【正文】 要與實際的引腳的距離一致。大部分芯片相鄰兩個引腳之間距離為 100mil。因此可以通過和芯片引腳距離的對比來確定其他元件的引腳距離。接下來要做的就是設計布局。布局結果的好壞將直接影響布線的效果，因此可以這樣認為，合理的布局是 PCB 設計成功的第一步。本次電路板的元件布局大致做到了整齊、緊湊，且分布合理、均勻。Protel 99SE 有自動布局和手動布局二種，本次設計我采用了手動布局來完成的。元件放置的順序通常遵循一些規(guī)則：首先放置與結構緊密配合的固定位置的元器件，再放置元器件和大元器件。最后放置小元器件。接下一步是 PCB 的設計布線。Protel 99SE 具有自動布線功能，考慮到自動布線無法完成復雜電路板的布線，所以本次設計中采用自動布線和手動布線相結合來完成的。印制電路板的元件布局和電氣連線方向的正確結構設計是決定產品能否可靠工作的關鍵，對同一元件和參數(shù)的電路，由于元件布局設計和電氣連線方向的不同而產生不同的結果。因而，必須把如何正確設計印刷電路板元件布局的結構和正確選擇布線方向綜合起來考慮，這樣既可以消除因布線不當而產生的干擾，同時便于生產中的安裝、調試與檢修等。20第四章 系統(tǒng)實現(xiàn) 任務提出通過學習 S7200 PLC 的模擬量輸入輸出模塊的應用，能夠編制 MSP430 程序實現(xiàn)對水箱水位恒定控制系統(tǒng)的自動控制。 系統(tǒng)實現(xiàn)模擬量輸入模塊（EM231）具有 4 路模擬量輸入，輸入信號可以是電壓，也可以是電流，其輸入與 PLC 具有隔離，輸入信號的范圍可以由 SWSW2 和 SW3 設定。具體技術性能 圖 41 是 EM231 模擬量輸入模塊的接線，模塊上部共有 12 個端子，每 3 個點為一組（例如 RA、A+、A）可作為一路模擬量的輸入通道，共 4 組，對應電壓信號只用兩個端子（見圖 61 中的、A+、A） ，電流信號需用 3 個端子（見圖 41 中的 RC、C+、C） ，其中RC 與 C+端子短接。對于未用的輸入通道應短接（見圖 41 中的 B+、B） 。模塊下部左端M、L+兩端應接入 電源。圖 41 EM231 模擬量輸入模塊的接線模擬量輸入模塊的分辨率通常以 A/D 轉換后的二進制數(shù)數(shù)字量的位數(shù)來表示，模擬量輸入模塊（EM231）的輸入信號經 A/D 轉換后的數(shù)字量數(shù)據值是 12 位二進制數(shù)。數(shù)據值的12 位在 CPU 中的存放格式如圖 42 所示。最高有效位是符號位：0 表示正值數(shù)據，1 表示負值數(shù)據。圖 42 EM23EM235 輸入數(shù)據格式21(1) 單極性數(shù)據格式 對于單極性數(shù)據，其兩個字節(jié)的存儲單元的低 3 位均為 0，數(shù)據值的 12 位（單極性數(shù)據）是存放在 3 14 位區(qū)域。這 12 位數(shù)據的最大值應為 。EM231 模擬量輸入模塊 A/D轉換后的單極性數(shù)據格式的全量程范圍設置為 032022。差值 3276032022=760 則用于偏置/增益，由系統(tǒng)完成。第 15 位為 0，表示正值數(shù)據。(2) 雙極性數(shù)據格式 對于雙極性數(shù)據，存儲單元（兩個字節(jié)）的低 4 位均為 0，數(shù)據值的 12 位（雙極性數(shù)據）是存放在 415 位區(qū)域。最高有效位是符號位，雙極性數(shù)據格式的全量程范圍設置為32022～+32022。EM232 模擬量輸出模塊總體特性 外形尺寸：功耗：3W 輸出特性本機輸出：2 路模擬量輸出電源電壓：標準 DC 24V/4mA 輸出類型：177。10V、0~20mA 分辨率：12bit 轉換速度：100μs（電壓輸出） ，2ms（電流輸出）隔離：有耗電 從 CPU 的 DC 5V（I/O 總線）耗電 10mA 接線端子M 為 DC24 電源負極端，L+ 為電源正極端MO、 VO、IO；MVI1 分別為第 2 路模擬量輸出端電壓輸出時， “V”為電壓正端， “M”為電壓負端電流輸出時， “I”為電流的流入端， “M”為電流流出端 圖 43 EM232 模擬量輸出模塊 模塊上部有 7 個端子，左端起的每 3 個點為一組，作為一路模擬量輸出，共兩組。第一組 V0 端接電壓負載、I0 端接電流負載，M0 為公共端。第二組 VIM1 的接法與第一組類似。輸出模塊下部 M、L+兩端接入 供電電源。22圖 43 EM232 模擬量輸出模塊端子接線模擬量輸出模塊的分辨率通常以 D/A 轉換前待轉換的二進制數(shù)數(shù)字量的位數(shù)表示，MSP430 運算處理后的 12 位數(shù)字量信號（BIN 數(shù)）在 CPU 中存放的格式如圖 64 所示。最高有效位是符號位：0 表示正值數(shù)據，1 表示負值數(shù)據。圖 44EM23EM235 輸出數(shù)據格式電流輸出數(shù)據的格式 對于電流輸出的數(shù)據，其兩個字節(jié)的存儲單元的低 3 位均為 0，數(shù)據值的 12 位是存放在 3~14 位區(qū)域。電流輸出數(shù)據格式為 0~+32022。第 15 位為 0，表示正值數(shù)據。電壓輸出數(shù)據的格式對于電壓輸出的數(shù)據，其兩個字節(jié)的存儲單元的低 4 位均為 0，數(shù)據值的 12 位是存放在 4~15 位區(qū)域。電壓輸出數(shù)據的格式為32022~+32022。模擬量輸入輸出模塊 EM235 具有 4 路模擬量輸入和 1 路模擬量輸出，它的輸入信號可以是不同量程的電壓或電流。其電壓、電流的量程由開關 SW1SW6 設定。EM235 有 1 路模擬量輸出，其輸出可以是電壓，也可以是電流23表 43 EM235 的技術性能EM235 模擬量混合模塊總體特性 外形尺寸：功耗：3W 輸入特性本機輸入：4 路模擬量輸入電源電壓：標準 DC 24V/4mA 輸入類型： 050mV、0100mV 、0500mV、01V、05V、010V 、020mA、177。25mV、177。50mV、177。100mV、177。250mV、177。500mV、177。1V、177。、177。5V、177。10V 分辨率：12bit 轉換速度：250μs 隔離：有輸出特性本機輸出：1 路模擬量輸出電源電壓：標準 DC 24V/4mA 輸出類型：177。10V、020mA 分辨率：12bit 轉換速度：100μs（電壓輸出） ，2ms（電流輸出）隔離：有耗電 從 CPU 的 DC 5V（I/O 總線）耗電 10mA PID 閉環(huán)控制運算在過程控制中，經常涉及到模擬量的控制，比如溫度、壓力和流量控制等。為了使控制系統(tǒng)穩(wěn)定準確，要對模擬量進行采樣檢測，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測的對象是被控物理量的實際數(shù)值，也稱為過程變量；用戶設定的調節(jié)目標值，也稱為給定值?？刂葡到y(tǒng)對過程變量與給定值的差值進行 PID 運算，根據運算結果，形成對模擬量的控制作用。 PID 回路表 在 MSP430 中，通過 PID 回路指令來處理模擬量是非常方便的，PID 功能的核心是 PID指令。PID 指令需要為其指定一個 V 變量存儲區(qū)地址開始的 PID 回路表、PID 回路號。PID回路表提供了給定和反饋，以及 PID 參數(shù)等數(shù)據入口，PID 運算的結果也在回路表輸出，見表 44 所示。23表 44 PID 指令回路表偏移地址 參數(shù)名 數(shù)據格式 類型 描述0 Vn 輸入 過程變量當前值，應在 之間4 Pn 輸入 給定值，應在 之間8 n 輸入/輸出 輸出值，應在 之間2 輸入 比例增益、常數(shù)、可正可負16 輸入 采樣時間，單位為 s，應為正數(shù)20 輸入 積分時間常數(shù)，單位為 min，應為正數(shù)24 D 輸入 微分時間常數(shù)，單位為 min，應為正數(shù)28 X 輸入/輸出 積分項前值，應在 之間32雙字、實數(shù)輸入/輸出 最近一次 PID 運算的過程變量PID 回路有兩個輸入量，即給定值(SP)與過程變量(PV)。給定值通常是固定的值，過程變量是經 A/D 轉換和計算后得到的被控量的實測值。給定值與過程變量都是現(xiàn)實存在的值，對于不同的系統(tǒng)，它們的大小、范圍與工程單位有很大的區(qū)別。在回路表中它們只能被 PID 指令讀取，而不能改寫。PID 指令對這些量進行運算之前，還要進行標準化轉換。每次完成 PID 運算后，都要更新回路表內的輸出值 ，它被限制在 之間。從手動控制切換到 PID 自動控制方式時，回路表中的輸出值可以用來初始化輸出值。 增益為正時為正作用回路，反之為反作用回路。如果不想要比例作用，應將回路增益設為 ，對于增益為 的積分或微分控制，如果積分或微分時間為正，為正作用回路，反之為反作用回路。如果使用積分控制，上一次的積分值 MX（積分和）要根據 PID 運算的結果來更新，更新后的數(shù)值作為下一次運算的輸入。MX 也應限制在 ~ 之間，每次 PID 運算結束時，將 MX 寫入回路表，供下一次 PID 運算使用。⑵ PID 參數(shù)的整定方法PID 控制器有 4 個主要的參數(shù)需要整定。比例(P)部分與誤差在時間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時地產生與誤差成正比的調節(jié)作用，具有調節(jié)及時的特點。比例系數(shù) 越大，比例調節(jié)作用越強，但過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。積分(I)部分與誤差的大小和誤差的歷史情況都有關系，只要誤差不為零，控制器的輸出就會因積分作用而不斷變化，一直要到誤差消失，系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時，積分部分才不再變化，因此積分部分可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高控制精度。但是積分作用的動作緩慢，滯后性強，可能給系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性帶來不良影響。積分時間常數(shù) 增大時，積分作用減弱，系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性可能有所改善，但是消除穩(wěn)態(tài)誤差的速度減慢。比例(P)部分與誤差在時間上是一致的，只要誤差一出現(xiàn)，比例部分就能及時地產生與誤差成正比的調節(jié)作用，具有調節(jié)及時的特點。比例系數(shù) 越大，比例調節(jié)作用越強，但過大會使系統(tǒng)的輸出量振蕩加劇，穩(wěn)定性降低。微分(D)部分反映了被控量變化的趨勢，微分部分根據它提前給出較大的調節(jié)作用。它較比例調節(jié)更為及時，所以微分部分具有超前和預測的特點。微分時間常數(shù)增大時，可能24會使超調量減小，動態(tài)性能得到改善，但是抑制高頻干擾的能力下降。如果過大，系統(tǒng)輸出量可能出現(xiàn)頻率較高的振蕩。為使采樣值能及時反映模擬量的變化，越小越好。但是太小會增加 CPU 的運算工作量，相鄰兩次采樣的差值幾乎沒有什么變化，所以也不宜將 取得過小。表 45 給出了過程控制中采樣周期的經驗數(shù)據。表 45 采樣周期的經驗數(shù)據被控制量 流量 壓力 溫度 液位采樣周期 15 310 1520 68 PID 回路控制指令 S7200 PLC 的 PID 指令沒有設置控制方式，執(zhí)行 PID 指令時為自動方式；不執(zhí)行 PID指令時為手動方式。PID 指令的功能是進行 PID 運算。 當 PID 指令的允許輸入 EN 有效時，即進行手動/自動控制切換，開始執(zhí)行 PID 指令。為了保證在切換過程中無擾動、無沖擊，在轉換前必須把當前的手動控制輸出值寫入回路表的參數(shù)。并對回路表內的值進行下列操作：（1）使（給定值）=（過程變量） 。（2）使（前一次過程變量）=（過程變量的當前值） 。（3）使 MX（積分和）=（輸出值） 。某水箱水位控制系統(tǒng)如圖 45 所示。因水箱出水速度時高時低，所以采用變速水泵向水箱供水，以實現(xiàn)對水位的恒定控制。圖 45 水位控制系統(tǒng)圖通過首次掃描調用子程序的方式，初始化 PID 參數(shù)表并為 PID 運算設置時間間隔（定時中斷） 。PID 參數(shù)表的首址為 VD100，定時中斷事件為 10，子程序編號為 0。通過定時中斷每隔 100ms 調用一次中斷服務程序。在中斷服務程序中，采樣被控量的水位值并進行標準化處理后送入 PID 參數(shù)表，若系統(tǒng)處于手動工作狀態(tài)，則做好切換到自動工作方式時的準備（將手動時水泵轉速的給定值經標準化處理后送 PID 參數(shù)表作為輸出值和積分和，將手動時的水位值標準化后送 PID 參數(shù)表作為反饋量前值） ；若系統(tǒng)為自動工作狀態(tài)，則執(zhí)行 PID 運算，并將運算結果轉換成工程量后送模擬量輸出寄存器，通過 D/A轉換以控制水泵的轉速，實現(xiàn)水位恒定控制要求。 根據控制要求，在計算機中編寫程序，水箱水位 PLC 控制系統(tǒng)的梯形圖主程序如圖 67 所示，子程序如圖 48 所示，定時中斷子程序如圖 4圖 410 所示。 ⑴ 連接好單片機輸入輸出接線，啟動 CCS 編程軟件。⑵ 打開狀態(tài)表編輯器，錄入25VD100，VD104，VD108，VD120，VD124，VD128，VD132，，并使其進入監(jiān)控狀態(tài)。 ⑶ 通過強制操作 ，使 得電，將變頻器接入電源。調節(jié)電位器旋鈕，使變頻器頻率由 0 上升，水泵轉速逐漸上升，水箱水位逐步提高。觀察水位上升過程中，VD100、VD10VD12VD132 各存儲單元數(shù)據的變化情況。 ⑷ 待水箱水位接近 75%滿水位時，強制 得電，使系統(tǒng)進入 PID 自動調節(jié)控制狀態(tài)。加大或減小水箱出水量，觀察系統(tǒng)各量的變化過程。 通過寫操作，分別改變增益、積分時間常數(shù)的大小，觀察系統(tǒng)的運行效果。 實現(xiàn)水箱水位自動控制系統(tǒng)的 java 程序(在 PC 機上運行)package test。import 。import 。public class WaterLevel { public static void main（String[] args） { WaterBox wb = new WaterBox（）。 （ ）。 （ ）。 （）。 （）。