張 偉 于海明 陳月紅

(丹東東方測(cè)控技術(shù)股份有限公司)

煤炭是我國(guó)重要的能源和化工原料，灰分含量大小直接關(guān)系到煤炭的加工和利用。為提高煤炭利用效率，必須嚴(yán)格控制煤炭及其產(chǎn)品灰分。傳統(tǒng)煤炭灰分檢測(cè)是按現(xiàn)場(chǎng)采樣、破碎、縮分、烘干、研磨、稱重、燃燒系列進(jìn)行。大部分工序需要在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行，對(duì)人員、環(huán)境和設(shè)備的依賴性較大；最快需在2 h后才能得到灰分值，結(jié)果嚴(yán)重滯后于生產(chǎn)的進(jìn)行。由于傳統(tǒng)灰分分析方法現(xiàn)場(chǎng)采樣通常采取皮帶一個(gè)橫截面上的全部煤，化驗(yàn)所得的灰分值也只是這個(gè)皮帶橫斷面上煤的灰分而不是整條皮帶的灰分，因此灰分檢測(cè)結(jié)果代表性差。

灰分儀是為彌補(bǔ)傳統(tǒng)灰分分析方法缺點(diǎn)而開發(fā)出的一套煤炭灰分在線測(cè)量?jī)x表，可用于對(duì)整條輸運(yùn)皮帶上的煤炭灰分含量進(jìn)行快速準(zhǔn)確測(cè)量，具有穩(wěn)定性好、測(cè)量精度高、安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)?；曳謨x不需采樣、制樣、化驗(yàn)等繁瑣過(guò)程，直接安裝于皮帶架上而無(wú)須對(duì)皮帶架進(jìn)行任何改動(dòng)，也不用增加額外投資，能夠廣泛應(yīng)用于煤礦、洗煤廠、配煤廠、焦化廠、燃煤電廠、鋼鐵廠和煤碼頭等場(chǎng)合煤炭灰分的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)；也可用于選煤、配煤工藝中對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，在提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)成本等方面作用顯著。

灰分儀γ射線穿過(guò)煤中物質(zhì)時(shí)，會(huì)與煤中的灰分發(fā)生相互作用，從而使γ射線本身消失或傳播方向改變，從而表現(xiàn)出煤對(duì)γ射線的吸收，吸收程度的大小可用來(lái)衡量煤灰分的高低。使用先進(jìn)的雙核微控制器F28M36技術(shù)，ARM核用于完成高速脈沖幅度分析并形成能譜數(shù)據(jù)，DSP核用于對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理并計(jì)算出灰分值，用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)。

1 硬件方案

1.1 傳統(tǒng)方案

目前灰分儀常用的硬件方案是使用分散硬件設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)主要包括探測(cè)器、多道脈沖幅度分析器、探測(cè)器可調(diào)高壓電源和計(jì)算機(jī)等。探測(cè)器負(fù)責(zé)將γ射線信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，多道脈沖幅度分析器將對(duì)探測(cè)器的脈沖信號(hào)進(jìn)行幅度分析并得到能譜數(shù)據(jù)，多道脈沖幅度分析器將能譜數(shù)據(jù)通過(guò)通信線纜傳輸?shù)竭h(yuǎn)端計(jì)算機(jī)上，在計(jì)算機(jī)上對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出灰分值，同時(shí)計(jì)算機(jī)根據(jù)能譜分析結(jié)果，控制可調(diào)高壓電源的輸出來(lái)穩(wěn)定能譜峰位。該方案所用的硬件和電纜較多、成本較高、可靠性較差，大量的能譜數(shù)據(jù)需要通過(guò)通信電纜傳到遠(yuǎn)端的計(jì)算機(jī)上再計(jì)算，實(shí)時(shí)性較差。

1.2 設(shè)計(jì)方案

針對(duì)傳統(tǒng)灰分儀硬件方案的不足，設(shè)計(jì)使用雙核微控制器F28M36的灰分儀硬件系統(tǒng)，提高灰分儀檢測(cè)性能。硬件系統(tǒng)主要包括探測(cè)器和主機(jī)，主機(jī)使用雙核微控制器F28M36技術(shù)，F(xiàn)28M36包含兩個(gè)內(nèi)核：一個(gè)是ARM Cortex M3核；一個(gè)是DSP C28x核[1]。ARM內(nèi)核主要完成參數(shù)存儲(chǔ)、高壓模塊控制、ADC采集和通信等控制功能，DSP內(nèi)核主要用于計(jì)算，完成能譜數(shù)據(jù)的分析。ARM內(nèi)核通過(guò)高速ADC采集探測(cè)器輸出脈沖的幅度，對(duì)脈沖幅度進(jìn)行分析，得到能譜數(shù)據(jù)，將能譜數(shù)據(jù)共享給DSP內(nèi)核；DSP內(nèi)核對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，計(jì)算得到峰位信息和灰分值，DSP內(nèi)核將峰位和灰分值共享給ARM內(nèi)核，ARM內(nèi)核通過(guò)峰位信息控制高壓模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)穩(wěn)峰，灰分值可以本地顯示也可以通過(guò)ARM的通信功能傳輸?shù)竭h(yuǎn)程主機(jī)上。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)方案

圖1是灰分儀新硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖，γ探測(cè)器脈沖信號(hào)進(jìn)入到調(diào)理電路，完成放大和整形，將探測(cè)器輸出的雙指數(shù)信號(hào)整形成近高斯形[2]。近高斯形脈沖進(jìn)入尋峰電路，尋峰電路通知ARM內(nèi)核啟動(dòng)ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器采集脈沖的幅度。ARM采集到脈沖的幅度值后，每秒鐘形成1次能譜數(shù)據(jù)并共享給DSP內(nèi)核。DSP內(nèi)核對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑、尋峰、灰分計(jì)算等分析，DSP內(nèi)核將計(jì)算結(jié)果共享給ARM內(nèi)核。ARM內(nèi)核用DSP內(nèi)核計(jì)算的峰位控制高壓模塊，實(shí)現(xiàn)能譜峰位的實(shí)時(shí)穩(wěn)定。

圖1 新硬件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 調(diào)理與采集電路設(shè)計(jì)

調(diào)理電路主要包括極零相消電路、成形電路、基線恢復(fù)電路、尋峰電路。極零相消電路(圖2)是將探測(cè)器輸出的無(wú)限長(zhǎng)的脈沖信號(hào)變成窄脈沖信號(hào)，并去掉下沖信號(hào)[3]。成形電路使用3級(jí)RC積分電路，積分電路將極零相消后的脈沖成形為近高斯形脈沖，圖3為1級(jí)的RC積分電路。尋峰電路實(shí)時(shí)對(duì)近高斯形脈沖的最大值進(jìn)行判斷，在脈沖頂部給出峰頂信號(hào)。

圖2 極零相消電路

采集電路主要使用AD7634模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD7634是18位并行輸出、逐次逼近形的ADC，采樣頻率可達(dá)670 kSPS，支持差分電壓信號(hào)采集，有4種不同的模擬輸入范圍，內(nèi)置5 V參考電壓，廣泛應(yīng)用在儀器儀表過(guò)程控制中。ARM內(nèi)核控制AD7634采集滿幅5 V的近高斯脈沖的幅度值。

2.3 主控芯片選擇

主控芯片采用TI公司的Concerto 雙核微控制器F28M36，Concerto 系列是多核的微控制器單元MCU，具有獨(dú)立的通信內(nèi)核和實(shí)時(shí)計(jì)算控制內(nèi)核。F28M36是Concerto產(chǎn)品的系列產(chǎn)品，內(nèi)部包括2個(gè)高性能內(nèi)核，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的32位 ARM Cortex-M3 CPU，主頻125 MHz，具有片內(nèi)數(shù)字1.2 V電源和模擬1.8 V電源，具有片載晶體振蕩器，高達(dá)1 MB的閃存和128 KB的RAM，并且具備多種通信外設(shè)(包括以太網(wǎng) 1588、帶有PHY的 USB OTG、控制器局域網(wǎng) (CAN)、UART、SSI、I2C)及一個(gè)外部接口。

圖3 1級(jí)的RC積分電路

DSP內(nèi)核基于行業(yè)領(lǐng)先的TI專有TMS320CC28x32位CPU，主頻高達(dá)150 MHz，具有單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，并且具備最為靈活而又高度精確的控制外設(shè)，包括具有故障保護(hù)功能的ePWM、編碼器和捕捉單元。此外F28M36能夠?qū)崿F(xiàn)高效的Viterbi解碼、復(fù)變數(shù)學(xué)(FFT，復(fù)變乘法)以及循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC) 算法。

共享一個(gè)高速模擬子系統(tǒng)和補(bǔ)充RAM 內(nèi)存，還有片上電壓穩(wěn)壓和冗余計(jì)時(shí)電路、安全考慮還包括糾錯(cuò)碼 (ECC)、奇偶校驗(yàn)和代碼安全內(nèi)存。選擇F28M36芯片作為灰分儀的主控制芯片，可以利用ARM內(nèi)核通信連接和DSP內(nèi)核計(jì)算及實(shí)時(shí)控制的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兩個(gè)內(nèi)核芯片級(jí)的集成還減小了軟件和硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，同時(shí)提高可靠性。

2.4 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖4是電源設(shè)計(jì)原理框圖，整個(gè)系統(tǒng)采用5V的開關(guān)電源供電，分?jǐn)?shù)字電源和模擬電源。數(shù)字電源是給數(shù)字器件供電和為模擬電源提供電源，模擬電源是給運(yùn)算放大器和ADC供電，要求低噪聲。為降低功耗，數(shù)字電源采用DC-DC轉(zhuǎn)換方式，5V的開關(guān)電源通過(guò)電源芯片轉(zhuǎn)換成3.3V，3.3V電源供F28M36和外圍芯片使用，F(xiàn)28M36芯片內(nèi)核還需要使用1.8V和1.2V電源。由于F28M36片內(nèi)集成了1.8V和1.2V的LDO模塊，在使用時(shí)將F28M36設(shè)置成內(nèi)部1.8V和1.2V，只需要為其提供3． 3 V 電源即可。 模擬電源部分先使用DC - DC 轉(zhuǎn)換芯片，將5 V 開 關(guān)電源轉(zhuǎn)換成± 5． 5 V 和± 13 V，再使用低壓差和 低噪聲的LDO 芯片轉(zhuǎn)換成滿足模擬電路使用的 ± 5． 0 V和± 12． 5 V。

圖4 電源設(shè)計(jì)原理框圖

3 程序功能設(shè)計(jì)

程序功能流程見圖5。

圖5 程序功能流程

ARM內(nèi)核控制ADC采集脈沖的最大值，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。然后對(duì)數(shù)字量脈沖幅度最大值進(jìn)行分析，得出脈沖幅度對(duì)應(yīng)的道址，并將對(duì)應(yīng)道址存儲(chǔ)單元上的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)值加1，采集1 s形成1 024道的能譜數(shù)據(jù)。ARM內(nèi)核將能譜數(shù)據(jù)放入F28M36的64 KB的共享RAM中，并使用處理器間通信(IPC)消息RAM通知DSP內(nèi)核到共享RAM中采取能譜數(shù)據(jù)。DSP內(nèi)核取出能譜數(shù)據(jù)后，首先使用最小二乘移動(dòng)平滑方法對(duì)能譜數(shù)據(jù)進(jìn)行多次平滑，濾除能譜數(shù)據(jù)中的高頻噪聲。平滑后的能譜數(shù)據(jù)分為兩路，一路能譜數(shù)據(jù)求二階導(dǎo)數(shù)，在二階導(dǎo)數(shù)的負(fù)向極值處可求得能譜特征峰的峰位，將峰位傳給ARM內(nèi)核進(jìn)行硬件穩(wěn)峰控制；另一路利用能譜數(shù)據(jù)，根據(jù)標(biāo)定公式計(jì)算出灰分值，將灰分值傳給ARM內(nèi)核?；曳謨x可以本地顯示灰分值或者將灰分值通過(guò)ARM內(nèi)核的通信接口發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)。

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)應(yīng)用雙核微控制器F28M36的灰分儀硬件系統(tǒng)，既可以完成脈沖幅度分析、能譜采集、通信控制，還具有實(shí)時(shí)計(jì)算控制功能，實(shí)時(shí)進(jìn)行能譜穩(wěn)峰，計(jì)算灰分值。雙核控制器提高了灰分儀的實(shí)時(shí)采集、控制和運(yùn)算能力，不需要將大量的能譜數(shù)據(jù)輸送至遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)再計(jì)算灰分，單臺(tái)儀表集成度大大提高，穩(wěn)定性和可靠性也得到改善。該硬件系統(tǒng)可應(yīng)用于灰分儀系列產(chǎn)品防爆灰分儀、離線灰分儀、灰水儀等中，也可供其他產(chǎn)品開發(fā)借鑒。