基于C8051F330的低成本电动执行机构智能伺服控制器研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)重庆工业自动化仪表研究所 作者:夏汝华

  介绍了利用一种高性能的单片机C8051F330应用于电动执行机构智能伺服控制器的实现方法。C8051F330内部集成了众多的功能部件,是真正的混合信号在片系统,它的价格还非常低廉,能大大降低整个系统的成本。

  执行机构,又称执行器,是一种自动控制领域的常用机电一体化设备(器件),是自动化仪表的三大组成部分(检测设备、调节设备和执行设备)中的执行设备。主要是对一些设备和装置进行自动操作,控制其开关和调节,代替人工作业。

  我国的执行机构和伺服放大器是六十年代统一设计的,三十多年来在技术上没有多大创新,最早的型号有DTZ和DTJ,此时执行机构和伺服放大器是独立的,安装时需要分体安装,随着电子技术的飞速发展,电子元器件的可靠性大大提高,集成度越来越高,将执行机构和伺服放大器融为一体也成为了可能,所有从九十年代开始纷纷出现了一些伺服一体化的执行机构产品,但这个时期的伺服一体化控制器大部分是基于模拟电路的,调试和使用不是很方便,进入二十一世纪,智能伺服控制器大量出现,但大都价格比较昂贵。有没有办法实现既便宜又智能化的伺服控制器,答案是肯定的。

1、基于C8051F330的低成本电动执行机构智能伺服控制的实现方法

  C8051F330是一种完全集成的混合信号系统级单片机,片内含一个CIP-51内核,它的指令系统与MCS-51完全兼容。它除了具有标准8052的数字外设部件之外,片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设功能部件。CIP-51是一种增强的51内核,其指令系统与MCS-51完全兼容,具有标准的8051的组织架构,可以使用标准的803X/805X汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51采用流水线结构,70%的指令执行时间为1或2个系统时钟周期,是标准8051指令执行速度的12倍,其峰值执行速度可达25MIPS[1]

  C8051F330包括的资源有:

  ●一个CIP-51内核

  ●4个通用16位计数器/定时器

  ●一个具有增强波特率配置的全双工UART(串口)

  ●一个增强型SPI端口

  ●768字节内部RAM

  ●128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间

  ●全速、非侵入式的在系统调度接口

  ●真正10位200ksps的16通道单端/差分ADC

  ●10位电流输出DAC

  ●3个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数/定时器陈列(PCA)

  ●片内上电复位、VDD监视器、看门狗

  ●温度传感器

  ●片内电压比较器

  ●片内集成基准电压源

  ●17个端口I/O

  ●高精度可编程的25MHz内部振荡器

  ●8K可在系统编程的FLASH存储器

  ●硬件实现的SMBUS/I2C

  对于电动执行机构伺服控制器的应用来说,若使用C8051F330来作主控芯片,只需要增加少量外围电路即可满足系统需求,可以省掉传统智能伺服控制器中所用到的许多独立IC,如多路A/D转换器、D/A转换器、看门狗、外部数据存储器(EEPROM)、基准电压源。这样整个系统成本就大大降低了,本文实现的基于C8051F330的智能伺服控制器最终成本和传统模拟伺服控制器成本差不多。

  图1是智能伺服控制器原理框图。

  从原理框图中可以看出伺服控制器的工作原理是:

  控制系统输出一个4~20mA的开度控制信号,伺服控制器将此开度控制信号与位置传感器采样到的阀位值进行比较,如果当前阀门(或风门)的开度与控制信号开度指令一致,伺服控制器则会驱动电机正转或反转,最终驱动阀门(或风门)的开启或关闭,以达到控制阀门(或风门)开度的目的。同时伺服控制器实时地将阀门(或风门)的开度转换成4~20mA阀位开度信号后输出给控制系统。

智能伺服控制原理框图

图1 智能伺服控制原理框图

  C8051F330中我们用到的混合资源有:

  (1)8KFlash程序存储器

  不仅将其作为程序空间使用,由于其具有在系统可擦写的特性,我们还将部分空间开辟为各类参数的存储空间,这样就可以省下一个EEPROM器件。

  (2)内部时钟源

  C8051F330含有两个内部振荡器,一个24.5MHz的振荡器,精度达到±2%,这一精度完全满足本系统的需求,并且还可对其进行多种分频操作;另一个是80/40/20/10kHz低频率振荡器。我们采用了第一种振荡器作为系统主频。

  (3)定时器及溢出中断

  用到了两个定时器T0和T2,T0定时1ms并开启中断,在T0溢出中断主要完成键盘扫描功能。T2溢出频率100K,T2用来定时启动A/D采样,采样频率就是100K。

  (4)A/D转换器

  用两个通道的A/D转换器分别对控制信号和阀位信号进行采样,另外还有一个通过对温度进行采样。

  (5)D/A转换器

  由于要求伺服控制器需要向系统反馈一个阀位开度信号,所以我们需要将采样的阀位值进行D/A后传输给系统,C8051F330提供的D/A转换器有10位分辩率,完全符合本系统的要求。

  (6)基准电压源

  A/D和D/A转换器都需要基准电压源,C8051F330内部同样集成了一个2.5V精密电压源,我们可以将其作为A/D和D/A转换器的基准源。

  (7)片内电压监视器及看门狗

  C8051F330内部集成的了电复电路和电源监视电路,当上电和电源波动超过某个值时能可靠复位,另外本系统还使用了其自带的看门狗,可有效防止程序“跑飞”。

  (8)输入输出I/O口

  3个输入端口用于键盘接口,7个输出端口各种状态指示和电机正反转控制等。

2、小结

  本文所介绍的基于C8051F330的电动执行机构智能伺服控制器结构简单,在满足系统的智能化同时,大大降低了系统成本,本智能伺服控制器已投入市场三年多,证明其性能十分稳定可靠。

参考文献

  [1]潘琢金.C8051F330/1混合信号ISPFLASH微控制器数据手册[M].2003,12.

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