基于ARM7的暖通空调直接数字控制器设计

李国光 王文海

(浙江大学信息学部控制科学与工程系，浙江 杭州 310027)

基于ARM7的暖通空调直接数字控制器设计

李国光 王文海

(浙江大学信息学部控制科学与工程系，浙江 杭州 310027)

为满足楼宇暖通智能控制的需求，对基于ARM7的楼宇暖通DDC控制器的设计进行了研究。采用模块化设计和在线编程等技术，详细介绍了控制器的硬件体系结构和各软件功能模块的设计，并对软硬件功能等进行了测试。结果表明，控制器具有显示直观准确、操作方便、运行稳定可靠等优点，适用于各类空调系统。

智能控制 ARM7 暖通空调 直接数字控制器 传感器

0 引言

随着中国经济的持续快速发展，建筑行业在我国发展迅猛，但随之而来的资源短缺、环境恶化等问题也日趋严重［1］。全国建筑消耗能源占能源总消耗量的50%以上，而暖通空调系统的能耗又占其中的50%～60%［2］。因此，如何降低建筑暖通能耗成为当前亟待解决的问题。

楼宇自动控制系统通过直接数字控制器(direct digital controller，DDC)集散组合完成整套空调系统的控制，将空调机组、冷冻机、冷却塔及周边设备集成为一个系统，能针对每台设备精确控制，从而达到优化控制和节能的目的［3］。通常，一套工况良好的楼宇自动控制系统可节省能耗15% ～25%。因此，研发智能、低耗的楼宇自动控制系统能够有效降低建筑能耗，具有重大的现实意义。DDC作为底层现场控制器直接挂接在设备层的控制网络上，完成被控设备特征参数与过程参数的测量。同时，通过网络与上位机实现双向通信，接受上位机的统一控制和管理，或DDC之间的点对点通信，共享信息资源［4-5］。DDC设计的优劣，直接影响到楼宇自控系统的整体效能。

1 总体设计

本控制器选用LUMINARY公司的32位ARM Cortex-M3 v7M架构的 LM3S3739作为主处理芯片;以Pt100作为温度传感器，通过RS-485接口串行通信，实现联网功能;控制器外接24 VAC±20%电源，同时提供一组24 VDC±10%的输出端子用于传感器供电;由标准Keil C语言实现的控制器软件可对数据进行分析处理、实时和历史曲线显示、系统组态等，具有强大的数据分析管理能力。系统框架图如图1所示。

图1 系统框图Fig.1 Block diagram of the system

系统主要由通用信号输入、模拟信号输出、报警输出、24 V配电输出、液晶显示接口、按键接口、外部存储器接口、实时时钟和RS-485通信接口等部分组成。

温、湿度传感器或压力传感器采集信号，经放大、A/D转换、校正和补偿后，经两线 I2C接口送到LM3S3739 Buffer，然后再送到串行Flash MM36SB020中进行存储，程序存储在RAM中。24 VAC电源对整个电路板供电。控制器与上位PC机采用RS-485串行异步通信，波特率有9 600、19 200、38 400(单位:bit/s)等多种选择。实时时钟芯片采用Philips PCF8563，频率可达400 kHz，具有极高的精确度。显示屏选择192×64的 ET-19264BV6-YBSWSG液晶屏，供电电压为3.3 V，工作电流为75 mA。按键接口与液晶接口共用数据端口，通过具有三态输出的74HC245隔离，两者互不干扰。

2 系统硬件设计

2.1 通用信号输入

通用输入端口能对电压信号、电流信号和电阻信号等信号进行测量。通常采用电流法对Pt100进行电阻测量。控制器热电阻采用三线制接法，通用输入端示意图如图2所示。这样可以消除连接导线长短引起的误差。同时，控制器的恒流源要求稳定，电流大小为5 mA，避免热电阻发热产生的额外偏差。由上述电路测得Pt100的阻值，然后计算测量温度，并采用软件补偿的方法对测量值进行非线性处理。

图2 通用输入端示意图Fig.2 Universal input schematic

2.2 模/数信号输出

将两个UART设置成同步并行接口(synchronous parallel interface，SPI)，从而可以方便地与10位的D/A芯片TLC5615C进行连接。控制器通过给D/A提供一个精密电压基准，再通过电压电流转换电路，就可得到4～20 mA的电流模拟信号输出。通过使用通用的I/O口，经三极管放大驱动两个继电器，控制器即可得到两路数字信号输出。同时，由于外设可能接电压较高的交流电，在PCB设计中也需注意绝缘间距。

2.3 RS-485通信接口

LM3S3739内嵌的异步串行接口(asynchronous serial interface，ASI)支持CPU与其他使用标准格式的异步外设之间的数字通信，通过RS-485接口可以方便地进行DDC与PC机之间的异步串行通信。实现方法是首先采用嵌入式ModBus RTU协议栈对数据包进行解码，得到原始的 RS-485控制数据信息;接着由LM3S3739集成的UART控制器进行RS-485格式的数据封装;最后通过RS-485收发器SP3485发送到RS-485总线上，由相应的 RS-485终端接收并处理。RS-485通信接口电路如图3所示。

图3 RS-485通信接口电路Fig.3 RS-485 communication interface

2.4 其他设计

本控制器还使用了超低功耗技术、可靠性技术、Flash在线编程技术和JTAG调试技术等嵌入式领域的先进技术，保证了产品优异的性能和品质。如选用CMOS集成电路，使控制器具有功耗低、抗干扰能力强、工作温度范围宽等特点。

在CMOS器件工作方式选择上，采用高速低频工作方式，减少了逻辑电平频繁转换造成的功耗。选用LCD液晶显示器等低功耗外围器件。在前向通道的抗干扰方面，采用软件滤波［6］，不需要增加硬件电路，因而可靠性高、稳定性好、功耗低，不存在阻抗匹配问题，且软件滤波可以多通道共享，从而降低了成本。同时，采用“WatchDog”技术，在跳转指令前、多字节指令前、中断指令前、堆栈指令前及每隔若干条指令加入空操作指令“NOP”，防止程序指针PC的内容出错，使程序“跑飞”［7］。

3 系统软件设计

控制器的软件部分主要包括监控程序、接口程序和数据处理程序三大部分。监控程序主要监控仪表的按键和显示器，实现从按键输入数据或设置功能，完成对处理后的数据进行显示的任务;接口程序主要完成数据采集、数据存储和数据通信等任务;数据处理程序主要完成数据滤波、运算和分析等任务。

3.1 系统软件主程序

系统软件主程序是一个无限循环程序，在芯片复位后程序会跳转到Reset处。主程序首先调用Startup初始化CPU各个数据空间，然后进入main()函数，完成系统初始化方面的工作，再进入循环实现各个功能，包括采集数据、存储数据、扫描键盘和刷新LCD等任务。由于仪表对实时性要求较高，在整个系统中除了数据通信，其他不采用中断。主程序流程如图4所示。

图4 主程序流程图Fig.4 Flowchart of the main program

3.2 系统的运行显示和组态显示

在IAR Embedded Workbench中，对人机界面软件的内核进行编译，得到扩展名为.r43的库文件，将该库文件放到控制器的工程文件中，则控制器的系统运行显示模块就能够以库文件的形式调用人机界面系统内核软件。然后，在画面编辑软件中编辑好画面，编译成.bin文件，并通过RS-485下载到Flash中就能进行画面显示。但控制器的系统组态显示模块独立于系统运行显示模块，两者实现机制不同，前者仅仅是一段解释运行代码。

3.3 控制算法模块

在暖通控制系统中，被控制量如温度、湿度、压力具有较大的延迟和惯性［8］。理论证明，在控制系统中，对象为一阶和二阶惯性环节或同时带有滞后时间不大的滞后环节时，PID控制是一种最优控制算法。本控制器控制模块采用数字PID增量式算法。增量式算法具有下列优点:只与当前拍和前两拍的误差有关，累积误差小、精度高;若计算机出现故障，由于执行机构本身有记忆功能，因此仍可在上一次控制量作用下按原状态工作，可靠性高［9］。增量式计算公式为［10］:

式中:Kp、Ki、Kd分别为比例常数、积分常数、微分常数;e(t)为基本偏差。

DDC中的数字PID控制模块首先完成比例系数、积分系数、微分系数、积分分离、输出死区、本次偏差值和前次偏差值等的初始化，然后对输入运算值(process value，PV)和设定值(set value，SV)进行运算，求得机械开度变化量ΔMV，最后选择PID输出模式并将机械开度MV转换到相应的输出值。

3.4 暖通专用算法

取4 路模拟量输入采样通道为 AIP1、AIP2、RI1、RI2和1路模拟量输出AO。AIP1、AIP2通道通过压力传感器测量压力信号，其结果线性换算为数值P1、P2，与配对的传感器量程范围一致。RI1通道通过热电阻专门测量空气温度Ta，并根据空气温度测量值报警;而RI2通道则用于测量水温值Tw，当水温Tw＞30℃时，自动进入“制热模式”;当Tw＜20℃时，自动进入“制冷模式”;当20℃ ＜Tw＜30℃时为过渡区，维持上一次的运行模式。自定义参数变量电子开度X、机械开度Y、模式参数SPCOOL与SPHEAT、虚拟阀门阻抗 R，取初值状态 X=0、Y=0、SPCOOL=0.25、SPHEAT=0.09、R=10。

在制冷模式正作用方式下，控制器根据设定温度值(空气温度设定值)，采用PID增量算法计算出单位化后的开度X值，PID参数可设定。由电子开度X计算输出单元的单位化机械开度Y值公式如下:

而在制热模式反作用方式下，根据设定温度值及式(3)，可计算单位化后的开度Y值:

4 测试过程及结果

4.1 硬件测试

将空载(仅考虑其内阻200 Ω)和外接最大负载(与内阻共计750 Ω)的DDC分别置于小于0℃低温、25℃常温以及55℃高温条件下进行输出精度测试。高低温精度测试结果如表1所示。

表1 高低温精度测试结果Tab.1 Accuracy tests under high and low temperature

测试结果表明，在0～55℃内，在工作负载范围内的DDC模拟量输出测量精度能达到0.2%之内，达到了预期目标。

4.2 软件测试

以定风量系统为例，将DDC与水压、温度等信号传感器以及阀门执行器相连接进行测试，得到的数据如表2和表3所示。

可以看到，DDC通过控制冷水系统风机盘管装置(fan coil unit，FCU)上的电动调节阀开关来调整冷水流量，从而改变室温。具体控制是将装设在回风管内的温度传感器检测的温度值和水压传感器检测的回水管两通阀两侧的水压值，送往DDC控制器计算压差并比较实测温度和设定温度;采用PID算法控制输出相应的电压信号，以控制装在FCU回水管的电动调节阀的开关。当检测温度大于设定点温度时，打开电动调节阀或增加其开度，增加冷水流量，使循环风变冷送入室内，从而降低室内温度;当检测温度低于设定点温度时，关闭电动调节阀或减少其开度，减少冷水流量，使循环风变暖送入室内，从而提高室内温度。

表3 加热工作模式Tab.3 Heating mode

机械开度随温差变化的情况，以及理论计算值与实际DDC显示的测量计算值作比较的结果如图5所示。

图5 机械开度变化及与理论值的比较Fig.5 Variation of mechanical valve opening and the comparison with theoretical values

图5(a)给出了在一定水温和工作模式下，环境温度与设定温度差对瞬时阀门机械开度的影响。可以看出，固定环境下阀门开度随环境温度与设定温度差呈正增长变化。这一变化趋势可充分说明由PID算法控制下的暖通控制器可以根据外界环境及目标参数的变化进行智能调节。

图5(b)给出了在不同机械开度下阀门的理论流量值与实测流量值的变化趋势。由于多重参数的影响，理论流量值的计算在机械开度较大时仍需要进一步修正。

5 结束语

本控制器采用多项嵌入式先进技术，具有使用简单、技术成熟、开发相对容易和开发周期短的优点。控制器测量电路采用软件补偿法提高精度，符合0.5 s级精度要求;采用RS-485串行传输数据，既可进行DDC之间的异步通信，也可直接与PC机相连，接受上位机的统一管理;具有历史曲线记录和数据追忆功能，方便用户获取数据并分析数据。

该DDC集工作曲线和配置信息记录、运行状态和实时数据显示、热量和流量积算、温度和流量调节等功能于一体，适用于各种定风量、变风量和变流量的空调系统。测试结果表明，系统测量精度高、运算速度快、控制效果好、运行稳定，符合设计预期，能够满足功能要求及操作环境要求。

［1］江亿.我国建筑耗能状况及有效的节能途径［J］.暖通空调，2005，35(5):30-40.

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［5］曹立学.基于智能采集模块的DDC系统设计与实现［J］.自动化技术与应用，2008，27(6):97-99.

［6］杨剑，刘光斌.单片机系统中应用的几种数字滤波方式［J］.微计算机应用，2006，27(1):114-115.

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Design of ARM-based DDC Applied to HVAC System

To fulfill the requirements of intelligent control of HVAC in buildings，the design of the ARM7-based DDC controller used for HVAC is researched.The technologies including modular design and online programming，etc.，are adopted in the design;the hardware and software functions are tested.The hardware architecture of the system and the design of each software functional module are introduced in detail.The result of tests shows that the controller features precise direct display，ease in operation，stable and reliable operation，it is suitable for various air conditioning systems.

Intelligent controlARM7 Heating，ventilation ＆ air conditioning(HVAC)Direct digital controller(DDC)Transducer

TP216

A

修改稿收到日期:2010-10-20。

李国光，男，1982年生，现为浙江大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生;主要从事嵌入式控制系统的研究。

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