現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)FCS(Field bus Control System)利用現(xiàn)場總線開放、具有互操作性的網(wǎng)絡,，將現(xiàn)場各控制器與儀表設備互連,，構成控制系統(tǒng)，同時控制功能徹底下放到現(xiàn)場,，這樣降低了安裝成本和維護費用,。因此，F(xiàn)CS實質(zhì)是一種開放,、具有互操作性,、徹底分散的分布式控制系統(tǒng)，已成為21世紀控制系統(tǒng)的主流,。

2 CAN總線電動執(zhí)行器的硬件設計 　　

2．1 系統(tǒng)總體設計 　　

CAN總線電動執(zhí)行器通過SJA1000和82C250與CAN現(xiàn)場總線通信,；通過驅(qū)動電路控制伺服電機正/反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)閥位控制,。為了避免通信過程中數(shù)據(jù)發(fā)生堵塞,，該設計采用雙MCU結(jié)構，利用雙口RAM作為兩個微控制器獨立訪問的存儲器,。其中負責通信的微控制器根據(jù)雙口RAM的指定存儲區(qū)存儲或讀取數(shù)據(jù),，并通過CAN現(xiàn)場總線實現(xiàn)通信；而另一個微控制器則通過雙口RAM的信息及信號采集檢測電路實現(xiàn)執(zhí)行機構控制功能,。這兩片微控制器均選用AT89C51,。為了保證斷電或其他突發(fā)情況下信息不丟失，還增加了一個E2PROM器件24C08,。位置傳感器選用有間隙補償性電位器,，通過電位器把執(zhí)行機構輸出軸的機械變化量按比例轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到控制器,，參與執(zhí)行機構的調(diào)節(jié),、控制，同時送至上位機,，實現(xiàn)監(jiān)控和管理功能,。執(zhí)行機構采用低速伺服電機。減速器采用具有高效行星減速傳動機構,，它把伺服電機輸出的高速低轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為輸出軸的大轉(zhuǎn)矩低速旋轉(zhuǎn),。

2．2 信號采集檢測電路 　　

CAN總線執(zhí)行器接收來自上位儀表的4～20 mA模擬信號，或通過現(xiàn)場總線接收上位儀表發(fā)送的數(shù)字信號,，并將與執(zhí)行機構位置傳感器反饋信號的偏差作為調(diào)節(jié)依據(jù),，使執(zhí)行機構向消除差值的方向運動，最終達到預定效果,。其中輸入A／D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)為執(zhí)行機構位置傳感器信號和電壓信號,。因此，A/D轉(zhuǎn)換器至少應有2個輸入通道,。這里選用A／D轉(zhuǎn)換器AD7705,，它有2個模擬通道，可進行2種模擬量的轉(zhuǎn)換,。高精密導電塑料電位器傳感器獲得的相應閥門位置的電壓信號由AD7705的引腳6和7(AIN1和AIN2)輸入,。A／D轉(zhuǎn)換信號采集電路框圖如圖1所示。AD7705的輸出信號直接接至微控制器的RXD(P3.O)端,，TXD(P3.1)端則為AD7705提供時鐘信號,。因此，A／D轉(zhuǎn)換器的時鐘由微控制器AT89C51提供,。微控制器AT89C51利用串口與AD7705通信,，將串口設定為工作方式0，即同步移位寄存器方式,。此外,，該微控制器通過引腳P1．5控制CS，通過引腳P1．7判斷DRDY,。這樣,，系統(tǒng)首先選中,，則要先清P1．5端口線。接收數(shù)據(jù)時,，首先判斷引腳DRDY電平,，若為低電平，則表明已有有效的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲至AD7705的數(shù)據(jù)輸出寄存器,。

2．3 電機驅(qū)動控制電路 　　

控制器接收執(zhí)行機構的反饋開度信號,，通過比較輸入信號與反饋信號，產(chǎn)生啟停信號和換向信號,?？刂崎_關以固體繼電器為核心，根據(jù)單片機發(fā)出的啟停和換向信號控制兩個固體繼電器交替工作,，從而實現(xiàn)AC單相可逆電機啟停和換向控制,。需要注意的是，為了保證伺服電機正反轉(zhuǎn)換向,，在設計控制回路時,，要考慮到保護電機的有效運行，避免因動作不協(xié)調(diào)或電路老化導致電路短路,。主回路采取正反轉(zhuǎn)換向信號互鎖設計,，消除正反轉(zhuǎn)時固體繼電器同時導通的可能性，大大提高電子開關的可靠性,。

繼電器1的常閉觸點開關接繼電器2的電源,，繼電器2的常閉觸點開關接繼電器1的電源，當單片機驅(qū)動伺服電機正轉(zhuǎn)時,，單片機輸出一個低電平到繼電器1,，繼電器1通路，繼電器1的常閉觸點斷開,，繼電器2被鎖死,。同理，繼電器2通路時,，繼電器1被鎖死,。在控制開關主回路中串入極限位置保護開關，當閥門運轉(zhuǎn)至極限位置,，保護開關常閉點斷開,，硬性切斷控制開關主回路，會迫使電動機停止運轉(zhuǎn),，具有二次保護作用,。該系統(tǒng)采用單片機輸出的開關信號直接驅(qū)動電動機的直接控制方式。由于驅(qū)動電平的不同，電路分為弱電和強電驅(qū)動兩部分,，兩者通過光耦隔離,，伺服電機控制框圖如圖2所示。

2．4 CAN通信接口電路 　　

CAN通信接口電路主要由獨立CAN通信控制器SJA1000,、CAN總線收發(fā)驅(qū)動器82C250和高速光電耦合器6N137組成,。微控制器AT89C51控制SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。CAN通信控制接口電路如圖3所示,，SJA1000的AD0～AD7連接AT89C51的P0端口，圖中CS接AT89C51的P2．0,。P2．0為0時,，選中SJA1000，并通過片外寄存器地址對SJA1000執(zhí)行相應的讀／寫操作,。SJA1000的RD／E,、WR、ALE／AS分別與AT89C51的對應引腳相連,，其INT接AT89C51的INT0,，AT89C51采用中斷方式訪問SJA1000。

為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力,，SJA1000的TX0和RX0并不是直接與82C250的TXD和RXD相連,，而是通過高速光耦6N137后再與82C250相連，這樣可以實現(xiàn)總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離,。但應注意的是,，光耦部分電路所采用的兩個電源5V和VCC-5V必須完全隔離。電源采用小功率的帶5 V隔離輸出的開關電源模塊,。82C250的引腳CANH和CANL通過1只5 Ω的電阻與CAN總線相連,。該電阻具有限流保護作用，使82C250免受過流沖擊,。為了消除總線上的高頻十擾和電磁輻射,，在引腳CANH和CANL與地之間并聯(lián)2只30 pF的電容。在引腳CAN總線和地之間還接有防雷擊管,，當輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變十擾時,，防雷擊管的放電具有一定的保護作用。82C250引腳Rs接有1只斜率電阻,，可根據(jù)總線通信速度選擇系統(tǒng)的工作模式,，該電阻大小一般為16～140 kΩ。

2．5 電源電路 　　

整個CAN智能電動執(zhí)行器系統(tǒng)設計共使用3路電源：第1路主要是向微控制器控制電路,、鍵盤顯示,、雙口RAM及CAN控制等提供+5 V電壓；第2路是向CAN通信模塊和電機驅(qū)動電路的光耦隔離提供+5 V電源；第3路是向電機控制電路繼電器提供+24 V電源,。電源器件LD03－10B24和D240505S-2W將交流220 V電壓轉(zhuǎn)換為電機控制繼電器所需的+24 V電壓,，又通過D240505S-2W將+24 V電壓轉(zhuǎn)換為第1路、第2路所需的+5 V電壓,。

整個系統(tǒng)的電源由220 V交流電源提供,，因為這是220 V驅(qū)動的交流伺服電機，為了使整個電源輸入設計簡潔,，可以將其余兩路的所需電源也由交流電源220 V轉(zhuǎn)換,，這樣整個系統(tǒng)的直流電源則由DC-DC轉(zhuǎn)換電源模塊D240505S-2W提供。D240505S-2W的驅(qū)動電流最大可達0．5 A,，完全能夠驅(qū)動整個電路,。

3 系統(tǒng)軟件設計 　　

該系統(tǒng)軟件設計是根據(jù)系統(tǒng)功能要求而設計?；厥紺AN總線智能電動執(zhí)行器的軟件程序設計分為：通信端和控制端,。采用模塊化設計，使得系統(tǒng)軟件結(jié)構更清晰,，易于理解,，同時便于調(diào)試、連接,、修改和移植,。該系統(tǒng)軟件主要分為電機控制及算法、鍵盤及顯示,、CAN總線通信3部分,。開發(fā)系統(tǒng)使用C語言和匯編語言進行軟件編程，這樣可以縮短開發(fā)周期,，降低開發(fā)成本,，而且易于維護系統(tǒng)軟件，提高可靠性,。系統(tǒng)控制端程序流程如圖4所示,。

電機控制及算法部分則根據(jù)現(xiàn)場檢測信號和閥位反饋實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)控制，考慮到執(zhí)行機構動作的延遲,，采用不完全微分PID算法,。鍵盤及顯示模塊實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)設置及顯示功能。通信端通過CAN總線實現(xiàn)上位機監(jiān)控及現(xiàn)場儀表之間的通信,。

系統(tǒng)為了具有較好的實時性,，通信端接收信息采用中斷控制方式，通信端程序流程圖如圖5所示,。其中CANBUS中斷接收子程序是根據(jù)SJA1000的中斷寄存器內(nèi)容做出相應處理,，如果是接收中斷,，則將數(shù)據(jù)接收至MCU的內(nèi)部接收緩沖區(qū)并保存至ROM及雙口RAM。CANBUS發(fā)送子程序?qū)?font color="#3e3e3e">SJA1000發(fā)送緩沖區(qū)中的內(nèi)容通過SJA1000發(fā)送給相應的智能節(jié)點,。

4 結(jié)論 　　

基地式CAN總線電動執(zhí)行機構應用單片微型計算機實現(xiàn)本地PID控制,，減少了通訊次數(shù)，避免與控制設備通訊所發(fā)生的錯誤,，并且采用CAN總線技術使系統(tǒng)數(shù)據(jù)出錯率降低,，發(fā)生嚴重錯誤時在不影響其他節(jié)點的情況下，具有自動關閉功能,。經(jīng)測試表明,，該CAN總線電動執(zhí)行器控制精度高穩(wěn)定性、可靠性好,，而且操作控制簡單,。