基于Cortex-M3的气相色谱仪温控系统

项贤军，王才峄

(上海工程技术大学高等职业技术学院，上海　200437)

0　引言

气相色谱法是20 世纪50 年代出现的一项重大科学技术，是一种新的分离、分析技术。目前，色谱分析是最活跃的分析化学分支学科之一，也是物质分离分析的一种重要手段。[1]

在气相色谱仪的研制和开发中，温度控制系统是整个色谱检测系统的核心，对色谱峰的分布和形状有直接影响。文中的温控系统设计中，需对色谱柱温箱、热导池，以及水蒸气温箱这3路对象进行恒温控制，以便被测对象组份在色谱柱上有适当保存，得到较理想的色谱峰，对称且均匀分布[2]。

1　系统构成

根据色谱仪的性能指标，要求对3路被控对象的温度控制达到±0．5 ℃ 的精度，因此需要采用精度较高的温度传感器，采样信号经过放大滤波电路和 A/D 转换送入ARM系列芯片Cortex-M3的STM32F107VCT6，根据实测值与设定值的偏差，通过PID控制算法来控制变量，通过调整加热机构的加热时间，使温度稳定在设定点上。上位机在Windows平台下采用VC++编写控制和监控软件，设计良好的人机交互界面，用于设定温度以及预热、分析校正时间。采用JTAG 接口进行系统仿真调试以及最终程序的烧录。系统结构框图如图1所示。

图1　系统结构图

2　温控系统主要硬件设计

系统对温度采集的精度要求高，结合实际需求和性价比综合考虑，选用高精度铂电阻Pt100作为温度传感器，其性能稳定、重复性好，测量温度高，广泛用于精密测量。铂电阻在0～850 ℃范围，电阻与温度的关系为

Rt=R0(1+At+Bt2)

式中：Rt为t℃时的电阻值；R0为0 ℃时的电阻值；A、B为常数，A=3．908 02×10-3℃-1，B=-5．802×10-7℃-1。

在使用过程中，只要测得阻值，便可从分度表上查出对应的温度值。由于传感器采样电路采集的信号微弱，需要设计一个稳定可靠放大电路将电信号放大。文中采用精密运放OPA2235与LF35lM构成多级放大电路，具有低噪声、零漂小的特点。可以通过低通电路对采样信号中的高频成分进行滤波处理，再通过ARM的软件滤波方法剔除低频干扰，可有效提高A/D的采样精度。系统通过串口通讯传输数据，处理器输出的是TTL/COMS电平，而PC串口为RS232电平，所以需要使用一个电平转换芯片MAX3232实现双向电压转换，其原理图如图2所示。

图2　串口原理图

3　上下位机的软件实现

3．1PID温控算法的设计

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

(1)PID调节器的微分方程

式中e(t)=r(t)-c(t)．

(2)PID调节器的传输函数

(3)增量型PID算法的算式

ΔU(n)=U(n)-U(n-1)=a0e(n)+a1e(n-1)+a2e(n-2)

利用控制软件实现PID控制算法，并输出变量U(n)。

3．2下位机程序设计

系统采用实时操作系统μC/OS-Ⅱ，因此第一步在STM32F107VCT6上移植操作系统。操作系统根据各个任务的要求，进行资源管理、消息管理、任务调度及异常处理等工作。系统移植完成后，就可以开发应用程序。系统下位机的主要任务：系统参数的初始化；串口数据传输；温度PID调节。主程序如下：

void main(void)

{

BSP_IntDisAll()；

TimerTicks = 0；

Timer1Init()；

ConfigureWatchDog()；

OSInit()；

OSTaskCreate(ProcessTask，(void*)&i，(void*)&ProcessStk[OS_TASK_IDLE_STK_TOP]，22)；

OSTaskCreate(CommunicationTask，(void*)&i，(void*)&CommunicationStk[OS_TASK_IDLE_STK_TOP]，23)；

OSTaskCreate(ConsoleTask，(void*)&i，(void *)&ConsoleStk [OS_TASK_IDLE_STK_TOP]，29)；OSStart()；

}

main()函数中首先调用BSP_IntDisAll()[3]。此函数的代码在bsp_int．c中实现。OSInit()用于初始化μC/OS-Ⅱ，OSTaskCreate()的作用是创建一个应用任务。系统共有3个任务，因此需要调用3次。OSStart用来启动多任务调度，它将启动创建的最高优先级任务。

在串口数据传输过程中，除了对常用的波特率、奇偶校验位和数据位等常规参数之外，还需要定义一个上下位机能互相识别的通讯协议。系统需要传输的数据较多，文中以温度值的协议为例，其他数据方法相同，具体格式如表1所示。

表1　串口通讯协议

起始符：当收到“fe fe”2个字节，表示此次通讯开始。节点地址：当有多个节点时，根据此字节判断该次通讯的是哪个节点，系统只有1个节点，则为“1”。功能代码：判断该次接收的数据是哪个功能块，比如温度值的功能代码为“01”。数据：该次通讯需要发送的数据，温度值需要3个数据，因此就发送D1，D2，D3 3个数据。其中D1为炉温值，D2为柱温值，D3为油温值。

根据以上协议接收和发送数据，就可以判断此次接收到的数据代表的实际意义，然后根据需要对数据进行分类和处理。下位机接收到数据后进行转换和存储，以便在后续运算中使用；上位机接收到数据，经过适当转换后在人机界面的对应位置实时显示，以便用户即时了解系统的运行状况和状态。温度控制流程图如图3所示。

图3　温度控制程序流程图

3．3上位机软件设计

上位机程序采用Visual C++开发，利用MFC中的控件开发人机交互界面，开发周期短、人机界面友好。上位机程序的有以下几种功能：3路温度值的设定及实际值的实时监控；分析过程压力和时间的设定及实际值的监控；运行模式选择以及手动操作按钮。上下位机之间利用串口通讯进行数据的传输，该程序是利用MSComm控件实现串口通讯的功能。串口的初始化程序如下：

m_Serial．SetCommPort(2)； //指定串口号

m_Serial．SetSettings("9600，N，8，1 ")；//参数设置

m_Serial．SetInBufferSize(1024)；//接收缓冲区大小

m_Serial．SetInBufferCount(0)； //清空缓存区

m_Serial．InputMode(1)；//设置数据获取方式，1为二进制方式

m_Serial．SetInputLen(0)； //设置读取方式

在接收或发送数据过程中，可能需要监视并响应一些事件和错误，所以事件驱动是处理串行端口交互作用的一种非常有效的方法。使用 OnComm事件和CommEvent属性捕捉并检查通讯事件和错误的值。发生通讯事件或错误时，将触发OnComm事件，CommEvent属性的值将被改变，应用程序检查CommEvent属性值并作出相应的反应。在程序中，用ClassWizard为CMSComm控件添加OnComm消息处理函数：

Void CSepuKongzhiDlg：：OnComm()

{……

switch(m_Serial．GetCommEvent())

{

case 2：∥串行口数据接收，处理；} }

4　结束语

硬件平台和软件编程都完成后，下位机程序通过JTAG接口下载到目标板子上，将下位机和上位机通过串口通讯线连接好之后，可以进行测试。

参考文献：

[1]刘虎威．气相色谱方法及应用．2版．北京：化学工业出版社，2007．

[2]刘乐善．微型计算机接口技术及应用．武汉：华中科技大学出版社，2000．

[3]何小庆．嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅲ应用开发．北京：北京航空航天大学出版社，2012．