2 爐溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計^[2]
　　溫度控制系統(tǒng)采用三相可控硅調(diào)電壓法調(diào)節(jié)溫度，整個系統(tǒng)采用韓國三星公司的S3C44B0X(16/32位)作為主控制器，并采用Casio的CMD520TT00-C1型LCD顯示，觸摸屏為阿爾卑斯電氣(Alps Electric)株式會社的ALPS 9，此外還有一個通信串口、A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器Flash ROM、SDRAM、3個三相可控硅等。外部CPU晶振" title="晶振">晶振為8MHz,系統(tǒng)內(nèi)部時鐘為66MHz。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

2.1存儲器^[3]
　　本設(shè)計中的程序存儲器選擇一片2MB×16位的Flash(SST39VF160)和一片4M×16位的SDRAM(HY57V65160B)。其存儲器電路連接圖如圖3、圖4所示。

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　　如圖3所示，處理器是通過片選信號NGCS0與片外Flash芯片連接。由于是16位Flash，所以CPU的地址線A1～A20分別與Flash的地址線A0～A19連接。如圖4所示，SDRAM分為4個Bank，每個Bank的容量為1M×16位。Bank的地址由BA1、BA0決定，00對應(yīng)Bank0，01對應(yīng)Bank1，10對應(yīng)Bank2，11對應(yīng)Bank3。在每個Bank中，分別用行地址脈沖選通RAS和列地址脈沖選通CAS進行尋址。本設(shè)計中還設(shè)置了跳線，可以為用戶將內(nèi)存容量升級至4×2M×16位。具體方法：使SDRAM的BA0、BA1分別接至CPU的A21、A22和A23腳。SDRAM由MCU專用SDRAM片選信號nCS選通。
2.2 串行口接口電路
　　本設(shè)計中內(nèi)部數(shù)據(jù)通過并行總線到達發(fā)送單元后，進入FIFO對列，然后再從發(fā)送移相器通過TXDn引腳發(fā)送出去。但是為了與計算機通用串行口兼容，還需要使用MAX3232芯片將3.3V的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成與普通串行口兼容的信號后，用于與外設(shè)進行通信。數(shù)據(jù)接收的過程剛好相反，外部串口信號需先經(jīng)MAX3232做電平轉(zhuǎn)換，然后由RxDn進入接收移相器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后放到接收FIFO對列中，最后到達數(shù)據(jù)總線，由CPU進行處理或直接送到存儲器中(DMA方式下)。串行口接口電路如圖5所示。

2.3 人機界面顯示設(shè)計
　　由于S3C44B0X內(nèi)部有LCD控制器，故選擇不帶驅(qū)動器的液晶。本設(shè)計選擇日本卡西歐(Casio)的CMD520TT00-C1型LCD(STN類型)，256色，5.1英寸，320×240像素，其電源電壓3.3V, 因此可直接和S3C44B0X相連。其LCD控制器端口如圖6所示。

　　觸摸屏選為阿爾卑斯電氣(Alps Electric)株式會社的ALPS LFUBK909 STN,四線電阻式觸摸屏,320×240點,5.2英寸。其與控制器的端口接線如圖7所示。

2.4 信號放大電路" title="放大電路">放大電路設(shè)計
　　熱電偶信號經(jīng)多通道轉(zhuǎn)換開關(guān)4051至由三個運算放大器組成的差動放大電路，放大器采用低失調(diào)電壓、電流、高輸入電阻的5G7650。在放大電路部分采用數(shù)字電位器為50kΩ的X9312進行多量程轉(zhuǎn)換。差動放大電路如圖8所示。

2.5 PWM定時器接口
　　本設(shè)計采用PWM脈沖發(fā)送給三相可控硅信號來控制晶閘管的關(guān)斷，通常是通過輸入通道將溫度傳感器感受到的被控對象(當前溫度)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸入到控制器中，控制器求出輸入的當前溫度值與設(shè)定值的偏差，并根據(jù)該偏差進行自適應(yīng)的模糊PID運算，最后根據(jù)PID運算的結(jié)果，通過功率調(diào)節(jié)電路改變給定周期內(nèi)加熱絲的通電時間來實現(xiàn)對溫度的控制。用PWM輸出脈沖調(diào)節(jié)功率的實質(zhì)是利用占空比的調(diào)節(jié)來改變加熱絲的平均功率。功率調(diào)節(jié)電路是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，要求能根據(jù)需要對輸出功率進行精確的調(diào)節(jié)，它是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分之一，也常常是故障率最高的部分。
　　這里選用過零調(diào)壓的方法，因為這樣可以減少諧波干擾。由于PWM的頻率很大、變化周期很短，故選用PWM脈沖頻率為40Hz，占空比為0.8，這樣可增加周期長度，進而更加有利于對溫度變化的控制。
2.6 熱電偶冷端溫度測量^[4]
　　由于熱電偶的冷端溫度隨著環(huán)境溫度的變化而變化，所以需要對熱電偶的冷端溫度進行補償。在有的設(shè)計中直接在熱電偶測溫電路中用電橋法補償，但需要經(jīng)常校準，比較麻煩。本文實時測量熱電偶的冷端環(huán)境溫度，用軟件的方法進行補償。
　　用MAX876產(chǎn)生10V精密電壓基準，輸出誤差為±7mV，配合OP07產(chǎn)生10mA恒流源，運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，由于同相端和反相端的壓差幾乎為零，運算放大器的偏置電流可以忽略不計，所以產(chǎn)生10mA的電流通過100Ω的鉑電阻。查鉑熱電阻(Pt100)的分度表可知，0℃為100Ω，20℃為107.79Ω,大約每升高1℃，熱電阻的阻值增加為0.39Ω，那么熱電阻的電壓變化為0.0039V。而S3C44B0X內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換器，基準電壓為2.5V，分辨率為0.00244V，所以10位A/D轉(zhuǎn)換器能滿足精度要求。具體如圖9所示。

　　冷端溫度測量的輸出接在S3C44B0X的A/D轉(zhuǎn)換器的AIN0通道上。
2.7 系統(tǒng)時鐘與復(fù)位電路設(shè)計
　　系統(tǒng)CPU外部晶振頻率為8MHz，由于S3C44B0X內(nèi)部有鎖相環(huán)，CPU主頻可幾倍于外部晶振(CPU主頻可通過軟件設(shè)定)。用于系統(tǒng)實時時鐘的備用鋰(Li)電池電源，系統(tǒng)實時時鐘頻率為32.726kHz。
　　系統(tǒng)內(nèi)部有看門狗電路，可以通過軟件設(shè)定看門狗時間。但是為了系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計了系統(tǒng)的硬復(fù)位電路，它通過斯密特74hc14觸發(fā)器復(fù)位。
3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計^[5]
3.1主控模塊及其功能
　　主控模塊程序主要由S3C44B0X的初始化程序、定時器的初始化程序以及一個循環(huán)控制結(jié)構(gòu)組成。
　　程序開始執(zhí)行時，首先設(shè)置堆棧指針，建立一個軟件堆棧區(qū);由于S3C44B0X的I/O口多為復(fù)用模式，因此需要對I/O口控制寄存器進行設(shè)置，選擇工作方式；程序還需要設(shè)置內(nèi)置看門狗，以保障軟件的可靠運行。CPU的高速輸出器HSO用于按程序設(shè)定的時間產(chǎn)生中斷，這就是軟件定時器。系統(tǒng)采用軟件定時器中斷，以定時器1作為時間基準，對HSO寄存器進行設(shè)置,同時對外圍芯片及觸摸屏顯示器進行初始化。其程序流程圖如圖10所示。

3.2中斷服務(wù)模塊
　　系統(tǒng)中利用一個軟件定時器來產(chǎn)生定時中斷，它決定了模糊控制算法的采樣速率。圖11是軟件定時器中斷服務(wù)程序的流程圖，該程序是控制系統(tǒng)的核心軟件，完成A/D采樣、濾波、數(shù)據(jù)處理、越限報警等任務(wù)，同時確定操作方式(手動或自動)，根據(jù)要求調(diào)用相應(yīng)的控制算法，通過算法獲得所要求的控制電壓去驅(qū)動三相可控硅觸發(fā)，最后返回主程序。各功能由相應(yīng)的功能模塊來完成。