控制软件设计论文范文

控制软件设计论文范文第1篇

关键词：以太网；燃机模块；电子控制系统；软件设计

引言

随着燃气轮机在工业现场的广泛使用，对控制性能的要求越来越高，其控制系统也迅速从液压机械式控制器发展为模拟式电子控制系统,进而发展成数字电子控制系统。到20世纪90年代,燃气轮机开始全面配置数字电子控制系统。近年来，国外燃气轮机的数字电子控制系统已经实现了标准化、系列化，实现了模块化,并配置了菜单式的开发软件。模块化控制系统中通信总线是系统内部数据交换的桥梁，总线的可靠性是系统可靠性的保障，总线速度也直接影响到整个控制器的性能，因此必须选择实时、可靠的通信总线。MIL-STD-1553B、ARINC-429等传统的现场总线可靠性高、使用灵活，工程上已经得到了广泛应用，但却遭受速度瓶颈。工业实时以太网技术具有速度快、实时性好、可靠性高等特点，它的发展使工业控制在通用化、模块化、数据交换等方面都面临新的技术革命，特别适用于分布式控制系统设计。EtherCAT是由德国Beckhoff公司开发。采用以太网帧，以特定环状拓扑发送数据的技术，拥有杰出的通讯性能，接线简单，并对其它协议开放。

1.总体方案

1.1燃机模块式电子控制系统方案

系统的控制对象是某型舰用中档功率系列燃气轮机，控制系统采用开放性的模块结构。电子控制器采用标准化、系列化的模块设计，各模块间采用最新的工业实时以太网Ethercat连接，控制软件设计成可选择、可配置的标准模块和接口，液压执行机构设计成通用的模块化的部件和组件。这就使整个控制系统的设计变为功能模块的选择、匹配和调整——根据燃机控制系统的信号数量和接口类型选择合适的硬件模块，根据特定控制规律和控制系统要求选择、配置相应的软件模块，根据燃油和导叶的控制要求选择合适液压执行机构。采用的是成熟的模块使各模块功能、性能都有了保证，各部件仅需要进行部分调整就能满足要求，既缩短研发周期，又提高系统的可靠性，同时也便于今后实现性能改进和功能扩展。

1.2燃机控制系统组成

燃机控制系统包括综合电子控制柜、系统软件、液压执行机构、电气系统等。液压机械装置采用模块化设计方法，包括高压燃油泵、燃油计量装置、导叶调节装置等。各模块可根据具体燃机要求配合使用。电子硬件通用模块包括：电子控制器模块、独立保护模块。系统软件包含控制软件和应用软件。控制系统接收来自控制室或监控台的控制信号，对燃气轮机的起动、加速、减速、稳态工况运行以及停车和重要参数限制实施全面的自动控制和安全保护，能实现对燃机辅助系统的监测和控制，能实现对燃机的故障诊断和重要参数的记录、存贮和通讯。

2.控制软件设计

2.1电子控制器方案介绍

电子控制器由主CPU模块与AD模块、DA模块、FI模块、IO模块等低级模块组成，各模块自带CPU处理器，模块之间通过工业以太网连接，控制系统采用基于网络通讯技术模块化设计，控制器的各种功能模块之间用实时以太网进行连接，完成数据交互。各模块可以集中在一起也可以分散到燃机的各部分，通过工业总线实现实时信息交流和控制。

2.2控制软件分层设计

控制软件包含CPU模块的控制应用软件、其它通用模块底层软件组成。底层软件与模块一一对应。模块的底层软件主要是实现通用模块采集、输出或信息交互功能，并与其它模块通讯，传递和接受信息，实现控制系统功能。CPU模块的控制应用软件通过与底层软件，根据模块的特点进行功能的初始选择和配置。初步设计的控制软件层次结构如图1所示，该层次结构适用于主CPU模块与所有低级功能模块。由于低级功能模块的任务都比较简单，所以并无必要采用实时内核，主CPU模块也需根据实际情况决定采用传统的顺序结构还是基于实时内核的并行结构。同一功能的器件在驱动程序层向顶层提供一致的接口，在这一层次中需要制定对器件读、写、模式设置、中断、轮询等操作的驱动程序函数模版。整理电子控制器硬件设计中常用的接口器件资料，针对这些器件编写驱动程序并用数据库进行驱动程序模块的管理。

2.3控制软件模块化设计

控制软件采用模块设计，将燃机的主要控制过程、各种控制规律形成标准程序模块。模块划分可层层分解，步步细化，当针对具体燃机时只要选用合适的模块进行组合，并进行对参数设置连接就可形成控制程序。程序的框架设计要保证其可扩展性，根据燃机控制要求的变化，不断的增加先进控制规律、控制算法模块提高整个系统的性能。在对燃机控制系统的特点进行充分分析的基础后，建立对燃机控制软件的通用框架结构、模块划分准则与模块配置策略，通过更改模块配置信息、模块整体更换等方式灵活构建可靠的燃机控制软件。软件模块化按照由粗到细、由繁到简的指导方针，按步骤逐级细化，最终生成最基本的模块单元。根据燃机控制系统的功能，将控制软件划分为基本数值计算模块库、信号处理模块库、故障处理模块库、起动控制模块库、燃机运行控制模块库、停车控制模块库、辅助系统控制模块库、底层软件模块库、通讯协议模块库。模块一般采用标准C语言编写，与CPU相关的代码采用汇编语言编写，考虑到不同CPU的字长、对齐方式等特性，模块内部均采用自定数据类型，且可通过外部进行设置。

3.通讯软件设计

EtherCAT通讯程序包括网络收发模块、EtherCAT接口模块、EtherCAT设备模块、主站模块和从站模块。网络收发模块完成底层网络数据包的发送和接收功能。EtherCAT接口模块实现EtherCAT通讯程序与功能软件的接口功能。EtherCAT设备模块实现EtherCAT设备扫描和软件初始化工作。主站模块实现主站初始化命令和循环命令的发送处理，实现和维护主站的状态机。从站模块实现从站设备的配置，同时维护从站设备的状态机。

3.1Ethercat协议

EtherCAT是用于过程数据的优化协议，凭借特殊的以太网类型，它可以在以太网帧内直接传送。EtherCAT帧可包括几个EtherCAT报文，每个报文都服务于一块逻辑过程映像区的特定内存区域，该区域最大可达4GB字节。数据顺序不依赖于网络中以太网端子的物理顺序，可任意编址。从站之间的广播、多播和通讯均得以实现。当需要实现最佳性能，且要求EtherCAT组件和控制器在同一子网操作时，则直接以太网帧传输就将派上用场。然而，EtherCAT不仅限于单个子网的应用。EtherCATUDP将EtherCAT协议封装为UDP/IP数据报文，这就意味着，任何以太网协议堆栈的控制均可编址到EtherCAT系统之中，甚至通讯还可以通过路由器跨接到其它子网中。显然，在这种变体结构中，系统性能取决于控制的实时特性和以太网协议的实现方式。因为UDP数据报文仅在第一个站才完成解包，所以EtherCAT网络自身的响应时间基本不受影响。另外，根据主/从数据交换原理，EtherCAT也非常适合控制器之间（主/从）的通讯。自由编址的网络变量可用于过程数据以及参数、诊断、编程和各种远程控制服务，满足广泛的应用需求。主站/从站与主站/主站之间的数据通讯接口也相同。从站到从站的通讯则有两种机制以供选择。一种机制是，上游设备和下游设备可以在同一周期内实现通讯，速度非常快。由于这种方法与拓扑结构相关，因此适用于由设备架构设计所决定的从站到从站的通讯，如打印或包装应用等。而对于自由配置的从站到从站的通讯，则可以采用第二种机制—数据通过主站进行中继。这种机制需要两个周期才能完成，但由于EtherCAT的性能非常卓越，因此该过程耗时仍然快于采用其他方法所耗费的时间。EtherCAT仅使用标准的以太网帧，无任何压缩。因此，EtherCAT以太网帧可以通过任何以太网MAC发送，并可以使用标准工具。

3.2主站软件设计

EtherCAT可以在单个以太网帧中最多实现1486字节的分布式过程数据通讯。其它解决方案一般是，主站设备需要在每个网络周期中为各个节点处理、发送和接收帧。而EtherCAT系统与此不同之处在于，每周期仅需要一个或两个帧即可完成所有节点全部通讯，因此，EtherCAT主站不需要专用的通讯处理器。主站功能几乎不会给主机CPU带来任何负担，处理任务的同时，还可处理应用程序，因此EtherCAT无需使用昂贵的专用有源插接卡，只需使用无源的NIC卡或主板集成的以太网MAC设备即可。EtherCAT主站容易实现，尤其适用于中小规模的控制系统和有明确规定的应用场合。EtherCAT映射不是在主站产生，而是在从站产生，此时过程映像已经完成排序。该特性进一步减轻了主机CPU的负担。可以看到，EtherCAT主站完全在主机CPU中采用软件方式实现，相比之下，传统的慢速现场总线系统通过有源插接卡方可实现主站的方式则要占用更多的资源，甚至服务于DPRAM的有源卡本身也将占用可观的主机资源。

3.3从站软件设计

子站模块划分为A/D采样模块、频率量模块、LVDT及振动信号处理模块、热电阻信号处理模块、热电偶信号处理模块、压力信号处理模块、电流电压信号处理模块、开关量输入模块、开关量输入1模块、开关量输入2模块、开关量输出模块、模拟量输出模块1、模拟量输出模块2，备份槽。主程序通过不同的功能要求调用软件块。软件模块设计的基本原则是数据隐藏，即各模块内部数据私有，并提供外部接口访问这些私有数据，各模块之间相互独立，从而降低各模块之间的耦合程度。整个框架提供诸多配置接口，具有一定的通用性。子站模块实现的功能为DSP外设初始化；获取通道信息；获取开关量输入、拟量输入、频率量输入信号；输出开关量、PWM信号；FLASH存储器操作；定时器的启停、看门作等。

4.结束语

在国内航空发动机电子控制系统研制的技术积累基础上，开展基于网络通讯技术的燃机模块式电子器研究工作，研制具有自主知识产权的、具有国际先进水平的燃机模块式电子控制系统，不仅可以创造经济效益，而且能够打破燃机电子控制系统被国外公司垄断的局面，极大提高燃机市场的核心竞争力。

参考文献

[1]周向阳.模块式燃机电子控制系统软件设计技术研究.南京航空航天大学硕士论文.2010-03-01

[2]EtherCAT——技术介绍及发展概貌.国内外机电一体化技术.2006-11-30

[3]周千翔.基于实时以太网的分布式电子控制器设计.南京航空航天大学硕士论文.2008-12-01

[4]柳仁松.基于EtherCAT协议的分布式控制系统设计.青岛大学硕士论文.2013-06-02.

控制软件设计论文范文第2篇

本文根据中小型油库发油系统控制管理发展现状,针对中小型油库发油系统 中所存在的问题,设计了中小型油库自动化发油系统,编写了上位机监控软 件和下位机 PLC 控制程序及管理软件。 在中小型油库发油系统的设计和开发中我主要完成了下面的工作:

(1)根据该项目设计的要求:对系统进行了总体设计。构建了以通用 PC 机 为上位机,可编程序控制器(S7-200PLC)为下位机的控制系统。

(2)控制软件编程:控制软件采用自适应设计,使系统的稳定性发挥到最佳 状态。采用提前量自整定的控制算法并编写了 PLC 程序,实现了提高了发油精 度的设计目标。

(3)组态软件设计:利用组态软件实现上位机对系统的组态控制。

由于时间有限,本课题难免存在一些不足,需在以后的研究中进一步完善。 后续工作应集中在以下几方面:

(1)本系统设计主要是针对中小型油库而设计的,总的发油鹤位小于十个, 如果油库的规模再大些,可以采用 S7-300PLC 作控制主站,S7-200PLC 通过 PROFIBUS 现场总线挂接在 S7-300 上作为控制从站,形成 PROFIBUS 现场总线 结构,系统的适应能力会更强大。

(2)为了加强系统的可靠性,如果条件允许,还可以增加双设备冗余或双 机热备功能。

(3)在原有控制程序的算法上加入人工智能方法(专家系统、模糊逻辑、神 经网络),实现智能控制,从而提高控制系统的性能。

6 技术经济分析

本文是针对中小型油库设计的。设计的对象是自动发油系统;设计的目的是在日益激烈的国际市场竞争面前,提高油库效率,加快周转,加强安全管理,减少人为差错,增强竟争力和提升企业形象。信息化、自动化、规范化是油库发展的必然趋势。

以PLC为控制器投资比较大。一台西门子S7-200的PLC加上扩展模块售价为5000元;油泵每台2500元以内;电动机每台2000元,总投资为23000元。它比DCS系统和以太网系统要贵一些,但是,它以良好的人机界面、发油的稳定性和兼容性为以后的维修和长时间的使用打下了基础,后期的维修费用大大降低了。

致谢

本论文是老师的悉心指导下完成的,在课题进展的全过程中,宋老师精心指导,严格要求,可以说自己每一步的前进都是与老师的指导分不开的。 宋老师学识渊博、治学严谨,具有丰富的实际科研项目经验。宋老师待人热情,从不以长者自居,他是学生的良师益友。总而言之,无论是在做学问还是在做人方面,宋老师为我树立了榜样,指明了方向。

本论文之所以能顺利完成,还要感谢同学们的热心帮助,我还要向自己的父母、亲戚和朋友表示感激,感谢他们的全力支持和鼓励。最后,我再一次向曾经支持和帮助过我的老师、同学表示衷心 的感谢!

参考文献

[1] 司马冰.石油化工信息化现状和发展趋势.数字化工.2004,(12):1~4

[2] 王常力,罗安.分布式控制系统(DCS)设计与应用实例.电子工业出版社,2004:22~39

[3] 郑晟,巩建平,张学.现代可编程控制器原理与应用.科学出版社,2002:10~22

[4] SIMATIC S7-200 可编程控制器系统手册.2002.4

[5] 周万珍,高鸿斌.PLC 分析与设计应用.电子工业出版社,2004:141~173

[6] 彭向军.基于现场环境的部队油库综合业务信息管理平台的设计与实现.中国科技大学硕士论文.2001:43~54

[7] 王金龙.浅谈油库防爆电磁阀的选用.石油商技.2000,(2): 40~41

[8] 高东华.新旧国家标准《石油计量表》与微机自动发油系统之分析.石油库与加油站.2000,(5):32~34

[9] 赵翔,李着信,税爱社.自动罐装系统电液控制阀恒流调控软件包.油气储运.1997,(3):30~33

[10] 曾茹,相军,丁清一.周灌中.黄岛油库自动化控制系统.石油规划设计.2002 ,13(4) :33~34

[11] Non--v olatile memory Products data book MicrochiP Techn01ogy Inc 1997

控制软件设计论文范文第3篇

【关键词】自动控制；故障注入设备；设计

自动控制故障注入是对产品进行检测实验以及验证容错系统的技术手段之一。利用故障注入这一形式，设备检测实验能在UUT（被验证单元）进行机内测试功能的诊断以及外部测试功能诊断的验证。在科学技术不断进步发展的背景下，自动控制故障注入这一技术已经全面代替传统的手工的故障注入技术。在验证容错系统的过程中，故障注入能客观评价整个系统的容错能力。当前从验证对象不同的技术状态进行划分，可将故障注入这一技术分为两大类型：一是应用到成品中的技术，一是在产品模型或者产品开发设计状态中的技术。

当前故障输入技术能有验证对象进行紧密的联系，但是无法直接在电子成品设备中进行验证，所以，自动控制故障注入设备的设计与实现成了该领域的重点以及难点。

一、自动控制故障注入设备结构设计

1.自动控制故障注入设备结构研究

自动控制故障注入设备包含了多个模块，各个不同的模块功能各有特点。

数字控制的主要功能在于对软件发出的命令进行接收，形成对应的控制信息；控制软件能对故障注入设备的相关数值进行设定、控制，外界测试器测试出的结论将向控制软件进行反馈，做出故障结果的分析以及处理动作；驱动放大模块主要功能在于放大控制信号，驱动加强信号的接收以及切换模块，驱动故障控制模块；注入设备的信号接收模块功能在于提供UUT信号接收线口，在还未进行故障注入时保证UUT能够进行正常的工作，所谓接口适配器能将故障注入设备与UUT进行匹配以及连接，类型各异的UUT适用于不同的接口适配器类型，以此来提高故障注入的实用性能；另外，注入设备的信号接入总线主要是利用接口适配器，将UUT的信号线与故障注入设备进行连接，免于在大量故障接入过程中再重新进行连线，最终保证注入故障的实用性以及操作便利。

该注入设备结构还包括以下部分：故障注入总线主要是用来进行故障注入操作；信号切换模块以及注入模块主要以故障注入要求为前提，将相对的信号与总线发出的信号进行切换；故障注入能对不同类型的故障注入进行操作，显示模块会将与总线进行连接的信号注入至总线信号通道，在通道上完成故障类型的设置。

2.自动控制注入设备设计工作原理

在自控注入设备设计与实现过程中，主要工作原理在于利用设备控制软件实现故障参数的注入，通过数字控制设计模块，控制软件形成信息被解析成为控制信号，利用驱动放大模块来将信号进行放大，利用驱动控制接收模块、故障注入模块等运作，最终实现故障的自动注入以及撤销。

设计故障注入设备的重点在于实对设备的实用性能、通用性能及完整性能做充分考虑。在通用性设计中，UUT与接口适配器注入设备分离，可对UUT进行信号处理时了使用耐大电压的电流器件，将UUT的信号兼容能力进行提升。在操作性能的设计中，将接口适配器所需要的UUT信号一次性与故障输入设备进行连接，利用显示模块对控制指令进行确认，保证指令的正确执行，如此便于进行多种复杂的软件操作。在设备完整性设计方面，故障注入相关模块进行了保护性相关安排，能够免于物理性质损坏UUT相关的电子元件。在注入设备的拓展性方面，信号拓展接口以及信号切换对应模块在接入信号时实现了能力拓展，而故障注入模块则直接开拓了故障注入能力。

二、注入设备重点模块设计

1.输入设备故障注入模块设计

故障注入模块包括多种故障类型：错误信号、短路信号、串联电阻、固高信号以及信号与电阻产生地面搭接等。

信号串联电阻的主要原理图如上。在必要的条件下，可对电阻进行多个组合完成阻值的匹配，阻值选择主要通过驱动大模块以及数字控制模块进行确定，利用K1、K2完成操作，再将电阻与对应的故障注入总线进行串联。

2.控制软件的设计

故障注入自动控制软件的运用原理主要是：在注入设备参数得以建立之后，利用自动控制使用界面产生和形成了注入参数值，产生同UUT的故障参数相关的数据文件，形成UUT不相关的控制数值等，向UUT注入故障注入设备的故障信息，在此基础上对相关的信息以及最终的注入效果进行结果的收集，产生输出数据的形式文件，便于进行分析。

3.自动控制故障注入设备的实现

在设计故障注入设备的前提条件之上实现自控故障注入设备，这一故障设备总共含有了四十多条信号通道接收总线以及三条故障注入总线。在注入设备控制软件设计中，在WINDOW平台上进行操作，利用BASIC语言进行编写，设备采用110v额定电压以及1A额定电流类型继电器，注入设备的数字控制模块利用PCI插件版。

在对设计的故障输入设备进行注入实验过程中，主要的故障注入部位是注入设备内的串行通信线，这一总线设计具有对应的设备接口适配器，利用数字化的波形采集器采集故障波形信息，累计注入68个故障。

三、结语

自动控制故障注入设备在进行故障注入设备性能实验中占有重要地位和作用，当前须根据实际的故障注入要求，在坚持故障注入设备扩展性、实用性、操作性以及无破坏性基础上进行自动控制技术的设计以及研究，通过系列的实验对注入设备实际效果进行验证。另外，注入设备之间含有可插拔的连线，其电流以及信号电压保持在中、低取值范围，但是这一故障注入设备包含的故障类型仍然不全面，在日后的设计中仍需要加强和完善。

参考文献

[1]赵阳.总线故障注入器的研究与设计[J].计算机工程与设计，2012，33（1）.

[2]徐建军，谭庆平，李建立，李剑明.一种基于格式化标签的可扩展控制流检测方法[J].计算机研究与发展，2011，48（4）.

控制软件设计论文范文第4篇

关键词：Stm32；ModbusRTU；μCOS-II移植

密集架是自动化仓储领域具有代表性的一类系统。它由一个固定列和多个移动列组成，通常架体之间紧密排列，不预留任何通道；工作时通过PC机或固定列的人机交互界面打开指定的存取通道。这种“常态闭合，用时打开”的特点，使得密集架系统能够节省很大的仓储空间，同时具备较高的安全性。

密集架系统的核心是控制软件及通信协议。由于系统中移动列数目的不确定，使得固定列和移动列之间的通信复杂度大幅提升，传统的基于中断响应、前后台架构的控制软件设计方式，已经很难满足系统在可靠性、扩展性、开发效率以及模块化结构等方面的要求。引入嵌入式实时多任务操作系统和高效的通讯协议，就成为提高密集架系统整体性能的关键因素。

本文提出了基于多任务实时操作系统μCOS-II和ModbusRTU协议的密集架控制软件的设计方法。软件采用基于ModBusRTU协议的“主从式”通信架构，并利用操作系统特性，将功能模块划分为多个任务，由系统调度执行。经过实验测试，这种设计方法大大提升了密集架系统的稳定性及程序的开发效率。

1 密集架系统工作原理

密集架系统通常由一个固定列和若干个移动列组成，固定列和移动列由嵌入式控制器控制，其结构如图1所示。

在密集架系统中，固定列作为核心，主要完成以下任务：

⑴与PC上位机通信，处理下发的控制指令并反馈系统运行状态和传感器信息；

⑵与本列的人机交互单元通信，处理下发的控制指令并反馈系统运行状态和传感器信息；

⑶与所有的移动列通信，实时查询各个移动列状态并下发控制指令。

移动列作为实际运行的机构，需要处理以下任务：

⑴与本列的人机交互单元通信，接收控制指令并反馈运行状态；

⑵处理固定列下发的查询指令和控制指令；执行相应控制动作，反馈运行状态和传感器信息。

由此可以看出，密集架系统控制软件的核心，在于确保固定列和移动列通信稳定的基础上，协调好来自上位机、人机交互单元和各个嵌入式控制器的控制指令和任务，保证系统能够及时高效的响应控制动作。

基于此，在密集架控制软件的设计上，论文采用具有很强的实时性、较为完备的任务调度功能及稳定的通信管理机制的μCOS-II实时操作系统；并基于ModbusRTU协议构建了软件的通信框架。

2 μCOS-II操作系统移植

本文移植μCOS-II实时操作系统针对的是基于STM32F103R8T6 ARM芯片的硬件平台，需要完成与CPU相关和硬件相关的内容的修改。

2.1 移植CPU相关内容

和CPU相关内容的移植，主要是利用CPU的定时器给操作系统提供时钟。

μCOS-II为了处理任务延时和调度等一些时间相关任务，需要由CPU的硬件定时器产生一个毫秒（ms）级的周期性中断来提供一个系统时钟。最小时钟单位就是两次中断之间的时间，称为时钟节拍（Time Tick），考虑到CPU的执行效率，本系统选择10ms的时钟节拍。

Stm32F103R8T6中，μCOS-II时钟由“滴答时钟”的中断提供：

void SysTick_Handler（void）

{

OSIntEnter（）；//进入中断服务函数

OSTimeTick（）；//调用时钟节拍服务函数

OSIntExit（）；//退出中断服务函数

}

2.2 移植硬件相关内容

（1）OS_CPU.C中的OSTaskInit（），它是任务的堆栈初始化代码，在创建任务时必须成功调用这个函数，否则会导致系统崩溃。

（2）OS_CPU.H中主要包含三个重要的函数定义，分别是：

・OS_ENTER_CRITICAL（）：进入临界区函数，负责关中断及保存全局中断标志位；

・OS_EXIT_CRITICAL（）：退出临界区函数，负责恢复全局中断标志位，和OS_ENTER_CRITICAL（）函数成对使用，两个函数之间的代码称为“临界段”。进入临界保护函数时中断关闭，临界段在运行期间不受中断干扰，临界段代码执行完毕，由OS_EXIT_CRITICAL（）函数解除中断屏蔽；

・OS_TASK_SW（）：任务级任务切换函数，负责完成任务的正常切换，由任务级调度器OSSched（）调用。

（3）OS_CPU_A.ASM是μCOS-II唯一的汇编文件，这个文件主要涉及到任务切换、启动优先级最高的任务、中断开关等函数。

・μCOS-II启动多任务的函数是OSStart（），用户在调用该函数之前至少需要创建一个任务。在执行OSStart（）函数时，将调用OSStartHighRdy（）运行多任启动前优先级最高的任务，使得系统整个得以运转。

・OSCtxSw（）是任务级的上下文切换函数，它被OS_CPU.H中的OS_TASK_SW（）所调用；OSIntCtxSw（）是中断级的任务切换，它被OSIntExit（）调用，在μCOS-II运行完中断服务程序之后完成中断级任务调度。

・OS_CPU_SR_Save（）、OS_CPU_SR_Restore（）分别被OS_ENTER_CRITICAL（）和OS_EXIT_CRITICAL（）调用，主要负责屏蔽中断和恢复中断。

在移植过程中，根据用户的实际需要，可以对配置文件OS_CFG.H进行修改，从而实现μCOS-II内核的剪裁。

3 基于μCOS-II和Modbus RTU协议的控制软件设计

根据密集架控制软件的设计架构，固定列控制软件所面临的数据通信处理的复杂程度远超移动列，且固定列ModbusRTU协议实现机理和移动列完全相同，主要的应用程序也涵盖了移动列应用程序的主要设计思想。因此，本文仅以固定列为样例，来介绍基于μCOS-II和Modbus RTU协议的控制软件设计。

3.1 Modbus RTU协议

在密集架系统中，使用“一主多从”的Modbus RTU通信模式，其中固定列作为主设备，移动列作为拥有唯一地址的从设备。固定列和移动列之间可以进行通信，而移动列之间则不能通信。通信的具体流程为：

⑴固定列以中断方式接收本列人机交互界面和上位机发送的功能码为06的控制帧；

⑵固定列以固定时间间隔依次向各移动列发送功能码为03的查询帧；

⑶收到查询帧的移动列向固定列反馈当前状态信息，包括：本列运行状态、本列人机交互界面下发的控制指令、本列传感器信息；

⑷固定列综合系统当前状态和控制指令要求，确定控制逻辑，并向相应移动列发送功能码为06的控制帧；

⑸收到控制帧的移动列根据指令要求完成控制动作。

3.2 基于μCOS-II的多任务机制设计

⑴用户任务：完成来自上位机、人机交互界面和移动列各种通信数据的综合解析工作，是控制指令得以正确实现的关键任务。

⑵RS232通信任务：负责和本列人机交互界面的通信工作，任务初始化后始终保持等待信号量状态。主芯片的串口中断实时接收触摸屏命令，当接收到完整的数据帧后，调用OSSemPost（）函数发送信号量，通知RS232通信任务激活ModbusRTU协议解析任务，并根据解析出的控制指令反馈响应信息或者保存按键命令。

⑶RS485通信任务：和RS232通信任务类似，它由对应的RS485接收函数调用OSSemPost（）函数激活，负责和各个移动列之间的信息交互，是密集架网络稳定运行的核心任务。移动列数目较多，通信非常复杂，为了保证控制指令的实时性，必须将RS485通信任务的优先级设为所有任务的最高级。它的主要工作是：解析并保存“轮询”到的移动列状态信息、传感器信息、按键信息，等待用户任务的使用。

⑷网络通信任务：由对应的网络接收函数调用OSSemPost（）函数激活，主要负责和PC上位机之间的信息交互，使得用户可以借助网络实现远程控制密集架系统。

⑸ModbusRTU协议解析任务：该任务由以上三个数据通信任务中的任意一个激活，它的主要工作是：根据ModbusRTU数据帧规范，解析及保存固定列和上位机、固定列和移动列之间传输的数据帧。

ModbusRTU协议规定数据帧之间的间隔至少是3.5个字符，而Stm32F103R8T6的串口不具备超时中断。因此，采用基于定时器中断的串口数据接收方法以确定ModbusRTU数据帧是否传输完成。

ModbusRTU数据帧在串口传输过程中，字符与字符之间的数据间隔很短，如果串口接收数据过程，出现较长时间接收不到数据的情况，则说明当前ModbusRTU数据帧已经传输完毕，后面再有新的数据接收，则作为下一帧ModbusRTU数据帧处理。本文正是利用ModbusRTU协议的这种特性，借助定时器中断来实现ModbusRTU完整数据帧的判断的，串口中断接收到第一个字节的数据后，启动定时器，定时时间设为3.5个字符的串口传输时间（根据波特率进行计算）。若在定时时间未到时，收到下一字节，则保存到同一数据帧；若定时时间已到，仍然没有收到新的数据，则触发定时器中断，通知对应的通信处理任务已接收到完整数据帧，可以进行相关数据处理。相关软件流程见图2：

μCOS-II是抢占式内核，它按照任务优先级的高低对任务进行调度，因此任务优先级的合理设置，对于密集架这种实时性要求较高的控制软件来说尤为重要。在该软件系统中，各任务的优先级由高到低依次为：RS485通信任务、RS232通信任务、网络通信任务、用户任务。

综合多任务机制的控制软件主流程结构图如图3所示。

4 结束语

本文探讨了一种密集架控制软件的设计方法，软件基于ModbusRTU协议建立固定列和移动列的通信，并利用了μCOS-II操作系统的多任务机制来合理安排密集架软件各个功能模块的执行和协调。基于该架构的控制软件，已经应用于一套固定列+17列移动列的复杂密集架系统。实践表明，软件运行稳定可靠，系统对控制指令响应及时，有效保证了密集架系统的稳定性。

[参考文献]

[1]任哲.嵌入式实时操作系统μCOS-II原理及应用（第一版）[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005年.

[2]意法半导体技术支持：STM32F103xxx参考手册.2010.

[3]意法半导体技术支持：Cotrex-M3权威指南.2007.

控制软件设计论文范文第5篇

【关键词】扬水系统;过零检测;TMPPT跟踪

1.引言

光伏水泵亦称太阳能水泵，主要由水泵和光伏扬水逆变器组成。具体应用时，再根据日用水量和不同扬程量的需求配以相应功率的光伏阵列，统称为光伏扬水系统。光伏水泵利用清洁无污染、取之不尽用之不竭的太阳能资源，日出而作，日落而歇，无需电网、无需柴油、无需人员看管，可与渗灌、喷灌、滴灌等灌溉设施配套应用。节水节能，可大幅降低使用化石能源电力的投入成本。是全球“能源问题”、“粮食问题”综合系统解决方案的新能源、新技术应用产品。

本文设计了一种自动的新型的光伏扬水系统，该系统的驱动电机是采用直流无刷电机，系统选用MicroChip公司所生产的PIC16F877作为光伏水泵系统的主控芯片，对系统硬件和控制软件进行设计，实现直流无刷电机的反电势过零检测，同时实现光伏阵列点的TMPPT跟踪、系统无人监控和故障检测等功能。

2.系统硬件设计

2.1 系统构成

光伏水泵系统的结构如图1所示，系统主要包括四个部分：太阳电池阵列、控制器、电机和水泵。 系统利用光伏阵列将太阳能直接转变成电能。经过DC/DC升压后然后经过具有TMPPT功能的变频器输出三相交流电压，从而驱动电机和水泵负载，完成向水塔储水功能。

图1 系统结构图

2.2 系统总体结构及硬件构成

本文所设计的系统总体结构如图2所示，光伏电池阵列的输出端与Boost相接，单片机集光伏阵列母线的电压值和电流值从而做出是否欠压过流的判断，采集到的数据如果符合条件，微控制器将根据MPPT算法改变电压的增量移动方向从而调整PWM信号的占空比。通过调整占空比来驱动DC-DC电路的功率管导通，这一部分完成了最大功率点跟踪控制。

三相逆变桥电路与最大功率点跟踪控制的输出端相连，IR2130组成功率驱动电路，单片机的PWM控制信号通过此驱动电路来控制六个开关管的导通与关断，使UVW三相交替导通使电机运转。电机运转期间不断地通过三相反电势过零检测电路检测转子位置，获得准确的换相信息。所设计的系统保护功能包括打干保护、低日照保护和过流保护。我们知道，根据直流无刷电机的运行原理通过由6只功率管组成的三相六状态电路的断开与导通可以控制电机的运转。而对光伏阵列最大功率点跟踪而言，则是通过改变DC-DC的占空比D来实现的。

图2 系统硬件结构框图

图3 系统主程序流程图

3.软件设计

在本光伏水泵系统中，选用单片机PIC16F877作为系统的主控芯片。系统的软件部分包括主程序和中断服务程序，主程序的任务主要是完成系统的初始化、A/D采样、读入用户设置、电机转速识别及转速异常保护、PI调节、MPPT或CVT功能等功能。主程序流程图如图3所示。

4.总结

论文经过理论设计及硬件制作完成了样机试制，该样机的设计采用单片机PIC16F877作为系统的主控芯片。系统采用“虚拟中性点法”，从而解决了无位置传感器的直流无刷电动机控制的关键问题即转子位置检测问题。本样机利用单片机所拥有的丰富的I/O口和A/D采样功能，采用调节PWM占空比调节电机的转速以实现最大功率跟踪功能。样机还完善了对系统的各种保护功能，提供各种监控功能，这提高了光伏扬水系统的可靠性和灵活性。在实验中，选用24V，30W的无位置传感器直流无刷电机，通过实验证明，直流无刷电机能够自动切换到自同步运行状态并实现了实现平稳的步进起动。通过实验，测量了电子换向逆变器的各种电压，电机运行性能良好。实验结果表明，该试制样机基本上达到设计目标，具有一定的应用价值。

参考文献

[1]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].化工工业出版社，2005.

[2] 刘德雨.著《水泵技术问答》[M].水利电力出版社出版，1983.08.

[3] Carlos Andres Giraldo― Casta eda，Lionel R. Orama ― Exclusa.Selective Hopping Maximum Power Point Tracking Method for PV Systems[J]，2008 IEEE Conference on Wednesday， 26 November 2008.

[4] Hermann B， Karl H， Kopf E， Lehner G， Saupe G，A PV Water Pumping system with Progressive Cavity Pump[J].Photovoltaic Solar Energy Conference，2006.6.

控制软件设计论文范文第6篇

关键词：毛巾剑杆织机；Cortex-M3；嵌入式实时操作系统

引言

剑杆毛巾织机以其灵活多变、适应性广、技术发展成熟而深受毛巾生产企业的青睐。当前剑杆毛巾织机逐步替代了老旧的有梭织机，成为了毛巾织造行业的主流设备。近年来，国产剑杆毛巾织机在市场需求的推动下得到了巨大的发展，但是遍布江浙地区的中小型剑杆毛巾织机生产企业的自主研发能力普遍还很弱，现有的剑杆毛巾织机产品大多数是在测绘国外中低档产品的基础上进行改进，高性能与新机型的研发能力以及自动控制系统的研发能力普遍不足，而市场竞争越来越激烈，需要不断更新和开发产品。因此，在完成机械部件设计的基础上，开发具有自主知识产权的高性能控制系统，逐渐成为国内中小型剑杆毛巾织机生产厂家关注的重点。

文章以剑杆毛巾织机样机（如图1所示）为控制对象，在分析毛巾织造工艺的基础上，提出了一套以ARM技术为核心的新型毛巾剑杆织机控制系统设计方案，并制作样机。文章的研究成果将在合作单位首先试用并进行产业化推广，有利于推动绍兴以及浙江地区中小型剑杆毛巾织机生产企业产品的升级换代，提高其市场竞争力。

图1 剑杆毛巾织机样机

1 硬件设计方案

设计的毛巾剑杆织机控制系统以ARM技术为核心，采用的主控芯片为LPC1766。硬件电路设计过程为：首先，根据控制系统的详细设计方案，完成电路原理图设计，并计算相关电路参数，采购电路元器件。其次，对关键电路模块进行功能仿真或制作实物电路论证电路设计的合理性与可靠性。最后，绘制电路PCB板图，重点考虑电路布局与电路板抗干扰性能。在拿到PCB样板后，焊接控制系统电路板。其核心电路如下所述：

1.1 主控制板硬件电路设计

主控制板硬件电路设计包括：LPC1766芯片供电模块、电源电路、数据存储模块、时钟电路、USB输入输出接口、19264液晶显示屏控制电路、掉电复位保护电路、剑杆毛巾织机运行状态信号量输入模块、起毛伺服控制器接口、键盘接口电路以及电子多臂龙头控制板、伺服电机连接控制板与8色选纬控制板的接口等电路模块的设计、验证与制作调试工作。其中液晶显示电路如图2所示。

1.2 卷取伺服电机连接控制板设计

卷取伺服电机连接控制板主要解决主控制板与卷取系统的伺服电机控制器之间的通信问题，具有独立的控制芯片STCF1104。该连接控制板与主控制板之间的通信采用RS232实现。卷取伺服电机连接控制板与伺服控制器之间需要实现伺服使能信号、伺服硬件异常报警信号、伺服系统定位完成、伺服电机旋转方向与脉冲数等信息的读取与设置。

2 控制系统软件设计

剑杆毛巾织机控制系统的软件将以实时嵌入式系统μC/OS-II与FAT32文件管理系统为平台进行开发。其设计流程如下：

（1）在控制系统方案设计：首先，进性详细的市场调研，分析市场上主流的剑杆织机控制系统（包括平布与毛巾织机）的功能特点，借鉴其好的设计思想，使其为我所用，并设法改进其不足之处，确保设计的剑杆毛巾织机控制系统符合当前的技术潮流，并具有自己的特色。其次，与合作单位的机械部件设计人员进行充分的交流，在深刻领会其整机设计思想、织机控制要求与控制系统制造成本要求后撰写剑杆毛巾织机控制系统用户需求分析报告与总体方案设计报告，并提交合作单位审核通过。确保项目研究成果能在合作单位使用推广，并被市场接受。

（2）控制系统详细设计：首先，详细分析毛巾织造工艺流程，理清剑杆毛巾织机控制信息点、研究织机动作时序，确立控制时间节点与控制信息间的逻辑关系。其次，根据用户需求分析报告，对总体方案进行细化，提出各个控制模块与相关控制算法的具体实现方案，并完成关键芯片与外购部件的选型工作。

（3）控制系统软件编写：首先，选择合适的软件开发工具，建立嵌入式系统开发环境，并完成嵌入式实时操作系统μC/OS-II与FAT32文件系统在LPC1766芯片上的移植工作。其次，理清控制系统所有控制信息之间的逻辑关系，编写控制系统软件流程图与状态向量图。再次，对控制系统软件进行模块划分，编写各个子函数的输入输出接口，并设计控制信息数据结构模型与控制算法。最后，项目组软件编写人员通过分工合作完成软件代码编写与调试。

（4）剑杆毛巾织机控制系统调试：在完成控制系统硬件电路制作与控制软件设计后进行系统软硬件联合调试，验证各项控制功能是否完备、织机动作流程控制是否合理、各个控制模块工作是否稳定。通过软硬件联合调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误。

（5）剑杆毛巾织机整机调试：在完成控制系统软硬件调试后，将剑杆毛巾织机控制系统安装到合作单位提供的样机上进行整机调试，验证剑杆毛巾织机的整机功能是否达到设计标准、能否正确合理完成毛巾布料制造全部工艺流程与安全性要求。通过整机调试，发现并修正控制方案、硬件电路、控制系统参数、软件设计中的缺陷与错误，使得设计开发的控制系统达到设计要求。

控制系统软件具体的开发流程如图3所示。

图3 控制系统软件设计开发流程图

3 结束语

设计完成的毛巾剑杆织机控制系统具有以下特点：（1）设计了电子送经、伺服卷取功能模块。由变频器、交流电机与接近式张力传感器组成的电子送经机构实现了毛巾织造过程中相对稳定的经纱张力控制，简化了机械结构，又具有成本优势。伺服卷取机构实现了变纬密织造、毛巾须长停车自走、定位停车后自动补偿消除停车挡等功能，并简化了机械零部件设计，如取消纬密齿等。（2）在不增加硬件设备情况下，设计了软件自动寻纬算法，能提高布面拼挡效果，而且将减轻挡车工的劳动强度与操作技能要求。（3）在起毛高度控制中，采用伺服电机控制起毛凸轮的转动角度，实现了毛巾织物起毛高度在设计范围内任意变化，能够实现波浪型花纹编织。（4）剑杆毛巾织机控制系统软件基于嵌入式实时操作系统μC/OS-II构建，改变了传统织机控制系统软件普遍采用的前后台模式，提高了控制系统的实时性，也有利于提高剑杆毛巾织造工艺。

参考文献

[1]代金友.剑杆织机的发展趋势与品种适应性[J].科技信息，2012（14）.

[2]陈明.新型剑杆织机的工作原理及设备性能分析[A].2009中国国际纤维纱线科技发展高层论坛暨第29届全国毛纺年会论文集[C].2009.

[3]朱海民，张森林.基于uC/OS和ARM的经纱张力嵌入式智能控制系统设计阴[J].机电工程，2006（4）.

[4]Goktepe，Bozkan.Study on reduction of air consumpfion on air-jet weaving machines[J].Textile Research Journal，2008（9）.

[5]冯岑.剑杆织机控制电路的数字化设计[D].苏州大学，2009.

控制软件设计论文范文第7篇

关键词： 智能小区；信息交互平台；研究与设计

中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）15-0188-02

1 概述

所谓智能小区指运用网络、自动控制等技术，经过有效的网络传输，建立的由小区物业综合管理中心与信息服务系统、安防系统、家庭智能系统组成的小区服务管理集成系统，实现用电信息自动采集、家电远程控制等功能。七彩俊园小区位于昆明白塔路308号，总占地面积303亩，建筑面积46万，共有7幢楼房及1幢小区物管办公楼和商铺，每一幢楼房都有32层，目前有780户住户。

2 智能小区信息交互平台需求分析

2.1 信息交互平台底层需求分析

2.1.1 硬件需求分析 通过管理自动化系统、通信自动化系统、安全自动化系统的有效运行，物业管理者实现了快捷有效的管理，小区居民满足了多方面的需求。

2.1.2 软件需求分析 在软件方面，需要有下位机实现数据采集、通信管理和安全管理的功能。数据采集的流程是下位机在收到来自上位机的信号进行工作，在电表、水表、煤气表工作正常的前提下，下位机根据其编程向家庭特定设备发出指令信号，同时接收如电表、水表、煤气表等设备的反馈信号，互相传递数据，最后完成自动抄表、联动控制、安全防护、联网报警等特定任务。

2.2 信息交互平台第二层需求分析 综合布线系统完成数据传递，过程为：①小区业主用户通过应用程序向个人电脑发出指令；②电信号在综合布线系统中被传递到信息交互平台服务中心。

2.3 信息交互平台第三层需求分析 要使整个智能化系统得以全面运转，有效实现各项功能，必须要有一个控制中心来全面控制和管理各种设备，有一个数据接收汇总中心来进行数据管理，有一个控制管理中心来实现管理。

3 智能小区信息交互平台系统设计

3.1 系统整体设计 七彩俊园智能小区信息交互平台整体上包括三层结构：第一层由管理自动化系统、通信自动化系统、安全自动化系统三部分组成；第二层是以小区计算机网络为主的“综合布线系统”；第三层是信息交互平台的“服务中心”。

3.2 管理自动化系统设计 对信息交互平台最底层的系统整体来说是以STC8052为核心的核心控制设备，通过服务器将数据库信息、用户输入和控制信息、设备状态等在网页中显示，达到对数据信息的自动化管理和设计。

3.2.1 硬件设计 核心控制设备取名为：家庭智能管理器（FIM： Family Intelligent Manager），是自行设计的，可以实现安防报警、家用电器状态管理、远程控制等多种功能①。

3.2.2 软件设计 信息交互平台最底层的控制软件是实现对小区住户安防报警、家用电器状态管理、智能抄表等功能的软件平台。

3.2.2.1 家庭智能管理器（FIM） 家庭智能管理器（FIM）是中心控制计算机通过与家庭智能管理器（FIM）进行数据交换。

3.2.2.2 主控单片机系统软件设计 主控单片机系统的软件设计上使用的是实时操作系统，运用RTX51 Tiny版操作系统，系统具备实时过程控制和信息处理能力。

3.2.3 系统子模块设计

3.2.3.1 家用电器状态管理系统 通过远距离遥控和居家实时控制来实现，利用中心机房的控制软件远程控制室内电器的定时开关。

3.2.3.2 智能三表系统 智能表的集抄系统组网原理是：水表、电表、气表通过RS232长线驱动器将信息传输给服务中心计算机。

3.3 综合布线系统设计

3.3.1 小区计算机网络的设计 根据对七彩俊园智能小区的网络需求分析设计出网络拓扑结构如图1。

图1中用路由器作为整个小区的互联网接入设备，七栋楼每一栋都设置一个楼栋交换机，在接入层中用一台主机来代替业主用户电脑。

利用网络模拟软件Cisco Packet Tracer来模拟整个网络，所有配置命令和协议都在模拟器上一步一步真实完成，结果如图2所示。

3.3.2 综合布线的设计 主要考虑以下几个方面的内容：①选取著名布线厂商的解决方案。②根据实际情况，布线系统分为高速数据传输和语音传输两个部分。③为了远程网络建设，在七楼管理机房与三楼电话机房之间设置两条25对五类主干。④为了节省空间，体现整线功能，数据部分的配线架将采用PM型模块式配线架。

七彩俊园智能小区的综合布线系统在设计实施时，在各幢楼公共区域和楼层管理间预留了足够的信息点。骨干链路采用双线冗余，所用线缆带宽也能够满足要求。

3.4 信息交互平台服务中心设计

3.4.1 硬件设计 智能小区信息交互平台服务中心承担着管理服务、沟通协调、决策、实际操作等功能，是信息交互平台的重要保障。在服务中心系统中，除了主要通信设备外，还包括管理控制系统软件、预警监控系统软件、电话控制软件和网站控制软件等。

3.4.2 软件设计 对应最底层的家庭智能管理器，该设备的管理软件就是家庭智能管理器的上位机软件，上位机软件处理流程为：系统开始后，查找到下位机，进行初始化，通过数据库交换信息，实现对数据、用户和房产的管理，然后自动分析、统计和存储数据，实现家庭智能管理。

3.4.2.1 数据字典设计 本系统设计采用SQL Server2005，数据库要用的表，例如预警监控，主要是用来实时监控小区预警状态。

3.4.2.2 串行通信的实现 在本系统中，PC通过串口通信下传指令到家庭智能管理器，家庭智能管理器收到指令后根据指令运行相应子程序，利用MSComm实现全部的串口通信功能。（MSComm――Microsoft Communication Control②，是VB6.0提供的一个ActiveX控件）

3.4.2.3人机界面设计 ①新住户的添加。添加住户的时候，要填写一些基本资料：分组、户主姓名、电话号码、身份证号码、房间位置、网卡号码、房屋位置等基本信息。②户内设备配置。户内设备端口配置是根据住户家庭智能管理器端口接线分配记录相应报警类别，以便做出正常报警处理。③住户资料查询。管理员可以根据住户的相关信息查阅完整资料。④读、写计量表。管理员先确定抄表的住户（房屋位置）、抄表种类，然后发送读表指令。⑤家用电器状态管理中心。主要是通过住户资格验证、登录，成功登录后系统将自动调出该住户可控家电的信息。⑥实时监测。系统在不间断运行过程中实时监测小区内个住户的家庭安全状况。⑦数据备份。数据库备份是专门由系统管理员权限才能操作。

4 总结与展望

本文从智能小区信息交互平台的实用功能入手，通过对小区计算机网络、信息交互平台服务中心、计算机技术应用、智能小区信息交互平台中各层功能等几方面的设计和实现，提出了建立智能化小区信息交互平台的可行性建议，达到提高居民生活质量的目的。未来，互联网、物联网、云计算机平台三方通过互相连接构成应用系统，保持整个网络的正常运行，互联网实现了人与人之间的互联，物联网实现了人与人、人与物、物与物之间的互联，因此，未来应考虑如何将云技术和互联网技术更多地应用到智能小区设计与实现中，不断推进智能化小区的建设，让智能化小区更智能。

注释：

①参见熊江.数字信息家电和智能家居系统的产业化研究[M].电脑知识与技术（学术交流），2007.

②参见（美）Steven Holzner. Visual Basic 6.0 技术内幕[M].机械工业出版社，1999.

参考文献：

[1]张基温.计算机网络技术[M].高等教育出版社，2004.

[2]吴功宜，曹勇，徐敬东，周乐，刘瑞挺.智能局域网体系结构研究[M].南开大学学报（自然科学版），2006.

[3]张宝星，梁郁鑫.智能小区系统集成设计实例[M].平顶山工学院学报，2006，（02）.

[4]熊江.数字信息家电和智能家居系统的产业化研究[M].电脑知识与技术（学术交流），2007.

[5]禹禄君.网络综合布线介质的主流――光纤[N].长沙通信职业学院学报，2008，（01）.

[6]康华光.电子技术基础[M].高等教育出版社，2010.

控制软件设计论文范文第8篇

关键词：高度集成 便携 操作方便

1 概述

本论文基于目前大多数会议系统的应用标准对快速架设及便携性技术进行了研究，并提出了相关的优化方法。为了对技术细节的深入探讨作铺垫，先简要介绍一下目前会议系统技的应用。系统连接线缆比较复杂，设备安装零乱，控制不方便等。

2 便携指挥所总体设计

便携式指挥所系统可遂行应急指挥任务，到达现场后可建立起临时指挥所，实现现场指挥及办公，搭配便携式通信箱，可以实现包括：音、视频信息，数据的双向传输和通信联络，实现现场指挥调度、远程指挥调度、视频会议、专网接入和公网接入等功能，为应急指挥和信息上报提供有力保障。系统具有很强的便携性，可以形成机动迅速、开设快捷、组网灵活的保障能力。

2.1 总体技术要求 ①完备的指挥所功能：便携式指挥系统可作为独立的区域指挥中心，支持各类监控信息接入，采用本地会议模式，完成第一时间内的决策、指挥、调度。毕竟，在应急环境下“抢时间”是第一要务。系统也可作为全地域指挥系统的关键节点，支持信息的上传下达，采用视频会商+本地指挥的模式，实现应急指挥的全地域无缝覆盖。②便携性：整个系统的全部设备撤收合装后，可集成在三个便携式箱体内，分别是主控分机箱、两个音视频分机箱和终端分机构成。③操作简单、可靠性高、维修性好：系统采用板卡级设计，接头均为航空插头；操作模式多样，既有硬件控制，也有软件控制，硬件控制按钮全部集成在主控分机的上面板位置，软件控制具备有一键操作模式，便于使用。系统在3人操作情况下展开和撤收的时间均可控制在15分钟内。④经济实用：系统可作为日常人防机构的办公常设设备，应急时可作为指挥中心，设备使用率高，避免了设备长期不用带来的老化和操作问题。降低了对载车的依赖，即降低了成本，也提高了产品的适应性。⑤环境条件：温度条件：工作温度0～55℃，存储温度-20～-55℃。相对湿度：30℃ 95±3％。

2.2　主要功能 整个系统具备以下几大功能：①音视频处理：多路音视频信号接入处理、四画面切换输出、计算机信号处理、音视频记录回放。②视频会议：建立分会场、与主会场召开视频会议。③屏幕显示：字幕显示、音视频播放。④网络及通讯功能：3个物理隔离的计算机网络、小型集团电话、800M数字集群。⑤软件控制功能：集成式设备控制软件、具有一键式操作。

3 系统方案设计

固定指挥所系统是城市应急救援的固定应急指挥平台，担负着通信、指挥、协调等任务，与机动指挥所和应急救援指挥中心构成应急指挥体系。但是固定指挥所开设不够便捷，设备可能长期处于潮湿环境，以及设备不能够得到有效使用，都形成了固定指挥所在使用中的不便。便携式指挥所正是基于上述固定指挥所的特点，针对用户对小型、超机动指挥中心的需要，提出总体架构设想并进行设计。整个系统采用便携式箱体设计，实现日常会议、音视频处理，三网接入，部署常用办公软件，实现视频会议等功能。本系统方案的设计思想可以分为硬件和软件两个部分。

系统硬件设计思想：硬件应采用模块化、标准化结构，便于容量扩充和引入新的硬件模块，容纳新业务和新技术。

3.1　硬件子系统 此系统组成分为三部分，分别是主控分机、终端交换分机和音视频分机。

3.2　主控分机 主控分机集成独立的数字集群、计算机控制、数字音视频会议、集团电话、音视频的记录、存储和刻录。主控分机是整个系统的通讯以及控制的核心，其内部集成串口服务器并配合本机串口，提供9个串口控制功能，用以对调音台、音视频矩阵、LED显示屏进行中央控制。

系统采用一体化设备集成箱实现，使用分层方式设计，能够实现指挥控制的各项业务功能。平台以统一的结构化设计和技术标准将会议、通讯、音视频处理等所有资源整合在便携式指挥系统中。音视频矩阵与硬盘录像机相连，可实现音视频数据的编解码、压缩、存储等功能；视频分配器、四画面处理器可实现画面分割切换处理；系统通过各种接口、三网独立交换机、无线网关和视频会议终端可与固定指挥中心的会议指挥系统等实现对接。

3.3　音视频、终端交换分机 通过音视频分机的LED屏显示，时间、会标、气象信息等，并对会场的视频信息进行采集。集成了两个功放，以应对本系统的音频输出的需要。音视频分机在结构设计上也体现了便携式的特点，其内部从物理结构上进行了模块化设计，可以将我们的一些外设进行存放，节省了储存空间，从而更好的达到便携式设计的目的，会场声音进行播放。

终端交换分机提供电脑VGA信号、数字话筒接口、电话、网络、电源等接口进行交换处理。主要是对外部输入信号进行中心交换，以达到和主控分机通讯的目的。

终端交换分机可以进行任意级联，并都处于同一物理位置层，与主控分机可以进行并行交换，从而达到了本系统的任意扩展性。

3.4　接口扩展设计 本系统具有接口扩展设计，能够很好的将便携式卫星通信、3G无线技术、微波图像传输系统等接口进行兼容。

3.5　集中控制软件 本系统软件采用VC6.0IDE集成环境进行通讯部分的功能开发，采用flash as3.0语言进行前台界面开发。通过集中控制软件可实现系统全部功能的控制，并针对用户需要开发了两个一键式集成控制功能，分别实现本地会议模式和远程视频会商模式。系统软件设计思想：①软件采用分层的模块化结构设计，模块之间的通信按规定接口进行。任何一层的任何一个模块的维护和更新以及新模块的追加都不应影响其他模块。②系统参数、用户数据与处理程序应有相对的独立性。③系统平台具有良好的开放性，支持各种应有的接入，提供多种接入方式。

4　结构设计

整套系统采用高度精密集成化功能设计，有效降低了设备体积。贴近实战的结构设计：在满足功能需求的同时，当设备清单中的全部设备撤收合装后，成为三个便携式箱体。

5　总结

便携式指挥所的设计，较好地解决了困扰指挥所在建设推进中碰到的困惑和疑虑。街道乡镇指挥所通信与信息系统能否与区县应急指挥体系实现互联互通。街道乡镇指挥工程通常硬件都比较简陋，通风除湿条件差，又缺少专门的使用维护管理人员，指挥通信与信息系统建成后的管理矛盾十分突出。目前指挥通信与信息系统安装均采用固定模式，加上系统平时使用少，设备长年放在地下室容易因潮湿而发生故障，系统设备运行维护经费高且浪费大。该产品的设计，较好地解决了上述这些问题，平时不使用时，可存放在地面条件较好的房间内，一旦需要使用，3人即可将设备搬到指定的指挥位置，15分钟内即可开通。平时也可作为街道乡镇对区县政府的会议视频系统使用或会议室扩音、投影系统使用。

参考文献：

[1]李健.我国第四方物流的发展模式研究[J].价值工程.2011-05-08.

[2]岳健，王蕴岭，段学习，李红超.基于MSP4250IDL的便携式数字气压计[J].中小企业管理与科技(下旬刊).2012-04-25.

控制软件设计论文范文第9篇

[关键词] 嵌入式系统； ERFRS算法； 实时数据存储

引言

RENESAS单片机以其高性能和高可靠性在嵌入式系统的应用领域占据着高端市场的最大份额。矿井材料试验系统在基础工业的应用中具有极其重要的作用。材料试验结果的准确性，试验设备的可靠性以及材料试验系统对不同试验要求的适应性是材料试验系统的基本要求。针对矿井材料试验系统的实际应用要求，论文提出了一种基于Renesas32位单片机（SH7137）的设计方案。

1 总体设计方案

1.1 系统总体结构

在本课题中，材料综合试验控制系统的控制系统主要由测量单元、直流伺服驱动单元、基于RENESAS的试验炉主控制器、微型计算机系统及配套的控制软件等组成。

材料综合试验控制系统的系统总体结构框图如图1所示。

1.2 系统组成单元的具体方案设计

系统由直流伺服驱动单元、测量单元、RENESAS主控制器、机械部分、上位机等五部分组成，各个部分的具体设计方案如下：

（1）直流伺服驱动单元：是控制系统的核心部分，由直流伺服驱动模块和专用伺服电源组成，其主要功能是将主控制器中RENESAS微处理器的命令“翻译”成相应的控制命令驱动直流电动机以设定的速度正转、反转、适时停转，从而控制可移动横梁的上升、下降、停止[1]。

（2）测量单元：系统测量包括负荷测量、变形测量和位移测量。

（3）RENESAS主控制器：是采用3 2 位RENESAS微处理器SH7137，扩展存储器模块，液晶显示器 （ LCD ）和键盘作为人机交互接口设备。

（4）机械部分： 试验炉的机械部分，主机负荷机架采用等强度的设计方法， 其工作台与横梁采用焊接梁结构。试验炉的执行部件动横梁在丝杠的驱动下做直线升降运动。

（5）试验炉温度控制：主要控制试验炉的温度。通过RENESAS或者上位机来发送命令来控制试验炉的温度，实现对试验炉的温度控制。

（6）上位机： 按软件工程理论分析材料综合试验控制系统的 控制功能的实现， 然后进行模块化、结构化的软件设计，目标是使软件具有人机界面友好、功能易扩充及易维护的优点[2]。

2 系统硬件设计

2.1 基于SH7137的系统主控制器设计

SH7137集成了32位RISC SH-2内核。SH7137系列最高工作频率为80 MHz，较瑞萨科技当前SH7047系列的50 MHz性能提高了1.6倍。SH7137的处理器体系结构如图2所示：

2.1.1 基于SH7137的硬件平台体系结构

系统主控制器的硬件平台采用模块化的设计思想，各个模块各自独立、自成体系。模块化设计，不仅增强了各个部分的可重用性，而且给后期的调试工作带来了很多方便。下面给出本课题基于SH7137的系统主控制器硬件平台体系结构设计图，如图2所示：

在下面的内容中，将对主控制器各个部分的功能原理和应用设计方法分模块逐一说明。

2.1.1 大容量数据存储模块

该系统采集时间比较长，数据量比较大选用SD卡存储。

SD卡支持SD和SPI两种传输模式，主机系统可以选择其中任意一种模式。SD模式允许4线的高速数据传输。SPI模式使用通用的SPI接口。这种模式相对于SD模式的不足之处是丧失了速度，但是却有着接口简单易于实现的优点。SD卡的SPI模式使得SD卡可以和市场上大部分微控制器进行通信。

由于RENESAS SH7137没有集成SD口，故我们只能用SPI模式。以下是SD卡的管脚描述表：

在 SPI 模式下，主机使用SPI 总线访问卡，由于SH7137集成SPI接口，所以使用MCU的SPI 接口访问卡是很方便的。微控制器在卡上电后的第1个复位命令就可以选择卡进入SPI 模式。

2.2 系统测量单元的硬件选型与电路设计

为了获得所需测量参数，需要系统测量单元来完成压力、变形及位移信号的采集等一系列的工作。在系统测量单元中，采用模拟双通道来分别对压力和变形信号进行精密测量，这两路模拟通道的设计结构基本上是一致的，如图3所示。

另外采用数字单通道编码器来间接测量动横梁的位移信号。

因此，该单元设计的主要任务是完成传感器、信号放大器以及模数转换器等器件的选型和传感器测量接口通道的设计，传感器测量接口通道的设计又具体包括信号调理电路和模数转换电路的设计。

2.2.1 传感器选型

本设计选择美国邦纳国际工程有限公司生产的增量式光电编码器（OPTCODER），型号为：BEH58-10S6N-2000，每秒2000个脉冲满足精度要求。其工作电压为10V-30VDC，最大消耗电流60mA，输出为NPN集电极开路。响应时间100khz，试验中用它来间接钡（量万能试验机动横梁的位移，也即试样的大变形。从上面所选传感器的主要技术指标可以看出，所选用的传感器从量程、输出的信号线性度等完全能够满足系统方案所提出的要求。

编码器的电气参数如表2所示：

A相和B相相位差90度，码盘每转过一个光栅单位，A相（B相）就输出一个脉冲，码盘每转一圈，Z相只输出一个脉冲。

A 相超前B相90度， 我们就可以知道编码器正转，B相超前A相90度， 我们就可以知道编码器反转。

2.2.2 信号调理电路

本课题选用了美国AD公司生产的低功耗集成仪表放大器AD623，它具有优良的直流特性和共模抑制比。该器件可取代分立的仪表放大器，且能提供很好的线性度、温度稳定性和可靠性。它可广泛应用于低功耗医疗仪器、传感器接口、工业过程控制及数据采集等领域。

2.2.3 数模转换电路

在本设计中，根据试验的要求，采用TI公司的ADS1252转换器。ADS1252转换器一改以往换器采样速度低的观念，其40k的采样速率以能够满足试验机中采样速度要求较高的场合。

ADS1252是一个高精度、宽动态范围的-Σ模/数转换器，具有24位分辨率、40k的采样速率，由单5V电源供电，可以完成一个通道的24位模/数转换。该芯片的设计使用比较简单，只要满足如图所示的管脚CLK（时钟信号）、SCLK（串行移位输出时钟信号）的工作时序，就能够完成模拟信号到24位数字信号的数据转换过程。一个转换周期期间，在DOUT时钟周期内，ADS1252的DOUT管脚就依次输出24位二进制转换结果[3]。

其数据转换周期时序如图5所示。

2.3 系统伺服驱动原理及RENESAS控制

本研究中，系统直流伺服驱动单元的设计是在实验室原有的直流伺服驱动装置的基础上，作进一步改造而来的。下面介绍系统直流伺服驱动单元的工作原理及其SH7137控制的实现。

2.3.1 伺服驱动单元的RENESAS控制

基于RENESAS SH7137的材料综合试验控制系统是集测量、控制、数据采集、显示、记录及实时运算处理技术于一体的智能化装置。本设计采用RENESAS微处理器SH7137实现数字控制，完成系统伺服电机的转速和电流反馈信号的检测及控制。

当选择计数器时钟时，必须通过TCR的TPSC2～TPSC0位选择计数器时钟，同时通过TCR的CKEG1、CKEG0位选择时钟的边沿。当选择计数器清除源时，必须通过TCR的CCLR2～CCLR0位，将TGR选择为TCNT的清除源。选择波形输出电平时，必须通过TIOR设定为输出比较寄存器，选择初始值和输出值。设定TGR时，必须给在选择计数器清除源时，选择的TGR设定周期，给其他的TGR设定占空比。设定PWM时，必须通过TMDR的MD3～MD0位选择PWM模式。在开始计数时，必须将TSTR的CST位置1，开始计数[4]。

PWM模式运行的情况如图6所示：

将TGRA 的比较匹配作为TCNT 的清除源，并将TGRA 的初始输出值和输出值置0、TGRB 的输出值置1。此时，设定在TGRA 的值为周期，设定在TGRB 的值为占空比。

3 系统软件结构设计

本节将围绕材料综合试验控制系统的软件结构设计，分析材料综合试验控制软件的总体结构，重点阐述本控制系统中RENESAS主控制器软件功能的实现。

3.1 软件总体结构设计

控制系统的功能是进行系统设计的关键，无论是硬件设计还是软件设计，都必须围绕试验控制系统的功能来实现，尤其是软件设计，控制软件功能模块的设计必须以试验控制的功能实现原理为依据。本控制软件主要是在测量的基础上完成对控制动作的控制，其数据流程图如图7所示。

3.2 主控制器的软件功能设计

根据系统的需求，本试验控制系统中RENESAS主控制器软件的主要功能是：根据给定信号，对几乎全部A / D和I/O参量进行采集监视，同时用中断方式对直流伺服驱动单元进行控制，并且进行自动监测，超限时予以报警。整个控制器软件采用结构化的程序设计方法设计。程序分为两大模块： 主程序模块、中断服务子程序模块。主程序模块按照功能又分为三大子程序：初始化子程序、 设置显示子程序、 控制子程序。由于控制系统的操作是由RENESAS控制器的键盘中断来控制，所以，在主程序中通过查询键值来进入相应的子程序。其流程如图8所示。

4 软件调试

下面是针对两种不同采样周期，对几种不同输入干扰情况下的输出结果分析。

（1）温度通道测量精度试验。输入端加10mV信号，无附加干扰。如图11示。时间轴0.1s/div，其波形图如图9所示：

其输出读数为1034℃，长期观察，数据不变。

（2）温度通道抗噪声试验。温度通道加6mV输入信号，叠加10uV的白噪声，如图10为0.1s/div时的输入波形。

其输出读数为686℃。数值变化比较缓慢，说明系统对白噪声有较强的抑制作用。

（3）负荷通道对脉冲干扰的抑制性能测试。输入15mV信号，加随机脉冲干扰并伴有白噪声。波形如图11所示。时间轴1ms/div。

对应图12的输入，系统的输出值为30.0001kN± 0.1N。说明随机脉冲干扰，即使在比较高的采样速度情况下，对系统的影响也不大。

（4）负荷通道强噪声性能测试。输入5mV并叠加30uV白噪声。图14为对应的输入波形。时间轴1ms/div。

对应的输出纪录值为10.0000kN±0.2N。实验说明，系统在高速采样时，对较强噪声干扰仍保持良好的测量精度。

5 总结

本问是基RENESAS的矿井材料综合试验控制系统的研究。吸收先进的微电子技术和控制技术，设计出性能优越的矿井材料综合试验控制系统是研究的主要任务。

（1） 针对目前材料综合试验控制系统统的特点，在对系统工作原理与测量参数做出分析的基础上，提出了基于RENESAS的矿井材料试验控制系统的总体设计方案；根据系统总体设计方案，搭建出以RENESAS微处理器SH7137为核心的嵌入式控制器的硬件平台，着重完成了基于RENESAS的系统主控制器的设计。

基于RENESAS微处理器的矿井材料综合试验控制系统的开发与设计是在材料试验控制技术研究方面进行的尝试，虽然借鉴了其它一些机电控制系统成熟的技术，在此基础上加以改进吸收，但毕竟时间不够长、投入也有限，需要改进的地方还很多，因而距离实际的应用仍有较大的距离。

[参考文献]

[1] Wolf，W.H. Hardware-Software Co-Design of Embedded Systems. Proc. IE- EE，1994， 82（7）： 967989.

[2] Raul Camposano. Embedded system design. Design Automation for Embedded Systems，1996，1（2）：5-50.

[3] Richard C. Dorf. Robert H. Bishop. Modern Control Systems. USA： Pr- enticeHall，2008.

控制软件设计论文范文第10篇

论文摘要：实验结果显示该系统的先进性。介绍以单片机为核心的PID控制温度控制系统，并给出了系统的硬件与软件设计方案。

中图分类号：TP273+.4文献标识码：B

0引言

控制仪表性能指标对温度控制有很大的影响，因此，常采用高性能调节仪表组成温控系统对被控对象（温度）进行严格控制。本文介绍以单片机AT89C51为核心器件构成的温度控制系统，它具有测量、控制精度高、成本低、体积小、功耗低等优点，可制成单机，广泛应用于冶金、化工、食品加工等行业对温度进行精确控制。

1温控系统结构与工作原理

温控系统的结构如图1所示。热电偶测量出电炉的实际温度（mv信号），经放大、线性化、AD转换处理后送入单片机接口。由键盘敲入设定温度值，此值与经AD转换过的炉温信号存在一差值（假如两者温度不一致），由单片机PID调节电路进行比例、微分及变速积分算法对温控箱进行恒温控制。该系统采用传统的AT89C52单片机，其硬、软件完全符合系统的要求，为满足测控精确度的要求，AD电路选用12位转换器，分辨率为2-12。本系统采用三相数字过零触发器对六只晶闸管（Y接法均可）进行输出功率控制，即在电源电压过零时触发晶闸管，利用PID信号产生的控制信号使电流每周期按规定的导通波头数导通负载，达到控制输出功率，也就是控制炉温的目的。采用过零触发可减少电网谐波的产生，触发器与单片机光电隔离，可减少电网对微机的干扰，调功方式下电加温炉的平均功率为：P=3nU2NR(1)

式中：P为输入电炉的功率；R为电炉的等效电阻；U为电网相电压；n为允许导通的波头数；N为设定的波头数。

注：公式（1）为负载Y接法适用

2系统控制软件设计

2.1PID参数的优化系统采用遗传算法（GeneticAlgorithm,简称GA）离线优化PID参数[1]。20世纪70年代由美国J．Holland教授提出的遗传算法（GA）[2]是一种模拟生物进化过程的随机化搜索方法。它采用多路径搜索，对变量进行编码处理，用对码串的遗传操作代替对变量的直接操作，从而可以更好的处理离散变量。GA用目标函数本身建立寻优方向，无需求导求逆等复导数数学运算，且可以方便的引入各种约束条件，更有利于得到最优解，适合于处理混合非线性规划和多目标优化。系统采用二进制编码选择来操作，我们称为染色体串（0或1），每个串表示搜索空间的一个点。它模仿遗传进化的步骤，引入如繁殖、交叉和变异的方法，在所求解的问题空间进行全局的、并行的、随机的优化搜索[3]。

本系统用GA算法对PID离散化表达式[3]中的3个PID参数KP、KI、KD进行离线优化设计，从而使系统的性能达到最优。本例中用C语言编写的算法流程图如图2所示。

取采样周期：T=80s；GA离线优化结果为：积分时间：TI=240s；微分时间：TD=80s；比例系数：KP=6；积分系数：KI=KPTTI=2；微分系数：KD=KPTDT=6。

2.2变速积分PID控制算法在传统的PID算法中，因积分增益KI为常数，故在整个调节过程中其值不变。但系统对积分的要求是：偏差大时，积分作用减弱，否则会产生超调，甚至出现积分饱和；反之则加强，否则不能满足准确性的要求[4]。引进变速积分PID控制算法能使控制性能得以满足。其基本思路为：偏差大时，积分累积速度慢，积分作用弱；偏差小时，积分累积速度快，积分作用强。为此，设置系数f[E(K)]，它是偏差E(K)的函数，当[E(K)]增大时，f[E(K)]减小；反之则增大。每次采样后，用f[E(K)]乘E(K)，再进行累加：

PI(K)=KI{+f[E(K)]E(K)}(2)

式中：PI(K)表示变速积分的输出值。

f[E(K)]与E(K)的关系可表示为：

E(K)≤B

B<│E(K)│≤A+B

∣│E(K)│>A+B

将P(k)代入PID算式，得：

P(K)=KPE(k)+KI{+f[E(K)]E(K)}+KD[E(k)-E(k-1)](3)

变速积分PID控制算法程序框图如图3所示。

在此系统中，采用简单的变速积分PID控制，经实验验证，取A=10，B=2效果良好。

2.3系统主程序设计系统的软件设计在89C52单片机上，由单片机控制的主程序包括初始化、显示面板管理及各子程序调用。温度信号的采集、数字滤波、标度变换、温度显示、变速积分PID控制算法等功能的实现由各子程序完成。软件还包括对系统的保护和快速加温的切换等。软件流程图如图4所示。采样周期通过AT89C52的定时器T0和软件计数实现。

3实验结果

实验中采用10kw电阻炉将温控对象从室温加热到300℃，并使炉温保持在此温度，温度值上下波动±0.5℃。测得系统的动态性能为：延迟时间td=150s，超调量σ=3.1℅，上升时间tr=650s，调节时间tc=320s。对于时间常数较大的温度控制系统，系统的动态性能指标较好。

4结束语