摘 要： 針對稀土熔鹽電解生產(chǎn)中存在的主要問題和實際中應(yīng)用的要求，在無線通信的基礎(chǔ)上提出了一種基于ARM7的監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)中，以nRF905為無線通信射頻收發(fā)芯片，ARM7和單片機(jī)為主機(jī)和從機(jī)的處理器，實現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和實用性。
關(guān)鍵詞： 熔鹽電解；監(jiān)測系統(tǒng)；無線通信
由于稀土熔鹽電解法制取工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高，工業(yè)生產(chǎn)中一般采用熔鹽電解法制取混合稀土金屬和單一稀土[1]。隨著科技的發(fā)展，對稀土生產(chǎn)的要求越來越高，稀土熔鹽電解過程的智能控制有利于避免操作過程中人為因素帶來的許多弊端，特別是有的稀土金屬貴如黃金，生產(chǎn)的過程中也要做好防盜。同時在稀土熔鹽電解的近距離環(huán)境中會產(chǎn)生有毒氣體和放射性物質(zhì)，對生產(chǎn)工人身體健康產(chǎn)生危害[2]。目前國內(nèi)已經(jīng)投入稀土熔鹽電解生產(chǎn)監(jiān)測和無線定位通信系統(tǒng)有很多種，但現(xiàn)有的產(chǎn)品無論是使用還是維護(hù)上都需要較高的技術(shù)支撐，并要求配備足夠的專職工作人員。這需要耗資大量的人力和物力來支撐。參考文獻(xiàn)[3]給出了一種自動控制稀土熔鹽電解爐溫度裝置，但只靠單一的參量很難做到測控的精確性和穩(wěn)定性。因此，本系統(tǒng)針對稀土生產(chǎn)中存在的諸多問題，采用多參量監(jiān)測，創(chuàng)新性的將一種實用性強(qiáng)、研發(fā)成本低、使用維護(hù)簡便、安全可靠的生產(chǎn)監(jiān)測無線通信系統(tǒng)應(yīng)用到稀土生產(chǎn)中。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
本系統(tǒng)主要監(jiān)測溫度和電壓兩個變量，由主控部分、監(jiān)測部分和無線通信部分組成，主控部分采用性能相對較高的ARM7LPC2103處理器芯片來控制，監(jiān)測部分采用價格較低的STC89C52來控制。由于電流密度和槽電壓成正比，通過監(jiān)測槽電壓波動來判斷電解槽的穩(wěn)定性，用溫度傳感器來監(jiān)測溫度，同時用LCD來顯示溫度、電壓和計數(shù)防盜監(jiān)測。主控和監(jiān)測通過無線通信來實現(xiàn)信號的發(fā)送與接收，基于ARM7的監(jiān)測系統(tǒng)，用nRF905射頻收發(fā)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。同時主控端ARM7與PC機(jī)通過用RS232直接通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存和監(jiān)測，如圖1所示。
2 硬件電路及理論分析
稀土熔鹽電解槽的槽電壓包括：分解電壓、結(jié)構(gòu)電壓降和熔體電壓降。結(jié)構(gòu)壓降基本為固定值±2.9 V，而熔體壓降與溫度有關(guān)，通過溫度傳感器來設(shè)定適合的值，根據(jù)這些可以用電壓波動監(jiān)測和溫度傳感器來判定電解槽的生產(chǎn)情況。
每個從機(jī)都帶有液晶顯示和聲光報警，考慮經(jīng)濟(jì)適用因素，本系統(tǒng)從機(jī)顯示模塊采用LCD1602，顯示計數(shù)、時間、故障原因，圖4為LCD1602原理圖。當(dāng)出現(xiàn)故障時聲光報警器報警，查看LCD液晶來知道故障的原因。
3 實現(xiàn)方法
由于STC89C52單片機(jī)不具有SPI接口，而nRF905射頻收發(fā)模塊是通過SPI接口由MCU控制，所以只能通過MCU的I/O口來模擬SPI總線接口，實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計。發(fā)射裝置中，STC89C52與nRF905連接方法如圖5所示。選用MCU的P0.2模擬數(shù)據(jù)輸出端MOSI，P0.3模擬數(shù)據(jù)輸入端MISO，P0.1模擬SCK的輸出端，P0.0模擬從機(jī)選擇端CSN，由程序清零此I/O口，使與它通信的nRF905做從機(jī)，采用SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，在SCK的每個下降沿將MCU配置nRF905的命令和數(shù)據(jù)通過MOSI引腳移入，在SCK的每個上升沿將傳給MCU的數(shù)據(jù)從MISO引腳移出。所以，將串行時鐘輸出口P0.1的初始狀態(tài)置為低電平，選通從機(jī)P0.0=0低電平后，再置P2.2為高電平，這樣MCU在輸出1位SCK時鐘的同時，將使nRF905中數(shù)據(jù)串行左移，從而輸出一位數(shù)據(jù)在MCU的P0.3口，再置P0.1=0，使MCU從P0.2輸出一位數(shù)據(jù)至nRF905，這樣完成模擬1位數(shù)據(jù)的傳輸。如此重復(fù)上述步驟8次，完成通過SPI總線傳輸1 bit的操作。nRF905有5個內(nèi)部寄存器，分別是狀態(tài)寄存器、RF配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器，這5個寄存器通過MCU軟件模擬的SPI接口來配置，同時MCU對nRF905的工作模式進(jìn)行切換控制。單片機(jī)與nRF905連接如圖5所示。
4 通信協(xié)議
主機(jī)和從機(jī)之間是一個簡單的多點對一點通信，比特率設(shè)置為9 600 b/s，nRF905采用輪詢的方式進(jìn)行主機(jī)與從機(jī)之間的無線通信，通過地址碼確定從機(jī)，保證主機(jī)與各從機(jī)之間數(shù)據(jù)的單向通信。
當(dāng)無線數(shù)據(jù)接收到來自PC機(jī)串行口的數(shù)據(jù)后，判斷是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，單片機(jī)控制數(shù)據(jù)節(jié)點，地址和數(shù)據(jù)通過SPI接口傳送給nRF905射頻芯片，TRX-CE=1時無線系統(tǒng)自動上電，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至緩沖區(qū)，然后啟動打包程序，將自動生成起始碼和CRC校驗碼的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，并以GPSK方式調(diào)制成模擬信號，最后經(jīng)射頻放大器放大以后用天線將其發(fā)送出去。接收端發(fā)現(xiàn)有和接收頻率相同的載波時，載波檢測被置高電平（CE=1），當(dāng)nRF905接收到地址時，地址匹配被置為高電平（AM=1），通過CRC校驗碼接收有效數(shù)據(jù)，通過SPI接口讀出有效數(shù)據(jù)，并以GFSK的方式調(diào)制成數(shù)字信號，傳送至存儲器中，通過串口傳送至PC中。當(dāng)全部數(shù)據(jù)讀出后，nRF905進(jìn)入其他3個模式。
由于射頻無線通信的過程中沒有任何物理或者可見的接觸，通過電磁波的方式進(jìn)行，因此雙方之間需建立安全和可靠的協(xié)議，以保證接收到有效的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)包按照設(shè)定好的傳輸協(xié)議，減少噪聲信號的干擾，接收模塊從數(shù)據(jù)包中提取有效數(shù)據(jù)，實現(xiàn)雙方的通信有效和穩(wěn)定。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
軟件主程序的設(shè)計主要負(fù)責(zé)各模塊的初始化，并協(xié)調(diào)各部分的工作，使各部分有條不紊。系統(tǒng)中，各監(jiān)測點由單片機(jī)控制和采集4個稀土熔鹽電解爐的實時信息，當(dāng)超過設(shè)定的穩(wěn)定信息時，聲光報警器報警。LCD1602對溫度、電壓、計數(shù)的信息實時顯示，當(dāng)報警時中斷處理顯示報警的原因。為了解決由于數(shù)碼跳變快，不易分辨等問題，程序設(shè)定每隔一段時間自動刷新。當(dāng)定時器刷新時間未到時，按照程序順序執(zhí)行，當(dāng)?shù)搅怂⑿聲r間跳過顯示子程序，按當(dāng)前時刻狀態(tài)顯示信息。當(dāng)有報警信息時，進(jìn)行優(yōu)先處理。主程序和監(jiān)測點流程圖如圖7和圖8所示。
實驗證明，采用ARM7LPC2103做主機(jī)，用STC89C52做從機(jī)的無線數(shù)據(jù)通信，工作在433 MHz的ISM頻段。在有障礙條件下最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)120 m，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。達(dá)到預(yù)期效果。通過PC機(jī)能實時比較準(zhǔn)確、直觀地反映稀土熔鹽電解爐生產(chǎn)過程的信息。本系統(tǒng)具有智能化、操作簡單，可靠等特點。在稀土熔鹽電解生產(chǎn)環(huán)境中有更好的實用價值。
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