基于C8051F330的低成本電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制器研究

2013-09-05 夏汝華 重慶工業(yè)自動(dòng)化儀表研究所

  介紹了利用一種高性能的單片機(jī)C8051F330應(yīng)用于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制器的實(shí)現(xiàn)方法。C8051F330內(nèi)部集成了眾多的功能部件,是真正的混合信號(hào)在片系統(tǒng),它的價(jià)格還非常低廉,能大大降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

  執(zhí)行機(jī)構(gòu),又稱執(zhí)行器,是一種自動(dòng)控制領(lǐng)域的常用機(jī)電一體化設(shè)備(器件),是自動(dòng)化儀表的三大組成部分(檢測設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備)中的執(zhí)行設(shè)備。主要是對(duì)一些設(shè)備和裝置進(jìn)行自動(dòng)操作,控制其開關(guān)和調(diào)節(jié),代替人工作業(yè)。

  我國的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器是六十年代統(tǒng)一設(shè)計(jì)的,三十多年來在技術(shù)上沒有多大創(chuàng)新,最早的型號(hào)有DTZ和DTJ,此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器是獨(dú)立的,安裝時(shí)需要分體安裝,隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,電子元器件的可靠性大大提高,集成度越來越高,將執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器融為一體也成為了可能,所有從九十年代開始紛紛出現(xiàn)了一些伺服一體化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品,但這個(gè)時(shí)期的伺服一體化控制器大部分是基于模擬電路的,調(diào)試和使用不是很方便,進(jìn)入二十一世紀(jì),智能伺服控制器大量出現(xiàn),但大都價(jià)格比較昂貴。有沒有辦法實(shí)現(xiàn)既便宜又智能化的伺服控制器,答案是肯定的。

1、基于C8051F330的低成本電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制的實(shí)現(xiàn)方法

  C8051F330是一種完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)單片機(jī),片內(nèi)含一個(gè)CIP-51內(nèi)核,它的指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。它除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外,片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)功能部件。CIP-51是一種增強(qiáng)的51內(nèi)核,其指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容,具有標(biāo)準(zhǔn)的8051的組織架構(gòu),可以使用標(biāo)準(zhǔn)的803X/805X匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu),70%的指令執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期,是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍,其峰值執(zhí)行速度可達(dá)25MIPS[1]

  C8051F330包括的資源有:

  ●一個(gè)CIP-51內(nèi)核

  ●4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器

  ●一個(gè)具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工UART(串口)

  ●一個(gè)增強(qiáng)型SPI端口

  ●768字節(jié)內(nèi)部RAM

  ●128字節(jié)特殊功能寄存器(SFR)地址空間

  ●全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)度接口

  ●真正10位200ksps的16通道單端/差分ADC

  ●10位電流輸出DAC

  ●3個(gè)捕捉/比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)/定時(shí)器陳列(PCA)

  ●片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗

  ●溫度傳感器

  ●片內(nèi)電壓比較器

  ●片內(nèi)集成基準(zhǔn)電壓源

  ●17個(gè)端口I/O

  ●高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器

  ●8K可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器

  ●硬件實(shí)現(xiàn)的SMBUS/I2C

  對(duì)于電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服控制器的應(yīng)用來說,若使用C8051F330來作主控芯片,只需要增加少量外圍電路即可滿足系統(tǒng)需求,可以省掉傳統(tǒng)智能伺服控制器中所用到的許多獨(dú)立IC,如多路A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、看門狗、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(EEPROM)、基準(zhǔn)電壓源。這樣整個(gè)系統(tǒng)成本就大大降低了,本文實(shí)現(xiàn)的基于C8051F330的智能伺服控制器最終成本和傳統(tǒng)模擬伺服控制器成本差不多。

  圖1是智能伺服控制器原理框圖。

  從原理框圖中可以看出伺服控制器的工作原理是:

  控制系統(tǒng)輸出一個(gè)4~20mA的開度控制信號(hào),伺服控制器將此開度控制信號(hào)與位置傳感器采樣到的閥位值進(jìn)行比較,如果當(dāng)前閥門(或風(fēng)門)的開度與控制信號(hào)開度指令一致,伺服控制器則會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn),最終驅(qū)動(dòng)閥門(或風(fēng)門)的開啟或關(guān)閉,以達(dá)到控制閥門(或風(fēng)門)開度的目的。同時(shí)伺服控制器實(shí)時(shí)地將閥門(或風(fēng)門)的開度轉(zhuǎn)換成4~20mA閥位開度信號(hào)后輸出給控制系統(tǒng)。

智能伺服控制原理框圖

圖1 智能伺服控制原理框圖

  C8051F330中我們用到的混合資源有:

  (1)8KFlash程序存儲(chǔ)器

  不僅將其作為程序空間使用,由于其具有在系統(tǒng)可擦寫的特性,我們還將部分空間開辟為各類參數(shù)的存儲(chǔ)空間,這樣就可以省下一個(gè)EEPROM器件。

  (2)內(nèi)部時(shí)鐘源

  C8051F330含有兩個(gè)內(nèi)部振蕩器,一個(gè)24.5MHz的振蕩器,精度達(dá)到±2%,這一精度完全滿足本系統(tǒng)的需求,并且還可對(duì)其進(jìn)行多種分頻操作;另一個(gè)是80/40/20/10kHz低頻率振蕩器。我們采用了第一種振蕩器作為系統(tǒng)主頻。

  (3)定時(shí)器及溢出中斷

  用到了兩個(gè)定時(shí)器T0和T2,T0定時(shí)1ms并開啟中斷,在T0溢出中斷主要完成鍵盤掃描功能。T2溢出頻率100K,T2用來定時(shí)啟動(dòng)A/D采樣,采樣頻率就是100K。

  (4)A/D轉(zhuǎn)換器

  用兩個(gè)通道的A/D轉(zhuǎn)換器分別對(duì)控制信號(hào)和閥位信號(hào)進(jìn)行采樣,另外還有一個(gè)通過對(duì)溫度進(jìn)行采樣。

  (5)D/A轉(zhuǎn)換器

  由于要求伺服控制器需要向系統(tǒng)反饋一個(gè)閥位開度信號(hào),所以我們需要將采樣的閥位值進(jìn)行D/A后傳輸給系統(tǒng),C8051F330提供的D/A轉(zhuǎn)換器有10位分辯率,完全符合本系統(tǒng)的要求。

  (6)基準(zhǔn)電壓源

  A/D和D/A轉(zhuǎn)換器都需要基準(zhǔn)電壓源,C8051F330內(nèi)部同樣集成了一個(gè)2.5V精密電壓源,我們可以將其作為A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源。

  (7)片內(nèi)電壓監(jiān)視器及看門狗

  C8051F330內(nèi)部集成的了電復(fù)電路和電源監(jiān)視電路,當(dāng)上電和電源波動(dòng)超過某個(gè)值時(shí)能可靠復(fù)位,另外本系統(tǒng)還使用了其自帶的看門狗,可有效防止程序“跑飛”。

  (8)輸入輸出I/O口

  3個(gè)輸入端口用于鍵盤接口,7個(gè)輸出端口各種狀態(tài)指示和電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制等。

2、小結(jié)

  本文所介紹的基于C8051F330的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制器結(jié)構(gòu)簡單,在滿足系統(tǒng)的智能化同時(shí),大大降低了系統(tǒng)成本,本智能伺服控制器已投入市場三年多,證明其性能十分穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

  [1]潘琢金.C8051F330/1混合信號(hào)ISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[M].2003,12.