摘  要： 針對(duì)稀土熔鹽電解生產(chǎn)中存在的主要問(wèn)題和實(shí)際中應(yīng)用的要求，在無(wú)線(xiàn)通信的基礎(chǔ)上提出了一種基于ARM7的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)中，以nRF905為無(wú)線(xiàn)通信射頻收發(fā)芯片，ARM7和單片機(jī)為主機(jī)和從機(jī)的處理器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。
關(guān)鍵詞： 熔鹽電解；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；無(wú)線(xiàn)通信

　由于稀土熔鹽電解法制取工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，生產(chǎn)效率高，工業(yè)生產(chǎn)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(fā)展，對(duì)稀土生產(chǎn)的要求越來(lái)越高，稀土熔鹽電解過(guò)程的智能控制有利于避免操作過(guò)程中人為因素帶來(lái)的許多弊端，特別是有的稀土金屬貴如黃金，生產(chǎn)的過(guò)程中也要做好防盜。同時(shí)在稀土熔鹽電解的近距離環(huán)境中會(huì)產(chǎn)生有毒氣體和放射性物質(zhì)，對(duì)生產(chǎn)工人身體健康產(chǎn)生危害[2]。目前國(guó)內(nèi)已經(jīng)投入稀土熔鹽電解生產(chǎn)監(jiān)測(cè)和無(wú)線(xiàn)定位通信系統(tǒng)有很多種，但現(xiàn)有的產(chǎn)品無(wú)論是使用還是維護(hù)上都需要較高的技術(shù)支撐，并要求配備足夠的專(zhuān)職工作人員。這需要耗資大量的人力和物力來(lái)支撐。參考文獻(xiàn)[3]給出了一種自動(dòng)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(cè)控的精確性和穩(wěn)定性。因此，本系統(tǒng)針對(duì)稀土生產(chǎn)中存在的諸多問(wèn)題，采用多參量監(jiān)測(cè)，創(chuàng)新性的將一種實(shí)用性強(qiáng)、研發(fā)成本低、使用維護(hù)簡(jiǎn)便、安全可靠的生產(chǎn)監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)應(yīng)用到稀土生產(chǎn)中。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)溫度和電壓兩個(gè)變量，由主控部分、監(jiān)測(cè)部分和無(wú)線(xiàn)通信部分組成，主控部分采用性能相對(duì)較高的ARM7LPC2103處理器芯片來(lái)控制，監(jiān)測(cè)部分采用價(jià)格較低的STC89C52來(lái)控制。由于電流密度和槽電壓成正比，通過(guò)監(jiān)測(cè)槽電壓波動(dòng)來(lái)判斷電解槽的穩(wěn)定性，用溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)溫度，同時(shí)用LCD來(lái)顯示溫度、電壓和計(jì)數(shù)防盜監(jiān)測(cè)。主控和監(jiān)測(cè)通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)送與接收，基于A(yíng)RM7的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用nRF905射頻收發(fā)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。同時(shí)主控端ARM7與PC機(jī)通過(guò)用RS232直接通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的保存和監(jiān)測(cè)，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(jié)構(gòu)電壓降和熔體電壓降。結(jié)構(gòu)壓降基本為固定值±2.9 V，而熔體壓降與溫度有關(guān)，通過(guò)溫度傳感器來(lái)設(shè)定適合的值，根據(jù)這些可以用電壓波動(dòng)監(jiān)測(cè)和溫度傳感器來(lái)判定電解槽的生產(chǎn)情況。

　每個(gè)從機(jī)都帶有液晶顯示和聲光報(bào)警，考慮經(jīng)濟(jì)適用因素，本系統(tǒng)從機(jī)顯示模塊采用LCD1602，顯示計(jì)數(shù)、時(shí)間、故障原因，圖4為L(zhǎng)CD1602原理圖。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)聲光報(bào)警器報(bào)警，查看LCD液晶來(lái)知道故障的原因。

3 實(shí)現(xiàn)方法
　由于STC89C52單片機(jī)不具有SPI接口，而nRF905射頻收發(fā)模塊是通過(guò)SPI接口由MCU控制，所以只能通過(guò)MCU的I/O口來(lái)模擬SPI總線(xiàn)接口，實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。發(fā)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(shù)據(jù)輸出端MOSI，P0.3模擬數(shù)據(jù)輸入端MISO，P0.1模擬SCK的輸出端，P0.0模擬從機(jī)選擇端CSN，由程序清零此I/O口，使與它通信的nRF905做從機(jī)，采用SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，在SCK的每個(gè)下降沿將MCU配置nRF905的命令和數(shù)據(jù)通過(guò)MOSI引腳移入，在SCK的每個(gè)上升沿將傳給MCU的數(shù)據(jù)從MISO引腳移出。所以，將串行時(shí)鐘輸出口P0.1的初始狀態(tài)置為低電平，選通從機(jī)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(shí)鐘的同時(shí)，將使nRF905中數(shù)據(jù)串行左移，從而輸出一位數(shù)據(jù)在MCU的P0.3口，再置P0.1=0，使MCU從P0.2輸出一位數(shù)據(jù)至nRF905，這樣完成模擬1位數(shù)據(jù)的傳輸。如此重復(fù)上述步驟8次，完成通過(guò)SPI總線(xiàn)傳輸1 bit的操作。nRF905有5個(gè)內(nèi)部寄存器，分別是狀態(tài)寄存器、RF配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器，這5個(gè)寄存器通過(guò)MCU軟件模擬的SPI接口來(lái)配置，同時(shí)MCU對(duì)nRF905的工作模式進(jìn)行切換控制。單片機(jī)與nRF905連接如圖5所示。

4 通信協(xié)議
　主機(jī)和從機(jī)之間是一個(gè)簡(jiǎn)單的多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)通信，比特率設(shè)置為9 600 b/s，nRF905采用輪詢(xún)的方式進(jìn)行主機(jī)與從機(jī)之間的無(wú)線(xiàn)通信，通過(guò)地址碼確定從機(jī)，保證主機(jī)與各從機(jī)之間數(shù)據(jù)的單向通信。
當(dāng)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)接收到來(lái)自PC機(jī)串行口的數(shù)據(jù)后，判斷是發(fā)送數(shù)據(jù)還是接收數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)控制數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，地址和數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳送給nRF905射頻芯片，TRX-CE=1時(shí)無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)上電，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)打包程序，將自動(dòng)生成起始碼和CRC校驗(yàn)碼的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去，并以GPSK方式調(diào)制成模擬信號(hào)，最后經(jīng)射頻放大器放大以后用天線(xiàn)將其發(fā)送出去。接收端發(fā)現(xiàn)有和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(cè)被置高電平（CE=1），當(dāng)nRF905接收到地址時(shí)，地址匹配被置為高電平（AM=1），通過(guò)CRC校驗(yàn)碼接收有效數(shù)據(jù)，通過(guò)SPI接口讀出有效數(shù)據(jù)，并以GFSK的方式調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，傳送至存儲(chǔ)器中，通過(guò)串口傳送至PC中。當(dāng)全部數(shù)據(jù)讀出后，nRF905進(jìn)入其他3個(gè)模式。
　由于射頻無(wú)線(xiàn)通信的過(guò)程中沒(méi)有任何物理或者可見(jiàn)的接觸，通過(guò)電磁波的方式進(jìn)行，因此雙方之間需建立安全和可靠的協(xié)議，以保證接收到有效的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)包按照設(shè)定好的傳輸協(xié)議，減少噪聲信號(hào)的干擾，接收模塊從數(shù)據(jù)包中提取有效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雙方的通信有效和穩(wěn)定。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　軟件主程序的設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)各模塊的初始化，并協(xié)調(diào)各部分的工作，使各部分有條不紊。系統(tǒng)中，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)由單片機(jī)控制和采集4個(gè)稀土熔鹽電解爐的實(shí)時(shí)信息，當(dāng)超過(guò)設(shè)定的穩(wěn)定信息時(shí)，聲光報(bào)警器報(bào)警。LCD1602對(duì)溫度、電壓、計(jì)數(shù)的信息實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)報(bào)警時(shí)中斷處理顯示報(bào)警的原因。為了解決由于數(shù)碼跳變快，不易分辨等問(wèn)題，程序設(shè)定每隔一段時(shí)間自動(dòng)刷新。當(dāng)定時(shí)器刷新時(shí)間未到時(shí)，按照程序順序執(zhí)行，當(dāng)?shù)搅怂⑿聲r(shí)間跳過(guò)顯示子程序，按當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)顯示信息。當(dāng)有報(bào)警信息時(shí)，進(jìn)行優(yōu)先處理。主程序和監(jiān)測(cè)點(diǎn)流程圖如圖7和圖8所示。

　實(shí)驗(yàn)證明，采用ARM7LPC2103做主機(jī)，用STC89C52做從機(jī)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信，工作在433 MHz的ISM頻段。在有障礙條件下最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)120 m，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。達(dá)到預(yù)期效果。通過(guò)PC機(jī)能實(shí)時(shí)比較準(zhǔn)確、直觀(guān)地反映稀土熔鹽電解爐生產(chǎn)過(guò)程的信息。本系統(tǒng)具有智能化、操作簡(jiǎn)單，可靠等特點(diǎn)。在稀土熔鹽電解生產(chǎn)環(huán)境中有更好的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉柏祿.稀土熔鹽電解技術(shù)發(fā)展[J].世界有色金屬，2009（12）：75-76.
[2] 程永娥，陳興安.某稀土冶煉廠(chǎng)放射衛(wèi)生現(xiàn)狀檢查[J].輻射防護(hù)通訊，2006，26（4）：36-39.
[3] 李建中.稀土金屬熔鹽電解爐爐溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].江西有色金屬，2000，14（2）：43-45.
[4] 任永紅，汪進(jìn)寶.稀土電解槽的電場(chǎng)計(jì)算與槽電壓分析[J].包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，22（4）：313-317.
[5] 寧夏青銅峽鋁廠(chǎng)，單保錄，李燕萍.槽電壓振動(dòng)解析[J].世界稀有金屬，2001（11）：33-35.
[6] 金保華.基于nRF905的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)多點(diǎn)跳傳通信系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2004（9）：39-40.