基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系统的研究

摘  要： 针对高温微波烧结设备对可靠性、稳定性和多功能的需求，提出了一种基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系统，实现了对高温微波烧结设备可靠、精确的控制。不但丰富了系统功能，提高了控制精度，而且使复杂的操作简单化。

微波作为一种节能环保的新能源形式，近年来在国内外得到了迅猛发展，并且在陶瓷烧结、环保、脱硫等方面有了很多成功的实例。微波加热技术是工业控制中的一种特殊应用，如何对其控制直接影响微波加热设备的应用前景。而微波加热设备，尤其是大功率微波加热系统，其繁杂的操作程序为其稳定运行带来很多不确定因素，因此亟需设计安全、智能的控制系统。现阶段国内外大功率工业微波加热系统存在系统功能过于单一、控制精度不够等问题。针对这些问题，本文提出了一种基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系统。

1 方案论证

目前国内外大多数微波设备采用的控制方式为触摸屏+PLC控制系统。此系统用在实验炉上时，虽运行相对稳定可靠，但具有一定的局限性：系统功能不丰富，控制精度不高，采样频率偏低，系统接口不够开放，界面元素有限。

1.1 提出的方案

由于触摸屏+PLC控制系统的诸多局限性，本文提出了另外一种解决方案，即基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系统。该系统分为两部分：嵌入式主控系统板(以下简称EPC)、开发板和触摸屏(人机界面接口板，以下简称HMI板)。其中EPC作为下位机，主要进行数据采集并在上位机的指令下控制外部设备；HMI板作为上位机，运行基于Windows CE的监控程序，并分析处理EPC发送的各种数据；基于Windows CE的监控程序，提供了报警、控温等多种功能，实现系统的精确控制；触摸屏用于实时显示对用户有用的各种信息，如温度、功率比例和系统运行状态等，同时使用户可以方便地对系统进行操作，是用户和系统进行交互的中介。

该方案具有以下优势：(1)稳定可靠地传送数据；(2)准确采集丰富的数据信息，便于后续的数据信息处理；(3)界面友好、操作简单，能有效地实现远程监控，功能相对丰富齐全；(4)编程灵活性提高，便于继承已有的基于Windows的开发经验，能够有效降低开发成本。

1.2 主要硬件和软件的选择

选择应用广泛的S3C2440开发板，其优势在于：开发资料丰富、全面，扩展功能好，性能稳定；选择Windows CE操作系统，其能与桌面Windows系统有效通信，便于用户的使用，且性能稳定可靠；选择EVC(Embedded Visual C++)作为应用程序开发平台，其集成IDE环境可以使用户快速开发控制台、MFC等多种Windows CE应用程序，执行效率较高，而且能较大程度节省资源。

2 系统设计

采用基于Windows CE的大功率微波设备嵌入式控制系统，其基本设计思路是：EPC处理器将不断变化的高电压、电流、温度和功率等模拟信号经过模拟-数字转换处理后，通过RS232串口提交到HMI板，HMI板将获取的数据在触摸屏上实时显示，并将这些数据分析处理后，将控制信号通过RS232串口发送到EPC。HMI板把获取的数据实时显示在触摸屏上，进行分析处理后，通过RS232串口发送到EPC。EPC处理器接收到控制信号，经过计算后将该信号通过数字-模拟转换处理，用模拟信号来控制灯丝电流和磁场线圈电压等。HMI板和EPC之间的通信通过ModBus协议实现。系统原理图如图1所示。

系统原理图

2.1 硬件设计

HMI板是系统核心，实现对系统的监控。EPC主要进行数据采集并在HMI板的指令下进行操作，如实现对烟道风机、微波搅拌器等外部设备的控制，将采集的数据发送到HMI板进行处理等。系统进入工作状态后，HMI板打开RS232串口，以取得与EPC的通信。若打开失败，HMI板发出报警信息并对串口进行检测；若打开成功，根据HMI板和EPC通信过程中设定的协议(此处是ModBus协议)，HMI板通过串口向EPC发送指令。 EPC接收指令后，将其转换为可以识别的命令，进行相应的操作，然后将操作结果通过串口反馈给HMI板，同时EPC不断检测设备的状态信息。若出现异常，则通过串口将该信息发送到HMI板，HMI板同样将该信息转换为其可以识别的命令，发出报警。HMI板和EPC之间的通信交互以及命令格式的转换等通过 ModBus协议实现。

ADUC841是主处理芯片(如图2)，它集成了模数转换功能，其高速、高精度的ADC、DAC功能，以及在系统可调试、可下载的特点，特别适合在各种测控系统和仪器仪表中使用，是目前最容易掌握、开发和应用的单片机之一。


ADUC841主处理芯片

图2 主芯片部分

图3为前向通道的信号处理部分。模拟信号自左边进入后，经过第一个运算放大器进行信号隔离，然后在第二个运算放大器处进行一定比例的放大，在进入主芯片ADUC841进行模-数转换前，设置起保护作用的BAT54SLT1，避免运放损坏时导致单片机的ADC通道损坏。

前向通道的信号处理部分

电路设计过程中，要尽可能提高抗干扰能力，以图4电源部分为例，采用了LM2576系列的稳压器，它能提供降压开关稳压器的各种功能，与其他系列的稳压器相比，具有优异的线性和负载调整能力，并且成本低廉。

电源部分

2.2 软件设计

Windows CE操作系统定制时主要添加了桌面精简及监控程序自启动的功能。

通过对系统功能的需求分析，监控程序应实现如下功能：

(1)控制系统的启动、停止和复位；(2)模糊PID系统校正状态修正；(3)参数的读和写，主要是温度的读取和设置、控制周期和功率比例的设置；(4)报警，包括通信、阳极电流、炉门、冷却水流量、磁控管温度等的报警；(5)工作模式的选择和切换，工作模式有3种：手动模式、自动模式、恒温模式；(6)温度节点和温度区间的设置，折点的插入、删除以及曲线的加载保存；(7)设定的温度曲线图和实时温度曲线图的显示；(8)对微波搅拌器和烟道风机的控制，主要体现在工作模式和启停温度上；(9)运行记录的显示与存储，显示和存储温度、控制周期等参数的变化；(10)事件记录的显示，记录系统的启停时间和一些异常情况，便于系统的维护；(11)HMI板、EPC 之间的串口通信。

根据以上功能，将该监控程序分为6个模块，每个模块实现一个或数个功能。Basic，实现功能 (1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(11)；Graph实现功能(7)；CurveSetting实现功能(6)；Options实现功能 (8)；RunLog实现功能(9)；EventsLog实现功能(10)。程序流程图如图5所示。

程序流程图

3 系统实现与应用

本系统在应用过程中运行稳定可靠，不仅实现了串口通信、实时温度曲线显示、微波源控制等各种功能，而且提高了温度的控制精度(达到±1 ℃)，且界面友好，操作简单。

但在使用过程中也遇到了一些问题，主要集中在内存溢出问题上。由于Windows CE系统没有虚拟内存机制，动态内存分配导致大量的内存碎片，系统运行十几小时后便内存耗尽。解决方法是采用静态内存分配，然后系统再次运行，内存溢出问题便得到了有效的解决。

系统应用在微波马弗炉中，以氧化锆高级瓷牙烧结为例，马弗炉烧结温度约为1 530 ℃，升温时间60 min，保温时间15 min，整个烧结周期为125 min，相比于传统的微波烧结方式，烧结温度降低了100 ℃，周期缩短了2/3，而瓷牙的品质得到提高。

在高温微波烧结设备中采用该控制系统后，使得设备具备了丰富的功能，同时由于该系统性能稳定，控制精确以及操作方便，深受国内外用户的好*。在此控制系统基础上，正在研究增加CAN/RS232接口转换[4]和Ethernet/RS232接口转换功能，有待系统的进一步升级应用。