引言

在煉焦生產中，推焦時間、平煤時間、推焦電流等數據是反映焦爐實際操作情況的重要指標。由于推焦車是室外移動裝置，而采集好的數據需及時傳送到中心主控室的計算機中完成數據的分析、處理和記錄，因此為了實現推焦過程的有效監測，需要解決數據采集和數據通信這兩大問題。

1 監控系統的基本結構

按項目要求，中心主控站能對2個移動距離達200 m的推焦車上的電流信號進行數據采集，所以采用無線數據傳輸的模式，通過無線數傳電臺控制推焦車上的從站接收主控站的命令，并接收從站發出的推焦電流等模擬量以及爐號等數字量信息。系統的基本結構如圖1所示，其中上位機（主站）由1個PC終端和D2lDL無線數傳模塊（含天線）組成，二者之間通過串口通信。

鑒于數據庫技術已經相當成熟，中心主控站的數據管理可以較容易地實現，所以關鍵技術就在于下位機對現場數據的實時采集，以及下位機與上位機之間可靠的無線數據傳輸。

2 下位機的硬件組成

下位機以ARM7微控制器為核心，利用ARM7內核對外圍設備，包括無線數傳模塊、LCD顯示模塊、模擬／數字信號輸入、鍵盤掃描，進行控制和管理，基本框架如圖2所示。

（1）ARM控制板

控制板是下位機的核心，控制系統的各個功能模塊。控制板的MCU采用Atmel公司的 AT91SAM7S64芯片，它有64 KB高速Flash和16 KB的SRAM，片內主要有存儲器控制器、復位控制器、時鐘發生器、電源管理控制器、先進中斷控制器、周期性間隔定時器、時間窗看門狗、實時定時器、并行輸入／輸出控制器、外設數據控制器、USB2．O全速設備接口、同步串行控制器、通用同步／異步收發器、主從串行外設接口、3通道16位定時器／計數器、 4通道16位PWM控制器、兩線接口、8通道10位A／D。控制板的外圍電路主要包括電壓轉換電路、串口輸入／輸出控制電路、JTAG電路、模擬量數字量輸入／輸出電路、時鐘芯片控制電路、USB接口電路、EEPROM電路等。

（2）液晶顯示模塊

下位機的本地顯示功能通過控制帶有SEDl335控制器的液晶顯示模塊實現。SEDl335是日本Seiko Epson公司生產的液晶顯示控制器。它的輸入／輸出緩沖器功能較強，指令功能豐富，并行發送4位數據，最大驅動能力為640×256點陣。 SEDl335硬件結構由MCU接口、內部控制和驅動LCM組成。

（3）無線數傳模塊

由于推焦車要在較大范圍移動，因而采用無線數據傳輸是一種較好的選擇。北京捷麥公司生產的SA68D21DL無線數據收發模塊是一種可在微機與微機之間或微機與單片機之間進行全雙工遠距離無線通信的收發模塊，它還可以脫離微機組成多點報警、遙控系統。其主要特點為：串口具有TTL、RS232、RS485 等多種電平接口；內含EE—PROM看門狗電路，可掉電記憶設置參數；發送／接收距離為1～3 km。

（4）電流變送器模塊

在電力電子產品中，對大電流進行精確的檢測和控制是產品安全可靠運行的根本保證。推焦車設備中，最大電流可達400 A。經多方調研比較，采用北京森社公司生產的霍爾電流變送器模塊，其主要特點為：工作區內精度高于1％；動態性能響應時間小于lms，跟蹤速度高于50 A／ms；平均無故障工作時間》50 000小時；易于安裝。

（5）鍵盤控制模塊

傳統的行列式編碼數字鍵盤要占用很多I／O引腳，而基于A／D轉換器的鍵盤一般只用一個I／O引腳就能讀取多個按鍵。其工作原理為：鍵盤由一系列分壓電阻和按鍵組成，不同的按鍵對應著不同的分壓電阻，從而得到不同的分壓及不同的A／D轉換數值。這種鍵盤只能識別單個按鍵按下的情況，本鍵盤只有12個按鍵，現場操作人員只需輸入爐號1～10以及“確認”、“取消”鍵，因此完全滿足要求。

3 下位機的軟件設計

軟件模塊包括串口控制程序、A／D數據采集、無線模塊收發控制、LCD更新顯示控制、定時器控制和按鍵掃描輸入控制部分。

由于下位機工作模式簡單，出于精簡代碼量以及程序穩定性的考慮，未在控制器中使用操作系統等復雜的進程調度機制。下位機上電后直接運行主程序，完成初始化過程之后進入主循環，接收上位機發送的命令并據此進行相關操作。對于實時性要求較高的數據采集、LCD屏顯示更新和鍵盤掃描任務，則在定時器中斷服務程序中完成。

主程序主要包括系統初始化（初始化MCU、總線、I／O端口、LCD、A／D、參數、串口等）、無線數傳模塊設置（讀取并設置地址和身份碼）、顯示開機畫面、開定時器中斷、接收串口數據、數據校驗和發送數據。中斷控制程序包括鍵盤掃描、判斷鍵值響應按鍵、模擬量和數字量采樣以及按照協議將數據填充到發送數組。

3．1 對LCD顯示屏的控制

ARM系統使用12個I／0端口控制內置SED1335控制器的顯示屏。其中4個端口為控制命令端口，8個端口為數據端口，端口控制信號圖如圖3所示。

AT91SAM7S64并行輸入輸出控制器（PIO）管理多達32個全可編程I／O線。對于LCD顯示屏的控制，實際上是根據SED1335控制器的時序進行操作，即通過PIO控制器控制并行數據輸出。

程序的具體實現就是先總線初始化，配置控制LCD的8條數據總線和4條命令總線，設置外圍設備時鐘使能寄存器（PCER）、上拉禁止寄存器 （PPUDR）、多驅動禁止寄存器（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）和輸出數據寄存器（S0一DR）。

3．2 對無線數傳電臺模塊的控制

AT91SAM7S64 的USART，支持與使能由發送器到接收器的數據傳輸的外設數據控制器的連接，可管理多類型串行同步或異步通信。推焦車上的下位機通過USART口同無線數傳電臺模塊通信，控制電臺接收和發送數據，相關接口的核心芯片是MAX3232EEA，具體電路如圖4所示。

串口的初始化包括初始化外設I／0，使能時鐘，配置串口工作模式（如波特率）等，使能串口；串口接收采用超時接收，其含義是：當串口收到1字節的數據后，若在一定時間間隔內收到另外1字節數據，則可認為后1字節同前1字節為同一包數據中的內容，若在一定時間間隔內未收到數據，則認為此包數據接收結束。這時，串口狀態寄存器的相應位置1，通過查詢狀態寄存器該狀態位的值可判斷是否接收結束。串口數據發送只要設置好發送數據寄存器和發送數據計數器，即可開始發送。

3．3 系統中定時器的作用

本系統通過AT91SAM7S64的定時器／計數器模塊控制數據采集周期、按鍵掃描和LCD更新。AT91SAM7S64定時器／計數器（TC）包括3個相同但相互獨立的16位定時器／計數器通道。

每個通道有3個外部時鐘輸入，5個內部時鐘輸入及2個可由用戶配置的多功能輸入／輸出信號。每個通道驅動一個可編程內部中斷信號來產生處理器中斷。定時器／計數器有2個作用于這3個通道的全局寄存器。塊控制寄存器允許使用同樣的指令同時啟動3個通道。塊模式寄存器為每個通道定義外部時鐘輸入，允許將它們連接。另外，每個通道有一個16位寄存器，寄存器值在所選時鐘每個上升沿處自減，當計數器達到0xFFFF并轉為0x0000時，表明發生溢出，TC_SR（狀態寄存器）中COVFS位置1。

定時器初始化包括設置定時器時鐘，配置模式寄存器，設置定時器中斷等。

定時器中斷25 ms進行一次A／D轉換，控制采集A11、A12模擬信號輸入，以及鍵盤信號的掃描。由于AI模擬信號每250 ms采集一組，所以每進入10次中斷將最近5次采集到的AI信號進行去極值求平均數操作，并裝入發送數組通過串口發往無線數傳模塊；而鍵盤按鍵信號由于要求較高的實時性，所以每25ms判斷一次。之所以把AI數據采集和鍵盤掃描放在同一個定時器中，是因為這兩個功能模塊均用到了ADC控制器；若放在兩個定時器中斷中分別對ADC控制器進行操作，則會造成資源訪問沖突，導致程序跑飛和系統癱瘓。當判斷按鍵輸入部分結束，對按鍵將作出實時響應，主要體現在 LCD的顯示內容上。每250 ms采集一組AI信號時，同樣也會將采集到的數據轉換為工程量通過LCD顯示出來，實現數據的本地實時顯示。

3．4 系統中A／D的使用

A／D是一個數據采集系統的基礎，其信號采集精度和采集周期直接決定了系統的準確性和實時性。在AT91SAM7S64芯片內，8路模擬量通過1個八選一復用開關后進行A／D轉換，相應的轉換結果送入一個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、外部觸發ADTRG引腳上升沿或內部觸發定時器／計數器輸出。ADC支持8位或10位的分辨率，默認情況為10位分辨率；對于所有通道只需要一個啟動命令來初始化轉換序列。ADC硬件邏輯對工作通道自動執行轉換，然后等待新請求；當轉換完成后，10位數字結果存于當前通道的通道數據寄存器（ADC_CDR）及ADC最后轉換數據寄存器 （ADC_LCDR）中。

本系統中，用AT91SAM7S64芯片的ADC控制器定時對相應通道的模擬量進行采集。另外，系統還通過A／D讀取鍵盤數據，根據ADC轉換值的不同判斷按鍵。ADC的初始化包括初始化時鐘、復位ADC、配置模式寄存器、設置A／D通道等。在本系統中，程序使能4路A／D通道，2路用于對反映推焦參數的模擬信號進行數據采集，另外兩路用于對鍵盤按鍵信號進行判斷控制。相關程序如下：

對于所采集的數據，需要進行數字濾波以減少外界干擾的影響。綜合考慮電磁環境以及算法復雜度等因素，采用去極值的平均濾波算法，即對短時間內采集到的數據，去除最大值和最小值，把其余值的平均數作為一次數據采集的信號量。

對于鍵盤按鍵信號，每個按鍵按下產生的模擬量值都在一個特定的區間范圍內。從軟件上看，只需要判斷采集按鍵信號的2路A／D轉換值處在哪個區間內，即可判斷出哪個鍵被按下，并且增加相關保護程序，使按鍵長時間按下不會重復響應，以防止誤操作。

結語

與現有的推焦數據采集系統相比，本系統有以下幾個特點：將通過A／D采集到的模擬量經過工程量轉換后，在LCD顯示屏上實時顯示，便于推焦車操作及維護人員直觀監測數據的變化情況并作相應調整；上位機發送過來的爐號信息和時間信息也在LCD顯示屏顯示，增強了控制命令的可視性，降低了誤操作的可能；采用無線數傳模塊實現上位機與下位機之間的數據通信，并通過軟件校驗的方式使傳輸的誤碼率降低到系統允許的范圍。

此推焦數據監控系統已經交付貴州、山西和山東等地的一些焦化廠使用，達到了預期的運行效果。

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