【文章內(nèi)容簡介】 流Ia≈Ic0 晶閘關(guān)處于正向阻斷狀態(tài)。當晶閘管在正向陽極電壓下，從門極G流入電流Ig,由于足夠大的Ig流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)，從而提高起點流放大系數(shù)a2,產(chǎn)生足夠大的極電極電流Ic2流過PNP管的發(fā)射結(jié)，并提高了PNP管的電流放大系數(shù)a1,產(chǎn)生更大的極電極電流Ic1流經(jīng)NPN管的發(fā)射結(jié)。這樣強烈的正反饋過程迅速進行。這時，流過晶閘管的電流完全由主回路的電壓和回路電阻決定。晶閘管已處于正向?qū)顟B(tài)。 在晶閘管導(dǎo)通后，即使此時門極電流Ig=0,晶閘管仍能保持原來的陽極電流Ia而繼續(xù)導(dǎo)通。晶閘管在導(dǎo)通后，門極已失去作用。在晶閘管導(dǎo)通后，如果不斷的減小電源電壓或增大回路電阻，使陽極電流Ia減小到維持電流IH以下時，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。綜上所述，本系統(tǒng)所用可控硅選擇常用的S1612NH。 主控模塊—LPC213X LPC2131/2132/2134/2136/2138微控制器是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMIS CPU，并帶有32kB、64kB、128kB、256kB和512kB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。 較小的封裝和很低的功耗使LPC2131/2132/2134/2136/2138特別適用于訪問控制和POS機等小型應(yīng)用中；由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口和8/16/32kB的片內(nèi)SRAM，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟件modem、語音識別、低端成像，為這些應(yīng)用提供大規(guī)模的緩沖區(qū)和強大的處理功能。多個32位定時器、1個或2個10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47個GPIO以及多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制應(yīng)用以及醫(yī)療系統(tǒng)。其特性如下：l 16/32位ARM7TDMIS核，超小LQFP64封裝。l 8/16/32kB的片內(nèi)靜態(tài)RAM和32/64/128/256/512kB的片內(nèi)Flash程序存儲器， 128位寬度接口/加速器可實現(xiàn)高達60MHz工作頻率。 l 通過片內(nèi)boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程/在應(yīng)用編程(ISP/IAP)。單個Flash扇區(qū)或整片擦除時間為400ms。256字節(jié)行編程時間為1ms。l EmbeddedICE RT和嵌入式跟蹤接口通過片內(nèi)RealMonitor軟件對代碼進行實時調(diào)試和高速跟蹤。l 1個(LPC2131/32)或2個(LPC2134/36/38)8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器，共提供16路模擬輸入。l 1個10位的D/A轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生不同的模擬輸出。l 2個32位定時器/外部事件計數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)和看門狗。l 低功耗實時時鐘具有獨立的電源和特定的32kHz時鐘輸入。l 向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級和向量地址。l 小型的LQFP64封裝上包含多達47個通用I/O口(可承受5V電壓)。l 多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳。l 通過片內(nèi)PLL(100us的設(shè)置時間)可實現(xiàn)最大為60MHz的 CPU操作頻率。l 片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為1～30 MHz，與外部振蕩器的操作頻率范圍高達50MHz。l 多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C總線（400kbit/s）、 SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP。l 低功耗模式：空閑和掉電。l 可通過個別使能/禁止外部功能和外圍時鐘分頻來優(yōu)化功耗。l 通過外部中斷或BOD將處理器從掉電模式中喚醒。l 單電源，具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(BOD)電路，CPU操作電壓范圍：~ (177。10%)，I/O口可承受5V的電壓。 本系統(tǒng)設(shè)計采用廣州周立功單片機有限公司的LPC2131微處理器，它不但性能穩(wěn)定，數(shù)據(jù)獲取、存儲、傳輸精確，而且功能強大，有強大的拓展空間，便于系統(tǒng)的拓展與功能升級，而沒有選擇單片機。 本章首先介紹了配料系統(tǒng)的設(shè)計目標：精確、高效、實時監(jiān)控、自動化程度高。而實際稱量配料系統(tǒng)中，高效和精確往往是相互矛盾的。一般配料系統(tǒng)對稱量配料過程的生產(chǎn)率都有規(guī)定，在給定的生產(chǎn)率前提下，使配料精度達到要求即可。在隨后的章節(jié)中，不但全面闡述了系統(tǒng)總體設(shè)計思路和方案，而且詳細論證了本系統(tǒng)各個模塊的參數(shù)要求，結(jié)合系統(tǒng)實際需求和現(xiàn)有條件，最終通過比較得出最佳實施方案。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)電路總體設(shè)計整個系統(tǒng)以LPC2131微控制器為核心，對皮帶料重，過零點等參數(shù)進行檢測，經(jīng)運算比較，控制可控硅觸發(fā)等相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。整個電路系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：過零檢測電路：檢查交流電的過零點，以觸發(fā)主控芯片的外中斷，從而根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)每次下料量?？煽毓栌|發(fā)控制電路：根據(jù)上次下料量的大小調(diào)整其導(dǎo)通角，以改變電路中的電流，從而調(diào)整振動以調(diào)整本次下料量，最終達到控制作用。前置放大電路：對A/D采樣信號進行濾波、放大處理后以便于A/D采樣。鍵盤顯示電路：實時監(jiān)控電路運行狀態(tài)，根據(jù)具體情況進行電路參數(shù)的設(shè)定和調(diào)整。主要硬件配置如圖3. 1所示。圖3. 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 主控芯片的選擇及簡介作為配料系統(tǒng)核心部件的主控芯片，不但要求其損耗低、抗干擾能力強、易于操作、價格適中，而且必須具有執(zhí)行速度快、通用性強等特點。目前應(yīng)用在底層控制系統(tǒng)的微控制器主要有數(shù)字信號處理器DSP和8位，16位單片機兩種類型，單片機主要使用8位，16位處理器，硬件技術(shù)比較成熟，軟件編程相對簡單。但數(shù)據(jù)處理能力不強，需要借助外加器件例如計數(shù)器，PID調(diào)節(jié)器或PiVM產(chǎn)生器等，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不強，系統(tǒng)控制板的結(jié)構(gòu)尺寸也會很大。DSP具有數(shù)據(jù)處理能力強、速度快等優(yōu)點，且其體積較小，有利于電路板布局，但是DSP在中斷處理、位處理或邏輯操作方面不如單片機，且其資料相對不多，芯片價格和相應(yīng)的開發(fā)套件昂貴，專用性比較強，通用性比較弱。與DSP具有同等性能的ARM微處理資源豐富，具有很好的通用性，以其高速度，高性能、低價格、低功耗，可以廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。ARM本身是32位處理器，但是集成了16位的Thumb指令集，這使得ARM可以代替16位的處理器例如80C51系列單片機使用，同時具有32位處理器的速度。ARM嵌入式系統(tǒng)以其優(yōu)良的性能，良好的移植性，廣泛應(yīng)用與各個行業(yè)。可以說，用單片機和DSP實現(xiàn)的系統(tǒng)，ARM都可以實現(xiàn)。ARM集成了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源，利用自身資源不必增加外圍器件就可實現(xiàn)控制要求的功能，同時使得控制板的結(jié)構(gòu)尺寸可以做得更小。另外，利用ARM處理器設(shè)計的嵌入式系統(tǒng)還具有非常好的移植性，能夠使得技術(shù)真正用于生產(chǎn)生活，這是其他型處理器所不具備的特點。ARM (Advanced RISC Machines )，既可以認為是一個公司的名稱，也可以認為是對一類處理器的通稱。1991年ARM公司成立于英國劍橋，主要出售芯片設(shè)計技術(shù)的授權(quán)。目前，采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器，即我們通常所說的ARM微處理器，已經(jīng)遍及工業(yè)控制、消費類電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、無線系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場。ARM公司自1990年正式成立以來，在32位RISC( ReducedIn structionS etC omputer)CPU開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)己經(jīng)從V3發(fā)展到V6。由于ARM公司自成立以來，一直以IP(Intelligence Property)核提供者的身份向各大半導(dǎo)體制造商出售知識產(chǎn)權(quán)，而自己并不介入芯片的生產(chǎn)銷售，加上其設(shè)計的芯核具有功耗低、成本低等顯著優(yōu)點，因此獲得眾多的半導(dǎo)體廠家和整機廠商的大力支持，在32位嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域獲得了巨大的成功，目前已經(jīng)占有75%以上的32位RISC嵌入式產(chǎn)品市場，在低功耗、低成本的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域確立了市場領(lǐng)導(dǎo)地位?，F(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)ARM芯片的國際大公司已經(jīng)超過50多家，國內(nèi)多家大公司也己經(jīng)購買ARM公司的芯核用于通信專用芯片的設(shè)計。在所有ARM微處理器系列中，ARM7TDMI微處理器系列所應(yīng)用的范圍最廣，采用ARM7TDMI微處理器作為內(nèi)核生產(chǎn)芯片的公司最多，同時其性價比也是最高的。因此，本系統(tǒng)的嵌入式硬件開發(fā)平臺采用基于ARM7TDMI的微處理器LPC2131作為系統(tǒng)的主控制器。 ARM處理器概述ARM7TDMIS核是通用的32位微處理器內(nèi)核，具有高性能和低功耗的特性。ARM結(jié)構(gòu)是基于精簡指令計算機（RISC）原理而設(shè)計的，指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)雜指令集計算機要簡單的多，由此可見，使用一個小的、廉價的處理器核就非常容易實現(xiàn)很高的指令吞吐量和實時的中斷響應(yīng)。ARM7TDMIS使用了流水線技術(shù)，處理和存儲系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時就對下一條指令進行譯碼，并對第三條指令從存儲器中取出如圖3. 2所示。取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行取指譯碼執(zhí)行圖3. 2 ARM7的3級指令流水線ARM7TDMIS處理器使用了一個被稱為Thumb的獨特結(jié)構(gòu)化策略，非常適合那些對存儲器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用?；赥humb的一個關(guān)鍵的概念就是“超精簡指令集”?；旧?，ARM7TDMIS處理器具有以下兩個指令集：l 標準32位ARM指令集l 16位Thumb指令集 Thumb指令集的16位指令長度，使其可以達到標準ARM代碼的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢，而這些優(yōu)勢是使用16位寄存器的16位處理器所不具備的。因為Thumb代碼和ARM代碼一樣，是在相同的32位寄存器上進行的操作。 Thumb代碼僅為ARM代碼規(guī)模的65%，但是其性能卻是連接到16位存儲器系統(tǒng)的相同的ARM處理器性能的160%。（更詳細的內(nèi)容，請參閱ARM官方網(wǎng)站上的ARM7TDMIS數(shù)據(jù)手冊） LPC2131簡介LPC2131是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMISTMCPU微控制器，并且代有32KB嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應(yīng)用可使用32位Thumb模式將代碼規(guī)模降低30%以上，而性能的損失卻很小。LPC2131特性如下：.l 小型LQFP64封裝的16/32位ARM7TDMIS微控制器。l 8KB片內(nèi)靜態(tài)RAM。l 32KB片內(nèi)Flash程序存儲器，128位寬度接口/加速器實現(xiàn)高達60MHz的操作頻率。l 片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）。Flash編程時間，1ms可編程256個字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需400ms。l EmbeddedICERT和嵌入式跟蹤接口，可實時調(diào)試（利用片內(nèi)RealMonitor軟件）和高速跟蹤執(zhí)行代碼。l 1個8路10位A/D轉(zhuǎn)換器共包含8個模擬輸入， us。l 2個32位定時器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）和看門狗。l 實時時鐘具有獨立的電源和時鐘源，在節(jié)電模式下極大的降低功耗。l 多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、2個高速I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP。l 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。l 多達47個可承受5V電壓的通用I/O。l 多達9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳。l 通過片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大的為60MHz的CPU操作頻率。l 片內(nèi)晶體振蕩電路支持頻率：1~30MHz。l 2個低功耗模式：空閑和掉電。l 可通過個別使能/禁止外部功能和降低外部時鐘來優(yōu)化功耗。l 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。l 單電源供電，含有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）電路。~。 LPC2131包含一個支持仿真的ARM7TDMIS CPU 、與片內(nèi)存儲器控制器接口的ARM7局部總線，與中斷控制器接口的AMBA高性能總線AHB和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線VPB。AHB和VPB通過橋相連。LPC2131的外設(shè)功能（中斷控制器除外）都連接到VPB總線上。片內(nèi)外設(shè)與器件引腳的連接由引腳連接模塊控制。該模塊必須由軟件進行控制，以符合外設(shè)功能與引腳在特定應(yīng)用中的需要。LPC2131將ARM7TDMIS配置為小端字節(jié)順序,LPC2131開發(fā)板的實物如圖3. 3所示。圖3. 3 LPC2131開發(fā)板實物圖 LPC2131開發(fā)板組成LPC2131開發(fā)板主要集成有電源、復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘、JTAG接口電路等。（1）電源電路。電源經(jīng)78M05穩(wěn)壓至5V， 再經(jīng)過SPXI l 。當正確連接電源后，LED作為電源指示燈點亮。其特點為輸出電流大，精度高，穩(wěn)定性高，功耗低。電路原理圖如圖3. 4所示。圖3. 4 系統(tǒng)電源電路 （2）復(fù)位電路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時鐘源監(jiān)控和電源監(jiān)控可靠性等諸多也提供了更高的要求，因此復(fù)位電路使用帶I2C存儲器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI30，提高了系統(tǒng)的可靠性。其電路原理圖如圖3. 5所示。圖3. 5 系統(tǒng)復(fù)位電路（3）系統(tǒng)時鐘電路，同時也為了準確設(shè)置串口通信波特率。原理圖如圖3. 6所示。圖3. 6 系統(tǒng)時鐘電路（4）JTAG接口電路采用ARM公司提供的標準20腳JTAG仿真調(diào)試接口。，使系統(tǒng)復(fù)位后LPC2131內(nèi)部JTAG接口使能，直接進入JTAG調(diào)試。原理圖如圖3. 7所示。圖3. 7 JTAG接口電路 系統(tǒng)模塊電路設(shè)計 過零檢測電路：用于檢測交流電的過零點，在過零點來臨之后，打開一個定時器，定時器中斷后，給出可控硅開啟脈沖，這樣只要改變定時器初值就能將開啟脈沖前移或者后推，實現(xiàn)對可控硅觸發(fā)角的控制。