基于ARM控制器的滲炭爐溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

滲碳過程工件質(zhì)量主要取決于對溫度的控制，當(dāng)今市場中溫度控制成型的產(chǎn)品均以單片機為控制器。由于一般單片機的速度比較慢，更重要的是其ROM和RAM空間比較小，不能運行較大程序，而基于多任務(wù)的操作系統(tǒng)需要的任務(wù)堆棧很多，需要的RAM空間很大，故其在發(fā)展上受到了很大限制。其歡在開發(fā)環(huán)境上，DSP需要開發(fā)用的仿真器，其價格比較貴，因此本設(shè)計排除了使用DSP。ARM系列的ARM7TDM1核嵌入式處理器目前應(yīng)用得較多，價格比較低，性價比較好，還有免費的開發(fā)工具ARM SDT，再配以簡單的JTAG仿真器，就可以運行嵌入式開發(fā)，因此本設(shè)計選用韓國三星公司的S3C44BOX芯片作為主控制器。

1 Samsung S3C4480X芯片簡介

Samsung S3C44BOX微處理器采用0.25μm CMOS工藝制造，特別適合應(yīng)用于對成本和功耗敏感的場合。所有的S3C44BOX都采用新的總線結(jié)構(gòu)——SAMBAⅡ(Samsung ARM CPU嵌入式控制器總線結(jié)構(gòu))。S3C44BOX最突出的特點是其CPU核采用ARM公司的16/32位ARM7TDMI PISC結(jié)構(gòu)(主頻為66MHz，最高可達(dá)75

MHz)。ARM7TDMI系列擴充包括Thumb協(xié)處理器、片上ICE中斷調(diào)試支持和32位硬件乘法器。S3C44BOX通過在ARM7TDMI內(nèi)容的基礎(chǔ)上擴展一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)費用降至最低，免除了增加附加配置的需要。集成的片上功能描述如下：

·在ARMTTDMI的基礎(chǔ)上增加8KB的Cache;

·外部擴充存儲器控制器(FP/EDO/SDRAM控制，片選邏輯);

·LCD控制器(最大支持256色的DSTN)，并帶有一個專用DMA通道的LCD控制器;

·2個通用DMA通道，2個帶外部請求管腳的DMA通道;

·2個帶有握手協(xié)議的UART，1個SIO;

·1個多主機I2C總線控制器;

·1個ⅡS總線控制器;

·5個PWM定時器及1個內(nèi)部定時器;

·看門狗定時器;

·71個通用可縮程I/O口，8個外部中斷源;

·功耗控制模式：正常、低、休眠和停止;

·8路10位ADC;

·具有日歷功能的RTC(實時時鐘);

·帶PLL的片上時鐘發(fā)生器。

采用S3C44BOX開發(fā)的通用嵌入式系統(tǒng)原理框圖如圖l所示。

2 爐溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)采用三相可控硅調(diào)電壓法調(diào)節(jié)溫度，整個系統(tǒng)采用韓國三星公司的S3C44BOX(16/32位)作為主控制器，并采用Casio的CMD520TTOO-Cl型LED顯示，觸摸屏為阿爾卑斯電氣(Alps E1ectrie)株式會社的ALPS 9，此外還有一個通信串口、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器Flash ROM、SDRAM、3個三相可控硅等。外部CPU晶振為8MHz，系統(tǒng)內(nèi)部時鐘為66MHz。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

2.1 存儲器

本設(shè)計中的程序存儲器選擇一片2MB×l6位的Flash(SST39VFl60)和一片4M×l6位的SDRAM(HY57V65160B)。其存儲器電路連接圖如圖3、圖4所示。

如圖3所示，處理器是通過片選信號NGCSO與片外Flhsh芯片連接。由于是16位Flash，所以CPU的地址線A1~A20分別與Flash的地址線A0~A19連接。如圖4所示，SDRAM分為4個Bank，每個Bank的容量為1M×l6位。Bank的地址由BAl、BA0決定，00對應(yīng)Bank0，0l對應(yīng)Bankl，lO對應(yīng)Bank2，11對應(yīng)Bank3。在每個Bank中，分別用行地址脈沖選通RAS和列地址脈沖選通CAS進(jìn)行尋址。本設(shè)計中還設(shè)置了跳線，可以為用戶將內(nèi)存容量升級至4×2M×l6位。具體方法：使SDRAM的BAO、BAl分別接至CPU的A21、A22和A23腳。SDRAM由MCU專用SDRAM片選信號nCS選通。

2.2 串行口接口電路

本設(shè)計中內(nèi)部數(shù)據(jù)通過并行總線到達(dá)發(fā)送單元后，進(jìn)入FIFO對列，然后再從發(fā)送移相器通過TXDn引腳發(fā)送出去。但是為了與計算機通用串行口兼容，還需要使用MAX3232芯片將3.3V的TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成與普通串行口兼容的信號后，用于與外設(shè)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)接收的過程剛好相反，外部串口信號需先經(jīng)MAX3232做電平轉(zhuǎn)換，然后由RxDn進(jìn)入接收移相器，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后放到接收FIFO對列中，最后到達(dá)數(shù)據(jù)總線，由CPU進(jìn)行處理或直接送到存儲器中(DMA方式下)。串行口接口電路如圖5所示。

2.3 人機界面顯示設(shè)計

由于S3C44BOX內(nèi)部有LCD控制器，故選擇不帶驅(qū)動器的液晶。本設(shè)計選擇日本卡西歐(Casio)的CMD520TT00-C1型LCD(STN類型)，256色.5.1英寸，320×240像素，其電源電壓3.3V，因此可直接和S3C44BOX相連。其LCD控制器端口如圖6所示。

觸摸屏選為阿爾卑斯電氣(Alps Electric)株式會社的ALPS LFUBK909 STN，四線電阻式觸摸屏，320×240點。5.2英寸。其與控制器的端口接線如圖7所示。

2.4 信號放大電路設(shè)計

熱電偶信號經(jīng)多通道轉(zhuǎn)換開關(guān)4051至由三個運算放大器組成的差動放大電路，放大器采用低失調(diào)電壓、電流、高輸入電阻的5G7650。在放大電路部分采用數(shù)字電位器為50kΩ的X9312進(jìn)行多量程轉(zhuǎn)換。差動放大電路如圖8所示。

2.5 PWM定時器接口

本設(shè)計采用PWM脈沖發(fā)送給三相可控硅信號來控制晶閘管的關(guān)斷，通常是通過輸入通道將溫度傳感器感受到的被控對象(當(dāng)前溫度)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸入到控制器中，控制器求出輸入的當(dāng)前溫度值與設(shè)定值的偏差，并根據(jù)該偏差進(jìn)行自適應(yīng)的模糊，PID運算，最后根據(jù)PID運算的結(jié)果，通過功率調(diào)節(jié)電路改變給定周期內(nèi)加熱絲的通電時間來實現(xiàn)對溫度的控制。用PWM輸出脈沖調(diào)節(jié)功率的實質(zhì)是利用占空比的調(diào)節(jié)來改變加熱絲的平均功率。功率調(diào)節(jié)電路是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，要求能根據(jù)

需要對輸出功率進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，它是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分之一，也常常是故障率最高的部分。

這里選用過零調(diào)壓的方法，因為這樣可以減少諧波干擾。由于PWM的頻率很大、變化周期很短，故選用PWM脈沖頻率為40Hz，占空比為O.8，這樣可增加周期長度，進(jìn)而更加有利于對溫度變化的控制。

2.6 熱電偶冷端溫度測量

由于熱電偶的冷端溫度隨著環(huán)境溫度的變化而變化，所以需要對熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補償。在有的設(shè)計中直接在熱電偶測溫電路中用電橋法補償，但需要經(jīng)常校準(zhǔn)，比較麻煩。本文實時測量熱電偶的冷端環(huán)境溫度，用軟件的方法進(jìn)行補償。

用MAX876產(chǎn)生IOV精密電壓基準(zhǔn)，輸出誤差為±7mV，配合OP07產(chǎn)生lOmA恒流源，運算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，由于同相端和反相端的壓差幾乎為零，運算放大器的偏置電流可以忽略不計，所以產(chǎn)生lOmA的電流通過100Ω的鉑電阻。查鉑熱電阻(Ptl00)的分度表可知，0℃為100Ω，加℃為107.79Ω，大約每升高1℃，熱電阻的阻值增加為0.39Ω，那么熱電阻的電壓變化為0.0039V。而s3c44BOX內(nèi)置10位A/D轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電壓為2.5V，分辨率為0.00244V，所以10位A/D轉(zhuǎn)換器能滿足精度要求。具體如圖9所示。

冷端溫度測量的輸出接在S3C44BOX的A/D轉(zhuǎn)換器的AIN0通道上。

2.7 系統(tǒng)時鐘與復(fù)位電路設(shè)計

系統(tǒng)CPU外部晶振頻率為8MHz，由于S3C44BOX內(nèi)部有鎖相環(huán)，CPU主頻可幾倍于外部晶振(CPU主頻可通過軟件設(shè)定)。用于系統(tǒng)實時時鐘的備用鋰(Li)電池電源，系統(tǒng)實時時鐘頻率為32.726kHz。

系統(tǒng)內(nèi)部有看門猗電路，可以通過軟件設(shè)定看門狗時間。但是為了系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計了系統(tǒng)的硬復(fù)位電路，它通過斯密特74hel4觸發(fā)器復(fù)位。

3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 主控模塊及其功能

主控模塊程序主要由S3C44BOX的初始化程序、定時器的初始化程序以及一個循環(huán)控制結(jié)構(gòu)組成。

程序開始執(zhí)行時，首先設(shè)置堆棧指針，建立一個軟件堆棧區(qū);由于S3C44BOX的I/O口多為復(fù)用模式，因此需要對I/O口控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，選擇工作方式;程序還需要設(shè)置內(nèi)置看門狗，以保障軟件的可靠運行。CPU的高速輸出器HSO用于按程序設(shè)定的時間產(chǎn)生中斷，這就是軟件定時器。系統(tǒng)采用軟件定時器中斷，以定時器1作為時間基準(zhǔn)，對HSO寄存器進(jìn)行設(shè)置，同時對外圍芯片及觸摸屏顯示器進(jìn)行初始化。其程序流程圖如圖10所示。

3.2 中斷服務(wù)模塊

系統(tǒng)中利用一個軟件定時器來產(chǎn)生定時中斷，它決定了模糊控制算法的采樣速率。圖11是軟件定時器中斷服務(wù)程序的流程圖，該程序是控制系統(tǒng)的核心軟件，完成A/D采樣、濾波、數(shù)據(jù)處理、越限報警等任務(wù)，同時確定操作方式(手動或自動)，根據(jù)要求調(diào)用相應(yīng)的控制算法，通過算法獲得所要求的控制電壓去驅(qū)動三相可控硅觸發(fā)，最后返回主程序。各功能由相應(yīng)的功能模塊來完成。

本課題為遼寧省阜新市阜煤集團熱處理分廠的多個溫控爐改造項目中的一部分。將本控制系統(tǒng)安裝在滲碳爐上，在各種工況下對試件進(jìn)行滲碳，通過滲碳結(jié)果分析，表明完全滿足改造要求：(1)溫控系統(tǒng)改造后，工作最高溫度950℃，爐溫均勻性≤±3℃，控溫精度≤±1.5℃。(2)加裝滲碳部分的自動控制系統(tǒng)，碳勢控制精度≤±0.05%。(3)加熱器換新，爐襯修復(fù)等。