a n 总线的通信协议以及相关的功能。它又具体分为三个部分：总线接口 部分，包括总线收发器和总线控制器；与传感器和控制器的接口部分；将前 两部分连接成一个整体的微控制器及其外围接口部分。 3 硬件设计 流量控制系统硬件部分的模块设计采用结构化设计方法，共包括三大部 分：c a n 总线接口部分，c p u 、复位芯片、电源管理及总线地址译码部分， t o 接口部分。 总线接口部分由c a n 控制器芯片s j a l 0 0 0 和c a n 总线收发器8 9 c 2 5 0 组成。s j a l 0 0 0 的初始化由微控制器软件完成，并且在正常工作模式下，由 微控制器控制s j a l 0 0 0 的收发操作来完成与总线的通信。 i o 接口部分在c p u 的控制下完成对系统的控制和对现场信号的采集。 这包括对电机正反转的控制，对角度反馈量的采集。 4 软件设计部分 同硬件设计一样，软件设计也是分块进行的。主要包括以下部分的程序： c a n 总线通信程序，看门狗芯片的初始化程序，i o 接口的管理程序( 在控 制模块中是a d 采集、继电器控制以及读取模块地址等) ，控制算法程序等。 东北大学碗士学位论文 第二章系统组成原理 第二章系统组成原理 2 1 系统组成方案 电 源 管 理 图21 角执行器控制模块的结构 f i 9 2 it h es t r u c t u r eo fa n g l ee x e c u t i v ec o n t r o lm o d u l e 本控制系统是基于c a n 总线的特性和优点来进行设计和实现的。整合 本控制系统模块综合了a t 8 9 c 5 5 w d 单片机的模拟量输入、模拟量输出、开 关量输入、开关量输出、i o 端口操作等问题。对于本课题所开发的单片机 流量控制系统而言则是通过一个控制角执行机构的驱动控制模块的设计和 开发来实现所要求的目标。 2 1 1 角控制器执行机构结构分析及模块设计思路 角执行器是模拟调节仪表中的一种，它主要由执行机构和调节机构组 成。在工业控制中，角执行器主要用于流量控制，在工业锅炉、化工、陶瓷、 冶金等行业中得到了广泛的应用。角执行器是种模拟调节仪表，在使用现 场总线控制系统时要通过现场总线实现对角执行器的控制，这就需要设计针 对角执行器的控制模块。 角执行器中通过改变励磁线圈电流方向来进行电机的正转、反转和停转 查垫查堂堡圭兰垡鲨苎 苎三兰墨竺望壁堕堡 的控制。由两个触发器控制电流方向：当正转触发器接通、反转触发器断开 时，角执行器正转，仪表盘显示角度变大；当反转触发器接通、正转触发器 断开时，角执行器反转，仪表盘显示角度变小：当两个触发器同时断开时， 角执行器停转。通过减速器把电机的高转速、小力矩的输出功率转换成执行 机构的低转速、大力矩的功率输出，同时把执行机构的角度值送到位置变送 器。角执行器通过一个电位器将角度值转换为位置反馈信号，该信号反应当 前角执行器所处的角度位置，通过变送器输出。角执行器的结构如下图2 2 所示。其中的控制信号为：a 相为2 2 0 v 交流相线，c o m 是2 2 0 v 零线。j 1 和j 2 分别为限位开关常闭触点。 c o ma 相a 相 v e tg n d 图2 2 角执行器的结构 f ! 9 2 2t h es t r u c t u r eo fa n g l ee x e c u t i v em a c h i n e 系统控制模块是由a t 8 9 c 5 5 w d 、总线控制器芯片以及相关的接口模块 等组成的实时多任务的嵌入式控制系统( 如图2 1 所示) 。模块实现c a n 总 线的通信协议以及相关的功能。它可以分成三个部分：总线接口部分，包括 总线收发器和总线控制器；以及与传感器或控制器的接口部分；最后一部分 是将前两个部分相互搭接成个有机系统的微型控制器及其外围接口部分， 当然，我们知道各个模块如果不相同那么本质上就要求单片机用来实现不同 的功能。1 东北大学硕士学位论文第二章系统组成原理 根据以上分析，在设计以8 0 5 1 系列芯片为核心的角执行器控制模块时， 依照模块化程序设计思想，我们把模块的硬件和软件分成三大部分来进行设 计和实现，最后将整个系统整和，完成一个完整的角执行器控制模块。具体 的硬件和软件设计我们将在以后的章节中详细叙述。 2 2 传感器及反馈元件 传感器是现代电液控制系统的重要环节之一。为了满足信号的传输、处 理、显示和控制等要求，电液控制系统中的传感器与一般自动控制工程中的 一样，实质上是一种转换器件。它能把需要的监测或控制的液压、机械变量 和其他物理量转换成精确对应关系的电量。 近年来为提高比例控制元件的性能，人4 r 已经成功地开发了各种内含传 感器和反馈器件的元件。这种用于元件内部的传感器及反馈器件的工作原 理、结构、尺寸和转换功能等方面都有一定的技术特点。 传感器及反馈器件的分类： 在电液控制系统或内含反馈的电液控制元件中，传感及反馈器件实际上 构成了从信号的转换、传输、处理、放大直至比较的整个反馈通道。 常见的被测量有位移( 转角) 、速度( 角速度) 、力( 力矩) 、压力、流 量和温度。通过转换器件可将它们转换为所需的其他非电物理量或电压信 号，经变换以后的信号可以经过简单的比例放大，也可经过滤波、放大、微 分、积分或其他处理后对系统实施校正。电液控制工程中最常见的比较方式 有三类：即位移比较、力比较和电压比较。位移比较和力比较方式很容易利 用元件内部的可移动零件或弹性来实现元件内含的机械量或液压量的反馈。 电压比较方式必须借助于通用或专用的测量放大器，构成所谓的带电反 馈的电压控制元件或系统。 2 3 微控制器的选择 2 3 1 嵌入式微控制器近年来的发展 当前的控制器类型中以嵌入式控制器为代表的这一类在工业控制应用 领域内占有相当重要的地位，本课题所选的电磁阀控制元件即属于嵌入式控 查! ! 查堂婴主堂堡堕苎 ：兰三兰墨篓望盛堕里 制器的范畴。 嵌入式控制器主要分两类：嵌入式微控制器和嵌入式微处理器。嵌入式 微控制器( e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r s ) 往往是在一硅片上集成c p u 、a d 、 d a 、p w m 口、1 2 c 、c a n 网络口等。我国称为单片机系统。国内这种叫法 主要是侧重于其功能，因为构成计算机的三要素：c p u 、存储器、外设位于 一个芯片之中，所以称为单片计算机。它追求的方向是整体化、小型化和廉 价。 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r s ) 与前者区别在于后者是 由原微处理器发展而来的，它不附加内部存储器。它依靠片外存储器通过三 总线连接起来。指令系统也是原微处理器的指令系统，不需要重新学习。这 类芯片有：8 0 1 8 8 、8 0 18 6 、8 6 8 0 、v 2 0 、v 4 0 等，数字信号处理d s p 也属于 后者。本书主要介绍嵌入式微控制器。 目前世界上集成电路生产厂商几乎都有自己的微控制器系列产品。不同 厂商微控制器的指令不同，开发装置也不兼容。但从近年来的发展来看，8 0 5 1 系列可能最终形成为控制器的工业标准。这是因为i n t e l 公司向不同厂家转 让微处理器的生产权，目前8 0 5 1 系列有百余种派生芯片。它们既保留8 0 5 1 核心结构又增加了各个厂商的专用功能或在原来功能基础上给予补充。这 样，速度有所提高，芯片低功耗，封装尺寸又有很大改进，从而形成广泛的 系列。同时，大部分用户已习惯使用它，市场上又向用户提供了软件包和硬 件接口。 2 0 世纪9 0 年代以后逐步开发了1 6 位微控制器8 0 c 2 5 1 和8 0 c 5 l x a ， 与8 0 5 1 指令兼容。这样就可以重复使用和推广以前开发的程序库。 微控制器8 0 5 1 系列的c 编译器经过多年使用已经日趋成熟，可达到专 业化水平的c 编译器也被广大用户所认可。另外一个原因是，只有8 0 5 1 系 列被多家公司成功研制出实时多任务操作系统，实时多任务操作系统对用户 有效管理应用程序的运行、合理分配c p u 时间和资源都带来了极大的方便， 为用户开发复杂应用系统、实现软件产业化带来了好处。开发8 0 5 1 系列的 公司很多，目前芯片价格很低，因此可选择性就很强。 嵌入式微控制器在处理速度、寻址能力、兼容性、支持多任务等方面都 有很大的进步。在速度上已经达到2 0 m h z 以上。这主要是由于在结构上采 查些查竺堡主兰垡笙苎兰三童墨竺里壁垦堡 用流水线设计。一般可以同时执行几条指令，单周期执行也缩短到l o o n s ， 中断响应不超过4 0 0 n s ，有的c p u 还增加了d s p 处理器。在寻址能力上， 各公司都达到2 4 位线性空间寻址。寻址方式支持简洁、扩展和相对位寻址。 微控制器一般都提供两个地址空间，即程序空间和数据空间。芯片中资源越 来越丰富，有f l a s hr o m 、r a m 、a d 、p w m 、1 2 c 、c a n 等专用功能模块。 微控制器性能大幅度的提高也带来了单片机开发水平的提高。 2 3 2 单片机与微处理器 微处理器一般分为最大工作模式和最小工作模式。最大工作模式微处理 器通过总线控制器、中断控制器来控制地址总线、数据总线和c p u 控制总 线，从而与片外存储器( 芯片或硬盘) 和i o 设备交换数据。微处理器的最 小工作模式是直接控制地址总线、数据总线和控制总线。前者的控制方法要 复杂些，后者的控制方法要简单些。但是所有的三总线都在微处理器的片外。 单片机基本系统的三总线都在芯片内运行。单片机扩展系统和微处理器 最小工作模式控制方法是相似的。但是在单片机扩展系统中，数据总线和地 址总线低位常常是分时复用的。 由于微处理器一般只和c p u 、指令译码器与一些缓冲器、寄存器密切 相关，所以它的主频速度比单片机高，处理速度快，但是组成系统结构复杂。 一般微处理器都把程序存放在片外的程序存储器中，把数据存放在片外数据 存储器中。单片机系统一般把c p u 、r o m 、r a m 和i o 集成在一个芯片中， 所以系统要简单的多a 微处理器的开发平台比较完善，一般可以用相应的p c 机开发。使用高 级语言开发，微处理器能很好的支持多用户操作系统。单片机系统由于 e p r o m 不大，一般8 位机、1 6 位机只支持单用户系统( 有的1 6 位机支持 多用户系统) ，只有3 2 位机才能很好的支持多用户系统。单片机一般用汇编 语言、c 语言共同开发，并使用相应的专用开发系统。 微处理器目前大部分已经使用简易指令系统了。单片机有的使用复杂指 令系统，有的使用简易指令系统。 微处理器一般已经使用哈佛流水结构，指令执行周期比单片机要少，执 行一条加法指令的时间一般是几十n s 。 东北大学硕士学位论文 第二章系统组成原理 2 3 3 计算机控制与单片机控制的比较 2 3 3 1 计算机控制的伺服系统的优点： 1 对被控对象一一电动机的各种状态量可以实现快速、宽范围、高分 辨率和高精度的检测，为高性能的传动系统的实现提供了基本保证。 2 控制的各类电力电子功率变换装置可以使电机有接近理想的可控 供电电源，为提高传动系统的性能提供保证。 3 使用计算机为核心的控制装置可以完成包括复杂计算和判断在内的 高速度的运算、变换和控制。软件的模块化结构可以方便地对应用程序实时 增加、更改、减少，当实际系统变化时也可彻底更新。软件控制的这种灵活 性大大增加了控制器对被控对象的适应能力，使各种新的控制策略和控制方 法得以实现。 4 使用计算机可以显著改善和提高控制装置的可靠性。集成电路的大 规模集成电路的平均无故障时间大大长于分离元件电子电路。当然，要保证 微机的硬件设计正确，使它的所有额定值( 如温升) 都保持在安全限制之内， 如有必要，可选用较大温度使用范围的高级别的元件和采用必要的抗干扰措 施。 5 和模拟电路不一样，数字电路完全不存在漂移问题也不存在数据变 化的影响，采用适当的定标可以避免溢出问题( 上溢出和下溢出) 。 6 精心设计的微机控制装置能降低硬件成本。速度更快、功能更完善 的新一代微机的不断涌现，此优点变得越来越明显。体积小、重量轻、功耗 少是它们附带的共同优点。 7 分散独立的伺服系统的微机控制有利于和总的工业控制系统中的主 计算机联机。随着计算机集散控制的发展，信息双向传递能力将变得越来越 重要。 8 借助微机容易实现对系统运行状态进行监视、预警、故障诊断和数 据采集，有利于对可能发生的故障进行分析和处理。通常，位置伺服系统包 括机械执行机构和电器自动控制部分。 2 3 3 2 单片机控制系统的优点 单片机自2 0 世纪7 0 年代末问世以来，其应用得到了迅速发展。以往开 查i ! 查兰堡主堂垡笙苎笙三兰墨竺塑壁要塞 发单片机使用的基本工具包括仿真器、汇编器等。2 0 世纪8 0 年代的8 0 5 1 系列、6 8 0 5 系列、8 0 9 6 9 8 系列其内部资源基本在6 4 k 内，而大多数应用程 序的代码长度都在十几个k 左右。进入2 0 世纪9 0 年代，随着大规模集成电 路技术的高速发展，世界各主要半导体公司推出了面向2 l 世纪的微控制器， 如i n t e l 2 9 6 2 5 1 、p h i l i p s p 5 l x a 、m o t o r o l a 6 8 3 0 0 系列等。这些芯片采 用流水线结构和宽总线( 1 6 条数据总线和2 个内部总线) ，寻址能力可达 6 m b 一3 2 m b ，片内r o m e p r o m f l a s hr o m 可达2 8 k b 一5 1 2 k b 。为充分有 效的开发这些微控制器的内部资源，提高应用系统的性能指标，单片机平台 技术也有很大的提高。 由实时多任务操作系统( r t o s ) 、基于嵌入式系统的c 语言编译器 ( c o m p i l e r ) 、实时在线仿真器( i c e ) 组成的高性能工具集合称为单片机 开发平台。单片机开发平台使单片机开发走岛标准化、产业化，降低了风险， 提高了效率。以往要进行单片机的开发工作，对开发有着多方面的要求：既 要精通软件、硬件，又要具有系统设计概念，还要具备一定的电子线路工艺 方面的知识和经验。开发单片机的另一大问题是：由于基于汇编语言编程， 开发只能孤军作战，设计出来的代码可读性差、可继承性差。基于汇编的开 发是一种个体手工生产方式，这种落后的工具对于比较简单的系统还可以对 付，但面向2 1 世纪的高性能微控制器，将会遇到很大的困难。 单片机内部含有计算机的基本功能部件：中央处理机( c p u ) 、存储器、 i o 端口和特殊功能部件。与一般p c 机相比，单片机具有下面一些特点： 体积小、单片机“小而全”： 可靠性高、三总线在芯片内部、不易受干扰； 控制功能强、控制直接、速度也快； 使用方便、性能价格比高； 容易产品化、比较容易保护开发者的知识产权。 单片机也有不如p c 机的地方：速度比p c 机慢、开发系统专用、存储 容量比较小。因此，单片机广泛应用于以下场所：各种智能仪表、机电一体 化设备、实时要求高的控制系统底层，另外在分布式多机控制系统、现场总 线控制系统以及各种小型、移动控制系统中也常常使用单片机。 考虑到本系统的各种特性和具体的要求，再综合单片机与计算机控制的 东北大学硕士学位论文 第二章系统组成原理 优缺点，我们拟采取单片机来进行控制。 东北大学硕士学位论文第三章流量控制系统的硬件设计 第三章流量控制系统的硬件设计 流量控制系统硬件部分的模块设计采用面向对象的结构设计思想，主要 是考虑到增强各个模块的独立性、高凝聚性、封装性等。共包括三大部分： c a n 总线接口部分，a t 8 9 c 5 5 w d 单片机、看门狗芯片、电源管理及总线地 址译码部分，输入输出部分。其中总线接口部分是由c a n 总线控制器芯片 s j a l 0 0 0 和总线驱动器8 2 c 2 5 0 组成。总线控制器芯片的初始化由主控制器 软件完成，并且在正常工作模式下，由主控制器控制总线控制芯片的接收与 发送操作来完成与总线的通信任务，最后完成上位机发出的指令要求。 a t 8 9 c 5 5 w d 单片机是作为核心控制器来维系着整个控制系统的正常运 作。具体说来就是它除了维持总线接口的正常工作外，还要完成s j a l 0 0 0 与输入输出接口之间的数据传输以及与模块地址和通信波特率的设定电路 之间的数据联系。而这里的模块地址和通信波特率的设定电路则是用拨码开 关加上锁存器组成的。最后，为了保证系统的可靠性，系统中使用了看门狗 电路，主要用于防止程序丢失、系统产生的意外中断等原因而造成的系统瘫 痪等问题。电源管理部分包括电压的变换、电路保护以及电源指示灯等。输 入输出接口部分在单片机的控制下完成对角执行器的控制和对流量、角度等 信号的采集。 3 1c a n 总线接口部分 3 1 1 现场总线的技术及发展 现场总线是当今工控领域的一个热点，现场总线技术正推动工业现场控 制进行一次革命性的突破。下面简述了现场总线标准化的进程，分析了现场 总线的技术特点，阐述了现场总线的体系结构以及各层的主要功能。 3 1 i 1 现场总线的产生 工业现场控制随着通信、微处理器、微电子学等技术的进步而不断的发 展，6 0 7 0 年代采用两线制4 m a 2 0 m a 标准信号：进入8 0 年代，微处理器 被嵌入到各种仪器设备之中，形成了分布式控制系统( d c s ) 。在分布式控 制系统中，虽然现场仪表因为含有微处理器而成为智能现场仪表，但由于是 查韭奎堂堡圭鲎垡笙奎墨三童堕苎塑塑墨竺塑堡堡堡生 三层结构模式，成本较高而且各公司的d c s 有各自的标准，不能互联。鉴 于以上情况，在8 0 年代中期，国外就提出了现场总线的概念，1 9 9 5 年i s p 和w o r l df i p 两大组织宣布合并，把i e c i s p 5 0 标准作为统一标准的一部分， 致力于推出国际上单一的现场总线网络标准，并且成立了现场总线基金会。 该基金会汇集了世界著名仪表d c s 和自动化设备制造商、研究机构和最终 用户，现有成员1 2 0 余家，并有几十个最终用户组成的顾问委员会。 现场总线基金会成立几年来，推动了现场总线的研究及其产品的开发， 其现场总线的物理层标准已经获得i e c 的批准。目前低速总线h 1 已经进入 实用阶段，可以提供标准化产品，其余层的标准不久将会批准。 3 1 1 2 现场总线的含义和技术特点 根据i e c 标准和f f 的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系 统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。它的技术特点有以下几个 方面： 1 现场总线是一个全数字化的现场通信网络 现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备和现场仪表互连 的现场数字通信网络，利用数字信号代替模拟信号。其传输抗干扰性能强， 测量精度高，大大提高了系统的性能。 2 现场总线网络是开放式的互联网络 用户可以自由集成不同制