PC104单片机（共7篇）
PC104单片机 篇1
0 引 言
机器人作为一个各学科交叉的复杂系统, 越来越多的科研者采用机器人作为实验平台, 因为它包括机械结构的设计, 控制系统的构建, 信息的采集与处理, 运动学和动力学分析, 人工智能等多方面知识的融合。仿人机器人从最初简单模拟人的外形、动作、行走等, 逐渐向人的思维、视觉、触觉、智能等方面转变, 这就对机器人整个系统提出了更高的要求, 不但要进一步完善机器人的机械结构和安装, 而且要增强控制系统的功能和处理能力。
对于控制系统而言, 目前在仿人机器人上常用的控制芯片有DSP, ARM或其他一些单片机等, 为了进一步增强机器人的可扩展性, 这里采用嵌入式系统PC/104作为机器人的主控制计算机, 它具有实时性好, 成本低, 小型化的优点, 克服了传统的基于单片机控制系统功能不足和基于PC控制系统非实时性的缺点, 在仿人机器人应用中具有广泛前景。
1 仿人机器人结构及控制系统
该机器人共有21个自由度, 其中头部2个自由度, 可以实现头部的俯仰和左右偏转, 在头上装有一个CCD摄像机, 并且带有视觉采集卡以及视觉处理计算机, 能够实现目标的识别和定位, 为主控计算机直接提供目标信息。每个手臂3个自由度, 能够完成伸展和弯曲等动作, 在机器人摔倒后可以提供支撑力, 让机器人可以自行起立。腰上1个自由度, 实现仿人机器人躯干的前倾和后仰, 便于机器人在行走或执行手上动作时重心的调节, 增强机器人的可控性和稳定性。下肢6个自由度, 其中踝关节处2个自由度, 髋关节处3个自由度, 与人的腿部结构相似, 能够灵活的完成下肢的各种动作。仿人机器人的整个结构采用框架式结构, 有利于减轻机器人结构上的重量, 提高机器人的承载能力, 为机器人控制系统的改进提供了更大的空间。如图1所示为仿人机器人实物图。
仿人机器人控制系统以ACS-4051VEPC/104主板模块作为主控制器, 通过USB直接连接摄像头, 一个RS 232串行口与关节控制器相连, 实现主控制计算机与关节控制器的通信。驱动模块和关节控制器集成在一个PC板上, 主要实现PWM波的产生, 驱动电机转动。 ACS-4051VE主板集成了Intel 82559ER10/100 Mb/s以太网卡, 外接一个无线网卡可以实现与外部无线网络的通信。仿人机器人控制系统总体上主要分为2个部分:主控制器模块和关节控制器模块。它的总体结构实物图如图2所示。
2 关节控制器的设计
如图3所示关节控制器主要集成了C8051F310器件, 它是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。主要特性有:
(1) 高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核 (可达25 MIPS) , 70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期, 能满足关节控制器的需要。
(2) 有4个通用16位计数器/定时器, 以及16位
可编程计数器/定时器阵列, 5个捕捉/比较模块, 29个端口I/O。通过对片内进行编程, 以及合理地分配比较器与I/O口, 实现在C8051F310芯片上产生21路PWM波。由于单片机输出的是数字形式的控制量, 必须经过D/A转换变成模拟控制量, 经伺服放大器驱动电机。
在此采用MAXIIM的12位串行D/A芯片MAX531作为数/模转换芯片, 将MAX531工作在双极性电压方式下, 其输出模拟量的范围在-2.048～+2.048 V, 精度为1 mV。输出的模拟量经过运算放大器进行放大, 进入伺服放大器驱动电机。
C8051F310作为关节控制器控制核心, 它主要负责21路PWM的产生, 在C8051F310芯片中集成了4个通用的16位计数器/定时器, 5个捕捉/比较模块, 运用1个计数器/定时器和1个比较模块控制6路I/O端口, 其他3个计数器/定时器和3个比较器控制15路I/O口, 来实现21路PWM波的产生。这里以6路PWM波的产生来说明运用C8051F310实现电路, 其电路图如图4所示:CEXn引脚产生脉宽调制PWM输出, PWM输出的频率取决于PCA计数器/定时器的时基, 使用模块的捕捉/比较寄存器PCA0CPLn改变PWM输出信号的占空比。当关节控制器接收给定的6个电机转动角度序列数据后, 由软件将6个数据从小到大排列, 并依次求出相邻2个数的差值, 按照最小的数、前2个数的差值到最后两个数的差值排列好, 并将从小到大的数据对映的交叉开关的地址依次对映。
程序将第一个最小角度数放入比较寄存器的低8位PCA0CPLn中, 当PCA计数器/定时器的低字节 (PCA0L) 与PCA0CPLn中的值相等时, CEXn引脚上的输出被置“1”;同时程序将第二个数据即差值放入比较寄存器的PCA0CPLn中, PCA计数器/定时器清零, 并将交叉开关置位到相应的输出脚, 当PCA计数器/定时器的低字节 (PCA0L) 与PCA0CPLn中的值再次相等时, CEXn引脚上的输出被置“1”, 直到这组数据完毕。PCA0L中的计数值溢出, CEXn输出被复位, 准备第二轮的PWM波的产生。
3 实 验
3.1 图像采集处理
为了使机器人能够达到预定目标, 必须对软件系统进行设计规划。主控计算机上安装了WIN98系统, 图像采集与处理采用VC进行编程, 下面是图像采集处理的程序运行界面如图5所示。
3.2 仿人机器人稳定步行
运用这种控制系统来实现DF-1仿人机器人行走的控制, 通过实验表明, 此系统能够完成仿人机器的动态稳定行走, 图6是一系列行走连续行走的截图。
4 结 语
基于PC/104嵌入式计算机和 C8051F310 芯片设计了仿人机器人的控制系统, 实现了机器人的图像采集和处理, 以及机器人的稳定步行。 PC/104 嵌入式计算机功能齐备, 运算能力强, 可扩展性好, 作为仿人机器人控制系统有它独特的优点。单片机实现仿人机器人的关节控制, 由于其计算能力有限, 难以实现复杂的控制, 因此这种控制系统可以用来作为实验用和教学用机器人。
摘要：为了简化仿人机器人控制系统结构, 增强机器人系统的功能。采用PC/104嵌入式系统作为仿人机器的主控计算机, 完成图像处理, 做出控制决策, 计算并生成运动序列。关节控制器选用C8051F310单片机, 采用串口与主控计算机通信, 接收来自主控计算机的运动序列指令, 产生PWM波, 经过放大电路, 实现21路电机的控制。经过实验, 得到图像采集分析结果和仿人机器人稳态步行。实验表明, 这种控制系统能够实现仿人机器人的控制。
关键词：仿人机器人,主控制计算机,关节控制器,PWM波
参考文献
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PC104单片机 篇2
在悬架部件结构的静载试验、动载试验和疲劳试验中, 电液伺服控制系统是必不可少的加载设备。早期的液压伺服控制系统都是采用模拟电路, 模拟电路的抗干扰差, 而且不能和计算机接口, 系统的各通道之间很难相互协调工作。因此, 难以用于汽车疲劳试验台。
随着微电子技术、计算机技术、通信技术和数字技术等技术的迅速发展, 现代伺服控制系统朝着高精度、高速度、高可靠性的数字电液伺服控制方向发展。数字电液伺服控制系统具有精度高, 结构紧凑, 控制方便等诸多优点。将它应用于汽车悬架和后桥的静载、动载和疲劳等试验设备能进一步提高了汽车悬架和后桥的试验水平, 所以研究并开发设计汽车疲劳试验的电液伺服控制系统能促进我国汽车业的发展, 具有很强的现实意义。
本文在电液伺服控制技术的基础上, 对基于L a b V I E W和P C 1 0 4与单片机C8051F060的液压伺服控制系统进行了深
入的研究, 本系统利用图形化编程工具L a b V I E W软件编写的上位机人机界面具有易于操作, 便于维护等特点。系统采用单片机
C8051F060采集数据, 用PC104作为核心处理器进行实时控制器, 达到了系统的精度要求。
2 液压伺服控制系统的总体设计方案
本系统分为人机界面管理计算机和多通道伺服控制器, 人机界面管理计算机和多通道伺服控制器通过串口线连接, 如图1所示;多通道伺服控制器采用一块核心板加7块伺服控制板的设计方法进行总体设计核心板和伺服控制板通过PC104总线连接, 如图2所示。
核心板利用PC104强大的数据处理能力来生成函数发数器并进行实时控制, 伺服控制板采用单片机C 8 0 5 1 F 0 6 0来进行A/D、D/A采集和P I D计算;核心板和底板之间通过双口R A M进行高速通信;这样的设计方法能降低难度并提高速度, 并且稍加改动就能很容易地应用到其他领域。
3 多通道伺服控制器的设计
3.1 多通道伺服控制器的硬件设计
该系统的多通道伺服控制器的硬件设计如图3所示, 主要包括模拟信号输入接口电路、信号调理电路、时钟与复位电路、电源转换电路、PC104与C8051F060交换数据的双口R A M电路、数据通信接口电路、功率放大等部分。
本文采用C8051F060自带外设ADC完成对信号的采集, 用C8051F060自带的外高D A C实现数字信号向模拟信号的转换, 转换的模拟信号经功率放大后输出。
3.1.1 双口R A M模块设计
双口R A M两侧端口处具有独立的控制总线、地址总线和数据总线, 与各种CPU接口设计简单, 且与各种C P U性能具有高度的兼容性, 因此易于在两个C P U之间实现并行通信。本文设计中用IDT7005S分别实现单片机和PC104计算机之间的高速通信。
(1) 双口RAM左端与单片机接口电路设计
在本文设计中单片机采用非复用方式和双口R A M左端的数据线、地址线相连。P7.0-P7.7和双口RAM左端的8位数据线连接, P6.0-P6.7和双口RAM左端的低8位地址线连接, P5.0-P5.4和双口RAM左端的高5位地址线连接。单片机的P5.5引脚和双口R A M左端口的旗语控制脚相连, 为低电平时, 对旗语空间操作;P5.6引脚提供双口R A M的左端口片选信号, 为低电平时, 双口RAM左端口有效。双口RAM低电平有效的引脚OEL、OER、R/WL、R/W R、S E M L、S E M R、C E L、C E R、I N T L和I N T R分别连接一个1 K的电阻实现上拉。IDT7005S的主/从选择脚M/S接高电平, 选择主模式。
双口RAM芯片IDT7005S共有13要地址线, 存储容量为8 K B。根据地址线、旗语线、片选线的连接关系可知, IDT7005S的左端R A M地址选通空间为2 0 0 0 H—3 F F F F H。
(2) 双口RAM右端与PC104接口电路设计
双口R A M分别通过其右端数据线、地址线和控制信号线映射在PC104。同时, PC104需要经过一定的地址逻辑选通才能对接口中的双口R A M进行访问。系统的逻辑选通、控制是由CPLD器件E P M 7 1 2 8实现的。为了减少接入C P L D地址线的条数, 节省CPLD的I/O口资源, 将地址线A13R-A19R接入地址比较芯片74HC688, 与拨码开关一起组成地址比较电路。当地址信号和拨码开关的预先设置的地址一致时, Y B为低电平, 否则为高电平。
考虑到接口电路设计的复杂程度, P C 1 0 4采用8位方式对双口R A M进行访问。P C 1 0 4总线的低1 M存储空间写信号S M E M W直接控制I D T 7 0 0 5 S的写信号R W R。P C 1 0 4低1 M空间读信号直接控制I D T 7 0 0 5 S的右端输出信号O E R。由于PC104是标准的5V TTL逻辑电平, 因此数据线与地址线可以直接连接到IDT7005S的左端。
3.1.2 前向通道硬件设计
系统前向通道是指反映液压伺服控制系统工作状况的位移、力、应变式传感器的输出信号在到达A/D转换模块之前, 滤波、放大等一系列信号处理的过程。
由于单片机A/D转换的模拟电压输入范围为0-2.5 V, 而实际传感器得到的模拟信号通常正负电压都有, 为了得到0-2.5V的输入电压, 在AD620放大器后面再接一个O P 0 7通过滑动变阻器把电压范转调节到0-2.5V。
3.1.3 后向通道硬件设计 (1) 阀颤振模块
伺服控制系统中伺服阀的颤振信号的频率变化一般为300Hz左右, 可以用一个专用的函数发生器芯片生成约300HZ的颤振信号。但由于它的幅值的变换有可能比较大, 因此需要阀颤振信号的幅度能由CPU通过编程控制, 本文采用C8051F060的D/A模块产生所需的模拟信号。再利用A D 6 3 3将D/A生成的模拟信号乘函数发生器生成的信号, 这样颤振幅值控制模块就可以控制颤振信号的幅值了。
(2) 阀平衡信号的调整
为了消除电液伺服阀在出厂时的零偏, 因此必须对它调零。可以在阀的驱动端加一可调的偏置电路, 但为了节约成本, 可以通过调整1 2位D/A模块部分的12位被转换量的偏置, 达到当控制信号为零时伺服阀的输出为零的目的。
(3) 功率放大模块
由于D/A转换得到的模拟信号和颤振部分的模拟信号之和的输出电流仍很小, 提供的输出功率和很小, 为了能够驱动伺服阀, 必须加功率放大电路。而且, 为了把1 2位D/A输出控制量信号, 阀颤振信号都加到伺服阀上, 就必须在功率放大器前端把两个信号加在一起, 然后送到功率放大器的输入端。
3.2 多通道伺服控制器的软件设计
多通道伺服控制器分为核心板和伺服控制板两部分。下面分别对两部分的软件设计进行总体介绍。
3.2.1 核心板的软件设计
核心板软件为PC104中的程序, 是在TurboC3.0环境下开发的, 其主程序流程图如图4所示。
初始化程序包括各种参数和变量的初始化, 启动定时器, 由于此液压伺服系统的控制信号为5 0 H Z以下, 所以将定时时间确定为1ms, 完全满足系统要求。1ms定时后, 检测定时中断标志位是否置1, 置位信号由中断服务子程序完成。若没有置位则返回定时中断子程序。若已经被置1, 则调用command命令, 程序根据人机界面管理计算机发出的控制状态和控制参数计算当前时刻的命令信号, 该命令信号由两部分组成, 一部分为静态命令, 另一部分为动态命令, 实际控制信号为两部分之和, 此时将所得命令信号入双口R A M;然后从双口R A M读取伺服控制板的A/D采集的结果, 接着调用串口发送子函数将控制器当前时刻的所有信号 (包括命令信号、状态信号和反馈信号) 的数据传送给人机界面管理计算机, 供人机界面管理计算机显示和保存用。之后将中断标志位清零, 并且返回程序入口。
3.2.2 伺服控制板的软件设计
伺服控制板的程序是在Silicon Laboratories IDE环境下, 用C语言完成的, 主程序流程图如图5所示。
初始化程序包括各种参数和变量的初始化, 启动定时器, 将定时器的时间间隔定为1ms, 1ms定时后, 检测定时中断标志位是否置1, 置位信号由中断服务子程序完成, 若未置位则返回定时中断子程序。若已经被置1则启动A/D转换, 并从双口R A M中读取命令信号进行前馈P I D控制算法, 然后将得到的控制命令进行D/A转换, 转换成为相应的模拟量 (该模拟信号通过后向通道放大后驱动伺服阀的运动) 。最后将A/D转换后的数据写入双口R A M中, 核心板可定时读取。
4 结语
本文设计的是一个七通道液压伺服控制系统, 在对系统功能要求和性能指标进行分析的基础上, 采用一块以PC104为主CPU的核心板加7块以C8051F060为C P U的伺服控制板的设计方法来降低难和提高速度, 核心板和伺服控制板通过双口R A M交换数据。此设计方法稍加改动就能很容易地应用到其他领域, 有很强的实用性。
摘要：本文在计算机技术和液压伺服控制技术的基础上, 设计了一种基于单片机和PC104的多通道液压伺服控制系统。采用一块核心板加多块伺服控制板的设计方法来降低难度和提高速度。伺服控制板采用新华龙单片机C8051F060设计, 核心板采用PC104控制模块。核心板和伺服控制板通过双口RAM交换数据。
关键词：PC104,CPLD,双口RAM,LabVIEW
参考文献
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PC104单片机 篇3
关键词：PC/104,CAN总线,SJA1000,现场实时性
1 引 言
CAN(Controller Area Network)总线是一种有效支持分布控制或实时控制的串行通信网络,采用多主协议,废除了传统的站地址编码,而采用对通信数据块进行编码的方法,使网络内节点个数在理论上不受限制。具有总线仲裁、错误检测、自动重发等功能。由于采用了许多新技术及独特的设计,CAN总线与一般的通信总线相比,它的数据通信具有突出的可靠性和实时性。
嵌入式PC/104将台式PC机的全部功能重新包装于一个格式标准统一、稳定可靠、且符合嵌入式系统尺寸的标准模块中,与PC机兼容。PC/104总线是ISA总线的一种变化形式,其引脚的组成和功能与ISA总线完全相同,而PC/104总线的结构更紧凑,且可堆叠,适应于嵌入式系统的需要。PC/104总线和CAN总线之间的转换接口采用PC/104-CAN接口卡。
本项目使用1块嵌入式PC/104的双路CAN总线接口卡,CAN控制器采用Philips的独立CAN控制器SJA1000芯片,它符合CANBUS2.0B标准,能够采用查询和中断2种方式对其进行访问。CAN收发器采用Philips的82C250,可以同时操作2路CAN接口,提供高达1 Mb/s的传输速度。
2 CAN总线接口分析
应用PC/104-CAN接口卡要考虑与嵌入式PC机的连接以及与CAN物理总线的相连。
CAN控制器通过地址线、数据线和控制线与PC/104进行连接,如图1所示。SJA1000芯片的控制线ALE,WR,RD可与PC/104的控制线直接连接。但其地址线和数据线是分时复用的,不能跟PC/104的地址线、数据线直接相连,必须将PC/104的地址线和数据线进行正确的转换和隔离,才能与SJA1000的地址/数据线连接。
CAN收发器82C250是CAN控制器和物理总线间的接口,它能提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力。82C250还具有很强的驱动能力,能增大通信距离(最远可达10 km),并具有瞬间抗干扰能力。采用高速集成光电耦合器6N137,使总线驱动器与总线控制器分别供电,隔断了二者的电气连接,保护嵌入式PC机不受地环流和雷电过压的影响。
另外,设计CAN地址选择电路,以确保CAN总线节点在整个系统中的地址惟一。
3 CAN接口软件设计
首先通过开关选择内存基地址,通过跳线选择SJA1000的中断号。系统104主板的CPU为486DX,其对接口板访问采用内存映射方式工作,该方式可以访问较大的地址空间,便于实现快速交换数据。Intel X86体系的CPU其ISA可以映射的空间为0xC8000～0xEFFFF。使用比较器和地址选择开关组成可选端口地址译码电路,通过开关选通内存映射基地址(C8000H,C9000H,CA000H,…,EF000H),以避免与其他器件冲突。接口的INT引脚通过跳线选择,避免与其他的适配卡冲突。
CAN接口卡的软件设计包括驱动程序设计和动态链接库(DLL)设计2部分,其软件层次如图2所示。
在Windows98操作系统中,应用程序访问硬件是通过驱动程序来进行的,禁止应用程序直接访问硬件。驱动程序是指管理实际数据传输和控制特定物理设备的程序,它运行于操作系统的内核态。为了保证操作系统的稳定和安全,驱动程序必须按一定的规范来编写。本项目用的驱动程序主要考虑以下内容:设置端口和中断号,设置CAN卡通信默认参数,CAN卡内存分配,映射I/O地址,创建CAN卡事件和数据接收事件,初始化中断等。
动态链接库DLL是基于Windows的程序模块,是一组被预编译的函数,由主程序调用。它包含可执行代码、数据、各种资源,扩大了库文件的使用范围。采用动态链接库的优点是减少了EXE文件的大小和节省了内存开销。动态链接库运行在用户态,它一方面负责与驱动程序进行数据通信,另一方面又被用户应用程序调用。该项目的应用程序采用VC编制的DLL函数,主要有以下几个:复位CANResetB,正常CANNormalRunB,设置CANInitB,发送CANSendB,接收CANReceiveB。
4 CAN应用程序设计
CAN控制器SJA1000处在网络层次结构中的数据链路层和物理层,通过对它的编程,CPU可以设置它的工作方式,控制它的工作状态,与CAN收发器82C250进行数据的接收和发送,把应用层建立在它的基础之上。
SJA1000初始化只有在复位模式下才能进行,初始化主要包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、接收屏蔽寄存器和接收代码寄存器的设置、波特率设置和中断允许寄存器的设置等。SJA1000在完成初始化后就可以回到工作状态进行正常的通信任务。图3,图4是主控程序初始化CAN卡流程:
在初始化CAN接口卡基础上编制发送和接收应用程序,可以实现CAN网络中主控(CAN节点)与各个分机(CAN节点)的通信问题,实现主控控制各CAN节点,各节点也可主动或从动上报其工作状态以及监测数据,实现实时控制和监测整机工作状态。
5 结 语
采用PC/104-CAN接口卡很好地解决了主控与各个分机(CAN节点)的通信问题。该项目设计的CAN总线嵌入式控制监测系统具有良好的可靠性和实时性,数据传输速率较高,完全可以满足整机控制和实时监控的需求。该控制系统已经投入使用,系统运行稳定、电磁兼容性较强。
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PC104单片机 篇4
嵌入式PC-104模块是一个完整的计算机系统, 与通用微机程序设计一致。在嵌入式计算机系统的设计中, 子模块通常使用单片机、DSP等采集并预处理数据。子模块在现场对采集的数据信息进行必要的实时处理, 最终需传送到上位机载上进行综合处理。上位机与子模块间存在大量数据交互, 因此需要设计上位机与子模块之间的通信接口。DSP子模块与上位机PC-104可通过串口进行通信。串行通信总线具有速度快, 通信协议简单, 抗辐照, 传输可靠性高, 占用IO引脚少等特点。
2 PC-104与DSP的数据交换
系统由PC-104模块、DSP模块等组成基本构架, DSP模块传送数据给PC-104, PC104对收集到的数据处理显示, 并将控制命令字, 数据发送回给DSP模块。
串行通信抗干扰能力强, 传输距离远, 在远距离通信中可以节约通信成本。本系统子模块DSP设计利用DSP提供的SPI串口模块, 同时上位机PC-104设计选用ACE芯片来扩展异步串口, 从PC-104送出的并行数据经过ACE芯片TL16C752后转换成串行, 送入DSP中。
2.1 PC-104端向DSP发送和接收数据
通过PC104总线实现PC-104模块的发送和接收数据。在系统设计中, PC-104模块上运行DOS操作系统, 通过编程实现对PC104总线进行各种操作。使用turbor c中的库函数操作PC104总线时使用绝对地址实现数据的发送和接收。结合可编程ACE芯片, 接收和发送数据程序如下:
2.2 DSP端向PC-104模块发送和接收数据
DSP模块从PC-104模块中读取数据时, 通过对缓冲串口的设置, 即使能串口的接收和发送直接访问缓冲串口。接收和发送流程类似, 如下图为DSP串口发送流程图。
在串口初始化完成后, 只需对数据发送缓冲SCITXBUF和数据接收缓冲器SCIRXBUF进行操作即可完成这个给发送和接收。
2.3 实验结果
通过在PC-104模块上设计人机交互界面, 分页显示输入模块接收到的数据和录入输出模块的数据。测试界面在平台上运行, 可显示接收数据为采样到8路5V电源值误差不超过10%, 和3路3.3V电源值误差不超过10%;界面录入固定数据0x FF等, 在DSP的接收点用示波器观察, 也为数据0x FF。
3 结束语
PC-104作为系统的核心单元, 不仅可用于采样现场的数据并做相关处理, 然后将处理结果作为控制量或图形输出;而且必须确保系统具备良好的实时性。可以在DOS操作系统下使用BC++作为开发环境, 对PC104总线操作;在DSP中直接使用已有编程模块, 可以简化硬件电路, 缩短开发周期。通过多次测试验证了基于PC-104与DSP的串行通信设计方案的可行性。随着PC-104与DSP的广泛应用, 此方案在其他系统的设计中将具有一定的参考价值。
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PC104单片机 篇5
国外大部分电石炉已采用空心电极加料,用计算机控制,实现了电极定时升降、压放、三相电极的平衡、数据管理、检测报告及设置工艺参数等。与国外相比,我国生产电石的工业装备整体技术水平相对落后,尤其是电极控制调节等方面的自动化水平仍然较低,致使电石产品成本偏高,缺乏市场竞争力,难以适应国内外日益激烈的市场竞争[3]。基于国内电石生产的现状,对原有设备进行计算机自动化控制技术改造是必然的。
1 电石控制系统结构
传统半密闭性电石炉的生产现场环境恶劣,电石生产系统在高温、灰尘等诸多因素的影响下极不稳定。从实际生产中电石炉的工艺参数、设备和监控的要求分析来看,电石炉电极升降控制部分的控制要求精度高、系统比较复杂,为了便于系统的维护和操作,选用研华公司的PC/104主板、数据采集卡来实现电石炉控制系统中的电极压放控制、电极升降控制、参数显示及报警保护等功能。
根据实际生产工艺和设备,将整个系统分为控制系统、配料系统、净化系统和供电系统4个主要部分[4]。电石炉控制系统功能主要是对三相电极的升降控制、压放控制、报警保护系统控制和数据采集处理;配料系统功能主要是对生产原料氧化钙、焦炭等的称重配比;净化系统功能主要是对电石炉所产生的尾气进行冷却、除尘、回收加以利用;供电系统功能主要是为三相电极供电以产生所需的能量。电石炉系统结构如图1所示。
1.1 电极升降控制系统
本设计采用恒电流方法控制三相电极的升降,PC/104通过模拟量模块和数字量模块对输入的原边电流进行算法处理后来控制三相电极脉冲开关的输出,进而控制电极的升降。在现场操作过程中,手动控制优于所有自动控制,操作人员可以通过监控软件与PC/104通信来控制电极的升降[5]。电磁阀的开通时间长短决定了电极升降幅度和电流大小,所以输出量要进行脉冲调节后,再由PC/104输出信号给电极升降机构。
1.2 电极压放控制系统
电石炉生产过程中由于石墨电极不断被消耗,为了保证电极的冶炼长度,需要对电极进行自动压放控制。电极压放装置通过控制液压缸和液压阀来驱动上抱闸、把持器、立缸、下抱闸及锥环等的动作来完成电极的压放[6]。整个控制过程可以利用PC/104对各个液压缸和液压阀进行自动和手动控制。每根电极都可以根据实际情况进行单独操作,根据实际生产工艺也可以对压放过程实行定时自动控制。
1.3 报警保护控制系统
电石炉控制系统需要对整个运行状态进行实时监测。通过编写程序,当电极上升或下降调节至最大或最小值时,如果电极仍不能达到平衡,PC/104自动启动保护措施,系统报警,停止一切自动操作,工作人员根据报警信息及具体情况,可以迅速地做出判断并采取相应措施,以减少必要的损失。
1.4 数据采集系统
由PC/104采集模块采集实际信号,经综合电量变送器转换为标准电流信号后再输入PC/104中。由于现场环境复杂多变,数字量信号也需要在PC/104中进行采样、滤波和处理。此外PC/104根据采集的数据进行计算,最后将处理好的数据传送至上位机软件并显示和打印。
2 控制系统方案设计
采用智能综合电量变送器进行数据采集,然后把数据送入PDM4153中,处理后进行相应操作。该方案不仅提高了计算机的处理速度和精度,而且改善了系统的控制精度。根据需要,此控制系统功能有:ABC三相电流、电压、功率因数、有功功率、无功功率、视在功率的显示,电极手动自动控制设定,数据通信以及数据查询等。控制方案设计如图2所示。
根据实际生产工艺中电石炉控制系统的设计要求:利用PC/104及采集卡(PDM3718HO)实现三相电极自动和手动升降控制、压放控制、报警保护、数据采集及各项性能参数的显示等[7]。控制系统的监控参数包括:三相电极电压、三相电极电流、三相电极功率因素、无功功率、视在功率、有功功率和功率因素。利用PC/104、采集卡、传感器及变送器等仪表和设备对各工艺参数进行采集、读取和显示。
电石炉控制系统要实现的功能为:
a. 三相电极升降控制。通过控制三相电极的升降来调节电石炉原边电流,使之与给定的电流值相等,使三相电流始终保持平衡;当电极原边电流超出上下限时发生紧急报警;通过程序给定控制参数的值,使电石炉的运行保持最佳状态。
b. 三相电极压放控制。通过控制液压阀和液压缸控制上摩擦带松开、提升、夹紧,下摩擦带松开,上摩擦带压下,下摩擦带紧固6个动作来实现电极定量的压放[8]。
c. 报警保护。当电极上升或下降调节至最大或最小值时,而电极仍不能达到平衡,系统报警,转换为液压系统控制电极压放,电极升降调节停止。监测电极实时电流,当出现非常情况(如突然变大或突然减少)时报警。
3 控制系统软件开发环境和工具
Windows操作系统是控制系统软件部分的基础,系统软件采用Visual Basic 6.0进行人机交互界面和电石炉炉台控制算法的编程,结合现场的传感器以及数据采集卡等,实现电石炉的电极控制。本系统采用面向对象的程序设计方法,用户可以在Visual Basic的友好界面下,自动采集A、B、C三相电极的电压和电流信号,一方面通过数据实时显示功能将其显示出来,另一方面软件算法通过对输入信号的处理,输出相应的控制信号,控制信号通过控制相应继电器的动作,最终实现对电石炉的电极升降和电极压放的控制[9]。Visual Basic 6.0是一种面向对象的可视化程序开发平台,其界面设计过程简单、代码维护方便,是优秀的可视化应用开发工具,同时它还提供了完美的控件和可视化开发平台。
3.1 控制系统软件设计要求
根据实际生产需求,在软件的开发中需要考虑以下几个方面:
a. 电石炉生产环境恶劣,系统应有非常强的抗干扰能力;
b. 现场工作环境复杂,系统应具有高稳定性,安全可靠运行;
c. 发生任何特殊情况时,应保证快速的反应能力,并能及时快速地处理情况;
d. 在整个运行过程中保证手动操作优先于自动控制。
3.2 控制系统软件的设计思想
根据软件设计需求,设计思想为:
a. 加强软件抗干扰能力。系统输出基本都是开关量,比较稳定不易受到外界的干扰,所以输出部分抗干扰可以不考虑;而系统的输入主要是模拟量,在软件算法上要加强其抗干扰能力。
b. 模块化的程序设计:用主程序、子程序等框架把软件的主要结构和流程描述出来,并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。以功能块为单位进行程序设计,实现其求解算法,使用模块化程序设计降低程序复杂度,使程序设计、调试及维护等操作简单化[10]。
3.3 控制系统软件组成
在Visual Basic 6.0集成开发环境下编写该系统软件界面及控制算法,通过嵌入式PC/104计算机硬件系统进行处理,开发出一套系统来完善电石炉的控制系统。该控制系统结构模块如图3所示。
系统软件的组成模块为:窗体加载模块、系统自检模块、信号采集模块、手动控制模块、自动控制模块、数据显示模块和数据处理模块。软件系统的结构如图4所示。
程序的执行过程依次为窗体加载、系统初始化、系统自检,根据不同的操作方法分为两个部分:一部分是手动调节,另一部分是自动调节。尔后的处理则是根据所遇到的不同情况加以考虑。
4 实验结果
通过系统采集及处理得到的数据如图5所示,手动控制的操作如图6所示,自动控制的操作如图7所示。
通过实验结果可以看到整个模拟电极控制系统基本处于稳定状态。
5 结束语
电石炉三相电极升降控制和压放控制的好坏,会直接影响到炉温和三相电流的不平衡程度,从而影响电石产品的质量和电网的质量。基于PC/104的电石炉炉台控制系统的完善,为提高和改善电石炉自动化水平有着决定性的作用。在金属冶炼领域电石炉三相电极电弧冶炼具有较强的代表性,因此电石炉炉台控制系统在金属冶炼领域具有很大的应用价值。
摘要：电石炉电极升降控制系统是利用电弧电流的设定值与实际值比较来自动调节,当设定值大于实际值时,电极上升;反之下降,最终达到平衡点进行稳弧冶炼。开发了基于PC/104的电石炉炉台控制软、硬件系统,通过VB编程实现电石炉炉台的自动控制。
关键词：电石炉炉台控制,电极升降,PC/104,VB
参考文献
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PC104单片机 篇6
陀螺仪是平台稳定系统的敏感测量元件, 它敏感台体的角运动信号, 通过平台伺服回路, 建立平台的稳定基准。因此陀螺仪的性能直接影响到平台稳定系统的性能, 对严格测试其动态性能指标具有重要的意义[1]。
传统的测试设备和手段复杂且效率低, 为了便于对陀螺仪进行机内测试, 改善测量效果, 运用当今主要工业控制计算机技术——嵌入式PC/104总线结构来搭建测试系统, 其独特的堆栈总线扩展方式, 可使其具有体积小、功耗低、可靠性高等特点;其次, 利用美国NI公司开发的虚拟仪器LabVIEW, 为开发平台设计软件, 使其人机界面友好、功能强大、开发效率高、可维护性强, 且测试精度和可靠性能得到充分保证。
1 测试系统硬件组成
该测试系统由PC/104工控计算机、DMM-32-AT多功能数据采集卡、信号调理模块组成。其测试系统组成框图如图1所示。
(1) PC/104 工控计算机。
采用DIGITAL-LOGIC AG公司的MSMP3SEV, 它是一个基于PC/104 (ISA总线) 和PC104/Plus (PCI总线) 的高可靠ALL-IN-ONE CPU模块, 主板主要集成了最大256 MB内存、256 KB二级高速缓存、2个RS 232C串口、1个LPTl并口、EIED硬盘接口、标准软盘接口、CRT显示器接口、平板显示器接口、鼠标接口、1个USB接口、看门狗计数/定时电路等[2]。
(2) DMM-32-AT多功能数据采集卡。
4路12位D/A模拟输出, 16位差分或32位单端16位模拟输入, 24路数字I/O端口, 最高采样速率[3]为200 Mb/s。
该多功能采集卡主要用于激励信号的产生, 测试信
号的采集以及控制信号的产生。
(3) 信号调理模块。
主要是将计算机给定的电压控制信号变换为电压或电流信号, 对动态测试的激励信号进行整形、放大、滤波, 以及对测试信号进行滤波, 再由数据采集卡进行采集和处理。
系统的工作原理为:由PC/104控制, 通过DMM-32-AT的D/A端口产生测试信号, 经过调理, 对陀螺仪力矩器施加指令电流信号, 以模拟陀螺仪输入轴的角运动, 使力矩器产生一个力矩, 引起陀螺仪自转轴发生偏转。这时信号器输出一个电压, 经放大器后转换成一个电流输入到力矩器, 使力矩器内原来外加电流减小到零, 使转子自转轴处于平衡状态。通过信号调理模块对信号器上的电压进行变换, 由A/D采样模块进行采样, 输入到PC/104工控机, 系统再对采集数据进行处理、判断和显示。这整个过程是由程序控制自动完成的。
2 软件设计
陀螺仪的动态测试软件采用LabVIEW软件进行设计, LabVIEW不仅是软件开发环境, 而且是一个编程软件, 它是一种适合应用于任何编程任务, 具有扩展函数库的通用编程语言[4]。它定义了数据模型、结构类型和模块调用语法规则等编程语言的基本要素, 在功能完整性和应用灵活性上不亚于任何高级语言。LabVIEW提供了丰富的数据采集、分析和存储库函数以及包括DAQ, GPIB, PXI, VXI, RS 232在内的各种仪器通信总线标准的所有功能函数。但是LabVIEW所提供的功能仅能驱动NI公司支持的数据采集卡, DMM-32-AT是第三方数据采集模块, 它需要用户自己设计开发驱动程序[5]。
2.1 DMM-32-AT驱动程序的实现
LabVIEW提供了对外部代码调用的接口库函数。其中, 调用库函数 (Call Library Function, CLF) 节点使得用户可以方便地调用标准共享库和自定义库函数[6]。在此, 设计的数据采集系统就是通过LabVIEW提供的。CLF实现对动态连接库 (Dynamic Link Library, DLL) 调用的方法, 完成对第三方数据采集模块的驱动, 实现LabVIEW与普通数据采集模块的结合[7]。
使用VC++生成一个dmm32driver.dll的动态链接库, 通过CLF节点对其调用, 以实现该数据采集卡的驱动[8], 该程序实现的主要源代码为:
#include "stdafx.h"
#include "extcode.h"
#include "conio.h"
Typedef struct{int32 dimsize;
int32 *elt;}DMM;
typedef DMM * * DMMHdl;
_declspec (dllexport) short int dmm32driver (char channel, unsigned long sample, unsigned long samplerate, DMMHdl arg1)
{
…
int base = 0x380; //采集卡基地址
int32 low, high; //存放A/D转换的低8位和高8位
…
_outp (base, channel) ; //设置通道号
for (i = 0; i < sample; i ++)
{
_outp (base+0, 0x00) ; //启动A/D
sts=_inp (BASE+8) ;
while (sts&0x80) //等待采样结束
{ sts=_inp (BASE+8) ;}
low=_inp (base+1) ; //读低8位
high=_inp (base+2) ; //读高8位
…
} }
需要注意的是, 在头文件中加入extcode.h, 以便在DLL程序中使用LabVIEW中的数据类型, 避免在传递参数和返回值时冲突。其次, 需要在导出的函数原型前添加_declspec (dllexport) 关键字, 指出函数的出口。由此, 可从一个动态链接库文件中输出数据、函数、类以及类成员函数而不需要.def文件[9]。
2.2 数据采集流程
该测试系统采用如图2所示的单线程循环软件架构。采用单线程结构可以保证每个任务在一次数据采集循环中都能得到有效执行, 既能满足数据的实时采集, 又能保证数据的完整存储, 增强了测试的可靠性。与此同时, 采用单线程结构也简化了流程控制, 避免了多线程结构中各个任务之间的调度与控制的复杂问题。
2.3 系统程序设计
虚拟测试系统的主要功能是实时接收数据采集卡采集的数据, 进行数据处理 (如滤波, FFT变换等) 、数据存储和数据实时显示[10]。操作者根据数据判断测试指标是否合格。
程序设计的数据采集过程为:在开始数据采集后, DAQ卡不断地采集数据, 并将它们存贮在指定的缓冲区中;然后LabVIEW每隔一段时间, 将一批数据送入计算机进行处理。如果缓冲区存放已满, DAQ卡就会又重新从内存起始地址写入新数据, 覆盖原来的数据。这个过程一直持续, 直到采集到了指定数目的数据点, 或者中止采集过程。程序方框图如图3所示。在对陀螺输出信号进行测量时, 采用了多次采样取平均值的方法, 以减小误差。
3 结 语
在此, 提出一种基于PC/104的陀螺仪动态测试系统, 并分析该测控系统的软/硬件基本构成。在系统组建过程中, 由于利用了可靠的PC/104工控机和数据采集卡, 以及高性能的虚拟仪器编程软件, 使得系统组建效率高, 性能可靠, 而且可以方便地对测试结果进行判断, 简单易用。
参考文献
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PC104单片机 篇7
关键词：PC104,FPGA,嵌入式系统,雷达目标模拟器
雷达目标模拟器可以在雷达系统发射机不工作的条件下,按照一定的假设,模拟形成全方位、多批次、具有复杂干扰的雷达目标信号,提供接近实战的空中情报。自出现以来,因其实用性和成本上的优势成为各国的研究热点。
针对实装雷达的特点,介绍了某型雷达目标模拟器的设计与实现,雷达操作人员能够在接近实战的环境中进行训练,有利于提高操作人员的跟踪识别目标的水平,最大限度地发挥雷达的作战效能。
1 系统结构
系统结构如图1所示。主控计算机实现参数设置及理论航迹产生、通道实时计算和控制以及数据接收三部分功能。通过FPGA配以外部驱动电路,实现雷达参数采集通道、目标和干扰信号产生电路、PC104总线驱动电路及同步电路的功能。
系统工作时,首先通过参数设置及理论航迹产生软件设置目标及干扰航迹,并对目标与干扰信号的参数进行设置,计算机对硬件电路各通道的目标和干扰包络数据进行初始化。航迹启动后,计算机在角度同步方波的控制下,从FPGA接收雷达的状态参数,进行模拟判断、通道分配、相对坐标计算、通道放大量计算及干扰处理,形成通道控制数据。角度方波回程到来时,通过PC104总线送至硬件电路,控制硬件电路产生带有位置和速度信息的目标与干扰信号,最后经D/A转换及驱动电路形成雷达的视频信号。
2 系统硬件实现
综合考虑成本与系统的资源需求,本设计选用Altera公司的Cyclone系列芯片EP1C12Q240C8,主控计算机采用PC104主板,外接自定义小键盘、磨球鼠标和LCD显示器,通过主板上的PC104总线与FPGA通信,构成了一套嵌入式应用系统,以满足控制稳定、机械尺寸小的要求。
2.1 雷达参数采集通道
模拟雷达目标信号时,需要采集制导站的工作状态(外引导、扫描跟踪、制导跟踪)、目标的照射次数和工作频率、跟踪目标的参数(斜距、角度)以及实时波束指向等状态参数。
如图2所示,雷达参数采集通道的核心部分为一个双端口存储器,输入端接至制导站共总线,输出端接至PC104总线,通过共享内存的方式实现总线数据的采集,完成对制导站状态和参数的读取。制导站的调度机只对总线接口电路的存储器执行写操作,工控机只对双端口存储器执行读操作,且调度机的优先权高于工控机。本设计利用FPGA内部的双端口RAM作为制导站计算机存储器的映射。在制导站向其存储器写状态参数的同时,将该数据写入FPGA的RAM中,FPGA再通过PC104总线将数据传给PC104工控机。这样既保证了原制导站的总线误码率,又避免了对雷达的工作造成影响。
图3为雷达参数采集通道的顶层设计图,CAB[12..0]、CDB[15..0]分别为制导站共总线的地址线和数据线,CBOPEN、CDTR、CMIO、CWR、CBHE为调度机向制导站存储器写入数据时的控制信号,同时作为FPGA内的双端口RAM的使能信号。ad[19..0]和data_out[7..0]分别为PC104工控机的地址线和数据线,在控制总线pc104_CB[4..0]使能时,将16 bit的雷达状态数据分两次传输给工控机。
2.2 目标和干扰信号产生电路
目标和干扰产生电路是硬件设计的关键电路,负责形成各种目标包络信号,主要包括目标信号通道包络和干扰目标调制通道包络。
目标信号产生电路的原理如图4所示。地址译码电路在局部总线的控制下完成各选通信号的译码、角度计数及RAM地址形成电路形成角度偏移信号及RAM单元的地址信号;在主控计算机的控制下,将各种目标信号数据经PC104总线写入RAM单元,用于形成不同目标的包络数据。要完整模拟目标信号,必须模拟目标的距离、角度和幅度特性。目标的距离模拟可通过控制产生线性调频目标信号的延时时间实现。目标的角度模拟可通过控制和差支路信号的幅度及相位实现,而目标的幅度特性主要与目标距离、目标雷达的截面积和目标起伏特性有关,可通过雷达目标的施威林(Swerling)起伏模型控制实现。本设计中,将模型数据预先存储在PC104的存储卡中,系统工作时根据不同的模拟要求向FPGA的RAM中传送相关数据,以提高系统的实时性。
距离形成电路产生不同宽度的距离选通信号,计数步长为16 bit,计数时钟为100 MHz。在目标包络形成期间,RAM单元中存储的数据被逐一读出,经距离信号选通后的包络数据与其幅度控制信号相乘,然后输出至D/A转换及驱动放大电路,进行功率、增益调节,即可得到满足系统要求的目标包络信号。在模拟多批目标时,只需要先将各目标的高低角/方位角包络信号相加再输出给D/A转换器,因而具有良好的可扩展性。
干扰信号作为目标回波信号的重要组成部分,其数学形式与目标的信号形式相同,只是幅度的起伏特性和强度以及多普勒频谱的变化范围不同。实现简单干扰时,可以认为是大量近似相等的独立单元散射体的回波相互叠加,杂波的幅度分布特性近似服从高斯分布模型,但这只适用于早期的低分辨率雷达。实现复杂干扰时,需要使用不同的幅度分布模型对杂波进行模拟,例如,地物杂波的模拟采用幅度概率分布为对数正态分布和Weibull分布的模型来描述。气象杂波的模拟采用幅度分布为瑞利分布的高斯谱模型来描述。本设计中,将杂波模拟数据预先存储在PC104的存储卡中,系统工作时根据参数设计向FPGA的RAM中传送杂波数据。干扰信号的包络数据从RAM中读出之后,不进行距离信号选通,而是与杂波数据进行相乘调制,然后再与均匀白噪声相乘进行调制,经过两次调制后可实现对不同干扰信号的模拟。均匀白噪声可采用线性反馈移位寄存器LFSR(Linear Feedback Shift Register)方法产生,通过修改FPGA的程序来改变生成噪声的参数,而不是改变硬件电路,因此可以方便地移植到其他电路设计中。
高速D/A转换及驱动电路如图5所示,MAX5190的8引脚(即数据位)、时钟引脚和选通端均与FPGA相连,由FPGA为D/A提供40 MHz时钟,同时芯片的3.3 V电源也由其电源管理引脚提供。
2.3 PC104总线驱动电路及同步电路
FPGA与PC104主板通过自定义局部总线标准相连,该总线借鉴PC104结构和定义。总线的双向数据收发器采用74HC245芯片,该芯片为8 bit双向总线收发器,一般用于数据总线间的双向异步通信,三态输出,数据传送方向由DIR脚控制。输出允许控制端(GN)低电平有效,为高电平时两端呈高阻。该总线使用A0~A19共20根地址线寻址存储器,同时将使能、选通及读写控制信号也用于译码。
系统同步信号控制整个系统工作的起始与结束,在其低电平期间,主控计算机将空情数据写入各功能模块的存储单元,当上升沿到来后,各功能模块则按照空情数据形成所需要的目标和干扰信号。为了克服长距离传输线路上噪声的叠加干扰,兵器送来的同步信号采取差分信号形式传输。在进入FPGA之前,需要通过75175芯片将其变换为普通的TTL电平信号。
3 系统软件实现
3.1 参数设置及理论航迹产生
参数设置及理论航迹产生部分是系统的人机交互界面,用于设置目标和干扰的航迹及参数,内容包括:目标的批号、机型以及干扰的属性、时间和强度等。本系统在输入目标航迹并生成空情时,系统输出的空情应近似实际,即其中的目标航迹在时间、空间上需要符合特定的要求。实际雷达的坐标测量系统在实现和实际工作中因某些不可预测因素的影响,会产生观测噪声,因此,雷达输出的数据应是叠加观测噪声后的数据。本系统在“位置”项中对时刻t加入均值为0的正态随机误差形成扰动来反映观测噪声,以产生有一定实际背景的空情。
3.2 通道实时计算和控制及数据接收
通道数据实时处理、数据接收软件流程图如图6所示。航迹启动后,系统首先对通道进行初始化,之后等待角度同步方波回程的到来。角度同步方波的下降沿中断计算机,中断服务程序进行通道数据写操作以及接收FPGA采集的制导站参数。完成数据传输和数据接收后,中断服务程序发出消息,启动通道数据实时处理程序,通道数据实时处理程序读取目标数据,判断是否满足模拟条件,若不满足,则执行通道回收程序;若满足,则执行通道分配程序。若此批通道分配成功,则进行通道数据的实时处理并显示制导站的状态参数。在下次中断到来后,中断处理程序即可将通道控制数据输出到硬件电路对应的地址单元。
4 样机结果分析
本设计已制作成样机并加装在制导站上进行了联机测试。
图7是系统设置为模拟产生6个距离、角度上都分离的目标信号的测试图,图8是干扰背景下的目标产生测试图。由图可看出,加干扰后的目标较难识别与跟踪。实测结果表明,目标模拟效果达到了预先的设计要求。
本系统以PC104 FPGA为核心器件,实现了对雷达目标视频信号的模拟,整个系统具有小型化、成本低、结构简单、设计灵活的特点,节省了大量的人力和财力,而且能够方便灵活地设置各种参数的产生,在雷达操作人员进行搜索跟踪目标的训练中发挥了重要作用。系统通用性强,对其他类型模拟器的设计具有借鉴意义。
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