【正文】 以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。 DSP 主控電路 芯片 DSP 是 數(shù)字信號處理 （ Digital Signal Processing）的簡稱， 是一門涉及許多學科而又廣泛應用于許多領(lǐng)域的新興學科。 圖 4 74HC595 引腳圖 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 5 表 1 引腳功 能表 管腳編號 管腳名 管腳定義功能 15 QA— QH 三態(tài)輸出管腳 8 GND 電源地 9 SQH 串行數(shù)據(jù)輸出管腳 10 SCLR 移位寄存器清零端 11 SCK 數(shù)據(jù)輸入時鐘線 12 RCK 輸出存儲器鎖存時鐘線 13 OE 輸出使能 14 SI 數(shù)據(jù)線 15 VCC 電源端 SW1ENTERSW2DOENSW3UPSW4MODE2KR92KR102KR112KR12470pFC10470pFC11470pFC12470pFC13KEYKEY1 KEY2 KEY3 KEY4 圖 5 按鍵電路 如圖 5所示， SW1~SW4為 按鍵 ， 分別為選擇鍵、增鍵、減鍵和確定鍵。 數(shù)據(jù)在 SHcp 的上升沿輸入到移位寄存器中，在 STcp 的上升沿輸入到存儲寄存器中去。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 4 1 2 31 2 3D1FS1D2C35C1DC24VGNDEARTHVin VoutGNDVR1GNDD3C21INA51INB61ENn41GND32INA112INB122ENn10GND91RESETn281OUTA231OUTB241FB/SENSE252RESETn222OUTA172OUTB182SENSE19U6R13LD1GNDD4C3C4C5GNDR17R18R19C41C7GNDC40C6R22C8C43VDD3VFLGNDXRSGND 圖 3 電 源電路 74HC595 串轉(zhuǎn)并集成電路 74HC595 是一款漏極開路輸出的 CMOS 移位寄存器， 其管腳引腳圖如圖 4 所示， 兼容低電壓 TTL 電路，遵守 JEDEC 標準。 3 硬件電路 3. 1電源電路 如圖 3所示，電源電路有三個輸出電壓 、 5V電壓，為整個電路不同部分提供電壓。 使用 I/0 接口電路能大大減少數(shù)據(jù)傳輸速率，減少資源浪費。 2） DSP 主 控芯片 ： DSP 主控芯片控制軟件程序包括①程序初始化模塊：含硬件初始化、系統(tǒng)軟件初始化以及中斷初始化；②主程序模塊：含 FRAM 寫讀模塊、人機界面模塊；③ 1ms 中斷模塊 :用于掃描角度指示燈、數(shù)碼管及按鍵；④ 50us 中斷執(zhí)行模塊：含電子凸輪、生產(chǎn)計數(shù)、上死點停機處理、測速、輸入輸出處理、第二角度處理模塊；⑤電源中斷模塊：用于掉電時需要保存的參數(shù)，如當前角度和當前生產(chǎn)計數(shù)值，程序?qū)斍敖嵌群彤斍吧a(chǎn)計數(shù)值保存進 FRAM 存儲器。但它又具有很大的缺點： 由于基于工業(yè)控制機 ,主控制器內(nèi)的功能完全由軟件來完成 ,受計算機運算速度和可編程凸輪控制器運行原理上決定了其響應速度不可能太高 ,且程序的運行易跑飛，響可靠性。其中 DSP 主控芯片存有控制程序，以實現(xiàn)對壓力機的控制。按鍵顯示電路用于顯示曲軸角度和速度、生產(chǎn)計數(shù)、剎車距離，報警提示等信息以及用戶參數(shù)輸入。 2 方案論證 方案一 ： 可編程凸輪控制器主控制器設(shè)計 圖 1 可編程凸輪控制器的系統(tǒng)框圖 如圖 1 所示， 旋轉(zhuǎn)編碼器與壓力機曲軸連接 ,用于檢測壓力機曲軸在 0~359b 之間所處的位置 ,并將所測出的位置信息傳給控制器。電子凸輪可以實時監(jiān)視到離合器制動器的剎車角度、剎車時 的速度、 判斷剎車穩(wěn)定性、判斷剎車性能；系統(tǒng)可以記憶離合器的離合次數(shù)，來判斷離合器的使用頻率高低。處理工作機構(gòu)邏輯關(guān)系是由凸 輪控制器來實現(xiàn)，凸輪控制器對曲軸旋轉(zhuǎn)角度進行分配，發(fā)出相應信號。 凸輪控制器應用于鋼鐵、冶金、機械、輕工、礦山 等自動化設(shè)備及各種自動流水線上。 電子凸輪又稱 Electronic CAM，是模擬機械凸輪的一種智能控制器。 機械凸輪是一種角度感應和控制裝置，通過在金屬盤片上加工出一定形狀的輪廓曲線，使其在某個位置可以有效的使與之接近的微動開關(guān)產(chǎn)生動作－導通或截止 。至于二者的不同之處，僅僅有別于凸輪控制器是憑借人工操縱的，并且能換接較多數(shù)目的電器，而接觸器系具有電磁吸引力實現(xiàn) 驅(qū)動的遠距離操作方式，觸頭數(shù)目較少。 壓力機的機械原理是由電動機通過摩擦盤帶動飛輪輪緣而使飛輪旋轉(zhuǎn)。 關(guān)鍵詞：可編程凸輪控制器 方案設(shè)計 電路 硬件 1 引言 隨著科技進步和數(shù)字伺服技術(shù)的出現(xiàn)，在傳動及控制系統(tǒng)中我們可以利用電子凸輪代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械凸輪實現(xiàn)各種復雜的往復運動。無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 1 一種壓力機用凸輪控制器電控系統(tǒng)設(shè)計 摘要： 在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中，多數(shù)自動控制設(shè)備都具有循環(huán)往復運行特點。電子凸輪是以伺服控制技術(shù) 為基礎(chǔ)，并結(jié)合先進的微處理器，通過數(shù)字化系統(tǒng)實現(xiàn)模擬機械凸輪的功能 。 壓力 機上的電子凸輪要和 PLC 配合使用，電子凸輪從 PLC 那里得到壓力機在不同工作模式下的信號，然后判斷如何實現(xiàn)停機。是一種大型的控制電器，也是多檔位、多觸點，利用手動操作，轉(zhuǎn)動凸輪去接通和分斷通過大電流的觸頭轉(zhuǎn)換開關(guān)。 機 械凸輪控制器出現(xiàn)較早，但是在應用過程中，發(fā)現(xiàn)了諸多不足： ①效率低，這是因為機械連接的安裝需要的步驟多，復雜程度高，并且完成后還需要一直進行維護；②操作過程噪聲大；③適應性差，無法適應不同的模板；④無論是在安裝設(shè)計階段還是機器最終完成后，機器性能的可量測性很差，無法預測機器的性能；⑤機床運行速度快凸輪輸出響應滯后，不適合沖壓行業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量產(chǎn)品的要求，因為它很難提供達到工藝要求的各種精確角度；⑥機械凸輪一般安裝在機床頂部，調(diào)整角度非常麻煩，費時費力，還容易誤調(diào)整造成機床不安全。電子凸輪是根據(jù)機械凸輪的特點 ,用一個驅(qū)動裝置 （如步進電機） 直接驅(qū)動頂桿運動 ,而驅(qū)動裝置由控制系統(tǒng)控制 ,從而實現(xiàn)機械凸輪系統(tǒng)功能的機電一體化產(chǎn)品。 隨著國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)機械壓力機市場對電子凸輪的需求量也日趨增大，目前，在機械壓力機上電子凸輪替代機械凸輪已成為一種趨勢。在壓力機上，編碼器隨曲軸的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，電子凸輪將接受到的編碼器脈沖信號轉(zhuǎn)換成角度或沖程速度在面板上顯示，壓 力機所需的凸輪角度范圍可在凸輪面板上進行任 意的無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 2 設(shè)置。電子凸輪的出現(xiàn)最初僅僅是為了取代機械凸輪。在 1 個循環(huán)周期內(nèi) ,控制器把旋轉(zhuǎn)編碼器傳來的數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后變成主控機能識別的代碼 ,然后根據(jù)此代碼找到用戶外部輸出數(shù)據(jù) ,最后輸出到外部器件 ,使相應輸出端子導通 ,完成對壓力機 附屬系統(tǒng)在曲軸的不同轉(zhuǎn)角位置時的控制。編碼器信號經(jīng)編碼器輸入到 DSP 主控芯片 ，便于 DSP 芯片的程序處理，輸出凸輪信號、離合器剎車信號等。 各電路設(shè)計和論證 對于方案一的可編程凸輪控制器主控制器設(shè)計，它具有可以有 16 個控制量輸出；程序更換方便 ,機內(nèi)可以提供并存貯 8組程序 ,程序選擇輸入可選擇任意一組程序；運轉(zhuǎn)中的 ON/OFF 輸出角度可微調(diào)。單片機是單任務順序執(zhí)行器件 ,程序執(zhí)行是逐條單步進行的。 3) I/O 接口電路 ： I/0 接口電路分為輸入接口和輸出接口兩個部分。 4) 編碼器書輸入輸出接口 ： 編碼器輸入接口電路 采用三個光電管和與之相連的電阻電容組成，用于接收編碼器輸出的角度信號；編碼器輸出口 電路用于輸出角度信號。 VR1為穩(wěn)壓管，連接電容、二極管，起到整流、穩(wěn)壓的作用。 74HC595 是具有 8 位移位寄存器和一個存儲器，三態(tài)輸出功能。如果兩個時鐘連在一起，則移位寄存器總是比存儲寄存器早一個脈沖。 通過 U3上依次送出的高電平和 KEY信號組合來檢測有那個按鍵按下。 DSP 芯片的內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛結(jié)構(gòu)，具有專門的硬件乘法器，廣泛采用流水線操作，提供特殊的 DSP 指令，可以用來快速的實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。 3）改進型的哈佛結(jié)構(gòu) ： 改進型的哈佛結(jié)構(gòu)是采用雙存儲空間和數(shù)條總線，即一條程序總線和多條數(shù)據(jù)總線。 3 采用流水線技術(shù) ： 每一條指令可通過片內(nèi)多功能單元完成指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行等多個步驟， 實現(xiàn)多條指令并行執(zhí)行，從而在不提高時鐘頻率的條件下減少每條指令執(zhí)行的時間。如： TMS320C54x 中的 FIRS 和 LMS 指令 ,專門完成系數(shù)對稱的 FIR 濾波器和 IIR 濾波器。如在圖象壓縮、雷達定位等應用中，若采用單處理器將無法勝任。 DSP 缺點 ： 需要模數(shù)轉(zhuǎn)換；受采樣頻率的限制，處理頻率范圍有限；數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè) 備可靠 。 ” 第一階段， DSP意味著數(shù)字信號處理。到 1991 年， TI 推出價格可與 16位微處理器不相上下的 DSP 芯片，首次實現(xiàn)批量單價低于 5美元，但所能提供的性能卻是其 5至 10 倍。到 90 年代中期，這種可編程的 DSP 器件已廣泛應用于數(shù)據(jù)通信、海量存儲、語音處理、汽車電子、消費類音頻和視頻產(chǎn)品等等，其中最為輝煌的成就是在數(shù)字蜂窩電話中的成功。 以 TMS320F28335 的 DSP 芯片為例介紹 DSP 主要工作方式。 TMS320F28335 復位電路 ： 復位采用上電復位電路，由電源器件給出復位信號。一旦電源上電，系統(tǒng)便處于復位狀態(tài)，當 XRS 為低電平時， DSP 復位。鑒于從資源利用和電路設(shè)計的簡單性考慮 。 U2 是存儲器，存儲凸輪角度設(shè)置以及機床相關(guān)的參數(shù)， U3 為斷電檢測芯片，用于檢測 24v 電源是否斷電。 FRAM 存儲器基本原理 ： 鐵電晶體材料的工作原理 是 : 當我們把電場加載到鐵電晶體材料上，晶陣中的中心原子會沿著電場方向運動，到達穩(wěn)定狀態(tài)。 FRAM 存儲器 特點 ： 采用 20488 位存儲結(jié)構(gòu)； 讀寫次數(shù)高達 一 百億次；在溫度為55℃ 時， 10 年數(shù)據(jù)保存能力； 無延時寫入數(shù)據(jù)；先進的高可靠性鐵電存儲方式；連接方式為 高速串行接口（ SPI）總線方式，且具有 SPI 方式 0 和 3 兩種方式；總線頻率高達 5MHz； 硬件上可直接取代 E；具有先進的寫保護設(shè)計，包括硬件保護和軟件保護雙重保護功能；低功耗，待機電流僅為 10μA ；采用單電源 +5V 供電；工業(yè)溫度范圍： 40℃至 +85℃ ； 采用 8腳 SOP 或 DIP 封裝形式 。近期的 FRAM 讀 /寫速度是一樣的。這對多數(shù)工控機來說還是可以滿足要求的。早期的 FRAM 的寫入次數(shù)為幾百億次，而目前的芯片可達萬億次甚至是無限多次。 無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 10 圖 10 FM25C160 引腳圖 FRAM 存儲器的指令集 ： 以 FM25C160 為例， 如圖 10 所示， 其 SPI 協(xié)議有操作指令來控制。包括 WREN 和 WRDI；第二類為指令之后接一個字節(jié)，這類指令可用來完成對狀態(tài)寄存器的操作。 表 2 FM25C16 引腳定義 引腳號 引腳名稱 I/O 功能 1 /CS I 片選 2 SO O 串行數(shù)據(jù)輸出 3 /WP I 寫保護輸入 4 VSS I 接地端 5 SI I 串行數(shù)據(jù)輸入 6 SCK I 串行時鐘輸入 7 /HOLD I CPU 暫時中斷對FM25C16 的操作 8 VCC I +5V 電源 FRAM 存儲器的典型應用 ： FRAM 技術(shù)的多功能性滿足多種不同的應用。輸入輸出 I/O流可以看成對字節(jié)或者包裝后的字節(jié)的讀取就是拿出來放進去雙路切換；實現(xiàn)聯(lián)動控制無 錫 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 11 系統(tǒng)的弱電線路與被控設(shè)備的強電線路之間的轉(zhuǎn)接、隔離，以防止強電竄入系統(tǒng)，保障系統(tǒng)的安全；與專線控制盤連接，用于控制重要設(shè)備 ； 插拔式結(jié)構(gòu)，可像安裝探測器一樣先將底座安裝在墻上，布線后工程調(diào)試前再將切換模塊插入底座 ， 易于施工 和 維護 。如果一個容量很大的存儲 系統(tǒng)配備了一個很小的讀緩存的話，這時候問題會比較大的，因為 緩存的數(shù)據(jù)量非常小，相比整個存儲系統(tǒng)來說比例非常低，這樣隨機讀取 (數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的大多數(shù)情況 )的時候命中率也自然就很低，這樣的緩存 不但不能提高效率 (因為絕大部分讀 IO都還要讀取磁盤 )，反而會因為每次去匹配緩存而浪費時間。讀緩存雖然對效率提高是很明顯的，但是它所帶來的問題也比較嚴重，因為緩存和普通內(nèi)存一樣，掉點以后數(shù)據(jù)會全部丟失，當操作系統(tǒng)發(fā)出的寫 IO 命令寫入到緩存中后即被認為是寫入成功，而