现场总线智能氧量分析仪表的研究与设计.doc

分类号： 学校代码：10079 密级：

华 北 电 力 大 学
硕 士 学 位 论 文

题 目：现场总线智能氧量分析仪表的研究与设计
英 文 题 目：Research and Design of Intelligent Oxygen
Analyzer Based on Fieldbus Technology
研究生姓名：崔倩 专业：控制理论与控制工程
研 究 方向：仪表智能化技术
导 师 姓名：韩璞 职称：教授

2007 年 12 月 15 日

声 明
本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《现场总线智能氧量分析仪表的研究与设计》，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

学位论文作者签名： 日 期：

关于学位论文使用授权的说明

本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的,复制赠送和交换学位论文；⑤同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。
(涉密的学位论文在解密后遵守此规定)

作者签名： 导师签名：
日 期： 日 期：

华北电力大学硕士学位论文摘要
摘 要
本文在分析国内外氧化锆氧量分析仪表发展现状的基础上，综合应用新型微处理器、计算机软硬件及现场总线技术，开发了基于CAN总线的智能氧化锆氧量分析仪表。为增强系统开放性、可靠性和通讯功能，首次将CAN总线技术应用到氧化锆氧量分析仪表系统中。系统采用模块化设计方法，采用新型的单片机C8051F040作为系统中央控制器，使系统扩展的外围电路及接口电路数量少，系统的可靠性及稳定性提高，系统功能扩展及软硬件升级比较方便。与传统仪表相比，该智能仪表有许多突出特点。它具有自动测量、实时在线测量的能力，并可通过数据处理实现自动校准、数字滤波、智能处理等。仪表所特有的人机对话、数据通信、大容量存储等功能更是常规仪表无法比拟的。

关键词：现场总线、氧化锆氧量分析仪表、中央控制器、智能仪表

ABSTRACT

After having analyzed the ZrO2 oxygen analyzer technology development status and trend, using new MCU and computer hardware & software technology and fieldbus technology to develop intelligent ZrO2 oxygen analyzer based on CAN bus is presented. In order to enhance system’s opening, reliability and communication function, CAN bus technology is applied to ZrO2 oxygen analyzer for the first time. The system decreases the number of the expansion of peripheral circuit and interface circuit by employing the modularized design method and by using new microprocessor C8051F040 as the system CPU. The stability and reliability is improved and the function-extension and upgrade is convenience. Compared to the general instrument, the intelligent instrument has many better characteristics. It has a lot of advantage such as automatic measurement, real-time on-line measuring, and also has the capabilities of self-calibration, digital filter, intelligence processing through data processing. The instrument has more advantages than traditional instrument, such as the capabilities of man-machine interaction, digital filter, mass storage.
Cui Qian (Control Theory and Control Engineering )
Directed by prof. HanPu

KEY WORDS：Fieldbus, ZrO2 Oxygen Analyzer, CPU, Intelligent Instrument

I
华北电力大学硕士学位论文目录
目 录
中文摘要
英文摘要
第一章 引言 1
1.1 氧分析仪的发展概况及趋势 1
1.1.1 磁压式氧分析仪 1
1.1.2 热磁式氧分析仪 1
1.1.3 电化学式氧分析仪 2
1.1.4 氧化锆氧分析仪 2
1.2 氧化锆氧量分析仪国内外现状 3
1.2.1 氧化锆氧量检测器的发展 3
1.2.2 氧量变送器的发展 4
1.3 现场总线仪表 4
1.4 课题研究意义 6
1.5 本课题主要完成的任务 6
第二章 氧化锆氧量分析仪的测氧原理及CAN总线技术基础 8
2.1 氧化锆氧量分析仪的测氧原理 8
2.1.1 氧化锆材料的导电性 8
2.1.2 氧浓差电池原理 8
2.1.3 能斯特方程 9
2.2 CAN总线技术基础 10
2.2.1 CAN总线的性能特点 10
2.2.2 CAN的技术规范 10
第三章 系统开发关键技术分析及总体方案设计 14
3.1 任务分析及设计原则 14
3.1.1 现场总线智能氧量分析仪表的主要技术指标 14
3.1.2 系统设计的原则 14
3.2 系统关键技术分析 15
3.2.1 系统自检 15
3.2.2 采集精度的提高 16
3.2.3 氧化锆传感器温度分段PI－模糊控制器的设计 17
3.2.4 现场总线智能氧量分析表的自标定 21
3.3 系统总体结构设计 22
3.3.1 仪器的工作原理 22
3.3.2 系统整体设计 23
第四章 系统硬件电路设计 24
4.1 微处理器（MCU）的选型 24
4.2 数据采集放大电路 24
4.2.1 AD620仪表放大电路 24
4.2.2 12位模/数转换器ADC0 25
4.2.3 温度补偿电路 26
4.3 日历时钟 27
4.4 带触摸屏的LCD显示器设计 28
4.4.1 LCD液晶显示 28
4.4.2 触摸屏控制 29
4.5 温度控制电路 30
4.6 CAN总线设计 31
4.6.1 CAN总线的控制系统 31
4.6.2 CAN总线节点 32
4.7 RS485通讯接口 33
4.8 其它相关外围电路 34
4.8.1 复位模块 34
4.8.2 存储组织结构 34
4.8.3 电源电路 34
4.8.4 系统校正 35
第五章 系统软件设计 36
5.1 系统调试及开发工具 36
5.2 下位机控制主程序 37
5.3 上位机软件 38
5.3.1 人机操作界面 38
5.3.2 参数设置 38
5.3.3 本底修正 38
5.4总线通讯 39
第六章 系统抗干扰设计及实验检定 41
6.1干扰来源与分类 41
6.2硬件抗干扰措施 41
6.3软件抗干扰措施 42
6.4 实验检定 42
6.4.1 现场总线智能氧量分析仪表氧浓度信号检定 42
6.4.2 现场总线智能氧量分析仪表温度信号检定 43
第七章 结论 44
参考文献 46
致 谢 48
在学期间发表的学术论文和参加科研情况 49

III
华北电力大学硕士学位论文
第一章 引言
氧不仅与人的生存息息相关，而且也是与化学、生化反应和物理现象关系最密切的一种化学元素。无论是在工业、农业、能源、交通、医疗、生态环境等各个方面，还是在日常生活中，氧是需要控制与测量最多的一种物质元素。分析氧的含量在生产、医学和环境保护等领域有着十分重要的意义。一台大型锅炉烟道气中的氧含量每下降2%燃烧效率就增加约1%，在冶金工业中，富氧鼓风时的氧含量提高1%，钢产量可提高4%。为保证燃烧效率，监视燃烧过程；为确保生产安全，测定易燃、易爆气氛中的氧含量；研究生物的呼吸过程；测定潜艇、矿井、隧道中的大气含氧量等等都需要氧分析仪。本文要研制的基于现场总线的氧化锆氧量分析仪表是一种灵敏度高、测量精确、适用于现场、寿命长的在线测定仪[1]。它的研制具有可观的经济效益和显著的社会效益。
1.1 氧分析仪的发展概况及趋势
通常按检测方式来分，氧量分析仪分为四大类：磁压式氧分析仪、热磁式氧分析仪、电化学式氧分析仪、氧化锆氧量分析仪[2]。
1.1.1 磁压式氧分析仪
磁压式氧分析仪也是基于氧气顺磁性的直接测量原理，当被测气体和体积磁化率己知的参比气,从相对方向通入磁靴之间的磁隙中时，磁场外被测气体和参比气之间产生压差,这一压差与被测气的氧浓度成比例。将压差转换成电信号，即可测知氧浓度。
磁压式氧分析仪具有测量精度高、刻度线性、反应速度快的特点,仪表示值基本上不受混合体气体中非测量组份变化的影响,(由NO、NO2的相对磁化率分别达43%和28%,所以含有NO和NO2组分的混合气体影响氧含量的检测)。它的测量范围一般在0～1%O2到0～30%O2。选用不同含氧量的流动参比气,原则上可获得对应于基本量程为跨度的任意量程。可应用于冶金喷煤系统氧含量分析或空分制氧系统中氧气纯度的分析。
1.1.2 热磁式氧分析仪
热磁式氧分析仪基于磁风原理，即利用加热时氧气丧失顺磁性这一趋势的性质来进行检测。由于热磁对流的结果，使处于电桥上的两只电组丝r1和r2的阻值发生变化，电桥就有输出电流，输出电流的大小反映了被测气体中氧含量的多少。
热磁式氧分析仪的特点是不需要参比气，无可动部件，敏感元件耐腐蚀。它的
47

速的发展，1975年K.Kiukkala和Wanger首先将氧化锆用于氧量计，由于其具有结构简单，使用方便，反应速度快，灵敏度高，再现性和稳定性好，测氧范围广等一系列优点，因此在近20年来，在石化，电力，冶金，轻工等许多行业测量各种加热炉，锅炉和焙烧炉等的烟气含氧量中得到了广泛的应用。所以本课题选择氧化锆氧分析仪作为设计方向。
1.2 氧化锆氧量分析仪国内外现状
人们早就知道，某些固体氧化物、卤化物、硫化物等具有离子导电性能，其中最著名的是1899年Nernst发现的稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。在此后的一段时期内，尽管人们对这种具有离子导电性能的物质—固体电解质进行了种种研究，但始终进展不大。直到1957年，K.Kiukkala和C.Wagner首次用固体电解质组装原电池并从理论上阐明其原理以后，这方面的研究和应用才得以迅速发展。在所有固体电解质中，氧化锆是目前研究和开发应用的最普遍的一种。它不仅用来作高温化学平衡，热力学和动力学研究，而且已在高温技术，特别是高温测试技术上得到广泛应用。氧探头这种以氧化锆固体电解质为敏感元件，用以测定氧浓度的装置就是一个典型的例子。1961年，J.Weissbart和R.Ruka成功的研制出第一个氧化锆浓差电池测氧仪。七十年代初出现商业用氧化锆氧探头以后，引起科学界和工业界的普遍重视，特别是西德、日本、美国等国都进行了深入的研究和产品开发工作。到七十年代中期，氧探头的理论和实践已趋成熟，开发出了多种结构形式的氧探头。在国内外众多的氧化锆氧量分析仪生产商中，日本的富士公司和德国的安诺泰克（ENOTEC）公司的技术最为先进，产品质量好，拥有最广泛的客户。其中富士公司的氧化锆分析仪具有多种结构，充分了解每种结构的特点，选择它们的最佳组合，以发挥仪表的最大功能，这对设计和使用者来说，无疑是很重要的。
氧化锆氧量分析仪作为一种新型的烟气分析仪表近些年在我国发展很快，有众多的仪器仪表公司和研究所都在研究和生产。其中ZO系列氧化锆氧量仪是其中性能较好且应用较为广泛的一种。这种氧量计由检测器和变送器两部分组成。
1.2.1 氧化锆氧量检测器的发展
早期的检测器选用直插式氧化锆探头，从结构上看：直插式氧化锆氧分析仪具有结构简单的优点，而且直接接触烟气，反映灵敏。但由于直接受到烟气冲刷、粉尘磨损等工作环境的影响，寿命短一直是困扰直插式氧化锆氧分析仪推广的关键因素。直插式氧化锆测氧仪检测器可分为自温式和它温式两种。自温式是自身带有加温装置，可在较低的环境温度下工作；而它温式需要在环境温度足够高的条件下氧化锆传感器才能导通，环境温度就是其工作温度，故对结构材料工作性能要求更为苛刻,也就影响了它温式氧化锆检测器的应用范围。由于直插式氧化锆检测器制造工艺简单，目前国内大部分产品仍为该种型式。为克服直插式寿命短的不足，有人提出采用将样气抽到炉外进行测量的方法予以解决（这就是抽出式）。经过处理后的烟气再进行测量无疑对检测器延长寿命有好处，但响应时间的滞后，设备（抽气泵等）的增加，仍然将该种结构制约在三高(即高温、高尘和高硫)的条件下，限制了该种型式的使用范围。
80年代中期提出的导流直插式结构设计思想比较有效地克服了烟气冲刷造成探头寿命缩短和抽出式引起的响应时间滞后等弊端，既保证了直插式的灵敏度，也达到延长使用寿命的目的，同时还省去了抽出式的部分设备。导流直插式特点是检测器较短，并植在一取样导管之内。取样导管称作导流管，尺寸可根据要求确定。其作用是截取部分具有代表性的气样按指定方向流经检测器，并保护检测器不受高速烟气冲刷，测量的准确度和灵敏度不受影响。该种型式是当前氧化锆氧分析仪的主要推广型式。
1.2.2 氧量变送器的发展
早期的氧量变送器由模拟电路组成，包括高阻抗变换器，温度变换级，倒向器和线性化电路等几部分，将氧电势信号进行反对数运算并线性化，输出标准工业控制信号。由于采用模拟电路，所以结构比较复杂，易损坏，准确度也较低。进入80年代，随着单片机技术的高速发展，以单片计算机为控制核心的数字式变送器逐步取代了老的模拟式变送器，氧量变送器朝着智能化，小型化，模块化方向发展。其不仅可以实现氧电势氧量的快速转换，还能实现氧化锆探头的温度控制，提高检测精度，延长探头的使用寿命。经过软件优化的信号控制器可以对仪表进行自校正，消除放大器的漂移误差及探头的老化误差，大大提高了仪表的检测精度。
1.3 现场总线仪表
过程控制系统体系结构从第1代基地半自动检测系统、第2代单元组合仪表系统、第3代数字化集中控制系统发展到第4代DCS系统。与前3代相比，DCS系统发生了质的变化，可以说是一次革命，但仍存在不少问题，如比较突出的兼容性问题。第一，供应商的系统各不相同，用户一旦选择，便完全处于一种功能需求和投资的被动地位；第二，DCS中的各级通信虽然部分己采用IEC的过程数据公路ProWay标准，但仍基本属于按各制造商本身的通信协议工作的非开放系统。在管理级和监控级是数据总线通信，而处于现场的控制级与监控级通信则采用4～20mA模拟信号。在一个DCS系统中，现场仪表占得比例最大，数量最多，一对一的布线方式使系统庞杂，安装费用大，初期投资高。4～20mA的现场通信方式，使管理人员、操作人员在管理级和监控级上不能直接获得现场仪表工作状态，不能直接对参数进行调整或改变运行方式。某些DCS新产品即使软硬件功能得到很大改善，但由于4～20mA现场通信方式，使其扩容和发展受到限制。
在这样的实际背景下，现场总线为现场设备接口智能化、网络化、标准化和低成本提供了可能性。以现场总线为基础的第5代过程控制体系结构呼之欲出。现场总线是过程控制技术、仪表技术和计算机网络技术3个不同领域结合的产物。当过程控制技术由分立设备发展到数据、设备共享，仪表技术由简单电子仪表发展到智能仪表，工业计算机网络技术由MAP制造自动化协议网发展到现场网络技术时，必然会走向现场总线。
现场总线的节点是现场仪表或现场设备，如传感器、变送器、执行器等。但它们不再是传统意义上单功能的现场仪表，而是有综合功能的微机化仪表。每台仪表内都有一台(或以上)微处理器，既有CPU、内存、I/0接口、通信接口等，又有非电量信号检测、变换、放大、处理等模拟电路，还有数据采集、控制输出等模数混合电路，具有硬、软件结合的技术优势和比传统仪表更为优越的性能[4]。用于过程自动化的基本现场仪表或设备如下:
1.变送器，常用温度、压力(压差)、流量、物位和分析五大类变送器，每类又有很多品种。变送器既有检测、变换和补偿功能，又有PID控制和运算功能；
2.执行器，常用电动、气动两大类执行器。执行器的基本功能是驱动和执行，但内含调节阀输出特性补偿、PID控制和运算等功能，还有阀门特性、状态自校验和自诊断功能；
3.监控设备，工程师站提供现场总线组态，操作员站提供工艺操作与监视，计算机站用于优化控制与建模。
现场总线仪表系统具有以下优点[5]:
1.消除了4～20mA模拟信号通讯瓶颈现象；
2.为用户提供更多功能；
3.减少I/O装置，降低布线量和安装成本；
4.增强系统的自治性；
5.提高检测精度和鲁棒性；
6.用户拥有更大的选择权；
7.调试维护方便，使用寿命长。
总之，现场总线将使仪表的发展产生以下根本的变化[6]:
1.用多变量、双向、数字通信方式代替传统仪表的单变量、单向、模拟传输方式；
2.一对信号线只能连接一台模拟仪表的形式将变成一对信号线连接多台微机化仪表的形式；
3.多功能的微机化现场仪表代替单功能的现场模拟仪表。
1.4 课题研究意义
通过1.1节氧量分析仪发展概况及趋势分析氧化锆氧量分析仪，与现有其他各类氧量分析仪相比，氧化锆氧量分析仪具有性能好，对被检测气体温度、成分、洁净度要求低，适用范围广的特点，是目前应用最广泛的氧量分析仪表之一。
我国经过多年的技术探索和产品开发，虽然已在氧化锆氧量分析仪开发方面取得了一定的成绩，但由于起步迟、起点低，与国外同类产品相比还处于比较落后的状况。主要表现在：
1.氧化锆传感器控温水平低。氧化锆传感器的恒温控制精度将直接影响仪器测
氧的精度，也是氧化锆氧量分析仪的关键性技术之一；
2.功能弱。目前国产的氧化锆氧量分析仪表一般只有信号放大、转换、计算保存及显示等基本功能，而缺少多点校准，探测器自检等高级功能；
3.检测精度低。国产流量仪表多数缺乏非线性补偿以及数字滤波等高级信号处理能力，影响了氧含量检测精度；
4.可靠性不高。系统设计存在不足，信息转换环节多，增加了信号处理的中间环节和信号之间的连线，易引入干扰信号，没有很好地采用有效的软硬件容错、隔离等抗干扰措施，影响系统的检测精度和抗干扰能力；
5.开放型差。目前的氧化锆氧量分析仪在硬件结构上多由分离式模拟器件构成，未采用新型集成芯片，使仪表的结构、功能扩充性和使用维护都较困难；软件设计采用过程化软件设计思想，其可读性和可扩展性较差；网络通讯接口一般只配置RS232类串行接口，只有物理联接上的规定，缺乏数据通讯和校验等链路层协议标准，因此，难以满足用户开放性、易组态的要求。
如采用新型微处理器、先进的计算机软硬件设计思想及现场总线技术，高精度的控温技术、新型微处理器、完善的非线性补偿数字滤波算法，研究开发的氧化锆氧量分析仪能弥补以上缺陷。基于现场总线的智能氧化锆氧量分析仪表以单片微处理器和各种新型集成电路芯片为核心进行设计，因此可充分利用单片机系统良好的软硬件资源达到增强仪表功能、提高测量精度、可靠性及开放性的目的。
1.5 本课题主要完成的任务
课题的目的是研制一种新型的基于现场总线的智能氧化锆氧量分析仪表，本设计主要能完成仪表的以下功能：
1.本底电势和标准气自动修正和手动修正；
2.温度控制采用分段控制的方法；
3.温度控制定值680°C～760°C连续可调,精度±1°C，温度显示精度个位数；
4.氧量温度组合曲线图显示,主要参数在线数字显示,温控状态显示；
5.具有热电偶冷端温度补偿功能,冷端温度数字显示,冷端测温元件采用AD590
测温元件安装位置变送器探头可任意；
6.参数设置包括：基本设定(年，月，日，时间，通信速率)、报警定值设定(报
警上限，报警下限，延迟时间)、氧量参数设定(氧量,输出类型,量程上下限,采样时间)、温度参数设定(温控定值,量程上下限,采样时间)、定时自动修正标定(起始日期,起始时间,间隔天数,即时自动校正)；
7.仪表原始状态调用；
8.热电偶断偶保护,超温保护；
9.系统校验：即时定时自动修正标定，自动校正（氧量,本底电势,标气修正在
线显示），手动校正(氧量,本底电势,标气修正在线显示)；
10.采用带触摸屏的液晶显示器，LCD液晶显示屏汉字显示背光照明，仪表各
项操作显示采用中文菜单形式；
11.带有RS485通信接口,实现CAN通信，上位机对仪表能进行读写操作。
第二章 氧化锆氧量分析仪的测氧原理及CAN总线技术基础
2.1 氧化锆氧量分析仪的测氧原理
2.1.1 氧化锆材料的导电性
氧化锆材料是一种应用较广，技术较成熟的测氧元件。由氧化锆材料制成的氧量仪在石化，电力，冶金，轻工等许多行业中得到广泛应用。氧化锆(ZrO2)是一种金属氧化物陶瓷材料，在常温下，它具有单斜晶体结构。当温度升高至1500°C时，晶体排列由单斜晶体变为立方晶体，同时有约 7%的体积收缩,当温度降低时，发生反方向相变又成为单斜晶体。氧化锆晶体随温度变化,是不稳定的，经过反复加热和冷却,氧化锆就会断裂。因此,纯净的氧化锆不能用来做测量元件。如果在氧化锆中掺入少量（12%～15%）的氧化钙（CaO）等稀土氧化物作稳定剂，再经过高温焙烧,则其晶型变成不随温度而变化的稳定莹石型立方晶体，是一种稳定的氧化锆材料。由于钙化合价与锆不同，在晶体中将产生一些氧离子空穴。如一个氧化钙分子取代了一个氧化锆分子，钙离子只与一个氧离子结合，晶格中留下一个氧离子空穴。这种有氧离子空穴的氧化锆材料在600～800°C温度时，具有导电特性,故称之为固体电解质[7]。
2.1.2 氧浓差电池原理
应用氧化锆固体电解质测量氧量时，一般做成圆管状,在管的内、外壁表面各烧结一层长约20mm的多孔铂金属（Pt）作为电极，并用直径0.5mm的铂丝作为内、外电极引线。
测量时管内通入空气（参比气体），管外走烟气。这时两侧气体中的氧分子被金属铂（Pt）吸附，并且在其催化作用下，都有得到电子成为氧离子进入氧化锆离子空穴中去的趋向，而在金属铂（Pt）表面上留下过剩的正电荷。同时，氧化锆中的氧离子也有失去电子成为氧分子回到空气或烟气中的趋向。当固体电解质（ZrO2）中氧离子浓度一定时，气体的氧分子浓度越大，这种趋向越大。当这两种以相反方向进行的过程最后达到动态平衡时，金属铂（Pt）带正电而氧化锆带负电，两者之间具有静电吸引作用，这种作用不是均匀地分布在氧化锆固体电解质中，而是较多的氧离子聚集在铂金属（Pt）表面附近，形成双电层，在金属铂和氧化锆之间产生电位差，该电位差称作电极电位。设空气和烟气中氧的容积含量分别为和，则上述过程可用电极反应式表示；即
空气侧： （2–1）
烟气侧： （2–2）
电极电位的大小不仅取决于组成电极的物质本性，而且与物质温度,离子及分子浓度等因素有关。由于空气中氧分子浓度大于烟气中氧分子浓度（即），空气侧铂电极电位大于烟气侧铂电极电位，两极之间产生了电位差。当两个电极用导线连接起来时，导线内就有电流流过，构成氧浓差电池,（）为正极，（）为负极，电流流动方向由正极流向负极。
由于大量的正电荷通过导线由正极流向负极，使正极正电荷减少，负极正电荷增多，即破坏了正负电极的正逆反应平衡，导致空气侧将有更多的氧分子变成离子进入氧化锆中，即反应加聚，而氧化锆中将有更多的氧离子失去电子变成氧分子进入烟气中，即负极反应加强。只要氧化锆管内外存在氧浓差，上述反应就继续进行，从而维持两电极之间的电位差，该电位差称作氧浓差电动势（简称浓差电势）。
氧浓差电池总反应式为:
正极： （2–3）
负极： （2–4）
2.1.3 能斯特方程
宏观上,氧浓差电池总反应效果是含氧量高一侧的氧气通过氧离子的方式向含氧量低一侧移动。氧浓差电池可用符号表示为，|含氧离子空穴的固体电解质，而氧浓差电势可由能斯特(Nernst)公式计算[8]，即：
（2–5）
式中 氧浓差电势,；
理想气体常数，；
绝对温度，；
法拉第常数，；
氧分子输送的电子数，；
参比气体氧的容积含量；
被测气体的容积含量。
由于R、F、n为常量，所以当温度保持为一定值时（700°C），被测气体含氧量与对应氧浓差电势值成单值对应关系，实验表明，实际值与理论计算值十分相近，因此通过实测氧浓差电势，就可以得出被测气体的氧含量。
2.2 CAN总线技术基础
2.2.1 CAN总线的性能特点
CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其主要特点如下[9]：
1.CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他
节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息；
2.CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先
级的数据最多可在134内得到传输；
3.CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先
级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间；
4.CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式
传送接收数据，无需专门的“调度”；
5.CAN节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个；报文标示符可达2032
种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制；
6.采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果CAN的
每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。
2.2.2 CAN的技术规范
CAN技术规范（Version2.0）包括A和B两部分[10][11]。其中2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。
为使设计透明和执行灵活，CAN只采用了ISO/OSI模型中的物理层和数据链路层。物理层又包括物理信令（PLS，Physical Signalling）、物理媒体附件（PMA，Physical Medium Attachment）与媒体接口（MDI，Medium Dependent Interface）三部分；数据链路层包括逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）两部分。CAN协议的分层结构如图2–1所示。
一 CAN的物理层
CAN技术规范的物理层定义信号怎样进行发送，因而涉及电气连接、驱动器/接收器的特性、位编码/解码、位定时及同步等内容。但对总线媒体装置，诸如驱动器/接收器特性未作规定，以便在具体应用中进行优化设计。CAN物理层选择灵活，没有特殊的要求，可以采用共地的单线制、双线制、同轴电缆、双绞线、光缆等。网上节点数理论上不受限制，取决于物理层的承受能力，实际可达110个。当总线长为40m时，最大通信速率为1Mbit/s；而当通信速率为5kbit/s时，直接通信距离最大可达10km。

图2–1 CAN的分层结构
二 CAN的数据链路层
在CAN技术规范2.0A的版本中，数据链路层的逻辑链路控制子层（LLC）和媒体访问控制子层（MAC）的服务和功能分别被描述为“目标层”和“传输层”。
CAN数据链路层由一个CAN控制器实现，采用了CSMA/CD方式，但不同于普通的Ethernet，它采用非破坏性总线仲裁技术，网络上节点（信息）有高低优先级之分以满足不同的实时需要。当总线上有两个节点同时向网上传输信息时，优先级高的节点继续传输数据，而优先级低的节点主动停止发送，有效地避免了总线冲突以及负载过重导致网络瘫痪的情况。
CAN可以实现点对点、一点对多点（成组）以及全局广播等几种方式传送和接收数据。
三 报文的传送及其帧结构
报文传送由4种不同类型的帧表示和控制：数据帧携带数据由发送器至接收器；远程帧通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；出错帧由检测出总线错误的任何单元发送；超载帧用于提供当前的和后续的数据帧的附加延迟。
数据帧和远程帧借助帧间空间与当前帧分开。
1.数据帧
数据帧由7个不同的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答（ACK）
场和帧结束。数据场长度可为0。CAN2.0A数据帧的组成如图2–2所示。
在CAN2.0B中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的帧称为扩展帧。标准格式和扩展格式的数据帧结构如图2–3所示。

2–2 数据帧结构

图2–3 标准帧和扩展帧结构
2.远程帧
被激活为数据接收器的站可以借助于传送一个远程帧初始化各资源节点数据的
发送。远程帧由6个不同分位场组成：帧起始、仲裁场、控制场、CRC场、应答场和帧结束。
同数据帧相反，远程帧的RTR位是隐位。远程帧不存在数据场。DLC的数据值是独立的，它可以是0～8中的任何数值，这一数值为对应数据帧的DLC。远程帧的组成如图2–4所示。

图2–4 远程帧组成
3.出错帧
出错帧由两个不同场组成，第一个场由来自各站的错误标志叠加得到，后随的第二个场是出错界定符。出错帧的组成如图2–5所示。

图2–5 出错帧组成
4.超载帧
超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，如图2–6所示。

图2–6 超载帧组成
5.帧间空间
数据帧和远程帧同前面的帧相同，不管是何种帧（数据帧、远程帧、出错帧或超载帧）均以称之为帧间空间的位场分开。相反，在超载帧和出错帧前面没有帧间空间，并且多个超载帧前面也不被帧间空间分隔。帧间空间包括间歇场和总线空闲场，对于前面已经发送报文的“错误认可”站还有暂停发送场。
间歇场：由3个隐位组成。间歇期间，不允许启动发送数据帧或远程帧，它仅起标注超载条件的作用。
总线空闲场：总线空闲周期可为任意长度。此时，总线是开放的，因此任何需要发送的站均可访问总线。在其他报文发送期间，暂时被挂起的待发送报文紧随间歇场从第一位开始发送。此时总线上的显位被理解为帧起始。
暂停发送场：是指错误认可站发完一个报文后，在开始下一次报文发送或认可总线空闲之前，它紧随间歇场后送出8个隐位。如果其间开始一次发送（由其他站引起），本站将变为报文接收器。
第三章 系统开发关键技术分析及总体方案设计
3.1 任务分析及设计原则
本项目研发的目的一方面为了提高我国氧量分析仪研究和开发技术水平，另一方面也为了满足用户对氧量分析仪功能不断增加的需要。因此本项目所要达到的预期目标不但要具备传统氧量分析仪一些基本功能，而且还要在智能化、集成化、开放性、可靠性以及运算处理能力上有较大进步和提高[12] [13] [14]。
3.1.1 现场总线智能氧量分析仪表的主要技术指标
1.精度：0.5级；
2.（高）氧量量程：0.1%～25%O2；
3.氧电势信号：– 20～120mV；
4.（低）氧量量程：0.000001～100PPmO2；
5.氧电势信号：159.94～546.05mV；
6.温度量程：0～1000°C 热电偶（K分度）；
7.温度控制：700°C±1°C 定值680°C～760°C连续可调；
8.模拟量输出信号：二路隔离直流电流输出4～20mA或1～5V电压输出可切换；
9.仪表工作环境：温度 0～60°C 相对湿度＜90%；
10.电源电压：220VAC/50Hz；
11.功耗：变送器15W 加热炉约180W；
12.加热输出电压：110VAC；
13.加热炉内阻：约65～70Ω；
14.通信：CAN总线通信，并配置RS485通信接口。
3.1.2 系统设计的原则
1.提高系统检测精度。检测精度是衡量仪表系统研发成功与否的一个重要指标
在提高检测精度时应从硬件电路设计优化、软件处理（数字滤波、软件修正等）、提高抗干扰能力等方面入手，综合考虑各方面因素、对氧量分析仪测氧结果有影响的干扰因素作必要的技术处理；
2.提高系统智能性。仪表的智能性包括控制智能性和数据处理智能性。在开发
系统时应充分利用微处理器强大的控制能力，用软件控制和管理仪表测量过程，避免使用常规仪器仪表中大量的数字电路，即尽可能实现“硬件软件化”。另外系统有原始状态调用、仪表自检、自动校正等各种功能。软件上应有数字滤波、非线性修正等高级数学处理能力；
3.提高系统开放性。开放性包括硬件电路开放性、软件设计开放性以及系统通讯开放性三部分，硬件模块功能划分明确，电路单元功能相互独立，做到即插即用，同时组成电路单元的元器件应通用性强，替代性好；软件设计时应考虑可读性和可扩充性，易于别人二次开发；充分利用CAN总线的优点，严格按照CAN总线协议进行通信模块开发，方便用户联网组态；
4.提高系统可靠性。为保证仪表系统有非常高的可靠性，在器件选取上应考虑成熟的产品,在硬件设计上应有电源监视和掉电保护功能,在功能上有自动诊断功能,软件设计上必须采取容错、滤波等抗干扰措施，硬件电路上必须全方位光电隔离等；
5.降低系统成本。在能满足系统任务要求的情况下，为了获得较高性能价格比，应尽可能采用简单、实用的方案。同时尽量选择性价比较高、功能强大的元器件，一方面降低成本，另一方面简化系统结构，缩小系统体积，增加系统可靠性。另外降低成本除了考虑硬件成本，还应考虑研制成本和使用维护成本。因此，在系统开发时应尽量选用成熟的理论和方法，提高系统开发一次性成功的概率，缩短研制开