一種基于總線的智能型執(zhí)行器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在自動(dòng)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(shí)現(xiàn)對工業(yè)過程的控制。現(xiàn)場總線是過程控制技術(shù)、儀表工業(yè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三大技術(shù)領(lǐng)域相結(jié)合的產(chǎn)物。WorldFIP現(xiàn)場總線既是實(shí)時(shí)的，可預(yù)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(shù)的智能電動(dòng)執(zhí)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(qū)動(dòng)板卡，以及相關(guān)軟件程序的設(shè)計(jì)與開發(fā)。

1、引言

現(xiàn)場總線是從20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的。隨著工業(yè)自動(dòng)化與微處理器計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，要求有一種能在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境運(yùn)行的、性能可靠、造價(jià)低廉的通信系統(tǒng)以形成工廠底層網(wǎng)絡(luò)，完成現(xiàn)場自動(dòng)化設(shè)備之間的多點(diǎn)數(shù)字通信，實(shí)現(xiàn)底層現(xiàn)場設(shè)備之間以及生產(chǎn)現(xiàn)場與外界的信息交換。上世紀(jì)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(shù)的智能電動(dòng)執(zhí)行器設(shè)計(jì)。

2、電動(dòng)執(zhí)行器硬件整體架構(gòu)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(dòng)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)，它的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)、算法、功能塊和通信庫都存儲(chǔ)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(dòng)執(zhí)行器輸出，把執(zhí)行器角位置經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入總線，對執(zhí)行器角位置的命令值和當(dāng)前反饋值通過LCD進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。電源轉(zhuǎn)換、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與隔離以及角位置反饋都集成在驅(qū)動(dòng)板卡上。

3、硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1MCU板卡與LCD設(shè)計(jì)

MCU作為整個(gè)控制器的處理核心，任務(wù)包括：通過通信板卡與WorldFIP現(xiàn)場總線進(jìn)行通信，程序運(yùn)行、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與運(yùn)算，信號處理，LCD顯示和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)信號輸出等?；谝陨希覀冞x用了Motorola的68HC12系列的16位單片機(jī)68HC912BC32作為本設(shè)計(jì)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(chǔ)、堆棧使用、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和未來的擴(kuò)容需求而無須另外擴(kuò)充存儲(chǔ)器;總線速度快，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，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(zhuǎn)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(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊。該模塊技術(shù)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(zhuǎn)換、驅(qū)動(dòng)及反饋板卡的開發(fā)

本設(shè)計(jì)的電源輸入DC24V，硬件采用LM2572-5.0來完成DC24V到DC5V的轉(zhuǎn)換，LM2572-12來完成DC24V到DC12V的轉(zhuǎn)換。LM2575系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的集成穩(wěn)壓電路，它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只須極少外圍器件便可構(gòu)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(hù)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(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(zhuǎn)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(jī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)所使用的電機(jī)是天津生產(chǎn)制造的3100型角行程電動(dòng)執(zhí)行器，額定轉(zhuǎn)矩250Nm，4~20mA電流驅(qū)動(dòng)，采用電位器反饋。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的應(yīng)用電路圖，68HC12將控制信號置為高電平，使三級管導(dǎo)通，固態(tài)繼電器輸入端加入正向壓降，輸出導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的應(yīng)用電路圖與之類似。

圖3固態(tài)繼電器用于電機(jī)正轉(zhuǎn)

3.3通信板卡的開發(fā)

通信板卡負(fù)責(zé)與WorldFIP現(xiàn)場總線的通信，是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)。板卡關(guān)鍵元件包括通信控制器MICROFIP，線驅(qū)動(dòng)器FIELDRIVE和隔離變壓器FIELDTR，均由法國ALSTOM公司設(shè)計(jì)、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(dòng)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(dòng)器和隔離變壓器。

圖4通信板卡總體框圖

4、電動(dòng)執(zhí)行器硬件

MCUez集成應(yīng)用圖形開發(fā)環(huán)境是68HC12的軟件開發(fā)平臺(tái)，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(diǎn)跟蹤，單步調(diào)試，全速運(yùn)行等多種調(diào)試功能。該工具結(jié)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(gè)軟件的設(shè)計(jì)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(wù)程序，A/D轉(zhuǎn)換子程序，LCD顯示子程序，執(zhí)行器驅(qū)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(jī)制簡述如下：MICROFIP滿足一定條件時(shí)會(huì)從它的IRQ0N管腳給出中斷信號，這時(shí)MCU內(nèi)部的程序跳轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)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(biāo)志字節(jié)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(nèi)反復(fù)讀該標(biāo)志字節(jié)，從而跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理程序，圖5為中斷處理程序流程圖。