基于單片機和FPGA的空間材料高溫爐控制系統(tǒng)

隨著我國空間技術的發(fā)展，越來越多的空間科學實驗得以進行。太空中的超真空、微重力、強輻射等條件為科學實驗提供了在地面難以實現(xiàn)的環(huán)境。空間材料科學實驗是一種重要的空間科學實驗。不論是國際上還是國內，都投入了大量的人力、物力和財力從事空間材料科學的研究。空間材料科學的研究目的是：揭示材料制備過程中的微觀機理和組分、結構與性能之間的內在關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)新的科學現(xiàn)象，豐富和發(fā)展材料科學理論，指導地面的材料制備和生產工藝。而空間材料科學的研究離不開空間材料高溫爐(以下簡稱高溫爐)。我國神舟2號和神舟3號飛船上的空間材料科學實驗獲得了舉世矚目的研究成果，但隨著科學的發(fā)展和技術的進步，以往的空問材料高溫爐，特別是其控制系統(tǒng)，已經不能

適應我國未來空間站上空間材料科學實驗的要求，必須研究新型的控制系統(tǒng)，以適應新的發(fā)展需要。提出的基于單片機和FPGA的空間材料高溫爐控制系統(tǒng)，將在以下幾個方面較原控制系統(tǒng)有較大提高：

1)控制精度從1℃提高到0.5℃;

2)熱電偶信號采集數量從6個增加到18個;

3)可控制的加熱器從1個增加到2個。

4)具有存儲器的EDAC檢錯糾錯功能。

1 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)分為3個部分：中央控制單元、溫度信號采集與調理單元、加熱控制單元。高溫爐有兩個溫區(qū)、18個熱電偶和一個環(huán)境溫度傳感器。18個熱電偶中有兩個控溫偶，分別對應兩個溫區(qū)的溫度控制?？刂葡到y(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

溫度信號采集與調理單元將高溫爐中的熱電偶信號進行放大和采集，中央控制單元將采集到的熱電偶信號與溫度設定值進行比較，使用PID控制算法計算高溫爐加熱器控制信號的大小，將該信號輸出給加熱控制單元，控制高溫爐中加熱器上的電流。

控制系統(tǒng)的軟件由FPGA程序和MCU程序兩部分組成。FPGA實現(xiàn)外部接口設備的控制，包括A/D轉換器、模擬開關、加熱信號控制、RS422通訊、工藝曲線存儲器;MCU實現(xiàn)溫度控制流程、PID算法、與總線通訊系統(tǒng)的通訊協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件構成

根據控制系統(tǒng)工作原理，系統(tǒng)硬件構成框圖如圖2所示。

系統(tǒng)硬件按功能可劃分為中央控制單元、溫度信號采集與調理單元和加熱控制單元，下面將分模塊進行介紹。

2.1 中央控制單元

中央控制單元由FPGA、單片機、EEPROM以及看門狗等元器件組成，如圖3所示。

其中MCU選用在航天產品中應用廣泛的成熟器件，ATMEL公司生產的80C32單片機作為微處理器。單片機通過總線方式訪問和控制FPGA以及EEPROM，并且作為整個系統(tǒng)的控制中心。獨立硬件喂狗電路保障程序不會跑飛，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作。外部晶振為有源晶振，此晶振同時為MCU和FPGA提供時鐘。

FPCA選用APA600，APA600是ACTEL公司基于Flash工藝的FPGA器件，雖然此系列的FPGA為ACTEL公司的第二代產品，但憑借其宇航級品質，此系列FPGA一直應用在我國航天領域，并發(fā)揮重大作用。中央控制單元的功能如下所述。

2.1.1 提供存儲器并進行糾錯

FPGA為MCU提供4k字節(jié)RAM存儲器，作為80C32的外部數據存儲器。由于空間站上的科學實驗時間比飛船上更長，通常為1年以上，其受空間粒子的干擾概率更大?？臻g粒子對存儲器的影響通常是將其打翻，即所謂的單粒子翻轉SEU(Single-Event Upsets)，因此必須要進行錯誤檢測和校正，即EDAC。

EDAC編碼方式采用目前比較常用的漢明編碼。這種編碼可以進行檢錯和糾錯，可以檢測1比特和2比特錯誤，只能糾正1比特錯誤，因此適用于單組數據中出現(xiàn)多個錯誤位概率較低的情況，這恰與SEU經常會打翻星上RAM存儲單元1比特信息的情況相符。

2.1.2 工藝曲線和程序存儲的讀寫控制

由于控制程序一旦確定，就不能夠再更改，而控制過程的工藝曲線(即溫度控制曲線)卻由于不同的材料樣品，其設定溫度、升降溫及保溫時間以及升降溫速率要求不同，所以需要一個存儲這些信息的空間，并且可以對這些信息進行實時修改和保存。為了滿足這樣的需要，中央控制單元中設計了2個EEPROM，分別為程序存儲EEPROM和工藝曲線存儲EE PROM。

MCU通過FPGA控制EEPROM地址總線，訪問程序存儲EEPROM存儲空間。MCU通過FPGA間接控制工藝曲線EEPROM，根據不同材料樣品的工藝要求，訪問工藝曲線EEPROM中相應的工藝曲線數據。另外，當MCU接收到總線注入的修改工藝曲線指令時，也可以通過FPGA對工藝曲線進行修改。具體的邏輯控制是由FPGA直接實現(xiàn)的。

2.2 溫度信號采集與調理單元

溫度信號采集與調理單元包括弱信號采集電路、冷端溫度采集電路、多路開關、有源濾波器以及高精度A/D轉換電路。

由于模擬開關在開啟時會產生毫伏級的信號衰減，因此，對于信號要求精度較高的控溫偶，采用先經過放大器然后再進模擬開關的做法，盡可能減小模擬開關對信號的影響。而對于精度要求不是很高的備份和測溫偶，則采用先進模擬開關再進放大器的做法，雖然信號的精度有所影響，但節(jié)省了處理信號的器件，減小了控制板體積，降低了控制板功耗。溫度信號采集與調理單元原理框圖如圖4所示。

經過調理的熱電偶電壓信號范圍在-10V到+10V之間，這樣可以充分利用AD轉換芯片的轉換精度。FPGA通過信號BYTE、CS以及RC對AD轉換芯片進行控制，同時監(jiān)測AD轉換芯片的狀態(tài)。

2.3 加熱控制單元

加熱單元采用兩組爐絲加熱，加熱控制方式為PWM，PWM控制方式加熱效率高，結合PID算法易于實現(xiàn)高精度控制。爐絲電阻為7.2 Ω，加熱電源電壓為28 V。爐絲驅動器采用NMOS管，型號為2N7225。2N7225導通電阻小，僅為0.1 Ω，當電流為4 A時，其功耗僅為1.6 W。加熱控制單元電路圖如圖5所示。

可以實現(xiàn)三種加熱模式，分別為1號溫區(qū)單獨加熱;2號溫區(qū)單獨加熱;兩個溫區(qū)同時加熱。在兩個溫區(qū)同時加熱模式下，還可以實現(xiàn)溫度梯度可控，例如1號溫區(qū)溫度為600 ℃，同時2號溫區(qū)溫度為700%。這樣可以滿足多種材料樣品對溫場的要求。

3 控制系統(tǒng)軟件

控制軟件由由MCU控制程序和FPGA控制程序構成。

MCU軟件結構如圖6所示，其主要功能如下。

通訊管理：通過RS422串行總線完成與總線的通訊;數據采集、組織與存儲：采集高溫爐中的溫度數據，并對采集的數據進行組包、存儲;數據注入、總線指令處理：對從總線發(fā)送的數據注入進行處理，主要內容包括：數據注入的解析，按照注入內容進行實驗過程相關設置，包括參數設置和工作模式設置等;加熱爐控制管理：根據工作模式及數據注入內容按照既定的實驗流程對高溫爐的溫度按PID算法進行控制;時鐘管理：包括系統(tǒng)校時處理與自守時功能;系統(tǒng)管理與維護：包括系統(tǒng)硬件初始化、初始狀態(tài)的判斷與執(zhí)行、故障狀態(tài)檢測與容錯處理和系統(tǒng)維護。

FPGA程序結構如圖7所示。FPGA控制程序具有如下功能。

時鐘控制功能：實現(xiàn)FPGA內部的時序控制;CPU接口控制功能：實現(xiàn)CPU接口邏輯，包括地址譯碼、狀態(tài)寄存器讀取外部程序存儲區(qū)的接口邏輯;串行接口控制功能：實現(xiàn)RS422異步串行接口鏈路層通訊，將通訊狀態(tài)報告給CPU軟件，發(fā)送和接收緩存均為255字節(jié);EEPROM控制功能：實現(xiàn)工藝曲線EEPROM存儲器的讀寫操作;A/D控制功能：實現(xiàn)A/D采集電路中全部模擬量通道的采集控制，并在內部進行數據緩存供CPU讀取;SRAM控制功能：外部的4K字節(jié)數據RAM和4K字節(jié)EDAC校驗碼存儲區(qū)均由FPGA內部RAM組成，可實現(xiàn)80C32對外部RAM空間的訪問及EDAC糾一檢二校驗功能，并可將1位錯誤和2位錯誤計數報告給CPU軟件;爐絲控制功能：可在CPU控制下產生控制2路爐絲驅動電路的211HzPWM信號，脈寬調制范圍為1～99%。

4 控制算法

控制系統(tǒng)使用PID控制算法，PID控制器的核心思想是針對控制對象的控制需求，建立描述對象動態(tài)特性的數學模型，通過對PID參數的整定，實現(xiàn)在比例、微分、積分3個參數調整的控制策略，達到最佳系統(tǒng)響應和控制效果。完整的PID控制表達式如下：

5 實驗結果

利用上述控制系統(tǒng)對用于空間站的空間材料高溫加熱爐進行地面實驗。實驗過程中溫度的設定曲線為：初始溫度為室溫;300 min時溫度上升至700℃;600 min時溫度上升

至880℃;600～2000 min時處于880℃保溫狀態(tài);2100 min時溫度降至500℃;2300 min時溫度降至300℃。

實驗過程中保溫時間為1 400 min，在此時間范圍內，最高溫度為880.4℃，最低溫度為879.5℃，控溫精度優(yōu)于±0.5℃，方差為0.107 4℃。系統(tǒng)控溫曲線如圖8所示。

6 結論

MCU+FPGA構成的空間材料高溫加熱爐控制系統(tǒng)，能夠很好地滿足空間材料生長對溫度環(huán)境的要求，具有較高的溫度控制精度，同時其熱電偶信號采集電路、爐絲加熱電路和通訊電路能夠實現(xiàn)多路冗余設計，具有較高的可靠性，能夠滿足空間科學實驗的要求，因此，它為我國空間站上空間材料科學實驗高溫加熱爐控制系統(tǒng)的研制鋪平了道路。