氫氣是一種無色無味、攜帶極不方便、極易泄漏的氣體,在室溫和標準大氣壓下,氫氣與空氣的混合比例達到4.1%~74.1%時遇明火極易爆炸。為了減小使用氫氣的安全隱患,開發(fā)出一套安全、可靠、靈敏度高的氫氣濃度監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計
采集到的氫傳感信號經(jīng)過低噪聲放大電路進行放大處理,并在低通濾波器濾除信號中的高頻噪聲。然后,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送入ARM處理器S3C2410,ARM 處理器再調(diào)用應用程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進行數(shù)字處理,最后實時顯示濃度值,并在濃度超出限定值時做出報警處理。整個系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計
本系統(tǒng)中所選氫氣傳感器為瑞士Membrapor生產(chǎn)的H2/C-1000。它的主要指標有:測量范圍O~1 000 mg/m3,最大負載2000 mg/m3,輸出信號為30±10 nA每mg/m3,分辨率2 mg/m3,響應時間<45 s,溫度范圍-20~40℃,典型信號漂移<2%/月??梢?,傳感器輸出的信號范圍為0~40μA甚至nA級的微弱直流信號。這里首先利用I/V轉(zhuǎn)換電路將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號,再利用后級的差動放大電路將其放大到A/D能采集的電壓范圍。然后,將其經(jīng)過二階低通濾波處理后送入A/D轉(zhuǎn)換器。最后由微處理器S3C2410處理采集到的數(shù)值信號。
2.1 微弱信號放大電路
根據(jù)弗里斯定理可知,I/V轉(zhuǎn)換引入的外界干擾和噪聲,對整個系統(tǒng)性能影響最顯著,為此必須選用開環(huán)輸入電阻高、輸入偏置電流小、噪聲小的精密運算放大器。這里選用斬波穩(wěn)零的高精度運放ICL7650,其輸入電阻為1012Ω,偏置電流為1.5 pA,輸入失調(diào)電壓為1μV,失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.01μV/℃,共模抑制比為130 dB。后級的差動放大選用內(nèi)部具有三運放結(jié)構(gòu)的儀用放大器AD620AN。它具有共模抑制比高,溫度穩(wěn)定性好,放大頻帶寬,噪聲系數(shù)小、功耗低,差動輸入、單端輸出,電壓增益由電阻RG確定,且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點。系統(tǒng)的前端信號放大電路如圖2所示。
輸入電流I1進入放大器ICL7650的反向端,輸出電壓正比于輸入電流,電壓U1=I1R2。為防止產(chǎn)生高頻振蕩,在電阻R2上并接了電容C1。R1為 ICL7650的限流保護電阻。經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后的電壓信號U1和R4上所分得的電壓一起,作為差動輸入進入儀用放大器AD620AN,它的放大倍數(shù)僅由電阻RG(即R6)決定,增益公式為G=(49.4 kΩ/R6)+1。由于R4上所得的電壓為一恒定值,而U1會隨著輸入信號的變化而變化,那么AD620AN的輸出端電壓信號U2即包含了一定的基底電壓和被測信號量,對其進行濾波采樣后,進行處理,可以從中分離出需要補償?shù)幕纂妷?,得到實際的被測信號。由于基底電壓是緩變的直流信號,在一定的時間 (min級)內(nèi)為定值,因此可以忽略處理時間(ms級),保證實時動態(tài)補償。電路中的R3和R5與G2組成低通濾波電路,可以防止高頻噪聲進入放大器,減小噪聲干擾。
2.2 濾波電路
經(jīng)過放大后的直流信號附有噪聲干擾,對于傳感器信號濾波最常用的是RC有源模擬濾波器,即用運算放大器和電阻、電容構(gòu)成,具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整方便、成本低的特點。因此采用由2個2階巴特沃斯有源濾波電路級聯(lián)構(gòu)成的截止頻率為50 Hz的4階巴特沃斯低通濾波器。
2.3 ADC與微處理器接口電路
氫氣傳感器輸出信號頻率一般都遠小于1 kHz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理可知,采樣頻率至少要大于信號最高頻率的2倍。另外,為了滿足最小2 mg/m3的分辨率,這里采用美國ADI公司推出的一款高速低功耗串行12位8 通道A/D轉(zhuǎn)換器AD7888。它是單電源工作,電壓VDD范圍為2.7~5.25 V。AD7888有2.5 V的片內(nèi)基準電壓,也可以使用外部基準電壓,范圍從1.2 V到VDD。模擬輸入電壓從O到VREF,采樣頻率可高達125 kHz,可與多種串行接口(SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP)兼容。
本監(jiān)測系統(tǒng)的核心處理器是三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410。它為手持設備和一般應用提供了低價格、低功耗、高性能的小型微控制器解決方案。S3C2410提供了豐富的內(nèi)部設備:分開的16KB的指令Cache和16 KB的數(shù)據(jù)Cache,MMU虛擬存儲器管理,LCD控制器,支持NAND Flash系統(tǒng)引導,系統(tǒng)管理器,3通道UART,4通道的DMA,4通道PWM定時器,I/O端口,RTC,8通道10位ADC和觸摸屏接口,I2C總線接口,USB主從機,USB設備,SD主卡和MMC卡接口,2通道的SPI以及內(nèi)部PLL時鐘倍頻器等。
該系統(tǒng)利用SPI實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器與ARM處理器的數(shù)據(jù)傳輸,其接口電路如圖3所示。SPlCLK0為SPI串行時鐘信號,SPIMISO0和 SPIMOSI0數(shù)據(jù)引腳用來發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。nSS0作為SPI的片選信號,低電平有效。
3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計
本系統(tǒng)在S3C2410上移植了韓國Mizi公司開發(fā)的Bootloader(VIVI)、嵌入式Linux-2.6.14內(nèi)核以及cramfs根文件系統(tǒng),構(gòu)建了具有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的軟件環(huán)境。
3.1 外圍設備驅(qū)動程序設計
Linux設備驅(qū)動程序是為特定硬件提供給用戶程序的一組標準化接口,它隱藏了設備工作的細節(jié)。但對于特定的硬件設備來說,其對應的設備驅(qū)動程序不同,所以不同外部設備驅(qū)動程序的開發(fā)是嵌入式軟件設計過程中必不可少的一部分。
Linux常以模塊的形式加載設備,便于多個設備的協(xié)調(diào)工作也利于應用程序的開發(fā)和擴展。設備驅(qū)動在加載時首先需要調(diào)用入口函數(shù)ini- t_module()。該函數(shù)完成設備驅(qū)動的初始化工作,比如寄存器置位、結(jié)構(gòu)體賦值等。其中最重要的一個工作就是向內(nèi)核注冊該設備,字符設備調(diào)用函數(shù) register_chrdev()完成注冊,塊設備調(diào)用函數(shù)reglster_blkdev()完成注冊。相應地,設備驅(qū)動在卸載時需要調(diào)用 cleanup_mod-ule()。該函數(shù)完成相應資源的回收、設備的注銷、釋放主設備號和設備文件名等。字符設備利用 unregister_chrdev()注銷設備,塊設備利用unregister_blkdev()注銷設備。
Linux內(nèi)核中,每個設備驅(qū)動程序都對應一個file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中,定義了一些與此設備相關的打開、關閉、讀/寫、控制等功能函數(shù),當用戶進行系統(tǒng)調(diào)用時,將自動使用驅(qū)動程序中特定的函數(shù)來實現(xiàn)具體的操作。實際上,編寫設備驅(qū)動程序的過程也就是實現(xiàn)struct file_operations結(jié)構(gòu)中的部分所需函數(shù)的過程。
3.2 應用程序設計
有了設備驅(qū)動程序提供底層硬件與應用程序的接口,Linux系統(tǒng)訪問底層設備就像訪問普通文件一樣。例如,打開設備使用系統(tǒng)調(diào)用open(),關閉設備使用系統(tǒng)調(diào)用close(),讀/寫設備使用系統(tǒng)調(diào)用read()和write()等。應用程序流程如圖4所示。首先系統(tǒng)上電復位,程序初始化,然后掃描鍵盤值,看是否有鍵值按下。若有,則進行按鍵處理并按輸入步驟設置程序;若無,則開中斷并啟動A/D轉(zhuǎn)換,等待轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生中斷,進入中斷服務程序。中斷服務程序流程如圖5所示。首先關閉中斷,讀取A/D采集數(shù)據(jù),調(diào)用適用于緩變信號的中值濾波算法處理轉(zhuǎn)換結(jié)果,將連續(xù)采樣的5次采樣值按大小排序,取中間值為本次有效值。然后,存儲處理后的數(shù)據(jù)并送顯示器顯示。最后,從中斷返回到主程序中,再判斷當前數(shù)據(jù)是否超過設定的臨界值。若大于臨界值,作報警處理;否則就開中斷,等待下一次轉(zhuǎn)換結(jié)束。依此循環(huán)處理。
4 實驗
在容積約70 m3的密閉實驗室中,利用化學制氫法制取約40 ml氫氣,再用該系統(tǒng)來檢測環(huán)境中氫氣濃度值,實驗界面如圖6所示。在界面中,顯示了當前時間、當前環(huán)境濃度值、超限與否提示、當前通道以及1 h內(nèi)的濃度變化曲線。監(jiān)測系統(tǒng)的準確度、靈敏度、實時性等各項指標基本達到設計要求。
結(jié)語
本文介紹了信號的前端調(diào)理電路,為微處理器S3C2410移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng),并在該系統(tǒng)下完成了設備驅(qū)動程序和應用程序的設計;利用軟件算法對A/D轉(zhuǎn)換后的信號進行了數(shù)值處理,最后介紹了圖形用戶界面,可動態(tài)顯示當前氫氣濃度值。該系統(tǒng)較好地滿足了對現(xiàn)場環(huán)境中氫氣濃度的實時動態(tài)監(jiān)測要求,系統(tǒng)體積小,功耗低,成本低;還可根據(jù)需求靈活配置,適合便攜式移動應用的場合,且具有良好的準確性、實時性和穩(wěn)定性。