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基于嵌入式的環境試驗設備控制系統設計
摘要：為提高環境試驗設備控制系統的控制精度與穩定性，實現國內環境試驗設備控制系統的自主化設計，提出了一種基于嵌入式技術的環境試驗設備控制系統�？刂葡到y包括控制器、測控模塊，其中控制器以ARMCortex-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。該控制系統的控制精度與穩定性滿足環境試驗設備的控制要求，更為環境試驗設備的發展與升級提供了良好的硬件基礎，具有相當大的應用價值。
關鍵詞：環境試驗設備;測控模塊;ARM Cortex-A9;控制器
引言
環境試驗設備是一種根據設計不同，而具備模擬一種或多種綜合環境氣候功能的自動化設備，為各種環境試驗的實現提供了高效可靠途徑。企業或機構在產品設計、研發、制造過程中，可通過環境試驗設備對材料、零部件或產品整機進行各種環境試驗，如高溫、高濕、鹽霧、砂塵、雨淋、凝露等環境試驗，有效地驗證材料或產品是否達到相應標準所要求的質量與可靠性。因此，環境試驗設備是大多數企業與機構驗證材料或產品可靠性所必不可少的設備。
控制系統作為環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境試驗的準確性與可信性。目前環境試驗設備控制系統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指的是，傳統的人機界面(HMI)與可編程控制器(PLC)的組合控制方式，或工業PC組態軟件與PLC的組合控制方式：專用型控制器指的是，針對不同環境試驗設備的控制特性開發出來的專用控制器。國內專用型環境設備控制器領域相對國外較為空白，這也是造成國內環境試驗設備精度與穩定性普遍不如國外環境設備的主要原因，因此專用型控制器的研發對國內環境試驗設備的發展具有相當大的意義。
一、設計原理
本文中的環境設備控制系統，主要面向溫度類環境試驗設備，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。而溫度類環境試驗設備通常由主箱體、加熱系統、制冷系統、風循環系統、主控制系統組成，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：風循環系統的離心風機：加熱系統中的固態繼電器與交流接觸器。
整個設備的主要測量參數包括：制冷系統中的壓縮機排氣回氣的溫度與壓力、冷凝器出口溫度、蒸發器出入口溫度、壓縮機工作電流電壓值：風循環系統中的風機溫度、工作電流電壓值：加熱系統中的電加熱器的工作電壓電流值：箱內的溫濕度等。
在上述測量參數中，部分參數與設備的控制過程并無直接關系，如壓縮機與風機的工作電壓電流、風機轉速與風速等。但是，隨著現代科技工業信息技術的迅速發展，在航天、航空、工業應用等各個領域的設備與系統對可靠性、安全性與經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) 逐漸成為工業設備的主流發展方向之一。但是PHM系統是需要建立在全面監測設備的運行狀況的基礎上，而使用通用型PLC控制系統的情況下，過多的參數采集意味著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，通過利用嵌入式系統開發自由度高、成本低、針對性強、實時性高、集成度高的方案，實現設備的整機運行參數監控：且更易實現復雜的算法運算，提高設備的控制精度與穩定性，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字濾波算法。
二、控制系統硬件設計
控制系統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整。這樣不僅能低成本地采集設備整機運行參數：又能提高控制系統的集成度，減小控制模塊的體積�？刂葡到y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后，根據控制設定對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品的可能性。
2.1控制器硬件設計
本嵌入式控制器是基于ARMCortex-A9四核微處理器的硬件開發平臺，主要負責控制系統中人機界面的運行、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據處理能力以及較為完備的硬件接口，為構建Linux嵌入式系統提供了良好的硬件基礎�？刂破饔布_發平臺的功能框圖如圖3所示，板載WIFI、3G模塊、10M/100M自適應網卡、10.1寸觸摸LCD、4路USBHOST等。
硬件平臺支持從eMMC或SD卡啟動，eMMC用于燒寫系統鏡像，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配合實現快速升級固件及系統軟件。WIFI、WCDMA 3G、LAN等網絡接口均用于不同情況下控制器與互聯網的連接，為實現設備的遠程控制、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的水平，能降低不恰當的終端匹配與接頭產生的誤碼。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，穩壓管Dl、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。
2.2測控模塊硬件設計
測控模塊硬件框圖如圖6所示，以LPC1758為核心，負責設備運行數據的采集、I/O地址譯碼與I/O的控制：設備的相關溫度、電流、電壓、濕度、壓力等參數經過采集電路后，再經LPC1758進行數字濾波后，存儲到FLASH中：控制器可通過RS485與LPC1758通訊，讀取所需參數用于邏輯運算，運算后再將I/O控制命令下達到LPC1758執行。I/O電路包括晶體管輸出、繼電器輸出與特殊應用輸出，如電子膨脹閥控制I/O、變頻器控制I/O等。
其中濾波采樣電路中采用的M axim的單通道2 4位ADCMAX11210。該ADC集成了模擬和參考輸入緩沖放大器，并提供四個GPIO口，可用于控制一個外部16通道模擬開關，令MAX11210有效地對16通道的模擬信號進行采集，降低了LPC1758的I/O資源負擔。采樣電路框圖如圖7所示。
最后，為了保證I/O電路的準確性與可靠性，硬件電路中增加了I/O狀態檢測設計。對于輸出點，I/O狀態檢測電路將輸出狀態生成對應的Output序列信號，當控制器改變輸出狀態的命令發送到LPC1758并執行后，輸出點狀態改變，LPC1758將改變后的Output序列信號與控制器下發的輸出命令進行對比，以確保輸出的準確性;而對于輸入點，則生產對應的Input序列信號，當輸入狀態改變后，LPC1758通過比較實際的輸入狀態與Input序列信號，可判斷輸入端電路是否發生錯誤。
三、控制系統軟件設計
為滿足控制器多硬件接口、多軟件程序應用開發、多文件操作、系統定制等要求，采用Linux嵌入式操作系統，主要應用程序有人機界面程序、數據處理程序、軟PLC程序，如圖7所示。其中人機界面程序是由Windows環境下運行的圖形化軟件通過圖元、控件以及宏命令組合生成，可通過USB導入到控制器以實現人機界面的更新。數據處理程序主要負責設備工控記錄、PID運算、設備狀態監測等功能。軟PLC程序則是由德國Infoteam OpenPCS軟件開發，支持ST、IL、SFC、FBD、LD、CFC六種IEC語言，負責I/O邏輯運算。
由于測控模塊不需要過多的應用程序與圖形界面，因此選擇了相對Linux嵌入式操作系統機構要小巧的多的uC/OS-II。該系統功能豐富，涵蓋了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等功能。主要應用程序有數據采集程序，I/O檢測程序，I/O控制程序。整個I/O的控制流程如圖9所示。若出現I/O電路錯誤報警，用戶可選擇將設備斷電重啟或請求技術支持。
四、結束語
本文設計的嵌入式環境試驗設備控制系統，其控制器與測控模塊均具有成本低、集成度高、精度高、可拓展性強等優點，可在一定程度上改善環境試驗設備批量小、品種多等特點對設計與生產造成的不良影響。且通過充分利用我公司生產環境試驗設備的優勢，可不斷通過環境試驗改善控制系統的可靠性設計。該控制系統現已應用在我公司的標準化系列環境設備上，控制精度與穩定性均達到了國內先進水平，且硬件配置豐富，具有良好的拓展能力。
在外回路電壓控制器設計上，為減少控制器信號與乘法器信號受120Hz輸出電壓的影響，降低了功率因數的性能，所以外回路系統的頻寬通常設計在10Hz～20Hz之間。因此，在負載變動時，輸出電壓很難恢復至穩壓狀態。本文利用負載電流注入法將負載電流狀態作為控制反饋，以改善輸出電壓的暫態響應。負載電流注入法是將負載電流接入控制回路，當負載發生變動時，立刻產生穩態輸入電流的參考信號，改善外回路電壓控制器緩慢的動態響應。
五、數字控制系統試驗驗證
以1 6位數字信號處理器DsPIC30F4011為基礎，完成數字控制高功率因數升壓型轉換器的設計。在試驗驗證過程中，輸入電壓90―130Vrms、輸出電壓312V、最大輸出功率450W的高功率因數升壓型AC/DC轉換器。試驗測量結果如下：
圖9為輸入電壓llOVVrms、輸出功率450W時，輸入電壓Kin和電流iin的實際波型，利用萬用表測量的功率因數值為0.968，說明了該設計系統的高功率因數特性。
隨后，對系統輸出電壓的穩壓性能進行測試，針對輸入電壓從110V變動到130V，再從110V變到90V，輸出的電壓響應如圖lO(a)。當負載從250W變動到450W時，輸出的電壓響應如圖lO(b)。當額外加入負載電流且負載變動同時發生時，輸出的電壓響應如圖lO(c)。比較圖lO(b)和lO(c).圖lO(c)的輸出電壓變動較小時，負載電流注入法具有較高的穩壓效果。當Vin=110Vrms時，針對不同輸出功率，測得高功率因數升壓型轉換器的功率因數曲線如圖ll(a)所示，在Po=450W時，功率因數最高可達0.966。針對不同輸出功率，測量高功率因數升壓型轉換器的效率曲線如圖ll(b)所示，在P0=450W時，效率最高可達92.2%。
六、結論
本文以升壓型轉換器為AC/DC功率因數校正整流器的基本結構，以數字信號處理器DsPIC30F4011為控制核心，應用主動式功率因數校正技術的平均電流控制法，使平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以提高功率因數性能。利用負載電流注入控制法，改善輸出電壓動態響應較慢的缺點。最后設計輸出功率為450W的高功率因數升壓型轉換器并進行試驗，試驗結果表明，該功率因數升壓型轉換器符合電流諧波的高功率因數特性，并且在輸入電壓幅值變動及負載變動時，輸出具有良好的穩壓特性。
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