华东理工大学化工机械研究成果介绍(3)

14、基于ARM系列的机电控制系统的开发

●项目简介：

数字化控制（NC）是当今机电控制技术发展的主流，是电力电子技术与运动控制学科中的一项重要技术。本项目设计了一种基于ARM7微控制器和uC/OS-Ⅱ实时操作系统的万能材料试验机测控系统软硬件开发方案。

关键技术：

伺服控制系统需满足其控制精度的要求，因此对AD转换精度，位移监测精度上都有较高要求，同时实现控制系统的PID闭环调节控制；借助于实时操作系统来提高系统的实时性。

关键技术路线：

根据市场需求确定系统所需实现的功能，将功能模块化，之后根据功能结构划分硬件结构与技术难点的分析，硬件电路制作，软件编写，上机调试，再根据调试结果对硬件电路以及软件部分进行必要的改进。

本系统所选控制器保持了强大了外设和快速中断处理能力，处理器采用Philips公司的LPC2214（ARM7）。LPC2214是一种基于支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，带有256KB嵌入的高速Flash存储器和16KB的RAM。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。因此能方便的设计出高性能的控制系统，使得开发周期短，成本低，体积小。对系统而言不仅简化电路设计结构，同时使得系统具有抗干扰强，可靠性高的特点。 ●所属领域：机电一体化、信息 ●技术要点：

系统可靠性强，硬件成本低，实时性高。伺服电机控制系统和伺服液压系统的引入，以及PID闭环控制算法的应用，材料试验机控制精度有了很大的提高，保证了测试精度。将实时性操作与非实时性操作分离开，同时将实时性操作系统移植其中，提高系统的实时性与可靠性。现处于实验调试阶段。 ●应用前景：

可应用领域十分广泛，如电机控制、电子家电、设备监控、汽车电子、工业控制、网络通信设备、移动通信与多媒体、嵌入式应用。具有很大的市场应用前景。 ●知识产权及项目获奖情况：

其核心技术部分已经申请国家发明专利，具有自主知识产权。 ●应用案例：

目前实验室主要应用于电子万能材料试验机，其微控制器选用ARM7TDMI-S，一款低功耗的32位RISC处理器，支持多种操作系统。将基于uC/OS2实时操作系统嵌入控制器以实现高精度的万能材料试验机测控系统。万能材料试验机控制器驱动伺服控制器或变频控制器，控制电机运转，经精密减速器减速后，带动双螺旋丝杠，驱动横梁上下移动，从而实现对试样的加载过程，完成试样的拉伸、压缩等力学性能试验。光电编码器安装在试验机的螺旋丝杆上，丝杆转动带动光电编码器从而输出一定数量的脉冲。力传感器一端固定在夹具上，另一端固定在机座上。当夹具上有负载时，传感器弹性体上的由电阻应变片所组成的测量电桥失去平衡，从而产生一个弱小的不平衡电压输出。 ●合作方式：希望与企业联合开发。

15、基于AVR系列的机电控制系统的开发

●项目简介：

简易型手动卧式拉力机，控制器选用ATMEL公司研发出的增强型内置Flash的RISC(Reduced Instruction Set CPU)精简指令集高速8位AVR单片机。它可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域，一般分为 ATtiny系列、AT90S系列、ATmega系列，产品类型多。与其他类型单片机相比，具有指令执行速度快，在线编程技术ISP，并可对其反复擦写1万次以上等；与此同时，支持 AVR开发软件多，操作方便性价比高，在机电系统控制应用中有很广泛的前景。

关键技术：

I2C通信与AD转换精度，系统通过C8051F350采集力传感器的电压信号，通过其内部自带的24位AD转换模块将电压值转换为数字信号后发送给AVR控制芯片；如何更好的保证AD转换的精度要求系统对力值采集的硬件电路部分有合理的设计。

关键技术路线：

根据市场需求确定系统所需实现的功能，将功能模块化，之后根据功能结构划分硬件结构与技术难点的分析，硬件电路制作，软件编写，上机调试，再根据调试结果对硬件电路以及软件部分进行必要的改进。

本系统结构简单，开发周期短，成本低，体积小，抗干扰强，可靠性高的特点同时又能满足一定的精度要求。 ●所属领域：机电一体化、信息 ●技术要点：

系统可靠性强，硬件成本低，结构简单。本系统采用双CUP的结构，上位机完成人机界面的交互控制，下位机完成力值的采集与高精度转换。现处于产品应用阶段（深圳一家公司生产的拉力机产品）。 ●应用前景：

可应用领域十分广泛，如网络通信、电子家电、设备监控、汽车电子等。 ●知识产权及项目获奖情况：

其核心技术部分已经申请国家发明专利，具有自主知识产权。 ●应用案例：

在实验室目前主要将其应用于简易型手动卧式拉力机，其微控制器采用ATmega系列的ATmega64L，一款高性能﹑低功耗的8位微控制器；AD采集采用的是新华龙公司的C8051F350，一款带24位AD转换模块的芯片。本控制系统现已应用于深圳一家公司生产的简易型手动我是拉力机，产品销量良好，一直受广大客户好评。 ●合作方式：希望与企业联合开发。

16、基于dsPIC30F系列的机电控制系统的开发

●项目简介：

快速，实时性强，可靠性高已成为现代机电控制系统的主要研究对象，其主要依赖于数字控制系统的发展，因而数字化控制（NC）是当今机电控制技术发展的主流，是电力电子技术与运动控制学科中的一项重要技术，而DSP已成为这项技术的核心。dsPIC30F系列单片机为Microchip公司开发的一款集单片机（MCU）控制功能与数字信号处理器（DSP）的计算能力和数据吞吐能力于一身的16位微控制系统。其具有快速﹑复杂和灵活的中断处理，丰富的数字和模拟外设，电源管理等功能。以伺服冲床控制系统为例。

关键技术：

伺服控制系统需满足其控制精度的要求，因此对AD转换精度，位移监测精度上都有较高要求，同时实现控制系统的闭环控制对误差进行补偿；借助于实时操作系统来提高系统的实时性与可靠性。

关键技术路线：

根据市场需求确定系统所需实现的功能，将功能模块化，之后根据功能结构划分硬件结构与技术难点的分析，硬件电路制作，软件编写，上机调试，再根据调试结果对硬件电路以及软件部分进行必要的改进。

本系统所选控制器保持了强大了外设和快速中断处理能力，同时融合了先进的高速数字信号处理功能，因此能方便的设计出高性能的控制系统，使得开发周期短，成本低，体积小。对系统而言不仅简化电路设计结构，同时使得系统具有抗干扰强，可靠性高的特点。 ●所属领域：机电一体化、信息 ●技术要点：

系统可靠性强，硬件成本低，实时性高。本系统采用双CUP的结构，将实时性操作与非实时性操作分离开，同时将实时性操作系统移植其中，提高系统的实时性与可靠性，实现伺服系统的闭环控制，从控制算法上实现对电机的复杂运动控制以及误差的自动补偿。现处于研发阶段（代码移植，其各分功能已在其他系统中实现）。 ●应用前景：

可应用领域十分广泛，如电机控制、网络通信、电子家电、设备监控、汽车电子等。尤其是在电机控制领域应用十分广泛，随着电机应用领域的扩大与延深，对电机控制的要求越来越高，完成电机控制的运算也越来越复杂，而本系统所选取的控制器集成的强大外围设备以及嵌入了高速数字信号处理功能能很好的完成这些任务。具有很大的市场应用前景。 ●知识产权及项目获奖情况：

其核心技术部分已经申请国家发明专利，具有自主知识产权。 ●应用案例：

实验室目前将其应用于伺服冲床的嵌入式控制系统，其微控制器采用dsPIC30F5016的芯片，高性能改进型RISC CPU,DSP引擎，强大的外设功能，正交编码器接口以及电机控制PWM模块等。本控制系统是一种全新的开放式NC系统，主要包含两部分，上位机人机界面部分与下位机实时控制部分。其中上位机（dsPIC30F5016+ uCOS-Ⅱ）主要是完成文件管理，人机界面，网络通信，监控与错误分析等非实时性任务，下位机在实时性操作系统的管理下，主要完成补偿运算，伺服进给控制等实时性任务。

●合作方式：希望与企业联合开发。

17、基于DSP系列的机电控制系统的开发

●项目简介：

快速，实时性强，可靠性高已成为现代机电控制系统的主要研究对象，其主要依赖于数字控制系统的发展，因而数字化控制（NC）是当今机电控制技术发展的主流，是电力电子技术与运动控制学科中的一项重要技术，而DSP已成为这项技术的核心。DSP芯片，也称为数字信号处理器，是一种具有特殊结构的微处理器。DSP芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊的DSP指令，可以用来快速地实现各种数字信号处理算法。

TMS320系列是DSP大家族中的一个分支，其中包括：定点、浮点、多处理器DSP和定点DSP控制器。TMS320系列DSP的体系结构专为实时信号处理而设计，该系列DSP控制器将实时处理能力和控制器外设功能集于一身，具有快速﹑复杂和灵活的中断处理，丰富的数字和模拟外设，电源管理等功能，为控制系统应用提供了一个理想的解决方案，以伺服冲床控制系统为例。

关键技术：

伺服控制系统满足其控制精度与实时性要求，AD转换精度的提高，实时操作系统的移植，控制算法的实现以完成对电机的复杂控制运动，位移信号采集。

控制算法的设计 控制算法设计及快速原型 软、硬件的设计与开发 控制器的实现 (a) 传统设计方法

控制器的实现 (b) RCP设计方法

传统的控制器设计方法与RCP设计方法比较

本系统将借助于RCP设计理念解决控制器设计的瓶颈问题（如图a/b所示），它将控制算法设计、软硬件设计集成在一起，使设计人员在实际产品生产之前，直接可以看到仿真结果，并通过快速迭代对设计进行修改以达到所要求的最佳控制效果。并且RCP设计方法具有代码的自动转换功能，设计者只需要根据所用的控制理论在MATLAB/SIMULINK环境中设计好控制模块框图，选择好编译器，就可以直接把控制模块自动的转换为可执行的源代码，移植到DSP中。因此RCP设计方法可以大大的缩短产品的开发周期，降低成本，提高生产效率。

关键技术路线：

根据市场需求确定系统所需实现的功能，将功能模块化，之后根据功能结构划分硬件结构与技术难点的分析，硬件电路制作，软件编写，上机调试，再根据调试结果对硬件电路以

及软件部分进行必要的改进。

本系统所选控制器保持了强大了外设和快速中断处理能力，同时融合了先进的高速数字信号处理功能，并借助于RCP的设计理念，因此能方便的设计出高性能的控制系统，使得开发周期短，成本低，体积小。对系统而言不仅简化电路设计结构，同时使得系统具有抗干扰强，可靠性高的特点。 ●所属领域：机电一体化、信息 ●技术要点：

系统可靠性强，硬件成本低，实时性高。将实时性操作系统移植其中，提高系统的实时性与可靠性，实现伺服系统的闭环控制，从控制算法上实现对电机的复杂运动控制以及误差的自动补偿。现处于实验调试阶段。 ●应用前景：

可应用领域十分广泛，如电机控制，网络通信，电子家电，汽车电子等。尤其是在电机控制与电机家电领域应用十分广泛，随着电机应用领域的扩大与延深，对电机控制的要求越来越高，完成电机控制的运算也越来越复杂，而本系统所选取的控制器集成的强大外围设备以及嵌入了高速数字信号处理功能能很好的完成这些任务。具有很大的市场应用前景。 ●知识产权及项目获奖情况：

其核心技术部分已经申请国家发明专利，具有自主知识产权。 ●应用案例：

目前实验室主要应用于电子万能材料实验机上，其控制芯片采用TMS320F2812，一款采用高性能静态CMOS技术，使得DSP的外围供电电压降为3.3V，内核的供电电压仅为1.9V；片内有高达128K字X16位的Flash程序存储器（EEPROM，4扇区）；高达8K字X16位单口SARAM；高速的执行速度使指令周期缩短到6.67ns(150MHz)，从而提高了控制器的实时控制能力；12位ADC转换器，其特性为：最小转换时间为80ns；CAN总线模块等。

硬件结构主要包含：电源模块、人机界面、力值采集、位移采集、实时时钟、伺服控制等几部分。

本系统主要包含的功能有：人机界面、信号采集、打印输出、伺服控制、实时时钟、CAN通信等。

●合作方式：希望与企业联合开发。

18、基于SOC系列的机电控制系统的开发

●项目简介：

SOC(System On Chip) 一种整体的设计方法概念，指的是一种芯片设计方法，集成了各种功能模块，每一种功能都是由硬件描述语言设计程序，然后在SOC内由电路实现的；每一个模块不是一个已经设计成熟的ASIC“器件”，只是利用芯片的一部分资源去实现某种传统的功能。

C80C51F是Silabs公司最新推出的一款带SOC色彩的独特的8位单片机系列，集成了嵌入式系统的许多先进技术。由最初的MCS-51发展到现在C80C51F，其过程代表了一个方向，提高了系统的运行速度和增加了片内模拟和数字外设，从整体上提高了单片机的性能。

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