基于S3C44BOX芯片的單回路PlD控制器參數整定

摘要：針對目前單回路PID控制系統穩定性不高，控制效果不理想的情況，提出以ARM7S3C4480X 32位嵌入式芯片為核心設計的單回路控制器的設計方法，該芯片具有強大的數據處理功能。在設計過程中選擇了更便捷的C語言平臺，很大程度地縮短設計周期。采用了數字PID控制算法實現控制目的，通過PID參數調試，超調量減小，調整時間縮短，過渡過程平穩，控制效果良好。實驗結果表明：基于S3C44BOX芯片的單回路PID控制器很好地滿足控制性能指標，具有較大的應用價值。
關鍵詞：芯片；嵌入式系統；單回路控制器；控制算法；傳遞函數

在現代工業控制應用中，單回路控制系統是最簡單、最基本、也是使用最廣泛的一種形式。對于控制系統來說，在設定值發生變化或系統受到擾動作用后，系統將從原來的穩態經歷一個過程進入另一個新的穩態。一個自動控制系統的好壞在穩態下是難以判別的，只有在過渡過程中才充分反映出來。一個良好的控制系統，在經歷擾動后，一般應平穩、迅速和準確地趨近或回復到設定值。這就需要對調節器的控制參數進行準確地設定才能達到理想的效果。采用傳統的以8位芯片為核心的控制器已在很多領域的應用上受到了限制，新一代的32位嵌入式芯片正在被越來越廣泛的應用，ARM7TDMI32位嵌入式芯片正是其中的一種。在其基礎之上配合高性能的軟件體系，就有可能得到穩定性更強、適應性更強、功能更豐富的控制器。本控制器正是以S3C44BOX芯片為核心設計的單回路控制器。

1 ARM7TDMI32體系結構
目前比較有影響力的32位嵌入式處理器有6～7種，而ARM處理器具有高性能、低功耗和低成本等顯著優點，已成為高性能、低功耗嵌入式微處理器的代名詞，是目前32位、64位嵌入式處理器中應用最廣泛的一個系列。當前，ARM處理器得到了眾多半導體廠家和整機廠商的大力支持，全球已有100多家IT公司在采用ARM技術。ARM公司既不生產芯片，也不銷售芯片，而是設計出高效的IP內核，授權于各半導體公司使用，半導體公司在ARM技術的基礎之上，根據自己公司的產品定位，添加自己的設計并推出芯片產品，最后由OEM客戶采用這些芯片來構建基于ARM技術的最終應用產品。經過10多年的發展，ARM公司已是業界領先的IP供應商。優良的性能和準確的市場定位極大地豐富了ARM資源，加速了基于ARM核的面向各種應用系統芯片的開發應用，使得ARM獲得了更廣泛的應用，確立了ARM技術的市場領先地位。ARM在高性能嵌入式應用領域獲得了巨大的成功，已在32位嵌入式應用中穩居世界第一。
由于網絡與通信技術的發展，嵌入式系統在經歷了近20年的發展歷程后，又進入了一個新的歷史發展階段，從普遍的低端應用到高、低端并行發展，并且不斷提升低端應用技術水平。原來由于傳統電子系統智能化對8位機的需求，形成了32位機的發展遲遲不前的局面。當網絡、通信和多媒體信息家電業興起后，出現了嵌入式系統高端應用的市場；而在嵌入式系統的高端應用中，嵌入式微處理器以其明顯的性能優勢迅速形成32位機高端應用的主流地位。網絡、通信、多媒體和信息家電時代的到來，無疑為32位嵌入式系統高端應用提供了空前巨大的發展空間；同時，也為力不從心的8位機向高端發展起到了接力作用。控制系統的網絡化、智能化的發展趨勢，要求在這些8位機的應用中，提升海量數據處理能力。當8位機無法滿足這些提升要求時，便會轉而求助32位機的解決辦法。因此，32位機的市場需求發展由2方面所致：1)是高端新興領域(網絡、通信、多媒體和信息家電)的拓展；2)是低端控制領域應用在數據處理能力的提升要求。后PC時代的到來以及32位嵌入式系統的高端應用，吸引了大量計算機專業人士的介入；加之嵌入式系統軟、硬件技術的發展，導致了嵌入式系統應用模式的巨大變化，即使嵌入式系統應用進入到一個基于軟、硬件平臺、集成開發環境的應用系統開發時代。
ARM7S3C44BOX處理器是ARM7處理器系列成員之一，是目前應用很廣的32位高性能嵌入式RISC處理器。它使用3段流水線以提高處理器指令的流動速度。允許幾個操作同時進行，并允許處理和存儲系統連續操作。它是馮．諾依曼體系結構，使用單一32位數據總線傳送指令和數據。只有加載、存儲和交換指令可以訪問存儲器中的數據。處理器存儲器接口被設計成在使用存儲器最少的情況下實現其潛能。關鍵的控制信號是流水作業的，以允許在標準低功耗邏輯下實現系統控制功能。這些控制信號方便了許多片內和片外存儲器技術支持的快速突發訪問模式的開發，方便了業界標準動態RAM提供的快速局部訪問模式的利用。同時，嵌入式ICE-RT邏輯為ARM7S3C4480X提供了集成的在片調試支持，可以使用嵌入式：ICE-RT邏輯來編程斷點或觀察點出現的條件。此外，ARM7S3C4480X處理器有高性能的32位ARM指令集和高代碼密度的16位THUMB指令集2個指令集。處理器部件和主要信號路徑如圖1所示。

2 單回路控制系統的具體設計
單回路控制系統由A／D轉換器、D／A轉換器、PID控制器、與外部被測對象、調節器組成單回路控制系統，系統的方框圖如圖2所示。本系統采用單回路的數字PID控制，主要將根據系統的給定值與實際值的偏差，利用ARM7S3C4480X芯片進行PID運算后，來實現對PID控制參數的調整。主調節器的輸入由設定值與實際值的偏差給定，主調節的輸出控制調節閥。調節器均具有常規調節器的功能，可單獨地進行P、I、D參數、給定值的設定。