基于CAN總線和MSP430的CO紅外檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出一種基于CAN總線接口的紅外檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。該檢測(cè)系統(tǒng)以MSP430超低功耗單片機(jī)為核心，采用SM-CO H／M紅外線CO氣體探測(cè)器，結(jié)合數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償?shù)人惴ǎ_(dá)到精確測(cè)量CO濃度的目的，利用CAN總線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：MSP430；CAN總線；數(shù)字濾波；溫度補(bǔ)償；Delphi


1 引言
    一氧化碳(CO)是劇毒性氣體，人體吸人后造成人體組織和細(xì)胞缺氧，導(dǎo)致引起中毒窒息。在煤礦井下，CO也是引起瓦斯爆炸的主要?dú)怏w之一。CO無(wú)論是對(duì)工業(yè)生產(chǎn)還是人類都造成巨大的損害，因此，CO檢測(cè)尤為重要，特別在煤礦井下，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，井下作業(yè)場(chǎng)所的CO濃度應(yīng)控制在0．002 4％以下。因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)出井下CO氣體濃度，對(duì)保障煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。
    目前檢測(cè)CO的方法主要有化學(xué)法、電化學(xué)法、氣相色譜法等。這些方法普遍存在價(jià)格高、普適性差等問題，且測(cè)量精度較低。這里設(shè)計(jì)一種新的檢測(cè)系統(tǒng)，選用紅外CO傳感器和MSP430單片機(jī)作為核心信號(hào)處理電路，結(jié)合數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償運(yùn)算．具有檢測(cè)濃度范圍寬、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。CAN總線通信距離長(zhǎng)、可靠性高等特點(diǎn)，通過(guò)擴(kuò)展CAN總線接口使檢測(cè)儀具有遠(yuǎn)程通信能力，可方便地與監(jiān)控中心進(jìn)行對(duì)接聯(lián)絡(luò)，有效降低事故發(fā)生率，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)由紅外CO氣體傳感器、MSP430單片機(jī)、CAN總線接口及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)單片機(jī)處理檢測(cè)的數(shù)據(jù)、控制LCD顯示、聲光報(bào)警，同時(shí)還配備CAN總線控制器，可以輕松獲取濃度、溫度以及報(bào)警記錄等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了智能化的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)控功能。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

 


2．1 傳感器的原理及選擇
    每種物質(zhì)都有特定的吸收光譜(如CO氣體在光波波長(zhǎng)4．5μm處有一個(gè)極強(qiáng)的吸收峰)，該特性可用于測(cè)量。可根據(jù)各種氣體光譜曲線上某些特定波長(zhǎng)處吸收峰值的變化判斷氣體的濃度。當(dāng)紅外光通過(guò)待測(cè)氣體時(shí)，這些氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光有吸收作用，吸收規(guī)律遵循朗泊-比爾定律

式中，I為透射光的能量，L/mol·cm；Io為紅外輻射被氣體吸收的能量，L／mol．cm；K為與氣體及輻射波長(zhǎng)有關(guān)的常數(shù)，L/mol·cm：C為被測(cè)氣體的濃度．mol／L；L為輻射通過(guò)氣體層的厚度，cm。
    由式(1)可知，通過(guò)檢測(cè)紅外輻射經(jīng)氣體吸收后的輻射強(qiáng)度，就可計(jì)算出被測(cè)氣體的濃度。采用SM-C0 H／M傳感器，該系列模擬輸出型CO采用雙光束非分光紅外線(NDIR)檢測(cè)技術(shù)．具有抗其他氣體干擾、保養(yǎng)維護(hù)簡(jiǎn)便、穩(wěn)定性好、自帶溫度補(bǔ)償、Modbus ASCII協(xié)議數(shù)字輸出和模擬輸出等優(yōu)點(diǎn)。適用于泄漏報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)施工防護(hù)、簡(jiǎn)單氣體分析氣體、在線監(jiān)測(cè)、工業(yè)過(guò)程分析等場(chǎng)合。
2．2 MSP430單片機(jī)工作原理及數(shù)據(jù)處理
    MSP430單片機(jī)是德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的超低功耗Flash型16位單片機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)功能及外圍電路接口要求，選用MSP430F449型單片機(jī)，該單片機(jī)具有豐富的內(nèi)部硬件資源；內(nèi)置的溫度傳感器用于檢測(cè)環(huán)境溫度，補(bǔ)償紅外傳感器檢測(cè)的數(shù)據(jù)；其內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器用于將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；通過(guò)硬件乘法器，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)量的A／D采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行高速數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)算。數(shù)字濾波法采用去極值平均濾波法。在脈沖干擾較嚴(yán)重的場(chǎng)合，如采用一般的平均值法，則干擾將會(huì)平均到結(jié)果中去，不易消除由干擾引起的誤差。首先把Ⅳ次采樣值按大小順序排成一列，采用“冒泡排序法”，可去掉N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，再計(jì)算(N-2)個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，即為去極值平均濾波法。溫度補(bǔ)償?shù)奶幚矸椒ǎ粋鞲衅鞯撵o態(tài)特性為線性時(shí)，則溫度補(bǔ)償前的特性可表示為：

式中，x為傳感器的輸入量，y為輸出量，Y為特性曲線在y軸上的截距(即環(huán)境溫度引起的輸出增益)，k為比例系數(shù)。
    溫度補(bǔ)償公式法的步驟如下：
    (1)給定(m+1)個(gè)溫度值：T0，T1，T2，…，Tn，…，Tm，測(cè)出每一溫度下傳感器靜態(tài)特性曲線在y軸上的截距Y0，Y1，Y2，…，Yn，…Ym；
    (2)將Y表示成以溫度T為自變量的n次代數(shù)多項(xiàng)式(n<m)

用最小二乘曲線擬合法確定a0，a1，a2，…an。
    (3)在測(cè)得每一個(gè)y值及相應(yīng)T值時(shí)，首先計(jì)算出Y值，然后再求出x值

    采用數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償算法可使測(cè)量更精確，受環(huán)境溫度影響減少到最小。
2．3 按鍵、LCD顯示及報(bào)警系統(tǒng)
    按鍵用于設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間、聲光報(bào)警值以及對(duì)應(yīng)的CAN總線通信地址等參數(shù)，如果按鍵較少采用一端口對(duì)應(yīng)一按鍵，使用捕獲中斷。如果按鍵較多，則可采用行列式鍵盤以節(jié)省端口資源。LCD顯示采用LSD12864CT顯示模塊，該模塊由一組行驅(qū)動(dòng)信號(hào)IC3及兩組列驅(qū)動(dòng)信號(hào)IC2(控制左半屏)和IC1(控制右半屏)組成，其顯示點(diǎn)陣是128x64，可顯示圖形或漢字。其內(nèi)部集成行、列驅(qū)動(dòng)及顯示器緩沖區(qū)RAM的接口，同時(shí)硬件可設(shè)置顯示屏的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸方式、顯示窗口的長(zhǎng)寬等。MSP430F449內(nèi)部自帶60 KB Flash用于記錄紅外測(cè)量數(shù)據(jù)超限時(shí)刻和對(duì)應(yīng)的設(shè)置值，保存CAN接口相關(guān)參數(shù)。當(dāng)CO濃度超出設(shè)定范圍時(shí)，由聲光報(bào)警裝置提醒井下工作人員。
2．4 CAN總線接口設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)CAN接口由獨(dú)立的CAN總線控制器SJA1000、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器TJA1050組成。SJA1000是獨(dú)立CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000的AD0-AD7接MSP430的P2端口，P3．4和P3．5分別控制SJA1000的讀寫操作。MSP430初始化SJA1000，通過(guò)控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可為總線提供差動(dòng)發(fā)送功能，為CAN控制器SJA1000提供差動(dòng)接收功能。TJA1050提供CAN節(jié)點(diǎn)接口，實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸。其中CANH和CANL接到外部CAN總線網(wǎng)絡(luò)上。MSP430、SJA1000與TJA1050的連接電路如圖2所示。


 


3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電復(fù)位后首先初始化，主要包括系統(tǒng)硬件初始化及從MSP430 Flash中讀取CAN相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行設(shè)置；然后系統(tǒng)進(jìn)行按鍵掃描：如有鍵按下則進(jìn)行相應(yīng)的操作，如設(shè)置時(shí)間和CO報(bào)警濃度值、修改CAN參數(shù)、查閱報(bào)警記錄等；若無(wú)鍵按下，則采集CO濃度并進(jìn)行軟件處理，軟件處理包括數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償，用以校準(zhǔn)濃度數(shù)據(jù)。若CO濃度超限，則聲光報(bào)警通知井下工作人員并記錄報(bào)警時(shí)刻和報(bào)警值到存儲(chǔ)器中，若濃度正常則循環(huán)檢測(cè)并顯示。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。氣體濃度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸由CAN總線接口完成。當(dāng)上位機(jī)給該站發(fā)送報(bào)文時(shí)，即要求本站傳送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)才向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，這樣可減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，降低功耗。因此，CAN通信程序流程大致為：當(dāng)檢測(cè)儀接收到有效的報(bào)文時(shí)產(chǎn)生接收中斷，在中斷服務(wù)子程序中，以CAN報(bào)文形式發(fā)送C0濃度數(shù)據(jù)，采用非中斷方式發(fā)送報(bào)文，具體工作流程如圖4所示。

 


    上位機(jī)采用Delphi編寫的Windows下的可視化操作界面。Delphi是一種采用事件驅(qū)動(dòng)方式、面向?qū)ο蟮目梢暬呒?jí)編程語(yǔ)言，該系統(tǒng)的通訊軟件設(shè)計(jì)采用Delphi7．0。在Del-phi可利用的眾多串行通信控件中，SPComm控件是最簡(jiǎn)單、功能比較強(qiáng)大的一種。該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供對(duì)串口的各種操作。通過(guò)Delphi的設(shè)計(jì)可在上位機(jī)中直觀顯示當(dāng)前時(shí)間、氣體濃度。通過(guò)串口通訊還可執(zhí)行遠(yuǎn)程操作。采用采樣定時(shí)器可每隔一段時(shí)間刷新顯示的數(shù)據(jù)，從而及時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)變化。

4 結(jié)束語(yǔ)
    采用紅外光學(xué)傳感器件取代傳統(tǒng)的傳感器．安全性大大提高；結(jié)合CAN總線技術(shù)，取代傳統(tǒng)的RS232、RS485，大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。與其他現(xiàn)場(chǎng)總線比較而言，CAN總線具有通信速率高、易實(shí)現(xiàn)、性價(jià)比高等特點(diǎn)。采用TI的MSP430單片機(jī)，有較多的集成外設(shè)，降低了開發(fā)難度，且具有超低功耗。有利于節(jié)約能源。
    所設(shè)計(jì)的紅外CO檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)氣體濃度范圍寬、設(shè)備維護(hù)性好。利用MSP430F449的低功耗特性及其內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換器、乘法器、溫度傳感器等硬件資源，測(cè)量精密度大大提高。通過(guò)CAN總線接口，系統(tǒng)既可在現(xiàn)場(chǎng)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又可實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)距離、高可靠性地通信功能和遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。