基于STM32 的電磁閥智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

韓 旭，范正吉，景金榮，何 鑫，洪應(yīng)平*

(1.北京航天長征飛行器研究所，北京 100076；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051)

在航空航天等領(lǐng)域，隨著大型裝備(如:航空發(fā)動機(jī))性能的不斷提升，其關(guān)鍵部件(電磁閥，壓力傳感器)在工作狀態(tài)下往往處于高溫、高壓、腐蝕等惡劣環(huán)境下[1-3]，且通常伴隨著操作失靈出現(xiàn)，電磁閥的啟停與動作參量不僅使裝備的正常運(yùn)行受阻，而且會降低其有效使用年限，嚴(yán)重情況下還會使關(guān)鍵部件脫落，造成災(zāi)難性事故發(fā)生[4-9]。因此，實(shí)現(xiàn)高溫等惡劣環(huán)境下電磁閥參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測對于大型裝備安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有非常重要的意義[10-12]。

針對上述電磁閥在運(yùn)行過程存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32 的電磁閥智能控制系統(tǒng)，用于高溫環(huán)境下的電磁閥參數(shù)和壓力傳感器參數(shù)的控制與監(jiān)測。本系統(tǒng)的主要功能是在上位機(jī)上對多路電磁閥和多路壓力傳感器進(jìn)行參數(shù)監(jiān)控和控制，提高發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性，減輕壓力過高給動力系統(tǒng)的損害。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可完成對電磁閥的準(zhǔn)確控制與電流傳感器電流的實(shí)時監(jiān)控，為高溫環(huán)境下的電磁閥參數(shù)的控制提供了一種可靠的系統(tǒng)，具有實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 技術(shù)要求

1.1.1 測試系統(tǒng)裝置技術(shù)要求

(1)系統(tǒng)可接入8 路4 mA～20 mA 兩線制傳感器，將4 mA～20 mA 轉(zhuǎn)換為1 V～5 V 輸出，同時以數(shù)據(jù)形式通過以太網(wǎng)接口RJ45 發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時顯示。

(2)輸出13 V～30 V DC 可調(diào)，給智能減壓閥供電。

(3)可通過CAN 或485 接口與智能減壓閥通信，通信波特率分別為1 Mbit/s，9 600 bit/s，485 接口為標(biāo)準(zhǔn)Modbus 協(xié)議，上位機(jī)通過寄存器值和地址輸入框配置/讀取智能減壓閥參數(shù)。

(4)輸出5 V/0 V 的高低電平信號到智能減壓閥的程序/單點(diǎn)接口，通過上位機(jī)配置該接口高低電平。

(5)設(shè)備提供1 V～5 V 輸出接口、13 V～30 V DC供電接口、CAN 及485 接口、4 mA～20 mA 傳感器接入接口、電磁閥接入接口，接口形式為插拔式接線柱形式。

1.1.2 測試系統(tǒng)轉(zhuǎn)接盒技術(shù)要求

設(shè)備提供1 V～5 V 輸出接口、13 V～30 V DC 供電接口、CAN 及485 接口、4 mA～20 mA 傳感器接入接口、電磁閥接入接口，接口形式為插拔式接線柱形式。

設(shè)備提供智能減壓閥的硬件接口，包括電源連接器接口(插座規(guī)格J599/20KC98PN-H)和信號連接器(插座規(guī)格J599/20KC12PA-H)，提供對智能減壓閥的供電、通信、程序/單點(diǎn)接口控制功能。同時，設(shè)備將對備用壓力傳感器接口、出口壓力傳感器接口、單點(diǎn)進(jìn)氣電磁閥接口、單點(diǎn)排氣電磁閥接口完成轉(zhuǎn)接，以方便智能減壓閥接入工裝后連接外部傳感器和電磁閥。

1.2 總體設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，為增加整體的穩(wěn)定性和可維修性，測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的功能劃分不同模塊，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。分為智能減壓閥模塊、8 路電磁閥控制模塊、8 路4 mA～20 mA 傳感器控制模塊，以及上位機(jī)控制模塊4 個模塊。其中，智能減壓閥模塊負(fù)責(zé)對減壓閥進(jìn)行自動/手動模式切換的選擇以及動作、循環(huán)操作的選擇，當(dāng)為手動模式時，減壓閥由8 路開關(guān)按鈕控制；當(dāng)為自動模式時，上位機(jī)通過RS232 端口將控制流程和代碼發(fā)給MCU 處理，MCU 處理結(jié)束后實(shí)現(xiàn)具體的計(jì)數(shù)、定時、循環(huán)控制電磁閥開關(guān)；8 路電磁閥控制模塊通過電磁閥驅(qū)動單元對8 路電磁閥分別進(jìn)行動作模式的選擇；8 路4 mA～20 mA 傳感器控制模塊可以對任意輸出信號為4 mA～20 mA 電流的傳感器處理，通過電流轉(zhuǎn)電壓單元(電壓變送器)將電流信號轉(zhuǎn)為1 V～5 V 電壓信號。同時當(dāng)設(shè)備得到電壓信號，一邊通過接線端子將電壓信號輸出，一邊通過ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元發(fā)給MCU，用以電流數(shù)據(jù)通過RS232 通信單元上傳。

圖1 智能減壓閥整體設(shè)計(jì)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本測試系統(tǒng)選用STM32F407ZET6 芯片作為主控芯片，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的通信協(xié)議，利用上位機(jī)對電磁閥、智能減壓器以及電流傳感器實(shí)現(xiàn)控制，完成操作指令的下發(fā)和數(shù)據(jù)的接收，通過測試軟件完成對外接設(shè)備的控制。

2.1 電磁閥控制模塊設(shè)計(jì)

2.1.1 電磁閥啟停電路設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對電磁閥的啟?？刂?，本次設(shè)計(jì)選用的是單通道高速低側(cè)柵極驅(qū)動芯片UCC27517DBVR 以及MOS 管器件ADD2610 來實(shí)現(xiàn)電磁閥的啟?？刂?。電磁閥的控制信號經(jīng)過柵極驅(qū)動芯片，有了出色的抗擾度，再驅(qū)動MOS 管Q1，最終在CN1E 接插件處輸出高低電平，電磁閥接入此處，便可實(shí)現(xiàn)啟停的控制。此電路還有一個功能，如圖2 所示的INA225 IN+可提供電磁閥電流采樣的電流值。

圖2 電磁閥啟?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)

2.1.2 8 路電磁閥采集電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對電磁閥電流信號的采集，電路設(shè)計(jì)中，選用的是12 位8 通道的ADC 轉(zhuǎn)換器MCP3208芯片，該芯片具有采樣速度快、低功耗的特點(diǎn)；通信采用的是標(biāo)準(zhǔn)的SPI 總線的串行方式，分別將輸入8 路電磁閥的電流信號轉(zhuǎn)換為SPI 信號，輸出的SPI數(shù)字信號通過ADUM1401BRWZ 芯片進(jìn)行數(shù)字隔離，增加了電路的穩(wěn)定性，最后將輸出的信號送給主控芯片控制。該采集電路最突出的特點(diǎn)是增加了數(shù)字隔離設(shè)計(jì)。具體的電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 電磁閥采集電路設(shè)計(jì)

2.2 智能減壓閥模塊設(shè)計(jì)

對于智能減壓閥，本設(shè)備可通過CAN/485 接口進(jìn)行訪問，根據(jù)智能減壓閥狀態(tài)，系統(tǒng)預(yù)留CAN 接口，并主要通過485 進(jìn)行Modbus 通信。上位機(jī)與智能減壓閥通信主要通過MCU 對Modbus 數(shù)據(jù)包進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。該模塊主要實(shí)現(xiàn)智能減壓閥上傳數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，CAN/485 電路設(shè)計(jì)如圖4、圖5 所示。

圖4 智能減壓閥485 電路設(shè)計(jì)

圖5 智能減壓閥CAN 電路設(shè)計(jì)

2.3 8 路4 mA～20 mA 傳感器模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對傳感器電流信號的采集，電路設(shè)計(jì)中，采用電磁閥采集電路的設(shè)計(jì)原理。選用的是MCP3208 芯片，分別將輸入8 路傳感器的電流信號轉(zhuǎn)換為SPI 信號，輸出的SPI 數(shù)字信號再通過ADUM1401BRWZ 芯片進(jìn)行數(shù)字隔離，增加了電路的穩(wěn)定性，最后將輸出的信號送給主控芯片控制。該采集電路最突出的特點(diǎn)是增加了數(shù)字隔離設(shè)計(jì)。具體的電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 電流傳感器采集電路設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 電磁閥通信協(xié)議設(shè)計(jì)

通信協(xié)議是上位機(jī)和下位機(jī)(此處指電磁閥)通訊的協(xié)議。上位機(jī)通過TCP/UDP 接口接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包以及向下位機(jī)發(fā)送控制信號，電磁閥控制的數(shù)據(jù)包由圖7 所示的5 部分組成，上位機(jī)通過解析這個數(shù)據(jù)幀，來得到里面回傳的數(shù)據(jù)。其中ID 表功能字，功能字的具體定義如表1 所示。

圖7 通訊數(shù)據(jù)包定義

表1 功能字定義

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的通訊結(jié)構(gòu)如圖8 所示，上位機(jī)主要分為3 部分，ComLink、ComNet 以及Socket，通過TCP/IP 接口與下位機(jī)相連。其中ComLink 模塊負(fù)責(zé)從每幀的數(shù)據(jù)中提取出數(shù)據(jù)信息，上位機(jī)通過Modbus總線協(xié)議對電磁閥進(jìn)行控制。當(dāng)電磁閥為自動模式時，讀取Flash 燒錄進(jìn)去的固定程序?qū)﹄姶砰y進(jìn)行控制。此模塊還負(fù)責(zé)將下位機(jī)打包發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的可視化展示。ComNet 模塊屬于以太網(wǎng)傳輸控制類，主要有2 個功能:一是通過線程監(jiān)聽電磁閥的連接狀態(tài)，當(dāng)為手動模式時，用戶可通過界面對電磁閥進(jìn)行開/關(guān)控制；二是監(jiān)聽數(shù)據(jù)的收發(fā)，起到連接ComLink 模塊與Socket 模塊的作用。Socket模塊是以太網(wǎng)傳輸層的API 接口，上位機(jī)可通過該接口控制下位機(jī)動作。

圖8 通訊示意圖

4 系統(tǒng)實(shí)物及測試分析

4.1 系統(tǒng)連接實(shí)物

系統(tǒng)試驗(yàn)時，智能減壓閥自動測試系統(tǒng)的測試裝置通過以太網(wǎng)(RJ45)接口與計(jì)算機(jī)連接，同時通過ZJ01、ZJ02 兩根轉(zhuǎn)接電纜連接于轉(zhuǎn)接盒。轉(zhuǎn)接盒上有若干接線柱和FGG-2B-10 芯、FGG-2B-12 芯接口，通過接線柱可連接8 路電磁閥和8 路4 mA～20 mA 傳感器及外部485/CAN 設(shè)備，F(xiàn)GG-2B-10芯、FGG-2B-12 芯接口用于連接智能減壓閥，通過Modbus 總線控制。

智能減壓閥自動測試系統(tǒng)連接關(guān)系如圖9 所示。硬件實(shí)物如圖10、圖11 所示。

圖9 系統(tǒng)實(shí)物連接圖

圖10 測試系統(tǒng)-測試裝置實(shí)物圖

圖11 測試系統(tǒng)-測試裝置轉(zhuǎn)接盒

對于8 路電磁閥，本系統(tǒng)可通過自動模式或手動模式控制電磁閥運(yùn)行，開啟和關(guān)閉，程序設(shè)定方式通過上位機(jī)界面設(shè)定，程序功能具有多次定時開啟、關(guān)閉電磁閥的功能。同時測量其通過的電流量大小，轉(zhuǎn)換為1 V～5 V 輸出。同時，電流大小以數(shù)據(jù)形式通過以太網(wǎng)接口RJ45 發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時顯示，電流測量回路按測試數(shù)量設(shè)置。

對于8 路4 mA～20 mA 傳感器，可將4 mA～20 mA 轉(zhuǎn)換為1 V～5 V 輸出，同時以數(shù)據(jù)形式通過以太網(wǎng)接口RJ45 發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時顯示。

對于CAN/485 接口及FGG-2B-10 芯、FGG-2B-12 芯接口，該接口與智能減壓閥通信，本設(shè)備通信波特率分別為1 Mbit/s，9 600 bit/s，485 接口為標(biāo)準(zhǔn)Modbus 協(xié)議，用戶可上位機(jī)界面讀取智能減壓閥數(shù)據(jù)并下發(fā)命令。

設(shè)備同時可輸出13 V～32 V 可調(diào)電壓，用于用戶進(jìn)行偏壓實(shí)驗(yàn)。

4.2 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，將整個系統(tǒng)供電，然后分別連接一個電磁閥和電流傳感器，在主面板上將模式切換為手動模式，如圖12 所示。按下面板上的手動開關(guān)，由上位機(jī)的波形圖14 可看出，電磁閥的電源通斷得以控制；再將模式切換為自動模式，如圖13所示，電磁閥即自動執(zhí)行存在Flash 中的程序，無需手控便開始執(zhí)行動作；接上電流傳感器，可從上位機(jī)頁面看出電流傳感器的實(shí)時電流波形，重復(fù)多次試驗(yàn)可得，該系統(tǒng)可以高效無誤地對電磁閥進(jìn)行控制，其性能和可靠性都達(dá)到了預(yù)定的指標(biāo)。

圖12 手動模式下的電磁閥控制器

圖13 自動模式下的電磁閥控制器

圖14 上位機(jī)界面

5 結(jié)論

本文從火箭發(fā)動機(jī)測試需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于STM32 的智能電磁閥控制系統(tǒng)，對不同功能模塊均進(jìn)行了隔離設(shè)計(jì)，在完成技術(shù)指標(biāo)的同時采用盡量少的元器件，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)的可靠性。本文所介紹的測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在滿足測試需求的前提下，對各個指標(biāo)均進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時，該系統(tǒng)已投入到實(shí)際使用中，具有較好的實(shí)用價值。