范忠强 姜周曙 徐平 黄国辉
(杭州电子科技大学自动化学院, 杭州, 310018)
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摘 要:热泵控制器的性能对于热泵热水机的运行效率和节能特性至关重要。研制了基于ARM9嵌入式处理器的高性能热泵控制器。在分析热泵热水机系统需求的基础上，给出了由采集控制单元和图形操作单元组成的热泵热水机控制器的二级总体结构。完成了以freescale 8位单片机MC9S08DZ60为核心的采集控制单元的系统设计，详细介绍了基于S3C2410 ARM9处理器的图形操作单元的硬件系统设计、WINCE操作系统的移植和应用程序的编制。运行结果表明，该热泵热水机控制器不仅运行稳定可靠、操作简单、界面友好、性价比高，具有智能融霜、低温启动与运行、故障诊断、节能高效运行、数据实时分析处理以及远程通讯等功能。
关键词:热泵热水器控制器；节能；ARM9；图形操作单元；
1 引言
能源紧缺问题成为当今世界各国面前的重大问题。节能减碳受到了国际上的高度重视。热泵技术近年来倍受关注，它通过消耗少量的高品位电能，从低温热源高效吸取低品位热能，并将其“泵升”到高温热源，从而将低品位能源转为高品位能源，减少能源的墒增损失，节约高品位能源，提高能源利用率[1]。
热泵系统能否高效、节能运行，很大程度上取决于热泵控制器的性能。把ARM核微处理器引入现代热泵控制系统，不仅能有效解决智能融霜、低温启动与运行、故障诊断和节能高效运行等问题，而且可以实现远程通讯、数据的实时分析和处理、系统优化等复杂功能[2]。基于ARM9的热泵控制系统可以实现先进的控制策略，进一步提高系统能效比，达到节能、降耗和减排的目的。
2 系统需求分析
高性能热泵热水机控制器应具有系统优化控制和实时监测，操作方便、友好的交互界面，故障报警和故障诊断功能，智能融霜、低温启动与运行，远程通讯功能等功能和特点。
系统需求分析是设计高性能热泵热水机控制器的首要环节，主要包括分析系统功能和输入输出点，本系统的主要输入输出点如表1所示。
表1 系统的输入输出点
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序号 |
模拟量输入 |
开关量输入 |
开关量输出 |
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1 |
热水进水温度 |
压缩机启动 |
风机 |
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2 |
热水出水温度 |
电源欠逆相 |
压机 |
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3 |
压缩机吐出温度 |
压缩机过载 |
液管电磁阀 |
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4 |
冷风出风温度 |
压缩机过热 |
除霜电磁阀 |
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5 |
高压压力 |
风机启动 |
异常报警 |
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6 |
低压压力 |
风机过热 |
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7 |
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风机过载 |
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8 |
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循环水流开关 |
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9 |
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远端温度开关 |
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3 系统总体结构
热泵热水机的工作现场环境比较恶劣，电磁干扰比较严重，如压缩机和风机的开停机会产生强烈的脉冲干扰。因此，对热泵热水机控制器的性能提出了严格的要求，本系统采用如图1所示上下位机两级结构，具有扩展方便、通用性强、抗干扰能力强等特点。
1) 采集控制单元。以freescale 8位单片机MC9S08DZ60为核心，配合外围电路和驱动单元，实现热泵机组运行数据的采集和控制量的输出等功能。
2) 图形操作单元。以功能强大的ARM9处理器为核心，配合LCD、触摸屏、USB接口、网卡接口、串口等完成信息交换、人机交互和远程控制的功能。
4 采集控制单元
采集控制单元要完成的基本功能是：完成对系统各模拟量和开关量的采集，将数据发送到图形操作单元进行处理；接收图形操作单元发出的指令，输出控制外部继电器。采集控制单元主要分为三部分：采集部分、控制部分、通讯部分。采集的信号类型为：开关量、Pt100热电阻信号、标准信号（4~20mA或1~5V）和热电偶信号；控制部分主要是实现开关量的输出；通讯部分主要基于RS232协议和RS485协议实现串行通讯。
采集控制单元以飞思卡尔MC9S08DZ60芯片作为微控制器，主要的外围硬件电路模块包括电源管理模块、开关量输入模块、开关量输出模块、模拟信号采集模块以及通讯模块等。采集控制单元结构如图2所示。
MC9S08DZ60片内资源[3]包括HCS08 CPU内核，存储器通信接口系统保护。时钟频率最高可达40MHZ(总线频率20MHZ)；外设丰富：包含了EEPROM存储器、WDT看门狗电路、电源监控电路、SPI和IIC总线、CAN、LIN总线接口等丰富资源集成于一体；调试方便：支持片上及在线仿真并带总线实时捕获功能。
5 图形控制单元
图形控制单元以S3C2410 ARM9处理器为主芯片构成硬件系统，采用Windows CE.NET操作系统，并基于Embedded Visual C++开发应用程序。
5.1 硬件系统组成
图形操作单元以三星S3C2410芯片为核心，以四线制电阻式触摸屏和SHARP 8寸彩色液晶屏作为人机交互界面，采用SDRAM和NAND FLASH 扩展存储。通讯接口扩展了以太网接口和RS232/RS485接口，通用USB主/从接口，调试接口为JTAG。图形操作单元可实现良好的人机交互、数据处理和存储和以太网通讯等功能。如图3所示为图形操作单元硬件结构框图[4]。
从图3中可以看到，系统的外扩部分可以分为四部分：存储扩展模块，包括NAND FLASH和SDRAM存储；通讯模块，包括以太网模块、RS485/RS232模块和USB接口模块；人机交互模块，包括LCD和触摸屏；系统调试和外围电路，包括复位电路、电源电路、JTAG调试接口等。
5.2 移植操作系统
在系统开发中，首先要完成的是操作系统的移植，然后才能开发应用程序。对Windows CE.NET的移植一般要遵循以下步骤[5]：
1) 移植BootLoader。
2) 对操作系统进行裁剪，配置各个组件并且修改相关的配置文件。
3) 开发OAL层（OEM Abstraction Layer）和Windows CE.NET加载程序。
4) 开发目标系统上的设备驱动程序。
5) 建立定制的Windows CE.NET操作系统的image文件。
6) 将image文件下载到目标设备上进行调试。
7) 重复开发建立image文件下载和调试的步骤直到达到要求，从而得到一个定制的Windows CE.NET操作系统。
8) 为方便应用程序的开发，在定制的Windows CE.NET操作系统上，可以发布相应的Embedded Visual C++的软件开发包（SDK），供应用程序开发者使用。
5.3 应用程序设计
图形操作单元通过应用程序控制压缩机、风机、液管电磁阀、除霜电磁阀等实现系统功能。程序功能主要分成两个部分：一是设置系统启动参数，以及系统各个保护点参数等来进行系统的启停、运行控制，以及出现异常情况的处理。二是系统各状态信息的实时显示以及系统运行数据的管理。
采用面向对象的设计思路，主要包括以下模块：系统开机、关机模块，系统登录模块，系统参数设置模块，系统通讯模块，历史资讯模块，融霜控制模块，故障诊断分析模块等，以下介绍其中的几个主要模块设计。
5.3.1 系统开机模块
时序图主要描述对象之间的动态合作关系以及合作过程中的行为次序。它用来描述一个用例的行为，显示该用例中所涉及的对象和这些对象之间的消息传递情况。它可以描述对象之间动态行为的交互关系，着重体现了对象之间消息传递的时间顺序。
如图4为系统运行时序图，用户需要通过点击“启动”按钮，启动热泵热水机开始运行，系统首先与采集控制单元进行通讯，采集控制单元对系统的各状态点进行自检后，返回是否可以正常启动的信息。若可以正常启动，则开始按照上述开机顺序开启热泵热水机的各部件：风机-液管电磁阀-压缩机，各部件开启的先后延时时间可设。当图形操作单元发出开启某部件的命令时，采集控制单元需在输出控制量后，对系统的部件状态进行检测，并返回控制部件的开启状态，确保该部件已正常开启。图形操作单元接收到某部件已正确开启的信息后，才进行下一步骤的控制动作。
5.3.2 系统关机模块
系统停机时，和开机时序正好相反，关闭的顺序为：关闭压缩机-关闭液管电磁阀-关闭风机。根据热泵厂家的控制要求，关机时，各操作之间只需要固定延时3秒即可，同样的，每次发送关闭命令后，都要从采集控制单元获取该部件的状态，以确保该部件已正常关闭。
5.3.3 系统参数设置模块
如图5所示为系统参数设置时序图，用户进行参数设置时，由于某些系统参数非常重要，需特殊权限才能进行设置。因此，需要首先进行用户权限验证，验证通过后，将相应的参数设置界面在图形操作单元上显示，否则不响应。
5.3.4 系统通讯模块
下位机采集的原始数据通过简单的均值化处理，以ASCII码的形式发送到上位机。格式如下：‘@'+‘热水进水温度3字节'+‘热水出水温度3字节'+‘冷风出风温度3字节'+‘压缩机出口温度3字节'+‘高压压力2字节'+‘低压压力2字节'+‘开关量2字节'+‘&'。数据处理流程如图6所示。该数据处理过程在串口接收线程中进行，首先判断接收到的字符串，其首字节是否为起始位‘@’，其次判断是否满足协议条件。满足条件时将数据还原成24位格式的数据，然后读入系统参数设定值，将计算后的结果显示到主界面的“工作状态显示”中。
5.3.4 故障诊断处理模块
热泵控制系统初次捕获到故障信息后，为防止误动作，延迟设定时间（一般为3秒）后，再次判断该故障信息是否仍有效，若仍有效，则确认该信息为有效故障信息，并进行故障信息处理。故障处理一般分两种处理方法：一是严重故障；此类故障一般需要人工介入才能消除，故障发生后将系统停机，并在用户界面上提示故障详细信息，包括故障名称，故障发生时间，故障值等。用户需手动排除该故障后，并通过界面上的清除故障功能,对系统故障信息进行巡检，确认无故障信息后，方可按照前面所述顺序开启热泵热水机。二是系统警告；此类故障一般是由于运行环境恶劣或者负载过重等原因造成的，为防止长期运行给热泵热水机带来损害。故障发生时，同样需要停机处理，但故障停止一段时间后，若恢复到正常值，则机组自动开启，不需要人工介入。若同类故障连续发生次数超过3次，则做系统严重故障处理，需人工介入干预后，方可重新开启。
5.3.4 融霜控制模块
本系统采用热气旁通法的融霜方式，将压缩机排出的高温蒸汽直接引入蒸发器中，通过蒸汽液化将蒸发器外侧的霜层融化[6]。在旁通支路中设有一个旁通阀来控制气流的开闭，并利用阀的开度来调整制冷剂的流量。这种方式能够做到按需除霜，避免了过于频繁的从压缩机中抽气，从而降低压缩机的效率[7]。
除霜控制策略采用时间-压力控制法，系统根据压缩机进口侧低压压力值和除霜间隔时间判断是否开始除霜，除霜时，风机停止运行。根据压缩机进口侧低压压力值或除霜时间是否到达到设定值来判断是否停止除霜。此外，系统还增设了手动除霜方式。
对于双压缩机系统，若两台压缩机都满足除霜条件，第一台压缩机首先除霜，若满足结束除霜条件的任何一个，则第一台压缩机停止除霜，第二台压缩机开始除霜，直到满足结束除霜条件即停止除霜。
6 系统运行结果
控制器开发完成后，在热泵控制机柜上进行了联机调试。运行结果表明：系统的采集精度满足设计要求，输出准确可靠，界面显示直观，用户操作方便，基本满足热泵热水机的控制要求。系统控制器运行主界面如图7所示。
7 结束语
由于具有安全、环保、节能、能效比高、制热量大等特点，热泵热水机将在未来的低碳环保领域有更大的应用前景。介绍了热泵热水机高性能控制器的软硬件系统的结构与设计，重点介绍了上位机的设计与实现。该控制器基本满足热泵热水机的控制要求，具有界面友好、操作方便、运行稳定等优点。
参 考 文 献
1 王如竹，丁国良. 第五届全国制冷空调新技术会议反映的研究热点. 制冷技术. 2008(4): 22-23
2 曽大祺，姜周曙，徐平，等. 基于ARM9的嵌入式热泵热水控制器[J]. 机电工程.2009,26(4).58-61
3 Freescale Inc. TLP521 Data Sheet. USA: freescale Inc.
4 何宗键. Windows CE嵌入式系统. 北京: 北京航空航天大学出版社. 2006. 154-159
5 S3C2410A-200MHz & 266Hz 32-bit RISC Microprocessor User's Manual. Korea: Samsung Electronics Co.,Ltd.
6 罗鸣，谢军龙，沈国民. 风冷热泵机组中的热气除霜方法. 制冷与空调. 2003，3(6): 47-49
7 杨俊华，吴伯谦. 风冷热泵除霜方法及其控制. 制冷与空调. 2006(2): 100-101
The Development of High Performance
Heat Pump Water Heater Controller
FAN Zhong-qiang, JIANG Zhou-shu , XU Ping，HUANG Guo-hui
(College of Automation, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310018)
Abstract:The performance of heat pump water heater controller is essential for the the operating efficiency and energy-saving feature of heat pump water heater. A high-performance heat pump water heater controller, which is based on ARM9 embedded processor, is developed in this paper. On the base of analysis of system requirements, the overall structure of the controller is firstly proposed, which is composed of the acquisition & control unit and the graphic operation unit. Secondly, the software and hardware design of the acquisition & control unit with freescale 8-bit microprocessor as core is given. Then, the hardware design、the transplant of WINCE operating system and application software design of the graphic operation unit based on S3C2410 ARM9 processor, are introduced in detail. The run results show that the proposed heat pump water heater controller is not only stable, reliable, easy to use, user-friendly, cost-effective, but also has the functions of intelligent defrost,low temperature boot, fault diagnosis, high efficient, energy-saving running, real-time data analysis and remote data communication.
Key words: heat pump controller；energy-saving；ARM9；graphic operation unit
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