一种信号自适应的控制器设计与实现

2014-07-11 07:43蹇安安

制造业自动化 2014年8期

潘婧，戴晶，蹇安安

（武汉第二船舶设计研究所，武汉 430064）

0 引言

海洋运输有着悠久的历史，与国家的发展有着密不可分的关系。船舶运动控制从手动发展到了自动，一代又一代的船舶自动化产品不断问世[1]。船舶控制系统不断改进，各种新的问题不断出现，就船舶控制系统中部分信号衰减问题，本文给出了一种实用的、基于船舶控制系统的信号自适应控制器的设计与实现。

图1 船舶侧推系统信号自适应控制器应用示例

随着科学技术的发展，嵌入式控制器在船舶控制系统中有着越来越广泛的应用[2]。本系统所设计的信号自适应控制器，就是基于STC12C5A60S2芯片的嵌入式控制器，可对船舶控制系统中0-10V电压信号、-10V-10V电压信号以及4mA-20mA电流信号进行自适应校准，比例输出标准的4mA-20mA电流信号。

如图1所示，在该船舶侧推系统中，桨角发信器输出的4mA-20mA螺距信号，再由侧推机舱至驾驶室的过程中，产生信号衰减[3]。在接口板中使用信号自适应控制器，对衰减的4mA-20mA信号进行信号校准，实现衰减补偿。

1 系统设计

本系统以STC12C5A60S2单片机作为中央处理器进行数据运算，它是宏晶科技生产的单时钟(机器周期为IT)的一个单片机系列，是一个增强型的8051的MCU，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8至12倍，并支持在线编程[4]。和传统8051相比，有以下特点。

图2 STC12C5A60S2结构

信号自适应控制器利用运放LM358以及相关模拟电路，实现信号的转换，将输入信号转换成单片机可进行模数转换的0-5V的电压信号；利用指令输入模块和状态指示模块，准确输入相关的校准的辅助数据；由中央处理器对相关数据进行处理运算，对单片机的相关参数进行设置；同时，结合4mA-20mA信号输出模块，利用运放LM358和三极管8050，实现4mA-20mA电流信号的输出；利用可控制的光电耦合器件TLP521[5]实现单片机5V输出控制24V继电器的输出。图3为信号自适应系统系统框图。

图3 信号自适应系统系统框图

图4 电源模块电路原理图

图5 继电器模块电路原理图

2 系统硬件设计

本系统的硬件设计主要包括电源模块、继电器模块和电压转电流模块等硬件电路的设计。根据设计的难点和重点，本文给出其中电源模块、继电器模块和电流输出模块的电路原理图。

3 系统软件设计

本系统软件的主程序流程图如图7所示，程序包括参数设置和电流校准两个主流程。参数设置主要是对电路的硬件参数进行精确的校准，并将相关参数保存至EEPROM的过程。电流校准主要实现输入信号的校准，根据EEPROM保存的相关参数和写入的对应设备的临界值，对输入信号值进行计算处理，设置输出PWM信号的占空比，实现电流信号的校准。

若输出电流4mA、12mA、20mA对应的PWM的占空比分别为P4、P12、P20，待校准输入信号最小值、中值、最大值的AD转换结果依次为Imin、Imid、Imax，输入信号为I，对应PWM输出占空比为P，则各变量之间存在如下关系：

当I ≤Imin时，

P= P4；

图6 电流输出模块电路原理图

图7 信号自适应系统主程序流程图

当Imin＜I≤Imid时，

当Imid＜I＜Imax时，

当I≥Imax时，

4 系统测试

系统测试输入为0-10V电压信号，输出等比例校准为4mA-20mA的电流信号，根据最小值、中位值、最大值的不同，分三组测试数据，测试数据如表1所示。图9(a)所示为第一组数据，输入信号最小值为1V，输入信号中位值为4.5V，输入信号最大值为9V。图9(b)所示为第二组数据，输入信号最小值为1.5V，输入信号中位值为5V，输入信号最大值为9V。图9(c)所示为第三组数据，输入信号最小值为1V，输入信号中位值为4.5V，输入信号最大值为8.5V。