基于嵌入式MCU的变转速液压测控系统设计.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第 4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I C S De c ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 2 3 基于嵌入式 M C U的变转速液压测控系统设计 王光 洪 ，彭天好 ，张川 安徽理工大学机械 工程 学院，安徽 淮南 2 3 2 0 0 1 摘要以变转速泵控马达调速系统为研究对象，设计一种基于 U S B通信接 口的嵌入式 MC U的变转速测控系统，分析 测控系统的下位机硬件组成和软件结构，对嵌入式系统在液压方面的应用有一定的借鉴意义。 关键词 嵌入式 MC U；液压系统 ；测控系统；U S B通信 中图分类号 T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 30 8 6 4 De s i g n o f Va r i a b l e Sp e e d Hy dr a u l i c Te s t c o nt r o l S y s t e m Ba s e d o n Emb e d de d M CU WANG Gu a n g h o n g．PENG Ti a n h a o．ZHANG Ch u a n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， A n h u i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， H u a i n a n A n h u i 2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T a k i n g t h e p u m p c o n t r o l - m o t o r v a ri a b l e s p e e d g o v e r n i n g s y s t e m a s r e s e a r c h o b j e c t ，a v a r i a b l e s p e e d h y d r a u l i c t e s t - c o n t r o l s y s t e m wa s d e s i g n e d b a s e d o n e mb e d d e d MC U o f US B c o mmu n i c a t i o n i n t e r f a c e ．T h e s i n g l e c h i p c o mp u t e r h a r d wa r e c o mp o n e n t s a n d s o f t w are arc h i t e c t u r e we r e a n a l y z e d ．I t p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e a p p l i c a t i o n o f e mb e d d e d MCU i n h y d r a u l i c t e s t - c o n t r o l s y s t e m． Ke y wo r d sE mb e d d e d MC U；Hy d r a u l i c s y s t e m；T e s t - c o n t r o l s y s t e m ；US B c o mmu n i c a t i o n 液压系统中的压力、流量是反映液压系统运行状 态的重要参数 ，需要对它们进行检测，并通过改变控 制对象的参数 ，来控制整个液压系统。变转速液压测 控系统以变频电机驱动液压泵为动力源 ，利用电信号 对压力、速度等参量进行采集 并处理。以嵌 入式 M C U为主控制器的变转速液压测控系统，实现模块 化、在线编程，并采用 U S B通信 ，成本低 、开发时 间短，可以同时控制多个参数。 该测控系统以嵌入式 M C U作为控制核心，以变 转速泵控马达调速系统作为研究对象 ，对该液压系统 的主要参数进行实时采集、显示及控制。测控系统的 下位机采用汇编语言开发 ，上位机采用 V B语言，能 够满足测控系统要求。 1 变转速泵控马达调速系统简介 文中所研究的变转速泵控马达调速系统是变转速 液压传动系统中一类基本的传动系统，它主要由变频 器、电机、泵、流量控制阀和马达组合而成的一种液 压传动系统 。在该液压系统中，其检测信号主要有 4路压力信号 马达进出口压力、泵进出口压力 、1 路转速信号 马达转速 。变转速液压测控系统根据 被测参数的变化，通过数模转换 D ／ A通道输出电信 号来控制比例溢流阀、比例方向阀、变频器。 2 测控系统硬件设计 变转速液压测控系统简称测控系统 ，其硬件主要 包括嵌入式 MC U、信号调理电路、A ／ D转换 电路、 D ／ A转换电路、U S B通信接 口电路等 ，测控 系统 框图如图1 所示 ，下面详述各硬件部分的设计。 ⋯ M C U I 图 1 测控系统框图 2 ． 1 嵌入式 MC U最小 系统 在测控系统元器件中，嵌入式 MC U的选取是最 关键 且 重要 的。此 次设 计 选用 宏 晶公 司生 产 的 S T C 8 9 C 5 2 R C单片机作为测控系统的主 M C U，它是一 种低功耗、高速、超强抗干扰的 MC U，指令代码完 全兼容传统 5 1 单片机，另外它具有 I S P 在线系统可 编程功能，无需专用编程器或仿真器，便可通过 串 口 R X D，T X D 直 接 下 载 用 户 程 序 。 S T C 8 9 C 5 2 R C最小系统电路如图2所示。 嵌入 式 MC U 最 小 系 统 主 要 由 微 控 制 器 S T C 8 9 C 5 2 R C、外 围扩展 R A M 6 2 6 4 、译码器 7 4 1 s 1 3 8 组成。因考虑到 S T C 8 9 C 5 2 R C MC U内部的数据存储 内存不够，而液压系统被测参数较多，且要求实时性 收稿 日期 2 0 1 1 1 02 6 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 8 7 5 0 0 1 作者简介王光洪 1 9 7 9 一 ，男，硕士，主要研究方为机电一体化等。Em a i l w a n g g h _ 2 5 1 6 3 ． e o m。 _ _ 札。 ． ． ． 第 2 3期 王光洪 等基于嵌入式 MC U的变转速液压测控系统设计 8 7 较高，处理运算量较大，所 以需扩展一片 8 k b R A M 芯片 。 D 口 P l 0 ㈣ p 0 D D 0 0 0 P I l 2 豳P 0 J D I O l pl j 0 D 2 ∞ Pl 3 阳3 ∞ ∞ Pl 4 P 0 』 D 4 叫 盯c 一 D 5 ∞ D 6 Pl ， P 口7 钟 们 i p 3 j Ⅱ n P 2 D O E p 3 3 a N T l 】P 2 l L E 4 邮 】 p 2 0 P 2 3 址S S 绍 P 3 盯l 1 P 2 3 P 2 』 P 2 5 E 胛 P P 2 2 8 P 2 7 P2 j I ， P l P2 6 2 A YO XT A L 0 2 D l P2 7 3 B tl X Ll WS 4 0 C ∞ 旺 T 4 [ 呦1 P 3 O 1 0 R X D l 6 国 ” 6 1 c l 】 ∞ 4 D L E R O G 直 L E l 5 P [亡一 ∞ T 7 图2 S T C 8 9 C 5 2 R C最小系统电路 2 ． 2 A ／ D转换及 D ／ A转换 电路 液压系统的5路传感器信号经过信号调理电路转 化为 A ／ D所能识别的标准信号。测控系统所选用的 A ／ D数据采集芯片是 M A X 1 9 7 。该芯片单次 A ／ D转 换时间仅为 6 i x s ，采样速率为 1 0 0 k b ／ s 。M A X 1 9 7具 有 1 2位测量精度，D 0～D 7 包括高 4位 D 8～D 1 1 与 S T C 8 9 C 5 2 R C的 P 0相 连。R E F和 A G N D之 间连 接 一 个 4 ． 7 电容 ，MA X 1 9 7与嵌入式 M C U的连接电 路如 图 3所示 。 图 3 模块 MA X 1 9 7与 S T C 8 9 C 5 2 R C连接电路 另外测控系统通过 D ／ A转换输出电压信号，经 过信号调理后，实时控制液压系统的比例方向阀、比 例溢流阀和变频器。测控系统选用的 A ／ D转换芯片 是 M A X 5 2 7 。MA X 5 2 7转换速 度为 5 Ix s ，D A C转换速 度最大为 2 0 0 k H z 。V R E F A B和 R E F V C D引脚是外部 电压基准信号的输入端 口，V O U T A～V O U T D引脚分 别输出模拟量 ，C S L S B 和C S M S B 引脚和译码器的 Y 6 和 Y 7相连，它们决定 1 2位数据的低 8位高 4位 ， L D A C 和单片机的 P 1 ． 4相连，低有效 。M A X 5 2 7与嵌 入式 MC U的连接电路如图4所示。 RI R z ” _ V A l “ O UTC V OUTD 24 VD 图4 模块 MA X 5 2 7与 S T C 8 9 C 5 2 R C连接电路 2 ． 3 U S B通信 接 口电路 测控系统需要将下位机采集的数据传送给上位 机 ，上位机将送来的数据进行显示并实时控制。上下 位机的通信采用 U S B接口。测控系统选用的 U S B接口 芯片是 C H 3 4 1 A。U 4连接 P c机 U S B接口，C H 3 4 1 A的 R X D和 T X D引脚分别连接到 S T C 8 9 C 5 2 R C的 T X D和 R X D引脚 ，即 R X D - T X D 、T X D ． R X D 。C H 3 4 1 A的地引 脚同 S T C 8 9 C 5 2 R C的地引脚相连。C 是个退耦电容， 它接在 V 3端 口用于防止干扰。T E N 管脚接地，它是 个发送数据的使能端。C H 3 4 1 A外部所使用的晶振是 1 2 M H z 。为保 证 S T C 8 9 C 5 2 R C与计算 机通 信顺 畅， S T C 8 9 C 5 2 R C采用 1 1 ． 0 5 9 2 MH z 的晶振。 C H 3 4 1 与嵌入 式 MC U的连接电路如图5 所示。 zupr 图 5 模块 C H 3 4 1 A与 S T C 8 9 C 5 2 R C连接电路 使用 C H 3 4 1 A的 U S B通信模块 具有以下优点 1 传 输 速 率 快。U S B接 口传 送 速 率 为 1 2 Mb ／ s ，最新的 U S B 2 ． 0支持最高速率达4 8 0 M b ／ s 。同 串行接 口相比，U S B接 口快很多。 2 性价比高。U S B芯片大约是十几元左右，相 比 R S 2 3 2性能差别很 大。 3 外 围硬件 简单。可移植性 强，支 持多种 MCU。 正是由于 C H 3 4 1 A作为 U S B转接 口芯片具有以 上优点，因此它成为了作者设计的电路 U S B转接芯 片的最优选择。 2 ． 4信 号调 理 电路 8 8 机床与液压 第 4 0卷 液压系统有5路传感器信号，这些传感器信号经 过信号调理电路，转化为标准的数字信号。另外控制 信号经过信号调理电路转化为有效的电压信号 ，从而 实现对液压系统的比例溢流阀、比例方向阀和变频器 实时控制。 2 ． 4 ． 1 光 电隔离放大 电路 在信号传输过程中，由于强干扰的引入使放大器 的输出有很强的干扰成分，所以需要将电路的输入侧 和输出侧在电气上完全隔离。测控系统选用的光电隔 离放大芯片是 I S O I O 0 。I S O I O 0光电隔离放大电路如 图6所示，传感器输出信号为 4～2 0 m A电流信号， 测控系统可以转换的电压信号范围是 0～ 5 V，所 以 设计光耦放大电路的增益为 2 5 0 ，即在以下电路中选 用 R 3 3 2 k Q，R 3 5 0 0 k Q。 Ul V 2 C a l 叽t p T 1 t c “ 。 n c l R e f 2 ．w e a l 唑争 2 B M B l B d Bd IH ． c a 2 m 一 Re fl v o u l l 8 - I n 十 髓 ●___●___________●_。。 _。。。。。 I 卅 c n a e l 图6 模块 I S O 1 0 0光电隔离放大电路 2 ． 4 ． 2 低通滤波电路 测控系统采集传感器信号时，往往夹杂着一些与 被测量无关的信号。设计一个低通滤波电路使需要的 信号通过，而噪声信号被抑制 。调理电路板的低通 滤波电路采用 的芯片是 O P 7 7 ，其电路如 图7所示， 压力传感器信号 p r e s s l 经过图6所示的光电隔离放大 电路后输出 A 1 信号 ，A 1 信号再经过图 7 所示的低通 滤波电路后输出 s i n g a l l信号，s i n g a l l信号就是 A ／ D 所要的信号。 图7 模块 O P 7 7低通滤波电路 2 ． 4 ． 3 控制信号输出电路 变频器和比例溢流阀的控制信号均在0～1 0 V之 间，所以选择了性能较好 0 P 7 7运放来设计信号放大 电路，放大增益在 1～2倍之间。调理电路板的变频 器和比例溢流阀输出信号电路如图 8 所示。 单片机输出控制信号后 ，经过 D ／ A转换成模拟 信号 T r a n s f o r m e r ，再 经 图 8所示 的放 大 电路输 出 T r a n s f o r m e r o u t 信号。T r a n s f o r m e r o u t 信号就是变频器 所要的信号。 图8 模块 0 P 7 7控制信号输出电路 3 测控系统软件设计 测控系统软件包括下位机嵌入式 MC U程序和上 位机 V B程序。下位机程序用汇编语言编写，程序的 开发与调试用伟福 V 5 ／ S仿真器。下位机程序的开发 与调试是在 WA V E软件的环境下完成，并且可 以仿 真各种 C P U，包括 MC S 5 1系列单片机。伟福仿真图 如 图 9所示 。 图9 伟福仿真图 3 ． 1 下位机程序 下位 机嵌入式 M C U的程序 主要包括系统主程序 、 A ／ D采集子程序、U S B通信子程序、D ／ A控制子程 序等。下面详述各软件部分的设计。 3 ． 1 ． 1 下位机主程序 主程序流程 图如 图 1 0 所 示。 厂莉石 _ ] 初始化各寄存器、堆栈等 初始化A ， D 、D／ A、U S B 接 口及定 时器 和 串 口等 开全 局 中断 6 0 h 0 DD H ＼／ I Y 空 N 蕃丽 图 1 0 主程序流程图 N 第 2 3期 王光洪 等基于嵌入式 MC U的变转速液压测控系统设计 8 9 下位机主程序用来完成各个模块的程序调用，使 各个模块程序有效地结合起来 ，形成一个完整的软件 系统。主程序需要初始化各个寄存器，初使化 A ／ D 、 D ／ A、U S B接口、定时器、串口，开全局中断，等待 是否有按键发生或有上位机发送的信号 ，若有则进行 相应的操作。 3 ． 1 ． 2 A ／ D采集子程序，D ／ A控制子程序 数据采集程序先判断通信送过来的内部 R A M6 1 H 单元的内容是哪个转换通道，然后再启动转换 ，等待 转换时间完成后，将转换完成后的数据送入到将发送 的内部 R A M 7 0 H单元 内。A ／ D采集程序流程图如图 1 1所示 。 设计 中D ／ A输出的信号经过调理板后控制变频 器 、比例方向阀和比例溢流阀。D ／ A转换程序是先 判断通信送过来 的内部 R A M 6 1 H单元的内容是哪个 转换通道，然后将内部 R A M 6 2 H、6 3 H单元的内容装 载入 D ／ A寄存器 ，经 D ／ A转换后，输 出模拟 电压， 从而控制相应 的器件。D ／ A控制程序流程图如图 1 2 所示 。 开始 将6 1 H送给A I D 转 换通 道 启动转换 等待2 Ou s 读取数据 ，存入到7 0 H 返回 、 开始 将6 1 H 送给D ， A 通道 LDAC置 高 低8 位数 据装 入 延 时 0 高8 位数据装入 L n A C 置低，输入寄存{ 中，模拟电压输出 返 回 图 1 1 A ／ D程序流程图 图 1 2 D ／ A程序流程图 3 ． 1 ． 3 U S B接 口调试和 U S B通信子程序 要实现 P C机与 S T C 8 9 C 5 2 R C通信功能 ，需要验 证 U S B接 口通信的畅通。在下位机上用汇编语言写 一 段 自收 自发的程序。串口调试助手作为上位机软 件，使用它可以方便地记 录 U S B串口通信模块发送 过来的数据。 在打开串口调试助手时，首先它会提示没有发现 此串口，这时需把串口改为 C O M 4 ，指示灯亮说明已 打开串 口。其他通信参数设为波特率 9 6 0 0 b ／ s ， 数据位 8 位 ，检验位 N O N E，停止位 1 位。 在发送文本框 中输人数据 “ h t t p ／ ／ r o a r i n g w i n d ． b e s t ． 1 6 3 ． c o i n ” ，点击手动发送，向 U S B端口发送此数 据。观察上面的接收文本框，可以发现，计算机成功 接 收 到 MC U 回 送 的 数 据 “ h t t p ／ ／ r o a r i n g w i n d ． b e s t ． 1 6 3 ． c o n” 。这说明此 U S B接 口通信是畅通的。串 口调试助手如图 l 3 所示。 图 1 3 串 口调试助手 测控系统的 U S B通信子程序分为发送子程序 和接收子程序。在下位机主程序初始化时，需要设置 串口波特率为 9 6 0 0 b ／ s ，工作方式设为方式一。在 接收子程序中，内部 R A M 6 0 H - 6 F H 1 6个单元是接收 存储区，接收子程序流程图如图 1 4 a 所示。在发 送子程序中，内部 R A M 7 0 H单元是发送存储器，发 送子程序流程图如图 1 4 b 所示。 I 开 始 J 保 护现 场 CL R RI 接收数据并存入6 0 h 开始 的内存，直到接 收为 0 C D H时结束 I 中 断 返回 I 开始 7 0 H 送 给S B U F 等待 发 送完 成 CLR TI 返回 a 接收子程序 b 发送子程序 图1 4 U S B程序流程图 4结束语 通过研究变转速泵控马达调速系统 中动态参数 ， 设计了一种基于 U S B通信接 口的嵌入式 MC U的变转 速测控系统，主要 阐述了下位机硬件 电路 U S B通 信接口电路、信号调理 电路等和软件编程 下位 机主程序 、U S B通信子程序等 。限于篇幅，上位机 V B程序未做分析。结果表明该测控系统测试数据 准确，可 以实现数 据采集 、显示 及信号 控制，对 M C U在液压系统中的应用有一定的实际意义。 参考文献 【 1 】彭天好． 变频泵控马达调速及补偿特性的研究[ D ] ． 杭 州 浙江大学， 2 0 0 3 ． 【 2 】 刘健． 多工位全 自动动平衡机设计方法及关键技术研究 [ D] ． 杭州 浙江大学， 2 0 0 5 ． 【 3 】 何立民． 单片机应用系统设计 一 系统配制与接 口技术 [ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 1 ． 【 4 】 张锋， 吴锋， 桂旭阳， 等． C A N转 U S B接 口 在摩托车底盘 测功机中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 4 1 2 1 1 01 1 1 ． 【 5 】 杨旭， 刘小方， 张泽奇 ， 等． 基于单片机的超声波测距系 统设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 8 1 0 61 0 8 ．