基于μC/OS-II與ARM的中央空調機組控制器設計

出處：宋奇兵，劉春發(fā)布于：2011-09-03 15:41:15

　　社會的發(fā)展和人類生活水平的不斷提高，使人類對居住環(huán)境的要求也越來越高，因此中央空調系統(tǒng)的應用也越來越廣泛。中央空調系統(tǒng)改善了人們的居住環(huán)境，但同時也消耗了大量的能源。對于中央空調控制系統(tǒng)，目前的中央空調控制技術還以分散控制為主，每個控制器只能監(jiān)控其所控制的中央空調機組的狀態(tài)，這不僅不利于整個系統(tǒng)的智能管理，而且浪費能源。有少數(shù)中央空調控制器生產(chǎn)廠商進行了少量中央空調集中化，網(wǎng)絡化控制的嘗試，但采用的技術比較落后，大多數(shù)通信距離較短，所能集中監(jiān)控的中央空調的數(shù)目也少。近幾年網(wǎng)絡技術越來越成熟，網(wǎng)絡安全、實時性、可靠性進一步提高，這使我們已經(jīng)逐漸能夠將網(wǎng)絡技術應用到控制領域；同時，單片機技術發(fā)展訊速，很多單片機已經(jīng)具有多功能、高速度、低功耗、低價格、大存儲容量和強I/O功能等特點，因此，本控制系統(tǒng)選擇了Philips公司ARM7處理器LPC2210,移植了實時操作系統(tǒng)μC/OS-II,系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。

　　1 空調系統(tǒng)簡介及控制要求

　　中央空調由集中制冷/加熱站和空調機組兩大部分組成。前者提供系統(tǒng)所需要的冷熱源，后者通過調節(jié)冷凍水/熱蒸汽的流量及空氣風量來調節(jié)溫度，調節(jié)加濕閥來調節(jié)房間的濕度。機組的控制任務是自動調節(jié)空氣溫濕度、風速、送風量及空氣的潔凈度。系統(tǒng)中所需檢測與控制的參量為：自動檢測新風、送風、回風及被控房間溫、濕度及正壓值，表冷器/加熱器的供、回水溫度；自動檢測送、回風機及故障報警；中低效過濾器壓差狀態(tài)及超差報警；根據(jù)室外空氣狀態(tài)和室內正壓值自動調節(jié)新風、回風、排風閥開度 ;根據(jù)被控參數(shù)及設定參數(shù)自動調節(jié)表冷器、加濕器的電動調節(jié)閥的開度[2-3].

　　2 現(xiàn)場控制器硬件結構

　　如圖1所示，整個系統(tǒng)可分為ARM處理器模塊、電源模塊、各總線接口模塊、存儲模塊、人機交互模塊、模擬量輸入輸出模塊及數(shù)字量輸入輸出模塊等。

　　主處理器選用Philips公司生產(chǎn)的ARM7芯片LPC2210,該芯片是基于支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S CPU的微控制器，工作頻率可達60 MHz,內部帶有16 KB RAM,多達122個通用I/O口（可承受5 V電壓），具有兩個帶16 B收發(fā)FIFO的UART,兩個完全獨立的同步串行接口SPI等豐富的外設。本系統(tǒng)中，存儲模塊由擴展的2 MB NOR Flash（SST39VF160）與8 MB PSRAM（MT45W4MW16）構成，分別使用LPC2210外部存儲器接口的Bank0和Bank1地址空間；人機交互模塊包含鍵盤和LCD兩部分，顯示和設置空調機組的運行參數(shù)及狀態(tài)?？刂破髟O有8個按鍵輸入，使用I2C接口的接盤與LED驅動芯片ZLG7290進行鍵盤掃描；從USB接口用于控制器與調試計算機的通信；控制平臺設計了以RTL8019AS芯片為的以太網(wǎng)接口電路，實現(xiàn)控制器與上位監(jiān)控級計算機之間的通信；CAN總線接口可用于現(xiàn)場設備的通信；ISP接口、JTAG口為程序調試接口；A/D模塊采用LPC2210自帶的8路10位ADC轉換器，檢測各路溫度及濕度模擬量的輸入，構成反饋控制。D/A模塊的輸出信號作為比例放大器的輸入，控制各個調節(jié)閥門的開度大小，實現(xiàn)風量和流量控制。數(shù)字量輸入通道檢測風機的運行狀態(tài)及過濾網(wǎng)壓差報警信號；數(shù)字量輸出通道輸出風機、加濕器的開關控制信號。控制器通過對整個空調系統(tǒng)新風、回風的溫濕度、送風風機運行狀態(tài)、初中效過濾段的壓差等信號的采集，控制送風風機的變頻調速、加濕器的加濕、新風及回風閥門的開度、冷熱水閥的開度大小，以達到設定的空氣狀態(tài)[4].

　　3 現(xiàn)場控制單元的軟件設計

　　3.1 軟件層次與功能

　　μC /OS-II是一個完整的、可移植、可固化、可裁剪的占先式實時多任務內核。μC/OS-II絕大部分的代碼是用ANSI的C語言編寫的，包含一小部分匯編代碼，使之可供不同架構的微處理器使用。至今，從8位到64位，μC/OS-II已在超過40種不同架構上的微處理器上運行。μC/OS-II已經(jīng)在世界范圍內得到廣泛應用，包括很多領域，如手機、路由器、集線器、不間斷電源、飛行器、醫(yī)療設備及工業(yè)控制上。實際上，μC/OS-II已經(jīng)通過了非常嚴格的測試，并且得到了美國航空管理局（Federal Aviation Administration）的，可以用在飛行器上。這說明μC/OS-II是穩(wěn)定可靠的，可用于與人性命攸關的安全緊要（safety critical）系統(tǒng)。除此以外，μC/OS-II 的鮮明特點就是源碼公開，便于移植和維護

　　控制器軟件由3部分組成：實時操作系統(tǒng)、硬件驅動程序和運行在操作系統(tǒng)之上的應用程序[5].實時操作系統(tǒng)采用源碼公開的μC/OS-II,基于其內核擴展的實時操作系統(tǒng)的整體結構如圖2所示。

　　Bootloader的主要功能是初始化必要的硬件并啟動操作系統(tǒng)。應用軟件層實現(xiàn)中央空調的相關控制任務，包括初始化任務、故障處理任務、數(shù)據(jù)通信任務、數(shù)據(jù)采集任務、機組控制任務及顯示任務。底層硬件設備控制驅動層初始化微控制器與外圍部件管腳連接的配置，建立處理器與外圍功能電路之間的關聯(lián)，與具體硬件電路相關。功能部件命令接口驅動實現(xiàn)處理器各個功能模塊的運作機制，如串口、SPI、CAN等模塊，該層函數(shù)由上兩層調用。功能部件協(xié)議實現(xiàn)層提供各功能模塊初始化函數(shù)、讀寫函數(shù)以及中斷處理函數(shù)等。上兩層軟件設計與操作系統(tǒng)密切相關，利用操作系統(tǒng)管理控制任務、實現(xiàn)任務間的數(shù)據(jù)交互通信和延時等。

　　3.2 移植μC/OS-II

　　LPC2210的ARM7TDMI-S內核用ARM ADS1.2作為編譯器移植μC/OS-II.μC/OS-II的移植涉及到與處理器及編譯器相關的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S 3個文件。其包括以下內容：（1）設置OS_CPU.H頭文件中與處理器和編譯器相關的代碼，如整數(shù)、浮點數(shù)、堆棧等數(shù)據(jù)類型定義，打開或者關閉中斷函數(shù)設置，定義堆棧增長方向，任務切換的執(zhí)行代碼。（2）用C語言在OS_CPU_C.C文件中編寫若干與操作系統(tǒng)相關函數(shù)，如任務堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）；μC/OS-II在執(zhí)行某些操作時調用的用戶函數(shù)，如OSTaskCreateHook（）、OS-TaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook（）和OS-TimeTickHook（）等。（3）在OS_CPU.ASM文件中用匯編語言編寫4個與處理器相關的函數(shù)：運行優(yōu)先級的就緒任務OSStartHighRdy（）、任務級的任務切換函數(shù)OSCtxSw（）和中斷級的任務切換函數(shù)OSIntCtxSw（）和中斷服務函數(shù)OS-TickISR（）[5-6].

　　3.3 應用程序

　　在μC/OS-II中，應用程序以任務形式存在，每個任務都是無限循環(huán)的，并處于以下五種狀態(tài)之一：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)[7].根據(jù)中央空調的控制要求，本系統(tǒng)由以下幾個任務來實現(xiàn)。

　?。?）定義5個基本的信號量用于任務之間的同步：故障信號量、通信信號量、定時采集信號、機組控制信號量和顯示信號量。

　　（2）初始化任務Task_init（）具有運行優(yōu)先級，優(yōu)先級Prio=10,該任務完成處理器I/O接口的初始化，向量中斷分配與設置，定時器初始化以及I2C、串口等基本功能部件的初始化工作，為后繼任務的運行做準備，只運行。

　?。?）故障處理任務Task_error（）為次優(yōu)先級任務，優(yōu)先級Prio=11.當獲得Data_err_sem信號后判斷機組故障的類型，按照預先的設定進行實時故障處理，并給出報警、提示故障原因。

　　（4）數(shù)據(jù)通信任務Task_comminication（）的優(yōu)先級Prio=12,當有數(shù)據(jù)傳送請求時便通過以太網(wǎng)與上位機進行通信，完成命令及數(shù)據(jù)的傳送。

　　（5）數(shù)據(jù)采集任務Task_collect（）優(yōu)先級Prio= 13,主要完成周期性地采集各路溫度模擬量、濕度頻率量和開關量信號的輸入，為機組控制任務提供運算數(shù)據(jù)。

　?。?）機組控制任務Task_control（）是整個系統(tǒng)任務中的，優(yōu)先級Prio=14.當獲得采集任務釋放的Data_Control_sem信號后，便對采集過來的各路溫濕度信號及開關量信號進行處理，輸出控制信號，完成對各個調節(jié)閥的控制；且當有故障發(fā)生時釋放故障信號量Data_err_sem.

　?。?）顯示任務Task_display（）優(yōu)先級，Prio= 15.當獲得顯示信號量Data_Display_sem時任務就緒，刷新機組當前的設置參數(shù)及運行狀態(tài)。

　　系統(tǒng)整體軟件流程圖如圖3所示。系統(tǒng)初始化后便建立各個運行任務，啟動多任務調度機制，在各個同步信號的協(xié)調下有序運行[8].

　　3.4 數(shù)據(jù)處理算法

　　在機組控制任務Task_control（）中需要對采集過來的各路模擬量及數(shù)字量信號進行處理，以得到合適的輸出控制信號，選取何種處理方法直接關系到控制器的控制品質。針對中央空調對象大慣性、大滯后、非線性等特性，常規(guī)PID控制無論在參數(shù)整定還是在控制或控制過程都存在不足[4,9].本系統(tǒng)采用基于T-S模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡[10]參數(shù)自整定PID控制方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡經(jīng)訓練后可以逼近任意非線性關系特性，并綜合了PID控制與模糊控制各自的優(yōu)勢。圖4為控制系統(tǒng)結構圖[9],模糊神經(jīng)網(wǎng)絡模塊根據(jù)誤差及其變換率實時地修改PID控制器的3個參數(shù)，使其處于狀態(tài)。圖5為基于T-S模型神經(jīng)網(wǎng)絡結構圖[11].

　　以溫控為例，網(wǎng)絡的輸入信號x1、x2分別是溫差及溫差變化率et、Δet,模糊論域分別定為[-20,20]、[-10,10],模糊子集均為：NB（負大）、NM（負中）、NS（負小）、ZE（零）、PS（正小）、PM（正中）、PB（正大），模糊規(guī)則49條，隸屬度函數(shù)為高斯函數(shù)。前件網(wǎng)絡輸入層直接將et、Δet送入到模糊化層計算其屬于各語言變量值模糊集合的隸屬度函數(shù)，規(guī)則層采用求積法計算出每條規(guī)則的適用度[10].后件網(wǎng)絡由3個結構相同的并列子網(wǎng)絡組成，輸出PID控制器的3個控制參數(shù)kp、ki、kd.系統(tǒng)采集常規(guī)PID控制器工作時et、Δet輸入數(shù)據(jù)及控制參數(shù)為訓練樣本，利用誤差反傳算法訓練網(wǎng)絡參數(shù)：連接權pkji、隸屬度函數(shù)中心值cij及寬度δij.試驗記錄表明訓練后的控制器的動態(tài)特性與靜態(tài)特性均優(yōu)于傳統(tǒng)PID及單純模糊控制方法。

　　本中央空調現(xiàn)場控制器采用32位高性能ARM處理器，滿足了控制系統(tǒng)對實時監(jiān)控能力和組網(wǎng)通信能力的要求，簡化了系統(tǒng)設計。嵌人式操作系統(tǒng)μC/OS-II的移植保證了系統(tǒng)的實時性，多任務運行特性使所開發(fā)的控制軟件運行穩(wěn)定、可靠。