（检测技术与自动化装置专业论文）基于arm的嵌入式流动电流测控仪的研究.pdf

学位论文数据集 中图分类号 t h 8 1 6 2 学科分类号 5 l o 8 0 4 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 4 8 0密 级 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名 贾涛学号 2 0 0 4 0 0 0 4 8 0 检测技术与 获学位专业名称获学位专业代码 0 8 1 1 0 2 自动化装置 课题来源自选项目研究方向智能检测与信息处理 论文题目基于a r m 的嵌入式流动电流测控仪的研究 关键词嵌入式微处理器，a r m ，l p c 2 2 1 0 ，流动电流，数字滤波，p i i ) 论文答辩日期 2 0 0 7 - 0 6 - 0 5论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位 学科专长 指导教师张新莲副教授北京化工大学检测技术与自动化 评阅人l陈娟 副教授北京化工大学先进控制技术 评阅人2杨振海高 工 中国建筑科学研究院 智能仪器仪表 评阅人3 评阅人4 评阅人5 椭员会揣王学伟教授北京化工大学 智能仪器、数字信号处理 答辩委员1杨振海高 工 中国建筑科学研究院智能仪器仪表 答辩委员2陈娟副教授北京化工大学先进控制技术 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在啜中国图书资料分类法查询 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 - 9 ) 学科分类与代码中 查询 四论文编号由单位代码争年份及学号的后四位组成 基于a r m 的嵌入式流动电流测控仪的研究 摘要 嵌入式系统以其小型、专用、可靠性高的特点，已经在各个领域得到 了广泛的应用。随着微电子技术的快速发展，旧有的流动电流测控系统已 逐渐不能适应广大用户的需求，迫切要求新一代流动电流测控系统向数字 化、智能化、集成化方面迈进。 本课题研究的主要任务是在分析和总结现有流动电流测控系统的基 础上，开发一套新型的基于a r m 微处理器的流动电流测控仪。论文围绕 这个任务，主要进行了如下几个方面的研究工作： 1 、研究了流动电流的产生和流动电流传感器，分析了目前流动电 流测控系统的结构及不足之处，提出了运用a r m 嵌入式系统开发新型测 控仪表的研究思路。 2 、根据流动电流测控仪的工作原理及功能需求，选择飞利浦公司 的l p c 2 2 1 0 为主控制器，设计了流动电流测控仪的软硬件总体方案。 3 、介绍了嵌入式系统的概念、组成，分析了嵌入式系统的特点， 依照总体方案，设计了基于a r m 7 内核的l p c 2 2 1 0 处理器的流动电流测 控仪的硬件和软件开发平台。 4 、 设计和实现了基于, m ? d m 7l p c 2 2 1 0 的流动电流测控仪的硬件 和软件各功能模块，针对系统的干扰问题，完成了f i r 滤波器的设计，选 用了增量p i d 控制算法。 摘要 总之，本文从研究嵌入式系统的软、硬件设计及其在流动电流测控仪 中的应用着手，掌握了嵌入式系统开发的模式、流程、开发环境的搭建和 软、硬件调试方法，并完成了部分试验，在结构和功能上对现有流动电流 测控系统进行了改进，使其性能更加稳定，功能扩展更加容易，为真正实 现智能化仪表奠定了坚实的基础。 关键词：嵌入式微处理器，a r m ，l p c 2 2 1 0 ，流动电流，数字滤波，p i d a b s t r a c t t h ee m b e d d e ds y s t e mh a sb e e ne m p l o y e di naw i d ef i e l db e c a u s eo fi t s m i n i a t u r i z a t i o n ，c u s t o m i z e da n dh i 曲一r e l i a b i l i t y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h m o l o g y , t h o s em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m so f t r a d i t i o n a lc a n tm e e td e m a n d so fu s e rg r a d u a l l y , s oi ti su r g e n tt h a tt h en e w g e n e r a t i o no fm e a s u r e m e n t a n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h es t r e a m i n ge r a r e n tg o e s f o r w a r do nt h ew a yo fd i g i t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t i z a t i o na n di n t e g r a t i o n t h em a i nt a s ko ft h er e s e a r c hs u b j e c ti st od e v e l o pas e to fn e wt y p e m e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mf o rt h es t r e a m i n gc u r r e n tb a s e do na r m m i c r o p r o c e s s o ra f t e ra b s o r b i n gp r e s e n ts y s t e m t h er e s e a r c hw o r ki n c l u d e m a i n l ya sf o l l o w s ： 1 t h es u b j e c td i s c u s s e dt h es t r e a m i n gc u r r e n tt e c h n i q u ea n ds t r e a m i n g c u r r e n ts e n s o r , a n a l y z e dt h ep r e s e n tc o n s t r u c t u r eo fs cm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e ma n di t sd e f i c i e n c i e s a tl a s t ，t h er e s e a r c hm e t h o d si na r m e m b e d d e ds y s t e mo ns cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e ma r eg i v e n m g e n e r a ls c h e m e ，t h eh a r d w a r ea n ds o f c w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tb a s e do n t h em c ua i 蝴l p c 2 2loi sc o n c t r u c t e d 4 e a c hh a r d w a r e c o m p o n e n ta n da p p l i c a t i o ns o f t w a r eh a db e e n c o m p l e t e d f i r f i l t e rh a db e e n d e s i g n e d a n du s e di n c r e m e n tp i d a r i t h m e t i c t h ec a p a b i l i t yo f s y s t e mi si m p r o v e d i nc o n c l u s i o n ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，t h ea p p l i c a t i o no f e m b e d d e ds y s t e ma r ed e t a i l e dr o u n d l y t h ee m b e d d e ds y s t e mm o d e lo f d e v e l o p m e n ta n dp r o c e s sa n dt h em o t h o d so ft e s t i n gw e r eo b t a i n e d t h e c o n s t r u c t u r ea n df u n c t i o n so fs cm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mh a v eb e e n i n p r o v e da n df i r m l yb a s ef o ri n t e l l i g e n t i z e di n s t r u m e n td e s i g n i n gd e v e l o p m e n t w a ss e tu p k e yw o r d s ：e m b e d d e dm c u ，删，l p c 2 210 ，s t r e a m i n gc u r r e n t ，f i l t e r , p i d 0 - 第一章绪论i 1 1 流动电流和流动电流传感器l 1 1 1 流动电流的产生l 1 1 2 流动电流传感器l 1 2 流动电流检测技术的发展及国内外研究现状l 1 3 目前流动电流测控系统的结构及其存在的不足之处3 1 4 基于a r m 的嵌入式测控仪表研究的目的和意义5 1 5 课题的背景和研究意义6 1 6 本课题的研究内容6 第二章流动电流测控仪总体方案设计9 2 1 流动电流测控仪功能、指标9 2 1 1 功能一”9 2 1 2 技术指标9 2 2 功能需求分析1 0 2 3 总体设计1 1 2 3 1 硬件设计1 l 2 3 2 软件设计1 2 第三章基于a r m 的流动电流测控仪的嵌入式系统设计1 5 3 1 嵌入式系统概述1 5 3 1 1 嵌入式系统的定义1 5 3 1 2 嵌入式系统的的特点1 6 3 1 3 嵌入式微处理器a 删1 6 3 2 开发环境的建立1 7 3 3 基于l p c 2 2 1 0 的系统主控制器的硬件设计1 9 3 3 1l p c 2 2 1 0 概述一”“”一”2 0 3 3 2 电源、晶振及复位电路2 2 v 目录 3 3 3j t a g 接口电路2 4 3 3 4s r a m 接口电路2 5 3 3 5f l a s h 接口电路2 5 3 3 6l e d 及键盘接口电路2 7 3 3 71 2c 接口电路2 8 3 4 系统程序设计2 8 第四章流动电流测控仪的设计与实现3 5 4 1 流动电流测控仪的硬件设计3 5 4 1 1 模拟信号采集3 5 4 1 2 输出控制模块3 9 4 2 流动电流测控仪的软件设计4 l 4 2 1 系统的初始化4 1 4 2 2 目标系统的实现4 l 4 2 3 采集数据读取程序4 4 4 2 4 采集数据处理程序4 5 4 2 5 数据显示5 l 4 2 6 系统模型及p i d 控制算法的选择5 l 4 2 7 键盘处理程序“5 8 第五章系统调试及应用6 l 5 1 硬件调试及分析6 l 5 2 软件调试6 2 5 3 软、硬件联合调试6 2 5 4 流动电流测控仪的应用6 4 第六章结论6 5 6 1 结论”“一”“一“”6 5 6 2 后期研究解决的问题6 5 参考文献6 7 v l j v n _ 一 p c h a p t e r li n t r o d u c t i o n 。1 1 1s t r e a m i n gc u r r e n ta n dt h es e n s o r 。1 1 1 1t h ec o m i n go f s 仃e a r n i n gc u r r e n t 。1 1 1 2s e n s o ro f s t r e a m i n gc u r r e n t - - 1 1 2d e t e c t i n gt e c h n o l o g ya n dd o m e s t i ca n do v e r s e a sr e s e a r c ha c t u a l i t y 。1 1 3t h es t r u c t u r ea n ds h o r t c o m i n go f s t r e a m i n gc u 玎髓id e t e c t o ra n dc o n t r o l o rs y s t e ma t p r e s e n t 。3 1 4t h e p u r p o s ea n dm e a n i n g o f r e s e a r c h i n g b a s e e do n a r m 5 1 5t h eb a c k g r o u da n dr e s e a r c h i n gm e a n i n go f t h ep a p e r 。- - 6 1 6t h ec o n t e n to fr e s e a r c h i n g 。6 c h a p t e r 2s t r e a m i n gc u r r e n td e t e c t o ra n dc o n t r o l e rp r o j e c td e s i g n 。9 2 1f u n c t i o na n d t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s o fs t r e a m i n gc u r r e n td e t e c t o ra n dc o n t r o l e r 9 2 1 1f u n c t i o n 。9 2 1 2t e c h n o l o g yp a r a m e t e r s 。9 2 2t h ea n a l y s i so f f u n c t i o n 1 0 2 3c o l l e c t i v i t y d e s i g n 1 1 2 3 1h a r d w a r ed e s i g n ? 1 1 2 3 2s o f t w a r ed e s i g n ”1 2 c h a p t e r3d e s i g ne m b e d d e ds y s t e mo ns t r e a m i n gc u r r e n td e t e c t o ra n d c o n t r o l e rb a s e do na r m 1 5 3 1s u m m a r i z eo f e m b e d d e ds y s t e m 。1 5 3 1 1d e f i n i t i o no f c r n b c d d c ds y s t e m 。1 5 3 1 2c h a r a c t e r i s t i co f e m b e d d e ds y s t e m 1 6 3 1 3m i c r o p r o c e s s o r a r m 1 6 3 2e s t a b l i s h i n gc o n d i t i o no f e x p l o i t a t i o n 1 7 i x c o n t e n t s 3 3h a r d w a r ed e s i g nb a s e do nl p c 2 2 1 0 - o o0 0 0 1 9 3 3 1s u m m a r i z eo fl p c 2 2 1 0 ”一“o o o oo oo o d ”“”2 0 3 3 2c 证c u i to f p o w e r s u p p l y 、c r y s t a l l o i da n dr c p o s i t i o n ”2 2 3 3 3c i r c u i to f j l a gi n t e r f a c e 一”2 4 3 3 4c i r c u i to f s 】；t a mi n t c r f a c e 0 00 000 o ooooo 2 5 3 3 5c i r c u i to f f 】：a s hi n t e r f a c e - 2 5 3 3 6c i r c u i to f l e da n dk e y b o a r di n t e r f a c e 2 7 3 3 7c i r c u i to f l 2 ci n t e r f a c e ”o 0 00000000012 8 3 4t h ed e s i g no f s y s t e ms o f t w a r e 2 8 c h a p t e r 4 d e s i g n a n dr e a l i z e d s t r e a m i n g c u r r e n td e t e c t o ra n d c o n t r o l e r 3 5 4 1t h eh a r d w a r ed e s i g no f i n s t r u m e n t ”3 5 4 1 1t h ec o l l e c t i o no f a n a l o gs i g n a l s ”“”3 5 4 i 2o u t p u tc o n t r o l 一一”一3 9 4 2t h es o f t w a r ed e s i g no f i n s t r u m e n t 。4 1 4 2 1i n i t i a l i z a t i o no f s y s t e m 4 1 4 2 2r e a l i z a t i o no f s y s t e m “”一”4 l 4 2 3 t h e p r o g r a m o f c o l l e c t i o n d a t a - 4 4 4 2 4t h e p r o g r a mo f m a n a g e m e n td a t a 。- - - 4 5 4 2 5d i s p l a yo f d a t a ”一”5 l 4 2 6 t h e m o d e l o f s y s t e ma n ds c l c c t l i n g p i da r i t h m e t i c 5 l 4 2 7 t h e p r o g r a mo f k e y b o a r d 5 8 c h a p t e r5d e b u g g i n gs y s t e ma n d i t sa p p l i c a t i o n 。- 6 1 5 1d e b u g g i n go f h a r d w a r e a n da n a l y s i s ”6 1 5 2d e b u g g i n go f s o f t w a r e 。”6 2 5 3d e b u g g i n go f h a r d w a r e a n ds o f t w a r e - 6 2 5 4a p p l i c a t i o no f s cd e t e c t o ra n dc o n t r o l c r ”6 4 c h a p t e r 6s u m m i n g u pa n d e x p e c t a t i o n ”一”6 5 6 1s u m m i n g - u p ”“”“”6 5 x t h a n k s “”6 9 p u b l i s h e ds c i e n c ep a p e r s 7 1 b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o ra n dt h et e a c h 7 3 墨= 童堡垒 第一章绪论 1 1 流动电流和流动电流传感器 1 1 1 流动电流的产生【i 】 据胶体与表面化学理论，在固液相界面上，由于固体表面物质的离解或对溶液中 离子的吸附，会导致固体表面某种电荷的过剩，并使附近液相中形成反电荷离子的不 均匀分布，从而构成固液界面的双电层，其中反离子层又分为吸附层与扩散层当有 外力作用时，双电层结构受到扰动，吸附层与固体表面紧密附着，于是在吸附层与扩 散层之间会出现相对位移，位移界面即滑动面上显现出的电位，即众所周知的孝电位 流动电流是指在外力作用下，液体相对于固体表面流动，并带动双电层的扩散层 一起运动而产生电场的现象。它是胶体的动电特性之一。 1 1 2 流动电流传感器【2 】 流动电流传感器由套筒、电极、活塞和活塞驱动装置等部件构成。当被测水样以 一定的速度流过传感器时，根据胶体化学理论【3 】可知，在固液相界面( 即在活塞、水样、 套筒界面) 上，由于固体表面物质的离解或对溶液中离子的吸附，会导致形成固液相 界面的双电层结构。当套筒中的活塞在驱动装置的带动下往复运动时，迫使液体沿筒 和活塞表面流动，并带动双电层的扩散层一起运动，而产生电流，这一电流可从安装 在套筒中的两电极检出即为流动电流。因为活塞是往复运动的，故电流是交变的，活 塞的运动周期即为电流的变化周期。当传感器的活塞和套筒几何尺寸确定后，水中电 荷点的含量决定了流动电流的幅值。 1 2 流动电流检测技术的发展及国内外研究现状 自1 8 5 9 年q u i n c k t 4 】在实验室发现流动电流现象后的一百多年里，研究工作者对 其原理、检测以至应用做过一些探索，并试图将其应用于一些研究及生产领域1 9 6 6 年，g e r h e s 5 】根据流动电流的产生原理，设计了流动电流检测器( s t r e a m i n gc u r r e n t d e t e c t o r ，简记s c d ) ，并指出了流动电流检测器用于混凝剂投量控制的可能性1 9 6 8 年，s o m e r s e t l 6 1 在他的论文中又进一步论述了流动电流用于混凝投药自动控制的可行 性，研究了最佳投药量与流动电流的相关性问题，认为既然混凝过程首先是一个电动 现象，而s c d 正是这种现象的简单、灵敏的指示器，那么将s c d 用于水厂混凝投药 北京化t 人学硕i ：学位论文 s c d 在一些涉及电 种连续检测装置，对 自动控制，调节混凝剂投加量应是有效的同年，他进一步指出 荷的工艺过程中应用的可能性，并说明该仪器的价值在于作为一 分散体系的电中和过程能连续检测，因此能实现混凝投药的自动控制此后的一些研 究工作者在理论、实验和生产应用等方面做了大量的研究工作，解决了传感器自清洗 等问题，经历了十几年的探索与完善，直到1 9 8 2 年，g a r d i l e l 7 1 等人报导了新型s c d 用于某水厂混凝投药自动控制的成功实例，该厂先是以原水浊度前馈控制，并利用清 水浊度反馈微调的方案进行投药控制，经过二年的试用后发现，在低浊或高色度期自j ， 控制效果不好，故而放弃该方案，而改为流动电流技术控制投药。经过几个月的试用 表明，该系统可有效地进行混凝投药自动控制，并取得了节药率2 0 3 3 的效果， 同时保证了处理水质，减轻了值班人员的劳动强度。1 9 8 3 年，b r y a n t t 8 】报导了加超声 波清洗传感器的流动电流检测器及其若干应用实例：例如美国西海岸某水厂处理水供 漂白纸浆用，原水水质波动较大，在山洪下泻期间，浊度可高达1 0 0 0 n t u 安装s c d 控制系统后，混凝剂投量可随原水的变化而自动调整，节药率达3 3 ，处理后水质亦 可满足要求。1 9 8 7 年，英国出现了有关s c d 应用研究方面的报导，1 9 8 9 年加拿大、 德国也先后报道了s c d 的应用情况 9 1 。从1 9 8 9 年起，流动电流投药控制技术研究与 应用已进入一个鼎盛时期。据文献【l o 】报导，已有数百家水厂应用s c d 控制投药，取 代其他传统的投药控制方法。至此，采用流动电流技术实现混凝投药自动控制的研究 已逐渐打破了美国独家“经营 的局面，在世界范围内大规模展开。 我国在流动电流的检测及应用技术方面的研究始于八十年代末，1 9 8 9 年，崔福义 将他在国外的研究成果总结后，发表了这方面的第一篇研究论文【i l 】。1 9 9 0 年，李圭白 教授组织了化学、给水排水、自动化仪表等学科的研究人员，开展了包括流动电流基 础理论、流动电流检测技术、混凝剂投加优化控制、流动电流投药控制工艺技术和流 动电流混凝投药控制应用技术等方面的研究。1 9 9 1 年国产的流动电流检测器通过鉴 定，使我国成为世界上继美、英之后第三个研究并掌握流动电流检测技术的国家。1 9 9 2 年，曲久辉在流动电流特性的研究一文中【1 2 1 ，对“流动电流的基础理论及特性 、 “影响流动电流的相关因素和过程以及“流动电流的应用”等问题进行了研究。同 年，国产的第一套流动电流混凝投药自动控制系统在牡丹江四水厂投入运行并取得成 功，到1 9 9 3 年已有十余套流动电流混凝投药自动控制系统在南宁、黄岩、扰顺、牡 丹江、哈尔滨等地投入运行。1 9 9 4 年，崔福义的论文 流动电流混凝投药控制工艺技 术研究【1 3 】对“混凝投药控制技术的发展 、“流动电流混凝投药控制技术的形成、 “流动电流的原理及检测工艺 、“控制环节的特性与工艺一和“流动电流混凝投药 系统应用效果的评价一等内容进行了全面的论述。从1 9 9 0 年到1 9 9 5 年，我国已有。流 动电流检测技术一、“混凝剂投加优化控制的研究一和“流动电流单因子混凝投药生 产性试验研究一等多项成果通过鉴定，发表学术论文二十余篇，据文献【1 4 】统计的结 果表明，我国在流动电流检测技术及在混凝投药控制技术方面的研究已在国际上占重 2 第一章绪论 要的地位，进入世界先进行列 s c d 技术自8 0 年代问世以来，就受到了水处理工程界的关注，首先在美国、英 国、法国等国家得到了成功的应用。美国是最先采用流动电流法控制混凝投药的国家， 据文献 1 0 1 报道，到1 9 8 7 年时，就已经有数百家水厂应用流动电流法取代其他传统技 术进行混凝投药自动控制，而且推广面在不断增加。目前生产流动电流检测器最大的 两家公司都在美国。我国一些水厂引进的大部分都是美国的m i l t o nr o y 公司的流 动电流混凝投药设备和美国c h e n t e a c 公司的控制设备。从美国对该技术的一项调 查表明，原水浊度在1 0 - 5 0 0 0 n t u 变化，水量变化范围最低为1 0 ，最高达1 0 0 时 应用该技术收到良好的混凝效果，平均节约药剂1 5 - 3 0 自1 9 9 4 年起，流动电 流技术逐渐在国内水厂大量应用，迄今已有上百台国产设备在全国各地水厂运转，其 范围覆盖了全国大部分省、市、自治区。国产设备是专门针对我国的水源水质水处理 工艺及应用条件进行研究设计的，因此绝大多数国产设备获得了良好的使用效果，取 得了显著的社会效益和经济效益。与流动电流技术相配合，还将变频调速技术应用于 包括计量泵和离心泵在内的投药泵的调节。在应用中，流动电流技术得到了不断的改 进，发展出了流动电流一浊度串级反馈控制系统、流量一流动电流前馈一反馈控制系统 等。 流动电流技术在我国许多水厂获得了较普遍的应用，已被列入我国“城市供水行 业2 0 0 0 年技术进步发展规划 ，成为水处理混凝控制的主导技术之一。流动电流技术 是基于电荷的控制技术，不适合一些特殊水质情况，例如黄河高浊度水和某些污染较 严重的水质 。， 1 3 目前流动电流测控系统的结构及其存在的不足之处 目前流动电流测控系统的典型结构如图1 1 所示。 原水出水 图1 - 1 流动电流测控系统结构框图 f l g 1 - it h es l t u c b n em a p o fs cd e t e c t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m 如杭州市自来水公司清泰门水厂安装使用就是a b 公司的p l c 5 和m i l t o nr o y 公 3 频率，达到控制投药量的目 但能减少系统硬件部件，还能提升测控品质，便于日后维护。 目前流动电流测控系统存在的不足之处主要有以下几点： l 、水温对混凝过程中流动电流值的影响 在实际制水生产过程中，原水水质参数的变化，会对混凝效果产生影响，需要通 过调整流动电流设定值来加强混凝或减弱混凝( 加大或减少混凝剂的投加量) 而水 温的波动是水质变化中常见的现象之一。同一水源在冬季和夏季的水温差距常达1 5 度以上，不同水源其温度也有很大差异。据文献【1 5 】的研究结果表明，通常情况下， 温度增高有利于混凝、反应的发生，混凝效果变好，其规律为混凝、反应速度和微粒 沉降速度同水温成正比关系，实验表明温度每升高摄氏十度，反应速率要提高l 倍到 2 倍。在这种情况，需要降低流动电流设定值。 文献 1 6 】给出一个特例，即温度的升高又不利于胶粒的凝聚，主要表现为： ( 1 ) 胶体颗粒的流动电流值负增长，增加了胶粒的稳定性：( 2 ) 在相同混凝剂剂量下胶 体流动电流值上升到等电点所需的时间延长，甚至达不到等电点；( 3 ) 最佳投药量 增加，需要提高流动电流设定值。 因此，新型流动电流测控仪给出了正补偿系数和负补偿系数2 种补偿方法供现场 操作人员选择。当水温变化超出一定范围时，测控系统可根据水温的变化对系统设定 值进行适当调整，从而保证混凝效果。这对水厂优化混凝控制技术有着积极的意义 2 、干扰对测控系统的影响 流动电流传感器的输出信号是微小信号，因此一旦有强电信号在流动电流测控系 统的传感器附近存在时，就会产生干扰，对测控系统的正常工作产生影响；当传感器 接地不符合要求时，也会对流动电流的检测造成干扰；电源的污染( 如动力电源存在 大幅度的电压或电流变化) 、测控系统周围有强电信号源( 如大的电控柜、控制器等) 都会造成流动电流测控系统的干扰，从而影响系统的正常工作。流动电流测控系统遇 到干扰，可能出现检测值无规律的上下波动、检测值不能准确地反映投药量或原水水 质、水量的变化等现象。因此新型流动电流测控仪，应能充分而有效地克服随机干扰， 改善系统稳定性，提高系统品质。 3 、现有测控系统的结构对功能扩展的影响 图1 1 所示的现有流动电流测控系统的流动电流测控仪采用模拟信号变送器和 p l c ( 或通用工业调节器) 的组合，它存在以下缺点： 4 第一章绪论 ( 1 ) 无法统计原水流量、加药量等生产数据、不能生成数据报表，为指导生产提 供依据； ( 2 ) 与上位机通讯较困难，更不能实现网络控制功能因此，有必要彻底改变现 有流动电流检测仪的结构，使其能真正实现智能化、网络化，适应新一代测控仪表的 发展趋势。 1 4 基于a r m 的嵌入式测控仪表研究的目的和意义 单片机进入我国已经有近3 0 年的历史了，单片机在测控系统中的广泛应用无疑 与其良好的性能是分不开的【1 6 l 。随着微电子技术的不断进步，处理器的性能不断提升， 当今测控系统中，维持着8 位、1 6 位以及3 2 位处理器共存的局面【1 7 1 起初，测控系 统受处理器功能的限制以及通讯手段的不完善，往往采用前端机信息采集后端机数据 处理的模式，以单一集中的方式运行。8 位单片机功能有限，对于不同需求需外接专 用控制转换芯片，开发复杂。随着微处理器的发展，1 6 位的处理器逐渐取代8 位机， 其较强的处理能力在完成采集任务的同时仍有能力处理其他事件。然而不论是8 位或 1 6 位处理器，都存在工作频率低，处理并发事件的能力弱的问题，在实时性要求苛刻、 处理复杂、精度要求高的应用中增加了系统设计的难度和复杂度，当系统出现异常时， 排除和查找故障困难。且8 位、1 6 位的处理器多采用传统的d i p 封装形式，电路板 尺寸大，不适合嵌入式应用的要求。另外，在芯片设计之初，并未对功耗控制进行严 格的设计，功耗大散热多，不利于系统的稳定工作。新型的3 2 位处理器具有更宽 的总线宽度，处理器时钟可达到上百兆，多采用s o c 设计【l 射，片上集成有多种通用 接口，往往一片芯片就已经具有工控机的所有功能，可适合当前绝大部分军事和民用 领域的应用。采用p b g a 、f b g a 等封装形式，大幅度的减小了电路板的尺寸，采用 功耗控制技术，散热少、功耗低，降低系统热设计的要求。虽然3 2 位处理器与8 位、 1 6 位处理器相比性能上有了大幅度提高，但其价格仍与普通8 位1 6 位处理器持平。 综上所述，3 2 位高性能处理器应用于测控系统的条件已经成熟。 嵌入式系统是继计算机网络技术之后r r 领域又一个新的技术热点和发展方向， 是信息产业在二十一世纪知识经济时代重要的经济增长点之一，开发具有中国自主产 权和适合国情的嵌入式产品，对于我们民族工业来讲，将有十分重要的社会和经济意 义【1 9 1 。嵌入式系统目前已经广泛地应用于网络通信、消费电子、工业控制、国防等各 个领域，新型测控仪表无一不是嵌入式系统。自动化仪表正沿着数字化、智能化( 故 障自诊断自恢复) 、网络化、人性化的人机交互界面，自动无纸记录的方向发展，其 核心技术都离不开嵌入式系统。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是一种基于r i s c ( 精简指令集计算机) 构建 5 北京化t 大学颂：卜学位论文 的通用的3 2 位微处理器刚。a r m 公司是业界领先的1 6 3 2 位嵌入式处理器技术提供 商，其产品占领了约7 5 的r i s c 处理器市场【2 a r