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数字控制器 Digital controllerBy Prof. Xinhua Xu《Building Automation》Outline1. Basics of digital Controller 数字控制器基础 2. 数字控制器的概述 Digital Controller 3. Holleywell XL20 DDC (small-scale) 4. Holleywell XL100 DDC (medium-scale) 5. XL500，XL600大型控制器 6. 其它 DDC 控制器《Building Automation》数字控制器基础 Basics Of Digital controller《Building Automation》Typical Types of Controllers• Mechanical Controller • Electrical Controller • Electronic Controller • Pneumatic Controller • Digital Controller《Building Automation》Binary Data and Digital Signalbinary000000 000001 000010 000011 000100 000101 000110 000111 001000 001001 001010 001011 001100 001101 001110 001111 010000hexadecimal00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 0A 0B 0C 0D 0E 0F 10octal00 01 02 03 04 05 06 07 10 11 12 13 14 15 16 17 20Decimal00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16All signals (including data, address and control signals) within the computers are in the format of binary digital parallel signal, although people record them in decimal data format and human languages usually.《Building Automation》Data busAddress busAddressContentst Line Voltage leveltt Ideal Voltage Pulses Actual Voltage Pulses1０Volts01Representation of Binary Data by Voltage Pulses《Building Automation》MicroprocessorCONTROL BUS ADDRESS BUS DATA BUSRAMInputsROMOutputsMEMORYI/O UnitsMicrocomputer principal architecture and buses《Building Automation》Data bus Address busStoreMicroprocessor or CPURAM chipEPROM chipALU Control unitInput unit Control bus sensors ActuatorsOutput unitTypical architecture of control outstation《Building Automation》Basic Components of a Control StationMicrocomputer - Central Processing Unit (CPU) Memory UnitROM - Read-Only Memory (permanent) RAM - Radom-Access Memory EPROM - Erasable and reProgrammable ROM (1 G = 1,024 M, 1 M = 1,024 K, 1 K =1,024 = 210 ) Buses - Address bus, Data bus, Control busI/O - Input/OutputAnalog Input (A/D) Digital Input Analog Output (D/A) Digital Output《Building Automation》Input Units of Controller• Analogue Input (continuous signal) • Digital input (Binary on/off signal)Main technical specification of Analogue to Digital (A/D) Converter: Speed, Resolution Resolution of an Input unit is determined by number of bits of its A/D converter.《Building Automation》Original dataSampled dataReconstructed dataExamples of successful and unsuccessful sampling A. Adequate (8 samples/circle); B. Bad (< 2 samples/circle)Input Units of Controller –A/DconversionThe scaling factor (F):F = V range /(2n -1)When the analogue range is 0 to 10 volts and A/D converter has 8 bits:12/−=n D A Band t Measuremen R Resolution (R A/D )of the A/D converter:The maximum measurement error of A/Dconverter is half its resolution10 volt = Σ(128+64+32+16+8+4+2+1) F = 255 F F = 10/255 [=V range /(28-1)] = 0.0392 voltOutput Unit of Controller•Analogue output –gives continuous signal for modulating control•Digital output –gives binary on/off signal for on/off control)Resolution (R D/A ) of an output unit is determined by number of bits of its D/A converter.12/−=n AD Band Output RProgramming Language andEnvironmentsTypical categories of programming languages:•Machine language -Expressed in Machine Code,e.g.: 010011000•Assembler language -Expressed in Mnemonics,e.g.:LD A, (2240H)LD B, ALD A, (2241H)ADD A, BLD (2242H), AHALT•High-level languages-Expressed in Codes closely related to English word, e.g.: C, Basic, Fortran, etc.数字控制器的概述Digital controller概述¾用计算机对控制规律的数值计算来取代模拟控制器的控制作用，计算的结果以数字量的形式或变成模拟量的形式直接控制生产过程。
西安邮电学院毕 业 设 计（论 文）题 目： 基于51单片机的数字钟设计院 （系）：专 业：班 级：学生姓名：导师姓名： 职称：基于单片机的数字钟毕业论文摘要…………………………………………………………………………… ⅠAbstract……………………………………………………………………… (Ⅱ)第1章 绪 论 (2)1.1 课题背景 (2)1.2 课题来源 (2)1.3 本章小结 (3)第2章 MCS-51单片机的结构 (4)2.1 控制器 (4)2.2 存储器的结构 (4)2.3 并行IO口 (5)2.4 时钟电路与时序 (5)2.5 单片机的应用领域 (6)2.6 本章小结 (6)第3章 电路的硬件设计 (7)3.1 复位电路 (7)3.2 时钟电路 (7)3.3 按键电路 (8)3.4 相关控制电路 (9)3.4.1 控制打铃电路 (9)3.4.2 时间表显示电路 (9)3.5 数码管显示电路 (10)3.6 电源电路设计 (10)3.7 本章小结 (10)第4章 电路的软件设计 (11)4.1 软件程序内容 (11)4.2 软件流程图 (11)4.3 定时程序设计 (12)4.3.1实时时钟实现的基本方法 . (13)4.3.2 实时时钟程序设计步骤 (13)4.4程序说明 (13)4.5 本章小结 (14)第5章 结论与展望 (15)5.1 结论 (15)5.2 单片机的发展趋势 (15)参考文献 (17)附录………………………………………………………………………………18第1章 绪 论1.1 课题背景单片机自1976年由Intel公司推出MCS-48开始，迄今已有二十多年了。
由于单片机集成度高、功能强、可靠性高、体积小、功耗地、使用方便、价格低廉等一系列优点，目前已经渗入到人们工作和生活的方方面面，几乎“无处不在，无所不为”。
单片机的应用领域已从面向工业控制、通讯、交通、智能仪表等迅速发展到家用消费产品、办公自动化、汽车电子、PC 机外围以及网络通讯等广大领域。
DDC控制器DDC (Direct Digital Control)直接数字控制，通常称为DDC控制器。
DDC系统组成通常包括中央控制设备(集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源、通讯接口等)、现场DDC控制器、通讯网络、以及相应的传感器、执行器、调节阀等元器件。
简介它代替了传统控制组件，如温度开关、接收控制器或其它电子机械组件,及优于PLC 等，特别成为各种建筑环境控制的通用模式。
DDC系统是利用微信号处理器来做执行各种逻辑控制功能，它主要采用电子驱动，但也可用传感器连接气动机构。
DDC系统的最大特点就是从参数的采集、传输到控制等各个环节均采用数字控制功能来实现。
同时一个数字控制器可实现多个常规仪表控制器的功能，可有多个不同对象的控制环路。
工作原理所有的控制逻辑均由微信号处理器，并以各控制器为基础完成，这些控制器接收传感器，常用融点或其它仪器传送来的输入信号，并根据软件程序处理这些信号，再输出信号到外部设备，这些信号可用于启动或关闭机器，打开或关闭阀门或风门，或按程序执行复杂的动作。
这些控制器可用手操作中央机器系统或终端系统。
DDC控制器是整个控制系统的核心。
它的工作过程是控制器通过模拟量输入通道(AI)和数字量输入通道(DI)采集实时数据，并将模拟量信号转变成计算机可接受的数字信号(A/D转换)，然后按照一定的控制规律进行运算，最后发出控制信号，并将数字量信号转变成模拟量信号(D/A转换)，并通过模拟量输出通道(AO)和数字量输出通道(DO)直接控制设备的运行。
功能介绍DDC控制器的软件通常包括基础软件、自检软件和应用软件三大块。
其中基础软件是作为固定程序固化在模块中的通用软件，通常由DDC生产厂家直接写在微处理芯片上，不需要也不可能由其它人员进行修改。
各个厂家的基础软件基本上是没有多少差别的。
设置自检软件可保证DDC控制器的正常运行，检测其运行故障，同时也可便于管理人员维修。
应用软件是针对各个空调设备的控制内容而编写的，因此这部分软件可根据管理人员的需要进行一定程度的修改。
数字电子技术课程教学大纲(DIGITA1E1ECTRONICTECHNO1OGY)总学时数：56其中实验学时：0学分：3.5适用专业：电气工程与自动化专业一、课程的性质、目的和任务本课程是自动化专业的必修学科基础课程。
数字电子技术是电工、电子系列课程知识平台上的重要组成部分，是在电子技术方面入门性质的重要技术基础课。
其教学目的是使学生获得适应信息时代的电子技术方面的基本理论、基本知识和基本技能。
培养学生分析和解决问题的能力，为以后深入学习数字电子技术领域的相关内容和专业应用打好基础。
具体包括两方面：一是正确分析设计数字电路特别是集成电路的基础；二是进一步学习设计专用集成电路芯片的基础。
二、课程教学的基本要求在本课程学习中，要求学生掌握数字电子技术中的基本概念、基本原理和基本分析方法，其中包括：数字逻辑基础知识、逻辑门电路、组合逻辑电路的分析和设计、触发器时序逻辑电路的分析和设计、存储器和可编程逻辑器件、脉冲波形的产生和变换、数模和模数转换器的基本内容。
此外还应了解数字系统设计的一般方法。
三、课程的教学内容、重点和难点第一章数字逻辑概论(6学时)第一节数字逻辑电路概述(1)数字信号和数字电路的特点(2)数字电路的研究方法第二节数制(1)十进制数、二进制数、十六进制数的构成特点(2)非十进制数向十进制数转换及十六进制与二进制的相互转换的方法(3)十进制数向非十进制数转换的方法第三节二进制数的算术运算(1)无符号二进制数的算术运算(2)带符号二进制数的减法运算第四节编码(1)8421码内容及构成特点(2)2421码、5211码、循环码、余3循环码、ASC11码的构成特点及内容第五节基本逻辑运算第六节逻辑函数及其表示方法基本要求：(1)掌握数字信号与模拟信号的区别(2)掌握常用数制及其相互之间的转换(3)掌握原码、反码及补码的关系及转换(4)掌握8421码内容及构成特点；了解其它常用代码的构成特点重点难点：各种数制间相互转换，原码、反码及补码的概念及转换。
第一讲 数字信号处理器概论清华大学电子工程系教授 应启珩数字信号处理学科与数字信号处理器数 字信号处理（DSP）自1965年由Cooley和Tukey提出DFT（离散傅里叶变换）的高效快速算法（Fourier Transform，简称FFT）以来，已有近40年的历史。
随着计算机和信息技术的发展，数字信号处理技术已形成一门独立的学科系统。
数字信号处理作为 一门独立学科是围绕着三个方面迅速发展的：理论、现实和应用。
作为数字信号理论，一般是指利用经典理论（如数字、信号与系统分析等）作为基础而形成的独特 的信号处理理论，以及各种快速算法和各类滤波技术等基础理论。
由此在各个应用领域如语音与图象处理、信息的压缩与编码、信号的调制与调解、信道的辨识与均 衡、各种智能控制与移动通讯等都延伸出各自的理论与技术，到目前可以说凡是用计算机来处理各类信号的场合都引用了数字信号处理的基本理论、概念和技术。
数字化技术有今天的飞速发展，是依仗于强大的软、硬件环境支撑。
作为数字信号处理的一个实际任务就是要求能够快速、高效、实时完成处理任务，这就要通过通 用或专用的数字信号处理器来完成。
因此，数字信号处理器是用来完成数字信号处理任务的一个软、硬件环境和硬件平台。
DSP算法及芯片分类DSP运算的基本类型是乘法和累加(MAC)运算，对于卷积、相关、滤波和FFT基本上都是这一类运算。
这样的运算可以用通用机来完成，但受到其成本和结构的限制不可能有很高的实时处理能力。
DSP运算的特点是寻址操作。
数据寻址范围大，结构复杂但很有规律。
例如FFT 运算，它的蝶形运算相关节点从相邻两点直至跨越N/2间隔的地址范围，每次 变更都很有规律，级间按一定规律排列，虽然要运算log2N遍，但每级的地址都可以预测，也就是寻址操作很有规律而且可以预测。
这就不同于一般的通用机， 在通用机中对数据库的操作，具有很大的随机性，这种随机寻址方式不是信号处理器的强项。
可以看出无论是专用的DSP芯片或通用DSP芯片在结构考虑上都能适应DSP运算的这些特点。
电子技术课程设计报告数字定时控制器姓名：学号：班级：时间：一、设计要求1.设计一个具有数字钟功能的数字定时控制器；2.计时显示范围要求自00时00分00秒到23时59分59秒；3.具有校时功能，可对小时、分、秒分别进行校准；4.要求预选时刻到达时被控对象连续响10秒，蜂鸣器在10秒内断续鸣叫5次，即响1秒停1秒。
二、设计目的电子技术课程设计是继数字电子技术基础和模拟电子技术基础理论课、实验课之后的重要的理论和实践综合设计环节。
它的任务是在学生掌握和具备电子技术基础知识和单元电路的设计能力之后，进一步学习电子电路系统的设计方法和实验方法，进一步掌握EDA仿真设计工具，着重培养学生独立分析问题和解决问题的能力；为以后从事电子系统设计和开发应用打好基础。
三、设计方案系统框图如图3-1所示被控对象图3-1 数字定时控制器系统框图1.秒脉冲发生器方案一：采用555定时器，直接与计算数值的电容、电阻等组合，搭接出一个秒脉冲发生电路。
此方案的优点是接线方便，只需要一块芯片即可产生秒脉冲，电容、电阻等其他器件使用也较少；缺点是产生的秒脉冲具有较大的误差，无法用来给数字时钟进行相对精确的计时。
方案二：使用32.768KHz的晶振作为基础脉冲发生器，再通过CD4060芯片进行14分频产生2Hz的脉冲，并进一步进行二分频，最终得到1Hz的脉冲，即所需的秒脉冲。
此方案的优点是产生的秒脉冲很精确，能够使数字时钟进行精确的计时；缺点是使用的芯片较多，接线相对复杂。
经过上述分析，虽然方案一中的电路设计相对简单，对于一个接线复杂的系统，可以带来一定程度的便利，但本设计对于设计的计时精度有较为高的要求，所以最终选取计时精度相对较高的方案二来设计秒脉冲发生器。
设计电路如图3-2所示。
图3-2 秒脉冲发生器电路图2.计时电路方案一：采用74LS160的同步十进制计数器芯片首尾相连来搭接时、分、秒计时器。
此方案的优点是接线相对简单，且逻辑关系也更为明显，74LS160芯片自带进位输出端口Q cc，可以直接引出作为下一片的时序脉冲信号，且工作时S1、S2、~LD恒接高电平，只需控制~CR端口。
方案二：采用74LS90的二-五-十进制计数器首尾相连来搭接计时电路。
此方案的优点是其具有5421码的计数方法，可以很好的进行四舍五入的计数，避免暂停带来的误差；缺点是连线相对复杂不少，尤其是芯片的4个输出端分居芯片两端，与数码管的连线也变得更为复杂。
经过上述分析，虽然方案二中的74LS90芯片可以进行四舍五入的计数，但该芯片带来的接线复杂程度是显而易见的，在一个繁杂的电路中，在保证一定精度的情况下，还是优先选择接线更为简单的方案一。
设计电路如图3-3所示。
图3-3 计时电路图3.校时电路方案一：采用多开关和多个单脉冲发生电路来搭接电路，其中开光来控制电路的清零、运行和停止（进行校时），多个单脉冲发生电路分别产生对时、分、秒的进位脉冲校时信号。
此方案的优点是思路较为清晰，逻辑较于简单，便于连线的正确性；缺点是使用的开关数量太多，并不符合实际使用的需求。
方案二:采用74LS175芯片搭接一个4位循环移位寄存器，依次产生1000、0100、0010、0001的循环输出信号，分别对应秒校时、分校时、时校时、运行（清零）的功能。
其中前三位输出Q1、Q2、Q3分别接三个两输入与门的一个输入端，三个与门的另一个输入端统一接入单脉冲发生电路的输出信号，即时、分、秒共用一个校时进位脉冲信号，只是通过循环的高电平来确定对哪一位进行校时。
此方案的优点是使用的开关数量较少，可以很好的满足实际的；需求；缺点是思路较为复杂，电路连线也较为复杂。
经过上述的分析，虽然方案一对于简化电路的连线有很大的帮助，但使用的开关数量实在太多，远远脱离了现实，很难让人接受，故选择只使用两个开关的方案二来进行校时电路的设计。
设计电路如图3-4所示。
图3-4 校时电路图4.时间预选矩阵电路（定时电路）方案一：采用74LS195四位移位寄存器来搭接定时电路，利用74LS195芯片的并行传输功能，使每片74LS195与计时电路中所使用的74LS160一一对接，并通过统一的脉冲控制，即可将计时器显示的时间读入定时电路中，以实现任意定时的功能。
此方案的优点是逻辑思路清晰，并且一一对应的电路连接方法可以很好的简化电路的连线复杂程度；缺点是74LS195芯片本身的逻辑就相对复杂，需要较多的电路联系以保证其正常工作。
方案二：采用74LS373八位并行锁存芯片来设计定时电路。
此方案的优点是一片74LS373可以同时与两片74LS160对接，进一步减少芯片数量，简化电路，同时自身的工作逻辑也较为简单，只有ENG和~OC两个控制端，且实际控制中，ENG恒接高电平，只需控制~OC端口即可。
经过上述的分析，相对于方案一而言，方案二具有更好的可是实现，并且对于简化电路帮助很大，所以选择方案二。
设计电路如图3-5所示。
图3-5 时间预选矩阵电路图5.输出控制电路（闹铃电路）方案一：针对设计任务中的要求预选时刻到达时被控对象连续响10秒，蜂鸣器在10秒内断续鸣叫5次，即响1秒停1秒，可以十分巧妙的选用计时电路的秒脉冲来控制响一秒停一秒，并且选用秒的十位来控制闹铃的最终停止。
此方案的优点是极大的利用了已有的控制信号，可以很大程度上的简化电路；缺点是并没有实现模块化的设计理念，对于后续要求的改动很难通过简单的改动来满足要求，不具有很强的实用性。
方案二：利用CD4013双D触发器芯片和74LS160同步十进制芯片来搭接输出控制电路。
其中74LS160芯片利用其的十进制计数功能来控制闹铃的工作状态，并使用其的最高位来触发CD4013，以停止74LS160的计数。
此方案的优点是模块化设计，便于电路的布局以及后续闹铃功能的改进；缺点是针对此实验的设计要求而言，电路连线相对复杂。
经过上述的分析，方案一虽然对于本实验的设计要求而言具有电路连线简单的优点，但在讲求模块设计的当今时代，方案二更具有实用性，符合需求，所以选择方案二。
设计电路如图3-6所示。
图3-6 输出控制电路图6.元器件清单数量型号数量型号7 74LS160D 1 74LS00D1 74LS175D 4 74LS08D5 7401N 3 74LS86N4 1kOhm 电阻 2 74LS373DW2 74LS04D 4 74LS85D1 74LS27N 1 C4013BP174LS08D174LS02N1 74LS08J 1 C4060BD132.768kHz 晶振1C4013BD四、设计分析1.EDA仿真分析系统仿真电路图详见附录1电路初始化：在仿真过程中，首先按下启动开关，使电路初始化，然后拨动开关1调节电路的工作状态，使其处于计时（清零）状态，再使开关2置于高电平，使计数器清零。
设置定时：拨动开关1，使其处于秒校时状态，再拨动开关2对秒进行进位校时；秒校时完成后，拨动一下开关1，使其处于分校时状态，再拨动开关2对分进行进位校时；分校时完成后，拨动开关2，使其处于时校时状态，再拨动开关2对时进行时校时。
调整完成后，拨动一下开关3，将设定好的时刻读入74LS373并且锁存。
计时运行：拨动开关1，使其处于计时（清零）状态，再使开关2置于高电平，是计数器清零，然后重复设置定时步骤中的校时操作，校准到当前时刻，然后将开关2置于低电平，再拨动开关1，使其回到计时（清零）状态，开始计时。
闹铃工作：当电路计时到设定的定时时刻时，触发闹铃模块启动，在响1秒停1秒的工作状态中持续工作10秒后，闹铃模块停止工作。
通过上述的仿真分析，可以知道，设计电路能够很好实现设计要求，并且具有较高的实用性。
2.调试与结果分析1）硬件调试（1）秒脉冲发生器的调试按电路布线图连线，现用万用表测量每个芯片接电源的引脚与接地引脚之间的电压降，保证每一个芯片有能工作的条件。
然后，可将输出端接发光二极管，观察发光二极管的现实情况，当发光二极管以1Hz的频率闪亮时，则认为秒脉冲发生器调试成功。
（2）计时电路的调试按电路布线图连线，计数器输出接八段数码管，观察在CP作用下CP为1Hz 的状态的变化情况，首先验证秒各位是否为十进制计数器，并且在其由9跳变到0时，是否向秒十位进位，然后再验证秒十位是否为6进制计数器，并且在其由5跳变到0时，是否向分个位位进位。
以此类推，分别验证分个位、分十位、时个位、时十位是否按预期工作。
当期都按预期工作，计时显示范围要求自00时00分00秒到23时59分59秒时，则计时电路调试成功。
（3）译码显示的调试按电路布线图连线。
将电路输输入接可预置减法计数器的输出。
先观察显示器是否发光，再观察在计数器输出的点位作用下译码器能否译码，然后驱动显示器实现数字的秒变动。
（4）校时电路的调试按电路布线图连线，先将74LS175芯片的4个输出端分别接到一个二极管指示灯上，然后触发单脉冲发生器，观察在一定次数的单脉冲触发之后，4个二极管是否处于一次循环点亮的状态。
如果是，这进一步将时、分、秒的校时输出信号接入计时电路，分别测试其在计时（清零）状态是否能够实现计时和清零的控制转换，以及在时、分、秒的校时状态是否能够实现校时功能。
如果以上都能实现，则校时电路调试成功。
（5）定时电路的调试按电路布线图连线，然后将计时器的输出依次接入定时电路模块。
随后将计时电路校时到一个确定的时刻，然后再拨动定时电路的锁存开关，观察LED灯是否点亮，如果点亮，则定时电路调试成功。
（6）闹铃电路的调试按电路布线图连线，然后将秒脉冲发生器的输出接入闹铃电路模块，再将单脉冲发生电路的输出接入闹铃电路模块。
按动一次单脉冲发生电路，观察闹铃电路工作指示灯是否点亮，如果点亮，则进一步观察闹铃指示灯是否按照亮一秒暗一秒的工作状态工作，如果是，再进一步观察在工作十秒之后，闹铃电路工作指示灯是否熄灭，如果熄灭，则闹铃电路调试成功。
2）问题分析（1）在电路的安装与调试中，存在一个与EDA仿真结果不符合的地方，那就是74LS160同步十进制芯片，在进行EDA仿真时，直接将本片芯片Q cc接入下一片芯片的CP端，则在本片芯片由9跳变到0时，对下一片芯片实现进位；而在实际电路中，按照设计的电路接线后，发现在本片芯片由8跳变到9时，就已经对下一片芯片进位。
经分析，这一问题的存在可能是在EDA仿真中的芯片封装与实际的芯片封装存在不同的地方，在将Q cc经过反相器再接入下一片芯片的CP 端后，就能顾实现正常的进位。
（2）在搭接实际的单脉冲发生电路时，并不能够实现完美的去抖动功能，这样以来，就无法对电路进行精确控制，但一时也无法构思出足够优良的去抖动电路，于是反其道而行之，就利用原始快关和一个现成的单脉冲发生器结合，通过开关的控制来决定此时单脉冲发生器是控制哪一部分，是控制校时电路的状态转换，还是控制校时脉冲的输出。
