基于ARM和μC/OS的在線磷酸根離子監(jiān)測儀設計

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，不能有效防止結垢，磷酸根離子含量過高，會導致爐水的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，將其應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 結構及測量原理簡介

磷酸根離子分析儀整體結構包括光路系統(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/標液切換閥、流量計、排污閥、溢流管等組成。

利用化學吸光法原理，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為入射光強度;I為透過光強度;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、信號調理與轉換電路模塊、電源電路模塊、通訊電路模塊、人機接口電路模塊、實時時鐘電路模塊、復位系統(tǒng)電路模塊8個部分?？傮w設計框圖如圖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)。擴充了1 MB的RAM，主要用于系統(tǒng)程序運行，大大提高系統(tǒng)運行速度。外擴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/標液切換、樣水與試劑柱塞泵注水、攪拌電機、排污電子閥以及6路超范圍報警和斷樣報警。

CPLD(Complex Programmable Logic Device)復雜可編程邏輯器件，具有編程靈活、集成度高、設計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進、設計制造成本低、對設計者的硬件經驗要求低、標準產品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特點，采用先進的CMOS制作技術，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227.3 MHz。系統(tǒng)用CPLD實現(xiàn)對注塞泵的穩(wěn)定精確控制。

2.3 信號調理轉換電路

信號調理與轉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單電源軌至軌運算放大器，它具有極低的失調電壓和偏置電流，具有較高的共模輸入范圍和共模抑制比。A/D轉換器件選用適用于低頻測量應用的 AD7714，轉換精度高、速度快、編程、接口方便。

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標準電流輸出。USB接口主要用于和上位機通訊，RS 232模塊用于和其他設備通信，選用MAXIM公司生產的MAX3221串口轉換芯片，RS 485用作遠程數(shù)據(jù)傳輸，另外，配備4～20 mA標準電流用作數(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 人機接口

人機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)，輕薄設計(高度10 mm)等優(yōu)點。

設計有6個按鍵配合使用，以方便操作。

2.7 實時時鐘電路模塊

為了能夠準確記載所檢測的磷酸根濃度對應的日期、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、實時時鐘、低電壓復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 復位系統(tǒng)電路模塊

系統(tǒng)選用STM811復位芯片。該芯片是專用于產生微處理器復位功能的芯片。在電源上電、掉電以及監(jiān)控系統(tǒng)電源電壓的變化，產生可靠的電源復位信號，使微處理器產生復位或處理中斷事件。

另外，本系統(tǒng)還采用AT92M40800內部看門狗定時器，當系統(tǒng)進入異常中斷后進行自動復位，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實時監(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、裁剪的占先式實時多任務內核。其穩(wěn)定性與安全性方面已經過美國聯(lián)邦航空管理局認證。

μC/OS-Ⅱ在硬件應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的文件。μC/OS-Ⅱ官網上已經有移植成功的范例，這里不再多做介紹。

系統(tǒng)任務主要劃分為：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標準電流輸出及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)應用于磷酸根離子的測量。

選取幾種標準溶液測得值如表1所示。

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