基于ATmega128和μC／OS-II的在線鈉離子分析儀的設(shè)計(jì)

摘要：闡述了一種智能在線鈉離子分析儀的軟硬件設(shè)計(jì)。采用靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的電化學(xué)傳感器。硬件應(yīng)用低功耗、高性能的微控制器及外圍器件，軟件采用μC／OS－II操作系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)具有精度高、檢測速度快、功耗低、穩(wěn)定性強(qiáng)，操作界面友好等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：鈉離子分析儀；ATmega128；μC／OS-II；AD7714

1 引言
    水和蒸汽是熱力系統(tǒng)中的鍋爐、汽輪機(jī)、過熱器等設(shè)備的重要工作介質(zhì)。當(dāng)火力發(fā)電廠正常運(yùn)行時(shí)，熱力設(shè)備中都有水或蒸汽在流動。水、汽的品質(zhì)都有規(guī)定的指標(biāo)，一旦水、汽品質(zhì)的指標(biāo)超標(biāo)，就會加速熱力設(shè)備的腐蝕、結(jié)垢和積鹽。當(dāng)水汽中攜帶一些含鈉的雜質(zhì)時(shí)，將會導(dǎo)致汽輪機(jī)金屬材料的點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞，這些腐蝕通常會造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。嚴(yán)重時(shí)甚至造成重大事故。鈉離子含量是發(fā)電廠水汽品質(zhì)的重要指標(biāo)之一。因此，為防止結(jié)垢、結(jié)鹽，減緩系統(tǒng)中金屬部件的腐蝕。保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，必須對電廠水汽系統(tǒng)中鈉離子含量進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測和控制。

2 測量原理
    鈉離子的測量是基于電化學(xué)中的電位分析法，由測量電極和參比電極及待測溶液構(gòu)成原電池。測量電極是對鈉離子具有選擇性的玻璃電極，參比電極的電位保持恒定。當(dāng)測量電極與參比電極同時(shí)浸入溶液后，即組成測量電池對，圖1給出測量電池的示意圖。其中鈉測量電極的電位隨溶液中鈉離子的濃度符合能斯特方程式：
   

    式中：E為鈉電極電位；E0為鈉電極的理論等電位點(diǎn)電位；R為氣體常數(shù)，R=8.317 J／(mol．K)，T為溶液的絕對溫度，T=273+t，K；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=9.649×104 C/mol；C為鈉離子的濃度，ppb;f為鈉離子活度系數(shù)，對于1 000 ppb以下的稀溶液f≈1。由鈉離子選擇性電極、參比電極以及待測溶液構(gòu)成測量電池，通過一個(gè)高阻抗的毫伏計(jì)對被測溶液進(jìn)行精確的電位測量，從而可直接測定溶液中鈉離子的含量。

3 水路設(shè)計(jì)
    對鈉有選擇性的玻璃電極對氫離子的響應(yīng)比對鈉離子響應(yīng)還敏感，所以氫離子是鈉測量時(shí)主要的干擾源，要用堿性試劑加以抑制。在對Na+的測量過程中需要合適的水路設(shè)計(jì)，對水樣進(jìn)行恒流，堿化。水路設(shè)計(jì)及工作過程如圖2所示。

    在正常測量時(shí)，樣水從進(jìn)口經(jīng)三通電磁閥進(jìn)人恒流杯，過多的樣水從溢流口流出，由于負(fù)壓原理，樣水在T形塊帶動堿化氣進(jìn)入測量杯，水氣混合后，PH值達(dá)到要求，流經(jīng)測量電極和參比電極經(jīng)出水口排出。當(dāng)標(biāo)定時(shí)，電磁閥進(jìn)行切換，校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)溶液經(jīng)電磁閥進(jìn)入恒流杯，樣水經(jīng)卸壓閥流出。該水路設(shè)計(jì)削弱了H+和流速造成的誤差，提高了測量精度。

4 硬件電路設(shè)計(jì)
    在線鈉離子分析儀的硬件電路設(shè)計(jì)是以8位的微控制器ATmega128為核心，其總體的設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。主要包括電源、信號調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換、微控制器、擴(kuò)展存儲器、人機(jī)接口6個(gè)部分。

    電極輸出的是一個(gè)近似直流的電壓信號，經(jīng)放大處理后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號輸入微控制器進(jìn)行分析處理，然后存儲和顯示數(shù)據(jù)，并通過串口把數(shù)據(jù)傳輸給控制室。
4．1 微控制器
    這里選用高性能8位單片機(jī)ATmega128。ATmega128為基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，可廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通信設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。
    ATmega128特點(diǎn)：內(nèi)嵌128 KB的Flash程序存儲器，擦寫方便，便于產(chǎn)品的調(diào)試、開發(fā)、更新；內(nèi)嵌4 KB的E2PROM和4KB的RAM，具有64 KB的外部存儲器尋址空間；具有PWM功能的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(T／C)；具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器：SPI串行端口；與IEEE1149.1規(guī)范兼容的JTAG測試接口(同時(shí)還可用于片上調(diào)試)；低電壓供電、寬工作電壓范圍：2.7～5.5 V；抗干擾能力強(qiáng)，可降低一般8位機(jī)中的軟件抗干擾設(shè)計(jì)的工作量和硬件的使用量；工作溫度范圍符合工業(yè)級要求，達(dá)到-55℃～+125℃?；贏Tmega128的諸多特點(diǎn)．因此這里選用ATmega128單片機(jī)作為在線鈉離子分析儀的核心控制器。
4．2 A／D轉(zhuǎn)換器
    A／D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的AD7714。AD7714是適用于低頻測量應(yīng)用的完整模擬前端。器件直接從傳感器接受低電平信號并輸出串行數(shù)字。它使用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高達(dá)24位的無誤碼性能。輸人信號加至專有的基于模擬調(diào)制器，具有可編程增益的前端。調(diào)制器的輸出由片內(nèi)數(shù)字濾波器處理。通過片內(nèi)控制寄存器可對此數(shù)字濾波器編程，允許調(diào)整濾波器的截止頻率和穩(wěn)定時(shí)間。AD7714具有3個(gè)差分模擬輸入(它也可配置為5個(gè)準(zhǔn)差分模擬輸入)以及差分基準(zhǔn)輸入，分別對溫度信號和鈉離子濃度信號采樣。
4．3 存儲部分
    由于系統(tǒng)移植了μC/OS-II操作系統(tǒng)，各個(gè)任務(wù)均需要分配獨(dú)立的堆棧空間，總線上擴(kuò)展32 K字節(jié)的隨機(jī)存儲器KM62256。KM62256是8位數(shù)據(jù)寬度32 K字節(jié)的隨機(jī)存儲器，具有低功耗、速度快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還擴(kuò)展了64 KB字節(jié)的E2pROM AT24C512，用來存儲電路校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)，并可存儲一個(gè)月的歷史數(shù)據(jù)，繪制歷史曲線，詳細(xì)反映水質(zhì)變化過程和趨勢，有利于發(fā)現(xiàn)和解決問題。
4．4 人機(jī)接口
    采用TFT3224真彩液晶顯示器，支持256色顯示，帶有觸摸屏功能，改變了以往單一顏色顯示、按鍵操作的風(fēng)格。觸摸屏接口器件選用ADS7846，它具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。此外測量值經(jīng)串口遠(yuǎn)程傳輸?shù)娇刂剖摇?/p>

5 軟件設(shè)計(jì)
    8位單片機(jī)為核心的測控系統(tǒng)程序一般采用前后臺方式編寫，后臺運(yùn)行一個(gè)大的無限循環(huán)，前臺為多個(gè)中斷，在這種方式中，中斷服務(wù)程序提供的信息一直要等到后臺程序運(yùn)行到處理該信息時(shí)才能得到處理，所以在處理信息的及時(shí)性上這種系統(tǒng)要比實(shí)際做到的差，而且代碼編寫復(fù)雜，增加功能時(shí)任務(wù)量大，不便于維護(hù)。因此采用μC／OS-II操作系統(tǒng)。
5．1 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ
    μC／OS-II是一個(gè)完整的，開源的，可移植、固化、裁剪的占先式實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核。程序量，僅7～8K，絕大部分代碼采用ANSI C編寫．便于移植。其穩(wěn)定性與安全性方面已經(jīng)過美國聯(lián)邦航空管理局認(rèn)證。
    使用μC／OS設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)首先要實(shí)現(xiàn)μC／OS在硬件應(yīng)用平臺上的移植，主要就是完成對OS_CPU_C.C，OS_CPU_A．ASM等多個(gè)與處理器相關(guān)文件的改寫，在μC／OS的官方網(wǎng)站有在數(shù)十種處理器上移植成功的范例，可以免費(fèi)下載，這里不再詳細(xì)介紹。
    基于μC／OS-II編寫應(yīng)用程序比較簡單，首先根據(jù)系統(tǒng)功能合理劃分任務(wù)，確定任務(wù)間的通信機(jī)制。每個(gè)任務(wù)都是相對獨(dú)立的子模塊，有唯一的優(yōu)先級和自己的堆?？臻g。每個(gè)任務(wù)處于以下5種狀態(tài)的一種：休眠態(tài)、就緒態(tài)、運(yùn)行態(tài)、掛起態(tài)及被中斷態(tài)。內(nèi)核在一個(gè)定時(shí)中斷函數(shù)中查詢進(jìn)入就緒態(tài)中的優(yōu)先級最高的任務(wù)，然后把當(dāng)前任務(wù)掛起，保存現(xiàn)場，執(zhí)行該任務(wù)。各個(gè)任務(wù)間根據(jù)信號量、消息郵箱、隊(duì)列等通信方式傳遞信息。
5．2 任務(wù)劃分
    基于μC／OS-II編寫應(yīng)用程序主要的工作是劃分任務(wù)和分配優(yōu)先級及任務(wù)之間信息的傳遞。設(shè)計(jì)中，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為：①數(shù)據(jù)處理與顯示；②菜單顯示任務(wù)；③串口通信任務(wù)。A／D中斷：AD7714的定時(shí)中斷；觸摸屏中斷：點(diǎn)擊觸摸屏觸發(fā)外部中斷。軟件設(shè)計(jì)如圖4所示。

    在AD7714的A／D定時(shí)中斷服務(wù)中發(fā)送消息，數(shù)據(jù)處理及顯示任務(wù)接收到消息后，把消息中的A／D數(shù)據(jù)經(jīng)過公式推導(dǎo)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的鈉含量并顯示。
    在觸摸屏中斷處理函數(shù)中發(fā)送消息給菜單任務(wù)，菜單任務(wù)接收到消息中的坐標(biāo)值后，進(jìn)行判斷并顯示相應(yīng)的菜單界面。串口通信任務(wù)把測量值經(jīng)過串口遠(yuǎn)傳到控制室。

6 結(jié)語
    系統(tǒng)創(chuàng)新性在于將高性能微處理器MEGA128和新器件AD7714首次應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測信號采集。同時(shí)移植μC／OS-II操作系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件電路簡潔可靠，功耗低、可靠性高。軟件實(shí)時(shí)性好，便于擴(kuò)展功能。將此分析儀與進(jìn)口儀表進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表1所示。

    由表1數(shù)據(jù)可知，該分析儀的測量精度接近進(jìn)口儀表。通過與國家標(biāo)準(zhǔn)比對，分析儀的各項(xiàng)指標(biāo)已符合國標(biāo)，可作為在線式儀表用于水質(zhì)鈉離子含量的連續(xù)檢測。