1 煤的工业分析原理
根据国家标准,全自动工业分析仪的工作原理采用热重分析法,将加热设备与称量用的电子天平结合在一起,在特定的气氛条件、规定的温度、规定的时间内对受热过程中的试样予以称重,以此计算出试样的水分、灰分及挥发分等工业分析指标。
1.1 水分和灰分的测定
将质量为m的煤样置于105℃恒温干燥炉内,通入干燥氮气,恒温约60min,测量煤样质量的损失Δm,则煤中水分的质量分数Mad为:
然后关闭氮气,打开氧气,使炉温升至500℃,恒温约30min(如果选择快速法,可不恒温),然后继续加热到815℃恒温约60min,根据煤样灼烧后残留物的质量m1,计算出灰分的质量分数Aad为:
1.2 挥发分的测定
将高温炉加热到900℃后,将质量为m的煤样密封送入炉内灼烧约7min,根据灼烧后残留物的质量m2和水分含量Mad,计算出挥发分的质量分数Vad为:
2 仪器的硬件设计
采用LPC2210设计的新型煤质工业分析仪硬件构成框图如图1所示。
MCU作为煤质分析仪的主控芯片,采用32位ARM7微处理器LPC2210,通过UART1与电子天平通讯得到有关质量数据,通过UART0,经485接口电路实现与PC机的通讯,可构成更完善的系统或扩展成自动测控网络;在高温炉和低温炉中分别放置K型热电偶,通过MAX6675温度检测模块实现温度数据的采集及冷端补偿,该芯片内带12位ADC和SPI接口,因此,温度数据可通过SPI传送到LPC2210进行处理,用模糊算法获得PWM输出控制信号,驱动带有光电隔离和过零触发方式的固态继电器控制加热装置模块实现恒温控制。由于LPC2210带2路SPI和多路PWM接口,这样就减少了由于微处理器资源不足而需外扩或用软件模拟的麻烦,其稳定性也相对要高;系统中还采用了一片xilinx的CPLD芯片xc9572x,l用来扩展I/O口以及作为外围芯片片选信号,可通过编程实现各种组合逻辑,减少其他相关硬件,并可以提高系统的驱动能力和抗干扰能力;送取样机械手的控制采用电机并配合光电位置检测电路实现,其中上下位置由两个带减速装置的小交流电机完成,抓样、送样、放样由步进电机实现;采用自备电池、晶体实时时钟芯片(RTC)DS12887和AT24C256记录测试数据和时间,用于建立一定数量的历史记录, AT24C256还用于分区存放系统参数和各种整定值。
3 软件设计
仪器软件包括工业分析流程和通讯规约两部分。
3.1 工业分析流程
(1)工业分析流程及其功能
根据热重分析原理,仪器通过工业分析流程自动完成煤质的水分、灰分和挥发分的测试。仪器的工作过程如下:首先仪器开机自检,机构部分复位,并根据提示可以修改测试条件及整定参数,如加热时间、修正系数、平行样编号和测试内容等;然后根据提示放坩埚,称量后提示放煤样称量,机械手将其送入相应的高温炉或低温炉中,依次共可以放置18个样品,放样完成后,仪器进入全自动测试模式,通过精确控制加热炉的温度,使之恒温,水分、灰分、挥发分试验根据相应国标上的测试条件加热后,机械手将样品送至冷却盘冷却,之后再送到天平称量;最后系统自动计算煤样的测试结果,并保存,输出打印结果。系统的工业分析流程图如图2所示。
(2)μC/OS-II在仪器中的应用
μC/OS-II是一种可移植、可固化、可裁剪和可剥夺型的多任务实时内核(RTOS),可管理最多64个任务,每个任务有自己单独的栈,采用完全占先式的实时内核。μC/OS-Ⅱ总是运行进入就绪态任务中优先级最高的任务,并通过调度器(Scheduler)确定任务优先级最高的任务。任务级的调度由函数OSSched()完成,中断级的调度是由另一个函数OSIntExt()完成的。进入就绪态的任务对就绪任务表中相应位置位,μC/OS-Ⅱ通过OSSched()和OSIntExt()检验这个优先级最高的任务是不是当前正在运行的任务,以此来避免不必要的任务调度。移植μC/OS-II主要是改写OS_CPU.H、OS_CPU_A. S、OS_CPU_C. C等文件,配置与处理器相关的代码。其安全性和可靠性已经得到了广泛的实用证明。采用μC/OS-II内核,使仪器的功能和稳定性大大增强,编程工作量也大为降低,实现了复杂应用程序的模块化与层次化设计,提高了应用程序的可读性和可维护性。本程序的任务包括放样和取样任务、温度采集和控制任务、通讯任务、读键任务、LCD显示任务、打印记录任务、故障检测任务以及数据计算保存处理任务。
3.2 通讯规约及其实现
ModBus通讯规约采用主从问答和异步信息传输方式,信息传输以字节为单位。主站和从站之间的通讯方式可以有四种,本仪器采用10位字格式,即1位起始位, 8位数据位, 1位停止位,无奇偶校验,通讯数据的格式如表1所示。
ModBus有ASCII和RTU(远程终端单元)两种通讯模式。ASCII模式是将一个字节分为两个ASCII字符发送,而RTU模式以十六进制传送数据,一个字节就是一帧,因而数据传送的效率高于ASCII模式。ModBus协议常用的传输速率为1200bit/s~19200bit/s。同一个网络的主机和从机都必须采用相同的通信模式及相同的传输速率。本仪器采用ModBus_RTU通讯模式。ModBus_RTU的帧头帧尾都必需有不少于3.5个字符时间的停顿时间,整个消息帧必须作为一连续的流传输,如果在帧完成之前有超过1.5个字符时间的停顿时间,接收设备将刷新不完整的消息并假定下一字节是一个新消息的地址域。本仪器中通过LPC2210的内定时器来确定时间间隔。地址码是每次通讯信息帧的第一字节,每个从机都有唯一的地址码,范围为0到247。功能码可以为0到127,作为主机的请求发送,功能码规定从机应执行的动作;作为从机的响应,功能码与主机发送过来的功能码一致,表明从机已响应主机并进行相关的操作。本系统中功能码(16进制)用03、05、10分别表示读取从机数据记录、设备的硬件故障判断和修改整定参数,其中某个硬件设备的故障判断将被作为一个单线圈的通断情况来处理。数据区包括需要由主机发送、从机回送的各种信息或执行的动作。错误校验码用来进行判断接收的信息是否正确。ModBus采用冗余循环码(CRC)进行数据校验,包含两个字节,即16位二进制数据,CRC码由发送设备计算,放置于发送信息帧的尾部,接收设备重新计算接收到的信息的CRC,与接收到的CRC相比,如果两者不相等,则表明出错。
本仪器与PC机的通讯采用中断方式实现。作为系统主机的PC机采用间隔几百毫秒级的广播发送方式激活与各个从机之间的通讯,从机中断响应该激活,根据校验码判断数据是否正确,根据地址码判断是否与本机通讯,根据功能码响应相应操作。由广播间隔时间和帧头的最小时间要求可知,本系统中采用ModBus_RTU通讯模式可以不进行帧头判断,当总线上有数据而非本机时CRC将校验其为错误帧。本仪器在系统中是一个从机,其接收流程图如图3所示。
4 结束语
在煤质工业分析系统中,仪器的稳定性是十分关键的问题,本文设计了一种基于32位ARM处理器LPC2210和CPLD的新型煤质工业分析仪器,并将μC/OS-IIOS移植于LPC2210,提高了仪器的测量精度和稳定性,同时将ModBus通讯规约应用于煤质工业分析仪器中,可用于构建基于RS485的煤质工业分析系统。
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作者简介:孔亚军(1979—),男,硕士研究生,研究方向为嵌入式系统研究与应用、测试计量技术;孟志强(1964—),男,博士,教授。
（收稿日期:2006-06）
