大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)設(shè)計研究

王克群

摘 要：通過大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計，提高離心通風(fēng)機的集成智能控制能力，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用X86架構(gòu)的GNU開發(fā)工具進行控制系統(tǒng)集成設(shè)計，系統(tǒng)的多線程處理性能和控制精度不好。在嵌入式Linux內(nèi)核驅(qū)動環(huán)境下進行系統(tǒng)的軟件開發(fā)，進行大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)軟件模塊的總體設(shè)計及功能指標(biāo)分析，大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)主要由進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等子系統(tǒng)組成。實現(xiàn)控制信息的采集、控制數(shù)據(jù)處理、控制輸出和人機交互。以Linux2.6.32內(nèi)核為平臺，進行控制算法程序加載，采用Qt/Embedded 4.6創(chuàng)建控制系統(tǒng)在嵌入式設(shè)備上的圖形用戶接口，實現(xiàn)可視化控制，完成離心通風(fēng)機集成智能控制程序的編譯、安裝，實現(xiàn)軟件集成設(shè)計。系統(tǒng)調(diào)試和測試結(jié)果表明，采用該大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)進行智能控制，輸出誤差較低，控制穩(wěn)定性較好，面向?qū)ο笮暂^優(yōu)，較優(yōu)較好的控制品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：大型軍用倉庫通風(fēng)機；智能控制；軟件開發(fā)；嵌入式Linux

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A

Design and research on integrated intelligent control system for large scale military warehouse

WANG Kequn

（No. 91640 Troops of PLA， Zhanjiang Guangdong 524064， China）

Abstract： Through the software design and development of integrated intelligent control system of large scale warehouse ventilation， improve the integrated intelligent control ability， the traditional control system uses X86 architecture GNU development tools for the integrated design of the control system， the system of the multi thread processing performance and control precision is not good. Software development in the embedded system Linux kernel environment， analysis of large scale military warehouse ventilation control system software module integrated intelligent design and function， to form a large military warehouse fan integrated intelligent control system is mainly composed of process management， memory management， file system， device management， network system. Control information acquisition， control data processing， control output and human-computer interaction. Based on Linux2.6.32 platform， control algorithm program load， using Qt/Embedded 4.6 to create a control system in embedded devices on the graphical user interface， visual control， complete the centrifugal fan integrated intelligent control program is compiled， installed software， integrated design. System debugging and test results show that the large scale warehouse fan integrated intelligent control system of intelligent control， the output error is low， control stability， object oriented is better than control， good quality.

Key words： large military warehouse fan； intelligent control； software development； embedded Linux

0 引言

大型軍用倉庫存儲武器和戰(zhàn)備物資，對倉庫的防潮和通風(fēng)性能具有較高的要求。隨著集成自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對控制系統(tǒng)的控制魯棒性和控制的品質(zhì)要求越來越高，采用嵌入式控制芯片結(jié)合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，進行大型軍用倉庫通風(fēng)機的集成智能控制，能有效提高大型軍用倉庫通風(fēng)機的機電控制、電氣控制等方面的控制性能。大型軍用倉庫通風(fēng)機是建立在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的，通過信息傳感設(shè)備，實時采集大型軍用倉庫通風(fēng)機的工況信息，實現(xiàn)對大型軍用倉庫通風(fēng)機的實時監(jiān)控和信息通信，在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，進行對大型軍用倉庫通風(fēng)機的集成控制，將在計算機測量與微機控制等領(lǐng)域展示較高的應(yīng)用前景，相關(guān)的控制系統(tǒng)設(shè)計受到人們的關(guān)注。

對大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分，本文在前期的硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，重點對通風(fēng)機控制系統(tǒng)的軟件模塊進行開發(fā)設(shè)計，傳統(tǒng)方法中，對大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的設(shè)計方法主要有ARM尋址技術(shù)的軟件開發(fā)方法、基于GPRS通信接口設(shè)計和PID模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)開發(fā)方法、基于Android嵌入式系統(tǒng)的離心通風(fēng)機多模集成智能控制方法等[1-3]，通過嵌入式軟件開發(fā)設(shè)計，實現(xiàn)了大型軍用倉庫通風(fēng)機多模集成智能控制，取得了較好的控制品質(zhì)，相關(guān)文獻進行了具體的論述，其中，文獻[4]提出一種基于射頻識別RFID技術(shù)和多模VIX總線控制的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)設(shè)計方法，通過遠程監(jiān)測、智能傳感器數(shù)據(jù)采集和遠程多模式操控，實現(xiàn)對大型軍用倉庫通風(fēng)機的智能控制，但是該控制系統(tǒng)在采用AD7656驅(qū)動主控系統(tǒng)進行控制程序加載中，容易產(chǎn)生基線漂移和失真，控制的收斂性不好。文獻[5]提出一種基于IEEE488.2標(biāo)準下Bus采集的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)，在主機agent發(fā)送的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)進行控制程序加載，構(gòu)建HP E1485A/B多?？刂颇K，進行通風(fēng)機的魯棒性控制，取得了較好的控制效果，但是該系統(tǒng)使用Qt/Embedded作為GUI，在控制器的人機交互模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤碼輸出，控制系統(tǒng)的穩(wěn)健性不好，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用X86架構(gòu)的GNU開發(fā)工具進行控制系統(tǒng)集成設(shè)計，系統(tǒng)的多線程處理性能不好。

針對上述問題，本文提出一種基于嵌入式Linux內(nèi)核驅(qū)動環(huán)境下的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計方法，首先進行了大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計和功能模塊分析，進行嵌入式Linux的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)架，在Linux內(nèi)核大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)分別是進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等，對控制系統(tǒng)進行軟件開發(fā)集成設(shè)計，最后通過系統(tǒng)調(diào)試和仿真實驗進行了性能測試，本文設(shè)計的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了較好的控制穩(wěn)健性，得出有效性結(jié)論。

1 總體設(shè)計及功能指標(biāo)分析

1.1 大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計

首先分析大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)總體設(shè)計并進行功能模塊分析和介紹，大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)建立在通用計算機平臺上，控制系統(tǒng)可以在不同的操作系統(tǒng)上進行大型軍用倉庫通風(fēng)機的機電信息采集和數(shù)據(jù)加工處理，為了提高控制系統(tǒng)的兼容性，大型軍用倉庫通風(fēng)機控制系統(tǒng)可以安裝windows系統(tǒng)，也可以安裝Linux系統(tǒng)。大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)采用ARM作為核心控制單元，在嵌入式Linux的內(nèi)核結(jié)構(gòu)中進行軟件開發(fā)設(shè)計，集成智能控制系統(tǒng)采用的是PID控制算法，進行大型軍用倉庫通風(fēng)機的進程管理和控制信息數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)處理，通過CAN發(fā)送程序[6-9]。

在大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)設(shè)計中，Linux內(nèi)核由幾個重要的子系統(tǒng)組成，分別是進程管理、內(nèi)存管理、文件系統(tǒng)、設(shè)備管理、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。其中，離心通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的進程管理主要完成進程的創(chuàng)建、中止、進程間的通信及任務(wù)調(diào)度，這個是Linux內(nèi)核最核心的地方，由于Linux中可以支持多個文件系統(tǒng)，能實現(xiàn)多線程管理和控制。進程管理的相關(guān)文件是在Linux內(nèi)核源碼目錄的kernel中實現(xiàn)的，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中需要良好的人機交互能力，在控制系統(tǒng)的接口程序部分，需要構(gòu)建可視化的操作界面，系統(tǒng)使用Qt/Embedded作為GUI，進行控制系統(tǒng)的可視化操作，根據(jù)上述分析，構(gòu)建大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)軟件模塊總體設(shè)計框圖如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)的功能模塊技術(shù)指標(biāo)分析

根據(jù)上述對大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)軟件模塊總體設(shè)計結(jié)構(gòu)，進行系統(tǒng)的功能模塊分析，本文設(shè)計的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)描述如下：

（1）大型軍用倉庫通風(fēng)機控制信息采集的多通道數(shù)據(jù)記錄動態(tài)范圍：-40dB～+40dB，PCI總線模塊的放大量為100dB，輸出控制信息的幅度 V；

（2）集成智能控制系統(tǒng)中收發(fā)轉(zhuǎn)換采樣通道：8通道同步、異步輸入；

（3）離心通風(fēng)機的控制信息離散采樣率： 200 KHz；

（4）VME總線傳輸?shù)腁/D分辨率：10位（至少）；

（5）編譯內(nèi)核的D/A分辨率：12位（至少）；

（6）MXI總線控制的D/A轉(zhuǎn)換速率： 200KHz；

根據(jù)上述功能模塊分析和控制系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)描述，進行大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計。

2 控制系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1嵌入式Linux定制及內(nèi)核結(jié)構(gòu)構(gòu)建

在上述進行了大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)軟件模塊的總體設(shè)計及功能指標(biāo)分析的基礎(chǔ)上，進行控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)模塊化設(shè)計，對大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的嵌入式Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)進行構(gòu)建，采用了Make menuconfig 進行大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)內(nèi)核的配置。大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)Linux內(nèi)核配置過程如圖2所示。

圖2 大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)Linux內(nèi)核配置過程

Fig. 2 Large scale military warehouse ventilator integrated intelligent control system Linux kernel configuration process

在圖2所示的集成智能控制系統(tǒng)Linux內(nèi)核配置選項中，使用make menuconfig命令進行配置，配置完成后，進行大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的嵌入式Linux定制和控制程序的編譯，編譯主要代碼描述為：

Generates Settings --->

Mkyaffsimage filesystem --->

[*]downloaded //通風(fēng)機集成智能控制算法下載

Applets links（as soft-links） --->

（/home/Documents/nfs） linux-gnueabi Installation prefix

[*]Lash（arm-angstrom-linux）// lib目錄下提供內(nèi)核

根據(jù)上述分析，實現(xiàn)大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的控制算法編譯和程序加載。

2.2 集成智能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)功能模塊實現(xiàn)

在上述進行了大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的嵌入式Linux內(nèi)核結(jié)構(gòu)設(shè)計和程序編譯的基礎(chǔ)上，進行軟件的模塊化開發(fā)和多線程控制設(shè)計，軟件設(shè)計以Linux2.6.32內(nèi)核為平臺，通過網(wǎng)線、232串口、USB進行控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序開發(fā)，大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的邏輯時序控制信號通過高性能的MAX7000AE嵌入式處理芯片進行控制算法程序加載，通過調(diào)用request_irq（）函數(shù)來申請離心通風(fēng)機集成智能控制的中斷，調(diào)用free_irq（）函數(shù)來釋放離心通風(fēng)機集成智能控制的時鐘中斷，中斷字設(shè)計為：

#define MISC_ MISC_DYNAMIC 255 //主設(shè)備號

#define s3c2440_pwm "pwm"http://設(shè)備文件名

int ret unregister_chrdev（）；

ret = s3c2440_pwm_open（&misc;）；

在成功向離心通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)注冊了設(shè)備驅(qū)動程序后，分別對s3c2440_pwm_open，s3c2440_pwm_close和s3c2440_pwm_ioctl三個函數(shù)進行編程，用DDS（直接數(shù)字合成）技術(shù)芯片AD9850進行控制系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采樣調(diào)試，采用4片AD8582用于送模擬信號預(yù)處理機進行/IOSTRB譯碼，采用Server/Client實現(xiàn)上位機通信，先用WIN32 API函數(shù)CreateFile（ ）函數(shù)打開設(shè)備，s3c2440_pwm_ioctl的程序定義為：

static struct miscdevice misc = {

.minor = struct inode *inode _MINOR，

.name = struct file *filp，

.fops = &dev;_fops s3c2440_adc，

}；

其中，s3c2440_adc_open（）和s3c2440_adc_release（）負責(zé)控制大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)中嵌入式進程的S3C2440內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換的打開和關(guān)閉，輸入命令source install-qt-embedded-x86.sh，開始離心通風(fēng)機集成智能控制的可視化程序的編譯、安裝，如圖3所示。

安裝完成后，會在指定的安裝目錄下生成Qt/Embedded，在控制系統(tǒng)的用戶界面中，首先需要選擇測量模式和控制模式，實現(xiàn)系統(tǒng)的可視化智能控制。

3 系統(tǒng)仿真實驗與調(diào)試

為了測試本文設(shè)計的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能，進行系統(tǒng)調(diào)試和仿真實驗分析，實現(xiàn)性能測試，實驗中，在嵌入式設(shè)備上運行Qt C++ API，Qt/Embedded的加載程序，在Qt/X11中構(gòu)建大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制的Linux內(nèi)核，調(diào)試過程使用Agilent 33220A 函數(shù)信號發(fā)生器，實時時鐘電壓3.3V，內(nèi)核電壓1.26V，打開Visual DSP++自帶的ICE Test掃描JTAG口進行控制信號采集，采集的輸入通道為4塊采集卡的任意通道，得到大型軍用倉庫通風(fēng)機控制參量采集通道可視化模塊如圖4所示。

根據(jù)圖4的系統(tǒng)界面進行采集參數(shù)設(shè)定，進行控制性能測試仿真，大型軍用倉庫通風(fēng)機控制信號輸入為兩個疊加的不同頻率正弦波，采用本文設(shè)計的控制系統(tǒng)，進行控制信息處理和PID控制算法加載，實現(xiàn)大型軍用倉庫通風(fēng)機的遠程多線程智能控制，得到控制的輸入輸出波形如圖5所示。

從圖可見，采用本文設(shè)計的大型軍用倉庫通風(fēng)機控制系統(tǒng)，能有效實現(xiàn)大型軍用倉庫通風(fēng)機的集成智能控制，具有較好的輸出控制增益，提高了控制的精度和品質(zhì)，為了對比性能，采用本文方法和傳統(tǒng)方法，以控制輸出的電機電壓偏移為測試指標(biāo)，得到對比結(jié)果如圖6所示，從圖可見，采用本文方法進行大型軍用倉庫通風(fēng)機控制，輸出性能較好，誤差較低，失真較小，展示了較好的控制魯棒性和品質(zhì)。

圖6 控制性能對比

Fig. 6 Control performance comparison

4 結(jié)束語

本文采用嵌入式控制芯片結(jié)合控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計，進行大型軍用倉庫通風(fēng)機的集成智能控制，能有效提高大型軍用倉庫通風(fēng)機的機電控制、電氣控制等方面的控制性能。本文提出一種基于嵌入式Linux內(nèi)核驅(qū)動環(huán)境下的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)設(shè)計方法，首先進行了大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)的總體設(shè)計和功能模塊分析，進行嵌入式Linux的體系結(jié)構(gòu)構(gòu)架，實現(xiàn)集成智能控制系統(tǒng)的模塊化集成設(shè)計和軟件開發(fā)，系統(tǒng)測試結(jié)果表明，采用本文設(shè)計的大型軍用倉庫通風(fēng)機集成智能控制系統(tǒng)，能有效提高控制精度和品質(zhì)，控制系統(tǒng)的可視化人機交互性能和兼容性能較好，展示了較好的應(yīng)用價值。

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