以PC104和单片机为核心的液压伺服控制系统的设计与实现

摘要:本文在计算机技术和液压伺服控制技术的基础上,设计了一种基于单片机和PC104的多通道液压伺服控制系统。采用一块核心板加多块伺服控制板的设计方法来降低难度和提高速度。伺服控制板采用新华龙单片机C8051F060设计,核心板采用PC104控制模块。核心板和伺服控制板通过双口RAM交换数据。

关键词: PC104 CPLD 双口RAM LabVIEW

1 引言

在悬架部件结构的静载试验、动载试验和疲劳试验中,电液伺服控制系统是必不可少的加载设备。早期的液压伺服控制系统都是采用模拟电路,模拟电路的抗干扰差,而且不能和计算机接口,系统的各通道之间很难相互协调工作。因此,难以用于汽车疲劳试验台。

随着微电子技术、计算机技术、通信技术和数字技术等技术的迅速发展,现代伺服控制系统朝着高精度、高速度、高可靠性的数字电液伺服控制方向发展。数字电液伺服控制系统具有精度高,结构紧凑,控制方便等诸多优点。将它应用于汽车悬架和后桥的静载、动载和疲劳等试验设备能进一步提高了汽车悬架和后桥的试验水平,所以研究并开发设计汽车疲劳试验的电液伺服控制系统能促进我国汽车业的发展,具有很强的

现实意义。

本文在电液伺服控制技术的基础上,对基于 LabVIEW和 PC104与单片机C8051F060的液压伺服控制系统进行了深

入的研究,本系统利用图形化编程工具LabVIEW软件编写的上位机人机界面具有易于操作,便于维护等特点。系统采用单片机

C8051F060采集数据,用PC104作为核心处理器进行实时控制器,达到了系统的精度要求。

2 液压伺服控制系统的总体设计方案

本系统分为人机界面管理计算机和多通道伺服控制器,人机界面管理计算机和多通道伺服控制器通过串口线连接,如图1所示;多通道伺服控制器采用一块核心板加7块伺服控制板的设计方法进行总体设计核

心板和伺服控制板通过PC104总线连接,如图2所示。

核心板利用PC104强大的数据处理能力来生成函数发数器并进行实时控制,伺服控制板采用单片机C8051F060来进行A/D、D/A采集和PID计算;核心板和底板之间通过双口RAM进行高速通信;这样的设计方法能降低难度并提高速度,并且稍加改动就能很容易地应用到其他领域。

3 多通道伺服控制器的设计

3.1 多通道伺服控制器的硬件设计

该系统的多通道伺服控制器的硬件设计如图3 所示,主要包括模拟信号输入接口电路、信号调理电路、时钟与复位电路、电源转换电路、PC104与C8051F060交换数据的双口RAM电路、 数据通信接口电路、功率放大等部分。 本文采用C8051F060自带外设 ADC 完成对信号的采集,用C8051F060自带的外高DAC实现数字信号向模拟信号的转换,转换的模拟信号经功率放大后输出。

双口RAM模块设计

双口RAM两侧端口处具有独立的控制总线、地址总线和数据总线,与各种CPU接口设计简单,且与各种CPU性能具有高度的兼容性,因此易于在两个CPU之间实现并行通信。本文设计中用IDT7005S分别实现单片机和PC104计算机之间的高速通信。

(1)双口RAM左端与单片机接口电路设计

在本文设计中单片机采用非复用方式和双口RAM左端的数据线、地址线相连。P7.0-P7.7和双口RAM左端的8位数据线连接,P6.0-P6.7和双口RAM左端的低8位地址线连接,P5.0-P5.4和双口RAM左端的高5位地址线连接。单片机的P5.5引脚和双口RAM左端口的旗语控制脚相连,为低电平时,对旗语空间操作;P5.6引脚提供双口RAM的左端口片选信号,为低电平时,双口RAM左端口有效。双口RAM低电平有效的引脚OEL、OER、R/WL、R/WR、SEML、SEMR、CEL、CER、INTL和INTR分别连接一个1K的电阻实现上拉。IDT7005S的主/从选择脚M/S接高电平,选择主模式。

双口RAM芯片IDT7005S共有13要地址线,存储容量为8KB。根据地址线、旗语线、片选线的连接关系可知,IDT7005S的左端RAM地址选通空间为2000H―3FFFFH。

(2)双口RAM右端与PC104接口电路设计

双口RAM分别通过其右端数据线、地址线和控制信号线映射在PC104。同时,PC104需要经过一定的地址逻辑选通才能对接口中的双口RAM进行访问。系统的逻辑选通、控制是由CPLD器件EPM7128实现的。为了减少接入CPLD地址线的条数,节省CPLD的I/O口资源,将地址线A13R-A19R接入地址比较芯片74HC688,与拨码开关一起组成地址比较电路。当地址信号和拨码开关的预先设置的地址一致时,YB为低电平,否则为高电平。

考虑到接口电路设计的复杂程度,PC104采用8位方式对双口RAM进行访问。PC104总线的低1M存储空间写信号SMEMW直接控制IDT7005S的写信号RWR。PC104低1M空间读信号直接控制IDT7005S的右端输出信号OER。由于PC104是标准的5V TTL逻辑电平,因此数据线与地址线可以直接连接到IDT7005S的左端。

3.1.2 前向通道硬件设计

系统前向通道是指反映液压伺服控制系统工作状况的位移、力、应变式传感器的输出信号在到达A/D转换模块之前,滤波、放大等一系列信号处理的过程。

由于单片机A/D转换的模拟电压输入范围为0-2.5V,而实际传感器得到的模拟信号通常正负电压都有,为了得到0-2.5V的输入电压,在AD620放大器后面再接一个OP07通过滑动变阻器把电压范转调节到0-2.5V。

3.1.3 后向通道硬件设计

(1)阀颤振模块

伺服控制系统中伺服阀的颤振信号的频率变化一般为300Hz左右,可以用一个专用的函数发生器芯片生成约300HZ的颤振信号。但由于它的幅值的变换有可能比较大,因此需要阀颤振信号的幅度能由CPU通过编程控制,本文采用C8051F060的D/A模块产生所需的模拟信号。再利用AD633将D/A生成的模拟信号乘函数发生器生成的信号,这样颤振幅值控制模块就可以控制颤振信号的幅值了。

(2)阀平衡信号的调整

为了消除电液伺服阀在出厂时的零偏,因此必须对它调零。可以在阀的驱动端加一可调的偏置电路,但为了节约成本,可以通过调整12位D/A模块部分的12位被转换量的偏置,达到当控制信号为零时伺服阀的输出为零的目的。

(3)功率放大模块

由于D/A转换得到的模拟信号和颤振部分的模拟信号之和的输出电流仍很小,提供的输出功率和很小,为了能够驱动伺服阀,必须加功率放大电路。而且,为了把12位D/A输出控制量信号,阀颤振信号都加到伺服阀上,就必须在功率放大器前端把两个信号加在一起,然后送到功率放大器的输入端。

3.2 多通道伺服控制器的软件设计

多通道伺服控制器分为核心板和伺服控制板两部分。下面分别对两部分的软件设计进行总体介绍。

3.2.1 核心板的软件设计

核心板软件为PC104中的程序,是在TurboC3.0环境下开发的,其主程序流程图如图4所示。

初始化程序包括各种参数和变量的初始化,启动定时器,由于此液压伺服系统的控制信号为50HZ以下,所以将定时时间确定为1ms,完全满足系统要求。1ms定时后,检测定时中断标志位是否置1,置位信号由中断服务子程序完成。若没有置位则返回定时中断子程序。若已经被置1,则调用command命令,程序根据人机界面管理计算机发出的控制状态和控制参数计算当前时刻的命令信号,该命令信号由两部分组成,一部分为静态命令,另一部分为动态命令,实际控制信号为两部分之和,此时将所得命令信号入双口RAM;然后从双口RAM读取伺服控制板的A/D采集的结果,接着调用串口发送子函数将控制器当前时刻的所有信号(包括命令信号、状态信号和反馈信号)的数据传送给人机界面管理计算机,供人机界面管理计算机显示和保存用。之后将中断标志位清零,并且返回程序入口。

3.2.2 伺服控制板的软件设计

伺服控制板的程序是在Silicon Laboratories IDE环境下,用C语言完成的,主程序流程图如图5所示。

初始化程序包括各种参数和变量的初始化,启动定时器,将定时器的时间间隔定为1 ms,1 ms定时后,检测定时中断标志位是否置1,置位信号由中断服务子程序完成,若未置位则返回定时中断子程序。若已经被置1则启动A/D转换,并从双口RAM中读取命令信号进行前馈PID控制算法,然后将得到的控制命令进行D/A转换,转换成为相应的模拟量(该模拟信号通过后向通道放大后驱动伺服阀的运动)。最后将A/D转换后的数据写入双口RAM中,核心板可定时读取。

4 结语

本文设计的是一个七通道液压伺服控制系统,在对系统功能要求和性能指标进行分析的基础上,采用一块以PC104为主CPU的核心板加7块以C8051F060为CPU的伺服控制板的设计方法来降低难和提高速度,核心板和伺服控制板通过双口RAM交换数据。此设计方法稍加改动就能很容易地应用到其他领域,有很强的实用性。

参考文献

[1] 钱晓捷等.微型计算机原理及接口技术.机械工业出版社,1999年:14页.

[2] 赵明矩等.基于双口RAM的DSP与PC104高速通信接口设计.嵌入式计算机应用.2006 年,第47 期:47-49.

[3] 吴学杰.多功能液压伺服控制系统.机械与电子.1997年第2期.

[4] 阎世栋.基于PC104总线的16通道同步数据采集卡的研究.国外电子测量技术.2005年,第2期.

[5] 罗安等.专家PID控制器及其应用.信息与控制.1992年,第21卷第3期.

[6] Yuan-Yih Hsu,Kan-Lee Liou.Designing of self_tuning PID power system stabilizers for synchronous generators.IEEE Trans EC,1987,2(3).

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