陳 沖，張銀建

(重慶川儀自動(dòng)化股份有限公司，重慶 401121)

0 引言

氣相色譜儀被廣泛應(yīng)用于食品檢驗(yàn)、石油化工、醫(yī)藥衛(wèi)生、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)以及科研院校等領(lǐng)域。氣相色譜法的特點(diǎn)是分離效率高、選擇性高、靈敏度高、操作簡便、取樣量少、分析速度快[1]。氣相色譜儀種類繁多。其主要由氣路系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)五大部分組成[2]。本文設(shè)計(jì)了氣相色譜儀電路流量監(jiān)測(cè)控制電路方案，能夠?qū)庀嗌V分析儀氣路中±200 mL/min范圍內(nèi)的流量進(jìn)行流量監(jiān)測(cè)和大小控制，為自動(dòng)進(jìn)樣管理(electric pneumatic control,EPC)系統(tǒng)提供了硬件實(shí)現(xiàn)方案。該方案由電源系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、氣體流量監(jiān)測(cè)電路、氣體進(jìn)氣控制電路、通信接口電路五大部分組成。本文主要論述氣體流量監(jiān)測(cè)、氣體流量進(jìn)樣控制以及單片機(jī)系統(tǒng)部分。

1 整體方案設(shè)計(jì)

氣路流量監(jiān)測(cè)控制電路方案主要由AC-DC電源、PIC32MX6單片機(jī)控制系統(tǒng)、WBIM200傳感器電路、微型氣動(dòng)電磁閥、微型氣動(dòng)比例閥控制電路、通信接口電路六部分組成。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)框圖

PIC32MX單片機(jī)是Microchip公司生產(chǎn)的一款高性能32位單片機(jī)，接口外設(shè)豐富，除了具有I2C、SPI、USART、ADC等常用外設(shè)接口，還具有USB、CA、以太網(wǎng)以及圖形接口，最高主頻可達(dá)80 MHz。該單片機(jī)性能優(yōu)越，已應(yīng)用于各行各業(yè)之中，是一款成熟的單片機(jī)產(chǎn)品。WBIM200是德國First-sensor生產(chǎn)的一款高精度氣體流量傳感器，2.7～5.5 V供電，具有I2C通信接口，方便單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信而無需額外器件電路。微型氣動(dòng)閥和微型比例閥都是由美國Paper公司專為醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)制造商所設(shè)計(jì)的微型電磁閥，由輕型聚對(duì)苯二甲酸四次甲基酯(poly butylene terephalate,PBT)塑料制成，提供靈活的安裝選件和終端選件。本文將對(duì)以上部分作詳細(xì)方案論證設(shè)計(jì)。

2 方案實(shí)現(xiàn)

2.1 WBIM200氣體流量傳感器電路

因?yàn)閃BIM200氣體流量傳感器電路由傳感器是數(shù)字I2C通信接口，所以電路相對(duì)簡單。WBIM200氣體流量傳感器電路如圖2所示。

圖2 WBIM200氣體流量傳感器電路

因?yàn)閱纹瑱C(jī)為3.3 V供電，為保證通信電平一致，WBIM200氣體流量傳感器也采用3.3 V供電。I2C通信引腳SDA、SCL通過10 kΩ電阻上拉至3.3 V高電平，保證信號(hào)穩(wěn)定[3]。

氣體流量受溫度壓力的影響很大,而且不同氣體的補(bǔ)償系數(shù)也不同，必須進(jìn)行正確的溫度補(bǔ)償以及氣體系數(shù)校準(zhǔn)，才能獲得正確的氣體流量檢測(cè)數(shù)據(jù)[4]。WBIM200氣體流量傳感器量程為±200 mL/min，在0～50 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。針對(duì)不同的氣體，給出了不同的校準(zhǔn)系數(shù)，經(jīng)過補(bǔ)償以及系數(shù)校準(zhǔn)后傳感器測(cè)量精度為±2%+0.25%FSO。

2.2 微型氣動(dòng)閥控制電路

在氣相色譜分析儀中，氣路的開關(guān)控制、開關(guān)比例調(diào)節(jié)等能夠達(dá)到對(duì)氣路氣體流量的精準(zhǔn)控制。微型氣動(dòng)閥只有開和關(guān)兩種狀態(tài)，控制氣路的通斷[5]。本方案選用美國Parker公司的V2微型氣動(dòng)電磁閥(以下簡稱V2閥)。V2閥是經(jīng)過驗(yàn)證的產(chǎn)品，具有可靠且一致的性能，使用性能高達(dá)2 500萬次。V2閥專為醫(yī)療設(shè)備和系統(tǒng)制造商所設(shè)計(jì)，由輕型PBT塑料制成，并提供靈活的安裝選件和終端選件。因此，V2微型氣動(dòng)電磁閥具有氣動(dòng)和電設(shè)計(jì)靈活性特點(diǎn)。

為了使V2閥關(guān)閉與打開、保證氣路的開關(guān)穩(wěn)定、漏氣率低，選用2 W的V2閥。同時(shí)，采用12 V電源供電，減小供電電流。在電路設(shè)計(jì)中，選用一顆三極管和一個(gè)P溝道金屬氧化物半導(dǎo)體(positive channel metal oxide semiconductor,PMOS)管組成12 V電源的開關(guān)電路，通過控制12 V電源通斷來實(shí)現(xiàn)V2閥的開關(guān)控制。V2閥控制電路如圖3所示。

圖3 V2閥控制電路

2.3 微型比例閥控制電路

氣相色譜分析儀氣路流量一般屬于低流量通量。氣體流量傳感器測(cè)量流量最大為200 mL/min。比例閥的開關(guān)程度靈活可調(diào)，能夠精準(zhǔn)控制氣路中氣體流量大小[6]。本方案選用Parker公司的VSO低流量比例閥。該微型比例閥具有熱補(bǔ)償功能。其熱補(bǔ)償設(shè)計(jì)可精確控制低流量在1～500 mL/m之間。VSO微型比例閥能夠在各種溫度和各種類型的介質(zhì)下實(shí)現(xiàn)精確控制，開關(guān)循環(huán)可達(dá)1億次，是醫(yī)療設(shè)備和分析設(shè)備制造商的理想之選，同樣滿足氣路流量控制需求。

與微型氣動(dòng)閥開關(guān)兩個(gè)狀態(tài)不同，如要控制微型比例閥實(shí)現(xiàn)氣路開關(guān)程度可以調(diào)節(jié)，比例控制電路同氣動(dòng)閥的開關(guān)控制相比，稍顯復(fù)雜。電壓基準(zhǔn)和DAC電路如圖4所示。

圖4 電壓基準(zhǔn)和DAC電路

微型比例閥控制電路如圖5所示。

圖5 微型比例閥控制電路

該電路采用DC 12 V供電，采用電流驅(qū)動(dòng)方式，在R22上端輸入0～5 V DC電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)VSO閥門的配置控制。因?yàn)閱纹瑱C(jī)為3.3 V供電且無DAC輸出，所以需要外接DAC芯片電路來實(shí)現(xiàn)0～5 V DC可調(diào)電壓輸出。外置的DAC具有精度高、輸出電壓范圍增益可單獨(dú)設(shè)置、不受單片機(jī)本身供電電源限制等優(yōu)點(diǎn)[7]，選用ADI公司的AD5684R芯片。該DAC芯片具有4路電壓輸出，可同時(shí)輸出4路0～5 V DC。結(jié)合比例閥電流驅(qū)動(dòng)控制電路，單個(gè)DAC就可以實(shí)現(xiàn)4路微型氣體比例閥的精準(zhǔn)控制。當(dāng)氣相色譜分析儀氣路中需要多路微型氣動(dòng)比例閥進(jìn)行控制時(shí)，通過適當(dāng)增加部分控制電路，就可實(shí)現(xiàn)多路控制效果。單片機(jī)通過SPI接口、I/O口對(duì)DAC的四路輸出電壓進(jìn)行控制。選用ADR4525R為DAC提供外部2.5 V基準(zhǔn)電壓。

2.4 PIC32MX6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

PIC32MX6單片機(jī)是一款具有圖形接口、USB、CAN和以太網(wǎng)接口的32位單片機(jī)。其內(nèi)核頻率最高可以達(dá)到80 MHz，內(nèi)部集成上電復(fù)位和欠壓復(fù)位，在睡眠和空閑模式下，其功耗只有0.5 mA/MHz動(dòng)態(tài)電流(典型值)。該單片機(jī)圖形接口最多具有34個(gè)并行主端口，可直接連接到外部圖形控制器，也可通過DMA和內(nèi)部或外部存儲(chǔ)器直接驅(qū)動(dòng)LCD，方便顯示接口設(shè)計(jì)與控制。該單片機(jī)具有6個(gè)UART模塊(20 Mbit/s)、最多4路4線SPI模塊以及最多5個(gè)支持SMBus的I2C模塊[8]，外設(shè)接口豐富。方案中：單片機(jī)對(duì)WBIM200氣體流量傳感器采用I2C接口與之通信，用SPI接口與外置DAC進(jìn)行通信，并以I/O控制實(shí)現(xiàn)V2閥的氣路通斷。對(duì)外的數(shù)據(jù)傳輸根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇UART、USB、I2C、以太網(wǎng)等接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

PIC32MX6單片機(jī)最小系統(tǒng)電路主要由供電電源、復(fù)位電路、外部時(shí)鐘以及程序下載接口組成。

PIC32MX6供電電源需要在電源引腳放置去耦電容，通常建議為0.1 μF(10～20 V)低等微串聯(lián)電阻(equivalent series resistamce,ESR)陶瓷電容，使用大電容提高電源穩(wěn)定性建議典型范圍為4.7～47 μF，并盡可能靠近單片機(jī)放置。為使單片機(jī)性能最大化，從電源電路開始布置電路板的走線時(shí)，首先布置電源線并把線返回到去耦電容，然后再走線到器件引腳。這樣可確保去耦電容在電源鏈中處于第一位置。保持電容和電源引腳之間的走線長度盡可能短，因?yàn)檫@樣可以減少印制電路板(printed circuit board,PCB)走線間的互感。

復(fù)位電路由電阻和電容組成，外部時(shí)鐘選用8 M晶振作為外部高頻主振蕩器。單片機(jī)通過內(nèi)部PLL設(shè)置，可將主頻倍頻至80 MHz。程序下載接口選用MPLAB ICD3下載器，通過單片機(jī)PGECx/PGEDx 引腳以及電源引腳組成接口電路，無需額外器件[8]。

2.5 通信接口電路

單片機(jī)具有USB、CAN、UART、以太網(wǎng)、圖形接口等外部通信接口，可以根據(jù)需要選擇合適的外部接口，將傳感器采集的數(shù)據(jù)以及氣體電磁閥控制數(shù)據(jù)輸出到外部的顯示設(shè)備。各個(gè)通信接口都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，外設(shè)電路方案都比較成熟。對(duì)此，本文不作過多論述，根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)即可。

3 結(jié)論

本文主要論述了一個(gè)基于PIC32MX6單片機(jī)對(duì)WBIM200高精度氣體流量傳感器、微型氣體開關(guān)電磁閥、微型氣體比例閥進(jìn)行氣路流量監(jiān)測(cè)與控制的硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。通過對(duì)氣體流量的監(jiān)測(cè)[9]、控制與調(diào)整，達(dá)到了對(duì)氣路中氣體流量的精準(zhǔn)控制，以及對(duì)數(shù)據(jù)的采集以及控制。單片機(jī)可通過USB、UART、以太網(wǎng)通信等方式傳輸至上位機(jī)進(jìn)行直觀顯示，為氣相色譜儀EPC系統(tǒng)[10]提供了一種硬件電路解決方案。