控制软件设计论文范文

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第1篇

系统上电后，风门处于关闭状态，系统周期检测传感器信号，人车运动过程中会触发微波传感器输出信号，系统则根据传感器信号执行开关风门和风门互锁。人车接近风门时，两侧风门的微波传感器检测到有效运动速度信号，首先进行信号竞争，根据竞争结果开启某一风门。2个风门入口信号4选1采取竞争方法进行选择，即微波移动传感器输出信号A1、A4、B1、B4处于竞争状态，一个检测周期内，只有一个信号有效。2个风门各2个方向。

（2）控制策略

控制系统风门互锁的控制要求并不复杂，关键是有效判断风门区域人员车辆的状态，并根据状态进行开闭风门。人员在巷道内行进过程是随意的，系统需要根据人员在微波传感器检测区域内的最终状态，对人员行进完成状态估计。如图3所示，根据人员的位置和传感器有效信号可以把人员行进的状态和风门控制策略分成9种，如表1所示。风门控制策略是控制系统的核心，策略制定的优劣直接影响着风门控制的可靠性。表1中根据人员行进的最终位置分为不同的状态估计，结合定时器对人员状态进行状态估计和制定控制策略。

（3）实现方法

有限状态机（FSM）理论是本风门自动控制系统状态转换和控制策略的理论基础。FSM包含有限的状态，但在任一给定时刻必须而且只能处于其中的一个状态，系统的状态变化受事件的驱动，事件是系统的活动或外部输入信号，它受当前状态约束。因此，研究有限状态机的关键就是在其状态空间中找到状态转换的轨迹，这要求在每个状态下全面分析驱动状态转换的事件（包括系统的活动和输入信号）和转换的目的地（即转换后的状态）。每个状态都有其特定的输出（系统的各项功能和性能指标），即系统状态转换伴随着系统的性能指标随时间的变化。风门自动控制系统的动态特性就是通过状态转换表现出来，巷道风门检测区域内人员行进过程中的每个有效位置都相当于一个状态，在任何时刻风门只能处于一个工况状态，工况间的转换受传感器信号即事件的驱动。当传感器信号满足进入某一工况的条件时，风门立即进入该工况下运行，一旦外部事件不受该工况下条件的约束时，风门立即离开该工况寻找另一个工况。每个风门区域可以作为一个对象，该对象有微波传感器和定时器属性，属性取值为开或关。2个操作开门和关门。根据人车通行过程和风门对象属性值的不同组合，可以把工作流程划分为5个状态:初始态，状态1，状态2，状态3，状态4。用统一建模语言中的状态机视图表达，如图4所示。图门状态转移示意图该视图中对不同区域设置不同传感器配合定时器对人车运动状态进行分类。从初始状态开始，当人车运动速度满足最低传感器1阈值接近区域入口时，风门开启，进入状态1，此时开启定时器1；若在定时时间到后区域检测不到信号则判断为人车退出风门区域，返回初始状态；若传感器2信号有效则进入状态2，同时开启定时器2，此时判断人车进入风门，人车的行走不会影响状态的改变，直到传感器3信号有效。状态2和状态3的人员已经进入风门，系统处于等待人车通过风门区域。传感器4有效时进入状态4，此时人车前端已经通过风门，系统等待其他部分通过风门区域。此时如果传感器没有信号则进行短暂延时后关闭风门。下一步就是根据状态机视图为PLC编写梯形图程序了。程序中使用了置位指令SET和复位指令RSET进行状态的切换，有些型号的PLC没有提供置位和复位指令，但都有实现置位和复位指令功能的变通方法，可以根据常开常闭寄存器切换，因此利用该状态机视图编程序具有很好的通用性。

（4）结语

第2篇

本文设计的基于以太网的超声检测多轴运动控制系统是在复杂的多轴运动控制技术之上结合了远程通信技术，以此来实现超声检测的远程自动控制。此系统主要由上位机、多轴运动控制器、步进电机驱动器、步进电机、机械执行装置、限位开关和超声探头等组成，其组成框图如图1所示。由上位机LabVIEW控制系统为多轴运动控制器发送运动指令，并由多轴运动控制器将运动信号拆分为步进信号和方向信号，再将这两种电机控制信号发送给步进电机驱动器，步进电机驱动器将其转化为角位移发送给步进电机，使步进电机转动相应个步距角，以达到使步进电机按指令运动的目的。步进电机上安装有机械执行装置，用以固定超声探头，机械执行装置上安有限位开关，以此控制电机的运动范围，当电机运动到限位开关的位置时，限位开关发出限位信号到多轴运动控制器，运动控制器便停止发出使电机运动的脉冲信号。在进行自动超声检测时，Z轴方向机械执行机构上固定的超声检测探头能够在被检测物体的表面按照上位机运动控制算法设计的运动轨迹进行连续检测，并实时向PC机返回探头的位置信息，并将数据采集卡采集的超声信号与探头返回的位置信息建立起对应关系，最终通过上位机的图像处理系统形成超声检测图像，以此来实现物体的超声检测。

2多轴运动控制器的方案设计

多轴运动控制器可以通过远程以太网通信的方式接收上位机的控制信号，向步进电机驱动器发送脉冲信号和方向信号以完成对电机的运动控制。采用ARM9处理器S3C2440搭建硬件平台，配有DM9000A以太网通信芯片使硬件平台具备远程通信的功能。在Linux操作平台上进行控制系统软件功能设计，并采用UDP通信协议实现上位机与运动控制器之间的远程通信［3］。

2．1多轴运动控制器硬件电路设计

本文采用ARM9处理器S3C2440设计了系统中运动控制器的硬件电路部分，并采用DM9000A网络接口控制器设计了运动控制器的以太网接口。运动控制器硬件整体框图如图2所示。运动控制器选用ARM9处理器作为运动控制器的核心芯片可以方便地嵌套Linux操作系统，在操作系统之上实现运动控制器的插补等多轴运动控制算法。选用DM9000A以太网控制芯片实现上位机LabVIEW与运动控制器之间的远程通信，进而实现超声检测的远程自动控制。为了解决步进电机驱动器与主控芯片信号匹配的问题，本文采用光耦器件设计了电压转换模块，负责把主控芯片输出的3．3V电压信号转换至5V电压信号后输入到步进电机驱动器中，同时负责把限位开关发出的24V限位信号转换至3．3V输入到主控芯片中。此外，电路中还搭载了用于存储数据的扩展存储器、以及用于调试的JTAG接口电路和RS232串口电路。

2．2多轴运动控制器软件设计

本课题所用的限位开关为位置可调的限位开关，每个轴有2个限位开关，在每次超声检测前，把每个限位开关调节到被测工件的边缘处，从而使探头移动的范围即为工件所在范围。故此设计运动控制器的软件时便可将限位开关做为边界条件，以此来设计探头的运动范围。其运动控制流程:首先系统初始化，通过上微机控制界面人工控制探头到被测工件的起点，然后X轴正向运动到X轴限位开关处，Y轴正向运动一个探头直径的长度，X轴再反向运动到X轴另一侧的限位开关处，之后Y轴继续正向运动一个探头直径的长度，如此往复运动直至探头到达Y轴的限位开关处，检测结束，探头复位。运动控制软件流程图如图3所示。

3多轴运动控制系统上位机软件设计

基于以太网的自动超声检测多轴运动控制系统的上位机软件是以LabVIEW开发平台为基础，使用图形G语言进行编写的，主要包括多轴运动控制软件和以太网通信软件。Lab-VIEW是一款上位机软件，其主要应用于仪器控制、数据采集和数据分析等领域，具有良好的人机交互界面［4］。LabVIEW软件中有专门的UDP通信函数提供给用户使用，用户无需过多考虑网络的底层实现，就可以直接调用UDP模块中已经的VI来完成通信软件的编写，因此编程者不必了解UDP的细节，而采用较少的代码就可以完成通信任务，以便快速的编写出具有远程通信功能的上位机控制软件［5］。上位机LabVIEW软件的远程通信模块、运动控制模块以及数据处理模块相互协调配合，共同构成了超声检测多轴运动控制系统的上位机软件。

3．1运动控制软件设计

运动控制系统软件部分主要由运动方式选择、探头位置坐标、运动控制等模块组成，可完成对系统运动方式的选择，运动参数、控制指令的设定以及探头位置信息读取等工作。运动方式选择模块可根据实际需要完成相对运动或是绝对运动两种运动方式的选择，并会依照选择的既定运动模式将X、Y、Z三轴的相应运动位置坐标输出在相应显示栏中，以便进行进一步的参数核对以及设定;运动控制模块可依照检测规则实现对整个系统运动过程的控制，包括:设定相对原点、运行、复位、以及退出等相关操作。相对原点设定可以将探头任意当前位置设为新的原点，并以原点作为下一个运动的起始点，即为探头位置坐标的相对零点，并将此刻相对原点的绝对位置坐标值在文本框中显示出来。运动控制系统软件流程图如图4所示。

3．2以太网通信软件设计

以太网通信模块采用无连接的UDP通信协议，通过定义多轴运动控制器与上位机LabVIEW的以太网通信协议，实现下位机与上位机之间的远程通信。具体设计如下:首先使用“UDPOpenConnection”打开UDP链接，使用“UDPWrite”节点向服务器端相应的端口发送命令信息，然后使用“UDPRead”节点读取服务器端发送来的有效回波数据，用于后期处理，最后应用“UDPCloseConnection”节点关闭连接［6］。以太网通信模块的程序框图如图5所示。

4实验及结果

实验平台由步进电机及其驱动器、上位机控制软件和自主研发的多轴运动控制器构成。在上位机的用户控制界面中，首先输入以太网的IP地址并选择运动方式，然后根据用户的检测需求设定运动速度和运动距离，点击运行后探头即按所设定运行。探头运动过程中还可以选择设定当前位置为原点，探头即按照新的原点重新开始运动。同时，在探头运动时会实时显示探头当前所在位置坐标。模拟开关发送选通超声探头信号并发送脉冲信号激励超声探头发射超声波，FPGA控制A/D转换电路对超声回波信号进行转换，并将数据存入双口RAM，存储完成后向ARM发送信号，ARM接收到采集完成信号将数据通过以太网向上位机发送。上位机的LabVIEW用户控制界面如图6所示。

5结束语

第3篇

车速传感器可以发出一定占空比的方波信号，设计采用单片机的脉冲模块来捕捉可以用来测量信号的周期。车速采集的程序流程如图2所示。步进电机的转动不但代表汽车的行驶速度，还代表节气门的开度，每转动一定角度就相当于节气门的开度。因此，当输入的实际车速A等于目标车速B时，步进电机将不转动；当输入的实际车速A大于目标车速B时，步进电机会反转，减小节气门开度，从而使实际车速降低至目标车速；当输入的实际车速A小于目标车速B时，步进电机会正转，加大节气门开度，使实际车速升高至目标车速，汽车进入定速巡航控制。

2软件可靠性措施

为了提高软件系统的稳定性和可靠性，采取以下措施：（1）封锁。实际系统中最强的干扰来自自身，如被控的负载电机的通断、状态的变化等，在设计软件时应适当采取措施避开这些干扰。如：当系统要断开或接通大功率负载时应暂停数据采集，等到干扰过去后再继续进行；在适当的地方封锁一些中断源；几个通道互相封锁。这些都是避免或减少干扰的有效方法。（2）程序的失控保护措施。在控制系统中，一般情况下干扰都不会造成计算机系统硬件损坏，但会对软件的运行环境造成不良影响。表现在：数据码和指令码的一些位受到干扰而出现跳变，使程序出现错误，最典型的是程序计数器发生跳变，可能把数据当作指令码。这种程序盲目执行的结果，一方面造成RAM存储器的数据破坏，另一方面可能会进入死循环，使整个系统失效。因此，应采取有效措施避免程序失控。

3Proteus仿真验证

3．1定速巡航控制系统总体仿真电路设计

设计中定速巡航控制系统的主要参数是车速值及节气门开度，因为进行实物测试有设备要求，设备比较复杂，而且测试结果不够直观，所以设计最终结果通过Proteus仿真来实现。仿真电路如图3所示。Proteus软件的元件库中拥有AT89C52单片机、ULN2003驱动芯片、步进电机等元件，可满足设计研究仿真需要。Proteus软件中的车速采集信号可通过改变脉冲而改变车速，电动机的转速可直观地显示出来，还可体现节气门开度的大小。

3．2试验结果与分析

在Proteus仿真平台上分别对4种情况进行仿真，即实际车速A等于目标车速B、实际车速A大于目标车速B、实际车速A小于目标车速B及实际车速大于120km／h、小于40km／h，仿真结果分别如图4～7所示。从图4～7可看出：当输入的实际车速A等于目标车速B时，步进电机不转动；当实际车速A大于目标车速B时，步进电动机反转，节气门开度减小；当实际车速A小于目标车速B时，步进电动机正转，节气门开度加大；当实际车速A超过120km／h、低于40km／h（即脉冲频率低于100Hz、高于999Hz）时，巡航控制系统会自动退出，步进电机不转动。表明所设计的软件能实现简单的巡航控制系统指令，满足预定要求。

4结语

第4篇

关键词：毛巾剑杆织机；Cortex-M3；嵌入式实时操作系统

引言

剑杆毛巾织机以其灵活多变、适应性广、技术发展成熟而深受毛巾生产企业的青睐。当前剑杆毛巾织机逐步替代了老旧的有梭织机，成为了毛巾织造行业的主流设备。近年来，国产剑杆毛巾织机在市场需求的推动下得到了巨大的发展，但是遍布江浙地区的中小型剑杆毛巾织机生产企业的自主研发能力普遍还很弱，现有的剑杆毛巾织机产品大多数是在测绘国外中低档产品的基础上进行改进，高性能与新机型的研发能力以及自动控制系统的研发能力普遍不足，而市场竞争越来越激烈，需要不断更新和开发产品。因此，在完成机械部件设计的基础上，开发具有自主知识产权的高性能控制系统，逐渐成为国内中小型剑杆毛巾织机生产厂家关注的重点。

文章以剑杆毛巾织机样机（如图1所示）为控制对象，在分析毛巾织造工艺的基础上，提出了一套以ARM技术为核心的新型毛巾剑杆织机控制系统设计方案，并制作样机。文章的研究成果将在合作单位首先试用并进行产业化推广，有利于推动绍兴以及浙江地区中小型剑杆毛巾织机生产企业产品的升级换代，提高其市场竞争力。

图1 剑杆毛巾织机样机

1 硬件设计方案

设计的毛巾剑杆织机控制系统以ARM技术为核心，采用的主控芯片为LPC1766。硬件电路设计过程为：首先，根据控制系统的详细设计方案，完成电路原理图设计，并计算相关电路参数，采购电路元器件。其次，对关键电路模块进行功能仿真或制作实物电路论证电路设计的合理性与可靠性。最后，绘制电路PCB板图，重点考虑电路布局与电路板抗干扰性能。在拿到PCB样板后，焊接控制系统电路板。其核心电路如下所述：

1.1 主控制板硬件电路设计

主控制板硬件电路设计包括：LPC1766芯片供电模块、电源电路、数据存储模块、时钟电路、USB输入输出接口、19264液晶显示屏控制电路、掉电复位保护电路、剑杆毛巾织机运行状态信号量输入模块、起毛伺服控制器接口、键盘接口电路以及电子多臂龙头控制板、伺服电机连接控制板与8色选纬控制板的接口等电路模块的设计、验证与制作调试工作。其中液晶显示电路如图2所示。

1.2 卷取伺服电机连接控制板设计

卷取伺服电机连接控制板主要解决主控制板与卷取系统的伺服电机控制器之间的通信问题，具有独立的控制芯片STCF1104。该连接控制板与主控制板之间的通信采用RS232实现。卷取伺服电机连接控制板与伺服控制器之间需要实现伺服使能信号、伺服硬件异常报警信号、伺服系统定位完成、伺服电机旋转方向与脉冲数等信息的读取与设置。

2 控制系统软件设计

剑杆毛巾织机控制系统的软件将以实时嵌入式系统μC/OS-II与FAT32文件管理系统为平台进行开发。其设计流程如下：

（1）在控制系统方案设计：首先，进性详细的市场调研，分析市场上主流的剑杆织机控制系统（包括平布与毛巾织机）的功能特点，借鉴其好的设计思想，使其为我所用，并设法改进其不足之处，确保设计的剑杆毛巾织机控制系统符合当前的技术潮流，并具有自己的特色。其次，与合作单位的机械部件设计人员进行充分的交流，在深刻领会其整机设计思想、织机控制要求与控制系统制造成本要求后撰写剑杆毛巾织机控制系统用户需求分析报告与总体方案设计报告，并提交合作单位审核通过。确保项目研究成果能在合作单位使用推广，并被市场接受。

（2）控制系统详细设计：首先，详细分析毛巾织造工艺流程，理清剑杆毛巾织机控制信息点、研究织机动作时序，确立控制时间节点与控制信息间的逻辑关系。其次，根据用户需求分析报告，对总体方案进行细化，提出各个控制模块与相关控制算法的具体实现方案，并完成关键芯片与外购部件的选型工作。

（3）控制系统软件编写：首先，选择合适的软件开发工具，建立嵌入式系统开发环境，并完成嵌入式实时操作系统μC/OS-II与FAT32文件系统在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系统所有控制信息之间的逻辑关系，编写控制系统软件流程图与状态向量图。再次，对控制系统软件进行模块划分，编写各个子函数的输入输出接口，并设计控制信息数据结构模型与控制算法。最后，项目组软件编写人员通过分工合作完成软件代码编写与调试。

（4）剑杆毛巾织机控制系统调试：在完成控制系统硬件电路制作与控制软件设计后进行系统软硬件联合调试，验证各项控制功能是否完备、织机动作流程控制是否合理、各个控制模块工作是否稳定。通过软硬件联合调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误。

（5）剑杆毛巾织机整机调试：在完成控制系统软硬件调试后，将剑杆毛巾织机控制系统安装到合作单位提供的样机上进行整机调试，验证剑杆毛巾织机的整机功能是否达到设计标准、能否正确合理完成毛巾布料制造全部工艺流程与安全性要求。通过整机调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误，使得设计开发的控制系统达到设计要求。

控制系统软件具体的开发流程如图3所示。

图3 控制系统软件设计开发流程图

3 结束语

设计完成的毛巾剑杆织机控制系统具有以下特点：（1）设计了电子送经、伺服卷取功能模块。由变频器、交流电机与接近式张力传感器组成的电子送经机构实现了毛巾织造过程中相对稳定的经纱张力控制，简化了机械结构，又具有成本优势。伺服卷取机构实现了变纬密织造、毛巾须长停车自走、定位停车后自动补偿消除停车挡等功能，并简化了机械零部件设计，如取消纬密齿等。（2）在不增加硬件设备情况下，设计了软件自动寻纬算法，能提高布面拼挡效果，而且将减轻挡车工的劳动强度与操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服电机控制起毛凸轮的转动角度，实现了毛巾织物起毛高度在设计范围内任意变化，能够实现波浪型花纹编织。（4）剑杆毛巾织机控制系统软件基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II构建，改变了传统织机控制系统软件普遍采用的前后台模式，提高了控制系统的实时性，也有利于提高剑杆毛巾织造工艺。

参考文献

[1]代金友.剑杆织机的发展趋势与品种适应性[J].科技信息，2012（14）.

[2]陈明.新型剑杆织机的工作原理及设备性能分析[A].2009中国国际纤维纱线科技发展高层论坛暨第29届全国毛纺年会论文集[C].2009.

[3]朱海民，张森林.基于uC/OS和ARM的经纱张力嵌入式智能控制系统设计阴[J].机电工程，2006（4）.

[4]Goktepe，Bozkan.Study on reduction of air consumpfion on air-jet weaving machines[J].Textile Research Journal，2008（9）.

第5篇

关键词：高度集成 便携 操作方便

1 概述

本论文基于目前大多数会议系统的应用标准对快速架设及便携性技术进行了研究，并提出了相关的优化方法。为了对技术细节的深入探讨作铺垫，先简要介绍一下目前会议系统技的应用。系统连接线缆比较复杂，设备安装零乱，控制不方便等。

2 便携指挥所总体设计

便携式指挥所系统可遂行应急指挥任务，到达现场后可建立起临时指挥所，实现现场指挥及办公，搭配便携式通信箱，可以实现包括：音、视频信息，数据的双向传输和通信联络，实现现场指挥调度、远程指挥调度、视频会议、专网接入和公网接入等功能，为应急指挥和信息上报提供有力保障。系统具有很强的便携性，可以形成机动迅速、开设快捷、组网灵活的保障能力。

2.1 总体技术要求 ①完备的指挥所功能：便携式指挥系统可作为独立的区域指挥中心，支持各类监控信息接入，采用本地会议模式，完成第一时间内的决策、指挥、调度。毕竟，在应急环境下“抢时间”是第一要务。系统也可作为全地域指挥系统的关键节点，支持信息的上传下达，采用视频会商+本地指挥的模式，实现应急指挥的全地域无缝覆盖。②便携性：整个系统的全部设备撤收合装后，可集成在三个便携式箱体内，分别是主控分机箱、两个音视频分机箱和终端分机构成。③操作简单、可靠性高、维修性好：系统采用板卡级设计，接头均为航空插头；操作模式多样，既有硬件控制，也有软件控制，硬件控制按钮全部集成在主控分机的上面板位置，软件控制具备有一键操作模式，便于使用。系统在3人操作情况下展开和撤收的时间均可控制在15分钟内。④经济实用：系统可作为日常人防机构的办公常设设备，应急时可作为指挥中心，设备使用率高，避免了设备长期不用带来的老化和操作问题。降低了对载车的依赖，即降低了成本，也提高了产品的适应性。⑤环境条件：温度条件：工作温度0～55℃，存储温度-20～-55℃。相对湿度：30℃ 95±3％。

2.2　主要功能 整个系统具备以下几大功能：①音视频处理：多路音视频信号接入处理、四画面切换输出、计算机信号处理、音视频记录回放。②视频会议：建立分会场、与主会场召开视频会议。③屏幕显示：字幕显示、音视频播放。④网络及通讯功能：3个物理隔离的计算机网络、小型集团电话、800M数字集群。⑤软件控制功能：集成式设备控制软件、具有一键式操作。

3 系统方案设计

固定指挥所系统是城市应急救援的固定应急指挥平台，担负着通信、指挥、协调等任务，与机动指挥所和应急救援指挥中心构成应急指挥体系。但是固定指挥所开设不够便捷，设备可能长期处于潮湿环境，以及设备不能够得到有效使用，都形成了固定指挥所在使用中的不便。便携式指挥所正是基于上述固定指挥所的特点，针对用户对小型、超机动指挥中心的需要，提出总体架构设想并进行设计。整个系统采用便携式箱体设计，实现日常会议、音视频处理，三网接入，部署常用办公软件，实现视频会议等功能。本系统方案的设计思想可以分为硬件和软件两个部分。

系统硬件设计思想：硬件应采用模块化、标准化结构，便于容量扩充和引入新的硬件模块，容纳新业务和新技术。

3.1　硬件子系统 此系统组成分为三部分，分别是主控分机、终端交换分机和音视频分机。

3.2　主控分机 主控分机集成独立的数字集群、计算机控制、数字音视频会议、集团电话、音视频的记录、存储和刻录。主控分机是整个系统的通讯以及控制的核心，其内部集成串口服务器并配合本机串口，提供9个串口控制功能，用以对调音台、音视频矩阵、LED显示屏进行中央控制。

系统采用一体化设备集成箱实现，使用分层方式设计，能够实现指挥控制的各项业务功能。平台以统一的结构化设计和技术标准将会议、通讯、音视频处理等所有资源整合在便携式指挥系统中。音视频矩阵与硬盘录像机相连，可实现音视频数据的编解码、压缩、存储等功能；视频分配器、四画面处理器可实现画面分割切换处理；系统通过各种接口、三网独立交换机、无线网关和视频会议终端可与固定指挥中心的会议指挥系统等实现对接。

3.3　音视频、终端交换分机 通过音视频分机的LED屏显示，时间、会标、气象信息等，并对会场的视频信息进行采集。集成了两个功放，以应对本系统的音频输出的需要。音视频分机在结构设计上也体现了便携式的特点，其内部从物理结构上进行了模块化设计，可以将我们的一些外设进行存放，节省了储存空间，从而更好的达到便携式设计的目的，会场声音进行播放。

终端交换分机提供电脑VGA信号、数字话筒接口、电话、网络、电源等接口进行交换处理。主要是对外部输入信号进行中心交换，以达到和主控分机通讯的目的。

终端交换分机可以进行任意级联，并都处于同一物理位置层，与主控分机可以进行并行交换，从而达到了本系统的任意扩展性。

3.4　接口扩展设计 本系统具有接口扩展设计，能够很好的将便携式卫星通信、3G无线技术、微波图像传输系统等接口进行兼容。

3.5　集中控制软件 本系统软件采用VC6.0IDE集成环境进行通讯部分的功能开发，采用flash as3.0语言进行前台界面开发。通过集中控制软件可实现系统全部功能的控制，并针对用户需要开发了两个一键式集成控制功能，分别实现本地会议模式和远程视频会商模式。系统软件设计思想：①软件采用分层的模块化结构设计，模块之间的通信按规定接口进行。任何一层的任何一个模块的维护和更新以及新模块的追加都不应影响其他模块。②系统参数、用户数据与处理程序应有相对的独立性。③系统平台具有良好的开放性，支持各种应有的接入，提供多种接入方式。

4　结构设计

整套系统采用高度精密集成化功能设计，有效降低了设备体积。贴近实战的结构设计：在满足功能需求的同时，当设备清单中的全部设备撤收合装后，成为三个便携式箱体。

5　总结

便携式指挥所的设计，较好地解决了困扰指挥所在建设推进中碰到的困惑和疑虑。街道乡镇指挥所通信与信息系统能否与区县应急指挥体系实现互联互通。街道乡镇指挥工程通常硬件都比较简陋，通风除湿条件差，又缺少专门的使用维护管理人员，指挥通信与信息系统建成后的管理矛盾十分突出。目前指挥通信与信息系统安装均采用固定模式，加上系统平时使用少，设备长年放在地下室容易因潮湿而发生故障，系统设备运行维护经费高且浪费大。该产品的设计，较好地解决了上述这些问题，平时不使用时，可存放在地面条件较好的房间内，一旦需要使用，3人即可将设备搬到指定的指挥位置，15分钟内即可开通。平时也可作为街道乡镇对区县政府的会议视频系统使用或会议室扩音、投影系统使用。

参考文献：

[1]李健.我国第四方物流的发展模式研究[J].价值工程.2011-05-08.

第6篇

[关键词] 嵌入式系统； ERFRS算法； 实时数据存储

引言

RENESAS单片机以其高性能和高可靠性在嵌入式系统的应用领域占据着高端市场的最大份额。矿井材料试验系统在基础工业的应用中具有极其重要的作用。材料试验结果的准确性，试验设备的可靠性以及材料试验系统对不同试验要求的适应性是材料试验系统的基本要求。针对矿井材料试验系统的实际应用要求，论文提出了一种基于Renesas32位单片机（SH7137）的设计方案。

1 总体设计方案

1.1 系统总体结构

在本课题中，材料综合试验控制系统的控制系统主要由测量单元、直流伺服驱动单元、基于RENESAS的试验炉主控制器、微型计算机系统及配套的控制软件等组成。

材料综合试验控制系统的系统总体结构框图如图1所示。

1.2 系统组成单元的具体方案设计

系统由直流伺服驱动单元、测量单元、RENESAS主控制器、机械部分、上位机等五部分组成，各个部分的具体设计方案如下：

（1）直流伺服驱动单元：是控制系统的核心部分，由直流伺服驱动模块和专用伺服电源组成，其主要功能是将主控制器中RENESAS微处理器的命令“翻译”成相应的控制命令驱动直流电动机以设定的速度正转、反转、适时停转，从而控制可移动横梁的上升、下降、停止[1]。

（2）测量单元：系统测量包括负荷测量、变形测量和位移测量。

（3）RENESAS主控制器：是采用3 2 位RENESAS微处理器SH7137，扩展存储器模块，液晶显示器 （ LCD ）和键盘作为人机交互接口设备。

（4）机械部分： 试验炉的机械部分，主机负荷机架采用等强度的设计方法， 其工作台与横梁采用焊接梁结构。试验炉的执行部件动横梁在丝杠的驱动下做直线升降运动。

（5）试验炉温度控制：主要控制试验炉的温度。通过RENESAS或者上位机来发送命令来控制试验炉的温度，实现对试验炉的温度控制。

（6）上位机： 按软件工程理论分析材料综合试验控制系统的 控制功能的实现， 然后进行模块化、结构化的软件设计，目标是使软件具有人机界面友好、功能易扩充及易维护的优点[2]。

2 系统硬件设计

2.1 基于SH7137的系统主控制器设计

SH7137集成了32位RISC SH-2内核。SH7137系列最高工作频率为80 MHz，较瑞萨科技当前SH7047系列的50 MHz性能提高了1.6倍。SH7137的处理器体系结构如图2所示：

2.1.1 基于SH7137的硬件平台体系结构

系统主控制器的硬件平台采用模块化的设计思想，各个模块各自独立、自成体系。模块化设计，不仅增强了各个部分的可重用性，而且给后期的调试工作带来了很多方便。下面给出本课题基于SH7137的系统主控制器硬件平台体系结构设计图，如图2所示：

在下面的内容中，将对主控制器各个部分的功能原理和应用设计方法分模块逐一说明。

2.1.1 大容量数据存储模块

该系统采集时间比较长，数据量比较大选用SD卡存储。

SD卡支持SD和SPI两种传输模式，主机系统可以选择其中任意一种模式。SD模式允许4线的高速数据传输。SPI模式使用通用的SPI接口。这种模式相对于SD模式的不足之处是丧失了速度，但是却有着接口简单易于实现的优点。SD卡的SPI模式使得SD卡可以和市场上大部分微控制器进行通信。

由于RENESAS SH7137没有集成SD口，故我们只能用SPI模式。以下是SD卡的管脚描述表：

在 SPI 模式下，主机使用SPI 总线访问卡，由于SH7137集成SPI接口，所以使用MCU的SPI 接口访问卡是很方便的。微控制器在卡上电后的第1个复位命令就可以选择卡进入SPI 模式。

2.2 系统测量单元的硬件选型与电路设计

为了获得所需测量参数，需要系统测量单元来完成压力、变形及位移信号的采集等一系列的工作。在系统测量单元中，采用模拟双通道来分别对压力和变形信号进行精密测量，这两路模拟通道的设计结构基本上是一致的，如图3所示。

另外采用数字单通道编码器来间接测量动横梁的位移信号。

因此，该单元设计的主要任务是完成传感器、信号放大器以及模数转换器等器件的选型和传感器测量接口通道的设计，传感器测量接口通道的设计又具体包括信号调理电路和模数转换电路的设计。

2.2.1 传感器选型

本设计选择美国邦纳国际工程有限公司生产的增量式光电编码器（OPTCODER），型号为：BEH58-10S6N-2000，每秒2000个脉冲满足精度要求。其工作电压为10V-30VDC，最大消耗电流60mA，输出为NPN集电极开路。响应时间100khz，试验中用它来间接钡（量万能试验机动横梁的位移，也即试样的大变形。从上面所选传感器的主要技术指标可以看出，所选用的传感器从量程、输出的信号线性度等完全能够满足系统方案所提出的要求。

编码器的电气参数如表2所示：

A相和B相相位差90度，码盘每转过一个光栅单位，A相（B相）就输出一个脉冲，码盘每转一圈，Z相只输出一个脉冲。

A 相超前B相90度， 我们就可以知道编码器正转，B相超前A相90度， 我们就可以知道编码器反转。

2.2.2 信号调理电路

本课题选用了美国AD公司生产的低功耗集成仪表放大器AD623，它具有优良的直流特性和共模抑制比。该器件可取代分立的仪表放大器，且能提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。它可广泛应用于低功耗医疗仪器、传感器接口、工业过程控制及数据采集等领域。

2.2.3 数模转换电路

在本设计中，根据试验的要求，采用TI公司的ADS1252转换器。ADS1252转换器一改以往换器采样速度低的观念，其40k的采样速率以能够满足试验机中采样速度要求较高的场合。

ADS1252是一个高精度、宽动态范围的-Σ模/数转换器，具有24位分辨率、40k的采样速率，由单5V电源供电，可以完成一个通道的24位模/数转换。该芯片的设计使用比较简单，只要满足如图所示的管脚CLK（时钟信号）、SCLK（串行移位输出时钟信号）的工作时序，就能够完成模拟信号到24位数字信号的数据转换过程。一个转换周期期间，在DOUT时钟周期内，ADS1252的DOUT管脚就依次输出24位二进制转换结果[3]。

其数据转换周期时序如图5所示。

2.3 系统伺服驱动原理及RENESAS控制

本研究中，系统直流伺服驱动单元的设计是在实验室原有的直流伺服驱动装置的基础上，作进一步改造而来的。下面介绍系统直流伺服驱动单元的工作原理及其SH7137控制的实现。

2.3.1 伺服驱动单元的RENESAS控制

基于RENESAS SH7137的材料综合试验控制系统是集测量、控制、数据采集、显示、记录及实时运算处理技术于一体的智能化装置。本设计采用RENESAS微处理器SH7137实现数字控制，完成系统伺服电机的转速和电流反馈信号的检测及控制。

当选择计数器时钟时，必须通过TCR的TPSC2～TPSC0位选择计数器时钟，同时通过TCR的CKEG1、CKEG0位选择时钟的边沿。当选择计数器清除源时，必须通过TCR的CCLR2～CCLR0位，将TGR选择为TCNT的清除源。选择波形输出电平时，必须通过TIOR设定为输出比较寄存器，选择初始值和输出值。设定TGR时，必须给在选择计数器清除源时，选择的TGR设定周期，给其他的TGR设定占空比。设定PWM时，必须通过TMDR的MD3～MD0位选择PWM模式。在开始计数时，必须将TSTR的CST位置1，开始计数[4]。

PWM模式运行的情况如图6所示：

将TGRA 的比较匹配作为TCNT 的清除源，并将TGRA 的初始输出值和输出值置0、TGRB 的输出值置1。此时，设定在TGRA 的值为周期，设定在TGRB 的值为占空比。

3 系统软件结构设计

本节将围绕材料综合试验控制系统的软件结构设计，分析材料综合试验控制软件的总体结构，重点阐述本控制系统中RENESAS主控制器软件功能的实现。

3.1 软件总体结构设计

控制系统的功能是进行系统设计的关键，无论是硬件设计还是软件设计，都必须围绕试验控制系统的功能来实现，尤其是软件设计，控制软件功能模块的设计必须以试验控制的功能实现原理为依据。本控制软件主要是在测量的基础上完成对控制动作的控制，其数据流程图如图7所示。

3.2 主控制器的软件功能设计

根据系统的需求，本试验控制系统中RENESAS主控制器软件的主要功能是：根据给定信号，对几乎全部A / D和I/O参量进行采集监视，同时用中断方式对直流伺服驱动单元进行控制，并且进行自动监测，超限时予以报警。整个控制器软件采用结构化的程序设计方法设计。程序分为两大模块： 主程序模块、中断服务子程序模块。主程序模块按照功能又分为三大子程序：初始化子程序、 设置显示子程序、 控制子程序。由于控制系统的操作是由RENESAS控制器的键盘中断来控制，所以，在主程序中通过查询键值来进入相应的子程序。其流程如图8所示。

4 软件调试

下面是针对两种不同采样周期，对几种不同输入干扰情况下的输出结果分析。

（1）温度通道测量精度试验。输入端加10mV信号，无附加干扰。如图11示。时间轴0.1s/div，其波形图如图9所示：

其输出读数为1034℃，长期观察，数据不变。

（2）温度通道抗噪声试验。温度通道加6mV输入信号，叠加10uV的白噪声，如图10为0.1s/div时的输入波形。

其输出读数为686℃。数值变化比较缓慢，说明系统对白噪声有较强的抑制作用。

（3）负荷通道对脉冲干扰的抑制性能测试。输入15mV信号，加随机脉冲干扰并伴有白噪声。波形如图11所示。时间轴1ms/div。

对应图12的输入，系统的输出值为30.0001kN± 0.1N。说明随机脉冲干扰，即使在比较高的采样速度情况下，对系统的影响也不大。

（4）负荷通道强噪声性能测试。输入5mV并叠加30uV白噪声。图14为对应的输入波形。时间轴1ms/div。

对应的输出纪录值为10.0000kN±0.2N。实验说明，系统在高速采样时，对较强噪声干扰仍保持良好的测量精度。

5 总结

本问是基RENESAS的矿井材料综合试验控制系统的研究。吸收先进的微电子技术和控制技术，设计出性能优越的矿井材料综合试验控制系统是研究的主要任务。

（1） 针对目前材料综合试验控制系统统的特点，在对系统工作原理与测量参数做出分析的基础上，提出了基于RENESAS的矿井材料试验控制系统的总体设计方案；根据系统总体设计方案，搭建出以RENESAS微处理器SH7137为核心的嵌入式控制器的硬件平台，着重完成了基于RENESAS的系统主控制器的设计。

基于RENESAS微处理器的矿井材料综合试验控制系统的开发与设计是在材料试验控制技术研究方面进行的尝试，虽然借鉴了其它一些机电控制系统成熟的技术，在此基础上加以改进吸收，但毕竟时间不够长、投入也有限，需要改进的地方还很多，因而距离实际的应用仍有较大的距离。

[参考文献]

[1] Wolf，W.H. Hardware-Software Co-Design of Embedded Systems. Proc. IE- EE，1994， 82（7）： 967989.

[2] Raul Camposano. Embedded system design. Design Automation for Embedded Systems，1996，1（2）：5-50.

第7篇

关键词：实时以太网； EtherCAT；DSP；MPC5200；主站软件

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）16-3678-04

将以太网技术应用于现场总线技术是分布式控制系统发展的必然趋势，与传统的现场总线相比，以太网现场总线具有刷新周期短，数据传输容量大，数据传输效率高，同步性能高等优点。目前常用的实时工业以太网技术有EtherCAT技术、EtherNet/IPIP技术、Ethernet Powerlink技术、Modbus/TCP技术等[1-3]。

EtherCAT是由德国Beckhoff 自动化公司开发，该总线具有高速和高数据有效率的特点，在硬件实现上具有网络拓扑结构灵活、接线简单、性价比高等优点，为今后实时工业以太网的发展趋势，更是今后实时分布式控制系统的首选[4]。

1 Ethercat总线的工作原理与相关协议[5-6]

1.1 Ethercat总线的工作原理

2 主站的硬件设计

2.1 DSP单元

核心器件采用TMS320C6455[9]，该器件TI公司推出的高速信号处理器，最高工作频率为1.2GHz，该模块主要电路包括时钟、复位、JTAG调试接口、存储器、通信电路、模拟量接收电路等组成。DSP主要用于复杂的实时信号处理（如：数控系统多轴的运动轨迹规划、实时的插补算法、误差补偿、伺服滤波算法），并将运算结果通过FPGA传送到PowerPC控制的EtherCAT总线上。存储器电路主要包括DDR2存储器以及FLASH存储器和DSP的接口，DDR2存储器用于存放数据，FLASH存储器用于存储运行程序和系统重要参数。模拟量接收电路在FPGA控制下，将外部输入的模拟信号数字化后送入DSP，用于数据信号处理。通信电路主要为千兆以太网接口电路，DSP内部集成了100/1000Mb/s的MAC控制器，通过外部扩展PHY芯片实现网络功能，千兆网主要用于系统参数设置和调试使用。

2.2 FPGA单元

在设计中FPGA采用是Altera 公司的EP3C40F484-C8N，器件内部有39600个LE 资源，有1兆位的RAM，可提供三百多个输入输出 引脚，芯片内部集成了一百多个个乘法器和4 个PLL 锁相环，满足硬件设计需求。FPGA用于实现DSP和PowerPC的双向数据交换，PowerPC将接收到的EtherCAT总线上各控制单元的信息通过FPGA传送到DSP内部，DSP通过FPGA可以将相应的数据传到EtherCAT总线上各单元。另外，FPGA还用于逻辑控制，实现模拟量输入输出信息、开关量输入输出信息与DSP、PowerPC的无缝连接。

2.3 PowerPC （MPC5200B）单元

主站PowerPC采用MPC5200B[7 8]，该器件为Freescale 公司推出的32位高性能处理器，器件主频工作频率为400MHz，为了提高程序运算速度，器件内核分别带有16K字节的程序、数据高速缓存，带有一个双精度浮点处理单元。对于外部关键信号，片内带有标准中断管理单元。为了实现器件与外部通信，MPC5200B片内集成一路100M的以太网控制器，两路CAN总线控制器，多路串行口控制器。该单元由MPC5200B、时钟电路、复位电路、JTAG 调试接口、通信接口电路、存储器接口电路以及对外扩展接口电路等组成。该模块主要用于实现用于实现EtherCAT的物理接口以及主站协议的软件实现，并提供相应的控制软件。

2.4 电源单元

2.5 通信单元

在设计中为了考虑硬件的兼容性，采用了多种通信接口，在DSP上挂接一路1000M的以太网，用于DSP系统调试参数设置，在PowerPC上挂接一路100M以太网接口，六路串行接口（分别为2个RS232口、两个RS485口、2个CAN接口）。1000M的以太网用于实现EtherCAT总线物理接口，RS232口用于实现与PC通信，RS485口和CAN接口可以实现与其他设备接口，满足系统通用性要求。

3 主站软件设计

EtherCAT主站程序包括DSP和PowerPC两个运行程序，DSP程序主要功能是实现复杂控制算法，PowerPC程序功能为实现EtherCAT协议的通信和设备的控制。DSP运行的软件主要为算法研究，由于篇幅所限，文章着重详述在PowerPC硬件平台下，EtherCAT协议和控制软件在Linux操作系统中的实现。

3.1 PowerPC（MPC5200B）下主站软件功能

在PowerPC下运行的EtherCAT 主站软件主要包含如下功能：首先，完成系统主站硬件的初始化，软件能够对系统运行时间进行计数，对系统运行状态进行监控；其次，主站软件通过发送命令要对EtherCAT 系统以及各个从站进行初始化，实现主站与各从站之间的数据实时交换，实现相关协议解析和转发；再次，主站软件可支持在线下载、实时更新。软件结构采用模块化编程，底层软件提供硬件驱动，中间层软件为上层应用软件和底层软件提供接口，实现上层应用软件与驱动软件隔离。

3.2 基于Linux的 EtherCAT主站下主站软件具体实现

EtherCAT初始化完成后，在Linux内新建两个内核定时器，一个用于完成周期性数据通信，另一个用于轮询非周期性任务，也就是状态机处理任务。周期性数据通信定时器的优先级最高，定时器运行周期通过配置软件设置，非周期任务查询定时器的优先级较低，周期可定为50毫秒。

初始化和配置完成后，启动定时器开始发送周期性数据帧，并检查返回的数据帧，对返回的数据帧进行解析，获取从站的数据交给DSP处理，DSP对数据进行处理后，将新的输出命令发给PowerPC，PowerPC继续发送周期性数据帧。

4 结论

采用基于DSP和PowerPC的硬件平台实现了EtherCAT总线主站相关协议，通过测试可知， 主站周期性的向各从站（测试时，从站数量为3）发送EtherCAT 数据包（数据包数量为1518字节），各从站接收到自己的数据包，再向主站返回相应信息，EtherCAT总线延时时间为3.02μS，可以看出主站设计满足实时性要求。

参考文献：

[1] 杜品圣.工业以太网技术的介绍和比较[J].仪器仪表标准化与计量，2005，5：16-19.

[2] 缪学勤.论六种实时以太网的通信协议[J].自动化仪表，2005，26（4）：1-6.

[3] 刘艳春.工业以太网现场总线EtherCAT驱动程序设计及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.

[4] EtherCAT Technology Group.EtherCAT Technical Introduction and Overview. December 2004.

[5] 周千翔.基于实时以太网的分布式电子控制器设计[D].南京：南京航空航天大学硕士论文，2008.

[6] EtherCAT Communication Principles[R].EtherCAT Technology Group，2007.

[7] Freescale Semiconductor.MPC5200B Data Sheet， Rev.1，1/2006.

第8篇

关键词：嵌入式系统 控制器

Abstract:The project introduces an embedded control system for knitting machine.The core processor is EP9315.ARM ECOS for the operating system platform,Construction of the embedded control system sorware and hardware of knitting.Overview of its hardware architecture,detailed implementation of software systems.

Key words:Embedded system controller

1、控制器的基本结构

该系统包含硬件部分和软件部分。CPU核心采用由Cirrus Logic 公司生产的EP9315，外接电路采用模块化设计，包括EP9315最小系统模块、键盘与显示模块与FPGA逻辑控制电路。软件部分基于vim 编辑器+arm-elf-gcc编译器开发的，采用模块化设计思想。软件主要包括用户操作界面、文件管理、基本接口、CAN通讯接口、编织动作等功能模块。

1.1系统的整体框架

嵌入式纺织控制系统，主要用EP9315负责中央控制，由作业人员通过交互式的人机界面及键盘输入完成执行指令，EP9315接收相应键盘指令后开始执行编织操作，将花型数据及导纱针床等各部件动作指令分别发送到FPGA，FPGA接收指令和数据，以完成相应数据的发送和操作的执行。

如图1所示。通过USB接口或者网络接口从U盘或者网络上下载花型文件到纺织控制系统上。整个嵌入式纺织控制系统分为ARM核心控制模块与FPGA执行模块，通过CAN总线搭建了核心模块与下层执行模块之间的快速有效通讯。

图1 嵌入式纺织控制器的总体功能模块图

2、纺织控制器的硬件结构

本文中的嵌入式系统的硬件结构采用ARM9+FPGA的方式，控制器系统核心EP9315处理器，它是一款适合于工业控制级的芯片，集成有LCD控制器、网络控制器、USB控制器、多串口等接口的控制器。本文利用EP9315出色的内核性能和丰富的外部接口，采用传统嵌入式系统设计思想设计一个基于ARM+FPGA的纺织控制系统，主控系统主要由存储器系统、UART异步串行口、时钟电路、电源与复位电路、USB接口、以太网接口、LCD接口、触摸屏接口、JTGA接口等组成。FPGA作为控制系统的协处理单元，直接参与控制逻辑工作中，分担了处理器需要处理的编织文件数据解析和逻辑时序实现工作，减轻了9315的负担。

3、纺织控制器的软件设计

3．1软件部分的实现主要分为两步：

首先，EP9315基本运行环境下的纺织控制程序，包括：

机器动作的控制逻辑

调试串行通讯

花型文件解析

机器运行时各部件状态的监控

键盘输入与LCD显示

其次，嵌入式操作系统移植之后的运行系统，包括：

操作系统下的各种任务、服务

9315基本运行环境下机器的控制程序

软件系统的结构框图如图2所示。

图2纺织控制器的软件系统结构框图

在系统启动完成后，进入了应用程序里即进入控制逻辑部分。根据目前控制器的工作流程的分析，得出这个控制的软件流程图，然后进行简要的分析。如图3所示。

图3纺织主控制程序流程图

如图3所示整个运行过程为：系统上电之后，进入初始化；处理器逻辑准备，进入测试功能选项，检测各机械器件是否处于正常状态，如果系统有问题，停机直到操作人员排除所有故障后再进入初始化，循环等待操作人员输入指令，为编织做好准备；复位完成即可上纱开始编织，系统会提示是否按上一次编织的参数进行编织，如果按上一次参数进行编织就从ROM导入上次的参数，否则需重新设置编织参数；在整个编织过程中，要实时监测各个报警信号的输入，一旦发现有报警信号，工作立即停止伴有报警声并在LCD上显示错误信息，处理器会记录此时的编织位置，这个就不会因为意外的中断而使编织不合格了。排除故障后，还能按照记录的位置进行编织；完成编织工作后复位，停机。

3．2 软件模块化设计

本课题的纺织控制软件是在vim+arm-elf-gcc环境下开发的。按照功能软件代码分成5大模块：

1．文件管理类

int NandInit(void);

void NandFormat(void);

void NandDir(const char *dname);

void NandDelFile(const char *dname);

void UsbMount(char *dev_str, char *type_str, char *mp_str);

void UsbUmount(char *dir_str);

void UsbList(char * dir_str, char *buf);

void UsbLoadFile(char *name_str);

unsigned char UsbLoadFileToNand(char *name_str);

2．基本器件接口类

void RollerInit(void);

void RollerStart(unsigned char dir, unsigned short frq, unsigned short mss);

void RollerOpen(void);

void RollerClose(void);

void RollerGo(void);

void RollerStepTimer(void);

3．CAN通讯接口类

void CanInit(void);

unsigned char ReadCanReg(unsigned char reg);

void WriteCanReg(unsigned char reg, unsigned char data);

unsigned char ReadCanData(unsigned char *buf);

unsigned char WriteCanData(unsigned char *buf);

void CanCheck(void);

unsigned char CanTest(void);

4．用户操作界面类

void GmShowKeyErr(void);

int KeyToEdit(int hWnd,int num);

int GmMessage(int x1,int y1,char* title,int buttonNum,char* text,int hWnd);

void CalDsUseStr(void);

int SetParam(HWND hWnd);

void SetEditValue(HWND hWnd,int uValue,int len);

5．编织动作类

void KntActInit(void);

void KntCheckGroup(void);

void KntLoadTragLine(unsigned short linNum);

unsigned char KntTragAct(void);

void KntDsPosInit(void);

void KntLoadDsLine(unsigned short linNum);

void KntCalLength(unsigned short linNum);

4、总结

本文介绍了一种基于ARM+FPGA为核心的嵌入式系统的电脑纺织控制器，内部通讯是采用常见的CAN总线设计，提高了控制系统的可靠性与实时性，并通过模块化设计等技术创新，在不断缩短上市周期的同时也逐步降低成本。

参考文献：

第9篇

中图分类号：TP27文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)04(A)-0000-00

可以说在当今全世界的机床制造业中，数控系统起着举足轻重的作用。作为高尖端技术之一的数控系统集机械制造、自动控制、计算机、测量以及电气传动等技术于一身，各方面功能均十分强大。通过笔者对当前数控系统市场的调查发现，一些中高档的数控系统基本采用的都是以PC机为控制平台实现对步进电机进行驱动控制的。虽然这种控制方式具有性能优良、功能齐全、响应速度快等特点，但其价格却相对比较昂贵。对于生产企业来讲，需要的是一种既能满足生产需求，价格又相对低廉的数控系统。为此，本文将单片机测控技术应用到数控系统当中，以此来实现这一需求。

1 基于单片机的数控系统设计思路

基于单片机的数控系统，能够根据用户的实际需求以及CPU种类的不同实现产品细分，并以此使设计出来数控系统产品具有系列化的特征。通过对市场的调查研究发现，人们对数控系统产品的需求大致可分为以下两类：

1.1 单片机加实时操作系统

以这种形式构成的数控系统主要都是一些中高端的系统，它们的功能相对来讲比较丰富，可实现网络信息共享，而且还可以进行闭环控制，精确度相当高。其中操作系统是确保任务实时性的关键。在此类数控系统当中，使用较多的单片机为ARM系列等，实时系统则为Windows、RT-Linux等。这种类型的数控系统常被用于对精度要求较高或是联动数目在四轴以上的数控机床当中。

1.2 单片机加控制模块

在此类组成结构的系统当中，由于采用的是控制模块，而不是实时操作系统，所以各个任务的实时性均是由系统中的控制软件以及处理器的中断等予以保证的。此类系统应用的单片机主要以高性能的CPU为主，这样能够有效地确保系统的运算速度符合插补和管理等功能的需要。这种系统通常仅能满足三轴联动和四轴联动的数控机床的需求。

通过上述分析不难看出，研发不同等级的数控系统，只需要根据用户的实际需求，采用的不同平台，然后在平台中对系统的主要功能略作改进，便能够开发出满足用户需要的数控系统。这在一定程度上避免了基于单片机的数控系统研发的缺点，有效地减少了重复性工作，从而使整个研发周期相应地缩短很多。若是将数控系统中的主要技术模块进行总结和提炼，便可以组成一个系统平台，在此基础上对相应的功能进行适当地删减或增添，便可以完成系统的研发。这就是基于单片机的数控系统的基本设计思路。

2 基于单片机测控的数控系统设计原则

任何一种数控系统实现的关键均在于其软件及硬件的设计，应用单片机测控技术的数控系统也不例外，下面简要介绍一下软件及硬件在实际设计过程中需要遵循的主要原则：

2.1 规范化原则

一个数控系统的设计研发，最忌讳的就是重复开发，这样不仅会浪费大量的时间，而且也会浪费大量的资源，所以在进行软件及硬件设计过程中，必须有一个规范的标准，以此来规范系统的通讯协议以及软硬件界面，可以使设备生产商和控制器制造商均能在相应的标准下进行研发和生产，以此来杜绝重复性开发的情况发生，减少资源的浪费。为此，在进行系统软硬件设计时，必须遵循规范化原则。

2.2 系列化、标准化原则

在系统硬件的设计过程中，应以系列化和标准化的原则进行设计，这样有利于提高系统整体的实时性和可靠性。通过对系统通讯方式、CPU结构、运动及辅助控制等的模块化处理，根据实际功能的不同制成所需的模块，借此来实现系列化和标准化，同时模块与模块之间还可通过预先定义好的标准化接口实现通讯。

2.3 开放性原则

在进行系统软件设计时，为有效地降低系统软件对硬件的依赖性，应使软件平立于系统硬件之外，并且也要将软件设计成为模块化，这样有利于实现系统软件的开放性。对于整个数控系统而言，设计一个独立的软件平台是较为重要的。由于书库系统本身都具有多任务性和实时性，所以软件平台的构建也应以此为前提，同时软件平台的基本功能还应实现典型化和模块化，从而使每个功能模块之间均能实现相互独立和统一调度。这样的软件设计可以适应不同的硬件系统，进而实现了软件的开放性和独立性。

3 单片机测控技术在数控系统中的具体应用及实现

基于以上的设计思路及设计原则，下面笔者以一种数控钻铣床为例，对单片机测控技术的应用及实现进行分析。

3.1 数控钻铣床的基本功能及具体控制方案

由于该数控机床是钻、铣相结合的一类机床，为此先简要介绍一下该数控机床的加工顺序：首先，工作台就位，然后钻头钻进，钻孔后钻头快退，移至下一位置继续重复上述动作，直至全部钻孔完毕为止后，工作台恢复原位。铣削的加工顺序基本与之相同。因本系统属于钻、铣一体的机床，故此在其各方面参数均满足实际加工要求的前提下，决定采用连续控制系统对其加工进行控制，具体控制方案为采用单片机控制的步进电动机对系统工作台进行开环控制。当进给指令由单片机系统发出后，经过功率放大后对步进电动机的旋转角度进行驱动，然后经由齿轮减速器带动丝杠进行旋转，直线位移的完成主要依靠丝杠螺母的转换，具体移动速度及位移量的大小由输入脉冲数及脉冲频率决定。

3.2 单片机测控系统的主要功能

该数控系统中，单片机采用的是集中控制方式，对于系统中的各项任务采取的是分时处理进行的，如插补运算、CRT显示、输入输出控制以及存储等等。测控系统的主要功能如下：其一，初始化处理。主要是对I/O接口、步进电动机旋转频率定时器以及中断等进行初始化；其二，复位功能。机床开机工作时工作台应自行恢复至初始加工位置，如有需要也可尽心手动复位；其三，监视功能。具体是对开关、键盘以及按键等进行监视，如监视行程开关、急停按键等；其四，加工数据的输出和显示功能；其五，超程控制机报警功能。当工作台在进行实际加工过程中，若超出规定的位置则立即停止工作，并相应的做出报警显示；其六，控制方式选择功能。主要包括手动和自动两种控制方式，有特殊要求时可进行控制方式切换。

3.3 测控功能的实现

（1）硬件设计。按照该数控机床工作台的实际测控要求，决定采用STC12C5A62S2系列单片机作为主控制器，并行设置44个I/O控制接口和双UART串口，电路为MAX810专用复位电路，2路8位PWM/16位PCA模块，8路10位精度ADC，其转换速度最高可达到250K/S，即每秒25万次，Flash ROM60K，SRAM 1208字节。这一系列的单片机具有以下特点：可靠性高、反应速度快、功耗低、价格便宜、抗静电及抗干扰能力超强，无需对片外存储空间进行扩展，便可用于数控机床工作台的电动机控制，本身自带PWM/PCA和A/D，不需要在配置外部检测电路。为使加工数据能够顺利输入到系统当中，采用矩阵键盘，规格为4×8；加工数据显示器则采用6位LED显示器，以便于显示加工数据信息；为确保开机指示电源能够正常工作，电源指示灯决定采用发光二极管；为有效地控制步进电动机的旋转速度，决定采用I/O口对脉冲分配器的输出信号进行控制，再经由功率放大电路及光电隔离器后传送至步进电动机线圈当中；为对机床工作台的超程进行监视及报警功能的实现，决定采用全行程开关作为监视信号进行输入，并采用发光二极管作为超程报警指示灯。

（2）软件设计。如果将测控硬件系统的设计实现，看作是整个数控系统的物质基础的话，那么系统软件的设计实现则是测控系统整体控制思路、控制方式以及控制过程的体现。测控系统各个功能的实现，需要应用到单片机的如下技术，其中主要包括中断、定时、LED显示以及键盘扫描等技术。系统软件设计主要以模块化结构为主，下面对各个模块的具体功能进行介绍：①主模块。该模块主要负责完成测控系统的各项管理工作，数控系统开机后会自行进入到管理模块当中，然后接收并执行由机床操作者发出的操作指令。在这一模块当中，需要对键盘上各个相关案件的功能进行自定义，以此来确定接收指令的形式以及实现加工数据的输入和、自动钻铣加工、急停等操作功能；②自动加工测控模块。按照该数控机床工作台的实际工作需要，自动加工应包括钻削和铣削两部分。所以在该模块中设计两个子模块分别用于钻削和铣削的测控；③步进电动机控制模块。该模块主要是对电动机的转速、转角以及方向等进行控制。在对这一模块进行设计时，应重点考虑电动机运转时会出现一个加速或减速的过程，这样有利于解决突然启停时，惯性及负载造成电机损坏的问题。可以通过对进给脉冲的时间间隔及具体脉冲数进行确定，来实现对电机速度及转角的控制。控制时间常数可预先定义好后存储到程序当中，并以此作为对步进电动机运行控制的基本参数，然后利用单片机本身自带的定时器功能，并以中断的方式来实现对电动机频率的控制。

由于该单片机中集成有可编程的应用程序，故此无需设计专用的仿真器及编程器。通过将单片机测控技术应用到数控系统当中，使得系统自动化功能的实现变得更加简单、各方面性能也更为可靠。

参考文献

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第10篇

可编程序控制器简称PLC，是一种数字运算操作的控制系统，专门用于工业环境设计。它的主要特点是可靠性高、使用方便、体积小、重量轻、编程简单易学，在工业控制领域得到广泛的应用。目前，利用PLC技术可以方便地实现对电机速度和位置的控制，方便地进行各种步进电机的操作，完成各种复杂的工作。它代表了先进的工业自动化革命，加速了机电一体化的实现。

本论文以项目教学法的方式探索步进电机的PLC控制转速方法。本设计控制要求如下：按下启动按钮，步进电机以100Hz的基准频率正转。按一次加速按钮，频率以50Hz递增，最多加速5次；按一次减速按钮，频率以25Hz递减，最多减速4次。加速时为正转，减速时为反转。按下停止按钮，步进电机立即停止运行。步进电机驱动器的细分设置为1，电流设置为1.5A。

1 控制系统的硬件设计

1.1 控制系统的结构。本设计中，系统硬件部分由上位机、PLC、步进电机驱动器、步进电机、负载等组成。上位机是计算机，作为控制面板、人机交互界面和控制软件编制环境，通过与PLC的通信，实现操作监控功能；PLC发出脉冲信号、方向信号，通过步进电机驱动器控制步进电机的运行状态。

1.2 控制系统的硬件。

1.2.1 PLC。使用PLC控制步进电机时，应该保证PLC具有高速脉冲输出功能。通过选择具有高速脉冲输出功能或专用运动控制功能的模块来实现。在本设计中，采用的是三菱系列FX2N-32MT型的晶体管输出型PLC。在PLC的选型上，必须采用晶体管输出型PLC，若使用继电器型的PLC，则高速脉冲的输出很难达到控制要求。

1.2.2 步进电机。步进电机有步距角（涉及到相数）、静力矩、电流三大要素组成。根据负载的控制精度要求选择步距角大小，根据负载的大小确定静力矩，静力矩一经确定，根据电机矩频特性曲线来判断电机的电流。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。

1.2.2.1 步距角的选择。步进电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。

1.2.2.2 静力矩的选择。步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）两种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2～3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸）。

1.2.2.3 电流的选择。静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）。

1.2.3 步进电机驱动器。遵循先选电机后选驱动的原则。电机的相数、电流的大小是驱动器选择的决定性因素。在选型中，还要根据PLC输出信号的极性来决定驱动器输入信号是共阳极或共阴极。为了改善步进电机的运行性能和提高控制精度，通常通过选择带细分功能的驱动器来实现。目前驱动器的细分等级有2倍、4倍、8倍、16倍、32倍、64倍等，最高可达256倍细分。在实际应用中，应根据控制要求和步进电机的特性选择合适的细分倍数，以达到更高的速度和更大的高速转矩，使步进电机运转精度更高，振动更小。如图2所示。公共端：采用共阳极接线方式。将输入信号的电源5V正极连接到该端子上。控制信号低电平有效。脉冲：共阳极时该脉冲下降沿被驱动器解释为一个有效脉冲，并驱动电机运行一步。方向：该段信号的高电平和低电平控制步进电机的两个转向。共阳极时该端悬空被等效认为输入高电平。脱机：该端接受控制机输出的高/低电平信号，共阳极低电平时电机相电流被切断，转子处于自由状态。A+/A-，B+/B-：该端接两相混合式步进电机。DC+/DC-：该端接10V-40V间的直流电源。

1.3 控制系统的连接。本设计的相关硬件连接如图3所示。

2 控制系统的软件设计

2.1 PLC的I/O地址分配。

2.2 步进电机驱动器的设置。在驱动步进电机运转的PLSY指令中，脉冲的个数=360°/步距角，工作的频率=脉冲个数/运行时间。不指定脉冲个数，则默认为65535个脉冲。在方向信号输入为0时，默认为反转。根据控制要求，步进电机驱动器的细分设置为1，SW1-SW3的设置为000，步进电机的步距角为1.8°；电流设置为1.5A，SW5-SW7的设置为101。

2.3 梯形图和指令表。

3 步进电机控制系统的调试

3.1 初始化程序。程序开始运行时，D0初始值为K100，指定的频率为100Hz。

3.2 步进电动机正转。按下启动按钮X0，PLC的Y0脉冲输出，Y2高电平输出，步进电机正传运行。

3.3 正传加速调整。X2为正传加速按钮。当按下一次X2时，在步进电机运行的当前频率的基础上，以20Hz递增，于是步进电机转速增加。最多加速5次。

3.4 反转减速调整。X3为反转减速按钮。当按下一次X3时，在步进电机运行的当前频率的基础上，以20Hz递减，于是步进电机转速增加。最多减速4次。

本论文采用了PLC控制两相混合式步进电机的加减速，方法简单，控制方便，可靠性高。本论文中的程序通过现场实物调试，验证了方法的正确性和可行性。用软件完成脉冲分配功能，可以减少硬件资源，降低成本，控制的参数改变方法灵活，提高了控制系统的可靠性和灵活性。本文着重探索了步进电机的PLC控制的调速方法，详细介绍了步进电机调速的具体控制过程。文中有不妥之处，恳请斧正。

参考文献

第11篇

关键词：进口节流调速 数学模型 仿真 实验

0 引言

随着教育改革的逐步深入，如何培育具有创新精神的职业技术人才已经成为职业技术院校面临的热点问题之一。专业实验教学肩负着如何培育学生的动手能力及创造性思维的最直接、最重要的责任。于是，教育改革也就对专业实验教学提出了更高和更新的要求。因此本次毕业论文是根据自己的教学需要和所学专业的要求，对液压进口节流调速系统的教学实验开发与研究。

1 建立进口节流调速的数学模型

1.1 进口节流调速的工作原理图 这种调速回路将节流阀装在液压缸的进油路上，即串联在液压泵和液压缸之间

1.2 系统的数学模型 为了分析方便，作如下假设：

系统供油压力由溢流阀调节为恒定值，回油压力为零，不考虑液流在管道中的损失和动态特性，油的温度和密度均为常数[18]。

1.2.1 液压缸活塞的受力平衡方程式中：

P1（t）——液压缸进口压力；

A1——液压缸无杆腔活塞的有效面积；

m——运动部件质量；

B——粘性摩擦阻尼系数；

u（t）——活塞的运动速度；

F（t）——负载力。

1.2.2 系统的流量方程式中：

Q1（t）——液压缸的进口流量；

V——回路高压腔总容积；

K——油液体积弹性模量；

KL——液压缸的泄漏系数。

1.2.3 节流阀的流量方程 QT（t）=Q1（t）=cAT[Pp-P1（t）]φ 式中：

QT（t）——节流阀的流量；

c——节流系数；

AT——节流阀的通流面积；

Pp、P1——节流阀进、出口压力；

φ——节流指数，φ= 。

将上式线性化并写成增量表达式

式中：

KQ=c（pp-p10）

流量放大系数；

Kp= cAT0（pp+p10）- 压力流量系数；

p10——液压缸进口压力稳态值；

AT0——节流阀通流面积稳态值。

1.2.4 调速系统的动态方块图

A1P1（s）=msU（s）+BU（s）+F（s）

Q1（s）=A1U（s）+ sP1（s）+KLP1（s）

Q1（s）=KQAT（s）-KPP1（s）

即由上述三式画出方块图，如图2所示。

1.2.5 系统传递函数

①以AT（s）为输入，U（s）为输出，认为F（s）=0的传递函数

KQAT（s）=A1U（s）+( s+KL+KP)P1（s）

②以F（s）为输入，U（s）为输出，认为AT（s）=0的传递函数

其中负号表示外负载力F增加时，液压缸的速度要降低。

2 进口节流调速回路仿真

根据进口节流调速回路的动态方块图，在MATLAB的仿真状态下建立Simulink模型

2.1 以AT（s）为输入，U（s）为输出，认为F（s）=0的仿真分析

2.1.1 阶跃响应曲线 当负载力F不变，节流阀的通流面积AT以阶跃信号输入时

当节流阀的通流面积AT突然增大时，节流阀的流量QT逐渐增加，一直到达稳定后，节流阀的流量QT才保持不变，因此液压缸活塞的速度u也逐渐增加，而达稳定后保持不变。

2.1.2 斜波响应曲线 当负载力F不变，节流阀的通流面积AT以斜波信号输入

当节流阀的通流面积AT逐渐增大时，节流阀的流量QT逐渐增加，进入液压缸的流量QT也逐渐增加，因此液压缸活塞的速度u也逐渐增加。

2.2 以F（s）为输入，U（s）为输出，认为AT（s）的仿真分析

2.2.1 阶跃响应曲线 当节流阀的通流面积AT不变，负载力F以阶跃信号输入

当负载力F突然增大时，节流阀的流量QT也突然减小，液压缸活塞的速度u急剧下降，负载力F增加到稳定时，节流阀的流量QT也达到稳定，液压缸活塞的速度u也趋于稳定。

2.2.2 斜波响应曲线 当节流阀的通流面积AT不变，负载力 F以斜波信号输入

当负载力F逐渐增大时，节流阀的流量QT成反比例的减小。压缸活塞的速度u成线性的、反比例的下降。转贴于

3 教学实验系统的组成

4 液压控制系统的组成及原理

4.1 控制检测系统的组成 系统控制检测部分的组成为：计算机、A/D 和D/A数据采集集成板PCL－812PG、32路隔离数字量I/O卡PCL－730、压力传感器、速度传感器。

4.2 调速系统的控制过程 在进行进口节流调速实验时，启动计算机控制系统和液压泵的电动机，使计算机控制系统和液压泵运行，此时泵处于卸载状态；使三位四通换向阀的电磁铁1DT通电、2DT断电；二位二通换向阀的电磁铁3DT通电、4DT断电。液压泵输出的油液经过进口节流阀调节后，进入工作液压缸的左腔，右腔回油，液压缸的活塞杆外伸，当计算机发出加载指令控制信号时，通过D/A转换，经放大，驱动比例溢流阀加载，使加载液压缸的右腔回油，左腔通过二位二通吸液阀进油。通过速度传感器测得工作液压缸的活塞杆外伸速度（速度差）和压力传感器检测工作液压缸两腔的压力（压力差），其输出的速度（速度差）和压力（压力差）值经A/D转换、放大后输入到计算机中。从而检测出进口节流调速回路的动态特性。使三位四通换向阀的电磁铁1DT断电、2DT通电；二位二通换向阀的电磁铁4DT通电、3DT断电。工作液压缸的活塞杆快速缩回，此时比例溢流阀不加载。在停止实验时，液压泵又不停止工作，电磁铁1DT和2DT断电，使液压泵卸荷。

4.3 系统的硬件框图 根据液压节流调速系统的控制要求和实验方法，设计出系统的硬件框

4.4 系统软件 液压节流调速控制系统的软件是实现系统功能的核心，它包括系统人机界面模块和数据处理模块。控制对象有3个参数，两个检测参数和一个控制参数，并且系统实时性要求较高，同时为了方便试验人员操作，软件设计采用Windows下可视化编程技术。

开发工具为National Instrument公司的虚拟仪器测控开发软件：LabWindows/CVI。这个软件是以C语言和Windows API为基础建立起来的软件开发工具。它继承了Windows下多窗口、多任务和消息事件驱动机制等特点，同时又具有自己开发的信号处理、图形动态显示软件包，是一个很好的实时监控软件开发平台。此软件完备的数字信号处理功能和多线程功能大大提高了工作效率，而且具有诸如PCL、GPIB、VXI、PXI等接口板卡的驱动程序库，这对于测控系统的硬件接口模块的开发提供了很大帮助

4.5 系统软件的设计 控制软件主要由人机界面模块和数据处理模块这两部分组成，软件整体结构

5 实验结果

利用实验设备和测量仪器可测得实验系统在阶跃信号和斜波信号的输入情况下的动态响应曲线。通过比例溢流阀加载可获得进口节流调速系统的动态响应曲线

6 结论

6.1 实验动态响应曲线和仿真动态响应曲线比较可知，两种响应曲线基本相符，但还存在区别。油液的有效容积弹性模量按常值进行的仿真曲线要比实验动态响应曲线高一点，这是由于液压缸的调速系统可以等效为弹簧质量系统，油液的有效容积弹性模量愈大，系统的液压弹簧刚度愈大，固有频率也愈大，而实际上，在液压力较低时，油液的有效容积弹性模量较小的缘故。对于进口节流调速实验系统，当外加负载突然改变时，实验台的液压缸活塞受力平衡状态被破坏，速度急剧增加，产生“前冲”现象，同时进油腔的压力迅速下降，此时会引起一定的流量超调，经过一个短暂的过渡过程时间，速度经几次振荡后恢复稳态值。

6.2 构建了完整的液压进口节流调速教学实验系统，可实现快速方便的操作和控制。

6.3 控制软件设计采用LabVIEW的监控软件，该系统具有界面友好，操作简单，实时性好，可靠性高，结构简单等特点。在液压节流调速实验系统中表现出了很好的稳定性和可靠性。

6.4 仿真和实验结果基本相吻合，说明了理论分析的正确性，同时也表明本文所设计的液压节流调速教学实验系统具有较重要的应用价值。

6.5 在此基础上可以进一步开发相关的教学和科研。

参考文献

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[4]邢耀国.机床液压调速系统动态特性的计算机仿真与实验研究[D].西安交通大学.1993.

第12篇

论文关键词：单片机，可视化，门禁系统

 

近几年来随着社会经济发展，从最初的普通单元门对讲，到可视单元门对讲，发展到联网管理，智能楼宇对讲系统已成为一种兼容性强大的综合系统[1-3]。可以说，智能楼宇对讲系统不仅仅是方便住户和访客的电控门系统，也是小区物业管理和安防管理必不可少的有效手段，是现代化住宅小区必不可少的设施 。许多智能门禁系统也因应而生，集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通讯技术等诸多方而[4-5]。存在成本高，难于普及的特点。本文介绍了可视对讲系统的设计原理以及软、硬件的实现方式并提出以单片机和LONWORKS为设计核心的智能小区可视对讲系统的解决方案，克服了速率低、通信距离短的缺陷，提高了系统对总线以及监控设备的兼容性。

LON总线是美国Echelon公司推出的一种现场总线单片机，采用OSI全部七层协议，是开放式的、直接面向对象的网络协议（LonTalk协议）。核心采用神经元芯片，内含3个8位处理器，分别负责介质访问控制、网络处理和应用处理。采用专门的网络收发器使物理层可以使用多种介质，如双绞线、无线及低压电源线载波等等。LONWORKS总线在网络开放性和网络互操作性等网络处理能力方面具有很大的优势，已在智能家居得到广泛应用[6-12]。本设计结合LONWORKS和单片机的优点，设计出直观、廉价、易于推广且有一定安全功能的智能门禁系统。

*作者：罗少兰，女，硕士研究生，讲师，厦门海洋职业技术学院教师，从事计算机教学、单片机方面的研究。

1 系统结构设计 对于整个控制区，采用分级总线型网络，网络结构如图1－1所示。

图1－1 控制区网络结构图

所有节点由ATMEL89S52单片机系统和FT 3120-E4P40自由拓扑智能收发器构成核心模块，加上相应的外围电路构成。整个系统由多个子网络构成，子网络与子网络通过LONWORKS路由器进行扩张。各节点通过LONWORKS总线进行网络通信，相互之间以双绞线相连，可视对讲系统的视音频模拟信号通过视音频总线传输。该方案采用2级总线设计，实现在同一系统中同时进行多个通话的功能站。同时，设置网络数据管理机和数据服务器，实现实时控制网络与计算机网络的信息共享。

2 节点硬件设计

图2－1 节点硬件原理图

节点硬件设计是通过单片机和LONWORKS联合控制来实现的。节点硬件原理图如图2－1所示。

(1) CUP。节点的单片机CPU采用ATMEL89S52。要外接外部RAM，存放包括LonTalk协议、Neuron C库函数和任务调度程序的系统映象，存放包括Neuron C编译器产生的用户应用程序代码和其他特定应用参数的应用映象。

(2)收发器。选用Echelon公司的FT3120-E4P40自由拓扑智能收发器，把神经元3120网络处理器核心分别与自由拓扑双绞线收发器集成在一块芯片上，做成一个低成本的、智能收发器。它内嵌了Echelon公司的高性能FT-X1通信变压器，自由拓扑布线可以快速的、更为经济地进行单片机，减少了节点安装的时间和费用。FT 3120智能收发器是完整意义的单芯片系统，集成了Echelon公司的自由拓扑收发器和强大的神经元网络处理器核心；神经元3120核心最高时钟频率为40MHz，包括4K的EEPROM和2K的RAM。LONWORKS系统固件是在片内ROM中。应用程序代码存储在内嵌的EEPROM存储器中，可通过网络更新。FT 3120收发器提供32管脚的SOIC封装和44管脚TQFP封装。FT 3120智能收发器提供可以配置用于一个或更多的34种预定义标准输入/输出模式的11个I/O管脚。它集成了多种的I/O模式和两个片上定时/计数器，使得FT 3120收发器使用最小限度的外部逻辑电路或软件开发来实现应用电路的接口。在本系统中，将其设置成方式2，即位输出，用以控制继电器构成的视音频切换器。

（3）路由器。采用MPR-50多端口路由器。MPR-50路由器为五个信道之间提供ANSI/CEA-709.1兼容的路由选择，这五个信道包括四个TP/FT-10自由拓扑双绞线（ANSI/CEA-209.3）信道和一个LonMark标准的TP/XF-1250信道。

(4)程序存储器。选用Winbond公司的W27C512-45，可以很方便地利用LonMaker来直接下载应用映象，其大容量也为将来的功能扩展提供了便利。由于采用了单片机与LONWORKS技术相结合的办法，不仅兼容了户内传统的监控设备，同时也提高了网络的通信效率和传输速率，简化了整个系统，减少了硬件出错的可能性，提高了系统的可靠性，大大减轻了硬件设计的工作量。

在工作流程上，一方面当户内发生异常情况，经监控设备所采集的相应监控信号将送入户内可视分机，经ATMEL89S52判断处理后送交神经元芯片，经过收发器送上LONWORKS网络，并传输到管理中心进行相应的显示和报警；另一方面有访客通过单元主机向户内发送请求，则启动主机上摄像头，并使相应的视频切换继电器吸合，将访客影像实时传送到户内可视分机的显示器上，方便户主辨别。当户主开启与门口主机相连的电磁锁时单片机，切断视频连接，释放线路资源以便于其他访客使用。

3 节点软件设计 3．1 LONWORKS部分

主程序流程如图3－1所示。神经元芯片的应用程序以“Nueron C”语言编写。它主要完成的任务如下：首先对I/O对象和软件计时器的定义以及设置变量初始值，判断是否有“开锁”信号，并启动计时器开始计时，计时器终止时，

Neuron芯片接受新的定时任务 。

图3－1 主程序流程图

神经元芯片是LONWORKS技术的核心所在，是一个带有多个处理器、读写/只读存储器（RAM和ROM）以及通信和I/O接口的单芯片系统。只读存储器包含一个操作系统、LonTalk协议和I/O功能库。一个完整的操作系统包括一个能够执行LONWORKS协议的神经元芯片固件，它包含在每个神经元芯片的ROM中。大部分LONWORKS设备包括一个具有相同的、内置的、实现LONWORKS协议的神经元芯片。神经元芯片实际上将3个8位的内嵌处理器集成为一体站。两个用于执行LONWORKS协议；第三个用于设备的应用程序。Neuron C是一种基于ANSI C并为神经元芯片设计的一种编程语言，它对ANSI C进行了扩展以直接支持Neuron芯片的固件例程。Neuron C语言包括一个内部多任务调度程序、一个Run-Time函数库，采用的是事件驱动编程结构。整个接点的软件功能都是由若干个事件驱动完成。

对于单个节点，软件设计包括初始化，读取输入数据，更新网络变量，定时控制和执行输出控制操作等任务。而对于控制区网络，则将总线控制权交由工作站掌握，其他节点如有总线占用需求，需要向工作站发出请求，等待工作站发出请求响应命令；而当节点总线访问程序结束后，工作站会发出释放总线命令，终止节点对总线占用，以方便其他节点对总线的访问。

3．2单片机部分

单片机部分CPU采用ATMEL公司生产的ATMEL89S52芯片，具有抗干扰能力强和价格低廉的特点。单片机系统软件需要实现的基本功能如下：

(1)待机功能。平时(无控制操作时)，户内可视分机和单元主机均处于待机状态，射频模块、单元主机摄像头以及户内可视分机显示屏电源均处于关闭状态。

(2)监控信号采集功能。户内可视分机不仅是连接单元主机的节点，更是户内各监控点信号采集的中心，当门磁、窗磁、户内红外、烟感以及紧急信号被发出时单片机，都将首先送到户内可视分机，由ATMEL89S52进行判断和初步处理，然后转交神经元芯片送上LONWORKS通信网络，传送到管理中心进行显示和处理。

(3)开锁功能。通过户内可视分机，可以控制打开安装于单元门上并与单元主机相连的电磁锁。控制软件由汇编语言编写，分户内可视分机和单元主机两部分，由系统不同状态的处理和切换组成。

4 结论

本研究采用单片机与LONWORKS技术实现了可视化家居门禁系统，大大提高了通信网络的使用率，可以多机平级联网、多机分级联网、管理中心间呼叫、通话、监看；可以与小区内任一分机、主机呼叫、通话、监看，显示警情；能转接住房(分机)间的呼叫、通话；联接电脑后可以进行安防信息管理。除此以外，还可以联接小区内的低层、多层普通对讲系统，实现智慧型联网管理。具备网络清晰、操作简便、配置、组网随意灵活，运行可靠，安全调试、维护简单等优点，将成为我国小区安防管理的首选系统，造福于安居乐业的现代社会。

参考文献：

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第13篇

采用数字仿真系统考核和调试空调控制装置，较之在现场进行，可大幅度缩短调试周期、降低能耗和成本，并易于完成装置处理意外事故的功能调试。本文以实例作了仿真结果与实测结果的对比，指出实时性好的空调数字仿真装置可以获得很好的仿真效果。

1前言

随着能源问题重要性的日益增加，改革和完善空调控制系统以降低能耗、提高调节品质，日益成为空调领域的重要课题。近年来许多复杂的空调控制装置陆续开发，尤其微型计算机的广泛应用，使各种采用微型计算机的控制装置的开发调试更成为迫切的任务。但是，控制装置越复杂，控制系统智能程度越高，这种系统的开发调试越困难，原因在于：

（1）空调系统的主要扰动源是一年四季以不同规律随机变化的室外气象条件和室内人员及设备的散热、散温。可靠的智能化控制系统应能自如地应付各种室内外随机扰动，使被控对象维持在理想状态，这在现场至少需有一年以上的运转时间方可完成一个调试周期，致使研制周期过长，难以应付市场的变化与需要。若建立专门人工气候室进行此项工作，投资大、能耗高、研制成本剧增，而且还有局限性。

（2）可靠的智能控制系统应能妥善处理各种意外事故，诸如停电、停水、火灾和设备损坏等，而这类事故常常不便人为地在现场或实验室实现，这就给调试现场控制机处理意外事故功能带来困难。

鉴于上述原因，控制装置的考核与调试已成为突出的矛盾，本文通过实例介绍空调数字仿真系统在考核与调试控制装置上的应用。

关于建筑与空调系统数字仿真装置及其实时性的探讨，文献[1]～[3]有详细论述。装置包括硬件和软件两部分，用户可以方便地输入所要研究的系统，并进行输入、输出接口定义，然后将被调试的控制装置像实际现场那样接入相应接口端子，就可进行调试考核工作。

2被调对象

2．1现场控制机及其功能

被考核调试的控制装置为DCU-UP-6242型现场控制机，该机具有24路数字量输入，8路模拟量输入，16路数字量输出和8路模拟量输出。编程语言为MCS-51单片机语言，其功能包括：

（1）测量程序。通过数字量输入通道和模拟量输入通道可测出来自各种变送器的温度、湿度、风量、水流量值以及风机、风阀运行状态。

（2）控制阀等被控设备控制量计算及输出程序。

（3）时钟处理程序。计时，以不同周期进行参数测量与控制。

（4）键盘显示程序。根据操作人员要求，按键显示相应测量参数、阀门开度，并可进行参数整定与设备操作。

（5）故障检查程序。对温湿度变送器、阀门调节失灵等状况进行检测，并给出故障信息。

（6）控制方案程序。实现用户控制思想，控制算法，给出控制方案号及各被控设备输出状态。

（7）主程序。负责上述程序的统一管理，见图1。

图1主程序流程图

2．2空调系统

被控制的空调系统为双风机定风量系统，负担两个湿湿度参数要求相同的房间，该空调系统的处理室有表面式空气冷却器、空气加热器和喷雾式蒸汽加湿器，可测量与调节设备为：

（1）室外、房间、混风点、表面式空气冷却器后，送风管等处设有温湿度测点，送风管还装有风量测点，它们均为数字量信号。

（2）表面式空气冷却器和空气加热器通过三通阀对冷热媒进行量调节，蒸汽加湿器用两通阀调节。

（3）新风、排风、一次回风、二次回风和送风管上设有气动调节风阀。

（4）两个房间的送风支路上设有电加热器可进行启停控制。

3考核调试

现场控制机的考核调式是对控制装置功能的全面检验。仿真考核调试就是利用仿真装置替代实际现场。对控制装置的功能进行检验，包括硬件、软件和功能实现的思想，并给出相应的报告。

考核调试方法采用分层推进法，即首先孤立地对各功能进行考核，然后进行综合性运转调试考核。

3．1系统描述

图2为整体组成示意图，首先将被控空调系统结构组成、设备数据等信息输入模型机，并进行相应的接口定义；然后将欲考核调试的控制装置接入仿真系统，并检查系统定义与接口的正确性。如果控制装置有通讯接口，可与实验接口连接，此接口机可采集、存储与显示控制装置的运行结果。

图2硬件组成

3．2功能考核调试

仿真系统进入功能仿真程序，调试人员可以定义各温、湿度以及风量等参数值，同时测量控制装置输出的设备状态，以便对各功能进行单项考核。

（1）测量功能。仿真系统给出一系列温度、湿度、风量等各种参数值，检查控制装置测量结果是否正确。给出测量硬件、软件是否正确，以及精度是否达到要求的考核报告。

（2）控制阀等设备的输出程序。控制装置给出被控设备状态信号，仿真系统对设备状态进行检测，考核此程序功能实现的准确性。

（3）键盘显示程序。检查键盘实现功能是否正确。

（4）故障检查程序。制造变送器与阀门调节的故障信息，检查控制装置对故障发现与处理的能力。

（5）控制方案程序。仿真系统制造一系列室内、室外以及设备状态的信息，检查控制思想及实现正确与否，检查设备动作正确与否，但此时不检查调节效果。

上述仅考核控制装置的基本功能，如均达到要求，可进入综合性仿真试验，否则进行修改、完善。

3．3综合性仿真试验

空调系统的控制装置应能应付作用到空调系统上的各种形式与变化的扰量，但日以不能进行逐日仿真试验，因此，必须确定试验工况。单纯从考核调控制装置来说，试验工况的选择应考虑三方面问题，即：气象条件，建筑物的热惯性；建筑物的使用情况，如人数、内部发热量和使用时间表等。如果为了考核调试用于某地区某建筑空调系统的控制装置，则应确定以下两方面的试验工况。

（1）为了考查全年运行特性，可按不同季节进行综合性仿真试验。一般可分为冬季严寒期、夏季炎热期、春季、夏初以及秋季。并确定各季节的气象条件。当然，为了考核空调工况分区及其控制方案的合理性，则应根据工况区先定气象条件。一天内室外空气温度的变化可视为正弦变化：每天的湿度可按恒定值考虑，不同季节取不同数值。

（2）对于建筑物特性及使用情况，应编制内部矛盾热湿负荷时间表，以便仿真模拟。

4应用示例

为了说明空调控制数字仿真能否用于控制装置的考核、调试，以本文第2节给出的被调对象为例，从过程控制特性和控制精度两方面，对比仿真结果与实际系统测试结果。

4．1过程控制特性

为了考核控制软件在跟踪控制过程上的效果，给定如图3所示的温度过程设定值曲线，并按此设定要求，在空调数字仿真系统中运行被控制的空调系统与被考核的现场控制装置，其结果如图4所示，与在实际空调系统按此设定曲线控制的结果（见图5）相比，可得：

图3温度过程设定值曲线

图4仿真温度过程曲线

图5实测温度过程曲线

（1）仿真结果与实测结果十分相近；

（2）基本可以符合温度过程设定曲线要求，便跟踪效果不理想，控制软件需进一步改进。

4．2控制精度

为了探索空调数字仿真系统在仿真空调控制精度上的效果，利用实际现场某日逐时室外气象数据，在仿真系统上仿真运行该空调控制系统。对比图6所示的仿真结果与图7所增实测结果可以看出：

图6某日仿真温度曲线

图7某日实测温度曲线

（1）仿真结果与实测结果十分相近

（2）温度控制精度为±0.5℃，满足原软件设计要求。

5结论

上述探讨说明，实时性好的空调数字仿真装置可以很好地模拟实际空调控制系统，为现场控制装置（包括硬件、软件）的开发与考核调试开辟一条经济、可靠的途径。当然，通过仿真试验考核控制装置的全面性取决于用户对控制装置功能的理解，试验越全面，在实际环境中出现的错误就越少，越节省人力、物力，应用效果越好。

本文的目的在于对比仿真调试与实际应用的效果，至于如何评估、评价一个控制装置，尚需进一步探讨。

6参考文献

1彦启森等，用于空调模拟分析的实时仿真装置.制冷学报，1987（2）.

第14篇

【关键词】开关柜；特征气体；诊断

高压开关柜在电力系统中担负着关合及断开电力线路、保护系统安全的双重功能，随着电力系统向着高电压、大机组、大容量的迅速发展，电网日益扩大以及变电站无人值班管理模式和综合自动化的普及推广，高压开关柜的安全运行越来越重要。高压开关柜内闸刀触头、电力电缆进出线的接头接触不良时，接触电阻增大，在负载电流流过时会产生发热现象，过热会引起金属材料的机械强度下降，绝缘材料老化并可能导致击穿，形成事故。在高压开关柜中，固体绝缘中的空穴、不同特性的绝缘层之间，以及金属（或半导电）电极的尖锐边缘处，由于气体的击穿场强比固体介质低得多，气体中的电场又比固体介质中高，往往在气隙的部位产生局部放电。这些局部放电会造成电介质绝缘强度逐步下降，最终导致绝缘的损坏。此外，高压开关柜中还存在SF6气体的泄漏，同样会造成设备性能的下降。因此，测量和监视高压开关柜内的运行状态，是避免重大事故发生及控制故障恶化的有力手段，对于保证高压开关柜的正常运行，提高电力系统的运行可靠性和自动化程度具有非常重要的意义。

目前已有的各个测试系统存在各种各样的缺陷，并且各种方法只能实现对某一种故障的监测，还无法实现对高压开关柜的运行状态准确监测。针对于上述的情况，针对于上述的情况，对高压开关柜在运行过程中各故障状态下的气体成分进行了分析，发现各种故障状态下，高压开关内部会产生不同的特征气体。由此可见，采用变压器油色谱测试的原理，通过对不同特征气体的分析，可以实现对高压开关柜运行状态的监测。基于上述的原理，本论文介绍了基于故障气体原理开发了便携式开关柜故障探测装置，该系统通过提取开关柜运行过程中所形成的气体，采用气敏传感器对各种气体成分进行分析，从而对开关柜的运行状态做出可靠判断，确保高压开关柜的安全运行。

一、开关柜内部故障的特征气体分析

对于采用SF6断路器的小车式开关柜，最容易发生的异常是接头发热、SF6气体泄漏和局部放电。下文将分别研究每种异常状况的特征气体特点。

1.接头发热

接头发热是一次设备的常见故障，对于常用的小车式开关设备，由于其断路器小车经常被移进移出，断路器的触指和触头很容易受到撞击等外力作用而变形，导致接触不良而发热，另外其电缆接头也是发热故障的高发部位，由于开关柜内部发热几乎不能早期发觉，接头发热故障对于开关柜的安全运行事关重大。接头发热产生的特征气体比较复杂，各种气体的组分和浓度随发热温度和接头材料的不同而不同，主要特征气体有以下几种：

a.烷烃和硫化氢——主要是接头电力脂、脂、示温蜡片中杂质受热分解产生，由于断路器触头无一例外地涂有脂，如果接头发热，凡士林融化导致内部少量碳原子数量较少的烷烃和硫化物等杂质气化而分布在柜内的空气中，由于各种气体传感器对于烷烃等可燃气体灵敏度极高，因此很容易检出。

b.单质铜和氧化铜颗粒——如果温度过高，接头的铜会逐步氧化发黑形成氧化铜，极少量的氧化铜和单质铜会升华进入空气，并产生微量烟雾。

c.绝缘材料分解气体——发热接头附近的绝缘材料（如环氧树脂）受热也会产生一定特殊气体，另外接头部位的灰尘受热也会产生特殊气体，主要有氢溴酸、胺类、腈类、酚类、烷烃、醛类、氮氧化物，多环芳烃、杂环族化合物、羟基化合物等。

2.局部放电

局部放电也是一次设备的常见故障，空气中的放电现象会产生氮氧化合物、臭氧和负离子，因此对于空气中的局部放电，如沿面放电等，可采用探测上述气体的传感器进行探测，对于固体介质内部的局部放电则没有作用。

3.SF6泄漏

绝大部分的小车式开关柜均为装设断路器SF6压力表或密度继电器，如发生SF6泄漏，只有等到压力低于报警或闭锁值时，才能通过处罚压力接点的方式用光子牌、指示灯间接显示出来，如果压力接点失灵，SF6气体即使漏完运行人员也无法知道，如果此时操作断路器可能导致设备爆炸的严重后果，因此采用另一种手段探测SF6泄漏也很有必要。由于现有的SF6气体传感器能检测到0.1ppm以下浓度的SF6气体，因此开关柜内部的SF6泄漏应该能很容易地检出。

二、气体传感器设计

1.传感器的选择

通过对不同传感器的性能比较，分析了各种传感器在寿命、灵敏度、成本、加热功耗和反应速度方面的优缺点，本论文提出了采用电化学可燃气体传感器+离子型烟雾传感器+TGS型空气质量传感器”检测接头发热、大气型臭氧传感器检测局部放电、环境监测型SF6传感器检测SF6的方案。

接头发热采用电化学可燃气体传感器，该传感器灵敏度很高，用其可满意地检出微量的硫化氢或其他可燃气体；游离碳、游离状氧化铜和单质铜用气体传感器较难检出，为了提高检测性能，又加上了离子型烟雾传感器，这样如果柜内有极少量的烟雾颗粒，也能及时检出，通过联合使用2种不同原理的气体传感器，就能较可靠地探测出开关柜内部发热异常。局部放电和SF6泄漏的检测分别采用O3/S-5型大气监测用臭氧传感器和SM-SF6型SF6气体传感器，该两种传感器的检出灵敏度都在0.1ppm以下，足以探测开关柜内部的SF6气体泄漏和表面局部放电现象。

2.气体传感器的典型应用电路

气体传感器是一种将特征气体浓度量转化为电量的传感器，大部分气体传感器都采用电阻率变化的方式输出信号，当环境中某种特征气体含量较低时，传感器电阻较大，当该气体浓度增大后，传感器电阻减小，大部分气体传感器的电阻在一定范围内都能与气体浓度成比例变化，具有较高的线性度。

典型的采用加热方式工作的气体传感器电路如图1所示，传感器的1、2端口为加热端口，3、4端口为输出端口，R2为加热端口的限流电阻，用以将加热电流调整到传感器所规定的电流值，R1为输出端负载电阻，当传感器启动后，需要加热一段时间，加热完毕后即能工作，此时3、4端口的电阻值会随着外界气体浓度的变化而变化，从而使R1上的电流和输出端的电压变化，起到监测气体浓度的作用。

三、系统结构设计

通过上述的研究，本论文对整个测试系统进行了设计，其整个原理如图2所示。

从上述监测系统的结构框图可以看出，整个系统由CPU控制系统、按键、液晶显示屏、通信总线、A/D数据采集单元、局部放电探测单元、SF6泄漏探测单元和触头过热探测单元所构成。整个系统的工作过程为：首先采用抽气的方式，将开关柜内的运行气体送入到各测量单元中，利用局部放电探测单元、SF6泄漏探测单元和触头过热探测单元中的气敏传感器对各种故障的特征气体进行测量，实现非电量向电量的转换，接着将各测试信号传到A/D数据采集单元，将模拟信号转换成数字信号，最后将数字信号送入CPU控制单元中，对采集的数据进行归类、统计分析，将测试结果和分析结果显示在液晶屏中，其显示的内容可通过按键进行更改。此外，整个系统还可以通过通信总线，将测试结果上传至监控中心。

四、测试电路设计

针对于上述电路的框架，本论文对其的测量电路进行了设计，其原理如图3所示。

从图3中可以看出，整个测试电路由模拟开关、AD采样电路和MCU组成，其工作原理：首先将测量信号（如热信号、局部放电信号等）接入模拟开关，然后利用MCU控制模拟开关，实现对其分时控制，将模拟信号输入AD采集单元中，接着MCU控制AD采集单元实现对其模拟量的数字转换，从而实现对被测量的测量。

五、系统软件设计

根据上述的测量电路，对其控制软件进行了设计，其程序的流程框图如图4所示。从图中可以看出，整个程序的流程为：首先对系统进行初始化，如接口的电平、寄存器初值的设定，中断的关闭等，然后控制模拟开关，使模拟信号进入AD的输入端，接着对其进行模数转换，实现对模拟量的分时采样，然后对所测量的数据进行分析，对高压开关柜的运行状态作出判断。

六、样机的效果测试

鉴于要寻找内部存在异常的运行开关柜比较困难，因此设计了一些模拟实验，来验证该样机的实际效果，试验结果如表1所示，图4为测量程序流程图。

七、结论

本文说明了空气绝缘开关柜内部异常早期探测的必要性，提出一种通过检测开关柜内空气质量和特征气体组分的方式，来探测空气绝缘开关柜内部异常状态的方法。通过理论分析和实验证明了其具有较高的可行性和实用性，对于接头发热、表面放电和SF6泄漏异常具有较高的检出率，能够实现对高压开关柜的监测。

参考文献

[1]吴家棍，孙良彦.传感器技术[J].1997（1）：18-21.

[2]尚文，刘杏芹，汤笑婷.应用化学[J].1998（2）：60-63.

[3]陈尔绍.传感器实用装置制作集锦[M].北京：人民邮电出版社，2000（4）.

[4]陆凡，王小平等.传感器技术[J].1997，26（3）：5-6.

[5]彭军.传感器与检测技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2003.

第15篇

1. 1配电自动化的国外现状

配电网自动化系统( distribution automation system, DAS)在上个世纪90年代首先由美国提出。DAS目前有多种模式,典型模式有美国和英国为代表的电流型模式,以日本为代表的电压型模式,以及FTU ( Feeder Terminal Unit) 模式。在近10 年韩国电力公司( Korea Electric Power Corp, KEP2CO)开发并安装了两种配电网自动化系统。一种是具有传统功能的小型DAS,主要应用于结构相对简单的小城市和乡镇。另一种主要是针对大城市开发的DAS,它具有双机热备份、更高的可靠性,包括更多的遥控功能,如馈线自动化、在线仿真、网络重构等。

1. 2配电自动化的作用及前景

配电网自动化是在配调中心利用现代电子技术和通信技术自动遥控操作配电设备的自动化系统。DAS能优化运行配电网,提高可靠性,增加配电网的运行容量以达到经济运行。随着改革开放的深入, 电力市场在中国将逐渐形成。安装一套DAS需要大资金的投入,但是效益也是显然的。配电网把电力系统和用户连接在一起,因此配电网的可靠性和电力质量直接影响到国家政策和人民生活。改造配电网实现自动化将提高配电网管理水平。DAS将增加经济和社会效益,改善供电可靠性,减少电力损失,提高供电质量。对未来几年,成功的配电自动化将是电力工业的热门话题。

怎样的配电自动化工具将应用于实际方案?

对于一个特定的系统,怎样的一种配电自动化模式是合适的?

你所预期的结果是什么?

对运行和管理配电自动化系统,什么是最好的方法?这些都是将来必须要做的工作。

1. 3配电自动化在中国的发展及我们的工作

随着城农网改造工作的开展,配电网自动化系统在中国得到了迅速发展。根据故障处理形式, DAS可以分为分布智能模式和集中智能模式两种。DAS分为采用配电自动化开关设备相互配合的馈线自动化和基于馈线终端设备( FTU)的馈线自动化。归纳起来DAS主要有以下三种模式:

基于电流计数型自动化模式;

基于电压时间型自动化模式;

基于FTU型的自动化模式。

根据配电网实际,应采用那一种自动化模式? 在该种模式中分段如何进行? 分段开关的位置如何确定? 如何对实际的配电网进行优化配置? 等等问题,还没有一个成熟的经验可供借鉴和照搬。有鉴于此,经过大量调查并经过初步研究,我们提出了配电自动化模拟及培训系统研究课题。

近几年,一直对DAS进行着广泛讨论。但是,涉及到对DAS仿真的信息却很少。开发这个系统的目的是为DAS搭建一个模拟及培训平台。通过仿真系统,供电部门可将自己设想的自动化方案在这个系统上进行模拟及试验;已建成配电网自动化系统的供电部门,可在这个系统上对下一步可能的运行方案进行试验;也可通过这个系统对现有配网的相关运行人员进行培训,以达到熟练运行的目的。

2系统功能和特点

2. 1系统功能

1) 模拟功能

该系统可模拟DAS的正常运行方式和故障运行方式及故障后的网络重构过程。

模拟基于电流计数型的自动化工作模式。通过该模拟培训系统,可以模拟电流型自动化方案的故障隔离过程,故障后的网络恢复供电过程。

通过该模拟培训系统,可以模拟电压时间型自动化模式的送电过程、隔离故障过程及恢复非故障区段供电过程。可模拟实际网络的自动监视和远程操控功能,帮助实现配网的多种优化功能。模拟基于FTU型的自动化模式。通过该模拟系统,可以模拟FTU型的自动化模式的工作过程,通过通信网络,可以帮助实现该种配网的各种优化功能。

2) 预研功能

利用本系统,通过对未建线路的模拟搭建及运行,为用户配网自动化实施方案中柱上分段开关、柱上断路器、重合器等的最佳安装位置的确定,设备选型及参数确定等提供相关数据及技术支持。提高实际系统建设的科学性、合理性、可靠性、安全性、经济性等指标。

3) 试验研究功能

利用本系统,通过对已建配电网自动化系统的模拟搭建及运行,可进行正常运行情况的模拟及网络优化、故障状态模拟及网络恢复重构演示、实际配电网自动化系统的优化等。

4) 各类人员的培训功能

系统能完成配网自动化各类人员的培训,包括线路工作过程的学习与培训;现场操作与参数整定培训;重合器、分段器、柱上断路器等设备的控制接线、参数整定等培训;远程操作控制培训;故障模拟与排查培训;各种运行方式的模拟运行培训等。

2. 2系统特点

系统采用模块化结构,软硬件相结合的仿真方案,可以仿真目前国内外大多数配网自动化系统的工作过程。

1)用户可随配电网自动化的改造进展,对仿真系统逐步搭建,不会造成设备及资源的浪费;

2)可使模拟系统在最逼近实际系统的状态下工作,因此各种仿真运行结果,比较真实可靠,可作为实际系统操控运行前的重要参考,大大提高实际系统运行的可靠性、安全性、经济性;

3)系统可动态演示相应电气线路和电气元件的得电、失电、接通、断开等工作状态,使整个电气系统的工作过程变得直观、形象、生动,可大大提高培训及操控的演练效果。

3系统的体系结构和软件设计及实现

系统由模拟柜和控制中心及显示部分构成。

3. 1模拟柜

模拟柜由三部分构成:配网一次设备模拟部分,模拟控制器部分及负荷模拟部分。

配电网一次设备的模拟部分就与提高配电网馈线自动化水平较密切的一些新式设备进行模拟,主要包括重合器(Recloser) 、分段器( Sectionalizer) 和远方终端( FTU、DTU、TTU) [ 8 ]。

模拟控制器其工作原理为:就地或远程给定工作模式及相应参数,模拟控制器将以相应模式进行工作,并进行相应的电压、电流采集处理. 例如,若设定为电压工作模式,利用模拟控制器可以模拟该种模式下的送电、隔离故障及故障后恢复非故障区段的工作过程。负荷模拟部分是为高级应用而设计。对于配电网可模拟线路负荷和用户负荷,特别是极限负荷。

3. 2控制中心部分

本部分硬件由计算机、通讯控制器及其它计算机辅助设备构成。软件由四部分构成:控制中心界面设计软件、系统运行情况演示软件、远程操作控制软件,线路仿真及计算软件。模拟控制中心部分采用面向对象的方法进行系统设计。在集成的MicrosoftVisualC + + 6. 0开发环境下,对系统进行编程、调试,使系统易扩充、易维护。配电网所需参数及运行结果存储与Access数据库中,用户可方便的通过系统对数据库进行修改和维护。

控制中心界面设计软件,采用与用户实际配网自动化系统尽可能相一致的用户界面。

系统运行情况演示软件,选用较为典型的配网自动化系统线路,进行配网自动化三种不同工作模式的演示,其工作过程既可在计算机显示器及终端模块看到,也可在演示屏上看到。

远程操作控制软件,可进行远程操控、参数设置、数据采集及处理等。

线路仿真及计算软件,这部分软件结合整个模拟硬件系统,可完成下述功能:

一是正常运行情况的模拟,利用通讯控制器可直接得到实际系统各种相关数据,以此为根据,进行各种参数计算,用实际系统的相关参数及计算结果对模拟系统进行操控,并通过改变模拟系统有关参数及开关状态等获得不同情况下的运行参数,预分析不同情况下线路的运行结果,从而为用户配网的最佳运行提供较为合理的方案。

二是故障状态模拟,配电网发生故障时,尽快隔离故障,恢复供电是配网自动化系统本身解决的问题,但恢复供电是否最佳却难以作到。这部分软件结合整个模拟硬件系统可进行故障重演、在此基础上依据故障发生前一刻的电网数据计算并提供最佳解决方案及帮助判断故障原因。同样,也可用这种方式在模拟系统上进行各种故障的预演。

三是进行配电网预构:利用本软件及其它模块构件,用户可在实施配网自动化前,构建系统并进行各种测试及操演,以确认分段及测点位置是否合理、实施方案是否最佳等问题

3. 3显示部分

显示部分由硬件及软件构成。硬件除可采用背投、投影仪构成系统外,本系统开发研制了一种基于平面管的综合显示屏。这种综合显示屏既可提高演示效果、又可降低显示成本。综合显示屏由线路显示屏及相应软件构成。显示屏采用单片机控制的数码平面管显示方式,线路构成形式与用户的实际配电网线路构成完全一致,配合研发的软件系统,可以动态演示模拟培训系统所能完成的多种运行情况,显示模拟系统各测控点电流、电压、有功功率、无功功率等参数的变化。当系统采用来自实际配网自动化系统测控点的数据时,显示屏即是一个实际配网自动化系统的大显示屏。因此,利用模拟系统中综合显示部分及模拟控制中心部分中的一部分硬件,可以很方便的构成实际配网自动化系统控制中心的综合显示屏。