引言

基于SOPC的在線分析儀器平臺(tái)從數(shù)據(jù)采集到顯示已經(jīng)可以完成分析儀器的基本功能，但是隨著儀表在線檢測(cè)、顯示、傳送等要求逐漸提高，以及方便儀器與PLC、DCS等生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的儀表相連，有必要為分析儀器設(shè)計(jì)信息管理系統(tǒng)。

1信息管理系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

測(cè)量界面采用雙緩存圖片。把一個(gè)圖像作為緩存，兩個(gè)圖像就是雙緩存了。一個(gè)作為前臺(tái)緩存，一個(gè)作為后臺(tái)緩存。即:創(chuàng)建一個(gè)繪制緩沖區(qū)，以bufImage表示，先將主要的圖形元素一個(gè)一個(gè)地繪制到此緩沖圖像上，再將此緩沖圖像一次性繪到代表屏幕的Graphics對(duì)象上。

本設(shè)計(jì)在VisualC++界面編程中使用了Skin++。Skin++是一款通用的軟件換膚套件，目前支持各種版本操作系統(tǒng),Windows9x、Windows2000、WindowsXP、Windows2003等，并支持VC、VB、C#、PB、Delphi、C++Builder等各種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。Skin++換膚的效果較好，程序本身也比較穩(wěn)定。

另外，本文在界面設(shè)計(jì)中也采用了復(fù)合文件，結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ),這是微軟組件思想的起源。

系統(tǒng)的功能模塊包括用戶管理、成分選擇、儀器狀態(tài)、參數(shù)設(shè)置、非線性驗(yàn)證、TCP/IP傳輸?shù)取Ｖ鹘缑嫒鐖D1所示,對(duì)應(yīng)的分析儀器測(cè)量界面如圖2所示。

圖1上位機(jī)測(cè)量界面

1.1系統(tǒng)登錄界面

系統(tǒng)登錄界面用戶分為兩級(jí)：管理員和普通用戶。當(dāng)輸入完用戶名和密碼并按下“確定”按鈕后，程序會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢用戶名和密碼是否匹配。在確認(rèn)匹配之后，程序根據(jù)用戶的級(jí)別分配權(quán)限，然后進(jìn)入主界面等待用戶下一步的操作。

圖2四組分測(cè)量界面

在登錄成功后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入測(cè)量界面。如果用戶名輸入錯(cuò)誤，則會(huì)提醒用戶輸入的不是用戶名而不能進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)也會(huì)給出相應(yīng)的提示信息。

1.2用戶管理

管理員可以通過(guò)“用戶管理”界面添加、刪除、更改普通用戶的設(shè)置，普通用戶也可以修改密碼。圖3所示是系統(tǒng)用戶管理界面。管理員和用戶都能根據(jù)實(shí)際情況，點(diǎn)擊列表頭可以實(shí)現(xiàn)用戶的升降序重新排列。操作可使得用戶管理界面更加人性化。

圖3用戶管理界面

1.3成分選擇

通過(guò)圖4所示的成分選擇界面，可以根據(jù)不同的要求選擇不同的通道號(hào)（通道1?通道4）和選擇不同的成分（H2、CO、SO2、NO、NO2），單位也可以選擇。因?yàn)楸容^常用的氣體單位為“％”和“ppm”，所以單位設(shè)置了這兩個(gè)選擇。選擇確定后，在測(cè)量界面也會(huì)有相應(yīng)的更新。

圖4成分選擇界面

1.4儀器狀態(tài)和參數(shù)讀取

本系統(tǒng)的儀器狀態(tài)和參數(shù)讀取界面如圖5所示。儀器狀態(tài)界面的主要功能就是讓用戶可以方便地知道儀器信息，便于下一步操作。

圖5儀器狀態(tài)和參數(shù)讀取界面

1.5非線性驗(yàn)證

本設(shè)計(jì)采用5次方程代替能斯特方程的方法來(lái)求出氣體組分含量，并在上位機(jī)通信這一塊設(shè)計(jì)了直接利用能斯特方程來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)，這一驗(yàn)證方法對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)更具有說(shuō)服力。圖6所示是系統(tǒng)的非線性驗(yàn)證界面。

圖6非線性驗(yàn)證界面

其中C++中部分代碼如下：

voidCNolinearDlg::OnBtnCompute()

{

UpdateData()；//空間->變量

if(m_fP0==0||m_nVf==0||m_nV0==0)

{

MessageBox(_T("P0,Vf，V0不能為0!")，_T("基于SOPC的在線分析儀器平臺(tái)")，MB_ICONWARNING)；

return；

}

if(m_fPf<=m_fP0)

{

MessageBox(_T("Pf必須大于P0!")，_T("基于SOPC的在線分析儀器平臺(tái)")，MB_ICONWARNING)；

return；

}

doublex=log10(m_fPf-m_fP0)；

doublex1=x/((double)m_nVf/m_nV0)*m_nV；

doublex2=(m_nVf*log10(m_fP0)-m_nV0log10(m_fPf))/((double)m_fPf-m_fP0)；

doublex3=x1+x2；

m_fPx=pow(10,x3)；

UpdateData(FALSE)；

}

1.6TCP/IP傳輸

TCP/IP傳輸是方便數(shù)據(jù)能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳到本地監(jiān)控中心或環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，其TCP/IP通訊界面如圖7所示。在基于SOPC的在線分析儀器平臺(tái)，可以利用NiosII這個(gè)用戶可定制的CPU來(lái)增加新的外設(shè)、新的指令，分配外設(shè)的地址等。用戶可以直接在客戶端通過(guò)IE瀏覽器訪問(wèn)服務(wù)器,瀏覽存儲(chǔ)在Flash中的信息。根據(jù)Web服務(wù)器的原理，Altera公司新提供的NichestackTCP/IPStack協(xié)議設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序提供的標(biāo)準(zhǔn)的Socket接口以及TCP/IP等協(xié)議［%

圖7TCP/IP通訊界面

由于設(shè)計(jì)采用了Altera公司低端的一款FPGA，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力比較有限，所以在設(shè)計(jì)中通過(guò)RS232讀出數(shù)據(jù)，再通過(guò)上位機(jī)傳輸給網(wǎng)絡(luò)。TCP/IP通訊功能已經(jīng)在某公司實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻傳輸中成功實(shí)現(xiàn)。

2系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)驗(yàn)證

圖8所示是最小二乘法擬合氧含量和輸出電壓的曲線圖。

電壓/mV

圖8最小二乘法擬合氧含量-輸出電壓曲線

操作時(shí)可選取10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在最常用的Excel中實(shí)現(xiàn)最小二乘曲線擬合。3”是根據(jù)樣氣濃度選擇的待測(cè)氣體的測(cè)量點(diǎn)，x為傳感器輸出電壓值，/為對(duì)應(yīng)的樣氣中的氧含量值，n為擬合多項(xiàng)式的次數(shù)。其中x和v取值分別為表2中的標(biāo)準(zhǔn)氣值和傳感器輸出電壓。從n=2即二次多項(xiàng)式擬合開(kāi)始，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，當(dāng)n=5時(shí)，即擬合多項(xiàng)式的格式為：

y=f(x)=ax+bx+cx+dx+ex

設(shè)計(jì)以該5次方程替代能斯特方程，能夠精確地計(jì)算出氧氣含量，精度滿足儀器設(shè)計(jì)要求［3］。Excel最小二乘法實(shí)現(xiàn)氧含量與對(duì)應(yīng)輸出電壓曲線擬合如圖8所示。圖中曲線為輸出電壓的擬合曲線。擬合多項(xiàng)式系數(shù)和擬合精度評(píng)定如表1所列。

表1擬合多項(xiàng)式系數(shù)和擬合精

將擬合多項(xiàng)式系數(shù)a，b，c，d，e通過(guò)儀表鍵盤輸入到儀表系統(tǒng)中，當(dāng)開(kāi)啟儀表“非線性校準(zhǔn)”功能時(shí)，儀表將根據(jù)5次方程將檢測(cè)到的電壓信號(hào)換算成濃度信號(hào)并顯示在測(cè)量界面。將氧化錯(cuò)傳感器加熱到700控制標(biāo)準(zhǔn)氣體流量280ml/min，分別通入五組標(biāo)準(zhǔn)樣氣，測(cè)量結(jié)果如表2所列。

表2五組標(biāo)準(zhǔn)樣氣測(cè)量結(jié)果

由表2可見(jiàn)，用最小二乘原理擬合曲線代替能斯特計(jì)算公式，儀器測(cè)量的氧含量整體誤差小于0.5%,達(dá)到0.5級(jí)表的要求。換幾組氣測(cè)試，測(cè)試結(jié)果也在誤差范圍內(nèi)。其測(cè)試結(jié)果如表3所列。

表3其他氣體測(cè)量結(jié)果

本文首先對(duì)上位機(jī)的信息管理的核心做了部分設(shè)計(jì)，包括了非線性驗(yàn)證和TCP/IP通訊的實(shí)現(xiàn)；然后對(duì)基于SOPC的在線分析儀器智能平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理做了驗(yàn)證，結(jié)果表明，本儀表能達(dá)到0.5級(jí)表的要求。

20211106_61865a96bae4e__SOPC分析儀器信息管理及系統(tǒng)調(diào)試