基于TMS320C2812DSP的智能循環(huán)水控制器的設(shè)計(jì)

1 引 言 

    工業(yè)循環(huán)水處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是按照工藝要求投加各種藥劑，以此來保證優(yōu)良的水質(zhì)。傳統(tǒng)的藥劑投加主要是依靠人工進(jìn)行。操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)在這種加藥方法中起決定作用，不能滿足藥劑的精確投加。為此，我們針對國內(nèi)工業(yè)水處理行業(yè)的工藝要求，并吸取了國內(nèi)外同行加藥控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，研制了適合國內(nèi)特點(diǎn)的智能循環(huán)水加藥控制器。該控制系統(tǒng)由下位機(jī)和上位機(jī)兩部分組成，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控的結(jié)合。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 

    智能循環(huán)水加藥控制系統(tǒng)是針對循環(huán)水處理現(xiàn)場設(shè)計(jì)的。需要滿足的功能是實(shí)現(xiàn)水處理過程中的自動(dòng)加藥和自動(dòng)排污。比如說在現(xiàn)場pH值高于一定值時(shí)系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加酸，而低于一定值時(shí)要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加堿；而在雜質(zhì)多于一定值時(shí)要能自動(dòng)加氯排污等。本系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場水質(zhì)數(shù)據(jù)采集以及控制現(xiàn)場各個(gè)泵的動(dòng)作，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信方式采用RS．485實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)主要由輸入信號(hào)調(diào)理部分、DSP控制部分、輸出信號(hào)調(diào)理部分、本地面板顯示部分組成。首先將現(xiàn)場的傳感器采集信號(hào)諸如pH值傳感器信號(hào)、ORP傳感器信號(hào)、TEMP傳感器信號(hào)、COND傳感器信號(hào)等進(jìn)行調(diào)理，使這些傳感器的輸出信號(hào)統(tǒng)一調(diào)理成0．6— 3 V的電平信號(hào)，控制器采用TI公司的32位定點(diǎn)TMS320C2812，該DSP芯片帶有16路12位的AD輸入，足夠滿足現(xiàn)場精度要求，所以本系統(tǒng)不需要另外加A／D轉(zhuǎn)換芯片。我們把調(diào)理的0～3 V的電平信號(hào)直接接人TMS320C2812的A／D口。根據(jù)這些電平信號(hào)的大小就能知道現(xiàn)在水的各種時(shí)參數(shù)值。比如pH值，當(dāng)pH為7時(shí)，轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)為1．8 V，當(dāng)pH為14時(shí)．轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)為0．6 V，當(dāng)pH為0時(shí)，轉(zhuǎn)換的輸入信號(hào)為3 V，然后系統(tǒng)希望的pH值通過上位機(jī)設(shè)定發(fā)送給DSP。DSP把系統(tǒng)希望的值作為設(shè)定值，而把剛才pH通道A／D輸入的值作為反饋值，采用位置增量PID算法，設(shè)定值和反饋值的差作為偏差來實(shí)現(xiàn)加酸加堿量的計(jì)算。DSP再把這個(gè)計(jì)算結(jié)果值送給D／A。本系統(tǒng)中D／A我們采用 
MAX5250B和DSP產(chǎn)生的PWM信號(hào)調(diào)理實(shí)現(xiàn)，然后再把D／A的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和電壓轉(zhuǎn)電流變成4～20 mA的電流信號(hào)來控制現(xiàn)場加酸加堿泵的動(dòng)作。其它信號(hào)的控制思路和pH控制完全一樣。同時(shí)在控制現(xiàn)場還有一個(gè)顯示面板，該顯示面板由顯示和鍵盤輸入兩部分組成。顯示主要顯示當(dāng)前水質(zhì)的一些重要參數(shù)，比如pH值、ORP值、TEMP值、COND值等。鍵盤輸入主要完成一些傳感器的標(biāo)定作用，這將在本文的后續(xù)部分作具體介紹。顯示板和控制器之間采用RS．485通信方式實(shí)現(xiàn)。用一臺(tái)工控機(jī)作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控作用，上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信方式也采用RS．485。上位機(jī)主要顯示當(dāng)前水質(zhì)的參數(shù)和各泵的工作狀態(tài)，并將水質(zhì)參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)保存人數(shù)據(jù)庫，可在需要的時(shí)候進(jìn)行查詢。同時(shí)還實(shí)現(xiàn)一些設(shè)定操作，手動(dòng)控制等功能。當(dāng)上位機(jī)設(shè)置為手動(dòng)操作時(shí)，此時(shí)控制器所有輸出為0，現(xiàn)場各泵的操作可以由人來手動(dòng)控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)檢修工作。同時(shí)在監(jiān)控現(xiàn)場還有一臺(tái)PLC控制器作為備用監(jiān)控系統(tǒng)。該P(yáng)LC控制器采用西門子公司的$7-200系列的CPU221XP，加上一些擴(kuò)展數(shù)字輸入、模擬輸入模塊等組成。PLC和控制器間的通信采用RS一485通信協(xié)議(其優(yōu)點(diǎn)在于通信距離較長)。系統(tǒng)整個(gè)硬件框圖如圖1所示。

3 利用TMS320C2812的I／O， 口產(chǎn)生PWM 信號(hào)作為D／A輸出

    本系統(tǒng)的模擬量輸出有10路，如果都采用D／A轉(zhuǎn)換芯片無疑增加了系統(tǒng)的硬件成本。由于TMS320C2812具有兩個(gè)事件管理器，可以用來產(chǎn)生六路獨(dú)立的PWM波信號(hào)。本系統(tǒng)的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)就是直接利用TMS320C2812的時(shí)間管理器產(chǎn)生六路獨(dú)立的PWM信號(hào)濾波后作為系統(tǒng)需要的D／A輸出。另外4路輸出信號(hào)采用一塊MAX5250B的D／A芯片來實(shí)現(xiàn)。

    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用事件管理器來產(chǎn)生PWM輸出。這需要對事件管理器中的寄存器進(jìn)行設(shè)置，步驟如下：① 設(shè)置和裝載ACTRX；② 初始化CMPR；@設(shè)置和裝載COMCONX；④設(shè)置和裝載T1 CON(對應(yīng)于EVA)或T3CON(對應(yīng)于EVB)來啟動(dòng)操作；⑤ 將新變化的值重新寫入CMPRX。

    按以上步驟編程后產(chǎn)生的PWM信號(hào)要想作為本系統(tǒng)的DA輸出，還必須對其進(jìn)行濾波調(diào)理，該濾波調(diào)理電路如圖2所示。

圖2 PWM信號(hào)濾波調(diào)理作為D／A輸出電路圖

    首先將輸出的PWM信號(hào)通過光耦隔離器進(jìn)行隔離，保證外接輸出系統(tǒng)不會(huì)反過來燒壞本控制器，然后對隔離的輸出PWM信號(hào)進(jìn)行兩級(jí)RC濾波，變成平滑的電壓輸出，經(jīng)過一個(gè)射極跟隨電路增強(qiáng)輸出能力，再通過電壓變電流電路輸出4—20 mA的電流信號(hào)給現(xiàn)場控制泵。這樣就完成了利用TMS320C2812的事件管理器輸出PWM信號(hào)進(jìn)行調(diào)理來產(chǎn)生D／A輸出，降低了系統(tǒng)的硬件成本，也簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

4 傳感器標(biāo)定 

    傳統(tǒng)的智能儀表標(biāo)定一般采用專用的標(biāo)定工作臺(tái)，它由工控機(jī)、各類標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源、UPS后備電源等組成。標(biāo)定工作臺(tái)體積龐大、接線復(fù)雜、價(jià)格高昂，一般只在生產(chǎn)廠家或?qū)嶒?yàn)室使用，維修維護(hù)人員無法在現(xiàn)場對智能儀表進(jìn)行二次標(biāo)定，在智能儀表測量系統(tǒng)中，需要對外界各種信號(hào)進(jìn)行測量。測量過程一般是先用傳感器把外界的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后用A／D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。但是不同的傳感器輸出信號(hào)范圍不同，同一傳感器在不同的環(huán)境中輸出的同樣信號(hào)并不代表同一種情況。比如說在不同溫度下，同樣的pH值，同一pH傳感器輸出的信號(hào)也會(huì)有變化。這樣就會(huì)在現(xiàn)場測量時(shí)造成誤差。因此在測量現(xiàn)場就需要經(jīng)常對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定一般是借助于數(shù)學(xué)解析表達(dá)式來編寫程序，從而達(dá)到標(biāo)定的目的。比如說現(xiàn)在pH值傳感器輸出的信號(hào)表示pH值為7．8，但是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試計(jì)測量出實(shí)際pH值為7．9，那么就需要 
通過設(shè)定操作修正輸出結(jié)果把當(dāng)前結(jié)果強(qiáng)制變換為7．9。標(biāo)定有單點(diǎn)標(biāo)定法和兩點(diǎn)標(biāo)定法兩種。單點(diǎn)標(biāo)定法主要采用先把系統(tǒng)零點(diǎn)測試好，然后利用當(dāng)前實(shí)際值和零點(diǎn)值進(jìn)行標(biāo)定。而兩點(diǎn)標(biāo)定法則不需要測試零點(diǎn)，而只需要根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)測試計(jì)得出兩個(gè)實(shí)際值即可實(shí)現(xiàn)標(biāo)定。以本系統(tǒng)的pH值傳感器標(biāo)定為例來說明單點(diǎn)標(biāo)定法的原理。通過系統(tǒng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)pH值傳感器在pH值為7時(shí)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理輸出給TMS320C2812的A／D 的電壓值為1．8 V，而TMS320C2812的A／D為12位，也就是它的實(shí)際測量值在0—4 096之間。1．8 V正好是A／D滿量程3V的3／5。故pH值實(shí)際零點(diǎn)在TMS320C2812中反映為2457，也就是說2457是它的零點(diǎn)。在標(biāo)定前的默認(rèn)算法中把傳感器輸出信號(hào)0 V電平對應(yīng)為pH值的14，即TMS320C2812的A／D采樣值對應(yīng)為0。假設(shè)某一時(shí)刻DSP采樣值為X，則此時(shí)計(jì)算pH值公式Y(jié)如下所示：

    假設(shè)某一時(shí)刻DSP采樣值為3 000，根據(jù)式(1) 計(jì)算的pH值為4．68。如果系統(tǒng)某一時(shí)刻采樣值為V， 實(shí)際pH值為U，那么系統(tǒng)采樣值為X 時(shí)刻的實(shí)際pH值Y 就要用如下公式進(jìn)行計(jì)算： 

    在本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)開始采用的算法為式(1)，當(dāng)接收到標(biāo)定命令時(shí)系統(tǒng)軟件自動(dòng)切換到式(2)算法中來。

    上面就是單點(diǎn)標(biāo)定的原理，只要根據(jù)某一時(shí)刻的實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)定即可。

    雙點(diǎn)標(biāo)定就是根據(jù)兩個(gè)時(shí)刻的實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)定。比如說系統(tǒng)在某一時(shí)刻采樣值為U，此時(shí)實(shí)際的pH值為M，在另一時(shí)刻的采樣值為V，實(shí)際值為 N。那么在系統(tǒng)采樣值為某個(gè)X 時(shí)刻的實(shí)際pH值Y就由下式來確定：

    由式(2)、(3)看出單點(diǎn)標(biāo)定比雙點(diǎn)標(biāo)定算法要簡單，但是單點(diǎn)標(biāo)定有一個(gè)缺點(diǎn)，就是不能在零點(diǎn)附近標(biāo)定。因?yàn)楦鶕?jù)式(2)可以知道，在pH=7時(shí)進(jìn)行標(biāo)定的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)分母為0，這樣等式就會(huì)出現(xiàn)不定值。目前應(yīng)用較多的還是單點(diǎn)標(biāo)定法。

5 TMS320C2812的串口通信 

    本系統(tǒng)中各模塊問的通信都采用RS-485通信。而這實(shí)際利用串口通信加上一塊MAX485芯片將串口通信變換成RS-485通信來實(shí)現(xiàn)的。因此本節(jié)介紹一下TMS320C2812的串口通信的實(shí)現(xiàn)過程。TMS320C2812的SCI口除具有普通串口的特點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn)：發(fā)送和接收均有一個(gè)16級(jí)深度的FIFO，可編程64K種不同的波特率，可編程8—16位數(shù)據(jù)長度，空閑線和地址位兩種喚醒多處理器模式，奇偶校驗(yàn)、過載、幀錯(cuò)誤和問斷監(jiān)測共4個(gè)錯(cuò)誤檢測標(biāo)志，半雙工或全雙工操作模式，可工作于中斷或查詢方式，具有獨(dú)立的接收和發(fā)送中斷使能位。利用TMS320C2812的SCI口進(jìn)行串行通信主要有查詢和中斷兩種模式。中斷模式下需要選擇中斷優(yōu)先級(jí)和設(shè)置中斷使能位，除此外，兩種方式都需要設(shè)置操作方式和協(xié)議、字符長度、奇偶校驗(yàn)、停止位的位數(shù)以及波特率值等操作。所有這些操作都是通過設(shè)置寄存器來實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中采用中斷方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的通信。下面是采用中斷方式進(jìn)行通信的串口初始化程序：

6 結(jié)束語 

    根據(jù)循環(huán)水處理工藝過程的技術(shù)要求，本智能循環(huán)水控制器從控制系統(tǒng)的硬件配置到應(yīng)用程序設(shè)計(jì)以及多種加藥控制方案的實(shí)現(xiàn)，都系統(tǒng)地考慮了工業(yè)循環(huán)水處理過程的實(shí)際情況。尤其是通過DSP的事件管理器輸出PWM波作為D／A輸出節(jié)省了系統(tǒng)成本，簡化了硬件結(jié)構(gòu)。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，運(yùn)行可靠，人機(jī)界面直觀靈活，操作簡便?？刂葡到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能均滿足工藝要求，取得了良好的應(yīng)用效果。

作者：北京工業(yè)大學(xué)電控學(xué)院自動(dòng)化系    江存勝，段建民，綦慧，李大慶，倪少強(qiáng)

參考文獻(xiàn)： 
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