基于ARM和μC/OS-Ⅱ的在线磷酸根离子监测仪设计

摘 要:基于火电厂磷酸根离子在线测量的精度和稳定性需要,该磷酸根离子监测仪是依据磷钒钼黄分光光度法原理,采用高性能的ARM微控制器和稳定可靠的μC/OS-Ⅱ操作系统来完成在线式磷酸根离子检测仪管理控制系统的要求。 系统智能化程度高、操作简便、稳定性高、功耗低、测量结果精确可靠,可以满足火电厂对水质的磷酸根离子含量监测的需要。

关键词:磷酸根离子; ARM; 嵌入式系统; 在线测量

中图分类号:TN919-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)19-0154-02

Design of Phosphate Ion Online Monitoring Instrument Based on ARM and μC/OS-Ⅱ

WANG Xian-zhong1,2, GUO Feng-hua1, TIAN Zeng-guo1

(1. School of Physics & Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China;2. Henan Relations Electronic Co. Ltd., Zhengzhou 450001, China)

Abstract: For the stability and accuracy requirements of phosphate ion online monitoring in thermal power plant, the phosphate ion monitoring instrument, which is controlled by high-performance ARM micro-controller and reliable μC/OS-Ⅱ operation system to achieve the phosphate ion online monitoring, is designed according to the principle of P-V-MO colorimetric method. The instrument has the advantages of high intelligence, easy operation, high stability, low power consumption, high accuracy and high reliability, and can satisfactorily meet the requirements of monitoring the phosphate ion content in thermal power plant water.

Keywords: phosphate ion; ARM; embedded system; online monitoring

收稿日期:2010-04-20

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-比尔定理[1-3],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。

A=lg (I0/I)=KCL

式中:A为吸光度;

I0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[4]。总体设计框图如图1所示。

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。

图1 硬件电路框图

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600~10 000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[5]。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DC 24 V/0.3 A,DC 24 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,RS 485,4~20 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(3.3 V,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[6]。

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[7-8]。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IRQ1)、4~20 mA标准电流输出及PID温度控制(串行中断UART0)、MODBUS通信(串行中断UART1)、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。

图2 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。

表1 实验测量结果

标准溶液原子水0.51.01.52.05.0

测得值 /mg/L0.00.4581.01.4881.9384.8

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。

参考文献

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[5]Analog Devices. 3 V/5 V CMOS 500 mA signal conditioning ADC[R/OL]. [2009-05-06]. .

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[7]Jean J Labrosse.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ[M].邵贝贝,译.2版.北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[8]李建明,夏路易.基于AT91M40800和μC/OS-Ⅱ的嵌入式系统设计[J].太原理工大学学报,2006(5):2-3.

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