基于ARM初晶溫度檢測系統的研究

崔運生

摘 要：隨著經濟建設的發展，國家對鋁的需求量日漸提高，每年的鋁生產量也飛速增長。電解鋁是工業化生產鋁的主要方法。在電解鋁過程中溫度要維持在一個適當的溫度范圍內，過高過低都會對生產產生不良的后果，在此基礎上設計的一款基于ARM的嵌入式初晶溫度檢測設備，為電解鋁過程中的溫度測量提供幫助。

關鍵詞：ARM；初晶溫度檢測系統；設計

1 電解質初晶溫度以及國內外研究

現代鋁工業生產采用冰晶石-氧化鋁融鹽電解法。熔融冰晶石是溶劑，氧化鋁作為溶質，以碳素體作為陽電解鋁極，鋁液作為陰極，通入強大的直流電后，在910℃-980℃下，在電解槽內的兩極上進行電化學反應，即電解。在電解鋁過程中一般是使電解液從高溫逐步降低冷卻，當溫度降低到特定的溫度時候就會有晶體析出來，這個溫度即鋁的初晶溫度。對于鋁電解質的初晶溫度如果溫度過高就會造成溫度過熱，在電解過程中熱能是由電能轉換而來，然而生產出一噸鋁的耗電量高達14500kWh左右，這樣對于大型鋁廠電能的消耗是巨大的，造成了巨大的資源浪費。同時如果溫度過低就會造成電解槽的損壞，嚴重甚至會造成生產設備的損壞，對于誤工以及設備的維護損失是相當巨大的。為了預防這種情況的發生，對于電解質溫度的控制意義是巨大的。一般鋁電解液的溫度在910℃-980℃之間，在國內的大型鋁廠一般位置溫度過熱在20-40℃之間，然后一般認為最適當的溫度是過熱10℃左右。如果能降低這一點也會對企業帶來巨大的經濟效益，對人們的生活也會帶來巨大的影響。

2 初晶溫度檢測系統設計

2.1 初晶溫度上端設計

這款基于ARM初晶溫度監測系統，主要由初晶溫度檢測上端，嵌入式ARM核心板以及ARM外擴三大部分組成，其中初晶溫度檢測上端由前端電路調節、A/D轉換、失調電壓調節、電源指示部分以及振鈴與指示燈部分組成。

圖1 初晶溫度檢測系統整體架構

在本設計中電信號是由測溫槍上的熱電偶傳感系統采集鋁電解槽中電解質的溫度并把溫度信號轉換成電信號，經過初晶溫度檢測上端設計經過對電信號的調理，包括濾波電路與放大電路，在經過A/D轉換將電信號轉換成數字信號傳輸到ARM核心板上，這是初晶溫度檢測上端設計，其硬件方框圖如圖2。

圖2 初晶溫度檢測上端系統硬件方框圖

在初晶溫度檢測上端測溫槍經過熱電偶溫度傳感，將熱信號轉換為電流信號，由于在熱電偶兩個不同的導體在相同的溫度下墊子的濃度不盡相同導致出現電動勢，這樣在產生了一個電流回路的情況下，將電流輸入到嵌入式初晶溫度檢測系統中，經過信號調理電路，在信號調理電路當中包括對電流信號的過濾與雙重放大過程，一級信號放大電路采用的芯片為INA118，INA118是一款小功率通用儀表放大器，通過更換一個外部電阻的阻值可以設置任何增益，由于經過一級放大電路輸出的信號會有噪聲的干擾，為了保證信號的準確性，用一個OP297芯片設計一個二階低通有源巴特沃斯濾波器對其進行低通濾波，濾波器的截至頻率為40Hz。經過一級放大和低通濾波的信號由于只被一次放大，還不能夠達到后端A/D采集的要求，所以需要對其進行二次放大。二級放大采用THS4131差分放大器，由于是差分輸出，所以放大器能夠很好的抑制共模信號的干擾。這樣可以得到一個穩定的模擬電流信號，通過A/D轉換將電流信號轉換成數字信號傳送到ARM7核心板中。

2.2 初晶溫度檢測系統核心板及外擴設計

嵌入式主板模塊是進行數據處理和邏輯控制的核心部分。主處理器采用ARM7系列的Cortex-A8芯片，主要負責各個外部接口連接，將A/D轉換數字信號存儲以及將信號向外輸出的功能。

ARM Cortex A8，簡稱A8或Cortex A8.是第一款基于ARMv7架構的應用處理器，使用了能夠帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb-2技術。它首次采用了強大的NEONTM信號處理擴展集，對H.264和MP3等媒體編解碼提供加速。性價比最高的處理器解決方案，高性能低成本。支持雙核ARMCortexA8簡稱A8或CortexA8.是第一款基與于ARMv7架構的應用處理器，使用了能夠帶來更高性能、功耗效率和代碼密度的Thumb-2技術。它首次采用了強大的NEONTM信號處理擴展集，對H.264和MP3等媒體編解碼提供加速。Cortex-A8解決方案還包括Jazelle-RCTJava加速技術，對實時（JIT）和動態調適編譯（DAC）提供最優化，同時減少內存占用空間高達三倍。

通過延伸ARM核心板的各種外圍接口，在外部添加一些必要的外圍器件和芯片就可以組成所需要的一些外部接口，用以與外部設備連接。在本系統當中需要的外部擴展的設備或者器件主要有SD卡、LCD觸摸屏、USB通用設備、無線通信設備及其他的一些特定功能的設備或器件。擴展板的各種功能接口如圖3。

圖3

3 結束語

在工業化的道路上，鋁的生產起著至關重要的作用，在電解鋁的過程中要達到工業所滿足的要求——實時性，準確性，對生產會給予很大的經濟效益。基于ARM的初晶溫度檢測系統的研究給電解鋁提供了一條新的方法。