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球—杆测控系统开发与研究

2020-12-08阅读(293)

球—杆测控系统开发与研究

论文摘要

球杆是一个典型的非线性、不稳定、机电耦合系统,对研究动态系统建模及验证控制算法的稳定性、快速性、准确性具有重要的意义。国内外诸多学者主要在球杆建模与数字仿真及控制等方面做了大量的工作。随着控制算法的复杂化,其通信系统中普遍采用的RS232接口在数据采集频率、实时性能等方面的弊端日益明显。本研究旨在通过设计并实现自己的球杆测控系统软硬件平台：基于USB (Universal Serial Bus)接口的上下位机通信；基于MCU的下位机测控平台；基于LabVIEW的上位机软件测控平台。本论文的具体工作体现在以下几个方面：1.在分析固高球杆测控系统在通信速度、可靠性、易用性不足的基础上,针对球杆测控平台的设计目标提出一种基于USB的优秀嵌入式解决方案,并对设计目标中电机驱动能力和采样频率的正确性进行了验证。2.测控系统以微控制器为核心,扩展了计数模块以实现与光电编码器的电机转速测量传感器接口,扩展了模拟量采集模块以实现与球在杆上的位置测量传感器接口,扩展了功率驱动模块以直接驱动直流电动机,扩展了USB功能模块以实现与上位机之间的实时数据通信。3.以Keil C51为固件程序开发平台,下位机测控程序采用汇编语言与C语言混合编程的方式,设计并优化了USB固件程序、数据采集程序和直流伺服电机驱动程序,实现测控系统的通信、数据采集以及控制功能。4.以LabVIEW为人机界面和控制算法运行环境,利用其库函数结点建立了上位机应用程序与USB驱动程序之间的函数调用,完成球杆系统的文件化操作,界面友好,数据的存贮、处理、可视化显示功能强大。5.以NI ELVIS虚拟示波器及其配套硬件为试验调试平台,以BusHound和IRPTrace为枚举过程监测软件,优化上下位机程序,达到提高通信速率和数据可靠性的目的,最后对测控系统的各项性能指标进行了测试,达到球杆系统的控制要求,系统运行稳定、可靠。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 课题的背景和研究意义
  • 1.1.1 课题的背景
  • 1.1.2 课题研究意义
  • 1.2 国内外USB接口技术的研究现状
  • 1.3 国内外球杆系统的研究现状
  • 1.4 USB设备规范概述
  • 1.5 本文研究的主要内容
  • 第二章 球杆测控系统总体设计与研究
  • 2.1 球杆测控系统设计目标
  • 2.2 球杆测控系统设计的理论基础
  • 2.2.1 电机驱动模块电流驱动能力的确定
  • 2.2.2 测量模块电路采样频率的确定
  • 2.3 球杆测控系统设计的整体构架
  • 2.4 球杆测控系统的功能模块
  • 2.4.1 被控对象-球杆的组成
  • 2.4.2 上位机监控单元-上位PC机功能模块
  • 2.4.3 通信单元-USB固件程序及其硬件模块
  • 2.4.4 下位测控单元-数据采集与驱动功能模块
  • 2.5 本章小结
  • 第三章 球杆测控系统硬件电路设计
  • 3.1 硬件电路设计思想
  • 3.2 USB接口模块电路
  • 3.2.1 USB接口芯片的选择
  • 3.2.2 PDIUSBD12性能特点简介
  • 3.2.3 USB接口模块电路
  • 3.3 数据采集模块电路
  • 3.3.1 电机转角位置数据采集模块电路
  • 3.3.2 小球位置数据采集模块电路
  • 3.4 电机驱动模块电路
  • 3.4.1 PWM控制电路
  • 3.4.2 H桥驱动电路
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 球杆测控系统软件程序设计
  • 4.1 下位微控制器固件程序设计
  • 4.1.1 固件开发平台的选择
  • 4.1.2 USB通信模块固件
  • 4.1.3 数据采集模块固件
  • 4.1.4 电机驱动模块固件
  • 4.2 上位PC机设备驱动程序的加载
  • 4.3 上位PC机应用程序中API函数的调用
  • 4.3.1 应用程序开发平台的选择
  • 4.3.2 动态链接库中的Win32函数调用
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 球杆测控系统的调试与性能测试
  • 5.1 测控系统的调试
  • 5.1.1 硬件电路调试
  • 5.1.2 软件程序调试
  • 5.2 球杆测控系统性能测试试验
  • 5.2.1 电机驱动控制试验
  • 5.2.2 小球位置数据采集试验
  • 5.2.3 电机转角数据采集试验
  • 5.3 USB通信性能的提高
  • 5.3.1 USB通信速度的提高
  • 5.3.2 USB通信可靠性的提高
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 总结与展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间主要研究成果
  • 附录
  • 附录1 球杆测控系统硬件原理总图
  • 附录2 球杆测控系统硬件PCB图
  • 附录3 下位微控制器固件程序
  • 附录3.1 main.h部分程序
  • 附录3.2 usbconst.h部分程序
  • 附录3.3 hardinterface.h部分程序
  • def.h部分程序'>附录3.4 descripdef.h部分程序
  • 附录3.5 d12function.h部分程序
  • 附录3.6 communication.h部分程序
  • beam.h部分程序'>附录3.7 ballbeam.h部分程序
  • 附录3.8 main.c部分程序
  • def.c部分程序'>附录3.9 descripdef.c部分程序
  • 附录3.10 d12function.c部分程序
  • 附录3.11 communication.c部分程序
  • beam.c部分程序'>附录3.12 ballbeam.c部分程序
  • 附录4 上位PC机LabVIEW API函数调用部分程序
  • 附录4.1 LabVIEW中USB通信主程序部分框图
  • 附录4.2 FindTheHid （）函数部分框图程序
  • 附录4.3 ReadAndWriteToDevice（）函数部分框图程序
  • 附录4.4 GetDeviceCapabilities （）函数部分框图程序
  • 附录4.5 shutdown （）函数部分框图程序
  • 附录5 球杆测控系统硬件主要芯片使用情况表
  • 附录6 电流伺服电机基本参数
  • 附录7 outportb（）函数编译后汇编源代码
  • 附录8 基于Visual Basic的上位PC机应用程序
  • 附录8.1 module.bas部分文件（全局变量）
  • 附录8.2 Main.frm部分程序

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