基于ARM和μC/OS的在線磷酸根離子監測儀設計

　　火力發電廠和大型工業鍋爐，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。ARM處理器具備高性能、低功耗、低成本等優點，將其應用于在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統，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、水路系統和管理控制系統三個部分。

　　光路系統主要包括：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。

　　2 管理控制系統的硬件設計

　　在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統采用模塊化設計，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、復位系統電路模塊8個部分。總體設計框圖如圖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。擴充了1 MB的RAM，主要用于系統程序運行，大大提高系統運行速度。外擴2 MB的FLASH，用作主存儲器，存放系統程序和測量數據。

　　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、設計開發周期短、適用范圍寬、開發工具先進、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。系統用CPLD實現對注塞泵的穩定精確控制。

　　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轉換成數字信號送入主處理器AT91M40800。系統選用 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用作遠程數據傳輸，另外，配備4～20 mA標準電流用作數據傳輸避開噪聲影響，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 復位系統電路模塊

　　系統選用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、掉電以及監控系統電源電壓的變化，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，本系統還采用AT92M40800內部看門狗定時器，當系統進入異常中斷后進行自動復位，確保系統連續正常檢測。

　　3 管理控制系統的軟件設計

　　磷酸根離子分析儀主要用于工業現場磷酸根離子的全天候實時監測，對儀器的穩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。其穩定性與安全性方面已經過美國聯邦航空管理局認證。

　　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。系統程序流程圖如圖2所示。

　　4 結語

　　系統首次將高性能工業級ARM處理器AT91M40800和穩定可靠的嵌入式操作系統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。實驗和現場應用表明，該系統工作穩定、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。