（模式识别与智能系统专业论文）冷库控制器设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本论文以大连冰山嘉德自动化有限公司的“全自动冷库控制器g c l 7 1 9 ”为应用背 景，设计出一套高效能、低成本的冷库控制系统。为保证旧设备的兼容以及上一代控制 系统的优良特性，参考原系统，提出新的解决方案。 硬件电路使用其上一代控制系统g c l 7 1 1 的硬件设计，采用8 位单片机a t m e g a l 2 $ 做为核心处理器，采用7 l b l 7 6 实现标准r s 4 8 5 电路，采用l m 2 5 9 4 设计电源电路，采 用恒值电流热电阻法完成测温电路，采用d m 7 4 0 7 驱动继电器输出。冷库温度控制具有 惯性大、控制精度要求不高等特点，因此采用简易有效的b a n g - b a n g 控制。冲霜是冷库 控制中必不可少的环节，有效的冲霜可以大大提高制冷效率，周期循环冲霜的策略是较 常用的做法。控制的难点在于设备启停的顺序和时机，防止设备间的作用造成彼此问的 损伤，避免大功率设备的频繁启动对电网造成的污染。本设计受极限编程思想的启发， 上位机监控软件的开发超前于控制软件，通过阶段性开发的迭代实现最终的目标。通过 p c 机串口利用m o d b u s 协议对g c l 7 1 9 控制器进行监控。针对m o d b u s 主从式收发 的特点，为提高监控软件执行效率，将操作系统“阻塞对象”融入监控程序的异步流程 控制中。实时的多任务处理是一个优秀控制器的基本要求，采用嵌入式高级操作系统可 以较容易地实现。但是做为一款8 位的单片机，无法安装操作系统，因此在程序设计上 要实现任务的分割。借助有限状态自动机的原理和分析方法，本文提出一种实现简单的 同时在使用上可以保证任务的模块化设计的程序框架。 本设计方案与实施计划在实践中证明其合理性。项目成果业已转化为产品，在近一 年的应用中，客户反馈的正面评价多于负面评价并肯定了控制程序的功能完备性与可扩 展性。 关键词：冷库温度控制；中断式串1 2 编程；多任务处理 大连理工大学硕士学位论文 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f c o l ds t o r a g ec o n t r o l l e r a b s t r a c t t h i sp 印e rt a l 【舒t h e “c o l ds t o r a g ea u t o m a t i cc o n t r o l l e rg c l 7 1 9 ”f o rt h e “d a l i a n b i n g s h a nj i a d ea u t o m a t i o nc o l t d 勰t h ea p p l i c a t i o nb a c k g r o u n da n dah i g h - p e r f o r m a n c e b u tl o w - c o s tc o l ds t o r a g ec o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d t ob ec o m p a t i b l ew i t l lt h el e g a c ya n d k e e pt h ea d v a n t a g eo ft h el a s tc o n t r o ls y s t e m ，t h en e ws o l u t i o nb a s e do nt h el a s to n ei s p r o p o s e d t h eh a r d w a r ec i r c u i tc o m e sf r o mt h ed e s i g no ft h el a s ts y s t e m “g c l7 1 l ”i n c l u d i n gt h e a t m e g a1 2 8f o rt h ep r o c e s s o r , 7 l b l 7 6f o rt h er s 4 8 5c i r c u i t ，d m 7 4 0 7f o rt h er e l a y so u t p u t a n dt h ec o n s t a n t - c u r r e a tt h e r m a lr e s i s t a n c es y s t e mf o rt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t 1 1 1 ec o l d s t o r a g et e m p e r a t u r ec o n t r o lo w i l st h ef e a t u r e so fg r e a ti n e r t i aa n dl o wa c c u r a c y , s ot h es i m p l e b u te f f e c t i v ec o n t r o ls y s t e m ，b a n g - b a n gs y s t e m ，i su s e d t h ed e f r o s t i n gw h i c hc a ni m p r o v e t h ec o o l i n gp e r f o r m a n c ei sa ne s s e n t i a ll i n ko ft h ec o l ds t o r a g ec o n t r o ls y s t e m ，a n dt h e s t r a t e g yo ft h ec y c l ed e f r o s t i n gi st h ec o m m o no n e t h ek e yp o i n ti st oc o n t r o lt h eo p e r a t i o n s e q u e n c ea n do p p o r t u n i t yo f t b ee q u i p m e n t si no r d e rt oa v o i dt h ee f f e c tw i t h i nt h ee q u i p m e n t s a n dt h eg r i dp o l l u t i o nd u et ot h eh i g h - p o w e re q u i p m e n to p e r a t i o n 1 1 1 ep r o j e c tg e t st h e t h o u g h tf r o mt h ee x t r e m ep r o g r a n u n i n g , s ot h ep r o g r a m m i n gf o rm o n i t o r i n ge x c e e d st h eo n e f o rt h ec o n t r o ls y s t e ma n dt o u c h e st h eg o a lt h r o u g ht h ei t e r a t i o nb yt h ed e v e l o p m e n tp h a s e s t h em o n i t o r i n gs y s t e mi sb a s e do nt h em o d b u sp r o t o c o lb e c 、嘲t h ep cs e r i a lp o r ta n dt h e c o n t r o l l e r s a c c o r d i n gt ot h em a s t e r - s l a v ec o m m u n i c a t i o nf e a t u r e s t h e b l o c k i n go b j e c t s o ft h eo p e r a t i o ns y s t e ma r ei n v i t e dt ot h ea s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o nf o rt h em o n i t o r i n g p r o g r a m m i n gi no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h et e s t i n gs o f t w a r e t h er e a l - t i m e m u l t i t a s kp r o c e s s i n gi st h ef u n d a m e n t a lc h a r a c t e ra n di ti se a s yt o i m p l e m e n tf o r t h e e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m b u tf o rt h e8 - b i tm c u ，t h eo p e r a t i o ns y s t e mc a nn o tb ei n s t a l l e d ， s ot h et a s kd i v i s i o ns h o u l db er e a l i z e da tt h ep r o g r a m m i n gd e s i g nl e v e l b ym e a n so ft h e t h e o r ya n da n a l y z et o o l so ft h ef i n i t es t a t ea u t o m a t a , t h ep a p e rp r o p o s e sas i m p l ef r a m e w o r k f o rt h em o d u l a rd e s i g no f t h ec o n t r o lt a s ka sw e l l f i n a l l y t h i ss o l u t i o na n di m p l e m e n t a t i o ns c h e m ei sd e m o n s t r a t e dt ob er e a s o n a b l e 1 1 1 e p r o d u c t sw i t l lt h ei d e ao ft h ep a p e rh a v eb e e np u ti n t ot h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o nf o ra b o u to n e y e a r t h ep o s i t i v ee v a l u a t i o nf r o mt h ec u s t o m e r si sm o r et h a nt h en e g a t i v ea n dt h e ya p p r o v e t h em a t u r i t ya n de x p a n s i b i l i t yo f t h ec o n t r o l l e r k e yw o r d s ：c o l ds t o r a g et e m p e r a t u r ec o n t r o l ；s e r i a lp r o g r a m m i n gi ni n t e r r u p tm o d e ； m u l t i t a s kp r o c e s s i n g i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 l 厂 作者签名：丕! 垤竺日期：忽1 2 ：兰， 人连理工火学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者虢到垫 导师虢方2 壶ju 大连理工大学硕士学位论文 引言 制冷技术同生产、生活息息相关。在生活中，制冷广泛应用于食品的保鲜与储藏， 提供人体感觉舒适的生活环境；在工业生产中，提供恒温恒湿的生产环境，对材料低温 处理，利用低温进行零件见的过盈配合等；在农牧业中，对种子进行低温处理，农副产 品的低温保鲜；在建筑工程中，利用制冷实现冻土开采土方；在医疗中，深低温冷冻骨 髓和外周血干细胞，利用低温对人体麻醉等；制冷技术在尖端科研领域起着举足轻重的 作用，如微电子技术、新型材料、宇宙开发和生物技术等方面。 1 】 我国的冷藏市场是巨大的。冷库技术在我国的工、农、医疗卫生等方面均有广泛的 应用，尤其在农副产品的保鲜和食品加工方面需求最大。众所周知，我国是世界上的农 业大国，而农副产品保鲜是农产品产销链上的重要环节。在市场上已经几乎看不到没有 冷藏处理过的农副产品。“目前我国的肉类食品厂有2 5 0 0 多家，年产肉类6 0 0 0 万吨， 产量以每年5 左右的速度递增；速冻食品厂2 0 0 0 多家，年产量超过1 0 0 0 万吨，并以 每年2 0 的幅度递增；冷饮业4 0 0 0 多家，年产量1 5 0 多万吨，产量以每7 左右的速度 递增；乳品业1 5 0 0 多家，产量8 0 0 万吨，每年以3 0 的速度递增；水产品产量4 4 0 0 万 吨，每年以4 的速度递增。”1 2 】 我国急需冷藏技术的发展。目前在科研、医疗方面要求精度高、反应速度快的制冷 设备几乎完全依赖进口。在工业生产中，节能环保的制冷技术也几乎为国外垄断。同时， “我国平均食物年产值约为3 0 0 0 亿美元，超过2 0 的食物由于没有很好地冷藏，在运 输过程中被浪费。仅水果、蔬菜等农产品在采摘、运输、储存等物流环节上损失率就达 2 5 3 0 ，每年有总值约9 2 5 亿美元的农产品在运输中损失，腐烂损耗的果蔬可满足近 2 亿人口的基本营养需求，损耗量居世界首位，而发达国家的果蔬损失率则控制在5 以下。” 2 1 传统的冷藏技术存在诸多问题。传统技术主要存在手控方式和手主令控制方式。手 控方式劳动强度大，控制精度低，可靠性、安全性差。而手主令控制方式将主令开关集 中置于控制室内，但人为因素仍然过高，且大量的数据电缆增加了实施的成本，同时也 增加了安全遗患。在我国冷库制冷系统中，8 0 以上使用氨做为制冷剂。氨不但对人体 来说是有害气体，同时也是易暴气体，当空气中氨的含量达到1 6 2 5 ( 容积百分比) 时，遇明火会引起爆炸。为了提高冷藏技术的安全性，必须加强制冷设备的故障处理能 力。【3 】 我国制冷行业的发展推动了制冷技术的发展。我国是最早使用天然制冷技术的国 家，早在战国时期就有使用冰窖的史料记载。但直到1 8 3 4 年，世界上第一台以乙醚为 冷库控制器设计与实现 制冷剂的制冷器才诞生，随着材料科学的发展，先后发明了以氨和氟里昂为制冷剂的制 冷设备。我国于1 9 5 5 年建造了总容量为4 万吨冷库。这也是中国冷库制造业的起点， 1 9 6 8 年在北京兴建了第一座水果机械冷库，1 9 7 8 年建造了第一座气调库，截至1 9 9 1 年 底，我国共建冷库4 1 3 1 5 万吨。开封空分集团有限公司于1 9 9 5 年首次引进组合式气调 冷库技术，并在山东龙口建造1 5 0 0 0 吨气调冷库，这是我国大型组装式气调冷库的第一 个成功案例。1 9 9 7 年在陕西西安又建造了一座1 0 0 0 0 吨气调冷库，其气密性已经达到了 国际先进水平。近些年来，出现了各种种类、转速更快的制冷机，同时，随着控制理论 的发展，各种先进的控制算法在制冷系统中发挥了巨大的作用。制冷系统日臻完善，并 在生产、生活以及科研领域得到广泛的应用。【4 】 冰山嘉德自动化有限公司是冰山集团大连冷冻机股份有限公司与英国嘉德国际自 动化有限公司合资兴办的高科技企业。公司以中国制冷行业龙头企业大连冰山集团 为依托，借助于具有国际领先水平的英国嘉德国际控制有限公司的技术，以信息化带动 工业化，改造传统产业，增强企业创新能力，提升国际竞争力。目前已开发完成适用于 制冷产业链上的模块化产品数十种，开发完成各种控制器配套的嵌入式软件数十种，开 发完成各种大型冷库、空调、冷冻站、冰场、大型商用空调分户计费、纺织、农业通用 组态软件。2 0 0 3 年获得大连市科技技术局颁发的“高新技术企业认定证书”。2 0 0 4 年 被列为国家信息产业部信息化试点单位。2 0 0 4 2 0 0 5 年度获得大连市信息化推广先进单 位。 目前冷库温度控制均针对多点温度采用分布的集散控制方案，但是根据不同的应用 场合采取了不同的实施方案。对于安全性、模块化要求高的场合，通常采用p l c 最为 核心处理单元。p l c 是专门针对工业上逻辑控制的实施而开发的产品，因此无论从功能 上还是处理能力上都是不错的选择；对于网络功能要求比较多的场合，通常使用a r m 系统，目前a r m 产品均提供了丰富的网路接口，再辅以嵌入式操作系统的网络功能， 可以实现丰富的网络传输协议；对于控制算法复杂的场合，通常采用a r m 嵌入式系统 或者工控机，它们可以提供实现复杂算法所必须的高速浮点数运算和巨大的程序空间。 由于冷库温度控制无一例外地均以温度作为被控对象，所以采用何种检测温度的方法也 是一个重要问题。目前市场上存在各种温度传感器和采集卡，这些产品均提供了高可靠 的性能和丰富的接口，适于应用到各种控制系统设备中。上位机监控程序是人机交互的 主要部分，目前各种解决方案大都采用了专业的组态软件。组态软件不但提供了丰富的 设备驱动，同时提够了简单的、可视化的开发工具，降低了开发难度。i t - 1 4 】 本文的设计从实际应用出发，考虑到实施的技术指标与成本的矛盾关系，提出了一 个较为合理的解决方案。首先说明的是，本设计的应用场合是一类温度控制精度和实时 大连理工大学硕士学位论文 响应要求不高的场合。同时客户只要求m o d b u s 协议同其它仪表进行通讯，因此只需 要实现r s 4 8 5 接口。所以本方案抛弃了成本昂贵的p l c 、a r m 嵌入式系统、工控机、 温度传感器、温度采集卡和组态软件，使用单片机搭建这个控制平台，并自主研发一套 功能齐全的上位机监控软件。我们的期望是更高的产品性价比。 下文将结合设计要求，讨论上位机监控软件和控制器的设计与实现。 冷库控制器设计与实现 1需求分析 根据大连冰山嘉德自动化有限公司的“全自动冷库控制器g c l 7 1 9 ”设计要求，针 对其低成本、高性能、扩展性好的特点，设计出功能齐全的控制系统。由于要保持上一 代控制系统的优良特性，以及和原有设备的兼容，控制系统硬件部分采用其上一代产品 g c l 7 1 l 的设计。同时可以使用g c l 7 1 l 原有的底层函数，比如定时器函数集，模拟量 转换函数集，串口通讯函数集，继电器函数集等，这样可以降低开发时间和调试时间， 将主要经历放在程序的优化上。 主要功能包括库温控制，冲霜控制，故障诊断和m o d b u s 通讯。冷库控制器在上 电后，根据控制开关( 四档位旋钮开关) 状态，可以处于四中工作状态：自动状态，手 动状态，除霜状态，停止状态。当处于自动状态时，进行自动制冷，自动冲霜；当处于 手动状态时，立刻进入制冷时序，一般用于设备调试期间；当处于除霜状态时，进入手 动冲霜状态，立刻进行冲霜时序；当处于停止状态时，按照停止时序关闭各种设备，关 闭后，保持它们的关闭状态。 1 1 库温控制 根据感温元件的类型( p t l o o 或热敏电阻) 及连接方式的不同( 二点式或四点式) ， 可以选择回风温度控制或回风温度、出风温度、温度1 、温度2 ( 温度1 、温度2 为预留 温度检测点，可根据现场情况选择) 的平均温度控制。( 注：回风与出风分别指通风管 道的入口和出口采样点。) ( 1 ) 输入输出 检测量：回风温度( 或四点平均温度) 。 控制量：供液电磁阀，风机( 最多四组) 。 ( 2 ) 制冷时序分析 开供液电磁阀( 经过“延时开风机时间”) 开风机( 每台问隔“风机延时时间”) 。 ( 3 ) 制冷停止时序 关供液电磁阀( 经过“延时关风机时间”) 。 关风机( 每台间隔“风机延时时间”) 。 ( 4 ) 设定参数 温度设定值及偏差值。 延时开风机时间( 参考值0 3 0 秒) 。 大连理工大学硕士学位论文 延时关风机时间( 参考值0 3 0 秒) 。 风机延时时间( 2 秒) 。 风机选择设定。 控制方案选择( 方案一：按回风温度控制；方案- - ：按回风温度，出风温度， 温度1 和温度2 ) 的平均值控制。 1 2 冲霜控制 冲霜控制具有较高优先级，它可以中断其它控制，除停机操作外，不受任何控制的 影响。但当冲霜即将结束时，即开回气电磁阀之后，允许其它控制正常运行。 ( 1 ) 输入输出 检测量：手动冲霜指令或冲霜时间间隔。 控制量：排水管加热阀，供液电磁阀，回气电磁阀，风机( 最多四组) ，热氨 冲霜阀，旁通电磁阀，冲霜水阀。 ( 2 ) 时序分析 关供液电磁阀，同时开排水管加热电磁阀，即停止制冷，进入冲霜过程。 关回气电磁阀( 经过“延时关回气时间”) ，同时关风机( 每台间隔“风机延 时时间”) ，风机全部关闭后，开热氨冲霜阀。 开冲霜水阀( 经过“延时开水阀时间”) 。 关冲霜水阀( 经过“水阀时间长度”) 。 关热氨冲霜阀( 经过“热氨时间长度”) ，同时开旁通电磁阀。 经过“旁通阀时间长度”，检测回风温度曲线，根据温度确定是否进入制冷过 程。 关旁通电磁阀( 经过“冲霜后供液时间”) 。 关排水管加热电磁阀( 经过“排水管加热时间长度”) 。 ( 3 ) 注意事项 排水管加热开通时间就是整个冲霜过程时间。 冲霜水阀开通时间应在热氨冲霜阀开通时间内。 ( 4 ) 设定参数 冲霜时间间隔。 延时关回气时间t 3 ( 参考值o 1 5 分) 。 延时开水阀时间t 6 ( 参考值o 2 0 分) 水阀时间长度t 5 ( 参考值o 2 0 分) 。 冷库控制器设计与实现 热氨时间长度1 4 ( 参考值o 4 0 分) 。 旁通阀时自j 长度t 9 ( 参考值o 3 0 秒) 。 旁通阀后续时间长度t 1 0 ( 参考值0 3 0 s ) 。 排水管加热时间长度t 7 ( 参考值0 4 0 m i n ) 约束条件 包括两条，其一t 4 t 5 + t 6 ，其二t 7 t 3 + 4 x 2 叫r 4 + 1 9 叮1 0 。设计要求的时序上指 给出了所有时间参数的取值范围，但没有给出它们之间的具体关系表达式，这条是在实 现的过程中附加的。这样做主要保证求取时间相对间隔的时候不会出现负值。 1 3 故障诊断 故障根据其严重性，可分为两种：手动恢复性故障与自动恢复性故障。手动恢复指 发生的是系统或设备出现严重的问题，此时，需要系统停止运转( 控制器按照一定顺序 依次按照固定时间间隔关闭所有设备) ，避免造成无法挽回的损失，比如，测温元件断 线。待操作人员将故障排查完毕后，发送故障恢复指令，如果此时再次检测而没有发现 该类问题，系统方可恢复运行。自动恢复性故障严重性要低一些，通常是一些暂时的问 题，经过一段时问的运行与调整，故障便可自动消除，比如，温度高报警。下表是故障 报警的条目与处理措施。 表1 1 报警处理方法 t a b l e1 1a l a r mp r o c e s s i n gm e t h o d 大连理工大学硕士学位论文 1 4m o d b u s 通讯 作为分布式处理系统，通讯是必不可少的功能。要求采用m o d b u sr t u 通讯协议， 假定所有寄存器均为1 6 位，连续编址，只读区采用0 4 功能码，读写区采用功能码0 3 读以及功能码0 6 写。为保证精度，对温度数据采用“乘十”处理( m o d b u s 传递的参 数均为整数，因此将温度值乘l o 之后，就可以表示一位小数，如l o 1 用1 0 1 表示) ， 以便在整型寄存器中表示小数。同时类似温度这样的数据回存在负值的情况，因此对于 此类参数实际传递的是有符号1 6 位整型数据。而其它不会出现负值的参数，均用无符 号1 6 位整型表示( 在使用的时候需要强制类型转换) 。 1 5 软件设计要求 ( 1 ) 代码必须符合a n s ic 标准； ( 2 ) 编译器：i a r c c o m p i l e r f o r a v r ( 3 1 0 1 5 ) 以上： ( 3 ) 链接器：i a rxl i i l l 【( 4 5 6 6 o ) 以上； ( 4 ) 开发环境：i a re m b e d d e dw o r k b e n c hi d e ( 3 0 2 o ) 以上。 冷库控制器设计与实现 2 硬件电路介绍 本章简要介绍控制器主要硬件电路的原理。对于主要部分仍然着重分析，但是对于 那些通用电路部分只是简要说明，详细说明查阅相关手册就会获得，所以本章不再重复。 硬件外围电路主要包括输入电路，输出电路，电源电路和r s 4 8 5 通讯电路。输入电 路可以接受1 6 路二线制热电阻( p t l o o o 或2 k 2 热敏电阻) 或者8 路三线制热电阻( p t l 0 0 或p t l 0 0 0 ) ，以及1 路o 5 a 电流。输出电路可接受9 路继电器输出。电源电路支持 2 4 vd c a c 。通讯电路支持两路r s 4 8 5 通讯。 2 1 输入电路 输入电路的设计思路是将所有待检物理量，都转换为电压信号。一共有两种物理量 需要转换，即电阻和电流。根据欧姆定律，电阻、电流与电压存在必然联系，当其中之 一为常量时，另外二者就成正比或反比关系。因此当检测电流时。只需串入一个阻值合 适的固定电阻；当检测电阻时，仅需要一个恒流源。 模拟输入信号与数字输入信号处理相同。数字量也可视为模拟量的特殊情况，数字 输入通常为机械开关，因此可以将其转换成对阻值的判断。所以在输入电路上没有将二 者区分，而在程序中根据配置信息对二者加以区分处理。输入电路包括两部分，滤波电 路和模拟量多路选择电路。实际电路中共有1 6 路弱电输入，对它们的处理都是相同的， 所以仅以一路输入加以说明。 输入滤波电路包括两部分，低通滤波和低压钳位。图2 1 为输入滤波电路，首先用 r c 滤波去除高频噪声，然后采用两个二极管组成钳位电路，将输入限制在o 5 v 。对于 不同的输入对象应该采用不同的滤波器，才能提高滤波的效果。显然硬件电路的设计没 有考虑到这一点，这是由于考虑到要提高控制器的应用灵活性，因此对所有端口采用了 相同的滤波参数。但是在软件设计上对此进行了补救，针对不同的连接方式和连接设备， 采用了更为合适的数字滤波。 图2 1 输入滤波电路 f i g 2 1 蛳tf i l t e rc i r c u i t 大连理工大学硕士学位论文 输入电路将通过恒流源和多路选择电路的合理利用，将电阻转换为电压信号。输入 信号经过滤波被送入多路选择电路，然后经过a d 转换器将数字量传送到单片机的并口 上。如图2 2 ，可以看出最下部为两个由集成运算放大器组成的简单电流源电路，设计 两路电流源主要是为了匹配不同类型的电阻。两路电流源可以根据需要，由两级多路选 择电路选择输出到输入端口上。第一级的多选电路选择电流源的大小，第二级选择输入 端口。连接输入端口的4 0 5 1 共有两片，上面一片负责选择输入量，并经过不同比例的 放大，以供选择；下面一片将电流源引入输入端口，以提供输入端电阻的驱动电流，于 是可以根据电压值推算输入端口所接阻值大小。由于上片4 0 5 1 的复用端接的是集成运 放，所以电流源的电流将几乎全部流入电阻，因此在程序中可以很方便的用电压除以电 流求取电阻值。 图2 2 输入电路 f i g 2 2i n p u tc i r c u i t 上面谈到的是二线值热电阻的应用原理，对于三线制热电阻同样也利用了恒值电流 法测量电阻。首先，三线制热电阻应该将a 、c 两端分别接于输入端口和地线，然后将 冷库控制器设计与实现 b 端接入邻近的输入端口。此时，使用了两个输入端口，以及一个地线，同时自然形成 了连个回路，每个端口和地线之间都有一个回路。其中一个回路间接入的是热电a 、c 端的两条导线( 设负载阻值为r 2 ) ；另一个回路接入的是热电阻以及其b 、c 端两条导 线( 设负载阻值为r i ) 。所以可以用多选器控制电流分别流入两个端口，并分别测出 两个端口对应电阻的阻值，最后热电阻的阻值就是r = r 1 r 2 。 当输入接入的是开关时，测量原理同测量二线制电阻。当开关闭合时，输入端加驱 动电流后对地电压几乎为零；当开关打开时，此时电阻无限大，但是输入滤波电流有 肛5 v 钳位，所以对地电压接近5 v 。因此设定一个电压门限值，跟输入电压比较之后， 判断开关状态。比如o 加5 v 代表逻辑0 ，4 5 5 v 代表逻辑1 2 2 输出电路 输出电路通过继电器控制交流回路。由于单片机带载能力有限，所以采用d m 7 4 0 7 提高带载功率。输出电路共有9 路，采用d m 7 4 0 7 寄存p e 口的状态并驱动继电器。驱 动继电器时，其为感性负载，应该使用续流二级管消耗掉感抗的能量。继电器用于控制 高压交、直流回路，当继电器触电闭合或断开时，会出现高压脉冲，因此可能会发生火 花放电的情况。目前较常用的做法是使用r c 滤波削弱高压脉冲，因此在输出端口处并 入一个电容。其中一路如图2 3 所示。 7 4 f 0 7 图2 3 输出电路 f i g 2 3 o u t p u tc i r c u i t 2 3 电源电路 电源电路支持2 4 v a c d c 输入，5 v d c 和1 2 v d c 输出，如图2 4 所示。采用四线 双绞线，其中两根用于r s 4 8 5 通讯，另外两根用于提供2 4 v 外接电源。电源电路采用 半波整流将可能的交流输入转换为直流，第一级为采用l m 2 5 9 4 模块组成的开关电源电 路，输出+ 1 2 v 直流电压，输出端的电感保证了电源的输出功率；第二级为由7 8 0 5 模块 大连理工大学硕士学位论文 构成的电压调节器，可以保证最终输出稳定的+ 5 v 电压。为保护电源电路，使用二极 管d 2 防止电流回灌。 图2 4 电源电路 f i g 2 4p o w e rc i r c u i t 2 4r s 4 8 5 通讯电路 借助单片机的u s a r t 功能，实现半双工的r s 4 8 5 通讯，如图2 5 所示。使用标准 r s 4 8 5 模块7 l b l 7 6 ，搭建通讯电路，实现r s 4 8 5 标准。7 l b l 7 6 的特点在于其内部集成 了读写使能端的上拉电阻，以及差份输出端的上拉电阻，保证在总线空闲时输出高电平。 输出端加入了由反向二级管组模块组成的上下限钳位电路，保证无论当输入还是输出 时，r s 4 8 5 的a b 线都在驱动电路允许的电压范围内。 图2 5r s 4 8 5 通讯电路 f i g 2 5r s 4 8 5t r a n s m i t t i n g r e c e i v i n gc i r c u i t 冷库控制器设计与实现 2 5 其它电路 单片机外围电路以及s p i 接1 3 采用手册标准电路。a t m e g a l 2 8 允许使用l 1 6 m h z 石英晶振，提供系统时钟，本设计此用的是4 m h z 的石英晶振。与其它单片机不同的是， a t m e g a 系列单片机还需要设置相应的熔丝位以配合不同的时钟频率。s p i 接口提供了 对单片机编程以及设置熔丝位的功能，它是a t m e g a 系列单片机固有的功能，只需要将 s p i 接到相应的端口上并配置相应的熔丝位即可。 大连理工大学硕士学位论文 3 监控程序设计 随着软件产业的日趋繁荣，软件工程的管理也越来越复杂，亟需针对当下环境、行 之有效的项目管理方法。在大型软件的开发中，每个有经验的工程师的代码维护量在2 万行左右，而整个工程的代码量可能会在几十万甚至上百万行。这就需要对工程的规划 准确且合理，而准确性最终体现在对需求的准确把握上。众所周知，对于客户行业来说， 软件工程师缺乏必要的专业知识，反之，客户也没有足够的计算机知识。这阻碍了二者 之间的沟通和理解，它是软件行业中很普遍的矛盾对立双方。传统的软件工程方法多是 重量级的，它们要求在软件开发的最初就开始维护大量的文档，不可否认，这对分析需 求以及工程管理上的作用是不容忽视的。但是在当前很多情况下，按传统观念建立的大 量文档，一方面需要消耗大量开发资源，同时却己失去帮助“预见、管理、决策和控制 的依据”的作用。因此必须重新审视开发环节，去除臃肿累赘，轻装上阵。 3 1 极限编程 极限编程( e x t r e m ep r o g r a m m i n g ，x p ) 是一种以降低开发难度，提高对客户需求 响应速度为目标的软件工程方法论。它经历了许多实践开发的考验，诞生了大概有7 年， 并成功地应用在许多大型公司，如b a y e r i s c h el a n d e s b a n k ，c r e d i ts w i s sl i f e ， d a i m l e r c h r y s l e r ，f i r s tu n i o nn a t i o n a lb a n k ，f o r dm o t o rc o m p a n y 以及u b s 等。一个典 型的项目花在人力上的成本是硬件的2 0 倍。程序员可以通过他们的智慧将硬件成本降 低2 0 ，但是源程序将会是难懂和难以维护的。相反，如果我们编写的程序简单而且容 易扩展，则可以减少l o 的人力成本，这是客户更加关注的节省。极限编程注重测试和 对需求的快速响应，这也都是客户关注的焦点。极限编程有别于传统的软件开发，它是 软件开发的新的发展，也是软件业追本溯源的回归，因为其它方法可以视为管理学在软 件行业的解决方案。 极限编程提供给的是一种对待问题的态度。传统的软件工程方法提供给开发者一套 步骤、标准，它们的可行性都很高。但是，反观极限编程，没有这些类似于手册的规范， 它只是告诉开发者“几点注意事项”，具体如何实施靠开发者自由发挥，这也许是极限 编程理论尚未成熟的原因。极限编程给予开发者一种看待问题的思想，解决问题的思路， 它是在实践中产生的，并在实践中证明的一种开发理念。 极限编程是针对业务与软件开发，并将二者的力量集中在共同的、可以达到的目标 上的一组规则。极限编程符合人们认识事物的客观规律，人们对于事物的认识总是由浅 入深的，对形式的理解是这样，对内容的理解同样如此。软件开发者对于客户业务的了 冷库控制器设计与实现 解是一个逐渐深入的过程，软件开发者和客户对同业务对象的认识程度肯定是不同 的。认识指导实践，解决方案的成熟度基于对业务流程的理解和分析。因此在软件开发 过程中，应该让开发者和客户人员一同发展，让解决方案在此期间不断进步开发者和 客户应当基于对于业务理解的共同程度，达成共识，并随着认识的不断提高，将项目不 断推进。 极限编程的目标在于创造出符合客户需要的软件。什么才是客户需要的软件，只有 真正的了解需求才知道。有些时候，软件工程师并未真正的了解业务而是通过主观臆断 或是经验主义，假想了客户的需求，结果是他们开发的好多东西客户都用不上，而只能 不断的通过对软件“打补丁”，对软件升级，来满足客户的需要。极限编程能够更有效 的响应客户的需求，即使是在软件周期的后期。它对需求的分析是一个动态的过程，随 着对于业务认识的增进，开发不断贴近用户的真正想法。 极限编程强调了人在软件开发过程中的作用。软件开发是人与人合作的过程，包括 工程师与客户之间的合作，以及工程师之间的合作，所以在软件开发过程中应充分利用 人的优点，弱化人的缺点。人是具有创造性思维的动物，如何解放思想，促进创新是人 才管理的关键。极限编程摒弃了传统方法的繁文缛节，给予了开发者更大的创作空间。 它是一种轻量级的方法，用直接编程取代文档和架构的分析。人不是机器，是极富有感 情的动物，当面临压力的时候，无法避免的对于看待事物的方法会发生改变。极限编程 是一种减轻压力的方法，它对需求的分析，对于功能的实现，都是一个循序渐进的过程， 因此项目开发的难度大大降低，工程师的压力也会大为降低。并通过沟通 ( c o m m u n i c a t i o n ) 、简单( s i m p l i c i t y ) 、反馈( f e e d b a c k ) 和勇气( c o u r a g e ) 四种思 想，减轻开发者的压力，发挥他们的创造力，降低工程的复杂度。 尽早的发现错误以及降低复杂度可以节约成本。如果在项目的后期出现问题，通常 由于开发量的巨大，分析问题和解决问题都是十分困难的，即使问题得到解决，恐怕采 用的也不是最优的方法。而极限编程的核心在于将系统分成可以在较短周期内解决的子 任务，以全面的测试、提高代码质量作为及早发现错误的有效手段。某些问题可以在开 发初期就能得以发现和解决，通过短小的迭代周期，就能获得阶段性的进展，并可以及 时形成一个版本供用户参考，以便对用户可能的需求变化做出及时响应。 3 2 解决方案 风险是每个项目不得不考虑的重要问题，尤其是当其来自于一个陌生的领域时。坦 率的讲，基于嵌入式的开发是我们课题组未曾涉猎过的。起初它对于我们就像一个“黑 箱”，谁也不敢肯定，当给予假定的输入是否能获得期望的结果。经过深入的研究，证 大连理工大学硕士学位论文 明传统的开发方式并不适合我们。因为无法确定最终开发的功能模块的可行性，又如何 想象不确定加上不确定最后会成为什么呢? 我们需要的开发方法显然应当在每一步都 是确定的。确定的结果和计划，对于开发者来说，无疑是最重要的。它能建立起开发者 的自信心，充分拓展创造力。风险来自于未知，也来自于工程的复杂度，极限编程的诞 生正是为了解决这类矛盾。 如果一开始就不是把目光聚集到如何开发出一个符合需求的完整模块上，而是如何 实现在现有的基础上可以设计出的新的特性，就可能打开那个“黑箱”。比如实现通讯 功能，先通过手头的资料，实现e e p r o m 的读写以及u s a r t 的收发，然后在此基础 之上，实现m o d b u s 协议，最后再根据客户的具体需求，将需要的参数传递或写入相 应的数据单元。 对于开发人员知识和经验的欠缺极限编程化繁为简、小周期迭代式的开发思想，可 以降低开发难度和风险。极限编程更适合小团队的开发，以简单但更具实效性的开发理 念，为工程的最终实施提供了可靠保障。在开发过程中，监控程序开发超前于控制程序 的开发，确保软件开发的每一步都能得到验证，并为下一周期的开发打下坚实的基础。 开发的优先性基于其在本项目的基础性。经过仔细的分析，上位机和下位机之间的 通讯是所有测试的基础，因此需要最先设计和实现的是上下位机的通讯模块。由于没有 单片机的仿真器，所以下位机的调试非常困难。于是利用上下位机问的通讯，通过下位 机将调试信息输出给上位机监控软件，分析调试信息。如果程序中存在问题，可以在调 试的阶段尽早发现。通讯控制程序的核心就是时序控制，故障诊断要根据时序控制的设 计而进行必要的调整。不考虑故障诊断的功能，时序控制可以正常设计，但是不考虑时 序控制而仅分析故障诊断的设计通常是不完善的。同时，对时序控制的简单实现，就可 以交付一个初级版本给用户进行测试，对其提出的意见也可以快速的体现在下一个版本 中。通常和客户关于业务的交流是非常困难的，尤其是在抽象的分析需求的时候。但是 如果给用户一个设计的模型，就会增强交流的基础，对双方的沟通帮助很大。图3 1 是 各功能模块的开发时间关系图。 本项目的开发是对极限编程思想的实践。从最初的需求分析，再到开发，最后调试， 全都采取了极限编程的设计思想。具体可以描述为以下几点： ( 1 ) 规划策略( t h ep l a n n i n gg a m e ) 。规划是持续的、循序渐进的。由于项目的规模 较小，所以以一个月为迭代周期，效果不错。每个月制定下一个月的目标和任务，在月 末的时候进行总结和制定下个月的计划。 冷库控制器设计与实现 ( 2 ) 结对编程( p a i rp r o g r a m m i n g ) 。在实践中发现它不是必要的，不同开发者对于业 务的掌握情况不同、能力也不同，此时一方可能就成为了另一方的累赘。但是其倡导的 共享和互助的思想是应该提倡的。 ( 3 ) 测试( t e s t i n g ) 。从始至终，测试都被给予很高的重视。极限编程的特点决定了 其测试环节的重要性，在工程的每个阶段都需要全面的测试。在测试中发现的问题，可 以尽早的解决，保证以后的工作可以顺利开展，同时增强团队开发的自信心。 ( 4 ) 重构( r e f r a c t o r y ) 。每当业务发生变化的时候，都有重构的可能，但是极限编程 是一种循序渐进的过程，其每个阶段都会有一个发布版本而且每个版本通常又是相对简 单的，所以其重构的过程要比其它软件工程简单的多。 ( 5 ) 简单设计( s i m p l ed e s i g n ) 。简单设计可以降低开发的复杂度和成本，但是程序空 间和时间的效率可能很低。它有利有弊，关键是如何权衡。 ( 6 ) 代码集体所有权( c o l l e c t i v ec o d eo w n e r s h i p ) 。极限编程是种开放的、共享的、 集思广益的开发方式，每个人都可能从其它人的代码中获得解决问题的思路。但是每个 开发者的任务确不是集体所有的。 ( 7 ) 持续集成( c o n t i n