基于Cortex—M3电厂多通道数据采集系统的设计

蔺韬

摘要：火电厂燃煤锅炉在运行过程中，准确监测一次风管道中的煤粉速度对锅炉燃烧的稳定性、安全性和经济性十分重要。基于Cortex-M3为核心的ARM处理器，设计了一套对电厂一次风管道煤粉速度在线监测装置。通过8通道同步数据采集系统实现对煤粉速度信号的采集，经以太网将采集到的数据上传至上位机，并利用基于FFT的互相关算法对其进行计算分析。经在吉林热电厂的实际安装监测表明该设备具有很强的实用性，满足电厂的要求，同时该装置具有成本低，安装便捷等特点。

关键词：微波法；Cortex-M3；煤粉速度；在线监测

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）09-0152-04

随着工业技术的飞速发展以及当前严峻的环境问题，燃煤发电厂不得不对当前的煤粉监测设备进行升级改造，从而达到一次风管道中的煤粉在锅炉中能够充分燃烧[1]。目前电厂采用的煤粉速度测量方法有很多种，如静电法[2]、超声波法[3]、光学法[4]、微波法[5]等，其中一些方法得到了较多的应用。但由于众多的方法仍然采用独立的采集通道或者是FIFO实现对煤粉速度信号的同步采集[6]，导致了整个测量系统对AD芯片的需求量增加，成本代价比较高，同时由于采集的通道较多，FIFO调整输入比较困难。本文设计的电厂多通道数据采集系统可以利用AD7606芯片实现对电厂数据多路同步采集，只需将该芯片与控制器连接并配置相应的通讯程序，便能够实现对电厂多个一次风管道的煤粉速度信号进行采集。

1 系统测量原理

在实际工程中，由于4条管道中煤粉速度的测量原理相同，这里只提供一组系统测量原理图。如图1所示，在电厂一次风管道上，按照一定的距离L安装两个传感器探头，数据采集系统需要同步采集两路信号，把采集的两路信号放入一个数组中，分别记为X（t）、Y（t）。将X（t）、Y（t）这两组数据进行互相关计算[7]，求出相关结果Rxy，并寻求Rxy中的最大值，记录其所对应的横坐标值。根据采集系统的采样率，求出两个传感器探头之间的信号延迟时间，便可求出煤粉速度，即探头之间距离L与延迟时间t的比值。

2 系统总体结构

整个测量装置主要分为数据采集和监测装置两部分，数据采集和监测装置是两个相对独立的硬件系统。如图2所示，数据采集主要包括微波发射器、微波接收器，信号调理、AD采集、微处理器、数据存储电路、以太网。在此基础上增加RS485、RS232电路以及数据监控中心组成监测装置[8-9]。

数据采集系统使用Labview做上位机，实现数据的采集、分析、算法验证。监控装置利用PC机实时监控系统状态。

3 系统硬件设计

3.1 缓冲及分压电路

在本装置中，经采集系统板对A、B信号进行采集，在采集系统板前端加入缓冲及分压电路。设置缓冲及分压电路的目的主要是为了采集板不受前级信号的影响，而分压的目的是使被采集的电压值小于采集系统ADC的基准电压，也是为了能够采集更多的信号，从而达到更高的准确度。

缓冲及分压电路主要由集成运放LF442CN芯片及一些基础的元件组成，其中LF442CN集成运放是双输入、双输出的放大器，正负15V供电，具有1012Ω高的输入阻抗，精度高等特点。将该缓冲垫路和高频滤波电路连接在一起组成整个信号的调理电路。图3为系统缓冲及分压电路原理图。

3.2 AD7606與微控制器连接电路

AD7606是一款完全集成的多通道数据采集芯片，采用5V单电源供电[10-11]，其中AD7606的PA1、PA2、PA3引脚设置整个系统的采样频率，PA4设置系统输入量程，PA5为复位口线，PB0为定时器引脚，通过PB0输出相应脉冲，启动AD7606的转换，PB1设置为中断输入口，下降沿触发，PG12为AD7606的片选，与 FSMC的bank1的第四分块连接，FSMCNOE是读使能引脚。通过上述连接配置好通讯时序以及各个引脚，可以实现数据采集[12]。如图4所示。

4 系统软件设计

4.1 基于FFT的互相关算法设计

设两个离散时间序列为x（n）、y（n），则两个序列的互相关函数可定义为：

根据离散傅里叶变化公式可得，离散傅里叶的变换具有周期性，相关函数的计算也是建立在周期性的基础上的。两个N点的FFT运算步骤是：首先对两个N点序列做周期拓展，然后做相关取主值，这个主值相当于圆周卷积[13]。

假设X（n）的序列长为N1，Y（n）序列长为N2，并线性相关，则可以利用FFT求解这两个线性相关的有限长序列。下图5为FFT实现互相关计算流程框图：

4.2 上位机软件设计

图6为后面板以太网通信部分主要程序，整个上位机软件采用Labview，使用图形化编程语言使编程更加简单，直观，功能强大，特别适合数据采集等应用场合，大大缩短了开发周期[14]。该软件具有前面板和后面板两个操作界面，前面板是图形化显示界面，后面板是模块化编程界面。本采集系统采用TCP/IP通信协议，由TCP协议本身的特性，使数据在传输时，能确保数据的完整性和准确性。所以需要用到以下模块：打开TCP连接、读取TCP数据和关闭TCP连接函数，此通信首先需要建立连接，这时还需要通过 TCP Open Connection这个应用模块向服务器发送连接请求。确定建立连接后，程序进入主循环接收数据，数据接收完后关闭连接，同时去除因为正常关闭导致的错误信息，程序运行时，必须先运行服务器端再运行客户端。

4.3 系统流程图

如图7所示，微波激励源向一次风管道发射微波信号后，四个一次风管道共8个探头会依次接收到信号，信号经缓冲及分压电路处理后，由基于AD7606芯片的采集电路进行数据采集，并利用Labview软件对信号进行分析与处理。将采集的两组信号放入两组数组中，并利用基于FFT的互相关算法进行计算，通过确定探头的距离L以及时间差Δt，分别求出四个一次风管道的煤粉速度。