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基于嵌入式的环境试验设备控制系统设计
摘要：为提高环境试验设备控制系统的控制精度与稳定性，实现国内环境试验设备控制系统的自主化设计，提出了一种基于嵌入式技术的环境试验设备控制系统。控制系统包括控制器、测控模块，其中控制器以ARMCortex-A9四核微处理器为核心，负责人机界面的运行、逻辑运算、I/O与PID控制;测控模块以LPC1758为核心，采用24位高精度ADC，负责设备整机参数的采集;I/O模块包含多路继电器输出与晶体管输出，集成了电子膨胀阀控制输出。该控制系统的控制精度与稳定性满足环境试验设备的控制要求，更为环境试验设备的发展与升级提供了良好的硬件基础，具有相当大的应用价值。
关键词：环境试验设备;测控模块;ARM Cortex-A9;控制器
引言
环境试验设备是一种根据设计不同，而具备模拟一种或多种综合环境气候功能的自动化设备，为各种环境试验的实现提供了高效可靠途径。企业或机构在产品设计、研发、制造过程中，可通过环境试验设备对材料、零部件或产品整机进行各种环境试验，如高温、高湿、盐雾、砂尘、雨淋、凝露等环境试验，有效地验证材料或产品是否达到相应标准所要求的质量与可靠性。因此，环境试验设备是大多数企业与机构验证材料或产品可靠性所必不可少的设备。
控制系统作为环境试验设备的最核心组成部分，它的控制精度直接影响到该设备所做环境试验的准确性与可信性。目前环境试验设备控制系统的应用型式主要分为通用型与专用型。其中通用型控制系统指的是，传统的人机界面(HMI)与可编程控制器(PLC)的组合控制方式，或工业PC组态软件与PLC的组合控制方式：专用型控制器指的是，针对不同环境试验设备的控制特性开发出来的专用控制器。国内专用型环境设备控制器领域相对国外较为空白，这也是造成国内环境试验设备精度与稳定性普遍不如国外环境设备的主要原因，因此专用型控制器的研发对国内环境试验设备的发展具有相当大的意义。
一、设计原理
本文中的环境设备控制系统，主要面向温度类环境试验设备，如高温试验箱、高低温试验箱、冷热冲击试验箱、恒温恒湿箱、湿热箱等。而温度类环境试验设备通常由主箱体、加热系统、制冷系统、风循环系统、主控制系统组成，如图1所示。
其中整个设备的主要控制对象包括：制冷系统中的制冷压缩机、电子膨胀阀及控制冷量排放的电磁阀：风循环系统的离心风机：加热系统中的固态继电器与交流接触器。
整个设备的主要测量参数包括：制冷系统中的压缩机排气回气的温度与压力、冷凝器出口温度、蒸发器出入口温度、压缩机工作电流电压值：风循环系统中的风机温度、工作电流电压值：加热系统中的电加热器的工作电压电流值：箱内的温湿度等。
在上述测量参数中，部分参数与设备的控制过程并无直接关系，如压缩机与风机的工作电压电流、风机转速与风速等。但是，随着现代科技工业信息技术的迅速发展，在航天、航空、工业应用等各个领域的设备与系统对可靠性、安全性与经济性的要求越来越高，促使故障预测和健康管理(Prognostics and Health Management，PHM) 逐渐成为工业设备的主流发展方向之一。但是PHM系统是需要建立在全面监测设备的运行状况的基础上，而使用通用型PLC控制系统的情况下，过多的参数采集意味着PLC模块的增加，不但提高了设备的制造成本，也让设备控制系统的体积变得臃肿。为此，本文提出了一种基于嵌入式的控制系统，通过利用嵌入式系统开发自由度高、成本低、针对性强、实时性高、集成度高的方案，实现设备的整机运行参数监控：且更易实现复杂的算法运算，提高设备的控制精度与稳定性，如设备的模糊PID控制算法，防脉冲干扰平均滤波、限幅平均滤波法等数字滤波算法。
二、控制系统硬件设计
控制系统由控制器与测控模块组成：其中测控模块包括I/O模块与测量模块，均采用模块化设计，针对设备所需的配置进行模块式增减：而控制器仅需针对不同配置的设备作出相应的软件设置或调整。这样不仅能低成本地采集设备整机运行参数：又能提高控制系统的集成度，减小控制模块的体积。控制系统硬件框架如图2所示，控制器获得测量模块将所采集设备整机参数后，根据控制设定对I/O模块进行I/O与PID控制输出。
控制器与I/O模块、测量模块间采用基于485接口Modbus协议的通讯方式。由于Modbus总线广泛应用于仪器仪表、智能高低压电器、变送器、可编程控制器、人机界面、变频器、现场智能设备等诸多领域，因此，使得控制器与I/O模块、测量模块拥有极大的可扩展性与独立成为产品的可能性。
2.1控制器硬件设计
本嵌入式控制器是基于ARMCortex-A9四核微处理器的硬件开发平台，主要负责控制系统中人机界面的运行、逻辑运算、I/O与PID控制。硬件平台采用的Exynos4412处理器拥有高性能的数据处理能力以及较为完备的硬件接口，为构建Linux嵌入式系统提供了良好的硬件基础。控制器硬件开发平台的功能框图如图3所示，板载WIFI、3G模块、10M/100M自适应网卡、10.1寸触摸LCD、4路USBHOST等。
硬件平台支持从eMMC或SD卡启动，eMMC用于烧写系统镜像，因此控制器上电后默认从eMMC启动：而SD卡启动功能可与USB OTG配合实现快速升级固件及系统软件。WIFI、WCDMA 3G、LAN等网络接口均用于不同情况下控制器与互联网的连接，为实现设备的远程控制、远程故障预警或报警、专家远程故障诊断等新型应用提供了硬件支持。
为了保证控制器能与测控板实现高速实时可靠的通讯，本控制器两路RS485通讯电路设计均基于ADM2483。ADM2483是集成通讯隔离的RS485收发器件，最高通讯速率可达500kbps，在保证通讯速率与抗干扰能力的前提下，避免了采用光耦隔离设计需占用较大PCB布局面积的情况。且ADM2483采用了限摆率设计，把压摆率降控制在一个适当的水平，能降低不恰当的终端匹配与接头产生的误码。而通讯模块的接口电路则采用了限流限压的设计，如图5所示，稳压管Dl、D2与自恢复保险丝PTC1与PTC2对接口电路形成了一个有效的保护，提高了485通讯模块的电气可靠性。
2.2测控模块硬件设计
测控模块硬件框图如图6所示，以LPC1758为核心，负责设备运行数据的采集、I/O地址译码与I/O的控制：设备的相关温度、电流、电压、湿度、压力等参数经过采集电路后，再经LPC1758进行数字滤波后，存储到FLASH中：控制器可通过RS485与LPC1758通讯，读取所需参数用于逻辑运算，运算后再将I/O控制命令下达到LPC1758执行。I/O电路包括晶体管输出、继电器输出与特殊应用输出，如电子膨胀阀控制I/O、变频器控制I/O等。
其中滤波采样电路中采用的M axim的单通道2 4位ADCMAX11210。该ADC集成了模拟和参考输入缓冲放大器，并提供四个GPIO口，可用于控制一个外部16通道模拟开关，令MAX11210有效地对16通道的模拟信号进行采集，降低了LPC1758的I/O资源负担。采样电路框图如图7所示。
最后，为了保证I/O电路的准确性与可靠性，硬件电路中增加了I/O状态检测设计。对于输出点，I/O状态检测电路将输出状态生成对应的Output序列信号，当控制器改变输出状态的命令发送到LPC1758并执行后，输出点状态改变，LPC1758将改变后的Output序列信号与控制器下发的输出命令进行对比，以确保输出的准确性;而对于输入点，则生产对应的Input序列信号，当输入状态改变后，LPC1758通过比较实际的输入状态与Input序列信号，可判断输入端电路是否发生错误。
三、控制系统软件设计
为满足控制器多硬件接口、多软件程序应用开发、多文件操作、系统定制等要求，采用Linux嵌入式操作系统，主要应用程序有人机界面程序、数据处理程序、软PLC程序，如图7所示。其中人机界面程序是由Windows环境下运行的图形化软件通过图元、控件以及宏命令组合生成，可通过USB导入到控制器以实现人机界面的更新。数据处理程序主要负责设备工控记录、PID运算、设备状态监测等功能。软PLC程序则是由德国Infoteam OpenPCS软件开发，支持ST、IL、SFC、FBD、LD、CFC六种IEC语言，负责I/O逻辑运算。
由于测控模块不需要过多的应用程序与图形界面，因此选择了相对Linux嵌入式操作系统机构要小巧的多的uC/OS-II。该系统功能丰富，涵盖了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等功能。主要应用程序有数据采集程序，I/O检测程序，I/O控制程序。整个I/O的控制流程如图9所示。若出现I/O电路错误报警，用户可选择将设备断电重启或请求技术支持。
四、结束语
本文设计的嵌入式环境试验设备控制系统，其控制器与测控模块均具有成本低、集成度高、精度高、可拓展性强等优点，可在一定程度上改善环境试验设备批量小、品种多等特点对设计与生产造成的不良影响。且通过充分利用我公司生产环境试验设备的优势，可不断通过环境试验改善控制系统的可靠性设计。该控制系统现已应用在我公司的标准化系列环境设备上，控制精度与稳定性均达到了国内先进水平，且硬件配置丰富，具有良好的拓展能力。
在外回路电压控制器设计上，为减少控制器信号与乘法器信号受120Hz输出电压的影响，降低了功率因数的性能，所以外回路系统的频宽通常设计在10Hz～20Hz之间。因此，在负载变动时，输出电压很难恢复至稳压状态。本文利用负载电流注入法将负载电流状态作为控制反馈，以改善输出电压的暂态响应。负载电流注入法是将负载电流接入控制回路，当负载发生变动时，立刻产生稳态输入电流的参考信号，改善外回路电压控制器缓慢的动态响应。
五、数字控制系统试验验证
以1 6位数字信号处理器DsPIC30F4011为基础，完成数字控制高功率因数升压型转换器的设计。在试验验证过程中，输入电压90―130Vrms、输出电压312V、最大输出功率450W的高功率因数升压型AC/DC转换器。试验测量结果如下：
图9为输入电压llOVVrms、输出功率450W时，输入电压Kin和电流iin的实际波型，利用万用表测量的功率因数值为0.968，说明了该设计系统的高功率因数特性。
随后，对系统输出电压的稳压性能进行测试，针对输入电压从110V变动到130V，再从110V变到90V，输出的电压响应如图lO(a)。当负载从250W变动到450W时，输出的电压响应如图lO(b)。当额外加入负载电流且负载变动同时发生时，输出的电压响应如图lO(c)。比较图lO(b)和lO(c).图lO(c)的输出电压变动较小时，负载电流注入法具有较高的稳压效果。当Vin=110Vrms时，针对不同输出功率，测得高功率因数升压型转换器的功率因数曲线如图ll(a)所示，在Po=450W时，功率因数最高可达0.966。针对不同输出功率，测量高功率因数升压型转换器的效率曲线如图ll(b)所示，在P0=450W时，效率最高可达92.2%。
六、结论
本文以升压型转换器为AC/DC功率因数校正整流器的基本结构，以数字信号处理器DsPIC30F4011为控制核心，应用主动式功率因数校正技术的平均电流控制法，使平均输入电流随输入电压波形变化，以提高功率因数性能。利用负载电流注入控制法，改善输出电压动态响应较慢的缺点。最后设计输出功率为450W的高功率因数升压型转换器并进行试验，试验结果表明，该功率因数升压型转换器符合电流谐波的高功率因数特性，并且在输入电压幅值变动及负载变动时，输出具有良好的稳压特性。
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