【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、error和wapeup，內(nèi)置低通濾波的喚醒功能。輸入捕捉/輸出比較與PWM：具有8通道的輸入捕捉/輸出比較，還具有８?jìng)€(gè)可編程PWM通道，可配置成８通道８位或４通道16位PWM，其每個(gè)通道的周期和占空比均可通過(guò)編程獨(dú)立設(shè)置?？删幊痰臅r(shí)鐘選擇邏輯，使得輸出脈沖的頻率可設(shè)定在范圍內(nèi)。串行通信接口：RS232電平采用負(fù)邏輯，即邏輯1：3V~5V，邏輯0：+3V~+15V。RS232適用于設(shè)備之間的通信距離不大于15m，傳輸速率最大為20KB/s的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，對(duì)于較短的通信，異步串行通信的速率可115200B/s。MC9S12DG128上面帶有一個(gè)串行接口，可以通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)電路的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，然后通過(guò)9芯串行電纜和PC機(jī)進(jìn)行通信。MC9S12DG128最小系統(tǒng)為保證系統(tǒng)能夠成功運(yùn)行，應(yīng)該包括以下幾個(gè)部分：電源電路、時(shí)鐘電路、串口電路、BDM接口、復(fù)位電路、調(diào)試小燈。１．電源電路HCS12 MCU的芯片內(nèi)部使用3V電壓，I/O端口和外部供電電壓5V。在電源電路部分可增加電容構(gòu)成濾波電路，可以改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低電源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，增強(qiáng)電路工作穩(wěn)定性。為標(biāo)識(shí)系統(tǒng)通電與否，可以增加一個(gè)電源指示燈。２．PLL電路片內(nèi)的PLL電路兼有頻率放大和信號(hào)提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時(shí)鐘信號(hào)獲得較高的工作頻率，以降低因調(diào)整開(kāi)關(guān)時(shí)鐘所造成調(diào)頻噪聲，PLL電路中，；CS、CP和RS的取值與晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器有關(guān)，需要通過(guò)計(jì)算得出。對(duì)fOSC=4MHz，總線時(shí)鐘為25MHz，通過(guò)計(jì)算得出CS、470pF和10kΩ。 PLL的濾波電路要盡量靠近MCU，每個(gè)電源端和接地端都要接一個(gè)去耦電容，去耦電容要盡量接近MCU。３．復(fù)位電路HCS12系列MCU共有四種事件可以觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位。（1）外部復(fù)位：HCS12 MCU配備一個(gè)標(biāo)記為的低電平有效復(fù)位引腳，當(dāng)該引腳電壓為低時(shí)，觸發(fā)復(fù)位。（2）回電復(fù)位：在MC9S12DG128的VDD引腳上的一個(gè)正向變化將觸發(fā)加電復(fù)位。當(dāng)給HCS12加電時(shí)，它以一個(gè)已知的、確定的設(shè)置啟動(dòng)。（3）計(jì)算機(jī)工作正常（Computer Operating Properly，COP）COP系統(tǒng)包含一個(gè)用戶設(shè)置的倒計(jì)數(shù)定時(shí)器。若定時(shí)器過(guò)期，則觸發(fā)一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位。為了防止定時(shí)器過(guò)期，執(zhí)行的程序必須在倒計(jì)數(shù)定時(shí)器失效前向其中順序?qū)懭?55和$AA(必須按此順序)。若程序陷入死循環(huán)，則觸發(fā)COP復(fù)位（向ARMCOP寄存器寫入其他值也會(huì)導(dǎo)致COP復(fù)位）。（4）時(shí)鐘監(jiān)控復(fù)位：當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率低于某個(gè)預(yù)設(shè)值時(shí)或停止時(shí)，將觸發(fā)時(shí)鐘監(jiān)控復(fù)位。當(dāng)上述事件觸發(fā)復(fù)位時(shí)，HCS12在程序計(jì)數(shù)器中旋轉(zhuǎn)一個(gè)復(fù)位向量（內(nèi)存地址），處理器執(zhí)行啟動(dòng)例程。COP復(fù)位和時(shí)鐘監(jiān)控復(fù)位還有其各自的復(fù)位向量。如果復(fù)位引腳被一直拉低，則MCU將不能正常工作。對(duì)于最小系統(tǒng)的復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)和在系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)提供手動(dòng)復(fù)位信號(hào)。4．晶振電路 時(shí)鐘脈沖是CPU工作的基礎(chǔ)，MC9S12微控制器的系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)，由時(shí)鐘振蕩電路或?qū)Ｓ脮r(shí)序脈沖信號(hào)提供。MCU內(nèi)部的所有時(shí)鐘信號(hào)都來(lái)源EXTAL引腳。也為MCU與其他外接芯片之間的通信提供了可靠的同步時(shí)鐘信號(hào)。S12微控制器系統(tǒng)時(shí)鐘范圍較廣，實(shí)際可以高達(dá)到40MHz。MC9S12在內(nèi)部集成了完整的振蕩電路，XTAL和EXTAL分別為振蕩器的輸出和輸入引腳。XTAL和EXTAL引腳可接入一個(gè)石英或陶瓷振蕩空器。晶體振蕩器分為有源晶振和無(wú)源晶振兩種類型。需要外接電源的稱為有源晶振。無(wú)源晶振是有兩個(gè)引腳的無(wú)極性元件，需要借助于時(shí)鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號(hào)，自身無(wú)法振蕩起來(lái)。DG128的XCLKS引腳是晶振電路類型選擇引腳。S12的總線時(shí)鐘是MCU系統(tǒng)的定時(shí)基準(zhǔn)和工作同步脈沖，其頻率固定為晶體頻率的1/2。5． BDM接口電路背景調(diào)試模式(BDM)是由Freescale半導(dǎo)體公司自定義的片上調(diào)試規(guī)范。開(kāi)發(fā)人員可以能過(guò)它向目標(biāo)板下載程序，同時(shí)也可通過(guò)BDM對(duì)調(diào)試器對(duì)目標(biāo)板MCU的Flash存儲(chǔ)器進(jìn)行寫入、擦除等操作。BDM硬件調(diào)試插頭的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，標(biāo)準(zhǔn)BDM調(diào)試手頭如下所示：圖1４　BDM接口圖 BDM調(diào)試的各個(gè)端口含義如表12所示。表12　BDM調(diào)試的端口定義列表6．LED調(diào)試小燈 一共4個(gè)LED小燈開(kāi)在B口，可以做信號(hào)指示，以及程序運(yùn)行調(diào)試的時(shí)候，用于判斷程序的運(yùn)行狀態(tài)。 PID控制的運(yùn)算規(guī)律和構(gòu)成　PID控制的原理和特點(diǎn) 在工程實(shí)際中，比例、積分、微分控制，即PID控制作為連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣泛的一種控制方式，其控制的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入輸出的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果用以控制輸出。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，控制理論的其它技術(shù)就難以采用，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，這時(shí)應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。因此當(dāng)我們不完全了解一個(gè)系統(tǒng)和被控對(duì)象時(shí)，或不能通過(guò)有效的測(cè)量手段來(lái)獲得系統(tǒng)參數(shù)時(shí)，最適合用PID控制技術(shù)。在單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動(dòng)作用使被控變量偏離給定值，從而產(chǎn)生偏差e(t)=r(t)y(t) 式中e(t)為偏差，r(t)為輸入值，y(t)測(cè)量值。習(xí)慣上稱e(t)0為正偏差，e(t)0為負(fù)偏差。圖15　單回路控制系統(tǒng)方框圖在模擬電路中，PID控制器的運(yùn)算功能實(shí)際上是由電阻、電容、運(yùn)算放大器構(gòu)成的模擬電子電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，模擬電路的PID算法表達(dá)式為： 　　　(1)或用傳遞函數(shù)表示為 式中 P(t)—調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)—調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，它等于測(cè)量值與給定值之差 —調(diào)節(jié)器比例系數(shù) —調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 —調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常規(guī)的模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。該系統(tǒng)由模擬PID控制器和被控制對(duì)象組成。圖中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實(shí)際輸出值，偏差e(t)=r(t)y(t)。圖16　模擬PID控制方框圖常見(jiàn)的PID控制規(guī)律有P(比例)控制規(guī)律，PI(比例積分)控制規(guī)律，PD(比例微分)控制規(guī)律，PID(比例積分微分)控制規(guī)律。1. P(比例)控制規(guī)律當(dāng)PID控制器只有比例控制規(guī)律時(shí)，就稱為P(比例)控制器。比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與誤差信號(hào)成比例關(guān)系，也是唯一能復(fù)原輸入信號(hào)的控制規(guī)律。當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差，比例控制的階躍響應(yīng)特性如圖17所示。圖17　比例控制的階躍響應(yīng)特性比例部分的數(shù)學(xué)式表示是：，在模擬電路的PID控制器中，比例環(huán)節(jié)的作用是以瞬間偏差做出反應(yīng)。偏差一旦產(chǎn)生控制器立即產(chǎn)生控制作用，使控制量向減少偏差的方向變化?？刂谱饔玫膹?qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp，比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強(qiáng)，則過(guò)度過(guò)程越快，控制過(guò)程的靜態(tài)偏差也就越??；但是Kp越大，也越容易產(chǎn)生振蕩，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故而，比例系統(tǒng)Kp選擇必須恰當(dāng)，才能達(dá)到過(guò)渡時(shí)間少、靜差小而又穩(wěn)定的效果。2. PI(比例積分運(yùn)算規(guī)律)積分部分的數(shù)學(xué)式表示是+ Kp*e(t) 　　　(2)或 W(s)=Kp(1+)從積分部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式可以知道，只要存在偏差，則它的控制作用就不斷的增加，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。隨著時(shí)間的增加積分項(xiàng)增大，這樣即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小。只有在偏差e(t)＝0時(shí)，它的輸出才能是一個(gè)常數(shù)。可見(jiàn)，積分部分可以消除系統(tǒng)的偏差。積分環(huán)節(jié)的調(diào)節(jié)作用雖然會(huì)消除靜態(tài)誤差，但也會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)的超調(diào)量。積分常數(shù)越大，積分的積累作用越弱，這時(shí)系統(tǒng)在過(guò)渡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生振蕩，但是增大積分常數(shù)會(huì)減慢靜態(tài)誤差的消除過(guò)程，消除偏差所要的時(shí)間也較長(zhǎng)，這樣會(huì)造成控制不及時(shí)，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。因此，控制系統(tǒng)中積分項(xiàng)是不能單獨(dú)使用的，而是與比例作用組合起來(lái)構(gòu)成PI控制器。由于較小時(shí)，則積分的作用較強(qiáng)，這時(shí)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過(guò)消除偏差要的時(shí)間較短。所以必須根據(jù)實(shí)際控制的具體要求來(lái)確定。在階躍偏差信號(hào)作用下，理想PI控制的輸出隨時(shí)間變化的表達(dá)式為 　　　(3)理想PI控制的階躍響應(yīng)如圖18所示。在階躍信號(hào)加入的瞬間，輸出突跳到某一值，這是比例作用的輸出()；以后隨時(shí)間不斷增加，為積分作用的輸出()。理想PI控制器的階躍響應(yīng)如圖8所示。圖中在階躍正偏差信號(hào)加入的瞬間，輸出突跳到某一值，這是比例作用，以后隨時(shí)間不斷增加，為積分作用。圖18　理想PI控制的階躍響應(yīng)特性3. PD運(yùn)算規(guī)律PD比例微分運(yùn)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式表示是： 　　　(4)微分時(shí)間越長(zhǎng)，微分作用就越強(qiáng)。微分作用是根據(jù)偏差變化速度進(jìn)行控制的，即使e(t)很小，只要出現(xiàn)變化趨勢(shì)，就有控制作用輸出，因此有超前控制之稱。4. PID運(yùn)算規(guī)律PID運(yùn)算的數(shù)學(xué)表達(dá)式是： 　　　(5)實(shí)際在控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差，還要求能加快調(diào)節(jié)過(guò)程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對(duì)偏差量做出立即響應(yīng)（比例環(huán)節(jié)的作用），而且要根據(jù)偏差的變化趨勢(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正(微分環(huán)節(jié)的作用)。PID控制器正好可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能?！ID算法的數(shù)字化在模擬系統(tǒng)中，其過(guò)程控制方式就是將被測(cè)參數(shù)，如溫度、壓力、流量、成分、液位等，由傳感器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)送入調(diào)節(jié)器中與給定值進(jìn)行比較，然后把運(yùn)算得到的差值經(jīng)PID運(yùn)算后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，改變進(jìn)給量以達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。這種系統(tǒng)多用電動(dòng)(或氣動(dòng))單元組合儀表DDZ(或QDZ)來(lái)完成。而在數(shù)字系統(tǒng)中，是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來(lái)模擬調(diào)節(jié)器的。其調(diào)節(jié)過(guò)程是先對(duì)參數(shù)進(jìn)行采樣。并通過(guò)模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量。這些數(shù)字量由計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)，以達(dá)到調(diào)節(jié)的目的。由于計(jì)算機(jī)控制是采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差來(lái)計(jì)算控制量。因此，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)(1)式進(jìn)行離散化處理，用數(shù)字形式的微分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用來(lái)求和增量式表示： 　　　(6) 　　　(7) 將式(6)和(7)代入(1)式，則可得到離散的PID表達(dá)式 　　　(8)式中 ：采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度； ：第K次采樣時(shí)的偏差值。 ：第(K1)次采樣時(shí)的偏差值。 K：采樣序號(hào)，k=0，１……。 ：第Ｋ次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出 由于(8)式的輸出值與閥門開(kāi)度的位置一一對(duì)應(yīng)，因此，通常把(8)式稱為位置型PID的位置控制算式，根據(jù)遞推原理，可寫出(k1)次的PID輸出表達(dá)式： 　　　(9)用式(8)減去(9)式可得： 　　　(10)式中 由(8)式可知要計(jì)算第k次輸出值P(k)，只需要知道P(K1)，E(k)，E(K1)，E(k2)即可，比用式(8)簡(jiǎn)單很多，移項(xiàng)后得到表達(dá)式(11)。= （11） 上式表示第k次輸出的增量，等于第k次與第k1次調(diào)節(jié)器的輸出的差值，因此把(11)式稱為增量式PID控制算式。用微型機(jī)實(shí)現(xiàn)位置式和增量式控制算式的原理如圖19所示。(a)位置式PID控制(b)增量式PID控制圖1９　兩種PID控制原理圖從(8)式可以得到位置式PID控制算法可以看出，位置型PID控制算法的缺點(diǎn)是因?yàn)槿枯敵?，所以每次輸出都與過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì)e(k)進(jìn)行累加，這樣不僅計(jì)算煩瑣，而且為保存E(j)還要占用很多內(nèi)存，計(jì)算機(jī)運(yùn)算的工作量大。因?yàn)橛?jì)算機(jī)的輸出對(duì)應(yīng)的是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置，如果計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，P(k)的大幅度變化，會(huì)引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實(shí)踐中不允許的，在某些場(chǎng)合，還可能造成重大的生產(chǎn)事故。從(11)式得到的增量式PID控制算法可以看出，對(duì)于增量式PID控制算法，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量△P(k)對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置(如閥門開(kāi)度)的增量。對(duì)應(yīng)閥門實(shí)際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式P(k)=P(k1)十△P(k)通過(guò)軟件來(lái)完成。增量式控制雖然只是在算法上作了一點(diǎn)改進(jìn)，但卻帶來(lái)了不少的優(yōu)點(diǎn)：1. 由于計(jì)算機(jī)輸出增量，所以誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去除。2. 手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)沖擊小，便于實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能保持原值。位置式控制算法中，由手動(dòng)自動(dòng)切換時(shí)，必須首先使計(jì)算機(jī)的輸出值等于閥門開(kāi)度，才能保證無(wú)擾動(dòng)切換，這將給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。增量式控制只與本次偏差值有關(guān)，與閥門原來(lái)的位置無(wú)關(guān)，因而增量算法易于實(shí)現(xiàn)手動(dòng)/自動(dòng)的無(wú)擾動(dòng)切換而不產(chǎn)生失控，所以容易獲得較好的調(diào)節(jié)品質(zhì)。3. 算式中不需要累加，控制增量△P(k)的確定僅與最近三次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得較好的控制效果。而位置式控制算式中，不僅需要對(duì)E(j)進(jìn)行累加，而且計(jì)算機(jī)的任何故障都會(huì)引起P(k)大幅度變化，對(duì)生產(chǎn)不利。綜上可以得出，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中一般都采用增量式PID控制算法，而不使用位置式PID控制算法。第二章　硬件設(shè)計(jì)　設(shè)計(jì)思路結(jié)晶器振動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是以MC9S12DG128單片機(jī)為核心，通過(guò)單片機(jī)控制外圍芯片及電路。通過(guò)MC9S12DG128單片機(jī)與D/A5660轉(zhuǎn)換器構(gòu)成波形發(fā)生器，即MCU在其數(shù)據(jù)線上送出一系列按一定規(guī)律變化的數(shù)據(jù)信息，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。結(jié)晶器振動(dòng)信號(hào)采集通過(guò)A/D7367和傳感器完成，PID控制部分的作用是實(shí)現(xiàn)采集回來(lái)的數(shù)字信號(hào)與波形發(fā)生信號(hào)的PID運(yùn)算，然后輸出控制信號(hào)?？傮w設(shè)計(jì)框圖