基于C8051 F020的伺服閥溫度零漂測控系統(tǒng)

    以高性能單片機C8051F020為核心控制芯片的自動測控系統(tǒng)，能自動測溫，到測溫點自動輸出線性電流、自動采集負載壓力等，并進行計算、顯示及打印測試數(shù)據(jù)，其可靠性、精度、效率都大大提高。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計
    系統(tǒng)進入溫度零漂測試狀態(tài)時，由嵌入式微計算機控制，升溫信號通過光電隔離控制固體繼電器組去驅(qū)動油箱里11個功率是kW級的加熱管快速升溫。到某個測溫點時，自動輸出經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后的模擬三角波周期信號加在伺服閥的繞組上，驅(qū)動伺服閥工作，使得閥的兩個負載腔的壓力值隨控制電流大小呈差動變化。壓力的變化作用在壓力變送器上，經(jīng)A／D不斷采樣比較，當(dāng)差值為最小時(一個周期出現(xiàn)兩次最小值)，計算機由此計算出對應(yīng)加在伺服閥上的電流零偏值。當(dāng)循環(huán)到最高溫度后，自動關(guān)閉加熱器，并控制電磁閥打開水冷散熱器降溫，然后重復(fù)以上測試過程，直到降溫回到起始溫度點，結(jié)束測試。這中間計算機實時顯示、打印當(dāng)前溫度點的溫度和所需要的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 硬件組成
    C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片(SoC)，單片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：模擬多路選擇器、ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、定時器、內(nèi)部振蕩器、RAM、Flash存儲器、看門狗等。其以“流水線”結(jié)構(gòu)方式處理指令，運行效率高，大部分只要1個或2個系統(tǒng)時鐘。這極大地簡化了硬件設(shè)計，可以很方便地在其外圍擴展相應(yīng)調(diào)理電路組成整個硬件系統(tǒng)。在D／A轉(zhuǎn)換通道電路中，來自F020內(nèi)部電壓基準(zhǔn)VREF經(jīng)U1緩沖放大，作為U2負端的基準(zhǔn)電壓，U3正端接F020的DA單級性輸出，經(jīng)一階低通濾波器、緩沖放大處理后變?yōu)?～±5V輸出信號。由于偏移電路的存在，芯片D／A端口初始化設(shè)置前或復(fù)位瞬間，將產(chǎn)生－5mA的瞬間電流，對伺服閥產(chǎn)生不良的沖擊。為避免這一情況的發(fā)生，用一路I／O經(jīng)光電隔離后去控制一只OM－RON高響應(yīng)繼電器(約1 ms)，根據(jù)指令接通和斷開與伺服閥的連接，如圖2所示。

    在A／D采集通道電路中，模擬輸入信號經(jīng)一階低通濾波器，緩沖倒相后輸出，如圖3所示，有三路相同的電路，經(jīng)內(nèi)部模擬開關(guān)切換。
    8位LED顯示、5個軟鍵盤輸入，采用了專用的CH452數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制芯片，其外圍電路極簡單，接口速度快、性能穩(wěn)定，與C8051F020控制器采用4線串行接口，主要是以其硬件來實現(xiàn)其大部分功能，編程相對簡單，如圖4所示。

    溫度的控制是由光電隔離電路、G3NA－220B固體繼電器和水閥繼電器等器件所組成的，分別用來控制油箱的加熱管或水冷散熱器以升溫和降溫。整個電路采取了多種抗干擾措施，其中在輸入和輸出加有WS系列三端口V／V電壓輸入、V／I電流輸出型隔離端子。溫度和壓力變送器的輸出信號為0～5 V。電流輸出為0～±5 mA，恒流特性，在閥繞組阻抗變化范圍內(nèi)，精度達0．2％。
    電源采用紋波較小、EMI較好的模塊式一體化的線性電源。采用嵌入式微型打印機打印簡單的漢字和數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)采集處理
    系統(tǒng)的D／A模擬輸出Vo=5×(D-2 048)／2 048，D值范圍為0～4 096，即為0～±5 V輸出，經(jīng)V／I隔離轉(zhuǎn)換成0～±5 mA的控制電流。隔離器件精度優(yōu)于0．3％。D／A模擬轉(zhuǎn)換電流分辨率=模擬電流值／D=5／2 048≈2．441 4μA
    由于閥的遲滯存在，要求加在伺服閥控制繞組上的三角波電流信號的頻率要低，其周期T=20 s。將組成周期三角波形的數(shù)字值放在DA中的4 096個緩存器中。當(dāng)啟動DA自動轉(zhuǎn)換時，由T3定時器控制，每20／4 096=0．004 882 s中斷一次，將緩沖區(qū)的波形值送出。由于采用的是22．118 4 MHz晶振作為時鐘源，C8051F020處理的速度很快，在程序中斷的4．88 ms時間里完成采集和相關(guān)濾波處理計算是綽綽有余的。系統(tǒng)同時對1路油溫、1路室溫、2路壓力信號進行采集，采樣頻率20 kHz，連續(xù)循環(huán)采集后，進行去除最大和最小值和數(shù)字平均值濾波法對采集信號進行濾波。
    伺服閥溫度零漂試驗的升溫和降溫周期隨外界氣候而變化，大約1個多小時，因為在溫度點測試時間相對較短，即該點實際的溫度變化在約20 s的測試時間里變化不大，故對每個溫度點所采取的溫控相對簡單，根據(jù)實測外界溫度和油溫，程序在到某個溫度測試點前稍作控制，就能在20 s的時間里使控制精度不大于±2℃。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本軟件采用C51進行編程。C51是一種專門用于51系列單片機編程的C語言，繼承了標(biāo)準(zhǔn)C語言的絕大部分的特性，但同時又在51系列的特定的硬件結(jié)構(gòu)上有所擴展；具有與c語言一樣的在功能上以及結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上的優(yōu)點，并且生成的目標(biāo)代碼效率非常高。借助集成開發(fā)環(huán)境(IDE)Keil μVision3-C51，在PC機上先初步進行各源程序模塊的創(chuàng)建、編輯、連接后，通過設(shè)斷點等來完成模擬調(diào)試、仿真，并根據(jù)Keil μVision3界面上的各種信息找出程序錯誤，并進行修改。最后將已實施完成好的整個應(yīng)用系統(tǒng)硬件按設(shè)計要求與外部有關(guān)信號和設(shè)備連接好，再通過串口適配器EC3與C8051F020配置的標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口，將生成的HEX目標(biāo)程序下載到芯片的Flash存儲器中，直接在片對其進行非侵入式、不占用片內(nèi)資源、全速在線的實時調(diào)試、修改，直至達到設(shè)計要求。
    為了便于設(shè)計和維護，采用自頂向下逐步細化的結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計方法，將具有獨立功能的子程序都設(shè)為子程序模塊，相關(guān)的功能均由相應(yīng)的功能子程序?qū)崿F(xiàn)。主要程序流程如圖5、圖6所示。

    ①主程序主要完成C8051F020系統(tǒng)初始化、設(shè)置系統(tǒng)時鐘，調(diào)按鍵處理和顯示程序以及ADC、DAC的設(shè)置等，根據(jù)讀取按鍵所選擇的功能調(diào)用相應(yīng)的子程序。
    ②標(biāo)定程序用來進行系統(tǒng)測試精度的校準(zhǔn)。程序根據(jù)校準(zhǔn)需要，將輸入、輸出的信號通過內(nèi)部LED上的顯示與標(biāo)準(zhǔn)信號對比的方式來進行。
    ③LED顯示子程序和打印子程序主要完成輸入型號、編號的顯示和打印，以及數(shù)據(jù)處理后的溫度值零偏電流、零漂數(shù)值以及標(biāo)定時的輸入電壓、輸出電流結(jié)果顯示與打印。
    ④溫度零漂測試程序完成控制加溫、降溫測溫，每到一個試驗溫度點上調(diào)用一次零偏測試程序，顯示、實時打印。
    ⑤零偏測試程序是這個系統(tǒng)的核心程序。調(diào)用此程序后，定時器按設(shè)定的頻率將DAC緩沖區(qū)的數(shù)字三角波形值連續(xù)輸出，并啟動ADC進行數(shù)據(jù)采集，數(shù)字濾波、比較、計算、標(biāo)度轉(zhuǎn)換顯示等。
    ⑥零偏電流的計算公式如下：
    壓差Vp=VP1-VP2 零偏I[i]=(I1+I2)／2
    零漂IP=(Imax-Imin) 百分比per=Ip／Ie×100％
    Vp1、Vp2分別是兩個負載腔的壓力值；I1為電流由正到負時壓差最小時的零點電流值，I1<0為負值；I2為電流由負到正時壓差最小時的零點電流值，I2>0為正值；Imax、Imin是對應(yīng)溫度零偏數(shù)組I[i]中的最大值、最小值；Ie是額定電流值。

5 結(jié) 論
    該儀器設(shè)計相對簡潔。人機界面友好，操作容易，性價比較高。實際現(xiàn)場應(yīng)用表明，整個系統(tǒng)運行平穩(wěn)，性能可靠，提高了測試精度和生產(chǎn)效率。已成功應(yīng)用到南京機電液壓中心的伺服閥高溫試驗的測控中。稍作改進，可推廣到整個伺服閥的性能試驗的測控系統(tǒng)中去。