CN112230564B - 一种动态温度电阻信号仿真控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻的动态仿真控制方法，包括定时器中断，读取总电路侧的电压以及基准电阻侧的电压；判断总电路侧的电压和基准电阻侧的电压的大小关系；若总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等，则计算总电路侧实际阻值，将目标阻值与实际阻值进行计算确定PWM占空比，进而设定PWM控制参数，生成PWM信号；根据PWM信号，控制总电路侧的输出阻值接近目标阻值；完成本次定时器中断。本发明的方法利用闭环控制方法，进行PWM电阻模拟控制，将极大提高信号的控制精度，降低对于信号电路元器件精度要求，从而降低***成本。

Description

一种动态温度电阻信号仿真控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制、信号仿真领域，并且更具体地，涉及一种电阻的动态仿真控制方法。

背景技术

随着电子技术的进步，在电子控制***开发过程中，采用硬件在环仿真技术加速***开发、验证过程已经成为一种新的趋势。在各种电子控制***中，温度信号通常采用电阻信号的形式，常用的PT100、PT1000等。因此仿真***提供电阻模拟信号已经成为基本要求。常用的电阻信号产生方法有：手动变阻器设定、数字电位器设定，数字式模拟电阻等。上述方法各有优缺点。手动控制方法，不利于实现动态自动信号仿真；数字电位器能够实现数字可控的分级输出，但是其分辨率收到分级数量的限制，一般跨度较大，其分辨率难于满足电阻信号的连续、精确控制。

基于上述问题，如果能够利用闭环控制方法，进行电阻模拟控制，而且能够极大提高信号的控制精度、降低对于信号电路元器件精度要求以及降低***成本是非常需要的一种控制方法。

发明内容

为了克服现有技术不足，本发明的目的在于提供一种电阻的动态仿真控制方法。该方法利用闭环控制方法，进行PWM电阻模拟控制，将极大提高信号的控制精度，降低对于信号电路元器件精度要求，从而降低***成本。

基于上述目的，采用如下技术方案：

根据本发明，提供一种电阻的动态仿真控制方法，包括：

定时器中断，读取总电路侧的电压以及基准电阻侧的电压；

判断总电路侧的电压和基准电阻侧的电压的大小关系；

若总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等，则计算总电路侧实际阻值，将目标阻值与实际阻值进行计算确定PWM占空比，进而设定PWM控制参数，生成PWM信号；

根据PWM信号，控制总电路侧的输出阻值接近目标阻值；

完成本次定时器中断。

根据本发明的一实施例，还包括：

若总电路侧的电压和基准电阻侧的电压相等，则查找目标阻值与PWM占空比对应关系，使用该PWM占空比，设定PWM控制参数，生成PWM信号。

根据本发明的一实施例，总电路为基准电阻与开关管串联而成的电路。

根据本发明的一实施例，步骤“计算总电路侧实际阻值”包括根据如下公式进行计算：

R_sim＝U_{_ch1}*R₁/U_{_ch2}

其中，R_sim是实际阻值，U_{_ch1}是总电路侧的电压；U_{_ch2}是基准电阻侧的电压，R₁基准电阻的阻值。

根据本发明的一实施例，步骤“将目标阻值与实际阻值进行计算确定PWM占空比”包括将目标阻值和实际阻值作为输入参数，输入PID控制模块，进行计算得到PWM占空比。

根据本发明的一实施例，步骤“根据PWM信号，控制总电路侧的输出阻值接近目标阻值”包括PWM信号通过控制开关管的通断以及开关管通断的时间来调整总电路侧的输出阻值的大小，以使得控制总电路侧的输出阻值接近目标阻值。

根据本发明的一实施例，输出阻值为经过PWM信号调整后的阻值。

根据本发明的一实施例，在“总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，若实际阻值大于目标阻值，PWM占空比增大，开关管断开时间减小、导通时间增大。

根据本发明的一实施例，在“总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，若实际阻值小于目标阻值，PWM占空比减小，开关管导通时间减小、断开时间增大。

根据本发明的一实施例，实际阻值为当“总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，未经过PWM信号调整前的总电路侧的阻值。

本发明的有益效果：

本发明电阻的动态仿真控制方法在硬件在环仿真***中，可以利用该方案实现低成本、高精度的温度电阻仿真，为柴油机、机车等控制***的仿真、开发提供解决方案。

本发明电阻的动态仿真控制方法通过PWM控制开关管，通过PWM占空比控制开关管以产生不同模拟电阻的效果。

本发明采用PWM信号控制开关管的快速通断，配合高精度基准电阻，实现电阻信号的模拟仿真输出；采用高精度数模转换器，分别采集高精度基准电阻两端的差分电压、整个模拟电阻电路两端的差分电压；由于高精度基准电阻与开关管是串联电路，因此可以通过比较两个差分电压，和已知高精度基准电阻的电阻值，计算出整个模拟电阻的实际电阻值，形成反馈数据；根据模拟电阻的目标电阻值与实际电阻值，动态控制PWM控制信号的占空比，实现模拟电阻的动态反馈控制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施案例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的电阻的动态仿真控制方法的硬件原理图；

图2为本发明实施例的接入外部电路时的原理图；

图3为本发明实施例的电阻的动态仿真控制方法的方案原理图；

图4本发明实施例的软件启动流程图；

图5为本发明实施例的电阻的动态仿真控制方法流程图；

图6为本发明实施例的电阻的动态仿真控制方法中INT的流程图；

图7为本发明实施例的电阻的动态仿真控制方法中EXP的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

硬件原理如图1所示，按照硬件原理图组装硬件电路，注意开关管的方向与外部检测电路电流方向的关系。

如图1-图3所示，由中央处理器CPU(以下简称CPU)、高精度模数转换器ADC(以下简称ADC)、开关管Q₁(以下简称Q₁)、高精度基准电阻R₁(以下简称R₁)等原件组成硬件电路，其中，Q₁和R₁串联成模拟电路(即总电路)，该模拟电路的两端能够输出模拟电阻信号；整个模拟电阻的实际电阻值为R_sim，整个模拟电阻的目标电阻值为R_sp；CPU通过其PWM端口控制Q₁的通断；PWM信号的频率、占空比信号由CPU进行计算和控制；CPU通过通信信号端口与ADC通信信号端口相连，CPU实时高速访问ADC，获取ADC采集的ADC_CH1信号、ADC_CH2信号；ADC采用差分模拟量输入模式工作，其ADC_CH1通道两端分别连接到OUT₁、OUT₂，ADC_CH2通道两端分别连接到R1两端，即ADC_CH1通道采集的是模拟电路(Q₁+R₁)的电压值U_{_ch1}，ADC_CH2通道采集的是R₁的电压值U_{_ch2}。由此形成本实施例的硬件电路。

优选地，高精度模数转换器可以使用24位高精度模数转换器，现有技术的其他类型的高精度模数转换器也均适用。

电阻的动态仿真控制方法的软件控制流程：

如图4的流程图所示，首先进行***初始化。

***上电后，进入启动流程1.1后，进入流程1.2；

进入流程1.2，配置高精度ADC通信通道及ADC基本配置，进入流程1.3；

进入流程1.3，设定ADC检测通道为ADC_CH1、ADC_CH2，进入流程1.4；

进入流程1.4，初始化PWM控制模块，进入流程1.5；

进入流程1.5，初始化PID模块，进入流程1.6；

进入流程1.6，初始化内部定时器，进入流程1.7；

进入流程1.7，开启内部定时器中断，进入流程1.8；

进入流程1.8，完成初始化流程，等待内部定时器中断。

内部定时器中断后进入如下流程：

定时器中断，读取模拟电路侧的电压(U_ch1)以及基准电阻侧的电压(U_ch2)；

判断模拟电路侧的电压和基准电阻侧的电压的大小关系；

若模拟电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等，则计算模拟电路侧实际阻值，将目标阻值与实际阻值进行计算确定PWM占空比，进而设定PWM控制参数，生成PWM信号；实际阻值为当“模拟电阻侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，未经过PWM信号调整前的模拟电阻侧的阻值。

若模拟电路侧的电压和基准电阻侧的电压相等，则查找目标阻值与PWM占空比对应关系，使用该PWM占空比，设定PWM控制参数，生成PWM信号。

根据PWM信号，控制模拟电路侧的输出阻值接近目标阻值，PWM信号通过控制开关管的通断以及开关管通断的时间来调整模拟电阻侧的输出阻值的大小，以使得控制模拟电阻侧的输出阻值接近目标阻值。进而获得所需的电阻信号。

输出阻值为经过PWM信号调整后的阻值。

优选地，在“模拟电阻侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，若实际阻值大于目标阻值，PWM占空比增大，开关管断开时间减少，导通时间增大

优选地，在“模拟电阻侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，若实际阻值小于目标阻值，PWM占空比减小，开关管导通时间减少，断开时间增大

具体地，内部定时器中断后，如图5的流程图所示，

CPU捕捉到内部定时器中断后，进入定时中断服务程序2.1，进入流程2.2；

进入流程2.2，访问ADC，读取ADC_CH1、ADC_CH2各自通道的采集的电压值结果，存储在U_{_ch1}、U_{_ch2}中，进入流程2.3；

进入流程2.3，判断U_{_ch1}、U_{_ch2}关系，如果U_{_ch1}＝U_{_ch2}或非常接近，进入流程2.4；否则，进入流程2.5；

流程2.4，选择INT流程进行计算，进入流程2.6；

流程2.5，选择EXP流程进行计算，进入流程2.6；

进入流程2.6，控制PWM输出，具体地，生成PWM脉冲信号，根据PWM脉冲信号，控制模拟电路的OUT₁、OUT₂输出电阻信号的阻值接近目标阻值；进入流程2.7；

进入流程2.7，完成本次定时中断。

可以通过调整内部定时器每一次中断之间的间隔时间来调整模拟电阻的阻值调整的频率。

如果U_{_ch1}＝U_{_ch2}或非常接近，则判定没有外部电路接入，执行INT流程。即INT流程(无外部检测电路控制流程)是模拟电阻的OUT₁、OUT₂没有接入外部电路时施行的流程，如图6所示，INT流程具体为：

***选择并进入INT流程3.1后，进入流程3.2；

进入流程3.2，读取R_sp数值，(该R_sp可以是CPU通过外部通信等手段实时获取)，进入流程3.3；

进入流程3.3，查找预先存储在CPU内部的R_sp与PWM占空比对应关系，使用当前PWM占空比，进入流程3.4；

进入流程3.4，设定PWM控制参数，进入流程3.5；

进入流程3.5，完成本次INT流程。

虽然INT流程是模拟电阻的OUT₁、OUT₂没有接入外部电路时施行的流程，其仍然查找PWM占空比、设定PWM控制参数、生成PWM信号，进而根据PWM信号，控制模拟电路侧的输出阻值接近目标阻值，这是为了在没有接入外部电路时，已经将模拟电阻的阻值调整到目标阻值或接近目标阻值，这样一旦接入外部电路，由于输出阻值与目标阻值相同或接近，模拟电阻的响应速度加快。

当U_{_ch1}(ADC_CH1电压值)不等于U_{_ch2}(ADC_CH2电压值)时，判定模拟电阻接入外接电路进行信号仿真，执行EXP流程(有外部检测电路控制流程)。即EXP流程是模拟电阻的OUT₁、OUT₂接入外接检测电路时施行的流程，如图7和图3所示，EXP流程具体为：

***选择并进入EXP流程4.1后，进入流程4.2；

进入流程4.2，读取R_sp数值(CPU通过外部通信等手段实时获取)，进入流程4.3；

进入流程4.3，根据公式R_sim＝U_{_ch1}*R₁/U_{_ch2}，计算出R_sim(实际阻值)，进入流程4.4；

进入流程4.4，将R_sp、R_sim作为输入参数，输入PID控制模块，进行计算，进入流程4.5；

进入流程4.5，计算确定PWM占空比，进入流程4.6；

进入流程4.6，设定PWM控制参数，进入流程4.7；

进入流程4.7，完成本次EXP流程。

如图2所示，关于“流程4.3，根据公式R_sim＝U_{_ch1}*R₁/U_{_ch2}，计算出R_sim”，其原理是，当U_{_ch1}(ADC_CH1电压值)不等于U_{_ch2}(ADC_CH2电压值)时，判定模拟电阻接入外部电路进行信号仿真，此时通过Q₁、R₁的电流有效值相同，可以采用欧姆定律(I＝U/R)进行计算。那么，I＝U_{_ch2}/R₁，并且I＝U_{_ch1}/R_sim，由于R₁为高精度基准电阻，其电阻值已知，因此可以得出R_sim＝U_{_ch1}*R₁/U_{_ch2}。

本发明采用PWM信号控制开关管的快速通断，配合高精度基准电阻，实现电阻信号的模拟仿真输出；采用高精度数模转换器，分别采集高精度基准电阻两端的差分电压、整个模拟电阻两端的差分电压；由于高精度基准电阻与开关管是串联电路，因此可以通过比较两个差分电压，和已知高精度基准电阻的电阻值，计算出整个模拟电阻的实际电阻值，形成反馈数据；根据模拟电阻的目标电阻值与实际电阻值，动态控制PWM控制信号的占空比，实现模拟电阻的动态反馈控制。

通过CPU输出PWM信号控制开关管Q₁，通过PWM信号占空比调整模拟电阻的输出电阻；同时通过差分检测基准电阻R₁两端电压和整个模拟电阻两端电压，判断有无外部检测电路接入，分别采用INT流程开环控制PWM占空比；采用EXP流程，实时计算R_sim，形成反馈控制，结合R_sp，通过PID模块，进行PWM占空比控制。

利用实时计算模拟电阻的电阻值R_sim，以及模拟电阻的目标电阻值R_sp，进行PID计算，得出动态PWM信号的占空比参数，并生成PWM信号。利用通过反馈控制的PWM信号，控制开关管Q₁，从而实现整个模拟电阻实际电阻值的动态、反馈、精确控制。

本实施例中涉及的目标阻值为模拟电路所被需要输出的阻值，例如当模拟电路接入外部电路时，外部电路所需要模拟电路提供的阻值。该目标阻值可以是预先存储在CPU中的阻值，也可以是CPU通过外部通信等手段实时获取的阻值。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电阻的动态仿真控制方法，其特征在于，包括：

定时器中断，读取总电路侧的电压以及基准电阻侧的电压，所述总电路为所述基准电阻与开关管串联而成模拟电路，所述模拟电路的两端能够输出模拟电阻；

判断总电路侧的电压和基准电阻侧的电压的大小关系；

若总电路侧的电压和基准电阻侧的电压相等，则判定所述模拟电阻没有外部电路接入，则查找目标阻值与PWM占空比对应关系，使用该PWM占空比，设定PWM控制参数，生成PWM信号；

若总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等，则判定所述模拟电阻接入外接电路进行信号仿真，则计算总电路侧实际阻值，将目标阻值与实际阻值进行计算确定PWM占空比，进而设定PWM控制参数，生成PWM信号，所述“将目标阻值与实际阻值进行计算确定PWM占空比”包括：将目标阻值和实际阻值作为输入参数，输入PID控制模块，进行计算得到PWM占空比；

根据PWM信号，控制总电路侧的输出阻值接近目标阻值；

完成本次定时器中断。

2.根据权利要求1所述的电阻的动态仿真控制方法，其特征在于，步骤“计算总电路侧实际阻值”包括：

根据如下公式进行计算：

R_sim＝U_{_ch1}*R₁/U_{_ch2}

其中，R_sim是实际阻值，U_{_ch1}是总电路侧的电压；U_{_ch2}是基准电阻侧的电压，R₁基准电阻的阻值。

3.根据权利要求1所述的电阻的动态仿真控制方法，其特征在于，所述“根据PWM信号，控制总电路侧的输出阻值接近目标阻值”包括：PWM信号通过控制开关管的通断以及开关管通断的时间来调整总电路侧的输出阻值的大小，以使得控制总电路侧的输出阻值接近目标阻值。

4.根据权利要求1所述的电阻的动态仿真控制方法，其特征在于，输出阻值为经过PWM信号调整后的阻值。

5.根据权利要求1所述的电阻的动态仿真控制方法，其特征在于，在“总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，若实际阻值大于目标阻值，PWM占空比增大，开关管断开时间减小、导通时间增大。

6.根据权利要求1所述的电阻的动态仿真控制方法，其特征在于，在“总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，若实际阻值小于目标阻值，PWM占空比减小，开关管接通时间减小、断开时间增大。

7.根据权利要求1、2、3、5或6所述的电阻的动态仿真控制方法，其特征在于，实际阻值为当“总电路侧的电压和基准电阻侧的电压不相等”的情况下，未经过PWM信号调整前的总电路侧的阻值。