基于FreescaleHCS12系列單片機的結晶器振動控制系統(tǒng)——位移數(shù)據(jù)采集

1、內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）題 目：基于freescale hcs12系列單片機的結晶器振動控制系統(tǒng)位移數(shù)據(jù)采集40畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存

2、、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期：

3、 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項1.設計（論文）的內容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正

4、文、結論7）參考文獻8）致謝9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數(shù)要求：理工類設計（論文）正文字數(shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用a4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課

5、題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它基于freescale hcs12系列單片機的結晶器振動控制系統(tǒng)位移數(shù)據(jù)采集摘 要結晶器是現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)煉鋼工藝的關鍵設備。鋼水在結晶器中進行一次水冷，使其形成坯殼。最初的連鑄機結晶器是靜止的，在拉坯工程中極易與結晶器壁發(fā)生粘結，從而導致拉不動和拉漏事故，因此靜止不振動的結晶器限制了連鑄生產的工業(yè)化。結晶器按合適的規(guī)律進行振動能保證出料均勻，減少拉坯摩擦力，促使保護渣按一定的規(guī)律和節(jié)奏即使填充到結晶器和坯殼之間，形成一定厚度的潤滑層，從而達到防止初生坯殼與結晶器之

6、間粘結而被拉裂。不難看出結晶器的振動位移對整個連鑄過程起著至關重要的作用。針對上述問題，課題提出了一種基于freescale hcs12系列單片機的結晶器振動位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本文詳細介紹了系統(tǒng)結構框圖、硬件原理圖及軟件流程圖等。硬件部分主要使用了mc9s12dg128芯片、ad7367等。軟件部分采用c語言進行編程。由傳感器發(fā)出的電流信號通過電流/電壓轉換芯片變成010v電壓信號，經過ad7367轉換成數(shù)字信號，送入單片機，進行濾波、標度變換等處理，然后由串口發(fā)出，并用上位機接收顯示。關鍵詞：結晶器；freescale單片機；ad7367；數(shù)據(jù)采集內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）st

7、udy of continuous casting mould oscillating based on the freescale hcs12 mcu - data acquisition displacementabstractin the modern iron and steel enterprises, mould oscillating is the key steelmaking process equipment. after awater-cooled molten steel in the mold form a green shell. the initial mold

8、continuous casting machine is fixedly in the works .it can easily make the mould felt with casting mold occur,and it may bring on pull leakage incidents. it does limit the vibration of a continuous casting mold of industrialized production . if the mould is in accordance with the laws of the right v

9、ibration it will ensure uniformity of the material, and in a certain degree reduce the friction of the casting. it make the protecting liquid in accordance with the laws and rhythms, even if filled to the shell mold and the billet between the formation of a certain thickness of the lubrication layer

10、.so as to achieve the prevention of new-born billet mold shell and pulled between the adhesive and crack. it is not difficult to see that the vibration displacement of mold plays a vital role in the entire continuous casting process.in response to these problems, the design put forward a mould mold

11、vibration displacement data acquisition system based on the freescale hcs12 mcu. it gives the system block diagram, schematic diagram of hardware and software flow chart, it uses some of the major hardware like mc9s12dg128 chip, ad7367 and so on. software program uses c language.the sensor send out

12、current signal and the signal through the current / voltage converter chip into a 0 10v voltage signal. after it thread ad7367 and conversion into digital signals. in the single-chip the signal would be filted, transformed and then sent by the serial port.at last the data is received and show by the

13、 epistatic machine.key words: vibration； freescale mcu；ad7367； data acquisition內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文）目 錄摘 要iabstractii第一章 序言11.1 連鑄結晶器振動技術的發(fā)展及現(xiàn)狀11.2 課題研究目的及內容31.2.1 課題研究目的31.2.2 課題研究內容3第二章 結晶器技術簡介42.1 結晶器技術簡介42.2 結晶器結構和功能5第三章 嵌入式系統(tǒng)簡介及hcs12單片機73.1 嵌入式系統(tǒng)簡介73.2 freescale單片機83.2.1 freescale單片機83.2.2 frees

14、cale hcs12系列單片機10第四章 硬件設計114.1 整體電路設計114.2 mc9s12dg128單片機簡介124.2.1 mc9s12dg128單片機的封裝結構和引腳功能144.2.2 mc9s12dg128 mcu最小系統(tǒng)164.3 模數(shù)轉換器件ad7367184.4 系統(tǒng)串口通信204.4.1 串行通信的基本概念214.4.1.1異步串行通信的格式214.4.1.2串行通信的波特率224.4.1.3 奇偶校驗224.4.1.4串行通信的傳輸方式234.4.2 rs-232c的引腳功能234.4.2.1 rs-232c的引腳功能234.4.2.2 電平轉換244.4.3 電平轉換

15、芯片max20224第五章 軟件設計及調試255.1 程序總體設計255.2 詳細程序設計275.2.1 ad采樣程序的軟件設計275.2.2 濾波程序設計275.2.3 標度變換程序設計285.2.4 延時子程序285.2.5 串口程序設計295.2.6 軟件調試30第六章 結論31參考文獻32附錄a 程序源程序34附錄b 硬件原理圖38致 謝39第一章 序言1.1 連鑄結晶器振動技術的發(fā)展及現(xiàn)狀在現(xiàn)代鋼鐵企業(yè)中，結晶器是煉鋼工藝的關鍵設備。最初的連鑄機結晶器是靜止的，在拉坯過程中極易與結晶器壁發(fā)生粘結，從而導致拉不動和拉漏事故，因此靜止不振動的結晶器限制了連鑄生產的工業(yè)化。1993年現(xiàn)代連

16、鑄的奠基人德國的西格弗德里容·漢斯(siegflied junghans)開發(fā)了結晶器振動裝置，并成功地應用于有色金屬的連鑄。1949年s·容漢斯的合作者艾爾文·羅西(irving rossi)獲得了容漢斯振動結晶器專利的使用權，并在美國約阿·勒德隆鋼公司(allegheng lundluln steel corporation) waterbliet廠的一臺方坯連鑄試驗機上采用了振動結晶器。與此同時，容漢斯振動結晶器又被用于西德曼內斯曼(mannesmann)公司胡金根(huckingen)廠的一臺連續(xù)鑄鋼試驗連鑄機。容漢斯振動的結晶器在這兩臺連鑄機上

17、的成功應用，使其在鋼連鑄中迅速得到了廣泛應用。從此，結晶器振動便成了連鑄機的標準操作。1972年日本鋼管廠的福山廠在其5號機上應用了液壓伺服非正弦振動技術，實現(xiàn)了板坯2.3m/min的平均拉速，并且投入工業(yè)應用。1985年日本神戶制剛所對鑄坯表面質量的影響進行研究，在實驗室用水模擬實際鋼液。采用兩臺三級高響應的伺服閥直接裝在液壓缸上并聯(lián)驅動對稱液壓缸，為改善結晶器液壓振動系統(tǒng)的阻尼，在液壓缸上下兩腔用節(jié)流閥調節(jié)泄漏，工作液采用不易燃的磷酸脂。1992年德馬克的isp薄板坯連鑄連軋生產線在意大利的阿爾維迪廠建成，采用的連鑄機為弧形，結晶器為上直下弧型。德馬克認為在高頻小振幅振動下結晶器銅板的磨損

18、量最小。結晶器采用非正弦振動的振動機構為液壓激振式。應用液壓振動的另一有代表性的研究工作是法國鋼鐵研究院(irstd)與cleclm設計制造的結晶器液壓振動系統(tǒng)，并進行了模擬試驗研究。結果表明，應用非正弦振動可以有效地減少結晶器內部的摩擦力，使振痕深度減輕，鑄坯表面質量明顯改善。在試驗的基礎上，又設計制造了兩臺數(shù)字模擬式液壓振動工業(yè)試驗裝置，分別裝在sollac的2號板坯連鑄機和unlmetel normandie廠的小方坯連鑄機上。隨后，clecim又為sollac廠設計制造了一臺工業(yè)性液壓振動裝置，采用了全數(shù)字控制方式，設備于1993年安裝在sollac的2號板坯連鑄機上。在國內，隨著連鑄

19、鑄坯熱傳送裝置及直接軋制技術的發(fā)展，生產節(jié)奏大幅加快，為了提高企業(yè)的生產效率，實現(xiàn)高效連鑄的目標，需要工藝、設備、生產組織和管理、物流管理、生產操作以及與之配套的煉鋼車間各個環(huán)節(jié)的協(xié)調與統(tǒng)一。而高精度、長壽的結晶器振動裝置是高效連鑄關鍵技術之一，這其中包括振動裝置硬件的優(yōu)選及結晶器振動形式、振動工藝參數(shù)的軟件優(yōu)化。因此一些較大企業(yè)開始出資引進國外先進設備和技術。(l)西安重型機械研究所(西重所)經過數(shù)年理論研究與試驗，研發(fā)出國內第一套具有全部自主知識產權的液壓振動裝置。目前己在寶鋼集團上鋼五廠薄板坯連鑄機、唐鋼集團第一煉鋼廠板坯連鑄機、攀鋼集團煉鋼廠大方坯連鑄機上得到良好應用。(2)由奧鋼聯(lián)提

20、供的液壓非正弦振動器技術于1995年在armco mnafield廠薄板坯連鑄機上首次投入運行。實踐證明，液壓伺服系統(tǒng)是可靠的，靈活的，液壓伺服驅動的振動裝置可以產生非正弦振動波形、正弦振動波形和其它任意的波形振動，實現(xiàn)控制過程監(jiān)控，實時顯示，并可根據(jù)拉坯速度的變化自動調節(jié)振動參數(shù)，便于實現(xiàn)結晶器振動操作的優(yōu)化，它能為每一次澆鑄設置最佳的振動參數(shù)，并且振動參數(shù)可以在線調節(jié)。(3)2004年攀枝花鋼鐵集團公司增建了2號板坯連鑄機，該機采用達涅利公司開發(fā)的結晶器和結晶器液壓振動inmo(integral motion)系統(tǒng)。inmo結晶器是dnacili的一項專利技術，它是結晶器和振動機構組合成一

21、體，振動質量小，提供相對于鑄流中心線的結晶器振動的精確導向，可獲得零誤差導向系統(tǒng)，再配上液壓振動裝置，即可在所有澆鑄條件下獲得良好的鑄坯表面質量。(4)2005年4月寶鋼研究院建成兼顧板坯、薄板坯生產試驗的多功能連鑄試驗平臺，同時與國內協(xié)作單位共同研究，開發(fā)了國內首臺適用于板坯連鑄的結晶器電液伺服振動系統(tǒng)，通過半工業(yè)化試驗環(huán)境下的優(yōu)化研究，預期將形成設備和工藝相結合的成套技術，并擬將這一技術推廣應用于市場。在連鑄結晶器振動技術的發(fā)展過程中，相繼出現(xiàn)了同步振動、負滑動振動、正弦振動、非正弦振動等多種振動方式。但迄今為止，工業(yè)中廣泛使用的仍然是用直流電機或交流變頻電機通過偏心凸輪驅動雙搖桿機構實現(xiàn)

22、結晶器正弦振動。這主要是因為用偏心凸輪實現(xiàn)正弦波振動波形精確，而且加工容易；同時，正弦波振動與鑄坯拉速沒有嚴格要求，既不像同步振動那樣，要求結晶器下降速度與鑄坯同步，上升比拉速大三倍；也不像負滑動振動那樣，結晶器上、下振動與鑄坯拉速有較嚴格的關系。而且，正弦振動的結晶器速度和加速度分別按正弦和余弦規(guī)律變化，在上、下死點速度變化瞬間，沖擊力不會過大，速度變化較平穩(wěn)。因此，近年來在板坯和方坯連鑄機上得到了廣泛應用。1.2 課題研究目的及內容1.2.1 課題研究目的連鑄是指使鋼水連續(xù)不斷地通過水冷結晶器，凝成硬殼后從結晶器下方出口連續(xù)拉出，經噴水冷卻全部凝固后切成坯料的鑄造工藝。它與傳統(tǒng)的“模鑄開坯

23、”工藝相比，具有明顯優(yōu)勢。連鑄坯的產量占整個鋼產量的百分率可反映一個國家煉鋼工藝的先進水平，因而連鑄比的提高受到國內外的廣泛重視。結晶器及其激振系統(tǒng)是連鑄機中的重要組成部分。使用飛思卡爾hcs12系列單片機實現(xiàn)結晶器振動位移的在線檢測和控制，把鋼水進行一次冷卻，使其形成坯殼，同時保證出料均勻，減少拉坯摩擦力，避免鋼水粘壁、漏鋼，改善鑄坯表面質量。數(shù)據(jù)通過can總線傳至上位機，實現(xiàn)控制過程監(jiān)督、實時顯示振動參數(shù)，提高連鑄坯質量和提高結晶器振動品質，從而實現(xiàn)連鑄過程的自動化。1.2.2 課題研究內容結晶器振動促使保護渣按一定的規(guī)律和節(jié)奏及時填充到結晶器和坯殼之間，形成有一定厚度的潤滑層，以防止其初

24、生坯殼與結晶器之間粘結而被拉裂。本設計主要控制結晶器按一定得規(guī)律振動，并在線檢測振動效果，運用pid規(guī)律調節(jié)偏差。為了實現(xiàn)以上目標，本課題主要涉及以下內容：結晶器振動波形產生、位移數(shù)據(jù)采集、pid數(shù)據(jù)處理、can總線通信。本文負責位移數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計。第二章 結晶器技術簡介2.1 結晶器技術簡介結晶器的振動相當于一種脫模的作用，其目的是防止鑄坯粘結發(fā)生拉裂或漏鋼。結晶器振動裝置由兩個油缸驅動結晶器作上下振動，以防止在澆鋼過程中鋼水與結晶器銅板發(fā)生粘連。并且還能周期性地改變鋼液面和結晶器壁的相對位置，有利于改善結晶器內壁表面的潤滑狀況，減小粘結阻力和摩擦阻力，還可改善鑄坯的表面質量。結晶器振動

25、的引入作為一個關鍵因素加速了連續(xù)鑄鋼技術的發(fā)展。結晶器按照外部形狀分為直結晶器和弧形結晶器；按鑄坯斷面形狀分為方坯(大方坯的斷面邊長大于200mm、小方坯的斷面邊長小于150mm)、板坯(指厚度比超過2:51的鑄坯)、矩形坯、圓坯和異形斷面結晶器；按照結構形式分為整體式、管式、組合式和可調寬式。方坯連鑄機的振動裝置主要是采用機械振動(正弦振動曲線)，而板坯連鑄機的振動裝置主要采用機械振動(正弦振動曲線)和液壓振動(正弦和非正弦曲線)。機械振動有電機驅動的短臂四連桿式和電機驅動的四偏心輪、板簧導向(或其他方式導向)式。液壓振動有單液壓缸驅動短臂四連桿式、雙液壓缸驅動的短臂四連桿式或垂直升降式。機

26、械振動和液壓振動在應用上各有優(yōu)缺點，機械振動裝置具有可靠性高，技術成熟、加工制造比較容易，操作簡單、整體投資低的優(yōu)勢；液壓振動控制精度高，振動波形、振幅和頻率可以在澆鑄過程中隨意調整，且更加適合板坯生產。中薄板坯連鑄機生產工藝:鋼水是由轉爐(精煉爐)煉出，放到大包轉臺上的受包位，大包轉臺旋轉180度到澆鑄位。在鋼包全部轉到澆鑄位置后，鋼水由大包的滑動水口流入中間包車。此時鋼水在大包中溫度為1558.5，流入中間包車溫度為1553。大包操作工人打開滑動水口，鋼水由長水口流入中間罐車，當中間罐車里的鋼水達到一定量后，中包工人調節(jié)中包塞棒，控制侵入式水口流入結晶器鋼水的流量。鋼水由結晶器向下流入扇形

27、段(扇形段分為:彎曲段、弧形段、矯直段和水平段)。此時，扇形段夾緊，驅動輥壓下，把板坯從扇形段拉出，由火焰切割機通過定尺對板坯進行切割。切割好的板坯通過輸出區(qū)輥道(移坯小車)把板坯運到下一道工序軋機的爐前輥道。圖2.1連鑄機結構示意圖2.2 結晶器結構和功能結晶器類型按其內壁形狀，可分直形及弧形等；按鑄坯規(guī)格和形狀，可分圓坯、矩形坯、正方坯、板坯及異型坯等；按其結構形式，可分整體式、套筒式、水平式及組合式等。（1）整體式結晶器的結構組成結晶器內壁和外殼部分都采用同一材料，即用整塊紫銅或鑄造黃銅機械加工而成，并在其內壁周圍鉆削許多小孔，用以通水冷卻鋼水和坯殼。結晶器內壁的形狀和大小，取決于鑄坯斷

28、面的形狀和尺寸。（2）套管式結晶器的結構組成套管式結晶器的外殼是圓筒形，結晶器的內壁用冷拔無縫鋼管制成。在結晶器的下部安裝輥子目的是減少鑄坯塌方。結晶器需用潤滑油潤滑。（3）組合式結晶器組合式結晶器廣泛應用在大型連鑄機上，特別是板坯連鑄機上，寬度和厚度都能調節(jié)。 結晶器內襯銅壁直接影響了結晶器的使用壽命，正確選擇材質是延長結晶器使用壽命的關鍵，目前通常采用銅基合金。如圖2.2為結晶器電液伺服振動裝置，采用閥控缸驅動雙搖桿機構實現(xiàn)結晶器的往復振動，將液壓缸的位置通過位移傳感器反饋到綜合端與指令信號比較得到誤差信號，然后由計算機算得控制量并經過d/a和電流負反饋放大器后驅動電液伺服閥構成閉環(huán)控制系

29、統(tǒng)。利用計算機產生各種指令信號，通過選擇適當?shù)目刂埔?guī)律使系統(tǒng)輸出跟蹤指令信號從而獲得所要求的振動規(guī)律。 機械振動的振動裝置由直流電動機驅動，通過萬向聯(lián)軸器，分兩端傳動兩個蝸輪減速機，其中一端裝有可調節(jié)軸套，蝸輪減速機后面再通過萬向聯(lián)軸器，連接兩個滾動軸承支持的偏心軸，在每個偏心輪處裝有帶滾動 圖2.2結晶器電液伺服振動裝置軸承的曲柄，并通過帶橡膠軸承的振動連桿支撐振動臺，產生振動。 結晶器振動裝置用于支撐結晶器并使其沿鑄機半徑作近似圓弧的上下往復振動。連續(xù)澆鑄中一直進行這種振動，以防止坯殼與結晶器粘結而被拉裂，并有利于保護渣在結晶器壁的滲透使結晶器得以充分潤滑和順利脫模。對結晶器振動的技術要求

30、是：（1）振動的方式能有效地防止因坯殼的粘結而造成拉漏事故；（2）振動參數(shù)有利于改善鑄坯表面質量，形成表面光滑的鑄坯。結晶器振動的功能是防止拉坯坯殼與結晶器粘結，同時獲得良好的鑄坯表面，因而結晶器向上運動時，減少新生的坯殼與銅壁產生粘結，以防止坯殼受到較大的應力，使鑄坯表面出現(xiàn)裂紋；而當結晶器向下運動時，借助摩擦，在坯殼上施加一定的壓力，愈合結晶器上升時拉出的裂痕，這就要求向下的運動速度大于拉坯速度，形成負滑脫。第三章 嵌入式系統(tǒng)簡介及hcs12單片機3.1 嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)最初的應用是基于單片機的。嵌入式系統(tǒng)是一種將底層硬件、實時操作系統(tǒng)和應用軟件相結合的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是

31、對對象進行自動化控制，而使其具有智能化并可嵌入對象體系中的專用計算機系統(tǒng)，“嵌入性”、“專用性”與“計算機系統(tǒng)”是嵌入式系統(tǒng)的三個基本要素。嵌入式系統(tǒng)通常由嵌入式處理器、嵌入式外圍設備、嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式應用軟件等幾大部分組成。1嵌入式處理器嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件。嵌入式處理器與通用的處理器的最大不同點在于嵌入式cpu大多工作在為特定用戶群設計的系統(tǒng)中。它通常把通用cpu中許多由板卡完成的任務集成在芯片內部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)設計趨于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式處理器可分為低端的嵌入式微控制器、中高端的嵌入式微處理器、嵌入式處理器和高度集成的嵌入式片上系統(tǒng)。幾

32、乎每個大的硬件廠商都推出了自己的嵌入式處理器，其中以freescale、arm、powerpc、mc68000、mips等使用得最為廣泛。2. 嵌入式外圍設備嵌入式外圍設備是指在一個嵌入式硬件系統(tǒng)中，除了嵌入式處理器以外的完成存儲、通信、保護、調試、顯示等輔助功能的其他部件。根據(jù)外圍設備的功能可分為以下3類：(l)存儲器類型:靜態(tài)易失型存儲器(ram，sram)、動態(tài)存儲器(dram)、非易失型存儲器(rom，eprom，eeprom，flash)。其中，flash(閃存)以可擦寫次數(shù)多，存儲速度快，容量大及價格便宜等優(yōu)點在嵌入式領域得到廣泛的應用；(2)接口類型:目前存在的所有接口在嵌入式領

33、域中都有廣泛的應用，但是以下幾種接口，其應用最為廣泛，包括rs一232接口(串口)、irda(紅外線接口)、spi(串行外設接口)、i2c(現(xiàn)場總線)、usb(通用串行接口)，enternet(以太網接口)和并口；(3)顯示類型：ctr，lcd和觸摸屏等外圍顯示設備。3嵌入式操作系統(tǒng)在嵌入式應用中，為了使嵌入式開發(fā)更方便、快捷，就需要具備相應的管理存儲器分配，中斷處理，任務間通信和定時器響應，以及提供多任務處理等功能的軟件模塊集合，即嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)的引入大大提高了嵌入式系統(tǒng)的性能，方便了嵌入式應用軟件的開發(fā)設計。當今流行的嵌入式操作系統(tǒng)包括vxworks，linux，c/os-

34、，deltaus，psos等。每一種嵌入式操作系統(tǒng)都有自身的優(yōu)越性，我們需要根據(jù)自己的實際應用來合理選擇。4嵌入式應用軟件嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)的特點是:以面向過程為主，代碼的利用率高，代碼的規(guī)模小，實時性強。過去的嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)，大多從匯編開始，并以匯編語言開發(fā)為主。這樣的開發(fā)只能做簡單的控制和算法，而應用需求復雜時，開發(fā)周期將大大增加，不利于新產品的快速面市。隨著嵌入式系統(tǒng)硬件的不斷發(fā)展，如處理器主頻提高，存儲器容量擴大，硬件體積減小等特點，嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)也發(fā)生了一些變革。嵌入式應用軟件是針對特定的實際專業(yè)領域的，基于相應的嵌入式硬件平臺的，并能完成用戶預期任務的計算機軟件。用戶的

35、任務可能有時間和精度的要求。嵌入式應用軟件和普通的應用軟件有一定的區(qū)別。由于嵌入式應用對成本十分敏感，因此為減少系統(tǒng)成本，除了精減每個硬件單元的成本外，盡可能地減少嵌入式應用軟件的資源消耗也是不可忽視的重要因素。這就要求嵌入式應用軟件不但保證準確性、安全性、穩(wěn)定性以滿足應用要求，還要盡可能地優(yōu)化。3.2 freescale單片機3.2.1 freescale單片機freescale系列單片機采用哈佛結構和流水線指令結構，在許多領域內都表現(xiàn)出低成本，高性能的的特點，它的體系結構為產品的開發(fā)節(jié)省了大量時間。此外freescale提供了多種集成模塊和總線接口，可以在不同的系統(tǒng)中更靈活的發(fā)揮作用。飛思

36、卡爾（freescale）半導體公司，就是原來的motorola公司半導體產品部。于2004年從motorola分離出來，更名為freescale。 freescale提供了多種集成模塊和總線接口，可以在不同的系統(tǒng)中更靈活的發(fā)揮作用。freescale單片機的特有的特點如下：（1）全系列：從低端到高端，從8位到32位全系列應有盡有，最近還新推出8位/32位管腳兼容的qe128，可以從8位直接移植到32位,彌補單片機業(yè)界8/32 位兼容架構中缺失的一環(huán)！（2）多種系統(tǒng)時鐘模塊：三種模塊，七種工作模式多種時鐘源輸入選項，不同的mcu具有不同的時鐘產生機制，可以是rc振蕩器，外部時鐘或晶振，也可以是

37、內部時鐘，多數(shù)cpu同時具有上述三種模塊！可以運行在fei，fee，fbi，fbilp，fbe，fbelp，stop這七種工作模式。（3）多種通訊模塊接口：與其它系列的單片機不同，freescale單片機幾乎在內部集成各種通信接口模塊：包括串行通信接口模塊sci，多主i2c總線模塊,串行外圍接口模塊spi，mscan08控制器模塊，通用串行總線模塊（usb/ps2）。（4）具有更多的可選模塊：某些mcu具有l(wèi)cd驅動模塊，某些mcu帶有溫度傳感器，某些mcu具有超高頻發(fā)送模塊，部分mcu含有同步處理器模塊，某些含有同步處理器的mcu還具有屏幕顯示模塊，還有少數(shù)的mcu具有響鈴檢測模塊和雙音多頻

38、/音調發(fā)生器模塊。（5）可靠性高，抗干擾性強（6）低功耗也許freescale系列的單片機具有全靜態(tài)的“等待”和“停止”兩種模式，從總體上降低了功耗。（7）多種引腳數(shù)和封裝選擇 可以說freescale系列單片機具有的mcu種類是最多的了，有些mcu本身就有幾種不同的引腳數(shù)和封裝形式，這樣就可以滿足用戶的各種需求。圖3.1 freescale單片機結構框圖freescale 系列中都包含了一個mcu（微控制器），它的基本含義是：在一塊芯片上集成了中央處理器、存儲器（ram/rom等）、定時器/計數(shù)器以及多種輸入/輸出接口的比較完整的數(shù)字處理系統(tǒng)。具體框圖如圖3.1。3.2.2 freescal

39、e hcs12系列單片機freescale公司的hcs12系列mcu型號有很多種，其工作電壓一般為5v，時鐘頻率最高可達25mhz。在這些不同型號的mcu中，資源各有不同，即使是同一種型號的mcu，也有多種封裝形式，其中i/o口數(shù)目也不盡相同，mc9s12dg128就有80引腳的qfp、112引腳的lqef兩種封裝形式。freescale hcs12系列mcu的型號數(shù)量龐大，為了方便實際應用選型，需要了解freescale hcs12系列mcu的命名方法。下面是mc9s12dx128b為例介紹起基本命名規(guī)則：mc 9 s12 dx 128b xxx e 為產品狀態(tài)。mcfully qualif

40、ied，在實際應用中，通常都選用mc類型的產品。 為存儲器類型標志。無表示內帶rom或者片內沒有程序存儲器；7表示片內帶有eprom或者一次可編程rom；8表示片內帶eprom；9表示片內帶flash eprom。 為cpu標志。hcs12表示其中央處理器使用cpu12核。 為系列標志。dx表示為d系列產品。 為存儲空間的大小及版本。256為flash版本，表示256kb的flash存儲空間。 為工作溫度范圍標志?！盁o”表示商用溫度范圍070；c表示-4085；v表示-40105；m表示-40125。 為封裝標志位。它表示芯片的封裝形式：fu表示80引腳的qep封裝，pv表示112引腳的lqf

41、p封裝。 為無鉛組裝標志。e表示芯片生產過程無鉛化，是綠色電子組裝技術的發(fā)展方向。第四章 硬件設計4.1 整體電路設計結晶器振動控制系統(tǒng)主要可分為6大部分：數(shù)字量輸入/輸出模塊、a/d轉換模塊、閥芯反饋拉速、d/a轉換模塊、電源模塊、can總線模塊。本次設計四人主要負責d/a轉換模塊、a/d轉換模塊、pid控制系統(tǒng)的設計和can總線模塊。本文主要討論a/d轉換模塊的設計和調試，其它部分有其他同學分工完成。圖4.1 總體設計框圖圖4.2 a/d采集模塊原理圖a/d轉換模塊主要完成位移數(shù)據(jù)的采集功能，并對數(shù)據(jù)進行初步的整理運算。硬件選擇mc9sdg128型單片機，ad7367作為ad轉換芯片。傳感

42、器發(fā)出的電流信號轉換為010v電壓信號，a/d轉換器件ad7367接收此電壓信號（本設計中由于設備的原因，采用模擬的電壓信號作為輸入信號），轉換后的數(shù)字量在freescale hcs12系列單片機hc9s12dg128進行處理后，重新變?yōu)槲灰屏?，并通過串口傳輸?shù)缴衔粰C，上位機顯示所接收到的位移量?？傮w設計框圖如圖4.1。為了實現(xiàn)這些功能，硬件設計原理圖如圖4.2。4.2 mc9s12dg128單片機簡介mc9s12dg128微控制器采用增強型16位s12cpu，片內總線時鐘頻率最高可達25mhz；片內資源包括8kb ram、128kb flash、2kb eeprom；sci、spi、pwm串

43、行接口模塊；pwm模塊可設置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇邏輯時鐘頻率；它還提供2個8路10位精度a/d轉換器、控制器局域網模塊can和增強型捕捉定時器，并支持背景調試模式（bdm）。具體s12微控制器特點如下：*s12的核心：16位s12cpu：20位alu，指令隊列，增強型索引地址；多種外部總線接口（mebi）；模塊映射控制機制（mmc）；斷點（bkp）；背景調試模塊（bdm）。*crg時鐘和復位發(fā)生器：鎖相環(huán)（pll）；看門狗（cop watchdog）；實時中斷（rti）；時鐘監(jiān)視器（cm）。*帶中斷功能的8位和4位端口：可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)。*存儲器：128kb flas

44、h；2kb eeprom；8kb ram。*2個8通道模/數(shù)轉換器：10位精度；外部觸發(fā)轉變功能。*3個1mbps的can總線模塊，兼容can2.0a/b：5個接收緩沖器，3個發(fā)送緩沖器；4個獨立的中斷通道，分別是發(fā)送中斷、接收中斷、錯誤中斷和喚醒中斷；低通濾波器喚醒功能。*增強型捕捉定時器：16位計數(shù)器，7位預分頻功能；8個可編程輸入捕捉或輸出比較通道；4個8位或2個16位脈沖累加器。*8個pwm通道：每個通道的周期和占空比由程序決定；8位8通道或16位4通道；各通道獨立控制；脈沖在周期內中心對稱或左對齊輸出；可編程時鐘選擇邏輯；緊急事件關斷輸入；可作為中斷輸入。*串行口：2個異步串行通信接

45、口（sci）；2個同步串行設備接口（spi0；byteflight模塊。*i2c總線：兼容i2c總線標準；多主i2c總線模塊。*lqfp112和qfp80封裝選擇：5v輸入和帶驅動能力i/o；5va/d轉換器輸入；50mhz系統(tǒng)頻率；單線背景調試模塊；片上硬件斷點。4.2.1 mc9s12dg128單片機的封裝結構和引腳功能mc9s12dg128 mcu具有兩種封裝形式，分別是80引腳和112引腳，本文給出112引腳，如圖：圖4.3 mc9sdg128引腳圖可以把全部引腳分為i/o引腳及mcu最小系統(tǒng)支撐引腳兩大類：（1）i/o口引腳:模擬量輸入：atd1引腳號為68、70、72、74、76、

46、78、80、82作為第一功能時普通輸入口，第二功能是adt1輸入引腳，第三功能82引腳是adt1外部觸發(fā)輸入引腳；atd0引腳號為67、69、71、73、75、77、79、81作為第一功能也是普通的輸入口，第二功能是adt0輸入引腳，第三功能81引腳是adt0外部觸發(fā)輸入引腳。a口：引腳號5764，作為第二功能，寬總線模式下，多路復用外部地址和數(shù)據(jù)。b口：引腳號2431，作為第二功能，寬總線模式下，多路復用外部地址和數(shù)據(jù)。e口：36號引腳，作為第二功能，總線模式下當前總線是否處于空閑周期，作為第三功能，晶振選擇；37、38號引腳，作為第二功能，mcu工作模式的選擇，作為第三功能，指令隊列跟蹤信

47、號引腳，并且內部下拉；39號引腳，作為第二功能，非正常單片模式，內總線時鐘外部鏈接引腳；53號引腳，作為第二功能，低字節(jié)選通，作為第三功能，的引腳；54號引腳，作為第二功能，外部讀寫功能引腳且內部上拉；55、56號引腳，作為第二功能，外部中斷輸入引腳且內部上拉。h口：引腳號3235，作為第三功能，中斷輸入引腳；引腳號4952，作為第二功能，串行外圍接口（spi1），作為第三功能，中斷輸入引腳。j口：98、99號引腳，作為第二功能，can4的發(fā)送數(shù)據(jù)的輸出引腳；作為第三功能，i2c模塊的串行時鐘引腳；21、22號引腳，作為第二功能，kwj1、kwj0；作為第三功能，pj1、pj0。k口：108號

48、引腳，作為第二功能，仿真芯片選擇輸出引腳；作為第三功能，決定misc寄存器的romon位值且內部上拉；19、20、58號引腳，作為第二功能，總線模式下外部總線擴展地址且內部上拉。m口：87、88號引腳，作為第二功能，byteflight；100、101號引腳，作為第二功能，byteflight；作為第三功能，spi0；102105號引腳，作為can/bdlc。p口：109112號引腳，作為第二功能，中斷輸入引腳；作為第三功能，pwm模塊；14號引腳，作為第二功能，中斷輸入引腳；作為第三功能，pwm模塊且作為spi1。s口：9396號引腳，作為第二功能，spi0；8992號引腳，作為第二功能，s

49、ci。 t口：1518、912號引腳，作為第二功能，定時器模塊。（2） mcu最小系統(tǒng)支撐引腳電源：vddx、vssx分別是107、106號引腳作為i/o的外部電源。 vddr、vssr分別是41、40號引腳作為i/o和內部電壓調節(jié)模塊的外部電源。 vdd1、vss1、vdd2、vss2分別是13、14、65、66號引腳作為mcu的電源。 vdda、vssa分別是83、86號引腳作為電壓調節(jié)及內部a/d轉換的電源。 vrh、vrl分別是84、85號引腳作為a/d轉換的參考電壓端。 vddpll、vsspll分別是43、45號引腳作為pll的電源供給端。 vregen是97號引腳作為片內電壓調節(jié)

50、模塊的使能端?？刂疲?reset是42號引腳作為復位引腳（有內部上拉）。 bkgd/modc/是23號引腳作為背景調試（有內部上拉）。其他： xfc是44號引腳作為pll的外部濾波電容連接引腳。 extal、xtal分別是46、47號引腳作為片內振蕩器引腳。4.2.2 mc9s12dg128 mcu最小系統(tǒng)mcu最小系統(tǒng)是指可使內部程序運行所需要的外圍電路。dg128芯片的最小系統(tǒng)包括電源電路、pll電路、復位電路、晶振電路、bdm調試接口電路等，具體介紹如下：（1）電源電路hcs12mcu的芯片內部使用3v電壓，i/o端口和外部供電電壓為5v。在圖4.4給出的dg128最小系統(tǒng)電路中，電源電

51、路部分的cd和cs構成濾波電路，可以改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低電源波動對系統(tǒng)的影響，增強電路工作穩(wěn)定性。另外，為標識系統(tǒng)通電與否，可以增加一個電源指示燈。圖4.4電源電路(2)pll電路片內的pll電路兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，以降低因高速開關時鐘所造成的高頻噪聲。圖4.5 pll電路在圖所示的pll電路中，vddpll引腳由片內提供2.5v電壓；c1、c2和r5的取值與晶振、refdv寄存器和synr寄存器有關。mcu系統(tǒng)時鐘電路和電源電路在布pcb板時，要按照以下規(guī)則布線，才能使系統(tǒng)的電磁兼容性得到保證：1.盡量讓時鐘信號回路周圍電

52、場趨近于零。用地線將時鐘區(qū)圈起來，時鐘線要盡量短。2.石英晶振下面及噪聲特別敏感的器件下面不要走線。3.pll的濾波電路要盡可能靠近mcu，每個電源端和接地端都要接一個去耦電容，去耦電容要盡可能靠近mcu。（3）復位電路hcs12系列mcu在響應各種外部或偵測到的內部系統(tǒng)故障時可進行系統(tǒng)復位。當mcu檢測到需要復位時，它將寄存器和控制位設置成已知的起始默認值。系統(tǒng)復位的用途時錯誤復位，即當mcu檢測到內部故障時，它嘗試回到一個已知的、明確的狀態(tài)而從故障中恢復。具體電路圖如下： 圖4.6復位電路 圖4.7晶振電路（4）晶振電路晶體振蕩器分為無源晶振和有源晶振兩種類型。需要外接電源的晶振稱為有源晶

53、振。相反無需外接電源的稱為無源晶振。本設計用無源晶振，引腳xtal和extal分別接該單片機的輸入端和輸出端。這個單片機與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。具體電路圖如圖4.7。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容c9、c10接在放大器的反饋回路中構成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容c9、c10雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30pf10pf，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pf10pf。（5）bdm接口電路圖4.8 bdm接口電路背景調試模式bdm（background

54、 ddbug mode）是由freescale半導體公司自定義的偏上調試規(guī)范。bdm調試方式為開發(fā)人員提供了基層的調試手段。開發(fā)人員可通過它初次向目標板下載程序，同時也可通過bdm調試器對目標板mcu的flash存儲器進行寫入、擦除等操作。用戶也可通過它進行應用程序的下載和在線更新，在線動態(tài)調試和編程，讀取cpu各個存儲器的內容，mcu內部資源的配置與修復，程序的加密處理等操作。而這些僅需要向cpu發(fā)送幾個簡單的指令就可以實現(xiàn)，從而使調試軟件的編寫變的非常簡單。bdm硬件調試的插頭制作的設計也非常的簡單，關鍵是滿足通信時序關系和電平轉換的要求。4.3 模數(shù)轉換器件ad7367ad7367是一款

55、雙極性、14-bit、高速、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉換器，采樣速率高達 1 msps。它采用 adi公司的工業(yè) cmos工藝 icmos制作，icmos工藝結合了低電壓與高電壓 cmos、雙極性以及高電壓 dmos 工藝的優(yōu)勢，該工藝允許 ad7367接收高電壓雙極性信號，而且降低功耗與封裝尺寸。ad7367內部功能圖如圖4-8所示，它包括兩個 adc，每個 adc的前面都有一個雙通道多路復用器，以及一個低噪聲、寬帶、跟蹤與保持放大器，可以處理超過 10 mhz的輸入頻率。ad7367內置 2.5 v基準電壓源，但是可使用外部基準電壓。如表 4.1模擬通道輸入?yún)?shù)所示，ad7367可以接收&#

56、177;10 v、±5 v以及 0- 10 v范圍的真雙極性模擬輸入信號。圖4.9 ad7367內部功能圖ad7367通過 spi串行通訊方式與 dsp通訊，節(jié)省了使用 i/o口的數(shù)量。表4.1 ad7367模擬通道輸入?yún)?shù)輸入電壓范圍(v)輸入電壓范圍(v)最小測量值(mv)±1020163841.22±510163840.610-1010163840.61如圖4.10為ad7367的接線圖，3.3v電壓經過10f/10v旁路電容和0.1f耦合電容后接2腳(vdrive)，選擇ad7367接口邏輯電源為3.3v。3腳(dvcc)和8腳(avcc)分別為ad7367的數(shù)字和模擬電源，它們要盡可能的短接在一起。4腳(rang1)、5腳(rang0)決定了輸入模擬量的范圍，為了保證最大靈敏度，選擇了0-10v的模擬量輸入范圍。利用9腳(dcapa)、16腳(dcapb)分別接0.1f電容，可以對ad轉換器基準電壓去藕，提高基準電壓的質量。10腳(vss)、15腳(vd