嵌入式智能溼熱室控制器的製作方法
2023-10-08 13:23:44
專利名稱：嵌入式智能溼熱室控制器的製作方法
技術領域：
本發明提出一種嵌入式智能溼熱室控制器，屬於工業控制領域，適用於溼熱室的控制，也適用於工業及民用溫、溼度控制。
背景技術：
溼熱室也稱人工氣候室，一般分為恆定和交變兩類。它是一種大型試驗設備，其工作室空間可從立方米到上千立方米，它可模擬自然界的氣候變化(溫度和溼度)，用以考驗電子電工類產品或材料對自然環境變化的適應性能，廣泛用於工業、農業、化工、衛生、國防等各個領域。國際上，溼熱室研製早已形成規模產業，我國近10年來，在需求的推動下，溼熱室的研製生產快速發展。
溼熱室的主要組成為室體、循環通道、加熱器、加溼器、制冷機及控制器。控制器是溼熱室的核心部件，負責控制溼熱室各部分的協調運行，並保證運行指標(溫、溼度誤差和波動度等)符合國標和國際相關標準。由於溼熱室這一控制對象具有大慣性、強耦合、負載多變等特點，較難控制，因此溼熱室控制器的軟、硬體及其控制策略的設計一直是業界關注的重點。
目前，溼熱室控制器的主流產品是基於單片機設計，國外的基於PLC設計亦應歸為同類，無作業系統支持，軟體不易更新，圖形功能差，網絡功能弱；控制策略多為傳統的PID控制，用戶不易自行設定調整控制規則，控制的自適應性能差。
發明內容
本發明的目的在於提供一種嵌入式智能溼熱室控制器。該控制器除具有現有產品的全部功能外，還具有下述特點廣泛適用於各類恆定和交變溼熱室的實時控制；支持TCP/IP及其它Internet協議，實現遠程控制；具有易於操作的圖形用戶界面及觸控螢幕輸入功能。
本發明是通過下述技術方案加以實現的，一種嵌入式智能溼熱室控制器，其特徵是總體設計硬體以ARM微處理器為核心；作業系統採用剪裁的Linux，配置圖形用戶界面GUI，配備相應的設備驅動程序和應用程式；加熱、加溼採用直接數字驅動技術；控制策略採用模糊控制技術。
上述的ARM微處理器晶片資源分配如下片上A/D用於溫度、溼度等模擬量到數字量的轉換；片上I/O口用於加熱、加溼、製冷的開關控制；也用於觸控螢幕信號輸入及印表機輸出；當外置高精度A/D時，用於輸入A/D轉換的結果；
片上PWM(脈寬調製)口用於加熱、加溼的連續控制；片上總線接口用於乙太網連接及存儲器擴展；片上UART(通信異步收發器)口用於RS232及RS485通信；片上RTC(實時時鐘)用於實時時鐘輸入；片上看門狗定時器用於保證程序的可靠運行；模擬信號的採集及調理傳感器採集的溫度和溼度微弱信號經放大後送入A/D轉換為數位訊號；當ARM微處理器內含的A/D精度滿足設計要求時，直接利用片上A/D；否則，外加高精度A/D轉換晶片。
上述的加熱、加溼的直接數字驅動加熱和加溼控制量輸入到ARM微處理器的PWM，PWM產生相應的調寬脈衝驅動固態繼電器。
上述的設備驅動程序包括LCD驅動程序；觸控螢幕驅動程序；NAND Flash驅動程序；乙太網驅動程序；印表機驅動程序。
上述的應用程式模塊包括數據採集模塊模擬量輸入的多路轉換及A/D轉換；數據處理模塊工程量轉換、定時數據存儲；控制模塊採用模糊控制原理求取控制量；數據分析模塊分析試驗數據，列印試驗結果報表；通信模塊通過RS232或RS454或工業乙太網、Internet網發送數據、接收命令或更新程序；自診斷模塊實現開機自診斷。
上述的控制策略採用二維模糊控制器，輸入為誤差和誤差變化率，輸出為數字控制量，離線製成模糊控制表，將控制過程轉化為在線查表過程。
本發明提出的嵌入式智能溼熱室控制器，作業系統採用剪裁的Linux，配以GUI用戶圖形系統，具有軟體易於更新、圖形功能強、網絡功能強大等優點；硬體採用新型嵌入式晶片，硬體資源豐富，性/價比高；控制策略採用模糊控制，自適應性能優於PID控制，廣泛適用於各類恆定溼熱室和交變溼熱室的實時控制。
圖1為本發明採用三星公司的S3C44B0X實現的硬體框圖；圖2為本發明控制系統的軟體功能框圖。
具體實施例方式
圖1是採用三星公司的S3C44B0X實現本方案的硬體框圖。S3C44B0X是性/價比很高的基於ARM7TDM1核的16/32位RISC的嵌入式微處理器，有豐富的片內硬體資源。
對於中檔溼熱室控制器，要求溫度精度等於或低於10bit，可直接利用S3C44B0X的內部10bitA/D完成模/數轉換109。對於高檔溼熱室控制器，溫度精度高於10bit，可附加12bit～16bitA/D晶片107，實現模/數轉換；本設計中，觸控螢幕信號經ADS7843晶片110轉換送入S3C44B0X。利用S3C44B0X的總線接口，經RTL8019網絡驅動晶片106接入乙太網。本設計也配備了常規RS232、RS485串行通信功能，利用S3C44B0X的UART口，經MAX232晶片105進行RS232通信，亦可經常規RS232/RS485轉換器104)換為RS485通信。本設計中配備了三組存儲器——程序代碼存儲器FLARH ROM103，運行程序存儲器SDARM102，保存運行數據存儲器NAND FLASH101。
S3C44B0X內部有4組PWM，在每一個控制周期中，經模糊控制求取的加熱、加溼數字控制量，編程控制PWM的脈衝寬度，形成脈衝調寬信號，驅動SSR固態繼電器112、113從而控制電加熱器和電加溼器。
本系統是基於剪裁的linux作業系統+嵌入式圖形用戶界面(GUI)設計的。剪裁的linux作業系統是軟體的核心部分。利用linux穩定性好、強大的網絡功能和出色的多任務處理等能力，能很好地實現溫溼度數據採集，處理和控制等功能，並能依靠網際網路將數據向上位機傳送，接收上位機命令和程序更新，方便地實現遠程監控。
本系統採用的GUI可自行開發，或直接採用輕量級嵌入式GUI-miniGUI，miniGUI具有高性能、高可靠性、輕型和可配置等優點。利用miniGUI提供的應用程式接口，編制出溫溼度控制系統的圖形用戶界面，包括運行曲線選擇，資料庫操作，控制規則修改，實時曲線顯示，在線幫助等，使非專業用戶更易於操作。
本系統採用以模糊控制為核心的智能控制方法。相對傳統的PID方法，能縮短調試時間、提高控制的自適應性。為保證控制的實時性，離線製成模糊控制表，將求取控制量的過程簡化為在線查表過程。
圖2為控制系統的軟體功能框圖。用戶可選擇預設曲線，預設曲線一般有多條，也可自定義曲線201。程序運行時，可實時顯示溫、溼度曲線並定時列印和存儲運行數據，運行數據存入自建的資料庫，對資料庫的數據可進行顯示、列印、刪除或顯示207。用戶可選擇系統設定的控制規則，亦允許用戶修改控制規則203。控制器通過網絡與上位機相聯，與上位機進行通信，或經網絡更新程序204。
軟體中還設置了斷電再啟動功能205，當控制器運行中因某種原因被短時中斷時，及時保存當時的運行工況和參數，重新啟動後，從斷點處開始繼續運行。
設置在線幫助功能206，對控制器使用方面的問題提供在線幫助。
軟體編制使用的工具有面向ARM的ADS和SDT開發環境，LINUX下GCC編譯器，arm-elf-gcc編譯器，JTAG仿真器，ARM開發板，嵌入式GUI在PC上仿真運行開發軟體QVFB。
權利要求
1.一種嵌入式智能溼熱室控制器，其特徵是總體設計硬體以ARM微處理器為核心；作業系統採用剪裁的Linux，配置圖形用戶界面GUI，配備相應的設備驅動程序和應用程式；加熱、加溼採用直接數字驅動技術；控制策略採用模糊控制技術。
2.按權利要求1所述的嵌入式智能溼熱室控制器，其特徵是ARM微處理器晶片資源分配如下片上A/D用於溫度、溼度等模擬量到數字量的轉換；片上I/O口用於加熱、加溼、製冷的開關控制；也用於觸控螢幕信號輸入及印表機輸出；當外置高精度A/D時，用於輸入A/D轉換的結果；片上PWM口用於加熱、加溼的連續控制；片上總線接口用於乙太網連接及存儲器擴展；片上UART口用於RS232及RS485通信；片上RTC用於實時時鐘輸入；片上看門狗定時器用於保證程序的可靠運行；模擬信號的採集及調理傳感器採集的溫度和溼度微弱信號經放大後送入A/D轉換為數位訊號；當ARM微處理器內含的A/D精度滿足設計要求時，直接利用片上A/D；否則，外加高精度A/D轉換晶片。
3.按權利要求1所述的嵌入式智能溼熱室控制器，其特徵是加熱、加溼的直接數字驅動加熱和加溼控制量輸入到ARM微處理器的PWM，PWM產生相應的調寬脈衝驅動固態繼電器。
4.按權利要求1所述的嵌入式智能溼熱室控制器，其特徵是設備驅動程序包括LCD驅動程序；觸控螢幕驅動程序；NAND Flash驅動程序；乙太網驅動程序；印表機驅動程序。
5.按權利要求1所述的嵌入式智能溼熱室控制器，其特徵是應用程式模塊包括數據採集模塊模擬量輸入的多路轉換及A/D轉換；數據處理模塊工程量轉換、定時數據存儲；控制模塊採用模糊控制原理求取控制量；數據分析模塊分析試驗數據，列印試驗結果報表；通信模塊通過RS232或RS454或工業乙太網、Internet網發送數據、接收命令或更新程序；自診斷模塊實現開機自診斷。
6.按權利要求1所述的嵌入式智能溼熱室控制器，其特徵是控制策略採用二維模糊控制器，輸入為誤差和誤差變化率，輸出為數字控制量，離線製成模糊控制表，將控制過程轉化為在線查表過程。
全文摘要
本發明公開了一種嵌入式智能溼熱室控制器，屬於工業控制領域，適用於溼熱室的控制，也適用於工業及民用溫、溼度控制。該控制器總體設計硬體以ARM微處理器為核心；作業系統採用剪裁的Linux，配置圖形用戶界面GUI，配備相應的設備驅動程序和應用程式；加熱、加溼採用直接數字驅動技術；控制策略採用模糊控制技術。本發明控制器除具有現有同類產品的全部功能外，還具有下述特點廣泛適用於各類恆定和交變溼熱室的實時控制；支持TCP/IP及其它Internet協議，實現遠程控制；具有易於操作的圖形用戶界面及觸控螢幕輸入功能。
文檔編號G06F9/00GK1667569SQ20051001332
公開日2005年9月14日 申請日期2005年4月18日 優先權日2005年4月18日
發明者郝久玉, 李惠敏 申請人:天津大學