引 言
    在煉焦生產(chǎn)中，推焦時(shí)間、平煤時(shí)間、推焦電流等數(shù)據(jù)是反映焦?fàn)t實(shí)際操作情況的重要指標(biāo)。由于推焦車是室外移動(dòng)裝置，而采集好的數(shù)據(jù)需及時(shí)傳送到中心主控室的計(jì)算機(jī)中完成數(shù)據(jù)的分析、處理和記錄，因此為了實(shí)現(xiàn)推焦過(guò)程的有效監(jiān)測(cè)，需要解決數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)通信這兩大問題。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
    按項(xiàng)目要求，中心主控站能對(duì)2個(gè)移動(dòng)距離達(dá)200 m的推焦車上的電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，所以采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ剑ㄟ^(guò)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)控制推焦車上的從站接收主控站的命令，并接收從站發(fā)出的推焦電流等模擬量以及爐號(hào)等數(shù)字量信息。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖l所示，其中上位機(jī)(主站)由1個(gè)PC終端和D2lDL無(wú)線數(shù)傳模塊(含天線)組成，二者之間通過(guò)串口通信。

    鑒于數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，中心主控站的數(shù)據(jù)管理可以較容易地實(shí)現(xiàn)，所以關(guān)鍵技術(shù)就在于下位機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，以及下位機(jī)與上位機(jī)之間可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

2 下位機(jī)的硬件組成
    下位機(jī)以ARM7微控制器為核心，利用ARM7內(nèi)核對(duì)外圍設(shè)備，包括無(wú)線數(shù)傳模塊、LCD顯示模塊、模擬／數(shù)字信號(hào)輸入、鍵盤掃描，進(jìn)行控制和管理，基本框架如圖2所示。

    (1)ARM控制板
    控制板是下位機(jī)的核心，控制系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊?？刂瓢宓腗CU采用Atmel公司的 AT91SAM7S64芯片，它有64 KB高速Flash和16 KB的SRAM，片內(nèi)主要有存儲(chǔ)器控制器、復(fù)位控制器、時(shí)鐘發(fā)生器、電源管理控制器、先進(jìn)中斷控制器、周期性間隔定時(shí)器、時(shí)間窗看門狗、實(shí)時(shí)定時(shí)器、并行輸入／輸出控制器、外設(shè)數(shù)據(jù)控制器、USB2．O全速設(shè)備接口、同步串行控制器、通用同步／異步收發(fā)器、主從串行外設(shè)接口、3通道16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、4通道16位PWM控制器、兩線接口、8通道10位A／D?？刂瓢宓耐鈬娐分饕妷恨D(zhuǎn)換電路、串口輸入／輸出控制電路、JTAG電路、模擬量數(shù)字量輸入／輸出電路、時(shí)鐘芯片控制電路、USB接口電路、EEPROM電路等。
    (2)液晶顯示模塊
    下位機(jī)的本地顯示功能通過(guò)控制帶有SEDl335控制器的液晶顯示模塊實(shí)現(xiàn)。SEDl335是日本Seiko Epson公司生產(chǎn)的液晶顯示控制器。它的輸入／輸出緩沖器功能較強(qiáng)，指令功能豐富，并行發(fā)送4位數(shù)據(jù)，最大驅(qū)動(dòng)能力為640×256點(diǎn)陣。SEDl335硬件結(jié)構(gòu)由MCU接口、內(nèi)部控制和驅(qū)動(dòng)LCM組成。
    (3)無(wú)線數(shù)傳模塊
     由于推焦車要在較大范圍移動(dòng)，因而采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸是一種較好的選擇。北京捷麥公司生產(chǎn)的SA68D21DL無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊是一種可在微機(jī)與微機(jī)之間或微機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行全雙工遠(yuǎn)距離無(wú)線通信的收發(fā)模塊，它還可以脫離微機(jī)組成多點(diǎn)報(bào)警、遙控系統(tǒng)。其主要特點(diǎn)為：串口具有TTL、RS232、RS485等多種電平接口；內(nèi)含EE—PROM看門狗電路，可掉電記憶設(shè)置參數(shù)；發(fā)送／接收距離為1～3 km。
    (4)電流變送器模塊
    在電力電子產(chǎn)品中，對(duì)大電流進(jìn)行精確的檢測(cè)和控制是產(chǎn)品安全可靠運(yùn)行的根本保證。推焦車設(shè)備中，最大電流可達(dá)400 A。經(jīng)多方調(diào)研比較，采用北京森社公司生產(chǎn)的霍爾電流變送器模塊，其主要特點(diǎn)為：工作區(qū)內(nèi)精度高于1％；動(dòng)態(tài)性能響應(yīng)時(shí)間小于lms，跟蹤速度高于50 A／ms；平均無(wú)故障工作時(shí)間>50 000小時(shí)；易于安裝。
   [!--empirenews.page--] (5)鍵盤控制模塊
    傳統(tǒng)的行列式編碼數(shù)字鍵盤要占用很多I／O引腳，而基于A／D轉(zhuǎn)換器的鍵盤一般只用一個(gè)I／O引腳就能讀取多個(gè)按鍵。其工作原理為：鍵盤由一系列分壓電阻和按鍵組成，不同的按鍵對(duì)應(yīng)著不同的分壓電阻，從而得到不同的分壓及不同的A／D轉(zhuǎn)換數(shù)值。這種鍵盤只能識(shí)別單個(gè)按鍵按下的情況，本鍵盤只有12個(gè)按鍵，現(xiàn)場(chǎng)操作人員只需輸入爐號(hào)1～10以及“確認(rèn)”、“取消”鍵，因此完全滿足要求。

3 下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)
    軟件模塊包括串口控制程序、A／D數(shù)據(jù)采集、無(wú)線模塊收發(fā)控制、LCD更新顯示控制、定時(shí)器控制和按鍵掃描輸入控制部分。
    由于下位機(jī)工作模式簡(jiǎn)單，出于精簡(jiǎn)代碼量以及程序穩(wěn)定性的考慮，未在控制器中使用操作系統(tǒng)等復(fù)雜的進(jìn)程調(diào)度機(jī)制。下位機(jī)上電后直接運(yùn)行主程序，完成初始化過(guò)程之后進(jìn)入主循環(huán)，接收上位機(jī)發(fā)送的命令并據(jù)此進(jìn)行相關(guān)操作。對(duì)于實(shí)時(shí)性要求較高的數(shù)據(jù)采集、LCD屏顯示更新和鍵盤掃描任務(wù)，則在定時(shí)器中斷服務(wù)程序中完成。
    主程序主要包括系統(tǒng)初始化(初始化MCU、總線、I／O端口、LCD、A／D、參數(shù)、串口等)、無(wú)線數(shù)傳模塊設(shè)置(讀取并設(shè)置地址和身份碼)、顯示開機(jī)畫面、開定時(shí)器中斷、接收串口數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)校驗(yàn)和發(fā)送數(shù)據(jù)。中斷控制程序包括鍵盤掃描、判斷鍵值響應(yīng)按鍵、模擬量和數(shù)字量采樣以及按照協(xié)議將數(shù)據(jù)填充到發(fā)送數(shù)組。
3．1 對(duì)LCD顯示屏的控制
    ARM系統(tǒng)使用12個(gè)I／0端口控制內(nèi)置SED1335控制器的顯示屏。其中4個(gè)端口為控制命令端口，8個(gè)端口為數(shù)據(jù)端口，端口控制信號(hào)圖如圖3所示。

    AT91SAM7S64并行輸入輸出控制器(PIO)管理多達(dá)32個(gè)全可編程I／O線。對(duì)于LCD顯示屏的控制，實(shí)際上是根據(jù)SED1335控制器的時(shí)序進(jìn)行操作，即通過(guò)PIO控制器控制并行數(shù)據(jù)輸出。
    程序的具體實(shí)現(xiàn)就是先總線初始化，配置控制LCD的8條數(shù)據(jù)總線和4條命令總線，設(shè)置外圍設(shè)備時(shí)鐘使能寄存器(PCER)、上拉禁止寄存器(PPUDR)、多驅(qū)動(dòng)禁止寄存器(MDDR)、輸入濾波禁止寄存器(IF—DR)、輸出寫使能寄存器(0WER)、PIO使能寄存器(PER)、輸出使能寄存器(OER)和輸出數(shù)據(jù)寄存器(S0一DR)。
3．2 對(duì)無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊的控制
    AT91SAM7S64的USART，支持與使能由發(fā)送器到接收器的數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐庠O(shè)數(shù)據(jù)控制器的連接，可管理多類型串行同步或異步通信。推焦車上的下位機(jī)通過(guò)USART口同無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)模塊通信，控制電臺(tái)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，相關(guān)接口的核心芯片是MAX3232EEA，具體電路如圖4所示。

    串口的初始化包括初始化外設(shè)I／0，使能時(shí)鐘，配置串口工作模式(如波特率)等，使能串口；串口接收采用超時(shí)接收，其含義是：當(dāng)串口收到1字節(jié)的數(shù)據(jù)后，若在一定時(shí)間間隔內(nèi)收到另外1字節(jié)數(shù)據(jù)，則可認(rèn)為后1字節(jié)同前1字節(jié)為同一包數(shù)據(jù)中的內(nèi)容，若在一定時(shí)間間隔內(nèi)未收到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為此包數(shù)據(jù)接收結(jié)束。這時(shí)，串口狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位置1，通過(guò)查詢狀態(tài)寄存器該狀態(tài)位的值可判斷是否接收結(jié)束。串口數(shù)據(jù)發(fā)送只要設(shè)置好發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和發(fā)送數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器，即可開始發(fā)送。
3．3 系統(tǒng)中定時(shí)器的作用
    本系統(tǒng)通過(guò)AT91SAM7S64的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器模塊控制數(shù)據(jù)采集周期、按鍵掃描和LCD更新。AT91SAM7S64定時(shí)器／計(jì)數(shù)器(TC)包括3個(gè)相同但相互獨(dú)立的16位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器通道。
    每個(gè)通道有3個(gè)外部時(shí)鐘輸入，5個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘輸入及2個(gè)可由用戶配置的多功能輸入／輸出信號(hào)。每個(gè)通道驅(qū)動(dòng)一個(gè)可編程內(nèi)部中斷信號(hào)來(lái)產(chǎn)生處理器中斷。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器有2個(gè)作用于這3個(gè)通道的全局寄存器。塊控制寄存器允許使用同樣的指令同時(shí)啟動(dòng)3個(gè)通道。塊模式寄存器為每個(gè)通道定義外部時(shí)鐘輸入，允許將它們連接。另外，每個(gè)通道有一個(gè)16位寄存器，寄存器值在所選時(shí)鐘每個(gè)上升沿處自減，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到0xFFFF并轉(zhuǎn)為0x0000時(shí)，表明發(fā)生溢出，TC_SR(狀態(tài)寄存器)中COVFS位置1。

   [!--empirenews.page--] 定時(shí)器初始化包括設(shè)置定時(shí)器時(shí)鐘，配置模式寄存器，設(shè)置定時(shí)器中斷等。
    定時(shí)器中斷25 ms進(jìn)行一次A／D轉(zhuǎn)換，控制采集A11、A12模擬信號(hào)輸入，以及鍵盤信號(hào)的掃描。由于AI模擬信號(hào)每250 ms采集一組，所以每進(jìn)入10次中斷將最近5次采集到的AI信號(hào)進(jìn)行去極值求平均數(shù)操作，并裝入發(fā)送數(shù)組通過(guò)串口發(fā)往無(wú)線數(shù)傳模塊；而鍵盤按鍵信號(hào)由于要求較高的實(shí)時(shí)性，所以每25ms判斷一次。之所以把AI數(shù)據(jù)采集和鍵盤掃描放在同一個(gè)定時(shí)器中，是因?yàn)檫@兩個(gè)功能模塊均用到了ADC控制器；若放在兩個(gè)定時(shí)器中斷中分別對(duì)ADC控制器進(jìn)行操作，則會(huì)造成資源訪問沖突，導(dǎo)致程序跑飛和系統(tǒng)癱瘓。當(dāng)判斷按鍵輸入部分結(jié)束，對(duì)按鍵將作出實(shí)時(shí)響應(yīng)，主要體現(xiàn)在LCD的顯示內(nèi)容上。每250 ms采集一組AI信號(hào)時(shí)，同樣也會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為工程量通過(guò)LCD顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地實(shí)時(shí)顯示。
3．4 系統(tǒng)中A／D的使用
    A／D是一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其信號(hào)采集精度和采集周期直接決定了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。在AT91SAM7S64芯片內(nèi)，8路模擬量通過(guò)1個(gè)八選一復(fù)用開關(guān)后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換結(jié)果送入一個(gè)所有通道可用的通用寄存器，即通道專用寄存器中，可配置為軟件觸發(fā)、外部觸發(fā)ADTRG引腳上升沿或內(nèi)部觸發(fā)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器輸出。ADC支持8位或10位的分辨率，默認(rèn)情況為10位分辨率；對(duì)于所有通道只需要一個(gè)啟動(dòng)命令來(lái)初始化轉(zhuǎn)換序列。ADC硬件邏輯對(duì)工作通道自動(dòng)執(zhí)行轉(zhuǎn)換，然后等待新請(qǐng)求；當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，10位數(shù)字結(jié)果存于當(dāng)前通道的通道數(shù)據(jù)寄存器(ADC_CDR)及ADC最后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)寄存器(ADC_LCDR)中。
    本系統(tǒng)中，用AT91SAM7S64芯片的ADC控制器定時(shí)對(duì)相應(yīng)通道的模擬量進(jìn)行采集。另外，系統(tǒng)還通過(guò)A／D讀取鍵盤數(shù)據(jù)，根據(jù)ADC轉(zhuǎn)換值的不同判斷按鍵。ADC的初始化包括初始化時(shí)鐘、復(fù)位ADC、配置模式寄存器、設(shè)置A／D通道等。在本系統(tǒng)中，程序使能4路A／D通道，2路用于對(duì)反映推焦參數(shù)的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另外兩路用于對(duì)鍵盤按鍵信號(hào)進(jìn)行判斷控制。相關(guān)程序如下：

     對(duì)于所采集的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行數(shù)字濾波以減少外界干擾的影響。綜合考慮電磁環(huán)境以及算法復(fù)雜度等因素，采用去極值的平均濾波算法，即對(duì)短時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)，去除最大值和最小值，把其余值的平均數(shù)作為一次數(shù)據(jù)采集的信號(hào)量。
    對(duì)于鍵盤按鍵信號(hào)，每個(gè)按鍵按下產(chǎn)生的模擬量值都在一個(gè)特定的區(qū)間范圍內(nèi)。從軟件上看，只需要判斷采集按鍵信號(hào)的2路A／D轉(zhuǎn)換值處在哪個(gè)區(qū)間內(nèi)，即可判斷出哪個(gè)鍵被按下，并且增加相關(guān)保護(hù)程序，使按鍵長(zhǎng)時(shí)間按下不會(huì)重復(fù)響應(yīng)，以防止誤操作。

結(jié) 語(yǔ)
    與現(xiàn)有的推焦數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：將通過(guò)A／D采集到的模擬量經(jīng)過(guò)工程量轉(zhuǎn)換后，在LCD顯示屏上實(shí)時(shí)顯示，便于推焦車操作及維護(hù)人員直觀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況并作相應(yīng)調(diào)整；上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的爐號(hào)信息和時(shí)間信息也在LCD顯示屏顯示，增強(qiáng)了控制命令的可視性，降低了誤操作的可能；采用無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，并通過(guò)軟件校驗(yàn)的方式使傳輸?shù)恼`碼率降低到系統(tǒng)允許的范圍。
    此推焦數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)交付貴州、山西和山東等地的一些焦化廠使用，達(dá)到了預(yù)期的運(yùn)行效果。