摘 要：基于SOPC的在線分析儀器平臺從數(shù)據(jù)采集到顯示已經(jīng)可以完成分析儀器的基本功能。通過添加與上位機的通信來方便數(shù)據(jù)的驗證和平臺與網(wǎng)絡(luò)的鏈接以及數(shù)據(jù)傳輸，從而在非線性驗證和TCP/IP通訊方面實現(xiàn)對上位機的信息管理，同時驗證了基于SOPC的在線分析儀器智能平臺的數(shù)據(jù)處理。

　　0 引 言

　　基于SOPC 的在線分析儀器平臺從數(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、顯示、傳送等要求逐漸提高，以及方便儀器與PLC、DCS 等生產(chǎn)過程自動化的儀表相連，有必要為分析儀器設(shè)計信息管理系統(tǒng)。

　　1 信息管理系統(tǒng)界面設(shè)計

　　測量界面采用雙緩存圖片。把一個圖像作為緩存，兩個圖像就是雙緩存了。一個作為前臺緩存，一個作為后臺緩存。即：

　　創(chuàng)建一個繪制緩沖區(qū)，以bufImage 表示，先將主要的圖形元素一個一個地繪制到此緩沖圖像上，再將此緩沖圖像性繪到代表屏幕的Graphics 對象上。

　　本設(shè)計在Visual C++ 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 等各種開發(fā)語言。

　　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)計中也采用了復(fù)合文件，結(jié)構(gòu)化存儲，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、非線性驗證、TCP/IP 傳輸?shù)?。主界面如圖1 所示，對應(yīng)的分析儀器測量界面如圖2 所示。

　　1.1 系統(tǒng)登錄界面

　　系統(tǒng)登錄界面用戶分為兩級：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，程序會在數(shù)據(jù)庫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)用戶的級別分配權(quán)限，然后進(jìn)入主界面等待用戶下一步的操作。

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

　　1.2 用戶管理

　　管理員可以通過“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)實際情況，點擊列表頭可以實現(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。

　　1.3 成分選擇

　　通過圖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（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。因為比較常用的氣體單位為“%”和“ppm”,所以單位設(shè)置了這兩個選擇。選擇確定后，在測量界面也會有相應(yīng)的更新。

　　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。

　　1.5 非線性驗證

　　本設(shè)計采用5 次方程代替能斯特方程的方法來求出氣體組分含量，并在上位機通信這一塊設(shè)計了直接利用能斯特方程來驗證數(shù)據(jù)，這一驗證方法對于用戶來說更具有說服力。圖6 所示是系統(tǒng)的非線性驗證界面。

　　其中C++ 中部分代碼如下：

　　1.6 TCP/IP 傳輸

　　TCP/IP 傳輸是方便數(shù)據(jù)能夠通過互聯(lián)網(wǎng)把實時數(shù)據(jù)傳到本地監(jiān)控中心或環(huán)境監(jiān)測中心，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，可以利用 NiosII 這個用戶可定制的CPU 來增加新的外設(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IE 瀏覽器訪問服務(wù)器，瀏覽存儲在Flash 中的信息。根據(jù)Web 服務(wù)器的原理， Altera公司新提供的Nichestack TCP/IP Stack 協(xié)議設(shè)計實現(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。

　　由于設(shè)計采用了Altera 公司低端的一款FPGA,數(shù)據(jù)存儲能力比較有限，所以在設(shè)計中通過RS232 讀出數(shù)據(jù)，再通過上位機傳輸給網(wǎng)絡(luò)。TCP/IP 通訊功能已經(jīng)在某公司實時監(jiān)控視頻傳輸中成功實現(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)調(diào)試和數(shù)據(jù)驗證

　　圖8 所示是二乘法擬合氧含量和輸出電壓的曲線圖。

　　操作時可選取10 個數(shù)據(jù)點，在常用的Excel 中實現(xiàn)二乘曲線擬合。（x,y）是根據(jù)樣氣濃度選擇的待測氣體的測量點，x 為傳感器輸出電壓值，y 為對應(yīng)的樣氣中的氧含量值，n為擬合多項式的次數(shù)。其中x 和y 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 即二次多項式擬合開始，經(jīng)過試驗，當(dāng)n=5 時，即擬合多項式的格式為：

　　設(shè)計以該5 次方程替代能斯特方程，能夠地計算出氧氣含量，滿足儀器設(shè)計要求[3].Excel 二乘法實現(xiàn)氧含量與對應(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。擬合多項式系數(shù)和擬合評定如表1所列。

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

　　由表2 可見，用二乘原理擬合曲線代替能斯特計算公式，儀器測量的氧含量整體誤差小于0.5%,達(dá)到0.5 級表的要求。換幾組氣測試，測試結(jié)果也在誤差范圍內(nèi)。其測試結(jié)果如表3 所列。

　　3 結(jié) 語

　　本文首先對上位機的信息管理的做了部分設(shè)計，包括了非線性驗證和TCP/IP 通訊的實現(xiàn)；然后對基于SOPC 的在線分析儀器智能平臺的數(shù)據(jù)處理做了驗證，結(jié)果表明，本儀表能達(dá)到0.5 級表的要求。（作者：唐詠，劉書凱）