基于ARM和μC／OS-Ⅱ的在線磷酸根離子監(jiān)測儀設(shè)計

摘要：基于火電廠磷酸根離子在線測量的精度和穩(wěn)定性需要，該磷酸根離子監(jiān)測儀是依據(jù)磷釩鉬黃分光光度法原理，采用高性能的ARM微控制器和穩(wěn)定可靠的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)來完成在線式磷酸根離子檢測儀管理控制系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)智能化程度高、操作簡便、穩(wěn)定性高、功耗低、測量結(jié)果精確可靠，可以滿足火電廠對水質(zhì)的磷酸根離子含量監(jiān)測的需要。
關(guān)鍵詞：磷酸根離子；ARM；嵌入式系統(tǒng)；在線測量

火力發(fā)電廠和大型工業(yè)鍋爐，通常采用向爐水中添加少量磷酸鹽以防止鈣、鎂水垢的生成，磷酸根濃度不夠，不能有效防止結(jié)垢，磷酸根離子含量過高，會導(dǎo)致爐水的pH值變高。因此磷酸根離子濃度是爐水檢測的重要參數(shù)。ARM處理器具備高性能、低功耗、低成本等優(yōu)點，將其應(yīng)用于在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統(tǒng)，可以提高磷酸根分析儀的處理速度和精度。

1 結(jié)構(gòu)及測量原理簡介
磷酸根離子分析儀整體結(jié)構(gòu)包括光路系統(tǒng)、水路系統(tǒng)和管理控制系統(tǒng)三個部分。
光路系統(tǒng)主要包括：專用的單色LED冷光源、比色皿和光電傳感器。
水路系統(tǒng)由比色皿、柱塞泵、多通道切換閥、流通池、樣水／標(biāo)液切換閥、流量計、排污閥、溢流管等組成。
利用化學(xué)吸光法原理，即在一定的酸度下，正磷酸鹽與釩鉬酸作用生成黃色的磷釩鉬酸。此顏色的吸光度與水中正磷酸鹽的濃度符合朗伯一比爾定理，即溶液的吸光度A與溶液的濃度c和液層的厚度L的乘積成正比。

式中：A為吸光度；Io為入射光強度；I為透過光強度；C為有色溶液的濃度；L為溶液的厚度；K為吸光系數(shù)。

2 管理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計
在線磷酸根離子分析儀的管理控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，包括以32位的AT91M40800微控制器為核心的核心板電路、控制電路模塊、信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路模塊、電源電路模塊、通訊電路模塊、人機接口電路模塊、實時時鐘電路模塊、復(fù)位系統(tǒng)電路模塊8個部分。總體設(shè)計框圖如圖1所示。


2．1 核心板電路
核心板電路模塊由嵌入式微控制器AT91M40800及外擴存儲器組成。嵌入式微控制器AT91M40800主要用于管理和控制整個系統(tǒng)。擴充了1 MB的RAM，主要用于系統(tǒng)程序運行，大大提高系統(tǒng)運行速度。外擴2 MB的FLASH，用作主存儲器，存放系統(tǒng)程序和測量數(shù)據(jù)。
2．2 控制電路模塊
控制電路模塊用CPLD和繼電器控制通道切換、樣水／標(biāo)液切換、樣水與試劑柱塞泵注水、攪拌電機、排污電子閥以及6路超范圍報警和斷樣報警。
CPLD(Complex Programmable Logic Device)復(fù)雜可編程邏輯器件，具有編程靈活、集成度高、設(shè)計開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計制造成本低、對設(shè)計者的硬件經(jīng)驗要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、保密性強、價格大眾化等特點。Altera公司MAXⅡ系列EPM240T100芯片具有低成本、高性能的特點，采用先進(jìn)的CMOS制作技術(shù)，3．3 V電源供電，并提供600～10000可用邏輯門，引腳延誤速度為4．5 ns，計算頻率可高達(dá)227．3 MHz。系統(tǒng)用CPLD實現(xiàn)對注塞泵的穩(wěn)定精確控制。
2．3 信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路
信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路模塊主要用于放大微弱的光電傳感器測量信號，并通過AD7714轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入主處理器AT91M40800。系統(tǒng)選用 OPA2340單電源軌至軌運算放大器，它具有極低的失調(diào)電壓和偏置電流，具有較高的共模輸入范圍和共模抑制比。A／D轉(zhuǎn)換器件選用適用于低頻測量應(yīng)用的 AD7714，轉(zhuǎn)換精度高、速度快、編程、接口方便。