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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(bào)警器檢查瓦斯?jié)舛鹊恼９ぷ鳌０踩珯z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(bào)警器，隨時(shí)檢查井下瓦斯?jié)舛龋坏珒H檢查瓦斯?jié)舛韧遣粔虻模?dāng)井下的一氧化碳的濃度升高時(shí)對(duì)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?jié)舛龋瑫r(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(xiàn)該功能。 利用32位 ARM微處理器的優(yōu)勢(shì)，可以滿足便于攜帶與精確定時(shí)報(bào)警的要求。本文將針對(duì)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(bào)警器的基本原理 如圖1所示，瓦斯報(bào)警器主要包括：ARM芯片外部的輸入輸出部分，ARM芯片內(nèi)部與外部輸入連接的 A／D轉(zhuǎn)換部分和與芯片內(nèi)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(hào)放大器通過(guò)跳線連接到P0.22引腳，將瓦斯模擬信號(hào)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(hào)放大器連接到P0.23引腳，將一氧化碳模擬信號(hào)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(qiáng)度蜂鳴告警。 ARM LPC2103微處理器A／D轉(zhuǎn)換器的特性是：10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器；測(cè)量范圍為0～3.3 V；10位轉(zhuǎn)換時(shí)間≥2.44μs；1路或多路輸入的Burst轉(zhuǎn)換模式；轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號(hào)可選擇輸人引腳的跳變或定時(shí)器的匹配情況；A／D轉(zhuǎn)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(diào)整至4.5 MHz(逐次逼近轉(zhuǎn)換的最大時(shí)鐘)，10位精度要求的轉(zhuǎn)換需要11個(gè)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘。 ARM 微處理器運(yùn)行程序在A／D控制寄存器參數(shù)的控制下，將AIN0采集到的瓦斯模擬信號(hào)送入10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)值存入ADDR 0 A／D數(shù)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(qiáng)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(hào)送入10位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)值存入ADDR1A／D數(shù)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(qiáng)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(hào)采集通道的選擇與設(shè)置 從圖1可看到，P0.22引腳連接AIN0通道，通過(guò)設(shè)置ADOCR A／D控制寄存器，選擇通道0采集瓦斯?jié)舛刃畔ⅲ⒃O(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為1 MHz；BURST=0，軟件控制轉(zhuǎn)換操作；CLKS=0，使用11clock轉(zhuǎn)換；PDN=1，正常工作模式；START=4，當(dāng)EDGE選擇的邊沿出現(xiàn)在MAT0.1時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；EDGE=0，MAT0.1下降沿觸發(fā)。 P0.23引腳連接AIN1通道，通過(guò)設(shè)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(shè)置轉(zhuǎn)換時(shí)鐘頻率為1 MHz；BURST=0，軟件控制轉(zhuǎn)換操作；CLKS=0，使用11clock轉(zhuǎn)換；PDN=1，正常工作模式；START=5，當(dāng)EDGE選擇的邊沿出現(xiàn)在MAT0.3時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；EDGE=0，MAT0.3下降沿觸發(fā)。 2 精確的定時(shí)觸發(fā) A／D轉(zhuǎn)換的硬件觸發(fā)可通過(guò)定時(shí)器翻轉(zhuǎn)功能觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換，這樣無(wú)需CPU干預(yù)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)；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(zhuǎn)。對(duì)定時(shí)器0設(shè)置代碼如下：
因?qū)τ?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/ADC" target="_blank" class="relatedlink">ADCR A／D轉(zhuǎn)換控制寄存器的START位選擇100～111時(shí)，MAT信號(hào)不必輸出到引腳上。對(duì)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(zhuǎn)換。對(duì)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(zhuǎn)換器。 怎樣精確地定時(shí)觸發(fā)呢?先設(shè)置定時(shí)器0清零復(fù)位(Fpclk=1 s)，每隔5 s，定時(shí)器計(jì)數(shù)器TC的值與TOMR1設(shè)置值相等時(shí)，MAT0.1輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)；每隔10 s時(shí)，定時(shí)器0復(fù)位。這樣在定時(shí)器0復(fù)位后的第5 s時(shí)，MAT0.1輸出再次翻轉(zhuǎn)；MAT0.1每隔10 s輸出翻轉(zhuǎn)一次，它的精確匹配值是： Fpclk×10 s(復(fù)位時(shí)間)-Fpclk×5 s(翻轉(zhuǎn)時(shí)間)+Fpclk×5(再次翻轉(zhuǎn)時(shí)間)=10 s 因?yàn)镸AT0.1翻轉(zhuǎn)2次才會(huì)有1次下降沿觸發(fā)A／D轉(zhuǎn)換，采集瓦斯?jié)舛刃畔⒍〞r(shí)觸發(fā)，即可精確地計(jì)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?jié)舛刃畔ⅰ?br /> 同理，每隔10 s定時(shí)器計(jì)數(shù)器TC的值與TOMR3設(shè)置值相等時(shí)，MAT0.3輸出翻轉(zhuǎn)，并且定時(shí)器0復(fù)位。這樣在定時(shí)器0復(fù)位后的第10 s時(shí)，MAT0.3輸出再次翻轉(zhuǎn)。MAT0.3每隔10 s輸出翻轉(zhuǎn)1次，因?yàn)镸AT0.3翻轉(zhuǎn)2次才會(huì)有1次采集一氧化碳濃度信息，即可精確地計(jì)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(bào)警留有較長(zhǎng)的時(shí)間。 上述兩段就是通過(guò)程序設(shè)置，無(wú)需CPU干預(yù)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(shù)據(jù)可根據(jù)實(shí)際需求修改設(shè)定。 3 報(bào)警服務(wù)的實(shí)現(xiàn) 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的提取、報(bào)警與A／D控制寄存器的設(shè)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(hào)中斷源，如圖3所示，所以需要用中斷使能寄存器對(duì)4號(hào)中斷源進(jìn)行使能。采用向量IRQ中斷，需要用VICIntSelect將4號(hào)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?yàn)橄蛄客ǖ?是最快的)，最后用向量控制寄存器對(duì)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(shè)置一個(gè)匹配；設(shè)置的是當(dāng)定時(shí)器0計(jì)數(shù)器的值與匹配0寄存器值相等時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷，當(dāng)定時(shí)器0計(jì)數(shù)器的值與匹配2寄存器值相等時(shí)又產(chǎn)生1次中斷，當(dāng)定時(shí)器0計(jì)數(shù)器的值與匹配3寄存器值相等時(shí)定時(shí)器0計(jì)數(shù)器TC清零復(fù)位。 TC 每次復(fù)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?qū)⒆x取A／D數(shù)據(jù)寄存器ADDR1的值，并提取10位A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(即一氧化碳濃度值)；再將這一數(shù)據(jù)與初告警、中度告警和強(qiáng)度告警值進(jìn)行比較，滿足這3種告警的某一種，就立刻進(jìn)行聲光報(bào)警。因A／D控制寄存器ADCR的MAT信號(hào)不必輸出到引腳上的START位設(shè)置是唯一的，中斷服務(wù)程序還需對(duì)A／D控制寄存器ADCR進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置START=4，當(dāng)EDGE選擇的邊沿出現(xiàn)在MAT0.1 時(shí)啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)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(duì)AIN0通道(即瓦斯?jié)舛刃盘?hào)通道)A／D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)。 產(chǎn)生第2次中斷后，中斷服務(wù)程序?qū)⒆x取A／D數(shù)據(jù)寄存器ADDR0的值，并提取10位A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果(即瓦斯?jié)舛戎?；再將這一數(shù)據(jù)與初度告警、中度告警和強(qiáng)度告警值進(jìn)行比較，滿足這3種告警的某一種，就立刻進(jìn)行該聲光報(bào)警。因A／D控制寄存器的MAT信號(hào)不必輸出到引腳上的START位置是唯一的，因此還需對(duì)A／D控制寄存器進(jìn)行設(shè)置。設(shè)置START=5，當(dāng)EDGE選擇的邊沿出現(xiàn)在MAT0.3時(shí)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)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(duì)AINl通道(即一氧化碳濃度信號(hào)通道)A／D轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)。 這樣，當(dāng)TC值與MR0值相等時(shí)，響應(yīng)中斷服務(wù)進(jìn)行一氧化碳值判斷與告警并設(shè)置MAT0.1的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。當(dāng)TC值與MR1值相等時(shí)，設(shè)置MAT1輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)；當(dāng)TC值與MR2值相等時(shí)，響應(yīng)中斷服務(wù)進(jìn)行瓦斯值判斷與告警并設(shè)置MAT0.3的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換；當(dāng)TC值與MR3值相等時(shí)，設(shè)置MAT3輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)并同時(shí)TC復(fù)位。這樣循環(huán)往復(fù)，可以無(wú)需 CPU干預(yù)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?qū)崿F(xiàn)了有害氣體檢測(cè)告警服務(wù)。 結(jié)語(yǔ) 根據(jù)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(bào)警器。它能及時(shí)檢測(cè)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(dāng)達(dá)到有害濃度值時(shí)，可進(jìn)行不同級(jí)別的聲光報(bào)警。 此種報(bào)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(cāng)庫(kù)等具有爆炸危險(xiǎn)的氣體環(huán)境中，提高安全監(jiān)控能力。 將煤礦瓦斯報(bào)警器CH4、C20傳感器換成可燃?xì)怏w、甲醛傳感器，就可用在廚房和居室，對(duì)有害氣體的超標(biāo)情況進(jìn)行報(bào)警。它的用途還可進(jìn)一步擴(kuò)展。 劉敦放 （重慶普天通信設(shè)備有限公司，重慶 400050） 來(lái)源：《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》2010年01期 |
