电机网络控制系统实验平台的设计与实现12.docx

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电机网络控制系统实验平台的设计与实现12

毕业设计（论文）

题目

电机网络控制系统实验平台的设计与实现

系（院）

物理与电子科学系

专业

电子信息科学与技术

班级

09跨校电信

学生姓名

殷熔煌

学号

2009030077

指导教师

高坤

职称

讲师

二〇一一年六月十八日

独创声明

本人郑重声明：

所呈交的毕业设计（论文），是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律后果由本人承担。

作者签名:

二〇一一年六月十八日

毕业设计（论文）使用授权声明

本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。

本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。

（保密论文在解密后遵守此规定）

作者签名:

二〇一一年六月十八

电机网络控制系统实验平台的设计与实现

摘要

基于网络化的控制系统（NetworkedControlSystem,NCS）是指：

通过网络相连接的具有反馈的闭环控制系统的环路，是指控制系统中的各个部件（控制器、传感器、执行器、被控对象）通过数据通信网络（局域网或INTERNET等）完成信息的交换.NCS的优点在于可以减少系统连线,简化系统的诊断和维护,增强系统设计和规模扩展的灵活性.随着网络技术逐渐被应用于家庭、办公、工业制造等各个领域,基于网络的控制技术将具有广阔的应用前景。

随着自动化技术的迅速发展，关于网络控制技术的研究也越来越受人关注，本设计就是在这样的背景下提出的。

设计者拟在现有电机网络控制系统的基础上，以A191RM9200微处理器为核心，以ATmega128系列单片机，8MB的Flash和32MB的SDRAM存储器，对以太网接口、串行接口等外围通信设备以及输入输出接口进行扩展，根据处理器和芯片的要求来设计硬件电路及其软件程序。

该设计可实现对电机的运行进行实时控制，控制可靠、灵活、精度高，可满足对系统的各项要求。

关键词：

网络控制；电机；A191RM9200微处理器

MotorControlSystemNetworkDesignandImplementationofExperimentalPlatform

Abstract

WhatNetworkedControlSystemreferstoisthat:

afeedbackloopwithclosedloopcontrolsystemisconnectedbynetwork,toputitinsomewhatdifferentwords,theinformationexchangethroughpartsoftheNetworkedControlSystem（suchassensor、controller、actuatorandcontrolledplant）isaccomplishedthroughdatacommunicationnetwork（suchastheLANandINTERNET）.TheadvantagesofNCSfocusonreducingsystermconnection，simplifyingthediagnosisandmaintenance,enhancingtheflexibilityofScalabilitryandreinforcingthedesignofthesysterm.

Alongwiththerapiddevelopmentoftheautomationtechnology,Networkcontroltechnologyresearchisgrowingconcern,thedesignisputforwardinthiscontext.Designersinexistingelectricalnetworkcontrolsystemonthebasisof,microprocessorcorewithA191RM9200,TheATmega128MCU,8MBofFlashand32MBofSDRAMmemory,ethernetinterface,serialinterfaceandotherperipheralcommunicationsequipmentandexpansionofinputandoutputinterfaces,accordingtotherequirementsoftheprocessorandchiphardwareandsoftwaredesign.

朗读

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字典

Thedesigncanberealizedinreal-timeoperationofmotorcontrol,reliable,flexible,highprecision,canmeettherequirementsofthesystem.

Keyword：

NetworkControl；Motor；A191RM9200microprocessor

目录

引言1

第一章 电机的网络控制概述2

1.1电机采用网络控制的意义和作用2

1.2网络在电机控制系统中实现的主要功能3

1.3电机系统采用网络控制的优越性3

第二章系统硬件设计4

2.1主机硬件系统4

2.1.1主机硬件系统的结构图4

2.1.2AT91RM9200处理器4

2.1.3晶振电路5

2.1.4存储器6

2.1.5网络端口7

2.1.6串行接口8

2.2从机硬件设计8

2.2.1Atmega128单片机8

2.2.2系统控制和复位9

2.2.3I/O接口9

2.2.4SPI串行外设接口9

2.2.516位定时器/计时器9

第三章系统软件设计10

3.1软件抗干扰技术10

3.2“看门狗”技术10

3.2.1基本原理11

3.2.2参数选择11

3.2.3几个原则11

3.3主机通信流程12

第四章系统调试14

结论15

谢辞17

附件18

引言

随着网络化技术的发展，网络正在逐渐集成全世界的通信系统、计算机系统，形成信息高速公路。

以此为基础，传统的工业控制领域正在经历一场空前的变革，开始向网络化方向发展，形成了新的控制网络。

基于网络化的控制系统（NetworkedControlSystem,NCS）是指：

通过网络相连接的具有反馈的闭环控制系统的环路，是指控制系统中的各个部件（控制器、传感器、执行器、被控对象）通过数据通信网络（局域网或INTERNET等）完成信息的交换.NCS的优点在于可以减少系统连线,简化系统的诊断和维护,增强系统设计和规模扩展的灵活性。

随着网络技术逐渐被应用于家庭、办公、工业制造等各个领域,基于网络的控制技术将具有广阔的应用前景。

目前，美国、瑞典、德国等国家已经对NCS进行了广泛的研究，在理论和实践方面取得了一些成果，而我国在这方面的研究刚刚起步。

电机控制技术是一项以电机作为机械本体，融入了电力电子技术、微电子技术、危机控制技术和传感器技术的多学科交叉机电一体化技术。

微型计算机在电机控制中的应用调速系统具有了数值运算、逻辑判断及信息处理的功能，使变流装置新的变换方法、调速系统采用新的控制策略、高精度的静态特性及高速度的动态响应等得以实现。

可以说，新型自关断器件和网络数字控制技术的应用使得电机网络控制技术步入了高性能、智能化新阶段。

将先进的计算技术和电子技术与各个行业的具体应用以及与网络技术相结合己经成为未来嵌入式系统的发展趋势。

实现电机的自动化控制并保持电机的正确高效运行已经成为研究的新主题。

第一章 电机的网络控制概述

1.1电机采用网络控制的意义和作用

电机控制系统一般是由电机本体、电力电子变流装置、传感元件和控制单元构成。

控制单元实施的控制方式有模拟控制和数字控制两类。

从20世纪80年代起，网络技术得到飞速发展，微处理器、单片微机的运行速度加快、运算精度提高、处理能力增强、功能更加丰富、结构更为简单、可靠性越来越高，已有足够能力满足实时性很强的电机控制要求。

采用网络的电机控制系统框图如图1.1所示。

图1.1网络控制的电机控制系统框图

系统中，电机是被控对象，网络起控制作用，对给定、反馈等输入进行加工，按照选定的控制规律形成控制指令，输出数字控制信号。

输出的数字量信号有的经放大后可直接驱动诸如变流装置的数字脉冲触发部件，有的则要经D/A转换编程模拟量，再经放大后对电机有关量进行调节控制。

系统采用闭环控制时，反馈量由传感器检测。

若传感器输出的是模拟量，则需经采样、保持处理后再经A/D变换成数字量送入电脑；若传感器输出的是数字量，则可经整形、光耦隔离处理后直接送入电脑。

电机运行的给定控制参数和运行指令可以通过键盘、拨盘、按钮等输入设备送入，电机运行的数据可通过显示、打印等输出设备得到及时反映。

1.2网络在电机控制系统中实现的主要功能

（1）逻辑控制功能

可以代替模拟、数字电子线路和继电控制电路实现逻辑控制，且其逻辑判断、记忆功能很强，控制灵活迅速，工作准确可靠。

（2）运算、调节和控制功能

可以利用软件实现各种控制规律，特别是较复杂的控制规律。

这些高效能控制离开网络的实时在线运算和控制是无法实现的。

（3）自动保护功能

可以对电源的瞬时停电、失压、过载，电机系统的过流、过压、过载，功率半导体器件的过热和工作状态进行保护和干预，使之安全运行。

（4）故障监测和实时诊断功能

可以实现开机自诊断、在线诊断和离线诊断。

控制系统采用网络故障诊断技术后有效的提高了整个系统的运行可靠性。

1.3电机系统采用网络控制的优越性

（1）容易获得高精度的稳态调速性能

（2）可获得优化的控制质量

（3）能方便灵活的实现多种控制策略

（4）提高系统工作的可靠性

当然，由于数字控制一般由一个CPU来实现，具有串行工作的特点，相比模拟控制中的多个模拟器件并行工作方式，数字控制的确存在一个运算速度问题，这需要通过选用告诉运算微机或采用多微机并行处理工作方式来解决。

第二章系统硬件设计

2.1主机硬件系统

2.1.1主机硬件系统的结构图

主机硬件系统的结构图如图2.1所示。

图2.1主机硬件系统结构图

2.1.2AT91RM9200处理器

AT91RM9200是完全围绕ARM920TARMThumb处理器构建的系统。

它有丰富的系统和应用外设及标准的接口，人为低能耗，低成本，高性能的计算机宽范围应用提供一个单片解决方案。

AT91RM9200包括SRAM工作区（高速片上）及低等待时间的外部总线接口（EBI），来完成要求的内部存储器映射外设配置和片外存储器的无缝连接。

外部总线接口有同步DRAM（SDRAM）,BurstFlash以及静态存储器的控制器，并设计专用电路方便了与SmartMedia，CompactFlash以及NANDFlash的连接。

高级中断控制器（AIC）通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输时间提高ARM920T处理器的中断处理性能。

外设数据控制器（PDC）向所有的串行外设提供DAM通道，使其与片内或片外存储器传输数据时不用经过处理器。

这就减少了传输连续数据流是处理器的开销。

包含双指针PDC控制器极大简化了AT91RM9200的缓冲器链接。

并行I/O（PIO）控制器与作为通用数据的I/O复用外设输入/输出口线，以最大程度上适应器件的配置。

每条口线上包含有一个输入变化中断，开漏能力及可编程上拉电阻。

电源管理控制器（PMC）通过软件控制来有选择的使能/禁用处理器及各种外设来使系统的功耗保持最低。

它用一个增强的时钟产生器来提供包括慢时钟（32Hz）在内的选定时钟信号，以随时优化功能与性能。

AT91RM9200是基于ARM920T核的高性能，低功耗16／32位RISC微处理器，它的最高主频为180MHz，双向、32位的外部数据总线支持的数据宽度为8、16、32位，26位的地址总线能对最大64MB空间寻址，是系统的工作、控制中心。

2.1.3晶振电路　

晶振在电气上可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低将其划分为较低的频率和较高的频率。

串联谐振为较低的频率，并联谐振为较高的频率。

由于晶体自身的特性，这两个频率之间的距离非常的接近，介于这个极窄的频率范围，晶振可以等效为电感，所以并联谐振电路就是在晶振的两端并联上合适的电容。

而正弦波振荡电路就是上述的并联谐振电路加到一个负反馈电路中构成的。

但是由于等效的电感的频率范围很窄，所以这个振荡器的频率也不会由于其他元件很大的参数变化而引起很大的变化。

晶振的负载电容值（mbtnama）是一个很重要的参数，为了得到晶振标称的谐振频率可以选择与负载的电容数值相等的并联电容。

一般的晶振电路是在一个反相放大器的两端接入晶振，再在晶振的两端分别接入一个电容，最后把每个电容的接地，这两个电容串联的容量值与负载电容的容量值就应该相等，不容忽略的是一般IC引脚都有等效的输入电容。

一般晶振的负载电容值为15p或12.5p，如果要考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p电容构成的振荡电路就是比较好的选择。

如图2.2所示，该晶振电路用以向AT91RM9200以及其它需要时钟的外设电路提供工作时钟。

该系统使用了无源晶体振荡器X1和X2作为本设计的主振荡器和慢时钟振荡器，其中X2晶振为系统提供慢时钟，18MHz的晶振通过倍频给系统提供180MHz的主机时钟。

图2.2晶振电路

2.1.4存储器

存储器模块包括Flash存储器和SRAM存储器两个部分。

Flash存储器

闪存是一种不挥发性内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

Flash存储器常用于存放引导程序，嵌入式操作系统，用户应用程序和重要的数据等，即使断电程序和数据也不会丢失。

SRAM存储器

SRAM存储器即静态RAM，它由晶体管组成。

接通代表1，断开代表0，并且状态会保持到接受了一个改变信号为止。

这些晶体管不需要刷新，但停电或断电时，它们同DRAM一样会丢掉信息。

SRAM的速度非常快，通常以20ns或更快的速度工作。

SRAM一般由五大部分组成，即存储单元阵列、地址译码器、灵敏放火器、控制电路和缓冲/驱动电路。

本次设计中采用了28F640J3A，该存储器的存储容量为8MB，它的工作电压为2.7V~3.6V，采用了48引脚TSOP封装和16位数据宽度。

并使用了数据宽度为16位的2片SDRAM并行运行作为32位数据宽度的SDRAM模块，如图2.3所示。

图2.3SDRAM存储器系统框图

本次设计使用HY57V651620BTC的SDRAM电路，它的工作电压为3.3V，单片存储容量为4组x16Mb，54引脚的TSOP封装，和LVTTL电平接口兼容，并且支持自动刷新。

2.1.5网络端口

 本设计采用DM9161作为以太网的物理层接口。

通过这个接口可以控制很多物理层的设备，从而得到状态及错误信息，并且可以确定PHY设备的工作方式以及功能。

将DM9161的REF_CLK端接至50MHz晶振的输出端；DM9161的TXD1，TXD2，RXD1，TXEN，BXD2端接至AT9lRM9200的ETXO，ETXI，ERXO，ETXEN，ERXI端；DM9161的EXESEN，PWRDWN，COL端通过10kΩ电阻接高电平；BGRESG，BGRES之间接6．8kΩ的电阻；将DM9161的RXEXDV，RXER，RESET，MDC，MDIO端接至AT9lRM9200的ECRS，ERXER，NRST，EMDIO均连接发光二极管，DM9161的TX+，TX-，RX+，EMDC，FDX，SPEED，LINKRX连接网络隔离变压器。

2.1.6串行接口 

用于AT9lRM9200系统短距离双向串行通信。

使用了SP3232E的电平转换电路。

该系统包含了1个UART接口，它作为两线调试串口连接到超级终端来观察AT91RM9200的启动，从而完成同PC的通信调试。

其原理图如图2.4所示。

图2.4串行接口电路

2.2从机硬件的设计

2.2.1ATmega128单片机 

AVR单片机是增强型RISC内载Flash的单片机，128K字节的系统内可编程Flash、4K字节的SRAM、4K字节的EEPROM、32个通用工作寄存器、53个通用I／O口线、实时时钟RTC、4个灵活的具有比较模式和PWM功能的定时器／计数器（T／C）、2个USART、面向字节的两线接口TWI、8通道10位ADC（具有可选的可编程增益）、具有片内振荡器的可编程看门狗定时器、SPI串行端口、与IEEEll49．1规范兼容的JTAG测试接口，以及6种能够通过软件来选择的省电模式。

2.2.2系统控制和复位 

复位时所有I／O寄存器都被设置为初始值，程序从复位向量开始执行。

复位向量处的指令必须是绝对跳转JMP指令，使得程序能够跳转到复位处理例程。

如果程序一直不使能中断，则用一般的程序代码覆盖中断向量。

复位逻辑的电路图见附件。

复位源生效时I／O端口立即复位为初始值，不需要任何时钟的辅助。

当所有的复位信号消失之后，延迟计数器被激活，从而延长了内部复位，并使得在MCU正常工作之前电源达到稳定的电平。

延迟计数器的溢出时间通过熔丝位CKSEL由用户设定。

2.2.3I／O端口 

作为通用数字I／O使用时，所有AVRI／O端口都具有真正的读-修改-写功能。

输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出或吸收大电流，直接驱动LED。

2.2.4SPI串行外设接口 

串行外设接口SPI允许ATmegal28和外设之间进行高速的同步数据传输。

2.2.416位定时器／计时器 

16位的T／C可以实现精确的程序定时、波形产生和信号测量。

T／Cl、T／C3的普通模式、CTC模式、快速PWM模式、相位修正PWM模式与T／C0、T／C2相同。

第三章系统软件设计

电机控制系统的控制软件一般由主程序、若干子程序及中断处理程序构成。

喂了提高实时性，中断处理程序应当尽量短些，只需完成基本的、必不可少的工作，如同步信号、故障信号的输入，功率半导体器件触发信号的输出，必须立即完成的运算处理等。

一些实时性要求不高的命令处理、表格计算、数据显示等，都应由主程序完成。

在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。

数据处理包括：

数据采集、数字滤波等。

过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后输出，以便控制生产。

为了完成上述任务，在进行软件设计的过程中，通常把整个过程划分成若干部分，每个部分叫做一个模块。

所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。

模块程序设计法的主要优点是：

（1）单个模块比一个完整的程序易编写以及调试；

（2）模块可以共存，多个任务可以在不同条件下调用同一个模块；

（3）模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。

3.1软件抗干扰技术

提高电机网络控制的可靠性，仅靠硬件抗干扰技术是不够的，需要进一步借助软件抗干扰技术来克服某些干扰。

在单片机控制系统中，如果能正确的采用软件抗干扰技术，与硬件干扰措施构成双道抗干扰防线，无疑为了将大大提高控制系统的可靠性。

目前经常采用的软件抗干扰技术是数字滤波技术、开关量的软件抗干扰技术、指令冗余技术、软件陷阱技术等。

3.2“看门狗”技术

PC在受到干扰的情况下失控，导致程序乱飞，也可能导致程序陷入“死循环”。

而指令技术和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱“死循环”的困境，使系统完全瘫痪。

如果操作者在场，就可以按下人工复位按钮，强制使系统复位。

但操作者不能一直监视着系统运作，所以人工复位往往是在引起不良后果后才实施的。

我们在现实生活中采用“看门狗技术”就是为了使程序摆离“死循环”的困境。

“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序返回到0000H入口，在0000H处安排一段出错处理程序，将系统运行纳入正轨。

“看门狗”技术可由硬件实现，可由软件实现，也可由两者结合实现。

本系统采用硬件“看门狗”电路。

实现硬件“看门狗”电路方案较多，本设计采用内带震荡器的记数芯片实现“看门狗”电路，下面就对该方案作以介绍。

3.2.1基本原理

CD4060是带震荡器的14位计数器，由该芯片构成的看门狗电路如图3.1看门狗电路图所示。

4060记数频率由RT和CT决定。

设实际的程序所需工作周期为T，分频器记满时间为T’,当T’>T且系统正常工作时，程序每隔T对4060进行扫描一次，分频且永无记满输出信号。

如系统工作不正常（如程序跑飞、死循环等），程序对4060发不出扫描信号，分频器记满输出一脉冲号使CPU复位。

3.2.2参数选择

4060的振荡频率f由RT、CT决定。

Rs用于改善振荡器的稳定性，Rs要大于RT。

一般取Rs=10RT，且RT>1kΩ,CT≥100pF。

如果Rs=450Ω，RT=45Ω，CT=1uF,则f=10HZ。

4060的振荡频率和Qi（i=6,7,8,9,10,12,13,14）的选择要根据情况确定。

3.2.3几个原则

看门狗电路必须由硬件逻辑组成，不宜由可编程计数器充当，因为CPU失控后，可能会修改可编程器件参数，使看门狗失效。

4060的RST线上阻容组成的微分电路很重要，因为扫描输入信号是CPU产生的正脉冲，若此信号变“1”后，由于干扰，程序乱飞，微分电路只能让上跳沿通过，不会封死4060，看门狗仍能计数起作用。

若没有微分电路，扫描输入信号上的“1”状态封死4060，使之不能记数，看门狗不起作用。

CPU必须在正确完成所有工作后才能发扫描输入信号，且程序中发扫描信号的地方不能太多。

否则，正好在哪里有死循环，看门狗就不产生记满输出信号，不能重新启动CPU。

4060的记满输出信号不但要接到MCS-51的RST脚，而且还应接到其它芯片的RST脚，因为程序乱飞后，其它具有RST脚的芯片也混乱了，必须全部复位。

图3.1看门狗原理图

3.3主机通信流程

voidinitexxxdevice（viod）{

   ／检查硬件设备是否存在，如果存在进行硬件设备内部寄存器初始化

   if（result=registerchrdev（254，"xxxdevice"，&xxxefops））

   printk（"Error：

％din