基于SOPC的智能機械潤滑控制系統的設計

余建坤+余家宇

摘要：本研究以SOPC為控制核心，輔以檢測傳感電路、執行電路和輸入輸出電路，完成了一個智能機械潤滑系統的研制，具有研制周期短、實時性好、控制精度高、適應性強等特點，是傳統機械潤滑控制系統改造和敏捷機械潤滑控制系統開發的有效技術途徑。對類似產品的研制，具有一定參考價值。

關鍵詞：SOPC；智能控制；潤滑控制系統

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）11-0009-02

1 引言

筆者2014年指導學生利用嵌入式系統完成了一款智能機械潤滑控制系統的設計，系統在實際應用中特點鮮明，具有一定推廣應用價值[1]。但與采用專用控制系統的機械潤滑系統相比，在實時性和其它性能上尚有一定差距。本文利用SOPC來實現機械潤滑系統的智能控制，能根據用戶要求定制，是個性化、過程化、精細化、準確化的多品種小批量產品的不二選擇。

2 系統硬件設計

2.1 SOPC芯片的選擇及其硬件資源分配

SOPC，是英文System On a Programmable Chip的縮寫，結合了SOC和PLD的優點，同時又可以是嵌入式系統，軟硬件都可編程。SOPC目前有三大主流廠商，Altera、Xilinx和Lattice，三大廠家中，Altera已被Intel收購，Xilinx仍然堅守，Lattice意欲被收購。從SOPC優勢產品看，前兩家比Lattice強，且產品線也更豐富，因此考慮選擇前兩家之一，而如果從實力上看，Intel無疑是集成電路中的霸主，故本設計采用Altera的產品。根據本次設計應用邏輯規模不是太大、嵌入式MCU性能要求不高、硬件實現應用速度肯定能滿足，故選用低成本、低功耗的Cyclone系列FPGA-實驗室現有的CycloneIII EP3C5E144，它具有超大的內嵌RAM容量，全新的鎖相環（2KHZ-1300MHZ），數量合適的IO引腳，60NM工藝，比CycloneⅣ速度還快（CycloneⅣ是低成本的65 NM工藝）。

確定芯片之后，接下來是芯片資源分配。EP3C5E144內含全兼容工業級8051核，其主頻最高可達250MHz，是普通8051單片機速度的20倍，還有一個32位NiosII軟核嵌入式處理器。從本次應用來看，選用8051核足以滿足應用。CPU、鎖相環、數據RAM、程序ROM、接口模塊、通信模塊、顯示控制模塊、數據采樣和信號發生模塊等等，都放在同一片FPGA內，構成SOC系統。

內部資源分配好后，接下來是引腳分配。EP3C5E144引腳較多，本系統引腳分配見表1。

2.2 鍵盤與顯示電路

4*4鍵盤用于數字參數輸入和系統控制，采用中斷掃描方式工作。

本設計采用液晶屏作為顯示器，用于顯示系統的基本信息，如油溫、加油量、加油速度，還有工作狀態指示和控制方式指示等。

2.3 電機驅動電路

潤滑控制系統的執行機構是電機，主要控制參量是位置（對應加油量）和速度，可以選用步進電機，也可以選用交流伺服電機，本系統采用交流伺服電機，位置控制和速度調節的實現是由8051單片機產生脈沖寬度調制信號來完成的。

2.4 溫度檢測電路

本設計采用簡單可靠的PT100溫度傳感器，根據需要可增加其它數字傳感器輸入，從I/O端口直接輸入。

篇幅所限，完整硬件電路略去。

3 系統軟件設計

3.1 CPU核的定義和單片機最小系統實現

EP3C5E144的8051核是一個軟核，名稱為CPU8051V1，由VQM源碼表述，文件名為CPU8051V1.VQM，在使用時，采用例化方式直接調用，當然也可以將其轉化為原理圖元件用原理圖調用。可配256B的“內部”RAM和最大64KB的程序ROM。

最小系統實現主要步驟：

（1）設計規劃，也就是根據系統功能和性能規劃系統結構和分配軟硬件功能。本設計采用8051結構，內部配置256B的“內部”RAM和16KB的程序ROM。

（2）硬件模塊測試與仿真。

（3）軟件運行平臺構建。

（4）完整硬件系統接口設計。

3.2 外部硬件驅動程序和應用程序設計

外部硬件通過各類接口連接到8051V1，使用時都必須有驅動程序，完成硬件初始化和硬件釋放、數據輸入輸出、錯誤和故障處理。本系統中，主要主要有傳感器數據輸入、電機驅動控制、LCD顯示等外設。限于篇幅，驅動程序的編寫不作詳細介紹。

應用程序的設計，主要包括：

（1）主程序設計。由于單片機是順序執行的，編寫主程序首先需要做的是對有關變量初始化，然后啟動優先級最高的任務控制塊，然后再啟動其它任務內核。

（2）中斷程序設計。在中斷服務程序中，主要是中斷向量表的調用和處理。

（3）子程序設計。應用程序設計，主要就是各個任務的編程，為了編程和調試方便，整個程序按任務劃分成多個子程序。本系統中主要有：鍵盤輸入子程序、數據采集子程序、數據處理子程序、電機控制子程序、液晶顯示子程序、溫度檢測及報警子程序、電源管理子程序、定時中斷子程序等。其中定時中斷子程序優先級最高，用來對其他任務進行超時監控，以避免程序“跑飛”或陷入死循環。

數據處理子程序根據數據采集子程序提供的信息，選擇相應的控制策略，進行有關數據處理，發出相應的控制指令，控制電機執行、液晶顯示等，限于篇幅，不再贅述。

4 結語

本設計以EP3C5E144為核心，輔以必要的外部電路，完成的智能機械潤滑控制系統，精度高、抗干擾、成本低、體積小、易于擴展和升級，是傳統機械潤滑控制系統改造和智能潤滑控制系統開發的一個不錯的選擇，對類似機電產品的開發，也有一定的參考價值。

參考文獻

[1]陳陽，余建坤.基于ARM+μC/OS-Ⅱ智能機械潤滑控制系統設計[J].數字技術與應用，2014，（4）：12-13.

Abstract：The study used SOPC as the control core focuses on The development of a smart mechanical lubrication system， which consists of sensing circuit， executive circuit，and input/output circuit. The system has the characteristics of high precision ，high adaptability ，and the time of development shorter. It is an effective method for the development of traditional mechanical lubrication control system and agile mechanical lubrication control system. This paper has some reference value for the development of similar products.

Key Words：SOPC；smart control；lubrication control systemendprint