基于ARM的電熱爐溫度采集與控制系統(tǒng)

關(guān)珊珊，管 強(qiáng)

（青島大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院黃島分院 后勤保障部，山東 青島266555）

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中熱處理技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對熱處理過程中精確度和可靠性方面的要求也不斷提高，電熱爐作為熱處理中的一種重要工具，其溫度檢測和控制就顯得格外重要。

當(dāng)前的溫度采集與控制系統(tǒng)多以單片機(jī)為核心，雖然能夠滿足數(shù)據(jù)采集與控制的基本要求，但其終端功能較少，采樣精度和速度較低，系統(tǒng)的設(shè)計復(fù)雜，升級困難，兼容性和可讀性較差，數(shù)據(jù)不易長期存儲，對以后的發(fā)展帶來了諸多不便。

本文以時下廣泛應(yīng)用的嵌入式微型處理器ARM為核心，搭載嵌入式WINCE操作系統(tǒng)，設(shè)計研發(fā)了一套高精度溫度采集與控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的硬件設(shè)計、底層驅(qū)動以及系統(tǒng)中軟件功能的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)及硬件構(gòu)成

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)采取嵌入式處理器搭載嵌入式系統(tǒng)的模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并根據(jù)數(shù)據(jù)的反饋對溫度進(jìn)行控制。

系統(tǒng)采用三星公司的ARM9系列S3C2440A芯片，將外部傳感器的數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波、放大等一系列處理后，利用內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬量到數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)換，最高轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)2.5 MHz；數(shù)據(jù)傳遞到ARM內(nèi)，在LCD顯示器上進(jìn)行顯示，顯示結(jié)果經(jīng)過系統(tǒng)處理后，可采用多種方式進(jìn)行顯示，如曲線顯示、數(shù)字顯示等。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過模糊算法處理后，與預(yù)先設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，將結(jié)果反饋到控制器中進(jìn)行控制；本系統(tǒng)采用自動控制和手動控制兩種方式對溫度進(jìn)行控制操作。

系統(tǒng)搭載的WINCE操作系統(tǒng)功能強(qiáng)大，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時直觀顯示的同時，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以便以后查詢使用；其便于操作的界面和良好的人機(jī)交互性，使得操作和管理更加方便[1]。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的處理核心為Samsung公司的S3C2440A芯片。其主頻為 400 MHz，最高可達(dá) 533 MHz，32 bit總線，使得數(shù)據(jù)處理與傳輸都有較快的速度；內(nèi)部有8路10 bit內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器，最高轉(zhuǎn)換頻率為 2.5 MHz，使得采樣精度較高；外部傳感器根據(jù)具體精度要求可以選用不同精度的傳感器；外部校正電路是由運(yùn)放和電阻電感組成的濾波和放大電路，對外部干擾進(jìn)行硬件消除；控制執(zhí)行電路由繼電器進(jìn)行操作；擴(kuò)展有串口、RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口、USB接口和SD卡槽等多種接口，便于以后升級[2]。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

對于整個系統(tǒng)而言，軟件的設(shè)計關(guān)系到數(shù)據(jù)采集和控制的精確性和穩(wěn)定性，在高速數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中更是對軟件的設(shè)計提出了更高的要求。軟件的設(shè)計主要包括ARM內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動、溫度的控制以及數(shù)據(jù)存儲的實(shí)現(xiàn)。

2.1 內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)

ARM內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換是通過對S3C2440A內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換相關(guān)寄存器進(jìn)行操作來實(shí)現(xiàn)的，其主要包括ADCCON(ADC控制寄存器)、ADCDAT(ADC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器)及ADCDLY(ADC開始延時寄存器)等。ADCCON控制寄存器主要用來設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器的相關(guān)參數(shù)，在初始化過程中，要在ADCCON中設(shè)置預(yù)分頻器值、模擬輸入通道以及A/D轉(zhuǎn)換使能等控制變量，在ADCDLY中設(shè)置開始延時值；在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，ADCDAT的0～9數(shù)據(jù)位儲存A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)值，通過底層驅(qū)動的映射，在WINCE中對ADCDAT中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取即可獲得傳感器A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)[2]，如圖2所示。

WINCE系統(tǒng)中，應(yīng)用程序通過文件系統(tǒng)，以訪問文件的形式訪問驅(qū)動程序，調(diào)用IOCTL向驅(qū)動程序傳遞各種指令，底層驅(qū)動通過DeviceManager與ARM的底層硬件進(jìn)行交流。其示意圖如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，采用流驅(qū)動形式完成底層硬件的訪問，流驅(qū)動是WINCE下的一種常規(guī)驅(qū)動，其作為硬件功能的一種軟件抽象，將硬件功能以函數(shù)的形式提供給外部應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)，應(yīng)用程序通過流驅(qū)動接口函數(shù)與外部應(yīng)用程序進(jìn)行通信。常用的流驅(qū)動程序接口 函 數(shù) 主 要 有 XXX_Close、XXX_Init、XXX_Open、XXX_IOControl、XXX_Read、XXX_Write 等(其 中 “XXX” 為 驅(qū) 動 名稱)。當(dāng)外部應(yīng)用程序調(diào)用與流驅(qū)動相關(guān)函數(shù)時，自動調(diào)用相應(yīng)的流驅(qū)動接口函數(shù)，完成與驅(qū)動的交流。例如，當(dāng)外部應(yīng)用程序調(diào)用DeviceIoControl時，驅(qū)動就會調(diào)用XXX_IOControl。根據(jù)IO_CTL_XXX的數(shù)值決定執(zhí)行何種操作。

本系統(tǒng)中，在WINCE外部應(yīng)用程序中調(diào)用Create-File()函數(shù)，底層驅(qū)動便會響應(yīng) XXX_Open函數(shù)，通過文件的形式打開底層驅(qū)動。驅(qū)動通過DeviceManager獲得硬件中A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，在A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器0～9數(shù)據(jù)位存儲A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。外部應(yīng)用程序通過調(diào)用ReadFile()函數(shù)，調(diào)用底層驅(qū)動程序中的XXX_Read函數(shù)，讀取底層驅(qū)動中的內(nèi)容，獲得寄存器中的數(shù)據(jù)[3-4]。

2.2 溫度控制的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)在測量溫度的同時，要對溫度的高低進(jìn)行控制，以期使溫度滿足一定的要求，因此，溫度控制的實(shí)現(xiàn)也是本系統(tǒng)中的一個重要功能。

2.2.1 溫度控制總體設(shè)計

溫度由固態(tài)繼電器控制電加熱絲實(shí)現(xiàn)，繼電器的控制信號由ARM的PWM輸出控制，與A/D轉(zhuǎn)換相似，PWM的信號由應(yīng)用程序調(diào)用流驅(qū)動接口函數(shù)控制相應(yīng)的寄存器來實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)的溫度控制分為自動模式和手動模式。自動模式情況下根據(jù)檢測到的傳感器數(shù)據(jù)，按照預(yù)先設(shè)定好的程序控制繼電器，對電熱爐進(jìn)行加熱；切換到手動模式時，會屏蔽自動模式的程序，根據(jù)用戶的要求來執(zhí)行繼電器的相應(yīng)操作。

在自動模式的程序設(shè)計中，當(dāng)溫度低于某一設(shè)定值(即臨界溫度)時，啟動相應(yīng)的繼電器進(jìn)行加熱，加熱爐采用不同功率的電熱絲，溫度越低啟動電熱絲的功率越大，以使溫度能夠快速回到目標(biāo)溫度；考慮到電熱絲加熱后會有余溫，在距離目標(biāo)溫度尚有一定距離時，即停止加熱（停熱溫度），余溫會使溫度繼續(xù)上升，當(dāng)溫度下降之后再啟動繼電器，根據(jù)下降的溫度不同，再次啟動不同功率、不同數(shù)量的電熱絲進(jìn)行工作，如圖4所示。

在手動調(diào)節(jié)模式下，會對自動模式中的程序進(jìn)行屏蔽，而只是根據(jù)操作者的規(guī)定進(jìn)行調(diào)節(jié)。手動模式可以根據(jù)需要在自動模式需要關(guān)閉的情況下進(jìn)行短時間的控制。

2.2.2 溫度精確控制的實(shí)現(xiàn)

電熱爐應(yīng)用場合一般比較復(fù)雜，受到較多的干擾，其具有嚴(yán)重的非線性以及時變性，確定模型的常規(guī)控制方法很難實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。

傳統(tǒng)的模糊控制方法是將不確定的控制對象模型變量用模糊條件語句進(jìn)行描述，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定模型的各個參數(shù)及控制規(guī)則；自適應(yīng)控制方法是通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)、聯(lián)想、類比等能力來調(diào)整控制參數(shù)的權(quán)值、減小誤差的一種控制方法，具有很好的容錯性和魯棒性。本系統(tǒng)采用模糊控制與自適應(yīng)控制相結(jié)合的方法，結(jié)合兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到對溫度的精確控制[5]。

本系統(tǒng)建立單輸入、單輸出模型，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立起模糊子集及隸屬度函數(shù)表[5]，如圖 5所示。用 PL、PM、PS、PO、NO、NS、NM、NL 等模糊語言表示輸入與輸出之間的偏差e和偏差率Δe。先將偏差的變化范圍設(shè)定為-6～+6，把數(shù)值分布到各個檔位，對精確量進(jìn)行模糊化處理，然后再將實(shí)際數(shù)值x通過公式轉(zhuǎn)換為+6～-6之間的數(shù)值 y，通過模糊算法器輸出一個相應(yīng)的模糊集，經(jīng)過模糊判決輸出控制量的精確數(shù)值，控制被控對象進(jìn)行輸出，實(shí)際輸出量又形成一個閉環(huán)反饋。控制方案如圖6所示。

系統(tǒng)中加入性能測試部件、控制量校正部件和控制規(guī)則修正部件，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自適應(yīng)控制。

系統(tǒng)建立有性能量測規(guī)則表和性能量測表[5]。性能測試部件測量出偏差量e，并根據(jù)模糊集方法得到性能量測規(guī)則表，進(jìn)而計算出性能量測表，如圖7所示。根據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)得出輸出特性校正量P(nT)，控制量校正部件根據(jù)公式γ(nT)=KP(nT)計算出過程輸入量的校正量γ(nT)，其中 K為校正系數(shù)[5-6]，T為采樣周期，n為采樣序列。

根據(jù)得到的最新的校正量與前一次的偏差、偏差變化率以及控制量，由控制規(guī)則修正部件建立新的控制規(guī)則以及相關(guān)的校正系數(shù)并儲存，作為下一次的校正規(guī)則。

如此循環(huán)，達(dá)到自動調(diào)整控制規(guī)則以適應(yīng)新變化的目的，以160℃控制為例，其仿真圖如圖 8所示，其中曲線①為模糊自適應(yīng)控制，曲線②為普通PID控制。

根據(jù)輸出量，執(zhí)行單元設(shè)置PWM波的占空比，調(diào)節(jié)固態(tài)繼電器信號，控制電熱絲的加熱間隙，對電熱爐進(jìn)行加熱，并根據(jù)溫度的高低啟用不同的電加熱絲，令系統(tǒng)的溫度控制執(zhí)行單元更加精確。

2.3 數(shù)據(jù)存儲的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)另一個重要作用是將外部傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以備后續(xù)的查詢使用。

系統(tǒng)擴(kuò)展在板128 MB Nand Flash存儲以及支持32 GB的外部SD擴(kuò)展槽，為數(shù)據(jù)存儲提供了足夠的空間。系統(tǒng)搭載有WINCE操作系統(tǒng)，其支持嵌入式數(shù)據(jù)庫的操作，為數(shù)據(jù)的存儲提供了軟件支持。

系統(tǒng)存儲功能利用ADOCE實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用程序采用ADO技術(shù)通過OLE可以對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問和處理。數(shù)據(jù)庫訪問原理如圖9所示。ADOCE是微軟公司為WINCE所有數(shù)據(jù)類型提供的戰(zhàn)略性高級接口，為數(shù)據(jù)訪問提供了一種高性能、統(tǒng)一的方式，為WINCE操作系統(tǒng)中增加了一種新的數(shù)據(jù)庫功 能[3，7]。

本系統(tǒng)利用 ADOCE，在WINCE系統(tǒng)下調(diào)用ADO的一系列對象，如Connection、Recordset、Field、Error 函 數(shù) ，在ARM內(nèi)部存儲空間中創(chuàng)建Access數(shù)據(jù)庫，在Access中創(chuàng)建相應(yīng)的表格，表格中除了存儲數(shù)據(jù)之外，還可以根據(jù)要求存儲時間、日期。存儲的數(shù)據(jù)可為以后的工作提供查詢、借鑒。

本套系統(tǒng)采用嵌入式處理器，實(shí)現(xiàn)了對加熱爐溫度精確、快速的采集與控制，嵌入式系統(tǒng)的搭載，克服了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端的缺點(diǎn)，使得爐內(nèi)溫度的顯示更加形象直觀，控制更加方便。模糊自適應(yīng)控制使得溫度控制更加精準(zhǔn)。嵌入式處理器與系統(tǒng)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一系列如爐體溫度存儲、溫度超限報警提示等功能，整個系統(tǒng)在軟件和硬件方面的兼容性和可擴(kuò)展性都很強(qiáng)，便于系統(tǒng)間的交流和日后升級。隨著嵌入式處理器和嵌入式系統(tǒng)的不斷完善與發(fā)展，此電熱爐溫度采集與控制系統(tǒng)的設(shè)計理念將會有很好的實(shí)用和參考價值。

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