智能酒精测试仪中信息处理模块的设计与测试*

2012-07-08李耀辉

精密制造与自动化 2012年3期

李耀辉

（许昌学院电气信息工程学院河南许昌 461000）

1 设计思想

信息处理模块的设计与实现是智能酒精测试仪(也称电子鼻)[1]的核心模块，其完成了对酒精气体的信号采集和预处理。该模块主要包括燃料电池（Fuel Cell）传感器电路、压力传感器电路、加热、温度传感电路及信号滤波放大电路[2]。基本设计思路如图1所示。

图1 信息处理模块的设计思路

2 信息处理模块的硬件设计

2.1 压力传感器电路

压力传感器电路是使能数据采样的关键，为实现电压变化与酒精气体浓度之间的近似线性关系，当呼气压力达到一定标准的时候，才能保证采样有效。当人体呼气经过燃烧室后，压力传感器检测气流压力，转化为电信号，通过CMOS运算放大器[3]放大输出给PSENSE引脚。其中该引脚连接到LPC2210的P2.25，当气流压力达到预定的数值时，PSENSE输出高电平，LPC2210发出指令让信息处理模块开始采样，从而将气体中的酒精浓度转化为电量输出。

2.2 Fuel Cell传感器电路和加热、温度传感电路

图2 Fuel Cell（上）及加热、温度传感器电路（下）

Fuel Cell传感器电路采用7位排针排母的接口方式，其中附有7位的排母，如图2所示。两端的1、7位是Fuel Cell的正负极，2和6引脚控制加热电阻，3、4、5引脚主要完成Fuel Cell的温度控制。其中要说明的是HEAT通过场效应管Q1连接到6引脚用来控制加热电阻工作，HEAT是由LPC2210通过74LCX373扩展出的埠。加热、温度传感电路是Fuel Cell传感器电路的辅助电路，辅助完成加热和温度控制功能。在7位排针接口中，两端的1和7位连接到Fuel Cell传感器的正负极，2和6位接加热电阻板两端，加热电阻板采用4×120 Ω的贴片电阻，用来加热燃烧室，控制其工作的在Fuel Cell传感器电路；此电路的温度测量芯片采用的是LM60，测量范围在-40～+125°C，LM60的输出电压与温度基本成线性关系（+6.25 mV/°C），并且存在一个直流偏移（+424 mV），因此，在-40～25°C的范围内，正常的输出电压范围应该是+174 mV～+1 205 mV。

3 信息处理模块中 A/D转换驱动的开发

LPC2210具有1个10位逐次比较的A/D转换器，有8个A/D输入引脚。系统设计用到了AIN0~AIN3四个引脚为FuelCell信号输入，AIN4和AIN5为温度信号输入。

首先建立设备文件，驱动程序默认的主设备号为124，从设备号来标识A/D的输入通道号，0代表通道0，1代表通道1，以此类推，代码为：mknod/dev/ADC0.0 c 124 0，mknod /dev/ADC0.1 c 124 1，mknod /dev/ADC0.2 c 124 2，mknod /dev/ADC0.3 c 124 3。然后编写adc.h头文件，在头文件中定义了两个宏，对应ioctl()函数体中的特殊命令，即设置A/D工作频率和设置A/D转换精度。编写内核接口函数adc_init()、open()、close()、ioctl()和read()，注意对于A/D来说，每次读的数据量是相对确定的，每次read()调用是不可分割的。

最后建立Makefile文件，通过make命令编译驱动程序，得到ADC驱动模块文件adc，在操作系统中执行“insmod adc”，就可以使用ADC转换功能了。

在使用ADC之前，先调用adc_init()进行初始化，然后用open()打开设备获取设备节点的从设备号，并判断A/D通道的被使用情况；接着用ioctl()函数设置A/D转换的时钟和转换精度，代码如下：ioctl(fd，ADC_SET_CLKDIV， (Fpclk + fadc - 1) /fadc - 1)；ioctl(fd， ADC_SET_BITS，10)。其中VPB总线的频率为11.059 2 MHz，fadc设置为4.5 MHz，精度设为10。

最后，等待Fuel Cell信号触发，读取A/D转换结果，即：read(fd， &ad_data， sizeof(ad_data))。

随着智能酒精测试仪系统的硬件及软件设计的完成，接着要对系统的指标进行评价。这就需要明确测试标准，配制出复合标准的定量酒精气体是系统测试的关键，测试标准是对测试结果分析的唯一依据，标准的明确是系统分析的关键。

4 信息处理模块的测试

模块测试仪用到酒精气体模拟器、≥99.7%的无水酒精、数字万用表、微量取样器、U型液体压力计、数显温湿度计、电子秒表及量筒、烧杯、滴管等化学容器。其中酒精气体模拟器采用美国生产的Guth 34C模拟器，它能够配置产生定量的标准酒精与空气的混合气体，并将温度控制在33.8～34.2℃范围内，最大允许误差在0.090～0.105 g/220 L。另外，数显温湿度计的测量湿度在 10%RH至90%RH之间，最大允许误差1.9%RH，温度在0～50℃，最大允许误差0.4℃。

4.1 系统的测试流程

首先为系统测试准备良好的环境条件，如室内温度要控制在（25±2）℃，相对湿度控制到≤80%RH。要清理Guth 34C模拟器的容器，准备好无水酒精及取样器具等，接着配置定量的标准酒精混合气体。用量筒取纯净水 500 mL，倒入模拟器的配液容器中，用微量取样器取定量的酒精液体，放入模拟器配液容器，装配好模拟器，预热 30分钟左右，调节好气体流量范围；然后吹气检测，模拟器的进气端接外部气泵，排气端接智能酒精测试仪的进气口，通过外部气泵的气流压力，将空气和模拟器中的酒精气体混合并压出，进入智能酒精测试仪进行检测，最后读取测试数据，并分析结果。

4.2 系统测试标准

针对测试标准，要说明的是智能酒精测试仪对检测酒精浓度的计算方法。由于研究开发的智能酒精测试仪是针对检测人醉酒程度的，因此要判断显示人体内血液中的酒精含量。大量的统计研究结果表明，如果被测者深吸气后以中等力度呼气达3秒钟以上，这时呼出的气就是从肺部深处出来的气体，而呼气中的酒精含量与血液中的酒精含量有如下关系：

此外，系统处理后的数据为血液酒精浓度，采用mg/100 mL为单位，换算关系为：血液酒精浓度（mg/100 mL) = 呼气酒精浓度 (mg/L)×220，这样， 50 mg/100 mL的血液酒精浓度相当于0.227 mg/L的呼气酒精浓度。除了血液酒精浓度与呼气酒精浓度之间存在系数换算关系，呼气酒精浓度与FuelCell所产生的电压值也有系数关系，处理器将FuelCell通过电化学反应产生的电压VOL取到，通过换算得到呼气酒精浓度的值，即呼气酒精浓度(mg/L)=Z×VOL（mV），其中系数Z就是FuelCell的增益系数。由于FuelCell本身特性会因时间及化学反应等因素的影响而衰减，因此在校核时要校准这个增益系数Z。至此，智能酒精测试仪系统所显示的血液酒精浓度（mg/100 mL）的计算公式为：

在“车辆驾驶人员血液、呼气酒精含量阀值与检验”的国家标准[4]中，对饮酒驾车和醉酒驾车有明确的定义：饮酒驾车指的是车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于20 mg/100 ml，小于80 mg/100 ml的驾驶行为；醉酒驾车指的是车辆驾驶人员血液中的酒精含量大于或者等于80 mg/100 ml的驾驶行为。这就决定了饮酒驾车血液酒精浓度的临界值为20 mg/100 mL，而醉酒驾车血液酒精浓度的临界值为80 mg/100 mL，其误差范围和重复性标准按国家规定标准[5]，见表1。

表1 示值误差与重复性标准

5 系统系统测试结果与分析

对于示值误差及重复性检测采取的方案及数学模型为：配置浓度在0.07 mg/L～0.4 mg/L（取0.1 mg/L）的酒精气体，在3个不同时间用智能酒精测试仪连续测量10次。

式(4)中： C0为标准酒精气体浓度，mg/L；为酒精测试仪示值的平均值，mg/L。

式(5)中： Ci为第i次测量结果，mg/L；为酒精测试仪n次测量值平均值，mg/L。

配置示值浓度和气体浓度为22 mg/100 mL和0.100 mg/L的酒精溶液，通过3个不同的时间段对其进行了3次数据统计，并根据配比和公式计算得到其均值，见表2。

表2 测试数据统计表

根据表2可知，第一次对于示值误差：

当C0= 0.100 mg/L时，

对于重复性：当C0= 0.1 mg/L时，

第二次对于示值误差：当0C= 0.100 mg/L时，

对于重复性：当0C= 0.100 mg/L时，

该浓度的气体经过3次检测后，示值误差和重复性均超出了范围，但都在标准规定范围内。图3所示是3次对浓度为0.1 mg/L酒精气体的检测比较，阴影数据表示没有达到标准，其中包括示值误差和重复性。从图3中可以看出，第2次曲线呈基本平稳并略有上升，而第1次和第3次曲线基本呈下降趋势；从点划线的平均值可以看出，测试结果随时间呈下降趋势，其中第2次测试的结果最靠近原始值，当然这也受原始配气的不确定性影响；在第3次测试时，测试结果一部分超出标准规定的区域，而且平均值也超出了误差范围。系统测试低浓度酒精气体时，存在不确定性，准确度为80%，说明系统在检测时，特别是检测低浓度气体时，存在着不稳定性。