基于通用控制平台的虚拟控制对象设计毕业设计论文

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1、山东科技大学学士学位论文 摘要基于通用控制平台的虚拟控制对象设计摘 要本论文通过对虚拟控制技术应用的深入研究，提出了一种基于通用控制平台的虚拟控制对象设计。并对通用控制平台硬件配置和控制对象的实现方法进行了全面的设计。本论文对通用控制平台硬件电路的各功能模块进行了设计，各模块主要从指标、结构组成、原理设计等几个部分展开。根据实际控制对象的信号特点以及实验仿真的需要，运用模拟电子技术、数字电子技术和单片机接口技术等知识，设计了模拟量输入模块、模拟量输出模块、数字量输入模块、数字量输出模块、通信模块、人机接口模块、电源模块等。基于硬件平台，选取了电子钟以及储液罐监控系统作为典型控制对象进行了仿真。

2、为了在设计的硬件平台上进行实验室仿真其控制过程，设计了控制器、控制对象和计算机组成为一套完整的仿真系统。通过Modbus协议，实现与上位机的通信，通过VB与组态的DDE连接将被控对象的仿真结果以动画的形式显示出来。通过对基于通用控制平台的虚拟控制对象设计，能够方便的仿真出多种实际的控制对象的工作过程，历史曲线等，不用采取复杂的物理模型，不用进入到设备现场即可完成对这些典型控制对象的工作原理和工作过程的认识。关键词：通用控制平台 控制对象仿真 硬件电路 电子钟 储液罐山东科技大学学士学位论文 ABSTRACTABSTRACTThis paper based on virtual control

3、technology applied research, put forward a kind of universal control platform based on virtual control object design.And the universal control platform hardware configuration and control object of the realization methods of the comprehensive design.This paper gives the platform from overall design s

4、cheme, and expounds scheme formation from control engineering simulation angle. The platform hardware circuit modules are designed in the paper and roughly every module is designed from main indexs, structures,design principles and other several aspects. On the basis of fully understanding signal fe

5、atures of processing control occasions, simulation and measurement needs, using analog electronic technology, digital electronic technology and single-chip microcomputer interface technology and other knowledge, and design all kinds of circuit parts,for example, multi-channel analog input module, mu

6、lti-channel analog output module, multi-channel digital input module, multi-channel digital output module,multi-type communication module, man-machine interface module, power module and so on. Based on the hardware platform, selecting the electronic clock and reservoir supervisory control system as

7、a typical control object to simulate. The paper summarizes the composition structure and control elements. In order to simulate the control process on hardware platform in laboratory, designing the controller, the control object and computer to constitute a complete set of simulation system,carries

8、out research of the simulation algorithm and control algorithm, and development of application simulation software. Based on the universal control platform based on virtual object of control design, convenient to be able to simulate a variety of real control objects in the working process, the histo

9、rical curve etc., need not take complex physical models, without access to the facilities can be finished on site for the typical control object of the working principle and process of cognition. Keywords: universal control platform, control object simulation, hardware circuit design, electronic clo

10、ck, reservoir山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 国内外研究动态21.3 课题设计目标41.4 课题设计内容41.5 课题设计的特色与优势52 通用控制平台设计方案62.1 方案选择62.2 总体设计方案62.3 硬件电路设计方案92.4 控制对象实现过程133 平台硬件功能模块设计153.1 模拟量输入模块153.2 模拟量输出模块183.3 开关量输入模块213.4 开关量输出模块243.5 人机接口模块263.6 RS-485通信模块303.7 供电电源模块314 控制对象仿真之电子钟354.1虚拟电子钟系统概述354.2 电子钟

11、被控对象设计364.3 电子钟控制器设计424.4 电子钟仿真结果515 控制对象仿真之储液罐监控系统555.1储液罐监控系统概述555.2 储液罐监控系统被控对象设计565.3 储液罐监控系统控制器设计605.4 储液罐监控系统仿真结果656 系统性能的改善与提高697 总结70参考文献71致谢73附录74附录1 外文文献74附录2 文献翻译80附录3 毕业设计总原理图86山东科技大学学士学位论文 绪论1 绪论1.1 课题研究的背景及意义1.1.1 研究背景虚拟控制技术是设计制造领域的一种高新技术。传统新产品的设计需要经历“概念设计-物理实验-重新设计与完善”这样反复的设计流程，最终才进行实

12、际的投产，设计周期长，投入人力物力成本大，已经不适应于当前激烈的竞争。采用虚拟控制技术，可以结合用户需求，用最短时间开发出用户接受的产品。虚拟控制最初应用于军事、制造等行业，目前已广泛渗透于它可应用于建模与仿真、教育与训练、科学计算可视化、设计与规划等多个方面。目前，国内多所高校及企业单位相继开展了电气信息类实验教学装置的研究1-5，取得了一定的成果。基于某个教学实际，针对某门或某几门课程，对于某个主体学科，或者基于某一项或几项技术，作为研究的出发点，但研究的成果虽然针对性强、但是在通用性、先进性、集成性等方面有不足。本课题根据对实际控制对象进行现场调试的经验，针对当前高校电气信息类专业实验教

13、学装置的不足，采用虚拟控制技术，综合运用电子技术、计算机控制技术、计算机技术、通信技术等技术成果，开发了基于C8051F单片机的虚拟控制对象通用平台。该虚拟控制平台在同一硬件平台上集成不同控制对象的仿真算法，能仿真多种实际控制对象，对提高我国实验教学装备水平及虚拟控制技术的应用具有重要作用。1.1.2 研究意义（1）实验教学意义实验教学方面，有利于加强实验室设备的充实与完善，加强和改进实验教学，促进贯彻理论教学和实验教学并重的教学理念。一直以来，限于资金、设备的匮乏，电子信息、检测与仪表、自动化等专业学生理论教学重视有余，而实验教学与训练不足，直接导致学生的工程化意识没有或不足，动手操作能力欠

14、缺，创新能力不强，限制或者阻碍了学生综合素质的提高。本平台的研制成功，可以以其低成本、高性能的优势，弥补教学上的不足，使学生接受更多的控制对象实验训练，更好的启发学生的创新性思维，更多的培养理论联系实际的高素质人才。（2）科学研究意义教师、工程技术人员或理论研究人员研究某个算法或数学模型，一般要通过计算机仿真或者实际的工作现场来验证，本平台可以模拟实际工业控制对象6，将算法或数学模型应用到本装置的虚拟控制对象上，可以直观地验证算法的正确性和可行性。这对于经典控制理论和现代控制理论的研究有重要意义。（3）工程应用意义提供一套通用硬件平台，根据实际情况进行嵌入式开发，可以满足工业场合数据采集、数据

15、处理、数据通信、状态控制等功能；通过计算机软件设计，该平台可对工业过程中的实际控制对象进行实验室仿真，构造图形化显示界面，实验人员可方便对样机的参数进行修改，仿真设计系统的性能与效果，加快产品研发与创新，增强企业竞争力。1.2 国内外研究动态1.2.1 国内研究动态据不完全统计，目前国内有34家科研机构、高等院校和企业正在开展虚拟控制技术的研究。国家863/CIMS主题组也将“制造系统的可视化、虚拟建模与仿真”确定为研究重点。国家自然科学基金也有专门的研究课题。国内以清华大学、上海交大为主的高等院校正在开展基础技术研究，正处于理论体系初步研究阶段。其中清华大学CIMS工程研究中心虚拟制造研究室

16、是国内最早开展虚拟制造研究的机构之一，目前该中心正在建立支持产品生产全过程的虚拟制造平台。国内研究机构对虚拟样机要求的相关技术如数据库技术、CAD/CAM技术、网络技术、分布交互仿真技术等已有一定的基础。国内虚拟样机技术的应用研究属于起步发展阶段，而将虚拟样机技术应用开发控制对象仿真通用平台的研究，目前国内尚未见报道。而开发可集成多种控制对象仿真的通用平台，将会对推动国内高校及科研单位开展虚拟控制技术的研究和普及起到示范引领作用。1.2.2 国外研究动态国外虚拟控制技术于上世纪九十年代初开始发展，其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应商的重视。目前，国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成

17、，较有影响的有美国机械动力公司（Mechanical Dynamics Inc，MDI）的ADAMS，CADSI的DADS，德国航天局的SIMPACK，其它还有Working Model、FLOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash等等。以美国为首的西方国家，将虚拟控制技术应用在飞机、汽车等领域并获得了成功，取得了良好的经济效益和社会效益。比如：波音777 全面应用虚拟样机技术，其整机设计、部件测试、整机装配以及各种环境下的试飞均是在计算机上完成的，使其开发周期从过去8年时间缩短到5年，甚至在一架样机未生产的情况下就获得了订单。英国BAE系统公司利用计算机建模与仿真

18、技术在EF2000多功能战斗机的验收试验中，对战斗机的抗自然闪电轰击的能力进行研究。在汽车制造领域经典应用是：福特（Ford）和克莱斯勒（Chrysler）公司与IBM合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制。在样车生产之前，发现其定位系统的控制及其他许多设计缺陷，缩短了研制周期。由于实施了虚拟产品开发策略，Ford和Chrysler将他们新型汽车的开发周期由36个月缩短至24个月。1.3 课题设计目标本课题的研究目标是设计一种通用控制平台，并在控制平台基础上进行控制对象仿真。其中主要包括两大部分：（1）通用硬件平台的设计。硬件部分，能够用作通用控制器或虚拟控制对象，具有采集常见电量信号（模拟

19、量、开关量、频率量），并能够输出电压或电流型控制量。该通用硬件平台接口完备，应包括：多路开关量输入输出接口、多路模拟输入输出接口、异步通信口、人机接口。该硬件平台自带保护功能，接线错误时不至于损坏；操作方便，可容易进行关键模块的更换；接口丰富，可扩展性强。（2）在硬件基础上，选择某些实际控制对象进行仿真。对控制思路、仿真算法、硬件连接以及计算机虚拟控制对象应用软件的研制提供范例。1.4 课题设计内容本设计首先对总体的方案进行了选择与论证；分析了实际控制对象仿真用于实验平台的控制器设计、控制对象设计以及计算机图形化显示；用于数据采集时，描述了系统构成及数据处理方法；本课题重点对平台的硬件电路部分

20、进行了设计，包括模拟量输入/输出通道、开关量输入/输出通道、人机接口、通信模块、电源等的设计；最后选择电子钟与储液罐监控系统作为具体的控制对象，详细分析了硬件接口设计、仿真算法，控制流程，计算机根据控制器和控制对象的数据，将控制对象的运动过程及物理规律以动画的形式呈现。1.5 课题设计的特色与优势本课题设计的特色之处在于：调用不同的仿真对象软件，虚拟控制对象能够接受控制器输出的控制量，经仿真算法形成特定受控对象的响应，且将此种响应转换为与指定的传感器相一致的电信号输出，回馈给控制器。控制器与控制对象和计算机连接，运行过程的参数可以在计算机显示，参数可设置或修改；以这些数据为基础，可以进行动画演

21、示。本课题设计的优势之处在于：（1）控制对象参数易于改变。如做温度控制实验时，常规加热器的参数已由物理模型本身确定，是难以改变的。而在加热器的虚拟样机中，加热器的参数可在计算机界面上设置。又如，在电梯物理模型中，楼层的层高是不可能或者是不易改变的，而在电梯虚拟样机中，层高是可以设置的。改变了控制对象的参数，在同一控制算法下，控制对象的响应就会发生变化，这有利加深对控制算法的理解。（2）控制对象的响应以动画、曲线、表格形式显示，形式直观，容易对比，容易得出对控制效果的整体认识和理解。采用物理模型则难以形成控制对象的历史响应，而虚拟样机模型既可方便给出实时响应曲线，又方便地可给出历史响应曲线。（3

22、）可方便地改变仿真时间比例尺，故可提高实验效率、实验质量。如进行含有温度控制的实验，往往需经历数十分钟以上的时间，温度控制才能达到给定值。采用虚拟样机控制对象，可通过调节时间比例，缩短实验时间，通过改变控制器和控制对象的参数，获得多个实验结果。93山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案2 通用控制平台设计方案2.1方案选择目前，控制装置的研究主要遵循三种研究思路，一种是基于物理样机或纯硬件的实验教学仪器，主要以东南大学、浙江天煌教仪和浙大工控等单位为代表；第二种是基于计算机软件仿真的计算机教学系统，采用采用虚拟现实技术，主要是采用Matlab和Labview开发实验装置；第三种，就是硬

23、件软件结合、具备控制对象仿真多功能实验平台的研制。综合比较研发成本、安全性、操作性、易维护性、教学效果、科研用途等各方面，本课题选择第三种方案作为最优化选择。2.2 总体设计方案本课题的设计目标是设计一套控制对象仿真通用平台，该平台通过一定的硬件和软件设计，能够进行控制对象仿真实验。2.2.1 用于控制对象仿真的总体设计平台用作控制对象仿真时，需要硬件电路与计算机一起构成回路系统，硬件电路分为控制器和控制对象，分别虚拟工程场合的实际控制器和实际控制对象；计算机作为监控主机，主要是用于数据通信和信息处理、软件虚拟再现实际工作状况等。方案框图如图2.1所示。硬件电路的控制器能够采集过程控制对象传感

24、器输出的0V-10V模拟电压量、4-20mA模拟电流量和开关量，运行控制算法，计算出控制量，输出电压、电流、开关量等控制信号，用以控制被控对象的工作或运行状态；控制对象运行反映某特定对象的仿真算法，输出反映自身工作或运行状态的模拟电压量、模拟电流量或开关量。根据计算机强大的数据计算功能、图形显示功能、多任务软件运行功能以及数据通信和网络通信功能，选择计算机作为硬件下位机数据的处理中心，一些运算的中间结果和数据能够在计算机软件上显示出来，这些数据能够保存到数据库；控制对象的工作或运行状况，能够以动画、曲线等形式显示出来，从而生动的观察到控制效果；计算机具有具有通用串行总线（USB）、串行口、网络

25、等通信方式，因此硬件下位机的数据可以方便传输到计算机，通过计算机和一定总线连接形式，组成网络，方便集中管理。硬件下位机和计算机的通信，采用RS232总线、RS485总线或Internet进行，前两种通信方式可以组网实验，多台计算机之间可以通过网络进行数据交换，硬件下位机之间也可以通过网络进行相互间的数据通信。平台实现Internet网络接入实现远程实验仿真的的常见方法是通过以太网服务器，客户端通过访问服务器并发出控制命令从而达到对多台计算机的控制功能7。图2.1 控制对象仿真方案框图2.2.2 用于数据采集的总体设计平台硬件用于多参数测量场合，能够采集仪器仪表输出的标准模拟量、开关量、频率量信

26、号，控制器对接收的信号进行处理，然后输出控制信号，测量平台可以选择多种通信方式对外通信；多个测量平台可以组成测控网络。方案框图如图2.2所示。硬件平台具有通用的信号转换接口，能够接收标准传感器输出的模拟电压、模拟电流信号或其它类型电平信号，经过信号调理通道后，控制器能够对信号采样并处理。根据任务要求，平台硬件运行相关的数据处理算法或控制算法，通过一定的通信手段对外数据传输，控制端口能够输出控制信号对继电器、报警器等外部设备进行驱动，完成测控任务。硬件电路通信方式灵活、多样，可以选择有线或无线方式，以适应不同的传输需要。由于硬件所具有的网络工作能力，一台或数台设备可以联合工作，需要通过一台计算机

27、来进行管理，主要是进行数据的接收、处理及显示。另外，也可以通过手持终端向测控平台发送命令，进行数据读取和接收，这样可以满足移动工作的需要。图2.2数据采集方案框图2.3 硬件电路设计方案2.3.1 单片机选型单片机选型主要考虑因素有：1. 集成度高，资源丰富。随着半导体集成技术的发展，片上系统成为集成电路的主要解决方案，能够在单个芯片上集成一个完整的系统。目前的片上系统单片机，包括中央处理器、存储器、晶体振荡器、外围电路等全部集成于单个芯片上，很多功能都能够具备，免去了用户的开发设计工作，这样就可以最大限度的满足用户需求。2处理速度。单片机的速度是指执行指令的速度，它与所采用的晶振频率有一定关

28、系，一般来讲晶振频率越高执行指令的速度越快。3工作稳定，性能良好。基于片上系统的设计方案，现在的单片机普遍具有模拟信号、数字信号的混合信号处理功能，在这样的情况下，保证做到模拟信号和数字信号的各自性能指标，既让两者相互独立、又能很好的统一到一块芯片上。4嵌入式开发方便。基于单片机的应用开发，该单片机应支持常用的汇编语言和C语言的程序设计语言；开发方式应该是在线式，提高开发速度和效率；开发对象主要是面向寄存器的操作；配套开发软件应该功能强大，同时简便易学，方便使用。另外，价格、兼容性、功耗、接口资源、售后服务、开发人员使用偏好等也是单片机选型的重要考虑因素。在基于上述选型要点，选择美国Cygna

29、l公司的C8051F单片机作为本课题的平台硬件核心和控制核心。该公司单片机型号众多，各具体型号产品有一定的差异性，主要特点是资源丰富、性能好、高速处理、价格低、适合工业环境应用、混合信号处理。根据设计的要求以及单片机自身特点，从C8051F家族中选择C8051F0208、C8051F3509、C8051F34010这三个型号的单片机作为硬件平台的核心。C8051F020单片机主要资源为：模拟外设部分，有8路12位逐次比较型ADC（转换速率可调，最大可达100ksps，放大器增益可调，最大倍数为16倍），2路12位DAC输出，2个模拟比较器；数字外设部分，有64个I/O端口，5个通用定时器，硬件

30、SMBus(I2CTM兼容)、SPI及2个UART串口，还提供看门狗定时器和复位引脚；存储器部分，含有4352字节内部数据RAM（4K+256），64K字节在系统编程FLASH存储器和外部64K字节数据存储器接口；时钟源部分，具有内部2-16MHz可编程振荡器和外部振荡器（晶体、RC、C、或外部时钟）。C8051F350单片机主要资源为：模拟外设部分，8路24位ADC输入（转换速率可调，最高可达1 ksps，每一路均含有可编程增益放大器，最大放大倍数为128倍，可以内部偏移量或增益校准），2路8位电流输出型DAC（输出电流可调，最大输出为2mA），一个可编程电压比较器；数字外设部分，提供UAR

31、T、SMBus和增强型SPI串口，4个通用16位计数器/定时器，3个捕捉/比较模块；存储器部分，内部RAM 768字节（256+512），8KB在系统编程的；时钟源部分，内部振荡器频率为24.5MHz、精度2%，外部振荡器为晶体、RC、C、或外部时钟，时钟乘法器可产生50MHz内部时钟。C8051F340单片机主要资源为：模拟外设部分，21路10位ADC，2个比较器；数字外设部分，25个I/O端口，硬件增强型SPI、SMBus和2个增强型UART串口，4个通用16位计数器/定时器，16位可编程计数器/定时器阵列（PCA），有5个捕捉/比较模块；USB2.0控制器，可工作于全速(12Mbps)或

32、低速(1.5Mbps)方式；存储器部分，4352字节数据RAM，64K字节 FLASH；时钟源部分，0.25%的精度的内部振荡器，外部振荡器（晶体、RC、C、或外部时钟）。2.3.2 硬件电路设计要求根据选型的三款单片机不同特点，将每个单片机进行外部功能扩展，从而组成三个不同的单片机系统。硬件平台中他们的分工为：020单片机用作主控制器，平台的主要信号处理（模拟量信号采集与输出、数字量信号采集与输出、脉冲量信号采集等）、数据处理、数据显示、数据存储和数据通信等由它完成；350分担一部分信号采集与处理，主要是实现信号的高精度采集；340用作通信中心，通过串行口扩展，可以方便地与其他设备进行通信兼

33、容扩展，通过USB实现与计算的高速通信；340获取020、350处理完成的数据，通过不同的通信方式将数据传送给计算机或者其他终端设备。单片机之间的工作关系框图2.3所示。图2.3 硬件平台单片机系统工作关系为使所设计平台完成控制对象仿真的任务，需要硬件上具备以下设计要求：1设计48路的开关量输入通道。每个输入通道具备完善的保护措施，在发生错误接线时（接入过大正电压或负电压）不至于损坏单片机或其他部分。该通道对输入01V幅值范围的信号理解为低电平，2.5V以上的信号电平应被理解为高电平。输入的高低电平可硬件通过发光二极管指示。2设计48路的开关量输出通道。开关量输出通道应具有一定的电压驱动能力或

34、电流输出能力。当有开关量输出高低电平时，可通过硬件方式发光二极管进行状态指示。3设计16路模拟量输入通道。每个输入通道能实现对模拟量输入信号的限幅、滤波调理，能对模拟输入信号进行一定的放大与衰减，并且能够实现电压信号或电流信号的输入并转化为单片机AD可以采集的电平范围。输入通道放大倍数可调，输入的模拟信号可以是单端方式或差分方式，能够对微弱信号进行放大及采集。4设计20路的模拟量输出通道。输出通道应能输出-10V10V范围的的模拟电压，-20mA20mA范围的模拟电流，输出信号幅值可根据写入的控制字的不同方便地调节，通过短路套连接可方便选择电压型或电流型模拟量信号输出。输出电压信号时，应为低阻

35、输出状态，输出电流信号时应为高阻输出状态。5通信方式可选，可以提供符合RS485通信规范的接口。6具有对单片机有限的串口资源进行扩展，具有至少6路串行接口。7具有键盘、显示接口，可显示汉字、引文字符，有图片显示功能，。8扩展外部非易失性数据存储器，至少64KB以上外扩空间。9上述资源应由一个单片机统一管理，以减少上位机的负担。10易于与同类硬件平台组网。11稳压电源。硬件平台系统组成模块框图如图2.4所示。图2.4 硬件平台组成模块框图2.4 控制对象实现过程 1硬件平台的设计。根据选择C8051F单片机，分析其接口特性，采用模拟电子技术和数字电子技术以及单片机接口技术，进行单片机外围电路的设

36、计。利用电路仿真软件Multisim对设计的硬件电路进行仿真，通过仿真或计算确定电路参数。利用Protel 99 SE软件进行制作PCB板，然后在PCB上焊接元器件并进行电路功能测试，从而完成整个硬件平台的研制。2对象的数学模型的建立。根据控制对象运行规律及实际调试经验，按照机理法来建立传递函数模型，然后尽量采用简约化处理逐步逼近真实模型。对于无法运用机理法来建模的，可以采用系统辨识的方法( 一般采用最小二乘法)来建立相应的模型。3控制器控制算法。对于控制算法方面，根据控制对象的特点以及要完成的控制任务，选用不同的控制算法。4控制器与控制对象下位机程序开发。由于Keil具有库函数丰富和开发调试

37、方便的特点，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性、可移植性等方面有明显的优势，因此通过在Keil软件开发平台上对C8051F单片机进行C语言编程。5参数设定与显示界面设计。选用计算机面向对象编程语言Visual Basic，计算机与下位机通过RS232或RS485进行通信获取数据，对数据进行解析并在对象框中显示，一方面用于观察下位机运行效果，另一方面用于提供给组态被控对象数据。6组态界面设计。利用组态王提供的图库以及开发菜单，可以对具体的控制对象进行虚拟设计。选用组态王6.5.1与Visual Basic数据交换，将虚拟控制对象的运行规律和控制规律，以动画界面和各种曲线呈现。山东科技大学学

38、士学位论文 平台硬件功能模块设计3 平台硬件功能模块设计3.1模拟量输入模块实际控制系统中，传感器将生产过程的工艺参数转换为直流输出的电压或电流信号，但由于传感器输出的信号一般比较微弱，需要将测量元件的输出信号通过一定的变换，变成行业统一的010mA或420mA信号11。模拟量通道检测变送器输出的标准模拟信号，将其转变成微控制器能处理的二进制数字信号。本平台硬件部分所设计的模拟量输入模块，可以将传感器输出的上述标准电流信号进行电压转换，也可以将标准010V电压信号进行调理，然后送入单片机的ADC完成信号采集。3.1.1主要技术指标根据所选C8051F020和C8051F350各自特点，所所设计

39、的模拟量输入模块主要技术指标为：（1）设计16个模拟量输入通道。其中020单片机有8个模拟量输入通道，350单片机有8个模拟量输入通道。（2）可采集标准传感器输出的0mA10mA或4mA20mA电流信号，以及0V10V电压信号；（3）所设计模拟量采集模块既允许单端信号输入，也可以对差分信号采集；3.1.2 模拟量输入模块结构模拟量输入模块的结构如图3.1所示。模拟量输入模块能够对变送器输出的标准电流信号转换为电压，可以对输入的电压进行放大或衰减，从而送入到单片机的AD进行转化。为保证电路的可靠性，设计中采取了保护措施，主要是对放大器输入端及输出端的进行了保护，从而不至于信号输入或输出过大，损坏

40、放大器或者单片机12。图3.1 模拟量输入模块电路组成结构模拟量输入模块，设计了两种电路。一种是以OP07为放大器构成的单端信号采集电路，电路具有最大增益为32倍，主要用于控制对象仿真信号的处理；另一种是以AD620为放大器构成的差分信号采集电路，具有对输入信号进行放大256倍，可对很微弱的信号进行采集。这两种电路的基本结构基本与上图类似。3.1.3 单端模拟量信号采集电路设计1电路原理设计根据上述指标及思路设计的电路原理图为：图3.2 单端模拟量信号输入电路原理设计420mA标准电流信号要转换为电压信号，才能够使单片机AD能采集与处理。采用无源器件电阻来完成电流到电压的转换。考虑到单片机AD

41、最大输入电压为2.4V，因此选用的电阻值为 电压变换电路采用滑动电阻器，利用其分压特性达到将输入电压衰减到合适的值已输入到运放。由于平台有多个集成运放共用同一直流电源，通过电源内阻的耦合有时会产生低频震荡。利用小容量电容对高频信号形成低阻抗通路，在电源端连接小容量的瓷片电容C3、C5（0.1uF）起到高频滤波的效果13。为了滤除输入信号中混入的高频干扰，在放大器的输入端用R3、C1、R4、C2构成二阶低通滤波器12，图3.2所示电路的输出电压即单片机的输入电压为： （3.1）根据式（3.1），配置R6=31001，R5=1K，可实现对输入信号放大32倍。运放工作在闭环状态时，容易因共模电压超出

42、运放承受的极限值而损坏12，二极管、构成运放输入端的防止共模电压过大的保护电路，可保证加在输入端的的电压不超过(12+0.7)V，在OP07输入电压13.5V范围14要求之内。在运放的输出端，限流电阻和稳压管构成限幅输出电路，既可以对OP07的输出电流进行限制，也对OP07的输出电压幅值进行限制，从而对单片机的ADC输入端进行了保护。IN60采用锗二极管，保证V0端的负电压不低于-0.3V；3.3V稳压管保证V0端的正电压不超过3.3V，满足所选C8051单片机端口引脚极限参数要求。精密电位器R7 用于对OP07的外调零，失调调节范围4mV。调零时将输入端接地测试OP07放大器的输出信号，调节

43、电位器R7直到输出端信号为零即可13。2电路的使用电路在使用时，要明确输入的信号类型，以及信号的特性及大小。对于输入420mA电流信号，只需将短路块S1、S3短接即可；对于输入信号是大电压信号，需要将S2、S4短接，再调节滑动变阻器R2，将信号衰减到单片机能够采样的范围之内；对于输入的是标准02.4V范围内的电压信号，可以直接输入到单片机的模拟量采集端。通过调整滑动变阻器，若信号电压值在02.4V范围内，此时需将S3、S5短接，信号放大1倍；若输入端输入的电压或电流信号很微弱，这时还需要将短路套S5断开，先将微弱的电信号进行放大，然后输入给单片机的ADC进行采样。由于020单片机内部可编程增益

44、最大可设定为16倍，可知单端模拟量输入模块最大放大倍数为32*16=512倍。3.2 模拟量输出模块模拟量输出模块是平台实现控制信号输出的关键，其任务是把控制器输出的控制量转换成模拟量的电压或电流信号，以驱动相应执行机构，实现控制任务11。本模块由020单片机扩展的模拟量输出电路和350单片机自带的电流源两部分组成。3.2.1主要技术指标（1）采用多路DA扩展芯片，通过SPI总线扩展16路模拟量输出通道，020单片机自带2路DA输出，350单片机自带2路恒流源输出。总共有20路模拟量输出信号；（2）输出信号可以是-1010V的模拟电压，也可以是-2020mA的模拟电流，通过短路套方便选择电压型

45、或电流型输出。3.2.2 模拟量输出模块结构由于020单片机只有两路模拟量输出接口，根据多输出通道的设计要求，需要利用控制器的总线对模拟量输出接口进行多路输出扩展。然后在输出扩展接口上，进行模拟量输出信号的调理，主要包括信号的放大与电压信号输出、电流信号输出的转换。另一种模拟量输出形式是350单片机自带的两路可调精密电流源输出。电路组成结构如图3.4所示。图3.3 模拟量输出模块电路组成结构多路DA转换器选用德州仪器公司的Tlv5630，电压放大器选用OP07。在TLV5630的16脚外接OP07放大器，构建反相比例运算电路，使参考端输出-Vref电压，用于数字量到模拟量输出通道的参考电压。3

46、.2.3 模拟量输出电路设计1、调理电路原理设计根据上述指标及思路设计的电路原理图为：图3.4 模拟量输出信号调理电路原理图假设OP07-1其输出的值为，C8051F020单片机的DAC输出或者TLV5630的输出为，则 (3.2)式（3.2）中为C8051F020单片机参考电压或者TLV5630的参考电压，经过反相变换其值为-2.4V或者-2.048V。当=-2.4V时，要使的值处于-10-10V之间，可取参数为R2=7.5K，R1=15K，R4=62.5K；当=-2.048V时，要使的值同样处于-10-10V之间，可取参数为R2=7.5K，R1=15K，R4=73.25K；为了实现用低成本

47、低精度的电阻构成高精度电阻，R4由三个不同大小的电阻构成。R3为匹配电阻，其值为 (3.3)OP07-2、OP07-3及其外围元件构成双向电流源，其输出电流为 (3.4)根据式（3.5），可得DA转换器的输出电压计算公式为 (3.5)以单片机的DAC0端输出模拟量为例，简介单片机或多路模拟量输出芯片通过填充控制字，控制需要产生的输出电压或电流。将相关参数=-2.4V，R2=7.5K，R1=15K，R4=62.5K代入式（3.5），可得以下算式： (3.6)若期望模拟量输出模块输出电压为-10V10V之内的某个值，则代入上式计算出。由于020单片机或Tlv5630皆为12位DAC，因此往DAC数

48、据寄存器装填的数字量值为 (3.7)同样，期望模拟量输出模块输出电流为-2020mA之内某个值，可以参照式（3.6）、（3.7）进行计算并更新DAC数据寄存器的值。3.3 开关量输入模块开关量输入模块作用是接收外部装置或生产过程的状态信号，信号以高低电平的形式被控制器采集。为了仿真诸如双螺杆挤出机、电梯等的控制对象，由于020单片机开关量资源的限制，需要外部扩展开关量的接口数。接口电路具有输入信号调理能力，能够对状态信号进行转换、滤波、隔离、保护等，再输入到控制器端进行处理。3.3.1主要技术指标（1）设计48路开关量输入通道；（2）电路保护措施完善，对于输入的大电压或负电压，电路能够保单片机

49、器不损坏；3.3.2 开关量输入模块结构由于020单片机总共有64路开关量口，其中很多用于通信、使能控制接口等占用，需要外部扩展以满足设计要求。主要是通过译码器和缓冲器构成多路开关量输入，然后外部再接入输入信号调理电路，就构成了整个开关量输入模块的结构。采用这样设计就解决了020单片机开关量资源紧张的状况。图3.5 开关量输入模块电路组成结构输入信号缓冲器/锁存器选用74HC373，地址译码器选用74HC138。3.3.3 输入信号调理电路的设计所设计的开关量输入信号调理电路如图3.6所示。图3.6 开关量输入信号调理电路根据C8051F020单片机I/O口的电气特性知，输入到单片机的高电平最

50、小为0.7*VDD，低电平最小为0.3*VDD，单片机才能分辨出高低电平的。对于设计的电路，当外部开关量输入信号大于2.5V时，单片机将其理解为高电平；超过5V，则通过二稳压二极管作用，将信号电平稳定在2.369V，统统理解为高电平；低于1V时，单片机将其理解为低电平。电阻R和电容C构成一阶积分电路，用于清除由于触点的机械抖动而产生的振荡信号，一般要求有较长的时间常数。用于泄放掉电容C1上残存的电荷。3.3.4多路开关量输入信号扩展电路的设计74HC37315-16是8位数据锁存器，常应用在地址锁存及输出口的扩展中。其工作原理：74HC373的锁存信号输出端Q0Q7直接与总线相连。当三态允许控

51、制端为低电平时，Q0Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当为高电平时，Q0Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。当锁存允许端LE为高电平时，Q随数据D而变。当LE为低电平时，Q被锁存在已建立的数据电平。根据数据手册，在5V供电且处于常温工作时，其高电平为4V左右，低电平最高位为0.26V。根据前述所设计的开关量信号调理电路，高电平经过3.3V稳压二极管处理，因此74HC373可以与单片机直接接口。74HC13817是一款高速CMOS器件，是一种反相输出型译码器。其工作原理：可接受3位二进制地址输入（A2, A1和A0），使能控制端时，提供8个互斥的

52、低有效输出（至）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效和一个高有效。除非、置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需1片74HC138芯片和6片74HC373即可扩展48路开关量输入通道。74HC373的数据8个输出端共用一个字节宽的IO口，单片机可以编程为只对某一位开关量的读入，也可以面向字节的读入数据。74HC138的输出控制74HC373的使能端，每次只允许一片74HC373处于工作状态。原理图如图3.7所示。 图3.7 48路开关量信号的输入电路原理设计3.4 开关量输出模块开关量输出模块的作用是控制器运行控制算法，需要对控制对象施加作用，

53、通过开关量信号输出驱动继电器，从而达到控制目的，也可用于对控制对象输出状态的指示。3.4.1 主要技术要求（1）设计48路开关量输出通道；（2）开关量输出的高低电平信号可通过发光二极管指示。3.4.2 开关量输出模块结构开关量输出模块需要在020单片机控制下，采用译码器和缓冲器，扩展构成多路信号输出，输出信号经过调理电路进行处理，就构成了整个开关量输出模块的结构。采用译码器和缓冲器扩展输出，可以多个IO口复用，这样就减轻了020单片机开关量资源紧张的状况。3.8 48路开关量信号的输入电路原理设计输入信号缓冲器/锁存器选用74HC373，地址译码器选用74HC138，输出驱动器选用ULN200

54、3。3.4.3 输出信号调理电路的设计所设计的开关量输出信号调理电路如图所示图3.9 开关量输出信号调理电路 由上图可知，b点与c点连接在一起，因此Ueb =Uec ，从而使T0工作在放大状态。两个三极管之间的电压很小可以忽略不计，因此两个三极管的基极与发射极之间电压相等。从而两个三极管的基极电流相等，且放大倍数相同，可知两个三极管的集电极电流相等。3.4.4多路开关量输出信号扩展电路的设计ULN2003共有16引脚，其中有7个脉冲信号输入端，7个脉冲信号输出端，1个接地端和1个公共端。采用74HC138译码器、74HC373锁存器和ULN2003输出驱动器设计的多路开关量扩展电路如图3.10

55、所示。要设计48路开关量输出，需要用到1片74HC238，6片74HC573和7片ULN2003。图3.10 48路开关量信号的输出电路原理设计3.5 人机接口模块为了将单片机处理或控制的数据显示出来，以及设置初试参数或操作命令，需要设计人机接口。本平台根据不同的出发点设计了两套人机接口，一种是基于经济和基本显示设置功能的角度，采用传统的矩阵键盘加液晶显示器的方式实现；另一种是基于简便、高效能的原则，采用最近几年发展起来的触摸屏的方式来完成。3.5.1 矩阵键盘+液晶显示器电路设计矩阵键盘按键识别有两种方法，行扫描法和线反转法，相应的硬件电路的设计稍有不同18。相比行扫描法，线反转法识别按键速

56、度快，安全性好，程序设计简便，容易解决重键问题，且适合于按键数目较多的键盘电路。但在硬件单路的设计上，线反转法需要行线和列线都要有上拉电阻路，而行扫描法只需要列线有上拉即可。采用线反转法设计的44键盘如图3.11所示。图3.11 单片机与44键盘接口电路图形点阵式液晶显示模块具有成本低、功耗低、尺寸小、寿命长、可显示各种图像与文本信息等优点，广泛应用于仪器仪表、移动通讯及家用电器等显示场合。OCM4X8C19是具有串行/并行接口、内部含有GB2312简体中文字库的液晶显示模块。该显示模块的主要特点为：显示屏为128*64点阵，可显示4行数据，每行8个汉字或16个字符。该模块具有2Mb的中文字型

57、CGROM，内部含有8192个16*16中文字库；还有16Kb的16*8点阵的ASCII字符库，用于显示英文或其他字符；提供了一个64*256点阵的GDRAM绘图区域，方便用户根据需要构造图形；具有4组16*16点阵造字空间，用户用来构造字形。利用上述功能，OCM4X8C可实现汉字、ASCII码、点阵图形、自造字体的同屏显示。模块提供了4位并行、8位并行、两线串行、三线串行等多种接口方式以方便和单片机等微处理的连接。设计的OCM4X8C与单片机的接口电路如图3.12所示。该模块采用5V直流电源供电。为了节约单片机的端口资源，设计的单片机与OCM4X8C接口采用两线串行方式交换数据。因此需要将R

58、S(数据/指令选择)端接高电平和PSB(串行/并行模式选择)端接地实现串行操作，而并行的端口DB0-DB7则未用；单片机与OCM4X8C进行数据传输通过SIO(串行输入输出)和SCLK(串行时钟)两个引脚实现；LEDA（背光源正极）接5V电源，LEDK（背光源负极）接地。图3.12 单片机与显示模块OCM4X8C的接口电路3.5.2 触摸屏接口电路设计触摸屏具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、便于人机交流等许多优点，在工业控制、家电、医疗仪器、个人智能终端等领域有广泛的应用。综合考虑适用场合、色彩指标、分辨率指标、尺寸、价格、功能等要素，选择5.0英寸、640*480图形点阵的产品DMG804

59、80S050_01WT。该产品内部具有集成的标准字库，主要为ASCII、(1212，1616)点阵GBK、(2424，3232)点阵GB2312；可以根据需要安装其他的字库，比如GBK(简体)、BIG5(繁体)、SJIS(日文)、UNICODE文本编码标准，支持用户自行设计字库。操作模式可选，可以直接接收触摸屏的位置坐标值，也可以直接接收触摸屏的触摸键值。硬件软件开发简单，硬件连接可通过TTL或CMOS电平工作，也可以通过RS232电平接口，波特率可达921600bps，最高的达6.25Mbps，部分终端支持USB下载图片功能；软件开发只需要根据指令表和指令集，根据不同的控制或显示任务需求，通

60、过串口发送命令即可。选型的触摸屏模块对外提供8个引脚，当需要用到触摸屏操作，只需要引出8条线连接并编制相应程序即可。VCC为供电电源端，接12V直流稳压电压。BUSY端为输出端，指示串口缓冲区满，使用BUSY信号判忙可以避免传送指令时丢失数据帧；DOUT端为串口输出，DIN为串口输入，GND为公共地。设计的触摸屏模块与RS232接口电路图如图3.13所示。图3.13 平台与触摸屏显示模块接口电路3.6 RS-485通信模块RS-485总线是一种多点差分数据传输的电气规范，这种通信接口允许在一对双绞线上进行多点双向通信。它的最大通信距离可达1200米，数据传输速率最大可到10Mbps，还具有很强

61、的噪声抑制能力及可靠性。因此，许多领域都采用RS-485作为数据传输链路，如汽车电子、智能楼宇等可经常见到具有RS-485 接口电路的设备。这种总线得到广泛接受的另外一个重要原因是它的通用性。RS-485标准只对接口的电气特性做出了规定，而没有涉及接插件电缆或协议。因此用户可以在此基础上建立自己的高层通信协议，如MODBUS协议。MAX48520接口芯片是Maxim公司的生产一种RS-485芯片。该芯片采用+5 V单一电源工作，额定电流300 A，半双工通讯方式。它具有将TTL电平转换为RS-485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单，内部含有一个接收器和驱动器。其中，RO和DI

62、端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE=0时，器件处于接收状态；当DE=1时，器件处于发送状态。因为MAX485工作在半双工状态，因此只需用单片机的一个管脚即可控制这两个引脚；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平信号高于B引脚时，代表发送的数据是1；当A端的电平信号低于B端时，代表发送的数据是0。采用两片MAX485芯片设计两路RS485通信电路，MAX485的通信控制端及串口端与340单片机连接，设计原理图如图3.14所示。图3.14 RS-485通信电路原理图为消除由于阻抗不连续而产生的信号反射效应，采用终端电阻方法进行终端匹配，选取终端电阻120。在RS485组成的工作网络中，匹配电阻一般要消耗较大功率，这对于功耗限制比较严格的系统不太适合。故而在MAX485差分信号输出端另外加上短路套，在较近距离通信且要求降低