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1、-基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料控制部分的研究-第 31 页毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业
2、设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了
3、解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时
4、）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论
5、文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订3）其它基于AT90CAN128单片机的高炉烧结配料控制部分的研究摘 要烧结生产作为高炉炼铁顺利进行的前提,在冶金生产中起着相当重要的作用。配料是烧结的重要工艺环节之一,为了达到降低烧结矿成本,提高烧结矿产量和质量的目的,提高配料系统的管理和控制水平成为首要问题。本文详细地阐述了烧结配料计算机控制系统的组成。由上位机和下位机构成集散控制系统。现在 ,这一配料过程的计算机控制系统已在现场运行，较好地改变了配料系统的控制质量 ,收到了满意的使用效果。电子皮带秤是一种智能化的数字式动态称重显示仪，由秤量框架、称重传感器、测速传感
6、器和显示仪表等四大部件组成。其基本原理是物料重量通过称量框架传递给称重传感器，变化为毫伏级电信号，再与测速传感器的皮带速度脉冲信号一起由显示智能仪表处理后进行累加显示。关键词：高炉烧结配料；降低烧结矿成本；提高烧结矿产量和品质；集散控制系统；重量配料Based on sintering blast furnace AT90CAN128 ingredientsMCU control part of the studyAbstractSintering blast furnace production as a prerequisite for the smooth conduct of the
7、metallurgical production plays an important role. Batching process is an important aspect of sintering of the sinter in order to achieve lower costs and improve the quality of sintering of mineral and the purpose of proportioning system to improve the management and control issues become a priority.
8、 In this paper, the sintering detail the ingredients of the composition of the computer control system. By the upper and lower body into a distributed control system. Now, the ingredients of computer process control system has been running at the scene, changed the ingredients to better control qual
9、ity, has received satisfactory results. Electronic belt scale is a kind of intelligent digital display instrument WIM, by weighing the framework, weighing sensor, Speed sensor and display instruments, such as the four major components. The basic principle is that the weight of materials delivered to
10、 the framework adopted by weighing weighing sensor, millivolt-level signal change, and then with the gun belt speed sensor with pulse signal processing by the display after the smart meter display cumulative.Key words: blast furnace sintering ingredients；reduce the cost of sintering ore；and minerals
11、 to improve sinter quality；distributed control system；the weight of ingredients目 录摘 要IABSTRACTII第一章 引言11.1 研究背景11.2 研究题目21.3 研究重点31.4 研究系统的配料自动控制4第二章 整体方案设计62.1 高炉烧结配料系统的组成62.2 高炉烧结配料系统的工作方式62.3 高炉烧结配料系统各部分功能72.3.1 称重皮带秤及控制仪表功能72.3.2 计算机监控部分82.3.3 变频控制部分9第三章 硬件设计103.1 单片机AT90CAN128103.1.1 单片机AT90CAN
12、128的结构103.1.2 AT90CAN128的部分引脚介绍103.1.3 AT90CAN128的特点123.2 PWM的介绍133.2.1 PWM的作用133.2.2 PWM的原理133.2.3 参数变化和滤波电路的形成153.3 滤波电路183.3.1 滤波电路的分类183.3.2 电容滤波电路的作用193.4 电压转电流电路203.4.1 前置放大级213.4.2 电压电流转换级（V/I转换）21第四章 软件设计224.1 PID控制224.1.1 PID控制的概述224.1.2 PID控制的特点244.1.3 PID控制的优点264.1.4 PID 参数的调整原则264.1.5 模拟
13、PID控制算法控制算法274.1.6 PID算法的程序流程274.1.7 增强型PID的简易流程图如下图所示：294.1.8 克服积分饱和的方法304.1.9 对控制量的限制314.2 整体的软件流程图314.3 CAN总线技术32总 结34参考文献35附录A 设计原理图36附录B 模块设计图37附录C 程序38致谢45第一章 引言1.1 研究背景烧结生产作为高炉炼铁顺利进行的前提，在冶金生产中起着相当重要的作用。配料是烧结的重要工艺环节之一，为了达到降低烧结矿成本，提高烧结矿产量和质量的目的，提高配料系统的管理和控制水平成为首要问题。本文详细地阐述了烧结配料计算机控制系统的组成及系统的软、硬
14、件设计。每一配料系统都配有一台上位机(工业控制机IPC2610) 和一台下位机( PLC25/ 30)，通过数据公路DH + 相连,由上位机和下位机构成集散控制系统。每台上位机都共享2 台下位机的数据,实现双机热备,增加了系统的准确性和可靠性。现在,这一配料过程的计算机控制系统已在现场运行，较好地改变了配料系统的控制质量，收到了满意的使用效果。在冶金生产中，烧结生产是第1 道重要的生产工序，是冶金产品(铁、钢、线材、型材等) 的基础。首先，它将冶炼过程所需的各种原料按理化特性经过定量自动配料，加水混合造球，然后均匀地铺到烧结机台车上，经过点火炉燃烧和主抽风机的负压锻烧，送入带冷机，最后经破碎、
15、筛分、整粒，生产出合格的烧结矿送入高炉熔炼成铁。其中，烧结配料生产是高炉原料生产的重要环节，其工艺过程是根据烧结和高炉生产的要求，将各种不同的含铁原料、熔剂和燃料按照一定的比例进行配料，以确保后道工序生产出化学成分和物理性能都符合生产要求的优质烧结矿。烧结自动控制是检测技术、自动化技术、计算机技术与烧结工艺相结合的产物。它的应用主要有2 个目的：一是操作的稳定性容易生产化学成分稳定、粒度均匀和强度较好的烧结矿作为高炉的原料；二是过程的最佳化能最大限度地降低生产成本乃至整个炼厂的生产成本，提高劳动生产率、降低劳动强度。随着烧结设备的大型化和高炉对烧结矿质量要求的提高，烧结过程计算机控制技术的作用
16、和成效更为显著，烧结自动控制水平已成为衡量烧结工艺水平的一个重要指标。目前国内常用的配料方法有两种，即容积配料法和重量配料法。容积配料法是利用物料的堆比重，通过给料设备对物料容积进行控制，达到配加料所要求的添加比例的一种方法。此法优点是设备简单，操作方便。其缺点是物料的堆比重受物料水分、成分、粒度等影响。所以，尽管闸门开口大小不变，若上述性质改变时，其给料量往往不同，造成配料误差。重量配料法是按照物料重量进行配料的一种方法，该法是借助于电子皮带称和定量给料自动调节系统实现自动配料的。优点是：重量配料比容积配料更加精确，特别是对添加数量较少的原料，这一点更明显。 除这两种配料法外，化学成分配料是
17、一种目前最为理想的配料方法，它采用先进的在线检测技术，随时测出原料混合料成分并输入微机进行分析、判断、调整，使烧结矿质量稳固在高水平。国外对这种方法也处于开发阶段，我国的宝钢、首钢已具备开发这种水平的条件。我所用的设计题目是通过重量来配料的。工艺要求是系统设计的主要依据,也是控制系统所要实现的最终目标。配料系统的工艺流程就是把各种铁矿石、熔剂、燃料按一定的比例进行混合,成为满足要求的混合料。为了使混合料不仅具有一定的化学成分,而且具有一定化学成分的稳定性和良好的透气性,要求物料流量的测量精度高,给料仓的物料下料量控制准确。1.2 研究题目烧结控制的目的就是通过调整原料参数、操作参数和设备参数,
18、使状态参数和指标参数达到最优。在本配料控制系统中,对每一种物料都进行单独的PID 调节。以便达到较好的控制功能。设定流量根据各物料的配比计算得出，通过测速电机测得各定量皮带电机和称量皮带电机的转速，通过荷重传感器检测物料重量，根据速度信号和重量信号计算实际物料流量，由PID 调节的输出控制变频器改变其输出频率，从而改变圆盘电机和定量皮带电机的转速,以此来控制物料流量使其达到设定值。近年来,国内新建烧结机的配料方法均采用重量配料法，重量配料就是按原料的重量来配料，采用电子皮带秤对物料进行连续计量，通过调节圆盘给料机或皮带的速度来实现定量给料，重量配料易实现自动配料,配料精度较高。烧结配料系统种往
19、往由多个单圆盘给配料系统和工业计算机等组成，下图1.1为单个圆盘给配料系统。磁电式速度传感器应变式称重传感器双杠杆多(双)组托辊称量框架放大整形线性放大高速A/D自动调零LED累计显示微处理机智能单元瞬时量显示物料图1.1 电子皮带秤工作原理方框图1.3 研究重点本圆盘给配料系统由检测回馈、给定信号、比较运算与转化、变频器、圆盘给料机等部分组成。圆盘给配料系统中给料量主要由圆盘给料机圆盘转速决定，且给料量与圆盘转速成线性关系。圆盘给料机转速是由变频器控制。流料检测由核子称信号与主皮带信号换算得出作为本圆盘给配料系统的回馈信号，累计流量Q=K*T*G,（K为比例系数，T为皮带速度，G为瞬时流量）
20、。根据每一采样时刻的瞬时流量计算出采样时刻前一段时间（10S左右）的平均流量，并将其与上位机流量给定值比较并对偏差进行PID运算得到控制量，最后经D/A模块转换为420mA信号作为变频器速度信号去控制圆盘转速最终达到控制物料流量目的。 我所涉及到的是给料系统的控制部分的设计。所以PID也是我设计部分的主要内容。烧结厂处理的原料种类繁多，必须根据烧结生产过程的要求和烧结质量的要求进行精确的配料。本文针对实际需要，将PID算法运用于对配料的控制中，并详细介绍烧结系统运用AT90CAN128来实现配料系统的PID控制的过程。实践证明, 该取得了很好的控制效果, 适合现场实际应用。烧结用的新原料有混匀
21、矿、熔剂、生石灰等，将这些新原料和冷返矿、燃料按照所要求的配比进行自动给料的过程称为配料系统的自动控制。操作人员在画面上输入“设定干配比”，设定干配比使用前必须进行人工确认，再通过合理性检查得到“采用干配比”后才能进行湿配比的计算。根据采用干配比和采用水分率经计算求出各种原料的湿配比，再根据混合料槽料位之需要，确定总的配料量，求出每台配料秤排料量的设定值。由于贮矿槽空间位置的不同，则设定值必须经过延时处理，使各种原料的实际干配比在总配料量发生变化或槽变更时保持一致。1.4 研究系统的配料自动控制配料系统的各种计算、延迟设定及跟踪等功能由PLC完成;配料秤二次仪表对排料量设定值和测量值进行PI运
22、算，并将控制输出信号通过通讯方式送给变频器完成死循环控制。其控制算法15“，设计如图1.2所示，其中m，c，r;为原料干配比，h为原料水分率，Wts砰乍忿为综合输送量，t为延迟时间，Di为配料设备运行状态。图1.2 配料控制算法设计图第二章 整体方案设计2.1 高炉烧结配料系统的组成烧结机的配料采用13个定量圆盘给料机和电子皮带秤定量给料，为提高皮带配料秤的计量精度和配料系统给料精度，所有给料机的皮带配料秤均采用变频调速的方式进行控制。该自动称重配料控制由下列五大部分：电子皮带称、称重控制仪表、变频控制柜、监控计算机及现场操作箱部分。 图2.1 高炉烧结配料系统的组成配料自动控制实现烧结用的原
23、料如混匀矿、燃料、熔剂白云石、生石灰、冷返矿按照工艺要求的配比进行自动给料，能够判断下料堵料和失控故障、变频器故障，并报警。2.2 高炉烧结配料系统的工作方式 高炉烧结配料系统检修和工作方式有二种：手动检修方式：即通过现场操作箱选择开关及按钮控制变频器以点动频率驱动电动机正反向运行速度；工作方式有二种：第一种是仪表自动给料；即通过称重控制仪表键盘，任意给定所需给料量，并通过给料量大小变化自动调整变频器频率(电动机的运行速度)；第二种是上位机自动给料，给料设定就可由上位机画面来完成。正常工作在上位机自动给料，受计算机控制。检修或调试时在“检修”状态，可以单机运行。2.3 高炉烧结配料系统各部分功
24、能2.3.1 称重皮带秤及控制仪表功能要确保烧结配料成分的稳定，圆盘给料机和螺旋的流量控制是关键。通过圆盘给料机和料仓给料器与集料皮带机之间安装调试好的电子配料皮带秤称量检测，以及配料皮带测速编码器(传感器)测量皮带运输原料速度的检测，称重仪表采集测量皮带秤上每单位长度的载荷值q(kg/m)以及皮带在同一时刻的运行速度v(m/s)，且两者相乘得到物料的瞬时流量qv(kg/s)。只要保证q(t)V(t)的乘积不变，就可以保证物料流量的恒定。即随皮带上物料重量的变化控制皮带运行速度做出相应的调整，就可以保证物料流量的恒定。在本系统中圆盘给料机的速度是恒定不可调的，所以控制流量的恒定只能调节皮带上物
25、料重量，而重量的改变又只能通过改变变频器的频率，以改变皮带秤的速度。流量恒定控制原理图2.2所示，每一个称重控制都是一个“小死循环”控制系统。称重仪表检测并运算q(t)V(t)的乘积与流量设定值（上位机给定或仪表键盘给定）进行比较，然后进行PID运算,，得出相应的输出频率信号到变频器，实现自动控制流量大小的要求。 图2.2 流量恒定控制原理图 实现流量恒定的控制。仪表控制部分采用模块控制方式,电子秤与仪表控制模块之间的信号传输采用差分频率信号传输技术,具有极强的抗干扰能力和远传能力,从而保证了系统信道的可靠性和准确性,在回馈控制上采用新型的人工智能PID调节算法,无振荡,无超调。 仪表控制部分
26、与监控计算机采用CAN总线通信方式，信号传输的快速实时性更高、抗干扰更强、可靠性更高，保证配料精度和稳定性。 配料秤有补偿功能，即皮带本身影响自动补偿功能。能在配料秤正常生产运行过程中，连续不断地测量皮带本身实际重量的变化(如物料局部粘结等造成的皮带皮重的变化，天长日久磨损程度不同导致的皮带薄厚不均，以及张力不匀等所产生的对称重传感器的外部影响)，并随时进行精确补偿，因而其动态测量精度要比一般设备厂家的配料秤动态测量精度高。2.3.2 计算机监控部分该计算机采用品牌机作为控制计算机, 系统软件是在Win2000操作平台下,用组态王（或VB6.0）开发研制的通用应用程序，整个程序兼顾鼠标和键盘操
27、作。各种操作接口、数据显示及打印管理,用户可方便进行各种资料的修改操作,运行数据的图形显示及打印各种报表。工艺流程动画显示美观大方,友好的操作接口，简单易学,其功能如下： 显示功能1)该系统能显示整个配料工艺及流程画面;2)显示各设备瞬时运行情况;3) 显示各台秤的给定流量、实际流量、下料累计量，显示各种原料的瞬间下料量、总流量及总累计量。4)具有系统报警功能。 操作及控制功能该系统利用操作提示菜单方便、简单，快速引导进行系统操作。其功能如下:1)能实现变频器的远程操作(启停、手自动转换、单动)；2)能快速修改各台电子秤的计量参数及换仓后各物料吸收系数的变更设置;3)修改配料系统的控制参数;4
28、) 根据工艺要求，可随时、方便的选定、修改、更换配比和配料总流量;5)当物料水分含量发生变化时,可方便的变更水分组和手动输入各物料的水分变化量。6)根据现场实际需要，可对打印时间间隔、报警时间进行设置; 报警功能1)当系统各测量单元出现故障时,工艺流程主画面将以警示色提醒用户,按下相关键后,可由CRT显示故障代码;2)当系统出现空仓或园盘给料机堵料而无法下料时,工艺流程画面报警提醒用户及时处理。 2.3.3 变频控制部分皮带电机采用流量死循环变频调速方式，保证配料精度和稳定性，节电效果显著。将每台变频器集中在变频电控制柜中。正常工作时，称重仪表PID的输出控制变频器的输出频率，检修调试时，按钮
29、点动控制变频器的输出频率。现场操作箱 调试或现场检修时，通过现场操作箱实现单机的正反运行。第三章 硬件设计3.1 单片机AT90CAN1283.1.1 单片机AT90CAN128的结构单片机AT90CAN128的结构图如图3.1所示 图3.1 AT90CAN128结构图3.1.2 AT90CAN128的部分引脚介绍本次试验主要是以PWM口为主，所以，我主要介绍一下PB口的相关作用，主要是PB7-PB0的作用。如表3.1所示：表3.1 部分引脚的菜单引脚名第二功能PB7OC2（T/C2的比较匹配输出和PWM输出口）OC1C（T/C1的比较匹配输出和PWM-C输出口）PB6OC1B（T/C1的比较
30、匹配输出和PWM-B输出口）PB5OC1A（T/C1的比较匹配输出和PWM-A输出口）PB4OC0（T/C0的比较匹配输出和PWM输出口）PB3MISO(SPI总线主输入口/从输出口)PB2MOSI（SPI总线主输出口/从输入口）PB1SCK(SPI总线时钟)PB0SS(SPI总线主从选择)埠B，位7OC2/OC1COC2 比较输出：PB7脚作为定时器/计数器2的比较输出。该引脚必须被配置成输出（DDB7=1），才能作为该功能使用。OC2引脚同时也能作为PWM模式输出。OC1C 比较C输出：PB7引脚还能作为定时器/比较器1比较C的输出。该引脚必须被配置成输出（DDB7=1），才能作为该功能使
31、用。同时OC1C也能作为PWM模式下的输出使用。埠B，位6OC1B比较B输出：PB6引脚可以作为定时器/比较器1的比较B输出。该引脚必须被配置成输出（DDB5=1），才能作为该第二功能使用。OC1B引脚同时也能作为PWM模式下的输出引脚用。埠B，位5OC1A比较A输出：PB5引脚可以作为定时器/比较器1的 比较A输出。该引脚必被配置成输出（DDB5=1），才能作为该第二功能使用。OC1A引脚同时也能作为PWM模式下的输出引脚用。3.1.3 AT90CAN128的特点AT90CAN128是一款低功率CMOS 8位的微处理器，它是基于AVR增强型RISC结构的。在一个时钟周期里执行强大功效的指令，
32、AT90CAN128可完成1 MIP每MHz的吞吐量，从而让系统设计者可对进程速度进行优化功率消耗。AVR内核结合了一个丰富的指令设置，有32个通用目标工作寄存器。所有32个寄存器都直接和运算器连接，两个独立的寄存器允许被在一个时钟周期里执行的一条单个指令访问。这种结构比常规的微处理器更具有效率。AT90CAN128有以下特点：128K的内部可编程FLASH，具有可擦写能力，4K的EEPROM，4K的SRAM，53个通用目标I/O接口，32个通用目标工作寄存器，一个CAN控制器，实时时钟（RTC），四个灵活的定时/计数器，具有比较输出模式和PWM，两个USART，一位定向两线串行接口，一个8信
33、道10位的ADC，一个可编程的带有内部震荡器的看门狗定时器，一个SPI串口，JTAG测试接口，也可用于访问片上调试系统和五个软件选择的省电模式。空闲模式会关闭CPU，但允许SRAM，定时/计数器，SPI/CAN口和中断系统继续工作。掉电模式保存寄存器内容，但停止震荡器，禁止所有其它片上功能直到下一个中断或者硬件复位。省电模式中，异步定时器继续运行，当其它的器件处于休眠时允许用户保留一个定时器。ADC噪声消除模式关闭CPU和所有的I/O接口模块（但除了异步定时器和ADC），以此在ADC转换期间使噪声最小化。在备用模式中，晶体振荡器运行当其它器件都休眠。器件运用Atmel公司的高密度非易失的存储技
34、术制造。片上ISP FLASH允许程序内存被一个常规的非易失的储存编程器或者一个在AVR内核上运行的片上启动程序，通过一个内部SPI串行接口来重新编程。启动程序能用于任何接口在应用FLASH储存器里来下载应用程序。当应用FLASH部分被更新时，在启动FLASH部分内的软件将继续运行，提供真正的读写操作。由于在一个单芯片上结合了一个带有内部可编程FLASH 的8位RISC CPU，Atmel的AT90CAN128可说是一个强大的微处理器，为众多的嵌入式控制应用器件提供了一个高度灵活和低费用的解决方案。AT90CAN128 AVR 可支持全套的编程和系统开发工具，包括：C 编译器，宏汇编，编程调试
35、器/仿真器，电路仿真器和成套工具。3.2 PWM的介绍3.2.1 PWM的作用 脉宽调制PWM是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时
36、候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。PWM信号是指脉冲宽度可以调整的信号。在AT90CAN128单片机中，PWM信号可以由单片机内部的定时器产生。3.2.2 PWM的原理 脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成，其占空比与信号的瞬时采样值成比例。通常在单片机中集成有一个硬件式的可输出PWM 脉宽调制信号的端口，利用它就可以将数字信号转换成所希望的电流信号。PWM 脉宽调制信号是一种矩形波，它的开启时间tp 与一个周期T 的比是根据数字信号变化而变化的。如果在单片机中即没有D/A 转换电路也没有硬件式的可输出PWM 脉宽调制信号的端口，比如一些低成本的RISC芯片就是
37、这样，那么也可以通过软件方式产生这个PWM 信号并通过编程让一个I/O 输出端口作为PWM信号的输出端。对此可以使用一个由时钟控制的中断程序来实现。在一个周期T 内，通过软件方式使I/O 输出端口产生一个开启和关闭的PWM 信号，它的脉冲宽度tp 是与数字化的测量信号值相关联的。单片机的I/O 输出端通常输出的是分立的固有脉冲频率（基频）f = 1/tCLK 的电压值U1（U1=3.3V 或5V）并与PWM 信号相适应，所以此时PWM 信号的脉冲幅值即振幅就是U1。而我所使用的AT90CAN128是有直接输出的PWM信号，所以不需要进行软件的控制。开启时间tp 和周期T 的比值tp/T 可看作
38、为占空比或工作比（如图3.2）。占空比的变化是与经单片机处理的测量信息相关联的。如果该信息具有10 位的分辨率，那么周期T应满足T= 1024 tCLK。图3.2 PWM脉冲宽度tp定义示意图例如，如果一个十六进制的信息为006A，单片机的固有脉冲周期为tCLK= 1s，那么可得到相应的脉冲宽度为tp= 106s 的PWM 信号，此时单片机的基频频率不分频。如果微处理器有10 位的分辨率，可以得到占空比为 t p/ T=106/1024 0.10 参见图33。 图3.3 PWM信号的不同占空比3.2.3 参数变化和滤波电路的形成下面描述的滤波电路和元器件数值的计算是基于在输出端输出的是经单片机
39、处理后的PWM 脉宽调制信号。为了将PWM信号转换成模拟电压信号，通常由一个低通滤波器将信号进行算术平均值处理后取得的。此时PWM 信号必须满足这个准静态的条件即：fm fp（fm = 测量信号的变化， fp = 1/tp），才可以通过一个滤波电路将PWM 信号转换成模拟电压信号（见图3.4）。 图3.4 带有PWM信号输出的单片机和电压电流转换电路这个来自单片机的矩形波PWM信号U1 通过低通滤波器得到一个平均值的模拟电压信号U2，它是与占空比tp/T 成正比的。计算公式如下： (3.1)经过滤波的PWM信号即U2 再继续转换成工业标准的电流输出（4mA20mA）。如果占空比tp/T 为0.
40、5，则输出的模拟电压值是算术平均值为2.5V，如果系统的占空比tp/T为1，则输出幅值是5V（U1）。上面的公式中还没有涉及到滤波电路的参数计算和信号转换时相关的误差问题。接下来的问题是,如何来确定低通滤波器的电气参数，而这个参数是与转换精度直接相关的？或者说，怎样做才能使PWM 信号在转换成电流信号时所带来的误差是几乎可以忽略的，对低通滤波器所计算确定的电气参数在此起了一个什么作用？原则上所需要的低通滤波器只要在模拟电压转换时不产生或产生很小的误差就可以了，就是说，来自低通滤波器的干扰即纹波应该尽可能的小。PWM 信号的振幅是U1，经滤波输出的模拟电压U2和它的纹波为U2，在满足条件U2 U
41、1 的情况下，当占空比tp/T 为一半时，即： （3.2）U2 的纹波U2 将是最大值，公式如下： （3.3）上式说明，纹波电压不仅与PWM 信号的振幅U1 和周期T 有关，也与低通滤波器的电阻R 和电容值C 有关。从低通滤波器的电阻R 和电压电流转换电路的输入偏置电流(IINPUT)可得出转换电路的输入失调电压UOff ，该输入失调电压也是导致电流输出误差Iout 的重要部分。 UOff = IINPUT R (3.4)从输入失调电压公式(34)和纹波电压公式（3.3）中可以看出，电阻R 所起的作用正好相反,所以在计算低通滤波器的R 和C 时，会涉及到一个相同意义上的最佳选择问题。根据边界条
42、件的要求，实际上计算时的此二部分误差应该相等，即UOff =U2max，所以，由公式（3.3）和（3.4）得出最佳电阻值R 为： （3.5）由式（3.3）得出电容C 为： （3.6）在边界条件预先给出的情况下，即当输入失调电压和纹波电压二个误差相等时确定了低通滤波器R 和C 的值。与前面理论计算无关，在电路设计时还必须考虑电容的损耗系数tan 和温度系数对系统性能的影响，当然还有体积的大小和成本等问题。低通滤波器的截止频率 fg （3dB），通过它能将PWM信号的变化fm （测量信号的变化）传递转换的，由下面的式子得出： （3.7） 图3.5 纹波电压与低通滤波器的截止频率fg的关系从图3.5
43、 可以看出，纹波电压和低通滤波器的截止频率是互相关联的物理量。要纹波电压小，也就要低通滤波器的截止频率小。由式（3.5）和（3.6）得出： （3.8）可以看出用纹波电压U2max可以得出低通滤波器的截止频率fg。例如，若tCLK = 1s，T = 1024 tCLK，纹波电压误差U2max要求为 0.5% ，失调电压误差同样为 0.5% ，PWM 信号的振幅= 5V，AM462 输出电流信号为 Iout = 4mA20mA，AM462 输入偏置电流IINPUT 10nA。将数据代入式（5）和(6）计算得出：R=2500k，C=20.48nF。将其值代入式（8）得出低通滤波器的截止频率为fg=3
44、.1Hz。3.3 滤波电路3.3.1 滤波电路的分类 滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据傅立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波迭加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性迭加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。 实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器，则是根据
45、电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。用模拟电子电路对模拟信号进行滤波，其基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。根据频率滤波时，是把信号看成是由不同频率正弦波迭加而成的模拟信号，通过选择不同的频率成分来实现信号滤波。当允许信号中较高频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做高通滤波器。当允许信号中较低频率的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做低通滤波器。当只允许信号中某个频率范围内的成分通过滤波器时，这种滤波器叫做带通滤波器。理想滤波器的行为特性通常用幅度-频率特性图描述，也叫做滤波器电路的幅频特性理想滤波器的幅频特性如图所示。图中，w1和w2叫做滤波器的截止频率。 图3.6 滤波器频率响应特性的幅频特性图对于滤波器，增益幅度不为零的频率范围叫做通频带，简称通带，增益幅度为零的频率范围叫做阻带。例如对于LP，从-w1当w1之间，叫做LP的