單片機(jī)技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的逐步應(yīng)用和發(fā)展

邵杰

摘 要：近二十年來，隨著電氣控制和微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣控制技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，由原來以機(jī)械部件和簡單電氣元件為主的普通型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，向應(yīng)用了單片機(jī)技術(shù)的非侵入式電氣控制系統(tǒng)為主導(dǎo)地位的智能型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)展，并逐步發(fā)展形成智慧型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在這個轉(zhuǎn)變過程中，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用起到了關(guān)鍵性的作用。文章著重介紹了二十年來閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的研發(fā)過程中，單片機(jī)技術(shù)的逐步應(yīng)用、迅速發(fā)展和未來方向。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)；應(yīng)用；發(fā)展方向

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0053-04

Abstract： In the past twenty years， with the development of electrical control and microprocessor technology， the electric control technology of electric actuator of valve has entered a rapid development stage. By the mechanical components and simple electrical components based on the common type of electric actuator， to the application of single-chip microcomputer technology of non-invasive electrical control system as the dominant position of the intelligent electric actuator. And gradually develop into intelligent electric actuator. In this process of transformation， the application of single-chip technology plays a key role. This paper focuses on the application， rapid development and future direction of single-chip microcomputer technology in the research and development of electric valve actuator control system in the past twenty years.

Keywords： single chip microcomputer； valve electric actuator； application； development direction

引言

閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)控制過程中一般用來驅(qū)動閥門，是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移的機(jī)電一體化設(shè)備，它以電能為動力接收來自控制系統(tǒng)的控制信號（開關(guān)量、模擬量和總線信號），驅(qū)動閥門打開、關(guān)閉或者運(yùn)行到某一位置，可以用于工業(yè)現(xiàn)場的各種閥門（調(diào)節(jié)閥、閘閥、球閥、截止閥等）的開、關(guān)和定位控制，廣泛應(yīng)用于火電、化工、鋼鐵和環(huán)保等行業(yè)。

單片機(jī)（Micro Control Unit，MCU），是一種將中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、輸入輸出口I/O等硬件集成在一塊芯片上的可編程器件。通過相應(yīng)的軟件編程后，能完成原來用非常復(fù)雜的模擬、數(shù)字電路才能實(shí)現(xiàn)的功能。

上世紀(jì)90年代之前，閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)以機(jī)械部件為主，后來隨著電氣控制技術(shù)的發(fā)展，尤其是單片機(jī)技術(shù)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用越來越多，執(zhí)行機(jī)構(gòu)逐步發(fā)展成具備非侵入式設(shè)計的智能型，并最終向具備更強(qiáng)功能的智慧型發(fā)展。單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的升級換代中，起著不可或缺的作用。

單片機(jī)技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用，可以把它分為以下3個階段：

早期應(yīng)用階段：20世紀(jì)90年代，隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展、普及和應(yīng)用，微處理器技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)自動化產(chǎn)品生產(chǎn)過程中。在設(shè)計自動化儀表時，研發(fā)人員打破原有的設(shè)計思維，由傳統(tǒng)模擬電子線路設(shè)計轉(zhuǎn)向以單片機(jī)為核心的控制器的設(shè)計，從而簡化了電路、提高了儀表可靠性和穩(wěn)定性、降低了成本、加快了產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度，解決了許多傳統(tǒng)儀表存在的問題。其中，調(diào)節(jié)型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)就是這個階段的典型代表。

高速發(fā)展階段：從90年代后期到2010年，隨著SOC（System On Chip）平臺的出現(xiàn)，MCU技術(shù)迅速發(fā)展，運(yùn)行速度更快、集成度更高的增強(qiáng)型8位單片機(jī)層出不窮，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的技術(shù)革命奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)在電氣控制系統(tǒng)方面有重大突破。在國外領(lǐng)先企業(yè)的引領(lǐng)下，出現(xiàn)了一些具有液晶顯示、紅外遙控、絕對編碼和現(xiàn)場總線等多種最新控制技術(shù)的非侵入式智能型產(chǎn)品。

全面創(chuàng)新階段：2010年以后，隨著智能傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和CPU技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，出現(xiàn)了面向單片機(jī)市場的32位ARM處理器，如CM3。此時，閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入向智慧型發(fā)展的全面創(chuàng)新階段，智能感知、智慧決策、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)已經(jīng)成為主要發(fā)展方向。智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)已經(jīng)逐步成為執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)的未來發(fā)展方向。

1 閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)總體上來說，由3個部分構(gòu)成，分別為：

電動機(jī)：如圖1中部分11所示。將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械位移，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供動力。

機(jī)械傳動部分：如圖1中部分1、2、3、5、6、7、8、9、10所示。通過減速傳動，將電機(jī)轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的高轉(zhuǎn)速低扭矩，轉(zhuǎn)化為執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出的低轉(zhuǎn)速高扭矩，并通過機(jī)械接口和閥門連接來驅(qū)動閥門開關(guān)運(yùn)行。

電氣控制系統(tǒng)：如圖1中部分4所示?？刂葡到y(tǒng)是執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部分，通過接收現(xiàn)場和遠(yuǎn)程的運(yùn)行指令，根據(jù)采集的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的自身狀態(tài)，通過邏輯運(yùn)算后，驅(qū)動電機(jī)并將執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信號輸出。

2 單片機(jī)技術(shù)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的早期應(yīng)用階段

早期的閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制原理比較簡單，主要通過機(jī)械式的行程控制器和力矩控制器來實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)限位控制和過扭矩保護(hù)，通過控制箱來實(shí)現(xiàn)開、關(guān)運(yùn)行控制。根據(jù)控制方式不同可以將其分為開關(guān)型和調(diào)節(jié)型兩種。開關(guān)型主要接收控制系統(tǒng)的開關(guān)量信號，一般情況下運(yùn)行在全開和全關(guān)位置；調(diào)節(jié)型主要接收控制系統(tǒng)的模擬量信號，可以根據(jù)模擬量連續(xù)定位，驅(qū)動閥門到任意位置。

調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)本質(zhì)上來說屬于DDZ-III型儀表，采用4～20mA的模擬量來控制閥門開度，根據(jù)模擬量信號連續(xù)定位。傳統(tǒng)的設(shè)計方法是采用伺服放大器，將控制系統(tǒng)給出的模擬量信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身的閥位信號進(jìn)行運(yùn)算比較，當(dāng)兩者差值大于死區(qū)時，控制電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)向減小差值的方向運(yùn)行。然而伺服放大器多為模擬電路，存在調(diào)試?yán)щy、零漂、溫漂和抗干擾能力差等固有缺陷，此外，元器件多，體積大，成本高，故障點(diǎn)多，需要有更好的方案來解決。

當(dāng)時單片機(jī)技術(shù)還沒有廣泛的應(yīng)用，選型的范圍也很窄，主要有Intel的8031、8051系列；摩托羅拉的6800系列；microchip的PIC系列；Atmel的AT89C52、AT89C2051等。其中由于AT89C2051，具有內(nèi)置EEPROM，易編程調(diào)試，資料較多，成本低，I/O端口的數(shù)量能滿足初期的調(diào)節(jié)型控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，所以選用它和一些外圍器件構(gòu)成了調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)主要由：AT 89C2051、線性電源、AD轉(zhuǎn)換芯片TLC0834、復(fù)位芯片IMP813L和雙路閥位變送器BS-2等組成，硬件系統(tǒng)框圖，如圖2所示。

軟件當(dāng)時只能通過匯編語言編寫，編程和修改難度都比較大。由ASM51編譯生成HEX文件后，通過專用編程器燒寫。圖3為采用AT89C2051的軟件流程圖和匯編語言程序片段。

雖然單片機(jī)技術(shù)的早期應(yīng)用，現(xiàn)在看起來過于原始和簡單，但是當(dāng)時執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計者改變了原來的設(shè)計思維和框架，由傳統(tǒng)的模擬電子線路設(shè)計向以單片機(jī)為核心、加獨(dú)立外設(shè)芯片的控制器的設(shè)計轉(zhuǎn)變。因?yàn)槠涫窃缙诋a(chǎn)品，存在程序存儲器容量小、沒有片內(nèi)非易失性數(shù)據(jù)存儲器、指令和時序復(fù)雜、沒有集成外設(shè)、I/O端口較少，抗干擾能力較差等問題，這些都增加了設(shè)計人員的困難。

3 應(yīng)用的高速發(fā)展階段

到九十年代中期，8051系列單片機(jī)主要由Silicon Labs、Atmel、Philips等公司生產(chǎn)，在保持與8051單片機(jī)兼容的基礎(chǔ)上對其性能和功能進(jìn)行了大幅提升。如：改進(jìn)指令的時序特性提高運(yùn)行速度、增加集成外設(shè)提高系統(tǒng)集成度、放寬電源電壓的動態(tài)范圍、增強(qiáng)抗干擾能力等方面。后來，Analog Devices、Silicon Labs和Atmel分別推出了ADUC812、C8051F和AVR系列混合信號單片機(jī)，提出了SOC（System On Chip）平臺的概念，擁有這類平臺的單片機(jī)也被稱為增強(qiáng)型8位MCU。此類MCU都具有高速流水線（RISC）指令結(jié)構(gòu)，具有與8051兼容的內(nèi)核，并且具有大量的I/O接口、多路獨(dú)立的內(nèi)置A/D和D/A通道、非易失性數(shù)據(jù)存儲器EEPROM、內(nèi)部R/C振蕩器等。將一個硬件系統(tǒng)功能集成于一個芯片上，給研發(fā)人員提供了極大的便利，也使得系統(tǒng)集成度更高。

與此同時，這個階段的閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在一些國外品牌的引領(lǐng)下，引入了很多最新的控制技術(shù)。如：非侵入式設(shè)計、免開箱調(diào)試、用絕對編碼式行程控制器取代機(jī)械式行程控制器、推拉式扭矩傳感器、無線遙控和現(xiàn)場總線等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入了智能型非侵入式的應(yīng)用階段。但是，這些控制技術(shù)在一定程度上對MCU的I/O數(shù)量，集成外設(shè)的種類、運(yùn)行速度都提出了更高的要求，原來傳統(tǒng)的單片機(jī)無法滿足要求，而具有SOC概念的MCU顯然非常符合新的設(shè)計要求。

經(jīng)過對比本文選用Silicon Labs公司的C8051F系列中的C8051F020和Atmel公司AVR系列中的ATmega64這兩款MCU，分別應(yīng)用于本文提出的SND和SND3系列智能型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)。兩款MCU都具有超過50個的I/O端口和多種模擬數(shù)字外設(shè)；均采用RSIC結(jié)構(gòu)的精簡指令集和流水線技術(shù)使程序運(yùn)行速度大大加快；都具有64K以上的FLASH和若干非易失性存儲器，能滿足程序存儲和數(shù)據(jù)存儲的要求。其中ATmega64還有低功耗和寬電壓的特性，可以提升系統(tǒng)的EMC性能。圖4為增強(qiáng)型8位MCU硬件系統(tǒng)框圖，由圖可見，一塊芯片就可以完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計，無需增加外設(shè)，簡化了硬件系統(tǒng)的設(shè)計，提高了可靠性。

軟件部分，都是通過C語言編寫。C8051F020通過Keil uVision2軟件編寫、編譯后，用Silicon專用編程器燒寫入單片機(jī)；ATmega64通過ICCAVR編寫、編譯后，用AVR Studio 4.0 通過專用編程器燒寫入單片機(jī)。圖5為ATmega64的軟件流程圖和部分C語言程序。

在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)入這一階段后，控制系統(tǒng)對現(xiàn)場總線的應(yīng)用要求也越來越多，以Profibus-DP、Modbus-RTU、CANBUS等總線類型為主。在搭建SOC平臺的基礎(chǔ)上，這些現(xiàn)場總線只要通過UART端口、協(xié)議芯片和總線接口芯片就能方便的設(shè)計各種總線接口。例如Profibus-DP總線，只要通過DP總線協(xié)議芯片SPC3和RS485驅(qū)動芯片ADM2486，就可以實(shí)現(xiàn)總線從站硬件系統(tǒng)的構(gòu)建。然后，根據(jù)相關(guān)資料編寫軟件程序就可以與現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)連接。

然而在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)高速發(fā)展階段到了后期，SOC平臺在低功耗（電池應(yīng)用）、存儲空間、實(shí)時時鐘、網(wǎng)絡(luò)和通信（以太網(wǎng)接口）等功能方面，逐步顯現(xiàn)不足，需要開發(fā)新的更高性能的處理器來解決存在的問題。

4 應(yīng)用的全面創(chuàng)新階段

2010年以后，許多高端用戶對智能型執(zhí)行機(jī)構(gòu)提出了新的要求，如：

在沒有交流電源外部供電的情況下，要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠在液晶屏上顯示閥位。

要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)具有數(shù)據(jù)記錄功能，便于系統(tǒng)快速進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和故障判斷。

要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為現(xiàn)場設(shè)備能采集閥門和管道的一些診斷數(shù)據(jù)和過程參數(shù)。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)內(nèi)部要檢測溫度、電壓和振動等環(huán)境參數(shù)。

與此同時，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用越來越多，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以通過這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集分析等功能。

然而，執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計行業(yè)也提出有關(guān)智慧型電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)概念，內(nèi)容包括：

深度感知：感知管道及閥門的工作狀態(tài)（振動、轉(zhuǎn)矩）。

智慧決策：能現(xiàn)場編程、通過記錄數(shù)據(jù)和故障診斷來決定執(zhí)行機(jī)構(gòu)的行為。

精確執(zhí)行：高速運(yùn)行、高精度定位、高精度的轉(zhuǎn)矩檢測技術(shù)。

簡易精致：執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)更加趨于緊湊、小型化、性能更強(qiáng)、操控更加人性化。

鑒于行業(yè)和技術(shù)發(fā)展的背景，原來的控制系統(tǒng)在運(yùn)行速度、存儲空間、功耗，和外設(shè)的種類等方面，已經(jīng)很難滿足新的要求。因此，應(yīng)用ARM平臺控制系統(tǒng)的智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)逐步發(fā)展形成。

智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣控制系統(tǒng)，采用基于ARM的32位處理器：CortexTM-M3 CPU（STM32F205/207）。其32位的指令系統(tǒng)具備32位的數(shù)據(jù)處理能力，相比于任何8位MCU來說，大大提高了控制系統(tǒng)的性能，包括提升運(yùn)行速度、增強(qiáng)處理能力、增加存儲容量、加大可擴(kuò)展性、大幅降低功耗等。

STM32F205/207微處理器具有高性能的ARM 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率最高達(dá)120MHz；內(nèi)部含有高速存儲器（最高可達(dá)1MByte的閃存、128KByte的SRAM和4K備用SRAM）；豐富的增強(qiáng)I/O端口，其具有聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)、3條AHB總線和一個32位的multi-AHB總線矩陣、3個12位的ADC和2個DAC（用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的閥位設(shè)定和反饋）、1個低功耗的RTC（用于運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄）、12個通用的16位計時器（其中有2個用于電機(jī)控制的PWM定時器）、2個通用的32位計時器、1個真正的隨機(jī)數(shù)生成器RNG（用于生成序列號）；新增加的高級外設(shè)包括1個SDIO和1個FSMC接口（用于擴(kuò)展執(zhí)行機(jī)構(gòu)的存儲空間）、1個USB OTG接口（使執(zhí)行機(jī)構(gòu)的歷史記錄數(shù)據(jù)可以直接下載）、4個USART接口和2個UART接口（用于擴(kuò)展各種現(xiàn)場總線）；其他標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)還包括：3個I2C接口、3個SPI接口、2個I2S接口和2個CAN接口等等，資源非常豐富。此外，芯片還具有專門的電池引腳用于RTC供電，在STM32F207上還具有以太網(wǎng)和相機(jī)接口，與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，可以擴(kuò)展物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)等功能。芯片的工作溫度范圍為-40°C至+105°C，能滿足絕大部分工業(yè)現(xiàn)場的要求；工作電壓范圍為2.0V至3.6V，最低功耗只有不到3uA，能大幅延長內(nèi)置鋰電池的使用時間。

基于ARM的32位處理器在內(nèi)核、指令系統(tǒng)、存儲器容量和可擴(kuò)展性、外設(shè)的種類和數(shù)量、功耗、工作溫度范圍上都非常適合智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的使用。圖6為基于ARM的硬件系統(tǒng)框圖。

由圖6可見，在保留增強(qiáng)型8位MCU優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，ARM處理器還為執(zhí)行機(jī)構(gòu)增加了很多新技術(shù)和新功能，如：低功耗電池應(yīng)用技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、傳感器集成技術(shù)、云技術(shù)和數(shù)據(jù)記錄存儲功能等。

在全新的應(yīng)用階段，一些處于行業(yè)領(lǐng)先地位的進(jìn)口品牌，如德國和英國的一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造商在其新系列的電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中使用了一片或者多片STM32F系列的處理器，從而增加了許多新的功能，進(jìn)一步提升了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的性能，開創(chuàng)了智慧型閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的概念。國內(nèi)執(zhí)行機(jī)構(gòu)制造商也陸續(xù)推出相關(guān)產(chǎn)品，閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)將在32位ARM技術(shù)的帶領(lǐng)下，進(jìn)入一個全新的階段。

5 結(jié)束語

本文介紹了單片機(jī)技術(shù)在閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中從無到有的逐步應(yīng)用過程，從早期的初步應(yīng)用階段，到后來的高速發(fā)展階段，及到現(xiàn)在的全面創(chuàng)新階段。在整個過程中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)也經(jīng)歷了從普通調(diào)節(jié)型、發(fā)展到智能型、最后到智慧型的升級換代過程；單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用對推動閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的更新?lián)Q代和執(zhí)行機(jī)構(gòu)行業(yè)技術(shù)水平的提高起著至關(guān)重要的作用。閥門電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)是工業(yè)自動化系統(tǒng)的最末端，是工業(yè)過程控制中不可或缺的部分，其技術(shù)的進(jìn)步，有助于提高我國工業(yè)自動化的整體水平。

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