基于PIC单片机的AGC控制系统设计

1、基于PIC单片机的AGC控制系统设计摘要：设计了以PIC24HJ256GP610为核心器件的一种简单、经济、可靠的板带轧机AGC控制系统。该系统能够完成现场信号的采集与处理，成本低、抗干扰性好。采用该AGC控制系统能够极大地降低设备更新改造的成本，具有很强的经济效益。关键词：PIC单片机；AGC；接口电路；电平转换 中图分类号：TP273 文献标识码：ADesign of AGC control system based on PIC Single-chip microcomputerAbstract: Designed a simple, economic and reliable stri

2、p mill AGC control system based on PIC24HJ256GP610 . This system is able to complete acquisition and processing of the field signal, and low cost, good anti-jamming. The AGC control system can greatly reduce the cost of upgrading equipment, has a strong economic benefits.Key words: PIC Single-chip m

3、icrocomputer; AGC; Interface circuits; level conversion1 引言在我国约有4千余台套的板带轧机，其中绝大部分轧机装机水平不高，生产着较为低端的板带产品，这些轧机都面临着改造或更新换代。随着液压伺服控制技术的逐渐成熟，更新换代的轧机大都采用液压缸进行轧辊的压下（推上），由于液压压下（推上）的响应速度极快（几十毫秒），这也要求与之配套的控制设备具有很高的控制速度。采用常规的用于过程控制的PLC难以达到速度要求，一般是在常规PLC之上配备高速闭环模块进行液压缸的闭环控制，使成本急剧增加。经过多年的实践，作者开发了一套基于PIC单片机的板带轧机AG

4、C控制系统，依据一般的板带轧机对控制系统提出的要求设计了相应的硬件与软件。采用该AGC控制系统，极大地降低了设备更新改造的成本。2 轧制过程对AGC控制系统的要求2.1 轧制过程的主要设备在板带轧机AGC控制系统中，上位机主要是通过外设实现人与AGC控制系统的对话。上位机与下位机通过串口实现通信，互传数据信息。通过上位机监控界面显示各传感器的实时测量值，如轧制压力，轧件入口、出口厚度值，液压缸位移值等，同时接收操作人员输入的初始化参数以及实时指令1。AGC控制系统的基本组成如图1所示。图1 板带轧机AGC控制系统的基本组成原理框图下位机控制器将输出的控制信号传送给伺服阀线圈，驱动伺服阀来控制液

5、压缸活塞运动。实际的输出由液压缸侧编码器和压力传感器测得，输出值经过相应的信号处理后作为反馈量与给定值比较后得到偏差信号，通过相应控制算法的计算输出控制信号，经功率放大后驱动伺服阀运动，从而使得缸位移值和轧制压力保持与给定值相同22.2 对AGC控制系统的要求虽然在不同轧制生产线中工艺流程有所区别，但是AGC系统中下位机控制器的总体配置是基本相同的，本文设计的单片机下位机控制系统的硬件结构图如图2所示。图2 AGC控制系统硬件结构图根据AGC控制系统的实际需求，将下位机控制器外围接口定义如下：数字量输入：32路数字量输出：16路模拟量输入：8路模拟量输出：4路绝对值编码器信号输入：4路增量式编

6、码器信号输入：6路3 硬件电路设计3.1 微处理器选型AGC控制系统中下位机的控制器选用PIC24HJ256GP610，它是美国Microchip Technology公司推出的PIC24系列的单片机，是目前市场上使用较多的高性能16位单片机3。该芯片有85个可编程数字I/O引脚，运行速度快、功耗小，由于它的高稳定性和性价比被广泛应用于各类控制系统中。本文采用Altera公司的Cyclone系列型号为EP2C8Q208C8N的FPGA作为辅助芯片来完成编码器的数据采集与处理。用FPGA做辅助芯片接收和处理编码器信号与用单片机处理编码器信号相比，具有运算速度快，抗干扰能力强的优点4，而且大大节省

7、了单片机的处理单元和I/O口数。3.2 AD与DA接口电路设计PIC24HJ256GP610具有2个A/D转换器模块，它具有在CPU休眠时仍然能够正常采样的优点，这种情况下能够实现芯片低功耗运行。本文使用12位配置的A/D转换器，该转换器支持最大500ksps的转换速度5。由于工业现场的标准工作电压是-10V+10V，而单片机的工作电压是03.3V，因此需要在单片机接口和现场控制信号间搭建一个电平转换电路，将-10V+10V的现场电压线性的转换为03.3V的单片机可接受的电压。图3 电平转换电路本文运用两级运算放大器来搭建电平转换电路，由运放A1、A2组成第一级电压跟随电路，A3组成第二级差分

8、式放大电路。在第一级电路中，Vin+ 、Vin- 分别加到A1、A2的同向端，通过电压跟随器可以对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，从而对前后级电路起到“隔离”作用6。在由运放A3组成的第二级差分式放大电路中，通过匹配电阻就可以达到电压转换的功能，电压转换电路如图3所示。根据虚短、虚断的原理，可以得出输入输出电压的关系如下： （1）在公式（1）中，选取合适电阻，就可以将-10V+10V范围内的输入电压线性的转换为03.3V范围内的电压。我们通常用线性度来衡量电平转换环节的精度，所谓线性度，就是在规定的条件下，校准曲线与拟合曲线间的最大偏差与满量程输出Y的百分比7，表达式如公式（2）所示

9、 (2)通过运用Matlab软件来处理实验数据，就可以得到相应的曲线和所需要分析结果，线性度的实验曲线图如图4所示。图4 电平转换线性度曲线图由图4可以看出，此电路的实际输出曲线与理想输出曲线相比无明显波动。该环节的线性度，通常工业上要求的精度控制在1%以内，此接口电路可以达到工业系统的性能要求。根据系统对模拟量输出的要求，本文选用TI公司的DAC7724完成模数转换功能，DAC7724是一个12位数字量并行输入、4通道模拟量并行输出的高精度数模转换芯片，数字量的正常输入电平范围为2.4V到5V，可直接用单片机端口进行驱动8。芯片的输出电压为-10V到+10V，需要外部提供标准的基准电压，DA

10、转换的硬件电路图如图5所示。图5 DAC7724硬件连接图4 软件设计4.1 控制系统主循环系统软件主要包括：主程序、数据采集和通信及控制程序等，其主程序流程图如图8所示。系统开机后要上电复位，进行系统初始化，初始化包括端口、定时器初始化，ADC模块初始化和通用异步收发器UART的初始化等9。图7 主程序流程图由于篇幅有限，现只附上DA转换的部分程序10，如下：#include p24hj256gp610.h#define reset PORTDbits.RD15#define ldac PORTDbits.RD14#define a0 PORTDbits.RD13#define a1 POR

11、TDbits.RD12 void WriteDac(uint addr, uint data) if(addr=0x1100) a0=0;a1=0; if(addr=0x1101) a0=0;a1=1; if(addr=0x1102) a0=1; a1=0; if(addr=0x1103) a0=1; a1=1; data=(addr12)|data; PORTD=data; ldac=0;4.2 上下位机通信上位机与下位机的通信采用RS-485,异步半双工工作方式，数据的发送和接收通过对MAX3485的控制来实现 ，这是一款专门用于进行RS-485通讯的低功耗收发器件，3.3V的电压标准使其

12、可以直接与单片机相连。除此之外，它还具有短路电流限制和保护的功能，在功耗过大时可以关断电路将驱动器输出到一个高阻抗状态，可靠性高11。在进行异步通信协议的实现过程中应用了单片机本身配备的通用异步收发器UART模块，它是PIC24 系列器件配备的串行I/O模块之一，此模块主要由波特率发送器、异步发送器和异步接收器组成。上下位机的通信程序流程图如图8所示。图8 通信程序流程图5 结束语本文应用PIC24HJ256GP610作为核心器件，设计了板带轧机AGC单片机控制系统。完成了控制系统外围电路的设计和软件设计。该系统能够将工业现场-10V+10V范围内的输入电压线性的转换为03.3V范围内的单片机

13、可接受的电压。具有成本低，抗干扰性好，实用性强的优点。电压转换电路的电路简单，转换精度高，如果独立封装成模块，可以应用于其他的开发系统中，具有很强的移植性。 参考文献： 1 连家创，板形板厚控制J，兵器工业出版社,19962 孙一康，带钢热连轧的模型与控制M,冶金工业出版社,20023 Lucio Di Jasio. Programming 32-bit Microcontrollers in C Learning to Fly the PIC24,20114 杨景明，杨文婧. 基于CPLD的AGC系统增量式编码器接口电路设计.20115 PIC24H系列说明书美国:美国微芯科技公司，20106 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社, 20067 XIA Siqing, GAO Huai. A high linearity operational transconductance amplifier used on envelop tracking power amplifierJ.Chinese Journal of Electron Devices, 20128 胡永红.基于DSP的机载多功能采集系统设计与实现.