基于ARM9 的煙氣脫硫數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

倪云峰，毛 宏

(西安科技大學(xué)雁塔校區(qū)通信與信息工程學(xué)院，西安 710054)

現(xiàn)今火力發(fā)電廠大多數(shù)安裝了脫硫機(jī)組，通過(guò)連續(xù)排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS(Continuous Emission Monitoring System)和排放范圍控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫裝置的控制并對(duì)煙氣數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)［1］。為了監(jiān)督火電廠污染物的排放并且制定合理的脫硫電價(jià)，電力公司、電監(jiān)會(huì)、環(huán)保局等多部門均要求對(duì)火力發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)的某些相關(guān)參數(shù)進(jìn)行連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，因此設(shè)計(jì)一款高效數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端都以單片機(jī)為控制器，在解決處理速度慢的問(wèn)題上，設(shè)計(jì)者曾提出一種采用雙CPU 形式控制的智能終端裝置，其中一個(gè)CPU 負(fù)責(zé)前端數(shù)據(jù)采集，另一個(gè)CPU 協(xié)調(diào)與上位機(jī)通信;另外，單片機(jī)采用以太網(wǎng)通信，一般都預(yù)留串口外接聯(lián)網(wǎng)模塊，造成成本較高;人機(jī)界面不友好。

本文在總結(jié)文獻(xiàn)［2～6］基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套煙氣脫硫數(shù)據(jù)采集裝置，其采用S3C2440為控制器。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，易于擴(kuò)展，人機(jī)界面友好。

1 系統(tǒng)功能

為了實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本系統(tǒng)需要對(duì)煙氣數(shù)據(jù)及脫硫設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理及通信上傳。主要信號(hào)包括:SO2濃度、O2濃度、煙塵濃度、流量、濕度、靜壓、溫度。裝置其具有24 路模擬信號(hào)差分輸入通道;8 路開(kāi)關(guān)量輸入，接入的觸點(diǎn)電壓為12 V～24 V;外圍擴(kuò)展100 M 以太網(wǎng)通信模塊，實(shí)現(xiàn)和中心站的通信;帶有分辨率為320×240觸摸液晶屏，具有顯示和簡(jiǎn)單的操作功能，方便現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試;能夠?qū)OE 事件做記錄。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用S3C2440 芯片為核心處理器，外圍配置了模擬信號(hào)隔離電路、開(kāi)關(guān)量的調(diào)理電路、電子開(kāi)關(guān)、高精度AD、以太網(wǎng)通信模塊以及LCD(帶觸摸屏)。其硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 系統(tǒng)硬件電路的特點(diǎn)

(1)S3C2440 處理器

S3C2440 是Samsung 公司推出的一款高性能、低功耗的微處理器。其采用16/32 bit RISC 體系結(jié)構(gòu)，使用ARM920T 內(nèi)核強(qiáng)大指令集，帶MMU 支持Windows CE和Linux，具有16 kbyte 的地址和16 kbyte 的數(shù)據(jù)高速Cache 組成的高速緩存。其主頻可達(dá)400 MHz，支持4 Mbyte 的SDRAM和128 Mbyte 的Nand Flash。支持JTAG，USB 接口，UART 接口及網(wǎng)口等，以上優(yōu)點(diǎn)使其在嵌入式開(kāi)發(fā)中得到廣泛的應(yīng)用［7］。

(2)開(kāi)關(guān)量和模擬量輸入

在整個(gè)脫硫過(guò)程中，需要對(duì)增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)行電流、脫硫裝置運(yùn)行負(fù)荷電流、機(jī)組負(fù)荷、旁路風(fēng)道擋板開(kāi)度及脫硫裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這些信號(hào)來(lái)自DCS 通道，在上述信號(hào)中，開(kāi)關(guān)量信號(hào)可以直接接入到S3C2440 的I/O 口上，僅需考慮接口的電平匹配，文中采用光耦進(jìn)行隔離，同時(shí)使用緩沖器74LV245 將電平拉至3.3 V，從而實(shí)現(xiàn)電平匹配。

本系統(tǒng)的模擬信號(hào)主要來(lái)源于CEMS 設(shè)備。其通過(guò)內(nèi)部分析儀分析處理煙氣數(shù)據(jù)的同時(shí)，可以將提取的處理信號(hào)通過(guò)電流分配器輸出多路4 mA～20 mA 的電流信號(hào)，即待采集信號(hào):SO2濃度、O2濃度、煙塵濃度、流量、濕度、靜壓、溫度。本系統(tǒng)的輸入端采用接線排設(shè)計(jì)，24 通道差分輸入大小為4 mA～20 mA 的模擬信號(hào)。為避免大電流對(duì)模塊的沖擊，同時(shí)消除模擬量信號(hào)傳輸中的干擾，對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離處理是十分必要的。

HCNR201 是Agilent 公司生產(chǎn)的一種線性光耦，其對(duì)模擬信號(hào)有很好的隔離效果，主要技術(shù)指標(biāo)如下:

(a)具有±0.01%的線性誤差和±5%的傳輸增益誤差;

(b)帶寬大于1 MHz;

(c)溫度系數(shù)為－65×10－6/℃

(d)最大隔離工作電壓為1 414 V;

隔離電路如圖2所示。

圖2 模擬信號(hào)隔離電路

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)，一般均為4 mA～20 mA的電流信號(hào)，先通上述電路將其轉(zhuǎn)換成為1 V～5 V電壓信號(hào)，上圖所對(duì)應(yīng)的輸入輸出關(guān)系為Vout/V1=(R4+R5)/R1:R5為可調(diào)電阻，對(duì)其進(jìn)行微調(diào)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確輸出;由于所選A/D 轉(zhuǎn)換器是單通道的，要完成24 路輸入模擬信號(hào)的采樣，需采用電子切換開(kāi)關(guān)CD4051 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)通道逐一按順序進(jìn)行選通。CD4051 導(dǎo)通時(shí)有80Ω 的導(dǎo)通電阻，為消除導(dǎo)通電阻的影響，且增加輸入阻抗，在其輸出端增加電壓跟隨器環(huán)節(jié)，以提高帶載能力。

(3)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7988－5

S3C2440 內(nèi)部帶有10 bit 的AD和觸摸屏LCD接口，由于使用觸摸屏?xí)?duì)片內(nèi)A/D 精度產(chǎn)生影響，為保證精度及穩(wěn)定度，因此選取片外AD。

AD7988－5 是美國(guó)ADI 公司新型的16 bit、逐次逼近型、串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其采用單電源供電，轉(zhuǎn)換速率是500 ksample/s。在CNV 上升沿，器件對(duì)差分輸入電壓進(jìn)行采樣，范圍從0 V至VREF，基準(zhǔn)電壓VREF由外部提供。輸出采用SPI 串行通信方式。接口采用獨(dú)立電源VIO 時(shí)，它與1.8 V、2.5 V、3.3 V和5 V 邏輯兼容。在本系統(tǒng)中，采用CS模式三線接法，外部基準(zhǔn)采用5 V 基準(zhǔn)源AD586，其具有精度高、噪聲低、輸出易調(diào)整、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，具體電路如圖3、圖4所示。

圖3 5 V 基準(zhǔn)源

圖4 AD7988 的CS模式三線接法

VDD 采用2.5 V 供電，VI0 端口接3.3 V，在三線制接法下，SDI 始終為高電平，CNV 相當(dāng)于片選，當(dāng)為上升沿時(shí)，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，高電平延時(shí)時(shí)間為9.5μs;當(dāng)為下降沿時(shí)，則準(zhǔn)備控制時(shí)鐘串行發(fā)送16 bit 數(shù)據(jù)，中間經(jīng)歷10 ns;當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)，延時(shí)時(shí)間為500 ns，用來(lái)傳送數(shù)據(jù)。

(4)帶觸摸屏LCD

本系統(tǒng)選用320 pixel×240 pixel 3.5 inch 的TFT 類型帶觸摸屏LCD，而驅(qū)動(dòng)STN和TFT 類型LCD 的所有信號(hào)在S3C2440 內(nèi)部都有提供。用戶僅需在觸摸屏上點(diǎn)擊相應(yīng)的圖形或文字就可以對(duì)處理器進(jìn)行相關(guān)操作，極大方便了人機(jī)交互。

(5)以太網(wǎng)通信模塊

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信，采用的是DAVICOM 公司推出一款高度集成的、低成本的單片快速以太網(wǎng)MAC 控制器DM9000A。其內(nèi)部自帶16 kbyte SRAM 用作接收發(fā)送的FIFO 緩存;支持8/16 bit 兩種主機(jī)工作模式;支持TCP/IP 加速，減輕CPU 負(fù)擔(dān);支持IEEE802.3 流量控制的全雙工模式;I/O 口的讀寫時(shí)間僅需要10 ns。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Linux 是一個(gè)自由、源碼開(kāi)放、成熟的操作系統(tǒng)，由于此優(yōu)點(diǎn)從而使其在ARM 嵌入式開(kāi)發(fā)中得以廣泛使用。

本系統(tǒng)采用Linux為操作系統(tǒng)，采用Qt/Embedded 來(lái)實(shí)現(xiàn)圖形用戶界面GUI 的設(shè)計(jì)。Qt 具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，支持多個(gè)系統(tǒng)如Windows NT、Linux、Solaris 等;其次是面向?qū)ο?，Qt 良好的封裝機(jī)制使其模塊化程度很高，可重用性好;最后，其具有豐富的API［8］，為開(kāi)發(fā)帶來(lái)極大方便。

另外，系統(tǒng)中宿主機(jī)和終端Linux 內(nèi)核版本號(hào)都采用2.6.28，其中Linux 移植時(shí)U-Boot 作為Bootloader。軟件總體設(shè)計(jì)主要包括底層驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)和上層應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)。在整個(gè)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)程序包括GPIO 口驅(qū)動(dòng)、片外AD 驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)及LCD 驅(qū)動(dòng)。圖5 以控制CD4051 選通信號(hào)為例介紹應(yīng)用程序通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ布O(shè)備的操作過(guò)程。

圖5 應(yīng)用程序?qū)τ布O(shè)備的操作流程

應(yīng)用程序包括數(shù)據(jù)采集，AD 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理，以太網(wǎng)通信，數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)，主程序流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)上電之后，在觸摸屏上設(shè)定門限，系統(tǒng)初始化，各采集程序從電纜通道中按要求調(diào)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，調(diào)出開(kāi)關(guān)量(數(shù)字信號(hào))直接交付給數(shù)據(jù)解析程序，模擬信號(hào)經(jīng)A/D 后再交付數(shù)據(jù)處理程序。通過(guò)數(shù)據(jù)解析和數(shù)據(jù)處理程序還原出的各機(jī)組負(fù)荷狀態(tài)和待測(cè)煙氣信號(hào)的濃度、壓力等物理量，輸入比較模塊與已設(shè)置好的參數(shù)進(jìn)行比較，如果異常則進(jìn)行事件記錄;并計(jì)算出脫硫效率(煙氣經(jīng)過(guò)脫硫設(shè)備后SO2量與未經(jīng)處理煙氣的SO2量的百分比)，最后，將所有的實(shí)時(shí)物理量數(shù)據(jù)以及事件記錄分別以各自的數(shù)據(jù)包形式通過(guò)以太網(wǎng)傳到上位機(jī)服務(wù)器顯示并存儲(chǔ)，已備后期查詢。

圖6 主程序流程圖

4 測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試系統(tǒng)性能，該終端在陜西大唐彬長(zhǎng)電廠進(jìn)行實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。系統(tǒng)對(duì)煙氣脫硫數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析處理、傳輸。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高，滿足實(shí)時(shí)性要求。在DCS 電子間的工控機(jī)顯示監(jiān)測(cè)的某時(shí)刻脫硫?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 煙氣脫硫的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

采用Samsung 公司S3C2440為處理器的煙氣脫硫數(shù)據(jù)采集終端，處理速度快，可靠性高，帶觸摸屏的LCD 使其操作方便，采用工業(yè)以太網(wǎng)作為通信手段，干擾小，傳輸穩(wěn)定，該系統(tǒng)以上諸多優(yōu)點(diǎn)已在陜西大唐彬長(zhǎng)電廠中的應(yīng)用得到了證明。

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