基于ARM和μC／OS-Ⅱ的在線磷酸根離子監(jiān)測儀設(shè)計

摘要：基于火電廠磷酸根離子在線測量的精度和穩(wěn)定性需要，該磷酸根離子監(jiān)測儀是依據(jù)磷釩鉬黃分光光度法原理，采用高性能的ARM微控制器和穩(wěn)定可靠的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)來完成在線式磷酸根離子檢測儀管理控制系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)智能化程度高、操作簡便、穩(wěn)定性高、功耗低、測量結(jié)果精確可靠，可以滿足火電廠對水質(zhì)的磷酸根離子含量監(jiān)測的需要。
關(guān)鍵詞：磷酸根離子；ARM；嵌入式系統(tǒng)；在線測量

    火力發(fā)電廠和大型工業(yè)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(jié)垢，磷酸根離子含量過高，會導(dǎo)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(shù)。ARM處理器具備高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統(tǒng)，可以提高磷酸根分析儀的處理速度和精度。

1 結(jié)構(gòu)及測量原理簡介
    磷酸根離子分析儀整體結(jié)構(gòu)包括光路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和管理控制系統(tǒng)三個部分。
    光路系統(tǒng)主要包括：專用的單色LED冷光源、比色皿和光電傳感器。
    水路系統(tǒng)由比色皿、柱塞泵、多通道切換閥、流通池、樣水／標(biāo)液切換閥、流量計、排污閥、溢流管等組成。
    利用化學(xué)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(qiáng)度；I為透過光強(qiáng)度；C為有色溶液的濃度；L為溶液的厚度；K為吸光系數(shù)。

2 管理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
    在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)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(diào)理與轉(zhuǎn)換電路模塊、電源電路模塊、通訊電路模塊、人機(jī)接口電路模塊、實(shí)時時鐘電路模塊、復(fù)位系統(tǒng)電路模塊8個部分?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。


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(kuò)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(tǒng)。擴(kuò)充了1 MB的RAM，主要用于系統(tǒng)程序運(yùn)行，大大提高系統(tǒng)運(yùn)行速度。外擴(kuò)2 MB的FLASH，用作主存儲器，存放系統(tǒng)程序和測量數(shù)據(jù)。
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(biāo)液切換、樣水與試劑柱塞泵注水、攪拌電機(jī)、排污電子閥以及6路超范圍報警和斷樣報警。
    CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件，具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計制造成本低、對設(shè)計者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、保密性強(qiáng)、價格大眾化等特點(diǎn)。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特點(diǎn)，采用先進(jìn)的CMOS制作技術(shù)，3．3 V電源供電，并提供600～10000可用邏輯門，引腳延誤速度為4．5 ns，計算頻率可高達(dá)227．3 MHz。系統(tǒng)用CPLD實(shí)現(xiàn)對注塞泵的穩(wěn)定精確控制。
2．3 信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路
    信號調(diào)理與轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主處理器AT91M40800。系統(tǒng)選用 OPA2340單電源軌至軌運(yùn)算放大器，它具有極低的失調(diào)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(zhuǎn)換器件選用適用于低頻測量應(yīng)用的 AD7714，轉(zhuǎn)換精度高、速度快、編程、接口方便。[!--empirenews.page--]
2．4 電源電路模塊
    使用專用AC-DC電源模塊，輸入220 V交流電，輸出DC24v／O.3 A，DC24 V／1．5 A和DC 5 V直流電。同時選用低壓差電壓調(diào)節(jié)器LM1117提供3．3 V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，RS 232，RS485，4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出。USB接口主要用于和上位機(jī)通訊，RS 232模塊用于和其他設(shè)備通信，選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3221串口轉(zhuǎn)換芯片，RS 485用作遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，另外，配備4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流用作數(shù)據(jù)傳輸避開噪聲影響，將低于4 mA和高于20 mA的信號用作各種故障的報警。
2．6 人機(jī)接口
    人機(jī)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，最大電流240 mA)，寬輸入電壓(2．7～5．5 V)，輕薄設(shè)計(高度10 mm)等優(yōu)點(diǎn)。
    設(shè)計有6個按鍵配合使用，以方便操作。
2．7 實(shí)時時鐘電路模塊
    為了能夠準(zhǔn)確記載所檢測的磷酸根濃度對應(yīng)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(tǒng)的通用功能需求的集成器件，主要功能包含32 768 b的鐵電非易失性存儲器、實(shí)時時鐘、低電壓復(fù)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(fù)位系統(tǒng)電路模塊
    系統(tǒng)選用STM811復(fù)位芯片。該芯片是專用于產(chǎn)生微處理器復(fù)位功能的芯片。在電源上電、掉電以及監(jiān)控系統(tǒng)電源電壓的變化，產(chǎn)生可靠的電源復(fù)位信號，使微處理器產(chǎn)生復(fù)位或處理中斷事件。
    另外，本系統(tǒng)還采用AT92M40800內(nèi)部看門狗定時器，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入異常中斷后進(jìn)行自動復(fù)位，確保系統(tǒng)連續(xù)正常檢測。

3 管理控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    磷酸根離子分析儀主要用于工業(yè)現(xiàn)場磷酸根離子的全天候?qū)崟r監(jiān)測，對儀器的穩(wěn)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(shí)時多任務(wù)內(nèi)核。其穩(wěn)定性與安全性方面已經(jīng)過美國聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證。
    μC／OS-Ⅱ在硬件應(yīng)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(guān)的文件。μC／OS-Ⅱ官網(wǎng)上已經(jīng)有移植成功的范例，這里不再多做介紹。
    系統(tǒng)任務(wù)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)、4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)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。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。



4 結(jié)語
    系統(tǒng)首次將高性能工業(yè)級ARM處理器AT91M40800和穩(wěn)定可靠的嵌入式操作系統(tǒng)應(yīng)用于磷酸根離子的測量。
    選取幾種標(biāo)準(zhǔn)溶液測得值如表1所示。


    儀表在為期兩天的實(shí)驗(yàn)過程中，對同一溶液多次重復(fù)測量，測量結(jié)果能夠達(dá)到國標(biāo)要求，儀表測量重復(fù)性良好，滿足在線測量要求。實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場應(yīng)用表明，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、智能化程度高、測量精度高、重復(fù)性好，可以滿足火電廠對磷酸根離子在線檢測的需要。