微波作為一種節(jié)能環(huán)保的新能源形式，近年來在國(guó)內(nèi)外得到了迅猛發(fā)展,，并且在陶瓷燒結(jié),、環(huán)保、脫硫等方面有了很多成功的實(shí)例[1],。微波加熱技術(shù)是工業(yè)控制中的一種特殊應(yīng)用,，如何對(duì)其控制直接影響微波加熱設(shè)備的應(yīng)用前景。而微波加熱設(shè)備,，尤其是大功率微波加熱系統(tǒng),，其繁雜的操作程序?yàn)槠浞€(wěn)定運(yùn)行帶來很多不確定因素，因此亟需設(shè)計(jì)安全、智能的控制系統(tǒng)[2]?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外大功率工業(yè)微波加熱系統(tǒng)存在系統(tǒng)功能過于單一,、控制精度不夠等問題。針對(duì)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(tǒng),。
1 方案論證
    目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)微波設(shè)備采用的控制方式為觸摸屏+PLC控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)用在實(shí)驗(yàn)爐上時(shí),，雖運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定可靠,，但具有一定的局限性：系統(tǒng)功能不豐富，控制精度不高,，采樣頻率偏低,，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng),。該系統(tǒng)分為兩部分：嵌入式主控系統(tǒng)板(以下簡(jiǎn)稱EPC),、開發(fā)板和觸摸屏(人機(jī)界面接口板，以下簡(jiǎn)稱HMI板),。其中EPC作為下位機(jī),，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并在上位機(jī)的指令下控制外部設(shè)備；HMI板作為上位機(jī),，運(yùn)行基于Windows CE的監(jiān)控程序,，并分析處理EPC發(fā)送的各種數(shù)據(jù)；基于Windows CE的監(jiān)控程序,，提供了報(bào)警,、控溫等多種功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制,；觸摸屏用于實(shí)時(shí)顯示對(duì)用戶有用的各種信息,，如溫度、功率比例和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等,，同時(shí)使用戶可以方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作,，是用戶和系統(tǒng)進(jìn)行交互的中介。
    該方案具有以下優(yōu)勢(shì)：(1)穩(wěn)定可靠地傳送數(shù)據(jù),；(2)準(zhǔn)確采集豐富的數(shù)據(jù)信息,，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)信息處理；(3)界面友好,、操作簡(jiǎn)單,，能有效地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,，功能相對(duì)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(fā)經(jīng)驗(yàn),，能夠有效降低開發(fā)成本。
1.2 主要硬件和軟件的選擇
    選擇應(yīng)用廣泛的S3C2440開發(fā)板,，其優(yōu)勢(shì)在于：開發(fā)資料豐富、全面,，擴(kuò)展功能好,，性能穩(wěn)定；選擇Windows CE操作系統(tǒng),，其能與桌面Windows系統(tǒng)有效通信,，便于用戶的使用，且性能穩(wěn)定可靠,；選擇EVC(Embedded Visual C++)作為應(yīng)用程序開發(fā)平臺(tái)[3],，其集成IDE環(huán)境可以使用戶快速開發(fā)控制臺(tái)、MFC等多種Windows CE應(yīng)用程序,，執(zhí)行效率較高,，而且能較大程度節(jié)省資源。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    采用基于Windows CE的大功率微波設(shè)備嵌入式控制系統(tǒng),，其基本設(shè)計(jì)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(hào)經(jīng)過模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換處理后,，通過RS232串口提交到HMI板,，HMI板將獲取的數(shù)據(jù)在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示，并將這些數(shù)據(jù)分析處理后,，將控制信號(hào)通過RS232串口發(fā)送到EPC,。HMI板把獲取的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上，進(jìn)行分析處理后,，通過RS232串口發(fā)送到EPC,。EPC處理器接收到控制信號(hào)，經(jīng)過計(jì)算后將該信號(hào)通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換處理,，用模擬信號(hào)來控制燈絲電流和磁場(chǎng)線圈電壓等,。HMI板和EPC之間的通信通過ModBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)原理圖如圖1所示,。

2.1 硬件設(shè)計(jì)
    HMI板是系統(tǒng)核心,，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控。EPC主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并在HMI板的指令下進(jìn)行操作,，如實(shí)現(xiàn)對(duì)煙道風(fēng)機(jī),、微波攪拌器等外部設(shè)備的控制，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到HMI板進(jìn)行處理等。系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后,，HMI板打開RS232串口,，以取得與EPC的通信。若打開失敗,，HMI板發(fā)出報(bào)警信息并對(duì)串口進(jìn)行檢測(cè),；若打開成功，根據(jù)HMI板和EPC通信過程中設(shè)定的協(xié)議(此處是ModBus協(xié)議),，HMI板通過串口向EPC發(fā)送指令,。EPC接收指令后，將其轉(zhuǎn)換為可以識(shí)別的命令,，進(jìn)行相應(yīng)的操作,，然后將操作結(jié)果通過串口反饋給HMI板，同時(shí)EPC不斷檢測(cè)設(shè)備的狀態(tài)信息,。若出現(xiàn)異常,，則通過串口將該信息發(fā)送到HMI板，HMI板同樣將該信息轉(zhuǎn)換為其可以識(shí)別的命令,，發(fā)出報(bào)警,。HMI板和EPC之間的通信交互以及命令格式的轉(zhuǎn)換等通過ModBus協(xié)議實(shí)現(xiàn)。
    ADUC841是主處理芯片(如圖2),，它集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換功能,，其高速、高精度的ADC,、DAC功能,，以及在系統(tǒng)可調(diào)試、可下載的特點(diǎn),，特別適合在各種測(cè)控系統(tǒng)和儀器儀表中使用,，是目前最容易掌握、開發(fā)和應(yīng)用的單片機(jī)之一,。

    圖3為前向通道的信號(hào)處理部分,。模擬信號(hào)自左邊進(jìn)入后，經(jīng)過第一個(gè)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)隔離,，然后在第二個(gè)運(yùn)算放大器處進(jìn)行一定比例的放大,，在進(jìn)入主芯片ADUC841進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換前，設(shè)置起保護(hù)作用的BAT54SLT1,，避免運(yùn)放損壞時(shí)導(dǎo)致單片機(jī)的ADC通道損壞,。

    電路設(shè)計(jì)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(wěn)壓器,，它能提供降壓開關(guān)穩(wěn)壓器的各種功能，與其他系列的穩(wěn)壓器相比,，具有優(yōu)異的線性和負(fù)載調(diào)整能力,，并且成本低廉。

2.2 軟件設(shè)計(jì)
      Windows CE操作系統(tǒng)定制時(shí)主要添加了桌面精簡(jiǎn)及監(jiān)控程序自啟動(dòng)的功能,。
      通過對(duì)系統(tǒng)功能的需求分析,，監(jiān)控程序應(yīng)實(shí)現(xiàn)如下功能：
      (1)控制系統(tǒng)的啟動(dòng)、停止和復(fù)位,；(2)模糊PID系統(tǒng)校正狀態(tài)修正,；(3)參數(shù)的讀和寫，主要是溫度的讀取和設(shè)置,、控制周期和功率比例的設(shè)置；(4)報(bào)警,，包括通信,、陽(yáng)極電流、爐門,、冷卻水流量,、磁控管溫度等的報(bào)警；(5)工作模式的選擇和切換,，工作模式有3種：手動(dòng)模式,、自動(dòng)模式、恒溫模式,；(6)溫度節(jié)點(diǎn)和溫度區(qū)間的設(shè)置,，折點(diǎn)的插入、刪除以及曲線的加載保存,；(7)設(shè)定的溫度曲線圖和實(shí)時(shí)溫度曲線圖的顯示,；(8)對(duì)微波攪拌器和煙道風(fēng)機(jī)的控制，主要體現(xiàn)在工作模式和啟停溫度上,；(9)運(yùn)行記錄的顯示與存儲(chǔ),，顯示和存儲(chǔ)溫度、控制周期等參數(shù)的變化,；(10)事件記錄的顯示,，記錄系統(tǒng)的啟停時(shí)間和一些異常情況，便于系統(tǒng)的維護(hù),；(11)HMI板,、EPC之間的串口通信。
    根據(jù)以上功能,，將該監(jiān)控程序分為6個(gè)模塊,，每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)一個(gè)或數(shù)個(gè)功能,。Basic，實(shí)現(xiàn)功能(1),、(2),、(3)、(4),、(5),、(11)；Graph實(shí)現(xiàn)功能(7),；CurveSetting實(shí)現(xiàn)功能(6),；Options實(shí)現(xiàn)功能(8)；RunLog實(shí)現(xiàn)功能(9),；EventsLog實(shí)現(xiàn)功能(10),。程序流程圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
    本系統(tǒng)在應(yīng)用過程中運(yùn)行穩(wěn)定可靠,，不僅實(shí)現(xiàn)了串口通信,、實(shí)時(shí)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(dá)到±1 ℃),，且界面友好，操作簡(jiǎn)單,。
    但在使用過程中也遇到了一些問題,，主要集中在內(nèi)存溢出問題上。由于Windows CE系統(tǒng)沒有虛擬內(nèi)存機(jī)制,，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配導(dǎo)致大量的內(nèi)存碎片,，系統(tǒng)運(yùn)行十幾小時(shí)后便內(nèi)存耗盡。解決方法是采用靜態(tài)內(nèi)存分配,，然后系統(tǒng)再次運(yùn)行,，內(nèi)存溢出問題便得到了有效的解決。
    系統(tǒng)應(yīng)用在微波馬弗爐中,，以氧化鋯高級(jí)瓷牙燒結(jié)為例,，馬弗爐燒結(jié)溫度約為1 530 ℃，升溫時(shí)間60 min,，保溫時(shí)間15 min,，整個(gè)燒結(jié)周期為125 min，相比于傳統(tǒng)的微波燒結(jié)方式,，燒結(jié)溫度降低了100 ℃,，周期縮短了2/3，而瓷牙的品質(zhì)得到提高,。
    在高溫微波燒結(jié)設(shè)備中采用該控制系統(tǒng)后,，使得設(shè)備具備了豐富的功能,，同時(shí)由于該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，控制精確以及操作方便,，深受國(guó)內(nèi)外用戶的好評(píng),。在此控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，正在研究增加CAN/RS232接口轉(zhuǎn)換[4]和Ethernet/RS232接口轉(zhuǎn)換功能,，有待系統(tǒng)的進(jìn)一步升級(jí)應(yīng)用,。
參考文獻(xiàn)
[1] 賈國(guó)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(tǒng)[J]．機(jī)電一體化，2007,，13(6)：40-43.
[2] 汪建宇,，羅祥遠(yuǎn).微波加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2003,，19(10)：16-17.
[3] 張冬泉,，譚南林.Windows CE實(shí)用開發(fā)技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2006.
[4] 徐超,，曾锃，楊正新,，等.工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域CAN/RS232接口的現(xiàn)狀與未來[J].機(jī)電一體化,，2010，16(4)：18-20.