基于ARM7的半导体制冷控制器设计.pdf

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一种使用ARM芯片LPC2220+CPLDI/O扩展芯片XC95144+AD7705设计的半导体制冷温度控制系统,移植了μC/OS-Ⅱ实时操作系统,实现仪表智能化,能够实现高精度温度测量与控制,具有良好的扩展和更多仪表集成功能
2008年第6期 工业仅表与自动化装置 73 AD7705的寄存器数值,串行数据输岀口DoUT输出序源文件)及 OS CPU A ASⅥ(汇编程序源文件), A①D转换结果。状态标志DRDY接CBD的IO口,其中 OS CPU AS在某些情况下不需要,但非 并由LPC220的GD口控制,这样既提高了系统常少见。 构建的灵活性,又起到了电平转换的作用。其下降 具体的移植过程主要包括以下几个方面 沿标志AD7705执行一次转换或校准完毕,程序开 1)修改数据类型 始读取数据寄存器 为了保持与平台无美性,从COS·Ⅱ并不使用 2.2wwM控制电路 与处理器字长有关的数据类型,如nt,char等,而是 半导体制冷片冷端工作温度的控制采用使用经过宏定义的通用类型,如NTl6U表示16位 LPC22芯片自带的HwM功能,通过普通光耦控无符号数。在移植时要把它们映射成正确的类型。 制达林顿管T122的通断,以达到对制冷片输入电 2)使用软中断Ww阼作底层接口 压的控制,进而控制了其冷端的工作温度。电路图 为了使底层接口函数与处理器状态无关,同时 如图4所示,其中RL为负载,即半导体制冷片。在在任务调用相应的函数不需要知道函数位置,需要 实际的制冷过程中,要求其工作电流的数量级为安用软中断指令SⅤI作为底层接口,使用不同的功能 培,以保证制冷效率。而电路中的TP122恰能提供号区分不冋的函数。主要包括:任务级任务切换函 最大5A的集电极电流,满足了制冷片的工作需求。数运行优先级最高的任务、关中断开中断任务切 4700μF的电容对制冷片的输入电压进行平滑,使换到系统模式、任务切换到用户模式、任务代码是 得纹波系数小于10%以保证制冷工况。 ARM代码及任务代码是THMB代码。 3)设置堆栈生长方向 +12V R1 不同的处理器堆栈的生长方向不同,LPC2220 20k9 4700uF口RL 的生长方向可以向上也可以向下。但是ADS的C 语言编译器仅支持从下往上长,并且必须是满递减 R TIP122 堆栈。在这里要设置成实际使用的方向 I kQ VDD3. 3 1O% GND 4)堆栈的初始化 R μC/OS-Ⅱ在创建任务时会调用 OSTaskstk hnt I k@ PWM O函数对任务堆栈进行初始化,必须把堆栈设置成 GND 和产生中断后的形式一样,一般包括任务起始地址 图4M控制电路 中断返回地址、CP寄存器等内容。另外,必须保 证任务是运行在特权模式,而不是用户模式 3系统软件设计 5)时钟节拍中断 系统的设计构架采用分层结构,每一层完成相 μC/OS-Ⅱ用时钟节拍中断实现时间延迟和超 应的功能。同时对系统程序源文件的管理也遵循层时功能,定时频率一般在10~100Hz。设置定时器 次式的结构,以方便二次开发者的模块移植和系统的代码是与¢鬥相关的,中断向量必须指向μC/OS 升级。系统分为4层,如图5所示。其中操作系统 Ⅱ的时钟节拍中断服务子程序 O STick isr 层移植的是嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ驱动3.2系统驱动层软件设计 层主要是为应用层提供对底层硬件的访问接口,对 主要介绍A①转换驱动程序,其他模块的驱动 应用层屏蔽掉底层硬件的细节;应用程序的设计方法类似。 应用层 层主要用于完成用户具体算法、GI 系统中A①D采样电路使用了AD7705芯片,利用 匚塾动层等功能 GPD模拟串行口的吋序,完成对AD7705的转换状态 3.1μCOS-Ⅱ在LPC220上的设置并从数据寄存器中读取数据。AD7705所有的操 操作系统层 移植 作都是通过寄存器操作完成的,所以在使用AD7705 厂硬件层 根据μCOS-Ⅱ的要求,移植之前,首先需要对所有的寄存器进行设置,才能保证 μCOS·I到一个新的体系结构上需正常工作。在实际使用中,首先选择模拟输入方式 图5系统软要提供2个或3个文件: OS CP H(单极性还是双极性)的是否需要缓冲时钟分频和 件分层结构(C程序头文件)、OS_CCC(C程输岀更新速率;根据外部输入信号的幅值来决定设置 74 工业仅表与自动化装置 2008年第6期 开始) =Ee(k)-e(k·1)7+Ke(k)+ Ke(k)-2e(k-1)+e(k-2)7 复位AD7705 其中:ε(k)为控制器的偏差信号,它等于测量值和 写通讯寄存器,选择通道1,并设置下次 给定值之差;E为控制器比例系数;K为控制器积 操作为写时钟寄存器(20H) 分系数;K2为控制器微分系数 时钟寄存器,设置时钟为24667MHz, 数据更新速率为20Hz(OOH 实验结果与分析 写通讯寄存器,选择通道1,并设置下次 操作为写设置寄存器(10H 在公式(3)中,取F=696κ=071,= 0.01,所得实验曲线如图8所示。 写设置寄存器,设置成单极性、无缓冲、 增益为1、滤波器工作、自校准(44H) 查询DRDY引脚」 O==/DRDY? 写通讯态存器,设置下次操 为读数据寄存器(38H) 从数据奇存器中读数据 图6A①采样程序流程图 转换期间的増益值。设计中采用转换器的通道1,输 图8温控曲线 入信号单极性,初始增益为1,数据更新速率为20 图中,设定温度为·10℃,超调量不超过15% Hz。程序设计中采用软件查询DRDY的方法来获取 系统能快速进入稳态,并且有效地抑制扰动,稳态精 AD705的转換状态,并通过访问通讯寄存器,读出数度可达a1℃达到了预期的控制效果。 字寄存器中的数据,对应的采样流程如图6所示。 3.3系统应用层软件设计 5结東语 通过在应用层中建立不同的任务,完成对驱动 该文介绍了基于ARM7和实时操作系统的半 层中各模块功能的调用,然后由操作系统调度舀数导体制冷控制器,利用μC/oS-∏使得设计得以筒 OS Sched统一调度。 化并保证了系统的实时性和稳定性。非常方便地应 这里仅介绍PD控制算法的实现。 用于质量检测机关的建筑材料保温性能测试领域, 控制器将测量得到的半导体制冷片冷端温度与。也有利于半导体制冷技术的应用与推广。 设定值比较,得到偏差值,然后由PD算法计算出参考文献 PM单元的占空比,进而转换为制冷片输入电压 「1]陈国邦.最新低温制冷技术[M](第2版).北京:机 其系统方框图如图7所示。 械工业出版社,2003 从冷却单元从制冷片热端 [2]陈振林,半导体制冷器的原理与应用[J]微电子技 传导的热量一传导的热量 术,1999,27(5):63-65 控制器 [3](B10295-88绝热材料稳态热阻及有关特性的测 冷端温度↓→四D调节器}→四WM单元十半导体制冷片 定—热流计法[S 设定值 4]周立功.ARM嵌入式系统基础教程[M]北京:北京航 制冷片冷端温度测量 空航天大学出版社,2005 [5 Analog Devices hc AD7705 datasheet [ZI Analog De- 图7控制系统方框图 vices, Inc, 1998 在PD算法中采用数字增量式PD算法,其算0]美粒伯罗斯,嵌入式实时操作系统COS.项M邵 贝贝,译.北京:北京航空航天大学出版社,2003 式如下切 [7]方康玲.过程控制系统[MJ武汉:武汉理工大学出版 △u=(k)-t(k-1) 社,2002

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