以高性能單片機(jī)C8051F020為核心控制芯片的自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)，能自動(dòng)測(cè)溫，到測(cè)溫點(diǎn)自動(dòng)輸出線性電流、自動(dòng)采集負(fù)載壓力等，并進(jìn)行計(jì)算、顯示及打印測(cè)試數(shù)據(jù)，其可靠性、精度、效率都大大提高。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)進(jìn)入溫度零漂測(cè)試狀態(tài)時(shí)，由嵌入式微計(jì)算機(jī)控制，升溫信號(hào)通過(guò)光電隔離控制固體繼電器組去驅(qū)動(dòng)油箱里11個(gè)功率是kW級(jí)的加熱管快速升溫。到某個(gè)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，自動(dòng)輸出經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后的模擬三角波周期信號(hào)加在伺服閥的繞組上，驅(qū)動(dòng)伺服閥工作，使得閥的兩個(gè)負(fù)載腔的壓力值隨控制電流大小呈差動(dòng)變化。壓力的變化作用在壓力變送器上，經(jīng)A／D不斷采樣比較，當(dāng)差值為最小時(shí)(一個(gè)周期出現(xiàn)兩次最小值)，計(jì)算機(jī)由此計(jì)算出對(duì)應(yīng)加在伺服閥上的電流零偏值。當(dāng)循環(huán)到最高溫度后，自動(dòng)關(guān)閉加熱器，并控制電磁閥打開(kāi)水冷散熱器降溫，然后重復(fù)以上測(cè)試過(guò)程，直到降溫回到起始溫度點(diǎn)，結(jié)束測(cè)試。這中間計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示、打印當(dāng)前溫度點(diǎn)的溫度和所需要的數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 硬件組成
C8051F020是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片(SoC)，單片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：模擬多路選擇器、ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、定時(shí)器、內(nèi)部振蕩器、RAM、Flash存儲(chǔ)器、看門狗等。其以“流水線”結(jié)構(gòu)方式處理指令，運(yùn)行效率高，大部分只要1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。這極大地簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)，可以很方便地在其外圍擴(kuò)展相應(yīng)調(diào)理電路組成整個(gè)硬件系統(tǒng)。在D／A轉(zhuǎn)換通道電路中，來(lái)自F020內(nèi)部電壓基準(zhǔn)VREF經(jīng)U1緩沖放大，作為U2負(fù)端的基準(zhǔn)電壓，U3正端接F020的DA單級(jí)性輸出，經(jīng)一階低通濾波器、緩沖放大處理后變?yōu)?～±5V輸出信號(hào)。由于偏移電路的存在，芯片D／A端口初始化設(shè)置前或復(fù)位瞬間，將產(chǎn)生－5mA的瞬間電流，對(duì)伺服閥產(chǎn)生不良的沖擊。為避免這一情況的發(fā)生，用一路I／O經(jīng)光電隔離后去控制一只OM－RON高響應(yīng)繼電器(約1 ms)，根據(jù)指令接通和斷開(kāi)與伺服閥的連接，如圖2所示。
在A／D采集通道電路中，模擬輸入信號(hào)經(jīng)一階低通濾波器，緩沖倒相后輸出，如圖3所示，有三路相同的電路，經(jīng)內(nèi)部模擬開(kāi)關(guān)切換。
8位LED顯示、5個(gè)軟鍵盤輸入，采用了專用的CH452數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制芯片，其外圍電路極簡(jiǎn)單，接口速度快、性能穩(wěn)定，與C8051F020控制器采用4線串行接口，主要是以其硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)其大部分功能，編程相對(duì)簡(jiǎn)單，如圖4所示。
溫度的控制是由光電隔離電路、G3NA－220B固體繼電器和水閥繼電器等器件所組成的，分別用來(lái)控制油箱的加熱管或水冷散熱器以升溫和降溫。整個(gè)電路采取了多種抗干擾措施，其中在輸入和輸出加有WS系列三端口V／V電壓輸入、V／I電流輸出型隔離端子。溫度和壓力變送器的輸出信號(hào)為0～5 V。電流輸出為0～±5 mA，恒流特性，在閥繞組阻抗變化范圍內(nèi)，精度達(dá)0．2％。
電源采用紋波較小、EMI較好的模塊式一體化的線性電源。采用嵌入式微型打印機(jī)打印簡(jiǎn)單的漢字和數(shù)據(jù)。
3 數(shù)據(jù)采集處理
系統(tǒng)的D／A模擬輸出Vo=5×(D-2 048)／2 048，D值范圍為0～4 096，即為0～±5 V輸出，經(jīng)V／I隔離轉(zhuǎn)換成0～±5 mA的控制電流。隔離器件精度優(yōu)于0．3％。D／A模擬轉(zhuǎn)換電流分辨率=模擬電流值／D=5／2 048≈2．441 4μA
由于閥的遲滯存在，要求加在伺服閥控制繞組上的三角波電流信號(hào)的頻率要低，其周期T=20 s。將組成周期三角波形的數(shù)字值放在DA中的4 096個(gè)緩存器中。當(dāng)啟動(dòng)DA自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，由T3定時(shí)器控制，每20／4 096=0．004 882 s中斷一次，將緩沖區(qū)的波形值送出。由于采用的是22．118 4 MHz晶振作為時(shí)鐘源，C8051F020處理的速度很快，在程序中斷的4．88 ms時(shí)間里完成采集和相關(guān)濾波處理計(jì)算是綽綽有余的。系統(tǒng)同時(shí)對(duì)1路油溫、1路室溫、2路壓力信號(hào)進(jìn)行采集，采樣頻率20 kHz，連續(xù)循環(huán)采集后，進(jìn)行去除最大和最小值和數(shù)字平均值濾波法對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行濾波。
