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上海交通大学

硕士学位论文

基于PLC和单片机的新型阀门电动执行装置控制系统的开发与设

计

姓名：席培刚

申请学位级别：硕士

专业：控制理论与控制工程

指导教师：谢剑英

20070101

上海交通大学硕士学位论文

基于 PLC和单片机的新型阀门电动执行装置控制系统的

开发与设计

摘要

在水利、电力及化工行业，不同种类的阀类，如截止阀、闸阀、

蝶阀等得到了最广泛的应用。在对阀门实现远程控制、集中控制和自

动控制的过程中，阀门电动执行装置是一种必不可少的执行部件。随

着微电子技术、电力电子技术、微机控制技术及通讯技术等现代科学

技术的发展，阀门电动执行装置趋向智能化、新型化。而这种智能化

和新型化的发展趋势主要来源于阀门电动执行装置控制系统的不断

技术革新。

论文阐述了以 PLC 和单片机技术为核心的新型阀门电动执行装

置控制系统的开发与设计方案，内容包括控制系统硬件与软件的设

计，着重阐述了控制系统中电源模块、检测模块、电机控制模块、人

机交互模块以及远程通信模块的硬件设计。

新型阀门电动执行装置控制系统硬件部分包括了电源、检测、电

机控制、液晶显示、存储、数据采集和远程通信等模块，系统以施奈

德公司 Twido系列 PLC为核心，配以 Atmel公司的 Atmega 64 AVR单

片机作为人机交互部分的主芯片，给出了电源模块、行程检测模块、

扭矩检测模块、电机控制和开关模块、人机交互模块和远程通信模块

等各部分硬件设计的实现方案。

新型阀门电动执行装置控制系统软件设计包括了人机交互模块、


电机控制模块、AVR单片机和 PLC之间的通讯模块和总线模块。系统

以 TwidoSoft为编程工具，实现了电机控制和开关模块的软件设计；

在人机交互模块中，系统以 ICCAVR 作为人机交互部分的开发和编译

工具，以 C语言作为开发语言，在 AVR STUDIO集成环境下进行调试，

实现了单片机嵌入式开发的编程工作。

在实验室以及现场环境下，完成了阀门电动执行装置控制系统

软、硬件调试，性能稳定，工作正常，符合国家以及工业应用的标准，

实现了产品化的需求。

关键词：电动执行装置，AVR 单片机，Twido PLC，人机交互，电机

控制


RESEARCH AND DESIGN OF NEW

ELECTRIC VALVE ACTUATOR CONTROL SYSTEM

BASED ON PLC AND SINGLE CHIP COMPUTER

ABSTRACT

In the water industries, electrical industries and chemical industries,

different kind of valves such as stop valves, gate valves and butterfly

valves are widely used. The electric valve actuator is an inevitable

implementation instrument on the process of realizing remote control,

centralized control and automatic control to valves. With the rapid

development of modern scientific technologies, including micro

electronic technology, power electronic technology, micro-computer

control technology and communication technology, the electric valve

actuator tends to be more intelligent and newer, which attributes mainly

to the continuous technology innovation for the electric valve actuator

control system.

The paper describes the designs for the new electric valve actuator

control system based on PLC and single chip microcomputer technology.

The designs include both hardware and software part of the control

system and mainly focus on the hardware part of the control system

including power module, detection and measure module, motor control

module, human-machine interface module and remote communications

module.

The hardware designs of the new electric valve actuator control


system include power module, detection and measure module, motor

control module, liquid crystal display module, data memories and

collection module and remote communications module. The whole

hardware system regards Schneider Company’s Twido PLC as the core

motor controller, accompanying with the Atmel Company’s Atmega 64

single chip microcomputer as the human-machine interface core

controller. The paper presents the detail hardware design solution of all

the modules.

The software designs of the new electric valve actuator control

system include human-machine interface module, motor control module,

communications between PLC and single chip microcomputer module

and bus module. The motor control software is developed under

TwidoSoft environment, a PLC program tool. The human-machine

interface software is developed under C, compiled under ICCAVR and

debugged under AVR STUDIO environment.

The electric valve actuator control system has passed all the

hardware and software tests under both lab and field environment. It can

not only work stably under real industry environment but also accord

with Nation Standards.

KEY WORDS: electric valve actuator, AVR single chip computer,

Twido PLC, human-machine interface, motor control


上海交通大学

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究

工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人

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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结果由本人承担。

学位论文作者签名：席培刚

日期：2007年 1月 25日


上海交通大学

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本学位论文作者完全了解学校有关保留、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。本人授权上海交通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。

保密，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于：

不保密。

（请在以上方框内打“√”）

学位论文作者签名：席培刚指导教师签名：谢剑英

日期：2007年 1月 25日日期：2007年 1月 25日


1

第1章绪论

1.1 引言

在水利、电力及化工行业，不同种类的阀类，如截止阀、闸阀、蝶阀等得到

了最广泛的应用。在对阀门实现远程控制、集中控制和自动控制的过程中，阀门

电动执行装置是一种必不可少的执行部件。

自 80 年代中期以来国外执行器在成功开发了高性能、高压、防空化、低噪

声、耐磨、耐腐等特殊产品的基础上，为适应引入计算机网络技术新控制系统的

要求，又进入了一场新的技术竞争。采用传统的 4～20mA模拟量信号控制的现场

仪表、变送器、执行器正面临着一场新的挑战——适应具有双向数字通讯的现场

总线的控制模式。为此，执行器必须根本改变原有的控制模式和控制功能，实现

数字化、智能化、通讯化[1]。

国外生产控制阀和电动执行机构的主要厂商，自 80年代中期已开始数字化、

智能化产品的技术开发和研究，其中起步最早的是美国 VALTEK 控制阀公司，随

后又有英国的 ROTORK公司，德国的西门子公司、SAMSON公司、SENSYCON公司，

美国的 FISHER公司等。其中西门子公司的 SIPART PS智能阀门定位器和 ROTORK

公司的 IQ型电动执行机构率先商品化进入市场。我国自 1995年起已少量使用这

些产品于电站、石化等大型工程中，反映良好，并有进一步推广应用的趋势[2]。

随着微电子技术、电力电子技术、微机控制技术及通讯技术等现代科学技术

的发展，国外许多相关厂家长期对电动阀门的研究开发和改进，形成了新一代智

能电动阀门，增加了许多功能，并扩展了它的应用领域，各项指标和性能也得到

了提高，广泛应用于工业生产。但国外生产的阀门电动执行装置及其控制系统价

格昂贵，而且很难和国内目前使用的电动装置相兼容，售后服务不完善，零部件

配套困难。因此，运用数字技术、单片机技术、电力电子技术等先进技术，开发

研制性能先进、功能完善，尤其是可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控

制，以满足国内广大用户生产使用的要求，适合我国工业生产和发展需要的新型

智能电动阀门执行装置，形成我国自己的产品，将十分重要且有重要的现实意义。


2

新型智能阀门电动执行装置的成功开发，有助于提高国内阀门电动执行装置

的产品水平，也有利于提高生产控制的自动化水平，最终实现生产过程的智能化，

价值十分显著。我们开发的电动执行装置是在采用原有的合理技术基础上，进行

大量可靠的技术创新开发形成的，是与国内外同类产品相比具有很多创新的新型

高科技光机电一体化产品。

1.2 国内外研究概况及发展趋势

电动执行装置在现代生产过程自动化中起着十分重要的作用，常被称为实现

生产过程自动化的“手足”。电动执行装置以电能为动力，接受调节器来的标准

信号(模拟量或数字量)，通过将这信号变成相对应的机械位移(转角、直线或多

转)来自动改变操作变量(调节阀、风门、挡板开度等)，以达到对被调参数(温度、

压力、流量、液位等)进行自动调节的目的，使生产过程按预定要求进行。所以

电动执行装置对自动调节系统的安全运行、可靠性及调节品质的优劣都有很大影

响[3]。

近年来，我国仪器仪表行业有长足的发展，无论是在新产品的开发研制能力、

产品科技含量和推广应用等方面，都取得可喜的成绩。目前我国仪器仪表行业整

体综合技术水平达到国际二十世纪八十年代中期水平，微电子技术和计算机技术

在仪器仪表产品中普遍采用，约15%的产品实现了智能化，达到国际二十世纪九

十年代的水平，30%的产品实现了数字化，达到国际二十世纪八十年代末期水平。

智能电动执行装置系列是一类新型终端控制设备，它根据控制电信号，直接

改变阀的位移。由于人们对控制系统的精度和动态特性提出了越来越高的要求，

选用电动执行装置与控制系统连接，直接接受电控制信号，能够获得最快响应时

间，实现控制也更为合理、方便、经济，因而受到用户的欢迎[4]。

近年来，数字技术和单片机技术的迅猛发展给工业过程检测、控制带来了较

大变化，智能电动执行装置与控制技术紧密相连，是现代控制技术的具体运用领

域之一。

由于我国仪器仪表工业起步较晚，相对基础薄弱，尚属于幼稚而脆弱的产业。

目前我国仪器仪表行业产品大多属于中低档水平，随着国际上数字化、智能化、


3

网络化、微型化的产品逐渐成为主流，差距还将进一步加大。目前我国高档、大

型仪器设备大多依赖进口，中档产品以及许多关键零部件，国外公司占有我国市

场60%以上的份额，而国产分析仪器约占全球市场不到千分之二的份额，我国仪

器仪表虽然技术指标同国外同类产品比较差距不大，但产品稳定性和可靠性的问

题依然突出[5]。

现有的国产阀门电动执行装置存在着控制方式落后，可靠性不高，缺乏完善

的保护和故障报警措施以及必要的通讯手段等问题，使得现有的阀门电动执行装

置不便于调试和维护，也不能根据生产的实际要进行参数的现场调整，不能组成

网络进行远程控制。目前，国内在电动执行装置领域以引进为主，包括直接引进

国外产品，以及主要技术从国外引进，然后进行一定程度的消化和吸收，再开发

出产品等两种方式。如鞍山阀门厂引进了日本的相关技术，所生产的系列电动执

行装置具有相当好的性能和控制精度，吴忠仪表七厂和四川仪表十一厂又引进了

西门子的电动执行装置。国内一些单位在执行器智能化方面做了一些探索。如上

海工业自动化仪器仪表研究所开发了新型智能电动执行器，其主要特点是:主要

技术指标超过国内现有产品，工作死区小于0.5级，基本回差和误差都小于1级。

使用方便，具有自诊断、自调整和PID调节功能，但目前仅是个别使用，没有形

成产品。因此国内还没有具有自主知识产权的智能型阀门电动执行装置，开发我

国自己的智能型电动执行装置已经成为我国阀门和仪表生产企业的当务之急了。

国际上现代化仪器仪表正向微型化、集成化、智能化和总线化迅速发展，处

于领先甚至垄断地位。由于高新技术的迅猛发展，关键元件器件技术难关的突破，

国外己开发出新一代智能化电动执行装置产品，形成许多系列，广泛应用于许多

工业领域中。国外仅美国就有24个研究所 (公司所属)，如Rockwell公司具有十

分完善的测试基地和设备，包括动态、抗震、紧急切断、可靠性等多种试验设施，

对产品进行多方面性能参数的测定。有限元法、电子计算机技术、微机控制技术

已在阀门设计中广泛得到应用。阀门一般都能达到国际通用标准API, ISO, JIS

和BS等有关标准的规定，各项性能测试数据齐全。阀门驱动装置品种多，电动、

气动、液动、电－液联动和气－液联动，规格齐全，安全可靠。英国的ROTORK

公司、德国SIMENS公司、美国的VALTEK公司和LIMITORQUE公司等几家国外著名的

公司生产的智能化阀门电动执行装置功能强大，简单可靠，技术先进，代表着该


4

领域的世界先进水平，它们的产品主要有以下几个特点：

1. 计算机控制

在过程控制中，需要通过调整阀门的开度来调节流量和压力。通常执行装置

按照外部发来的控制信号驱动阀门，这些控制信号来自控制系统的微处理器。在

电动执行机构中，增加带有智能控制的伺服放大器，其后是增加给定值控制功能。

现在，先进的阀门电动装置具有更完善的智能控制，可按给定值自动进行PID调

节，控制流量和压力等过程变量。例如VALTEK公司的Starpac智能化阀门电动装

置能响应外部4-2W 模拟信号或经由RS-485通讯口发来的数字信号或按自身程序

设定的参数进行PID控制。

2. 安全措施

智能化阀门电动装置具有高度的自身保护及系统保护功能，如装有三相电机

的执行机构有可能因为相线接错而反转，导致执行机构和阀门损坏，而智能型的

电动执行机构则可以通过监视电源的相序以及输入控制信号的情况确保电机正

确起动。此外，在阀门卡死的情况下，保护功能还可以避免电动机被损坏。在电

动机通电期间不断检测阀门的动作，若发现一定的时间内不动作，就认为是卡住，

控制系统就发出命令，切断电动机电源并发出警报。ROTORK公司生产的IQ型智能

化阀门电动装置具有上述两种功能。它装有相同步器(自动相旋转调整装置)，可

确保IQ的三相电动机始终具有正确的相旋转电源;其次如果阀门卡死，当启动信

号发出7-15秒后无任何的动作，IQ的执行器内部逻辑电路可将相应的触点断开。

除了有自身保护功能外，智能化阀门电动装置还具有系统保护功能，即当某些部

件出现故障或系统出现其它问题时，会自动采取应急措施以免发生事故。

3. 通讯功能

智能化阀门电动装置采用数字通讯的方法与主控制室相连，主控制室送出的

可寻址数字信号通过电缆被电动装置接收，电动装置的微处理器根据收到的信号

对电动装置进行相应的控制。如美国的LIMITORQUE公司的Controlink系统就是采

用数字通讯技术将各种设备连接成一个局部网络(LAN)，一个典型的系统可以包

括电动执行装置、计算机阀门控制系统(CVC)、网络连线、网络接口部件(N工U)

以及主计算机。NIU与主计算机之间采用标准的ASC工工字符码通过串行口进行通

讯。此外，智能阀门电动执行装置允许工程师在远地对其进行监测、整定和修改


5

参数或算法等。例如VALTEK公司的Starpac在出厂时就被配有PC软件，仪表工程

师利用这些软件可以对阀门电动装置编程，PC与系统之间通过RS-485串行口按照

经过修改的HART协议相连。

4. 智能诊断

在阀门电动装置上装有一些附加的传感器，专门用于故障诊断，而在电路方

面也设置了各种监测功能，如电源相序和后备电池的电压检测。微处理器在运行

中连续对整个系统进行监测，一旦发现问题立即执行预定的程序，自动采取应急

措施并报警。而微处理器和传感器本身的运行也同时受到监测。当出现故障需要

专家协助解决时，有的智能化阀门电动装置还可以通过调制解调器与专家实时联

网，以便及时地诊断和排除故障。

5. 一体化的结构

一体化的结构把整个控制回路装在一个现场仪表之中，使控制系统的设计、

安装、操作和维护等工作大为简化，且减少因信号的传输中的泄漏和干扰等因素

对系统的影响，提高可靠性。

此外，智能化阀门电动装置在结构设计上充分考虑到抗恶劣工作环境的因

素，其组件多带有保护涂层以防腐蚀，外壳采用密封式，经得起温度、湿度的大

范围变化和振动冲击的考验，保证工作可靠。例如ROTORK公司生产的Q300系列电

动装置就带有防水保护和双层密封外壳，工作温度在－30～＋70之间。

从上述产品特点中，可以看到智能电动执行机构的发展趋势：机电一体化结构逐

步取代组合式结构，智能化控制技术逐步取代纯电子控制技术，运用红外遥控的

非接触式调试技术逐步取代接触式手动调试技术，带通讯的逐步取代不带通讯

的，数字控制逐步取代模拟控制。智能电动执行装置根据控制电信号，直接操作

改变阀的位移，利用微机技术和现场通讯技术扩大功能，实现双向通讯、PID调

节、在线自动标定、自校正与自诊断等多种控制技术要求的功能，有效提高控制

水平，是现代电动执行装置的发展方向[6] [7] [8] [9] [10]

。

1.3 课题的主要研究内容

本课题主要针对目前国内缺乏可靠、高效、智能化的阀门电动执行装置的实

际情况，设计以及研发一种高可靠性、高实用性、高智能性的新型阀门电动执行


6

装置，其特点体现在如下几点：

1. 该装置需要在较为恶劣的环境下正常工作，特别是在水下（水下 7 米）、高

温（70摄氏度）和低温（零下 30摄氏度）的环境下；

2. 由于阀门普遍使用在工业场所中，工业场所一旦发生事故，造成的后果会非

常严重，这一特性决定了该装置需要具备全方位的保护和自诊断功能。比如

相序自动判别功能、缺相保护功能以及电机过热保护功能等。一旦发生故障

和误操作，该装置会及时做出反应，保护阀门本体、设备和人员的安全，充

分体现了高可靠性和高智能性；

3. 设计友善、实用的人机交互界面是本课题研究的重要组成部分，操作界面需

要简洁实用，信息量大，不仅具有滚动闪烁，动画图片显示等形象页面，而

且要包含丰富的操作提示页面，如在误操作时有提示画面，能实现现场工作

人员无手册操作；

4. 能在多种控制方式下自由切换，通过磁控旋钮能轻松在现场和远程控制之间

切换；

5. 需要提供可供用户选择的现场总线模块接口，即用户可以根据上位机选择

Profibus或 ModBus模块与监控室进行通讯，这样在监控室里就可以设定参

数、开关电动执行机构等动作，并在监控室里得到现场设备反馈的运行状态

信息；

6. 需要显示运行状态和实时故障报警，即通过图形点阵式液晶屏、发光二极管

等媒介显示阀门的位置、运行速度、力矩百分比、故障类型、开关到位等信

息。

如何设计集以上所有特点于一体的智能阀门电动执行装置，并给出实际可行

的方案将是本课题研究的主要内容。

1.4 本论文所完成的主要工作

本课题是在充分了解国内外智能阀门电动执行装置技术现状和发展趋势的

基础上，详细分析了当前国内有关生产厂家的产品的特点和使用范围，认真研究

了其优点和不足之处，并结合国内的用户的使用环境及由此衍生出的使用要求，

开发了本装置。并在国内同类产品通用功能的基础上，进一步提高了其智能化程


7

度，增加了远程的通讯功能，为大规模、集成化的应用打下良好的基础。

本课题是在阀门电动执行装置执行系统己经开发成功的基础上，主要进行了

控制系统部分的开发，所涉及到具体工作有如下几个方面:

1. 控制系统整体方案的设计

设计方案考虑到控制系统的操作要简单方便，既要符合人们的平时的操作习

惯，又要体现出本产品的发展趋势，扩展出新的功能。整个系统以PLC为控制系

统的核心，辅助以单片机作为人机交互界面开发的主芯片。这部分内容在第二章

有系统的介绍。

2. 控制系统硬件的电路设计

硬件部分主要包括电源模块、检测模块、电机控制模块、人机交互模块以及

远程通讯模块。论文第三章详细介绍了阀门电动执行装置控制系统硬件部分的设

计思路和解决方案。

3. 系统软件的设计

软件部分主要包括人机交互模块、电机控制模块、AVR单片机和PLC之间的通

讯模块和总线模块。论文第四章对此部分作了结构化、系统化的介绍。

4. 调试

整个控制系统按功能划分为不同模块，先进行了原理性试验室调试，又在仿

真器上进行了功能模块调试，最后进行了整机的现场调试。论文第五章对系统的

调试任务、调试过程以及如何解决调试中碰到的问题作了详细的介绍。


8

第2章新型阀门电动执行装置总体方案的设计

新型阀门电动执行装置从设计到开发以及生产都遵循着面向实际工业应用

的目标，因此系统的总体设计也自始至终贯彻“简单实用、操作方便、安全可靠、

技术先进”的原则。

在以电动执行装置作为最终执行装置的自动控制系统中，传统的方法是以调

节仪表输出的模拟信号去控制电动执行机构动作。而且老式的电动执行机构比较

笨重，伺服驱动器和执行器两大部分分成两块，实际应用中很不方便。新型电动

执行装置则是将位置反馈信号输入计算机，在计算机内与控制中心信号(数字信

号)比较，比较后输出开关信号，驱动执行器动作。

本阀门电动执行装置主要由控制系统和执行器以及人机对话和远程通讯接

口组成，是以380V三相交流电源作为驱动电源，接受来自控制中心的数字控制信

号，并将其转换为相应的输出轴角位移，去操纵阀门本体。工作原理如图2-1所

示，由示意图可看出，阀门电动执行机构的控制过程是一闭环控制，通过设定信

号和反馈信号的比较控制电机运转，驱动阀门动作。借鉴现阶段己有的技术，控

制系统采用专门用于电机控制的PLC控制系统为核心、配以相应的外围电路；执

行器的驱动电机采用三相交流异步电动机、蜗轮蜗杆采用锌铝合金制作，明显简

化了系统的结构，降低成本，提高了控制精度。

图 2-1 阀门电动执行装置工作原理

执行器

控制器电机蜗轮蜗杆输出轴

力矩反馈

行程反馈

设定信号


9

2.1阀门电动执行装置执行系统介绍

阀门电动执行装置执行器部分主要是在控制系统的控制下完成设定动作的

机械执行部分。主要由电动机、主传动机构、手/自切换机构等部分组成，它是

用于直接驱动阀门的。其结构图如下：

12

3

4

56

7

图 2-2 电动执行机构执行器结构框图

1- 电动机定子 2- 电动机转子 3-压力传感器 4- 蜗杆

5-输出轴 6-涡轮 7-位置传感器

执行系统主要可分为四大部分：

1、电动机

采用三相交流异步电动机。

2、减速机构

现有的智能电动执行机构的执行器部分多用多级齿轮和蜗轮蜗杆组成减速

及输出机构，其力矩值可方便地通过轮辐式压力传感器精确测得。

3、手动调节机构

当在现场有故障发生或用户希望通过手轮开关阀门时，都可以在合适的位置

按下手动/电动切换轴完成电动和手动状态的切换，接着通过手轮可以改变阀门

的位置。

4、执行装置

一般智能型的电动执行机构的执行装置由输出轴、阀门、位置传感器等部分

构成。电机通过减速机构带动输出轴的上下串动，从而可以驱动阀门的开度。位

置传感器可以实时检测输出轴的位置，从而得到阀门的确切位置，并把该位置信


10

息通过人机对话接口反馈给用户，用户可以根据阀门位置信息决定是否开关电

机。

2.2阀门电动执行装置控制系统介绍

阀门电动执行装置控制系统主要包括以下几部分：四种信号的检测模块，系

统供电电源，核心控制模块，电机开关控制模块（即接触器、灭弧器），人机对

话接口模块，远程监控通讯接口模块。其具体的工作原理和系统结构图如图 2－

3所示。本文将用大量篇幅介绍系统的详细构成、硬件设计和软件设计。

图 2-3 控制系统结构图

控制

模块旋转编码器

扭矩传感器

相序检测

远程监控系统

液晶显示操

作

人

员

磁控旋钮

红外遥控

开关控制模块电机及机械

驱动部分

总

线

灭弧器

电源

模拟量数字量

温度传感器


11

第3章系统硬件电路设计

3.1系统硬件设计原则

阀门电动执行装置控制系统的硬件电路设计是一项复杂的系统工程，为了减

少不必要的错误、提高开发效率，在硬件设计的过程中，遵循一些硬件设计的开

发原则显得很有必要。以下介绍了我们在系统开发过程中遵循的设计原则，并且

这些原则在开发过程中被证明起到了很重要的作用：

1、尽可能选择典型电路，并符合芯片的常规用法，这样可为硬件系统的标

准化、模块化打下良好的基础。该课题的硬件电路设计中，绝大部分的功能模

块使用的都是典型电路，外加一些辅助电路以增加抗干扰能力。

2、系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留

有适当余地，以便进行二次开发。当设计后续产品时，可以节省很大一部分成本

和时间。

3、硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相

互影响，考虑原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。

4、系统中的相关器件尽可能做到性能匹配。本课题所选用的主控芯片为低

功耗型，构成了低功耗系统，因此系统中所有芯片都尽可能选择低功耗产品。

5、可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件

选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。本课题充分考虑了系统内和

外的多重干扰，采取了硬件和软件的双重抗干扰措施，这些措施会在以后的章节

中详细阐述。

6、尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰

也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成

的功能越来越强，真正的片上系统 SoC已经可以实现，如本课题人机交互模块所


12

选用的主控芯片 Atmel公司的 ATmega64产品在一块芯片上集成了大容量 FLASH

存储器、SRAM、A/D、I/O、串口、看门狗、上电复位电路等等，能充分满足“单

片”的设计原则。

3.2系统硬件设计环境介绍

硬件设计对设计环境的要求较高，硬件设计的运行软件需求随着计算机工业

与电子技术的蓬勃发展，以及芯片生产工艺的不断提高，传统的手工设计和制作

印刷电路板的方法越来越难以适应生产的需要。为了解决这个问题，各类电路设

计自动化(EDA)软件如雨后春笋般迅速发展起来。

本课题的硬件开发采用了知名的硬件设计开发软件 Protel DXP 2004。此款

软件大大加快了课题开发的进度，提供了人性化的开发界面，并且极大地强化了

电路设计的同步化。作为课题硬件部分介绍的理论准备，以下就对最新的 Protel

DXP 2004电路设计软件作一简要介绍。

Protel 软件是 EDA 电子电路设计系统软件中的佼佼者，它是世界上第一个

将EDA引入 Windows环境的电子电路设计开发工具，具有高度的集成性和扩展性。

2002年下半年，Altium公司(前 Protel Technology公司)推出了 Protel DXP，

它是一款基于 Windows XP操作系统的优秀 EDA软件，使用方便，功能强大，能

够为电子设计工程师提供全面的解决方案。Protel DXP 2004 是 Altium 公司与

2004 年推出的最新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计，顶层设计

直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。与较早版本的

Protel 99 相比，Protel DXP 2004 不仅在外观上显得更加豪华、人性化，而且

极大地强化了电路设计的同步化，同时整合了 VHDL和 FPGA设计系统，其功能大

大加强了。

Protel DXP 2004 已不是单纯的 PCB（印刷电路板）设计工具，而是由多个

模块组成的系统工具，分别是 SCH(原理图)设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印

刷电路板）设计、Auto Router（自动布线器）和 FPGA 设计等，覆盖了以 PCB

为核心的整个物理设计。该软件将项目管理方式、原理图和 PCB图的双向同步技

术、多通道设计、拓扑自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提

供了强大的支持。


13

Protel DXP 2004不仅提供了部分电路的混合模拟仿真，而且提供了 PCB和

原理图上的信号完整性分析。混合模拟仿真包括真正的混合 3f5 compliant混合

蒂娜路模拟器电路图编辑的无缝集成，使用户可以直接从电路图进行模拟，而不

需要网表输出输入数字 SimCode语言对 Xspice的扩展，这使得数字程序传播延

迟的模拟和输入输出加载成为可能。

3.3控制系统硬件组成

在前一章中我们总体介绍了系统的结构图，也清楚了本控制系统包括了系统

电源部分、检测元件部分、主控制模块部分、电机开关控制部分、人机对话接口

部分以及远程通讯部分。系统总体结构图如图 3-1所示。

系统电源部分的设计思路首先是变压器将三相电 380V转换为 24V输出，供

系统用电，其次系统内部将 24V转换为 18V、5V、2.5V的电路。

检测部分利用几种专门设计的传感器以及专用芯片来检测电机和机械驱动

部分的运行状态和故障信息，为控制部分和人机对话部分提供详细的电动执行装

置运行数据。系统包括预装在电机里的温度开关（传感器），一旦线圈温度超过

预设值（按 F级绝缘 B级温升设定），温度开关将由常闭变为常开，控制系统检

测到信号并停止电机运行；旋转编码器采用的是 30 位的多圈绝对值编码器，采

用 SSI串行通讯接口连接到控制系统上；扭矩传感器采用的是陶瓷干式变阻器测

量轴向力的方式来测量扭矩的变化；相序检测电路采用专用的相序检测芯片来检

测三相电源的相序和缺相情况。


14

图 3-1 控制系统结构图

主控制模块根据用户的指令以及电动执行装置的运行状况对电机进行相应

的控制。包括输入输出的光电、继电器隔离、完成电机控制的 PLC控制系统以及

完成人机对话接口功能的控制芯片 ATmega64单片机芯片。

电机开关控制部分的核心器件是施奈德公司生产的新型可逆交流接触器

LC1-D18 系列，该接触器每小时可动作 1200 次。此部分的电路主要围绕该接触

器进行设计。

人机对话接口部分是操作者与电动执行装置之间的沟通桥梁，操作者可以通

过红外遥控器和磁控旋钮对电动执行装置进行各种相应的操作，同时操作者也可

以通过液晶显示模块监视电动执行装置的运行状况，并可以完成对电动执行装置

的调试和参数设定。

远程通讯部分完成电动执行装置向 DCS 的远程中控室提供运行和故障数据

的工作，同时接受来自中控室的控制命令，并完成相应的动作。该电动执行装置

控制系统可以接受远程数字量的控制信号，并向远程输出数字量状态和报警信

息，同时向远程中控室提供阀位和力矩的 4-20mA 模拟量信号。此外此部分模块

还提供 Profibus和 Modbus总线接入功能。

控制

模块旋转编码器

扭矩传感器

相序检测

远程监控系统

液晶显示操

作

人

员

磁控旋钮

红外遥控

开关控制模块电机及机械

驱动部分

总

线

灭弧器

电源

模拟量数字量

温度传感器


15

3.4系统电源部分模块设计

系统电源部分主要包括两部分，第一部分是变压器电路，作用是把 380V 的

三相电转换为 24V系统用电，第二部分是系统内将 24V转换为 18V、5V和 2.5V

的电路。

3.4.1 380V转换 24V电路

380V三相交流电转化为 24V的设计主要通过三个单相变压器以及三个全桥整

流电路来实现。本电路提供电动执行装置前端和后端控制系统的 24V运行电源。

由于控制系统在缺相的情况下还要继续运行，因此变压器电路采用三相全桥整流

电路。

380V三相交流电首先输入至变压器降压，降压后的三相电通过三相全桥整流

电路，再经过滤波和稳压后，形成稳定的直流稳压电源，提供控制系统运行电源

输出。

变压器电路原理图如图 3－2所示：

图 3-2 变压器电路

电路中涉及的主要器件的选型介绍如下：

一．变压器


16

变压器是变压器电路的核心，通过变压器可以把 380V 三相交流电降压，用

来提供整流电路的输入。变压器采用北京兵字公司生产的 S4-03型变压器。该变

压器外形如图 3-3所示：

图 3-3 S4-03型变压器

S4-03型变压器特点如下：

全封闭印刷线路板直接焊接安装，使用方便、外形美观；

结构紧凑、坚固、抗震、防潮、阻燃、抗电强度高；

空载电流小，功率因数高，输入过电压范围宽；

与 T系列相比，具有更高的可靠性，更宽的环境适应能力；

内置温度保护器，使用更安全。

S4-03型变压器技术参数表如下：

表 3-1 S4-03型变压器技术参数

技术参数指标单位

环境温度 -25～+70

相对湿度 (温度为 40) <=90%

使用环境条件

大气压力 650-800 mmHg

绝缘耐热等级 B级 (130)

绝缘电阻 (常态) 1000 MΩ

抗电强度 3750 V/min

抗电冲击 6kV (连续 20次冲击) 50µS

阻燃性 UL94-Vo级

安全特性

安全认证 CE、UL

额定功率 4 W

额定电压 220V±25% 50Hz/60Hz V

输出电压 12V（满载）


17

二．电路整流、滤波、稳压部分变压器电路整流部分采用三项全桥整流，整流二极管采用 IN4007，滤波电容

采用 0.1μ的 CBB电容和 220μ的电解电容，线性稳压器件采用 78X三端稳压器

件，用 7805稳压 5V电源，用 7824稳压 24V电源，为了防止 78X三端稳压器件

工作时温度太高，需要加上散热片。

3.4.2 24V转 18V、5V、2.5V电路

24V转 18V电路采用的是 LM7818芯片，并且是 DATASHEET推荐的标准接法，

保证了 18V 电源的供电稳定性和可靠性，确保了模拟量转换电路所接受的 18V

电压的稳定性。可参见图 3-4。

Vin VoutGND

U1 LM7818/TO

SW2

T1

R4

R5

21

P?

1234567

P?

Header 7

C4

C13

D1

D3

C5C1

C6 C7C2 C3

R1

SW3

SW4

C9

R6C12

C14C15

D2LM336-2.5V/SO

SW12.5V

L1

18V

24V

5V

图 3-4 24V转 18V、5V、2.5V部分电路

24V转 5V电源采用的是 L4960集成电源芯片。L4960是 ST公司生产的单片

集成开关电源芯片。L4960采用 SIP-7封装，可输出 2.5A电流。

L4960的引脚排列如图 3-5所示。其中 L4960上的长引线表示后排引脚，短

引线表示前排引脚，前后两排引脚是互相错开排列的。塑料外壳上的金属散热板

与地连通，板上开有螺钉孔，以便固定在大散热器上。

在 L4960的这些引脚中，2脚为反馈端，通过电阻分压器（检测电阻）可将

输出电压的一部分反馈到误差放大器。3脚是补偿端，该端与误差放大器的输出

端相连，可利用外部阻容元件对误差放大器进行频率补偿。5 脚（RT/CT）接定

时电阻和电容，可用于决定开关频率。6脚为软启动引脚，外接软启动电容可以

对芯片起到保护作用。4脚为信号地。1和 7脚分别为输入和输出引脚。


18

图 3-5 L4960管脚排列

L4960的原理框图如图 3-6所示。其内部功能电路主要包括：5.1V基准电压

源、误差放大器、锯齿波发生器、PWM比较器、功率输出级、软启动电路、输

出限流保护电路以及芯片过热保护电路。

图 3-6 L4960工作原理图

图 3-6中检测电阻 R3、R4组成分压器，可用于调节输出电压 Vo。如果不用

分压器，而直接把 Vo反馈到 2脚，Vo则输出固定的+5V电压。另外，根据需要，

在 R1、C3两端还可并联一只高频滤波电容。L是储能电感，C5是输出滤波电


19

容，VD3为续流二极管。L/C5和 VD3构成了降压式输出电路。

功率脉冲调制信号从 7脚引出。该信号为高电平（开关功率管导通）时，除

可向负载供电之外，还有一部分电能储存在 L和 C5中，此时 VD3截止。当功

率脉冲信号变为低电平（开关功率管关断）时，VD3导通，这样，储存于 L中

的电能就经过由 VD3构成的回路向负载供电，从而维持输出电压 Vo不变。

L4960的基本工作过程是：输出电压 Vo经 R3、R4取样后，送至误差放大器

的反相输入端，与加在同相输入端的 5.1V基准电压进行比较，然后，用得到的

误差电压 Vr的幅度去控制 PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和

降压式输出电路使 Vo保持不变。

设脉冲周期为Ｔ，高电平持续时间为 m，则占空比：

D=(m/T)*100%

设电源效率为 η，则开关功率管输出的脉冲幅度 Vp＝ηVi，Vi是直流输入电

压，最后可得到：

Vo＝ηDVi

因此当η、Vi一定时，只要改变占空比 D，就能调节输出电压值。

24V转 2.5V电源采用的是精密的 2.5V并联稳压二极管 LM336-2.5V。

LM336-2.5的工作原理类似于 2.5V齐纳二极管，工作阻抗为 0.2Ω。电路上

提供的第三个端子能方便地对基准电压和温度系数进行微调。

该器件在电路中的作用是作为运放电路的精密 2.5V电压基准。2.5V电压基

准使它能方便地从 18V得到稳定的基准。因为该器件是并联稳压器，所以它们可

用作正或负电压基准。

LM336-2.5具有如下优点：低温度系数，宽工作电流： 400μA至 10mA， 0.27

Ω动态阻抗，±1%容限，规定的温度稳定性，能容易地微调以获得最小的温度漂

移，快速接通，三引脚晶体管封装。

3.5检测部分模块设计

检测部分硬件主要包括四个参量的检测，其中预埋在电机里的温控开关将完

成温度检测功能，这部分主要由电机厂商完成，因此本文就不详细介绍，本文将

对相序检测电路、扭矩和行程参量检测部分作详细描述。


20

3.5.1相序检测及保护模块设计

要用三相正弦电源实现对电机的正反向控制，首先必须进行相序检测，才能

实现正确的触发控制。为了简化电路结构，采用了三相相序和缺相检测的专用

IC芯片 TC783AP。相序检测电路的电路原理图如图 3-7所示：

图 3-7 相序检测电路原理图


21

检测电路首先从 P5管脚输入 380V三相交流电，在入口处分成两路，其中一

路经过限流分压后进入主要工作芯片 TC783AP，另外一路同样经过限流分压，通

过三相半桥整流、滤波、稳压后作为提供 TC783AP的工作电源。

TC783AP芯片是相序检测电路的主芯片，三相电在 TC783AP中进行相序检测，

检测的结果由 TC783AP芯片输出后通过两个光耦 OPT1、OPT2进行光电隔离，光

耦输出结果通过 P6 管脚输出到前端控制系统主电路作为前端控制系统的输入

值。

TC783AP 为三相相序和缺相检测电路芯片，可用作检测三相正弦波电压的相

序和缺相状态，同时有保护功能，具有单电源，功耗小，功能强，输入阻抗高，

采样方便，外接元件少等优点。使用在控制板上，对三相电压进行指示；也可在

电机上使用，对电机的正反转进行控制和缺相进行保护。

TC783AP芯片具备以下特点

单电源工作，电源电压 9-15V；

对输入正弦波电压设计为施密特检测，有效去除干扰；

动态检测三相的存在，分别对三相输出指示；

正反序输出指示；

有过压保护的设计，外电压和内基准比较，有锁定和不锁定两种输出。

TC783AP芯片的框图如图所示：

图 3-8 TC783AP电路框图


22

TC783AP 芯片的工作原理：三相电压信号 A、B、C 经分压电阻网络分别进

入电路 1、2、3 脚,通过对正弦波进行施密特检测了解信号的存在并送入缺相检

测电路检测后输出指示，电路 13 脚为内部脉冲发生电路的外接电容约为

0.1-0.15µ。三相正弦输入正常时，对应 A、B、C输入 1、2、3脚的输出端 12、

11、10 脚输出为低电平；当某一相没有输入信号时，对应的输出脚上将有高电

平。根据缺相检测的结果，在不缺相的情况下相序指示电路将输出相序，在三相

电压信号 A、B、C 进入电路 1、2、3 脚的状态下，9 脚输出高电平指示正序；

而在三相电压信号 A、C、B 进入电路 1、2、3 脚的状态下，8 脚输出高电平指

示反序。在缺相状态下，9脚 8脚皆输出低电平。

芯片中另外还设计了保护电路，可对过流、过压信号进行检测和输出。5 脚

为采样输入端，输入信号与电路内的 6V基准比较，并在电路 6脚输出。如果采

样高于 6V，输出高电平。4脚对输出方式将有两种控制选择：4脚接低电平，输

出为不锁定输出，即输入高输出高，输入低输出低；4脚接高电平，输出为锁定

输出，这时输入高输出高，而输入低后输出仍高，需要 4脚接地复位才能输出低。

用户进行选择。

TC783AP芯片管脚图如图所示：

图 3-9 TC783AP芯片管脚图

TC783AP芯片管脚功能如下表所示：

表 3-2 TC783AP芯片管脚功能

管脚符号功能管脚符号功能

1 A A相电压输入 8 FX 反序输出

2 B B相电压输入 9 ZX 正序输出


23

3 C C相电压输入 10 QC 缺 C输出

4 RE 锁定/不锁选择 11 QB 缺 B输出

5 CV 电压采样 12 QA 缺 A输出

6 VO 输出 13 CX 脉冲发生电容

7 GND 地 14 VCC 电源

芯片参数及推荐工作条件如下表所示：

表 3-3 TC783AP芯片参数及推荐工作条件

主要电路参数推荐工作条件 IDD 静态电流 <2-4 mA Vcc 电源电压 8-15 V

Vain 同步零电压 1/2Vcc V Va 电压输入 Vp-p 0-Vcc V

Iin 输入电流 <0.3 μA Pi,Vr 控制输入电压 0-Vcc V

Ioh 输出驱动电流 15 mA F 工作频率 50 Hz

Ptop 最大功耗 200 mW T 最佳工作温度 -25-85

相序检测电路主芯片外围电路要求实现提供主芯片 TC783AP工作电压、实现

主芯片 TC783AP外围典型电路以及输入到前端控制系统电路的光电隔离保护的

三个主要功能。

主芯片工作电压部分电路如图所示：

R6

25k

R5

25k

R4

25k

D1

D2

D3

D4C20.1u

C1470u

A

B

C

i 14

pin7

图 3-10 主芯片工作电压部分电路

三相交流电经过限流分压，通过三相半桥整流、滤波、稳压后作为提供

TC783AP的工作电源。限流电阻 R4、R5、R6采用 25K金属膜高精度插片电阻，

整流桥二极管 D1、D2、D3采用 IN4007，滤波电容采用典型的 CBB电容 C2与


24

电解电容 C1 并联，最后通过 D4 稳压管 IN47，输出到 TC783AP 的 14 号管脚

VCC与 7号管脚 GND。

主芯片 TC783AP外围典型电路如图所示：

R1

62k

R2

62k

R3

62k

R8

100k

R12

100k

R16

100k

R113k

R153k

R9100k

R18

51k

R14

51k

R13100k

R17100k

C6

0.1u

R73k

1234567 8

91011121314

TP783A

TC783A

R10

51kA

B

C

ZX

FX

VCC

GND

图 3-11 主芯片 TC783AP外围典型电路原理图

限流分压电阻 R1、R2、R3采用金属膜高精度电阻，外围电路电阻 R7、R8、

R9、R10、R11、R12、R13、R14、R15、R16、R17、R18采用 1/4W高精度电阻，

C6采用 CBB电容。

电路采用光耦进行光电隔离保护，光耦采用 P521-1，其管脚图如图所示：

11

22 3 3

4 4OPT1

4-PIN-OPT

图 3-12 光耦 P521-1管脚图

引脚 1和 2是输入控制端口，引脚 3和 4 是输出控制端口。


25

3.5.2 行程检测模块设计

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象

以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。

当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。测量结

果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理，因此在描述行程检测模

块和扭矩检测模块之前很有必要先介绍一下传感器的选用原则：

1．根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分

析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的

传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传

感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的

要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；

传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的

具体性能指标。

2．灵敏度的选择

通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵

敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要

注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放

大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员

减少从外界引入的厂扰信号。

传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要求较

高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则要求传感

器的交叉灵敏度越小越好。

3．频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保

持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越

好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影


26

响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产

生过火的误差。

4．线性范围

传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，

灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测

量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要

求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所

要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看

作线性的，这会给测量带来极大的方便。

5．稳定性

传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器

长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使

传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。

在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择

合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。

传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，

以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易

更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的

考验。

6．精度

精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的

一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满

足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量

目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。

如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对

量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等

级能满足要求的传感器。


27

对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。

自制传感器的性能应满足使用要求。

本课题的设计过程充分考虑了传感器的灵敏度、频率响应特性、线性范围、

稳定性和精度，行程检测和扭矩检测所使用的传感器都是基于以上的传感器选用

原则来进行挑选的。下面开始介绍行程检测模块的设计。

行程检测模块的设计采用直接测量行程位置的方法，针对输出轴的转动，采

用绝对式光电旋转编码的方法采集行程和位置信号，并进行行程控制。绝对式光

电旋转编码测量行程的方法属于非接触式的绝对式测量方法，是目前最为先进、

精度和可靠性都最高的行程和位置测量方法。目前世界上还没有在电动执行装置

上使用如此先进的行程测量方法的先例。我们采用的绝对式旋转编码器是美国

AVAGO公司的单转模块 AEAS-7000-1GSD0和多转模块 AEAT-86AD-LASC0组合而成

的具有 25位精度的绝对值旋转编码器。在测量精度上单圈精度可分辨 8192个位

置，圈数可支持输出轴转动 4096圈。

之所以选择价格较高的绝对值旋转编码器，主要考虑了以下几点因素：

1．接触式和非接触式传感器的区别。

所有的绝对型和增量型编码器都有接触式和非接触式两种传感器。电位计是

典型的接触式绝对型角传感器，有一个在碳电阻或塑料薄膜上的滑动触点。这个

可变电阻与角度（或线性）滑动触点的移动位置成正比。

机械式绝对编码器是典型的接触式绝对型旋转编码器，采用和手表类式的原

理来记录绝对位置，能记录绝对的位置，但随着记录圈数的增加，齿轮数也需要

大量增加。

相反，典型的非接触式增量器件是一种光电编码器。它由一个红外对射式光

电传感器和一个由遮光线和空隔构成的码盘组成。当码盘旋转时，遮光线和空隔

能阻拦红外光束或让其通过。同样，目前市场上的反射式光电编码器也是在同一

平面上安装了 LED和光电检测器。这些编码器都能感应到来自旋转码盘遮光线的

红外光束的反射。


28

根据机械接触的原理，接触式传感器的固有缺点在于使用寿命和可靠性有

限。因此，非接触式旋转编码器和角编码器在很多领域得到了应用，特别是工业

和汽车领域，因为这些领域要求在恶劣的环境下仍然确保高可靠性。

目前，非接触式传感器普遍采用光电、感应或磁技术。光电传感器的应用已

经有几十年的历史，市场上有各种类型和尺寸的产品。

由于基于感应、磁阻或霍尔原理的编码器需要更加复杂的信号调节电路，而

随着芯片体积的减小，以及相同成本下可集成功能的增加，越来越多的应用开始

选择采用光电编码器和电位计。

2．绝对式和增量型式光电编码器的区别

顾名思义，绝对型编码器能提供运转角度范围内的绝对位置信息，也就是表

示其精确位置的一种模式或编码。与之相比，增量型编码器则可为每个运动增量

提供输出脉冲。为了计算绝对位置，增量型编码器通常需要集成一个独立的通道

——索引通道，它可以在每次旋转到定义的零点或原点位置时提供一个脉冲。通

过计算来自这个原点的脉冲，可以计算出绝对位置。一旦断电，安装了增量型编

码器的系统必须在重新设置机械原点之后，才能再一次恢复绝对位置。因此增量

编码器最大的问题在于无法在掉电的时候跟踪位置。

3．霍尔磁效应旋转编码器的使用

利用测量磁场原理的磁传感器有优于光电系统的地方，特别是在一些灰尘、

污物、油脂、潮湿的恶劣环境下，因为磁场不会受这些污染物的影响。但是在能

够确保使用环境的前提下，使用光电系统的方式肯定较霍尔磁传感器有更好的效

果，因为轴上的磁铁随着时间的推移产生的磁场强度会减弱或发生其它变化，而

且磁场的强度会受温度等等的影响，因此这样的测量方法，目前能达到的精度很

有限，无法达到很高的测量精度。

基于以上 3点原因，我们选择了绝对值编码器。在绝对值编码器的接口设计

中，由于其采用的是标准的 SSI串行同步接口，而且其内部集成了 RS-422差分

线路驱动器和接收器，其数据传输符合 EIA RS-422 标准，该协议规定数据信号

采用差分传输方式，它使用一对双绞线，将其中一线定义为 A，另一线定义为 B。

通常情况下，发送驱动器 A、B之间的正电平在+2～+6V，是一个逻辑状态，负电


29

平在-2～6V，是另一个逻辑状态。接收器也作与发送端相对的规定，收、发端通

过平衡双绞线将 AA与 BB对应相连，当在收端 AB之间有大于+200mV的电平时，

输出正逻辑电平，小于-200mV 时，输出负逻辑电平。接收器接收平衡线上的电

平范围通常在 200mV至 6V之间。

我们采用的是和 26LS32 这样一对电平转换芯片来完成与绝对值编码器的接

口功能，实现 TTL电平与编码器采用的 RS-422电平之间的转换。

绝对式光电旋转编码器实时测量电机的旋转位置，并将位置信息转换为

（ STMT nn +）位的数字量。单片机通过输出口模拟时钟信号，并通过 26LS31 转

换为 RS－422 差分信号（SCLK+和 SCLK-）送至编码器。编码器根据时钟信号按

位发送电机的绝对位置值(DATA+和DATA-)，再通过26LS32将差分信号转换为TTL

电平信号送至单片机的输入口，单片机通过读取输入口的电平信号得到位置值。

3.5.3 扭矩检测模块设计

本课题中电动执行装置的扭矩测量采用的是将扭矩转化为涡杆的轴向力来

测量，机械部分承担了大量的设计工作，对于电气部分，扭矩传感器硬件设计主

要包括陶瓷式压阻压力传感器和传感器信号转换部分。

我们选用的压阻式压力传感器是瑞士 Metallux 公司生产的，它的原理如下

所述。

Metallux 公司的陶瓷传感器都是基于 Al2O3 薄膜的压阻式压力传感器，其

测量桥路通过厚膜技术直接印制在膜片的一个端面。因为超强的抗腐蚀能力通常

不需要另外的保护层，膜片的另一端面能直接暴露在腐蚀的环境。

Metallux 公司的压力传感器基于压电效应：有些材料受到应力作用时，其

电阻与应力产生的变形成正比。传感器主要有一个陶瓷膜片，上面沉淀的四个厚

膜电阻连成惠斯通电桥结构。同时也印制了一个激光刻蚀的电阻网络来调整偏移

量和温度特性。当承受压力时，膜片弯曲在电阻上产生应力，使电阻值发生相应

改变。电阻值的改变通过外围电路转换为惠斯通电桥电压的变化。

压阻式陶瓷压力传感器通过丝网印刷技术将压阻材料和导电金属加工在陶

瓷衬底上，陶瓷衬底的厚度与传感器的满量程有关。然后组成传感单元的材料通

过一个温度高于 850 的熔化带，将电阻和金属材料烧结在一起，并确保他们


30

与陶瓷衬底好的黏连。

Metallux 压力传感器主要指标如下：

供电电压： 5 VDC~30 VDC

压力测量范围： 0~300 mbar (4psi) 到 0~500 bar (7250psi)

过压范围：正常压力的 2.5倍

尺寸：18mm x 6.35mm (ME651/ME501) 40mm x 3.5mm (ME502)

桥路电阻：11K

工作温度范围：–40～+135（-40°F ～275 °F）

具有温度补偿功能

对大量腐蚀液体媒介有良好的兼容性

高的绝缘性能； 10KV/mm

我们选择的压阻式陶瓷压力传感器供应商提供了将传感器的微小电压信号

转换为标准传感器输出的 4-20mA电路，通过这个电路将力矩信号转换为 4－20mA

的标准信号。因此控制系统接收到的信号就是标准的 4－20mA信号。其电路图如

图 3-13。

接收到 4－20mA后，控制系统需要使用 250Ω电阻将其转换为 1－5V的电压，

1－5V 的电压经运算放大器构成的减法器后减去 0.5V，变为 0.5V－4.5V，再使

用乘法器使其变为 1V－9V，然后输入 PLC 的模拟量转换输入口，完成 A/D 转换

后测量出当前的扭矩值，供系统软件处理使用。

图 3-13 I/V转换电路


31

3.6 电机控制部分模块设计

电机控制模块由 PLC的主控电路以及周边的外围电路组成，最终实现电机控

制的功能。

本节首先介绍了 PLC 的基本概念，接着介绍了用于电机控制系统的 Twido

PLC的概况，最后详细描述了电机控制部分硬件设计的思路和方法。

3.6.1 PLC原理和结构介绍

PLC 是在传统的顺序控制系统的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自

动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电

器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。国际电工委

员会（IEC）颁布了对 PLC 的规定：可编程控制系统是一种数字运算操作的电子

系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存贮器，用来在其内部

存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数

字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制系统

及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原

则设计。由于 PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力

强、编程简单等特点，在控制领域中，PLC控制技术的应用已经成为世界潮流。

一般讲，PLC 分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的，对箱体式

PLC，有一块 CPU 板、I/O 板、显示面板、内存块、电源等，当然按 CPU 性能分

成若干型号，并按 I/O点数又有若干规格。对模块式 PLC，有 CPU模块、I/O模

块、内存、电源模块、底板或机架。无任哪种结构类型的 PLC，都属于总线式开

放型结构，其 I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。本课题选用的 PLC是箱体

式 PLC。

一、CPU的构成

PLC中的 CPU是 PLC的核心，起神经中枢的作用，每台 PLC至少有一个 CPU，

它按 PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集

由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和


32

PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。进入运行后，从用户程序

存贮器中逐条读取指令，经分析后再按指令规定的任务产生相应的控制信号，去

指挥有关的控制电路，

与通用计算机一样，主要由运算器、控制系统、寄存器及实现它们之间联系

的数据、控制及状态总线构成，还有外围芯片、总线接口及有关电路。它确定了

进行控制的规模、工作速度、内存容量等。内存主要用于存储程序及数据，是

PLC不可缺少的组成单元。

CPU 的控制系统控制 CPU 工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。但工

作节奏由震荡信号控制。

CPU的运算器用于进行数字或逻辑运算，在控制系统指挥下工作。

CPU 的寄存器参与运算，并存储运算的中间结果，它也是在控制系统指挥下

工作。

CPU 虽然划分为以上几个部分，但 PLC 中的 CPU 芯片实际上就是微处理器，

由于电路的高度集成，对 CPU内部的详细分析已无必要，我们只要弄清它在 PLC

中的功能与性能，能正确地使用它就够了。

CPU 模块的外部表现就是它的工作状态的种种显示、种种接口及设定或控制

开关。一般讲，CPU模块总要有相应的状态指示灯，如电源显示、运行显示、故

障显示等。箱体式 PLC的主箱体也有这些显示。它的总线接口，用于接 I/O模板

或底板，有内存接口，用于安装内存，有外设口，用于接外部设备，有的还有通

讯口，用于进行通讯。CPU模块上还有许多设定开关，用以对 PLC作设定，如设

定起始工作方式、内存区等。

二、I/O模块：

PLC 的对外功能，主要是通过各种 I/O 接口模块与外界联系的，按 I/O 点数

确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受 CPU所能管理的基本配

置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。I/O模块集成了 PLC的 I/O电路，

其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。

三、电源模块：

有些 PLC中的电源，是与 CPU模块合二为一的，有些是分开的，其主要用途

是为 PLC 各模块的集成电路提供工作电源。同时，有的还为输入电路提供 24V


33

的工作电源。电源以其输入类型有：交流电源，加的为交流 220VAC或 110VAC，

直流电源，加的为直流电压，常用的为 24V。

四、PLC 的外部设备

外部设备是 PLC系统不可分割的一部分，它有四大类：

1.编程设备：有简易编程器和智能图形编程器，用于编程、对系统作一些设

定、监控 PLC及 PLC所控制的系统的工作状况。编程器是 PLC开发应用、监测运

行、检查维护不可缺少的器件，但它不直接参与现场控制运行。

2.监控设备：有数据监视器和图形监视器。直接监视数据或通过画面监视数

据。

3.存储设备：有存储卡、存储磁带、软磁盘或只读存储器，用于永久性地存

储用户数据，使用户程序不丢失，如 EPROM、EEPROM写入器等。

4.输入输出设备：用于接收信号或输出信号，一般有条码读人器，输入模拟

量的电位器，打印机等。

五、PLC的通讯联网

PLC 具有通讯联网的功能，它使 PLC 与 PLC 之间、PLC 与上位计算机以及其

他智能设备之间能够交换信息，形成一个统一的整体，实现分散集中控制。现在

几乎所有的 PLC新产品都有通讯联网功能，它和计算机一样具有 RS-232接口，

通过双绞线、同轴电缆或光缆，可以在几公里甚至几十公里的范围内交换信息。

当然，PLC之间的通讯网络是各厂家专用的，PLC与计算机之间的通讯，一些

生产厂家采用工业标准总线，并向标准通讯协议靠拢，这将使不同机型的 PLC

之间、PLC与计算机之间可以方便地进行通讯与联网。

3.6.2 Twido PLC介绍

Twido PLC是法国施奈德(Schneider)公司生产的紧凑型可编程控制器，可应

用于各种设备的自动化控制系统中。Twido系列小型 PLC具有灵活的配置、紧凑

的结构、强大的功能、丰富的通信方式、完善的编程软件、CPU 的 FIRMWARE 可

不断升级等特点,因此性价比极高。

1．灵活的配置

多种 CPU模块、数字量、模拟量扩展模块、通信模块以及多种可选件，


34

使得控制系统的硬件构架更适合用户的应用要求。

2．紧凑的结构

体积小巧，多种接线方式，易于安装。如附带 40点 I/O的 CPU模块的

正面面积只有名片大小。

3．强大的功能

除具有 PLC基本的控制和运算功能之外，还有双字、浮点数、三角函数、

PID等的运算指令。单机的控制点数高达 264点，用户程序容量达 64KB。

4．丰富的通信方式

Twido PLC支持多种通信方式，如 Twido PLC之间的 REMOT I/O和对

等 PLC的通信方式、与其它智能设备的自由 ASCII通信方式、MODBUS

的主站和从站通信方式、通过以太网的通信方式，甚至有一款 40点 PLC

已内置以太网接口。众多的通信功能使 Twido PLC与其它电气设备的配

合更加完美。

5．完善的编程软件

全中文的 WINDOWS 编程界面和在线帮助文档使用户编程更方便、更

高效，支持多种编程接口，如串口、USB口、以太网口，甚至是远程有

线、无线接口方式。

6． CPU的 FIRMWARE可不断升级

在不改变任何硬件的情况下，只需更新 CPU的 FIRMWARE,就能使 CPU的功能不断

地升级，满足用户新的需求（就像升级电脑的 BIOS一样）。

3.6.3 电机控制模块的实现和设计

电机控制模块由 Twido PLC的主控电路以及周边的外围电路组成，其电路原

理图如图 3-14。

PLC主控电路是执行电机控制的核心部分，它由输入采集模块、输出控制模

块、通讯模块等组成。主要完成的功能有：

数据采集：采集现场设备的运行情况，包括温度、扭矩和系统的电源运行情

况。数据格式分为 BOOL 量和模拟量两种，BOOL 信号可以直接作为程序的信

号使用，模拟信号则需要经过 A\D转换成为数字量才能使用，所有的 A\D转换


35

由 PLC完成。

控制方式通讯：通过总线通讯，PLC接受 HMI设定的系统的控制方式和参数

设定，根据设定好的参数进行控制。通讯是系统正常运行的关键，设定好的控制

方式经由通讯传输到控制系统，控制系统的程序判断设定好的方式，根据设定好

的方式操作电机。

控制输出：根据采集的数据和设定好的控制方式，由主控 CPU的程序作出判

断，输出控制电机的转动，如果有故障，则需要停止电机的运行。程序还得响应

ESD信号的操作，当 ESD信号有效时，根据设定好的 ESD动作方式进行电机操

作。

1 2 3 4 5 6

J1D1

1

2

3

4

PC5

1

2

3

4

PC6

4

3

2

15

K2

123456789101112

J4

123456789

101112131415

J6

Q3

COM1

QK

D2

123

654

K4

Q2

COM1

QG

D3

123

654

K5

Q5

COM2

KLJ

D4

123

654

K6

Q4

COM2

GLJ

D5

123

654

K7

Q7

COM1

ZH2

D6

123

654

K8

Q6

COM1

ZH1

D7

123

654

K9

Q9

COM3

QK

D13

123

654

K10

Q8

COM3

QK

D14

123

456

K13

Q13

COM4

GR

D12

123

456

K12

Q12

COM4

DY

D15

123

654

K11

Q15

COM4

RES

2.7K

R1

2.7K

R2

2.7K

R3

2.7K

R4

2.7K

R5

1

2

3

4

PC4

1

2

3

4

PC3

1

2

3

4

PC2

1

2

3

4

PC1

24V

24V

D20

4

3

2

15

K1

D21

D8

123

654

K15

Q11

D9

123

654

K14

Q105V

24V

100

R6

12345BM

1

2

3

4

PC7

100

R7

24V

D10

123

654

K16

Q14

12BY

12P3

123

654

K3

24V

I17

I18

I19

I20

I21

24V Q

8Q9

Q10

Q11

Q12

Q13

Q14

Q15

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1112

1314

1516

1718

1920

2122

2324

2526

P1

I12

I13

I14

I15

I16

I17

I18

I20

I19

I21

I22

I23

24V Q

0Q1

Q2

Q3

Q4

Q5

Q6

Q7

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

1112

1314

1516

1718

1920

2122

2324

2526

P2

I0I1I2I3I4I5I6I8 I7I9I10

I11

1 2 3 4

B2

24V

I11

I10

QKQGZH1ZH2COM1KLJGLJCOM2XC

COM3DYGRRESCOM4

YK

图 3-14 PLC电路原理图

控制系统 PLC采用的是施奈德公司（Schneider）的 40I\O的模块化控制系统

TWDLMDA40DTK，该控制系统具有 40个 I\O口，包括 24个输入口、16个输

出口。控制系统默认 I\O都是数字量 I\O，但是经过配置可以用于一些特殊功能。

其本体外形如图 3-15所示：


36

图 3-15 Twido模块型 CPU本体外形图

控制部分外围电路由继电器、光电耦合器等部件构成，以下分别作介绍：

一．继电器

为了保证 PLC在使用过程中的安全，其输出不是直接接到控制对象上，而是

通过继电器进行隔离。CPU只给出控制信号，当给出高电平有效信号时，继电器

的常开出头闭合，则外部电路回路导通，执行装置开始动作。继电器的主要作用

就是保护 CPU。

继电器采用的器件型号是 972-1C-24DS和 943-1C-24DS，具体参数规格如下：

表 3-4 继电器参数规格表

规格接点规格线圈电压线圈功耗电气寿命机械寿命耐压强度

972 7A 35VDC

7A 250VAC

12A 125VDC

3V~48V 0.36W 1* 510 1* 710 接点间 700V

导体间 1500V

943 5A 125VAC

5A 30VDC

2.5A 250VAC

3V~48V 0.36W 1* 510 5* 610 接点间 1000V

导体间 3000V

二.光电耦合器

多功能通信口

1个模拟电位器

1个 A/D转换

时钟卡和内存卡插槽输入、输出接线端子

CPU状态指示灯: RUN、PWR、ERR

I/O LED 指示

电源接线端子


37

同继电器的作用相同，PLC 的输入也不允许直接连接到外部电路，CPU 采集

的现场工作信号是经过光带耦合器输入 CPU的，从而可以防止外界的脉冲干扰对

CPU产生干扰。

光电耦合器采用 TP521-1B器件，其外围引脚如图 3-16：

图 3-16 光电耦合器 TP521-1B引脚图

引脚 1和 2是输入控制端口，引脚 3和 4 是输出控制端口。外部采集的现场

运行状态信号通过光电耦合器的输入端输入到 CPU，再经由 CPU进行处理。光电

耦合器的主要作用是保护 CPU，避免当外界产生电压突变的时候，对 CPU产生破

坏性的冲击。

3.6.4 电机开关模块设计

电动执行装置的电机开关模块通过可逆三相交流接触器电路去驱动电机转

动。可逆即可以控制电机进行正反转。为了防止电机驱动正相和反相同时导通，

除了在前端控制系统输出上，主控器件需要进行互锁之外，接触器电路和接触器

本身都要进行互锁。接触器电路实现电气互锁，接触器本身实现机械互锁。它的

控制原理图见图 3-17。


38

图 3-17 可逆交流接触器控制原理

正转时，正转按钮ＳＢＦ闭合，正转接触器ＫＭＲ得电闭合，那么电动机Ｍ正

转；同理，反转时，反转按钮ＳＢＲ闭合，反转接触器 KMR得电闭合，那么电动

机Ｍ反转。为了防止ＫＭＲ和 KMR同时导通，引起电源短路，在回路中串联ＫＭＲ、

KMR构成互锁控制。系统采用施奈德的 LC1-D18 交流接触器，用于启动、停止电

机和控制电机的正转、反转。其外形如图 3-18所示：

图 3-18 交流接触器外形图

LC1-D18交流接触器广泛运用于各种类型的电动机、电容器、照明灯、电加

热的控制电路中，其特点有：

高标准：符合 IEC60947-4-1和 GB14048.4标准；

长寿命：机械寿命高达 2000万次；电寿命高达 200万次；

强适应性：“TH”防护处理，可以在湿热的环境中使用；

宽电压：线圈控制电压在 70%-120%Uc之间波动，不影响产品正常工作；

强通用性：具有 50Hz-60Hz通用线圈，可以全世界通用；


39

模块化：产品本体上可以附加辅助触头，通电/断电延时触头，机械闭

锁等模块。也可以很方便地组合成可逆接触器、星-三角起动器。

其技术说明如下：

额定工作电压(Ue)： 690V(LC1-D09～D38，LP1-D09～D32)；

1000V(LC1-D40～D620，LP1-D40～D80)。

AC-3额定工作电流(Ie)范围： 9～620A(LC1-D09～D620)；

9～80A(LP1-D09～D80)。

AC-1额定工作电流(Ie)范围： 25～1000A(LC1-D09～D620)；

25～125A(LP1-D09～D80)。

线圈额定控制电压： AC24V～660V(LC1-D09～D170)；

AC24V～440V(LC1-D205～D620)；

DC12V～440V(LP1-D09～D80)。

3.7人机交互部分模块设计

如果把阀门电动执行装置控制系统分为前端和后端控制系统的话，那人机交

互模块在项目中是属于后端控制系统，直接面向用户，在项目中起了接口作用，

即把用户的操作意愿传达给控制部分的 PLC，从而控制电机的动作。

人机交互部分的外围硬件主要有液晶显示模块、磁控旋钮、红外遥控以及

D/A转换。这些部分的信息是零散的，需要对这些信息进行综合的处理，并且需

要与控制部分进行通讯，因此该部分还有一个“心脏”—— 单片机。

人机交互模块的硬件部分选用了美国 Atmel 公司的先进 AVR 系列单片机

ATmega 64，该款单片机很好地满足了功能和性能的需要，同时辅以周边的外围

电路，最终实现操作者与执行装置信息互动的功能。

本节首先介绍了 ATmega 64 单片机，接着详细描述了人机互动模块硬件设

计的思路和方法。

3.7.1 ATmega 64 单片机介绍

ATmega系列单片机是 Atmel公司的一款高档 AVR微控制系统产品，与其他类

型(如 PIC系列)产品相比具有突出的优势：

(1) AVR程序存储器由可擦写 1000次的 Flash构成，并具有较大容量可擦写

100000次的 EEPROM，可多次更改程序（产品升级）而不必浪费单片机或电路板，


40

大大提高产品质量及竞争力。

(2) 高速度(50ns)和低功耗，具有 SLEEP（休眠）功能。每一条指令执行速

度可达 50ns（20MHz），而耗电在 1-2.5mA 间。硬件应用 Harward 结构，具有预

取指令功能，即对程序存储和数据存储带有不同得存储器和总线，当执行某一条

指令时，下一指令被预先从程序存储器中取出，这使得指令可以在一个时钟周期

内执行。而 PIC要 4个时钟周期执行一条指令。

(3) 超功能精简指令。具有 32个通用工作寄存器(相当于 8051中的 32个累

加器，克服了单一累加器数据处理造成的瓶颈现象)，有 128B～4KB个 SRAM，可

灵活使用指令运算。

(4) 工业级产品。具有大电流(灌电流)10～20mA或 40mA(单一输出)，可直接

驱动 SSR 或继电器；内置看门狗定时器(WDT)，安全保护，防止程序走飞，提高

产品的抗干扰能力。

(5) 程序写入可以并行写入(用万用编程序器)，也可用串行在线 ISP 擦写。

也就是说不必将 IC 拆下拿到万用编程上烧录，而可直接在电路板上进行程序修

改、烧录等操作，方便产品升级。ISP这是今后单片机编程的发展方向。

(6) AVR的 I/O口是真正的 I/O口，能正确反映 I/O口的真实情况。I/O口

有输入/输出，三态高阻输入，也可设定内部拉高电阻作输入端的功能，便于作

各种应用特性所需(多功能 I/O口)。

(7) 高度保密(LOCK)。AVR 具有不可破解的 Lock bit 技术，不象 Mask ROM

那样可通过电子显微镜破解。Flash单元深藏于芯片内部，并且可以多次烧写，

具有多重密码保护锁死(LOCK)功能，因此可快速完成产品商品化，并可多次更改

程序(产品升级)而不必浪费 IC或电路板，大大提高产品质量及竞争力。

(8) AVR内带模拟比较器，I/O口可作 A/D转换用，可组成廉价的 A/D转换

器。

(9)可重设启动复位。AVR系列有内部电源开关启动计数器，可将低电平复位

(/RESET)直接接到 Vcc端。当电源开时，由于利用内部 RC的看门狗定时器，可

延迟 MCU启动执行程序。这种延时使 I/O口稳定后执行程序，以提高单片机工作

可靠性。

(10) 具有休眠省电功能(POWER DOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能。AVR 一般


41

耗电在 1～2.5mA，典型功耗情况，WDT关闭时为 100nA。

(11) 像 8051一样，AVR有多个固定中断向量入口地址，可快速响应中断。

而 PIC只有一个中断入口，要查询后才能响应中断，失去了最佳响应中断时间。

(12) AVR内含 RC振荡器-1MHz的工作频率，使该类单片机成为无外加元器

件即可工作，其实就是一片芯片，可谓简单方便，作加密器件使用更妙。

(13) 计数器/定时器，C/T 有 8 位和 16 位，可作比较器；计数器外部中断

和 PWM(也可当 D/A)用于控制输出，有的有 3-4 个 PWM，作电机无级调速是理想

器件。

(14) 有串行异步通讯 UART接口，不占用定时器和 SPI传输功能，因其高速

故晶振可以工作在一般标准整数频率，而波特率可达 115.2Kbps和 576Kbps。

(15) 工作电压范围宽(1.8～6.0V)，电源抗干扰性强。

(16) 具有较大容量、可擦写 10万次的 EEPROM，对掉电后数据保存带来方便，

来电后能记住掉电时的工体状态，EEPROM(64B～4KB) 。

(17) 具有 JTAG边界扫描、仿真、编程功能。

ATmega 64作为 Atmega系列中一款性价比极高的单片机，从性能上来说既能

满足本课题开发的设计需要，从成本角度说也是非常理想的。

下面就简要介绍一下 ATmega 64的特性：

ATmega 64是高性能、低功耗的 8位 AVR微控制系统，采用先进的 RISC架构。

它有 64K FLASH存储器，2K EEPROM，4K SRAM, 53个 I/O管脚，34个中断数，8

个外部中断口，1个串行 SPI口，2个 USART，具有 TWI通讯功能，2个 8位定时

器，2个 16位定时器，8路 PWM通道，8路 10位 A/D通道，内置 Watchdog和 RC

振荡器（即无需外部晶阵亦可正常工作）。这款芯片的这些特性都将在程序模块

的功能中体现出来。

3.7.2 液晶显示模块设计

液晶显示屏是为操作者提供电动执行机构信息的一个窗口，所用的液晶显示

模块必须符合一定的机械尺寸要求，并且要能够实现汉字、字符和图片的显示。

本装置选用的液晶显示模块基本参数如下表：


42

表 3-5 液晶显示模块基本参数表

分辨率模块大小可视区域背景灯光接口方式工作温度 128*64

72.0*52.0*14.0

55.0*38.0

黄绿色、

蓝白色可

选

串行、并行

可选（通过

排线连接）

-20—80度

本液晶显示模块采用的是ST7920控制系统。ST7920 LCD驱动器由33个common

及 64个 segment组成，segment驱动器的扩充可以视需要由 ST7921 segment驱

动器来提供扩充显示范围的任务，一个 ST7920可以显示 1行 8个字或是 2行 4

个字，或是配合 ST7921使用 2行 16个字的显示。

ST7920控制系统决定了本液晶显示模块具有显示汉字、字母、数字符号、图

符的功能，同时它还提供给我们一个自造字符和图形的环境，可以根据需要自造

特殊大小、特殊字体的汉字、字符及图形图标。这款液晶显示模块还支持绘图文

字画面的混合显示，可以使整个显示画面更加丰富生动。

ST7920控制系统同时还包含有显示资料 RAM、中文字型 ROM、字型产生 RAM、

绘图 RAM等方便使用者进行汉字、字母、图片显示。

ST7920提供了两套控制指令：基本指令和扩充指令。基本指令集包括清除显

示、位址归位、显示状态、设定 CGRAM位址、设定 DDRAM位址、读取忙碌标志

BF和地址，写资料到 RAM，读出 RAM的值；扩充指令集包括反白选择、睡眠模式、

设定 IRAM位址、设定绘图 RAM地址。

液晶显示模块与单片机有三种信息传输方式：8位并列传输、4位并列传输以

及串列传输。这几种方式是经由外部的 PSB引脚来选择的，当 PSB脚接“1”时

是选中了 8/4位并列传输模式，由基本指令集的位决定是 8位并列传输模式还是

4位并列传输模式；当 PSB接“0”时为串列传输模式。这里我们采用的是串列

传输方式，这种传输方式，可靠性较高、占用单片机的管脚较少，连接电路图如

图 3.19所示。


43

VSS VDD VO RS SID SCLK DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 PSB NC RST NC LEDA LEDK

VCC

I/O

I/OI/O

VCC

10K

图 3-19 液晶显示模块电路连接图

PSB脚为微处理器控制界面选择，我们将它固定接低电平，即采用串列传输

的方式；RS、SID、SCLK三个管脚与单片机 I/O管脚相连，在串列传输方式下，

RS脚为片选信号管脚，高电平为选中本液晶模块；SID为数据传输管脚；SCLK

为时钟控制管脚。RST为液晶模块的复位管脚；LEDA与 LEDK为液晶显示模块的

背景灯连接管脚。

3.7.3 磁控旋钮模块设计

由于本电动执行装置需要在危险的环境下正常工作，因此其外壳是防爆的。

该装置的智能控制部分放置在防暴外壳内，操控电动执行装置的开关显然需要安

放在外壳外部，选用非接触式的磁控旋钮和干簧管便成为合理的选择。

干簧管是一种电子元件，被大量用于需要采用非接触式控制方式的场合。这

种电子元件相当于一个开关，默认状态下是开的，磁控旋钮内有一块磁铁，在一

定距离内当磁铁的长边和干簧管平行时，干簧管内的两片导电片被吸合，使得干

簧管被导通。通过旋转磁控旋钮，不同的干簧管被导通，利用这一原理实现了相

应的控制功能。

在本系统中，使用了 2个磁控旋钮。左面是 4星磁控旋钮，对应功能是设定、

停止、远控、现场；右面是 2星磁控旋钮，对应功能是确定、取消。干簧管焊接

在外壳内控制部分中的单片机印刷电路板上，共有 6个，左面 4个排列成“口”

字形，位置对应着外壳外的 4星磁控旋钮；右面两个排成“11”型，位置对应着


44

外壳外的 2星磁控旋钮。每个干簧管的通断信号送入单片机，实现设定、停止、

远控、现场、确定、取消 6个功能。磁控旋钮简图如图 3-20。

设

定

远控

停

止

现场

确

定

取

消

图 3-20 磁控旋钮简图

每个干簧管都连了上拉电阻，因此在断开时，单片机检测到的是高电平，在

吸合时，输入单片机的信号是低电平----也就是低电平有效。系统以此原理来实

现磁控旋钮所能达到的功能。

3.7.4 红外遥控模块设计

红外遥控模块有红外发射模块和红外接收模块。发射模块实现的功能是根据

6个按键编制出不同的编码，通过红外发射头发射给接收模块；接收模块中的红

外接收头接收到发射来的码之后通过接收芯片进行相应解码，将解码之后的信号

发送给单片机，以实现下一步的控制。

红外发射模块独立于电动执行装置本体，实质上是遥控器模块；红外接收模

块在电动执行装置的本体内，单片机电路板上。以下就对两部分分别介绍。

一．发射模块

该模块的硬件部分就是红外遥控器的内部电路，是红外发射部分。其作用是

根据 6个功能按键编制出不同的编码，通过红外发射头发射给接收模块。电路图

参见图 3-21。


45

图 3-21 红外发射模块电路原理图

该电路采用的主芯片是目前流行的红外发射芯片 9148，可用于各种设备的遥

控操作。其总的键盘图如图 3-22所示。

图 3-22 9148键盘图


46

6个功能按键名称与号码对应关系如下：

表 3-6 红外功能按键名称与号码对应表

键号功能

1 开阀

2 关阀

3 停止

4 确定

5 取消

7 设定

此模块有一些比较成熟的典型电路连接作为参考，但在设计过程中需要注意

以下一些要点：

三个二极管 IN4007 串联是为了把遥控器电池电压 6V 降到 9148 芯片正

常工作电压范围之内 2.2V~5.5V。

6 个按键的电路连接要根据单发和连续的功能来设计，须严格按照键盘

图和编码表来设计才不至于出现单发和连续混淆的差错。

用二极管将定时驱动端 T1-T3 连接到 CODE 端，可以分别将用户码

C1,C2,C3置为“1”，若不连，则为“0”

接下来我们介绍红外遥控所发射的波形：

1) “0”与“1”的识别

正脉冲的占空比为 1/4 时，代表“0”，正脉冲的占空比为 3/4 时，代表“1”。

图 3-23 红外发射波‘0’与‘1’波形


47

2) 载波

无论是“0”还是“1”，它们发射时，正脉冲是被调制在 38KHz（振荡频率

为 455KHz 时）的载波上，载波的占空比为 1/3，这样有利于减少功耗。

图 3-24 红外发射波载波波形

3) 基本发送波形

每个发送周期按 C1、C2、C3、H、S1、S2、D1、D2、D3、D4、D5、D6的次序

串行发送，总长度为 48t，其中 t 等于每个码周期的 1/4，其计算方法是

t=(1/fosc)x192 秒。

下图为一个普通的波形。

图3-25 红外基本发送波形

4) 单发信号

凡是按下单发键时，输出码只发送两个周期。

图3-26 红外单发信号波形

5) 连续信号

凡是按下连续键时，输出码将连续发送。在两组信号之间停顿 208t。


48

图3-27 红外连续信号波形

二．接收模块

红外接收模块硬件电路首先采用 HS0038 一体化红外接收头接收发送模块发

来的码，通过三极管反向放大之后送入红外接收芯片 9149 进行相应的解码，解

出的信号送单片机实现相应的控制功能。电路图参见图 3-28。

图 3-28 红外接收模块电路图

9149 是用于红外线遥控接收器的 CMOS 大规模集成电集成电路。与发射芯片

9148相配可组成一个遥控系统。

红外接收模块的信号接收首先由接收元件把接收的信号经放大、检波去除

38 kHz 载波，接着输入信号输入端。接收信号输入电路内含斯密特触发器对接

收信号进行整形。

红外接收模块需要对接受的信号进行检查，由以下几个步骤组成：

1) 接收数据检查

从遥控发射电路 9148 的介绍可知，发送的信号每组数据为 12位，每次发射

两组。在检查接受信号时，首选将第一组接收数据寄存到 12 位移位寄存器内。


49

然后将第二组数据与一组接收数据逐位比较。若相同，则相对应的输出从低电平

上升为高电平。若不相同，则产生出错信号，立即使系统复位。

2) 用户码比较

因为发送信号有 C1、C2 和 C3 供用户编写的码位信号，所以接收端必须要

有相应的码信号与之对应。不同的机器采用不同的编码，以便区分。9148 配 9149

的用户码有三种选择

表 3-7 用户码选择表

C1 C2 C3

1 0 1

1 1 0

1 1 1

注意点：

C端接电容到地 C设为“1”，接地为“0”。

9149的 C1 内部设为“1”，另二位不能设为“0”、“0”码。

当发送和接收的用户码相符合时，电路内部会产生锁定脉冲，以便锁定输入

数据和使输出从低电平上升到高电平。如果用户码不符合，则无锁定脉冲产生，

输出停留在低电平。

红外接收模块主芯片 9149 与红外发送模块主芯片的编码次序是一一对应

的，电路设计的时候需要两者完全吻合，否则会产生错误动作，它们的编码顺序

如下：

表 3-8 9148编码顺序表


50

红外发送模块上共有 6个功能键，这 6个功能键都被赋予了相应的名称，下

表列出了这些按键与 9149输出管脚相对应信息：

表 3-9 红外功能键相关信息表

功能键号控制方式 9149输出管脚名称

开阀 1 连续码 HP1

关阀 2 连续码 HP2

停止 3 连续码 HP3

确定 4 连续码 HP4

取消 5 连续码 HP5

设定 7 单发码 SP1

红外接收模块会根据接收到的不同的信号产生不同的输出波形，两种不同的

按键类型显然会产生两种不同的信号，它们分别是单发脉冲和连续脉冲。

1) 单发脉冲 SP1~SP5

在 12 位接收脉冲检查正确后，即在相应的输出端产生一个宽约 107ms的正

脉冲。

图 3-29 红外接收模块单发脉冲图

2) 连续脉冲 HP1~HP5

当接收到连续发送信号后，在第一个锁定脉冲产生的同时，在相应的输出端

产生高电平，直至最后一个锁定脉冲结束以后 160ms再回复到低电平。当多键操

作时，各相应的 HP端能并行同时输出连续脉冲。


51

图3-30 红外接收模块连续脉冲图

3.8远程通讯模块设计

远程通讯部分包括数字量、模拟量远程接入和输出电路、Modbus总线通讯电

路、Profibus 总线通讯电路三部分，其中两种总线通讯不能同时选择。下面将

详细介绍这三部分硬件设计。

3.8.1 数字量和模拟量通讯模块设计

数字量通讯电路设计较为简单，数字量输出采用继电器隔离的输送方式，数

字量输入采用光耦隔离的方式完成。

而远程阀位和力矩模拟量传送电路设计则相对复杂一些，由于微处理器处理

的是数字信号，因此中间必须通过 D/A转换环节将数字信号转换模拟电压输出，

由于电压在传输过程中容易受到影响，而且不利于长距离传输（总线电阻势必分

压），因此电压信号还要经过 V/I转换，使得阀位和力矩信息最终转换成 4~20mA

模拟量电流信号输出，如图 3-31所示。

PC0

PC1

PC2

MCU

DIN

SCLK

CS

TLC5615

VI转换Dout 4~20mA信号输出

图 3-31 远程电流模拟量传送电路

其中 D/A转换主芯片采用美国 TI公司生产的 TLC5615芯片，属于性价比很


52

高的 D/A转换芯片。后端的 V/I转换采用恒流源设计方式，输出可靠的 4－20mA

信号给中央控制室。

3.8.2 Modbus硬件模块设计

Modbus 协议是应用于电子控制系统上的一种通用语言。通过此协议，控制

系统相互之间、控制系统经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通讯。它

已经成为一通用工业标准。有了它，不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，

进行集中监控。

此协议定义了一个控制系统能认识使用的消息结构,而不管它们是经过何种

网络进行通讯的。它描述了一个控制系统请求访问其它设备的过程，如果回应来

自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公

共格式。

当在一个 Modbus网络上通讯时，此协议决定了每个控制系统须要知道它们

的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控

制系统将生成反馈信息并用 Modbus 协议发出。在其它网络上，包含了 Modbus

协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的

网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。

标准的 Modbus 口是使用 RS-232、RS-422、RS-485 兼容串行接口，它定义

了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制系统能直接或经

由Modem组网。

控制系统通讯使用主—从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询）。

其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：

主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制系统。

主设备可单独和从设备通讯，也能以广播方式和所有从设备通讯。如果单独

通讯，从设备返回一个消息作为回应，如果是以广播方式查询的，则不作任何回

应。Modbus 协议建立了主设备查询的格式：设备（或广播）地址、功能代码、

所有要发送的数据、一错误检测域。

从设备回应消息也由 Modbus协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回

的数据、和一错误检测域。如果在消息接收过程中发生一错误，或从设备不能执


53

行其命令，从设备将建立一错误消息并把它作为回应发送出去。

我们设计的Modbus通讯接口的物理层采用 RS-485 硬件电路设计

1．RS-232/422/485 标准

RS-232、RS-422 与 RS-485 最初都是由电子工业协会（EIA）制订并发布的。

RS-232在 1962 年发布，命名为 EIA-232-E，作为工业标准，以保证不同厂家产

品之间的兼容。RS-422是由 RS-232 发展而来，它是为弥补 RS-232 之不足而提

出的。为改进 RS-232 通讯距离短、速率低的缺点，RS-422 定义了一种平衡通

讯接口，将传输速率提高到 10Mbps，传输距离延长到 4000 英尺（速率低于

100kbps 时），并允许在一条平衡总线上连接最多 10 个接收器。

RS-422 是一种单机发送、多机接收的单向、平衡传输规范，被命名为

TIA/EIA-422-A 标准。为扩展应用范围，EIA 又于 1983 年在 RS-422 基础上制

定了 RS-485 标准，增加了多点、双向通讯能力，即允许多个发送器连接到同一

条总线上，同时增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模范围，

后命名为 TIA/EIA-485-A 标准。由于 EIA 提出的建议标准都是以“RS”作为前

缀，所以在通讯工业领域，仍然习惯将上述标准以 RS 作前缀称谓。

RS-232、RS-422 与 RS-485 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及

接插件、电缆或协议，在此基础上用户可以建立自己的高层通讯协议。但由于

PC 上的串行数据通讯是通过 UART 芯片(较老版本的 PC 采用 I8250 芯片或

Z8530 芯片)来处理的，其通讯协议也规定了串行数据单元的格式（8-N-1 格式）：

1 位逻辑 0 的起始位，6/7/8 位数据位，1 位可选择的奇(ODD)/偶(EVEN)校验

位，1/2 位逻辑 1 的停止位。基于 PC 的 RS-232、RS-422 与 RS-485标准均采

用同样的通讯协议。

电子工业协会（EIA）于 1983 年制订并发布 RS-485 标准，并经通讯工业协

会（TIA）修订后命名为 TIA/EIA-485-A，习惯地称之为 RS-485 标准。

RS-485 标准是为弥补 RS-232 通讯距离短、速率低等缺点而产生的。RS-485 标

准只规定了平衡发送器和接收器的电特性，而没有规定接插件、传输电缆和应用

层通讯协议。RS-485 标准与 RS-232 不一样，数据信号采用差分传输方式

（Differential Driver Mode），也称作平衡传输，它使用一对双绞线，将其中一线

定义为 A，另一线定义为 B。通常情况下，发送发送器 A、B 之间的正电平在+2～


54

+6V，是一个逻辑状态；负电平在-2～-6V，是另一个逻辑状态。另有一个信号

地 C。在 RS-485 器件中，一般还有一个“使能”控制信号。“使能”信号用于

控制发送发送器与传输线的切断与连接，当“使能”端起作用时，发送发送器处

于高阻状态，称作“第三态”，它是有别于逻辑“1”与“0”的第三种状态。

对于接收发送器，也作出与发送发送器相对的规定，收、发端通过平衡双绞

线将 A-A 与 B-B 对应相连。当在接收端 A-B 之间有大于+200mV 的电平时，

输出为正逻辑电平；小于-200mV 时，输出为负逻辑电平。在接收发送器的接收

平衡线上，电平范围通常在 200mV至 6V 之间。定义逻辑 1（正逻辑电平）为 B

＞A 的状态，逻辑 0（负逻辑电平）为 A＞B 的状态，A、B 之间的压差不小于

200mV。

TIA/EIA-485 通讯方式的性能如下所述：

传输模式：平衡

电缆长度＠90Kbps：4000 ft（1200m）

电缆长度＠10Mbps：50 ft（15m）

数据传输速度：10 Mbps

最大差动输出 ± 6V

最小差动输出：± 1.5V

接收器敏感度：±0.2 V

发送器负载（欧姆）：60Ω

最大发送器数量：32单位负载

最大接收器数量：32单位负载

RS-485 标准的最大传输距离约为 1219 米，最大传输速率为 10Mbps。

通常，RS-485 网络采用平衡双绞线作为传输媒体。平衡双绞线的长度与传

输速率成反比，只有在 20kbps 速率以下，才可能使用规定最长的电缆长度。只

有在很短的距离下才能获得最高速率传输。一般来说，15 米长双绞线最大传输

速率仅为 1Mbps。

注意：并不是所有的 RS-485 收发器都能够支持高达 10Mbps 的通讯速率。

如果采用光电隔离方式，则通讯速率一般还会受到光电隔离器件响应速度的限

制。RS-485 网络采用直线拓朴结构，需要安装 2 个终端匹配电阻，其阻值要求


55

等于传输电缆的特性阻抗（一般取值为 120Ω）。在矩距离、或低波特率波数据

传输时可不需终端匹配。

2．带隔离的 RS485电路

图3-30为我们设计的RS485电路，主要是由使用光电隔离方式连接的SP485R

芯片组成的。微处理器的UART 串口的RXD、TXD 通过光电隔离电路连接

SP485R 芯片的RO、DI 引脚，控制信号R/D 同样经光电隔离电路去控制SP485R

芯片的DE和/RE 引脚。

由微处理器输出的R/D 信号通过光电隔离器件控制SP485R 芯片的发送器/

接收器使能：R/D 信号为“1”，则SP485R 芯片的DE 和/RE 引脚为“1”，发

送器有效，接收器禁止，此时微处理器可以向RS-485总线发送数据字节；R/D信

号为“0”，则SP485R芯片的DE和/RE 引脚为“0”，发送器禁止，接收器有效，

此时微处理器可以接收来自RS-485总线的数据字节。任一时刻，SP485R芯片中

的“接收器”和“发送器”只能够有1个处于工作状态。

连接至A引脚的上拉电阻R7、连接至B引脚的下拉电阻R8用于保证无连接的

SP485R芯片处于空闲状态，提供网络失效保护，以提高RS-485节点与网络的可

靠性。使用DC-DC器件可以产生一组与微处理器电路完全隔离的电源输出，用

于向RS-485收发器电路提供+5V电源。电路中光耦器件的速率将会影响RS-485

电路的通讯速率。图3-32中我们选用了Agilent公司的超高速光耦元件，因此

RS-485接口电路的通讯速率可保障在38400bps速率下正常工作，甚至可以在更高

的速率下工作。

图3-32 SP485R的隔离RS-485电路


56

3.8.3 Profibus硬件模块设计

PROFIBUS是一种国际化、开放式异步串行通讯标准，广泛适用于制造业自动

化和流程自动化、楼宇、交通、电力等各行各业。通过 PROFIBUS，可以方便地

实现各种不同厂商的自动化设备及元器件之间的信息交换。

我们在电动执行装置中使用的 Profibus 接口是苏州创捷工控公司生产的

Profibus总线桥嵌入式模块。

该嵌入式 Profibus总线桥模块的主要技术指标及规格如下：

表 3-10 Profibus总线桥模块的主要技术指标及规格

同时该嵌入式模块的主要功能如下：

支持完整的 PROFIBUS-DP 协议

PROFIBUS波特率自适应，最大数据传输速率 12Mbit/s

项目子项目技术指标

单板工作电源 4.75V≤Vcc1≤5.25V，电流≥300mA,纹波系数

≤5% 电源

PROFIBUS链路电

源

4.75V≤Vcc2≤5.25V，电流≥100mA，纹波系数

≤5%

用户接口读写时间并行总线≤55nS，串行根据各自波特率计算

DP协议协议符合 EN57170 V2 和 IEC61158

模块型号（定货

号）

GSD文件

模块特性

系统识别码

见模块说明

使用场合室内，不受阳光直射，无尘埃、腐蚀性气体、

油雾、水蒸汽等

环境温度 -10~+40

湿度小于 90%RH，无结露

振动小于 5.9m/s2(0.6G)

环境

存储温度 -20~+60


57

支持同步和冻结模式

可变字节的输入输出长度，最大 256字节

隔离的 PROFIBUS接口

可选从站地址 3～126

采用串行总线 RS232/RS485，串口 TTL，或并行总线（双口 RAM）和应用

系统连接

具有面向应用系统设备特性的组态能力，并有诊断和报警处理

我们选用的模块提供 TTL电平串口，可达到最大各 128字节内任意的输入输

出长度，外型小巧，尺寸 55(mm)×66(mm)，易于嵌入用户设备中，其外观如图

3-33所示。

图 3-33 PROFIBUS总线桥模块

我们将该总线桥直接连接到单片机上，单片机将数据传递到该总线桥上，再

由该总线桥连接到标准的 PROFIBUS-DP总线上。

3.9硬件抗干扰设计

电磁感应、传输通道和电源线是干扰信号进入系统内部的三个主要途径。一

般情况下，经电磁感应途径进入系统电路的干扰信号在强度上远远小于经另外两

种途径进入的千扰。对于电磁感应采用良好的屏蔽和正确的接地加以解决。所以，

抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。

1．印刷电路板抗干扰措施

实践证明，即使设计的原理图正确，如果印制电路板设计不当，会大大影响

电子设备可靠性，例如，如果印制板地线的阻抗较高，构成的公共阻抗就会在器

件之间形成耦合干扰，如果印制板两条线平行靠得很近，则会形成信号波形的延


58

迟，在传输线的终端形成反射噪声，因此，我们在设计印制电路板时，力求将系

统中各元件之间，电路之间可能产生的不利影响限制在最低程度，使由于电路的

分布电容、磁漏、电磁互感以及其它由噪声引起的干扰得到抑制。在本文智能电

动执行机构的控制系统设计中，主要采取的抗干扰措施有：

(1) 选用功耗小，电流小的元器件，这样可以减少板内线路间的电磁场干扰，

同时减少产热；

(2) 在元器件焊接过程中，特别聘请了经验丰富的老师作指导，以免在焊接

过程中损伤元器件。为了防止过热、过长时间的焊接造成电子元器件的损伤，

我们采用分阶段焊接；

(3) 将数字地与模拟地分开，分别与电源端地线相连。为了防止因地线过细

而导致接地电位值随电流变化幅度大，造成电子设备的定时信号电平不稳，

抗噪性能变坏，我们选用了宽度大于 3mm的地线；

(4) 采用粗短的电源线和地线，并尽量靠近，其走向和与信号传输方向一致；

(5) 信号线布线基本与电源线和大电流控制线方向垂直；

(6) 电路板元器件面和焊接面印刷引线应互相垂直，以减少寄生电容。

2．电源抗干扰措施

根据统计分析，单片机系统有 70%的干扰是通过电源耦合进来的。同时，由

于在电动执行机构控制系统中电机的启停，强电继电器通、断都会造成电压波动，

产生尖峰脉冲。这种高能尖峰的幅度约在 50-4000V之间，持续时间几个毫微秒，

它对系统危害严重，很容易造成“飞程序”或死机，因此，提高智能电动执行机

构电源系统的供电质量，对确保系统安全可靠运行是非常重要的。本文采取的电

源抗干扰措施有以下几点：

(1) 采用隔离变压器；

(2) 模拟电路、数字电路、输入通道和输出通道分别独立供电，以增强电源

抗干扰的能力；

(3) 每块电路板的电源输入端跨接一个 10~100 Fµ 的电解电容和一个

0.01~0.1 Fµ 的瓷片电容，用于滤除供电电流中的脉冲成分和高次谐波。

3．接地技术

在智能电动执行机构控制系统中，接地问题是一个重要问题。接地问题处理


59

得正确与否，将直接影响系统的正常工作。它包括两方面：1、接地点是否正确，

用来防止控制系统各部分串扰；2、接地是否牢固，使接地点良好接地，以防止

接地线上产生电压降。地线种类很多，归纳起来大致有以下几种：

1）数字地，又叫逻辑地。它是微型控制系统中数字电路的零电位；

2) 模拟地，是模拟电路部分的基准电位，它是放大器，采样/保持器以及 A/D

转换器输入信号零电位；

3) 信号地，指传感器的零电位点；

4) 功率地，指大电流驱动零电位点，亦称负荷地；

5) 交流地，交流 50Hz电源的地线，这种地是噪声地；

6) 屏蔽地，为防止静电感应和电磁感应而设计的有时称机壳地。

智能电动执行机构控制系统的地线包括数字地、模拟地、屏蔽地、电源地等。

为了提高系统的抗干扰能力。在系统设计中我们采取了以下措施：

(1) 将系统的机壳与输入输出线的屏蔽层接三相电源地(大地)，通过大地给

高频干扰电压形成低阻通路，以抑制其对系统的干扰；

(2) 数字电路和模拟电路的地线分开，并分别“一点”接地；

(3) 数字电路的地线做成闭环回路，以提高系统的抗干扰能力；

(4) 信号地和功率地各自单独连在一起。对于光电隔离系统，靠 CPU 一侧

采用浮地方式，光电隔离器的外侧边则遵循一点接地原则。

4．去耦电容的配置

在数字电路中，当电路从一种状态向另一种状态变换时，会在电源线上产生

一个很大的尖峰电流，形成瞬时噪声电压。在直流电源回路附近，负载的变化也

会引起电源噪声。解决此类问题的常用方法就是配置去祸电容。因此我们在设计

智能电动执行机构控制系统印刷电路板时，各关键部件处都配置去祸电容。具体

措施是：

(1) 电源输入端跨接 10-100 Fµ 的电解电容；

(2) 每个集成电路芯片都配置了一个 0.01 Fµ 的陶瓷电容器；

(3) 对于 ROM,RAM存储器件和抗噪声能力弱、关断时电流变化大的器件，

在芯片的电源线与地线之间直接接入去耦电容。

5．采用光电隔离技术


60

输入输出通道直接与受控设备相连，无论是模拟量还是数字量的输入输出通

道，都是干扰信号极易窜入的。要截断这条通道，就要加强受控设备与输入输出

通道的隔离，从电路上把干扰源和易受干扰的电动执行机构控制部分隔离开来，

以消除干扰。光电祸合器就能有效地消除脉冲及各种噪声的干扰，使测控系统与

现场只有信号联系，但不发生电的联系，从而使输入输出通道上的信噪比大大提

高。这是因为：

(1) 光电耦合器的输入阻抗与干扰源内阻(一般为 I护-1护 0)相比极小。由于

干扰源内阻与光电耦合器的输入阻抗串联，根据分压原理，当干扰源幅度很

大时，在光电耦合器的输入端所得的干扰电压分压幅度小，即此干扰信号对

光电耦合器所提供的能量小，只能在输入端形成微弱电流。而光电藕合器输

入部分的发光二极管，只有在通过一定强度的电流时才能发光，输出部分的

光敏三极管也只在一定光强下刁能工作。因此，即使是电压值很高的干扰，

也会由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉，而使有用信

号能够顺利通过光电耦合器；

(2) 光电耦合器的输入与输出之间分布电容极小，而且绝缘电阻很大，因此

在输入回路中，一端的干扰很难通过光电耦合器馈送到另一端去。因此，光

电耦合器既能传递有用信息又能有效地抑制干扰信号；

(3) 光电耦合器在密封条件下工作，很难受到外界的干扰。

6．电磁兼容性问题

电磁兼容是一种能力，它在其电磁环境中能完成它的功能，而不至于在其环

境中产生不能容忍的干扰。因此电磁兼容的产品必须有两点要求：I、系统本身

抗电磁干扰能力强，不易受到外界电磁辐射信号的干扰；II、系统本身不应成为

一个噪声源，产生对其他仪器、设备的电磁干扰。要达到上述要求，必须在设计

电路时注意以下几点：

(1) 消除地电位不均匀；地电位是硬件电路的参考电位，理想情况下，电路

板上每个地电位点的电位是相同的，但是实际上并非如此。消除措施包括增

大接地系统的面积、减小负载的容性成分、减小 PCB 布线时电源和地线的

电感、选用接地引脚和电源引脚距离短的封装形式等。

(2) 接地散热器的处理；它具有散热作用、屏蔽作用、去耦作用；


61

(3) 时钟源的电源滤波方法；为了保证时钟信号的完整性和减小电磁辐射对

其他电路的影响，在电路布局的时候，必须把时钟振荡器放置在处理器的附

近，尽量靠近处理器的时钟输入引脚。


62

第4章系统软件设计

硬件电路的设计工作完成以后，系统设计思想的体现和主要功能的完成都将

依赖于系统软件的设计。控制系统能否正常可靠地工作，除了硬件的合理设计外，

与功能完善的软件设计是分不开的。这一章将介绍本控制系统所需实现的功能以

及各部分软件模块的设计方案及具体实现方法。

4.1软件需求分析

根据智能电动执行装置的实际应用，我们认为软件设计的控制规范和功能需

求主要应包含：保护及控制功能、参数设定、控制方式、监控报警、现场总线控

制。下面对智能电动执行装置控制规范和功能要求进行详细阐述。

（1）保护及控制功能

相位判别功能：当现场接线相位颠倒时，相同步器可以自动改变相位，以保

证阀门按指令的方向来执行。

缺相保护功能：相位监测器实时监视交流电全部三相存在，出现一相或多相

丢失的情况，立即停止电机的供电，同时在现场液晶屏和给远方控制室提供开关

触点报警。

阀门卡塞保护功能：执行器处在关限位，并执行打开动作时，在 5S～10S（可

设定）时间不执行力矩保护功能，以电机所能提供的最大力矩开启卡位的阀门，

若经过这段时间不能打开阀门，则切断对电机的供电，并报警。

电机热保护功能：电机线圈里预埋两个热敏开关，一旦线圈温度超过预设值

（按 F级绝缘 B级温升设定），热敏开关断开动力电源对电机供电，并报警。

瞬时逆转保护功能：执行器接到瞬时反转信号时，自动延时一段时间，以防

止冲击负载对阀门、执行器齿轮传动部分的损伤，防止此时发生的不可预测的电

流冲击可能会损坏电机，延长接触器寿命。执行两次方向相反运动的间隔时间可

在 0.5S～9.9S间调整。

掉电数据保存功能：当电源掉电后，执行器会将各种参数信息存放在


63

EEPROOM中，不会丢失。

变速慢关功能：当关闭件接近阀座，为减少惯性对阀门的冲撞，让执行器的

输出转速慢下来，直至关闭阀门。

阀位测量功能：采用非接触式阀位测量系统（高精度光电旋转编码器）把执

行器输出轴的旋转位移精确地转换成电信号，并与存储器中原设定的位置进行比

较发出限位指令。

力矩测量功能：利用压力传感器测量蜗杆推力的反作用力，并转换成与输出

力矩成比例的电信号。与电源的频率、电压、温度变化无关。

（2）参数设定

采用执行器上两个旋钮来实现对于阀位和力矩的运行参数设定：

阀位行程设定：即设定阀门关闭位置和开启位置；

阀位中间行程设定：即可以根据需要设定关向或开向的中间位置，或用于增

加开、关向触点数；

关向力矩设定：力矩值为额定力矩的 100%，可以根据需要对力矩设定值进

行调整，关向力矩调整范围为 40%～120%；

开向力矩设定：力矩值为额定力矩的 100%，可以根据需要对力矩设定值进

行调整，开向力矩调整范围为 40%～120%；

变速慢关设定：设定慢关起始点（0%～20%）和运行占空比。

采用红外设定器进行：开阀、关阀、停止。

（3）控制方式

智能装置有现场旋钮控制、远红外控制和远程控制三种控制方式，在紧急情

况下还有紧急关断控制功能（ESD）。

现场控制：采用磁控旋钮，将方式钮置于“现场”，然后用操作旋钮操作；

远程控制：四种方式：自保持、点动、双线开、双线关；

自保持方式：可实现阀门的开关停控制，控制信号持续 0.5秒；

点动方式：可实现阀门的开、关控制，控制信号应持续到开、关到位；

双线开方式：可实现阀门两根线，单个干接点控制，接点闭合时打开，断开

时关闭；

双线关方式：可实现阀门两根线，单个干接点控制，接点断开时打开，闭合


64

时关闭；

ESD控制：在紧急情况下，ESD信号可以超越任何现场或远程信号，使执行

器强制实行关阀或开阀动作。ESD动作可选择为“关阀”，“开阀”，或“不允许”。

（4）运行状态显示和实时监控报警

a) 指示部分

现场 LCD 显示：显示阀门开度、故障显示、设定参数显示。阀门位置：全

开全关或中间位置（0～100%）；

现场 LCD显示：采用中英文两种模式显示，提供双语设定菜单；

现场 LED指示：设“红”、“绿”、“黄”三种 LED灯泡，表示阀门状态：红

灯亮，阀全开；红灯闪，阀正在开；绿灯亮，阀全关；绿灯闪，阀正在关；中间

位置，黄灯亮（连续或脉冲信号）；

控制方式指示：选择就地停止，选择就地，选择远程，启用紧急保护（ESD）。

b) 报警部分

阀门报警：电机在行程中力矩跳断，超出预设力矩值，阀门卡住；

控制系统报警：掉相，内部控制电源丢失，内部检测出错，温度保护器跳断。

c) 监控部分

监控继电器：一个带有无源可转换触点的独立继电器来监视执行器电气装置

的有效性，该继电器可组态为下述条件的任何一个或多个条件下的激励：主电源

掉电或缺相、主控电路出错、方式钮不在远程位置、电机温度保护跳断。

（5）数据查询

出厂标定的额定力矩（关向、开向），开、关向力矩设定值，开、关向极限

位置参数设定值，中间行程开、关向设定值，慢速起始点设定值，已设定的远控

方式等；

阀门操作次数、阀门全行程操作次数、阀门在关向运行中关向力矩的三次最

大值、阀门在开向运行中力矩三次最大值；

具有远程模拟量 4-20mA阀位指示；

具有远程模拟量 4-20mA力矩指示。

（6）现场总线

自主开发基于Modbus协议的现场总线接口和通讯功能。另外，系统应具有可配


65

置通过认证的Profibus协议的现场总线接口的功能。 4.2软件开发语言的选择

嵌入式系统有复杂和简单之分，多任务软件一般需要操作系统加以支撑和管

理，但由于阀门控制系统的软件系统完成的功能并不复杂，可以不使用嵌入式操

作系统，直接在裸机上开发，使用的开发语言可以是汇编和Ｃ语言。

按照以往的经验，项目开发人员通常会选择汇编语言作为编程语言，因为汇

编语言具有产生代码小、控制硬件灵活等优点，然而可读性差、不利于移植等缺

点制约了该语言的使用。C语言以其结构化和能产生高效代码等优势满足了本项

目的需要，具体来说使用 C语言开发本项目具有以下优势：

1．可以大幅度加快开发进度，在程序量大的情况下，使用 C语言优势明显

2．无需精通单片机指令集和具体的硬件，也能够编出符合硬件实际专业水平的

程序。

3．可以实现软件的结构话编程，它使得软件的逻辑结构变得清晰、有条理。源

程序的可读性和可维护性都很好，有利于实施项目的后期维护和升级，从而

保证整个系统的可靠性

4．省去了人工分配单片机资源（包括寄存器、RAM 等）的工作。只要在代码中

申明一下变量的类型，编译器就会自动分配相关资源，根本不需要人工干预，

从而有效地避免了人工分配单片机资源的差错。

5．当写好了一个函数后，需要移植到不同种类的 MCU上时，符合 ANSI C标准的

程序基本上不必修改，只要将一些与硬件相关的代码作适度的修改，就可以

方便的移植到其他种类的单片机上，甚至可以将代码从单片机移植到 DSP 或

ARM中，这样方便于阀门执行装置控制系统升级产品的研究与设计。

6．C语言提供 auto、static、flash等存储类型，针对单片机的程序存储空间、

数据存储空间以及 EEPROM空间自动为变量合理地分配空间，而且 C语言提供

复杂的数据类型（如数组、结构体、指针等类型），极大地增强了程序处理能

力和灵活性。C 编译器能够自动实现中断服务程序的现场保护和恢复，并且

提供常用的标准数据库，供开发人员使用，使开发人员节省了重复编写相同

代码的时间，并且 C编译器能够自动生成一些硬件的初始代码。


66

考虑到阀门执行机构对于稳定性、可靠性和安全性的高要求，软件是否具有

长期稳定运行的能力是选择何种开发语言所考量的重要标准，由于 C语言的众多

优势，最终选择使用 C语言来开发阀门执行机构的嵌入式控制系统软件部分。

4.3软件功能及其实现

阀门电动执行装置控制系统的软件部分主要由人机交互模块、电机控制模

块、单片机与 PLC的通讯模块以及 Profibus和 ModBus总线模块。

本节首先介绍了控制系统软件开发的开发平台、编译环境和调试环境，接着

系统介绍了各模块的开发思路和实现方法。 4.3.1软件开发平台

１．Atmega 64结构及特点

Atmega 64是一款基于 AVR内核，采用 RISC结构，低功耗 CMOS的 8位单片

机。由于在一个时钟周期内执行一条指令，故它的速度可以达到 1MIPS/MHZ的性

能；它具有 64KB 的可在系统编程/应用编程（ISP/IAP）Flash 程序存储器，

4KBE2PROM，4KBSRAM，32 个通用工作寄存器，53 个通用 I/O 口，实时时钟计数

器（RTC），4个带有比较模式灵活的定时器/计数器，2个可编程的 USART接口，

1个 8位面向字节的 TWI（I2C）总线接口，8通道单端或差分输入的 10位 ADC（其

中一个差分通道为增益可调的），可编程带内部振荡器的看门狗定时器，一个 SPI

接口，一个兼容 IEEE1149.1标准的 JTAG接口（用于在线仿真调试和程序下载），

6种可通过软件选择的节电模式。

基于该款单片机的上述诸多优点，我们根据项目的需求分析对芯片的资源进

行有效的分配：利用该单片机的大容量 Flash可存储菜单内容，利用两个 USART

接口可以分别完成和 PLC、上位机间的通讯，利用普通的 I/O 口模拟 RS-422 协

议接收位置传感器的信号，利用该单片机的多 I/O 口可以完成按键的检测和响

应。

2.ICCAVR编译环境和 AVR STUDIO调试环境

（1） ICCAVR编译环境

按照以往的经验，项目开发人员通常会选择汇编语言作为编程语言，因为编


67

程语言具有产生代码小、控制硬件灵活等优点，然而可读性差，不利于移植等缺

点制约了该语言的使用，C语言作为一种低级的高级语言，因其编程简单，可移

植性好等优点正在受到越来越多工程师的青睐。ICC AVR是一种使用 ANSI标准 C

语言来开发微控制系统（MCU）程序的一个工具，它有以下几个主要特点：

ICC AVR 是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境（IDE），是

一个纯 32 位的程序，可在 Windows95/Windows98/Windows

NT/Windows2000/Windows XP下运行。

源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在 IDE 的环

境中完成。

支持长文件名；

ICC AVR提供了全部的库源代码及一些简单的应用实例供初学者参考。

ICC AVR 最大的优点是支持利用项目进行软件开发，使得软件开发趋于标准

和规范。其开发界面如图 4-1所示。

一个项目是一组文件和编译器设置的集合，可以用它来建立一个具体的程

序，项目文件的扩展名为.prj，一般由.h文件和.c文件构成，其中.h文件负责

函数的声明，而.c文件负责函数的实现部分，这将在该项目的软件开发中体现。

图 4-1 ICC AVR开发界面


68

利用 ICC AVR开发项目软件的步骤如下：

a、在建立工程项目之前，首先对编译环境进行一些设置：Project | Options

选择文件路径、输出文件类型、目标芯片型号；先选择 Paths按钮，在 Include

Paths输入项目文件的放置路径，在 Library Paths输入库文件.lib文件的放置

路径；然后在 Compiler 选项中选择输出文件的格式，一般选择默认的方式，即

COFF/HEX；最后选择目标芯片的类型，如该项目的话，芯片选择 ATmega64，这

样就完成了整个项目的配置；配置界面如图 4-2所示。

图 4-2 ICC AVR配置界面

b、完成项目配置后，就可以为项目新建一个工程；选择 Project 下拉框中选中

New，这时会弹出一个对话框，让你输入项目的文件名，不妨假设为 Programme，

在右边的 Project窗口中会存在一个文件名为 Programme的工程，下面有三个子

文件夹分别为 Files、Headers、Documents；

c、新建工程后，就可以根据划分好的模块开始编程了，头文件.h声明函数，添

加在 Headers文件夹；.c文件负责函数的实现，添加在 Files里；

d、代码编写完后，就可以编译了，选择 Project | Make Project或按 F9编译


69

整个项目；

项目文件编译完后，在输出文件的路径中可以发现很多新生成的文件

如._c、._h 等，更重要的是生成了目标文件.cof 和.hex，这些文件在后面的调

试环境中将用到。

（2） AVR STUDIO调试环境

系统的应用程序必须转移到单片机的 FLASH上，才能被单片机执行，这一过

程被称作为“烧程序”。本项目是通过仿真器 JTAG MKII和 AVR STUDIO软件将工

程文件中可执行部分.HEX下载到 ATmega64的 FLASH中。AVR STUDIO的调试界面

如图 4-3所示。

图 4-3 AVR STUDIO调试界面

如果程序的运行结果与预想的不符，可以通过仿真器对程序进行在线监控；

I、单步调试

F10，F11都是单步调试的快捷键，不过它们的使用有区别：F10是属于 Step Over,

就是跳过子程序，而 F11是 Step in则会跳到子程序中执行。

还有一种快捷键 Shift+F11也会经常用到，它表示 Step Out，就是跳出子程序；

II、断点调试


70

如果想让程序运行到某一处时停止，可以采用设立断点的形式，这将给程序的调

试带来极大的方便。

III、RUN调试

如果需要调试的程序是处在离程序开始地方时间较长，那么可以选择 AVR

STUDIO中的 RUN快捷键，然后让程序独自运行，直到需要调试的程序处按下 STOP

快捷键；

可以获得调试结果的三条途径是：

1.目标板的输出，如液晶显示，指示灯等；

2.通用寄存器，在调试区间可以看到 I/O 寄存器、定时器、中断寄存器等状

态位的变化；

3.WATCH窗口，先选中要监测的变量，然后点击 WATCH快捷键。

4.3.2人机交互软件设计

根据人机交互部分的需求分析可知，人机交互部分负责接收操作人员的按键

信息及通过液晶屏传递电机运行状态信息，其具体流程图见图 4-4。一个复杂系

统的功能是由若干小的子功能有机组合而成的，而系统功能的实现也是通过子功

能的分别实现而实现的。下面就系统软件的主要子功能及其实现方法作一介绍。

初始化

停止状态

现场控制

状态

菜单设定

按键状态

为停止

按键状态

为现场

按键状态

为设定

按键状态

为远控

远程控制

状态

返回

Y

N

Y

Y

Y

N

N

N

图 4-4 人机交互部分的主流程图


71

基于前面软件的需求分析原则，将人机交互系统功能模块进行细分：按键处

理模块、液晶显示模块、长距离模拟量输出模块，其系统功能结构图见图 4-5。

ATMega64LDA输出

液晶显示

输出

磁控和红

外输入

位置传感器

图 4-5 人机交互部分结构图

一．按键处理软件设计。

电动装置共有两种按键类型，分别是红外遥控按键和磁控旋钮开关，这也是

操作员向电动执行装执发送指令的唯一两个渠道，所有的命令都是通过这两个方

式向电动执行装置发送，因此按键处理模块的设计好坏直接决定了系统是否可

靠、响应操作是否灵敏。

红外遥控器实现远距离操控电动执行装置的功能，共有 6个指令，分别是开

阀、关阀、确定、取消、停止、设定。

磁控旋钮开关实现电动执行装置的近距离操作，同时也是非接触式操作，通

过左右两个旋钮的组合操作，一共可形成 6种操作命令，分别是：停止、设定、

远控、现场、确定、取消。

系统的按键信号输入形式有红外遥控和磁控旋钮，从红外和磁控模块的硬

件电路产生高低电平信号，输入单片机。此部分软件的功能是根据输入单片机的

高低信号，进行相应处理，实现对红外按键和磁控旋钮动作的响应。

为了避免状态的混乱，我们对红外遥控和磁控旋钮的按键作了一些规定：

每次上电后，磁控按钮应停在停止位置；

每次状态切换只在磁控相邻的状态上，如磁控在“停止”状态时，只响应“现

场”或“远控”状态；

红外遥控与磁控旋钮实现功能有些异同，红外遥控有一些规定：

磁控旋钮只有打在设定和现场两个状态时红外遥控器的动作才有效；

磁控旋钮打在设定时，红外遥控器停止，开，关三个按键无效，按遥控器上

的设定键之后可用确认，取消键进行参数设定；

磁控旋钮打在现场时，红外遥控器中设定，确认，取消三个按键无效，可用

停止，开，关按键进行现场操作；


72

对单片机来说，不同功能的信号有效方式是不同的，对于不同功能的响应处

理方式也是不同的。见下表：

表 4-1 磁控、红外功能处理方式表

功能信号有效方式处理方式（响应方式）

设定低电平（0）中断

停止低电平（0）中断

现场低电平（0）中断

远控低电平（0）中断

确定低电平（0）查询

磁

控

取消低电平（0）查询

设定高电平（1）中断

停止高电平（1）查询

开阀高电平（1）查询

关阀高电平（1）查询

确定高电平（1）查询

红

外

取消高电平（1）查询

中断和查询是对外部事件的两种不同处理方式，采取中断方式的有磁控的设

定、停止、现场、远控和红外的设定。以磁控的设定为例，介绍一下整个磁控模

块的工作流程：旋转磁控旋钮，将设定打为有效，此时对应于设定的那根干簧管

被导通，电平从高变为低，电平有效，该低电平通过单片机的相应中断口传入单

片机（以上是磁控模块硬件完成的功能），单片机确认该低电平之后，如果该中

断未被屏蔽的话便立即转入对应于设定的中断服务程序⋯直至使整个系统响应

磁控设定这个操作(磁控模块软件部分完成的功能)。

采取查询方式的有磁控的确定、取消和红外的确定、取消、停止、开阀、关

阀。以红外的停止为例，介绍一下整个红外遥控模块的工作流程：在适当的时候

按下红外遥控器的停止键，9148 形成对应于停止的编码，并通过红外发射头将

编码发射至红外接收模块的接收头，9149 解码之后在相应管脚产生高电平，电

平有效，该高电平信号通过单片机的相应 I/O口传入单片机（以上是红外模块硬

件完成的功能），单片机每隔一定时间会查询该 I/O 口，查询到高电平之后便执


73

行相应的程序，使系统响应红外停止这个操作(红外模块软件部分完成的功能)。

ATmega64 有 8 个外部中断口，分别是 int0 到 int7。磁控的停止、远控、

设定、现场和红外的设定对应的硬件部份分别连到单片机外部中断的 int4, int5,

int6, int7, int0 口。用户通过外部中断的 ISR 置位各状态的状态位，程序通

过实时检测按键状态位的变化以达到及时响应用户意图的目的。

针对前面磁控按键规定的软件处理：当磁控进入某一状态时，将相邻按键的

中断屏蔽位打开，而屏蔽掉其他按键的中断位。比如当按键在“停止”状态时，

打开“现场”和“远控”相应的中断屏蔽位，而把“设定”和红外遥控器的“停

止”、“设定”对应的外部中断位屏蔽掉。

二．液晶显示软件设计

人机交互界面的组成部分通常是输入端、控制部分、输出端，其中输出端是

人机界面性能的决定性因素，所以它的选择至关重要。点阵式液晶显示模块

（LCD）具有功耗低、体积小、驱动电压低、价格低、所含信息多等优点，再加

上随着液晶显示技术的进步，点阵式液晶显示模块逐渐代替了字符、符号型液晶

屏，在许多嵌入式系统中特别是手携式设备和仪器仪表等设备里得到了广泛的应

用。

控制驱动芯片是液晶显示模块的核心部分，单片机通过它间接访问 LCD，从

而控制液晶显示模块的显示效果。YM12864Y选用了 ST7920作为控制驱动芯片。

单片机向液晶显示模块发送它所能识别的数据（void Write_Data(⋯)）以及控

制指令（void Write_Command(⋯)），就能在显示屏上实现中英文、曲线、图形、

闪烁甚至动画的显示功能。

由于 ST7920 内含中英文字库，所以只需编写一个模块能将中英文字符串转

换成液晶模块能识别的语言即数据通讯模块；然而由于编程语言通常无法直接识

别图片，所以只能先利用第三方软件将图片转换为二进制数据文件，然后把处理

过的二进制数据按照液晶模块的要求导入至绘图坐标系，这样就实现了图形在液

晶屏上的显示功能，具体流程图如图 4－6。


74

开始

打开扩充指令

绘图指令

将水平的位元组坐标（X）写入绘图RAM地址

将垂直的位元组坐标（Y）写入绘图RAM地址

切换到基本指令

写入图片对应的

二进制数据文件的高字节

写入图片对应的

二进制数据文件的低字节

行数增一

行数

< 图片宽度

退出

N

Y

图 4-6图形显示流程

滚动闪烁式菜单对于用户来说操作简便，常见于一些工控现场设备的显示画

面。它的显示原理是先显示中英文本，清屏，再显示中英文本，周而复始，由于

文本显示与空屏的时间隔得非常短，所以让人感觉是字在“闪烁”,其流程图具

体如图 4－7。

开始

显示该行

中英文本

延时并

查询按键

页面跳转

该行清屏

延时并

查询按键

退出

页面跳转

N

N行数增一

行数=Max_Row

行数=First_Row

YN

Y

Y

图 4-7 滚动式菜单设计


75

其中Max_Row表示整屏显示行数，First_Row显示屏的第一行。

三．DA输出软件设计

模拟量输送的核心模块是 DA 转换，而实现这一变换的核心芯片是 TI 公司

生产的 TLC5615，它具有以下几个特点：

10位 CMOS电压输出

与 CPU三线串行接口；

5V单电源供电；

最大输出电压可达基准电压的二倍；

输出电压具有和基准电压相同极性；

它的具体串行连接通讯图如下：

图 4-8 TLC5615串行通讯时序图

从图 4-8中不难发现，上面的时序图类似于单片机之间的Ｉ2C通讯，因此利

用 ATmega64的 3个普通 I/O管脚模拟图 5-8的时序，向 TLC5615发送数据，双

方之间的通讯是在片选电平为低的情况下建立的，那么十个时钟周期过后

TLC5615 的信号输出口 Dout（管脚 4）输出了与数字量对应的模拟量信号，芯

片的精度决定了在使用过程中应注意待转换的数值不能超过 1024，否则转换结

果有误。

4.3.3电机控制软件设计

我们首先对电机控制软件设计的开发平台 TwidoSoft作简单介绍。

TwidoSoft是一个用于 Twido可编程序控制系统的配置、编写和维护应用程

序的图形化开发环境。TwidoSoft 是一款 32 位的基于 Windows 的程序，可在操


76

作系统是Microsoft Windows98第二版和Microsoft Windows 2000 Professional的

个人计算机上运行。

TwidoSoft是标准的Windows界面，有应用浏览器和多窗口浏览支持编程、

调试和配置，可与控制系统进行多种方式的通讯，如串行口、USB、以太网、

MODEM拨号等。TwidoSoft的运行界面如图 4-9所示：

图 4-9 TwidoSoft运行界面

Twido PLC 的硬件、软件配置，如添加选件、扩展离散量模块、模拟量模

块、通讯模块以及定时器、计数器参数设定等操作，都能在应用浏览器中方便地

完成。

Twido PLC用户程序可用两种编程语言编写：

1．梯形图

梯形图程序是一系列位于左右电源母线之间的图形符号元件以及把这些图

形符号元件连接起来的水平线、垂直线构成的；图形符号元件用来表示 PLC 的

输入、输出点、中间位元件、功能块、数字逻辑运算以及专用的操作功能等指令，

水平、垂直连线表示逻辑关系。

2．指令表

指令表程序由一系列 PLC 的指令按顺序组成，每个指令一般由指令代码和

应用程序

浏览器

程序编辑

窗口

快捷工具栏：连接、断开、

运行、停止、监控等

添加、修

改梯极和

显示模式

选择的快

捷图标硬件配置

选件、模

块

软件配置

参数设定

通信宏功

能

动态数据

监控表

梯级头

梯形图程

序区

主菜单

标题栏

状态条


77

操作数组成，这些指令用来完成 PLC 的输入、输出点、中间位元件布尔运算，

功能块、数学逻辑运算以及特殊功能的操作。

梯形图程序和指令表程序在一定条件下能相互转换。梯形图程序都可以完全

转换成指令表程序，而只有在编写时遵循了可逆性原则的指令表程序才能转换成

梯形图程序。由于梯形图程序具有实现方便、容易掌握、可读性强等优点，因此

电机控制部分的软件开发选用梯形图编程语言。

电机控制部分程序的主流程图如图 4-10 所示。主要包括故障检测、电机开

关等模块，以下就对每个模块分别介绍。

程序开始

数据刷新

故障判断

电机控制

程序返回

图 4-10 电机控制部分程序流程图

一、故障检测模块

故障检测模块包括电源故障、过力矩故障、缺相判断、电机过热、内部检测

故障、阀门卡塞等。电源故障检测信号采用第三章中提到的相序检测芯片

TC783AP，其可以检测三相电源的正序和反序。当芯片没有输入信号的时候，则

电源出现故障，前端控制模块采集不到电源的相序信号时，就认为电源出现故障；

力矩判断分成两部分：卡塞保护下的力矩判断和正常运行情况下的力矩判断。当

阀门出去全关位置的时候，需要进行阀门卡塞保护；一般情况下只要根据用户设

定的开、关向力矩百分比，计算出相应的过力矩值，和现场采集的值相比教，过

力矩则给出报警信号。力矩判断是系统正常运行的重要反馈信号，如果出现任何

故障，系统应该监测并执行相应的操作；电机的温度检测传感器是内嵌在电机内

部的一个数字式传感器，当电机温度高于设定的温度时，输出高电平信号。而在


78

程序内部的处理则是设定一个有效死区，当信号维持高电平达到一段时间后，才

认为电机处于过热状态，给出过热报警信号；在 PLC 中具体实现的流程图见图

4-11。

开始

结束

过力矩故障关到位

电源故障

置过力矩位置阀门卡塞位

置电源故障位

缺相判断置缺相

故障判断位

电机过热置电机过热位

Y

Y

Y

Y

Y

Y内部检测

故障

置内部检测

故障位

N

N

N

N

N

N

图 4-11 故障检测模块

二、电机开关模块

电机开关模块是整个电机控制部分的核心，是驱动电机开关的一个关键模

块。电机开模块是指在无故障状态下，处理电机各种开状态的模块；电机的开状

态包括“ESD 开”，“现场点动开”、“现场自保持开”、“远控点动开”、“远控自

保持开”、干接点闭合时的“双线开”、干接点断开时的“双线关”，其中“ESD”

开由于优先级较高，在运行保护功能中单独处理。具体处理流程见图 4-12。电机

关模块的处理类似于电机关模块，在此就不叙述了。


79

开始

故障

ESD状态

现场点

动开

远控自保持

开

现场自

保持开

远控点

动开

远控

双线开

远控

双线关

电机开

结束

Y Y Y Y Y Y

N

N

Y

Y

图 4-12 电机开模块 4.3.4 AVR单片机与 PLC之间的通讯

在单片机控制系统中，单片机与 PLC的通讯模块是其中非常重要的一个组成

部分，本模块遵循 RS485协议，其中单片机设为主机，而 PLC设为从站。

该模块包含两部分：

send_com_and_get_data单片机向 PLC发送请求并从 PLC读数据；

send_data单片机向 PLC写数据

以单片机向 PLC写入数据为例，这部分的软件设计步骤如下：

1．打开单片机的 USART0的发送使能并屏蔽接收使能；

2．把 PLC 的硬件地址、命令请求、数据区的起始地址、数据长度发

给 PLC；

3．打开单片机的 USART0的接收使能并屏蔽发送使能；

4．将 USART0的数据线上有数据中断使能；

5．延时一段时间以保证数据线上的数据被单片机完全发送；


80

单片机从 PLC读取数据的程序和写较为类似，只需调用不同的命令，屏蔽不

同的使能状态，在此就不重复叙述。 4.3.5 Profibus和 ModBus总线的实现

电动装置配置的现场总线目前有MODBUS、PROFIBUS以及 FF总线。软件

设计上 MODBUS完全参照标准的 MODBUS协议实现从站协议，而 Profibus选

用的是苏州创捷的嵌入式板卡，其软件设计主要是电动执行装置与其嵌入式板卡

的通讯设计，具体的通讯方式如图 4-13所示。同样 FF总线是选用沈阳中科院自

动化所产的 FF 总线圆卡，涉及其中的软件设计也是电动执行装置与其 FF 总线

圆卡的通讯设计。

图 4-13总线通讯模式示意图

从软件设计角度 MODBUS从站接口卡软件是我们自己设计的，能实现与标

准的 MODBUS RTU 总线无缝连接；选用的 PROFIBUS总线接口卡和 FF总线

接口卡都能实现与各自接口的无缝连接。这块软件设计的工作主要是 MODBUS

总线，而我们参照的是标准的MODBUS RTU协议。

从电动装置控制系统与可插拔总线接口卡之间的通讯，采用的是自行规约的

通讯协议，简单实现了双方的数据通讯。其具体的协议如下：在双方通讯中桥接

模块做主站，用户设备做从站。

通讯的数据格式如下：

数据帧 10位、1个起始位、8个数据位、1个停止位、无校验位

波特率 38400

数据均以 HEX格式发送

通讯的协议如下：

主机发送读指令：52H[R] 99H[站号] 校验和[H] 校验和[L] 0DH[回车]

0AH[换行]

电动装置

控制系统可插拔的总

线通讯板卡无缝连接到

标准的总线


81

从机校验正确回应：06H[ACK] 1～31[站号] 数据 1[] 数据 2[] ⋯⋯ 数据 N[]

校验和[H] 校验和[L] 0DH[回车] 0AH[换行]

从机校验错误回应：15H[NCK] 1～31[站号] 校验和[H] 校验和[L] 0DH[回

车] 0AH[换行]

主机发送写指令：57H[W] 99H[站号] 数据1[] 数据2[] ⋯⋯ 数据N[] 校

验和[H] 校验和[L] 0DH[回车] 0AH[换行]

从机校验正确回应：06H[ACK] 1～31[站号] 校验和[H] 校验和[L] 0DH[回

车] 0AH[换行]

从机校验错误回应：15H[NCK] 1～31[站号] 校验和[H] 校验和[L] 0DH[回

车] 0AH[换行]

校验和为自首字节起至校验和前一字节的累加和；

当主机收到接收错误响应（NCK）后，重新发送指令，如果连续收到 3次错

误，则主机报通讯错误；

当主机发送指令后 0.2秒内无从机响应，则再次发送指令，如果连续 3次无

响应，则主机报通讯错误。

注：99H站号表示广播码，数据个数 N<=128。

举例说明通讯协议如下：

主机发送读指令：

52 99 00 EB 0D 0A

从机（站地址 02）校验正确回应：

06 02 31 33 12 16 00 94 0D 0A

从机校验错误回应：

15 02 00 17 0D 0A


82

第 5章系统的调试与运行

系统的调试是工业控制系统投入运行前的重要阶段。最终系统硬件连接是否

正确、系统软件设计是否完善只有在现场调试中才能发现，系统也只有经过调试

后才能验收通过。本控制系统调试包括两方面内容：硬件测试和软件调试。

5.1调试的任务

1．检查控制系统的接线与安装是否正确。电动执行装置控制部件（电子部分）

只有与阀门执行部件（机械部分）连接在一起才能组成完整的阀门电动执行装置

控制系统，两者之间的连接和安装正确与否极为重要，这也是调试之前所必须仔

细检查的一项重要工作。此外，电动执行装置控制部件内部的接线也必须做到正

确无误。

2．检测信号的测试与调试。本项目中的阀门电动执行装置内置了三个传感器，

分别是温度传感器、绝对值编码器和扭矩传感器，它们分别检测电机的温度数值、

阀门的开度大小以及阀门蜗杆所承受的力矩大小。检测数值的正确与否决定了系

统是否需要启动保护措施以及进行相应的动作。

3．网络通讯的调试。在系统运行的时候，AVR 单片机和 PLC 之间经常要传输数

据，数据通讯的正确和及时与否决定了人机交互是否成功。

4．液晶显示的检测。在阀门电动执行装置所有部件中，液晶屏是操作员获取阀

门实时信息的唯一渠道，屏上内容显示的正确与否直接决定了操作员是否需要执

行相关的操作。

5．保护功能的调试。本阀门电动执行装置控制系统的一大亮点就是内含丰富的

保护阀门和电机本体的应用程序，从功能上来说有相序自动判别和保护、阀门卡

塞保护、电机热保护、瞬时逆转保护和掉电数据保护，这些保护功能使得电动执

行装置使用起来安全而可靠。

6．遥控和磁控旋钮的调试。操作员对执行机构进行的所有操作都是通过红外遥

控和磁控旋钮来进行的，所以对两者的调试工作非常重要。


83

7．现场总线调试。执行装置的现场总线通讯根据用户的要求进行预先设定和编

程，完成执行机构与总线控制系统之间的各种信息交换、控制。

8.各功能块的总体联调。按照功能块实际的工作情况，进行调试，并根据实际要

求和现场情况对相关的一些功能或流程作适当的修改，使各个功能块能够按照实

际的工作情况正常运行。 5.2系统的调试调试的过程是设计人员对系统设计的一次再认识，调试人员要始终能够清楚

当前整个系统的运行状况，这就要求调试人员不仅对程序的整个流程要了然于

胸，还要知道在系统运行过程中，各种功能和状态是怎样具体实现的，他需要对

系统中各种器件的工作方式、工作原理非常熟悉。调试人员对系统的了解和掌握

越多，调试的效率效率也越高。 5.2.1 实验室调试

系统的先期调试是在实验室环境下进行的，由于实验室不可能拥有和现场环

境一样的各种信号，所以我们先预设一些用来调试的模拟信号及数字信号，用跳

线短接等措施强制输入输出变量取值，模拟现场设备的输入输出，观察结果以检

查程序的正确性。在这个过程中，会反映出一些模拟功能实现不符合要求以及程

序跑飞的情况，我们根据这些问题，对原来的程序进行了修改。经过试验室的调

试，我们已经发现和解决了一些逻辑和功能实现的问题，为将来现场的调试带来

了极大的便利。

硬件上，主要依靠万用表、示波器测量和观察电路各个节点的波形和大小是

否正确。对于行程传感器，我们使用一些仿真工具手动模拟电机输出轴的转动，

以检验传感器数字是否合理、信号是否正确。大部分的调试工作还需要到现场环

境下进行。 5.2.2 现场调试

1．检测部分的调试

温度传感器、行程传感器和扭矩传感器的可靠性对于整个系统的正常运行起

到了至关重要的作用。


84

当电机运转到一定负荷时，通过观察液晶显示屏上是否有“过热”图标，来

判断温度传感器设计以及信号传输是否正确。

在阀门的开闭过程中，通过观察液晶显示屏上的开度数值及其变化情况来判

断行程传感器设计以及信号传输是否正确。

一开始在调试扭矩传感器的过程中，发现液晶显示屏上显示的压力值一直较

正常数值偏大，通过一系列方法排除了硬件和软件问题的基础上，我们判断是扭

矩传感器的安装有问题。仔细检查后发现，传感器的正反面压得太紧，导致了数

值的偏大。重新调整了传感器之后，数值显示完全正确。

2．红外遥控和磁控旋钮功能的调试

根据软件设定的规则，先测试磁控旋钮的功能是否正确，这些功能分别是设

定、停止、远控、现场以及确定、取消。由于这部分功能是通过干簧管的闭合和

打开来确定传入单片机的信号是高电平还是低电平，加上干簧管本身比较容易损

坏，因此对于干簧管的保护非常重要。先期由于没有意识到这个问题，调适不是

很顺利，有些功能系统没有响应。后来在干簧管的电路板上加上一些绝缘橡胶，

目的是保护和固定干簧管，加了之后磁控旋钮的调试就一切正常。

红外遥控的调试方法和磁控类似，在此就不详细叙述。

3．液晶显示的调试

调试方法是人为设置一些特定事件，观察液晶屏上是否出现相对应的信息，

包括数值的变化、图标的显示和闪烁。由于实验室调试比较完善，没有出现不正

常现象。

4．各种保护功能的调试

相序自动判别和缺相保护：380V的三相电中人为少接一相，系统报警；

以随机顺序把三相电的 U,V,W电源接头投入三相电电源插座，系统都能

正常运行。

双速慢关功能：此功能的目的是为了保护阀门本体，减少阀门闭合时惯

性的冲击力。当阀门关度接近 100%的时候，阀门以系统设定的速度慢慢

关闭，测试成功。

瞬时逆转保护：当系统给出瞬时反转信号时，执行机构的动作自动延时

一段时间，时间的长度符合系统预设的长度。


85

掉电数据保存：当电源掉电，重启之后，掉电前的各种参数及当前阀位

等数值都能恢复，被调阅，反复调试多次，都正常。


86

第 6章总结与展望

本课题研究和设计的新型阀门电动执行装置控制系统性能先进、功能完善，

运用了数字技术、单片机技术、PLC技术以及电力电子技术等先进技术，尤其是

可对阀门实现远距离控制、现场操作、集中控制。总结本课题的主要成果和特点

如下：

本阀门电动执行装置能在恶劣的环境下正常工作，能在水下（水下 7 米）、

高温（70摄氏度）和低温（零下 30摄氏度）的环境下工作；

本阀门电动执行装置具有相序自动判别功能、缺相保护功能以及电机过热保

护功能。一旦发生故障和误操作，该装置会及时做出反应，保护阀门本体、

设备和操作人员的安全，充分体现了高可靠性和高智能性；

本阀门电动执行装置具有设计友善、实用、信息量大的人机交互操作界面，

不仅具有滚动闪烁，动画图片显示等页面，而且包含了丰富的操作提示页面，

能完全实现现场工作人员无手册操作；

本阀门电动执行装置能在多种控制方式下自由切换，通过磁控旋钮能轻松在

现场和远程控制之间切换；

本阀门电动执行装置提供可供用户选择的现场总线模块接口，即用户可以根

据上位机选择 Profibus或 ModBus模块与监控室进行通讯，这样在监控室里

就可以设定参数、开关电动执行机构等动作，并在监控室里得到现场设备反

馈的运行状态信息；

本阀门电动执行装置能显示运行状态和实时故障报警，通过图形点阵式液晶

屏、发光二极管等媒介显示阀门的位置、运行速度、力矩百分比、故障类型、

开关到位等信息。

本课题在阀门电动执行装置的控制系统方面做了有意义的尝试，运用了比较

先进的控制技术，进行了硬件和软件方面的开发，并取得了较好的效果，为进一

步进行技术革新提供了有力的支持。另一方面，阀门电动执行装置控制方面的技

术和理论发展也是异常迅速的，要适应先进的技术，可以从以下两个方面进行考


87

虑：

随着超大规模集成电路技术的发展，核心控制器可采用更高性能的微处理

器，进行灵活的开发。阀门电动执行装置下一步的技术发展可考虑使用高性

能的 DSP芯片代替目前 PLC和 AVR的双核控制器，这样能使控制功能大大增

强，控制系统的体积更小，价格更低。

进一步增加阀门电动执行装置的智能化程度，可采用先进的控制及优化策

略。比如可进一步开发调速型的阀门电动执行装置，通过内置变频器，采用

模糊神经网络算法，实现阀门的动作速度、精确定位、柔性开关以及电机转

矩等控制。


88

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90

致谢

时光飞逝，当我即将完成自己的硕士毕业论文的时候，我突然发现自己的研

究生学业也即将结束。在攻读硕士学位的这两年半中，我的综合能力得到了不断

提高，这一切都离不开学校和院系的领导们，还有我的导师和同学们给予我的指

导和帮助。

我要对我的导师谢剑英教授表达我最诚挚的感谢和敬意。谢老师严谨的治学

风格和对科学真理孜孜以求的治学态度，在潜移默化中影响着我，成为我一生中

最宝贵的财富。更让我难以忘怀的是他对我无微不至的关怀，无论在学业上还是

生活中都给了我很大的帮助和关心。他的人格魅力和处世哲学都深深影响着我。

他所倡导的积极进取、勤于思考、严谨认真的作风将使我受益终身。

我还要感谢实验室的陈应麟教授和陈栋硕士。陈应麟老师在我攻读硕士期

间，一直以一位长者的经验，一位智者的知识从生活、学业和科研多方面指导我，

使我能够不断地克服各方面的困难取得进步。而陈栋硕士，作为我的师兄，无论

是在科研、学习、生活以及社会实践方面都给予了我极大的帮助和建议，特别在

学术科研中，他的一些建议和指导使我的科研项目都能顺利完成。

同时我还要感谢实验室的卢瑜硕士、黑伟亮硕士、余易翀硕士、王杰英硕士

和黄佳慧硕士，作为师兄师姐，他们对我的科研项目提供了许多帮助。我还要感

谢叶嵩硕士、张建平硕士、梁海峰硕士和林晓毅硕士，在科研项目中，我们配合

无间、相互支持，是我们共同的努力使得项目得以成功。我还要感谢陈晓莉硕士

和吴炯洋硕士，在和你们共同度过的一年半中给我留下了很多美好的回忆。

我还要最衷心的感谢我的父母。没有他们悉心的抚育和教诲，没有他们毫无

条件的关爱和支持，我就不可能取得进步。他们永远都是我取得更大成绩的坚实

后盾。

再次由衷地感谢所有关心和帮助过我，以及和我共同渡过这段难忘岁月的老

师、同学和朋友们！


91

攻读硕士期间发表的论文和获奖情况

论文发表

[1] 第一作者，新型智能阀门电动执行装置的硬件设计和实现，微计算机信息，上海交通大学指定核心期刊，已录用，署名上海交通大学

[2] 第一作者，基于 I2C总线的车载智能实时语音系统的设计与实现，微型电脑应用，上海交通大学指定核心期刊，已录用，署名上海交通大学

获奖情况

[1] 研究生国家优秀奖学金 1次 [2] 上海交通大学光华奖学金一等 1次，二等 1次

基于PLC和单片机的新型阀门电动执行装置控制系统的开发与设计作者：席培刚

学位授予单位：上海交通大学

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_D029397.aspx

授权使用：南通市科学技术情报研究所(wfhyntkx)，授权号：834ef773-23f2-4351-886e-9df400fc2928

下载时间：2010年9月17日

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http://s.g.wanfangdata.com.cn/Paper.aspx?q=Creator%3a%22%e5%b8%ad%e5%9f%b9%e5%88%9a%22+DBID%3aWF_XW

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