电阻炉温度监控系统设计文献翻译.docx

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电阻炉温度监控系统设计文献翻译

重庆理工大学

文献翻译

二级学院重庆汽车学院

班级108040201

学生姓名李玉煌学号10804020117

译文：

嵌入式单芯片温度控制器的设计

J.jayapandian和UshaRaniRavi

设计开发与服务部，材料科学部

英迪拉·甘地原子能研究中心，卡尔帕卡姆-603102。

泰米尔纳德邦.印度

摘要

本文介绍了一个基于可编程芯片（PSoC可编程单片机）的单芯片嵌入式温度控制系统，它是模拟器件组成的混合阵列逻辑，其中含有数字模块和数字通讯模块。

虚拟仪表控制程序由版本为7.1的LabVIEW进行编写，LabVIEW是一种图形化的编程语言，它基于控制面板给用户提供了一个友好的菜单驱动窗口，本次设计传感和控制温度正是通过LabVIEW实现与可编程单芯片的交互式通信。

这个节约成本的嵌入式单片机温度控制系统的设计不管是在实验室或者工业上都很具有应用潜力。

这个设计也可以离开电脑，通过基于可编程单片机设计LCD\LED显示模块和按键附件单元而被做成独立的系统。

1、引言

智能可编程嵌入式芯片设计的问世提供任何所需的硬件编程能力，以实现在工业和实验室的设计自动化。

在实验室和工业中自动设计的趋势是使用最少的硬件和最大的程序支持。

可编程嵌入式组件和应用软件在市场上容易得到，使设计者能够设计及一个对用户友好、性价比高的任何智能化系统。

温度控制器在工业和实验室中扮演着一个非常重要的角色。

为了不使过多的人员参与精确控制温度的控制过程，温度控制系统需依靠一个控制器，它有如热电偶或者热电阻温度传感器的温度感热元件。

控制器将实际温度值与期望控制温度值进行比较，或者设定值并输出给温度控制元件。

控制器是整个控制系统中很重要的一部分，为合适的选择控制器，整个系统都要进行分析。

本文介绍了一种用赛普拉斯微系统应用在可编程系统芯片（PSoC）上的新型的单芯片温度控制器的设计。

由版本为7.1的LabVIEW编写的虚拟仪器控制程序与片上可编程单片机PSoC交互以实现炉温、工件温度的温度检测与传感。

基于嵌入式单片机温度控制器的设计

图1基于片上可编程单片机系统的内部模块结构图

2.基于单片机的可编程系统

当我们在选择微控制器的时候，它必须要有一个简单并且廉价的接口用于与温度传感器件的连接，如信息交换的接口，以及其他更多的接口。

赛普拉斯的可编程系统单芯片（PSoC）架构为多种应用提供了一个灵活的，经济的解决方案。

本文介绍了一个基于单一CY8C27143，8针PSoC芯片上的温度控制器的设计。

如图1所示，它具有四个主要模块：

单片机的核心，数字系统，模拟系统，输入输出端口和系统资源。

这个架构允许用户自己创建定制的外设配置以便与每个应用程序的要求相匹配。

UART接口，再加上可配置的模拟和数字外设，使得CY8C27143在于外部世界连接中真正的得到广泛的应用。

PSoC单片机的核心包括：

M8C的微控制器，32KB的Flash程序存储器,2K的数据RAM;内部24MHz晶振，睡眠定时器和看门狗定时器，通用输入/输出引脚（GPIO），允许任何引脚用于数字输入或输出，大多数引脚被用作模拟输入或输出。

每个引脚可被用来作为数字中断或模拟中断。

数字系统是由8个数字PSoC模块组成，每块是一个8位的资源，它可以单独使用或与其他块结合，形成外围设备。

可能的外围设备包括：

PWM（8-32位），PWM死区（8-24位），计数器（8-32位）,可选校验的8位异步通信串口UART，SPI主机和从机;循环冗余检查器/发生器（8-32位），伪随机序列发生器（8-32位）。

这些数字模块可以通过一系列的全局总线连接到任何总线扩展器（GPIO）,这些总线也允许信号复用和执行逻辑运算。

模拟系统由12块结构块组成，其中每一块由可以创建复杂模拟信号流的运算放大器电路组成。

模拟外设非常灵活，他可以被可定制，以支持特定的应用需求。

一些较为常见PSoC模拟功能：

过滤器（2-4-极带通，低通，陷波），放大器（最多2个，可选择增益可达48倍）;仪表放大器（1个可选增益最多达93倍），比较器（最多2个，16个可选的阈值），数模转换器（最多2个，6-10位分辨率），逐次逼近寄存器型的模拟数字转换器（最多两个，6位分辨率）。

与数字模块联合使用可以创建额外的功能，包括：

增量型数模转换器（最多2个，6-14位分辨率）;Δ-Σ数模转换器（1个，8位分辨率，为62.5ksps）。

这些额外的系统资源为完成系统的设计提供了额外的有用的能力。

3.虚拟仪表程序

虚拟仪器（VI）是一种为了测量和控制各种物理变量的通用电脑PC的应用程序。

虚拟仪器程序是电脑屏幕上的一小块区域，模拟控制过程。

实验者可以在电脑屏幕上看到正在进行的自动化控制过程。

虚拟仪器程序为过程变量和数据采集提供了价格低廉但功能强大的平台。

用可视化的G语言很容易实现这些程序。

G语言编写的虚拟仪器程序在windows环境下提供了与计算机连接的非常方便的接口。

G语言为像图形调色板那样的各种各样的应用程序提供内置函数库，反过来又支持Windows环境下此程序运行它的功能所需的动态函数链接库DLL.一般情况下，G语言虚拟仪器程序由两个框架组成，面板图和功能图。

在面板图程序员可以指派不同的控制机构和指标机构（即输入和输出变量），作为他们的控制要求并放入操作图中。

设计者在LabVIEW中以一个函数库的形式实现所需要求的功能。

NI设计的版本为7.1的LabVIEW在它的文件包中集成了所有必要功能的“图标”。

图2基于单片机的温度控制器的设计界面

4.单一PSoC芯片的温度控制器的设计

图2显示的嵌入式单芯片（8针PSoC芯片CY827143）温度控制器的设计项目的PSoC设计屏幕。

在屏幕的左侧显示了全局的资源和随引脚连接配置的用户模块参数。

中间部分的屏幕显示模拟和数字模块，用户模块的位置。

屏幕上方的部分显示了这个项目的选定用户模块。

在屏幕的右侧描述了设计中的引脚连接配置。

这种新型的单芯片设计中，热电偶（TC）信号被放置在PSoC的模拟块中的一个可编程增益放大器（PGA）放大。

已扩增TC信号输入到在PAoC芯片中已经程式化话的12位用户模数转换模块。

其中包括PSoC芯片编写的模拟和数字功能模块。

扩增的TC信号转换成数字信号发送给用户串口通信模块以便与个人计算机进行信息交流。

用户串口通信模块放置在PSoC芯片，他将被自动放置在PAoC芯片的两块数字模块中，即是与电脑连续传送数据的发送器（TXD）和接收器（RXD）。

脉冲宽度调制器（PWM），放置在PSoC数字模块中，产生一系列的调制TTL脉冲响应PID控制功能中设定温度和测量温度的偏差。

这将反过来控制光耦合固态继电器（SSR）驱动与负载和电炉连接的交流电源[3,4]。

基于虚拟仪器控制程序的菜单驱动窗口感应温度，通过热电偶、TC放大器、12位的模数转换模块、串行通信接口与PSoC芯片的模块进行信息交流并求取控制功能如P、I、D,线性加热、扫描的值，并在连续的信息交流中通过传信通信模块设定PSoC的脉宽调制宽度。

图3基于单片PSoC芯片的温度控制器的设计

图3显示了单片PSoC芯片与固态继电器SSR的连接方式并通过USB端口和与PC电脑相连接的USB转换电缆。

固态继电器SSR像一个交流电源控制器一样控制电炉功率，它受到由PSoC芯片产生的PWM脉宽调制控制。

菜单驱动式的虚拟仪器控制程序在windows环境下与传感温度、控制温度、温度采集的嵌入设计进行交互。

所得到的温度数据的在线绘图一样也由虚拟控制仪器程序产生。

5.结论

一个简单和性价比较高的嵌入式温度控制器的功能设计，制造及其测试取得成功。

这种紧凑的设计允许用户通过由LabVIEW7.1设计并在windows环境下运行的虚拟仪器控制程序选择任何类型的控制功能。

这种设计可以通过USB到串口的转换电缆直接与PC机的COM端口或者USB端口进行连接。

SSR固态继电器可以与电炉台连接。

光隔离的电源控制器使操作安全不会损坏智能控制器。

6.参考

[1]J.Jayapandian.，当代科学，90卷第6,2006年3月25日p.765-770；

[2]国家仪器公司的LabVIEW用户手册；

[3]J.Jayapandian.简洁设计.电子设计杂志.APenton出版，美国新泽西洲，ED在线ID#5687.2003年9月15日

[4]J.Jayapandian、J.Instrum印度33

（2）75–80（2003）

ANEMBEDDEDSINGLECHIPTEMPERATURECONTROLLERDESIGN

J.JayapandianandUshaRaniRavi

DesignDevelopment&ServicesSection,MaterialsScienceDivision

IndiraGandhiCentreforAtomicResearch,Kalpakkam–603102.TamilNadu.India

ABSTRACT

ThispaperdescribesasinglechipembeddedtemperaturecontrollerdesignprogrammedinasingleProgrammableSystemonChip（PSoC）;amixedarraylogicconsistsofanalog,digitalanddigitalcommunicationblockswithininit.ThevirtualinstrumentcontrolprogramwritteninLabVIEWver.7.1,agraphicallanguage,providesuserfriendlymenudrivenwindowbasedcontrolpanel,interactswiththesinglePSoCchipdesignforsensingandcontrollingthetemperature.Thissimplecosteffectiveembeddeddesignfindspotentialapplicationinlaboratoryaswellasinindustries.ThisdeigncanalsobemadeasastandalonesystemwithoutPCbyprogrammingLED/LCDdisplayandkeypadattachmentmodulesinsamePSoCchip.

1.INTRODUCTION

Theadventofintelligentprogrammableembeddedsilicondesignsprovidestheabilitytoimplementanyrequiredhardwareprogrammaticallyforthedesignautomationinindustriesandlaboratories.Recenttrendinlaboratoryaswellasinindustrialautomationdesignsusesminimalhardwareandmaximumsupportofsoftware.Theprogrammableembeddedcomponentsandapplicationsoftwareavailableinthemarketenablesthedesignerforuser-friendlycosteffectivedesignsolutionforanysystemautomation.Temperaturecontrollersareplayingvitalroleinindustriesandlaboratories.Toaccuratelycontrolprocesstemperaturewithoutextensiveoperatorinvolvement,atemperaturecontrolsystemreliesuponacontroller,whichacceptsatemperaturesensorsuchasathermocoupleorRTDasinput.Itcomparestheactualtemperaturetothedesiredcontroltemperature,orsetpoint,andprovidesanoutput

toacontrolelement.Thecontrollerisoneofthemajorpartsoftheentirecontrolsystem,andthewholesystemshouldbeanalyzedinselectingthepropercontroller.ThispaperdescribesanovelsinglechiptemperaturecontrollerdesignwithCypressMicrosystemsProgrammableSystemonChip（PSoC）.VirtualinstrumentcontrolprogramwritteninLabVIEWver.7.1interactswiththeembeddedPSoCdesignandsensesandcontrolsthetemperatureoffurnace/load.

Anembeddedsinglechiptemperaturecontrollerdesign

Fig.1:

BlockdiagramofProgrammableSystemonChip（PSoC）internalblocks

2.PROGRAMMABLESYSTEMONCHIP（PSoC）

Whileselectingamicrocontroller,itmusthaveaneasyandinexpensiveinterfacetosensors,communicationinterfaces,andmore.Cypress’ProgrammableSystem-On-Chip（PSoC）architectureoffersaflexible,economicalsolutionforawidevarietyofapplications.ThispaperdescribesthedesignofatemperaturecontrolleronasingleCY8C27143,8pinPSoCchip.Asshowninfig.1,itfeaturesfourmainareas:

PSoCcore,digitalsystem,analogsystem,andsystemresourcesincludingin/outports.Thisarchitectureallowstheusertocreatecustomizedperipheralconfigurationsthatmatchtherequirementsofeachindividualapplication.TheUARTinterface,coupledwithconfigurableanaloganddigitalperipheralsmakestheCY8C27143trulyuniversalinitsconnectionstotheexternalworld.ThePSoCcoreincludes:

anM8Cmicrocontroller;32Kbytesofprogramflashmemory;2KbyteofdataRAM;internal24MHzoscillator;sleepandwatchdogtimer;general-purposeinput/outputpins（GPIO）allowinganypintobeusedasdigitalinputoroutput,andmostpinstobeusedasanaloginputsoroutputs.Everypincanbeusedasadigitaloranaloginterrupt.Thedigitalsystemismadeupof8digitalPSoCblocks.Eachblockisan8-bitresourcethatcanbeusedaloneorcombinedwithotherblockstoformperipherals.Possibleperipheralsinclude:

PWMs（8-to32-bit）;PWMswithdeadband（8-to24-bit）;counters（8-to32-bit）;UART8-bitwithselectableparity;SPImasterandslave;cyclicalredundancychecker/generator（8-to32-bit）;pseudorandomsequencegenerators（8-to32-bit）.ThesedigitalblockscanbeconnectedtoanyoftheGPIOthroughaseriesofglobalbuses.Thesebusesalsoallowforsignalmultiplexingandperforminglogicoperations.Theanalogsystemismadeupof12configurableblocks,eachcomprisinganopampcircuitallowingthecreationofcomplexanalogsignalflows.Analogperipheralsareveryflexibleandcanbecustomizedtosupportspecificapplicationrequirements.SomeofthemorecommonPSoCanalogfunctionsare:

filters（2-and4-poleband-pass,low-pass,andnotch）;amplifiers（upto2,withselectablegainto48x）;instrumentationamplifiers（1withselectablegainto93x）;comparators（upto2,with16selectablethresholds）;DACs（upto2,with6-to10-bitresolution）;andSARADCs（uptotwo,with6-bitresolution）.Incombinationwiththedigitalblocks,additionalfunctionscanbecreated,including:

incrementalADCs（upto2,with6-to14-bitresolution）;deltasigmaADC（1,with8-bitresolutionat62.5ksps）.Theadditionalsystemresourcesprovideadditionalcapabilityusefulforthecomplete

systemdesign.

3.VIRTUALINSTRUMENTPROGRAM

Virtualinstrument（VI）isanapplicationofgeneralpurposedigitalPCsforthemeasurementandcontrolofvariousphysicalvariables.TheVIprogrammimicsthecontrolprocesses,whichareinaremotearea,onthePCscreen.On-goingprocesscontrolautomationcanbevisualizedbytheexperimentalistthroughPCscreen.VIprogramprovidesinexpensiveandyetapowerfulplatformforthecontrolanddataacquisitionofprocessvariables.Theseprogramsareeasytoimplementwithgraphiclanguages（G-language）.The“G”languageimplementsthedataflowtechnique.Theusageof“G”languageVIsprovideseasyinterfacingwithPCsundertheWindowsenvironment[2].The“G”languageprovidesbuilt-infunctionlibrariesforavarietyofapplicationrequirementsasgraphicpalettes,whichinturnsupportstherequiredDLLsforthefunctionstorununderwindowsenvironment.Usuallythe“G”languageVIprogramsconsistoftwoframesviz.,paneldiagramandfunctionaldiagram.Inthepaneldiagram,programmerscanassignvariouscontrolsandindicators（i.e.,inputandoutputvariables）aspertheirrequirem