基于Freescale HCS12系列單片機的結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)——PID算法實現(xiàn)

1、內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于freescale hcs12系列單片機的結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)pid算法實現(xiàn)55基于freescale hcs12系列單片機的結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)pid算法實現(xiàn)摘要結(jié)晶器是連續(xù)鑄鋼中的鑄坯成型設備，是連鑄機心臟設備之一。它的功能是將不斷注入其內(nèi)腔的高溫鋼水強制冷卻，導出熱量，使之逐漸凝固成為具有所要求的斷面形狀和坯殼厚度的鑄坯。結(jié)晶器振動裝置的主要功能是使結(jié)晶器按照給定的振幅、頻率和波形振動，其目的是防止鑄坯在凝固過程中與結(jié)晶器壁粘結(jié)而出現(xiàn)粘結(jié)漏鋼事故。經(jīng)典控制理論pid控制是較常采用的控制策略，在控制系統(tǒng)中仍有廣泛應用。pid控制器，具有結(jié)構(gòu)簡

2、單、易于實現(xiàn)等特點。由于工業(yè)技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的模擬pid控制不能解決快速性和穩(wěn)態(tài)特性之間的矛盾，不能適應工業(yè)發(fā)展的要求。本設計基于freescale hcs12系統(tǒng)單片機，通過d/a5660產(chǎn)生振動波形，傳感器與a/d7367采集結(jié)晶器振動信號并反饋給單片機，并在單片機內(nèi)進行pid運算，輸出控制信號。此外，pid參數(shù)可通過鍵盤調(diào)整。希望通過研究結(jié)晶器振動系統(tǒng)的特性，采用改進型數(shù)字pid控制策略對結(jié)晶器的振動波形進行控制，以使其能夠適應工業(yè)應用要求。關鍵詞：結(jié)晶器；飛思卡爾；hcs12；單片機；pid控制；增量型式pid；series vibration control system mold

3、based on the freescale hcs12 mcu pid algorithmabstractcrystallizer is a continuous casting mold in the shape of the casting equipment, also the one core equipment of the continuous casting machine. its function is to force cooling the high-temperature molten steel which is continuously injected into

4、 its cavity, and derive heat. gradually the high-temperature molten steel would be solidified into the cross-section with required shape and billet shell thickness. the main function of the vibration device of crystallizer is to force the crystallizer moving according as the giving amplitude, freque

5、ncy and wave. its purpose is to avoid the casting adhesive bonding to the crystallizer wall during the solidification process.as the pid control of classical control theory is a control strategy in common use, its also widely used in the control system now. pid controller has the features as simple

6、structure, easy to implement and so on. in view of the development of industrial technology, the traditional pid control is unable to resolve the contradiction between speediness and steady-state characteristics. it can not meet the requirements of industrial development.this design is based on the

7、freescale hcs12 systematical microcontroller, which can control the crystallizer's vibration by the waveform generated through d/a5660, sensors and a/d7367 collect the vibration signal, and then feedback it to the microcontroller, finally it runs the pid operation in the single-chip, output the

8、controlling signals, in addition, pid parameters can be adjusted through the keyboard. by studding the characteristics of the vibration system, using the improved digital pid control strategy control the crystallizer's vibration waveform, which is to enable them to meet the requirements of indus

9、trial application.keywords：crystallize; freescale; hcs12; pid control;目 錄摘要iabstractii第一章引 言11.1連鑄結(jié)晶器簡介11.1.1結(jié)晶器的功能與發(fā)展11.1.2連鑄結(jié)晶器的振動規(guī)律21.2hcs12單片機41.2.1 微處理器與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展41.2.2 mc9s12外部接口與最小系統(tǒng)61.3 pid控制的運算規(guī)律和構(gòu)成131.3.1pid控制的原理和特點131.3.2pid算法的數(shù)字化17第二章硬件設計202.1設計思路202.2方案選擇202.2.1pid調(diào)節(jié)器方案比較與選擇202.2.2 鍵盤方案的

10、比較與選擇21第三章軟件設計233.1 軟件設計思想233.2 各模塊功能233.2.1 pid算法模塊243.2.2 鍵盤功能模塊263.2.3 串口發(fā)送模塊283.2.4 定時器中斷處理模塊30第四章程序調(diào)試314.1調(diào)試pid參數(shù)的一般原則和方法314.2程序運行結(jié)果32第五章總結(jié)34參考文獻35附錄a源程序36附錄b硬件電路圖53致 謝54第一章引 言1.1連鑄結(jié)晶器簡介1.1.1結(jié)晶器的功能與發(fā)展結(jié)晶器是連續(xù)鑄鋼中的鑄坯成型設備，也是連鑄機心臟設備之一。它的功能是將不斷注入其內(nèi)腔的高溫鋼水強制冷卻，導出熱量，使之逐漸凝固成為具有所需斷面形狀和坯殼厚度的鑄坯。結(jié)晶器質(zhì)量的好壞對提高拉坯

11、速度防止漏鋼、減少鑄坯的裂紋、變形等有十分重要的意義。因此對于結(jié)晶器必須具有良好的導熱性能，鋼水進入后能夠迅速形成足夠的初生坯殼，還有較強的耐磨性和較長的使用壽命及有良好的剛性和結(jié)構(gòu)工藝性。結(jié)晶器工藝圖如圖1-1所示。圖1-1結(jié)晶器工藝圖連鑄是連續(xù)鑄鋼的簡稱，它是把煉鋼和軋鋼銜接起來的一項工藝，即使冶煉的合格鋼水，在澆注過程中經(jīng)過結(jié)晶和凝固，成為具有一定形狀的鑄坯。連鑄具有金屬收得率高、節(jié)約能源、鑄坯質(zhì)量高、有利于實現(xiàn)機械化和自動化等一系列優(yōu)點?；仡欉B續(xù)鑄鋼的發(fā)展歷史，直至二十世紀三十年代，結(jié)晶器振動裝置才開始應用于有色金屬的澆注。而在這之前，連鑄結(jié)晶器是固定不動的。在拉坯過程中，坯殼極易與結(jié)

12、晶器壁發(fā)生粘結(jié)從而導致拉不動或拉漏事故，因此澆鑄速度很低。據(jù)有關文獻記載，1913年瑞典人皮爾遜（a·h·pehrson）曾提出結(jié)晶器應按照一定的振幅和頻率做往復運動的想法，即采用結(jié)晶器振動裝置使結(jié)晶器按照給定的振幅、頻率和波形運動。真正將這一想法付諸實踐的是德國人容漢斯(s·junghans）。容漢斯開發(fā)的結(jié)晶器振動裝置于1933年成功的應用于有色金屬-黃銅的連鑄。1949年容漢斯的合作者美國人艾爾文·羅西（irving·rossi）獲得了容漢斯振動結(jié)晶器的使用權，并在美國的阿·勒德隆鋼公司（allegheng ludlum ste

13、el corporation）的watervliet廠的一臺方坯試驗連鑄機上采用了振動結(jié)晶器。與此同時，容漢斯振動結(jié)晶器又被應用于德國曼內(nèi)斯曼（mannesmann）公司胡金根廠（huckiugen）的一臺試驗連鑄機上。容漢斯振動結(jié)晶器在這兩臺連鑄機上的成功應用，使得結(jié)晶器的振動應用引起了人們的注意。這項技術能較好地解決早期固定式結(jié)晶器容易與坯殼粘結(jié)而引起的表面缺陷以及一些與澆鑄有關的問題從而獲得良好的鑄坯表面。因為結(jié)晶器振動擁有的這一系列優(yōu)點，結(jié)晶器振動便成了連鑄生產(chǎn)的標準操作，這也從一定程序上促進了連鑄技術在工業(yè)上的應用與發(fā)展。1.1.2連鑄結(jié)晶器的振動規(guī)律結(jié)晶器振動規(guī)律的發(fā)展至今經(jīng)歷了很

14、長一段時間。結(jié)晶器振動波形控制是連鑄機的核心技術，鋼水所形成的坯殼與結(jié)晶器壁的脫離全靠振動的作用。由于結(jié)晶器振動所具有的這一系列優(yōu)點，人們紛紛對結(jié)晶器的振動規(guī)律進行試驗研究，發(fā)展了各種結(jié)晶器振動規(guī)律。最早出現(xiàn)的是矩形速度振動規(guī)律，其特點是結(jié)晶器在下降時與鑄坯做同步運動，然后以3倍的拉坯速度上升，即所謂的3:1型振動方式。這種振動方式對鑄坯脫模是有效的。其主要缺點是機械加工比較困難，振動機構(gòu)和拉坯機構(gòu)之間要有嚴格的電氣連鎖，在上升和下降的轉(zhuǎn)折點處速度變化很大，因此設備沖擊大，不利于采用高頻振動。但這種振動規(guī)律的實際應用，第一次使固定的結(jié)晶器變?yōu)檎駝拥慕Y(jié)晶器，使連鑄技術產(chǎn)生一個質(zhì)的飛躍。隨后負滑動

15、理論出現(xiàn)，矩形速度規(guī)律被梯形速度規(guī)律所代替，其特點是結(jié)晶器向下運動過程中有較長一段時間其速度稍大于拉坯速度，即“負滑脫運動”，使坯殼中產(chǎn)生壓應力，可以使拉裂的坯殼壓合，使粘結(jié)的坯殼強制脫模，結(jié)晶器在上升、下降轉(zhuǎn)折點處速度變化較緩和，提高了設備的平穩(wěn)性，梯形波的出現(xiàn)使連鑄的生產(chǎn)更加順暢，這種振動波形沿用了很多年，負滑動理論也一直沿用至今。隨著負滑動理論的不斷發(fā)展和完善，出現(xiàn)了現(xiàn)在仍然廣泛應用的正弦振動速度規(guī)律。正弦振動速度規(guī)律采用偏心輪實現(xiàn)，這種振動規(guī)律打破了結(jié)晶器和鑄坯之間要有一定的速度關系的限制，著重發(fā)揮它的脫模作用。用偏心輪代替凸輪，正弦振動仍有一小段負滑動階段，有利于脫模，速度、加速度變

16、化平緩。采用偏心輪設備簡單，易于加工制造、安裝和維護，運動精度高，設備運動平穩(wěn)，沖擊小，易于采用較高頻率振動。目前連鑄結(jié)晶器的常用振動波形有正弦波和非正弦波兩種方式。(1)正弦波式振動時的結(jié)晶器振動速度與時間的關系為一條正弦曲線或余弦曲線。正弦振動方式的上下振動時間相等，上下振動的最大速度也相同。在整個振動周期中，鑄坯與結(jié)晶器之間始終存在著相對運動，在結(jié)晶器振動過程中，有一小段的下振速度大于拉坯速度，因此可以防止或消除坯殼與結(jié)晶器內(nèi)壁間的粘結(jié)，并對被拉裂的坯殼起到愈合作用。另外由于結(jié)晶器的運動速度是按正弦規(guī)律變化的，其加速度必然按余弦規(guī)律變化，所以過度比較平穩(wěn)，沖擊較小。(2)非正弦振動時的結(jié)

17、晶器振動速度隨時間變化的規(guī)律不是正弦曲線的都稱為非正弦振動。連鑄結(jié)晶器非正弦振動是發(fā)展高效連鑄的關鍵技術。隨著高速鑄機的開發(fā)，拉坯速度越來越快，結(jié)晶器上振時與鑄坯間的相對運動速度越來越大，特別是結(jié)晶器應用高頻振動后此速度更大。由于拉速提高后結(jié)晶器保護渣用量相對減少，坯殼與結(jié)晶器壁之間發(fā)生粘結(jié)而導致了漏鋼的可能性增加。為了解決這一問題，除了使用新型保護渣外，另一個措施就是采用非正弦振動。非正弦振動是結(jié)晶器上振動時間大于下振時間，以縮小結(jié)晶器上振與鑄坯之間的相對運動速度。圖1-2 正弦與非正弦振動示意圖與正弦振動相比，非正弦振動具有以下特點：在正滑動時間里結(jié)晶器振動速度與拉坯速度之差減小。因此可減

18、小結(jié)晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力,作用在彎月面下坯殼的拉應力減小，減少拉裂；在負滑動時間里結(jié)晶器振動速度與拉坯速度之差較大。因此作用于坯殼上的壓力增大,有利于鑄坯脫膜；負滑動時間短鑄坯表面振痕淺，正滑動時間長可增加保護渣的消耗量，有利于結(jié)晶器的潤滑。此外，可以通過調(diào)節(jié)振動頻率、振幅等因素來控制波形的變化，使非正弦運動的位移、速度和加速度都發(fā)生了變化，從而能夠得到更高質(zhì)量鑄坯和有效避免粘結(jié)的振動波形。1.2hcs12單片機1.2.1 微處理器與嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展從20世紀70年代起，vlsi(very large scale integrated circuits)技術，即超大規(guī)模集成電路技術的

19、運用使得我們可以將整個中央處理器集成在一個芯片上。1971年，intel公司生產(chǎn)了世界上第一臺4位微處理器intel4004，它本身就是為了嵌入式應用（即計算器）而設計的。它僅提供基本的算術運算能力，因此不能算作通用計算機。翌年，intel公司又研制成功了8位微處理器intel8008。同4004一樣，8008也是為專門用途而設計的嵌入式微處理器。它們都屬于第一代微處理器，其典型應用是計算器、打字機、微波爐和交通燈控制。1974年，第二代8位微處理器intel8080誕生。作為代替?zhèn)鹘y(tǒng)復雜電子邏輯電路的器件，8080成為諸如字處理機、導航系統(tǒng)以及巡航導彈這樣具有可編程、體積小等特點的嵌入式應用

20、的標準微處理器。同時期微處理器的同類產(chǎn)品還有motorola公司的m6800、zilog公司的z80、intel公司的8085等。1978年出現(xiàn)了第三代16位微處理器，其典型代表為intel公司的8086、zilog公司的z800以及motorola公司的m68000。第三代微處理器的性能較第二代提高了近10倍，使得微處理器從專用目的的微處理器發(fā)展成為通用微計算機系統(tǒng)的中央處理器。1981年，ibm公司推出了8088的個人計算機系統(tǒng)ibm-pc，使得計算機進入了pc時代。在通用微處理器的基礎上，將輸入/輸出(i/o)接口電路，時鐘電路、定時器/計數(shù)器以及一定容量的存儲器等部件集成在同一芯片上，

21、再加上必要的外圍器件，如晶體振蕩器就構(gòu)成了一個較為完整的計算機硬件系統(tǒng)。由于這類計算機系統(tǒng)的基本部件均集成在同一個芯片內(nèi)，因此被稱為微控制器(microcontroller unit，縮寫mcu)。一個典型的mcu框圖如圖1-3所示：圖1-3 典型mcu框圖真正意義上的嵌入式系統(tǒng)是從20世紀70年代隨著微處理器的出現(xiàn)發(fā)展起來的。嵌入式系統(tǒng)（embedded system）一詞在我國廣泛使用的歷史并不長。在2001年中國單片機學會召開的年會上，才把單片機與嵌入式系統(tǒng)聯(lián)系在一起。嵌入式系統(tǒng)相對于通用計算機而言，主要用于控制領域，兼顧數(shù)據(jù)處理。他強調(diào)三個基本要素：嵌入性、專用性與計算機系統(tǒng)。嵌入式系

22、統(tǒng)比較完整的定義是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟件硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。伴隨著微處理器的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)至今已經(jīng)有30多年的歷史，它大致經(jīng)歷了以下4個階段：第一階段是以4位到8位單片機為核心的可編程控制系統(tǒng)，同時具有檢測、伺服、指示設備相配合的功能。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：結(jié)構(gòu)的功能相對單一、效率較低、存儲容量較小、幾乎沒有人機交互接口，其應用范圍主要局限于一些專業(yè)性極強的工業(yè)控制系統(tǒng)中，一般沒有操作系統(tǒng)支持，通過匯編語言對系統(tǒng)進行直接控制。盡管這類系統(tǒng)使用簡單方便，價格便宜，但是，對于工業(yè)發(fā)展需要的大容量存儲介質(zhì)、友好的人機

23、交互界面以及遠距離或無線通訊的高性能后pc時代所新興的信息家電等領域而言，已遠遠不能滿足要求。第二階段是以8位到16位嵌入式中央處理器(cpu)為基礎，以簡單操作系統(tǒng)為核心的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點是cpu種類繁多、通用性較弱、系統(tǒng)的開銷小、操作系統(tǒng)的兼容性和擴展性較低、應用軟件較為專業(yè)、用戶界面不夠友好以及網(wǎng)絡功能較弱。這種嵌入式系統(tǒng)的主要任務是提高智能化水平應用，如智能化儀器儀表、智能化家電等。第三階段是以32位risc嵌入式中央處理器加嵌入式操作系統(tǒng)為標志的嵌入式系統(tǒng)。這一階段系統(tǒng)的主要特點是：嵌入式操作系統(tǒng)能夠運行于各種不同類型的處理器之上，操作系統(tǒng)內(nèi)核精練小巧、效率高、模塊

24、化程度高，具有文件和目錄管理，支持多任務處理，支持網(wǎng)絡操作，具有圖形窗口和用戶界面等功能，應用接口以及各種組件，開發(fā)程序簡單、高效，能夠滿足日益復雜的應用需求、這也是我們現(xiàn)在通常所說的典型嵌入式系統(tǒng)，然而它在通用性、兼容性和擴展性方面仍有待改進。第四階段是以基于internet接入為標志的嵌入式系統(tǒng)，這是一個正在迅速發(fā)展的階段。隨著網(wǎng)絡在人們生活中的地位日益重要，越來越多的應用需要采用internet接入功能的嵌入式系統(tǒng)，如手機、pda，甚至電視機、電冰箱等傳統(tǒng)家電都需要上網(wǎng)，所以在嵌入式系統(tǒng)中使用網(wǎng)絡操作系統(tǒng)將成為今后的發(fā)展趨勢本設計中采用的hcs12系列微控器前身是68hc11，采用了高性

25、能的16位處理器hcs12，可提供豐富的指令系統(tǒng)，具有較強的數(shù)值運算、邏輯運算能力和總線速度。其內(nèi)部的大容量的flash存儲器，eeprom和ram可存儲各種控制參數(shù)。此外，還具有的背景調(diào)試模塊bdm，因而能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程，對單片機進行動態(tài)調(diào)試；mc9s12的低功耗、復位控制、看門狗及實時中斷等配置和功能更有助于系統(tǒng)的可靠運行，這些產(chǎn)品的工作電壓都為5dvc。mc9s12有多個系列幾十個品種，而且仍然在不斷發(fā)展之中。該系列單片機有很高的集成度，片上集成了很多功能模塊，如串行通信接口、串行設備接口、usb接口、a/d轉(zhuǎn)換器、pwm和can等，豐富的外設資源使用戶使用起來十分方便。1.2.2 mc

26、9s12外部接口與最小系統(tǒng)mc9s12dg128微控制器屬于hcs12系列單片機，是以速度更快的16位cpu12為核心的單片機，片內(nèi)總線時鐘頻率最高可達25mhz。cpu12是調(diào)整的16位處理單元。片內(nèi)資源包括8kb ram、128kb flash、2kb eeprom。包括模塊有sci、spi、pwm等接口模塊；pwm模塊可設置成4路8位或2路16位，寬范圍可選擇邏輯時鐘頻率；它還提供2個8路10位精度a/d轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)模塊can和增強型捕捉定時器，并支持背景調(diào)試模式。1.2.2.1 mc9s12dg128外部接口1. 電源相關引腳(1) vddr和vssr：外部電源和地引腳，提供i

27、/o驅(qū)動和電壓調(diào)整器的輸入。為了滿足信號的快速上升要求，一般要求電源能提供瞬時大電流，因此要在兩個之間放置高頻旁路電容，并且要盡量靠近mcu，具體旁路要求取決于mcu引腳的負載。(2) vddx和vssx： i/o電源和接地引腳，提供i/o驅(qū)動。要在兩個之間放置旁路電容，并且要盡量靠近mcu。(3) vdda和vssa：adc轉(zhuǎn)換模塊電源和接地引腳，為電壓調(diào)整器和ad轉(zhuǎn)換器提供電源和地，同時為內(nèi)部電壓調(diào)整器提供參考電壓。兩個引腳之間需要放置旁路電容。(4) vrh和vrl：ad轉(zhuǎn)換器的參考電壓輸入引腳，其精度和穩(wěn)定性直接影響轉(zhuǎn)換結(jié)果，因此這路電源要求品質(zhì)較高，不能受數(shù)字部分的影響，因為功率較小

28、，單獨供電既經(jīng)濟又容易實現(xiàn)。(5) vdd1.2和vss1.2： 外部2.5v供電引腳，用兩對引腳直接對內(nèi)部2.5v內(nèi)核供電。如果內(nèi)部電壓調(diào)整器使能，2.5v來自于電壓調(diào)整器，不需要外部提供，這兩組電源引腳上不能放置靜態(tài)負載。如果vregen接地，內(nèi)部調(diào)整器關閉，這兩對引腳需要2.5v電源。(6) vddpll和vsspll： 振蕩器和鎖相環(huán)供電引腳。電壓調(diào)整器關閉時，該引腳必須接2.5v。電壓調(diào)整器工作時，該引腳的電壓由電壓調(diào)整器提供。(7) vregen： 電壓調(diào)整模塊選擇引腳。該引腳拉高則使能內(nèi)部電壓調(diào)整器，該引腳拉低則禁止內(nèi)部電壓調(diào)整器。若vregen接地，內(nèi)部電壓調(diào)整器禁止，不能輸出

29、2.5v電壓，vdd1.2和vddpll需要的2.5v必須由外部提供。2. 模式選擇引腳表1-1 模式選擇表mc9s12單片機指定三個引腳modc(bkgd)、modb(pe6)、moda(pe5)來設定單片機的運行模式。模式選擇見表1-13. 系統(tǒng)功能引腳(1) xtal和extal、xfc： xtal和extal分別是晶體驅(qū)動和外部時鐘輸入引腳。extal既可接晶振，也可接coms兼容的時鐘信號信號，驅(qū)動內(nèi)部時鐘產(chǎn)生電路，器件中所有時鐘信號都源于該引腳輸入的時鐘。xtal是晶體驅(qū)動輸出，當extal外接時鐘時，該引腳必須懸空。xfc是鎖相環(huán)濾波引腳(2) pe7(noacc/)： 外部振蕩

30、電路方式選擇。當使用串行振蕩電路時，該引腳要接高；當使用并行振蕩電路時，該引腳要接地。(3) ： 低有效的雙向控制復位引腳。當作為輸入時，外部的低電平用來初始化mcu的初始狀態(tài)。如果時鐘監(jiān)視或cop看門狗電路檢測到內(nèi)部故障，該引腳作為開涮輸出，對外指示這種狀態(tài)，結(jié)束復位是同步方式，這使得器件即使在時鐘失效時情況下也可以進入真正的復位狀態(tài)，同時又可以在復位結(jié)束后以同步方式開始運行。一次復位是內(nèi)部還是外部引起的，是可以判別的。內(nèi)部復位首先將該引腳拉低并保持131-134個系統(tǒng)時鐘周期然后釋放該引腳，再過64個系統(tǒng)時鐘周期采樣該引腳電平，如果該引腳回到了高電平，說明復位是由時鐘監(jiān)視器或cop看門狗電

31、路引起的，cpu將取得時鐘監(jiān)視器或cop看門狗的復位向量；如果該引腳仍然是低電平，就確定為外部復位，將取得外部復位的向量。(4) pe1 ()： 可屏蔽外部中斷輸入腳，可通過程序選擇（中斷控制寄存器intcr），該引腳是否中斷邏輯連接，以及下降沿或電平觸發(fā)方式。復位后，默認為電平觸發(fā)方式，同時在條件碼寄存器中中斷被屏蔽?？梢酝ㄟ^軟件清零或置位ccr寄存器中的i位來使能或禁止所有可屏蔽的中斷，當然也包括中斷。(5) pe0()： 該不可屏蔽外部中斷引腳提供了一種復位初始化后申請非屏蔽中斷的手段。在復位階段，ccr寄存器中的x位和i位被置1,在mcu通過軟件允許以前，任何中斷都被屏蔽。系統(tǒng)初始化后

32、，可以通過軟件清零x位，從而使能該中斷。x位一旦清零，就不能再通過軟件的方式將該位置1了。該中斷申請經(jīng)常用于系統(tǒng)掉電、硬件故障等場合。(6) bkgd： 背景調(diào)試引腳。采用自定義協(xié)議，通過bdm調(diào)試工具可以單線雙向通信，進行實時在線調(diào)試。4. mc9s12dg128 i/o接口概述mc9s12dg128 mcu有10個普通i/o口，其中有通用并行i/o口以及sci、pwm、adc等專用子系統(tǒng)。復位后所有i/o引腳默認設置為通用i/o輸入，當專用子系統(tǒng)激活后，自動變?yōu)閷Ｓ霉δ?。mc9s12dg128輸入輸出口包括有pta、ptb、pte、pth、ptj、ptk、ptm、ptp、pts、ad0、a

33、d1等。（1）a、b口在擴展方式下為地址數(shù)據(jù)分時復位總線，但是在普通單片模式下作為通用i/o口時，輸入可選內(nèi)部上拉和輸出具有降功率驅(qū)動功能。（2）e口用于總線控制和中斷請求，余下其他引腳可作通用i/o。輸入可內(nèi)部上拉，輸出具有降低功率驅(qū)動功能，但pe1、pe0固定為輸入。（3）ad口atd子系統(tǒng)輸入或通用輸入引腳，復位后默認為通用i/o輸入引腳并且只能做輸入。atd模塊使能后，用作模擬輸入。mc9s12g128有16個a/d引腳對應于兩個獨立的atd模塊。（4）k口擴展方式下外部總線的擴展地址線、地址片選輸出或通用i/o，復位后為通用i/o引腳。輸入可選內(nèi)部上拉，輸出具有降低功率驅(qū)動功能。（5

34、）t口i/o與增強型捕捉定時器共享引腳，復位后為通用i/o引腳，定時器功能使能后，用途輸入捕捉或輸出比較或脈沖累加輸入。輸入可選內(nèi)部上拉，輸出具有降功率驅(qū)動功能。（6）p口spi、脈寬調(diào)制輸出、i/o中斷或通用i/o。復位后為通用i/o引腳，要使用某特殊功能，可以通過相應功能寄存器的使能位來實現(xiàn)。（7）s口sci、spi或通用i/o，復位后為通用i/o引腳。sci或spi使能后，對應引腳的通用i/o關閉。（8）m口i/o與can、bdlc共享，復位后為通用i/o引腳。can或bklc使能后，對應引腳的通用i/o關閉。（9）j口i/o與i2c、can、i/o中斷共享，復位后為通用i/o引腳。特殊

35、功能使能后，對應引腳的通用i/o關閉。（10）h口i/o與i/o中斷共享，復位后為通用i/o引腳。特殊功能使能后，對應引腳的通用i/o關閉。mc9s12dg128 i/o接口特點a/d轉(zhuǎn)換接口：兩個渠道的10位a/d轉(zhuǎn)換器、具有外部轉(zhuǎn)換觸發(fā)能力。can總線接口：內(nèi)部集成了2個can協(xié)議控制器mscan12模塊，符合can 2.0a/b協(xié)議標準；可編程傳輸速率達1mb/s；具有個接收緩沖區(qū)和個發(fā)送緩沖區(qū)；靈活的標識符濾波模式，可配置成個32位過濾碼或4個16位過濾碼，或者8個位過濾碼；含有4個獨立的中斷輸入引腳rx、tx、error和wape-up，內(nèi)置低通濾波的喚醒功能。輸入捕捉/輸出比較與p

36、wm：具有8通道的輸入捕捉/輸出比較，還具有個可編程pwm通道，可配置成通道位或通道16位pwm，其每個通道的周期和占空比均可通過編程獨立設置?？删幊痰臅r鐘選擇邏輯，使得輸出脈沖的頻率可設定在范圍內(nèi)。串行通信接口：rs-232電平采用負邏輯，即邏輯1：-3v-5v，邏輯0：+3v+15v。rs-232適用于設備之間的通信距離不大于15m，傳輸速率最大為20kb/s的數(shù)據(jù)傳輸領域，對于較短的通信，異步串行通信的速率可115200b/s。mc9s12dg128上面帶有一個串行接口，可以通過串口驅(qū)動電路的rs-232電平轉(zhuǎn)換芯片max232將ttl電平轉(zhuǎn)換成rs-232電平，然后通過9芯串行電纜和p

37、c機進行通信。1.2.2.1mc9s12dg128最小系統(tǒng)組成mc9s12dg128最小系統(tǒng)為保證系統(tǒng)能夠成功運行，應該包括以下幾個部分：電源電路、時鐘電路、串口電路、bdm接口、復位電路、調(diào)試小燈。電源電路hcs12 mcu的芯片內(nèi)部使用3v電壓，i/o端口和外部供電電壓5v。在電源電路部分可增加電容構(gòu)成濾波電路，可以改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低電源波動對系統(tǒng)的影響，增強電路工作穩(wěn)定性。為標識系統(tǒng)通電與否，可以增加一個電源指示燈。pll電路片內(nèi)的pll電路兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，以降低因調(diào)整開關時鐘所造成調(diào)頻噪聲，pll電路中，vdd

38、pll引腳由片內(nèi)提供2.5v電壓；cs、cp和rs的取值與晶振、refdv寄存器和synr寄存器有關，需要通過計算得出。對fosc=4mhz，總線時鐘為25mhz，通過計算得出cs、cp和rs的值分別為4.7nf、470pf和10k。pll的濾波電路要盡量靠近mcu，每個電源端和接地端都要接一個去耦電容，去耦電容要盡量接近mcu。復位電路hcs12系列mcu共有四種事件可以觸發(fā)系統(tǒng)復位。（1）外部復位：hcs12 mcu配備一個標記為的低電平有效復位引腳，當該引腳電壓為低時，觸發(fā)復位。（2）回電復位：在mc9s12dg128的vdd引腳上的一個正向變化將觸發(fā)加電復位。當給hcs12加電時，它以

39、一個已知的、確定的設置啟動。（3）計算機工作正常（computer operating properly，cop）cop系統(tǒng)包含一個用戶設置的倒計數(shù)定時器。若定時器過期，則觸發(fā)一個系統(tǒng)復位。為了防止定時器過期，執(zhí)行的程序必須在倒計數(shù)定時器失效前向其中順序?qū)懭?55和$aa(必須按此順序)。若程序陷入死循環(huán)，則觸發(fā)cop復位（向armcop寄存器寫入其他值也會導致cop復位）。（4）時鐘監(jiān)控復位：當系統(tǒng)時鐘頻率低于某個預設值時或停止時，將觸發(fā)時鐘監(jiān)控復位。當上述事件觸發(fā)復位時，hcs12在程序計數(shù)器中旋轉(zhuǎn)一個復位向量（內(nèi)存地址），處理器執(zhí)行啟動例程。cop復位和時鐘監(jiān)控復位還有其各自的復位向量。

40、如果復位引腳被一直拉低，則mcu將不能正常工作。對于最小系統(tǒng)的復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復位信號和在系統(tǒng)運行不正常時提供手動復位信號。4晶振電路時鐘脈沖是cpu工作的基礎，mc9s12微控制器的系統(tǒng)時鐘信號，由時鐘振蕩電路或?qū)Ｓ脮r序脈沖信號提供。mcu內(nèi)部的所有時鐘信號都來源extal引腳。也為mcu與其他外接芯片之間的通信提供了可靠的同步時鐘信號。s12微控制器系統(tǒng)時鐘范圍較廣，實際可以高達到40mhz。mc9s12在內(nèi)部集成了完整的振蕩電路，xtal和extal分別為振蕩器的輸出和輸入引腳。xtal和extal引腳可接入一個石英或陶瓷振蕩空器。晶體振蕩器分為有源晶振和無源晶振兩種類

41、型。需要外接電源的稱為有源晶振。無源晶振是有兩個引腳的無極性元件，需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來。dg128的xclks引腳是晶振電路類型選擇引腳。s12的總線時鐘是mcu系統(tǒng)的定時基準和工作同步脈沖，其頻率固定為晶體頻率的1/2。5 bdm接口電路背景調(diào)試模式(bdm)是由freescale半導體公司自定義的片上調(diào)試規(guī)范。開發(fā)人員可以能過它向目標板下載程序，同時也可通過bdm對調(diào)試器對目標板mcu的flash存儲器進行寫入、擦除等操作。bdm硬件調(diào)試插頭的設計非常簡單，標準bdm調(diào)試手頭如下所示：圖1-bdm接口圖bdm調(diào)試的各個端口含義如表1-2所示。表1-2bdm調(diào)

42、試的端口定義列表6led調(diào)試小燈一共4個led小燈開在b口，可以做信號指示，以及程序運行調(diào)試的時候，用于判斷程序的運行狀態(tài)。1.3 pid控制的運算規(guī)律和構(gòu)成1.3.1pid控制的原理和特點 在工程實際中，比例、積分、微分控制，即pid控制作為連續(xù)系統(tǒng)中技術最成熟，應用最廣泛的一種控制方式，其控制的實質(zhì)就是根據(jù)輸入輸出的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關系進行運算，運算結(jié)果用以控制輸出。pid控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術之一。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術就難以采用，系統(tǒng)控

43、制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用pid控制技術最為方便。因此當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象時，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用pid控制技術。在單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動作用使被控變量偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差e(t)=r(t)-y(t)式中e(t)為偏差，r(t)為輸入值，y(t)測量值。習慣上稱e(t)>0為正偏差，e(t)<0為負偏差。圖1-5單回路控制系統(tǒng)方框圖在模擬電路中，pid控制器的運算功能實際上是由電阻、電容、運算放大器構(gòu)成的模擬電子電路來實現(xiàn)的，模擬電路的pid算法表達式為： (1)或用傳遞函數(shù)表示為 式中p(t)調(diào)節(jié)器的

44、輸出信號調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差調(diào)節(jié)器比例系數(shù)調(diào)節(jié)器的積分時間調(diào)節(jié)器的微分時間常規(guī)的模擬pid控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。該系統(tǒng)由模擬pid控制器和被控制對象組成。圖中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，偏差e(t)=r(t)-y(t)。圖1-6模擬pid控制方框圖常見的pid控制規(guī)律有p(比例)控制規(guī)律，pi(比例-積分)控制規(guī)律，pd(比例-微分)控制規(guī)律，pid(比例-積分-微分)控制規(guī)律。1. p(比例)控制規(guī)律當pid控制器只有比例控制規(guī)律時，就稱為p(比例)控制器。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與誤差信號成比例關系，也是唯一能復原輸入信號

45、的控制規(guī)律。當僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差，比例控制的階躍響應特性如圖1-7所示。圖1-7比例控制的階躍響應特性比例部分的數(shù)學式表示是：，在模擬電路的pid控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是以瞬間偏差做出反應。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化。控制作用的強弱取決于比例系數(shù)kp，比例系數(shù)kp越大，控制作用越強，則過度過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越??；但是kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系統(tǒng)kp選擇必須恰當，才能達到過渡時間少、靜差小而又穩(wěn)定的效果。2. pi(比例積分運算規(guī)律)積分部分的數(shù)學式表示是+ kp*e(t) (2)或w(s)=k

46、p(1+)從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關系。隨著時間的增加積分項增大，這樣即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小。只有在偏差e(t)0時，它的輸出才能是一個常數(shù)?？梢?，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(tǒng)的響應速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，積分的積累作用越弱，這時系統(tǒng)在過渡時不會產(chǎn)生振蕩，但是增大積分常數(shù)會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所要的時間也較長，這樣會造成控制不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。因此，控制系統(tǒng)

47、中積分項是不能單獨使用的，而是與比例作用組合起來構(gòu)成pi控制器。由于較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差要的時間較短。所以必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定。在階躍偏差信號作用下，理想pi控制的輸出隨時間變化的表達式為 (3)理想pi控制的階躍響應如圖1-8所示。在階躍信號加入的瞬間，輸出突跳到某一值，這是比例作用的輸出()；以后隨時間不斷增加，為積分作用的輸出()。理想pi控制器的階躍響應如圖-8所示。圖中在階躍正偏差信號加入的瞬間，輸出突跳到某一值，這是比例作用，以后隨時間不斷增加，為積分作用。圖1-8理想pi控制的階躍響應特性3. pd運算規(guī)律pd比例微

48、分運算的數(shù)學表達式表示是： (4)微分時間越長，微分作用就越強。微分作用是根據(jù)偏差變化速度進行控制的，即使e(t)很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，就有控制作用輸出，因此有超前控制之稱。4. pid運算規(guī)律pid運算的數(shù)學表達式是： (5)實際在控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差，還要求能加快調(diào)節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對偏差量做出立即響應（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢預先給出適當?shù)募m正(微分環(huán)節(jié)的作用)。pid控制器正好可以用來實現(xiàn)這一功能。1.3.2pid算法的數(shù)字化在模擬系統(tǒng)中，其過程控制方式就是將被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量、成分、液位等，由傳感器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標

49、準信號送入調(diào)節(jié)器中與給定值進行比較，然后把運算得到的差值經(jīng)pid運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變進給量以達到自動調(diào)節(jié)的目的。這種系統(tǒng)多用電動(或氣動)單元組合儀表ddz(或qdz)來完成。而在數(shù)字系統(tǒng)中，是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來模擬調(diào)節(jié)器的。其調(diào)節(jié)過程是先對參數(shù)進行采樣。并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量。這些數(shù)字量由計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)，以達到調(diào)節(jié)的目的。由于計算機控制是采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對(1)式進行離散化處理，用數(shù)字形式的微分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分

50、項可用來求和增量式表示： (6) (7)將式(6)和(7)代入(1)式，則可得到離散的pid表達式 (8)式中 ：采樣周期，必須使t足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度；：第k次采樣時的偏差值。：第(k-1)次采樣時的偏差值。k：采樣序號，k=0，。：第次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出由于(8)式的輸出值與閥門開度的位置一一對應，因此，通常把(8)式稱為位置型pid的位置控制算式，根據(jù)遞推原理，可寫出(k-1)次的pid輸出表達式： (9)用式(8)減去(9)式可得： (10)式中由(8)式可知要計算第k次輸出值p(k)，只需要知道p(k-1)，e(k)，e(k-1)，e(k-2)即可，比用式(8)簡單很多，

51、移項后得到表達式(11)。= （11）上式表示第k次輸出的增量，等于第k次與第k-1次調(diào)節(jié)器的輸出的差值，因此把(11)式稱為增量式pid控制算式。用微型機實現(xiàn)位置式和增量式控制算式的原理如圖1-9所示。(a)位置式pid控制(b)增量式pid控制圖1-兩種pid控制原理圖從(8)式可以得到位置式pid控制算法可以看出，位置型pid控制算法的缺點是因為全量輸出，所以每次輸出都與過去的狀態(tài)有關，計算時要對e(k)進行累加，這樣不僅計算煩瑣，而且為保存e(j)還要占用很多內(nèi)存，計算機運算的工作量大。因為計算機的輸出對應的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，p(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)

52、的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故。從(11)式得到的增量式pid控制算法可以看出，對于增量式pid控制算法，計算機輸出的控制增量p(k)對應的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置(如閥門開度)的增量。對應閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式p(k)=p(k-1)十p(k)通過軟件來完成。增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進，但卻帶來了不少的優(yōu)點：1. 由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。2. 手動-自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能保

53、持原值。位置式控制算法中，由手動-自動切換時，必須首先使計算機的輸出值等于閥門開度，才能保證無擾動切換，這將給程序設計帶來困難。增量式控制只與本次偏差值有關，與閥門原來的位置無關，因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動的無擾動切換而不產(chǎn)生失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。3. 算式中不需要累加，控制增量p(k)的確定僅與最近三次的采樣值有關，所以較容易通過加權處理而獲得較好的控制效果。而位置式控制算式中，不僅需要對e(j)進行累加，而且計算機的任何故障都會引起p(k)大幅度變化，對生產(chǎn)不利。綜上可以得出，在計算機系統(tǒng)中一般都采用增量式pid控制算法，而不使用位置式pid控制算法。第二章硬件設計2.1設

54、計思路結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)的設計思想是以mc9s12dg128單片機為核心，通過單片機控制外圍芯片及電路。通過mc9s12dg128單片機與d/a5660轉(zhuǎn)換器構(gòu)成波形發(fā)生器，即mcu在其數(shù)據(jù)線上送出一系列按一定規(guī)律變化的數(shù)據(jù)信息，通過d/a轉(zhuǎn)換器和運算放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號。結(jié)晶器振動信號采集通過a/d7367和傳感器完成，pid控制部分的作用是實現(xiàn)采集回來的數(shù)字信號與波形發(fā)生信號的pid運算，然后輸出控制信號?？傮w設計框圖如圖2-1所示。本設計的主要任務是把波形發(fā)生器發(fā)出的波形信號和采集回來的波形信號進行pid運算來輸出控制信號，pid運算的參數(shù)信號可以通過鍵盤調(diào)節(jié)。此外，在上位機上可以通過串

55、口觀察到控制信號的值。圖2-1總體設計框圖2.2方案選擇2.2.1pid調(diào)節(jié)器方案比較與選擇pid調(diào)節(jié)器廣泛的應用于電子電路，自動控制等領域。pid調(diào)節(jié)器可由硬件或軟件來實現(xiàn)。下面分別對兩種方案進行比較和選擇。方案1：由專用pid控制器實現(xiàn)。采用xmpa-9000智能pid調(diào)節(jié)器，它是一種帶有智能聲光報警，二個或三個模擬量輸出通道，以及調(diào)節(jié)器正反作用選擇等功能的pid調(diào)節(jié)器。方案2：由軟件實現(xiàn)。采用mc9s12dg128單片機，用軟件實現(xiàn)pid調(diào)節(jié)，外接鍵盤電路，可由鍵盤進行參數(shù)設定，串口實現(xiàn)單片機與上位機通信。對于人工智能型pid調(diào)節(jié)器，功能強大但是價格昂貴。由于mc9s12dg128單片機

56、性能優(yōu)越，用基于單片機的數(shù)字pid調(diào)節(jié)器特點是價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，能靈活配置，現(xiàn)場針對性強，且符合結(jié)晶器設計要求。經(jīng)反復比較及實際應用要求，最終選擇方案2。2.2.2 鍵盤方案的比較與選擇鍵盤實際上是由排列成矩陣形式的一系列按鍵開關組成的，它是單片機系統(tǒng)中最常用的一種輸入設備，常用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、命令傳送等功能，是人工干預的主要手段。鍵盤類型一般可以分為兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤：閉合鍵的識別由專用的硬件譯碼器實現(xiàn)并產(chǎn)生按鍵編號或鍵值的稱為編碼鍵盤，如bcd碼鍵盤、ascii鍵盤等。由硬件邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數(shù)，同時產(chǎn)生選通脈

57、沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤使用方便，但硬件比較復雜，價格較貴。對于主機任務繁重的情況，采用可編程鍵盤管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實用的方案。非編碼鍵盤：靠軟件識別的稱為非編碼鍵盤。只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作比如按鍵的識別，按鍵的讀數(shù)等全靠軟件完成，故硬件較為簡單，但相對編碼鍵盤非編碼鍵盤占用cpu時間較多。非編碼鍵盤又包括有獨立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)兩種。獨立式按鍵結(jié)構(gòu)是提將每一個獨立按鍵按一對一的方式直接接到單片機的i/o輸入線上，讀鍵值時直接讀i/o口，每一個鍵的狀態(tài)通過讀入鍵值0或1來反映鍵按下與否，所以也稱這種方式為一維直讀方式。這種方式實現(xiàn)簡單，因為占用i/o資源較多，一般在鍵的數(shù)量較少的時候采用。矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)是用n條i/o線組成行輸入口，m條i/o線組成列輸出口，在行列線的每一