基于ARM和μC/OS的在線磷酸根離子監(jiān)測(cè)儀設(shè)計(jì)
火力發(fā)電廠和大型工業(yè)鍋爐,通常采用向爐水中添加少量磷酸鹽以防止鈣、鎂水垢的生成,磷酸根濃度不夠,不能有效防止結(jié)垢,磷酸根離子含量過(guò)高,會(huì)導(dǎo)致?tīng)t水的pH值變高。因此磷酸根離子濃度是爐水檢測(cè)的重要參數(shù)。ARM處理器具備高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn),將其應(yīng)用于在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統(tǒng),可以提高磷酸根分析儀的處理速度和精度。
1 結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理簡(jiǎn)介
磷酸根離子分析儀整體結(jié)構(gòu)包括光路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和管理控制系統(tǒng)三個(gè)部分。
光路系統(tǒng)主要包括:專用的單色LED冷光源、比色皿和光電傳感器。
水路系統(tǒng)由比色皿、柱塞泵、多通道切換閥、流通池、樣水/標(biāo)液切換閥、流量計(jì)、排污閥、溢流管等組成。
利用化學(xué)吸光法原理,即在一定的酸度下,正磷酸鹽與釩鉬酸作用生成黃色的磷釩鉬酸。此顏色的吸光度與水中正磷酸鹽的濃度符合朗伯一比爾定理,即溶液的吸光度A與溶液的濃度c和液層的厚度L的乘積成正比。
式中:A為吸光度;Io為入射光強(qiáng)度;I為透過(guò)光強(qiáng)度;C為有色溶液的濃度;L為溶液的厚度;K為吸光系數(shù)。
2 管理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),包括以32位的AT91M40800微控制器為核心的核心板電路、控制電路模塊、信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路模塊、電源電路模塊、通訊電路模塊、人機(jī)接口電路模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路模塊、復(fù)位系統(tǒng)電路模塊8個(gè)部分。總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。
2.1 核心板電路
核心板電路模塊由嵌入式微控制器AT91M40800及外擴(kuò)存儲(chǔ)器組成。嵌入式微控制器AT91M40800主要用于管理和控制整個(gè)系統(tǒng)。擴(kuò)充了1 MB的RAM,主要用于系統(tǒng)程序運(yùn)行,大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。外擴(kuò)2 MB的FLASH,用作主存儲(chǔ)器,存放系統(tǒng)程序和測(cè)量數(shù)據(jù)。
2.2 控制電路模塊
控制電路模塊用CPLD和繼電器控制通道切換、樣水/標(biāo)液切換、樣水與試劑柱塞泵注水、攪拌電機(jī)、排污電子閥以及6路超范圍報(bào)警和斷樣報(bào)警。
CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件,具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無(wú)需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特點(diǎn),采用先進(jìn)的CMOS制作技術(shù),3.3 V電源供電,并提供600~10000可用邏輯門,引腳延誤速度為4.5 ns,計(jì)算頻率可高達(dá)227.3 MHz。系統(tǒng)用CPLD實(shí)現(xiàn)對(duì)注塞泵的穩(wěn)定精確控制。
2.3 信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路
信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路模塊主要用于放大微弱的光電傳感器測(cè)量信號(hào),并通過(guò)AD7714轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入主處理器AT91M40800。系統(tǒng)選用 OPA2340單電源軌至軌運(yùn)算放大器,它具有極低的失調(diào)電壓和偏置電流,具有較高的共模輸入范圍和共模抑制比。A/D轉(zhuǎn)換器件選用適用于低頻測(cè)量應(yīng)用的 AD7714,轉(zhuǎn)換精度高、速度快、編程、接口方便。
2.4 電源電路模塊
使用專用AC-DC電源模塊,輸入220 V交流電,輸出DC24v/O.3 A,DC24 V/1.5 A和DC 5 V直流電。同時(shí)選用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117提供3.3 V電源。
2.5 通訊電路模塊
通訊電路模塊包括通用異步串行通信USB,RS 232,RS485,4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。USB接口主要用于和上位機(jī)通訊,RS 232模塊用于和其他設(shè)備通信,選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3221串口轉(zhuǎn)換芯片,RS 485用作遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,另外,配備4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流用作數(shù)據(jù)傳輸避開噪聲影響,將低于4 mA和高于20 mA的信號(hào)用作各種故障的報(bào)警。
2.6 人機(jī)接口
人機(jī)接口模塊包括觸摸顯示和按鍵兩部分。觸摸顯示部分采用TFT6448真彩液晶顯示器,具有使用溫度范圍廣(-10~+65℃),低功耗(3.3V,最大電流240 mA),寬輸入電壓(2.7~5.5 V),輕薄設(shè)計(jì)(高度10 mm)等優(yōu)點(diǎn)。
設(shè)計(jì)有6個(gè)按鍵配合使用,以方便操作。
2.7 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路模塊
為了能夠準(zhǔn)確記載所檢測(cè)的磷酸根濃度對(duì)應(yīng)的日期、時(shí)間,選用了掉電不丟失的鐵電存儲(chǔ)器FM31256,該芯片是包含基于處理器系統(tǒng)的通用功能需求的集成器件,主要功能包含32 768 b的鐵電非易失性存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、低電壓復(fù)位和一個(gè)通用的比較器,用于電源失效中斷輸出或其他用途。
2.8 復(fù)位系統(tǒng)電路模塊
系統(tǒng)選用STM811復(fù)位芯片。該芯片是專用于產(chǎn)生微處理器復(fù)位功能的芯片。在電源上電、掉電以及監(jiān)控系統(tǒng)電源電壓的變化,產(chǎn)生可靠的電源復(fù)位信號(hào),使微處理器產(chǎn)生復(fù)位或處理中斷事件。
另外,本系統(tǒng)還采用AT92M40800內(nèi)部看門狗定時(shí)器,當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入異常中斷后進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位,確保系統(tǒng)連續(xù)正常檢測(cè)。
3 管理控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
磷酸根離子分析儀主要用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)磷酸根離子的全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)儀器的穩(wěn)定性和可靠性以及抗干擾性能要求較高。μC/OS-Ⅱ是一個(gè)完整的、開源的、可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。其穩(wěn)定性與安全性方面已經(jīng)過(guò)美國(guó)聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證。
μC/OS-Ⅱ在硬件應(yīng)用平臺(tái)上的移植主要完成修改OS_CPU_C.C,OS_CPU_A.ASM等多個(gè)與處理器相關(guān)的文件。μC/OS-Ⅱ官網(wǎng)上已經(jīng)有移植成功的范例,這里不再多做介紹。
系統(tǒng)任務(wù)主要?jiǎng)澐譃椋簻y(cè)量信號(hào)輸入(快速中斷FIQ)、觸摸屏輸入(外部中斷IRQ0)、USB通信(外部中斷IRQl)、4~20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出及PID溫度控制(串行中斷UARTO)、MODBUS通信(串行中斷UARTl)、按鍵輸入(定時(shí)中斷Time0)、Watchdog 中斷、文件管理、用戶圖形界面顯示、CPLD控制管理及輸出報(bào)警等。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。
4 結(jié)語(yǔ)
系統(tǒng)首次將高性能工業(yè)級(jí)ARM處理器AT91M40800和穩(wěn)定可靠的嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用于磷酸根離子的測(cè)量。
選取幾種標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)得值如表1所示。
儀表在為期兩天的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,對(duì)同一溶液多次重復(fù)測(cè)量,測(cè)量結(jié)果能夠達(dá)到國(guó)標(biāo)要求,儀表測(cè)量重復(fù)性良好,滿足在線測(cè)量要求。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明,該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、智能化程度高、測(cè)量精度高、重復(fù)性好,可以滿足火電廠對(duì)磷酸根離子在線檢測(cè)的需要。
評(píng)論