基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統(tǒng)的研究

微波作為一種節(jié)能環(huán)保的新能源形式，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛發(fā)展，并且在陶瓷燒結(jié)、環(huán)保、脫硫等方面有了很多成功的實(shí)例。微波加熱技術(shù)是工業(yè)控制中的一種特殊應(yīng)用，如何對(duì)其控制直接影響微波加熱設(shè)備的應(yīng)用前景。而微波加熱設(shè)備，尤其是大功率微波加熱系統(tǒng)，其繁雜的操作程序?yàn)槠浞€(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很多不確定因素，因此亟需設(shè)計(jì)安全、智能的控制系統(tǒng)?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外大功率工業(yè)微波加熱系統(tǒng)存在系統(tǒng)功能過(guò)于單一、控制精度不夠等問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)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(guó)內(nèi)外大多數(shù)微波設(shè)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(shí)驗(yàn)爐上時(shí)，雖運(yùn)行相對(duì)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(kāi)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(jiǎn)稱(chēng)EPC)、開(kāi)發(fā)板和觸摸屏(人機(jī)界面接口板，以下簡(jiǎn)稱(chēng)HMI板)。其中EPC作為下位機(jī)，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并在上位機(jī)的指令下控制外部設(shè)備；HMI板作為上位機(jī)，運(yùn)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(bào)警、控溫等多種功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制；觸摸屏用于實(shí)時(shí)顯示對(duì)用戶(hù)有用的各種信息，如溫度、功率比例和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等，同時(shí)使用戶(hù)可以方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，是用戶(hù)和系統(tǒng)進(jìn)行交互的中介。

該方案具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)穩(wěn)定可靠地傳送數(shù)據(jù)；(2)準(zhǔn)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(jiǎn)單，能有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，功能相對(duì)豐富齊全；(4)編程靈活性提高，便于繼承已有的基于Windows的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能夠有效降低開(kāi)發(fā)成本。

1.2 主要硬件和軟件的選擇

選擇應(yīng)用廣泛的S3C2440開(kāi)發(fā)板，其優(yōu)勢(shì)在于：開(kāi)發(fā)資料豐富、全面，擴(kuò)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(hù)的使用，且性能穩(wěn)定可靠；選擇EVC(Embedded Visual C++)作為應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其集成IDE環(huán)境可以使用戶(hù)快速開(kāi)發(fā)控制臺(tái)、MFC等多種Windows CE應(yīng)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(shè)計(jì)

采用基于Windows CE的大功率微波設(shè)備嵌入式控制系統(tǒng)，其基本設(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換處理后，通過(guò)RS232串口提交到HMI板，HMI板將獲取的數(shù)據(jù)在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示，并將這些數(shù)據(jù)分析處理后，將控制信號(hào)通過(guò)RS232串口發(fā)送到EPC。HMI板把獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，進(jìn)行分析處理后，通過(guò)RS232串口發(fā)送到EPC。EPC處理器接收到控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后將該信號(hào)通過(guò)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換處理，用模擬信號(hào)來(lái)控制燈絲電流和磁場(chǎng)線圈電壓等。HMI板和EPC之間的通信通過(guò)ModBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

HMI板是系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。EPC主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并在HMI板的指令下進(jìn)行操作，如實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道風(fēng)機(jī)、微波攪拌器等外部設(shè)備的控制，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到HMI板進(jìn)行處理等。系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，HMI板打開(kāi)RS232串口，以取得與EPC的通信。若打開(kāi)失敗，HMI板發(fā)出報(bào)警信息并對(duì)串口進(jìn)行檢測(cè)；若打開(kāi)成功，根據(jù)HMI板和EPC通信過(guò)程中設(shè)定的協(xié)議(此處是ModBus協(xié)議)，HMI板通過(guò)串口向EPC發(fā)送指令。EPC接收指令后，將其轉(zhuǎn)換為可以識(shí)別的命令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，然后將操作結(jié)果通過(guò)串口反饋給HMI板，同時(shí)EPC不斷檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息。若出現(xiàn)異常，則通過(guò)串口將該信息發(fā)送到HMI板，HMI板同樣將該信息轉(zhuǎn)換為其可以識(shí)別的命令，發(fā)出報(bào)警。HMI板和EPC之間的通信交互以及命令格式的轉(zhuǎn)換等通過(guò)ModBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

ADUC841是主處理芯片(如圖2)，它集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，其高速、高精度的ADC、DAC功能，以及在系統(tǒng)可調(diào)試、可下載的特點(diǎn)，特別適合在各種測(cè)控系統(tǒng)和儀器儀表中使用，是目前最容易掌握、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的單片機(jī)之一。

圖2 主芯片部分

圖3為前向通道的信號(hào)處理部分。模擬信號(hào)自左邊進(jìn)入后，經(jīng)過(guò)第一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)隔離，然后在第二個(gè)運(yùn)算放大器處進(jìn)行一定比例的放大，在進(jìn)入主芯片ADUC841進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換前，設(shè)置起保護(hù)作用的BAT54SLT1，避免運(yùn)放損壞時(shí)導(dǎo)致單片機(jī)的ADC通道損壞。

電路設(shè)計(jì)過(guò)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(kāi)關(guān)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(fù)載調(diào)整能力，并且成本低廉。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

Windows CE操作系統(tǒng)定制時(shí)主要添加了桌面精簡(jiǎn)及監(jiān)控程序自啟動(dòng)的功能。

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)功能的需求分析，監(jiān)控程序應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：

(1)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和復(fù)位；(2)模糊PID系統(tǒng)校正狀態(tài)修正；(3)參數(shù)的讀和寫(xiě)，主要是溫度的讀取和設(shè)置、控制周期和功率比例的設(shè)置；(4)報(bào)警，包括通信、陽(yáng)極電流、爐門(mén)、冷卻水流量、磁控管溫度等的報(bào)警；(5)工作模式的選擇和切換，工作模式有3種：手動(dòng)模式、自動(dòng)模式、恒溫模式；(6)溫度節(jié)點(diǎn)和溫度區(qū)間的設(shè)置，折點(diǎn)的插入、刪除以及曲線的加載保存；(7)設(shè)定的溫度曲線圖和實(shí)時(shí)溫度曲線圖的顯示；(8)對(duì)微波攪拌器和煙道風(fēng)機(jī)的控制，主要體現(xiàn)在工作模式和啟停溫度上；(9)運(yùn)行記錄的顯示與存儲(chǔ)，顯示和存儲(chǔ)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(shí)間和一些異常情況，便于系統(tǒng)的維護(hù)；(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(gè)模塊，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)功能。Basic，實(shí)現(xiàn)功能(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(11)；Graph實(shí)現(xiàn)功能(7)；CurveSetting實(shí)現(xiàn)功能(6)；Options實(shí)現(xiàn)功能(8)；RunLog實(shí)現(xiàn)功能(9)；EventsLog實(shí)現(xiàn)功能(10)。程序流程圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本系統(tǒng)在應(yīng)用過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定可靠，不僅實(shí)現(xiàn)了串口通信、實(shí)時(shí)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(dá)到±1 ℃)，且界面友好，操作簡(jiǎn)單。

但在使用過(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題，主要集中在內(nèi)存溢出問(wèn)題上。由于Windows CE系統(tǒng)沒(méi)有虛擬內(nèi)存機(jī)制，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配導(dǎo)致大量的內(nèi)存碎片，系統(tǒng)運(yùn)行十幾小時(shí)后便內(nèi)存耗盡。解決方法是采用靜態(tài)內(nèi)存分配，然后系統(tǒng)再次運(yùn)行，內(nèi)存溢出問(wèn)題便得到了有效的解決。

系統(tǒng)應(yīng)用在微波馬弗爐中，以氧化鋯高級(jí)瓷牙燒結(jié)為例，馬弗爐燒結(jié)溫度約為1 530 ℃，升溫時(shí)間60 min，保溫時(shí)間15 min，整個(gè)燒結(jié)周期為125 min，相比于傳統(tǒng)的微波燒結(jié)方式，燒結(jié)溫度降低了100 ℃，周期縮短了2/3，而瓷牙的品質(zhì)得到提高。

在高溫微波燒結(jié)設(shè)備中采用該控制系統(tǒng)后，使得設(shè)備具備了豐富的功能，同時(shí)由于該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制精確以及操作方便，深受?chē)?guó)內(nèi)外用戶(hù)的好*。在此控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，正在研究增加CAN/RS232接口轉(zhuǎn)換[4]和Ethernet/RS232接口轉(zhuǎn)換功能，有待系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)應(yīng)用。