基于單片機和μC/OS-II的在線(xiàn)鈉離子分析儀的設計

　　1 引言

　　水和蒸汽是熱力系統中的鍋爐、汽輪機、過(guò)熱器等設備的重要工作介質(zhì)。當火力發(fā)電廠(chǎng)正常運行時(shí)，熱力設備中都有水或蒸汽在流動(dòng)。水、汽的品質(zhì)都有規定的指標，一旦水、汽品質(zhì)的指標超標，就會(huì )加速熱力設備的腐蝕、結垢和積鹽。當水汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時(shí)，將會(huì )導致汽輪機金屬材料的點(diǎn)蝕、應力腐蝕或腐蝕疲勞，這些腐蝕通常會(huì )造成重大的經(jīng)濟損失。嚴重時(shí)甚至造成重大事故。鈉離子含量是發(fā)電廠(chǎng)水汽品質(zhì)的重要指標之一。因此，為防止結垢、結鹽，減緩系統中金屬部件的腐蝕。保證系統的安全經(jīng)濟運行，必須對電廠(chǎng)水汽系統中鈉離子含量進(jìn)行嚴格監測和控制。

　　2 測量原理

　　鈉離子的測量是基于電化學(xué)中的電位分析法，由測量電極和參比電極及待測溶液構成原電池。測量電極是對鈉離子具有選擇性的玻璃電極，參比電極的電位保持恒定。當測量電極與參比電極同時(shí)浸入溶液后，即組成測量電池對，圖1給出測量電池的示意圖。其中鈉測量電極的電位隨溶液中鈉離子的濃度符合能斯特方程式：

　　式中：E為鈉電極電位；E0為鈉電極的理論等電位點(diǎn)電位；R為氣體常數，R=8.317 J／(mol．K)，T為溶液的絕對溫度，T=273+t，K；F為法拉第常數，F=9.649×104 C/mol；C為鈉離子的濃度，ppb;f為鈉離子活度系數，對于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1。由鈉離子選擇性電極、參比電極以及待測溶液構成測量電池，通過(guò)一個(gè)高阻抗的毫伏計對被測溶液進(jìn)行精確的電位測量，從而可直接測定溶液中鈉離子的含量。

　　3 水路設計

　　對鈉有選擇性的玻璃電極對氫離子的響應比對鈉離子響應還敏感，所以氫離子是鈉測量時(shí)主要的干擾源，要用堿性試劑加以抑制。在對Na+的測量過(guò)程中需要合適的水路設計，對水樣進(jìn)行恒流，堿化。水路設計及工作過(guò)程如圖2所示。

　　在正常測量時(shí)，樣水從進(jìn)口經(jīng)三通電磁閥進(jìn)人恒流杯，過(guò)多的樣水從溢流口流出，由于負壓原理，樣水在T形塊帶動(dòng)堿化氣進(jìn)入測量杯，水氣混合后，PH值達到要求，流經(jīng)測量電極和參比電極經(jīng)出水口排出。當標定時(shí)，電磁閥進(jìn)行切換，校準用標準溶液經(jīng)電磁閥進(jìn)入恒流杯，樣水經(jīng)卸壓閥流出。該水路設計削弱了H+和流速造成的誤差，提高了測量精度。

　　4 硬件電路設計

　　在線(xiàn)鈉離子分析儀的硬件電路設計是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設計框圖如圖3所示。主要包括電源、信號調理電路、A／D轉換、微控制器、擴展存儲器、人機接口6個(gè)部分。

　　電極輸出的是一個(gè)近似直流的電壓信號，經(jīng)放大處理后，進(jìn)行A/D轉換，將數字信號輸入微控制器進(jìn)行分析處理，然后存儲和顯示數據，并通過(guò)串口把數據傳輸給控制室。

　　4．1 微控制器

　　這里選用高性能8位單片機ATmega128。ATmega128為基于A(yíng)VR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，可廣泛應用于計算機外部設備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。

　　ATmega128特點(diǎn)：內嵌128 KB的Flash程序存儲器，擦寫(xiě)方便，便于產(chǎn)品的調試、開(kāi)發(fā)、更新；內嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM，具有64 KB的外部存儲器尋址空間；具有PWM功能的定時(shí)器／計數器(T／C)；具有片內振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器：SPI串行端口；與IEEE1149.1規范兼容的JTAG測試接口(同時(shí)還可用于片上調試)；低電壓供電、寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V；抗干擾能力強，可降低一般8位機中的軟件抗干擾設計的工作量和硬件的使用量；工作溫度范圍符合工業(yè)級要求，達到-55℃～+125℃?；贏(yíng)Tmega128的諸多特點(diǎn)．因此這里選用ATmega128單片機作為在線(xiàn)鈉離子分析儀的核心控制器。

　　4．2 A／D轉換器

　　A／D轉換器采用TI公司的AD7714。AD7714是適用于低頻測量應用的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數字。它使用∑-△轉換技術(shù)以實(shí)現高達24位的無(wú)誤碼性能。輸人信號加至專(zhuān)有的基于模擬調制器，具有可編程增益的前端。調制器的輸出由片內數字濾波器處理。通過(guò)片內控制寄存器可對此數字濾波器編程，允許調整濾波器的截止頻率和穩定時(shí)間。AD7714具有3個(gè)差分模擬輸入(它也可配置為5個(gè)準差分模擬輸入)以及差分基準輸入，分別對溫度信號和鈉離子濃度信號采樣。

　　4．3 存儲部分

　　由于系統移植了μC/OS-II操作系統，各個(gè)任務(wù)均需要分配獨立的堆?？臻g，總線(xiàn)上擴展32 K字節的隨機存儲器KM62256。KM62256是8位數據寬度32 K字節的隨機存儲器，具有低功耗、速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還擴展了64 KB字節的E2pROM AT24C512，用來(lái)存儲電路校準數據和實(shí)時(shí)測量數據，并可存儲一個(gè)月的歷史數據，繪制歷史曲線(xiàn)，詳細反映水質(zhì)變化過(guò)程和趨勢，有利于發(fā)現和解決問(wèn)題。

　　4．4 人機接口

　　采用TFT3224真彩液晶顯示器，支持256色顯示，帶有觸摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示、按鍵操作的風(fēng)格。觸摸屏接口器件選用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取樣模數轉換器。此外測量值經(jīng)串口遠程傳輸到控制室。

　　5 軟件設計

　　8位單片機為核心的測控系統程序一般采用前后臺方式編寫(xiě)，后臺運行一個(gè)大的無(wú)限循環(huán)，前臺為多個(gè)中斷，在這種方式中，中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運行到處理該信息時(shí)才能得到處理，所以在處理信息的及時(shí)性上這種系統要比實(shí)際做到的差，而且代碼編寫(xiě)復雜，增加功能時(shí)任務(wù)量大，不便于維護。因此采用μC／OS-II操作系統。

　　5．1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC／OS-Ⅱ

　　μC／OS-II是一個(gè)完整的，開(kāi)源的，可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內核。程序量，僅7～8K，絕大部分代碼采用ANSI C編寫(xiě)．便于移植。其穩定性與安全性方面已經(jīng)過(guò)美國聯(lián)邦航空管理局認證。

　　使用μC／OS設計軟件系統首先要實(shí)現μC／OS在硬件應用平臺上的移植，主要就是完成對OS_CPU_C.C，OS_CPU_A．ASM等多個(gè)與處理器相關(guān)文件的改寫(xiě)，在μC／OS的官方網(wǎng)站有在數十種處理器上移植成功的范例，可以免費下載，這里不再詳細介紹。

　　基于μC／OS-II編寫(xiě)應用程序比較簡(jiǎn)單，首先根據系統功能合理劃分任務(wù)，確定任務(wù)間的通信機制。每個(gè)任務(wù)都是相對獨立的子模塊，有唯一的優(yōu)先級和自己的堆?？臻g。每個(gè)任務(wù)處于以下5種狀態(tài)的一種：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運行態(tài)、掛起態(tài)及被中斷態(tài)。內核在一個(gè)定時(shí)中斷函數中查詢(xún)進(jìn)入就緒態(tài)中的優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后把當前任務(wù)掛起，保存現場(chǎng)，執行該任務(wù)。各個(gè)任務(wù)間根據信號量、消息郵箱、隊列等通信方式傳遞信息。

　　5．2 任務(wù)劃分

　　基于μC／OS-II編寫(xiě)應用程序主要的工作是劃分任務(wù)和分配優(yōu)先級及任務(wù)之間信息的傳遞。設計中，將整個(gè)系統劃分為：①數據處理與顯示；②菜單顯示任務(wù)；③串口通信任務(wù)。A／D中斷：AD7714的定時(shí)中斷；觸摸屏中斷：點(diǎn)擊觸摸屏觸發(fā)外部中斷。軟件設計如圖4所示。

　　在A(yíng)D7714的A／D定時(shí)中斷服務(wù)中發(fā)送消息，數據處理及顯示任務(wù)接收到消息后，把消息中的A／D數據經(jīng)過(guò)公式推導，轉換成相應的鈉含量并顯示。

　　在觸摸屏中斷處理函數中發(fā)送消息給菜單任務(wù)，菜單任務(wù)接收到消息中的坐標值后，進(jìn)行判斷并顯示相應的菜單界面。串口通信任務(wù)把測量值經(jīng)過(guò)串口遠傳到控制室。

　　6 結語(yǔ)

　　系統創(chuàng )新性在于將高性能微處理器MEGA128和新器件AD7714首次應用于水質(zhì)監測信號采集。同時(shí)移植μC／OS-II操作系統。系統硬件電路簡(jiǎn)潔可靠，功耗低、可靠性高。軟件實(shí)時(shí)性好，便于擴展功能。將此分析儀與進(jìn)口儀表進(jìn)行對照實(shí)驗，數據如表1所示。

　　由表1數據可知，該分析儀的測量精度接近進(jìn)口儀表。通過(guò)與國家標準比對，分析儀的各項指標已符合國標，可作為在線(xiàn)式儀表用于水質(zhì)鈉離子含量的連續檢測。