耿寶明 ，于 強(qiáng) ，郭 林 ，趙勛峰 ，李 明

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049）

隨著我國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)得以進(jìn)行。太空中的超真空、微重力、強(qiáng)輻射等條件為科學(xué)實(shí)驗(yàn)提供了在地面難以實(shí)現(xiàn)的環(huán)境?？臻g材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)是一種重要的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。不論是國(guó)際上還是國(guó)內(nèi)，都投入了大量的人力、物力和財(cái)力從事空間材料科學(xué)的研究?？臻g材料科學(xué)的研究目的是：揭示材料制備過(guò)程中的微觀機(jī)理和組分、結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，發(fā)現(xiàn)新的科學(xué)現(xiàn)象，豐富和發(fā)展材料科學(xué)理論，指導(dǎo)地面的材料制備和生產(chǎn)工藝。而空間材料科學(xué)的研究離不開空間材料高溫爐 （以下簡(jiǎn)稱高溫爐）。我國(guó)神舟2號(hào)和神舟3號(hào)飛船上的空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得了舉世矚目的研究成果，但隨著科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，以往的空間材料高溫爐，特別是其控制系統(tǒng)[1]，已經(jīng)不能適應(yīng)我國(guó)未來(lái)空間站上空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，必須研究新型的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)新的發(fā)展需要。提出的基于單片機(jī)和FPGA的空間材料高溫爐控制系統(tǒng)[2]，將在以下幾個(gè)方面較原控制系統(tǒng)有較大提高：

1)控制精度從1℃提高到0.5℃；

2)熱電偶信號(hào)采集數(shù)量從6個(gè)增加到18個(gè)；

3)可控制的加熱器從1個(gè)增加到2個(gè)。

4)具有存儲(chǔ)器的EDAC檢錯(cuò)糾錯(cuò)功能。

1 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)分為3個(gè)部分：中央控制單元、溫度信號(hào)采集與調(diào)理單元、加熱控制單元。高溫爐有兩個(gè)溫區(qū)、18個(gè)熱電偶和一個(gè)環(huán)境溫度傳感器。18個(gè)熱電偶中有兩個(gè)控溫偶，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)溫區(qū)的溫度控制?？刂葡到y(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Diagram of control system

溫度信號(hào)采集與調(diào)理單元將高溫爐中的熱電偶信號(hào)進(jìn)行放大和采集，中央控制單元將采集到的熱電偶信號(hào)與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，使用PID控制算法計(jì)算高溫爐加熱器控制信號(hào)的大小，將該信號(hào)輸出給加熱控制單元，控制高溫爐中加熱器上的電流。

控制系統(tǒng)的軟件由FPGA程序和MCU程序兩部分組成。FPGA實(shí)現(xiàn)外部接口設(shè)備的控制，包括A/D轉(zhuǎn)換器、模擬開關(guān)、加熱信號(hào)控制、RS422通訊、工藝曲線存儲(chǔ)器；MCU實(shí)現(xiàn)溫度控制流程、PID算法、與總線通訊系統(tǒng)的通訊協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

根據(jù)控制系統(tǒng)工作原理，系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖Fig.2 Architecture of system hardware

系統(tǒng)硬件按功能可劃分為中央控制單元、溫度信號(hào)采集與調(diào)理單元和加熱控制單元，下面將分模塊進(jìn)行介紹。

2.1 中央控制單元

中央控制單元由FPGA、單片機(jī)、EEPROM以及看門狗等元器件組成[3-4]，如圖3所示。

圖3 中央控制單元組成框圖Fig.3 Structure of central control unit

其中MCU選用在航天產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛的成熟器件，ATMEL公司生產(chǎn)的80C32單片機(jī)作為微處理器。單片機(jī)通過(guò)總線方式訪問(wèn)和控制FPGA以及EEPROM，并且作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。獨(dú)立硬件喂狗電路保障程序不會(huì)跑飛，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作。外部晶振為有源晶振，此晶振同時(shí)為MCU和FPGA提供時(shí)鐘。

FPGA選用 APA600，APA600是 ACTEL公司基于 Flash工藝的FPGA器件，雖然此系列的FPGA為ACTEL公司的第二代產(chǎn)品，但憑借其宇航級(jí)品質(zhì)，此系列FPGA一直應(yīng)用在我國(guó)航天領(lǐng)域，并發(fā)揮重大作用。中央控制單元的功能如下所述。

2.1.1 提供存儲(chǔ)器并進(jìn)行糾錯(cuò)

FPGA為MCU提供4k字節(jié)RAM存儲(chǔ)器，作為80C32的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于空間站上的科學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)間比飛船上更長(zhǎng)，通常為1年以上，其受空間粒子的干擾概率更大?？臻g粒子對(duì)存儲(chǔ)器的影響通常是將其打翻，即所謂的單粒子翻轉(zhuǎn)SEU(Single-Event Upsets)，因此必須要進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和校正，即EDAC。

EDAC編碼方式采用目前比較常用的漢明編碼。這種編碼可以進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)，可以檢測(cè)1比特和2比特錯(cuò)誤，只能糾正1比特錯(cuò)誤，因此適用于單組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)多個(gè)錯(cuò)誤位概率較低的情況，這恰與SEU經(jīng)常會(huì)打翻星上RAM存儲(chǔ)單元1比特信息的情況相符。

2.1.2 工藝曲線和程序存儲(chǔ)的讀寫控制

由于控制程序一旦確定，就不能夠再更改，而控制過(guò)程的工藝曲線（即溫度控制曲線）卻由于不同的材料樣品，其設(shè)定溫度、升降溫及保溫時(shí)間以及升降溫速率要求不同，所以需要一個(gè)存儲(chǔ)這些信息的空間，并且可以對(duì)這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)修改和保存。為了滿足這樣的需要，中央控制單元中設(shè)計(jì)了2個(gè)EEPROM，分別為程序存儲(chǔ)EEPROM和工藝曲線存儲(chǔ)EEPROM。

MCU通過(guò)FPGA控制EEPROM地址總線，訪問(wèn)程序存儲(chǔ)EEPROM存儲(chǔ)空間。MCU通過(guò)FPGA間接控制工藝曲線EEPROM，根據(jù)不同材料樣品的工藝要求，訪問(wèn)工藝曲線EEPROM中相應(yīng)的工藝曲線數(shù)據(jù)。另外，當(dāng)MCU接收到總線注入的修改工藝曲線指令時(shí)，也可以通過(guò)FPGA對(duì)工藝曲線進(jìn)行修改。具體的邏輯控制是由FPGA直接實(shí)現(xiàn)的。

2.2 溫度信號(hào)采集與調(diào)理單元

溫度信號(hào)采集與調(diào)理單元包括弱信號(hào)采集電路、冷端溫度采集電路、多路開關(guān)、有源濾波器以及高精度A/D轉(zhuǎn)換電路。

由于模擬開關(guān)在開啟時(shí)會(huì)產(chǎn)生毫伏級(jí)的信號(hào)衰減，因此，對(duì)于信號(hào)要求精度較高的控溫偶，采用先經(jīng)過(guò)放大器然后再進(jìn)模擬開關(guān)的做法，盡可能減小模擬開關(guān)對(duì)信號(hào)的影響。而對(duì)于精度要求不是很高的備份和測(cè)溫偶，則采用先進(jìn)模擬開關(guān)再進(jìn)放大器的做法，雖然信號(hào)的精度有所影響，但節(jié)省了處理信號(hào)的器件，減小了控制板體積，降低了控制板功耗。溫度信號(hào)采集與調(diào)理單元原理框圖如圖4所示。

圖4 溫度信號(hào)采集與調(diào)理單元原理框圖Fig.4 Schematic of signal processing

經(jīng)過(guò)調(diào)理的熱電偶電壓信號(hào)范圍在-10V到+10V之間，這樣可以充分利用AD轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換精度。FPGA通過(guò)信號(hào)BYTE、CS以及RC對(duì)AD轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行控制，同時(shí)監(jiān)測(cè)AD轉(zhuǎn)換芯片的狀態(tài)。

2.3 加熱控制單元

加熱單元采用兩組爐絲加熱，加熱控制方式為PWM，PWM控制方式加熱效率高，結(jié)合PID算法易于實(shí)現(xiàn)高精度控制。爐絲電阻為7.2 Ω，加熱電源電壓為28 V。爐絲驅(qū)動(dòng)器采用NMOS管，型號(hào)為2N7225。2N7225導(dǎo)通電阻小，僅為0.1 Ω，當(dāng)電流為4 A時(shí)，其功耗僅為1.6 W。加熱控制單元電路圖如圖5所示。

圖5 加熱控制單元電路圖Fig.5 Schematic of heating control

可以實(shí)現(xiàn)三種加熱模式，分別為1號(hào)溫區(qū)單獨(dú)加熱；2號(hào)溫區(qū)單獨(dú)加熱；兩個(gè)溫區(qū)同時(shí)加熱。在兩個(gè)溫區(qū)同時(shí)加熱模式下，還可以實(shí)現(xiàn)溫度梯度可控，例如1號(hào)溫區(qū)溫度為600℃，同時(shí)2號(hào)溫區(qū)溫度為700℃。這樣可以滿足多種材料樣品對(duì)溫場(chǎng)的要求。

3 控制系統(tǒng)軟件

控制軟件由由MCU控制程序和FPGA控制程序[5]構(gòu)成。

MCU軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示，其主要功能如下。

圖6 MCU程序結(jié)構(gòu)Fig.6 Program structure of MCU

通訊管理：通過(guò)RS422串行總線完成與總線的通訊；數(shù)據(jù)采集、組織與存儲(chǔ)：采集高溫爐中的溫度數(shù)據(jù)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行組包、存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)注入、總線指令處理：對(duì)從總線發(fā)送的數(shù)據(jù)注入進(jìn)行處理，主要內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)注入的解析，按照注入內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程相關(guān)設(shè)置，包括參數(shù)設(shè)置和工作模式設(shè)置等；加熱爐控制管理：根據(jù)工作模式及數(shù)據(jù)注入內(nèi)容按照既定的實(shí)驗(yàn)流程對(duì)高溫爐的溫度按PID算法進(jìn)行控制；時(shí)鐘管理：包括系統(tǒng)校時(shí)處理與自守時(shí)功能；系統(tǒng)管理與維護(hù)：包括系統(tǒng)硬件初始化、初始狀態(tài)的判斷與執(zhí)行、故障狀態(tài)檢測(cè)與容錯(cuò)處理和系統(tǒng)維護(hù)。

FPGA程序結(jié)構(gòu)如圖7所示。FPGA控制程序具有如下功能。

圖7 FPGA程序結(jié)構(gòu)Fig.7 Program structure of FPGA

時(shí)鐘控制功能：實(shí)現(xiàn)FPGA內(nèi)部的時(shí)序控制；CPU接口控制功能：實(shí)現(xiàn)CPU接口邏輯，包括地址譯碼、狀態(tài)寄存器讀取外部程序存儲(chǔ)區(qū)的接口邏輯；串行接口控制功能：實(shí)現(xiàn)RS422異步串行接口鏈路層通訊，將通訊狀態(tài)報(bào)告給CPU軟件，發(fā)送和接收緩存均為255字節(jié)；EEPROM控制功能：實(shí)現(xiàn)工藝曲線EEPROM存儲(chǔ)器的讀寫操作；A/D控制功能：實(shí)現(xiàn)A/D采集電路中全部模擬量通道的采集控制，并在內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存供CPU讀??；SRAM控制功能：外部的4K字節(jié)數(shù)據(jù)RAM和4K字節(jié)EDAC校驗(yàn)碼存儲(chǔ)區(qū)均由FPGA內(nèi)部RAM組成，可實(shí)現(xiàn)80C32對(duì)外部RAM空間的訪問(wèn)及EDAC糾一檢二校驗(yàn)功能，并可將1位錯(cuò)誤和2位錯(cuò)誤計(jì)數(shù)報(bào)告給CPU軟件；爐絲控制功能：可在CPU控制下產(chǎn)生控制2路爐絲驅(qū)動(dòng)電路的211HzPWM信號(hào)，脈寬調(diào)制范圍為1～99%。

4 控制算法

控制系統(tǒng)使用PID控制算法[6]，PID控制器的核心思想是針對(duì)控制對(duì)象的控制需求，建立描述對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)PID參數(shù)的整定，實(shí)現(xiàn)在比例、微分、積分3個(gè)參數(shù)調(diào)整的控制策略，達(dá)到最佳系統(tǒng)響應(yīng)和控制效果。完整的PID控制表達(dá)式如下：

其中，kp為比例增益，Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Td為微分時(shí)間常數(shù)，u(t)為控制量，e(t)為偏差。

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)字PID。用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭?/p>

其中，T 為采樣周期，k為采樣序號(hào)。 由式(1)、(2)及(3)可得PID增量型控制算式為：

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用上述控制系統(tǒng)對(duì)用于空間站的空間材料高溫加熱爐進(jìn)行地面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中溫度的設(shè)定曲線為：初始溫度為室溫；300 min時(shí)溫度上升至700℃；600 min時(shí)溫度上升至 880℃；600～2000 min時(shí)處于 880℃保溫狀態(tài)；2100 min時(shí)溫度降至500℃；2300 min時(shí)溫度降至300℃。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保溫時(shí)間為1 400 min，在此時(shí)間范圍內(nèi)，最高溫度為880.4℃，最低溫度為879.5℃，控溫精度優(yōu)于±0.5℃，方差為0.107 4℃。系統(tǒng)控溫曲線如圖8所示。

圖8 溫度控制曲線Fig.8 Chart of temperature control

6 結(jié)論

MCU+FPGA構(gòu)成的空間材料高溫加熱爐控制系統(tǒng)，能夠很好地滿足空間材料生長(zhǎng)對(duì)溫度環(huán)境的要求，具有較高的溫度控制精度，同時(shí)其熱電偶信號(hào)采集電路、爐絲加熱電路和通訊電路能夠?qū)崿F(xiàn)多路冗余設(shè)計(jì)，具有較高的可靠性，能夠滿足空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求，因此，它為我國(guó)空間站上空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)高溫加熱爐控制系統(tǒng)的研制鋪平了道路。

[1]于強(qiáng),俞號(hào)峰,劉威.空間晶體生長(zhǎng)爐綜合控制方法[J].空間科學(xué)學(xué)報(bào),2011，31(1):87－92.YU Qiang,YU Hao－feng,LIU Wei.Integrated control for crystal growth furnace in space.Chin[J].Space Sci.2011，31(1):87－92.

[2]郭小虎,陳鵬鵬.基于單片機(jī)和FPGA的簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2008(6):39－42.GUO Xiao－h(huán)u,CHEN Peng－peng.Design of a simple digital memory oscilloscope based on MCU and FPGA[J].Electronic Design Engineering,2008(6):39－42.

[3]徐安瑩,袁丁,徐逢秋.基于單片機(jī)和FPGA的掃頻儀設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010(7):170－172.XU An－ying,YUAN Ding,XU Feng－qiu.Design of scanner based on single－chip and FPGA[J].Electronic Design Engineering,2010(7):170－172.

[4]劉燦,代永紅,肖偉.基于FPGA和51單片機(jī)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2010(7):186－188,192.LIU Can,DAI Yong－h(huán)ong,XIAO Wei.Design and realization of signaling generator based on FPGA and SCM 51.Electronic Design Engineering,2010(7):186－188,192.

[5]曾繁泰,陳美金.VHDL程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2000.

[6]王萬(wàn)良.自動(dòng)控制原理[M].北京:高等教育出版社，2008.