基于嵌入式的FFU控制系统设计

孟庆松，李飞飞，王 东，常 春

（哈尔滨理工大学自动化学院，黑龙江哈尔滨 150000）

0 引 言

随着经济的发展和人们生活水平的提高，人们对产品质量的要求也越来越高。而生产技术和生产环境决定了产品质量，这就迫使厂家追求更高的生产技术和更好的生产环境。特别是电子、制药、食品、生物工程、医疗等领域对生产环境有着苛刻的要求[1]。对于大型场所，常采用多台通风设备，这就需要对多台通风设备集中控制，而传统的分散控制难以满足生产需求。而现场总线控制技术满足于工业的集中控制，现场总线技术以其开放性、数字化、双向传输、多站通信等独特优势脱颖而出，在集成电路、工业控制、仪器仪表等领域得到了极为广泛的应用。现场总线技术实现了控制功能的底层化，优化了传统的工业控制系统原理和结构，在各工业领域起到了不可替代的作用[2]。

FFU（Fan Filter Unit）作为一种净化设备，目前在各种洁净工程中得到广泛应用。FFU 又叫风机过滤单元，也就是风机和过滤器连接在一起，能自己提供动力的洁净设备。在FFU 的应用领域内，其控制系统的应用率还是比较低的，而且在国际市场上流行的FFU 智能化控制系统中，一般配备无刷直流电机FFU[3]。本文中所使用的FFU 为单相交流异步电机。

1 控制系统功能分析

该系统主要包括主机、从机及其通信部分，采用现场总线集散型控制方式，实现了FFU 调速、远程通信、人机交互设置等功能。采用液晶屏来实现人机交互功能，主机和从机之间的通信采用RS 485 通信协议，主机和电脑通信采用RS 232 通信协议，主机芯片和液晶屏通信采用串口通信方式，控制信号通过RS 485 模块传送到从机控制器，改变风机转速增加空气流动，空气通过SCAF（自洁式过滤器）降低空气粉尘浓度和二氧化碳浓度。电脑和主机通信，进行出厂设置和调试程序。采用现场总线控制系统可以节省许多传统通信线路的端子和线缆，使系统更加简洁。现场总线技术的全数字化通信特点特别适用于纠错和信息防撞的设计，进一步提高多点双向通信的可靠性[4]。

2 系统功能实现和电路设计

2.1 通信功能

系统采用星型与总线接线方式混合使用，整个系统由主机、硬件转发器和控制器组成。控制系统中，每一个和主机进行通信的从机设备都需要有自己唯一的通信地址。当使用转发器时，主机与转发器之间的接线采用星型连接。转发器与转发器、转发器与从机之间的接线为总线方式，转发器与转发器之间的接线称为一层总线。转发器与从机之间的接线称为二层总线。通过这些拓扑结构，远程控制系统可以通过单片机对大量FFU 进行集中控制和监控，即可以控制FFU 运行、停止，也可以监控FFU 状态和故障。因此这种集中控制系统与传统的分散控制相比，具有规模大，方便管理，局部故障不会影响其他FFU运行的特点。

二级网络混合拓扑结构图如图1 所示，它表示出电脑和主机通信，主机和从机通信的连接关系。主机和从机通信之间需要转发器转发，转发器的网络结构采取先星型后总线型连接，与主机连接的转发器是星型连接的两个节点，与从机连接的是总线连接方式。为了保证装置在错综复杂的环境中可靠运行，PCB 设计布线时，初级电路与次级电路分开布置，元器件布局要紧凑，元器件位置要按照信号流向进行布局，遵循先防护后滤波的原则；同组信号线要平行等长走线[5]。重点考虑信号的参考地，使信号有最小的传输路径[6]。

图1 二级网络混合拓扑结构图Fig.1 Two-stage network hybrid topology

2.2 FFU 驱动电路

驱动电路采用串联电容分压的方式，根据工厂的实际需求设计出三档调速，分别为高档、中档、低档。通过继电器选择控制档速，因为工厂的环境比较复杂，FFU的驱动电路必须可靠和稳定，因为数量多，节能很关键，串联电容分压调速可靠性高、能耗小，继电器控制稳定性高。继电器驱动电路采用光耦隔离开关和三极管，光耦隔离开关的作用是实现信号与强电的隔离，由于光耦隔离开关的驱动能力弱，加一个三极管提高其驱动能力。FFU 驱动电路图如图2 所示，A 端口接控制信号，L 端口接电源火线，M 端口接FFU端，Y1是继电器。

图2 FFU 驱动电路图Fig.2 Circuit diagram of FFU drive

2.3 人机交互界面

根据实际需求，液晶屏需要监视全部区域的FFU 运行状态，FFU 数量比较多，显示的信息量大，功能多，同时考虑到经济性，选用7 寸触摸液晶屏，液晶屏上不仅能显示FFU 的运行状态，还能进行调速、密码设置、区域启停设置等功能。当FFU 故障时，液晶屏上显示红色报警，蜂鸣器鸣响。

液晶屏主要显示两大界面：一是风机列表；二是系统设置。风机列表显示的是所有FFU 的运行状态，不能进行设置。在风机列表中，可以直接观察每一个区域，每一台FFU 的运行情况，当出现通信故障或FFU 运行不正常时，液晶屏上显示红色报警信息。系统设置显示的是所有功能的设置，即包括修改密码、屏幕亮度、厂家信息、恢复默认设置、恢复出厂设置、单机风速调整、从机批量启停、区域批量启停和联机数量调整。联机数量调整的功能根据客户的需求可以设定区域数量和从机数量，区域批量启停是为了方便操作，使整个区域的FFU启动或停止，液晶屏系统设置界面图如图3 所示。

图3 液晶屏系统设置界面图Fig.3 Setting interface of LCD screen

2.4 电流检测电路设计

通过电流检测可以判断出FFU 运行的档位，根据设定的档位与运行的档位对比可以判断出FFU 是否正常运行。A，B 端口与FFU 串联，T2为电流互感器，C1具有电容滤波功能，D1，D2，D3，D4为桥式整桥电路，E 端为芯片所测的模拟信号，根据测得的信号量转化为FFU 实际运行档位。电流检测电路图如图4 所示。

图4 电流检测电路图Fig.4 Current detection circuit

2.5 芯片选择

FFU 控制系统的功能多，信息量大，主机芯片需要3 个串口进行通信：一是主机芯片与从机通信，采用串口1；二是主机芯片与液晶屏通信，采用串口2；三是主机芯片与电脑通信，采用串口3。由于功能多，FFU 控制系统采用μC/OS-Ⅲ操作系统和emWin 人机交互界面，所以主机芯片采用STM32F407ZGT6 芯片，能够满足设计需求。从机控制器的芯片采用STC15W408AS 芯片，抗干扰能力强，具有加密技术，不需要外部晶振和外部复位电路，可省掉外部E2PROM，大容量2 KB SRAM，功耗低，可靠性高，这样在设计电路上就会方便很多。

2.6 电源模块设计

整个控制系统中，主机芯片电源电压为3.3 V，液晶屏、转发器和从机控制器电源电压为5.0 V，继电器电源电压12 V。各种电源电压模块的设计电路相同，电容、电阻和变压器的参数不同。电源模块采用CR1510 芯片电源管理模块，电源模块电路图如图5 所示。

图5 电源模块电路图Fig.5 Circuit diagram of power module

其中，F1为保险管，模块异常时熔断，切断故障；R2为绕线电阻，抑制浪涌电流；R1为压敏电阻，吸收雷击浪涌；L，N 输入端口分别为电源火线和零线；G，H 输出端口分别为正负电源口。

3 软件设计

3.1 系统程序分析

控制系统上电以后，系统进入初始化，初始化后，系统等待来自液晶屏的参数设置中断、电脑中断。电脑的中断为最高优先级，液晶屏的中断为最低优先级，如果2 个中断都没有，就会进行查询模式，主机查询所有FFU的当前运行状态，然后主机把从机发过来的运行状态发送给液晶屏显示并保存到存储器中；如果有液晶屏中断，主机把液晶屏信息内容保存并判断是否发送给从机；如果有电脑中断，主机会把信息保存并判断是否发送给从机，主程序流程图如图6 所示。

图6 主程序流程图Fig.6 Flow chart of main program

3.2 RS 485 总线通信协议设计

为了使主机能很好地控制各个从机工作和接收相应从机传回来的数据，严谨的总线通信协议是很关键的技术之一。为了避免总线上传输的数据受环境中各种因素的干扰，以导致数据传输有误，所以数据包应该加上帧头和帧尾。

1）命令信息

由主机发送各个转发器和从机的具体命令格式如表1 所示。转发器和从机识别帧头后开始接收5 个字节的命令，对命令解析后，根据解析的命令选择上传还是向下转发信息。

表1 主机发给转发器的命令格式表Table 1 Command format sent by the host to the repeater

2）数据信息

由主机发送的数据包的具体格式如表2 所示。数据包包括帧头、帧尾和有效数据，其中有效数据包含地址和风机的转速信息。

4 结果分析

为了检验控制系统的可靠性和稳定性，产品拿到企业做测试，在一段时间的运行期间，并没有什么系统故障问题，FFU 运行正常，输出风量符合公司的要求，驱动电路可靠，如果FFU 故障和通信故障，液晶屏上会显示报警信号，蜂鸣器发出报警，从机控制器点亮红灯。电脑和主机通信正常，通过电脑可以准确无误地设置FFU控制系统的出厂设置，并且可以在电脑上查看FFU 控制系统的运行情况。主机和液晶屏通信正常，可以把设置的数据保存在存储器中，恢复出厂设置数据无误，保存和恢复默认设置无误，可以通过液晶屏控制所有的从机设备。主机和从机通信正常，通过RS 485 通信模块把数据传送到从机并接收从机发过来的数据，在液晶屏实时地显示所有FFU 的运行状态。测量风速结果如表3所示。其中，FFU 无过滤芯时测量的数据，型号：ebmpapst M4E074-DF。

表2 主机发给转发器的数据格式表Table 2 Data format sent by the host to the repeater

表3 风速测量表Table 3 Wind speed meter

5 结 论

该控制系统已经投入运行，得到厂方的认可，方便施工人员的安装，同时可以快速地发现故障设备，减轻了劳动强度，提高了工作效率，功能齐全可靠，设备体积小、成本低，可应用于工厂车间、地铁通风等大型场所。