基于嵌入式技术的小型恒压控制系统的设计与实现

李琴

摘 要： 当前设计的小型恒压控制系统在恒压工作模式下的控制精度低，并且稳定性较差，存在明显的弊端。因此，设计基于嵌入式 ARM 处理器的小型恒压控制系统，系统的硬件以S3C2440芯片为控制核心，通过主控芯片的外围接口扩展硬件电路，采用具有细分控制技术的电机驱动器和S3C2440芯片的PWM定时器，对步进电机转速进行精密恒压控制。采用模块化思想设计系统的硬件模块，主要包括主控模块、存储模块、数据采集模块、电机驱动模块、通信模块等。系统实现部分给出了系统主程序流程，以及采用模糊 PID智能控制算法实现恒压输出控制的过程。实验结果表明，所设计系统具有较高的控制精度和稳定性。

关键词： 恒压控制系统； 嵌入式ARM处理器； PWM定时器； S3C2440

中图分类号： TN911?34； TN912 文献标识码： A 文章编号： 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

计量泵是一种小型恒壓控制系统，在石油、化工、煤矿等领域具有重要的应用价值。当前设计的计量泵在恒压工作环境下的控制精度低、稳定性较差、实用性较差[1?3]。嵌入式技术可将计算机控制、通信、网络同计量泵相融合，可大大提高系统的控制精度[4?5]。因此，将嵌入式技术引入精密计量泵，提出一种基于 ARM 处理器和嵌入式 Linux 操作系统的计量泵恒压控制系统。

当前设计出的计量泵恒压控制方法，大都存在一定的问题，如文献[6]采用可编程控制器PLC实现系统的计量泵恒压控制，但是该方法中的启动器通常为成品器件，设备的成本较高，并且频率波动较高，容易导致控制器压力不稳定问题。文献[7]提出基于模糊PID控制的计量泵恒压控制系统，该方法不仅可对计量泵进行模糊逻辑PID控制，还能够对控制系统中的运行参数等进行展示，同时进行系统的故障报警。但是控制系统的适应性较差，且存在控制精度低和参数整定滞后的问题。文献[8]采用经典PID控制方法实现计量泵的恒压控制，但是因为计量泵系统的参数不固定，无法塑造精准的数学模型，采用经典PID控制方法，无法确保在复杂的环境下，系统具有最佳的恒压控制性能。文献[9]设计了恒压控制专用变频器，能够对多个计量泵进行循环控制。其能够实现计量泵压力的闭环控制，具有较高的控制精度和平稳性。但是其输出接口不具备数据通信性能，仅适用于控制要求较低的计量泵，具有较大的局限性。文献[10]计量泵恒压控制系统，将压力传感器部署在计量泵出口，确保计量泵输出压力保存恒定。但是该方法适用于稳定环境下的恒压控制，对复杂环境的适应能力较差，控制稳定性较差。针对上述问题，为了提高小型恒压控制系统的控制精度和稳定性，设计基于嵌入式 ARM 处理器的小型恒压控制系统。通过实验验证了所设计的检测系统恒压工作的有效性，并同传统PID控制算法进行对比，实验结果说明所设计系统具有较高的控制精度和稳定性。

1 小型恒压控制系统的设计

1.1 小型恒压控制系统的总体设计

本文设计的小型恒压控制系统包括ARM控制器、压力变送器、限位开关、光电编码器、电磁阀以及驱动器，其总体结构如图1所示。ARM控制器的关键部分为嵌入式处理器S3C2440，其采用扩展A/D变换器、SD 卡、LCD 触摸屏等部件，同其他设备连接和管理；压力变送器采集计量泵的出口压力，将检测到的压力反馈到输入端同设置值对比，并将形成的误差采用模糊PID控制算法获取对应的脉冲频率，依据该脉冲频率调整步进电机的运行速度，调控总体系统的压力，确保系统压力的均衡性。限位开关发生变化时，ARM控制器同电机驱动器间的连接电路发生调整，驱动电机调整方向。光电编码器与电机相连，将电机运行脉冲反馈到ARM控制器中进行分析。

1.2 系统硬件设计

采用模块化思想设计系统的硬件模块，主要包括主控模块、存储模块、数据采集模块、电机驱动模块、通信模块、电磁阀和限位开关模块，总体结构如图2所示。

1.2.1 主控模块和存储模块设计

系统的主控模块采用来自三星公司的嵌入式芯片S3C2440A，该芯片的内核为ARM920T，拥有低功耗、高处理运算性能。芯片使用MMU，AMBA总线体系结构以及哈佛结构，并集成了 SDRAM控制器、FLASH控制器、SPI 控制器等硬件外设。

系统为S3C2440A部署了由 2 片 HY57V561620并联构成的64 MB SDRAM，并且将采集到的压力数据保存到4 GB的SD卡中。嵌入式芯片S3C2440中集成了SD控制器，系统采用 SD 总线模式驱动 SD 卡。S3C2440 处理器在 SD 模式中通过5根信号线同SD卡完成信息的交流，并且为各信号线配置10 kΩ的上拉电阻。SD卡同S3C2440处理器的接口电路，如图3所示。

1.2.2 采集模块设计

（1） 压力变送器的选择。系统通过来自于森纳士公司的ME系列压力变送器，采集计量泵的压力值。变送器通过A/D转换电路，实现压力信号的模/数变换，将输出的4～20 mA电流信号调整至 0.5～2.5 V 的区间中，I/V 转换电路见图4。

（2） 光电编码器的选择与连接。系统采用光电编码器获取步进电机的转速，将电机主轴的输出位移量变换成ARM处理器能够分析的脉冲数字量。设计的光电编码器包括光栅盘以及光电探测部件。在小型恒压控制系统中，光电码盘同步进电机同轴连接并以相同的速度运动，采用发光二极管等电子器件构成的检测部件获取脉冲信号。对光电编码器输出的脉冲频率进行分析，能够获取电机的转速，完成电机转速的有效检测，同时采用ARM 控制器对电机的脉冲数和脉冲频率进行管理，完成电机转速的准确管理，实现总体系统压力的平稳控制。

1.2.3 通信模块设计

因为串口的通信协议简便，在通信领域中具有较高的应用价值。因此，系统使用串口RS 232完成目标板同PC机间的通信。S3C2440处理器中集成了3个UART控制器，并且将UART0当成通信端口。S3C2440芯片通过TTL电平设置5 V，0 V描述逻辑正和逻辑负，而PC机的COM端口采用RS 232电平设置10 V，-10 V描述逻辑负和逻辑正。因此S3C2440芯片和PC机间应通过SP3232EEN芯片进行电平变换，完成系统的通信。主控芯片S3C2440同串口的连接电路如图5所示。

1.2.4 电机驱动模块设计

（1） 步进电机工作原理。系统采用ARM控制器产生脉冲信号管理步进电机，控制器传递出一个脉冲信号，则电机依据设置的方向变换相应的角度。步进电机的运动状态同控制器产生的脉冲频率和脉冲数具有较高的关联性。因此，调整ARM控制器的脉冲频率，可对电机的转速进行调整，而调整控制器的脉冲数量，可对电机的变换角度进行调整。ARM控制器对步进电机进行控制过程中应设计功率放大电路，但是该电路的开发成本较高。因此，为了提高步进电机的控制效率，系统在电机驱动模块中设计了具有细分控制技術的步进电机驱动器。步进电机驱动器包括脉冲分配电路、功率驱动电路、保护电路等器件，可对电机的电流、电压和功率进行细化控制，其结构原理如图6所示。从图6中可以看出，当电机驱动器采集到ARM控制器的方向信号以及脉冲信号后，脉冲分配电路依据设置的通电手段形成电机相励磁绕组的通断信号，对电机进行调整。功率驱动电路将ARM控制器产生的低功率信号变换成可驱动电机运动的高功率信号。保护电路避免步进电机出现电压和电流过高的问题，确保电机的顺利运行。设计的控制系统采用二相混合式步进电机，以及SD20806型两相混合式步进电机驱动器。

（2） PWM 调速原理。系统实现恒压控制，需要对步进电机的转速进行调整。系统对PWM定时器的原始值进行控制，确保脉冲频率发生变化，进而调整电机的转速。

系统的主控芯片S3C2440中存在5个定时器，其中的4个定时器具有PWM调速功能。主控芯片定时器采用式（1）对TCMPn寄存器进行调控，能够获取定时器的预分频率；采用式（2）对TCNTn寄存器进行调控，能够获取定时器的工作频率。

（1）

（2）

式中：PCLK为系统总频率；；。

系统中PWM定时器的内部控制逻辑如图7所示，可以看出PWM定时器对其中的寄存器 TCMPBn以及TCNTBn值进行设置，则可对PWM输出波形的占空比进行调控，最终调控总体步进电机的速度，占空比越低，步进电机的速度越高，运算公式如下：

（3）

2 系统实现

2.1 主程序设计

设计的控制系统软件划分成系统初始化模块、数据采集和处理模块、数据存储模块、人机交互模块和控制管理模块。系统的主程序流程如图8所示。

系统初始化模块对系统硬件设备参数及性能初始化设置；数据采集和处理模块驱动传感器采集恒压控制系统中泵的输出压力，同时对采集的压力数据进行融合；数据存储模块通过SD卡保存数据采集和处理模块获取的数据，并塑造相應的数据库；用户通过人机交互模块可查询系统的压力数据；控制管理模块按照获取的压力数据，通过智能控制算法确保系统压力的平稳输出，实现系统的恒压控制。

2.2 控制系统的模糊PID算法设计和实现

设计的小型恒压控制系统的关键任务是，控制步进电机的运行，完成系统计量泵的恒压控制，主要对步进电机的速度和正反转进行控制。系统采用自适应模糊PID控制算法，确保系统的恒压输出和电机的正常运行。该算法不仅具有模糊控制器的强抗干扰性，还具有PID控制的高精度优势，具备较强的控制能力。

系统采用压力变送器以及光电编码器，采集系统泵的输出压力和步进电机的转速，并运算出压力误差值以及压力误差变化率，再通过模糊 PID控制器调整误差值，并将压力校正值变换成对应的脉冲频率，同时将反馈给步进电机，对步进电机的速度进行调整，实现系统计量泵输出压力的平稳控制。

3 实验分析

设计完基于嵌入式的小型恒压控制系统后，应通过实验对系统的性能进行测试。实验将系统的压力输出值控制在0～30 MPa区间内，并记录本文系统和传统PID控制系统在15 MPa和30 MPa压力下的实际压力输出值，如表1和表2所示。

依据表1和表2中的实时数据获取两个系统的压力响应曲线，分别如图9和图10所示。

分析图9和图10能够看出，相对于传统控制系统，本文控制系统可通过更短的时间，对压力进行控制，确保系统计量泵的输出压力达到设置的规范值，能够实现计量泵0～30 MPa的恒压输出。并且可以看出，本文系统比传统PID控制系统的响应时间更少、更为稳定、控制精度更高，具有较高的应用价值。

4 结 论

当前设计的小型恒压控制系统在恒压工作模式下的控制精度低，并且稳定性较差，存在较大的弊端。因此，本文设计基于嵌入式 ARM 处理器的小型恒压控制系统，系统的硬件以S3C2440芯片为控制核心，通过主控芯片的外围接口扩展硬件电路，采用具有细分控制技术的电机驱动器和S3C2440芯片的PWM定时器，对步进电机转速进行精密恒压控制，并且实现系统的高精度和稳定性控制。采用模块化思想设计系统的硬件模块，主要包括主控模块、存储模块、数据采集模块、电机驱动模块、通信模块等。系统实现部分给出了系统主程序流程，以及采用模糊 PID智能控制算法实现恒压输出控制的过程。实验结果表明，所设计系统具有较高的控制精度和稳定性。

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