摘要：為了提高產品熱處理爐的爐溫均勻性和穩(wěn)定性控制性能，通常要按照爐溫均勻性的檢測方法與標準對熱處理爐的爐溫均勻程度進行測定和記錄。為此，文中給出了以DSP為基礎，并通過具有時間標簽的溫度監(jiān)控記錄儀來對爐溫進行測量與記錄的實現(xiàn)方法。通過該方法還可將具體的檢測數(shù)據記錄在FLASH閃存中以備后用。
自從20世紀70年代能源危機爆發(fā)以來，人們便逐漸意識到世界上的能源并不是取之不盡，用之不竭的。因此，如何應用科學的方法，結合生產實踐，設計出低耗能、高產出、高效率的產品，已成為從業(yè)人員研究的重點。本文針對具體情況，給出了對冶金加熱爐爐溫控制系統(tǒng)進行溫度檢測和記錄的系統(tǒng)設計方法，以便為改善設備的性能提供數(shù)據依據，提高能源的利用率，減少產品的生產成本。
1 檢測系統(tǒng)的組成和功能
1．1 主要組成
本檢測儀以DSP(TMS320LF2407A)作為系統(tǒng)的微控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)信號的采集、通信、人機接口和檢測數(shù)據的存貯(掉電不丟失)等功能。本檢測儀的最大特點是可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動信號采集并存貯數(shù)據，其中每個數(shù)據都有自己的時間標簽，可供使用者隨時查詢和統(tǒng)計數(shù)據。
圖1所示是該溫度監(jiān)測儀的功能結構框圖。圖中，該溫度監(jiān)測儀劃分為微控制器部分、人機接口、溫度傳感器信號處理電路、存貯器、實時時鐘和通信部分。
1．2 主要功能
為了適應溫控系統(tǒng)工作時間長，系統(tǒng)慣性大，無人值守等特點。本自動監(jiān)控記錄儀系統(tǒng)具有以下功能：
首先是能精確檢測8路溫度值，并可對檢測值進行自動修正；監(jiān)測儀采用的TMS320LF2407A控制芯片具有豐富的內部資源，其中所具有16通道lO位AD轉換通道，可大大簡化系統(tǒng)對外部硬件的擴展，提高系統(tǒng)的集成度和可靠性；
其次，本檢測儀具有實時時鐘記錄和數(shù)據存儲功能。系統(tǒng)采用美信公司的實時時鐘芯片，可為系統(tǒng)的檢測數(shù)據提供時間標簽。系統(tǒng)定時采集數(shù)據后會附加時鐘標志，然后存貯在存儲器中，以方便以后的隨時調出和查閱。
第三，本檢測儀具有良好的人機接口。本系統(tǒng)的人機接口采用了鍵盤和液晶顯示，可完成按鍵的輸入，各手動功能的檢測，各項檢測數(shù)據的顯示以及與PC機的通信等。
最后就是與上位PC機的通信功能。本檢測儀通過RS485通信方式與上位機進行必要的通信。當上位機需要調用某些數(shù)據時，檢測儀將定位該數(shù)據并立刻上傳。同時通信方式也為實現(xiàn)DCS系統(tǒng)的控制提供了可能，它可由多臺檢測儀和一臺工控機實現(xiàn)DCS控制網絡。
2 主要硬件設計
2．1 A／D前端信號調理電路
因為從熱電耦過來的信號為0～5 V的電壓信號，而DSP的A／D采樣信號范圍只能在0～3．3 V之間。所以，在輸入到DSP的A／D電路之前必須經過信號調理，其調理電路如圖2所示。圖中，運算放大器Ul構成電壓跟隨器，可提高信號的驅動能力和精度。R1，R2可組成簡單的電阻分壓網絡。其中二極管D1和D2的作用是對DSP的MD進行輸入電壓的限幅鉗位保護。當輸入A／D采樣電壓高于3．3 V時，二極管D1導通，而使輸入電壓始終不得高于3．3 V，同樣的，當?shù)陀贠V時，二極管D2導通，其輸入電壓也始終不得低于O V，從而將輸入到AD的電壓限制在被允許的范圍之內。
2．2 實時時鐘接口電路
為了使檢測儀能自動地記錄數(shù)據。并提供數(shù)據的采集時間以供使用者參考。本系統(tǒng)采用美信公司生產的新型實時時鐘芯片M14ST95Y／W，并采用SPI通信協(xié)議方式，來減少對系統(tǒng)的端口資源占用，SPI通信只占用系統(tǒng)的SCL、SDI、SDO、片選功能E端以及定時中斷信號IRQ。表l所列是M14ST95Y／W的引腳功能，圖3為其引腳排列圖，M14ST95Y／W內部集成有時鐘晶振。同時具有低電壓保護功能的電壓比較器，當系統(tǒng)供電電壓處于低壓狀態(tài)(內部集成1．25V電壓比較器)時，系統(tǒng)會自動轉入后備電源供電，并在此狀態(tài)下啟動寫保護功能，以防止控制器在欠電壓運行狀態(tài)下對實時時鐘的錯誤修改。此外，該芯片還具有看門狗實時復位電路。所以，這款實時時鐘芯片資源豐富，功能強大，所需外部分立元件少，可以提高系統(tǒng)的可靠性。
本檢測儀中的DSP與實時時鐘芯片的連接圖如圖4所示。
2．3 DSP與Flash貯存器的連接
Flash存儲器又稱閃存，它結合了ROM和RAM的特點，不僅具備電子可擦除可編程(EEPROM)功能，而且斷電不會丟失數(shù)據，同時又能快速讀取數(shù)據，具有可在線電擦寫、低功耗、大容量、擦寫速度快等特點。屬于EEPROM的改進產品。AM29LV800B是AMD公司的一種Flash存儲器件，其訪問時間為90 ns；存儲容量為8 Mbit；工作溫度范圍為-55～+125℃；在線編程電壓為3．0～3．6V；而且功耗低；讀操作時的電流為7m-A，編程／擦除時的電流為15 mA。圖5為DSP與AM29LV800B的連接電路圖。
2．4 人機接口
本系統(tǒng)的人機接口部分主要由DSP與液晶的連接電路和按鍵掃描電路組成。根據TMS320LF2407A的I／O口資源利用情況。本設計的液晶顯示采用并行I／O口實現(xiàn)顯示控制；又由于按鍵鍵盤所需不多，故采用普通的矩陣掃描式鍵盤結構。由于其硬件實現(xiàn)比較簡單，因此，在此就不列出詳細的電路了。
3 檢測儀軟件設計
根據以上功能，可以將本系統(tǒng)的程序分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理程序、液晶顯示程序、數(shù)據采集中斷程序、數(shù)據保存程序和通信程序等幾個部分。
3．1 系統(tǒng)主程序設計
系統(tǒng)中的DSP運行主程序流程圖如圖6所示。該程序主要完成系統(tǒng)的初始化、初次上電系統(tǒng)自我故障檢測(包括各個溫度傳感器是否正常，AD采樣值是否正常)，同時完成鍵盤和顯示的人機接口等功能。
3．2 定時采樣程序設計
定時采樣程序是檢測儀的關鍵功能程序，主要完成對各個檢測點溫度的定時采集，同時將讀取采樣時的時鐘標簽一同記錄到外部的FLASH存貯器中。其具體的采樣程序流程圖如圖7所示。
4 結束語
該檢測記錄儀經測試證明，能自動采集監(jiān)測點的溫度，并具有良好的人際交互界面，同時可實現(xiàn)具有時間標簽的數(shù)據采集和存貯，便于用戶對生產產品熱處理過程中的溫度效果和工作情況進行分析和跟蹤，及時調整控制策略，提高產品質量并節(jié)省生產成本。