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煤礦井下環(huán)境十分惡劣，隨時(shí)可能遇到的塌方和煤粉塵大等情況，影響固定報警器檢查瓦斯濃度的正常工作。安全檢查最可靠的方式是，所有的下井人員人人都隨身攜帶煤礦瓦斯報警器，隨時(shí)檢查井下瓦斯濃度；但僅檢查瓦斯濃度往往是不夠的，當井下的一氧化碳的濃度升高時(shí)對人體也是十分有害的。為了確保下井人員的安全，不僅隨時(shí)要檢查瓦斯濃度，同時(shí)也要檢查一氧化碳濃度。 能同時(shí)檢查兩種以上有害氣體的裝置，既要便于攜帶，又要精確定時(shí)檢查多種有害氣體，這里選用32位ARM微處理器來(lái)實(shí)現該功能。 利用32位 ARM微處理器的優(yōu)勢，可以滿(mǎn)足便于攜帶與精確定時(shí)報警的要求。本文將針對精確定時(shí)這一問(wèn)題進(jìn)行一些探討。 1 ARM嵌入式隨身瓦斯報警器的基本原理 如圖1所示，瓦斯報警器主要包括：ARM芯片外部的輸入輸出部分，ARM芯片內部與外部輸入連接的 A／D轉換部分和與芯片內部與外部輸出連接的GPIO部分。 
1.1 輸入輸出部分 輸入部分：由瓦斯傳感器與一個(gè)模擬信號放大器通過(guò)跳線(xiàn)連接到P0.22引腳，將瓦斯模擬信號送入AIN0模擬輸入通道0；一氧化碳傳感器與另一個(gè)模擬信號放大器連接到P0.23引腳，將一氧化碳模擬信號送人 AIN1模擬輸入通道1。 輸出部分：由P0.17和P0.18引腳通過(guò)470 Ω電阻與LED發(fā)光告警二極管連接；P0.19引腳通過(guò)470 Ω電阻與一個(gè)蜂鳴器相連，電阻的作用是分壓，以便產(chǎn)生中度蜂鳴告警；P0.20引腳直接與另一蜂鳴器相連，以便產(chǎn)生強度蜂鳴告警。 ARM LPC2103微處理器A／D轉換器的特性是：10位逐次逼近式模數轉換器；測量范圍為0～3.3 V；10位轉換時(shí)間≥2.44μs；1路或多路輸入的Burst轉換模式；轉換觸發(fā)信號可選擇輸人引腳的跳變或定時(shí)器的匹配情況；A／D轉換器的基本時(shí)鐘由VPB時(shí)鐘提供，可編程分頻器將時(shí)鐘調整至4.5 MHz(逐次逼近轉換的最大時(shí)鐘)，10位精度要求的轉換需要11個(gè)A／D轉換時(shí)鐘。 ARM 微處理器運行程序在A(yíng)／D控制寄存器參數的控制下，將AIN0采集到的瓦斯模擬信號送入10位逐次逼近式模數轉換器，轉換后的數字信號值存入ADDR 0 A／D數字寄存器0。將這一值與瓦斯初告警值、瓦斯中度告警值、瓦斯強度告警值進(jìn)行比較，在哪一種告警范圍，立即進(jìn)行哪一種告警。 將 AIN1采集到的一氧化碳模擬信號送入10位逐次逼近式模數轉換器，轉換后的數字信號值存入ADDR1A／D數字寄存器1。將這一值與一氧化碳初告警值、一氧化碳中度告警值、一氧化碳強度告警值進(jìn)行比較，在哪一種告警范圍，立即進(jìn)行哪一種告警。 1.2 模擬信號采集通道的選擇與設置 從圖1可看到，P0.22引腳連接AIN0通道，通過(guò)設置ADOCR A／D控制寄存器，選擇通道0采集瓦斯濃度信息，并設置轉換時(shí)鐘頻率為1 MHz；BURST=0，軟件控制轉換操作；CLKS=0，使用11clock轉換；PDN=1，正常工作模式；START=4，當EDGE選擇的邊沿出現在MAT0.1時(shí)啟動(dòng)A／D轉換；EDGE=0，MAT0.1下降沿觸發(fā)。 P0.23引腳連接AIN1通道，通過(guò)設置ADOCR A／D控制寄存器，選擇通道1采集一氧化碳濃度信息，設置轉換時(shí)鐘頻率為1 MHz；BURST=0，軟件控制轉換操作；CLKS=0，使用11clock轉換；PDN=1，正常工作模式；START=5，當EDGE選擇的邊沿出現在MAT0.3時(shí)啟動(dòng)A／D轉換；EDGE=0，MAT0.3下降沿觸發(fā)。 2 精確的定時(shí)觸發(fā) A／D轉換的硬件觸發(fā)可通過(guò)定時(shí)器翻轉功能觸發(fā)A／D轉換，這樣無(wú)需CPU干預就能精確地定時(shí)觸發(fā)(這是本文主要討論的問(wèn)題)。ARM LPC2103定時(shí)器0寄存器結構框圖如圖2所示。
初始化定時(shí)器0時(shí)，使定時(shí)器0匹配1(TOMR1)每逢第5 s時(shí)MAT0.1輸出翻轉；同時(shí)使定時(shí)器0匹配3(TOMR1)每逢第10 s時(shí)MAT0.3輸出翻轉。對定時(shí)器0設置代碼如下：
因對于ADCR A／D轉換控制寄存器的START位選擇100～111時(shí)，MAT信號不必輸出到引腳上。對于上述代碼初始化定時(shí)器需要說(shuō)明，MAT0.1的 START=4即十六進(jìn)制的100，下降沿觸發(fā)啟動(dòng)A／D轉換。對于MAT0.3的START=5即二進(jìn)制的101，下降沿觸發(fā)啟動(dòng)A／D轉換器。 怎樣精確地定時(shí)觸發(fā)呢?先設置定時(shí)器0清零復位(Fpclk=1 s)，每隔5 s，定時(shí)器計數器TC的值與TOMR1設置值相等時(shí)，MAT0.1輸出信號翻轉；每隔10 s時(shí)，定時(shí)器0復位。這樣在定時(shí)器0復位后的第5 s時(shí)，MAT0.1輸出再次翻轉；MAT0.1每隔10 s輸出翻轉一次，它的精確匹配值是： Fpclk×10 s(復位時(shí)間)-Fpclk×5 s(翻轉時(shí)間)+Fpclk×5(再次翻轉時(shí)間)=10 s 因為MAT0.1翻轉2次才會(huì )有1次下降沿觸發(fā)A／D轉換，采集瓦斯濃度信息定時(shí)觸發(fā)，即可精確地計算出MAT0.1每隔20 s產(chǎn)生1次下降沿，定時(shí)觸發(fā)1次，采集一次新的瓦斯濃度信息。 同理，每隔10 s定時(shí)器計數器TC的值與TOMR3設置值相等時(shí)，MAT0.3輸出翻轉，并且定時(shí)器0復位。這樣在定時(shí)器0復位后的第10 s時(shí)，MAT0.3輸出再次翻轉。MAT0.3每隔10 s輸出翻轉1次，因為MAT0.3翻轉2次才會(huì )有1次采集一氧化碳濃度信息，即可精確地計算出MAT0.3，也是每隔20 s產(chǎn)生1次下降沿，定時(shí)觸發(fā)1次，產(chǎn)生1次新的一氧化碳濃度信息。這樣會(huì )給報警留有較長(cháng)的時(shí)間。 上述兩段就是通過(guò)程序設置，無(wú)需CPU干預就能精確地定時(shí)觸發(fā)(是本文主要討論的問(wèn)題)。這里的每隔20 s定時(shí)觸發(fā)1次，“20 s”這一數據可根據實(shí)際需求修改設定。 3 報警服務(wù)的實(shí)現 數字數據的提取、報警與A／D控制寄存器的設置均可通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)完成。 定時(shí)器0為4號中斷源，如圖3所示，所以需要用中斷使能寄存器對4號中斷源進(jìn)行使能。采用向量IRQ中斷，需要用VICIntSelect將4號中斷源選擇為向量IRQ，即第4位置1。然后將中斷服務(wù)程序地址賦給VICVectAddr0(因為向量通道0是最快的)，最后用向量控制寄存器對向量通道0分配中斷源并使能。
在初始化定時(shí)器0時(shí)，將匹配控制寄存器TOMCR賦值；它的二進(jìn)制賦值是 10001000001，即它的十六進(jìn)制賦值是0x441，每3位設置一個(gè)匹配；設置的是當定時(shí)器0計數器的值與匹配0寄存器值相等時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，當定時(shí)器0計數器的值與匹配2寄存器值相等時(shí)又產(chǎn)生1次中斷，當定時(shí)器0計數器的值與匹配3寄存器值相等時(shí)定時(shí)器0計數器TC清零復位。 TC 每次復位后將產(chǎn)生2次中斷，產(chǎn)生第1次中斷后，中斷服務(wù)程序將讀取A／D數據寄存器ADDR1的值，并提取10位A／D轉換的結果(即一氧化碳濃度值)；再將這一數據與初告警、中度告警和強度告警值進(jìn)行比較，滿(mǎn)足這3種告警的某一種，就立刻進(jìn)行聲光報警。因A／D控制寄存器ADCR的MAT信號不必輸出到引腳上的START位設置是唯一的，中斷服務(wù)程序還需對A／D控制寄存器ADCR進(jìn)行設置。設置START=4，當EDGE選擇的邊沿出現在MAT0.1 時(shí)啟動(dòng)A／D轉換；EDGE=0，MAT0.1為下降沿觸發(fā)。通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)完成對AIN0通道(即瓦斯濃度信號通道)A／D轉換器的啟動(dòng)。 產(chǎn)生第2次中斷后，中斷服務(wù)程序將讀取A／D數據寄存器ADDR0的值，并提取10位A／D轉換的結果(即瓦斯濃度值)；再將這一數據與初度告警、中度告警和強度告警值進(jìn)行比較，滿(mǎn)足這3種告警的某一種，就立刻進(jìn)行該聲光報警。因A／D控制寄存器的MAT信號不必輸出到引腳上的START位置是唯一的，因此還需對A／D控制寄存器進(jìn)行設置。設置START=5，當EDGE選擇的邊沿出現在MAT0.3時(shí)啟動(dòng)ADC轉換；EDGE=0，MAT0.3為下降沿觸發(fā)。通過(guò)中斷服務(wù)程序來(lái)完成對AINl通道(即一氧化碳濃度信號通道)A／D轉換器的啟動(dòng)。 這樣，當TC值與MR0值相等時(shí)，響應中斷服務(wù)進(jìn)行一氧化碳值判斷與告警并設置MAT0.1的啟動(dòng)轉換。當TC值與MR1值相等時(shí)，設置MAT1輸出信號翻轉；當TC值與MR2值相等時(shí)，響應中斷服務(wù)進(jìn)行瓦斯值判斷與告警并設置MAT0.3的啟動(dòng)轉換；當TC值與MR3值相等時(shí)，設置MAT3輸出信號翻轉并同時(shí)TC復位。這樣循環(huán)往復，可以無(wú)需 CPU干預就能精確地定時(shí)觸發(fā)，精確地按時(shí)進(jìn)行多個(gè)傳感器的觸發(fā)和多個(gè)判斷告警，即通過(guò)中斷服務(wù)程序實(shí)現了有害氣體檢測告警服務(wù)。 結語(yǔ) 根據上述原理，使用ARM LPC2103芯片，已完成了一個(gè)可隨身攜帶的煤礦瓦斯報警器。它能及時(shí)檢測與顯示煤礦、隧道及各種地下工程等環(huán)境中的瓦斯(即甲烷)及一氧化碳濃度。當達到有害濃度值時(shí)，可進(jìn)行不同級別的聲光報警。 此種報警器不僅適用于煤礦，安裝其他傳感器后也可用于其他礦山、化工重地、倉庫等具有爆炸危險的氣體環(huán)境中，提高安全監控能力。 將煤礦瓦斯報警器CH4、C20傳感器換成可燃氣體、甲醛傳感器，就可用在廚房和居室，對有害氣體的超標情況進(jìn)行報警。它的用途還可進(jìn)一步擴展。 劉敦放 （重慶普天通信設備有限公司，重慶 400050） 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》2010年01期 |
