【摘 要】 ：本文主要介绍了球磨机给料水位检测系统的设计方案，该系统主要完成对球磨机振声信号的采集、滤波、希尔伯特变换、下采样、包络信号提取等处理，并找出其能够表征料位信息的特征信号，建立特征信号与料位之间的映射关系。

球磨机是一种十分重要的制粉设备，广泛应用于火力发电厂等工业场所，球磨机内的料位信息是关系到其运行状态和工作效率的重要参数，因此准确测量料位信息是非常重要的。由于料位的自动检测难度大，在球磨机的实体中，采用全封闭结构，从外部不能直接测量料位的高度。虽然现在有一小部分火力发电厂应用了料位检测系统，但目前的这些检测系统测量精度并不理想，而且大部分火力发电厂还是依靠操作人员手工控制球磨机的料位。因此，有必要开发出高检测精度的球磨机料位测控系统来提高球磨机工作效率。

1 前言 1.1 球磨机的概念

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。球磨机是工业生产中广泛使用的高细磨机械之一。其种类有很多，如手球磨机，卧式球磨机，球磨机轴瓦，节能球磨机，溢流型球磨机，陶瓷球磨机，格子球磨机等。球磨机适用于粉磨各种矿石及其它物料，被广泛用于选矿，建材及化工等行业，可分球磨机为干式和湿式两种磨矿方式。根据排矿方式不同，可分格子型和溢流型两种。

1.2 球磨机工作原理

球磨机在加气混凝土原料制备中最重要的设备就是球磨机，他用于石灰，石膏，砂，矿渣等物料的粉磨。物料只有经过粉磨并到要求细度后才能进行充分混合相互作用，才能使制品达到强度，粉磨是加气混凝土生产中的重要程序，粉磨过程耗电量大，球磨机一般是加气混凝土工厂中电机容量最大的设备。球磨机是由水平的简体，进出料空心轴及磨头等部分组成，简体为长的圆筒，筒内装有研磨体，筒体为钢板制造，有钢制衬板与简体固定，研磨体一般为钢制圆球，并按不同直径和一定比例装入筒中，研磨体也可用钢段，根据研磨物料的粒度加以选择，物料由磨机进料端空心轴装入筒体内，当球磨机简体转动时候，研磨体由于惯性和离心力作用，摩擦力的作用，使它帖附近筒体衬板上被筒体带走，当被带到一定的高度时候，由于其本身的重力作用而被抛落，下落的研磨体像抛射体一样将筒体内的物料给击碎。球磨机所用钢球物料由进料装置经入料中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓，该仓内有阶梯衬板或波纹衬板，内装不同规格钢球，筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用。物料在第一仓达到粗磨后，经单层隔仓板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，内有钢球，将物料进一步研磨。粉状物通过卸料箅板排出，完成粉磨作业。筒体在回转的过程中，研磨体也有滑落现象，在滑落过程中给物料以研磨作用，为了有效的利用研磨作用，对物料粒度教大的一般二十目磨细时候，把磨体筒体用隔仓板分隔为二段，即成为双仓，物料进入第一仓时候被钢球击碎，物料进入第二仓时候，钢端对物料进行研磨，磨细合格的物料从出料端空心轴排出，对进料颗粒小的物料进行磨细时候，如砂二号矿渣，粗粉煤灰，磨机筒体可不设隔板，成为一个单仓筒磨，研磨体积也可之用钢段。本机为卧式筒形旋转装置，外沿齿轮传动，两仓，格子型球磨机。物料由进料装置经入料中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓，该仓内有阶梯衬板或波纹衬板，内装不同规格钢球，筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用。物料在第一仓达到粗磨后，经单层隔仓板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，内有钢球，将物料进一步研磨。粉状物通过卸料箅板排出，完成粉磨作业。

1.3 球磨机的发展历程及发展前景

19世纪初期出现了用途广泛的球磨机；1870年在球磨机的基础上，发展出排料粒度均匀的棒磨机；1908年又创制出不用研磨介质的自磨机。二十世纪30～50年代，美国和德国相继研制出辊碗磨煤机、辊盘磨煤机等立轴式中速磨煤机。

粉磨设备的选型，是以水泥及混凝土性能（工作性能，力学性能，耐久性）为核心，不能单单追求生产过程中的能耗下降，还要满足建筑节能减排的需要。

球磨机是物料被破碎之后，再进行粉碎的关键设备。目前它已广泛应用于水泥，硅酸盐制品，新型建筑材料、耐火材料、化肥、黑有色金属选矿以及玻璃陶瓷等生产行业，对各种矿石和其它可磨性物料进行干式或湿式粉磨。

1.4 球磨机的机械结构

球磨机由给料部、出料部、回转部、传动部（减速机，小传动齿轮，电机，电控）等主要部分组成。中空轴采用铸钢件，内衬可拆换，回转大齿轮采用铸件滚齿加工，筒体内镶有耐磨衬板，具有良好的耐磨性。本机运转平稳，工作可靠。球磨机主机包括筒体，筒体内镶有用耐磨材料制成的衬，有承载筒体并维系其旋转的轴承，还要有驱动部分，如电动机，和传动齿轮，皮带轮，三角带等。关于叫叶片的零件，一般不是主要部件，在进料端的部件进料口内有内螺旋可称其内螺旋叶片，在出料端的部件出料口内有内螺旋也可称其内螺旋叶片。另外在出料端的辅助设备中如果用螺旋运输机，在该设备里会有叫螺旋叶片的零件，但是严格的说，它已经不算球磨机的零件了。根据物料及排矿方式，可选择干式球磨机和湿式格子型球磨机。节能球磨机，采用自动调心双列向心球面滚子轴承，运转阻力小，节能效果显著。筒体部分，在原有筒体出料端增加了一段圆锥筒体，既增加了磨机的有效容积，又使筒内介质分配更加合理。本产品广泛用于有色金属、黑色金属、非金属选矿场及化工、建材行业作物料研磨使用。

1.5 嵌入式MCU的发展

单片微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，属第四代电子计算机，它具有高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛的特点。它的应用必定导致传统的控制技术从根本上发生变革。因此，MCU的开发应用已成为高科技和工程领域的一项重大课题。

目前，基于MCU的微控制器已广泛应用于家电控制、通讯、工业控制、智能仪器仪表、金融电子等许多领域。

1.6 本设计所做主要工作及论文结构 1.6.1 设计思路

首先进行需求分析，明确系统功能。基于项目的目的、用途和资金投入等主要因素选择硬件产品。对系统进行总体设计包括系统的硬件设计和相应的软件实现。为了进一步完善系统功能降低成本，在对现有的一些料位检测系统的工作原理进行了分析的基础上，参考了现有较流行料位检测系统的设计思想，最后通过了最终方案——首先通过前期辅助模块利用微控制器(S3C44BOX)对噪声信号进行现场采集并存储到硬盘中，然后将载满数据的硬盘接到PC机上，在PC机上进行数字信号处理建立数学模型；再次通过微控制器对现场实时数据进行采集分析确定料位；最后，通过人机交互界面直观的展示在操作人员面前。

1.6.2 本课题的设计流程

1、进行需求分析和方案确定。

2、对S3C44BOX的熟悉(硬件和软件)与编程。

3、对IDE接口和FAT32进行熟悉，并且编程实现。

4、现场数据采集。

2 系统硬件设计 2.1 方案选型

球磨机料位测控系统的设计，必须取出能够正确反映球磨机工作状态的信号，

而目前对球磨机的料位信号的分析中，主要有以下几种方法：

(1)用功率法。当球磨机转速固定时，球磨机电机有用功率和球磨机负荷有一定关系。随着球磨机负荷的增加，开始时球磨机电机的有用功率明显上升，到达某一极值后随着球磨机负荷的增加，有用功率反而下降，此极值可以认为是球磨机负荷的最佳点。因此，有用功率直接与球磨机负荷有关。有用功率法检测料位受周围环境的影响比较小，但影响有用功率的因素很多，而且检测信号灵敏度不高，影响控制效果。

(2)用机械设备在运转过程中产生的振动信号的方法。球磨机在运转时，研磨体和物料偏于球磨机的一侧，并不断的滚落和下滑，冲击研磨物料，球磨机的转动部分处于严重的不平衡状态，造成不平衡的离心力，从而产生振动。在球磨机转速不变时其振动强度与被研磨物料的多少有关，检测出球磨机的振动强度就可间接反映出物料负荷的情况。

振动法检测信号的灵敏度比较高，能随时显示球磨机内物料的变化，而且它不受周围噪声源的影响，传感器密封好，能防水、防尘、因而可以适应矿厂的恶劣工作环境。但是当电网电压，特别是电网频率发生变化时，研磨转速的微小波动，以及球磨机内研磨体的损耗等影响都会使物料负荷控制点产生漂移，影响检测和控制质量。

(3)简体进出口的差压信号的方法。根据差压信号间接的测量煤量，即所谓的差压法。这是传统检测的主流，也有对其进行局部改进的派生方法。但由于差压信号同时受存煤量、通风量、出炉温度以及球磨机结构等诸多因素的影响，很难建立起差压与煤量的单一函数，故测量精度非常有限且不稳定，此种研究方法己经逐渐被淘汰。

(4)利用球磨机运转时筒体产生的径向压力和切向压力的方法。将传感器安装在球磨机壳体应力变化最大的中间部位，当传感器位于球磨机筒体顶部时，测量的是压力，而位于简体底部时测量的是张力，根据读数的变化来计算总压力的变化，该压力变化与球磨机负荷成比例。该方法是在磨机内衬上安装传感器，再将传感器测量的信息通过传导引入微机，经过信号处理，可以掌握大量球磨机内的运行情况，但该检测系统的数据传递是一大难题。

(5)用声响信号法。球磨机的声响与其物料负荷具有一定的关系，这种方式的实质就是根据球磨机所产生的噪音的不同来确定球磨机机内的物料负荷。当球磨机内的物料增加时，球磨机噪音强度减小；反之，当球磨机中物料负荷减少时，球磨机的噪音强度增加；噪音强度和球磨机中物料负荷存在着一定关系。因此，可以利用球磨机的噪音强度来评估球磨机的物料负荷。

由前面地分析可以知道，每一种方法都各有其优缺点，此外影响球磨机磨矿石的因素很多，属于物料方面的有：矿石可磨度、给料位高度等：属于球磨机结构方面的有：磨机规格、型式、衬板形状等；属于操作方面的有磨机转速、加球制度、和球料比。这些因素本身叉互相影响，因此球磨机料位检测的发展趋势应该是多因素联合检测，建立相应的数学模型，用以判断球磨机的料位，同时对每一种特征因素要充分利用信号分析的各种手段，深入挖掘出每一种特征因素所潜在的信息，实现球磨机负荷的准确、及时检测，为球磨机的优化实时控制奠定基础。通过分析比较，本设计拟采用声响信号法来探测料位信号，通过音频传感器对磨音拾取，然后通过放大器进行放大后，进入模／数转换芯片转换成数字信号，然后由微控制器接受、分析、处理，最后将结果输出到外设，操作人员可以根据显示结果作出相应操作。同时，系统通过输入设备将操作者的命令传送到微控制器。

整机系统框图如下图：

2.2 微控制器的选择

系统整体设计确定之后，就要根据各部分的具体功能进行硬件的选型和设计。要包括微控制器的选择，显示屏的选择，人机输入接口的选择，CODEC接口的计，FLASH，SDRAM的选择以及地址的分配等等。本章将针对这些问题进行体的讨论。

2.2.1 S3C44BOX概述

这是一款基于ARM7TDMI内核技术的16/32位RISC处理器，扩展了一系列完整的通用外围器件，使系统的费用降至最低，减低了硬件开发的难度。本嵌入式系统配置了2MB的FLASH存储器以及8MB的SDRM存储器。

S3C44BOX 是在国内广泛使用的Samsung公司的基于ARM7TDMI内核的SoC。该芯片功能强大，为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。它的低功耗和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。

S3C44BOX是 SAMSUNG公司推出的16/32位RISC处理器就，为手持设备和一般应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。

S3C44BOX是使用ARM7TDMI内核，采用0.25μmCMOS工艺制造。它的低功耗和全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。

S3C44BOX的杰出特性是它的CPU核，是由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器（66MHz）。它包括了Thumb代码压缩器，一个片上的ICE断点调试支持和一个32位的硬件乘法器。

2.2.2 S3C44BOX的特性

（1） 16/32位RISC体系结构和ARM7TDMI处理器内核强大的指令体系；

（2） Thumb代码压缩机，最大化代码密度同时保持了32位指令的性能；

（3） 基于JTAG的片上集成ICE调方式支持解决方案；

（4） 32×8位硬件乘法器；

（5） 实现低功耗SAMBAII的新型总线结构。

2.2.3 S3C44BOX存储系统的特点

（1） 有大端模式和小端模式。

（2） 地址空间具有8个存储体，每个存储体可达32MB，总共可达到256MB；

（3） 对所有存储体的访问大小均可进行改变（8位/16位/32位），总线宽度可编程；

（4） 8个存储器中，Bank0~Bank5可支持ROM、SRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、SRAM和FP/EDO/SDRAM等，Bank6和Bank7存贮容量大小相同；

（5） 7个存储器的起始地址固定，1个存储器的起始地址可变。（即第8个可变）

S3C44BOX提供IIS接口和DMA的内存访问方式，这就可以用于连接CODEC。

CODEC芯片主要用于在辅助模块和磨声信号数据采集模块eeoc磨音信号进行高速的模，数转换。S3C44BOX最高频率可以达到66MHz，这完全可以满足在信号处理与分析模块中的要求。下图为系统选用的S3C44BOX是160LQFP的封装图。

Bank0~Bank7的定义如下：

2.3 存储器的选择和地址分配

选用的FLASH芯片是Intel TE28F320，容量为4MB，16位数据宽度。用于存放代码，只读数据以及系统的一些配置信息等等。其地址映射到S3C44B0X的BANK0。本系统选用的RAM是Winbond 2180G，容量为8M，16位数据宽度的SDRAM存储器。其地址映射到S3C44B0X的BANK6，地址对应关系见下表:

2.4 CODEC的选择与接口的设计

所谓CODEC是“Coder／DECoder”的缩写，CODEC芯片主要负责模拟信号与数字信号的相互转换。它可以将电脑里的数字信号转变成模拟信号输出，或者是将外界输入的模拟信号转换成数字信号。对于这个项目来讲更加关心的是将外界的模拟信号转换为数字信号，主要是通过麦克风，对监控现场的声音进行采集，然后传给CODEC芯片，然后由CODEC芯片将模拟信号转换为数字信号，在通过IIS总线直接传输到S3C44BOX进行处理。

在选择CODEC时有如下要求：首先要确定采样频率，根据现场观察，发现多数的有效磨音信号基本都包含在小于4000HZ的范围内，所以根据采样定理它的采样频率至少要在8KHz以上：其次它要支持IIS接口，因为在本系统中将用IIS接口将采集来的数据传输到S3C44BOX内。

在本项目中采用的CODEC芯片是由Philips公司生产的UDAl341TS，现在对这个芯片的主要特性进行说明：

·3.0V电压供电。

·系统时钟频率可选256fs，384fs，512fs(fs为采样频率)。

·对于ADC和DAC是分别供电的。

·可以选择不同的输入设置来提高A／D转换的声音质量。

·支持的采样频率从16KHz到48KHz。

·支持IIS总线。

综上所述，UDAl341TS芯片无论从采样频率还是从数据格式方面都是非常适合本系统使用。

2.5 音频串行接口格式

IIS 总线格式，IIS 总线具有 4 根信号线，包括串行数据输入（IISDI），串行数据输出（IISDO），左/右 声道选择（IISLRCK），和串行数据时钟（IISCLK）；产生 IISLRCK 和 IISCLK 的是主设备。

串行数据总是以偶数个数据（为奇数时填充）且高位在先（MSB）发送。高位在先是 因为发送器和接收器可能具有不同的字长。发送器没有必要了解接收器能够处理多少位数 据，接收器也不需要了解多少位的数据正在被发送。

被发送器发出的串行数据可以依据时钟信号的下降沿或者上升沿来同步。但是，串行数据必须在上升沿处锁入接收器。左右声道选择线决定被传输的通道。IISLRCK 可以在下降 沿或者上升沿处改变，它并不要求是均匀的。在从设备端，这个信号在上升沿处被锁定。 IISLRCK 信号线改变到 MSB 发送之间有一个时钟的周期的时间。

2.6 人机界面的选择与设计 2.6.1 液晶屏的接口电路

在本系统中选择TRULY公司生产的MCT-G320240DNCW - 15N LCD显示屏。该液晶显示屏的主要电气特性为：320*240(dots)；COLOR STN(支持256色)

该显示屏的引脚描述如下表：

S3C44BOX与液晶显示屏的引脚对应关系如下图：

2.6.2 引脚信号定义

S3C44B0X LCD外部接口信号包括：

·VFRAME：LCD控制器和LCD驱动器之间的帧同步信号。它通知LCD屏新的一帧的显示，LCD控制器在一个完整的帧显示后发出VFKAME信号。

·VLINE：LCD控制器和LCD驱动器之间的行同步信号。LCD驱动器通过它来将水平移位寄存器中的内容显示到LCD屏上。LCD控制器在一整行数据全部

传输到LCD驱动器后，发出VLINE信号。

·VCLK：LCD控制器和LCD驱动器之间的像素时钟信号。LCD控制器在VCLK的上升沿发送数据，在VCLK的下降沿对数据采集。

·VM：LCD驱动器所使用的交流信号。LCD驱动器使用VM来改变用于打开或关闭像素的行和列电压的极性，VM信号在每一帧被触发。

·VD[3：0]以及VD[7：-4]：LCD像素数据输入端口。VD[3：O]用于4／8位的单扫描或双扫描时的高4为数据输入；VD[7：4]用于8位单扫描或双扫描时的低4位数据输入。

2.7 触摸屏控制器及触摸屏的选择

除了有直观的显示，还要有便于操作的输入设备。在本系统中输入设备采用易于操作的触摸屏。下面来介绍一下触摸屏控制器和触摸屏的选择。

2.7.1 触摸屏控制器的选择

本系统采用的触摸屏控制器是BURR-BROWN(BB)公司生产的ADS7843芯片。

电气特性和引脚介绍：

l 4-线触摸屏接口

l 串行接口

l 8-bit或12-bit可编程模式

l 高达125HZ的转换率

l 高达12-bit的采样数模转换器

l 参考电压1V-VCC

引脚介绍如下表，ADS7843和触摸屏的连接方式如图所示：

ADS7843和触摸屏连接图

2.7.2 触摸屏的选择

系统选择广州鑫顺生产的四线触摸屏SX-057-W4R-F，参数如下

l 电路等级：5VDC，35mA

l 触点抖动时间：<5ms

l 操作压力：10g-100g

l 最小绝缘点：φ0．035mm

l 能够识别各种接触如手指、笔等输入信号。

3 给料水位检测的实现方法 3.1 磨音信号的产生

管磨机的基本特性是长滞后,即喂料流量变化后,需要经过较长时间才能使出磨物料流量产生变化。由于磨机的长滞后特性,加上入磨物料物理性能如粒度、湿度和易磨性等的变化,以及磨机衬板和研磨体的变化,使磨机负荷(即磨内填充量)控制变得更加复杂和困难。在上述变化因素一定的条件下,不论开流磨或闭流磨都有一个最佳的磨内填充量。如果能保持磨机负荷或磨内填充量为一定值或某一范围,则可使磨机台时产量达到最高,单位电耗最低,节能效果最佳,使磨机长期稳定运行在最佳工况,防止空磨和饱磨。

为了控制磨机的产量,必须检测反映磨机负荷的物理量。对闭路磨来说,最有效的是磨音。因为磨音信号对磨内负荷反应最快、最准、最稳,是球磨机自动控制的关键参数。

3.2 磨音信号的频域分析方法

对声音信号的处理方法主要有时域和频域。其中时域分析是最简单、最直观的方法，它直接对声音信号的时域波形进行分析，提取的特征参数主要有声音的短时能量和平均幅度、短时平均过零率等。而在频域的分析方法中主要求它的功率谱，分析它的平均周期图，在这里只用到了频域方法，所以只对频域方法进行介绍。

通过观察发现，磨音信号在大约10ms内是近似不变的，因此可以把磨音信号分成一些短段来进行处理。为了达到这一目的，通常采用一个长度有限的窗函数来截取磨音信号形成分析帧，窗函数ω（n）将需要区域之外的样点置零来获得当前磨音帧，这种方法称为“短时”处理方法。

l 功率谱估计

因为一个随机信号在各个时间点上的值是不能先验确定的，因此无法像确定信号那样可以用数学表达式或图表精确的表示它，只能用各种统计平均量来表征它，而自相关函数是最能较完整的表征它的特定统计平均量值的。一个随机信号的功率谱密度正是自相关函数的傅立时变换，因为对于一个随机信号来说，它本身的傅立叶变换是不存在的，只能用功率谱密度来表征它的统计平均谱特性，所以功率谱密度是一个随机信号最重要的一种表征形式吼

l 周期图法

周期图法是直接将信号的采样数据x（n）进行傅立叶变换求取功率谱密度的估计。假设有限长随机信号序列x(n)，它的傅立叶变换X(f)和功率谱密度估计存在下面的关系：

式中，N为随机信号序列x(n)长度。

3.3 磨音信号的处理

l 数字滤波器的设计方法

数字滤波器分为两大类，即无限冲激响应(IIR)和有限冲激响应(FIR)滤波器。IIR滤波器的冲激响应具有无限的持续时间，而FIR滤波器的冲激响应具有有限持续时间，因为FIR的冲激响应序列只有N个值。

现在来看一下FIR和IIR滤波器之间优缺点比较：

（1） FIR滤波器可以具有精确的线性相位响应，其潜在的含义就是采用这种滤波器不会给信号带来相位失真。

（2） FIR的实现是非递归的，这说明该滤波器是稳定的。而IIR滤波器的稳定性不是一直都能得至Ⅱ保证的。

（3） 采用有限位数实现滤波器的影响，FIR比IIR要小。

（4） 对锐截止滤波器，FIR要求的系数要比IIR要多，但是可以很容易的利用FFT的计算速度和多速率技术来有效的提高FIR滤波器。

从上面的比较可以看出来，该系统关心的是具有线性相位的FIR滤波器，本系统采用FIR滤波器对磨音信号进行滤波。

l 窗函数的选择

窗函数选择的要求：

（1） 窗谱主瓣尽可能地窄，以获得较陡的过渡带；

（2） 尽量减少窗谱的最大旁瓣的相对幅度，也就是能量尽量集中于主瓣，这样使肩峰和波纹减小，就可以增大阻带的衰减。

但是这两项要求是不能同时得到满足的，往往是增加主瓣宽度以换取旁瓣的抑制。因而选用不同形状的窗函数都是为了得到平坦的通带幅度响应和较小的阻带波纹(也就是加大阻带衰减)。因而所用的窗函数，其频谱旁瓣电平要较小，而主瓣就会加宽。这就是说窗函数在边沿处(n-0和n=N-1附近)比矩形窗变化要平滑而缓慢，以减小由陡峭的边缘所引起的旁瓣分量，使阻带衰减增大。

几种常见的窗函数的重要特征总结如下图。在这里主要了解一下哈明(Hamming)窗，因为在常见的几个窗函数中，使用最广泛的窗函数就是哈明窗，而且它的各项系数完全符合系统的要求，所以在本系统中采用哈明窗。啥明窗定义如下面的公式：

常用窗函数重要特征总结

3.4 给料水位的计算方法

MATLAB信号处理工具箱提供标准型FIR滤波器的工具函数，FIRl是采用经典窗函数法设计线性相位FIR数字滤波器，且具有标准低通、带通、高通和带阻等类型。函数调用格式为：

其中，n为FIR滤波器的阶数，对于高通、带阻滤波器n取偶数；ωn为滤波器截止频率，0--1；对于带通、带阻滤波器，ωn= {ω1，ω2}，且ω1<ω2；‘ftype’为滤波器类型：

·缺省时为低通或带通滤波器；

·‘high’为高通滤波器：

·‘stop’为带阻滤波器：

Window为窗函数，其长度为n+l。缺省时，自动取Hamming窗，在该项目中才用的是Hamming窗。

l 数学模型的建立

通过多次试验取得下表中的平均值：

对表中数据利用P=polyfit(x，y，n)进行你和得到如下的公式

从上式中可以发现它的变换在一定程度上是可以和球磨机内物料变化紧密联系起来的，针对现场不同的球磨机系统，可以得出一个修正系数K，使得物料高度和上式建立了联系得到高度H和Y的关系如公式3．10：

H = Ky

对于不同的球磨机，K值和y值可能都有所不同，但这不是问题，只要两个值乘结果相同就应该是有相同的料位。

4 嵌入式操作系统的选择与移植 4.1 uC／OS一Ⅱ的选择

为了避免开发工作的大量重复，提高开发效率，同时也为了确保系统能稳定的运行，现在相继出现了各种各样的针对嵌入式开发的操作系统，它们为开发人员提供了一些系统函数接口，由开发人员自行调用。这些接口函数具有一定的通用性，这样就给编程开发人员带来极大的方便，而将主要精力放在功能软件上的开发。同时一个好的操作系统也可以给整个系统的安全性带来保证，毕竟一个系统提供的系统函数是经过许多实践检验和测试过的，因此用户可以放心调用，这要比用户自行编写安全得多，所以选择一个适合项目的操作系统是十分必要的。

现在普遍使用的嵌入式操作系统主要有以下几种：VxWorks，uCLinux，uC／OS II，WindowsCE以下篇章中就对这几种常见的操作系统进行一下简单的介绍与比较从而决定这个系统中所用的操作系统。

VxWorks操作系统是美国WindRiver公司推出的一种嵌入式操作系统，其具有高性能的内核，友好的用户开发环境，功能强大，应用广泛。多家著名的公司，如CISCO，System，3COM，HP，Lucent等都是VxWorks的主要用户。在使用这个操作系统的时候是需要支付昂贵的费用的。

WindowsCE是微软公司推出的嵌入式操作系统。WindowsCE．net是一个实时操作系统。开发人员也可以对设备进行定制。但是在WindowsCE中，基本的内核与文件系统配置就占用400KB内存空间，如果添加通信支持功能以后，最小的内存要求也增加到800KB。该操作系统的最大缺点是实时性不好，是软实时操作系统。

uCLinux是Lineo公司的拳头产品，是开放源代码的操作系统，它是通过大量的剪裁和改写Linux的内核代码而产生的嵌入式操作系统。但是它的最低硬件要求200KB的RAM，1MB的ROM。

uC／OS II操作系统是由美国人Jean J,Labrosse开发的实时操作系统。它的特点是内核精简，占用的系统资源极少。uC／OS_II其实只是一个实时操作系统的内核，完全核心代码只有8．3KB，所占用的RAM也只有几KB。它只包含了进程调度，时钟管理，内存管理和进程的通讯与同步等基本功能，而没有包括I／O管理，文件系统，网络管理等额外的模块。虽然它没有提供过多的系统功能，但是对于本系统已经足够了。同时uC／OS II的可移植性还很强，目前已经被移植到了Intel，ARM，Motolola等不同的处理器上。这就意味着，要把uC／OS II应用到本系统上，会有很多资料可以参考。另外uC／OS_II的源码开放，可以有效的降低成本。

对于项目开发来讲节省项目资金是十分重要的，既要整个系统运行可靠，又要节省资金，这是一对矛盾，在选择操作系统时要进行一定的权衡。从节省资金的角度看对于本系统出来说，决定选择现在源码公开，并且免费使用的操作系统，

这样，uCLintDx和uC／OS II就是首选的操作系统，又因为uCLinux内核较大，虽然提供的接口和系统函数很全面，但是对于这个系统来讲有许多是多余的，而且uCLinux移植起来也相对比较麻烦口”，也没有很多进程需要管理。所以uCLinux也不作为首选的操作系统，无论从资金角度，还是可靠性角度来讲，uC／OS II都是完全可以胜任这个系统，所以选择uC／OS一Ⅱ操作系统。

4.2 系统程序设计

l 系统的一次初始化

对于任何硬件系统来说，在加电之后都要对其进行一定的初始化，这是很必要的，而且这段代码往往都是用汇编语言编写而成，在S3C44BOX中这段代码经常被命名为44binit.s，这段程序的主要功能就是初始化相关寄存器，定义中断向量表，初始化堆栈以及存储器设置，将控制权交给操作系统来完成各个任务的调度。

l 初始化相关寄存器

这是整个硬件系统的第一次初始化，它的主要目的就是对关键性的寄存器进行设置，一方面使整个系统能够进行最基本的工作，另一方面是防止系统在上电后某些动作产生一定的误操作。如设置看门狗寄存器，对中断屏蔽寄存器进行设置禁止所有中断，锁相环倍频设定，从而确定整个系统的主频。

l 设置中断操作并定义中断向量表

为了保证系统能够正常的工作，正确配置中断向量表是十分必要的。中断向量表的实质就是一条跳转指令，跳转到相应的中断子程序。

l 初始化堆栈

在S3C44B0X的工作过程中有七种模式，它们分别为User，FIQ，IRQ，Super、，isor，Abon，System，Undefined这几种模式有各自的堆栈。栈的初始化工作就是将各个栈的起始地址写到相应的堆栈寄存器中。因为各个模式之间是相互隔离的，各个模式的堆栈指针寄存器只有在相应的模式下才是可见的，所以先要进行工作模式的切换，之后才可以进行栈指针的写入。由于这几个栈是处在一片连续的存储空间里的，所以只要指定好每个栈的开始地址就可以确定各个栈的空间大小了。栈与栈之间的相互切换是通过状态寄存器来改变的，状态寄存器的格式如下图，其最低的5位用来控制S3C44B0X工作模式的转换，对应关系如下表。

状态寄存器格式

S3C44B0X工作模式

S3C44B0X支持多种类型存储器同时存在，这些存储器由于存储介质的不同，所以存储的时序上也有相当大的差异，而且这些存储器的起始地址和地址范围也

要有一个规划，这样才能使系统正常工作。S3C44B0X支持8个bank，每个bank为32M地址空间，共256M地址空间如下图。

S3C44BOX bank分配图

l 跳转至应用程序

至此系统上电以后的一次初始化基本完成，整个硬件系统可以做简单的工作，并将控制权交给了用户程序，在本系统中使用了操作系统，所有以后的工作要由操作系统来完成。

4.3 操作系统的移植与调试

l 操作系统的移植

操作系统是介于硬件和用户应用软件的一层软件田1，它完成的功能就是要屏蔽硬件细节，为用户提供接口。它既要对上层应用软件支持，又要能够控制硬件，所以它应该是由和硬件相关的汇编语言与和硬件基本无关的高级语言(c语言)组成。uC／OS_II的整体结构见下图，其中与硬件无关的部分是不需要进行移植的，

需要移植的只是和硬件相关的那部分代码。

l TASK的分配与设计

功能模块的划分有助于TASK的确定，在这个系统中一共有3个功能模块和一个辅助模块，但是前三个模块和辅助模块并不是同时存在于系统之中的，这一点已经在第二章中介绍了。

TASKl：数据采集任务，这个任务负责将被控对象(球磨机)工作时所发出的瞎音经过音频传感器(麦克风)传输给CODEC芯片，再由CODEC将模拟信号转化为数字信号，利用BDMA方式传输给CPU。

TASK2：将TASKl传输过来的数字信号经过FFT变换，转换为频域信号，然后利用数学模型计算料位百分比，最后通过图形用户界面显示。

TASK3：图形用户界面，这个任务通过调用GUI的一些标准函数绘制料位状态显示给操作者。

三个任务之间的工作原理图见下图。

5 辅助模块的编程与实现 5.1 键盘的设计

键盘输入是人机交互界面中重要的组成部分，它是系统接受用户指令的直接途径。键盘是由若干个按键开关组成，键的多少根据MCU应用系统的用途而定。键盘由许多键组成，每一个键相当于一个机械开关触点，当键按下时，触点闭合，当键松开时，触点断开。MCU接收到按键的触点信号后作相应的功能处理。因此，相对于MCU系统来说键盘接口信号是输入信号。

本方案采用最常用的4*4矩阵键盘，4*4矩阵编程简单，大大简化了程序。

因此，我选择4*4矩阵键盘,矩阵键盘原理图如下:

矩阵键盘原理图

5.1.1 外部通讯接口 5.1.2 RS232串口针脚定义

9针接口针脚定义：

Pin 1 CD Received Line Signal Detector (Data Carrier Detect)

Pin 2 RXD Received Data

Pin 3 TXD Transmit Data

Pin 4 DTR Data Terminal Ready

Pin 5 GND Signal Ground

Pin 6 DSR Data Set Ready

Pin 7 RTS Request To Send

Pin 8 CTS Clear To Send

Pin 9 RI Ring Indicator

9芯信号方向来自 缩写 描述

1 调制解调器 CD 载波检测

2 调制解调器 RXD 接收数据

3 PC TXD 发送数据

4 PC DTR 数据终端准备好

5 GND 信号地

6 调制解调器 DSR 通讯设备准备好

7 PC RTS 请求发送

8 调制解调器 CTS 允许发送

9 调制解调器 RI 响铃指示器

5.1.3 MCU与PC机的串口通信

串口通讯对MCU而言意义重大，不但可以实现将MCU的数据传输到电脑端，而且也能实现电脑对MCU的控制，比如你可以把写入MCU的数据码显示在电脑上，如可以使用一个按键，当按下它时使某一个字母如：AA，通过MCU的串口将它发送到电脑上显示，起到仿真器的某些功效，站长在开发数据采集设备时就是通过串口来检查数据正确与否的。

MCU有一个全双工的串行通讯口，所以MCU和电脑之间可以方便地进行串口通讯。进行串行通讯时要满足一定的条件，比如电脑的串口是RS232电平的，而MCU的串口是TTL电平的，两者之间必须有一个电平转换电路，我们采用了专用芯片MAX232进行转换，虽然也可以用几个三极管进行模拟转换，但是还是用专用芯片更简单可靠。我们采用了三线制连接串口，也就是说和电脑的9针串口只连接其中的3根线：第5脚的GND、第2脚的RXD、第3脚的TXD。这是最简单的连接方法，但是对我们来说已经足够使用了，电路如下图所示，MAX232的第10脚和MCU的11脚连接，第9脚和MCU的10脚连接，第15脚和MCU的20脚连接。

为了能够在电脑端看到MCU发出的数据，我们必须借助一个WINDOWS软件进行观察，这里我们利用一个免费的电脑串口调试软件。

串口通信原理图:

5.1.4 其它外部通信接口

包括RS 232串口、以太网接口。RS 232接口用于系统同PC机之间的通讯，可以把测试系统保存的数据导出来，本系统采用国际通用的RS 232C作为串行接口；以太网接口则可以把整个测试系统连接到互联网上，从而实现该测试系统的远程监控。

6 总结及致谢

6.1 本文小结

球磨机料位测控系统是火力发电厂等需要用到球磨机制粉场所的重要研究课题。开发出高测量精度的球磨机料位测控系统可以提高球磨机工作效率，从而提高发电厂的工作效率。本论文详细介绍了球磨机料位测控系统的设计过程，包括硬件平台搭建、操作系统移植和数据分析处理等过程。并得出以下结论：

1、嵌入式球磨机料位检测系统实现了制粉过程的自动化，对产品的产量和质量有一定的提高，基本达到了设计要求。

2、较好的人机交互界面可以直观的反映料位的多少，方便的操作可以避免一定的错误操作。

3、从数学角度对检测对象进行了模型抽象，为球磨机料位检测提供了较客观和科学的方法。该料位检测系统的思想还可以应用到相关行业中，

4、解放了劳动力，并在一定程度上降低了高分贝噪声对现场工人的伤害。

但是由于时间关系，本系统并没有完全实现，在数学模型建立过程中有些参数没有进行考虑，如轴承的振动信号, 进料口和出料口之间的压差以及球磨机内的钢球数目和大小等等，并且本系统还有些内容需要改进和完善，比如故障检测，抗干扰能力等都需要改进。

6.2 致谢

这次毕业论文能够得以顺利完成，是所有曾经指导过我的老师，帮助过我的同学，一直支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！

首先，要特别感谢我的指导老师。在我毕业论文的撰写过程中，给我提供了极大的帮助和指导。从开始选题到中期修正，再到最终定稿，陈老师给我提供了许多宝贵建议。老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物与为人处世的道理。

7 参考文献

(1)卓泽强．模糊控制在球磨机的应用．北京石油化工学报．2003，12第四期：53-57．

(2)王东风，李利平，王丽君．球磨机制粉系统控制的现状和前景．东北电力技术．2002第5期：

(3)刘军，马海林，高广福．火电厂球磨机非线性自适应控制．计算机技术与自动化．2004，12第4期：48-50．

(4)曲波，肖圣兵，吕建平，工业常用传感器选型指南．北京：清华大学出版社，2002，l，第l版．

(5)张雄伟，陈亮，杨吉斌．现代语音处理技术及应用．北京：机械工业出版社，2003，8，第1版．

(6)杨静，孙光民，王鹏，数字信号处理算法软件开发．北京工业大学学报．2000，12：43

(7)黄文梅，熊桂林，扬勇信号分析与处理一MATLAB语言及应用．长沙：国防科技大学出版社，2000，2，第l版．

(8)曾义方，张彦仲．信号处理名词术语．北京：航空工业出版社，1992，2，第l版．