基于PC104的高集成度和模块化de设计及在温度控制系统中的应用

1、引言

温度在工业控制中是个很重要的参量，一个温控系统可以纯粹是个小型的控制温度的系统 ，也可以是整个大系统中的一个部分，但都需要用相应的硬件装置、机械设备和控制这些设备运行的软件来实现，而影响温度参量控制的主要因素也是来自这3个方面。但在具体设计时，这3个方面是相互约束又相互补充的，尤其是需要对温度瞬间的变化作出相应控制的系统，比如在某个温度区间里需要有什么样的控制精度、温度斜坡时间和温度均匀性等要求， 在机械设备已经限制的情况下，可以通过对硬件电路和软件的设计来弥补。

很多温度控制系统中，一般选用单片机来实现，由于每种单片机一般都有各自的一套开发 工具，需要花费一定时间和精力去学习研究才能掌握，并且相关的硬件接口设计也比较复杂 ，而采用PC104作为核心中央处理器，则可将主要精力放在软件和接口的设计上，而且PC104 的开发、维护和扩展都非常方便。PC104与通用的PC和PC/AT标准（IEEEP996）完全兼容，可以很快掌握其软、硬件的使用，而且他具备嵌入式控制的特殊要求：体积小、成本低 、可靠性高、寿命长、编程调试方便，配以不同功能的板卡，为嵌入式应用提供了标准的系 统平台。本文主要介绍了当前工控产品中比较广泛的PC104总线的硬件接口电路的设计以及软件设计，并把他作为一个嵌入式平台，运用到温度控制系统中，实现对温度参量的控制。

2、PC104总线简介

由于普通PC机在工业现场控制中存在着体积庞大、功耗高、可靠性差等缺点，美国Ampro 公司、德国Jeptec公司、瑞士的DigitalLogic公司等在1987年推出了PC104嵌入式模块，而严格意义的规范说明在1992年才公布，IEEE协会将IEEEP996作为PC和PC/A T工业总线规范，而把PC104定义为IEEEP9961，所以实质上PC104就是一种紧凑型 的IEEEP996。

PC104总线是专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线，其信号定义和ISA总线一致，但电气规范和机械规范却完全不同，是一种优化的小型、堆栈式结构的嵌入式总线标准。PC104 与ISA相比具有的一些独特的功能主要有：

（1）小尺寸结构标准PC104模块的机械尺寸是3.6英寸×3.8英寸 ，即96 ｍｍ×90 ｍｍ。

（2）堆栈式连接去掉总线底板和插板滑道，总线以“针”和“孔”形式 层叠连接，即PC104总线模块之间总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬合相连，这 种层叠封装有极好的抗震性。

（3）降低总线驱动电流减少元件数量和电源消耗，4 ｍＡ总线驱动 即可使模块正常工作，每个模块的功耗大约1～2 Ｗ。

3、系统总体设计

系统总体结构设计如图1所示。

3.1硬件电路设计部分

此部分包括PC104CPU模块，该模块上主要有CPU芯片、DRAM内存、并口、串口、在板支持可读写的固态盘、看门狗和实时时钟等，另外还有I/O模块、A/D模块、液晶显示模块、键盘输入模块和打印输出模块等。系统设计了一块基板，在其上面布上PC104总线，然后把PC104CPU模块、I/O模块、Ａ/Ｄ模块等模块通过堆栈式连接方法构成一个完整的硬件系统。此方法的特点：他是在特定的I/O中插入嵌入式计算机而代替以往将I/O扩展板插入到计算机中的办法，他体现了嵌入式系统的设计方法。

在进行PC104接口模板设计时，为了实现与系统总线的连接，模块应具备地址译码功能和数据总线缓冲功能。

3.1.1地址译码电路设计

由于在此系统总线上插入了多块功能电路板，因此必须对每一块功能电路板设定不同的地 址，为了方便系统的灵活配置，采用拨码开关的方式。如图2所示。其中A0~A9为PC104总线的10 b外部端口地址线；IOR，IOW分别为系统总线的读、写选择信号线；数据比较器的输出用来控制数据总线缓冲器和译码电路的片选信号；译码电路的输出用来控制具体电路板中的不同功能操作。根据每种功能电路板的设计特点，译码电路选择了不同的器件，在A/D 板中用的是74LS138译码器，在I/O板中用的是可编程逻辑器件。

3.1.2数据总线缓冲器设计

为实现各个功能电路板与PC104数据总线的接口，需要进行数据总线的缓冲器设计。在设计中，采用PC104的D0~D7作为系统的8 b数据总线，采用带三态输出的74LS245作为数据总线缓冲器。每个功能电路板上只用1片74LS245作为数据接口，对于多路开关量输出的I/O板， 采用74LS244并接在74LS245上，通过译码电路的输出控制信号来对74LS244进行片选;而对于 具有多路模拟量输入的A/D板，采用了74LS273与74LS245并接在数据总线上，通过译码电路的 控制信号控制74LS273的脉冲端，从而实现数据的缓冲和传输。

3.2软件设计部分

由于PC104 CPU模块支持可读写的固态盘，这种以半导体存储设备来代替通常使用的磁盘驱 动器，可以大大提高系统的可靠性，降低系统的功耗和成本。本系统中，根据固态盘的特点 ，操作系统软件采用DOS 6.22，以TuborC 2.0作为开发环境，应用程序采用C语言和汇编语言相结合来实现。

在编写软件时，首先要设置好I/O板卡的基地址，再根据基地址来确认其他外围寄存器端口地址，包括读写端口、控制字和通道选择等地址。

4、在温度控制系统中的应用

PCR温度控制仪中采用了PC104系统， PCR温度控制仪的总体结构如图3所示。

图3的机械装置主要由温育载体、冷却装置和加热装置构成。温育载体是控制对象，冷却装置为小型压缩机制冷系统和二次冷媒循环系统构成，以实现温控系统的快速降温。制冷系统处于常开状态，不断冷却二次冷媒介质，当温育载体需要降温时，低温的冷媒介质被伺服泵送入温育载体的冷却盘管，实现降温。用二次冷媒作为冷却方式是为了冷却量稳定，对制冷系统影响小；加热装置采用电阻丝作为加热元件，受执行元件（固态继电器）的开关控制 ，通过开和关次数的变化以及每次开和关的时间来控制加热量，调节温育温度。

对于该温控系统，由于制冷系统一直打开，只要对继电器的开关进行控制就可以实现对温育载体的温度控制，现控制目标是将温度稳定在某个值附近;另外，温育载体是暴露在周围环境中的，其热量散失很难计算，而且温育载体的温度场分布也不均匀，这就给控制带来了难度，故采用了模糊控制技术。系统设计了二维模糊控制器，以温度的偏差E和E的变化EC 作为控制器的输入变量，电阻丝的加热时间即继电器的打开时间T作为输出变量，并通过C 语言来实现编程。

该程序可分为2个部分，一个是计算机离线计算查询表的程序，属于模糊矩阵运算；另一个是计算机在模糊控制过程中在线计算输入变量（温度偏差和其偏差变化），并将他们模糊化处理，查找查询表后再做输出处理的程序。

从实验的结果来看，模糊控制技术对系统的控制有良好效果。图4虚线是仅采用PID算法获得的温育载体温度的动态响应曲线，而实线是采用模糊算法的动态响应曲线。从图中可看出，温育温度的斜坡时间、控制精度和稳态误差等指标有较大的提高，获得了较好的效果。

5、结语

由于PC104的高集成度和模块化的特点，使得在开发周期和开发工具上比其他的开发模式有一定的优势，也为温控系统提供了一个方便的嵌入式平台。针对不同的控制系统和控制要求，用户只要编写不同的控制算法就可以实现。

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