基于ARM7的銅電解槽數據采集系統的設計

鄒偉華 李世學

（中國船舶重工集團公司712研究所，武漢 430064）

1 引言

在銅電解生產中，電解液溫度和電解槽上的電壓與生產質量有著密切關系，工藝人員需要根據電解液溫度與電解槽及時調整工藝參數。傳統生產中，為了掌握電解液的溫度與電解槽電壓，生產人員需要定時到現場用儀表人工測量這些溫度與電壓，電解車間的電解槽數量多達成百上千個，且槽面溫度高、酸性液體腐蝕性強、工作環境差，將每個電解槽測量一遍是一個費時費力的工作，而且這種測量方式很難及時反映電解槽參數。

電解槽兩端的電壓簡稱“槽壓”，槽壓是另一個和電解銅質量有關的參數，槽壓的變化反映了槽中的電解情況。根據槽壓的變化，可以判定陰極板和陽極板是否存在短路狀況，以及銅電極是否存在接觸不良的狀況。電解銅生產過程中，為了及時發現短路極板，生產人員需要定時在槽面上拖動高斯計，這同樣是一個艱苦且繁瑣的工作，花費大量的人力成本[1]。

本文提出的電解槽溫度、電壓采集系統可以實時、高效地采集生產工藝所需要的數據，大大降低工人的勞動強度，提高生產效率。

2 系統概述

本系統由三部分組成：數據采集節點，通訊網關，上位機。系統結構如圖1所示。

本系統選用 Philips公司的 ARM7TDMI～S核ARM微處理器LPC2119。這款處理器有較小的64引腳LQFP封裝，極低的功耗和極小的體積。它具有16Kb靜態RAM、128Kb片內Flash、4路l0位ADC、多個內部中斷、2個32位定時器、6路輸出的PWM 單元等片上資源，特別適用于工業控制和醫療系統等[2、3]。本設計選用它，能夠滿足小型化、低功耗、低成本的要求，數據采集節點和網關的功耗均在1W以下。

數據采集節點以一片LPC2119為核心，可以采集四個電解槽的電壓和溫度信號，每槽的溫度分為前后兩端。電壓信號經過變換后，由LPC2119片內AD轉換器轉換為數字信號；采用溫度傳感器DS18B20，可以直接獲取溫度的數字信號。數據采集完成后，由 LPC2119通過無線收發模塊STR-30發送至網關。

通訊網關同樣以LPC2119為核心，由無線通訊模塊 STR-30接收數據采集節點發送的數據。因為現場電解槽可能數量眾多，所以每個網關只與32個數據采集節點通訊，這樣可以避免距離過遠而引起的通訊不可靠，同時還可縮短單個數據采集裝置的循環時間。

上位機采用Labview的圖形化編程語言完成顯示界面的設計，可以實時顯示每個電解槽的溫度與電壓的變化，并可設置報警上、下限，查看歷史曲線和歷史報警，進行數據統計和打印。

圖1 電解槽參數監測系統結構圖

3 數據采集節點

每一個數據采集節點可以采集4個電解槽的數據，包括電解槽的電壓和前、后端溫度，結構圖如圖2所示。

圖2 數據采集節點結構圖

電解槽電壓很低，一般只有0.3 V左右，這樣的信號容易受到干擾，因此，在進行AD轉換前需要濾波和放大。溫度傳感器 DS18B20通過IIC總線與LPC2119相聯，測量溫度用16位數字量方式被LPC2119直接使用。

在與網關的通訊方式上，選擇了無線收發模塊STR-30。這種無線收發模塊使用方便，通訊距離遠，理論通訊距離可達800 m，在實際使用中，為了確保通訊的可靠，每個網關與數據采集節點的通訊距離不超過200 m，這樣的通訊方式大大減少了布線的工作量，而在使用上，與有線串口并無差異，如圖3所示。STR-30使用2.7～5.5 V直流電源，可以直接使用LPC2119的電源，工作時發射電流≤ 40 mA，接收電流≤ 30 mA，休眠電流≤ 20 μA[4]。

圖3 STR-30與LPC2119的連接

數據采集節點的軟件流程如圖4所示。

圖4 數據采集流程圖

4 網關

網關是數據采集裝置和上位機的數據中轉站。網關與數據采集節點之間采用無線的方式進行通訊，與上位機之間使用CAN總線進行通訊。CAN總線的有效通訊距離遠，抗干擾能力強，非常適合銅電解車間的工作環境[5]。每個網關循環向32個數據檢測節點請求數據，收到數據后，將數據暫時存放在 RAM里，等待上位機向網關請求數據；收到上位機的數據請求后，通過 CAN總線向上位機發送 32個檢測節點的電壓和溫度信號。網關的工作流程圖如圖5所示。

圖5 網關流程圖

5 關鍵技術

(a)無線傳輸技術：無線傳輸技術是整個監測系統的重要環節，若監測系統采用有線的方式進行，則檢測裝置之間以及和網關、主機間的布線就非常的繁雜，在強酸性環境中對于線體的防護非常困難，所以采用無線方式進行傳送。無線傳輸的好壞直接影響到整個系統工作的可靠性和實時性。在實際應用中，曾遇到過不同批次的STR-30的某些信道之間不能通訊的現象，這是由于程序上的差異造成的。

(b)分布式數據檢測技術：本系統采用分布式數據檢測技術，三層數據傳輸結構，第一層為前端檢測裝置數據采集層，第二層為檢測裝置和網關間的無線傳輸層，第三層為網關和監控主機間的總線傳輸層，網關與主機間的這種總線方式增加了系統的穩定性。

(c)抗干擾和防酸措施：為了保證無線傳輸穩定、可靠，可以采取下列措施：保證傳輸路徑的暢通，中間無遮蔽物，根據現場情況調節最佳傳輸波特率和發送頻率。抗干擾措施：檢測裝置在硬件上采用的措施有提高敏感元器件的電磁敏感度以及過流保護等措施，在結構和材質上采用防護等級高的耐酸防腐蝕材料。

6 結束語

本數據采集系統提供了一種具有無線傳輸裝置的電解槽參數監測系統，實現電解槽參數的在線檢測、控制，實現高穩定性和高可靠性運行；本系統的應用不僅大大減輕了生產人員的工作強度，還為工藝人員分析電解產品質量提供了及時可靠的現場參數，有利于分析提高產品質量，降低電單耗和人力成本。本監測系統技術先進,功能擴展方便，維護簡單，具有一定的應用推廣價值。

[1]張文林. 淺談銅電解精煉中的極間短路. 有色冶金節能，2006, 26.

[2]LPC21xx and LPC22xx User Manual ,Rev. 03 -2 April 2008.

[3]周立功. ARM嵌入式系統實驗教程. 2003.6

[4]微功率無線數傳模塊使用手冊. 上海桑博電子科技有限公司.

[5]崔麗麗, 李澤滔. 一種基于CAN總線的無線通信節點的研究. 現代機械, 2009(3).