基于嵌入式的環(huán)境試驗設備控制系統(tǒng)設計

摘要：為提高環(huán)境試驗設備控制系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性，實現(xiàn)國內(nèi)環(huán)境試驗設備控制系統(tǒng)的自主化設計，提出了一種基于嵌入式技術(shù)的環(huán)境試驗設備控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括控制器、測控模塊，其中控制器以ARM Cortex-A9四核微處理器為核心，負責人機界面的運行、邏輯運算、I/O與PID控制;測控模塊以LPC1758為核心，采用24位高精度ADC，負責設備整機參數(shù)的采集;I/O模塊包含多路繼電器輸出與晶體管輸出，集成了電子膨脹閥控制輸出。該控制系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性滿足環(huán)境試驗設備的控制要求，更為環(huán)境試驗設備的發(fā)展與升級提供了良好的硬件基礎，具有相當大的應用價值。

引言

　　環(huán)境試驗設備是一種根據(jù)設計不同，而具備模擬一種或多種綜合環(huán)境氣候功能的自動化設備，為各種環(huán)境試驗的實現(xiàn)提供了高效可靠途徑。企業(yè)或機構(gòu)在產(chǎn)品設計、研發(fā)、制造過程中，可通過環(huán)境試驗設備對材料、零部件或產(chǎn)品整機進行各種環(huán)境試驗，如高溫、高濕、鹽霧、砂塵、雨淋、凝露等環(huán)境試驗，有效地驗證材料或產(chǎn)品是否達到相應標準所要求的質(zhì)量與可靠性^[1]。因此，環(huán)境試驗設備是大多數(shù)企業(yè)與機構(gòu)驗證材料或產(chǎn)品可靠性所必不可少的設備。

　　控制系統(tǒng)作為環(huán)境試驗設備的最核心組成部分，它的控制精度直接影響到該設備所做環(huán)境試驗的準確性與可信性。目前環(huán)境試驗設備控制系統(tǒng)的應用型式主要分為通用型與專用型。其中通用型控制系統(tǒng)指的是，傳統(tǒng)的人機界面(HMI)與可編程控制器(PLC)的組合控制方式，或工業(yè)PC組態(tài)軟件與PLC的組合控制方式;專用型控制器指的是，針對不同環(huán)境試驗設備的控制特性開發(fā)出來的專用控制器。國內(nèi)專用型環(huán)境設備控制器領域相對國外較為空白，這也是造成國內(nèi)環(huán)境試驗設備精度與穩(wěn)定性普遍不如國外環(huán)境設備的主要原因，因此專用型控制器的研發(fā)對國內(nèi)環(huán)境試驗設備的發(fā)展具有相當大的意義。

1 設計原理

　　本文中的環(huán)境設備控制系統(tǒng)，主要面向溫度類環(huán)境試驗設備，如高溫試驗箱、高低溫試驗箱、冷熱沖擊試驗箱、恒溫恒濕箱、濕熱箱等[2]。而溫度類環(huán)境試驗設備通常由主箱體、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、風循環(huán)系統(tǒng)、主控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

　　其中整個設備的主要控制對象包括：制冷系統(tǒng)中的制冷壓縮機、電子膨脹閥及控制冷量排放的電磁閥;風循環(huán)系統(tǒng)的離心風機;加熱系統(tǒng)中的固態(tài)繼電器與交流接觸器。

　　整個設備的主要測量參數(shù)包括：制冷系統(tǒng)中的壓縮機排氣回氣的溫度與壓力、冷凝器出口溫度、蒸發(fā)器出入口溫度、 壓縮機工作電流電壓值;風循環(huán)系統(tǒng)中的風機溫度、工作電流電壓值;加熱系統(tǒng)中的電加熱器的工作電壓電流值;箱內(nèi)的溫濕度等。

　　在上述測量參數(shù)中，部分參數(shù)與設備的控制過程并無直接關(guān)系，如壓縮機與風機的工作電壓電流、風機轉(zhuǎn)速與風速等。但是，隨著現(xiàn)代科技工業(yè)信息技術(shù)的迅速發(fā)展，在航天、航空、工業(yè)應用等各個領域的設備與系統(tǒng)對可靠性、安全性與經(jīng)濟性的要求越來越高，促使故障預測和健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)[3-4]逐漸成為工業(yè)設備的主流發(fā)展方向之一。但是PHM系統(tǒng)是需要建立在全面監(jiān)測設備的運行狀況的基礎上，而使用通用型PLC控制系統(tǒng)的情況下，過多的參數(shù)采集意味著PLC模塊的增加，不但提高了設備的制造成本，也讓設備控制系統(tǒng)的體積變得臃腫。為此，本文提出了一種基于嵌入式的控制系統(tǒng)，通過利用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)自由度高、成本低、針對性強、實時性高、集成度高的方案，實現(xiàn)設備的整機運行參數(shù)監(jiān)控;且更易實現(xiàn)復雜的算法運算，提高設備的控制精度與穩(wěn)定性，如設備的模糊PID控制算法，防脈沖干擾平均濾波、限幅平均濾波法等數(shù)字濾波算法。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

　　控制系統(tǒng)由控制器與測控模塊組成;其中測控模塊包括I/O模塊與測量模塊，均采用模塊化設計，針對設備所需的配置進行模塊式增減;而控制器僅需針對不同配置的設備作出相應的軟件設置或調(diào)整。這樣不僅能低成本地采集設備整機運行參數(shù);又能提高控制系統(tǒng)的集成度，減小控制模塊的體積?？刂葡到y(tǒng)硬件框架如圖2所示，控制器獲得測量模塊將所采集設備整機參數(shù)后，根據(jù)控制設定對I/O模塊進行I/O與PID控制輸出。

　　控制器與I/O模塊、測量模塊間采用基于485接口Modbus協(xié)議的通訊方式。由于Modbus總線廣泛應用于儀器儀表、智能高低壓電器、變送器、可編程控制器、人機界面、變頻器、現(xiàn)場智能設備等諸多領域，因此，使得控制器與I/O模塊、測量模塊擁有極大的可擴展性與獨立成為產(chǎn)品的可能性。

2.1 控制器硬件設計

　　本嵌入式控制器是基于ARM Cortex-A9四核微處理器的硬件開發(fā)平臺，主要負責控制系統(tǒng)中人機界面的運行、邏輯運算、I/O與PID控制。硬件平臺采用的Exynos4412處理器擁有高性能的數(shù)據(jù)處理能力以及較為完備的硬件接口，為構(gòu)建Linux嵌入式系統(tǒng)提供了良好的硬件基礎?？刂破饔布_發(fā)平臺的功能框圖如圖3所示，板載WIFI、3G模塊、10M/100M自適應網(wǎng)卡、10.1寸觸摸LCD、4路USB HOST等。

　　硬件平臺支持從eMMC或SD卡啟動，eMMC用于燒寫系統(tǒng)鏡像，因此控制器上電后默認從eMMC啟動;而SD卡啟動功能可與 USB OTG配合實現(xiàn)快速升級固件及系統(tǒng)軟件。WIFI、WCDMA 3G、LAN等網(wǎng)絡接口均用于不同情況下控制器與互聯(lián)網(wǎng)的連接，為實現(xiàn)設備的遠程控制、遠程故障預警或報警、專家遠程故障診斷等新型應用提供了硬件支持。

　　為了保證控制器能與測控板實現(xiàn)高速實時可靠的通訊，本控制器兩路RS485通訊電路設計均基于ADM2483。ADM2483是集成通訊隔離的RS485收發(fā)器件，最高通訊速率可達500kbps，在保證通訊速率與抗干擾能力的前提下，避免了采用光耦隔離設計需占用較大PCB布局面積的情況。且ADM2483采用了限擺率設計，把壓擺率降控制在一個適當?shù)乃?，能降低不恰當?shù)慕K端匹配與接頭產(chǎn)生的誤碼。而通訊模塊的接口電路則采用了限流限壓的設計，如圖5所示，穩(wěn)壓管D1、D2與自恢復保險絲PTC1與PTC2對接口電路形成了一個有效的保護，提高了485通訊模塊的電氣可靠性。