一种压力机用凸轮控制器电控系统设计(编辑修改稿)

一种压力机用凸轮控制器电控系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

℃ ； 采用 8 脚 SOP 或 DIP 封装形式。 基于以上特点， FRAM 存储器非常适用于非易失性且需要频繁快速存储数据的场合。 其应用范围包括对写周期时序有严格要求的数据采集系统和使用 EEPROM时由于其写周期长而可能会引起数据丢失的工业控制等领域。 FRAM 存储器说明 ： (1) 早期的 FRAM 读 /写速度不一样，写入时间更长一些，在使用上要注意。 近期的 FRAM 读 /写速度是一样的。 例如，上述 FM1808 的一次读 /写时间为 70 ns。 一般地，一次读 /写的时间短，而连续的读 /写周期要长一些。 例如， Ramtron 公司新近推出的 128 K8 bit 的 FRAM 芯片 FM20L08 的一次读 /写时间为 60ns，而其连续的读 /写周期为 150 ns。 这对多数工控机来说还是可以满足要求的。 (2) FRAM 在功耗、写入速度等许多方面都远远优于 EPROM 或 EEPROM。 这里特别提出的是写入次数， FRAM 比EPROM 或 EEPROM 要大得多。 EPROM 的写入次数在万次左右，而 EEPROM 的写入次数一般为 1万～ 10 万次，个别芯片能达到 100万次。 早期的 FRAM 的写入次数为几百亿次，而目前的芯片可达万亿次甚至是无限多次。 (3) 在 FRAM 家族中，除了上述并行的 FRAM 芯片外，还有串行 FRAM 芯片。 与串行 EEPROM 一样，串行 FRAM 只能用作外存。 显然，利用串行 FRAM 可以构成 IC卡。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 10 图 10 FM25C160 引脚图 FRAM 存储器的指令集 ： 以 FM25C160 为例， 如图 10 所示， 其 SPI 协议有操作指令来控制。 FM25C160 引脚功能如表 2所示。 当片选信号有效时（ /CS=0） ，对 FM25C160 操作的第一个字节为命令字，紧接其后的是 11 位有效地址和传送数据。 FM25C160 操作指令集共有 6条指令，可分为 3 类：第一类为指令后不接任何操作数，该类指令用于完成某一特定功能。 包括 WREN 和 WRDI；第二类为指令之后接一个字节，这类指令可用来完成对状态寄存器的操作。 包括 RDSR 和 WRSR；第三类是对存储器进行读写操作的指令， 该类指令之后紧接着的是存储器地址和一个或多个地址数据。 包括 READ 和 WRITE。 所有的指 令，地址与数据都是以 MSB（最高有效位）在前的方式传送。 表 2 FM25C16 引脚定义 引脚号 引脚名称 I/O 功能 1 /CS I 片选 2 SO O 串行数据输出 3 /WP I 写保护输入 4 VSS I 接地端 5 SI I 串行数据输入 6 SCK I 串行时钟输入 7 /HOLD I CPU 暂时中断对FM25C16 的操作 8 VCC I +5V 电源 FRAM 存储器的典型应用 ： FRAM 技术的多功能性满足多种不同的应用。 很明显，更高的读写次数和更快的读写速度使得 FRAM 在可多次编 程应用中比 EEPROM 性能更加优越。 其应用主要包括：数据采集和记录，存储配置参数 (Configuration/Setting Data)，非易失性缓冲 (buffer)记忆和 SRAM 的取代和扩展等。 数据传输 I/O接口电路 I/O(Input/Output)接口电路 分为 I/O 设备和 I/O 接口两个部分 ， 在 POSIX 兼容的系统上，例如 Linux 系统， I/O 操作可以有多种方式，比如 DIO、 AIO， 不同的 I/O 方式有不同的方式和性能，在不同的应用中可以按情况选择不同的 I/O 方式。 输入输出 I/O流可以看成对字节或者包装后的字节的读取就是拿出来放进去双路切换；实现联动控制无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 11 系统的弱电线路与被控设备的强电线路之间的转接、隔离，以防止强电窜入系统，保障系统的安全；与专线控制盘连接，用于控制重要设备 ； 插拔式结构，可像安装探测器一样先将底座安装在墙上，布线后工程调试前再将切换模块插入底座 ， 易于施工 和 维护。 I/O 接口的工作流程 ： 预读是指采用预读算法在没有系统的 I/O 请求的时候事先将数据从磁盘中读入到缓存中，然后在系统发出读 I/O 请求的时候，就会实现去检查看看缓存里面是否存在要读取的数据，如果存在 (即命中 )的话 就直接将结果返回，这时候的磁盘不再需要寻址、旋转等待、读取数据这一序列的操作了，这样是能节省很多时间的。 如果没有命中则再发出真正的读取磁盘的命令去取所需要的数据。 缓存的命中率跟缓存的大小有很大的关系，理论上是缓存越大的话，所能缓存的数据也就越多，这样命中率也自然越高，当然缓存不可能太大，毕竟成本在那儿呢。 如果一个容量很大的存储 系统配备了一个很小的读缓存的话，这时候问题会比较大的，因为 缓存的数据量非常小，相比整个存储系统来说比例非常低，这样随机读取 (数据库系统的大多数情况 )的时候命中率也自然就很低，这样的缓存 不但不能提高效率 (因为绝大部分读 IO 都还要读取磁盘 )，反而会因为每次去匹配缓存而浪费时间。 执行读 I/O 操作是读取数据存在于缓存中的数量与全部要读取数据的比值称为缓存命中率 (Read Cache Hit Radio)，假设一个存储系统在不使用缓存的情况下随机 I/O 读取能达到 150IOPS，而它的缓存能提供 10%的缓存命中率的话，那么实际上它的 IOPS 可以达到 150/(110%)=166。 回写 ： 用于写功能的那部分缓存被称为写缓存 (Write Cache)。 在一套写缓存打开的存储中，操作系统所发出的一系 列写 IO命令并不会被挨个执行，这些写 IO 的命令会先写入缓存中，然后再一次性的将缓存中的修改推到磁盘中，这就相当于将那些相同的多个 IO 合并成一个，多个连续操作的小 IO 合并成一个大的 IO，还有就是将多个随机的写 IO 变成一组连续的写IO，这样就能减少磁盘寻址等操作所消耗的时间，大大的提高磁盘写入的效率。 读缓存虽然对效率提高是很明显的，但是它所带来的问题也比较严重，因为缓存和普通内存一样，掉点以后数据会全部丢失，当操作系统发出的写 IO 命令写入到缓存中后即被认为是写入成功，而实际上数据是没有被真正写入磁盘的，此时如果 掉电，缓存中的数据就会永远的丢失了，这个对应用来说是灾难性的，目前解决这个问题最好的方法就是给缓存配备电池了，保证存储掉电之后缓存数据能如数保存下来。 和读一样，写缓存也存在一个写缓存命中率 (Write Cache Hit Radio)，不过和读缓存命中情况不一样的是，尽管缓存命中，也不能将实际的 I/O操作免掉，只是被合并了而已。 控制器缓存和磁盘缓存除了上面的作用之外还承当其他的作用，比如磁盘缓存有保存 IO 命令队列的功能，单个的磁盘一次只能处理一个 I/O 命令，但却能接收多个 IO命令，这些进入到磁盘而未被处理的 命令就保存在缓存中的 I/O队列中。 如图 11 所示， I/O 接口电路有输入输出两个部分，输入接口由 PC1~PC8 的光耦组和与之相连的电阻组成 ,主要用于信号采集；而输出部分由 U7 和与之相连的电阻组成用于角度信号输出。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 12 PC1PC2D51 2 3FL211 2 3FL20OUT1COMOUT2PC3PC4D61 2 3FL231 2 3FL22OUT2COMOUT3PC5PC6D71 2 3FL61 2 3FL7OUT3COMOUT4PC7PC8D81 2 3FL7OUT4COMOUT51A121A241A361A482A1112A2132A3152A4171OE12OE191Y1181Y2161Y3141Y4122Y192Y272Y352Y43VCC20GND10U7VCCVCCGNDVCCGND1 2 3 4 5 6 7 816 15 14 13 12 11 10 9RNPWM8PWM9PWM7PWM1APWM2APWM10PWM3APWM4A123456789TM1EARTHGNDDC24VCOMOXIN1XIN2XIN3XIN4XIN51 2 3FL8EARTH 图 11 I/O 接口电路 编码器输入输出接口 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。 前者成为码盘，后者称码尺．按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种．接触式采用电刷输出，电刷接触导电区或绝缘区来表示代码的状态是 “ １ ” 还是 “ ０ ” ；非接触式的接受敏感元件是光敏元件或磁 敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“ １ ” 还是 “ ０ ”。 编码器的工作原理及作用：它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器，这些脉冲能用来控制角位移，如果编码器与齿轮条或螺旋丝杠结合在一起，也可用于测量直线位移。 编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。 在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的； 因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。 如果电源 再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的；不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。 编码器一般分为增量型与绝对型，它们存着最大的区别：在增量编码器的情况下，位置是从零位标记开始计算的脉冲数量确定的，而绝对型编码器的位置是由输出代码的读数确定的。 在一圈里，每个位置的输出代码的读数是唯一的； 因此，当电源断开时，绝对型编码器并不与实际的位置分离。 如果电源再次接通，那么位置读数仍是当前的，有效的； 不像增量编码器那样，必须去寻找零位标记。 绝对编码器由机械位置决定的每个位置的唯一性，它无需记忆，无需找参考点，而且不用 一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。 这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。 由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于工控定位中。 绝对型编码器因其高精度，输出位数较多，如仍用并行输出，其每一位输出信号必须确保连接很好，对于较复杂工况还要隔离，连接电缆芯数多，由此带来诸多不便和降低可靠性，因此，绝对编码器在多位数输出型，一般均选用串行输出或总线型输出。 而本设计中也选择绝对型编码器， 绝对型编码器在此更能准确记录角度变化。 本编码器输入输出接口如图 12所示 ， PC13~PC15 和 U9组成输入接口，接受编码器输出的信号； U10 和与之相连的电阻组成输出电路，用于编码器的输出信号。 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 13 图 12 编码器输入输出口图 4 软件设计 系统主 程序流程 参见图 13，本设计数字信号处理器中的软件程序由初始化模块、主程序、断电中断、1ms中断、 50us中断 5部分组成。 程序初始化模块主要硬件初始化、人机界面模块。 1ms中断用于扫描较低指示灯、数码管及按键。 50us中断执行控制处理，由电子凸轮、生产计数、上四点停机处理、测速、输入输出处理、第二角度处理几个模块组成。 图 13 主程序流程图 初始化程序流程 是 是 否 否 端口初始化 定时器初始化 曲线选择 启动键是否按下 曲线程序 停止键是否按下 停止 开始 无 锡 职 业 技 术 学 院 毕业设计说明书（论文） 14 如图 14所示初始化模块程序执行时，先进行系统初始化，主要初始化 DSP的时钟锁相环、看门狗、片内位设时钟初始化等；然后，立即初始化 DSP和 SPIA外设，接着程序通过 SPIA复位外部芯片 74HC595，刷新面板角度指示灯和数码管；接着程序初始化 DSP的输入引脚，按照设计要求，将一些脚配置成输入口，一些配置成输出口，还有部分引脚配置成片内外设的输入输出口；随后程序初始化片内外设的中断扩展模块（ PIE）和中断向量表，将中断程 序入口地址映射到中断向量表，程序还在这里使能响应的中断寄存器，本电路的中断源有 3个： 50us周期中断、 1ms周期中断、电源检测掉电中断。 然后，程序初始化 EPWM模块内的定时器 2，将 Tiner1配置成 50us周期，定时到后产生一个定时中断，同样也将 Timer2配置成 1ms周期中断；接着程序初始化参数存储器 FRAM与 DSP的接口 SPIB外设，初始化片内正交编码脉冲电路（ QEP）；然后程序将初始化程序变量，如果发现 FRAM存储器内部两个标志未置，则说明 FRAM存储器从来没有写入数据，程序将进行恢复默认值操作。 初。