滲碳過(guò)程工件質(zhì)量主要取決于對(duì)溫度的控制，當(dāng)今市場(chǎng)中溫度控制" title="溫度控制">溫度控制成型的產(chǎn)品均以單片機(jī)為控制器" title="控制器">控制器。由于一般單片機(jī)的速度比較慢，更重要的是其ROM和RAM空間比較小，不能運(yùn)行較大程序，而基于多任務(wù)的操作系統(tǒng)需要的任務(wù)堆棧很多，需要的RAM空間很大，故其在發(fā)展上受到了很大限制。其歡在開(kāi)發(fā)環(huán)境上，DSP需要開(kāi)發(fā)用的仿真器，其價(jià)格比較貴，因此本設(shè)計(jì)排除了使用DSP。ARM" title="ARM">ARM系列的ARM7TDM1核嵌入式處理器目前應(yīng)用得較多，價(jià)格比較低，性價(jià)比較好，還有免費(fèi)的開(kāi)發(fā)工具ARM SDT，再配以簡(jiǎn)單的JTAG仿真器，就可以運(yùn)行嵌入式開(kāi)發(fā)，因此本設(shè)計(jì)選用韓國(guó)三星公司的S3C44BOX芯片作為主控制器。
1 Samsung S3C4480X芯片簡(jiǎn)介
Samsung S3C44BOX微處理器采用0．25μm CMOS工藝制造，特別適合應(yīng)用于對(duì)成本和功耗敏感的場(chǎng)合。所有的S3C44BOX都采用新的總線結(jié)構(gòu)——SAMBAⅡ(Samsung ARM CPU嵌入式控制器總線結(jié)構(gòu))。S3C44BOX最突出的特點(diǎn)是其CPU核采用ARM公司的16/32位ARM7TDMI PISC結(jié)構(gòu)(主頻為66MHz，最高可達(dá)75
MHz)。ARM7TDMI系列擴(kuò)充包括Thumb協(xié)處理器、片上ICE中斷調(diào)試支持和32位硬件乘法器。S3C44BOX通過(guò)在ARM7TDMI內(nèi)容的基礎(chǔ)上擴(kuò)展一系列完整的通用外圍器件，使系統(tǒng)費(fèi)用降至最低，免除了增加附加配置的需要。集成的片上功能描述如下：
·在ARMTTDMI的基礎(chǔ)上增加8KB的Cache；
·外部擴(kuò)充存儲(chǔ)器控制器(FP/EDO/SDRAM控制，片選邏輯)；
·LCD控制器(最大支持256色的DSTN)，并帶有一個(gè)專用DMA通道的LCD控制器；
·2個(gè)通用DMA通道，2個(gè)帶外部請(qǐng)求管腳的DMA通道；
·2個(gè)帶有握手協(xié)議的UART，1個(gè)SIO；
·1個(gè)多主機(jī)I2C總線控制器；
·1個(gè)ⅡS總線控制器；
·5個(gè)PWM定時(shí)器及1個(gè)內(nèi)部定時(shí)器；
·看門(mén)狗定時(shí)器；
·71個(gè)通用可縮程I／O口，8個(gè)外部中斷源；
·功耗控制模式：正常、低、休眠和停止；
·8路10位ADC；
·具有日歷功能的RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)；
·帶PLL的片上時(shí)鐘發(fā)生器。
采用S3C44BOX開(kāi)發(fā)的通用嵌入式系統(tǒng)原理框圖如圖l所示。
2 爐溫控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
溫度控制系統(tǒng)采用三相可控硅調(diào)電壓法調(diào)節(jié)溫度，整個(gè)系統(tǒng)采用韓國(guó)三星公司的S3C44BOX(16／32位)作為主控制器，并采用Casio的CMD520TTOO-Cl型LED顯示，觸摸屏為阿爾卑斯電氣(Alps E1ectrie)株式會(huì)社的ALPS 9，此外還有一個(gè)通信串口、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器Flash ROM、SDRAM、3個(gè)三相可控硅等。外部CPU晶振為8MHz，系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘為66MHz。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。
2．1 存儲(chǔ)器
本設(shè)計(jì)中的程序存儲(chǔ)器選擇一片2MB×l6位的Flash(SST39VFl60)和一片4M×l6位的SDRAM(HY57V65160B)。其存儲(chǔ)器電路連接圖如圖3、圖4所示。
如圖3所示，處理器是通過(guò)片選信號(hào)NGCSO與片外Flhsh芯片連接。由于是16位Flash，所以CPU的地址線A1~A20分別與Flash的地址線A0~A19連接。如圖4所示，SDRAM分為4個(gè)Bank，每個(gè)Bank的容量為1M×l6位。Bank的地址由BAl、BA0決定，00對(duì)應(yīng)Bank0，0l對(duì)應(yīng)Bankl，lO對(duì)應(yīng)Bank2，11對(duì)應(yīng)Bank3。在每個(gè)Bank中，分別用行地址脈沖選通RAS和列地址脈沖選通CAS進(jìn)行尋址。本設(shè)計(jì)中還設(shè)置了跳線，可以為用戶將內(nèi)存容量升級(jí)至4×2M×l6位。具體方法：使SDRAM的BAO、BAl分別接至CPU的A21、A22和A23腳。SDRAM由MCU專用SDRAM片選信號(hào)nCS選通。
2．2 串行口接口電路
本設(shè)計(jì)中內(nèi)部數(shù)據(jù)通過(guò)并行總線到達(dá)發(fā)送單元后，進(jìn)入FIFO對(duì)列，然后再?gòu)陌l(fā)送移相器通過(guò)TXDn引腳發(fā)送出去。但是為了與計(jì)算機(jī)通用串行口兼容，還需要使用MAX3232芯片將3．3V的TTL／CMOS電平轉(zhuǎn)換成與普通串行口兼容的信號(hào)后，用于與外設(shè)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)接收的過(guò)程剛好相反，外部串口信號(hào)需先經(jīng)MAX3232做電平轉(zhuǎn)換，然后由RxDn進(jìn)入接收移相器，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后放到接收FIFO對(duì)列中，最后到達(dá)數(shù)據(jù)總線，由CPU進(jìn)行處理或直接送到存儲(chǔ)器中(DMA方式下)。串行口接口電路如圖5所示。
2．3 人機(jī)界面顯示設(shè)計(jì)
由于S3C44BOX內(nèi)部有LCD控制器，故選擇不帶驅(qū)動(dòng)器的液晶。本設(shè)計(jì)選擇日本卡西歐(Casio)的CMD520TT00-C1型LCD(STN類型)，256色．5．1英寸，320×240像素，其電源電壓3．3V，因此可直接和S3C44BOX相連。其LCD控制器端口如圖6所示。
觸摸屏選為阿爾卑斯電氣(Alps Electric)株式會(huì)社的ALPS LFUBK909 STN，四線電阻式觸摸屏，320×240點(diǎn)。5．2英寸。其與控制器的端口接線如圖7所示。
2．4 信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)
熱電偶信號(hào)經(jīng)多通道轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)4051至由三個(gè)運(yùn)算放大器組成的差動(dòng)放大電路，放大器采用低失調(diào)電壓、電流、高輸入電阻的5G7650。在放大電路部分采用數(shù)字電位器為50kΩ的X9312進(jìn)行多量程轉(zhuǎn)換。差動(dòng)放大電路如圖8所示。
2．5 PWM定時(shí)器接口
本設(shè)計(jì)采用PWM脈沖發(fā)送給三相可控硅信號(hào)來(lái)控制晶閘管的關(guān)斷，通常是通過(guò)輸入通道將溫度傳感器感受到的被控對(duì)象(當(dāng)前溫度)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量并輸入到控制器中，控制器求出輸入的當(dāng)前溫度值與設(shè)定值的偏差，并根據(jù)該偏差進(jìn)行自適應(yīng)的模糊，PID運(yùn)算，最后根據(jù)PID運(yùn)算的結(jié)果，通過(guò)功率調(diào)節(jié)電路改變給定周期內(nèi)加熱絲的通電時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的控制。用PWM輸出脈沖調(diào)節(jié)功率的實(shí)質(zhì)是利用占空比的調(diào)節(jié)來(lái)改變加熱絲的平均功率。功率調(diào)節(jié)電路是控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要求能根據(jù)
需要對(duì)輸出功率進(jìn)行精確的調(diào)節(jié)，它是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的組成部分之一，也常常是故障率最高的部分。
這里選用過(guò)零調(diào)壓的方法，因?yàn)檫@樣可以減少諧波干擾。由于PWM的頻率很大、變化周期很短，故選用PWM脈沖頻率為40Hz，占空比為O．8，這樣可增加周期長(zhǎng)度，進(jìn)而更加有利于對(duì)溫度變化的控制。
2．6 熱電偶冷端溫度測(cè)量
由于熱電偶的冷端溫度隨著環(huán)境溫度的變化而變化，所以需要對(duì)熱電偶的冷端溫度進(jìn)行補(bǔ)償。在有的設(shè)計(jì)中直接在熱電偶測(cè)溫電路中用電橋法補(bǔ)償，但需要經(jīng)常校準(zhǔn)，比較麻煩。本文實(shí)時(shí)測(cè)量熱電偶的冷端環(huán)境溫度，用軟件的方法進(jìn)行補(bǔ)償。
用MAX876產(chǎn)生IOV精密電壓基準(zhǔn)，輸出誤差為±7mV，配合OP07產(chǎn)生lOmA恒流源，運(yùn)算放大器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)，由于同相端和反相端的壓差幾乎為零，運(yùn)算放大器的偏置電流可以忽略不計(jì)，所以產(chǎn)生lOmA的電流通過(guò)100Ω的鉑電阻。查鉑熱電阻(Ptl00)的分度表可知，0℃為100Ω，加℃為107．79Ω，大約每升高1℃，熱電阻的阻值增加為0．39Ω，那么熱電阻的電壓變化為0．0039V。而s3c44BOX內(nèi)置10位A／D轉(zhuǎn)換器，基準(zhǔn)電壓為2．5V，分辨率為0．00244V，所以10位A/D轉(zhuǎn)換器能滿足精度要求。具體如圖9所示。
冷端溫度測(cè)量的輸出接在S3C44BOX的A／D轉(zhuǎn)換器的AIN0通道上。
2．7 系統(tǒng)時(shí)鐘與復(fù)位電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)CPU外部晶振頻率為8MHz，由于S3C44BOX內(nèi)部有鎖相環(huán)，CPU主頻可幾倍于外部晶振(CPU主頻可通過(guò)軟件設(shè)定)。用于系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘的備用鋰(Li)電池電源，系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘頻率為32．726kHz。
系統(tǒng)內(nèi)部有看門(mén)猗電路，可以通過(guò)軟件設(shè)定看門(mén)狗時(shí)間。但是為了系統(tǒng)的可靠性。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬復(fù)位電路，它通過(guò)斯密特74hel4觸發(fā)器復(fù)位。
3 溫度控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
3.1 主控模塊及其功能
主控模塊程序主要由S3C44BOX的初始化程序、定時(shí)器的初始化程序以及一個(gè)循環(huán)控制結(jié)構(gòu)組成。
程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí)，首先設(shè)置堆棧指針，建立一個(gè)軟件堆棧區(qū)；由于S3C44BOX的I／O口多為復(fù)用模式，因此需要對(duì)I／O口控制寄存器進(jìn)行設(shè)置，選擇工作方式；程序還需要設(shè)置內(nèi)置看門(mén)狗，以保障軟件的可靠運(yùn)行。CPU的高速輸出器HSO用于按程序設(shè)定的時(shí)間產(chǎn)生中斷，這就是軟件定時(shí)器。系統(tǒng)采用軟件定時(shí)器中斷，以定時(shí)器1作為時(shí)間基準(zhǔn)，對(duì)HSO寄存器進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)對(duì)外圍芯片及觸摸屏顯示器進(jìn)行初始化。其程序流程圖如圖10所示。
3．2 中斷服務(wù)模塊
系統(tǒng)中利用一個(gè)軟件定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生定時(shí)中斷，它決定了模糊控制算法的采樣速率。圖11是軟件定時(shí)器中斷服務(wù)程序的流程圖，該程序是控制系統(tǒng)的核心軟件，完成A/D采樣、濾波、數(shù)據(jù)處理、越限報(bào)警等任務(wù)，同時(shí)確定操作方式(手動(dòng)或自動(dòng))，根據(jù)要求調(diào)用相應(yīng)的控制算法，通過(guò)算法獲得所要求的控制電壓去驅(qū)動(dòng)三相可控硅觸發(fā)，最后返回主程序。各功能由相應(yīng)的功能模塊來(lái)完成。
本課題為遼寧省阜新市阜煤集團(tuán)熱處理分廠的多個(gè)溫控爐改造項(xiàng)目中的一部分。將本控制系統(tǒng)安裝在滲碳爐上，在各種工況下對(duì)試件進(jìn)行滲碳，通過(guò)滲碳結(jié)果分析，表明完全滿足改造要求：(1)溫控系統(tǒng)改造后，工作最高溫度950℃，爐溫均勻性≤±3℃，控溫精度≤±1．5℃。(2)加裝滲碳部分的自動(dòng)控制系統(tǒng)，碳勢(shì)控制精度≤±0．05％。(3)加熱器換新，爐襯修復(fù)等