基于arm的热风炉监控系统设计论文设计basedonarmthedesignoffurnacemonitoringsystem.docx

基于arm的热风炉监控系统设计论文设计basedonarmthedesignoffurnacemonitoringsystem.docx

《基于arm的热风炉监控系统设计论文设计basedonarmthedesignoffurnacemonitoringsystem.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于arm的热风炉监控系统设计论文设计basedonarmthedesignoffurnacemonitoringsystem.docx（47页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于arm的热风炉监控系统设计论文设计basedonarmthedesignoffurnacemonitoringsystem

摘要

矿井加暖系统在矿产、冶金、化工等工业中具有广泛的应用。

近年来,它以其风温高、投资少、易维护等优点在我国中型高炉中得到不断发展。

热风炉风温控制水平也有了明显的提高,对高炉冶炼具有非常重要的影响及重大意义。

LPC2106是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的ARM7DMI-S微处理器，嵌入128KB高速Flash存储器。

采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。

由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，非常适用于那些将小型化作为主要要求的应用。

本文就是基于LPC2106的一个设计。

根据热效率、寿命、自动化程度等方面存在的问题，经过调查、分析和研究开发了一套新型矿用环保热风炉系统，该系统主要由数据采集系统、温度监测系统和主机控制系统三部分组成。

数据采集系统，要对复杂的现场环境进行监测控制，是整个新型热风炉自动控制系统的关键。

温度监控系统，是用一个热电偶对炉内温度进行实时监控，通过A/D转换，将数据传给LPC2106通过数码管进行显示，再通过D/A转换对热风炉接口的实时控制。

本文设计的数据采集系统由LPC2106、模拟量采集（A／D）、模拟量输出（D／A）、通信接口及其他辅助电路组成，结构简单、机构可靠性高，使用寿命长，能够对系统的各种现场数据进行实时监测和控制，对于矿井的安全可靠生产具有重要的意义。

关键词：

热风炉，数据采集，输出控制，LPC2106

Abstract

Minecalefactionsystemisbroadlyappliedinindustry，suchasmine，metallurgy，chemistryindustryandSOon．Inrecentyears,withitshightemperature,lowcost,easymaintenanceinblastfurnaceinmedium.Hotairtemperaturecontrollevelhasobviousincreaseofbfoperation,andhasimportantsignificance.

PhilipshasasupportLPC2106isreal-timesimulationandtrackingARM7DMI-S128KBembeddedmicroprocessor,highFlashmemory.Using3linetechnique,decodingandimplementation,andatthesametime,canimprovetheCPUcommands,parallelprocessingspeed.Becauseoftheverysmallsizeandlowpowerconsumption,andissuitableforthosewhowillberequired,asthemainapplicationofminiaturization.ThisarticleisbasedonthedesignofaLPC2106.

Life-span，degreeofautomation，wedesignedanewtypeofhotairfurnacesystemwhichusedinMineandprotectenvironmentviaresearchandanalysis．Thesystemismainlyconstitutedbydatacollectionsystem，temperature—monitoringsystemandhostcomputercontrollingsystem．

Thedatacollectionsystemisthekeyofentirenewtypehotairfurnaceautomationcontrollingsystem，whichmonitorandcontrolcomplicatedlocalecircumstance．DatacollectionsystemdesignedinthispaperiscomposedtosinglechipLPC2106，simulatingquantitycollection（A／D），simulatingquantityoutputting（D／A），storage，communicatinginterfaceandotherassistantcircuit，whichhavesimpleconfiguration，highorganizationdependabilityandlongusagelife，andcanreal—timelymonitorandcontroldifferentkindsoflocaledata．Ithasmagnitudeimportancetothemanufactureofmineonthesafeside．

Keywords:

hotairfurnace，datacollection，outputcontrol，LPC2106

第一章引言

1.1课题背景

矿井加暖系统在矿产、冶金、化工等工业中得到了广泛的应用，其主要用于井下防冻和通风。

矿井井筒防冻是保证矿井冬季安全生产的必要措施和重要保证。

矿井的通风问题是煤矿安全的核心问题之一，矿井通风是煤矿开采中的一个重要组成部分，是矿井安全生产的基本保障。

进入20世纪90年代以后，有些煤矿开始采用热风炉系统加热空气，即用热风炉直接加热空气至800℃左右，送至井筒，无需二次换热。

热风炉加暖方式较传统的锅炉空气加热室加暖方式，有设备少、易于安装和维护、安全节能、低成本等优点。

但仍然存在热效率低、寿命短、自动化程度低等问题。

为解决上述问题，研究一种新型矿用环保热风炉系统，具有热效率高，结构简单、机构可靠性高，使用寿命长、经济节能环保的矿井加暖设备，能实现对系统的各种现场数据的监测和控制，对于矿井的安全生产具有重要的意义。

新型的矿用环保热风炉系统的优势在于其自动化程度，实现热风炉燃烧、焖炉、排气等的智能控制，替代人工操作，不仅使效率大为提高，同时也提高了系统的安全性和可靠性，自动化程度的高低很大程度上决定了该系统的应用前景[1]。

那么，如何实现对现场的各种电压、电流、温度、压力、流量等参数进行检测，并对阀门、继电器、按钮等开关量的检测以及控制，是该新型热风炉系统的关键所在。

本课题所要讨论的就是该热风炉自动控制系统的模拟量输入输出和开关量输入输出系统，统称为数据采集系统[2]。

1.2国内外研究现状

近年来国内外有关矿井加暖系统的发展很快，其主要表现在3个方面：

一是对高效节能、环保安全等矿井加暖系统相关技术的研究；二是对大型、高温矿井加暖系统产品的研究；三是对其自动化程度的研究。

有关上述第三个方面的关键技术与装备的研究有以下特点：

◆设备大型化，主要技术参数与装备向着大型化发展，以满足高产高效集约化生产的需要。

◆应用动态分析和机电一体化、计算机监控、高精度的数据采集等新技术，如采用模糊控制技术，实现了热风炉燃烧的智能控制，不仅替代了人工操作，而且取得了较好的控制效果。

◆采用新型、可靠性高的关键元部件技术。

如先进的大功率送风机与耐热高强度管道、电磁阀等。

采用何种数据采集系统，对复杂的现场环境进行监测控制，是整个新型热风炉自动控制系统的关键。

目前工业控制现场广泛使用的数据采集系统[3]有如下几种：

1．基于通用微型计算机（比如Pc机、工控机）的数据采集系统这种系统基于通用微机或工业控制机，通过各种采集卡和总线来采集现场数据，通过接口电路送入微机内进行处理，然后再显示处理结果，输出控制信号。

具有如下特点：

（1）系统较强的软、硬件支持。

计算机系统所有的软、硬件资源都可以用来支持系统进行工作。

（2）具有二次开发能力，软硬件扩展能力好。

同时生产厂家比较多，可获得较好的技术支持。

（3）系统的成本较高。

2．基于单片机的数据采集系统

它是由单片机及其一些外围芯片构成的数据采集系统，是近年来微机技术快速发展的结果，它具有如下特点：

（1）系统的软硬件设计与配置规模都是以满足数据采集系统功能要求为原则，因此系统的软硬件应用／配置比接近于1，具有最佳的性价比。

（2）系统集成度高，提供有标准接口，可作为数据采集单元灵活应用到各种控制系统中。

（3）系统的可靠性好、使用方便，无需用户过多的配置，操作简单。

3．基于DSP处理器的数据采集系统DSP数字信号微处理器从理论上而言就是一种单片机的形式，信号处理芯片有两种类型，一种是专用DSP芯片，一种是通用基于DSP数字信号微处理器的数据采集系统，其特点如下：

精度高、可靠性好、容易集成等，但同时其成本也比较高。

4．基于混合型计算机采集系统

它是由通用计算机（PC机）与单片机通过标准总线如RS485、ISA、PCI等相连而成。

单片机及其外围电路构成的部分是专门为数据采集等功能的要求而配置的，主机则承担数据采集系统的人机对话、数据的计算、记录、打印、图形显示等任务。

混合型计算机数据采集系统具有如下特点：

（1）通常具有二次开发能力。

（2）系统配置灵活。

易构成各种大中型测控系统。

（3）主机可远离现场而构成各种局域网络系统。

（4）充分利用主机资源，但不会占有主机的全部CPU时间。

随着计算机技术、微电子技术、通信技术的发展，对数据采集技术的发展产生了深刻的影响。

数据采集系统的发展趋势主要表现在以下几个方面：

（1）新型快速、高分辨率的数据转换部件不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。

（2）高性能单片机的问世和各种数字信号处理器的涌现，进一步推动了数据采集系统的广泛应用。

（3）智能化传感器、高精度高速AD和DA转换器、现场总线的发展，必将对今后数据采集系统的发展产生深远的影响。

（4）与微型机配套的数据采集部件的大量问世，大大方便了数据采集系统在各个领域的应用并有利于促进数据采集系统技术的进一步发展。

（5）分布式数据采集是数据采集系统发展的一个重要趋势。

1．3本课题的特点与要求

热风炉控制系统工作在环境极为恶劣的现场，存在大量的噪声信号，温度等参量的变化范围大，系统需采集的各种参数较多，并要求对历史数据做出分析，以提供趋势曲线。

本着使用更少的元器件、低成本、简易实用、降低系统功耗以及使系统更加可靠为目标，本课题设计了基于ARM的数据采集系统，作为数据采集单元应用到热风炉自动控制系统中，与热风炉控制系统的控制主机采用标准接口[4-20]。

该数据采集系统的主要特点和功能如下：

◆主处理器采用LPC2106

◆完成对8路模拟信号的采集，模拟信号的输出

◆完成对8路开关量信号的采集和输出

◆可编程增益放大（×1，×2，×4，×8，X16），板上采样保持

◆AD转换的分辨率为2位

◆采样速率不低于400Hz

◆提供通信接口SPI接口，与主机控制系统连接十分方便

1．4本文的主要工作

本文详细阐述了一套应用于热风炉自动控制系统的数据采集系统的设计与实现，主要包括硬件电路的设计仿真与单片机的接口设计仿真以及各模块的软件C编程和调试等【20-24】。

第二章数据采集系统的硬件仿真

2．1概述

本章首先对整个热风炉自动控制系统从系统组成结构、功能特点、主控制单元（ARM平台）以及系统工作流程作了简单的综述，指出了数据采集子系统在整个系统中所处的位置和重要作用。

然后针对数据采集子系统的硬件仿真做了详细的论述，包括模拟量输入输出、显示电路和晶振电路等。

2．2新型热风炉自动控制系统的结构

2．2．1系统的组成结构

热风炉自动控制系统的硬件部分主要由模拟量输入和输出、开关量输入和输出、温度监测系统和主机控制系统四部分组成，如图2一l所示。

图2-1系统结构图

（1）主机控制系统．

采用ARM7TDMI-S处理器，ARM7内核。

完成各个子系统的协调工作和通信，实现数据的显示、存储、打印、分析和故障报警等功能，是整个系统的核心。

（2）模拟量输入和输出系统

传感器、变送器、热电偶等采集现场气体流量、压力和温度信号。

主机系统根据现场情况调节各种阀门，包括助燃冷风调节阀和煤气调节阀共两套，可以调节流量信号，并提供阀门位置反馈信号。

有害气体检测器探头利用扩散采样，可将现场的有害气体浓度转变成0—5V的电压信号，通过传输线可将信号传输到微机控制系统，完成远距离气体检测报警。

（3）开关量输入和输出系统

主机系统根据现场情况，控制继电器、按钮、电机、限位开关等。

控制两座热风炉的冷风阀、热风阀、煤气阀、混风阀、烟道阀等阀门，实现燃烧、送风和焖炉功能。

通过控制变频器的频率调节风机的转速，以调节气体流量。

（4）温度监控系统

该系统的主要功能是通过输入设备（热电偶）对热风炉内的温度进行采集监控，然后由计算机控制存储到存储设备中，并且经过计算机软件处理系统的分析、处理之后输出相应的指令到输出设备，用以控制相应的阀门动作。

系统工作流程如图2—2所示：

图2-2系统工作流程图

2．2．2系统的功能

该系统的功能主要包括数据采集、状态显示和现场控制确保热风炉安全、可靠、高效的运行。

（1）数据采集

采集气体温度、压力、流量、火焰燃烧状况和有害气体浓度等信号和开关量的状态，送往主机系统。

并根据主机的指令输出相应的模拟量和开关量，控制调节阀、变频器、阀门等，实现整个系统的高效、安全运行。

（2）状态显示

考虑到热风炉控制系统的现场环境特点，我们采用了液晶显示屏加防水键盘的设计。

信号参数包括各个监测点的温度、流量、压力、火焰燃烧情况、阀门状态、报警画面和历史纪录等，上传到控制中心后，通过图形界面显示。

控制中心对采样来的各项数据参数进行归纳及分析，提出下一步操作步骤。

操作人员根据界面数据及提示进行控制操作，极大地避免了误操作及人为疏忽。

（3）现场控制

控制系统的主要控制方式有“自动”和“手动”，可在两种控制方式之间进行切换。

在“自动”控制方式下，控制系统按照预先设定的生产方案，自动完成所有控制及监视功能。

在“手动”控制方式下，控制系统不参与控制和操作，操作人员在现场操作箱上直接操作控制。

（4）历史趋势和报表功能

热风炉运行过程中的一些重要参数，如气体温度、压力、流量等，可对其进行历史数据存储，形成历史趋势，随时进行查看。

2．3主控单元核心处理器

LPC2106是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的ARM7DMI-S微处理器，嵌入128KB高速Flash存储器。

采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。

由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，非常适用于那些将小型化作为主要要求的应用。

多个32位定时器、PWM输出和32个GPIC使它特别适用于工业控制和小型机器人系统。

ARM内核在嵌入式应用领域的绝对占有率无疑让他成为很多工业系统的首选方案。

PHILIPS推出的这个低成本的ARM7芯片，同时却包含了比51单片机丰富许多的片上资源。

LPC2106的硬件结构示意图如下：

图2-3LPC2106的硬件结构图

特性

●ARM7TDMI-S处理器

●128k字节片内Flash程序存储器，具有ISP和IAP功能

●Flash编程时间：

1ms可编程512字节行；每个512字节行保证10000次编程擦除；单个扇区（8kB）或整片擦除时间为400ms

●Flash编程时间：

1ms可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms

●64字节静态RAM

●向量中断控制器

●仿真跟踪模块，支持实时跟踪

●RealMonitor模块支持实时调试

●标准ARM测试/调试接口，兼容现有工具

●极小封装：

TQFP48（7×7mm2）

●双UART，其中一个带有完全的调制解调器接口

●I2C串行接口

●SPI串行接口

●两个定时器，分别具有4路捕获/比较通道

●多达6路输出的PWM单元

●实时时钟

●看门狗定时器

●通用I/O口

●CPU操作频率可达60MHz

●双电源

－CPU操作电压范围：

1.65V~1.95V（1.8V±8.3%）

－I/O电压范围：

3.0V~3.6V（3.3V±10%）

●两个低功耗模式：

空闲和掉电

●通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒

●外设功能可单独使能/禁止，实现功耗最优化

●片内晶振的操作频率范围：

10MHz~25MHz

●片内PLL允许CPU以最大速度运行，可以在超过整个晶振操作频率范围的情况下使用。

图2-4LPC2106引脚图

结构概述

LPC2106包含一个支持仿真的ARM7TDMI-SCPU、与片内存储器控制器接口的ARM7局部总线、与中断控制器接口的AMBA高性能总线（AHB）和连接片内外设功能的VLSI外设总线（VPB，ARMAMBA总线的兼容超集）。

LPC2106将ARM7TDMI-S配置为小端（little-endian）字节顺序。

AHB外设分配了2M字节的地址范围，它位于4G字节ARM存储器空间的最顶端。

每个AHB外设都分配了16k字节的地址空间。

LPC2106的外设功能（中断控制器除外）都连接到VPB总线。

AHB到VPB的桥接将VPB总线与AHB总线相连。

VPB外设也分配了2M字节的地址范围，从3.5GB地址点开始。

每个VPB外设在VPB地址空间内都分配了16k字节地址空间。

片内外设与器件管脚的连接由管脚连接模块控制。

该模块必须由软件进行控制以符合外设功能与管脚在特定应用中的需求。

　　ARM7TDMI-S处理器

　　ARM7TDMI-S是通用的32位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。

ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。

指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。

这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。

由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。

通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。

ARM7TDMI-S处理器使用了一个被称为THUMB的独特结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。

在THUMB后面一个关键的概念是“超精简指令集”。

基本上，ARM7TDMI-S处理器具有两个指令集：

●标准32位ARM指令集

●16位THUMB指令集

THUMB指令集的16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，这些优势是使用16位寄存器的16位处理器所不具备的。

因为THUMB代码和ARM代码一样，在相同的32位寄存器上进行操作。

THUMB代码仅为ARM代码规模的65%，但其性能却相当于连接到16位存储器系统的相同ARM处理器性能的160%［13］。

图2-5处理器结构图

LPC2106存储器寻址

图2-6存储器寻址图

2．4模拟信号采集

在热风炉控制现场，由于各种机电设备的存在，干扰严重，数据采集单元不能直接和强电信号连接，而是使用各种传感器，通过各种隔离器件，将需要的信号传送到信号处理电路。

由于LPC2106内部没有A/D转换功能，所以模拟信号转换为数字信号的任务交给了外接的ADC0808，ADC0808为8路输入通道、8位逐次逼近式A/D转换器，可分时转换8路模拟信号。

ADC0808的结构由一个8位逐次逼近式A/D转换器、8路模拟转换开关、3-8地址锁存译码器和三态输出数据锁存器组成。

ADC0808的引脚：

（1）8路模拟量分时输入信号端：

IN0～IN7；

（2）8位数字量输出信号端：

D0～D7；

（3）通道选择地址信号输入端：

ADDA、ADDB、ADDC；

（4）基准参考电压为VR（+）和VR（-）：

决定输入模拟量的范围。

典型值分别为+5V和0V。

（5）转换结束信号EOC：

0：

正在进行转换；1：

一次转换完成。

（6）时钟信号输入端：

CLK（其内部无时钟电路）。

注意：

ADC0808应用说明

（1）ADC0808内部带有输出锁存器，可以与LPC2106直接相连。

（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。

（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。

（4）在ST端给出一个至少有100ns宽的正脉冲信号。

（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。

（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。

ADC0808的应用电路如下图所示：

图2-7ADC0808连接图

2．5模拟信号输出电路

在工业过程控制系统中，被测参数经采样处理之后，还需要计算并输出控制，达到自动控制的目的。

对于本课题的热风炉来讲，为了调节热风炉的温度，稳定在给定的值上，需要控制加热炉的阀门，调节进入炉中的煤气量。

通常由D／A转换器输出模拟信号来控制电动执行机构。

大多数D／A转换器输出的都是电压信号，电压信号易受工业现场的电磁干扰影响，因而许多场合需要使用电流信号进行模拟信号的传送。

因此，在这种情况下，就需要对系统输出的电压信号进行电压／电流转换，使系统输出为电流信号。

本课题采用TLV5616设计了模拟量输出接口，用0—5V电压信号进行输出。

图2-8TLV5616连接图

TLV5616是一个12位电压输出数模转换器（DAC），带有灵活的4线SPI串行接口，可以方便地与处理器连接。

供电电压范围2．7～5．5V，输出缓冲是2倍增益rail-to-rail输出放大器，输出放大器是AB类以提高稳定性和减少建立时间。

Rail-to-rail输出和关电方式非常适宜单电源、电池供电应用。

该芯片的管脚图如下：

图2-9TLV5616引脚图

表2-1TLV5616的各引脚说明

端口号

端口名

I/O

说明

5

AGND

模拟地

3

/CS

I

芯片选择，低电平有效

1

DIN

I

串行数字输入

4

FS

I

帧同步

7

OUT

O

DAC模拟输出

6

REFIN

I

参考模拟输入电压

2

SCLK

I

串行数字时钟输入

8

VDD

正电源电压

TLV5616具有如下特性：

●12位电压输出DAC

●可编程设置时间／功耗

高速模式下3us

低速模式下9us

极低的功耗，3V电源高速模式下典型值900uw，低速模式下2．1mw

●微分非线性度小于0．5LSB

●兼容TMS320和SPI总线

●一掉电模式下功耗仅为10nA

●高阻抗参考输入缓冲

●一宽电压范围，2倍于参考电压输入

TLV5616与LPC2106通过单片机的硬件SPI总线读写数据。

TLV5616工作时需要一个参考电压，本课题选用微功耗精密电压基准二极管LM385．1．2，产生稳定精确的1．23v基准电压作为TLV5616的参考电压。

TLV5616输出通道的电压为：

2REF×CODE／2n（V）（2-1）

公式（2-1）中，表示数模转换的数