郝毫毫

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

艦艇艙室是人員休息和工作或在核化條件以及生化污染條件下用于集體防護(hù)的場所，環(huán)境相對封閉，人員高度集中，艙內(nèi)排出的廢氣濃度高，尤其是晚間門窗緊閉，艙內(nèi)空氣質(zhì)量差，其中二氧化碳的含量對艦員的生理影響表現(xiàn)為：當(dāng)CO2濃度小于0.05%時(shí)，人員感覺舒適；當(dāng)CO2濃度大于0.05%小于1.55%時(shí)，人員短期無明顯影響，但長期會(huì)影響戰(zhàn)斗力；當(dāng)CO2濃度大于1.55%小于2.00%時(shí)，人員會(huì)出現(xiàn)輕微反應(yīng)(疲勞、煩悶、頭暈、氣喘)，使用武器裝備困難；當(dāng)CO2濃度大于3.00%時(shí)，人員會(huì)有劇烈反應(yīng)(呼吸困難)，不能使用武器裝備甚至引起死亡[1].

由此可見，二氧化碳的濃度測量是十分重要的.艦船艙室氣體檢測裝置多采用質(zhì)譜儀[2]，雖具有檢測范圍廣、運(yùn)行穩(wěn)定、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，但其體積大、價(jià)格昂貴，因此不便攜帶和安裝.本文采用低功耗器件并采用合適的軟件方案設(shè)計(jì)了一種二氧化碳濃度和溫濕度檢測裝置，采用電池供電，具有功耗低、體積小、便于攜帶和安裝、接口靈活等特點(diǎn)，適合艦艇艙室環(huán)境應(yīng)用.

1 硬件設(shè)計(jì)

檢測裝置的電路原理圖如圖1所示.它主要由MCU(微控制器)控制單元、通信接口、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器等構(gòu)成.所有單元均采用低功耗器件，MCU采用TI的具有休眠功能的MSP430F449單片機(jī)，溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT21溫濕度傳感器，CO2濃度測量采用GSS公司的功率僅為3.5 mW的COZIR傳感器.所有器件均采用3.3 V供電，便于電池集中供電.

圖1 檢測裝置的電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the acquisition system

1.1 MCU單元

MSP430F449是IT公司推出的一種超低功耗單片機(jī)，其主要特點(diǎn)有：

a) 超低功耗：其供電電壓為1.8～3.6 V，工作在LPM3(低功耗模式3)模式時(shí)電流為0.7～0.9 μA，工作在活動(dòng)模式時(shí)電流為0.2～0.3 mA，I/O(數(shù)字輸入/輸出口)口的漏電流不超過50nA[3].它的矢量中斷支持多個(gè)中斷源，并可以任意嵌套.當(dāng)MSP430F449工作在低功耗模式時(shí)，外部事件所引起的中斷請求最短只需1 μs喚醒系統(tǒng).

b) 處理能力強(qiáng)大：MSP430(單片機(jī))系列為16位單片機(jī)，使用精簡指令集，它的機(jī)器周期為一個(gè)振蕩周期.同時(shí)它還采用了16位多功能硬件乘法器等一系列先進(jìn)的體系結(jié)構(gòu).

c) 高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍模塊：MSP430F449組合了許多功能模塊，其中包括LCD(液晶顯示器)驅(qū)動(dòng)器，這大大節(jié)省了外圍硬件的開銷.

d) 系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠：上電復(fù)位后，先由其內(nèi)置的DCO(數(shù)字控制振蕩器)時(shí)鐘啟動(dòng)CPU(中央處理器)，在外接的晶振穩(wěn)定后，通過軟件編程來確定系統(tǒng)時(shí)鐘頻率.如果外接晶體振蕩器在用作主時(shí)鐘時(shí)發(fā)生故障，內(nèi)置DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作.

在本應(yīng)用中，MCU是檢測裝置的核心，在無事件發(fā)生的情況下工作于LPM3低功耗狀態(tài).此時(shí)，高速時(shí)鐘和CPU停止，32768 Hz低速時(shí)鐘處于活動(dòng)狀態(tài)，將UART0和TIMER0(定時(shí)器0)的時(shí)鐘源設(shè)為ACLK(輔助系統(tǒng)時(shí)鐘)，當(dāng)USART0有數(shù)據(jù)接收或TIMER0定時(shí)發(fā)生時(shí)，MCU可響應(yīng)并退出LPM3狀態(tài)進(jìn)入活動(dòng)工作狀態(tài).MSP430F449功能豐富，編程方式靈活，完全可滿足檢測裝置的設(shè)計(jì)要求.

1.2 低功耗傳感器單元

溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT21溫濕度傳感器，休眠時(shí)的電流僅為0.15 μA左右.SHT21配有一個(gè)全新設(shè)計(jì)的CMOSens?(芯片的一種結(jié)構(gòu))芯片、一個(gè)經(jīng)過改進(jìn)的電容式濕度傳感元件和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的能隙溫度傳感元件，其性能已經(jīng)大大提升甚至超出了前一代傳感器(SHT1x和SHT7x型號)的可靠性水平.SHT21的測量分辨率高，可以達(dá)到14 bit(溫度)、12 bit(濕度).量程范圍廣，溫度為-40～120 ℃，濕度為：0～l00%RH[4].通信采用標(biāo)準(zhǔn)I2C接口，便于微控制器訪問.在每次測量和通訊結(jié)束后，SHT21會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式，大大降低了功耗.

這里對SHT21采用3.3 V供電，SHT21的SCL腳接單片機(jī)的P2.0口，SDA腳接單片機(jī)的P2.1口，單片機(jī)模擬I2C(一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn))口.

CO2濃度測量采用GSS公司的COZIR-A型傳感器，其功耗僅3.5 mW，可溫度補(bǔ)償，濕度補(bǔ)償，以及感知白天黑夜的環(huán)境狀態(tài)[5].預(yù)熱時(shí)間僅10 s，量程2 %.性能： 1)功耗3.5 mW；2)峰值電

流33 mA；3)平均電流小于1.1 mA；4)電源3.3 V；5)響應(yīng)時(shí)間30 s；6)標(biāo)準(zhǔn)型號溫度范圍0 ～ 50 ℃(可擴(kuò)展-25 ℃～55 ℃)；7) 濕度適用范圍 0～95 % RH；8)存儲(chǔ)溫度-30 °C～+70 ℃；9)尺寸：傳感器18 mm×20 mm.

COZIR連接簡單，除了3.3 V電源和地線外，還有RX(引腳名稱)和TX(引腳名稱)引腳可直接連接單片機(jī)的USART1(串口1)口.所有的通信均使用ASCII(編碼名稱)碼，命令格式按照文獻(xiàn)[6]的規(guī)定執(zhí)行.傳感器有三種工作模式：命令模式(Command Mode)，流模式(Streaming Mode)和查詢模式(Polling Mode).

其中工作于查詢模式時(shí)傳感器并不產(chǎn)生數(shù)據(jù)，但是周期性的測量在后臺(tái)繼續(xù)，當(dāng)傳感器收到讀取命令時(shí)，會(huì)將最近的測量值轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)送出.查詢模式的功耗與查詢頻率有關(guān)，但是幾乎接近3.5 mW.

該設(shè)計(jì)將COZIR的通訊口接到單片機(jī)的USART1(串口1)口，COZIR工作在查詢模式(Polling Mode).

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench(一種軟件開發(fā)環(huán)境)，使用C430語言.檢測裝置作為從機(jī)其USART0口執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議，為點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式.MODBUS協(xié)議是免費(fèi)的用于工業(yè)現(xiàn)場的總線協(xié)議.在我國，MODBUS已經(jīng)成為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19582-2008[7].可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等[8].每一個(gè)檢測裝置都擁有一個(gè)唯一的MODBUS地址，工作方式為主站輪詢，從站監(jiān)聽的方式.檢測裝置軟件的主要流程如圖2所示.

2.1 程序流程

系統(tǒng)初始化時(shí)，MCU進(jìn)入LPM3模式，Timer0(定時(shí)器0)選擇32.768 kHz晶振作時(shí)鐘源，定時(shí)1 min中斷.有兩個(gè)事件會(huì)將MCU喚醒：Timer0定時(shí)和USART0數(shù)據(jù)接收.

在Timer0(定時(shí)器口)的中斷服務(wù)子程序中做兩件工作：1、軟時(shí)鐘計(jì)時(shí).由于系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性要求不高，時(shí)鐘可以分鐘為最低計(jì)時(shí)單位.并且上位機(jī)可定期通過寫指令對時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)；2、采集數(shù)據(jù).從溫濕度傳感器和二氧化碳濃度傳感器讀取數(shù)據(jù)并按規(guī)定格式存放在規(guī)定緩沖區(qū)，等待上位機(jī)讀取，刷新LCD顯示器.

圖2 系統(tǒng)程序框圖Fig.2 Program flow chart

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

MSP430F449擁有較大的存儲(chǔ)區(qū)，其FLASH區(qū)有60KB+256B.本系統(tǒng)地址分配如下：

USART0配置參數(shù) 0X1000～0X107F

MOBUS通信協(xié)議配置參數(shù) 0X1080～0X10FF

用戶參數(shù)(用戶信息等) 0X1100～0X1FFF

用戶程序區(qū) 0X2000～0X6FFF

升級程序區(qū) 0XE000～0XFDFF

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)位于RAM(隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)區(qū)，在MCU處于LPM3模式下能夠得到保存.實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存放格式如表1所示.每次讀取的采樣數(shù)據(jù)和時(shí)間存放在兩個(gè)位置，一是地址0x7003～0x7008，二是沿地址0x7009～0x707A順序循環(huán)存放.

2.3 程序升級

MSP430F系列單片機(jī)的FLASH(存儲(chǔ)器的類型)存儲(chǔ)器模塊是可以通過程序擦寫的.由于采用的是普林斯頓結(jié)構(gòu)，所有存儲(chǔ)器安排在同一個(gè)線性地址空間中，地址結(jié)構(gòu)清晰，便于訪問.FLASH部分被分為多個(gè)可單獨(dú)擦除的段(512字節(jié)，信息段大小為128/64字節(jié))，因此特別適合在線程序升級(in-system program).

表1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存放格式

程序升級的原理是在單片機(jī)中放置2段地址不重疊的相互獨(dú)立的程序代碼：一段為升級程序，另一段為用戶應(yīng)用程序.同時(shí)為兩者的特殊功能寄存器分配兩個(gè)不同的區(qū)域用于保存寄存器內(nèi)容，以便在程序跳轉(zhuǎn)時(shí)使用.

單片機(jī)復(fù)位后先進(jìn)入引導(dǎo)程序，由它判斷應(yīng)用程序是否存在或錯(cuò)誤.若有正確的應(yīng)用程序則引導(dǎo)程序指針跳入應(yīng)用程序，恢復(fù)特殊功能寄存器內(nèi)容.否則進(jìn)入升級程序，開放通信接口，等待升級.

引導(dǎo)程序的C430語言描述如下

Void main()

{

While(1)

{

If(App_Valid()) // 判斷應(yīng)用程序是否存在，或存在錯(cuò)誤

Application(); // 進(jìn)入應(yīng)用程序

else

Updata(); // 進(jìn)入升級程序

}

}

在編寫應(yīng)用程序時(shí)，要在鏈接文件(*.XCL)中指定應(yīng)用程序的地址范圍，編譯完成后輸出TXT(文本)文件.在應(yīng)用程序和升級程序之間跳轉(zhuǎn)時(shí)，可通過使用“asm(" mov &0xXXXX, PC;");”語句改變程序指針，同時(shí)注意保存必要的寄存器的值.

3 實(shí)驗(yàn)測試

經(jīng)測量，系統(tǒng)在絕大部分時(shí)間段工作電流為1.4 mA，采用ER18505H型(3 500 mAh)鋰電池可連續(xù)工作3個(gè)月左右.

采用MF-4B型標(biāo)準(zhǔn)氣體稀釋裝置，用高純氮作稀釋氣體對1%的標(biāo)準(zhǔn)CO2氣體稀釋得到6組不同濃度的CO2氣體.分別用氣相色譜儀和本裝置對配置的6組氣體進(jìn)行測量比較，結(jié)果如表2所示.

表2 測量數(shù)據(jù)比較

4 結(jié) 語

上述所設(shè)計(jì)的艦艇艙室二氧化碳檢測裝置硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，技術(shù)開發(fā)成熟，所采用的器件均為超低功耗器件，使得整個(gè)系統(tǒng)的功耗很低，可采用鋰電池供電，因此安裝方便，也便于攜帶.檢測裝置每分鐘更換一次數(shù)據(jù)并在LCD上顯示，預(yù)留的USART0口可以對外通信，服從MODBUS協(xié)議，用戶可根據(jù)需要升級用戶程序.由于體積小，安裝屏蔽罩容易，安裝屏蔽罩的檢測裝置在艦艇艙室復(fù)雜電磁環(huán)境下可正常工作.

另外，依據(jù)MODBUS協(xié)議可通過USART0口對裝置的采樣時(shí)間等工作參數(shù)進(jìn)行修改，以滿足用戶需求.同時(shí)由于檢測裝置具有升級功能，經(jīng)過改動(dòng)可適用于其它多種應(yīng)用場合，如蔬菜大棚的空氣質(zhì)量監(jiān)測等，具有較大的推廣價(jià)值和廣闊的市場前景.

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