基于通用控制平台的虚拟控制对象设计_毕业设计论文.doc

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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基于通用控制平台的虚拟控制对象设计 摘摘 要要 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

2、，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。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：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 摘要

3、 山东科技大学学士学位论文 ABSTRACT ABSTRACT This paper based on virtual control 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 comp

4、rehensive design. This paper gives the platform from overall design scheme, 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

5、 other several aspects. On the basis of fully understanding signal features 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 kind

6、s of circuit parts,for example, multi-channel analog input module, multi-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, select

7、ing the electronic clock and reservoir supervisory control system as 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 an

8、d computer to constitute a complete set of simulation system,carries 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 simulat

9、e a variety of real control objects in the working process, the historical curve etc, need not take complex physical models, without access to the facilities can be finished on site for the typical 山东科技大学学士学位论文 ABSTRACT control object of the working principle and process of cognition. Keywords: univ

10、ersal control platform, control object simulation, hardware circuit design, electronic clock, reservoir 山东科技大学学士学位论文 目录 目录目录 1 1 绪论绪论 1 1 1.1 课题研究的背景及意义1 1.2 国内外研究动态2 1.3 课题设计目标4 1.4 课题设计内容4 1.5 课题设计的特色与优势5 2 2 通用控制平台设计方案通用控制平台设计方案 6 6 2.1 方案选择6 2.2 总体设计方案6 2.3 硬件电路设计方案9 2.4 控制对象实现过程.13 3 3 平台硬件功能模块

11、设计平台硬件功能模块设计 1515 3.1 模拟量输入模块.15 3.2 模拟量输出模块.18 3.3 开关量输入模块.21 3.4 开关量输出模块.24 3.5 人机接口模块.26 3.6 RS-485 通信模块 30 3.7 供电电源模块.31 4 4 控制对象仿真之电子钟控制对象仿真之电子钟 3535 4.1 虚拟电子钟系统概述.35 山东科技大学学士学位论文 目录 4.2 电子钟被控对象设计.36 4.3 电子钟控制器设计.42 4.4 电子钟仿真结果.51 5 5 控制对象仿真之储液罐监控系统控制对象仿真之储液罐监控系统 5555 5.1 储液罐监控系统概述.55 5.2 储液罐监控

12、系统被控对象设计.56 5.3 储液罐监控系统控制器设计.60 5.4 储液罐监控系统仿真结果.65 6 6 系统性能的改善与提高系统性能的改善与提高6969 7 7 总结总结 7070 参考文献参考文献 7171 致谢致谢 7373 附录附录 7474 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 1 1 绪论绪论 1.11.1 课题研究的背景课题研究的背景及意义及意义 1.1.11.1.1 研究背景研究背景 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

13、善”这样反复的设计流程，最 终才进行实际的投产，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

14、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。 1.1.21.1.2 研究意义研究意义 （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 山东科技大学学士学位论文 绪论 2 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

15、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

16、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。 1.21.2 国内外研究动态国内外研究动态 1.2.11.2.1 国内研究动态国内研究动态 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

17、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 山东科技大学学士学位论文 绪论 3 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

18、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。 1.2.21.2.2 国外研究动态国外研究动态 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，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。

19、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 山东科技大学学士学位论文 绪论 4

20、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。 1.31.3 课题设计目标课题设计目标 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、

21、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。 1.41.4 课题设计内容课题设计内容 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

22、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 山东科技大学学士学位论文 绪论 5 规律以动画的形式呈现。 1.51.5 课题设计的特色与优势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，可以进行动画演示。 本课题设计的优势之

23、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

24、）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。 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 6 2 2 通用控制平台设计方案通用控制平台设计方案 2.12.1 方案选择方案选择 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

25、采用 Matlab 和 Labview 开发实验装置；第三种，就 是硬件软件结合、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。 2.22.2 总体设计方案总体设计方案 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。 2.2.12.2.1 用于控制对象仿真的总体设计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；

26、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。 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 7 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

27、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

28、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 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 8 2.2.22.2.2用于数据采集的总体设计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

29、，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 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 9

30、 2.32.3 硬件电路设计方案硬件电路设计方案 2.3.12.3.1 单片机选型单片机选型 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

31、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 Cygnal 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

32、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， 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 10 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

33、，有 64 个 I/O 端口，5 个通用定时器，硬件 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

34、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 UART、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

35、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 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 11 部振荡器（晶体、RC、C、或外部时钟） 。 2.3.22.3.2 硬件电路设计要求硬件电路设计要求 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

36、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。 C8051F020单片机系统 C8051F340单片机系统C8051F3

37、50单片机系统 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 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 12 驱动能力或电流输出能力。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

38、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，应为低阻输出状态，输出电流信号时 应为高

39、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。 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 13 48路开关量输入48路开关量输出 16路模拟量输入20路模拟量输出 4*4矩阵键盘 2路RS-485接口 复位电路 外存储器扩展

40、电源电路 液晶显示 单片机 C8051F020 C8052F340 C8051F350 图 2.4 硬件平台组成模块框图 2.42.4 控制对象实现过程控制对象实现过程 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

41、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 山东科技大学学士学位论文 通用控制平台设计方案 14 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

42、。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。 山东科技大学学士学位论文 平台硬件功能模块设计 15 3 3 平台硬件功能模块设计平台硬件功能模块设计 3.13.1 模拟量输入模块模拟量输入模块 实际控制系

43、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。 3.1.13.1.1 主要技术指标主要技术指标 根据所选 C8051F020 和 C8051F350 各自特点，所所设计的模拟量输 入模块主要

44、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； 3.1.23.1.2 模拟量输入模块结构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

45、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，损坏放大器或者单片机12。 山东科技大学学士学位论文 平台硬件功能模块设计 16 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。 3.1.33.1.3 单端模拟量信号采集电路设计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

46、标及思路设计的电路原理图为： +IN -IN V- V+ OUT INPUT S1S2 S3 S4 120 20K AGND 1.2n 1.2n 1K 1K 4148*2 +12V -12V OP07 0.1U AGND 7 3 20K 6 4 2 -12V AGND 0.1U 30P 30K91091 3.3V 1N60 AGND 1K +12V 1K 1 8 S5 1.2V R1 R2 R3 R4 C1C2 R5 R6 R7 R8 C3 D1 D2 D3 D4 C4 C5 ADC0 Vi V0 图 3.2 单端模拟量信号输入电路原理设计 山东科技大学学士学位论文 平台硬件功能模块设计 17

47、 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 1 R AD 最大输入电压为 2.4V，因此选用的电阻值为 120 20 42 1 mA V. I V R MAX ADMAX 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 2 R 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： 0 V 0ADC V （3.1） iADC V R R V 5 6 0 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， 1 D 2 D 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.