分析基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀設(shè)計與應(yīng)用

引言

量熱儀的性能特點：采用美國先進(jìn)技術(shù)的5.2英寸觸摸式液晶屏幕，整體式安裝方法，保證觸摸屏的牢固性。紅外線式技術(shù)，材料選用CRT顯示材料讓觸摸屏更耐用。多層復(fù)合薄膜覆蓋，保證色彩失真度、反光性和清晰度達(dá)到最佳狀態(tài)，感應(yīng)靈敏，定位精度高，有效出沒區(qū)域高達(dá)90%抗磨損，壽命可長達(dá)10年，漢字顯示，無需外接電腦。即可直接操作，又可用計算機控制。中文菜單式操作界面，結(jié)構(gòu)簡單、直觀易學(xué)、操作方便、性能穩(wěn)定可靠，采取內(nèi)外筒光電隔離抗干擾能力強。采用獨特的發(fā)泡隔熱技術(shù)，實驗過程中不受外界溫度影響。

自動注水，不需調(diào)水溫，只需裝好氧彈放入桶內(nèi)，儀器即可自動完成全部測試。結(jié)構(gòu)合理，制作精良，性能可靠，故障率低。

結(jié)果準(zhǔn)確，采用獨特的冷卻校正系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)及軟件自動、誤差補差系統(tǒng)同時具備外筒貯水量大，熱穩(wěn)定性好等功能。

近年來隨著嵌入式技術(shù)的不斷成熟，其成本也不斷下降，本身所具有的規(guī)?？勺?、擴展靈活、有較高的實時性和穩(wěn)定性、系統(tǒng)內(nèi)核小的優(yōu)點逐漸凸現(xiàn)出來。

1 基本原理

恒溫式量熱儀通過氧彈法測量熱值。通過放在氧彈中的物質(zhì)燃燒并使燃燒放出的熱量通過彈筒傳遞給水及儀器系統(tǒng)，再根據(jù)水溫的變化計算出物質(zhì)的發(fā)熱量。其測量的基本框圖如圖1所示。根據(jù)氧彈法測量的基本原理，發(fā)熱量計算公式如下：

式中：E為熱容量，單位：J/K;q1為點火熱，單位：J;q2為添加物如包紙等產(chǎn)生的總熱量，單位：J;m為試樣質(zhì)量，單位：g;Tc為主期結(jié)束時溫度，單位：℃;Tb為主期開始時溫度，單位：℃，C為冷卻校正值，單位：℃。

由上式可知，只要測量出水的溫度以及相關(guān)參數(shù)，就可以計算出煤樣的發(fā)熱量。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2個USB主機，1個USB設(shè)備，SD主機和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203MHz。

S3C2410與量熱儀各個部分的連接框圖如圖2所示，在硬件連接之后，需要對各個部分與S3C2410的端口進(jìn)行軟件驅(qū)動。

2.1.1 ARM板選擇

本次設(shè)計選擇市場上使用較多，同時在結(jié)構(gòu)和資源上較為典型的S3C2410處理器，主要是基于以下原因：

(1)性價比高，使用的最廣泛。作為一款經(jīng)典的ARM9系列處理器，S3C2410的資料最完整，各種驅(qū)動程序的開發(fā)包最多，利于開發(fā)者開發(fā)。

(2)采用核心板和底板分離的設(shè)計思想，用戶可以方便地使用Core-Board進(jìn)行二次開發(fā)。

2.1.2 傳感器的選擇

現(xiàn)在的量熱儀大多采用鉑電阻作為測溫元件;它雖然具有精度高等優(yōu)點，但鉑電阻在O～800℃范圍內(nèi)、無校正的情況下，最大非線性誤差可達(dá)2%，而且它們屬于模擬式傳感器，輸出信號需要進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這不僅使電路復(fù)雜，成本增加，而且增大了誤差。

石英晶體溫度傳感器HTS-206就是其中的一種，它由日本EPSON公司生產(chǎn)，其振蕩頻率在40 kHz附近，工作溫度范圍為-55～+125℃，其測量精度利用多點差值法校正后可達(dá)O.05℃石英晶體諧振器HTS-206的調(diào)理電路包括振蕩電路、分頻器、計數(shù)器三個主要部分構(gòu)成，其調(diào)理電路如圖3所示。

以往測量頻率的方法是在芯片外接FPGA芯片，不過HTS-206，的工作頻率為40 kHz左右，符合S3C2410的工作性能，為了節(jié)約成本。HTS-206的輸出經(jīng)過整流放大后，通過S3C2410的EINT0端口，用FIQ中斷模式。

利用軟件設(shè)定中斷的閘門時間為Tw，并且記錄被測信號的變化周期數(shù)(或脈沖個數(shù))N，則被測信號的頻率為：

2.1.3 控制部分

控制部分由充氧控制、充放水控制、水位控制、點火控制、升降電機控制等幾部分組成：

充氧電路，主要完成氧彈的沖放氣的控制。當(dāng)實驗開始時，發(fā)送信號，打開閥門。氧彈充氣到一定壓力的時侯，向S3C2410發(fā)出信號。S3C2410接收到信號就控制閥門關(guān)閉。

充放水及水位控制系統(tǒng)，主要完成內(nèi)外筒進(jìn)水、排水、定位任務(wù)。分別通過兩個探測器測定內(nèi)外筒的水位，利用程序進(jìn)行水位比較，從而達(dá)到定內(nèi)外筒水定量的目的。

點火系統(tǒng)控制氧彈中的點火裝置，具體控制要求為：點火絲點火在自檢之后進(jìn)行，如一切正常，則點火。如果點火成功，則向S3C2410發(fā)送信號，啟動測溫系統(tǒng)。如果點火失敗，則退出本次試驗。

2.1.4 S3C2410的網(wǎng)絡(luò)通信

如圖4所示，S3C2410使用CS8900A-Q3控制器擴展網(wǎng)絡(luò)接口模塊。它的傳輸速率為10 Mb/s。CS8900工作在16位模式下，網(wǎng)卡芯片復(fù)位默認(rèn)工作方式為I/O連接。由于CS8900A和S3C2410的中斷電平是相反的，所以，中斷信號線間需接一個非門。信號的發(fā)送和接收端通過RJ45接口接入CS8900A，再傳送給S3C2410，從而組成了以太網(wǎng)信號傳輸?shù)挠布ǖ馈?/p>

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 開發(fā)環(huán)境的建立

在對S3C2419進(jìn)行軟件開發(fā)之前，需要通過以下步驟，建立一個合適的開發(fā)環(huán)境。

(1)將UBOOT移植到S3C2410開發(fā)板。

(2)利用H-JATG軟件讀取板子CPU的信息，將讀取到的信息利用ADS開發(fā)環(huán)境中的AXD Debugger軟件建立仿真開發(fā)環(huán)境。