基于多微處理器的閥門電動(dòng)裝置控制器

1、概述

　　閥門電動(dòng)裝置是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的執(zhí)行單元,廣泛應(yīng)用于化工、石油、冶金、電力等行業(yè)的壓力、溫度、流量控制。它是一種機(jī)電一體化的現(xiàn)場設(shè)備,以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源,將控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作控制各類閥門開啟和關(guān)閉。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,特別是數(shù)字和信息技術(shù)的發(fā)展,閥門電動(dòng)裝置的上方控制系統(tǒng)數(shù)字化和信息化程度越來越高,對電動(dòng)裝置的精度、動(dòng)態(tài)特性和功能等方面的要求也越來越高,如友好的人機(jī)界面、精確定位、故障診斷和總線通訊等等,這些性能的提高和功能的實(shí)現(xiàn)依賴于閥門電動(dòng)裝置控制器。

2、工作原理

　　閥門電動(dòng)裝置(圖1)控制器接受上方控制系統(tǒng)指令,控制電動(dòng)裝置電機(jī)運(yùn)行,驅(qū)動(dòng)電動(dòng)裝置傳動(dòng)部分工作,并將其工作狀態(tài)信號反饋給上方系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)閥門位置控制。閥門電動(dòng)裝置控制器是嵌入式控制系統(tǒng),它以單片微處理器(MCU)為核心,配合人機(jī)界面、信號輸入/輸出和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等其他外圍電路,通過MCU 內(nèi)部程序控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行。其中MCU是整個(gè)系統(tǒng)的核心,MCU 芯片上集成了一個(gè)功能簡化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(CPU,內(nèi)存,并行總線,輸入/輸出接口等) ,具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn),已在閥門電動(dòng)裝置控制器上廣泛采用。

圖1　閥門電動(dòng)裝置

　　目前控制器的MCU所用軟件普遍采用前/后臺工作方式(圖2) 。系統(tǒng)應(yīng)用程序是一個(gè)無限的循環(huán)。循環(huán)中調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)操作,這部分是后臺行為。中斷服務(wù)程序處理異步事件,這部分是前臺行為。一般對實(shí)時(shí)性要求高的操作都是通過中斷服務(wù)來保證的。因?yàn)橹袛喾��?wù)提供的信息一直要等到后臺程序運(yùn)行到該處時(shí)才能得到處理,所以任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間取決于整個(gè)程序循環(huán)的執(zhí)行時(shí)間。

圖2　前/后臺系統(tǒng)

3、存在問題及解決方案

3.1、存在問題

　　隨著閥門電動(dòng)裝置功能的增加和性能的提高,要求MCU同時(shí)處理的任務(wù)數(shù)量越來越多,對實(shí)時(shí)性要求高的任務(wù)也越來越多,任務(wù)數(shù)量的增加意味著程序循環(huán)時(shí)間的加長,而實(shí)時(shí)性要求高則對后臺程序的循環(huán)周期提出了較高要求。如果系統(tǒng)后臺程序的循環(huán)時(shí)間超過了處理實(shí)時(shí)任務(wù)的最大間隔時(shí)間,系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性就得不到有效保證,控制器也就不能正常穩(wěn)定工作。

3.2、解決方案

　　采用模塊化設(shè)計(jì)理念,將閥門電動(dòng)裝置控制分解成多個(gè)功能模塊,每個(gè)對實(shí)時(shí)性要求高或者程序執(zhí)行時(shí)間較長的的功能模塊都有獨(dú)立的MCU控制,然后通過總線通訊的方式與主控MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,即多MCU的系統(tǒng)架構(gòu)。