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    基于ARM和μC/OS的在線磷酸根離子監測儀設計

    發布時間:2012/10/23   點擊次數:2915
     
    提 供 商: 無錫東原儀表科技有限公司 資料大?。?/td>
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      火力發電廠和大型工業鍋爐,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,不能有效防止結垢,磷酸根離子含量過高,會導致爐水的pH值變高。因此磷酸根離子濃度是爐水檢測的重要參數。ARM處理器具備高性能、低功耗、低成本等優點,將其應用于在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統,可以提高磷酸根分析儀的處理速度和精度。
      1結構及測量原理簡介
      磷酸根離子分析儀整體結構包括光路系統、水路系統和管理控制系統三個部分。
      光路系統主要包括:的單色LED冷光源、比色皿和光電傳感器。
      水路系統由比色皿、柱塞泵、多通道切換閥、流通池、樣水/標液切換閥、流量計、排污閥、溢流管等組成。
      利用化學吸光法原理,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為入射光強度;I為透過光強度;C為有色溶液的濃度;L為溶液的厚度;K為吸光系數。
      2管理控制系統的硬件設計
      在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統采用模塊化設計,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、信號調理與轉換電路模塊、電源電路模塊、通訊電路模塊、人機接口電路模塊、實時時鐘電路模塊、復位系統電路模塊8個部分。
      2.1核心板電路
      核心板電路模塊由嵌入式微控制器AT91M40800及外擴存儲器組成。嵌入式微控制器AT91M40800主要用于管理和控制整個系統。擴充了1MB的RAM,主要用于系統程序運行,大大提高系統運行速度。外擴2MB的FLASH,用作主存儲器,存放系統程序和測量數據。
      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/標液切換、樣水與試劑柱塞泵注水、攪拌電機、排污電子閥以及6路超范圍報警和斷樣報警。
      CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)復雜可編程邏輯器件,具有編程靈活、集成度高、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經驗要求低、標準產品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特點,采用先進的CMOS制作技術,3.3V電源供電,并提供600~10000可用邏輯門,引腳延誤速度為4.5ns,計算頻率可高達227.3MHz。系統用CPLD實現對注塞泵的穩定控制。
      2.3信號調理轉換電路
      信號調理與轉換電路模塊主要用于放大微弱的光電傳感器測量信號,并通過AD7714轉換成數字信號送入主處理器AT91M40800。系統選用OPA2340單電源軌至軌運算放大器,它具有極低的失調電壓和偏置電流,具有較高的共模輸入范圍和共模抑制比。A/D轉換器件選用適用于低頻測量應用的AD7714,轉換精度高、速度快、編程、接口方便。
      2.4電源電路模塊
      使用AC-DC電源模塊,輸入220V交流電,輸出DC24v/O.3A,DC24V/1.和DC5V直流電。同時選用低壓差電壓調節器LM1117提供3.3V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,RS232,RS485,4~20mA標準電流輸出。USB接口主要用于和上位機通訊,RS232模塊用于和其他設備通信,選用MAXIM公司生產的MAX3221串口轉換芯片,RS485用作遠程數據傳輸,另外,配備4~20mA標準電流用作數據傳輸避開噪聲影響,將低于4mA和高于20mA的信號用作各種故障的報警。
      2.6人機接口
      人機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,zui大電流240mA),寬輸入電壓(2.7~5.5V),輕薄設計(高度10mm)等優點。
      設計有6個按鍵配合使用,以方便操作。
      2.7實時時鐘電路模塊
      為了能夠準確記載所檢測的磷酸根濃度對應的日期、時間,選用了掉電不丟失的鐵電存儲器FM31256,該芯片是包含基于處理器系統的通用功能需求的集成器件,主要功能包含32768b的鐵電非易失性存儲器、實時時鐘、低電壓復位和一個通用的比較器,用于電源失效中斷輸出或其他用途。
      2.8復位系統電路模塊
      系統選用STM811復位芯片。該芯片是于產生微處理器復位功能的芯片。在電源上電、掉電以及監控系統電源電壓的變化,產生可靠的電源復位信號,使微處理器產生復位或處理中斷事件。
      另外,本系統還采用AT92M40800內部看門狗定時器,當系統進入異常中斷后進行自動復位,確保系統連續正常檢測。
      3管理控制系統的軟件設計
      磷酸根離子分析儀主要用于工業現場磷酸根離子的全天候實時監測,對儀器的穩定性和可靠性以及抗干擾性能要求較高。μC/OS-Ⅱ是一個完整的、開源的、可移植、固化、裁剪的占先式實時多任務內核。其穩定性與安全性方面已經過美國聯邦航空管理局認證。
      μC/OS-Ⅱ在硬件應用平臺上的移植主要完成修改OS_CPU_C.C,OS_CPU_A.ASM等多個與處理器相關的文件。μC/OS-Ⅱ上已經有移植成功的范例,這里不再多做介紹。
      系統任務主要劃分為:測量信號輸入(快速中斷FIQ)、觸摸屏輸入(外部中斷IRQ0)、USB通信(外部中斷IRQl)、4~20mA標準電流輸出及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控制管理及輸出報警等。
      4結語
      系統將高性能工業級ARM處理器AT91M40800和穩定可靠的嵌入式操作系統應用于磷酸根離子的測量。
      儀表在為期兩天的實驗過程中,對同一溶液多次重復測量,測量結果能夠達到國標要求,儀表測量重復性良好,滿足在線測量要求。實驗和現場應用表明,該系統工作穩定、智能化程度高、測量精度高、重復性好,可以滿足火電廠對磷酸根離子在線檢測的需要。

     
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