嵌入式ARM平臺下溫度控制器研究與開發(fā)

Research and Development of the Temperature Controller Based on Embedded ARM Platform

李　輝1，2　楊同帥1　彭道剛1，2(上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院1，上?！?00090;上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心2，上?！?00090)

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嵌入式ARM平臺下溫度控制器研究與開發(fā)

上海市自然科學(xué)基金資助項目(編號:15ZR1417600);

上海市科學(xué)技術(shù)委員會工程技術(shù)研究中心項目(編號: 14DZ2251100)。

修改稿收到日期:2015－10－10。

第一作者李輝(1979－)，男，2008年畢業(yè)于同濟大學(xué)系統(tǒng)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授;主要從事新能源發(fā)電、微電網(wǎng)控制、嵌入式系統(tǒng)等方面的研究。

0　引言

在電力、冶金等重要領(lǐng)域，溫度的準(zhǔn)確測量和控制是非常關(guān)鍵的一個環(huán)節(jié)，比如在火電廠的生產(chǎn)過程中，準(zhǔn)確控制鍋爐主汽溫度可以有效確保機組運行的安全性和經(jīng)濟性［1］。

目前國外的溫度控制器發(fā)展很快，像美國、日本等國家所生產(chǎn)的溫度控制儀表大都具有適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境能力強、控制算法先進、控制精度高等特點［2］。國內(nèi)所做的溫度控制器主要是采用單片機進行控制，但隨著現(xiàn)代控制及智能控制理論的發(fā)展，這種基于單片機的溫度控制器已經(jīng)漸漸不能滿足在復(fù)雜環(huán)境下仍具有較好控制性能指標(biāo)的要求［3］。

本文所設(shè)計的溫度控制器采用基于ARM Cortex－M3內(nèi)核的微處理器進行開發(fā)，由于其RAM較大、外設(shè)較多、主頻相對較高等特點，可方便地移植先進溫度控制算法，研發(fā)出的溫度控制器可根據(jù)其動態(tài)性能指標(biāo)對被控對象溫度進行調(diào)節(jié)，魯棒性較好，功耗較低［4－5］。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文提出的溫度控制器以ARM Cortex微控制器為主控核心，通過溫度采集模塊、加熱裝置及驅(qū)動電路構(gòu)成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)總體控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

基本的控溫原理為:通過鍵盤輸入溫度的設(shè)定值，溫度采集模塊采集被控對象的溫度，兩者做偏差后送入ARM微控制器中;由溫度控制算法得到輸出控制量，通過PWM輸出或者D/A轉(zhuǎn)換得到適合加熱裝置的控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路控制加熱裝置，以此達到控溫的目的。

2　硬件設(shè)計

溫度控制器硬件設(shè)計如圖2所示。

2. 1主控電路

主控電路主要包括CPU電路、復(fù)位電路、晶振電路、JLINK下載調(diào)試電路。

圖1　溫度控制器總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1　Overall structure of the temperature controller

圖2　溫度控制器硬件設(shè)計圖Fig. 2　Hardware design of the temperature controller

目前嵌入式溫度控制器常采用的8/16位單片機性能和存儲有限，軟件功能只能通過簡單的循環(huán)處理模式實現(xiàn)，往往不利于操作系統(tǒng)的移植和網(wǎng)絡(luò)硬件的擴展，或者實現(xiàn)的性能有限，達不到應(yīng)用的要求。本文所選用的STM32F107微控制器以ARM Cortex－M3為內(nèi)核，包括豐富的片內(nèi)資源和外設(shè)，如64 kB的RAM、256 kB的Flash、7個定時器、2個SPI接口、1個IIC接口、5個UART，可外接大容量存儲設(shè)備的USB－OTG全速接口;內(nèi)部集成CAN總線、以太網(wǎng)控制器，2個多通道、采樣速率可達1 Mbit/s的12位ADC。1個2通道12位DAC，多達80個的GPIO口也為擴展外設(shè)提供了有利的條件。

為簡化起見，本文設(shè)計的溫度控制器下載調(diào)試模式采用兩線制SWD調(diào)試接口。

2. 2溫度采集電路

溫度采集電路主要包括信號調(diào)理電路和A/D采集電路的設(shè)計。

熱電阻和熱電偶變送出來的信號不能直接被A/D轉(zhuǎn)換，需要設(shè)計一個信號調(diào)理電路［6］。由于熱電阻變送出來的是電阻信號，所以需設(shè)計一個電橋電路將熱電阻的阻值信號變換成電壓信號，而熱電偶變送出來的本身就是電壓信號，所以并不需要作信號變換。根據(jù)K型熱電偶分度表可知，當(dāng)溫度為1 370℃時，冷端補償前熱電偶輸出的壓差僅為54. 807 mV，而且夾雜一些干擾和噪聲，所以需對輸出的信號進行濾波和放大。

采集電路的A/D轉(zhuǎn)換器采用美國德州儀器生產(chǎn)的ADS1118，它是一款功耗低、兼容SPI接口的16位A/D轉(zhuǎn)換芯片。它內(nèi)部帶高精度溫度傳感器，可直接為熱電偶測溫時提供冷端補償，在工業(yè)自動化領(lǐng)域、溫度測量時有著廣泛的應(yīng)用。ADS1118使用四線制SPI接口與微處理器相連，內(nèi)部帶可編程增益放大器(PGA)，可輸入最小量程為256 mV的信號，具體的參考電壓和放大倍數(shù)的對照關(guān)系如表1所示。

表1　ADS1118內(nèi)部PGA增益與輸入電壓量程對照表Tab. 1 Comparison table of ADS1118 internal PGA gain and input voltage range

鑒于K型熱電偶在溫度為1 370℃時輸出電壓僅為54. 807 mV，而且所設(shè)計的信號調(diào)理電路放大倍數(shù)為18倍左右，所以放大后的K型熱電偶輸出電壓最大約為986 mV。在測量熱電偶時，軟件所選的PGA增益為4，即參考電壓的量程為±1. 024 V，滿足測量的要求。熱電阻的信號調(diào)理電路設(shè)計方法類似，這里不詳加贅述。

2. 3控制信號輸出電路

溫度控制器通常通過加熱裝置控制被控對象的溫度，加熱器的輸入信號一般是PWM信號或者標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號。為了能適應(yīng)不同輸入接口的加熱裝置，本文設(shè)計的溫度控制器設(shè)置有PWM信號、0～5 V電壓和4～20 mA電流信號輸出接口。

本溫控器使用TIMER5的CH1通道輸出PWM信號，模擬信號輸出采用STM32內(nèi)部自帶的DAC外設(shè)，精度可達12位。采用TI公司生產(chǎn)的LM285－2. 5穩(wěn)壓芯片輸出穩(wěn)定的+2. 5 V電壓作為DAC的參考電壓VREF +，GND作為VREF－，從而保證信號輸出的可靠性。電壓輸出時，可外搭運算放大電路，將DAC的輸出電壓放大2倍，即可滿足0～5 V電壓量程的需求。電流輸出時，由于STM32的DAC引腳輸出的電流很小，所以需設(shè)計一個4～20 mA電流輸出驅(qū)動電路［7］。電流輸出電路如圖3所示。

圖3　電流輸出驅(qū)動電路Fig. 3　Current output driver circuit

根據(jù)理想運算放大器“虛短”和“虛斷”的概念，并且令R23= R24= R25= R26= 10 kΩ，可以求得電流輸出為: Io= Uin/R27。

由上式可知，流過負載的電流和負載的大小并沒有直接關(guān)系，這樣可以消除由于負載而引起的干擾。但因為普通的運算放大器驅(qū)動電流的能力相對較弱，所以使用三極管Q1做電流放大。綜上，R27選用120 Ω的精密電阻，DAC輸出電壓0. 48～2. 4 V即可使輸出電流達到4～20 mA的范圍。

2. 4通信電路設(shè)計

為了使溫度控制器能與工業(yè)現(xiàn)場儀表和DCS進行通信，本文設(shè)計的溫度控制器支持以下3種通信方式: RS－232、RS－485和以太網(wǎng)［8］。

通常PC機上串口輸出的電平電壓為－15～+15 V，而溫控器所用ARM芯片接收的信號電平是TTL電平，為－3. 3～+3. 3 V。所以，為了使溫控器和PC機之間通過RS－232接口通信，使用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232將TTL的邏輯電平轉(zhuǎn)換成PC機的RS－232電平。通過電平轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了溫控器與PC機之間的串口通信。

為了滿足工業(yè)通信的要求，溫控器也設(shè)計了一路RS－485總線接口，采用的RS－485協(xié)議轉(zhuǎn)換器為SP3485。STM32F107的UART5的RXD5和TXD5分別與SP3485的RO和DI引腳相連接，進行數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。當(dāng)PD0輸出為高時，DE有效，CPU向總線上發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)PD0輸出為低時，CPU可以接收總線上的數(shù)據(jù)。從信號傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性考慮，需在SP3485的總線輸出端并聯(lián)一個120 Ω的匹配電阻，并添加GND線，使用三線制進行通信。

溫度控制器采用高性價比的DM9161A作為10 M/100 M以太網(wǎng)PHY芯片。DM9161A符合IEEE 802. 3. 10 BASE－T/100BASE－TX協(xié)議，支持中繼模式和節(jié)點模式轉(zhuǎn)換。以太網(wǎng)通信電路主要由網(wǎng)絡(luò)變壓器、狀態(tài)燈電路、RJ45插座等組成，通過一根網(wǎng)線就可方便地與PC機或DCS系統(tǒng)互連，從而實現(xiàn)以太網(wǎng)遠程通信的功能。

3　軟件設(shè)計

溫度控制器軟件部分采用了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS－II，對各個模塊任務(wù)進行調(diào)度和管理。該系統(tǒng)能夠及時控制所有設(shè)備與任務(wù)協(xié)調(diào)運行，并且能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成對信號量、郵箱等事件的處理。它的源碼絕大多數(shù)使用C語言編寫，能方便地移植到ARM Cortex平臺中。

3. 1任務(wù)的劃分

溫控器需要同時做很多任務(wù)，比如數(shù)據(jù)通信、溫度采集與控制等。CPU在某一個時刻只能執(zhí)行一個任務(wù)，所以為了加快系統(tǒng)的執(zhí)行速度，必須根據(jù)實際的需求，按照優(yōu)先級的高低，合理地給系統(tǒng)劃分不同的任務(wù)。本文設(shè)計的溫度控制器軟件上設(shè)定了6個任務(wù)。

TASK1:啟動任務(wù)，該任務(wù)主要完成系統(tǒng)時鐘的初始化和中斷的啟動，以及創(chuàng)建其他的子任務(wù)。

TASK2:溫度采集任務(wù)，該任務(wù)主要完成被控對象溫度以及標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號的采集。

TASK3:鍵盤輸入任務(wù)，該任務(wù)主要完成工作人員對溫度控制器參數(shù)的設(shè)定。

TASK4:溫度控制任務(wù)，該任務(wù)主要根據(jù)被控對象溫度的采集值、溫度設(shè)定值，使用溫度控制算法，計算出送給執(zhí)行器的控制量的值，然后由執(zhí)行器對被控對象溫度進行控制。

TASK5:數(shù)據(jù)通信任務(wù)，該任務(wù)主要完成下位機與上位機的通信，包括參數(shù)的設(shè)定、溫度等數(shù)據(jù)的傳送等。

TASK6: LCD顯示任務(wù)，該任務(wù)主要將溫度采集值、溫度設(shè)定值等在LCD上顯示。

3. 2軟件總流程

溫度控制器上電后，直接跳轉(zhuǎn)到主函數(shù)中運行，主函數(shù)首先對ADS1118的各個寄存器、LCD顯示屏、通信模塊等進行初始化，然后關(guān)閉CPU的中斷以及初始化系統(tǒng)時鐘為72 MHz，使程序進入到μC/OS－II操作系統(tǒng)中運行。軟件流程如圖4所示。

圖4　溫度控制器軟件總體流程圖Fig. 4　The overall software flowchart of temperature controller

4　實驗結(jié)果分析

實驗測試選用電阻爐作為被控對象，電阻爐的數(shù)學(xué)模型一般式為［9］:

式中: K為開環(huán)增益; T為時間常數(shù);τ為純時滯時間常數(shù)。

通過對電阻爐做溫度階躍響應(yīng)實驗，得出上式中的各個參數(shù)為: T =3 485 s，K =161，τ=123 s。溫度控制算法采用基于多容慣性標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)的PID控制算法，根據(jù)PID控制器參數(shù)整定MCP法公式［10］:

將式(1)中各個參數(shù)代入上面公式中，可計算出PID整定參數(shù)為: Kp= 0. 174 8，Ti= 471，Td= 61。使用上面的PID整定參數(shù)，軟件編寫PID控制程序，通過鍵盤設(shè)置給定溫度為500℃，控制結(jié)果如圖5所示。

圖5　MCP－PID控制器溫度響應(yīng)曲線Fig. 5　Temperature response curves of the MCP－PID controller

5　結(jié)束語

本文研究了一種基于STM32F107的溫度控制器，將μC/OS－II嵌入式實時操作系統(tǒng)移植到溫控器硬件平臺中，通過對任務(wù)的劃分和任務(wù)優(yōu)先級的分配，實現(xiàn)了溫度采集和溫度控制等功能。實驗測試結(jié)果表明，本文研究的溫度控制器能夠較精確地測量熱電阻和熱電偶的信號。以MCP－PID控制算法為例，說明本溫控器可以方便實現(xiàn)各種溫度控制算法的移植，控制效果較好，控制結(jié)果可通過LCD就地顯示，也可通過RS－232、RS－485或以太網(wǎng)發(fā)送到DCS主機或者PC機上，實現(xiàn)了實時監(jiān)控的功能。

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Research and Development of the Temperature Controller Based on Embedded ARM Platform

李輝1，2楊同帥1彭道剛1，2
(上海電力學(xué)院自動化工程學(xué)院1，上海200090;上海發(fā)電過程智能管控工程技術(shù)研究中心2，上海200090)

摘要:為了滿足工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備溫度控制的需求，以ARM Cortex－M3處理器STM32F107和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS－II為基礎(chǔ)，設(shè)計開發(fā)了嵌入式溫度控制器，給出了控制器的硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計流程。硬件上可實現(xiàn)熱電阻和熱電偶信號的采集、溫度控制、串口和以太網(wǎng)通信、LCD顯示等功能;軟件上移植了μC/OS－II嵌入式實時操作系統(tǒng)，便于實現(xiàn)各種先進控制算法。實驗表明，該溫度控制器使用MCP－PID溫度控制算法測試，控制效果較好，無超調(diào)。

關(guān)鍵詞:ARM溫度控制器熱電偶電阻爐μC/OS－II多容慣性

Abstract:In order to meet the demand for temperature control of industrial field devices，a embedded temperature controller based on ARM Cortex－M3 processor STM32F107 and embedded real－time operating system μC/OS－II is designed and developed，the scheme of hardware design and flow diagram of software design are given. In the hardware part，the functions of signal acquisition for thermal resistance and thermocouple，temperature control，serial port and Ethernet communication and LCD display are achieved. In the software part，the μC/OSII embedded real time operating system is transplanted for easily realizing various algorithms of advanced control algorithms. The experiments show that the control effect of temperature controller based on MCP－PID temperature control algorithm is better and without overshoot.

Keywords:ARMTemperature controller Thermocouple Resistance furnace μC/OS－II Multi－capacity inertia

中圖分類號:TH－3; TP273

文獻標(biāo)志碼:A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000－0380.201603023