Les données de profil Seawater de température est un des éléments importants de l'environnement marin, l'accès à ces données est importante pour les changements de vitesse de propagation et le chemin des ondes sonores sous-marines, peuvent apporter une aide importante à la recherche scientifique marine et des applications militaires. température consomptibles instrument de mesure de profil (consomptibles de bathythermographe, XBT) est capable de mesurer un capteur de température d'eau de mer, et une section transversale du matériel durable, est un moyen important de mesure de profil de température au cours de l'enquête de marine .
Système de mesure peut mettre en oeuvre la sonde de distribution automatique 12, un accès complet à la température de l'eau de mer des données en coupe rapide. Il peut être complété dans des conditions de mer défavorables mis des tâches de mesure avec une grande efficacité de la livraison et le degré d'automatisation, opération simple, pour compenser les lacunes de vol manuel traditionnel. Le processus de système de livraison principalement au moyen de diverses combinaisons de mouvement d'un moteur pas à pas, le moteur de courant continu, et est terminée, l'unité de commande de moteur est le noyau d'un système de commande électronique, elle joue un rôle important dans le processus de distribution automatique.
Une unité de commande du moteur de conception générale
L'unité de commande est composée principalement par la puce de commande de moteur, le module d'alimentation électrique, une puce d'extension de port série, assistance, pas à pas, le circuit d'interface de commande de moteur à courant continu, etc., le schéma de principe du matériel représenté sur la figure 1. Le système comprend les processus suivants en cours d'exécution en mode de mouvement: la livraison de la cuve rotative, un moyen de libération de mouvement, des moyens d'acquisition de données de mouvement, ledit mouvement de conception appropriée du mode de distribution de la sonde est complétée par l'acquisition de données de mesure.
2 Conception du matériel
sélection d'une puce de contrôle 2.1
Compte tenu de la difficulté de développement et le cycle R & D, après avoir comparé la sélection choisie parmi le microcontrôleur Silicon Laboratories C8051F020 que la puce principale. Il est une puce SoC système à signal mixte complet ayant une programmation 64 KB Flash et en système 4532 B SRAM, 70% du temps d'exécution d'instructions est de 12 cycles d'horloge, avec 22 sources d'interruption, etc, pour satisfaire aux performances ci-dessus concevoir des exigences de l'unité de commande du moteur.
2.2 Power Management Module
Entrée d'alimentation à l'unité de commande 12 V et 24 V, la sélection des LM2575 et LM2937 de National Semiconductor produit puces de puissance génèrent 5 V et 3,3 V des tensions. Le premier signal de commande au moteur pas à pas et la fourniture de la puce de commande de moteur à courant continu, qui est utilisée pour alimenter la puce principale et des dispositifs numériques, l'alimentation électrique de 24 V pour l'entraînement du moteur pas à pas et le dispositif de frein de commande d'asservissement.
Le module d'interface de communication 2.3
Pour réaliser le contrôle du système à divers types de moteur, l'unité de commande de moteur a besoin d'une communication variateur , et effectue une borne de commande manuelle de PC données, les interfaces de communication du mode RS232. Comme l'appareil seulement deux UART ports série, vous avez besoin d'élargir leur nombre. Généralement les méthodes utilisées peuvent être conçues pour réaliser l'expansion , peut également être une puce matérielle via le logiciel. Puisque la méthode de série du logiciel virtuel a une stabilité insuffisante et la fiabilité, et en utilisant ainsi une manière de puce matériel dédié. sélection EXAR produit XR16L784 puce d'extension de port série dédié circuits périphériques mis en place par le programme de configuration raisonnable et d'écriture, l'expansion du port série multi-canal.
2.4 interface de commande de moteur
Interface d'entraînement du servomoteur 2.4.1
Circuit d'interface RS232 principalement par la conversion de niveau et la position du cylindre de sortie d'entrée de contre-réaction de deux parties. des moyens de commande de communication et les commandes de moteur d'asservissement du taux d'une communication RS232 est de 9600 b / s. Sélection MAXIM puce MAX3232 pour compléter le niveau TTL à puce unique de l'entreprise et la conversion de niveau RS232. Servo variateur utilise la communication Modbus protocole, le mode RTU utilisé pour la transmission de données. format de communication de chaque trame de données comprenant un bit de départ, 8 bits de données, 2 bits d'arrêt. Pour correspondre au format, le microcontrôleur va régler le mode 2 ports UART0, chaque trame de données comprend 11 bits, le 9 bit qui peut être réglé par un programme, conçu pour être mis à la même valeur que le bit d'arrêt. Avant le début de chaque tour d'exécuter des tâches doivent être mis dans la position du godet à zéro, afin d'assurer la précision du point de livraison. Avec un commutateur optique comme un capteur de détection, en détectant l'opération zéro de l'installation pour obtenir une plaque de protection contre la lumière position fixe servant de baignoire.
2.4.2 stepper interface de commande de moteur
le mode d'entraînement du moteur pas à pas comportant une pluralité de segments, selon la configuration requise pour le mettre à 3.200. conducteur de signal de commande comprend une direction de rotation permettant moteur et le nombre d'étapes, dans lequel le nombre d'étapes de rotation est déterminée par le nombre d'impulsions d'entrée, le microcontrôleur utilisant la matrice programmable compteur (APC) Fonction impulsions de sortie précis. signal de commande MCU par le dispositif d'isolation optique connecté au pilote de moteur pas à pas. Pour répondre aux besoins croissants pour le numéro du moteur pas à pas, en utilisant une conception à deux interface pilote de moteur pas à pas mis en uvre dans le matériel.
2.4.3 interface de commande de moteur à courant continu
XBT accès aux données de la sonde pour être réalisée par un moyen de mesure pour réaliser la connexion et déconnexion de la sonde par le moteur à courant continu. La L298P de sélection de puce de ST en tant que puce d'entraînement, la tension d'alimentation de la puce est de 5 V, la broche Vs à dispositif commandé en tension de fonctionnement, le moteur à courant continu en fonction des paramètres de fonctionnement sélectionné, il est fixé à 24 V. Le signal de commande est un niveau TTL standard, le courant de commande maximum de la puce 2 A. Utilisation de deux ports IO seule puce délivre en sortie un signal de commande, la sortie de la porte logique utilisé simultanément ou en tant que L298P signal de validation lorsque le signal de commande 1 est élevé, le signal de commande 2 est faible, la puce de commande de moteur à courant continu vers l'avant. Au contraire, l'inversion du moteur à courant continu. Le principe de la figure 2.
3 Logiciel de conception
idées de programmation modulaires dans la préparation de la conception du programme, la sélection Keil Vision4 comme un environnement de développement de la programmation, la programmation basée sur le langage en langage C, utiliser une petite quantité de langage assembleur initialisation du registre MCU. Tout d'abord, l'horloge de registre correspondant, UART, PCA, etc. après l'exécution de l'initialisation, le mode d'interruption de communication série pour améliorer l'efficacité. périphériques de la puce de microcontrôleur de l'APC en utilisant une certaine impulsion d'émission de fréquence au pilote de moteur pas à pas, étant donné que la course du moteur pas à pas est fixé, de sorte que le temps en utilisant le contrôle de la minuterie de ses mouvements. organigramme du logiciel illustré à la figure 3.
Après l'initialisation du système, le capteur de position est confirmée par les moteurs à l'origine, sinon dans la position zéro automatiquement. Après avoir vérifié que le variateur fonctionne normalement exécuté dans le mode automatique, comme suit: Après cuve rotative d'entraînement du moteur d'asservissement servant à 30 °, et procède à moteur à courant continu est relié à la sonde, le moteur pas à pas est complété par la pareille procédure de libération de XBT, la sonde d'eau de mer tombe les données de profil mesurées de la température. après l'achèvement de l'arrière d'acquisition de données à l'origine du moteur à courant continu, servant à réaliser un processus. Après 12 sondes réussies ont été mises, vous pouvez charger une nouvelle sonde pour préparer la course prochain tour. Pour être en mesure d'ajuster leur travail, a rejoint le mode de commande manuelle lors de la programmation du moteur lorsqu'une exception se produit, la fonction ne ouvert aux utilisateurs, utilisez uniquement lors du débogage.
La communication de l'unité de commande de moteur avec l'ordinateur hôte en utilisant demande, le mode de réponse, demande initiée par l'ordinateur hôte, l'unité de commande reçoit une des valeurs assignées respectives des actes correspondants sur des commandes et des sous-programmes drapeau effectuée en interrogeant le bit d'indicateur correspondant à la fonction primaire l'action du moteur, après l'achèvement du drapeau d'exécution est effacé, lorsqu'il est interrogé drapeau de fonction soit annulé jusqu'à réponses d'équipage. Son processus de commande interactive représenté sur la figure 4.
format de communication utilisé lorsque la commande d'interaction:
PC: XX $, AA * KK \ r \ n
L'unité de commande du moteur: XX $, AA, BB * KK r \ n
Dans lequel, XX représente le type de commande, le numéro de AA indique un mot de commande, l'unité de commande de moteur BB indique le résultat de l'exécution, KK représente cumulative et de vérification. Par exemple, après que les besoins de la cartouche de distribution pour faire tourner dans le sens antihoraire de 30 °, l'ordinateur hôte demande à 05,02 $ * F3 \ r \ n, l'unité de commande de moteur via le port série réception de la commande, la classification de la commande, la fonction principale correspondant à la commande est détectée le drapeau de commande du moteur exécute l'action correspondante, 05,02,00 $ * 7F \ r \ n après l'achèvement du retour.
L'unité de commande du moteur 4 et les résultats des tests d'analyse de défaut
En mer, pendant le vol, étant donné que chaque sonde XBT chop desservi par trois ou plus de mouvement du moteur est terminée dans un certain ordre logique, si un fonctionnement anormal du moteur entraîne directement au service de la défaillance, de sorte que la fonction de l'unité de commande de moteur, la performance une variété de tests angles est nécessaire. , Respectivement, à partir d'un test fonctionnel, les téléavertisseurs et les tests par lots dans trois domaines afin d'assurer la fiabilité de ses travaux. Dans lequel, les deux premiers tests sont des tests sur une seule carte de circuit, la carte de circuit d'essai de traitement par lots 10 est choisi au hasard pour vérification.
4.1 Test fonctionnel
Une unité de commande pour le test fonctionnel du moteur, qui est relié par ordinateur industriel moyen RS232, le port série tandis que l'unité de commande de moteur et les broches de masse et d'entraînement servo sont dirigés sur et connecté aux deux ordinateur industriel série, surveillance en temps réel deux communicateur inter-état. L'unité de commande 12 servira à compléter le fonctionnement de la sonde selon l'ensemble de la procédure dans la séquence de mode de fonctionnement automatique.
4.1.1 défaillance du servo-moteur et l'analyse
Entre l'unité de surveillance et la commande d'entraînement du moteur d'asservissement lorsque les données de communication, des saccades trouvent les données, la valeur du registre d'erreur n'a pas été mis à jour entraînements asservis, etc., conduisant à un cylindre de livraison directe ne pas tourner ou la vitesse de rotation est inférieure à la valeur de consigne. La raison peut être la vitesse de traitement du DSP de commande de réponse et la fiabilité est insuffisante, les données série interférences électromagnétiques externes, ces conditions anormales provoquera le servomoteur ne peut pas répondre rapidement à une instruction de l'unité de commande du moteur.
Afin d'assurer un financement stable et fiable, le microcontrôleur dans chaque envoi d'une commande de contrôle avant d'envoyer la commande de lecture, si les données de l'associé enregistrent la vérification du servo variateur est correctement écrit, si mis à jour pas correctement des commandes de contrôle de ré envoyer. Pendant ce temps, la mise en place du mécanisme d'identification d'erreur et les occurrences d'erreur d'enregistrement lorsque la valeur intégrée dépasse le seuil d'alarme activés ensemble dépannage humain.
4.1.2 défaillance du moteur pas à pas et l'analyse
Pendant l'essai, le moteur pas à pas se produit un cas où la course n'a pas lieu, ce qui entraîne dans le dispositif de succès de livraison ne peut pas retirer la broche de sonde, la raison est causée par le conducteur pas à pas de la fréquence d'impulsion externe excessive incapable de répondre à cause de la désynchronisation , à la fréquence de conception de l'APC de génération d'impulsions est réduit à 2,4 kHz, les fréquences au moteur pas à pas sans le phénomène de l'étape de départ, la stabilité de la course du mouvement.
4.1.3 défauts à courant continu et analyse
Des essais utilisant une alimentation en tension continue externe fournit 24 V courant continu, lorsque le moteur période de fonctionnement continu de temps qu'il arrête le phénomène anormal, mais la puce d'entraînement L298P échauffement anormal, source de tension de protection contre les surintensités. Après analyse, depuis le début de moteur à courant continu et instantanément arrêt se traduit par une force électromotrice induite plus élevée, si la tension est agit directement sur les repères OUT1 et OUT2 va conduire directement à la puce brûlé. Ainsi, l'addition des deux coupure tension sur la broche 24 V diode TVS bidirectionnelle, un transitoire de haute tension sera générée lorsque le courant continu sous la forme de départ et d'arrêt libéré directement sur le plan de masse du circuit pour faire en sorte que le moteur ne sera pas puce instantanée L298P impact de la force électromotrice induite ultérieure.
Test 4.2 pagers
Vérifier la fiabilité de l'unité de commande du moteur en réponse à la commande de l'ordinateur hôte à l'aide assistant de débogage série envoyer périodiquement des instructions de commande, en réponse aux résultats de la détermination de l'observation quand le mouvement du moteur. Durée de l'essai était de 24 heures, une fois par cycle de transmission est de 4 s. Les essais ont révélé que le mouvement cesse moteur à courant continu au travail pendant un certain temps, incapable de répondre aux commandes externes, mais dans chaque moteur d'essai arrête le mouvement du temps n'est pas la même chose. Après confirmation de la puce du pilote L298P fonctionne correctement, le point de conception du programme d'analyse des défauts.
Comme l'unité de commande après l'opération de la commande de sortie du moteur, la nécessité de veiller à ce que les actions effectuées au cours d'autres sports automobiles, l'utilisation du mode d'attente en boucle dans le programme principal. Cependant, l'unité de commande de réponse en temps réel nécessite la commande série de l'ordinateur hôte, le tampon de série et donc les instructions de commande de requête dans le jugement d'état effectué une fois toutes les 10 ms une minuterie 0 fonction d'interruption. UART vitesse de transmission est de 9600 b / s, lorsque le format de trame de données de communication série microcontrôleur est réglé sur un bit de départ, 8 bits de données, 1 bit d'arrêt, le temps de transfert de données par trame de 1,04 ms. Procédures d'interruption UART0 minuterie 0 et la première que la dernière interruption de priorité, la priorité d'interruption est pas due registre (IP) est fourni, et donc lorsque la minuterie 0 interruption UART0 venir en même temps, l'exécution microcontrôleur priorité de synchronisation 0 routine de service d'interruption, et lorsque le processus d'interruption UART0 minuterie exécution du programme 0 interruption arrive, ne sera pas d'interruption de nidification.
fréquence du quartz de l'unité de commande de moteur est 3,6864 MHz, comprend 3837 cycles d'horloge dans un délai de 1,04 ms. C8051F MCU une heure d'exécution d'instructions d'assemblage de 1 à 2 cycles d'horloge, et une instruction du langage C correspondant à la pluralité d'états d'assemblage. Le contrôle d'un ordinateur hôte contient 11 octets, parce que la conception originale de la minuterie 0 fonction d'interruption pour ajouter un grand nombre de demandes de renseignements et les phrases de juge de l'État tampon série, déclaration résultant à exécuter aussi, effectué dans certaines conditions au fil du temps de 1,04 ms, ce qui entraîne dans les données série reçues stockées dans la SBUF0 pas été lues dans la mémoire du microcontrôleur est écrasée par les données suivantes, résultant en une perte de mots de contrôle.
La partie principale du programme tout en utilisant la structure de commutation au cas par réécriture du programme ne se limite pas à une certaine position pour une attente dans la mémoire tampon en série de sorte que la fonction d'instructions d'interrogation et de détermination d'état peuvent être écrites dans l'ensemble, de sorte que la commande externe la réponse ne dépend pas de la minuterie. Après la réécriture de la minuterie d'interruption réduire considérablement le nombre d'instructions de la fonction, le temps d'exécution est beaucoup inférieur à 1,04 ms, peut faire en sorte que la SBUF0 de données en temps opportun peut être lu en mémoire. Après avoir réglé l'unité de commande du moteur des commandes de PC sont dans les expériences de réponse en temps opportun de téléavertisseur, sans perte de données.
4.3 Lot essai
Nous avons trouvé dans le test a deux unités de commande du moteur est apparu dans le numéro de rotation du tambour servi de cas beaucoup plus que la valeur de consigne. Lors de la programmation, pour assurer la rotation du servo-moteur peut être de manière fiable instruction exécutée, la lecture servomoteur par la longueur de mot de l'ordinateur hôte, respectivement avant et après chaque mouvement de l'arbre et l'information de position de 4 octets comparer, si la différence est inférieure à une valeur de seuil définie déterminer le moteur ne tourne pas, la possibilité supérieure d'instruction de rotation de la transmission à nouveau. Étant donné que les données de position correspondant à l'axe de rotation de 30 ° de décalage est connue, la vérification que les données renvoyées, l'erreur est due à une anomalie se produit des données de position d'axe dues.
Après confirmation de la vérification de la programmation, la cause de la faute est sur le programme de mode de compilation. logiciel système développé en utilisant le Keil Vision4, qui comprend une variable compilation Petit, compact, grand trois modèles . En mode petite taille, type non spécifié de variables de stockage sont alloués dans la mémoire interne du microcontrôleur, de l'espace de mémoire est faible, si le nombre de variables est supérieure à la plage donnée va compiler. Comme l'unité de commande du moteur nécessite plus de variables que la plage de la mémoire interne, pas compiler le logiciel, de sorte que le mode n'est pas sélectionné. En mode compact, _at_ pas forcé d'utiliser l'adresse de la variable spécifiée est allouée à la page de mémoire hors puce adresse, la taille de page est 256 B, les bits d'adresse supérieurs des données variables est déterminé par le port P2, si elle est utilisée, la variable le nombre total de plus de 1, le compilateur ne sera pas mise à jour automatiquement la page des données P2 commutateur, il sera erreur ne compilera pas, lorsque le programme est exécuté, il provoquera une variables d'erreur dans les pages que les variables d'accès à travers les pages, puisqu'aucun haut 8 commutateur d'adresse, toujours accès à la page précédente, ce qui dans le chaos d'accès variable. En mode grande taille, sans précision variables de la mémoire de XDATA et les types de variables sont affectées à la mémoire de données hors puce, jusqu'à 64 Ko, le pointeur d'accès indirect DPTR.
Lors de l'utilisation de l'unité de commande de moteur compilateur mode réduit, étant donné que le nombre de variables, occupait l'espace est supérieure à 256 B, ce qui entraîne une confusion d'accès variables, provoquant ainsi des variables de position d'axe anormales. Grand Après avoir compilé le mode de programme pour recompiler le code dans les tests de microcontrôleur effectués, les données de position de l'axe du moteur et le nombre de rotations étaient normaux. En outre, le compilateur ne modifie pas le mode variable en modifiant le programme, une partie de l'adresse spécifiée variables de, les outils de développement de logiciels variable pour définir la répartition de dynamique de 256 B, peut résoudre ce problème, la même position de l'arbre confirme l'anormal est le nombre de variables dans le mode de compilation compact sur la plage de la page fait.
phénomène d'erreur de position de l'axe variable se produit uniquement sur l'appareil de commande du moteur, et l'autre unité ne semble pas. L'analyse pour la raison suivante: Chaque programme du microcontrôleur exécute sa fréquence d'horloge, les mêmes nuances de cadencement d'exécution d'appels de fonction sont différentes dans l'unité de commande du moteur, ce qui entraîne dans des zones différentes à l'intérieur des fonctions variables affectées temporairement, les données de position de l'axe anormale l'unité de commande lorsque la fonction est exécutée, la variable interne à travers la page, les données de sortie est anormal, tandis que l'autre unité effectue la fonction, les variables internes ne traversent pas la page, les données de sortie est normal, entraînant ainsi la même fonction dans les mêmes conditions externes, différent commande de moteur il apparaît des résultats différents sur l'unité d'affichage. Pour vérifier cette estimation, variable sans changer le mode de compilation, la définition de certains octets de tableau vide avant que la fonction est définie, occupée par le réseau pour l'espace de mémoire de données externe, la taille du tableau pour que la fonction de réglage de la variable interne sur plusieurs pages, en sous certaines conditions, devrait être toute l'unité de commande du moteur échouera, la position des données anormales ne doit pas limitée à la position de l'arbre du moteur. tableau vide en modifiant progressivement la taille de l'unité en rotation sans problème du moteur est également apparu des phénomènes anormaux, une anomalie de données ne se limite pas à une position de l'arbre moteur du problème, en accord avec les résultats inférés. Le mode de compilation est réglé sur le mode Grand, sans modifier le code source, le défaut disparaît. Les résultats valident également les données de position de l'arbre du moteur due à une anomalie dans le nombre de variables est supérieure à la plage de pages en mode Compact causé.
Par le traitement ci-dessus de la situation anormale, l'unité de commande du moteur permet un contrôle fiable des trois types de moteurs. Dans l'appareil servant essais en mer le système de test fonctionne correctement, l'unité de commande du moteur peut contrôler efficacement les moyens d'amenée servent à des tours automatiques complète et continue de sonde XBT, assurer le fonctionnement normal.
5. Conclusion
Dans cet article, au service XBT conception automatique du système de mesure de l'unité de commande du moteur, détaille les implémentations matérielles et logicielles. Nous avons conçu trois méthodes d'essai pour trouver toutes sortes de défauts qui se produisent dans l'unité de contrôle du processus de réponse à temps réel commande d'ordinateur hôte, à travers une analyse de mécanisme complet et l'amélioration de la vérification de la localisation des défauts. Les essais en mer et les résultats des tests de laboratoire montrent que: l'unité de commande du moteur peut être complétée par une pluralité de pièces XBT moteur servo mouvement, moteur pas à pas, commande de moteur à courant continu distribution automatique, afin d'assurer un accès fiable au système complète les données de profil de température d'eau de mer. Cette conception a une référence pour les différentes méthodes d'utilisation du microcontrôleur pour commander le moteur pour la combinaison en temps réel.
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Informations sur l'auteur:
Wang Peng Xin, porte Ya-Bin, Zhang Dongliang, Dong Tao, trous Youdi
(National Marine Technology Center, Tianjin 300112)
