分析基于S3C2410的恒温式自动量热仪设计与应用

引言

量热仪的性能特点：采用美国先进技术的5.2英寸触摸式液晶屏幕，整体式安装方法，保证触摸屏的牢固性。红外线式技术，材料选用CRT显示材料让触摸屏更耐用。多层复合薄膜覆盖，保证色彩失真度、反光性和清晰度达到最佳状态，感应灵敏，定位精度高，有效出没区域高达90%抗磨损，寿命可长达10年，汉字显示，无需外接电脑。即可直接操作，又可用计算机控制。中文菜单式操作界面，结构简单、直观易学、操作方便、性能稳定可靠，采取内外筒光电隔离抗干扰能力强。采用独特的发泡隔热技术，实验过程中不受外界温度影响。

自动注水，不需调水温，只需装好氧弹放入桶内，仪器即可自动完成全部测试。结构合理，制作精良，性能可靠，故障率低。

结果准确，采用独特的冷却校正系统、水循环系统及软件自动、误差补差系统同时具备外筒贮水量大，热稳定性好等功能。

近年来随着嵌入式技术的不断成熟，其成本也不断下降，本身所具有的规模可变、扩展灵活、有较高的实时性和稳定性、系统内核小的优点逐渐凸现出来。

1 基本原理

恒温式量热仪通过氧弹法测量热值。通过放在氧弹中的物质燃烧并使燃烧放出的热量通过弹筒传递给水及仪器系统，再根据水温的变化计算出物质的发热量。其测量的基本框图如图1所示。根据氧弹法测量的基本原理，发热量计算公式如下：

式中：E为热容量，单位：J/K;q1为点火热，单位：J;q2为添加物如包纸等产生的总热量，单位：J;m为试样质量，单位：g;Tc为主期结束时温度，单位：℃;Tb为主期开始时温度，单位：℃，C为冷却校正值，单位：℃。

由上式可知，只要测量出水的温度以及相关参数，就可以计算出煤样的发热量。

2 系统设计

2.1 硬件设计

S3C2410处理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T处理器核，采用0.18um制造工艺的32位微控制器。该处理器拥有：独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND闪存控制器，3路UART，4路DMA，4路带PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2个USB主机，1个USB设备，SD主机和MMC接口，2路SPI。S3C2410处理器最高可运行在203MHz。

S3C2410与量热仪各个部分的连接框图如图2所示，在硬件连接之后，需要对各个部分与S3C2410的端口进行软件驱动。

2.1.1 ARM板选择

本次设计选择市场上使用较多，同时在结构和资源上较为典型的S3C2410处理器，主要是基于以下原因：

(1)性价比高，使用的最广泛。作为一款经典的ARM9系列处理器，S3C2410的资料最完整，各种驱动程序的开发包最多，利于开发者开发。

(2)采用核心板和底板分离的设计思想，用户可以方便地使用Core-Board进行二次开发。

2.1.2 传感器的选择

现在的量热仪大多采用铂电阻作为测温元件;它虽然具有精度高等优点，但铂电阻在O～800℃范围内、无校正的情况下，最大非线性误差可达2%，而且它们属于模拟式传感器，输出信号需要进行模/数转换，这不仅使电路复杂，成本增加，而且增大了误差。

石英晶体温度传感器HTS-206就是其中的一种，它由日本EPSON公司生产，其振荡频率在40 kHz附近，工作温度范围为-55～+125℃，其测量精度利用多点差值法校正后可达O.05℃石英晶体谐振器HTS-206的调理电路包括振荡电路、分频器、计数器三个主要部分构成，其调理电路如图3所示。

以往测量频率的方法是在芯片外接FPGA芯片，不过HTS-206，的工作频率为40 kHz左右，符合S3C2410的工作性能，为了节约成本。HTS-206的输出经过整流放大后，通过S3C2410的EINT0端口，用FIQ中断模式。

利用软件设定中断的闸门时间为Tw，并且记录被测信号的变化周期数(或脉冲个数)N，则被测信号的频率为：

2.1.3 控制部分

控制部分由充氧控制、充放水控制、水位控制、点火控制、升降电机控制等几部分组成：

充氧电路，主要完成氧弹的冲放气的控制。当实验开始时，发送信号，打开阀门。氧弹充气到一定压力的时侯，向S3C2410发出信号。S3C2410接收到信号就控制阀门关闭。

充放水及水位控制系统，主要完成内外筒进水、排水、定位任务。分别通过两个探测器测定内外筒的水位，利用程序进行水位比较，从而达到定内外筒水定量的目的。

点火系统控制氧弹中的点火装置，具体控制要求为：点火丝点火在自检之后进行，如一切正常，则点火。如果点火成功，则向S3C2410发送信号，启动测温系统。如果点火失败，则退出本次试验。

2.1.4 S3C2410的网络通信

如图4所示，S3C2410使用CS8900A-Q3控制器扩展网络接口模块。它的传输速率为10 Mb/s。CS8900工作在16位模式下，网卡芯片复位默认工作方式为I/O连接。由于CS8900A和S3C2410的中断电平是相反的，所以，中断信号线间需接一个非门。信号的发送和接收端通过RJ45接口接入CS8900A，再传送给S3C2410，从而组成了以太网信号传输的硬件通道。

2.2 软件设计

2.2.1 开发环境的建立

在对S3C2419进行软件开发之前，需要通过以下步骤，建立一个合适的开发环境。

(1)将UBOOT移植到S3C2410开发板。

(2)利用H-JATG软件读取板子CPU的信息，将读取到的信息利用ADS开发环境中的AXD Debugger软件建立仿真开发环境。

(3)仿真建立最小系统，对各个端口进行初始化，设置时钟，电源等参数。仿真成功后，将初始化的文件利用ADS下载到主板上。

2.2.2 对系统的编程

如图5所示，根据GB(T)213-2003的要求，设置充氧时间为18 s，当充氧压力大于3.2 MPa时，显示充氧压力过大，并结束实验。省略点火及控制部分，主要程序如下：

实验开始时，每秒采样一次。实验8 min后，每1 min采样一次。实验结束。随后进入数据处理部分。这部分包括数据的打印、存储及数据在互联网上的传输。限于篇幅这部分程序并未列出。

3 结语

量热仪是能源生产和能耗企业必备的重要测量仪器，其测量精度和效率直接影响着经济效益。为了提高量热仪的测量精度，整个量热系统的测温精度、准确性、稳定性等诸多方面都需要得到改善和提高。

该设计严格按照GB(T)213-2003标准，并且不同于以往量热仪使用单片机8位的数据传输模式，而是利用S3C2410芯片的32位数据传输模式。同时它有很高的稳定性，能够在复杂环境下正常工作，因此，量热仪是能源生产和能耗企业必备的重要仪器，其测量精度和效率直接影响着经济效益。量热仪可分别用于电力、煤炭、焦炭、石油、化工、水泥、军工、粮食、饲料、木材、木炭以及科研等行业测量固体、液体等可燃物资的发热量。由于其应用范围很广，因此研制出更高测量精度和效率的量热仪具有很好的发展前景及经济效益。