基于賽元ARM內(nèi)核MCU的智能溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計

深圳市賽元微電子有限公司 翟冠杰

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，高精度溫度控制成為很多生產(chǎn)工藝和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在一些高精尖設(shè)備的生產(chǎn)和控制領(lǐng)域，溫度控制的要求不斷提高，傳統(tǒng)的溫度控制系統(tǒng)表現(xiàn)出了明顯的不適應(yīng)性，在性能上已很難滿足工藝要求。本文對現(xiàn)有的普通溫度控制技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)分析，并將其應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)計了一套基于賽元ARM內(nèi)核MCU的智能溫度控制系統(tǒng)。首先對系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計，明確了設(shè)計要求和目標(biāo)，然后對硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，從主控單元、調(diào)試接口、存儲單元和內(nèi)核移植等方面進(jìn)行了著重研究，最后對PID算法進(jìn)行改進(jìn)，使其可以自適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的變化，達(dá)到智能化控制的目的。應(yīng)用表明，本系統(tǒng)可以適應(yīng)不同環(huán)境下的高精度溫度控制，穩(wěn)定性良好，具有重要的應(yīng)用價值。

社會的進(jìn)步需要科技水平的支撐，尤其是工業(yè)領(lǐng)域，對工業(yè)控制有著極為強(qiáng)烈的依賴。隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷深化，越來越多的工業(yè)場合需要實現(xiàn)高精度的溫度控制，同時要求控制系統(tǒng)具備較強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性，比如航空航天領(lǐng)域中的電熱保護(hù)單元、消防設(shè)備中的火災(zāi)檢測單元等等?，F(xiàn)有的溫度控制單元一般都可以實現(xiàn)對單一產(chǎn)品或工位的溫度檢測和控制，但對于流水線式的批量生產(chǎn)則很難滿足要求。隨著工業(yè)化大生產(chǎn)時代的到來，人們要求系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈康漠a(chǎn)品進(jìn)行動態(tài)檢測，并且可以克服環(huán)境的影響實現(xiàn)精確溫度控制。為此，本文提出了一種新的自適應(yīng)溫度控制算法，并通過嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，成功實現(xiàn)了一款以賽元ARM內(nèi)核MCU為核心的智能溫度控制系統(tǒng)。滿足了當(dāng)前工業(yè)化批量生產(chǎn)的溫度檢測要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

在微電子和計算機(jī)技術(shù)的推動下，嵌入式系統(tǒng)成為了工業(yè)控制領(lǐng)域中的重要組成部分，并受到了眾多業(yè)內(nèi)人士濃度研究，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，目前已深入到工業(yè)生產(chǎn)的方方面面，成為工業(yè)控制系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢之一。由于溫度控制系統(tǒng)一般應(yīng)用于軍事、消防、重要工藝環(huán)節(jié)的控制，因此在性能上一般都有著極為苛刻的要求。本文根據(jù)實際情況，設(shè)計了一款基于PID控制和模糊控制的改進(jìn)型自適應(yīng)溫度控制算法，實現(xiàn)了控制算法對工作環(huán)境的自適應(yīng)，使其適用性更加廣泛，在各種復(fù)雜的環(huán)境和工況下仍能保持高性能工作。設(shè)計了以B/S架構(gòu)為基礎(chǔ)的人機(jī)交互模塊，同時能夠完成對實時數(shù)據(jù)的實時計算，對歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析，實現(xiàn)對溫度參數(shù)的實時監(jiān)測與預(yù)警。

溫度的變化對于工業(yè)領(lǐng)域來說往往是動態(tài)的，并且對溫度的控制要求十分精確，這就需要采集大量的溫度樣本，但這又給數(shù)據(jù)處理帶來了巨大的壓力，而本系統(tǒng)可以實現(xiàn)在高精度采樣的同時完成對數(shù)據(jù)的實時分析，并根據(jù)結(jié)果對溫度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。系統(tǒng)以Cortex-M3處理器作為主控核心，充分發(fā)揮了其在大數(shù)據(jù)處理和動態(tài)溫度控制方面的優(yōu)勢。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控單元設(shè)計

溫度控制系統(tǒng)的處理精度和速度主要取決于其控制的核心處理器性能，因此ARM控制核心的選型十分關(guān)鍵。本文采用了以賽元Cortex-M3為內(nèi)核的SC32F9103系列處理器，充分利用了其ARMv7-M結(jié)構(gòu)和Thumb-216/32位混合指令集的優(yōu)勢，在保證系統(tǒng)性能的條件下實現(xiàn)了系統(tǒng)的低功耗運行，該處理器還提供了通用的串行調(diào)試和JTAG接口功能，為系統(tǒng)的調(diào)試提供了很大的便利，使程序開發(fā)變得更加簡潔高效。另一方面，該芯片在32位除法和單周期乘法方面的支持方面較好，因此在運行速度方面得到了保證，因此在溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢。

圖1 控制系統(tǒng)整體框架

2.2 調(diào)試接口設(shè)計

調(diào)度是系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵步驟，是保證軟件和硬件按照預(yù)定邏輯進(jìn)行工作的重要過程，調(diào)度接口的設(shè)計是為了更好地實現(xiàn)對嵌入式控制系統(tǒng)的仿真和現(xiàn)場調(diào)試工作。在本系統(tǒng)中，考慮到通用性的要求，采用了國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議JTAG，該接口可以實現(xiàn)對芯片內(nèi)部進(jìn)行仿真、測試和調(diào)試等基本功能。在嵌入式系統(tǒng)的調(diào)試中，需要一臺宿主機(jī)和一臺目標(biāo)機(jī)，調(diào)試時要通過宿主機(jī)來控制目標(biāo)機(jī)，通過仿真器琮控制主控芯片，使用戶編寫的程序可以成功運行起來。調(diào)試結(jié)果將通過反方向由目標(biāo)機(jī)向宿主機(jī)傳遞，使開發(fā)人員可以及時知道微處理單元的工作情況，以便為程序的跟蹤、調(diào)試和優(yōu)化提供參考依據(jù)。

2.3 存儲單元設(shè)計

在嵌入式系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)的運行及對被控制對象的控制過程需要依賴于用戶編寫的程序，因此在斷電之后用戶程序必須可以保持下來。這就需要用到Flash存儲器。一般來說，F(xiàn)lash存儲器用于存放用戶的程序源代碼和相應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，即使系統(tǒng)被有意或無意中關(guān)機(jī)，當(dāng)再次開機(jī)后，也可以通過讀取Flash來恢復(fù)用戶程序和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?？紤]到Flash存儲單元的重要性，本文采用了16位AT49BV322A來搭建溫度控制系統(tǒng)的Flash存儲單元，其工作電壓為3V，供電后由其自身內(nèi)部的寄存器來完成程序的編寫如果系統(tǒng)中途掉電，一次啟動后程序?qū)纳洗螖嚅_位置自動繼續(xù)運行。為了兼顧程序運行速度，本文將一些中間變量和局部產(chǎn)生的數(shù)據(jù)放在SDRAM中，以進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)存取速度，盡管SDRAM在斷電后無法恢復(fù)數(shù)據(jù)，但由于其保存的是臨時數(shù)據(jù)，可在程序執(zhí)行后重新生成，因而不影響系統(tǒng)的正常運行。

3 系統(tǒng)軟件內(nèi)核移植

考慮到跨平臺運行問題，本系統(tǒng)要求具備在各平臺運行的能力，因此采用Linux系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)，以支持整個智能溫度控制系統(tǒng)的運行。在Linux系統(tǒng)中，最關(guān)鍵的是做好其內(nèi)核管理工作，根據(jù)操作系統(tǒng)工作原理及本系統(tǒng)的設(shè)計方案，智能溫度控制系統(tǒng)在啟動的時候會通過加載程序把內(nèi)核文件拷貝到主機(jī)內(nèi)存中，當(dāng)內(nèi)核加載完成后，才具備系統(tǒng)運行所需要的驅(qū)動條件。但原始的Linux系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，對于本文設(shè)計的智能溫度控制系統(tǒng)來說顯然過于冗余，另一方面，溫度控制系統(tǒng)的存儲單元也沒有足夠的容量來存放巨大的內(nèi)核文件，因此本文考慮對ARM芯片嵌入式系統(tǒng)的功能進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉?，然后再進(jìn)行內(nèi)核的移植，在這個過程中僅僅將必須的功能模塊加載進(jìn)去，無關(guān)的功能則不做處理。

內(nèi)核移植的具體步驟如下：首先登錄內(nèi)核官網(wǎng)獲取內(nèi)核源代碼，然后根據(jù)SC32F9103系列處理器的特點和參數(shù)，通過patch補(bǔ)丁對內(nèi)核源代碼進(jìn)行升級，以保證其與ARM芯片之間的兼容性。本文修改了內(nèi)核路徑下的makefile文件，以此完成對各項基本功能模塊的自定義。成功編譯后，一個符合智能溫度溫度控制系統(tǒng)的最小功能模塊的Linux系統(tǒng)就完成了。

4 自適應(yīng)PID溫度控制算法

在自動控制領(lǐng)域，使用最廣泛的控制算法有模糊控制算法、專家控制算法和PID控制算法，其中PID控制算法的應(yīng)用最為流行，在實現(xiàn)上也最為簡單，但隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)囟瓤刂葡到y(tǒng)性能的提高，常規(guī)的算法已很難達(dá)到要求。因此，本文在傳統(tǒng)PID算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以適應(yīng)不同環(huán)境下的控制需求，提高穩(wěn)定性和控制精度。系統(tǒng)以模糊控制的偏差變量以及偏差變化率為輸入，以PID自適應(yīng)的調(diào)節(jié)參數(shù)為輸出，并求出其關(guān)系式。然后把偏差變量以及偏差變化率看成是一個特殊的模糊子集，再次對其輸出進(jìn)行定義，再通過Matlab仿真得出最優(yōu)化參數(shù)，最終得到輸入與輸出的隸屬函數(shù)曲線分布。該算法可以通過環(huán)境溫度的變化對輸入進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了PID的實時動態(tài)自整定，使輸出參數(shù)可以得到線性調(diào)節(jié)。

5 結(jié)論

本文在給出了總體設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，對基于賽元ARM內(nèi)核MCU的智能溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計，并以高精尖工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域為目標(biāo)，對溫度控制系統(tǒng)的智能化控制算法進(jìn)行了論證，使其在主控單元運行速度、存儲單元優(yōu)化、系統(tǒng)內(nèi)核精簡以及自適應(yīng)PID控制算法精度上都得到了很大的優(yōu)化。本文系統(tǒng)在某材料制造企業(yè)中進(jìn)行了為期三個月試運行，完全滿足生產(chǎn)線的大批量實時溫度檢測，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，精度符合生產(chǎn)工藝需求，驗證了本系統(tǒng)設(shè)計的合理性。隨著智能化時代的到來，以及《中國制造2025》戰(zhàn)略的提出，賽元ARM內(nèi)核芯片的性能將進(jìn)一步提高，我國工業(yè)生產(chǎn)對溫度控制的要求也會越來越高，高精度、穩(wěn)定、安全、可靠的智能溫度控制系統(tǒng)的需求也會日益強(qiáng)烈，因此本系統(tǒng)具有很大的推廣應(yīng)用價值及市場空間。作者簡介：翟冠杰（1973—），男，河南人，碩士，現(xiàn)供職于深圳市賽元微電子有限公司，主要從事集成電路芯片設(shè)計及銷售工作，專注于8051內(nèi)核8位Flash MCU和ARM內(nèi)核32位MCU產(chǎn)品的設(shè)計和銷售。