基于嵌入式的FFU控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘" 要： 針對(duì)大量使用空氣凈化設(shè)備的市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)一種FFU遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有巡檢、報(bào)警、通信、風(fēng)速設(shè)定、電流檢測(cè)、分組管理、液晶顯示、FFU驅(qū)動(dòng)等功能。對(duì)于大量FFU設(shè)備，F(xiàn)FU驅(qū)動(dòng)采用低功耗的設(shè)計(jì)，具有調(diào)速范圍廣、穩(wěn)定、可靠、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，而通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用分布式星型與總線混合結(jié)構(gòu)。該控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、安裝方便、擴(kuò)展性強(qiáng)，主要用于工廠車間、地鐵通風(fēng)等大型場(chǎng)所。

關(guān)鍵詞： 遠(yuǎn)程集中控制; 低功耗; 分布式結(jié)構(gòu); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 人機(jī)交互界面; FFU

中圖分類號(hào)： TN876?34" " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）21?0163?04

Abstract： A remote centralized control system for fan filter unit （FFU） is developed to meet the market needs for a large number of air purification equipments. The system has the functions of patrol， alarm， communication， wind speed setting， current detection， group management， liquid crystal display， FFU drive， etc. For a large number of FFU devices， a low?power design is adopted for the FFU drive， which has the advantages of wide speed range， high stability， high reliability， and energy?saving. The distributed star?type and bus hybrid structure is adopted in communication network structure. The control system is easy to operate and install， and has high expansibility. It is mainly used in large?scale sites such as factory workshop and subway ventilation and so on.

Keywords： remote centralized control; low?power consumption; distributed structure; system design; human?computer interactive interface; RS 485

0" 引" 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。而生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)環(huán)境決定了產(chǎn)品質(zhì)量，這就迫使廠家追求更高的生產(chǎn)技術(shù)和更好的生產(chǎn)環(huán)境。特別是電子、制藥、食品、生物工程、醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)ιa(chǎn)環(huán)境有著苛刻的要求[1]。對(duì)于大型場(chǎng)所，常采用多臺(tái)通風(fēng)設(shè)備，這就需要對(duì)多臺(tái)通風(fēng)設(shè)備集中控制，而傳統(tǒng)的分散控制難以滿足生產(chǎn)需求。而現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)滿足于工業(yè)的集中控制，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)以其開(kāi)放性、數(shù)字化、雙向傳輸、多站通信等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)脫穎而出，在集成電路、工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制功能的底層化，優(yōu)化了傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)，在各工業(yè)領(lǐng)域起到了不可替代的作用[2]。

FFU（Fan Filter Unit）作為一種凈化設(shè)備，目前在各種潔凈工程中得到廣泛應(yīng)用。FFU又叫風(fēng)機(jī)過(guò)濾單元，也就是風(fēng)機(jī)和過(guò)濾器連接在一起，能自己提供動(dòng)力的潔凈設(shè)備。在FFU的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，其控制系統(tǒng)的應(yīng)用率還是比較低的，而且在國(guó)際市場(chǎng)上流行的FFU智能化控制系統(tǒng)中，一般配備無(wú)刷直流電機(jī)FFU[3]。本文中所使用的FFU為單相交流異步電機(jī)。

1" 控制系統(tǒng)功能分析

該系統(tǒng)主要包括主機(jī)、從機(jī)及其通信部分，采用現(xiàn)場(chǎng)總線集散型控制方式，實(shí)現(xiàn)了FFU調(diào)速、遠(yuǎn)程通信、人機(jī)交互設(shè)置等功能。采用液晶屏來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，主機(jī)和從機(jī)之間的通信采用RS 485通信協(xié)議，主機(jī)和電腦通信采用RS 232通信協(xié)議，主機(jī)芯片和液晶屏通信采用串口通信方式，控制信號(hào)通過(guò)RS 485模塊傳送到從機(jī)控制器，改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速增加空氣流動(dòng)，空氣通過(guò)SCAF（自潔式過(guò)濾器）降低空氣粉塵濃度和二氧化碳濃度。電腦和主機(jī)通信，進(jìn)行出廠設(shè)置和調(diào)試程序。采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)可以節(jié)省許多傳統(tǒng)通信線路的端子和線纜，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)潔。現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的全數(shù)字化通信特點(diǎn)特別適用于糾錯(cuò)和信息防撞的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提高多點(diǎn)雙向通信的可靠性[4]。

2" 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)和電路設(shè)計(jì)

2.1" 通信功能

系統(tǒng)采用星型與總線接線方式混合使用，整個(gè)系統(tǒng)由主機(jī)、硬件轉(zhuǎn)發(fā)器和控制器組成?？刂葡到y(tǒng)中，每一個(gè)和主機(jī)進(jìn)行通信的從機(jī)設(shè)備都需要有自己唯一的通信地址。當(dāng)使用轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，主機(jī)與轉(zhuǎn)發(fā)器之間的接線采用星型連接。轉(zhuǎn)發(fā)器與轉(zhuǎn)發(fā)器、轉(zhuǎn)發(fā)器與從機(jī)之間的接線為總線方式，轉(zhuǎn)發(fā)器與轉(zhuǎn)發(fā)器之間的接線稱為一層總線。轉(zhuǎn)發(fā)器與從機(jī)之間的接線稱為二層總線。通過(guò)這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以通過(guò)單片機(jī)對(duì)大量FFU進(jìn)行集中控制和監(jiān)控，即可以控制FFU運(yùn)行、停止，也可以監(jiān)控FFU狀態(tài)和故障。因此這種集中控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的分散控制相比，具有規(guī)模大，方便管理，局部故障不會(huì)影響其他FFU運(yùn)行的特點(diǎn)。

二級(jí)網(wǎng)絡(luò)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它表示出電腦和主機(jī)通信，主機(jī)和從機(jī)通信的連接關(guān)系。主機(jī)和從機(jī)通信之間需要轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采取先星型后總線型連接，與主機(jī)連接的轉(zhuǎn)發(fā)器是星型連接的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，與從機(jī)連接的是總線連接方式。為了保證裝置在錯(cuò)綜復(fù)雜的環(huán)境中可靠運(yùn)行，PCB設(shè)計(jì)布線時(shí)，初級(jí)電路與次級(jí)電路分開(kāi)布置，元器件布局要緊湊，元器件位置要按照信號(hào)流向進(jìn)行布局，遵循先防護(hù)后濾波的原則;同組信號(hào)線要平行等長(zhǎng)走線[5]。重點(diǎn)考慮信號(hào)的參考地，使信號(hào)有最小的傳輸路徑[6]。

2.2" FFU驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路采用串聯(lián)電容分壓的方式，根據(jù)工廠的實(shí)際需求設(shè)計(jì)出三檔調(diào)速，分別為高檔、中檔、低檔。通過(guò)繼電器選擇控制檔速，因?yàn)楣S的環(huán)境比較復(fù)雜，F(xiàn)FU的驅(qū)動(dòng)電路必須可靠和穩(wěn)定，因?yàn)閿?shù)量多，節(jié)能很關(guān)鍵，串聯(lián)電容分壓調(diào)速可靠性高、能耗小，繼電器控制穩(wěn)定性高。繼電器驅(qū)動(dòng)電路采用光耦隔離開(kāi)關(guān)和三極管，光耦隔離開(kāi)關(guān)的作用是實(shí)現(xiàn)信號(hào)與強(qiáng)電的隔離，由于光耦隔離開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)能力弱，加一個(gè)三極管提高其驅(qū)動(dòng)能力。FFU驅(qū)動(dòng)電路圖如圖2所示，A端口接控制信號(hào)，L端口接電源火線，M端口接FFU端，Y1是繼電器。

2.3" 人機(jī)交互界面

根據(jù)實(shí)際需求，液晶屏需要監(jiān)視全部區(qū)域的FFU運(yùn)行狀態(tài)，F(xiàn)FU數(shù)量比較多，顯示的信息量大，功能多，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)性，選用7寸觸摸液晶屏，液晶屏上不僅能顯示FFU的運(yùn)行狀態(tài)，還能進(jìn)行調(diào)速、密碼設(shè)置、區(qū)域啟停設(shè)置等功能。當(dāng)FFU故障時(shí)，液晶屏上顯示紅色報(bào)警，蜂鳴器鳴響。

液晶屏主要顯示兩大界面：一是風(fēng)機(jī)列表;二是系統(tǒng)設(shè)置。風(fēng)機(jī)列表顯示的是所有FFU的運(yùn)行狀態(tài)，不能進(jìn)行設(shè)置。在風(fēng)機(jī)列表中，可以直接觀察每一個(gè)區(qū)域，每一臺(tái)FFU的運(yùn)行情況，當(dāng)出現(xiàn)通信故障或FFU運(yùn)行不正常時(shí)，液晶屏上顯示紅色報(bào)警信息。系統(tǒng)設(shè)置顯示的是所有功能的設(shè)置，即包括修改密碼、屏幕亮度、廠家信息、恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置、恢復(fù)出廠設(shè)置、單機(jī)風(fēng)速調(diào)整、從機(jī)批量啟停、區(qū)域批量啟停和聯(lián)機(jī)數(shù)量調(diào)整。聯(lián)機(jī)數(shù)量調(diào)整的功能根據(jù)客戶的需求可以設(shè)定區(qū)域數(shù)量和從機(jī)數(shù)量，區(qū)域批量啟停是為了方便操作，使整個(gè)區(qū)域的FFU啟動(dòng)或停止，液晶屏系統(tǒng)設(shè)置界面圖如圖3所示。

2.4" 電流檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

通過(guò)電流檢測(cè)可以判斷出FFU運(yùn)行的檔位，根據(jù)設(shè)定的檔位與運(yùn)行的檔位對(duì)比可以判斷出FFU是否正常運(yùn)行。A，B端口與FFU串聯(lián)，T2為電流互感器，[C1]具有電容濾波功能，D1，D2，D3，D4為橋式整橋電路，E端為芯片所測(cè)的模擬信號(hào)，根據(jù)測(cè)得的信號(hào)量轉(zhuǎn)化為FFU實(shí)際運(yùn)行檔位。電流檢測(cè)電路圖如圖4所示。

2.5" 芯片選擇

FFU控制系統(tǒng)的功能多，信息量大，主機(jī)芯片需要3個(gè)串口進(jìn)行通信：一是主機(jī)芯片與從機(jī)通信，采用串口1;二是主機(jī)芯片與液晶屏通信，采用串口2;三是主機(jī)芯片與電腦通信，采用串口3。由于功能多，F(xiàn)FU控制系統(tǒng)采用μC/OS?Ⅲ操作系統(tǒng)和emWin人機(jī)交互界面，所以主機(jī)芯片采用STM32F407ZGT6芯片，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。從機(jī)控制器的芯片采用STC15W408AS芯片，抗干擾能力強(qiáng)，具有加密技術(shù)，不需要外部晶振和外部復(fù)位電路，可省掉外部E2PROM，大容量2 KB SRAM，功耗低，可靠性高，這樣在設(shè)計(jì)電路上就會(huì)方便很多。

2.6" 電源模塊設(shè)計(jì)

整個(gè)控制系統(tǒng)中，主機(jī)芯片電源電壓為3.3 V，液晶屏、轉(zhuǎn)發(fā)器和從機(jī)控制器電源電壓為5.0 V，繼電器電源電壓12 V。各種電源電壓模塊的設(shè)計(jì)電路相同，電容、電阻和變壓器的參數(shù)不同。電源模塊采用CR1510芯片電源管理模塊，電源模塊電路圖如圖5所示。

其中，F(xiàn)1為保險(xiǎn)管，模塊異常時(shí)熔斷，切斷故障;[R2]為繞線電阻，抑制浪涌電流;[R1]為壓敏電阻，吸收雷擊浪涌;L，N輸入端口分別為電源火線和零線;G，H輸出端口分別為正負(fù)電源口。

3" 軟件設(shè)計(jì)

3.1" 系統(tǒng)程序分析

控制系統(tǒng)上電以后，系統(tǒng)進(jìn)入初始化，初始化后，系統(tǒng)等待來(lái)自液晶屏的參數(shù)設(shè)置中斷、電腦中斷。電腦的中斷為最高優(yōu)先級(jí)，液晶屏的中斷為最低優(yōu)先級(jí)，如果2個(gè)中斷都沒(méi)有，就會(huì)進(jìn)行查詢模式，主機(jī)查詢所有FFU的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，然后主機(jī)把從機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送給液晶屏顯示并保存到存儲(chǔ)器中;如果有液晶屏中斷，主機(jī)把液晶屏信息內(nèi)容保存并判斷是否發(fā)送給從機(jī);如果有電腦中斷，主機(jī)會(huì)把信息保存并判斷是否發(fā)送給從機(jī)，主程序流程圖如圖6所示。

3.2" RS 485總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了使主機(jī)能很好地控制各個(gè)從機(jī)工作和接收相應(yīng)從機(jī)傳回來(lái)的數(shù)據(jù)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目偩€通信協(xié)議是很關(guān)鍵的技術(shù)之一。為了避免總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)受環(huán)境中各種因素的干擾，以導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸有誤，所以數(shù)據(jù)包應(yīng)該加上幀頭和幀尾。

1） 命令信息

由主機(jī)發(fā)送各個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器和從機(jī)的具體命令格式如表1所示。轉(zhuǎn)發(fā)器和從機(jī)識(shí)別幀頭后開(kāi)始接收5個(gè)字節(jié)的命令，對(duì)命令解析后，根據(jù)解析的命令選擇上傳還是向下轉(zhuǎn)發(fā)信息。

2） 數(shù)據(jù)信息

由主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包的具體格式如表2所示。數(shù)據(jù)包包括幀頭、幀尾和有效數(shù)據(jù)，其中有效數(shù)據(jù)包含地址和風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速信息。

4" 結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，產(chǎn)品拿到企業(yè)做測(cè)試，在一段時(shí)間的運(yùn)行期間，并沒(méi)有什么系統(tǒng)故障問(wèn)題，F(xiàn)FU運(yùn)行正常，輸出風(fēng)量符合公司的要求，驅(qū)動(dòng)電路可靠，如果FFU故障和通信故障，液晶屏上會(huì)顯示報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，從機(jī)控制器點(diǎn)亮紅燈。電腦和主機(jī)通信正常，通過(guò)電腦可以準(zhǔn)確無(wú)誤地設(shè)置FFU控制系統(tǒng)的出廠設(shè)置，并且可以在電腦上查看FFU控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況。主機(jī)和液晶屏通信正常，可以把設(shè)置的數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器中，恢復(fù)出廠設(shè)置數(shù)據(jù)無(wú)誤，保存和恢復(fù)默認(rèn)設(shè)置無(wú)誤，可以通過(guò)液晶屏控制所有的從機(jī)設(shè)備。主機(jī)和從機(jī)通信正常，通過(guò)RS 485通信模塊把數(shù)據(jù)傳送到從機(jī)并接收從機(jī)發(fā)過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，在液晶屏實(shí)時(shí)地顯示所有FFU的運(yùn)行狀態(tài)。測(cè)量風(fēng)速結(jié)果如表3所示。其中，F(xiàn)FU無(wú)過(guò)濾芯時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，型號(hào)：ebmpapst M4E074?DF。

5" 結(jié)" 論

該控制系統(tǒng)已經(jīng)投入運(yùn)行，得到廠方的認(rèn)可，方便施工人員的安裝，同時(shí)可以快速地發(fā)現(xiàn)故障設(shè)備，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，功能齊全可靠，設(shè)備體積小、成本低，可應(yīng)用于工廠車間、地鐵通風(fēng)等大型場(chǎng)所。

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