一種基于總線(xiàn)的智能型執行器系統設計

在自動(dòng)控制系統中，執行器同控制器或控制系統相連，共同實(shí)現對工業(yè)過(guò)程的控制?，F場(chǎng)總線(xiàn)是過(guò)程控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)三大技術(shù)領(lǐng)域相結合的產(chǎn)物。WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)既是實(shí)時(shí)的，可預測的，又是面向未來(lái)的、能夠和Internet連接的現場(chǎng)總線(xiàn)。本文對開(kāi)發(fā)基于WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能電動(dòng)執行器的軟硬件進(jìn)行了探討，包括：MCU控制板卡，通信板卡和驅動(dòng)板卡，以及相關(guān)軟件程序的設計與開(kāi)發(fā)。

1、引言

現場(chǎng)總線(xiàn)是從20世紀80年代中期發(fā)展起來(lái)的。隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化與微處理器計算機網(wǎng)絡(luò )的不斷發(fā)展，要求有一種能在工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境運行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統以形成工廠(chǎng)底層網(wǎng)絡(luò )，完成現場(chǎng)自動(dòng)化設備之間的多點(diǎn)數字通信，實(shí)現底層現場(chǎng)設備之間以及生產(chǎn)現場(chǎng)與外界的信息交換。上世紀八、九十年代以來(lái)，逐步出現多種智能執行器，本文主要完成一種基于WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的智能電動(dòng)執行器設計。

2、電動(dòng)執行器硬件整體架構及框圖

圖1WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)智能執行器控制器硬件框圖

整體硬件框圖如圖1。兩條現場(chǎng)總線(xiàn)1，2互為熱備份，連到通信板卡，通信板卡將總線(xiàn)活動(dòng)轉換為MCU能夠理解的信息，完成總線(xiàn)變量、消息、事件的傳遞，它是WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)通信協(xié)議的具體實(shí)現，它的設計也是本設計中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。MCU是本儀表的處理核心，所有的程序、數據、算法、功能塊和通信庫都存儲其中，用戶(hù)程序使用它內置的通信庫來(lái)完成與總線(xiàn)的數據交換，并按照總線(xiàn)指令驅動(dòng)執行器輸出，把執行器角位置經(jīng)過(guò)A/D轉換后送入總線(xiàn)，對執行器角位置的命令值和當前反饋值通過(guò)LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。電源轉換、電機的驅動(dòng)與隔離以及角位置反饋都集成在驅動(dòng)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(gè)控制器的處理核心，任務(wù)包括：通過(guò)通信板卡與WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)進(jìn)行通信，程序運行、數據存儲與運算，信號處理，LCD顯示和執行器驅動(dòng)信號輸出等?；谝陨?，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;內部具有32K的FLASH、768字節的EEPROM和1K的RAM，能夠滿(mǎn)足程序的存儲、堆棧使用、數據存儲和未來(lái)的擴容需求而無(wú)須另外擴充存儲器;總線(xiàn)速度快，8M，4M，2M主頻可選，一個(gè)時(shí)鐘周期就可以完成對齊/非對齊字的讀寫(xiě)，系統總線(xiàn)上干擾較少;I/O口數量充足;內置有8路10位A/D轉換器;內置4路8位或2路16位PWM通道;內置SCI，SPI和看門(mén)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(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊。該模塊技術(shù)成熟，與MCU接口簡(jiǎn)單，減少了開(kāi)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、驅動(dòng)及反饋板卡的開(kāi)發(fā)

本設計的電源輸入DC24V，硬件采用LM2572-5.0來(lái)完成DC24V到DC5V的轉換，LM2572-12來(lái)完成DC24V到DC12V的轉換。LM2575系列開(kāi)關(guān)穩壓集成電路是美國國家半導體公司生產(chǎn)的集成穩壓電路，它內部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構成一種高效的穩壓電路，可大大減小散熱片的體積，而在大多數情況下并不需要散熱片;內部有完善的保護電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等;芯片可提供外部控制引腳。是傳統三端式穩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(dòng)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(jià)格因素，本設計中仍然沿用了傳統的電位器反饋，阻值500歐姆，精度1%。接線(xiàn)比較簡(jiǎn)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(dòng)執行器，額定轉矩250Nm，4~20mA電流驅動(dòng)，采用電位器反饋。在電機驅動(dòng)中采用了北京科通電子繼電器總廠(chǎng)生產(chǎn)的國冠牌JGX-3F型交流固態(tài)繼電器。圖3所示為驅動(dòng)電動(dòng)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(dòng)機反轉的應用電路圖與之類(lèi)似。

圖3固態(tài)繼電器用于電機正轉

3.3通信板卡的開(kāi)發(fā)

通信板卡負責與WorldFIP現場(chǎng)總線(xiàn)的通信，是本設計的重點(diǎn)與難點(diǎn)。板卡關(guān)鍵元件包括通信控制器MICROFIP，線(xiàn)驅動(dòng)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)驅動(dòng)器(FILEDRIVE)和隔離變壓器(FILEDTR)。該板卡是總線(xiàn)冗余的，配備有兩路完全相同的通信收發(fā)驅動(dòng)器和隔離變壓器。

圖4通信板卡總體框圖

4、電動(dòng)執行器硬件

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

整個(gè)軟件的設計完全由匯編語(yǔ)言寫(xiě)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(wù)程序，A/D轉換子程序，LCD顯示子程序，執行器驅動(dòng)輸出子程序和以上提到的通信庫等幾個(gè)部分以及輔助的寫(xiě)FLASH程序和寫(xiě)EEPROM程序。MICROFIP的變量與消息的管理都依靠中斷來(lái)完成，機制簡(jiǎn)述如下：MICROFIP滿(mǎn)足一定條件時(shí)會(huì )從它的IRQ0N管腳給出中斷信號，這時(shí)MCU內部的程序跳轉到中斷服務(wù)程序，通過(guò)讀MICROFIP內部的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INT_FLAG置位，而主程序中在初始化后則進(jìn)入死循環(huán)，在循環(huán)內反復讀該標志字節，從而跳轉到相應的處理程序，圖5為中斷處理程序流程圖。