基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統(tǒng)的研究
摘 要: 針對高溫微波燒結設備對可靠性、穩(wěn)定性和多功能的需求,提出了一種基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統(tǒng),實現(xiàn)了對高溫微波燒結設備可靠、精確的控制。不但豐富了系統(tǒng)功能,提高了控制精度,而且使復雜的操作簡單化。
微波作為一種節(jié)能環(huán)保的新能源形式,近年來在國內外得到了迅猛發(fā)展,并且在陶瓷燒結、環(huán)保、脫硫等方面有了很多成功的實例。微波加熱技術是工業(yè)控制中的一種特殊應用,如何對其控制直接影響微波加熱設備的應用前景。而微波加熱設備,尤其是大功率微波加熱系統(tǒng),其繁雜的操作程序為其穩(wěn)定運行帶來很多不確定因素,因此亟需設計安全、智能的控制系統(tǒng)?,F(xiàn)階段國內外大功率工業(yè)微波加熱系統(tǒng)存在系統(tǒng)功能過于單一、控制精度不夠等問題。針對這些問題,本文提出了一種基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統(tǒng)。
1 方案論證
目前國內外大多數(shù)微波設備采用的控制方式為觸摸屏+PLC控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)用在實驗爐上時,雖運行相對穩(wěn)定可靠,但具有一定的局限性:系統(tǒng)功能不豐富,控制精度不高,采樣頻率偏低,系統(tǒng)接口不夠開放,界面元素有限。
1.1 提出的方案
由于觸摸屏+PLC控制系統(tǒng)的諸多局限性,本文提出了另外一種解決方案,即基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為兩部分:嵌入式主控系統(tǒng)板(以下簡稱EPC)、開發(fā)板和觸摸屏(人機界面接口板,以下簡稱HMI板)。其中EPC作為下位機,主要進行數(shù)據(jù)采集并在上位機的指令下控制外部設備;HMI板作為上位機,運行基于Windows CE的監(jiān)控程序,并分析處理EPC發(fā)送的各種數(shù)據(jù);基于Windows CE的監(jiān)控程序,提供了報警、控溫等多種功能,實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制;觸摸屏用于實時顯示對用戶有用的各種信息,如溫度、功率比例和系統(tǒng)運行狀態(tài)等,同時使用戶可以方便地對系統(tǒng)進行操作,是用戶和系統(tǒng)進行交互的中介。
該方案具有以下優(yōu)勢:(1)穩(wěn)定可靠地傳送數(shù)據(jù);(2)準確采集豐富的數(shù)據(jù)信息,便于后續(xù)的數(shù)據(jù)信息處理;(3)界面友好、操作簡單,能有效地實現(xiàn)遠程監(jiān)控,功能相對豐富齊全;(4)編程靈活性提高,便于繼承已有的基于Windows的開發(fā)經驗,能夠有效降低開發(fā)成本。
1.2 主要硬件和軟件的選擇
選擇應用廣泛的S3C2440開發(fā)板,其優(yōu)勢在于:開發(fā)資料豐富、全面,擴展功能好,性能穩(wěn)定;選擇Windows CE操作系統(tǒng),其能與桌面Windows系統(tǒng)有效通信,便于用戶的使用,且性能穩(wěn)定可靠;選擇EVC(Embedded Visual C++)作為應用程序開發(fā)平臺,其集成IDE環(huán)境可以使用戶快速開發(fā)控制臺、MFC等多種Windows CE應用程序,執(zhí)行效率較高,而且能較大程度節(jié)省資源。
2 系統(tǒng)設計
采用基于Windows CE的大功率微波設備嵌入式控制系統(tǒng),其基本設計思路是:EPC處理器將不斷變化的高電壓、電流、溫度和功率等模擬信號經過模擬-數(shù)字轉換處理后,通過RS232串口提交到HMI板,HMI板將獲取的數(shù)據(jù)在觸摸屏上實時顯示,并將這些數(shù)據(jù)分析處理后,將控制信號通過RS232串口發(fā)送到EPC。HMI板把獲取的數(shù)據(jù)實時顯示在觸摸屏上,進行分析處理后,通過RS232串口發(fā)送到EPC。EPC處理器接收到控制信號,經過計算后將該信號通過數(shù)字-模擬轉換處理,用模擬信號來控制燈絲電流和磁場線圈電壓等。HMI板和EPC之間的通信通過ModBus協(xié)議實現(xiàn)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。
系統(tǒng)原理圖
2.1 硬件設計
HMI板是系統(tǒng)核心,實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控。EPC主要進行數(shù)據(jù)采集并在HMI板的指令下進行操作,如實現(xiàn)對煙道風機、微波攪拌器等外部設備的控制,將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到HMI板進行處理等。系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后,HMI板打開RS232串口,以取得與EPC的通信。若打開失敗,HMI板發(fā)出報警信息并對串口進行檢測;若打開成功,根據(jù)HMI板和EPC通信過程中設定的協(xié)議(此處是ModBus協(xié)議),HMI板通過串口向EPC發(fā)送指令。 EPC接收指令后,將其轉換為可以識別的命令,進行相應的操作,然后將操作結果通過串口反饋給HMI板,同時EPC不斷檢測設備的狀態(tài)信息。若出現(xiàn)異常,則通過串口將該信息發(fā)送到HMI板,HMI板同樣將該信息轉換為其可以識別的命令,發(fā)出報警。HMI板和EPC之間的通信交互以及命令格式的轉換等通過 ModBus協(xié)議實現(xiàn)。
ADUC841是主處理芯片(如圖2),它集成了模數(shù)轉換功能,其高速、高精度的ADC、DAC功能,以及在系統(tǒng)可調試、可下載的特點,特別適合在各種測控系統(tǒng)和儀器儀表中使用,是目前最容易掌握、開發(fā)和應用的單片機之一。
ADUC841主處理芯片
圖2 主芯片部分
圖3為前向通道的信號處理部分。模擬信號自左邊進入后,經過第一個運算放大器進行信號隔離,然后在第二個運算放大器處進行一定比例的放大,在進入主芯片ADUC841進行模-數(shù)轉換前,設置起保護作用的BAT54SLT1,避免運放損壞時導致單片機的ADC通道損壞。
前向通道的信號處理部分
電路設計過程中,要盡可能提高抗干擾能力,以圖4電源部分為例,采用了LM2576系列的穩(wěn)壓器,它能提供降壓開關穩(wěn)壓器的各種功能,與其他系列的穩(wěn)壓器相比,具有優(yōu)異的線性和負載調整能力,并且成本低廉。
電源部分
2.2 軟件設計
Windows CE操作系統(tǒng)定制時主要添加了桌面精簡及監(jiān)控程序自啟動的功能。
通過對系統(tǒng)功能的需求分析,監(jiān)控程序應實現(xiàn)如下功能:
(1)控制系統(tǒng)的啟動、停止和復位;(2)模糊PID系統(tǒng)校正狀態(tài)修正;(3)參數(shù)的讀和寫,主要是溫度的讀取和設置、控制周期和功率比例的設置;(4)報警,包括通信、陽極電流、爐門、冷卻水流量、磁控管溫度等的報警;(5)工作模式的選擇和切換,工作模式有3種:手動模式、自動模式、恒溫模式;(6)溫度節(jié)點和溫度區(qū)間的設置,折點的插入、刪除以及曲線的加載保存;(7)設定的溫度曲線圖和實時溫度曲線圖的顯示;(8)對微波攪拌器和煙道風機的控制,主要體現(xiàn)在工作模式和啟停溫度上;(9)運行記錄的顯示與存儲,顯示和存儲溫度、控制周期等參數(shù)的變化;(10)事件記錄的顯示,記錄系統(tǒng)的啟停時間和一些異常情況,便于系統(tǒng)的維護;(11)HMI板、EPC 之間的串口通信。
根據(jù)以上功能,將該監(jiān)控程序分為6個模塊,每個模塊實現(xiàn)一個或數(shù)個功能。Basic,實現(xiàn)功能 (1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(11);Graph實現(xiàn)功能(7);CurveSetting實現(xiàn)功能(6);Options實現(xiàn)功能 (8);RunLog實現(xiàn)功能(9);EventsLog實現(xiàn)功能(10)。程序流程圖如圖5所示。
程序流程圖
3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用
本系統(tǒng)在應用過程中運行穩(wěn)定可靠,不僅實現(xiàn)了串口通信、實時溫度曲線顯示、微波源控制等各種功能,而且提高了溫度的控制精度(達到±1 ℃),且界面友好,操作簡單。
但在使用過程中也遇到了一些問題,主要集中在內存溢出問題上。由于Windows CE系統(tǒng)沒有虛擬內存機制,動態(tài)內存分配導致大量的內存碎片,系統(tǒng)運行十幾小時后便內存耗盡。解決方法是采用靜態(tài)內存分配,然后系統(tǒng)再次運行,內存溢出問題便得到了有效的解決。
系統(tǒng)應用在微波馬弗爐中,以氧化鋯高級瓷牙燒結為例,馬弗爐燒結溫度約為1 530 ℃,升溫時間60 min,保溫時間15 min,整個燒結周期為125 min,相比于傳統(tǒng)的微波燒結方式,燒結溫度降低了100 ℃,周期縮短了2/3,而瓷牙的品質得到提高。
在高溫微波燒結設備中采用該控制系統(tǒng)后,使得設備具備了豐富的功能,同時由于該系統(tǒng)性能穩(wěn)定,控制精確以及操作方便,深受國內外用戶的好*。在此控制系統(tǒng)基礎上,正在研究增加CAN/RS232接口轉換[4]和Ethernet/RS232接口轉換功能,有待系統(tǒng)的進一步升級應用。