专利名称：嵌入式煤质分析智能数据处理终端及其智能一体化马弗炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种煤质分析处理系统，特别是涉及一种嵌入式煤质分 析智能数据处理终端及其智能一体化马弗炉。背景技术：
我国煤炭资源得天独厚，是世界上首屈一指的产煤大国。煤炭已成 为我国的第一能源并在一次常规能源中占有主要地位。煤炭质量与环境、节能、提高生产效 率和国际贸易都有着密切的关系。而要搞清煤质、提高煤质首先离不开准确、快速、先进的 煤炭测试分析仪器的生产和应用。煤质分析仪器是用来分析煤炭中各种指标的专业仪器， 需要严格按照中华人民共和国国家标准中关于一系列的煤质测定方法进行开发。如测定煤 中发热量的量热仪，测定煤中含硫量的测硫仪，测定煤灰熔融性的灰熔点测定仪，测定煤中 灰份、粘结指数、挥发份的箱型高温炉(马弗炉)，测定煤中含水量的水份测定仪和测定煤 中水分、灰份、挥发份的工业分析仪等等。目前，国内的煤质分析仪器生产厂家都是基于以下两种框架进行产品的设计与生 产1、单片机煤质分析仪器这种方式是以单片机作为核心框架，并且针对单片机编制程 序，最后使用数码管或普通液晶屏显示实验结果。目前以单片机为主要技术的煤质分析仪 器存在的缺陷是1)硬件资源较少，难以进行复杂的数据、图形处理。2)无法存储过多的数 据供用户进行数据的添加、查询、删除、分析等处理。无法形成比如报表之类的文件，并且用 户也无法拷贝这些数据进行更为复杂的处理。3)无法进行多线程处理，实验过程中不能执 行其他操作。用户只有等待实验结束后才能进行数据处理或者打印等操作。4)显示功能 较弱，无法将用户需要的信息一次性完整的显示出来。5)由于煤质分析仪器在运行过程中 是靠声音提示告知用户当前的实验过程，而目前的单片机煤质分析仪器使用了蜂鸣器。而 蜂鸣器只能发出一种声音，所以往往使用户不能由蜂鸣器发出的声音来了解实验到底进行 到哪个环节。2、微机煤质分析仪器这种方式采用了下位机、上位机的设计思路。下位机使 用单片机来完成一些模拟量的采集和简单控制，上位机使用普通PC机接收由下位机传输 上来的数据并进行处理。目前以微机为主要技术的煤质分析仪器存在的缺陷是1)由于大 部分用户在使用煤质分析仪器时，都是24小时不间断使用。那么普通PC机在长时间运转 过程中容易出现不稳定的情况，比如死机、重启等，这样就会造成实验中断作废。2)目前普 通PC机大都安装的是Windows XP操作系统，容易受病毒的感染，导致数据丢失，甚至导致 运行速度慢且造成接收下位机数据错误等，最终造成实验结果错误。3)体积大、不能和煤质 分析仪器紧密结合。并且生产与维护成本较高。用户在购买煤质分析仪器时必须额外购买 一台PC机才能正常使用。因此，有必要提出一种运行稳定可靠，使用安全便捷的煤质分析 仪器，现代化科技的迅速发展，也为此提供了充分的技术支持。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提出一种以ARM技术和嵌入式操作系统WindowsCE为 核心的煤质分析智能数据处理终端，适用于煤质分析仪器箱型高温炉(马弗炉)、量热仪、 定硫仪、水份测定仪、灰熔点测定仪、工业分析仪等等，克服了现有单片机煤质分析仪器和 微机煤质分析仪器的缺陷。
本发明所采用的技术方案一种嵌入式煤质分析智能数据处理终端，包括控制模块，数据采集模块，ARM核心 处理模块，所述数据采集模块按照一定的时间周期和策略采集数据，并将获取的数据发送 到ARM核心处理模块；ARM核心处理模块接收数据采集模块发送的数据，经过处理后发出控 制命令到控制模块；所述控制模块接收ARM核心处理模块发送的控制命令，并根据这些控 制命令执行相应的操作，所述ARM核心处理模块的中央处理单元采用以ARM920T为核心的 S3C24系列嵌入式处理器中的任一种，所述嵌入式处理器分别通过相应的数据接口和控制 接口连接嵌入式专用SDRAM内存以及数据存储单元Nand Flash存储器，所述嵌入式处理器 通过相应的数据接口和控制接口连接显示处理模块，显示处理模块连接IXD液晶屏，IXD液 晶屏设有触摸屏作为人机界面，ARM核心处理模块通过其GPIO接口接收并通过GPIO驱动 获取来自数据采集模块的数据，并根据煤的工业分析方法国标中不同的实验过程对这些数 据进行相应的处理。所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，数据采集模块包括炉温采集模块，室 温采集模块，炉丝电流采集模块，电压采集模块；所述炉温、炉丝电流和电压采集模块输出 信号通过A/D转换电路连接ARM核心处理模块；其中，炉温采集模块用以采集马弗炉的炉内 温度；炉丝电流采集模块用以采集马弗炉炉丝的当前电流大小；电压采集模块用以采集马 弗炉的输入电压大小；室温采集模块采集热电耦冷端所处的环境温度。所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，ARM核心处理模块的中央处理单元采 用S3C2440嵌入式处理器，系统内存采用嵌入式专用的HY57V561620F 64MSDRAM，数据存储 单元采用256MB的Nand Flash存储器以存储系统数据和用户数据，所述嵌入式处理器含有 100M的以太网络接口以将仪器直接连入网络；所述嵌入式处理器含有I2S音频数据接口， 支持音频输出和话筒输入，以使用不同的声音提示系统的运行过程。所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，所述控制模块接收来自ARM核心处理 模块发送的控制命令，首先对这些控制命令进行分析，然后根据不同类型的控制命令调用 不同的命令处理模块进行处理，各个命令处理模块通过控制相应的硬件电路完成这些控制 命令；在ARM数据处理模块处理数据的过程中，对需要声音提示的则将声音数据发送到声 音处理模块，由声音处理模块播放声音；需要显示的数据则发送到显示处理模块，通过IXD 液晶屏将数据用曲线图、动画或表格的形式显示给用户。所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，操作系统采用Windows CE嵌入式操作 系统；采用C++面向对象编程语言编写系统，其中包括核心算法处理、图形界面、数据库处理。一种采用所述嵌入式煤质分析智能数据处理终端的智能一体化马弗炉，含有炉 体，与所述炉体匹配安装温度检测装置，炉丝电流检测装置，市电电压检测装置，所述的嵌 入式煤质分析智能数据处理终端和马弗炉一体设置，所述温度检测装置、炉丝电流检测装 置和市电电压检测装置分别连接嵌入式煤质分析智能数据处理终端的数据处理模块，嵌入 式煤质分析智能数据处理终端获取来自数据采集模块的数据，并根据煤的工业分析方法国 标中不同的实验过程对这些数据进行相应的处理。本发明的有益积极效果1、本发明智能数据处理终端提供了丰富的硬件资源，支持复杂的软件算法和图形处理，更加保证实验过程的稳定性，实验结果的准确性。由于本发明采用了低功耗的嵌入式 处理器，特别适合长时间连续工作的环境。体积较小，可以方便的嵌入或者外挂在箱型高温 炉(马弗炉)、量热仪、定硫仪、水分测定仪、灰熔点测定仪、工业分析仪中。系统采用了当今 市场上流行的ARM920T为核心的嵌入式处理器S3C2440为主要处理单元。ARM9系列的微 处理器有以下特点采用了 5级整数流水线、指令执行效率更高；提供1. lMIPS/MHz的哈佛 结构；支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集；支持32位的高速AMBA总线接口 ； 全性能的MMU，支持多种嵌入式操作系统。S3C2440内部集成了 USB模块，可以支持各种USB 设备。S3C2440内部集成了 SD模块，可以支持最大2GB的SD卡的读写操作。S3C2440内部 集成了摄像头模块，可以连接不同型号的摄像头。2、本发明智能数据处理终端，系统采用了嵌入式专用的HY57V561620F 64MSDRAM 作为系统运行的内存，可以很好的支持实时曲线图、各种物理量的监测图的处理。本系统采 用256MB的Nand Flash存储数据，其中包括系统数据和用户数据。提供完善的数据处理和 存储大量数据的功能。使用户方便的对数据进行添加、查询、删除、分析等操作。并且支持 拷贝这些数据以便后期进行再处理。3、本发明智能数据处理终端提供了 100M的以太网络接口，可以将仪器直接连入 网络，将实验数据通过网络发送到指定地点。提供互联网远程监控的功能，实时记录仪器的 运行状况。如果仪器出现问题，生产厂家售后服务人员可通过互联网远程登录仪器并获取 运行状况记录信息。通过观察这些信息来判断仪器出现问题的原因。提供多线程处理，用 户在整个实验过程中可以使用计算器、报表编辑器、数据处理、查看电子版的国家标准等。4、本发明智能数据处理终端采用I2S音频数据接口，支持音频输出和话筒输入。 可外接音响，使用不同的声音提示系统的运行过程。提供多达10几种mp3音乐提示，可外 接各种音响。使用户清楚的了解当前的实验情况。系统采用了 LCD液晶屏、触摸屏(四线 电阻式)作为人机界面。提供一套支持触摸的专业的用户界面，采用曲线图、2D动画等方式 使整个实验过程中的重要信息一目了然，使用户能根据这些信息快速做出响应。5、本发明智能数据处理终端，采用Windows CE操作系统，Windows CE操作系统是 目前嵌入式主流操作系统之一。这种操作系统的运行方式根本不会受病毒的感染。它以超 强的性能、灵活的自定制等特点广泛的应用于各种高科技产品中。本系统的软件部分有下 列技术特点采用Windows CE操作系统可定制的特点，将Windows CE操作系统进行了完全 定制，只保留了最适合本系统使用的Windows CE资源。使系统运行达到最优化。采用C++ 面向对象编程语言编写系统，其中包括核心算法处理、图形界面、数据库处理等。当然，由于ARM嵌入式系列具有体积小、底功耗等技术特点，所以在硬件资源上没 有PC机丰富，在运行一些复杂的3D图形处理时没有PC机效果好。6、本发明智能数据处理终端适用于煤质分析仪器箱型高温炉(马弗炉)、量热 仪、定硫仪、水份测定仪、灰熔点测定仪、工业分析仪等等，克服了现有单片机煤质分析仪器 和微机煤质分析仪器的缺陷。
四
图1 本发明智能数据处理终端结构原理示意2 本发明智能数据处理终端硬件控制模块控制流程
图3 本发明智能数据处理终端数据采集模块结构原理示意4 本发明智能数据处理终端核心处理模块数据处理流程图5 采用本发明智能数据处理终端的智能一体化马弗炉电路结构框6 智能一体化马弗炉采样电路原理7 智能一体化马弗炉控制电路原理8 本发明智能数据处理终端电源模块原理9-1 数据采集模块热电偶温度采集电路图9-2 数据采集模块室温度采集电路图10-1 数据采集模块炉丝电流采集电路图10-2 数据采集模块市电电压采集电路图11 硬件控制模块固态继电器控制电路图12 :D/A控制电流输出电路图13 基准电压源电路图14:A/D转换电路图15 :ARM核心处理单元接口电路图16 音频电路图17 :ARM核心处理单元电源电路图 18:USB 接 口电路图 19:GPI0 接 口电路图20-1、20-2 :LCD显示模块接口电路
五具体实施例方式实施例一参见图1 图4，本发明嵌入式煤质分析智能数据处理终端，包括硬件 控制模块，数据采集模块，ARM核心处理模块，所述数据采集模块按照一定的时间周期和策 略采集数据，并将获取的数据发送到ARM核心处理模块；ARM核心处理模块接收数据采集 模块发送的数据，经过处理后发出控制命令到控制模块；硬件控制模块接收ARM核心处理 模块发送的控制命令，并根据这些控制命令执行相应的操作，所述ARM核心处理模块的中 央处理单元采用以ARM920T为核心的S3C24系列嵌入式处理器中的任一种，所述嵌入式处 理器分别通过相应的数据接口和控制接口连接嵌入式专用SDRAM内存以及数据存储单元 NandFlash存储器，所述嵌入式处理器通过相应的数据接口和控制接口连接显示处理模块， 显示处理模块连接IXD液晶屏，IXD液晶屏设有触摸屏作为人机界面，ARM核心处理模块通 过其GPIO接口接收并通过GPIO驱动获取来自数据采集模块的数据，并根据煤的工业分析 方法国标中不同的实验过程对这些数据进行相应的处理。所述数据采集模块包括炉温采集 模块，室温采集模块，炉丝电流采集模块，电压采集模块；所述炉温、炉丝电流和电压采集模 块输出信号通过A/D转换电路连接ARM核心处理模块；其中，炉温采集模块用以采集马弗炉 的炉内温度；室温采集模块用以采集热电耦冷端所处的环境温度；炉丝电流采集模块用以 采集马弗炉炉丝的当前电流大小；电压采集模块用以采集马弗炉的输入电压大小。实施例二 参见图1 图4，本实施例的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，同实 施例一基本相同。不同之处是ARM核心处理模块的中央处理单元采用S3C2440嵌入式处
6理器，系统内存采用嵌入式专用的HY57V561620F 64M SDRAM，数据存储单元采用256MB的 Nand Flash存储器以存储系统数据和用户数据，所述嵌入式处理器含有100M的以太网络 接口以将仪器直接连入网络，可将实验数据通过网络发送到指定地点；所述嵌入式处理器 含有I2S音频数据接口，支持音频输出和话筒输入，以使用不同的声音提示系统的运行过程。所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，控制模块接收来自ARM核心处理模块 发送的控制命令，首先对这些控制命令进行分析，然后根据不同类型的控制命令调用不同 的命令处理模块进行处理，各个命令处理模块通过控制相应的硬件电路完成这些命令；在 ARM数据处理模块处理数据的过程中，对需要声音提示的则将声音数据发送到声音处理模 块，由声音处理模块播放声音；需要显示的数据则发送到显示处理模块，通过IXD液晶屏将 数据用曲线图、动画或表格的形式显示给用户。所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端， 操作系统采用Windows CE嵌入式操作系统；采用C++面向对象编程语言编写系统，其中包 括核心算法处理、图形界面、数据库处理。实施例三参见图5 图7。图5为嵌入式煤质分析智能数据处理终端总的电路 原理框图，图6、图7分别为为其中采样部分和控制部分电路原理示意图。采用上述嵌入式煤质分析智能数据处理终端的智能一体化马弗炉，其电气控制及 处理部分的核心就是煤质分析智能数据处理终端。与所述马弗炉炉体匹配安装温度检测装 置，炉丝电流检测装置，市电电压检测装置，所述嵌入式煤质分析智能数据处理终端和马弗 炉一体设置，所述温度检测装置、炉丝电流检测装置和市电电压检测装置分别连接嵌入式 煤质分析智能数据处理终端的数据处理模块，嵌入式煤质分析智能数据处理终端获取来自 数据采集模块的数据，并根据煤的工业分析方法国标中不同的实验过程对这些数据进行相 应的处理。图8 图20-1、图20-2为本发明嵌入式煤质分析智能数据处理终端(马弗炉)的 电气组成部分电连接及电原理图。列举的本实施例电路中，电源模块ST7805还可以采用LM7805或CW7805等，提 供5V直流电压输出，ST7905可以采用LM7905、CW7905等，提供-5V直流电压输出，其中 比较器除了采用LM393外，还可以采用LM358、LM211等；其余如74LS11可采用74HC11替 换，TLC5615可采用MAX7541或TLC2543替换，ICL7650可采用5G7650替换，A/D转换模块 ICL7135也可采用AD7705，NE555时钟模块可以采用5G555、CC7555等，MC1403还可以采用 AD580、REF25 等，NE5532 可以采用 LF412、NE5534 等，DS18B20 可以采用 LM35DZ 等等，核心 处理器可以采用S3C24系列任意一款ARM，以构成不同具体电路结构的实施例。本发明马弗炉炉体温度经K值热电偶将温度转换为相应的电压信号，经二阶RC低 通滤波器滤除干扰和噪声，再由运算放大器将温度信号放大，经AD转换后，将数字量送到 ARM的GPIO 口读取温度值。热电偶的冷端补偿方法采用冷端温度修正法，因为热电偶的分度表是以冷端温度 0度为基准测出的热电动势，而实际使用过程中，冷端温度一般不为0度，所以必须对冷端 温度进行处理。本系统采用数字温度传感器DS18B20作为冷端补偿元件，通过采样冷端温 度来修正温度值。炉丝电流的采集通过穿在炉丝回路中的电流互感器来实现，电流互感器将炉丝的电流变成相应的电动势，经过整流放大后送给AD，将转换后的数字量送到ARM的GPIO 口读 取电流值。市电电压经分压电阻，整流滤波后送给AD。 控制部分可控硅的触发方式采用移相触发，通过控制可控硅的导通角来控制炉子 的加热功率，所以必须对市电零点采样，也就是可控硅的同步触发信号。同步信号处理后变 为尖脉冲，尖脉冲的触发时间由模拟量来控制，ARM发出的控制量经D/A转换后，变为模拟 量来控制可控硅的导通角，来实现炉子的加热功率的控制。电源部分采用220V市电进变压 器变压，整流滤波，稳压，为系统提供士5V、3. 3V的电压。
权利要求
一种嵌入式煤质分析智能数据处理终端，包括控制模块，数据采集模块，ARM核心处理模块，所述数据采集模块按照一定的时间周期和策略采集数据，并将获取的数据发送到ARM核心处理模块；ARM核心处理模块接收数据采集模块发送的数据，经过处理后发出控制命令到控制模块；所述控制模块接收ARM核心处理模块发送的控制命令，并根据这些控制命令执行相应的操作，其特征是所述ARM核心处理模块的中央处理单元采用以ARM920T为核心的S3C24系列嵌入式处理器中的任一种，所述嵌入式处理器分别通过相应的数据接口和控制接口连接嵌入式专用SDRAM内存以及数据存储单元Nand Flash存储器，所述嵌入式处理器通过相应的数据接口和控制接口连接显示处理模块，显示处理模块连接LCD液晶屏，LCD液晶屏设有触摸屏作为人机界面，ARM核心处理模块通过其GPIO接口接收并通过GPIO驱动获取来自数据采集模块的数据，并根据煤的工业分析方法国标中不同的实验过程对这些数据进行相应的处理。
2.根据权利要求1所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，其特征是数据采集模 块包括炉温采集模块，室温采集模块，炉丝电流采集模块，电压采集模块；所述炉温、炉丝电 流和电压采集模块输出信号通过A/D转换电路连接ARM核心处理模块；其中，炉温采集模块 用以采集马弗炉的炉内温度；炉丝电流采集模块用以采集马弗炉炉丝的当前电流大小；电 压采集模块用以采集马弗炉的输入电压大小；室温采集模块采集热电耦冷端所处的环境温 度。
3.根据权利要求1或2所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，其特征是ARM 核心处理模块的中央处理单元采用S3C2440嵌入式处理器，系统内存采用嵌入式专用的 HY57V561620F 64MSDRAM,数据存储单元采用256MB的NandFlash存储器以存储系统数据和 用户数据，所述嵌入式处理器含有100M的以太网络接口以将仪器直接连入网络；所述嵌入 式处理器含有I2S音频数据接口，支持音频输出和话筒输入，以使用不同的声音提示系统 的运行过程。
4.根据权利要求3所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，其特征是所述控制模 块接收来自ARM核心处理模块发送的控制命令，首先对这些控制命令进行分析，然后根据 不同类型的控制命令调用不同的命令处理模块进行处理，各个命令处理模块通过控制相应 的硬件电路完成这些控制命令；在ARM数据处理模块处理数据的过程中，对需要声音提示 的则将声音数据发送到声音处理模块，由声音处理模块播放声音；需要显示的数据则发送 到显示处理模块，通过IXD液晶屏将数据用曲线图、动画或表格的形式显示给用户。
5.根据权利要求4所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端，其特征是操作系统采 用Windows CE嵌入式操作系统；采用C++面向对象编程语言编写系统，其中包括核心算法 处理、图形界面、数据库处理。
6.一种采用如权利要求1所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端的智能一体化马 弗炉，含有炉体，与所述炉体匹配安装温度检测装置，炉丝电流检测装置，市电电压检测装 置，其特征是所述的嵌入式煤质分析智能数据处理终端和马弗炉一体设置，所述温度检测 装置、炉丝电流检测装置和市电电压检测装置分别连接嵌入式煤质分析智能数据处理终端 的数据处理模块，嵌入式煤质分析智能数据处理终端获取来自数据采集模块的数据，并根 据煤的工业分析方法国标中不同的实验过程对这些数据进行相应的处理。
全文摘要
本发明涉及一种煤质分析处理系统，特别是涉及一种嵌入式煤质分析智能数据处理终端及其智能一体化马弗炉。嵌入式煤质分析智能数据处理终端包括控制模块，数据采集模块，ARM核心处理模块，数据采集模块将采集的数据发送到ARM核心处理模块；ARM核心处理模块接收数据采集模块发送的数据，经过处理后发出控制命令到控制模块；控制模块接收ARM核心处理模块发送的控制命令，并根据这些控制命令执行相应的操作。本发明智能数据处理终端提供了丰富的硬件资源，支持复杂的软件算法和图形处理，保证实验过程的稳定性和实验结果的准确性，适用于各种煤质分析仪器如箱型高温炉(马弗炉)、量热仪、定硫仪等，克服了现有单片机煤质分析仪器和微机煤质分析仪器的缺陷。
文档编号G01N33/22GK101937215SQ20101023314
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者原喜亮, 王进军, 闫海 申请人:鹤壁市金宏实验设备有限公司