基于C8051F340的智能型电动执行机构控制系统设计

    0 引言

    为解决传统电动执行机构在工业生产现场的不足，提出基于C8051F340的智能型电动执行机构控制系统的设计方法。智能型控制系统通过采用友好的人机交互界面，具备故障自诊断与报警功能，使调试操作与故障排查更简单方便。在硬件上，通过采用功率驱动控制信号互锁电路，实现硬件互锁功能，避免触发信号同时有效导致控制回路紊乱，提高了智能型电动执行机构的可靠性。行程位置控制省去了复杂的机械行程，采用无接触式磁旋转绝对编码器，优化了机械结构，提高了行程分辨率精度，分辨率可达到0.0879⁰。通过对硬件电路和软件程序的优化控制，C8051F340单片机的合理利用，实现了阀门电动执行机构控制系统的智能化、合理化和高可靠性的要求。

    1 控制系统设计原理

    智能型电动执行机构控制系统采用C8051F340作为主控制单元。C8051F340是完全集成的混合信号片上系统型单片机，具有SiliconLabs专利CIP-51微控制器内核，具有标准8052的所有外设部件，包括4个16位计数器/定时器、2个具有扩展波特率配置的全双工UART、1个增强型SPI端口、1个SMBUS端口、40个I/O引脚，具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA）、4352字节的内部RAM、128字节特殊功能寄存器等。C8051F340片上丰富的硬件资源，使其适用于智能型电动执行机构控制系统。

    智能型电动执行机构控制系统采用非侵入式结构设计，技术先进，结构简单，可靠性高。操作方式为磁感应操作，在就地状态下，可以通过操作面板按钮或手持式红外遥控器控制电动执行机构的开、关、停操作及参数设置、浏览等操作，在远程状态下，可通过开关量信号或4~20mA电流信号实现电动执行机构的开、关、停等操作。系统具有强大的故障自诊断功能和故障报警功能，并可记录设备运行状态。智能型控制系统由电源模块、功率驱动模块、人机界面模块、行程检测模块、开关量信号输入输出模块、模拟量信号输入输出模块组成，采用C8051F340作为主控制芯片，通过对各硬件模块的输入输出操作，实现对阀门电动执行机构的各项控制功能，其系统设计原理框图如图1所示。

图1 控制系统原理框图

    2 控制系统的硬件设计

    智能型电动执行机构控制系统硬件电路由电源板、主控板、操作面板三部分组成。主控板与操作面板通过UART口串行通信，实现人机对话，主控板接收外部指令控制功率驱动模块，操作电机正反转运行，实现阀门的开启和关闭，并及时输出开关量反馈信号或模拟量反馈信号。

    2.1 电源模块

    电源板为主控板提供两路直流电压信号，一路为+24V（1±1%），一路为+5V（1±1%）。+24V电压信号作为6路开关量和模拟量输入输出信号及功率驱动模块电路电源，输出电路如图2所示。+5V电压信号作为主控板C8051F340单片机及其他相关硬件电路电源，输出电路如图3所示。

图2 +24V电源输出电路

图3 +5V电源输出电路

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    2.2 功率驱动硬件电路

    功率驱动信号控制电路如图4所示。功率驱动信号控制电路实现硬件互锁功能，避免触发信号同时有效导致控制回路紊乱。利用C8051F340单片机3路IO口作为功率驱动电路触发信号，一路IO口作为触发信号输出端电源控制信号，另两路作为触发控制信号，进一步提高了触发信号可靠性。IO口配置为推挽方式，低电平有效。电动执行机构在工业现场使用过程中，由于现场运行有其他设备，包括各种仪表、传感器及变频器，会引入信号干扰以及各种危险的强电压信号，为了保证电动执行机构控制系统的安全性与可靠性，采用光耦TLP521-4对触发信号进行信号隔离，避免触发信号干扰，保证电动执行机构可靠、稳定运行。

图4 功率驱动信号控制电路

    2.3 行程检测硬件电路

    行程检测电路采用无接触式磁旋转编码器，可以准确测量整个360°范围内的角度，其分辨率可以达到0.0879°。编码器通过输入齿轮，与阀门电动执行机构的行程传动部件啮合，使之具有高精度位置检测功能。编码器具有内部稳压器，在主控板+3.3V电源电压下工作，主控板通过串口操作，以串行比特流的形式读出行程数据，实现阀位数据的读取。

    2.4 模拟量信号硬件电路

    智能型电动执行机构控制系统4~20mA模拟量输出利用C8051F340单片机的PWM输出功能。C8051F340具有5个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器阵列（PCA），在智能型控制系统里将PCA配置为16位脉宽调制器方式。在该方式下，16位捕捉/比较模块定义PWM信号低电平时间的PCA时钟数，配置PCA相关寄存器，可以输出占空比可变的PWM波。PWM输出电路采用光耦N101进行信号隔离，在不影响光耦N101开关速率的条件下，PWM波频率设置为200Hz。智能型控制系统采集行程检测信号，计算当前阀位值，然后输出不同频率的PWM波，在光耦输出端，通过RC积分电路将PWM波转换成电压信号，通过恒流源硬件电路，输出4~20mA电流信号，实现阀位模拟量信号反馈功能。模拟量反馈信号输出电路如图5所示。

图5 模拟量反馈信号输出电路

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    2.5 开关量信号输入硬件电路

    智能型电动执行机构控制系统在远程状态时，通过开关量信号输入硬件电路，接收开、关、停指令信号，控制电动执行机构完成相关动作。为避免外部信号干扰，通过光耦N109、N110、N111进行信号隔离，隔离后的开关量信号接入C8051F340单片机IO口，IO口配置为弱上拉、开漏方式，在软件控制方式中采用“去抖”处理方式，能准确、及时采集开关量输入信号，有效避免误操作，提高电动执行机构运行的可靠性。采用二极管VD111，有效避免接线错误带来的影响。开关量信号输入电路如图6所示。

图6 开关量信号输入电路

    3 控制系统的软件设计

    智能型电动执行机构控制系统主程序流程框图如图7所示。

图7 主程序流程框图

    4 运行效果

    通过合理设计，智能型电动执行机构控制系统运行可靠性大大提升，通过了EMC电磁兼容实验二级实验要求。