μC/OS-II系統與ARM在中央空調機組控制器中的應用

隨著(zhù)中央空調的普及應用，如何對中央空調機組實(shí)施有效的控制，是許多科研人員研究的重要課題。目前國內中央空調機組控制器硬件方面主要采用8位單片機為核心處理器，這種方式由于資源有限，導致人機交互不友好、機組的實(shí)時(shí)監控性能低、整機運轉難以實(shí)現多機組網(wǎng)聯(lián)控、節能效果差。采用RISC架構的ARM微處理器具有小體積、低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，指令執行速度快，執行效率高，且具有豐富的片內外圍電路，有利于簡(jiǎn)化系統設計，提高系統可靠性。本控制系統選擇了Philips公司ARM7處理器LPC2210，移植了實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II，系統運行穩定可靠。

1 空調系統簡(jiǎn)介及控制要求

中央空調由集中制冷/加熱站和空調機組兩大部分組成。前者提供系統所需要的冷熱源，后者通過(guò)調節冷凍水/熱蒸汽的流量及空氣風(fēng)量來(lái)調節溫度，調節加濕閥來(lái)調節房間的濕度。機組的控制任務(wù)是自動(dòng)調節空氣溫濕度、風(fēng)速、送風(fēng)量及空氣的潔凈度。系統中所需檢測與控制的參量為：自動(dòng)檢測新風(fēng)、送風(fēng)、回風(fēng)及被控房間溫、濕度及正壓值，表冷器/加熱器的供、回水溫度；自動(dòng)檢測送、回風(fēng)機及故障報警；中低效過(guò)濾器壓差狀態(tài)及超差報警；根據室外空氣狀態(tài)和室內正壓值自動(dòng)調節新風(fēng)、回風(fēng)、排風(fēng)閥開(kāi)度 ；根據被控參數及設定參數自動(dòng)調節表冷器、加濕器的電動(dòng)調節閥的開(kāi)度。

2 現場(chǎng)控制器硬件結構

如圖1所示，整個(gè)系統可分為ARM處理器模塊、電源模塊、各總線(xiàn)接口模塊、存儲模塊、人機交互模塊、模擬量輸入輸出模塊及數字量輸入輸出模塊等。

主處理器選用Philips公司生產(chǎn)的ARM7芯片LPC2210，該芯片是基于支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S CPU的微控制器，最高工作頻率可達60 MHz，內部帶有16 KB RAM，多達122個(gè)通用I/O口（可承受5 V電壓），具有兩個(gè)帶16 B收發(fā)FIFO的UART，兩個(gè)完全獨立的同步串行接口SPI等豐富的外設。本系統中，存儲模塊由擴展的2 MB NOR Flash(SST39VF160)與8 MB PSRAM(MT45W4MW16)構成，分別使用LPC2210外部存儲器接口的Bank0和Bank1地址空間；人機交互模塊包含鍵盤(pán)和LCD兩部分，顯示和設置空調機組的運行參數及狀態(tài)?？刂破髟O有8個(gè)按鍵輸入，使用I2C接口的接盤(pán)與LED驅動(dòng)芯片ZLG7290進(jìn)行鍵盤(pán)掃描；從USB接口用于控制器與調試計算機的通信；控制平臺設計了以RTL8019AS芯片為核心的以太網(wǎng)接口電路，實(shí)現控制器與上位監控級計算機之間的通信；CAN總線(xiàn)接口可用于現場(chǎng)設備的通信；ISP接口、JTAG口為程序下載調試接口；A/D模塊采用LPC2210自帶的8路10位ADC轉換器，檢測各路溫度及濕度模擬量的輸入，構成反饋控制。D/A模塊的輸出信號作為比例放大器的輸入，控制各個(gè)調節閥門(mén)的開(kāi)度大小，實(shí)現風(fēng)量和流量控制。數字量輸入通道檢測風(fēng)機的運行狀態(tài)及過(guò)濾網(wǎng)壓差報警信號；數字量輸出通道輸出風(fēng)機、加濕器的開(kāi)關(guān)控制信號?？刂破魍ㄟ^(guò)對整個(gè)空調系統新風(fēng)、回風(fēng)的溫濕度、送風(fēng)風(fēng)機運行狀態(tài)、初中效過(guò)濾段的壓差等信號的采集，控制送風(fēng)風(fēng)機的變頻調速、加濕器的加濕、新風(fēng)及回風(fēng)閥門(mén)的開(kāi)度、冷熱水閥的開(kāi)度大小，以達到設定的空氣狀態(tài)。

3 現場(chǎng)控制單元的軟件設計

3.1 軟件層次與功能

控制器軟件由3部分組成：實(shí)時(shí)操作系統、硬件驅動(dòng)程序和運行在操作系統之上的應用程序。實(shí)時(shí)操作系統采用源碼公開(kāi)的μC/OS-II,基于其內核擴展的實(shí)時(shí)操作系統的整體結構如圖2所示。

Bootloader的主要功能是初始化必要的硬件并啟動(dòng)操作系統。應用軟件層實(shí)現中央空調的相關(guān)控制任務(wù)，包括初始化任務(wù)、故障處理任務(wù)、數據通信任務(wù)、數據采集任務(wù)、機組控制任務(wù)及顯示任務(wù)。底層硬件設備控制驅動(dòng)層初始化微控制器與外圍部件管腳連接的配置，建立處理器與外圍功能電路之間的關(guān)聯(lián)，與具體硬件電路相關(guān)。功能部件命令接口驅動(dòng)實(shí)現處理器各個(gè)功能模塊的運作機制，如串口、SPI、CAN等模塊，該層函數由上兩層調用。功能部件協(xié)議實(shí)現層提供各功能模塊初始化函數、讀寫(xiě)函數以及中斷處理函數等。上兩層軟件設計與操作系統密切相關(guān)，利用操作系統管理控制任務(wù)、實(shí)現任務(wù)間的數據交互通信和延時(shí)等。

3.2 移植μC/OS-II

LPC2210的ARM7TDMI-S內核用ARM ADS1.2作為編譯器移植μC/OS-II。μC/OS-II的移植涉及到與處理器及編譯器相關(guān)的OS_CPU.H、OS_CPU_C.C和OS_CPU_A.S 3個(gè)文件。其包括以下內容：(1)設置OS_CPU．H頭文件中與處理器和編譯器相關(guān)的代碼，如整數、浮點(diǎn)數、堆棧等數據類(lèi)型定義，打開(kāi)或者關(guān)閉中斷函數設置，定義堆棧增長(cháng)方向，任務(wù)切換的執行代碼。(2)用C語(yǔ)言在OS_CPU_C.C文件中編寫(xiě)若干與操作系統相關(guān)函數，如任務(wù)堆棧初始化函數OSTaskStkInit()；μC/OS-II在執行某些操作時(shí)調用的用戶(hù)函數，如OSTaskCreateHook()、OS-TaskDelHook()、OSTaskSwHook()、OSTaskStatHook()和OS-TimeTickHook()等。(3)在OS_CPU．ASM文件中用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)4個(gè)與處理器相關(guān)的函數：運行優(yōu)先級最高的就緒任務(wù)OSStartHighRdy()、任務(wù)級的任務(wù)切換函數OSCtxSw()和中斷級的任務(wù)切換函數OSIntCtxSw()和中斷服務(wù)函數OS-TickISR()。

3.3 應用程序

在μC/OS-II中，應用程序以任務(wù)形式存在，每個(gè)任務(wù)都是無(wú)限循環(huán)的，并處于以下五種狀態(tài)之一：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)和被中斷態(tài)[7]。根據中央空調的控制要求，本系統由以下幾個(gè)任務(wù)來(lái)實(shí)現。

(1)定義5個(gè)基本的信號量用于任務(wù)之間的同步：故障信號量、通信信號量、定時(shí)采集信號、機組控制信號量和顯示信號量。

(2)初始化任務(wù)Task_init()具有最高運行優(yōu)先級，優(yōu)先級Prio=10，該任務(wù)完成處理器I/O接口的初始化，向量中斷分配與設置，定時(shí)器初始化以及I2C、串口等基本功能部件的初始化工作，為后繼任務(wù)的運行做準備，只運行一次。

(3)故障處理任務(wù)Task_error()為次優(yōu)先級任務(wù)，優(yōu)先級Prio=11。當獲得Data_err_sem信號后判斷機組故障的類(lèi)型，按照預先的設定進(jìn)行實(shí)時(shí)故障處理，并給出報警、提示故障原因。

(4)數據通信任務(wù)Task_comminication()的優(yōu)先級Prio=12，當有數據傳送請求時(shí)便通過(guò)以太網(wǎng)與上位機進(jìn)行通信，完成命令及數據的傳送。

(5)數據采集任務(wù)Task_collect()優(yōu)先級Prio= 13，主要完成周期性地采集各路溫度模擬量、濕度頻率量和開(kāi)關(guān)量信號的輸入，為機組控制任務(wù)提供運算數據。

(6)機組控制任務(wù)Task_control()是整個(gè)系統任務(wù)中的核心，優(yōu)先級Prio=14。當獲得采集任務(wù)釋放的Data_Control_sem信號后，便對采集過(guò)來(lái)的各路溫濕度信號及開(kāi)關(guān)量信號進(jìn)行處理，輸出控制信號，完成對各個(gè)調節閥的控制；且當有故障發(fā)生時(shí)釋放故障信號量Data_err_sem。

(7)顯示任務(wù)Task_display()優(yōu)先級最低，Prio= 15。當獲得顯示信號量Data_Display_sem時(shí)任務(wù)就緒，刷新機組當前的設置參數及運行狀態(tài)。

系統整體軟件流程圖如圖3所示。系統初始化后便建立各個(gè)運行任務(wù)，啟動(dòng)多任務(wù)調度機制，在各個(gè)同步信號的協(xié)調下有序運行。

3.4 數據處理算法

在機組控制任務(wù)Task_control()中需要對采集過(guò)來(lái)的各路模擬量及數字量信號進(jìn)行處理，以得到合適的輸出控制信號，選取何種處理方法直接關(guān)系到控制器的控制品質(zhì)。針對中央空調對象大慣性、大滯后、非線(xiàn)性等特性，常規PID控制無(wú)論在參數整定還是在控制精度或控制過(guò)程都存在不足。本系統采用基于T-S模型的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )參數自整定PID控制方法，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )經(jīng)訓練后可以逼近任意非線(xiàn)性關(guān)系特性，并綜合了PID控制與模糊控制各自的優(yōu)勢。圖4為控制系統結構圖，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模塊根據誤差及其變換率實(shí)時(shí)地修改PID控制器的3個(gè)參數，使其處于最優(yōu)狀態(tài)。圖5為基于T-S模型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構圖。

以溫控為例，網(wǎng)絡(luò )的輸入信號x1、x2分別是溫差及溫差變化率et、Δet，模糊論域分別定為[-20，20]、[-10，10]，模糊子集均為：NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、ZE(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)，模糊規則49條，隸屬度函數為高斯函數。前件網(wǎng)絡(luò )輸入層直接將et、Δet送入到模糊化層計算其屬于各語(yǔ)言變量值模糊集合的隸屬度函數，規則層采用求積法計算出每條規則的適用度[10]。后件網(wǎng)絡(luò )由3個(gè)結構相同的并列子網(wǎng)絡(luò )組成，輸出PID控制器的3個(gè)控制參數kp、ki、kd。系統采集常規PID控制器工作時(shí)et、Δet輸入數據及控制參數為訓練樣本，利用誤差反傳算法訓練網(wǎng)絡(luò )參數：連接權pkji、隸屬度函數中心值cij及寬度δij。試驗記錄表明訓練后的控制器的動(dòng)態(tài)特性與靜態(tài)特性均優(yōu)于傳統PID及單純模糊控制方法。

本中央空調現場(chǎng)控制器采用32位高性能ARM處理器，滿(mǎn)足了控制系統對實(shí)時(shí)監控能力和組網(wǎng)通信能力的要求，簡(jiǎn)化了系統設計。嵌人式操作系統μC/OS-II的移植保證了系統的實(shí)時(shí)性，多任務(wù)運行特性使所開(kāi)發(fā)的控制軟件運行穩定、可靠。