基于SOPC的在線分析儀器的信息管理設計

引 言

基于SOPC 的在線分析儀器平臺從數據采集到顯示已經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 等生產過程自動化的儀表相連，有必要為分析儀器設計信息管理系統。

1 信息管理系統界面設計

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：

創建一個繪制緩沖區，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。

本設計在Visual C++ 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，Windows9x、Windows2000、WindowsXP、Windows2003 等，并支持VC、VB、C#、PB、Delphi、C++Builder 等各種開發語言。

Skin++ 換膚的效果較好，程序本身也比較穩定。

另外，本文在界面設計中也采用了復合文件，結構化存儲，這是微軟組件思想的起源。

系統的功能模塊包括用戶管理、成分選擇、儀器狀態、參數設置、非線性驗證、TCP/IP 傳輸等。主界面如圖1 所示，對應的分析儀器測量界面如圖2 所示。

1.1 系統登錄界面

系統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，程序會在數據庫中查詢用戶名和密碼是否匹配。在確認匹配之后，程序根據用戶的級別分配權限，然后進入主界面等待用戶下一步的操作。

在登錄成功后，系統會進入測量界面。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，系統也會給出相應的提示信息。

1.2 用戶管理

管理員可以通過“用戶管理”界面添加、刪除、更改普通用戶的設置，普通用戶也可以修改密碼。圖3 所示是系統用戶管理界面。管理員和用戶都能根據實際情況，點擊列表頭可以實現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。

1.3 成分選擇

通過圖4 所示的成分選擇界面，可以根據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”,所以單位設置了這兩個選擇。選擇確定后，在測量界面也會有相應的更新。

1.4 儀器狀態和參數讀取

本系統的儀器狀態和參數讀取界面如圖5 所示。儀器狀態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。

1.5 非線性驗證

本設計采用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計了直接利用能斯特方程來驗證數據，這一驗證方法對于用戶來說更具有說服力。圖6 所示是系統的非線性驗證界面。

其中C++ 中部分代碼如下：

1.6 TCP/IP 傳輸

TCP/IP 傳輸是方便數據能夠通過互聯網把實時數據傳到本地監控中心或環境監測中心，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、新的指令，分配外設的地址等。用戶可以直接在客戶端通過IE 瀏覽器訪問服務器，瀏覽存儲在Flash 中的信息。根據Web 服務器的原理， Altera公司新提供的Nichestack TCP/IP Stack 協議設計實現了應用程序提供的標準的Socket 接口以及TCP/IP 等協議。

由于設計采用了Altera 公司低端的一款FPGA,數據存儲能力比較有限，所以在設計中通過RS232 讀出數據，再通過上位機傳輸給網絡。TCP/IP 通訊功能已經在某公司實時監控視頻傳輸中成功實現。

2 系統調試和數據驗證

圖8 所示是最小二乘法擬合氧含量和輸出電壓的曲線圖。

操作時可選取10 個數據點，在最常用的Excel 中實現最小二乘曲線擬合。(x,y)是根據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，y 為對應的樣氣中的氧含量值，n為擬合多項式的次數。其中x 和y 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，經過試驗，當n=5 時，即擬合多項式的格式為：

設計以該5 次方程替代能斯特方程，能夠精確地計算出氧氣含量，精度滿足儀器設計要求[3].Excel 最小二乘法實現氧含量與對應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。擬合多項式系數和擬合精度評定如表1所列。

將擬合多項式系數a,b,c,d,e 通過儀表鍵盤輸入到儀表系統中，當開啟儀表“非線性校準”功能時，儀表將根據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。將氧化鋯傳感器加熱到700 ℃，控制標準氣體流量280 ml/min,分別通入五組標準樣氣，測量結果如表2 所列。

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，測試結果也在誤差范圍內。其測試結果如表3 所列。

3 結 語

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