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(zhǎng)征飛行器研究所，北京 100076；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)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(dòng)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(dòng)作參量不僅使裝備的正常運(yùn)行受阻，而且會(huì)降低其有效使用年限，嚴(yán)重情況下還會(huì)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(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)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(duì)上述電磁閥在運(yùn)行過(guò)程存在的問(wèn)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(cè)。本系統(tǒng)的主要功能是在上位機(jī)上對(duì)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(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性，減輕壓力過(guò)高給動(dòng)力系統(tǒng)的損害。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可完成對(duì)電磁閥的準(zhǔn)確控制與電流傳感器電流的實(shí)時(shí)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(cè)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(shí)以數(shù)據(jù)形式通過(guò)以太網(wǎng)接口RJ45 發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時(shí)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(guò)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(guò)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(hào)到智能減壓閥的程序/單點(diǎn)接口，通過(guò)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(cè)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(hào)連接器(插座規(guī)格J599/20KC12PA-H)，提供對(duì)智能減壓閥的供電、通信、程序/單點(diǎn)接口控制功能。同時(shí)，設(shè)備將對(duì)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(cè)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(gè)模塊。其中，智能減壓閥模塊負(fù)責(zé)對(duì)減壓閥進(jìn)行自動(dòng)/手動(dòng)模式切換的選擇以及動(dòng)作、循環(huán)操作的選擇，當(dāng)為手動(dòng)模式時(shí)，減壓閥由8 路開(kāi)關(guān)按鈕控制；當(dāng)為自動(dòng)模式時(shí)，上位機(jī)通過(guò)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(shí)、循環(huán)控制電磁閥開(kāi)關(guān)；8 路電磁閥控制模塊通過(guò)電磁閥驅(qū)動(dòng)單元對(duì)8 路電磁閥分別進(jìn)行動(dòng)作模式的選擇；8 路4 mA～20 mA 傳感器控制模塊可以對(duì)任意輸出信號(hào)為4 mA～20 mA 電流的傳感器處理，通過(guò)電流轉(zhuǎn)電壓?jiǎn)卧?電壓變送器)將電流信號(hào)轉(zhuǎn)為1 V～5 V 電壓信號(hào)。同時(shí)當(dāng)設(shè)備得到電壓信號(hào)，一邊通過(guò)接線端子將電壓信號(hào)輸出，一邊通過(guò)ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元發(fā)給MCU，用以電流數(shù)據(jù)通過(guò)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(cè)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(duì)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(guò)測(cè)試軟件完成對(duì)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(duì)電磁閥的啟停控制，本次設(shè)計(jì)選用的是單通道高速低側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)芯片UCC27517DBVR 以及MOS 管器件ADD2610 來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁閥的啟停控制。電磁閥的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)柵極驅(qū)動(dòng)芯片，有了出色的抗擾度，再驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)電磁閥電流信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為SPI 信號(hào)，輸出的SPI數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(hào)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(duì)于智能減壓閥，本設(shè)備可通過(guò)CAN/485 接口進(jìn)行訪問(wèn)，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(guò)485 進(jìn)行Modbus 通信。上位機(jī)與智能減壓閥通信主要通過(guò)MCU 對(duì)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(duì)傳感器電流信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為SPI 信號(hào)，輸出的SPI 數(shù)字信號(hào)再通過(guò)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(hào)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(guò)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(hào)，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(guò)解析這個(gè)數(shù)據(jù)幀，來(lái)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(guò)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(guò)Modbus總線協(xié)議對(duì)電磁閥進(jìn)行控制。當(dāng)電磁閥為自動(dòng)模式時(shí)，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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(gè)功能:一是通過(guò)線程監(jiān)聽(tīng)電磁閥的連接狀態(tài)，當(dāng)為手動(dòng)模式時(shí)，用戶可通過(guò)界面對(duì)電磁閥進(jìn)行開(kāi)/關(guān)控制；二是監(jiān)聽(tīng)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(guò)該接口控制下位機(jī)動(dòng)作。

圖8 通訊示意圖

4 系統(tǒng)實(shí)物及測(cè)試分析

4.1 系統(tǒng)連接實(shí)物

系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，智能減壓閥自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試裝置通過(guò)以太網(wǎng)(RJ45)接口與計(jì)算機(jī)連接，同時(shí)通過(guò)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(guò)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(guò)Modbus 總線控制。

智能減壓閥自動(dòng)測(cè)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(cè)試系統(tǒng)-測(cè)試裝置實(shí)物圖

圖11 測(cè)試系統(tǒng)-測(cè)試裝置轉(zhuǎn)接盒

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

對(duì)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(shí)以數(shù)據(jù)形式通過(guò)以太網(wǎng)接口RJ45 發(fā)送至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示。

對(duì)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(shí)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(cè)試結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，將整個(gè)系統(tǒng)供電，然后分別連接一個(gè)電磁閥和電流傳感器，在主面板上將模式切換為手動(dòng)模式，如圖12 所示。按下面板上的手動(dòng)開(kāi)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(dòng)模式，如圖13所示，電磁閥即自動(dòng)執(zhí)行存在Flash 中的程序，無(wú)需手控便開(kāi)始執(zhí)行動(dòng)作；接上電流傳感器，可從上位機(jī)頁(yè)面看出電流傳感器的實(shí)時(shí)電流波形，重復(fù)多次試驗(yàn)可得，該系統(tǒng)可以高效無(wú)誤地對(duì)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(dòng)模式下的電磁閥控制器

圖13 自動(dòng)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(dòng)機(jī)測(cè)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(duì)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(shí)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(cè)試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在滿足測(cè)試需求的前提下，對(duì)各個(gè)指標(biāo)均進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)，該系統(tǒng)已投入到實(shí)際使用中，具有較好的實(shí)用價(jià)值。