基于嵌入式的環境試驗設備控制系統設計

摘要：為提高環境試驗設備控制系統的控制精度與穩定性，實現國內環境試驗設備控制系統的自主化設計，提出了一種基于嵌入式技術的環境試驗設備控制系統。控制系統包括控制器、測控模塊，其中控制器以ARM Cortex-A9四核微處理器為核心，負責人機界面的運行、邏輯運算、I/O與PID控制;測控模塊以LPC1758為核心，采用24位高精度ADC，負責設備整機參數的采集;I/O模塊包含多路繼電器輸出與晶體管輸出，集成了電子膨脹閥控制輸出。該控制系統的控制精度與穩定性滿足環境試驗設備的控制要求，更為環境試驗設備的發展與升級提供了良好的硬件基礎，具有相當大的應用價值。

引言

　　環境試驗設備是一種根據設計不同，而具備模擬一種或多種綜合環境氣候功能的自動化設備，為各種環境試驗的實現提供了高效可靠途徑。企業或機構在產品設計、研發、制造過程中，可通過環境試驗設備對材料、零部件或產品整機進行各種環境試驗，如高溫、高濕、鹽霧、砂塵、雨淋、凝露等環境試驗，有效地驗證材料或產品是否達到相應標準所要求的質量與可靠性^[1]。因此，環境試驗設備是大多數企業與機構驗證材料或產品可靠性所必不可少的設備。

　　控制系統作為環境試驗設備的最核心組成部分，它的控制精度直接影響到該設備所做環境試驗的準確性與可信性。目前環境試驗設備控制系統的應用型式主要分為通用型與專用型。其中通用型控制系統指的是，傳統的人機界面(HMI)與可編程控制器(PLC)的組合控制方式，或工業PC組態軟件與PLC的組合控制方式;專用型控制器指的是，針對不同環境試驗設備的控制特性開發出來的專用控制器。國內專用型環境設備控制器領域相對國外較為空白，這也是造成國內環境試驗設備精度與穩定性普遍不如國外環境設備的主要原因，因此專用型控制器的研發對國內環境試驗設備的發展具有相當大的意義。

1 設計原理

　　本文中的環境設備控制系統，主要面向溫度類環境試驗設備，如高溫試驗箱、高低溫試驗箱、冷熱沖擊試驗箱、恒溫恒濕箱、濕熱箱等[2]。而溫度類環境試驗設備通常由主箱體、加熱系統、制冷系統、風循環系統、主控制系統組成，如圖1所示。

　　其中整個設備的主要控制對象包括：制冷系統中的制冷壓縮機、電子膨脹閥及控制冷量排放的電磁閥;風循環系統的離心風機;加熱系統中的固態繼電器與交流接觸器。

　　整個設備的主要測量參數包括：制冷系統中的壓縮機排氣回氣的溫度與壓力、冷凝器出口溫度、蒸發器出入口溫度、 壓縮機工作電流電壓值;風循環系統中的風機溫度、工作電流電壓值;加熱系統中的電加熱器的工作電壓電流值;箱內的溫濕度等。

　　在上述測量參數中，部分參數與設備的控制過程并無直接關系，如壓縮機與風機的工作電壓電流、風機轉速與風速等。但是，隨著現代科技工業信息技術的迅速發展，在航天、航空、工業應用等各個領域的設備與系統對可靠性、安全性與經濟性的要求越來越高，促使故障預測和健康管理(Prognostics and Health Management, PHM)[3-4]逐漸成為工業設備的主流發展方向之一。但是PHM系統是需要建立在全面監測設備的運行狀況的基礎上，而使用通用型PLC控制系統的情況下，過多的參數采集意味著PLC模塊的增加，不但提高了設備的制造成本，也讓設備控制系統的體積變得臃腫。為此，本文提出了一種基于嵌入式的控制系統，通過利用嵌入式系統開發自由度高、成本低、針對性強、實時性高、集成度高的方案，實現設備的整機運行參數監控;且更易實現復雜的算法運算，提高設備的控制精度與穩定性，如設備的模糊PID控制算法，防脈沖干擾平均濾波、限幅平均濾波法等數字濾波算法。

2 控制系統硬件設計

　　控制系統由控制器與測控模塊組成;其中測控模塊包括I/O模塊與測量模塊，均采用模塊化設計，針對設備所需的配置進行模塊式增減;而控制器僅需針對不同配置的設備作出相應的軟件設置或調整。這樣不僅能低成本地采集設備整機運行參數;又能提高控制系統的集成度，減小控制模塊的體積。控制系統硬件框架如圖2所示，控制器獲得測量模塊將所采集設備整機參數后，根據控制設定對I/O模塊進行I/O與PID控制輸出。

　　控制器與I/O模塊、測量模塊間采用基于485接口Modbus協議的通訊方式。由于Modbus總線廣泛應用于儀器儀表、智能高低壓電器、變送器、可編程控制器、人機界面、變頻器、現場智能設備等諸多領域，因此，使得控制器與I/O模塊、測量模塊擁有極大的可擴展性與獨立成為產品的可能性。

2.1 控制器硬件設計

　　本嵌入式控制器是基于ARM Cortex-A9四核微處理器的硬件開發平臺，主要負責控制系統中人機界面的運行、邏輯運算、I/O與PID控制。硬件平臺采用的Exynos4412處理器擁有高性能的數據處理能力以及較為完備的硬件接口，為構建Linux嵌入式系統提供了良好的硬件基礎。控制器硬件開發平臺的功能框圖如圖3所示，板載WIFI、3G模塊、10M/100M自適應網卡、10.1寸觸摸LCD、4路USB HOST等。

　　硬件平臺支持從eMMC或SD卡啟動，eMMC用于燒寫系統鏡像，因此控制器上電后默認從eMMC啟動;而SD卡啟動功能可與 USB OTG配合實現快速升級固件及系統軟件。WIFI、WCDMA 3G、LAN等網絡接口均用于不同情況下控制器與互聯網的連接，為實現設備的遠程控制、遠程故障預警或報警、專家遠程故障診斷等新型應用提供了硬件支持。

　　為了保證控制器能與測控板實現高速實時可靠的通訊，本控制器兩路RS485通訊電路設計均基于ADM2483。ADM2483是集成通訊隔離的RS485收發器件，最高通訊速率可達500kbps，在保證通訊速率與抗干擾能力的前提下，避免了采用光耦隔離設計需占用較大PCB布局面積的情況。且ADM2483采用了限擺率設計，把壓擺率降控制在一個適當的水平，能降低不恰當的終端匹配與接頭產生的誤碼。而通訊模塊的接口電路則采用了限流限壓的設計，如圖5所示，穩壓管D1、D2與自恢復保險絲PTC1與PTC2對接口電路形成了一個有效的保護，提高了485通訊模塊的電氣可靠性。