完整版嵌入式系统在中央空调集中控制系统中的应用研究毕业论文.docx
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完整版嵌入式系统在中央空调集中控制系统中的应用研究毕业论文
嵌入式系统在中央空调集中控制系统中的应用研究
1设计要求
1.1引言
随着国民经济的快速增长，我国人民生活水平的不断提高。
空调机组能够改善和提高人们的生活和健康水平，所以国内空调企业的规模也在不断的扩张，空调生产开始从单一品种、大规模生产、压库存的模式逐渐转向多品种，按订单生产、零库存的方向发展。
但中央空调机组因其设备功率大，零部件多，运转工序复杂，所以对其使用时的可控性能、节能性能、人机交互性能的要求也随之提高。
目前的中央空调控制技术还以分散控制为主，每个控制器只能监控其所控制的中央空调机组的状态，而对同一楼宇之中的其它控制器所控制的中央空调的状态则无法知道，更无法在总体上获知所有中央空调机组的工作状态。
其采用的通信方式主要为用485串口将中央空调控制器与工控机相联，再用RS232串口将工控机和上位机相连。
因为受RS232串口的限制，使得通信距离较短，所能集中控制的中央空调的数目也就受到了较大限制，使得集中控制的效果和意义均不明显。
此种缺点造成由于资金缺口和工程进度等等问题，许多已建成的商用建筑和办公大楼的空调系统往往都没有设计或安装自动控制系统，随着建筑物的投入使用，会发现空调区域的温、湿度波动很大，往往会超过答应的变化范围。
旧有的空调系统在运行中往往遭到一些人为因素的影响，致使风系统平衡遭到破坏，加装自控系统前必须先对旧有空调系统的风道系统重新进行平衡调整，不然自控系统可能达不到预期限效果；另外加装自动控制系统后对原空调系统的制冷、供热和水循环系统都交有一定的影响；同时在改造进程中也会碰到一些非凡的问题。
1.2中央空调系统基本原理及组成
空调系统的组成有：
被调对象、空调处理机组、空气输送设备以及分配设备。
针对空气处理设备在集中程度上的差异，空调系统通常分为集中式空调系统、半集中式空调系统以及分散式空调系统；根据热湿负荷所使用的介质的区别，空调系统又可以划分为空气系统、水系统、空气．水混合系统、冷剂系统；又可根据空气来源来分类，有直流式系统、封闭式系统和混合式系统三类系统。
空气调节的定义通常为：
将温度、湿度、流速等参数经过处理后的空气，通过空气输入管道送入室内，以使整个室内空气温湿度、流速、清洁度及压强等控制在设定要求内。
本文主要讨论中央空调控制系统，即为集中式控制系统。
中央空调系统由空气加热、冷却，加湿、去湿、空气净化、风量调节设备以及空调用冷、热源等设备组成。
这些设备的容量是设计容量，但在日常运行中的实际负荷在大部分时间里都是部分负荷，不会达到设计容量。
所以为了舒适和节能必须对上述设备进行实时控制，使其实际输出量与实际负荷相适应。
当前，对其容量控制实现不同程度的自动化，其内容也越趋丰富。
被控制参数主要有空气的湿度、温度、压力和空气清新度、气流方向等，在冷热源方面主要是冷热水温度，蒸汽压力。
有时也需测量控制回水管的压力差，测量供回水温度以及回水量。
同时，也要对这些参数进行指示、记录、打印，并监测各机电设备运行状态及事故报警。
其主要具备以下自控系统：
风机盘管控制系统、空调机组控制系统、冷冻站控制系统、热交换站控制系统、排水控制系统等。
2设计作用与目的
采用基于嵌入式中央空调集中控制系统，实现多台中央空调系统的数据采集、集中管理和集中控制。
3所用设备及软件
RS485集线器，计算机一台，中央空调控制器，µC/OSII操作系统，UDPtest软件
4系统总体设计
图1系统总体框图
4.1中央空调单机组控制器与RS485集线器的通信方式及数据处理过程
中央空调单机组控制器（本文研究所采用的中央空调单机组控制器为无锡华威控制技术科技有限公司所生产的中央空调控制器）首先对检测到的中央空调机组的运行状态的信息（包括环境温度，设定温度，运行模式等）进行编码，以约定的格式和波特率（9600bps）通过RS485总线发往RS485集线器。
每个RS485集线器采用多串口单片机设计，分为8口和16口两种型号。
8口的RS485集线器可以同时连接8个中央空调单机组控制器，16口的RS485集线器可以同时连接16个中央空调单机组控制器。
中央空调单机组控制器将不断的向RS485集线器发送其状态信息数据，RS485集线器接收到这些数据后会检查这些数据的合法性，如果该数据合法则将该数据存储到接收缓冲区并等待发送。
4.2RS485集线器与中央空调网络集中控制器的通信方式及数据处理方式
RS485集线器通过RS485总线与中央空调网络集中控制器相连。
RS485集线器将中央空调单机组控制器发送来的数据信息通过RS485总线发送给中央空调网络集中控制器。
中央空调网络集中控制器采用以ARM7TMI为内核的S3C44BOX设计。
因为S3C44BOX片内没有集成网卡芯片，因此为了使中央空调网络集中控制器能够通过以太网和控制计算机进行远距离通信，中央空调网络集中控制器采用了RTL8019AS为网卡芯片。
中央空调网络集中控制器在接收到RS485集线器发送过来的数据后首先对接收到的数据进行解码，确定这是哪台中央空调单机组所传送过来的数据，并读出其中所包含的中央空调单机组的运行状态、设定温度，运行模式、故障信息等数据信息。
中央空调网络集中控制器会将与之相连的每台中央空调机组的状态信息存储在其内存空间中（中央空调网络集中控制器针对中央空调机组状态信息的特点建立了特定的数据结构）。
在中央空调网络集中控制器的显示屏上会显示出所有与之相连的中央空调单机组，用户可以通过键盘操作查询每台中央空调机组的运行状态，当用户选定中央空调机组后，该中央空调的机组的“联机状态”、“设定温度”、“室内温度”、“运行模式”、“运行状态”等信息就会在显示屏上显示出来。
4.3中央空调网络集中控制器与控制计算机的通信方式
因为一栋楼宇之中可能会有上千台中央空调机组，受通信端口数量和处理能力的限制一台中央空调网络集中控制器最多只能连接128台中央空调机组并处理这些机组的数据信息。
为了能够控制楼宇内所有中央空调，中央空调网络集中控制器需要将由RS485集线器所传来的数据通过以太网转发给控制计算机。
之所以选择通过以太网而不是通过RS485网络，主要是因为两点:
1.RS485网络的传输距离和传输速度有限制，只有在很短的距离下才能达到理论最高值lOMbps，当通信距离增大时通信速度和通信质量都会受到较大影响（在100kbps速率以下才有可能达到理论最大传输距离1219米）;而控制计算机离中央空调网络集中控制器可能会随着楼宇建筑规模的不同而有较大差异，最远的中央空调网络集中控制器可能离控制计算机的距离长达数百米甚至上千米，此时具有100Mbps带宽现代快速以太网无疑在通信速度和通信质量上都具有无可比拟的优势;2.对于一栋建筑规模较大的楼宇可能需要上千台甚至数千台中央空调机组，如果要控制如此多台中央空调机组至少需要数十台中央空调网络集中控制器。
此时采用以太网则可以通过设置每台中央空调网络集中控制器的物理地址和IP地址（RTL8019AS网卡芯片的物理地址需要通过设置其相关寄存器而配置，IP地址的配置可通过移植的嵌入式TCP/IP协议栈的相关API函数来配置）确定其在网络中的位置，这样整个中央空调网络集中控制系统的组建和控制就变的相对简单。
5RS485集线器的设计
RS485集线器是中央空调集中控制系统中的关键部件，在整个系统中发挥着连接中央空调单机组控制器和中央空调网络集中控制器的关键作用。
5.1RS485集线器系统功能分析
RS485集线器在中央空调集中控制系统中负责连接中央空调网络集中控制器和中央空调单机组控制器。
中央空调单机组控制器与RS485集线器通过RS485接口电路相连。
中央空调单机组控制器会定时将中央空调机组的运行信息发往RS485集线器。
RS485集线器当监听到串口接收中断后会调用串口接收中断处理程序来接收数据，如果接收到的数据合法就将该数据存往数据存储缓冲区。
与数据接收是靠中断触发的处理方式不同，RS485集线器会不停的侦听数据存储缓冲区，如果数据存储缓冲区中的数据不为空则会执行数据发送程序将数据缓冲区中的数据通过RS485串口发往中央空调网络集中控制器。
5.2RS485集线器硬件介绍
RS485集线器的硬件模块示意图
图2RS485集线器硬件图
5.2.1µPSD3251简介
µPSD3251单片机[39]的结构为:
包含8032微控制器的FlashPSD结构。
它片内集成了两块Flash存储器、SRAM、通用I/0口、可编程逻辑、管理监控功能。
并可实现工ZC,ADC,DDC功能。
片内集成8032微控制器，带两个标准异步通讯口，三个16为定时/计数器和一个外部中断。
µPSD3251单片机具有以下特点:
（1）高速8032内核:
40MHz5V,24MHz3.3V;
（2）双Flash存储结构，64KB主Flash,16Kb二级Flash;
（3）2K字节的SRAM，支持后备电池掉电数据保护;
（4）可编程译码PLD，灵活映射所有存储器地址;
（5）、两路DART接口;
（6）独立的数据显示通路（DDC）,ADC;
（7）多达46个I/0口线;
（8）3000门PLD，16个宏单元;
（9）可通过JTAG在线编程（ISP）;
（10）现场升级用户程序代码，不间断用户系统运行（IAP）;
（11）程序数据保密（Security）;
（12）电源监控功能（PMU）;
（13）零功耗技术;
（14）.封装:
TQFP52（T）。
在RS485集线器中，µPSD3251单片机的串口1通过CPLD16路切换矩阵与16个RS485接口相连，从而实现了将1路串口扩展为16路串口与中央空调单机组控制器通信。
4路切换信号经过CPLD4/16译码转换后可以确定16路RS485接口的地址，其中4/16路地址转换表如下:
表14/16路地址转换表
µPSD3251单片机的串口2的作用为通过RS485总线与中央空调网络集中控制
器相连，从而实现与中央空调网络集中控制器的数据通信。
5.2.2CPLD介绍
CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）是ComplexPLD的简称，一种较PLD为复杂的逻辑元件。
CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。
CPLD16路切换矩阵4八s路译码功能的实现因为不属于本文的研究内容，因此在这里不与介绍。
5.3RS485集线器软件设计
5.3.1RS485集线器软件的主要功能
RS485集线器的软件的设计主要目标为实现RS485集线器如下四个主要功能:
（1）串口1的数据接收
串口1将采用中断方式接收数据。
当中央空调单机组控制器的数据发送到RS485集线器之后，RS485集线器的串口1会产生串口接收中断，RS485集线器的8032微控制器将调用串口接收中断处理程序来接收和处理接收到的数据。
（2）串口2的数据接收
串口2的数据接收方式与串口I相似。
串口2的接收程序主要负责接收和处理中央空调网络集中控制器发送过来的数据。
（3）串口1的数据发送
串口1发送采用实时查询方式，如果其发送缓冲区内有有效数据（串口1的发送缓冲区也就是串口2的接收缓冲区）则串口1会将数据缓冲区内数据发往中央空调单机组控制器。
（4）串口2的数据发送
串口2发送数据的方式与串口1相似。
它将其数据发送缓冲区内的数据发往中央空调网络集中控制器。
5.3.2RS485集线器软件的实现
因为µPSD3251单片机的8032内核属于51系列，所以RS485集线器软件采用C51来开发。
主程序是整个程序的入口地址，它首先进行全局变量和串口初始化工作。
然后便进入一个永久循环，以不断侦测两个串口是否可以执行数据发送操作。
程序中有函数boolCheckUartOne（）和函数boolCheckUartTwo（），它们的功
能基本一致，分别为判断串口1和串口2将要发送数据的合法性。
其中串口1将要发送的数据存储在串口2的临时接收数据存储区中（因为串口2接收的程序来自中央空调网络集中控制器，RS485集线器接收到该数据后需将数据通过串口1发往中央空调单机组控制器，以实现对每台中央空调机组的控制），串口2将要发送的数据存储在串口1的临时接收数据存储区中。
两个函数将通过校验位来判断存储在对方临时接收数据存储区中的数据的合法性，如果数据合法则将数据转存到数据存储区中以等待发送，并清空临时接收数据存储区。
图4为主程序流程图。
它说明了主函数的整个处理流程。
中断处理由中断处理程序seriall（）和中断处理程序serial2（）来完成。
seriall（）为串口1的中断服务程序。
如果串口1中断发生则会调用该程序来处理中断操作。
serial2（）为串口2的中断服务程序。
如果串口2中断发生则会调用该程序来处理中断操作。
图3串口中断处理程序的流程图
图4主程序流程图
函数boolCheckUartOne（）和boolCheckUartTwo（）的功能为通过计算来判断串口1和串口2将要发送的数据的合法性，因为函数较为简单在此就不做详细讲解。
6中央空调网络集中控制器的设计
中央空调网络集中控制器是整个中央空调集中控制系统中最核心的部件，它起着连接控制计算机和RS485集线器的重要作用。
由RS485集线器发送过来的数据经由中央空调网络集中控制器发往控制计算机，控制计算机上所运行的监控软件会根据这些数据所提供的信息显示出整个中央空调集中控制系统中的所有中央空调机组的运行状况。
当中央空调集中控制系统的使用人员希望改变系统中的中央空调机组的运行状态时，他可通过监控软件将命令信息发往中央空调网络集中控制器。
中央空调网络集中控制器会根据命令信息中的目的地址而决定将命令信息转发给哪台中央空调单机组控制器（通过RS485集线器）。
同时中央空调网络集中控制器上还具有友好的人机界面（用于显示其所连接的中央空调机组信息的显示屏，和用于操作人员控制的键盘），操作人员可通过它查询与其连接的中央空调机组的运行信息。
6.1中央空调网络集中控制器的硬件设计
中央空调网络集中控制器为了完成数据集中处理、数据转发、系统信息显示等功能需要具备五个功能相对独立功能模块:
图5中央空调网络集中控制器结构框图
6.1.1显示模块
中央空调网络集中控制器需要具有友好的人机界面，用以对操作人员对中央空调状态进行监控提供支持。
这就需要中央空调网络集中控制器具有LCD显示屏幕，并且在系统软件上需要具有相应的GUI（图形用户界面）模块，这样才能建立一个友好的人机界面。
图6显示模块电路
6.1.2电源电路
电源系统是控制系统工作的基础，电源系统的工作稳定与否直接关系到整
个系统的性能。
在设计电源系统的过程中，必须要考虑到以下几个要点:
电源
系统的输出电压电流和功率是多大;电源系统采用的输入电压与电流大小;电
源系统的电磁兼容性与电磁干扰因素;电源输出纹波大小。
另外还必须要考虑
到系统的成本。
本控制系统中，微控制器LPC2210要使用到3.3V与1.8V两组电源，3.3V
为工O口供电电源，1.8V是内核与片内外设电源。
从LPC2210技术手册己说明
微控制器对1.8V电源消耗的极限电流为70mA，也就是说1.8V电源只要能提
供70mA的最大电流便可以满足系统的要求，但为保证系统以后能够可靠升级，
要求1.8V电源能够提供不小于300mA的电流。
系统对3.3V电源的消耗电流具
有不确定性，主要与外部条件有关，通常要求能够提供600mA电流，基本就可
以满足极限情况。
鉴于系统对这两组电压的要求比较高，且功耗不是很大，故
采用低压差模拟电源LDOo
LDO（低压差电源芯片）芯片采用SPX1117，该款LDO芯片具有较大输出电
流（可达800mA，较高精度输出电压且比较稳定，输出精度在1个百分点以内，并且设有热保护与限流功能。
系统电源电路如图3-3所示。
模块输入电压之所以选择SV，一方面是考虑到过高的电压会使芯片的发热量上升，影响芯片性能，同时波动的电压对输出电压的波动也有影响，太高的压差也失去了选择低压差模拟电源的意义;另一方面为其它SV模块提供电源。
图7电源电路
6.1.3复位电路
LPC2210通常工作在40MHz的时钟，其高速、低功耗及低工作电压的牛性使其噪声容非常低，系统必须对电源纹波、时钟稳定性、电源监控可靠性尊方面提出较高的要求。
复位芯片的门槛值一般选择为控制器工O供电电压，本GI统的复位电路使用了SP708S，提供2.93V的复位门槛值。
SP708属于微处理器uP监控器件，集成有众多组件，可监测uP及数字系统中白供电及电池的工作情况，可有效地增强系统的可靠性及工作效率。
主要包含一个看I狗定时器，一个uP复位模块，一个供电失败比较器，一个手动复位输入模块，适G于3.0V或3.3V环境[4]。
主要特性如下
·复位脉冲宽度:
200ms;
·独立的看门狗定时器且WD工可以保持浮空，以禁止看门狗功能;
·最大电源电流40uA;
·支持开关式手动复位输入;
·Vcc下降至1V时，产生复位信号，支持高低电平两种方式;
·内嵌Vcc干扰抑制电路;内嵌电压监测器，可监测供电失败或电池不足警告:
信号nRST连接到LPC2210芯片的复位脚RESET。
当复位键RST按下时，
SP708SCN的立即输出复位信号，使LPC2210芯片复位。
图8复位电路
6.1.4系统时钟及JTAG接口电路
系统使用外部晶振，晶振频率为11.0592MHz。
控制系统的JTAG接口为ARM
公司标准的仿真调试接口，共有20个引脚，接口连接如图3-5所示。
图中，JTAG
信号接口nTRST与微控制器LPC2210的TRST引脚连接，用来复位控制器内
部JTAG接口电路;为了使复位后的系统JTAG接口处于使能态，根据LPC2210
技术手册的要求，需要在RTCK引脚接一个4.7K下拉电阻。
图9JTAG接口电路
6.1.5键盘电路
为了方便用户操作，本系统系统设置了12个按键，归纳如下:
·风向设定:
有手动设定风向与自动设定2个设定按键;
·运转模式设定:
1个按键输入。
每按一次，便在制冷、通风、制热、除湿四种模式中循环切换。
·风速设定:
1个按键输入。
每按一次，便在高、中、低、自动四种风速模式下循环切换。
·温度设定:
2个按键输入。
一个用于温度增1设定，一个用于减1设定。
·定时设定:
3个按键输入。
一个定时设定按键开关，一个增1按键，一个时间减1输入按键。
·开机按键、测试运行按键与检查按键各1个，共3个。
系统使用I2C接口的键盘与LED驱动芯片ZLG7290进行键盘扫描，该芯片提供了I2C串行接口和键盘中断信号，方便与处理器连接;可驱动8位共阴极数码管或64只独立的LED和64个键盘，其管脚说明如下:
·Dig7--DigO:
LED显示位驱动及键盘扫描线;
·SegHw-SegA:
LED显示段驱动及键盘扫描线;
·SDA/SCL:
I2C总线接口数据/地址线及时钟线;
·/INT:
中断输出端，低电平有效;
·/RES:
复位输入端，低电平有效;
·OSC1:
连接晶体以产生内部时钟;
ZLG7290采用3.3V电源，复位引脚与系统复位信号nRST相连，当系统上电复位或手动复位时会同时复位ZLG7290oZLG7290的键盘中断输出信号与LPC2210的中断引脚P0.30相连，当有按键按下时，ZLG7290将会输出中断信号通知LPC2210oZLG7290使用I2C总线。
键盘接口电路如图所示。
图10键盘电路
6.2中央空调网络集中控制器的软件设计
中央空调网络集中控制器的软件由三部分组成:
实时操作系统，硬件驱动程序
和运行在操作系统之上的应用程序。
实时操作系统采用源码公开的µC/OS-II操作系统硬件驱动程序主要为LCD控制器的驱动程序和RTL8019AS网卡芯片的驱动程序。
6.2.1整体设计
中央空调网络集中控制器的应用程序中共划分了7个任务，其中任务Main_Task的任务优先级为4，它的主要功能为初试化系统和创建其他的任务。
任务UDP一ain_Task的任务优先级为5，它的主要功能为初始化LWIP协议，并创建另外两个线程UDP_Sen之Thread（任务优先级8）和UDP_Rev一hread（任务优先级9）来发送和接收UDP数据报。
任务LCDTask任务优先级10）的主要功能为创建中央空调网络集中控制器的人机交互界面，并根据用户的输入信息在屏幕上输出相应画面。
任务UART_Task（任务优先级6）的主要功能是收发9路RS485串口数据。
任务Key_Task（任务优先级7）的主要功能是监控键盘的输入，并通过信号量机制通知其他的任务作出相应响应。
程序开发所用的语言为C语言，但与标准C有所不同是在嵌入式系统中的C编程，程序的主要框架为:
图11中央空调网络集中控制器程序框架
程序的代码结构为
voidMain（void）
rBWSCON二Ox1110d1d2;//设置各BANK数据总线宽度
RL16C554Init（）;//初始化芯片16C554
OSTaskCreate（Mainjask,（void*）0,（OS一TK*）&Main一ask一tack[TASK-STACK_SIZE-1]，
Mainjask_PRIG）;刀创建系统主任务
OSStart0;//启动µC/OS-II
voidMainjask（void*Id）
{
ARMTargetStart0;//启动中央空调网络控制器
ARMStartTimer0;//启动计时器
OSStatInit（）;
OSTaskCreate（UDPMain一ask,（void*）0,（OS_STK*）&TaskUDP[TASK一TACKSIZE-1]，
Task_UDP_PRIG）;//创建任务UDP一ainjask
OSTaskCreate（LCD_Task,（void*）0,（OS_STK*）&Task-LCD[TASK_STACKSIZE-1]，
Task_LCD少RIO）;//创建任务LCD一ask
OSTaskCreate（UART一ask,（void*）0,（OSSTK*）&TaskweDART[TASKesSTACK_SIZE一1〕，
TaskDART少RIO）;//创建任务DART一ask
OSTaskCreate（KEY_Task,（void*）0,（OS一TK*）&TaskKEY[TASKSTACKSIZE一1]，
Task_KEY_PRIO）;//创建任务KEY_Task
}
6.2.2LCD控制器驱动程序
在点亮LCD之前，首先要对LCD控制器相关的寄存器进行初始化，从而使
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