基于嵌入式的环境试验设备控制系统设计论文题目参考

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 ARMCortex 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 PrognosticsandHealthManagement 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 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 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 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 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 上一页 12 下一页 基于划小分割式电极的电场耦合无线充电方法 柴油机机油滤清器的正确使用与维护 基于嵌入式的环境试验设备控制系统设计相关推荐 基于划小分