基于主從式雙處理器的光纖比色測溫儀軟件設(shè)計(jì)
2013-11-29
基于主從式雙處理器的光纖比色測溫儀軟件設(shè)計(jì)
發(fā)布時(shí)間2008-6-16
李華民 黃啟俊 熊 江 戴 峰 何民才
摘要：介紹一種基于ＤＳＰ和ＭＣＵ雙處理器的內(nèi)調(diào)制光纖比色測溫儀的設(shè)計(jì)原理。測溫儀以ＡＴ８９Ｃ５５和ＴＭＳ３２０Ｆ２０６為核心，對內(nèi)調(diào)制光電探測器進(jìn)行線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償，并加入比輻射率的修正。本系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境溫度變化大、周圍環(huán)境惡劣的高溫物體進(jìn)行高精度的溫度測量。
關(guān)鍵詞：內(nèi)調(diào)制光電探測器 主從式雙處理器 單片機(jī) 數(shù)字信號處理器 數(shù)字溫度傳感器 比色測溫
在冶金、鋼鐵、建筑材料、化工等眾多行業(yè)中，溫度是確保順利生產(chǎn)和質(zhì)量控制的重要參數(shù)。溫度測量直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，關(guān)系到生產(chǎn)成本。熔融狀態(tài)下，鋼、鐵溫度在１２００℃以上，主要測量方法有接觸式的金屬熱電偶溫度計(jì)和非接觸式的輻射溫度計(jì)。內(nèi)調(diào)制光電管１利用內(nèi)調(diào)制機(jī)制，把高溫物體輻射出的光信號直接轉(zhuǎn)化為受調(diào)制的交流信號，方便了后級放大處理，簡化了測試設(shè)備，克服了直流放大的缺點(diǎn)，為提高系統(tǒng)信噪比和可靠性奠定了基礎(chǔ)。筆者對利用內(nèi)調(diào)制探測器進(jìn)行高溫測量開展了多年的應(yīng)用研究，并研制出了基于單片機(jī)的光纖比色溫度儀２，基本上能完成溫度測量的功能。從武鋼連鑄、濟(jì)鋼轉(zhuǎn)爐等生產(chǎn)現(xiàn)場的使用情況看，儀器還可以進(jìn)一步改進(jìn)。由于單片機(jī)先天數(shù)據(jù)處理能力不足，當(dāng)要建立較為完善的處理模型，例如進(jìn)行線性補(bǔ)償及溫度補(bǔ)償３４、發(fā)射系數(shù)修正、甚至進(jìn)行四比色測溫時(shí)，面對大量的數(shù)據(jù)要進(jìn)行復(fù)雜快速的處理，單片機(jī)已不可能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測溫。引入ＤＳＰ對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理，強(qiáng)有力地提升了測溫儀的功能。采用主從式雙處理器結(jié)構(gòu)能較好地解決這些問題，并且還具有進(jìn)一步開發(fā)的潛力。
１ 系統(tǒng)測溫原理
從經(jīng)典物理學(xué)的觀點(diǎn)看，任何黑體都會向外輻射能量，其輻射出度與溫度及波長有關(guān)，具體有普郎克定律和維恩定律描述。而物體的比色溫度簡稱色溫是指如果黑體與實(shí)際物體在某一光譜區(qū)內(nèi)的兩個(gè)波長下的單色亮度之比相等，則黑體的溫度為實(shí)際物體的顏色溫度。
根據(jù)比色測溫原理，假設(shè)兩路不同波長輻射轉(zhuǎn)換后的光電流分別為Ｉ１和Ｉ２，Ｔ為待求溫度，則可以寫出：
Ｉ１＝Ｍλ１Ｄ１ (１)
Ｉ２＝Ｍλ２Ｄ２ (２)
式中，Ｍ是單色輻射出度，由維恩近似公式得到
由此可以得到：
Ｄ１和Ｄ２分別為兩路系統(tǒng)的系數(shù)，Ｃ１和Ｃ２分別為普朗克第一、第二輻射常數(shù)。當(dāng)λ１和λ２兩單色波長接近時(shí)，求出兩路光強(qiáng)比值，即可以計(jì)算出被測物體的溫度Ｔ。
２ 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)
２．１ 系統(tǒng)的信號處理總體流程
測溫儀系統(tǒng)主要由內(nèi)調(diào)制光電探測器、前置模擬處理部分和以單片機(jī)、ＤＳＰ為核心的雙處理器控制及處理部分構(gòu)成。
內(nèi)調(diào)制光敏探測器輸出的微弱電信號由前置模擬電路處理，得到與光強(qiáng)成正比的電壓信號；兩路光電信號由兩個(gè)獨(dú)立的１６位高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器ＭＡＸ１９５同步采集，同時(shí)數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８Ｂ２０得到環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)傳遞給ＤＳＰ；ＤＳＰ再根據(jù)事先設(shè)定的修正模式及參數(shù)經(jīng)過運(yùn)算處理后，得到被測溫度數(shù)據(jù)，反饋給單片機(jī)；由單片機(jī)根據(jù)用戶的操作將溫度數(shù)據(jù)輸出到ＬＥＤ、微型打印機(jī)、上傳給微機(jī)或者通過Ｄ／Ａ轉(zhuǎn)換以電流形式輸出給監(jiān)控儀表。
２．２ 測溫儀硬件結(jié)構(gòu)
測溫儀硬件結(jié)構(gòu)如圖１所示。
２．３ 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件由兩部分組成：作為主機(jī)的單片機(jī)ＭＣＵ部分主要完成系統(tǒng)的外部接口、控制功能；作為從機(jī)的數(shù)字信號處理器則通過主機(jī)傳送來的各種數(shù)據(jù)通過一系列修正模型計(jì)算出溫度，然后將結(jié)果返回給主機(jī)。這樣將原本由單片機(jī)處理需要花費(fèi)很長時(shí)間的數(shù)學(xué)模型計(jì)算交給ＤＳＰ，讓ＭＣＵ和ＤＳＰ各取所長，使得整個(gè)系統(tǒng)計(jì)算溫度的速度大大提高，提高了測溫儀的實(shí)時(shí)響應(yīng)特性。系統(tǒng)軟件主體流程如圖２所示。
２．３．１ 單片機(jī)ＭＣＵ部分
單片機(jī)主要負(fù)責(zé)信號的采集和人機(jī)接口。主要包括Ａ／Ｄ采集和轉(zhuǎn)換模塊、與數(shù)字溫度傳感器ＤＳ１８Ｂ２０的接口模塊、顯示模塊以及鍵盤輸入處理模塊。
２．３．２ 數(shù)字信號處理器ＤＳＰ部分
由于光敏管具有非線性特性，此外還受環(huán)境溫度的影響，因此，為提高測量精度，不僅要對其非線性進(jìn)行校正，還要對其溫度特性進(jìn)行補(bǔ)償，這就導(dǎo)致其數(shù)字信號修正表是二維的。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，內(nèi)調(diào)制光敏管的輸出特性隨溫度變化的漂移相對其非線性較小，故先校正非線性特性，再對溫度進(jìn)行補(bǔ)償，如圖３所示。
設(shè)被測物體輻射出的光信號經(jīng)過內(nèi)調(diào)制光敏管轉(zhuǎn)換后變成微弱電壓信號，再由放大器放大，然后經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換得到的結(jié)果為Ｖｉ，測得環(huán)境溫度為Ｔｉ，假設(shè)Ｔ１≤Ｔｉ≤Ｔ２，對應(yīng)于修正表中的位置查表可以得到：在Ｔ１環(huán)境溫度時(shí)處于Ｖ１、Ｖ２之間，在Ｔ２溫度時(shí)處于Ｖ１′、Ｖ２′之間，分別查表得到光強(qiáng)值Ｐ１、Ｐ２和Ｐ１′、Ｐ２′，于是插值得到Ｐｉ、Ｐｉ′。
Ｐ為插值校正后的值，內(nèi)調(diào)制光電探測器輸出電流Ｉ與光強(qiáng)值Ｐ成正比，代入公式（５）便可以得到物體的色溫
雖然選取兩個(gè)接近的波長作為測溫儀的工作波段，希望兩個(gè)波長處的單色輻射率近似相等，使得非黑體的色溫與它的實(shí)際溫度相等。但作為高精度的測量，仍不能忽視在冶金行業(yè)等工業(yè)生產(chǎn)過程中，有某些金屬材料的輻射率隨波長的增加而減少，即所測的色溫高于物體的真實(shí)溫度。為了得到更精確的測量結(jié)果，必須考慮比輻射率的修正。考慮到實(shí)際被測物體為非黑體，可以得到２：
其中，Ｔ為非黑體的色溫，Ｔ′為非黑體的實(shí)際溫度。通過（９）式的修正，可以得到更為精確的結(jié)果。
２．３．３ 針對不同測溫對象的模式處理
可以說，經(jīng)過線性補(bǔ)償、環(huán)溫補(bǔ)償以及各種修正的加入后，儀器已經(jīng)能應(yīng)付絕大部分高溫測量的需要。但在某些特定的應(yīng)用中，仍需根據(jù)現(xiàn)場的特殊環(huán)境和要求使測溫儀能夠更好地適應(yīng)不同的環(huán)境。
（１）連鑄現(xiàn)場鋼板測量模式：高溫的鋼板上會有塊狀的氧化層附著，氧化層的溫度相比鋼板的表面溫度要低得多。在生產(chǎn)中需要測量鋼板表面的溫度，而不是附著在其上的塊狀氧化層的溫度。因此如果不做任何處理，那么測溫儀的示值與鋼板表面的溫度肯定是不相符的。這種情況下，在ＤＳＰ的數(shù)字濾波處理程序上必須能夠除掉氧化層的影響。
（２）轉(zhuǎn)爐鋼水溫度測量模式：程序通過信號的檢測，判斷出轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)工作狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)爐轉(zhuǎn)動到一定角度時(shí)系統(tǒng)開始測量，在轉(zhuǎn)爐回轉(zhuǎn)之前可以通過分析信號準(zhǔn)確得出鋼水的溫度，而不是爐內(nèi)鋼渣等其他干擾物質(zhì)的溫度。將此溫度值保持到下次轉(zhuǎn)動爐體出鋼，以便工人記錄操作。由于現(xiàn)場干擾信號較大，要求軟件能剔除大量干擾信號。出鋼時(shí)爐口有大量的煙塵、熾熱的火焰，為得到鋼水的溫度，程序把連續(xù)測量的溫度值存儲下來后，利用統(tǒng)計(jì)誤差修正的方法對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到接近真實(shí)情況的溫度值。
３ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
測溫儀由武鋼溫度計(jì)量實(shí)驗(yàn)室的高溫黑體輻射爐進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后對黑體爐的溫度進(jìn)行測量。在９００°Ｃ～１７００°Ｃ的測量范圍內(nèi)，與黑體爐的比照結(jié)果，測溫儀的測量精度在±１°Ｃ。
通過實(shí)驗(yàn)室測試和現(xiàn)場使用情況看，本雙處理器系統(tǒng)響應(yīng)速度快（響應(yīng)時(shí)間小于１５ｍｓ）、使用壽命長、抗電磁干擾、靈敏度高，使用范圍一般為９００°Ｃ～１７００°Ｃ，在一定程度上能克服少量的煙霧、水汽和粉塵的影響，已經(jīng)在濟(jì)南鋼鐵廠轉(zhuǎn)爐鋼水溫度測量中取得了初步的應(yīng)用。通過調(diào)整軟件，能夠完成許多特殊環(huán)境下的在線測量，在傳統(tǒng)的高溫測量領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景.
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