基于Cortex—M3電廠多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

藺韜

摘要：火電廠燃煤鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)一次風(fēng)管道中的煤粉速度對(duì)鍋爐燃燒的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性十分重要?；贑ortex-M3為核心的ARM處理器，設(shè)計(jì)了一套對(duì)電廠一次風(fēng)管道煤粉速度在線監(jiān)測(cè)裝置。通過(guò)8通道同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉速度信號(hào)的采集，經(jīng)以太網(wǎng)將采集到的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，并利用基于FFT的互相關(guān)算法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)在吉林熱電廠的實(shí)際安裝監(jiān)測(cè)表明該設(shè)備具有很強(qiáng)的實(shí)用性，滿足電廠的要求，同時(shí)該裝置具有成本低，安裝便捷等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：微波法；Cortex-M3；煤粉速度；在線監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）09-0152-04

隨著工業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展以及當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題，燃煤發(fā)電廠不得不對(duì)當(dāng)前的煤粉監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，從而達(dá)到一次風(fēng)管道中的煤粉在鍋爐中能夠充分燃燒[1]。目前電廠采用的煤粉速度測(cè)量方法有很多種，如靜電法[2]、超聲波法[3]、光學(xué)法[4]、微波法[5]等，其中一些方法得到了較多的應(yīng)用。但由于眾多的方法仍然采用獨(dú)立的采集通道或者是FIFO實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉速度信號(hào)的同步采集[6]，導(dǎo)致了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)AD芯片的需求量增加，成本代價(jià)比較高，同時(shí)由于采集的通道較多，F(xiàn)IFO調(diào)整輸入比較困難。本文設(shè)計(jì)的電廠多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以利用AD7606芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電廠數(shù)據(jù)多路同步采集，只需將該芯片與控制器連接并配置相應(yīng)的通訊程序，便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電廠多個(gè)一次風(fēng)管道的煤粉速度信號(hào)進(jìn)行采集。

1 系統(tǒng)測(cè)量原理

在實(shí)際工程中，由于4條管道中煤粉速度的測(cè)量原理相同，這里只提供一組系統(tǒng)測(cè)量原理圖。如圖1所示，在電廠一次風(fēng)管道上，按照一定的距離L安裝兩個(gè)傳感器探頭，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要同步采集兩路信號(hào)，把采集的兩路信號(hào)放入一個(gè)數(shù)組中，分別記為X（t）、Y（t）。將X（t）、Y（t）這兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算[7]，求出相關(guān)結(jié)果Rxy，并尋求Rxy中的最大值，記錄其所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)值。根據(jù)采集系統(tǒng)的采樣率，求出兩個(gè)傳感器探頭之間的信號(hào)延遲時(shí)間，便可求出煤粉速度，即探頭之間距離L與延遲時(shí)間t的比值。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

整個(gè)測(cè)量裝置主要分為數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)裝置兩部分，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)裝置是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的硬件系統(tǒng)。如圖2所示，數(shù)據(jù)采集主要包括微波發(fā)射器、微波接收器，信號(hào)調(diào)理、AD采集、微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、以太網(wǎng)。在此基礎(chǔ)上增加RS485、RS232電路以及數(shù)據(jù)監(jiān)控中心組成監(jiān)測(cè)裝置[8-9]。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用Labview做上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、算法驗(yàn)證。監(jiān)控裝置利用PC機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 緩沖及分壓電路

在本裝置中，經(jīng)采集系統(tǒng)板對(duì)A、B信號(hào)進(jìn)行采集，在采集系統(tǒng)板前端加入緩沖及分壓電路。設(shè)置緩沖及分壓電路的目的主要是為了采集板不受前級(jí)信號(hào)的影響，而分壓的目的是使被采集的電壓值小于采集系統(tǒng)ADC的基準(zhǔn)電壓，也是為了能夠采集更多的信號(hào)，從而達(dá)到更高的準(zhǔn)確度。

緩沖及分壓電路主要由集成運(yùn)放LF442CN芯片及一些基礎(chǔ)的元件組成，其中LF442CN集成運(yùn)放是雙輸入、雙輸出的放大器，正負(fù)15V供電，具有1012Ω高的輸入阻抗，精度高等特點(diǎn)。將該緩沖墊路和高頻濾波電路連接在一起組成整個(gè)信號(hào)的調(diào)理電路。圖3為系統(tǒng)緩沖及分壓電路原理圖。

3.2 AD7606與微控制器連接電路

AD7606是一款完全集成的多通道數(shù)據(jù)采集芯片，采用5V單電源供電[10-11]，其中AD7606的PA1、PA2、PA3引腳設(shè)置整個(gè)系統(tǒng)的采樣頻率，PA4設(shè)置系統(tǒng)輸入量程，PA5為復(fù)位口線，PB0為定時(shí)器引腳，通過(guò)PB0輸出相應(yīng)脈沖，啟動(dòng)AD7606的轉(zhuǎn)換，PB1設(shè)置為中斷輸入口，下降沿觸發(fā)，PG12為AD7606的片選，與 FSMC的bank1的第四分塊連接，F(xiàn)SMCNOE是讀使能引腳。通過(guò)上述連接配置好通訊時(shí)序以及各個(gè)引腳，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[12]。如圖4所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 基于FFT的互相關(guān)算法設(shè)計(jì)

設(shè)兩個(gè)離散時(shí)間序列為x（n）、y（n），則兩個(gè)序列的互相關(guān)函數(shù)可定義為：

根據(jù)離散傅里葉變化公式可得，離散傅里葉的變換具有周期性，相關(guān)函數(shù)的計(jì)算也是建立在周期性的基礎(chǔ)上的。兩個(gè)N點(diǎn)的FFT運(yùn)算步驟是：首先對(duì)兩個(gè)N點(diǎn)序列做周期拓展，然后做相關(guān)取主值，這個(gè)主值相當(dāng)于圓周卷積[13]。

假設(shè)X（n）的序列長(zhǎng)為N1，Y（n）序列長(zhǎng)為N2，并線性相關(guān)，則可以利用FFT求解這兩個(gè)線性相關(guān)的有限長(zhǎng)序列。下圖5為FFT實(shí)現(xiàn)互相關(guān)計(jì)算流程框圖：

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

圖6為后面板以太網(wǎng)通信部分主要程序，整個(gè)上位機(jī)軟件采用Labview，使用圖形化編程語(yǔ)言使編程更加簡(jiǎn)單，直觀，功能強(qiáng)大，特別適合數(shù)據(jù)采集等應(yīng)用場(chǎng)合，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期[14]。該軟件具有前面板和后面板兩個(gè)操作界面，前面板是圖形化顯示界面，后面板是模塊化編程界面。本采集系統(tǒng)采用TCP/IP通信協(xié)議，由TCP協(xié)議本身的特性，使數(shù)據(jù)在傳輸時(shí)，能確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。所以需要用到以下模塊：打開(kāi)TCP連接、讀取TCP數(shù)據(jù)和關(guān)閉TCP連接函數(shù)，此通信首先需要建立連接，這時(shí)還需要通過(guò) TCP Open Connection這個(gè)應(yīng)用模塊向服務(wù)器發(fā)送連接請(qǐng)求。確定建立連接后，程序進(jìn)入主循環(huán)接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收完后關(guān)閉連接，同時(shí)去除因?yàn)檎ｊP(guān)閉導(dǎo)致的錯(cuò)誤信息，程序運(yùn)行時(shí)，必須先運(yùn)行服務(wù)器端再運(yùn)行客戶端。

4.3 系統(tǒng)流程圖

如圖7所示，微波激勵(lì)源向一次風(fēng)管道發(fā)射微波信號(hào)后，四個(gè)一次風(fēng)管道共8個(gè)探頭會(huì)依次接收到信號(hào)，信號(hào)經(jīng)緩沖及分壓電路處理后，由基于AD7606芯片的采集電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并利用Labview軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析與處理。將采集的兩組信號(hào)放入兩組數(shù)組中，并利用基于FFT的互相關(guān)算法進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)確定探頭的距離L以及時(shí)間差Δt，分別求出四個(gè)一次風(fēng)管道的煤粉速度。