嵌入式系统在中央空调集中控制系统中的应用研究1设计要求 1.1 引言 随着国民经济的快速增长，我国人民生活水平的不断提高。空调机组能够改善和提高人们的生活和健康水平，所以国内空调企业的规模也在不断的扩张，空调生产开始从单一品种、大规模生产、压库存的模式逐渐转向多品种，按订单生产、零库存的方向发展。但中央空调机组因其设备功率大，零部件多，运转工序复杂，所以对其使用时的可控性能、节能性能、人机交互性能的要求也随之提高。目前的中央空调控制技术还以分散控制为主，每个控制器只能监控其所控制的中央空调机组的状态，而对同一楼宇之中的其它控制器所控制的中央空调的状态则无法知道，更无法在总体上获知所有中央空调机组的工作状态。其采用的通信方式主要为用485串口将中央空调控制器与工控机相联，再用RS232串口将工控机和上位机相连。因为受RS232串口的限制，使得通信距离较短，所能集中控制的中央空调的数目也就受到了较大限制，使得集中控制的效果和意义均不明显。此种缺点造成由于资金缺口和工程进度等等问题，许多已建成的商用建筑和办公大楼的空调系统往往都没有设计或安装自动控制系统，随着建筑物的投入使用，会发现空调区域的温、湿度波动很大，往往会超过答应的变化范围。旧有的空调系统在运行中往往遭到一些人为因素的影响，致使风系统平衡遭到破坏，加装自控系统前必须先对旧有空调系统的风道系统重新进行平衡调整，不然自控系统可能达不到预期限效果；另外加装自动控制系统后对原空调系统的制冷、供热和水循环系统都交有一定的影响；同时在改造进程中也会碰到一些非凡的问题。1.2 中央空调系统基本原理及组成 空调系统的组成有：被调对象、空调处理机组、空气输送设备以及分配设备。针对空气处理设备在集中程度上的差异，空调系统通常分为集中式空调系统、半集中式空调系统以及分散式空调系统；根据热湿负荷所使用的介质的区别，空调系统又可以划分为空气系统、水系统、空气水混合系统、冷剂系统；又可根据空气来源来分类，有直流式系统、封闭式系统和混合式系统三类系统。 空气调节的定义通常为：将温度、湿度、流速等参数经过处理后的空气，通过空气输入管道送入室内，以使整个室内空气温湿度、流速、清洁度及压强等控制在设定要求内。 本文主要讨论中央空调控制系统，即为集中式控制系统。中央空调系统由空气加热、冷却，加湿、去湿、空气净化、风量调节设备以及空调用冷、热源等设备组成。这些设备的容量是设计容量，但在日常运行中的实际负荷在大部分时间里都是部分负荷，不会达到设计容量。所以为了舒适和节能必须对上述设备进行实时控制，使其实际输出量与实际负荷相适应。当前，对其容量控制实现不同程度的自动化，其内容也越趋丰富。被控制参数主要有空气的湿度、温度、压力和空气清新度、气流方向等，在冷热源方面主要是冷热水温度，蒸汽压力。有时也需测量控制回水管的压力差，测量供回水温度以及回水量。同时，也要对这些参数进行指示、记录、打印，并监测各机电设备运行状态及事故报警。其主要具备以下自控系统：风机盘管控制系统、空调机组控制系统、冷冻站控制系统、热交换站控制系统、排水控制系统等。2 设计作用与目的 采用基于嵌入式中央空调集中控制系统，实现多台中央空调系统的数据采集、集中管理和集中控制。3 所用设备及软件 RS485集线器，计算机一台，中央空调控制器，C/OSII操作系统，UDPtest软件4系统总体设计 图1系统总体框图4.1中央空调单机组控制器与RS485集线器的通信方式及数据处理过程 中央空调单机组控制器(本文研究所采用的中央空调单机组控制器为无锡华威控制技术科技有限公司所生产的中央空调控制器)首先对检测到的中央空调机组的运行状态的信息(包括环境温度，设定温度，运行模式等)进行编码，以约定的格式和波特率(9600bps)通过RS485总线发往RS485集线器。每个RS485集线器采用多串口单片机设计，分为8口和16口两种型号。8口的RS485集线器可以同时连接8个中央空调单机组控制器，16口的RS485集线器可以同时连接16个中央空调单机组控制器。中央空调单机组控制器将不断的向RS485集线器发送其状态信息数据，RS485集线器接收到这些数据后会检查这些数据的合法性，如果该数据合法则将该数据存储到接收缓冲区并等待发送。4.2 RS485集线器与中央空调网络集中控制器的通信方式及数据处理方式 RS485集线器通过RS485总线与中央空调网络集中控制器相连。RS485集线器将中央空调单机组控制器发送来的数据信息通过RS485总线发送给中央空调网络集中控制器。中央空调网络集中控制器采用以ARM7TMI为内核的S3C44BOX设计。因为S3C44BOX片内没有集成网卡芯片，因此为了使中央空调网络集中控制器能够通过以太网和控制计算机进行远距离通信，中央空调网络集中控制器采用了RTL8019AS为网卡芯片。中央空调网络集中控制器在接收到RS485集线器发送过来的数据后首先对接收到的数据进行解码，确定这是哪台中央空调单机组所传送过来的数据，并读出其中所包含的中央空调单机组的运行状态、设定温度，运行模式、故障信息等数据信息。中央空调网络集中控制器会将与之相连的每台中央空调机组的状态信息存储在其内存空间中(中央空调网络集中控制器针对中央空调机组状态信息的特点建立了特定的数据结构)。在中央空调网络集中控制器的显示屏上会显示出所有与之相连的中央空调单机组，用户可以通过键盘操作查询每台中央空调机组的运行状态，当用户选定中央空调机组后，该中央空调的机组的“联机状态”、“设定温度”、“室内温度”、“运行模式”、“运行状态”等信息就会在显示屏上显示出来。4.3中央空调网络集中控制器与控制计算机的通信方式 因为一栋楼宇之中可能会有上千台中央空调机组，受通信端口数量和处理能力的限制一台中央空调网络集中控制器最多只能连接128台中央空调机组并处理这些机组的数据信息。为了能够控制楼宇内所有中央空调，中央空调网络集中控制器需要将由RS485集线器所传来的数据通过以太网转发给控制计算机。之所以选择通过以太网而不是通过RS485网络，主要是因为两点:1.RS485网络的传输距离和传输速度有限制，只有在很短的距离下才能达到理论最高值lOMbps，当通信距离增大时通信速度和通信质量都会受到较大影响(在100kbps速率以下才有可能达到理论最大传输距离1219米);而控制计算机离中央空调网络集中控制器可能会随着楼宇建筑规模的不同而有较大差异，最远的中央空调网络集中控制器可能离控制计算机的距离长达数百米甚至上千米，此时具有100Mbps带宽现代快速以太网无疑在通信速度和通信质量上都具有无可比拟的优势;2.对于一栋建筑规模较大的楼宇可能需要上千台甚至数千台中央空调机组，如果要控制如此多台中央空调机组至少需要数十台中央空调网络集中控制器。此时采用以太网则可以通过设置每台中央空调网络集中控制器的物理地址和IP地址(RTL8019AS网卡芯片的物理地址需要通过设置其相关寄存器而配置，IP地址的配置可通过移植的嵌入式TCP/IP协议栈的相关API函数来配置)确定其在网络中的位置，这样整个中央空调网络集中控制系统的组建和控制就变的相对简单。5 RS485集线器的设计 RS485集线器是中央空调集中控制系统中的关键部件，在整个系统中发挥着连接中央空调单机组控制器和中央空调网络集中控制器的关键作用。5.1 RS485集线器系统功能分析 RS485集线器在中央空调集中控制系统中负责连接中央空调网络集中控制器和中央空调单机组控制器。 中央空调单机组控制器与RS485集线器通过RS485接口电路相连。中央空调单机组控制器会定时将中央空调机组的运行信息发往RS485集线器。RS485集线器当监听到串口接收中断后会调用串口接收中断处理程序来接收数据，如果接收到的数据合法就将该数据存往数据存储缓冲区。 与数据接收是靠中断触发的处理方式不同，RS485集线器会不停的侦听数据存储缓冲区，如果数据存储缓冲区中的数据不为空则会执行数据发送程序将数据缓冲区中的数据通过RS485串口发往中央空调网络集中控制器。5.2 RS485集线器硬件介绍 RS485集线器的硬件模块示意图图2 RS485集线器硬件图5.2.1 PSD3251简介 PSD3251单片机39的结构为:包含8032微控制器的Flash PSD结构。 它片内集成了两块Flash存储器、SRAM、通用I/0口、可编程逻辑、管理监控功能。并可实现工ZC, ADC, DDC功能。片内集成8032微控制器，带两个标准异步通讯口，三个16为定时/计数器和一个外部中断。 PSD3251单片机具有以下特点: (1)高速8032内核:40MHz5V, 24MHz3.3V; (2)双Flash存储结构，64KB主Flash, 16Kb二级Flash; (3) 2K字节的SRAM，支持后备电池掉电数据保护; (4)可编程译码PLD，灵活映射所有存储器地址; (5)、两路DART接口; (6)独立的数据显示通路(DDC), ADC; (7)多达46个I/0口线; (8)3000门PLD，16个宏单元; (9)可通过JTAG在线编程(ISP); (10)现场升级用户程序代码，不间断用户系统运行(IAP); (11)程序数据保密(Security); (12)电源监控功能(PMU ) ; (13)零功耗技术; (14).封装:TQFP52 (T)。 在RS485集线器中，PSD3251单片机的串口1通过CPLD16路切换矩阵与16个RS485接口相连，从而实现了将1路串口扩展为16路串口与中央空调单机组控制器通信。4路切换信号经过CPLD4/16译码转换后可以确定16路RS485接口的地址，其中4/16路地址转换表如下: 表1 4/16路地址转换表PSD3251单片机的串口2的作用为通过RS485总线与中央空调网络集中控制器相连，从而实现与中央空调网络集中控制器的数据通信。5. 2. 2 CPLD介绍 CPLD (Complex Programmable Logic Device)是Complex PLD的简称，一种较PLD为复杂的逻辑元件。 CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。 CPLD16路切换矩阵4八s路译码功能的实现因为不属于本文的研究内容，因此在这里不与介绍。5.3 RS485集线器软件设计 5. 3. 1 RS485集线器软件的主要功能 RS485集线器的软件的设计主要目标为实现RS485集线器如下四个主要功能: （1)串口1的数据接收 串口1将采用中断方式接收数据。当中央空调单机组控制器的数据发送到RS485集线器之后，RS485集线器的串口1会产生串口接收中断，RS485集线器的8032微控制器将调用串口接收中断处理程序来接收和处理接收到的数据。 （2)串口2的数据接收 串口2的数据接收方式与串口I相似。串口2的接收程序