用FPGA实现嵌入式实时初晶温度采集与交换.pdf

1 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g m 札c n 2 0 1 2 年3 期 如i l O ．3 9 6 9 ／j ．i 璐ml ∞7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 3 ．∞6 用F P G A 实现嵌入式实时初晶温度采集与交换 吴磊 北方工业大学信患工程学院，北京1 0 0 1 4 4 摘要描述了用F P G A 实现嵌入式实时初晶温度采集与交换，设计了一套基于A R M 9 E P 9 3 1 5 和F P G A 的嵌入式实时在线初晶温度检测系统。经过近2 年6 次现场实际测试，结果表明，该系统即便在高 温和强磁场下，仍然具有系统稳定、测量实时准确等优点。适合在电解铝相关单位推广应用。 关键词初晶温度；F P G A ；A R M ；铝电解质；实时测量 中图分类号T F 0 6 8 ．2 1 T F 8 2 1文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 3 一0 0 1 8 一0 5 F P G Aw i t hE m b e d d e dS y s t e mf o rC o l l e c t i n ga n dE x c h a n g i n g O n 。l i n eI n i t i a lC r y s t a l l i z a t i o nT e m p e r a t u r e W UL e i I n f o 肌t i 叩E n g i n e e r i n gC o l l e g e ，N o n hC h i mU l l i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，B e 幻i n g1 0 0 1 4 4 ，C h i M A b s t 翻l c t A p p l i c a t i o no fF P G Ai nd a t ac o l l e c t i o na n de x c h a n g ew i t he m b e d d e ds y s t e mf o ro n ’l i n ed e t e c t i o n t e m p e r a t u r eo fi n i t i a lc r y s t a l l i z a t i o nw a sd e s c r i b e d ，a n dad e t e c t i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e dp r o c e s s o ro f A R M 9 E P 9315 a n dF P G Aw a sp r e s e n t e d ．T h es y s t e mi sn o to n l yh i g h l ys t a b l ee v e nu n d e rt h ee n V i r o n m e n to fh i g ht e m p e r a t u r ea n dp o w e r f u le l e c t r o m a g n e t i cs i t u a t i o na n db u ta l s oo fh i g hm e a s u r e m e n ta c c u r a c yt h r o u g h6t i m e so n _ s i t et e s t i n gw i t h i nt w oy e a r s ．s o ，t h i se q u i p m e n ti sa p p l i c a b l ei na l u m i n u me l e c t r o l y s i se n t e r p r i s e s ． K e yw o r d s i n i t i a lc r y s t a l l i z a t i o nt e m p e r a t u r e ；F P G A ；A R M ；a l u m i n u me l e c t r 0 1 y t e ；r e a l t i m em e a s u r e m e n t 初晶温度是铝电解质开始结晶的温度，它是铝 电解过程中一个重要参数。目前工业上确定初晶温 度的方法主要是根据铝电解质的成分组成估算或者 实验室测量[ 1 书] ，但都无法满足工业上实时、准确的 要求。因此，我们设计了嵌入式实时在线铝电解质 初晶温度检测系统。 1 系统概述 整个系统的逻辑框图如图1 所示。F P G A 初晶 温度数据采集与交换系统由F P G A 与A D S l 2 7 4 数 据交换、F P G A 和E P 9 3 1 5 的数据交换和F P G A 与 W i n d o w sC E 的数据交换3 部分构成。 2F P G A 与A D S l 2 7 4 数据交换 初晶温度点附近的步冷曲线平台通常持续时间 大约为l ～5s 。为及时检测，必须保证足够高的数 据采集率，并且采集的数据还不能丢失。如果数据 的采集和存储直接用A R M 控制，实时性将无法满 足技术上的要求。利用F P G A 高速并行处理能力， 控制前端热电偶数据采集，并把经A D S l 2 7 4 转换后 的数据存放到F P G A 内部两个缓存器当中的一个。 两个F P G A 缓存器采用P I N G P O N G 存储原理。 A D S l 2 7 4 与F P G A 硬件连接框图如图2 所示。并 且，F P G A 能够与温度采集电路和E P 9 3 1 5 两个不 同速率的部件进行速度匹配。 基金项目国家科技支撑计划项目 2 0 0 9 B A E 8 5 即o ；2 0 0 8 年北京市教委科技发展计划项且 K M 2 0 0 8 l o 0 0 9 0 1 2 作者简介吴磊 1 9 6 3 一 ，男，北京市人，副教授，硕士生导师． 万方数据 2 0 1 2 年3 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 1 9 图l系统逻辑框图 F i g ．1 o V e r a Us y s t e mf r 锄e w o r k C L K l k _ 5 m S C L KS 观K ．二5 m S Y N CS Y N C A D S l 2 7 4F p G A D R D Y D R D Y D o L r r lD o U T l 图2A D S l 2 7 4 与F P G A 硬件连接图 F i g ．2 H 盯d w a mc 蚰n e c t i 蚰b e t w 唧 A D S l 2 7 4a n dF P G A 2 ．1A D S l 2 7 4 的采样时序 在采样开始时需要输出一个同步信号， A D S l 2 7 4 数据输出采用S P I 格式，C L K 是采样主 时钟，当D R D Y 下降沿到来时，表明数据已转换完 毕。此时，S C L K 会为数据输出一个同步时钟，在该 时钟下降沿的驱动下，输出D O U T 信号，并通过移 位寄存器将串行数据转换为并行数据。数据传输的 时序图如图3 所示。 2 ．2 采样数率可调的实现方法 将A D S l 2 7 4 的工作模式设置为低速模式，此时 f c “／f D A T A 5 1 2 ，其中，f c L K 为A D S l 2 7 4 主时钟，采 图3S P I 传输时序图 F i g ．3 T r a n s m i tt i m i n go fS P I 用f c L K 5M H z ，数据转换速率计算结果为f D T A 9 ．7 6 6k B ／s 。绘制步冷曲线时，每秒采集的数据达 到1 0 0 ～5 0 0 位即可满足系统设计要求。A D S l 2 7 4 转换过来的数字信号为2 4 位，由于1 6 位既可满足 姒 瓣 ～ 一 咪 万方数据 2 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m l I I ．c n 2 0 1 2 年3 期 要求，考虑到低8 位数据不是十分稳定，因此将低8 位舍去。另外，系统还实时采集锂电池电压，根据图 3 所示时序图，前2 4 位是温度数据，后2 4 位是电池 电压数据。当4 8 位的数据转换完后，F P G A 将会产 生一个时钟沿并开始存储数据。F P G A 串行读取 A D S l 2 7 4 转化过来的数据，在内部进行串并转换， 为使设备具有通用性，在F P G A 中设置了一个寄存 器来配置采样速率1 0 0B ／s ，2 0 0B ／s ，3 0 0 B ／s ，5 0 0 B ／s 。E P 9 3 1 5 通过读取该寄存器改变采样点数。 采样点数寄存器的程序代码如下乜] a l w a y s d r d y - r e g c a s e d r d y r e g 2 7 b O O d r d y d i V d r d y 一1 0 0 ； 2 ’b O 1 d r d y d i V d r d y 一3 0 0 ； 2 ’b 1 0 d r d y d i v d r d y 一4 0 0 ； 2 b 11 d r d y d i v d r d r - 5 0 0 ； 数据转换时钟分频的程序代码如下 a l w a y s n e g e d g er s t no rn e g e d g ed r d y i f r 盯一n d r d y c o u n t 8 ，b O ；． e l s ei f d r d y c o u n t d r d y d i v d r d y c o u n t d r d y c o u n t 1 ； e l s e d r d y - c o u n t 8 ，b 0 ； 2 ．3 p i n 争p o n g 存储原理与实现 为保证数据不丢失，采用p i n g ．p o n g 存储原理， 图4 为p i n g - p o n g 存储结构图。地址o X o o ～o X 6 3 共1 0 0 个单元存储电池电压数据，o X 6 4 ～o X C 7 共 1 0 0 个单元存储温度数据。当一块R A M 存满后， F P G A 向E P 9 3 1 5 发出将数据取走的中断请求，然 后向另一块R A M 存储。 数 刊竺 亭 数 据 据 选 选 择 刊砷 择 图4p i n 乎p o n g 存储结构图 F i g ．4 ≤；c h e m eo fp i n g ‘p o n gs t o r a g e 2 ．4 数据的存储和传输模块 F I F 0 设计为异步方式进行数据的存储和传 输，其大小为1 6 5 1 2 ，即数据宽度为1 6b i t ，深度 为5 1 2b i t 。通过F P G A 可以匹配E P 9 3 1 5 和 A D S l 2 7 4 之间时钟速率的差异，从而起到数据缓 冲的作用；还可以将串行数据转化为并行数据，反之 亦然。 3F P G A 和E P 9 3 1 5 的数据交换 F P G A 以总线方式和E P 9 3 1 5 进行数据交换。 F P G A 主要负责总线逻辑和协议的解析、内部寄存 器的配置以及采样点数据的配置，此外，还负责一些 信号的逻辑控制。F P G A 一方面把采集到的数据传 送给E P 9 3 1 5 ，同时E P 9 3 1 5 还需要对数据采集板进 行控制 包括模拟信号增益、指示信号、采样点等 。 F P G A 与E P 9 3 1 5 的数据交换接口图见图5 。 ，1 a d d 1 5 O ＼ ／1 d a 叫1 5 O 卜 ＼J少 i n l l i n t 2 H m日’q 3 1 5 r e a d w n 忙 I K s l n c s 2 图5F P G A 与E P 9 3 1 5 数据交换接口方式 F i g ．5 D a t ai n t e r f 舵eb e t w ∞n Ⅱ G Aa 耐E 一3 1 5 把采集到的室温和铝电解质温度及电池电压 信号，以一定的格式存储到F P G A 内部缓存中。 E P 9 3 1 5 作为主控制器通过S P I 总线把F P G A 缓存 器中的数据读入到E P 9 3 1 5 的R A M 中。连线方式 如图6 所示。s P I 的I P 核采用V e r i l o g 编写，S P I 的I P 核已通过M o d u l e s i m 仿真验证。W I N C E 通 过A P I 函数，调用E P 9 3 1 5 的S P I 总线驱动程序，实 现和F P G A 的通信。M o d u l e s i m 仿真S P I 总线的 时序图如图7 所示。 F P G A ll E P 9 3 1 5 l S S S C K ∞ 量 j尊 M O S I 冒 子 为 需 鬯． M I S O 章 5 2 。 窖 图6E P 9 3 1 5 通过S P I 总线与F P G A 接口连线方式 F i g ．6 C 帆n e c t i o nA D S l 2 7 4 觚dF P G A b yS P II i n e 万方数据 2 0 1 2 年3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／ ，s y l ．b g r i m m ．c n 2 1 I 。毒髓娩蝌然“ j 辨誊 一．一爹j 蔓硒- 泣l 峭溉 №。。 l 拖s p { 酬懒 嘲j| } 。I 图7M 0 d n l 髑i m 仿真S P I 总线时序图 F i g ．7S i m ⅡI a t i n gS P It i m i n gb ym o d u l 髑i m 4 F P G A 与W i nC E 的数据交换 4 ．1 F P G R e a d 读流接口驱动程序 每个流接口驱动程序必须实现一组标准函数， 以便完成标准的文件I ／o 函数并提供给W i n d o w s C E 内核使用。W i n d o w sC E 的文件系统通过这些 入口点函数与流接口驱动程序进行通信，从而达到 应用程序访问驱动程序、操作硬件的目的。 由于F P G A 的读操作比较麻烦。如果我们采 用死循环去读串口，就会占用大量的C P U 系统资 源，甚至可能造成程序处于死锁状态。但是，如果采 用查询方式，又不一定能够保证传输的数据不丢失。 因此，我们设计了一个类似中断的服务程序，同时在 W i n d o w sC E 中采用多线程技术来解决F P G A 数据 接收和发送问题。因此要在E P 9 3 1 5 的O A L 中加 入我们自己定义的中断源。 d e f i n es y s i n t r _ r p g a s y s i n t r - f i r m w a r e 2 6 W i n d o w sC E 对F P G A 驱动的关键是F P G R e a d 流接口函数，用来读取F P G A 缓冲区的数据 给W i n d o w sC E 应用程序。下面仅对F P G R e a d 的实现进行描述。F P G R e a d 函数的流程如图8 所 示。 为提高系统效率，利用W a i t F o r s i n g l e O b j e c t 函 数对当前进程进行阻塞。只有当F P G A 触发中断 时，中断服务线程F P G A - - I n t r T h r e a d 才能激活当前 进程，对F P G A 进行读操作。当F P G A 不可用时， 我们阻塞当前进程。 4 ．2 驱动程序的测试 我们在v i s u a lS t u d i o2 0 0 5 下编写了应用程序。 通过R e g C r e a t e K e y E x 、W R I T E R E G S Z 、 w R I T E R E G D W O R 等函数创建注册表；通过 A c t i v a t e D e v i c e E x 函数加载S i m p l e D r i v e r 驱动； 通过R e a d f i l e 调用F P G R e a d 接收数据；通过 W r i t e f i l e 调用F P G W r i t e 发送数据；通过调用 R e g C l o s e K e y E x 、R e g D e l e t e K e y 删除注册表。 为了验证F P G A 驱动程序的正确性和可靠性， 开始 上 l 调用M a p P 廿1 b P r ∞e 鼹函数．函数 l 映射应用程序传递过来的地址 J r 陶用w a “F 0 r s i n g l e o b j 。畦函数。等 l 待接收事件的发生 3 I 表示接收事件为无符号状态 上 读取接收缓冲区的消息 上 释放物侥缓冲区 上 ， 退出 、 ＼／ 图8F P G _ R e a d 读流接口函数的流程 F i g ．8F P G R 翰dn o wo fs h ．e 锄f 叫c t j 帆 我们采用环回读、写的方式。如果应用程序读到的 数据和发送的数据一致，则测试通过。从图9 可知， 上述F P G A 驱动程序设计方法正确可行，能满足 E P 9 3 1 5 与F P G A 之间的全双工通信的要求。 图9F P G A 测试程序执行结果 F i g ．9 I k 辄no fr 叫羹P G At 瞄t ∞d e 下转第2 5 页 万方数据 2 0 1 2 年3 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 5 烧一浸出、还原焙烧一浸出难以达到预期目标。强 化焙烧一浸出工艺流程短、设备简单、成本低廉，容 易实现自动化控制，但工艺参数有待进一步优化，以 便为氯化钛白提供更优质的高品位人造金红石。 参考文献 [ 1 ] 邓国珠，黄北卫，王雪飞．制取人造金红石工艺的新进 展[ J ] ．钢铁钒钛，2 0 0 4 ，2 5 1 4 4 5 0 ． [ 2 ] 范晓慧，邱冠周，姜涛，等．攀钢钛精矿制取富钛料新工 艺的研究[ J ] ．金属矿山，2 0 0 2 6 2 0 2 z ． [ 3 ] 马勇．人造金红石生产路线的探讨[ J ] ．钛工业进展， 上接第2 1 页 5现场测试 本设备分别在贵铝进行了2 次、中孚林州铝业 进行了3 次和南山铝业进行了1 次现场测试。测量 误差在允许范围内，系统稳定性令人满意，在精确度 和实时性上都能够满足工业生产的要求。 6结论 基于A R M 9 E P 9 3 1 5 和F P G A 的嵌入式实时 在线初晶温度检测系统即便在高温和强磁场下，仍 然具有系统稳定、测量实时准确等优点。适合在电 解铝相关单位推广应用。 2 0 0 3 1 2 0 Z 3 ． [ 4 ] 王曾洁，张利华，王海北，等．盐酸常压直接浸出攀西地 区钛铁矿制备人造金红石[ J ] ．有色金属，2 0 0 7 ，5 9 4 1 0 8 1 1 1 ． [ 5 ] 蒋训雄，蒋开喜，蒋伟，等．湿法生产人造金红石的方 法中国，c N l 0 1 6 3 8 7 1 9 [ P ] ．2 0 1 0 0 2 一0 3 ． [ 6 ] 蒋伟，蒋训雄，汪胜东，等．钛铁矿湿法生产人造金红石 新工艺[ J ] ．有色金属，2 0 1 0 ，6 2 4 5 2 5 6 ． [ 7 ] 扈维明，齐斌涛，蒋训雄，等．蒋伟钛铁矿盐酸法生产人 造金红石半工业扩大试验[ j ] ．有色金属 冶炼部分 ， 2 0 1 2 2 2 7 2 9 ． 参考文献 [ 1 ] 王家伟，赵平原，靳学利．铝电解质初晶温度研究方法 及其现状[ J ] ．轻金属，2 0 l o 4 2 4 2 9 ． [ 2 ] 李业．初晶温度检测系统数据交换的研究与实现[ D ] ． 北京北方工业大学。2 0 1 1 ． [ 3 ] 王亮，韩伟，蒋小林，等．工业铝电解质初晶温度测量系 统的研究与应用[ 刀．轻金属，2 0 0 7 7 3 7 3 9 ，5 8 ． [ 4 ] 施建政，林松．如何正确使用热电偶补偿导线[ J ] ．现代 计量通讯，2 0 0 7 1 3 2 3 5 ． [ 5 ] 李晓东，赵恒勤．铝电解质初晶点的测定方法[ J ] ．矿产 保护与利用，2 0 0 3 ，2 3 1 4 6 4 9 ． [ 6 ] 龙凤翔，王云利，王魁汉．铝电解温度间歇式在线测量 [ J ] ．轻金属，2 0 0 2 ，3 9 5 3 9 4 0 ． 万方数据