摘要：將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器的控制系統(tǒng)中,，提出了采用LPC2129控制的柴油機(jī)數(shù)字式電子調(diào)速器。給出了系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程,。硬件方面闡述了以LPC2129為核心所構(gòu)建的硬件各組成部分,。針對嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了電子調(diào)速器嵌入式控制系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)中的PID控制算法,，實(shí)驗(yàn)表明,，能克服傳統(tǒng)機(jī)械式諸多方面的缺點(diǎn)，滿足大多數(shù)中高速柴油機(jī)不同工況下的調(diào)速要求,。
關(guān)鍵詞：柴油機(jī),；電子調(diào)速器；ARM,；PID控制

0 引言
    調(diào)速器是柴油機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的重要部件,，它根據(jù)柴油機(jī)負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)的供油量，使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速保持穩(wěn)定,，從而保證柴油機(jī)具有良好的工作性能,。目前我國船舶行業(yè)大多數(shù)柴油機(jī)采用的機(jī)械式調(diào)速器已逐漸不能滿足動(dòng)力設(shè)備越來越高的要求。采用電子調(diào)速器代替機(jī)械式調(diào)速器的方法,，既能提高柴油機(jī)的各項(xiàng)性能，又不至于大幅度提高成本,。
    嵌入式系統(tǒng)作為一種新的技術(shù)發(fā)展趨勢受到人們的廣泛關(guān)注,，本文將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到柴油機(jī)電子調(diào)速器的控制系統(tǒng)中，介紹一種嵌入式電子調(diào)速器的軟硬件設(shè)計(jì),。該調(diào)速器是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng),，以LPC2129控制器為核心。轉(zhuǎn)速給定信號和位置反饋信號以及實(shí)際轉(zhuǎn)速測量信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入ARM處理器,，當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速和設(shè)定轉(zhuǎn)速不相等時(shí),，產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差，然后對偏差進(jìn)行PID運(yùn)算處理，向執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出一個(gè)油門開度調(diào)節(jié)信號,，調(diào)節(jié)柴油機(jī)循環(huán)供油量,，使柴油機(jī)按預(yù)先設(shè)定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)設(shè)定轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí),，系統(tǒng)能夠以同樣的方式迅速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速,，改善了柴油機(jī)的響應(yīng)性能。

1 LPC2129的功能及特點(diǎn)
    LPC2129是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI—S CPU的微控制器,，并帶有256 KB嵌入的高速FLASH存儲(chǔ)器,。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％,，而性能的損失卻很小,。LPC2129有較小的64腳封裝、極低的功耗,、多達(dá)46個(gè)GPIO(可承受5 V電壓),。片內(nèi)獨(dú)特的PLL環(huán)可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率。12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳(EIN和CAP功能),，獨(dú)有的向量中斷控制器可配置中斷優(yōu)先級和向量地址,。雙電源供電，2個(gè)低功耗模式：空閑和掉電,。同時(shí)該芯片豐富的基本外設(shè)使得在不同的環(huán)境下都能得到高效的應(yīng)用,。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 調(diào)速系統(tǒng)控制策略
    本系統(tǒng)所采用的控制策略，是齒條位置和轉(zhuǎn)速串級控制,。其控制策略框圖如圖1所示,。

    如圖所示內(nèi)環(huán)為位移環(huán)，外環(huán)為轉(zhuǎn)速環(huán),。使用串級控制的目的是為了改善過程的動(dòng)態(tài)性能,，能提高控制質(zhì)量，使系統(tǒng)對負(fù)荷變化的適應(yīng)性較強(qiáng),。這里,，轉(zhuǎn)速控制器和位置控制器所采用的都是PID控制算法，并且都是由LPC2129控制器實(shí)現(xiàn),。
2．2 統(tǒng)硬件部分
    系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,，分為傳感器、控制器,、執(zhí)行器3個(gè)部分,。

    本系統(tǒng)的輸入信號有：柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速信號、由電位器給出的設(shè)定轉(zhuǎn)速信號以及齒條位移反饋信號,，均經(jīng)過信號調(diào)理后送入ARM,。
    選用磁電式轉(zhuǎn)速傳感器來測量柴油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速,，得出的正弦交流信號經(jīng)整形電路調(diào)理與定寬處理后轉(zhuǎn)換為方波信號，方波信號隨后經(jīng)RC積分電路積分為電壓量,，電壓量的大小與方波的頻率成正比,，電壓量經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量送ARM。
    設(shè)定轉(zhuǎn)速信號由電位器給出,，其輸出信號要經(jīng)過放大和A／D轉(zhuǎn)換后送ARM處理器,。
    齒條位移的檢測采用角位移傳感器，其輸出信號也要經(jīng)過放大和A／D轉(zhuǎn)換后送ARM進(jìn)行處理,。
    控制器主要完成調(diào)速與控制運(yùn)算,、系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測以及與外部PC機(jī)的通信聯(lián)絡(luò)等功能。是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分,，選擇Philips公司的LPC2129芯片,。控制器由CPU,、外圍輔助電路以及串行通訊控制器組成,。
    調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功能是將轉(zhuǎn)速控制器輸出的油門開度調(diào)節(jié)信號轉(zhuǎn)換成油泵齒條的直線位移運(yùn)動(dòng)，使柴油主機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速相一致,。電動(dòng)執(zhí)行器本質(zhì)上是一個(gè)帶有內(nèi)置式制動(dòng)器的伺服電動(dòng)機(jī),，并且安裝在高壓油泵油門齒條側(cè)，用以驅(qū)動(dòng)油門齒條,。同時(shí),，執(zhí)行器也將齒條位移的信息反饋給控制器，供控制運(yùn)算和顯示用,。另外,，為了便于與PC機(jī)的通信，按RS232標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了串行通信接口,。通用異步收發(fā)器(UART)是用硬件實(shí)現(xiàn)異步串行通信的通信接口電路,，LPC2129內(nèi)部集成了2路UART電路。在電氣特性上,，RS232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式,，標(biāo)準(zhǔn)邏輯1對應(yīng)-15～-5 V電壓，標(biāo)準(zhǔn)邏輯0對應(yīng)+5～+15 V電壓,，所以在硬件上UART的TTL電平都需要采用SIPEX的SP3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,，才能與RS232接口連接并通信。

3 軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)控制軟件由主控制軟件和若干個(gè)功能子程序和中斷程序構(gòu)成,。其中主程序完成系統(tǒng)硬件芯片的初始化和控制流程的管理。起動(dòng),、加減速,、通訊,、故障處理、人機(jī)交互等控制過程由相應(yīng)的子程序完成,。但轉(zhuǎn)速,、齒條位移等反饋信號的采集、調(diào)節(jié)等運(yùn)算,、調(diào)節(jié)量的輸出等實(shí)時(shí)性要求高的環(huán)節(jié)則必須采用中斷控制的方式來實(shí)現(xiàn),。
3．1 轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)算法及實(shí)現(xiàn)
    調(diào)速系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速控制采用PID控制算法，由于PID控制器具有原理簡單,、易于實(shí)現(xiàn),、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn),，使其成為柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用普遍且效果良好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)方式,。其算法如式(1)所示：
   
    式中：U(t)，e(t)為調(diào)節(jié)量和轉(zhuǎn)速偏差量,；KP,，TI，TD分別為比例增益,、積分時(shí)間常數(shù),、微分時(shí)間常數(shù)。
3．2 主控制程序
    主控制流程圖如圖3所示,。

    主要完成以下功能：系統(tǒng)上電或者復(fù)位后,，對硬件芯片進(jìn)行初始化操作；判斷系統(tǒng)復(fù)位后的狀態(tài),，如果是非停車狀態(tài),，則應(yīng)該恢復(fù)正常的運(yùn)行狀態(tài)，否則進(jìn)入系統(tǒng)狀態(tài)自檢測,；通過串口向外部設(shè)備發(fā)送系統(tǒng)的狀態(tài)信息,，利于觀測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；程序自動(dòng)查詢,、判斷系統(tǒng)的外部指令,，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的功能模塊完成指定的任務(wù)。
3．3 中斷服務(wù)程序
    在中斷程序里,，采樣轉(zhuǎn)速反饋,，根據(jù)與給定轉(zhuǎn)速的偏差值，進(jìn)行PID調(diào)節(jié)運(yùn)算,，根據(jù)輸出值調(diào)節(jié)給出相應(yīng)的齒條限制值,。流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語
    本文將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器的控制系統(tǒng)中,，介紹了一種基于ARM的嵌入式船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器,，以LPC2129為核心的控制系統(tǒng),，給出了總體控制方案和硬件設(shè)計(jì)包括傳感器部分，控制器部分,，執(zhí)行器部分以及與PC機(jī)的串行通信,，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速采用PID控制算法。