基于嵌入式技術的動車室溫智能控制系統

伍志丹

摘要：為向乘客提供更加舒適的乘坐環境，文章設計了基于嵌入式技術的動車室溫智能控制系統。該系統以嵌入式微處理器作為核心芯片，通過溫度檢測單元采集動車室溫數據，并以該數據為基礎，采用模糊PID控制算法控制調溫風機的送風量與轉速，實現對動車室溫的智能控制。實際應用結果表明，該系統可實現對動車室溫進行智能控制，控制時效性較高，控制過程無超調現象，實際應用價值較高。

關鍵詞：嵌入式技術;動車室溫;智能控制;模糊PID算法

中國分類號：U231.8文章標識碼：A411574

0 引言

動車的車廂屬于封閉狀態，動車室溫成為保障旅客乘車舒適度的關鍵因素之一，為了向旅客提供更加舒適的乘車環境，需選取恰當的方式對動車室溫實施智能控制[1]。目前大多數動車組客室的溫度通過空調系統實施調控，運用通風、采暖及制冷等方式，使動車室溫達到設定的目標溫度，但此種單純的空調系統存在一定的弊端，無法有效保證溫度控制的實時性與精準性，控制效果不夠理想[2-3]。

嵌入式技術的主要特點為針對性與目的性較為明確，應用嵌入式技術的系統在設計與開發時，均有其特定的應用范圍，此為嵌入式系統與普通系統之間的區別之一[4]。嵌入式技術的持續發展，使其逐步成為當下計算機技術和微電子技術領域內的關鍵分支，并且成功劃分計算機類別為嵌入式系統與普通計算機系統兩大類，被網絡、電信以及工業控制等領域廣泛應用。嵌入式系統融合了硬件與軟件兩部分，通過向相應的系統內裝入嵌入式設備構成全新用途的專用系統，主要由宿主機與目標機組成[5-6]。在設計嵌入式系統時，應充分運用嵌入式技術的特定用途范圍及按照實際需求設計系統的軟硬件，提升嵌入式系統的運行效率[7]。嵌入式系統將應用作為核心，適當調整軟硬件后，可成為功能更加專業的專用系統，在控制算法的應用方面，可選取PID算法與模糊控制相結合的模糊PID算法，達到高魯棒性、精準高效的控制效果[8-9]。

綜合以上分析，本文提出了基于嵌入式技術的動車室溫智能控制系統，該系統將通過嵌入式微處理器S3C2440A核心芯片所構造的嵌入式智能溫度控制器作為硬件部分，結合軟件部分的模糊PID控制算法共同實現對動車室溫的智能控制，高效精準地實時控制動車的室內溫度，為乘客提供更加舒適的乘坐環境。

1 嵌入式技術的動車室溫智能控制系統

1.1 系統整體架構設計

以嵌入式智能溫度控制器作為硬件的核心部分，以模糊PID控制算法作為軟件的核心部分，設計包含硬件部分、中間部分以及軟件部分的動車室溫智能控制系統，整體架構如圖1所示。

通過硬件部分中的嵌入式智能溫度控制器采集動車室溫轉換為對應的電壓數據，將所采集到的數據作為初始值，調用軟件部分內的模糊PID控制算法，運用初始值實施運算，獲取當前的控制輸出量，嵌入式智能溫度控制器運用此控制輸出量控制調溫風機的送風量與轉速，實現對動車室溫的智能控制。其中，系統中間部分的BSP即為板級支持包，也可稱作硬件抽象層，它的功能為分離系統的軟件部分與硬件部分，令系統軟件部分僅以此層所提供的接口為依據開發即可，不需要與硬件部分的詳細狀況相關聯，同時對系統內硬件部分實施初始化。

1.2 硬件部分功能設計

硬件部分的核心為嵌入式智能溫度控制器，其以嵌入式微處理器S3C2440A為核心芯片構造而成，結構設計如圖2所示。

嵌入式智能溫度控制器主要包含主控單元、溫度檢測單元、操作單元、通信單元及受控單元等。其中主控單元屬于嵌入式智能溫度控制器的核心單元，主要由嵌入式微處理器S3C2440A芯片構成，此芯片具有非常豐富的內部資源，其內核為ARM920T，可實現單獨的16 kB數據與指令緩存，可集成LCD、PWM、SPI及A/D等眾多設備接口，降低外圍接口電路的設計難度，實現信號處理及計算等任務;溫度檢測單元的主要任務是檢測動車室內溫度及對溫度信號實施標準化，同時向主控單元傳送標準化處理后的信號;通信單元由CAN控制器與DM9000EP以太網控制器芯片構成，經由CAN總線實現CAN控制器接口向外輸送控制信號并達到同其余控制節點通信的目的，利用雙絞線將DM9000EP與上位機相連，通過網絡服務器監控下位機并交換上下位機數據;操作單元內包含觸摸屏與LCD顯示屏，動車室溫設置鍵與系統的開關等均設置于觸摸屏上;受控單元包含變頻器與調溫風機，當此單元接收到主控單元所傳送的控制信號后，運用變頻器對調溫風機轉速實施調整，實時調整送風量以控制動車室溫。

1.2.1 輸入與輸出接口設計

嵌入式微處理器S3C2440A芯片可提供較多的通用I/O引腳，能夠完全滿足本文動車室溫智能控制系統的需求，無須對I/O引腳實施擴展。因此，在設計本文控制系統的輸入與輸出接口時，需重點權衡輸出信號同主機的隔離、輸出信號的驅動、輸入信號的轉換以及輸入信號同主機的隔離等。

1.2.2 A/D與D/A轉換

嵌入式微處理器S3C2440A芯片中不具備集成DAC，具備8路十位集成ADC與五個16位的定時器，包含內部定時器1個與PWM定時器4個。為了將以PWM為基礎所實現的DAC精準電路獲取到，可通過在外側與一個轉換電路及濾波器相連實現，詳見圖3。圖中D1與Q1分別為高精度穩壓二極管與高頻開關管，因高頻開關管Q1的截止電阻較高而導通電阻較小，高精度穩壓二極管D1能夠轉換嵌入式智能控制器的輸出PWM波形，轉換后PWM波形的高、低電壓分別為2.5 V與0 V，屬于目標PWM波形。為達到高精度DAC功能，需采用二級阻容濾波將直流分量獲取到，并通過低噪聲放大器TLV4376驅動輸出實現。

1.3 軟件部分設計

本文控制系統的軟件部分主要包括模糊PID控制算法、嵌入式Linux操作子系統、圖形用戶接口及應用程序等，其中嵌入式Linux操作子系統安裝于虛擬機軟件上，在此子系統下實現圖形開發及交叉編譯等。

1.3.1 溫度采集與轉換過程設計

嵌入式微處理器S3C2440A芯片將溫度傳感器所采集到的溫度信號轉換成相對的電壓信號，并向嵌入式微處理器S3C2440A芯片的內置A/D轉換器傳送;通過A/D轉換器轉換為16進制數據之后，再經10進制和16進制運算與轉換為浮點數據后，通過LCD顯示屏呈現。其中系統所設定的A/D轉換數據存儲到緩存區的時間間隔為80 ms，當緩存區存儲數量到達設定數量時，將緩存區數據清零并標記為1，繼續實施A/D轉換;若緩存區存儲數量未達到設定數量，則繼續實施A/D轉換。溫度采集與轉換過程如圖4所示。

1.3.2 模糊PID控制算法

系統中的嵌入式智能溫度控制器通過運用模糊PID控制算法，實現對動車室溫的實時在線智能控制。PID控制是通過運用微積分與比例運算出控制量而實現的，它的控制規律可表示為：

2 實驗結果分析

將本文系統應用于某動車操控平臺中，對此動車室溫實施智能控制，檢驗本文系統的實際應用效果。實驗動車共有8節車廂，車體的總長度為201.78 m，其中中間每節車廂的長度為25.80 m，兩端車廂的長度為23.49 m，車體的高度與寬度分別為3.90 m與3.31 m;該動車的運行平均速度為355 km/h，可載客600人左右。

2.1 控制效果檢驗

實驗中分別檢驗應用本文系統前后實驗動車室溫的恒溫控制效果，其中恒溫控制的設定溫度為25 ℃，設定時間為09[JX-+0.7mm]：[JX+0.7mm]30-21[JX-+0.7mm]：[JX+0.7mm]30，應用本文系統前后的控制情況對比結果如圖5所示。通過圖5（a）能夠得出，無本文系統實驗動車室溫的恒溫控制效果差，室溫多次出現大幅度波動，而應用本文系統后實驗動車室溫的恒溫控制效果顯著，始終保持設定的25 ℃室溫，偶有微小的溫度波動，但波動誤差始終<±0.3 ℃，可實現動車室溫的恒溫控制;由圖5（b）可看出，應用本文系統后實驗動車室溫可迅速達到設定溫度，所用時間遠低于應用本文系統前，并且無超調現象。綜合可見，本文系統可實現對動車室溫的恒溫控制，控制效果理想，控制效率高無超調現象。

統計應用本文系統前后實驗動車室溫達到各時間段設定溫度所用時間及控制中是否存在超調現象，統計結果如表1所示。由表1能夠得知，應用本文系統前實驗動車室溫達到各時間段設定溫度所用時間均遠高于應用本文系統后，應用本文系統前后實驗動車室溫達到設定溫度的平均用時分別為28.08 s與11.85 s，且應用本文系統后實驗動車室溫控制過程中的超調現象得到有效改善。

2.2 數據處理性能檢驗

對本文系統控制過程中的數據處理性能實施檢驗，檢驗隨著數據量的持續增長，本文系統的處理能力，結果如表2所示。通過表2能夠看出，隨著數據量的增長，本文系統的數據處理用時也隨之增加，但增加幅度不大，在高數據處理量下本文系統的平均吞吐量與丟包率分別為888.67 Mbps與0.25%。說明在應對高數據處理量情況下，本文系統的數據處理效率較高，單位時間內完成的處理量較多，且數據丟失情況較少，綜合處理性能優越，能夠滿足實際應用需求。

3 結語

本文設計了基于嵌入式技術的動車室溫智能控[JP+2]制系統，系統主要由硬件、軟件及中間部分三部分構成，其中硬件部分的核心為嵌入式智能溫度控制器，該控制器的核心芯片為嵌入式微處理器S3C2440A，軟件部分的核心即為模糊PID算法與嵌入式Linux操作子系統，通過結合軟硬件的嵌入式智能溫度控制器與模糊PID算法，達到控制動車室內溫度的目的，實際應用結果分析表明，應用本文系統之后可實時精準地控制動車室溫，令動車室溫快速達到設定目標溫度，控制性能穩定且效果顯著，實現對動車室溫的恒溫及分時段控制，控制過程中未出現超調現象，控制中的數據處理性能較好，可滿足實際應用所需，為動車組提升乘客的乘坐舒適度提供有效保障。

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