基于單片機和FPGA 的空間材料高溫爐控制系統(tǒng)

耿寶明 ，于 強 ，郭 林 ，趙勛峰 ，李 明

（1.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京100190；2.中國科學院大學 北京 100049）

隨著我國空間技術的發(fā)展，越來越多的空間科學實驗得以進行。太空中的超真空、微重力、強輻射等條件為科學實驗提供了在地面難以實現(xiàn)的環(huán)境。空間材料科學實驗是一種重要的空間科學實驗。不論是國際上還是國內，都投入了大量的人力、物力和財力從事空間材料科學的研究。空間材料科學的研究目的是：揭示材料制備過程中的微觀機理和組分、結構與性能之間的內在關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)新的科學現(xiàn)象，豐富和發(fā)展材料科學理論，指導地面的材料制備和生產工藝。而空間材料科學的研究離不開空間材料高溫爐 （以下簡稱高溫爐）。我國神舟2號和神舟3號飛船上的空間材料科學實驗獲得了舉世矚目的研究成果，但隨著科學的發(fā)展和技術的進步，以往的空間材料高溫爐，特別是其控制系統(tǒng)[1]，已經不能適應我國未來空間站上空間材料科學實驗的要求，必須研究新型的控制系統(tǒng)，以適應新的發(fā)展需要。提出的基于單片機和FPGA的空間材料高溫爐控制系統(tǒng)[2]，將在以下幾個方面較原控制系統(tǒng)有較大提高：

1)控制精度從1℃提高到0.5℃；

2)熱電偶信號采集數(shù)量從6個增加到18個；

3)可控制的加熱器從1個增加到2個。

4)具有存儲器的EDAC檢錯糾錯功能。

1 控制系統(tǒng)工作原理

控制系統(tǒng)分為3個部分：中央控制單元、溫度信號采集與調理單元、加熱控制單元。高溫爐有兩個溫區(qū)、18個熱電偶和一個環(huán)境溫度傳感器。18個熱電偶中有兩個控溫偶，分別對應兩個溫區(qū)的溫度控制。控制系統(tǒng)的控制框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Diagram of control system

溫度信號采集與調理單元將高溫爐中的熱電偶信號進行放大和采集，中央控制單元將采集到的熱電偶信號與溫度設定值進行比較，使用PID控制算法計算高溫爐加熱器控制信號的大小，將該信號輸出給加熱控制單元，控制高溫爐中加熱器上的電流。

控制系統(tǒng)的軟件由FPGA程序和MCU程序兩部分組成。FPGA實現(xiàn)外部接口設備的控制，包括A/D轉換器、模擬開關、加熱信號控制、RS422通訊、工藝曲線存儲器；MCU實現(xiàn)溫度控制流程、PID算法、與總線通訊系統(tǒng)的通訊協(xié)議。

2 系統(tǒng)硬件構成

根據(jù)控制系統(tǒng)工作原理，系統(tǒng)硬件構成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件構成框圖Fig.2 Architecture of system hardware

系統(tǒng)硬件按功能可劃分為中央控制單元、溫度信號采集與調理單元和加熱控制單元，下面將分模塊進行介紹。

2.1 中央控制單元

中央控制單元由FPGA、單片機、EEPROM以及看門狗等元器件組成[3-4]，如圖3所示。

圖3 中央控制單元組成框圖Fig.3 Structure of central control unit

其中MCU選用在航天產品中應用廣泛的成熟器件，ATMEL公司生產的80C32單片機作為微處理器。單片機通過總線方式訪問和控制FPGA以及EEPROM，并且作為整個系統(tǒng)的控制中心。獨立硬件喂狗電路保障程序不會跑飛，確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全工作。外部晶振為有源晶振，此晶振同時為MCU和FPGA提供時鐘。

FPGA選用 APA600，APA600是 ACTEL公司基于 Flash工藝的FPGA器件，雖然此系列的FPGA為ACTEL公司的第二代產品，但憑借其宇航級品質，此系列FPGA一直應用在我國航天領域，并發(fā)揮重大作用。中央控制單元的功能如下所述。

2.1.1 提供存儲器并進行糾錯

FPGA為MCU提供4k字節(jié)RAM存儲器，作為80C32的外部數(shù)據(jù)存儲器。由于空間站上的科學實驗時間比飛船上更長，通常為1年以上，其受空間粒子的干擾概率更大。空間粒子對存儲器的影響通常是將其打翻，即所謂的單粒子翻轉SEU(Single-Event Upsets)，因此必須要進行錯誤檢測和校正，即EDAC。

EDAC編碼方式采用目前比較常用的漢明編碼。這種編碼可以進行檢錯和糾錯，可以檢測1比特和2比特錯誤，只能糾正1比特錯誤，因此適用于單組數(shù)據(jù)中出現(xiàn)多個錯誤位概率較低的情況，這恰與SEU經常會打翻星上RAM存儲單元1比特信息的情況相符。

2.1.2 工藝曲線和程序存儲的讀寫控制

由于控制程序一旦確定，就不能夠再更改，而控制過程的工藝曲線（即溫度控制曲線）卻由于不同的材料樣品，其設定溫度、升降溫及保溫時間以及升降溫速率要求不同，所以需要一個存儲這些信息的空間，并且可以對這些信息進行實時修改和保存。為了滿足這樣的需要，中央控制單元中設計了2個EEPROM，分別為程序存儲EEPROM和工藝曲線存儲EEPROM。

MCU通過FPGA控制EEPROM地址總線，訪問程序存儲EEPROM存儲空間。MCU通過FPGA間接控制工藝曲線EEPROM，根據(jù)不同材料樣品的工藝要求，訪問工藝曲線EEPROM中相應的工藝曲線數(shù)據(jù)。另外，當MCU接收到總線注入的修改工藝曲線指令時，也可以通過FPGA對工藝曲線進行修改。具體的邏輯控制是由FPGA直接實現(xiàn)的。

2.2 溫度信號采集與調理單元

溫度信號采集與調理單元包括弱信號采集電路、冷端溫度采集電路、多路開關、有源濾波器以及高精度A/D轉換電路。

由于模擬開關在開啟時會產生毫伏級的信號衰減，因此，對于信號要求精度較高的控溫偶，采用先經過放大器然后再進模擬開關的做法，盡可能減小模擬開關對信號的影響。而對于精度要求不是很高的備份和測溫偶，則采用先進模擬開關再進放大器的做法，雖然信號的精度有所影響，但節(jié)省了處理信號的器件，減小了控制板體積，降低了控制板功耗。溫度信號采集與調理單元原理框圖如圖4所示。

圖4 溫度信號采集與調理單元原理框圖Fig.4 Schematic of signal processing

經過調理的熱電偶電壓信號范圍在-10V到+10V之間，這樣可以充分利用AD轉換芯片的轉換精度。FPGA通過信號BYTE、CS以及RC對AD轉換芯片進行控制，同時監(jiān)測AD轉換芯片的狀態(tài)。

2.3 加熱控制單元

加熱單元采用兩組爐絲加熱，加熱控制方式為PWM，PWM控制方式加熱效率高，結合PID算法易于實現(xiàn)高精度控制。爐絲電阻為7.2 Ω，加熱電源電壓為28 V。爐絲驅動器采用NMOS管，型號為2N7225。2N7225導通電阻小，僅為0.1 Ω，當電流為4 A時，其功耗僅為1.6 W。加熱控制單元電路圖如圖5所示。

圖5 加熱控制單元電路圖Fig.5 Schematic of heating control

可以實現(xiàn)三種加熱模式，分別為1號溫區(qū)單獨加熱；2號溫區(qū)單獨加熱；兩個溫區(qū)同時加熱。在兩個溫區(qū)同時加熱模式下，還可以實現(xiàn)溫度梯度可控，例如1號溫區(qū)溫度為600℃，同時2號溫區(qū)溫度為700℃。這樣可以滿足多種材料樣品對溫場的要求。

3 控制系統(tǒng)軟件

控制軟件由由MCU控制程序和FPGA控制程序[5]構成。

MCU軟件結構如圖6所示，其主要功能如下。

圖6 MCU程序結構Fig.6 Program structure of MCU

通訊管理：通過RS422串行總線完成與總線的通訊；數(shù)據(jù)采集、組織與存儲：采集高溫爐中的溫度數(shù)據(jù)，并對采集的數(shù)據(jù)進行組包、存儲；數(shù)據(jù)注入、總線指令處理：對從總線發(fā)送的數(shù)據(jù)注入進行處理，主要內容包括：數(shù)據(jù)注入的解析，按照注入內容進行實驗過程相關設置，包括參數(shù)設置和工作模式設置等；加熱爐控制管理：根據(jù)工作模式及數(shù)據(jù)注入內容按照既定的實驗流程對高溫爐的溫度按PID算法進行控制；時鐘管理：包括系統(tǒng)校時處理與自守時功能；系統(tǒng)管理與維護：包括系統(tǒng)硬件初始化、初始狀態(tài)的判斷與執(zhí)行、故障狀態(tài)檢測與容錯處理和系統(tǒng)維護。

FPGA程序結構如圖7所示。FPGA控制程序具有如下功能。

圖7 FPGA程序結構Fig.7 Program structure of FPGA

時鐘控制功能：實現(xiàn)FPGA內部的時序控制；CPU接口控制功能：實現(xiàn)CPU接口邏輯，包括地址譯碼、狀態(tài)寄存器讀取外部程序存儲區(qū)的接口邏輯；串行接口控制功能：實現(xiàn)RS422異步串行接口鏈路層通訊，將通訊狀態(tài)報告給CPU軟件，發(fā)送和接收緩存均為255字節(jié)；EEPROM控制功能：實現(xiàn)工藝曲線EEPROM存儲器的讀寫操作；A/D控制功能：實現(xiàn)A/D采集電路中全部模擬量通道的采集控制，并在內部進行數(shù)據(jù)緩存供CPU讀取；SRAM控制功能：外部的4K字節(jié)數(shù)據(jù)RAM和4K字節(jié)EDAC校驗碼存儲區(qū)均由FPGA內部RAM組成，可實現(xiàn)80C32對外部RAM空間的訪問及EDAC糾一檢二校驗功能，并可將1位錯誤和2位錯誤計數(shù)報告給CPU軟件；爐絲控制功能：可在CPU控制下產生控制2路爐絲驅動電路的211HzPWM信號，脈寬調制范圍為1～99%。

4 控制算法

控制系統(tǒng)使用PID控制算法[6]，PID控制器的核心思想是針對控制對象的控制需求，建立描述對象動態(tài)特性的數(shù)學模型，通過對PID參數(shù)的整定，實現(xiàn)在比例、微分、積分3個參數(shù)調整的控制策略，達到最佳系統(tǒng)響應和控制效果。完整的PID控制表達式如下：

其中，kp為比例增益，Ti為積分時間常數(shù)，Td為微分時間常數(shù)，u(t)為控制量，e(t)為偏差。

在數(shù)字控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)字PID。用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭?/p>

其中，T 為采樣周期，k為采樣序號。 由式(1)、(2)及(3)可得PID增量型控制算式為：

5 實驗結果

利用上述控制系統(tǒng)對用于空間站的空間材料高溫加熱爐進行地面實驗。實驗過程中溫度的設定曲線為：初始溫度為室溫；300 min時溫度上升至700℃；600 min時溫度上升至 880℃；600～2000 min時處于 880℃保溫狀態(tài)；2100 min時溫度降至500℃；2300 min時溫度降至300℃。

實驗過程中保溫時間為1 400 min，在此時間范圍內，最高溫度為880.4℃，最低溫度為879.5℃，控溫精度優(yōu)于±0.5℃，方差為0.107 4℃。系統(tǒng)控溫曲線如圖8所示。

圖8 溫度控制曲線Fig.8 Chart of temperature control

6 結論

MCU+FPGA構成的空間材料高溫加熱爐控制系統(tǒng)，能夠很好地滿足空間材料生長對溫度環(huán)境的要求，具有較高的溫度控制精度，同時其熱電偶信號采集電路、爐絲加熱電路和通訊電路能夠實現(xiàn)多路冗余設計，具有較高的可靠性，能夠滿足空間科學實驗的要求，因此，它為我國空間站上空間材料科學實驗高溫加熱爐控制系統(tǒng)的研制鋪平了道路。

[1]于強,俞號峰,劉威.空間晶體生長爐綜合控制方法[J].空間科學學報,2011，31(1):87－92.YU Qiang,YU Hao－feng,LIU Wei.Integrated control for crystal growth furnace in space.Chin[J].Space Sci.2011，31(1):87－92.

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[5]曾繁泰,陳美金.VHDL程序設計[M].北京:清華大學出版社,2000.

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