程 躍, 周 揚(yáng), 李云飛，欒 林，毛 赫，李開(kāi)遠(yuǎn)

(1.安徽澤眾安全科技有限公司，安徽 合肥 230601；2.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601)

0 引 言

激光氣體傳感器作為本征安全的傳感器，具有精度高、選擇性好、可靠性高、不中毒、受環(huán)境干擾因素較小、壽命長(zhǎng)、體積小、重量輕等顯著優(yōu)點(diǎn)。嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)在激光氣體傳感器信號(hào)采集、處理和解調(diào)中起到至關(guān)重要的作用，然而，當(dāng)前絕大多數(shù)的嵌入式開(kāi)發(fā)語(yǔ)言都是基于文本編程方式的C或C++等語(yǔ)言[1～6]，這種編程方式一方面對(duì)編程人員的要求比較高，另一方面在項(xiàng)目開(kāi)發(fā)時(shí)效率比較低，開(kāi)發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)。美國(guó)國(guó)家儀器(National Instruments,NI)公司開(kāi)發(fā)的軟件產(chǎn)品LabVIEW是經(jīng)典的圖形化編程軟件之一，用“圖標(biāo)”代替了“文本指令”，使計(jì)算機(jī)編程變得簡(jiǎn)潔、方便[7～11]。本文基于LabVIEW圍繞著STM32F407ZGT6處理器進(jìn)行嵌入式開(kāi)發(fā)，對(duì)激光光纖氧氣傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)硬件組成

1.1 整體框架

系統(tǒng)硬件主要由激光光纖氧氣傳感器、嵌入式ARM解調(diào)終端和計(jì)算機(jī)組成。激光光纖氧氣傳感器是基于熒光猝滅技術(shù)對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、在線、本征安全測(cè)量，主要由高功率LED激發(fā)光源、Y型傳輸光纖、氧熒光傳感探頭和光電探測(cè)器組成，該傳感器測(cè)量范圍可達(dá)0 %～50 %，響應(yīng)時(shí)間不大于5 s，體積小(109 mm×64 mm×41 mm)，重量輕(不大于350 g)。嵌入式ARM解調(diào)終端用于對(duì)激光光纖氧氣傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并經(jīng)過(guò)處理獲得最終的氧氣體積分?jǐn)?shù)，最終解調(diào)終端對(duì)獲得的氧氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)傳輸。嵌入式ARM解調(diào)終端采用STM32F407ZGT6，主頻高達(dá)168 MHz。計(jì)算機(jī)結(jié)合基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)軟件，通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)時(shí)獲取嵌入式ARM解調(diào)終端的氧氣體積分?jǐn)?shù)信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

1.2 嵌入式ARM解調(diào)終端

嵌入式解調(diào)終端的硬件核心為采用意法半導(dǎo)體(ST)公司STM32F407ZGT6微處理器的開(kāi)發(fā)板，STM32F407ZGT6是基于帶有浮點(diǎn)處理單元(floating point unit,FPU)的ARM Cortex—M4內(nèi)核的32位高速微處理器，主頻高達(dá)168 MHz，擁有1 MB閃存程序存儲(chǔ)器、192 kB的SRAM(包括64 kB的內(nèi)核耦合存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)RAM)、12個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)頻率高達(dá)168 MHz的32位定時(shí)器、3個(gè)12位2.4 MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)(總共多達(dá)24通道)、140個(gè)具有中斷功能的I/O端口以及包括專用直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(direct memory access,DMA)在內(nèi)的15個(gè)通信接口，具有非常強(qiáng)大的拓展能力。

1.3 信號(hào)采集電路

解調(diào)終端的ADC為12位逐次逼近型，單個(gè)ADC的最大采樣率為2.4 MSPS，能夠支持單次、連續(xù)、掃描或間斷交替的采樣方式，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以左對(duì)齊或右對(duì)齊的方式存儲(chǔ)在16位數(shù)據(jù)寄存器中，模擬看門(mén)狗的特性允許應(yīng)用程序檢測(cè)輸入的信號(hào)電壓是否超過(guò)用戶自定義的閾值，實(shí)現(xiàn)24通道的數(shù)據(jù)信號(hào)采集。

1.4 以太網(wǎng)接口電路

采用一塊集成了ENC28J60以太網(wǎng)控制器的網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊與STM32的Ethernet接口連接，ENC28J60是一種支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)總線通信的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器，可以為任何配備有SPI總線接口的單片機(jī)(MCU)拓展出一路以太網(wǎng)通信口，ENC28J60模塊與主控制器間通過(guò)總線方式進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)的交互，二者之間的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10 Mbps，具有很高的應(yīng)用性價(jià)比，利用ENC28J60模塊在STM32芯片上擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)傳輸端口的電路連接原理如圖1所示。

2 基于LabVIEW的ARM嵌入式開(kāi)發(fā)原理

如圖2所示，為基于LabVIEW的嵌入式開(kāi)發(fā)流程，LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)的本質(zhì)是代碼復(fù)用，而在LabVIEW環(huán)境下要實(shí)現(xiàn)對(duì)ARM的嵌入式開(kāi)發(fā)還要依托于Keil MDK工具鏈。首先，要基于LabVIEW編寫(xiě)圖形化的嵌入式軟件程序；而后，通過(guò)LabVIEW C Generator對(duì)編寫(xiě)的圖形化程序生成對(duì)應(yīng)的C代碼，并按照一定規(guī)則添加到RTX操作系統(tǒng)的框架中；最后，LabVIEW通過(guò)調(diào)用Keil MDK的RVCT編譯工具將程序代碼編譯并下載到ARM芯片中，在LabVIEW環(huán)境中對(duì)ARM芯片中的程序進(jìn)行調(diào)試。在整個(gè)開(kāi)發(fā)流程中，開(kāi)發(fā)人員只需基于LabVIEW編寫(xiě)好圖形化的軟件程序，后面C代碼的生成和程序編譯下載自動(dòng)完成，做到了嵌入式開(kāi)發(fā)中面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。

圖2 LabVIEW嵌入式開(kāi)發(fā)流程框圖

3 基于LabVIEW的嵌入式ARM解調(diào)終端開(kāi)發(fā)

圖3為ARM解調(diào)終端程序流程。如圖所示，STM32終端通電開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行程序的初始化，程序進(jìn)入到“啟動(dòng)界面”程序，此時(shí)，在液晶顯示屏(LCD)上顯示Logo和歡迎語(yǔ)；程序進(jìn)入到“終端主程序”。主程序主要完成光纖氣體傳感器信號(hào)采集和處理，獲得氧氣體積分?jǐn)?shù)信息，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，此外，主程序還完成LCD上日期和時(shí)間的實(shí)時(shí)顯示。

圖3 ARM解調(diào)終端程序流程

3.1 終端“啟動(dòng)界面”程序開(kāi)發(fā)

基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的ARM終端啟動(dòng)界面程序，首先對(duì)LCD初始化，點(diǎn)亮LCD背光燈，并清除屏幕為白色背景，而后，調(diào)整LCD方向?yàn)闄M屏，隨后，初始化ARM終端上的SD存儲(chǔ)卡，并設(shè)置中文字體大小為12號(hào)，然后程序從SD存儲(chǔ)卡中調(diào)取“清華大學(xué)合肥公共安全研究院”Logo圖片并在LCD設(shè)定的位置顯示，同時(shí)在屏幕上顯示“歡迎使用光纖氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器”，啟動(dòng)界面顯示3 s后自動(dòng)退出并進(jìn)入終端主程序。

3.2 終端“主程序”開(kāi)發(fā)

ARM終端主程序包括信號(hào)采集和處理程序、網(wǎng)口程序、看門(mén)狗程序和時(shí)鐘程序等，信號(hào)采集和處理程序?qū)饫w氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器的模擬電壓信號(hào)(0～5 VDC)進(jìn)行采集，該電壓對(duì)應(yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)為0 %～50 %，程序?qū)Σ杉降碾妷盒盘?hào)進(jìn)行處理?yè)Q算為最終的氧氣體積分?jǐn)?shù)值并在LCD上實(shí)時(shí)顯示；網(wǎng)口程序主要對(duì)ARM終端模塊的IP地址進(jìn)行固化，如該ARM終端模塊的IP地址設(shè)定為192.168.1.16，并對(duì)最終氧氣體積分?jǐn)?shù)值通過(guò)TCP網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)向上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送；看門(mén)狗程序主要是防止ARM終端程序跑死，該看門(mén)狗程序3 s喂一次狗，超過(guò)3 s，認(rèn)為程序跑死，此時(shí)，ARM終端按照?qǐng)D3流程自動(dòng)重新啟動(dòng)程序；時(shí)鐘程序用于實(shí)時(shí)在LCD上顯示日期和時(shí)間。

4 基于LabVIEW的上位機(jī)通信軟件開(kāi)發(fā)

圖4為基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)通信軟件，主要用于與ARM終端進(jìn)行通信，該軟件包括參數(shù)設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)和功能按鈕區(qū)。參數(shù)設(shè)置區(qū)，用于設(shè)置操作人員姓名、操作日期、數(shù)據(jù)保存的路徑，數(shù)據(jù)保存的時(shí)間間隔以及光纖氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器ARM終端主機(jī)的IP地址；數(shù)據(jù)顯示區(qū)用于實(shí)時(shí)顯示采集獲得光纖氧氣體積分?jǐn)?shù)傳感器主機(jī)的數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為氧氣體積分?jǐn)?shù)(%)，橫坐標(biāo)為時(shí)間(s)，數(shù)據(jù)以線條圖形式顯示，可以反映出氧氣體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，結(jié)合右下角的十字按鈕和放大縮小按鈕，可以對(duì)長(zhǎng)時(shí)間尺度及短時(shí)間尺度內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析；功能按鈕區(qū)的開(kāi)始和退出按鈕分別用于開(kāi)始程序和退出程序的控制，暫停按鈕用于控制程序暫時(shí)停止數(shù)據(jù)的顯示。為了防止數(shù)據(jù)丟失，在暫停期間，數(shù)據(jù)還在實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。十字按鈕用于準(zhǔn)確讀取顯示數(shù)據(jù)的坐標(biāo)，放大、縮小按鈕用于數(shù)據(jù)圖形的局部放大及圖形的縮小控制。圖4所示為軟件與ARM終端通信采集到的數(shù)據(jù)結(jié)果，軟件實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)與ARM終端LCD上的數(shù)據(jù)一致，并且經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的聯(lián)調(diào)測(cè)試，結(jié)果表明數(shù)據(jù)無(wú)丟失，完全滿足應(yīng)用要求。

圖4 基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的上位機(jī)通信軟件

5 測(cè)試結(jié)果與分析

采用不同的氧氣標(biāo)準(zhǔn)體積分?jǐn)?shù)(分別為4 %，8 %，12 %,15 %)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量結(jié)果如表1所示，4次測(cè)量的相對(duì)誤差分別為-0.25 %，0.13 %，0.25 %,-0.20 %，均在±5 %范圍之內(nèi)。通過(guò)比對(duì)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：系統(tǒng)具有誤差允許范圍內(nèi)的一致性，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性和可靠性。

表1 測(cè)量結(jié)果 %

6 結(jié) 論

基于LabVIEW開(kāi)發(fā)了激光光纖氣體傳感器的嵌入式ARM解調(diào)終端，該終端采用STM32F407ZGT6，終端對(duì)光纖氧氣傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并經(jīng)過(guò)處理獲得最終的氧氣體積分?jǐn)?shù)，最終解調(diào)終端對(duì)獲得的氧氣體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)傳輸。此外，基于LabVIEW還開(kāi)發(fā)了光纖氣體傳感器的上位機(jī)通信軟件，用于數(shù)據(jù)的通信和存儲(chǔ)，并與嵌入式ARM解調(diào)終端進(jìn)行了聯(lián)調(diào)測(cè)試，結(jié)果表明：基于LabVIEW開(kāi)發(fā)的嵌入式ARM解調(diào)終端和上位機(jī)通信軟件均完全滿足應(yīng)用要求。