实时控制系统设计

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1、第1章实时控制系统设计1.1微机测控系统设计一、实验目的1.了解实时控制系统的构成。2.学会较复杂的实时系统的设计。二、实验设备微机一台、实验用的传感器和集成电路以及导线若干。三.实验内容及步骤实验要求设计一个微机测控系统,要求如下。1.测量对象:温度、压力、流量等共4路非电路参量(要求以一定周期巡回检测)。2.控制对象:温度(要求控制范围为0~200℃,温度控制精度为±2℃)。3.对各参数的测量值实时显示。4.当温度参数超限并失调时,能声音报警。5.操作员能在运行过程中通过人机对话修改温度设定目标值。7.测量的各参数中,除温度用作控制外,其余只用作监视系统运行,对测量精度可不予考虑或自定

2、。鉴于上述给定的设计任务和要求,按以下步骤来进行系统设计。根据任务要求,设计系统功能结构。根据设计要求,本微机测控系统除对温度要进行闭环控制外,对其余3个参量只作巡回检测,对各个参数要能实时显示和故障报警。因此,系统的功能结构可用图5.1表示。其中微型控制器作为整个系统的控制核心,除了完成对A/D通道、D/A通道和键盘、显示、报警等外部过程与设备的控制任务外,还要完成对采样数据的数字滤波、非线性校正、标度变换和温度控制算法的实现等数据处理任务。图1.1微型控制器测控系统的总体功能结构框图根据系统功能结构,选择主体芯片和相关元器件,设计系统组织结构(即物理结构)。从功能结构图可知,实现本测控

3、系统的主体功能单元是由模拟多路开关、A/D转换器、D/A转换器等模块组成的。由于4个参量中,只有温度有测量和控制精度的要求,因此,可以只以它作为选择ADC、DAC的出发点。由温度控制的范围(0~200℃)和精度(20)要求,可确定选取8位分辨率的ADC和DAC。ADC0809芯片不仅内含了8位ADC,而且内含了8选1模拟多路开关(AMUX),是一个很好的8位数据采集系统,所以可选ADC0809作为A/D通道主体芯片;同理,DAC0832不仅内含了8位DAC,而且内含了两级数据缓存器,有利于简化接口设计,故可选DAC0832作为D/A通道主体芯片。为了保证参量检测,特别是温度控制的实时性和巡

4、回采集周期性,最好采用定时中断的方法来启动每个周期的检测,为此可选定时计数器,由它来产生所需频率的时钟,作为ADC0809的时钟输人。至于定时中断的时间间隔,则取决于温度控制的周期。控制周期最短不能少于以下几部分时间之和:(1)对4路参量顺序采集一遍的时间Tc。(2)对4路参量采集值进行数据处理的时间Tt。(3)按照控制算法形式控制信号,并输出对执行机构施效的时间Ts。鉴于温度属大惯性参量,上述几部分时间之和远小于温度对控制的响应时间,因此,没有必要作精确的计算,只需根据经验选择控制周期,本系统取控制周期即定时中断的时间间隔为1~2s。选定了主体芯片后,便可以选择与这几种主体芯片相关的其他

5、芯片和元器件。例如,选用运算放大器747将D/A转换后的电流信号转换为电压信号;选用固态继电器(内含光耦电路和双向可控硅及触发控制电路等)作为对温度调节机构(加热/降温设备)的驱动电路;选取合适的传感器和变送器将温度、压力、流量等非电量变换为满足A/D转换器输人所需要的电压信号;选取74LS138作为向系统中各I/O接口提供端口地址的地址译码器等等。其中关于传感器及变送器的选取,要特别说明几点。(1)为了避免失灵区和非线性对传感精度的影响,在选传感器量程时,对惯量较大的参量,如温度、流量等传感器,应保证正常变化范围在10%~90%中程内;对惯性小的参量,如电流、压力等传感器,其使用下限值仍

6、可按量程的10%考虑,上限量程考虑到冲击宜取正常上限值的l.5倍左右(有时还有附加限值措施)。(2)传感器的分辨率和精度的取值一般要比系统控制精度高一个数量级,以弥补后级各种系统干扰带来的误差。例如本系统温控要求的控制精度是1%(20/200℃=1%),则温度传感器的分辨率和精度起码要取到0.1%。(3)各种参数传感器后面的变送器主要是解决传感器输出与A/D转换器输入之间的匹配问题,保证送到A/D转换器输入端的模拟量形式(单/双极性、电压/电流形式)及量程符合A/D转换器模拟接口的规范。综上所述,可以得到本系统的组织机构(物理结构)如图1.2所示。根据系统组织结构,设计I/O接口硬件电路。

7、图1.2微机测控系统的组织结构图实验步骤:本测控系统主要包括以下几部分I/O接口硬件电路的设计。1.ADC0809的接口电路设计ADC0809与PC系列微机总线的接口方法有多种,可以通过可编程并行接口(如8255)与总线相连,也可以通过常规TTL/MOS芯片组成的接口与总线相连;可以是中断式接口,也可以是查询式接口或其他同步方式接口;以8个模拟输入通道的选择可用3根数据线来控制,也可用3位地址来控制;对A/D转换的启动控

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