一種微型電磁閥控制器的設計

李虎 陳麗婷 康超

電磁閥是一種使用電磁為控制的手段工業(yè)器件，常用來控制氣體、液體等流體媒介。電磁閥屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動。用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節(jié)閥等。微型電磁閥控制器是根據(jù)使用需求而設計，主要完成8路電磁閥門通斷、閥門狀態(tài)采集、與嵌入式計算機通信等功能的微信控制器。

1.設計方案

根據(jù)使用需求并結合電路可實現(xiàn)情況，微型電磁閥控制器設計采用兩塊電路板，按照棧接結構組成。從上至下以此為接口板，控制板。兩塊電路板通過J80棧接接插件連接。其中控制板通過J80棧接接插件和J56接插件與安裝在底部電源模塊相連接。接口板安裝有對外接插件J30J-21TJ與電磁閥和嵌入式計算機相連。微型電磁閥控制器設計功能框圖如圖4.1所示。

每塊電路板功能如下：控制板包括FPGA最小系統(tǒng)電路，時鐘電路，光耦隔離電路，RS422通信電路；接口板包括功率信號輸出控制電路以及狀態(tài)檢測電路。

1.1 控制板設計

控制板設計采用FPGA最小系統(tǒng)，F(xiàn)PGA最小系統(tǒng)包括FPGA、配置芯片、時鐘電路、供電電路。FPGA采用xilinx公司的Virtex系列的XCV100芯片，該芯片為工業(yè)級TQFP144封裝，具有2700個可編程邏輯單元，內建4個專用延遲鎖相環(huán)實現(xiàn)高級時鐘控制，最高速度可達250MHz。與之配套的配置芯片為也xilinx公司的xc18v04?？紤]到系統(tǒng)對國產(chǎn)化要求，設計時均采用了國產(chǎn)化原位替代方法設計。FPGA芯片以及配置芯片均使用成都華微公司HWD-V100和HWD18V04實現(xiàn)pin-to-pin替代。FPGA芯片供電電源3.3V和2.5V由二次電源5V通過LDO產(chǎn)生，選用芯片為LT1117-3.3和LT1117-2.5。

在FPGA配置方面，設計采用JTAG主動串行方式。在該模式下，F(xiàn)PGA上電后，自動將配置數(shù)據(jù)從相應的外存儲器讀入到SRAM中，實現(xiàn)內部結構映射；串行方式只是用一位數(shù)據(jù)線，從而降低設計復雜度，提高可靠性?？紤]到控制板使用環(huán)境：2.5ms通信周期和614.4Kbps通信速率，控制板設計采用兩塊時鐘，頻率分別為40.0000M和9.8304M。通過FPGA內部鎖相環(huán)電路DLL倍頻和分頻至200MHz和614.4KHz用做系統(tǒng)時鐘和通信時鐘。針對特殊的使用環(huán)境，RS422通信接口采用與控制板電路隔離的設計方式，并在輸入、輸出信號點增加了串行電阻和瞬態(tài)抑制二極管，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為全雙工，通信速率為614.4Kbps誤碼率為10-6，在FPGA內部已經(jīng)實現(xiàn)UART控制功能，并通過外部晶振和FPGA鎖相環(huán)提供波特率。FPGA軟件設計采用狀態(tài)機結合組合邏輯的方式，實現(xiàn)通信和控制。在串口模塊和通信控制狀態(tài)機之間增加緩存，以保證高速內核和低俗通信接口見的數(shù)據(jù)交互。電磁閥控制由組合邏輯設計完成，控制狀態(tài)和輸出狀態(tài)設有特定寄存器，通信控制狀態(tài)機從寄存器讀取狀態(tài)信息并寫入控制命令，由電磁閥控制組合邏輯實現(xiàn)驅動控制和狀態(tài)回采。

1.2 接口板設計

接口板設計主要采用電磁閥驅動電路和電磁閥輸入檢測電路設計。電磁閥驅動電路使用IRFL3410 mos管，耐壓值為100V，最大電流31A，可以滿足電磁閥控制條件要求。在驅動方面，選用DI404DIP半橋驅動器，該芯片消除了CNOS供電電源的方向傳導和擊穿電流，進一步提高了驅動電路的可靠性。針對電磁閥工作特性，設計泄放回路減小關斷時刻尖峰脈沖，并增加瞬態(tài)抑制二極管進一步保護母線電壓不受電磁閥工作擾動。電磁閥輸入檢測電路設計用來檢測電磁閥輸入電流情況。電路設計采用LM139電壓比較器，通過比較MOS管漏極電壓與法制電壓，判斷MOS管通斷情況，進而得到電磁閥輸入電流情況。比較器閾值設計為10V。

2.結論

本文的微型電磁閥控制器主要由控制板和接口板構成，通過最小系統(tǒng)FPGA、時鐘電路、光耦隔離電路、RS422電路完成控制板的設計，通過功率信號輸出控制電路和狀態(tài)檢測電路完成接口板的設計。由以上設計方案，微型電磁閥控制器可以在空間受限的使用環(huán)境下，完成8路電磁閥門通斷、閥門狀態(tài)采集、與嵌入式計算機通信等功能。

作者簡介：

李虎（1984.03-），男，漢族，青海西寧人，本科學歷，上海航天電子技術研究所工作，主要研究方向：航天嵌入式電子。