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介绍:
基于ARM和μC/OS-Ⅱ的在线磷酸根离子监测仪设计

火力发电厂和大型工业锅炉,通常采用向炉水中添加少量磷酸盐以防止钙、镁水垢的生成,磷酸根浓度不够,不能有效防止结垢,磷酸根离子含量过高, 会导致炉水的pH值变高。因此磷酸根离子浓度是炉水检测的重要参数。ARM处理器具备高性能、低功耗、低成本等优点,将其应用于在线磷酸根离子分析仪的管 理控制系统,可以提高磷酸根分析仪的处理速度和精度。

1 结构及测量原理简介

磷酸根离子分析仪整体结构包括光路系统、水路系统和管理控制系统三个部分。

光路系统主要包括:专用的单色LED冷光源、比色皿和光电传感器。

水路系统由比色皿、柱塞泵、多通道切换阀、流通池、样水/标液切换阀、流量计、排污阀、溢流管等组成。

利用化学吸光法原理,即在一定的酸度下,正磷酸盐与钒钼酸作用生成黄色的磷钒钼酸。此颜色的吸光度与水中正磷酸盐的浓度符合朗伯一比尔定理,即溶液的吸光度A与溶液的浓度c和液层的厚度L的乘积成正比。

溶液的吸光度A与溶液的浓度c和液层的厚度L的乘积成正比

式中:A为吸光度;Io为入射光强度;I为透过光强度;C为有色溶液的浓度;L为溶液的厚度;K为吸光系数。

2 管理控制系统的硬件设计

在线磷酸根离子分析仪的管理控制系统采用模块化设计,包括以32位的AT91M40800微控制器为核心的核心板电路、控制电路模块、信号调理 与转换电路模块、电源电路模块、通讯电路模块、人机接口电路模块、实时时钟电路模块、复位系统电路模块8个部分。总体设计框图如图1所示。

在线磷酸根离子分析仪的管理控制系统

2.1 核心板电路

核心板电路模块由嵌入式微控制器AT91M40800及外扩存储器组成。嵌入式微控制器AT91M40800主要用于管理和控制整个系统。扩充 了1 MB的RAM,主要用于系统程序运行,大大提高系统运行速度。外扩2 MB的FLASH,用作主存储器,存放系统程序和测量数据。

2.2 控制电路模块

控制电路模块用CPLD和继电器控制通道切换、样水/标液切换、样水与试剂柱塞泵注水、搅拌电机、排污电子阀以及6路超范围报警和断样报警。

CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件,具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标 准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特点,采用先进的CMOS制作 技术,3.3 V电源供电,并提供600~10000可用逻辑门,引脚延误速度为4.5 ns,计算频率可高达227.3 MHz。系统用CPLD实现对注塞泵的稳定精确控制。

2.3 信号调理转换电路

信号调理与转换电路模块主要用于放大微弱的光电传感器测量信号,并通过AD7714转换成数字信号送入主处理器AT91M40800。系统选用 OPA2340单电源轨至轨运算放大器,它具有极低的失调电压和偏置电流,具有较高的共模输入范围和共模抑制比。A/D转换器件选用适用于低频测量应用的 AD7714,转换精度高、速度快、编程、接口方便。

2.4 电源电路模块

使用专用AC-DC电源模块,输入220 V交流电,输出DC24v/O.3 A,DC24 V/1.5 A和DC 5 V直流电。同时选用低压差电压调节器LM1117提供3.3 V电源。

2.5 通讯电路模块

通讯电路模块包括通用异步串行通信USB,RS 232,RS485,4~20 mA标准电流输出。USB接口主要用于和上位机通讯,RS 232模块用于和其他设备通信,选用MAXIM公司生产的MAX3221串口转换芯片,RS 485用作远程数据传输,另外,配备4~20 mA标准电流用作数据传输避开噪声影响,将低于4 mA和高于20 mA的信号用作各种故障的报警。

2.6 人机接口

人机接口模块包括触摸显示和按键两部分。触摸显示部分采用TFT6448真彩液晶显示器,具有使用温度范围广(-10~+65℃),低功耗(3.3V,最大电流240 mA),宽输入电压(2.7~5.5 V),轻薄设计(高度10 mm)等优点。

设计有6个按键配合使用,以方便操作。

2.7 实时时钟电路模块

为了能够准确记载所检测的磷酸根浓度对应的日期、时间,选用了掉电不丢失的铁电存储器FM31256,该芯片是包含基于处理器系统的通用功能需 求的集成器件,主要功能包含32 768 b的铁电非易失性存储器、实时时钟、低电压复位和一个通用的比较器,用于电源失效中断输出或其他用途。

2.8 复位系统电路模块

系统选用STM811复位芯片。该芯片是专用于产生微处理器复位功能的芯片。在电源上电、掉电以及监控系统电源电压的变化,产生可靠的电源复位信号,使微处理器产生复位或处理中断事件。

另外,本系统还采用AT92M40800内部看门狗定时器,当系统进入异常中断后进行自动复位,确保系统连续正常检测。

3 管理控制系统的软件设计

磷酸根离子分析仪主要用于工业现场磷酸根离子的全天候实时监测,对仪器的稳定性和可靠性以及抗干扰性能要求较高。μC/OS-Ⅱ是一个完整的、开源的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。其稳定性与安全性方面已经过美国联邦航空管理局认证。

μC/OS-Ⅱ在硬件应用平台上的移植主要完成修改OS_CPU_C.C,OS_CPU_A.ASM等多个与处理器相关的文件。μC/OS-Ⅱ官网上已经有移植成功的范例,这里不再多做介绍。

系统任务主要划分为:测量信号输入(快速中断FIQ)、触摸屏输入(外部中断IRQ0)、USB通信(外部中断IRQl)、4~20 mA标准电流输出及PID温度控制(串行中断UARTO)、MODBUS通信(串行中断UARTl)、按键输入(定时中断Time0)、Watchdog 中断、文件管理、用户图形界面显示、CPLD控制管理及输出报警等。系统程序流程图如图2所示。

系统程序流程图

4 结语

系统首次将高性能工业级ARM处理器AT91M40800和稳定可靠的嵌入式操作系统应用于磷酸根离子的测量。

选取几种标准溶液测得值如表1所示。

标准溶液测得值

仪表在为期两天的实验过程中,对同一溶液多次重复测量,测量结果能够达到国标要求,仪表测量重复性良好,满足在线测量要求。实验和现场应用表明,该系统工作稳定、智能化程度高、测量精度高、重复性好,可以满足火电厂对磷酸根离子在线检测的需要。

 
 

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