122628周鹏校庆报告

2014东南大学校庆研究生学术报告会基于ARM Cortex-M3处理器的微库仑分析仪的研制周鹏，王爱民（东南大学仪器科学与工程学院，南京，210018；）摘 要：为准确测量石油产品和一些有机化合物中的硫含量，设计了基于ARM Cortex-M3处理器的微库仑分析仪。本文首先介绍了微库仑滴定的基本原理，基于此，对微库仑分析仪系统进行了分析与设计。随后介绍了系统的微弱电信号采集电路模块与基于ARM Cortex-M3处理器的信号处理与分析模块。最后介绍了微库仑分析仪的上位机软件模块的设计。关键词：微库仑；测硫仪；信号采集；测控电路。 Microcoulometric detector based on ARM Cortex-M3 processorZhouPeng, Wang Ai Min ( School of Instrument Science and Engineering , Southeast University , Nanjing , 210018;)Abstract: To measure accurately sulfur content in oil products and some organic compounds, Microcoulometric detector that based on ARM Cortex-M3 processor is designed. The paper introduces microcoulomb titration firstly,base on which,we designed and analysed the system of Microcoulometric detector.Then it describes the gathered module of weak signal and signal processing module based on ARM Cortex-M3 processor.At last,it introduces the development of software of PC.Key words: microcoulomb; The sulphur meter; Signal collection; Measurement and control circuit2014东南大学校庆研究生学术报告会随着石油和化学工业的发展和对环境保护的日益重视，我国对石油产品和一些有机化合物中的硫含量作出了限制。一方面，过量的硫能造成铂催化剂永久性中毒，会对金属设备产生腐蚀，并造成催化剂中毒。硫燃烧后生成的S02会污染空气，是形成酸雨、酸雾的主要原因。另一方面，石油产品中加入一定量的硫化物，又可以改善油品性质，提高催化剂活性和寿命，提高油品质量。为此，建立一个快速、准确测定有机液体中微量硫含量的分析方法对于有机液体产品的生产、销售是非常重要的。在石油及石油产品的硫含量现有的检测方法中，经典方法有管式炉法、燃灯法、氧弹法等，近代方法有能量色散X射线荧光光谱法和微库仑法等。前者是长期沿用的方法，比较成熟，但是测定仪器装置复杂、步骤多、费时费力，难以实现自动基金项目： 无作者简介：周鹏，（1989-），男，硕士研究生，E-mail: ；王爱民，（1964-），男，教授，E-mail: ；化，完成一个样品的测定常需耗时数小时，难以满足现代工业生产的高速检验需要。库仑分析法创立于1940年左右，其理论基础就是法拉第电解定律。库仑分析法是对试样溶液进行电解，但它不需要称量电极上析出物的质量，而是通过测量电解过程中所消耗的电量，由法拉第电解定律计算出分析结果。微库仑是近几年来发展起来的一种库仑滴定技术, 能较好的应用于石油及其产品中的某些元素含量的测定。该方法的主要优点是灵敏度高, 选择性好和分析速度快, 同时响应成线性和相对抗干扰能力强。在实际分析中, 仅需微克甚至纳克量的样品, 就可测定气、液、固态的物质，其相对误差可以控制在10%以内，这是其它常规方法难以达到的，因此被公认为测量石油产品和其他有机及无机化合物中硫、氮、氯的较好的分析方法。目前已经广泛被用于科研和生产控制分析过程。现代电子技术与微电脑用于微库仑仪，使它除了具有快速、准确、精密等优点外，又增添了高灵敏度与高度自动化等优点，因此在国内外得到了快速的发展和广泛的应用。1 微库仑原理与系统分析库仑分析是一种特殊的电解分析方法, 它是通过测量电解反应所消耗的电量，根据法拉第电解定律来计算结果的一种电化学分析方法。微库仑是近几年来发展起来的一种库仑滴定技术, 能较好的应用于石油及其产品中的某些元素含量的测定。按照法拉第定律，初级反应的量直接比例与电流的量，并以库仑表示（1库仑=1安培秒） (1)假如用W表示在电解过程中转变为Q的物质以克表示的重量，M是物质的分子或原子重量，n是在电极上每一个分子或原子参加电极反应过程的电子转移数，就可以得到： (2)式中F是法拉第常数，即电解1克当量物质需要的库仑数，其数值相当于96500库仑。因此我们可以通过测量流过电解池的电量，从而计算出在电极上析出或溶解的物质的量。整个系统如图1实际上是由库仑放大器，滴定池和合适的电解系统组成的一种“零平衡”式闭环负反馈系统。图1 系统功能结构测量周期时，开关拨到实线位置，参考电极和测量电极的电压值被采样到了采样电容上。电解周期时，开关拨到虚线位置，此时偏压信号和采样电容电压相加后进入库仑放大器。如果此时当滴定池内没有可与滴定离子发生反应的物质进入时，仪器处于平衡状态。这时要求库仑放大器输出为0，则偏压值必须和采样电容的电压值大小相等，方向相反，这样电解电极对之间没有电压，积分仪为一条水平的直线。因此，在仪器工作之前，先要固定偏压值，使它和平衡时E大小相等，方向相反。（E为测量电极和参考电极之间的电压）。当样品通过裂解管进入滴定池后，仪器处于工作状态。工作状态时，由于滴定离子和样品发生了反应，使得E发生了变化，这时库仑放大器就有了一个输入，它的输出被加到电解电极上，这一过程持续进行，直到电解生成的滴定离子补充了消耗掉的滴定离子，使得E的电压值又回到了初始值，这个过程中，记录下电解电流的变化曲线就可以通过公式换算出样品的含量了。2 系统关键模块分析2.1 MCU介绍ARM Cortex-M3处理器是一个面向低成本，小管脚数目以及低功耗应用，并且具有极高运算能力和中断响应能力的处理器内核。Cortex-M3采用了先进的ARMv7架构，具有带分支预测功能的3级流水线，先进的中断处理能力，同时具有1.25MIPS/MHz的处理速度。目前，NXP、ST、ATMEL和TOSIBA等多家知名半导体厂商也相继推出了多款基于Cortex-M3内核的ARM微处理器，最便宜的只要不到1美元，性价比颇高。我们这里选用的是NXP公司的LPC1768。LPC1768的CPU操作频率可达100MHz，外设组件包括高达512k的flash存储器，64k的数据存储器，4个UART，2路CAN通道，2个SSP控制器，1个SPI接口，3个I2C接口，8通道的12位ADC，可以满足本系统的精度要求，简化了开发流程和电路图设计，提高了信号检测的精度。2.2 测量电压的调理电路由于测量到的微小电压信号与接受电路之间有共模噪声电压，且信号源的带负载特性不好，因此在进入模拟通道前使用仪用放大器。我们采用的仪用放大器是美国BB公司的INA110。INA110是多用途FET输入仪用放大器，拥有非常好的动态性能和精度，内部的增益调节电阻提供1、10、100、200、500倍电压增益。INA110有非常高的输入阻抗和很低的偏置电流，非常适合用于要求输入滤波和输入保护的电路中。应用电路见图2.图2 INA110应用电路图2.3 放大电路的设计生产现场的各种物理量，如位移、转角、温度、流量等，须先经过传感器或变送器变为电信号。这些传感器或变送器输出的信号往往比较小，需经过放大后才能送给A/D转换器变 为数字量送给单片机处理。在我们这个例子中，主要测量的信号是参考电极和测量电极之间的电压，此电压为毫伏级，前级运放我们选用了OP07，后级放大我们采用了OPA445。Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放 大传感器的微弱信号等方面。OPA445是高电压输出运算放大器，电压输出范围-45V45V，满足电解电路电压的需求，输出电流15mA,为提高输出电流，采用了差动放大驱动。如图3.图3 OPA445电路结构图2.4 D/A转换电路的设计 如图4，TLV5616是12位电压输出的4线可变串行接口数模转换器，可无缝接入TMS320、SPI、QSPI和Microwire串行接口，与LPC1768芯片的SPI接口可直接进行通信，电路简单、可靠且节省芯片引脚。MC1403是低压基准芯片，电压精度高，价格便宜，使用稳定可靠，市场上容易买到，本电路采用其作为D/A芯片TLV5616的基准电压芯片。 图4 D/A电路结构图3 上位机软件模块设计3.1上位机软件整体界面与连接在桌面上打开“微库仑分析系统”应用软件，显示其主窗体。主窗体中有菜单栏、工具栏、用户参数设置面板、图形显示面板、参数显示面板、计算平均值面板和状态栏组成。连接串口线，联机正常后，主窗体下的工具栏显示“已联机”，否则，按屏幕提示重新检查端口和连线。3.2 设定偏压等参数 偏压由上述D/A转换器TLV5616提供。单击用户设置面板上“测量电解池偏压”一栏，弹出对话框，如图5所示，单击“开始测量”按钮，仪器自动采集滴定池偏压，此时按钮名称变为“正在测量”。待偏压稳定后，按钮名称重新变为“开始测量”，单击“确定”按钮，完成滴定池偏压的测定。一般新鲜电解池冲洗过的硫滴定池，偏压应在180mv以上。图5 偏压设置界面同理设置其他参数如图6。图6 参数设置界面3.3 转换系统调试 完成了以上操作步骤，就可以用标样进行转化系统的分析：待基线平稳后，单击“启动”按钮， “启动”按钮名称变为“正在积分”，即可进样。出峰结束后，自动显示其峰号，波形显示在整体界面右上角。整体界面右下角的表格中会显示该次进样所得测得的所有参数。如图7所示。图7 上位机整体界面与测量结果4 结束语 本文基于微库仑滴定原理，对微库仑分析仪系统各个模块分别进行了介绍。在实际应用中，与传统的测硫装置想比较，具有速度快，精度高，自动化程度高，易操作等有优点。参考文献1 束慧，陈卫兵智能测硫仪的设计J仪器仪表学报2005.42 陈棣湘，唐莺，潘孟春高精度定硫仪的设计J仪器仪表学报2008.63 Fred G.MartinRobotic Explorations 电子工业出版社2004.84 求