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基于嵌入式技术的中央空调控制器设计 摘要 随着中央空调的普及应用，如何对中央空调机组实现有效的控制，是许多 科研人员研究的重要课题。目前国内中央空调系统控制器硬件方面主要采用8 位单片机为核心处理器，由于资源有限，导致人机交互不友好、机组的实时监 控性能低、整机运转难以实现多机组网联控、节能效果不理想等问题。同时， 嵌入式系统及其相关技术凭借其出色的数据处理能力和网络通信功能在近些年 来得到了快速的发展，随着嵌入式处理器功能的越来越强大以及基于嵌入式操 作系统开发的软件越来越稳定，嵌入式技术大大推进了工业自动化和设备智能 化的进程。 针对传统中央空调控制器的缺陷，本课题将应用日益广泛的嵌入式技术引 入中央空调控制系统的设计中，并从以下几个方面进行了研究和探讨： 1 分析了中央空调系统的组成及控制原理，提出基于嵌入式技术的中央空 调控制系统的总体设计方案，并对方案进行了阐述。 2 对以a r m 微控制器为核心的现场控制单元硬件结构进行了详细的设计。 对l p c 2 2 l0 单片机的结构特点、网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 的原理及网络接口的 设计、u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 及其接口电路进行了深入研究。 3 详细讨论了现场控制单元进行了驱动设计。包括u c o s i i 的移植、t c p i p 协议在u c o s i i 环境下的具体实现、基于p d i u s b d l 2 的u s b 驱动软件包设计以 及串口、键盘、液晶模块等接口的驱动设计； 4 分析了基于u c o s i i 操作系统的中央空调控制系统的应用层控制任务， 并对现场控制单元软件组态进行的研究。 5 对整个现场控制单元通信接口与人机交互部分进行了实验测试与分析。 关键词：中央空调控制器a r mu c o s i i嵌入式系统实时操作系统 d e s i g no ft h ec e n t r a la i r - c o n d i t i o n i n gc o n t r o l l e rb a s e do n e m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a ra p p l i c a t i o no fc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n g ，t h ep r o b l e mh o wt o c o n t r o lc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gu n i te f f e c t u a l l yi sa ni m p o r t a n ti s s u et om a n y s c i e n t i t i cr e s e a r c h e r s a tp r e s e n t ，t h e8 b i tm i c r o c o n t r o l l e r sa r ea l w a y su s e da st h e m a i nc o r ep r o c e s s o ri nd o m e s t i cc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gu n i tc o n t r o l l e r ，t h el i m i t e d r e s o u r c eo fm a i np r o c e s s o rl e a dt ou n f r i e n d l yh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，l o w c a p a b i l i t yo fr e a l t i m em o n i t o r i n g ，d i f f i c u l tt oa c h i e v eg r o u p n e tc o n t r o l ，p o o r e n e r g y - s a v i n g e f f e c t a tt h es a m et i m e ，e m b e d d e d s y s t e m sa n di t s r e l a t e d t e c h n o l o g yh a v eb e e nd e v e l o p m e n tf a s t l yb e c a u s eo fi t ss u p e r i o rd a t ap r o c e s s i n g c a p a b i l i t y a n dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t yi nr e c e n t y e a r s w i t ht h e e m b e d d e dp r o c e s s o r sb e c o m i n gm o r ep o w e r f u la n dt h es o f t w a r eb a s e do n e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mm o r es t a b l e ，e m b e d d e ds y s t e mw i l lp r o m o t et h e p r o c e s so fi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n de q u i p m e n ti n t e l l i g e n t a sf o rt h e t h ei n h e r e n tf l a w so ft h et r a d i t i o n a lc e n t r a la i rc o n d i t i o n i n g c o n t r o l l e r ，t h i si s s u ew i l la p p l ye m b e d d e dt e c h n o l o g yi n t ot h ed e s i g no fc e n t r a l a i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m t h ef o l l o w i n ga s p e c t sw e r es t u d i e da n dd i s c u s s e d ： i a n a l y s i st h ec o m p o s i t i o no fe e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gs y s t e ma n di t sc o n t r o l p r i n c i p l e ，p r e s e n t st h eo v e r a l ld e s i g np r o g r a mo fc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o l s y s t e mb a s e do ne m b e d d e dt e c h n o l o g y i i d e s i g nt h eh a r d w a r es t r u c t u r ew i t ha na r mm i c r o c o n t r o l l e rl p c 2 2 10a s t h ec o r ep r o c e s s o r ，a n dt a k ead e e pr e s e a r c ho nt h es t r u c t u r a lf e a t u r e so fl p c 2 2 1o ， n e t w o r ki n t e r f a c ec h i pr t l 8 0l9 a sa n di t sn e t w o r ki n t e r f a c e u s bi n t e r f a c ec h i p p d i u s b d12a n di t si n t e r f a c ec i r c u i t sa n ds oo n i d i s c u s st h ed r i v e rd e s i g no ff i e l dc o n t r o lu n i t ，i n c l u d i n gt h et r a n s p l a n t a t i o n o fu c 0 s i i t h et c p i pp r o t o c o ls t a c ka n di t sr e a l i z a t i o nb a s e do nu c o s i i o p e r a t i n gs y s t e m ，t h eu s bd r i v e rd e s i g nb a s e do np d i u s b d 12 ，d r i v e nd e s i g no f s e r i a lp o r t ，k e y b o a r d ，l c d ，e t c i v 。a n a l y s i st h ea p p l i c a t i o nt a s k so fc e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gc o n t r o ls y s t e m b a s e do nu c 0 s i ia n dr e a s e a c ht h ec o n 6 9 u r a t i o no ft h ef i e l dc o n t r o lu n i t v t e s ta n da n a l y s i st h ee x p e r i m e n to ff i e l dc o n t r o lu n i t k e yw o r d s ：c e n t r a la i r c o n d i t i o n i n gu n i t ；c o n t r o l l e r ；a r m ；u c o s i i ；r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m ：e m b e d d e ds y s t e m ： 插图清单 图卜l 两级总线结构图2 图卜2 一级总线结构图3 图2 一l 中央空调系统集中制冷站9 图2 2 空调处理机组工艺流程图9 图2 3 单回路控制的基本结构1 0 图2 4 空调机组1 0 图2 5 冷冻站i l 图2 6 热源站1 2 图2 7 热交换站一13 图2 8 中央空调分散控制系统一1 4 图3 1 基于l p c 2 2 l o 现场控制单元结构图1 6 图3 2l p c 2 2l0 内部结构图。1 7 图3 3 电源电路l9 图3 4 复位电路2 0 图3 5j t a g 接口电路2 0 图3 6 扩展存储器2 2 图3 7s s t 39 v f16 0 功能框图2 2 图3 8m t 4 5 w 4 m w l6 功能结构图2 2 图3 9 键盘电路2 4 图3 1 0s m g 2 4 0 12 8 点阵图形液晶模块结构图2 4 图3 1 1 液晶模块连接电路2 5 图3 1 2 串口电路2 6 图3 1 3p d i u s b d l 2 内部功能框图2 6 图3 一1 4p d i u s b d l 2 与l p c 2 2 0 0 电路原理图2 7 图3 1 5r t l 8 0 1 9 a s 内部结构图2 8 图3 1 6r t l 8 0 1 9 a s 与l p c 2 2 1 0 接口电路。2 9 图4 一l 系统软件结构图3 0 图4 2 控制器启动流程图一3 0 图4 3 数据类型及堆栈定义3 3 图4 4 软件中断定义3 3 图4 5 软中断服务例程3 3 图4 6 堆栈初始化函数o s t a s k s t k l n i t ( ) 3 4 图4 7o s s t a r t h i g h r d y 函数3 5 图4 8o s i n t c t x s w ( ) 执行代码3 5 图4 9 开关软件中断异常代码3 6 图4 一1 0u c o s i i 硬件和软件体系结构3 7 图4 1 l 整体程序框架3 8 图4 一1 2 串口结构图3 8 图4 一1 3 中断服务示意代码3 9 图4 1 41 2 c 协议3 9 图4 一1 5 按键服务程序流程图4 0 图4 一1 6u d p 通信中断接收程序流程图4 3 图4 1 7 u s b 驱动程序软件分层结构4 3 图4 1 8u s b 驱动软件分层结构一4 4 图4 1 9a d 转换器内部结构4 4 图4 2 0a d 转换器操作流程4 5 图4 2 1l o a d 控制更新工作方式( l d a c = 0 ) 4 5 图4 2 2 控制单元的启动和运行过程4 7 图5 1 现场控制单元输入输出处理和运算处理结构框图一4 8 图5 2 控制系统结构图5 l 图5 3 网络结构5 2 图5 4u d p 通信5 3 图5 5u d p 测试工程项目窗口5 3 图5 6 基于u d p t e s t 软件u d p 测试5 4 图5 7 串口测试流程图5 5 图5 8 串口测试工程项目窗口5 5 图5 9 串口测试结果5 6 图5 1 0 键盘测试项目工程窗口5 7 图5 1 1 按键测试结果5 7 图5 1 2p d i u s b d l2 设备端程序5 8 图5 1 3u s b 主机程序与p d i u s b d l 2 设备端程序的关系5 9 图5 一1 4u s b 测试项目工程窗口5 9 图5 1 5p c t e s t 第1 次数据接收6 0 图5 1 6p c t e s t 第2 次数据接收6 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒g 墨! ：些厶堂 或其他教育机构 的学位或证书丽使用过的材料。与我一同1 ：作的同忐对本研究所做的任何贡献均己在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 神论文作者签名：并弓墓签字日期：冲年驴冲日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金g 坠圣些盔堂有关保留、使片j 学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部| 、或机构送交论文的复印仆和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本 人授权金避! ：些厶堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进彳了检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权节) 学何论文作者签名： 签字e l 期乒f o 钧及 年争月冲日 学位论文作苔毕业后之向： i 作单位：p q 安中兴软件有限责任公司 i 也诵： j 遵i h 地址： 导师签名： 签字日期：fo 年年月珥日 邮编： 致谢 衷心感谢我的导师刘春副教授，在工大三年的学习期间，从学习到生活的 方方面面对我的关心和帮助，我的每一点进步都倾注了刘老师的心血，刘老师 广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦的教育情怀和对事业孜孜不倦的追求， 都让我肃然起敬，她的这些优良的品质值得我终身学习。在此，谨向刘老师表 示最诚挚的敬意。 在本课题的研究过程中，鲁昌华教授为该课题研究提供了大量的相关资料 和部分的研究设备，并进行了指导，鲁老师平易近人，治学严谨，学识广博： 胡存刚老师就平时的学习，小论文的完成等方面给出了很多好的建议，在这里， 向他们表示衷心的感谢。 衷心感谢电气与自动化工程学院的全体老师，他们的教诲为本文的研究提 供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习机会。 衷心感谢实验室的师兄师姐、师弟、室友，大家在整个学习过程中相互帮 助、共同就研究的问题相互讨论、相互交流，共同创造了良好的学习氛围，真 诚地对各位同学的关心与帮助表示感谢。 衷心感谢我的父母我的家人，是他们几十年含辛茹苦的教导，才有我今日 的成绩。我衷心的祝愿他们永远幸福安康! 衷心感谢论文的评阅老师和答辩委员会老师在百忙中对本文进行评审指 点! 作者：宋奇兵 2 0 1 0 年4 月 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着国民经济的快速增长，我国人民生活水平的不断提高，以及各个行业 的生产工艺的需要，空调已成为现代建筑必须具备的条件之一。中央空调机组 能够改善和提高人们的生活和健康水平，改善生活和工作空间的温、湿度，空 调效果优于分体空调，所以在越来越多的场合被选用。但中央空调机组因其设 备功率大，零部件多，运转工序复杂，所以对其使用时的可控性能、节能性能、 人机交互性能的要求也随之提高；而且因中央空调机组的安装位置的限制，用 户对其的远程监控功能和网络功能也提出要求【l 】。这些要求是目前国内生产的 中央空调机组所使用的继电器控制系统和8 位微处理器控制系统所难以实现 的，而以日本美国为主的进口品牌凭借其控制技术的先进性，同样的制冷量的 中央空调机组的销售价格是国产机器的数倍还是更得用户的青睐，使国内中央 空调机组生产企业在竞争中处于明显的劣势，国内生产厂家为求得生存空间和 获得竞争优势，在机械方面仿照国外产品做了很多改进，但限于自身的技术水 平，在电脑控制部分还缺乏功能达到或接近进口水平的控制器，主要以采用8 位单片机为主处理器的控制器，因为主处理器资源有限，造成机器的人机界面 不友好，机器的实时监控性能低，整机运转难以实现多机组网联控，节能效果 差。 嵌入式技术在近些年来得到了快速的发展，其应用领域分布了整个社会各 个角落，从人们日常所用的手机、m p 3 4 5 以到工业仪器仪表直至国家航天领域 ( 神六、神七) 上的很多控制设备均为嵌入式系统的具体应用。嵌入式系统是 现代计算机应用领域一个新的发展热点，其典型优势就是系统功耗比较低、系 统可靠性能高且抗干扰能力强、存储介质无机械硬盘、市场价格适中、体积小 等等。随着现代工艺水平的不断提升，系统核心部件嵌入式处理器微控制器在 硬件构架方面的复杂程度得到了很大提高：从上世纪的功能、结构各方面都比 较简单的单片计算机( 单片机) 发展到现在的精简指令集型处理器( 其中以a r m 公司的构架方案最为典型) ，性能发生了质的蜕变。同时，各种免费开源或商 业嵌入式操作系统的完善也大大促进了嵌入式技术的应用与发展，基于这些操 作系统开发出来的应用软件功能比较稳定、可靠，且软件丌发难度与开发周期 相对于裸机的直接开发有着不可比拟的改观。嵌入式系统的硬件技术发展与软 件技术进步是一个相互促进的过程，该技术在推动现代工业文明发展进步上已 经发挥着主力军的作用，将其应用到社会的各个领域是全球计算机应用界新的 研究方向【n 。 1 2 中央空调控制系统技术现状 2 1 国内外有很多中央空调控制产品的生产厂商，如美国的江森自控公司、 a n d o v e rc o n t r o l 公司、艾顿公司，霍尼维尔公司，德国的西门子公司等等。国 内有秦皇岛海湾安全技术股份有限公司、清华同方股份有限公司等。目前国内 的生产厂商基本都是沿用国外公司技术。 各个生产厂商产品组成的控制系统，其功能与结构基本相同。早期的各个 生产厂商的控制系统一般采用专用的网路协议，各个系统之间彼此封闭，不同 厂商的控制设备难以兼容、互换。为适应开放性的需要，近几年知名供应商相 应地都在原来控制系统的基础上，陆续地增加了一些开放性的接口。 控制系统一般采用两级结构的网络形式，可分为两大部分：信息网络和控 制网络。信息网络为第一级网络，控制网络为第二级网络。第一级网络为一般 的通信局域网，指在信息域的范围内按照国际标准建立具有良好开放性的局域 网。通常采用的网络有e t h e r n e t 或者b a c n e t ，速度为1 0 m 或1 0 0 m b i t s ，信息网 络的信息主要侧重于信息管理，以网络信息的高速传播为目的，实现共享的网 络资源及各工作站或分站之间的交互与通信。第二级网络是由直接数字控制站 所构成的控制域，其工控总线分布在建筑物各处。控制域的信息比较侧重于实 时控制信息的输入输出，一般用于完成建筑物内各种工控数据的实时处理，对 建筑物对象实施实时控制。 现以a n d o v e rc o n t r o l 公司楼宇自控系统为例，介绍中央空调控制系统常见 的两种控制系统组成。 采用两级网络结构的控制系统结构图如图1 1 所示，信息网络可以采用采用 e t h e r n e t 或b a c n e t 网络，控制网络通常采用r s 4 8 5 等成本比较低廉的网络，两极 网络的正常通讯需要在网络之间需要安装协议转换器。一级总线结构的现场总 线结构如图1 2 所示，采用的通信方式为现场总线结构，如l o n w o r k s 、c a n 等现 场总线，利用一条总线挂载各种设备，如现场设备、现场控制器、工作站等， 通过一条总线进行节点间通信。 t c 群i p b a c ne t 服务器 l 工作站l l 网络控制器f l 两络控制器 1 现场设备 现场控制嚣 现场控制嚣 翮器 圃署 图1 1 两级总线结构幽 i o 模块 i o 模块 现场总线 图l - 2 一级总线结构图 上述两种总线结构方式中。二级总线结构即为通常的分散控制系统，两极 网络之间需要加协议转换器才可以进行正常的通讯，用来完成协议不匹配时必 需进行的协议转换。一级总线结构相当于现场总线控制系统，最低层的传感器 和输入输出模块也都需要支持所采用的现场总线网络，可以直接与总线相连， 采用全分散控制系统，这种系统一般成本比较昂贵。 中央空调控制系统中常用的网络有以下几种【7 】：b a c n e t 网络、 l o n w o r k s 总线网络、t c p i p 通信网络、c a n 总线网络和r s 4 8 5 总线网路。 b a c n e t 是美国采暖、制冷和空调工程师协会( a s h r a e ) 铝0 定的楼字自动控制 网络协议，主要阐述了楼宇自控网的功能，自控系统组成单元间实现分享数据 的方法、使用的通讯媒介、信息翻译规则等。该总线网络确立了相互开放通讯 的基本规则，而无需考虑生产厂家，各兼容系统不依赖专用芯片组；c a n 通信 网络在早期是一种用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信协议。今年来， 该网络凭借其技术先进、可靠性高、功能完善、成本合理等优势已被广泛应用 于各个自动化控制系统中。l o n w o r k s ( 又称局域操作网) 现场总线由美国 e c h e l o n 公司推出，其技术核心是具备控制和通信功能为一体的神经元芯片。 归纳各个厂家的自控系统，协议转换器( 网络控制器) 的实现方式通常有 下面几种： 1 选用p c 机担当网关实现 将采用r s 4 8 5 这样网络的系统连接在一起后，连接到一台p c 机上，该p c 机 的作用就是将网络上的信息转换为t c p i p 协议包，转发到局域网上实现信息共 享。该方案可以支持多种单片机系统，但需要依赖p c 机做网关进行协议转换， 当有多个单片机系统需要连接且地理位置分散时，会带来布线的极为困难；同 时要在p c 机上安装专门的协议转换软件，一般时直接购买第三方软件商提供的 产品，价格昂贵。 2 利用高档m p u 片上系统 高档m p u 通常内嵌t c p i p 协议，可以直接与各类总线接口，进行楼宇控制。 西门子公司采用的8 0 8 6 微处理器实现的网络控制器就是典型实例。这虽避免了 利用p c 机作网关时需安装协议转换软件，但和p c 网关实现方式本质上差不多。 3 利用8 1 6 位单片机系统实现 8 16 位处理器也可以勉强实现网络通信与控制的功能，但8 16 位系统一般 速度比较低，内存小，软硬件资源也不够丰富，难以满足要求。 1 3 嵌入式系统概论 1 3 1 嵌入式系统的定义 i e e e 定义：嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作的机器和设备的装 置。通常还定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系 统1 3 】。一般将系统的组成按照硬件与软件来划分：硬件有系统核心部件微处理 器微控制器和系统工作所需要的外设组成；软件包括实时操作系统以及基于其 的上层系统应用软件，前者控制着应用程序编程与硬件的交互，后者控制着系 统的运作和行为【4 j 。嵌入式系统多数情况下使用e p r o m 、e e p r o m 或闪存作为 存储介质。 1 3 2 嵌入式微处理器 嵌入式处理器是整个嵌入式应用系统的核心，具备以下特点f 4 】： 支持实时多任务，中断响应时间短； 存储管理功能，保护系统存储区，用户不能随意进入系统区， 必须通过系统调用实现； 可扩展的处理器结构。当控制器自带的存储器或i o 口不足时， 系统扩展接口来拓展存储器或i o 口： 有需要是 可以通过 嵌入式处理器必须功耗很低。 嵌入式处理器可分为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式d s p 处理 器3 个基本类型。其中：嵌入式微处理器是嵌入式系统中的通用微处理器，他们 在功能上是一样的，只是在工作温度、电磁兼容等方面前者做了一定程度的增 强：嵌入式微控制器内部基本上集成了系统工作所可能需要的功能模块，如存 储区、定时器、模数数模转换等，性价比非常高；嵌入式d s p 处理器主要用于 完成数字信号处理算法，硬件实现乘加运算；各种处理器的性能特点在众多嵌 入式资料中都有着详细的介绍，本文不再赘述。 1 。3 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是嵌入式系统软件组成部分，没有操作系统的应用严格地 讲是不能够称为嵌入式应用系统。其作用是用来管理系统资源，虚拟化硬件并 向用户提供底层硬件驱动程序的调用接口，用户在编写应用程序时不必考虑具 体底层硬件设备的工作情况。虽然与通用操作系统在功能上有一定程度的相似， 但是嵌入式操作系统一般比较讲究实时性，对硬件有较强的依赖性强，且针对 4 具体应用的专用性强，不同类型的应用所表现出来的综合性能不一样【5 j 。 通常可以分为两类：一类是用于控制、通信等领域的实时操作系统；另一 类是用于消费电子产品的非实时操作系统。 1 前后台系统l 4 j 前后台系统是基于裸机开发的应用程序，为无限循环系统。后台行为指整 个系统程序循环执行，反复调用循环内容。前台行为一般是中断异常处理。中 断服务程序常用于保证相关性很强的重要操作，因为很多关键操作必须通过中 断来及时地得到处理器的处理，而不能等到处理器循环处理到该部分操作。前 后台系统一个重要的指标是任务级的响应时间，一般指中断异常处理中提供信 息到处理器循环到处理该信息时所需要的时间，显然，该响应时间最长为整个 后台程序的执行时间。 很多基于微处理器的产品采用前后台系统设计，例如微波炉、电话机和玩 具等。在另外一些基于微处理器的应用中，从省电的角度出发，平时微处理器 处在停机状态，所有事都靠中断服务完成。 2 实时操作系统【4 j 实时系统能够在所预定的时间内完成其功能，同时能够对异步事件做出响 应。其功能主要表现在对系统任务的管理、任务间的通信、系统资源管理、中 断管理等方面。一般实时操作系统对代码规模有着严格要求，必须短小精炼， 对中断响应的时间要足够短，任务切换速度快【2 引。 这种分类方法是针对基于优先级的系统，可剥夺型系统中，已经进入就绪 且优先级别更高的任务直接剥夺运行中任务的c p u 使用权，让自己进入运行态； 而在不可剥夺系统中，则没有这样的特权，必须要等到当前运行任务因阻塞或 运行完毕而主动放弃c p u 的使用权。相比较而言，可剥夺型系统具有跟好的实 时性，因为优先级较高的任务都是比较关键或重要的任务，完成相对紧急的操 作，一旦其进入就绪就可以得到处理器的执行，通过这种方式的任务调度保证 了系统的实时性。目前这两种类型的系统都有着非常成熟的代表，例如不可剥 夺型系统有u c o s 以及其升级版本u c o s i i ，可剥夺型系统有u e l i n u x 、l i n u x 等。 实际应用中，常根据具体应用系统的复杂度、规模以及对实时性的具体要求来 选取系统类型。 3 使用实时操作系统的必要性p j 提高系统的可靠性。传统的前后台系统收到强干扰时，程序经常会产生 异常，出现跑飞的现象，因为所有应用任务都是集中在一个大循环中，一旦出 现跑飞、死循环整个系统便瞬间崩溃；而有实时系统管理的系统就不会出现这 种显现，因为实时操作系统对任务的管理以进程为单位，即使某一进程收到强 干扰而遭到破坏，不会影响到系统对其他进程的调度，并且系统的监控进程可 以及时修复遭到损坏的进程。 基于操作系统的应用开发效率高、周期短。科研人员在开发基于嵌入式 系统的应用任务时，可以根据解耦原则，将应用程序划分成多个任务模块，每 个任务编程思维清晰，各任务的调试与修改彼此独立。 嵌入式操作系统能更好的支持3 2 位处理器多用户、多任务运行特性。 1 3 4 嵌入式系统外围接1 2 1 6 】 嵌入式系统硬件构成有两个部分： 口设备。外围接口包括扩展的存储器、 口等。根据功能具体分为以下五类： 存储器 核心部件嵌入式处理器与嵌入式外围接 输入输出接口、人机接口、各个通信接 用于存储数据和程序。按照是否所处在处理器内部，分为内部存储器与外 部存储器。内部存储器集成在嵌入式处理器内部，外部存储器主要是由于存储 空间不足，通过处理器扩展口外扩的处理器。 通信接口 计算机常用的通信接口在嵌入式应用领域中同样得到了广泛的应用。譬如 r s 一2 3 2 接1 2 1 ( 串口u a r t ) 、u s b 接口( 通用串行总线接口) 、蓝牙接口( b l u e t o o t h ) 、 i r d a ( 红外线接口) 、s p i ( 串行外围设备接口) 、c a n 总线接1 2 1 、e t h e r n e t ( 以太网 接口) 、i e e e l 3 9 4 接口等。 输入输出设备 嵌入式应用系统中最常使用信息输入输出设备有c r t 、l c d 和触摸屏等， 例如触摸屏就可以同时代替鼠标和键盘功能。 设备扩展接口 嵌入式应用系统根据需要会提供可扩展存储设备接口，已备日后用户为系 统升级。市场上常用的扩展卡如c f 卡、s d 卡、m e m o r ys t i c k 等都可以使用。 电源及辅助设备 提供系统所需电源及辅助电路。 1 4 嵌入式技术在中央空调控制系统中的应用研究 计算机技术、网络技术以及各种传感器技术在近2 0 年来取得了巨大的发展， 工控领域中各种信号的检测、传送、分析处理的条件和手段都有了很大提高。 中央空调控制技术也取得了喜人的成就，尤其是近年来嵌入式处理器处理能力 不断增强，嵌入式操作系统基本上都具备了网络功能。采用3 2 位具有较强数据 处理能力的微处理器，设计出来的机组控制器既满足系统的实时监控性能的要 求，同时还可以方便地实现多机组网联控性能，提高节能效果。 本设计就是为了解决传统中央空调系统控制器实时监控性能不佳且整机运 6 转难以实现多机组网联控、节能效果差等问题，提出了以l p c 2 2 10 为核心处理 器和u c o s i i 为实时操作系统的中央空调系统控制器的设计方案。设计方案对 控制系统的硬件结构进行了详细的设计，包括网络接口、u s b 接口等重要的接 口模块，移植了在工控领域内广泛应用的开源实时操作系统u c o s i i ，并在其 基础上开发了底层硬件驱动程序和上层应用软件。控制器在功能上基本实现了 图1 1 及图1 2 所示的网络控制器和现场控制单元的作用，避免使用额外的协议 转化器，具有高性能、模块化和人性化的特点，在一定程度上解决了行业生产厂家多、 标准不统一、组网困难、产品人机界面不友好、数据处理功能弱、节能效果差等问题， 可从整体上提高中央空调机组的使用功能和运行效率。 1 5 本文结构安排 本文的结构安排如下： 第一章：简要地阐述了当前中央空调控制系统的现状以及嵌入式应用系统 的组成，并针对当前中央空调控制器的不足提出将嵌入式技术应用到对其的设 计当中： 第二章：分析了中央空调系统的工艺组成及控制原理，提出了控制系统的 总体设计方案，并对控制方案进行了阐述； 第三章：对现场控制单元的硬件结构进行了详细的设计与描述。特别对 l p c 2 2 l o 单片机的性能特点、网络接口芯片r t l 8 0 1 9 a s 的工作原理、u s b 接口 芯片p d i u s b d l 2 的工作原理进行了详细介绍，并设计了基于r t l 8 0 l9 a s 网络接 口电路与基于p d i u s b d l 2 的u s b 接口电路等一系列硬件模块。 第四章：对现场控制单元硬件驱动软件进行了详细设计。主要有以下内容： 将u c o s i i 移植到单片机l p c 2 2 1 0 的方法与具体实现； 介绍t c p i p 协议内容以及在本系统中的具体实现； 开发基于p d i u s b d l 2 的u s b 驱动软件包设计； 串口、键盘、l c d 液晶显示器等接口的驱动开发； 对现场控制单元的a i ，a o ，d i ，d o 输入输出接口进行了研究，设计了输入 输出程序模块。 分析了中央空调控制系统主要的控制任务。 第五章：对现场控制单元的软件组态进行了研究。 第六章：对整个现场控制单元通信接口与人机交互进行实验测试分析，并 提出了未来继续研究的方向。 本课题得到安徽省2 0 0 8 重点信息产业发展专项“基于嵌入式系统的中央空 调控制器的研制”的资助，项目号2 0 0 8 0 2 2 。 第二章中央空调控制系统的整体设计 2 1 中央空调系统基本原理及组成 空气调节的定义通常为：将温度、湿度、流速等参数经过处理后的空气， 通过空气输入管道送入室内，以使整个室内空气温湿度、流速、清洁度及压强 等控制在设定要求内。空气调节不但使人们拥有舒适的工作和生活环境，而且 还能满足某些特殊科研实验和工业生产对空气环境的的苛刻要求。 空调系统的组成有：被调对象、空调处理机组、空气输送设备以及分配设 备。针对空气处理设备在集中程度上的差异，空调系统通常分为集中式空调系 统、半集中式空调系统以及分散式空调系统；根据热湿负荷所使用的介质的区 别，空调系统又可以划分为空气系统、水系统、空气水混合系统、冷剂系统； 又可根据空气来源来分类，有直流式系统、封闭式系统和混合式系统三类系统。 本文主要针对集中式空调系统进行介绍，又叫中央空调系统【7 j 。 2 1 1 中央空调系统简介【7 1 中央空调系统把空气组合在一个或若干个空调机组内集中进行温湿度、流 速、清洁度等参数的处理，再通过空气输送管道与分配装置输送至独立的空调 房间。加热器冷却器、过滤器、加湿器等所有空气处理设备全部集中在空调机 房里。空调系统冷热源集中在制冷与加热站。集中式空调系统相对其他空调系 统来说，具有节能、清洁，而且工作噪音小、使用方便等优点，常在大型建筑 内被广泛采用。 中央空调通常由集中制冷加热站和空调机组两个部分组成。图2 1 为集中 制冷站的工艺流程图，冷水机组完成热交换工作：将送来的常温冷冻水在蒸发 器中与制冷剂进行热交换，制冷剂吸收其热量将其制成温度较低的冷冻水，再 由冷冻水输送管道分配到空调机组；将送来的常温冷却水在冷凝器中与制冷器 进行热交换，吸收制冷剂热量，将温度较高的冷却水通过冷却水循环系统送回 至冷却塔冷却。空调机组主要调节冷冻水的流量和空气的风量，保证被调空气 的温度值，调节加湿阀开度来调节被控房间湿度。图2 2 所示为处理机组工艺流 程图，为节省能源通常将新风和回风按照一定的比例混合，过滤后再进行热交 换和加湿或减湿处理，由送风机将处理过的空气输送到指定的空调区域。在保 证适度的新风量前提下，可以采用一部分回风与新风相混合，这样可以在保证 室内空气新鲜度的同时，又利用了部分回风的能量，节省了运行成本1 2 j 。中央 空调系统主要用于建筑物规模比较大，被控房间多的场所，如生产安装车，间、 体育馆、酒店、大型客船等。 新 冷冻水补水管 e a l - 2 ：电动阀 s p l - 4 ：水管压力传感器 图2 1 中央空调系统集中制冷站 回风 图2 2 空调处理机组工艺流程图 2 1 2 中央空调系统闭环回路控制 系统控制的目的是实时地调节执行机构以维持设定的温度与湿度，节约能 源。中央空调的控制对象主要有：中央空调机组、系统冷冻站与热源站、送排 风系统，熟交换站。5 个部分是有机的结合在一起协调工作。中央控制系统利用 现场检测元件进行实时地数据采集，并通过与设定值相比较后得到的偏差进行 相应控制运算，输出控制信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、 流量、液位及其他工艺参数的自动控制。 中央空调基本控制回路结构如图2 3 所示。从控制系统到生产过程再回到控 制系统的这条路径称为“闭环回路控制”。 图2 - 3 单回路控制的基本结构 2 1 3 中央空调各个组成部分的结构和控制关系 1 空调机组和送排风系统控制 参数 图2 4 空调机组 从图2 - 4 中可以看出，空调机组和送排风系统组成有：送排风装置、过滤器、 冷加热器、湿器和风机。 若系统为定风量系统，需要控制的参数如下1 2 1 ： 实时监测回风温度，调节表冷n 热器阀门开度大小； 实时监测回风湿度，调节加湿阀开度； 根据回风与新风温湿度的烩值、c 0 2 浓度参数，调整新风阀、排风阀和 回风阀的比例开度。 若系统为变风量系统，还需控制机组的送风量：根据风道静压，控制风机 起停，以保持送风量，同时调节相应的控制风门的开启比例。 2 冷冻站系统控制 从图2 5 中可以看出，冷冻站的控制设备有：冷水机组、却水泵、却塔、水 循环泵、动蝶阀、胀水箱。系统的控制目标一方面协调设备| 日j 的连锁控制关系， 进行自动启停；另一方面根据供水与回水温度、流量等参数计算系统消耗的冷 i o 量，控制机组运行，节约能源。 控制的参数如下 2 1 ： 通过供回水温度、流量计算系统消耗冷量，控制冷水机组起停及相应的 蝶阀，调整冷却塔运转风机的台数或转速； 根据冷却塔出水温度，调整冷却塔台数或转速； 以供回水压差控制旁通阀开度。 图2 5 冷冻站 3 热源站控制 图2 - 6 中可以看出，热源站系统由热源、补水泵、热水循环泵组成。控制系 统根据送回水温度来控制换热气两侧阀门和热水循环泵的运行，节约能源，同 时检测各设备状态以便及时检修。 控制参数如下 2 1 ： 检测回水压力，控制补水泵工作； 以供回水温度和流量计算所系统消耗掉的热量，控制电锅炉及给水泵的 起停； 压差控制旁通阀的开启。 图2 6 热源站 4 热交换站控制 中央空调系统中，冷冻水通常闭式循环利用，对水路管道和设备承压有着 要求，对于大型建筑物，系统的静压往往超过承压能力时，需要在高区另行设 置独立的闭环系统，增加热交换站。其热源来于冷冻站和热源站。 图2 -