CN201110616Y - 一种机房空调控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型的目的在于提供一种机房空调控制器，该机房空调控制器，包括：CPU、存储器、显示器、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器，其特征在于，所述CPU和所述I/O接口之间采用两线制的I²C串行总线控制。该机房空调控制器可以克服上述现有技术中的各种不足，实现在系统供电情况下接入或撤除，可以方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，这样在日常的维护中，只要对需进行处理或修改的模块进行相应的升级与修改，减小了因误操作或修改不当造成的风险，增强了整个系统的可维护性。

Description

一种机房空调控制器

技术领域

本实用新型涉及机房空调控制器，尤其是涉及对温度和湿度要求较高的机房空调控制器。

背景技术

目前普遍采用的机房空调控制器，它们具有控制功能简单、不易联网、扩展性不高及信息集成度不高，界面简单，价格比较贵、无法改进控制工艺、抗干扰能力差等缺点。有的控制器只是单纯的硬件控制，只能够控制空调，没有多空调方案，接线复杂，参数调整不方便，不能根据用户的需求定制。另外有些控制器启动空调和关闭空调的方式是通过供电和断电来进行，大大缩短空调的寿命。同时控制器的扩展性对于有大量模拟量信号(温度、湿度、压差、风量、流量、风机转速、阀门开度等)需要进行采集及监控的机房空调极其重要，除自身带有各种外设接口(开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出、电源、通信端口等)外，还需扩展各种类型的扩展模块，进行灵活的配置，便于日后的系统扩展与升级。

另外，一个系统在设计或调试完成后，并不能保证此系统就是完整无缺的，在日后的维护保养中，在很多情况下，随着生产规模的扩大或生产工艺的改变要对原有控制系统进行升级或扩展，此时对于用户来说只有两种选择：一种为重新购置控制系统，另一种为在原有系统基础上进行升级或扩展。重新购置控制系统的成本太高且耗力耗时，为不得不作出的情况；而在原有系统基础上进行升级或扩展的方法，可充分利用原有资源，即节省成本，又可省去大量的因施工和调试带来的不便与时间。

新型内容

本实用新型的目的在于提供一种机房空调控制器，该机房空调控制器可以克服上述现有技术中的各种不足，实现在系统供电情况下接入或撤除，可以方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，这样在日常的维护中，只要对需进行处理或修改的模块进行相应的升级与修改，减小了因误操作或修改不当造成的风险，增强了整个系统的可维护性。

本实用新型的机房空调控制器，包括：CPU、存储器、显示器、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器，其特征在于，所述CPU和所述扩展I/O接口之间采用两线制的I²C串行总线控制。

本实用新型的机房空调控制器的特征还在于，还包括，I²C驱动模块，该模块用于驱动扩展的I²C电路；具有I²C接口的A/D转换器、D/A转换器模块电路；以及具有I²C接口的I/O扩展模块电路。

本实用新型的机房空调控制器的特征还在于，还包括：主板及显示板的CAN总线控制器，该控制器用于实现所述CPU控制模块和显示器控制模块之间的通信控制。

本实用新型的机房空调控制器的特征还在于，还包括：Flash存储器，该存储器用于更新的控制和显示程序。

本实用新型的机房空调控制器的特征还在于，在所述输入端口设有光电耦合器。

本实用新型的机房空调控制器的特征还在于，在所述主板控制器设有I²C接口的E²PROM用于存放系统的设定参数。

本实用新型机房空调控制器以其运行可靠、使用与维护均很方便，适合抗干扰能力强，扩展性高等优点。并且通过编程可以实现复杂的逻辑控制，可以在很大程度上简化硬件接线，提高控制系统可靠性，用户操作界面友好，信息集程度高，便于实现智能控制。

另外，本实用新型的机房空调控制器还有以下特性：

1、经济性

本控制器使用的是两线制的I²C串行总线的单片机控制系统，这种控制器的优点是这种串行总线使得各电路单元之间只需最简单的连接，而且总线接口都已集成在器件中，如在控制器中使用具有I²C总线接口的CPU，A/D，D/A，I/O，E²PROM扩展芯片等不需另加总线接口电路，可最大限度简化结构，从而提高了电路的可靠性，降低了系统成本。

2、扩展性

一个系统在设计或调试完成后，并不能保证此系统就是完整无缺的，在日后的维护保养中，在很多情况下，随着生产规模的扩大或生产工艺的改变要对原有控制系统进行升级或扩展，此时对于用户来说只有两种选择：一种为重新购置控制系统，另一种为在原有系统基础上进行升级或扩展。重新购置控制系统的成本太高且耗力耗时，为不得不作出的情况；而在原有系统基础上进行升级或扩展的方法，可充分利用原有资源，即节省成本，又可省去大量的因施工和调试带来的不便与时间；所以，本控制器中采用这种总线方式的控制器各单元电路除了个别中断引线外，相互之间没有其它连线，用户常用的单元电路基本上与系统电路无关，除自身带有各种外设接口(开关量输入、开关量输出、模拟量输入、模拟量输出、电源、通信端口等)外，还可扩展各种类型的扩展模块，进行灵活的配置，便于日后的系统扩展与升级；易形成自己的标准化、模块化设计。可更加灵活地扩展系统功能，缩短新品的开发周期。

3、可维护性

这种控制器上各节点具有独立的电气特性，各节点单元电路能在相互不受影响的情况下，甚至在系统供电情况下，接入或撤除，可以方便地对某一节点电路进行故障诊断与跟踪，这样在日常的维护中，只要对需进行处理或修改的模块进行相应的升级与修改，减小了因误操作或修改不当造成的风险，增强了整个系统的可维护性；

4、抗干扰能力强

该控制器采用的具有I²C总线的IC，它们都具有抗高噪声干扰，并且它们的电压调整范围也比较宽。

与总线相连的串连电阻保护I²C总线器件的I/O级，防止总线上的高电压的毛刺影响I/O级并将振荡和干扰减到最小。

内部采用有看门狗定时器的单片机，既可以利用软件看门狗也可以使用硬件看门狗提高系统的抗干扰能力。

系统采用市电交流220V(50Hz)到控制板上的交流24V(50Hz)以及控制板交流24V到交流27V/18V/8V的电压变换，采用在变压器的绕组间加屏蔽层的电源隔离变压器。这样可以有效的抑制噪声，消除干扰。

在直流电源端并联电容进行滤波。来抑制电源的高频和低频干扰。

在开关量输出的继电器接点两端并接火花抑制电路(一般是RC串联电路)，以减小电火花影响。

电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。为防I/O口的串扰，对于数字量输入主要采用光电耦合器隔离，而数字量输出主要采用继电器隔离

同时在PCB板的布局上也增加了抗干扰设计。

5、采用CAN总线控制的显示控制部分，具有数据传输速度快，数据传输可靠性高的优点，并以计算机三维图的形式展示机组结构、机组运行数据、运行状况。完善的数据趋势图显示，包括室内温度，室内湿度，压缩机高低压、供电电压电流等。

6、显示模块提供有庞大的数据存储空间，可以存储的机组运行数据如温度、湿度、高低油压等的时间取决于采样间隔。并且可以上传给监控计算机做为数据分析用。

7、机组发生报警时在计算机显示屏出现红色ALARM显示，同时通过GSM模块自动向维修人员发送包含报警内容的手机短消息。远程遥控机组开机、停机(有权限限制)。

8、方便的程序更新，主板和显示控制部分都装备有Flash存储器，可现场通过板载RS232口直接下载更新的控制和显示程序，然后再通过个人计算机下载到控制器上，保证用户所使用的程序最新。

9、一块主板可同时拖带4块扩展板，每块扩展板都有开关量输入口，开关量输出口，模拟量输入口，模拟量输出口，扩展板可距主板200米。

10、可以实现多机相互通讯，协调在多机组场地内的机组工作，包括根据水温自动决定机组运行数量，根据各机组运行时间，均衡机组工作时间，当有机组出现故障时自动启动备份机组等。

附图说明

图1是本实用新型的机房空调控制器的结构框图。

图2是本实用新型的机房空调控制器的程序框图。

具体实施方式

以下参照附图对本实用新型的机房空调控制器进行详细说明。图1是本实用新型的机房空调控制器的结构框图。其中，1为主控制器，2为数据存储器，3为显示器，4为D/A转换器，5为Flash程序存储器，6为I²C驱动模块，7为数模转换/模数转换器模块，8为I/O扩展模块，9为用于隔离开关量输入的光电耦合器，11为主板Can总线控制器，12为I²C接口的E²PROM。

以下对图1中出现的概念或器件进行详细说明。

开关量输入：在这里开关量主要是指压缩机，风机，电加热等的保护开关的输入值，当温度或压力超过保护范围时，开关动作，输入“0”或“1”的开关量值，同时控制器显示报警信息。在主板，开关量的输入通过光耦进行电隔离，选通输入6路开关量到具有标准的I²C总线接口的单片微处理器CPU。

经过扩展的I²C驱动电路在扩展板的4路开关量经光耦后，输入到具有I²C总线接口的I/O扩展芯片。CPU是通过I²C总线对该I/O扩展芯片的开关量输入进行“读”控制。

模拟量输入：模拟信号主要是压缩机的压力传感器采集的电流信号和温度传感器采集的电阻信号。在主板信号经转换放大电路后由单片机端口输入到CPU由内置的8路逐次比较型A/D转换器进行A/D转换。

经过扩展的I²C驱动电路在扩展板传感器采集的电流信号经转换放大电路后输入到有I²C总线接口的ADC/DAC的模拟输入端，CPU通过I²C总线对有I²C总线接口的ADC/DAC的模拟量输入进行“读”控制。

开关量输出：开关量的输出控制着压缩机，电加热，风机及机组的运行启停及压缩机能量级转换电磁阀的动作，在主板开关量由CPU输出，经驱动和电平转换电路后接至继电器的线圈控制端。

经过扩展的I²C驱动电路在扩展板开关量由具有I²C总线接口的I/O扩展芯片输出，经反向驱动电路和电平转换电路后接至继电器的线圈控制端。在这里CPU是通过I²C总线对具有I²C总线接口的I/O扩展芯片的开关量输出进行“写”控制。

模拟量输出：根据主板输出的不同模拟电压值，来控制不同的风机运行速度，这些模拟量是由CPU输出，经4路模拟量输出的D/A数模转换芯片，再放大电压值以控制不同数量的风机运行。

FLASH参数读取：主板上通过I²C总线接有一个FLASH芯片，用来存放系统的设定参数，在系统掉电时这些参数保持不变。开机时将这些参数读出符给系统参数变量，使系统能够正常稳定运行。

显示控制：采用CAN总线控制的显示控制部分，包括主板部分的CAN总线控制器及液晶显示器部分的单片微处理器，CAN总线控制器，显示控制器等。

存取控制：64KB程序存储器地址空间，64KB数据存储器。

系统扩展：根据系统的标配(如压缩机数量)的增加相应地增加了控制参数，可以通过框图1所示的I²C总线来扩展系统，通过扩展模板上的三连拨码开关设定I²C器件的引脚地址A2A1A0，若开关拨到接地端，则为0，若开关拨到电源端，则为1。这样根据增加的控制参数通过I²C总线系统最多可以扩展八个扩展模板。同时在每一块扩展板上还增加了总线的驱动部分以驱动下一级扩展模板。

总线驱动器：可将驱动能力扩展10倍，这样可采用低成本的普通电缆线或双绞线来扩展总线距离。其内部有两个完全相同的缓冲器电路，它允许双线的总线实现远距离的扩展，不会降低系统性能。

系统中的节点：

在该系统中每连接的一个I²C接口为一节点，节点的数量受两个因素制约，一是总线电容不大于400PF，二是节点地址容量。总线电容过大会造成信号传送失真，最终导致数据传输失败。总线上的节点主要有四类，即主器件节点，外围器件节点和远程节点。

主器件节点：为具有I²C总线接口的单片机，能对总线实现主动控制。

外围器件节点：这些节点都必须带有I²C总线接口，如具有I²C总线接口的I/O扩展芯片，有I²C总线接口的ADC/DAC等，这些节点无法对总线实现主动控制，只能作为被控制器。

远程节点：主器件节点，外围器件节点都为本机节点，如果在总线中通过总线驱动器可以将总线的距离进行扩展。把原来的总线电容扩大10倍，即从400PF扩展到4000PF。

软件结构：软件设计从功能上可以分为系统功能和空调控制算法两部分。在这里主要说明的是与总线控制有关的系统功能部分。图2是软件的主流程框图。其中，在步骤10，最小系统初始化：主要是硬件系统的初始化，它包括I²C中断初始化、无中断优先级设置，I²C控制器的初始化，AD控制器的初始化等。在步骤20，系统软件初始化：主要是系统参数的初始化，它包括对系统的全局变量进行初始化工作，并对各缓冲区进行了初始化。在步骤30，FLASH参数读取：主板上通过I²C总线接有一个FLASH芯片，用来存放系统的设定参数，在系统掉电时这些参数保持不变。开机时将这些参数读出符给系统参数变量，使系统能够正常稳定运行。在步骤50，应用软件初始化：根据空调的控制对象和控制规律编写的应用软件部分的初始化程序。端口输入、输出(步骤60、80)：包括主板开关量和模拟量的输入、输出，及扩展板的开关量和模拟量的输入、输出。在定义好I/O引脚后从摸拟/数字输入缓冲区当中取出所需的数据进行控制算法的运算将得到的控制输出量存放在相应输出缓冲区或系统变量当中，当系统调用输出模块时将那些存放在输出缓冲区的控制值从定义的引脚输出，从而达到控制的目的。主板与扩展板之间通过I²C总线连接，扩展板的输入输出通过I²C总线中断方式进行，在输入输出之前，设置好总线的工作模式，传输数据的长度，传输数据缓冲区的首地址，和扩展板上输入输出口的地址，然后启动I²C总线，等待数据传输结束。如果在指定的时间内没有结束数据传输，则进行传输数据出错处理。

空调控制逻辑程序(步骤70)：在这部分程序中通过对系统状态和控制运算的结果来控制系统进入希望的工作模式。

Claims (6)

1、一种机房空调控制器，包括：CPU、存储器、显示器、I/O接口、A/D转换器、D/A转换器，其特征在于，所述CPU和所述扩展I/O接口之间采用两线制的I²C串行总线控制。

2、如权利要求1所述的机房空调控制器，其特征在于，还包括，I²C驱动模块，该模块用于驱动扩展的I²C电路；具有I²C接口的A/D转换器、D/A转换器模块电路，以及具有I²C接口的I/O扩展模块电路。

3、如权利要求1所述的机房空调控制器，其特征在于，还包括：主板及显示板的CAN总线控制器，该控制器用于实现所述CPU控制模块和显示器控制模块之间的通信控制。

4、如权利要求1～权利要求3的任意一项所述的机房空调控制器，其特征在于，还包括：Flash存储器，该存储器用于更新的控制和显示程序。

5、如权利要求1～权利要求3的任意一项所述的机房空调控制器，其特征在于，在所述输入端口设有光电耦合器。

6、如权利要求1～权利要求3的任意一项所述的机房空调控制器，其特征在于，在所述主板控制器设有I²C接口的E²PROM用于存放系统的设定参数。

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