王 翔，王曉榮，劉 超，王換換

(南京工業(yè)大學，江蘇南京 211816)

0 引言

環(huán)境污染問題與人們的健康息息相關(guān)，所以對氣體環(huán)境的監(jiān)測及治理顯得尤為重要[1]。由于這些氣體在多數(shù)情況下成分復雜，對某種單一的氣體進行監(jiān)測有著很多的局限性，所以越來越多的行業(yè)需要多通道的在線檢測儀器。

本文設(shè)計出一款應(yīng)用于石油、化工等流程工業(yè)的多通道氣體檢測儀，對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的重要成分氣體的濃度進行在線監(jiān)測。該檢測儀采用組合式的模塊化設(shè)計理念，并結(jié)合數(shù)字化的紅外氣體傳感器作為主要的檢測手段。以滿足不同工業(yè)環(huán)境、不同檢測氣體情況下對檢測儀的使用需求，使之成為模塊化組合式的多通道智能氣體檢測儀。這樣當用戶的檢測需求發(fā)生改變時，不需要重新購買檢測儀器，只需要更改其中的傳感器模塊，從而顯著降低生產(chǎn)檢測成本。

1 在線氣體檢測儀設(shè)計的理論基礎(chǔ)與思路

1.1 在線紅外光譜檢測技術(shù)的應(yīng)用

紅外光譜的吸收峰值通常比紫外線和可見光區(qū)域更尖銳，而組成物質(zhì)的不同官能團吸收不同頻率的紅外輻射。利用這種特性，紅外光譜可以非常敏感地測定樣品中官能團，并對有機或者無機化合物進行定性和定量分析。各種氣體的吸收光譜比較復雜，其中CO為4.66 μm，CO2為4.27 μm，CH4為3.33 μm，SO2為7.30 μm等。非分光紅外氣體分析技術(shù)應(yīng)用廣泛技術(shù)成熟，已經(jīng)開發(fā)出了多種紅外氣體分析儀。

1.2 S-Module傳感器

S-Module采用半導體光源，能發(fā)出4.26～9.67 μm波長范圍的紅外光，基本包含了常見氣體的特征吸收帶。除此之外，該光源具有功耗低、熱穩(wěn)定性好和抗氧化能力強的特點。S-Module的檢測原理[5]如圖1所示。

圖1 S-Module檢測原理

如圖1所示，S-Module氣室部分的基本結(jié)構(gòu)包括光學系統(tǒng)、電路測量系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在工作時，左側(cè)光源發(fā)出紅外光，通過窗口透明玻璃射入氣室，同時將待測氣體通入氣室，氣體吸收特定波長的紅外光，氣室內(nèi)部設(shè)置了參考和測量通道，分別對應(yīng)著相應(yīng)的檢測裝置，其中參考測量通道通入零氣，用于對傳感器的零點標定。而測量通道通入檢測氣體，其電壓值與氣體濃度值呈線性關(guān)系，因為測量裝置輸出的電壓信號只有mV級別，因此，還必須對其進行適當?shù)胤糯蟆?/p>

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

檢測儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖2所示，基于模塊化的設(shè)計原理，可將整個檢測平臺分為氣體主控制器、傳感器、信號調(diào)理、通信、控制、以及人機交互6個模塊。

圖2 氣體檢測儀的工作流程圖

由圖2可知，氣體經(jīng)預處理裝置通入傳感器中，傳感器采集氣體濃度值，進行信號調(diào)理后送入主控制器中，主控制器對數(shù)據(jù)進行處理，并進行通訊和控制操作，同時，為方便用戶從設(shè)備獲取需要的信息以及直接發(fā)送指令操作儀器，增加了人機交互模塊。

優(yōu)良的系統(tǒng)架構(gòu)在滿足基本設(shè)計需求的同時，還應(yīng)具有高可用性和高穩(wěn)定性、良好的可擴展性以及模塊間的低耦合性[2]。系統(tǒng)整體架構(gòu)方案遵循分層設(shè)計原則[3]，對系統(tǒng)進行分層處理:最底層為硬件系統(tǒng)，中間層為操作系統(tǒng)，上層則為各個任務(wù)線程。系統(tǒng)中所有任務(wù)都由某一個具體的任務(wù)線程發(fā)起，之后通過根據(jù)任務(wù)采用的算法，利用操作系統(tǒng)提供的接口來調(diào)用具體的硬件驅(qū)動接口，由硬件驅(qū)動接口來控制儀器系統(tǒng)硬件完成相應(yīng)的任務(wù)。如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

3 硬件總體框架

根據(jù)儀器的功能設(shè)計要求，結(jié)合氣體檢測與計算機技術(shù)，選用性能強大的工業(yè)級芯片STM32F407作為檢測儀信號分析和處理的核心，配合S-Module和預留的模擬傳感器等檢測設(shè)備設(shè)計外圍電路。硬件系統(tǒng)的框圖如圖4所示。

圖4 氣體檢測儀硬件功能模塊

為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，添加JTAG調(diào)試接口模塊。在傳感器信號處理模塊，為了保證數(shù)字傳感器信號采樣的穩(wěn)定性和精確度，降低外界環(huán)境對儀器的影響，特別設(shè)計了溫控模塊和壓力檢測模塊。

3.1 電源電路

在設(shè)計上要注意保證輸出電壓信號的平穩(wěn)性，本文主要采用導軌式直流電源DR-120-24模塊作為主供電源，其可輸出24 V電壓，紋波最大值為80 mV，效率則能達到84%；無風扇的設(shè)計不產(chǎn)生噪聲、振動和磨損，特別適合儀器儀表穩(wěn)定的工作環(huán)境需求。圖5所示為DR-120-24電源模塊的功能框圖。

圖5 電源功能框圖

220 V交流電通入DR-120-24中，輸出供整個檢測儀使用的24 V直流電源，但各個模塊需要的電壓值不盡相同，還需要通過不同穩(wěn)壓芯片將該電壓轉(zhuǎn)換為檢測平臺各個模塊所需要的電壓，根據(jù)轉(zhuǎn)換后電壓的性質(zhì)不同，可將電壓信號分為數(shù)字部分、模擬部分和控制部分。圖6為儀器平臺的供電圖。

圖6 電源供電

3.2 外部存儲模塊

考慮到待存儲的數(shù)據(jù)量可能會超過主控制器芯片的存儲空間容量，且需要在儀器設(shè)備關(guān)機或突然掉電的情況下仍然能保存數(shù)據(jù)，從而增加設(shè)計了外部存儲器模塊。選用M25P16外部FLASH芯片，供電電壓2.7～3.6 V，2 MB的存儲空間；帶有寫保護功能，主控制器能夠通過SPI總線對其進行讀寫。如圖7所示。

圖7 SPI Flash硬件電路

3.3 傳感器電路

S-Module提供半雙工的串口通信方式[4]，而STM32F407串口提供全雙工和半雙工模式。在半雙工模式下，F(xiàn)407串口的發(fā)送引腳和接收引腳在芯片內(nèi)部短接，最終的數(shù)據(jù)收發(fā)都由串口發(fā)送腳進行，而全雙工模式下的發(fā)送引腳則不再使用。當F407沒有處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)時，芯片內(nèi)部的收發(fā)器處于高阻態(tài)，不會對傳感器造成損壞，因此線路中無需添加限流電阻。S-Module還提供一個TTL數(shù)字輸出引腳，可以監(jiān)測該引腳電平變化來獲取傳感器內(nèi)部狀態(tài)信息。數(shù)字傳感器接口電路[5]如圖8所示。

圖8 S-Module接口

4 儀器軟件設(shè)計

4.1 設(shè)備驅(qū)動框架

氣體檢測儀采用RT-Thread操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺。在線氣體檢測儀這樣的嵌入式平臺，其可定制的特點限定了驅(qū)動程序也必須定制，因此，在儀器設(shè)備研發(fā)過程中必須針對性地開發(fā)不同的模塊軟件驅(qū)動程序。在線氣體檢測儀系統(tǒng)整體驅(qū)動構(gòu)架如圖9。

圖9 系統(tǒng)驅(qū)動總體構(gòu)架

4.2 S-Module驅(qū)動與應(yīng)用設(shè)計

S-Module數(shù)字式傳感器有2種信號傳遞方式，TTL和Modbus總線協(xié)議，相比于TTL信號方式，Modbus能讀出更多的傳感器信息。Modbus基于主機/從機原理，主機(MCU)發(fā)送詢問信號給從機(S-Module)，從機收到信號后進行應(yīng)答。這種總線協(xié)議有著自己的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[6]，表1為詢問S-Module時的數(shù)據(jù)格式。

表1 詢問指令格式

數(shù)字型氣體傳感器采用單線串口的通訊形式，其詳細的數(shù)據(jù)輸出流程圖如圖10所示。

圖10 傳感器與主控制器通訊

4.3 數(shù)據(jù)處理

S-Module模塊采用數(shù)字信號輸出，因此在硬件部分無需做特殊的濾波電路設(shè)計。而軟件上可以通過采用算術(shù)平均濾波法降低測量過程中產(chǎn)生的噪聲干擾。去算術(shù)平均濾波算法流程如圖11所示。

4.4 模擬量輸出模塊

AD5420進行工作時選用菊花鏈的工作模式，其時序圖如圖12所示。首先使能菊花鏈模式，即將控制寄存器中的DCEN置1，從SCLK的第一個上升沿開始，進入循環(huán)周期，并且對移位寄存器進行連續(xù)施加，若超過24個時鐘脈沖，則數(shù)據(jù)溢出。當所有的AD5420的串行傳輸結(jié)束后，引腳LATCH電平拉高，從而鎖存每個器件中的數(shù)據(jù)。若要連續(xù)使用SCLK，則必須在配置正確地時鐘周期之后，將LATCH拉高。

圖11 算數(shù)平均濾波程序框圖

圖12 菊花鏈寫入時序圖

4～20 mA輸出芯片AD5420通過四線制SPI協(xié)議進行訪問，采用24位數(shù)據(jù)傳輸，其中高8位AD5420寄存器地址位，低16位為數(shù)據(jù)位。因此需要在片選拉低時連續(xù)發(fā)送3個字節(jié)數(shù)據(jù)后再拉高片選信號。

void ad5420_write_data(uint32_t *data)

{

uint8_t i;

uint8_t temp[6];

ad5420_latch_low();

temp[0]= cmd> >16;

temp[1]= cmd> >8;

temp[2]= cmd;

關(guān)于程度副詞“傷”，陳小荷老師在《清江話和豐城話的程度副詞“傷”》[3](P223)一文中有過精辟的闡述。與豐城方言相類似的是，高安方言也用“傷”來表示很深的程度，但其后通常添加時間副詞“口得”而不是“哩”。例如：

for (i = 0；i <3；i++)

{

ad5420_send_byte(temp[i]);

}

5 測試分析和總結(jié)

5.1 實驗裝置

實驗裝置主要包括：工業(yè)樣氣預處理裝置、在線氣體檢測儀、數(shù)據(jù)信息處理平臺。

其中預處理模塊是氣體濃度檢測中的重要一環(huán)，工業(yè)現(xiàn)場氣體中混有的固體顆粒物和水蒸氣都會影響采樣的精度，所以在氣體通道上分別設(shè)置了固體顆粒過濾和水蒸氣過濾裝置。為了更好的控制通入氣體的流量，還加入了流量計。同時，預處理裝置還可輸送零氣和標準氣完成儀器的標定工作。圖13為氣體預處理裝置流程示意圖。

圖13 預處理裝置工作示意圖

5.2 標定實驗

在實驗開始前，對儀器進行標定實驗，保證檢測儀擁有較高精確度。課題設(shè)計了兩點標定功能。

采用大于99.999%的N2作為零點氣，2.63%的CO2作為標準氣，標定開始后，打開零氣入口，調(diào)節(jié)流量將N2通入氣體檢測儀，等待1 min后，當液晶屏上顯示的氣體濃度值穩(wěn)定且漂移小于±0.001，通過觸控屏向分析儀發(fā)送ASCII校準代碼(通過GLCD發(fā)送校準命令，即主控制器向S-Module發(fā)送數(shù)據(jù)幀)，此時零點標定完成。然后切換球閥通入標準氣CO2，用相同的步驟校準標準氣，標定完成之后按下返回鍵。系統(tǒng)的兩點標定界面如圖14所示。

圖14 兩點標定界面

5.3 準確性測試

設(shè)計氣體檢測儀主要是用于混合氣體的檢測，因此對于多通道的氣體檢測也是實驗的重點之一。試驗中選用2種不同的傳感器，CO2傳感器和CH4進行雙通道的氣體測試。實驗參數(shù)：室內(nèi)溫度20 ℃；樣氣流量60 mL/min；設(shè)定控制溫度(60±0.1) ℃；環(huán)境氣壓為102.2 kPa。檢測結(jié)果見表2。

由表2可知，單通道傳感器測量結(jié)果相對誤差最大值不超過0.4%，多通道混合氣體測量結(jié)果想多偏差最大不超過0.9%。結(jié)果表明該氣體檢測儀具有良好的分析測量精度，滿足二級工業(yè)用表的國家標準。

表2 氣體濃度檢測結(jié)果

5.4 電流輸出測試

針對4～20 mA工業(yè)標準電流輸出模塊進行實驗分析，儀器工作時先將檢測的到的氣體濃度值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的輸入電壓，再經(jīng)過AD5420轉(zhuǎn)換成用于輸出的模擬電流，電壓轉(zhuǎn)電流的公式為

Iout=10(Vin/Rset)

式中：Iout為輸出電流；Vin為輸出電壓；Rset取值為1.5 kΩ。

實驗選用的外部負載阻值為235.5 Ω，通入濃度為2.63%的CO2，數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 輸入電壓與輸出電流的實驗數(shù)據(jù)

由表3可以看出，氣體檢測儀的相對誤差范圍為0.07%～0.33%，滿足儀器的性能指標要求。

6 結(jié)束語

本文針對生產(chǎn)現(xiàn)場復雜的工業(yè)環(huán)境設(shè)計了一款在線多通道的氣體檢測儀，選用新型的數(shù)字紅外傳感器作為主要的檢測手段，以工業(yè)級主芯片STM32F407作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，設(shè)計整個儀器平臺，同時通過模擬真實的工業(yè)環(huán)境驗證分析儀器的可靠性。雖然工業(yè)在線氣體檢測儀已經(jīng)能初步實現(xiàn)需要的功能，但想要將該平臺大規(guī)模推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，還需要用嚴苛的標準對儀器設(shè)備進行測試。