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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、食品工業、航空航天工業等領域有了廣泛應用。然而，氫氣是一種無色無味、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％時遇明火極易爆炸。為了減小使用氫氣的安全隱患，開發出一套安全、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過低噪聲放大電路進行放大處理，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行數字處理，最后實時顯示濃度值，并在濃度超出限定值時做出報警處理。整個系統框圖如圖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，響應時間＜45 s，溫度范圍-20～40℃，典型信號漂移＜2％／月。可見，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，再利用后級的差動放大電路將其放大到A／D能采集的電壓范圍。然后，將其經過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，對整個系統性能影響最顯著，為此必須選用開環輸入電阻高、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，差動輸入、單端輸出，電壓增益由電阻RG確定，且連續可調等優點。系統的前端信號放大電路如圖2所示。 輸入電流I1進入放大器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。經過I／V轉換后的電壓信號U1和R4上所分得的電壓一起，作為差動輸入進入儀用放大器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會隨著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，對其進行濾波采樣后，進行處理，可以從中分離出需要補償的基底電壓，得到實際的被測信號。由于基底電壓是緩變的直流信號，在一定的時間 (min級)內為定值，因此可以忽略處理時間(ms級)，保證實時動態補償。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入放大器，減小噪聲干擾。 2．2 濾波電路 經過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，具有結構簡單、調整方便、成本低的特點。因此采用由2個2階巴特沃斯有源濾波電路級聯構成的截止頻率為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定時器，I／O端口，RTC，8通道10位ADC和觸摸屏接口，I2C總線接口，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時鐘倍頻器等。 該系統利用SPI實現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串行時鐘信號，SPIMISO0和 SPIMOSI0數據引腳用來發送和接收串行數據。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公司開發的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操作系統的軟件環境。 3．1 外圍設備驅動程序設計 Linux設備驅動程序是為特定硬件提供給用戶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說，其對應的設備驅動程序不同，所以不同外部設備驅動程序的開發是嵌入式軟件設計過程中必不可少的一部分。 Linux常以模塊的形式加載設備，便于多個設備的協調工作也利于應用程序的開發和擴展。設備驅動在加載時首先需要調用入口函數ini- t_module()。該函數完成設備驅動的初始化工作，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，設備驅動在卸載時需要調用 cleanup_mod-ule()。該函數完成相應資源的回收、設備的注銷、釋放主設備號和設備文件名等。字符設備利用 unregister_chrdev()注銷設備，塊設備利用unregister_blkdev()注銷設備。 Linux內核中，每個設備驅動程序都對應一個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的打開、關閉、讀／寫、控制等功能函數，當用戶進行系統調用時，將自動使用驅動程序中特定的函數來實現具體的操作。實際上，編寫設備驅動程序的過程也就是實現struct file_operations結構中的部分所需函數的過程。 3．2 應用程序設計 有了設備驅動程序提供底層硬件與應用程序的接口，Linux系統訪問底層設備就像訪問普通文件一樣。例如，打開設備使用系統調用open()，關閉設備使用系統調用close()，讀／寫設備使用系統調用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，然后掃描鍵盤值，看是否有鍵值按下。若有，則進行按鍵處理并按輸入步驟設置程序；若無，則開中斷并啟動A／D轉換，等待轉換完成產生中斷，進入中斷服務程序。中斷服務程序流程如圖5所示。首先關閉中斷，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設定的臨界值。若大于臨界值，作報警處理；否則就開中斷，等待下一次轉換結束。依此循環處理。 4 實驗 在容積約70 m3的密閉實驗室中，利用化學制氫法制取約40 ml氫氣，再用該系統來檢測環境中氫氣濃度值，實驗界面如圖6所示。在界面中，顯示了當前時間、當前環境濃度值、超限與否提示、當前通道以及1 h內的濃度變化曲線。監測系統的準確度、靈敏度、實時性等各項指標基本達到設計要求。 結語 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轉換后的信號進行了數值處理，最后介紹了圖形用戶界面，可動態顯示當前氫氣濃度值。該系統較好地滿足了對現場環境中氫氣濃度的實時動態監測要求，系統體積小，功耗低，成本低；還可根據需求靈活配置，適合便攜式移動應用的場合，且具有良好的準確性、實時性和穩定性。 |
