基于S3C2416處理器的萃取精餾塔監測儀表設計

崔玉禮

（煙臺職業學院，山東煙臺264670）

基于S3C2416處理器的萃取精餾塔監測儀表設計

崔玉禮

（煙臺職業學院，山東煙臺264670）

在精餾塔的運行過程中，溫度、液位、壓力、流量參數對分離起著至關重要的作用，因此，如何設計一款能夠監測到這些數據的儀表是設計工作者的當務之急.本文主要采用ARM 9微處理器S3C2416實現萃取精餾塔監測儀表，可以實時采集溫度、壓力、流量、液位數據.通過24bit的TFT液晶屏動態顯示系統的運行數據和運行模型并且實現超限報警、數據存儲的功能.

萃取；精餾塔；監測儀表

精餾塔的控制直接影響到工廠的產品質量、產量以及原材料和能量的消耗，因此精餾塔的自動控制長期以來一直受到人們的高度重視.精餾塔是一個多輸入多輸出的對象.它由很多級塔板組成，內在機理復雜，對控制作用響應緩慢，參數間相互關聯嚴重，而控制要求又大多較高.這些都給自動控制帶來一定困難.目標精餾操作是利用混合液中各組分具有不同的揮發度，即在同一溫度下各組分的蒸汽分壓互不相同這一物理性質，從而實現液體混合物的分離.精餾操作是在精餾塔中完成的簡單說，精餾操作就是迫使混合物的氣、液兩相在塔體中作逆向流動，在互相接觸的過程中，液相中的輕組分逐漸轉入氣相，而氣相中的重組分則逐漸進入液相.精餾過程本質上是一種傳質過程，其中當然也伴隨著傳熱.溶液中組分的數目可以是兩個或兩個以上[1].

1 ARM嵌入式系統

ARM(advanced RISC machine)是微處理器行業的一家知名企業，設計了大量高性能、廉價、耗能低的RISC處理器、相關技術及軟件.其技術具有性能高、成本低和能耗省的特點.適用于多種領域，比如嵌入控制、消費／教育類多媒體、DSP和移動式應用等.目前，嵌入式系統也已經逐漸開始在儀表領域內使用，國內在這方面做的比較好的公司有北京博創公司和杭州期越科技公司等；在嵌入式系統中運行的操作系統也有很多，目前比較流行的有：WinCE、Linux、Vxworks、UC/OS等，其中嵌入式Linux系統具有代碼開源、性能穩定、可擴展性好等優點，同時也具有開發難度大的缺點[2].

隨著嵌入式系統處理器的不斷發展，典型的32位RISC芯片——ARM處理器，不論是在PDA、STB、DVD等消費類電子產品中，還是在GPS、航空、勘探、測量等軍方產品中都得到了廣泛的應用.越來越多的芯片廠商早已看好ARM的前景，比如Intel、NS、Atmel、Philips、NEC、CirrusLogic等公司都有相應的產品.他們把更多的功能集成在ARM芯片中，使其成為了高集成度，低功耗的典型代表.ARM9系列微處理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能.它主要應用于無線設備、儀器儀表、安全系統、機頂盒、高端打印機、數字照相機和數字攝像機等.ARM9系列微處理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T共3種類型，以適用于不同的應用場合.本文選擇三星公司的ARM9微處理器S3C2416處理器.ARM微處理器的運行模式可以通過軟件改變，也可以通過外部中斷或異常處理改變.大多數的應用程序運行在用戶模式下，當處理器運行在用戶模式下時，某些被保護的系統資源是不能被訪問的.

圖1 S3C2416處理器

2 基于S3C2416處理器的萃取精餾塔監測儀表硬件設計

2.1 處理器的選型

本課題采用三星的ARM9微處理器s3c2416來實現，為滿足儀表的需求，要完成其所有的外圍接口，主要有：（1）TFT液晶屏接口.（2）4個UART接口，其中一路可以和485總線復用.（3）1路IIC接口.（4）1路SPI接口.（5）4個A/D.（6）10個GPIO.（7）DM9000網絡接口，可以10M/100M自適應.（8）2路USB接口，USB采用四根電纜，其中兩根是用來傳送數據的串行通道，另兩根為下游設備提供電源，可以通過連接線為設備提供最高5V，500mA的電力.USB目前有兩個版本，USB1.1的最高數據傳輸率為12Mbps，USB2.0則提高到480Mbps.本課題采用USB2.0標準.（9）1路SD卡接口[3].

圖2

ARM9監控中心主要完成顯示、存儲、控制算法的執行、網絡通信等功能.為了保證系統實時可靠地運行，傳統的單片機已經不能滿足系統的需要.因此，系統選用S3C2416作為微控制器.系統硬件框圖如圖2所示，主要包括執行單元驅動電路、數據存儲、通信接口、顯示鍵盤管理等模塊.

2.2 傳感器的確定

溫度傳感器、液位傳感器、壓力傳感器、流量傳感器通過各種I/O接口將采樣的數據傳入儀表，數據被分析后在TFT屏上顯示出來，同時可以存儲在U盤、SD卡或者通過網絡傳輸到后臺的服務器上.目前國內的溫度、壓力、流量傳感器種類比較豐富，可以滿足本課題的要求，超聲波傳感器選用帶IIC接口的，可以和s3c2416的IIC接口對接，通過I2C接口連接超聲波傳感器.I2C總線是一種用于IC器件之間連接的二線制總線，它通過兩根線（SDA，串行數據線；SCL，串行時鐘線）在器件之間傳送信息，根據地址識別每個器件.對于發送器和接收器而言，在進行數據傳送時可以是主器件，也可以是從器件，主器件用于啟動總線上時鐘，此時任何被尋址的器件均被認為是從器件.2路USB接口，USB采用四根電纜，其中兩根是用來傳送數據的串行通道，另兩根為下游設備提供電源，可以通過連接線為設備提供最高5V，500mA的電力.USB目前有兩個版本，USB1.1的最高數據傳輸率為12Mbps，USB2.0則提高到480Mbps[4].

I2C總線可十分方便地用于構成由ARM和一些外圍器件組成的系統；這樣的系統價格低，器件間總線簡單，結構緊湊.這種總線結構雖然沒有并行總線那樣大的吞吐能力，但連接線和連接引腳少，在總線上增加器件不影響系統正常的工作，系統的可擴展性好；理論上，同一設備可以接多個超聲波傳感器.

DM9000網絡接口設計.DM9000A是臺灣DAVICOM公司生產的一款性能優越的32位低功耗以太網控制器，主要為嵌入式應用系統、便攜式產品和某些適配卡等提供一種低成本的以太網解決方案.該芯片可靠、易用，是實現以太網的良好選擇.

DM9000A提供一個Mll接口來連接HPNA接口發送器或者任何支持Mll接口的發送器.DM9000A物理協議層接口完全支持使用10MBps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100MBps下5類非屏蔽雙絞線，符合IEEE 802.3u規格.它具有自動協調功能，可以自動完成配置以最大限度地適合線路帶寬，還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制.DM9000A具有自動調整功能，可以自動配置波特率從而充分利用網絡.

3 軟件設計

軟件中BootLoader選用Uboot，操作系統采用開源軟件Linux，Uboot+Linux應用于很多嵌入式設備，課題組具有多年嵌入式Linux的開發經驗.

圖形界面的顯示采用的是QT，QT是一個跨平臺的C++圖形用戶界面庫，由挪威TrollTech公司出品.Qt做了許多針對嵌入式環境的調整，可以通過Qt的API與Linux的I/O直接交互，是一個專門的為小型設備提供圖形用戶界面的窗口系統，可以用于開發儀表的圖形界面[5].

在產品原型開發完成以后，設備被安裝在我院一個簡單的塔設備上進行測試，排除BUG，進行完善，最后，該儀器被安裝在一個丁烷丁烯精餾塔設備上，正式運行.

3.1 數據預處理模塊

數據預處理模塊主要是對輸入數據進行必要的處理，確保為核心算法提供準確、可靠的輸入數據.由于處理器的每種運行模式均有自己獨立的物理寄存器R13，在用戶應用程序的初始化部分，一般都要初始化每種模式下的R13，使其指向該運行模式的棧空間，這樣，當程序運行進入異常模式時，可以將需要保護的寄存器放入R13所指向的堆棧，而當程序從異常模式返回時，則從對應的堆棧中恢復，采用這種方式可以保證異常發生后程序的正常執行.

3.2 系統組態模塊

當異常中斷發生時，系統執行完當前指令后，將跳轉到相應的異常中斷處理程序處執行.當異常中斷處理程序執行完成后，程序返回到發生中斷的指令的下一條指令處執行.在進入異常中斷處理程序時，要保存被中斷的程序的執行現場，在從異常中斷處理程序退出時，要恢復被中斷的程序的執行現場.

3.3 核心算法模塊

人機界面模塊在基于S3C2416處理呂的萃取精餾塔監測儀表系統中的核心算法的功能.

3.4 通訊模塊

其主要功能包括：

3.4.1 與軟測量軟件包的調度模塊連接.系統模式并不是通過異常進入的，它和用戶模式具有完全一樣的寄存器.但是系統模式屬于特權模式，可以訪問所有的系統資源，也可以直接進行處理器模式切換.它主要供操作系統任務使用.通常操作系統的任務需要訪問所有的系統資源，同時該任務仍然使用用戶模式的寄存器組，而不是使用異常模式下相應的寄存器組，這樣可以保證當異常中斷發生時任務狀態不被破壞.

3.4.2 人機界面模塊.人機界面模塊在基于S3C2416處理呂的萃取精餾塔監測儀表中主要是能夠方便操作者對該系統進行監控和操作.

4 結論

本文通過開發一款基于S3C2416處理器的萃取精餾塔監測儀表，在精餾塔的運行過程中，溫度、液位、壓力、流量參數對分離起著至關重要的作用，如果能夠將這些數據實時傳輸給設計人員，那么無論在分離精度還是節能方面都有巨大的意義.

〔1〕史巖清，景志強.自動控制系統的發展與工業自動化展望[J].中國科技信息，2010(22)：89-90.

〔2〕傅建紅，胡紹忠.淺析傳感器發展的新趨勢[J].科技廣場，2009(03)：120-122.

〔3〕王華本.計算機控制系統的發展趨勢[J].今日科苑，2007 (22)：67-68.

〔4〕姜全華，姜全宏，金正軍.淺析數字化變電站技術[J].科技信息(科學教研)，2008(08)：113-114.

〔5〕曹冰，石登科，吉玉超.淺談現場總線和以太網的應用與發展[J].中國西部科技，2011(08)：176-178.

TQ056

A

1673-260X（2013）09-0042-02