孫 鵬，李 磊，郭茂田，蔡玉寶，陳云鵬，閆永立

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

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石英晶體微天平氣敏傳感器陣列測量系統(tǒng)

孫 鵬，李 磊，郭茂田，蔡玉寶，陳云鵬，閆永立

(鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

為克服現(xiàn)有單氣敏傳感器測量系統(tǒng)非自動識別氣體種類和濃度的缺陷，采用一種基于以太網(wǎng)傳輸協(xié)議的32通道石英晶體微天平(QCM)測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由QCM氣敏傳感器陣列起振模塊和高精度頻率計數(shù)卡組成。起振模塊產(chǎn)生32路石英晶體頻率信號；高精度頻率計數(shù)卡通過FPGA內(nèi)部計數(shù)器直接采樣頻率信號，通過以太網(wǎng)高速傳輸?shù)缴衔粰C進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理及信號波形顯示。測試結(jié)果表明：系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時、多通道、高速、高精度采集和發(fā)送數(shù)據(jù)。

石英晶體微天平；以太網(wǎng)傳輸協(xié)議；高精度頻率計數(shù)卡；FPGA

0 引言

氣敏傳感器是一種檢測特定氣體的傳感器。主要包括半導(dǎo)體氣敏傳感器、接觸燃燒式氣敏傳感器和電化學(xué)氣敏傳感器，但這些氣敏傳感器不能滿足對低濃度氣體的檢測。石英晶體微天平[1-4](Quartz Crystal Microbalance，QCM)氣敏傳感器是一種靈敏度可以達(dá)到ng級質(zhì)量型傳感器。其可用于氣體化學(xué)成分和濃度的分析，其測量原理是：涂于QCM金屬電極表面上的選擇性吸附膜吸附被測氣體后，其晶振頻率發(fā)生變化,通過測量QCM晶振頻率變化以推斷有毒氣體種類及其濃度變化。QCM利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進(jìn)而通過頻率信號采集系統(tǒng)獲得高精度的數(shù)據(jù)。

研究表明，現(xiàn)有單通道QCM以其功能有限正逐漸被淘汰。目前還沒有發(fā)現(xiàn)只對單一氣體敏感的傳感器材料，而單個傳感器對不同氣體敏感響應(yīng)會有變化，但不具備自識別氣體種類和數(shù)量的特性。采用多通道QCM氣敏傳感器陣列可解決以上問題。頻率信號采集主要采用USB、PCI、以太網(wǎng)3種傳輸方式。相對于USB、PCI傳輸方式，以太網(wǎng)[5-8]傳輸方式具有價格低廉、穩(wěn)定可靠、傳輸速度快、傳輸距離遠(yuǎn)等特點。本設(shè)計提供一種32通道QCM頻率信號采集系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)檢測室內(nèi)有害氣體的種類和濃度，克服了單一氣敏傳感器不具備自識別氣體種類和數(shù)量的缺陷。同時，通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸測量數(shù)據(jù)到上位機，并將數(shù)據(jù)在上位機中存儲、處理、顯示，解決了需要人現(xiàn)場長時間測量的問題，保證了人身安全。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要由QCM氣敏傳感器陣列起振模塊和高精度頻率計數(shù)卡組成。QCM起振電路模塊實現(xiàn)32路頻率信號的輸出。FPGA高精度頻率計數(shù)卡模塊能夠?qū)?2路頻率信號實時計數(shù)，并將采集的頻率數(shù)據(jù)封裝成UDP包，通過控制百兆以太網(wǎng)芯片將UDP數(shù)據(jù)包高速、精準(zhǔn)地發(fā)送至上位機。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

頻率信號是由石英晶體振蕩電路產(chǎn)生，振蕩電路基本組成部分包括放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)和選頻網(wǎng)絡(luò)3個部分，具體電路如圖2所示。

圖2 晶振振蕩電路

電阻R1接在反相器的兩端，將反相器偏置在線性放大區(qū)，構(gòu)成放大器，同時R1還具有負(fù)反饋作用，可以減少溫度變化引起的工作點變化。R2為阻尼電阻，用來控制反饋強度。C1、C2通過接地形成串聯(lián)電容然后與晶體并聯(lián)構(gòu)成諧振電路，該諧振電路同時形成了π型選頻網(wǎng)絡(luò)反饋通道，放大器輸出端信號通過該諧振電路返回到放大器的輸入端，形成反饋振蕩。諧振電路中的相角會使振蕩器不滿足相位平衡條件，因而振蕩器將工作在與諧振器無關(guān)的頻率上，利用32個相同的QCM振蕩電路構(gòu)成QCM陣列，并且在實際電路中增加了參比電路，從而進(jìn)一步提高了測量頻率的準(zhǔn)確度。

信號發(fā)送端通過以FPGA為核心芯片的高精度頻率計數(shù)卡進(jìn)行發(fā)送。起振電路產(chǎn)生的32路正弦信號通過排線與FPGA高精度頻率計數(shù)卡相連，高精度頻率計數(shù)卡完成對正弦信號頻率的計數(shù)，然后通過FPGA控制百兆以太網(wǎng)芯片將32路頻率信號打包成UDP數(shù)據(jù)包發(fā)送到PC機，高精度數(shù)據(jù)采集卡硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 高精度數(shù)據(jù)采集卡硬件結(jié)構(gòu)框圖

高精度頻率計數(shù)卡的主芯片選用Cyclone IV系列的EP4CE6F17C8N。該芯片為256腳BGA封裝,內(nèi)部有15 408個邏輯單元，2個鎖相環(huán)，用戶可自由定義的I/O管腳179個。主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的邏輯控制以及NIOSII處理器的搭建，充分發(fā)揮了FPGA快速靈活的特點。FPGA的外圍電路包括存儲系統(tǒng)電路、時鐘電路、電源控制電路、網(wǎng)絡(luò)控制電路。

存儲系統(tǒng)電路所用的存儲器為FLASH、SDRAM、EPCS。其中FLASH選用芯片AM29LV320B，該芯片容量為4 MByte，并行工作方式，具有靈活的頁面方式，可以用來存儲FPGA用戶非易失性數(shù)據(jù)或者NIOSII鏡像文件。SDRAM選用芯片K4S281632，該芯片容量為128 Mbit，大存儲容量保證為NIOSII提供充足空間。EPCS選用芯片EPCS64，該芯片容量為64 Mbit,串行工作方式，為邏輯存儲燒寫提供了足夠的空間。時鐘電路所用到的晶振是一塊頻率為50 MHz的有源石英晶體振蕩器，輸出的波形幅度和頻率都比較穩(wěn)定，為FPGA穩(wěn)定工作提供了一個很好的條件。FPGA以及其外圍電路需要不同的工作電壓，分別為3.3 V、2.5 V、1.2 V，設(shè)計采用穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2分別得到所需要的穩(wěn)定電壓，保證了高精度頻率計數(shù)卡對電壓的需求。

作為FPGA高精度頻率計數(shù)卡最核心的部分，網(wǎng)絡(luò)控制電路所用到的核心芯片為百兆網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000A，此芯片是一款集成度高、性價比高、引腳數(shù)少、帶有通用處理器接口的單芯片快速以太網(wǎng)控制器。一個10/100 M PHY和4 K雙字的SRAM。DM9000A可以很方便地與目前主流的嵌入式CPU以8位或16位的總線方式連接，DM9000A的外部總線符合ISA標(biāo)準(zhǔn)，可通過ISA總線直接與FPGA無縫連接。

1.2 以太網(wǎng)協(xié)議設(shè)計

DM9000A網(wǎng)絡(luò)芯片只包含物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的功能，如果要傳輸自己產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，那么必須由用戶自己完成組包的工作，然后將組成的數(shù)據(jù)包，送給DM9000A,讓其傳送給計算機。根據(jù)實際工程的需求，采用UDP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，其以太網(wǎng)幀格式如圖4所示。

圖4 以太網(wǎng)幀格式

以太網(wǎng)首部表示數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)首部，一般包括目的地址、源地址、類型；IP首部表示網(wǎng)絡(luò)層IP協(xié)議的數(shù)據(jù)首部，一般包括版本、首部長度、區(qū)分服務(wù)、總長度、標(biāo)識、片偏移、生存時間、協(xié)議、首部檢驗和、源地址、目的地址；UDP首部表示傳輸層UDP協(xié)議的數(shù)據(jù)首部，一般包括源端口、目標(biāo)端口、長度、校驗和；應(yīng)用數(shù)據(jù)在本設(shè)計中表示32通道的頻率值，每路通道有一個頻率值，每個頻率值包含2個字節(jié)，所以應(yīng)用數(shù)據(jù)共64字節(jié)；以太網(wǎng)尾部表示整個以太網(wǎng)幀的校驗位，共包含4個字節(jié)。以太網(wǎng)首部、IP首部、UDP首部共42個字節(jié)組成了UDP包頭，組包時必須嚴(yán)格按照協(xié)議要求，這一幀數(shù)據(jù)共計110個字節(jié)，組包的過程中完全按照UDP協(xié)議的要求。

2 FPGA邏輯控制與SOPC控制

2.1 FPGA邏輯控制

QCM起振電路模塊實現(xiàn)輸出32通道頻率信號之后，F(xiàn)PGA高精度頻率計數(shù)卡實現(xiàn)32通道實時計數(shù)器，其中計數(shù)器模塊在Signal Tap II下的波形圖如圖5所示。

圖5 計數(shù)器模塊在Signal Tap II下的波形圖

圖中，clk_test表示QCM起振電路中一個通道的輸出頻率，其經(jīng)示波器測得為10MHz；fre_test表示在FPGA內(nèi)部經(jīng)過計數(shù)器所測得的頻率，其十六進(jìn)制數(shù)為989680,轉(zhuǎn)化成十進(jìn)制數(shù)為10 000 000，和示波器所測得的頻率完全吻合；rst表示計數(shù)器模塊的復(fù)位信號。從中得出，設(shè)計的QCM起振電路模塊和FPGA中的計數(shù)器模塊是符合設(shè)計要求的，為下面FPGA控制網(wǎng)絡(luò)芯片發(fā)送數(shù)據(jù)打下了很好的基礎(chǔ)。

2.2 系統(tǒng)的SOPC設(shè)計

SOPC技術(shù)是FPGA和ASIC技術(shù)融合的結(jié)果，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。SOPC Builder系統(tǒng)的開發(fā)分為硬件開發(fā)和軟件開發(fā)兩個流程。硬件開發(fā)包括由用戶定制系統(tǒng)硬件構(gòu)建，然后由計算機完成硬件系統(tǒng)和對應(yīng)的開發(fā)軟件系統(tǒng)生成。SOPC Builder提供圖形化配置界面，備有一些常用外設(shè)的IP模塊，如CPU、SRAM、Flash RAM 、Parallel I/O等。用戶還可以加入自己的外設(shè)設(shè)計文件。對于本設(shè)計來說，就是將系統(tǒng)所需要的控制接口模塊和數(shù)據(jù)總線接口模塊以用戶自定義接口的方式添加進(jìn)來，其中包括CPU、SDRAM控制器、EPCS控制器、DM9000A IP核以及I/O口。

在NiosII的硬件系統(tǒng)生成后，可以直接使用NiosII IDE開始設(shè)計C/C++應(yīng)用程序代碼。Altera提供了外設(shè)驅(qū)動程序和硬件抽象層(HAL)，使得用戶能夠快速編寫與硬件細(xì)節(jié)無關(guān)的NiosII IDE控制程序。此外，用戶還可以在NiosII IDE工程中設(shè)計和重新使用定制庫。最終使用NiosII IDE進(jìn)行程序的編譯連接以及調(diào)試運行即可。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

具體實現(xiàn)方式為：上位機軟件通過UDP協(xié)議發(fā)送啟動命令，系統(tǒng)接收UDP數(shù)據(jù)包后判斷IP地址是否為系統(tǒng)IP，如果是本機IP，則通過UDP協(xié)議回復(fù)“on”到上位機，并啟動硬件采集和發(fā)送模塊。如果上位機軟件發(fā)送關(guān)閉命令，系統(tǒng)接送UDP數(shù)據(jù)包后判斷IP地址是否為系統(tǒng)IP，如果是本機IP，則通過UDP協(xié)議回復(fù)“off”到上位機，并關(guān)閉硬件采集和發(fā)送模塊。如果下位機捕獲到切換定時時間的指令，則修改定時時間。由于UDP協(xié)議沒有3次握手的過程，則可以保證發(fā)送速度比TCP協(xié)議快很多。

3 性能測試

石英晶體振蕩頻率一般在幾MHz至幾十MHz之間，且易受到外界條件的干擾，特別是多通道的振蕩頻率，各通道之間容易形成串?dāng)_，這給石英晶體振蕩頻率的電信號采集和處理造成了一定的困難。經(jīng)過對電路板的不斷改進(jìn)，消除了信號之間相互串?dāng)_的難題。整個硬件系統(tǒng)由2塊板卡組成，分別為32路石英微天平起振板和FPGA高精度頻率計數(shù)卡，兩者之間通過40根排線相連接，信號采集的過程中通過網(wǎng)線連接至PC機，進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸。PC機端界面顯示程序基于C#語言開發(fā)，實現(xiàn)32通道數(shù)據(jù)的實時顯示，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行文本格式存儲，數(shù)據(jù)采集實時界面如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)實物圖及上位機實時顯示界面

測量的過程中，石英晶體表面涂的化學(xué)物質(zhì)為功能化介孔材料SAB-15,該物質(zhì)為甲醛氣體敏感的傳感器材料，石英晶體振蕩頻率隨甲醛氣體濃度的變化曲線如圖8所示。

圖8 晶體振蕩頻率隨甲醛氣體濃度的變化曲線

石英晶體表面涂SAB-15時，其頻率為9 971 200 Hz，并將其作為基準(zhǔn)頻率，對甲醛氣體濃度分別是2.5 ppm、10 ppm、20 ppm、40 ppm進(jìn)行測量，結(jié)果表明石英晶體的采樣頻率隨著氣體濃度的增加而降低，同時，多次測量某一濃度的甲醛氣體時，對應(yīng)的采樣頻率基本不變，表明QCM測量系統(tǒng)對氣體濃度測量具有可重復(fù)性。

4 結(jié)束語

提出了一套以太網(wǎng)通信傳輸?shù)?2通道石英微天平氣敏傳感器陣列頻率信號采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用硬件描述語言實現(xiàn)了頻率的計數(shù)，采用SOPC技術(shù)實現(xiàn)了對系統(tǒng)的整體控制，充分發(fā)揮了FPGA快速靈活的特點。系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，克服單個氣敏傳感器測量系統(tǒng)不能識別氣體種類和數(shù)量的缺陷，不僅廣泛應(yīng)用到有毒氣體的測量，而且適用于數(shù)據(jù)的高速采集。

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Design of Quartz Crystal Microbalance Gas Sensor Array Measurement System

SUN Peng,LI Lei,GUO Mao-tian,CAI Yu-bao,CHEN Yun-peng,YAN Yong-li

(School of Physics Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

A quartz crystal microbalance(QCM)measurement system is designed based on 32 channels of ethernet transmission protocol,in order to overcome the defects of existing single gas sensor measuring systems which cannot automatically identify the gas type and concentration.The system consisted of an array of QCM gas sensor start-up module and high-precision frequency counter card.The start-up module produced 32 quartz crystal frequency signals;Precision frequency counter card directly collected the frequency of the signal by FPGA internal counter via the ethernet speed transmission to the host computer for data storage,data processing and signal waveform display.The test results show that the system can achieve real-time,multi-channel,high-speed and-precision of data acquisition and sending.

quartz crystal microbalance;ethernet transmission protocol;high-precision frequency counting cards;FPGA

河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(13A140661)

2014-01-02 收修改稿日期：2014-10-09

TP274

A

1002-1841(2015)02-0057-03

孫鵬(1989—)，碩士研究生，研究方向為FPGA邏輯設(shè)計、硬件電路設(shè)計。E-mail：spwqpq@163.com 李磊(1981—)，講師，博士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。E-mail：lilei@zzu.edu.cn