CN202254100U - 一种基于arm的中央空调嵌入式控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于中央空调系统，涉及一种基于ARM的中央空调嵌入式控制器，其包括，包括基于ARM的微处理器、状态控制按钮、开关量信号输入接口、开关量信号输出接口、模拟量输入电路模块、模拟量输出电路模块几个部分。本实用新型不仅可以通过触摸屏进行现场监测和控制，还可以通过以太网进行远程控制，使用和维护方便，成本较低。

Description

一种基于ARM的中央空调嵌入式控制器

技术领域

本实用新型涉及一种基于ARM的中央空调嵌入式控制器，尤其是可以应用于中央空调系统实现节能控制的嵌入式控制器。

背景技术

随着我国经济社会的发展，中央空调已经比较普遍地应用于公共建筑和居民住宅。世界上HVAC系统的控制从五十年代就开始采用气动仪表，六十年代改进为电动单元组合仪表，七十年代采用小型专用微型计算机进行集中式控制，到1984年，出现了采用DDC的集散式自控系统技术。目前，中央空调系统的主流控制技术主要包括采用工控机和采用专用中央空调控制器两种。

工控机作为中央空调控制器的不足之处如下：第一，其输入/输出信号接口可能与中央空调设备的检测及执行元件的信号接口不匹配，大大增加了系统配置的复杂性。第二，大多通用控制器，需要配套软件，给用户使用和维护造成困难。第三，PLC厂商很少有专用于中央空调系统的专用模块，需要设计人员自己编制软件，如果软件编程者在中央空调系统方面的经验不足，会给控制系统带来不足和隐患。

此外，现有中央空调系统专用控制器价格较高，使用和维护不便，不利于实际推广应用。

总而言之，在我国还缺乏一种低成本、高可靠性、使用和维护简单的中央空调专用控制器。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术中央空调控制器系统配置的复杂、输入输出信号不匹配，通讯协议不匹配，成本较高，不易使用和维护等不足，提供一种低成本、高可靠性、使用和维护简单、可以实现节能的中央空调专用控制器。本实用新型提供的中央空调专用控制器既可以用单台专用控制器实现制冷机组或冷冻水侧的节能控制，也可以用两台专用控制器协作同时实现制冷机组和冷冻水侧的节能控制。本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于ARM的中央空调嵌入式控制器，包括基于ARM的微处理器、状态控制按钮、开关量信号输入接口、开关量信号输出接口、模拟量输入电路模块、模拟量输出电路模块，其中，

所述的模拟量输入电路模块获取的模拟量输入信号为0-10V电压信号或者4-20mA电流信号，经过信号选择电路的选择后与相应的电压/电压转换电路或电流/电压转换电路相接，经过转换的模拟量输入信号，通过AD转换和隔离后被送入微处理器；

所述的微处理器输出的模拟量数字信号经过DA隔离和转换后得到的0-5V模拟量输出信号，经过信号选择电路的选择后与相应的电压/电压转换电路或电压/电流转换电路相接，输出0-10V电压信号或者4-20mA电流信号；

所述的开关量信号输入接口通过状态控制按钮接收的输入信号经过开关量输入信号调理电路的调理后被送入微处理器；

所述的微处理器输出的开关量输出信号经开关量输出信号调理电路的调理后，再由继电器驱动电路连接到开关量信号输出接口。

作为进一步的实施方式，所述的微处理器为LM3S8970；所述微处理器通过将通用I/O引脚配置为以太网功能端口，所述以太网功能端口连接标准以太网通信接口模块HR911105；所述的微处理器通过将通用I/O引脚配置为CAN功能端口，CAN功能端口再通过CAN调理芯片SN65HVD1050D与CAN接口相连。

本实用新型的有益效果如下：

(1)本实用新型根据中央空调系统控制的要求，配置了各种功能电路，其功能电路包括开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块、CAN通讯模块、串口通讯模块、以太网通讯模块，独立电源模块。不仅满足控制器的功能要求，而且成本和体积都大大减小。同时，由于中央空调系统控制过程中需要采集的模拟量输入信号比较多，本实用新型根据应用需求，扩展了模拟量输入通道。

(2)通过嵌入式操作系统μC/OS-II和功能强大的ARM处理器相结合，系统开发手段十分灵活。根据特殊的工作环境和功能要求，可以将控制器裁剪为该应用场合下的最简系统，从而提高用控制器的性价比。

(5)通过TCP/IP的方式，进行以太网连接，不仅可以构建局域网，而且还可以随时随地通过以太网进行远程控制，不仅十分方便，还能改善使用者的工作环境。

(6)由于此控制器可以用于控制中央空调系统处于多种工作状态，制冷量可调，节能效果突出，具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本实用新型的方框示意图。

图2为本实用新型的微控制器芯片LM3S8970的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本实用新型的中央空调控制器进行详细说明。

参见图1，本实用新型的基于ARM的中央空调嵌入式控制器包括嵌入式微处理器LM3S8970，基于SSI总线的八路A/D隔离电路，八路A/D转换电路，八路模拟量输入电压/电流信号选择电路，基于I2C总线的八路D/A隔离电路，八路D/A转换电路，八路模拟量输出电压/电流信号选择电路，十路光隔离开关量输入信号调理电路，多种工作状态按钮，十路光隔离开关量输出信号调理电路，继电器驱动电路，RS232接口驱动电路模块，CAN接口驱动电路模块，标准以太网接口驱动模块，ARM独立电源供电模块，模拟量输入独立电源供电模块，模拟量输出独立电源供电模块，上电复位电路模块，JTAG调试接口电路模块。

其中，模拟量输入信号经模拟量输入电压/电流信号选择电路转换为标准0～5V电压信号，标准电压信号经A/D转换电路及A/D隔离电路并通过SSI总线传递给LM3S8970。LM3S8970中模拟量输出寄存器的值通过I2C总线传输给D/A隔离电路以及D/A转换电路，成为0～5V电压信号，再经模拟量输出电压信号转换电路变为标准0～10V信号输出。工作状态控制按钮连接开关量信号输入接口，状态信号经开关量信号调理电路传递给LM3S8970。LM3S8970中开关量输出寄存器的值经开关量输出调理电路以及继电器驱动电路传递到开关量信号输出接口。触摸屏的串口连接至本控制器的RS232接口驱动电路，基于MODBUS协议实现触摸屏向控制器请求数据和下发设定值以及控制器向触摸屏发送相应监测数据。其他控制器的CAN接口连接至本控制器的CAN接口驱动电路模块，通过接受和发送CAN报文实现数据的双向传输。本控制器通过标准以太网接口驱动模块以及路由器连接至互联网，在电脑浏览器中输入IP号即可通过互联网访问控制器，实现远程监控。上电复位电路模块的复位按钮作为输入可以触发LM3S8970复位。JTAG调试接口模块可以实现控制器与电脑之间数据和调试信息的相互传送。

参见图2，对本实用新型的各个功能电路模块如下：

(1)模拟量输入电路模块：来自于外部变送器的4～20mA或0～10V模拟量信号从模拟量输入端口输入。若模拟量输入信号为4～20mA电流信号，则将电流/电压转换电路中对应通道的拨码开关设为ON，电压/电压转换电路中对应通道的拨码开关设为OFF，则电流/电压转换电路被接入，电压/电压转换电路被隔离。电流/电压转换电路将4～20mA电流信号转为0～5V电压信号，并将转换后的信号给A/D转换电路中的A/D转换芯片MAX1270。若模拟量输入信号为0～10V电流信号，则将电压/电压转换电路中对应通道的拨码开关设为ON，电流/电压转换电路中对应通道的拨码开关设为OFF，则电压/电压转换电路被接入，电流/电压转换电路被隔离，电压/电压转换电路将0～10V电压信号转为0～5V电压信号，并将转换后的信号给A/D转换电路中的A/D转换芯片MAX1270。

A/D转换芯片接收第一路至第八路的0～5V电压信号，八路电压信号对应连接到A/D转换芯片的CH0～CH7通道，A/D转换芯片将八路0～5V电压信号转换为数字信号，通过SSI总线传送给A/D隔离电路的隔离芯片Adum1401，隔离芯片将接收到的SSI总线信号进行电压变换隔离，输出与LM3S8970电平相匹配的SSI总线信号，LM3S8970接收到此SSI总线信号进行处理。由于A/D转换芯片的精度为12位，若模拟量输入信号是电流信号，由于电流变送器的标准信号为4～20mA，若转换为0～5V需要八个专用的电流/电压转换芯片，不仅价格较高，而且体积较大。这里给出的处理方法是将4～20mA电流信号转换为广5V电压信号传送给控制器，在控制器内部对线性关系进行计算。最终得出转换后的数字量范围是819～4095，对应于输入信号4～20mA。设value代表寄存器内读入的值，变送器电流计算公式为I＝(value-819)/(4095-819)*(20-4)+4。若模拟量输入信号是电压信号，最终得出转换后的数字量范围是0～4095，对应于0～10V。设value代表寄存器内读入的值，变送器电压计算公式为V＝(value-819)/(4095-819)*10。

(2)模拟量输出电路模块：LM3S8970将模拟量输出量变量对应于0～4095，通过I2C总线传输给D/A隔离电路的隔离芯片Adum2251，隔离芯片对接收到的I2C总线数据进行电平转换隔离，将转换后的I2C总线数据同时传送给两个四通道D/A转换芯片DAC7573，由于I2C总线数据中包含有子地址号，第一个DAC7573的地址号为0000，第二个DAC7573的号地址为0001，两个D/A转换芯片通过对比接收到的I2C总线数据的子地址是否与自己的地址一致来确定是否进行转换。若与自身地址一致，D/A转换芯片将I2C总线数据内的数字信号转换成电压信号并在对应通道接口输出，此输出信号为0～5V。

模拟量电压转换电路共包括八路结构相同的电压转换电路。模拟量电压转换电路的第一至第八路输入分别连接D/A转换芯片的第一至第八通道0～5V电压信号输出。模拟量电压转换电路将对应通道的0～5V电压信号转0～10V电压信号。模拟量电压转换电路的八路0～10V电压信号输出至模拟量输出端子的对应通道，模拟量输出信号即为0～10V。

(3)开关量输入电路模块：来自于外部的0V或24V电压信号从开关量输入端口输入。开关量调理电路包括十路功能相同调理电路，开关量输入端口第一至第十路的正极0V或24V电压信号传送给第一至第十路开关量调理电路的输入，相应开关量调理电路对输入信号进行电压变换隔离，将0V或24V电压信号转为0V或3.3V电压信号输出，第一至第十路开关量调理电路的输出连接至LM3S8970的第一至第十路开关量对应的引脚。若对应引脚为高电平，则读取相应位为1；若对应引脚为低电平，则读取相应位为0。

(4)开关量输出电路模块：LM3S8970将十个通用I/O接口引脚设置为开关量功能，并将第一至第十通道的对应寄存器的值0或1输出第一至第十路开关量对应的功能引脚。若寄存器值为1，则输出3.3V；若寄存器值为0，则输出0V。第一至第十路开关量对应的引脚连接至第一至第十路开关量输出调理电路的输入，开关量输出调理电路将接收到的对应通道的0V或3.3V电压信号转为0V或15V电压信号输出，第一至第十路开关量输出调理电路的输出对应接至第一至第十路继电器驱动电路的输入，若输入信号为0V，则继电器输出断开；若输入信号为15V，则继电器输出闭合。继电器的正端接外部电源+24V。因此，当继电器断开时，负端输出为0V，当继电器输出闭合时，负端输出为24V。

(5)CAN接口电路驱动模块：LM3S8970将PD0/CAN0、RX PD1/CAN0TX、PF0/CAN1RX、PF1/CAN1TX引脚配置为CAN通信接口。若为CAN接口发送数据，则LM3S8970通过这四个引脚将CAN报文传送给CAN接口芯片，CAN接口芯片将接收到的CAN报文信号进行电平转换，通过CAN通信接口传送给外围设备。若为CAN接口收收数据，则CAN通信接口接收外围设备的输入的CAN报文信号，CAN报文信号传递给CAN接口芯片，CAN接口芯片将接收到的CAN报文信号进行电平转换成为与LM3S8970电平相匹配的CAN报文信号，LM3S8970接收CAN报文信号并进行处理，将接收到的字符存至寄存器。

(6)以太网接口电路驱动模块：LM3S8970将TXON、TXOP、RXIN、RXIP、LED0/PF3、LED1/PF2引脚配置为以太网通信接口。若为通过以太网通信接口发数据，则LM3S8970通过这六个引脚将以太网数据包信号传送给以太网接口芯片，以太网接口芯片将接收到的以太网数据包信号进行电平转换，通过标准以太网通信接口传送给外围设备。若为通过以太网接收数据，则标准以太网通信接口接收外围设备的输入的以太网数据包，以太网数据包传递给以太网接口芯片，以太网接口芯片将接收到的以太网数据包信号进行电平转换成为与LM3S8970电平相匹配的以太网数据包信号，LM3S8970接收以太网数据包信号并进行处理，将接收到的字符存至寄存器。

总之，本实用新型解决了现有技术中央空调控制器系统配置的复杂、输入输出信号不匹配，通讯协议不匹配，成本较高，不易使用和维护等不足。提供了一种低成本、高可靠性、使用和维护简单、可以实现节能的中央空调专用控制器。这种中央空调专用控制器既可以用单台专用控制器实现制冷机组或冷冻水侧的节能控制，也可以用两台专用控制器协作同时实现制冷机组和冷冻水侧的节能控制。本中央空调专用控制器可以用于控制中央空调系统处于多种工作状态，制冷量可调，节能效果突出，具有良好的经济效益和社会效益。

Claims (4)

1.一种基于ARM的中央空调嵌入式控制器，包括基于ARM的微处理器、状态控制按钮、开关量信号输入接口、开关量信号输出接口、模拟量输入电路模块、模拟量输出电路模块，其特征在于，

所述的模拟量输入电路模块获取的模拟量输入信号为0-10V电压信号或者4-20mA电流信号，经过信号选择电路的选择后与相应的电压/电压转换电路或电流/电压转换电路相接，经过转换的模拟量输入信号，通过AD转换和隔离后被送入微处理器；

所述的微处理器输出的模拟量数字信号经过DA隔离和转换后得到的0-5V模拟量输出信号，经过信号选择电路的选择后与相应的电压/电压转换电路或电压/电流转换电路相接，输出0-10V电压信号或者4-20mA电流信号；

所述的开关量信号输入接口通过状态控制按钮接收的输入信号经过开关量输入信号调理电路的调理后被送入微处理器；

所述的微处理器输出的开关量输出信号经开关量输出信号调理电路的调理后，再由继电器驱动电路连接到开关量信号输出接口。

2.根据权利要求1所述的基于ARM的中央空调嵌入式控制器，其特征在于，所述的微处理器为LM3S8970。

3.根据权利要求1所述的基于ARM的中央空调嵌入式控制器，其特征在于，所述微处理器通过将通用I/O引脚配置为以太网功能端口，所述以太网功能端口连接标准以太网通信接口模块HR911105。

4.根据权利要求1所述的基于ARM的中央空调嵌入式控制器，其特征在于，所述的微处理器通过将通用I/O引脚配置为CAN功能端口，CAN功能端口再通过CAN调理芯片SN65HVD1050D与CAN接口相连。 

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