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以高性能單片機C8051F020為核心控制芯片的自動(dòng)測控系統，能自動(dòng)測溫，到測溫點(diǎn)自動(dòng)輸出線(xiàn)性電流、自動(dòng)采集負載壓力等，并進(jìn)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(jìn)入溫度零漂測試狀態(tài)時(shí)，由嵌入式微計算機控制，升溫信號通過(guò)光電隔離控制固體繼電器組去驅動(dòng)油箱里11個(gè)功率是kW級的加熱管快速升溫。到某個(gè)測溫點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)輸出經(jīng)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(dòng)伺服閥工作，使得閥的兩個(gè)負載腔的壓力值隨控制電流大小呈差動(dòng)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，當差值為最小時(shí)(一個(gè)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(huán)到最高溫度后，自動(dòng)關(guān)閉加熱器，并控制電磁閥打開(kāi)水冷散熱器降溫，然后重復以上測試過(guò)程，直到降溫回到起始溫度點(diǎn)，結束測試。這中間計算機實(shí)時(shí)顯示、打印當前溫度點(diǎn)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(gè)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(shí)器、內部振蕩器、RAM、Flash存儲器、看門(mén)狗等。其以“流水線(xiàn)”結構方式處理指令，運行效率高，大部分只要1個(gè)或2個(gè)系統時(shí)鐘。這極大地簡(jiǎn)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(gè)硬件系統。 在D/A轉換通道電路中，來(lái)自F020內部電壓基準VREF經(jīng)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(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端口初始化設置前或復位瞬間，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高響應繼電器(約1 ms)，根據指令接通和斷開(kāi)與伺服閥的連接，如圖2所示。
在A(yíng)/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)內部模擬開(kāi)關(guān)切換。
8位LED顯示、5個(gè)軟鍵盤(pán)輸入，采用了專(zhuān)用的CH452數碼管顯示驅動(dòng)和鍵盤(pán)掃描控制芯片，其外圍電路極簡(jiǎn)單，接口速度快、性能穩定，與C8051F020控制器采用4線(xiàn)串行接口，主要是以其硬件來(lái)實(shí)現其大部分功能，編程相對簡(jiǎn)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(lái)控制油箱的加熱管或水冷散熱器以升溫和降溫。 整個(gè)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(xiàn)性電源。采用嵌入式微型打印機打印簡(jiǎn)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(jīng)V/I隔離轉換成0～±5 mA的控制電流。隔離器件精度優(yōu)于0.3%。 D/A模擬轉換電流分辨率一模擬電流值/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(gè)緩存器中。當啟動(dòng)DA自動(dòng)轉換時(shí)，由T3定時(shí)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(shí)鐘源，C8051F020處理的速度很快，在程序中斷的4.88 ms時(shí)間里完成采集和相關(guān)濾波處理計算是綽綽有余的。 系統同時(shí)對10油溫、1路室溫、2路壓力信號進(jìn)行采集，采樣頻率20 kHz，連續循環(huán)采集后，進(jìn)行去除最大和最小值和數字平均值濾波法對采集信號進(jìn)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(gè)多小時(shí)，因為在溫度點(diǎn)測試時(shí)間相對較短，即該點(diǎn)實(shí)際的溫度變化在約20 s的測試時(shí)間里變化不大，故對每個(gè)溫度點(diǎn)所采取的溫控相對簡(jiǎn)單，根據實(shí)測外界溫度和油溫，程序在到某個(gè)溫度測試點(diǎn)前稍作控制，就能在20 s的時(shí)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(jìn)行編程。C51是一種專(zhuān)門(mén)用于51系列單片機編程的C語(yǔ)言，繼承了標準C語(yǔ)言的絕大部分的特性，但同時(shí)又在51系列的特定的硬件結構上有所擴展;具有與C語(yǔ)言一樣的在功能上以及結構性、可讀性、可維護性上的優(yōu)點(diǎn)，并且生成的目標代碼效率非常高。借助集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)Keil μVision3-C51，在PC機上先初步進(jìn)行各源程序模塊的創(chuàng )建、編輯、連接后，通過(guò)設斷點(diǎn)等來(lái)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(jìn)行修改。最后將已實(shí)施完成好的整個(gè)應用系統硬件按設計要求與外部有關(guān)信號和設備連接好，再通過(guò)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(jìn)行非侵入式、不占用片內資源、全速在線(xiàn)的實(shí)時(shí)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(guān)的功能均由相應的功能子程序實(shí)現。主要程序流程如圖5、圖6所示。
�、僦鞒绦蛑饕瓿蒀38051F020系統初始化、設置系統時(shí)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。 �、跇硕ǔ绦蛴脕�(lái)進(jìn)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(guò)內部LED上的顯示與標準信號對比的方式來(lái)進(jìn)行。 �、跮ED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(shí)的輸入電壓、輸出電流結果顯示與打印。 �、軠囟攘闫瘻y試程序完成控制加溫、降溫測溫，每到一個(gè)試驗溫度點(diǎn)上調用一次零偏測試程序，顯示、實(shí)時(shí)打印。 �、萘闫珳y試程序是這個(gè)系統的核心程序。 調用此程序后，定時(shí)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(dòng)ADC進(jìn)行數據采集，數字濾波、比較、計算、標度轉換顯示等。 �、蘖闫娏鞯挠嬎愎饺缦拢�
Vp1、Vp2分別是兩個(gè)負載腔的壓力值;I1為電流由正到負時(shí)壓差最小時(shí)的零點(diǎn)電流值，I1<0為負值;I2為電流由負到正時(shí)壓差最小時(shí)的零點(diǎn)電流值，I2>0為正值;Imax、Imin是對應溫度零偏數組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(jiǎn)潔。人機界面友好，操作容易，性?xún)r(jià)比較高。實(shí)際現場(chǎng)應用表明，整個(gè)系統運行平穩，性能可靠，提高了測試精度和生產(chǎn)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(jìn)，可推廣到整個(gè)伺服閥的性能試驗的測控系統中去。 |
