摘 要： 根據電熱爐對溫度數(shù)據檢測精密性以及實時控制可靠性的要求，提出了一種基于嵌入式處理器的爐溫采集與控制系統(tǒng)。分析了該系統(tǒng)的工作原理和結構，設計了系統(tǒng)的硬件，完成了數(shù)據采集、精確溫度控制以及數(shù)據存儲等功能。研制出一臺基于ARM(S3C2440A)的溫度采集與控制系統(tǒng)，試驗驗證了該系統(tǒng)數(shù)據采集的可靠性和溫度控制的精確性。該系統(tǒng)具有良好的經濟性和實用價值。
關鍵詞： 嵌入式；流驅動；模糊自適應控制；ADOCE
現(xiàn)代工業(yè)生產和人們的日常生活中熱處理技術得到廣泛應用。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們對熱處理過程中精確度和可靠性方面的要求也不斷提高，電熱爐作為熱處理中的一種重要工具，其溫度檢測和控制就顯得格外重要。
當前的溫度采集與控制系統(tǒng)多以單片機為核心，雖然能夠滿足數(shù)據采集與控制的基本要求，但其終端功能較少，采樣精度和速度較低，系統(tǒng)的設計復雜，升級困難，兼容性和可讀性較差，數(shù)據不易長期存儲，對以后的發(fā)展帶來了諸多不便。
本文以時下廣泛應用的嵌入式微型處理器ARM為核心，搭載嵌入式WINCE操作系統(tǒng)，設計研發(fā)了一套高精度溫度采集與控制系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的硬件設計、底層驅動以及系統(tǒng)中軟件功能的實現(xiàn)進行了詳細的闡述。
1 系統(tǒng)的總體架構及硬件構成
1.1 系統(tǒng)總體架構
本系統(tǒng)采取嵌入式處理器搭載嵌入式系統(tǒng)的模式對數(shù)據進行采集，并根據數(shù)據的反饋對溫度進行控制。
系統(tǒng)采用三星公司的ARM9系列S3C2440A芯片，將外部傳感器的數(shù)據經過濾波、放大等一系列處理后，利用內置的10位A/D轉換器進行模擬量到數(shù)據量的轉換，最高轉換頻率可達2.5 MHz；數(shù)據傳遞到ARM內，在LCD顯示器上進行顯示，顯示結果經過系統(tǒng)處理后，可采用多種方式進行顯示，如曲線顯示、數(shù)字顯示等。轉換后的數(shù)據通過模糊算法處理后，與預先設定的數(shù)值進行比較，將結果反饋到控制器中進行控制；本系統(tǒng)采用自動控制和手動控制兩種方式對溫度進行控制操作。
系統(tǒng)搭載的WINCE操作系統(tǒng)功能強大，對采集到的數(shù)據進行實時直觀顯示的同時，并對數(shù)據進行存儲，以便以后查詢使用；其便于操作的界面和良好的人機交互性，使得操作和管理更加方便[1]。
1.2 系統(tǒng)硬件設計
本系統(tǒng)的處理核心為Samsung公司的S3C2440A芯片。其主頻為400 MHz，最高可達533 MHz，32 bit總線，使得數(shù)據處理與傳輸都有較快的速度；內部有8路10 bit內置A/D轉換器，最高轉換頻率為2.5 MHz，使得采樣精度較高；外部傳感器根據具體精度要求可以選用不同精度的傳感器；外部校正電路是由運放和電阻電感組成的濾波和放大電路，對外部干擾進行硬件消除；控制執(zhí)行電路由繼電器進行操作；擴展有串口、RJ-45網絡接口、USB接口和SD卡槽等多種接口，便于以后升級[2]。系統(tǒng)硬件結構圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
對于整個系統(tǒng)而言，軟件的設計關系到數(shù)據采集和控制的精確性和穩(wěn)定性，在高速數(shù)據采集與控制系統(tǒng)中更是對軟件的設計提出了更高的要求。軟件的設計主要包括ARM內部A/D轉換驅動、溫度的控制以及數(shù)據存儲的實現(xiàn)。
2.1 內部A/D轉換驅動的實現(xiàn)
ARM內部A/D轉換是通過對S3C2440A內部的模數(shù)轉換相關寄存器進行操作來實現(xiàn)的，其主要包括ADCCON(ADC控制寄存器)、ADCDAT(ADC轉換數(shù)據寄存器)及ADCDLY(ADC開始延時寄存器)等。ADCCON控制寄存器主要用來設置A/D轉換器的相關參數(shù)，在初始化過程中，要在ADCCON中設置預分頻器值、模擬輸入通道以及A/D轉換使能等控制變量，在ADCDLY中設置開始延時值；在數(shù)據轉換過程中，ADCDAT的0～9數(shù)據位儲存A/D轉換的數(shù)據值，通過底層驅動的映射，在WINCE中對ADCDAT中的數(shù)據進行讀取即可獲得傳感器A/D轉換后的數(shù)據[2]，如圖2所示。
WINCE系統(tǒng)中，應用程序通過文件系統(tǒng)，以訪問文件的形式訪問驅動程序，調用IOCTL向驅動程序傳遞各種指令，底層驅動通過DeviceManager與ARM的底層硬件進行交流。其示意圖如圖3所示。
在本系統(tǒng)中，采用流驅動形式完成底層硬件的訪問，流驅動是WINCE下的一種常規(guī)驅動，其作為硬件功能的一種軟件抽象，將硬件功能以函數(shù)的形式提供給外部應用程序和操作系統(tǒng)，應用程序通過流驅動接口函數(shù)與外部應用程序進行通信。常用的流驅動程序接口函數(shù)主要有XXX_Close、XXX_Init、XXX_Open、XXX_IO-
Control、XXX_Read、XXX_Write等(其中“XXX”為驅動名稱)。當外部應用程序調用與流驅動相關函數(shù)時，自動調用相應的流驅動接口函數(shù)，完成與驅動的交流。例如，當外部應用程序調用DeviceIoControl時，驅動就會調用XXX_IOControl。根據IO_CTL_XXX的數(shù)值決定執(zhí)行何種操作。
本系統(tǒng)中，在WINCE外部應用程序中調用CreateFile()函數(shù)，底層驅動便會響應XXX_Open函數(shù)，通過文件的形式打開底層驅動。驅動通過DeviceManager獲得硬件中A/D轉換的數(shù)據，在A/D轉換數(shù)據寄存器0～9數(shù)據位存儲A/D轉換后的數(shù)據。外部應用程序通過調用ReadFile()函數(shù)，調用底層驅動程序中的XXX_Read函數(shù)，讀取底層驅動中的內容，獲得寄存器中的數(shù)據[3-4]。
2.2 溫度控制的實現(xiàn)
系統(tǒng)在測量溫度的同時，要對溫度的高低進行控制，以期使溫度滿足一定的要求，因此，溫度控制的實現(xiàn)也是本系統(tǒng)中的一個重要功能。
2.2.1 溫度控制總體設計
溫度由固態(tài)繼電器控制電加熱絲實現(xiàn)，繼電器的控制信號由ARM的PWM輸出控制，與A/D轉換相似，PWM的信號由應用程序調用流驅動接口函數(shù)控制相應的寄存器來實現(xiàn)。
系統(tǒng)的溫度控制分為自動模式和手動模式。自動模式情況下根據檢測到的傳感器數(shù)據，按照預先設定好的程序控制繼電器，對電熱爐進行加熱；切換到手動模式時，會屏蔽自動模式的程序，根據用戶的要求來執(zhí)行繼電器的相應操作。
在自動模式的程序設計中，當溫度低于某一設定值(即臨界溫度)時，啟動相應的繼電器進行加熱，加熱爐采用不同功率的電熱絲，溫度越低啟動電熱絲的功率越大，以使溫度能夠快速回到目標溫度；考慮到電熱絲加熱后會有余溫，在距離目標溫度尚有一定距離時，即停止加熱（停熱溫度），余溫會使溫度繼續(xù)上升，當溫度下降之后再啟動繼電器，根據下降的溫度不同，再次啟動不同功率、不同數(shù)量的電熱絲進行工作，如圖4所示。
在手動調節(jié)模式下，會對自動模式中的程序進行屏蔽，而只是根據操作者的規(guī)定進行調節(jié)。手動模式可以根據需要在自動模式需要關閉的情況下進行短時間的控制。
2.2.2 溫度精確控制的實現(xiàn)
電熱爐應用場合一般比較復雜，受到較多的干擾，其具有嚴重的非線性以及時變性，確定模型的常規(guī)控制方法很難實現(xiàn)溫度的精確控制。
傳統(tǒng)的模糊控制方法是將不確定的控制對象模型變量用模糊條件語句進行描述，并根據經驗確定模型的各個參數(shù)及控制規(guī)則；自適應控制方法是通過自適應學習、聯(lián)想、類比等能力來調整控制參數(shù)的權值、減小誤差的一種控制方法，具有很好的容錯性和魯棒性。本系統(tǒng)采用模糊控制與自適應控制相結合的方法，結合兩種控制方法的優(yōu)點，以達到對溫度的精確控制[5]。
系統(tǒng)中加入性能測試部件、控制量校正部件和控制規(guī)則修正部件，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自適應控制。
根據得到的最新的校正量與前一次的偏差、偏差變化率以及控制量，由控制規(guī)則修正部件建立新的控制規(guī)則以及相關的校正系數(shù)并儲存，作為下一次的校正規(guī)則。
如此循環(huán)，達到自動調整控制規(guī)則以適應新變化的目的，以160 ℃控制為例，其仿真圖如圖8所示，其中曲線①為模糊自適應控制，曲線②為普通PID控制。
根據輸出量，執(zhí)行單元設置PWM波的占空比，調節(jié)固態(tài)繼電器信號，控制電熱絲的加熱間隙，對電熱爐進行加熱，并根據溫度的高低啟用不同的電加熱絲，令系統(tǒng)的溫度控制執(zhí)行單元更加精確。
2.3 數(shù)據存儲的實現(xiàn)
系統(tǒng)另一個重要作用是將外部傳感器采集到的數(shù)據進行存儲，以備后續(xù)的查詢使用。
系統(tǒng)擴展在板128 MB Nand Flash存儲以及支持32 GB的外部SD擴展槽，為數(shù)據存儲提供了足夠的空間。系統(tǒng)搭載有WINCE操作系統(tǒng)，其支持嵌入式數(shù)據庫的操作，為數(shù)據的存儲提供了軟件支持。
系統(tǒng)存儲功能利用ADOCE實現(xiàn)，應用程序采用ADO技術通過OLE可以對數(shù)據庫中的數(shù)據進行訪問和處理。數(shù)據庫訪問原理如圖9所示。ADOCE是微軟公司為WINCE所有數(shù)據類型提供的戰(zhàn)略性高級接口，為數(shù)據訪問提供了一種高性能、統(tǒng)一的方式，為WINCE操作系統(tǒng)中增加了一種新的數(shù)據庫功能[3，7]。
本系統(tǒng)利用ADOCE，在WINCE系統(tǒng)下調用ADO的一系列對象，如Connection、Recordset、Field、Error函數(shù)，在ARM內部存儲空間中創(chuàng)建Access數(shù)據庫，在Access中創(chuàng)建相應的表格，表格中除了存儲數(shù)據之外，還可以根據要求存儲時間、日期。存儲的數(shù)據可為以后的工作提供查詢、借鑒。
本套系統(tǒng)采用嵌入式處理器，實現(xiàn)了對加熱爐溫度精確、快速的采集與控制，嵌入式系統(tǒng)的搭載，克服了傳統(tǒng)數(shù)據采集系統(tǒng)終端的缺點，使得爐內溫度的顯示更加形象直觀，控制更加方便。模糊自適應控制使得溫度控制更加精準。嵌入式處理器與系統(tǒng)的結合，實現(xiàn)了一系列如爐體溫度存儲、溫度超限報警提示等功能，整個系統(tǒng)在軟件和硬件方面的兼容性和可擴展性都很強，便于系統(tǒng)間的交流和日后升級。隨著嵌入式處理器和嵌入式系統(tǒng)的不斷完善與發(fā)展，此電熱爐溫度采集與控制系統(tǒng)的設計理念將會有很好的實用和參考價值。
參考文獻
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