一種信號自適應(yīng)的控制器設(shè)計與實現(xiàn)

潘 婧，戴 晶，蹇安安

（武漢第二船舶設(shè)計研究所，武漢 430064）

0 引言

海洋運(yùn)輸有著悠久的歷史，與國家的發(fā)展有著密不可分的關(guān)系。船舶運(yùn)動控制從手動發(fā)展到了自動，一代又一代的船舶自動化產(chǎn)品不斷問世[1]。船舶控制系統(tǒng)不斷改進(jìn)，各種新的問題不斷出現(xiàn)，就船舶控制系統(tǒng)中部分信號衰減問題，本文給出了一種實用的、基于船舶控制系統(tǒng)的信號自適應(yīng)控制器的設(shè)計與實現(xiàn)。

圖1 船舶側(cè)推系統(tǒng)信號自適應(yīng)控制器應(yīng)用示例

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式控制器在船舶控制系統(tǒng)中有著越來越廣泛的應(yīng)用[2]。本系統(tǒng)所設(shè)計的信號自適應(yīng)控制器，就是基于STC12C5A60S2芯片的嵌入式控制器，可對船舶控制系統(tǒng)中0-10V電壓信號、-10V-10V電壓信號以及4mA-20mA電流信號進(jìn)行自適應(yīng)校準(zhǔn)，比例輸出標(biāo)準(zhǔn)的4mA-20mA電流信號。

如圖1所示，在該船舶側(cè)推系統(tǒng)中，槳角發(fā)信器輸出的4mA-20mA螺距信號，再由側(cè)推機(jī)艙至駕駛室的過程中，產(chǎn)生信號衰減[3]。在接口板中使用信號自適應(yīng)控制器，對衰減的4mA-20mA信號進(jìn)行信號校準(zhǔn)，實現(xiàn)衰減補(bǔ)償。

1 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)作為中央處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，它是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘(機(jī)器周期為IT)的一個單片機(jī)系列，是一個增強(qiáng)型的8051的MCU，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8至12倍，并支持在線編程[4]。和傳統(tǒng)8051相比，有以下特點(diǎn)。

圖2 STC12C5A60S2結(jié)構(gòu)

信號自適應(yīng)控制器利用運(yùn)放LM358以及相關(guān)模擬電路，實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，將輸入信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的0-5V的電壓信號；利用指令輸入模塊和狀態(tài)指示模塊，準(zhǔn)確輸入相關(guān)的校準(zhǔn)的輔助數(shù)據(jù)；由中央處理器對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理運(yùn)算，對單片機(jī)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置；同時，結(jié)合4mA-20mA信號輸出模塊，利用運(yùn)放LM358和三極管8050，實現(xiàn)4mA-20mA電流信號的輸出；利用可控制的光電耦合器件TLP521[5]實現(xiàn)單片機(jī)5V輸出控制24V繼電器的輸出。圖3為信號自適應(yīng)系統(tǒng)系統(tǒng)框圖。

圖3 信號自適應(yīng)系統(tǒng)系統(tǒng)框圖

圖4 電源模塊電路原理圖

圖5 繼電器模塊電路原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括電源模塊、繼電器模塊和電壓轉(zhuǎn)電流模塊等硬件電路的設(shè)計。根據(jù)設(shè)計的難點(diǎn)和重點(diǎn)，本文給出其中電源模塊、繼電器模塊和電流輸出模塊的電路原理圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件的主程序流程圖如圖7所示，程序包括參數(shù)設(shè)置和電流校準(zhǔn)兩個主流程。參數(shù)設(shè)置主要是對電路的硬件參數(shù)進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，并將相關(guān)參數(shù)保存至EEPROM的過程。電流校準(zhǔn)主要實現(xiàn)輸入信號的校準(zhǔn)，根據(jù)EEPROM保存的相關(guān)參數(shù)和寫入的對應(yīng)設(shè)備的臨界值，對輸入信號值進(jìn)行計算處理，設(shè)置輸出PWM信號的占空比，實現(xiàn)電流信號的校準(zhǔn)。

若輸出電流4mA、12mA、20mA對應(yīng)的PWM的占空比分別為P4、P12、P20，待校準(zhǔn)輸入信號最小值、中值、最大值的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果依次為Imin、Imid、Imax，輸入信號為I，對應(yīng)PWM輸出占空比為P，則各變量之間存在如下關(guān)系：

當(dāng)I ≤Imin時，

P= P4；

圖6 電流輸出模塊電路原理圖

圖7 信號自適應(yīng)系統(tǒng)主程序流程圖

當(dāng)Imin＜I≤Imid時，

當(dāng)Imid＜I＜Imax時，

當(dāng)I≥Imax時，

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試輸入為0-10V電壓信號，輸出等比例校準(zhǔn)為4mA-20mA的電流信號，根據(jù)最小值、中位值、最大值的不同，分三組測試數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)如表1所示。圖9(a)所示為第一組數(shù)據(jù)，輸入信號最小值為1V，輸入信號中位值為4.5V，輸入信號最大值為9V。圖9(b)所示為第二組數(shù)據(jù)，輸入信號最小值為1.5V，輸入信號中位值為5V，輸入信號最大值為9V。圖9(c)所示為第三組數(shù)據(jù)，輸入信號最小值為1V，輸入信號中位值為4.5V，輸入信號最大值為8.5V。

圖8 信號自適應(yīng)控制器實物電路板

表1 測試數(shù)據(jù)表

圖9 測試結(jié)果對比圖

5 結(jié)束語

從信號自適應(yīng)系統(tǒng)的測試結(jié)果可以得出：信號自適應(yīng)系統(tǒng)實現(xiàn)了信號的校準(zhǔn)，測試結(jié)果實際值與理論值基本一致，最大相差在0.1mA以內(nèi)，誤差值為±2%，在允許范圍內(nèi)。因此，我們認(rèn)為基于船舶控制系統(tǒng)的信號自適應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計基本完成，性能良好。

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