基于PC104的高集成度和模塊化de設(shè)計(jì)及在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、引言

溫度在工業(yè)控制中是個(gè)很重要的參量，一個(gè)溫控系統(tǒng)可以純粹是個(gè)小型的控制溫度的系統(tǒng) ，也可以是整個(gè)大系統(tǒng)中的一個(gè)部分，但都需要用相應(yīng)的硬件裝置、機(jī)械設(shè)備和控制這些設(shè)備運(yùn)行的軟件來實(shí)現(xiàn)，而影響溫度參量控制的主要因素也是來自這3個(gè)方面。但在具體設(shè)計(jì)時(shí)，這3個(gè)方面是相互約束又相互補(bǔ)充的，尤其是需要對(duì)溫度瞬間的變化作出相應(yīng)控制的系統(tǒng)，比如在某個(gè)溫度區(qū)間里需要有什么樣的控制精度、溫度斜坡時(shí)間和溫度均勻性等要求， 在機(jī)械設(shè)備已經(jīng)限制的情況下，可以通過對(duì)硬件電路和軟件的設(shè)計(jì)來彌補(bǔ)。

很多溫度控制系統(tǒng)中，一般選用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，由于每種單片機(jī)一般都有各自的一套開發(fā) 工具，需要花費(fèi)一定時(shí)間和精力去學(xué)習(xí)研究才能掌握，并且相關(guān)的硬件接口設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜 ，而采用PC104作為核心中央處理器，則可將主要精力放在軟件和接口的設(shè)計(jì)上，而且PC104 的開發(fā)、維護(hù)和擴(kuò)展都非常方便。PC104與通用的PC和PC/AT標(biāo)準(zhǔn)（IEEEP996）完全兼容，可以很快掌握其軟、硬件的使用，而且他具備嵌入式控制的特殊要求：體積小、成本低 、可靠性高、壽命長(zhǎng)、編程調(diào)試方便，配以不同功能的板卡，為嵌入式應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)的系 統(tǒng)平臺(tái)。本文主要介紹了當(dāng)前工控產(chǎn)品中比較廣泛的PC104總線的硬件接口電路的設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，并把他作為一個(gè)嵌入式平臺(tái)，運(yùn)用到溫度控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度參量的控制。

2、PC104總線簡(jiǎn)介

由于普通PC機(jī)在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制中存在著體積龐大、功耗高、可靠性差等缺點(diǎn)，美國(guó)Ampro 公司、德國(guó)Jeptec公司、瑞士的DigitalLogic公司等在1987年推出了PC104嵌入式模塊，而嚴(yán)格意義的規(guī)范說明在1992年才公布，IEEE協(xié)會(huì)將IEEEP996作為PC和PC/A T工業(yè)總線規(guī)范，而把PC104定義為IEEEP9961，所以實(shí)質(zhì)上PC104就是一種緊湊型 的IEEEP996。

PC104總線是專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，其信號(hào)定義和ISA總線一致，但電氣規(guī)范和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式總線標(biāo)準(zhǔn)。PC104 與ISA相比具有的一些獨(dú)特的功能主要有：

（1）小尺寸結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)PC104模塊的機(jī)械尺寸是3.6英寸×3.8英寸 ，即96 ｍｍ×90 ｍｍ。

（2）堆棧式連接去掉總線底板和插板滑道，總線以“針”和“孔”形式 層疊連接，即PC104總線模塊之間總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬合相連，這 種層疊封裝有極好的抗震性。

（3）降低總線驅(qū)動(dòng)電流減少元件數(shù)量和電源消耗，4 ｍＡ總線驅(qū)動(dòng) 即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊的功耗大約1～2 Ｗ。

3、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.1硬件電路設(shè)計(jì)部分

此部分包括PC104CPU模塊，該模塊上主要有CPU芯片、DRAM內(nèi)存、并口、串口、在板支持可讀寫的固態(tài)盤、看門狗和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等，另外還有I/O模塊、A/D模塊、液晶顯示模塊、鍵盤輸入模塊和打印輸出模塊等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一塊基板，在其上面布上PC104總線，然后把PC104CPU模塊、I/O模塊、Ａ/Ｄ模塊等模塊通過堆棧式連接方法構(gòu)成一個(gè)完整的硬件系統(tǒng)。此方法的特點(diǎn)：他是在特定的I/O中插入嵌入式計(jì)算機(jī)而代替以往將I/O擴(kuò)展板插入到計(jì)算機(jī)中的辦法，他體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

在進(jìn)行PC104接口模板設(shè)計(jì)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)總線的連接，模塊應(yīng)具備地址譯碼功能和數(shù)據(jù)總線緩沖功能。

3.1.1地址譯碼電路設(shè)計(jì)

由于在此系統(tǒng)總線上插入了多塊功能電路板，因此必須對(duì)每一塊功能電路板設(shè)定不同的地 址，為了方便系統(tǒng)的靈活配置，采用撥碼開關(guān)的方式。如圖2所示。其中A0~A9為PC104總線的10 b外部端口地址線；IOR，IOW分別為系統(tǒng)總線的讀、寫選擇信號(hào)線；數(shù)據(jù)比較器的輸出用來控制數(shù)據(jù)總線緩沖器和譯碼電路的片選信號(hào)；譯碼電路的輸出用來控制具體電路板中的不同功能操作。根據(jù)每種功能電路板的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，譯碼電路選擇了不同的器件，在A/D 板中用的是74LS138譯碼器，在I/O板中用的是可編程邏輯器件。

3.1.2數(shù)據(jù)總線緩沖器設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能電路板與PC104數(shù)據(jù)總線的接口，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)總線的緩沖器設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，采用PC104的D0~D7作為系統(tǒng)的8 b數(shù)據(jù)總線，采用帶三態(tài)輸出的74LS245作為數(shù)據(jù)總線緩沖器。每個(gè)功能電路板上只用1片74LS245作為數(shù)據(jù)接口，對(duì)于多路開關(guān)量輸出的I/O板， 采用74LS244并接在74LS245上，通過譯碼電路的輸出控制信號(hào)來對(duì)74LS244進(jìn)行片選;而對(duì)于 具有多路模擬量輸入的A/D板，采用了74LS273與74LS245并接在數(shù)據(jù)總線上，通過譯碼電路的 控制信號(hào)控制74LS273的脈沖端，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩沖和傳輸。

3.2軟件設(shè)計(jì)部分

由于PC104 CPU模塊支持可讀寫的固態(tài)盤，這種以半導(dǎo)體存儲(chǔ)設(shè)備來代替通常使用的磁盤驅(qū) 動(dòng)器，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，降低系統(tǒng)的功耗和成本。本系統(tǒng)中，根據(jù)固態(tài)盤的特點(diǎn) ，操作系統(tǒng)軟件采用DOS 6.22，以TuborC 2.0作為開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用程序采用C語言和匯編語言相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。

在編寫軟件時(shí)，首先要設(shè)置好I/O板卡的基地址，再根據(jù)基地址來確認(rèn)其他外圍寄存器端口地址，包括讀寫端口、控制字和通道選擇等地址。

4、在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

PCR溫度控制儀中采用了PC104系統(tǒng)， PCR溫度控制儀的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3的機(jī)械裝置主要由溫育載體、冷卻裝置和加熱裝置構(gòu)成。溫育載體是控制對(duì)象，冷卻裝置為小型壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)和二次冷媒循環(huán)系統(tǒng)構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的快速降溫。制冷系統(tǒng)處于常開狀態(tài)，不斷冷卻二次冷媒介質(zhì)，當(dāng)溫育載體需要降溫時(shí)，低溫的冷媒介質(zhì)被伺服泵送入溫育載體的冷卻盤管，實(shí)現(xiàn)降溫。用二次冷媒作為冷卻方式是為了冷卻量穩(wěn)定，對(duì)制冷系統(tǒng)影響??；加熱裝置采用電阻絲作為加熱元件，受執(zhí)行元件（固態(tài)繼電器）的開關(guān)控制 ，通過開和關(guān)次數(shù)的變化以及每次開和關(guān)的時(shí)間來控制加熱量，調(diào)節(jié)溫育溫度。

對(duì)于該溫控系統(tǒng)，由于制冷系統(tǒng)一直打開，只要對(duì)繼電器的開關(guān)進(jìn)行控制就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫育載體的溫度控制，現(xiàn)控制目標(biāo)是將溫度穩(wěn)定在某個(gè)值附近;另外，溫育載體是暴露在周圍環(huán)境中的，其熱量散失很難計(jì)算，而且溫育載體的溫度場(chǎng)分布也不均勻，這就給控制帶來了難度，故采用了模糊控制技術(shù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了二維模糊控制器，以溫度的偏差E和E的變化EC 作為控制器的輸入變量，電阻絲的加熱時(shí)間即繼電器的打開時(shí)間T作為輸出變量，并通過C 語言來實(shí)現(xiàn)編程。

該程序可分為2個(gè)部分，一個(gè)是計(jì)算機(jī)離線計(jì)算查詢表的程序，屬于模糊矩陣運(yùn)算；另一個(gè)是計(jì)算機(jī)在模糊控制過程中在線計(jì)算輸入變量（溫度偏差和其偏差變化），并將他們模糊化處理，查找查詢表后再做輸出處理的程序。

從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來看，模糊控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的控制有良好效果。圖4虛線是僅采用PID算法獲得的溫育載體溫度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，而實(shí)線是采用模糊算法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線。從圖中可看出，溫育溫度的斜坡時(shí)間、控制精度和穩(wěn)態(tài)誤差等指標(biāo)有較大的提高，獲得了較好的效果。

5、結(jié)語

由于PC104的高集成度和模塊化的特點(diǎn)，使得在開發(fā)周期和開發(fā)工具上比其他的開發(fā)模式有一定的優(yōu)勢(shì)，也為溫控系統(tǒng)提供了一個(gè)方便的嵌入式平臺(tái)。針對(duì)不同的控制系統(tǒng)和控制要求，用戶只要編寫不同的控制算法就可以實(shí)現(xiàn)。

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