周君偉，魏廣芬，魏書(shū)田

(山東工商學(xué)院信息與電子工程學(xué)院，山東煙臺(tái)　264005)

0　引言

半導(dǎo)體氣體傳感器具有體積小、成本低、靈敏度高以及可實(shí)時(shí)檢測(cè)分析被測(cè)氣體等優(yōu)點(diǎn)。但是，由于半導(dǎo)體氣體傳感器本身的特性，使得其在應(yīng)用中存在著一些缺點(diǎn)，其中最顯著的缺點(diǎn)就是氣體選擇性差。環(huán)境中的氣體通常都是以多種氣體的混和狀態(tài)存在的，其物理化學(xué)性質(zhì)還與環(huán)境的溫、濕度密切相關(guān)，半導(dǎo)體氣體傳感器做不到只對(duì)一種氣體響應(yīng)而不受其它氣體的干擾[1]。實(shí)驗(yàn)證明，金屬氧化物半導(dǎo)體氣體傳感器的氣敏特性受器件溫度的影響和控制，在不同工作溫度下，氣敏材料對(duì)不同氣體的選擇性和靈敏度不同[2-10]。這是因?yàn)?，各種氣體的分子結(jié)構(gòu)與化學(xué)鍵不同，物理、化學(xué)性質(zhì)也不同，使得它們?cè)跉饷舨牧媳砻娴淖罴盐巾憫?yīng)溫度不同[8]。在該背景下，研究人員提出了半導(dǎo)體氣體傳感器的溫度調(diào)制技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展迅速，成為氣體檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。該技術(shù)通過(guò)將半導(dǎo)體氣體傳感器調(diào)制在不同的溫度模式下，測(cè)試傳感器在給定溫度模式下對(duì)不同氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)，結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)，提取傳感器對(duì)不同氣體成分的響應(yīng)特征，用于氣體的識(shí)別、量化和分類(lèi)[9]，進(jìn)而組建基于單傳感器溫度調(diào)制技術(shù)的電子鼻系統(tǒng)[2，，9-10]。從系統(tǒng)組成上來(lái)看，基于單傳感器的溫度調(diào)制技術(shù)的電子鼻系統(tǒng)主要包括溫度調(diào)制、信號(hào)采集和處理、模式識(shí)別等功能模塊，其中溫度調(diào)制模式的選擇和設(shè)計(jì)是該技術(shù)的核心和關(guān)鍵部分[11]。

文中在上述研究背景下，為便于實(shí)現(xiàn)氣體傳感器溫度調(diào)制模式的控制和氣體響應(yīng)信號(hào)的采集，以具有強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理能力和控制能力的DSP芯片為基礎(chǔ)，采用直接頻率合成技術(shù)(DDS)合成所需溫度模式，再通過(guò)功率放大，控制氣體傳感器的響應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行檢測(cè)。該設(shè)計(jì)可為氣體傳感器溫度調(diào)制模式研究和電子鼻系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器所需的溫度調(diào)制模式的任意控制、溫度調(diào)制模塊的小型化和便攜化，并可直接作為單傳感器電子鼻系統(tǒng)的組成模塊之一。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1系統(tǒng)功能要求

該模塊主要是為半導(dǎo)體氣體傳感器提供溫度調(diào)制功能，要求實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制兩路氣體傳感器的工作溫度，方波、正弦波、三角波、鋸齒波等4種波形以及任意波形設(shè)置，每種波形頻率控制范圍為1～250 Hz，兩路正弦波的相位差可調(diào)，方波的占空比可調(diào)。各溫度調(diào)制模式的設(shè)置實(shí)時(shí)顯示。

1．2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及主要硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1，主要由DSP主控芯片、按鍵控制模塊、D/A輸出模塊、功率放大模塊、氣體傳感器和液晶顯示模塊組成。D/A模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到模擬電壓的數(shù)模轉(zhuǎn)換，功率放大模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的功放用于驅(qū)動(dòng)傳感器，液晶顯示模塊用于顯示當(dāng)前溫度調(diào)制模式的信息，按鍵模塊用于溫度調(diào)制模式的波形、頻率、相位等參數(shù)的設(shè)置。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

1．2．1DSP芯片

DSP2407是C2000系列的主流產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)包括：控制器的實(shí)時(shí)控制能力強(qiáng)，具有30 MIPS的執(zhí)行速度；內(nèi)有硬核乘法器，可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成乘法運(yùn)算；片內(nèi)含有高達(dá)32 K字的FLASH程序存儲(chǔ)器、高達(dá)1.5 K字的數(shù)據(jù)/程序RAM、544字雙端口RAM和2 K字的單端口RAM；具有片內(nèi)16路10位AD轉(zhuǎn)換器，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間為500 ns；具有16位串行外設(shè)(SPI)模塊；具有串行通信(SCI)模塊?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，并且價(jià)格便宜，系統(tǒng)選用DSP2407作為核心控制器。

1．2．2D/A模塊

D/A模塊選用了TLC5620芯片，可采用SPI接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，且包含2路8位DA轉(zhuǎn)換，輸出值為可編程1～2倍范圍。硬件電路圖如圖2所示，DSP2407的SPISIMO端口與該芯片6號(hào)DATA引腳相連，SPICLK引腳與該芯片7號(hào)CLK引腳相連。DSP2407的IOPF5與8號(hào)LOAD引腳相連，當(dāng)IOPF5=0更新模擬信號(hào)輸出，當(dāng)IOPF5=1時(shí)，鎖存數(shù)據(jù)。

圖2　DA輸出硬件電路圖

1．2．3功率放大模塊

功率放大模塊選用寬電源、高帶寬的精密功放OPA551實(shí)現(xiàn)，該芯片采用正負(fù)電源供電，外加三極管8050進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電流放大，功放增益G=1+R1/R2。

圖3　功率放大模塊

1．2．4氣體傳感器

采用TGS26系列金屬氧化物氣敏傳感器作為控制對(duì)象，基本測(cè)試電路如圖4所示，4號(hào)引腳接加熱電壓，2號(hào)引腳接DSP2407的AD采樣引腳。

圖4　氣體傳感器模塊電路圖

1．3軟件設(shè)計(jì)

1．3．1參數(shù)設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)功能要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)含10個(gè)按鍵的模塊，分別為兩個(gè)通道的頻率設(shè)置按鍵K1和K2、幅度設(shè)置按鍵K3和K4、波形轉(zhuǎn)換按鍵K5和K6、雙通道正弦波相位差設(shè)置按鍵K7以及雙通道的方波占空比設(shè)置按鍵K8和K9，外部中斷按鍵。這10個(gè)按鍵共用一個(gè)外部中斷，實(shí)現(xiàn)按鍵交互。中斷流程圖見(jiàn)圖5。通過(guò)相位按鍵中斷，改變讀取波形的起始位置可實(shí)現(xiàn)正弦波相位可調(diào)，變化步進(jìn)值為1%。通過(guò)方波占空比按鍵中斷，改變波形表中高低電平所占比例可實(shí)現(xiàn)方波占空比可調(diào)，步進(jìn)值為10%。

圖5　參數(shù)設(shè)置中斷流程圖

1．3．2波形產(chǎn)生

綜合考慮主控芯片和DA芯片的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中波形產(chǎn)生采用了兩種方法。一般可通過(guò)中斷定時(shí)方式設(shè)置DA的輸出，但該種方法每次調(diào)用中斷都會(huì)包含一次入棧出棧操作，會(huì)降低波形發(fā)生的速度。因此，系統(tǒng)中，低頻信號(hào)采用定時(shí)中斷的方式產(chǎn)生，高頻信號(hào)采用無(wú)限循環(huán)方式產(chǎn)生。

圖6　高頻波形產(chǎn)生流程圖

高頻信號(hào)采用了無(wú)限循環(huán)的波形產(chǎn)生方式，實(shí)現(xiàn)方法是讓CPU一直執(zhí)行產(chǎn)生波形的操作，即將DA模塊發(fā)生波形的程序無(wú)限循環(huán)在主程序里。軟件流程圖見(jiàn)圖6。該種方式根據(jù)頻率設(shè)置定義響應(yīng)的波形數(shù)據(jù)表，然后根據(jù)該波形數(shù)據(jù)表無(wú)限循環(huán)控制DA產(chǎn)生波形。不足之處是高頻信號(hào)波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)少，易失真。該模塊中頻率范圍為10～250 Hz的信號(hào)由該種方式產(chǎn)生。

低頻信號(hào)采用中斷定時(shí)方式，由于信號(hào)頻率低，中斷的入棧出棧操作對(duì)波形發(fā)生速度的影響較小。低頻波形產(chǎn)生的軟件流程圖見(jiàn)圖7。模塊頻率范圍為0.3～10 Hz的信號(hào)由該種方式產(chǎn)生。

圖7　低頻波形產(chǎn)生流程圖

2　實(shí)驗(yàn)測(cè)試及結(jié)果分析

溫度調(diào)制模塊的實(shí)物照片如圖8所示。為了測(cè)試模塊的性能，采用TGS2610傳感器使用該模塊分別開(kāi)展了下列實(shí)驗(yàn)。

圖8　溫度調(diào)制模塊照片

2．1波形測(cè)試

通過(guò)該模塊產(chǎn)生4種傳感器溫度調(diào)制信號(hào)，采用RIGOL-60MHz示波器檢測(cè)，結(jié)果示于圖9中，其中圖9(a)為幅度為12.8 V，頻率為42 Hz的正弦波；圖9(b)為幅度為12.9 V，頻率為42 Hz的方波；圖9(c)為幅度為12.8 V，頻率為42 Hz的三角波；圖9(d)為幅度為12.8 V，頻率為42 Hz的鋸齒波。

(a)

(b)

(c)

(d)

2．2頻率、相位、占空比測(cè)試

采用示波器分別測(cè)試了幾種信號(hào)的頻率、正弦波的相位差和方波的占空比等參數(shù)。圖 9 給出了實(shí)際測(cè)試頻率和通過(guò)按鍵控制的頻率參數(shù)的對(duì)照結(jié)果?？梢钥闯觯ㄐ晤l率的最大控制誤差約為4 Hz，相對(duì)誤差為5.3%(用最大差值除以當(dāng)前控制的頻率值計(jì)算)，頻率按鍵步進(jìn)值約為5 Hz．

通過(guò)占空比按鍵步進(jìn)調(diào)整方波的占空比，從示波器上讀數(shù)，測(cè)得占空比按鍵每步進(jìn)1次，實(shí)測(cè)的實(shí)際方波占空比分別為10.1%，20.1%，30.2%，40.2%，50.1%，60.1%，70.1%，80.3%，90.3%。與理論設(shè)置有0.15%的誤差。

圖10　頻率參數(shù)測(cè)試

設(shè)置兩路獨(dú)立輸出45 Hz的正弦波，通過(guò)設(shè)置相位差按鍵調(diào)整兩路信號(hào)的相位差，相位差按鍵每步進(jìn)1次，使用示波器測(cè)試得到的相位差見(jiàn)表1。每步進(jìn)1次，約調(diào)整0.05π的相位差。與理論設(shè)計(jì)值有約0.01π的誤差。

表1　兩路正弦波的相位差步進(jìn)值測(cè)試結(jié)果

2．3氣體傳感器調(diào)制

將溫度調(diào)制模塊用于實(shí)際傳感器的檢測(cè)，選用TGS2610傳感器，并將傳感器的響應(yīng)信號(hào)同時(shí)送入示波器顯示。測(cè)試了氣體傳感器在53度牛欄山白酒中的響應(yīng)，示于圖11(a)到圖11(c)中。圖11(a)為0.3 Hz，4 V的正弦波溫度調(diào)制模式及被控傳感器的響應(yīng)；圖11(b)為0.3 Hz，4 V的方波溫度調(diào)制模式及被控傳感器的響應(yīng)；圖11(c)為0．3 Hz，4．2 V的鋸齒波溫度調(diào)制模式及被控傳感器的響應(yīng)?？梢钥闯鰵怏w傳感器在不同溫度調(diào)制模式下的信號(hào)變化。

(a)

(b)

(c)

(d)

3　問(wèn)題與討論

實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，為了得到較高的輸出電壓，功放模塊的供電電壓應(yīng)設(shè)置在±20 V．此時(shí)DA輸出峰值Vpp=3.2 V時(shí)，波形可調(diào)峰峰鎮(zhèn)Vpp為12～19 V，偏置100%，無(wú)失真。而當(dāng)OPA551供電電壓為±12 V時(shí)，DA輸出為Vpp=3.2 V時(shí)，經(jīng)功放后輸出電壓超過(guò)9 V時(shí)出現(xiàn)失真，如圖11(d)所示。

4　結(jié)束語(yǔ)

基于 TMS320LF2407芯片的溫度調(diào)制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了對(duì)兩路氣體傳感器的分別控制，可實(shí)現(xiàn)兩通道4種調(diào)制信號(hào)波形轉(zhuǎn)換，頻率、幅度、方波信號(hào)占空比以及正弦波信號(hào)相位均可調(diào)，從而可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。文中的調(diào)制結(jié)果僅給出了低頻信號(hào)的控制結(jié)果。相關(guān)的溫度調(diào)制實(shí)驗(yàn)還在繼續(xù)開(kāi)展，將進(jìn)一步報(bào)道。

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