基于ARM電液比例控制液壓實驗臺

摘 要：傳統的電液比例控制系統雖然價格低廉，但是其使用性能不高，針對這種情況，本文提出了一種基于ARM的電液比例控制液壓系統。本系統采用ARM內核微控制器LPC2292和電機驅動芯片LMD18200作為核心的硬件電路，并對 uC/OS-II操作系統在ARM上的移植過程進行簡要說明。

關鍵詞：ARM 電液比例控制液壓 uC/OS-II

中圖分類號：TH137 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（a）-0065-01

電液比例控制系統具有安裝方便、系統的控制精度高、抗污染能力較強等優點，使得該系統在工程機械中倍受親睞，引用領域越來越多。8位和16位的單片機是傳統電液比例控制系統中常用的控制器，這種控制器受到單片機運算和處理數據能力低的影響，系統的運算速度、安全性、可靠性都比較差。針對以上缺點，本文選用了飛利浦公司研發生產的ARM內核微處理器LPC2292作為控制器，驅動器選用了專用的電機芯片LMD18200，操作系統采用了 uC/OS-II，使電液比例控制系統的穩定性、可靠性和運算速率得到顯著的提高。

1 系統的工作原理

電液比例控制系統的工作原理是：系統依據外界輸入的電信號的強弱，按照比例連續的控制液壓系統的壓力大小、流量多少以及流動方向等相關方面的參數。比例電磁鐵和電液比例閥是構成電液比例控制系統的最重要的部件，在比例電磁鐵和電液比例閥的基礎上附加一些輔助執行機構來構成完整的系統。開環控制是在工程機械中常常采用的控制方法，只將電流采用閉環系統以達到輸出量穩定的效果。人們對電液進行比例控制最常用的技術是PWM技術，PWM技術的實質是通過調節占空比的方法來達到改變電磁鐵平均電流的目的，這是提高電液比例控制閥靈敏度和減少電磁鐵的死區比例最有效可行的方法，由于比例電磁鐵和電液比例閥是構成電液比例控制系統的最重要的部件，所以也就有效提高了整個電液比例控制系統的靈敏度和控制精度。

2 硬件設計

為了滿足電液比例控制系統的功能需求，整個系統的控制電路由FLASH、SRAM、模擬輸入裝置、數字輸入裝置、鍵盤輸入、LCD顯示器、總線、數字輸出等組成。

2.1 LPC2292介紹

LPC2292的本質是一個中央處理器（CPU），它帶有仿真和跟蹤的功能，獨特的加速模式和存儲結構再加上128位寬的接口，使其可以在最大的時鐘速率下可靠穩定的運行。LPC2292的GPI0很多，最少有76個，最多的可以擴展到112個GPIO口。由于內置的串行通信接口范圍比較寬闊，使LPC2292在通信關和協議轉換方面也有很大的應用。

2.2 設計系統存儲器電路

內存儲器容量較小是ARM微處理器普遍存在的問題，這就要求用戶在使用ARM微處理器的時候必須對其內存容量進行擴大。本文采用一張1MB×16的CMOS多功能FLASH和一張512KM×16的高速CMOS靜態RAM來對ARM微處理器進行擴展，以達到快速緩存程序數據的目的。LPC2292具有外部存儲器接口模塊是LPC2292的一個優點，這使人們可以在外部存儲器接口的基礎上，對寄存器組根據需要進行有效的擴展，擴展數量一般為4個，設置每個寄存器的物理空間大小為16MB，這使得程序的調試和代碼的固化更加的方便。在進行程序的調試時，可以將LPC2292分配為BANK0地址，以確保以后的異常向量表操作的順利進行。在對FLASH進行代碼固化的時候，將FLASH分配為BANK0，BANK0可以有效的對程序進行引導。本文所采用的都是16位的總線接口，用LPC2292的地址總線A1-A20分別與相應的接口相連。

2.3 LPC2292與LMD18200的連接要點

控制電液比例閥的電流大小是電液比例控制的核心內容，驅動電流一般為1 A，必須對LPC2292輸出的信號進行放大，還得巧妙設計電液比例控制閥的保護電路，以防止過流、欠壓、短路、回流等現象的發生。本文的PWM驅動器選用直流電機驅動芯片LMD18200，LMD18200具有很強的驅動能力，瞬間的驅動電流可以達到6 A，正常的工作電流為3 A，還具備溫度報警、過熱與短路保護的功能。單極性驅動和雙極性驅動對于LMD18200來說都可以滿足，本文選擇單極性驅動作為電液比例閥的驅動方法，其控制信號有方向和幅值兩個，方向信號由DIR電平確定，幅值信號由PWM的占空比決定。

3 軟件設計

3.1 軟件移植

uC/OS-II自20世紀90年代以來在世界各地獲得了廣泛的應用，是以一種優先級可搶先為基礎的硬實時內核，其設計只初的定位就是一種嵌入式的設計內核，截止目前由超過四十種不同結構的CPU應用，而且從8位到64位的芯片都有，更重要的是該系統的升級版本，通過了美國權威機構FAA認證，這樣使人們將此系統更加放心的應用于對可靠性、安全性要求極為嚴格的航空航天技術領域。鑒于uC/OS-II可以免費獲得代碼，對于嵌入式RTOS而言，選擇uC/OS無疑是最經濟的選擇。uC/OS-II在ARM上的移植是電液比例控制系統軟件設計的主要內容。要把uC/OS-II成功的移植到ARM上必須有三個與處理器相關的文件，具體如下。

（1）C語言頭文件。

C語言頭文件是定義與譯碼器無關的數據類型、堆棧類型堆棧增長方向和SWI服務函數，在ARM中有兩種處理模式：一是用戶模式，二是系統模式。各種模式有不同的權限。

（2）匯編程序源文件。

軟件中斷的匯編接口，任務級任務切換函數和中斷級任務切換函數，還有就是啟動最高優先級的優先就緒任務函數。

（3）C程序源文件。

C程序源文件的主要作用是任務堆棧初始化代碼、軟中斷異常處理程序、開關中斷、子函和移植增加的確定函數。

3.2 應用程序編寫

可靠性和實用性是我們在編寫成簇時候必須考慮的問題，根據實際應用，將任務按照優先級進行科學的分類，優先級高的排在優先級低的前面，這樣在程序運行過程中會根據優先級有條不紊的運行程序，有效的避免程序的混亂，起始任務、鍵盤掃描任務、監控任務、PWM輸出、將數據液晶顯示、對模擬信號的有效合理采集和通信任務為并行存在7個重要任務。將各個任務進行編碼、編寫合理的調用子程序以及合理編制中斷合理程序后啟動操作系統，應用程序便開始運行了。

4 結語

本文主要通過介紹基于基于ARM的電液比例控制系統的工作原理，從硬件系統的設計和軟件程序的編寫兩個方面對該系統進行了簡要闡述，本系統解決了傳統的電液比例控制液壓系統性能差靈敏度低的缺點，并經過試驗證明，該系統具有精度高、可靠性好、運行穩定、實時性比較好的優點，可以在很多種試驗臺上廣泛調用。

參考文獻

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