R M c o n s t r u c t i o nm a c h i n e ; c o n t r o l s y s t e m ; a p p l i c a t i o n 设备管理与维修技术 6 0 R M& C M2 0 0 6年9期 主要是用来驱动车辆上的比例阀和电磁阀。在车辆运 行过程中需要实时采集速度量，同时调节控制数据来 实现车辆运行速度的闭环控制 3 。系统的结构原理如 图2 所示。 2系统的A / D转换电路 工程机械车辆上有很多模拟量传感器，例如油位 传感器、 水温传感器、 压力传感器等， 国内的挖掘机和 装载机上的模拟量传感器通常采用阻尼式传感器。工 程机械控制器需要实时采集这些模拟量并做出相应处 理， A / D 转换电路的原理如图3 所示 4 。图3 所示为一路 模拟量转换电路，工程机械上的阻尼式传感器模拟量 输入信号经过比例运算放大电路产生0 2 . 5V 电压后， 连接到模拟量隔离器I S O 1 2 2 的V i n 引脚上，然后经过 V o u t 引脚输出， S 3 C 4 4 B O X 的A / D 转换模块采集I S O 1 2 2 输出的模拟信号。 由于工程车辆上的电压通常为2 4V ， 而S 3 C 4 4 B O X 的核心工作电压为2 . 5V ， 所以模拟量V e e 的工作电压取5V ， 同时输入信号需要经过比例运算电 路进行分压， 使输入电压最大值不超过2 . 5V 。 3电机的测速电路 发动机转速脉冲信号是个变频变压的交流信号， 脉冲频率变化的同时电压的幅值也变化，并且输出脉 冲中有高频脉冲信号和低频脉冲信号。在输出脉冲捕 捉的时候要求滤掉高频的脉冲信号， 同时要求高于2V 的脉冲信号被认为是有效信号进行采样捕捉，并且需 要把交流波形整形成直流波形。 进行采样在图4 所示的 电机测速电路中， R 1、 R2与C1组成低通滤波电路，滤掉 发电机输出的高频脉冲， 通过低频脉冲信号， 其中R1还 担负整流任务。由于发电机输出的脉冲是个变频变压 信号，所以为了避免高电压对后继的施密特电路的冲 击， 在施密特电路的前继可以接稳压管T 1、 T2， 滤掉脉 冲信号的高压部分，对后继的施密特电路起到一定的 保护作用。 施密特电路被接成正反馈形式， 运算放大器 的负端接参考电压，这里通过电位器R X产生的2V 电 压作为参考电压。 如果正端输入的脉冲高于2V 就会被 认为是有效信号并被采样输出， 低于2V 就会被作为干 扰信号过滤掉。正反馈电路中的电阻R 3会对施密特电 路的输出波形进行再一次的整形，使电路最终的整形 输出成为有效的方波，从而控制器可以对该波形进行 相应的处理。如果控制器S 3 C 4 4 B O X 的电源系统和整 形输出的波形的电源系统需要隔离处理，在施密特电 路的输出端就需要加光耦器件进行隔离。 4系统时钟电路 随着市场运营的多元化，工程机械的营销方式逐 渐走向以机械租赁和分期付款为主， 在这种情况下， 生 产厂商和用户双方需要在机器上使用系统时钟，以准 确地计算机械使用时间。 当使用期限超过付款期限时， 机器会自动停止工作， 从而实现“ 时间锁” 的功能。 芯片 集成的实时时钟功能能够提供秒、 分、 时、 日、 月、 年的 实时时钟信息。 因为是系统自身集成的芯片， 就节省了 外围电路的设计工作， 也进一步提高了可靠性。 5系统的稳定性与防干扰设计 5 . 1系统的稳定性问题 稳定性问题对工程机械控制器来说是最重要的问 题，在工程机械控制器系统设计的过程中主要从以下 几个方面考虑。 ( 1 ) 电源部分的设计该控制器主要采用4 部分电 源结构： 2 4V 、 5V 、 3 . 3V 和2 . 5V 。 2 4V 主要是由车辆蓄 电池提供， 作为整个控制系统的输入电压。5V 电压分 为2 个部分： 一个是信号隔离前端电压， 由芯片L M 2 5 7 5 提供； 另一个是各个芯片的供应电压， 由带隔离的电压 模块转换而成。3 . 3V 主要是固定给S 3 C 4 4 B O X 芯片I / O 口提供的电压； 2 . 5V 是处理器核心的工作电压， 这2 部 分由相应的稳压电路来实现。控制系统的2 4V 电压采 设备管理与维修技术 6 1 R M& C M2 0 0 6年9期 用宽范围输入的隔离电源模块，在输入端作了滤波保 护电路， 由压敏电阻和C B B 电容组成， 防止输入尖峰电 压和过电流， 起到保护系统的作用。 ( 2 ) 器件选择在器件选择的过程中要尽量选用工 业级芯片， 提高系统中各芯片的耐压、 防止过流冲击、 防振性能， 尽量满足系统的稳定性要求； 同时尽量减少 插接件的使用，防止车辆运行过程中由于振动造成的 接口接触不良。 ( 3 ) 输入输出单元处理工业控制器主要接口就是 输入输出开关量和模拟量。由于输入输出单元与工业 过程现场的各种信号直接相连，这就要求它有很好的 信号适应能力和抗干扰性能。所以，在输入输出单元 中，一般均配有电平转换、光电隔离和阻容滤波等电 路，以实现外部信号与系统内部统一信号的匹配和信 号的正确传递。 5 . 2系统的电磁兼容问题 弱电控制系统的使用环境有时比较差，加上外围 电路的抗干扰措施不力，会使整个控制系统的可靠性 大大降低， 甚至出现故障。 因此控制系统的抗干扰非常 重要。 ( 1 ) 系统中常常多种干扰源共存， 共模干扰和常模 干扰是2 种主要的干扰。例如按钮、 继电器等工作时触 点间产生的电弧， 雷击和静电产生的火花放电， 接触器 线圈、 断电器线圈、 电磁铁线圈等感应负载断开时产生 的浪涌电压， 以及外界的高频加热器、 高频淬火设备、 杂乱的无线电波信号、 电源电压的波动等。 干扰也有多 种入侵的途径，可编程控制系统受到干扰和入侵的主 要途径是电源线、 输入、 输出线和空中部位。电源被干 扰后， 控制系统的供电质量变差， 引起控制失灵。 输入、 输出线被干扰后， 出现输入、 输出控制紊乱。空中干扰 主要以电磁感应、 静电感应等形式使C P U 出现误操作。 ( 2 ) 在系统设计过程中应该充分考虑干扰源的情 况， 并采取相应的抗干扰措施。 电源抗干扰措施为控制 系统电源必须与整个供电系统的动力电源分开，一般 在进入控制系统之间加屏蔽隔离稳压器。屏蔽隔离稳 压器的次级侧至控制系统间必须采用不小于2m m 的 双绞线， 屏蔽体一般位于一、 二次侧两线圈之间并与大 地连接， 这样就可消除线圈间的直接耦合。 另外电源谐 波比较严重时，可在隔离稳压器前面加滤波器来消除 电源的大部分谐波。 1 ) 线间抗干扰措施控制系统线路中有电源线、 输入、 输出线、 动力线和接地线， 布线不恰当则会造成 电磁感应和静电感应等干扰。因此必须按照特定要求 布线， 尽可能等间距， 以及避免线路绕圈等。 2 ) 接地线整个配电柜中接地线分2 种形式： 一 种是控制系统的接地线，另一种是除控制系统以外的 用电设备的接地线。连接接地线时， 应注意以下几点： 控制系统单独接地， 其接地端子是抗干扰的中性端子， 应与接地端子连接，其正确接地可以有效消除电源系 统的共模干扰；弱电控制系统的接地电阻应尽可能小 于1 0 0 ， 接地线至少用2m m 2的专用接地线， 以防止 感应电的产生；输入输出信号电缆的屏蔽线应与接地 端子端连接， 且接地良好。 3 ) 电源线、 I / O 线与动力线动力电缆一般为高压 或者大电流线路， 系统的配线靠近时会产生干扰， 因此 布线时要将控制系统的输入输出线与其他控制线分 开， 不要共用一条电缆。外部布线时应将控制电缆、 动 力电缆、 输入输出线分开且单独布线， 它们之间应保持 一定的间距， 一般约为3 0c m 以上。经过这样处理的电 源线， 输入、 输出线与动力线就可以减少外界磁场及它 们之间的干扰。 6结语 基于A R M 的工程机械控制器提供多种模块接口， 可以满足不同机型的工程机械使用。 随着技术的发展， 工程机械对智能化控制的要求会越来越高。目前生产 工程机械的主要骨干企业在激烈的市场竞争情况下， 企业发展战略已转向多品种、多种经营模式和生产高 科技含量的智能化工程机械方向发展，不久的将来工 程机械控制器会有更好的应用前景。 参考文献: 1 马忠梅. A R M 嵌入式处理器结构与应用基础 M . 北京： 北京航空航 天大学出版社， 2 0 0 2 . 2 李冰， 李自光. 工程机械的发展机遇和趋势 J . 筑路机械与施工机 械化， 2 0 0 4 ， 2 1 ( 4 ) ： 4 - 6 . 3 王田苗. 嵌入式系统设计与开发实例 M . 北京： 清华大学出版社， 2 0 0 3 . 4 何希才. 传感器及其应用实例 M . 北京： 机械工业出版社， 2 0 0 4 . 收稿日期： 2 0 0 6 - 0 1 - 2 4 责任编辑: 林荣安 设备管理与维修技术 6 2