郝智皓，黃釘勁，王錦濤

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

0 引言

隨著我國(guó)近幾年來(lái)大氣污染越來(lái)越嚴(yán)重，大氣監(jiān)測(cè)與治理任務(wù)越來(lái)越重。無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)作為繼航空、航天之后的第 3 代遙感技術(shù), 具有立體監(jiān)測(cè)、響應(yīng)速度快、監(jiān)測(cè)范圍廣、地形干擾小等優(yōu)點(diǎn), 是今后進(jìn)行大氣突發(fā)事件污染源識(shí)別和濃度監(jiān)測(cè)的重要發(fā)展方向之一[1]?？捎糜趦?chǔ)罐氣體泄漏、火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、煙道檢測(cè)、工業(yè)園區(qū)檢測(cè)、石油管道檢測(cè)的監(jiān)測(cè)任務(wù)中。

但由于無(wú)人機(jī)載荷有限，要完成多種氣體監(jiān)測(cè)工作需要搭載多種類型的氣體傳感器。而現(xiàn)在使用的氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多以ARM處理器作為中控芯片，由于ARM(Advanced RISC Machine,ARM)處理器外設(shè)固定，并且氣體監(jiān)測(cè)時(shí)所使用的各類傳感器的通訊形式與協(xié)議各不相同，實(shí)現(xiàn)多種氣體同步采集，必須另外設(shè)計(jì)擴(kuò)展電路，這就導(dǎo)致大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功耗與重量極大增加，對(duì)其研發(fā)過(guò)程帶來(lái)了一定挑戰(zhàn)[2]。此外，當(dāng)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊以ARM處理器或數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processing,DSP)為控制核心時(shí)，并不能有效解決高速數(shù)據(jù)采集處理過(guò)程中存在的實(shí)時(shí)性和同步性差的技術(shù)難題[3]。因此需要設(shè)計(jì)一種適用于以無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種氣體實(shí)時(shí)同步檢測(cè)的大氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

FPGA芯片具有引腳數(shù)目多，編程配置靈活、純硬件并行控制、時(shí)鐘頻率高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低(相比于ARM芯片)，邏輯控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[4-5]。本文設(shè)計(jì)了一種以FPGA為主控芯片的多通道同步氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)增加了系統(tǒng)的靈活性、擴(kuò)展性，且兼容多種氣體傳感器，可完成對(duì)前端數(shù)據(jù)的采集，存儲(chǔ)、各通道的選通控制、以及數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸?shù)龋瑢?shí)現(xiàn)了多種有毒有害可燃?xì)怏w的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)、同步采集。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

該系統(tǒng)由傳感器陣列，空氣泵、主控制器、無(wú)線串口模塊、GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)模塊、Flash存儲(chǔ)、上位機(jī)組成?？傮w結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。傳感器陣列可掛載6個(gè)7NE系列智能氣體傳感器、PM2.5PM10傳感器、溫濕度傳感器，完成對(duì)溫濕度、PM2.5/10、二氧化氮、二氧化硫、臭氧等8種氣體濃度的同步實(shí)時(shí)采集；空氣泵通過(guò)控制電路與FPGA主控芯片相連，當(dāng)該系統(tǒng)到達(dá)檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，遠(yuǎn)程控制空氣泵的開(kāi)閉狀態(tài)，為各個(gè)氣體傳感器泵吸大氣實(shí)現(xiàn)氣體的泵吸式檢測(cè)的同時(shí)減小了系統(tǒng)的功耗；主控制器采用Xilinx公司的Spartan6系列的FPGA，通過(guò)控制空氣泵的開(kāi)閉、端口的通斷、循環(huán)采集時(shí)間、傳感器的工作狀態(tài)等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步處理、實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)緩存、時(shí)序約束、端口控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；無(wú)線串口模塊與GPRS模塊均用于數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，對(duì)于較近距離的檢測(cè)任務(wù)可使用無(wú)線串口模塊對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行指令下發(fā)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)任務(wù)時(shí)可使用GPRS無(wú)線傳輸模塊通過(guò)服務(wù)器對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行指令下發(fā)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接收；上位機(jī)為遠(yuǎn)程端，用于實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)生成相應(yīng)的趨勢(shì)曲線。本系統(tǒng)需要對(duì)傳感器陣列進(jìn)行同步實(shí)時(shí)循環(huán)測(cè)量與控制，并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存、判斷、處理、存儲(chǔ)與傳輸。主要包括命令解析、傳感器狀態(tài)管理、信號(hào)通道切換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)上傳等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要分為FPGA與傳感器陣列的硬件連接、空氣泵控制電路、無(wú)線通訊模塊等。硬件設(shè)計(jì)連接如圖2所示。

圖2 硬件連接

傳感器陣列共設(shè)有8組接口，可連接6個(gè)圣凱安公司所生產(chǎn)的7NE系列傳感器，一個(gè)攀升科技有限公司生產(chǎn)的PMSA003 PM2.5/10傳感器，一個(gè)DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器。

該系統(tǒng)使用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，使用數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)。該產(chǎn)品體積小、功耗低、濕度測(cè)量范圍20%～90%、測(cè)濕精度±5%、溫度測(cè)量范圍0～50 ℃、測(cè)溫精度±2 ℃。它包含一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，輸出經(jīng)過(guò)內(nèi)置的高性能8位單片機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。其經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，將校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)于OTP內(nèi)存之中，在檢測(cè)過(guò)程中調(diào)用這些系數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。由于其為單總線數(shù)字式數(shù)據(jù)輸出，因此可減少模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)，提高了檢測(cè)速率。

PMSA003是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物傳感器，令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時(shí)在某一特定角度收集散射光，得到散射光強(qiáng)度隨時(shí)間變化的曲線。進(jìn)而微處理器基于米氏(MIE)理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量，進(jìn)而換算成為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出。其顆粒物質(zhì)量濃度有效量程(PM2.5標(biāo)準(zhǔn)值)為0～500 μg/m3，顆粒物質(zhì)量濃度分辨率為1 μg/m3，工作溫度范圍為-10～+60℃，工作濕度范圍為0～99%。

7NE系列氣體傳感器是由圣凱安科技公司生產(chǎn)的專門針對(duì)氣體檢測(cè)的新型智能傳感器，可滿足對(duì)不同種類氣體探測(cè)的需求。該類傳感器工作電壓為DC5V±1%，采用電化學(xué)檢測(cè)原理，采樣精度±2%FS，重復(fù)性±1%FS，工作溫度-20～70℃，工作濕度10～95%RH(非凝結(jié))，適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室場(chǎng)景中。并且該類傳感器具有模擬電壓和串口輸出特點(diǎn)，本系統(tǒng)中使用串口輸出，不用為此設(shè)計(jì)專門的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。并且該類傳感器采用本安電路設(shè)計(jì)，可帶電熱插拔操作，增加了系統(tǒng)的靈活性，有利于系統(tǒng)的拆裝和擴(kuò)展。

空氣泵控制電路用于實(shí)現(xiàn)空氣泵的開(kāi)關(guān)控制。其控制電路如圖3所示。其中繼電器選用SRD-05VDC，吸合電壓為5 V，光耦EL817C845對(duì)FPGA芯片與控制電路進(jìn)行光電隔離，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)主控芯片進(jìn)行保護(hù)，增強(qiáng)了主控芯片的穩(wěn)定性。

圖3 空氣泵控制電路

無(wú)線通訊方式可選用GPRS無(wú)線通訊模塊或無(wú)線串口模塊。GPRS模塊使用RS-232電平標(biāo)準(zhǔn)，而FPGA的I/O接口只支持LVTTL電平標(biāo)準(zhǔn)與LVCMOS電平標(biāo)準(zhǔn)。為解決FPGA與GPRS無(wú)線串口模塊的電平匹配問(wèn)題，該系統(tǒng)使用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3232ESE芯片完成RS232信號(hào)的收發(fā)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了電平匹配。無(wú)線串口模塊使用TTL電平標(biāo)準(zhǔn)則可直接與FPGA芯片連接實(shí)現(xiàn)電平匹配，通過(guò)FPGA內(nèi)部時(shí)序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線串口模塊的收發(fā)控制。

3 FPGA軟件設(shè)計(jì)

FPGA軟件設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)同步時(shí)鐘、通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，UART)時(shí)序配置、DHT11驅(qū)動(dòng)時(shí)序配置、指令解析、數(shù)據(jù)緩存處理模塊等?？傮w框架設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 FPGA設(shè)計(jì)總體框架

3.1 同步時(shí)鐘模塊

該系統(tǒng)硬件使用50 MHz的有源晶振，通過(guò)FPGA芯片的外圍I/O引腳將時(shí)鐘引入到芯片內(nèi)部。本系統(tǒng)中使用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)采用分頻的方法將50 MHz時(shí)鐘生成為25 MHz的時(shí)鐘。通過(guò)FPGA內(nèi)部的PLL生成的系統(tǒng)時(shí)鐘具有低抖動(dòng)、低延遲的特點(diǎn)，保證了系統(tǒng)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸與處理的同步性，提高了時(shí)鐘的穩(wěn)定性[6-7]。同時(shí)運(yùn)用時(shí)序約束的方法約束時(shí)鐘的占空比，建立時(shí)間，保持時(shí)間等，從而減小數(shù)據(jù)與時(shí)鐘之間的偏斜，避免了數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤[8]。

3.2 UART時(shí)序配置模塊

本模塊由4個(gè)部分組成，分別為baud_gen_tx發(fā)送時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、baud_gen_rx接收時(shí)鐘產(chǎn)生模塊、uart_tx發(fā)送控制模塊、uart_rx接收控制模塊。模塊框圖及數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 UART時(shí)序配置模塊框圖

該系統(tǒng)中，UART信號(hào)幀由10bit構(gòu)成，其中包括1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位，串口速率9.6 kbps，TTL電平。其中div_en為數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號(hào)，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將div_en信號(hào)置高一個(gè)時(shí)鐘周期，同時(shí)使tx_busy信號(hào)置高，按照baud_gen_tx信號(hào)周期開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，tx_busy信號(hào)置零。時(shí)序如圖6所示。因?yàn)閁ART為異步通訊模式，UART收發(fā)每一個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度需要以所設(shè)定的波特率進(jìn)行計(jì)算，該系統(tǒng)中系統(tǒng)時(shí)鐘為25 MHz，系統(tǒng)時(shí)鐘周期為40 ns，當(dāng)波特率為9 600 bit/s，每個(gè)數(shù)據(jù)的時(shí)間寬度則為(1*109/9 600)/40個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期[9]。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序圖

當(dāng)接收端口檢測(cè)到信號(hào)下降沿時(shí)，此刻將start_grx信號(hào)置高，因?yàn)閿?shù)據(jù)信號(hào)邊沿存在亞穩(wěn)態(tài)與信號(hào)毛刺的現(xiàn)象，為了防止讀取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，則選擇在每個(gè)波特率周期中心點(diǎn)對(duì)電平信號(hào)進(jìn)行判讀，讀取完成后start_grx信號(hào)拉低，并產(chǎn)生dout_en信號(hào)輸出所讀數(shù)據(jù)。其時(shí)序如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)接收時(shí)序圖

使用ModelSim仿真軟件對(duì)該模塊進(jìn)行仿真測(cè)試。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 UART時(shí)序仿真圖

3.3 DHT11驅(qū)動(dòng)時(shí)序設(shè)計(jì)

DHT11溫濕度傳感器與主控芯片之間的通訊并不是標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議，而是廠家自定義的一種通訊格式。DHT11的DATA引腳采用單總線的數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間為4 ms左右，具體時(shí)序可參考DHT11時(shí)序圖[10]?？偩€空閑時(shí)保持高電平，F(xiàn)PGA先將總線電平拉低20 ms，再將總線拉高40 μs。此時(shí)將總線設(shè)置為輸入，DHT11將總線拉低80 μs再拉高80 μs作為相應(yīng)信號(hào)，接下來(lái)開(kāi)始傳輸40 bit數(shù)據(jù)。每bit數(shù)據(jù)傳輸時(shí)序?yàn)榭偩€先拉低50 μs，再將總線拉高，總線拉高時(shí)間為26～28 μs時(shí)為數(shù)據(jù)0，總線拉高時(shí)間為70 μs時(shí)為數(shù)據(jù)1。

根據(jù)DHT11溫濕度傳感器工作時(shí)序使用verliog語(yǔ)言設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)。系統(tǒng)上電后，該模塊處于st_power_wait狀態(tài)，此狀態(tài)下需要等待一段時(shí)間用于DHT11溫濕度傳感器對(duì)傳感器參數(shù)進(jìn)行初始化，所以在該狀態(tài)下設(shè)定等待10 μs進(jìn)入IDLE狀態(tài)。在IDLE狀態(tài)下，當(dāng)該模塊收到start信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)DHT11溫濕度傳感器，對(duì)大氣溫濕度進(jìn)行測(cè)量。st_low_20 ms狀態(tài)下FPGA芯片將DATA總線電平拉低20 ms后進(jìn)入下一狀態(tài)。st_high_40 μs狀態(tài)下FPGA芯片將DATA總線置高40 μs。st_rec_ack狀態(tài)下，總線由DHT11溫濕度傳感器控制，F(xiàn)PGA芯片等待檢測(cè)總線電平上升沿信號(hào)sda_pos，當(dāng)檢測(cè)到sda_pos置高時(shí)則進(jìn)入下一狀態(tài)。st_rec_data狀態(tài)下該模塊開(kāi)始接收DHT11溫濕度傳感器發(fā)送來(lái)的40 bit數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)全部接收完畢后，進(jìn)入IDLE狀態(tài)。狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)如圖9所示。

圖9 DHT11狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)圖

3.4 指令解析模塊

無(wú)線模塊將從上位機(jī)接收到的指令，以串口通訊的方式傳輸給FPGA主控芯片，F(xiàn)PGA內(nèi)部需要對(duì)接收到的指令進(jìn)行緩存、判讀、解析與狀態(tài)更新。通過(guò)利用FPGA的內(nèi)部資源配置串口時(shí)序，在其時(shí)序下，將接收到的8 bit數(shù)據(jù)緩存到8 byte的移位寄存器中并不斷對(duì)移位寄存器中的8 byte數(shù)據(jù)進(jìn)行判讀，判斷移位寄存器中的高2 byte與低2 byte是否符合預(yù)先設(shè)定的指令頭、指令尾的固定格式，如果符合則可將其存入RAM中等待下一步對(duì)命令進(jìn)行解析。在命令解析過(guò)程中RAM的高16 bit為操作地址，低16 bit為操作指令。另外程序中專門設(shè)置了一塊8 bit的片上RAM用于記錄每次指令對(duì)各個(gè)傳感器的操作狀態(tài)，每一位分別代表各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)，置一為工作，置零位停止。在對(duì)命令解析后，實(shí)時(shí)更新每個(gè)傳感器的工作狀態(tài)。

3.5 數(shù)據(jù)緩存處理模塊

由于該系統(tǒng)為多通道的同步數(shù)據(jù)采集，每進(jìn)行一次采集任務(wù)會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)需要處理，同時(shí)FPGA與外部通信模塊之間存在硬件差異，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸速度不匹配。因此，為了解決數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性問(wèn)題，該系統(tǒng)利用FPGA內(nèi)置的知識(shí)產(chǎn)權(quán)核(Intellectual Property core，IP)資源，調(diào)用FIFO核，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。數(shù)據(jù)緩存處理過(guò)程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)緩存處理過(guò)程

在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，每個(gè)智能氣體傳感器回傳18 byte采集數(shù)據(jù)，PMSA003顆粒物傳感器回傳32 byte采集數(shù)據(jù)，DHT11溫濕度傳感器傳回5 byte采集數(shù)據(jù)，可分別將其采集到的信息存入各自通道預(yù)設(shè)好的RAM片上存儲(chǔ)器中，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并實(shí)時(shí)判讀RAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，例如傳感器的工作狀態(tài)，檢測(cè)物種類，濃度值等。之后通過(guò)數(shù)據(jù)選通模塊與數(shù)據(jù)處理模塊將正常工作的傳感器采集到的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行重新編碼，按照通訊協(xié)議格式依次將數(shù)據(jù)存入FIFO中等待無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳。

4 測(cè)試驗(yàn)證

搭建氣體檢測(cè)系統(tǒng)，使用12 V 4800 mA聚合物鋰電池為供電電源，掛載6個(gè)智能氣體傳感器、1個(gè)PM2.5/10傳感器、1個(gè)溫濕度傳感器的情況下，通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制對(duì)本系統(tǒng)的實(shí)際功能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為25 min。測(cè)試內(nèi)容為別為循環(huán)檢測(cè)時(shí)間間隔更改、各傳感器工作的狀態(tài)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集通道的選擇性開(kāi)閉。測(cè)試結(jié)果如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)符合實(shí)際應(yīng)用要求，滿足設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，在簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣多參數(shù)的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、同步監(jiān)測(cè)。

表1 測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)外圍擴(kuò)展電路以及在數(shù)據(jù)傳輸存儲(chǔ)過(guò)程中不能有效地解決同時(shí)性和實(shí)時(shí)性的問(wèn)題。本文采用Xilinx公司Spartan6系列的FPGA作為核心控制器件，發(fā)揮其并行處理能力和時(shí)序約束能力?？刂茪怏w傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，運(yùn)用FPGA內(nèi)部資源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集緩存?zhèn)鬏數(shù)哪Ｊ剑瓿闪舜髿舛鄥?shù)的同步實(shí)時(shí)采集，存儲(chǔ)，處理，傳輸。增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，有效性和穩(wěn)定性。整套方案基于通用架構(gòu)，并針對(duì)氣體傳感器多通道處理的特殊之處，使得整套系統(tǒng)同時(shí)具有針對(duì)性以及普適性。