一种气体吸阻检测系统设计

符涛涛， 赵宏生

（1.中国电子科技集团第四十一研究所，　安徽　蚌埠　233010；2.红塔辽宁烟草有限责任公司沈阳卷烟厂，　辽宁　沈阳　110100）



一种气体吸阻检测系统设计

符涛涛1， 赵宏生2

（1.中国电子科技集团第四十一研究所，安徽蚌埠233010；2.红塔辽宁烟草有限责任公司沈阳卷烟厂，辽宁沈阳110100）

摘要：本系统以STM32F407单片机为核心，采用控制直线电机压缩气缸产生气流作为本系统的气源，流量传感器和压降传感器分别采集流向滤棒的气体瞬时流量和瞬时压力，经STM32F407单片机内部A/D转换、数据处理并存储。本系统具有吸阻测量精度高，操作简单，稳定性好等特点。

关键词：直线电机；吸阻；滤棒；流量传感器；压降传感器

一、引言

气体流量测量技术广泛应用于国民生产的各个领域[1]，随着科学技术的发展和自动化程度的不断提高，对该技术提出的要求也越来越高，传统的气体流量检测往往需要借助外部气源才可以进行检测，且检测瞬时流量精度低，可靠性差，已经无法满足人们对气体流量检测的要求。因此，设计具有气源与检测一体，且检测精度高，可靠性好，操作简单的气体吸阻检测系统具有十分重要的意义。

二、系统构成

（一）气体吸阻检测系统原理

系统总体设计思想如图1，系统包括控制模块、电机驱动模块和数据采集模块。控制模块主要由STM32F407单片机构成，电机驱动模块包括电机驱动器、直线电机和气缸，数据采集模块包括流量传感器、压降传感器及与之对应的信号调理电路。控制模块输出PWM脉冲经过电机驱动器驱动直线电机压缩气缸产生气流，流向滤棒，同时控制流量传感器和压降传感器采集这个过程中气流的瞬时流量和压降，最终对采集到的数据并进行一定的处理后可输出、显示和存储。

图1　系统原理框图

本系统的关键是气源的设计，控制模块产生可调频率和脉冲数的PWM脉冲信号经过电机驱动器驱动直线电机做出直线运动最终压缩气缸产生气流形成气源。脉冲信号的频率高低直接决定直线电机作出直线运动的快慢，进而影响到气源的流速，脉冲数决定了步进电机运动的步数即直线电机作出直线运动的时间。脉冲信号的频率变化大，脉冲数设置不当会导致直线电机运行不连续并产生电机抖动的现象，因此脉冲的频率和该频率下需要的脉冲数不可以随意设计，这里是通过构造函数的方法产生不同的频率值最终实现频率和脉冲数的变化，设计不同的函数会得到不同的结果。本系统构造的是一元二次函数y=f(x)作为脉冲信号的频率，对f(x)曲线进行细分，将整个曲线细分为n等份，如图2，对应了n个频率值，直线电机对气缸压缩一次需要的时间为T，单位为秒，假设每个频率下直线电机运行相等的时间间隔，每个频率f(x)对应着的脉冲数m(x)=△T*f(x)，频率f(x)与该频率下的脉冲数m(x)共同决定了直线电机在该频率下运行的时间间隔，直线电机运行的总时间，由于PWM脉冲信号的频率f ( x)与直线电机速度Va( x)成线性关系，脉冲数m ( x)与步进电机的步数S ( x)成线性关系，直线电机速度Va( x)与最终输出的气源流速Vb( x)成线性关系，K1、K2和K3为线性系数，则

因此流量传感器和压降传感器采集的数据最终也是趋于一元二次函数的曲线图。

图2　曲线细分n等份

1.控制模块

控制模块主要功能包括PWM输出、A/D转换、数字滤波、数据传输、复位、键盘、通信、显示和存储。

控制模块以STM32F407单片机为核心，该单片机基于ARM CortexTM-M4内核，具有内核时钟频率高，支持浮点运算，处理能力强，内部资源丰富等特点。具有三个独立ADC，每个ADC多达19路采集通道，其中16路用于采集外部源信号，3路用于采集内部源信号，分辨率配置灵活，可选配置为6、8、10或12bit，单通道12bit分辨率最高采样速率为2.4Msps，可通过牺牲采样精度来提高采用速率。多达14个定时器，包含2个高级定时器、10个通用定时器和2个基本定时器，使用灵活，配置方便。包含两个DMA（直接存储器访问）控制器，用于外设与存储器之间以及存储器与存储器之间进行高速数据传输。

2.电机驱动模块

电机驱动模块主要功能是通过电机驱动器控制直线电机作出直线运动。控制模块输出给定的频率脉冲信号，经电机驱动器控制直线电机以设定的启动、停止加速度和运行速度压缩气缸产生特定流速的气流，该气流作为本系统吸阻检测的气源。

电机驱动器控制模式多样，包括通信控制、脉冲输入控制和模拟输入控制。本系统采用脉冲输入信号控制，内部带有光耦隔离功能，抗干扰能力强，最大脉冲输入信号频率为10KHz，支持外部限位传感器输入信号，有利于对直线电机运行极限位置的控制。直线电机以步进电机为核心，精度高且可控性好。

3.数据采集模块

数据采集模块实现对气源流速和压降信息的采集。本系统所采用的流量传感器具有采集微小气体瞬时流量的能力，检测气体瞬时流量范围在0SLPM~ 2.0SLPM，对应的模拟输出在0.5V~2V。压降传感器检测气体压力范围在0psi~2.5psi，对应的模拟输出在0V~5V，具有高精度，稳定性好等特点。

图3　气源产生软件流程图

图4　数据采集软件流程图

（二）软件

系统产生气源软件流程图如图3，通过在单片机内部配置定时器TIM8产生频率和脉冲数均可调的PWM脉冲经电机驱动器控制电机运行，不同的频率对应着不同的电机运行速度，频率越高，电机运行速度越快。

使用STM32F407内部高级定时器TIM8设计输出可调频率和脉冲数的PWM，该定时器包含一个8位重复计数器，通过对此重复计数器的设置可以输出可调的PWM脉冲数m，最多可设置输出256个PWM脉冲数。

A/D转换涉及到单片机内部TIM3、ADC3、DMA2、FSMC和NVIC的配置，首先设置定时器TIM3产生频率为1KHz的PWM脉冲信号触发并转换ADC3，每次触发ADC3后单片机会依次进行扫描被配置的ADC3各个通道，配置单片机内部ADC3的通道1和通道2作为流量传感器和压降传感器模拟信号采集入口，A/D转换结束立即关闭ADC同时向DMA发出数据传输请求，转换结果通过DMA保存到内部SRAM中。

当电机产生直线运动的同时，启动单片机内部ADC3，图4为数据采集软件流程图，定时器产生1ms脉冲信号，触发A/D转换通道1和通道2，转换结束后关闭ADC3，保证了每个定时器脉冲信号只触发一次A/D转换，转换结果通过DMA保存到单片机内部SRAM中，采样结束后对所有数据进行数字滤波处理，最终结果可以显示、通信和存储。

三、实验

本系统构造的函数为一元二次函数，表现为抛物线的形状，对该函数值进行细分作为后级直线电机工作的频率，根据固定的时间间隔计算得到某频率下的周期数共同控制直线电机完成抽吸过程，气源分别经过1.965k滤棒和4.06k滤棒，图5-图8为系统中流量传感器与压降传感器采集的数据，采集了5000个点，时间间隔为1ms，采集后的数据表现为抛物线形状，流量传感器与压降传感器采集的数据表现的趋势一致。

图5　对1.965K滤棒进行瞬时流量数据采集

图6　对1.965K滤棒进行压降数据采集

图7　对4.06K滤棒进行瞬时流量数据采集

图8　对4.06K滤棒进行压降数据采集

四、结论

该系统是通过在单片机内部构造函数使其产生不同频率和不同数目的PWM脉冲信号经过电机驱动器控制直线电机做出直线运动压缩气缸产生气流，该气流作为本系统中对气体检测的气源，流量传感器和压降传感器完成整个过程对数据的采集。系统采集的数据最终表现的趋势会与所构造函数曲线表现一致，且系统具有精度高，稳定性好和操作简单方便等特点。

参考文献：

[1]李得天,冯焱，等.极小气体流量测量技术研究.真空科学与技术学报,2011，（7、8）.

[2]STMicroelectronics.STM32F405xx STM32F407xx Datasheet production data.http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/DM0003 7051.pdf,2012.

（责任编辑：袁媛）

中图分类号：TP368.1

文献标识码：B

[文章编号]1671－802X(2016)02－0042－04

收稿日期：＊2016－03－08

作者简介：符涛涛(1986-)，男，安徽蚌埠人，助理工程师。研究方向：自动控制。E-mail:317987632@qq.com.

Design of Gas Draw Resistance Measurement System

FU Tao-tao1,ZHAO Hong-sheng2
(1.The 41st Institute of CECT,Bengbu 233010,Anhui；2.Shenyang Cigarette Factory,Hongta Liaoning Tobacco Co.,Ltd.，Shenyang 110100,Liaoning）

Abstract：Based on the Singlechip STM32F407,a new gas draw resistance measurement system is designed.In the design,the gas flow generated by compressed air cylinder controlled by linear motor is used as the gas flow source.The instantaneous flow and pressure of the gas flowing to the filter rod can be acquired by flow sensor and pressure sensor in the system,which are finally converted,processed and stored by the Singlechip STM32F407.The system has characteristics of high measurement precision,simple operation and good stability. Key words：linear motor;draw resistance;filter rod;flow sensor;pressure sensor