0 引言

    在水泥生產過程中，最重要的工藝環節是水泥熟料的煅燒，回轉窯是實現水泥熟料煅燒的核心設備，它的運轉情況直接關系到熟料的產量、質量和原料、燃料消耗。溫度過高、熱振蕩過大會引起回轉窯窯襯的損壞，嚴重時還會殃及窯胴體，回轉窯生產熟料的過程中，決定窯能否優質、高產、低消耗地生產和安全運轉的關鍵因素是窯襯。有鑒于此，在窯運轉過程中，實時地了解窯內狀況，及時采取相應的措施，防止窯襯及窯胴體損壞是回轉窯實現經濟運行的重要保證。

    回轉窯在運行過程中是不停地回轉的，其回轉速度不斷變化；窯胴體表面溫度是一個多變量函數，它不但與時間、窯軸向位置、窯胴體表面周向位置等因素相關，還受環境溫度及其它因素的影響，因此，窯胴體表面溫度不同于其他熱工參數，難以用常規的檢測手段來檢測和顯示。

    本設計采用ARMLPC2119芯片及μC/OS-II操作系統，快速紅外測溫掃描儀對回轉窯胴體溫度進行實時、連續的測量，測量數據處理后，可以根據窯正常運行的胴體表面不同區段的溫度范圍，設定報警溫度。窯運行過程中，胴體表面任意一處實際溫度超過正常溫度時，系統立即給出報警信號。

1 紅外輻射測溫原理簡介

    溫度高于絕對零度的物體，它就在不停地向周圍空間輻射電磁波。這種由于物體內部的帶電粒子在原子和分子內振動而產生的電磁波，稱為熱輻射。熱輻射只是整個電磁波的一個組成部分，熱輻射電磁波是由波長相差很大的紅外線、可見光、紫外線所組成。紅外輻射一般指波長在0．75～1000μm之間的熱輻射。普朗克黑體輻射模型是紅外輻射理論的出發點，絕對黑體的輻射能力與波長(λ)及溫度(T)之間的函數關系如式(1)所示：
    
    依據這一公式，我們可以繪制出在不同的絕對溫度(T)下，絕對黑體的單色輻射亮度(Lλ)與波長(λ)的函數曲線如圖1所示。

    由圖1可知：

    (1)隨著溫度的升高，輻射能量增加。這是紅外輻射測溫的理論依據。

    (2)隨著溫度的升高，輻射波峰向短波方向移動，其規律由維恩位移定律描述。
    λm·T=2898μm·K。通過維恩定律公式計算出的與某一確定的T所對應的λm就是輻射波峰所對應的波長。

    (3)輻射能量在短波長處隨溫度增加比長波長處快。

2 系統硬件設計

2. 1 系統組成

    本監測系統由快速紅外測溫掃描儀、窯回轉同步信號發生器與嵌入式系統構成。如圖2所示。

    快速紅外測溫掃描儀是一種具有快速掃描功能的紅外輻射測溫儀，安裝在距回轉窯30～100m處的適當位置，掃描角度為90°。它的旋轉掃描器通過光學系統接收來自回轉窯胴體表面一個特定區域(稱為測量元)的紅外輻射，測量元沿平行于回轉窯軸線的方向呈直線狀排列?？焖偌t外測溫掃描儀沿回轉窯軸線的方向每秒鐘掃描150次，回轉窯每轉一圈，產生200～400個完整掃描。某一個掃描得到的是：代表回轉窯胴體表面某一個狹窄區域溫度分布的電壓信號和基準溫度的電壓信號，這些數據再經過相關處理就可以得到回轉窯內某一區段的工況。如窯皮均勻與否、結圈情況、窯皮或窯襯脫落位置、熱斑的范圍等信息。

    窯同步基準信號發生器在回轉窯每轉一整圈時，產生一個用作同步基準的同步脈沖，送入嵌入式系統。嵌入式系統以同步脈沖為基準，采集窯的溫度數據。

2．2 嵌入式系統硬件設計

    本嵌入式系統以LPC2119為核心，由最小系統、輸入通道和輸出通道等構成，其硬件結構圖如圖3所示。

2．2．1 最小工作系統

    最小工作系統以PHILIPS公司的LPC2000系列ARM7微控制器LPC2119為核心，采用11．0592MHz晶振，并利用MAX708SD組成復位電路，它包含一個看門狗定時器、一個微處理器復位模塊、一個供電失敗比較器及一個手動復位輸入模塊。系統電源采用78M05、LMlll7-3．3、LMlll7-1．8三種電路產生所需的工作電壓。

2．2．2 輸入通道設計

    輸入通道主要傳輸窯同步信號，采用TLP52l-2光電器件進行隔離，同時采用三極管限流防止外部接線短路。輸入通道如圖4所示。

2．2．3 輸出通道設計

    輸出采用數碼管動態顯示回轉窯各區段溫度及工況，共計5位共陰極數碼管組成狀態顯示電路，由單向總線緩沖器74HC244提供段驅動，由反向緩沖器7406提供位驅動，輸出通道電路如圖5所示。

3 嵌入式系統軟件設計

    系統采用μC／OS-II操作系統作為應用軟件的平臺，可以避免傳統的前后臺程序設計時伴隨系統功能增加而造成程序編寫量呈指數增加以及資源調度不當發生的死鎖現象，同時也提高了系統的實時性和可靠性。

3．1 μC／OS-II的移植

    μC／OS-II是一個源碼開放的嵌入式多任務實時操作系統內核。其核心代碼結構簡潔精練，具有足夠的穩定性和安全性。μC／OS-II的移植對處理器有一定的要求，比如必須具有響應中斷的能力，并具有開關中斷的指令，處理器必須可支持一定數量的硬件堆棧，并且應該有對堆棧指令進行讀／寫操作的指令等。同時，移植時編譯器應該具有產生可重入代碼的能力。本設計所選用的處理器LPC2119以及開發工具ADSl．2能滿足移植要求。μC／OS-II的文件系統結構包括核心代碼部分、配置代碼部分、處理器相關代碼部分。其中處理器相關代碼部分是移植時需要修改的部分，它包括OS_CPU．H、OS_CPU_C．C、OS_CPU_A．S 3個文件，OC_CPU．H包括數據類型定義、堆棧單位定義、堆棧增長方向定義、關中斷和開中斷宏定義等。

    OS_CPU_C．C包含6個函數，其中，OSInetEnter()是任務堆棧初始化函數，是必需的，其他5個函數都是鉤子函數，可以為空。

    OS_CPU_A．S這部分需要對處理器和寄存器進行操作，用匯編語言編寫，包括四個函數：OSStartHighRdy()函數被OSStart()調用，使就緒的最高優先級任務運行：OSCtwSw()在任務級切換函數中調用，保存任務環境變量，將當前SP存入TCB中，載入就緒最高優先級任務的SP，中斷返回等；OSIntCtxSw()在退出中斷服務函數OSIntExit()中調用，實現中斷級任務的切換；OSTicklSR()是系統時鐘節拍中斷服務函數，它為內核提供時鐘節拍，頻率越高系統負荷越重；使用硬件定時器作為時鐘中斷源，定時中斷頻率一般為10～100Hz。

3．2 用戶任務設計

    嵌入式系統中，合理的劃分任務及優先級，不但能簡化軟件設計的復雜性、任務調度的正確性，而且還能增強系統的穩定性、健壯性以及實時性。

    本系統軟件主要功能有：a．回轉窯工況顯示：b．溫度數據關聯處理；c．窯同步信號采集；d．回轉窯胴體溫度掃描。

    基于μC／OS-II實時操作系統，根據回轉窯胴體溫度監測系統的功能要求，劃分了任務以及優先級，任務優先級取偶數，為以后系統升級留下空間。如表1所示。

    TaskSart()是μC／OS-II初始化后運行的第一個任務，由它來創建自動信號系統的其他任務，該任務執行一次后刪除，自身不再執行。Task_TemScan()任務對回轉窯胴體溫度掃描，Task_Synlnput()對回轉窯同步信號采集，Task_TemDataAccess()任務對掃描得到的溫度數據進行關聯處理，生成窯橫向、縱向溫度分布數據，TasK_StaDisplay()任務顯示回轉窯各區段工況，Task_Clock()任務系統實時時鐘，各任務關系如圖6所示。

    在起始任務中，建立郵箱、信號量以及各個任務；郵箱及信號量如下：

    Syn_Input=OSSemCreate(0)；同步信號采集啟動信號量
    Tem Scan=OSSemCreate(0)；溫度掃描啟動信號量
    Tem Data=OSSemCreate(0)；溫度數據關聯處理啟動信號量
    TC Mbox=OSMboxCreate((void*)(0))：回轉窯工況顯示郵箱

    軟件流程框圖如圖7所示。

4 結論

    (1)ARM系列微處理器LPC2119及實時操作系統μC／OS-II應用于水泥回轉窯胴體溫度監測系統設計中，增加了系統的實時性、可靠性及靈活性。

    (2)基于LPC2119和μC／OS-II的水泥回轉窯胴體溫度監測系統各項功能已初步得到驗證。