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零碳排放的氫燃料作為一種高效、清潔、可再生的能源，得到了國際能源界的廣泛認同。氫氣也在石油化工、電子工業(yè)、食品工業(yè)、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域有了廣泛應用。然而，氫氣是一種無(wú)色無(wú)味、攜帶極不方便、極易泄漏的氣體，在室溫和標準大氣壓下，氫氣與空氣的混合比例達到4．1％～74．1％時(shí)遇明火極易爆炸。為了減小使用氫氣的安全隱患，開(kāi)發(fā)出一套安全、可靠、靈敏度高的氫氣濃度監測系統具有十分重要的意義。 1 系統總體結構設計 采集到的氫傳感信號經(jīng)過(guò)低噪聲放大電路進(jìn)行放大處理，并在低通濾波器濾除信號中的高頻噪聲。然后，經(jīng)A／D轉換器送入ARM處理器S3C2410，ARM 處理器再調用應用程序對采集到的數據進(jìn)行數字處理，最后實(shí)時(shí)顯示濃度值，并在濃度超出限定值時(shí)做出報警處理。整個(gè)系統框圖如圖1所示。 2 系統硬件結構設計 本系統中所選氫氣傳感器為瑞士Membrapor生產(chǎn)的H2／C-1000。它的主要指標有：測量范圍O～1 000 mg／m3，最大負載2000 mg／m3，輸出信號為30±10 nA每mg／m3，分辨率2 mg／m3，響應時(shí)間＜45 s，溫度范圍-20～40℃，典型信號漂移＜2％／月�？梢�(jiàn)，傳感器輸出的信號范圍為0～40μA甚至nA級的微弱直流信號。這里首先利用I／V轉換電路將微弱的電流信號轉換為電壓信號，再利用后級的差動(dòng)放大電路將其放大到A／D能采集的電壓范圍。然后，將其經(jīng)過(guò)二階低通濾波處理后送入A／D轉換器。最后由微處理器S3C2410處理采集到的數值信號。 2．1 微弱信號放大電路 根據弗里斯定理可知，I／V轉換引入的外界干擾和噪聲，對整個(gè)系統性能影響最顯著(zhù)，為此必須選用開(kāi)環(huán)輸入電阻高、輸入偏置電流小、噪聲小的精密運算放大器。這里選用斬波穩零的高精度運放ICL7650，其輸入電阻為1012Ω，偏置電流為1．5 pA，輸入失調電壓為1μV，失調電壓溫度系數為0．01μV／℃，共模抑制比為130 dB。后級的差動(dòng)放大選用內部具有三運放結構的儀用放大器AD620AN。它具有共模抑制比高，溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小、功耗低，差動(dòng)輸入、單端輸出，電壓增益由電阻RG確定，且連續可調等優(yōu)點(diǎn)。系統的前端信號放大電路如圖2所示。 輸入電流I1進(jìn)入放大器ICL7650的反向端，輸出電壓正比于輸入電流，電壓U1=I1R2。為防止產(chǎn)生高頻振蕩，在電阻R2上并接了電容C1。R1為 ICL7650的限流保護電阻。經(jīng)過(guò)I／V轉換后的電壓信號U1和R4上所分得的電壓一起，作為差動(dòng)輸入進(jìn)入儀用放大器AD620AN，它的放大倍數僅由電阻RG(即R6)決定，增益公式為G=(49．4 kΩ／R6)+1。由于R4上所得的電壓為一恒定值，而U1會(huì )隨著(zhù)輸入信號的變化而變化，那么AD620AN的輸出端電壓信號U2即包含了一定的基底電壓和被測信號量，對其進(jìn)行濾波采樣后，進(jìn)行處理，可以從中分離出需要補償的基底電壓，得到實(shí)際的被測信號。由于基底電壓是緩變的直流信號，在一定的時(shí)間 (min級)內為定值，因此可以忽略處理時(shí)間(ms級)，保證實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補償。電路中的R3和R5與G2組成低通濾波電路，可以防止高頻噪聲進(jìn)入放大器，減小噪聲干擾。 2．2 濾波電路 經(jīng)過(guò)放大后的直流信號附有噪聲干擾，對于傳感器信號濾波最常用的是RC有源模擬濾波器，即用運算放大器和電阻、電容構成，具有結構簡(jiǎn)單、調整方便、成本低的特點(diǎn)。因此采用由2個(gè)2階巴特沃斯有源濾波電路級聯(lián)構成的截止頻率為50 Hz的4階巴特沃斯低通濾波器。 2．3 ADC與微處理器接口電路 氫氣傳感器輸出信號頻率一般都遠小于1 kHz。根據香農采樣定理可知，采樣頻率至少要大于信號最高頻率的2倍。另外，為了滿(mǎn)足最小2 mg／m3的分辨率，這里采用美國ADI公司推出的一款高速低功耗串行12位8 通道A／D轉換器AD7888。它是單電源工作，電壓VDD范圍為2．7～5．25 V。AD7888有2．5 V的片內基準電壓，也可以使用外部基準電壓，范圍從1．2 V到VDD。模擬輸入電壓從O到VREF，采樣頻率可高達125 kHz，可與多種串行接口(SPI／QSPI／MICROWIRE／DSP)兼容。 本監測系統的核心處理器是三星公司推出的16／32位RISC處理器S3C2410。它為手持設備和一般應用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能的小型微控制器解決方案。S3C2410提供了豐富的內部設備：分開(kāi)的16KB的指令Cache和16 KB的數據Cache，MMU虛擬存儲器管理，LCD控制器，支持NAND Flash系統引導，系統管理器，3通道UART，4通道的DMA，4通道PWM定時(shí)器，I／O端口，RTC，8通道10位ADC和觸摸屏接口，I2C總線(xiàn)接口，USB主從機，USB設備，SD主卡和MMC卡接口，2通道的SPI以及內部PLL時(shí)鐘倍頻器等。 該系統利用SPI實(shí)現A／D轉換器與ARM處理器的數據傳輸，其接口電路如圖3所示。SPlCLK0為SPI串行時(shí)鐘信號，SPIMISO0和 SPIMOSI0數據引腳用來(lái)發(fā)送和接收串行數據。nSS0作為SPI的片選信號，低電平有效。 3 系統軟件結構設計 本系統在S3C2410上移植了韓國Mizi公司開(kāi)發(fā)的Bootloader(VIVI)、嵌入式Linux-2．6．14內核以及cramfs根文件系統，構建了具有嵌入式Linux操作系統的軟件環(huán)境。 3．1 外圍設備驅動(dòng)程序設計 Linux設備驅動(dòng)程序是為特定硬件提供給用戶(hù)程序的一組標準化接口，它隱藏了設備工作的細節。但對于特定的硬件設備來(lái)說(shuō)，其對應的設備驅動(dòng)程序不同，所以不同外部設備驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是嵌入式軟件設計過(guò)程中必不可少的一部分。 Linux常以模塊的形式加載設備，便于多個(gè)設備的協(xié)調工作也利于應用程序的開(kāi)發(fā)和擴展。設備驅動(dòng)在加載時(shí)首先需要調用入口函數ini- t_module()。該函數完成設備驅動(dòng)的初始化工作，比如寄存器置位、結構體賦值等。其中最重要的一個(gè)工作就是向內核注冊該設備，字符設備調用函數 register_chrdev()完成注冊，塊設備調用函數reglster_blkdev()完成注冊。相應地，設備驅動(dòng)在卸載時(shí)需要調用 cleanup_mod-ule()。該函數完成相應資源的回收、設備的注銷(xiāo)、釋放主設備號和設備文件名等。字符設備利用 unregister_chrdev()注銷(xiāo)設備，塊設備利用unregister_blkdev()注銷(xiāo)設備。 Linux內核中，每個(gè)設備驅動(dòng)程序都對應一個(gè)file_operations數據結構。在file_operations數據結構中，定義了一些與此設備相關(guān)的打開(kāi)、關(guān)閉、讀／寫(xiě)、控制等功能函數，當用戶(hù)進(jìn)行系統調用時(shí)，將自動(dòng)使用驅動(dòng)程序中特定的函數來(lái)實(shí)現具體的操作。實(shí)際上，編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序的過(guò)程也就是實(shí)現struct file_operations結構中的部分所需函數的過(guò)程。 3．2 應用程序設計 有了設備驅動(dòng)程序提供底層硬件與應用程序的接口，Linux系統訪(fǎng)問(wèn)底層設備就像訪(fǎng)問(wèn)普通文件一樣。例如，打開(kāi)設備使用系統調用open()，關(guān)閉設備使用系統調用close()，讀／寫(xiě)設備使用系統調用read()和write()等。應用程序流程如圖4所示。首先系統上電復位，程序初始化，然后掃描鍵盤(pán)值，看是否有鍵值按下。若有，則進(jìn)行按鍵處理并按輸入步驟設置程序；若無(wú)，則開(kāi)中斷并啟動(dòng)A／D轉換，等待轉換完成產(chǎn)生中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序流程如圖5所示。首先關(guān)閉中斷，讀取A／D采集數據，調用適用于緩變信號的中值濾波算法處理轉換結果，將連續采樣的5次采樣值按大小排序，取中間值為本次有效值。然后，存儲處理后的數據并送顯示器顯示。最后，從中斷返回到主程序中，再判斷當前數據是否超過(guò)設定的臨界值。若大于臨界值，作報警處理；否則就開(kāi)中斷，等待下一次轉換結束。依此循環(huán)處理。 4 實(shí)驗 在容積約70 m3的密閉實(shí)驗室中，利用化學(xué)制氫法制取約40 ml氫氣，再用該系統來(lái)檢測環(huán)境中氫氣濃度值，實(shí)驗界面如圖6所示。在界面中，顯示了當前時(shí)間、當前環(huán)境濃度值、超限與否提示、當前通道以及1 h內的濃度變化曲線(xiàn)。監測系統的準確度、靈敏度、實(shí)時(shí)性等各項指標基本達到設計要求。 結語(yǔ) 本文介紹了信號的前端調理電路，為微處理器S3C2410移植了嵌入式Linux操作系統，并在該系統下完成了設備驅動(dòng)程序和應用程序的設計；利用軟件算法對A／D轉換后的信號進(jìn)行了數值處理，最后介紹了圖形用戶(hù)界面，可動(dòng)態(tài)顯示當前氫氣濃度值。該系統較好地滿(mǎn)足了對現場(chǎng)環(huán)境中氫氣濃度的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監測要求，系統體積小，功耗低，成本低；還可根據需求靈活配置，適合便攜式移動(dòng)應用的場(chǎng)合，且具有良好的準確性、實(shí)時(shí)性和穩定性。 |
