基于ARM7的暖通空調直接數字控制器設計

李國光 王文海

(浙江大學信息學部控制科學與工程系，浙江 杭州 310027)

基于ARM7的暖通空調直接數字控制器設計

李國光 王文海

(浙江大學信息學部控制科學與工程系，浙江 杭州 310027)

為滿足樓宇暖通智能控制的需求，對基于ARM7的樓宇暖通DDC控制器的設計進行了研究。采用模塊化設計和在線編程等技術，詳細介紹了控制器的硬件體系結構和各軟件功能模塊的設計，并對軟硬件功能等進行了測試。結果表明，控制器具有顯示直觀準確、操作方便、運行穩定可靠等優點，適用于各類空調系統。

智能控制 ARM7 暖通空調 直接數字控制器 傳感器

0 引言

隨著中國經濟的持續快速發展，建筑行業在我國發展迅猛，但隨之而來的資源短缺、環境惡化等問題也日趨嚴重［1］。全國建筑消耗能源占能源總消耗量的50%以上，而暖通空調系統的能耗又占其中的50%～60%［2］。因此，如何降低建筑暖通能耗成為當前亟待解決的問題。

樓宇自動控制系統通過直接數字控制器(direct digital controller，DDC)集散組合完成整套空調系統的控制，將空調機組、冷凍機、冷卻塔及周邊設備集成為一個系統，能針對每臺設備精確控制，從而達到優化控制和節能的目的［3］。通常，一套工況良好的樓宇自動控制系統可節省能耗15% ～25%。因此，研發智能、低耗的樓宇自動控制系統能夠有效降低建筑能耗，具有重大的現實意義。DDC作為底層現場控制器直接掛接在設備層的控制網絡上，完成被控設備特征參數與過程參數的測量。同時，通過網絡與上位機實現雙向通信，接受上位機的統一控制和管理，或DDC之間的點對點通信，共享信息資源［4-5］。DDC設計的優劣，直接影響到樓宇自控系統的整體效能。

1 總體設計

本控制器選用LUMINARY公司的32位ARM Cortex-M3 v7M架構的 LM3S3739作為主處理芯片;以Pt100作為溫度傳感器，通過RS-485接口串行通信，實現聯網功能;控制器外接24 VAC±20%電源，同時提供一組24 VDC±10%的輸出端子用于傳感器供電;由標準Keil C語言實現的控制器軟件可對數據進行分析處理、實時和歷史曲線顯示、系統組態等，具有強大的數據分析管理能力。系統框架圖如圖1所示。

圖1 系統框圖Fig.1 Block diagram of the system

系統主要由通用信號輸入、模擬信號輸出、報警輸出、24 V配電輸出、液晶顯示接口、按鍵接口、外部存儲器接口、實時時鐘和RS-485通信接口等部分組成。

溫、濕度傳感器或壓力傳感器采集信號，經放大、A/D轉換、校正和補償后，經兩線 I2C接口送到LM3S3739 Buffer，然后再送到串行Flash MM36SB020中進行存儲，程序存儲在RAM中。24 VAC電源對整個電路板供電。控制器與上位PC機采用RS-485串行異步通信，波特率有9 600、19 200、38 400(單位:bit/s)等多種選擇。實時時鐘芯片采用Philips PCF8563，頻率可達400 kHz，具有極高的精確度。顯示屏選擇192×64的 ET-19264BV6-YBSWSG液晶屏，供電電壓為3.3 V，工作電流為75 mA。按鍵接口與液晶接口共用數據端口，通過具有三態輸出的74HC245隔離，兩者互不干擾。

2 系統硬件設計

2.1 通用信號輸入

通用輸入端口能對電壓信號、電流信號和電阻信號等信號進行測量。通常采用電流法對Pt100進行電阻測量。控制器熱電阻采用三線制接法，通用輸入端示意圖如圖2所示。這樣可以消除連接導線長短引起的誤差。同時，控制器的恒流源要求穩定，電流大小為5 mA，避免熱電阻發熱產生的額外偏差。由上述電路測得Pt100的阻值，然后計算測量溫度，并采用軟件補償的方法對測量值進行非線性處理。

圖2 通用輸入端示意圖Fig.2 Universal input schematic

2.2 模/數信號輸出

將兩個UART設置成同步并行接口(synchronous parallel interface，SPI)，從而可以方便地與10位的D/A芯片TLC5615C進行連接。控制器通過給D/A提供一個精密電壓基準，再通過電壓電流轉換電路，就可得到4～20 mA的電流模擬信號輸出。通過使用通用的I/O口，經三極管放大驅動兩個繼電器，控制器即可得到兩路數字信號輸出。同時，由于外設可能接電壓較高的交流電，在PCB設計中也需注意絕緣間距。

2.3 RS-485通信接口

LM3S3739內嵌的異步串行接口(asynchronous serial interface，ASI)支持CPU與其他使用標準格式的異步外設之間的數字通信，通過RS-485接口可以方便地進行DDC與PC機之間的異步串行通信。實現方法是首先采用嵌入式ModBus RTU協議棧對數據包進行解碼，得到原始的 RS-485控制數據信息;接著由LM3S3739集成的UART控制器進行RS-485格式的數據封裝;最后通過RS-485收發器SP3485發送到RS-485總線上，由相應的 RS-485終端接收并處理。RS-485通信接口電路如圖3所示。

圖3 RS-485通信接口電路Fig.3 RS-485 communication interface

2.4 其他設計

本控制器還使用了超低功耗技術、可靠性技術、Flash在線編程技術和JTAG調試技術等嵌入式領域的先進技術，保證了產品優異的性能和品質。如選用CMOS集成電路，使控制器具有功耗低、抗干擾能力強、工作溫度范圍寬等特點。

在CMOS器件工作方式選擇上，采用高速低頻工作方式，減少了邏輯電平頻繁轉換造成的功耗。選用LCD液晶顯示器等低功耗外圍器件。在前向通道的抗干擾方面，采用軟件濾波［6］，不需要增加硬件電路，因而可靠性高、穩定性好、功耗低，不存在阻抗匹配問題，且軟件濾波可以多通道共享，從而降低了成本。同時，采用“WatchDog”技術，在跳轉指令前、多字節指令前、中斷指令前、堆棧指令前及每隔若干條指令加入空操作指令“NOP”，防止程序指針PC的內容出錯，使程序“跑飛”［7］。

3 系統軟件設計

控制器的軟件部分主要包括監控程序、接口程序和數據處理程序三大部分。監控程序主要監控儀表的按鍵和顯示器，實現從按鍵輸入數據或設置功能，完成對處理后的數據進行顯示的任務;接口程序主要完成數據采集、數據存儲和數據通信等任務;數據處理程序主要完成數據濾波、運算和分析等任務。

3.1 系統軟件主程序

系統軟件主程序是一個無限循環程序，在芯片復位后程序會跳轉到Reset處。主程序首先調用Startup初始化CPU各個數據空間，然后進入main()函數，完成系統初始化方面的工作，再進入循環實現各個功能，包括采集數據、存儲數據、掃描鍵盤和刷新LCD等任務。由于儀表對實時性要求較高，在整個系統中除了數據通信，其他不采用中斷。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flowchart of the main program

3.2 系統的運行顯示和組態顯示

在IAR Embedded Workbench中，對人機界面軟件的內核進行編譯，得到擴展名為.r43的庫文件，將該庫文件放到控制器的工程文件中，則控制器的系統運行顯示模塊就能夠以庫文件的形式調用人機界面系統內核軟件。然后，在畫面編輯軟件中編輯好畫面，編譯成.bin文件，并通過RS-485下載到Flash中就能進行畫面顯示。但控制器的系統組態顯示模塊獨立于系統運行顯示模塊，兩者實現機制不同，前者僅僅是一段解釋運行代碼。

3.3 控制算法模塊

在暖通控制系統中，被控制量如溫度、濕度、壓力具有較大的延遲和慣性［8］。理論證明，在控制系統中，對象為一階和二階慣性環節或同時帶有滯后時間不大的滯后環節時，PID控制是一種最優控制算法。本控制器控制模塊采用數字PID增量式算法。增量式算法具有下列優點:只與當前拍和前兩拍的誤差有關，累積誤差小、精度高;若計算機出現故障，由于執行機構本身有記憶功能，因此仍可在上一次控制量作用下按原狀態工作，可靠性高［9］。增量式計算公式為［10］:

式中:Kp、Ki、Kd分別為比例常數、積分常數、微分常數;e(t)為基本偏差。

DDC中的數字PID控制模塊首先完成比例系數、積分系數、微分系數、積分分離、輸出死區、本次偏差值和前次偏差值等的初始化，然后對輸入運算值(process value，PV)和設定值(set value，SV)進行運算，求得機械開度變化量ΔMV，最后選擇PID輸出模式并將機械開度MV轉換到相應的輸出值。

3.4 暖通專用算法

取4 路模擬量輸入采樣通道為 AIP1、AIP2、RI1、RI2和1路模擬量輸出AO。AIP1、AIP2通道通過壓力傳感器測量壓力信號，其結果線性換算為數值P1、P2，與配對的傳感器量程范圍一致。RI1通道通過熱電阻專門測量空氣溫度Ta，并根據空氣溫度測量值報警;而RI2通道則用于測量水溫值Tw，當水溫Tw＞30℃時，自動進入“制熱模式”;當Tw＜20℃時，自動進入“制冷模式”;當20℃ ＜Tw＜30℃時為過渡區，維持上一次的運行模式。自定義參數變量電子開度X、機械開度Y、模式參數SPCOOL與SPHEAT、虛擬閥門阻抗 R，取初值狀態 X=0、Y=0、SPCOOL=0.25、SPHEAT=0.09、R=10。

在制冷模式正作用方式下，控制器根據設定溫度值(空氣溫度設定值)，采用PID增量算法計算出單位化后的開度X值，PID參數可設定。由電子開度X計算輸出單元的單位化機械開度Y值公式如下:

而在制熱模式反作用方式下，根據設定溫度值及式(3)，可計算單位化后的開度Y值:

4 測試過程及結果

4.1 硬件測試

將空載(僅考慮其內阻200 Ω)和外接最大負載(與內阻共計750 Ω)的DDC分別置于小于0℃低溫、25℃常溫以及55℃高溫條件下進行輸出精度測試。高低溫精度測試結果如表1所示。

表1 高低溫精度測試結果Tab.1 Accuracy tests under high and low temperature

測試結果表明，在0～55℃內，在工作負載范圍內的DDC模擬量輸出測量精度能達到0.2%之內，達到了預期目標。

4.2 軟件測試

以定風量系統為例，將DDC與水壓、溫度等信號傳感器以及閥門執行器相連接進行測試，得到的數據如表2和表3所示。

可以看到，DDC通過控制冷水系統風機盤管裝置(fan coil unit，FCU)上的電動調節閥開關來調整冷水流量，從而改變室溫。具體控制是將裝設在回風管內的溫度傳感器檢測的溫度值和水壓傳感器檢測的回水管兩通閥兩側的水壓值，送往DDC控制器計算壓差并比較實測溫度和設定溫度;采用PID算法控制輸出相應的電壓信號，以控制裝在FCU回水管的電動調節閥的開關。當檢測溫度大于設定點溫度時，打開電動調節閥或增加其開度，增加冷水流量，使循環風變冷送入室內，從而降低室內溫度;當檢測溫度低于設定點溫度時，關閉電動調節閥或減少其開度，減少冷水流量，使循環風變暖送入室內，從而提高室內溫度。

表3 加熱工作模式Tab.3 Heating mode

機械開度隨溫差變化的情況，以及理論計算值與實際DDC顯示的測量計算值作比較的結果如圖5所示。

圖5 機械開度變化及與理論值的比較Fig.5 Variation of mechanical valve opening and the comparison with theoretical values

圖5(a)給出了在一定水溫和工作模式下，環境溫度與設定溫度差對瞬時閥門機械開度的影響。可以看出，固定環境下閥門開度隨環境溫度與設定溫度差呈正增長變化。這一變化趨勢可充分說明由PID算法控制下的暖通控制器可以根據外界環境及目標參數的變化進行智能調節。

圖5(b)給出了在不同機械開度下閥門的理論流量值與實測流量值的變化趨勢。由于多重參數的影響，理論流量值的計算在機械開度較大時仍需要進一步修正。

5 結束語

本控制器采用多項嵌入式先進技術，具有使用簡單、技術成熟、開發相對容易和開發周期短的優點。控制器測量電路采用軟件補償法提高精度，符合0.5 s級精度要求;采用RS-485串行傳輸數據，既可進行DDC之間的異步通信，也可直接與PC機相連，接受上位機的統一管理;具有歷史曲線記錄和數據追憶功能，方便用戶獲取數據并分析數據。

該DDC集工作曲線和配置信息記錄、運行狀態和實時數據顯示、熱量和流量積算、溫度和流量調節等功能于一體，適用于各種定風量、變風量和變流量的空調系統。測試結果表明，系統測量精度高、運算速度快、控制效果好、運行穩定，符合設計預期，能夠滿足功能要求及操作環境要求。

［1］江億.我國建筑耗能狀況及有效的節能途徑［J］.暖通空調，2005，35(5):30-40.

［2］羅鑫，沈大中，馮冬青.神經網絡算法在暖通空調控制中的應用［J］.微計算機信息，2009，25(1):26-27.

［3］李冬輝，鄒寶蘭.樓宇自動化系統中DDC控制器模塊化組態設計［J］.儀器儀表學報，2002，23(z1):347-348.

［4］方忠祥，屠立，孟建翔.基于DDC控制的空調節能技術研究與應用［J］.機電工程技術，2005，34(7):53-56.

［5］曹立學.基于智能采集模塊的DDC系統設計與實現［J］.自動化技術與應用，2008，27(6):97-99.

［6］楊劍，劉光斌.單片機系統中應用的幾種數字濾波方式［J］.微計算機應用，2006，27(1):114-115.

［7］劉虎，孫博，張振興.中央空調空氣處理機組DDC控制器的研制［J］.制冷與空調(四川)，2007，21(2):94-96.

［8］田應麗，任慶昌.基于DDC的變風量空調機組復合模糊控制［J］.制冷與空調，2007，7(6):17-21.

［9］ 趙暢，張嶸.小型溫控系統的研究［J］.微計算機信息，2008，24(19):8-10.

［10］歷風滿.數字PID控制算法的研究［J］.遼寧大學學報:自然科學版，2005，32(4):369-370.

Design of ARM-based DDC Applied to HVAC System

To fulfill the requirements of intelligent control of HVAC in buildings，the design of the ARM7-based DDC controller used for HVAC is researched.The technologies including modular design and online programming，etc.，are adopted in the design;the hardware and software functions are tested.The hardware architecture of the system and the design of each software functional module are introduced in detail.The result of tests shows that the controller features precise direct display，ease in operation，stable and reliable operation，it is suitable for various air conditioning systems.

Intelligent controlARM7 Heating，ventilation ＆ air conditioning(HVAC)Direct digital controller(DDC)Transducer

TP216

A

修改稿收到日期:2010-10-20。

李國光，男，1982年生，現為浙江大學控制理論與控制工程專業在讀碩士研究生;主要從事嵌入式控制系統的研究。

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