【正文】 研制出規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。而且C語言還可以嵌入?yún)R編來解決高時(shí)效性的代碼編寫問題。AtmanAvr C 是為ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)應(yīng)用AVR GCC編譯器而開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境 IDE 。包括向?qū)?、文本編輯器和調(diào)試器等；工程項(xiàng)目采用模塊化管理，可視化編程；提供多種向?qū)еС謩?dòng)態(tài)添加/刪減各種模塊和中斷函數(shù)，自動(dòng)生成代碼；文本編輯器支持自動(dòng)提示函數(shù)參數(shù)信息，函數(shù)檢索和插入等功能。運(yùn)行界面如51圖。圖51 AtmanAvr C的IDE開發(fā)環(huán)境AVR單片機(jī)支持普通串口方式、STK500方式、并口（SPI）方式及USB方式等多種下載方式。普通串口方式的速度快，但支持的軟件不多。連ATmel公司的AVRStudio內(nèi)的AVRpro也停止了更新。因此，普通串口方式不支持最新的芯片。STK500下載為ATmel公司官方推薦的下載方式。與并口下載方式和USB下載方式相對(duì)比，STK500具有速度快，AVR Studio直接支持該下載方式等優(yōu)點(diǎn)。并且，只要AVRstudio發(fā)布新版本，該下載方式支持的器件就同步更新，不會(huì)發(fā)生不支持新器件的情況。STK500方式也有其缺點(diǎn)：價(jià)格較高。目前仿造ATmel公司的STK500下載線的售價(jià)也在百元以上。并口下載方式利用PC機(jī)的并口（俗稱打印口）進(jìn)行程序下載。其下載速度要明顯慢于STK500方式。較之串口下載方式和STK500下載方式，并口下載線成本低，有較多軟件支持，適合大范圍推廣。并口下載線的制作方法有很多，這里，推薦一種簡(jiǎn)單實(shí)用的接線方式，其原理圖如圖52所示：圖52 并口下載線原理圖程序下載是指將編譯好的目標(biāo)文件燒入到單片機(jī)里面，使單片機(jī)可以運(yùn)行程序。包括兩個(gè)部分，編程器（硬件）和上位機(jī)編程軟件。比較好的上位機(jī)的軟件是廣州市天河雙龍電子有限公司提供的“SLISP 下載軟件”， 可以到雙龍公司的主頁：。運(yùn)行界面如圖53：圖53 除此之外AVR單片機(jī)提供程序在線下載接口ISP(In System Program)，即：在燒入程序時(shí)不需要將CPU從電路板上取下，也不需要斷電，通過SPI串行通信接口將程序?qū)懭氲絾纹瑱C(jī)的程序儲(chǔ)存器里面。下圖為自制的ISP下載線的原理圖。圖54 ISP下載線的原理圖接到目標(biāo)板只需要6根線，VCC和GND分別是電源的正負(fù)線，RST接單片機(jī)的復(fù)位引腳，程序下載是在單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)燒入的，MOSI(Mast out slave in)接單片機(jī)的主出從入引腳，MISO(Mast in slave out)接單片機(jī)的主入從出引腳。當(dāng)然也可以用專門的編程器燒入程序，但是需要購(gòu)買專用的編程器，經(jīng)費(fèi)上不支持，而且燒入程序時(shí)，需要將器件從目標(biāo)板上取下，放入編程器中，燒入完成后插回目標(biāo)板。這樣不但麻煩，而且需要斷點(diǎn)拆下器件，容易弄壞器件的引腳。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)能否正常有效的工作，與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著密切的聯(lián)系。所以，軟件設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。軟件系統(tǒng)主要是對(duì)要采集的端電壓信號(hào)、端電流、頻率和相位等參數(shù)的運(yùn)算和處理，并根據(jù)采集到參數(shù)的變化設(shè)置相應(yīng)的中斷服務(wù)程序以進(jìn)行控制輸出、設(shè)定開機(jī)關(guān)機(jī)功能等。軟件部分主要是由端電壓測(cè)量子程序、端電流測(cè)量子程序、求取相位角子程序、系統(tǒng)中斷設(shè)子程序、數(shù)碼顯示功能子程子程序組成。主程序流程圖如圖55所示。 圖55 系統(tǒng)主程序流程圖對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換是進(jìn)行參數(shù)采集及計(jì)算的關(guān)鍵，為后邊的移相觸發(fā)控制提供實(shí)時(shí)的、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，減少裝置的誤動(dòng)率。在本設(shè)計(jì)中，采用AVR單片機(jī)的片內(nèi)逐次逼進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ATmega16有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，通過分時(shí)復(fù)用的方式，能對(duì)來自端口A 的8路單端輸入電壓進(jìn)行分時(shí)采樣。其轉(zhuǎn)換結(jié)果為： 其中，為被選中引腳的輸入電壓。以機(jī)端電壓采集為例，程序流程圖如56： 圖56 電壓采集子程序流程圖將轉(zhuǎn)換后的方波信號(hào)接入Atmega16單片機(jī)的中斷口INT0，ICP1端口。INT0(ICP1)中斷端口具有捕獲電平變化功能，在電平下降沿、上升沿和任意電平變化都可以觸發(fā)中斷，在中斷信號(hào)觸發(fā)時(shí)，記錄下計(jì)時(shí)器的值，同時(shí)將定時(shí)器清零，進(jìn)行下一次的計(jì)時(shí)。此時(shí)計(jì)時(shí)器的值就是所測(cè)電壓信號(hào)的周期值，該軟件設(shè)計(jì)方法可以在一個(gè)周期內(nèi)便計(jì)算出頻率與功率因數(shù)角，并可判斷出電流和電壓之間的相互關(guān)系，具有較好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，其設(shè)計(jì)流程圖如圖57所示。圖57 功率因數(shù)角與頻率判斷子程序ATmega16的定時(shí)器0、定時(shí)器1啟動(dòng)和控制各參數(shù)量的計(jì)算及PWM的輸出。其中定時(shí)器0工作于定時(shí)器模式，每10ms產(chǎn)生一次中斷，用來定時(shí)采樣同步發(fā)電機(jī)電壓值，如圖58，其中ADC中斷完成發(fā)電機(jī)電壓轉(zhuǎn)換值的讀取，定時(shí)器0完成ADC轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)。圖58中斷子程序框圖隨著單片機(jī)在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，它需與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中各類電器設(shè)備相配合。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)各種動(dòng)力設(shè)備不斷地起停運(yùn)行，使得現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，存在許多干擾源：系統(tǒng)本身噪聲干擾、電磁干擾、過壓干擾及環(huán)境干擾等。大量的干擾源雖不能造成硬件系統(tǒng)的損壞，但常使整個(gè)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行，致使控制失靈，甚至造成重大事故。因此，必須采取有效的抗干擾措施，以保障它的穩(wěn)定運(yùn)行。工業(yè)環(huán)境中的干擾因素比較多，對(duì)微機(jī)系統(tǒng)造成的影響也是多方面的。但干擾的形成須具備三個(gè)基本因素，干擾源、耦合通道、對(duì)干擾信號(hào)敏感的接收電路，干擾形成的途徑如圖59所示：圖59干擾形成的途徑抗干擾措施分為硬件措施和軟件措施。采取合適的硬件措施可消除大部分干擾，軟件措施作為后備技術(shù)消除已進(jìn)入系統(tǒng)的干擾。由于軟件抗干擾措施是以CPU為代價(jià)的，應(yīng)合理使用軟件方法，避免影響CPU在系統(tǒng)中正常運(yùn)行。因此，成功的抗干擾系統(tǒng)是硬件和軟件有機(jī)結(jié)合構(gòu)成的。下面從硬件抗干擾的角度出發(fā)對(duì)干擾進(jìn)行各方面分析，并給出硬件抗干擾的基本方法。硬件抗干擾設(shè)計(jì)的基本原則是：抑制干擾源，切斷干擾傳播路徑，提高敏感器件的抗干擾性能。（1）抗電磁干擾。 一方面，一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行對(duì)環(huán)境造成的電磁干擾不得影響其它設(shè)備；另一方面，系統(tǒng)本身抗電磁干擾能力要強(qiáng)，不易受到外界環(huán)境的電磁干擾。某些系統(tǒng)，例如：①微控制器時(shí)鐘頻率特別高、總線周期特別快的系統(tǒng)；②含有大功率、大電流驅(qū)動(dòng)電路（如產(chǎn)生火花的繼電器、大電流開關(guān)等）的系統(tǒng)；③含有微弱模擬信號(hào)電路以及高精度A／D轉(zhuǎn)換電路的系統(tǒng)，就須要解決上述問題。 （2） 減小信號(hào)傳輸中的畸變。微控制器主要采用高速CMOS技術(shù)制造。信號(hào)輸入端的輸入電流在1181。A左右，輸入電容在10pF左右，輸入阻抗相當(dāng)高。其輸出端有一定的帶負(fù)載能力，將一個(gè)門的輸出端通過一段很長(zhǎng)的線引到輸入阻抗相當(dāng)高的輸入端，干擾問題就很嚴(yán)重，會(huì)引起信號(hào)的畸變，增加系統(tǒng)的噪聲。信號(hào)在印刷線路板上傳輸有一定的延遲時(shí)間，其傳播速度約為光速的1／3—1／2之間。所以，在線路板設(shè)計(jì)中，引線長(zhǎng)度越短越好，以保持信號(hào)在印刷板上傳輸時(shí)，導(dǎo)線引起的延遲時(shí)間不大于所用器件的標(biāo)稱延遲時(shí)間。（3）減小電源的干擾。電源是對(duì)微機(jī)系統(tǒng)干擾的一個(gè)主要來源。電源在提供能源的同時(shí)，直接將噪聲加在微控制器上。復(fù)位線、中斷線和其它一些控制線最容易受到外界噪聲的干擾。電網(wǎng)上的強(qiáng)干擾通過電源進(jìn)入集成電路塊。即使電池供電的系統(tǒng)，電池本身也有高頻噪聲。模擬電路中的模擬信號(hào)放大器則更經(jīng)不起來自電源的干擾。因此，供電線路宜采用隔離變壓器接入電網(wǎng)，它的初線和次線之間加了一層屏蔽層，并和鐵芯一起接地，可以防止電網(wǎng)的干擾侵入微機(jī)系統(tǒng)。（4）良好接地。印刷線路板上的線以電源線和地線最為重要?？朔姶鸥蓴_問題，最主要的手段就是接地。由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中工業(yè)頻率低于1MHz，因此在印制板布線時(shí)通常采用一點(diǎn)接地法，電源和地各有一個(gè)接點(diǎn)。所謂數(shù)字地、模擬地分開是指布線時(shí)分開，而最后都匯集到這個(gè)接地點(diǎn)上，如圖510所示：圖510 系統(tǒng)接地方式與線路板以外信號(hào)線相連時(shí)，應(yīng)采用屏蔽電纜。對(duì)于高頻信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，屏蔽電纜的兩端都接地；對(duì)于低頻模擬信號(hào)用的屏蔽地，以一端接地為好?？刂葡到y(tǒng)的抗干擾不可能完全依靠硬件解決，那樣會(huì)增加系統(tǒng)本身的成本；況且在實(shí)際中，往往是完成了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)后，才發(fā)現(xiàn)存在的干擾，此時(shí)若推翻原來的設(shè)計(jì)就浪費(fèi)了寶貴的時(shí)間和人力物力：因此軟件抗干擾技術(shù)就是監(jiān)督和判斷應(yīng)用系統(tǒng)是否出錯(cuò)或失效的一種方法，這是應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾的最后一道屏障。常用的軟件抗干擾措施有如下幾種：（1）數(shù)字濾波技術(shù) 對(duì)于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為了消除傳感器中通過的干擾信號(hào)，在硬件措施上常采取有源或無源RLC網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成模擬濾波器，對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)頻率濾波。同樣，運(yùn)用CPU的運(yùn)算及控制功能也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波。在一般數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，通常使用采用了中值法和加權(quán)平均法兩種數(shù)字濾波方式的結(jié)合，減少?zèng)_擊，使裝置性能更加穩(wěn)定，減少了裝置的誤動(dòng)率。（2）開關(guān)量軟件抗干擾技術(shù) 開關(guān)量輸入信號(hào)主要來自電動(dòng)機(jī)、繼電器觸點(diǎn)信號(hào)和手動(dòng)自動(dòng)控制開關(guān)信號(hào)。開關(guān)量干擾信號(hào)多數(shù)是尖脈沖狀的，作用時(shí)間很短，所以在對(duì)開關(guān)量輸入信號(hào)進(jìn)行采集時(shí)，要消除多路開關(guān)的抖動(dòng)，消除采樣數(shù)據(jù)中的零電平漂移。一般采用多次采集，直到兩次或兩次以上的采樣值完全一致為止。若多次采集信號(hào)總是變化不定，則表明系統(tǒng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，需要給出報(bào)警信號(hào)。（3）看門狗（WATCHDOG）技術(shù)看門狗是一個(gè)獨(dú)立的計(jì)時(shí)器。單片機(jī)在正常的運(yùn)行中會(huì)不斷的發(fā)出計(jì)時(shí)清零信號(hào)給WDT。在控制系統(tǒng)中，經(jīng)常出現(xiàn)死循環(huán)現(xiàn)象。死循環(huán)會(huì)使程序失去正常的控制，但不會(huì)使程序控制轉(zhuǎn)入陷阱區(qū)，因而軟件陷阱無法捕獲到它。為防止程序進(jìn)入死循環(huán)，經(jīng)常采用看門狗技術(shù)。死循環(huán)時(shí)，計(jì)數(shù)器將會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，程序重新開始啟動(dòng)，這樣就可以清除外部對(duì)程序的干擾。 第六章 總結(jié)本設(shè)計(jì)在研究分析現(xiàn)有發(fā)電機(jī)勵(lì)磁原理和微機(jī)自動(dòng)勵(lì)磁裝置的基礎(chǔ)上，研制了一套基于AVR平臺(tái)的數(shù)字式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置?，F(xiàn)將本人的設(shè)計(jì)總結(jié)如下：1．本論文分析比較了現(xiàn)有的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)原理，選擇了針對(duì)中小型發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)的模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器難以滿足中小型發(fā)電廠和企業(yè)的控制要求，提出以高性能單片機(jī)為控制核心的勵(lì)磁控制裝置。2．使用AVR單片機(jī)實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)參數(shù)的采集。本裝置充分利用AVR單片機(jī)的硬件特性，通過一次采集獲得電網(wǎng)頻率及相位角，并可判斷電壓和電流在時(shí)間上的超前滯后關(guān)系，僅占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷和一個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，實(shí)現(xiàn)起來較為方便。3．充分利用單片機(jī)的軟硬件資源，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行優(yōu)化配置，再通過隔離檢測(cè)、數(shù)字濾波等抗干擾技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)，使得系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單可靠、維護(hù)方便。4．本微機(jī)控制技術(shù)，使用的是數(shù)字PID控制器，它是將模擬PID控制算法離散化，通過程序?qū)崿F(xiàn)，不需要像模擬控制系統(tǒng)那樣用硬件電路來實(shí)現(xiàn)，因此使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便，改善了發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性。5．通過由按鍵組合及數(shù)碼管組組成人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置與信息的查詢，通過該人機(jī)交互系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)各種定值的校正。參考文獻(xiàn)[1] 許克明，田懷智 . 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