【文章內容簡介】 能的現(xiàn)場儀表，而是有綜合功能的微機化儀表。每臺儀表內都有一臺 (或以 上 )微處理器，既有 CPU、內存、 I/0 接口、通信接口等，又有非電量信號檢測、變換、放大、處理等模擬電路，還有數(shù)據(jù)采集、控制輸出等模數(shù)混合電路，具有硬、軟件結合的技術優(yōu)勢和比傳統(tǒng)儀表更為優(yōu)越的性能 [4]。用于過程自動化的基本現(xiàn)場儀表或設備如下 : ，常用溫度、壓力 (壓差 )、流量、物位和分析五大類變送器，每類又有很多品種。變送器既有檢測、變換和補償功能，又有 PID 控制和運算功能； ，常用電動、氣動兩大類執(zhí)行器。執(zhí)行器的基本功能是驅動和執(zhí)行，但內含調節(jié)閥輸出特性補償、 PID 控制和運算等功能，還有 閥門特性、狀態(tài)自校驗和自診斷功能； ，工程師站提供現(xiàn)場總線組態(tài)，操作員站提供工藝操作與監(jiān)視，計算機站用于優(yōu)化控制與建模。 現(xiàn)場總線儀表系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 [5]: 4～ 20mA 模擬信號通訊瓶頸現(xiàn)象； ； I/O 裝置，降低布線量和安裝成本； ； ； ； ，使用壽命長。 總之，現(xiàn)場總線將使儀表的發(fā)展產(chǎn)生以下根本的變化 [6]: 、雙向、數(shù)字通信方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀表的單變量、單 向、模擬傳輸方式； 儀表的形式； 。 華北電力大學碩士學位論文 6 課題研究意義 通過 節(jié)氧量分析儀發(fā)展概況及趨勢分析氧化鋯氧量分析儀，與現(xiàn)有其他各類氧量分析儀相比，氧化鋯氧量分析儀具有性能好，對被檢測氣體溫度、成分、潔凈度要求低，適用范圍廣的特點，是目前應用最廣泛的氧量分析儀表之一。 我國經(jīng)過多年的技術探索和產(chǎn)品開發(fā)，雖然已在氧化鋯氧量分析儀開發(fā)方面取得了一定的成績，但由于起步遲、起點低，與國外同類產(chǎn)品相 比還處于比較落后的狀況。主要表現(xiàn)在： 。氧化鋯傳感器的恒溫控制精度將直接影響儀器測 氧的精度，也是氧化鋯氧量分析儀的關鍵性技術之一； 。目前國產(chǎn)的氧化鋯氧量分析儀表一般只有信號放大、轉換、計算保存及顯示等基本功能，而缺少多點校準，探測器自檢等高級功能； 。國產(chǎn)流量儀表多數(shù)缺乏非線性補償以及數(shù)字濾波等高級信號處理能力，影響了氧含量檢測精度； 。系統(tǒng)設計存在不足，信息轉換環(huán)節(jié)多，增加了信號處理的中間環(huán)節(jié)和信號之間的連線，易引入干擾信號，沒有很好地采 用有效的軟硬件容錯、隔離等抗干擾措施，影響系統(tǒng)的檢測精度和抗干擾能力； 。目前的氧化鋯氧量分析儀在硬件結構上多由分離式模擬器件構成，未采用新型集成芯片，使儀表的結構、功能擴充性和使用維護都較困難；軟件設計采用過程化軟件設計思想，其可讀性和可擴展性較差；網(wǎng)絡通訊接口一般只配置 RS232 類串行接口，只有物理聯(lián)接上的規(guī)定，缺乏數(shù)據(jù)通訊和校驗等鏈路層協(xié)議標準，因此，難以滿足用戶開放性、易組態(tài)的要求。 如采用新型微處理器、先進的計算機軟硬件設計思想及現(xiàn)場總線技術，高精度的控溫技術、新型微處理器、完善的非線 性補償數(shù)字濾波算法，研究開發(fā)的氧化鋯氧量分析儀能彌補以上缺陷?；诂F(xiàn)場總線的智能氧化鋯氧量分析儀表以單片微處理器和各種新型集成電路芯片為核心進行設計，因此可充分利用單片機系統(tǒng)良好的軟硬件資源達到增強儀表功能、提高測量精度、可靠性及開放性的目的。 本課題主要完成的任務 課題的目的是研制一種新型的基于現(xiàn)場總線的智能氧化鋯氧量分析儀表，本設計主要能完成儀表的以下功能： ； 分段控制 的 方法 ； 680176。C ～ 760176。C 連續(xù)可調 ,精度 177。1 176。C ， 溫度顯示精度個位數(shù)； ,主要參數(shù)在線數(shù)字顯示 ,溫控狀態(tài)顯示； 華北電力大學碩士學位論文 7 ,冷端溫度數(shù)字顯示 ,冷端測溫元件采用 AD590 測溫元件安裝位置變送器探頭可任意； ：基本設定 (年，月，日，時間，通信速率 )、報警定值設定 (報 警上限，報警下限，延遲時間 )、氧量參數(shù)設定 (氧量 ,輸出類型 ,量程上下限 ,采樣時間 )、溫度參數(shù)設定 (溫控定值 ,量程上下限 ,采樣時間 )、定時自動修正標定 (起始日期 ,起始時間 ,間隔天數(shù) ,即時自動校正 )； ； 偶保護 ,超溫保護； ：即時定時自動修正標定，自動校正（氧量 ,本底電勢 ,標氣修正在 線顯示），手動校正 (氧量 ,本底電勢 ,標氣修正在線顯示 )； ， LCD 液晶顯示屏漢字顯示背光照明，儀表各 項操作顯示采用中文菜單形式； RS485 通信接口 ,實現(xiàn) CAN 通信，上位機對儀表能進行讀寫操作。 華北電力大學碩士學位論文 8 第二章 氧化鋯氧量分析儀的測氧原理及 CAN 總線技術基礎 氧化鋯氧量分析儀的測氧原理 氧化鋯材料的導電性 氧化鋯材料是一種應用較廣，技術較成熟的測氧元件。由氧化 鋯材料制成的氧量儀在石化，電力，冶金，輕工等許多行業(yè)中得到廣泛應用。氧化鋯 (ZrO2)是一種金屬氧化物陶瓷材料，在常溫下，它具有單斜晶體結構。當溫度升高至 1500176。C 時，晶體排列由單斜晶體變?yōu)榱⒎骄w，同時有約 7%的體積收縮 ,當溫度降低時，發(fā)生反方向相變又成為單斜晶體。氧化鋯晶體隨溫度變化 ,是不穩(wěn)定的，經(jīng)過反復加熱和冷卻 ,氧化鋯就會斷裂。因此 ,純凈的氧化鋯不能用來做測量元件。如果在氧化鋯中摻入少量（ 12%～ 15%）的氧化鈣（ CaO）等稀土氧化物作穩(wěn)定劑，再經(jīng)過高溫焙燒 ,則其晶型變成不隨溫度而變化的穩(wěn)定瑩石 型立方晶體，是一種穩(wěn)定的氧化鋯材料。由于鈣化合價與鋯不同，在晶體中將產(chǎn)生一些氧離子空穴。如一個氧化鈣分子取代了一個氧化鋯分子，鈣離子只與一個氧離子結合，晶格中留下一個氧離子空穴。這種有氧離子空穴的氧化鋯材料在 600～ 800176。C 溫度時，具有導電特性 ,故稱之為固體電解質 [7]。 氧濃差電池原理 應用氧化鋯固體電解質測量氧量時，一般做成圓管狀 ,在管的內、外壁表面各燒結一層長約 20mm 的多孔鉑金屬（ Pt）作為電極，并用直徑 的鉑絲作為內、外電極引線。 測量時管內通入空氣（參比氣體），管外走煙氣。 這時兩側氣體中的氧分子被金屬鉑（ Pt）吸附，并且在其催化作用下，都有得到電子成為氧離子 2O 進入氧化鋯離子空穴中去的趨向，而在金屬鉑（ Pt）表面上留下過剩的正電荷。同時，氧化鋯中的氧離子 2O 也有失去電子成為氧分子回到空氣或煙氣中的趨向。當固體電解質（ ZrO2）中氧離子濃度一定時，氣體的氧分子濃度越大，這種趨向越大。當這兩種以相反方向進行的過程最后達到動態(tài)平衡時，金屬鉑（ Pt）帶正電而氧化鋯帶負電，兩者之間具有靜電吸引作用，這種 作用不是均勻地分布在氧化鋯固體電解質中，而是較多的氧離子聚集在鉑金屬（ Pt）表面附近，形成雙電層，在金屬鉑和氧化鋯之間產(chǎn)生電位差，該電位差稱作電極電位。設空氣和煙氣中氧的容積含量分別為 0P 和aP ，則上述過程可用電極反應式表示；即 空氣側： ??? 2o2 2O4e)p(O （ 2–1） 華北電力大學碩士學位論文 9 煙氣側： ??? 2a2 2O4e)p(O （ 2–2） 電極電位的大小不僅取決于組成電極的物質本性，而且與物質溫度 ,離子及分子濃度等因素有關。由于空氣中氧分子濃度大于煙氣中氧分子濃度（即 a0 PP? ），空氣側鉑電極電位大于煙氣側鉑電極電位，兩極之間產(chǎn)生了電位差。當兩個電極用導線連接起來時，導線內就有電流流過，構成氧濃差電池 ,tP （ oP ）為正極， tP （ aP ）為負極，電流流動方向由正極流向負極。 由于大量的正電荷通過導線由正極流向負極，使正極正電荷減少，負極正電荷增多，即破壞了正負電極的正逆反應平衡，導致空氣側將有更多的氧分子 2O 變成離子 2O 進入氧化鋯中，即反應 ??? 2o2 2O4e)p(O 加聚，而氧化鋯中將有更多的氧離子 2O 失去電子變成氧分子 2O 進入煙氣中，即負極反應 4eO2O 22 ?? 加強。只要氧化鋯管內外存在氧濃差，上述反應就繼續(xù)進行，從而維持兩電極之間的電位差，該電位差稱作氧濃差電動勢（簡稱濃差電勢）。 氧濃差電池總反應式為 : 正極： )(24)(O 222 Z r OOe ???空氣 （ 2–3） 負極： eOZ rO 4)()(O 222 ?? 煙氣 （ 2–4） 能斯特方程 宏觀上 ,氧濃差電池總反應效果是含氧量高一側的氧氣通過氧離子的方式向含氧量低一側移動。氧濃差電池可用符號表示為 Pt)(? ， )(2 aPO |含氧離子空穴的固體電解質 )(| 022 POCaOOZ r ? ， )(?Pt 而氧濃差電勢可由能斯特 (Nernst)公式計算 [8]，即： a0m PPlnnFRTE ?? （ 2–5） 式中 ?E 氧濃差電勢 ,mV ； ?R 理想氣體常數(shù)， K314J/ ? ； ?T 絕對溫度， K ； ?F 法拉第常數(shù)， mol/96500CF ? ； ?n 氧分子輸送的電子數(shù)， 4n? ； ?0P 參比氣體氧的容積含量； ?aP 被測氣體的容積含量。 由于 R、 F、 n 為常量，所以當溫度保持為一定值時（ 700176。C），被測氣體含氧量aP 與對應氧濃差電勢值成單值對應關系，實驗表明，實際值與理論計算值十分相近，因此通過實測氧濃差電勢 E ，就可以得出被測 氣體的氧含量。 華北電力大學碩士學位論文 10 CAN 總線技術基礎 CAN 總線的性能特點 CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其主要特點如下 [9]： 為多主方式工作，網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其他 節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息； 網(wǎng)絡上的節(jié)點信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，高優(yōu)先 級的數(shù)據(jù)最多可在 134 ? s 內得到傳輸； 采用 非破壞性總線仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先 級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間； 只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對點、一點對多點及全局廣播等幾種方式 傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調度”； ，目前可達 110個；報文標示符可達 2032 種（ ），而擴展標準（ ）的報文標識符幾乎不受限制； ，傳輸時間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯效果 CAN 的 每 幀信息都有 CRC 校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低。 CAN 的技術規(guī)范 CAN 技術規(guī)范（ ）包括 A 和 B 兩部分 [10][11]。其中 給出了 CAN報文標準格式，而 給出了標準的和擴展的兩種格式。 為使設計透明和執(zhí)行靈活， CAN 只采用了 ISO/OSI 模型中的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。物理層又包括物理信令（ PLS， Physical Signalling）、物理媒體附件（ PMA， Physical Medium Attachment）與媒體接口（ MDI， Medium Dependent Interface）三部分；數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制子層（ LLC）和媒體訪問控制子層（ MAC）兩部分。 CAN協(xié)議的分層結構如圖 2–1 所示。 一 CAN 的物理層 CAN 技術規(guī)范的物理層定義信號怎樣進行發(fā)送，因而涉及電氣連接、驅動器 /接收器的特性、位編碼 /解碼、位定時及同步等內容。但對總線媒體裝置，諸如驅動器 /接收器特性未作規(guī)定，以便在具體應用中進行優(yōu)化設計。 CAN 物理層選擇靈活，沒有特殊的要求，可以采用共地的單線制、雙線制、同軸電纜、雙絞線、光纜等。網(wǎng)上節(jié)點數(shù)理論上不受限制，取決于物理層的承受能 力，實際可達 110 個。當總線長為 40m時，最大通信速率為 1Mbit/s；而當通信速率為 5kbit/s 時，直接通信距離最大可達 10km。 華北電力大學碩士學位論文 11 總線故障管理數(shù)據(jù)鏈路層物理層LLC接受濾波超載通知恢復管理數(shù)據(jù)封裝/拆裝幀編碼（填充/解除填充）媒體訪問管理錯誤監(jiān)測出錯標定應答串行化/解除串行化MACPLSPMAMDI位編碼/解碼位定時同步驅動器/接收特征連接器故障界定 圖 2–1 CAN 的分層結構 二 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層 在 CAN 技術規(guī)范 的版本中，數(shù)據(jù)鏈路層的邏輯鏈路控制子層（ LLC）和媒體訪問控制子層（ MAC）的服務和功能分別被描述為“目標層”和“傳輸層”。 CAN 數(shù)據(jù)鏈路層由一個 CAN 控制器實現(xiàn)，采用了 CSMA/CD 方式，但不同于普通的 Ether，它采用非破壞性總線 仲裁技術，網(wǎng)絡上節(jié)點（信息）有高低優(yōu)先級之分以滿足不同的實時需要。當總線上有兩個節(jié)點同時向網(wǎng)上傳輸信息時，優(yōu)先級高的節(jié)點繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送，有效地避免了總線沖突以及負載過重導致網(wǎng)絡癱瘓的情況。 CAN 可以實現(xiàn)點對點、一點對多點（成組）以及全局廣播等幾種方式傳送和接收數(shù)據(jù)。 三 報文的傳送及其幀結構 報文傳送由 4 種不同類型的幀表示和控制：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)