嵌入式控制器开发及其在过程实验装置上的应用

论文摘要

随着科学技术的发展,嵌入式系统以其速度高、容量大、实时性强的特点在工业控制领域得到了广泛的应用。嵌入式系统优越的可移植性和所具备的网络和人机交互能力,使其具有良好的可扩充性,能方便地嵌入到其他系统中,嵌入式系统有可能取代以往基于微控制器的控制方式而获得极大的发展。为此,本课题针对A3000过程实验装置的结构体系以及控制的功能要求,基于C8051F023芯片和Small RTOS51嵌入式操作系统,定义了控制器的各个功能,完成了硬件设计和软件设计,研究开发了一种适用于工业过程控制的嵌入式控制器;同时,设计开发了相应的上位机监控软件。论文主要完成了嵌入式控制器的系统硬件设计、系统软件设计以及控制算法的编制,实现了所开发的上位机软件与嵌入式控制器的通讯,最终通过实际实施,完成了对A3000的过程实验装置的监控。论文主要完成了以下几个方面的工作:设计并确定了控制系统的总体方案和硬件设计原则,针对嵌入式控制器的功能开发了嵌入式控制器主控模块、电源模块、信号采集模块、模拟量输出模块、人机交互模块和通信模块,对各个模块的电路组成进行了详细的分析和论述。分析比较了几种嵌入式实时操作系统RTOS,选择采用了Small RTOS51嵌入式实时操作系统作为软件开发平台,给出了在C8051F023上详细的移植、配置和裁剪过程,并且分析了使用操作系统的优势。在满足系统需求分析基础上,将系统任务合理划分为数据采集任务、控制任务、通信任务、按键任务和LCD显示任务,并对各个任务的应用程序、驱动程序以及上位机通信软件的设计进行了详细的分析与设计,开发了相应的程序代码。并采用软件手段提供抗干扰措施,从而提高了系统的性能。通过上位机软件实现对装置的监控功能,包括各参数的显示及动态曲线的绘制,并对超限进行声光报警。论文对开发的嵌入式控制器在A3000过程控制实验装置上进行了应用,通过PID控制实验验证了控制方案的可行性。本文实现了在小RAM处理器中移植嵌入式实时操作系统,开发了嵌入式控制器,通过软件的方法提高了处理器的利用效率,缩短了软件开发周期,增强了控制系统的稳定性、可靠性和可维护性。该嵌入式控制器的开发对基于微控制器的控制方式的改进具有重要的参考价值和意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪言
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 课题国内外研究与应用概况
• 1.2.1 工业过程控制的发展
• 1.2.2 工业控制技术发展的新需求
• 1.2.3 嵌入式技术的发展
• 1.2.4 嵌入式技术的发展趋势
• 1.2.5 嵌入式Internet 在工业控制中的具体应用
• 1.3 课题主要内容及论文结构安排
• 第2章 基于嵌入式设备的监控系统功能设计
• 2.1 控制对象简介
• 2.2 基于嵌入式设备的监控系统结构
• 2.3 下位机主要功能
• 2.3.1 回路控制功能
• 2.3.2 通信功能
• 2.3.3 界面显示和按键操作功能
• 2.4 上位机主要功能
• 2.5 本章小结
• 第3章 嵌入式控制器的硬件设计与开发
• 3.1 系统功能描述
• 3.2 微控制器的选型及介绍
• 3.3 系统硬件方案设计与开发
• 3.3.1 主控模块
• 3.3.2 电源模块
• 3.3.3 信号采集模块
• 3.3.4 模拟量输出模块
• 3.3.5 人机交互模块
• 3.3.6 通信模块
• 3.4 本章小结
• 第4章 嵌入式操作系统及系统软件开发
• 4.1 嵌入式实时操作系统
• 4.1.1 嵌入式实时操作系统的优势
• 4.1.2 嵌入式实时操作系统的选择
• 4.1.3 Small RTOS51 概述
• 4.2 Small RTOS51 在 C8051F023 单片机上的移植
• 4.2.1 Small RTOS51 移植对处理器的基本要求
• 4.2.2 Small RTOS51 的移植
• 4.2.3 操作系统的裁剪
• 4.3 嵌入式控制器任务的划分与创建
• 4.3.1 任务的划分
• 4.3.2 任务的创建
• 4.4 嵌入式控制器任务模块的开发
• 4.4.1 数据采集任务
• 4.4.2 控制任务
• 4.4.3 通信任务
• 4.4.4 按键任务
• 4.4.5 LCD 显示任务
• 4.5 LCD 驱动函数的实现
• 4.6 软件抗干扰设计
• 4.6.1 模拟量输入输出的抗干扰措施
• 4.6.2 程序执行过程中的软件抗干扰措施
• 4.7 本章小结
• 第5章 上位机软件的开发
• 5.1 用户界面及软件功能
• 5.2 通信程序设计
• 5.3 实时动态曲线的绘制
• 5.3.1 坐标的设定
• 5.3.2 曲线动态显示
• 5.3.3 软件的仿真测试
• 5.4 本章小结
• 第6章 控制算法的设计
• 6.1 PID 控制的基本原理
• 6.2 数字PID 控制器的设计
• 6.3 PID 控制的参数整定
• 6.4 PID 控制实验曲线及分析
• 6.5 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 附录
• A.1 主控板电路原理图
• A.2 信号板电路原理图
• A.3 电源板电路原理图
• A.4 实验电路及A3000 装置实物
• 攻读硕士期间学术成果
• 致谢