电动执行器是工业过程控制中的重要设备，它接收来自调节器的模拟信号（一般是4～20mA电流信号）或上位机的数字信号，并将其转换为电动执行器相应的角位移或直线位移输出，去带动
调节阀、挡板等动作，以实现对各种过程参数的自动控制。嵌入微处理器的电动执行器称为
智能电动执行器，当智能执行器与现场总线连接时，智能执行器就成为了现场总线控制系统中的一块现场仪表，这时它不仅具有执行器的功能，而且还具有控制、运算和通讯等功能，同时可以实现网络化管理。这类总线型智能执行器具有可靠性高、使用方便、通信功能强、诊断保护功能完善、适应性广泛等优点。随着现场总线技术应用的深入，将给总线型智能执行器带来广阔的发展前景。
一、硬件电路设计
执行器的控制器由LPC2294单片机及其外围电路组成，原理如图1所示，控制器的基本功能是：能够实时采集
阀门的状态信息，并加以分析、判断，控制电机正确运行；可以实现智能校准：只要在阀门的实际的全开和全关位置各按一次键即可；为了调试的方便，加入了红外线调遥控功能；能够实现相序自动调整和缺相报警；LCD实时显示电动阀门的开度及系统的工作状况和故障；通过
CAN总线保持与控制中心的通信；自动/手动操作切换；可以选择多种控制方式：本机/遥控/系统在线。
1、微控制器的选择
目前采用的通过在8位或l6位微控制器的智能控制设备、仪器仪表等，仅可完成简单、低速的数据传输，不能满足工业现场的实时性和可靠性要求，特别在连接请求较多或控制任务较复杂时，实时性较差。因此，选用功能更强的32位微控制器，运行基于特定应用的嵌入式实时操作系统进行合理的任务调度，满足工业现场对实时性和可靠性的要求。本文选用Phlips公司的带有CAN接口的ARM32位嵌入式RISC微控制器LPC2294。
LPC2294是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-SCPU，并带有256K字节的嵌入的高速Flash存储器。它有极低的消耗，多个32位定时器，8路lO位A/D
转换器，4路先进的CAN通道，PWM通道，多达9个外部中断，76～112个GPIO以及内置了宽范围的串行通信接口（1个1
2c接口，2个SPI接口和2个UART接口），具有高达30MH
z的工作频率，很适合用于工业控制和总线系统。该芯片加上少量的外围电路，就可组成完整的电动执行器控制器，电路结构非常简单。LPC2294的结构框图如图2所示。
2、相序同步及缺相保护电路
为了防止因为接线错误而损坏阀门，本文设计了自动相序调整装置，无论接线如何，始终保持三相电机有正确的电源相序。图3为自动相序同步器电路，三相电源供电，继电器采用通用小型大功率继电器与电容c和电阻连接为星形，并按图示顺序依次接到三相电源上。若所接三相电源的相序自上而下好为顺向相序，继电器K线圈电压将达到吸合值以上，触点组K-1和-2中的常开触点闭合。这样，接通顺向相序的三相电源。若所接三相电源的相序为逆向，继电器线圈电压将低于释放电压，触点组K-1和-2的常闭触点保持闭合，输入电源线的上与下两根线经过-1和-2触点交换位置后接到输出端，输出的仍是顺向顺序。
微处理器还能不断地监视电源的三相，如有一相或多相丢失，可以切断电路或停到紧急位置，同时获得现场和远程报警。其原理如图4所示。稳压管的稳压值位9v，当三相电源为火线时，变压器输出为9V正弦波，峰值为12.4V，光耦工作，L~294的P2.1和P2.2有信号，若为正向序，P2.2的信号将会比P2.1的信号晚6.7ms；若为负向序，P2.2的信号将会比P2.1的信号晚2个6.7ms；若为断相，则P2.1和P2.2将会有采不到信号的情况，由此可以对错相和缺相进行检测和报警。
3、LCI）显示模块
为了提供更好的显示功能，可以实时显示阀门的运行状况，故障，报警，就地/远程的控制模式等，我们选用了Philips公司的PCF8576CT带有1
2C总线接口的LCD驱动/控制器。
PCF8576Cq''有4各背极输出和40个显示段输出，最多可以驱动160个LCD显示段，可以采用级联的方法，通过3位子地址（A0.A1，A2）和已编程的1
2C总线从地址SA0，1
2C总线可以识别l6个PCF8576。当级联时各个PCF8576是由同步信号线#SYNC保持同步的。单个PCF8576与LPC2294的接线图如图5所示。
4、智能校准
对阀位开度和阀位输出电流的“调零”和“调满”校准时，无需调整电位器，无需用基准测量仪表进行复杂的调试，只要在阀门的实际的“全开”和“全关”位置各按一次键，便以新设定的区间自动准确的修正位DC4～20mA。零位、满度调整方法：先将
执行机构的反馈调到实际零位，此时的测量值u
1与4mA（零位电流）对应，再将执行机构的反馈调到实际满度位置，此时为测量值u
1与20mA（满度电流）对应如图6所示。调整完毕后，每一位置的反馈值都由以下公式计算：
对反馈信号的全开和全关的反馈值的输入由两个开关进行按键输入，把采到的信号送至ILPC2294的A/D转换器ADO～AD1口，给定信号由AD2口进入，经过计算的反馈值与给定值进行比较和处理以及送至LED显示。
5、红外通用接口模块
为了调试的方便以及适合在环境恶劣的情况下的使用，本文设计了通用的红外线接口，它能够支持红外遥控和数据通信。它支持IrDA协议，能够方便的与各种符合协议标准的设备进行通信。该模块由HS.DL7001编解码芯片和HSDL3600的红外收发芯片组成。HS.DL7001与控制器通过串口相连。原理如图7所示：
HSDL7001符合IrDA协议的，可驱动IrDA兼容的收发器，最高传输速率达到11502Kbit/s，他的内部有一个SIR编码器和一个SIR解码器，支持内部是中（外接3.684MHz晶振）和外部16XCLK输入两种模式。当使用内部时钟时，波特率可通过A0.A1，A2进行调整。
HSDL3600支持9.6Kbps～4Mbps的传输速率，本文使用SIR模式，有效通信距离为1.5m，适用于一般的红外通信中。
6、总线通信接口
由于LPC2294本身带有CAN总线的接口功能，大大方便了设计，可以连至CAN总线；另外为了增加执行器的通用性，设计可选的了RS一485接口。
7、保护
本设计提供了多种保护功能和自校正功能。保护分为硬件和软件两种实现方式，在硬件上实现的有：限位，过力矩，过流，过温等；软件上实现的有断信号，阀门卡死，换向延时保护，位置反馈信号故障，缺相保护。在不同故障出现的情况下，控制器能够按照检测故障的位置，同时实现自校正，并且在意外情况出现时能构
控制阀门停在紧急位置。
二、系统软件设计
软件设计分成通信，控制和管理三部分。其中通信程序完成Devicenet协议规范所规定的具体任务，IrDA协议的红外遥控以及RS232接口的通汛功能。Devicenet属于基于事件的网络，采用通讯程序对事件状态的轮询和CAN中断相结合来实现设计。电动执行器要传送的数据有阀门的实际开度和各种参数，故障报警时的数据等，在上位机向电动执行器发出请求数据要求且电动执行器收到数据时，电动执行器将现场采集的数据打包发送给上位计算机。当现场出现故障时，电动执行器则不等上位计算机发出请求数据要求，就将故障数据发送。电动执行器可以接收来自上位机的控制信息，进行相应的动作；红外遥控可以实现对执行器的力矩值，开关限位，零一满位，死区，控制以及显示的设定
控制的任务是对过程变量进行采样，数据处理以及根据可能的算法和控制方式进行计算和输出等。由于电动机的惯性，位反信号的滞后等原因，在控制算法中采用了带自调整函数的模糊控制器来实现对直流电机转速较为精确的控制。但因该模糊控制器输出的控制变量是离散的，故本系统又引进了二元函数的l_agrange插值算法，以便获得连续精确的控制变量，从而消除了控制器的调节死区和静差。修正函数的选择：当偏差大时，对偏差的影响给予较大的权重，以尽快消除偏差，提高响应速度；当偏差较小时，为避免系统的超调，对偏差变化的影响给予较大的加权，以尽快进入稳态。
管理程序部分包括lED显示，管理工作方式，报警灯指示，处理用户按键的扫描和响应，对系统的掉电保护，执行中断服务子程序和对系统自身的自诊断过程。
为了便于编写，调试，修改和增删，本系统采用模块化的程序设计方法，主程序进作为初始化，条件判断和子程序调用的功能，主程序流程图如图8所示。
三、结论
基于ARM核的L294为控制核心的CAN总线智能电动执行器，它具有以下特点：
（1）电路简单，元件数少，实现了机电一体化结构，可靠性高，接线方便。
（2）具有高智能化和高精度的系统控制功能，控制任务执行器的微处理器来完成，采用了带自调整函数的模糊控制器，引进了二元函数的l_agrange插值算法，以便获得连续精确的控制变量，提高系统的控制精度。
（3）先进的通信功能：可以通过现场总线上位机通信，使得远程维护和管理成为可能；可以通过红外遥控系统与遥控器通讯，使该电动执行器的调试更加方便。
（4）更完善的自身保护和系统保护功能：当外电源掉电或者其他紧急情况出现时时能自动利用后备电池驱动执行机构，使阀门处于预先设定的安全位置。当电源、电机，机械部件，控制信号，通讯或其它方面出现故障时，都会自动采取保护措施，以保证系统本身及生产过程的安全可靠。
（5）具有智能化的自诊断功能，以帮助快速识别故障原因。对于执行器的故障，智能执行器可以尽快的识别，这会增加系统可靠性并延长设备寿命。清晰的状态报告完全可以便维护人员在执行器发生损坏前就采取有效措施，避免工厂停车维修。
参考资料
邬宽明。CAN总线原理和应用系统设计（M），北京：北京航空航天大学出版社，1996
阳宪惠，魏庆福等。现场总线技术及应用（M）。北京：清华大学出版社，1999
KirkZure1。嵌入式系统的C程序设计（M），北京：机械工业出版社2002
PhilipsSemiconductor，L~2294Datasheet『S）。2001
