基于S3C2416处理器的萃取精馏塔监测仪表设计

崔玉礼

（烟台职业学院，山东烟台264670）

基于S3C2416处理器的萃取精馏塔监测仪表设计

崔玉礼

（烟台职业学院，山东烟台264670）

在精馏塔的运行过程中，温度、液位、压力、流量参数对分离起着至关重要的作用，因此，如何设计一款能够监测到这些数据的仪表是设计工作者的当务之急.本文主要采用ARM 9微处理器S3C2416实现萃取精馏塔监测仪表，可以实时采集温度、压力、流量、液位数据.通过24bit的TFT液晶屏动态显示系统的运行数据和运行模型并且实现超限报警、数据存储的功能.

萃取；精馏塔；监测仪表

精馏塔的控制直接影响到工厂的产品质量、产量以及原材料和能量的消耗，因此精馏塔的自动控制长期以来一直受到人们的高度重视.精馏塔是一个多输入多输出的对象.它由很多级塔板组成，内在机理复杂，对控制作用响应缓慢，参数间相互关联严重，而控制要求又大多较高.这些都给自动控制带来一定困难.目标精馏操作是利用混合液中各组分具有不同的挥发度，即在同一温度下各组分的蒸汽分压互不相同这一物理性质，从而实现液体混合物的分离.精馏操作是在精馏塔中完成的简单说，精馏操作就是迫使混合物的气、液两相在塔体中作逆向流动，在互相接触的过程中，液相中的轻组分逐渐转入气相，而气相中的重组分则逐渐进入液相.精馏过程本质上是一种传质过程，其中当然也伴随着传热.溶液中组分的数目可以是两个或两个以上[1].

1 ARM嵌入式系统

ARM(advanced RISC machine)是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件.其技术具有性能高、成本低和能耗省的特点.适用于多种领域，比如嵌入控制、消费／教育类多媒体、DSP和移动式应用等.目前，嵌入式系统也已经逐渐开始在仪表领域内使用，国内在这方面做的比较好的公司有北京博创公司和杭州期越科技公司等；在嵌入式系统中运行的操作系统也有很多，目前比较流行的有：WinCE、Linux、Vxworks、UC/OS等，其中嵌入式Linux系统具有代码开源、性能稳定、可扩展性好等优点，同时也具有开发难度大的缺点[2].

随着嵌入式系统处理器的不断发展，典型的32位RISC芯片——ARM处理器，不论是在PDA、STB、DVD等消费类电子产品中，还是在GPS、航空、勘探、测量等军方产品中都得到了广泛的应用.越来越多的芯片厂商早已看好ARM的前景，比如Intel、NS、Atmel、Philips、NEC、CirrusLogic等公司都有相应的产品.他们把更多的功能集成在ARM芯片中，使其成为了高集成度，低功耗的典型代表.ARM9系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能.它主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等.ARM9系列微处理器包含ARM920T、ARM922T和ARM940T共3种类型，以适用于不同的应用场合.本文选择三星公司的ARM9微处理器S3C2416处理器.ARM微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理改变.大多数的应用程序运行在用户模式下，当处理器运行在用户模式下时，某些被保护的系统资源是不能被访问的.

图1 S3C2416处理器

2 基于S3C2416处理器的萃取精馏塔监测仪表硬件设计

2.1 处理器的选型

本课题采用三星的ARM9微处理器s3c2416来实现，为满足仪表的需求，要完成其所有的外围接口，主要有：（1）TFT液晶屏接口.（2）4个UART接口，其中一路可以和485总线复用.（3）1路IIC接口.（4）1路SPI接口.（5）4个A/D.（6）10个GPIO.（7）DM9000网络接口，可以10M/100M自适应.（8）2路USB接口，USB采用四根电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源，可以通过连接线为设备提供最高5V，500mA的电力.USB目前有两个版本，USB1.1的最高数据传输率为12Mbps，USB2.0则提高到480Mbps.本课题采用USB2.0标准.（9）1路SD卡接口[3].

图2

ARM9监控中心主要完成显示、存储、控制算法的执行、网络通信等功能.为了保证系统实时可靠地运行，传统的单片机已经不能满足系统的需要.因此，系统选用S3C2416作为微控制器.系统硬件框图如图2所示，主要包括执行单元驱动电路、数据存储、通信接口、显示键盘管理等模块.

2.2 传感器的确定

温度传感器、液位传感器、压力传感器、流量传感器通过各种I/O接口将采样的数据传入仪表，数据被分析后在TFT屏上显示出来，同时可以存储在U盘、SD卡或者通过网络传输到后台的服务器上.目前国内的温度、压力、流量传感器种类比较丰富，可以满足本课题的要求，超声波传感器选用带IIC接口的，可以和s3c2416的IIC接口对接，通过I2C接口连接超声波传感器.I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线，它通过两根线（SDA，串行数据线；SCL，串行时钟线）在器件之间传送信息，根据地址识别每个器件.对于发送器和接收器而言，在进行数据传送时可以是主器件，也可以是从器件，主器件用于启动总线上时钟，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件.2路USB接口，USB采用四根电缆，其中两根是用来传送数据的串行通道，另两根为下游设备提供电源，可以通过连接线为设备提供最高5V，500mA的电力.USB目前有两个版本，USB1.1的最高数据传输率为12Mbps，USB2.0则提高到480Mbps[4].

I2C总线可十分方便地用于构成由ARM和一些外围器件组成的系统；这样的系统价格低，器件间总线简单，结构紧凑.这种总线结构虽然没有并行总线那样大的吞吐能力，但连接线和连接引脚少，在总线上增加器件不影响系统正常的工作，系统的可扩展性好；理论上，同一设备可以接多个超声波传感器.

DM9000网络接口设计.DM9000A是台湾DAVICOM公司生产的一款性能优越的32位低功耗以太网控制器，主要为嵌入式应用系统、便携式产品和某些适配卡等提供一种低成本的以太网解决方案.该芯片可靠、易用，是实现以太网的良好选择.

DM9000A提供一个Mll接口来连接HPNA接口发送器或者任何支持Mll接口的发送器.DM9000A物理协议层接口完全支持使用10MBps下3类、4类、5类非屏蔽双绞线和100MBps下5类非屏蔽双绞线，符合IEEE 802.3u规格.它具有自动协调功能，可以自动完成配置以最大限度地适合线路带宽，还支持IEEE 802.3x全双工流量控制.DM9000A具有自动调整功能，可以自动配置波特率从而充分利用网络.

3 软件设计

软件中BootLoader选用Uboot，操作系统采用开源软件Linux，Uboot+Linux应用于很多嵌入式设备，课题组具有多年嵌入式Linux的开发经验.

图形界面的显示采用的是QT，QT是一个跨平台的C++图形用户界面库，由挪威TrollTech公司出品.Qt做了许多针对嵌入式环境的调整，可以通过Qt的API与Linux的I/O直接交互，是一个专门的为小型设备提供图形用户界面的窗口系统，可以用于开发仪表的图形界面[5].

在产品原型开发完成以后，设备被安装在我院一个简单的塔设备上进行测试，排除BUG，进行完善，最后，该仪器被安装在一个丁烷丁烯精馏塔设备上，正式运行.

3.1 数据预处理模块

数据预处理模块主要是对输入数据进行必要的处理，确保为核心算法提供准确、可靠的输入数据.由于处理器的每种运行模式均有自己独立的物理寄存器R13，在用户应用程序的初始化部分，一般都要初始化每种模式下的R13，使其指向该运行模式的栈空间，这样，当程序运行进入异常模式时，可以将需要保护的寄存器放入R13所指向的堆栈，而当程序从异常模式返回时，则从对应的堆栈中恢复，采用这种方式可以保证异常发生后程序的正常执行.

3.2 系统组态模块

当异常中断发生时，系统执行完当前指令后，将跳转到相应的异常中断处理程序处执行.当异常中断处理程序执行完成后，程序返回到发生中断的指令的下一条指令处执行.在进入异常中断处理程序时，要保存被中断的程序的执行现场，在从异常中断处理程序退出时，要恢复被中断的程序的执行现场.

3.3 核心算法模块

人机界面模块在基于S3C2416处理吕的萃取精馏塔监测仪表系统中的核心算法的功能.

3.4 通讯模块

其主要功能包括：

3.4.1 与软测量软件包的调度模块连接.系统模式并不是通过异常进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存器.但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行处理器模式切换.它主要供操作系统任务使用.通常操作系统的任务需要访问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式的寄存器组，而不是使用异常模式下相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破坏.

3.4.2 人机界面模块.人机界面模块在基于S3C2416处理吕的萃取精馏塔监测仪表中主要是能够方便操作者对该系统进行监控和操作.

4 结论

本文通过开发一款基于S3C2416处理器的萃取精馏塔监测仪表，在精馏塔的运行过程中，温度、液位、压力、流量参数对分离起着至关重要的作用，如果能够将这些数据实时传输给设计人员，那么无论在分离精度还是节能方面都有巨大的意义.

〔1〕史岩清，景志强.自动控制系统的发展与工业自动化展望[J].中国科技信息，2010(22)：89-90.

〔2〕傅建红，胡绍忠.浅析传感器发展的新趋势[J].科技广场，2009(03)：120-122.

〔3〕王华本.计算机控制系统的发展趋势[J].今日科苑，2007 (22)：67-68.

〔4〕姜全华，姜全宏，金正军.浅析数字化变电站技术[J].科技信息(科学教研)，2008(08)：113-114.

〔5〕曹冰，石登科，吉玉超.浅谈现场总线和以太网的应用与发展[J].中国西部科技，2011(08)：176-178.

TQ056

A

1673-260X（2013）09-0042-02