【嵌入式PID温度控制系统】Part 4：Scilab GUI

旧乡故客

通过USB通信和Scilab图形用户界面，我们可以真正看到PID控制器正在做什么。

该PID（比例 - 积分 - 微分）温度控制系统的主要组件包含EFM8微控制器、DAC和MAX31855热电偶数字转换器。该系列总共有6部分：

●    Part 1：电路原理设计

●    Part 2：板级集成

●    Part 3：实现与可视化

●    Part 4：Scilab GUI

比LED更好的显示方式

在上一篇文章中使用的LED可视化方案非常有限。事实上，几乎任何基于几个LED的可视化方案都会相当薄弱。我们需要确切地看到我们的PID控制器正在做什么 - 首先，因为它会更有趣，其次，因为我们需要有关系统性能的详细信息，以便正确设置比例、积分和增益。

在项目的这个阶段，我们将把USB功能整合到EFM8固件中，并设计Scilab图形用户界面，控制设定点并实时显示实际测量的温度。

固件 - USB命令

固件已更改，因此PID操作由Scilab管理。在Scilab告诉它之前，EFM8不会启动PID功能，然后Scilab可以随时停止并恢复PID功能。要启动或恢复PID操作，Scilab通过USB链路发送ASCII“C”，并停止PID操作，它发送ASCII“H”;这两个命令只是一个没有回车或换行或不换行的单个字符。当PID操作停止时，加热器驱动电压设置为0 V，因此请记住，在停止状态期间，加热元件的温度将逐渐降低到室温。 Scilab也可以改变设定值；这是通过发送ASCII“S”后跟一个单字节二进制（即非ASCII）数字来实现的，该数字表示以摄氏度为单位的设定值。这三个命令包含在VCPXpress回调函数中。

1. VCPXpress_API_CALLBACK(myAPICallback)
   
2. {
   
3.    uint32_t API_InterruptCode;
   
4. 
   
5.    //get the code that indicates the reason for the interrupt
   
6.    API_InterruptCode = Get_Callback_Source();
   
7. 
   
8.    //if the USB connection was just opened
   
9.    if (API_InterruptCode & DEVICE_OPEN)
   
10.    {
    
11.            //start the first USB read procedure
    
12.            Block_Read(USBRxPacket, USB_PACKET_SIZE, &USBBytesRcvd);
    
13.            /*we will process the received bytes when we get
    
14.            a callback with an RX_COMPLETE interrupt code*/
    
15.    }
    
16. 
    
17.    if (API_InterruptCode & RX_COMPLETE)   //USB read complete
    
18.    {
    
19.                    //'C' tells the EFM8 to begin or resume PID control
    
20.                    if(USBRxPacket[0] == 'C')
    
21.                    {
    
22.                            PID_ACTIVE = TRUE;
    
23.                    }
    
24. 
    
25.                    //'H' tells the EFM8 to halt PID control
    
26.                    else if(USBRxPacket[0] == 'H')
    
27.                    {
    
28.                            PID_ACTIVE = FALSE;
    
29. 
    
30.                            /*The heater-drive voltage is held at 0 V
    
31.                             * while PID control is halted.*/
    
32.                            UpdateDAC(DAC_HEATER, 0);
    
33.                    }
    
34. 
    
35.                    //'S' indicates that the host is sending the setpoint
    
36.                    else if(USBRxPacket[0] == 'S')
    
37.                    {
    
38.                            /*The setpoint temperature is restricted to
    
39.                             * positive integers not greater than 100
    
40.                             * degrees C. Scilab sends the setpoint as a
    
41.                             * normal binary number, not as ASCII characters,
    
42.                             * so that the EFM8 doesn't have to convert
    
43.                             * from ASCII to binary.*/
    
44.                            Setpoint_Temp = USBRxPacket[1];
    
45.                    }
    
46. 
    
47.            //continue with the next USB read procedure
    
48.            Block_Read(USBRxPacket, USB_PACKET_SIZE, &USBBytesRcvd);
    
49.    }
    
50. }

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PID流量

主while循环中的PID例程现在通过检查PID_ACTIVE标志开始，该标志初始化为FALSE。此时执行仍然存在，直到Scilab的“C”命令导致EFM8将此标志更改为TRUE。另一个重要的区别是测量的温度在每次迭代开始时被发送到Scilab。在之前的项目中，Scilab首先通过USB命令请求数据，然后EFM8将数据作为对请求的响应发送。在这个项目中，Scilab不必询问数据; EFM8在每次迭代期间发送一个三字节的测量温度数据包，Scilab只接收并显示数据。这减少了USB流量和EFM8处理器的负担，因此我们应该减少更高的更新速率，以改善受控变量变化的可视化。当前固件使用两秒的更新间隔，这似乎提供了足够的控制和可视化，而不会使EFM8或Scilab GUI负担过重。以下代码摘录涵盖了主while循环的PID部分：

1. while (1)
   
2. {
   
3.         /*First, we check PID_ACTIVE.The following while statement
   
4.          * suspends PID functionality until the EFM8 is commanded by
   
5.          * Scilab to begin or resume PID control.*/
   
6.         while(PID_ACTIVE == FALSE);
   
7. 
   
8.         GatherMAX31855Data();
   
9.         while(TEMP_DATA_READY == FALSE);        //wait until the SPI transaction is complete
   
10. 
    
11.         Measured_Temp = ConvertMAX31855Data_to_TempC();
    
12. 
    
13.         //send measured temperature to Scilab
    
14.         TransmitUSB_TempData();
    
15. 
    
16.         Error = Setpoint_Temp - Measured_Temp;
    
17. 
    
18.         /*We don't want the integral error to get
    
19.          * way too large. This is a standard problem
    
20.          * referred to as integral windup. One solution
    
21.          * is to simply restrict the integral error to
    
22.          * reasonable values.*/
    
23.         Error_Integral = Error_Integral + Error;
    
24.         if(Error_Integral > 50)
    
25.                 Error_Integral = 50;
    
26.         else if(Error_Integral < -50)
    
27.                 Error_Integral = -50;
    
28. 
    
29.         Error_Derivative = Error - Previous_Error;
    
30.         Previous_Error = Error;
    
31. 
    
32.         PID_Output = (K_proportional*Error) + (K_integral*Error_Integral) + (K_derivative*Error_Derivative);
    
33. 
    
34.         /*We need to restrict the PID output to
    
35.          * acceptable values. Here we have limited it
    
36.          * to a maximum of 200, which corresponds
    
37.          * to about 780 mA of heater-drive current, and
    
38.          * a minimum of 0, because we cannot drive
    
39.          * less than 0 A through the heating
    
40.          * element.*/
    
41.         if(PID_Output > 200)
    
42.                 PID_Output = 200;
    
43.         else if(PID_Output < 0)
    
44.                 PID_Output = 0;
    
45. 
    
46.         //here we convert the PID output from a float to an unsigned char
    
47.         Heater_Drive = PID_Output;
    
48. 
    
49.         UpdateDAC(DAC_HEATER, Heater_Drive);

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发光二极管

虽然LED反馈本身不足，但它仍然是监控系统运行的便捷方式。 它也有助于确认Scilab显示的数据与EFM8中的实际情况一致。 为了使LED反馈更适合第二个目的，我们将在项目的这个阶段采取不同的方法：如果测量的温度在设定点的±2°C范围内，我们只打开绿色LED。 如果测得的温度低于设定值2°C以上，我们只打开蓝色。 如果测得的温度高于设定值2°C以上，我们只打开红色。 所以，绿色=好，蓝色=太冷，红色=太热。 当测量温度在设定点附近振荡时，该方案的优点将是显而易见的，因为LED颜色的变化将与GUI中显示的温度变化同步。 LED控制代码包含在主while循环的第二部分中。

1. /*LED visualization: If the measured temperature is within
   
2.          * plus/minus 2 degrees C of the setpoint, we turn on the
   
3.          * green LED. If the measured temperature is more than
   
4.          * 2 degrees below the setpoint, we turn on the blue LED.
   
5.          * If the measured temperature is more than 2 degrees
   
6.          * above the setpoint, we turn on the red LED.*/
   
7.         if(Measured_Temp >= (Setpoint_Temp-2) && Measured_Temp <= (Setpoint_Temp+2))
   
8.         {
   
9.                 UpdateDAC(DAC_RGB_R, 0);
   
10.                 UpdateDAC(DAC_RGB_B, 0);
    
11.                 UpdateDAC(DAC_RGB_G, 100);
    
12.         }
    
13. 
    
14.         else if(Measured_Temp < (Setpoint_Temp-2))
    
15.         {
    
16.                 UpdateDAC(DAC_RGB_R, 0);
    
17.                 UpdateDAC(DAC_RGB_B, 100);
    
18.                 UpdateDAC(DAC_RGB_G, 0);
    
19.         }
    
20. 
    
21.         else if(Measured_Temp > (Setpoint_Temp+2))
    
22.         {
    
23.                 UpdateDAC(DAC_RGB_R, 100);
    
24.                 UpdateDAC(DAC_RGB_B, 0);
    
25.                 UpdateDAC(DAC_RGB_G, 0);
    
26.         }
    
27. 
    
28.         /*Here we wait until the PID interval has expired,
    
29.          * then we begin a new iteration. The interval is
    
30.          * currently set to 2 seconds.*/
    
31.         PID_WAIT = TRUE;
    
32.         while(PID_WAIT == TRUE);
    
33. }

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SCILAB

以下是GUI处于非活动状态时的样子：

它是在GUI Builder工具箱的帮助下设计的，您可以通过Scilab的ATOMS模块管理器下载该工具箱：、

首先，使用“Open VCP Port”按钮建立与EFM8的虚拟COM端口连接。接下来，选择设定值。 Scilab将设定值限制为小于或等于100的整数。如果输入的值大于100，Scilab将自动将其减小到100并在下面的消息栏中显示“设定值降至最大允许值，即100°C” “打开VCP端口”按钮。同样，如果输入非整数，Scilab会将其舍入到最接近的整数，并显示相应的消息。现在您可以单击“激活PID控制”按钮。在单击此按钮之前，设定值实际上不会发送到EFM8，并且在PID控制处于活动状态时无法更改设定值。这很明显，因为在有效PID控制期间，设定值文本输入框显示为灰色。要更改设定值，必须单击“停止PID控制”，然后更改它，然后单击“激活PID控制”以恢复PID操作。

使用完GUI后，首先单击“停止PID控制”（除非PID控制已处于非活动状态），然后单击“关闭VCP端口”，然后关闭GUI窗口。如果您不遵循此过程，则可能需要重新启动Scilab或重置EFM8等。这很烦人，但不是灾难性的。

让我们快速浏览一下Scilab脚本的一些显着部分。首先，这是Scilab在单击“激活PID控制”后发送“S”（设定值）和“C”（启动/恢复PID控制）命令的方式：

Setpoint值取自文本输入框，如下所示：

当PID控制处于活动状态时，Scilab会反复检查虚拟COM端口接收缓冲区。收到三个字节后，它会读取三个字节，将它们转换为温度值，然后将它们添加到一个数组中，该数组包含自上次单击“激活PID控制”以来收到的所有测量温度值：

显示测量温度的图也有一条绿色虚线，对应于设定值。以下代码用于生成设定值行：

结果

在上一篇文章中，我们研究了仅比例系统和比例积分系统的（基于LED和oscope的）结果。在这两种情况下，控制任务是将加热元件从30°C带到50°C的设定点。我们能够确定1）P-only系统从未达到设定点，2）PI系统确实达到了设定值，但有一些超调量。现在让我们看看同一控制任务的基于GUI的结果。首先是P-only系统：

我们可以看到，P-only系统实际上非常接近设定值，但没有积分增益，温度会有所降低，并达到比设定值低约2°C的稳态值。正如我们在前一篇文章中提到的那样，P-only系统因其对显着稳态误差的敏感性而闻名。

以下是PI系统的图表：

我们在这里可以看到PI系统实际上比我们想象的更糟糕。它确实达到了设定值，但它不仅仅导致过冲 - 这种特殊配置实际上导致了设定点周围的持续（或至少是长期）振荡。

总结

我们用于此项目的PCB实际上有两个USB连接器，一个用于电源，另一个用于数据。典型的USB端口不能提供超过500 mA的电流。因此，为了获得加热元件所需的更高电流，电路板包括从单独的连接器获取电源的选择。因此，其中一根USB线连接到USB充电器，可以提供1200 mA的电流，另一根连接到PC上的USB端口。

在下一篇文章中，我们将使用我们精美的新GUI来探索不同的P、I和D增益如何影响系统的性能。