双核微控制器在灰分仪硬件系统中的应用*

张 伟 于海明 陈月红

(丹东东方测控技术股份有限公司)

煤炭是我国重要的能源和化工原料，灰分含量大小直接关系到煤炭的加工和利用。为提高煤炭利用效率，必须严格控制煤炭及其产品灰分。传统煤炭灰分检测是按现场采样、破碎、缩分、烘干、研磨、称重、燃烧系列进行。大部分工序需要在实验室条件下进行，对人员、环境和设备的依赖性较大；最快需在2 h后才能得到灰分值，结果严重滞后于生产的进行。由于传统灰分分析方法现场采样通常采取皮带一个横截面上的全部煤，化验所得的灰分值也只是这个皮带横断面上煤的灰分而不是整条皮带的灰分，因此灰分检测结果代表性差。

灰分仪是为弥补传统灰分分析方法缺点而开发出的一套煤炭灰分在线测量仪表，可用于对整条输运皮带上的煤炭灰分含量进行快速准确测量，具有稳定性好、测量精度高、安装维护方便等优点。灰分仪不需采样、制样、化验等繁琐过程，直接安装于皮带架上而无须对皮带架进行任何改动，也不用增加额外投资，能够广泛应用于煤矿、洗煤厂、配煤厂、焦化厂、燃煤电厂、钢铁厂和煤码头等场合煤炭灰分的在线实时检测；也可用于选煤、配煤工艺中对生产过程进行自动调节和控制，在提高劳动生产率、降低劳动成本等方面作用显著。

灰分仪γ射线穿过煤中物质时，会与煤中的灰分发生相互作用，从而使γ射线本身消失或传播方向改变，从而表现出煤对γ射线的吸收，吸收程度的大小可用来衡量煤灰分的高低。使用先进的双核微控制器F28M36技术，ARM核用于完成高速脉冲幅度分析并形成能谱数据，DSP核用于对能谱数据进行实时处理并计算出灰分值，用于指导现场生产。

1 硬件方案

1.1 传统方案

目前灰分仪常用的硬件方案是使用分散硬件设计的，系统主要包括探测器、多道脉冲幅度分析器、探测器可调高压电源和计算机等。探测器负责将γ射线信号转换成电脉冲信号，多道脉冲幅度分析器将对探测器的脉冲信号进行幅度分析并得到能谱数据，多道脉冲幅度分析器将能谱数据通过通信线缆传输到远端计算机上，在计算机上对能谱数据进行分析，得出灰分值，同时计算机根据能谱分析结果，控制可调高压电源的输出来稳定能谱峰位。该方案所用的硬件和电缆较多、成本较高、可靠性较差，大量的能谱数据需要通过通信电缆传到远端的计算机上再计算，实时性较差。

1.2 设计方案

针对传统灰分仪硬件方案的不足，设计使用双核微控制器F28M36的灰分仪硬件系统，提高灰分仪检测性能。硬件系统主要包括探测器和主机，主机使用双核微控制器F28M36技术，F28M36包含两个内核：一个是ARM Cortex M3核；一个是DSP C28x核[1]。ARM内核主要完成参数存储、高压模块控制、ADC采集和通信等控制功能，DSP内核主要用于计算，完成能谱数据的分析。ARM内核通过高速ADC采集探测器输出脉冲的幅度，对脉冲幅度进行分析，得到能谱数据，将能谱数据共享给DSP内核；DSP内核对能谱数据进行解析，计算得到峰位信息和灰分值，DSP内核将峰位和灰分值共享给ARM内核，ARM内核通过峰位信息控制高压模块实现实时稳峰，灰分值可以本地显示也可以通过ARM的通信功能传输到远程主机上。

2 硬件系统设计

2.1 总体设计方案

图1是灰分仪新硬件系统总体设计框图，γ探测器脉冲信号进入到调理电路，完成放大和整形，将探测器输出的双指数信号整形成近高斯形[2]。近高斯形脉冲进入寻峰电路，寻峰电路通知ARM内核启动ADC数模转换器采集脉冲的幅度。ARM采集到脉冲的幅度值后，每秒钟形成1次能谱数据并共享给DSP内核。DSP内核对能谱数据进行平滑、寻峰、灰分计算等分析，DSP内核将计算结果共享给ARM内核。ARM内核用DSP内核计算的峰位控制高压模块，实现能谱峰位的实时稳定。

图1 新硬件系统总体设计框图

2.2 调理与采集电路设计

调理电路主要包括极零相消电路、成形电路、基线恢复电路、寻峰电路。极零相消电路(图2)是将探测器输出的无限长的脉冲信号变成窄脉冲信号，并去掉下冲信号[3]。成形电路使用3级RC积分电路，积分电路将极零相消后的脉冲成形为近高斯形脉冲，图3为1级的RC积分电路。寻峰电路实时对近高斯形脉冲的最大值进行判断，在脉冲顶部给出峰顶信号。

图2 极零相消电路

采集电路主要使用AD7634模数转换器，AD7634是18位并行输出、逐次逼近形的ADC，采样频率可达670 kSPS，支持差分电压信号采集，有4种不同的模拟输入范围，内置5 V参考电压，广泛应用在仪器仪表过程控制中。ARM内核控制AD7634采集满幅5 V的近高斯脉冲的幅度值。

2.3 主控芯片选择

主控芯片采用TI公司的Concerto 双核微控制器F28M36，Concerto 系列是多核的微控制器单元MCU，具有独立的通信内核和实时计算控制内核。F28M36是Concerto产品的系列产品，内部包括2个高性能内核，一个标准的32位 ARM Cortex-M3 CPU，主频125 MHz，具有片内数字1.2 V电源和模拟1.8 V电源，具有片载晶体振荡器，高达1 MB的闪存和128 KB的RAM，并且具备多种通信外设(包括以太网 1588、带有PHY的 USB OTG、控制器局域网 (CAN)、UART、SSI、I2C)及一个外部接口。

图3 1级的RC积分电路

DSP内核基于行业领先的TI专有TMS320CC28x32位CPU，主频高达150 MHz，具有单精度浮点运算单元，并且具备最为灵活而又高度精确的控制外设，包括具有故障保护功能的ePWM、编码器和捕捉单元。此外F28M36能够实现高效的Viterbi解码、复变数学(FFT，复变乘法)以及循环冗余校验 (CRC) 算法。

共享一个高速模拟子系统和补充RAM 内存，还有片上电压稳压和冗余计时电路、安全考虑还包括纠错码 (ECC)、奇偶校验和代码安全内存。选择F28M36芯片作为灰分仪的主控制芯片，可以利用ARM内核通信连接和DSP内核计算及实时控制的优势，同时两个内核芯片级的集成还减小了软件和硬件设计的复杂程度，同时提高可靠性。

2.4 电源系统设计

图4是电源设计原理框图，整个系统采用5V的开关电源供电，分数字电源和模拟电源。数字电源是给数字器件供电和为模拟电源提供电源，模拟电源是给运算放大器和ADC供电，要求低噪声。为降低功耗，数字电源采用DC-DC转换方式，5V的开关电源通过电源芯片转换成3.3V，3.3V电源供F28M36和外围芯片使用，F28M36芯片内核还需要使用1.8V和1.2V电源。由于F28M36片内集成了1.8V和1.2V的LDO模块，在使用时将F28M36设置成内部1.8V和1.2V，只需要为其提供3． 3 V 电源即可。 模拟电源部分先使用DC - DC 转换芯片，将5 V 开 关电源转换成± 5． 5 V 和± 13 V，再使用低压差和 低噪声的LDO 芯片转换成满足模拟电路使用的 ± 5． 0 V和± 12． 5 V。

图4 电源设计原理框图

3 程序功能设计

程序功能流程见图5。

图5 程序功能流程

ARM内核控制ADC采集脉冲的最大值，将其转换成数字量。然后对数字量脉冲幅度最大值进行分析，得出脉冲幅度对应的道址，并将对应道址存储单元上的计数个数值加1，采集1 s形成1 024道的能谱数据。ARM内核将能谱数据放入F28M36的64 KB的共享RAM中，并使用处理器间通信(IPC)消息RAM通知DSP内核到共享RAM中采取能谱数据。DSP内核取出能谱数据后，首先使用最小二乘移动平滑方法对能谱数据进行多次平滑，滤除能谱数据中的高频噪声。平滑后的能谱数据分为两路，一路能谱数据求二阶导数，在二阶导数的负向极值处可求得能谱特征峰的峰位，将峰位传给ARM内核进行硬件稳峰控制；另一路利用能谱数据，根据标定公式计算出灰分值，将灰分值传给ARM内核。灰分仪可以本地显示灰分值或者将灰分值通过ARM内核的通信接口发送到远程主机。

4 结 论

设计应用双核微控制器F28M36的灰分仪硬件系统，既可以完成脉冲幅度分析、能谱采集、通信控制，还具有实时计算控制功能，实时进行能谱稳峰，计算灰分值。双核控制器提高了灰分仪的实时采集、控制和运算能力，不需要将大量的能谱数据输送至远程计算机再计算灰分，单台仪表集成度大大提高，稳定性和可靠性也得到改善。该硬件系统可应用于灰分仪系列产品防爆灰分仪、离线灰分仪、灰水仪等中，也可供其他产品开发借鉴。