基于ARM電液比例控制液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)

摘 要：傳統(tǒng)的電液比例控制系統(tǒng)雖然價(jià)格低廉，但是其使用性能不高，針對(duì)這種情況，本文提出了一種基于ARM的電液比例控制液壓系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用ARM內(nèi)核微控制器LPC2292和電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200作為核心的硬件電路，并對(duì) uC/OS-II操作系統(tǒng)在ARM上的移植過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。

關(guān)鍵詞：ARM 電液比例控制液壓 uC/OS-II

中圖分類(lèi)號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）06（a）-0065-01

電液比例控制系統(tǒng)具有安裝方便、系統(tǒng)的控制精度高、抗污染能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，使得該系統(tǒng)在工程機(jī)械中倍受親睞，引用領(lǐng)域越來(lái)越多。8位和16位的單片機(jī)是傳統(tǒng)電液比例控制系統(tǒng)中常用的控制器，這種控制器受到單片機(jī)運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)能力低的影響，系統(tǒng)的運(yùn)算速度、安全性、可靠性都比較差。針對(duì)以上缺點(diǎn)，本文選用了飛利浦公司研發(fā)生產(chǎn)的ARM內(nèi)核微處理器LPC2292作為控制器，驅(qū)動(dòng)器選用了專(zhuān)用的電機(jī)芯片LMD18200，操作系統(tǒng)采用了 uC/OS-II，使電液比例控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和運(yùn)算速率得到顯著的提高。

1 系統(tǒng)的工作原理

電液比例控制系統(tǒng)的工作原理是：系統(tǒng)依據(jù)外界輸入的電信號(hào)的強(qiáng)弱，按照比例連續(xù)的控制液壓系統(tǒng)的壓力大小、流量多少以及流動(dòng)方向等相關(guān)方面的參數(shù)。比例電磁鐵和電液比例閥是構(gòu)成電液比例控制系統(tǒng)的最重要的部件，在比例電磁鐵和電液比例閥的基礎(chǔ)上附加一些輔助執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)構(gòu)成完整的系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)控制是在工程機(jī)械中常常采用的控制方法，只將電流采用閉環(huán)系統(tǒng)以達(dá)到輸出量穩(wěn)定的效果。人們對(duì)電液進(jìn)行比例控制最常用的技術(shù)是PWM技術(shù)，PWM技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)占空比的方法來(lái)達(dá)到改變電磁鐵平均電流的目的，這是提高電液比例控制閥靈敏度和減少電磁鐵的死區(qū)比例最有效可行的方法，由于比例電磁鐵和電液比例閥是構(gòu)成電液比例控制系統(tǒng)的最重要的部件，所以也就有效提高了整個(gè)電液比例控制系統(tǒng)的靈敏度和控制精度。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足電液比例控制系統(tǒng)的功能需求，整個(gè)系統(tǒng)的控制電路由FLASH、SRAM、模擬輸入裝置、數(shù)字輸入裝置、鍵盤(pán)輸入、LCD顯示器、總線(xiàn)、數(shù)字輸出等組成。

2.1 LPC2292介紹

LPC2292的本質(zhì)是一個(gè)中央處理器（CPU），它帶有仿真和跟蹤的功能，獨(dú)特的加速模式和存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)再加上128位寬的接口，使其可以在最大的時(shí)鐘速率下可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。LPC2292的GPI0很多，最少有76個(gè)，最多的可以擴(kuò)展到112個(gè)GPIO口。由于內(nèi)置的串行通信接口范圍比較寬闊，使LPC2292在通信關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換方面也有很大的應(yīng)用。

2.2 設(shè)計(jì)系統(tǒng)存儲(chǔ)器電路

內(nèi)存儲(chǔ)器容量較小是ARM微處理器普遍存在的問(wèn)題，這就要求用戶(hù)在使用ARM微處理器的時(shí)候必須對(duì)其內(nèi)存容量進(jìn)行擴(kuò)大。本文采用一張1MB×16的CMOS多功能FLASH和一張512KM×16的高速CMOS靜態(tài)RAM來(lái)對(duì)ARM微處理器進(jìn)行擴(kuò)展，以達(dá)到快速緩存程序數(shù)據(jù)的目的。LPC2292具有外部存儲(chǔ)器接口模塊是LPC2292的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，這使人們可以在外部存儲(chǔ)器接口的基礎(chǔ)上，對(duì)寄存器組根據(jù)需要進(jìn)行有效的擴(kuò)展，擴(kuò)展數(shù)量一般為4個(gè)，設(shè)置每個(gè)寄存器的物理空間大小為16MB，這使得程序的調(diào)試和代碼的固化更加的方便。在進(jìn)行程序的調(diào)試時(shí)，可以將LPC2292分配為BANK0地址，以確保以后的異常向量表操作的順利進(jìn)行。在對(duì)FLASH進(jìn)行代碼固化的時(shí)候，將FLASH分配為BANK0，BANK0可以有效的對(duì)程序進(jìn)行引導(dǎo)。本文所采用的都是16位的總線(xiàn)接口，用LPC2292的地址總線(xiàn)A1-A20分別與相應(yīng)的接口相連。

2.3 LPC2292與LMD18200的連接要點(diǎn)

控制電液比例閥的電流大小是電液比例控制的核心內(nèi)容，驅(qū)動(dòng)電流一般為1 A，必須對(duì)LPC2292輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，還得巧妙設(shè)計(jì)電液比例控制閥的保護(hù)電路，以防止過(guò)流、欠壓、短路、回流等現(xiàn)象的發(fā)生。本文的PWM驅(qū)動(dòng)器選用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片LMD18200，LMD18200具有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，瞬間的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到6 A，正常的工作電流為3 A，還具備溫度報(bào)警、過(guò)熱與短路保護(hù)的功能。單極性驅(qū)動(dòng)和雙極性驅(qū)動(dòng)對(duì)于LMD18200來(lái)說(shuō)都可以滿(mǎn)足，本文選擇單極性驅(qū)動(dòng)作為電液比例閥的驅(qū)動(dòng)方法，其控制信號(hào)有方向和幅值兩個(gè)，方向信號(hào)由DIR電平確定，幅值信號(hào)由PWM的占空比決定。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件移植

uC/OS-II自20世紀(jì)90年代以來(lái)在世界各地獲得了廣泛的應(yīng)用，是以一種優(yōu)先級(jí)可搶先為基礎(chǔ)的硬實(shí)時(shí)內(nèi)核，其設(shè)計(jì)只初的定位就是一種嵌入式的設(shè)計(jì)內(nèi)核，截止目前由超過(guò)四十種不同結(jié)構(gòu)的CPU應(yīng)用，而且從8位到64位的芯片都有，更重要的是該系統(tǒng)的升級(jí)版本，通過(guò)了美國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)FAA認(rèn)證，這樣使人們將此系統(tǒng)更加放心的應(yīng)用于對(duì)可靠性、安全性要求極為嚴(yán)格的航空航天技術(shù)領(lǐng)域。鑒于uC/OS-II可以免費(fèi)獲得代碼，對(duì)于嵌入式RTOS而言，選擇uC/OS無(wú)疑是最經(jīng)濟(jì)的選擇。uC/OS-II在ARM上的移植是電液比例控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。要把uC/OS-II成功的移植到ARM上必須有三個(gè)與處理器相關(guān)的文件，具體如下。

（1）C語(yǔ)言頭文件。

C語(yǔ)言頭文件是定義與譯碼器無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù)類(lèi)型、堆棧類(lèi)型堆棧增長(zhǎng)方向和SWI服務(wù)函數(shù)，在ARM中有兩種處理模式：一是用戶(hù)模式，二是系統(tǒng)模式。各種模式有不同的權(quán)限。

（2）匯編程序源文件。

軟件中斷的匯編接口，任務(wù)級(jí)任務(wù)切換函數(shù)和中斷級(jí)任務(wù)切換函數(shù)，還有就是啟動(dòng)最高優(yōu)先級(jí)的優(yōu)先就緒任務(wù)函數(shù)。

（3）C程序源文件。

C程序源文件的主要作用是任務(wù)堆棧初始化代碼、軟中斷異常處理程序、開(kāi)關(guān)中斷、子函和移植增加的確定函數(shù)。

3.2 應(yīng)用程序編寫(xiě)

可靠性和實(shí)用性是我們?cè)诰帉?xiě)成簇時(shí)候必須考慮的問(wèn)題，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，將任務(wù)按照優(yōu)先級(jí)進(jìn)行科學(xué)的分類(lèi)，優(yōu)先級(jí)高的排在優(yōu)先級(jí)低的前面，這樣在程序運(yùn)行過(guò)程中會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)有條不紊的運(yùn)行程序，有效的避免程序的混亂，起始任務(wù)、鍵盤(pán)掃描任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)、PWM輸出、將數(shù)據(jù)液晶顯示、對(duì)模擬信號(hào)的有效合理采集和通信任務(wù)為并行存在7個(gè)重要任務(wù)。將各個(gè)任務(wù)進(jìn)行編碼、編寫(xiě)合理的調(diào)用子程序以及合理編制中斷合理程序后啟動(dòng)操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序便開(kāi)始運(yùn)行了。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)介紹基于基于ARM的電液比例控制系統(tǒng)的工作原理，從硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫(xiě)兩個(gè)方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述，本系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)的電液比例控制液壓系統(tǒng)性能差靈敏度低的缺點(diǎn)，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)具有精度高、可靠性好、運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性比較好的優(yōu)點(diǎn)，可以在很多種試驗(yàn)臺(tái)上廣泛調(diào)用。

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