電磁閥驅(qū)動c8051f040型單片機的電磁閥驅(qū)動電路的設(shè)計

電磁閥驅(qū)動c8051f040型單片機的電磁閥驅(qū)動電路的設(shè)計

電磁閥的選用及性能分析作為解決噴射污染、節(jié)能和提高性能的重要手段，機油電子控制技術(shù)已成為當(dāng)前機槍技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。在柴油機燃油噴射系統(tǒng)的電子控制中,電控噴油器的控制執(zhí)行元件——電磁閥對噴射系統(tǒng)的各種基本性能有著重要的影響。而噴射系統(tǒng)對電磁閥響應(yīng)具有特殊的要求,要求開啟時間不大于300us,從而保證系統(tǒng)的控制精度和響應(yīng)速度。對于電磁閥的快速響應(yīng),除了在電磁閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計,鐵芯材料的選擇等方面做充分的研究外,電磁閥的驅(qū)動電路的形式及參數(shù)對響應(yīng)速度有著極大的影響。本文研究的目的就是應(yīng)用C8051F040型單片機(以下簡稱C8051F040)來實現(xiàn)對噴油器電磁閥驅(qū)動電路的控制。1控制域系統(tǒng)C8051F040在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè),包括片內(nèi)看門狗定時器,數(shù)字電源(VDD)監(jiān)視器,1個12位和1個8位模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)模塊,帶可編程增溢放大器(PGA)和8通道的模擬多路開關(guān),2個12位數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)模塊,6個捕捉/比較模塊的可編程增益放大器,電壓比較器,電壓基準(zhǔn)輸出,溫度傳感器,5個通用的16位定時器,脈寬調(diào)制(PWM),定時器捕捉和方波輸出等,并具備多種總線接口,包括系統(tǒng)管理總線(SMBUS),通用目的的異步串行I/O口(UART),串行外圍設(shè)備接口(SPI)總線以及控制器局域網(wǎng)現(xiàn)場總線(CAN)。2c8031f050電磁閥驅(qū)動程序設(shè)計2.1c8051f-最本設(shè)計方案主要是利用C8051F040的片內(nèi)資源來實現(xiàn)對噴油器電磁閥驅(qū)動電路的智能控制的。通過RS232串行通訊來實現(xiàn)PC機與C8051F040之間的人機對話,以滿足不同的電磁閥驅(qū)動要求。計算機通過串口向C8051F040傳送3個電壓值,以及1個轉(zhuǎn)速值(該值的范圍為600~4000r/min)和1個噴油脈寬(占空比)。3個電壓值分別作為電磁閥的開啟電壓、維持電壓以及驅(qū)動電磁閥的激勵電壓的電壓基準(zhǔn)。對這3個電壓值的要求是:開啟電壓基準(zhǔn)大于維持電壓基準(zhǔn),維持電壓基準(zhǔn)大于激勵電壓基準(zhǔn)。由于C8051F040中只有2個12位DAC轉(zhuǎn)換模塊,而設(shè)計中需要3個DAC轉(zhuǎn)換通道,所以通過C8051F040的SPI串行通道來選通1個DAC轉(zhuǎn)換芯片(本設(shè)計中采用的是D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC7512),這樣,計算機輸入的3個數(shù)字量電壓值通過C8051F040與DAC7512的數(shù)模轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電路所需要的模擬量輸出。轉(zhuǎn)速和噴油脈寬值則通過C8051F040的PCA產(chǎn)生一可控制占空比的方波。這3個模擬電壓值和方波用來控制噴油器的電磁閥驅(qū)動電路?；贑8051F040控制的電磁閥驅(qū)動電路的硬件總體設(shè)計原理如圖1所示。2.2不同專業(yè)16位的時鐘/時鐘信號C8051F040的PCA能夠提供增強的定時器功能,與標(biāo)準(zhǔn)8051定時/計數(shù)器相比,它需要比較少的CPU干預(yù)。PCA0包含一個專用的16位定時/計數(shù)器和6個16位捕捉/比較模塊。定時/計數(shù)器由一個可以編制程序的時基信號驅(qū)動,時基信號有6個輸入源:即系統(tǒng)時鐘、系統(tǒng)時鐘/4、系統(tǒng)時鐘/12、外部振蕩器時鐘源8分頻、定時器0溢出和外部時鐘輸入口(ECI)線上的外部時鐘信號。每個捕捉/比較模塊可以被編程為獨立工作在下面的6種工作方式之一:即邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位或16位PWM。2.2.1勞動響應(yīng)管理本文中使用了捕捉/比較模塊的高速輸出工作方式產(chǎn)生占空比可調(diào)的方波,其原理如下:當(dāng)PCA的16位定時/計數(shù)器PCA0H(高8位)和PCA0L(低8位)與16位捕捉/比較模塊寄存器PCA0CPHn(高8位)和PCA0CPLn(低8位)發(fā)生匹配時,模塊的CEXn引腳上的邏輯電平降發(fā)生跳變,并產(chǎn)生一個中斷要求,即將控制寄存器PCA0CN中相應(yīng)的中斷位置位,當(dāng)模塊的中斷寄存器(CCF)中斷被允許時,CPU將轉(zhuǎn)向CCF中斷服務(wù)程序。如果將相應(yīng)模塊的I/O線CEXn連接到端口I/O,單片機相應(yīng)端口輸出電平即發(fā)生變化,這樣就可實現(xiàn)PWM脈沖的高、低電平輸出。置位捕捉/比較寄存器(PCA0CPMn)中的電平切換功能允許(TOGn)、匹配功能允許(MATn)、比較器功能允許(ECOMn)和捕捉/比較標(biāo)志中斷允許位(ECCFn),將允許高速輸出方式,同時允許CCF中斷(如圖2)。2.2.2pca時鐘周期為了達(dá)到所需的轉(zhuǎn)速范圍(600~4000r/min)的要求,本設(shè)計方案中C8051F040的系統(tǒng)時鐘采用外部時鐘不分頻,PCA定時/計數(shù)器采用T0溢出作為時鐘源。為了降低進(jìn)入中斷程序產(chǎn)生時間上的延時則讓定時/計數(shù)器T0工作在8位自動重載定時/計數(shù)器工作模式下,T0時鐘為系統(tǒng)時鐘。在T0的自動重載模式下,TL0保存當(dāng)前計數(shù)器的值,TH0保存重載值,由軟件寫入。這時定時/計數(shù)器T0定時周期為(28-TH0)/fclk,fclk為系統(tǒng)時鐘周期。為了使PCA脈沖波的精度盡量高并且達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速范圍,本設(shè)計方案中重載值TH0=0xdf,公式中的0x為16進(jìn)制表示符號,df為16進(jìn)制數(shù)不建議寫出,則PCA的時鐘周期為TPCA=(256-223)/fclk≈1.5×10-6s。PCA是16位的定時/計數(shù)器,所以產(chǎn)生方波的最大周期是216×TPCA。PCA的時鐘周期決定噴油時間方波的精度,也就是精度可達(dá)1.5us。轉(zhuǎn)速在600~4000r/min內(nèi),即頻率范圍在10.0~66.7Hz之間(即周期在15~100ms之間)。利用高速輸出模式需要在中斷中及時修改PCA0CP的值,才能發(fā)揮可調(diào)占空比的作用,否則比較輸出所產(chǎn)生的方波周期為2×65536PCA時鐘周期。PCA0寄存器配置為:PCA0MD=0x05;//PCA時鐘采用T0溢出,//且PCA溢出中斷開啟PCA0CN=0x43;//啟動PCA計數(shù)器PCA0CPM0=0x4d;//CEX0為高速輸出模式3plc的s網(wǎng)絡(luò)實名軟件開發(fā)采用的是Keil軟件的集成開發(fā)環(huán)境。采用控制器的軟件設(shè)計主流程如圖3所示。系統(tǒng)上電復(fù)位后,主程序主要實現(xiàn)微處理器(MCU)端口初始化,看門狗初始化,通用目的的異步串行I/O口(UART0),D/A轉(zhuǎn)換,SPI串口,定時器T0,以及PCA定時/計數(shù)等功能模塊初始化。在整個軟件設(shè)計過程中計算機通過RS232串行通訊與C8051F040通訊尤為關(guān)鍵。計算機將數(shù)據(jù)發(fā)送到UART0的發(fā)送接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(SBUF0)中,然后通過數(shù)據(jù)分割將數(shù)據(jù)緩存區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割,等各功能模塊初始化完成后,將數(shù)據(jù)分配到各個寄存器中進(jìn)行處理。圖4為PCA輸出可調(diào)占空比以及頻率方波的程序流程。4實驗和結(jié)論4.1高速輸出模式設(shè)計人員通過對軟件的調(diào)試得到了理想的控制噴油時間的波形,圖5即為通過示波器所觀察到的波形,精度可達(dá)到1.5us。在高速輸出模式下,由于PCA需要中斷程序的處理時間,使得PWM中高低電平的持續(xù)時間均要長于中斷響應(yīng)時間,保守估計要長于300個系統(tǒng)時鐘周期以上,從而使得高速輸出作為PWM應(yīng)用無法使得占空比在0%~100%之間任意調(diào)節(jié)。通過實驗以及計算,本設(shè)計中最小占空比達(dá)到0.1%。4.2ip-97內(nèi)核a.C8051F040是完全集成的混