基于单片机和FPGA的空间材料高温炉控制系统

 随着我国空间技术的发展，越来越多的空间科学实验得以进行。太空中的超真空、微重力、强辐射等条件为科学实验提供了在地面难以实现的环境。空间材料科学实验是一种重要的空间科学实验。不论是国际上还是国内，都投入了大量的人力、物力和财力从事空间材料科学的研究。空间材料科学的研究目的是：揭示材料制备过程中的微观机理和组分、结构与性能之间的内在关联，发现新的科学现象，丰富和发展材料科学理论，指导地面的材料制备和生产工艺。而空间材料科学的研究离不开空间材料高温炉(以下简称高温炉)。我国神舟2号和神舟3号飞船上的空间材料科学实验获得了举世瞩目的研究成果，但随着科学的发展和技术的进步，以往的空问材料高温炉，特别是其控制系统，已经不能

适应我国未来空间站上空间材料科学实验的要求，必须研究新型的控制系统，以适应新的发展需要。提出的基于单片机和FPGA的空间材料高温炉控制系统，将在以下几个方面较原控制系统有较大提高：

1)控制精度从1℃提高到0.5℃;

2)热电偶信号采集数量从6个增加到18个;

3)可控制的加热器从1个增加到2个。

4)具有存储器的EDAC检错纠错功能。

1 控制系统工作原理

控制系统分为3个部分：中央控制单元、温度信号采集与调理单元、加热控制单元。高温炉有两个温区、18个热电偶和一个环境温度传感器。18个热电偶中有两个控温偶，分别对应两个温区的温度控制。控制系统的控制框图如图1所示。

温度信号采集与调理单元将高温炉中的热电偶信号进行放大和采集，中央控制单元将采集到的热电偶信号与温度设定值进行比较，使用PID控制算法计算高温炉加热器控制信号的大小，将该信号输出给加热控制单元，控制高温炉中加热器上的电流。

控制系统的软件由FPGA程序和MCU程序两部分组成。FPGA实现外部接口设备的控制，包括A/D转换器、模拟开关、加热信号控制、RS422通讯、工艺曲线存储器;MCU实现温度控制流程、PID算法、与总线通讯系统的通讯协议。

2 系统硬件构成

根据控制系统工作原理，系统硬件构成框图如图2所示。

系统硬件按功能可划分为中央控制单元、温度信号采集与调理单元和加热控制单元，下面将分模块进行介绍。

2.1 中央控制单元

中央控制单元由FPGA、单片机、EEPROM以及看门狗等元器件组成，如图3所示。

其中MCU选用在航天产品中应用广泛的成熟器件，ATMEL公司生产的80C32单片机作为微处理器。单片机通过总线方式访问和控制FPGA以及EEPROM，并且作为整个系统的控制中心。独立硬件喂狗电路保障程序不会跑飞，确保系统稳定安全工作。外部晶振为有源晶振，此晶振同时为MCU和FPGA提供时钟。

FPCA选用APA600，APA600是ACTEL公司基于Flash工艺的FPGA器件，虽然此系列的FPGA为ACTEL公司的第二代产品，但凭借其宇航级品质，此系列FPGA一直应用在我国航天领域，并发挥重大作用。中央控制单元的功能如下所述。

2.1.1 提供存储器并进行纠错

FPGA为MCU提供4k字节RAM存储器，作为80C32的外部数据存储器。由于空间站上的科学实验时间比飞船上更长，通常为1年以上，其受空间粒子的干扰概率更大。空间粒子对存储器的影响通常是将其打翻，即所谓的单粒子翻转SEU(Single-Event Upsets)，因此必须要进行错误检测和校正，即EDAC。

EDAC编码方式采用目前比较常用的汉明编码。这种编码可以进行检错和纠错，可以检测1比特和2比特错误，只能纠正1比特错误，因此适用于单组数据中出现多个错误位概率较低的情况，这恰与SEU经常会打翻星上RAM存储单元1比特信息的情况相符。

2.1.2 工艺曲线和程序存储的读写控制

由于控制程序一旦确定，就不能够再更改，而控制过程的工艺曲线(即温度控制曲线)却由于不同的材料样品，其设定温度、升降温及保温时间以及升降温速率要求不同，所以需要一个存储这些信息的空间，并且可以对这些信息进行实时修改和保存。为了满足这样的需要，中央控制单元中设计了2个EEPROM，分别为程序存储EEPROM和工艺曲线存储EE PROM。

MCU通过FPGA控制EEPROM地址总线，访问程序存储EEPROM存储空间。MCU通过FPGA间接控制工艺曲线EEPROM，根据不同材料样品的工艺要求，访问工艺曲线EEPROM中相应的工艺曲线数据。另外，当MCU接收到总线注入的修改工艺曲线指令时，也可以通过FPGA对工艺曲线进行修改。具体的逻辑控制是由FPGA直接实现的。

2.2 温度信号采集与调理单元

温度信号采集与调理单元包括弱信号采集电路、冷端温度采集电路、多路开关、有源滤波器以及高精度A/D转换电路。

由于模拟开关在开启时会产生毫伏级的信号衰减，因此，对于信号要求精度较高的控温偶，采用先经过放大器然后再进模拟开关的做法，尽可能减小模拟开关对信号的影响。而对于精度要求不是很高的备份和测温偶，则采用先进模拟开关再进放大器的做法，虽然信号的精度有所影响，但节省了处理信号的器件，减小了控制板体积，降低了控制板功耗。温度信号采集与调理单元原理框图如图4所示。

经过调理的热电偶电压信号范围在-10V到+10V之间，这样可以充分利用AD转换芯片的转换精度。FPGA通过信号BYTE、CS以及RC对AD转换芯片进行控制，同时监测AD转换芯片的状态。

2.3 加热控制单元

加热单元采用两组炉丝加热，加热控制方式为PWM，PWM控制方式加热效率高，结合PID算法易于实现高精度控制。炉丝电阻为7.2 Ω，加热电源电压为28 V。炉丝驱动器采用NMOS管，型号为2N7225。2N7225导通电阻小，仅为0.1 Ω，当电流为4 A时，其功耗仅为1.6 W。加热控制单元电路图如图5所示。

可以实现三种加热模式，分别为1号温区单独加热;2号温区单独加热;两个温区同时加热。在两个温区同时加热模式下，还可以实现温度梯度可控，例如1号温区温度为600 ℃，同时2号温区温度为700%。这样可以满足多种材料样品对温场的要求。

3 控制系统软件

控制软件由由MCU控制程序和FPGA控制程序构成。

MCU软件结构如图6所示，其主要功能如下。

通讯管理：通过RS422串行总线完成与总线的通讯;数据采集、组织与存储：采集高温炉中的温度数据，并对采集的数据进行组包、存储;数据注入、总线指令处理：对从总线发送的数据注入进行处理，主要内容包括：数据注入的解析，按照注入内容进行实验过程相关设置，包括参数设置和工作模式设置等;加热炉控制管理：根据工作模式及数据注入内容按照既定的实验流程对高温炉的温度按PID算法进行控制;时钟管理：包括系统校时处理与自守时功能;系统管理与维护：包括系统硬件初始化、初始状态的判断与执行、故障状态检测与容错处理和系统维护。

FPGA程序结构如图7所示。FPGA控制程序具有如下功能。

时钟控制功能：实现FPGA内部的时序控制;CPU接口控制功能：实现CPU接口逻辑，包括地址译码、状态寄存器读取外部程序存储区的接口逻辑;串行接口控制功能：实现RS422异步串行接口链路层通讯，将通讯状态报告给CPU软件，发送和接收缓存均为255字节;EEPROM控制功能：实现工艺曲线EEPROM存储器的读写操作;A/D控制功能：实现A/D采集电路中全部模拟量通道的采集控制，并在内部进行数据缓存供CPU读取;SRAM控制功能：外部的4K字节数据RAM和4K字节EDAC校验码存储区均由FPGA内部RAM组成，可实现80C32对外部RAM空间的访问及EDAC纠一检二校验功能，并可将1位错误和2位错误计数报告给CPU软件;炉丝控制功能：可在CPU控制下产生控制2路炉丝驱动电路的211HzPWM信号，脉宽调制范围为1～99%。

4 控制算法

控制系统使用PID控制算法，PID控制器的核心思想是针对控制对象的控制需求，建立描述对象动态特性的数学模型，通过对PID参数的整定，实现在比例、微分、积分3个参数调整的控制策略，达到最佳系统响应和控制效果。完整的PID控制表达式如下：

5 实验结果

利用上述控制系统对用于空间站的空间材料高温加热炉进行地面实验。实验过程中温度的设定曲线为：初始温度为室温;300 min时温度上升至700℃;600 min时温度上升

至880℃;600～2000 min时处于880℃保温状态;2100 min时温度降至500℃;2300 min时温度降至300℃。

实验过程中保温时间为1 400 min，在此时间范围内，最高温度为880.4℃，最低温度为879.5℃，控温精度优于±0.5℃，方差为0.107 4℃。系统控温曲线如图8所示。

6 结论

MCU+FPGA构成的空间材料高温加热炉控制系统，能够很好地满足空间材料生长对温度环境的要求，具有较高的温度控制精度，同时其热电偶信号采集电路、炉丝加热电路和通讯电路能够实现多路冗余设计，具有较高的可靠性，能够满足空间科学实验的要求，因此，它为我国空间站上空间材料科学实验高温加热炉控制系统的研制铺平了道路。