datasheet

基于嵌入式的环境试验设备控制系统设计

2016-10-09来源: eechina关键字:控制器  测控模块  ARM  Cortex-A9
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。



2.2 测控模块硬件设计

测控模块硬件框图如图6所示,以LPC1758为核心,负责设备运行数据的采集、I/O地址译码与I/O的控制;设备的相关温度、电流、电压、湿度、压力等参数经过采集电路后,再经LPC1758进行数字滤波后,存储到FLASH中;控制器可通过RS485与LPC1758通讯,读取所需参数用于逻辑运算,运算后再将I/O控制命令下达到LPC1758执行。I/O电路包括晶体管输出、继电器输出与特殊应用输出,如电子膨胀阀控制I/O、变频器控制I/O等。



其中滤波采样电路中采用的Maxim的单通道24位ADC MAX11210。该ADC集成了模拟和参考输入缓冲放大器,并提供四个GPIO口,可用于控制一个外部16通道模拟开关,令MAX11210有效地对16通道的模拟信号进行采集,降低了LPC1758的I/O资源负担。采样电路框图如图7所示。



最后,为了保证I/O电路的准确性与可靠性,硬件电路中增加了I/O状态检测设计。对于输出点,I/O状态检测电路将输出状态生成对应的Output序列信号,当控制器改变输出状态的命令发送到LPC1758并执行后,输出点状态改变,LPC1758将改变后的Output序列信号与控制器下发的输出命令进行对比,以确保输出的准确性;而对于输入点,则生产对应的Input序列信号,当输入状态改变后,LPC1758通过比较实际的输入状态与Input序列信号,可判断输入端电路是否发生错误。3 控制系统软件设计
为满足控制器多硬件接口、多软件程序应用开发、多文件操作、系统定制等要求,采用Linux嵌入式操作系统,主要应用程序有人机界面程序、数据处理程序、软PLC程序,如图7所示。其中人机界面程序是由Windows环境下运行的图形化软件通过图元、控件以及宏命令组合生成[5],可通过USB导入到控制器以实现人机界面的更新。数据处理程序主要负责设备工控记录、PID运算、设备状态监测等功能。软PLC程序则是由德国Infoteam OpenPCS软件开发,支持ST、IL、SFC、FBD、LD、CFC六种IEC语言,负责I/O逻辑运算。



由于测控模块不需要过多的应用程序与图形界面,因此选择了相对Linux嵌入式操作系统机构要小巧的多的uC/OS-II。该系统功能丰富,涵盖了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等功能[6]。主要应用程序有数据采集程序,I/O检测程序,I/O控制程序。整个I/O的控制流程如图9所示。若出现I/O电路错误报警,用户可选择将设备断电重启或请求技术支持。



4 结束语

本文设计的嵌入式环境试验设备控制系统,其控制器与测控模块均具有成本低、集成度高、精度高、可拓展性强等优点,可在一定程度上改善环境试验设备批量小、品种多等特点对设计与生产造成的不良影响。且通过充分利用我公司生产环境试验设备的优势,可不断通过环境试验改善控制系统的可靠性设计。该控制系统现已应用在我公司的标准化系列环境设备上,控制精度与稳定性均达到了国内先进水平,且硬件配置丰富,具有良好的拓展能力。

参考文献:
[1]周修源,江鲁. 环境试验技术与设备发展概述[J]. 中国仪器仪表. 2008(06)
[2]刘文斌,曹广忠,李永光,等.温湿度环境试验设备的现状及发展[J].现代制造工程,2013,(11):133-140
[3]景博,杨洲,张劼,等.故障预测与健康管理系统验证与确认方法综述[J].计算机工程与应用,2011,47(21):23-27
[4]彭宇,刘大同,彭喜元,等.故障预测与健康管理技术综述[J].电子测量与仪器学报,2010,24(1):1-9
[5]雷晓明.可靠性与环境试验设备控制器的设计与开发[J].电子产品可靠性与环境试验,2013,31(5):33-36
[6]任哲. 嵌入式实时操作系统uC/OS-II原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社. 2009

关键字:控制器  测控模块  ARM  Cortex-A9

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mcu/article_2016100930262.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:STM32内部ADC精度的见解
下一篇:一种新型防伪读码器的设计

关注eeworld公众号 快捷获取更多信息
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
关注eeworld服务号 享受更多官方福利
关注eeworld服务号
享受更多官方福利

推荐阅读

解析数字PFC控制器对电源的重要性

摘要: 功率因数校正(PFC)是缓解电能质量问题的关键,因为更多的无功源将连接到电网中。本文介绍功率因数对电源效率的影响,在交流系统中,数字PFC控制器通过对电感器电流的检测,如何以低损失来进行合适的功率因数改善。 低功率因数通常意味着较差的输入电流质量和较低的效率,这会给供应商、消费者带来成本负担。在交流系统中,低功率因数通常来自输入电流波形的失真,这就是为什么一些国际电气标准对电流中的谐波含量有严格的限制,以及为什么在某些情况下,有源[1]或无源功率因数校正几乎是强制性的。  理想交流系统的功率因数 在正弦交流系统中,功率因数是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系,也就
发表于 2019-04-15
解析数字PFC控制器对电源的重要性

Diodes 推出符合汽车规格的 60V 快速调光线性 LED 控制器

Diodes 公司 为领先业界的高质量应用特定标准产品全球制造商和供货商,其产品涵盖广泛领域,包括独立、逻辑、模拟及混合讯号半导体市场。公司宣布推出符合汽车规格的 AL5816Q 线性 LED 控制器,适合汽车 LED 照明使用。AL5816Q 具备 4.5V 至 60V 的操作电压范围,提供 15mA 的输出驱动电流,以透过外部 BJT 控制 LED 灯光,并供应数 mA 至 1.5A 的恒定电流,若使用 MOSFET 则可提供更高的 LED 电流。AL5816Q 能够让外部晶体管优化,非常适合许多汽车 LED 照明应用,例如尾灯组、内部照明、仪表板及车牌照明。 由于 AL5816Q 结合高输入电压及高输出
发表于 2019-04-09
Diodes 推出符合汽车规格的 60V 快速调光线性 LED 控制器

软硬件相结合 智行者期待多域控制器

的现状。虽然整个汽车行业是百年的产业,但是今天,它的整个发展速度非常快,特别是在自动驾驶领域。”    “我们会从三个维度去描述自动驾驶技术的发展,算法、算力还有数据,前两者一个是软件,一个是硬件。想要做好自动驾驶,除了要把软件本身做好之外,还要聚焦跟它相关的硬件。我们除了有自己自主研发的AVOS操作系统之外,还有硬件团队做整车控制器的开发。”接下来霍舒豪先生从软硬件两方面分享了自动驾驶的关键技术:“这是整个自动驾驶算法框架比较通用的图,从左往右,输入源来自于各种各样的传感器,把数据接收了以后进行一些预处理同步工作,之后要做多传感器的数据融合。因为不管是毫米波雷达还是其他传感器,都会有边界或者范围,这样
发表于 2019-04-04
软硬件相结合 智行者期待多域控制器

助力5G、AI发展,英飞凌推出16相数字PWM控制器

英飞凌科技股份公司推出业界首个16相数字PWM控制器XDPE132G5C,进一步壮大其大电流系统芯片组解决方案产品阵营。该产品方案可针对高端人工智能(AI)服务器和5G数据通信设备所使用的新一代CPU、GPU、FPGA和ASIC等,提供500 -1000 A甚至更高的供电电流。随着CPU电流要求不断提高,以支持新一代人工智能和网络工作负载,直流-直流稳压器(VR)需要提供超过500 A的电流。借助16相数字PWM引擎和经优化的高级算法,XDPE132G5C控制器可以满足这些大电流多相应用的电源需求。电源各相之间的主动均流技术能实现可靠、紧凑和成本优化的设计。不仅如此,它无需像如今的多相产品通常所做的那样,配置额外的多个PWM逻辑
发表于 2019-04-02

越来越多的中小制造企业愿意把更多工业机器人引入工厂

外壳、保护膜等产品,整个车间没有一个工人。据负责人介绍,工业机器人除了可以替代人工,更重要的是机器人生产出的产品品质更好。 深圳某手机配件生产企业负责人 刘道香:我上机械臂之后,我整个订单量大概每年做5%到10%增长。 记者走访多家工业机器人企业了解到,一方面随着工业机器人每年销量的增加,成本逐年降低。另一方面工业机器人在制造领域优势越发凸显,不仅能节省更多的人工,而且还能提升产品品质。这也促使越来越多中小企业愿意更多采用以机器人为主的智能制造设备。 国产工业机器人企业加大研发 为制造业提供本土化服务在深圳一家工业机器人研发部,研发人员正在持续优化控制器的软件和硬件系统。用几台高速摄像机捕捉工业机器人最
发表于 2019-03-28
越来越多的中小制造企业愿意把更多工业机器人引入工厂

工业机器人的控制系统/软件开发环境/通信总线了解下

1、工业机器人控制系统硬件结构控制器是机器人系统的核心,国外有关公司对我国实行严密封锁。近年来随着微电子技术的发展,微处理器的性能越来越高,而价格则越来越便宜,目前市场上已经出现了1-2美金的32位微处理器。高性价比的微处理器为机器人控制器带来了新的发展机遇,使开发低成本、高性能的机器人控制器成为可能。为了保证系统具有足够的计算与存储能力,目前机器人控制器多采用计算能力较强的ARM系列、DSP系列、POWERPC系列、Intel系列等芯片组成。此外,由于已有的通用芯片在功能和性能上不能完全满足某些机器人系统在价格、性能、集成度和接口等方面的要求,这就产生了机器人系统对SoC(SystemonChip)技术的需求,将特定的处理器
发表于 2019-03-28

小广播

何立民专栏

单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2019 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved