金屬機(jī)械中的電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

張建國(guó)

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)設(shè)備的質(zhì)量要求逐漸提高，金屬機(jī)械作為生產(chǎn)設(shè)備中的重要工具，對(duì)其要求不再只局限于性能上，金屬機(jī)械的安全性、操作簡(jiǎn)便性、工作效率也成為了重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。電子控制系統(tǒng)是以智能化為核心，采集金屬機(jī)械的相關(guān)信號(hào)，經(jīng)過(guò)不同的控制單元對(duì)金屬機(jī)械進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)操作的設(shè)備，是智能化工廠的關(guān)鍵組成。本文設(shè)計(jì)一種全新的金屬機(jī)械電子控制系統(tǒng)，以滿足生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展需求。

1 金屬機(jī)械中的電子控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

金屬機(jī)械中的電子控制系統(tǒng)硬件主要包括三部分，分別為傳感器、控制器和執(zhí)行器[1]。其相互之間的關(guān)系為：傳感器精準(zhǔn)獲取狀態(tài)信息，并向控制器發(fā)送輸入信號(hào)；控制器處理輸入信號(hào)，根據(jù)給定方式處理數(shù)據(jù)，向執(zhí)行器發(fā)送控制信號(hào)；執(zhí)行器根據(jù)控制器的控制信號(hào)，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。再對(duì)三者進(jìn)行細(xì)分，傳感器包括按鈕開(kāi)關(guān)、拉力傳感器、電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器以及傾角傳感器等?？刂破饔挚煞譃檩斎?、輸出接口、核心控制器以及網(wǎng)絡(luò)端口等。執(zhí)行器可分為狀態(tài)輸出指示燈、報(bào)警器以及伺服電機(jī)等。

1.1 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器是用于獲取金屬機(jī)械運(yùn)行狀態(tài)的主要途徑，傳感器類型的選擇由金屬機(jī)械的狀態(tài)決定，首先明確所需的運(yùn)行狀態(tài)，針對(duì)狀態(tài)類型對(duì)傳感器進(jìn)行選取。傾角傳感器是用于計(jì)算金屬機(jī)械拉力的重要參量，若沒(méi)有傾角傳感器，系統(tǒng)將無(wú)法準(zhǔn)確判定當(dāng)下機(jī)械運(yùn)行的環(huán)境，為了保證在規(guī)定的范圍內(nèi)，產(chǎn)生最大的金屬機(jī)械拉力，不僅會(huì)增加電能的消耗，同時(shí)還會(huì)加速控制系統(tǒng)的磨損速度，降低控制系統(tǒng)的使用壽命。但通過(guò)傾角傳感器獲取到相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，只需要控制系統(tǒng)給金屬機(jī)械一個(gè)大于制動(dòng)的拉力值即可。不僅不需要達(dá)到金屬機(jī)械的極限拉力，同時(shí)還可以有效提高控制系統(tǒng)的效率。

1.2 控制器設(shè)計(jì)

金屬機(jī)械的電子控制系統(tǒng)其核心為嵌入式系統(tǒng)，因此該系統(tǒng)是指向被控對(duì)象，嵌入到實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)當(dāng)中，從而實(shí)現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

電子控制系統(tǒng)的核心為，在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的協(xié)同下，控制金屬機(jī)械運(yùn)行的電子控制系統(tǒng)。處理器的CPU內(nèi)核選用CIP-51核，其控制指令的周期按照時(shí)鐘周期為準(zhǔn)，指令集中度約為60%的指令在一到兩個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。工作環(huán)境周圍的溫度在零下30℃到零上120℃之間，工作電壓為1.6V～5.5V，內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為4352字節(jié)，可以支持輸入為8V的模擬信號(hào)，以及6個(gè)32位通用定時(shí)器。

2 金屬機(jī)械中的電子控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境的選擇

對(duì)于電子控制系統(tǒng)，其軟件的運(yùn)行環(huán)境選擇在電子控制單元以及微控制單元中。電子控制單元選用MCS-51指令集的單片機(jī)系統(tǒng)，為了提升本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的工作效率，因此選用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，匯編器以及連接器內(nèi)部的核心工具選用Keil C51工具，從而降低系統(tǒng)程序編寫的復(fù)雜程度。

2.2 通訊設(shè)計(jì)

控制器域網(wǎng)通信總線選用廣播的方式進(jìn)行傳輸，利用標(biāo)識(shí)符進(jìn)行區(qū)分，設(shè)定標(biāo)識(shí)符越小，優(yōu)先級(jí)越高的原則，能夠有效對(duì)報(bào)文進(jìn)行濾波，利用循環(huán)冗余校驗(yàn)的方法進(jìn)行系統(tǒng)的錯(cuò)誤檢驗(yàn)[2]。控制器域網(wǎng)報(bào)文可分為遠(yuǎn)程幀、數(shù)據(jù)幀以及出錯(cuò)幀，根據(jù)實(shí)際情況中不同的需要，選擇不同類型的報(bào)文。控制器域網(wǎng)通信包括標(biāo)識(shí)符定義、波特率設(shè)定、數(shù)據(jù)的打包和解包。這一部分必須與金屬機(jī)械整體中的其它通訊模塊相互對(duì)應(yīng)，才能實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的通訊功能。

在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試的過(guò)程中，為了更加直觀的獲取到金屬機(jī)械的內(nèi)部狀態(tài)信息，在控制系統(tǒng)中增設(shè)了兩組數(shù)據(jù)幀，用于發(fā)送控制系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)信息。

內(nèi)部狀態(tài)信息最終會(huì)發(fā)送到連接在金屬機(jī)械設(shè)備上行的監(jiān)視調(diào)節(jié)設(shè)備上，從而判斷控制系統(tǒng)是否能夠正確捕獲金屬機(jī)械信息，是否按照控制系統(tǒng)的相關(guān)控制指令做出準(zhǔn)確的指令動(dòng)作。

2.3 數(shù)字濾波設(shè)計(jì)

由于金屬機(jī)械的工作環(huán)境十分惡劣，因此對(duì)于信號(hào)進(jìn)行濾波處理是十分有必要的，通過(guò)濾波處理可以有效減少外界環(huán)境對(duì)控制系統(tǒng)的影響。

因此，為了保證控制系統(tǒng)的可靠性運(yùn)行，在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中增加對(duì)數(shù)字濾波的設(shè)計(jì)。濾波處理主要可分為兩部分，一是對(duì)按鈕檢測(cè)進(jìn)行濾波處理：為了防止由于操作失誤造成的抖動(dòng)而被控制系統(tǒng)認(rèn)為是多次操作的問(wèn)題發(fā)生，在系統(tǒng)中設(shè)置去抖動(dòng)濾波程序。以3ms為一個(gè)時(shí)間間隔，若進(jìn)行連續(xù)采樣的過(guò)程中有30個(gè)使能電平，則認(rèn)為該操作為正常按鍵操作；若在30次內(nèi)，有任意一次采樣為非使能電平，則認(rèn)為該操作為非正常按鍵操作，放棄本次查詢結(jié)果，重新進(jìn)入初始化查詢程序，進(jìn)行再次查詢。二是模擬信號(hào)的采樣濾波處理：控制系統(tǒng)中的模擬信號(hào)包括拉力傳感器信號(hào)以及傾角信號(hào)。由于兩種信號(hào)類型的應(yīng)用環(huán)境不同，因此受到的影響也是不同的。拉力傳感器信號(hào)位于控制系統(tǒng)的內(nèi)部，因此受到的影響相對(duì)較小，可以選用數(shù)學(xué)算法中的算數(shù)平均值的方式對(duì)其進(jìn)行濾波處理。而傾角信號(hào)相對(duì)復(fù)雜，因此選用一種新興的數(shù)字濾波的方式，對(duì)其進(jìn)行濾波處理。這種方法不僅可以提高傳統(tǒng)濾波的精確度，同時(shí)還可以在系統(tǒng)的程序中對(duì)濾波閾值進(jìn)行隨意的修改，克服傳統(tǒng)濾波器的缺點(diǎn)。

3 仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的電子控制系統(tǒng)的有效性，將本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。利用虛擬平臺(tái)構(gòu)建兩個(gè)完全相同的金屬機(jī)械，并用本文系統(tǒng)與傳統(tǒng)系統(tǒng)分別對(duì)金屬機(jī)械進(jìn)行控制，分別發(fā)出5組完全相同的指令信息，比較兩個(gè)金屬機(jī)械完成該指令的時(shí)間，并記錄在表1實(shí)驗(yàn)結(jié)果中。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)仿真測(cè)試及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文控制系統(tǒng)在對(duì)金屬機(jī)械的相應(yīng)動(dòng)作指令進(jìn)行控制過(guò)程中，完成相應(yīng)控制指令所消耗的時(shí)間明顯比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)短，滿足電子控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，因此更具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文對(duì)電子控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效提高金屬機(jī)械的工作效率。但對(duì)于控制系統(tǒng)中的硬件可靠性以及使用壽命還有待進(jìn)行進(jìn)一步的檢測(cè)，目前階段僅對(duì)控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試研究，后續(xù)還將對(duì)系統(tǒng)中的各元件進(jìn)行測(cè)試才能驗(yàn)證控制系統(tǒng)是否可以進(jìn)行批量的生產(chǎn)和制造。