【文章內(nèi)容簡介】 、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個可編程PWM通道，可配置成８通道８位或４通道16位PWM，其每個通道的周期和占空比均可通過編程獨立設(shè)置?？删幊痰臅r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上面帶有一個串行接口，可以通過串口驅(qū)動電路的RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232將TTL電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，然后通過9芯串行電纜和PC機進行通信。MC9S12DG128最小系統(tǒng)為保證系統(tǒng)能夠成功運行，應(yīng)該包括以下幾個部分：電源電路、時鐘電路、串口電路、BDM接口、復位電路、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，降低電源波動對系統(tǒng)的影響，增強電路工作穩(wěn)定性。為標識系統(tǒng)通電與否，可以增加一個電源指示燈。２．PLL電路片內(nèi)的PLL電路兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，以降低因調(diào)整開關(guān)時鐘所造成調(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)，需要通過計算得出。對fOSC=4MHz，總線時鐘為25MHz，通過計算得出CS、470pF和10kΩ。 PLL的濾波電路要盡量靠近MCU，每個電源端和接地端都要接一個去耦電容，去耦電容要盡量接近MCU。３．復位電路HCS12系列MCU共有四種事件可以觸發(fā)系統(tǒng)復位。（1）外部復位：HCS12 MCU配備一個標記為的低電平有效復位引腳，當該引腳電壓為低時，觸發(fā)復位。（2）回電復位：在MC9S12DG128的VDD引腳上的一個正向變化將觸發(fā)加電復位。當給HCS12加電時，它以一個已知的、確定的設(shè)置啟動。（3）計算機工作正常（Computer Operating Properly，COP）COP系統(tǒng)包含一個用戶設(shè)置的倒計數(shù)定時器。若定時器過期，則觸發(fā)一個系統(tǒng)復位。為了防止定時器過期，執(zhí)行的程序必須在倒計數(shù)定時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復位（向ARMCOP寄存器寫入其他值也會導致COP復位）。（4）時鐘監(jiān)控復位：當系統(tǒng)時鐘頻率低于某個預(yù)設(shè)值時或停止時，將觸發(fā)時鐘監(jiān)控復位。當上述事件觸發(fā)復位時，HCS12在程序計數(shù)器中旋轉(zhuǎn)一個復位向量（內(nèi)存地址），處理器執(zhí)行啟動例程。COP復位和時鐘監(jiān)控復位還有其各自的復位向量。如果復位引腳被一直拉低，則MCU將不能正常工作。對于最小系統(tǒng)的復位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復位信號和在系統(tǒng)運行不正常時提供手動復位信號。4．晶振電路 時鐘脈沖是CPU工作的基礎(chǔ)，MC9S12微控制器的系統(tǒng)時鐘信號，由時鐘振蕩電路或?qū)Ｓ脮r序脈沖信號提供。MCU內(nèi)部的所有時鐘信號都來源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鐘信號。S12微控制器系統(tǒng)時鐘范圍較廣，實際可以高達到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引腳可接入一個石英或陶瓷振蕩空器。晶體振蕩器分為有源晶振和無源晶振兩種類型。需要外接電源的稱為有源晶振。無源晶振是有兩個引腳的無極性元件，需要借助于時鐘電路才能產(chǎn)生振蕩信號，自身無法振蕩起來。DG128的XCLKS引腳是晶振電路類型選擇引腳。S12的總線時鐘是MCU系統(tǒng)的定時基準和工作同步脈沖，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半導體公司自定義的片上調(diào)試規(guī)范。開發(fā)人員可以能過它向目標板下載程序，同時也可通過BDM對調(diào)試器對目標板MCU的Flash存儲器進行寫入、擦除等操作。BDM硬件調(diào)試插頭的設(shè)計非常簡單，標準BDM調(diào)試手頭如下所示：圖1４　BDM接口圖 BDM調(diào)試的各個端口含義如表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LED小燈開在B口，可以做信號指示，以及程序運行調(diào)試的時候，用于判斷程序的運行狀態(tài)。 PID控制的運算規(guī)律和構(gòu)成　PID控制的原理和特點 在工程實際中，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)系進行運算，運算結(jié)果用以控制輸出。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡單、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。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，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)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應(yīng)用PID控制技術(shù)最為方便。因此當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象時，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。在單回路控制系統(tǒng)中，由于擾動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)測量值。習慣上稱e(t)0為正偏差，e(t)0為負偏差。圖15　單回路控制系統(tǒng)方框圖在模擬電路中，PID控制器的運算功能實際上是由電阻、電容、運算放大器構(gòu)成的模擬電子電路來實現(xiàn)的，模擬電路的PID算法表達式為： 　　　(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—調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差 —調(diào)節(jié)器比例系數(shù) —調(diào)節(jié)器的積分時間 —調(diào)節(jié)器的微分時間常規(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控制器和被控制對象組成。圖中，r(t)是給定值，y(t)是系統(tǒng)的實際輸出值，偏差e(t)=r(t)y(t)。圖16　模擬PID控制方框圖常見的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PID控制器只有比例控制規(guī)律時，就稱為P(比例)控制器。比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與誤差信號成比例關(guān)系，也是唯一能復原輸入信號的控制規(guī)律。當僅有比例控制時系統(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。控制作用的強弱取決于比例系數(shù)Kp，比例系數(shù)Kp越大，控制作用越強，則過度過程越快，控制過程的靜態(tài)偏差也就越?。坏荎p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，才能達到過渡時間少、靜差小而又穩(wěn)定的效果。2. PI(比例積分運算規(guī)律)積分部分的數(shù)學式表示是+ Kp*e(t) 　　　(2)或 W(s)=Kp(1+)從積分部分的數(shù)學表達式可以知道，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的積分成正比關(guān)系。隨著時間的增加積分項增大，這樣即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進一步減小。只有在偏差e(t)＝0時，它的輸出才能是一個常數(shù)?？梢?，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)作用雖然會消除靜態(tài)誤差，但也會降低系統(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，這時系統(tǒng)在過渡時不會產(chǎn)生振蕩，但是增大積分常數(shù)會減慢靜態(tài)誤差的消除過程，消除偏差所要的時間也較長，這樣會造成控制不及時，使系統(tǒng)穩(wěn)定裕度下降。因此，控制系統(tǒng)中積分項是不能單獨使用的，而是與比例作用組合起來構(gòu)成PI控制器。由于較小時，則積分的作用較強，這時系統(tǒng)過渡時間中有可能產(chǎn)生振蕩，不過消除偏差要的時間較短。所以必須根據(jù)實際控制的具體要求來確定。在階躍偏差信號作用下，理想PI控制的輸出隨時間變化的表達式為 　　　(3)理想PI控制的階躍響應(yīng)如圖18所示。在階躍信號加入的瞬間，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加入的瞬間，輸出突跳到某一值，這是比例作用，以后隨時間不斷增加，為積分作用。圖18　理想PI控制的階躍響應(yīng)特性3. PD運算規(guī)律PD比例微分運算的數(shù)學表達式表示是： 　　　(4)微分時間越長，微分作用就越強。微分作用是根據(jù)偏差變化速度進行控制的，即使e(t)很小，只要出現(xiàn)變化趨勢，就有控制作用輸出，因此有超前控制之稱。4. PID運算規(guī)律PID運算的數(shù)學表達式是： 　　　(5)實際在控制系統(tǒng)除了希望消除靜態(tài)誤差，還要求能加快調(diào)節(jié)過程。在偏差出現(xiàn)的瞬間，或在偏差變化的瞬間，不但要對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)偏差的變化趨勢預(yù)先給出適當?shù)募m正(微分環(huán)節(jié)的作用)。PID控制器正好可以用來實現(xiàn)這一功能?！ID算法的數(shù)字化在模擬系統(tǒng)中，其過程控制方式就是將被測參數(shù)，如溫度、壓力、流量、成分、液位等，由傳感器轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的標準信號送入調(diào)節(jié)器中與給定值進行比較，然后把運算得到的差值經(jīng)PID運算后送到執(zhí)行機構(gòu)，改變進給量以達到自動調(diào)節(jié)的目的。這種系統(tǒng)多用電動(或氣動)單元組合儀表DDZ(或QDZ)來完成。而在數(shù)字系統(tǒng)中，是用數(shù)字調(diào)節(jié)器來模擬調(diào)節(jié)器的。其調(diào)節(jié)過程是先對參數(shù)進行采樣。并通過模擬量輸入通道將模擬量變成數(shù)字量。這些數(shù)字量由計算機按一定控制算法進行運算處理，運算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過執(zhí)行機構(gòu)去控制生產(chǎn)，以達到調(diào)節(jié)的目的。由于計算機控制是采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差來計算控制量。因此，在計算機控制系統(tǒng)中，必須首先對(1)式進行離散化處理，用數(shù)字形式的微分方程代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程，此時積分項和微分項可用來求和增量式表示： 　　　(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次采樣時的偏差值。 ：第(K1)次采樣時的偏差值。 K：采樣序號，k=0，１……。 ：第Ｋ次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出 由于(8)式的輸出值與閥門開度的位置一一對應(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輸出表達式： 　　　(9)用式(8)減去(9)式可得： 　　　(10)式中 由(8)式可知要計算第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)簡單很多，移項后得到表達式(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。用微型機實現(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控制算法的缺點是因為全量輸出，所以每次輸出都與過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對e(k)進行累加，這樣不僅計算煩瑣，而且為保存E(j)還要占用很多內(nèi)存，計算機運算的工作量大。因為計算機的輸出對應(yīng)的是執(zhí)行機構(gòu)的實際位置，如果計算機出現(xiàn)故障，P(k)的大幅度變化，會引起執(zhí)行機構(gòu)的位置的大幅度變化，這種情況往往是生產(chǎn)實踐中不允許的，在某些場合，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，對于增量式PID控制算法，計算機輸出的控制增量△P(k)對應(yīng)的是本次執(zhí)行機構(gòu)位置(如閥門開度)的增量。對應(yīng)閥門實際位置的控制量，目前采用較多的是利用算式P(k)=P(k1)十△P(k)通過軟件來完成。增量式控制雖然只是在算法上作了一點改進，但卻帶來了不少的優(yōu)點：1. 由于計算機輸出增量，所以誤動作時影響小，必要時可用邏輯判斷的方法去除。2. 手動自動切換時沖擊小，便于實現(xiàn)無擾動切換。此外，當計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能保持原值。位置式控制算法中，由手動自動切換時，必須首先使計算機的輸出值等于閥門開度，才能保證無擾動切換，這將給程序設(shè)計帶來困難。增量式控制只與本次偏差值有關(guān)，與閥門原來的位置無關(guān)，因而增量算法易于實現(xiàn)手動/自動的無擾動切換而不產(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E(j)進行累加，而且計算機的任何故障都會引起P(k)大幅度變化，對生產(chǎn)不利。綜上可以得出，在計算機系統(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　設(shè)計思路結(jié)晶器振動控制系統(tǒng)的設(shè)計思想是以MC9S12DG128單片機為核心，通過單片機控制外圍芯片及電路。通過MC9S12DG128單片機與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D/A轉(zhuǎn)換器和運算放大器轉(zhuǎn)化為電壓信號。結(jié)晶器振動信號采集通過A/D7367和傳感器完成，PID控制部分的作用是實現(xiàn)采集回來的數(shù)字信號與波形發(fā)生信號的PID運算，然后輸出控制信號?？傮w設(shè)計框圖