PIC24單片機在軋機液壓缸行程檢測上的應用

工作輥卡板是軋機工作輥的一個(gè)關(guān)鍵定位裝置，安鋼1780MM精軋機組由7架精軋機組成，每架軋機的工作輥都有8個(gè)卡板進(jìn)行固定，在換輥時(shí)這些卡板可以打開(kāi)，卡板驅動(dòng)由卡板液壓缸來(lái)實(shí)現。目前，卡板的開(kāi)閉狀態(tài)都是通過(guò)磁感應開(kāi)關(guān)來(lái)檢測，由于軋機上水汽大并存在強磁場(chǎng)干擾，磁感應開(kāi)關(guān)在工作中會(huì )經(jīng)常丟失信號，引起停車(chē)事故，從而嚴重影響生產(chǎn)節奏。為此，需要開(kāi)發(fā)一套使用PIC24單片機，配合渦街流量計通過(guò)檢測液壓回路內流體累積流量的方式實(shí)現液壓缸行程檢測的系統。

1 液壓缸行程檢測系統簡(jiǎn)介

圖1是液壓缸行程檢測系統的檢測原理示意圖。從渦街流量計變送器得到的信號是由線(xiàn)圈或霍爾元件在旋轉中產(chǎn)生的具有正負半周的微弱電脈沖信號，其幅值非常小，一般在毫安級。系統中的整形單元將該微弱信號轉變成同頻率，單片機可以識別的正脈沖信號。

1.1 瞬時(shí)流量

瞬時(shí)流量正比于流量及輸出的脈沖頻率，如式(1)所示，式中，Ft為體積流量，單位為m3/h;k為流量計儀表系數，單位為1/m3;f為流量計輸出頻率，單位為Hz。

當頻率f在0和f1之間時(shí)，儀表系數k按k1計算。當頻率f大于f8時(shí)，儀表系數k就按照k8計算。當頻率在f1與f2之間時(shí)，儀表系數k=(f-f1)/(f2-f1)·(k2-k1)，依次類(lèi)推。

1.2 頻率測量方法

通常頻率測量方法有兩種：測周法和測頻法。測頻法就是在一定的時(shí)間間隔內，對輸入的周期信號脈沖計數，如圖2所示，按照普通測頻法的原理，會(huì )有誤差△n=±1。造成計數誤差的原因如下：

1)定時(shí)器啟動(dòng)后，沒(méi)有遇上待測脈沖的下降沿，而要等t1時(shí)間后才開(kāi)始計數;

2)定時(shí)器時(shí)問(wèn)到，不在待測脈沖的末尾，而提前了t2時(shí)間。

為了消除△n=±1誤差，系統中采用了新的測頻方法，采用式(3)進(jìn)行。

f=n/t’ (3)

系統中，利用單片機的軟件可控性，使消除計數誤差△n變得簡(jiǎn)單，計數時(shí)使用單片機的兩個(gè)定時(shí)器，一個(gè)定時(shí)，一個(gè)計數。計數器由外部信號控制啟動(dòng)，且與待測脈沖信號同步，這樣就消除了普通測頻法中t1的影響。在新測頻法中，當定時(shí)時(shí)間t到了以后，CPU采樣到最后一個(gè)脈沖后，此時(shí)計數值為n，n個(gè)脈沖的時(shí)間為t’，這樣就消除了普通測頻法中t2的影響。這種測量方法的誤差≤1%。對定時(shí)時(shí)間t的選取小于1 s，這樣就保證對頻率信號的響應時(shí)間小于1 s。

2 PIC24單片機高速脈沖捕捉功能實(shí)現

本系統中選用PIC24系列單片機是Microchip新的產(chǎn)品系列，該芯片是一款高性能16位RISC單片機，其采用先進(jìn)的哈弗構架，工作時(shí)鐘在32 MHz頻率下，指令速度高達16MIP S。

在設計中，使用PIC單片機的16位捕捉輸入通道，高速捕捉渦街流量計發(fā)出的脈沖信號，采用上文闡述的脈沖測量方法，通過(guò)編程實(shí)現液壓缸行程測量。圖3為PIC24單片機輸入捕獲的功能框圖。

在本系統的控制程序中，首先設置ICxCON控制器中捕獲預分頻，以及邊沿檢測邏輯(上升沿檢測)。當在捕獲通道ICx有輸入信號符合邊沿檢測條件時(shí)，這時(shí)將把捕獲信號的數值存入FIFO讀/寫(xiě)緩存區。如果應用程序需要讀取捕獲的數值，可以根據捕獲中斷ICxIF標志判斷捕獲事件，從16位定時(shí)器TMRy、TMRx中讀取捕獲通道信號的數值就可以計算捕獲通道信號的大小，信號的寬度信息。

C語(yǔ)言程序中，設置為輸入捕獲模式1，每捕獲4個(gè)上升沿，進(jìn)行一次中斷，設置定時(shí)器2為基準時(shí)間，為了避免異常中斷，屏蔽了IC1CON功能。實(shí)現代碼如下：

IPC0bits.IC1IP=1; //設置輸入捕獲寄存器為第一級優(yōu)先級

IFS0bits.IC1IF=0; //清除IC1中斷狀態(tài)標志

IEC0bits.IC1IE=1; //使能IC1中斷

IC1 CON=0X0000; //關(guān)閉輸入捕獲模式1

IC1 CON=0X00A4; //打開(kāi)輸入捕獲模式1

3 硬件設計與功能實(shí)現

系統硬件設計采用PIC24FJ128GA單片機芯片，配合相應檢測電路實(shí)現，液晶顯示單元由驅動(dòng)器HD44100和8位LCD構成。

1)單片機的T0CK1是其計數器0的輸入端口，這里用來(lái)作為放大整形脈沖信號的輸入檢測端。

2)單片機的0SC1腳相連的是RC震蕩器的外界電阻和電容。

3)單片機的RB2、RB4、RB6作為按鍵的IO輸入口。

4)液晶驅動(dòng)模塊使用HD44100，其采用靜態(tài)驅動(dòng)方式。

5)每0.5 s計算一次瞬時(shí)流量(0.5 s內的平均值)，每5 s將累積流量值保存入E2PROM一次。

4 軟件設計與功能實(shí)現

軟件主要包括主程序，信號采集、測量、濾波程序、顯示程序和讀寫(xiě)E2PROM程序等其它子程序。

4.1 主程序

主程序完成實(shí)時(shí)性要求不高的功能，完成系統上電初始化，實(shí)現鍵盤(pán)處理，動(dòng)態(tài)計算，刷新顯示等功能。其中，數據處理模塊主要是完成信號頻率與設定頻率的比較、儀表系數k值的確定，瞬時(shí)流量的計算、累計流量的計算等功能。

4.2 中斷服務(wù)程序

中斷服務(wù)程序由相應的中斷源提出申請，MCU實(shí)時(shí)響應。服務(wù)程序調用后，首先判斷當前中斷類(lèi)型，然后進(jìn)行相應的處理。圖4為系統軟件設計流程圖。

5 應用效果

為了解決1780熱軋機組工作輥卡板缸信號頻閃的問(wèn)題，在每個(gè)卡板缸的進(jìn)油端安裝一臺流量計，流量計的脈沖信號進(jìn)入上文的檢測系統，對卡板缸的狀態(tài)進(jìn)行在線(xiàn)檢測。

每個(gè)液壓缸對應開(kāi)閉流量值可以在首次使用時(shí)通過(guò)按鍵進(jìn)行設定，并在系統中設置了最小流量，從而避免小信號的干擾。經(jīng)長(cháng)時(shí)間試用，卡板缸的狀態(tài)信號穩定性得到很大改善，減少了維護人員更換機上接近開(kāi)關(guān)的工作量，保證了正常的軋制節奏。

6 結束語(yǔ)

本文介紹了一種新型的軋機液壓缸行程檢測技術(shù)，并以一款產(chǎn)品為例，詳細闡述了其檢測原理、軟硬件設計方案，最后以一個(gè)具體的應用為對象，分析了該系統在實(shí)際工業(yè)現場(chǎng)的應用效果。