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        基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng)

        2021-03-17 00:19:56伍志丹
        西部交通科技 2021年12期
        關(guān)鍵詞:嵌入式技術(shù)智能控制

        伍志丹

        摘要:為向乘客提供更加舒適的乘坐環(huán)境,文章設(shè)計了基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式微處理器作為核心芯片,通過溫度檢測單元采集動車室溫數(shù)據(jù),并以該數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用模糊PID控制算法控制調(diào)溫風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量與轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)對動車室溫的智能控制。實際應(yīng)用結(jié)果表明,該系統(tǒng)可實現(xiàn)對動車室溫進(jìn)行智能控制,控制時效性較高,控制過程無超調(diào)現(xiàn)象,實際應(yīng)用價值較高。

        關(guān)鍵詞:嵌入式技術(shù);動車室溫;智能控制;模糊PID算法

        中國分類號:U231.8文章標(biāo)識碼:A411574

        0 引言

        動車的車廂屬于封閉狀態(tài),動車室溫成為保障旅客乘車舒適度的關(guān)鍵因素之一,為了向旅客提供更加舒適的乘車環(huán)境,需選取恰當(dāng)?shù)姆绞綄榆囀覝貙嵤┲悄芸刂芠1]。目前大多數(shù)動車組客室的溫度通過空調(diào)系統(tǒng)實施調(diào)控,運用通風(fēng)、采暖及制冷等方式,使動車室溫達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度,但此種單純的空調(diào)系統(tǒng)存在一定的弊端,無法有效保證溫度控制的實時性與精準(zhǔn)性,控制效果不夠理想[2-3]。

        嵌入式技術(shù)的主要特點為針對性與目的性較為明確,應(yīng)用嵌入式技術(shù)的系統(tǒng)在設(shè)計與開發(fā)時,均有其特定的應(yīng)用范圍,此為嵌入式系統(tǒng)與普通系統(tǒng)之間的區(qū)別之一[4]。嵌入式技術(shù)的持續(xù)發(fā)展,使其逐步成為當(dāng)下計算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的關(guān)鍵分支,并且成功劃分計算機(jī)類別為嵌入式系統(tǒng)與普通計算機(jī)系統(tǒng)兩大類,被網(wǎng)絡(luò)、電信以及工業(yè)控制等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)融合了硬件與軟件兩部分,通過向相應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)裝入嵌入式設(shè)備構(gòu)成全新用途的專用系統(tǒng),主要由宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)組成[5-6]。在設(shè)計嵌入式系統(tǒng)時,應(yīng)充分運用嵌入式技術(shù)的特定用途范圍及按照實際需求設(shè)計系統(tǒng)的軟硬件,提升嵌入式系統(tǒng)的運行效率[7]。嵌入式系統(tǒng)將應(yīng)用作為核心,適當(dāng)調(diào)整軟硬件后,可成為功能更加專業(yè)的專用系統(tǒng),在控制算法的應(yīng)用方面,可選取PID算法與模糊控制相結(jié)合的模糊PID算法,達(dá)到高魯棒性、精準(zhǔn)高效的控制效果[8-9]。

        綜合以上分析,本文提出了基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng),該系統(tǒng)將通過嵌入式微處理器S3C2440A核心芯片所構(gòu)造的嵌入式智能溫度控制器作為硬件部分,結(jié)合軟件部分的模糊PID控制算法共同實現(xiàn)對動車室溫的智能控制,高效精準(zhǔn)地實時控制動車的室內(nèi)溫度,為乘客提供更加舒適的乘坐環(huán)境。

        1 嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控制系統(tǒng)

        1.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

        以嵌入式智能溫度控制器作為硬件的核心部分,以模糊PID控制算法作為軟件的核心部分,設(shè)計包含硬件部分、中間部分以及軟件部分的動車室溫智能控制系統(tǒng),整體架構(gòu)如圖1所示。

        通過硬件部分中的嵌入式智能溫度控制器采集動車室溫轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓數(shù)據(jù),將所采集到的數(shù)據(jù)作為初始值,調(diào)用軟件部分內(nèi)的模糊PID控制算法,運用初始值實施運算,獲取當(dāng)前的控制輸出量,嵌入式智能溫度控制器運用此控制輸出量控制調(diào)溫風(fēng)機(jī)的送風(fēng)量與轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)對動車室溫的智能控制。其中,系統(tǒng)中間部分的BSP即為板級支持包,也可稱作硬件抽象層,它的功能為分離系統(tǒng)的軟件部分與硬件部分,令系統(tǒng)軟件部分僅以此層所提供的接口為依據(jù)開發(fā)即可,不需要與硬件部分的詳細(xì)狀況相關(guān)聯(lián),同時對系統(tǒng)內(nèi)硬件部分實施初始化。

        1.2 硬件部分功能設(shè)計

        硬件部分的核心為嵌入式智能溫度控制器,其以嵌入式微處理器S3C2440A為核心芯片構(gòu)造而成,結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示。

        嵌入式智能溫度控制器主要包含主控單元、溫度檢測單元、操作單元、通信單元及受控單元等。其中主控單元屬于嵌入式智能溫度控制器的核心單元,主要由嵌入式微處理器S3C2440A芯片構(gòu)成,此芯片具有非常豐富的內(nèi)部資源,其內(nèi)核為ARM920T,可實現(xiàn)單獨的16 kB數(shù)據(jù)與指令緩存,可集成LCD、PWM、SPI及A/D等眾多設(shè)備接口,降低外圍接口電路的設(shè)計難度,實現(xiàn)信號處理及計算等任務(wù);溫度檢測單元的主要任務(wù)是檢測動車室內(nèi)溫度及對溫度信號實施標(biāo)準(zhǔn)化,同時向主控單元傳送標(biāo)準(zhǔn)化處理后的信號;通信單元由CAN控制器與DM9000EP以太網(wǎng)控制器芯片構(gòu)成,經(jīng)由CAN總線實現(xiàn)CAN控制器接口向外輸送控制信號并達(dá)到同其余控制節(jié)點通信的目的,利用雙絞線將DM9000EP與上位機(jī)相連,通過網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器監(jiān)控下位機(jī)并交換上下位機(jī)數(shù)據(jù);操作單元內(nèi)包含觸摸屏與LCD顯示屏,動車室溫設(shè)置鍵與系統(tǒng)的開關(guān)等均設(shè)置于觸摸屏上;受控單元包含變頻器與調(diào)溫風(fēng)機(jī),當(dāng)此單元接收到主控單元所傳送的控制信號后,運用變頻器對調(diào)溫風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速實施調(diào)整,實時調(diào)整送風(fēng)量以控制動車室溫。

        1.2.1 輸入與輸出接口設(shè)計

        嵌入式微處理器S3C2440A芯片可提供較多的通用I/O引腳,能夠完全滿足本文動車室溫智能控制系統(tǒng)的需求,無須對I/O引腳實施擴(kuò)展。因此,在設(shè)計本文控制系統(tǒng)的輸入與輸出接口時,需重點權(quán)衡輸出信號同主機(jī)的隔離、輸出信號的驅(qū)動、輸入信號的轉(zhuǎn)換以及輸入信號同主機(jī)的隔離等。

        1.2.2 A/D與D/A轉(zhuǎn)換

        嵌入式微處理器S3C2440A芯片中不具備集成DAC,具備8路十位集成ADC與五個16位的定時器,包含內(nèi)部定時器1個與PWM定時器4個。為了將以PWM為基礎(chǔ)所實現(xiàn)的DAC精準(zhǔn)電路獲取到,可通過在外側(cè)與一個轉(zhuǎn)換電路及濾波器相連實現(xiàn),詳見圖3。圖中D1與Q1分別為高精度穩(wěn)壓二極管與高頻開關(guān)管,因高頻開關(guān)管Q1的截止電阻較高而導(dǎo)通電阻較小,高精度穩(wěn)壓二極管D1能夠轉(zhuǎn)換嵌入式智能控制器的輸出PWM波形,轉(zhuǎn)換后PWM波形的高、低電壓分別為2.5 V與0 V,屬于目標(biāo)PWM波形。為達(dá)到高精度DAC功能,需采用二級阻容濾波將直流分量獲取到,并通過低噪聲放大器TLV4376驅(qū)動輸出實現(xiàn)。

        1.3 軟件部分設(shè)計

        本文控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括模糊PID控制算法、嵌入式Linux操作子系統(tǒng)、圖形用戶接口及應(yīng)用程序等,其中嵌入式Linux操作子系統(tǒng)安裝于虛擬機(jī)軟件上,在此子系統(tǒng)下實現(xiàn)圖形開發(fā)及交叉編譯等。

        1.3.1 溫度采集與轉(zhuǎn)換過程設(shè)計

        嵌入式微處理器S3C2440A芯片將溫度傳感器所采集到的溫度信號轉(zhuǎn)換成相對的電壓信號,并向嵌入式微處理器S3C2440A芯片的內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器傳送;通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為16進(jìn)制數(shù)據(jù)之后,再經(jīng)10進(jìn)制和16進(jìn)制運算與轉(zhuǎn)換為浮點數(shù)據(jù)后,通過LCD顯示屏呈現(xiàn)。其中系統(tǒng)所設(shè)定的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲到緩存區(qū)的時間間隔為80 ms,當(dāng)緩存區(qū)存儲數(shù)量到達(dá)設(shè)定數(shù)量時,將緩存區(qū)數(shù)據(jù)清零并標(biāo)記為1,繼續(xù)實施A/D轉(zhuǎn)換;若緩存區(qū)存儲數(shù)量未達(dá)到設(shè)定數(shù)量,則繼續(xù)實施A/D轉(zhuǎn)換。溫度采集與轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。

        1.3.2 模糊PID控制算法

        系統(tǒng)中的嵌入式智能溫度控制器通過運用模糊PID控制算法,實現(xiàn)對動車室溫的實時在線智能控制。PID控制是通過運用微積分與比例運算出控制量而實現(xiàn)的,它的控制規(guī)律可表示為:

        2 實驗結(jié)果分析

        將本文系統(tǒng)應(yīng)用于某動車操控平臺中,對此動車室溫實施智能控制,檢驗本文系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。實驗動車共有8節(jié)車廂,車體的總長度為201.78 m,其中中間每節(jié)車廂的長度為25.80 m,兩端車廂的長度為23.49 m,車體的高度與寬度分別為3.90 m與3.31 m;該動車的運行平均速度為355 km/h,可載客600人左右。

        2.1 控制效果檢驗

        實驗中分別檢驗應(yīng)用本文系統(tǒng)前后實驗動車室溫的恒溫控制效果,其中恒溫控制的設(shè)定溫度為25 ℃,設(shè)定時間為09[JX-+0.7mm]:[JX+0.7mm]30-21[JX-+0.7mm]:[JX+0.7mm]30,應(yīng)用本文系統(tǒng)前后的控制情況對比結(jié)果如圖5所示。通過圖5(a)能夠得出,無本文系統(tǒng)實驗動車室溫的恒溫控制效果差,室溫多次出現(xiàn)大幅度波動,而應(yīng)用本文系統(tǒng)后實驗動車室溫的恒溫控制效果顯著,始終保持設(shè)定的25 ℃室溫,偶有微小的溫度波動,但波動誤差始終<±0.3 ℃,可實現(xiàn)動車室溫的恒溫控制;由圖5(b)可看出,應(yīng)用本文系統(tǒng)后實驗動車室溫可迅速達(dá)到設(shè)定溫度,所用時間遠(yuǎn)低于應(yīng)用本文系統(tǒng)前,并且無超調(diào)現(xiàn)象。綜合可見,本文系統(tǒng)可實現(xiàn)對動車室溫的恒溫控制,控制效果理想,控制效率高無超調(diào)現(xiàn)象。

        統(tǒng)計應(yīng)用本文系統(tǒng)前后實驗動車室溫達(dá)到各時間段設(shè)定溫度所用時間及控制中是否存在超調(diào)現(xiàn)象,統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。由表1能夠得知,應(yīng)用本文系統(tǒng)前實驗動車室溫達(dá)到各時間段設(shè)定溫度所用時間均遠(yuǎn)高于應(yīng)用本文系統(tǒng)后,應(yīng)用本文系統(tǒng)前后實驗動車室溫達(dá)到設(shè)定溫度的平均用時分別為28.08 s與11.85 s,且應(yīng)用本文系統(tǒng)后實驗動車室溫控制過程中的超調(diào)現(xiàn)象得到有效改善。

        2.2 數(shù)據(jù)處理性能檢驗

        對本文系統(tǒng)控制過程中的數(shù)據(jù)處理性能實施檢驗,檢驗隨著數(shù)據(jù)量的持續(xù)增長,本文系統(tǒng)的處理能力,結(jié)果如表2所示。通過表2能夠看出,隨著數(shù)據(jù)量的增長,本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理用時也隨之增加,但增加幅度不大,在高數(shù)據(jù)處理量下本文系統(tǒng)的平均吞吐量與丟包率分別為888.67 Mbps與0.25%。說明在應(yīng)對高數(shù)據(jù)處理量情況下,本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率較高,單位時間內(nèi)完成的處理量較多,且數(shù)據(jù)丟失情況較少,綜合處理性能優(yōu)越,能夠滿足實際應(yīng)用需求。

        3 結(jié)語

        本文設(shè)計了基于嵌入式技術(shù)的動車室溫智能控[JP+2]制系統(tǒng),系統(tǒng)主要由硬件、軟件及中間部分三部分構(gòu)成,其中硬件部分的核心為嵌入式智能溫度控制器,該控制器的核心芯片為嵌入式微處理器S3C2440A,軟件部分的核心即為模糊PID算法與嵌入式Linux操作子系統(tǒng),通過結(jié)合軟硬件的嵌入式智能溫度控制器與模糊PID算法,達(dá)到控制動車室內(nèi)溫度的目的,實際應(yīng)用結(jié)果分析表明,應(yīng)用本文系統(tǒng)之后可實時精準(zhǔn)地控制動車室溫,令動車室溫快速達(dá)到設(shè)定目標(biāo)溫度,控制性能穩(wěn)定且效果顯著,實現(xiàn)對動車室溫的恒溫及分時段控制,控制過程中未出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象,控制中的數(shù)據(jù)處理性能較好,可滿足實際應(yīng)用所需,為動車組提升乘客的乘坐舒適度提供有效保障。

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