基于Cortex—M3電廠多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

藺韜

摘要：火電廠燃煤鍋爐在運行過程中，準確監(jiān)測一次風管道中的煤粉速度對鍋爐燃燒的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性十分重要。基于Cortex-M3為核心的ARM處理器，設計了一套對電廠一次風管道煤粉速度在線監(jiān)測裝置。通過8通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)對煤粉速度信號的采集，經(jīng)以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機，并利用基于FFT的互相關(guān)算法對其進行計算分析。經(jīng)在吉林熱電廠的實際安裝監(jiān)測表明該設備具有很強的實用性，滿足電廠的要求，同時該裝置具有成本低，安裝便捷等特點。

關(guān)鍵詞：微波法；Cortex-M3；煤粉速度；在線監(jiān)測

中圖分類號：TP274 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）09-0152-04

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展以及當前嚴峻的環(huán)境問題，燃煤發(fā)電廠不得不對當前的煤粉監(jiān)測設備進行升級改造，從而達到一次風管道中的煤粉在鍋爐中能夠充分燃燒[1]。目前電廠采用的煤粉速度測量方法有很多種，如靜電法[2]、超聲波法[3]、光學法[4]、微波法[5]等，其中一些方法得到了較多的應用。但由于眾多的方法仍然采用獨立的采集通道或者是FIFO實現(xiàn)對煤粉速度信號的同步采集[6]，導致了整個測量系統(tǒng)對AD芯片的需求量增加，成本代價比較高，同時由于采集的通道較多，F(xiàn)IFO調(diào)整輸入比較困難。本文設計的電廠多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用AD7606芯片實現(xiàn)對電廠數(shù)據(jù)多路同步采集，只需將該芯片與控制器連接并配置相應的通訊程序，便能夠?qū)崿F(xiàn)對電廠多個一次風管道的煤粉速度信號進行采集。

1 系統(tǒng)測量原理

在實際工程中，由于4條管道中煤粉速度的測量原理相同，這里只提供一組系統(tǒng)測量原理圖。如圖1所示，在電廠一次風管道上，按照一定的距離L安裝兩個傳感器探頭，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同步采集兩路信號，把采集的兩路信號放入一個數(shù)組中，分別記為X（t）、Y（t）。將X（t）、Y（t）這兩組數(shù)據(jù)進行互相關(guān)計算[7]，求出相關(guān)結(jié)果Rxy，并尋求Rxy中的最大值，記錄其所對應的橫坐標值。根據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率，求出兩個傳感器探頭之間的信號延遲時間，便可求出煤粉速度，即探頭之間距離L與延遲時間t的比值。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個測量裝置主要分為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測裝置兩部分，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測裝置是兩個相對獨立的硬件系統(tǒng)。如圖2所示，數(shù)據(jù)采集主要包括微波發(fā)射器、微波接收器，信號調(diào)理、AD采集、微處理器、數(shù)據(jù)存儲電路、以太網(wǎng)。在此基礎上增加RS485、RS232電路以及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成監(jiān)測裝置[8-9]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用Labview做上位機，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、算法驗證。監(jiān)控裝置利用PC機實時監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 緩沖及分壓電路

在本裝置中，經(jīng)采集系統(tǒng)板對A、B信號進行采集，在采集系統(tǒng)板前端加入緩沖及分壓電路。設置緩沖及分壓電路的目的主要是為了采集板不受前級信號的影響，而分壓的目的是使被采集的電壓值小于采集系統(tǒng)ADC的基準電壓，也是為了能夠采集更多的信號，從而達到更高的準確度。

緩沖及分壓電路主要由集成運放LF442CN芯片及一些基礎的元件組成，其中LF442CN集成運放是雙輸入、雙輸出的放大器，正負15V供電，具有1012Ω高的輸入阻抗，精度高等特點。將該緩沖墊路和高頻濾波電路連接在一起組成整個信號的調(diào)理電路。圖3為系統(tǒng)緩沖及分壓電路原理圖。

3.2 AD7606與微控制器連接電路

AD7606是一款完全集成的多通道數(shù)據(jù)采集芯片，采用5V單電源供電[10-11]，其中AD7606的PA1、PA2、PA3引腳設置整個系統(tǒng)的采樣頻率，PA4設置系統(tǒng)輸入量程，PA5為復位口線，PB0為定時器引腳，通過PB0輸出相應脈沖，啟動AD7606的轉(zhuǎn)換，PB1設置為中斷輸入口，下降沿觸發(fā)，PG12為AD7606的片選，與 FSMC的bank1的第四分塊連接，F(xiàn)SMCNOE是讀使能引腳。通過上述連接配置好通訊時序以及各個引腳，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[12]。如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

4.1 基于FFT的互相關(guān)算法設計

設兩個離散時間序列為x（n）、y（n），則兩個序列的互相關(guān)函數(shù)可定義為：

根據(jù)離散傅里葉變化公式可得，離散傅里葉的變換具有周期性，相關(guān)函數(shù)的計算也是建立在周期性的基礎上的。兩個N點的FFT運算步驟是：首先對兩個N點序列做周期拓展，然后做相關(guān)取主值，這個主值相當于圓周卷積[13]。

假設X（n）的序列長為N1，Y（n）序列長為N2，并線性相關(guān)，則可以利用FFT求解這兩個線性相關(guān)的有限長序列。下圖5為FFT實現(xiàn)互相關(guān)計算流程框圖：

4.2 上位機軟件設計

圖6為后面板以太網(wǎng)通信部分主要程序，整個上位機軟件采用Labview，使用圖形化編程語言使編程更加簡單，直觀，功能強大，特別適合數(shù)據(jù)采集等應用場合，大大縮短了開發(fā)周期[14]。該軟件具有前面板和后面板兩個操作界面，前面板是圖形化顯示界面，后面板是模塊化編程界面。本采集系統(tǒng)采用TCP/IP通信協(xié)議，由TCP協(xié)議本身的特性，使數(shù)據(jù)在傳輸時，能確保數(shù)據(jù)的完整性和準確性。所以需要用到以下模塊：打開TCP連接、讀取TCP數(shù)據(jù)和關(guān)閉TCP連接函數(shù)，此通信首先需要建立連接，這時還需要通過 TCP Open Connection這個應用模塊向服務器發(fā)送連接請求。確定建立連接后，程序進入主循環(huán)接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完后關(guān)閉連接，同時去除因為正常關(guān)閉導致的錯誤信息，程序運行時，必須先運行服務器端再運行客戶端。

4.3 系統(tǒng)流程圖

如圖7所示，微波激勵源向一次風管道發(fā)射微波信號后，四個一次風管道共8個探頭會依次接收到信號，信號經(jīng)緩沖及分壓電路處理后，由基于AD7606芯片的采集電路進行數(shù)據(jù)采集，并利用Labview軟件對信號進行分析與處理。將采集的兩組信號放入兩組數(shù)組中，并利用基于FFT的互相關(guān)算法進行計算，通過確定探頭的距離L以及時間差Δt，分別求出四個一次風管道的煤粉速度。