大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統設計研究

王克群

摘 要：通過大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的軟件開發設計，提高離心通風機的集成智能控制能力，傳統的控制系統采用X86架構的GNU開發工具進行控制系統集成設計，系統的多線程處理性能和控制精度不好。在嵌入式Linux內核驅動環境下進行系統的軟件開發，進行大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統軟件模塊的總體設計及功能指標分析，大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統主要由進程管理、內存管理、文件系統、設備管理、網絡系統等子系統組成。實現控制信息的采集、控制數據處理、控制輸出和人機交互。以Linux2.6.32內核為平臺，進行控制算法程序加載，采用Qt/Embedded 4.6創建控制系統在嵌入式設備上的圖形用戶接口，實現可視化控制，完成離心通風機集成智能控制程序的編譯、安裝，實現軟件集成設計。系統調試和測試結果表明，采用該大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統進行智能控制，輸出誤差較低，控制穩定性較好，面向對象性較優，較優較好的控制品質。

關鍵詞：大型軍用倉庫通風機；智能控制；軟件開發；嵌入式Linux

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

Design and research on integrated intelligent control system for large scale military warehouse

WANG Kequn

（No. 91640 Troops of PLA， Zhanjiang Guangdong 524064， China）

Abstract： Through the software design and development of integrated intelligent control system of large scale warehouse ventilation， improve the integrated intelligent control ability， the traditional control system uses X86 architecture GNU development tools for the integrated design of the control system， the system of the multi thread processing performance and control precision is not good. Software development in the embedded system Linux kernel environment， analysis of large scale military warehouse ventilation control system software module integrated intelligent design and function， to form a large military warehouse fan integrated intelligent control system is mainly composed of process management， memory management， file system， device management， network system. Control information acquisition， control data processing， control output and human-computer interaction. Based on Linux2.6.32 platform， control algorithm program load， using Qt/Embedded 4.6 to create a control system in embedded devices on the graphical user interface， visual control， complete the centrifugal fan integrated intelligent control program is compiled， installed software， integrated design. System debugging and test results show that the large scale warehouse fan integrated intelligent control system of intelligent control， the output error is low， control stability， object oriented is better than control， good quality.

Key words： large military warehouse fan； intelligent control； software development； embedded Linux

0 引言

大型軍用倉庫存儲武器和戰備物資，對倉庫的防潮和通風性能具有較高的要求。隨著集成自動控制技術的不斷發展，對控制系統的控制魯棒性和控制的品質要求越來越高，采用嵌入式控制芯片結合控制系統的軟件設計，進行大型軍用倉庫通風機的集成智能控制，能有效提高大型軍用倉庫通風機的機電控制、電氣控制等方面的控制性能。大型軍用倉庫通風機是建立在物聯網環境下的，通過信息傳感設備，實時采集大型軍用倉庫通風機的工況信息，實現對大型軍用倉庫通風機的實時監控和信息通信，在物聯網環境下，進行對大型軍用倉庫通風機的集成控制，將在計算機測量與微機控制等領域展示較高的應用前景，相關的控制系統設計受到人們的關注。

對大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的開發設計主要分為硬件設計和軟件設計兩大部分，本文在前期的硬件設計的基礎上，重點對通風機控制系統的軟件模塊進行開發設計，傳統方法中，對大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的設計方法主要有ARM尋址技術的軟件開發方法、基于GPRS通信接口設計和PID模糊神經網絡控制的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統開發方法、基于Android嵌入式系統的離心通風機多模集成智能控制方法等[1-3]，通過嵌入式軟件開發設計，實現了大型軍用倉庫通風機多模集成智能控制，取得了較好的控制品質，相關文獻進行了具體的論述，其中，文獻[4]提出一種基于射頻識別RFID技術和多模VIX總線控制的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統設計方法，通過遠程監測、智能傳感器數據采集和遠程多模式操控，實現對大型軍用倉庫通風機的智能控制，但是該控制系統在采用AD7656驅動主控系統進行控制程序加載中，容易產生基線漂移和失真，控制的收斂性不好。文獻[5]提出一種基于IEEE488.2標準下Bus采集的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的軟件開發，在主機agent發送的各種監測數據進行控制程序加載，構建HP E1485A/B多?？刂颇K，進行通風機的魯棒性控制，取得了較好的控制效果，但是該系統使用Qt/Embedded作為GUI，在控制器的人機交互模塊產生數據誤碼輸出，控制系統的穩健性不好，傳統的控制系統采用X86架構的GNU開發工具進行控制系統集成設計，系統的多線程處理性能不好。

針對上述問題，本文提出一種基于嵌入式Linux內核驅動環境下的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的軟件開發設計方法，首先進行了大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的總體設計和功能模塊分析，進行嵌入式Linux的體系結構構架，在Linux內核大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的子系統分別是進程管理、內存管理、文件系統、設備管理、網絡系統等，對控制系統進行軟件開發集成設計，最后通過系統調試和仿真實驗進行了性能測試，本文設計的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統表現出了較好的控制穩健性，得出有效性結論。

1 總體設計及功能指標分析

1.1 大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統總體設計

首先分析大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統總體設計并進行功能模塊分析和介紹，大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統建立在通用計算機平臺上，控制系統可以在不同的操作系統上進行大型軍用倉庫通風機的機電信息采集和數據加工處理，為了提高控制系統的兼容性，大型軍用倉庫通風機控制系統可以安裝windows系統，也可以安裝Linux系統。大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統采用ARM作為核心控制單元，在嵌入式Linux的內核結構中進行軟件開發設計，集成智能控制系統采用的是PID控制算法，進行大型軍用倉庫通風機的進程管理和控制信息數據調制解調處理，通過CAN發送程序[6-9]。

在大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統設計中，Linux內核由幾個重要的子系統組成，分別是進程管理、內存管理、文件系統、設備管理、網絡系統等。其中，離心通風機集成智能控制系統的進程管理主要完成進程的創建、中止、進程間的通信及任務調度，這個是Linux內核最核心的地方，由于Linux中可以支持多個文件系統，能實現多線程管理和控制。進程管理的相關文件是在Linux內核源碼目錄的kernel中實現的，在系統的開發過程中需要良好的人機交互能力，在控制系統的接口程序部分，需要構建可視化的操作界面，系統使用Qt/Embedded作為GUI，進行控制系統的可視化操作，根據上述分析，構建大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統軟件模塊總體設計框圖如圖1所示。

1.2 控制系統的功能模塊技術指標分析

根據上述對大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統軟件模塊總體設計結構，進行系統的功能模塊分析，本文設計的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的技術指標描述如下：

（1）大型軍用倉庫通風機控制信息采集的多通道數據記錄動態范圍：-40dB～+40dB，PCI總線模塊的放大量為100dB，輸出控制信息的幅度 V；

（2）集成智能控制系統中收發轉換采樣通道：8通道同步、異步輸入；

（3）離心通風機的控制信息離散采樣率： 200 KHz；

（4）VME總線傳輸的A/D分辨率：10位（至少）；

（5）編譯內核的D/A分辨率：12位（至少）；

（6）MXI總線控制的D/A轉換速率： 200KHz；

根據上述功能模塊分析和控制系統的技術指標描述，進行大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的軟件開發設計。

2 控制系統軟件開發設計與實現

2.1嵌入式Linux定制及內核結構構建

在上述進行了大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統軟件模塊的總體設計及功能指標分析的基礎上，進行控制系統的軟件開發模塊化設計，對大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的嵌入式Linux內核結構進行構建，采用了Make menuconfig 進行大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統內核的配置。大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統Linux內核配置過程如圖2所示。

圖2 大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統Linux內核配置過程

Fig. 2 Large scale military warehouse ventilator integrated intelligent control system Linux kernel configuration process

在圖2所示的集成智能控制系統Linux內核配置選項中，使用make menuconfig命令進行配置，配置完成后，進行大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的嵌入式Linux定制和控制程序的編譯，編譯主要代碼描述為：

Generates Settings --->

Mkyaffsimage filesystem --->

[*]downloaded //通風機集成智能控制算法下載

Applets links（as soft-links） --->

（/home/Documents/nfs） linux-gnueabi Installation prefix

[*]Lash（arm-angstrom-linux）// lib目錄下提供內核

根據上述分析，實現大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的控制算法編譯和程序加載。

2.2 集成智能控制系統的軟件開發功能模塊實現

在上述進行了大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的嵌入式Linux內核結構設計和程序編譯的基礎上，進行軟件的模塊化開發和多線程控制設計，軟件設計以Linux2.6.32內核為平臺，通過網線、232串口、USB進行控制系統的應用程序開發，大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的邏輯時序控制信號通過高性能的MAX7000AE嵌入式處理芯片進行控制算法程序加載，通過調用request_irq（）函數來申請離心通風機集成智能控制的中斷，調用free_irq（）函數來釋放離心通風機集成智能控制的時鐘中斷，中斷字設計為：

#define MISC_ MISC_DYNAMIC 255 //主設備號

#define s3c2440_pwm "pwm"http://設備文件名

int ret unregister_chrdev（）；

ret = s3c2440_pwm_open（&misc;）；

在成功向離心通風機集成智能控制系統注冊了設備驅動程序后，分別對s3c2440_pwm_open，s3c2440_pwm_close和s3c2440_pwm_ioctl三個函數進行編程，用DDS（直接數字合成）技術芯片AD9850進行控制系統的AD轉換和數據采樣調試，采用4片AD8582用于送模擬信號預處理機進行/IOSTRB譯碼，采用Server/Client實現上位機通信，先用WIN32 API函數CreateFile（ ）函數打開設備，s3c2440_pwm_ioctl的程序定義為：

static struct miscdevice misc = {

.minor = struct inode *inode _MINOR，

.name = struct file *filp，

.fops = &dev;_fops s3c2440_adc，

}；

其中，s3c2440_adc_open（）和s3c2440_adc_release（）負責控制大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統中嵌入式進程的S3C2440內部A/D轉換的打開和關閉，輸入命令source install-qt-embedded-x86.sh，開始離心通風機集成智能控制的可視化程序的編譯、安裝，如圖3所示。

安裝完成后，會在指定的安裝目錄下生成Qt/Embedded，在控制系統的用戶界面中，首先需要選擇測量模式和控制模式，實現系統的可視化智能控制。

3 系統仿真實驗與調試

為了測試本文設計的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的應用性能，進行系統調試和仿真實驗分析，實現性能測試，實驗中，在嵌入式設備上運行Qt C++ API，Qt/Embedded的加載程序，在Qt/X11中構建大型軍用倉庫通風機集成智能控制的Linux內核，調試過程使用Agilent 33220A 函數信號發生器，實時時鐘電壓3.3V，內核電壓1.26V，打開Visual DSP++自帶的ICE Test掃描JTAG口進行控制信號采集，采集的輸入通道為4塊采集卡的任意通道，得到大型軍用倉庫通風機控制參量采集通道可視化模塊如圖4所示。

根據圖4的系統界面進行采集參數設定，進行控制性能測試仿真，大型軍用倉庫通風機控制信號輸入為兩個疊加的不同頻率正弦波，采用本文設計的控制系統，進行控制信息處理和PID控制算法加載，實現大型軍用倉庫通風機的遠程多線程智能控制，得到控制的輸入輸出波形如圖5所示。

從圖可見，采用本文設計的大型軍用倉庫通風機控制系統，能有效實現大型軍用倉庫通風機的集成智能控制，具有較好的輸出控制增益，提高了控制的精度和品質，為了對比性能，采用本文方法和傳統方法，以控制輸出的電機電壓偏移為測試指標，得到對比結果如圖6所示，從圖可見，采用本文方法進行大型軍用倉庫通風機控制，輸出性能較好，誤差較低，失真較小，展示了較好的控制魯棒性和品質。

圖6 控制性能對比

Fig. 6 Control performance comparison

4 結束語

本文采用嵌入式控制芯片結合控制系統的軟件設計，進行大型軍用倉庫通風機的集成智能控制，能有效提高大型軍用倉庫通風機的機電控制、電氣控制等方面的控制性能。本文提出一種基于嵌入式Linux內核驅動環境下的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的軟件開發設計方法，首先進行了大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統的總體設計和功能模塊分析，進行嵌入式Linux的體系結構構架，實現集成智能控制系統的模塊化集成設計和軟件開發，系統測試結果表明，采用本文設計的大型軍用倉庫通風機集成智能控制系統，能有效提高控制精度和品質，控制系統的可視化人機交互性能和兼容性能較好，展示了較好的應用價值。

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