嵌入式系統(tǒng)在中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究畢業(yè)論文.doc

嵌入式系統(tǒng)在中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究1設(shè)計(jì)要求 1.1 引言 隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國人民生活水平的不斷提高?？照{(diào)機(jī)組能夠改善和提高人們的生活和健康水平，所以國內(nèi)空調(diào)企業(yè)的規(guī)模也在不斷的擴(kuò)張，空調(diào)生產(chǎn)開始從單一品種、大規(guī)模生產(chǎn)、壓庫存的模式逐漸轉(zhuǎn)向多品種，按訂單生產(chǎn)、零庫存的方向發(fā)展。但中央空調(diào)機(jī)組因其設(shè)備功率大，零部件多，運(yùn)轉(zhuǎn)工序復(fù)雜，所以對(duì)其使用時(shí)的可控性能、節(jié)能性能、人機(jī)交互性能的要求也隨之提高。目前的中央空調(diào)控制技術(shù)還以分散控制為主，每個(gè)控制器只能監(jiān)控其所控制的中央空調(diào)機(jī)組的狀態(tài)，而對(duì)同一樓宇之中的其它控制器所控制的中央空調(diào)的狀態(tài)則無法知道，更無法在總體上獲知所有中央空調(diào)機(jī)組的工作狀態(tài)。其采用的通信方式主要為用485串口將中央空調(diào)控制器與工控機(jī)相聯(lián)，再用rs232串口將工控機(jī)和上位機(jī)相連。因?yàn)槭躵s232串口的限制，使得通信距離較短，所能集中控制的中央空調(diào)的數(shù)目也就受到了較大限制，使得集中控制的效果和意義均不明顯。此種缺點(diǎn)造成由于資金缺口和工程進(jìn)度等等問題，許多已建成的商用建筑和辦公大樓的空調(diào)系統(tǒng)往往都沒有設(shè)計(jì)或安裝自動(dòng)控制系統(tǒng)，隨著建筑物的投入使用，會(huì)發(fā)現(xiàn)空調(diào)區(qū)域的溫、濕度波動(dòng)很大，往往會(huì)超過答應(yīng)的變化范圍。舊有的空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行中往往遭到一些人為因素的影響，致使風(fēng)系統(tǒng)平衡遭到破壞，加裝自控系統(tǒng)前必須先對(duì)舊有空調(diào)系統(tǒng)的風(fēng)道系統(tǒng)重新進(jìn)行平衡調(diào)整，不然自控系統(tǒng)可能達(dá)不到預(yù)期限效果；另外加裝自動(dòng)控制系統(tǒng)后對(duì)原空調(diào)系統(tǒng)的制冷、供熱和水循環(huán)系統(tǒng)都交有一定的影響；同時(shí)在改造進(jìn)程中也會(huì)碰到一些非凡的問題。1.2 中央空調(diào)系統(tǒng)基本原理及組成 空調(diào)系統(tǒng)的組成有：被調(diào)對(duì)象、空調(diào)處理機(jī)組、空氣輸送設(shè)備以及分配設(shè)備。針對(duì)空氣處理設(shè)備在集中程度上的差異，空調(diào)系統(tǒng)通常分為集中式空調(diào)系統(tǒng)、半集中式空調(diào)系統(tǒng)以及分散式空調(diào)系統(tǒng)；根據(jù)熱濕負(fù)荷所使用的介質(zhì)的區(qū)別，空調(diào)系統(tǒng)又可以劃分為空氣系統(tǒng)、水系統(tǒng)、空氣水混合系統(tǒng)、冷劑系統(tǒng)；又可根據(jù)空氣來源來分類，有直流式系統(tǒng)、封閉式系統(tǒng)和混合式系統(tǒng)三類系統(tǒng)。 空氣調(diào)節(jié)的定義通常為：將溫度、濕度、流速等參數(shù)經(jīng)過處理后的空氣，通過空氣輸入管道送入室內(nèi)，以使整個(gè)室內(nèi)空氣溫濕度、流速、清潔度及壓強(qiáng)等控制在設(shè)定要求內(nèi)。 本文主要討論中央空調(diào)控制系統(tǒng)，即為集中式控制系統(tǒng)。中央空調(diào)系統(tǒng)由空氣加熱、冷卻，加濕、去濕、空氣凈化、風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)備以及空調(diào)用冷、熱源等設(shè)備組成。這些設(shè)備的容量是設(shè)計(jì)容量，但在日常運(yùn)行中的實(shí)際負(fù)荷在大部分時(shí)間里都是部分負(fù)荷，不會(huì)達(dá)到設(shè)計(jì)容量。所以為了舒適和節(jié)能必須對(duì)上述設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，使其實(shí)際輸出量與實(shí)際負(fù)荷相適應(yīng)。當(dāng)前，對(duì)其容量控制實(shí)現(xiàn)不同程度的自動(dòng)化，其內(nèi)容也越趨豐富。被控制參數(shù)主要有空氣的濕度、溫度、壓力和空氣清新度、氣流方向等，在冷熱源方面主要是冷熱水溫度，蒸汽壓力。有時(shí)也需測(cè)量控制回水管的壓力差，測(cè)量供回水溫度以及回水量。同時(shí)，也要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行指示、記錄、打印，并監(jiān)測(cè)各機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及事故報(bào)警。其主要具備以下自控系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)盤管控制系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)組控制系統(tǒng)、冷凍站控制系統(tǒng)、熱交換站控制系統(tǒng)、排水控制系統(tǒng)等。2 設(shè)計(jì)作用與目的 采用基于嵌入式中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多臺(tái)中央空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、集中管理和集中控制。3 所用設(shè)備及軟件 rs485集線器，計(jì)算機(jī)一臺(tái)，中央空調(diào)控制器，c/osii操作系統(tǒng)，udptest軟件4系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 圖1系統(tǒng)總體框圖4.1中央空調(diào)單機(jī)組控制器與rs485集線器的通信方式及數(shù)據(jù)處理過程 中央空調(diào)單機(jī)組控制器(本文研究所采用的中央空調(diào)單機(jī)組控制器為無錫華威控制技術(shù)科技有限公司所生產(chǎn)的中央空調(diào)控制器)首先對(duì)檢測(cè)到的中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)的信息(包括環(huán)境溫度，設(shè)定溫度，運(yùn)行模式等)進(jìn)行編碼，以約定的格式和波特率(9600bps)通過rs485總線發(fā)往rs485集線器。每個(gè)rs485集線器采用多串口單片機(jī)設(shè)計(jì)，分為8口和16口兩種型號(hào)。8口的rs485集線器可以同時(shí)連接8個(gè)中央空調(diào)單機(jī)組控制器，16口的rs485集線器可以同時(shí)連接16個(gè)中央空調(diào)單機(jī)組控制器。中央空調(diào)單機(jī)組控制器將不斷的向rs485集線器發(fā)送其狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，rs485集線器接收到這些數(shù)據(jù)后會(huì)檢查這些數(shù)據(jù)的合法性，如果該數(shù)據(jù)合法則將該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到接收緩沖區(qū)并等待發(fā)送。4.2 rs485集線器與中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的通信方式及數(shù)據(jù)處理方式 rs485集線器通過rs485總線與中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器相連。rs485集線器將中央空調(diào)單機(jī)組控制器發(fā)送來的數(shù)據(jù)信息通過rs485總線發(fā)送給中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器。中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器采用以arm7tmi為內(nèi)核的s3c44box設(shè)計(jì)。因?yàn)閟3c44box片內(nèi)沒有集成網(wǎng)卡芯片，因此為了使中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器能夠通過以太網(wǎng)和控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信，中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器采用了rtl8019as為網(wǎng)卡芯片。中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器在接收到rs485集線器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后首先對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，確定這是哪臺(tái)中央空調(diào)單機(jī)組所傳送過來的數(shù)據(jù)，并讀出其中所包含的中央空調(diào)單機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)定溫度，運(yùn)行模式、故障信息等數(shù)據(jù)信息。中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器會(huì)將與之相連的每臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組的狀態(tài)信息存儲(chǔ)在其內(nèi)存空間中(中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器針對(duì)中央空調(diào)機(jī)組狀態(tài)信息的特點(diǎn)建立了特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu))。在中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的顯示屏上會(huì)顯示出所有與之相連的中央空調(diào)單機(jī)組，用戶可以通過鍵盤操作查詢每臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)用戶選定中央空調(diào)機(jī)組后，該中央空調(diào)的機(jī)組的“聯(lián)機(jī)狀態(tài)”、“設(shè)定溫度”、“室內(nèi)溫度”、“運(yùn)行模式”、“運(yùn)行狀態(tài)”等信息就會(huì)在顯示屏上顯示出來。4.3中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器與控制計(jì)算機(jī)的通信方式 因?yàn)橐粭潣怯钪锌赡軙?huì)有上千臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組，受通信端口數(shù)量和處理能力的限制一臺(tái)中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器最多只能連接128臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組并處理這些機(jī)組的數(shù)據(jù)信息。為了能夠控制樓宇內(nèi)所有中央空調(diào)，中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器需要將由rs485集線器所傳來的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)給控制計(jì)算機(jī)。之所以選擇通過以太網(wǎng)而不是通過rs485網(wǎng)絡(luò)，主要是因?yàn)閮牲c(diǎn):1.rs485網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離和傳輸速度有限制，只有在很短的距離下才能達(dá)到理論最高值lombps，當(dāng)通信距離增大時(shí)通信速度和通信質(zhì)量都會(huì)受到較大影響(在100kbps速率以下才有可能達(dá)到理論最大傳輸距離1219米);而控制計(jì)算機(jī)離中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器可能會(huì)隨著樓宇建筑規(guī)模的不同而有較大差異，最遠(yuǎn)的中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器可能離控制計(jì)算機(jī)的距離長達(dá)數(shù)百米甚至上千米，此時(shí)具有100mbps帶寬現(xiàn)代快速以太網(wǎng)無疑在通信速度和通信質(zhì)量上都具有無可比擬的優(yōu)勢(shì);2.對(duì)于一棟建筑規(guī)模較大的樓宇可能需要上千臺(tái)甚至數(shù)千臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組，如果要控制如此多臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組至少需要數(shù)十臺(tái)中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器。此時(shí)采用以太網(wǎng)則可以通過設(shè)置每臺(tái)中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的物理地址和ip地址(rtl8019as網(wǎng)卡芯片的物理地址需要通過設(shè)置其相關(guān)寄存器而配置，ip地址的配置可通過移植的嵌入式tcp/ip協(xié)議棧的相關(guān)api函數(shù)來配置)確定其在網(wǎng)絡(luò)中的位置，這樣整個(gè)中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制系統(tǒng)的組建和控制就變的相對(duì)簡單。5 rs485集線器的設(shè)計(jì) rs485集線器是中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著連接中央空調(diào)單機(jī)組控制器和中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的關(guān)鍵作用。5.1 rs485集線器系統(tǒng)功能分析 rs485集線器在中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)中負(fù)責(zé)連接中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器和中央空調(diào)單機(jī)組控制器。 中央空調(diào)單機(jī)組控制器與rs485集線器通過rs485接口電路相連。中央空調(diào)單機(jī)組控制器會(huì)定時(shí)將中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行信息發(fā)往rs485集線器。rs485集線器當(dāng)監(jiān)聽到串口接收中斷后會(huì)調(diào)用串口接收中斷處理程序來接收數(shù)據(jù)，如果接收到的數(shù)據(jù)合法就將該數(shù)據(jù)存往數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)。 與數(shù)據(jù)接收是靠中斷觸發(fā)的處理方式不同，rs485集線器會(huì)不停的偵聽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)，如果數(shù)據(jù)存儲(chǔ)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)不為空則會(huì)執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送程序?qū)?shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)通過rs485串口發(fā)往中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器。5.2 rs485集線器硬件介紹 rs485集線器的硬件模塊示意圖圖2 rs485集線器硬件圖5.2.1 psd3251簡介 psd3251單片機(jī)39的結(jié)構(gòu)為:包含8032微控制器的flash psd結(jié)構(gòu)。 它片內(nèi)集成了兩塊flash存儲(chǔ)器、sram、通用i/0口、可編程邏輯、管理監(jiān)控功能。并可實(shí)現(xiàn)工zc, adc, ddc功能。片內(nèi)集成8032微控制器，帶兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)異步通訊口，三個(gè)16為定時(shí)/計(jì)數(shù)器和一個(gè)外部中斷。 psd3251單片機(jī)具有以下特點(diǎn): (1)高速8032內(nèi)核:40mhz5v, 24mhz3.3v; (2)雙flash存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，64kb主flash, 16kb二級(jí)flash; (3) 2k字節(jié)的sram，支持后備電池掉電數(shù)據(jù)保護(hù); (4)可編程譯碼pld，靈活映射所有存儲(chǔ)器地址; (5)、兩路dart接口; (6)獨(dú)立的數(shù)據(jù)顯示通路(ddc), adc; (7)多達(dá)46個(gè)i/0口線; (8)3000門pld，16個(gè)宏單元; (9)可通過jtag在線編程(isp); (10)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)用戶程序代碼，不間斷用戶系統(tǒng)運(yùn)行(iap); (11)程序數(shù)據(jù)保密(security); (12)電源監(jiān)控功能(pmu ) ; (13)零功耗技術(shù); (14).封裝:tqfp52 (t)。 在rs485集線器中，psd3251單片機(jī)的串口1通過cpld16路切換矩陣與16個(gè)rs485接口相連，從而實(shí)現(xiàn)了將1路串口擴(kuò)展為16路串口與中央空調(diào)單機(jī)組控制器通信。4路切換信號(hào)經(jīng)過cpld4/16譯碼轉(zhuǎn)換后可以確定16路rs485接口的地址，其中4/16路地址轉(zhuǎn)換表如下: 表1 4/16路地址轉(zhuǎn)換表psd3251單片機(jī)的串口2的作用為通過rs485總線與中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器相連，從而實(shí)現(xiàn)與中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的數(shù)據(jù)通信。5. 2. 2 cpld介紹 cpld (complex programmable logic device)是complex pld的簡稱，一種較pld為復(fù)雜的邏輯元件。 cpld是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。 cpld是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜(“在系統(tǒng)”編程)將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。 cpld16路切換矩陣4八s路譯碼功能的實(shí)現(xiàn)因?yàn)椴粚儆诒疚牡难芯績?nèi)容，因此在這里不與介紹。5.3 rs485集線器軟件設(shè)計(jì) 5. 3. 1 rs485集線器軟件的主要功能 rs485集線器的軟件的設(shè)計(jì)主要目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)rs485集線器如下四個(gè)主要功能: （1)串口1的數(shù)據(jù)接收 串口1將采用中斷方式接收數(shù)據(jù)。當(dāng)中央空調(diào)單機(jī)組控制器的數(shù)據(jù)發(fā)送到rs485集線器之后，rs485集線器的串口1會(huì)產(chǎn)生串口接收中斷，rs485集線器的8032微控制器將調(diào)用串口接收中斷處理程序來接收和處理接收到的數(shù)據(jù)。 （2)串口2的數(shù)據(jù)接收 串口2的數(shù)據(jù)接收方式與串口i相似。串口2的接收程序主要負(fù)責(zé)接收和處理中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。 (3)串口1的數(shù)據(jù)發(fā)送 串口1發(fā)送采用實(shí)時(shí)查詢方式，如果其發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)有有效數(shù)據(jù)(串口1的發(fā)送緩沖區(qū)也就是串口2的接收緩沖區(qū))則串口1會(huì)將數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)發(fā)往中央空調(diào)單機(jī)組控制器。 (4)串口2的數(shù)據(jù)發(fā)送 串口2發(fā)送數(shù)據(jù)的方式與串口1相似。它將其數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)往中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器。5. 3. 2 rs485集線器軟件的實(shí)現(xiàn) 因?yàn)閜sd3251單片機(jī)的8032內(nèi)核屬于51系列，所以rs485集線器軟件采用c51來開發(fā)。 主程序是整個(gè)程序的入口地址，它首先進(jìn)行全局變量和串口初始化工作。然后便進(jìn)入一個(gè)永久循環(huán)，以不斷偵測(cè)兩個(gè)串口是否可以執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送操作。 程序中有函數(shù)bool checkuartone()和函數(shù)bool checkuarttwo()，它們的功能基本一致，分別為判斷串口1和串口2將要發(fā)送數(shù)據(jù)的合法性。其中串口1將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在串口2的臨時(shí)接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中(因?yàn)榇?接收的程序來自中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器，rs485集線器接收到該數(shù)據(jù)后需將數(shù)據(jù)通過串口1發(fā)往中央空調(diào)單機(jī)組控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)每臺(tái)中央空調(diào)機(jī)組的控制)，串口2將要發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在串口1的臨時(shí)接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中。兩個(gè)函數(shù)將通過校驗(yàn)位來判斷存儲(chǔ)在對(duì)方臨時(shí)接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中的數(shù)據(jù)的合法性，如果數(shù)據(jù)合法則將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中以等待發(fā)送，并清空臨時(shí)接收數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 圖4為主程序流程圖。它說明了主函數(shù)的整個(gè)處理流程。 中斷處理由中斷處理程序seriall()和中斷處理程序serial2()來完成。 seriall()為串口1的中斷服務(wù)程序。如果串口1中斷發(fā)生則會(huì)調(diào)用該程序來處理中斷操作。serial2()為串口2的中斷服務(wù)程序。如果串口2中斷發(fā)生則會(huì)調(diào)用該程序來處理中斷操作。圖3 串口中斷處理程序的流程圖圖4 主程序流程圖 函數(shù)bool checkuartone()和bool checkuarttwo()的功能為通過計(jì)算來判斷串口1和串口2將要發(fā)送的數(shù)據(jù)的合法性，因?yàn)楹瘮?shù)較為簡單在此就不做詳細(xì)講解。6中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的設(shè)計(jì) 中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器是整個(gè)中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)中最核心的部件，它起著連接控制計(jì)算機(jī)和rs485集線器的重要作用。由rs485集線器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)經(jīng)由中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器發(fā)往控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)上所運(yùn)行的監(jiān)控軟件會(huì)根據(jù)這些數(shù)據(jù)所提供的信息顯示出整個(gè)中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)中的所有中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀況。當(dāng)中央空調(diào)集中控制系統(tǒng)的使用人員希望改變系統(tǒng)中的中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，他可通過監(jiān)控軟件將命令信息發(fā)往中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器。中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器會(huì)根據(jù)命令信息中的目的地址而決定將命令信息轉(zhuǎn)發(fā)給哪臺(tái)中央空調(diào)單機(jī)組控制器(通過rs485集線器)。 同時(shí)中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器上還具有友好的人機(jī)界面(用于顯示其所連接的中央空調(diào)機(jī)組信息的顯示屏，和用于操作人員控制的鍵盤)，操作人員可通過它查詢與其連接的中央空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行信息。6.1中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的硬件設(shè)計(jì) 中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器為了完成數(shù)據(jù)集中處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、系統(tǒng)信息顯示等功能需要具備五個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立功能模塊:圖5中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器結(jié)構(gòu)框圖 6.1.1顯示模塊 中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器需要具有友好的人機(jī)界面，用以對(duì)操作人員對(duì)中央空調(diào)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控提供支持。這就需要中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器具有l(wèi)cd顯示屏幕，并且在系統(tǒng)軟件上需要具有相應(yīng)的gui(圖形用戶界面)模塊，這樣才能建立一個(gè)友好的人機(jī)界面。 圖6顯示模塊電路 6.1.2電源電路 電源系統(tǒng)是控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，電源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定與否直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能。在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)的過程中，必須要考慮到以下幾個(gè)要點(diǎn):電源系統(tǒng)的輸出電壓電流和功率是多大;電源系統(tǒng)采用的輸入電壓與電流大小;電源系統(tǒng)的電磁兼容性與電磁干擾因素;電源輸出紋波大小。另外還必須要考慮到系統(tǒng)的成本。 本控制系統(tǒng)中，微控制器lpc2210要使用到3.3v與1.8v兩組電源，3.3v為工o口供電電源，1.8v是內(nèi)核與片內(nèi)外設(shè)電源。從lpc2210技術(shù)手冊(cè)己說明微控制器對(duì)1.8v電源消耗的極限電流為70ma，也就是說1.8v電源只要能提供70ma的最大電流便可以滿足系統(tǒng)的要求，但為保證系統(tǒng)以后能夠可靠升級(jí)，要求1.8v電源能夠提供不小于300ma的電流。系統(tǒng)對(duì)3.3v電源的消耗電流具有不確定性，主要與外部條件有關(guān)，通常要求能夠提供600ma電流，基本就可以滿足極限情況。鑒于系統(tǒng)對(duì)這兩組電壓的要求比較高，且功耗不是很大，故采用低壓差模擬電源ldo o ldo(低壓差電源芯片)芯片采用spx 1117 ，該款ldo芯片具有較大輸出電流(可達(dá)800ma，較高精度輸出電壓且比較穩(wěn)定，輸出精度在1個(gè)百分點(diǎn)以內(nèi)，并且設(shè)有熱保護(hù)與限流功能。系統(tǒng)電源電路如圖3-3所示。模塊輸入電壓之所以選擇sv，一方面是考慮到過高的電壓會(huì)使芯片的發(fā)熱量上升，影響芯片性能，同時(shí)波動(dòng)的電壓對(duì)輸出電壓的波動(dòng)也有影響，太高的壓差也失去了選擇低壓差模擬電源的意義;另一方面為其它sv模塊提供電源。圖7 電源電路6.1.3復(fù)位電路 lpc2210通常工作在40mhz的時(shí)鐘，其高速、低功耗及低工作電壓的牛性使其噪聲容非常低，系統(tǒng)必須對(duì)電源紋波、時(shí)鐘穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性尊方面提出較高的要求。復(fù)位芯片的門檻值一般選擇為控制器工o供電電壓，本gi統(tǒng)的復(fù)位電路使用了sp708s，提供2.93 v的復(fù)位門檻值。 sp708屬于微處理器up監(jiān)控器件，集成有眾多組件，可監(jiān)測(cè)up及數(shù)字系統(tǒng)中白供電及電池的工作情況，可有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性及工作效率。主要包含一個(gè)看i狗定時(shí)器，一個(gè)up復(fù)位模塊，一個(gè)供電失敗比較器，一個(gè)手動(dòng)復(fù)位輸入模塊，適g于3.0v或3.3v環(huán)境4。主要特性如下 復(fù)位脈沖寬度:200ms; 獨(dú)立的看門狗定時(shí)器且wd工可以保持浮空，以禁止看門狗功能; 最大電源電流40ua ; 支持開關(guān)式手動(dòng)復(fù)位輸入; vcc下降至1v時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，支持高低電平兩種方式; 內(nèi)嵌vcc干擾抑制電路;內(nèi)嵌電壓監(jiān)測(cè)器，可監(jiān)測(cè)供電失敗或電池不足警告: 信號(hào)nrst連接到lpc2210芯片的復(fù)位腳reset。當(dāng)復(fù)位鍵rst按下時(shí)，sp708scn的立即輸出復(fù)位信號(hào)，使lpc2210芯片復(fù)位。圖8 復(fù)位電路6.1.4系統(tǒng)時(shí)鐘及jtag接口電路 系統(tǒng)使用外部晶振，晶振頻率為11.0592mhz?？刂葡到y(tǒng)的jtag接口為arm公司標(biāo)準(zhǔn)的仿真調(diào)試接口，共有20個(gè)引腳，接口連接如圖3-5所示。圖中，jtag信號(hào)接口ntrst與微控制器lpc2210的trst引腳連接，用來復(fù)位控制器內(nèi)部jtag接口電路;為了使復(fù)位后的系統(tǒng)jtag接口處于使能態(tài)，根據(jù)lpc2210技術(shù)手冊(cè)的要求，需要在rtck引腳接一個(gè)4.7k下拉電阻。圖9 jtag接口電路6.1.5鍵盤電路 為了方便用戶操作，本系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)置了12個(gè)按鍵，歸納如下: 風(fēng)向設(shè)定:有手動(dòng)設(shè)定風(fēng)向與自動(dòng)設(shè)定2個(gè)設(shè)定按鍵; 運(yùn)轉(zhuǎn)模式設(shè)定:1個(gè)按鍵輸入。每按一次，便在制冷、通風(fēng)、制熱、除濕四種模式中循環(huán)切換。 風(fēng)速設(shè)定:1個(gè)按鍵輸入。每按一次，便在高、中、低、自動(dòng)四種風(fēng)速模式下循環(huán)切換。 溫度設(shè)定:2個(gè)按鍵輸入。一個(gè)用于溫度增1設(shè)定，一個(gè)用于減1設(shè)定。 定時(shí)設(shè)定:3個(gè)按鍵輸入。一個(gè)定時(shí)設(shè)定按鍵開關(guān)，一個(gè)增1按鍵，一個(gè)時(shí)間減1輸入按鍵。 開機(jī)按鍵、測(cè)試運(yùn)行按鍵與檢查按鍵各1個(gè)，共3個(gè)。 系統(tǒng)使用i2c接口的鍵盤與led驅(qū)動(dòng)芯片zlg7290進(jìn)行鍵盤掃描，該芯片提供了i2c串行接口和鍵盤中斷信號(hào)，方便與處理器連接;可驅(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管或64只獨(dú)立的led和64個(gè)鍵盤，其管腳說明如下: dig7-digo: led顯示位驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描線; seghw-sega: led顯示段驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描線; sda/scl: i2c總線接口數(shù)據(jù)/地址線及時(shí)鐘線; /int:中斷輸出端，低電平有效; /res:復(fù)位輸入端，低電平有效; osc1:連接晶體以產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)鐘; zlg7290采用3. 3v電源，復(fù)位引腳與系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)nrst相連，當(dāng)系統(tǒng)上電復(fù)位或手動(dòng)復(fù)位時(shí)會(huì)同時(shí)復(fù)位zlg7290 o zlg7290的鍵盤中斷輸出信號(hào)與lpc2210的中斷引腳p0. 30相連，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，zlg7290將會(huì)輸出中斷信號(hào)通知lpc2210 o zlg7290使用i2c總線。鍵盤接口電路如圖所示。圖10 鍵盤電路 6.2中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的軟件設(shè)計(jì) 中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的軟件由三部分組成:實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，硬件驅(qū)動(dòng)程序和運(yùn)行在操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用源碼公開的 c/os- ii操作系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)程序主要為lcd控制器的驅(qū)動(dòng)程序和rtl8019as網(wǎng)卡芯片的驅(qū)動(dòng)程序。6.2.1整體設(shè)計(jì) 中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的應(yīng)用程序中共劃分了7個(gè)任務(wù)，其中任務(wù)main_ task的任務(wù)優(yōu)先級(jí)為4，它的主要功能為初試化系統(tǒng)和創(chuàng)建其他的任務(wù)。任務(wù)udp一ain_ task的任務(wù)優(yōu)先級(jí)為5，它的主要功能為初始化lwip協(xié)議，并創(chuàng)建另外兩個(gè)線程udp_ sen之thread(任務(wù)優(yōu)先級(jí)8)和udp_ rev一hread(任務(wù)優(yōu)先級(jí)9)來發(fā)送和接收udp數(shù)據(jù)報(bào)。任務(wù)lcd task任務(wù)優(yōu)先級(jí)10)的主要功能為創(chuàng)建中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的人機(jī)交互界面，并根據(jù)用戶的輸入信息在屏幕上輸出相應(yīng)畫面。任務(wù)uart_ task(任務(wù)優(yōu)先級(jí)6)的主要功能是收發(fā)9路rs485串口數(shù)據(jù)。任務(wù)key_task(任務(wù)優(yōu)先級(jí)7)的主要功能是監(jiān)控鍵盤的輸入，并通過信號(hào)量機(jī)制通知其他的任務(wù)作出相應(yīng)響應(yīng)。程序開發(fā)所用的語言為c語言，但與標(biāo)準(zhǔn)c有所不同是在嵌入式系統(tǒng)中的c編程，程序的主要框架為: 圖11中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器程序框架 程序的代碼結(jié)構(gòu)為void main (void)rbwscon二ox1110d1d2;/設(shè)置各bank數(shù)據(jù)總線寬度rl16c554init();/初始化芯片16c554ostaskcreate(mainjask, (void*)0, (os一tk*)&main一ask一tacktask-stack_ size-1， mainjask_ prig);刀創(chuàng)建系統(tǒng)主任務(wù)osstart 0;/啟動(dòng) c/os- iivoid mainjask( void *id) armtargetstart 0 ;/啟動(dòng)中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)控制器 armstarttimer 0 ;/啟動(dòng)計(jì)時(shí)器 osstatinit();ostaskcreate(udp main一ask, (voi d*) 0, (os_ stk*) &task udp task一tack size-1， task_ udp_ prig);/創(chuàng)建任務(wù)udp一ainjaskostaskcreate(lcd_task,(void*)0,(os_ stk*)&task-lcdtask_ stack size-1， task_ lcd少rio);/創(chuàng)建任務(wù)lcd一askostaskcreate(uart一ask, (void*)0,(os stk*)&taskwe darttaskes stack_ size一1， task dart少rio);/創(chuàng)建任務(wù)dart一askostaskcreate(key_task,(void*)0, (os一tk *)&task keytask stack size一1， task_ key_ prio);/創(chuàng)建任務(wù)key_ task6.2.2 lcd控制器驅(qū)動(dòng)程序 在點(diǎn)亮lcd之前，首先要對(duì)lcd控制器相關(guān)的寄存器進(jìn)行初始化，從而使lcd控制器的配置與外接lcd模塊特性能夠匹配;同時(shí)在內(nèi)存中劃出一塊顯示緩沖區(qū)，與顯示像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。unsigned int lcd一 dispwe buf240320/8;/*16級(jí)灰度屏顯示緩沖區(qū)*/void lcd init()/*lcd初始化程序*/*配置lcd控制器的相關(guān)寄存器*/ 在初始化完lcd控制器后，lcd的驅(qū)動(dòng)程序還需要提供在lcd屏幕上畫點(diǎn)，畫線等功能函數(shù)，在系統(tǒng)中應(yīng)用程序?qū)⒄{(diào)用這些函數(shù)來創(chuàng)建中央空調(diào)網(wǎng)絡(luò)集中控制器的用戶界面zz0void draw point (unsigned int x, unsigned int y, unsigned int gray)/*畫點(diǎn)函數(shù)*/void draw_line(unsigned int unsigned int unsigned intd一 x,gray)unsigned int s_y,unsigned int d_y, /*畫線函數(shù)*/ 其他的與gui有關(guān)的功能函數(shù)在此就不一一介紹。6.2.3c/os- ii操作系統(tǒng)簡介 c/os- ii 1291是一個(gè)免費(fèi)的，源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，提供了實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存竹理和任務(wù)間的通信與同步等基本功育旨。 c/os- ii最多可以管理64個(gè)任務(wù)(用戶可擁有的任務(wù)為56個(gè))，為簡化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，它規(guī)定每個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)必須不同。也就是說，即使兩個(gè)任務(wù)有相同的重要性其優(yōu)先級(jí)也必須不同。這也就意味著高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)在處理完后必須進(jìn)入等待或掛起狀態(tài)，否則低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)永遠(yuǎn)也無法執(zhí)行。系統(tǒng)通過兩種方法進(jìn)行任務(wù)調(diào)度:一種是時(shí)鐘節(jié)拍或其他硬件中斷到來后，系統(tǒng)會(huì)調(diào)用函數(shù)os工ntctxsw()實(shí)現(xiàn)任務(wù)切換功能;二是任務(wù)主動(dòng)進(jìn)入掛起或等待狀態(tài)。 c/os- ii要求用戶提供一個(gè)稱為時(shí)鐘節(jié)拍的定時(shí)中斷，該中斷每秒發(fā)生10至100次，時(shí)鐘節(jié)拍的實(shí)際頻率由用戶控制，任務(wù)申請(qǐng)延時(shí)或超時(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)以及任務(wù)調(diào)度的時(shí)間基準(zhǔn)就是該時(shí)鐘節(jié)拍。 為了實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步與通信，c/os- ii提供了四種同步對(duì)象，分別是信號(hào)量、郵箱和消息隊(duì)列以及事件。通過郵箱和消息隊(duì)列還可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的通信。 c/os-1i把連續(xù)的大塊內(nèi)存按分區(qū)來管理，這樣便消除了多次分配與釋放內(nèi)存所引起的內(nèi)存碎片。每個(gè)分區(qū)中都包含了整數(shù)個(gè)數(shù)大小相同的內(nèi)存塊，但不同分區(qū)之間內(nèi)存塊的大小可以不同。用戶需動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存時(shí)可選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)姆謪^(qū)，按塊來進(jìn)行分配。釋放內(nèi)存時(shí)，將該塊放回它以前所屬的分區(qū)。7 仿真調(diào)試分析 7.1udp通信實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)ads1. 2項(xiàng)目有4個(gè)目錄，arm目錄為uc/os-ii移植文件目錄source目錄為uc/os-ii內(nèi)核源碼，tcp/ip目錄為tcp/ip驅(qū)動(dòng)軟件包目錄。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果:現(xiàn)場(chǎng)控制單元的ip地址己預(yù)設(shè)為192. 168. 1. 101，在上位機(jī)端檢驗(yàn)?zāi)芊駊ing通控制單元，從截圖可以看到ping成功的信息。 同時(shí)，利用udptest軟件，將控制單元ip地址輸入遠(yuǎn)程主機(jī)地址欄，遠(yuǎn)程端口號(hào)輸入1025，本地端口號(hào)輸入1026，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送測(cè)試。在輸入消息欄中輸入“arm controller，結(jié)果發(fā)送數(shù)據(jù)被完整地返回到接收數(shù)據(jù)欄中，表明上位機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)控制單元可以進(jìn)行正常的udp通信。7.2串口通信 實(shí)驗(yàn)ads1. 2項(xiàng)目有4個(gè)目錄，arm目錄為uc/os-ii移植文件目錄，source目錄為uc/os-ii內(nèi)核源碼，arm_ pc下存放pc. c文件，是移植于ucos-ii的pc服務(wù)代碼。uarto為項(xiàng)目工程目錄。項(xiàng)目工程窗口如圖5-8所示。相關(guān)串口驅(qū)動(dòng)在文件uart0. c中，實(shí)驗(yàn)中要使用數(shù)據(jù)隊(duì)列，故將數(shù)據(jù)隊(duì)列文件queue. c加入到工程中。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果:使用串口線將上位計(jì)算機(jī)的com1與控制器的串口相連，上位機(jī)上運(yùn)行easyarm軟件(設(shè)置串口為com1，波特率為115200)，打開發(fā)送數(shù)據(jù)窗口。同時(shí)全速運(yùn)行串口測(cè)試程序。 7.3鍵盤接口實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)ads1. 2項(xiàng)目有4個(gè)目錄，arm目錄為uc/os-ii移植文件目錄，source目錄為uc/os-ii內(nèi)核源碼，arm_ pc下存放pc. c文件，是移植于ucos-ii的pc服務(wù)代碼。z1g7290key為工程目錄。項(xiàng)目工程窗口如圖5-10所示。相關(guān)串口驅(qū)動(dòng)在文件uart0. c中，i2c總線接口驅(qū)動(dòng)在i2c. c中，z1g7290. c包含z1g7290的驅(qū)動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果:按下任意按鍵，easyarm便顯示相應(yīng)的鍵值。一次按下溫度增加按鍵、制冷模式按鍵、定時(shí)時(shí)間增加按鍵，easyarm接收窗口顯示如下，按鍵輸入正常。筆者對(duì)十六個(gè)按鍵逐一測(cè)試，均能夠正常工作，滿足要求。 結(jié)論：中央空集中控制系統(tǒng)研究基本達(dá)到了預(yù)定目的。8 嵌入式系統(tǒng)學(xué)習(xí)心得 基于嵌入式技術(shù)的中央空調(diào)控制器在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制、組網(wǎng)聯(lián)控、人及接口等方面較傳統(tǒng)控制器有著較大的提高，控制器同時(shí)提供如串口、usb接口等多種與上位機(jī)的通信接口。本文在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究和討論: 1.在對(duì)中央空調(diào)總體工藝結(jié)構(gòu)、中央空調(diào)控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀及存在的缺陷、嵌入式技術(shù)的概述與應(yīng)用進(jìn)行簡單的介紹的基礎(chǔ)上，提出了中央空調(diào)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。 2.對(duì)中央空調(diào)現(xiàn)場(chǎng)控制單元的硬件結(jié)構(gòu)作了總體的設(shè)計(jì)。選擇基于arm7tdmi內(nèi)核的s3c44box作為主控芯片，設(shè)計(jì)了以 psd3251單片機(jī)為核心的網(wǎng)絡(luò)接口電路，以及鍵盤接口、lcd接口、串口等接口電路。 3.詳細(xì)設(shè)計(jì)了各部分的驅(qū)動(dòng)接口。包括c/os-ii在單片機(jī)的移植、tcp/ip協(xié)議棧及其在c/os-ii操作系統(tǒng)下的具體實(shí)現(xiàn)、基于pd工usbd12的usb驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)以及串口、鍵盤, lcd液晶顯示器等接口的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì); 4.分析了基于uc/os-ii操作系統(tǒng)的中央空調(diào)控制系統(tǒng)的應(yīng)用任務(wù)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制單元組態(tài)進(jìn)行的研究，對(duì)整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元各部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析。 在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中誠摯的感謝李建英老師的親切指導(dǎo)以及成天樂老師的嵌入式課程的幫助才使我的課程設(shè)計(jì)得以順利的進(jìn)行。9參考文獻(xiàn)1田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，20052周立功.arm嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，20053羅蕾.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005 4陳連坤.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā).北京:清華大學(xué)出版社，20055李佑軍.嵌入式系統(tǒng)綜述.現(xiàn)代電子技術(shù)，20036劉洪濤.arm嵌入式體系結(jié)構(gòu)與接口技術(shù).人民郵電出版社，20097王廷堯.以太網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社，20058潘愛民譯.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(第四版).北京:清華大學(xué)出版社，20049王廷堯，馬克城.以太網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)講座(四):以太網(wǎng)幀結(jié)構(gòu).光通信技術(shù)，200210馬忠梅，馬廣云，徐英慧等.arm嵌入式處理器結(jié)構(gòu)與應(yīng)用基礎(chǔ).北京:北京航空航天大學(xué)出版社，200