摘 要： 针对稀土熔盐电解生产中存在的主要问题和实际中应用的要求，在无线通信的基础上提出了一种基于ARM7的监测系统。系统中，以nRF905为无线通信射频收发芯片，ARM7和单片机为主机和从机的处理器，实现系统的可靠性和实用性。
关键词： 熔盐电解；监测系统；无线通信
由于稀土熔盐电解法制取工艺过程简单，生产效率高，工业生产中一般采用熔盐电解法制取混合稀土金属和单一稀土[1]。随着科技的发展，对稀土生产的要求越来越高，稀土熔盐电解过程的智能控制有利于避免操作过程中人为因素带来的许多弊端，特别是有的稀土金属贵如黄金，生产的过程中也要做好防盗。同时在稀土熔盐电解的近距离环境中会产生有毒气体和放射性物质，对生产工人身体健康产生危害[2]。目前国内已经投入稀土熔盐电解生产监测和无线定位通信系统有很多种，但现有的产品无论是使用还是维护上都需要较高的技术支撑，并要求配备足够的专职工作人员。这需要耗资大量的人力和物力来支撑。参考文献[3]给出了一种自动控制稀土熔盐电解炉温度装置，但只靠单一的参量很难做到测控的精确性和稳定性。因此，本系统针对稀土生产中存在的诸多问题，采用多参量监测，创新性的将一种实用性强、研发成本低、使用维护简便、安全可靠的生产监测无线通信系统应用到稀土生产中。
1 系统总体设计
本系统主要监测温度和电压两个变量，由主控部分、监测部分和无线通信部分组成，主控部分采用性能相对较高的ARM7LPC2103处理器芯片来控制，监测部分采用价格较低的STC89C52来控制。由于电流密度和槽电压成正比，通过监测槽电压波动来判断电解槽的稳定性，用温度传感器来监测温度，同时用LCD来显示温度、电压和计数防盗监测。主控和监测通过无线通信来实现信号的发送与接收，基于ARM7的监测系统，用nRF905射频收发芯片进行数据通信。同时主控端ARM7与PC机通过用RS232直接通信，实现数据的保存和监测，如图1所示。
2 硬件电路及理论分析
稀土熔盐电解槽的槽电压包括：分解电压、结构电压降和熔体电压降。结构压降基本为固定值±2.9 V，而熔体压降与温度有关，通过温度传感器来设定适合的值，根据这些可以用电压波动监测和温度传感器来判定电解槽的生产情况。
每个从机都带有液晶显示和声光报警，考虑经济适用因素，本系统从机显示模块采用LCD1602，显示计数、时间、故障原因，图4为LCD1602原理图。当出现故障时声光报警器报警，查看LCD液晶来知道故障的原因。
3 实现方法
由于STC89C52单片机不具有SPI接口，而nRF905射频收发模块是通过SPI接口由MCU控制，所以只能通过MCU的I/O口来模拟SPI总线接口，实现无线通信系统的设计。发射装置中，STC89C52与nRF905连接方法如图5所示。选用MCU的P0.2模拟数据输出端MOSI，P0.3模拟数据输入端MISO，P0.1模拟SCK的输出端，P0.0模拟从机选择端CSN，由程序清零此I/O口，使与它通信的nRF905做从机，采用SPI进行数据传送时，在SCK的每个下降沿将MCU配置nRF905的命令和数据通过MOSI引脚移入，在SCK的每个上升沿将传给MCU的数据从MISO引脚移出。所以，将串行时钟输出口P0.1的初始状态置为低电平，选通从机P0.0=0低电平后，再置P2.2为高电平，这样MCU在输出1位SCK时钟的同时，将使nRF905中数据串行左移，从而输出一位数据在MCU的P0.3口，再置P0.1=0，使MCU从P0.2输出一位数据至nRF905，这样完成模拟1位数据的传输。如此重复上述步骤8次，完成通过SPI总线传输1 bit的操作。nRF905有5个内部寄存器，分别是状态寄存器、RF配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器，这5个寄存器通过MCU软件模拟的SPI接口来配置，同时MCU对nRF905的工作模式进行切换控制。单片机与nRF905连接如图5所示。
4 通信协议
主机和从机之间是一个简单的多点对一点通信，比特率设置为9 600 b/s，nRF905采用轮询的方式进行主机与从机之间的无线通信，通过地址码确定从机，保证主机与各从机之间数据的单向通信。
当无线数据接收到来自PC机串行口的数据后，判断是发送数据还是接收数据。当发送数据时，单片机控制数据节点，地址和数据通过SPI接口传送给nRF905射频芯片，TRX-CE=1时无线系统自动上电，将要发送的数据送至缓冲区，然后启动打包程序，将自动生成起始码和CRC校验码的数据包发送出去，并以GPSK方式调制成模拟信号，最后经射频放大器放大以后用天线将其发送出去。接收端发现有和接收频率相同的载波时，载波检测被置高电平（CE=1），当nRF905接收到地址时，地址匹配被置为高电平（AM=1），通过CRC校验码接收有效数据，通过SPI接口读出有效数据，并以GFSK的方式调制成数字信号，传送至存储器中，通过串口传送至PC中。当全部数据读出后，nRF905进入其他3个模式。
由于射频无线通信的过程中没有任何物理或者可见的接触，通过电磁波的方式进行，因此双方之间需建立安全和可靠的协议，以保证接收到有效的数据。发送数据包按照设定好的传输协议，减少噪声信号的干扰，接收模块从数据包中提取有效数据，实现双方的通信有效和稳定。
5 系统软件设计
软件主程序的设计主要负责各模块的初始化，并协调各部分的工作，使各部分有条不紊。系统中，各监测点由单片机控制和采集4个稀土熔盐电解炉的实时信息，当超过设定的稳定信息时，声光报警器报警。LCD1602对温度、电压、计数的信息实时显示，当报警时中断处理显示报警的原因。为了解决由于数码跳变快，不易分辨等问题，程序设定每隔一段时间自动刷新。当定时器刷新时间未到时，按照程序顺序执行，当到了刷新时间跳过显示子程序，按当前时刻状态显示信息。当有报警信息时，进行优先处理。主程序和监测点流程图如图7和图8所示。
实验证明，采用ARM7LPC2103做主机，用STC89C52做从机的无线数据通信，工作在433 MHz的ISM频段。在有障碍条件下最远传输距离可达120 m，稳定性好，抗干扰能力强。达到预期效果。通过PC机能实时比较准确、直观地反映稀土熔盐电解炉生产过程的信息。本系统具有智能化、操作简单，可靠等特点。在稀土熔盐电解生产环境中有更好的实用价值。
参考文献
[1] 刘柏禄.稀土熔盐电解技术发展[J].世界有色金属，2009（12）：75-76.
[2] 程永娥，陈兴安.某稀土冶炼厂放射卫生现状检查[J].辐射防护通讯，2006，26（4）：36-39.
[3] 李建中.稀土金属熔盐电解炉炉温度自动控制系统[J].江西有色金属，2000，14（2）：43-45.
[4] 任永红，汪进宝.稀土电解槽的电场计算与槽电压分析[J].包头钢铁学院学报，2003，22（4）：313-317.
[5] 宁夏青铜峡铝厂，单保录，李燕萍.槽电压振动解析[J].世界稀有金属，2001（11）：33-35.
[6] 金保华.基于nRF905的无线数据多点跳传通信系统[J].仪表技术与传感器，2004（9）：39-40.