電氣控制工程畢業(yè)設計（含外文翻譯）

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本論文通過對虛擬控制技術應用的深入研究，提出了一種基于通用控制平臺的虛擬控制對象設計。并對通用控制平臺硬件配置和控制對象的實現(xiàn)方法進行了全面的設計。</p><p>　　本論文對通用控制平臺硬件電路的各功能模塊進行了設計，各模塊主要從指標、結構組成、原理設計等幾個部分展開。根據實際控制對象的信號特點以

2、及實驗仿真的需要，運用模擬電子技術、數(shù)字電子技術和單片機接口技術等知識，設計了模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、通信模塊、人機接口模塊、電源模塊等。</p><p>　　基于硬件平臺，選取了電子鐘以及儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)作為典型控制對象進行了仿真。為了在設計的硬件平臺上進行實驗室仿真其控制過程，設計了控制器、控制對象和計算機組成為一套完整的仿真系統(tǒng)。</p><p>

3、;　　通過Modbus協(xié)議，實現(xiàn)與上位機的通信，通過VB與組態(tài)的DDE連接將被控對象的仿真結果以動畫的形式顯示出來。</p><p>　　通過對基于通用控制平臺的虛擬控制對象設計，能夠方便的仿真出多種實際的控制對象的工作過程，歷史曲線等，不用采取復雜的物理模型，不用進入到設備現(xiàn)場即可完成對這些典型控制對象的工作原理和工作過程的認識。</p><p>　　關鍵詞：通用控制平臺 控制對象仿真

4、 硬件電路 電子鐘 儲液罐</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This paper based on virtual control technology applied research, put forward a kind of universal control platform based on virtual con

5、trol object design.And the universal control platform hardware configuration and control object of the realization methods of the comprehensive design.</p><p>　　This paper gives the platform from overall des

6、ign 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,desig

7、n principles and 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 techno

8、logy and singl</p><p>　　Keywords: universal control platform, control object simulation, hardware circuit design, electronic clock, reservoir</p><p><b>　　目錄</b></p><p>&

9、lt;b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義1</p><p>　　1.2 國內外研究動態(tài)2</p><p>　　1.3 課題設計目標4</p><p>　　1.4 課題設計內容4</p><p>　　1.5 課題設計的特色與優(yōu)勢5</p>

10、;<p>　　2 通用控制平臺設計方案6</p><p>　　2.1 方案選擇6</p><p>　　2.2 總體設計方案6</p><p>　　2.3 硬件電路設計方案9</p><p>　　2.4 控制對象實現(xiàn)過程13</p><p>　　3 平臺硬件功能模塊設計15</p>

11、;<p>　　3.1 模擬量輸入模塊15</p><p>　　3.2 模擬量輸出模塊18</p><p>　　3.3 開關量輸入模塊21</p><p>　　3.4 開關量輸出模塊24</p><p>　　3.5 人機接口模塊26</p><p>　　3.6 RS-485通信模塊30</

12、p><p>　　3.7 供電電源模塊31</p><p>　　4 控制對象仿真之電子鐘35</p><p>　　4.1虛擬電子鐘系統(tǒng)概述35</p><p>　　4.2 電子鐘被控對象設計36</p><p>　　4.3 電子鐘控制器設計42</p><p>　　4.4 電子鐘仿真結果

13、51</p><p>　　5 控制對象仿真之儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)55</p><p>　　5.1儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)概述55</p><p>　　5.2 儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)被控對象設計56</p><p>　　5.3 儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)控制器設計60</p><p>　　5.4 儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)仿真結果65</p>

14、<p>　　6 系統(tǒng)性能的改善與提高69</p><p><b>　　7 總結70</b></p><p><b>　　參考文獻71</b></p><p><b>　　致謝73</b></p><p><b>　　附錄74</b&g

15、t;</p><p>　　附錄1 外文文獻74</p><p>　　附錄2 文獻翻譯80</p><p>　　附錄3 畢業(yè)設計總原理圖86</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義</p><p>　　1.

16、1.1 研究背景</p><p>　　虛擬控制技術是設計制造領域的一種高新技術。傳統(tǒng)新產品的設計需要經歷“概念設計-物理實驗-重新設計與完善”這樣反復的設計流程，最終才進行實際的投產，設計周期長，投入人力物力成本大，已經不適應于當前激烈的競爭。采用虛擬控制技術，可以結合用戶需求，用最短時間開發(fā)出用戶接受的產品。虛擬控制最初應用于軍事、制造等行業(yè)，目前已廣泛滲透于它可應用于建模與仿真、教育與訓練、科學計算可視化、

17、設計與規(guī)劃等多個方面。</p><p>　　目前，國內多所高校及企業(yè)單位相繼開展了電氣信息類實驗教學裝置的研究[1-5]，取得了一定的成果?；谀硞€教學實際，針對某門或某幾門課程，對于某個主體學科，或者基于某一項或幾項技術，作為研究的出發(fā)點，但研究的成果雖然針對性強、但是在通用性、先進性、集成性等方面有不足。</p><p>　　本課題根據對實際控制對象進行現(xiàn)場調試的經驗，針對當前高校電氣

18、信息類專業(yè)實驗教學裝置的不足，采用虛擬控制技術，綜合運用電子技術、計算機控制技術、計算機技術、通信技術等技術成果，開發(fā)了基于C8051F單片機的虛擬控制對象通用平臺。該虛擬控制平臺在同一硬件平臺上集成不同控制對象的仿真算法，能仿真多種實際控制對象，對提高我國實驗教學裝備水平及虛擬控制技術的應用具有重要作用。</p><p>　　1.1.2 研究意義</p><p><b>　　

19、（1）實驗教學意義</b></p><p>　　實驗教學方面，有利于加強實驗室設備的充實與完善，加強和改進實驗教學，促進貫徹理論教學和實驗教學并重的教學理念。一直以來，限于資金、設備的匱乏，電子信息、檢測與儀表、自動化等專業(yè)學生理論教學重視有余，而實驗教學與訓練不足，直接導致學生的工程化意識沒有或不足，動手操作能力欠缺，創(chuàng)新能力不強，限制或者阻礙了學生綜合素質的提高。本平臺的研制成功，可以以其低成本、

20、高性能的優(yōu)勢，彌補教學上的不足，使學生接受更多的控制對象實驗訓練，更好的啟發(fā)學生的創(chuàng)新性思維，更多的培養(yǎng)理論聯(lián)系實際的高素質人才。</p><p><b>　　（2）科學研究意義</b></p><p>　　教師、工程技術人員或理論研究人員研究某個算法或數(shù)學模型，一般要通過計算機仿真或者實際的工作現(xiàn)場來驗證，本平臺可以模擬實際工業(yè)控制對象[6]，將算法或數(shù)學模型應用到

21、本裝置的虛擬控制對象上，可以直觀地驗證算法的正確性和可行性。這對于經典控制理論和現(xiàn)代控制理論的研究有重要意義。</p><p><b>　?。?）工程應用意義</b></p><p>　　提供一套通用硬件平臺，根據實際情況進行嵌入式開發(fā)，可以滿足工業(yè)場合數(shù)據采集、數(shù)據處理、數(shù)據通信、狀態(tài)控制等功能；通過計算機軟件設計，該平臺可對工業(yè)過程中的實際控制對象進行實驗室仿真，

22、構造圖形化顯示界面，實驗人員可方便對樣機的參數(shù)進行修改，仿真設計系統(tǒng)的性能與效果，加快產品研發(fā)與創(chuàng)新，增強企業(yè)競爭力。</p><p>　　1.2 國內外研究動態(tài)</p><p>　　1.2.1 國內研究動態(tài)</p><p>　　據不完全統(tǒng)計，目前國內有34家科研機構、高等院校和企業(yè)正在開展虛擬控制技術的研究。國家863/CIMS主題組也將“制造系統(tǒng)的可視化、虛

23、擬建模與仿真”確定為研究重點。國家自然科學基金也有專門的研究課題。國內以清華大學、上海交大為主的高等院校正在開展基礎技術研究，正處于理論體系初步研究階段。其中清華大學CIMS工程研究中心虛擬制造研究室是國內最早開展虛擬制造研究的機構之一，目前該中心正在建立支持產品生產全過程的虛擬制造平臺。國內研究機構對虛擬樣機要求的相關技術如數(shù)據庫技術、CAD/CAM技術、網絡技術、分布交互仿真技術等已有一定的基礎。</p><p&

24、gt;　　國內虛擬樣機技術的應用研究屬于起步發(fā)展階段，而將虛擬樣機技術應用開發(fā)控制對象仿真通用平臺的研究，目前國內尚未見報道。而開發(fā)可集成多種控制對象仿真的通用平臺，將會對推動國內高校及科研單位開展虛擬控制技術的研究和普及起到示范引領作用。</p><p>　　1.2.2 國外研究動態(tài)</p><p>　　國外虛擬控制技術于上世紀九十年代初開始發(fā)展，其研究和應用迅速得到許多研究機構及軟件

25、供應商的重視。目前，國外虛擬樣機相關技術的軟件化過程已經完成，較有影響的有美國機械動力公司（Mechanical Dynamics Inc，MDI）的ADAMS，CADSI的DADS，德國航天局的SIMPACK，其它還有Working Model、FLOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash等等。</p><p>　　以美國為首的西方國家，將虛擬控制技術應用在飛機、汽車等領域并獲得了成

26、功，取得了良好的經濟效益和社會效益。比如：波音777 全面應用虛擬樣機技術，其整機設計、部件測試、整機裝配以及各種環(huán)境下的試飛均是在計算機上完成的，使其開發(fā)周期從過去8年時間縮短到5年，甚至在一架樣機未生產的情況下就獲得了訂單。英國BAE系統(tǒng)公司利用計算機建模與仿真技術在EF2000多功能戰(zhàn)斗機的驗收試驗中，對戰(zhàn)斗機的抗自然閃電轟擊的能力進行研究。在汽車制造領域經典應用是：福特（Ford）和克萊斯勒（Chrysler）公司與IBM合作開

27、發(fā)的虛擬制造環(huán)境用于其新型車的研制。在樣車生產之前，發(fā)現(xiàn)其定位系統(tǒng)的控制及其他許多設計缺陷，縮短了研制周期。由于實施了虛擬產品開發(fā)策略，F(xiàn)ord和Chrysler將他們新型汽車的開發(fā)周期由36個月縮短至24個月。</p><p>　　1.3 課題設計目標</p><p>　　本課題的研究目標是設計一種通用控制平臺，并在控制平臺基礎上進行控制對象仿真。其中主要包括兩大部分：</p&g

28、t;<p>　?。?）通用硬件平臺的設計。硬件部分，能夠用作通用控制器或虛擬控制對象，具有采集常見電量信號（模擬量、開關量、頻率量），并能夠輸出電壓或電流型控制量。該通用硬件平臺接口完備，應包括：多路開關量輸入輸出接口、多路模擬輸入輸出接口、異步通信口、人機接口。該硬件平臺自帶保護功能，接線錯誤時不至于損壞；操作方便，可容易進行關鍵模塊的更換；接口豐富，可擴展性強。</p><p>　?。?）在硬件

29、基礎上，選擇某些實際控制對象進行仿真。對控制思路、仿真算法、硬件連接以及計算機虛擬控制對象應用軟件的研制提供范例。</p><p>　　1.4 課題設計內容</p><p>　　本設計首先對總體的方案進行了選擇與論證；分析了實際控制對象仿真用于實驗平臺的控制器設計、控制對象設計以及計算機圖形化顯示；用于數(shù)據采集時，描述了系統(tǒng)構成及數(shù)據處理方法；本課題重點對平臺的硬件電路部分進行了設計，包

30、括模擬量輸入/輸出通道、開關量輸入/輸出通道、人機接口、通信模塊、電源等的設計；最后選擇電子鐘與儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)作為具體的控制對象，詳細分析了硬件接口設計、仿真算法，控制流程，計算機根據控制器和控制對象的數(shù)據，將控制對象的運動過程及物理規(guī)律以動畫的形式呈現(xiàn)。</p><p>　　1.5 課題設計的特色與優(yōu)勢</p><p>　　本課題設計的特色之處在于：調用不同的仿真對象軟件，虛擬控制對象

31、能夠接受控制器輸出的控制量，經仿真算法形成特定受控對象的響應，且將此種響應轉換為與指定的傳感器相一致的電信號輸出，回饋給控制器。控制器與控制對象和計算機連接，運行過程的參數(shù)可以在計算機顯示，參數(shù)可設置或修改；以這些數(shù)據為基礎，可以進行動畫演示。</p><p>　　本課題設計的優(yōu)勢之處在于：</p><p>　?。?）控制對象參數(shù)易于改變。如做溫度控制實驗時，常規(guī)加熱器的參數(shù)已由物理模型本

32、身確定，是難以改變的。而在加熱器的虛擬樣機中，加熱器的參數(shù)可在計算機界面上設置。又如，在電梯物理模型中，樓層的層高是不可能或者是不易改變的，而在電梯虛擬樣機中，層高是可以設置的。改變了控制對象的參數(shù)，在同一控制算法下，控制對象的響應就會發(fā)生變化，這有利加深對控制算法的理解。</p><p>　?。?）控制對象的響應以動畫、曲線、表格形式顯示，形式直觀，容易對比，容易得出對控制效果的整體認識和理解。采用物理模型則難

33、以形成控制對象的歷史響應，而虛擬樣機模型既可方便給出實時響應曲線，又方便地可給出歷史響應曲線。</p><p>　　（3）可方便地改變仿真時間比例尺，故可提高實驗效率、實驗質量。如進行含有溫度控制的實驗，往往需經歷數(shù)十分鐘以上的時間，溫度控制才能達到給定值。采用虛擬樣機控制對象，可通過調節(jié)時間比例，縮短實驗時間，通過改變控制器和控制對象的參數(shù)，獲得多個實驗結果。</p><p>　　2

34、通用控制平臺設計方案</p><p><b>　　2.1方案選擇</b></p><p>　　目前，控制裝置的研究主要遵循三種研究思路，一種是基于物理樣機或純硬件的實驗教學儀器，主要以東南大學、浙江天煌教儀和浙大工控等單位為代表；第二種是基于計算機軟件仿真的計算機教學系統(tǒng)，采用采用虛擬現(xiàn)實技術，主要是采用Matlab和Labview開發(fā)實驗裝置；第三種，就是硬件軟件結

35、合、具備控制對象仿真多功能實驗平臺的研制。綜合比較研發(fā)成本、安全性、操作性、易維護性、教學效果、科研用途等各方面，本課題選擇第三種方案作為最優(yōu)化選擇。</p><p>　　2.2 總體設計方案</p><p>　　本課題的設計目標是設計一套控制對象仿真通用平臺，該平臺通過一定的硬件和軟件設計，能夠進行控制對象仿真實驗。</p><p>　　2.2.1 用于控制對

36、象仿真的總體設計</p><p>　　平臺用作控制對象仿真時，需要硬件電路與計算機一起構成回路系統(tǒng)，硬件電路分為控制器和控制對象，分別虛擬工程場合的實際控制器和實際控制對象；計算機作為監(jiān)控主機，主要是用于數(shù)據通信和信息處理、軟件虛擬再現(xiàn)實際工作狀況等。方案框圖如圖2.1所示。</p><p>　　硬件電路的控制器能夠采集過程控制對象傳感器輸出的0V-10V模擬電壓量、4-20mA模擬電流量

37、和開關量，運行控制算法，計算出控制量，輸出電壓、電流、開關量等控制信號，用以控制被控對象的工作或運行狀態(tài)；控制對象運行反映某特定對象的仿真算法，輸出反映自身工作或運行狀態(tài)的模擬電壓量、模擬電流量或開關量。</p><p>　　根據計算機強大的數(shù)據計算功能、圖形顯示功能、多任務軟件運行功能以及數(shù)據通信和網絡通信功能，選擇計算機作為硬件下位機數(shù)據的處理中心，一些運算的中間結果和數(shù)據能夠在計算機軟件上顯示出來，這些數(shù)據

38、能夠保存到數(shù)據庫；控制對象的工作或運行狀況，能夠以動畫、曲線等形式顯示出來，從而生動的觀察到控制效果；計算機具有具有通用串行總線（USB）、串行口、網絡等通信方式，因此硬件下位機的數(shù)據可以方便傳輸?shù)接嬎銠C，通過計算機和一定總線連接形式，組成網絡，方便集中管理。</p><p>　　硬件下位機和計算機的通信，采用RS232總線、RS485總線或Internet進行，前兩種通信方式可以組網實驗，多臺計算機之間可以通過

39、網絡進行數(shù)據交換，硬件下位機之間也可以通過網絡進行相互間的數(shù)據通信。平臺實現(xiàn)Internet網絡接入實現(xiàn)遠程實驗仿真的的常見方法是通過以太網服務器，客戶端通過訪問服務器并發(fā)出控制命令從而達到對多臺計算機的控制功能[7]。</p><p>　　圖2.1 控制對象仿真方案框圖</p><p>　　用于數(shù)據采集的總體設計</p><p>　　平臺硬件用于多參數(shù)測量場合，

40、能夠采集儀器儀表輸出的標準模擬量、開關量、頻率量信號，控制器對接收的信號進行處理，然后輸出控制信號，測量平臺可以選擇多種通信方式對外通信；多個測量平臺可以組成測控網絡。方案框圖如圖2.2所示。</p><p>　　硬件平臺具有通用的信號轉換接口，能夠接收標準傳感器輸出的模擬電壓、模擬電流信號或其它類型電平信號，經過信號調理通道后，控制器能夠對信號采樣并處理。根據任務要求，平臺硬件運行相關的數(shù)據處理算法或控制算法，

41、通過一定的通信手段對外數(shù)據傳輸，控制端口能夠輸出控制信號對繼電器、報警器等外部設備進行驅動，完成測控任務。</p><p>　　硬件電路通信方式靈活、多樣，可以選擇有線或無線方式，以適應不同的傳輸需要。</p><p>　　由于硬件所具有的網絡工作能力，一臺或數(shù)臺設備可以聯(lián)合工作，需要通過一臺計算機來進行管理，主要是進行數(shù)據的接收、處理及顯示。另外，也可以通過手持終端向測控平臺發(fā)送命令，進

42、行數(shù)據讀取和接收，這樣可以滿足移動工作的需要。</p><p>　　圖2.2數(shù)據采集方案框圖</p><p>　　2.3 硬件電路設計方案</p><p>　　2.3.1 單片機選型</p><p>　　單片機選型主要考慮因素有：</p><p>　　1. 集成度高，資源豐富。隨著半導體集成技術的發(fā)展，片上系統(tǒng)成為集

43、成電路的主要解決方案，能夠在單個芯片上集成一個完整的系統(tǒng)。目前的片上系統(tǒng)單片機，包括中央處理器、存儲器、晶體振蕩器、外圍電路等全部集成于單個芯片上，很多功能都能夠具備，免去了用戶的開發(fā)設計工作，這樣就可以最大限度的滿足用戶需求。</p><p>　　2．處理速度。單片機的速度是指執(zhí)行指令的速度，它與所采用的晶振頻率有一定關系，一般來講晶振頻率越高執(zhí)行指令的速度越快。</p><p>　　3

44、．工作穩(wěn)定，性能良好?；谄舷到y(tǒng)的設計方案，現(xiàn)在的單片機普遍具有模擬信號、數(shù)字信號的混合信號處理功能，在這樣的情況下，保證做到模擬信號和數(shù)字信號的各自性能指標，既讓兩者相互獨立、又能很好的統(tǒng)一到一塊芯片上。</p><p>　　4．嵌入式開發(fā)方便?；趩纹瑱C的應用開發(fā)，該單片機應支持常用的匯編語言和C語言的程序設計語言；開發(fā)方式應該是在線式，提高開發(fā)速度和效率；開發(fā)對象主要是面向寄存器的操作；配套開發(fā)軟件應該功

45、能強大，同時簡便易學，方便使用。</p><p>　　另外，價格、兼容性、功耗、接口資源、售后服務、開發(fā)人員使用偏好等也是單片機選型的重要考慮因素。</p><p>　　在基于上述選型要點，選擇美國Cygnal公司的C8051F單片機作為本課題的平臺硬件核心和控制核心。該公司單片機型號眾多，各具體型號產品有一定的差異性，主要特點是資源豐富、性能好、高速處理、價格低、適合工業(yè)環(huán)境應用、混合信

46、號處理。根據設計的要求以及單片機自身特點，從C8051F家族中選擇C8051F020[8]、C8051F350[9]、C8051F340[10]這三個型號的單片機作為硬件平臺的核心。</p><p>　　C8051F020單片機主要資源為：模擬外設部分，有8路12位逐次比較型ADC（轉換速率可調，最大可達100ksps，放大器增益可調，最大倍數(shù)為16倍），2路12位DAC輸出，2個模擬比較器；數(shù)字外設部分，有64

47、個I/O端口，5個通用定時器，硬件SMBus(I2CTM兼容)、SPI及2個UART串口，還提供看門狗定時器和復位引腳；存儲器部分，含有4352字節(jié)內部數(shù)據RAM（4K+256），64K字節(jié)在系統(tǒng)編程FLASH存儲器和外部64K字節(jié)數(shù)據存儲器接口；時鐘源部分，具有內部2-16MHz可編程振蕩器和外部振蕩器（晶體、RC、C、或外部時鐘）。</p><p>　　C8051F350單片機主要資源為：模擬外設部分，8路2

48、4位ADC輸入（轉換速率可調，最高可達1 ksps，每一路均含有可編程增益放大器，最大放大倍數(shù)為128倍，可以內部偏移量或增益校準），2路8位電流輸出型DAC（輸出電流可調，最大輸出為2mA），一個可編程電壓比較器；數(shù)字外設部分，，提供UART、SMBus和增強型SPI串口，4個通用16位計數(shù)器/定時器，3個捕捉/比較模塊；存儲器部分，內部RAM 768字節(jié)（256+512），8KB在系統(tǒng)編程的；時鐘源部分，內部振蕩器頻率為24.5MH

49、z、精度±2%，外部振蕩器為晶體、RC、C、或外部時鐘，時鐘乘法器可產生50MHz內部時鐘。</p><p>　　C8051F340單片機主要資源為：模擬外設部分，21路10位ADC，2個比較器；數(shù)字外設部分，25個I/O端口，硬件增強型SPI、SMBus和2個增強型UART串口，4個通用16位計數(shù)器/定時器，16位可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA），有5個捕捉/比較模塊；USB2.0控制器，可工作于全

50、速(12Mbps)或低速(1.5Mbps)方式；存儲器部分，4352字節(jié)數(shù)據RAM，64K字節(jié) FLASH；時鐘源部分，0.25%的精度的內部振蕩器，外部振蕩器（晶體、RC、C、或外部時鐘）。</p><p>　　2.3.2 硬件電路設計要求</p><p>　　根據選型的三款單片機不同特點，將每個單片機進行外部功能擴展，從而組成三個不同的單片機系統(tǒng)。硬件平臺中他們的分工為：020單片機

51、用作主控制器，平臺的主要信號處理（模擬量信號采集與輸出、數(shù)字量信號采集與輸出、脈沖量信號采集等）、數(shù)據處理、數(shù)據顯示、數(shù)據存儲和數(shù)據通信等由它完成；350分擔一部分信號采集與處理，主要是實現(xiàn)信號的高精度采集；340用作通信中心，通過串行口擴展，可以方便地與其他設備進行通信兼容擴展，通過USB實現(xiàn)與計算的高速通信；340獲取020、350處理完成的數(shù)據，通過不同的通信方式將數(shù)據傳送給計算機或者其他終端設備。單片機之間的工作關系框圖2.3所

52、示。</p><p>　　圖2.3 硬件平臺單片機系統(tǒng)工作關系</p><p>　　為使所設計平臺完成控制對象仿真的任務，需要硬件上具備以下設計要求：</p><p>　　1．設計48路的開關量輸入通道。每個輸入通道具備完善的保護措施，在發(fā)生錯誤接線時（接入過大正電壓或負電壓）不至于損壞單片機或其他部分。該通道對輸入0~1V幅值范圍的信號理解為低電平，2.5V以上

53、的信號電平應被理解為高電平。輸入的高低電平可硬件通過發(fā)光二極管指示。</p><p>　　2．設計48路的開關量輸出通道。開關量輸出通道應具有一定的電壓驅動能力或電流輸出能力。當有開關量輸出高低電平時，可通過硬件方式發(fā)光二極管進行狀態(tài)指示。</p><p>　　3．設計16路模擬量輸入通道。每個輸入通道能實現(xiàn)對模擬量輸入信號的限幅、濾波調理，能對模擬輸入信號進行一定的放大與衰減，并且能夠實

54、現(xiàn)電壓信號或電流信號的輸入并轉化為單片機AD可以采集的電平范圍。輸入通道放大倍數(shù)可調，輸入的模擬信號可以是單端方式或差分方式，能夠對微弱信號進行放大及采集。</p><p>　　4．設計20路的模擬量輸出通道。輸出通道應能輸出-10V~10V范圍的的模擬電壓，-20mA~20mA范圍的模擬電流，輸出信號幅值可根據寫入的控制字的不同方便地調節(jié)，通過短路套連接可方便選擇電壓型或電流型模擬量信號輸出。輸出電壓信號時，應

55、為低阻輸出狀態(tài)，輸出電流信號時應為高阻輸出狀態(tài)。</p><p>　　5．通信方式可選，可以提供符合RS485通信規(guī)范的接口。</p><p>　　6．具有對單片機有限的串口資源進行擴展，具有至少6路串行接口。</p><p>　　7．具有鍵盤、顯示接口，可顯示漢字、引文字符，有圖片顯示功能，。</p><p>　　8．擴展外部非易失性數(shù)據存

56、儲器，至少64KB以上外擴空間。</p><p>　　9．上述資源應由一個單片機統(tǒng)一管理，以減少上位機的負擔。</p><p>　　10．易于與同類硬件平臺組網。</p><p><b>　　11．穩(wěn)壓電源。</b></p><p>　　硬件平臺系統(tǒng)組成模塊框圖如圖2.4所示。</p><p>　

57、　圖2.4 硬件平臺組成模塊框圖</p><p>　　2.4 控制對象實現(xiàn)過程</p><p>　　1．硬件平臺的設計。根據選擇C8051F單片機，分析其接口特性，采用模擬電子技術和數(shù)字電子技術以及單片機接口技術，進行單片機外圍電路的設計。利用電路仿真軟件Multisim對設計的硬件電路進行仿真，通過仿真或計算確定電路參數(shù)。利用Protel 99 SE軟件進行制作PCB板，然后在PCB上

58、焊接元器件并進行電路功能測試，從而完成整個硬件平臺的研制。</p><p>　　2．對象的數(shù)學模型的建立。根據控制對象運行規(guī)律及實際調試經驗，按照機理法來建立傳遞函數(shù)模型，然后盡量采用簡約化處理逐步逼近真實模型。對于無法運用機理法來建模的，可以采用系統(tǒng)辨識的方法( 一般采用最小二乘法)來建立相應的模型。</p><p>　　3．控制器控制算法。對于控制算法方面，根據控制對象的特點以及要完成

59、的控制任務，選用不同的控制算法。</p><p>　　4．控制器與控制對象下位機程序開發(fā)。由于Keil具有庫函數(shù)豐富和開發(fā)調試方便的特點，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性、可移植性等方面有明顯的優(yōu)勢，因此通過在Keil軟件開發(fā)平臺上對C8051F單片機進行C語言編程。</p><p>　　5．參數(shù)設定與顯示界面設計。選用計算機面向對象編程語言Visual Basic，計算機與下位機

60、通過RS232或RS485進行通信獲取數(shù)據，對數(shù)據進行解析并在對象框中顯示，一方面用于觀察下位機運行效果，另一方面用于提供給組態(tài)被控對象數(shù)據。</p><p>　　6．組態(tài)界面設計。利用組態(tài)王提供的圖庫以及開發(fā)菜單，可以對具體的控制對象進行虛擬設計。選用組態(tài)王6.5.1與Visual Basic數(shù)據交換，將虛擬控制對象的運行規(guī)律和控制規(guī)律，以動畫界面和各種曲線呈現(xiàn)。</p><p>　　3

61、 平臺硬件功能模塊設計</p><p>　　3.1模擬量輸入模塊</p><p>　　實際控制系統(tǒng)中，傳感器將生產過程的工藝參數(shù)轉換為直流輸出的電壓或電流信號，但由于傳感器輸出的信號一般比較微弱，需要將測量元件的輸出信號通過一定的變換，變成行業(yè)統(tǒng)一的0~10mA或4~20mA信號[11]。模擬量通道檢測變送器輸出的標準模擬信號，將其轉變成微控制器能處理的二進制數(shù)字信號。本平臺硬件部分所設

62、計的模擬量輸入模塊，可以將傳感器輸出的上述標準電流信號進行電壓轉換，也可以將標準0~10V電壓信號進行調理，然后送入單片機的ADC完成信號采集。</p><p>　　3.1.1主要技術指標</p><p>　　根據所選C8051F020和C8051F350各自特點，所所設計的模擬量輸入模塊主要技術指標為：</p><p>　?。?）設計16個模擬量輸入通道。其中02

63、0單片機有8個模擬量輸入通道，350單片機有8個模擬量輸入通道。</p><p>　?。?）可采集標準傳感器輸出的0mA~10mA或4mA~20mA電流信號，以及0V~10V電壓信號；</p><p>　?。?）所設計模擬量采集模塊既允許單端信號輸入，也可以對差分信號采集；</p><p>　　3.1.2 模擬量輸入模塊結構</p><p>

64、　　模擬量輸入模塊的結構如圖3.1所示。模擬量輸入模塊能夠對變送器輸出的標準電流信號轉換為電壓，可以對輸入的電壓進行放大或衰減，從而送入到單片機的AD進行轉化。為保證電路的可靠性，設計中采取了保護措施，主要是對放大器輸入端及輸出端的進行了保護，從而不至于信號輸入或輸出過大，損壞放大器或者單片機[12]。</p><p>　　圖3.1 模擬量輸入模塊電路組成結構</p><p>　　模擬量輸

65、入模塊，設計了兩種電路。一種是以OP07為放大器構成的單端信號采集電路，電路具有最大增益為32倍，主要用于控制對象仿真信號的處理；另一種是以AD620為放大器構成的差分信號采集電路，具有對輸入信號進行放大256倍，可對很微弱的信號進行采集。這兩種電路的基本結構基本與上圖類似。</p><p>　　3.1.3 單端模擬量信號采集電路設計</p><p><b>　　1．電路原理設計

66、</b></p><p>　　根據上述指標及思路設計的電路原理圖為：</p><p>　　圖3.2 單端模擬量信號輸入電路原理設計</p><p>　　4~20mA標準電流信號要轉換為電壓信號，才能夠使單片機AD能采集與處理。采用無源器件電阻來完成電流到電壓的轉換?？紤]到單片機AD最大輸入電壓為2.4V，因此選用的電阻值為</p><

67、;p>　　電壓變換電路采用滑動電阻器，利用其分壓特性達到將輸入電壓衰減到合適的值已輸入到運放。</p><p>　　由于平臺有多個集成運放共用同一直流電源，通過電源內阻的耦合有時會產生低頻震蕩。利用小容量電容對高頻信號形成低阻抗通路，在電源端連接小容量的瓷片電容C3、C5（0.1uF）起到高頻濾波的效果[13]。</p><p>　　為了濾除輸入信號中混入的高頻干擾，在放大器的輸入端

68、用R3、C1、R4、C2構成二階低通濾波器[12]，圖3.2所示電路的輸出電壓即單片機的輸入電壓為：</p><p><b>　?。?.1）</b></p><p>　　根據式（3.1），配置R6=31001Ω，R5=1KΩ，可實現(xiàn)對輸入信號放大32倍。</p><p>　　運放工作在閉環(huán)狀態(tài)時，容易因共模電壓超出運放承受的極限值而損壞[12]

69、，二極管、構成運放輸入端的防止共模電壓過大的保護電路，可保證加在輸入端的的電壓不超過±(12+0.7)V，在OP07輸入電壓±13.5V范圍[14]要求之內。在運放的輸出端，限流電阻和穩(wěn)壓管構成限幅輸出電路，既可以對OP07的輸出電流進行限制，也對OP07的輸出電壓幅值進行限制，從而對單片機的ADC輸入端進行了保護。IN60采用鍺二極管，保證V0端的負電壓不低于-0.3V；3.3V穩(wěn)壓管保證V0端的正電壓不超過3.3

70、V，滿足所選C8051單片機端口引腳極限參數(shù)要求。</p><p>　　精密電位器R7 用于對OP07的外調零，失調調節(jié)范圍±4mV。調零時將輸入端接地測試OP07放大器的輸出信號，調節(jié)電位器R7直到輸出端信號為零即可[13]。</p><p><b>　　2．電路的使用</b></p><p>　　電路在使用時，要明確輸入的信號類型

71、，以及信號的特性及大小。對于輸入4~20mA電流信號，只需將短路塊S1、S3短接即可；對于輸入信號是大電壓信號，需要將S2、S4短接，再調節(jié)滑動變阻器R2，將信號衰減到單片機能夠采樣的范圍之內；對于輸入的是標準0~2.4V范圍內的電壓信號，可以直接輸入到單片機的模擬量采集端。通過調整滑動變阻器，若信號電壓值在0~2.4V范圍內，此時需將S3、S5短接，信號放大1倍；若輸入端輸入的電壓或電流信號很微弱，這時還需要將短路套S5斷開，先將微弱

72、的電信號進行放大，然后輸入給單片機的ADC進行采樣。由于020單片機內部可編程增益最大可設定為16倍，可知單端模擬量輸入模塊最大放大倍數(shù)為32*16=512倍。</p><p>　　3.2 模擬量輸出模塊</p><p>　　模擬量輸出模塊是平臺實現(xiàn)控制信號輸出的關鍵，其任務是把控制器輸出的控制量轉換成模擬量的電壓或電流信號，以驅動相應執(zhí)行機構，實現(xiàn)控制任務[11]。本模塊由020單片機擴

73、展的模擬量輸出電路和350單片機自帶的電流源兩部分組成。</p><p>　　3.2.1主要技術指標</p><p>　?。?）采用多路DA擴展芯片，通過SPI總線擴展16路模擬量輸出通道，020單片機自帶2路DA輸出，350單片機自帶2路恒流源輸出。總共有20路模擬量輸出信號；</p><p>　?。?）輸出信號可以是-10~10V的模擬電壓，也可以是-20~20

74、mA的模擬電流，通過短路套方便選擇電壓型或電流型輸出。</p><p>　　3.2.2 模擬量輸出模塊結構</p><p>　　由于020單片機只有兩路模擬量輸出接口，根據多輸出通道的設計要求，需要利用控制器的總線對模擬量輸出接口進行多路輸出擴展。然后在輸出擴展接口上，進行模擬量輸出信號的調理，主要包括信號的放大與電壓信號輸出、電流信號輸出的轉換。另一種模擬量輸出形式是350單片機自帶的兩

75、路可調精密電流源輸出。電路組成結構如圖3.4所示。</p><p>　　圖3.3 模擬量輸出模塊電路組成結構</p><p>　　多路DA轉換器選用德州儀器公司的Tlv5630，電壓放大器選用OP07。</p><p>　　在TLV5630的16腳外接OP07放大器，構建反相比例運算電路，使參考端輸出-Vref電壓，用于數(shù)字量到模擬量輸出通道的參考電壓。</p

76、><p>　　3.2.3 模擬量輸出電路設計</p><p>　　1、調理電路原理設計</p><p>　　根據上述指標及思路設計的電路原理圖為：</p><p>　　圖3.4 模擬量輸出信號調理電路原理圖</p><p>　　假設OP07-1其輸出的值為，C8051F020單片機的DAC輸出或者TLV5630的輸出為，

77、則</p><p><b>　　(3.2)</b></p><p>　　式（3.2）中為C8051F020單片機參考電壓或者TLV5630的參考電壓，經過反相變換其值為-2.4V或者-2.048V。當=-2.4V時，要使的值處于-10-10V之間，可取參數(shù)為R2=7.5K，R1=15K，R4=62.5K；當=-2.048V時，要使的值同樣處于-10-10V之間，可取參

78、數(shù)為R2=7.5K，R1=15K，R4=73.25K；為了實現(xiàn)用低成本低精度的電阻構成高精度電阻，R4由三個不同大小的電阻構成。R3為匹配電阻，其值為</p><p><b>　　(3.3)</b></p><p>　　OP07-2、OP07-3及其外圍元件構成雙向電流源，其輸出電流為</p><p><b>　　(3.4)</

79、b></p><p>　　根據式（3.5），可得DA轉換器的輸出電壓計算公式為</p><p><b>　　(3.5)</b></p><p>　　以單片機的DAC0端輸出模擬量為例，簡介單片機或多路模擬量輸出芯片通過填充控制字，控制需要產生的輸出電壓或電流。將相關參數(shù)=-2.4V，R2=7.5K，R1=15K，R4=62.5K代入式（3

80、.5），可得以下算式：</p><p><b>　　(3.6)</b></p><p>　　若期望模擬量輸出模塊輸出電壓為-10V~10V之內的某個值，則代入上式計算出。由于020單片機或Tlv5630皆為12位DAC，因此往DAC數(shù)據寄存器裝填的數(shù)字量值為</p><p><b>　　(3.7)</b></p>

81、;<p>　　同樣，期望模擬量輸出模塊輸出電流為-20~20mA之內某個值，可以參照式（3.6）、（3.7）進行計算并更新DAC數(shù)據寄存器的值。</p><p>　　3.3 開關量輸入模塊</p><p>　　開關量輸入模塊作用是接收外部裝置或生產過程的狀態(tài)信號，信號以高低電平的形式被控制器采集。為了仿真諸如雙螺桿擠出機、電梯等的控制對象，由于020單片機開關量資源的限制，需

82、要外部擴展開關量的接口數(shù)。接口電路具有輸入信號調理能力，能夠對狀態(tài)信號進行轉換、濾波、隔離、保護等，再輸入到控制器端進行處理。</p><p>　　3.3.1主要技術指標</p><p>　?。?）設計48路開關量輸入通道；</p><p>　?。?）電路保護措施完善，對于輸入的大電壓或負電壓，電路能夠保單片機器不損壞；</p><p>　　

83、3.3.2 開關量輸入模塊結構</p><p>　　由于020單片機總共有64路開關量口，其中很多用于通信、使能控制接口等占用，需要外部擴展以滿足設計要求。主要是通過譯碼器和緩沖器構成多路開關量輸入，然后外部再接入輸入信號調理電路，就構成了整個開關量輸入模塊的結構。采用這樣設計就解決了020單片機開關量資源緊張的狀況。</p><p>　　圖3.5 開關量輸入模塊電路組成結構</p

84、><p>　　輸入信號緩沖器/鎖存器選用74HC373，地址譯碼器選用74HC138。</p><p>　　3.3.3 輸入信號調理電路的設計</p><p>　　所設計的開關量輸入信號調理電路如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 開關量輸入信號調理電路</p><p>　　根據C8051F020單片機I/O口的

85、電氣特性知，輸入到單片機的高電平最小為0.7*VDD，低電平最小為0.3*VDD，單片機才能分辨出高低電平的。對于設計的電路，當外部開關量輸入信號大于2.5V時，單片機將其理解為高電平；超過5V，則通過二穩(wěn)壓二極管作用，將信號電平穩(wěn)定在2.369V，統(tǒng)統(tǒng)理解為高電平；低于1V時，單片機將其理解為低電平。電阻R和電容C構成一階積分電路，用于清除由于觸點的機械抖動而產生的振蕩信號，一般要求有較長的時間常數(shù)。用于泄放掉電容C1上殘存的電荷。&

86、lt;/p><p>　　3.3.4多路開關量輸入信號擴展電路的設計</p><p>　　74HC373[15-16]是8位數(shù)據鎖存器，常應用在地址鎖存及輸出口的擴展中。其工作原理：74HC373的鎖存信號輸出端Q0~Q7直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端為低電平時，Q0~Q7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當為高電平時，Q0~Q7呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯

87、操作不受影響。當鎖存允許端LE為高電平時，Q隨數(shù)據D而變。當LE為低電平時，Q被鎖存在已建立的數(shù)據電平。根據數(shù)據手冊，在5V供電且處于常溫工作時，其高電平為4V左右，低電平最高位為0.26V。根據前述所設計的開關量信號調理電路，高電平經過3.3V穩(wěn)壓二極管處理，因此74HC373可以與單片機直接接口。</p><p>　　74HC138[17]是一款高速CMOS器件，是一種反相輸出型譯碼器。其工作原理：可接受3位

88、二進制地址輸入（A2, A1和A0），使能控制端時，提供8個互斥的低有效輸出（至）。74HC138特有3個使能輸入端：兩個低有效和一個高有效。除非、置低且E3置高，否則74HC138將保持所有輸出為高。利用這種復合使能特性，僅需1片74HC138芯片和6片74HC373即可擴展48路開關量輸入通道。</p><p>　　74HC373的數(shù)據8個輸出端共用一個字節(jié)寬的IO口，單片機可以編程為只對某一位開關量的讀入，

89、也可以面向字節(jié)的讀入數(shù)據。74HC138的輸出控制74HC373的使能端，每次只允許一片74HC373處于工作狀態(tài)。原理圖如圖3.7所示。 </p><p>　　圖3.7 48路開關量信號的輸入電路原理設計</p><p>　　3.4 開關量輸出模塊</p><p>　　開關量輸出模塊的作用是控制器運行控制算法，需要對控制對象施加作用，通過開關量信號輸出驅動繼電

90、器，從而達到控制目的，也可用于對控制對象輸出狀態(tài)的指示。</p><p>　　3.4.1 主要技術要求</p><p>　?。?）設計48路開關量輸出通道；</p><p>　?。?）開關量輸出的高低電平信號可通過發(fā)光二極管指示。</p><p>　　3.4.2 開關量輸出模塊結構</p><p>　　開關量輸出模塊需

91、要在020單片機控制下，采用譯碼器和緩沖器，擴展構成多路信號輸出，輸出信號經過調理電路進行處理，就構成了整個開關量輸出模塊的結構。采用譯碼器和緩沖器擴展輸出，可以多個IO口復用，這樣就減輕了020單片機開關量資源緊張的狀況。</p><p>　　3.8 48路開關量信號的輸入電路原理設計</p><p>　　輸入信號緩沖器/鎖存器選用74HC373，地址譯碼器選用74HC138，輸出驅動

92、器選用ULN2003。</p><p>　　3.4.3 輸出信號調理電路的設計</p><p>　　所設計的開關量輸出信號調理電路如圖所示</p><p>　　圖3.9 開關量輸出信號調理電路</p><p>　　由上圖可知，b點與c點連接在一起，因此Ueb =Uec ，從而使T0工作在放大狀態(tài)。兩個三極管之間的電壓很小可以忽略不計，因此兩

93、個三極管的基極與發(fā)射極之間電壓相等。從而兩個三極管的基極電流相等，且放大倍數(shù)相同，可知兩個三極管的集電極電流相等。</p><p>　　3.4.4多路開關量輸出信號擴展電路的設計</p><p>　　ULN2003共有16引腳，其中有7個脈沖信號輸入端，7個脈沖信號輸出端，1個接地端和1個公共端。采用74HC138譯碼器、74HC373鎖存器和ULN2003輸出驅動器設計的多路開關量擴展電

94、路如圖3.10所示。要設計48路開關量輸出，需要用到1片74HC238，6片74HC573和7片ULN2003。</p><p>　　圖3.10 48路開關量信號的輸出電路原理設計</p><p>　　3.5 人機接口模塊</p><p>　　為了將單片機處理或控制的數(shù)據顯示出來，以及設置初試參數(shù)或操作命令，需要設計人機接口。本平臺根據不同的出發(fā)點設計了兩套人機接

95、口，一種是基于經濟和基本顯示設置功能的角度，采用傳統(tǒng)的矩陣鍵盤加液晶顯示器的方式實現(xiàn)；另一種是基于簡便、高效能的原則，采用最近幾年發(fā)展起來的觸摸屏的方式來完成。</p><p>　　3.5.1 矩陣鍵盤+液晶顯示器電路設計</p><p>　　矩陣鍵盤按鍵識別有兩種方法，行掃描法和線反轉法，相應的硬件電路的設計稍有不同[18]。相比行掃描法，線反轉法識別按鍵速度快，安全性好，程序設計簡便，

96、容易解決重鍵問題，且適合于按鍵數(shù)目較多的鍵盤電路。但在硬件單路的設計上，線反轉法需要行線和列線都要有上拉電阻路，而行掃描法只需要列線有上拉即可。采用線反轉法設計的4×4鍵盤如圖3.11所示。</p><p>　　圖3.11 單片機與4×4鍵盤接口電路</p><p>　　圖形點陣式液晶顯示模塊具有成本低、功耗低、尺寸小、壽命長、可顯示各種圖像與文本信息等優(yōu)點，廣泛應用

97、于儀器儀表、移動通訊及家用電器等顯示場合。OCM4X8C[19]是具有串行/并行接口、內部含有GB2312簡體中文字庫的液晶顯示模塊。該顯示模塊的主要特點為：顯示屏為128*64點陣，可顯示4行數(shù)據，每行8個漢字或16個字符。該模塊具有2Mb的中文字型CGROM，內部含有8192個16*16中文字庫；還有16Kb的16*8點陣的ASCII字符庫，用于顯示英文或其他字符；提供了一個64*256點陣的GDRAM繪圖區(qū)域，方便用戶根據需要構造

98、圖形；具有4組16*16點陣造字空間，用戶用來構造字形。利用上述功能，OCM4X8C可實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形、自造字體的同屏顯示。模塊提供了4位并行、8位并行、兩線串行、三線串行等多種接口方式以方便和單片機等微處理的連接。</p><p>　　設計的OCM4X8C與單片機的接口電路如圖3.12所示。該模塊采用5V直流電源供電。為了節(jié)約單片機的端口資源，設計的單片機與OCM4X8C接口采用兩線串行方式交換

99、數(shù)據。因此需要將RS(數(shù)據/指令選擇)端接高電平和PSB(串行/并行模式選擇)端接地實現(xiàn)串行操作，而并行的端口DB0-DB7則未用；單片機與OCM4X8C進行數(shù)據傳輸通過SIO(串行輸入輸出)和SCLK(串行時鐘)兩個引腳實現(xiàn)；LEDA（背光源正極）接5V電源，LEDK（背光源負極）接地。</p><p>　　圖3.12 單片機與顯示模塊OCM4X8C的接口電路</p><p>　　3.

100、5.2 觸摸屏接口電路設計</p><p>　　觸摸屏具有堅固耐用、反應速度快、節(jié)省空間、便于人機交流等許多優(yōu)點，在工業(yè)控制、家電、醫(yī)療儀器、個人智能終端等領域有廣泛的應用。綜合考慮適用場合、色彩指標、分辨率指標、尺寸、價格、功能等要素，選擇5.0英寸、640*480圖形點陣的產品DMG80480S050_01WT。該產品內部具有集成的標準字庫，主要為ASCII、(12×12，16×16)點陣

101、GBK、(24×24，32×32)點陣GB2312；可以根據需要安裝其他的字庫，比如GBK(簡體)、BIG5(繁體)、SJIS(日文)、UNICODE文本編碼標準，支持用戶自行設計字庫。操作模式可選，可以直接接收觸摸屏的位置坐標值，也可以直接接收觸摸屏的觸摸鍵值。硬件軟件開發(fā)簡單，硬件連接可通過TTL或CMOS電平工作，也可以通過RS232電平接口，波特率可達921600bps，最高的達6.25Mbps，部分終端支持

102、USB下載圖片功能；軟件開發(fā)只需要根據指令表和指令集，根據不同的控制或顯示任務需求，通過串口發(fā)送命令即可。</p><p>　　選型的觸摸屏模塊對外提供8個引腳，當需要用到觸摸屏操作，只需要引出8條線連接并編制相應程序即可。VCC為供電電源端，接12V直流穩(wěn)壓電壓。BUSY端為輸出端，指示串口緩沖區(qū)滿，使用BUSY信號判忙可以避免傳送指令時丟失數(shù)據幀；DOUT端為串口輸出，DIN為串口輸入，GND為公共地。設計的

103、觸摸屏模塊與RS232接口電路圖如圖3.13所示。</p><p>　　圖3.13 平臺與觸摸屏顯示模塊接口電路</p><p>　　3.6 RS-485通信模塊</p><p>　　RS-485總線是一種多點差分數(shù)據傳輸?shù)碾姎庖?guī)范，這種通信接口允許在一對雙絞線上進行多點雙向通信。它的最大通信距離可達1200米，數(shù)據傳輸速率最大可到10Mbps，還具有很強的噪聲抑

104、制能力及可靠性。因此，許多領域都采用RS-485作為數(shù)據傳輸鏈路，如汽車電子、智能樓宇等可經常見到具有RS-485 接口電路的設備。這種總線得到廣泛接受的另外一個重要原因是它的通用性。RS-485標準只對接口的電氣特性做出了規(guī)定，而沒有涉及接插件電纜或協(xié)議。因此用戶可以在此基礎上建立自己的高層通信協(xié)議，如MODBUS協(xié)議。</p><p>　　MAX485[20]接口芯片是Maxim公司的生產一種RS-485芯片

105、。該芯片采用+5 V單一電源工作，額定電流300 μA，半雙工通訊方式。它具有將TTL電平轉換為RS-485電平的功能。MAX485芯片的結構和引腳都非常簡單，內部含有一個接收器和驅動器。其中，RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動器的輸入端，分別與單片機的RXD和TXD相連即可；/RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當/RE=0時，器件處于接收狀態(tài)；當DE=1時，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因為MAX485工作在半雙工狀態(tài)，因此只需用單片機的一

106、個管腳即可控制這兩個引腳；A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平信號高于B引腳時，代表發(fā)送的數(shù)據是1；當A端的電平信號低于B端時，代表發(fā)送的數(shù)據是0。</p><p>　　采用兩片MAX485芯片設計兩路RS485通信電路，MAX485的通信控制端及串口端與340單片機連接，設計原理圖如圖3.14所示。</p><p>　　圖3.14 RS-485通信電路原理圖</

107、p><p>　　為消除由于阻抗不連續(xù)而產生的信號反射效應，采用終端電阻方法進行終端匹配，選取終端電阻120Ω。在RS485組成的工作網絡中，匹配電阻一般要消耗較大功率，這對于功耗限制比較嚴格的系統(tǒng)不太適合。故而在MAX485差分信號輸出端另外加上短路套，在較近距離通信且要求降低系統(tǒng)功耗情況下，末端可以不用連接終端電阻，將短路套S1或S2斷開即可。</p><p>　　3.7 供電電源模塊<

108、;/p><p>　　硬件平臺供電電源部分設計思路為：首先，選用開關電源，將市電轉化為質量較高的直流電源給硬件平臺供電；然后，根據平臺各模塊不同用電需要，采用集成穩(wěn)壓器產生不同的電源。由于有的集成運放需要±12V供電，所以選用應該能夠輸出至少±15的開關電源。硬件平臺的電源模塊，大體可分為模擬電路供電電源和數(shù)字電路供電電源兩大部分。模擬電路供電電源主要為模擬量信號模塊的集成運放±12V電源