基于C8051F330的低成本電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制器研究

　　介紹了利用一種高性能的單片機(jī)C8051F330應(yīng)用于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制器的實(shí)現(xiàn)方法。C8051F330內(nèi)部集成了眾多的功能部件，是真正的混合信號在片系統(tǒng)，它的價格還非常低廉，能大大降低整個系統(tǒng)的成本。

　　執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又稱執(zhí)行器，是一種自動控制領(lǐng)域的常用機(jī)電一體化設(shè)備(器件)，是自動化儀表的三大組成部分(檢測設(shè)備、調(diào)節(jié)設(shè)備和執(zhí)行設(shè)備)中的執(zhí)行設(shè)備。主要是對一些設(shè)備和裝置進(jìn)行自動操作，控制其開關(guān)和調(diào)節(jié)，代替人工作業(yè)。

　　我國的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器是六十年代統(tǒng)一設(shè)計的，三十多年來在技術(shù)上沒有多大創(chuàng)新，最早的型號有DTZ和DTJ，此時執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器是獨(dú)立的，安裝時需要分體安裝，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子元器件的可靠性大大提高，集成度越來越高，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)和伺服放大器融為一體也成為了可能，所有從九十年代開始紛紛出現(xiàn)了一些伺服一體化的執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品，但這個時期的伺服一體化控制器大部分是基于模擬電路的，調(diào)試和使用不是很方便，進(jìn)入二十一世紀(jì)，智能伺服控制器大量出現(xiàn)，但大都價格比較昂貴。有沒有辦法實(shí)現(xiàn)既便宜又智能化的伺服控制器，答案是肯定的。

1、基于C8051F330的低成本電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制的實(shí)現(xiàn)方法

　　C8051F330是一種完全集成的混合信號系統(tǒng)級單片機(jī)，片內(nèi)含一個CIP-51內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容。它除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)功能部件。CIP-51是一種增強(qiáng)的51內(nèi)核，其指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容，具有標(biāo)準(zhǔn)的8051的組織架構(gòu)，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的803X/805X匯編器和編譯器進(jìn)行軟件開發(fā)。CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，70%的指令執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，是標(biāo)準(zhǔn)8051指令執(zhí)行速度的12倍，其峰值執(zhí)行速度可達(dá)25MIPS[1]

　　C8051F330包括的資源有：

　　●一個CIP-51內(nèi)核

　　●4個通用16位計數(shù)器/定時器

　　●一個具有增強(qiáng)波特率配置的全雙工UART(串口)

　　●一個增強(qiáng)型SPI端口

　　●768字節(jié)內(nèi)部RAM

　　●128字節(jié)特殊功能寄存器(SFR)地址空間

　　●全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)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個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)/定時器陳列(PCA)

　　●片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗

　　●溫度傳感器

　　●片內(nèi)電壓比較器

　　●片內(nèi)集成基準(zhǔn)電壓源

　　●17個端口I/O

　　●高精度可編程的25MHz內(nèi)部振蕩器

　　●8K可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器

　　●硬件實(shí)現(xiàn)的SMBUS/I2C

　　對于電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)伺服控制器的應(yīng)用來說，若使用C8051F330來作主控芯片，只需要增加少量外圍電路即可滿足系統(tǒng)需求，可以省掉傳統(tǒng)智能伺服控制器中所用到的許多獨(dú)立IC，如多路A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、看門狗、外部數(shù)據(jù)存儲器(EEPROM)、基準(zhǔn)電壓源。這樣整個系統(tǒng)成本就大大降低了，本文實(shí)現(xiàn)的基于C8051F330的智能伺服控制器最終成本和傳統(tǒng)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(tǒng)輸出一個4～20mA的開度控制信號，伺服控制器將此開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(dāng)前閥門(或風(fēng)門)的開度與控制信號開度指令一致，伺服控制器則會驅(qū)動電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，最終驅(qū)動閥門(或風(fēng)門)的開啟或關(guān)閉，以達(dá)到控制閥門(或風(fēng)門)開度的目的。同時伺服控制器實(shí)時地將閥門(或風(fēng)門)的開度轉(zhuǎn)換成4～20mA閥位開度信號后輸出給控制系統(tǒng)。

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(tǒng)可擦寫的特性，我們還將部分空間開辟為各類參數(shù)的存儲空間，這樣就可以省下一個EEPROM器件。

　　(2)內(nèi)部時鐘源

　　C8051F330含有兩個內(nèi)部振蕩器，一個24.5MHz的振蕩器，精度達(dá)到±2%，這一精度完全滿足本系統(tǒng)的需求，并且還可對其進(jìn)行多種分頻操作;另一個是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(tǒng)主頻。

　　(3)定時器及溢出中斷

　　用到了兩個定時器T0和T2，T0定時1ms并開啟中斷，在T0溢出中斷主要完成鍵盤掃描功能。T2溢出頻率100K，T2用來定時啟動A/D采樣，采樣頻率就是100K。

　　(4)A/D轉(zhuǎn)換器

　　用兩個通道的A/D轉(zhuǎn)換器分別對控制信號和閥位信號進(jìn)行采樣，另外還有一個通過對溫度進(jìn)行采樣。

　　(5)D/A轉(zhuǎn)換器

　　由于要求伺服控制器需要向系統(tǒng)反饋一個閥位開度信號，所以我們需要將采樣的閥位值進(jìn)行D/A后傳輸給系統(tǒng)，C8051F330提供的D/A轉(zhuǎn)換器有10位分辯率，完全符合本系統(tǒng)的要求。

　　(6)基準(zhǔn)電壓源

　　A/D和D/A轉(zhuǎn)換器都需要基準(zhǔn)電壓源，C8051F330內(nèi)部同樣集成了一個2.5V精密電壓源，我們可以將其作為A/D和D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)源。

　　(7)片內(nèi)電壓監(jiān)視器及看門狗

　　C8051F330內(nèi)部集成的了電復(fù)電路和電源監(jiān)視電路，當(dāng)上電和電源波動超過某個值時能可靠復(fù)位，另外本系統(tǒng)還使用了其自帶的看門狗，可有效防止程序“跑飛”。

　　(8)輸入輸出I/O口

　　3個輸入端口用于鍵盤接口，7個輸出端口各種狀態(tài)指示和電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制等。

2、小結(jié)

　　本文所介紹的基于C8051F330的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)智能伺服控制器結(jié)構(gòu)簡單，在滿足系統(tǒng)的智能化同時，大大降低了系統(tǒng)成本，本智能伺服控制器已投入市場三年多，證明其性能十分穩(wěn)定可靠。

參考文獻(xiàn)

　　[1]潘琢金.C8051F330/1混合信號ISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[M].2003，12.