分析基于S3C2410的恒溫式自動(dòng)量熱儀設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

量熱儀的性能特點(diǎn)：采用美國先進(jìn)技術(shù)的5.2英寸觸摸式液晶屏幕，整體式安裝方法，保證觸摸屏的牢固性。紅外線式技術(shù)，材料選用CRT顯示材料讓觸摸屏更耐用。多層復(fù)合薄膜覆蓋，保證色彩失真度、反光性和清晰度達(dá)到最佳狀態(tài)，感應(yīng)靈敏，定位精度高，有效出沒區(qū)域高達(dá)90%抗磨損，壽命可長達(dá)10年，漢字顯示，無需外接電腦。即可直接操作，又可用計(jì)算機(jī)控制。中文菜單式操作界面，結(jié)構(gòu)簡單、直觀易學(xué)、操作方便、性能穩(wěn)定可靠，采取內(nèi)外筒光電隔離抗干擾能力強(qiáng)。采用獨(dú)特的發(fā)泡隔熱技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過程中不受外界溫度影響。

自動(dòng)注水，不需調(diào)水溫，只需裝好氧彈放入桶內(nèi)，儀器即可自動(dòng)完成全部測(cè)試。結(jié)構(gòu)合理，制作精良，性能可靠，故障率低。

結(jié)果準(zhǔn)確，采用獨(dú)特的冷卻校正系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)及軟件自動(dòng)、誤差補(bǔ)差系統(tǒng)同時(shí)具備外筒貯水量大，熱穩(wěn)定性好等功能。

近年來隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟，其成本也不斷下降，本身所具有的規(guī)模可變、擴(kuò)展靈活、有較高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性、系統(tǒng)內(nèi)核小的優(yōu)點(diǎn)逐漸凸現(xiàn)出來。

1 基本原理

恒溫式量熱儀通過氧彈法測(cè)量熱值。通過放在氧彈中的物質(zhì)燃燒并使燃燒放出的熱量通過彈筒傳遞給水及儀器系統(tǒng)，再根據(jù)水溫的變化計(jì)算出物質(zhì)的發(fā)熱量。其測(cè)量的基本框圖如圖1所示。根據(jù)氧彈法測(cè)量的基本原理，發(fā)熱量計(jì)算公式如下：

式中：E為熱容量，單位：J/K;q1為點(diǎn)火熱，單位：J;q2為添加物如包紙等產(chǎn)生的總熱量，單位：J;m為試樣質(zhì)量，單位：g;Tc為主期結(jié)束時(shí)溫度，單位：℃;Tb為主期開始時(shí)溫度，單位：℃，C為冷卻校正值，單位：℃。

由上式可知，只要測(cè)量出水的溫度以及相關(guān)參數(shù)，就可以計(jì)算出煤樣的發(fā)熱量。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器最高可運(yùn)行在203MHz。

S3C2410與量熱儀各個(gè)部分的連接框圖如圖2所示，在硬件連接之后，需要對(duì)各個(gè)部分與S3C2410的端口進(jìn)行軟件驅(qū)動(dòng)。

2.1.1 ARM板選擇

本次設(shè)計(jì)選擇市場(chǎng)上使用較多，同時(shí)在結(jié)構(gòu)和資源上較為典型的S3C2410處理器，主要是基于以下原因：

(1)性價(jià)比高，使用的最廣泛。作為一款經(jīng)典的ARM9系列處理器，S3C2410的資料最完整，各種驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)包最多，利于開發(fā)者開發(fā)。

(2)采用核心板和底板分離的設(shè)計(jì)思想，用戶可以方便地使用Core-Board進(jìn)行二次開發(fā)。

2.1.2 傳感器的選擇

現(xiàn)在的量熱儀大多采用鉑電阻作為測(cè)溫元件;它雖然具有精度高等優(yōu)點(diǎn)，但鉑電阻在O～800℃范圍內(nèi)、無校正的情況下，最大非線性誤差可達(dá)2%，而且它們屬于模擬式傳感器，輸出信號(hào)需要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這不僅使電路復(fù)雜，成本增加，而且增大了誤差。

石英晶體溫度傳感器HTS-206就是其中的一種，它由日本EPSON公司生產(chǎn)，其振蕩頻率在40 kHz附近，工作溫度范圍為-55～+125℃，其測(cè)量精度利用多點(diǎn)差值法校正后可達(dá)O.05℃石英晶體諧振器HTS-206的調(diào)理電路包括振蕩電路、分頻器、計(jì)數(shù)器三個(gè)主要部分構(gòu)成，其調(diào)理電路如圖3所示。

以往測(cè)量頻率的方法是在芯片外接FPGA芯片，不過HTS-206，的工作頻率為40 kHz左右，符合S3C2410的工作性能，為了節(jié)約成本。HTS-206的輸出經(jīng)過整流放大后，通過S3C2410的EINT0端口，用FIQ中斷模式。

利用軟件設(shè)定中斷的閘門時(shí)間為Tw，并且記錄被測(cè)信號(hào)的變化周期數(shù)(或脈沖個(gè)數(shù))N，則被測(cè)信號(hào)的頻率為：

2.1.3 控制部分

控制部分由充氧控制、充放水控制、水位控制、點(diǎn)火控制、升降電機(jī)控制等幾部分組成：

充氧電路，主要完成氧彈的沖放氣的控制。當(dāng)實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，發(fā)送信號(hào)，打開閥門。氧彈充氣到一定壓力的時(shí)侯，向S3C2410發(fā)出信號(hào)。S3C2410接收到信號(hào)就控制閥門關(guān)閉。

充放水及水位控制系統(tǒng)，主要完成內(nèi)外筒進(jìn)水、排水、定位任務(wù)。分別通過兩個(gè)探測(cè)器測(cè)定內(nèi)外筒的水位，利用程序進(jìn)行水位比較，從而達(dá)到定內(nèi)外筒水定量的目的。

點(diǎn)火系統(tǒng)控制氧彈中的點(diǎn)火裝置，具體控制要求為：點(diǎn)火絲點(diǎn)火在自檢之后進(jìn)行，如一切正常，則點(diǎn)火。如果點(diǎn)火成功，則向S3C2410發(fā)送信號(hào)，啟動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)。如果點(diǎn)火失敗，則退出本次試驗(yàn)。

2.1.4 S3C2410的網(wǎng)絡(luò)通信

如圖4所示，S3C2410使用CS8900A-Q3控制器擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口模塊。它的傳輸速率為10 Mb/s。CS8900工作在16位模式下，網(wǎng)卡芯片復(fù)位默認(rèn)工作方式為I/O連接。由于CS8900A和S3C2410的中斷電平是相反的，所以，中斷信號(hào)線間需接一個(gè)非門。信號(hào)的發(fā)送和接收端通過RJ45接口接入CS8900A，再傳送給S3C2410，從而組成了以太網(wǎng)信號(hào)傳輸?shù)挠布ǖ馈?/p>

2.2 軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 開發(fā)環(huán)境的建立

在對(duì)S3C2419進(jìn)行軟件開發(fā)之前，需要通過以下步驟，建立一個(gè)合適的開發(fā)環(huán)境。

(1)將UBOOT移植到S3C2410開發(fā)板。

(2)利用H-JATG軟件讀取板子CPU的信息，將讀取到的信息利用ADS開發(fā)環(huán)境中的AXD Debugger軟件建立仿真開發(fā)環(huán)境。

(3)仿真建立最小系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)端口進(jìn)行初始化，設(shè)置時(shí)鐘，電源等參數(shù)。仿真成功后，將初始化的文件利用ADS下載到主板上。

2.2.2 對(duì)系統(tǒng)的編程

如圖5所示，根據(jù)GB(T)213-2003的要求，設(shè)置充氧時(shí)間為18 s，當(dāng)充氧壓力大于3.2 MPa時(shí)，顯示充氧壓力過大，并結(jié)束實(shí)驗(yàn)。省略點(diǎn)火及控制部分，主要程序如下：

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，每秒采樣一次。實(shí)驗(yàn)8 min后，每1 min采樣一次。實(shí)驗(yàn)結(jié)束。隨后進(jìn)入數(shù)據(jù)處理部分。這部分包括數(shù)據(jù)的打印、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上的傳輸。限于篇幅這部分程序并未列出。

3 結(jié)語

量熱儀是能源生產(chǎn)和能耗企業(yè)必備的重要測(cè)量儀器，其測(cè)量精度和效率直接影響著經(jīng)濟(jì)效益。為了提高量熱儀的測(cè)量精度，整個(gè)量熱系統(tǒng)的測(cè)溫精度、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等諸多方面都需要得到改善和提高。

該設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照GB(T)213-2003標(biāo)準(zhǔn)，并且不同于以往量熱儀使用單片機(jī)8位的數(shù)據(jù)傳輸模式，而是利用S3C2410芯片的32位數(shù)據(jù)傳輸模式。同時(shí)它有很高的穩(wěn)定性，能夠在復(fù)雜環(huán)境下正常工作，因此，量熱儀是能源生產(chǎn)和能耗企業(yè)必備的重要儀器，其測(cè)量精度和效率直接影響著經(jīng)濟(jì)效益。量熱儀可分別用于電力、煤炭、焦炭、石油、化工、水泥、軍工、糧食、飼料、木材、木炭以及科研等行業(yè)測(cè)量固體、液體等可燃物資的發(fā)熱量。由于其應(yīng)用范圍很廣，因此研制出更高測(cè)量精度和效率的量熱儀具有很好的發(fā)展前景及經(jīng)濟(jì)效益。