WX05微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)第五章課件

第5章常用應(yīng)用程序設(shè)計(jì)本章以51單片機(jī)為基礎(chǔ)，主要介紹結(jié)構(gòu)化匯編語言的監(jiān)控程序設(shè)計(jì)思想和實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)中最常用的數(shù)字濾波技術(shù)、標(biāo)度變換、插值算法以及報(bào)警程序設(shè)計(jì)等。程序與程序設(shè)計(jì)的概念使用計(jì)算機(jī)求解某些問題或完成某一特定功能，就要先對(duì)問題或特定功能進(jìn)行分析，確定形成的算法和步驟，然后選擇相應(yīng)的指令，按一定順序排列起來，這樣就構(gòu)成了求解某一問題或?qū)崿F(xiàn)特定功能的程序。通常把這一編制程序的工作稱為程序設(shè)計(jì)。常用程序設(shè)計(jì)語言有匯編語言、C語言等。程序設(shè)計(jì)的基本步驟：

(1)分析問題。弄清問題要求，對(duì)問題有正確理解。

(2)算法設(shè)計(jì)。針對(duì)問題設(shè)計(jì)一個(gè)能完成相應(yīng)功能的算法，盡可能速度快，占有計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)量小。

(3)程序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。模塊化方法、自頂向下逐步求精的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(4)編寫源程序。

(5)建立可運(yùn)行的目標(biāo)程序。

(6)程序的調(diào)試與修改。

(7)編制程序的說明文件。5.2數(shù)字濾波技術(shù)數(shù)字濾波就是通過一定的計(jì)算程序，對(duì)測(cè)量信號(hào)(采樣數(shù)據(jù))進(jìn)行平滑加工，提高其有用信號(hào)，消除或減少各種干擾和噪音，以保證計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性。

數(shù)字濾波器與模擬濾波器相比優(yōu)點(diǎn)如下：(1)無需增加任何硬件設(shè)備，在程序進(jìn)入數(shù)據(jù)處理和控制算法之前，附加一段數(shù)字濾波程序即可。(2)由于數(shù)字濾波器不需要增加硬件設(shè)備，各回路間不存在阻抗匹配問題，所以系統(tǒng)可靠性高。(3)數(shù)字濾波器可多通道共享，從而降低了成本，而對(duì)于模擬濾波器，通常是各通道專用的。(4)可以對(duì)頻率很低的信號(hào)進(jìn)行濾波，而模擬濾波器由于受電容容量的限制，頻率不可能太低。(5)可根據(jù)需要選擇不同的濾波方法或改變?yōu)V波器的參數(shù)，使用靈活、方便。

常用數(shù)字濾波器5.2.1中值濾波5.2.2程序判斷濾波5.2.3平均值濾波5.2.4一階滯后濾波5.2.1中值濾波中值濾波的設(shè)計(jì)思想

對(duì)某一參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N取奇數(shù)，多數(shù)情況下N=3)，然后把N次采樣值從小到大(或從大到小)排隊(duì)，取中間值作為本次采樣值。中值濾波的特點(diǎn)這種方法對(duì)于去掉偶然因素引起的波動(dòng)或采樣器不穩(wěn)定而造成的誤差所引起的脈沖干擾比較有效。若變量變化比較緩慢，則采用中值濾波效果比較好，但對(duì)快速變化的參數(shù)，則不宜采用。5.2.2程序判斷濾波程序判斷濾波的設(shè)計(jì)思想根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差Δy。若信號(hào)采樣值與上次采樣值的偏差超過此偏差值，則表明該輸入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉；若小于此偏差值，則可將該信號(hào)作為本次采樣值。程序判斷濾波的分類程序判斷濾波根據(jù)濾波方法的不同，可分為限幅濾波和限速濾波兩種。

限幅濾波的用途和使用注意事項(xiàng)：

限幅濾波主要用于變化比較緩慢的參數(shù)，如溫度。使用時(shí)，關(guān)鍵問題是最大允許誤差Δy的選取，Δy太大，各種干擾信號(hào)將“乘機(jī)而入”，使系統(tǒng)誤差增大；Δy太小，又會(huì)使某些有用信號(hào)被“拒之門外”，使計(jì)算機(jī)采樣效率變低。因此，門限值Δy的選取是非常重要的。限速濾波

方法是：當(dāng)|y(2)–y(1)|>Δy時(shí)，不像限幅濾波那樣，用y(1)作為本次采樣值，而是再采樣一次，取得y(3)，然后根據(jù)|y(3)–y(2)|與Δy的大小關(guān)系來決定本次采樣值。其具體判別式如下：

設(shè)順序采集的參數(shù)分別是y(1)，y(2)，y(3)，那么當(dāng)|y(2)–y(1)|≤Δy時(shí)，則取y(2)；當(dāng)|y(2)–y(1)|>Δy時(shí)，則不采用y(2)，繼續(xù)采樣取得y(3)；當(dāng)|y(3)–y(2)|≤Δy時(shí)，則取y(3)；當(dāng)|y(3)–y(2)|>Δy時(shí)，則取|y(3)+y(2)|/2。限速濾波的用途和使用注意事項(xiàng)：

限速濾波是一種折衷的方法，既照顧了采樣的實(shí)時(shí)性，又顧及了采樣值變化的連續(xù)性。但這種方法也有明顯的缺點(diǎn)：第一，Δy的確定不夠靈活，必須根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的情況不斷更換新值；第二，不能反映采樣點(diǎn)數(shù)N>3時(shí)各采樣數(shù)值受干擾的情況。因此，它的應(yīng)用受到一定的限制。

在實(shí)際使用中，可用[|y(1)–y(2)|+|y(2)–y(3)|]/2取代Δy，這樣也基本保持限速濾波的特性，雖增加運(yùn)算，但靈活性有所提高。5.2.3平均值濾波1.算術(shù)平均值濾波尋找一個(gè)Y它與各采樣值Xk之間誤差的平方和E為最小。根據(jù)極值原理得：××××××××××××××××××××××××算術(shù)平均值法濾波對(duì)干擾的抑制×－各采樣時(shí)刻得到的采樣值；虛線－濾波器輸出值(a)無干擾情況；(b)有規(guī)則干擾情況；(c)帶脈沖干擾情況連續(xù)取N個(gè)采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算。N值較大時(shí)：信號(hào)平滑度較高，但靈敏度較低；N值較小時(shí)：信號(hào)平滑度較低，但靈敏度較高；N值的選?。阂话懔髁?，N=12；壓力：N=4。算術(shù)平均值濾波主要適用于對(duì)壓力、流量等周期脈動(dòng)的采樣值進(jìn)行平滑加工，但對(duì)于脈沖性干擾信號(hào)的平滑效果欠佳。

一般采樣值次數(shù)愈靠后，取的比例愈大，這樣可增加新的采樣值在平均值中所占的比例。這種濾波方法可以根據(jù)需要突出信號(hào)的某一部分來抑制信號(hào)的另一部分，適用于系統(tǒng)純滯后時(shí)間較大而采樣周期較短的過程。

3.滑動(dòng)平均值濾波特點(diǎn)：每計(jì)算一次有效采樣值必須連續(xù)進(jìn)行N次采樣?；瑒?dòng)平均濾波是在每個(gè)采樣周期只采樣一次，將這一次采樣值和過去的若干次采樣值一起求平均，所得結(jié)果即為當(dāng)前有效采樣值。具體作法：可用循環(huán)隊(duì)列結(jié)構(gòu)方式來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存放。比如取N個(gè)采樣值求滑動(dòng)平均，只要在RAM中開辟N個(gè)數(shù)據(jù)暫存區(qū)，每次新采集一個(gè)數(shù)據(jù)便存入暫存區(qū)的隊(duì)尾，同時(shí)沖掉隊(duì)首的一個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在存儲(chǔ)器隊(duì)列中始終保持有N個(gè)最新的數(shù)據(jù)。再求包括新數(shù)據(jù)在內(nèi)的N個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值或加權(quán)平均值。5.2.4一階滯后濾波X(s)Y(s)CR由于大的時(shí)間常數(shù)及高精度的RC電路不易制作，所以硬件RC濾波器不可能對(duì)極低頻率的信號(hào)進(jìn)行濾波。一階滯后濾波是模擬RC濾波器的數(shù)字形式：

A、優(yōu)點(diǎn)：

對(duì)周期性干擾具有良好的抑制作用

適用于波動(dòng)頻率較高的場(chǎng)合

B、缺點(diǎn)：

相位滯后，靈敏度低

滯后程度取決于a值大小

5.2.5復(fù)合濾波防脈沖干擾的算術(shù)平均值濾波算法（去掉Xmax和Xmin）：而算術(shù)平均值濾波：優(yōu)點(diǎn)：兼有了中值濾波和算術(shù)平均值濾波的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)。5.2.6各種數(shù)字濾波性能的比較2．濾波時(shí)間在考慮濾波效果的前提下，應(yīng)盡量采用執(zhí)行時(shí)間比較短的程序，若計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間允許，可采用效果更好的復(fù)合濾波程序。注意事項(xiàng)：在實(shí)際應(yīng)用中，究竟采用哪一種數(shù)字濾波，都應(yīng)視具體情況而定。如果同時(shí)采用幾種濾波方法，一般先用中位值濾波或限幅濾波，然后再用平均值濾波法。數(shù)字濾波應(yīng)用得不恰當(dāng)，非但達(dá)不到濾波效果還會(huì)降低控制品質(zhì)。5.3標(biāo)度變換5.3.1線性參數(shù)的標(biāo)度變換為了運(yùn)算、顯示或打印輸出，必須把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成操作人員所熟悉的工程量，即轉(zhuǎn)換為帶有原工程量綱的數(shù)值。這種轉(zhuǎn)換稱為工程量轉(zhuǎn)換，也稱為標(biāo)度變換

5.3標(biāo)度變換設(shè)被測(cè)參數(shù)與A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量之間呈線性關(guān)系，則標(biāo)度變換公式為：如果被測(cè)參數(shù)的起點(diǎn)A0所對(duì)應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換值為0，即N0=0，則上述標(biāo)度變換公式可簡(jiǎn)化為：非線性標(biāo)度變換應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析，一般采用查表法。例:某加熱爐溫度測(cè)量元件的量程為100～500℃，系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器為8位。若某一時(shí)刻溫度測(cè)量元件送出的信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量為80H，求此時(shí)的溫度值(設(shè)溫度測(cè)量元件的量程是線性的)。解：根據(jù)式(5-7)，=100，=500，=00H，=FFH=255,=80H=128所以,此時(shí)的溫度為5.4插值算法5.4.1線性插值算法在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，總希望輸出和輸入呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。在實(shí)際工程中，測(cè)量信號(hào)和被測(cè)物理量之間經(jīng)常存在非線性關(guān)系。如溫度測(cè)量中熱電偶的輸出和溫度的關(guān)系即為非線性。在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，需要通過數(shù)據(jù)處理程序?qū)⒎蔷€性關(guān)系變化為線性關(guān)系。對(duì)于可以用解析式明確表達(dá)的非線性函數(shù)關(guān)系，可借助高級(jí)語言程序完成線性化處理?；蛴酶呒?jí)語言完成離線計(jì)算，將結(jié)果存在數(shù)據(jù)表中，通過查表的方式完成線性化處理。本節(jié)主要講線性插值原理進(jìn)行線性化處理。線性插值原理某傳感器的輸入輸出特性如下圖：將該非線性關(guān)系的曲線按一定要求分成若干段，然后把相鄰分段點(diǎn)用直線連接起來。用直線代替相應(yīng)曲線。由此可求出輸入x對(duì)于的輸出y設(shè)x在[xi，xi+1]區(qū)間內(nèi)，則對(duì)應(yīng)的逼近式為：5.4.2二次拋物線插值算法二次拋物線插值法xx2x1x0yCBA二次拋物線插值法的原理是，通過曲線上的三個(gè)已知點(diǎn)作一條拋物線，用此拋物線代替該段的曲線。如圖所示，有一函數(shù)y=f(x)，用拋物線來逼近它.5.4.2二次拋物線插值算法二次拋物線插值法xx2x1x0yCBA其一般形式為：

y=k0+k1x+k2x2

式中，k0、k1、k2為待定系數(shù)，由曲線y=f(x)的三個(gè)點(diǎn)A、B、C聯(lián)立方程組求得。已知點(diǎn)A(x0,y0)、B(x1,y1)、C(x2,y2)的數(shù)值，求出k0、k1、k2，然后根據(jù)測(cè)量值x用公式求出相應(yīng)的y值。5.5查表順序查表法順序查表法是針對(duì)無序排列表格的一種方法。因?yàn)闊o序表格中所有各項(xiàng)的排列均無一定的規(guī)律。所以，只能按照順序從第一項(xiàng)開始逐項(xiàng)尋找，直到找到所要查找的關(guān)鍵字為止。在程序設(shè)計(jì)時(shí)，已知條件應(yīng)該是表格的長(zhǎng)度及表的起始地址，在查找過程中應(yīng)該不斷的進(jìn)行地址修改和計(jì)數(shù)，直到找到關(guān)鍵字。若表中無此關(guān)鍵字，需要給出提示。在控制系統(tǒng)中，如果已經(jīng)建立了表格，其地址是按一定規(guī)律排列的，而且要查找的內(nèi)容與表格有一定關(guān)系時(shí)，則可通過簡(jiǎn)單的計(jì)算，找出所需的地址，然后從相應(yīng)的內(nèi)存單元中取出結(jié)果，這種方法就是計(jì)算查表法。計(jì)算查表法對(duì)分查表法當(dāng)需要查找表中的數(shù)據(jù)元素有序(假設(shè)遞增有序)，則在查找時(shí)可不必逐個(gè)比較，而采用跳躍式的方式，即先與“中間”位置的數(shù)據(jù)元素比較，若相等，則查找成功；若給定值大于“中間位置”的數(shù)據(jù)元素，則在查找表的后半部分繼續(xù)進(jìn)行二分查找，否則在前半部分進(jìn)行二分查找。5.6電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)5.6.1步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)5.6.2直流電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)5.7報(bào)警程序設(shè)計(jì)報(bào)警處理程序一般都需要根據(jù)系統(tǒng)的要求編寫，如有的報(bào)警系統(tǒng)要求能夠發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)、記錄報(bào)警時(shí)間和報(bào)警參數(shù)或進(jìn)行自動(dòng)處理等。雖然不同系統(tǒng)的報(bào)警處理程序是不一樣的，但報(bào)警程序的設(shè)計(jì)基本思想是相同的。報(bào)警程序主要有以下幾個(gè)步驟組成：

(1)采樣被測(cè)參數(shù)；(2)比較采樣值和給定值的上下限；(3)根據(jù)比較結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的處理程序。在控制系統(tǒng)中，報(bào)警參數(shù)可以是被控參數(shù)、被測(cè)參數(shù)、輸入偏差或控制量等，設(shè)需要判斷的報(bào)警參數(shù)為XK，XK為當(dāng)前數(shù)據(jù)，該參數(shù)的上、下限約束值分別為XH和XL，則越限報(bào)警有如下幾種形式：上限報(bào)警若XK＞XH，則發(fā)出上限報(bào)警，否則繼續(xù)執(zhí)行原定操作。上、下限報(bào)警若XK＞XH，則上限報(bào)警；否則，判斷XK＜XL嗎？若是，則下限報(bào)警；否則，繼續(xù)執(zhí)行原定操作。

具體設(shè)計(jì)報(bào)警程序時(shí)，為了避免測(cè)量值在極限值一點(diǎn)處來回?cái)[動(dòng)造成頻繁報(bào)警，一般應(yīng)在極限值附近設(shè)置一個(gè)回差帶，如圖5-17所示。被測(cè)值上限值下限值越上限報(bào)警復(fù)限復(fù)限越下限報(bào)警ABCDHL圖5-17越限報(bào)警示意圖目的：防止不必要的報(bào)警動(dòng)作。本章小結(jié)本章主要講述了微機(jī)控制系統(tǒng)中軟件設(shè)計(jì)的概念和基本設(shè)計(jì)思想、常用的數(shù)字濾波算法、標(biāo)度變換和插值算法、查表算法