基于FreescaleHCS12系列單片機的結晶器振動控制系統(tǒng)_振動波形發(fā)生

1、 PAGE47 / NUMPAGES54畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致的地方外，不包含其他人或組織已經發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導教師簽名： 日期：使用授權說明本人完全了解大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設

2、計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：學位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向國家有關部

3、門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位論文的全部或部分容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日注意事項1.設計（論文）的容包括：1）封面（按教務處制定的標準封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關鍵詞4）外文摘要、關鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結論7）參考文獻8）致9）附錄（對論文支持必要時）2.論文字數要求：理工類設計（論文）正文字數不少于1萬字（不包括圖紙、程序清

4、單等），文科類論文正文字數不少于1.2萬字。3.附件包括：任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體與大小符合要求，無錯別字，不準請他人代寫2）工程設計類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計算機繪制，所有圖紙應符合國家技術標準規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設計（論文）2）附件：按照任務書、開題報告、外文譯文、譯文原文（復印件）次序裝訂3）其它

5、基于Freescale HCS12系列單片機的結晶器振動控制振動波形發(fā)生摘 要在現代鋼鐵企業(yè)中，結晶器是連鑄工藝的關鍵設備，為保證連鑄生產的順利進行，需要通過一個控制裝置使結晶器按一定的規(guī)律振動。目前，先進的連鑄機結晶器主要采用電液伺服振動裝置,它可以方便地實現正弦波形和非正弦波形等多種振動規(guī)律、實時顯示振動波形、在線修改振動參數、自動化程度高，是連鑄生產中提高板坯表面和在質量的先進技術。本設計的控制系統(tǒng)以Freescale HCS12系列單片機為核心，通過雙緩沖方式D/A轉換電路，可產生方波、三角波、鋸齒波、正弦波以與非正弦波等多種波形，通過所產生的波形可以對結晶器進行振動控制。本設計以正弦

6、波的產生和調試為主，從而達到我們預期的目的。關鍵詞：結晶器；振動控制系統(tǒng)；Freescale單片機；正弦波；Series Vibration Control System Mold Based on the Freescale HCS12 MCU Mold Vibration Waveform HappenAbstractIn the modern enterprises of the iron and steel, mold is the key equipment ofthe continuous casting process, in order to ensure the smooth

7、 progress of production, through a control device makes mold according to the definit law of vibration. At present, the advanced mold continuous casting machinesmainly use the device of the electro-hydraulic servo vibration, it can easily achieve sine wave-shaped and non-sinusoidal waveform vibratio

8、n, show the vibration waveform in real time, on-line modify the vibration parameters,improve the degree of automation, even isthe advanced technology with improving the surface and internal quality of billetinthe production of the continuous casting.The control system ofthe design is by way of the c

9、ore with the Freescale HCS12 MCU, through the double buffer mode D / A conversion circuit ,can generate square wave, triangle wave, sawtooth, sine wave, as well as various non-sinusoidal waveforms, and through generated waveform can be to vibration control for mold. The design with the generation an

10、d debugging of the sine wave ismainly in order to achieve our desired objective.Key words: mold; vibration control systems; Freescale microcontroller; sine wave;目 錄 TOC o 1-4 h z u HYPERLINK l _Toc233095208摘要 PAGEREF _Toc233095208 h IHYPERLINK l _Toc233095209Abstract PAGEREF _Toc233095209 h IIHYPERL

11、INK l _Toc233095210第一章 緒論 PAGEREF _Toc233095210 h 1HYPERLINK l _Toc2330952111.1 結晶器的發(fā)展背景 PAGEREF _Toc233095211 h 1HYPERLINK l _Toc2330952121.2 研究的目的與意義 PAGEREF _Toc233095212 h 2HYPERLINK l _Toc2330952131.2.1 研究目的 PAGEREF _Toc233095213 h 2HYPERLINK l _Toc2330952141.2.2 研究意義 PAGEREF _Toc233095214 h 2H

12、YPERLINK l _Toc233095215第二章 結晶器簡介 PAGEREF _Toc233095215 h 3HYPERLINK l _Toc2330952162.1 結晶器的功能 PAGEREF _Toc233095216 h 3HYPERLINK l _Toc2330952172.2 結晶器的結構 PAGEREF _Toc233095217 h 3HYPERLINK l _Toc2330952182.3 結晶器振動規(guī)律的發(fā)展 PAGEREF _Toc233095218 h 4HYPERLINK l _Toc2330952192.4 結晶器的振動方式 PAGEREF _Toc2330

13、95219 h 5HYPERLINK l _Toc233095220第三章 結晶器總體系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc233095220 h 8HYPERLINK l _Toc2330952213.1 設計思路 PAGEREF _Toc233095221 h 8HYPERLINK l _Toc2330952223.1.1 設計方案選擇 PAGEREF _Toc233095222 h 8HYPERLINK l _Toc2330952233.1.2 總體系統(tǒng)框圖 PAGEREF _Toc233095223 h 9HYPERLINK l _Toc2330952243.2 硬件設計 PAGEREF

14、_Toc233095224 h 9HYPERLINK l _Toc2330952253.2.1 整體電路設計 PAGEREF _Toc233095225 h 9HYPERLINK l _Toc2330952263.2.2 嵌入式系統(tǒng)與Freescale單片機 PAGEREF _Toc233095226 h 10HYPERLINK l _Toc2330952273.2.2.1嵌入式系統(tǒng)介紹 PAGEREF _Toc233095227 h 10HYPERLINK l _Toc2330952283.2.2.2 Freescale單片機的發(fā)展 PAGEREF _Toc233095228 h 11HYP

15、ERLINK l _Toc2330952293.2.3 Freescale HCS系列單片機簡介 PAGEREF _Toc233095229 h 12HYPERLINK l _Toc2330952303.2.3.1 Freescale HCS系列單片機家族介紹 PAGEREF _Toc233095230 h 12HYPERLINK l _Toc2330952313.2.3.2 MC9S12DG128部介紹 PAGEREF _Toc233095231 h 13HYPERLINK l _Toc2330952323.2.3.3MC9S12DG128引腳介紹 PAGEREF _Toc233095232

16、 h 14HYPERLINK l _Toc2330952333.2.3.4MC9S12DG128外圍電路介紹 PAGEREF _Toc233095233 h 17HYPERLINK l _Toc2330952343.2.4 D/A轉換器AD5660 PAGEREF _Toc233095234 h 19HYPERLINK l _Toc2330952353.2.5 單片機串口通信 PAGEREF _Toc233095235 h 24HYPERLINK l _Toc2330952363.2.5.1RS232介紹 PAGEREF _Toc233095236 h 24HYPERLINK l _Toc23

17、30952373.2.5.2MAX202E芯片介紹 PAGEREF _Toc233095237 h 26HYPERLINK l _Toc2330952383.3 軟件設計 PAGEREF _Toc233095238 h 27HYPERLINK l _Toc2330952393.3.1 定時器中斷程序模塊 PAGEREF _Toc233095239 h 28HYPERLINK l _Toc2330952403.3.2 D/A轉換子程序模塊 PAGEREF _Toc233095240 h 30HYPERLINK l _Toc2330952413.3.3 正弦波子程序模塊 PAGEREF _Toc2

18、33095241 h 32HYPERLINK l _Toc2330952423.3.4 主函數Main模塊 PAGEREF _Toc233095242 h 33HYPERLINK l _Toc2330952433.3.5 系統(tǒng)調試 PAGEREF _Toc233095243 h 34HYPERLINK l _Toc2330952443.3.5.1硬件調試 PAGEREF _Toc233095244 h 35HYPERLINK l _Toc2330952453.3.5.2軟件調試 PAGEREF _Toc233095245 h 35HYPERLINK l _Toc233095246第四章 結論

19、PAGEREF _Toc233095246 h 36HYPERLINK l _Toc233095247參考文獻 PAGEREF _Toc233095247 h 37HYPERLINK l _Toc233095248附錄1：設計源程序 PAGEREF _Toc233095248 h 39HYPERLINK l _Toc233095249附錄2：電路原理圖 PAGEREF _Toc233095249 h 45HYPERLINK l _Toc233095250致 PAGEREF _Toc233095250 h 46 緒論結晶器的發(fā)展背景回顧連續(xù)鑄鋼的發(fā)展歷史，連續(xù)澆鑄的生產方式首先是從有色金屬開始的

20、。結晶器振動技術早期也只應用于有色金屬的澆鑄，由于沒有弄清與結晶器振動的關系，結晶器振動的概念也經歷了各種變化。在1913年瑞典人皮爾遜（AHPehrson）曾提出結晶器應按照一定的振幅和頻率做往復運動的想法，但真正將這一想法付諸實施的卻是德國人西格弗里德容漢斯（SJunghans）。1933年現代連鑄的奠基人德國的西格弗里德容漢斯(Siegflied Junghans)開發(fā)了結晶器振動裝置，并成功地應用于有色金屬的連鑄。1949年S漢斯的合作者艾爾文羅西(Irving Rossi)獲得了容漢斯振動結晶器專利的使用權，并在美國約阿勒德隆鋼公司(Allegheng Lundlum SteelCo

21、rporation)從Waterbliet廠的一臺連鑄試驗機上采用了振動結晶器。與此同時，容漢斯振動結晶器又被用于西德曼斯曼(Mannesmann)公司胡金(Huckingen)廠的一臺連續(xù)鑄鋼試驗連鑄機。容漢斯振動的結晶器在這兩臺連鑄機上的成功應用，使其在鋼連鑄中迅速得到了廣泛應用。從此，結晶器振動便成了連鑄機的標準操作。在連鑄結晶器振動技術的發(fā)展過程中，相繼出現了同步振動、負滑動振動、正弦振動、非正弦振動等多種振動方式。但迄今為止，工業(yè)中廣泛使用的仍然是用直流電機或交流變頻電機通過偏心凸輪驅動雙搖桿機構實現結晶器正弦振動。這主要是因為用偏心凸輪實現正弦波振動波形精確，而且加工容易；同時，正

22、弦波振動與鑄坯拉速沒有嚴格要求，即不像同步振動那樣，要求結晶器下降速度與鑄坯同步，上升比拉速大三倍；也不像負滑動振動那樣，結晶器上、下振動與鑄坯拉速有較嚴格的關系。而且，正弦振動的結晶器速度和加速度分別按正弦和余弦規(guī)律變化，在上、下死點速度變化瞬間，沖擊力不會過大，速度變化較平穩(wěn)。因此，近年來在板坯和方坯連鑄機上得到了廣泛應用。隨著連鑄和直接軋制的發(fā)展，不僅要求鑄坯質量提高，而且還要求提高鑄造速度。但在高速鑄造時，結晶器和鑄坯之間的保護渣潤滑性能降低，易出現漏鋼。因此，保護渣成了限制振速提高的關鍵問題。日本鋼管中央研究所和福山研究所研究發(fā)現，采用上升時間比下降時間長的非正弦振動可以解決上述問題

23、。但是采用機械式振動不易實現非正弦振動。為此，要實現高速鑄造，解決的辦法之一就是通過液壓伺服系統(tǒng)對振動裝置進行控制，則能夠實現任選的振動波形。與傳統(tǒng)的結晶器機械式正弦振動相比，伺服驅動的連鑄機結晶器振動系統(tǒng)具有能實現非正弦振動、易于實現計算機控制、布置方便和可以實現多連鑄機共用泵站節(jié)能與群控等優(yōu)點。采用計算機控制的伺服結晶器振動系統(tǒng)，可以很方便地產生各種振動規(guī)律，實現控制過程監(jiān)督，實時顯示并根據拉坯速度實時修改振動參數，從而實現連鑄過程的自動化，是結晶器振動系統(tǒng)的發(fā)展方向。但是為完成這一振動控制任務，通常需要許多儀器，如伺服放大器、壓力顯示儀表、位移顯示儀表、信號發(fā)生器等。這些儀器不僅價格昂貴

24、，操作復雜，而且體積、重量龐大，效率也比較低；另外，傳統(tǒng)儀器無法實現測試中所需要的特定要求，其功能無法實現用戶自己定義。 研究的目的與意義研究目的結晶器振動是連鑄技術的一個基本特征，它在連鑄中的主要作用是一次冷卻。同時為了保證出料均勻，減小拉坯摩擦力，避免鋼水粘壁、漏鋼和改善鋼坯在質量與表面質量，還要通過一個振動機構驅動使結晶器按一定波形規(guī)律上下振動。研究意義結晶器按預定波形受控振動是連鑄機正常生產的保障。目前先進的連鑄機結晶器主要采用電液伺服振動裝置,它可以方便地實現各種波形等多種振動規(guī)律、實時顯示振動波形、在線修改振動參數、自動化程度高,是連鑄生產中提高板坯表面和在質量的先進技術。結晶器相

25、當于連鑄生產的心臟部分，屬于連鑄的關鍵設備。因此，結晶器振動系統(tǒng)運行中的振動方式的優(yōu)化顯得異常重要，選擇適當的振動方式對生產工藝意義非凡。從理論上了解正弦、非正弦振動參數（振幅、頻率、偏斜率）和冶金理論參數（工藝參數）之間的關系，根據不同鋼種和實際情況，進一步優(yōu)化波形曲線，開發(fā)和研制監(jiān)控軟件，然后模擬運行，最終將其應用到工業(yè)生產實踐中。結晶器簡介結晶器的功能薄板坯連鑄結晶器是薄板坯連鑄技術的核心,也是薄板坯連鑄區(qū)別于傳統(tǒng)板坯連鑄的標志。結晶器鋼水的流動、傳熱和應力應變行為對連鑄工藝和鑄坯質量有重要影響,同時結晶器鋼水流動與初生坯殼的傳熱與應力的研究對改善漏斗型結晶器的曲面形狀以與水口與結晶器的

26、適應性有重要意義。結晶器初生凝固坯殼的溫度場、應力場與變形分布影響著連鑄工藝的順行和鑄坯質量的提高,對結晶器鋼水流動的模擬研究可通過優(yōu)化水口結構和浸入深度來改善鋼水的流場,而對結晶器坯殼與結晶器的傳熱以與凝殼在生長過程中與漏斗型結晶器間的應力行為進行模擬,優(yōu)化工藝參數和結晶器腔形狀使凝殼厚度與應力分布均勻,從而避免由于凝殼厚度不均勻導致坯殼局部應力集中而產生破裂。結晶器是連鑄設備中最為關鍵的部件,在相當大的程度上影響著鑄坯的質量和連鑄生產的穩(wěn)定性。結晶器銅板的工作環(huán)境非常嚴酷,因而對其物理性能的要求也十分苛刻。首先,結晶器銅板必須具備良好的導熱性。這是為了保證鋼液在結晶器迅速凝固成一定厚度、一

27、定強度的坯殼,防止鑄坯出結晶器后漏鋼。其次,它要有高的屈服強度。由于結晶器銅板要和（14701600）的高溫鋼水接觸,背面又受約30左右的冷卻水冷卻,在如此巨大的溫度梯度下,反復產生的熱應力也是極大的。銅板沒有足夠的強度,就會在表面或冷卻水槽底部產生龜裂,甚至導致冷卻水與鋼水接觸,并可能引起爆炸。此外,其要有足夠的硬度和耐磨性,尤其是要有較高的軟化溫度。這是因為銅板表面要直接與鑄坯接觸而產生磨損,在高溫下要求銅板不軟化。結晶器的結構按結晶器的外形，結晶器可分為直結晶器和弧形結晶器。直結晶器用于立式、立彎式以與直弧形連鑄機，而弧形結晶器用在全弧型和橢圓形連鑄機上。從結構來看，有管式結晶器和組合式

28、結晶器。具體結構圖如下：圖2.1 薄板坯連鑄結晶器實物圖1盛鋼桶；2中間罐；3結晶器圖2.2 結晶器工藝流程圖結晶器振動規(guī)律的發(fā)展結晶器由靜止變?yōu)檎駝樱鹆诉B鑄工作者的廣泛關注和興趣，人們紛紛進行試驗研究工作，對粘結性漏鋼機理進行了研究，發(fā)展了各種結晶器振動規(guī)律。最早出現的是矩形速度振動規(guī)律，基于“拉裂焊合”理論，其特點是結晶器在下降時與鑄坯做同步運動，然后以3倍的拉坯速度上升，即所謂的3:1型振動方式。這種振動方式對鑄坯脫模是有效的，早期得到了應用。但其主要缺點是機械加工比較困難，振動機構和拉坯機構之間要有嚴格的電器連鎖，在上升和下降的轉折點處速度變化很大，設備沖擊大，不利于采用高頻振動。

29、但這種波形的采用，使固定的結晶器變?yōu)檎駝拥慕Y晶器，使結晶器技術產生一個飛躍。隨著負滑動理論的出現，矩形速度規(guī)律被梯形速度規(guī)律所代替，其特點是結晶器向下運動過程中有較長一段時間其速度稍大于拉坯速度，即“負滑脫運動”，使坯殼中產生壓應力，可以使拉裂的坯殼壓合，使粘結的坯殼強制脫模，結晶器在上升、下降轉折點處速度變化較緩和，提高了設備的平穩(wěn)性，梯形波的出現使連鑄的生產更加順暢，這種速度波形沿用了很多年，負滑動理論一直沿用至今。隨著負滑動理論的不斷發(fā)展和完善，出現了正弦速度規(guī)律，正弦振動速度規(guī)律采用偏心輪實現。這種振動規(guī)律打破了結晶器和鑄坯之間要有一定的速度關系的限制，著重發(fā)揮它的脫模作用，用偏心輪代

30、替凸輪，正弦振動仍有一小段負滑動階段，有利于脫模，速度、加速度變化平緩，采用偏心輪設備簡單，易于加工制造、安裝和維護，運動精度高，設備運動平穩(wěn)，沖擊小，易于采用較高頻率振動。正弦振動目前仍被廣泛應用。結晶器的振動方式在結晶器振動技術發(fā)展過程中，在振動形式與振動裝置的結構上出現了多種多樣的形式，主要可歸納為如下四種:同步振動(矩形波)、負滑振動(梯形波)、正弦振動和非正弦振動。目前，在工業(yè)生產中應用量多的主要是正弦波模式。近年來，隨著先進的液壓振動裝置的出現，采用了各種各樣的非正弦波模式的振動曲線。(1) 同步振動采用同步振動方式，結晶器下降時與鑄坯保持同步，可使拉裂的坯殼在下降階段得以愈合，其

31、愈合時間約占振動周期的75%。由于同步振動減少了拉坯阻力，漏鋼事故明顯減少，鑄坯質量有所改善，因而，在連鑄技術開發(fā)初期同步振動得到了廣泛的應用。同步振動一般是由凸輪機構來實現的，其設備的加工、制造比較復雜。同時，為了實現嚴格的同步運動，結晶器振動機構和拉坯機構之間要進行嚴格的電氣連鎖；此外，在向下與向上振動的轉折處速度變化很快，機構中產生很大的沖擊力，進而影響了結晶器振動的平穩(wěn)性，對于鑄坯質量和設備的正常運轉非常不利。同步振動在當今工業(yè)生產中已不再使用。(2) 負滑振動采用負滑振動，結晶器下降的速度稍大于拉坯速度，使凝固坯殼在結晶器下降過程中承受一定的壓力，有利于使拉裂坯殼有效地愈合，同時有利

32、于脫模。在結晶器下降和上升的轉折點，速度的變化較同步式有所緩和，使運動的平穩(wěn)性有所提高。該振動方式仍保留同步式振動愈合時間較長的特點，愈合時間約占整個周期的66% 71%。但負滑振動模式也需由凸輪機構來實現，與同步振動相仿，其在機械、電氣與使用效果上的弱點仍然得到保留，因此，負滑振動在當今工業(yè)生產中同樣不再被采用。(3) 正弦振動正弦振動就是結晶器的運動速度和時間成正弦曲線關系，這種振動規(guī)律的最大優(yōu)點就是只要用簡單的偏心機構即可實現，易于維護，速度變化平穩(wěn)，無沖擊。由于正弦振動的速度始終處于變化之中，在振動機構和拉坯機構之間沒有嚴格的速度關系。因此，也不必建立嚴格的連鎖關系。同時，在運動中仍有

33、一小段負滑脫階段，具有脫模作用。由于加速度比較小，這種振動還能實現高頻振動，減少負滑動時間以得到較淺的振痕，有利于改善鑄坯表面質量，為了使這兩個參數最佳化，曾經歷了不同方向的發(fā)展。從大量實踐經驗可以得出結論，高頻率小振幅對改善鑄坯表面質量有明顯的效果。但是，正弦振動的特性完全決定于其振幅和頻率的數值，即正弦振動只有兩個相互獨立的振動參數。變量少，其波形的調節(jié)能力就小，難以完全滿足高速連鑄的工藝要求，特別是對于那些易于粘結的鋼種，在高速澆注條件下采用具有較長的正滑動時間的非正弦式結晶器振動是更有利的，而且采用帶可調程序控制裝置的液壓機構很容易實現這種非正弦振動方式。(4) 非正弦振動結晶器振動速

34、度隨時間變化的規(guī)律不是正弦曲線的都稱為非正弦振動。隨著高速鑄機的開發(fā)，拉坯速度越來越快，結晶器上振時與鑄坯間的相對運動速度加大，特別是高頻振動后此速度更大，由于拉速提高后結晶器保護渣用量相對減少，坯殼與結晶器壁之間發(fā)生粘結而導致了漏鋼的可能性增加，為了解決這一問題，除了使用新型保護渣外，另一個措施就是采用非正弦振動；非正弦振動是結晶器上振動時間大于下振時間，以縮小結晶器上振與鑄坯之間的相對運動速度。由此可見非正弦振動具有以下特點:（1）在正滑動時間里結晶器振動速度與拉坯速度之差減小。因此,可減小結晶器施加給鑄坯向上作用的摩擦力,作用在彎月面下坯殼的拉應力減小,減少拉裂;（2）在負滑動時間里結晶

35、器振動速度與拉坯速度之差較大。因此,作用于坯殼上的壓力增大,有利于鑄坯脫膜。（3）負滑動時間短,鑄坯表面振痕淺;正滑動時間長,可增加保護渣的消耗量,有利于結晶器的潤滑?？梢酝ㄟ^調節(jié)振動頻率、振幅和波形偏斜因子來控制波形的變化,使非正弦運動的位移、速度和加速度都發(fā)生了變化,從而能夠得到高質量鑄坯,并能有效避免粘結的振動波形。近年來，現代連鑄發(fā)展的一個特點是拉坯速度日益提高，同時，連鑄坯熱送直接軋制技術的發(fā)展也對連鑄坯的表面質量提出了更高的要求。結晶器總體系統(tǒng)設計目前，結晶器的振動控制可以由單片機、虛擬儀器、VB等各種編程語言和可編程邏輯器件實現。利用單片機來控制波形的發(fā)生已經廣泛應用于電子電路、

36、智能儀表、自動控制等領域。本設計所介紹的是一種基于Freescale HCS12系列單片機來控制結晶器的波形發(fā)生。它不同于以往的51系列單片機，它引腳眾多可實現多功能的輸入輸出、結構緊湊有序、外圍設備和電子電路可滿足生產中各種需求，是一種比較前衛(wèi)和現代的微控制器。設計思路本設計以Freescale HCS12系列單片機為核心，通過單片機來控制各種外圍芯片與電路。波形的產生是通過Freescale HCS12單片機執(zhí)行某一波形發(fā)生程序，在其數據線上送出一系列按一定規(guī)律變化的數據信息，通過D/A轉換模塊輸出波形。本設計主要以正弦波的發(fā)生為主，通過在函數中對一個數組附值，經過AD5660輸出，在示波

37、器上就會觀察到對應的波形。通過函數對數組中的數附值之后不是一次就輸出顯示出來的，這要對Freescale單片機編寫控制字，使其開中斷，再用計數器計數，當計數器溢出時便提出中斷請求，這時調用中斷函數，將數組中一個值送到AD5660中，這樣連續(xù)不斷的進行送值，輸出的就是一完整波形。設計方案選擇實現結晶器振動波形發(fā)生的方法很多，可有單片機、虛擬儀器、VB等等。但是選擇一個比較合適和最佳方案要進行如下比較：方案1：采用函數信號發(fā)生器ICL8038集成模擬芯片，它是一種可以同時產生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產生的波形都不是純凈的波形，會寄生一些高次諧波分量，采用其他的措施雖可濾除一

38、些，但不能完全濾除掉。方案2：首先，利用Freescale單片機和AD5660數模轉換器來生成波形。這種方案不同于方案1會同時產生多種波形，它是通過對各種波形進行編寫程序，設定數值送入單片機中，再經過AD5660輸出，在示波器上就會觀察到不同函數值的波形。每產生一種波形就伴隨著軟件濾波，而不會有寄生的高次諧波分量，產生的波比較純凈、清晰。其次，Freescale這種單片機的特點是結構緊湊、性能優(yōu)越、低功耗、可靠性和穩(wěn)定性高、專用性很強而且技術含量高。綜合以上各方面，最終選擇方案2?？傮w系統(tǒng)框圖本設計主要是基于Freescale HCS系列單片機在結晶器振動控制系統(tǒng)中的應用。通過以單片機為核心控

39、制各種外圍芯片和電路。具體如下框圖所示：圖3.3 波形發(fā)生系統(tǒng)方框圖由框圖可以看出，HCS系列單片機系統(tǒng)接收數字信號，然后通過D/A轉換變成模擬信號，由于單片機本身具有波形發(fā)生功能以此執(zhí)行波形發(fā)生程序，進而會有正弦或非正弦等波形輸出，在示波器上就會觀察到不同函數值的波形。再通過對波形參數值的控制和調節(jié)來掌握結晶器的振動規(guī)律。本設計主要是以輸出正弦波為例，通過實驗的方法希望達到預期的效果。硬件設計整體電路設計在結晶器振動的控制中，包括各種控制模塊：數字量輸入/輸出模塊、A/D轉換模塊、D/A轉換模塊、電源模塊、閥芯反饋拉速模塊、CAN總線模塊以與單片機主體模塊。本設計主要討論利用單片機通過D/A

40、轉換使波形輸出這一塊，其他模塊由其他同學負責。波形發(fā)生的主要原理是通過Freescale單片機來執(zhí)行用C語言編寫的波形程序，在其數據線上送出一系列按一定規(guī)律變化的數據信息，通過D/A轉換模塊輸出波形。具體硬件原理圖如下：圖3.4 波形發(fā)生硬件原理嵌入式系統(tǒng)與Freescale單片機3.2.2.1嵌入式系統(tǒng)介紹在任何大系統(tǒng)中由計算機控制的電氣或機械系統(tǒng)都可以稱為一個嵌入式系統(tǒng)。簡單地說，嵌入式系統(tǒng)就是指由位于該系統(tǒng)中的計算機控制系統(tǒng)。嵌入式計算機可以采用和通用計算機一樣的高性能CPU，但通常只需要完成系統(tǒng)所需的某些特定功的任務。因此，嵌入式計算機在應用時必須滿足特定系統(tǒng)的要求。在通信、測控與數據

41、傳輸等領域，人們對計算機技術給予了更大的期待。這些領域的應用與單純的高速計算要求不同，主要表現在以下幾個方面：直接面向控制對象；（2） 嵌入到具體的應用體中，以非計算機的面貌出現；（3） 能在現場連續(xù)可靠地運行；（4） 體積小，應用靈活；（5） 突出控制功能，特別是對外部信息的捕捉與豐富的輸入/輸出功能等。由此可以看出，滿足這些要求的計算機與滿足高速數值計算的計算機是不同的。因此一種稱之為單片機或微控制器的技術得以產生并發(fā)展。3.2.2.2 Freescale單片機的發(fā)展在嵌入式處理器領域, 飛思卡爾打下了堅實的基礎。 1974年,Freescale發(fā)布了MC6800處理器,這是第一個僅需要單

42、個5V電源輸入的模塊產品。同年，Freescale推出第一款HC088位到MCU。到30余年后的今天 ,Freescale已生產出超過80億個單位的MCU。這些被廣泛應用于微波爐尺、調制解調器、安全系統(tǒng)和汽車領域等。微處理器也是Freescale的強項之一。1984年,Freescale推出首顆32位微處理器。在亞洲,首片PDA處理器 “龍珠”處理器在1995年與palm一起打造了全新的手持設備市場。80年代后期Freescale開發(fā)處理器,并在1989年創(chuàng)造出通信處理器?，F在powerQUICC成為業(yè)界使用極其廣泛的通信處理器架構,這使Freescale在通信處理器領域成為排名第一的供應商。

43、Freescale 系列中都包含了一個MCU（微控制器），它的基本含義是：在一塊芯片上集成了中央處理器（CPU）、存儲器（RAM/ROM等）、定時器/計數器以與多種輸入/輸出（I/O）接口的比較完整的數字處理系統(tǒng)。具體框圖如下：圖3.5 MCU部框圖就MCU組成而言，雖然它只是一塊芯片，但包含了計算機的基本組成單元，仍有運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備5部分組成，只不過這些都集成在一塊芯片上，這種結構使得MCU成為具有獨特功能的計算機。由于MCU具有體積小、價格低、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，它的出現和迅猛發(fā)展給控制系統(tǒng)領域帶來了一場技術革命。MCU又以較高的性價比、靈活性等特點，在現代控制系統(tǒng)

44、中占有十分重要部分。MCU是在計算機制造技術發(fā)展到一定階段的背景下出現的，它使計算機技術從科學計算領域進入到智能化控制領域。從此，計算機技術在兩個重要領域通用計算機領域和嵌入式計算機領域都獲得了極其重要的發(fā)展，為計算機的應用開辟了更廣闊的空間。認識了MCU，它是在CPU基礎上發(fā)展起來的，增加了滿足測控對象要求的外圍接口電路，用于測控領域。也就是說，MCU是最典型、最廣泛的嵌入式系統(tǒng)。具有如下特點：（1）嵌入式系統(tǒng)資源受限（2）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要專用工具和特殊方法（3）嵌入式系統(tǒng)要求較高可靠性和穩(wěn)定性（4）嵌入式系統(tǒng)有實時約束（5）嵌入式系統(tǒng)比較關注成本（6）嵌入式系統(tǒng)大多要求低功耗（7）嵌入式

45、系統(tǒng)專用性很強、技術含量高而且生命周期長從MCU出現以來，MCU制造技術迅猛發(fā)展，各種用途、各種類型的MCU不斷出現。目前MCU正向大容量、高性能化；小容量、低價格化；外圍電路裝化等幾個方向快速發(fā)展，應用領域也在不斷地擴大。同時，8位、16位、32位、64位MCU也將有各自的應用領域。Freescale HCS系列單片機簡介3.2.3.1 Freescale HCS系列單片機家族介紹Freescale公司的MC家族以8位、16位、32位機為主，采用CISC體系，目前的主流8位機是9S08系列，16位機是HC9S12（X）系列，高級16位機是56F系列。從應用角度，Freescale的S12系列

46、微控制器可分為以下兩大類：（1）高性能通用型的微處理器，如HC9S12（X）系列。這類微控制器既可工作在總線擴充方式，也可以工作在單片方式，因此可以增加功能，提高可靠性，減小體積，在工業(yè)控制和汽車電子領域有著廣泛應用。（2）適合用于廣闊家電領域的微控制器，如HC9S08系列。這類微控制器性價比高，無需外接存儲器，集成度高，對外不提供地址和數據總線，置了高性能的I/O接口，工作在單片方式。Freescale微控制器的特點：技術成熟，可靠性高，抗干擾和電磁兼容性強，部資源較多，品種全，選擇余地大，新品種多。8位機有HC08，HCS08與RS08系列；16位機有HC12，S12與S12X系列；32位

47、機有MPC56F8X00、68K/ColdFire系列，Power Architecture處理器，基于ARM處理器的i.MX系列以與專門用于高性能、成本敏感性、可電池供電的MCORE處理器等。3.2.3.2 MC9S12DG128部介紹由于Freescale公司的大力推出新的芯片，使得產品在用戶手中越來越普遍。其中MC9S12DG128是公司推出的S12系列微控制器中的一種增強型16位微控制器。其集成度高、片資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、C、A/D、PWM等。MCU是Freescale公司HCS12系列16位中的一種，其部主要由MCU的基本和CAN功能模塊組成。1.時鐘和復位產生模塊

48、、存儲器與封裝形式時鐘和復位產生模塊CRG包括低電流振蕩器或是標準振蕩器的選擇、鎖相環(huán)時鐘頻率放大器、看門狗、實時中斷和時鐘監(jiān)控器。存儲器包括128KB的Flash EEPROM、8KB的RAM、2KB的EEPROM。DG128采用80引腳TQFP和112引腳LQFP兩種形式的封裝，具有5V輸入和驅動能力，CPU的工作頻率可達到50MHz，總線頻率可達到25 MHz，并支持單線背景調試模式（BDM），可以在線設置硬件斷點。2.豐富的I/O接口（1）通用I/O接口：29路獨立的數字I/O接口，20路帶中斷和喚醒功能的數字I/O接口。（2）A/D轉換接口：兩個8通道的10位A/D轉換器、具有外部轉

49、換觸發(fā)能力。（3）CAN總線接口：部集成了3個CAN協(xié)議控制器MSCAN12模塊，符合CAN2.0A/B協(xié)議標準；可編程傳輸率達到1Mb/s；具有5個接收緩沖區(qū)和3個發(fā)送緩沖區(qū)；靈活的標識符濾波模式，可配置成2個32位過濾碼或4個16位過濾碼，或者8個8位過濾碼；含有4個獨立的中斷輸入引腳Rx、Tx、error和wakeup；置低通濾波的喚醒功能。（4）輸入捕捉/輸出比較與PWM：具有8通道的輸入捕捉/輸出比較，還具有8個可編程PWM通道，可配置成8通道8位或4通道16位PWM，其每個通道的周期和占空比均可通過編程獨立設置?？删幊痰臅r鐘選擇邏輯，使得輸入脈沖的頻率可設定在較寬的圍。（5）串行通

50、信口：具有2個串行異步通信接口SCI、2個同步串行外設接口SPI、Bytelight、InterIC總線以與SAE J1850 Class B數據通信網絡接口。3.運行模式DG128MCU的運行模式可分為單片運行模式、擴展運行模式和其他運行模式。單片運行模式包括普通單片運行模式和特殊單片運行模式；擴展運行模式包括普通擴展寬模式、普通擴展窄模式、仿真擴展寬模式和仿真擴展窄模式；其他運行模式包括測試模式和外設模塊測試模式。（1）單片運行模式單片運行模式又分為普通單片模式和特殊單片模式。單片運行模式是DG128MCU最常用的一類運行模式。系統(tǒng)復位時，若CPU檢測到MODA(PE5)和MODE(PE6

51、)引腳為低電平，則進入單片運行模式。普通單片模式是正常運行應用程序時應使用的模式；而特殊單片模式又稱為背景調試模式，是需要進行背景調試時應使用的模式。在MCU復位時，若引腳MODC為低電平，則進入特殊單片模式；反之，則進入普通單片模式。擴展運行模式DG128的擴展運行模式允許通過CPU外部總線擴展RAM、Flash、I/O等。擴展運行模式又分為窄模式和寬模式。前者使用8位外部數據總線，后者使用16位外部數據總線。DG128MCU采用地址和數據總線復用的形式實現外部總線的擴展，在MCU的A口和B口的16位上交替出現地址、數據信號。擴展時，地址總線信號須通過外部鎖存電路得到；數據信號可直接使用A口

52、（8位窄模式）和B口（16位寬模式）。K口的6位給出頁面地址的高位，E口給出總線控制信號。由于DG128 80引腳MCU的A口、B口、K口都沒有引出，因此80引腳的DG128單片機不能使用擴展運行模式。擴展運行模式也有普通運行模式和特殊運行模式之分，其區(qū)別是有些寄存器只能在特殊模式下讀/寫。另外，還有仿真擴展模式，在該模式下，可以看到總線上的控制信號，可接邏輯分析儀用于調試。3.2.3.3MC9S12DG128引腳介紹DG128MCU具有兩種封裝形式，分別為80引腳和112引腳。本設計所用到時112引腳的形式，具體引腳圖如下：圖3.6 DG128的112引腳圖引腳功能說明：I/O口:模擬量輸入

53、：ATD1引腳號為68、70、72、74、76、78、80、82作為第一功能時普通輸入口；第二功能是ADT1輸入引腳；第三功能82引腳是ADT1外部觸發(fā)輸入引腳。 ATD0引腳號為67、69、71、73、75、77、79、81作為第一功能也是普通的輸入口；第二功能是ADT0輸入引腳；第三功能81引腳是ADT0外部觸發(fā)輸入引腳。A口：引腳號5764，作為第二功能，寬總線模式下，多路復用外部地址和數據。B口：引腳號2431，作為第二功能，寬總線模式下，多路復用外部地址和數據。E口：36號引腳，作為第二功能，總線模式下當前總線是否處于空閑周期；作為第三功能，晶振選擇。 37、38號引腳，作為第二功能

54、，MCU工作模式的選擇；作為第三功能，指令隊列跟蹤信號引腳；并且部下拉。 39號引腳，作為第二功能，非正常單片模式，總線時鐘外部引腳。 53號引腳，作為第二功能，低字節(jié)選通；作為第三功能，的引腳。 54號引腳，作為第二功能，外部讀寫功能引腳且部上拉。 55、56號引腳，作為第二功能，外部中斷輸入引腳且部上拉。H口：引腳號3235，作為第三功能，中斷輸入引腳。 引腳號4952，作為第二功能，串行外圍接口（SPI1）；作為第三功能，中斷輸入引腳。J口：98、99號引腳，作為第二功能，CAN4的發(fā)送數據的輸出引腳；作為第三功能，模塊的串行時鐘引腳。 21、22號引腳，作為第二功能，KWJ1、KWJ0

55、；作為第三功能，PJ1、PJ0。K口：108號引腳，作為第二功能，仿真芯片選擇輸出引腳；作為第三功能，決定MISC寄存器的ROMON位值且部上拉。 19、20、58號引腳，作為第二功能，總線模式下外部總線擴展地址且部是那個拉。M口：87、88號引腳，作為第二功能，Byteflight。 100、101號引腳，作為第二功能，Byteflight；作為第三功能，SPI0。 102105號引腳，作為CAN/BDLC。P口：109112號引腳，作為第二功能，中斷輸入引腳；作為第三功能，PWM模塊。 14號引腳，作為第二功能，中斷輸入引腳；作為第三功能，PWM模塊且作為SPI1。S口：9396號引腳，作

56、為第二功能，SPI0。8992號引腳，作為第二功能，SCI。 T口：1518、912號引腳，作為第二功能，定時器模塊。電源：、分別是107、106號引腳作為I/O的外部電源。、分別是41、40號引腳作為I/O和部電壓調節(jié)模塊的外部電源。、分別是13、14、65、66號引腳作為MCU的電源。、分別是83、86號引腳作為電壓調節(jié)與部A/D轉換的電源。、分別是84、85號引腳作為A/D轉換的參考電壓端。、分別是43、45號引腳作為PLL的電源供給端。是97號引腳作為片電壓調節(jié)模塊的使能端。控制： RESET是42號引腳作為復位引腳（有部上拉）。 BKGD/MODC/是23號引腳作為背景調試（有部上拉

57、）。其他： XFC是44號引腳作為PLL的外部濾波電容連接引腳。 EXTAL、XTAL分別是46、47號引腳作為片振蕩器引腳。3.2.3.4MC9S12DG128外圍電路介紹MCU最小系統(tǒng)是指可使部程序運行所需要的外圍電路。DG128芯片的最小系統(tǒng)包括電源電路、PLL電路、復位電路、晶振電路、BDM調試接口電路等，具體介紹如下：電源電路：HCS12MCU的芯片部使用3V電壓，I/O端口和外部供電電壓為5V。在圖3.7給出的DG128最小系統(tǒng)電路中，電源電路部分的Cd和Cs構成濾波電路，可以改善系統(tǒng)的電磁兼容性，降低電源波動對系統(tǒng)的影響，增強電路工作穩(wěn)定性。另外，為標識系統(tǒng)通電與否，可以增加一個

58、電源指示燈。圖3.7 電源電路PLL電路：片的PLL電路兼有頻率放大和信號提純的功能，因此，系統(tǒng)可以以較低的外部時鐘信號獲得較高的工作頻率，以降低因高速開關時鐘所造成的高頻噪聲。圖3.8 PLL電路在圖所示的PLL電路中，引腳由片提供2.5V電壓；C1、C2和R5的取值與晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器有關。MCU系統(tǒng)時鐘電路和電源電路在布PCB板時，要按照以下規(guī)則布線，才能使系統(tǒng)的電磁兼容性得到保證：（1）盡量讓時鐘信號回路周圍電場趨近于零。用地線將時鐘區(qū)圈起來，時鐘線要盡量短。（2）石英晶振下面與噪聲特別敏感的器件下面不要走線。（3）PLL的濾波電路要盡可能靠近MCU，每個電源端和接

59、地端都要接一個去耦電容，去耦電容要盡可能靠近MCU。復位電路：HCS12系列MCU在響應各種外部或偵測到的部系統(tǒng)故障時可進行系統(tǒng)復位。當MCU檢測到需要復位時，它將寄存器和控制位設置成已知的起始默認值。系統(tǒng)復位的用途是錯誤復位，即當MCU檢測到部故障時，它嘗試回到一個已知的、明確的狀態(tài)而從故障中恢復。具體電路圖如下：圖3.9 復位電路晶振電路：晶體振蕩器分為無源晶振和有源晶振兩種類型。需要外接電源的晶振稱為有源晶振。相反無需外接電源的稱為無源晶振。本設計用無源晶振，引腳XTAL和EXTAL分別接該單片機的輸入端和輸出端。這個單片機與作為反饋元件的片外石英晶體或瓷諧振器一起構成自激振蕩器。具體電

60、路圖如下：圖3.10 晶振電路外接石英晶體（或瓷諧振器）與電容C9、C10接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對外接電容C9、C10雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度與溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF10pF，而如使用瓷諧振器建議選擇40pF10pF。D/A轉換器AD56601.D/A轉換器的基本問題D/A轉換器的轉換精度D/A轉換器的轉換精度有兩種衡量方法：（1）分辨率：D/A轉換器在理論上可達到精度。其定義是，電路所能分辨的最小輸出電壓(輸入的n位數字代碼最低有效位LSB為1，其余各位為0)與最大輸出電