嵌入式控制系統工程設計開發實踐教程

目錄

第1章緒論1

1.1嵌入式系統的基本概念1

1.1.1嵌入式系統的定義1

1.1.2嵌入式系統的特征2

1.2嵌入式控制系統的基本概念3

1.3嵌入式系統的主要分類4

1.3.1按處理器位寬分類4

1.3.2按應用領域分類5

1.3.3按系統實時性分類5

1.3.4按控制技術的復雜程度分類5

1.4嵌入式系統的硬件平臺6

1.4.1ARM架構及微處理器系列6

1.4.2嵌入式微控制器11

1.4.3嵌入式微處理器13

1.4.4嵌入式數字信號處理器14

1.4.5嵌入式片上系統14

1.4.6現場可編程門陣列15

1.5嵌入式系統的軟件平臺16

1.5.1嵌入式操作系統及特點16

1.5.2嵌入式操作系統分類17

1.5.3常見的嵌入式操作系統19

1.6嵌入式控制系統工程設計基本流程26

1.6.1嵌入式系統項目開發生命周期26

1.6.2嵌入式系統工程設計方法29

1.6.3嵌入式系統工程設計過程和任務31

小結39

思考題39

參考文獻39

第2章嵌入式控制系統的基礎理論與關鍵技術41

2.1嵌入式控制系統的組成41

2.1.1嵌入式控制系統硬件組成41

2.1.2嵌入式控制系統軟件組成42

2.2嵌入式物聯網技術43

2.2.1嵌入式物聯網的概念44

2.2.2嵌入式物聯網的主要實現方式45

2.2.3嵌入式物聯網在智能制造領域的應用46

2.3邊緣計算技術47

2.3.1邊緣計算的概念48

2.3.2邊緣計算的總體系統架構48

2.3.3邊緣計算在智能制造領域的嵌入式應用50

2.4智能傳感技術51

2.4.1智能傳感的概念52

2.4.2智能傳感的主要實現方式52

2.4.3智能傳感在智能制造領域的嵌入式應用54

2.5智能運維技術56

2.5.1智能運維技術的概念56

2.5.2智能運維的主要實現方式57

2.5.3智能運維在智能制造領域的嵌入式應用59

2.6人機交互技術61

2.6.1人機交互的概念61

2.6.2人機交互的主要實現方式61

2.6.3人機交互在智能制造領域的嵌入式應用63

小結64

思考題64

參考文獻64

第3章嵌入式控制系統的電磁兼容與可靠性設計65

3.1電磁兼容的定義65

3.1.1電磁兼容的基本定義65

3.1.2電磁幹擾及其危害65

3.1.3電磁幹擾三要素66

3.2電磁兼容性測量67

3.2.1對測量場地的要求69

3.2.2測量儀器的基本要求及其配置70

3.3電磁兼容標準72

3.3.1主要的EMC組織及EMC標準72

3.3.2國內外的EMC標準73

3.3.3EMC標準體系74

3.3.4產品的電磁兼容認證75

3.4嵌入式系統可靠性77

3.4.1可靠性概述77

3.4.2可靠性涉及的性能指標78

3.4.3嵌入式系統的可靠性設計79

3.5嵌入式硬件系統可靠性設計79

3.5.1影響嵌入式硬件系統可靠性的主要因素80

3.5.2提升嵌入式硬件系統可靠性的主要措施80

3.5.3嵌入式硬件系統總體方案可靠性設計84

3.6嵌入式軟件的可靠性設計85

3.6.1軟件可靠性與硬件可靠性的區別85

3.6.2影響軟件可靠性的因素86

3.6.3提高軟件可靠性的方法和技術87

3.6.4嵌入式軟件的可靠性設計方法89

小結91

思考題91

參考文獻91

第4章鋁電解智能制造系統設計開發92

4.1鋁電解智能制造系統需求分析92

4.1.1智能制造系統概述93

4.1.2鋁電解生產系統概述94

4.1.3鋁電解智能制造系統功能分析96

4.1.4鋁電解智能制造系統性能分析97

4.1.5鋁電解智能制造系統可靠性分析98

4.1.6鋁電解智能制造系統可持續發展分析99

4.2鋁電解智能制造系統方案設計100

4.2.1系統架構設計100

4.2.2大型鋁電解槽全要素模型的技術路線100

4.2.3鋁電解智能制造的軟硬件實現框架105

小結107

思考題107

參考文獻108

第5章陽極導桿電流智能感知系統設計開發109

5.1陽極導桿電流感知系統需求分析110

5.1.1陽極導桿電流感知系統功能分析110

5.1.2陽極導桿電流感知系統性能分析111

5.1.3陽極導桿電流感知系統可靠性分析111

5.1.4陽極導桿電流感知系統可持續發展分析112

5.2陽極導桿電流感知系統總體設計112

5.3陽極導桿電流感知系統硬件設計113

5.3.1信號調理電路設計114

5.3.2A/D采集模塊設計121

5.3.3溫度采集模塊設計122

5.3.4MCU模塊的設計122

5.3.5RS485通信模塊的設計123

5.3.6數據存儲模塊的設計124

5.3.7電源模塊的設計124

5.4陽極導桿電流感知系統軟件設計125

5.4.1主程序設計126

5.4.2數據采集與處理軟件設計127

5.4.3數據存儲模塊128

5.4.4通信模塊程序設計128

5.5系統安裝與調試131

5.5.1實驗室測試131

5.5.2現場安裝與測試132

小結134

思考題134

參考文獻135

第6章陰極鋼棒溫度智能感知系統設計開發136

6.1陰極鋼棒溫度感知系統需求分析137

6.1.1陰極鋼棒溫度感知系統功能分析137

6.1.2陰極鋼棒溫度感知系統性能分析137

6.1.3陰極鋼棒溫度感知系統可靠性分析138

6.1.4陰極鋼棒溫度感知系統可持續發展分析138

6.2陰極鋼棒溫度智能感知系統總體設計139

6.2.1總體方案設計139

6.2.2溫度采集方案設計140

6.2.3數據通信設計141

6.3陰極鋼棒溫度智能感知系統硬件設計141

6.3.1微控制器選型141

6.3.2電源模塊設計142

6.3.3分布式測溫節點設計143

6.3.4通信模塊設計144

6.3.5存儲模塊設計144

6.3.6報警模塊設計147

6.4陰極鋼棒溫度智能感知系統軟件設計147

6.4.1主程序設計147

6.4.2上行任務程序設計147

6.4.3下行任務程序設計149

6.4.4報警檢測程序設計149

6.4.5信息存儲程序設計151

6.4.6測溫軟件開發152

6.5系統安裝與調試154

6.5.1系統安裝與調試154

6.5.2實時監測測試效果155

小結157

思考題157

參考文獻157第7章槽電壓智能感知系統設計開發158

7.1槽電壓智能感知系統需求分析158

7.1.1槽電壓智能感知系統功能分析158

7.1.2槽電壓智能感知系統性能分析160

7.1.3槽電壓智能感知系統可靠性分析161

7.1.4槽電壓智能感知系統可持續發展分析162

7.2槽電壓智能感知系統方案設計162

7.2.1硬件設計方案162

7.2.2軟件設計方案163

7.3槽電壓智能感知系統硬件設計165

7.3.1電源模塊設計165

7.3.2VFC模塊設計165

7.3.3微控制器單元模塊設計170

7.4槽電壓智能感知系統軟件設計170

7.5系統安裝與調試172

7.5.1實驗室測試172

7.5.2現場測試173

小結174

思考題174

參考文獻174

第8章鋁電解槽智能控制系統設計開發175

8.1鋁電解槽智能控制系統需求分析175

8.1.1鋁電解槽智能控制系統功能分析176

8.1.2鋁電解槽智能控制系統性能分析177

8.1.3鋁電解槽智能控制系統可靠性分析178

8.1.4鋁電解槽智能控制系統可持續發展分析178

8.2槽控機整體方案設計178

8.3槽控機硬件設計179

8.3.1硬件總體設計179

8.3.2針對強幹擾環境的供電及信號隔離電路設計182

8.3.3針對生產操作互斥性的陽極運行保護電路設計191

8.3.4其他電路設計193

8.4槽控機軟件設計198

8.4.1軟件總體設計198

8.4.2有限狀態機模型198

8.4.3針對數據傳輸異常的數據通信策略199

8.4.4針對存儲數據異常的可靠存儲策略201

8.4.5針對陽極誤動作風險的運行保護策略202

8.4.6針對不同工藝流程的運行策略設計203

小結206

思考題207

參考文獻207第9章鋁電解槽智能下料控制策略設計開發208

9.1鋁電解智能控制需求分析208

9.2基於遞推子空間辨識的氧化鋁濃度建模與預測控制209

9.2.1子空間辨識的理論基礎209

9.2.2子空間辨識步驟210

9.2.3基於遞推子空間的預測控制設計212

9.2.4建模與控制過程仿真實驗213

9.3基於分布式子空間預測控制的鋁電解槽多點下料策略217

9.3.1鋁電解槽分布式下料控制方案設計217

9.3.2鋁電解槽分布式預測模型建立217

9.3.3鋁電解槽分布式控制器設計218

9.3.4預測模型參數確定以及分布式子空間預測控制算法設計219

9.3.5下料器下料量不準確的控制效果222

小結225

思考題225

參考文獻225

第10章鋁電解槽人機交互系統設計226

10.1人機交互系統需求分析226

10.1.1人機交互系統功能分析226

10.1.2人機交互系統性能分析227

10.2人機交互方案設計227

10.2.1總體框架設計227

10.2.2硬件設計228

10.2.3人機交互系統界面設計230

10.2.4人機交互系統軟件設計233

10.3人機交互系統開發238

10.3.1開發環境配置238

10.3.2運行效果241

小結243

思考題243

參考文獻243

第11章基於華為雲IoT的鋁電解工業能耗監測系統設計244

11.1鋁電解工業能耗監測系統需求分析244

11.2鋁電解工業能耗監測系統總體方案設計245

11.3鋁電解工業能耗監測管理平臺軟件設計247

11.3.1華為雲IoTDA設備接入247

11.3.2華為雲ECS服務器管控平臺開發250

11.3.3華為雲DLV大屏顯示252

11.4系統安裝與調試252

小結253

思考題254

參考文獻254