徐 明 黃 義 滕 哲

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

1 引言

在艦船上一些場(chǎng)合會(huì)有可燃?xì)怏w產(chǎn)生或者泄露，這就需要檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。由于艦艇環(huán)境的特殊性，這就需要監(jiān)控系統(tǒng)能達(dá)到全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的需求。同時(shí)又需要進(jìn)行多點(diǎn)檢測(cè)，要求采用無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。并且也要求各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)能工作更長(zhǎng)的時(shí)間，這就需要設(shè)計(jì)出低功耗的系統(tǒng)。所以本文介紹一種使用具有低功耗ARM Cortex－M0[1]內(nèi)核的MCU為核心的無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)。這種無(wú)線采集檢測(cè)系統(tǒng)可以滿足艦船環(huán)境的特殊要求。

2 組成與設(shè)計(jì)原理

基于ARM Cortex－M0的可燃?xì)怏w無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)組成如圖1所示，其中MCU采用是基于ARM Cortex－M0低功耗內(nèi)核的32位單片機(jī)LPC1114[2]。由于在艦上檢測(cè)過(guò)程中，需要在多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，所以整個(gè)系統(tǒng)由32個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)組成。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)由MCU模塊、氣體傳感器模塊、無(wú)線模塊組成。其中由MCU模塊中的LPC1114單片機(jī)接受傳感器數(shù)據(jù)并控制無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。采集節(jié)點(diǎn)則是由MCU模塊接受無(wú)線模塊傳輸?shù)臋z測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。

圖1 可燃?xì)怏w無(wú)線檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

具體工作流程如下：初始化后，檢測(cè)32個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的完好性并反饋信息，然后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集階段。各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的氣體檢測(cè)傳感器模塊檢測(cè)到的氣體濃度數(shù)值輸出相應(yīng)的模擬量，MCU通過(guò)帶ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換）IO引腳采集到傳感器模塊輸出的模擬量，并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通過(guò)SPI總線控制無(wú)線模塊發(fā)送。采集節(jié)點(diǎn)依次搜集各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并由MCU通過(guò)USB上傳給上位機(jī)，上位機(jī)顯示數(shù)值并保存數(shù)據(jù)和打印結(jié)果。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 MCU模塊

LPC1114[3]是基于ARMCortex－M0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式應(yīng)用。工作頻率為50MHz。LPC1114的外設(shè)包括：32kB的Flash、8kB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、一個(gè)Fast－mode Plus的I2C接口、一個(gè)RS－485／EIA－485UART、兩個(gè)SSP接口、4個(gè)通用定時(shí)器，以及42個(gè)通用I／O引腳。具有看門狗定時(shí)器和系統(tǒng)節(jié)拍定時(shí)器。10位ADC，在8個(gè)引腳之間實(shí)現(xiàn)輸入多路復(fù)用；GPIO引腳可以用作邊沿和電平觸發(fā)的中斷源；有三種節(jié)能模式：睡眠、深度睡眠和深度掉電；集成的PMU（Power Management Unit）[4]在睡眠、深度睡眠和深度掉電模式下自動(dòng)調(diào)節(jié)內(nèi)部穩(wěn)壓器，將功耗降至最低；通過(guò)片內(nèi)Bootloader軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用中編程（IAP）。

3.2 無(wú)線模塊

nRF905[5]是一款單片射頻發(fā)射器芯片，采用32引腳，5mm×5mmQFN封裝，工作于433、868、915MHz三個(gè)ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻道，其中國(guó)內(nèi)433頻段可以免費(fèi)使用。nRF905由頻率合成器、接收調(diào)節(jié)器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊組成，不需要外加濾波器也可以得到良好的通信效果。nRF905使用SPI接口可以和任何MCU進(jìn)行通信，其中地址、輸出功率和通信頻道可以通過(guò)程序進(jìn)行配置，所以可以用于多機(jī)通信。nRF905融合了ShockBurstTM技術(shù)，可以自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包字頭，且內(nèi)置CRC校驗(yàn)功能，確保數(shù)據(jù)可靠傳輸。nRF905功耗很低，在以－10dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有11mA；而對(duì)應(yīng)接收機(jī)的工作電流只有12.5mA，芯片可以軟件設(shè)置空閑模式、關(guān)機(jī)模式，易于節(jié)能設(shè)計(jì)。適合工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無(wú)線報(bào)警及安全系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域應(yīng)用。

3.3 傳感器模塊

MQ－2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)[5]。

MQ－2氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其它可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想[6]。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。MQ－2氣敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感層，測(cè)量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件[7]。封裝好的氣敏元件有6只針狀管腳，其中4個(gè)用于信號(hào)取出，兩個(gè)用于提供加熱電流[8]。

圖2 傳感器模塊電路圖

傳感器模塊電路圖如圖2所示，采用雙信號(hào)輸出，模擬量和TTL電平輸出[9]。TTL輸出有效信號(hào)為低電平，可以用于LED信號(hào)指示，其中引腳1為輸出TTL信號(hào)LED指示。

模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高電壓越高。輸出TTL的靈敏度可通過(guò)電位器調(diào)節(jié)。MCU帶ADC的IO口讀取模擬量[10]。

3.4 總體硬件設(shè)計(jì)

圖3 測(cè)量節(jié)點(diǎn)電路

系統(tǒng)包括32個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)采集節(jié)點(diǎn)組成。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)電路包括：傳感器模塊電路、MCU及外圍電路和無(wú)線射頻模塊電路，如圖3所示。其中傳感器模塊輸出的是模擬量，通過(guò)MCU自帶的AD轉(zhuǎn)換I／O口讀取數(shù)據(jù)，再通過(guò)SPI總線控制無(wú)線模塊發(fā)送測(cè)量得到的數(shù)據(jù)。采集節(jié)點(diǎn)上還帶有按鍵電路，用于修正和更改測(cè)量節(jié)點(diǎn)的無(wú)線射頻地址。

采集節(jié)點(diǎn)電路由無(wú)線射頻模塊電路和MCU及外圍電路以及USB接口電路組成，如圖4所示。由于LPC1114單片機(jī)沒(méi)有片上USB控制器，所以需要一個(gè)USB接口芯片。這里選用了PDISUSBD12芯片，并使用自定義USB＿HID設(shè)備的形式與上位PC進(jìn)行通信，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是不需要開發(fā)專門的驅(qū)動(dòng)，連接方便。采集節(jié)點(diǎn)的MCU通過(guò)USB接收上位機(jī)的指令，并用SPI總線控制無(wú)線射頻電路收發(fā)信息，再通過(guò)USB把收到的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。

圖4 采集節(jié)點(diǎn)電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的通過(guò)傳感器模塊測(cè)量空氣中可燃?xì)怏w的含量，在無(wú)線模塊接收到采集節(jié)點(diǎn)發(fā)出的采集指令后，用MCU上帶ADC的I／O口測(cè)出電壓，再反查出氣體含量數(shù)值，并給采集節(jié)點(diǎn)回發(fā)測(cè)量數(shù)值。各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)有不同的無(wú)線射頻發(fā)射地址ID，當(dāng)需要更改地址的時(shí)候可以通過(guò)按鍵進(jìn)行修改。

4.2 采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)在接收到上位機(jī)發(fā)出的采集信息的指令后，給32個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)地址依次發(fā)送指令，得到回復(fù)信息后把接收到的各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)顯示。如果某個(gè)地址沒(méi)有回復(fù)，就上傳這個(gè)地址為空的信息。采集節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)連接是用USB接口，并且是作為上位機(jī)的USD＿HID設(shè)備。通過(guò)USB把數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)[11]。

4.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件用來(lái)控制采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令并顯示和存貯采集節(jié)點(diǎn)接收和上傳的各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。界面采用了Windows傳統(tǒng)的GUI界面，如圖5所示，左邊為控制按鈕區(qū)，右邊為顯示列表，可以列表顯示各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)和測(cè)量時(shí)間。同時(shí)可以把數(shù)據(jù)保存為文件存儲(chǔ)在上位機(jī)硬盤上。

圖5 上位機(jī)程序的GUI界面

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)充分利用了使用Cortex－M0內(nèi)核的32位微控制器LPC1114的高效性和低功耗，同時(shí)采用了基于nRF905的無(wú)線數(shù)傳芯片，滿足了多點(diǎn)大面積氣體濃度檢測(cè)的工作需求，同時(shí)也保證了低功耗的運(yùn)行，使系統(tǒng)在使用的時(shí)候能有較長(zhǎng)的工作時(shí)間。在實(shí)際測(cè)試中，測(cè)試節(jié)點(diǎn)與采集節(jié)點(diǎn)的最遠(yuǎn)無(wú)線傳輸距離可以達(dá)到200m，同時(shí)安裝與使用方便，具有低功耗、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、擴(kuò)展容易、成本低廉的特點(diǎn)，非常適合在艦船上使用，具有廣泛的應(yīng)用推廣前景。

[1]恩智浦半導(dǎo)體公司 LPC1111／12／13／14微處理器數(shù)據(jù)手冊(cè)[R].2009：1－4.

[2]恩智浦半導(dǎo)體公司 LPC111x用戶手冊(cè)[R].2009：1－7.

[3]ARM 公司Cortex－M0技術(shù)參考手冊(cè)[R].2009：1－10.

[4]ARM 公司Cortex－M0用戶指導(dǎo)用書[R].2009：1－10.

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