【文章內(nèi)容簡介】 很多功能在現(xiàn)場從來沒有得到使用，這樣雖然成本提高了，但是卻沒有得到充分利用，無形中浪費了資源。在設計時采用了 Intel 公司的高性能 16 位 COMS 型微處理器 80C196KC和雙端輸出類型的脈沖寬度調(diào)制器 TL494，采集芯片采用了 MAXIM 公司的快速 12位模數(shù)轉(zhuǎn)換集成模塊 MAX197。因為選擇的執(zhí)行器件是磁粉制動器和磁粉離合器，而它們的轉(zhuǎn)矩與勵磁電流在很大的范圍內(nèi)成線性關系，所以在控制卷材張力時，只需要控制磁粉制動器和磁粉離合器的勵磁電流，間接地控制了制動轉(zhuǎn)矩，從而也就控制了張力，實現(xiàn)起來非常簡單方便?？刂破髟砜驁D如圖 所示： 張力控制器原理框圖80C196KC 是一種高性能而價格低廉的 16 位單片機，片內(nèi)有帶采樣保持器的八通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，采用逐次轉(zhuǎn)移原理將多至八路的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量；片內(nèi)數(shù)據(jù)總線和 CPU 都是 16 位，對片外儲器操作時，數(shù)據(jù)總線可以采用 16 位，也可以采用 8 位；28 個中斷源組合成 15 種不同的中斷，再加上非屏蔽中斷、軟件陷阱中斷、未實現(xiàn)代碼中斷等三個特殊的中斷類型，使得系統(tǒng)處理事務的能力變得尤為強大；尤其是片內(nèi)自帶有 3 路 PWM 輸出口，使用起來十分方便。由于片內(nèi)自帶的 8/10 位 A/D 在 10 位精度時轉(zhuǎn)換一次所需的時間為 168 個機器周期，而且一次只能采樣一個通道，當采用 16M 晶振時采樣一次耗時 21μs ，當連續(xù)采樣 4 路張力信號時，耗時約 85μs ，顯然若 CPU 要讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，必須在 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器啟動后的 21μs 時間之外，不能滿足張力控制系統(tǒng)實時性的要求，同時考慮系統(tǒng)控制精度的要求，設計時沒有采用片內(nèi)自帶的 A/D 轉(zhuǎn)換器，而是采用了 MAXIM 公司生產(chǎn)的一種性價比較高的快速 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器——MAX197。僅僅有了張力閉環(huán)還不能達到張力控制精度的要求，設計時采用 PWM 模塊 TL494 和磁粉制動器驅(qū)動電路構成電流閉環(huán)，由于電流環(huán)速度要求比較高，實際上這部分由模擬電路來實現(xiàn)電流環(huán)的控制?；?80C196KC 的控制系統(tǒng)包括最小系統(tǒng)、信號放大、液晶顯示、RS48A/D 轉(zhuǎn)換、PWM 輸出、磁粉制動器驅(qū)動等部分，控制系統(tǒng)結(jié)構框圖如下圖示： 80196KC控制系統(tǒng)結(jié)構框圖由于張力傳感器送來的信號非常微弱，通常只有幾個毫伏，所以在將張力傳感器傳送來的張力信號送入采集模塊 MAX197 之前，必須要經(jīng)過信號放大環(huán)節(jié)。這部分的運算放大器采用了 OP07。OP07 是一種低失調(diào)低漂移運放，其輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流也比較小，所以其運放精度也相當高，很適用于微弱信號精密放大。而且這種運放貨源十分充足、價格便宜。放大部分原理圖如圖 所示。設張力傳感器傳送的張力信號為，則經(jīng)過放大后輸出信號為： （31）當張力信號在 0~10mV 范圍內(nèi)波動時，經(jīng)過放大后的張力信號在 0~5V 之間，所以信號經(jīng)過放大后可以直接對其進行采樣，在每路信號輸出端用穩(wěn)壓管將放大后的最大電壓限制在采集芯片的允許范圍之內(nèi)，以免外界干擾引起張力信號的突變而損壞采樣芯片。 張力信號放大原理圖為了防止強電系統(tǒng)干擾和其它類型的外界干擾通過I/0控制回路進入計算機，在控制計算機接口中，經(jīng)常采用光電隔離的輸入輸出電路，外部信號經(jīng)過光電耦合器和計算機發(fā)生聯(lián)系，即計算機和外部信號之間無直接的電氣聯(lián)系，而是以光的形式耦合。光耦合器是一種以光的形式傳遞信號的器件，其輸入端為發(fā)光二極管，輸出端為光敏元件，如光敏三極管或光敏二極管。就其本身的工作方式而言，它是電流傳輸性的器件。當輸入信號無電流，即發(fā)光二極管不導通不發(fā)光時，輸出器件也不導通，輸出電流為零。當輸入回路有電流流動時，發(fā)光二極管導通發(fā)光，激勵輸出端的光敏器件，從而產(chǎn)生相應的輸出電流。輸入端和輸出端無直接電氣連接，通過光傳遞信息。上圖給只出了一相電路的光電隔離原理圖，其它四相和上圖相同。該電路的主要作用是:隔斷光耦合器入出電路的電氣聯(lián)系。入出兩側(cè)各自有獨立的電源，不共地，這樣，強電一側(cè)中的干擾很難進入計算機一側(cè)。此光電耦合器將電壓傳送變?yōu)殡娏鱾魉?，為低阻器件，要感應出一定強度的電流信號，外部干擾源必須有相當大的能量。對該系統(tǒng)來說，干擾持續(xù)時間短，能量不大，因此，可以達到抗干擾的目的。 A/D轉(zhuǎn)換MAX197 美國 MAXIM 推出的多輸入范圍、多通道 12 位高速并行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片。它只需單電源—＋5V 供電，有 8 路可獨立編程的模擬輸入通道，其測量范圍為 0～5V，0～10V，177。5V，177。10V。片內(nèi)自帶采樣保持器，A/D 轉(zhuǎn)換時間為 6us，采樣速率可達 100ksps。8 位數(shù)字輸出端，可輸出 8 位或 12 位數(shù)字量。此外,分別提供內(nèi)部和外部時鐘模式、內(nèi)部參考電壓(=)和外部參考電壓模式、內(nèi)部和外部采集控制。該芯片提供數(shù)據(jù)讀取并行接口方式，可與任何標準的微處理器簡便聯(lián)接，因此廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。圖 為 MAX197 的內(nèi)部結(jié)構框圖，核心部分是一個采用逐次逼近方式的 DAC，前端包括一個用來切換模擬輸入通道的多路復用器以及輸入信號調(diào)理和過壓保護電路，其內(nèi)部還建有一個 。 MAX197內(nèi)部結(jié)構圖對 A/D 轉(zhuǎn)換芯片而言，高精度的參考電壓是十分重要的，因為它可以直接影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的精度，一般 A/D 都需要外接參考電壓，而 MAX197 內(nèi)自帶參考電壓，所以外圍電路十分簡單，考慮到有些設計需要用統(tǒng)一的參考電壓，所以它提供了兩種參考電壓的設置方式以供選擇。圖 為幾種不同參考電壓的電路接法： MAX197采用不同參考電壓時幾種典型外接圖(a) 采用內(nèi)部參考電壓，參考電壓值為 ；(b) 采用外部參考電壓，參考電壓值為 ；(c) 采用外部參考電壓，參考電壓值為 ；在設計時，采用了內(nèi)部參考電壓，即采用了圖(a)所示電路，MAX197 與80C196KC 的連接圖如圖 所示：其中 CH0CH7 為采集輸入通道，目前僅用了其中的 4 個通道，另外的 4個通道在需要采集更多路的張力信號時使用。在調(diào)試時最好將備用的采集通道接地，以免在采集過程中出現(xiàn)通道串擾現(xiàn)象的發(fā)生。圖 所示為 A/D 采用程序?qū)崿F(xiàn)流程圖。 MAX197與80C196KC連接圖 A/D采樣程序?qū)崿F(xiàn)流程圖 單片機系統(tǒng)最小單片機系統(tǒng)是指能是單片機正常運行且電路最簡單的系統(tǒng)，在最小系統(tǒng)的基礎上適當增加了一些外圍電路，就構成了系統(tǒng)硬件。由于選用的 80C196KC單片機片內(nèi)沒有用程序存儲器，所以，在設計時加上了外接的 EPROM。最小系統(tǒng)由單片機 80C196KC 和外接 EPROM、RAM、晶體振蕩器（16M）、復位電路、譯碼電路等組成。圖 80C196KC 單片機最小系統(tǒng)原理圖（復位電路另外介紹）：圖 80C196KC 單片機最小系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)選用的 32K 的 EPROM27256 作為程序存儲器，用于存放控制程序和各種表格；而 32K 字節(jié)的靜態(tài) RAM62256 作為數(shù)據(jù)存儲器，用于存放運行中的狀態(tài)變量等數(shù)據(jù)，從而起到存儲示波器的作用；由于 80C196KC 采用地址/數(shù)據(jù)復用總線的方式來節(jié)省外部引線，所以必須在片外增加地址/數(shù)據(jù)分離電路，我選用鎖存器74ALS573 來實現(xiàn)此功能；復位電路我采用了 MAX708 芯片，它是一種微處理器電源監(jiān)控芯片，可同時輸出高電平有效和低電平有效的復位信號，復位信號可由 VCC 電壓、手動復位輸入、或由獨立的比較器觸發(fā)，在設計時采用了上電復位方式。 所示為最小單片機系統(tǒng)復位電路原理圖：圖 復位電路原理圖系統(tǒng)采用了可編程器件 GAL22V10 作譯碼電路來實現(xiàn)地址的分配，其輸出引腳作為 EPROM、RAM、MAX19液晶顯示屏的片選信號和液晶顯示數(shù)據(jù)/命令的選擇信號等。串行通訊接口電路采用了 MAX485 芯片，此芯片是一種差分平衡型收發(fā)器芯片，包含一個驅(qū)動器和一個接收器，采用單＋5V 電源供電，工作于半雙工方式，在同一時間只允許一個驅(qū)動器工作，到底那個驅(qū)動器工作由使能端來進行控制。在與 PC 機進行通訊時，需要 RS232RS485 轉(zhuǎn)接器。其電路原理圖如圖 所示： 80C196KC與MAX485接口電路 液晶顯示與 LED 顯示方式相比，液晶顯示器具有工作電壓低、功耗小、顯示信息量大、壽命長、無電磁輻射污染等優(yōu)點，而且還可顯示復雜的文字及圖形。我選用了SMG12232A 點陣式圖形液晶顯示模塊，它內(nèi)置 2 片控制芯片 SED1520 及其他輔助電路，同時，因為有背光的要求，在設計時用了獨立的一路電源為其供電。液晶顯示部分如圖 所示SMG12232A 液晶顯示模塊接口信號包括 8 位三態(tài)數(shù)據(jù)線 D0D7，命令數(shù)據(jù)線A0，片選信號線/CS1,/CS2，以及讀與寫控制線/RD，/WR 等，詳細接口信號端定義如表 31 所示及顯示程序流程圖如圖 所示： 接口信號端定義表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地8/RD讀信號（L）2VDD電源正極9/WR寫信號（L）3VLCD液晶顯示偏壓1017D0D7DATA I/O4A0數(shù)據(jù)/命令選擇端18RST復位端5/CS1片選IC1信號（L）（1復位0正常工作）6/CS2片選IC2信號（H）19BLA背光源正極（+）7CL外接時鐘頻率（2K）20BLK背光源負極 顯示流程圖 PWM 信號產(chǎn)生電路TL494 是美國德州儀器公司生產(chǎn)的電壓驅(qū)動型脈寬調(diào)制器，常用作計算機系統(tǒng)中作為開關電源電路，其輸出三極管可接成共發(fā)射極和射極跟隨器兩種形式，因而可以選擇雙端推挽電路輸出或單端輸出方式，在推挽輸出方式時，他的兩路驅(qū)動脈相差 180 度，而在單端方式時，其兩端驅(qū)動脈沖為同頻同相。TL494 芯片原理圖如圖 313 所示。 TL494內(nèi)音區(qū)結(jié)構圖TL494 的核心部分是脈沖寬度比較器，比較器的反相端接至振蕩器，從該端輸入標準鋸齒波，振蕩器的工作頻率為 1KHz－300KHz。比較器的同相輸入端接至誤差放大器的輸出端。芯片內(nèi)部的兩個誤差放大器的結(jié)構相同，輸出端用二極管隔離，每個誤差放大器可獨立使用，一般一個放大器用作誤差放大器，另一個可用作過流保護放大器。TL494 獨特之處在于設置了一個獨立的死區(qū)時間控制比較器，同相端接 的電平后引向 4 腳，利用外控電位可以改變調(diào)制器的死區(qū)時間。輸出級由觸發(fā)器將 PWM 脈沖分成兩相脈沖，分別控制兩路晶體管輸出級。觸發(fā)后的輸出方式控制端 13 可使芯片工作在單端或雙端推挽輸出方式。當該端為高電平時，兩路輸出分別由觸發(fā)器的Q和Q端控制，形成雙端推挽輸出方式，當 13 腳為低電平時，觸發(fā)器失去作用，兩路輸出同時由 PWM 比較器后的或門輸出