羅 穎，曾 閔，江 虹，胡 捷

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽 621010)

0 引言

氣敏傳感器通常以電阻阻值、模擬電壓等方式反映測量氣體濃度關(guān)系[1]，在測量過程中需要對測量環(huán)境進(jìn)行恒溫、加光等操作[2-5]。由于元器件的工藝水平以及實驗現(xiàn)場環(huán)境關(guān)系導(dǎo)致傳感器之間存在一定的測量誤差，即每個傳感器需要進(jìn)行單獨標(biāo)定以達(dá)到高精度檢測的目的[6]。本文設(shè)計一套測試平臺，可對氣敏傳感器進(jìn)行模塊化測試，為后續(xù)的標(biāo)定工作提供數(shù)據(jù)支撐。測試平臺包括硬件控制電路和控制軟件部分?？刂栖浖楣芾砥脚_，采用LabVIEW作為開發(fā)工具[7]，在Windows系統(tǒng)下運行，通過網(wǎng)絡(luò)通信的方式可對多個硬件控制電路進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和檢測數(shù)據(jù)顯示。硬件控制電路為核心控制，驅(qū)動傳感器進(jìn)入工作狀態(tài)和對應(yīng)的參數(shù)采集。

1 硬件控制電路設(shè)計

硬件控制電路結(jié)構(gòu)見圖1。微處理器核心為STM32F103系列32位MCU，主要功能為：與控制軟件通信，實現(xiàn)命令接收和采集數(shù)據(jù)上傳；根據(jù)命令實現(xiàn)加溫控制；控制邏輯切換電路，實現(xiàn)不同通道切換；對采集通道進(jìn)行換擋切換，提高采樣精度；模擬信號采集，計算驅(qū)動參數(shù)和阻值測量參數(shù)。

圖1 電路結(jié)構(gòu)圖

電源電路輸入電壓為DC 12 V，通過5顆降壓IC降壓后對不同功能電路供電，其結(jié)構(gòu)圖見圖2。12 V輸入電源通過降壓源1#得到5 V電壓，再通過降壓源5#線性穩(wěn)壓器得到3.3 V電壓，為電路中的模擬電路提供電能。降壓源2#將輸入12 V電源降壓至2.8 V為傳感器光源供電。降壓源3#提供3.3 V電壓，為數(shù)字電路供電。降壓源4#為可調(diào)輸出電源，為加熱電路供電，調(diào)節(jié)方式由微處理器控制數(shù)字電位計完成。

圖2 電源結(jié)構(gòu)圖

加熱電路為傳感器提供穩(wěn)定的工作環(huán)境，本文在加熱電路設(shè)計中采用加熱電壓和加熱電流雙閉環(huán)控制回路，見圖3。由處于外環(huán)的溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)設(shè)定溫度與反饋溫度計算得到功率調(diào)節(jié)輸出給定值，再通過內(nèi)環(huán)的功率調(diào)節(jié)器輸出穩(wěn)定的功率，從而保證足夠精度的溫度控制。

圖3 雙閉環(huán)控制

根據(jù)不同的需要，提供恒溫和變溫兩種控制模式，可實現(xiàn)線性的變溫控制，控溫電路圖如圖4所示。微處理器根據(jù)命令調(diào)整加熱電壓后,控制PMOS管(Q201)導(dǎo)通(圖4中標(biāo)識為HeatON),實現(xiàn)對傳感器加熱控制。通過高精度電阻(R215)和高端電流檢測IC(U204)將加熱電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號后進(jìn)行采樣。以電阻分壓(R213和R214)和運放(U205A)跟隨的方式對加熱電壓進(jìn)行監(jiān)控。

圖4 加熱回路原理圖

由于被測電阻阻值的變化范圍大，為保證測量精度，共采用了8個檔位，每個檔位的參考電阻不同。本文采用多路電子開關(guān)，由微處理器根據(jù)AD采樣值自動切換，其硬件電路圖見圖5。

圖5 傳感器阻值采集原理圖

硬件控制電路支持測量8通道的電阻阻值，同時每個通道有8個檔位進(jìn)行切換，在圖5中U201用于每個通道測量時檔位切換，U202用于測量通道之間切換，U205C則用于將參考電阻與測量電阻之間的分壓電壓驅(qū)動輸出。

2 微處理器軟件設(shè)計

控制電路上電后，微處理器運行，其工作流程見圖6。初始化應(yīng)用設(shè)置包括微處理器時鐘外設(shè)配置、中斷控制、設(shè)置定時器工作參數(shù)、設(shè)置電源參數(shù)(包括紫光開關(guān)、指示開關(guān)、加熱開關(guān)和用于加熱的數(shù)字電位計)、設(shè)置以太網(wǎng)通信參數(shù)、存儲器數(shù)據(jù)回讀和模擬數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置。

圖6 軟件工作流程

啟動數(shù)據(jù)采集包含預(yù)先準(zhǔn)備和數(shù)據(jù)采集兩部分。預(yù)先準(zhǔn)備只做數(shù)據(jù)采集前的準(zhǔn)備工作(包括校準(zhǔn)ADC轉(zhuǎn)換器，啟動采集用的DMA通道并與ADC轉(zhuǎn)換器關(guān)聯(lián))，并未啟動ADC進(jìn)行轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集是微處理器利用ADC轉(zhuǎn)換器使用“軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換”和采用“規(guī)則轉(zhuǎn)換”，每觸發(fā)1次轉(zhuǎn)換可得到5個變量(室溫測溫電阻、加熱電壓、加熱電流、加熱測溫電阻、氣敏電阻)的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，為平滑數(shù)據(jù)，連續(xù)觸發(fā)8次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果取平均值。氣敏電阻有8個通道，每次只能轉(zhuǎn)換其中的1個通道，每個周期轉(zhuǎn)換完成所有數(shù)據(jù)的采集，總共進(jìn)行64次軟件觸發(fā)轉(zhuǎn)換，在切換氣敏電阻通道時，為去除通道切換的影響，增加額外延時。

周期轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理運行過程為：當(dāng)輪詢判斷每周期所有轉(zhuǎn)換結(jié)束后執(zhí)行下列操作：微處理器依據(jù)ADC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的結(jié)果按照物理量換算公式換算成對應(yīng)的測量值(單位分別是Ω、V或A)；微處理器將得到的測量值進(jìn)行平滑濾波，結(jié)果存放在緩存中；微處理器根據(jù)氣敏電阻的轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整對應(yīng)通道的測量檔位；當(dāng)前測量完成，微處理器切換函數(shù)用于啟動下一次周期轉(zhuǎn)換。

控制軟件將命令通過以太網(wǎng)的方式發(fā)送給硬件控制電路。硬件控制電路微處理器以串行接收的方式存儲在內(nèi)部數(shù)據(jù)接收緩存中，微處理器接收信息大小由緩存指針?biāo)赶蛭恢眠M(jìn)行表示。數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)大小固定為1 024字節(jié)，最新接收到的信息將覆蓋最舊的信息，因此，兩次命令的時間間隔應(yīng)能保證命令被執(zhí)行完畢。

所有命令以命令幀的形式發(fā)送。每個命令幀包括命令符和命令參數(shù)兩部分。其中命令符是單個字符，命令參數(shù)是固定格式的字符串(格式與命令相關(guān))。命令的處理流程如圖7所示。

圖7 命令處理流程

3 控制軟件設(shè)計與說明

測試平臺基于網(wǎng)絡(luò)來完成信息的傳遞，典型的應(yīng)用場景為同一網(wǎng)絡(luò)地址下的局域網(wǎng)，也可支持多網(wǎng)址的廣域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)接口采用RJ-45的10/100 Mbps自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。

PC用來運行控制軟件，其上運行Windows操作系統(tǒng)，可直接在操作系統(tǒng)中完成網(wǎng)絡(luò)配置，如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

控制軟件運行后系統(tǒng)自動搜索已打開的硬件控制電路，需等待一定時間直至搜索結(jié)束。完成搜索后，被搜索到的硬件控制電路出現(xiàn)在設(shè)備連接列表中，用鼠標(biāo)雙擊列表中的IP地址，可以將對應(yīng)的硬件控制電路選中到設(shè)備操控列表中(處于操控列表中的設(shè)備才能用于后續(xù)的測量操作)，如圖8所示。如要重新搜索設(shè)備，可點擊“設(shè)備刷新”。

圖8 設(shè)備列表圖

如果在操控列表中有新(或更換了氣敏傳感器)的硬件控制電路，需要點擊“溫度校準(zhǔn)”進(jìn)行溫度校準(zhǔn)操作。校準(zhǔn)包括“開始校準(zhǔn)”和“校準(zhǔn)”兩步操作(依次點擊對應(yīng)按鈕)，如圖9中方框按鈕。

圖9 采樣電路校準(zhǔn)

完成加熱溫度校準(zhǔn)后，可點擊“實時數(shù)據(jù)”進(jìn)行測量數(shù)據(jù)操作。首先點擊“參數(shù)設(shè)置”，當(dāng)前操作設(shè)備的參數(shù)出現(xiàn)在參數(shù)列表中，如果不修改，則可直接點擊“參數(shù)輸出”或“啟動”；如需修改，則雙擊參數(shù)列表中要修改的設(shè)備參數(shù)列，該列參數(shù)即顯示在左側(cè)的修改區(qū)中，此時就可在修改區(qū)中修改參數(shù)，完成后點擊“確定”按鈕確認(rèn)，如圖10所示。

圖10 設(shè)備參數(shù)配置

通過“參數(shù)輸出”可將參數(shù)發(fā)送給測量端的控制器，由于控制器里有參數(shù)存儲功能，當(dāng)能夠確保測量端控制器里的參數(shù)與當(dāng)前設(shè)置一致時，可不再進(jìn)行“參數(shù)輸出”操作。

設(shè)置測量參數(shù)后，通過點擊“啟動”按鈕即可啟動測量，如圖11所示。此時可通過點擊右側(cè)的“實時數(shù)據(jù)波形”觀察測量數(shù)據(jù)。點擊“終止”按鈕結(jié)束測量，此時測量數(shù)據(jù)會自動保存在設(shè)置路徑文件夾中，文件名格式為“保存時間”+“設(shè)備IP地址”。測量過程中點擊“清屏”按鈕可清除當(dāng)前的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)會自動保存到“保存數(shù)據(jù)”文件夾里。當(dāng)測量時間連續(xù)超過10 h，系統(tǒng)會自動執(zhí)行“清屏”操作。測量過程中點擊“數(shù)據(jù)另存”按鈕可將當(dāng)前數(shù)據(jù)保存到設(shè)置文件路徑下，此時測量數(shù)據(jù)并不會被清除。

圖11 實時測量參數(shù)

通過“讀取模式”可選擇回放單個文件或批量文件。當(dāng)要回放單個文件時，先選擇讀取模式為“單一文件”，然后點擊“文件選擇”按鈕，在彈出的窗口中選擇要回放的文件，最后點擊“讀取文件”按鈕，測量數(shù)據(jù)及其測量參數(shù)就分別顯示；當(dāng)要回放多個文件時，首先確認(rèn)在存儲路徑文件夾中只有回放的測量數(shù)據(jù)文件，然后選擇讀取模式為“文件夾文件”，最后點擊“讀取文件”按鈕，測量數(shù)據(jù)及其測量參數(shù)就分別顯示在各個區(qū)域中。

4 結(jié)論

本文設(shè)計的測試平臺硬件采用STM32微處理器為核心，控制軟件采用LabVIEW為實現(xiàn)語言。經(jīng)測試，該測試平臺硬件與控制軟件具有良好的協(xié)調(diào)性和穩(wěn)定性。硬件控制電路采用雙閉環(huán)設(shè)計，在加熱過程中保證了熱敏傳感器的環(huán)境溫度穩(wěn)定，同時采用多檔位設(shè)計，利用微處理器采樣值自動切換檔位，使輸入模擬電壓大小值始終保持在線性區(qū)間范圍內(nèi)，提高了采樣精度。控制軟件具備參數(shù)配置、設(shè)備動態(tài)添加、實時曲線繪制和回顯等功能，既滿足當(dāng)前使用主要需求，又為后續(xù)傳感器參數(shù)校準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支撐。