（测试计量技术及仪器专业论文）基于s3c44box的工业用煤成份分析仪研究.pdf

i i i i i iii iii i i i i it 1 1 1 1 1i t t l l i y 18 3 2 7 9 9 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 徐抗日期：户年6 月) 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 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；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者： 徐煎 日期：夕j ，年乡月0 日 摘要 摘要 煤矸石是一种在采煤和洗煤过程中排放的固体废物，我国每年要排放大量的 矸石，不仅占用大量的土地资源，而且造成环境污染。用洗中煤和矸石混烧发 电，是解决污染的有效途径。国家为鼓励企业，特别是火力发电厂，积极有效 使用煤与矸石混合燃料混烧发电，制定了许多优惠政策，因此如何快速、精确地 定量分析混合燃料中煤与矸石的搭配比例，具有十分重要的意义。 本文首先对系统的设计原理进行深入分析，提出利用单束、低能，射线透 射法测量混合燃料组分的思想，然后介绍了基于s 3 c 4 4 8 0 x 的工业用煤成份分析 仪的设计原理，并详细介绍了r 射线能量信号采集电路、混合燃料质量信号采 集电路以及系统的软硬件设计。 基于s 3 c 4 4 b o x 的工业用煤成份分析仪主要由前端j ，射线能量信号采集电 路、混合燃料质量信号采集电路和数据处理系统等组成。r 射线能量信号采集 电路对n a i 探测器输出的脉冲信号进行滤波、放大、整形、脉冲幅度分析后，输 入s 3 c 4 4 8 0 x 的计数器进行计数。同时用一个带有标准r s - 2 3 2 c 串口的精密电子 天平同步测量混合燃料的质量信号。数据处理系统对两路输入信号计算处理后， 得到混合燃料中煤与矸石的搭配比例，并将数据实时发送到l c d 屏进行实时数据 显示。系统还扩展了一个网络接口，可以将数据传送到远程p c ，以备后期分析。 在软件系统设计中，论文引入了”c l i n u x 操作系统，完成了引导加载程序b l o b 和操作系统的移植。重点设计了精密电子天平与s 3 c 4 4 8 0 x 的串口通讯和数据的 网络传输等应用程序。 系统使用方便，可配备于热电厂及监测部门的化验室，对混合燃料煤的成份 进行快速定量分析。 关键词：s 3 c 4 4 8 0 x ：p c l i n u x ；y 射线：煤成份；数据采集； a b s t r a c t a b s t r a c t t h eg a n g u ei sak i n do fs o l i dw a s t ep r o d u c e di nc o a lm i n i n ga n dc o a lw a s h i n g p r o c e s s n l ee m i s s i o no fg a n g u ei no u rc o u n t r yi sl a r g ei na m o u n te v e r yy e a r ；i tn o t o n l yt a k e su pm a s s i v el a n dr e s o u r c e , b u ta l s oc a u s e se n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n t ob u m t h em i x t u r eo fc o a la n dt h eg a n g u et og e n e r a t ee l e c t r i c i t yi st h em o s te f f e c t i v ew a yt o s o l v et h ep r o b l e mo fp o l l u t i o n o u rc o u n t r yh a sm a d em a n yp r e f e r e n t i a lp o l i c i e st o e n c o u r a g et h ee n t e r p r i s e ，s p e c i a l l yt h et h e r m a lp o w e rp l a n t , t ou s ec o a la n dt h e g a n g u em i x e df u e lp o s i t i v e l ya n de f f e c t i v e l y t h e r e f o r ea n a l y z i n gt h em a t c h i n g p r o p o r t i o no fc o a la n dg a n g u ei nt h eb l e n d e df u e li naf a s ta n dp r e c i s ew a yp l a y sa v e r yv i t a lr o l e t h i st h e s i sf i r s tg i v e sat h o r o u g ha n a l y s i st ot h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h es y s t e m ， p r o p o s e dt h ei d e at ou s eas i n g l eb e a m ，a n dl o we n e r g y ? r a yt r a n s m i s s i o nm e t h o dt o m e a s u r em i x e df u e lc o m p o n e n t s ，t h e ni n t r o d u c e dt h ed e s i g np r i n c i p l eo ft h ei n d u s t r i a l u s e dc o a li n g r e d i e n ta n a l y s i si n s t r u m e n t ，w h i c hi sb a s e do ns 3 c 4 4 b o x , a n da l s o i n t r o d u c e dt h e7r a ye n e r g ys i g n a l g a t h e r i n ge l e c t r i cc i r c u i t ；t h eq u a l i t ys i g n a l g a t h e r i n ge l e c t r i cc i r c u i to ft h eb l e n d e df u e la sw e l la st h es o f t ：w a r ea n dh a r d w a r e d e s i g no ft h es y s t e mi nd e t a i l 田地i n d u s t r i a lu s e dc o a li n g r e d i e n ta n a l y s i si n s t r u m e n t ，b a s e do ns 3 c 4 4 b o x , i s m a i n l yc o m p o s e db yt h e ? r a ye n e r g ys i g n a lg a t h e r i n ge l e c t r i cc i r c u i t ，t h eq u a l i t y s i g n a lg a t h e r i n ge l e c t r i cc i r c u i to ft h eb l e n d e df u e la sw e l l 鹤t h ed a t ap r o c e s s i n g s y s t e m ，n l e ? r a ye n e r g ys i g n a lg a t h e r i n ge l e c t r i cc i r c u i ti su s e dt of i l t e r , e n l a r g e ， r e s h a p e , a n da n a l y z et h ep u l s es i g n a lo u t p u t t e db yn a id e t e c t o r , a n d t h e na s 3 c 4 4 b o xc o u n t e ri su s e dt oc o u n t a tt h es a m et i m eap r e c i s i o ne l e c t r o n i cb a l a n c e w i t l las t a n d a r dr s 一2 3 2 cs e r i a lp o r tw a su s e dt os i m u l t a n e o u s l ym e a s u r et h eq u a l i t y o ft h es i g n a lo ft h em i x e df u e l a f t e rt h ed a t ap r o c e s s i n gs y s t e mh a sp r o c e s s e da n d c a l c u l a t e dt h et w oi n p u ts i g n a l ，t h ep r o p o r t i o no fc o a la n dg a n g u ei nt h em i x e d - f u e li s o b t a i n e d a n dr e a l t i m ed a t ai ss e n tt ot h el c ds c r e e nf o rr e a l - t i m ed a t a t i l i ss y s t e m a l s oe x t e n d san e t w o r ki n t e r f a c e ；t h ed a t ac a nb et r a n s m i t t e dt oar e m o t ep c ，t o p r e p a r ef o rl a t e ra n a l y s i s i ns o f t w a r es y s t e md e s i g n , t h i sp a p e ri n t r o d u c e si ，t c l i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，i no r d e rt of i n i s hb l o bb o o tl o a d e ra n do p e r a t i n gs y s t e mm i g r a t i o n p r e c i s i o ne l e c t r o n i cb a l a n c ew i t hs 3 c 4 4 b o xs e r i a lc o m m u n i c a t i o n sa n dd a t a n e t w o r kt r a n s m i s s i o na p p l i c a t i o n sa r ef o c u s e do nd e s i g n t h es y s t e mi s e a s yt ou s e i tc a nb ee q u i p p e dw i t h t h ep o w e rp l a n ta n d i j a b s t r a c t m o n i t o r i n gd e p a r t m e n to ft h el a b o r a t o r yt og i v ear a p i dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h e c o m p o s i t i o no fc o a li nm i x e df u e l k e yw o r d s ：s 3 c 4 4 b o x ；i _ t c l i n u x ；yr a y ；i n g r e d i e n to fc o a l ；d a t ac o l l e c t i o n i i i 目录 目录 课题研究的背景和意义 国内外研究现状 论文的主要内容及各章节安排 2 工业用煤成分定量分析仪设计方案 2 1 理论依据 2 2 放射源选择 2 3 测量算法 2 4 最小二乘法直线拟合 2 5 基于s 3 c 4 4 b o x 的工业用煤成分分析仪平台的建立 3 数据采集电路 3 iy 射线能量信号采集 3 i in a l ( t i ) 闪烁探测器 3 i 2 前置放大电路 3 1 3 微分电路 3 i 4 线性放大电路 3 i 5 脉冲幅度分析电路 3 1 6计数器 3 2 混合燃料质量信号采集 3 2 1 操作面板及功能 3 2 2 称重 3 2 3 质量信号传输 4 工业用煤成分分析仪核心板电路设计 4 1 4 2 4 3 核心板电路设计一 m c u 选型一 s 3 c 4 4 b o x 最小系统设计 4 3 i 电源电路 1 5 1 6 1 7 1 7 1 8 1 8 1 8 2 0 2 1 2 2 2 2 2 2 2 3 4 3 2 时钟电路设计 4 3 3 复位电路 4 3 4j t a 6 接口电路 4 4 存储电路设计 i v 1 1 2 2 4 4 5 5 6 7 9 9 9 m m 屹坞m 黝 三： 1 目录 4 5r s - 2 3 2 c 串口电路 4 6 l c d 屏接口电路 4 7 键盘接口电路 4 8 网络接口电路 5 工业用煤成分分析仪软件设计 5 1 构建嵌入式软件平台 5 1 1 引导加载程序 2 6 2 7 2 9 3 0 3 2 5 1 2 嵌入式操作系统 5 2 设备驱动程序 5 3 基于l jc l i n u x 的软件设计 5 3 1 精密电子天平与s 3 c 4 4 b o x 数据传输模块 5 3 2 脉冲信号计数模块设计 5 3 3 数据处理及显示模块软件设计 5 3 4 网络通信模块软件设计 6 结论与展望 6 1 结论 6 2 展望 参考文献 致谢 作者简历 作者在研究生学习期间发表的论文 v 2 2 s 9 o d 2 b 惦 驼弛弱 的加舵舶 8 圆圆 o 2 8 湛 出 4 4 5 5 5 5 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 煤矸石是采煤和洗煤过程中排放的固体废物，是在成煤过程中与煤层 伴生的一种含碳量较低、比煤坚硬的黑灰色岩石。主要成分为h l ：0 。和s i o z ， 其中h l 。0 。含量为1 6 , - - 3 6 ，s i o ：含量为5 2 6 5 ，此外还含有数量不等的 f e ：0 。、c a o 、m g o 、n a 。0 、k 2 0 、p z o 。、s o 。和微量稀有元素( 镓、钒、钛、钴) 【l 】 a 从煤炭开采角度看，我国每年生产l 亿吨煤，矸石的排放量高达1 4 0 0 万吨；从煤炭洗选来看，每洗选1 亿吨炼焦煤，排放矸石2 0 0 0 万吨，每洗 1 亿吨动力煤，则排放矸石1 5 0 0 万吨。目前全国约有矸石山1 5 0 0 余座，达 3 0 亿吨以上，并且每年仍将排放1 0 0 万吨，占全国工业固体废物排放总量 的4 0 以上羽。 煤矸石的大量堆放，不仅占用土地资源，而且造成环境污染。据1 9 9 4 年 矿山环境调查，淮河以北干旱地区1 0 7 2 座矸石山中有4 6 4 座发生自燃事故，自 燃率达4 3 3 。煤矸石在自燃时排放出s 0 2 、c o 、c o , 等有害气体，严重污染大气， 危害周围居民的健康。此外矸石山采用倾倒或自然滚落堆积而成，极易发生坍塌 事故，如2 0 0 6 年3 月淄博一矸石山发生坍塌事故，砸伤4 名工作人员。 保护环境是我国的一项基本国策，国家制定了各项环境保护政策。随着人们 对环境质量要求的不断提高，解决煤矸石环境污染的问题显得越来越突出。其中 将矸石粉碎，利用煤和矸石混烧发电，是解决污染的有效途径，并且还具有改善 矿区环境、节省优质煤的需求量、促进煤炭行业的结构调整等优点。 我国用煤矸石发电已经有几十年的历史，从7 0 年代中期至今已经有不少煤 矸石电厂投入运营，目前已建成的煤矸石发电厂有1 2 8 个，总装机容量达到2 0 0 万k w ，在矸石综合利用上取得了一定成效。国内主要用沸腾炉燃烧洗中煤和 洗矸的混合物发电，发热量每公斤大约2 0 0 0 大卡。日本约有1 0 座这样的 电厂，所用洗中煤和矸石的混合燃料，一般每公斤发热量为3 5 0 0 大卡。在 德国和荷兰，常把煤矿自用电厂和选煤厂建在一起，以方便利用洗中煤和 矸石混合发电1 。 为了鼓励企业，特别是火力发电厂积极有效的利用煤和矸石混烧发电， 制定了大量优惠政策。2 0 0 9 年，我国煤矸石综合利用量3 9 亿吨以上，利 用率达到7 0 以上，其中利用煤矸石发电约o 9 亿吨，约占煤矸石利用量的 2 3 1 。如何快速、精确地定量分析混合燃料中煤与矸石的搭配比例，就成为监 l 绪论 管部门及企业需要解决的问题，对于节约能量和环境保护都具有十分重要的意 义。 1 2 国内外研究现状 目前国内外对工业用煤成份分析的理论公开发表的文献很少，目前研究主要 集中在煤和矸石的分选技术以及粉煤灰含量检测两个方面。比如华中科技大学和 中国矿业大学在这些方面已经做了深入的研究。并取得了一定的成果。 郑州市节能所和郑州大学曾合作开展了这个项目的研究工作，由郑州大学赵 书俊老师等人负责。赵老师决定采用工业控制计算机作为系统核心，用电离室探 测，射线的能量信号，并将其转化为电信号输出，采用台湾研华公司的p c i 一1 7 1 1 数据采集卡进行数据采集，利用p c i - 1 7 1 1 自带的1 2 位a d 转换器将模拟信号转 换为数字信号送入工控机，并且用一个带有标准串口的精密电子天平与工控机相 连，同步测量混合燃料的质量、质量吸收系数，最终计算出煤与矸石的混合比例。 这种方法虽然设计简单，系统性能可靠稳定，但体积庞大，使用起来具有一 定的局限性，只限于在检测部门使用，而不能应用到工业现场，而且采用的数据 采集卡功能庞大，价格昂贵，大约三千多元，仅仅利用了其中的两三项功能，利 用率比较低。工控机和p c i - 1 7 1 1 数据采集卡的费用加起来达六七千元，使用起 来不经济，性价比不是太高。 为了进一步提高仪器的性价比和使用性，在保证整个仪器测量精度和准确度 的前提下，本课题对该仪器做了一些改进工作。主要用基于s 3 c 4 4 b o x 的嵌入式 系统实现数据的采集、处理和显示，从而取代工控机和p c i 一1 7 1 1 数据采集卡， 大大的降低了仪器成本，同时还为仪器扩展了一个网络接口，可以很方便的将测 量数据传送到远程p c ，这样仪器就可以应用到工业现场，实现实时检测。 1 3 论文的主要内容及各章节安排 本课题的主要任务是依据项目需求，设计并构建基于s 3 c 4 4 b o x 的工业用煤 成份分析仪，实现对工业用煤中煤和矸石含量的定量分析，并将分析结果通过网 络接口传送到远程p c ，同时系统兼具有本地数据处理、存储、显示功能。 本文的各章节安排如下： 第一章简单介绍了课题的背景、选题的意义，以及国内外研究现状。 第二章对系统的设计原理进行深入分析，提出利用单束、低能，射线透射， 法测量混合燃料的组分，对最小二乘法直线拟合进行研究，提出了 利用最小二乘法直线拟合煤和矸石的质量吸收系数的思想。研究了 2 1 绪论 系统的总体框架。 第三章主要研究设计了数据采集电路，包括，射线能量信号的采集电路和 质量信号采集电路。用n a l 探测器测量r 射线能量信号经过放大电 路、整形电路和脉冲幅度分析电路后输入s 3 c 4 4 8 0 x 的计数器端，同 时用一个精密电子天平同步测量混合燃料的质量。 第四章详细介绍了以s 3 c 4 4 8 0 x 为核心的核心板设计，包括最小系统设计和 外围扩展电路的设计。 第五章对系统软件设计进行了介绍，包括b o o t l o a d e r 的移植、操作系统的 移植以及应用软件的设计。 第六章为本文的结论和展望。 3 2 工业用煤成分定量分析仪设计方案 2 工业用煤成分定量分析仪设计方案 2 1理论依据 y 射线与物质的相互作用主要是光电效应、康普顿效应、和电子对效应。 单能、窄束j ，射线穿过物质后其能量按指数规律衰减啪： l = l o e | i p j d ( 2 1 ) 式中厶，分别为 ，射线穿过物体前、后的强度，为待测物质的质量吸收 系数，p 为待测物质的密度，d 为待测物质的厚度。对物质组分的测量，质量吸 收系数是待测物质的重要信息量，它不仅与y 射线得能量有关，还与待测物质 的原子序数有关。 煤中的主要成分是c 、h 、0 等元素，平均原子序数7 ，属于低z 物质，矸 石的主要成分为a 1 。0 。、s i o ：、f e ：0 。、c a o 、n a 。0 等物质，平均原子序数1 2 ， 属于高z 物质陌1 。 表2 1 列出了具有典型组分的煤与矸石的质量吸收系数： 表2 1 煤和矸石的质量吸收系数 量a 铀40 秘 l 釉 啪 湖 翳重爱麓象蒙 奎静岱仅鞠 瓤2 l囊l 孽氟l l乱懈 震 爱慕嚣教t 声一1 l - 嚣厶5 ，乐鹈4 纺瓠牡厶l l靠1 5 0 瑷置纛穗纛藏 缸h钆站靠轴o 弱 矗疆囊l l 0 0 8 2 拜器 囊藏曩囊l ，一氛。o 赫 知嚣 1 辫氛铭t 钉t 勰曩l 诒 由表2 1 可以看出：不同物质由于原子序数的不同，即便在相同射线投射下， 对射线的质量吸收系数存在一定的差别。煤与矸石的质量吸收系数与射线能量变 化关系如如图2 1 所示： 图2 1 煤和矸石的质量吸收系数与射线能量的关系 由上图可以看出，在e 6 0 0 k e v 的中能范围内，两者的差别质量吸收系数基本相同晦1 。 这一特点说明，利用低能y 射线作为激励源透射待测物，那么按不同比例 4 2 工业用煤成分定量分析仪设计方案 配制的煤与矸石的混合燃料，其质量吸收系数存在一定差别，因此测得的r 射 线投射物质后的强度也就不同。 可以通过对，射线透射混合燃料后放射性强度的测量，分析混合燃料中煤 与矸石的混合比例。 2 2 放射源选择 从提高灵敏度的角度看，放射源的能量越低越好，选择1 5 k e v 是最理想的， 但其穿透能力太差，只能反映待测物质表面的组分，而不能反映深部的组分。 棚a m 是一种低能r 射线源，其能量为6 0 k e y ，具有较强的穿透能力，是一 种十分理想的激励源。 2 3 测量算法 在能量小于l o o k e r 的低能范围内，】，射线与物质的相互作用主要是光电效 应，并且这种作用与物质的存在形式无关。在低能y 射线透射下，对于成分复 杂的物质，无论是混合物还是化合物，其总的质量吸收系数与各成分( 元素或 混合物质) 的质量吸收系数及其所占的质量百分比总是成以下关系口1 ： “ 。= 艺口，z 一 ( 2 2 ) 式中z 历为被测物体总的f 质量吸收系数，m 为被测物体中第f 种元素所占的 重量百分比，z 棚为被测物体中第f 种元素的质量吸收系数。 为了分析方便，可以将混合燃料视为煤和矸石组成的二元混合物，其质量百 分比之和应为1 ，如式( 2 3 ) 。同时可以将( 2 2 ) 简化为式( 2 4 ) 。将煤、矸石都 研磨成8 0 目粉料，利用称重法和射线法相结合，可测量混合燃料中煤与矸石的混 合比例。 口，w + 口。w = w ( 2 3 ) 口。+ 口g , u s = p ( 2 4 ) 式中口。为混合燃料中煤的重量百分比；口沩混合燃料中矸石的重量百分比； 伪混合燃料一次取样的重量；以为煤的质量吸收系数；枘矸石的质量吸收系数： 以为混合燃料的质量吸收系数。 由化简( 2 3 ) 和( 2 4 ) 式可得口。与口f ，即混合燃料中煤与矸石的混合比例： 口。= ( p - g g ) ( 。- z g ) ( 2 5 ) = 1 - a ，= ( 心- z , ) ( p g 一心) ( 2 6 ) 以、依以及p 可通过测量系统获得： 。= l n ( i o i ) 1 ( 2 7 ) 5 2 工业用煤成分定量分析仪设计方案 p = g r v ( 2 8 ) 式中伪标准样品盒的净容积，劝盒内样品厚度，二者均可看作已知常量； p 为样品密度，通过称重计算其值；以为待测的质量吸收系数。 因此只需要测出j ，射线透射混合燃料前后的强度及混合燃料的质量，就可 以分别计算出煤、矸石、混合燃料的质量吸收系数，将其带入式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 进而求出混合燃料中煤、矸石的重量百分比。 在整个测量过程中。的计算是重要的，对式( 2 7 ) 进行数学变换可得： l n ( i o i ) = 。p d = 。d 。 ( 2 9 ) 心与物质的密度无关，单位为m 2 k g ；d r = ，通常称之为物质的质量 厚度，单位为堙埘2 。 由式( 2 9 ) 可以看出，i n ( i o l i ) 与以成线性关系，如图2 2 所永8 】： d m 图2 2l n ( i o i ) 与屯的关系图 对于不同矿区的煤、矸石其质量吸收系数存在着不同，不可能选用统一值， 即便是对确定矿区的煤、矸石测量时，也存在一次测量误差较大的问题，因此可 以利用l n 眠，) 与以的线性关系，改变厚度重复多次测量，可以得到几个。的 值，对其进行最d x - - 乘法直线拟合，那么这条直线的斜率就是煤、矸石的质量吸 收系数肼= t a n a 。 2 4 最小二乘法直线拟合 在对给出的测量数据( 以，y 。) ( k = 0 ，1 ，2 ，n ) 做直线拟合时，最基本最常 用的方法是最+ - - 乘法直线拟合。利用最小二乘法拟合直线时，要求各观测数据 与拟合曲线偏差的平方和最小，这样就能使拟合直线更接近真实函数。 在直线拟合中，为了简单起见通常把精度比较高的观测量看作是没有误差 的，将其作为自变量以，以所对应的y 。作为因变量，并把所有的误差只认为是y 。 的误差，用y = a x + b 作为未知函数的近似。为了消除数据误差，通常需要多测 量一些数据，利用最小二乘法的原理来确定这两个系数a 、b 。 6 2 工业用煤成分定量分析仪设计方案 假设拟合直线公式为 y = a x + b ( 2 1 0 ) 通过实验，等精度测量的数据为： ( x k , y t ) ，k = o ，1 ，2 ，n 则每一个测量数据与拟合直线的偏差为： y ( x k ) 一儿= a x k + b - y i k = o ，1 ，2 ，n 其偏差的平方和为： 矗 s = ( + b - y i ) 2 根据最小二乘法原理，要求窥颠9 数据与拟合曲线偏差的平方和最小， b 应满足如下条件： 也即是：摹三主囊 三二：二羔羔三： 口袈瓣碱 由( 2 1 5 ) 和( 铹6 ) 式建立0 方程组求解，即可得到口、b 的值， ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 即a 、 ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 然后代入 对于本课题而言，只需根据式( 2 1 5 ) 和( 2 1 6 ) 求出a 的值，即拟合直线 的斜率，它就代表了所测物质的质量吸收系数。 2 5 基于s 3 c 4 4 b o x 的工业用煤成分分析仪平台的建立 本项目采用嵌入式技术、核探测技术和现代电子技术相结合，开发出了具有 灵敏度高、可选择性好、操作简单的工业用煤成份定量分析系统，也即基于 s 3 c 4 4 b o x 的工业用煤成份分析仪。本项目开发的此仪器，不仅可用于检测部门 的实验室，还可应用到工业现场，即热电厂，实现工业用煤成份的快速准确分析。 而且它并不是一个特定性的检测仪器，可以根据实际需要，更改射线源，而不用 更改硬件就可以实现对混合物组分的测量，如煤灰份的测量。 本仪器需要对j ，射线能量信号及混合燃料的质量信号进行采集、处理，并 且需要通过网络接口将数据传送到远程p c ，对微处理器的高速性、可靠性、集 成度各方面具有较高的要求。在结合课题需要的基础上，选择了韩国三星公司生 产的基于a r m t t i d m i 内核的s 3 c 4 4 b o x 作为本项目的m c u 。 基于s 3 c 4 4 b o x 的工业用煤成份分析仪是以2 4 1 a m 为低能j ，射线源，以n a l 为探测器，利用物质对j ，射线信号的衰减，将待测的j ，射线能量信号转化为 电脉冲信号输出，同时利用精密电子天平同步测量混合燃料的质量信号，以 7 2 工业用煤成分定量分析仪设计方案 s 3 c 4 4 b o x 为核心处理器对两路输入数据进行采集处理，在l c o 液晶屏上实时显 示煤与矸石的混合比例，并对数据进行存储和远程传输，从而实现工业用煤成分 检测的仪器。 系统主要包括r 射线源、n a i 探测器、数据采集电路、精密电子天平j a 2 0 0 3 、 s 3 c 4 4 b o x 硬件平台、l c d 显示屏、网络接口，另外，系统还为仪器以后的功能扩 展预留有一定的空间。硬件框图如图2 3 所示。 图2 3 系统硬件框图 整个电路要实现以下几点功能： ( 1 ) j ，射线能量信号的采集及预处理； ( 2 ) 混合燃料质量信号的采集； ( 3 ) 混合燃料成分的分析计算； ( 4 ) l c d 实时显示煤与矸石的混合比例； ( 5 ) 数据的网络传输功能； ( 6 ) 数据自动存储功能； ( 7 ) 系统程序调试接口； 信号采集电路采集y 射线的能量信号，精密电子天平同步测量混合燃料的 质量信号，并通过r s 2 3 2 串口将数据传送到处理器，s 3 c 4 4 b o x 对采集到的数据 进行处理，得到煤与矸石的混合比例，将其显示在l c d 屏上，同时可以通过网络 接口将数据传送到远程p c ，以备后期分析。 。 8 3 数据采集电路 3 数据采集电路 系统需要对两路信号进行采集：y 射线能量信号的采集和混合燃料质量信 号的采集。下面分别加以研究。 3 1 y 射线能量信号采集 j ，射线能量信号采集电路主要包括n a i ( t i ) 闪烁探测器、n a i ( t i ) 闪烁 探测器负高压控制电路、前置放大电路、微分电路、线性放大电路、脉冲幅度分 析电路以及s c 4 4 b o x 微控制器的计数器。其结构框图如图3 1 所示。 图3 1，射线能量信号采集电路框图 3 1 1n ai ( ti ) 闪烁探测器 n a i ( t i ) 闪烁探测器主要由一个高分辨率的n a i ( t i ) 晶体和一只光电倍 增管组成，具有很高的发光效率和对y 射线的探测效率。探测器输出与入射r 射线成正比的脉冲信号，入射，射线强度越大，单位时间内探测器输出的脉冲 数就越多n 羽。 系统选用s g l1 0 1 型探测器，主要参数如下： 闪烁体：n a i ( t i ) 由5 0 5 0 ( 姗) ： 光电倍增管：g s b 4 4 f 由5 1 ( 咖) ； 分辨率：8 5 ； 使用环境：温度o _ 4 0 ； 工作电压：参考工作电压- 8 0 0 v 直流； n a i ( t i ) 闪烁探测器由负高压电源供电，理论和实践表明，探测器的灵敏 度对电源电压非常敏感，它是引起光电峰漂移的主要原因。通常有两种典型的方 法来稳定光电峰：一种是稳定高压以保证系统灵敏度的稳定；另一种是经常测量 灵敏度而通过调整高压来修正灵敏度。第二种方法可以消除如温度等诸多因素对 灵敏度的影响。本课题采用第二种方法稳峰，如图3 2 所示。 9 3 数据采集电路 磁设哐托对哐唰融 。广一坚兰卜 匮m 旨母围三鼙 图3 2 探测器高压控制原理框图 高压控制包括两个相关控制环路，上面环路部分构成典型的稳压电路由微控 制器控制着d c d c 变换器的输出，当高压部分带上负载( 探测器) 时，上下两个 环路同时起作用。为控制用软件的方法定时地检测下面环路的系统灵敏度k ，包 括探测器、微分电路、脉冲幅度分析电路，如果k k o ，则输出校正信号，通过 系统环路控制使k = k o 1 3 o 一 3 1 2 前置放大电路 系统放大电路主要由前置放大电路和主放大电路组成，前置放大电路体积很 小，一般放置在探测器附近，可以减小探测器输出端到放大器输入端之间分布电 容的影响，减小外界干扰，提高信噪比。前置放大电路主要实现输入输出阻抗匹 配和稳定输出信号幅度的功能n 钔。前置放大电路如图3 3 所示： 图3 3 前置放大电路 3 1 3 微分电路 微分电路可把矩形波转换为尖脉冲波，输出的波形可以反映输入波形突变部 分。常用的微分电路有无源微分电路和有源微分电路两种，分别如图3 4 和图 3 5 所示1 引： l o 3 数据采集电路 上 图3 4 无源微分电路 c 图3 5 有源微分电路 系统为了将多个脉冲形成的卷积信号中，将各个脉冲分离开来，设计了一个 有源微分电路。微分电路中r 、c 参数对脉冲时间分辨能力影响很大，如果r 、c 设计的比较大，就会降低脉冲时间分辨能力，因此微分电路的时间常数r c 应设 计的适当小些，但此时增加了微分驱动电路的负载。为了解决这个问题，系统在 脉冲信号进入微分电路之前增加一个一级缓冲放大电路，它的主要作用有两个： 一方面实现输入输出阻抗匹配，另一方面可以驱动很小的r c 而不产生失真n 即。 电路如图3 6 所示： r 趣 图3 6 微分电路 为了保证计数率达到最大2 0 0 0 0 0 c p s ，微分电路的时间常数设定在t - l ( 0 0 0 0 0 5 ) = 1us 左右。 丁v 3 数据采集电路 3 1 4 线性放大电路 高分辨率、高稳定性的线性放大电路作为系统的主放大部分，在精确测量中 起着至关重要的作用，工业用煤成份分析仪的许多重要特性都与它有关。系统采 用工业标准低漂移器件0 p 3 7 构成三级放大，每级放大1 0 倍左右，再利用数字衰 减器衰减到所需要的级联增益。0 p 3 7 功能框图如图3 7 所示m 1 。 8 - l e 叠dh 船碾l e l 毒cd i p 伍s u e t 4 蚴均蹿m i n t - d i p 俨s 删 8 l e a ds o 岱翱编对 图3 70 p 3 7 功能框图 0 p 3 7 技术指标如表3 1 所示： 表3 10 p 3 7 的技术指标 - 3 d bb a n d w id t h1 2 m h zv c c g e es u p p l y ( v )8t o4 4 s l e wr a t e 1 7 v g s i qp e rh m p li f i e r 5 6 7 i n a v o s3 0 w # 0 p a m p sp e rp k g 1 i b1 5 h a o p e r a tin gt e m pr a n g e- 4 0t o + 8 5 i n p u tn o is e ( n w r t h z )3 2 n v r t h zp a c k a g e sd i p ，s o i c 系统设计的线性放大电路如图3 8 所示： - 戳一d _ 7 “d 0 0 1 2 瓣触 刚鼬雠蝣 3 数据采集电路 图3 8 线性放大电路 图中第一级为微分及负向钳位级；第二级为8 位的d a c 组成的程控衰减器 其中d 。d 7 来自数据锁存器，可用微机软件编程；第三、第四两级为增益固定的 放大级，其中一v 。和d 。构成过载幅值削波器用来防止过大脉冲所引起的电路失常 1 8 3 o 线性放大电路主要有以下特点： ( 1 ) 各级具有相同的固定增益 ( 2 ) 各级放大器之间增加了数字衰减器，使得电路总增益可自动微调，保证 线性放大电路增益稳定在0 1 o 4 之内 ( 3 ) 对大小信号具有相同的增益 ( 4 ) 各级放大器之间采用直接耦合方式，提高了放大器的过载性能 ( 5 ) 采用精密整流电路钳位的方法，可以有效限制负向过冲以保证脉冲基线 的稳定，与普通的二极管钳位方法相比，可以保证钳位电平波动范围为 l m v ，钳位精度提高了2 - 3 个数量级 ( 6 ) 线性放大电路总增益a v = a v l a v 2 a y 。a v p = a v 。3 a v d = 5 0 - - 1 0 0 倍 式中a v 为总增益 a v 。为各级的增益 为数控衰减器的衰减系数 ( 7 ) 放大器带宽w i t = l o o o o o o h z = i m h z 3 1 5 脉冲幅度分析电路 脉冲幅度分析电路主要由阀值调节电路、两个甄别器和反符合电路组成。如 图3 9 所示： 1 3 3 数据采集电路 图3 9 脉冲幅度分析电路 可调基准电压管t l 4 3 1 和电阻、电位器组成阀值调节电路，d 。、d 。两个二极 管对t l 4 3 1 的温度变化进行补偿，以提高温度稳定性。、。 上下阀值甄别器由两个双比较器m a x 9 0 7 组成。m a x 9 0 7 是一款高速、低功耗 的t t l 比较器，采用+ 5 v 单电源供电，内部带有施密特触发器，组成的甄别器简 单，不需要反馈电路。上下甄别器分别设定计数脉冲的上下阀值，上下阀值之差 即为道宽n 明。 反符合电路用两片与非门7 4 h c 0 0 芯片组成，主要作用是输出落在设定道宽 内的脉冲信号。 3 1 6 计数器 s 3 c 4 4 b o x 内部有6 个1 6 位定时计数器，都可以工作在中断或d m a 模式， 且定时器计数器0 、1 、2 、3 、4 都具有p w m ( 脉宽调制) 功能，定时器0 由于 有一个死区( d e a d - z o n e ) 发生器，常用于大电流器件，定时器5 由于没有输出 引脚只能作为内部定时器使用n 钉。s 3 c 4 4 b o x 内部定时计数器框图如图3 1 0 所 示： 1 4 3 数据采集电路 t 铡彳蛩 k n l 翟 m l 疆k 图3 1 0s 3 c 4 4 b o x 内部定时器结构图 本系统利用s 3 c 4 4 b o x 内部的定时器计数器l ，对设定时间内的全能峰脉冲 信号进行计数。当t 1 作为计数器使用时，计数缓冲寄存器t c n t b l 的值是当计数 器使能时装载到减法计数器的初值，比较缓冲器t c m p b l 的值将被装载到比较寄 存器并与减法计数器的值相比较，当计数器采集设定时间内的脉冲数后，向微控 制器发出中断请求信号，通知m c u 已完成计数工作，相应的t c n t b l 将自动载入 计数器，以继续下一次计数啪1 。 3 2 混合燃料质量信号采集 系统选用j h 2 0 0 3 精密电子天平测量混合燃料的质量，它采用专利陶瓷电容 称重技术，内部集成一个用户温度补偿电路，具有测量精度高等优点。j h 2 0 0 3 带有一个标准的r s 2 3 2 接口，可以很方便实现和s 3 c 4 4 b o x 之间的通信。它主要 1 5 ：忖h 棒h 伟h 伟降伟 一h h h 棒h 忡h 伟 3 数据采集电路 有以下特点： ( 1 ) 采用专利陶瓷称重技术 ( 2 ) 前置面板只有六个功能键操作，结构简单，易于操作 ( 3 ) 三种输出模式：立即、间断、连续输出 ( 4 ) 动态用户环境温度补偿 ( 5 ) 内置标准的r s 2 3 2 接口 ( 6 ) 外部砝码校准 ( 7 ) 卓越的过载冲击保护功能 3 2 1 操作面板及功能 j a 2 0 0 3 精密电子天平的前置面板如图3 1 1 所示： “ 。 口口 f a s tx h e n g p i n g 口 口 口 回回围回圃团 图3 1 1j a 2 0 0 3 精密电子天平前置面板框图 各按键功能说明如下： c a l ：校准 m o d e ：选择计数采样系数，进入功能菜单 p r i n t ：将显示信息传输给周边设备或打印机 u n i t s ：称量单位转换 t a r e p o w e r ：清零、开关显示屏 ：百分比称量 当o k 指示灯亮时表示读数稳定；c t 、z o 、g 分别指示当前的读数单位克拉、 盎司、克；当液晶屏上显示一时，表示正在获取稳定读数；显示u n a b l e 时表 示不能进行设定操作，按t r a e 键继续；显示h h h h h h 时，表示超过电平的量程； 显示l l l l l l 时，表示天平未放置好或没有安放秤盘。 1 6 3 数据采集电路 3 2 2 称重 对混合燃料质量信号的测量分为以下五步： ( 1 ) 天平在每次接通电源后，都会进行自检测试，然后自动清零，此时天平即 可使用。为了保证测量精度，在使用前，预热1 5 分钟 ( 2 ) 精密电子天平校准 ( 3 ) 将空样品盒放在秤盘上称重，按t a r e 键清零 ( 4 ) 待“o k ”指示灯亮时，表示已读取稳定的样品盒质量，然后将制作好的 混合燃料样品放入样品盒内 ( 5 ) 待“o k 指示灯亮时，显示的读数即为混合燃料的净重 3 2 3 质量信号传输 j a 2 0 0 3 精密电子天平内