基于多微处理器的阀门电动装置控制器.pdf

2 0 0 9 年第3 期 阀 门 一 2 9 一 文章编号 1 0 0 2 - 5 8 5 5 2 O 0 9 0 3 4 1 0 2 9 - 0 3 基于多微处理器的阀门电动装置控制器 费向军 扬州电力设备修造厂。 江苏 扬州 2 2 5 0 0 3 摘要介绍 了阀门电动装置控制器的结构和工作原理 ， 阐述 了一种新型基于多个单片微处理 器的控制器软硬件结构， 以及不同微处理器之 间的数据交换原理和工作方式。 关键词阀门； 电动装置 徽处理器 中图分类号 T H1 3 4 文献标识码 A Th e v a l v e e l e c t r i c a c t u a t o r c o n t r o l l e r b a s e d o n mu l t i ． mi c r o c o n t r o l l e r u n i t F E I Xi a n g - j u n Y a n g z h o u E l e c c P o w e r E q u i p me n t Ma n u f act u r e F a c t o r y ， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 3 ， C h i n a Abs t r a c t Th i s d o c u me n t d e s c r i b e s t h e s t r u c t u r e a n d p r i n c i p l e a b o u t t he v a l v e e l e c t r i c a c t u a t o r c on t r o l - l e r ． I t i n t r o d u c e s t h e s o f t wa r e a n d h a r d wa r e s t r u c t u r e a b o u t a n e w k i n d o f c o n t r o l l e r b a s e d o n mu l ti ． mi c r o c o n t r o l l e r u n i t ， a n d t h e p r i n c i p l e a n d o p e r a t i o n mo d e o f d a t a e x c h an g i n g a mo n g s e v e r a l mu l ti mi c r o c o n t r o l l e r u n i t s． Ke y wo r d s v a l v e； e l e c t r i c a c tua t o r； M CU 1 概述 阀门电动装置是工业 自动化系统 中的执行单 元 ， 广泛应用 于化工、 石 油、 冶金 、 电力等行业 的压 力 、 温度、 流量控制。它是一种机电一体化 的现场设 备， 以电动机作为动力源， 将控制信号转换成相应的 机械动作控制各类阀门开启和关闭。随着科学技术 的发展， 特别是数字和信息技术的发展， 阀门电动装 置的上方控制系统数字化和信息化程度越来越高， 对电动装置的精度、 动态特性和功能等方面的要求 也越来越高， 如友好的人机界面、 精确定位、 故障诊 断和总线通讯等等， 这些性能的提高和功能的实现 依赖于阀门电动装置控制器。 2 工作原理 阀门电动装置 图 1 控制器接受上方控制系统 指令， 控制电动装置电机运行， 驱动电动装置传动部 分工作， 并将其工作状态信号反馈给上方系统， 从而 实现阀门位置控制。阀门电动装置控制器是嵌入式 控制系统， 它以单片微处理器 MC U 为核心， 配合 人机界面、 信号输A／ 输出和电机驱动等其他外围电 作者简介 费向军 1 9 7 4 一 ， 男． 工程师。 从事阀门电动装置控制系统研究。 路 ， 通过 MC U内部程序控制整个系统运行。其 中 MC U是整个系统的核心 ， MC U芯片上集成了一个 功能简化的计算机系统 C P U， 内存， 并行总线， 输 入／ 输 出接 口等 ， 具 有体积小 、 功耗 低、 控 制功能 强、 扩展灵活、 微型化 和使用方便等优点， 已在阀门 电动装置控制器上广泛采用。 传 动 部 分 控 制 器 图 1 阀门电动装置 目前控 制器 的 MC U所用软件普遍采用前／ 后 台工作方式 图2 。系统应用程序是一个无限的循 环。循环中调用相应的函数完成相应操作， 这部分 是后台行为。中断服务程序处理异步事件， 这部分 阀 门 2 0 0 9 年第3 期 是前台行为。一般对实时性要求高的操作都是通过 中断服务来保证的。因为中断服务提供的信息一直 要等到后台程序运行到该处时才能得到处理， 所以 任务的响应时间取决于整个程序循环的执行时间。 激 I S R 中 断 服 一务子程序 一 L ＼ I I S R l I I I - l r 、、＼、＼、 { ；； ；； ；l 一 墨 图 2 前／ 后 台系统 3 存在问题及解决方案 3 ． 1 存在问题 随着阀门电动装置功 能的增加和性 能的提高， 要求 MC U同时处理的任务数量越来越 多， 对 实时 性要求高的任务也越来越多， 任务数量的增加意味 着程序循环时间的加长 ， 而实时性要求高则对后 台 程序的循环周期提出了较高要求。如果系后台程 序的循环时间超过 了处理实 时任务 的最大间隔 时 间， 系统 的实时性就得不到有效保证 ， 控制器也就不 能正常稳定工作。 3 ． 2 解决方案 采用模块化设计理念 ， 将阀门电动装置控制器 分解成多个功能模块 ， 每个对实时性要求高或者 程 序执行时间较长的的功能模块都有独立的 MC U控 制 ， 然后通过总线通讯 的方式与 主控 MC U进行 数 据交换 ， 即多 MC U的系统架构。 4控制器硬件 控制器硬件 图 3 由主 MC U、 辅助 MC U、 电源 部分、 驱动部分、 位置信号检测部分、 控制信号输入／ 输出部分、 人机界面部分和通讯部分等电路组成。 将阀门电动装置需处理的相关任务进行分解， 每一 个辅助 MC U完成一项对实时性要求高或者用时过 长的任务。控制器中由于人机界面显示时间较长 ， 位置信号与电源检测实时性要求较高， 所以单独由 一 个辅助 MC U控制。主 MC U通过 I I C总线通讯 的方式与辅助 MC U交换数据， 控制系统协调工作。 4 ． 1 MC U及相关电路 主 MC U选用 A R M7 T D MI S T M 内核的 3 2位 单片微处理器 L P C 2 1 3 6 ， 其运行速度快、 存储容量 大、 1 0接 口丰富、 具有 U A R T、 S P I 、 I I C等多种通讯 接口。辅助 MC U根据不同功能需要， 分别选用 MC S一5 1内核 的 8位 单 片 微 处 理 器 L P C 9 1 7 、 L P C 9 2 2和 L P C 9 3 6， 其结构简单 ， 性价 比高 ， 并且都 有 I I C总线接 口。 J 电 源 圆圈回，／ ， I 辅助Mc ubICl 辅助U l I 辅助 I ． { _1 骶 t一1 { D 厩据 I I s c 埘 钟 ’ 电 源 部 分 I故 障 检 测 F - - 7 ‘ - _ NXP- I PC 2l 3 6 十 I 遥控撵作 主MCU 7‘’ 阀门电动装置 善 驱 动 部 分 控制器t t I 信 号 隔 离 与 转 换 I I 通 讯 处 理 ● I ＼ l 输 入 输 出 信 号 I I 通 讯 接 口l I g g tM l 图 3控制器硬件结 构 L P C 9 3 6负责检测就地按 钮操作 、 液 晶显示屏 及灯光显示。就地按钮操作采用无贯通轴的磁控开 关 ， 选用 Al l e g r o 3 1 4 4霍尔效应开关 ， 保证就地操作 与控制器内部隔离， 从而保证 了阀门电动装置的防 护等级高 于 1P 6 5 。显 示器采 用有 机 电致发光 O L E D 显示器 。 O L E D显示器采用主动发光 自发 光 技术， 因此与传统液晶显示器 L C D 相比亮度 高 ， 视角范围大 ， 正 常工作 时负载约为 5 0 mA， 功耗 比 L C D降低一半 。 L P C 9 2 2负责检测 阀门位置 图 4 。采用 自制 光电式脉冲计数相对编码系统测量阀门位置 ， 它将 电动装置的旋转位移精确地转换成两路正交的电脉 冲信号输人 MC U， 由程序确定阀门的开关方向和位 置变化 ， 每转 输出 3 6 0个脉 冲， 分辨 率达 1 O O具有 可充电式掉电保护回路， 保证断电时阀门位置不丢 失。 L P C 9 1 7 负责检测电源相序变化和是否缺相运 行 图5 。它将三相交流电源 3 8 0 V A C ， 5 0 H z 输 入转化为三相脉冲信号 3 ． 3 V D C 输人 MC U， 程序 根据三相脉冲信号相互之间的相位变化来判断输入 标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 2 O O 9 年第3 期 阀 门 一 3 1 一 电源相序以及是否缺相运行， 从而保证电动装置开 关方向与输入电源相序无关 ， 缺相时能及时切断驱 动回路保护电动装置。 r _ 1几 图4 位置检测电路 r _ 1 r _ 1 7 I r ，刚 A c LPc 9I7 __1 - ． TL P 5 2 1 3 8 。 VAc 图 5 电源检测电路 4 ． 2 H C总线通讯 主 MC U与辅助 MC U通过 I I C总线相连 ， 实现 数据双向传输， 传输速率为4 0 0 K b i t ／ s 。H C总线是 芯片问串行数据传输总线， 2根信号线 S D A 、 S C L 即可实现全双工 同步数据传送 ， 能够十分方便地构 成多机系统和外围器件扩展系统。使用时器件直接 挂到 I I C总线上 ， 由主器件发出 H C从地址 ， 即可与 相应 H C器件进行数据传输， 而无须介入底层的 H C 操作 协议。控制 器 中 L P C 2 1 3 6为 主机 ， L P C 9 1 7 、 L P C 9 2 2和 U℃9 3 6为从机 。 5 控制器软件 控制 器 软 件 由 L P C 2 l 3 6 主 MC U 程 序 和 L P C 9 2 2 、 L P C 9 1 7和 L P C 9 3 6辅助 MC U子程序 4部 分组成。主程序负责控制器协调工作， 子程序负责 完成各自的任务， 主程序与子程序之间通过 I I C总 线交换数据。 5 ． 1 H C通讯数据格式 主机和从机 H C总线数据均由 8字节组成， 主 机与L P C 9 3 6 辅助 MC U通讯的数据格式见表 1 ， 主 机与其余辅助 MC U通讯的数据格式与此类似， 只 是从机地址与数据有所区别。为保证接受的数据正 确无误， 对接收的数据均进行 C R C校验。C R C域 是两个字节， 包含 l 6位的二进制值， 它由发送端 MC U计算后加人到数据 中， 接收端 MC U重新计算 收到数据的 C R C， 并与接收到 的 C R C域 中的值 比 较， 如果两个C R C值不相等， 则说明数据传输有错 误 ， 此组数据无效。 表1 主机／ 从机数据格式 5 ． 2 L P C 2 1 3 6主程序 L P C 2 1 3 6主程序是整个控制器软件的核心 ，它 由主循环和定时中断子程序两部分组成。程序主循 环负责故障检测、处理以及与辅助MC U进行数据 交换，定时中断子程序完成输人／ 输出信号检测、控 制驱动电路、与上方系统通讯等其他任务 图 6 。 开 始二 l 初始化各 l 寄存器 { ●NO 与L P C 9 3 6 交换 人机 界面数据 J 故障处理 与L P C 9 2 2 交换 阀门位置数据 l 与L P C 9 1 7 交换 电源检测数据 l I 结束 厂 定时中断服务、 ＼ 、 L 子程序 J 输 入， { 茸出 信号检测 l 控制驱动电路 l 遥控操作处理 J 通 讯处理 l 中 断 返 回、 图 6 主程序流程框 图 6结语 采用多 MC U的阀门电动装置控制器既保证各 个功能模块正常工作，又大大缩短了主 MC U的程 序循环周期，使得主MC U控制的其他功能模块工 作稳定可靠， 从而提高了整个控制器的运行效率。 参 考 文献 [ 1 ] 周立功，张华．深入浅出 A R M7 一L P C 2 1 3 X ／ 2 1 4 X [ M] ． 北京 北京航 空航天大学出版社 ，2 0 0 5 ． [ 2 ]P 8 9 L P C 9 1 7 、P 8 9 L P C 9 2 2 、P 8 9 L P c 9 3 6数据手册 [ z j ．广 州周立功单片机发展有限公司． 收稿 日期 2 0 0 9 ． 0 2 ． 0 3