專利名稱：嵌入式智能濕熱室控制器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種嵌入式智能濕熱室控制器，屬于工業(yè)控制領(lǐng)域，適用于濕熱室的控制，也適用于工業(yè)及民用溫、濕度控制。
背景技術(shù)：
濕熱室也稱人工氣候室，一般分為恒定和交變兩類。它是一種大型試驗(yàn)設(shè)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(溫度和濕度)，用以考驗(yàn)電子電工類產(chǎn)品或材料對(duì)自然環(huán)境變化的適應(yīng)性能，廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、化工、衛(wèi)生、國防等各個(gè)領(lǐng)域。國際上，濕熱室研制早已形成規(guī)模產(chǎn)業(yè)，我國近10年來，在需求的推動(dòng)下，濕熱室的研制生產(chǎn)快速發(fā)展。
濕熱室的主要組成為室體、循環(huán)通道、加熱器、加濕器、制冷機(jī)及控制器?？刂破魇菨駸崾业暮诵牟考?，負(fù)責(zé)控制濕熱室各部分的協(xié)調(diào)運(yùn)行，并保證運(yùn)行指標(biāo)(溫、濕度誤差和波動(dòng)度等)符合國標(biāo)和國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于濕熱室這一控制對(duì)象具有大慣性、強(qiáng)耦合、負(fù)載多變等特點(diǎn)，較難控制，因此濕熱室控制器的軟、硬件及其控制策略的設(shè)計(jì)一直是業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。
目前，濕熱室控制器的主流產(chǎn)品是基于單片機(jī)設(shè)計(jì)，國外的基于PLC設(shè)計(jì)亦應(yīng)歸為同類，無操作系統(tǒng)支持，軟件不易更新，圖形功能差，網(wǎng)絡(luò)功能弱；控制策略多為傳統(tǒng)的PID控制，用戶不易自行設(shè)定調(diào)整控制規(guī)則，控制的自適應(yīng)性能差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種嵌入式智能濕熱室控制器。該控制器除具有現(xiàn)有產(chǎn)品的全部功能外，還具有下述特點(diǎn)廣泛適用于各類恒定和交變濕熱室的實(shí)時(shí)控制；支持TCP/IP及其它Internet協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；具有易于操作的圖形用戶界面及觸摸屏輸入功能。
本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案加以實(shí)現(xiàn)的，一種嵌入式智能濕熱室控制器，其特征是總體設(shè)計(jì)硬件以ARM微處理器為核心；操作系統(tǒng)采用剪裁的Linux，配置圖形用戶界面GUI，配備相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序；加熱、加濕采用直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)；控制策略采用模糊控制技術(shù)。
上述的ARM微處理器芯片資源分配如下片上A/D用于溫度、濕度等模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；片上I/O口用于加熱、加濕、制冷的開關(guān)控制；也用于觸摸屏信號(hào)輸入及打印機(jī)輸出；當(dāng)外置高精度A/D時(shí)，用于輸入A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果；
片上PWM(脈寬調(diào)制)口用于加熱、加濕的連續(xù)控制；片上總線接口用于以太網(wǎng)連接及存儲(chǔ)器擴(kuò)展；片上UART(通信異步收發(fā)器)口用于RS232及RS485通信；片上RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入；片上看門狗定時(shí)器用于保證程序的可靠運(yùn)行；模擬信號(hào)的采集及調(diào)理傳感器采集的溫度和濕度微弱信號(hào)經(jīng)放大后送入A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；當(dāng)ARM微處理器內(nèi)含的A/D精度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，直接利用片上A/D；否則，外加高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片。
上述的加熱、加濕的直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)加熱和加濕控制量輸入到ARM微處理器的PWM，PWM產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)寬脈沖驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器。
上述的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括LCD驅(qū)動(dòng)程序；觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序；NAND Flash驅(qū)動(dòng)程序；以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序；打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。
上述的應(yīng)用程序模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊模擬量輸入的多路轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊工程量轉(zhuǎn)換、定時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；控制模塊采用模糊控制原理求取控制量；數(shù)據(jù)分析模塊分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，打印試驗(yàn)結(jié)果報(bào)表；通信模塊通過RS232或RS454或工業(yè)以太網(wǎng)、Internet網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收命令或更新程序；自診斷模塊實(shí)現(xiàn)開機(jī)自診斷。
上述的控制策略采用二維模糊控制器，輸入為誤差和誤差變化率，輸出為數(shù)字控制量，離線制成模糊控制表，將控制過程轉(zhuǎn)化為在線查表過程。
本發(fā)明提出的嵌入式智能濕熱室控制器，操作系統(tǒng)采用剪裁的Linux，配以GUI用戶圖形系統(tǒng)，具有軟件易于更新、圖形功能強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)；硬件采用新型嵌入式芯片，硬件資源豐富，性/價(jià)比高；控制策略采用模糊控制，自適應(yīng)性能優(yōu)于PID控制，廣泛適用于各類恒定濕熱室和交變濕熱室的實(shí)時(shí)控制。


圖1為本發(fā)明采用三星公司的S3C44B0X實(shí)現(xiàn)的硬件框圖；圖2為本發(fā)明控制系統(tǒng)的軟件功能框圖。
具體實(shí)施例方式
圖1是采用三星公司的S3C44B0X實(shí)現(xiàn)本方案的硬件框圖。S3C44B0X是性/價(jià)比很高的基于ARM7TDM1核的16/32位RISC的嵌入式微處理器，有豐富的片內(nèi)硬件資源。
對(duì)于中檔濕熱室控制器，要求溫度精度等于或低于10bit，可直接利用S3C44B0X的內(nèi)部10bitA/D完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換109。對(duì)于高檔濕熱室控制器，溫度精度高于10bit，可附加12bit～16bitA/D芯片107，實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換；本設(shè)計(jì)中，觸摸屏信號(hào)經(jīng)ADS7843芯片110轉(zhuǎn)換送入S3C44B0X。利用S3C44B0X的總線接口，經(jīng)RTL8019網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)芯片106接入以太網(wǎng)。本設(shè)計(jì)也配備了常規(guī)RS232、RS485串行通信功能，利用S3C44B0X的UART口，經(jīng)MAX232芯片105進(jìn)行RS232通信，亦可經(jīng)常規(guī)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器104)換為RS485通信。本設(shè)計(jì)中配備了三組存儲(chǔ)器——程序代碼存儲(chǔ)器FLARH ROM103，運(yùn)行程序存儲(chǔ)器SDARM102，保存運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器NAND FLASH101。
S3C44B0X內(nèi)部有4組PWM，在每一個(gè)控制周期中，經(jīng)模糊控制求取的加熱、加濕數(shù)字控制量，編程控制PWM的脈沖寬度，形成脈沖調(diào)寬信號(hào)，驅(qū)動(dòng)SSR固態(tài)繼電器112、113從而控制電加熱器和電加濕器。
本系統(tǒng)是基于剪裁的linux操作系統(tǒng)+嵌入式圖形用戶界面(GUI)設(shè)計(jì)的。剪裁的linux操作系統(tǒng)是軟件的核心部分。利用linux穩(wěn)定性好、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和出色的多任務(wù)處理等能力，能很好地實(shí)現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)采集，處理和控制等功能，并能依靠互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)向上位機(jī)傳送，接收上位機(jī)命令和程序更新，方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
本系統(tǒng)采用的GUI可自行開發(fā)，或直接采用輕量級(jí)嵌入式GUI-miniGUI，miniGUI具有高性能、高可靠性、輕型和可配置等優(yōu)點(diǎn)。利用miniGUI提供的應(yīng)用程序接口，編制出溫濕度控制系統(tǒng)的圖形用戶界面，包括運(yùn)行曲線選擇，數(shù)據(jù)庫操作，控制規(guī)則修改，實(shí)時(shí)曲線顯示，在線幫助等，使非專業(yè)用戶更易于操作。
本系統(tǒng)采用以模糊控制為核心的智能控制方法。相對(duì)傳統(tǒng)的PID方法，能縮短調(diào)試時(shí)間、提高控制的自適應(yīng)性。為保證控制的實(shí)時(shí)性，離線制成模糊控制表，將求取控制量的過程簡(jiǎn)化為在線查表過程。
圖2為控制系統(tǒng)的軟件功能框圖。用戶可選擇預(yù)設(shè)曲線，預(yù)設(shè)曲線一般有多條，也可自定義曲線201。程序運(yùn)行時(shí)，可實(shí)時(shí)顯示溫、濕度曲線并定時(shí)打印和存儲(chǔ)運(yùn)行數(shù)據(jù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)存入自建的數(shù)據(jù)庫，對(duì)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)可進(jìn)行顯示、打印、刪除或顯示207。用戶可選擇系統(tǒng)設(shè)定的控制規(guī)則，亦允許用戶修改控制規(guī)則203?？刂破魍ㄟ^網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)相聯(lián)，與上位機(jī)進(jìn)行通信，或經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更新程序204。
軟件中還設(shè)置了斷電再啟動(dòng)功能205，當(dāng)控制器運(yùn)行中因某種原因被短時(shí)中斷時(shí)，及時(shí)保存當(dāng)時(shí)的運(yùn)行工況和參數(shù)，重新啟動(dòng)后，從斷點(diǎn)處開始繼續(xù)運(yùn)行。
設(shè)置在線幫助功能206，對(duì)控制器使用方面的問題提供在線幫助。
軟件編制使用的工具有面向ARM的ADS和SDT開發(fā)環(huán)境，LINUX下GCC編譯器，arm-elf-gcc編譯器，JTAG仿真器，ARM開發(fā)板，嵌入式GUI在PC上仿真運(yùn)行開發(fā)軟件QVFB。
權(quán)利要求
1.一種嵌入式智能濕熱室控制器，其特征是總體設(shè)計(jì)硬件以ARM微處理器為核心；操作系統(tǒng)采用剪裁的Linux，配置圖形用戶界面GUI，配備相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序；加熱、加濕采用直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)；控制策略采用模糊控制技術(shù)。
2.按權(quán)利要求1所述的嵌入式智能濕熱室控制器，其特征是ARM微處理器芯片資源分配如下片上A/D用于溫度、濕度等模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換；片上I/O口用于加熱、加濕、制冷的開關(guān)控制；也用于觸摸屏信號(hào)輸入及打印機(jī)輸出；當(dāng)外置高精度A/D時(shí)，用于輸入A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果；片上PWM口用于加熱、加濕的連續(xù)控制；片上總線接口用于以太網(wǎng)連接及存儲(chǔ)器擴(kuò)展；片上UART口用于RS232及RS485通信；片上RTC用于實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入；片上看門狗定時(shí)器用于保證程序的可靠運(yùn)行；模擬信號(hào)的采集及調(diào)理傳感器采集的溫度和濕度微弱信號(hào)經(jīng)放大后送入A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；當(dāng)ARM微處理器內(nèi)含的A/D精度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，直接利用片上A/D；否則，外加高精度A/D轉(zhuǎn)換芯片。
3.按權(quán)利要求1所述的嵌入式智能濕熱室控制器，其特征是加熱、加濕的直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)加熱和加濕控制量輸入到ARM微處理器的PWM，PWM產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)寬脈沖驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器。
4.按權(quán)利要求1所述的嵌入式智能濕熱室控制器，其特征是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括LCD驅(qū)動(dòng)程序；觸摸屏驅(qū)動(dòng)程序；NAND Flash驅(qū)動(dòng)程序；以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序；打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。
5.按權(quán)利要求1所述的嵌入式智能濕熱室控制器，其特征是應(yīng)用程序模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊模擬量輸入的多路轉(zhuǎn)換及A/D轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)處理模塊工程量轉(zhuǎn)換、定時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)；控制模塊采用模糊控制原理求取控制量；數(shù)據(jù)分析模塊分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，打印試驗(yàn)結(jié)果報(bào)表；通信模塊通過RS232或RS454或工業(yè)以太網(wǎng)、Internet網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)、接收命令或更新程序；自診斷模塊實(shí)現(xiàn)開機(jī)自診斷。
6.按權(quán)利要求1所述的嵌入式智能濕熱室控制器，其特征是控制策略采用二維模糊控制器，輸入為誤差和誤差變化率，輸出為數(shù)字控制量，離線制成模糊控制表，將控制過程轉(zhuǎn)化為在線查表過程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種嵌入式智能濕熱室控制器，屬于工業(yè)控制領(lǐng)域，適用于濕熱室的控制，也適用于工業(yè)及民用溫、濕度控制。該控制器總體設(shè)計(jì)硬件以ARM微處理器為核心；操作系統(tǒng)采用剪裁的Linux，配置圖形用戶界面GUI，配備相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序；加熱、加濕采用直接數(shù)字驅(qū)動(dòng)技術(shù)；控制策略采用模糊控制技術(shù)。本發(fā)明控制器除具有現(xiàn)有同類產(chǎn)品的全部功能外，還具有下述特點(diǎn)廣泛適用于各類恒定和交變濕熱室的實(shí)時(shí)控制；支持TCP/IP及其它Internet協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；具有易于操作的圖形用戶界面及觸摸屏輸入功能。
文檔編號(hào)G06F9/00GK1667569SQ20051001332
公開日2005年9月14日 申請(qǐng)日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者郝久玉, 李惠敏 申請(qǐng)人:天津大學(xué)