基于嵌入式系統(tǒng)的智能溫度控制研究

李巧俠

(西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程學(xué)院，西安 710600)

0 引言

中國(guó)工業(yè)控制行業(yè)發(fā)展迅速，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，一些復(fù)雜的工控區(qū)域拓展到相當(dāng)復(fù)雜的區(qū)域，在復(fù)雜區(qū)段進(jìn)行溫度控制存在一定的風(fēng)險(xiǎn)性[1]。在復(fù)雜環(huán)境下，溫度控制系統(tǒng)的輸出電壓和功率可能存在失穩(wěn)，需要對(duì)相對(duì)復(fù)雜區(qū)段溫度進(jìn)行有效監(jiān)控，結(jié)合穩(wěn)壓控制和功率放大設(shè)計(jì)，提高溫度控制系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性，研究復(fù)雜區(qū)段智能溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，在促進(jìn)工控設(shè)備的建設(shè)，確保設(shè)備運(yùn)行安全方面具有重要意義[2-4]。

本文進(jìn)行復(fù)雜工業(yè)設(shè)備應(yīng)用區(qū)段智能溫度控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述和功能技術(shù)指標(biāo)分析，然后進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境區(qū)域溫度輸出的穩(wěn)壓特性分析和參數(shù)計(jì)算，最后進(jìn)行系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行系統(tǒng)仿真測(cè)試。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)描述和技術(shù)指標(biāo)分析

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境區(qū)域智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分析和功能指標(biāo)描述。系統(tǒng)采用HP E1433A高速電壓分析技術(shù)進(jìn)行溫度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)系統(tǒng)的輸出電壓特征進(jìn)行穩(wěn)壓測(cè)試，確保溫度控制的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)電源電路進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)溫度控制，采用觸發(fā)器進(jìn)行總線觸發(fā)。采用嵌入式的ARM Cortex-M0處理器作為溫度監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)壓控制內(nèi)核，構(gòu)建傳感模塊進(jìn)行溫度檢測(cè)，設(shè)計(jì)調(diào)制器進(jìn)行溫度控制的動(dòng)作電壓和載波系數(shù)分析，采用頻率調(diào)制和振幅調(diào)制相結(jié)合的方法進(jìn)行壓電控制和溫度頻譜分析，在溫度接收器的信號(hào)輸入端，設(shè)計(jì)溫度輸出電壓的交流放大器，采用高通濾波檢測(cè)方法進(jìn)行溫度輸出的自適應(yīng)濾波，抑制信號(hào)的低頻特征分量和噪聲分量，采用自動(dòng)增益放大控制方法提高溫度的輸出電壓穩(wěn)定性，采用直流放大器進(jìn)行信號(hào)接收和穩(wěn)態(tài)放大，提高信號(hào)的輸出信噪比，放大器總共的放大倍數(shù)為50 000倍，在檢波器設(shè)計(jì)中，采用兩級(jí)放大級(jí)聯(lián)的方法進(jìn)行溫度輸出電壓轉(zhuǎn)換和檢波處理，設(shè)計(jì)交流放大器進(jìn)行溫度輸出電壓轉(zhuǎn)換[3]，根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)描述，得到智能溫度控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架,如圖1所示。

圖1 智能溫度控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)需求和溫度環(huán)境實(shí)際情況，得到本文設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：

(1) 采用PXI-8155總線控制技術(shù)進(jìn)行溫度輸出轉(zhuǎn)換和輸出信號(hào)采樣，信號(hào)接收器的信道控制的采樣率：≥1 200 kHz[5]；

(2) 在A/D模塊中信號(hào)調(diào)制、解調(diào)的分辨率：12位(至少)；

(3) 載波相位的初始幅值為5 V，監(jiān)控系統(tǒng)通帶中的頻譜分量為22 dB，選頻濾波的輸出電流低于2μA，頻譜集中在工作頻率f0附近的頻譜寬度為100～2 000 Hz。

(4) 有效監(jiān)控信號(hào)的D/A轉(zhuǎn)換速率：≥120 kHz。

(5) 輸入電壓滿足：

AVSS-0.3 V

AVSS-0.3 V

2 系統(tǒng)等效電路模型和穩(wěn)壓參數(shù)計(jì)算

根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)分析，T型等效電路進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境區(qū)域智能溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),如圖2所示。

圖2 溫度控制監(jiān)控系統(tǒng)等效電路傳模型

設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行溫度輸出的轉(zhuǎn)換控制，在穩(wěn)態(tài)情況下，初級(jí)電路的電流有效值Io，次級(jí)電路的輸出電流值Ir，通過(guò)整流處理后的輸出電流Is分別為式(1)—式(3)。

(1)

(2)

(3)

在最大功率傳輸控制下，智能溫度控制系統(tǒng)的輸出反射阻抗Zrl為式(4)。

(4)

在特殊突發(fā)條件下，計(jì)算溫度損耗Zrl，穩(wěn)壓阻抗Zsr，磁損耗Zps分別為式(5)—式(9)

(5)

(6)

(7)

在溫度頻率穩(wěn)定的條件下，得到溫度輸出的功率為[6]式(8)。

(8)

計(jì)算溫度輸出電能傳輸效率如式(9)

(9)

綜上分析，計(jì)算溫度監(jiān)控系統(tǒng)的繞組的阻抗Rp和負(fù)載Rs，根據(jù)上述參量計(jì)算結(jié)果，進(jìn)行最優(yōu)穩(wěn)態(tài)輸出電壓控制，提高復(fù)雜環(huán)境區(qū)域溫度的穩(wěn)定性。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述總體設(shè)計(jì)模型分析和溫度監(jiān)控系統(tǒng) 的輸出參量計(jì)算，進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，本文設(shè)計(jì)的智能溫度控制系統(tǒng)包括溫度測(cè)試模塊、熱功率放大模塊、微機(jī)控制模塊和穩(wěn)壓控制模塊等，采用ISA總線控制技術(shù)進(jìn)行溫度的輸出電壓穩(wěn)壓控制，在嵌入式的DSP環(huán)境下進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，描述如下：

(1) 溫度測(cè)試模塊。溫度測(cè)試模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度輸出的穩(wěn)態(tài)測(cè)試功能，采用MAXIM公司的5階溫度測(cè)試儀進(jìn)行電壓測(cè)試，采用過(guò)濾芯片進(jìn)行信號(hào)的穩(wěn)定性濾波[7]，得到溫度測(cè)試模塊電路設(shè)計(jì),如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

(2) 熱功率放大模塊。熱功率放大模塊采用VCA810作為功率放大器，通過(guò)DSP控制智能溫度控制系統(tǒng)的輸出電壓，在VCA810微處理器中進(jìn)行熱功率放大控制，得到熱功率放大模塊電路設(shè)計(jì),如圖4所示。

(3) 微機(jī)控制模塊。微機(jī)控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，采用ISA總線控制技術(shù)進(jìn)行溫度的微機(jī)總線控制，設(shè)計(jì)溫度控制放大器進(jìn)行程控放大，得到微機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì),如圖5所示。

(4) 穩(wěn)壓控制模塊。穩(wěn)壓控制模塊由輸出功率放大和檢測(cè)濾波兩部分組成，采用繼電器進(jìn)行動(dòng)態(tài)增益補(bǔ)償，采用DSP進(jìn)行集成信息處理，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓控制，得到穩(wěn)壓控制模塊電路設(shè)計(jì),如圖6所示。

圖4 熱功率放大模塊電路設(shè)計(jì)

圖5 微機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì)

圖6 穩(wěn)壓控制模塊電路設(shè)計(jì)

綜上分析，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境區(qū)域智能溫度控制系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文方法進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境區(qū)域智能溫度控制和穩(wěn)壓控制中的性能，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中的電壓傳輸速率為264 MB/s，輸出功率設(shè)定為2 000 kW，溫漂小于3 ppm/C，穩(wěn)壓輸出范圍為0～1 200 V，A/D采樣位數(shù)為12位，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定，得到溫度監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)壓輸出測(cè)試波形,如圖7所示。

功率輸出測(cè)試波形如圖8所示。

分析圖7和圖8結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境區(qū)域智能溫度控制的輸出性能較好，熱功率增益較大，說(shuō)明抗干擾能力較強(qiáng)，提高了溫度的輸出穩(wěn)定性。

5 總結(jié)

在一些特殊環(huán)境下，溫度的輸出和功率可能存在失穩(wěn)，需要對(duì)復(fù)雜環(huán)境區(qū)域溫度控制進(jìn)行有效監(jiān)控，結(jié)合穩(wěn)壓控制和功率放大設(shè)計(jì)，提高溫度輸出穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)性，本文設(shè)計(jì)的溫度監(jiān)控系統(tǒng)的包括電壓測(cè)試模塊、功率放大模塊、微機(jī)控制模塊和穩(wěn)壓控制模塊等，根據(jù)不同區(qū)域的突發(fā)性導(dǎo)致的輸出電壓不穩(wěn)的特點(diǎn)，采用T型補(bǔ)償電路進(jìn)行穩(wěn)壓補(bǔ)償控制，結(jié)合嵌入式DSP進(jìn)行智能溫度控制系統(tǒng)硬件模塊化設(shè)計(jì)。研究得知，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境區(qū)域智能溫度控制和穩(wěn)壓控制。

圖7 溫度監(jiān)控系統(tǒng)的輸出測(cè)試波形

圖8 熱功率輸出測(cè)試波形