基于ARM和μC／OS-Ⅱ的在线磷酸根离子监测仪设计

摘要：基于火电厂磷酸根离子在线测量的精度和稳定性需要，该磷酸根离子监测仪是依据磷钒钼黄分光光度法原理，采用高性能的ARM微控制器和稳定可靠的μC／OS-Ⅱ操作系统来完成在线式磷酸根离子检测仪管理控制系统的要求。系统智能化程度高、操作简便、稳定性高、功耗低、测量结果精确可靠，可以满足火电厂对水质的磷酸根离子含量监测的需要。
关键词：磷酸根离子；ARM；嵌入式系统；在线测量

火力发电厂和大型工业锅炉，通常采用向炉水中添加少量磷酸盐以防止钙、镁水垢的生成，磷酸根浓度不够，不能有效防止结垢，磷酸根离子含量过高，会导致炉水的pH值变高。因此磷酸根离子浓度是炉水检测的重要参数。ARM处理器具备高性能、低功耗、低成本等优点，将其应用于在线磷酸根离子分析仪的管理控制系统，可以提高磷酸根分析仪的处理速度和精度。

1 结构及测量原理简介
磷酸根离子分析仪整体结构包括光路系统、水路系统和管理控制系统三个部分。
光路系统主要包括：专用的单色LED冷光源、比色皿和光电传感器。
水路系统由比色皿、柱塞泵、多通道切换阀、流通池、样水／标液切换阀、流量计、排污阀、溢流管等组成。
利用化学吸光法原理，即在一定的酸度下，正磷酸盐与钒钼酸作用生成黄色的磷钒钼酸。此颜色的吸光度与水中正磷酸盐的浓度符合朗伯一比尔定理，即溶液的吸光度A与溶液的浓度c和液层的厚度L的乘积成正比。

式中：A为吸光度；Io为入射光强度；I为透过光强度；C为有色溶液的浓度；L为溶液的厚度；K为吸光系数。

2 管理控制系统的硬件设计
在线磷酸根离子分析仪的管理控制系统采用模块化设计，包括以32位的AT91M40800微控制器为核心的核心板电路、控制电路模块、信号调理与转换电路模块、电源电路模块、通讯电路模块、人机接口电路模块、实时时钟电路模块、复位系统电路模块8个部分。总体设计框图如图1所示。


2．1 核心板电路
核心板电路模块由嵌入式微控制器AT91M40800及外扩存储器组成。嵌入式微控制器AT91M40800主要用于管理和控制整个系统。扩充了1 MB的RAM，主要用于系统程序运行，大大提高系统运行速度。外扩2 MB的FLASH，用作主存储器，存放系统程序和测量数据。
2．2 控制电路模块
控制电路模块用CPLD和继电器控制通道切换、样水／标液切换、样水与试剂柱塞泵注水、搅拌电机、排污电子阀以及6路超范围报警和断样报警。
CPLD(Complex Programmable Logic Device)复杂可编程逻辑器件，具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特点，采用先进的CMOS制作技术，3．3 V电源供电，并提供600～10000可用逻辑门，引脚延误速度为4．5 ns，计算频率可高达227．3 MHz。系统用CPLD实现对注塞泵的稳定精确控制。
2．3 信号调理转换电路
信号调理与转换电路模块主要用于放大微弱的光电传感器测量信号，并通过AD7714转换成数字信号送入主处理器AT91M40800。系统选用 OPA2340单电源轨至轨运算放大器，它具有极低的失调电压和偏置电流，具有较高的共模输入范围和共模抑制比。A／D转换器件选用适用于低频测量应用的 AD7714，转换精度高、速度快、编程、接口方便。
2．4 电源电路模块
使用专用AC-DC电源模块，输入220 V交流电，输出DC24v／O.3 A，DC24 V／1．5 A和DC 5 V直流电。同时选用低压差电压调节器LM1117提供3．3 V电源。
2．5 通讯电路模块
通讯电路模块包括通用异步串行通信USB，RS 232，RS485，4～20 mA标准电流输出。USB接口主要用于和上位机通讯，RS 232模块用于和其他设备通信，选用MAXIM公司生产的MAX3221串口转换芯片，RS 485用作远程数据传输，另外，配备4～20 mA标准电流用作数据传输避开噪声影响，将低于4 mA和高于20 mA的信号用作各种故障的报警。
2．6 人机接口
人机接口模块包括触摸显示和按键两部分。触摸显示部分采用TFT6448真彩液晶显示器，具有使用温度范围广(-10～+65℃)，低功耗(3.3V，最大电流240 mA)，宽输入电压(2．7～5．5 V)，轻薄设计(高度10 mm)等优点。
设计有6个按键配合使用，以方便操作。
2．7 实时时钟电路模块
为了能够准确记载所检测的磷酸根浓度对应的日期、时间，选用了掉电不丢失的铁电存储器FM31256，该芯片是包含基于处理器系统的通用功能需求的集成器件，主要功能包含32 768 b的铁电非易失性存储器、实时时钟、低电压复位和一个通用的比较器，用于电源失效中断输出或其他用途。
2．8 复位系统电路模块
系统选用STM811复位芯片。该芯片是专用于产生微处理器复位功能的芯片。在电源上电、掉电以及监控系统电源电压的变化，产生可靠的电源复位信号，使微处理器产生复位或处理中断事件。
另外，本系统还采用AT92M40800内部看门狗定时器，当系统进入异常中断后进行自动复位，确保系统连续正常检测。

3 管理控制系统的软件设计
磷酸根离子分析仪主要用于工业现场磷酸根离子的全天候实时监测，对仪器的稳定性和可靠性以及抗干扰性能要求较高。μC／OS-Ⅱ是一个完整的、开源的、可移植、固化、裁剪的占先式实时多任务内核。其稳定性与安全性方面已经过美国联邦航空管理局认证。
μC／OS-Ⅱ在硬件应用平台上的移植主要完成修改OS_CPU_C．C，OS_CPU_A．ASM等多个与处理器相关的文件。μC／OS-Ⅱ官网上已经有移植成功的范例，这里不再多做介绍。
系统任务主要划分为：测量信号输入(快速中断FIQ)、触摸屏输入(外部中断IRQ0)、USB通信(外部中断IRQl)、4～20 mA标准电流输出及PID温度控制(串行中断UARTO)、MODBUS通信(串行中断UARTl)、按键输入(定时中断Time0)、Watchdog中断、文件管理、用户图形界面显示、CPLD控制管理及输出报警等。系统程序流程图如图2所示。



4 结语
系统首次将高性能工业级ARM处理器AT91M40800和稳定可靠的嵌入式操作系统应用于磷酸根离子的测量。
选取几种标准溶液测得值如表1所示。


仪表在为期两天的实验过程中，对同一溶液多次重复测量，测量结果能够达到国标要求，仪表测量重复性良好，满足在线测量要求。实验和现场应用表明，该系统工作稳定、智能化程度高、测量精度高、重复性好，可以满足火电厂对磷酸根离子在线检测的需要。