基于ARM的嵌入式高精度測(cè)硫儀的設(shè)計(jì)

郭一兵，何梅生，鄧小星，王 瀲，黃海濱

1.湖南師范大學(xué) 樹達(dá)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410006

2.湖南師范大學(xué)物理與信息科學(xué)學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410006

3.三一重工股份有限公司智能研究院，湖南長(zhǎng)沙， 410100

4.增城市東方職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東增城 511316

0 引言

目前，隨著人們對(duì)大氣污染問(wèn)題的重視，石油、煤礦等開(kāi)采于經(jīng)營(yíng)企業(yè)、環(huán)境保護(hù)部門及煤炭消費(fèi)者更加重視硫的含量。傳統(tǒng)的測(cè)硫儀雖然價(jià)格便宜，但是大多是基于PLC或8位單片機(jī)，很難同時(shí)滿足高精度、快速、智能等需求。

當(dāng)前，主要有四種硫含量分析的方法：艾氏卡重量法、高溫燃燒中和法、庫(kù)侖滴定法和紅外檢測(cè)法。艾氏卡重量法分析結(jié)果準(zhǔn)確度高、重現(xiàn)性好，但操作程序復(fù)雜、耗能大；高溫燃燒中和法的分析結(jié)果誤差較大、實(shí)驗(yàn)周期也較長(zhǎng)；紅外檢測(cè)法的測(cè)定快速，但開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)成本非常高；庫(kù)侖滴定法[1]分析結(jié)果精度高，分析時(shí)間短，適合于日常分析。因此，本文EHP-ISA采用的就是庫(kù)侖滴定法。

這里以碘為滴定試劑，煤樣在1150℃的高溫下，煤中硫會(huì)轉(zhuǎn)化為SO2和SO3氣體；將燃燒后的氣體全部導(dǎo)入電解池，SO2與水反應(yīng)生成H2SO3，然后又被電解碘氧化成H2SO4。儀器采用雙鉑電極指示終點(diǎn)。根據(jù)電解碘的過(guò)程中消耗的電量可以計(jì)算出煤中硫的含量：

式中：Q為電解碘消耗的電量，mc；ms為試樣的質(zhì)量，mg。

1 EHP-ISA硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

EHP-ISA硬件系統(tǒng)由嵌入式處理器、高精度和高速數(shù)據(jù)采集模塊、電解電流控制模塊、爐溫控制模塊和通信模塊等構(gòu)成（如圖1）。

嵌入式處理器STM32F103ZE負(fù)責(zé)采集溫度信號(hào)和向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，并在隨機(jī)的顯示屏上顯示相關(guān)信息。同時(shí)，其也接受來(lái)自上位機(jī)或觸摸屏上發(fā)出的控制命令，完成對(duì)爐溫的溫度調(diào)節(jié)以及攪拌器、氣泵、風(fēng)扇、步進(jìn)機(jī)的控制。

EHP-ISA與上位機(jī)之間通過(guò)RS232串口實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信，上位機(jī)發(fā)送控制命令，EHP-ISA接收后完成相應(yīng)的控制。當(dāng)然，EHP-ISA也可以不與上位機(jī)連接，獨(dú)立工作。獨(dú)立工作時(shí)，操作人員可以通過(guò)隨機(jī)的觸摸顯示屏上的操作引導(dǎo)完成測(cè)量。

1.1 數(shù)據(jù)采集模塊

在智能控制器中，需要完成采集電解池電極電壓、輸出到電解池的電流、高溫爐中熱電偶傳感器輸出信號(hào)和AD590的輸出信號(hào)4路信號(hào)。為了保證高精度及高效性和減小體積，EHP-ISA中采用了ADS1242串行A/D轉(zhuǎn)換器。ADS1242是一款24位串行A/D轉(zhuǎn)換器，提供高達(dá)24位無(wú)丟失碼性能和21位的有效分辨率 ，有兼容SPI的串行接口。

ADS1242內(nèi)含有4通道模擬開(kāi)關(guān)和采樣保持電路，可以將上面所述的四種信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，傳送給STM32F103ZE處理器做相應(yīng)的處理。

電解池中的電解電極電壓是個(gè)幅值很小的信號(hào)，一般在20mV～200mV之間，因此在傳送到ADS1242進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前得放大該信號(hào)。

EHP-ISA中采用了AD620作為放大器來(lái)放大該信號(hào)，AD620是一款低成本、高精度、低功耗放大器，增益范圍為1～10000。電解電極電壓經(jīng)AD620放大30倍后，與電解池隔離，再傳送到ADS1242模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

熱電偶傳感器的輸出信號(hào)也十分微弱，仍然先用AD620將其放大（400倍），后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。通常，高溫爐的要保持在1 150℃，以供煤樣完全燃燒。

1.2 爐溫控制模塊

在煤樣燃燒的過(guò)程中要求燃燒爐的溫度穩(wěn)定在1 150℃，精度要較高且波動(dòng)不能太大，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是波動(dòng)不能超過(guò)5℃。因此要求測(cè)硫儀能夠精確的測(cè)量和控制爐溫。

EHP-ISA采用熱電偶，并用AD590測(cè)量冷端環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶傳感器的冷端補(bǔ)償[3]。AD590測(cè)出溫度T L后，將其轉(zhuǎn)換成冷端電勢(shì)EL；將熱電偶的輸出電勢(shì)ER和冷端電勢(shì)EL相加，得到電勢(shì)E = EL + ER ；計(jì)算電勢(shì)E，轉(zhuǎn)換成爐溫T。

當(dāng)燃燒爐加熱時(shí)候——即爐溫在1 100℃以內(nèi)時(shí)，以2s為周期，采用70%占空比的PWM信號(hào)對(duì)燃燒爐進(jìn)行加熱。

當(dāng)爐溫高于1 100℃，對(duì)爐溫進(jìn)行PID控制，使?fàn)t溫保持在1 150℃左右，波動(dòng)保證在上下4℃以內(nèi)，這樣可以延長(zhǎng)硅碳管的壽命，而不至于因頻繁的通電和斷電而快速老化。

1.3 電解電流控制模塊

在庫(kù)侖滴定法中，硫的含量是對(duì)電解電量積分的結(jié)果，因此電解電流的精確測(cè)量和合理控制將直接影響全硫分析的精確度。

高精度測(cè)硫儀的關(guān)鍵因素之一是實(shí)時(shí)控制和準(zhǔn)確的測(cè)量電解電流。我們采用模糊控制算法，根據(jù)從數(shù)據(jù)采集模塊的指示電極信號(hào)控制電解電流。

它們之間有一個(gè)直接的比例關(guān)系。也就是說(shuō)，指示電極電壓低時(shí)，電解電流也低，否則電解電流會(huì)很高。在定硫儀中，電解電流是根據(jù)電解池中電解電極的電壓結(jié)果進(jìn)行控制的。

1.4 通信模塊和人機(jī)交互接口

為了更方便的操作，EHP-ISA還設(shè)計(jì)有RS-232通信串口，以及一個(gè)用于人機(jī)交互的觸摸顯示屏。通過(guò)RS-232串口線，EHP-ISA接受來(lái)自本地主機(jī)的控制命令，并做出相應(yīng)的控制；硫分結(jié)束后將測(cè)試結(jié)果發(fā)送到本地主機(jī)。

此外本地主機(jī)端有專門設(shè)計(jì)的客戶端程序，界面簡(jiǎn)單明了，易學(xué)易用。有時(shí)候，操作者想要直接在測(cè)硫儀上看到分析的結(jié)果，以及直接在測(cè)硫儀上設(shè)置相關(guān)的控制系數(shù)。

因此EHP-ISA還搭載一個(gè)640x480的5寸觸摸顯示屏（102H * 76V mm2）。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 EHP-ISA軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

uC/OS-II是一種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性以及有效性方面都很好，且開(kāi)發(fā)周期短。EHP-ISA采用uC/OS-II為內(nèi)核，加載PID控制算法程序，加載觸屏顯示驅(qū)動(dòng)程序，以及其它基本設(shè)備的驅(qū)動(dòng)（圖2所示）。

軟件系統(tǒng)的主要機(jī)制是中斷響應(yīng)、多任務(wù)、同步和協(xié)調(diào)。其他包括LCD顯示驅(qū)動(dòng)、觸摸屏觸摸驅(qū)動(dòng)、A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)、D/A轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。

在這一系列的設(shè)備驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上，很多任務(wù)就能夠完成，如發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)、接收來(lái)自上位機(jī)的數(shù)據(jù)、顯示信息到LCD顯示屏上、控制爐溫以及控制電解池電流。

圖2 軟件系統(tǒng)

需要指出的是，通過(guò)這觸摸屏，EHP-ISA可以脫離上位機(jī)獨(dú)立工作。操作人員在設(shè)置 EHP-ISA的工作參數(shù)后，啟動(dòng)和結(jié)束全硫分析實(shí)驗(yàn)。全硫分析過(guò)程中，顯示屏通過(guò)圖形動(dòng)態(tài)的顯示實(shí)驗(yàn)的反饋參數(shù)。

全硫分析結(jié)束后，在屏幕上顯示硫分結(jié)果，也可以打印到紙條上。該系統(tǒng)的PC機(jī)上位機(jī)控制程序采用C++語(yǔ)言編寫，Visual C++ 6.0為開(kāi)發(fā)環(huán)境，MSComm串口控件處理串口通信模塊，具有更好的人機(jī)接口。

3 測(cè)試和分析

我們采用三份不同硫含量（0.51%、1.83%和4.43%）標(biāo)準(zhǔn)樣煤進(jìn)行了測(cè)試，每次全硫分析的煤樣取48g～51g，測(cè)試分九組，每組3個(gè)煤樣。

測(cè)試結(jié)果顯示，低、中、高含硫量的極差分別為0.003，0.05和0.09，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求更好。消耗的分析時(shí)間約4分鐘～5分鐘，也遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)7分鐘的要求。

4 結(jié)論

我們?cè)O(shè)計(jì)的EHP-ISA嵌入式高精度測(cè)硫儀，使用了ARM核的32位微處理器STM32F103ZE和 uc/OS-II嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

通過(guò)測(cè)試，結(jié)果表明該測(cè)硫儀的各項(xiàng)指標(biāo)都已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。且該儀器人機(jī)接口友好，操作簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

表1 測(cè)試結(jié)果

[1]雷翠瓊.庫(kù)侖法測(cè)定煤中全硫必須重視的問(wèn)題[J].云南地質(zhì)，2007：458-460.

[2]陳兵.淺析提高庫(kù)侖滴定法測(cè)定煤中全硫的準(zhǔn)確性[J].煤質(zhì)技術(shù)，2010(11).

[3]張全軍.庫(kù)侖法測(cè)定煤中全硫的注意事項(xiàng)探討[J].煤質(zhì)技術(shù)，2007(11).

[4]Jun Wang. Study on ARM-Based Embedded NC System [D].International Conference on Artificial Intelligence and Computational Intelligence，2009：538-544.