【正文】 系統(tǒng)運(yùn)行狀況是信號(hào)控制及采集系統(tǒng)的主要目的。目前應(yīng)用的設(shè)備中大部分的耗電量很大，而且沒有一個(gè)有效的監(jiān)控設(shè)施來對(duì)其監(jiān)控，資源的浪費(fèi)比較嚴(yán)重，因而具有很大的節(jié)能潛力。通過對(duì)設(shè)備的輸入輸出信號(hào)的采集與控制可以分析出設(shè)備的運(yùn)行狀況從而可以提示用戶如何提高設(shè)備的能效比。設(shè)計(jì)的要求：①采用單片機(jī)設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)；②配備一個(gè)彩色顯示屏；③能測(cè)量電流、電壓、4~20mA模擬信號(hào)以及水的流量、溫度信號(hào)，并通過彩色液晶屏顯示一段時(shí)間內(nèi)的總功耗、總制冷量、溫度值、功率因數(shù)等；④配備一個(gè)電源模塊用于供電；⑤配備一個(gè)用于報(bào)警的三色指示燈；⑥配有4~20mA輸入和輸出接口電路；⑦電路可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、過壓保護(hù)、信號(hào)流方向保護(hù)并可以吸收浪涌電壓；⑧所有數(shù)據(jù)可以保存2年。芯片選取得當(dāng)不僅可以使硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定，而且還可以節(jié)約開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。數(shù)據(jù)全都保存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里，保存期限2年，自動(dòng)覆蓋超過2年的數(shù)據(jù)記錄。NAND型 flash則是以頁(yè)（page）為單位進(jìn)行讀寫操作，1頁(yè)為256B或512B；以塊為單位進(jìn)行擦除操作，1塊為4KB、8KB或16KB。8個(gè)引腳用來傳送控制、地址和數(shù)據(jù)信息。它是一款NAND型flash芯片。它是TI公司推出的一款新型高性能8通道12位低功耗、高速CMOS串行A/D轉(zhuǎn)換芯片。它的輸出信號(hào)可以是電流信號(hào)，也可以是電壓信號(hào)。 因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理電壓信號(hào)，所以要對(duì)測(cè)量到的電流信號(hào)進(jìn)行I/V變換，系統(tǒng)中選用LM39391M芯片作為I/V變換模塊的轉(zhuǎn)換芯片。電壓轉(zhuǎn)換模塊的型號(hào)分別為：HAD105W（輸入85~265VAC，輸出+5V和5VDC）、SR5S12/100（輸入+5VDC，輸出+12VDC）每個(gè)電壓等級(jí)都并一個(gè)發(fā)光二極管用于指示有無電壓輸出。從電源板上引出來的電源有+5V、5V、+12V、DGND、AGND。通過測(cè)量到的電流電壓值以及功率因數(shù)算出有功功率、總功率、總制冷量、總耗電量以及能效比等等。右邊為信號(hào)輸出端，接入ATmega128單片機(jī)。這樣可保證導(dǎo)線與元件引腳平滑地連接。PCB板上布元件時(shí)，原理圖中靠近芯片連接的元器件一定也要靠近該芯片的封裝放置。由于觸屏作為人機(jī)界面，需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)來實(shí)現(xiàn)特定功能，所以在屏幕的右下角建立了一個(gè)數(shù)字鍵盤用于設(shè)定參數(shù)。 單片機(jī)與flash通訊流程圖 單片機(jī)與flash通訊是先向I/O發(fā)送命令，然后發(fā)送地址，最后發(fā)送不同功能的數(shù)據(jù)。4 系統(tǒng)調(diào)試 在硬件調(diào)試過程中首先調(diào)試的是電源板，其次調(diào)試信號(hào)板。 編寫程序時(shí)，盡量少用全局變量，多用局部變量。 電源板調(diào)試好后，用排線把信號(hào)控制與采集板上的電源從電源板上接進(jìn)來調(diào)試信號(hào)板。圖4. 3 改正后的原理圖 單片機(jī)的調(diào)試電源部分調(diào)試好后，把ATmega128單片機(jī)最小系統(tǒng)焊接好后連上仿真器，接通電源，運(yùn)行AVR Studio，選擇仿真器為JTAGICE mkll型號(hào)選擇ATmega128，進(jìn)入運(yùn)行界面后在“AVR”： 讀回來的電壓值 如果讀回來的電壓不是三點(diǎn)幾伏，則說明單片機(jī)沒有連上。 DDRA = 0xFF。 DDRE = 0xCE。 彩色觸摸屏的調(diào)試單片機(jī)部分正常后，把觸屏的外圍元器件焊接好，用導(dǎo)線把觸屏的電源與信號(hào)控制與采集板的對(duì)應(yīng)電源、通訊端口等通過端子接好， 為觸屏端子分配圖。在程序編寫時(shí)需要特別注意的是：LJDZU070T觸屏（TFT真彩7寸）顯示屏上的坐標(biāo)值是以BCD碼（十進(jìn)制）格式發(fā)送或者接收的，而且彩屏的屏幕為800x480的，所以在程序中設(shè)置的坐標(biāo)變量pos_x，pos_y應(yīng)為無符號(hào)整型的全局變量。 UBRR0L = 0x2F。 receive_buff[i]=temp2。(receive_buff[8]==0xA5)amp。x=0或y=0時(shí)，不管怎樣都會(huì)是直線；x!=0且y!=0時(shí)，只要x!=y，所畫出來的直線都會(huì)是由x個(gè)或y個(gè)點(diǎn)組成的點(diǎn)線（具體點(diǎn)數(shù)由x、y中較小的決定）。而NAND flash只有8個(gè)I/O，所以這8個(gè)引腳就作為地址、數(shù)據(jù)、命令的復(fù)用端口，因此傳遞地址時(shí)只能傳遞8位，所以每讀寫一次NAND flash需要傳送4次（A[7:0]、 A[16:9] 、A[24:17] 、A[25]）。首先編寫讀取flash ID的子程序。 PORTA=0x90。 DDRA=0x00。 get_ID(2)。： 讀取芯片ID成功 NAND ： NAND Flash的ID號(hào)分配表 NAND flash的ID號(hào)讀取成功說明硬件焊接方面已經(jīng)通過，接下來調(diào)試flash的讀、寫及擦除功能。 從flash讀取回來的數(shù)據(jù)為了防止寫入和讀取的數(shù)據(jù)不對(duì)，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)需要進(jìn)行ECC校驗(yàn)（Error Correcting Code），ECC能夠糾正單比的錯(cuò)誤和檢測(cè)雙比特的錯(cuò)誤，而且計(jì)算速度很快，但對(duì)于1比特以上的錯(cuò)誤無法糾正，對(duì)2比特以上的錯(cuò)誤不保證能檢測(cè)。分析AD620的外為電路理論上輸入輸出在無反饋時(shí)應(yīng)該一樣，誤差應(yīng)該很小，但是測(cè)量的結(jié)果顯示輸入輸出偏差卻很大。 其它通道的模擬信號(hào)測(cè)量電路按上述方法改進(jìn)后，調(diào)試都正常了。對(duì)應(yīng)半個(gè)周期對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)73728個(gè)數(shù)，經(jīng)過8分頻后對(duì)應(yīng)9216個(gè)數(shù)，即180176。焊接電路板時(shí)先只焊電源部分，然后接上電源調(diào)試，調(diào)試好后再焊接單片機(jī)部分，單片機(jī)與仿真器連接正常后再繼續(xù)焊接下一個(gè)模塊部分，這樣焊接調(diào)試起來十分方便，省時(shí)而且效果最好。0x000000ff)；//A17~A24頁(yè)地址PORTA=(uchar)((page_address16)amp。點(diǎn)擊不同按鍵，會(huì)彈出不同對(duì)話框，提示用戶進(jìn)行相關(guān)操作。 致謝本課題是在趙仁濤老師的悉心指導(dǎo)下完成的，從方案論證到具體設(shè)計(jì)，趙老師都給予了我極大的幫助，并且提供了許多相關(guān)的資料和優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件。同時(shí)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中我還得到了班里同學(xué)和電力電子與電氣傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)室的師兄們的熱心幫助，他們給予了我一些關(guān)鍵性指點(diǎn)和建設(shè)性意見。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工業(yè)中所使用的控制器90％以上是PID控制器或其變體[1]。文中提出的強(qiáng)化自動(dòng)控制法叫做連續(xù)作用強(qiáng)化控制法（CARLA），CARLA是由Howell、Frost、Gordon和Wu[14]四人首先提出的。2 PID控制器PID控制器主要由比例，積分和微分三個(gè)部分組成。為了比較基于PSO和遺傳算法的PID控制器，在文章中，一個(gè)AVR控制系統(tǒng)的線性化模型需要考慮。圖3 CARLA的流程圖 (2)n是自變量所取的數(shù)值范圍，x1, x2,..., xn是自變量，f1, f2,..., fn是與之相對(duì)應(yīng)的CPDF。 (4)其中J(k)是第k個(gè)迭代的函數(shù)，Mp是輸出信號(hào)的超調(diào)量，Ess是穩(wěn)態(tài)誤差，ts是調(diào)節(jié)時(shí)間，tr是上升時(shí)間。 (7), 是高斯函數(shù)定義的高和寬，他們確定速度和分辨率。環(huán)境下來模擬結(jié)果。圖4 無PID控制的電壓輸出波形圖5 ZieglerNichols PID控制時(shí)電壓輸出波形雖然使用ZieglerNicholsPID控制器可以成功消系統(tǒng)的除穩(wěn)定誤差，但是超調(diào)量仍然很大，為：Mp= ％。此外，圖9顯示了最優(yōu)PID的控制信號(hào)。該方法不需要?jiǎng)恿W(xué)方程的知識(shí)。而CARLAPID參數(shù)的算法如下：1. 自變量為： x1=kp，x2=ki ，x3=kd (n=3)；2. 變量取值范圍：0≤ kp ≤, 0≤ ki≤1,0≤ kd≤1；3. 高斯函數(shù)的增量：gh=， gw=。表2總結(jié)了AVR的系統(tǒng)參數(shù)。參數(shù)是在第(k+1)次迭代的分布?xì)w一化因子，它由方程8確定。對(duì)系統(tǒng)的性能評(píng)估和對(duì)CPDFs進(jìn)行修改都是由方程5所定義的增強(qiáng)信號(hào)決定的。 (3) 其中k是迭代次數(shù)，z是在[0,1]區(qū)間內(nèi)變化的隨機(jī)變量。表1總結(jié)了系統(tǒng)典型的線性模型參數(shù)的范圍。圖1 PID結(jié)構(gòu)框圖為基準(zhǔn)輸出信號(hào)，e(t)是誤差信號(hào)，u(t)是控制信號(hào)，y(t)是輸出信號(hào)。這完全是由Gaing[13]研究實(shí)驗(yàn)后所得的結(jié)論。盡管所有PID控制器的性能都很好，但是在很多實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中由于高命令，延時(shí)以及工業(yè)應(yīng)用的非線性[2]，傳統(tǒng)的PID控制器已經(jīng)不能滿足其需求。由于時(shí)間上的關(guān)系，以及我知識(shí)水平的原因，使得本次設(shè)計(jì)還存在許多不完善或需要改進(jìn)的地方，還望各位老師予以批評(píng)和指正。硬件調(diào)試過程中教會(huì)了我許多切實(shí)有用的方法與積累經(jīng)驗(yàn)的方法。 最后一個(gè)界面設(shè)置三個(gè)按鍵，分別用于刪除信息、確定信息和返回上一界面用。在寫操作時(shí)要把寫保護(hù)禁止掉，寫完后再把寫保護(hù)使能。圖4 .26 電源引進(jìn)端電路圖 ，當(dāng)電壓反接時(shí)，電流經(jīng)D0自下而上流過，不會(huì)流經(jīng)后面的電路。因此只要測(cè)量到時(shí)間內(nèi)記錄的個(gè)數(shù)就可以算出功率因數(shù)角，再查功率因數(shù)表即可算出功率因數(shù)值。程序中通過編寫的access_2548(unsigned int data)子程序讀取不同通道的信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)AD620后接到TLV2548的A0~A6`。：圖4. 21 電橋電路VCC對(duì)DGND實(shí)際測(cè)量值為+5V，當(dāng)電橋平衡時(shí)，即電位器阻值為50時(shí)，下橋臂分壓為： ()所以有：，而AD620的線性區(qū)為：Vs+~ +。flash的page中寫入數(shù)據(jù)的時(shí)候，每256字節(jié)生成一個(gè)ECC校驗(yàn)和，稱之為原ECC校驗(yàn)和，保存到page的OOB（spare field）數(shù)據(jù)區(qū)中；當(dāng)從NAND 塊擦除時(shí)序圖在對(duì)flash進(jìn)行寫操作之前，必須對(duì)其進(jìn)行擦除操作，因?yàn)镹AND flash中的位只能從1變成0，不能從0變成1，所以要想寫進(jìn)去必須通過擦除命令把相關(guān)塊擦除為全1。 NF_RE(0)。 get_ID(0)。 NF_CLE(0)。//ID_code。程序中可以通過NAND flash命令對(duì)1st half和2nd half以及OOB進(jìn)行定位。角時(shí)才會(huì)是平滑的曲線。(receive_buff[9]==0xF0)) { pos_x=((int)receive_buff[3]8)+receive_buff[4]。 if((receive_buff[0]==0xF0)amp。 //set baud rate hi UCSR0B = 0x98。要是向屏上（578，321）點(diǎn)發(fā)送信息，程序中就應(yīng)該送0x0578，0x0321，否則程序中坐標(biāo)值會(huì)先轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)據(jù)（242，141）再發(fā)送到觸屏上。通上電后發(fā)現(xiàn)觸屏一直閃頻率很快，用萬用表測(cè)試未發(fā)現(xiàn)原因，但經(jīng)對(duì)電路板的PCB圖分析，可能是因?yàn)殡娫吹木€太細(xì)的原因（+5V電源線上的電流在800多毫安），PCB中的線寬為10mil，這可能太細(xì)。 DDRF = 0xF2。 DDRB = 0x27。 設(shè)置好后運(yùn)行ICCAVR，在Tools中選擇Application Builder，：圖4. 6 ICCAVR運(yùn)行界面 單擊Application 單片機(jī)設(shè)置界面 ，對(duì)照單片機(jī)的各個(gè)I/O功能設(shè)置其為輸入還是輸出口，： ATmega128I/O口初始化設(shè)置界面 如果是作為輸出口用則初始化設(shè)置為0，作為輸入口用則初始化設(shè)置為1，不確定的端口可以選或者設(shè)置為輸出口這樣不會(huì)影響單片機(jī)。電源部分的調(diào)試：信號(hào)控制與采集板上的所有電源電路焊接無誤后，通上電后發(fā)現(xiàn)只有+5V和+（+5V的電源指示燈為黃色，+），而接在LD1117穩(wěn)壓芯片輸入輸出兩端的+12V和+V（就是+5V）的指示燈均不亮（正常時(shí)+12V的電源指示燈為綠色燈，+V的電源指示燈為黃色）；用萬用表直流電壓檔測(cè)LD1117穩(wěn)壓芯片輸入端對(duì)地和輸出端對(duì)地均為零點(diǎn)幾伏，這顯然是電壓沒有接過來，芯片沒有工作。 緩沖區(qū)不足錯(cuò)誤提示而局部變量大多定位于MCU內(nèi)部的寄存器中，也有部分定位在數(shù)據(jù)寄存器中，在絕大多數(shù)MCU中，使用寄存器操作速度比數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器快，指令也更靈活，有利于生成質(zhì)量更高的代碼，而且被局部變量所占用的寄存器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在不同的模塊中可以重復(fù)利用。 軟件調(diào)試調(diào)試時(shí)按順序依次調(diào)試單片機(jī)模塊、觸屏通訊模塊、flash模塊、模擬量采集模塊、D/A輸出模塊。流程圖見附件所示。 單片機(jī)與flash的數(shù)據(jù)交互 硬件電路中單片機(jī)的PA0~PA7口分別與Flash的I/O0~I/O7口相連，通過幾條控制總