分析基于S3C2410的恒溫式自動(dòng)量熱儀設計與應用

引言

量熱儀的性能特點(diǎn)：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(xiàn)式技術(shù)，材料選用CRT顯示材料讓觸摸屏更耐用。多層復合薄膜覆蓋，保證色彩失真度、反光性和清晰度達到最佳狀態(tài)，感應靈敏，定位精度高，有效出沒(méi)區域高達90%抗磨損，壽命可長(cháng)達10年，漢字顯示，無(wú)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，結構簡(jiǎn)單、直觀(guān)易學(xué)、操作方便、性能穩定可靠，采取內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(shí)驗過(guò)程中不受外界溫度影響。

自動(dòng)注水，不需調水溫，只需裝好氧彈放入桶內，儀器即可自動(dòng)完成全部測試。結構合理，制作精良，性能可靠，故障率低。

結果準確，采用獨特的冷卻校正系統、水循環(huán)系統及軟件自動(dòng)、誤差補差系統同時(shí)具備外筒貯水量大，熱穩定性好等功能。

近年來(lái)隨著(zhù)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?？勺?、擴展靈活、有較高的實(shí)時(shí)性和穩定性、系統內核小的優(yōu)點(diǎn)逐漸凸現出來(lái)。

1 基本原理

恒溫式量熱儀通過(guò)氧彈法測量熱值。通過(guò)放在氧彈中的物質(zhì)燃燒并使燃燒放出的熱量通過(guò)彈筒傳遞給水及儀器系統，再根據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(diǎn)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為主期結束時(shí)溫度，單位：℃;Tb為主期開(kāi)始時(shí)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，就可以計算出煤樣的發(fā)熱量。

2 系統設計

2.1 硬件設計

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數據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(gè)USB主機，1個(gè)USB設備，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(gè)部分的連接框圖如圖2所示，在硬件連接之后，需要對各個(gè)部分與S3C2410的端口進(jìn)行軟件驅動(dòng)。

2.1.1 ARM板選擇

本次設計選擇市場(chǎng)上使用較多，同時(shí)在結構和資源上較為典型的S3C2410處理器，主要是基于以下原因：

(1)性?xún)r(jià)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，各種驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)包最多，利于開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)。

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

2.1.2 傳感器的選擇

現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(diǎn)，但鉑電阻在O～800℃范圍內、無(wú)校正的情況下，最大非線(xiàn)性誤差可達2%，而且它們屬于模擬式傳感器，輸出信號需要進(jìn)行模/數轉換，這不僅使電路復雜，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(diǎn)差值法校正后可達O.05℃石英晶體諧振器HTS-206的調理電路包括振蕩電路、分頻器、計數器三個(gè)主要部分構成，其調理電路如圖3所示。

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

利用軟件設定中斷的閘門(mén)時(shí)間為T(mén)w，并且記錄被測信號的變化周期數(或脈沖個(gè)數)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(diǎn)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。當實(shí)驗開(kāi)始時(shí)，發(fā)送信號，打開(kāi)閥門(mén)。氧彈充氣到一定壓力的時(shí)侯，向S3C2410發(fā)出信號。S3C2410接收到信號就控制閥門(mén)關(guān)閉。

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

點(diǎn)火系統控制氧彈中的點(diǎn)火裝置，具體控制要求為：點(diǎn)火絲點(diǎn)火在自檢之后進(jìn)行，如一切正常，則點(diǎn)火。如果點(diǎn)火成功，則向S3C2410發(fā)送信號，啟動(dòng)測溫系統。如果點(diǎn)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)卡芯片復位默認工作方式為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(xiàn)間需接一個(gè)非門(mén)。信號的發(fā)送和接收端通過(guò)RJ45接口接入CS8900A，再傳送給S3C2410，從而組成了以太網(wǎng)信號傳輸的硬件通道。

2.2 軟件設計

2.2.1 開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立

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

(1)將UBOOT移植到S3C2410開(kāi)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(kāi)發(fā)環(huán)境中的AXD Debugger軟件建立仿真開(kāi)發(fā)環(huán)境。