李琴

摘 要： 當(dāng)前設(shè)計(jì)的小型恒壓控制系統(tǒng)在恒壓工作模式下的控制精度低，并且穩(wěn)定性較差，存在明顯的弊端。因此，設(shè)計(jì)基于嵌入式 ARM 處理器的小型恒壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件以S3C2440芯片為控制核心，通過(guò)主控芯片的外圍接口擴(kuò)展硬件電路，采用具有細(xì)分控制技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和S3C2440芯片的PWM定時(shí)器，對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精密恒壓控制。采用模塊化思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分給出了系統(tǒng)主程序流程，以及采用模糊 PID智能控制算法實(shí)現(xiàn)恒壓輸出控制的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的控制精度和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： 恒壓控制系統(tǒng)； 嵌入式ARM處理器； PWM定時(shí)器； S3C2440

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TN912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）08?0081?05

Design and implementation of a small size constant pressure control system based on embedded technology

LI Qin1，2

（1. Tianjin Civil Aviation University， Tianjin 300300， China； 2. Sichuan Vocational and Technical College， Suining 629000， China）

Abstract： The currently?designed small constant pressure control system has low control precision and poor stability in constant voltage mode. Therefore， a small constant pressure control system based on embedded ARM processor is designed. The system hardware takes the S3C2440 chip as its control core， and extends its hardware circuit through the master control chip peripheral interfaces. The PWM timer of motor driver and S3C2440 chip with subdivision control technology is used to carry out the precision constant pressure control of stepping motor speed. The hardware modules designed with the idea of modularization include master control module， memory module， data acquisition module， motor drive module， communication module， etc. In System Realization Paragraph， the main program flow of the system and the process of constant voltage output control realized with the fuzzy PID intelligent control algorithm are given. The experimental results show that the designed system has high control accuracy and stability.

Keywords： constant pressure control system； embedded ARM processer； PWM timer； S3C2440

0 引 言

計(jì)量泵是一種小型恒壓控制系統(tǒng)，在石油、化工、煤礦等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前設(shè)計(jì)的計(jì)量泵在恒壓工作環(huán)境下的控制精度低、穩(wěn)定性較差、實(shí)用性較差[1?3]。嵌入式技術(shù)可將計(jì)算機(jī)控制、通信、網(wǎng)絡(luò)同計(jì)量泵相融合，可大大提高系統(tǒng)的控制精度[4?5]。因此，將嵌入式技術(shù)引入精密計(jì)量泵，提出一種基于 ARM 處理器和嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)的計(jì)量泵恒壓控制系統(tǒng)。

當(dāng)前設(shè)計(jì)出的計(jì)量泵恒壓控制方法，大都存在一定的問(wèn)題，如文獻(xiàn)[6]采用可編程控制器PLC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)量泵恒壓控制，但是該方法中的啟動(dòng)器通常為成品器件，設(shè)備的成本較高，并且頻率波動(dòng)較高，容易導(dǎo)致控制器壓力不穩(wěn)定問(wèn)題。文獻(xiàn)[7]提出基于模糊PID控制的計(jì)量泵恒壓控制系統(tǒng)，該方法不僅可對(duì)計(jì)量泵進(jìn)行模糊邏輯PID控制，還能夠?qū)刂葡到y(tǒng)中的運(yùn)行參數(shù)等進(jìn)行展示，同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的故障報(bào)警。但是控制系統(tǒng)的適應(yīng)性較差，且存在控制精度低和參數(shù)整定滯后的問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]采用經(jīng)典PID控制方法實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵的恒壓控制，但是因?yàn)橛?jì)量泵系統(tǒng)的參數(shù)不固定，無(wú)法塑造精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型，采用經(jīng)典PID控制方法，無(wú)法確保在復(fù)雜的環(huán)境下，系統(tǒng)具有最佳的恒壓控制性能。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了恒壓控制專(zhuān)用變頻器，能夠?qū)Χ鄠€(gè)計(jì)量泵進(jìn)行循環(huán)控制。其能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量泵壓力的閉環(huán)控制，具有較高的控制精度和平穩(wěn)性。但是其輸出接口不具備數(shù)據(jù)通信性能，僅適用于控制要求較低的計(jì)量泵，具有較大的局限性。文獻(xiàn)[10]計(jì)量泵恒壓控制系統(tǒng)，將壓力傳感器部署在計(jì)量泵出口，確保計(jì)量泵輸出壓力保存恒定。但是該方法適用于穩(wěn)定環(huán)境下的恒壓控制，對(duì)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力較差，控制穩(wěn)定性較差。針對(duì)上述問(wèn)題，為了提高小型恒壓控制系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)基于嵌入式 ARM 處理器的小型恒壓控制系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)恒壓工作的有效性，并同傳統(tǒng)PID控制算法進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的控制精度和穩(wěn)定性。

1 小型恒壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 小型恒壓控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小型恒壓控制系統(tǒng)包括ARM控制器、壓力變送器、限位開(kāi)關(guān)、光電編碼器、電磁閥以及驅(qū)動(dòng)器，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ARM控制器的關(guān)鍵部分為嵌入式處理器S3C2440，其采用擴(kuò)展A/D變換器、SD 卡、LCD 觸摸屏等部件，同其他設(shè)備連接和管理；壓力變送器采集計(jì)量泵的出口壓力，將檢測(cè)到的壓力反饋到輸入端同設(shè)置值對(duì)比，并將形成的誤差采用模糊PID控制算法獲取對(duì)應(yīng)的脈沖頻率，依據(jù)該脈沖頻率調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，調(diào)控總體系統(tǒng)的壓力，確保系統(tǒng)壓力的均衡性。限位開(kāi)關(guān)發(fā)生變化時(shí)，ARM控制器同電機(jī)驅(qū)動(dòng)器間的連接電路發(fā)生調(diào)整，驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整方向。光電編碼器與電機(jī)相連，將電機(jī)運(yùn)行脈沖反饋到ARM控制器中進(jìn)行分析。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用模塊化思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊、電磁閥和限位開(kāi)關(guān)模塊，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2.1 主控模塊和存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主控模塊采用來(lái)自三星公司的嵌入式芯片S3C2440A，該芯片的內(nèi)核為ARM920T，擁有低功耗、高處理運(yùn)算性能。芯片使用MMU，AMBA總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)以及哈佛結(jié)構(gòu)，并集成了 SDRAM控制器、FLASH控制器、SPI 控制器等硬件外設(shè)。

系統(tǒng)為S3C2440A部署了由 2 片 HY57V561620并聯(lián)構(gòu)成的64 MB SDRAM，并且將采集到的壓力數(shù)據(jù)保存到4 GB的SD卡中。嵌入式芯片S3C2440中集成了SD控制器，系統(tǒng)采用 SD 總線(xiàn)模式驅(qū)動(dòng) SD 卡。S3C2440 處理器在 SD 模式中通過(guò)5根信號(hào)線(xiàn)同SD卡完成信息的交流，并且為各信號(hào)線(xiàn)配置10 kΩ的上拉電阻。SD卡同S3C2440處理器的接口電路，如圖3所示。

1.2.2 采集模塊設(shè)計(jì)

（1） 壓力變送器的選擇。系統(tǒng)通過(guò)來(lái)自于森納士公司的ME系列壓力變送器，采集計(jì)量泵的壓力值。變送器通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)壓力信號(hào)的模/數(shù)變換，將輸出的4～20 mA電流信號(hào)調(diào)整至 0.5～2.5 V 的區(qū)間中，I/V 轉(zhuǎn)換電路見(jiàn)圖4。

（2） 光電編碼器的選擇與連接。系統(tǒng)采用光電編碼器獲取步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將電機(jī)主軸的輸出位移量變換成ARM處理器能夠分析的脈沖數(shù)字量。設(shè)計(jì)的光電編碼器包括光柵盤(pán)以及光電探測(cè)部件。在小型恒壓控制系統(tǒng)中，光電碼盤(pán)同步進(jìn)電機(jī)同軸連接并以相同的速度運(yùn)動(dòng)，采用發(fā)光二極管等電子器件構(gòu)成的檢測(cè)部件獲取脈沖信號(hào)。對(duì)光電編碼器輸出的脈沖頻率進(jìn)行分析，能夠獲取電機(jī)的轉(zhuǎn)速，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的有效檢測(cè)，同時(shí)采用ARM 控制器對(duì)電機(jī)的脈沖數(shù)和脈沖頻率進(jìn)行管理，完成電機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確管理，實(shí)現(xiàn)總體系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)控制。

1.2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

因?yàn)榇诘耐ㄐ艆f(xié)議簡(jiǎn)便，在通信領(lǐng)域中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。因此，系統(tǒng)使用串口RS 232完成目標(biāo)板同PC機(jī)間的通信。S3C2440處理器中集成了3個(gè)UART控制器，并且將UART0當(dāng)成通信端口。S3C2440芯片通過(guò)TTL電平設(shè)置5 V，0 V描述邏輯正和邏輯負(fù)，而PC機(jī)的COM端口采用RS 232電平設(shè)置10 V，-10 V描述邏輯負(fù)和邏輯正。因此S3C2440芯片和PC機(jī)間應(yīng)通過(guò)SP3232EEN芯片進(jìn)行電平變換，完成系統(tǒng)的通信。主控芯片S3C2440同串口的連接電路如圖5所示。

1.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

（1） 步進(jìn)電機(jī)工作原理。系統(tǒng)采用ARM控制器產(chǎn)生脈沖信號(hào)管理步進(jìn)電機(jī)，控制器傳遞出一個(gè)脈沖信號(hào)，則電機(jī)依據(jù)設(shè)置的方向變換相應(yīng)的角度。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)同控制器產(chǎn)生的脈沖頻率和脈沖數(shù)具有較高的關(guān)聯(lián)性。因此，調(diào)整ARM控制器的脈沖頻率，可對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整，而調(diào)整控制器的脈沖數(shù)量，可對(duì)電機(jī)的變換角度進(jìn)行調(diào)整。ARM控制器對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制過(guò)程中應(yīng)設(shè)計(jì)功率放大電路，但是該電路的開(kāi)發(fā)成本較高。因此，為了提高步進(jìn)電機(jī)的控制效率，系統(tǒng)在電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中設(shè)計(jì)了具有細(xì)分控制技術(shù)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括脈沖分配電路、功率驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路等器件，可對(duì)電機(jī)的電流、電壓和功率進(jìn)行細(xì)化控制，其結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。從圖6中可以看出，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采集到ARM控制器的方向信號(hào)以及脈沖信號(hào)后，脈沖分配電路依據(jù)設(shè)置的通電手段形成電機(jī)相勵(lì)磁繞組的通斷信號(hào)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整。功率驅(qū)動(dòng)電路將ARM控制器產(chǎn)生的低功率信號(hào)變換成可驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的高功率信號(hào)。保護(hù)電路避免步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)電壓和電流過(guò)高的問(wèn)題，確保電機(jī)的順利運(yùn)行。設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)采用二相混合式步進(jìn)電機(jī)，以及SD20806型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

（2） PWM 調(diào)速原理。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓控制，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整。系統(tǒng)對(duì)PWM定時(shí)器的原始值進(jìn)行控制，確保脈沖頻率發(fā)生變化，進(jìn)而調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)的主控芯片S3C2440中存在5個(gè)定時(shí)器，其中的4個(gè)定時(shí)器具有PWM調(diào)速功能。主控芯片定時(shí)器采用式（1）對(duì)TCMPn寄存器進(jìn)行調(diào)控，能夠獲取定時(shí)器的預(yù)分頻率；采用式（2）對(duì)TCNTn寄存器進(jìn)行調(diào)控，能夠獲取定時(shí)器的工作頻率。

（1）

（2）

式中：PCLK為系統(tǒng)總頻率；；。

系統(tǒng)中PWM定時(shí)器的內(nèi)部控制邏輯如圖7所示，可以看出PWM定時(shí)器對(duì)其中的寄存器 TCMPBn以及TCNTBn值進(jìn)行設(shè)置，則可對(duì)PWM輸出波形的占空比進(jìn)行調(diào)控，最終調(diào)控總體步進(jìn)電機(jī)的速度，占空比越低，步進(jìn)電機(jī)的速度越高，運(yùn)算公式如下：

（3）

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 主程序設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟件劃分成系統(tǒng)初始化模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊和控制管理模塊。系統(tǒng)的主程序流程如圖8所示。

系統(tǒng)初始化模塊對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備參數(shù)及性能初始化設(shè)置；數(shù)據(jù)采集和處理模塊驅(qū)動(dòng)傳感器采集恒壓控制系統(tǒng)中泵的輸出壓力，同時(shí)對(duì)采集的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行融合；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊通過(guò)SD卡保存數(shù)據(jù)采集和處理模塊獲取的數(shù)據(jù)，并塑造相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)；用戶(hù)通過(guò)人機(jī)交互模塊可查詢(xún)系統(tǒng)的壓力數(shù)據(jù)；控制管理模塊按照獲取的壓力數(shù)據(jù)，通過(guò)智能控制算法確保系統(tǒng)壓力的平穩(wěn)輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的恒壓控制。

2.2 控制系統(tǒng)的模糊PID算法設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

設(shè)計(jì)的小型恒壓控制系統(tǒng)的關(guān)鍵任務(wù)是，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，完成系統(tǒng)計(jì)量泵的恒壓控制，主要對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。系統(tǒng)采用自適應(yīng)模糊PID控制算法，確保系統(tǒng)的恒壓輸出和電機(jī)的正常運(yùn)行。該算法不僅具有模糊控制器的強(qiáng)抗干擾性，還具有PID控制的高精度優(yōu)勢(shì)，具備較強(qiáng)的控制能力。

系統(tǒng)采用壓力變送器以及光電編碼器，采集系統(tǒng)泵的輸出壓力和步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并運(yùn)算出壓力誤差值以及壓力誤差變化率，再通過(guò)模糊 PID控制器調(diào)整誤差值，并將壓力校正值變換成對(duì)應(yīng)的脈沖頻率，同時(shí)將反饋給步進(jìn)電機(jī)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)計(jì)量泵輸出壓力的平穩(wěn)控制。

3 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)完基于嵌入式的小型恒壓控制系統(tǒng)后，應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)將系統(tǒng)的壓力輸出值控制在0～30 MPa區(qū)間內(nèi)，并記錄本文系統(tǒng)和傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)在15 MPa和30 MPa壓力下的實(shí)際壓力輸出值，如表1和表2所示。

依據(jù)表1和表2中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取兩個(gè)系統(tǒng)的壓力響應(yīng)曲線(xiàn)，分別如圖9和圖10所示。

分析圖9和圖10能夠看出，相對(duì)于傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，本文控制系統(tǒng)可通過(guò)更短的時(shí)間，對(duì)壓力進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)計(jì)量泵的輸出壓力達(dá)到設(shè)置的規(guī)范值，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)量泵0～30 MPa的恒壓輸出。并且可以看出，本文系統(tǒng)比傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間更少、更為穩(wěn)定、控制精度更高，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

當(dāng)前設(shè)計(jì)的小型恒壓控制系統(tǒng)在恒壓工作模式下的控制精度低，并且穩(wěn)定性較差，存在較大的弊端。因此，本文設(shè)計(jì)基于嵌入式 ARM 處理器的小型恒壓控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件以S3C2440芯片為控制核心，通過(guò)主控芯片的外圍接口擴(kuò)展硬件電路，采用具有細(xì)分控制技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和S3C2440芯片的PWM定時(shí)器，對(duì)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精密恒壓控制，并且實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度和穩(wěn)定性控制。采用模塊化思想設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊等。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分給出了系統(tǒng)主程序流程，以及采用模糊 PID智能控制算法實(shí)現(xiàn)恒壓輸出控制的過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高的控制精度和穩(wěn)定性。

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