基于嵌入式的环境试验设备控制系统设计

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ARM Cortex-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。

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^[1]。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。

1 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[2]。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(Prognostics and Health Management, PHM)[3-4]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。

2 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ARM Cortex-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USB HOST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 USB OTG配合实现快速升级固件及系统软件。WIFI、WCDMA 3G、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D1、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。