文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2010)08-0041-03
微波作為一種節能環保的新能源形式，近年來在國內外得到了迅猛發展，并且在陶瓷燒結、環保、脫硫等方面有了很多成功的實例[1]。微波加熱技術是工業控制中的一種特殊應用，如何對其控制直接影響微波加熱設備的應用前景。而微波加熱設備，尤其是大功率微波加熱系統，其繁雜的操作程序為其穩定運行帶來很多不確定因素，因此亟需設計安全、智能的控制系統[2]。現階段國內外大功率工業微波加熱系統存在系統功能過于單一、控制精度不夠等問題。針對這些問題，本文提出了一種基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統。
1 方案論證
目前國內外大多數微波設備采用的控制方式為觸摸屏+PLC控制系統。此系統用在實驗爐上時，雖運行相對穩定可靠，但具有一定的局限性：系統功能不豐富，控制精度不高，采樣頻率偏低，系統接口不夠開放，界面元素有限。
1.1 提出的方案
由于觸摸屏+PLC控制系統的諸多局限性，本文提出了另外一種解決方案，即基于Windows CE的大功率微波嵌入式控制系統。該系統分為兩部分：嵌入式主控系統板(以下簡稱EPC)、開發板和觸摸屏(人機界面接口板，以下簡稱HMI板)。其中EPC作為下位機，主要進行數據采集并在上位機的指令下控制外部設備；HMI板作為上位機，運行基于Windows CE的監控程序，并分析處理EPC發送的各種數據；基于Windows CE的監控程序，提供了報警、控溫等多種功能，實現系統的精確控制；觸摸屏用于實時顯示對用戶有用的各種信息，如溫度、功率比例和系統運行狀態等，同時使用戶可以方便地對系統進行操作，是用戶和系統進行交互的中介。
該方案具有以下優勢：(1)穩定可靠地傳送數據；(2)準確采集豐富的數據信息，便于后續的數據信息處理；(3)界面友好、操作簡單，能有效地實現遠程監控，功能相對豐富齊全；(4)編程靈活性提高，便于繼承已有的基于Windows的開發經驗，能夠有效降低開發成本。
1.2 主要硬件和軟件的選擇
選擇應用廣泛的S3C2440開發板，其優勢在于：開發資料豐富、全面，擴展功能好，性能穩定；選擇Windows CE操作系統，其能與桌面Windows系統有效通信，便于用戶的使用，且性能穩定可靠；選擇EVC(Embedded Visual C++)作為應用程序開發平臺[3]，其集成IDE環境可以使用戶快速開發控制臺、MFC等多種Windows CE應用程序，執行效率較高，而且能較大程度節省資源。
2 系統設計
采用基于Windows CE的大功率微波設備嵌入式控制系統，其基本設計思路是：EPC處理器將不斷變化的高電壓、電流、溫度和功率等模擬信號經過模擬-數字轉換處理后，通過RS232串口提交到HMI板，HMI板將獲取的數據在觸摸屏上實時顯示，并將這些數據分析處理后，將控制信號通過RS232串口發送到EPC。HMI板把獲取的數據實時顯示在觸摸屏上，進行分析處理后，通過RS232串口發送到EPC。EPC處理器接收到控制信號，經過計算后將該信號通過數字-模擬轉換處理，用模擬信號來控制燈絲電流和磁場線圈電壓等。HMI板和EPC之間的通信通過ModBus協議實現。系統原理圖如圖1所示。
2.1 硬件設計
HMI板是系統核心，實現對系統的監控。EPC主要進行數據采集并在HMI板的指令下進行操作，如實現對煙道風機、微波攪拌器等外部設備的控制，將采集的數據發送到HMI板進行處理等。系統進入工作狀態后，HMI板打開RS232串口，以取得與EPC的通信。若打開失敗，HMI板發出報警信息并對串口進行檢測；若打開成功，根據HMI板和EPC通信過程中設定的協議(此處是ModBus協議)，HMI板通過串口向EPC發送指令。EPC接收指令后，將其轉換為可以識別的命令，進行相應的操作，然后將操作結果通過串口反饋給HMI板，同時EPC不斷檢測設備的狀態信息。若出現異常，則通過串口將該信息發送到HMI板，HMI板同樣將該信息轉換為其可以識別的命令，發出報警。HMI板和EPC之間的通信交互以及命令格式的轉換等通過ModBus協議實現。
ADUC841是主處理芯片(如圖2)，它集成了模數轉換功能，其高速、高精度的ADC、DAC功能，以及在系統可調試、可下載的特點，特別適合在各種測控系統和儀器儀表中使用，是目前最容易掌握、開發和應用的單片機之一。
圖3為前向通道的信號處理部分。模擬信號自左邊進入后，經過第一個運算放大器進行信號隔離，然后在第二個運算放大器處進行一定比例的放大，在進入主芯片ADUC841進行模-數轉換前，設置起保護作用的BAT54SLT1，避免運放損壞時導致單片機的ADC通道損壞。
電路設計過程中，要盡可能提高抗干擾能力，以圖4電源部分為例，采用了LM2576系列的穩壓器，它能提供降壓開關穩壓器的各種功能，與其他系列的穩壓器相比，具有優異的線性和負載調整能力，并且成本低廉。
2.2 軟件設計
Windows CE操作系統定制時主要添加了桌面精簡及監控程序自啟動的功能。
通過對系統功能的需求分析，監控程序應實現如下功能：
(1)控制系統的啟動、停止和復位；(2)模糊PID系統校正狀態修正；(3)參數的讀和寫，主要是溫度的讀取和設置、控制周期和功率比例的設置；(4)報警，包括通信、陽極電流、爐門、冷卻水流量、磁控管溫度等的報警；(5)工作模式的選擇和切換，工作模式有3種：手動模式、自動模式、恒溫模式；(6)溫度節點和溫度區間的設置，折點的插入、刪除以及曲線的加載保存；(7)設定的溫度曲線圖和實時溫度曲線圖的顯示；(8)對微波攪拌器和煙道風機的控制，主要體現在工作模式和啟停溫度上；(9)運行記錄的顯示與存儲，顯示和存儲溫度、控制周期等參數的變化；(10)事件記錄的顯示，記錄系統的啟停時間和一些異常情況，便于系統的維護；(11)HMI板、EPC之間的串口通信。
根據以上功能，將該監控程序分為6個模塊，每個模塊實現一個或數個功能。Basic，實現功能(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(11)；Graph實現功能(7)；CurveSetting實現功能(6)；Options實現功能(8)；RunLog實現功能(9)；EventsLog實現功能(10)。程序流程圖如圖5所示。
3 系統實現與應用
本系統在應用過程中運行穩定可靠，不僅實現了串口通信、實時溫度曲線顯示、微波源控制等各種功能，而且提高了溫度的控制精度(達到±1 ℃)，且界面友好，操作簡單。
但在使用過程中也遇到了一些問題，主要集中在內存溢出問題上。由于Windows CE系統沒有虛擬內存機制，動態內存分配導致大量的內存碎片，系統運行十幾小時后便內存耗盡。解決方法是采用靜態內存分配，然后系統再次運行，內存溢出問題便得到了有效的解決。
系統應用在微波馬弗爐中，以氧化鋯高級瓷牙燒結為例，馬弗爐燒結溫度約為1 530 ℃，升溫時間60 min，保溫時間15 min，整個燒結周期為125 min，相比于傳統的微波燒結方式，燒結溫度降低了100 ℃，周期縮短了2/3，而瓷牙的品質得到提高。
在高溫微波燒結設備中采用該控制系統后，使得設備具備了豐富的功能，同時由于該系統性能穩定，控制精確以及操作方便，深受國內外用戶的好評。在此控制系統基礎上，正在研究增加CAN/RS232接口轉換[4]和Ethernet/RS232接口轉換功能，有待系統的進一步升級應用。
參考文獻
[1] 賈國光，楊正新，曾锃，等．基于嵌入式雙向通信的大功率波源線性智能控制系統[J]．機電一體化，2007，13(6)：40-43.
[2] 汪建宇，羅祥遠.微波加熱自動控制系統[J].微計算機信息，2003，19(10)：16-17.
[3] 張冬泉，譚南林.Windows CE實用開發技術.北京：電子工業出版社，2006.
[4] 徐超，曾锃，楊正新，等.工業應用領域CAN/RS232接口的現狀與未來[J].機電一體化，2010，16(4)：18-20.