劉偉玲,康 磊,冉多鋼,楊彩雙,趙 哲,豐柱坤,王 召

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300130)

基于LabVIEW和RS-485總線的惡臭氣體檢測系統(tǒng)*

劉偉玲*,康 磊,冉多鋼,楊彩雙,趙 哲,豐柱坤,王 召

(河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300130)

惡臭污染作為空氣污染的一種給人們生活帶來了巨大的影響。所以,研制一套能夠準(zhǔn)確反映環(huán)境污染情況的惡臭污染檢測設(shè)備具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)套以多傳感器陣列為基礎(chǔ),可實(shí)現(xiàn)對(duì)寬濃度范圍惡臭氣體進(jìn)行檢測的電子鼻設(shè)備。該設(shè)備可根據(jù)不同地區(qū)污染氣體種類的不同而選擇相應(yīng)的氣體傳感器,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同成分、不同濃度的惡臭氣體的檢測,具有良好的適應(yīng)性。該設(shè)備已經(jīng)能夠正常工作,并具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。尤其是可自由組合式傳感器陣列的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架,為系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際環(huán)境需要而進(jìn)行調(diào)整提供了極大的靈活性,具有一定的參考價(jià)值和應(yīng)用前景。

電子鼻;RS-485;總線通訊;惡臭檢測

空氣是人類賴以生存的因素之一,空氣污染的危害性也成為最近的熱點(diǎn)之一,隨著國家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的加大,空氣環(huán)境監(jiān)測任務(wù)也越發(fā)重要[1-2]。電子鼻在惡臭檢測中的優(yōu)勢逐漸顯現(xiàn),它成為了近年來惡臭檢測領(lǐng)域研究的熱門方向[3]。雖然現(xiàn)階段國內(nèi)一些公司企業(yè)設(shè)計(jì)了氣體檢測儀器,但檢測氣體成分單一,不能滿足大范圍的空氣實(shí)時(shí)監(jiān)測任務(wù)。RS485總線通信方式使用1對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)雙向通信,具有硬件設(shè)計(jì)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)RS485只定義了用于平衡多點(diǎn)傳輸線的驅(qū)動(dòng)器和接收器的電特性,用戶可以根據(jù)自身要求建立高層通信協(xié)議,因而被廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)[4]。

本設(shè)計(jì)研發(fā)一種基于RS-485總線的、多傳感器模塊的惡臭氣體實(shí)時(shí)在線檢測系統(tǒng),各個(gè)傳感器信號(hào)通過RS-485總線匯總,可實(shí)時(shí)檢測多種惡臭氣體濃度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用“上位機(jī)-中位機(jī)-下位機(jī)”三級(jí)組合的系統(tǒng)架構(gòu)。上位機(jī)作為系統(tǒng)的運(yùn)算處理單元,負(fù)責(zé)系統(tǒng)控制、人機(jī)交互以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算工作,采用工控機(jī)。下位機(jī)為系統(tǒng)的智能采集單元,需要完成數(shù)據(jù)采集與增益調(diào)整的功能。中位機(jī)為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸單元。其中,上位機(jī)通過UART接口接收數(shù)據(jù)[5],它與中位機(jī)的通信是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的模式[6-7],而中位機(jī)與下位機(jī)之間為多機(jī)通信,采用一主多從的工作方式[8-9]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。中位機(jī)有兩個(gè)通訊模塊,通訊模塊一用于與上位機(jī)通信,可用RS232通信或RS485通信實(shí)現(xiàn);通訊模塊二用于與多個(gè)下位機(jī)通信,可用RS485或CAN通訊實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

圖2 下位機(jī)程序功能流程圖

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)需要兩級(jí)通訊連接:一級(jí)是中位機(jī)與下位機(jī)的通信,另一級(jí)是中位機(jī)與上位機(jī)的通信。中位機(jī)與下位機(jī)的通信,采用一主多從式的工作方式和星型拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu),屬于多機(jī)通信;而中位機(jī)與上位機(jī)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式。

2.1 中位機(jī)與下位機(jī)的通信

2.1.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)作為系統(tǒng)的智能采集單元,需要完成數(shù)據(jù)采集和增益調(diào)整的功能,并且與中位機(jī)進(jìn)行通信,下位機(jī)程序可分為模數(shù)轉(zhuǎn)換、增益調(diào)整、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)通信4個(gè)模塊。下位機(jī)程序流程圖如圖2所示,下位機(jī)軟件代碼分布于定時(shí)器中斷、串口中斷、主程序3部分。其代碼優(yōu)先級(jí)由高到低依次為:串口中斷、定時(shí)器中斷、程序主循環(huán)。3個(gè)部分的程序是3個(gè)獨(dú)立進(jìn)程,由各進(jìn)程之間相互配合完成下位機(jī)的工作,三者之間通過全局變量通信。

圖2(a)為下位機(jī)定時(shí)器中斷函數(shù)的代碼處理流程。定時(shí)器設(shè)置為2 ms自動(dòng)重裝工作。每次觸發(fā)中斷都檢測ADC轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位(AIE寄存器的bit5),如果轉(zhuǎn)換完成,則讀取AD值至全局變量G_Current_Ad(long型),并置位AD更新標(biāo)志位G_AD_update(char型),此時(shí)ADC自動(dòng)開始下一次轉(zhuǎn)換。完成AD讀取后還需處理串口倒計(jì)時(shí)的工作。串口倒計(jì)時(shí)變量G_Rs_dly_ms(char型全局變量)由串口中斷賦值,每次觸發(fā)定時(shí)器中斷都會(huì)對(duì)該變量檢測,當(dāng)變量為0時(shí)打開串口接收器,否則變量減1。通過設(shè)置該變量值,便可以2 ms為單位控制串口接收功能的關(guān)閉時(shí)間。

圖2(c)為主程序執(zhí)行流程圖。初始化函數(shù)完成整個(gè)下位機(jī)工作狀態(tài)及所用到的變量的初始化設(shè)置;主循環(huán)完成的主要任務(wù)為:溫度采集、讀取AD、增益調(diào)整、數(shù)字濾波、調(diào)試命令處理。AD讀取模塊通過檢測標(biāo)志位信號(hào)G_AD_update來判斷是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生。若有,則執(zhí)行增益調(diào)整函數(shù)并進(jìn)行數(shù)字濾波,最后清除標(biāo)志位信號(hào)。增益調(diào)整代碼封裝為Gain函數(shù),形參引入系統(tǒng)當(dāng)前增益值current_gain(char型變量),設(shè)置完新的增益之后程序返回新增益值賦給current_gain。出于保護(hù)ADC的原因,當(dāng)增益調(diào)整函數(shù)不正常時(shí)將PGA設(shè)置為0(增益=1)。數(shù)字濾波代碼封裝為IIR_filter函數(shù),輸入為G_Current_Ad,輸出為經(jīng)過IIR濾波并且對(duì)AD與PGA進(jìn)行整合了的31 bit長度的AD數(shù)據(jù),存入G_IIR_Ad(long型全局變量)。溫度讀取函數(shù)功能簡單,只需按照18B20規(guī)定的協(xié)議通信即可。

圖2(b)為串口中斷函數(shù)處理流程,其主要為通信功能的代碼,完成通信串口開關(guān)的時(shí)序,以符合已制定的通信協(xié)議。當(dāng)串口接收到地址時(shí)首先給G_Rs_dly_ms賦值4(設(shè)置關(guān)閉串口接收時(shí)間為8 ms),并關(guān)閉串口接收器。如果接收的地址碼正確,則將G_IIR_Ad、G_current_temp變量及對(duì)應(yīng)的地址按照協(xié)議規(guī)定的格式組成數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去。

2.1.2 中位機(jī)軟件部分

中位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸單元,為三級(jí)架構(gòu)兩級(jí)通信的中樞,負(fù)責(zé)將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)組合后傳送給上位機(jī),同時(shí)還負(fù)責(zé)接收上位機(jī)發(fā)送的命令來控制氣路。該程序在結(jié)構(gòu)上分為總線檢測、數(shù)據(jù)匯總、數(shù)據(jù)上傳以及命令解析與執(zhí)行4個(gè)功能模塊。

總線檢測功能模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中所使用下位機(jī)地址的獲取。數(shù)據(jù)匯總功能模塊根據(jù)總線檢測獲得的下位機(jī)地址列表向下位機(jī)總線發(fā)送地址,然后采集數(shù)據(jù),并完成匯總。命令解析與執(zhí)行模塊完成對(duì)上位機(jī)命令的解析和處理,具體包括對(duì)氣路控制和獲取傳感器數(shù)量命令的執(zhí)行。對(duì)于上傳數(shù)據(jù)命令,則由數(shù)據(jù)上傳功能模塊執(zhí)行。中位機(jī)軟件流程圖如圖3所示。

圖3 中位機(jī)軟件流程簡圖

數(shù)據(jù)匯總過程中中位機(jī)需要完成下位機(jī)地址發(fā)送、接收下位機(jī)數(shù)據(jù)并校驗(yàn)、數(shù)據(jù)組合存儲(chǔ)3個(gè)工作。中位機(jī)以10 ms的間隔向下位機(jī)逐個(gè)發(fā)送“傳感器地址數(shù)組”(Add數(shù)組)中存儲(chǔ)的Ch_num個(gè)下位機(jī)地址,來完成下位機(jī)地址發(fā)送。然后中位機(jī)在接收下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)時(shí),每收到一個(gè)字節(jié)觸發(fā)串口中斷一次,中斷服務(wù)函數(shù)將該數(shù)據(jù)存入數(shù)組索引指向的BUSBUF中的元素,并將索引加1,當(dāng)緩沖區(qū)索引=7時(shí)表明一個(gè)數(shù)據(jù)幀接收完畢。在數(shù)據(jù)組合存儲(chǔ)方面,中位機(jī)設(shè)置一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)SENDBUF用以存儲(chǔ)準(zhǔn)備向上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。并且在BUSBUF與SENDBUF之間增加一一個(gè)數(shù)據(jù)過渡的緩沖區(qū)DATABUF,以避免程序在向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)SENDBUF內(nèi)容被修改。當(dāng)BUSBUF收到數(shù)據(jù)幀時(shí)則會(huì)執(zhí)行和校驗(yàn),對(duì)于和校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)則存入DATABUF中與地址對(duì)應(yīng)的位置,在完成了數(shù)據(jù)由BUSBUF向DATABUF的拷貝后,判斷所有地址是否發(fā)送完,若發(fā)送完,則證明DATABUF數(shù)據(jù)是已經(jīng)全部更新,然后通過對(duì)SENDBUF更新標(biāo)志與數(shù)據(jù)上傳狀態(tài)的判斷來實(shí)現(xiàn)延時(shí)更新SENDBUF的功能。

2.2 中位機(jī)與上位機(jī)的通信

2.2.1 上位機(jī)軟件部分

上位機(jī)程序分為接口程序和數(shù)據(jù)處理程序兩部分,其中與中位機(jī)進(jìn)行直接交互的是接口程序。中位機(jī)把采樣數(shù)據(jù)幀和應(yīng)答幀傳送給接口程序,接口程序進(jìn)行和校驗(yàn)后再傳給數(shù)據(jù)處理程序;數(shù)據(jù)處理程序把氣路的操作命令傳給接口程序,接口程序生成命令幀再傳送到中位機(jī)。接口程序設(shè)置了一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)處理程序發(fā)送的氣路控制命令的輸入接口和可用于讀取采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)輸出接口。接口程序主功能流程如圖4所示。

圖4 接口程序工作流程

接口程序以固定的頻率向中位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令幀,來控制中位機(jī)以固定頻率發(fā)送數(shù)據(jù)。這個(gè)固定頻率由設(shè)定的定時(shí)標(biāo)志來實(shí)現(xiàn),由于上位機(jī)與中位機(jī)之間為半雙工通信,所以定時(shí)時(shí)長需大于接收數(shù)據(jù)的時(shí)長,且接口程序在等待接收數(shù)據(jù)時(shí)禁止發(fā)送其他命令幀。

為了保證準(zhǔn)確接收數(shù)據(jù),接口程序會(huì)對(duì)接收數(shù)據(jù)的長度和時(shí)長進(jìn)行判斷。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)字節(jié)數(shù)沒收齊則認(rèn)為接收超時(shí)(中位機(jī)錯(cuò)誤),若接收字節(jié)數(shù)超過采樣數(shù)據(jù)幀長度,則認(rèn)為通信線纜受到干擾。這樣大大提高了總線的抗干擾能力,有效識(shí)別通信過程中因受到干擾而造成的通信數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。

2.2.2 中位機(jī)軟件部分

在中位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中,與上位機(jī)的通信相關(guān)的有命令解析與執(zhí)行模塊和數(shù)據(jù)上傳模塊等。上位機(jī)發(fā)送的命令幀由串口1中斷服務(wù)函數(shù)進(jìn)行接收和有效性校驗(yàn)。命令解析與執(zhí)行模塊完成對(duì)有效命令碼的解析,并且執(zhí)行回復(fù)應(yīng)答幀的命令(氣路控制、傳感器數(shù)量)。對(duì)于上傳采集數(shù)據(jù)的命令則通過返回值形式交由數(shù)據(jù)上傳模塊執(zhí)行。數(shù)據(jù)上傳模塊根據(jù)氣路控制程序返回值判斷是否發(fā)送“待發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)”的內(nèi)容,從而實(shí)現(xiàn)回復(fù)CH_ DATA(采集數(shù)據(jù)幀)的功能,數(shù)據(jù)上傳函數(shù)流程圖如圖5所示。

程序通過變量send_lenth記錄需要發(fā)送數(shù)據(jù)的剩余長度,send_lenth默認(rèn)為0。當(dāng)檢測到命令解析函數(shù)Comand_response返回1(收到上傳數(shù)據(jù)命令)時(shí),send_lenth被賦值為Data_Lenth(見式(1))。然后。當(dāng)以send_lenth為索引發(fā)送SENDBUF數(shù)組中的一個(gè)字節(jié)后,send_lenth長度減1。

主循環(huán)中每次都會(huì)執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳函數(shù),每次執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳函數(shù)只發(fā)送一個(gè)字節(jié),這樣SENDBUF中數(shù)據(jù)會(huì)分布在多次程序主循環(huán)中發(fā)送出去。在后續(xù)的程序主循環(huán)中需要檢查前次程序主循環(huán)的字節(jié)發(fā)送狀態(tài),分別判斷是否發(fā)送完了上一個(gè)字節(jié)(查詢TI是否為1)和是否還有剩余未發(fā)送字節(jié)(send_lenth不為0),如果兩個(gè)條件均成立,則發(fā)送數(shù)據(jù);當(dāng)判別上一字節(jié)未發(fā)送完(TI=0)時(shí),直接返回(此輪循環(huán)不發(fā)送數(shù)據(jù),send_lenth不變);當(dāng)判別send_lenth=0時(shí),表明一幀數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送完。此時(shí),在等待最后一個(gè)字節(jié)發(fā)送完畢后,表示響應(yīng)完了上位機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)命令,因此需要打開串口接收器,以接收下一個(gè)命令幀。

圖5 數(shù)據(jù)上傳函數(shù)處理流程

3 通信協(xié)議

通信協(xié)議分為數(shù)據(jù)匯總協(xié)議和系統(tǒng)控制協(xié)議。數(shù)據(jù)匯總協(xié)議指中位機(jī)與下位機(jī)通信所使用的協(xié)議。系統(tǒng)中的下位機(jī)通過總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù),每個(gè)下位機(jī)在總線中都有長度為1個(gè)字節(jié)的唯一地址,地址是十六進(jìn)制的數(shù)字,范圍1～31。中位機(jī)以10 ms的間隔逐個(gè)發(fā)送掛載在總線上的下位機(jī)地址,發(fā)送完畢后即進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài);下位機(jī)默認(rèn)監(jiān)聽總線數(shù)據(jù),當(dāng)監(jiān)聽到自己的地址后,將所采集的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式在8 ms內(nèi)發(fā)送至總線,如監(jiān)聽地址不對(duì),則不響應(yīng)[10-11]。下位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)幀由7個(gè)字節(jié)組成,如表1所示。前4個(gè)字節(jié)為經(jīng)過初步處理的long型傳感器數(shù)據(jù)AD_DAT,為ADC采樣數(shù)據(jù)(24 bit)與PGA增益(7 bit)的組合。數(shù)據(jù)幀第5字節(jié)存儲(chǔ)溫度值,數(shù)據(jù)為char型變量。第6字節(jié)為通道號(hào),即傳感器地址。第7字節(jié)為數(shù)據(jù)校驗(yàn)和。

表1 下位機(jī)數(shù)據(jù)幀格式

系統(tǒng)控制協(xié)議指中位機(jī)與上位機(jī)進(jìn)行交互的協(xié)議。上位機(jī)與中位機(jī)之間以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)幀為命令幀。長度兩個(gè)字節(jié),第1個(gè)字節(jié)為十六進(jìn)制的操作命令碼,第2個(gè)字節(jié)為十六進(jìn)制校驗(yàn)和。中位機(jī)回復(fù)的數(shù)據(jù)幀有兩種:第1種為命令應(yīng)答幀,由兩個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)組成,結(jié)構(gòu)與上位機(jī)的命令幀相同;第2種為采集數(shù)據(jù)幀CH_DATA,其長度由系統(tǒng)使用的傳感器數(shù)量而定,可由式(1)獲得。

Data_Lenth=Ch_Lenth×Ch_Num+1

(1)

式中:Data_Lenth為一幀數(shù)據(jù)長度,Ch_Lenth為單個(gè)通道(單個(gè)下位機(jī))數(shù)據(jù)長度,Ch_Num為系統(tǒng)實(shí)際使用的傳感器數(shù)量。CH_DATA由所有通道的數(shù)據(jù)按順序排列而成,最后一位為前面所有通道數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。CH_DATA中單個(gè)通道的數(shù)據(jù)由6個(gè)字節(jié)組成,其結(jié)構(gòu)與表1所示結(jié)構(gòu)的前6個(gè)字節(jié)相同。上位機(jī)除了控制中位機(jī)傳輸采集的傳感器信息外,還需通過中位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制氣路、獲取傳感器數(shù)量等操作。

4 測試

測試界面是一個(gè)用于測試系統(tǒng)的人機(jī)交互界面[12],按功能可劃分為4部分。圖6中左側(cè)框體顯示出5條傳感器輸出信號(hào)的反應(yīng)曲線(縱軸反應(yīng)傳感器信號(hào)的AD值,橫軸為時(shí)間)。目前系統(tǒng)僅設(shè)置了5個(gè)傳感器,所以只顯示了曲線。下側(cè)包含了系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間、通信錯(cuò)誤計(jì)數(shù)以及系統(tǒng)錯(cuò)誤狀態(tài)信息等,為調(diào)試中穩(wěn)定性評(píng)估以及快速定位問題提供了參考。

圖6 系統(tǒng)測試程序界面

5 結(jié)論

本文針對(duì)多傳感器可自由組合的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行研究與探索,完成了可實(shí)現(xiàn)31個(gè)傳感器自由組合的惡臭檢測系統(tǒng)平臺(tái)的搭建工作。并據(jù)此與數(shù)據(jù)采集流程相結(jié)合,確定了上位機(jī)-中位機(jī)-下位機(jī)的三級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)。從軟件方面介紹了本電子鼻系統(tǒng),系統(tǒng)通過兩條RS-485總線完成了數(shù)據(jù)由下位機(jī)到中位機(jī)再到上位機(jī)的三級(jí)傳輸。

通過測試程序?qū)ο到y(tǒng)的驗(yàn)證,現(xiàn)階段樣機(jī)已經(jīng)能夠正常工作。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該設(shè)備精度高、重復(fù)性好、數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠。采集的數(shù)據(jù)可用于下一步的數(shù)據(jù)融合。

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MalodorousGasDetectionSystemBasedonLabVIEWandRS-485*

LIUWeiling*,KANGLei,RANDuogang,YANGCaishuang,ZHAOZhe,FENGZhukun,WANGZhao

(College of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Odor pollution,one of the air pollution,has brought great impact on people’s lives. So,it has impotant practical siginificance to develop a set of ordor detection equipment that can accurately reflect air pollution. We developed an electronic nose device which is based on a multi-sensor array and can realize the detection of a wide concentration range of malodorous gas. A design of independent assortmnet sensor array is given,which can choose the corresponding sensor for malodorous gas with different types and concentrations in different regions. The system has high adaptability,high precision and good stability. In particular,the system design framework of independent assortment sensor array provides great flexibility for the system to adjust itself according to the difference of the actual environment,which has a certain reference value and application prospects

electronic nose;RS-485;bus communication;odor detection

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.036

項(xiàng)目來源:國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2012YQ060165)

2016-07-14修改日期2016-11-09

TP216

A

1005-9490(2017)05-1238-06

劉偉玲(1973.9-),女,副教授,河北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院。主要研究方向?yàn)榄h(huán)保監(jiān)測儀器。