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1 引言 工業(yè)燃燒過(guò)程所釋放出的煙氣是現代城市大氣污染源，煙氣檢測是大氣環(huán)境檢測中必要的項目，它是確定重點(diǎn)污染源并對污染源進(jìn)行檢測和控制的基本手段。為了控制燃燒過(guò)程的燃燒空氣比，提高燃燒效率，節約能源，減少大氣污染，必須可靠地測量煙氣中各種氣體的含量。本文針對煙氣分析，介紹了一種基于Intel單片機的智能儀器監控平臺。 2 監控平臺的硬件結構設計 硬件配置應針對分析檢測器的不同組合方式可在各模塊中選擇，如該平臺用于二組分分析時(shí)，則只接入兩路的操作回路和信號回路，其他兩路不接，由于硬件模塊的獨立特性，配合軟件的系統參數設置功能，系統完全可以正常工作，未接入的回路對工作回路不產(chǎn)生影響。監控平臺的硬件結構如圖1所示。 圖1 監控平臺硬件結構圖 3 各功能模塊硬件詳細設計 3.1 單片機的選擇與存儲器模塊設計 智能儀器的核心是單片微機，其性能對整個(gè)嵌入系統性能有重要影響。選擇時(shí)既要考慮到工業(yè)應用的背景、功能具有一定先進(jìn)性和高可靠性，又須滿(mǎn)足分析儀器多品種、小批量的功能平臺要求，易于開(kāi)發(fā)移植和更新?lián)Q代。為此，確定Intel公司的80C196kc芯片作為分析儀器信息處理單片，構造便攜式儀器監控平臺。 本監控平臺選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的32k字節的閃速存儲器29C256，工作電壓為5v，一旦工作電壓低于3.8V時(shí)禁止編程功能。它既有SRAM的速度和易擦寫(xiě)性，又能像EEPROM那樣掉電后保持數據和在線(xiàn)可寫(xiě)特性，具有讀寫(xiě)功能，掉電下可保存數據。硬件設計方法如圖2所示。80C196kc的P4口作為地址的高位使用，P3口作為地址的低位和8位數據線(xiàn)分時(shí)使用，74LS373用于低位地址鎖存。 圖2 存儲器硬件電路設計 3.2 A/D采樣及數據處理模塊 80C196kc片內A/D模塊共有8路采樣通道，精度為10位（其中可靠精度為8位），本監控平臺已用其中兩路：其中一路用于熱電偶測溫，若檢測到熱電偶通道電壓異常，即報警提示熱電偶開(kāi)路;另一路用于儀器電池電壓檢測，檢測結果通過(guò)液晶顯示器顯示，便于用戶(hù)隨時(shí)了解電池電量，以免電壓過(guò)低對傳感器造成損害;其余六路待用。片外選用的是MAXIM公司生產(chǎn)的12位A/D采樣芯片——MAX197，負責完成6路不同傳感器的信號采樣及環(huán)境溫度、煙氣溫度的檢測。該芯片是28腳的雙列直插封裝，工作電壓為5V，有8個(gè)模擬輸入口，完成一次轉化的時(shí)間為6μS。 由于經(jīng)分析儀器傳感器轉換后的電信號是0～1V，顯然不能用內部參考電壓模式進(jìn)行采樣，所以系統選用外部參考電壓方式。但是作者在實(shí)際使用中發(fā)現，外部參考電壓不能過(guò)低。試驗表明，當外部參考低于1V時(shí)，在輸入的模擬量在90 mV以下時(shí)，采樣的結果明顯不準確，有很?chē)乐氐姆蔷�(xiàn)性，甚至出現明顯死區。所以監控平臺在傳感器與A/D采樣芯片之間加入了放大器，將傳感器傳給A/D采樣芯片的信號放大至0～2V，通過(guò)計算可知此時(shí)的外部參考電壓VREF=2/1.2207=1.6384V，事實(shí)證明這種方法起到了良好的作用，A/D采樣芯片發(fā)揮了良好的性能，滿(mǎn)足了監控平臺的要求。 3.3 LCD液晶顯示模塊 LCD液晶顯示器是人機界面的重要窗口，也是本監控平臺的特色之一，本平臺所有人機交互功能皆通過(guò)LCD結合鍵盤(pán)完成。鍵盤(pán)采用的是2×4觸摸按鍵設計，占用CPU的6個(gè)I/O口，其中一個(gè)按鍵與儀器啟動(dòng)電路相連，成為該分析儀器的啟動(dòng)鍵。液晶顯示器采用的是240×128點(diǎn)陣式大屏幕寬視角液晶顯示器（LCD），顯示模塊的外部接口引腳共有21個(gè)，其中Pin18腳為顯示字符的字體選擇引腳，接高電平則顯示的字體為8×6，接低電平則顯示的字體為8×8。該液晶屏內置驅動(dòng)器T6963C及周邊電路，具有硬件初始化功能。 LCD的Pin4腳為顯示區域對比度調節管腳，接入電壓可以在-6V～18V之間調節。本監控平臺選用MAXIM公司生產(chǎn)8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來(lái)提供液晶屏的輝度調節的震蕩電壓。該芯片是專(zhuān)為L(cháng)CD對比度電壓調節而設計的，其輸出電壓具有良好的可調性，可以通過(guò)數字控制、電位調節、PWM控制工三種方法實(shí)現。起工作電路如圖3。 圖3 MAX749工作電路設計 3.4 紅外打印及串口通訊模塊 根據紅外打印協(xié)議，打印模塊硬件部分主要由紅外物理層包括紅外收發(fā)器及編解碼硬件電路實(shí)現。其中物理層編解碼采用了惠普公司紅外3/16的編解碼芯片——hp-7001，此芯片使用1.63μs或者3/16脈沖模式收發(fā)信號，可對波特率編程。紅外收發(fā)器采用安捷倫的hsdl-3610，它全兼容IrDA 1.1，最高傳輸速率可達4Mbps,連接距離大于1.5米且耗電較少�？紤]到單片機80C196kc的串行接口要用于數據通訊,所以改用HSO、HSI實(shí)現紅外打印的類(lèi)串口數據輸出輸入。由于80C196kc和hp7001的接收發(fā)送腳都是TTL電平，可直接相連，無(wú)需MAX232等電平轉換芯片�？紤]到9600bps是紅外通訊協(xié)議的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps進(jìn)行通訊。 串口通信使用了80C196kc的串行數據接口，采用RS-232方式，由MAX232實(shí)現串行信號的電平轉換。采用8位數據位、一位停止位、無(wú)奇偶校驗位的傳輸方式，提供4800、9600、19200三種波特率供用戶(hù)選擇，以適用于計算機通訊的需要。通訊時(shí)只需用在儀器與計算機之間用串口線(xiàn)連接，運行相應程序，即可完成數據的傳輸。該通信只傳送已存入flash中的歷史采樣數據，最多一次可傳送40組數據，每組數據均包括所有采樣參數、計算參數及數據存儲時(shí)的系統參數（如日期時(shí)間、燃料類(lèi)型等）。 3.5 電源啟動(dòng)及轉換模塊 圖4 電源啟動(dòng)及轉換電路 由于便攜式分析儀器采用蓄電池供電，減少整機電流和待機電流、降低損耗變得極為重要。傳感器部分的工作電壓為12V，而單片系統采用5V供電，因此，控制平臺選用了直-交-直變換模塊完成電源轉換。選用XR031電壓轉換模塊，其轉換效率達80%。啟動(dòng)電路采用CMOS芯片，組成帶施密特整形的flip-flop電路，由儀器鍵盤(pán)上的啟動(dòng)鍵控制開(kāi)、關(guān)機。關(guān)機狀態(tài)下電池仍對該部分電路供電，其電流極小，約為4～8微安，工作狀態(tài)下CPU內部A/D采樣模塊對其進(jìn)行電壓檢測，當電壓低于設定時(shí)，置輸出端口為有效電平，該電平經(jīng)微分電路產(chǎn)生+12V尖脈沖觸發(fā)flip-flop電路翻轉，實(shí)現強行關(guān)機。本監控系統正常工作時(shí)功耗電流為50～60mA（LCD背光關(guān)閉，不包括泵電流），整機電流最大為140mA（LCD背光開(kāi)啟）。電源轉換及啟動(dòng)硬件設計如圖4。 3.6 時(shí)鐘模塊 本次設計采用了一塊實(shí)時(shí)鐘芯片DS12C887，它是微機中常用的時(shí)鐘芯片。該芯片是24腳雙列直插封裝的一個(gè)集成組件，組件中包含石英晶體、鋰電池、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、日歷時(shí)鐘、報警時(shí)鐘、和128個(gè)字節的RAM，其中15個(gè)字節用作實(shí)時(shí)鐘的控制寄存器，其余113個(gè)字節可作普通RAM使用，其中數據也可以十年不丟失，DS12C887的年月日、時(shí)分秒等信息都放在內部寄存器中。 4 監控平臺的軟件設計 監控平臺的軟件系統采用C程序設計，使用C96編譯器，版本為5.3版。盡管該編譯器占用程序空間比匯編語(yǔ)言編譯器大，但程序開(kāi)發(fā)周期大大減少，調試效率及可讀性均明顯優(yōu)于匯編語(yǔ)言，且原程序可更加方便地移植于其他型號芯片中，便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代。 本監控平臺軟件系統為多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統，主要分為人機界面、串口通訊、數據處理、紅外打印、操作控制五大功能模塊，軟件結構框圖如圖5所示。由于系統采用模塊化設計，各模塊自成體系，可獨立調試，有利于系統集成也便于形成其他分析儀器的監控程序。本軟件系統支持中英文兩種版本的界面供用戶(hù)操作選擇，其LCD顯示頁(yè)面達60多個(gè)，字庫漢字超過(guò)250個(gè)，編譯后程序代碼約為52Kb。 圖5 軟件系統設計 整個(gè)軟件系統使用超循環(huán)系統（Super-Loops）結構，應用程序是一個(gè)無(wú)限循環(huán)，循環(huán)中調用相應的函數完成規定的操作，程序依次檢查系統的每一個(gè)輸入條件，一旦條件成立就進(jìn)行相應的處理，這部分可以看成任務(wù)級處理。中斷服務(wù)程序處理異步事件，這部分看成中斷級處理。本系統包括A/D采樣、HSO實(shí)時(shí)中斷、HSO事件中斷、串行通訊等模塊，為保證實(shí)時(shí)性，中斷服務(wù)程序只包含標志處理，其隱含功能如采樣值的濾波，HSO事件排隊均由任務(wù)級處理。實(shí)時(shí)多任務(wù)按任務(wù)級別分類(lèi)處理，在各界面處理模塊中均包含時(shí)間事件處理模塊，以確保定時(shí)事件處理。 本文作者創(chuàng )新點(diǎn)： 強大的CPU和良好的模塊性使本監控平臺的研究為智能分析儀器提供了具有ARC功能的設計平臺，通過(guò)軟硬件模塊的選擇可基本實(shí)現各種不同需求的組合式分析儀。系統提高了分析儀器本身的自動(dòng)化水平，分析儀器的自動(dòng)校準和診斷。 |
