基于微控制器TMS320F2812和CAN收發(fā)器實現(xiàn)新型執(zhí)行器的設(shè)計

引言

執(zhí)行器有氣動、液動、電動三類，氣動需要氣源且難以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，液動需要液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在解決了防爆和馬達(dá)保護(hù)問題后，電動執(zhí)行器得到了越來越廣泛的應(yīng)用。電動執(zhí)行器接收來自調(diào)節(jié)器的模擬信號（一般是4～20mA的電流信號）或上位機的數(shù)字信號，將其轉(zhuǎn)換為電動執(zhí)行器相對應(yīng)的機械位移（轉(zhuǎn)角、直線或多轉(zhuǎn)）并自動改變操作變量（調(diào)節(jié)閥、風(fēng)門、擋板開度等），以達(dá)到對被調(diào)參數(shù)（溫度、壓力、流量、液位等）進(jìn)行自動調(diào)節(jié)的目的，使生產(chǎn)過程按預(yù)定要求進(jìn)行。

電動執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)重要的終端設(shè)備，它對整個控制系統(tǒng)的安全運行、可靠性及調(diào)節(jié)品質(zhì)的優(yōu)劣都有很大的影響。目前國內(nèi)生產(chǎn)的電動執(zhí)行器大多由模擬器件控制，存在的問題有：①精度差；②保護(hù)措施使用繼電器和機械裝置，可靠性差；③大多數(shù)電動執(zhí)行器只能接收模擬信號（4～20mA、1～5V），不能與計算機進(jìn)行通信；④系統(tǒng)集成度低、維護(hù)困難。這就使得現(xiàn)有的電動執(zhí)行器不便于調(diào)試和維護(hù)，也不能根據(jù)生產(chǎn)的實際需要進(jìn)行參數(shù)的現(xiàn)場調(diào)整，不便于實現(xiàn)數(shù)字化的分布式控制。

新型智能電動執(zhí)行器利用微機和現(xiàn)場總線通信技術(shù)將伺服放大器與執(zhí)行機構(gòu)合為一體，具有雙向通信、在線自動標(biāo)定、自校正與自診斷等多種控制技術(shù)要求的功能?？蛇M(jìn)行現(xiàn)場操作或遠(yuǎn)程操作，完成手動操作及手動/自動之間無擾動切換?？梢哉f，智能化己經(jīng)成為電動執(zhí)行器發(fā)展的趨勢。

1、 控制器選擇

目前采用的8位或16位微控制器的智能控制設(shè)備、儀器儀表僅可完成簡單、低速的數(shù)據(jù)傳輸，不能滿足工業(yè)現(xiàn)場的實時性和可靠性要求，特別連接請求較多或控制任務(wù)較復(fù)雜時，實時性較差。因此，本文選用功能更強的32位微控制器，運行基于特殊應(yīng)用的嵌入式實時操作系統(tǒng)進(jìn)行合理的任務(wù)調(diào)度，滿足工業(yè)現(xiàn)場對實時性和可靠性的要求。這里選用了TI公司的帶有CAN接口的32位嵌入式微控制器TMS320F2812。

TMS320F2812是TI公司新推出的一款32位定點高速DSP芯片，采用8級指令流水線，單周期32×32位MAC功能，每秒鐘最高可執(zhí)行1150億條指令（150MIPS），保證了控制和信號處理的快速性和實時性。另外TMS320F2812片上還集成了豐富的外部資源，包括16路12位ADC、16路PWM輸出、3個32位通用定時器、128kB的16位Flash存貯器、18 kB RAM存貯器外圍中斷擴展模塊（PIE）可支持45個外圍中斷、并具有McBSP、SPI、SCI和擴展的CAN總線等接口。TMS320F2812還支持最大1MB的外部存貯器擴展，TMS320F2812的開發(fā)平臺支持C/C++編程語言。其C語言優(yōu)化器的C編譯效率可達(dá)90%，還有虛擬浮點數(shù)學(xué)函數(shù)庫提供支持，可以大大地縮短數(shù)學(xué)運算與控制程序的開發(fā)周期。TMS320F2812非常適用于電機控制、電源設(shè)計、智能傳感器設(shè)計等應(yīng)用領(lǐng)域。

在對執(zhí)行電機進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷時，首先要對各傳感器的信號進(jìn)行采集。CAN總線具有可靠性強、鏈路簡單、支持優(yōu)先級處理等優(yōu)點。因此，我們選擇了基于CAN總線的主/從分布式的測量方式，并開發(fā)了基于TMS320F2812的智能CAN節(jié)點。它具有10路模擬量輸入、4路數(shù)字量輸入，不僅可以根據(jù)中心處理主機的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集還可以實現(xiàn)閾值報警、數(shù)字濾波、FFT變換等功能，而且可以大大減輕中心處理主機的運算負(fù)荷。電動執(zhí)行器控制系統(tǒng)硬件主要由DSP、CAN總線接口控制器、開關(guān)磁阻電動機、檢測裝置、驅(qū)動電路等部分組成，系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

2、 驅(qū)動電機簡介

新型電動執(zhí)行器的驅(qū)動電機采用開關(guān)磁阻電機SRM（switched reluctance motor），它具有結(jié)構(gòu)簡單、啟動電流低、輸出轉(zhuǎn)矩大、定位精度高、無惰走和自剎車等特點。改變了傳統(tǒng)電動執(zhí)行器的體系結(jié)構(gòu)和缺點，同時，增設(shè)了CAN總線和RS-485通信接口，使之成為現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一個節(jié)點，具有運算、控制、通信等功能。新型電動執(zhí)行器在功能上、可靠性和性價比上都有大幅度提高，可廣泛應(yīng)用于電力、石油、化工、冶金、交通和機械等行業(yè)。

3 、CAN通信模塊設(shè)計

CAN（controller area network）總線是一種先進(jìn)的串行通信協(xié)議，它有效支持分布式控制及實時控制，并采用了帶優(yōu)先級的CSMA/CD協(xié)議對總線進(jìn)行仲裁，允許多站點同時發(fā)送。既保證了信息處理的實時性，又使得CAN總線網(wǎng)絡(luò)可以構(gòu)成多主結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的可靠性。CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，且每幀信息都有校驗及其它檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)的高實時性、低傳輸出錯率，具有很高的位速率和高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。當(dāng)信號傳輸距離達(dá)到10km時，CAN Bus仍可提供高達(dá)5kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。TMS320F2812中的eCAN控制器集成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，支持CAN總線的210A與210B規(guī)范。CAN總線可靠的錯誤檢測與處理功能都是由控制器的鏈路層自動完成，其最大優(yōu)點就是有32個可以逐位屏蔽，并帶有超時監(jiān)視和傳送動態(tài)優(yōu)先級的郵箱。這32個郵箱共有512個字節(jié)的存儲空間來存放要發(fā)送或接收到的數(shù)據(jù)。eCAN本身與SCC模式相兼容，并且增加了低功率模式，設(shè)置MC寄存器中的WUBA位，可實現(xiàn)模塊會自動退出低功率模式和工作模式的切換。

本設(shè)計選用TI公司的CAN收發(fā)器SN65HVD230和TMS320F2812直接連接便可接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)，該收發(fā)器工作電壓為3.3V，節(jié)點上電位移對總線上的其它節(jié)點沒有影響，在電噪聲很大的環(huán)境中能可靠地實現(xiàn)與上位機和其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通信。CAN通信接口電路如圖2所示。

在CAN模塊驅(qū)動程序的軟件設(shè)計時通信協(xié)議遵循DeviceNet規(guī)約，使之具有良好的模塊性和移植性，通過軟件對CAN模塊進(jìn)行參數(shù)配置，即可實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的“即插即用”功能。CAN的驅(qū)動程序分為硬件抽象層、功能函數(shù)層和應(yīng)用程序接口層三個層次。硬件抽象層文件CANREGH定義了各CAN控制器寄存器數(shù)據(jù)格式及讀寫訪問的方法。功能函數(shù)層文件CANFUNC.C和CANFUYNC.H包括CAN控制器各種控制功能的實現(xiàn)函數(shù)和CAN總線異常中斷處理函數(shù)，該層的函數(shù)利用硬件抽象層中對寄存器操作的接口來訪問CAN控制器，來實現(xiàn)各種CAN控制器能提供的功能。應(yīng)用程序接口層的文件有CANAPP.H和CANAPP.C，供用戶實現(xiàn)現(xiàn)場通信，包括如下過程：

① 初始化CAN控制器。包括使能CAN模塊、模塊時鐘設(shè)置、配置CAN管腳、初始化CANMC寄存器、清除中斷標(biāo)志位、CAN控制器的工作方式、總線波特率、驗收過濾器等，以便讓CAN控制器的各個功能與實際的工作相符。

② 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。欲發(fā)送和接收的報文按照一定的協(xié)議打包或解析，在用戶通信命令控制下進(jìn)行CAN信息幀的發(fā)送和接收。通信參數(shù)的設(shè)置由簡單的控制命令實現(xiàn)，最高可達(dá)300fps的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，按不同報文的實時性要求，在任意時刻主動地把本節(jié)點檢測和計算好的各電能質(zhì)量參數(shù)，向CAN網(wǎng)絡(luò)上任意其它節(jié)點和上位機發(fā)送信息，以供分析、存儲、顯示及打印。也可接收上位機發(fā)送的包含有基本控制命令的信息，使轉(zhuǎn)換器與本節(jié)點標(biāo)志符相匹配的報文進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，來對本節(jié)點狀態(tài)信息進(jìn)行高速檢測和運行控制。

4 、電動執(zhí)行器主程序設(shè)計

主程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初始狀態(tài)的判斷以及起動、運行子程序的調(diào)用。初始化包括TMS320LF2812內(nèi)部各寄存器及變量的初始化，事件管理器和通信顯示模塊及中斷命令初始化，QEP中斷觸發(fā)方式，禁止全部中斷，并關(guān)閉所有的相輸出信號等。根據(jù)接收的指令確定系統(tǒng)的運行模式、維護(hù)系統(tǒng)正常運行、通信和顯示等工作，其流程如圖3所示。

5 、結(jié)束語

當(dāng)智能執(zhí)行器與現(xiàn)場總線連接時，智能執(zhí)行器就成為了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)中的一塊現(xiàn)場儀表，這時它不僅具有執(zhí)行器的功能，而且還具有控制、運算和通信等功能，同時可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化管理。這類總線型智能執(zhí)行器具有可靠性高、使用方便、通信功能強、診斷保護(hù)功能完善、適應(yīng)性廣泛等優(yōu)點。隨著現(xiàn)場總線技術(shù)應(yīng)用的深入，將給總線型智能執(zhí)行器帶來廣闊的發(fā)展前景。基于DSP控制的CAN總線電動執(zhí)行器，采用開關(guān)磁阻電動機作為伺服電機，以DSP為控制器，簡化了硬件電路設(shè)計，提高了運算速度；設(shè)執(zhí)行器集運算、控制、通信等功能于一體，實現(xiàn)了機電一體化結(jié)構(gòu)；具有高度的智能化和高精度的系統(tǒng)控制功能以及先進(jìn)的自身保護(hù)和系統(tǒng)保護(hù)功能，提高了控制的可靠性。

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