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智能在线PH检测记录仪的研究和设计.pdf

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智能 在线 PH 检测 记录仪 研究 设计
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◎ 谢己工工毒女孽 硕士学位论文 论文题目: 萱篚查缝叫捡型坦量丛的蟹窒塑遮i土 作者姓名 蓥嗑垃 指导教师 叠壁垫筮丝 塑堡塑剑塾筮 学科专业 垫筮丛兰±丛堡造 所在学院 垫垫兰堡生瞳 提交El期 2QQ!生5旦2Q目 浙江工业大学硕士学位论文 智能在线PH检测记录仪的研究和设计 摘 要 PH值检测记录仪代替手工分析,节省了人力、减轻劳动强度、改善劳动条件。仪表监 控具有准确、灵敏、及时、连续等优点,同时对现代化监控系统的运行是十分必要的。由 于通信网络的快速发展,与控制系统相结合便产生了现场总线控制系统(FCS),与之相适应 的现场总线智能仪表将成为未来工业过程控制系统的主流仪表。由上可知设计高精度高测 量准确度的并与现场总线相适应的PH检测仪是十分必要的。 论文在智能在线PH检测记录仪的研究和设计中主要完成的工作有: 1.对PH值检测原理和PROFIBUS总线进行了研究分析。 2.分析了影响PH值测量准确度的三个重要的因素一溶液温度、玻璃电极的内阻和电 极偏差。 3.对采用线性插值、阻抗匹配方、在线标定等方法提高测量准确度在理论上进行了 阐述。 4.设计了智能在线PH值检测仪,选用玻璃电极作传感器采用电位法测量溶液酸碱浓 度。 5.开发了与PROFIBUS.DP总线相适应的通信模块,使本仪器能作为第三方设备挂接 到PROFIBUS.DP网络中。 经过试验与调试表明,设计的智能在线PH值检测记录仪可实时监测被测水质的PH值, 自动对测量数据进行存储并可通过4--20mA标准电流和PROFIBUS—DP通信网络对数据进 行远传,可广泛地使用于水质PH值的在线监测,并且为今后单一仪表向仪表网络实施监 控系统发展打下了良好的基础。 关键词:PH值检测,电位测量法,电极校正,温度补偿,PROFIBUS.DP通信 浙江工业大学硕士学位论文 RESEARCH AND DESIGN oF SM陵RT oNLD吨PH DETECToR AND RECoRDER ABSTRACT PH recorder in lieu of manual analysis saves human resources and reduces labor intensity. Instrumentation Monitoring which is excelled in peciseness,sensitivity and timeliness, continuous is very essential in modem monitoring system.Meanwhile,FCS(Fieldbus Control System)appears because of the combination of rapid developmental communication network and control system.The fieldbus intelligent instrument which adapts to FCS will become mainstreaming instrument in industrial process control system in future.So it is very essential in designing a PH detector晰t11 lligh precision and accuracy which is suit to fieldbus In reseaching and designing of smart online PH detector and recorder,the main job is: 1.Researching on the principle of PH detection and PROFIBUS. 2.Researching on three factors which impact the accuracy of PH detector and record— solution temperature,glass electrode resistance and electrode bias. 3.Linear interpolation method,impedance matching method,on-line calibration method and other methods to improve the measurement accuracy are described in theory. 4.A smart online PH detector and recoder is designed which takes glass electrode as its sensor and measures acidity of solution through potentiometers。 5.Designing a communication module which is adapted to PROFIBUS—DP fieldbus.The meter is designed with isolated PROFIBUS-DP series interface and standard communication protocols compatible with PROFIBUS··DP and can be connected to PROFIBUS·-DP network directly. By experimenting and debugging,it proves that the Intelligent Online PH analyzer could used to measure water’S PH value.It can also store data automatically and transmit it remotely with 4-20mA's standard current and PROFIBUS—DP network.This analyzer could be widely applied in online measurement of water’S PH value,and will contribute the transformation from single instrument to multi—meters controlling system if future. 浙江工业大学硕士学位论文 Key Words:PH valure me2Lsuremem,Potentiometer,electrode calibration,temperature compensation,PROFIBUS-DP network 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明二所提交的学位论文是本人在导师的指导下,独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外,本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果,也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名:京龇峰 日期:口下年否月j5日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密口,在 年解密后适用本授权书。 2、不保密日。 V (请在以上相应方框内打“√”) 作者签名:孤 j长 导师签名: 魄峰 御伟饷il 箩月25日9帅 年年吖,期期日日 浙江工业大学硕士学位论文 第1章绪 论 1.1课题研究的背景和意义 随着我国改革开放的进一步发展,工农业生产得到了迅猛的发展。但由于片面追求经 济利益,忽视了对环境的保护【11。工业污水、废气、废烟等不经过处理直接排放,不仅造 成了对大自然的极大污染,而且影响着人类的健康、安全【2】。当前,工业所带来的污染问 题对自然环境和人们的身心健康带来了不容忽视的危害。国务院关于环境保护若干问题的 决定提出了2010年环境保护的目标,即要实施对污染物排放总量的控制。PH值是控制污 水和工业废水排放的一个重要指标,国家环保局在工业废水排放标准中明确规定了排放污 水和工业废水的PH值(PH值定义为1L中已经电离的氢离子浓度的负对数,即 PH=-log[H+]。)必须在6.5.8.5之间,中国环境监测总站则规定包括黑色冶金、合成洗涤剂、 化肥、农药等在内的排污企业中,PH值为废水排放总量控制监测的必测项目。 长期以来作为一种重要的数据记录仪表,记录仪一直被广泛地应用于各种工业现场。 在90年代以前,人们主要使用机械式记录仪。但由于机械式记录仪内部结构复杂,活动 部件较多,故可靠性差,易出现机械故障。此外在机械式记录仪的使用过程中,需定时更 换记录纸和记录笔,使其在长期运行中费用较高。为了弥补机械式记录仪的不足,有必要 研发一种新型记录议。进入90年代,市场上出现了一种新型记录仪表一无纸记录仪。这种 记录仪使用了微处理器和大存储量的Flash存储器,能够自动地记录工业过程数据,并可 对记录数据进行分析处理,同时还具有USB接口功能,可以进行数据的转移传输,以及 可靠性高和长期运行费用低(30w)等优点,因而迅速被广大用户所接型31。 目前,很多PH值的测量仍是采样分析,这只能反映采样时的瞬时值,只有连续测量 才能客观的、真实的反映该排放废水的PH值。近年来随着微电子技术和智能化技术的发 展出现了以微处理器为核心的PH记录仪。PH记录仪代替手工分析,节省了人力、减轻了 劳动强度、改善了劳动条件。仪表监控在准确、灵敏、及时、连续等方面具有自身的优势, 这对现代化监控系统的运行是十分必要的【引。 由于通信网络的快速发展,与控制系统相结合便产生了现场总线控制系统(FCS),与之 相适应的现场总线智能仪表将是未来工业过程控制系统的主流仪表。PROFIBUS总线是由 以SIEMENS公司为主的十三家工业企业和五家研究机构联合推出,是联邦德国于九十年 浙江工业大学硕士学位论文 代初制定的国家工业现场总线协议标准,代号DINl9245,1996年经欧洲电工委员会批准成 为欧洲标EN50170,1999年12月被批准成为国际标IEC61158的组成部分。PROFIBUS是 开放的、与制造商无关、无知识产权保护的标准。因此,世界上任何人都可以获得这个标 准并设计各自的软、硬件解决方案【5】。PROFIBUS总线由于其独特的技术特点、严格的认 证规范和开放的标准,得到了众多厂商的支持,成为现场级通信网络的最佳解决方案【6J。 因此本仪器将采用具有PROFIBUS.DP总线接口的基于ARM嵌入式系统的集信号的转换、 处理计算显示输出和网络为一体的,具有现场总线接口的智能仪表。该仪表很好地适应了 现场总线(FCS)的要求,并且具有很好的测量、显示和存储数据的功能。在环保、食品制造、 化学工业、卫生防疫、质量控制、安全防护等方面都有广泛的应用。 1.2国内外研究现状 PH检测记录仪是电化学分析仪器的一种,是利用电位法来测定溶液的PH值。它的应 用范围很广,凡是需要监测溶液酸碱度的生产过程和科学实验都少不了它,可广泛应用于 电力、化工、环保、医药和食品等行业中对各种水质的PH值监测。近年来,自动化技术 正从分布控制系统(DCS)向现场总线控制系统(FCS)发展L71。目前开发的溶液酸碱浓度测量 仪表大多不具有数字通讯功能,不支持现场总线,少部分设计有RS485接口,但通讯协议 与标准协议不兼容,不被组态软件支持。具有数字通讯功能、支持现场总线的工业测量仪 表是一种发展趋势。 1.2.1 PH仪现状 目前国外生产的酸碱浓度测试仪表系列有美国Rosemount公司的1054系列、2700系 列、2081系列;法国Polymetrom公司的9135系列;美国Great Lakes公司的672系列; 日本横河公司的PH400G系列、PH200系列。国内工业酸碱浓度测试仪表厂家近几年已涌 现出二十几家,产品被广泛使用的有重庆分析仪器有限公司的7022系列、武汉265厂的 PHG88系列、山东招远自动化仪表厂的PHG.9200系列等【8】。目前国外生产的酸碱浓度测 试仪表精度可达±0.001PH,国内生产的酸碱浓度测试仪表精度一般在0.5.O.1PH之间。 国外生产的PH仪表精度高,使用寿命长。但其价格高,电极及备品昂贵。常常是买 的起表而买不起电极等备件。国产仪器在中文显示和仪表功能上做的较好,主要特点:液晶 显示,全中文菜单结构,量程自动切换功能,具有历史曲线,实时趋势图,数字时钟功能 带有四种记录仪,电流隔离输出和报警功能,自设密码,内有帮助内容和服务指南等功能 .2. 浙江工业大学硕士学位论文 具有断电保护,数据掉电后能保存时间多年。 当今PH检测记录仪已经向集成化,微机化,数字化发展,具备自动温度补偿功能和 在线标定功能。除了测量功能以外大多数PH计还带有一定的控制能力,包括继电器输出 控制和4-20mA的变送输出,部分PH计还设计了数据通信功能,可以实时地通过网络读 取当前的PH值,可以非常方便地应用于集散控制系统中。 1.2.2现场总线技术 现场总线是应用在生产现场,在微机测量控制设备之间实现双向串行多结点数字通信 的系统,也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。现代工业通信控制思想的 核心是“分散控制,集中监控”,使得“危险分散,控制分散”但即使是现在流行的DCS 控制,其与工业过程打交道的过程控制站仍然还是集中的,现场信号的检测、传输和控制 还是采用的4-20mA的模拟信号,这正是对分散控制,集中监控思想的违背[91。而FCS控 制系统真正做到了这一点,把控制彻底下放到现场,现场的智能仪表就能完成诸如数据采 集、数据处理、控制运算和数据输出大部分现场功能,只有一些现场仪表无法完成的高级 控制功能才由上位机来完成.而且现场节点之间可以相互通信,实现互操作,现场节点也 可以把自己的诊断数据传送给上位机,有益于设备管理。 表1.1几种常见的现场总线 类型号 现场总线名称 主要支持的公司 1 基金会现场总线FF的HI Emerson(美) 2 Contro Net RockWell(美) 3 PROFIBUS Siemense(德) 4 P.Net Process Data(丹麦) 5 基金会现场总线FF的HSE Emerson(美) 6 Swift net Boeing(美) 7 World FIP Alstom(法1 8 InterbUS Phoenix contex(德) 9 基金会现场总线FF的FMS Emerson(美) 10 PRoFn、JET Siernense(德) 现场总线技术起源于欧洲,目前以欧美地区最为发达。由于它带有革命性并能领导今 后自动化技术的发展,各国、各公司都投入了大量的人力、财力在市场上展开激烈的竞争。 浙江工业大学硕士学位论文 据不完全统计,世界上已经出现的总线种类约有40种。经过十多年的竞争和完善,目前 较有生命力的有十多种,并仍处于激烈的市场竞争中。表1.1是几种常见的现场总线。 PROFIBUS是一种开放的总线,由SIEMENS倡导,13家企业和5家研究机构支持, 80年代末已经发展成为国际标准,并在92年被中国采纳为行业标准。2006年11月正式被 采纳为中国的国家标准flo】。PROFIBUS与其他总线相比的优点在于: 1、开放性。任何支持DP标准的第三方设备,均可被挂到总线上,这样,使工厂的自 动化孤岛,有可能通过这个总线被全部连接到一起。 2、实时性。PROFIBUS.DP由于采用高速芯片封装协议,具有最高12M BPS的通讯速 度,与普通的通讯最高38.4K相比,具有无可比拟的优势。 3、极高的可靠性。PROFIBUS.DP采用的令牌传递方式,即使有网络站点出现故障, 故障机站退出令牌循环,网络仍然可以可靠运行,并报告错误。普通的通讯需要自己诊断 通讯错误。 4、省配线。简化维护工作:DP总线采用2芯5类电缆,所有的站点只需依赖这两条 线,即可得到完全的控制,使得很多的I/O信号不需要再连接到现场设备,使控制柜变得 简洁,并额外省去复杂的接线。 1.3本论文的主要研究内容 国外PH值检测记录仪仪由上个世纪初开始研究发展,它们的优点有测量范围大、精 度高、稳定性好、适用温度范围宽、环境因素影响小等。但是,一方面这些进口仪表的价 格昂贵,普遍比国产仪表的价格高出几倍甚至更多:另外一方面,由于受到技术水平以及 地域的限制,使得国外仪表售后技术服务等方面也存在不足。 我国近二十年PH值检测记录仪仪发展迅速,质量与多功能性也都有了很大发展,但 是国内仪表通常对零点漂移、非线性、温度补偿等问题处理得不够好,测量范围和精度不 能很好的保证,环境因素影响大。 根据PH值检测记录仪广阔的应用前景以及现在存在的不足,就需要研发出稳定性 好、精度高、价格相对低并且能够适应现代FCS控制系统具有总线接口的智能在线PH分 析仪表,这也就是选题的意义和目的。 本文研究的主要内容包括: 1、对PH值检测记录仪和现场总线的国内外现状进行了研究分析。 2、对PH值检测原理和PROFIBUS总线进行了研究分析。 .4. 浙江工业大学硕士学位论文 3、分析了影响测量准确度的最重要的三个因素一溶液温度、玻璃电极的内阻和电极 偏差。 4、对采用插值法提高温度测量的准确度,用阻抗匹配方法消除了玻璃电极高内阻的 影响,用在线标定的方法消除了零点漂移及电极偏差,并用软件校正温度传感器和测量电 路的非线性,消除测量电路的系统误差,提高测量准确度在理论上进行了研究分析。 5、设计了一台智能在线PH值检测记录仪,选用玻璃电极作传感器采用电位法测量溶 液酸碱浓度。 6、开发了与PROFIBUS.DP总线相适应的通信模块,使本仪器能作为第三方设备挂接 到PROFIBUS.DP网络中。 7、对仪器功能进行调试。 1.4本章小结 本章首先在研究的背景和意义部分分析了PH检测的应用场合、目前PH检测的方法、 分析了具有PROFIBuS—DP通信功能的PH检测记录仪的较传统仪表的优势。接着在国内 外的现状中,通过对国内外的PH检测仪表的对比中发现了我国现有的PH检测仪较外国产 品的差距和自身的优势,接着研究了现场总线技术,并对为什么选择PROFIBUS---DP进 行了阐述,分析了微型计算机技术及嵌入式系统地发展对仪表设计带来的变化。最后提出 本次论文地研究中要完成的任务。 浙江工业大学硕士学位论文 第2章PH检测仪原理及PROFIBUS总线 2.1 PH值的电位测定法 PH值定义为lL中已经电离的氢离子浓度的负对数,即PH=.109[H+]。我们知道可以 利用石蕊试纸或者PH试纸进行测量PH值,但这种方法在某些溶液中会出现明显的误差, 同时,这种测量方式是不连续的,为了得到精确和连续测量的PH值,就要使用电化学方 法来测量。PH测量电极就是为了实现PH值的电化学法测量而设计的。 电位分析法所用的电极被称为原电池。原电池是一个系统,它的作用是使化学反应能 量转成为电能。此电池的电压被称为电极电势(EMF)。此电势由二个半电池构成。其中一 个半电池称作测量电极,它的电位与特定的离子活度有关如H+:另一个半电池为参比半电 池,通常称作参比电极,它一般是与测量溶液相通,并且与测量仪表相连。此二种电极之 间的电势差E遵循能斯特(Nemst)方程。如何通过测量电池来准确获得H+的活度,就需要 对能斯特方程、指示电极和参比电极的知识有详细的了解。 2.1.1畿斯特方程和电极电位 非标准状态下的电极电位与溶液中离子的活度及温度之间的关系用能斯特方程来描 述,电极电位能斯特方程表示为: E:Eo+L_r ln!篁垡查 nF日还原态 式中:E一平衡电极电位 Eo一标准电极电位 n一得失电子数 F一法拉第常数96485C/MOL R一气体常数8.314J/(mol·酗 T一热力学温度 口氧化态一氧化态物质的活度 口还原态一氧化态物质的活度 如果将能斯特方程中的自然对数改用常用对数表示,则: E:Eo+—2.30—3RT l,g塑 nl-' 口还原态 (2.1) (2-2) 浙江工业大学硕士学位论文 下面来讨论~下Eo的物理意义。当电极反应中物质的活度口氧化态和口还原态都为1时, ln警=lnl=。,故此时E=E。。E。的物理意义就是相应电极反应中的物质活度为一个 单位时的电极电位,称为标准电极电位,对于每个电极都有这样一个特征值。但是由于不 能单独测定一个电极的电极电位,在实验中能够测定的是两个电极电位的差值,即电动势。 所以为了得到电极的标准电极电位,就人为的规定了一个为零的绝对电极电位,确定一个 进行比较的标准。 按照1953年国际纯粹和应用化学联合会(IUPAC)的建议,采用标准氢电极(Standard Hydrogen Elect.rode.SHE)作为比较的标准。所谓标准氢电极是用镀了铂金的金属铂作为电 极,插入氢离子浓度(应为活度)为1个单位的溶液中,往溶液中通入压力为100千帕的氢 气冲击铂,所组成的电极。并人为规定其绝对电极电位为零。 规定这个电极的电极电位值为零,则任何一个电极的标准电极和标准氢电极组成的电 池,其电动势就是该电极的标准电极电位。 2.1.2 PH玻璃电极 测量溶液的PH值,也就是要测量溶液中H+的活度,那么就需要选择一个能够反映溶 液中矿变化的指示电极,根据电极的分类与性能,属于离子选择性电极的PH玻璃电极有 此功能。 离子选择性电极是指具有将溶液中某种特定离子的活度转变成一定电位功能的电极。 它的敏感膜都有渗透性,也就是说被测溶液中的特定离子可以进入膜内,并在膜内移动, 从而可以传递电荷,在溶液和膜之间形成一定的电位.而膜的渗透性是具有选择性的,非 特定离子不能在其中进行渗透,这就是离子选择性电极对离子具有选择性相应的根本原 理。 PH玻璃电极的主要部分是一个玻璃泡,泡的下半部分是由Si02基体中加入Na20和 少量CaO经烧结而成的玻璃薄膜,膜厚约为30—10pm,泡内装有PH一定的HCI做缓冲溶 液(内参比溶液),其中插入一支Ag.Agcl电极作为内参比电极,这样就构成了玻璃电极。 由热力学知识可以证明,膜外侧水合硅胶层一溶液的相界电位E外和膜内侧水合硅胶 层~内部溶液的相界电位E内可用下式表示(25℃): E外=Kl+o.59lg粤 (2.3) a1 浙江工业大学硕士学位论文 钿=K2+o.59lga:2. 口2 式中:al、a2分别表示外部溶液和内参比溶液盯活度。 a;、口;分别表示玻璃膜外、内侧水合硅胶层表面的H+活度。 k1、k2分别由玻璃内、外膜表面性质决定的常数。 (2-4) 因为玻璃内外膜的表面性质相同,所以k1=k2,又因为水合硅胶层表面的Na+都被Ⅳ 所代替,故口i=口i。因此玻璃膜内侧和外侧之间的电位差为: 镪2锄一钿=0.05919口a2] 由于内参比溶液H+的活度口2是定值,所以 E膜=K一0.059PH (2.5) (2.6) 式2-6说明在一定温度下玻璃电极的膜电位与溶液的PH呈线性关系。式中的K值由每支 电极本身的性质所决定。 玻璃电极具有内参比电极,因此整个玻璃电极的电位应是内参比电极电位与膜电位之 和,即: 嘞璃=‰+钿参 (2-7) 用玻璃电极测定PH的优点是不受溶液中氧化剂或还原剂的影响,玻璃电极不易因杂 质的作用而中毒,能在胶体溶液和有色溶液中应用。其缺点是本身具有很高的阻抗,必须 辅以高阻抗的电子放大装置才能测定。 2.1.2参比电极 单个电极的电极电位是无法测量的,但原电池的输出电势是可以测量的。且原电池的 输出电势等于组成原电池的各电极的电极电位之和,通过测量原电池的输出电势,可以间 接地测量电极的电极电位。而电极的电极电位受溶液中离子浓度影响,因此通过测量原电 池的输出电势可以测量溶液中的离子浓度。 电位测量法用两只电极与被测溶液组成原电池。一只电极为测量电极,其电极电位随 溶液中被测离子浓度的变化而变化。一只电极为参比电极,其电极电位不受溶液中待测离 浙江工业大学硕士学位论文 子浓度的影响。 智能酸碱浓度测试仪中,选择玻璃电极做测量电极,银一氯化银电极做参比电极。玻 璃电极是对【H】+具有选择性的离子选择性电极。与其它电极相比,具有测量范围宽、重复 性好、稳定性高、响应快、精度高等特点,因此在溶液的酸碱浓度测量中作为测量电极工 业上获得了最广泛的应用。甘汞电极与银一氯化银电极是实践中被证实有效的仅有的两个 参比电极。与甘汞电极相比,银一氯化银电极具有热稳定性好、温度系数小等优点【¨】。 根据能斯特(Nemst)方程并考虑固相[AgCI]=I。则银一氯化银电极的电极电位为: ‰:碟一等1n[e1] (2.8) 式中,E袅为银一氯化银电极的标准电极电位。由上式可知,当C1‘离子的浓度一定时,在 一定的环境温度下,银一氯化银电极的电极电位值为一定,故可作参考电极。 对于饱和的氯化钾溶液,在25。C时,银一氯化银电极的电极电位E镀:+O.297V,银一 氯化银电极的特点是热稳定性好(一10。C+130“C),热温度系数小(0.09 mv/。C)。 2.1.3电位法测量原理 电位法测量溶液pH值常用玻璃电极作为测量电极,银一氯化银电极作为参比电极, 将两种电极封装在一起构成复合玻璃电极,如图2.1所示。 图2.1 复合玻璃电极 浙江工业大学硕士学位论文 复合玻璃电极的两条输出引线分别为原电池的正端和负端。依据能斯特(nemst)方程, 原电池输出电动势、被测溶液绝对温度、被测溶液PH值之间满足如下关系【12】【13】: E=Eo+KTIna(H+) (2—9) 式中: E一原电池输出电动势(MV) 玩一常数,.与电极材料、内参比溶液、内参比电极以及液接电位有关的电位差 足一常数,为nemst系数 丁一被测溶液的绝对温度 lna(H+)一离子的活度,即溶液的PH值 由(2.9)式可知被测溶液的PH值和温度共同作用产生原电池输出电动势,因此同时测量原 电池输出电动势和溶液温度就能根据(2—9)式计算出被测溶液的PH值。 2.2影响电位法测量准确性的因素及补偿方法 2.2.1影响电位法测量准确性的因素 电位法测量溶液酸碱浓度,选用玻璃电极作传感器时,影响测量准确性的因素主要如 下: 1.溶液温度 Eh(2.9)式可知,复合玻璃电极输出电势与被测溶液PH值之间满足线性关系,但溶液 温度影响斜率和截距,因此要测量溶液温度对电极进行温度补偿㈣。所以要对溶液的温度 进行精确的测量才能保证斜率项的正确性,从而保证PH测量的准确性。 2.玻璃电极的高内阻 PH复合玻璃电极的内阻高达108.109Q【14】,图2.2为电极信号测量等效电路。 玻璃 电极E 等效 电路 L 2 、 £ ; ’ [ r 弋 7 。测量 K电路 图2.2 电极信号测量等效电路 复合玻璃电极输出电势,r为复合玻璃电极内阻,R为测量电路输入阻抗,v为实际输入到 .10. 浙江工业大学硕士学位论文 测量电路的电压。v越接近E测量精度越高。因此为有效拾取PH信号,要求测量电路输 入阻抗足够高。当测量电路输入阻抗不小于1012Q时,由复合玻璃电极内阻引起的测量误 差6不大于0.1%。 3.电极偏差 由于玻璃电极的制造工艺等原因,公式(2.9)中参数Eo和K的实际值与它们的理论值 会有差异,并且随着电极的使用老化而改变,因此为准确测量溶液PH值,必须对上述参 数进行在线标定f15】,进行参数的校正。 2.2.2补偿方法 1.溶液温度 在本设计中测量温度采用热敏电阻ptl000,由于ptl000的阻值和温度的关系并不是线 性的,所以这里采用了分段线性插值的方法。线性插值过程是通过两个己知点来确定一条 直线方程,从而确定这条直线上未知点。下面先介绍线性插值法的有关知识。 假定xEf司[a,b]_k的实值函f(x)在该区间上有n+1个互不相同点‰,五,……x。处的 值是厂(x。),f(x。),厂(矗)。要求估算厂(x)在[a,blip某点的值,其做法是:在事先选定的一 个由简单函数构成的有n+1个参数Co,Cl,……Cn的函数类①(Co,Cl,……c11)中求出 满足条件P(xf)=f(xf)(i=0,l,..….,n)的函数p(xf),并以p(xf)作为f(xf)的估值。此处坟x) 称为被插值函数,Co,Cl,……G称为插值结(节)点,(Co,C1,……Cn)称为插值函数 类,上面等式称为插值条件,①(Co,Cl,……Cn)满足上式的函数称为插值函数【161。 已知L(x)在X。和_处的函数值为Yo和y。。求满足插值条件L(xo)=蜘,L(x1)=Yl的 线性函数L(x)=口o+t2l x由 卜+口m 2 yo (2-10) Lao+alXl 2 Yl 求解得 口l:21边,口o=Yo—alxo=Yo一2』边xo (2.1 1) 工1一^2 Xl—X2 所以有 浙江工业大学硕士学位论文 LI(x):Yo+2鱼边(x—xo) (2.12) Xl—X0 其中称‰和五为插值结点,L(x)称为插值函数,而厂(x)为被插值函数。常用的线性插值 公式为以下的等价形式: 三(x):三鱼yl+二卫yo (2.13) Zl—XO Xl—X0 通常当x∈Ix。,x,】时称为内插公式,当x不在区间内的时候叫外插公式。如果令甜=二二尘 .r一'. Xl—X, 当x∈【X0 Xl】时有甜∈【0,1】。此时插值公式可以表示为: L(u)=YlU+Yo(1一甜) 插值公式如同2—3所示: (2.14) 图2-3 线性插值 高温传感器的输出为电压信号,其输出与温度的关系如图2—4所示的曲线表示【171。从 图2.4可以看出,传感器输出的电压信号随温度的上升而呈非线性增加,难于用数学公式 表达,因此,为了避免高次插值可能出现的大幅度波动现象,在本设计中采用分段低次插 值即一元函数分段线性插值来提高近似程度。将该曲线分为若干区间,端点间用直线连接。 .,2. 浙江工业大学硕士学位论文 以微分的观点,如果分的区间足够多,那么每段的曲线完全可以用对应直线所代替,这样, 温度曲线就可以用若干段直线来表示。每个区间的两个端点用标定的方法来确定。经过标 定,确定了端点的坐标值,这样便可计算出每个区间直线的斜率和截距,从而计算出直线 方程。 图2-4温厦传愿器输出电压信号与环境温度关系 设插值结点满足Xo 图2—5区间0-50内插值效果 2.玻璃电极的高内阻 阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,使激励源得到最大功率输出的一 种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。在纯电阻电路中,当负载电阻 等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。当激励 源的内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满 足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成份只数值相等而符号相反,这种匹配条件称为共扼 匹配。 我们用图2-6的电路来简单介绍阻抗匹配的概念,图中R为负载电阻,r为电源E的 内阻,E为电压源。由于r的存在,当R很大时,电路接近开路状态:而当R很小时 电路接近短路状态。由电路输出功率: p√肛E]2 4厂+匝E2 ⑦·7) R=r时,分母取得最小值4r,此时负载所获取的功率最大。所以当负载电阻等于电源内阻 .14- 浙江工业大学硕士学位论文 时,负载将获得最大功率,亦即这个电路阻抗是匹配的。在本设计芯片选型时,选择了 ICL7621。ICL7621为Intersil公司生产的高阻抗CMOS运算放大器,其输入阻抗大于 1012Q。 玻璃 电极E 等效 电路 。测量 R电路 图2-6简单的电路 3.电极偏差 由于玻璃电极的制造工艺等原因,公式(2—9)中参数‰和K的实际值与它们的理论值 会有差异,并且随着电极的使用老化而改变,因此为准确测量溶液PH值,必须对上述参 数进行在线标定,进行参数的校正。校正的方法是选取两种标准溶液进行标定。 如设两标准溶液的标准PH值为阳l和朋2,测量所得电位分别为El和E2, 由2-9式得 』E1 2 Eo+灯lna(H+) (2-18)‘ L£-l^, 【E2=Eo+KTIna(H+) 可得 K:垒二垒! (2—19) PH2一PH~ Eo=E1一K宰朋l (2—20) 由公式2-19和2-20就可得到修正后的K和‰,从而减小电极偏差所引起的偏差。 2.3 PROFIBUS总线 自20世纪60年代出现第一套工业过程控制系统以来,工业自动化系统技术已经历了 4个主要发展阶段: 一15. 浙江工业大学硕士学位论文 1.60年代主要采用机械继电器、电器继电器组成的继电逻辑控制系统;电动和气动 单元仪表的应用;模拟量控制主要由晶体管分离元件电路或小规模集成运算放大器组成。 以单回路结构、PID为主的简单控制系统。 2.70年代由于半导体技术、集成电路技术推动微处理器、微控制器的发展,各种控 制器、控制装置、PLC更新换代加快,模拟控制器、智能控制器己初步商品化及推广应用。 3.80年代,PLC技术走向成熟,无论是处理速度还是功能强化、通讯能力都提高到 一个新水平,小型PLC向小型化、低成本、简单、多用方向发展,大中型PLC向多功能、 高速度、大容量、网络化方向发展。分布式控制系统(DCS)得到了大规模应用。 4.90年代计算机技术、通讯技术、控制技术的发展,使控制系统向全数字化、全分 散式、全开放可互操作和开放式互联网络的新一代现场总线控制系统(FCS)发展,同时, 先进控制、模糊控制、人工神经网络、人工智能技术和专家系统已在工业自动化系统中实 际应用,制造自动化向CIMS、精良生产、敏捷制造方向发展,流程工业向集成生产系统 CIPS发展。 由上可知随着控制计算机通信和网络等技术的发展,信息交换沟通的领域正在迅速覆 盖从工厂的现场设备层到控制和管理的各个层次,从工段、车间、工厂、企业到世界各地 的市场。90年代发展起来的现场总线广泛用于过程自动化和制造自动化等领域的现场设备 互连通信网络。它作为工厂数字通信网络的基础实现了现场设备之间及其与更高控制管理 层之间的联系。现场总线技术的推广应用,因特网技术、企业内联网外联网技术与工业自 动化技术的紧密结合,使未来的工业自动化系统向开放型网络式综合控制与管理系统发 展。 PROFIBUS是Process Field Bus的缩写,由以SIEMENS公司为主的十三家工业企业 和五家研究机构联合推出,是联邦德国于九十年代初制定的国家工业现场总线协议标准, 代号DINl9245,1996年经欧洲电工委员会批准成为欧洲标EN50170,1999年12月被批准成 为国际标IEC61158的组成部分。它是一种国际化的、开放的现场总线标准。其在欧洲是 市场的领导者且在世界范围内有最高的增长率。在1997年已安装的PROFIBUS基本设备 超过1,500,000个,年增长到约20.30%。PROFIBUS在欧洲市场中约占41%,中国现 场总线产品市场占有率第一。 PROFIBUS根据应用特点分为PROFIBUS.DP、PROFIBUS.FMS和PROFIBUS.PA三 个兼容版本【1 81。 1. ROFIBUS.DP(Decentralized Peripheral,分散外设),是一种经过优化的、高速廉价 .16. 浙江工业大学硕士学位论文 的通信连接,是专为自动控制系统和设备级分散I/O之间的通信而设计,使用 PROFIBUS.DP模块可取代价格昂贵的24V或0-20mA并行信号线。用于分布式控制系统 的高速数据传输,其数据传输速率可达12M)。自动控制系统同这些分散外设(传感器、执 行器等)进行的数据交换多数是周期性的,一般构成单主站系统,主从站之间采用循环数 据传送方式工作。 2.PROFIBUS—FMS(Fieldbus Message Specification,现场总线信息规范), 用于解决车间级通用性通信任务,要求面向对象,提供较大数据量的通信服务,完成 中等速度的循环和非循环通信任务,是一个令牌结构、实时多主网络。由于它是完成控制 器和智能现场设备之间的通信以及控制器之间的信息交换,因此它考虑的主要是系统的功 能而不是系统的响应时间,应用过程通常要求的是随机的信息交换(如改变设定参数等)。 强有力的FMS向用户提供了广泛的应用范围和更大的灵活性,可用于大范围和复杂的通信 系统。主要用于纺织工业、楼宇自动化、电气传动、低压开关设备等一般自动化控制。 3.PROFIBUS.PA(ProeessAutomation,过程自动化),是专为过程自动化而设计,具有 本质安全性,主要用于安全性要求较高的场合以及有总线供电的站点。因此,PA尤其适用 于化工、石油、冶金等行业的过程自动化控制系统。 2.3.1 PROFIBUS协议结构 开放式系统互联模型(OSI)是1984年由国际标准化组织(ISO)提出的一个参考模 型。作为一个概念性框架,它是不同制造商的设备和应用软件在网络中进行通信的标准。 现在此模型已成为计算机间和网络间进行通信的主要结构模型。目前使用的大多数网络通 信协议的结构都是基于OSI模型的。OSI将通信过程定义为七层,即将连网计算机间传 输信息的任务划分为七个更小、更易于处理的任务组。每一个任务或任务组则被分配到各 个OSI层。每一层都是独立存在的,因此分配到各层的任务能够独立地执行。这样使得 变更其中某层提供的方案时不影响其他层。 OSI七层模型的每一层都具有清晰的特征。基本来说,第七至第四层处理数据源和数 据目的地之间的端到端通信,而第三至第一层处理网络设备间的通信。另外, OSI模型 的七层也可以划分为两组:上层(层7、层6和层5)和下层(层4、层3、层2和 层1)。OSI模型的上层处理应用程序问题,并且通常只应用在软件上。最高层,即应用 层是与终端用户最接近的。OSI模型的下层是处理数据传输的。物理层和数据链路层应 用在硬件和软件上。最底层,即物理层是与物理网络媒介(比如说,电线)最接近的,并 浙江工业大学硕士学位论文 且负责在媒介上发送数据。 参照ISO/OSI参考模型,PROFIBUS.DP按照应用领域进行了优化,它只包含第l、2 和7层,即物理层,数据链路层和用户接口层,如图2—7所示。第一层和第二层是相同的, 换言之即物理层传输介质(如符合RS.485规范的导线)和报文格式都是相同的。为提高效 率,PROFIBUS.DP的第七层是空的,这样可认为PROFIBUS.DP是层2的标准化应用。 PROFIBUS.DP只使用了ISO/OSI的第1层、第2层,并自定义了用户接口层,未使 SCLK VCCl l D3.3V 患。-SCI-32 768KHz/6pF荨 Xl 菇 S-SDA 墓s3 K ;三 RST VCC2 .厂—巾 X2 I/O GND DSl302Z 图3.19 实时时钟连接图 3.4 本章小结 本章中先提出PH检测记录仪的整体功能和硬件的整体设计框架,再对整体框架下的 各个子模块进行了详细的研究和设计。 在分析了PH检测记录仪的整体功能要求的基础上,本章设计了硬件的整体框架。将 仪器分成各个子功能模块,各自完成一定的功能。然后再对输入输出模块(模拟部分)、 PROFIBuS—DP通信模块、实时记录模块进行了分别的设计说明。其中输入输出模块(模 拟部分)采样输入信号并计算相应的数值,PROFIBUS--DP通信模块负责将仪器接入 PROFIBUS—DP网络,成为PROFIBUS—DP网络上的一个智能的从站,实时记录模块读 取输入输出模块的数值保存并在液晶屏上显示。 本章在PH检测记录仪的整体功能要求和理论研究的基础上,完成了PH检测记录仪 硬件部分的设计,给PH检测记录仪的软件实现提供了硬件工作平台。 浙江工业大学硕士学位论文 第4章 系统软件设计 软件设计是把问题和任务转化为算法和程序的过程。为了便于扩充和增加代码的通用 性,软件设计需要采取一定的方法,遵循一定的原则。该系统软件设计主要采用了自项向 下的程序设计方法。遵循模块化的准则,简洁、高效的完成了系统问题定义所要求完成的 任割201。 在本次设计中对软件的要求有:(1)fl了于应用于实际的工业监测系统都是实时监测系 统,所以对软件的执行速度有一定的要求。同时,软件应该能够及时处理一些实时要求较 高的随机事件,以便对随时发生的事件做出相应的反应或提示,达到实时监测的目的,这 在本系统的设计中通过中断方式实现。(2)由于单片机是应用到实践中去的,所以必须注意 在工业现场中的干扰因素。可靠性是单片机最主要的要求。(3)为了能够方便的扩充、修改 软件功能,软件在编制时一定要做到可读性好,运用模块化编程技术,将相同的程序段编 制成子程序。同时应该在程序中加上详细的注释,便于以后修改、阅读、扩充和升级。本 仪器在开发时采用了C语言进行编程。C语言具有众所周知的诸多优点,用C编制的程序 具有条理清晰、可读性和可维护性好的特点【2l】。 仪表软件分为输入输出板部分、PROFIBUS.DP通信模块部分和实时记录模块。主机 和输入输出板之间以及PROFIBUS.DP通信模块通过串行口进行数据传递。传输协议为 Modbus通信协议。输入输出板程序负责采样,数字滤波,变送输出等任务;PROFIBUS.DP 通信模块负责SPC3的初始化,SPC3中断的处理及数据的接受和发送。主机程序负责键盘 处理、显示、记录等。 4.1输入输出板程序 输入输出板的主程序流程图如图4.1所示: 完成4个数据 与实时记录模 系统组态数据 系统 通道数据采样 块完成通信 如改变保存新 初始化 和计算 的组态数据到 FLASH 图4.1 输入输出板程序流程图 一38- 浙江工业大学硕士学位论文 CPU复位后开始执行输入输出板程序,首先对系统进行初始化,其中包括CPU内部 集成器件的初始化,和外部器件的初始化,初始化流程图见图4.2;初始化完成后就进入 主循环,在每个主循环判断定时是否已经到,如果定时到则进行下面的步骤,如果定时没 有到则等待定时到。程序将每1秒时间分成5份,由定时器每隔200ms来触发定时到标 记,每个时间片里采样处理一个通道的数据,系统一共有4路信号输入,前4个时间片分 别采样4路信号中的一路,第5个时间片空闲。输入采样除了包括采样外还有滤波,计算 标准值等。如果当前时间片处理的是最后一个通道,那么将通道选择器切到第一通道,这 时还要复位看门狗,防止因为长时间没有复位看门狗而使看门狗计时溢出,复位CPU,此 外,由于已经处理完最后一个通道,所以可以将计算结果进行变送输出。输入输出完成后 来判断组态数据或者标定数据是否被改变,如果被改变则保存组态或者标定数据。组态数 据或者标定数据是由主机程序通过串行口传递过来的,数据传递到AD板后将数据改变数 据位置位,这样就可以在主程序中保存组态数据或者标定数据。具体流程图如图4.2所示。 4.1.1初始化程序 初始化程序如图4-3所示。在进行初始化之前要关闭看门狗,因为看门狗的默认设置 是看门狗有效,计时溢出时间大约为2秒,下面的初始化工作要进行5到·6秒,所以要 关闭看门狗,防止在初始时被复位。接下来初始化定时器,这里的定时主要用做时间片的 分配和做串行口的波特率发生器,然后初始化串行口,将串行口的中断优先级设为最高, 主机程序将通过串行口读取输入输出板的采样数据。初始化ADC,系统采用的ADCCS5529 是可编程器件,在使用前应该对其进行初始化工作,之后选择第一通道做为程序运行后第 一个要采样的通道,然后读取保存在EEPROM中的组态数据和标定数据,组态数据用于 选择不同的计算方式,标定数据用于计算标准值。最后打开看门狗进入程序主循环。 4.1.2输入采样 输入采样程序如图4-4所示。采样工作最关键的就是进行AD转换,将放大处理后的 被测模拟量转换成数字量并通过SPI接口读入CPU,之后进行必要的数字滤波,包括限幅 滤波和滑动平均值滤波。再根据标定数据计算标准值,作为主机程序通讯和变送输出的数 据。 浙江工业大学硕士学位论文 图4.2 输入输出模块程序主流程图 .-40.. 浙江工业大学硕士学位论文 图4.3输入输出板的初始化程序 l 进行AD转换 上 I 读取转换结果 上 I 数字滤波 上 I 计算标准值 0 图4.4输入采样子程序 .41. 浙江工业大学硕士学位论文 4.1.3数字滤波 数字滤波程序流程图如图4.5所示。数字滤波包括限幅滤波和滑动平均值滤波。限幅 滤波法(又称程序判断滤波法),其操作方法是:根据经验判断,确定两次采样允许的最 大偏差值(设为A)每次检测到新值时进行判断,如果本次值与上次值之差A,则本次值无效,放弃本次值,用上次值代替本次值。滑动 平均值法把N个采样数据看成一个队列,对列的长度固定为N,每进行一次新的采样,把 采样结果放入队尾,而扔掉原来队首的一个数据,这样在队列中始终有N个“最新”的数据。 在进行计算滤波值地时侯,只要把队列中的N个数据进行平均,就可得到新的滤波值。 根据以往经验限幅滤波的限幅为50,如果本次采样值和上次采样值的差大于50则不 处理本次采样值,并将错误累积次数加1,如果错误累积大于3次,则认为大于50的差 值是由于信号本身的变化引起的,清除错误累积,并将当前采样值认定为有效的采样值, 如果本次采样值和上次采样值的差小于50则进行滑动平均滤波处理,以达到去除噪声的 目的,提供数据的稳定性。 4.1.4计算标准值 计算标准值程序流程图如图4-6所示。计算要在采样完成之后进行,采样是多通道分 时处理的,所以计算也要进行分时处理,采样不同的通道时使用不同的计算。所以计算标 准前先判断是否是测量电压通道,如果是测量电压通道,说明当前测量的是PH的信号值, 否则就是电阻通道。如果是PH那么根据标定数据计算出电压值后,再根据第二章里所描 述的计算公式进行计算和加入温度补偿,如果ptl000通道,则计算ptl000的阻值,由于 ptl000的阻值和温度的关系并不是线性的,所以这里采用了线性插值的方法,将0.100度 分成10个线段,分别为0.10,10.20,20.30,30-40,40.50,50.60,60.70,70.80,80.90, 90.100,分段后进行线性插值,使用这种方法求得的温度值误差小于0.1度。 浙江工业大学硕士学位论文 图4.5数字滤波流程图 ..43.. 浙江工业大学硕士学位论文 图4-6标准值计算流程图 4。1.5与主机板之间的通信 输入输出板通过串口来与主机板之间进行通信。所以串行通信程序在整个数据传递过 程中显得十分重要。通信程序流程如图4.7所示。当收到一个通讯中断后,读取数据,根 据Modbus协议,前一字节将是通讯地址,将这个地址和本地地址比较,如果相同则接收 全部数据,如果不相同,则不接收数据,重新打开接收使能后,返回中断。 接收数据后进行CRC(Jycl ic Redundancy Cheek,简称CRC码)校验,其校验原理为: CRC码是由两部分组成,前部分是信息码,就是需要校验的信息,后部分是校验码,如果 CRC码共长n个bit,信息码长k个bit,它的编码规则满足1-首先将原信息码(kbit)左 移r位(k+r=n),对应多项式为m(x)。2.运用一个生成R次多项式g(x)(也可看成二进制 数)用模2除上面的式子,得到的余数就是校验码,r=R。 如果校验码不对,说明传输过程发生错误,丢弃这个数据包返回中断,如果CRC正 确,则根据功能码分别处理读和写操作,0x03为读数据操作,此功能读取输入输出板上 连续的存储器数据,主机可以通过这个功能读取输入输出板的当前的AD采样值和经过计 算后的PH值和温度值:OxlO为写数据操作,通过此功能主机板可以将组态数据和标定 浙江工业大学硕士学位论文 数据写入输入输出板,并由输入输出板的程序保存到EEPROM,以备下次开机时可以从 EEPROM读取,而不要主机板再次传递数据。操作完成后,无论是读或者写都要返回数 据包,读操作要返回所读的数据,而写操作返回写成功,数据在发送前进行CRC校验。 处理完成本次中断后打开接收使能,准备接收下一个数据包,之后,返回中断处理正常事 务。 图4.7输入输出板串口通信程序 4.2 PRoFmU&DP通信模块软件设计 由于PROFIBUS.DP通信模块和实时记录模块之间通过串口进行通信,它们间的通信 遵从Modbus协议。所以软件设计上要完成PROFIBUS.DP协议和Modbus协议之间的转 换。程序设计的主要思想为:当主站向从站发送信息时,通信接口对接收到的数据进行分 析,剥离出有用的数据信息,然后以符合所连接的实时记录板支持的协议格式重新封装发 送给实时记录板,完成对数据的操作;当从站向主站回送信息时,通信接口对实时记录板 .45. 浙江工业大学硕士学位论文 所发送过来的数据进行分析,然后交由SPC3以PROFIBUS.DP协议标准发送给主站。另 外,微处理器还负责对SPC3的初始化,合理配置以及各种报文的处理。 PROFIBUS.DP模块的程序流程如图4.8所示。 图4—8 PROFIBUS-DP模块主程序流程图 浙江工业大学硕士学位论文 4.2.1协议状态机 从站的状态机描述PROFIBUS.DP从站在各种情况下的行为,以保证它的一致性。 PROFIBUS.DP协议芯片内部已经集成了状态机,一般情况下,用户对状态机的控制是很 有限的,为了更好地理解基于PROFIBUS.DP专用协议芯片的PROFIBUS.DP网络如何, 对PROFIBUS.DP从站状态机给以简单介绍【221。 通电状态:从站能从主站接收Set.Slave.Add报文来改变它的地址,从站应具有非易失性 的存储器以存储地址。 等待参数化:内部启动后,从站进入等待参数化状态,等待参数化,另外此状态从站还 可以接受Get__Cfg,SlaveDiag报文。参数化报文至少含有根据标准要求的信息(如识别号、 同步/锁定等),此外,它可含有与用户有关的参数数据并由用户来定义这些数据。 等待组态:参数化的过程完成后,从站进入等待组态状态,等待Chk Cfg报文,另外 还可以接受Slave_Diag,Set_Prm,Cet_Cfg报文。 数据交换:如果Chk Cfg完成后,从站将进入DATA XCHG状态,进行数据通信,此 时从站还可以接受Writing_Outputs,Reading_Inputs,Global_Control,SlaveDiag,Chk_Diag, Get Cfg报文。若组态和数据交换不成功,就会返回到参数化阶段。SPC3集成了 PROFIBUS.DP协议,能处理PROFIBUS.DP从站状态机,因此微处理器只需要对SPC3进 行合理的配置、初始化及对各种报文的处理。从站上电后由LPC2138程序要做的就是控制 SPC3的初始化及对SPC3中断的处理。整个初始化完成后便可以与主站进行通讯和数据交 换。 4.2.2 SPC3的初始化程序 在SPC3正常工作之前,需要进行初始化,以配置需要的寄存器,包括设置协议芯片 的中断允许,写入从站识别号和地址,设置SPC3方式寄存器,设置诊断缓冲区,参数缓 冲区,配置缓冲区,地址缓冲区,初始化长度,并根据以上初始值得出各个缓冲区的指针 和辅助缓冲区的指针【23】。根据传输的数据长度,确定输出缓冲区、输入缓冲区及指针,SPC3 协议芯片初始化流程如图4-9所示。初始化部分包括以下部分。 1.SPC3硬件复位 第一个启动步骤是利用LPC2138微处理器的RESET复位SPC3,初始化协议芯片内部 RAM。 浙江工业大学硕士学位论文 2.硬件模式 用宏DPS2.SET-HW_MOD(X)使得可选的SPC3硬件设置成为可能,包括设置SPC3 的中断输出是低电平有效还是高电平有效、同步支持、锁定支持等,以及在DP模式下SPC3 建立所有的DP服务访问点。 Q≯ 关闭看门狗 上 设定SPC3工作模式 上 设定看门狗值 上 设定地址标识号 上 设定各个输入输出BUF长度 上 l 设定各个辅助BUF长度 上 设定配置和读配置BuF长度 占 设定诊断BuF长度 上 取输入BuF指针 上 取诊断BuF指针 上 SPC3-Vflz{蜷 上 启动看门狗 图4.9 SPC3的初始化程序流程图 .48. 浙江工业大学硕士学位论文 3.设置SPC3中断屏蔽寄存器 宏DPS2 SET IND0激活SPC3中断触发,包括从站地址改变,组态数据检查,参数 检查中断。 4.SPC3内部看门狗 看门狗用于确保在处理LPC2138出现故障时,SPC3能DPS2 SETUSER WD VA LUE(X)设定的时间内进行数据通信,时间到后则离开数据交换通信状态,只要处理器 LPC2138没有出现故障,则需要不断地用DPS2 RESET USER 重新触发看门狗电.WD0 路。 5.设备标识码 在启动过程中,应用程序读取标识码,并将其传送到SPC3芯片中。 6.缓冲区初始化 用户必须确定DPS2 BUFINIT结构体定义的各个用于信息交换的缓冲区的长度,这些 缓冲区长度决定了SPC3中各个数据缓冲区的长度,这些缓冲区占用SPC3双口RAM的空 间,因此不能超过RAM空间的总长度。用宏SPC3_INIT0或DPS2_BUFINIT0igl数将 DPS2 BUFINIT初始化的结构体指针作为参数,根据结构体中的数据在SPC3的RAM中 分配各缓冲区,检查各个缓冲区的最大长度,并返回缓冲区初始化的测试信息。 4.2.3数据的接收和发送 主站和SPC3通过默认的服务访问点交换数据,在此过程中SPC3需要完成的任务主 要包括以下三点: 1.SPC3将输出数据写入D缓冲区中,且交换D和N缓冲区的数据。 2.产生DX—OUT中断。 3.用户通过交换N和U缓冲区中的数据,从U缓冲区中获取输出数据。 其中第一步由SPC3自动完成,用DPS2 POLL IND DXO UTO读SPC3的中断请求寄 存器查询中断事件,当为真是,表示SPC3接收到Write.Read.Data报文,并使N输出缓冲 区中的输出数据有效。用宏DPS2一OUTPUt-UPDATE0更新输出缓冲区,即将N缓冲区中 的数据送到U缓冲区中。输出数据中并不包括输出数据的长度,但必须和 DPS2 SET IO DATA()定义的数据长度一致,当长度不一致时,从站将会返回到等待参数 赋值状态,输出数据缓冲区的长度在初始化部分程序中。 浙江工业大学硕士学位论文 4.2.4中断处理程序 在PFOFIBUS.DP中主要有以下的中断事件:新的参数报文事件,全局控制命令报文 事件,进入或退出数据交换状态事件,新的配置报文事件,新的地址设置报文事件,检测 到波特率事件,看门狗事件。本文采用中断方式处理从站地址设定,检查组态和参数报文 是否正确。采用外部中断INT0输入。中断的处理程序如图4.10所示: 图4.10 SPC3的中断处理程 4.3实时记录模块程序 实时记录模块程序包括了数据显示、键盘处理、数据存储、通讯等功能。主机程序流 程图如图4.11所示。主机的初始化操作除了初始化内部和外部的器件以外,还要将保存在 浙江工业大学硕士学位论文 Flash中的历史数据读出,再生成历史曲线,生成的曲线画面也保存在指定的数组中,供用 户随时查看以前的数据。每隔50ms时间就扫描一次键盘查看是否有键按下,如果有键按 下则进行按键处理,另外,每隔0.5秒通过串行口从PROFIBUS.DP通讯板读取数据,并 将其保存到数组中,当保存的数据达到一页256字节时将数据写入Flash。同样的,每隔1 秒通过串行口从AD板读取数据,并将其保存到数组中,当保存的数据达到一页256字节 时将数据写入Flash,通讯处理部分处理由通讯中断接收的数据包,并将发送处理结果;最 后刷新液晶显示内容、包括实时数据、实时曲线、历史曲线等。 4.4本章小结 本章首先明确了软件设计的目标和方法。在此基础上通过自顶向下的方法阐述了各个 模块的软件进行研究和设计。 本章首先分析了各个部分模块要完成的功能及各个模块之间的通讯协议一ModBus协 议。接着给出了输入输出板部分的程序说明,该部分的程序包括:初始化程序、输入采样、 与主机之间的通讯程序。在这之后给出了PROFIBUS.DP通讯模块的程序说明。 PROFIBUS.DP通讯模块的最重要部分就是SPC3通讯芯片,因此为更好的理解 PROFIBUS.DP通讯模块的通讯过程,首先给出了SPC3通讯芯片的工作流程,接着具体说 明SPC3的初始化、数据的输入和输出、中断处理过程。在实时记录模块程序中,本章介 绍了该模块的具体工作流程。通过本章的论述,介绍了PH检测记录仪软件部分的具体功 能和工作流程。 浙江工业大学硕士学位论文 图4—11 实时记录模块程序流程图 .52. 浙江上业大学硕士学位论文 第5章实验和仪表功能验证 5.1 刚分析仪的测量精确度验证实验 在验证本PH分析仪的测量精确度的实验中,首先对样表的测量精确度进行了测试。 然后采用了对比实验的方法。叩将样表同国内外的成品仪表在同样的测量条件下对获得的 数据进行对比。 在测试样表精确度的试验中用标准溶液进行测最,看测量值是否与标称值相符。测试 结果如图5.1所示: 圈5-1 接着采用对比法进行准确度的比较。 情况。如袁5.1所示。 标准溶液测量实验 下面先了解下作为参考的国内外仪表的部分参数 ·53- 浙江工业大学硕士学位论文 表5.1 试验中所用仪表的部分参数 进口仪表 国产仪表 生产厂商 美国霍尼韦尔公司 成都新三可仪器有限公司 型 号 UDA2182 pHG9802C 测量范围 0.14PH O.14PH 分辨率 0.01PH 0.1℃ 0.01PH 0.1℃ PH精度 士O.03PH 4-0.05PH 温度精度 士O.1℃ :t-0.5℃ PH温度补偿 标准能斯特反应补偿 电极斜率能斯特响应补偿 高纯水溶液补偿 纯水超纯水溶液温度补偿 从表5—1中我们可以看出UDA2182的精度要高于pHG9802C,所以在今后的实验中 均以UDA2182作为标准进行对比。 在进行实验之前需要配置6.86PH和9.18pH的两种标液。在相同的条件下将UDA2182、 pHG9802C和样表进行电极标定,并将UDA2182和样表进行温度标定。在标定后再进行 实验。 5.1.1普通水实验 在相同的条件下将UDA21 82、pHG9802C和样表的电极同时放入PH为4.00的被测溶 液中。测量数据如表5.2所示: 表5.2 普通水实验数据对照表 UDA2182 pHG9802C 样表 温度℃ 温度 PH值 温度 PH值 温度 PH值 20.0 20.0 3.94 19.8 3.97 20.0 3.98 25.0 25.0 4.00 25.1 4.02 25.O 4.Ol 30.O 30.O 4.05 29.8 4.05 30.O 4.05 35.O 35.O 4.08 35.1 4.08 35.0 4.07 从表5-2中可以看出样表的温度测量结果和外国进口的仪表的测量结果完全一样。误 差为零。而国产的仪表由于没进行温度标定,在温度的测量上有一定的误差,从而影响了 PH值测量的准确性。因为PH是有温度补偿的,所以对温度进行标定,对于准确的测量来 说是有必要的。 浙江T业丈学硕士学位论文 5 1 2纯水实验 将进口仪表和样表的水换成纯水.测量的数据如表5-3所示。由于测量的是纯水,且实 验条件有限,干扰因素比较多。所以测量结果较标准液误差要大。有待继续修正达到更大 的精度。 表5-3纯水实验数据对照表 样表 温度℃ 温度 PH值 温度 PH值 20.O 25
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