基于嵌入式系统的智能温度控制研究

李巧侠

(西安铁路职业技术学院 土木工程学院，西安 710600)

0 引言

中国工业控制行业发展迅速，随着应用领域的不断扩大，一些复杂的工控区域拓展到相当复杂的区域，在复杂区段进行温度控制存在一定的风险性[1]。在复杂环境下，温度控制系统的输出电压和功率可能存在失稳，需要对相对复杂区段温度进行有效监控，结合稳压控制和功率放大设计，提高温度控制系统的控制稳定性和稳态性，研究复杂区段智能温度控制系统的优化设计方法，在促进工控设备的建设，确保设备运行安全方面具有重要意义[2-4]。

本文进行复杂工业设备应用区段智能温度控制系统的优化设计，首先进行了系统的总体设计描述和功能技术指标分析，然后进行复杂环境区域温度输出的稳压特性分析和参数计算，最后进行系统的硬件模块化设计，并进行系统仿真测试。

1 系统的总体设计描述和技术指标分析

为了实现复杂环境区域智能温度控制系统设计，首先进行系统的总体设计分析和功能指标描述。系统采用HP E1433A高速电压分析技术进行温度动态监测，根据系统的输出电压特征进行稳压测试，确保温度控制的稳定性，设计电源电路进行监控系统温度控制，采用触发器进行总线触发。采用嵌入式的ARM Cortex-M0处理器作为温度监控系统的稳压控制内核，构建传感模块进行温度检测，设计调制器进行温度控制的动作电压和载波系数分析，采用频率调制和振幅调制相结合的方法进行压电控制和温度频谱分析，在温度接收器的信号输入端，设计温度输出电压的交流放大器，采用高通滤波检测方法进行温度输出的自适应滤波，抑制信号的低频特征分量和噪声分量，采用自动增益放大控制方法提高温度的输出电压稳定性，采用直流放大器进行信号接收和稳态放大，提高信号的输出信噪比，放大器总共的放大倍数为50 000倍，在检波器设计中，采用两级放大级联的方法进行温度输出电压转换和检波处理，设计交流放大器进行温度输出电压转换[3]，根据上述总体设计描述，得到智能温度控制系统的总体构架,如图1所示。

图1 智能温度控制系统总体设计框图

根据设计需求和温度环境实际情况，得到本文设计的温度监控系统的技术指标为：

(1) 采用PXI-8155总线控制技术进行温度输出转换和输出信号采样，信号接收器的信道控制的采样率：≥1 200 kHz[5]；

(2) 在A/D模块中信号调制、解调的分辨率：12位(至少)；

(3) 载波相位的初始幅值为5 V，监控系统通带中的频谱分量为22 dB，选频滤波的输出电流低于2μA，频谱集中在工作频率f0附近的频谱宽度为100～2 000 Hz。

(4) 有效监控信号的D/A转换速率：≥120 kHz。

(5) 输入电压满足：

AVSS-0.3 V

AVSS-0.3 V

2 系统等效电路模型和稳压参数计算

根据上述技术指标分析，T型等效电路进行复杂环境区域智能温度控制系统设计,如图2所示。

图2 温度控制监控系统等效电路传模型

设计控制器进行温度输出的转换控制，在稳态情况下，初级电路的电流有效值Io，次级电路的输出电流值Ir，通过整流处理后的输出电流Is分别为式(1)—式(3)。

(1)

(2)

(3)

在最大功率传输控制下，智能温度控制系统的输出反射阻抗Zrl为式(4)。

(4)

在特殊突发条件下，计算温度损耗Zrl，稳压阻抗Zsr，磁损耗Zps分别为式(5)—式(9)

(5)

(6)

(7)

在温度频率稳定的条件下，得到温度输出的功率为[6]式(8)。

(8)

计算温度输出电能传输效率如式(9)

(9)

综上分析，计算温度监控系统的绕组的阻抗Rp和负载Rs，根据上述参量计算结果，进行最优稳态输出电压控制，提高复杂环境区域温度的稳定性。

3 系统硬件设计与实现

根据上述总体设计模型分析和温度监控系统 的输出参量计算，进行监控系统的模块化设计，本文设计的智能温度控制系统包括温度测试模块、热功率放大模块、微机控制模块和稳压控制模块等，采用ISA总线控制技术进行温度的输出电压稳压控制，在嵌入式的DSP环境下进行模块化设计，描述如下：

(1) 温度测试模块。温度测试模块实现对温度输出的稳态测试功能，采用MAXIM公司的5阶温度测试仪进行电压测试，采用过滤芯片进行信号的稳定性滤波[7]，得到温度测试模块电路设计,如图3所示。

图3 温度测试模块设计

(2) 热功率放大模块。热功率放大模块采用VCA810作为功率放大器，通过DSP控制智能温度控制系统的输出电压，在VCA810微处理器中进行热功率放大控制，得到热功率放大模块电路设计,如图4所示。

(3) 微机控制模块。微机控制模块是整个系统的核心，采用ISA总线控制技术进行温度的微机总线控制，设计温度控制放大器进行程控放大，得到微机控制模块电路设计,如图5所示。

(4) 稳压控制模块。稳压控制模块由输出功率放大和检测滤波两部分组成，采用继电器进行动态增益补偿，采用DSP进行集成信息处理，实现稳压控制，得到稳压控制模块电路设计,如图6所示。

图4 热功率放大模块电路设计

图5 微机控制模块电路设计

图6 稳压控制模块电路设计

综上分析，实现了复杂环境区域智能温度控制系统集成设计。

4 实验结果与分析

为了验证本文方法进行复杂环境区域智能温度控制和稳压控制中的性能，进行仿真实验，实验中的电压传输速率为264 MB/s，输出功率设定为2 000 kW，温漂小于3 ppm/C，稳压输出范围为0～1 200 V，A/D采样位数为12位，根据上述实验参数设定，得到温度监控系统的稳压输出测试波形,如图7所示。

功率输出测试波形如图8所示。

分析图7和图8结果得知，采用本文方法进行复杂环境区域智能温度控制的输出性能较好，热功率增益较大，说明抗干扰能力较强，提高了温度的输出稳定性。

5 总结

在一些特殊环境下，温度的输出和功率可能存在失稳，需要对复杂环境区域温度控制进行有效监控，结合稳压控制和功率放大设计，提高温度输出稳定性和稳态性，本文设计的温度监控系统的包括电压测试模块、功率放大模块、微机控制模块和稳压控制模块等，根据不同区域的突发性导致的输出电压不稳的特点，采用T型补偿电路进行稳压补偿控制，结合嵌入式DSP进行智能温度控制系统硬件模块化设计。研究得知，本文设计的系统能有效实现复杂环境区域智能温度控制和稳压控制。

图7 温度监控系统的输出测试波形

图8 热功率输出测试波形