基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng)

伍志丹

摘要：為向乘客提供更加舒適的乘坐環(huán)境，文章設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式微處理器作為核心芯片，通過溫度檢測單元采集動車室溫?cái)?shù)據(jù)，并以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用模糊PID控制算法控制調(diào)溫風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量與轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對動車室溫的智能控制。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對動車室溫進(jìn)行智能控制，控制時(shí)效性較高，控制過程無超調(diào)現(xiàn)象，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較高。

關(guān)鍵詞：嵌入式技術(shù);動車室溫;智能控制;模糊PID算法

中國分類號：U231.8文章標(biāo)識碼：A411574

0 引言

動車的車廂屬于封閉狀態(tài)，動車室溫成為保障旅客乘車舒適度的關(guān)鍵因素之一，為了向旅客提供更加舒適的乘車環(huán)境，需選取恰當(dāng)?shù)姆绞綄榆囀覝貙?shí)施智能控制[1]。目前大多數(shù)動車組客室的溫度通過空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施調(diào)控，運(yùn)用通風(fēng)、采暖及制冷等方式，使動車室溫達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度，但此種單純的空調(diào)系統(tǒng)存在一定的弊端，無法有效保證溫度控制的實(shí)時(shí)性與精準(zhǔn)性，控制效果不夠理想[2-3]。

嵌入式技術(shù)的主要特點(diǎn)為針對性與目的性較為明確，應(yīng)用嵌入式技術(shù)的系統(tǒng)在設(shè)計(jì)與開發(fā)時(shí)，均有其特定的應(yīng)用范圍，此為嵌入式系統(tǒng)與普通系統(tǒng)之間的區(qū)別之一[4]。嵌入式技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，使其逐步成為當(dāng)下計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵分支，并且成功劃分計(jì)算機(jī)類別為嵌入式系統(tǒng)與普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大類，被網(wǎng)絡(luò)、電信以及工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)融合了硬件與軟件兩部分，通過向相應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)裝入嵌入式設(shè)備構(gòu)成全新用途的專用系統(tǒng)，主要由宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)組成[5-6]。在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分運(yùn)用嵌入式技術(shù)的特定用途范圍及按照實(shí)際需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟硬件，提升嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行效率[7]。嵌入式系統(tǒng)將應(yīng)用作為核心，適當(dāng)調(diào)整軟硬件后，可成為功能更加專業(yè)的專用系統(tǒng)，在控制算法的應(yīng)用方面，可選取PID算法與模糊控制相結(jié)合的模糊PID算法，達(dá)到高魯棒性、精準(zhǔn)高效的控制效果[8-9]。

綜合以上分析，本文提出了基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將通過嵌入式微處理器S3C2440A核心芯片所構(gòu)造的嵌入式智能溫度控制器作為硬件部分，結(jié)合軟件部分的模糊PID控制算法共同實(shí)現(xiàn)對動車室溫的智能控制，高效精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)控制動車的室內(nèi)溫度，為乘客提供更加舒適的乘坐環(huán)境。

1 嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

以嵌入式智能溫度控制器作為硬件的核心部分，以模糊PID控制算法作為軟件的核心部分，設(shè)計(jì)包含硬件部分、中間部分以及軟件部分的動車室溫智能控制系統(tǒng)，整體架構(gòu)如圖1所示。

通過硬件部分中的嵌入式智能溫度控制器采集動車室溫轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù)，將所采集到的數(shù)據(jù)作為初始值，調(diào)用軟件部分內(nèi)的模糊PID控制算法，運(yùn)用初始值實(shí)施運(yùn)算，獲取當(dāng)前的控制輸出量，嵌入式智能溫度控制器運(yùn)用此控制輸出量控制調(diào)溫風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量與轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)對動車室溫的智能控制。其中，系統(tǒng)中間部分的BSP即為板級支持包，也可稱作硬件抽象層，它的功能為分離系統(tǒng)的軟件部分與硬件部分，令系統(tǒng)軟件部分僅以此層所提供的接口為依據(jù)開發(fā)即可，不需要與硬件部分的詳細(xì)狀況相關(guān)聯(lián)，同時(shí)對系統(tǒng)內(nèi)硬件部分實(shí)施初始化。

1.2 硬件部分功能設(shè)計(jì)

硬件部分的核心為嵌入式智能溫度控制器，其以嵌入式微處理器S3C2440A為核心芯片構(gòu)造而成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

嵌入式智能溫度控制器主要包含主控單元、溫度檢測單元、操作單元、通信單元及受控單元等。其中主控單元屬于嵌入式智能溫度控制器的核心單元，主要由嵌入式微處理器S3C2440A芯片構(gòu)成，此芯片具有非常豐富的內(nèi)部資源，其內(nèi)核為ARM920T，可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的16 kB數(shù)據(jù)與指令緩存，可集成LCD、PWM、SPI及A/D等眾多設(shè)備接口，降低外圍接口電路的設(shè)計(jì)難度，實(shí)現(xiàn)信號處理及計(jì)算等任務(wù);溫度檢測單元的主要任務(wù)是檢測動車室內(nèi)溫度及對溫度信號實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)向主控單元傳送標(biāo)準(zhǔn)化處理后的信號;通信單元由CAN控制器與DM9000EP以太網(wǎng)控制器芯片構(gòu)成，經(jīng)由CAN總線實(shí)現(xiàn)CAN控制器接口向外輸送控制信號并達(dá)到同其余控制節(jié)點(diǎn)通信的目的，利用雙絞線將DM9000EP與上位機(jī)相連，通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器監(jiān)控下位機(jī)并交換上下位機(jī)數(shù)據(jù);操作單元內(nèi)包含觸摸屏與LCD顯示屏，動車室溫設(shè)置鍵與系統(tǒng)的開關(guān)等均設(shè)置于觸摸屏上;受控單元包含變頻器與調(diào)溫風(fēng)機(jī)，當(dāng)此單元接收到主控單元所傳送的控制信號后，運(yùn)用變頻器對調(diào)溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)施調(diào)整，實(shí)時(shí)調(diào)整送風(fēng)量以控制動車室溫。

1.2.1 輸入與輸出接口設(shè)計(jì)

嵌入式微處理器S3C2440A芯片可提供較多的通用I/O引腳，能夠完全滿足本文動車室溫智能控制系統(tǒng)的需求，無須對I/O引腳實(shí)施擴(kuò)展。因此，在設(shè)計(jì)本文控制系統(tǒng)的輸入與輸出接口時(shí)，需重點(diǎn)權(quán)衡輸出信號同主機(jī)的隔離、輸出信號的驅(qū)動、輸入信號的轉(zhuǎn)換以及輸入信號同主機(jī)的隔離等。

1.2.2 A/D與D/A轉(zhuǎn)換

嵌入式微處理器S3C2440A芯片中不具備集成DAC，具備8路十位集成ADC與五個(gè)16位的定時(shí)器，包含內(nèi)部定時(shí)器1個(gè)與PWM定時(shí)器4個(gè)。為了將以PWM為基礎(chǔ)所實(shí)現(xiàn)的DAC精準(zhǔn)電路獲取到，可通過在外側(cè)與一個(gè)轉(zhuǎn)換電路及濾波器相連實(shí)現(xiàn)，詳見圖3。圖中D1與Q1分別為高精度穩(wěn)壓二極管與高頻開關(guān)管，因高頻開關(guān)管Q1的截止電阻較高而導(dǎo)通電阻較小，高精度穩(wěn)壓二極管D1能夠轉(zhuǎn)換嵌入式智能控制器的輸出PWM波形，轉(zhuǎn)換后PWM波形的高、低電壓分別為2.5 V與0 V，屬于目標(biāo)PWM波形。為達(dá)到高精度DAC功能，需采用二級阻容濾波將直流分量獲取到，并通過低噪聲放大器TLV4376驅(qū)動輸出實(shí)現(xiàn)。

1.3 軟件部分設(shè)計(jì)

本文控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括模糊PID控制算法、嵌入式Linux操作子系統(tǒng)、圖形用戶接口及應(yīng)用程序等，其中嵌入式Linux操作子系統(tǒng)安裝于虛擬機(jī)軟件上，在此子系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)圖形開發(fā)及交叉編譯等。

1.3.1 溫度采集與轉(zhuǎn)換過程設(shè)計(jì)

嵌入式微處理器S3C2440A芯片將溫度傳感器所采集到的溫度信號轉(zhuǎn)換成相對的電壓信號，并向嵌入式微處理器S3C2440A芯片的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器傳送;通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)據(jù)之后，再經(jīng)10進(jìn)制和16進(jìn)制運(yùn)算與轉(zhuǎn)換為浮點(diǎn)數(shù)據(jù)后，通過LCD顯示屏呈現(xiàn)。其中系統(tǒng)所設(shè)定的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲到緩存區(qū)的時(shí)間間隔為80 ms，當(dāng)緩存區(qū)存儲數(shù)量到達(dá)設(shè)定數(shù)量時(shí)，將緩存區(qū)數(shù)據(jù)清零并標(biāo)記為1，繼續(xù)實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換;若緩存區(qū)存儲數(shù)量未達(dá)到設(shè)定數(shù)量，則繼續(xù)實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換。溫度采集與轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。

1.3.2 模糊PID控制算法

系統(tǒng)中的嵌入式智能溫度控制器通過運(yùn)用模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)對動車室溫的實(shí)時(shí)在線智能控制。PID控制是通過運(yùn)用微積分與比例運(yùn)算出控制量而實(shí)現(xiàn)的，它的控制規(guī)律可表示為：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某動車操控平臺中，對此動車室溫實(shí)施智能控制，檢驗(yàn)本文系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)驗(yàn)動車共有8節(jié)車廂，車體的總長度為201.78 m，其中中間每節(jié)車廂的長度為25.80 m，兩端車廂的長度為23.49 m，車體的高度與寬度分別為3.90 m與3.31 m;該動車的運(yùn)行平均速度為355 km/h，可載客600人左右。

2.1 控制效果檢驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中分別檢驗(yàn)應(yīng)用本文系統(tǒng)前后實(shí)驗(yàn)動車室溫的恒溫控制效果，其中恒溫控制的設(shè)定溫度為25 ℃，設(shè)定時(shí)間為09[JX-+0.7mm]：[JX+0.7mm]30-21[JX-+0.7mm]：[JX+0.7mm]30，應(yīng)用本文系統(tǒng)前后的控制情況對比結(jié)果如圖5所示。通過圖5（a）能夠得出，無本文系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)動車室溫的恒溫控制效果差，室溫多次出現(xiàn)大幅度波動，而應(yīng)用本文系統(tǒng)后實(shí)驗(yàn)動車室溫的恒溫控制效果顯著，始終保持設(shè)定的25 ℃室溫，偶有微小的溫度波動，但波動誤差始終<±0.3 ℃，可實(shí)現(xiàn)動車室溫的恒溫控制;由圖5（b）可看出，應(yīng)用本文系統(tǒng)后實(shí)驗(yàn)動車室溫可迅速達(dá)到設(shè)定溫度，所用時(shí)間遠(yuǎn)低于應(yīng)用本文系統(tǒng)前，并且無超調(diào)現(xiàn)象。綜合可見，本文系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對動車室溫的恒溫控制，控制效果理想，控制效率高無超調(diào)現(xiàn)象。

統(tǒng)計(jì)應(yīng)用本文系統(tǒng)前后實(shí)驗(yàn)動車室溫達(dá)到各時(shí)間段設(shè)定溫度所用時(shí)間及控制中是否存在超調(diào)現(xiàn)象，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。由表1能夠得知，應(yīng)用本文系統(tǒng)前實(shí)驗(yàn)動車室溫達(dá)到各時(shí)間段設(shè)定溫度所用時(shí)間均遠(yuǎn)高于應(yīng)用本文系統(tǒng)后，應(yīng)用本文系統(tǒng)前后實(shí)驗(yàn)動車室溫達(dá)到設(shè)定溫度的平均用時(shí)分別為28.08 s與11.85 s，且應(yīng)用本文系統(tǒng)后實(shí)驗(yàn)動車室溫控制過程中的超調(diào)現(xiàn)象得到有效改善。

2.2 數(shù)據(jù)處理性能檢驗(yàn)

對本文系統(tǒng)控制過程中的數(shù)據(jù)處理性能實(shí)施檢驗(yàn)，檢驗(yàn)隨著數(shù)據(jù)量的持續(xù)增長，本文系統(tǒng)的處理能力，結(jié)果如表2所示。通過表2能夠看出，隨著數(shù)據(jù)量的增長，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理用時(shí)也隨之增加，但增加幅度不大，在高數(shù)據(jù)處理量下本文系統(tǒng)的平均吞吐量與丟包率分別為888.67 Mbps與0.25%。說明在應(yīng)對高數(shù)據(jù)處理量情況下，本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率較高，單位時(shí)間內(nèi)完成的處理量較多，且數(shù)據(jù)丟失情況較少，綜合處理性能優(yōu)越，能夠滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控[JP+2]制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由硬件、軟件及中間部分三部分構(gòu)成，其中硬件部分的核心為嵌入式智能溫度控制器，該控制器的核心芯片為嵌入式微處理器S3C2440A，軟件部分的核心即為模糊PID算法與嵌入式Linux操作子系統(tǒng)，通過結(jié)合軟硬件的嵌入式智能溫度控制器與模糊PID算法，達(dá)到控制動車室內(nèi)溫度的目的，實(shí)際應(yīng)用結(jié)果分析表明，應(yīng)用本文系統(tǒng)之后可實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地控制動車室溫，令動車室溫快速達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度，控制性能穩(wěn)定且效果顯著，實(shí)現(xiàn)對動車室溫的恒溫及分時(shí)段控制，控制過程中未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象，控制中的數(shù)據(jù)處理性能較好，可滿足實(shí)際應(yīng)用所需，為動車組提升乘客的乘坐舒適度提供有效保障。

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