基于嵌入式技術的小型恒壓控制系統的設計與實現

李琴

摘 要： 當前設計的小型恒壓控制系統在恒壓工作模式下的控制精度低，并且穩定性較差，存在明顯的弊端。因此，設計基于嵌入式 ARM 處理器的小型恒壓控制系統，系統的硬件以S3C2440芯片為控制核心，通過主控芯片的外圍接口擴展硬件電路，采用具有細分控制技術的電機驅動器和S3C2440芯片的PWM定時器，對步進電機轉速進行精密恒壓控制。采用模塊化思想設計系統的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲模塊、數據采集模塊、電機驅動模塊、通信模塊等。系統實現部分給出了系統主程序流程，以及采用模糊 PID智能控制算法實現恒壓輸出控制的過程。實驗結果表明，所設計系統具有較高的控制精度和穩定性。

關鍵詞： 恒壓控制系統； 嵌入式ARM處理器； PWM定時器； S3C2440

中圖分類號： TN911?34； TN912 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0081?05

Design and implementation of a small size constant pressure control system based on embedded technology

LI Qin1，2

（1. Tianjin Civil Aviation University， Tianjin 300300， China； 2. Sichuan Vocational and Technical College， Suining 629000， China）

Abstract： The currently?designed small constant pressure control system has low control precision and poor stability in constant voltage mode. Therefore， a small constant pressure control system based on embedded ARM processor is designed. The system hardware takes the S3C2440 chip as its control core， and extends its hardware circuit through the master control chip peripheral interfaces. The PWM timer of motor driver and S3C2440 chip with subdivision control technology is used to carry out the precision constant pressure control of stepping motor speed. The hardware modules designed with the idea of modularization include master control module， memory module， data acquisition module， motor drive module， communication module， etc. In System Realization Paragraph， the main program flow of the system and the process of constant voltage output control realized with the fuzzy PID intelligent control algorithm are given. The experimental results show that the designed system has high control accuracy and stability.

Keywords： constant pressure control system； embedded ARM processer； PWM timer； S3C2440

0 引 言

計量泵是一種小型恒壓控制系統，在石油、化工、煤礦等領域具有重要的應用價值。當前設計的計量泵在恒壓工作環境下的控制精度低、穩定性較差、實用性較差[1?3]。嵌入式技術可將計算機控制、通信、網絡同計量泵相融合，可大大提高系統的控制精度[4?5]。因此，將嵌入式技術引入精密計量泵，提出一種基于 ARM 處理器和嵌入式 Linux 操作系統的計量泵恒壓控制系統。

當前設計出的計量泵恒壓控制方法，大都存在一定的問題，如文獻[6]采用可編程控制器PLC實現系統的計量泵恒壓控制，但是該方法中的啟動器通常為成品器件，設備的成本較高，并且頻率波動較高，容易導致控制器壓力不穩定問題。文獻[7]提出基于模糊PID控制的計量泵恒壓控制系統，該方法不僅可對計量泵進行模糊邏輯PID控制，還能夠對控制系統中的運行參數等進行展示，同時進行系統的故障報警。但是控制系統的適應性較差，且存在控制精度低和參數整定滯后的問題。文獻[8]采用經典PID控制方法實現計量泵的恒壓控制，但是因為計量泵系統的參數不固定，無法塑造精準的數學模型，采用經典PID控制方法，無法確保在復雜的環境下，系統具有最佳的恒壓控制性能。文獻[9]設計了恒壓控制專用變頻器，能夠對多個計量泵進行循環控制。其能夠實現計量泵壓力的閉環控制，具有較高的控制精度和平穩性。但是其輸出接口不具備數據通信性能，僅適用于控制要求較低的計量泵，具有較大的局限性。文獻[10]計量泵恒壓控制系統，將壓力傳感器部署在計量泵出口，確保計量泵輸出壓力保存恒定。但是該方法適用于穩定環境下的恒壓控制，對復雜環境的適應能力較差，控制穩定性較差。針對上述問題，為了提高小型恒壓控制系統的控制精度和穩定性，設計基于嵌入式 ARM 處理器的小型恒壓控制系統。通過實驗驗證了所設計的檢測系統恒壓工作的有效性，并同傳統PID控制算法進行對比，實驗結果說明所設計系統具有較高的控制精度和穩定性。

1 小型恒壓控制系統的設計

1.1 小型恒壓控制系統的總體設計

本文設計的小型恒壓控制系統包括ARM控制器、壓力變送器、限位開關、光電編碼器、電磁閥以及驅動器，其總體結構如圖1所示。ARM控制器的關鍵部分為嵌入式處理器S3C2440，其采用擴展A/D變換器、SD 卡、LCD 觸摸屏等部件，同其他設備連接和管理；壓力變送器采集計量泵的出口壓力，將檢測到的壓力反饋到輸入端同設置值對比，并將形成的誤差采用模糊PID控制算法獲取對應的脈沖頻率，依據該脈沖頻率調整步進電機的運行速度，調控總體系統的壓力，確保系統壓力的均衡性。限位開關發生變化時，ARM控制器同電機驅動器間的連接電路發生調整，驅動電機調整方向。光電編碼器與電機相連，將電機運行脈沖反饋到ARM控制器中進行分析。

1.2 系統硬件設計

采用模塊化思想設計系統的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲模塊、數據采集模塊、電機驅動模塊、通信模塊、電磁閥和限位開關模塊，總體結構如圖2所示。

1.2.1 主控模塊和存儲模塊設計

系統的主控模塊采用來自三星公司的嵌入式芯片S3C2440A，該芯片的內核為ARM920T，擁有低功耗、高處理運算性能。芯片使用MMU，AMBA總線體系結構以及哈佛結構，并集成了 SDRAM控制器、FLASH控制器、SPI 控制器等硬件外設。

系統為S3C2440A部署了由 2 片 HY57V561620并聯構成的64 MB SDRAM，并且將采集到的壓力數據保存到4 GB的SD卡中。嵌入式芯片S3C2440中集成了SD控制器，系統采用 SD 總線模式驅動 SD 卡。S3C2440 處理器在 SD 模式中通過5根信號線同SD卡完成信息的交流，并且為各信號線配置10 kΩ的上拉電阻。SD卡同S3C2440處理器的接口電路，如圖3所示。

1.2.2 采集模塊設計

（1） 壓力變送器的選擇。系統通過來自于森納士公司的ME系列壓力變送器，采集計量泵的壓力值。變送器通過A/D轉換電路，實現壓力信號的模/數變換，將輸出的4～20 mA電流信號調整至 0.5～2.5 V 的區間中，I/V 轉換電路見圖4。

（2） 光電編碼器的選擇與連接。系統采用光電編碼器獲取步進電機的轉速，將電機主軸的輸出位移量變換成ARM處理器能夠分析的脈沖數字量。設計的光電編碼器包括光柵盤以及光電探測部件。在小型恒壓控制系統中，光電碼盤同步進電機同軸連接并以相同的速度運動，采用發光二極管等電子器件構成的檢測部件獲取脈沖信號。對光電編碼器輸出的脈沖頻率進行分析，能夠獲取電機的轉速，完成電機轉速的有效檢測，同時采用ARM 控制器對電機的脈沖數和脈沖頻率進行管理，完成電機轉速的準確管理，實現總體系統壓力的平穩控制。

1.2.3 通信模塊設計

因為串口的通信協議簡便，在通信領域中具有較高的應用價值。因此，系統使用串口RS 232完成目標板同PC機間的通信。S3C2440處理器中集成了3個UART控制器，并且將UART0當成通信端口。S3C2440芯片通過TTL電平設置5 V，0 V描述邏輯正和邏輯負，而PC機的COM端口采用RS 232電平設置10 V，-10 V描述邏輯負和邏輯正。因此S3C2440芯片和PC機間應通過SP3232EEN芯片進行電平變換，完成系統的通信。主控芯片S3C2440同串口的連接電路如圖5所示。

1.2.4 電機驅動模塊設計

（1） 步進電機工作原理。系統采用ARM控制器產生脈沖信號管理步進電機，控制器傳遞出一個脈沖信號，則電機依據設置的方向變換相應的角度。步進電機的運動狀態同控制器產生的脈沖頻率和脈沖數具有較高的關聯性。因此，調整ARM控制器的脈沖頻率，可對電機的轉速進行調整，而調整控制器的脈沖數量，可對電機的變換角度進行調整。ARM控制器對步進電機進行控制過程中應設計功率放大電路，但是該電路的開發成本較高。因此，為了提高步進電機的控制效率，系統在電機驅動模塊中設計了具有細分控制技術的步進電機驅動器。步進電機驅動器包括脈沖分配電路、功率驅動電路、保護電路等器件，可對電機的電流、電壓和功率進行細化控制，其結構原理如圖6所示。從圖6中可以看出，當電機驅動器采集到ARM控制器的方向信號以及脈沖信號后，脈沖分配電路依據設置的通電手段形成電機相勵磁繞組的通斷信號，對電機進行調整。功率驅動電路將ARM控制器產生的低功率信號變換成可驅動電機運動的高功率信號。保護電路避免步進電機出現電壓和電流過高的問題，確保電機的順利運行。設計的控制系統采用二相混合式步進電機，以及SD20806型兩相混合式步進電機驅動器。

（2） PWM 調速原理。系統實現恒壓控制，需要對步進電機的轉速進行調整。系統對PWM定時器的原始值進行控制，確保脈沖頻率發生變化，進而調整電機的轉速。

系統的主控芯片S3C2440中存在5個定時器，其中的4個定時器具有PWM調速功能。主控芯片定時器采用式（1）對TCMPn寄存器進行調控，能夠獲取定時器的預分頻率；采用式（2）對TCNTn寄存器進行調控，能夠獲取定時器的工作頻率。

（1）

（2）

式中：PCLK為系統總頻率；；。

系統中PWM定時器的內部控制邏輯如圖7所示，可以看出PWM定時器對其中的寄存器 TCMPBn以及TCNTBn值進行設置，則可對PWM輸出波形的占空比進行調控，最終調控總體步進電機的速度，占空比越低，步進電機的速度越高，運算公式如下：

（3）

2 系統實現

2.1 主程序設計

設計的控制系統軟件劃分成系統初始化模塊、數據采集和處理模塊、數據存儲模塊、人機交互模塊和控制管理模塊。系統的主程序流程如圖8所示。

系統初始化模塊對系統硬件設備參數及性能初始化設置；數據采集和處理模塊驅動傳感器采集恒壓控制系統中泵的輸出壓力，同時對采集的壓力數據進行融合；數據存儲模塊通過SD卡保存數據采集和處理模塊獲取的數據，并塑造相應的數據庫；用戶通過人機交互模塊可查詢系統的壓力數據；控制管理模塊按照獲取的壓力數據，通過智能控制算法確保系統壓力的平穩輸出，實現系統的恒壓控制。

2.2 控制系統的模糊PID算法設計和實現

設計的小型恒壓控制系統的關鍵任務是，控制步進電機的運行，完成系統計量泵的恒壓控制，主要對步進電機的速度和正反轉進行控制。系統采用自適應模糊PID控制算法，確保系統的恒壓輸出和電機的正常運行。該算法不僅具有模糊控制器的強抗干擾性，還具有PID控制的高精度優勢，具備較強的控制能力。

系統采用壓力變送器以及光電編碼器，采集系統泵的輸出壓力和步進電機的轉速，并運算出壓力誤差值以及壓力誤差變化率，再通過模糊 PID控制器調整誤差值，并將壓力校正值變換成對應的脈沖頻率，同時將反饋給步進電機，對步進電機的速度進行調整，實現系統計量泵輸出壓力的平穩控制。

3 實驗分析

設計完基于嵌入式的小型恒壓控制系統后，應通過實驗對系統的性能進行測試。實驗將系統的壓力輸出值控制在0～30 MPa區間內，并記錄本文系統和傳統PID控制系統在15 MPa和30 MPa壓力下的實際壓力輸出值，如表1和表2所示。

依據表1和表2中的實時數據獲取兩個系統的壓力響應曲線，分別如圖9和圖10所示。

分析圖9和圖10能夠看出，相對于傳統控制系統，本文控制系統可通過更短的時間，對壓力進行控制，確保系統計量泵的輸出壓力達到設置的規范值，能夠實現計量泵0～30 MPa的恒壓輸出。并且可以看出，本文系統比傳統PID控制系統的響應時間更少、更為穩定、控制精度更高，具有較高的應用價值。

4 結 論

當前設計的小型恒壓控制系統在恒壓工作模式下的控制精度低，并且穩定性較差，存在較大的弊端。因此，本文設計基于嵌入式 ARM 處理器的小型恒壓控制系統，系統的硬件以S3C2440芯片為控制核心，通過主控芯片的外圍接口擴展硬件電路，采用具有細分控制技術的電機驅動器和S3C2440芯片的PWM定時器，對步進電機轉速進行精密恒壓控制，并且實現系統的高精度和穩定性控制。采用模塊化思想設計系統的硬件模塊，主要包括主控模塊、存儲模塊、數據采集模塊、電機驅動模塊、通信模塊等。系統實現部分給出了系統主程序流程，以及采用模糊 PID智能控制算法實現恒壓輸出控制的過程。實驗結果表明，所設計系統具有較高的控制精度和穩定性。

參考文獻

[1] 張亞明，高曉丁.基于PID控制技術的供水網控制系統設計[J].西安工程大學學報，2015，29（5）：578?582.

[2] 郝迎吉，趙經詩.基于STM32的嵌入式煤層壓力監測系統設計[J].計算機測量與控制，2015，23（9）：2954?2956.

[3] 程云昊，王勇.嵌入式標定平臺控制系統設計[J].機床與液壓，2015，43（11）：88?90.

[4] 戴逸令，徐翠琴.基于嵌入式的USB接口數據通信實現[J].中國水運月刊，2014，14（1）：79?81.

[5] 馬國成，劉昭度，王寶鋒，等.駕駛員輔助系統中自適應加速度跟隨控制器的設計[J].汽車工程，2015，37（12）：1453?1458.

[6] 何曉東，史耀耀，趙鵬兵.復合材料布帶纏繞成型壓力控制技術[J].航空學報，2014，35（3）：868?877.

[7] 劉芝福.液力機械變速器換擋壓力控制設計與實現[J].工程機械，2015，46（5）：33?37.

[8] 范敏，劉鳳，王佩，等.大口徑非球面光學研拋壓力控制系統[J].光學精密工程，2015，23（4）：1019?1026.

[9] 陳紅.焦爐炭化室壓力控制系統機械裝置的研究及應用[J].科技創業月刊，2014，27（5）：175?176.

[10] 黃智才，譚建平，程立志，等.基于血泵轉速與功率特性曲線的流量壓力控制[J].測控技術，2015，34（12）：54?57.