田永強， 田慕琴

(太原理工大學 煤礦裝備與安全控制山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

0 引 言

礦用氣體傳感器作為監(jiān)控煤礦安全的重要組成部分被大量應(yīng)用于各煤礦企業(yè)，其工作的可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到煤礦的安全生產(chǎn)，由于其檢測元件的固有特性導致其在使用一段時間后會出現(xiàn)顯示不準的問題，因此,國家規(guī)定對礦用氣體傳感器必須進行定期調(diào)校[1]。近年來，我國陸續(xù)取締小型煤礦，逐漸向煤礦開采大型化、智能化發(fā)展，大中型煤礦數(shù)量眾多，所擁有的各類氣體傳感器更是數(shù)不勝數(shù)，而目前國內(nèi)的礦用氣體傳感器調(diào)校裝置可同時對5～8臺氣體傳感器進行調(diào)校，在調(diào)校數(shù)量多的情況下，需要購入多臺調(diào)校裝置，需要多名調(diào)校人員，使調(diào)校成本增加[2]。

針對上述問題，本文提出了一種以單片機與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)為核心控制器件的礦用氣體傳感器智能調(diào)校系統(tǒng)。FPGA的I/O端口數(shù)眾多，其編程配置靈活, 全部控制邏輯由硬件完成,速度快、效率高;同時其開發(fā)周期較短,系統(tǒng)簡單，容易維護和擴展[3～5]。本文將其與單片機結(jié)合起來，利用FPGA完成調(diào)校系統(tǒng)中64路氣路的控制與64路傳感器信號的采集，實現(xiàn)了對64路傳感器同時調(diào)校的要求。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

64路礦用氣體傳感器智能調(diào)校系統(tǒng)以工控機為信息處理中心和監(jiān)控中心，通過智能控制技術(shù)和微控制器技術(shù)的有機結(jié)合完成整個調(diào)校過程的智能化，該系統(tǒng)由工控機模塊、氣路控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、紅外控制模塊等組成。其設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 64路氣體傳感器智能調(diào)校系統(tǒng)設(shè)計框圖

在調(diào)校過程中，工控機模塊開發(fā)平臺選用力控組態(tài)軟件PCAuto6.1建立實時動態(tài)工作界面，主要完成調(diào)校過程中的調(diào)校指令的發(fā)送、實時數(shù)據(jù)的采集與處理、調(diào)校過程的監(jiān)控、報表的生成和打印以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的維護。

氣路控制模塊主要完成供給各種標準濃度氣體、自動切換各種標準濃度氣體、精確控制各種標準濃度氣體的流量大小以及控制需要調(diào)校的氣體傳感器通路通斷。操作人員在工控機操作界面發(fā)送各種調(diào)校指令，單片機通過串行通信接口與工控機相連接，接收由工控機通過RS—232串行總線發(fā)送的調(diào)校指令。通過單片機控制進氣氣路，當端口控制信號為低電平時繼電器導通，觸電吸合，所控電控閥打開，通入需要的標準氣體。單片機將經(jīng)D/A和調(diào)理后的電壓信號輸出給質(zhì)量流量控制器來控制電磁比例調(diào)節(jié)閥的開度，其輸出電壓信號的大小是根據(jù)所要調(diào)校的傳感器的數(shù)量N設(shè)定的，以保證每個傳感器得到穩(wěn)定的流量200 mL/min(也可以根據(jù)實際需要設(shè)置)。同時單片機控制FPGA對標準樣氣的供給位置進行控制，打開需要調(diào)校的傳感器通路，達到向目標傳感器輸送標準濃度氣體的目的。

目前在對傳感器進行調(diào)校的時候主要采用紅外遙控器來實現(xiàn)，因此,導致礦用氣體傳感器不能實現(xiàn)自動閉環(huán)調(diào)校，基于此，在分析不同紅外遙控信號協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用通過單片機來模擬各類紅外遙控器信號的發(fā)射的方法代替人手工操作遙控器，同時通過實時對傳感器輸出信號進行采集分析即可形成閉環(huán)自動調(diào)校系統(tǒng)。在紅外控制模塊中，單片機根據(jù)工控機指令通過I/O口驅(qū)動紅外發(fā)射電路發(fā)送紅外調(diào)校信號，并通過三極管對信號進行放大，增強紅外信號強度，對顯示數(shù)值不準確的傳感器進行調(diào)校。

數(shù)據(jù)采集模塊主要是完成對被調(diào)校的多路氣體傳感器濃度的變送輸出進行采集，64路氣體傳感器輸出頻率信號送入FPGA，由單片機控制FPGA選擇64路頻率信號哪路進入單片機，然后將采集數(shù)據(jù)送進工控機經(jīng)過運算轉(zhuǎn)換為濃度值，也為系統(tǒng)的閉環(huán)控制提供反饋量，最后將濃度值在工控機上顯示、存儲與處理、自動計算誤差并按規(guī)程要求打印檢定記錄和檢定證書，實現(xiàn)了調(diào)校過程的自動化。

FPGA是一種用戶可以根據(jù)自身需要自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路，目前最高水平的FPGA已采用65 nm、 11層銅布線，規(guī)模已達到330 000個邏輯單元(可編程邏輯門約660萬門)和1 200個用戶I/O，速度已達到550 MHz。FPGA時鐘頻率高、內(nèi)部延時小、集成度高、體積小、功耗低，全部控制邏輯由硬件完成, 速度快、效率高、編程配置靈活、開發(fā)周期短、系統(tǒng)簡單，而且比較容易移植到單片機中[3～5]。因此，本文通過FPGA實現(xiàn)對單片機的I/O口的擴展，并通過FPGA實現(xiàn)將多路傳感器信號采集回下位機進而傳輸給上位機進行顯示與處理。

2 基于FPGA的64路氣路控制模塊

2.1 模塊功能與硬件構(gòu)架

在64路氣體傳感器調(diào)校過程中，需要控制每一路氣路的通斷，防止不需要通氣的氣路開通造成浪費，提高系統(tǒng)實用性。因此，在每一路傳感器的氣路上面加裝電磁閥，通過繼電器來控制電磁閥的通斷。但由于單片機的I/O資源有限，不能直接通過單片機的I/O口驅(qū)動64路的繼電器，所以，需要通過FPGA實現(xiàn)對單片機I/O口的擴展。其硬件架構(gòu)如圖2所示，控制模塊通過單片機將需要開通的繼電器控制信號編碼后傳輸?shù)紽PGA,在FPGA的作用下將繼電器的控制信號通過驅(qū)動電路控制64路繼電器的通斷，進而控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)，完成對標準樣氣供給位置的控制。

圖2 64路傳感器氣路控制硬件架構(gòu)

模塊主要由單片機、FPGA、驅(qū)動電路、64個繼電器以及64個電磁閥組成。單片機采用CYGNAL公司的C8051F020芯片，該單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級SC 芯片，采用流水線結(jié)構(gòu)，最大時鐘頻率為24 MHz，運算能力強,實時性好[6]。FPGA采用Altera Cyclone Ⅱ系列的EP2C20F484C8,該FPGA具有低功耗、高性能和低成本的特點，最大用戶I/O數(shù)達315，可以滿足本設(shè)計需要。驅(qū)動電路的作用是將FPGA送出的小電流信號放大到足夠驅(qū)動繼電器工作，驅(qū)動功能由ULN2803實現(xiàn)，ULN2803由8個NPN 達林頓晶體管組成，電流增益大、帶負載能力強。將8個ULN2803連接到FPGA的64個I/O口上，可以同時驅(qū)動64個繼電器，使用靈活、方便。

2.2 氣路控制模塊FPGA軟件設(shè)計

本設(shè)計采用Verilog HDL作為硬件描述語言，它是一種以文本形式來描述數(shù)字系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和行為的語言，具有簡明、高效的代碼風格與易學易用的特點，是目前應(yīng)用最為廣泛的硬件描述語言。采用開發(fā)工具QuartusⅡ, QuartusⅡ可以完成FPGA的設(shè)計輸入、綜合、仿真、實現(xiàn)等環(huán)節(jié)。FPGA模塊的主要功能是實現(xiàn)地址譯碼和鎖存,相應(yīng)地在用Verilog HDL編碼時也設(shè)計了譯碼模塊和鎖存模塊, 然后對程序進行綜合，生成RTL視圖，如圖 3所示。

圖3 FPGA內(nèi)部模塊RTL級視圖

單片機口直接與FPGA進行通信,控制繼電器的開斷的6位地址數(shù)據(jù)Rx(5∶0)由單片機的P2口負責，F(xiàn)PGA的工作脈沖clk由P3.0口負責，當單片機的P2口出現(xiàn)Rx(5∶0)地址數(shù)據(jù)，同時clk到達上升沿時， FPGA開始工作，從而驅(qū)動繼電器。清零信號clr能使FPGA的全部(I/O)口置為低電平 使繼電器斷開。

FPGA的輸入信號有8路，1路為時鐘信號，1路為復位信號，6路為地址數(shù)據(jù)信號。8路信號送入FPGA后，64 decode譯碼電路主要實現(xiàn)接收輸入的串口信號，根據(jù)串口信號完成64路譯碼；64 latch鎖存電路主要實現(xiàn)鎖存控制輸出，輸出信號為數(shù)字邏輯信號O[0]～O[64]。

FPGA的I/O端口可以自動鎖定, 即如果沒有新的指令到達,所有輸出引腳處于原有狀態(tài)。經(jīng)譯碼電路后輸出的信號只有在單片機送出的時鐘信號clk上升沿的驅(qū)動下,FPGA的I/O端口的輸出狀態(tài)才會改變。

FPGA輸出接入到ULN2803和繼電器上，以此控制電磁閥的通斷，這樣就可以實現(xiàn)全部模塊功能。

本系統(tǒng)的紅外控制模塊與氣路控制模塊的硬件電路相似，在此就不再贅述。

3 基于FPGA的64路氣體傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸模塊

3.1 硬件架構(gòu)

如圖4所示，本系統(tǒng)由FPGA實現(xiàn)64路氣體傳感器輸出頻率信號數(shù)據(jù)采集功能，負責將頻率信號保存為頻率數(shù)據(jù)，然后與單片機通信；單片機將其采集數(shù)據(jù)送進工控機經(jīng)過運算轉(zhuǎn)換為濃度值，最后將濃度值在工控機上顯示、存儲與處理。此設(shè)計提高了系統(tǒng)的實時采集效率和同步數(shù)據(jù)能力。

圖4 64路氣體傳感器數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

傳感器信號的電平轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。因為FPGA的電壓等級為3.3 V，傳感器輸出電壓為5 V，因此,通過反相器和光耦組成整形調(diào)壓電路，使得頻率信號波形的邊沿更加陡峭，同時電壓轉(zhuǎn)換為FPGA能夠接受的3.3 V。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊FPGA的設(shè)計

首先由工控機將需要采集的傳感器位置信息下發(fā)到單片機，單片機再將該信息放入FPGA的采集選擇寄存器，F(xiàn)PGA進行氣體傳感器的數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)存入到RAM存儲單元中，然后單片機將從RAM 存儲模塊中讀取到的數(shù)據(jù)發(fā)送到工控機。數(shù)據(jù)采集模塊由數(shù)據(jù)采集單元和RAM存儲單元構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)據(jù)采集模塊中，數(shù)據(jù)采集單元主要負責數(shù)據(jù)采集，一路氣體傳感器的數(shù)據(jù)由一個數(shù)據(jù)采集單元采集，采用64個數(shù)據(jù)采集單元來實現(xiàn)64路氣體傳感器數(shù)據(jù)的采集。FPGA根據(jù)單片機的傳感器位置信號，進行傳感器數(shù)據(jù)的采集，然后把采集的結(jié)果放入采集結(jié)果寄存器，并置位采集結(jié)果完成信號。RAM存儲單元負責將數(shù)據(jù)采集單元采集到的頻率數(shù)據(jù)存儲起來供單片機讀取。每個數(shù)據(jù)采集單元采集到的數(shù)據(jù)都包含傳感器對應(yīng)位置與其頻率數(shù)據(jù)采集結(jié)果。數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集流程圖

4 實驗測試

最后，采用QuartusⅡ?qū)Τ绦蜻M行了邏輯綜合，自動將Verilog HDL語言描述轉(zhuǎn)換成門級電路描述，進而完成對電路的自動布局布線、功能仿真和時序仿真等工作。將設(shè)計的電路下載到硬件電路中,從而完成了對整個系統(tǒng)的設(shè)計工作，并對整個系統(tǒng)進行了調(diào)試運行。

在系統(tǒng)測試過程中，根據(jù)調(diào)校規(guī)程，需要分別通入清潔空氣、0.5 %,1.1 %,1.5 %,3.0 % CH4的標準氣體，分別取4,8,16,32,64臺礦用氣體傳感器進行調(diào)校，與KTQJ—4氣體傳感器調(diào)校檢定裝置進行比較，調(diào)校準確率與調(diào)校時間如表1所示。

表1 系統(tǒng)測試對比

實驗結(jié)果表明:在對每一臺礦用氣體傳感器進行調(diào)校時，需要對其黑白元件預熱10～15 min才能進行正常的工作，在對4臺礦用氣體傳感器進行調(diào)校時，KTQJ—4氣體傳感器調(diào)校檢定裝置與本系統(tǒng)的調(diào)校時間相差不大，然而由于該系統(tǒng)使用FPGA進行并行氣路控制和數(shù)據(jù)采集，比單一使用單片機串行控制采集，提高了系統(tǒng)調(diào)校效率和信號采集精度，能有效完成對64路礦用氣體傳感器的調(diào)校。

5 結(jié)束語

針對大中型煤礦需要調(diào)校氣體傳感器數(shù)量多的現(xiàn)狀，本文提出了對64路氣體傳感器同時調(diào)校的設(shè)計目標，采用單片機+FPGA的組合結(jié)構(gòu)，針對64路氣體傳感器同時調(diào)校對I/O口的要求，使用FPGA實現(xiàn)了對單片機I/O口的擴展，完成了對64路氣體傳感器調(diào)校的系統(tǒng)功能,是一種比較理想的多路氣體傳感器校驗方案，具有很強的實用價值[4]。

參考文獻:

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