李國光 王文海

(浙江大學(xué)信息學(xué)部控制科學(xué)與工程系，浙江 杭州 310027)

基于ARM7的暖通空調(diào)直接數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

李國光 王文海

(浙江大學(xué)信息學(xué)部控制科學(xué)與工程系，浙江 杭州 310027)

為滿足樓宇暖通智能控制的需求，對(duì)基于ARM7的樓宇暖通DDC控制器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。采用模塊化設(shè)計(jì)和在線編程等技術(shù)，詳細(xì)介紹了控制器的硬件體系結(jié)構(gòu)和各軟件功能模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)軟硬件功能等進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，控制器具有顯示直觀準(zhǔn)確、操作方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于各類空調(diào)系統(tǒng)。

智能控制 ARM7 暖通空調(diào) 直接數(shù)字控制器 傳感器

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，建筑行業(yè)在我國發(fā)展迅猛，但隨之而來的資源短缺、環(huán)境惡化等問題也日趨嚴(yán)重［1］。全國建筑消耗能源占能源總消耗量的50%以上，而暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗又占其中的50%～60%［2］。因此，如何降低建筑暖通能耗成為當(dāng)前亟待解決的問題。

樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)通過直接數(shù)字控制器(direct digital controller，DDC)集散組合完成整套空調(diào)系統(tǒng)的控制，將空調(diào)機(jī)組、冷凍機(jī)、冷卻塔及周邊設(shè)備集成為一個(gè)系統(tǒng)，能針對(duì)每臺(tái)設(shè)備精確控制，從而達(dá)到優(yōu)化控制和節(jié)能的目的［3］。通常，一套工況良好的樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)可節(jié)省能耗15% ～25%。因此，研發(fā)智能、低耗的樓宇自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠有效降低建筑能耗，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。DDC作為底層現(xiàn)場(chǎng)控制器直接掛接在設(shè)備層的控制網(wǎng)絡(luò)上，完成被控設(shè)備特征參數(shù)與過程參數(shù)的測(cè)量。同時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向通信，接受上位機(jī)的統(tǒng)一控制和管理，或DDC之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，共享信息資源［4-5］。DDC設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，直接影響到樓宇自控系統(tǒng)的整體效能。

1 總體設(shè)計(jì)

本控制器選用LUMINARY公司的32位ARM Cortex-M3 v7M架構(gòu)的 LM3S3739作為主處理芯片;以Pt100作為溫度傳感器，通過RS-485接口串行通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能;控制器外接24 VAC±20%電源，同時(shí)提供一組24 VDC±10%的輸出端子用于傳感器供電;由標(biāo)準(zhǔn)Keil C語言實(shí)現(xiàn)的控制器軟件可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、實(shí)時(shí)和歷史曲線顯示、系統(tǒng)組態(tài)等，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析管理能力。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the system

系統(tǒng)主要由通用信號(hào)輸入、模擬信號(hào)輸出、報(bào)警輸出、24 V配電輸出、液晶顯示接口、按鍵接口、外部存儲(chǔ)器接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和RS-485通信接口等部分組成。

溫、濕度傳感器或壓力傳感器采集信號(hào)，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換、校正和補(bǔ)償后，經(jīng)兩線 I2C接口送到LM3S3739 Buffer，然后再送到串行Flash MM36SB020中進(jìn)行存儲(chǔ)，程序存儲(chǔ)在RAM中。24 VAC電源對(duì)整個(gè)電路板供電?？刂破髋c上位PC機(jī)采用RS-485串行異步通信，波特率有9 600、19 200、38 400(單位:bit/s)等多種選擇。實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片采用Philips PCF8563，頻率可達(dá)400 kHz，具有極高的精確度。顯示屏選擇192×64的 ET-19264BV6-YBSWSG液晶屏，供電電壓為3.3 V，工作電流為75 mA。按鍵接口與液晶接口共用數(shù)據(jù)端口，通過具有三態(tài)輸出的74HC245隔離，兩者互不干擾。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 通用信號(hào)輸入

通用輸入端口能對(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)和電阻信號(hào)等信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。通常采用電流法對(duì)Pt100進(jìn)行電阻測(cè)量?？刂破鳠犭娮璨捎萌€制接法，通用輸入端示意圖如圖2所示。這樣可以消除連接導(dǎo)線長短引起的誤差。同時(shí)，控制器的恒流源要求穩(wěn)定，電流大小為5 mA，避免熱電阻發(fā)熱產(chǎn)生的額外偏差。由上述電路測(cè)得Pt100的阻值，然后計(jì)算測(cè)量溫度，并采用軟件補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量值進(jìn)行非線性處理。

圖2 通用輸入端示意圖Fig.2 Universal input schematic

2.2 模/數(shù)信號(hào)輸出

將兩個(gè)UART設(shè)置成同步并行接口(synchronous parallel interface，SPI)，從而可以方便地與10位的D/A芯片TLC5615C進(jìn)行連接?？刂破魍ㄟ^給D/A提供一個(gè)精密電壓基準(zhǔn)，再通過電壓電流轉(zhuǎn)換電路，就可得到4～20 mA的電流模擬信號(hào)輸出。通過使用通用的I/O口，經(jīng)三極管放大驅(qū)動(dòng)兩個(gè)繼電器，控制器即可得到兩路數(shù)字信號(hào)輸出。同時(shí)，由于外設(shè)可能接電壓較高的交流電，在PCB設(shè)計(jì)中也需注意絕緣間距。

2.3 RS-485通信接口

LM3S3739內(nèi)嵌的異步串行接口(asynchronous serial interface，ASI)支持CPU與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)之間的數(shù)字通信，通過RS-485接口可以方便地進(jìn)行DDC與PC機(jī)之間的異步串行通信。實(shí)現(xiàn)方法是首先采用嵌入式ModBus RTU協(xié)議棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，得到原始的 RS-485控制數(shù)據(jù)信息;接著由LM3S3739集成的UART控制器進(jìn)行RS-485格式的數(shù)據(jù)封裝;最后通過RS-485收發(fā)器SP3485發(fā)送到RS-485總線上，由相應(yīng)的 RS-485終端接收并處理。RS-485通信接口電路如圖3所示。

圖3 RS-485通信接口電路Fig.3 RS-485 communication interface

2.4 其他設(shè)計(jì)

本控制器還使用了超低功耗技術(shù)、可靠性技術(shù)、Flash在線編程技術(shù)和JTAG調(diào)試技術(shù)等嵌入式領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，保證了產(chǎn)品優(yōu)異的性能和品質(zhì)。如選用CMOS集成電路，使控制器具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、工作溫度范圍寬等特點(diǎn)。

在CMOS器件工作方式選擇上，采用高速低頻工作方式，減少了邏輯電平頻繁轉(zhuǎn)換造成的功耗。選用LCD液晶顯示器等低功耗外圍器件。在前向通道的抗干擾方面，采用軟件濾波［6］，不需要增加硬件電路，因而可靠性高、穩(wěn)定性好、功耗低，不存在阻抗匹配問題，且軟件濾波可以多通道共享，從而降低了成本。同時(shí)，采用“WatchDog”技術(shù)，在跳轉(zhuǎn)指令前、多字節(jié)指令前、中斷指令前、堆棧指令前及每隔若干條指令加入空操作指令“NOP”，防止程序指針PC的內(nèi)容出錯(cuò)，使程序“跑飛”［7］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制器的軟件部分主要包括監(jiān)控程序、接口程序和數(shù)據(jù)處理程序三大部分。監(jiān)控程序主要監(jiān)控儀表的按鍵和顯示器，實(shí)現(xiàn)從按鍵輸入數(shù)據(jù)或設(shè)置功能，完成對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的任務(wù);接口程序主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信等任務(wù);數(shù)據(jù)處理程序主要完成數(shù)據(jù)濾波、運(yùn)算和分析等任務(wù)。

3.1 系統(tǒng)軟件主程序

系統(tǒng)軟件主程序是一個(gè)無限循環(huán)程序，在芯片復(fù)位后程序會(huì)跳轉(zhuǎn)到Reset處。主程序首先調(diào)用Startup初始化CPU各個(gè)數(shù)據(jù)空間，然后進(jìn)入main()函數(shù)，完成系統(tǒng)初始化方面的工作，再進(jìn)入循環(huán)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，包括采集數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、掃描鍵盤和刷新LCD等任務(wù)。由于儀表對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，在整個(gè)系統(tǒng)中除了數(shù)據(jù)通信，其他不采用中斷。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

3.2 系統(tǒng)的運(yùn)行顯示和組態(tài)顯示

在IAR Embedded Workbench中，對(duì)人機(jī)界面軟件的內(nèi)核進(jìn)行編譯，得到擴(kuò)展名為.r43的庫文件，將該庫文件放到控制器的工程文件中，則控制器的系統(tǒng)運(yùn)行顯示模塊就能夠以庫文件的形式調(diào)用人機(jī)界面系統(tǒng)內(nèi)核軟件。然后，在畫面編輯軟件中編輯好畫面，編譯成.bin文件，并通過RS-485下載到Flash中就能進(jìn)行畫面顯示。但控制器的系統(tǒng)組態(tài)顯示模塊獨(dú)立于系統(tǒng)運(yùn)行顯示模塊，兩者實(shí)現(xiàn)機(jī)制不同，前者僅僅是一段解釋運(yùn)行代碼。

3.3 控制算法模塊

在暖通控制系統(tǒng)中，被控制量如溫度、濕度、壓力具有較大的延遲和慣性［8］。理論證明，在控制系統(tǒng)中，對(duì)象為一階和二階慣性環(huán)節(jié)或同時(shí)帶有滯后時(shí)間不大的滯后環(huán)節(jié)時(shí)，PID控制是一種最優(yōu)控制算法。本控制器控制模塊采用數(shù)字PID增量式算法。增量式算法具有下列優(yōu)點(diǎn):只與當(dāng)前拍和前兩拍的誤差有關(guān)，累積誤差小、精度高;若計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)本身有記憶功能，因此仍可在上一次控制量作用下按原狀態(tài)工作，可靠性高［9］。增量式計(jì)算公式為［10］:

式中:Kp、Ki、Kd分別為比例常數(shù)、積分常數(shù)、微分常數(shù);e(t)為基本偏差。

DDC中的數(shù)字PID控制模塊首先完成比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、積分分離、輸出死區(qū)、本次偏差值和前次偏差值等的初始化，然后對(duì)輸入運(yùn)算值(process value，PV)和設(shè)定值(set value，SV)進(jìn)行運(yùn)算，求得機(jī)械開度變化量ΔMV，最后選擇PID輸出模式并將機(jī)械開度MV轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的輸出值。

3.4 暖通專用算法

取4 路模擬量輸入采樣通道為 AIP1、AIP2、RI1、RI2和1路模擬量輸出AO。AIP1、AIP2通道通過壓力傳感器測(cè)量壓力信號(hào)，其結(jié)果線性換算為數(shù)值P1、P2，與配對(duì)的傳感器量程范圍一致。RI1通道通過熱電阻專門測(cè)量空氣溫度Ta，并根據(jù)空氣溫度測(cè)量值報(bào)警;而RI2通道則用于測(cè)量水溫值Tw，當(dāng)水溫Tw＞30℃時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入“制熱模式”;當(dāng)Tw＜20℃時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入“制冷模式”;當(dāng)20℃ ＜Tw＜30℃時(shí)為過渡區(qū)，維持上一次的運(yùn)行模式。自定義參數(shù)變量電子開度X、機(jī)械開度Y、模式參數(shù)SPCOOL與SPHEAT、虛擬閥門阻抗 R，取初值狀態(tài) X=0、Y=0、SPCOOL=0.25、SPHEAT=0.09、R=10。

在制冷模式正作用方式下，控制器根據(jù)設(shè)定溫度值(空氣溫度設(shè)定值)，采用PID增量算法計(jì)算出單位化后的開度X值，PID參數(shù)可設(shè)定。由電子開度X計(jì)算輸出單元的單位化機(jī)械開度Y值公式如下:

而在制熱模式反作用方式下，根據(jù)設(shè)定溫度值及式(3)，可計(jì)算單位化后的開度Y值:

4 測(cè)試過程及結(jié)果

4.1 硬件測(cè)試

將空載(僅考慮其內(nèi)阻200 Ω)和外接最大負(fù)載(與內(nèi)阻共計(jì)750 Ω)的DDC分別置于小于0℃低溫、25℃常溫以及55℃高溫條件下進(jìn)行輸出精度測(cè)試。高低溫精度測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 高低溫精度測(cè)試結(jié)果Tab.1 Accuracy tests under high and low temperature

測(cè)試結(jié)果表明，在0～55℃內(nèi)，在工作負(fù)載范圍內(nèi)的DDC模擬量輸出測(cè)量精度能達(dá)到0.2%之內(nèi)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4.2 軟件測(cè)試

以定風(fēng)量系統(tǒng)為例，將DDC與水壓、溫度等信號(hào)傳感器以及閥門執(zhí)行器相連接進(jìn)行測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

可以看到，DDC通過控制冷水系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管裝置(fan coil unit，F(xiàn)CU)上的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥開關(guān)來調(diào)整冷水流量，從而改變室溫。具體控制是將裝設(shè)在回風(fēng)管內(nèi)的溫度傳感器檢測(cè)的溫度值和水壓傳感器檢測(cè)的回水管兩通閥兩側(cè)的水壓值，送往DDC控制器計(jì)算壓差并比較實(shí)測(cè)溫度和設(shè)定溫度;采用PID算法控制輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，以控制裝在FCU回水管的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開關(guān)。當(dāng)檢測(cè)溫度大于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，打開電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或增加其開度，增加冷水流量，使循環(huán)風(fēng)變冷送入室內(nèi)，從而降低室內(nèi)溫度;當(dāng)檢測(cè)溫度低于設(shè)定點(diǎn)溫度時(shí)，關(guān)閉電動(dòng)調(diào)節(jié)閥或減少其開度，減少冷水流量，使循環(huán)風(fēng)變暖送入室內(nèi)，從而提高室內(nèi)溫度。

表3 加熱工作模式Tab.3 Heating mode

機(jī)械開度隨溫差變化的情況，以及理論計(jì)算值與實(shí)際DDC顯示的測(cè)量計(jì)算值作比較的結(jié)果如圖5所示。

圖5 機(jī)械開度變化及與理論值的比較Fig.5 Variation of mechanical valve opening and the comparison with theoretical values

圖5(a)給出了在一定水溫和工作模式下，環(huán)境溫度與設(shè)定溫度差對(duì)瞬時(shí)閥門機(jī)械開度的影響?？梢钥闯?，固定環(huán)境下閥門開度隨環(huán)境溫度與設(shè)定溫度差呈正增長變化。這一變化趨勢(shì)可充分說明由PID算法控制下的暖通控制器可以根據(jù)外界環(huán)境及目標(biāo)參數(shù)的變化進(jìn)行智能調(diào)節(jié)。

圖5(b)給出了在不同機(jī)械開度下閥門的理論流量值與實(shí)測(cè)流量值的變化趨勢(shì)。由于多重參數(shù)的影響，理論流量值的計(jì)算在機(jī)械開度較大時(shí)仍需要進(jìn)一步修正。

5 結(jié)束語

本控制器采用多項(xiàng)嵌入式先進(jìn)技術(shù)，具有使用簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、開發(fā)相對(duì)容易和開發(fā)周期短的優(yōu)點(diǎn)?？刂破鳒y(cè)量電路采用軟件補(bǔ)償法提高精度，符合0.5 s級(jí)精度要求;采用RS-485串行傳輸數(shù)據(jù)，既可進(jìn)行DDC之間的異步通信，也可直接與PC機(jī)相連，接受上位機(jī)的統(tǒng)一管理;具有歷史曲線記錄和數(shù)據(jù)追憶功能，方便用戶獲取數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)。

該DDC集工作曲線和配置信息記錄、運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、熱量和流量積算、溫度和流量調(diào)節(jié)等功能于一體，適用于各種定風(fēng)量、變風(fēng)量和變流量的空調(diào)系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)測(cè)量精度高、運(yùn)算速度快、控制效果好、運(yùn)行穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)預(yù)期，能夠滿足功能要求及操作環(huán)境要求。

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Design of ARM-based DDC Applied to HVAC System

To fulfill the requirements of intelligent control of HVAC in buildings，the design of the ARM7-based DDC controller used for HVAC is researched.The technologies including modular design and online programming，etc.，are adopted in the design;the hardware and software functions are tested.The hardware architecture of the system and the design of each software functional module are introduced in detail.The result of tests shows that the controller features precise direct display，ease in operation，stable and reliable operation，it is suitable for various air conditioning systems.

Intelligent controlARM7 Heating，ventilation ＆ air conditioning(HVAC)Direct digital controller(DDC)Transducer

TP216

A

修改稿收到日期:2010-10-20。

李國光，男，1982年生，現(xiàn)為浙江大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)在讀碩士研究生;主要從事嵌入式控制系統(tǒng)的研究。

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