一種氫氣濃度的檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

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氫是主要的工業(yè)原料，也是重要的工業(yè)氣體和特種氣體，在石油化工、電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品加工、浮法玻璃、精細(xì)有機(jī)合成、航空航天等方面有著廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，氫也是一種理想的二次能源（二次能源是指必須由一種初級(jí)能源如太陽能、煤炭等來制取的能源）。在一般情況下，氫極易與氧結(jié)合。這種特性使其成為天然的還原劑使用于防止出現(xiàn)氧化的生產(chǎn)中。在玻璃制造的高溫加工過程及電子微芯片的制造中，在氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛中加入氫以去除殘余的氧。在石化工業(yè)中，需加氫通過去硫和氫化裂解來提煉原油。氫的另一個(gè)重要的用途是對(duì)人造黃油、食用油、洗發(fā)精、潤滑劑、家庭清潔劑及其它產(chǎn)品中的脂肪氫化。由于氫的高燃料性，航天工業(yè)使用液氫作為燃料。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(shè)計(jì)

采集到的氫傳感信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大電路進(jìn)行放大處理，并在低通濾波器濾除信號(hào)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(yīng)用程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理，實(shí)時(shí)顯示濃度值，并在濃度超出限定值時(shí)做出報(bào)警處理。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(biāo)有：測量范圍O~1000mg/m3,負(fù)載2000mg/m3,輸出信號(hào)為30±10nA每mg/m3,分辨率2mg/m3,響應(yīng)時(shí)間45s,溫度范圍-20~40℃，典型信號(hào)漂移2%/月。可見，傳感器輸出的信號(hào)范圍為0~40μA甚至nA級(jí)的微弱直流信號(hào)。這里首先利用I/V轉(zhuǎn)換電路將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再利用后級(jí)的差動(dòng)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。由微處理器S3C2410處理采集到的數(shù)值信號(hào)。

2.1微弱信號(hào)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能影響顯著，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(yùn)算放大器。這里選用斬波穩(wěn)零的高精度運(yùn)放ICL7650,其輸入電阻為1012Ω，偏置電流為1.5pA,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130dB.后級(jí)的差動(dòng)放大選用內(nèi)部具有三運(yùn)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(dòng)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(diǎn)。系統(tǒng)的前端信號(hào)放大電路如圖2所示。

輸入電流I1進(jìn)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(hù)電阻。經(jīng)過I/V轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)U1和R4上所分得的電壓一起，作為差動(dòng)輸入進(jìn)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=（49.4kΩ/R6）+1.由于R4上所得的電壓為一恒定值，而U1會(huì)隨著輸入信號(hào)的變化而變化，那么AD620AN的輸出端電壓信號(hào)U2即包含了一定的基底電壓和被測信號(hào)量，對(duì)其進(jìn)行濾波采樣后，進(jìn)行處理，可以從中分離出需要補(bǔ)償?shù)幕纂妷海玫綄?shí)際的被測信號(hào)。由于基底電壓是緩變的直流信號(hào)，在一定的時(shí)間（min級(jí)）內(nèi)為定值，因此可以忽略處理時(shí)間（ms級(jí)），保證實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(jìn)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(hào)附有噪聲干擾，對(duì)于傳感器信號(hào)濾波常用的是RC有源模擬濾波器，即用運(yùn)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(diǎn)。因此采用由2個(gè)2階巴特沃斯有源濾波電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的截止頻率為50Hz的4階巴特沃斯低通濾波器。

2.3ADC與微處理器接口電路

ADC,即移動(dòng)ADC,是Applicationdatacenter的縮寫，其實(shí)是ASP模式與IDC業(yè)務(wù)的結(jié)合的演變，是由中國移動(dòng)推出的一項(xiàng)移動(dòng)信息化產(chǎn)品業(yè)務(wù)，主要針對(duì)中小企業(yè)，屬于移動(dòng)信息化的行業(yè)應(yīng)用，業(yè)務(wù)主要包括有移動(dòng)OA、手機(jī)郵箱、無線網(wǎng)站以及移動(dòng)進(jìn)銷存等四款行業(yè)應(yīng)用托管解決方案。

氫氣傳感器輸出信號(hào)頻率一般都遠(yuǎn)小于1kHz.根據(jù)香農(nóng)采樣定理可知，采樣頻率至少要大于信號(hào)頻率的2倍。另外，為了滿足2mg/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2.7~5.25V.AD7888有2.5V的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，也可以使用外部基準(zhǔn)電壓，范圍從1.2V到VDD.模擬輸入電壓從O到VREF,采樣頻率可高達(dá)125kHz,可與多種串行接口（SPI/QSPI/MICROWIRE/DSP）兼容。

本監(jiān)測系統(tǒng)的處理器是三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410.它為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供了低價(jià)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(shè)備：分開的16KB的指令Cache和16KB的數(shù)據(jù)Cache,MMU虛擬存儲(chǔ)器管理，LCD控制器，支持NANDFlash系統(tǒng)引導(dǎo)，系統(tǒng)管理器，3通道UART,4通道的DMA,4通道PWM定時(shí)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(jī)，USB設(shè)備，SD主卡和MMC卡接口，2通道的SPI以及內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻器等。

該系統(tǒng)利用SPI實(shí)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(shí)鐘信號(hào)，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(hào)，低電平有效。

3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。

Linux是一類Unix計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的統(tǒng)稱。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核的名字也是"Linux".Linux操作系統(tǒng)也是自由軟件和開放源代碼發(fā)展中著名的例子。嚴(yán)格來講，Linux這個(gè)詞本身只表示Linux內(nèi)核，但在實(shí)際上人們已經(jīng)習(xí)慣了用Linux來形容整個(gè)基于Linux內(nèi)核，并且使用GNU工程各種工具和數(shù)據(jù)庫的操作系統(tǒng)。Linux得名于計(jì)算機(jī)業(yè)余愛好者LinusTorvalds.

3.1外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是為特定硬件提供給用戶程序的一組標(biāo)準(zhǔn)化接口，它隱藏了設(shè)備工作的細(xì)節(jié)。但對(duì)于特定的硬件設(shè)備來說，其對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不同，所以不同外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是嵌入式軟件設(shè)計(jì)過程中必不可少的一部分。

Linux常以模塊的形式加載設(shè)備，便于多個(gè)設(shè)備的協(xié)調(diào)工作也利于應(yīng)用程序的開發(fā)和擴(kuò)展。設(shè)備驅(qū)動(dòng)在加載時(shí)首先需要調(diào)用入口函數(shù)ini-t_module（）。該函數(shù)完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的初始化工作，比如寄存器置位、結(jié)構(gòu)體賦值等。其中重要的一個(gè)工作就是向內(nèi)核注冊(cè)該設(shè)備，字符設(shè)備調(diào)用函數(shù)register_chrdev（）完成注冊(cè)，塊設(shè)備調(diào)用函數(shù)reglster_blkdev（）完成注冊(cè)。相應(yīng)地，設(shè)備驅(qū)動(dòng)在卸載時(shí)需要調(diào)用cleanup_mod-ule（）。該函數(shù)完成相應(yīng)資源的回收、設(shè)備的注銷、釋放主設(shè)備號(hào)和設(shè)備文件名等。字符設(shè)備利用unregister_chrdev（）注銷設(shè)備，塊設(shè)備利用unregister_blkdev（）注銷設(shè)備。

Linux內(nèi)核中，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都對(duì)應(yīng)一個(gè)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(shè)備相關(guān)的打開、關(guān)閉、讀/寫、控制等功能函數(shù)，當(dāng)用戶進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用時(shí)，將自動(dòng)使用驅(qū)動(dòng)程序中特定的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)具體的操作。實(shí)際上，編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的過程也就是實(shí)現(xiàn)structfile_operations結(jié)構(gòu)中的部分所需函數(shù)的過程。

3.2應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

有了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序提供底層硬件與應(yīng)用程序的接口，Linux系統(tǒng)訪問底層設(shè)備就像訪問普通文件一樣。例如，打開設(shè)備使用系統(tǒng)調(diào)用open（），關(guān)閉設(shè)備使用系統(tǒng)調(diào)用close（），讀/寫設(shè)備使用系統(tǒng)調(diào)用read（）和write（）等。應(yīng)用程序流程如圖4所示。首先系統(tǒng)上電復(fù)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(jìn)行按鍵處理并按輸入步驟設(shè)置程序；若無，則開中斷并啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換完成產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。首先關(guān)閉中斷，讀取A/D采集數(shù)據(jù)，調(diào)用適用于緩變信號(hào)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(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)并送顯示器顯示。，從中斷返回到主程序中，再判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)是否超過設(shè)定的臨界值。若大于臨界值，作報(bào)警處理；否則就開中斷，等待下轉(zhuǎn)換結(jié)束。依此循環(huán)處理。

4實(shí)驗(yàn)

在容積約70m3的密閉實(shí)驗(yàn)室中，利用化學(xué)制氫法制取約40ml氫氣，再用該系統(tǒng)來檢測環(huán)境中氫氣濃度值，實(shí)驗(yàn)界面如圖6所示。在界面中，顯示了當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前環(huán)境濃度值、超限與否提示、當(dāng)前通道以及1h內(nèi)的濃度變化曲線。監(jiān)測系統(tǒng)的準(zhǔn)確度、靈敏度、實(shí)時(shí)性等各項(xiàng)指標(biāo)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。