雙核微控制器在灰分儀硬件系統中的應用*

張 偉 于海明 陳月紅

(丹東東方測控技術股份有限公司)

煤炭是我國重要的能源和化工原料，灰分含量大小直接關系到煤炭的加工和利用。為提高煤炭利用效率，必須嚴格控制煤炭及其產品灰分。傳統煤炭灰分檢測是按現場采樣、破碎、縮分、烘干、研磨、稱重、燃燒系列進行。大部分工序需要在實驗室條件下進行，對人員、環境和設備的依賴性較大；最快需在2 h后才能得到灰分值，結果嚴重滯后于生產的進行。由于傳統灰分分析方法現場采樣通常采取皮帶一個橫截面上的全部煤，化驗所得的灰分值也只是這個皮帶橫斷面上煤的灰分而不是整條皮帶的灰分，因此灰分檢測結果代表性差。

灰分儀是為彌補傳統灰分分析方法缺點而開發出的一套煤炭灰分在線測量儀表，可用于對整條輸運皮帶上的煤炭灰分含量進行快速準確測量，具有穩定性好、測量精度高、安裝維護方便等優點。灰分儀不需采樣、制樣、化驗等繁瑣過程，直接安裝于皮帶架上而無須對皮帶架進行任何改動，也不用增加額外投資，能夠廣泛應用于煤礦、洗煤廠、配煤廠、焦化廠、燃煤電廠、鋼鐵廠和煤碼頭等場合煤炭灰分的在線實時檢測；也可用于選煤、配煤工藝中對生產過程進行自動調節和控制，在提高勞動生產率、降低勞動成本等方面作用顯著。

灰分儀γ射線穿過煤中物質時，會與煤中的灰分發生相互作用，從而使γ射線本身消失或傳播方向改變，從而表現出煤對γ射線的吸收，吸收程度的大小可用來衡量煤灰分的高低。使用先進的雙核微控制器F28M36技術，ARM核用于完成高速脈沖幅度分析并形成能譜數據，DSP核用于對能譜數據進行實時處理并計算出灰分值，用于指導現場生產。

1 硬件方案

1.1 傳統方案

目前灰分儀常用的硬件方案是使用分散硬件設計的，系統主要包括探測器、多道脈沖幅度分析器、探測器可調高壓電源和計算機等。探測器負責將γ射線信號轉換成電脈沖信號，多道脈沖幅度分析器將對探測器的脈沖信號進行幅度分析并得到能譜數據，多道脈沖幅度分析器將能譜數據通過通信線纜傳輸到遠端計算機上，在計算機上對能譜數據進行分析，得出灰分值，同時計算機根據能譜分析結果，控制可調高壓電源的輸出來穩定能譜峰位。該方案所用的硬件和電纜較多、成本較高、可靠性較差，大量的能譜數據需要通過通信電纜傳到遠端的計算機上再計算，實時性較差。

1.2 設計方案

針對傳統灰分儀硬件方案的不足，設計使用雙核微控制器F28M36的灰分儀硬件系統，提高灰分儀檢測性能。硬件系統主要包括探測器和主機，主機使用雙核微控制器F28M36技術，F28M36包含兩個內核：一個是ARM Cortex M3核；一個是DSP C28x核[1]。ARM內核主要完成參數存儲、高壓模塊控制、ADC采集和通信等控制功能，DSP內核主要用于計算，完成能譜數據的分析。ARM內核通過高速ADC采集探測器輸出脈沖的幅度，對脈沖幅度進行分析，得到能譜數據，將能譜數據共享給DSP內核；DSP內核對能譜數據進行解析，計算得到峰位信息和灰分值，DSP內核將峰位和灰分值共享給ARM內核，ARM內核通過峰位信息控制高壓模塊實現實時穩峰，灰分值可以本地顯示也可以通過ARM的通信功能傳輸到遠程主機上。

2 硬件系統設計

2.1 總體設計方案

圖1是灰分儀新硬件系統總體設計框圖，γ探測器脈沖信號進入到調理電路，完成放大和整形，將探測器輸出的雙指數信號整形成近高斯形[2]。近高斯形脈沖進入尋峰電路，尋峰電路通知ARM內核啟動ADC數模轉換器采集脈沖的幅度。ARM采集到脈沖的幅度值后，每秒鐘形成1次能譜數據并共享給DSP內核。DSP內核對能譜數據進行平滑、尋峰、灰分計算等分析，DSP內核將計算結果共享給ARM內核。ARM內核用DSP內核計算的峰位控制高壓模塊，實現能譜峰位的實時穩定。

圖1 新硬件系統總體設計框圖

2.2 調理與采集電路設計

調理電路主要包括極零相消電路、成形電路、基線恢復電路、尋峰電路。極零相消電路(圖2)是將探測器輸出的無限長的脈沖信號變成窄脈沖信號，并去掉下沖信號[3]。成形電路使用3級RC積分電路，積分電路將極零相消后的脈沖成形為近高斯形脈沖，圖3為1級的RC積分電路。尋峰電路實時對近高斯形脈沖的最大值進行判斷，在脈沖頂部給出峰頂信號。

圖2 極零相消電路

采集電路主要使用AD7634模數轉換器，AD7634是18位并行輸出、逐次逼近形的ADC，采樣頻率可達670 kSPS，支持差分電壓信號采集，有4種不同的模擬輸入范圍，內置5 V參考電壓，廣泛應用在儀器儀表過程控制中。ARM內核控制AD7634采集滿幅5 V的近高斯脈沖的幅度值。

2.3 主控芯片選擇

主控芯片采用TI公司的Concerto 雙核微控制器F28M36，Concerto 系列是多核的微控制器單元MCU，具有獨立的通信內核和實時計算控制內核。F28M36是Concerto產品的系列產品，內部包括2個高性能內核，一個標準的32位 ARM Cortex-M3 CPU，主頻125 MHz，具有片內數字1.2 V電源和模擬1.8 V電源，具有片載晶體振蕩器，高達1 MB的閃存和128 KB的RAM，并且具備多種通信外設(包括以太網 1588、帶有PHY的 USB OTG、控制器局域網 (CAN)、UART、SSI、I2C)及一個外部接口。

圖3 1級的RC積分電路

DSP內核基于行業領先的TI專有TMS320CC28x32位CPU，主頻高達150 MHz，具有單精度浮點運算單元，并且具備最為靈活而又高度精確的控制外設，包括具有故障保護功能的ePWM、編碼器和捕捉單元。此外F28M36能夠實現高效的Viterbi解碼、復變數學(FFT，復變乘法)以及循環冗余校驗 (CRC) 算法。

共享一個高速模擬子系統和補充RAM 內存，還有片上電壓穩壓和冗余計時電路、安全考慮還包括糾錯碼 (ECC)、奇偶校驗和代碼安全內存。選擇F28M36芯片作為灰分儀的主控制芯片，可以利用ARM內核通信連接和DSP內核計算及實時控制的優勢，同時兩個內核芯片級的集成還減小了軟件和硬件設計的復雜程度，同時提高可靠性。

2.4 電源系統設計

圖4是電源設計原理框圖，整個系統采用5V的開關電源供電，分數字電源和模擬電源。數字電源是給數字器件供電和為模擬電源提供電源，模擬電源是給運算放大器和ADC供電，要求低噪聲。為降低功耗，數字電源采用DC-DC轉換方式，5V的開關電源通過電源芯片轉換成3.3V，3.3V電源供F28M36和外圍芯片使用，F28M36芯片內核還需要使用1.8V和1.2V電源。由于F28M36片內集成了1.8V和1.2V的LDO模塊，在使用時將F28M36設置成內部1.8V和1.2V，只需要為其提供3． 3 V 電源即可。 模擬電源部分先使用DC - DC 轉換芯片，將5 V 開 關電源轉換成± 5． 5 V 和± 13 V，再使用低壓差和 低噪聲的LDO 芯片轉換成滿足模擬電路使用的 ± 5． 0 V和± 12． 5 V。

圖4 電源設計原理框圖

3 程序功能設計

程序功能流程見圖5。

圖5 程序功能流程

ARM內核控制ADC采集脈沖的最大值，將其轉換成數字量。然后對數字量脈沖幅度最大值進行分析，得出脈沖幅度對應的道址，并將對應道址存儲單元上的計數個數值加1，采集1 s形成1 024道的能譜數據。ARM內核將能譜數據放入F28M36的64 KB的共享RAM中，并使用處理器間通信(IPC)消息RAM通知DSP內核到共享RAM中采取能譜數據。DSP內核取出能譜數據后，首先使用最小二乘移動平滑方法對能譜數據進行多次平滑，濾除能譜數據中的高頻噪聲。平滑后的能譜數據分為兩路，一路能譜數據求二階導數，在二階導數的負向極值處可求得能譜特征峰的峰位，將峰位傳給ARM內核進行硬件穩峰控制；另一路利用能譜數據，根據標定公式計算出灰分值，將灰分值傳給ARM內核。灰分儀可以本地顯示灰分值或者將灰分值通過ARM內核的通信接口發送到遠程主機。

4 結 論

設計應用雙核微控制器F28M36的灰分儀硬件系統，既可以完成脈沖幅度分析、能譜采集、通信控制，還具有實時計算控制功能，實時進行能譜穩峰，計算灰分值。雙核控制器提高了灰分儀的實時采集、控制和運算能力，不需要將大量的能譜數據輸送至遠程計算機再計算灰分，單臺儀表集成度大大提高，穩定性和可靠性也得到改善。該硬件系統可應用于灰分儀系列產品防爆灰分儀、離線灰分儀、灰水儀等中，也可供其他產品開發借鑒。