【正文】 =， R2=， R1=15K， R4= 代入式（ ），可得以下算式： 1outD VV ?? () 若期望模擬量輸出模塊輸出電壓為 10V~10V之內(nèi)的某個值 out1V ，則 代入上式計算出 DV 。然后在輸出擴(kuò)展接口上，進(jìn)行模擬量輸出信號的調(diào)理，主要包括信號的放大與電壓信號輸出、電流信號輸出的轉(zhuǎn)換。對于輸入 4~20mA 電流信號，只需將短路塊 S S3 短接即可；對于輸入信號是大電壓信號，需要將 S S4 短接， 再 調(diào)節(jié)滑動變阻器 R2，將信號衰減到單片機(jī)能夠采樣的范圍之內(nèi)；對于輸入的是標(biāo)準(zhǔn) 0~ 電壓信號， 可以直接輸入到單片機(jī)的模擬量采集端。(12+)V，在 OP07 輸入電壓 177。這兩種電路的基本結(jié) 構(gòu)基本與上圖類似。本平臺硬件部分所設(shè)計的模擬量輸入模塊，可以將傳感器輸出的上述標(biāo)準(zhǔn)電流信號進(jìn)行 電壓 轉(zhuǎn)換，也可以將標(biāo)準(zhǔn) 0~10V 電壓信號進(jìn)行 調(diào)理，然后送入單片機(jī)的 ADC 完成信號采集 。由于 Keil 具有 庫函數(shù)豐富和開發(fā)調(diào)試 方便的特點(diǎn)， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性 、 可移植性 等方面 有明顯的優(yōu)勢 ，因此通過 在 Keil 軟件開發(fā)平臺上對 C8051F 單片機(jī) 進(jìn)行 C 語言編程 。 利用電路仿真軟件 Multisim 對設(shè)計的硬件 電路 進(jìn)行仿真，通過仿真或計算確定電路參數(shù) 。 7． 具有鍵盤、顯示接口， 可顯示漢字、引文字符，有圖片顯示功能， 。 3． 設(shè)計 16 路模擬量輸入通道。單片機(jī)之間的工作關(guān)系框圖 所示。該公司單片機(jī)型號眾多，各具體型號產(chǎn)品有一定的差異性，主要特點(diǎn)是資源豐富、性能好、高速處理、價格低、適合工業(yè)環(huán)境應(yīng)用、混合信號處理。 2．處理速度。 硬件 平臺具有通用的信號轉(zhuǎn)換接口，能夠接收標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出的模擬電壓 、 模擬電流信號或其它類型電平信號，經(jīng)過信號調(diào)理通道后，控制器能夠?qū)π盘柌蓸硬⑻幚怼? 用于控制對象仿真的總體設(shè)計 平臺用作控制 對象 仿真時，需要硬件電路與計算機(jī)一起構(gòu)成 回路 系統(tǒng)，硬件電路分為控制器和控制對象，分別虛擬工程場合的實(shí)際控制器和實(shí)際控制對象；計算機(jī)作為監(jiān)控主機(jī)，主要是用于數(shù)據(jù)通信和信息處理、軟件虛擬再現(xiàn)實(shí)際工作狀況等。 （ 2）控制對象的響應(yīng)以動畫、曲線、表格形式顯示，形式直觀，容易對比，容易得出對控制效果的整體認(rèn)識和理解。 課題 設(shè)計 內(nèi)容 本 設(shè)計首先對總體的方案進(jìn)行了選擇與論證；分析了實(shí)際控制對象仿真用于實(shí)驗(yàn)平臺的控制器設(shè)計、控制對象設(shè)計以及計算機(jī)圖形化顯示；用于數(shù)據(jù)采集時，描述了系統(tǒng)構(gòu)成及數(shù)據(jù)處理方法；本課題 重點(diǎn) 對平臺的硬件電路部分進(jìn)行了設(shè)計，包括模擬量輸入 /輸出通道、開關(guān)量輸入 /輸出通道、人機(jī)接口、通信模塊、電源等的設(shè)計；最后選擇電子鐘與儲液罐監(jiān)控系統(tǒng)作為具體的控制對象，詳細(xì)分析了硬件接口設(shè)計、仿真算法，控制流程，計算機(jī)根據(jù)控制器和控制對象的數(shù)據(jù)，將控制對象的運(yùn)動過程及物理規(guī)律山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位 論文 緒論 5 以動畫的形式呈現(xiàn)。由于實(shí)施了虛擬產(chǎn)品開發(fā)策略， Ford 和 Chrysler 將他們新型汽車的開發(fā)周期由 36 個月縮短至 24個月。而開發(fā)可集成多種控制對象仿真的通用平臺，將會對推動國內(nèi)高校及科研單位開展虛擬控制技術(shù)的研究和普及起到示范引領(lǐng)作用。 （ 3）工程應(yīng)用意義 提供一套通用 硬件平臺，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行嵌入式開發(fā) ，可以滿足工業(yè)場合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)控制等功能 ；通過計算機(jī)軟件設(shè)計，該平臺可對工業(yè)過程中的實(shí)際控制對象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真，構(gòu)造圖形化顯示界面，實(shí)驗(yàn)人員可方便對樣機(jī)的參數(shù)進(jìn)行修改，仿真設(shè)計系統(tǒng)的性能與效果，加快產(chǎn)品研發(fā)與創(chuàng)新，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。基于某個教學(xué)實(shí)際，針對某門或某幾門課程，對于某個主體學(xué)科，或者基于某一項(xiàng)或幾項(xiàng)技術(shù)， 作 為研究的出發(fā)點(diǎn)，但研究的成果雖 然針對性強(qiáng)、但是在通用性、先進(jìn)性、集成性等方面有不足。為了在設(shè)計的硬件平臺上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室仿真其控制過程，設(shè)計了控制器、控制對象和計算機(jī)組成為一套完整的仿真系統(tǒng)。 本論文 對通用 控制平臺硬件電路的各 功能模塊進(jìn)行了設(shè)計， 各模塊主要從 指標(biāo)、結(jié)構(gòu)組成、原理設(shè)計等幾個部分展開。采用虛擬控制技術(shù)，可以結(jié)合用戶需求，用最短時間開發(fā)出用戶接受的產(chǎn)品。本平臺的研制成功，可以以其低成本、高性能的優(yōu)勢，彌補(bǔ)教學(xué)上的不足，使學(xué)生接受更多的 控制對象 實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，更好的啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新性思維，更多的培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際的高素質(zhì)人才。其中清華大學(xué) CIMS 工程研究中心虛擬制造研究室是國內(nèi)最早開展虛擬制造研究的機(jī)構(gòu)之一，目前該中心正在建立支持產(chǎn)品生產(chǎn)全過程的虛擬制造平臺。 英國 BAE 系統(tǒng)公司 利用 計算機(jī)建 模與仿真技術(shù) 在 EF2020 多功能戰(zhàn)斗機(jī)的驗(yàn)收試驗(yàn)中 ， 對 戰(zhàn)斗機(jī)的 抗自然閃電轟擊的能力進(jìn)行研究。該硬件平臺自帶保護(hù)功能，接線錯誤時不至于損壞；操作方便，可容易進(jìn)行關(guān)鍵模塊的更換；接口豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)。而在加熱器的虛擬樣機(jī)中，加熱器的參數(shù)可在計算機(jī)界面上設(shè)置。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺設(shè)計方案 6 2 通用控制平臺設(shè)計方案 方案選擇 目前，控制裝置 的研究主要遵循三種研究思路，一種是基于物理樣機(jī)或純硬件的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，主要以東南大學(xué)、浙江天煌教儀和浙大工控等單位為代表；第二種是基于計算機(jī)軟件仿真的計算機(jī)教學(xué)系統(tǒng)，采用采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要是采用 Matlab 和 Labview 開發(fā)實(shí)驗(yàn)裝置；第三種，就是硬件軟件結(jié)合、具備控制對象仿真多功能實(shí)驗(yàn)平臺的研制。 平臺實(shí)現(xiàn) Inter 網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)仿真的的常見方法是通過以太網(wǎng)服務(wù)器，客 戶端通過訪問服務(wù)器并發(fā)出控制命令從而達(dá)到對多臺計算機(jī)的控制功能 [7]。 圖 數(shù)據(jù)采集方案框圖 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺設(shè)計方案 9 硬件電路設(shè)計方案 單片機(jī)選型 單片機(jī)選型 主要考慮因素 有： 1. 集成度高，資源豐富?；趩纹瑱C(jī)的應(yīng)用開發(fā)，該單片機(jī) 應(yīng) 支持常用的匯編語言和 C 語言的程序設(shè)計語言；開發(fā)方式應(yīng)該是在線式，提高開發(fā)速度和效率；開發(fā)對象主要是面向寄存器的操作； 配套 開發(fā)軟件應(yīng)該功能強(qiáng)大，同時簡便易學(xué)，方便使用。 C8051F340 單片機(jī) 主要資源為：模擬外設(shè)部分， 21 路 10 位 ADC， 2個比較器；數(shù)字外設(shè)部分， 25 個 I/O 端口 ， 硬件增強(qiáng)型 SPI、 SMBus 和 2個增強(qiáng)型 UART 串口 ， 4 個通用 16 位計數(shù)器 /定時器 ， 16 位可編程計數(shù)器 /定時器陣列（ PCA），有 5 個捕捉 /比較模塊 ； 控制器，可工作于 全速 (12Mbps)或低速 ()方式；存儲器部分， 4352 字節(jié) 數(shù)據(jù) RAM， 64K字節(jié) FLASH；時鐘源部分， %的精度 的 內(nèi)部振蕩器 ， 外部振蕩器 （ 晶體、 RC、 C、或外部時鐘 ）。 2． 設(shè)計 48 路的開關(guān)量輸出通道。輸出電壓信號時，應(yīng)為低阻輸出狀態(tài)，輸出電流信號時應(yīng)為高阻輸出狀態(tài)。 硬件平臺 系統(tǒng)組成模塊 框圖如圖 所示。 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 通用控制平臺設(shè)計方案 14 3．控制器控制算法。選用組態(tài)王 與 Visual Basic 數(shù)據(jù)交換， 將虛擬控制對象的運(yùn)行規(guī)律和控制規(guī)律， 以 動畫界面和各種曲線 呈現(xiàn) 。為保證電路的可靠性，設(shè)計中采取了保護(hù)措施，主要是對放大器輸入端及輸出端的進(jìn)行了保護(hù)，從而不至于信號輸入或輸出過大，損壞放大器或者單片機(jī) [12]。利用小容量電容對高頻信號形成低阻抗通路，在電源端連接小容量的瓷片電容 C C5（ ）起到高頻濾波的效果 [13]。4mV。 主要技 術(shù)指標(biāo) （ 1）采用多路 DA 擴(kuò)展芯片， 通過 SPI 總線擴(kuò)展 16 路模擬量輸出通道 ， 020 單片機(jī)自帶 2 路 DA 輸出， 350 單片機(jī)自帶 2 路恒流源輸出。 模擬量輸出電路設(shè)計 調(diào)理電路原理設(shè)計 根據(jù)上述 指標(biāo)及 思路設(shè)計的電路原理圖為： 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺硬件功能模塊設(shè)計 20 382 100K+ I NINVV+OUTO P 07 1AGND7320K642 12V+ 12V1832+ 12V7AGND4AGND 12V6O P 07 2+ I NINVV+OUT32+ 12V7AGND4AGND 12V6O P 07 3+ I NINVV+OUTOUTV r e f 15K27030AGND62K 470 30AGND100K100KS1 S2100KAGNDV IAGNDAGND750100KD A C 0R1R4R2R3R6R5C1D1C2R7R8R9C3C4C5R 10R 11R 12C8C7C6 圖 模擬量輸出信號調(diào)理電路原理 圖 假設(shè) OP071 其輸出的值為 out1V ， C8051F020 單片機(jī)的 DAC 輸出或者TLV5630 的輸出為 DV ，則 ?????? ??? 12*4V 1 RV refRVR Do u t () 式 （ ） 中 Vref 為 C8051F020 單片機(jī)參考電壓或者 TLV5630 的參考電壓， 經(jīng)過反相變換 其值為 。 主要技術(shù)指標(biāo) （ 1）設(shè)計 48 路開關(guān)量輸入通道； （ 2）電路保護(hù)措施完善，對于輸入的大電壓或負(fù)電壓，電路能夠保 單片機(jī) 器不損壞； 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 平臺硬件功能模塊設(shè)計 22 開關(guān)量輸入模塊結(jié)構(gòu) 由于 020 單片機(jī)總共有 64 路開關(guān)量口，其中很多用于通信、使能控制接口等 占用 ，需要外部擴(kuò)展 以滿足設(shè)計要求 。 2R 用于泄放掉電容 C1 上殘存的電荷。根據(jù)前述所設(shè)計的開關(guān)量信號調(diào)理電路，高電平經(jīng)過 ，因此 74HC373 可以 與單片機(jī)直接接口。原理圖如圖 所示。從而兩個三極管的基極電流相 等，且放大倍數(shù)相同，可知兩個三極管的集電極電流相等。但在硬件單路的設(shè)計 上，線反轉(zhuǎn)法需要行線和列線都要有上拉電阻路，而行掃描法只需要列線有上拉即可。 設(shè)計的 OCM4X8C 與單片機(jī)的接口電路如圖 所示。硬件軟件開發(fā)簡單，硬件連接可通過 TTL 或 CMOS 電平工作，也可以通過 RS232 電平接口，波特率可達(dá) 921600bps，最高的達(dá)，部分終端支持 USB 下載圖片功能；軟件開發(fā)只需要根據(jù)指令表和指令集，根據(jù)不同的控制或顯示任務(wù)需求，通過串口發(fā)送命令即可。 這種總線 得到廣泛接受的另外一個 重要 原因是它的通用性 。 VCC 為供電電源端，接 12V直流穩(wěn)壓電壓。為了節(jié)約單片機(jī)的端口資源，設(shè)計的單片機(jī)與 OCM4X8C接口采用兩線串行方式交換數(shù)據(jù)。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16ABCD16151413121110987654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS iz eED a t e : 13 J u n 20 1 2 S h e e t of F il e : C : \ D oc u m e nt s a nd S e tt i ng s \ A dm i ni s t r a t or \ 桌面 \畢業(yè)設(shè)計進(jìn)行中 \復(fù)件 數(shù)字 77 .D D BD r a w n B y:K9K 1 0K 1 1 K 1 5K 1 4K 1 320 K * 85VK 1 2 K 1 6K5K6K7K8K1K2K3K402 0 P 6. 002 0 P 6. 102 0 P 6. 202 0 P 6. 302 0 P 6. 502 0 P 6. 402 0 P 6. 602 0 P 6. 7 圖 單片機(jī)與 44鍵盤接口電路 圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊具有成本低、功耗低、尺寸小、壽命長、可顯示各種圖像與文本信息等優(yōu)點(diǎn)， 廣泛應(yīng)用于 儀器儀表、移動通訊及 家用電器 等顯示場合 。采用 74HC138 譯碼器、 74HC373 鎖存器和 ULN2020 輸出驅(qū)動器設(shè)計的多路開關(guān)量擴(kuò)展電路如圖 所示。 主要技術(shù)要求 （ 1）設(shè)計 48 路開關(guān)量輸出通道； （ 2）開關(guān)量輸出的高低電平信號可通過發(fā)光二極管指示。其工作原理： 可接受 3