基于主從式雙處理器的光纖比色測溫儀軟件設計

　　摘要：

　　介紹一種基于DSP和MCU雙處理器的內調制光纖比色測溫儀的設計原理。測溫儀以AT89C55和TMS320F206為核心，對內調制光電探測器進(jìn)行線(xiàn)性補償和溫度補償，并加入比輻射率的修正。本系統能夠對環(huán)境溫度變化大、周?chē)h(huán)境惡劣的高溫物體進(jìn)行高精度的溫度測量。

　　在冶金、鋼鐵、建筑材料、化工等眾多行業(yè)中，溫度是確保順利生產(chǎn)和質(zhì)量控制的重要參數。溫度測量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到生產(chǎn)成本。熔融狀態(tài)下，鋼、鐵溫度在1200℃以上，主要測量方法有接觸式的金屬熱電偶溫度計和非接觸式的輻射溫度計。

　　內調制光電管利用內調制機制，把高溫物體輻射出的光信號直接轉化為受調制的交流信號，方便了后級放大處理，簡(jiǎn)化了測試設備，克服了直流放大的缺點(diǎn)，為提高系統信噪比和可靠性奠定了基礎。筆者對利用內調制探測器進(jìn)行高溫測量開(kāi)展了多年的應用研究，并研制出了基于單片機的光纖比色溫度儀;

　　基本上能完成溫度測量的功能。從武鋼連鑄、濟鋼轉爐等生產(chǎn)現場(chǎng)的使用情況看，儀器還可以進(jìn)一步改進(jìn)。由于單片機先天數據處理能力不足，當要建立較為完善的處理模型，例如進(jìn)行線(xiàn)性補償及溫度補償;

　　發(fā)射系數修正、甚至進(jìn)行四比色測溫時(shí)，面對大量的數據要進(jìn)行復雜快速的處理，單片機已不可能實(shí)現實(shí)時(shí)測溫。引入DSP對數據進(jìn)行高效處理，強有力地提升了測溫儀的功能。采用主從式雙處理器結構能較好地解決這些問(wèn)題，并且還具有進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛力。

　　1 系統測溫原理

　　從經(jīng)典物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)看，任何黑體都會(huì )向外輻射能量，其輻射出度與溫度及波長(cháng)有關(guān)，具體有普郎克定律和維恩定律描述。而物體的比色溫度簡(jiǎn)稱(chēng)色溫是指如果黑體與實(shí)際物體在某一光譜區內的兩個(gè)波長(cháng)下的單色亮度之比相等，則黑體的溫度為實(shí)際物體的顏色溫度。

　　根據比色測溫原理，假設兩路不同波長(cháng)輻射轉換后的光電流分別為I1和I2，T為待求溫度，則可以寫(xiě)出：

　　I1=Mλ1D1 (1)

　　I2=Mλ2D2 (2)

　　式中，M是單色輻射出度，由維恩近似公式得到

　　由此可以得到：

　　D1和D2分別為兩路系統的系數，C1和C2分別為普朗克第一、第二輻射常數。當λ1和λ2兩單色波長(cháng)接近時(shí)，求出兩路光強比值，即可以計算出被測物體的溫度T。

　　2 系統結構及設計

　　2.1 系統的信號處理總體流程

　　測溫儀系統主要由內調制光電探測器、前置模擬處理部分和以單片機、DSP為核心的雙處理器控制及處理部分構成。

　　內調制光敏探測器輸出的微弱電信號由前置模擬電路處理，得到與光強成正比的電壓信號;兩路光電信號由兩個(gè)獨立的16位高精度模數轉換器MAX195同步采集，同時(shí)數字溫度傳感器DS18B20得到環(huán)境溫度數據，單片機將這些數據傳遞給DSP;DSP再根據事先設定的修正模式及參數經(jīng)過(guò)運算處理后，得到被測溫度數據，反饋給單片機;由單片機根據用戶(hù)的操作將溫度數據輸出到LED、微型打印機、上傳給微機或者通過(guò)D/A轉換以電流形式輸出給監控儀表。

　　2.2 測溫儀硬件結構

　　測溫儀硬件結構如圖1所示。

　　系統軟件由兩部分組成：作為主機的單片機MCU部分主要完成系統的外部接口、控制功能;作為從機的數字信號處理器則通過(guò)主機傳送來(lái)的各種數據通過(guò)一系列修正模型計算出溫度，然后將結果返回給主機。

　　這樣將原本由單片機處理需要花費很長(cháng)時(shí)間的數學(xué)模型計算交給DSP，讓MCU和DSP各取所長(cháng)，使得整個(gè)系統計算溫度的速度大大提高，提高了測溫儀的實(shí)時(shí)響應特性。

　　2.2.1 單片機MCU部分

　　單片機主要負責信號的采集和人機接口。主要包括A/D采集和轉換模塊、與數字溫度傳感器DS18B20的接口模塊、顯示模塊以及鍵盤(pán)輸入處理模塊。

　　由于光敏管具有非線(xiàn)性特性，此外還受環(huán)境溫度的影響，因此，為提高測量精度，不僅要對其非線(xiàn)性進(jìn)行校正，還要對其溫度特性進(jìn)行補償，這就導致其數字信號修正表是二維的。大量實(shí)驗結果表明，內調制光敏管的輸出特性隨溫度變化的漂移相對其非線(xiàn)性較小，故先校正非線(xiàn)性特性，再對溫度進(jìn)行補償。

　　設被測物體輻射出的光信號經(jīng)過(guò)內調制光敏管轉換后變成微弱電壓信號，再由放大器放大，然后經(jīng)A/D轉換得到的結果為Vi，測得環(huán)境溫度為T(mén)i，假設T1≤Ti≤T2，對應于修正表中的位置查表可以得到：在T1環(huán)境溫度時(shí)處于V1、V2之間，在T2溫度時(shí)處于V1′、V2′之間，分別查表得到光強值P1、P2和P1′、P2′，于是插值得到Pi、Pi′。

　　P為插值校正后的值，內調制光電探測器輸出電流I與光強值P成正比，代入公式(5)便可以得到物體的色溫。

　　雖然選取兩個(gè)接近的波長(cháng)作為測溫儀的工作波段，希望兩個(gè)波長(cháng)處的單色輻射率近似相等，使得非黑體的色溫與它的實(shí)際溫度相等。但作為高精度的測量，仍不能忽視在冶金行業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，有某些金屬材料的輻射率隨波長(cháng)的增加而減少，即所測的色溫高于物體的真實(shí)溫度。為了得到更精確的測量結果，必須考慮比輻射率的修正?？紤]到實(shí)際被測物體為非黑體，可以得到：

　　其中，T為非黑體的色溫，T′為非黑體的實(shí)際溫度。通過(guò)(9)式的修正，可以得到更為精確的結果。

　　2.2.2 針對不同測溫對象的模式處理

　　可以說(shuō)，經(jīng)過(guò)線(xiàn)性補償、環(huán)溫補償以及各種修正的加入后，儀器已經(jīng)能應付絕大部分高溫測量的需要。但在某些特定的應用中，仍需根據現場(chǎng)的特殊環(huán)境和要求使測溫儀能夠更好地適應不同的環(huán)境。

　　(1)連鑄現場(chǎng)鋼板測量模式：高溫的鋼板上會(huì )有塊狀的氧化層附著(zhù)，氧化層的溫度相比鋼板的表面溫度要低得多。在生產(chǎn)中需要測量鋼板表面的溫度，而不是附著(zhù)在其上的塊狀氧化層的溫度。因此如果不做任何處理，那么測溫儀的示值與鋼板表面的溫度肯定是不相符的。這種情況下，在DSP的數字濾波處理程序上必須能夠除掉氧化層的影響。

　　(2)轉爐鋼水溫度測量模式：程序通過(guò)信號的檢測，判斷出轉爐的生產(chǎn)工作狀態(tài)。當轉爐轉動(dòng)到一定角度時(shí)系統開(kāi)始測量，在轉爐回轉之前可以通過(guò)分析信號準確得出鋼水的溫度，而不是爐內鋼渣等其他干擾物質(zhì)的溫度。將此溫度值保持到下次轉動(dòng)爐體出鋼，以便工人記錄操作。由于現場(chǎng)干擾信號較大，要求軟件能剔除大量干擾信號。出鋼時(shí)爐口有大量的煙塵、熾熱的火焰，為得到鋼水的溫度，程序把連續測量的溫度值存儲下來(lái)后，利用統計誤差修正的方法對大量數據進(jìn)行處理，得到接近真實(shí)情況的溫度值。

　　3 實(shí)驗結果

　　測溫儀由武鋼溫度計量實(shí)驗室的高溫黑體輻射爐進(jìn)行標定，標定后對黑體爐的溫度進(jìn)行測量。在900°C～1700°C的測量范圍內，與黑體爐的比照結果，測溫儀的測量精度在±1°C。

　　通過(guò)實(shí)驗室測試和現場(chǎng)使用情況看，本雙處理器系統響應速度快(響應時(shí)間小于15ms)、使用壽命長(cháng)、抗電磁干擾、靈敏度高，使用范圍一般為900°C～1700°C，在一定程度上能克服少量的煙霧、水汽和粉塵的影響，已經(jīng)在濟南鋼鐵廠(chǎng)轉爐鋼水溫度測量中取得了初步的應用。通過(guò)調整軟件，能夠完成許多特殊環(huán)境下的在線(xiàn)測量，在傳統的高溫測量領(lǐng)域有著(zhù)十分廣闊的應用前景。