【正文】 能力的限制，其實(shí)時(shí)性仍不能滿足高密度信號(hào)環(huán)境的要求。FPGA具有通用的特點(diǎn)并可以實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算，無論是作為獨(dú)立的數(shù)字信號(hào)處理器，還是作為單片機(jī)和DSP的協(xié)處理器，這都是目前比較活躍的研究領(lǐng)域[11]。采用FPGA和單片機(jī)綜合實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐溫度的控制，把大量的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)都交給FPGA進(jìn)行處理，既可以利用FPGA對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)強(qiáng)大快速的處理能力，又可以減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，讓單片機(jī)有充分的時(shí)間做其它的運(yùn)算。 電阻爐溫度控制系統(tǒng)硬件原理圖 電阻爐溫度控制硬件原理圖，本系統(tǒng)主要以ATMEGA128單片機(jī)為核心部件，外加晶閘管電路及其驅(qū)動(dòng)程序等組成。工作時(shí)，利用K型熱電偶測(cè)得電阻爐的實(shí)際溫度并經(jīng)過冷端溫度補(bǔ)償和放大電路，轉(zhuǎn)換成05V電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)直接與單片機(jī)內(nèi)部的ADC引腳相連接，轉(zhuǎn)換成與爐溫相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過4位LED數(shù)碼管將溫度顯示，同時(shí)該溫度與其設(shè)定值比較，根據(jù)選定的PID算法計(jì)算出控制量，根據(jù)控制量來控制晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)閉，從而控制電阻絲的導(dǎo)通時(shí)間以及電阻爐的平均輸入功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻爐爐溫的控制。具有線性度好、測(cè)溫范圍適中、輸出電動(dòng)勢(shì)大、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。因?yàn)镵型熱電偶具有復(fù)現(xiàn)性好、產(chǎn)生的熱電勢(shì)大、而且線性好、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，雖然測(cè)量精度偏低，但完全能滿足一般工業(yè)測(cè)量要求。熱電偶的工作原理是熱電效應(yīng)，即兩種不同的導(dǎo)體(或半導(dǎo)體)A、B組成閉合回路時(shí)()，當(dāng)A、B相連接的兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，則在回路中產(chǎn)生一個(gè)熱電勢(shì)。 熱電偶原理圖當(dāng)熱電偶的材料一定時(shí)，熱電偶的熱電勢(shì)為式中，——熱電偶的熱電勢(shì)； ——溫度為t時(shí)的熱電勢(shì)； ——溫度為時(shí)的熱電勢(shì)； 冷端溫度補(bǔ)償實(shí)際測(cè)溫中，冷端所對(duì)應(yīng)的熱電勢(shì)要隨冷端溫度（環(huán)境溫度）的變化而變化。只有當(dāng)熱電偶冷端溫度保持不變，熱電勢(shì)才是被測(cè)溫度的單值函數(shù)。熱電偶冷端溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ杏布a(bǔ)償法和軟件補(bǔ)償法。其優(yōu)點(diǎn)是：速度快、外圍電路簡(jiǎn)單、不需要調(diào)整、成本低。軟件補(bǔ)償法利用單片機(jī)或系統(tǒng)機(jī)的軟件來進(jìn)行補(bǔ)償，能節(jié)省硬件資源，但在軟件編程和調(diào)試過程上要花費(fèi)較多時(shí)間，常用方法有查表法和計(jì)算法。 由AD594進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償 放大處理，它由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中NN2為兩個(gè)性能一致（主要指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同相輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱（或稱為同相并聯(lián)型）的差動(dòng)放大輸入級(jí)，N3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來進(jìn)一步抑制NN2的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。另外，這種電路還具有增益調(diào)節(jié)能力，調(diào)節(jié)RP1可以改變?cè)鲆娑挥绊戨娐返膶?duì)稱性[13]。由于其先進(jìn)的指令集以及單周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega128的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega128具有如下特點(diǎn)：內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯運(yùn)算單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。具有128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有在寫的過程中還可以讀的能力，即RWW)、4K字節(jié)的EEPROM、53個(gè)通用I/O口線、4個(gè)靈活的具有比較模式和PWM功能的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)、8通道10位ADC(具有可選的可編程增益)。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口A為三態(tài)，端口A也可以用做其他不同的特殊功能。PA7 AD7 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位7)PA6 AD6 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位6)PA5 AD5 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位5)PA4 AD4 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位4)PA3 AD3 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位3)PA2 AD2 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位2)PA1 AD1 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位1)PA0 AD0 (外部存儲(chǔ)器接口地址及數(shù)據(jù)位0)端口B(PB7..PB0)：端口B為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。端口B引腳第二功能如下：PB7 OC2/OC1C(1) (T/C2的輸出比較和PWM輸出，或是T/C1的輸出比較和PWM輸出C)PB6 OC1B (T/C1的輸出比較和PWM輸出B)PB5 OC1A (T/C1的輸出比較和PWM輸出A)PB4 OC0 (T/C0的輸出比較和PWM輸出)PB3 MISO (SPI總線的主機(jī)輸入/從機(jī)輸出信號(hào))PB2 MOSI (SPI總線的主機(jī)輸出/從機(jī)輸入信號(hào))PB1 SCK (SPI總線的的串行時(shí)鐘)PB0 SS (SPI從機(jī)選擇引腳)端口C(PC7..PC0)：端口C為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。端口C也具有第二功能，在ATmega103兼容模式下，端口C只能作為輸出，而且在復(fù)位發(fā)生時(shí)不是三態(tài)。PC7 A16 (外部存儲(chǔ)器接口地址位15)PC6 A15 (外部存儲(chǔ)器接口地址位14)PC5 A13 (外部存儲(chǔ)器接口地址位13)PC4 A12 (外部存儲(chǔ)器接口地址位12)PC3 A11 (外部存儲(chǔ)器接口地址位11)PC2 A10 (外部存儲(chǔ)器接口地址位10)PC1 A9 (外部存儲(chǔ)器接口地址位9)PC0 A8 (外部存儲(chǔ)器接口地址位8)端口D(PD7..PD0)：端口D為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口E為三態(tài)。如果不作為ADC的模擬輸入，端口F可以作為8位雙向I/O口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。在ATmega103兼容模式下，端口F只能作為輸入引腳。其輸出緩沖器具有對(duì)稱的驅(qū)動(dòng)特性，可以輸出和吸收大電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口G為三態(tài)。 端口G的第二功能如下：PG4 TOSC1 (RTC 振蕩器，T/C0)PG3 TOSC2 (RTC 振蕩器，T/C0)PG2 ALE (外部存儲(chǔ)器地址鎖存使能信號(hào))PG1 RD (外部存儲(chǔ)器讀信號(hào))PG0 WR (外部存儲(chǔ)器寫信號(hào))RESET：復(fù)位輸入引腳。XTAL1：反向振蕩器放大器及片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入。AVCC ：AVCC為端口F以及ADC轉(zhuǎn)換器的電源，無論有沒有使用ADC都應(yīng)與VCC相連接，使用ADC時(shí)應(yīng)該通過一個(gè)低通濾波器與VCC連接。PEN ：PEN是SPI串行下載的使能引腳。在正常工作過程中PEN引腳沒有其他功能。復(fù)位向量處的指令必須是絕對(duì)跳轉(zhuǎn)JMP指令，以使程序跳轉(zhuǎn)到復(fù)位處理例程。ATmega128有5個(gè)復(fù)位源：? 上電復(fù)位。? 外部復(fù)位。? 看門狗復(fù)位。? 掉電檢測(cè)復(fù)位。? JTAG AVR復(fù)位：當(dāng)復(fù)位寄存器為1時(shí)MCU即復(fù)位。每個(gè)端口都有三個(gè)I/O存儲(chǔ)器地址：數(shù)據(jù)寄存器 PORTx、 數(shù)據(jù)方向寄存器 DDRx 和端口輸入引腳 PINx。當(dāng)寄存器SFIOR的上拉禁止位PUD置位時(shí)所有端口的全部引腳的上拉電阻都被禁止。雖然在深層休眠模式下大多數(shù)數(shù)字輸入被禁用，但還是需要避免因引腳沒有確定的電平而造成懸空引腳在其它數(shù)字輸入使能模式( 復(fù)位、工作模式、空閑模式) 消耗電流。但要注意的是復(fù)位時(shí)上拉電阻將被禁用。不推薦直接將未用引腳與VCC或GND連接，因?yàn)檫@樣可能會(huì)在引腳偶然作為輸出時(shí)出現(xiàn)沖擊電流。DDxn位于DDRx寄存器， PORTxn位于PORTx寄存器， PINxn位于PINx寄存器。當(dāng)DDxn為“1”時(shí)，Pxn配置為輸出，否則為輸入。如果需要關(guān)閉這個(gè)上拉電阻，可以將PORTxn清零，或者將這個(gè)引腳配置為輸出。當(dāng)引腳配置為輸出時(shí)，若PORTxn為“1”，引腳輸出高電平(“1”)，否則輸出低電平(“0”)。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。AVCC與VCC之間的偏差不能超過177。基準(zhǔn)電壓可以通過在AREF引腳上加一個(gè)電容進(jìn)行解耦，以更好地抑制噪聲。s。在 AREF上外加電容可以對(duì)片內(nèi)參考電壓進(jìn)行解耦以提高噪聲抑制性能。默認(rèn)情況下轉(zhuǎn)換結(jié)果為右對(duì)齊，但可通過設(shè)置ADMUX寄存器的ADLAR變?yōu)樽髮?duì)齊。熔絲位CKOPT用來選擇這兩種放大器模式的其中之一。這種模式適合于噪聲環(huán)境，以及需要通過XTAL2驅(qū)動(dòng)第二個(gè)時(shí)鐘緩沖器的情況。當(dāng)保持CKOPT為未編程狀態(tài)時(shí)，振蕩器的輸出信號(hào)幅度比較小。對(duì)于諧振器，CKOPT未編程時(shí)的最大頻率為8MHz，CKOPT編程時(shí)為16 MHz。最佳的數(shù)值與使用的晶體或諧振器有關(guān)，還與雜散電容和環(huán)境的電磁噪聲有關(guān)。： 晶體振蕩器連線圖 復(fù)位電路外部復(fù)位由外加于RESET引腳的低電平產(chǎn)生。當(dāng)外加信號(hào)達(dá)到復(fù)位門限電壓VRST(上升沿)時(shí)，tTOUT延時(shí)周期開始，延時(shí)結(jié)束后MCU即啟動(dòng)。輸入放大器及其電源是浮置的，放大器輸入端浮置，泄漏電流極小，輸入端到公共端的電容和泄漏都很小，有極高的共模抑制能力，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行安全準(zhǔn)確的放大，電源浮置無共模電壓。本系統(tǒng)采用互補(bǔ)式光電耦合隔離放大電路，運(yùn)算放大器N4組成輸入放大器，N5組成輸出放大器，VLC1和VLC2是特性完全對(duì)稱的光耦合器，VLC2用作輸入放大器和輸出放大器之間信號(hào)的隔離傳送，VLC1為N4的非線性反饋，用以彌補(bǔ)VLC2 的非線性。但是C5值太大，會(huì)使電路頻率上限降低，R30和C5值太小，電路穩(wěn)定性變差，通常取C5值為1500PF，該電路的頻率可達(dá)0—40KHz，% 。MOC3021是晶閘管光電隔離器件，它只能觸發(fā)小功率晶閘管。電路中采用的過零觸發(fā)型雙向晶閘管，只有當(dāng)其兩端電壓過零時(shí)控制端上施加觸發(fā)信號(hào)，它才導(dǎo)通；一旦導(dǎo)通，只有再次過零時(shí)才關(guān)斷。為簡(jiǎn)單起見，可以使控制運(yùn)算所得到的控制量u和實(shí)際導(dǎo)通周期數(shù)m直接對(duì)應(yīng)，即：同步檢測(cè)電路檢出電網(wǎng)電壓信號(hào)的過零點(diǎn)，形成過零同步信號(hào)，并接到CPU中斷請(qǐng)求輸入端，以提供觸發(fā)參考點(diǎn)和控制周期M的計(jì)數(shù)信號(hào)。 加熱控制電路原理圖 人機(jī)接口電路 鍵盤有時(shí)因?yàn)樯a(chǎn)要求，需要通過鍵盤重新設(shè)定和更改上下限值或者其它控制參數(shù)。鍵盤處理程序的關(guān)鍵是如何識(shí)別鍵碼，微型計(jì)算機(jī)對(duì)鍵盤控制的辦法是“掃描”。三種掃描方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用較多的是中斷掃描法和程控掃描法。 2*4鍵盤連線圖 4位LED顯示LED數(shù)碼管是單片機(jī)控制系統(tǒng)中最常用的顯示器件之一，它具有體積小、抗沖擊和抗震性能好，可靠性高，壽命長(zhǎng)，工作電壓低，功耗小，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，常用于顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)、系統(tǒng)中某一功能電路，甚至某一輸出引腳的電平狀態(tài)。LED顯示器是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼顯示器件，其中七只發(fā)光二極管(ag七段)構(gòu)成字型“8”，另外還有一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點(diǎn)。共陰極LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，在共陽極LED數(shù)碼管中，所有筆段的LED發(fā)光二極管的正極連在一起。在動(dòng)態(tài)顯示方式中，各LED數(shù)碼管輪流工作，每次只能有一個(gè)器件顯示，但由于人視覺的暫留現(xiàn)象，所以，只要掃描頻率足夠快，仍會(huì)感覺所有器件同時(shí)顯示。對(duì)于具有N個(gè)LED數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示電路來說，如果LED顯示器刷新頻率為f，那么刷新周期為1/f，每一位的顯示時(shí)間為1/(fN)s，顯然，位數(shù)越多，每一位的顯示時(shí)間就越短，在驅(qū)動(dòng)電流一定的情況下，亮度就越低（正因如此，在動(dòng)態(tài)LED顯示電路中，需適當(dāng)增大驅(qū)動(dòng)電流，一般取20—35mA，以抵消因顯示時(shí)間短引起的亮度下降），實(shí)驗(yàn)表明，為了保證一定的亮度，在驅(qū)動(dòng)電流30mA的情況下，每位顯示時(shí)間不能小于1ms。其基本方法就是將采樣、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換之后的數(shù)據(jù)與該參數(shù)的上、下限進(jìn)行比較，如果越限則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。其中燈光一般采用發(fā)光二極管或閃爍的白熾等；聲音則由簡(jiǎn)單的電鈴、電笛發(fā)出，也可以通過頻率可調(diào)的蜂鳴振蕩器提供。當(dāng)被測(cè)溫度不在測(cè)量范圍之內(nèi)（即越限）時(shí)，PE0置為“0”，LED燈發(fā)光，顯示報(bào)警。對(duì)同一個(gè)硬件電路，配以不同的軟件，它所實(shí)現(xiàn)的功能也就不同，因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很大程度上是軟件設(shè)計(jì)。主程序完成硬件初始化、變量初始化等任務(wù)，然后循環(huán)檢測(cè)爐內(nèi)溫度，若發(fā)現(xiàn)溫度超出限制，則斷開控制輸出、屏蔽采樣定時(shí)中斷，然后發(fā)出報(bào)警信號(hào)，等待溫度恢復(fù)至安全值再重新啟動(dòng)控制。而單片機(jī)處理的數(shù)據(jù)只能是數(shù)字量，所以數(shù)據(jù)在進(jìn)入單片機(jī)之前，必須把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，能夠完成這一任務(wù)的器件，稱之為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱A/D轉(zhuǎn)換器。位數(shù)越高，其分辨率也越高。常用的A/D轉(zhuǎn)換的方法：計(jì)數(shù)法、雙積分法、逐次逼近法。在該子程序中，ATMAGE128單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器首先對(duì)采樣進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，之后判斷A/D轉(zhuǎn)換是否完成，如果沒有完成，則繼續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，直到轉(zhuǎn)換完成后，將碼值NX送到單片機(jī)緩沖單元存儲(chǔ)，等待數(shù)字濾波、線性化標(biāo)度變換等后續(xù)子程序調(diào)用該碼值。所以，需要加一個(gè)濾波環(huán)節(jié)，對(duì)多次采樣信號(hào)構(gòu)成的數(shù)據(jù)系列進(jìn)行平滑加工，以提高其有用信號(hào)在采樣值中所占比例，減少乃至消除各種干擾及噪音，以保證系統(tǒng)工作的可靠性。程序?yàn)V波判斷的方法為：根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，確定出相鄰兩次采樣信號(hào)之間可能出現(xiàn)的最大偏差ΔY，若超出此偏差，則表明該輸入信號(hào)是干擾信號(hào)，應(yīng)該去掉，如小于此偏差，則可將該信號(hào)作為本次采樣值。（2）算術(shù)平均值濾波：算術(shù)平均值濾波的實(shí)質(zhì)就是把一個(gè)采樣周期內(nèi)的N次采樣值相加，然后把所得的和除以采樣次數(shù)N，得到該周期的采樣值。一個(gè)n項(xiàng)加權(quán)平均式為： （42）式中，……… 均為常數(shù)項(xiàng)，且應(yīng)滿足下列關(guān)系： （43）（4）滑動(dòng)平均值濾波：不管是算術(shù)平均值濾波，還是加權(quán)平均值濾波，都需連續(xù)采樣N個(gè)