基于嵌入式的水泥回转窑胴体温度监测系统设计

0 引言

    在水泥生产过程中，最重要的工艺环节是水泥熟料的煅烧，回转窑是实现水泥熟料煅烧的核心设备，它的运转情况直接关系到熟料的产量、质量和原料、燃料消耗。温度过高、热振荡过大会引起回转窑窑衬的损坏，严重时还会殃及窑胴体，回转窑生产熟料的过程中，决定窑能否优质、高产、低消耗地生产和安全运转的关键因素是窑衬。有鉴于此，在窑运转过程中，实时地了解窑内状况，及时采取相应的措施，防止窑衬及窑胴体损坏是回转窑实现经济运行的重要保证。

    回转窑在运行过程中是不停地回转的，其回转速度不断变化；窑胴体表面温度是一个多变量函数，它不但与时间、窑轴向位置、窑胴体表面周向位置等因素相关，还受环境温度及其它因素的影响，因此，窑胴体表面温度不同于其他热工参数，难以用常规的检测手段来检测和显示。

    本设计采用ARMLPC2119芯片及μC／0S-II操作系统，快速红外测温扫描仪对回转窑胴体温度进行实时、连续的测量，测量数据处理后，可以根据窑正常运行的胴体表面不同区段的温度范围，设定报警温度。窑运行过程中，胴体表面任意一处实际温度超过正常温度时，系统立即给出报警信号。

1 红外辐射测温原理简介

    温度高于绝对零度的物体，它就在不停地向周围空间辐射电磁波。这种由于物体内部的带电粒子在原子和分子内振动而产生的电磁波，称为热辐射。热辐射只是整个电磁波的一个组成部分，热辐射电磁波是由波长相差很大的红外线、可见光、紫外线所组成。红外辐射一般指波长在0．75～1000μm之间的热辐射。普朗克黑体辐射模型是红外辐射理论的出发点，绝对黑体的辐射能力与波长(λ)及温度(T)之间的函数关系如式(1)所示：
    
    依据这一公式，我们可以绘制出在不同的绝对温度(T)下，绝对黑体的单色辐射亮度(Lλ)与波长(λ)的函数曲线如图1所示。

    由图1可知：

    (1)随着温度的升高，辐射能量增加。这是红外辐射测温的理论依据。

    (2)随着温度的升高，辐射波峰向短波方向移动，其规律由维恩位移定律描述。
    λm·T=2898μm·K。通过维恩定律公式计算出的与某一确定的T所对应的λm就是辐射波峰所对应的波长。

    (3)辐射能量在短波长处随温度增加比长波长处快。

2 系统硬件设计

2. 1 系统组成

    本监测系统由快速红外测温扫描仪、窑回转同步信号发生器与嵌入式系统构成。如图2所示。

    快速红外测温扫描仪是一种具有快速扫描功能的红外辐射测温仪，安装在距回转窑30～100m处的适当位置，扫描角度为90°。它的旋转扫描器通过光学系统接收来自回转窑胴体表面一个特定区域(称为测量元)的红外辐射，测量元沿平行于回转窑轴线的方向呈直线状排列。快速红外测温扫描仪沿回转窑轴线的方向每秒钟扫描150次，回转窑每转一圈，产生200～400个完整扫描。某一个扫描得到的是：代表回转窑胴体表面某一个狭窄区域温度分布的电压信号和基准温度的电压信号，这些数据再经过相关处理就可以得到回转窑内某一区段的工况。如窑皮均匀与否、结圈情况、窑皮或窑衬脱落位置、热斑的范围等信息。

    窑同步基准信号发生器在回转窑每转一整圈时，产生一个用作同步基准的同步脉冲，送入嵌入式系统。嵌入式系统以同步脉冲为基准，采集窑的温度数据。

2．2 嵌入式系统硬件设计

    本嵌入式系统以LPC2119为核心，由最小系统、输入通道和输出通道等构成，其硬件结构图如图3所示。

2．2．1 最小工作系统

    最小工作系统以PHILIPS公司的LPC2000系列ARM7微控制器LPC2119为核心，采用11．0592MHz晶振，并利用MAX708SD组成复位电路，它包含一个看门狗定时器、一个微处理器复位模块、一个供电失败比较器及一个手动复位输入模块。系统电源采用78M05、LMlll7-3．3、LMlll7-1．8三种电路产生所需的工作电压。

2．2．2 输入通道设计

    输入通道主要传输窑同步信号，采用TLP52l-2光电器件进行隔离，同时采用三极管限流防止外部接线短路。输入通道如图4所示。

2．2．3 输出通道设计

    输出采用数码管动态显示回转窑各区段温度及工况，共计5位共阴极数码管组成状态显示电路，由单向总线缓冲器74HC244提供段驱动，由反向缓冲器7406提供位驱动，输出通道电路如图5所示。

3 嵌入式系统软件设计

    系统采用μC／OS-II操作系统作为应用软件的平台，可以避免传统的前后台程序设计时伴随系统功能增加而造成程序编写量呈指数增加以及资源调度不当发生的死锁现象，同时也提高了系统的实时性和可靠性。

3．1 μC／OS-II的移植

    μC／OS-II是一个源码开放的嵌入式多任务实时操作系统内核。其核心代码结构简洁精练，具有足够的稳定性和安全性。μC／OS-II的移植对处理器有一定的要求，比如必须具有响应中断的能力，并具有开关中断的指令，处理器必须可支持一定数量的硬件堆栈，并且应该有对堆栈指令进行读／写操作的指令等。同时，移植时编译器应该具有产生可重入代码的能力。本设计所选用的处理器LPC2119以及开发工具ADSl．2能满足移植要求。μC／OS-II的文件系统结构包括核心代码部分、配置代码部分、处理器相关代码部分。其中处理器相关代码部分是移植时需要修改的部分，它包括OS_CPU．H、OS_CPU_C．C、OS_CPU_A．S 3个文件，OC_CPU．H包括数据类型定义、堆栈单位定义、堆栈增长方向定义、关中断和开中断宏定义等。

    OS_CPU_C．C包含6个函数，其中，OSInetEnter()是任务堆栈初始化函数，是必需的，其他5个函数都是钩子函数，可以为空。

    OS_CPU_A．S这部分需要对处理器和寄存器进行操作，用汇编语言编写，包括四个函数：OSStartHighRdy()函数被OSStart()调用，使就绪的最高优先级任务运行：OSCtwSw()在任务级切换函数中调用，保存任务环境变量，将当前SP存入TCB中，载入就绪最高优先级任务的SP，中断返回等；OSIntCtxSw()在退出中断服务函数OSIntExit()中调用，实现中断级任务的切换；OSTicklSR()是系统时钟节拍中断服务函数，它为内核提供时钟节拍，频率越高系统负荷越重；使用硬件定时器作为时钟中断源，定时中断频率一般为10～100Hz。

3．2 用户任务设计

    嵌入式系统中，合理的划分任务及优先级，不但能简化软件设计的复杂性、任务调度的正确性，而且还能增强系统的稳定性、健壮性以及实时性。

    本系统软件主要功能有：a．回转窑工况显示：b．温度数据关联处理；c．窑同步信号采集；d．回转窑胴体温度扫描。

    基于μC／OS-II实时操作系统，根据回转窑胴体温度监测系统的功能要求，划分了任务以及优先级，任务优先级取偶数，为以后系统升级留下空间。如表1所示。

    TaskSart()是μC／OS-II初始化后运行的第一个任务，由它来创建自动信号系统的其他任务，该任务执行一次后删除，自身不再执行。Task_TemScan()任务对回转窑胴体温度扫描，Task_Synlnput()对回转窑同步信号采集，Task_TemDataAccess()任务对扫描得到的温度数据进行关联处理，生成窑横向、纵向温度分布数据，TasK_StaDisplay()任务显示回转窑各区段工况，Task_Clock()任务系统实时时钟，各任务关系如图6所示。

    在起始任务中，建立邮箱、信号量以及各个任务；邮箱及信号量如下：

    Syn_Input=OSSemCreate(0)；同步信号采集启动信号量
    Tem Scan=OSSemCreate(0)；温度扫描启动信号量
    Tem Data=OSSemCreate(0)；温度数据关联处理启动信号量
    TC Mbox=OSMboxCreate((void*)(0))：回转窑工况显示邮箱

    软件流程框图如图7所示。

4 结论

    (1)ARM系列微处理器LPC2119及实时操作系统μC／OS-II应用于水泥回转窑胴体温度监测系统设计中，增加了系统的实时性、可靠性及灵活性。

    (2)基于LPC2119和μC／OS-II的水泥回转窑胴体温度监测系统各项功能已初步得到验证。