（通信与信息系统专业论文）金属线膨胀系数智能检测系统的研制.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 金属线膨胀系数智能检测物理实验系统的研制 摘要 物体的热胀冷缩是极为普遍而又非常重要的物理现象，特别是对于金属的热 胀冷缩规律的研究，在机械制造、精密仪器的设计以及工程建筑等各个领域都十 分重要。因此金属线膨胀系数的测量对于工科大学生来说是非常重要的基础物理 实验。 论文介绍了金属线膨胀系数智能检测物理实验系统开发研制的全过程。本实验 系统的功能是测量电热炉内金属棒的伸长量和此时炉内的温度并传送给p c 机，p c 机接收到温度和伸长量后，由线膨胀系数公式计算出该金属的线膨胀系数。p c 机 和检测系统之间通信采用u s b 接口。检测系统采用传统p i d 模型，对电热炉内的 温度进行控制。本系统用v c + + 语言编程实现p c 机上实验操作界面的显示、p i d 控制量的计算，以及实验结果的处理等功能；采用c y g n a l 公司的一款完全集成 的混合信号系统级芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 实现u s b 固件编程、温度和伸长量信号的采集、 可控硅控制信号输出等功能。 另外，本系统还扩展了l c d 和微型打印机接口。通过调试，该系统各项指标 均满足设计要求。 关键词线膨胀系数p i d单片机u s bl c d微型打印机 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ts y s t e mm e a s u r i n gm e t a l sl i n e a r s w e l l i n gc o e f f i c i e n t a b s t r a c t i ti sag e n e r a lb u ti m p o g a n tp h e n o m e n o nt h a to b j e c ts w e l l sw h e ni ti sh e a t e da n d s h r i n k sw h e ni ti sc o o l e d e s p e c i a l l yt om e t a l ，t h er e s e a r c ho ft h i sp h e n o m e n o ni sv e r y i m p o r t a n t i nt h e s p e c i a l o fm e c h a n i c s ，e x a c ti n s t r u m e n t ，a r c h i t e c t o n i c s ，e t c s o m e a s u r i n gm e t a l sl i n e a rs w e l l i n gc o e f f i c i e n ti sam o r ei m p o r t a n tb a s a le x p e r i m e n tt o s c i e n c es t u d e n t s t h i sp a p e rn a r r a t e sd e v e l o p i n gs y s t e mo f m e a s u r i n gm e t a l sl i n e a rs w e l l i n g c o e f f i c i e n t t h i se q u i p m e n tm e a s u r e st h et e m p e r a t u r ei nas t o v ea n ds t r e t c h i n go f t h e m e t a ls t i c k t h e s ed a t aa r et r a n s m i t t e dt op c p cr e c e i v e st h ed a t ao f t e m p e r a t u r ea n d s t r e t c h i n g t h e ni tc a l c u l a t e sl i n e a rs w e l l i n gc o e f f i c i e n to f t h em e t a lw i t hf o r m u l a p c c o m m u n i c a t e st h ee q u i p m e n tt h r o u g hu s b i na d d i t i o n ，t h i ss y s t e mc o n t r o l st h e t e m p e r a t u r ei nt h es t o v ew i t ht r a d i t i o n a lp i d t h i ss y s t e mu s e sv c + + l a n g u a g ei np c i t d i s p l a y se x p e r i m e n t a li n t e r f a c e s ，c o m p u t e sp i dn u m b e r , a n da c c o u n t st h er e s u l t s ，e t c t h ee q u i p m e n tu s e sc 8 0 5 1 f 3 2 0d e v i c eo f c y g n a l i ti sf u l l yi n t e g r a t e dm i x e d s i g n a l s y s t e m o nac h i pm c u s i nt h i ss y s t e mi tr e a l i z e sf i r m w a r eo f u s b ，c o n v e r t s t e m p e r a t u r ei ns t o v ea n ds t r e t c h i n go f m e t a ls t i c k ，a n do u t p u t sc o n t r o l l i n gp u l s e so f s c r ，e t c i na d d i t i o n ，t h i s s y s t e md e s i g n s i n t e r f a c e so fl c da n ds u b m i n i a t u r e p r i n t e r a c c o r d i n gt od e b u g g i n g ，t h ed e s i g no f t h i ss y s t e mm e e t se x p e r i m e n t a lr e q u i r e m e n t s k e yw o r d sl i n e a rs w e l l i n gc o e f f i c i e n t ，p i d ，s c m ，u s b ，l c d ，s u b m i n i a t u r ep r i n t e r 独创性声明 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，不包含其他人己经发表或 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。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：徐 垒覆 日期：2 硼，f r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 金属线膨胀系数检测实验是东北大学物理实验室为大学工科学生开设的一项 基础物理实验。实验过程中学生可学得温度和伸长量的测量方法，并能检测到金 属的线膨胀规律，这对于学生今后将要从事的机械制造、精密仪器设计、工程建 筑等会有很大的启发和熏陶，因此在大学物理基础教育中这是一个非常重要的实 验。 固体的热胀冷缩是由于构成物质的原子或离子之间振动的平衡位置随温度变 化而发生变化造成的。对于绝大多数固体材料，其线度是随温度的升高而增加的， 固体的线度随温度的升高( 或降低) 而变化的现象称为线膨胀。设固体材料的温 度由t 变化到t + d t 时，其长度由l 变化至6l + d l 。实验表明，当温度变化d t 足够小 时，长度的微小变化量d l 与温度变化d t 及原长度l 成正比，写成等式为： d l ：口l x d t 即口：一1x d l ( 1 1 ) l 讲 比例系数口称为该固体材料的线膨胀系数，亦称线胀系数。它表示温度变化 1o c 时，物体长度的相对变化量。严格来说，线膨胀系数d 随着温度的不同而有微 小的变化，但当温度变化不太大时，可看作常量。实验中l 可取室温下待测固体 的长度，其值很容易测量，d t 也容易测量，只有d l 很小，不易测得。为了提高测 量精度，采用位移传感器把长度变化量d l 转化为电压变化量d u 。按照位移传感器 差动变压器的设计，在测量范围内，输出电压与铁芯的位移成正比，即 如= k d l( 1 2 ) 式中k 为位移传感系数，由公式( 1 1 ) 和公式( 1 2 ) 可求得 a ：一塑，即望兰：口上。k ( 1 3 ) a = 一， b i j = 口l l 1 jj l x kd td t 上式两边积分得 “= x l ) xr + b ( 1 4 ) 设c = 口l k( 1 5 ) 贝u“= c t + b( 1 6 ) 该公式表明位移传感器的输出电压u 与炉内温度t 成线性关系。可以利用位移 传感器测出不同温度t i 下金属棒的伸长量所对应的电压值u i ；同时用热电偶测出此 时炉内的温度t i ，测量多组数据用最t j 、- - 乘法求出c 和b 后，最后根据公式( 1 7 ) 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 求出线胀系数。 口：三( 1 7 ) k x ， 测量多组温度和对应温度下伸长量的值，必须能控制电热炉内的温度。手动控 制电热炉加热升温，只能使炉内温度升高但不能使炉温升高到某一特定的温度并 稳定在此温度下，且手动测量温度和伸长量更是存在许多人为的误差，不能保证 测量精度达到要求。随着科学技术的迅猛发展，计算机作为一种智能化的辅助教 学手段，应用于物理实验的教学过程中对实验过程进行实时控制；对被测对象 进行实时采集：并对采集的数据自动进行处理，对提高实验的科学性和准确性尤 为重要。在本实验系统中，位移传感器输出信号和热电偶输出的炉内温度信号经 过放大、a d 采集和变换后送给计算机，由计算机控制炉温，当炉温达到给定温度 后，计算机开始自动监测温度与金属棒的伸长量，伸长量基本不变时，同时采集 温度和伸长量。测量多组数据，用最小二乘法求出伸长量u 和温度t 曲线的斜率， 根据上述公式( 1 ，7 ) 就可求得金属的线膨胀系数。 东北大学物理实验室丌设的金属线膨胀系数检测实验由来已久，但是由于设备 的老化使得其在使用过程中存在诸多不便，且某些设备已经损坏不可再用。 老式实验系统的缺点如下： ( 1 ) 实验界面采用b a s i c 语言在3 8 6 计算机上编写，实验过程中只能按固定顺 序浏览实验界面，不可返回上级界面，如果出错，只能强行退出，从头再做。 ( 2 ) 数据采集和炉温控制信号采用板卡的形式插入计算机内部，使得计算机 和采集控制成为一体，不可分割。 ( 3 ) 可控硅控制采用老式的模拟调节器，数值的阅读不方便。 ( 4 ) 实验结果的打印输出与系统分离，必须通过5 寸软盘将数据拷贝到专用 打印机卅能打印输出。 针对旧系统存在的以上问题，必须改变整个系统的设计方案。新系统采用 c y g n a l 公司的s o c 单片机c 8 0 5 1 f 3 2 0 作为中心控制芯片，进行温度、伸长量的采 集，同时产生控制信号，触发可控硅导通控制电热炉加热升温。实验界面显示在 p c 机上，采用v c + + 编写，界面美观且便于操作，p c 机与控制系统之间通过u s b 接口进行通信，传递采集来的数掘和输出的控制量。 1 2 论文内容概述 本文主要讲述金属线膨胀系数智能检测物理实验系统丌发研制的全过程。整个 系统是个闭环的控制过程，包括数据的采集、显示和控制变量的输出。其中用 2 垒韭垄兰堡主堂堡垒圭 到的技术包括：a d 采集、u s b 通信、 打印机。 第一章绪论 可控硅触发、p i d 控制、l c d 显示和微型 整个系统是基于c y g n a l 公司的一款s o c 单片机系统c 8 0 5 1 f 3 2 0 芯片。 c 8 0 5 1 f x 系列单片机是完全集成的混合信号( m i x e d s i g n a l ) 系统级芯片 ( s y s t e m o n a c h i p ，s o c ) ，具有与8 0 5 1 兼容的高速c i p 5 1 内核，与m c s 5 1 指 令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其他 功能部件，本论文中对该c p u 的资料有较详细的讲述。论文中首先介绍了金属线 膨胀智能检测系统的功能要求及其工作过程；其次描述了系统的总体组成以及系 统开发研制时用到的软、硬件开发环境；本论文的重点是系统硬件接口电路的设 计和软件程序的设计，这两部分也是系统的核心，详细讲述了系统的硬件电路设 计以及软件功能模块的实现；最后记录了在调试过程中所遇到的问题以及系统达 到的性能指标。 1 3 论文内容安排 第一章绪论：介绍了本课题的研究背景，提出上一代产品的问题，并简要介 绍了本文的内容。 第二章检测系统功能要求及工作过程：详细描述了金属线膨胀系数智能检测 系统的功能要求及其工作过程。 第三章检测系统总体设计：介绍了金属线膨胀系数智能检测系统的总体组 成、硬件组成以及软件功能模块。 第四章开发环境介绍：说明了研制金属线膨胀系数智能检测系统所需要的 软、硬件开发环境。 第五章检测系统的硬件开发：介绍硬件电路的开发和硬件接口电路的设计。 第六章检测系统的软件设计：分块介绍软件功能模块的流程图以及软件的具 体设计方法。 第七章系统调试与性能指标：系统调试过程中所遇到的问题和解决的方法， 以及系统所达到的性能指标。 第八章结束语。 第八章结束语。 3 东北大学硕士学位论文第二章金属线膨胀系数智能检测系统功能要求及工作过程 第二章检测系统功能要求及工作过程 2 1 检测系统功能要求 针对老式金属线膨胀系数检测实验系统所存在的问题，在实验系统改进的过程 中，对新系统的设计提出一系列要求： ( 1 ) 界面：面面美观、动面逼真，可以随意调出实验界面，而无须按固定顺 序，特别是在做实验升温的过程中，可以查看实验目的和实验原理界面。 ( 2 ) 检测系统和p c 机分离，便于安装运行。 ( 3 ) 温度和伸长量实时显示。 ( 4 ) 温度曲线实时刷新，要求升温速度快且恒温区长。 ( 5 ) 可以在系统打印实验结果。 这些新的要求与老系统有不可调和的矛盾，因此必须改变系统的整体设计方 案。针对上述要求，新的检测系统必须采用独立的c p u 控制运作，也就是要改变 原来板卡式的系统结构。鉴于系统中对温度和伸长量信号a d 采集的要求，本系 统最终选择了一款带有a d c 模块的单片机控制系统c 8 0 5 1 f 3 2 0 ，该款芯片含有通 用串行总线控制器( u s b ) ，可使系统中数掘传输快速无误且支持热插拔。 2 2 检测系统工作过程 由公式“= ( 口x k ) x ，+ b 可以看出，位移传感器的输出电压u 与炉内温度t 成线性关系。用位移传感器测出不同温度t i 下金属棒的伸长量所对应的电压值u i ； 同时用热电偶测出相应的炉内温度t 。然后用最小二乘法求出u 和t 曲线的斜率c ， 就可求出线膨胀系数口= 。 k l 为测得一定温度下金属伸长量所对应的电压值，系统必须能控制温度使之稳定 在设定值，整个系统必然是一个闭环的工作过程：系统根据设定温度和当前温度 调整输出控制量，调节电热炉功率使温度升高，直到温度达到设定值。 实验系统的工作过程如下： 首先，阅读性界面的显示。在做实验之前，学生需要阅读实验目的、实验原理、 实验过程以及做实验中应注意的事项。这些界面将显示在p c 机上，通过界面切换 可调用不同的界面，显示不同的功能界面。 东北走学硕士学位论文第二章金属线膨胀系数智能检测系统功能要求及工作过程 其次，在实验过程界面中，学生开始做实验，设置升温参数，包括升温时间和 升温速度。p c 机根据设定的升温参数，通过p i d 模型计算出所需要的控制量，将 控制量变换成一定的格式输出给检测系统，由检测系统根据控制量，生成相应的 控制信号，触发可控硅导通控制电热炉加热使温度升高。 温度信号通过热电偶( 需要放大) 反馈给测量系统，测量系统根据热电偶信号 计算出当前炉内的温度，并按一定格式回送给p c 机。p c 机根据反馈回来当前炉 内温度和设定温度的差值，调整控制量并回送给控制系统，闭环的控制过程可使 温度快速准确的稳定在设定值。 当温度稳定在设定值之后，时刻监视伸长量信号( 测量系统采集伸长量信号并 按一定格式传送给p c 机) ，当伸长量基本不变的时候，同时采集伸长量和温度信 号并记录下来。 重复以上过程，采集多组( 典型值是7 组) 伸长量和温度信号。运用最小二乘 法拟和直线。可以得出伸长量和温度信号曲线的斜率，即c = 一u 一f u ”f 卜( ，) 2 求出斜率后便可由公式口= _ 鲁( 位移传感器系数k 和金属棒的长度事先测出) 托xl 得出金属棒试样的线膨胀系数。 东北大学硕士学位论文第三章检测系统总体设计 第三章检测系统总体设计 3 1 系统组成框图 金属线膨胀系数智能检测系统的系统组成框图如图3 i 所示。 其中实验操作界面和可控硅控制量的计算在p c 机上实现，它通过u s b 接口与 s o c 单片机c 8 0 5 l f 3 2 0 进行通信向下传送控制电热炉加热的控制量，向上传送 采集所得的温度和伸长量信号。控制芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 是本系统的核心器件，它内 部含有的a d c 和m u x 模块，二者协调工作对三路信号进行模数转换，同时该芯 片必须完成u s b 接口通信的固件程序、l c d 液晶屏的显示程序以及微型打印机的 打印程序。其余组成部分是系统的外围器件：热电偶产生炉内温度信号；位移传 感器产生伸长量信号：温度补偿指的是室温信号：可控硅触发用来控制可控硅使 电热炉加热升温；l c d 液晶显示模块和微型打印机是本系统中做好的接口，方便 系统以后的升级。 3 2 系统硬件组成 金属线膨胀系数智能检测系统的硬件主要包括：控制芯片、小信号放大模块、 l c d 液晶显示模块、微型打印机、可控硅、电热炉和热电偶、位移传感器。 ( 1 ) 控制芯片c 8 0 5 】f 3 2 0 主要完成室温、炉温、位移信号的采集，以及产生可控硅控制波形。控制芯 片c 8 0 5 1 f 3 2 0 内部含有m u x 和a d c 模块，迸行相应的配置可实现三路模拟信号 的循环采集。该芯片集成了兼容u s b 2 0 总线协议的功能控制器不须进行硬件的 搭建便可进行u s b l 1 接口通信的固件编程，实现u s b 通信。此外，该芯片含有 1 6 k 字节的f l a s h 存储器，可以将显示在液晶屏上的操作界面，以及打印界面固 化到f l a s h 中，需要使用时直接调用即可。 ( 2 ) 小信号放大模块 炉内温度经热电偶转化为电信号，但转化后的信号电压很弱，一般在几m v 左 右，这样小的信号不便于测量，将其转化为便于测量的信号要放大近1 0 0 倍，必 须采用高输入阻抗、低失调电流、高共模抑制比、高增益的测量放大器。同时出 于热电偶在室温下输出信号为零( 热电偶的冷端处于室温中) ，须对其作一定的室 温补偿，热电偶测碍的温度与室温之和就是炉内的真正温度。位移传感器可将金 芒13薯吐ouui=o李磊uui一育苗主咖=一鲁o=量尝h芒。兽=3一o 2暑譬一叶甚皿 函氆鼎堪垛g螺峨嚣靼涩帮籁帕邕鎏g嗵碉lc圃 j 咽 酸 饕 凸 丑 誊l - 譬 楚 蟠1 3 7 一，。 窿| h 。 鞫器 盐 声- i l 铽 掣 f f 赠 雕 i 副叫 毫1 、j #啦晕神蟮婚嚣婆帖州媾 州帛迥廿书罾扑罱* 东北大学硕士学位论文第三章检测系统总体设计 属棒的伸长量变为电信号，此信号送f t 5 4 8 1 型调制解调放大器放大后电压己满足 测量的要求，为防止对后级电路产生干扰，用运放l m 3 5 8 与后级电路隔离。 ( 3 ) l c d 液晶显示模块 因需要显示的操作界面多，信息量较大，故应采用点阵较多的l c m ，经过调 研，采用信利( t r u l y ) 公司的m g l ( s ) 2 4 0 1 2 8 t ，它物美价廉，比较适合本系统的 要求。该液晶模块是2 4 0 x 1 2 8 点阵，能容纳1 6 1 6 点阵的汉字1 5 行8 列，且具有 较高分辨率( 点为0 4 0 0 4 0 m m ) 。该器件的外型尺寸为1 4 4 1 0 4 m m ，厚度为1 5 m m ， 屏幕可视区为1 1 3 ，5 x 6 6 5 m m 。显示方式为全透反显，显示颜色为绿底黑字。由于 l c d 背光为l e d 背光方式，所以v l e d 9 1 v 。屏幕下侧有2 0 芯接口，屏幕右侧 有背光电源接口。该液晶显示模块内藏t 6 9 6 3 c ，实现了t 6 9 6 3 c 与行、列驱动器 及显示缓冲区r a m 的接口，同时也已用硬件设置了液晶屏的结构( 单、双屏) ， 数据传输方式，显示窗口长度、宽度等等。 本系统液晶屏采用单屏显示，其点阵图形液晶显示模块的方框图如图3 2 。 控制总线 数据总线 电源线 图3 2 内藏t 6 9 6 3 c 的单屏结构液品显示模块的方框图 f i g 3 2m o d u l ef r a m eo f s i n g l e s c r e e nd i s p l a yw i t ht 6 9 6 3 c ( 4 ) 微型打印机 本系统采用的微型打印机是容达m p 针式系列汉字微型打印机m p - a 1 6 。它是 面板式结构，方便安装于产品中。该型号打印机体积小，功耗低，可以打印国标 一二级汉字库中的汉字、点阵图形以及曲线等。该型号打印机可以通过串口或并 口控制，串、并口的选择通过插拔控制板上的w 1 短路块来实现。本系统采用并 口控制微型打印机。 ( 5 ) 可控硅 本系统中采用的是上海整流器厂生产的可控硅3 c t l 0 a ，它允许通过的最大电 流是1 0 安培。可控硅正常工作必须有相应的触发电路，详细的可控硅触发控制电 路在硬件电路设计中介绍。 ( 6 ) 电热炉和热电偶 8 一 东北犬学硕士学位论丈 第三章检测系统总体设计 系统中所用的电热炉是沈阳市电炉厂生产的管式电阻炉，其功率为i 千瓦， 额定电压2 2 0 v ，炉内最高温度可达1 0 0 0 。c ，炉膛尺寸为0 3 5 x1 0 0 m m 其各项指 标是按照本系统的要求定制的。 热电偶的型号是w r n k l 3 i ，它是无固定装置式铠装热电偶，具有能弯曲、耐 高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点。它可以直接测量各种生产过程中从 o o c 一8 0 0 。c 范围内液体、蒸汽、气体以及固体表面的温度。 ( 7 ) 位移传感器 本系统中采用的位移传感器是阜新市电测技术研究所生产的交流差动变压器 式位移传感器i ”，其配套产品f t 5 4 8 l 型调制解调放大器提供传感器的励磁，并将 传感器与位移量成正比的二次音频变压解调成直流缓变信号放大后输出。该模块 电路稳定性好，温漂较小，抗干扰能力强，尤其适合于黑色与有色金属的延压加 工过程的位置或位移量的自动检测与控制系统使用。这些特点正好使它适用于本 系统。 3 3 系统软件总体逻辑图和功能模块 检测系统的软件总体逻辑图如图3 3 所示 剧33 系统软什总体逻辑幽 f i g 3 3m o d u l ef r a m eo fs y s t e m ss o f t w a r e 本系统软件主要包括p c 机中的软件和控制系统中的软件两部分。 ( 1 ) p c 机中的软件有： ( a ) 实验操作界面，完成实验操作界面的显示，实现采集数据的实时显示、 温度曲线的实时刷新、以及p i d 控制量的计算。 ( b ) u s b 驱动，与单片机内固件程序协调实现u s b 通信协议，能够实时的传 输采集的数掘和p c 机对单片机的控制信息。 东北大学硕士学位论文第三章检测系统总体设计 ( 2 ) 单片机内的软件包括： ( a ) u s b 固件程序，与u s b 驱动协调工作，实现u s b 数据传输。 ( b ) 数据采集和处理，实时的进行温度和位移信号的a d 转换，并进行数据 处理，变换成可以传送给p c 机的数据。 ( c ) 打印程序，控制微型打印机打印实验结果。 ( d ) 液晶显示，显示简单的操作界面，方便系统以后升级，在没有p c 机的 情况下依然可以进行实验。 ( e ) 可控硅控制程序，接收到u s b 通信或液晶界面传过来的控制量后，输出 相应的信号，触发可控硅导通使电热炉加热升温【2 1 。 一1 0 一 东北大学硕士学位论文 第四章开发环境介绍 第四章开发环境介绍 4 1 硬件环境建立 本检测系统的中央控制芯片采用c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 3 2 0 芯片，详细资料见 参考文献i 孙。c 8 0 5 1 f x 系列单片机是完全集成的混合信号( m i x e d - s i g n a l ) 系统 级芯片( s y s t e m o n a c h i p ，s o c ) ，具有与8 0 5 1 兼容的高速c i p 5 1 内核，与m c s 一5 l 指令集完全兼容，片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟、数字外设及其 他功能部件；内置f l a s h 程序存储器、内部r a m ，大部分器件内部还有外部数 据存储器空间，即x r a m 。c s 0 5 1 f x 系列单片机具有片内调试电路，通过j t a g 接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 具有以下功能特点： ( 1 ) 兼容8 0 5 1 的高速管道传输的微型处理器内核( 最大可以达到2 5 m i p s ) ； ( 2 ) 在系统全速的、非侵入式调试接口( 在芯片) ； ( 3 ) u s b 功能控制器，具有8 个灵活的端点管道、集成的收发器和1 k 的f i f o r a m ； ( 4 ) 供电电压校准器( 3 v - 5 v ) ； ( 5 ) 带有模拟多路复用器的1 0 位2 0 0 k s p s 的1 7 通道单端模数转换器； ( 6 ) 在芯片电压参考和温度传感器； ( 7 ) 在芯片电压比较器( 2 个) ： ( 8 ) 精确的可编程1 2 m h z 内部振荡器和4 x 时钟乘法器； ( 9 ) 1 6 k 字节的在芯片f l a s h 存储器； ( 1 0 ) 总共2 0 3 4 字节的在芯片r a v l ( 2 5 6 字节的内部r a m + l k 字节的外部 r a m + l k 字节的u s bf i f or a m ) ： ( 1 1 ) 硬件实现了s m b u s 、增强的u a r t 和增强的s p i 串行接口； ( 1 2 ) 4 个通用的1 6 位定时器； ( 1 3 ) 带有5 个归零模块和看门狗( w a t c h d o g ) 定时器功能的可编程计数器 定时器阵列( p r o g r a m m a b l ec o u n t e r t i m e r a r r a y ，p c a ) ： ( 1 4 ) 在芯片带电复位、v d d 监控器和时钟丢失检测器； ( 1 5 ) 2 5 个i ，o 端口( 可承受5 v 电压) 。 从以上功能可以看出，c 8 0 5 1 f 3 2 0 是一款卓越的系统级芯片产品。f l a s h 存 东北大学硕士学位论文第四章开发环境介绍 储器可以在电路编程，提供非挥发性的数据存储，并且允许8 0 5 1 固件程序的升级。 在芯片s i l i c o nl a b s2 - w i r e ( c 2 ) 开发接口允许非侵入式( 不是用在芯片的资源) 全速的在电路调试。所有器件都规定工作在2 7 v 到3 6 v 的工业温度( 一4 0 到 + 8 5 ) 环境中，u s b 通信需要3 0 v 到3 6 v 的工作电压，i o 端口年n r s t 管脚允 许输入信号最大5 v 电压。 c 8 0 5 1 f 3 2 0 的功能模块图见图4 1 。c 8 0 5 1 f 3 2 0 使用了3 2 管脚的l q f p 封装， 封装图见图4 2 。 图4 1c 8 0 5 1 f 3 2 0 功能模块幽 f i g 4 1f u n c t i o nm o d u l eo f c 8 0 5 1f 3 2 0 图4 2 c 8 0 5 if 3 2 0 封装削 f i g 4 2p a c k e to f c 8 0 5 1 f 3 2 0 1 2 东北大学硕士学位论文第四章开发环境介绍 简单的调试系统如图4 3 所示。 i 划4 3 调试系统幽 f i g 4 3d e b u gs y s t e mo v e ll o o k 说明：当串行适配器连接到目标板上时，目标板上的复位按键将不起作用。 这时如果需要复位，应该用s i l i c o nl a b s i d e 的工具条中的r e s e t 键进行复位。 幽4 4 串行适配器 f i g 4 4s e r i a la d a p t e r 硬件调试系统包括： ( 1 ) c 8 0 5 1 f 3 2 0 的目标板： ( 2 ) 串行适配器( r s 2 3 2 到目标板调试接1 5 1 协议转换器，如图4 4 所示) ： ( 3 ) s i l i c o n 实验室的集成丌发环境； ( 4 ) 交直流转换适配器： ( 5 ) r s 2 3 2 串行电缆： ( 6 ) u s b 电缆： ( 7 ) 排线电缆： 检测系统大部分的功能象a d 转换、控制信号输出、u s b 通信等都可以在硬件 调试系统上模拟实现，各部分功能基本实现之后再连接外围器件如：热电偶、位 移传感器、可控硅触发r 乜路、电热炉、液晶屏、微型打印机，进行检测系统的蹩 体调试。 东北大学硕士学位论文第四章开发环境介绍 4 2 软件开发环境 4 2 1c y g n a l 自带编译环境c y g n a li d e s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 是c y g n a l 公司专门为c 8 0 5 1 f x x x 系列的单片机编程而 开发的集成丌发环境，可以使用c 语言或者汇编语言进行单片机固件程序的开发。 这里使用的是1 8 版本，界面如图4 5 所示。 它集成有源代码编辑器、源代码级调试器和在系统f l a s h 编程器。它允许使用 第三方的编译器和汇编器，这里使用的链接工具( t o o lc h a i n ) 是k e i lc 的编译和 汇编工具，包括a 5 1 宏汇编器、b l 5 1 连接器和c 5 1 的c 语言编译器，这些工具 都可以在i d e 中被引用。 但是s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 源代码编辑器不允许编辑太大的文件，而本系统 的程序代码又非常多，所以程序编译采用k e i lu v i s i o n 2 ( 它对程序代码的长度没有 限制) ，j 下确编译程序后在s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 中与目标板连接，进行程序下 载和在线调试。 图4 5s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 界面 f i g 4 5i n t e r f a c eo f s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 4 2 2 程序编译环境k e i lu v i s i o n 2 k e i lc 5 1 标准c 编译器为8 0 5 1 微控制器的软件开发提供了c 语言环境，同 1 4 东北大学硕士学位论文第四章开发环境介绍 时保留了汇编代码高效，快速的特点。c 5 1 编译器的功能不断增强，使你可以更加 贴近c p u 本身，及其它的衍生产品。c 5 l 已被完全集成到u v i s i o n 2 的集成丌发环 境中，这个集成丌发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器， 调试器。u v i s i o n 2i d e 可为它们提供单一而灵活的开发环境。 c 5 1v 7 0 0 版本是目前最高效、灵活的8 0 5 l 开发平台。它可以支持所有8 0 5 l 的衍生产品，也可以支持所有兼容的仿真器，同时支持第三方开发工具。因此。 c 5 lv 7 o o 版本无疑是8 0 5 1 丌发用户的最佳选择。 k e i lg v i s i o n 2 的操作界面如图4 6 所示。 幽4 6k e i lp v i s i o n 2 操作界面 f i g 4 6i n t e r f a c eo f k e i lg v i s i o n 2 k e i lc 5 1 的集成开发环境的主要功能有以下几点： ( 1 ) “v i s i o n 2f o rw i n d o w s t m ：是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码 编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中； ( 2 ) c 5 1 国际标准优化c 交叉编译器：从c 源代码产生可重定位的目标模块； ( 3 ) a 5 l 宏汇编器：从8 0 c 5 l 原汇编代码产生可重定位的目标模块； ( 4 ) b l 5 1 连接定位器：组合由c 5 l 和a 5 1 产生的可重定位目标模块，生成 绝对目标模块； 15 东北大学硕士学位论文第四章开发环境介绍 文件； ( 5 ) l i b 5 l 库管理器：从目标模块生成链接器可以使用的库文件 ( 6 ) o h 5 1 目标文件至h e x 格式的转换器：从绝对目标模块生成i n t e lh e x ( 7 ) r t x 一5 1 实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。 一1 6 东北大学硕士学位论文第五章金属线膨胀系数智能检测系统的堡停刃丛 第五章检测系统的硬件开发 5 1 控制芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 最小系统 金属线膨胀系数智能检测系统的中央控制c p u 是c y g n a l 公司一款完全集成的 混合信号系统级芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 i 3 1 。系统工作电压+ 3 3 v ，系统时钟在程序内部进 行配置，可使用外部晶振，也可选择内部时钟，该系统含有j t a g 编程口( 图5 1 中的j 3 ) ，可以在系统编程、调试。检测系统选用内部晶振产生时钟信号，工作的 最小系统图4 】如图5 1 所示，其中j 1 为的b 型u s b 接口。 + 3 v d l 乃 g n d d + d - u s ”蟮4 i u 3 i 如1 p 02 l ，o0 p 03 lg n d p 04 l ：嚣0 5 v d dp 0 7 i 鬻”； ： lc 2 c k r g tp 1 2 lp 3 n 忸dp l3 p 2 jp l4 p 2 p l5 l 咒5p l6 p 2 4p 17 砣3 9 2 0 p 2 工p 2 l 兹过霉檀 3 1c i | d r t x 2 9r x 2 8 - , 3 2 7 电疯挖 ；y 图5 1 控制芯片c 8 0 5 1 f 3 2 0 最小系统图 f i g 5 1m i n i m a ls y s t e mf i g u r eo f c o n t r o lc h i pc 8 0 5 1f 3 2 0 单片机的端口配置如图5 1 所示：p 3 0 、p 2 6 、p 2 7 配置为模拟输入，作为a d 采集的输入端；p 0 2 配置为单片机的外部中断i n t 0 ，作为输入信号接交流电的过 零点输入；p o 7 作为可控硅控制信号的输出，控制可控硅的导通角；p 1 口作为数 据口，其余端口作为控制信号，实现l c d 液晶显示接口和微型打印机接口。 5 2 小信号放大电路设计 5 2 1 热电偶信号放大 热电偶是一种常用的测温元件( 或称温度传感器) ，其工作原理是温差电效应 5 1 ，可以将温度( 旺1 0 0 0 。c ) 信号直接转换成电信号，转换后信号的变化范围是 o 一2 0 6 m v 。必须将此信号放大1 0 0 多倍，才能使其电压变到o _ 2 4 v ( a d 采集 范围) 。本系统采用测量放大器a d 5 2 1 完成此信号的放大。a d 5 2 1 具有高输入阻 - 1 7 - 斋l 三| 猎面锺一q强加 。h 山 c j1，1 东北大学硕士学位论文第五章金属线膨胀系数智能检测系统的硬件开发 低失调电流、高共模抑制比其增益可在0 1 到1 0 0 0 之间调节，且增益的调整不 须精密的外接电阻，各种增益参数己进行了内部补偿，比较适合用于小信号的放 大。信号的放大电路1 硼如图5 ，2 所示，放大后信号接运放u a 7 4 1 ，防止此信号对后 续电路产生干扰。 1 2 , h 圈5 2 热电偶信号放人电路 f i g 5 2a m p l i f y i n gc i r c u i to f t h e r m o c o u d i 。 5 2 2 室温信号产生及放大 由于冷端暴露在外界环境中，所以室温下热电偶的输出信号为零1 7 ，须对其作 一定的室温补偿。热电偶测得的温度与室温之和就是炉内的真正温度。用a d 5 9 0 产生室温信号，精密放大器o p 一0 7 对其进行放大，室温信号的产生及放大电路如 图5 3 所示。 幽5 3 室温信号产生电路 f i g 5 3c i r c u i to fp r o d u c i n gr o o mt e m p e r a t u r e 1 8 东北大学硕士学位论文第五章金属线膨胀系数智能检测系统的硬件开发 5 2 3 位移传感器信号放大 金属棒的伸长量经过位移传感器之后可变为电信号此信号送f t 5 4 8 1 型调制 解调放大器放大后已满足测量的要求。为防止输入信号对后级电路产生干扰，采 用l m 3 5 8 的射随器接法与后级电路隔离。 图5 4 何移信号的产生和放人 f i g 5 ，4c i r c u i to fp r o d u c i n ga n da m p l i f y i n gd i s p l a c e m e n t 5 3 按键扫描 系统共有三个按键，它们协调工作可实现液晶屏的翻页显示、升温参数设置、 手动控制升温、以及微型打印机输出。设计电路时考虑去抖动的问题，在按键的 两端并上电容。 5 4 可控硅触发电路设计 可控硅是一种大功率半导体可控开关元件如图5 5 所示，可控硅是一个三极四 层半导体器件，从阳极到阴极共有三个p n 结，不管阳极和阴极之间外加电压极性 如何可控硅至少有一个p n 结处于反向偏置状态。只有在适当的条件下可控硅= ；4 能导通和关断。 控制极 幽55 可控硅内部结构示意幽 f i g55s t r u c t u r ei n s i d es c r 1 9 东北大学硕士学位论文第五章金属线膨胀系数智能检测系统的硬件开发 可控硅导通条件【8 】： ( 1 ) 可控硅阳极和阴极之间加正向电压 ( 2 ) 控制极和阴极之间加适当的正向电压和电流( 称为触发电压和电流) 可控硅关断条件： ( 3 ) 可控硅阳极和阴极之间加反向电压 ( 4 ) 流过可控硅的电流小于某一电流( 称为维持电流) 以上说的是可控硅正常工作情况。若正向电压超过允许值，虽然控制极没加 触发电压，可控硅也会导通。当反向电压超过允许值时，可控硅也会因过压面突 然导通，造成永久性损坏。 本系统中可控硅整流电路的负载是电阻丝，既有感性负载又有电阻，可等效 为电感l 和电阻r 的串联 9 l i 可控硅整流电路的电路图如图5 6 所示。 图5 6 可控硅整流电路图 f i g 5 6r e c t i f y i n gc i r c u i tw i t hs c r 若u 。控制电压适当，在u l 的正半周期s c r l 满足导通条件，在其负半周期s c r 2 满足导通条件，电流u 1 通过零点时s c r l 和s c r 2 满足关断条件。系统正是根据 这些特性来设计可控硅的控制电路【1 。首先，采集过零点u t o ，控制电压u 。就是以 u t o 为基准，根据系统采集的零点，延迟一定的时间再给出控制脉冲。控制脉冲到 来时可控硅满足导通条件，只是由于电感中电流不能突变的原则，电流i o 将逐渐 增大，到达下一个过零点之后，可控硅开始关断，同样由于电感的作用，电流将 逐渐的减小，只到完全关断为止【1 ”。图5 7 为可控硅工作的波形图，图中只详细表 述了u t 正半周期的工作波形，其负半周期的工作波形与正半周期相似。 一2 0 - 东北大学硕士学住论文第五章金属线膨胀系数智能检测系统的