基于ATmega128和μC/OS-II的在線鈉離子分析儀
國外電子元器件 鄭州大學(xué) 汪獻忠 王鵬飛 田增國
摘要： 在線鈉離子分析儀的硬件電路設(shè)計是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設(shè)計框圖如圖3所示。主要包括電源、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換、微控制器、擴展存儲器、人機接口6個部分。
Abstract：
Key words :
1 引言
水和蒸汽是熱力系統(tǒng)中的鍋爐、汽輪機、過熱器等設(shè)備的重要工作介質(zhì)。當(dāng)火力發(fā)電廠正常運行時，熱力設(shè)備中都有水或蒸汽在流動。水、汽的品質(zhì)都有規(guī)定的指標(biāo)，一旦水、汽品質(zhì)的指標(biāo)超標(biāo)，就會加速熱力設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和積鹽。當(dāng)水汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時，將會導(dǎo)致汽輪機金屬材料的點蝕、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞，這些腐蝕通常會造成重大的經(jīng)濟損失。嚴重時甚至造成重大事故。鈉離子含量是發(fā)電廠水汽品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。因此，為防止結(jié)垢、結(jié)鹽，減緩系統(tǒng)中金屬部件的腐蝕。保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行，必須對電廠水汽系統(tǒng)中鈉離子含量進行嚴格監(jiān)測和控制。
2 測量原理
鈉離子的測量是基于電化學(xué)中的電位分析法，由測量電極和參比電極及待測溶液構(gòu)成原電池。測量電極是對鈉離子具有選擇性的玻璃電極，參比電極的電位保持恒定。當(dāng)測量電極與參比電極同時浸入溶液后，即組成測量電池對，圖1給出測量電池的示意圖。其中鈉測量電極的電位隨溶液中鈉離子的濃度符合能斯特方程式：
式中：E為鈉電極電位；E0為鈉電極的理論等電位點電位；R為氣體常數(shù)，R=8.317 J／(mol．K)，T為溶液的絕對溫度，T=273+t，K；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=9.649×104 C/mol；C為鈉離子的濃度，ppb;f為鈉離子活度系數(shù)，對于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1。由鈉離子選擇性電極、參比電極以及待測溶液構(gòu)成測量電池，通過一個高阻抗的毫伏計對被測溶液進行精確的電位測量，從而可直接測定溶液中鈉離子的含量。
3 水路設(shè)計
對鈉有選擇性的玻璃電極對氫離子的響應(yīng)比對鈉離子響應(yīng)還敏感，所以氫離子是鈉測量時主要的干擾源，要用堿性試劑加以抑制。在對Na+的測量過程中需要合適的水路設(shè)計，對水樣進行恒流，堿化。水路設(shè)計及工作過程如圖2所示。
在正常測量時，樣水從進口經(jīng)三通電磁閥進人恒流杯，過多的樣水從溢流口流出，由于負壓原理，樣水在T形塊帶動堿化氣進入測量杯，水氣混合后，PH值達到要求，流經(jīng)測量電極和參比電極經(jīng)出水口排出。當(dāng)標(biāo)定時，電磁閥進行切換，校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)電磁閥進入恒流杯，樣水經(jīng)卸壓閥流出。該水路設(shè)計削弱了H+和流速造成的誤差，提高了測量精度。
4 硬件電路設(shè)計
在線鈉離子分析儀的硬件電路設(shè)計是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設(shè)計框圖如圖3所示。主要包括電源、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換、微控制器、擴展存儲器、人機接口6個部分。
電極輸出的是一個近似直流的電壓信號，經(jīng)放大處理后，進行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號輸入微控制器進行分析處理，然后存儲和顯示數(shù)據(jù)，并通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給控制室。
4．1 微控制器
這里選用高性能8位單片機ATmega128。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，可廣泛應(yīng)用于計算機外部設(shè)備、工業(yè)實時控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個領(lǐng)域。
ATmega128特點：內(nèi)嵌128 KB的Flash程序存儲器，擦寫方便，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、更新；內(nèi)嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM，具有64 KB的外部存儲器尋址空間；具有PWM功能的定時器／計數(shù)器(T／C)；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器：SPI串行端口；與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口(同時還可用于片上調(diào)試)；低電壓供電、寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V；抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設(shè)計的工作量和硬件的使用量；工作溫度范圍符合工業(yè)級要求，達到-55℃～+125℃?；贏Tmega128的諸多特點．因此這里選用ATmega128單片機作為在線鈉離子分析儀的核心控制器。
4．2 A／D轉(zhuǎn)換器
A／D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的AD7714。AD7714是適用于低頻測量應(yīng)用的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數(shù)字。它使用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)以實現(xiàn)高達24位的無誤碼性能。輸人信號加至專有的基于模擬調(diào)制器，具有可編程增益的前端。調(diào)制器的輸出由片內(nèi)數(shù)字濾波器處理。通過片內(nèi)控制寄存器可對此數(shù)字濾波器編程，允許調(diào)整濾波器的截止頻率和穩(wěn)定時間。AD7714具有3個差分模擬輸入(它也可配置為5個準(zhǔn)差分模擬輸入)以及差分基準(zhǔn)輸入，分別對溫度信號和鈉離子濃度信號采樣。
4．3 存儲部分
由于系統(tǒng)移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，各個任務(wù)均需要分配獨立的堆棧空間，總線上擴展32 K字節(jié)的隨機存儲器KM62256。KM62256是8位數(shù)據(jù)寬度32 K字節(jié)的隨機存儲器，具有低功耗、速度快等優(yōu)點。同時還擴展了64 KB字節(jié)的E2pROM AT24C512，用來存儲電路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實時測量數(shù)據(jù)，并可存儲一個月的歷史數(shù)據(jù)，繪制歷史曲線，詳細反映水質(zhì)變化過程和趨勢，有利于發(fā)現(xiàn)和解決問題。
4．4 人機接口
采用TFT3224真彩液晶顯示器，支持256色顯示，帶有觸摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示、按鍵操作的風(fēng)格。觸摸屏接口器件選用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外測量值經(jīng)串口遠程傳輸?shù)娇刂剖摇?/div>
5 軟件設(shè)計
8位單片機為核心的測控系統(tǒng)程序一般采用前后臺方式編寫，后臺運行一個大的無限循環(huán)，前臺為多個中斷，在這種方式中，中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到處理該信息時才能得到處理，所以在處理信息的及時性上這種系統(tǒng)要比實際做到的差，而且代碼編寫復(fù)雜，增加功能時任務(wù)量大，不便于維護。因此采用μC／OS-II操作系統(tǒng)。
5．1 嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ
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(wù)內(nèi)核。程序量，僅7～8K，絕大部分代碼采用ANSI C編寫．便于移植。其穩(wěn)定性與安全性方面已經(jīng)過美國聯(lián)邦航空管理局認證。
使用μC／OS設(shè)計軟件系統(tǒng)首先要實現(xiàn)μC/OS在硬件應(yīng)用平臺上的移植，主要就是完成對OS_CPU_C.C，OS_CPU_A．ASM等多個與處理器相關(guān)文件的改寫，在μC／OS的官方網(wǎng)站有在數(shù)十種處理器上移植成功的范例，可以免費下載，這里不再詳細介紹。
基于μC/OS-II編寫應(yīng)用程序比較簡單，首先根據(jù)系統(tǒng)功能合理劃分任務(wù)，確定任務(wù)間的通信機制。每個任務(wù)都是相對獨立的子模塊，有唯一的優(yōu)先級和自己的堆棧空間。每個任務(wù)處于以下5種狀態(tài)的一種：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)及被中斷態(tài)。內(nèi)核在一個定時中斷函數(shù)中查詢進入就緒態(tài)中的優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后把當(dāng)前任務(wù)掛起，保存現(xiàn)場，執(zhí)行該任務(wù)。各個任務(wù)間根據(jù)信號量、消息郵箱、隊列等通信方式傳遞信息。
5．2 任務(wù)劃分
基于μC／OS-II編寫應(yīng)用程序主要的工作是劃分任務(wù)和分配優(yōu)先級及任務(wù)之間信息的傳遞。設(shè)計中，將整個系統(tǒng)劃分為：①數(shù)據(jù)處理與顯示；②菜單顯示任務(wù)；③串口通信任務(wù)。A／D中斷：AD7714的定時中斷；觸摸屏中斷：點擊觸摸屏觸發(fā)外部中斷。軟件設(shè)計如圖4所示。
在AD7714的A／D定時中斷服務(wù)中發(fā)送消息，數(shù)據(jù)處理及顯示任務(wù)接收到消息后，把消息中的A／D數(shù)據(jù)經(jīng)過公式推導(dǎo)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的鈉含量并顯示。
在觸摸屏中斷處理函數(shù)中發(fā)送消息給菜單任務(wù)，菜單任務(wù)接收到消息中的坐標(biāo)值后，進行判斷并顯示相應(yīng)的菜單界面。串口通信任務(wù)把測量值經(jīng)過串口遠傳到控制室。
6 結(jié)語
系統(tǒng)創(chuàng)新性在于將高性能微處理器MEGA128和新器件AD7714首次應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測信號采集。同時移植μC／OS-II操作系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路簡潔可靠，功耗低、可靠性高。軟件實時性好，便于擴展功能。將此分析儀與進口儀表進行對照實驗，數(shù)據(jù)如表1所示。
由表1數(shù)據(jù)可知，該分析儀的測量精度接近進口儀表。通過與國家標(biāo)準(zhǔn)比對，分析儀的各項指標(biāo)已符合國標(biāo)，可作為在線式儀表用于水質(zhì)鈉離子含量的連續(xù)檢測。
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