基于DSP的取暖锅炉流量温度的在线检测

1、目录第1章 绪 论11.1 问题的提出及研究的目的和意义11.2 国内外发展现状和趋势2第2章 课题的总体介绍与研究方案42.1 系统的方案和技术指标42.1.1方案及实施计划42.1.2主要的技术指标及水平42.2 锅炉的整体系统介绍42.2.1锅炉的原理介绍42.2.2 锅炉的工作82.2.3 锅炉的结构9第3章 测量理论原理113.1火焰温度场理论113.2 相关流量测量原理12第4章 控制系统的硬件设计144.1 DSP时钟电路设计144.1.1晶振电路设计144.1.2 DSP分频电路设计154.2 DSP仿真接口154.3 系统的供电设计164.4 A/D采集电路设计174.5复位

2、电路以及电源指示灯电路设计184.6 DSP中的上拉电路194.7液晶接口电路设计194.8点平转换电路设计204.9 通信电路设计224.10流量信号放大电路224.11温度采集电路23第5章 系统软件设计245.1 CCS3.1的使用245.2 系统的框图265.3 DSP5409芯片介绍275.4 TMS320C54x DSP简介285.5 TMS320C54x DSP的主要特征285.6 A/D采集程序31第6章 总结与展望326.1 全文总结326.2 展望32致谢33参考文献34第1章 绪 论1.1 问题的提出及研究的目的和意义在火焰监视系统中,对火焰图像检测处理均要求有较高的实时

3、性.目前系统的硬件一般采用图像采集卡加计算机的结构,其实时性和并行性都无法得到保证。本文设计了一套基于DSP与PCI总线的嵌入式图像火焰温度场测量和燃烧诊断系统,用硬件来实现一部分PC的功能,把软件算法嵌入到DSP中实现,充分利用DSP的高速度和并行性,不仅使数据处理能力和系统的实时性得到大幅的提升,而且还减轻了PC的负担,同时也增强了系统的可靠性。针对电站锅炉温度场测量及燃烧诊断中存在的问题,设计了一套基于PCI总线和DSP嵌入式火焰图像处理系统,给出了DSP接口的电路以及程序设计的方法.经过200MW机组试验表明,系统实现了高速连续的视频采集及处理,其温度场测量相对误差5%,满足了焰监测和

4、燃烧诊断的实时性以及系统对测量精度的要求相关流量测量技术是以随机过程的相关理论为基础的一种流动参数检测技术。它在解决两相(气/液、气/固和液/固等)流体以及多相多组份)流体的流动参数测量问题上具有巨大的力。相关流量测量技术的发展已有二十余年的时间了,但距工业生产中的大范围应用仍有一定的距离。在相关测量机理、传感器及相关器的设计等方面仍有一些问题需要解决。DSP应用产品获得成功的一个标志就是进入产业化。在以往的二十年中，这一进程在不断重复进行，只是周期在不断缩小。在数字信息时代，更多的新技术和新产品需要快速地推上市场，因此，DSP的产业化进程还是需要加速进行。 问题补充：DSP的产业价值体系可分

5、为以下几个层面: 作为DSP产品最核心的，或是最底层的当然是器件，芯片制造商应当提供完整的文档资料，技术支持，并提供价格和货期支持。但对于DSP系统开发，这显然是不够的，因为最终产品开发必然与系统集成紧密相关是最高层。那么，这其中的几个层面是如何划分的呢？在DSP器件之上是开发和演示系统，其中包括参考设计和一些定制化的设计，一般由TI和第三方合作伙伴提供；在此之上就是标准应用算法，TI和第三方合作伙伴可部分提供，而客户将介入，并存在目标代码或源代码的授权问题。然后就是操作系统、设备驱动和协议栈层，需要开发授权；由此，可以上升到系统应用层面，已验证系统概念演示。至此，产品开发底层工作已经就绪，客

6、户和其OEM厂商可进行最后的产品化工作。相关流量测量技术是以随机过程的相关理论为基础的一种流动参数检测技术。它在解决两相(气/液、气/固和液/固等)流体以及多相(多组份)流体的流动参数测量问题上具有巨大的潜力。相关流量测量技术的发展已有二十余年的时间了,但距工业生产中的大范围应用有一定的距离。在相关测量机理、传感器及相关器的设计等方面仍有一些问题需要解决。以往的相关器的设计多是基于时域的计算方法,为了简化计算,一般采用极性相关,即将信号进行1bit量化后进行相关运算,为了减小量化带来的误差,一般需要较长的积分时间,而且在量化的同时也丢失了流动信号中包含的与流动状态有关的信息。近年来随着微电子学

7、、数字信号处理、计算技术的发展,数字信号处理器(DSP)获得了飞速的发展。它可将数字信号处理的理论与算法实时地实现。因而获得了广泛的应用。正是由于DSP及快速傅立叶变换等信号处理的快速算法的发展,使得在频域进行相关运算成为可能。同时将流动信号变换到频域并利用各种信号分析方法可能会得到一些与流动状态有关的信息,从而可进一步改进与完善相关测量技术。因而频域内的相关方法的研究具有极大的潜在价值。本文正是对此进行了初步的尝试,并利用DSP构成了一个相关流量测量系统,在频域内将相关运算实时地实现。1.2 国内外发展现状和趋势进入九十年代，有多家公司跻身于DSP领域与TI进行市场竞争。TI首家提供可 定制

8、 DSP，称作cDSP。cDSP 基于内核 DSP的设计可使DSP具有更高的系统集成 度，大加速了产品的上市时间。同时TI瞄准DSP电子市场上成长速度最快的领域，适时地提供各种面向未来发展的解决方案。到九十年代中期，这种可编程的DSP器件已广泛应用于数据通信、海量存储、语音处理、汽车电子、消费类音频和视频产品等等，其中最为辉煌的成就是在数字蜂窝电话中的成功。德州仪器通过不断革新，推陈出新，DSP业务也一跃成为TI的最大的业务，并始终处于全球DSP市场的领导地位。虽然这个阶段DSP每MIPS的价格已降到10美分到1美元的范围，但DSP所带动的市场规模巨大。 目标应用 工业仪器军事 调制解调器硬盘

9、驱动器数字答录机蜂窝电话等 多媒体网关数字相机智能电话数字广播等 新一代手机流媒体设备数字电视机等等。可以看出在各个时代，DSP性能随集成度的增加而提高，而价格却一直在下降。DSP突出的性能价格比趋势似乎也在很好地演绎着Moore定律。从不断扩大的目标应用来看，DSP在数字信息产品的市场地位越来越重要。八十年代前后，陆续有公司设计出适合于DSP处理技术的处理器，于是DSP开始成为一种高性能处理器的名称。TI在1982年发表一款DSP处理器名为TMS32010，其出色的性能和特性倍受业界的关注，当然新兴的DSP业务的确承担着巨大的风险，究竟向哪里拓展是生死攸关的问题。当努力使DSP处理器每MIP

10、S成本也降到了适合于商用的低于$10美元范围时，DSP不仅在在军事，而且在工业和商业应用中不断获得成功。1991年TI推出的DSP批量单价首次低于$5美元而可与16 位 的微处理器相媲美，但所能提供的性能却是其5至10倍。在经历整整二十年的市场拓展之后，DSP所树立的高速处理器地位不仅不可动摇，而且业已成为数字信息时代的核心引擎。与此同时，DSP的市场正在蓬勃发展。根据Forward Concepts 分析家的预测，今年全球DSP销量将达到$82亿美元，比去年增加约三分之一。而对于2004年和2005年的预测值，则分别是$108亿元和$140亿元，并预言未来几年DSP都将以每年超过30%的速度

11、成长。根据CCID权威的分析，中国DSP市场今年可达到120亿元人民币，比去年增长约40%，未来的增长将可能超过全球的平均速度。对于DSP市场的高速增长，许多人充满着浓厚的兴趣。本文将结合DSP纵向的发历程和横向的拓展方向进行探讨，以便探讨DSP市场拓展的特点。 DSP商品化历程。 第2章 课题的总体介绍与研究方案2.1 系统的方案和技术指标 2.1.1方案及实施计划系统采用主从机结构及中断方式工作,结合DSP的高速处理能力及频域内的快速算法,从而保证了相关运算的实时性。实验表明系统计算实际流动噪声信号所得相关波形良好,例如对油水两相流的流动信号作相关运算,在几个典型的流量及含水值下,连续测量

12、的实时性也很好,从而表明频域内的相关计算方法是可行的。以DSP为核心的实时图像采集处理系统采用视频解码器SAA7111A和CPLD完成实时图像采集,由6205进行实时图像处理并获得火焰特征参数,通过PCI总线完成与主机系统的通信任务,由主机实现燃烧诊断算法.这样大大提高了火焰图像检测处理速度,提高了锅炉燃烧监控系统的实时性和稳定性,为复杂的运算和判据的实现以及进一步的燃烧诊断与指导锅炉运行提供了坚实的基础.目前本系统已在国产200MW火电机组上投入试运行,效果良好。2.1.2主要的技术指标及水平针对电站锅炉温度场测量及燃烧诊断中存在的问题,设计了一套基于PCI总线和DSP的嵌入式火焰图像处理系

13、统,给出了与DSP接口的电路以及程序设计的方法.经过200MW机组的试验表明,该系统实现了高速连续的视频采集及处理,其温度场测量相对误差小于5%,满足了火焰监测和燃烧诊断的实时性以及系统对测量精度的要求。2.2 锅炉的整体系统介绍2.2.1锅炉的原理介绍1、什么是锅炉 将其它热能转变成其它工质热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。 锅炉设备中，吸热的部分称为锅，产生热量的部分称为炉。例如水冷壁、过热器、省煤器等吸热的部分可以看成是锅；而炉膛、燃烧器、燃油泵，送、引风机可以看成是炉。现代化的锅炉不像一般家庭用的锅和炉那样分得清楚。例如空气预热器既是吸热的部分，又是产生热量的部分，既可以看

14、成是锅的部分也可以看成是炉的部分。 2、锅炉如何分类 锅炉可按不同的方式分类： 按锅炉燃用的燃料分类可分为：燃煤炉、燃油炉和燃气炉。 按燃烧方式分类可分为：层燃炉、室燃炉和介于二者之间的沸腾（流化床）炉。 按锅炉水循环方式分类可分为：自然循环锅炉、强制循环锅炉和复合循环锅炉。 按有无汽包分类可分为：汽包锅炉和直流锅炉。 按蒸汽压力分类可分为：低压锅炉、中压锅炉、次高压锅炉、高压锅炉、超高压锅炉、亚临界压力锅炉和超临界压力锅炉。 按管内通过的是水还是烟气分类可分为：火管锅炉、水管锅炉和水火管组合式锅炉。 按锅炉的用途分为：生活锅炉、工业锅炉、电站锅炉和热水锅炉。 3、什么是火管锅炉 所谓火管锅炉

15、就是燃料燃烧后产生的烟气在火筒或烟管中流过，对火筒或烟管外水、汽或汽水混合物加热。 4、什么是水管锅炉 所谓水管锅炉，就是水、汽或汽水混合物在管内流动，而火焰或烟气在管外燃烧和流动的锅炉。 5、什么是循环流化床锅炉 循环流化床锅炉是在流化床锅炉（又称鼓泡床或沸腾床锅炉）的基础上改进和发展起来的一种新型锅炉。循环流化床锅炉保留了流化床锅炉的全部优点，而避免和消除了流化床锅炉存在的热效率低、埋管受热面磨损严重和脱硫剂石灰石利用不充分、消耗量大和难于大型化等缺点。 循环流化床锅炉床料处于流化状态与流化床锅炉是相同的，前者与后者的主要区别是前者的流化速度较高，炉膛出口烟气中物料的浓度很高，大量的物料被

16、炉膛出口的物料分离器分离后返送回炉膛，即有大量物料在炉膛和物料分离器之间循环。 锅炉常用名词解释 6、蒸汽锅炉 蒸汽锅炉是用热能加热水（工质）产生蒸汽的设备。它由锅和炉两部分组成：锅是锅炉接受热量，并把热量传给工质的受热面系统；炉是指锅炉中把燃料的化学能变为热能的空间和烟气流通的通道。通常用“吨/时”或“t/h”表示锅炉的容量。用“Mpa”或“兆帕”（旧单位用“公斤力/厘米2”或“kgf/cm2”）表示锅炉的额定压力，用“”（摄氏度）表示额定压力下饱和蒸汽的温度和过热蒸汽温度。 7、热水锅炉 是指载热工质为热水的锅炉。通常用“MW”（兆瓦），旧单位用“万千瓦/时”或“万大卡/时”，即“104k

17、cal/h”表示锅炉的容量，用“Mpa”表示锅炉的额定压力，用“”表示热水温度。 热水锅炉主要用于北方采暖，分为高温热水锅炉（热水温度为130或更高一些）和低温热水锅炉（热水温度在95以下），过去多半采用低温热水锅炉，今后要发展高温热水锅炉，热水锅炉有自然循环和强制循环两种。我司卧式三回程锅壳式热水锅炉为自然循环。 8、有机热载体炉 是指载热工质为高温导热油（也称热煤体、热载体）的新型热能转换设备。通常也用“MW”（兆瓦）表示炉的容量，旧单位也用“万千瓦/时”或“万大卡/时”，即“104kcal/h”表示。有机热载体炉（也称导热油炉）的优势在于“高温低压“、运行平稳而被广泛运用。有机热载体炉有

18、液相、气相之分。我司有机热载体炉为液相。 9、锅炉容量 是指蒸汽锅炉、热水锅炉、有机热载体炉提供热能的一种能力。容量大供热的能力大、出力大；反之就小。如：容量为1t/h蒸汽锅炉，即表示该锅炉在1小时内可以将1吨的水变成一定压力下饱和蒸汽的能力；如0.7 MW的热水炉和有机热载体炉表示可以在1小时内产生相当于0.7MW功率的热量（相当于1吨蒸汽的热量）。 10、锅炉受热面 通常是指接触火焰或烟气一侧之金属表面积（另一侧接触水或导热油）。锅炉的热交换就是通过这样的金属表面积来进行的。一般用米2（m2）来计量的，受热面积大，锅炉容量就大，反之就小。 11、温度 是标志着物体冷热程度的状态参数，一般用

19、“”（摄氏度）表示。英、美等国过去通用“”（华氏度），水沸点为100，转换为华氏度为212。 12、锅炉压力 锅炉行业通常所指的锅炉压力（压强）即表示垂直于容器单位壁面积上的力，用“Mpa”表示，旧单位“公斤力/厘米2” （kgf/cm2）。 13、饱和蒸汽 锅炉中的水在某一压力下被燃料燃烧所放出的热量加热而发生沸腾，汽化变为蒸汽，这种处于沸腾状态下的炉水温度是饱和蒸汽；锅内压力高，饱和蒸汽温度就高。如1.0 Mpa饱和蒸汽温度184，1.25 Mpa饱和蒸汽温度193。 14、过热蒸汽 温度高于对应压力下的饱和温度的蒸汽称为过热蒸汽。过热蒸汽的热焓大，熵值高做功的能力大，与饱和蒸汽质量相同的

20、过热蒸汽作为热源用，可使被加热的介质温度升得高，送入汽轮发电机则可以发出较多的电力。 15、锅炉热效率 是指锅炉或有机热载体炉在热交接过程中，被水、蒸汽或导热油所吸收的热量，占进入锅炉的燃料完全燃烧所放出的热量的百分数。 被锅炉吸收的热量（有效利用热量） 燃料完全燃烧放出的热量 锅炉的种类及应用 将其它热能转变成其它工质热能，生产规定参数和品质的工质的设备称为锅炉。燃烧设备以提供良好的燃烧条件，以求能把燃料的化学能最大限度地释放出来并其转化为热能，把水加热成为热水或蒸汽的机械设备。锅炉包括锅和炉两大部分，锅的原义是指在火上加热的盛水容器，炉是指燃烧燃料的场所。锅炉中产生的热水或蒸汽可直接为生产

21、和生活提供所需要的热能，也可通过蒸汽动力装置转换为机械能，或再通过发电机将机械能转换为电能。提供热水的锅炉称为热水锅炉，主要用于生活，工业生产中也有少量应用。产生蒸汽的锅炉称为蒸汽锅炉，又叫蒸汽发生器，常简称为锅炉，是蒸汽动力装置的重要组成部分，多用于火电站、船舶、机车和工矿企业。锅炉的发展 锅炉的发展分锅和炉两个方面。 18世纪上半叶，英国煤矿使用的蒸汽机，包括瓦特的初期蒸汽机在内，所用的蒸汽压力等于大气压力。18世纪后半叶改用高于大气压力的蒸汽。19世纪，常用的蒸汽压力提高到0.8兆帕左右。与此相适应，最早的蒸汽锅炉是一个盛水的大直径圆筒形立式锅壳，后来改用卧式锅壳，在锅壳下方砖砌炉体中烧

22、火。随着锅炉越做越大，为了增加受热面积，在锅壳中加装火筒，在火筒前端烧火，烟气从火筒后面出来，通过砖砌的烟道排向烟囱并对锅壳的外部加热，称为火筒锅炉。开始只装一只火筒，称为单火筒锅炉或康尼许锅炉，后来加到两个火筒，称为双火筒锅炉或兰开夏锅炉。1830年左右，在掌握了优质钢管的生产和胀管技术之后出现了火管锅炉。一些火管装在锅壳中，构成锅炉的主要受热面，火(烟气)在管内流过。在锅壳的存水线以下装上尽量多的火管，称为卧式外燃回火管锅炉。它的金属耗量较低，但需要很大的砌体。19世纪中叶，出现了水管锅炉。锅炉受热面是锅壳外的水管，取代了锅壳本身和锅壳内的火筒、火管。锅炉的受热面积和蒸汽压力的增加不再受到

23、锅壳直径的限制，有利于提高锅炉蒸发量和蒸汽压力。这种锅炉中的圆筒形锅壳遂改名为锅筒，或称为汽包。初期的水管锅炉只用直水管，直水管锅炉的压力和容量都受到限制。二十世纪初期，汽轮机开始发展，它要求配以容量和蒸汽参数较高的锅炉。直水管锅炉已不能满足要求。随着制造工艺和水处理技术的发展，出现了弯水管式锅炉。开始是采用多锅筒式。随着水冷壁、过热器和省煤器的应用，以及锅筒内部汽、水分离元件的改进，锅筒数目逐渐减少，既节约了金属，又有利于提高锅炉的压力、温度、容量和效率。 以前的火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉都属于自然循环锅炉，水汽在上升、下降管路中因受热情况不同，造成密度差而产生自然流动。在发展自然循环锅炉

24、的同时，从30年代开始应用直流锅炉，40年代开始应用辅助循环锅炉。辅助循环锅炉又称强制循环锅炉，它是在自然循环锅炉的基础上发展起来的。在下降管系统内加装循环泵，以加强蒸发受热面的水循环。直流锅炉中没有锅筒，给水由给水泵送入省煤器，经水冷壁和过热器等蒸发受热面，变成过热蒸汽送往汽轮机，各部分流动阻力全由给水泵来克服。第二次世界大战以后，这两种型式的锅炉得到较快发展，因为当时发电机组要求高温高压和大容量。发展这两种锅炉的目的是缩小或不用锅筒，可以采用小直径管子作受热面，可以比较自由地布置受热面。随着自动控制和水处理技术的进步，它们渐趋成熟。因此，不但要求发展各种炉型来适应不同燃料的燃烧特点，而且还

25、要提高燃烧效率以节约能源。此外，炉膛和燃烧设备的技术改进还要求尽量减少锅炉排烟中的污染物(硫氧化物和氮氧化物) 早年的锅壳锅炉采用固定炉排，多燃用优质煤和木柴，加煤和除渣均用手工操作。直水管锅炉出现后开始采用机械化炉排，其中链条炉排得到了广泛的应用。2.2.2 锅炉的工作锅炉参数是表示锅炉性能的主要指标，包括锅炉容量、蒸汽压力、蒸汽温度、给水温度等。锅炉容量可用额定蒸发量或最大连续蒸发量来表示。额定蒸发量是在规定的出口压力、温度和效率下，单位时间内连续生产的蒸汽量。最大连续蒸发量是在规定的出口压力、温度下，单位时间内能最大连续生产的蒸汽量。蒸汽参数包括锅炉的蒸汽压力和温度，通常是指过热器、再热

26、器出口处的过热蒸汽压力和温度如没有过热器和再热器，即指锅炉出口处的饱和蒸汽压力和温度。给水温度是指省煤器的进水温度，无省煤器时即指锅筒进水温度。锅炉可按照不同的方法进行分类。锅炉按用途可分为工业锅炉、电站锅炉、船用锅炉和机车锅炉等；按锅炉出口压力可分为低压、中压、高压、超高压、亚临界压力、超临界压力等锅炉；锅炉按水和烟气的流动路径可分为火筒锅炉、火管锅炉和水管锅炉，其中火筒锅炉和火管锅炉又合称为锅壳锅炉；按循环方式可分为自然循环锅炉、辅助循环锅炉(即强制循环锅炉)、直流锅炉和复合循环锅炉；按燃烧方式，锅炉分为室燃炉、层燃炉和沸腾炉等。在水汽系统方面，给水在加热器中加热到一定温度后，经给水管道进

27、入省煤器，进一步加热以后送入锅筒，与锅水混合后沿下降管下行至水冷壁进口集箱。水在水冷壁管内吸收炉膛辐射热形成汽水混合物经上升管到达锅筒中，由汽水分离装置使水、汽分离。分离出来的饱和蒸汽由锅筒上部流往过热器，继续吸热成为450的过热蒸汽，然后送往汽轮机。在燃烧和烟风系统方面，送风机将空气送入空气预热器加热到一定温度。在磨煤机中被磨成一定细度的煤粉，由来自空气预热器的一部分热空气携带经燃烧器喷入炉膛。燃烧器喷出的煤粉与空气混合物在炉膛中与其余的热空气混合燃烧，放出大量热量。燃烧后的热烟气顺序流经炉膛、凝渣管束、过热器、省煤器和空气预热器后，再经过除尘装置，除去其中的飞灰，最后由引风机送往烟囱排向大

28、气。2.2.3 锅炉的结构 锅炉整体的结构包括锅炉本体和辅助设备两大部分。锅炉中的炉膛、锅筒、燃烧器、水冷壁过热器、省煤器、空气预热器、构架和炉墙等主要部件构成生产蒸汽的核心部分，称为锅炉本体。锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒。 炉膛又称燃烧室，是供燃料燃烧的空间。将固体燃料放在炉排上，进行火床燃烧的炉膛称为层燃炉，又称火床炉；将液体、气体或磨成粉状的固体燃料，喷入火室燃烧的炉膛称为室燃炉，又称火室炉；空气将煤粒托起使其呈沸腾状态燃烧，并适于燃烧劣质燃料的炉膛称为沸腾炉，又称流化床炉；利用空气流使煤粒高速旋转，并强烈火烧的圆筒形炉膛称为旋风炉。炉膛的横截面一般为正方形或矩形。燃料在炉膛内

29、燃烧形成火焰和高温烟气，所以炉膛四周的炉墙由耐高温材料和保温材料构成。在炉墙的内表面上常敷设水冷壁管，它既保护炉墙不致烧坏，又吸收火焰和高温烟气的大量辐射热。炉膛设计需要充分考虑使用燃料的特性。每台锅炉应尽量燃用原设计的燃料。燃用特性差别较大的燃料时锅炉运行的经济性和可靠性都可能降低。锅筒是自然循环和多次强制循环锅炉中，接受省煤器来的给水、联接循环回路，并向过热器输送饱和蒸汽的圆筒形容器。锅筒简体由优质厚钢板制成，是锅炉中最重的部件之一。锅筒的主要功能是储水，进行汽水分离，在运行中排除锅水中的盐水和泥渣，避免含有高浓度盐分和杂质的锅水随蒸汽进入过热器和汽轮机中。锅筒内部装置包括汽水分离和蒸汽清

30、洗装置、给水分配管、排污和加药设备等。其中汽水分离装置的作用是将从水冷壁来的饱和蒸汽与水分离开来，并尽量减少蒸汽中携带的细小水滴。中、低压锅炉常用挡板和缝隙挡板作为粗分离元件；中压以上的锅炉除广泛采用多种型式的旋风分离器进行粗分离外，还用百页窗、钢丝网或均汽板等进行进一步分离。锅筒上还装有水位表、安全阀等监测和保护设施。 为了考核性能和改进设计，锅炉常要经过热平衡试验。直接从有效利用能量来计算锅炉热效率的方法叫正平衡，从各种热损失来反算效率的方法叫反平衡。考虑锅炉房的实际效益时，不仅要看锅炉热效率，还要计及锅炉辅机所消耗的能量。 第3章 测量理论原理3.1火焰温度场理论1火焰温度场理论火焰温度

31、场的动态测量直接反映了燃烧工况组织是否合理,为判断燃烧稳定性和燃烧产物污生成量的重要依据.根据辐射测温理论,这里采用色法1-2测温.辐射测温的基础是普朗克定律,在燃烧火焰的波长范围(400750 nm)内及温度在3 000 K以下时,用维恩公式代替普朗克公式较好维恩公式M(,T)= C1(,T)-5exp-C2T. (1式中:M(,T)表示波长为辐射能;(,T)为辐射率;T为热力学温度;C1,C2分别为第一、第二辐射常数. C1=3.741 84410-16Wm2,C2=0014 388 33 mK.由于CCD获取的彩色火焰图像在计算机内是以像素为单位逐点存贮的,每一点存贮的信息量都包含了该点

32、的R,G,B三种与接收到的辐射能成正比的亮度值.在窄带假设下,三色的亮度值可分别表示为:Re= k0780320M(,T)R()d= k0kRM(R,T),Ge= k0780320M(,T)G()d= k0kGM(G,T),Be= k0780320M(,T)B()d= k0kBM(B,T).(2)式中,R()、G()、B()分别为R,G,B三通道的光谱响应函数.k0为系统的增益,M(i,T)(i =R,G,B表示火焰对应于=i的单色辐射能,ki为比例因子,R、G、B分别表示获取的图像的R,G,B三通道光谱响应曲线峰值所对应的波长.由上式可得ReGe=kRkGRGBG5e-c2T1R-1G, (

33、3)GeBe=kGkBGBGB5e-c2T1G-1B, (4)由式(3)、(4)可得T =C22G-1B-1BlnReGeBe2+5lnRBG+lnkRkBkG2+lnRBG2. (5)由小粒子散射理论和Hottgl-Brougtoh1方程可以推得,R,G,B三色波辐射率满足RBG2=1.03,而kRkBkG2可通过黑体炉实验标定3.3.2 相关流量测量原理相关测量原理如图1所示,上、下游传感器检测到流体流动过程中产生的流动噪声信号x(t)、y(t),然后对x(t)、y(t)作如下相关运算 图3-1 测量原理 Rxy()=lim1TT0y(t)x(t-)dt (1)图1 相关测量原理 由于随机

34、信号x(t)、y(t)具有一定的相关性,故互相关函数Rxy()会出现一峰值,峰值Rxy(0)对应的0即是流体流经上游传感器到下游传感器的渡越时间。由于两传感器的间距L一定,故流体的平均流速为: Vcp=L/0(2)将(1)式简化成有限时间长度和式为: Rxy()=1NNi= 1y(i)x(i-) (3)式中为采样时间间隔。可见完成N个不同延时值的相关运算要分别进行N2次的乘加运算,运算量非常大,运用相关定理可大大减少运算量。2.2 相关定理设X(ej)、Y(ej)及Pxy(ej)分别是x(n)、y(n)及Rxy()的傅立叶变换,且Rxy()是x(n)、y(n)的互相关函数,则有: Pxy(ej

35、)=X(ej)Y(ej) (4)由此可见,利用傅立叶变换将运算由时域变换到频域,只需进行N次乘法并将结果变换到时域,即可得到N个不同延时值的相关结果,大大减少了运算量。利用快速傅立叶变换和DSP的高速运算能力,即可构成实时性很好的相关流量测量系统。第4章 控制系统的硬件设计4.1 DSP时钟电路设计4.1.1晶振电路设计无源晶体与有源晶振的区别、应用范围及用法：1、无源晶体无源晶体需要用DSP片内的振荡器，在datasheet上有建议的连接方法。无源晶体没有电压的问题，信号电平是可变的，也就是说是根据起振电路来决定的，同样的晶体可以适用于多种电压，可用于多种不同时钟信号电压要求的DSP，而且价

36、格通常也较低，因此对于一般的应用如果条件许可建议用晶体，这尤其适合于产品线丰富批量大的生产者。无源晶体相对于晶振而言其缺陷是信号质量较差，通常需要精确匹配外围电路（用于信号匹配的电容、电感、电阻等），更换不同频率的晶体时周边配置电路需要做相应的调整。建议采用精度较高的石英晶体，尽可能不要采用精度低的陶瓷警惕。2、有源晶振有源晶振不需要DSP的内部振荡器，信号质量好，比较稳定，而且连接方式相对简单（主要是做好电源滤波，通常使用一个电容和电感构成的PI型滤波网络，输出端用一个小阻值的电阻过滤信号即可），不需要复杂的配置电路。有源晶振通常的用法：一脚悬空，二脚接地，三脚接输出，四脚接电压。相对于无源

37、晶体，有源晶振的缺陷是其信号电平是固定的，需要选择好合适输出电平，灵活性较差，而且价格高。对于时序要求敏感的应用，个人认为还是有源的晶振好，因为可以选用比较精密的晶振，甚至是高档的温度补偿晶振。有些DSP内部没有起振电路，只能使用有源的晶振，如TI的6000系列等。有源晶振相比于无源晶体通常体积较大，但现在许多有源晶振是表贴的，体积和晶体相当，有的甚至比许多晶体还要小。鉴于以上分析，DSP工作需要时钟，为了使DSP工作正常，我选择无源晶体振荡器。电路如图4.1所示。图 4.1晶振电路4.1.2 DSP分频电路设计DSP倍频电路如图4.2所示。在仿真时要将MP/MC设置成1，不让片内ROM映射到

38、程序空间，也就是不用让片内bootload程序运行以便进行仿真。当不仿真时MP/MC不用接地。我们可以同过选择拨码开关来选择DSP的工作频率。例如当CLMD3为0 、CLMD2为0、CLMD1为0时不进行分频。这样可以给DSP的工作时钟选择8个不同的频率。图4.2 DSP分频电路4.2 DSP仿真接口DSP的仿真接口JTAG完全遵循IEEE标准，所以我们就按照IEEE标准来连接DSP5409的仿真接口。电路图如图4.3所示。图4.3 DSP5409的JTAG仿真接口电路4.3 系统的供电设计为了使系应用市电220V交流电，我设计了一个工频变压器。变压器的线圈匝数比为220:12。这样变压器的输

39、出端口得到了12V的交流电压。在通过全桥整流得到10.8V的电压作为LM7805的输入。10.8V送入L三段稳压块M7805，这样就可以在LM7805的输出端得到+5v的电压。其次由于输入侧电容并联，并且与LM7805的地相连，这样可以得到一个负电压。将这个负电压送入LM7905就可以得到-5V电压，供AD使用。具体电路图如图4.4所示。图4.4 5V电源电路由于DSP5409的IO供电为3.3V,但是DSP5409芯片的内核供电为1.8V。所以采用TI公司的TPS73HD7301电源芯片来给DSP5409的IO以及内核供电。电路如图4.5所示。图4.5 DSP5409内核以及IO供电电路系统

40、的很多芯片供电都采用3.3V供电，所以才用LM1117，的到3.3V电压。电路图如图4.6所示。图4.6 3.3V电源电路4.4 A/D采集电路设计由于系统要求有快的响应速度，所以我选择了采集速度很快的MAX115。MAX115的内部有RAM，采集完的数据都放在RAM区内。所以需要DSP5409对其进行读写。将DSP5409的读写端口与DSP5409的读写端连接，并且MAX115的地址线与DSP5409的地址总线相连。这样可以方便的对MAX115的数据进行读取。并且MAX115在采集完成后会产生一个终端信号，将这个信号与DSP5409的不可屏蔽端口相连。这样DSP5409可以知道MAX115采

41、集的情况，并且选择合适的时间对其进行操作。电路图如图4.7所示。图4.7 A/D采集电路4.5复位电路以及电源指示灯电路设计由于DSP5409是低电平复位，只要按开关S2对电容C31放电就可以得到一定时间的低电平。这样就可以达到目的。为了直观的看到供电电源的工作与否，我家了LED现实电路。当电源正常时对应的LED灯亮。具体电路如图4.8所示。图4.8 复位电路以及电源指示灯电路4.6 DSP中的上拉电路DSP5409中有些管脚在使用或者未被使用时必须加上拉电阻，只有这样DSP5409才可以正常供作。电路如图4.9所示。图 4.9DSP中的上拉电路4.7液晶接口电路设计为了同时能够显示足够的数据

42、我选择240X128的液晶显示器。具体电路如图4.10所示。图4.10液晶接口电路4.8点平转换电路设计由于DSP5409的管脚电平为3.3V，而液晶电路以及A/D采集电路的电平均为5V，所以要将3.3V的电压信号转换为5V的电平信号。需要进行电平转换的管脚有：地址总线、数据总线以及读写中断接口。地址总线为单向的所以，用74LS244就可以实现。但是数据总线为双向的，所以必须采用双向转换的74LS245芯片。具体电路如图4.11以及图4.12所示。图4.11 地址总线电平转换电路图4.12双向电平转换电路4.9 通信电路设计由于DSP5409的串口为同步的，而我们所需的通信为异步通信。所以必须

43、将同步串口转换为异步串口。我们可以用程序来实现。只要有两个IO口即可。具体电路如图4.13所示。图4.13通信电路图4.14通信电路指示电路4.10流量信号放大电路由于流量传感器感应出的电压在420mV，而A/D采集电路所能采集的电压不在这个范围内，即使能采集那样所得到的数据误差比较大。所以要对流量传感器输出的信号进行放大处理。首先的对信号进行射极跟随，这样能够稳定信号，在对信号放大250倍。具体电路如图4.15所示。图4.15 流量信号放大电路4.11温度采集电路由于锅炉的温度很高，所以采用的温度传感器所能感应的温度的很高，选用PT100，能够满足要求。具体电路图如图4.16所示。图4.16

44、 温度采集电路第5章 系统软件设计5.1 CCS3.1的使用步骤一：安装完ccs3.1后桌面上有如下两个图标，双击下边的图标设置主界面图5.1步骤二；设置主界面图5.2步骤三：选中上图中所选的 2812 XDS560 Emulator，双击打开，显示如下图5.3步骤四：将.光盘里的要复制文件夹里的 两个文件复制到ccs 安装文件下的 ccbin 文件夹下，我的安装路径是D盘，所以复制到的文件夹是D:CCStudio_v3.1ccbin，复制好后，右键单击图中左栏的选中系统，选择properties，弹出对话框设置如下:图5.4步骤五：图5.5步骤六：图5.6步骤七：图5.7图5.8步骤九：在D

45、EBUG菜单下有一个连接目标板的菜单，点击 即可，如果需要打开CCS3.1自动连接，在OPTION里的定制里也有一个选项 ，设置进入CCS窗口时 是否连接目标板图5.95.2 系统的框图系统框图如图5.9所示。图5.10系统框图5.3 DSP5409芯片介绍DSP5409的管脚图如图5.10所示。图5.11 DSP5409管脚图5.4 TMS320C54x DSP简介C54xTM DSP的操作灵活性高，速度快。它具有高级的改进哈佛结构（1条程序存储器总线、3条数据存储器总线和4条地址总线）、带有专用逻辑功能的CPU、片内存储器、片内外设和高度专业化的指令集。后续的DSP器件把C54x的CPU和

46、专用的片内存储器及外设结合起来。这些产品已经并且将来也会继续得到发展，为电子市场上的专门领域服务。C54x器件具有以下优势：q 围绕1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线而建立的增强型哈佛结构，提供更好的性能和多样性。q 具有高度并行和专用硬件逻辑的CPU设计，提供更高性能。q 高度专用的指令集，提供更快的代数运算，提供优化的高级语言操作。q 模块化的结构设计，为后续产品的快速发展提供方便。q 高级IC处理技术为其提供更好的性能和低功耗。q 新的静态设计技术实现低功耗和小辐射。5.5 TMS320C54x DSP的主要特征本节列出了C54x DSP的主要特性。q CPU 高级多总线结构，具有

47、1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线。 40位的算术逻辑单元（ALU），包括一个40位桶形移位器和两个独立的40位累加器。 17位17位并行乘法器和一个40位专用加法器结合完成非流水线的单周期乘/累加（MAC）操作。 比较、选择、存储单元（CSSU）是一个专用的硬件单元，用于Viterbi解码时的加法/比较/选择操作。 在单周期内计算40位累加器中的值的指数的指数编码器。 两个地址产生器，包括8个辅助寄存器和两个辅助寄存器算术单元。 一些DSP器件具有多CPU核结构。q 存储器 192K字16位可寻址的存储器空间（64K字程序空间，64K字数据空间和64K字I/O口）。C548、C549、

48、C5402、C5410和C5420带有扩展程序存储器。 片内结构如表5-1所示（单位：K字）表5-1 TMS32054x DSP的片内结构器 件程序ROM程序/数据ROMDARAMSARAMC54120850C54220100C54320100C545321660C546321660C54820824C5491616824C540244160C5410160856C54200032168 双存取RAM。 单存取RAM。q 指令集 单指令重复和块重复操作。 存储器块搬移指令提供更好的程序和数据管理。 具有32位长操作数指令。 同时读取23个操作数的指令。 并行存取的算术指令。 条件存储指令。 快

49、速中断返回。q 片内外设 软件编程的等待状态发生器。 可编程的块切换逻辑。 片内锁相环（PLL）时钟产生器带有内部振荡器或外部时钟源。如果是外部时钟源，表5-2所示器件选项中任一项都有若干可选的乘数值。每一种器件只能从所列的某一种选项中提供时钟模式的选择。表5-2 器件选项选项1选项2选项31.01.52.03.01.04.04.55.0软件可编程的PLL C541B、C545A、C546A、C548、C549、C5402、C5410和C5420都有一个软件可编程的PLL和两个附加的饱和模式。软件可编程的PLL在8.5.2小节说明，饱和模式在4.1.2小节处理器模式状态寄存器（PMST）中说明

50、。 外部关总线控制使外部数据总线、地址总线和控制信号无效。 数据总线有保持的特性。 可编程定时器。 端口，如表5-3所示。表5-3 端口器 件主机接口串 行 口同步串口缓冲串口多通道缓冲串口时分复用串口C541C542C543C545C546C548C549C5402C5410C542001010111112001100000011112200000000002360110011000单周期定点指令执行时间为25/20/15/12.5/10ns（40MIPS/50MIPS/66MIPS/80MIPS/ 100MIPS），如表5-4所示。表5-4 速度器 件电 源 电 压速 度封 装C541C5

51、41BC542C543C545C545AC546C546AC548C549VC549VC5402VC5410VC54205V3V/3.3V3V/3.3V5V3V/3.3V3V/3.3V3V/3.3V3V/3.3V3V/3.3V3V/3.3V3.3V3.3V3.3V（核2.5V）3.3V（核1.8V）3.3V（核2.5V）3.3V（核1.8V）25ns25ns/20ns15ns25ns25ns/20ns25ns/20ns25ns/20ns15ns25ns/20ns15ns20ns/15ns15ns/12.5ns10ns10ns10ns10ns100引脚TQFP封装100引脚TQFP封装100引脚

52、TQFP封装144引脚TQFP封装128/144引脚TQFP封装100引脚TQFP封装128引脚TQFP封装128引脚TQFP封装100引脚TQFP封装100引脚TQFP封装144引脚TQFP封装144引脚TQFP封装/144引脚BGA封装144引脚TQFP封装/144引脚BGA封装144引脚TQFP封装/144引脚BGA封装144引脚TQFP封装/176引脚BGA封装144引脚TQFP封装/144引脚BGA封装q 功耗 功耗控制由IDLE1、IDLE2和IDLE3指令可进入节电模式。 控制可使CLKOUT信号无效。q 仿真IEEE标准1149.1边界扫描逻辑对接到片内基于扫描的仿真逻辑。5.

53、6 A/D采集程序#includeDSP54x_Project.h#if(CPU_FRQ_150MHZ)/Default-150MHzSYSCLKOUT#defineADC_MODCLK0x3/HSPCLK=SYSCLKOUT/2*ADC_MODCLK2=150/(2*3)=25.0MHz#endif#if(CPU_FRQ_100MHZ)#defineADC_MODCLK0x2/HSPCLK=SYSCLKOUT/2*ADC_MODCLK2=100/(2*2)=25.0MHz#endif#defineADC_CKPS0x1/ADCmoduleclock=HSPCLK/2*ADC_CKPS=25.0MHz/(1*2)=12.5MHz#defineADC_SHCLK0xf/S/HwidthinADCmoduleperiods#defineAVG1000/Averagesamplelimit#defineZOFFSET0x00/AverageZerooffset#defineBUF_SIZE2048/Samplebuffersize第6章 总结与展望6.1 全文总结系统采用主从机结构及中断方式工作,结合DSP的高速处理能力及频域内的快速算法,从而保证了相关运算的实时性。实验表明系统计算实际流动噪声信号所得相关波形良好,例如对油水两相流的流动信号作相