基于Cortex-M3的气相色谱仪温控系统.pdf

2 01 4拄 第 8 期 仪表 技术与传或器 I n s t r u me n t T e c h n iq u e a n d S e n s o r 2 01 4 No 8 基于 C o r t e x - M3的气相色谱仪温控 系统 项贤军， 王才峄 ( 上海工程技术大学高等职业技术学院， 上海2 0 0 4 3 7 ) 摘要： 文中介绍了以A R M C o rt e xM 3为核心的气相色谱仪温控 系统， 实时操作系统采用 I C O S一。从 系统整体 结构分析入手， 确定系统控制方案； 接着介绍了主要的硬件电路设计， 阐述了如何将温度传感器的微弱信号进行放大、 滤 波， 经过 A D转换后得到高精度的温度值； 然后引入 P I D控制算法， 分析 了P I D控制的思想， 进一步介绍了下位机实时操 作 系统的移植和应用程序 中主要任务的 实现 ， 同时介 绍 了上 位机的人机界 面设计 ， 以及上 下位机之 间的 串 口通 讯协议 的 制定和相关编程 。 关键词： 气相色谱仪； P I D算法； 串口通讯； 嵌入式系统； 温度控制 中图分类号： T P 2 1 6 文献标识码： A 文章编号： 1 0 0 21 8 4 1 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 3 0 0 2 Te mp e r a t u r e Co n t r o l S y s t e m o f Ga s Ch r o ma t o g r a p h Ba s e d 0 n Co r t e x M 3 X I A N G X i a n - j u n ， WA N G C a i y i ( Vo c a t io n a l T e c h n ic a l C o l le g e ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g in e e r in g S c i e n c e ， S h a n g h a i 2 0 0 4 3 7 ， C h in a ) Ab s t r a c t ： T h is p a p e r d e s c ri b e d a g a s c h r o ma t o g r a p h t e mp e r a t u r e c o n t r o l s y s t e m b a s e d o n ARM Co r t e x M3， wit h t h e r e a l t ime o p e r a t i n g s y s t e m u s e d p C OS一 T h is p a p e r a n a ly z e d t h e o v e r a l l s t ruc t u r e o f t h e s y s t e m t o d e t e r min e t h e s y s t e m c o n t r o l p m g r a m ， t h is p a p e r in tr o d u c e d t h e ma in h a r d w a r e c ir c u it d e s ig n， e x p la in e d h o w t h e w e a k s ig n a l o f t h e t e mp e r a t u r e s e n s o r wa s a mp li fl e d， fi lt e r e d， a n d t h e t e mp e r a t u r e v al u e a f t e r A D c o n v e r s io n p r e c is io n wa s o b t a in e d T h e n t h is p a p e r u s e d t h e P I D c o n t r o l a lg o r it h m t o a n a ly z e t h e id e a o f t h e P I D c o n t r o l， f u rt h e r d e s c ri b e d t h e lo we r ma c h in e r e al t ime o p e r a t in g s y s t e m mig r a t io n a n d t h e ma in t a s k o f t h e a p p lic a t io n imp le me n t a t io n， an d a ls o in t r o d u c e d HMI d e s ig n o f P C a n d s e ri a l c o mmu n ic a t io n p r o t o c o l b e t w e e n t h e d e v e l o p me n t a n d r e la t e d p r o g r a mmin g Ke y wo r d s ： g a s c h r o ma t o g r a p h； P I D a lg o ri thm ； s e ri a l c o mmu n ic a t io n； e mb e d d e d s y s t e ms ； t e mp e r a t u r e c o n t r o l 0 引言 气相色谱法是2 0 世纪 5 0年代出现的一项重大科学技术， 是一种新的分离、 分析技术。目前 ， 色谱分析是最活跃 的分析 化学分支学科之一， 也是物质分离分析的一种重要手段。 在气相色谱仪的研制和开发中， 温度控制系统是整个色谱 检测系统的核心， 对色谱峰的分布和形状有直接影响。文中的 温控系统设计中， 需对色谱柱温箱 、 热导池 ， 以及水蒸气温箱这 3路对象进行恒温控制， 以便被测对象组份在色谱柱上有适当 保存 ， 得到较理想的色谱峰， 对称且均匀分布 。 1 系统构成 根据色谱仪的性能指标， 要求对 3路被控对象的温度控制 达到 0 5 的精度， 因此需要采用精度较高的温度传感器， 采样信号经过放大滤波电路和 A D转换送入 A R M系列芯片 C o r t e x M3的S T M3 2 F 1 0 7 V C T 6 ， 根据实测值与设定值的偏差， 通过 P I D控制算法来控制变量 ， 通过调整加热机构 的加热时 间， 使温度稳定在设定点上。上位机在 Wi n d o w s平台下采用 V C+编写控制和监控软件， 设计 良好的人机交互界面， 用于 设定温度以及预热、 分析校正时间。采用 J T A G接 口进行系统 仿真调试以及最终程序的烧录。系统结构框图如图 1所示。 2 温控 系统主要硬件设计 系统对温度采集的精度要求高， 结合实际需求和性价比综 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 71 1 收修改稿 E t 期 ： 2 0 1 4 0 31 0 图 1 系统结构图 合考虑， 选用高精度铂电阻 P t lO 0作为温度传感器， 其性能稳 定、 重复性好 ， 测量温度高， 广泛用于精密测量。铂电阻在 0 8 5 0 o C范围， 电阻与温度的关系为 R ： R o ( 1+ +B t 。 ) 式中： R 为 时的电阻值； R o为 0时的电阻值； A、 B为常 数， A= 3 9 0 8 0 21 0一 一 ， B=一 5 8 0 21 0一 一 。 在使用过程中， 只要测得阻值， 便可从分度表上查出对应 的温度值。由于传感器采样电路采集的信号微弱， 需要设计一 个稳定可 靠放大 电路将 电信 号放大。文 中采用精 密运 放 O P A 2 2 3 5与 L F 3 5 1 M构成多级放大电路 ， 具有低噪声 、 零漂小的 特点。可以通过低通电路对采样信号中的高频成分进行滤波 处理， 再通过 A R M的软件滤波方法剔除低频干扰， 可有效提高 A D的采样精度。系统通过串口通讯传输数据， 处理器输出的 是 T F L C O MS电平 ， 而 P C串口为 R S 2 3 2电平 ， 所以需要使用一 第 8期 项贤军等： 基于 C o a e x M3的气相色谱仪温控系统 3 1 个电平转换芯片 M A X 3 2 3 2实现双向电压转换， 其原理图如图2 所 示 。 图2串口原理 图 3 上下位机的软件实现 3 1 P I D温控算法的设计 P I D调节器是一种线性调节器 ， 它将给定值 r ( t ) 与实际输 出值 c ( t ) 的偏差的比例( P ) 、 积分( I ) 、 微分( D) 通过线性组合 构成控制量， 对控制对象进行控制。 ( 1 ) P I D调节器的微分方程 ) = ) + ) 7 1D 】 式中e ( t )= ， ( )一C ( z ) ( 2 ) P I D调节器的传输函数 D ( s ) = = K r 1 + 币 1 + s ) ( 3 ) 增量型 P I D算法的算式 A U ( n ) =U ( It )一U ( n 一1 )= a o e ( n )+ a l e ( n 1 ) + a 2 e ( - 2 ) 式 中 ：a o = K p ( 1 + 吾 + ) l = 一 ( 1 + 等) = 一 丁T D ； U ( n )、 U ( n一1 ) 分别为 n时刻、 n一1时刻的采样值 ； AU ( n ) 为 偏 差 。 利用控制软件实现 P I D控制算法， 并输出变量U( n ) 。 3 2 下位机程序设计 系统 采 用实 时操 作 系统 C O S一 ， 因此第 一 步 在 S T M3 2 F 1 0 7 V C T 6上移植操作系统。操作系统根据各个任务 的 要求， 进行资源管理 、 消息管理、 任务调度及异常处理等工作。 系统移植完成后 ， 就可以开发应用程序。系统下位机的主要任 务： 系统参数的初始化； 串口数据传输； 温度 P I D调节。主程序 如下： v o i d m a i n ( v o id ) B S P_I n t D i s A I 1 ( ) ； T ime r T ic k s = 0； T i me r lI n it ( )； C o n fig u r e Wa t c h D o g ( ) ； O S I n i t ( ) ； O S T a s k C r e a t e ( P r o c e s s T a s k ， ( v o i d ) 蹦 ， ( v o i d ) & P r o c e s s S t k 0 S T ASK_I DL ES TK_T O P ， 2 2) ； O S T a s k C r e a t e (C o m mu n i c a t i o n T a s k ，(v o i d ) & i，(v o i d ) C o m m u n ic a t i o n S t k O S _ T A S K _ I D L E S T K _ T O P ， 2 3 ) ； O S T a s k C r e a t e (C o n s o l e T a s k ， (v o i d ) i (v o i d ) C o n s o l e S t k 0 s r A S K I D L E S T K T 0 P ， 2 9 ) ； O S S t a r t ( ) ； m a i n ( ) 函数中首先调用 B S P I n t D i s A ll( ) 3 J 。此函数的代 码在 b s p i n t c中实现。O S I n it ( ) 用于初始化 C O S一， O s T a s k C r e a t e ( ) 的作用是创建一个应用任务。系统共有 3个任 务， 因此需要调用 3次。O S S t a r t 用来启动多任务调度， 它将启 动创建的最高优先级任务。 在串口数据传输过程中， 除了对常用的波特率 、 奇偶校验 位和数据位等常规参数之外 ， 还需要定义一个上下位机能互相 识别的通讯协议。系统需要传输的数据较多， 文中以温度值 的 协议为例， 其他数据方法相同， 具体格式如表 l所示。 表 1 串口通讯协议 起始符： 当收到“ f e f e ” 2个字节， 表示此次通讯开始。节点地 址： 当有多个节点时， 根据此字节判断该次通讯的是哪个节点， 系 统只有 1 个节点， 则为“ 1 ” 。功能代码： 判断该次接收的数据是哪 个功能块， 比如温度值的功能代码为“ 0 1 ” 。数据： 该次通讯需要发 送的数据， 温度值需要 3 个数据， 因此就发送 D 1 ， D 2 ， D 3 3 个数据。 其中D l为炉温值， D 2 为柱温值， D 3 为油温值。 根据以上协议接收和发送数据 ， 就可以判断此次接收到的 数据代表的实际意义， 然后根据需要对数据进行分类和处理。 下位机接收到数据后进行转换和存储 ， 以便在后续运算中使 用； 上位机接收到数据 ， 经过适当转换后在人机界面的对应位 置实时显示 ， 以便用户即时了解系统的运行状况和状态。温度 控制流程图如图3所示。 图 3 温度控制程序流程图 3 3 上位机软件设计 上位机程序采用 V i s u a l C+开发， 利用 M F C中的控件开 发人机 交互界面 ， 开发 周期 短 、 人 机界 面友好 。上位 机程 序 的 有以下几种功能： 3路温度值的设定及实际值的实时监控 ； 分析 过程压力和时间的设定及实际值的监控 ； 运行模式选择以及手 动操作按钮。上下位机之间利用串口通讯进行数据的传输， 该 程序是利用 MS C o mm控件实现串口通讯的功能。串12 1 的初始 化 程序如下 ： re _S e r i a 1 S e t C o mm P o r t ( 2 ) ； 指定串 口号 re _S e r i a 1 S e t S e t t i n g s ( ” 9 6 0 0 ， N ， 8 ， 1” ) ； 参数设置 ( 下转 第4 2页) 4 2 I n s t r u me n t T e c h n iq u e a n d S e n s o r Au g 2 01 4 =o r b +A ( t l , ) s im p ( 3 ) ， ， 1 ， 式 中 ： 。 争 ) A o e - V r c o s n to t d t ； or 6 寺 上 A o e - V s i n n to t d t ； or 和 o r 为衰减直流分量引起的误差。 设计时采用数据窗移位、 增加采样点数的方法来消除衰减 直流分量引起的误差 ， 即首先对 e 0 ， T 上的 1 ， N 个采样点 进行全波傅氏变换， 然后对 t ， + 上的 2 ， N+1 个 采样点进行全波傅氏变换 ， 最后对 t E 2 AT ， T+A 2 T 上的 3 ， +2 个采样点进行全波傅氏变换。对得到的3组全波傅氏变 换结果， 通过线性方程组联立消元， 解出 or 。 和 or ， 并代入到式 ( 2 ) 和式( 3 ) 中， 就可以得到消除衰减直流分量后的各次谐波分 量的实部和虚部。 。 J 。 4 测量数据测试 按照 G B T 7 2 6 1 2 0 0 8继电保护和安全 自动装置基本试验 方法对测控保护装置进行了检验测试， 交流电流的测试范围为 O一 5 A， 交流电压的测试范围为 01 0 0 V， 频率测试范围4 5 5 5 H z ， 电流、 电压、 频率的部分测试结果如表 I 、 表2 、 表3所示。 从表 1 、 表 2 、 表 3中可见， 电流和电压测量结果的相对误差在 0 2 以内， 频率测量的绝对误差不超过 0 0 2 H z 表 1 交流电流的部分测试结果 表 3 频率的部分测试结果 5结论 文中介绍了一种基于 C A N总线的智能变电站变送器， 该 变送器可以对 1 0 k V及其以下分布式变电站运行过程中的电 压、 电流和频率等电力参数进行检测和显示 ， 对出现的过流、 过 压、 过负荷等情况做出正确处理， 并具有对变压器进行非 电量 保护的功能。变送器可以单独使用， 也可以通过 C A N总线与 上位监控主机构成分布式监控系统， 实现对变电站的分散控制 和集中监管。 参考文献： 1 】 王璐， 王步华， 宋丽君， 等 基于I E C 6 1 8 5 0的数字化变电站的研究 与应用 电力系统保护与控制， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 2 4 ) ： 9 0 9 2 2 刘益青， 高伟聪， 魏鹏， 等 基于 M C U+ D S P 多处理器构架的微机 保护硬件平台设计 电力系统保护与控制， 2 0 1 0 ， 3 8 ( 1 0 ) ： 8 9 9 1 3 李明勇， 郑恩让， 马令坤 基于 F P G A的电力系统谐波分析仪 仪 表技术与传感器， 2 0 1 3 ( 2 ) ： 3 1 3 3 4 于克泳 ， 孙建军 新 一代 l6位 8通 道 同步采 样 A D CA D 7 6 0 6在 智能 电网 中的应用 电子产品世界， 2 0 1 0 ( 1 0 ) ： 6 3 6 5 5 翟亚芳， 张天鹏， 夏路甲， 等 基于 C A N总线的智能低压断路器控 制器设计 郑州大学学报( 理学版 ) ， 2 0 1 3， 4 5 ( 1 ) ： 1 0 51 0 9 6 张秋丽， 黄纯， 贺建辉， 等 一种消除衰减直流分量的改进 D F T 递 推算法 电力系统保护与控制 ， 2 0 1 0， 3 8( 2 4 ) ： 1 5 作者简介 ： 吴 战伟 ( 1 9 8 2 一) ， 工程硕士 ， 工程师 ， 主要研究 方向为 电力 系 统继电保护与控制。 E - ma i l： w u z h a n w e ix j g c c o m ( 上接第3 1页) m _S e ria 1 S e t l n B u ff e r S i z e ( 1 0 2 4 )； 接 收缓 冲区大小 m S e r ia1 S e t l n B u f f e r C o u n t ( 0 ) ； 清空缓存区 m _S e r ia 1 I n p