基于模糊控制的阀门定位器设计

　　0 引言

　　阀门定位器是一种与改变流体流量的调节阀配套使用的辅助仪表。目前，国内广泛使用的定位器是采用模拟信号和力平衡原理生产的，随着生产过程控制的不断发展，及对控制性能的要求越来越高，传统的定位器已难以满足工业控制的需要。为此智能型阀门定位器应运而生。它采用微处理器技术和功能模块，具有自校准自适应自诊断功能和免维护运行等特点。

　　1 系统硬件设计

　　本设计中运用先进的微控制器芯片及外围扩展器件，设计具有良好性能的智能阀门定位器，对阀门的工作进行定位、监控，实现阀门的执行机构的数字化、智能化的产品要求。最终研制的产品要做到体积小、精度高、功能齐全、操作方便。本文设计的定位器的原理结构框图如图1所示。

　　1.1 微控制器及其外围电路设计

　　微控制器采用的是XC164CM单片机，它是德国英飞凌公司16位微控制器系列的第四代产品，具有运算速度快、稳定性好、电磁兼容性强的特点，适用于实时性、可靠性要求高、电磁环境复杂的应用场合。C166 V2内核采用5级指令流水线机制(外加2级预取指令流水线)。该机制使得XC164CM执行绝大多数指令平均只需一个CPU时钟周期，大大提高了微控制器的指令执行速度。C166 V2内核中的高性能16位CPU内部集成了一个乘法累加单元(MAC)。MAC单元拥有一套独立指令集，使XC164CM具有16位定点DSP的部分功能，能够在较短的时间内完成较为复杂的数字算法，例如：MAC支持单时钟周期完成乘加运算(16位x16位+32位)，并能自动地以饱和的方式来防止计算结果的溢出。XC164CM在C166 V2内核的基础上扩展了丰富的片上外围子系统，能很好的满足汽车传动应用场合对各种I/O接口的需要。

　　1.2 电源电路

　　在系统电路中，逻辑电路需要5V直流电压，传感器电路、A/D、D/A、等需要5V参考基准电压，运算放大器需要±12V电压，微控制器还需要一个2.5V的内核电压，而电磁阀则需要24V电压。由于本定位器采用的是二线制低功耗设计，且定位器输入的只是一个电流信号，因此，需要将4-20mA的电流变换为所需要的电压。本实用新型中，通过电流输入转化的24V电压经过滤波电路后，提供给两个DC/DC模块，分别将电压转换为+5V和正负12V。+5V电压经过LM1117变换为+2.5V，用于微控制器的内核供电。正负12V用于给运放供电。其中正12V还用于产生+5V参考电压提供给A/D转换电路。

　　1.3 信号调理及ADC电路

　　图2为4～20mA电流信号调理电路。4～20mA信号流过120欧姆的精密采样电阻，转换成电压信号。再通过仪用放大器LT1920，输出给ADC芯片MCP3204。二极管D1可以防止电流反接。D7是一个TVS管，起着过压保护的作用。扼流圈用于抑制共模干扰。R12，R21，C10，C11，C12构成一个低通滤波网络，用于滤除高频干扰。可以看出，电路中既有共模滤波(R12/C10，R21/C12)，又有差模滤波(R12+R21，C11)。滤波器的总带宽至少应为输入信号带宽的100倍。元件应对称安装在具有大面积接地面的印制电路板上，并且位置十分靠近仪用放大器的输入端，以使滤波器达到最佳性能。共模滤波的时间常数可以按如下计算：TCM=R12*C10=R21*C12。差模滤波的时间常数可以按如下公式计算：TDIFF=(R12+R21)*C11。