基于單片機和FPGA的空間材料高溫爐控制系統

隨著(zhù)我國空間技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的空間科學(xué)實(shí)驗得以進(jìn)行。太空中的超真空、微重力、強輻射等條件為科學(xué)實(shí)驗提供了在地面難以實(shí)現的環(huán)境。空間材料科學(xué)實(shí)驗是一種重要的空間科學(xué)實(shí)驗。不論是國際上還是國內，都投入了大量的人力、物力和財力從事空間材料科學(xué)的研究。空間材料科學(xué)的研究目的是：揭示材料制備過(guò)程中的微觀(guān)機理和組分、結構與性能之間的內在關(guān)聯(lián)，發(fā)現新的科學(xué)現象，豐富和發(fā)展材料科學(xué)理論，指導地面的材料制備和生產(chǎn)工藝。而空間材料科學(xué)的研究離不開(kāi)空間材料高溫爐(以下簡(jiǎn)稱(chēng)高溫爐)。我國神舟2號和神舟3號飛船上的空間材料科學(xué)實(shí)驗獲得了舉世矚目的研究成果，但隨著(zhù)科學(xué)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，以往的空問(wèn)材料高溫爐，特別是其控制系統，已經(jīng)不能

適應我國未來(lái)空間站上空間材料科學(xué)實(shí)驗的要求，必須研究新型的控制系統，以適應新的發(fā)展需要。提出的基于單片機和FPGA的空間材料高溫爐控制系統，將在以下幾個(gè)方面較原控制系統有較大提高：

1)控制精度從1℃提高到0.5℃;

2)熱電偶信號采集數量從6個(gè)增加到18個(gè);

3)可控制的加熱器從1個(gè)增加到2個(gè)。

4)具有存儲器的EDAC檢錯糾錯功能。

1 控制系統工作原理

控制系統分為3個(gè)部分：中央控制單元、溫度信號采集與調理單元、加熱控制單元。高溫爐有兩個(gè)溫區、18個(gè)熱電偶和一個(gè)環(huán)境溫度傳感器。18個(gè)熱電偶中有兩個(gè)控溫偶，分別對應兩個(gè)溫區的溫度控制?？刂葡到y的控制框圖如圖1所示。

溫度信號采集與調理單元將高溫爐中的熱電偶信號進(jìn)行放大和采集，中央控制單元將采集到的熱電偶信號與溫度設定值進(jìn)行比較，使用PID控制算法計算高溫爐加熱器控制信號的大小，將該信號輸出給加熱控制單元，控制高溫爐中加熱器上的電流。

控制系統的軟件由FPGA程序和MCU程序兩部分組成。FPGA實(shí)現外部接口設備的控制，包括A/D轉換器、模擬開(kāi)關(guān)、加熱信號控制、RS422通訊、工藝曲線(xiàn)存儲器;MCU實(shí)現溫度控制流程、PID算法、與總線(xiàn)通訊系統的通訊協(xié)議。

2 系統硬件構成

根據控制系統工作原理，系統硬件構成框圖如圖2所示。

系統硬件按功能可劃分為中央控制單元、溫度信號采集與調理單元和加熱控制單元，下面將分模塊進(jìn)行介紹。

2.1 中央控制單元

中央控制單元由FPGA、單片機、EEPROM以及看門(mén)狗等元器件組成，如圖3所示。

其中MCU選用在航天產(chǎn)品中應用廣泛的成熟器件，ATMEL公司生產(chǎn)的80C32單片機作為微處理器。單片機通過(guò)總線(xiàn)方式訪(fǎng)問(wèn)和控制FPGA以及EEPROM，并且作為整個(gè)系統的控制中心。獨立硬件喂狗電路保障程序不會(huì )跑飛，確保系統穩定安全工作。外部晶振為有源晶振，此晶振同時(shí)為MCU和FPGA提供時(shí)鐘。

FPCA選用APA600，APA600是ACTEL公司基于Flash工藝的FPGA器件，雖然此系列的FPGA為ACTEL公司的第二代產(chǎn)品，但憑借其宇航級品質(zhì)，此系列FPGA一直應用在我國航天領(lǐng)域，并發(fā)揮重大作用。中央控制單元的功能如下所述。

2.1.1 提供存儲器并進(jìn)行糾錯

FPGA為MCU提供4k字節RAM存儲器，作為80C32的外部數據存儲器。由于空間站上的科學(xué)實(shí)驗時(shí)間比飛船上更長(cháng)，通常為1年以上，其受空間粒子的干擾概率更大?？臻g粒子對存儲器的影響通常是將其打翻，即所謂的單粒子翻轉SEU(Single-Event Upsets)，因此必須要進(jìn)行錯誤檢測和校正，即EDAC。

EDAC編碼方式采用目前比較常用的漢明編碼。這種編碼可以進(jìn)行檢錯和糾錯，可以檢測1比特和2比特錯誤，只能糾正1比特錯誤，因此適用于單組數據中出現多個(gè)錯誤位概率較低的情況，這恰與SEU經(jīng)常會(huì )打翻星上RAM存儲單元1比特信息的情況相符。

2.1.2 工藝曲線(xiàn)和程序存儲的讀寫(xiě)控制

由于控制程序一旦確定，就不能夠再更改，而控制過(guò)程的工藝曲線(xiàn)(即溫度控制曲線(xiàn))卻由于不同的材料樣品，其設定溫度、升降溫及保溫時(shí)間以及升降溫速率要求不同，所以需要一個(gè)存儲這些信息的空間，并且可以對這些信息進(jìn)行實(shí)時(shí)修改和保存。為了滿(mǎn)足這樣的需要，中央控制單元中設計了2個(gè)EEPROM，分別為程序存儲EEPROM和工藝曲線(xiàn)存儲EE PROM。

MCU通過(guò)FPGA控制EEPROM地址總線(xiàn)，訪(fǎng)問(wèn)程序存儲EEPROM存儲空間。MCU通過(guò)FPGA間接控制工藝曲線(xiàn)EEPROM，根據不同材料樣品的工藝要求，訪(fǎng)問(wèn)工藝曲線(xiàn)EEPROM中相應的工藝曲線(xiàn)數據。另外，當MCU接收到總線(xiàn)注入的修改工藝曲線(xiàn)指令時(shí)，也可以通過(guò)FPGA對工藝曲線(xiàn)進(jìn)行修改。具體的邏輯控制是由FPGA直接實(shí)現的。

2.2 溫度信號采集與調理單元

溫度信號采集與調理單元包括弱信號采集電路、冷端溫度采集電路、多路開(kāi)關(guān)、有源濾波器以及高精度A/D轉換電路。

由于模擬開(kāi)關(guān)在開(kāi)啟時(shí)會(huì )產(chǎn)生毫伏級的信號衰減，因此，對于信號要求精度較高的控溫偶，采用先經(jīng)過(guò)放大器然后再進(jìn)模擬開(kāi)關(guān)的做法，盡可能減小模擬開(kāi)關(guān)對信號的影響。而對于精度要求不是很高的備份和測溫偶，則采用先進(jìn)模擬開(kāi)關(guān)再進(jìn)放大器的做法，雖然信號的精度有所影響，但節省了處理信號的器件，減小了控制板體積，降低了控制板功耗。溫度信號采集與調理單元原理框圖如圖4所示。

經(jīng)過(guò)調理的熱電偶電壓信號范圍在-10V到+10V之間，這樣可以充分利用AD轉換芯片的轉換精度。FPGA通過(guò)信號BYTE、CS以及RC對AD轉換芯片進(jìn)行控制，同時(shí)監測AD轉換芯片的狀態(tài)。

2.3 加熱控制單元

加熱單元采用兩組爐絲加熱，加熱控制方式為PWM，PWM控制方式加熱效率高，結合PID算法易于實(shí)現高精度控制。爐絲電阻為7.2 Ω，加熱電源電壓為28 V。爐絲驅動(dòng)器采用NMOS管，型號為2N7225。2N7225導通電阻小，僅為0.1 Ω，當電流為4 A時(shí)，其功耗僅為1.6 W。加熱控制單元電路圖如圖5所示。

可以實(shí)現三種加熱模式，分別為1號溫區單獨加熱;2號溫區單獨加熱;兩個(gè)溫區同時(shí)加熱。在兩個(gè)溫區同時(shí)加熱模式下，還可以實(shí)現溫度梯度可控，例如1號溫區溫度為600 ℃，同時(shí)2號溫區溫度為700%。這樣可以滿(mǎn)足多種材料樣品對溫場(chǎng)的要求。

3 控制系統軟件

控制軟件由由MCU控制程序和FPGA控制程序構成。

MCU軟件結構如圖6所示，其主要功能如下。

通訊管理：通過(guò)RS422串行總線(xiàn)完成與總線(xiàn)的通訊;數據采集、組織與存儲：采集高溫爐中的溫度數據，并對采集的數據進(jìn)行組包、存儲;數據注入、總線(xiàn)指令處理：對從總線(xiàn)發(fā)送的數據注入進(jìn)行處理，主要內容包括：數據注入的解析，按照注入內容進(jìn)行實(shí)驗過(guò)程相關(guān)設置，包括參數設置和工作模式設置等;加熱爐控制管理：根據工作模式及數據注入內容按照既定的實(shí)驗流程對高溫爐的溫度按PID算法進(jìn)行控制;時(shí)鐘管理：包括系統校時(shí)處理與自守時(shí)功能;系統管理與維護：包括系統硬件初始化、初始狀態(tài)的判斷與執行、故障狀態(tài)檢測與容錯處理和系統維護。

FPGA程序結構如圖7所示。FPGA控制程序具有如下功能。

時(shí)鐘控制功能：實(shí)現FPGA內部的時(shí)序控制;CPU接口控制功能：實(shí)現CPU接口邏輯，包括地址譯碼、狀態(tài)寄存器讀取外部程序存儲區的接口邏輯;串行接口控制功能：實(shí)現RS422異步串行接口鏈路層通訊，將通訊狀態(tài)報告給CPU軟件，發(fā)送和接收緩存均為255字節;EEPROM控制功能：實(shí)現工藝曲線(xiàn)EEPROM存儲器的讀寫(xiě)操作;A/D控制功能：實(shí)現A/D采集電路中全部模擬量通道的采集控制，并在內部進(jìn)行數據緩存供CPU讀取;SRAM控制功能：外部的4K字節數據RAM和4K字節EDAC校驗碼存儲區均由FPGA內部RAM組成，可實(shí)現80C32對外部RAM空間的訪(fǎng)問(wèn)及EDAC糾一檢二校驗功能，并可將1位錯誤和2位錯誤計數報告給CPU軟件;爐絲控制功能：可在CPU控制下產(chǎn)生控制2路爐絲驅動(dòng)電路的211HzPWM信號，脈寬調制范圍為1～99%。

4 控制算法

控制系統使用PID控制算法，PID控制器的核心思想是針對控制對象的控制需求，建立描述對象動(dòng)態(tài)特性的數學(xué)模型，通過(guò)對PID參數的整定，實(shí)現在比例、微分、積分3個(gè)參數調整的控制策略，達到最佳系統響應和控制效果。完整的PID控制表達式如下：

5 實(shí)驗結果

利用上述控制系統對用于空間站的空間材料高溫加熱爐進(jìn)行地面實(shí)驗。實(shí)驗過(guò)程中溫度的設定曲線(xiàn)為：初始溫度為室溫;300 min時(shí)溫度上升至700℃;600 min時(shí)溫度上升

至880℃;600～2000 min時(shí)處于880℃保溫狀態(tài);2100 min時(shí)溫度降至500℃;2300 min時(shí)溫度降至300℃。

實(shí)驗過(guò)程中保溫時(shí)間為1 400 min，在此時(shí)間范圍內，最高溫度為880.4℃，最低溫度為879.5℃，控溫精度優(yōu)于±0.5℃，方差為0.107 4℃。系統控溫曲線(xiàn)如圖8所示。

6 結論

MCU+FPGA構成的空間材料高溫加熱爐控制系統，能夠很好地滿(mǎn)足空間材料生長(cháng)對溫度環(huán)境的要求，具有較高的溫度控制精度，同時(shí)其熱電偶信號采集電路、爐絲加熱電路和通訊電路能夠實(shí)現多路冗余設計，具有較高的可靠性，能夠滿(mǎn)足空間科學(xué)實(shí)驗的要求，因此，它為我國空間站上空間材料科學(xué)實(shí)驗高溫加熱爐控制系統的研制鋪平了道路。