2. 4 輸出驅(qū)動(dòng)控制模塊及報(bào)警模塊

　　輸出驅(qū)動(dòng)控制模塊通過(guò)控制芯片產(chǎn)生電信號(hào)， 控制相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或者停止， 實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)溫度和濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。當(dāng)檢測(cè)到的溫度和濕度值大于或小于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警模塊同時(shí)會(huì)發(fā)生報(bào)警信號(hào)通知用戶注意當(dāng)前狀況，必要時(shí)需采取相應(yīng)人工措施。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　由于溫、濕度變化規(guī)律性不強(qiáng)， 被檢測(cè)對(duì)象的溫、濕度具有非線性、熱慣性、時(shí)變性等特點(diǎn)， 較難建立精確的數(shù)學(xué)模型。而模糊控制算法不需要建立精確的數(shù)學(xué)模型， 可依據(jù)人工實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)， 將其抽象為一系列的控制算法后通過(guò)計(jì)算機(jī)完成控制過(guò)程， 具有控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、超調(diào)小、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。

　　控制器可以自動(dòng)檢測(cè)晝夜、季節(jié)、室內(nèi)環(huán)境溫、濕度值的變化， 利用模糊算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制過(guò)程。倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)土豆種子的溫度控制在- 1~ + 3℃ 之間， 相對(duì)濕度保持在45%~ 70% 較為適宜。

　　溫、濕度控制程序中， 溫、濕度各有2 個(gè)輸入數(shù)據(jù)和1 個(gè)輸出數(shù)據(jù)。e 為溫、濕度偏差；△e 為溫、濕度變化率； u 為輸出控制變量， 其值分別為：

　　其中： PL 表示負(fù)大； PM 表示負(fù)中； PS 表示負(fù)??； NS 表示正?。?NM 表示正中； NL 表示正大。然后根據(jù)專家知識(shí)和操作人員的經(jīng)驗(yàn)， 建立模糊控制表。其模糊關(guān)系可以用多個(gè)條件語(yǔ)句表示， 例如： IF e= NL and △e=NL then u= SM; 根據(jù)模糊推理進(jìn)行運(yùn)算， 即可推出控制結(jié)果。

　　在主程序中， 主要負(fù)責(zé)倉(cāng)庫(kù)中溫、濕度的實(shí)時(shí)顯示，讀取并處理傳感器測(cè)量的溫、濕度值， 當(dāng)實(shí)際值與事先設(shè)定的溫、濕度上下限值不同時(shí)， 發(fā)出控制信號(hào)， 驅(qū)動(dòng)輸出控制單元啟動(dòng)或停止執(zhí)行控制電機(jī)， 同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)， 通知用戶當(dāng)前發(fā)生的狀況并作相應(yīng)控制日志記錄。

　　主程序流程圖和溫、濕度采集處理流程圖分別如圖4，圖5所示。

　　圖4 主程序流程圖

　　圖5 溫、濕度采集處理框圖

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　采用模糊控制算法非常適合大型倉(cāng)庫(kù)中多點(diǎn)溫度和濕度的檢測(cè)與控制， 具有可靠性高、成本低廉、能耗低、反應(yīng)靈敏、以及可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。該設(shè)備具備一定的通用性， 經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的改進(jìn)， 就能服務(wù)于國(guó)防工業(yè)、農(nóng)業(yè)等生產(chǎn)上的各個(gè)方面。

基于AVR單片機(jī)的衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)#e#

四、基于AVR單片機(jī)的衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本文介紹了單片機(jī)Atmega128在一種衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，該系統(tǒng)利用Atmega128完成了10路模擬信號(hào)的測(cè)量、4路脈沖信號(hào)的頻率測(cè)量以及脈沖寬度的測(cè)量，由單片機(jī)上的16位定時(shí)計(jì)數(shù)器輸出兩路與輸入信號(hào)具有相位關(guān)系的信號(hào)，并通過(guò)外擴(kuò)串口與其它測(cè)試模塊及工控機(jī)進(jìn)行通信。由于要求系統(tǒng)能夠連續(xù)穩(wěn)定工作3年，并且數(shù)據(jù)不能丟失，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了雙電源冗余熱備份的方案，并且采用兩個(gè)工控機(jī)同時(shí)接收數(shù)據(jù)并互為備份的設(shè)計(jì)方案。

　　硬件設(shè)計(jì)

　　Atmega128屬于Atmel公司的AVR系列單片機(jī)，是一種高性能、低功耗的8位控制器，執(zhí)行大多數(shù)指令只需要一個(gè)時(shí)鐘周期。其最高主頻可達(dá)到16MHz;自帶128KB可在線編程的閃存、4KB的EEPROM、4KB的SRAM，程序可進(jìn)行加密;自帶JTAG接口，便于程序的調(diào)試;集成外設(shè)：兩個(gè)8位定時(shí)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、兩個(gè)8位PWM通道、6個(gè)16位PWM通道、8個(gè)10位 ADC通道、一個(gè)I2C接口、兩個(gè)可編程異步串行接口、一個(gè)SPI接口、一個(gè)看門狗定時(shí)器和8個(gè)外部中斷源。

　　衛(wèi)星地面測(cè)控系統(tǒng)主要由電源模塊、電子機(jī)箱、測(cè)試箱、工控機(jī)以及紅外地球敏感器構(gòu)成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中兩臺(tái)電源并聯(lián), 輸出串聯(lián)二極管。在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)試箱的控制功能是通過(guò)Atmega128完成的。

　　測(cè)試箱的硬件原理如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)以AVR單片機(jī)為核心，外圍電路由串口通信、ADC采樣和DAC輸出等部分構(gòu)成。

　　單片機(jī)與工控機(jī)之間通過(guò)RS-232標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在設(shè)計(jì)中采用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX202來(lái)實(shí)現(xiàn)二者的電平兼容。為了能夠和測(cè)試系統(tǒng)的其它模塊進(jìn)行串口通信，采用Xicor公司的雙串口芯片ST16C2552外擴(kuò)了兩個(gè)串口，由于與外擴(kuò)串口通信的是-12V~+12V的信號(hào)，不是標(biāo)準(zhǔn)電平，因此，要另外設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路。使用Altera公司的可編程邏輯器件EPM7128實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC和ADC的邏輯控制;使用BB公司的12位ADC實(shí)現(xiàn)對(duì)遙測(cè)信號(hào)的測(cè)量;采用BB公司的12位DAC芯片DAC7615產(chǎn)生電地球波信號(hào)。

　　具體功能如下：

　　ADC測(cè)量：將輸入的10路模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)阻抗匹配后連接到通道選擇器，再接到ADC芯片ADS7835的信號(hào)輸入端，ADC的輸出信號(hào)以及控制信號(hào)經(jīng)過(guò)光隔離接到EPLD邏輯，在邏輯內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)ADC啟動(dòng)信號(hào)、轉(zhuǎn)換通道的選擇，以及對(duì)時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)的控制。

　　DAC 輸出：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)邏輯芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)DAC的片選、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)等信號(hào)的控制，DAC的輸出信號(hào)通過(guò)光隔離后，再經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行阻抗匹配后才接到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的其它模塊。DAC參考電壓的穩(wěn)定性至關(guān)重要，如果參考電壓穩(wěn)定性差，將導(dǎo)致整個(gè)DAC的輸出波動(dòng)很大，達(dá)不到輸出精度要求，因此，通過(guò)一個(gè)穩(wěn)壓芯片 AD584給DAC提供參考電壓。

　　頻率測(cè)量：電測(cè)箱需要對(duì)2路基準(zhǔn)信號(hào)和2路光柵信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，利用AVR單片機(jī)的外部中斷和計(jì)數(shù)器1、3實(shí)現(xiàn)測(cè)量。將2路基準(zhǔn)信號(hào)分別接到單片機(jī)的外中斷INT0和INT1，將光柵信號(hào)分別接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器1和3。在電測(cè)箱需要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能中，電地球波的輸出是一個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)樾枰姷厍虿ǖ妮敵雠c基準(zhǔn)信號(hào)具有相位關(guān)系，并且要求輸出具有可變相位、幅度和斜率的信號(hào)，本文通過(guò)計(jì)數(shù)器1和3的比較中斷實(shí)現(xiàn)電地球波的輸出。

　　串口通信：通過(guò)單片機(jī)自帶的兩個(gè)異步串口，并經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換與上位工控機(jī)通信，通過(guò)雙串口芯片ST16C2552外擴(kuò)兩個(gè)串口與測(cè)試系統(tǒng)的其它模塊通信，此外，為保證系統(tǒng)的可靠性，所有的信號(hào)均經(jīng)過(guò)光隔離。

　　軟件實(shí)現(xiàn)

　　單片機(jī)軟件

　　運(yùn)行在單片機(jī)的底層軟件主要負(fù)責(zé)ADC的采集、DAC的輸出以及串口的通信，下面詳細(xì)介紹各個(gè)部分：

　　1、 光柵頻率測(cè)量：測(cè)量模擬基準(zhǔn)一個(gè)周期內(nèi)的光柵個(gè)數(shù)

　　在程序中，每次進(jìn)入外中斷0的處理程序void int0_isr(void)(即基準(zhǔn)脈沖上升沿到來(lái)時(shí))調(diào)用void do_gd_opt_frq()函數(shù)測(cè)量光柵頻率。

　　在do_gd_opt_frq ()函數(shù)中，先把前一次讀取計(jì)數(shù)器1的計(jì)數(shù)值保存在全局變量time1_prev中，再讀取計(jì)數(shù)器1的值并保存在time1_next中，因?yàn)閮纱沃袛嗟拈g隔就是模擬基準(zhǔn)的周期，有一個(gè)光柵脈沖計(jì)數(shù)器1就加1，所以，前后兩次的差值就是一個(gè)模擬基準(zhǔn)周期內(nèi)光柵的個(gè)數(shù)。

　　2、 模擬基準(zhǔn)幅度

　　在INT0的中斷處理函數(shù)中置一個(gè)全局標(biāo)志refoa_gd_flag = 0xff，在一個(gè)100?s的定時(shí)器的中斷處理函數(shù)中查詢此全局標(biāo)志，若置位，則對(duì)模擬基準(zhǔn)的ADC通道連續(xù)采樣400次，采樣后清 refoa_gd_flag標(biāo)志并置采樣結(jié)束的標(biāo)志refoa_gd_finished = 0xff。在主程序main()函數(shù)中不斷查詢r(jià)efoa_gd_finished標(biāo)志，若置位，則調(diào)用do_refoa_high()函數(shù)求出模擬基準(zhǔn)幅度，然后清標(biāo)志。在do_refoa_high()函數(shù)中求出采樣400個(gè)點(diǎn)中的最大值和最小值，兩者之差即為模擬基準(zhǔn)幅度。

　　3、 模擬基準(zhǔn)周期：測(cè)量一個(gè)模擬基準(zhǔn)周期的毫秒值

　　在一個(gè)1ms的定時(shí)器溢出中斷處理函數(shù)中，全局的計(jì)數(shù)變量ref_gd_count加1，ref_gd_count初始化為0。在外中斷0的處理函數(shù) int0_isr()中讀取ref_gd_count的值，即為模擬基準(zhǔn)的周期，再把ref_gd_count清零。這樣，只有第一次測(cè)量值是無(wú)效的，以后均為有效的模擬基準(zhǔn)周期。

　　4、 模擬基準(zhǔn)寬度

　　在INT0的中斷處理函數(shù)中置全局變量refoa_width_gd_ count=0，在100?s的定時(shí)器中斷中查詢外中斷0的引腳是否為高電平，是高電平則refoa_width_gd_count加1，直至變?yōu)榈碗娖?，refoa_width_gd_ count的值就是模擬基準(zhǔn)的寬度。

　　5、 電地球波

　　在do_ein()函數(shù)中處理工控機(jī)串口傳過(guò)來(lái)的電地球波信息，如果是停止電地球波命令(state=0),通過(guò)DA電地球波直接輸出高電平并清除電地球波使能標(biāo)志位ein_gd_enable。如果是開始電地球波命令(state=1),把相位、寬度、幅值、斜率等信息賦給全局變量保存，并且計(jì)算出步距和斜率上各個(gè)點(diǎn)的輸出值，置位電地球波使能標(biāo)志 ein_gd_enable。

　　電地球波的產(chǎn)生是以模擬基準(zhǔn)為基準(zhǔn)的，在INT0的中斷處理函數(shù)中設(shè)置計(jì)數(shù)器的比較中斷并使能。

　　圖3中， T0與T1 之間是地球波的相位，T2與T5之間是地球波的寬度。在T1時(shí)刻進(jìn)入計(jì)數(shù)器1的比較中斷timer1_compa_isr()，全局變量 ein_count_gd初始化為0，若ein_count_gd不等于1，則設(shè)置比較中斷寄存器初值為下一步距點(diǎn)，并通過(guò)DA輸出，若下一個(gè)比較中斷到來(lái)ige ein_count_gd不等于1，則繼續(xù)設(shè)置比較中斷寄存器初值為下一個(gè)步距，并輸出幅值，直到斜率上所有的幅值輸出完畢，置ein_count_gd 等于1并設(shè)置比較中斷寄存器，使T4進(jìn)入比較中斷。T4進(jìn)入比較中斷，并按照前述方法輸出斜率上所有的幅值，完畢則禁止比較中斷并置 ein_count_gd=0xff。

　　ADC采集和串口通信比較簡(jiǎn)單，這里不再贅述。

　　軟件編譯與下載

　　由于單片機(jī)程序是采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)完成的，因此，需要用Image Craft公司的ICCAVR編譯器進(jìn)行編譯，生成COF文件，再用AVR STUDIO調(diào)試軟件和雙龍公司的AVR JTAG仿真器進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試完成后，利用單片機(jī)的JTAG接口寫入內(nèi)部閃存即可。

　　上位工控機(jī)軟件

　　運(yùn)行在工控機(jī)上的軟件主要負(fù)責(zé)處理AVR單片機(jī)通過(guò)串口傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行超差、報(bào)警的檢查，然后把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便查看。該軟件能夠設(shè)置電地球波的幅度、寬度、相位，并能自主控制電地球波的產(chǎn)生或停止。

　　上位工控機(jī)軟件采用VC6.0編寫，其中的數(shù)據(jù)庫(kù)部分采用ADO技術(shù)。ADO是Microsoft公司為最新和最強(qiáng)大的數(shù)據(jù)訪問(wèn)范例 OLE DB 而設(shè)計(jì)的，是一個(gè)便于使用的應(yīng)用程序?qū)咏涌?。ADO 最主要的優(yōu)點(diǎn)是易于使用、速度快、內(nèi)存支出少且磁盤遺跡小。

　　結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的系統(tǒng)使用了很多Atmega128的外圍資源，并通過(guò)Atmega128提供的定時(shí)計(jì)數(shù)器的比較中斷解決了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題。