摘  要： 針對稀土熔鹽電解生產中存在的主要問題和實際中應用的要求，在無線通信的基礎上提出了一種基于ARM7的監測系統。系統中，以nRF905為無線通信射頻收發芯片，ARM7和單片機為主機和從機的處理器，實現系統的可靠性和實用性。
關鍵詞： 熔鹽電解；監測系統；無線通信

　由于稀土熔鹽電解法制取工藝過程簡單，生產效率高，工業生產中一般采用熔鹽電解法制取混合稀土金屬和單一稀土[1]。隨著科技的發展，對稀土生產的要求越來越高，稀土熔鹽電解過程的智能控制有利于避免操作過程中人為因素帶來的許多弊端，特別是有的稀土金屬貴如黃金，生產的過程中也要做好防盜。同時在稀土熔鹽電解的近距離環境中會產生有毒氣體和放射性物質，對生產工人身體健康產生危害[2]。目前國內已經投入稀土熔鹽電解生產監測和無線定位通信系統有很多種，但現有的產品無論是使用還是維護上都需要較高的技術支撐，并要求配備足夠的專職工作人員。這需要耗資大量的人力和物力來支撐。參考文獻[3]給出了一種自動控制稀土熔鹽電解爐溫度裝置，但只靠單一的參量很難做到測控的精確性和穩定性。因此，本系統針對稀土生產中存在的諸多問題，采用多參量監測，創新性的將一種實用性強、研發成本低、使用維護簡便、安全可靠的生產監測無線通信系統應用到稀土生產中。
1 系統總體設計
　本系統主要監測溫度和電壓兩個變量，由主控部分、監測部分和無線通信部分組成，主控部分采用性能相對較高的ARM7LPC2103處理器芯片來控制，監測部分采用價格較低的STC89C52來控制。由于電流密度和槽電壓成正比，通過監測槽電壓波動來判斷電解槽的穩定性，用溫度傳感器來監測溫度，同時用LCD來顯示溫度、電壓和計數防盜監測。主控和監測通過無線通信來實現信號的發送與接收，基于ARM7的監測系統，用nRF905射頻收發芯片進行數據通信。同時主控端ARM7與PC機通過用RS232直接通信，實現數據的保存和監測，如圖1所示。

2 硬件電路及理論分析
　稀土熔鹽電解槽的槽電壓包括：分解電壓、結構電壓降和熔體電壓降。結構壓降基本為固定值±2.9 V，而熔體壓降與溫度有關，通過溫度傳感器來設定適合的值，根據這些可以用電壓波動監測和溫度傳感器來判定電解槽的生產情況。

　每個從機都帶有液晶顯示和聲光報警，考慮經濟適用因素，本系統從機顯示模塊采用LCD1602，顯示計數、時間、故障原因，圖4為LCD1602原理圖。當出現故障時聲光報警器報警，查看LCD液晶來知道故障的原因。

3 實現方法
　由于STC89C52單片機不具有SPI接口，而nRF905射頻收發模塊是通過SPI接口由MCU控制，所以只能通過MCU的I/O口來模擬SPI總線接口，實現無線通信系統的設計。發射裝置中，STC89C52與nRF905連接方法如圖5所示。選用MCU的P0.2模擬數據輸出端MOSI，P0.3模擬數據輸入端MISO，P0.1模擬SCK的輸出端，P0.0模擬從機選擇端CSN，由程序清零此I/O口，使與它通信的nRF905做從機，采用SPI進行數據傳送時，在SCK的每個下降沿將MCU配置nRF905的命令和數據通過MOSI引腳移入，在SCK的每個上升沿將傳給MCU的數據從MISO引腳移出。所以，將串行時鐘輸出口P0.1的初始狀態置為低電平，選通從機P0.0=0低電平后，再置P2.2為高電平，這樣MCU在輸出1位SCK時鐘的同時，將使nRF905中數據串行左移，從而輸出一位數據在MCU的P0.3口，再置P0.1=0，使MCU從P0.2輸出一位數據至nRF905，這樣完成模擬1位數據的傳輸。如此重復上述步驟8次，完成通過SPI總線傳輸1 bit的操作。nRF905有5個內部寄存器，分別是狀態寄存器、RF配置寄存器、發送地址寄存器、發送數據寄存器和接收數據寄存器，這5個寄存器通過MCU軟件模擬的SPI接口來配置，同時MCU對nRF905的工作模式進行切換控制。單片機與nRF905連接如圖5所示。

4 通信協議
　主機和從機之間是一個簡單的多點對一點通信，比特率設置為9 600 b/s，nRF905采用輪詢的方式進行主機與從機之間的無線通信，通過地址碼確定從機，保證主機與各從機之間數據的單向通信。
當無線數據接收到來自PC機串行口的數據后，判斷是發送數據還是接收數據。當發送數據時，單片機控制數據節點，地址和數據通過SPI接口傳送給nRF905射頻芯片，TRX-CE=1時無線系統自動上電，將要發送的數據送至緩沖區，然后啟動打包程序，將自動生成起始碼和CRC校驗碼的數據包發送出去，并以GPSK方式調制成模擬信號，最后經射頻放大器放大以后用天線將其發送出去。接收端發現有和接收頻率相同的載波時，載波檢測被置高電平（CE=1），當nRF905接收到地址時，地址匹配被置為高電平（AM=1），通過CRC校驗碼接收有效數據，通過SPI接口讀出有效數據，并以GFSK的方式調制成數字信號，傳送至存儲器中，通過串口傳送至PC中。當全部數據讀出后，nRF905進入其他3個模式。
　由于射頻無線通信的過程中沒有任何物理或者可見的接觸，通過電磁波的方式進行，因此雙方之間需建立安全和可靠的協議，以保證接收到有效的數據。發送數據包按照設定好的傳輸協議，減少噪聲信號的干擾，接收模塊從數據包中提取有效數據，實現雙方的通信有效和穩定。
5 系統軟件設計
　軟件主程序的設計主要負責各模塊的初始化，并協調各部分的工作，使各部分有條不紊。系統中，各監測點由單片機控制和采集4個稀土熔鹽電解爐的實時信息，當超過設定的穩定信息時，聲光報警器報警。LCD1602對溫度、電壓、計數的信息實時顯示，當報警時中斷處理顯示報警的原因。為了解決由于數碼跳變快，不易分辨等問題，程序設定每隔一段時間自動刷新。當定時器刷新時間未到時，按照程序順序執行，當到了刷新時間跳過顯示子程序，按當前時刻狀態顯示信息。當有報警信息時，進行優先處理。主程序和監測點流程圖如圖7和圖8所示。

　實驗證明，采用ARM7LPC2103做主機，用STC89C52做從機的無線數據通信，工作在433 MHz的ISM頻段。在有障礙條件下最遠傳輸距離可達120 m，穩定性好，抗干擾能力強。達到預期效果。通過PC機能實時比較準確、直觀地反映稀土熔鹽電解爐生產過程的信息。本系統具有智能化、操作簡單，可靠等特點。在稀土熔鹽電解生產環境中有更好的實用價值。
參考文獻
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