基于C8051 F020的伺服閥溫度零漂測控系統

? 以高性能單片機C8051F020為核心控制芯片的自動測控系統，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、顯示及打印測試數據，其可靠性、精度、效率都大大提高。

1 系統方案設計
??? 系統進入溫度零漂測試狀態時，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D／A轉換后的模擬三角波周期信號加在伺服閥的繞組上，驅動伺服閥工作，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A／D不斷采樣比較，當差值為最小時(一個周期出現兩次最小值)，計算機由此計算出對應加在伺服閥上的電流零偏值。當循環到最高溫度后，自動關閉加熱器，并控制電磁閥打開水冷散熱器降溫，然后重復以上測試過程，直到降溫回到起始溫度點，結束測試。這中間計算機實時顯示、打印當前溫度點的溫度和所需要的數據，控制系統框圖如圖1所示。

2 硬件組成
??? C8051F020是完全集成的混合信號系統級MCU芯片(SoC)，單片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件。這些外設或功能部件包括：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、溫度傳感器、定時器、內部振蕩器、RAM、Flash存儲器、看門狗等。其以“流水線”結構方式處理指令，運行效率高，大部分只要1個或2個系統時鐘。這極大地簡化了硬件設計，可以很方便地在其外圍擴展相應調理電路組成整個硬件系統。在D／A轉換通道電路中，來自F020內部電壓基準VREF經U1緩沖放大，作為U2負端的基準電壓，U3正端接F020的DA單級性輸出，經一階低通濾波器、緩沖放大處理后變為0～±5V輸出信號。由于偏移電路的存在，芯片D／A端口初始化設置前或復位瞬間，將產生－5mA的瞬間電流，對伺服閥產生不良的沖擊。為避免這一情況的發生，用一路I／O經光電隔離后去控制一只OM－RON高響應繼電器(約1 ms)，根據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，經內部模擬開關切換。
??? 8位LED顯示、5個軟鍵盤輸入，采用了專用的CH452數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片，其外圍電路極簡單，接口速度快、性能穩定，與C8051F020控制器采用4線串行接口，主要是以其硬件來實現其大部分功能，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，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據。

3 數據采集處理
??? 系統的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V／I隔離轉換成0～±5 mA的控制電流。隔離器件精度優于0．3％。D／A模擬轉換電流分辨率=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字值放在DA中的4 096個緩存器中。當啟動DA自動轉換時，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濾波處理計算是綽綽有余的。系統同時對1路油溫、1路室溫、2路壓力信號進行采集，采樣頻率20 kHz，連續循環采集后，進行去除最大和最小值和數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 系統軟件設計
??? 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，繼承了標準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構上有所擴展；具有與c語言一樣的在功能上以及結構性、可讀性、可維護性上的優點，并且生成的目標代碼效率非常高。借助集成開發環境(IDE)Keil μVision3-C51，在PC機上先初步進行各源程序模塊的創建、編輯、連接后，通過設斷點等來完成模擬調試、仿真，并根據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用系統硬件按設計要求與外部有關信號和設備連接好，再通過串口適配器EC3與C8051F020配置的標準JTAG接口，將生成的HEX目標程序下載到芯片的Flash存儲器中，直接在片對其進行非侵入式、不占用片內資源、全速在線的實時調試、修改，直至達到設計要求。

為了便于設計和維護，采用自頂向下逐步細化的結構化模塊設計方法，將具有獨立功能的子程序都設為子程序模塊，相關的功能均由相應的功能子程序實現。主要程序流程如圖5、圖6所示。

??? ①主程序主要完成C8051F020系統初始化、設置系統時鐘，調按鍵處理和顯示程序以及ADC、DAC的設置等，根據讀取按鍵所選擇的功能調用相應的子程序。
??? ②標定程序用來進行系統測試精度的校準。程序根據校準需要，將輸入、輸出的信號通過內部LED上的顯示與標準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，以及數據處理后的溫度值零偏電流、零漂數值以及標定時的輸入電壓、輸出電流結果顯示與打印。
??? 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的核心程序。調用此程序后，定時器按設定的頻率將DAC緩沖區的數字三角波形值連續輸出，并啟動ADC進行數據采集，數字濾波、比較、計算、標度轉換顯示等。
??? 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是對應溫度零偏數組I[i]中的最大值、最小值；Ie是額定電流值。

5 結 論
??? 該儀器設計相對簡潔。人機界面友好，操作容易，性價比較高。實際現場應用表明，整個系統運行平穩，性能可靠，提高了測試精度和生產效率。已成功應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中去。