SOPC分析儀器信息管理及系統(tǒng)調(diào)試

引言

基于SOPC的在線分析儀器平臺從數(shù)據(jù)采集到顯示已經(jīng)可以完成分析儀器的基本功能，但是隨著儀表在線檢測、顯示、傳送等要求逐漸提高，以及方便儀器與PLC、DCS等生產(chǎn)過程自動化的儀表相連，有必要為分析儀器設(shè)計信息管理系統(tǒng)。

1信息管理系統(tǒng)界面設(shè)計

測量界面采用雙緩存圖片。把一個圖像作為緩存，兩個圖像就是雙緩存了。一個作為前臺緩存，一個作為后臺緩存。即:創(chuàng)建一個繪制緩沖區(qū)，以bufImage表示，先將主要的圖形元素一個一個地繪制到此緩沖圖像上，再將此緩沖圖像一次性繪到代表屏幕的Graphics對象上。

本設(shè)計在VisualC++界面編程中使用了Skin++。Skin++是一款通用的軟件換膚套件，目前支持各種版本操作系統(tǒng),Windows9x、Windows2000、WindowsXP、Windows2003等，并支持VC、VB、C#、PB、Delphi、C++Builder等各種開發(fā)語言。Skin++換膚的效果較好，程序本身也比較穩(wěn)定。

另外，本文在界面設(shè)計中也采用了復(fù)合文件，結(jié)構(gòu)化存儲,這是微軟組件思想的起源。

系統(tǒng)的功能模塊包括用戶管理、成分選擇、儀器狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、非線性驗證、TCP/IP傳輸?shù)?。主界面如圖1所示,對應(yīng)的分析儀器測量界面如圖2所示。

圖1上位機測量界面

1.1系統(tǒng)登錄界面

系統(tǒng)登錄界面用戶分為兩級：管理員和普通用戶。當輸入完用戶名和密碼并按下“確定”按鈕后，程序會在數(shù)據(jù)庫中查詢用戶名和密碼是否匹配。在確認匹配之后，程序根據(jù)用戶的級別分配權(quán)限，然后進入主界面等待用戶下一步的操作。

圖2四組分測量界面

在登錄成功后，系統(tǒng)會進入測量界面。如果用戶名輸入錯誤，則會提醒用戶輸入的不是用戶名而不能進入系統(tǒng)，系統(tǒng)也會給出相應(yīng)的提示信息。

1.2用戶管理

管理員可以通過“用戶管理”界面添加、刪除、更改普通用戶的設(shè)置，普通用戶也可以修改密碼。圖3所示是系統(tǒng)用戶管理界面。管理員和用戶都能根據(jù)實際情況，點擊列表頭可以實現(xiàn)用戶的升降序重新排列。操作可使得用戶管理界面更加人性化。

圖3用戶管理界面

1.3成分選擇

通過圖4所示的成分選擇界面，可以根據(jù)不同的要求選擇不同的通道號（通道1?通道4）和選擇不同的成分（H2、CO、SO2、NO、NO2），單位也可以選擇。因為比較常用的氣體單位為“％”和“ppm”，所以單位設(shè)置了這兩個選擇。選擇確定后，在測量界面也會有相應(yīng)的更新。

圖4成分選擇界面

1.4儀器狀態(tài)和參數(shù)讀取

本系統(tǒng)的儀器狀態(tài)和參數(shù)讀取界面如圖5所示。儀器狀態(tài)界面的主要功能就是讓用戶可以方便地知道儀器信息，便于下一步操作。

圖5儀器狀態(tài)和參數(shù)讀取界面

1.5非線性驗證

本設(shè)計采用5次方程代替能斯特方程的方法來求出氣體組分含量，并在上位機通信這一塊設(shè)計了直接利用能斯特方程來驗證數(shù)據(jù)，這一驗證方法對于用戶來說更具有說服力。圖6所示是系統(tǒng)的非線性驗證界面。

圖6非線性驗證界面

其中C++中部分代碼如下：

voidCNolinearDlg::OnBtnCompute()

{

UpdateData()；//空間->變量

if(m_fP0==0||m_nVf==0||m_nV0==0)

{

MessageBox(_T("P0,Vf，V0不能為0!")，_T("基于SOPC的在線分析儀器平臺")，MB_ICONWARNING)；

return；

}

if(m_fPf<=m_fP0)

{

MessageBox(_T("Pf必須大于P0!")，_T("基于SOPC的在線分析儀器平臺")，MB_ICONWARNING)；

return；

}

doublex=log10(m_fPf-m_fP0)；

doublex1=x/((double)m_nVf/m_nV0)*m_nV；

doublex2=(m_nVf*log10(m_fP0)-m_nV0log10(m_fPf))/((double)m_fPf-m_fP0)；

doublex3=x1+x2；

m_fPx=pow(10,x3)；

UpdateData(FALSE)；

}

1.6TCP/IP傳輸

TCP/IP傳輸是方便數(shù)據(jù)能夠通過互聯(lián)網(wǎng)把實時數(shù)據(jù)傳到本地監(jiān)控中心或環(huán)境監(jiān)測中心，其TCP/IP通訊界面如圖7所示。在基于SOPC的在線分析儀器平臺，可以利用NiosII這個用戶可定制的CPU來增加新的外設(shè)、新的指令，分配外設(shè)的地址等。用戶可以直接在客戶端通過IE瀏覽器訪問服務(wù)器,瀏覽存儲在Flash中的信息。根據(jù)Web服務(wù)器的原理，Altera公司新提供的NichestackTCP/IPStack協(xié)議設(shè)計實現(xiàn)了應(yīng)用程序提供的標準的Socket接口以及TCP/IP等協(xié)議［%

圖7TCP/IP通訊界面

由于設(shè)計采用了Altera公司低端的一款FPGA，數(shù)據(jù)存儲能力比較有限，所以在設(shè)計中通過RS232讀出數(shù)據(jù)，再通過上位機傳輸給網(wǎng)絡(luò)。TCP/IP通訊功能已經(jīng)在某公司實時監(jiān)控視頻傳輸中成功實現(xiàn)。

2系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)驗證

圖8所示是最小二乘法擬合氧含量和輸出電壓的曲線圖。

電壓/mV

圖8最小二乘法擬合氧含量-輸出電壓曲線

操作時可選取10個數(shù)據(jù)點，在最常用的Excel中實現(xiàn)最小二乘曲線擬合。3”是根據(jù)樣氣濃度選擇的待測氣體的測量點，x為傳感器輸出電壓值，/為對應(yīng)的樣氣中的氧含量值，n為擬合多項式的次數(shù)。其中x和v取值分別為表2中的標準氣值和傳感器輸出電壓。從n=2即二次多項式擬合開始，經(jīng)過試驗，當n=5時，即擬合多項式的格式為：

y=f(x)=ax+bx+cx+dx+ex

設(shè)計以該5次方程替代能斯特方程，能夠精確地計算出氧氣含量，精度滿足儀器設(shè)計要求［3］。Excel最小二乘法實現(xiàn)氧含量與對應(yīng)輸出電壓曲線擬合如圖8所示。圖中曲線為輸出電壓的擬合曲線。擬合多項式系數(shù)和擬合精度評定如表1所列。

表1擬合多項式系數(shù)和擬合精

將擬合多項式系數(shù)a，b，c，d，e通過儀表鍵盤輸入到儀表系統(tǒng)中，當開啟儀表“非線性校準”功能時，儀表將根據(jù)5次方程將檢測到的電壓信號換算成濃度信號并顯示在測量界面。將氧化錯傳感器加熱到700控制標準氣體流量280ml/min，分別通入五組標準樣氣，測量結(jié)果如表2所列。

表2五組標準樣氣測量結(jié)果

由表2可見，用最小二乘原理擬合曲線代替能斯特計算公式，儀器測量的氧含量整體誤差小于0.5%,達到0.5級表的要求。換幾組氣測試，測試結(jié)果也在誤差范圍內(nèi)。其測試結(jié)果如表3所列。

表3其他氣體測量結(jié)果

本文首先對上位機的信息管理的核心做了部分設(shè)計，包括了非線性驗證和TCP/IP通訊的實現(xiàn)；然后對基于SOPC的在線分析儀器智能平臺的數(shù)據(jù)處理做了驗證，結(jié)果表明，本儀表能達到0.5級表的要求。

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