分析基于S3C2410的恒溫式自動量熱儀設計與應用

引言

量熱儀的性能特點：采用美國先進技術的5.2英寸觸摸式液晶屏幕，整體式安裝方法，保證觸摸屏的牢固性。紅外線式技術，材料選用CRT顯示材料讓觸摸屏更耐用。多層復合薄膜覆蓋，保證色彩失真度、反光性和清晰度達到最佳狀態，感應靈敏，定位精度高，有效出沒區域高達90%抗磨損，壽命可長達10年，漢字顯示，無需外接電腦。即可直接操作，又可用計算機控制。中文菜單式操作界面，結構簡單、直觀易學、操作方便、性能穩定可靠，采取內外筒光電隔離抗干擾能力強。采用獨特的發泡隔熱技術，實驗過程中不受外界溫度影響。

自動注水，不需調水溫，只需裝好氧彈放入桶內，儀器即可自動完成全部測試。結構合理，制作精良，性能可靠，故障率低。

結果準確，采用獨特的冷卻校正系統、水循環系統及軟件自動、誤差補差系統同時具備外筒貯水量大，熱穩定性好等功能。

近年來隨著嵌入式技術的不斷成熟，其成本也不斷下降，本身所具有的規?？勺?、擴展靈活、有較高的實時性和穩定性、系統內核小的優點逐漸凸現出來。

1 基本原理

恒溫式量熱儀通過氧彈法測量熱值。通過放在氧彈中的物質燃燒并使燃燒放出的熱量通過彈筒傳遞給水及儀器系統，再根據水溫的變化計算出物質的發熱量。其測量的基本框圖如圖1所示。根據氧彈法測量的基本原理，發熱量計算公式如下：

式中：E為熱容量，單位：J/K;q1為點火熱，單位：J;q2為添加物如包紙等產生的總熱量，單位：J;m為試樣質量，單位：g;Tc為主期結束時溫度，單位：℃;Tb為主期開始時溫度，單位：℃，C為冷卻校正值，單位：℃。

由上式可知，只要測量出水的溫度以及相關參數，就可以計算出煤樣的發熱量。

2 系統設計

2.1 硬件設計

S3C2410處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有：獨立的16KB指令Cache和16KB數據Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer ，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS 接口，IIS-BUS 接口，2個USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI。S3C2410處理器最高可運行在203MHz。

S3C2410與量熱儀各個部分的連接框圖如圖2所示，在硬件連接之后，需要對各個部分與S3C2410的端口進行軟件驅動。

2.1.1 ARM板選擇

本次設計選擇市場上使用較多，同時在結構和資源上較為典型的S3C2410處理器，主要是基于以下原因：

(1)性價比高，使用的最廣泛。作為一款經典的ARM9系列處理器，S3C2410的資料最完整，各種驅動程序的開發包最多，利于開發者開發。

(2)采用核心板和底板分離的設計思想，用戶可以方便地使用Core-Board進行二次開發。

2.1.2 傳感器的選擇

現在的量熱儀大多采用鉑電阻作為測溫元件;它雖然具有精度高等優點，但鉑電阻在O～800℃范圍內、無校正的情況下，最大非線性誤差可達2%，而且它們屬于模擬式傳感器，輸出信號需要進行模/數轉換，這不僅使電路復雜，成本增加，而且增大了誤差。

石英晶體溫度傳感器HTS-206就是其中的一種，它由日本EPSON公司生產，其振蕩頻率在40 kHz附近，工作溫度范圍為-55～+125℃，其測量精度利用多點差值法校正后可達O.05℃石英晶體諧振器HTS-206的調理電路包括振蕩電路、分頻器、計數器三個主要部分構成，其調理電路如圖3所示。

以往測量頻率的方法是在芯片外接FPGA芯片，不過HTS-206，的工作頻率為40 kHz左右，符合S3C2410的工作性能，為了節約成本。HTS-206的輸出經過整流放大后，通過S3C2410的EINT0端口，用FIQ中斷模式。

利用軟件設定中斷的閘門時間為Tw，并且記錄被測信號的變化周期數(或脈沖個數)N，則被測信號的頻率為：

2.1.3 控制部分

控制部分由充氧控制、充放水控制、水位控制、點火控制、升降電機控制等幾部分組成：

充氧電路，主要完成氧彈的沖放氣的控制。當實驗開始時，發送信號，打開閥門。氧彈充氣到一定壓力的時侯，向S3C2410發出信號。S3C2410接收到信號就控制閥門關閉。

充放水及水位控制系統，主要完成內外筒進水、排水、定位任務。分別通過兩個探測器測定內外筒的水位，利用程序進行水位比較，從而達到定內外筒水定量的目的。

點火系統控制氧彈中的點火裝置，具體控制要求為：點火絲點火在自檢之后進行，如一切正常，則點火。如果點火成功，則向S3C2410發送信號，啟動測溫系統。如果點火失敗，則退出本次試驗。

2.1.4 S3C2410的網絡通信

如圖4所示，S3C2410使用CS8900A-Q3控制器擴展網絡接口模塊。它的傳輸速率為10 Mb/s。CS8900工作在16位模式下，網卡芯片復位默認工作方式為I/O連接。由于CS8900A和S3C2410的中斷電平是相反的，所以，中斷信號線間需接一個非門。信號的發送和接收端通過RJ45接口接入CS8900A，再傳送給S3C2410，從而組成了以太網信號傳輸的硬件通道。

2.2 軟件設計

2.2.1 開發環境的建立

在對S3C2419進行軟件開發之前，需要通過以下步驟，建立一個合適的開發環境。

(1)將UBOOT移植到S3C2410開發板。

(2)利用H-JATG軟件讀取板子CPU的信息，將讀取到的信息利用ADS開發環境中的AXD Debugger軟件建立仿真開發環境。