基于USB主机的智能调节器的设计和开发

论文摘要

从软件和硬件角度详细介绍了智能调节器的设计原理和方法。调节器具有4路输入通道和4路输出通道,其中第一输入通道和第二输入通道可进行温度测量,实现了各种型号热电偶和热电阻的自动切换,热电阻采用四线制接法,完全消除了导线电阻的影响。第三输入通道和第四输入通道既可以接受4～20mA电流信号和1～5V的电压信号。4输入和4输出既可以实现单回路控制又可以相互组合实现串级控制。 能够对输入和输出通道进行故障诊断和故障定位,具有自动校准功能,较好克服了器件参数变化和温度漂移引起的误差。 运用Buck和Buck-Boost电路实现DC/DC变换,详细介绍了它们的基本原理、器件参数的选取,建立了他们的交流小信号模型。详细讨论了闭环的形成和补偿网络的设计方法。 具有USB主机功能,实现了调节器对大容量设备类的读写操作。并根据FAT格式,初步建立了FAT系统。同时还具有RS485通讯接口。 充分利用彩色液晶丰富的显示技术,采用键盘和菜单相结合的方式设计人机界面,能够实时显示各通道的曲线。具有实时时钟,并可以实现时钟的设定和修改。 采用自整定技术,对PID参数进行自整定。

论文目录

• 第一章 概述
• 1.1 智能仪表及其特点
• 1.2 智能仪表的基本的要求和发展趋势
• 1.3 基于USB主机智能调节器功能描述
• 1.4 基于USB主机智能调节器系统框架
• 1.5 本文的内容和结构
• 第二章 硬件设计
• 2.1 热电偶和热电阻通用输入通道的设计
• 2.1.1 热电阻输入通道的设计
• 2.1.1.1 恒流源的设计
• 2.1.1.2 恒流源的扩展
• 2.1.1.3 热电阻四线制电路
• 2.1.2 热电偶输入通道的设计
• 2.1.2.1 热电偶通用放大电路的设计
• 2.1.2.2 热电偶冷端补偿电路的设计
• 2.1.3 热电偶热电阻通用输入通道的设计
• 2.2 4～20MA和1～5V标准信号通用输入电路的设计
• 2.2.1 1～5V到0～1.5V转化电路的设计
• 2.2.2 4～20mA和1～5V标准信号的选择
• 2.3 4～20MA和1～5V标准信号通用输出电路的设计
• 2.3.1 PWM DAC基本原理
• 2.3.2 1～5V标准信号输出电路的设计
• 2.3.3 1～5V信号到4～20mA信号电路的设计
• 2.3.4 1～5V和4～20mA切换电路的设计
• 2.4 时钟模块电路的设计
• 2.5 液晶显示模块的设计
• 2.5.1 外部接口
• 2.5.2 拨码开关设置
• 2.5.3 MSP43与液晶显示模块接口设计
• 2.6 电源设计
• 2.6.1 开关频率的选择
• 2.6.2 正压变换电路的设计
• 2.6.2.1 Buck变换电路的基本原理
• 2.6.2.2 Buck变换电路的稳态分析
• 2.6.2.3 参数的选取
• 2.6.2.4 Buck变换电路交流小信号分析
• 2.6.2.5 控制环路的设计
• 2.6.2.6 缓冲电路的设计
• 2.6.2.7 +24V到+3.3V的设计实例
• 2.6.3 负压变换电路的设计
• 2.6.3.1 Buck-Boost变换电路基本原理
• 2.6.3.2 参数的选取
• 2.6.3.3 交流小信号分析
• 2.7 MSP43OF149外围电路的设计
• 第三章 USB主机的设计
• 3.1 USB的物理接口
• 3.1.1 电气特性
• 3.2 电源
• 3.2.1 电源分配
• 3.2.2 电源管理
• 3.3 USB总线协议
• 3.3.1 域的类型
• 3.3.2 包的类型
• 3.3.3 总线传输的格式
• 3.4 USB设备描述符和标准的设备请求
• 3.4.1 设备描述符
• 3.4.2 配置描述符
• 3.4.3 接口描述符
• 3.4.4 端点描述符
• 3.4.5 字串描述符
• 3.4.6 标准设备请求
• 3.5 USB主机协议
• 3.5.1 USB主机系统结构
• 3.5.2 主机控制器功能
• 3.5.3 主机控制器驱动器（HCD）
• 3.5.4 USB核心驱动程序（USBD）
• 3.6 USB MASS STORAGE类协议
• 3.6.1 USB Mass Storage类的子类码
• 3.6.2 USB Mass Storage类传输协议
• 3.6.3 单批量Bulk-Only传输协议
• 3.6.3.1 Bulk-Only Mass Storage复位
• 3.6.3.2 获取最大逻辑单元号
• 3.6.3.3 命令、数据及状态的传输流程
• 3.6.3.4 UFI命令协议
• 3.7 USB主机软硬件设计
• 3.7.1 USB主机硬件设计
• 3.7.2 软件设计
• 3.7.2.1 USB主机的软件流程
• 3.7.2.2 USB主机系统的实现
• 3.7.3 USB主机程序设计基础
• 第四章 软件设计
• 4.1 监控程序的设计
• 4.2 输入通道的配置
• 4.3 输出通道的配置
• 4.4 时间设定
• 2C总线的基本原理'>4.4.1 I²C总线的基本原理
• 4.4.2 总线空闲状态
• 4.4.3 启动和停止信号
• 4.4.4 数据位的传送
• 4.4.5 应答信号
• 4.4.6 重启动信号
• 4.4.7 时间的设定
• 4.5 故障诊断
• 4.5.1 RAM的自检
• 4.5.2 ROM的自检
• 4.5.3 输入通道的自检
• 4.5.4 输出通道的自检
• 4.5.5 键盘诊断
• 4.6 周期的设定
• 4.7 PID算法
• 4.7.1 PID自整定算法
• 4.7.2 PID在线整定算法
• 4.7.2.1 控制器结构
• 4.7.2.2 时间变量t的模糊化
• p控制器'>4.7.2.3 K_p控制器
• i控制器'>4.7.2.4 T_i控制器
• 4.7.2.5 Td控制器
• 4.7.3 PID算法与实现
• 4.8 串级控制
• 4.9 手自动切换
• 4.10 液晶显示
• 结束语
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文