基于現場總線的冗余控制系統(tǒng)設計

基于現場總線的冗余限制系統(tǒng)設計學院：電氣信息工程學院專業(yè)：自動化11-02姓名：李立凡學號：541101010221第一章概述所謂冗余系統(tǒng)，就是一個具有相同設備功能的備用設備系統(tǒng)。當主設備出現故障時，冗余設備是可以馬上運用的替代設備。設備在啟停和運行過程中發(fā)生危及設備和人身平安的故障時，自動實行愛護和聯(lián)鎖，防止事故的產生和避開事故擴大。從而保證正常啟停和平安運行，具有極其重要的意義。通過對設備工作狀態(tài)和機組運行參數的嚴密監(jiān)視，發(fā)生異樣時，剛好發(fā)出報警信號，必要時自動啟動或者切除某些設備或者系統(tǒng)，維持原負荷運行或減負荷運行直至平安退出運行。因此可以說，冗余系統(tǒng)是工業(yè)限制系統(tǒng)中不行或缺的組成部分。冗余系統(tǒng)是通過發(fā)生中斷的單元自動切換到備用單元的方法實現系統(tǒng)的不中斷工作，通過部分的冗余實現系統(tǒng)的高牢靠性。冗余限制系統(tǒng)能給很多的工業(yè)生產中能供應一個更高的牢靠性。因此，了解和駕馭冗余限制系統(tǒng)的限制方法并設計相應的顯示單元很有意義，且有利于了解相關限制的原理和方法。試驗過程中需熟識冗余系統(tǒng)的限制原理及方案、PLC軟件編程、I/O安排、限制對象的調試、單片機顯示系統(tǒng)的設計方法等多個任務。冗余的實現方式是同時采納兩臺限制器ControlLogix5550，其中一臺為主機，另一臺作為系統(tǒng)的備份，為副機，正常狀況下由主機限制整個系統(tǒng)，副機保持與主機通訊，監(jiān)控主機的運行狀態(tài)。當副機監(jiān)視到主機的運行故障的時候，馬上運行切換程序，將限制權轉到副機，而當主機的故障復原之后，則限制權重新交還給主機。其次章方案論證世界上公認的第一臺PLC是1969年美國數字設備公司（DEC）研制的。20世紀70年頭初出現了微處理器。人們很快將其引入可編程限制器，使PLC增加了運算、數據傳送及處理等功能，完成了真正具有計算機特征的工業(yè)限制裝置。20世紀70年頭中末期，可編程限制器進入好用化發(fā)展階段，計算機技術已全面引入可編程限制器中，使其功能發(fā)生了飛躍。20世紀末期，可編程限制器的發(fā)展特點是更加適應于現代工業(yè)的須要。目前，可編程限制器在機械制造、石油化工、冶金鋼鐵、汽車、輕工業(yè)等領域的應用都得到了長足的發(fā)展[1]。在石油、化工、冶金等行業(yè)的某些系統(tǒng)中，要求限制裝置有極高的牢靠性。假如限制系統(tǒng)發(fā)生故障，將會造成停產、原料大量奢侈或設備損壞，給企業(yè)造成極大的經濟損失。但是僅靠提高限制系統(tǒng)硬件的牢靠性來滿意上述要求是遠遠不夠的，因為PLC本身牢靠性的提高是有肯定的限度。運用冗余系統(tǒng)或熱備用系統(tǒng)就能夠比較有效地解決上述問題。單片機自70年頭問世以來得到蓬勃發(fā)展，目前單片機功能正日漸完善:1、單片機集成越來越多資源，內部存儲資源日益豐富，產品小巧美觀，同時系統(tǒng)也更加穩(wěn)定；2、單片機抗干擾實力加強，使的它更加適合工業(yè)限制領域，具有更加廣袤的市場前景；3、單片機供應在線編程實力，加速了產品的開發(fā)進程，為企業(yè)產品上市贏得珍貴時間；4、在線仿真變的簡潔。現場總線發(fā)展它是一種工業(yè)數據總線，是自動化領域中底層數據通信網絡。現場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現場裝置與限制室內的自動裝置之間的數字式、串行、多點通信的數據總線。簡潔說，現場總線就是以數字通信替代了傳統(tǒng)4-20mA模擬信號及一般開關量信號的傳輸。它是連接智能現場設備和自動化系統(tǒng)的全數字、雙向、多站的通信系統(tǒng)。主要解決工業(yè)現場的智能化儀器儀表、限制器、執(zhí)行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場限制設備和高級限制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題。主要用于制造業(yè)、流程工業(yè)、交通、樓宇、電力等方面的自動化系統(tǒng)中。從現場總線技術本身來分析，它有兩個明顯的發(fā)展趨勢：一是尋求統(tǒng)一的現場總線國際標準二是IndustrialEthernet走向工業(yè)限制網絡統(tǒng)一、開放的TCP/IPEthernet是20多年來發(fā)展最勝利的網絡技術，過去始終認為，Ethernet是為IT領域應用而開發(fā)的，它與工業(yè)網絡在實時性、環(huán)境適應性、總線饋電等很多方面的要求存在差距，在工業(yè)自動化領域只能得到有限應用。事實上，這些問題正在快速得到解決，國內對EPA技術（EthernetforProcessAutomation）也取得了很大的進展。隨著FFHSE的勝利開發(fā)以及PROFInet的推廣應用，可以預見Ethernet技術將會特別快速地進入工業(yè)限制系統(tǒng)的各級網絡。第三章系統(tǒng)設計1整體結構從限制器須要與主限制器相同的工程以便接替其限制。同時，也須要最新的標簽數據。交叉加載：主限制器中的部分或全部內容傳送到從限制器?？梢愿聵撕炛?，在線編輯或工程的其它信息。交叉加載最初發(fā)生在兩限制器同步的時刻，然后在限制器執(zhí)行其邏輯過程中反復運行。同步：從限制器做好一旦主機架發(fā)生故障，馬上接替其限制的打算。在同步期間，1757-SRM模塊檢查在冗余機架上的對等方模塊是否兼容。SRM模塊也供應將主限制器內容交叉加載到從限制器的路徑。同步發(fā)生在用戶打開從機架的電源后。它也發(fā)生在其它時刻。取消資格：表示從限制器與主限制器同步失敗。假如從限制器的資格被取消，它無法限制機器和過程。用戶可以手動選擇取消從限制器的資格。ControlLogix系統(tǒng)采納了基于“生產者/消費者”的通訊模式，為用戶供應了高性能、高牢靠性、配置敏捷的分布式限制解決方案。ControlLogix系統(tǒng)實現了離散、過程、運動三種不同限制類型的集成，能夠支持以太網、ControlNet限制網和DeviceNet設備網，并可實現信息在三層網絡之間的無縫傳遞。因而，ControlLogix被廣泛地應用于各種限制系統(tǒng)。構建ControlLogix冗余系統(tǒng)的核心部件是處理器和1757-SRM冗余模塊。目前，有1756-L55系列處理器模塊支持冗余功能，其內存容量從750KB到7.5MB不等。1757-SRM冗余模塊是實現冗余功能的關鍵。如圖3.1所示，在冗余系統(tǒng)中，處理器模塊和1757-SRM冗余模塊處于同一機架內。為了避開受到外界電磁干擾，提高數據傳輸速度，兩個機架的1757-SRM模塊通過光纖交換同步數據。全部的I/O模塊通過ControlNet限制網與主、從限制器機架內的1756-CNB(R)限制網通訊模塊相連接。圖3.1

冗余系統(tǒng)結構以往的冗余系統(tǒng)通常須要用戶編制困難的程序對處理器狀態(tài)進行推斷，在兩個處理器之間傳輸同步數據并實現I/O限制權的切換，兩個處理器中的程序也各不相同，這使得冗余系統(tǒng)本身的建立和維護工作特別繁瑣。通過1757-SRM冗余模塊，不須要任何編程就可以實現冗余功能，還可以便利地使主、從處理器內的程序保持一樣，用戶對主處理器程序的修改可自動同步到從處理器。主、從處理器所處機架內的1756-CNB(R)限制網通訊模塊地址各不一樣。當主處理器出現故障后，從處理器接管限制系統(tǒng)，相對應的限制網通訊模塊之間相互交換地址，從而不影響其它限制器和上位機與該冗余系統(tǒng)的通訊。2硬件結構設計2.1硬件結構設計硬件設計實行雙機架冗余系統(tǒng)[2]，系統(tǒng)結構如圖3.2所示，盡管系統(tǒng)增加機架和CNB模塊的數量，但由于CPU分別插在兩個分別的機架上，使其適用于系統(tǒng)掉電或通訊模塊出現故障的狀況，彌補了單機架結構的不足。圖3.2雙機架冗余系統(tǒng)在系統(tǒng)運行中,假如出現下列狀況,單機架系統(tǒng)存在著不足：(1)機架斷電：由于兩個CPU都插在同一個背版上,導致機架斷電時,兩個CPU也同時斷電,都無法正常工作,也都無法對輸出模塊進行限制(2)通訊模塊出現故障：由于一個機架上的兩塊CPU都必需和本地的CNB模塊相連,導致CNB模塊出現故障后,兩塊CPU同時無法與ControlNet相連,也就造成了通訊的徹底癱瘓。所以雙機架結構的應用就避開了當上述狀況發(fā)生時,整個冗余系統(tǒng)的運行不暢此外,應用雙機架系統(tǒng)還可以為真正的硬件冗余系統(tǒng)作好鋪墊2.2I/O配置假如運用雙機架，輸入模塊和輸出模塊分開放置。這樣的放置，削減了在切換過程中梯形圖的數量。因為一個限制器一次只能擁有一個輸出模塊，梯形圖將禁止或不禁止它和輸出模塊的連接。假如把輸出模塊放置在全部權機架上，在遠程機架上可以禁止或不禁止與通訊模塊的連接，從而禁止或不禁止整個機架。假如把輸入模塊和輸出模塊放置在同一機架上，我們只有進入梯形圖來禁止或不禁止在機架上的每個輸出模塊。2.3電纜假如一個電力系統(tǒng)包含繼電器和被限制限制的輸出模塊的連接，在切換輸出模塊限制權的時候將會重置，繼電器將會掉電，懇求手動重新運行。（1）電力系統(tǒng)必需保證在發(fā)生切換時繼電器不會被重置。（2）在任何狀況下，都能夠在僅有一臺限制器運行的狀況下啟動系統(tǒng)3顯示單元設計（1）光電傳感器是應用特別廣泛的一種器件，有各種各樣的形式，如透射式、反射式等，基本的原理就是當放射管光照耀到接收管時，接收管導通，反之關斷。以透射式為例，如圖3.3所示，當不透光的物體攔住放射與接收之間的間隙時，開關管關斷，否則打開。為此，可以制作一個遮光葉片如圖3.4所示，安裝在轉軸上，當扇葉經過時，產生脈沖信號。當葉片數較多時，旋轉一周可以獲得多個脈沖信號。圖3.3光電傳感器的原理圖圖3.4遮光葉片（2）計數脈沖通過計數電路進行有效的計數，依據設計要求每一秒種都必需對計數器清零一次，因為電路實行秒更新，所以計數器到譯碼電路之間有鎖存電路，在計數器進行計數的過程中對上一次的數據進行鎖存顯示，這樣做不僅解決了數碼顯示的邏輯混亂，而且避開了數碼顯示的閃耀問題。（3）對于脈沖記數，有測周和測頻的方式。測周電路的測量精度主要受電路系統(tǒng)的脈沖產生電路的影響，對于低頻率信號，其精度較高。測頻電路其對于正負一的信號差比較敏感，對于低頻率信號的測量誤差較大，但是本電路仍舊采納測頻方式，緣由是本電路對于馬達電機轉速精度要求較低，本電路還有升級為頻率計運用，而測頻方式對高頻的精度還是很高的。（4）顯示電路采納靜態(tài)顯示方法，由于靜態(tài)顯示易于制作和調試，原理也較簡潔，所需元易于購買。（5）電路時鐘是整個電路的關鍵，他是整個電路有效工作的核心，負責電路的鎖存和清零。其基本思路是：產生頻率一秒是時鐘，當秒時鐘到來時，既上升沿到來時，對鎖存電路進行鎖存，鎖存以后才能對計數器進行清零，鎖存和清零間隔要充分小，否則就影響電路的計數精確度。鑒于此，對鎖存集成必需采納邊沿觸發(fā)形式的集成，并且計數器應當與鎖存同步工作，既都在秒時鐘的上升沿觸發(fā)工作。另外大多的譯碼器都帶有鎖存功能[3]，但是他的鎖存方式基本上都是電平觸發(fā)，若設計成電平觸發(fā)的話，勢必會增加電路的困難度，還不如干脆采納邊沿瑣存的單集成，所以不運用譯碼器中的鎖存電路。時鐘實現方法很多，本電路采納晶振電路，已求得高精度的時鐘需求。第四章硬件、軟件設計1冗余硬件設計1.1PLC簡介“可編程限制器是一種數字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應用而設計的。它采納一類可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算,依次限制，定時，計數與算術操作等面對用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出限制各種類型的機械或生產過程?？删幊滔拗破骷捌溆嘘P外部設備，都按易于與工業(yè)限制系統(tǒng)聯(lián)成一個整體，易于擴充其功能的原則設計?！?/p>

總之，可編程限制器是一臺計算機，它是專為工業(yè)環(huán)境應用而設計制造的計算機。它具有豐富的輸入/輸出接口，并且具有較強的驅動實力。但可編程限制器產品并不針對某一詳細工業(yè)應用，在實際應用時，其硬件需依據實際須要進行選用配置，其軟件需依據限制要求進行設計編制。雖然PLC問世時間不長，但是隨著微處理器的出現，大規(guī)模，超大規(guī)模集成電路技術的快速發(fā)展和數據通訊技術的不斷進步，PLC也快速發(fā)展1.2PLC在冗余系統(tǒng)中PLC冗余可以分為：軟件冗余和硬件冗余。硬件冗余對硬件型號有所要求，連接方式也不同，但對軟件并無特別要求。在工業(yè)自動化系統(tǒng)中大量選用可編程邏輯限制器(PLC)作為限制器，隨著技術的發(fā)展又組建冗余系統(tǒng)進一步提高系統(tǒng)的牢靠性。目前冗余的分類方式很多，而采納PLC冗余方式的有兩種，即軟冗余和硬亢余。西門子公司在軟、硬冗余兩方面均給出了解決方案。而基于硬冗余的牢靠性高，但構建系統(tǒng)成本也較高。而基于S7—300或S7—400的軟冗余是一種成本低又能提高牢靠性的方案。目前，軟冗余系統(tǒng)已經在冶金、交通、電力、化工、污水處理等工業(yè)限制工程中得到了較廣泛的應用。但是對于軟冗余的性能仍沒有進行系統(tǒng)的探討。硬冗余系統(tǒng)的冗余結構確保了任何時候的系統(tǒng)牢靠性，例如全部的重要部件都是冗余配置。這包括了冗余的CPU、供電模件和用于冗余CPU通信的同步模塊。依據特定的自動化限制過程須要，還可以配置冗余客戶服務器、冗余通訊介質、冗余接口模件IM153-2等。硬冗余系統(tǒng)能夠：（1）平滑的主從切換（2）自動事務同步（3）集成的錯誤識別和錯誤定位功能（4）操作期間可對系統(tǒng)進行修改（5）類似標準CPU的在線編程（6）下載程序時，只考慮單個CPU，程序可自動拷貝到另一個CPU中。（7）CPU修復后自動再進入。（8）運行中全部部件可更換。軟冗余實現原理：

系統(tǒng)運行過程中兩個CPU同時啟動和運行，但是在正常運行時只有主CPU發(fā)出限制吩咐，而備用CPU檢測主CPU狀態(tài)和記錄主CPU發(fā)出的吩咐，當主CPU發(fā)生故障時能夠持續(xù)當時的實際狀態(tài)接替主CPU發(fā)出執(zhí)行吩咐。與主CPU通信的IM153—2模塊處于激活狀態(tài)時主CPU能訪問I／0模塊。當系統(tǒng)發(fā)生特定故障時，系統(tǒng)可以實現主備切換，備站接替主站接著運行。1.3硬件冗余硬件冗余（圖4.1）圖4.1

硬件冗余兩個互為冗余的限制站配置必需完全相同（圖4.1中的主/從機架），冗余功能是依靠雙槽冗余模塊1757-SRM實現。當主限制器失效時，從限制器在100ms內接替主限制器，主從限制器的同步對用戶來說是完全透亮的，冗余模塊之間通過2根1米長的光纜（62.5/25μm多模光纖，SC連接）連接起來。冗余功能的設置（圖4.2）：1757-SRM：Auto-Synchronization

自動同步設置為Always（保持）Controller

Properties：Redundancy

屬性設置為Enabled（允許）圖4.2中，每一個I/O遠程機架配置一組1756-PAR2冗余電源（每組冗余電源由兩個1756-PA75R電源模塊，兩根1756-CPR電纜和一個1756-PSCA適配器構成）。它們分別由兩路不同的系統(tǒng)供電，當任一路供電系統(tǒng)故障時，另一路仍保持供電，因此可以確保I/O機架供電不間斷。圖4.2

冗余設置圖4.3冗余通道集成過程限制系統(tǒng)的限制層是ControlNet,它是羅克韋爾自動化NetLinx開放網絡架構三層（EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet）網絡之一,滿意IEC61158國際工業(yè)現場總線標準。圖1中1756-CNBR是ControlNet通信模塊，它有兩個冗余的網絡通道：A通道和B通道（圖4.3），使限制信息實現冗余。傳送速率達5Mbps,傳送介質是75Ω阻抗的1786-RG6同軸電纜，通過BNC連接器與ControlNet總線相連。留意：A、B通道不能交叉；冗余鏈路兩邊的介質必需相同。信息層網絡冗余

集成過程限制系統(tǒng)的信息層是EtherNet/IP,圖4.3中1756-ENBT是EtherNet/IP通信模塊，通過工業(yè)以太網交換機將信息傳送到上層監(jiān)控管理中心。冗余功能通過光纖環(huán)網實現。服務器冗余

采納主/從服務器結構。當主服務器出現故障時，從服務器自動轉為主服務器，供應與限制器/RTU的通信、數據采集等功能，并為其他操作站供應服務。主服務器定時將數據庫中的全部數據信息傳送到從服務器，以確保主從服務器之間的完全同步。1.4冗余系統(tǒng)的原理及過程可編程限制器一個工作周期內的主要任務有：內務整理、掃描輸入映像表、執(zhí)行程序、更新輸出映像表。ControlLogix限制器在冗余系統(tǒng)中，主處理器執(zhí)行完程序之后，將全部輸出指令的結果傳送給從限制器。由于ControlLogix系統(tǒng)全部的I/O設備都在限制網內，依據其自有的“生產者/消費者”通訊模式，從處理器作為一個“消費者”可以與主處理器具有一樣的地位，獲得I/O的輸入信息[4]。這樣，確保了主、從限制器內輸入、輸出映像表的一樣。如圖2.4所示，在正常狀況下，程序執(zhí)行到位置1時，主處理器將具有較高優(yōu)先權任務和前一段一般任務的執(zhí)行結果分先后傳送給從處理器，然后程序返回到位置2，接著執(zhí)行剩下的一般任務。位置3時，全部任務已經完成，主處理器將執(zhí)行結果傳送給從處理器。假如在執(zhí)行某個任務時，主處理器出現故障，如圖4.4所示。這時，從處理器便會接替主處理器，重新執(zhí)行出現故障時的那段任務?？梢?，這時從處理器運用的輸出映像表數據來自于主處理器上一個工作周期的執(zhí)行結果。圖4.4正常狀況下主處理器程序執(zhí)行過程圖4.5主從處理器之間的切換過程如圖4.5可見，在冗余系統(tǒng)的切換過程中，沒有出現數據的丟失和突變，處理器內部無需執(zhí)行繁雜的推斷決策程序，實現了系統(tǒng)的無擾切換。當主機架的任一組件發(fā)生故障，限制權切換到從限制器。下列緣由會引起切換：1.主機架中發(fā)生下列狀況之一：（1）掉電（2）限制器產生主要故障（3）主機架中的任一模塊被拔掉、安裝或出錯（4）折斷或斷開ControlNet分接頭或以太網電纜2.主限制器發(fā)出吩咐3.RSLinx軟件發(fā)出吩咐依據用戶對RSLogix5000工程的組織方法不同，在切換期間，輸出狀態(tài)可能會發(fā)生變更：（1）輸出優(yōu)先級任務限制的輸出可能會變更狀態(tài)。熱備系統(tǒng)的切換時間由故障類型和ControlNet網絡的網絡刷新時間（NUT）確定。假如一個NUT為10ms，切換時間大約從80ms到220ms。（2）在切換期間，優(yōu)先級最高的任務限制的輸出將無擾切換。1.5基于Controlnet的PLC冗余系統(tǒng)硬件設計無論單機架還是雙機架，都采納RSLogix5000對系統(tǒng)進行編程。軟件程序都是大致相同的。程序的主要思路是：兩塊CPU同時在線運行，一塊處于主限制模式，另一塊處于熱備模式。擁有主限制權的CPU具有輸出限制權，而熱備CPU輸出被禁止.兩個CPU模塊相互監(jiān)視對方的運行狀態(tài)和通訊狀況，一旦發(fā)覺主CPU出現故障，馬上由主CPU自行禁止或由從CPU通過MASSAGE指令傳送特定的數組代碼來禁止主CPU的對外限制權（視主CPU的錯誤類別定），定時一段時間以后，熱備CPU模塊獲得主限制權。兩個CPU程序完全相同，只需更正各自程序中對方的處理器名即可。須要留意的是：為保證系統(tǒng)的無擾切換，在限制權轉移之前，主限制器對于輸入輸出狀態(tài)的變更必需能實時地通知給從限制器。2顯示單元硬件設計系統(tǒng)全部采納RockwellAutomation公司的軟硬件，硬件包括兩臺ControlLogix5550限制器、限制開關、1305變頻器以及DeviceNet及ControlNet接口適配器。軟件有組態(tài)軟件RSLinx和RSNetworx，以及對ControlLogix5550進行編程的RSLogix5000。在連接好網絡之后，運用上述軟件對DeviceNet下的設備網設備進行組態(tài)，然后進行編程調試，即可完成對系統(tǒng)的實現。系統(tǒng)采納了CPU冗余的實現方案，即由兩個CPU同時限制被控對象，兩臺限制器分別監(jiān)視對方的工作狀態(tài)，以便在須要的時候快速做出切換。系統(tǒng)中的被控對象主要是以三相異步電動機為負載的1305變頻調速器。由于程序的不穩(wěn)定性，CPU運行錯誤造成故障的可能性要遠比由硬件損壞造成故障的可能性要大，因而本例中采納雙PLC單總線的結構，兩臺限制器均為ControlLogix5550，以下簡稱PLC1和PLC2，在編程時對兩臺限制器分別寫入程序，兩臺限制器中的程序是完全對稱的。參照圖4.6，以節(jié)點14的限制開關限制終端的起停，節(jié)點06、60代表兩臺PLC，節(jié)點17是驅動三相異步電動機的變頻調速器ACDriver1305。圖4.6系統(tǒng)網絡節(jié)點掃描模塊1756-DNB是設備與限制器ControlLogix5550之間的通信接口。它通過網絡與DeviceNet的現場設備進行通信，即從設備讀入數據、輸出數據到設備、下載組態(tài)數據和監(jiān)視設備的運行狀態(tài)。工作時,1756-DNB以肯定的方式依次掃描各個設備，對其參數進行采集，并將采集到的數據映射到掃描器中與掃描方式相對應的數據緩沖區(qū)，再轉換成ControlLogix5550能接受的數據格式供限制器讀取，這樣就可以將現場總線中各設備的實時信息反饋到限制器，以便依據程序做出相應的反應。數據經ControlLogix5550處理之后，送到掃描器的與掃描方式相對應的輸出數據緩沖區(qū)，轉換為各設備可以接受的數據格式，輸出到各設備，從而對其工作進行限制。由此可見，PLC限制器只須要讀入、輸出規(guī)定格式的數據，特地負責數據處理；而數據的采集、發(fā)送、緩沖和格式轉換由掃描器完成，ControlLogix5550和1756-DNB并行工作也使得限制器的輸出對輸入的響應時間縮短，有利于實現實時閉環(huán)限制。這樣即便是像PID指令這種對實時性要求較高的操作也可以收到良好的效果。因為單片機工作電源為+5V，且底層電路功耗很小。采納7805三端穩(wěn)壓片即可滿意要求[9]。詳細電路圖如下：圖4.7電源電路圖紅外發(fā)光二極管或稱電/光二級管SE303（白色），出紅外光（近紅外線約0.93μm）。管壓降約1.4V，工作電流一般小于20mA，外形尺寸:5mm。紅外接收二極管或稱光/電二級管（黑色）品牌:金威型號:PD5308B-B工作電壓:1.4-1.6波長:940工作電流:20接收距離:10-12外形尺寸:5mm。紅外接收二極管工作在反向狀態(tài)，當沒有接收到紅外發(fā)光二極管的光信號時，二極管截至，負級輸出低電平。當接受到紅外發(fā)光二極管的光信號時，二極管導通，負極輸出高電平。能正常接受到紅外發(fā)光二極管的光信號的距離也許為3－4米，這取決于放射管的放射功率。實物圖片及原理圖如下：圖4.8紅外發(fā)光二極管實物圖接收紅外線紅外接收二極管放射紅外線紅外發(fā)光二極管接收紅外線紅外接收二極管放射紅外線紅外發(fā)光二極管圖4.9工作原理圖實際焊接電路如下：圖4.10紅外發(fā)光二極管焊接電路電路核心由一個光電開關管組成，平常電機轉輪靜止，發(fā)光二極管所發(fā)出的光被輪子攔住，所以接收管處于截止狀態(tài)，1端為高電平。當電機轉動一圈，會使接收管導通一次，1端輸出一個低電平，1端波形為：圖4.111端的輸出波形圖在實際電機工作狀態(tài)中，會受到各方面的干擾，波形會存在很多雜波成分，須要對波形進行處理，處理成符合記計數器所須要的矩型波。波形處理電路有一個三極管組成，如上圖。當輸入電壓逐步上升時，紅外接收管收到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光時導通，三極管就不導通，輸出高電平；當紅外接收管沒有接到紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光時截止，三極管導通。這樣就有效的防止了雜波的干擾，并使輸出得到矩形脈沖，符合了下級計數的需求。工作波形如下：圖4.12經處理電路后的輸出波形圖依據紅外測速的原理，系統(tǒng)的電路設計如圖4.13所示。圖4.13紅外測速系統(tǒng)總設計圖本系統(tǒng)采納AT89C52單片機，它是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含8KB的可反復擦寫的Flash程序存儲器和256B的隨機數據存儲器（RAM），器件采納ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，與標準MS-51指令系統(tǒng)及8052產品引腳兼容，片內置有8位中心處理器（CPU）。功能強大的AT89C52單片機適用于很多較為困難的限制應用場合。[10]電路中選用紅外光敏二極管作為受光器件，它與紅外發(fā)光二極管一起組成一對紅外放射接收管，紅外光敏二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)。沒有光照耀時，光敏二極管處于截止狀態(tài)，反向電阻很大，反向電流（暗電流）很小。隨著光照的增加，光敏二極管處于導通狀態(tài)，其反向電阻減小，反向電流（光電流）增大，其光電流與照度之間呈線性關系。轉速顯示選用字符型液晶顯示模塊（LCM）JHD12864，可顯示16×8或16×16點陣字符。其主限制驅動電路為HD44780，具有標準的接口特性，適配M6800系列和MCS-51系列MCU的操作時序；模塊內部具有64個字節(jié)的自定義字符RAM，可自定義顯示字符。該模塊采納+5V電源供電，共有20個引腳，其與單片機的接口,其中可變電阻RW2用來調整顯示器的對比度。3顯示單元的軟件設計3.1C51的基礎學問隨著大規(guī)模集成電路的出現和發(fā)展，芯片生產廠家把中心處理器CPU（CentralProcessingUnit），隨機存取內存RAM（RandomAccessMemory），只讀存儲器ROM（ReadOnlyMemory），定時器/計數器以及I/O（Input/Output）接口電路等主要計算機部件，集成在一塊集成電路芯片（硅片）上，形成芯片級計算機，稱為單片微型計算機（singlechipmicrocomputer），直譯為單片機[11]。雖然單片機只是一個芯片，但從組成和功能上看，它已具有了微機系統(tǒng)的含義，又稱微型處理部件MCU（MicroControllerUnit）,單片機商品名稱為微限制器單元。單片機具有優(yōu)異的性能價格比、體積小、牢靠性高、限制功能強，廣泛應用在智能儀表、機電一體化、實時過程限制、機器人、家用電器、模糊限制、通信系統(tǒng)等領域。依據單片機能夠一次處理的數據的寬度（二進制位數），單片機分為1位機、4位機、8位機、16位機、32位機。目前，應用最廣的產品是8位單片機，其中又屬Intel公司出品的MCS-51系列單片機應用最廣。MCS-51系列單片機已經成為事實上的工業(yè)標準，其內部包含如下功能部件：（1）一個8位的中心處理器CPU，完成運算和限制功能；（2）一個片內振蕩器剛好鐘電路，外接石英晶體和微調電容需外接，為單片機產生時鐘脈沖序列，系統(tǒng)允許的晶振頻率0～33MHz；（3）256BRAM數據存儲器，前128單元作內部數據存儲器，可擦寫的數據，后128單元為專用寄存器。（4）兩個16位定時器/計數器，以實現定時或計數功能，并以其定時或計數結果對計算機進行限制。（5）可尋址的64KB外部數據存儲器以及限制電路。（6）可尋址的64KB外部程序存儲器以及限制電路。（7）21個特別功能寄存器（8）32條可編程的I/O線(四個8位I/O并行端口)（9）一個可編程全雙工串行口，可作全雙工異步通信收發(fā)器運用,實現單片機和其它設備之的串行資料傳送；也可作為同步移位器運用（10）五個中斷源,外中斷2個,定時/計數中斷2個,串行中斷1個；兩個優(yōu)先級，全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級。（11）依據內部程序存儲器ROM多少，MCS-51系列主要芯片與差異8031片內無ROM；8051片內4K掩膜ROM；8751片內4K紫外線可擦除可編程程序存儲器，EPROM；89C51片內4K電可擦除可編程程序存儲器，FLASHEEPROM；89S51片內4K電可擦除可編程程序存儲器，FLASHEEPROM，支持ISP；89S52片內8K電可擦除可編程程序存儲器，FLASHEEPROM，支持ISP。圖4.1451系列單片機AT89系列單片機的型號編碼由：前綴、型號和后綴三個部分組成。例如：AT89SXXXXXXXX其中，AT是前綴，89SXXXX是型號，XXXX是后綴。（1）前綴由字母“AT”組成，表示該器件是ATMEL公司的產品。（2）型號由“89CXXXX”或“89LVXXXX”或“89SXXXX”等表示。9表示內部含Flash存儲器，“89CXXXX”中，C表示CMOS產品?！?9LVXXXX”中，LV表示低壓產品?！?9SXXXX”中，S表示含有串行下載Flash存儲器。（3）后綴由“XXXX”四個參數組成后綴中的第一個參數X用于表示速度X＝12，表示速度為12MHz。X＝24，表示速度為24MHz。后綴中的其次個參數X用于表示封裝X＝J，表示PLCC封裝，PlasticLeadedChipCarrier；X＝P，表示塑料雙列直插DIP封裝，DualInlinePackage；后綴中第三個參數X用于表示溫度范圍，它的意義如下：X＝C，表示商業(yè)用產品，溫度范圍為0～十70℃。X＝I，表示工業(yè)用產品，溫度范圍為—40～十85℃。X＝A，表示汽車用產品，溫度范圍為—40～十125℃。X＝M，表示軍用產品，溫度范圍為—55～十150℃。后綴中第四個參數X用于說明產品的處理狀況，它的意義如下：X為空，表示處理工藝是標準工藝。3.2軟件結構劃分采納結構化軟件設計的方法，使得設計簡潔，易于調試和移植，提高編程效率。采納結構化設計軟件的方法將本系統(tǒng)軟件劃分為圖4.15所示的4個模塊：齒數計數模塊、計時模塊、轉速計算模塊和轉速顯示模塊。其中最主要的是計時模塊和轉速計算模塊。圖4.15軟件模塊劃分3.2.1計時模塊由圖4.15可知當紅外線放射管放射的紅外線未被輪齒攔住時，接收管受紅外線照耀呈導通狀態(tài)，經三極管輸入到單片機中斷端口的電壓為高電平，不產生中斷；而當紅外線放射管放射的紅外線被輪齒攔住時，接收管不受紅外線照耀則呈截止狀態(tài)，經三極管輸入到單片機中斷端口的電壓跳變?yōu)榈碗娖?。從而激活中斷程序對脈沖進行計數。計數流程圖如圖4.16所示。由于計數須要與計時同步，所以須要在產生第一次紅外光被攔住時(紅外光被攔住時Pass=0，反之Pass=1)，也即中斷口電位由高變低時打開定時器。圖5.16計數與計時程序流程圖3.2.2轉速計算模塊由于系統(tǒng)采納同步M/T法測量轉速，所以計算轉速時，須要的參數有盤脈沖數和計時值。本系統(tǒng)中AT89C52單片機采納頻率為12MHz的外接晶振，則每個機器周期為1us。單片機定時器的計數脈沖周期為一個機器周期，若定時器從零開時計數，關閉定時器時其計數值為m，則計時時間就是m微秒。計算轉速部分程序如下。m=TH0×256

//讀出計數器的計數變量TH0，并將其左移8位m=TH0+TL0

//獲得時鐘脈沖數time=m

//計算出計時時間n=60*106/(9*time)//計算轉速r/min第五章調試一個產品從試驗室階段走向實際應用的過程，系統(tǒng)的調試是一個重要的環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的測試主要包括三個部分：硬件部分，系統(tǒng)離線模擬測試，系統(tǒng)的在線測試。硬件測試。主要借助仿真器，信號發(fā)生器等相關的測試儀器對相關的硬件進行檢測，確保系統(tǒng)在進行整體測試時設備的牢靠性。系統(tǒng)離線模擬測試。是整個測試環(huán)節(jié)種特別重要的環(huán)節(jié)，與實際在線測試沒太大區(qū)分。假如說有區(qū)分的話，主要在于環(huán)境和干擾的影響。從技術角度來說，模擬測試結果的正確與否，干脆反應了系統(tǒng)的設計是否正確系統(tǒng)的在線調試。調試的最終階段對產品是否應用到實際生產中尤為關鍵。會出現很多離線測試想不到的狀況，對成果的產業(yè)化具有特別重要的意義。結論及展望冗余系統(tǒng)是通過發(fā)生中斷的單元自動切換到備用單元的方法實現系統(tǒng)的不中斷工作，通過部分的冗余實現系統(tǒng)的高牢靠性。冗余限制系統(tǒng)能給很多的工業(yè)生產中能供應一個更高的牢靠性。