基于ARM CortexM0的可燃气体无线检测系统＊－

徐 明 黄 义 滕 哲

（海军大连舰艇学院 大连 116018）

1 引言

在舰船上一些场合会有可燃气体产生或者泄露，这就需要检测设备进行检测。由于舰艇环境的特殊性，这就需要监控系统能达到全面、准确、实时的需求。同时又需要进行多点检测，要求采用无线传输数据。并且也要求各个检测节点能工作更长的时间，这就需要设计出低功耗的系统。所以本文介绍一种使用具有低功耗ARM Cortex－M0[1]内核的MCU为核心的无线检测系统。这种无线采集检测系统可以满足舰船环境的特殊要求。

2 组成与设计原理

基于ARM Cortex－M0的可燃气体无线检测系统组成如图1所示，其中MCU采用是基于ARM Cortex－M0低功耗内核的32位单片机LPC1114[2]。由于在舰上检测过程中，需要在多个检测点采集数据，所以整个系统由32个检测节点、1个采集节点和上位机组成。检测节点由MCU模块、气体传感器模块、无线模块组成。其中由MCU模块中的LPC1114单片机接受传感器数据并控制无线模块发送数据。采集节点则是由MCU模块接受无线模块传输的检测节点的数据，然后通过USB接口将数据上传到上位机。

图1 可燃气体无线检测系统结构框架

具体工作流程如下：初始化后，检测32个检测节点的完好性并反馈信息，然后进入数据采集阶段。各个检测节点的气体检测传感器模块检测到的气体浓度数值输出相应的模拟量，MCU通过带ADC（模数转换）IO引脚采集到传感器模块输出的模拟量，并转换成数字量通过SPI总线控制无线模块发送。采集节点依次搜集各个检测节点的数据并由MCU通过USB上传给上位机，上位机显示数值并保存数据和打印结果。

3 硬件设计

3.1 MCU模块

LPC1114[3]是基于ARMCortex－M0的微控制器，可用于高集成度和低功耗的嵌入式应用。工作频率为50MHz。LPC1114的外设包括：32kB的Flash、8kB的数据存储器、一个Fast－mode Plus的I2C接口、一个RS－485／EIA－485UART、两个SSP接口、4个通用定时器，以及42个通用I／O引脚。具有看门狗定时器和系统节拍定时器。10位ADC，在8个引脚之间实现输入多路复用；GPIO引脚可以用作边沿和电平触发的中断源；有三种节能模式：睡眠、深度睡眠和深度掉电；集成的PMU（Power Management Unit）[4]在睡眠、深度睡眠和深度掉电模式下自动调节内部稳压器，将功耗降至最低；通过片内Bootloader软件来实现在系统编程（ISP）和在应用中编程（IAP）。

3.2 无线模块

nRF905[5]是一款单片射频发射器芯片，采用32引脚，5mm×5mmQFN封装，工作于433、868、915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，其中国内433频段可以免费使用。nRF905由频率合成器、接收调节器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块组成，不需要外加滤波器也可以得到良好的通信效果。nRF905使用SPI接口可以和任何MCU进行通信，其中地址、输出功率和通信频道可以通过程序进行配置，所以可以用于多机通信。nRF905融合了ShockBurstTM技术，可以自动处理数据包字头，且内置CRC校验功能，确保数据可靠传输。nRF905功耗很低，在以－10dBm的功率发射时，工作电流也只有11mA；而对应接收机的工作电流只有12.5mA，芯片可以软件设置空闲模式、关机模式，易于节能设计。适合工业数据采集、无线报警及安全系统等诸多领域应用。

3.3 传感器模块

MQ－2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号[5]。

MQ－2气体传感器对液化气、丙烷、氢气的灵敏度高，对天然气和其它可燃蒸汽的检测也很理想[6]。这种传感器可检测多种可燃性气体，是一款适合多种应用的低成本传感器。MQ－2气敏元件由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层，测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内，加热器为气敏元件提供了必要的工作条件[7]。封装好的气敏元件有6只针状管脚，其中4个用于信号取出，两个用于提供加热电流[8]。

图2 传感器模块电路图

传感器模块电路图如图2所示，采用双信号输出，模拟量和TTL电平输出[9]。TTL输出有效信号为低电平，可以用于LED信号指示，其中引脚1为输出TTL信号LED指示。

模拟量输出0～5V电压，浓度越高电压越高。输出TTL的灵敏度可通过电位器调节。MCU带ADC的IO口读取模拟量[10]。

3.4 总体硬件设计

图3 测量节点电路

系统包括32个检测节点和1个采集节点组成。检测节点电路包括：传感器模块电路、MCU及外围电路和无线射频模块电路，如图3所示。其中传感器模块输出的是模拟量，通过MCU自带的AD转换I／O口读取数据，再通过SPI总线控制无线模块发送测量得到的数据。采集节点上还带有按键电路，用于修正和更改测量节点的无线射频地址。

采集节点电路由无线射频模块电路和MCU及外围电路以及USB接口电路组成，如图4所示。由于LPC1114单片机没有片上USB控制器，所以需要一个USB接口芯片。这里选用了PDISUSBD12芯片，并使用自定义USB＿HID设备的形式与上位PC进行通信，这种方式的优点是不需要开发专门的驱动，连接方便。采集节点的MCU通过USB接收上位机的指令，并用SPI总线控制无线射频电路收发信息，再通过USB把收到的数据传给上位机。

图4 采集节点电路

4 软件设计

4.1 检测节点软件设计

检测节点的通过传感器模块测量空气中可燃气体的含量，在无线模块接收到采集节点发出的采集指令后，用MCU上带ADC的I／O口测出电压，再反查出气体含量数值，并给采集节点回发测量数值。各个检测节点有不同的无线射频发射地址ID，当需要更改地址的时候可以通过按键进行修改。

4.2 采集节点软件设计

采集节点在接收到上位机发出的采集信息的指令后，给32个检测节点地址依次发送指令，得到回复信息后把接收到的各个检测节点的数据上传给上位机显示。如果某个地址没有回复，就上传这个地址为空的信息。采集节点与上位机连接是用USB接口，并且是作为上位机的USD＿HID设备。通过USB把数据传输给上位机[11]。

4.3 上位机软件设计

上位机软件用来控制采集节点发送指令并显示和存贮采集节点接收和上传的各个检测节点的数据。界面采用了Windows传统的GUI界面，如图5所示，左边为控制按钮区，右边为显示列表，可以列表显示各个检测节点的数据和测量时间。同时可以把数据保存为文件存储在上位机硬盘上。

图5 上位机程序的GUI界面

5 结语

本系统充分利用了使用Cortex－M0内核的32位微控制器LPC1114的高效性和低功耗，同时采用了基于nRF905的无线数传芯片，满足了多点大面积气体浓度检测的工作需求，同时也保证了低功耗的运行，使系统在使用的时候能有较长的工作时间。在实际测试中，测试节点与采集节点的最远无线传输距离可以达到200m，同时安装与使用方便，具有低功耗、实时性强、扩展容易、成本低廉的特点，非常适合在舰船上使用，具有广泛的应用推广前景。

[1]恩智浦半导体公司 LPC1111／12／13／14微处理器数据手册[R].2009：1－4.

[2]恩智浦半导体公司 LPC111x用户手册[R].2009：1－7.

[3]ARM 公司Cortex－M0技术参考手册[R].2009：1－10.

[4]ARM 公司Cortex－M0用户指导用书[R].2009：1－10.

[5]诺迪克半导体公司 单芯片发送接收nRF905产品技术规格说明[R].2006：2－7.

[6]刘新，李淑娥.气体传感器的应用与发展[J].中国西部科技，2008，7（14）；13－15.

[7]刘义祥.气敏材料与气体传感器的发展与展望[J].消防科技与产品信息，2000（10）；6－8.

[8]杨帮朝，段建华.一氧化碳传感器的应用和进展[J].传感器技术，2001，20（12）：1－4.

[9]张硕.低功耗CO敏感元件的研制[J].云南大学学报，1997，19（2）：125－128.

[10]徐甲强，韩建军，孙雨安.半导体气体传感器敏感机理的研究发展[J].传感器与微系统，2006，25（11）：5－8.

[11]李宁.基于MDK的LPC1100处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010：26－30.