一種基于總線的智能型執(zhí)行器系統(tǒng)設計

在自動控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器同控制器或控制系統(tǒng)相連，共同實現(xiàn)對工業(yè)過程的控制?，F(xiàn)場總線是過程控制技術、儀表工業(yè)技術和計算機網(wǎng)絡技術三大技術領域相結合的產(chǎn)物。WorldFIP現(xiàn)場總線既是實時的，可預測的，又是面向未來的、能夠和Internet連接的現(xiàn)場總線。本文對開發(fā)基于WorldFIP現(xiàn)場總線技術的智能電動執(zhí)行器的軟硬件進行了探討，包括：MCU控制板卡，通信板卡和驅(qū)動板卡，以及相關軟件程序的設計與開發(fā)。

1、引言

現(xiàn)場總線是從20世紀80年代中期發(fā)展起來的。隨著工業(yè)自動化與微處理器計算機網(wǎng)絡的不斷發(fā)展，要求有一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運行的、性能可靠、造價低廉的通信系統(tǒng)以形成工廠底層網(wǎng)絡，完成現(xiàn)場自動化設備之間的多點數(shù)字通信，實現(xiàn)底層現(xiàn)場設備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。上世紀八、九十年代以來，逐步出現(xiàn)多種智能執(zhí)行器，本文主要完成一種基于WorldFIP現(xiàn)場總線技術的智能電動執(zhí)行器設計。

2、電動執(zhí)行器硬件整體架構及框圖

圖1WorldFIP現(xiàn)場總線智能執(zhí)行器控制器硬件框圖

整體硬件框圖如圖1。兩條現(xiàn)場總線1，2互為熱備份，連到通信板卡，通信板卡將總線活動轉換為MCU能夠理解的信息，完成總線變量、消息、事件的傳遞，它是WorldFIP現(xiàn)場總線通信協(xié)議的具體實現(xiàn)，它的設計也是本設計中的重點和難點。MCU是本儀表的處理核心，所有的程序、數(shù)據(jù)、算法、功能塊和通信庫都存儲其中，用戶程序使用它內(nèi)置的通信庫來完成與總線的數(shù)據(jù)交換，并按照總線指令驅(qū)動執(zhí)行器輸出，把執(zhí)行器角位置經(jīng)過A/D轉換后送入總線，對執(zhí)行器角位置的命令值和當前反饋值通過LCD進行實時顯示。電源轉換、電機的驅(qū)動與隔離以及角位置反饋都集成在驅(qū)動板卡上。

3、硬件電路詳細設計

3.1MCU板卡與LCD設計

MCU作為整個控制器的處理核心，任務包括：通過通信板卡與WorldFIP現(xiàn)場總線進行通信，程序運行、數(shù)據(jù)存儲與運算，信號處理，LCD顯示和執(zhí)行器驅(qū)動信號輸出等。基于以上，我們選用了Motorola的68HC12系列的16位單片機68HC912BC32作為本設計的MCU，它與68HC11向上兼容;內(nèi)部具有32K的FLASH、768字節(jié)的EEPROM和1K的RAM，能夠滿足程序的存儲、堆棧使用、數(shù)據(jù)存儲和未來的擴容需求而無須另外擴充存儲器;總線速度快，8M，4M，2M主頻可選，一個時鐘周期就可以完成對齊/非對齊字的讀寫，系統(tǒng)總線上干擾較少;I/O口數(shù)量充足;內(nèi)置有8路10位A/D轉換器;內(nèi)置4路8位或2路16位PWM通道;內(nèi)置SCI，SPI和看門狗;具有模糊邏輯指令;還有WAIT，STOP兩種省電模式可選。LCD顯示器選用了南京國顯公司的HD44780點陣字符型液晶顯示模塊。該模塊技術成熟，與MCU接口簡單，減少了開發(fā)周期。68HC12與LCD的接口如圖2所示。

圖268HC12與LCD的接口圖

3.2電源轉換、驅(qū)動及反饋板卡的開發(fā)

本設計的電源輸入DC24V，硬件采用LM2572-5.0來完成DC24V到DC5V的轉換，LM2572-12來完成DC24V到DC12V的轉換。LM2575系列開關穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導體公司生產(chǎn)的集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩(wěn)壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數(shù)情況下并不需要散熱片;內(nèi)部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等;芯片可提供外部控制引腳。是傳統(tǒng)三端式穩(wěn)壓集成電路的理想替代產(chǎn)品。典型特性：振蕩頻率54kHz;最大穩(wěn)壓誤差4%;轉換效率75%～88%(不同電壓輸出的效率不同);工作溫度范圍-40℃～+125℃。

位置反饋模塊。該模塊作用是將電動機經(jīng)減速器輸出的角位置反饋到68HC12中，可以考慮光電編碼器和霍爾傳感元件，但考慮到價格因素，本設計中仍然沿用了傳統(tǒng)的電位器反饋，阻值500歐姆，精度1%。接線比較簡單。

本設計所使用的電機是天津生產(chǎn)制造的3100型角行程電動執(zhí)行器，額定轉矩250Nm，4~20mA電流驅(qū)動，采用電位器反饋。在電機驅(qū)動中采用了北京科通電子繼電器總廠生產(chǎn)的國冠牌JGX-3F型交流固態(tài)繼電器。圖3所示為驅(qū)動電動機正轉的應用電路圖，68HC12將控制信號置為高電平，使三級管導通，固態(tài)繼電器輸入端加入正向壓降，輸出導通，電機正轉。電動機反轉的應用電路圖與之類似。

圖3固態(tài)繼電器用于電機正轉

3.3通信板卡的開發(fā)

通信板卡負責與WorldFIP現(xiàn)場總線的通信，是本設計的重點與難點。板卡關鍵元件包括通信控制器MICROFIP，線驅(qū)動器FIELDRIVE和隔離變壓器FIELDTR，均由法國ALSTOM公司設計、提供。WorldFIP通信板卡的組成框圖如圖4。按照功能分為3大部分：通信控制器(MICROFIP)，通信收發(fā)驅(qū)動器(FILEDRIVE)和隔離變壓器(FILEDTR)。該板卡是總線冗余的，配備有兩路完全相同的通信收發(fā)驅(qū)動器和隔離變壓器。

圖4通信板卡總體框圖

4、電動執(zhí)行器硬件

MCUez集成應用圖形開發(fā)環(huán)境是68HC12的軟件開發(fā)平臺，它分為Motpad文本編輯程序，Assembler編譯程序，DEBUG調(diào)試程序和Linker連接程序4部分。其中，最為重要的它的DEBUG調(diào)試程序，該程序的源代碼窗口，匯編代碼窗口，數(shù)據(jù)窗口，命令行窗口，寄存器窗口和內(nèi)存窗口，可以對用戶程序完成斷點跟蹤，單步調(diào)試，全速運行等多種調(diào)試功能。該工具結合串行調(diào)試接口(SDI)共同完成對MCU程序的調(diào)試工作。

整個軟件的設計完全由匯編語言寫成，貫徹了自頂向下和模塊化的原則，主要包括主程序，中斷服務程序，A/D轉換子程序，LCD顯示子程序，執(zhí)行器驅(qū)動輸出子程序和以上提到的通信庫等幾個部分以及輔助的寫FLASH程序和寫EEPROM程序。MICROFIP的變量與消息的管理都依靠中斷來完成，機制簡述如下：MICROFIP滿足一定條件時會從它的IRQ0N管腳給出中斷信號，這時MCU內(nèi)部的程序跳轉到中斷服務程序，通過讀MICROFIP內(nèi)部的IRQSA寄存器，可以知道究竟是什么原因觸發(fā)了中斷，并給標志字節(jié)INT_FLAG置位，而主程序中在初始化后則進入死循環(huán)，在循環(huán)內(nèi)反復讀該標志字節(jié)，從而跳轉到相應的處理程序，圖5為中斷處理程序流程圖。[!--empirenews.page--]

1、角反饋位置子程序。68HC12片上提供了一個8路10位的A/D轉換器，由于其簡單易用，可靠性高，因此本設計中，應用該A/D轉換器來完成位置信號的反饋。在本設計中，ATDCTL2賦值80H，允許A/D功能。正常清除A/D轉換標志，不允許中斷。ATDCTL3賦值00H，選擇連續(xù)轉換模式，不許凍結。ATDCTL4賦值01H，分頻因子為4，采樣時間為2個A/D時鐘。A/D轉換完畢后，就可以得到當前角位置反饋，然后將該值存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，供執(zhí)行器驅(qū)動子程序、向總線仲裁器發(fā)送的變量寫子程序和LCD顯示子程序使用。

2、執(zhí)行器輸出驅(qū)動子程序。由于執(zhí)行器的正反轉輸出由MCU上的兩個I/O口進行控制，所以對其控制比較簡單，在此不作詳細敘述。值得一提的是本設計中將死區(qū)嵌入了對到達指定位置判斷的子程序中，執(zhí)行器正轉時，反饋值不能大于指定值加1(指定值為0～100%開度)，反轉時，反饋值不能小于指定值減1。即死區(qū)被定為1%。

圖5中斷處理程序流程圖

3、LCD顯示子程序。本設計使用的LCD控制器HD44780必須進行初始化，否則模塊可能無法正常顯示，一般通過軟件復位程序來完成其初始化。將LCD設置為8位數(shù)據(jù)接口，2行顯示，5×7點陣，顯示開，光標關，閃爍關，無移位。第一行地址80H，第二行地址C0H。在對LCD初始化結束后，可以對LCD進行讀寫操作。LCD的讀寫操作都是在E管腳的下降沿有效，所以讀寫前要確保數(shù)據(jù)準備好，先將E置高，再將其置低，完成讀寫操作。

4、軟件的固化。軟件調(diào)試完畢后需要把程序固化到MCU68HC12的FLASH中，68HC12的FLASH控制寄存器共有4個，它們是：FEELCK，F(xiàn)EEMCR，F(xiàn)EETST和FEECTL。FEELCK等于01H時將禁止FLASH，F(xiàn)EEMCR等于01H時將擦除和編程FLASH的啟動塊，F(xiàn)EETST主要用來進行測試，而FEECTL則具體控制FLASH的讀寫編程。