图1 硬件结构框图
①选用6MHz的外部晶振，则在这个时钟下，系统完成一条指令的执行时间为2μs～13μs之间，完成一次A/D转换的时间是44μs。
设置了复位键，它可使整个系统(包括8098，8279，8255，8155等)全部复位。
②具有RS-232串行口，能与计算机的标准RS-232接口联机，与上位微机构成遥控系统或进行多机协调控制。数据的发送与接收均采用中断形式。
③四路大功率光电隔离PWM脉宽调制输出，每路的输出电流大于800mA，并有防止比例电磁铁线圈产生高压损坏的续流作用。每路PWM的输出均配有发光二极管显示。
④8098芯片所提供的10位A/D输入，经多路开关扩展后达16路。扩展口的口地址为5080H～5087H、5008H～500FH。
⑤由可编程键盘显示接口芯片8279，管理键盘与显示，实现人机接口；其命令口地址为0E001H，数据口地址为0E00H。
⑥8K的外部RAM和16K的外部EPROM，寻地空间分别为6000H～7FFFH，和0000H～3FFFH。
为阀控系统提供了除前述中的A/D，PWM输出外，还有两个可编程并行I/O扩展接口。
实现上述功能的主要接口电路如下：
(1)与比例电磁铁的接口
控制放大器对阀本体的作用，是通过对比例电磁铁施加一定占空比的PWM信号，使比例电磁铁获得相应大小的电流，进而产生一电磁力以推动阀芯。由于比例控制系统的动态响应要求不是很高，故采用图2所示的驱动线路，图中驱动管采用共集电极联接，使得驱动管散热简单。光电隔离将驱动部分与控制器数字部分隔离，提高了控制器的抗干扰能力。
图2 与比例电磁铁接口电路
电路的充放电时间常数τ＝L／(R+r)
由控制器输出的PWM信号，经驱动电路放大，由于电磁铁的惯性，在线圈上就可获得平均值与占空比成比例、带有交流纹波分量的直流电流。因此，其输出的电流带有一定的颤振效果；但由于其频率与PWM信号频率相同，幅值与调制信号的占空比、调制频率及负载时间成函数关系，频率和幅值互相牵制，不可独立调节，限制了这种交流纹波的颤振效果。本控制器的PWM信号频率为500Hz，是传统低频调制方式的2～10倍，减小了线圈电流波幅以及开关特性的延迟时间对线圈电流的影响；另一方面，阀的电反馈闭环把整个阀的机械部分都包围在内，阀的滞环得到了较好的克服。
(2)与阀芯位移传感器的接口
由于阀芯位移传感器输出的模拟信号，其电压在3.8V～9.0V之间，不能直接对它进行采样，我们采用图3的信号处理电路，对输出信号进行滤波、调零和放大处理，使得其输出的电压在0～5V这个范围，并且提供的电流不小于5mA，以便供8098芯片的A/D采样；为了避免电源波动的影响，对电源进行了滤波处理。由于这里的电源被引入信号输入端，用来拉低输出的电平，故电源的变化波动会直接引起处理后的输出波动变化。因此，尽管对电源进行了硬件滤波，为了确保精度要求，在软件中采取相应的滤波算法，再进行一次滤波。
图3 信号处理电路
(3)为阀控系统而设的其它的接口
执行元件的输出由光栅检测，因所用光栅数显表输出是20位的BCD码，可通过8255扩展的PA、PB和PC口(其地址及控制口的地址分别为4800H，4801H，4802H和4803H)读入，经软件处理转换成二进制数。
压力传感器的输出，因其电压、电流都满足8098单片机的A/D输入要求，可直接用它进行转换采样。
3 软件结构与设计
(1)总体结构
整个软件包括两部分，即监控软件和控制软件。监控软件主要完成人机接口，实现人机对话；整个软件的核心是控制软件，它完成对阀和系统的控制。图4是整个程序的简化框图，其中，因控制程序的实时性要求，从控制程序返回到监控程序，是由复位过来的，监控制软件和控制软件所使用的存储空间，绝大多数可以交叉重复而不致引起混乱。
图4 软件总体结构简化框图
(2)监控软件
由于8098芯片复位后，程序计数器指向2080地址单元，系统自动地从此处开始，运行程序。故在此设置一条关中指令，然后进行一些初始化，等待从键盘的输入，根据键值散转，执行相应的程序。程序框图如图5所示。
①初始化
a.关闭所有中断。
b.设置堆栈指针，8098复位后，其堆栈指针的指向是随机的，为了保证程序的正常运行，需要给堆栈寄存器SP赋予某存储单元地址值；这个存储单元可以是在内部RAM，也可以是外部RAM，其差别就是堆栈的压入、弹出时间不同；在内部RAM的堆栈其访问时间较短，而外部RAM的堆栈其访问时间则较长。
图5 监控程序框图
另一方面，堆栈的设置，需要给它留有一定的空间，这个空间的大小需要视程序对堆栈的最大压入深度而定。在本系统中，对堆栈的访问主要有程序的调用和中断而产生，其最大压入深度不超过64个字节。
c.内部RAM及有关外部RAM清零。
d.封锁PWM输出及A/D输出，防止系统误动而产生不良影响。
e.8279初始化；
键盘/显示方式设置命令字，通过CPU送入控制10H，即八位显示、左入口、编码扫描、双键锁定方式。
时钟命令字，为了获得8279内部要求的100kHz，须将ALE进行6分频，故命令字为26H。
读显示RAM，取读后地址自动加1的方式。故其命令字为70H；写显示RAM，取写后地址自动加1的方式，命令字为90H；清除显示RAM，给显示RAM写入“P”。
②人机对话
经过上述初始化后，就可开始进行人机对话。其主要功能是，CPU识别工作人员从键盘送入的命令、数据，并转而去执行相应的程序。
键盘设16个数据键0～F，四个功能键LAST、RESET、NEXT/PRO和EXEC键。其中，RESET被按下后系统会自动上电复位，不需要CPU的识别处理。EXEC键被按下，则转去执行控制程序的初始化程序。NEXT、LAST键是显示并可修改当前地址单元的一个、上一个单元的内容；如果当前没有显示任何单元，则此时按下LAST无效，而NEXT转为“PRO”键功能，即此键被按下，被显示和可修改的单元，是存放控制命令及数据的首地址7FF0H。
(3)控制软件
考虑到系统的要求，控制软件需要完成阀的调节、系统调节，为了保证程序按一定的系列执行所必要的中断、定时以及相应的一些数据采集、输入和处理等。图6是控制软件总体框图；对各个部分说明如下：
图6 控制软件总体框图
①初始化
在关闭中断的状态下，实现对控制程序的下述几个初始化工作。
a.对PID程式(阀的调节)计算中的一些标志、输入E、输出U清零。将由Kp、Ki、Kd、采样周期T及低通滤波器的时间常数Tf，计算得到的Qi、Mi赋予给它的存储单元。在PID程序中，数的表示及运算均采用定点数的方式来处理。尽管8098本身具有丰富的指令系统，设有带符号数和不带符号数的加、减、乘、除运算指令，给编程带来极大的方便；但PID程序的运算过程中，因定点数的表示范围有限，中间难免有溢出之处，为此设有几个判断标志，在运行PID程序之前也需要对它们初始化。
b.采样时间到标志清零。
c.比例阀流量死区的基本值赋值；设置PWM的周期、最大输出电流(包括颤振信号的频率和幅值)；输出电流清零，以避免输出单元的随机值引起系统的误动。
d.软件定时中断和HSO中断初始化；开放这两个中断，即INT-MASK赋予#28H，同时，把两个中断服务子程序的入口地址放入相应的中断向量单元。
e.设置堆栈指针，SP指向内部RAM中的00FEH单元。
②采样及计算程序
a.读给定的位移；输入的位移是以十进制数的方式放入7FF0H～7FF2H的，因此，需要调用一次三字节的BCD码转换成二进制数的程序，其结果放入40H～42H这三个字节单元，并在整个控制程序运行期间保存。
b.计算增量式PID算式Un+1=∑QiEi+Un中的Qi，Mi。
③控制程序的主程序
在控制程序的主程序中，由于至少存在一个PID程序(阀的调节)，而PID中的运算参数与采样周期T有关，为了PID控制算法的正确实现，必须取一个恒定的采样周期T，或者采样周期随程序运算时间而变，此时的PID运算参数也要作相应的修改；否则，PID控制器将达不到预计的目标。采用变采样周期的方法，需要对程序运算计时并不断地计算修改运算参数，因此很少采用。本控制程序通过软件定时来实现保证固定的采样周期。主程序的一开始有一个判断，即检查采样时间到的标志，如果时间没到，在此等待；否则清除这个标志(为下一次循环作准备)并继续运行下面的程序。不难看出，固定采样周期的获得，实际上是通过等待，把每次程序循环运行的时间差距拉平。此措施的先决条件是，采样周期必须大于完成一个循环运行所需要的最长时间，即对采样频率的最大值有个限制。
以下是控制软件的各个功能模块。
a.采样、输入系统反馈数据，需要采样或读入的数据有阀芯的位移，以及阀控系统所需的执行元件位移和系统压力等参数。
由A/D采样来的数据（阀芯位移及压力等参数），还需经滤波处理后放入指定的单元。执行元件的位移，从二次仪表得到的BCD码还需经数制数转换程序处理。
本文仅用到阀芯位移的采集及滤波，其它是为阀控系统所考虑。
b.阀控系统调节程序，是阀控系统所需的控制策略。本文仅作信号发生器使用。
c.阀的调节程序，根据给定量和反馈量的关系，处理和计算的结果放入HSO的输入单元，即作为PWM调制及放大的输入。阀的调节方法是工程上广为应用的PID控制。
④中断服务程序
中断服务程序中，有一个软件中断定时器，它主要是每当采样时间到，则设置启动标志，主程序可以运行。另一个中断程序是HSO的中断输出，即控制器的输出。
⑤试验测试程序
为了对系统的性能进行测试分析，在控制程序中加入了一些试验辅助程序。这些程序主要有：信号的给定及测试数据记录程序。数据结果存放在6000H～7FEFH中，然后离线将这个二进制数据文件转换成ASC码数据文件。
4 试验结果
试验研究包括静态性能和动态性能试验。在静态试验时，阀控系统调节程序设置为线性信号发生器，动态测试时则设置为阶跃信号发生器。动态数据用测试数据记录程序记录，静态试验数据则用X-Y函数记录仪记录。
从图7和图9可以看出，由数字控制放大器构成的电液比例方向节流阀，具有较满意的动静态性能。从图8也可看出该阀的流量特性在零点附近很差，有死区和滞环等严重的非线性，这是这类节流阀不足的方面。
图7 静态位移曲线
图8 静态流量曲线
图9 阶跃响就曲线
5 结论
本文提出的数字控制放大器，取得了比模拟控制放大器更满意的结果，而更主要的是，它集系统控制功能于一体，使得阀控系统具有更高的经济性、可靠性和灵活性。在阀控系统中，节流阀流量特性的严重非线性是需重点考虑解决的问题；在此基础上，由于比例阀较伺服阀有更好的经济性和使用维护的方便性，使得它具有较广阔的应用前景。
