【正文】 表示和控制：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)由發(fā)送器至接收器；遠(yuǎn)程幀通過(guò)總線單元發(fā)送，以請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀；出錯(cuò)幀由檢測(cè)出總線錯(cuò)誤的任何單元發(fā)送；超載幀用于提供當(dāng)前的和 后續(xù)的數(shù)據(jù)幀的附加延遲。當(dāng)總線上有兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)上傳輸信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止發(fā)送，有效地避免了總線沖突以及負(fù)載過(guò)重導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)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(fù)管理數(shù)據(jù)封裝/拆裝幀編碼（填充/解除填充）媒體訪問(wèn)管理錯(cuò)誤監(jiān)測(cè)出錯(cuò)標(biāo)定應(yīng)答串行化/解除串行化MACPLSPMAMDI位編碼/解碼位定時(shí)同步驅(qū)動(dòng)器/接收特征連接器故障界定 圖 2–1 CAN 的分層結(jié)構(gòu) 二 CAN 的數(shù)據(jù)鏈路層 在 CAN 技術(shù)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(wèn)控制子層（ MAC）的服務(wù)和功能分別被描述為“目標(biāo)層”和“傳輸層”。網(wǎng)上節(jié)點(diǎn)數(shù)理論上不受限制，取決于物理層的承受能 力，實(shí)際可達(dá) 110 個(gè)。但對(duì)總線媒體裝置，諸如驅(qū)動(dòng)器 /接收器特性未作規(guī)定，以便在具體應(yīng)用中進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。 CAN協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)如圖 2–1 所示。 為使設(shè)計(jì)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。 CAN 的技術(shù)規(guī)范 CAN 技術(shù)規(guī)范（ ）包括 A 和 B 兩部分 [10][11]。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 CAN 總線技術(shù)基礎(chǔ) CAN 總線的性能特點(diǎn) CAN 總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。 由于 R、 F、 n 為常量，所以當(dāng)溫度保持為一定值時(shí)（ 700176。 氧濃差電池總反應(yīng)式為 : 正極： )(24)(O 222 Z r OOe ???空氣 （ 2–3） 負(fù)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(yīng)效果是含氧量高一側(cè)的氧氣通過(guò)氧離子的方式向含氧量低一側(cè)移動(dòng)。 由于大量的正電荷通過(guò)導(dǎo)線由正極流向負(fù)極，使正極正電荷減少，負(fù)極正電荷增多，即破壞了正負(fù)電極的正逆反應(yīng)平衡，導(dǎo)致空氣側(cè)將有更多的氧分子 2O 變成離子 2O 進(jìn)入氧化鋯中，即反應(yīng) ??? 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(jìn)入煙氣中，即負(fù)極反應(yīng) 4eO2O 22 ?? 加強(qiáng)。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(cè)鉑電極電位大于煙氣側(cè)鉑電極電位，兩極之間產(chǎn)生了電位差。當(dāng)這兩種以相反方向進(jìn)行的過(guò)程最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，金屬鉑（ Pt）帶正電而氧化鋯帶負(fù)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(zhì)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。同時(shí)，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。 測(cè)量時(shí)管內(nèi)通入空氣（參比氣體），管外走煙氣。C 溫度時(shí)，具有導(dǎo)電特性 ,故稱之為固體電解質(zhì) [7]。如一個(gè)氧化鈣分子取代了一個(gè)氧化鋯分子，鈣離子只與一個(gè)氧離子結(jié)合，晶格中留下一個(gè)氧離子空穴。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(guò)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。氧化鋯晶體隨溫度變化 ,是不穩(wěn)定的，經(jīng)過(guò)反復(fù)加熱和冷卻 ,氧化鋯就會(huì)斷裂。當(dāng)溫度升高至 1500176。由氧化 鋯材料制成的氧量?jī)x在石化，電力，冶金，輕工等許多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。C ， 溫度顯示精度個(gè)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(xué)碩士學(xué)位論文 7 ,冷端溫度數(shù)字顯示 ,冷端測(cè)溫元件采用 AD590 測(cè)溫元件安裝位置變送器探頭可任意； ：基本設(shè)定 (年，月，日，時(shí)間，通信速率 )、報(bào)警定值設(shè)定 (報(bào) 警上限，報(bào)警下限，延遲時(shí)間 )、氧量參數(shù)設(shè)定 (氧量 ,輸出類型 ,量程上下限 ,采樣時(shí)間 )、溫度參數(shù)設(shè)定 (溫控定值 ,量程上下限 ,采樣時(shí)間 )、定時(shí)自動(dòng)修正標(biāo)定 (起始日期 ,起始時(shí)間 ,間隔天數(shù) ,即時(shí)自動(dòng)校正 )； ； 偶保護(hù) ,超溫保護(hù)； ：即時(shí)定時(shí)自動(dòng)修正標(biāo)定，自動(dòng)校正（氧量 ,本底電勢(shì) ,標(biāo)氣修正在 線顯示），手動(dòng)校正 (氧量 ,本底電勢(shì) ,標(biāo)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(xiàng)操作顯示采用中文菜單形式； RS485 通信接口 ,實(shí)現(xiàn) CAN 通信，上位機(jī)對(duì)儀表能進(jìn)行讀寫操作。C 連續(xù)可調(diào) ,精度 177。 本課題主要完成的任務(wù) 課題的目的是研制一種新型的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的智能氧化鋯氧量分析儀表，本設(shè)計(jì)主要能完成儀表的以下功能： ； 分段控制 的 方法 ； 680176。 如采用新型微處理器、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)思想及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，高精度的控溫技術(shù)、新型微處理器、完善的非線 性補(bǔ)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(bǔ)以上缺陷。系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在不足，信息轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)多，增加了信號(hào)處理的中間環(huán)節(jié)和信號(hào)之間的連線，易引入干擾信號(hào)，沒(méi)有很好地采 用有效的軟硬件容錯(cuò)、隔離等抗干擾措施，影響系統(tǒng)的檢測(cè)精度和抗干擾能力； 。目前國(guó)產(chǎn)的氧化鋯氧量分析儀表一般只有信號(hào)放大、轉(zhuǎn)換、計(jì)算保存及顯示等基本功能，而缺少多點(diǎn)校準(zhǔn)，探測(cè)器自檢等高級(jí)功能； 。主要表現(xiàn)在： 。 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 6 課題研究意義 通過(guò) 節(jié)氧量分析儀發(fā)展概況及趨勢(shì)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(duì)被檢測(cè)氣體溫度、成分、潔凈度要求低，適用范圍廣的特點(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣泛的氧量分析儀表之一。 現(xiàn)場(chǎng)總線儀表系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn) [5]: 4～ 20mA 模擬信號(hào)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(zhǎng)。變送器既有檢測(cè)、變換和補(bǔ)償功能，又有 PID 控制和運(yùn)算功能； ，常用電動(dòng)、氣動(dòng)兩大類執(zhí)行器。每臺(tái)儀表內(nèi)都有一臺(tái) (或以 上 )微處理器，既有 CPU、內(nèi)存、 I/0 接口、通信接口等，又有非電量信號(hào)檢測(cè)、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(jié)合的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和比傳統(tǒng)儀表更為優(yōu)越的性能 [4]。 現(xiàn)場(chǎng)總線的節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，如傳感器、變送器、執(zhí)行器等?，F(xiàn)場(chǎng)總線是過(guò)程控制技術(shù)、儀表技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 3 個(gè)不同領(lǐng)域結(jié)合的產(chǎn)物。 在這樣的實(shí)際背景下，現(xiàn) 場(chǎng)總線為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接口智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化和低成本提供了可能性。 4～ 20mA 的現(xiàn)場(chǎng)通信方式，使管理人員、操作人員在管理級(jí)和監(jiān)控級(jí)上不能直接獲得現(xiàn)場(chǎng)儀表工作狀態(tài)，不能直接對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整或改變運(yùn)行方式。在管理級(jí)和監(jiān)控級(jí)是數(shù)據(jù)總線通信，而處于現(xiàn)場(chǎng)的控制級(jí)與監(jiān)控級(jí)通信則采用 4～ 20mA 模擬信號(hào)。與前 3 代相比， DCS 系統(tǒng)發(fā)生了質(zhì)的變化，可以說(shuō)是一次革命，但仍存在不少問(wèn)題，如比較突出的兼容性問(wèn)題。經(jīng)過(guò)軟件優(yōu)化的信號(hào)控制器可以對(duì)儀表進(jìn)行自校正，消除放大器的漂移誤差及探頭的老化誤差，大大提高了儀表的檢測(cè)精度。進(jìn)入 80年代，隨著單片機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，以單片計(jì)算機(jī)為控制核心的數(shù)字式變送器逐步取代了老的模擬式變送器，氧量變送器朝著智能化，小型化，模塊化方向發(fā)展。 氧量變送器的發(fā)展 早期的氧量變送器由模擬電路組成，包括高阻抗變換器，溫度變換級(jí)，倒向器和線性化電路等幾部分，將氧電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行反對(duì)數(shù)運(yùn)算并線性化，輸出標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制信號(hào)。其作用是截取部分具有代表性的氣樣按指定方向流經(jīng)檢測(cè)器，并保護(hù)檢測(cè)器不受高速煙氣沖刷，測(cè)量的準(zhǔn)確度和靈敏度不受影響。導(dǎo)流直插式特點(diǎn)是檢測(cè)器較短，并植在一取樣導(dǎo)管之內(nèi)。經(jīng)過(guò)處理后的煙氣再進(jìn)行測(cè)量無(wú)疑對(duì)檢測(cè)器延長(zhǎng)壽命有好處，但響應(yīng)時(shí)間的滯后，設(shè)備（抽 氣泵等）的增加，仍然將該種結(jié)構(gòu)制約在三高 (即高溫、高塵和高硫 )的條件下，限制了該種型式的使用范圍。由于直插式氧化鋯檢測(cè)器制造華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 工藝簡(jiǎn)單，目前國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品仍為該種型式。直插式氧化鋯測(cè)氧儀檢測(cè)器可分為自溫式和它溫式兩種。 氧化鋯氧量檢測(cè)器的發(fā)展 早期的檢測(cè)器選用直插式氧化鋯探頭，從結(jié)構(gòu)上看：直插式氧化鋯氧分析儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，而且直接接觸煙氣，反映靈敏。其中 ZO 系列氧化鋯氧量?jī)x是其中性能較好且應(yīng)用較為廣泛的一種。其中富士公司的氧化鋯分析儀具有多種結(jié)構(gòu)，充分了解每種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇它們的最佳組 合，以發(fā)揮儀表的最大功能，這對(duì)設(shè)計(jì)和使用者來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是很重要的。到七十年代中期，氧探頭的理論和實(shí)踐已趨成熟，開發(fā)出了多種結(jié)構(gòu)形式的氧探頭。 1961 年， 和 成功的研制出第一個(gè)氧化鋯濃差電池測(cè)氧儀。它不僅用來(lái)作高溫化學(xué)平衡，熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究，而且已在高溫技術(shù)，特別是高溫測(cè)試技術(shù)上得到廣泛應(yīng)用。直到 1957 年， 和 首次用固體電解質(zhì)組裝原電池并從理論上闡明其原理以后，這方面的研究和應(yīng)用才得以迅速發(fā)展。 氧化鋯氧量分析儀國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 人們?cè)缇椭?，某些固體氧化物、鹵化物、硫化物等具有離子導(dǎo)電性能，其中最著名的是 1899 年 Nernst 發(fā)現(xiàn)的 穩(wěn)定氧化鋯在高溫下呈現(xiàn)的離子導(dǎo)電現(xiàn)象。用氧化鋯元件測(cè)量氧含量是近十幾年發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，由于 節(jié)能和環(huán)保工作的需要，此技術(shù)和產(chǎn)品得到迅華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 速的發(fā)展， 1975 年 和 Wanger 首先將氧化鋯用于氧量計(jì)，由于其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，反應(yīng)速度快，靈敏度高，再現(xiàn)性和穩(wěn)定性好，測(cè)氧范圍廣等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在近 20 年來(lái)，在石化，電力，冶金，輕工等許多行業(yè)測(cè)量各種加熱爐，鍋爐和焙燒爐等的煙氣含氧量中得到了廣泛的應(yīng)用。 由于電化學(xué)式氧分析儀只適用于微量氧的測(cè)量，所以不能用作煙氣分析儀表。利用氧化鋯管來(lái)測(cè)量氧含量，背 景氣中不應(yīng)含有 H CO、 CH4 等可燃性氣體和 SO2 等有毒性氣體 ,因?yàn)榭扇夹詺怏w存在，在氧含量檢測(cè)中使氧指示嚴(yán)重偏低或無(wú)指示， SO2 則引起電極中毒使之失效。檢測(cè)電動(dòng)勢(shì) E 的大小，即可測(cè)知?dú)怏w的氧含量?？捎糜跍y(cè)量制氧系統(tǒng)中產(chǎn)品氮或產(chǎn)品氬中微量氧的測(cè)量。它的特點(diǎn)是選擇性好，靈敏度高，適合微量氧的連續(xù)測(cè)定，其最小測(cè)量范圍 0～ 106；最大測(cè)量范圍 0～ 200106。 電化學(xué)式氧分析儀 電化學(xué)式氧分析儀包括一個(gè)陽(yáng)極，電解液和一個(gè)帶有限制氧具有一定滲透率的干陰極，在陰極上氧被還原成氫氧根離子，而其在金屬陽(yáng)極上被氧化。所以它不適于背景氣成分復(fù)雜、變化范圍寬的混合氣體分析。如 :被測(cè)氣體流量波動(dòng) 177。它的華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 測(cè)量范圍為固定的量程的百分含氧量，一般在 0～ 1﹪ 到 0～ 21﹪ O2。由于熱磁對(duì)流的結(jié)果，使處于電橋上的兩只電組絲 r1 和 r2 的阻值發(fā)生變化，電橋就有輸出電流，輸出電流的大小反映了被測(cè)氣體中氧含量的多少?？蓱?yīng)用于冶金噴煤系統(tǒng) 氧含量分析或空分制氧系統(tǒng)中氧氣純度的分析。它的測(cè)量范圍一般在 0～ 1%O2 到 0～ 30%O2。將壓差 p? 轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即可測(cè)知氧濃度。 氧分析儀的發(fā)展概況及趨勢(shì) 通常按檢測(cè)方式來(lái)分，氧量分析儀分為四大類：磁壓式氧分析儀、熱磁式氧分析儀、電化學(xué)式氧分析儀、氧化鋯氧量分析儀 [2]。本文要研制的基于現(xiàn)場(chǎng)總線的氧化鋯氧量分析儀表是一種靈敏度高、測(cè)量精確、適用于現(xiàn)場(chǎng)、壽命長(zhǎng)的在線測(cè)定儀 [1]。一臺(tái)大型鍋爐煙道氣中的氧含量每下降 2%燃燒效率就增加約 1%，在冶金工業(yè)中，富氧鼓風(fēng)時(shí)的氧含量提高 1%，鋼產(chǎn)量可提高 4%。無(wú)論是在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、能源、交通、醫(yī)療、生態(tài)環(huán)境等各個(gè)方面，還是在日常生活中，氧是需要控制與測(cè)量最多的一種物質(zhì)元素。 關(guān)鍵詞： 現(xiàn)場(chǎng)總線、氧化鋯氧量分析儀 表 、 中央控制器、智能儀表 ABSTRACT After having analyzed the ZrO2 oxygen analyzer technology development status and trend, using new MCU and puter hardware amp。它具有自動(dòng)測(cè)量、實(shí)時(shí)在線測(cè)量的能力，并可通過(guò)數(shù)據(jù)處理實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)、數(shù)字濾波、智能處理等。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)方法 ，采用新型的單片機(jī) C8051F040作為系統(tǒng)中央控制器，使 系統(tǒng)擴(kuò)展的外圍電路及接口電路數(shù)量少，系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性提高，系統(tǒng)功能擴(kuò)展及軟硬件升級(jí)比較方便。 (涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定 ) 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日 期： 日 期： 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要 I 摘 要 本文在分析國(guó)內(nèi)外氧化鋯氧量分析儀表發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用新型微處理器、計(jì)算機(jī)軟硬件及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，開發(fā)了基于 CAN 總線的智能氧化鋯氧量分析儀表。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。分類號(hào)： 學(xué)校代碼： 10079 密級(jí)：