基于嵌入式的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為提高環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的控制精度與穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的自主化設(shè)計(jì)，提出了一種基于嵌入式技術(shù)的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)。控制系統(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(fù)責(zé)人機(jī)界面的運(yùn)行、邏輯運(yùn)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(fù)責(zé)設(shè)備整機(jī)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(yàn)設(shè)備的控制要求，更為環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的發(fā)展與升級提供了良好的硬件基礎(chǔ)，具有相當(dāng)大的應(yīng)用價(jià)值。

引言

　　環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備是一種根據(jù)設(shè)計(jì)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(shè)備，為各種環(huán)境試驗(yàn)的實(shí)現(xiàn)提供了高效可靠途徑。企業(yè)或機(jī)構(gòu)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造過程中，可通過環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備對材料、零部件或產(chǎn)品整機(jī)進(jìn)行各種環(huán)境試驗(yàn)，如高溫、高濕、鹽霧、砂塵、雨淋、凝露等環(huán)境試驗(yàn)，有效地驗(yàn)證材料或產(chǎn)品是否達(dá)到相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)所要求的質(zhì)量與可靠性^[1]。因此，環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備是大多數(shù)企業(yè)與機(jī)構(gòu)驗(yàn)證材料或產(chǎn)品可靠性所必不可少的設(shè)備。

　　控制系統(tǒng)作為環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備的最核心組成部分，它的控制精度直接影響到該設(shè)備所做環(huán)境試驗(yàn)的準(zhǔn)確性與可信性。目前環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備控制系統(tǒng)的應(yīng)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(jī)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(yàn)設(shè)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(shè)備控制器領(lǐng)域相對國外較為空白，這也是造成國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備精度與穩(wěn)定性普遍不如國外環(huán)境設(shè)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(yàn)設(shè)備的發(fā)展具有相當(dāng)大的意義。

1 設(shè)計(jì)原理

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

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

　　整個(gè)設(shè)備的主要測量參數(shù)包括：制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)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(jī)工作電流電壓值;風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)中的風(fēng)機(jī)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(shè)備的控制過程并無直接關(guān)系，如壓縮機(jī)與風(fēng)機(jī)的工作電壓電流、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)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(yīng)用等各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)備與系統(tǒng)對可靠性、安全性與經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高，促使故障預(yù)測和健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)[3-4]逐漸成為工業(yè)設(shè)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(shè)備的運(yùn)行狀況的基礎(chǔ)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(shè)備的制造成本，也讓設(shè)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(qiáng)、實(shí)時(shí)性高、集成度高的方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的整機(jī)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控;且更易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法運(yùn)算，提高設(shè)備的控制精度與穩(wěn)定性，如設(shè)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(shè)計(jì)

　　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(shè)計(jì)，針對設(shè)備所需的配置進(jìn)行模塊式增減;而控制器僅需針對不同配置的設(shè)備作出相應(yīng)的軟件設(shè)置或調(diào)整。這樣不僅能低成本地采集設(shè)備整機(jī)運(yùn)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。控制系統(tǒng)硬件框架如圖2所示，控制器獲得測量模塊將所采集設(shè)備整機(jī)參數(shù)后，根據(jù)控制設(shè)定對I/O模塊進(jìn)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(yīng)用于儀器儀表、智能高低壓電器、變送器、可編程控制器、人機(jī)界面、變頻器、現(xiàn)場智能設(shè)備等諸多領(lǐng)域，因此，使得控制器與I/O模塊、測量模塊擁有極大的可擴(kuò)展性與獨(dú)立成為產(chǎn)品的可能性。

2.1 控制器硬件設(shè)計(jì)

　　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(fù)責(zé)控制系統(tǒng)中人機(jī)界面的運(yùn)行、邏輯運(yùn)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(chǔ)?？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(yīng)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(rèn)從eMMC啟動;而SD卡啟動功能可與 USB OTG配合實(shí)現(xiàn)快速升級固件及系統(tǒng)軟件。WIFI、WCDMA 3G、LAN等網(wǎng)絡(luò)接口均用于不同情況下控制器與互聯(lián)網(wǎng)的連接，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程故障預(yù)警或報(bào)警、專家遠(yuǎn)程故障診斷等新型應(yīng)用提供了硬件支持。

　　為了保證控制器能與測控板實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)可靠的通訊，本控制器兩路RS485通訊電路設(shè)計(jì)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(dá)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(shè)計(jì)需占用較大PCB布局面積的情況。且ADM2483采用了限擺率設(shè)計(jì)，把壓擺率降控制在一個(gè)適當(dāng)?shù)乃剑芙档筒磺‘?dāng)?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(shè)計(jì)，如圖5所示，穩(wěn)壓管D1、D2與自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PTC1與PTC2對接口電路形成了一個(gè)有效的保護(hù)，提高了485通訊模塊的電氣可靠性。