一种微型电磁阀控制器的设计

李虎 陈丽婷 康超

电磁阀是一种使用电磁为控制的手段工业器件，常用来控制气体、液体等流体媒介。电磁阀属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调節阀等。微型电磁阀控制器是根据使用需求而设计，主要完成8路电磁阀门通断、阀门状态采集、与嵌入式计算机通信等功能的微信控制器。

1.设计方案

根据使用需求并结合电路可实现情况，微型电磁阀控制器设计采用两块电路板，按照栈接结构组成。从上至下以此为接口板，控制板。两块电路板通过J80栈接接插件连接。其中控制板通过J80栈接接插件和J56接插件与安装在底部电源模块相连接。接口板安装有对外接插件J30J-21TJ与电磁阀和嵌入式计算机相连。微型电磁阀控制器设计功能框图如图4.1所示。

每块电路板功能如下：控制板包括FPGA最小系统电路，时钟电路，光耦隔离电路，RS422通信电路；接口板包括功率信号输出控制电路以及状态检测电路。

1.1 控制板设计

控制板设计采用FPGA最小系统，FPGA最小系统包括FPGA、配置芯片、时钟电路、供电电路。FPGA采用xilinx公司的Virtex系列的XCV100芯片，该芯片为工业级TQFP144封装，具有2700个可编程逻辑单元，内建4个专用延迟锁相环实现高级时钟控制，最高速度可达250MHz。与之配套的配置芯片为也xilinx公司的xc18v04。考虑到系统对国产化要求，设计时均采用了国产化原位替代方法设计。FPGA芯片以及配置芯片均使用成都华微公司HWD-V100和HWD18V04实现pin-to-pin替代。FPGA芯片供电电源3.3V和2.5V由二次电源5V通过LDO产生，选用芯片为LT1117-3.3和LT1117-2.5。

在FPGA配置方面，设计采用JTAG主动串行方式。在该模式下，FPGA上电后，自动将配置数据从相应的外存储器读入到SRAM中，实现内部结构映射；串行方式只是用一位数据线，从而降低设计复杂度，提高可靠性。考虑到控制板使用环境：2.5ms通信周期和614.4Kbps通信速率，控制板设计采用两块时钟，频率分别为40.0000M和9.8304M。通过FPGA内部锁相环电路DLL倍频和分频至200MHz和614.4KHz用做系统时钟和通信时钟。针对特殊的使用环境，RS422通信接口采用与控制板电路隔离的设计方式，并在输入、输出信号点增加了串行电阻和瞬态抑制二极管，最大程度提升接口的可靠性。

控制器要求RS422通信接口的工作方式为全双工，通信速率为614.4Kbps误码率为10-6，在FPGA内部已经实现UART控制功能，并通过外部晶振和FPGA锁相环提供波特率。FPGA软件设计采用状态机结合组合逻辑的方式，实现通信和控制。在串口模块和通信控制状态机之间增加缓存，以保证高速内核和低俗通信接口见的数据交互。电磁阀控制由组合逻辑设计完成，控制状态和输出状态设有特定寄存器，通信控制状态机从寄存器读取状态信息并写入控制命令，由电磁阀控制组合逻辑实现驱动控制和状态回采。

1.2 接口板设计

接口板设计主要采用电磁阀驱动电路和电磁阀输入检测电路设计。电磁阀驱动电路使用IRFL3410 mos管，耐压值为100V，最大电流31A，可以满足电磁阀控制条件要求。在驱动方面，选用DI404DIP半桥驱动器，该芯片消除了CNOS供电电源的方向传导和击穿电流，进一步提高了驱动电路的可靠性。针对电磁阀工作特性，设计泄放回路减小关断时刻尖峰脉冲，并增加瞬态抑制二极管进一步保护母线电压不受电磁阀工作扰动。电磁阀输入检测电路设计用来检测电磁阀输入电流情况。电路设计采用LM139电压比较器，通过比较MOS管漏极电压与法制电压，判断MOS管通断情况，进而得到电磁阀输入电流情况。比较器阈值设计为10V。

2.结论

本文的微型电磁阀控制器主要由控制板和接口板构成，通过最小系统FPGA、时钟电路、光耦隔离电路、RS422电路完成控制板的设计，通过功率信号输出控制电路和状态检测电路完成接口板的设计。由以上设计方案，微型电磁阀控制器可以在空间受限的使用环境下，完成8路电磁阀门通断、阀门状态采集、与嵌入式计算机通信等功能。

作者简介：

李虎（1984.03-），男，汉族，青海西宁人，本科学历，上海航天电子技术研究所工作，主要研究方向：航天嵌入式电子。