王 翔，王曉榮，劉 超，王換換

(南京工業(yè)大學(xué)，江蘇南京 211816)

0 引言

環(huán)境污染問(wèn)題與人們的健康息息相關(guān)，所以對(duì)氣體環(huán)境的監(jiān)測(cè)及治理顯得尤為重要[1]。由于這些氣體在多數(shù)情況下成分復(fù)雜，對(duì)某種單一的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)有著很多的局限性，所以越來(lái)越多的行業(yè)需要多通道的在線檢測(cè)儀器。

本文設(shè)計(jì)出一款應(yīng)用于石油、化工等流程工業(yè)的多通道氣體檢測(cè)儀，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的重要成分氣體的濃度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。該檢測(cè)儀采用組合式的模塊化設(shè)計(jì)理念，并結(jié)合數(shù)字化的紅外氣體傳感器作為主要的檢測(cè)手段。以滿足不同工業(yè)環(huán)境、不同檢測(cè)氣體情況下對(duì)檢測(cè)儀的使用需求，使之成為模塊化組合式的多通道智能氣體檢測(cè)儀。這樣當(dāng)用戶的檢測(cè)需求發(fā)生改變時(shí)，不需要重新購(gòu)買檢測(cè)儀器，只需要更改其中的傳感器模塊，從而顯著降低生產(chǎn)檢測(cè)成本。

1 在線氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)與思路

1.1 在線紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

紅外光譜的吸收峰值通常比紫外線和可見(jiàn)光區(qū)域更尖銳，而組成物質(zhì)的不同官能團(tuán)吸收不同頻率的紅外輻射。利用這種特性，紅外光譜可以非常敏感地測(cè)定樣品中官能團(tuán)，并對(duì)有機(jī)或者無(wú)機(jī)化合物進(jìn)行定性和定量分析。各種氣體的吸收光譜比較復(fù)雜，其中CO為4.66 μm，CO2為4.27 μm，CH4為3.33 μm，SO2為7.30 μm等。非分光紅外氣體分析技術(shù)應(yīng)用廣泛技術(shù)成熟，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種紅外氣體分析儀。

1.2 S-Module傳感器

S-Module采用半導(dǎo)體光源，能發(fā)出4.26～9.67 μm波長(zhǎng)范圍的紅外光，基本包含了常見(jiàn)氣體的特征吸收帶。除此之外，該光源具有功耗低、熱穩(wěn)定性好和抗氧化能力強(qiáng)的特點(diǎn)。S-Module的檢測(cè)原理[5]如圖1所示。

圖1 S-Module檢測(cè)原理

如圖1所示，S-Module氣室部分的基本結(jié)構(gòu)包括光學(xué)系統(tǒng)、電路測(cè)量系統(tǒng)、信號(hào)放大系統(tǒng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在工作時(shí)，左側(cè)光源發(fā)出紅外光，通過(guò)窗口透明玻璃射入氣室，同時(shí)將待測(cè)氣體通入氣室，氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，氣室內(nèi)部設(shè)置了參考和測(cè)量通道，分別對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的檢測(cè)裝置，其中參考測(cè)量通道通入零氣，用于對(duì)傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定。而測(cè)量通道通入檢測(cè)氣體，其電壓值與氣體濃度值呈線性關(guān)系，因?yàn)闇y(cè)量裝置輸出的電壓信號(hào)只有mV級(jí)別，因此，還必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)胤糯蟆?/p>

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，基于模塊化的設(shè)計(jì)原理，可將整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)分為氣體主控制器、傳感器、信號(hào)調(diào)理、通信、控制、以及人機(jī)交互6個(gè)模塊。

圖2 氣體檢測(cè)儀的工作流程圖

由圖2可知，氣體經(jīng)預(yù)處理裝置通入傳感器中，傳感器采集氣體濃度值，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后送入主控制器中，主控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行通訊和控制操作，同時(shí)，為方便用戶從設(shè)備獲取需要的信息以及直接發(fā)送指令操作儀器，增加了人機(jī)交互模塊。

優(yōu)良的系統(tǒng)架構(gòu)在滿足基本設(shè)計(jì)需求的同時(shí)，還應(yīng)具有高可用性和高穩(wěn)定性、良好的可擴(kuò)展性以及模塊間的低耦合性[2]。系統(tǒng)整體架構(gòu)方案遵循分層設(shè)計(jì)原則[3]，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分層處理:最底層為硬件系統(tǒng)，中間層為操作系統(tǒng)，上層則為各個(gè)任務(wù)線程。系統(tǒng)中所有任務(wù)都由某一個(gè)具體的任務(wù)線程發(fā)起，之后通過(guò)根據(jù)任務(wù)采用的算法，利用操作系統(tǒng)提供的接口來(lái)調(diào)用具體的硬件驅(qū)動(dòng)接口，由硬件驅(qū)動(dòng)接口來(lái)控制儀器系統(tǒng)硬件完成相應(yīng)的任務(wù)。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

3 硬件總體框架

根據(jù)儀器的功能設(shè)計(jì)要求，結(jié)合氣體檢測(cè)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，選用性能強(qiáng)大的工業(yè)級(jí)芯片STM32F407作為檢測(cè)儀信號(hào)分析和處理的核心，配合S-Module和預(yù)留的模擬傳感器等檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)外圍電路。硬件系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

圖4 氣體檢測(cè)儀硬件功能模塊

為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，添加JTAG調(diào)試接口模塊。在傳感器信號(hào)處理模塊，為了保證數(shù)字傳感器信號(hào)采樣的穩(wěn)定性和精確度，降低外界環(huán)境對(duì)儀器的影響，特別設(shè)計(jì)了溫控模塊和壓力檢測(cè)模塊。

3.1 電源電路

在設(shè)計(jì)上要注意保證輸出電壓信號(hào)的平穩(wěn)性，本文主要采用導(dǎo)軌式直流電源DR-120-24模塊作為主供電源，其可輸出24 V電壓，紋波最大值為80 mV，效率則能達(dá)到84%；無(wú)風(fēng)扇的設(shè)計(jì)不產(chǎn)生噪聲、振動(dòng)和磨損，特別適合儀器儀表穩(wěn)定的工作環(huán)境需求。圖5所示為DR-120-24電源模塊的功能框圖。

圖5 電源功能框圖

220 V交流電通入DR-120-24中，輸出供整個(gè)檢測(cè)儀使用的24 V直流電源，但各個(gè)模塊需要的電壓值不盡相同，還需要通過(guò)不同穩(wěn)壓芯片將該電壓轉(zhuǎn)換為檢測(cè)平臺(tái)各個(gè)模塊所需要的電壓，根據(jù)轉(zhuǎn)換后電壓的性質(zhì)不同，可將電壓信號(hào)分為數(shù)字部分、模擬部分和控制部分。圖6為儀器平臺(tái)的供電圖。

圖6 電源供電

3.2 外部存儲(chǔ)模塊

考慮到待存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量可能會(huì)超過(guò)主控制器芯片的存儲(chǔ)空間容量，且需要在儀器設(shè)備關(guān)機(jī)或突然掉電的情況下仍然能保存數(shù)據(jù)，從而增加設(shè)計(jì)了外部存儲(chǔ)器模塊。選用M25P16外部FLASH芯片，供電電壓2.7～3.6 V，2 MB的存儲(chǔ)空間；帶有寫保護(hù)功能，主控制器能夠通過(guò)SPI總線對(duì)其進(jìn)行讀寫。如圖7所示。

圖7 SPI Flash硬件電路

3.3 傳感器電路

S-Module提供半雙工的串口通信方式[4]，而STM32F407串口提供全雙工和半雙工模式。在半雙工模式下，F(xiàn)407串口的發(fā)送引腳和接收引腳在芯片內(nèi)部短接，最終的數(shù)據(jù)收發(fā)都由串口發(fā)送腳進(jìn)行，而全雙工模式下的發(fā)送引腳則不再使用。當(dāng)F407沒(méi)有處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)時(shí)，芯片內(nèi)部的收發(fā)器處于高阻態(tài)，不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞，因此線路中無(wú)需添加限流電阻。S-Module還提供一個(gè)TTL數(shù)字輸出引腳，可以監(jiān)測(cè)該引腳電平變化來(lái)獲取傳感器內(nèi)部狀態(tài)信息。數(shù)字傳感器接口電路[5]如圖8所示。

圖8 S-Module接口

4 儀器軟件設(shè)計(jì)

4.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)框架

氣體檢測(cè)儀采用RT-Thread操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。在線氣體檢測(cè)儀這樣的嵌入式平臺(tái)，其可定制的特點(diǎn)限定了驅(qū)動(dòng)程序也必須定制，因此，在儀器設(shè)備研發(fā)過(guò)程中必須針對(duì)性地開(kāi)發(fā)不同的模塊軟件驅(qū)動(dòng)程序。在線氣體檢測(cè)儀系統(tǒng)整體驅(qū)動(dòng)構(gòu)架如圖9。

圖9 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)總體構(gòu)架

4.2 S-Module驅(qū)動(dòng)與應(yīng)用設(shè)計(jì)

S-Module數(shù)字式傳感器有2種信號(hào)傳遞方式，TTL和Modbus總線協(xié)議，相比于TTL信號(hào)方式，Modbus能讀出更多的傳感器信息。Modbus基于主機(jī)/從機(jī)原理，主機(jī)(MCU)發(fā)送詢問(wèn)信號(hào)給從機(jī)(S-Module)，從機(jī)收到信號(hào)后進(jìn)行應(yīng)答。這種總線協(xié)議有著自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[6]，表1為詢問(wèn)S-Module時(shí)的數(shù)據(jù)格式。

表1 詢問(wèn)指令格式

數(shù)字型氣體傳感器采用單線串口的通訊形式，其詳細(xì)的數(shù)據(jù)輸出流程圖如圖10所示。

圖10 傳感器與主控制器通訊

4.3 數(shù)據(jù)處理

S-Module模塊采用數(shù)字信號(hào)輸出，因此在硬件部分無(wú)需做特殊的濾波電路設(shè)計(jì)。而軟件上可以通過(guò)采用算術(shù)平均濾波法降低測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生的噪聲干擾。去算術(shù)平均濾波算法流程如圖11所示。

4.4 模擬量輸出模塊

AD5420進(jìn)行工作時(shí)選用菊花鏈的工作模式，其時(shí)序圖如圖12所示。首先使能菊花鏈模式，即將控制寄存器中的DCEN置1，從SCLK的第一個(gè)上升沿開(kāi)始，進(jìn)入循環(huán)周期，并且對(duì)移位寄存器進(jìn)行連續(xù)施加，若超過(guò)24個(gè)時(shí)鐘脈沖，則數(shù)據(jù)溢出。當(dāng)所有的AD5420的串行傳輸結(jié)束后，引腳LATCH電平拉高，從而鎖存每個(gè)器件中的數(shù)據(jù)。若要連續(xù)使用SCLK，則必須在配置正確地時(shí)鐘周期之后，將LATCH拉高。

圖11 算數(shù)平均濾波程序框圖

圖12 菊花鏈寫入時(shí)序圖

4～20 mA輸出芯片AD5420通過(guò)四線制SPI協(xié)議進(jìn)行訪問(wèn)，采用24位數(shù)據(jù)傳輸，其中高8位AD5420寄存器地址位，低16位為數(shù)據(jù)位。因此需要在片選拉低時(shí)連續(xù)發(fā)送3個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)后再拉高片選信號(hào)。

void ad5420_write_data(uint32_t *data)

{

uint8_t i;

uint8_t temp[6];

ad5420_latch_low();

temp[0]= cmd> >16;

temp[1]= cmd> >8;

temp[2]= cmd;

關(guān)于程度副詞“傷”，陳小荷老師在《清江話和豐城話的程度副詞“傷”》[3](P223)一文中有過(guò)精辟的闡述。與豐城方言相類似的是，高安方言也用“傷”來(lái)表示很深的程度，但其后通常添加時(shí)間副詞“口得”而不是“哩”。例如：

for (i = 0；i <3；i++)

{

ad5420_send_byte(temp[i]);

}

5 測(cè)試分析和總結(jié)

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：工業(yè)樣氣預(yù)處理裝置、在線氣體檢測(cè)儀、數(shù)據(jù)信息處理平臺(tái)。

其中預(yù)處理模塊是氣體濃度檢測(cè)中的重要一環(huán)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣體中混有的固體顆粒物和水蒸氣都會(huì)影響采樣的精度，所以在氣體通道上分別設(shè)置了固體顆粒過(guò)濾和水蒸氣過(guò)濾裝置。為了更好的控制通入氣體的流量，還加入了流量計(jì)。同時(shí)，預(yù)處理裝置還可輸送零氣和標(biāo)準(zhǔn)氣完成儀器的標(biāo)定工作。圖13為氣體預(yù)處理裝置流程示意圖。

圖13 預(yù)處理裝置工作示意圖

5.2 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，保證檢測(cè)儀擁有較高精確度。課題設(shè)計(jì)了兩點(diǎn)標(biāo)定功能。

采用大于99.999%的N2作為零點(diǎn)氣，2.63%的CO2作為標(biāo)準(zhǔn)氣，標(biāo)定開(kāi)始后，打開(kāi)零氣入口，調(diào)節(jié)流量將N2通入氣體檢測(cè)儀，等待1 min后，當(dāng)液晶屏上顯示的氣體濃度值穩(wěn)定且漂移小于±0.001，通過(guò)觸控屏向分析儀發(fā)送ASCII校準(zhǔn)代碼(通過(guò)GLCD發(fā)送校準(zhǔn)命令，即主控制器向S-Module發(fā)送數(shù)據(jù)幀)，此時(shí)零點(diǎn)標(biāo)定完成。然后切換球閥通入標(biāo)準(zhǔn)氣CO2，用相同的步驟校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)氣，標(biāo)定完成之后按下返回鍵。系統(tǒng)的兩點(diǎn)標(biāo)定界面如圖14所示。

圖14 兩點(diǎn)標(biāo)定界面

5.3 準(zhǔn)確性測(cè)試

設(shè)計(jì)氣體檢測(cè)儀主要是用于混合氣體的檢測(cè)，因此對(duì)于多通道的氣體檢測(cè)也是實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)之一。試驗(yàn)中選用2種不同的傳感器，CO2傳感器和CH4進(jìn)行雙通道的氣體測(cè)試。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：室內(nèi)溫度20 ℃；樣氣流量60 mL/min；設(shè)定控制溫度(60±0.1) ℃；環(huán)境氣壓為102.2 kPa。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可知，單通道傳感器測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差最大值不超過(guò)0.4%，多通道混合氣體測(cè)量結(jié)果想多偏差最大不超過(guò)0.9%。結(jié)果表明該氣體檢測(cè)儀具有良好的分析測(cè)量精度，滿足二級(jí)工業(yè)用表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表2 氣體濃度檢測(cè)結(jié)果

5.4 電流輸出測(cè)試

針對(duì)4～20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，儀器工作時(shí)先將檢測(cè)的到的氣體濃度值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的輸入電壓，再經(jīng)過(guò)AD5420轉(zhuǎn)換成用于輸出的模擬電流，電壓轉(zhuǎn)電流的公式為

Iout=10(Vin/Rset)

式中：Iout為輸出電流；Vin為輸出電壓；Rset取值為1.5 kΩ。

實(shí)驗(yàn)選用的外部負(fù)載阻值為235.5 Ω，通入濃度為2.63%的CO2，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 輸入電壓與輸出電流的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可以看出，氣體檢測(cè)儀的相對(duì)誤差范圍為0.07%～0.33%，滿足儀器的性能指標(biāo)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)了一款在線多通道的氣體檢測(cè)儀，選用新型的數(shù)字紅外傳感器作為主要的檢測(cè)手段，以工業(yè)級(jí)主芯片STM32F407作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，設(shè)計(jì)整個(gè)儀器平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)模擬真實(shí)的工業(yè)環(huán)境驗(yàn)證分析儀器的可靠性。雖然工業(yè)在線氣體檢測(cè)儀已經(jīng)能初步實(shí)現(xiàn)需要的功能，但想要將該平臺(tái)大規(guī)模推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，還需要用嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。