基于C8051F330的低成本電動(dòng)執行機構智能伺服控制器研究
介紹了利用一種高性能的單片機C8051F330應用于電動(dòng)執行機構智能伺服控制器的實(shí)現方法。C8051F330內部集成了眾多的功能部件，是真正的混合信號在片系統，它的價(jià)格還非常低廉，能大大降低整個(gè)系統的成本。
執行機構，又稱(chēng)執行器，是一種自動(dòng)控制領(lǐng)域的常用機電一體化設備(器件)，是自動(dòng)化儀表的三大組成部分(檢測設備、調節設備和執行設備)中的執行設備。主要是對一些設備和裝置進(jìn)行自動(dòng)操作，控制其開(kāi)關(guān)和調節，代替人工作業(yè)。
我國的執行機構和伺服放大器是六十年代統一設計的，三十多年來(lái)在技術(shù)上沒(méi)有多大創(chuàng )新，最早的型號有DTZ和DTJ，此時(shí)執行機構和伺服放大器是獨立的，安裝時(shí)需要分體安裝，隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件的可靠性大大提高，集成度越來(lái)越高，將執行機構和伺服放大器融為一體也成為了可能，所有從九十年代開(kāi)始紛紛出現了一些伺服一體化的執行機構產(chǎn)品，但這個(gè)時(shí)期的伺服一體化控制器大部分是基于模擬電路的，調試和使用不是很方便，進(jìn)入二十一世紀，智能伺服控制器大量出現，但大都價(jià)格比較昂貴。有沒(méi)有辦法實(shí)現既便宜又智能化的伺服控制器，答案是肯定的。
1、基于C8051F330的低成本電動(dòng)執行機構智能伺服控制的實(shí)現方法
C8051F330是一種完全集成的混合信號系統級單片機，片內含一個(gè)CIP-51內核，它的指令系統與MCS-51完全兼容。它除了具有標準8052的數字外設部件之外，片內還集成了數據采集和控制系統中常用的模擬部件和其它數字外設功能部件。CIP-51是一種增強的51內核，其指令系統與MCS-51完全兼容，具有標準的8051的組織架構，可以使用標準的803X/805X匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。CIP-51采用流水線(xiàn)結構，70%的指令執行時(shí)間為1或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，是標準8051指令執行速度的12倍，其峰值執行速度可達25MIPS[1]
C8051F330包括的資源有：
●一個(gè)CIP-51內核
●4個(gè)通用16位計數器/定時(shí)器
●一個(gè)具有增強波特率配置的全雙工UART(串口)
●一個(gè)增強型SPI端口
●768字節內部RAM
●128字節特殊功能寄存器(SFR)地址空間
●全速、非侵入式的在系統調度接口
●真正10位200ksps的16通道單端/差分ADC
●10位電流輸出DAC
●3個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計數/定時(shí)器陳列(PCA)
●片內上電復位、VDD監視器、看門(mén)狗
●溫度傳感器
●片內電壓比較器
●片內集成基準電壓源
●17個(gè)端口I/O
●高精度可編程的25MHz內部振蕩器
●8K可在系統編程的FLASH存儲器
●硬件實(shí)現的SMBUS/I2C
對于電動(dòng)執行機構伺服控制器的應用來(lái)說(shuō)，若使用C8051F330來(lái)作主控芯片，只需要增加少量外圍電路即可滿(mǎn)足系統需求，可以省掉傳統智能伺服控制器中所用到的許多獨立IC，如多路A/D轉換器、D/A轉換器、看門(mén)狗、外部數據存儲器(EEPROM)、基準電壓源。這樣整個(gè)系統成本就大大降低了，本文實(shí)現的基于C8051F330的智能伺服控制器最終成本和傳統模擬伺服控制器成本差不多。
圖1是智能伺服控制器原理框圖。
從原理框圖中可以看出伺服控制器的工作原理是：
控制系統輸出一個(gè)4～20mA的開(kāi)度控制信號，伺服控制器將此開(kāi)度控制信號與位置傳感器采樣到的閥位值進(jìn)行比較，如果當前閥門(mén)(或風(fēng)門(mén))的開(kāi)度與控制信號開(kāi)度指令一致，伺服控制器則會(huì )驅動(dòng)電機正轉或反轉，最終驅動(dòng)閥門(mén)(或風(fēng)門(mén))的開(kāi)啟或關(guān)閉，以達到控制閥門(mén)(或風(fēng)門(mén))開(kāi)度的目的。同時(shí)伺服控制器實(shí)時(shí)地將閥門(mén)(或風(fēng)門(mén))的開(kāi)度轉換成4～20mA閥位開(kāi)度信號后輸出給控制系統。
圖1 智能伺服控制原理框圖
C8051F330中我們用到的混合資源有：
(1)8KFlash程序存儲器
不僅將其作為程序空間使用，由于其具有在系統可擦寫(xiě)的特性，我們還將部分空間開(kāi)辟為各類(lèi)參數的存儲空間，這樣就可以省下一個(gè)EEPROM器件。
(2)內部時(shí)鐘源
C8051F330含有兩個(gè)內部振蕩器，一個(gè)24.5MHz的振蕩器，精度達到±2%，這一精度完全滿(mǎn)足本系統的需求，并且還可對其進(jìn)行多種分頻操作;另一個(gè)是80/40/20/10kHz低頻率振蕩器。我們采用了第一種振蕩器作為系統主頻。
(3)定時(shí)器及溢出中斷
用到了兩個(gè)定時(shí)器T0和T2，T0定時(shí)1ms并開(kāi)啟中斷，在T0溢出中斷主要完成鍵盤(pán)掃描功能。T2溢出頻率100K，T2用來(lái)定時(shí)啟動(dòng)A/D采樣，采樣頻率就是100K。
(4)A/D轉換器
用兩個(gè)通道的A/D轉換器分別對控制信號和閥位信號進(jìn)行采樣，另外還有一個(gè)通過(guò)對溫度進(jìn)行采樣。
(5)D/A轉換器
由于要求伺服控制器需要向系統反饋一個(gè)閥位開(kāi)度信號，所以我們需要將采樣的閥位值進(jìn)行D/A后傳輸給系統，C8051F330提供的D/A轉換器有10位分辯率，完全符合本系統的要求。
(6)基準電壓源
A/D和D/A轉換器都需要基準電壓源，C8051F330內部同樣集成了一個(gè)2.5V精密電壓源，我們可以將其作為A/D和D/A轉換器的基準源。
(7)片內電壓監視器及看門(mén)狗
C8051F330內部集成的了電復電路和電源監視電路，當上電和電源波動(dòng)超過(guò)某個(gè)值時(shí)能可靠復位，另外本系統還使用了其自帶的看門(mén)狗，可有效防止程序“跑飛”。
(8)輸入輸出I/O口
3個(gè)輸入端口用于鍵盤(pán)接口，7個(gè)輸出端口各種狀態(tài)指示和電機正反轉控制等。
2、小結
本文所介紹的基于C8051F330的電動(dòng)執行機構智能伺服控制器結構簡(jiǎn)單，在滿(mǎn)足系統的智能化同時(shí)，大大降低了系統成本，本智能伺服控制器已投入市場(chǎng)三年多，證明其性能十分穩定可靠。
參考文獻
[1]潘琢金.C8051F330/1混合信號ISPFLASH微控制器數據手冊[M].2003，12.
