崔玉禮

（煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái)264670）

基于S3C2416處理器的萃取精餾塔監(jiān)測(cè)儀表設(shè)計(jì)

崔玉禮

（煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東煙臺(tái)264670）

在精餾塔的運(yùn)行過程中，溫度、液位、壓力、流量參數(shù)對(duì)分離起著至關(guān)重要的作用，因此，如何設(shè)計(jì)一款能夠監(jiān)測(cè)到這些數(shù)據(jù)的儀表是設(shè)計(jì)工作者的當(dāng)務(wù)之急.本文主要采用ARM 9微處理器S3C2416實(shí)現(xiàn)萃取精餾塔監(jiān)測(cè)儀表，可以實(shí)時(shí)采集溫度、壓力、流量、液位數(shù)據(jù).通過24bit的TFT液晶屏動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行模型并且實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能.

萃??；精餾塔；監(jiān)測(cè)儀表

精餾塔的控制直接影響到工廠的產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)量以及原材料和能量的消耗，因此精餾塔的自動(dòng)控制長(zhǎng)期以來(lái)一直受到人們的高度重視.精餾塔是一個(gè)多輸入多輸出的對(duì)象.它由很多級(jí)塔板組成，內(nèi)在機(jī)理復(fù)雜，對(duì)控制作用響應(yīng)緩慢，參數(shù)間相互關(guān)聯(lián)嚴(yán)重，而控制要求又大多較高.這些都給自動(dòng)控制帶來(lái)一定困難.目標(biāo)精餾操作是利用混合液中各組分具有不同的揮發(fā)度，即在同一溫度下各組分的蒸汽分壓互不相同這一物理性質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)液體混合物的分離.精餾操作是在精餾塔中完成的簡(jiǎn)單說(shuō)，精餾操作就是迫使混合物的氣、液兩相在塔體中作逆向流動(dòng)，在互相接觸的過程中，液相中的輕組分逐漸轉(zhuǎn)入氣相，而氣相中的重組分則逐漸進(jìn)入液相.精餾過程本質(zhì)上是一種傳質(zhì)過程，其中當(dāng)然也伴隨著傳熱.溶液中組分的數(shù)目可以是兩個(gè)或兩個(gè)以上[1].

1 ARM嵌入式系統(tǒng)

ARM(advanced RISC machine)是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件.其技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn).適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)／教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等.目前，嵌入式系統(tǒng)也已經(jīng)逐漸開始在儀表領(lǐng)域內(nèi)使用，國(guó)內(nèi)在這方面做的比較好的公司有北京博創(chuàng)公司和杭州期越科技公司等；在嵌入式系統(tǒng)中運(yùn)行的操作系統(tǒng)也有很多，目前比較流行的有：WinCE、Linux、Vxworks、UC/OS等，其中嵌入式Linux系統(tǒng)具有代碼開源、性能穩(wěn)定、可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具有開發(fā)難度大的缺點(diǎn)[2].

隨著嵌入式系統(tǒng)處理器的不斷發(fā)展，典型的32位RISC芯片——ARM處理器，不論是在PDA、STB、DVD等消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，還是在GPS、航空、勘探、測(cè)量等軍方產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用.越來(lái)越多的芯片廠商早已看好ARM的前景，比如Intel、NS、Atmel、Philips、NEC、CirrusLogic等公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品.他們把更多的功能集成在ARM芯片中，使其成為了高集成度，低功耗的典型代表.ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能.它主要應(yīng)用于無(wú)線設(shè)備、儀器儀表、安全系統(tǒng)、機(jī)頂盒、高端打印機(jī)、數(shù)字照相機(jī)和數(shù)字?jǐn)z像機(jī)等.ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T共3種類型，以適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合.本文選擇三星公司的ARM9微處理器S3C2416處理器.ARM微處理器的運(yùn)行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變.大多數(shù)的應(yīng)用程序運(yùn)行在用戶模式下，當(dāng)處理器運(yùn)行在用戶模式下時(shí)，某些被保護(hù)的系統(tǒng)資源是不能被訪問的.

圖1 S3C2416處理器

2 基于S3C2416處理器的萃取精餾塔監(jiān)測(cè)儀表硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器的選型

本課題采用三星的ARM9微處理器s3c2416來(lái)實(shí)現(xiàn)，為滿足儀表的需求，要完成其所有的外圍接口，主要有：（1）TFT液晶屏接口.（2）4個(gè)UART接口，其中一路可以和485總線復(fù)用.（3）1路IIC接口.（4）1路SPI接口.（5）4個(gè)A/D.（6）10個(gè)GPIO.（7）DM9000網(wǎng)絡(luò)接口，可以10M/100M自適應(yīng).（8）2路USB接口，USB采用四根電纜，其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游設(shè)備提供電源，可以通過連接線為設(shè)備提供最高5V，500mA的電力.USB目前有兩個(gè)版本，USB1.1的最高數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps，USB2.0則提高到480Mbps.本課題采用USB2.0標(biāo)準(zhǔn).（9）1路SD卡接口[3].

圖2

ARM9監(jiān)控中心主要完成顯示、存儲(chǔ)、控制算法的執(zhí)行、網(wǎng)絡(luò)通信等功能.為了保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)可靠地運(yùn)行，傳統(tǒng)的單片機(jī)已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需要.因此，系統(tǒng)選用S3C2416作為微控制器.系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示，主要包括執(zhí)行單元驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、通信接口、顯示鍵盤管理等模塊.

2.2 傳感器的確定

溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器通過各種I/O接口將采樣的數(shù)據(jù)傳入儀表，數(shù)據(jù)被分析后在TFT屏上顯示出來(lái)，同時(shí)可以存儲(chǔ)在U盤、SD卡或者通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)胶笈_(tái)的服務(wù)器上.目前國(guó)內(nèi)的溫度、壓力、流量傳感器種類比較豐富，可以滿足本課題的要求，超聲波傳感器選用帶IIC接口的，可以和s3c2416的IIC接口對(duì)接，通過I2C接口連接超聲波傳感器.I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線，它通過兩根線（SDA，串行數(shù)據(jù)線；SCL，串行時(shí)鐘線）在器件之間傳送信息，根據(jù)地址識(shí)別每個(gè)器件.對(duì)于發(fā)送器和接收器而言，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)可以是主器件，也可以是從器件，主器件用于啟動(dòng)總線上時(shí)鐘，此時(shí)任何被尋址的器件均被認(rèn)為是從器件.2路USB接口，USB采用四根電纜，其中兩根是用來(lái)傳送數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游設(shè)備提供電源，可以通過連接線為設(shè)備提供最高5V，500mA的電力.USB目前有兩個(gè)版本，USB1.1的最高數(shù)據(jù)傳輸率為12Mbps，USB2.0則提高到480Mbps[4].

I2C總線可十分方便地用于構(gòu)成由ARM和一些外圍器件組成的系統(tǒng)；這樣的系統(tǒng)價(jià)格低，器件間總線簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊.這種總線結(jié)構(gòu)雖然沒有并行總線那樣大的吞吐能力，但連接線和連接引腳少，在總線上增加器件不影響系統(tǒng)正常的工作，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性好；理論上，同一設(shè)備可以接多個(gè)超聲波傳感器.

DM9000網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì).DM9000A是臺(tái)灣DAVICOM公司生產(chǎn)的一款性能優(yōu)越的32位低功耗以太網(wǎng)控制器，主要為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、便攜式產(chǎn)品和某些適配卡等提供一種低成本的以太網(wǎng)解決方案.該芯片可靠、易用，是實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的良好選擇.

DM9000A提供一個(gè)Mll接口來(lái)連接HPNA接口發(fā)送器或者任何支持Mll接口的發(fā)送器.DM9000A物理協(xié)議層接口完全支持使用10MBps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100MBps下5類非屏蔽雙絞線，符合IEEE 802.3u規(guī)格.它具有自動(dòng)協(xié)調(diào)功能，可以自動(dòng)完成配置以最大限度地適合線路帶寬，還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制.DM9000A具有自動(dòng)調(diào)整功能，可以自動(dòng)配置波特率從而充分利用網(wǎng)絡(luò).

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件中BootLoader選用Uboot，操作系統(tǒng)采用開源軟件Linux，Uboot+Linux應(yīng)用于很多嵌入式設(shè)備，課題組具有多年嵌入式Linux的開發(fā)經(jīng)驗(yàn).

圖形界面的顯示采用的是QT，QT是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面庫(kù)，由挪威TrollTech公司出品.Qt做了許多針對(duì)嵌入式環(huán)境的調(diào)整，可以通過Qt的API與Linux的I/O直接交互，是一個(gè)專門的為小型設(shè)備提供圖形用戶界面的窗口系統(tǒng)，可以用于開發(fā)儀表的圖形界面[5].

在產(chǎn)品原型開發(fā)完成以后，設(shè)備被安裝在我院一個(gè)簡(jiǎn)單的塔設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，排除BUG，進(jìn)行完善，最后，該儀器被安裝在一個(gè)丁烷丁烯精餾塔設(shè)備上，正式運(yùn)行.

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊主要是對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，確保為核心算法提供準(zhǔn)確、可靠的輸入數(shù)據(jù).由于處理器的每種運(yùn)行模式均有自己獨(dú)立的物理寄存器R13，在用戶應(yīng)用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運(yùn)行模式的?？臻g，這樣，當(dāng)程序運(yùn)行進(jìn)入異常模式時(shí)，可以將需要保護(hù)的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當(dāng)程序從異常模式返回時(shí)，則從對(duì)應(yīng)的堆棧中恢復(fù)，采用這種方式可以保證異常發(fā)生后程序的正常執(zhí)行.

3.2 系統(tǒng)組態(tài)模塊

當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)執(zhí)行完當(dāng)前指令后，將跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的異常中斷處理程序處執(zhí)行.當(dāng)異常中斷處理程序執(zhí)行完成后，程序返回到發(fā)生中斷的指令的下一條指令處執(zhí)行.在進(jìn)入異常中斷處理程序時(shí)，要保存被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng)，在從異常中斷處理程序退出時(shí)，要恢復(fù)被中斷的程序的執(zhí)行現(xiàn)場(chǎng).

3.3 核心算法模塊

人機(jī)界面模塊在基于S3C2416處理呂的萃取精餾塔監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)中的核心算法的功能.

3.4 通訊模塊

其主要功能包括：

3.4.1 與軟測(cè)量軟件包的調(diào)度模塊連接.系統(tǒng)模式并不是通過異常進(jìn)入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器.但是系統(tǒng)模式屬于特權(quán)模式，可以訪問所有的系統(tǒng)資源，也可以直接進(jìn)行處理器模式切換.它主要供操作系統(tǒng)任務(wù)使用.通常操作系統(tǒng)的任務(wù)需要訪問所有的系統(tǒng)資源，同時(shí)該任務(wù)仍然使用用戶模式的寄存器組，而不是使用異常模式下相應(yīng)的寄存器組，這樣可以保證當(dāng)異常中斷發(fā)生時(shí)任務(wù)狀態(tài)不被破壞.

3.4.2 人機(jī)界面模塊.人機(jī)界面模塊在基于S3C2416處理呂的萃取精餾塔監(jiān)測(cè)儀表中主要是能夠方便操作者對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和操作.

4 結(jié)論

本文通過開發(fā)一款基于S3C2416處理器的萃取精餾塔監(jiān)測(cè)儀表，在精餾塔的運(yùn)行過程中，溫度、液位、壓力、流量參數(shù)對(duì)分離起著至關(guān)重要的作用，如果能夠?qū)⑦@些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給設(shè)計(jì)人員，那么無(wú)論在分離精度還是節(jié)能方面都有巨大的意義.

〔1〕史巖清，景志強(qiáng).自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展與工業(yè)自動(dòng)化展望[J].中國(guó)科技信息，2010(22)：89-90.

〔2〕傅建紅，胡紹忠.淺析傳感器發(fā)展的新趨勢(shì)[J].科技廣場(chǎng)，2009(03)：120-122.

〔3〕王華本.計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[J].今日科苑，2007 (22)：67-68.

〔4〕姜全華，姜全宏，金正軍.淺析數(shù)字化變電站技術(shù)[J].科技信息(科學(xué)教研)，2008(08)：113-114.

〔5〕曹冰，石登科，吉玉超.淺談現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國(guó)西部科技，2011(08)：176-178.

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1673-260X（2013）09-0042-02