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【摘要】介绍了基于C8051F340单片机的智能型电动执行机构控制系统的设计原理，提出了一个集自动控制、故障自诊断与报警、人机对话等功能于一体的智能型电动执行机构控制系统的设计方案。
【关键词】C8051F340；智能型；电动执行机构
1.引言
随着现代工业过程控制系统的发展，智能型电动执行机构已得到广泛应用，智能型电动执行机构功能齐全，给工业生产现场的运行和维护带来了极大的便利。传统的电动执行机构无人机交互接口，调试操作较为繁琐，尤其在遇到故障时，无法迅速排查故障或需要查找故障代码，行程控制单元由于采用机械式行程计数器，行程测量精度不高，而且在行程标定时需要开盖操作，给安装调试工作带来不便。另外，传统电动执行机构的功率驱动控制信号在复杂的工况环境下易受干扰，极端情况下导致功率驱动元器件误触发，从而影响生产运行的安全。
为解决传统电动执行机构在工业生产现场的不足，本文提出了基于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。
2.控制系统的设计原理
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Silicon Labs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，使其适宜应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，该控制系统技术先进，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鈕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，具有强大的故障自诊断功能和故障报警功能，并记录设备运行状态。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。
3.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。
3.1 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，+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，如下图所示，图2为电源板+24V电压输出电路，图3为电源板+5V电压输出电路。
3.2 功率驱动硬件电路
如上图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单片机三路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，由于现场运行的其他设备，包括各种仪表、传感器及变频器，会由于各种原因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。
3.3 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3600范围内的角度，其分辨率可以达到0.08790。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。
3.4 模拟量信号硬件电路
智能型电动执行机构控制系统4—20mA模拟量输出信号采用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。如下图6所示，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。 3.5 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。为防止由于外部接线错误而导致硬件电路损坏，在图7硬件电路中，采用二极管VD111，有效避免接线错误带来的影响。
4.控制系统的软件设计
智能型电动执行机构控制系统在运行状态下，主程序通过调用就地运行、远程运行、故障诊断与报警、参数设置、开关量信号输入输出、模拟量信号输入输出、人机界面显示程序、数据处理等子程序，完成对电动执行机构的各项操作功能。主程序判断操作面板切换旋钮状态，确定电动执行机构处于就地或者远程等工作状态，在就地或远程状态下，主程序调用键盘扫描、远程开关量信号输入扫描子函数，判断电机运行操作指令是否动作，根据指令完成相应动作，通过调用故障诊断子函数，判断故障原因并报警，同时，若该故障影响电机运行，则当故障产生时，则电机不能运行操作，若电机正处于运行状态，则立即触发电机停止指令，使电机处于停止状态，若故障信号消除，则自动解除电机禁止操作状态。主函数调用行程检测子函数，计算当前阀位，通过人机界面实时显示阀位值，并调用模拟量反馈信号子函数，将当前阀位值转换为相应4—20mA电流信号，主程序增加了信号标定子函数，通过4—20mA信号标定，模拟量反馈信号误差不超过1%。智能型控制系统的软件设计，满足了智能型电动执行机构各项性能指标。智能型电动执行机构控制系统主程序流程框图如图8所示。 5.运行效果
智能型电动执行机构控制系统通过合理设计，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，在基本性能试验中，行程重复偏差小于0.70，行程定位精确，控制精度高，控制系统通过采用人机交互界面和红外遥控功能，在工业生产现场安装运行过程中，调试简单方便，故障率低，维修方便，达到了系统设计要求。
6.结语
智能型电动执行机构控制系统采用C8051F340单片机的强大外设功能，通过硬件、软件相结合，完善了智能型电动执行机构各项性能指标，而且降低了系统设计的硬件成本，同时，智能型控制系统的硬件设计考虑到工业现场的环境情况，为满足EMC电磁抗干扰要求，采取了完善的抗干扰措施，使智能型电动执行机构控制系统适用于各种工业现场环境，达到了系统设计的智能化、高可靠性的要求，值得在阀门电动执行机构上应用和推广。
参考文献
[1]潘琢金.C8051F340全速USB FLASH微控制器数据手册[M].2006.
[2]马忠梅.单片机的C语言应用程序設计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
【关键词】C8051F340；智能型；电动执行机构
1.引言
随着现代工业过程控制系统的发展，智能型电动执行机构已得到广泛应用，智能型电动执行机构功能齐全，给工业生产现场的运行和维护带来了极大的便利。传统的电动执行机构无人机交互接口，调试操作较为繁琐，尤其在遇到故障时，无法迅速排查故障或需要查找故障代码，行程控制单元由于采用机械式行程计数器，行程测量精度不高，而且在行程标定时需要开盖操作，给安装调试工作带来不便。另外，传统电动执行机构的功率驱动控制信号在复杂的工况环境下易受干扰，极端情况下导致功率驱动元器件误触发，从而影响生产运行的安全。
为解决传统电动执行机构在工业生产现场的不足，本文提出了基于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。
2.控制系统的设计原理
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Silicon Labs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，使其适宜应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，该控制系统技术先进，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鈕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，具有强大的故障自诊断功能和故障报警功能，并记录设备运行状态。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。
3.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。
3.1 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，+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，如下图所示，图2为电源板+24V电压输出电路，图3为电源板+5V电压输出电路。
3.2 功率驱动硬件电路
如上图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单片机三路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，由于现场运行的其他设备，包括各种仪表、传感器及变频器，会由于各种原因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。
3.3 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3600范围内的角度，其分辨率可以达到0.08790。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。
3.4 模拟量信号硬件电路
智能型电动执行机构控制系统4—20mA模拟量输出信号采用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。如下图6所示，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。 3.5 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。为防止由于外部接线错误而导致硬件电路损坏，在图7硬件电路中，采用二极管VD111，有效避免接线错误带来的影响。
4.控制系统的软件设计
智能型电动执行机构控制系统在运行状态下，主程序通过调用就地运行、远程运行、故障诊断与报警、参数设置、开关量信号输入输出、模拟量信号输入输出、人机界面显示程序、数据处理等子程序，完成对电动执行机构的各项操作功能。主程序判断操作面板切换旋钮状态，确定电动执行机构处于就地或者远程等工作状态，在就地或远程状态下，主程序调用键盘扫描、远程开关量信号输入扫描子函数，判断电机运行操作指令是否动作，根据指令完成相应动作，通过调用故障诊断子函数，判断故障原因并报警，同时，若该故障影响电机运行，则当故障产生时，则电机不能运行操作，若电机正处于运行状态，则立即触发电机停止指令，使电机处于停止状态，若故障信号消除，则自动解除电机禁止操作状态。主函数调用行程检测子函数，计算当前阀位，通过人机界面实时显示阀位值，并调用模拟量反馈信号子函数，将当前阀位值转换为相应4—20mA电流信号，主程序增加了信号标定子函数，通过4—20mA信号标定，模拟量反馈信号误差不超过1%。智能型控制系统的软件设计，满足了智能型电动执行机构各项性能指标。智能型电动执行机构控制系统主程序流程框图如图8所示。 5.运行效果
智能型电动执行机构控制系统通过合理设计，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，在基本性能试验中，行程重复偏差小于0.70，行程定位精确，控制精度高，控制系统通过采用人机交互界面和红外遥控功能，在工业生产现场安装运行过程中，调试简单方便，故障率低，维修方便，达到了系统设计要求。
6.结语
智能型电动执行机构控制系统采用C8051F340单片机的强大外设功能，通过硬件、软件相结合，完善了智能型电动执行机构各项性能指标，而且降低了系统设计的硬件成本，同时，智能型控制系统的硬件设计考虑到工业现场的环境情况，为满足EMC电磁抗干扰要求，采取了完善的抗干扰措施，使智能型电动执行机构控制系统适用于各种工业现场环境，达到了系统设计的智能化、高可靠性的要求，值得在阀门电动执行机构上应用和推广。
参考文献
[1]潘琢金.C8051F340全速USB FLASH微控制器数据手册[M].2006.
[2]马忠梅.单片机的C语言应用程序設计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.