基于嵌入式的环境试验设备控制系统设计.doc

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ARMCortexA9四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;ARMCortexA9;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(PrognosticsandHealthManagementPHM)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ARMCortexA9四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USBOTG配合实现快速升级固件及系统软件WIFI、WCDMA3G、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ADM2483ADM2483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Maxim的单通道24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InfoteamOpenPCS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