一種信號自適應的控制器設計與實現

2014-07-11 07:43:42蹇安安

制造業自動化 2014年8期

潘婧，戴晶，蹇安安

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

0 引言

海洋運輸有著悠久的歷史，與國家的發展有著密不可分的關系。船舶運動控制從手動發展到了自動，一代又一代的船舶自動化產品不斷問世[1]。船舶控制系統不斷改進，各種新的問題不斷出現，就船舶控制系統中部分信號衰減問題，本文給出了一種實用的、基于船舶控制系統的信號自適應控制器的設計與實現。

圖1 船舶側推系統信號自適應控制器應用示例

隨著科學技術的發展，嵌入式控制器在船舶控制系統中有著越來越廣泛的應用[2]。本系統所設計的信號自適應控制器，就是基于STC12C5A60S2芯片的嵌入式控制器，可對船舶控制系統中0-10V電壓信號、-10V-10V電壓信號以及4mA-20mA電流信號進行自適應校準，比例輸出標準的4mA-20mA電流信號。

如圖1所示，在該船舶側推系統中，槳角發信器輸出的4mA-20mA螺距信號，再由側推機艙至駕駛室的過程中，產生信號衰減[3]。在接口板中使用信號自適應控制器，對衰減的4mA-20mA信號進行信號校準，實現衰減補償。

1 系統設計

本系統以STC12C5A60S2單片機作為中央處理器進行數據運算，它是宏晶科技生產的單時鐘(機器周期為IT)的一個單片機系列，是一個增強型的8051的MCU，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8至12倍，并支持在線編程[4]。和傳統8051相比，有以下特點。

圖2 STC12C5A60S2結構

信號自適應控制器利用運放LM358以及相關模擬電路，實現信號的轉換，將輸入信號轉換成單片機可進行模數轉換的0-5V的電壓信號；利用指令輸入模塊和狀態指示模塊，準確輸入相關的校準的輔助數據；由中央處理器對相關數據進行處理運算，對單片機的相關參數進行設置；同時，結合4mA-20mA信號輸出模塊，利用運放LM358和三極管8050，實現4mA-20mA電流信號的輸出；利用可控制的光電耦合器件TLP521[5]實現單片機5V輸出控制24V繼電器的輸出。圖3為信號自適應系統系統框圖。

圖3 信號自適應系統系統框圖

圖4 電源模塊電路原理圖

圖5 繼電器模塊電路原理圖

2 系統硬件設計

本系統的硬件設計主要包括電源模塊、繼電器模塊和電壓轉電流模塊等硬件電路的設計。根據設計的難點和重點，本文給出其中電源模塊、繼電器模塊和電流輸出模塊的電路原理圖。

3 系統軟件設計

本系統軟件的主程序流程圖如圖7所示，程序包括參數設置和電流校準兩個主流程。參數設置主要是對電路的硬件參數進行精確的校準，并將相關參數保存至EEPROM的過程。電流校準主要實現輸入信號的校準，根據EEPROM保存的相關參數和寫入的對應設備的臨界值，對輸入信號值進行計算處理，設置輸出PWM信號的占空比，實現電流信號的校準。

若輸出電流4mA、12mA、20mA對應的PWM的占空比分別為P4、P12、P20，待校準輸入信號最小值、中值、最大值的AD轉換結果依次為Imin、Imid、Imax，輸入信號為I，對應PWM輸出占空比為P，則各變量之間存在如下關系：

當I ≤Imin時，

P= P4；

圖6 電流輸出模塊電路原理圖

圖7 信號自適應系統主程序流程圖

當Imin＜I≤Imid時，

當Imid＜I＜Imax時，

當I≥Imax時，

4 系統測試

系統測試輸入為0-10V電壓信號，輸出等比例校準為4mA-20mA的電流信號，根據最小值、中位值、最大值的不同，分三組測試數據，測試數據如表1所示。圖9(a)所示為第一組數據，輸入信號最小值為1V，輸入信號中位值為4.5V，輸入信號最大值為9V。圖9(b)所示為第二組數據，輸入信號最小值為1.5V，輸入信號中位值為5V，輸入信號最大值為9V。圖9(c)所示為第三組數據，輸入信號最小值為1V，輸入信號中位值為4.5V，輸入信號最大值為8.5V。