基于FPGA对试验室CO浓度监测的控制系统设计

王 瑞,傅佳璐

(1.延安大学化学与化工学院，陕西 延安 716000；2.陕西省化学反应工程重点试验室，陕西 延安 716000)

基于FPGA对试验室CO浓度监测的控制系统设计

王 瑞1,2,傅佳璐1,2

(1.延安大学化学与化工学院，陕西 延安 716000；2.陕西省化学反应工程重点试验室，陕西 延安 716000)

CO气体是试验室研究中常见的有毒气体，因CO中毒引发的事故不断发生，故对试验室CO浓度的监测是非常有必要的。然而，国内对CO检测的研究起步较晚，各种检测方法、技术和仪器相对较少，应用于实际中的气体检测仪种类也不多。因此，基于现场可编程门阵列(FPGA)技术，构建了一个试验室CO浓度监测的控制系统。该系统以FPGA可编程芯片为核心，利用TGS2442作为CO监测传感器，实时采集现场CO的浓度，通过SL393将TGS2442传送过来的电压信号转化为电频信号，再将电频信号传递给FPGA芯片。FPGA接收电频信息后，对信息进行处理，及时反映现场CO浓度的含量，并以LED灯闪烁为报警信号。试验结果证明，该系统可靠性高、成本低、功耗小、实时性强，不易出现监测盲区。当CO发生泄漏时，可及时自动生成报警信号，提醒人们注意，以免发生事故。该系统具有重要的使用价值。

现场可编程门阵列； 传感器； 智能控制系统； 报警； 数据通信； 安全生产

0 引言

随着科技的不断发展，CO气体的应用范围越来越广，但不可避免地在安全生产上存在潜在危害。比如，在试验室制甲酸钠或者还原氧化铁的时候都会使用到CO，而试验室空气一般是不流通的，当发生CO泄漏的时候，试验人员很难察觉到。长时间处在CO泄漏的空间里，人们就会将其吸入体内，进而CO气体迅速与人体血液中的红细胞相结合致人中毒昏迷，如果不及时发现并进行救治，将会危及生命[1]。因此，无论在工业生产过程，还是日常生活中，CO气体的泄漏都会给人们带来身体和物质上的巨大损失。

相对于国外，国内的CO检测研究起步较晚。各种检测方法、技术和仪器相对较少，应用于实际的气体检测仪种类也不多；其用途也相对集中，主要是针对已知气体的检测和控制[1]。其中，金属气敏传感器的气体识别技术相对成熟，其原理是利用一个带有金属气敏传感器的检测电路对被测气体进行检测，通过气体作用于金属传感器，导致传感器电阻性质发生变化，从而对被测气体进行定性和定量检测[2]。我国采用傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectrometer,FTIR)以及可调谐二极管激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技术对气体浓度进行检测也处于起步阶段，仅有少数学者进行相关方面的研究[3]。因此，本文主要基于现场可编程门阵列(field programmable gate agrray,FPGA)技术来构建试验室CO浓度监测的控制系统。

1 CO浓度监测控制系统的总体设计

由于试验楼的各个试验室传感器节点分布位置是不变的，因此，本设计系统的实现以静态传感器网络为基础。各试验室采用星型拓扑结构。根据试验室安全监控的需要，在所需监测的区域随机部署大量的传感器节点，使监测节点之间通过自组织形成网络，这样就可以实时监测各个地方的情况。然后在试验室中安装一个主协调器，主要负责以试验室为单位的星型网络的建立和维护，对无线信号的中继传输，将节点监测到的数据发送给计算机，以保证数据信息的准确传输并进行远程监测。如果试验室监测的CO浓度超过设定的阈值，就能驱动警示灯发出报警信号，并将该节点所监测到的信息上传至计算机，从而及时通知相关人员。

2 CO浓度监测节点的硬件设计

CO浓度监测节点是整个气体监测系统的前端，它需要在试验室小范围内进行CO气体浓度信号的采集、数据处理、节点间的数据通信。系统硬件总体设计主要包括气体传感器、电压电频转换器、FPGA芯片、声光报警电路设计等。本系统以TGS2442为气体传感器，SL393为电压电频转换器，FPGA为数据处理芯片。利用TGS2442采集试验室 CO浓度，然后通过SL393将浓度的电压信号转化为电频信号，传送给FPGA芯片。在FPGA芯片中，对数据信号进行处理后，通过控制LED灯的闪烁来显示结果。

CO浓度监测节点的硬件设计框图如图1所示。

图1 CO浓度监测节点的硬件设计框图

2.1 CO检测模块设计

①传感器的选型。

本控制系统主要监测试验室的CO浓度，因为TGS2442传感器具有寿命长、成本低、功耗小、后期电路简单等特点，能检测出(30～100)×10-6mg/L范围内的可燃气体，且对CO有很高的灵敏度[2]，所以CO网络监测节点选择TGS2442传感器。

②TGS2442的工作机理。

传感器TGS2442在通电初期有一个被加热过程，与封装在一起的加热电阻Rs将被加热，从而改变传感器的工作温度，使它工作在对CO气体敏感的温度。Rs会与CO发生吸附反应。金属氧化物半导体的电阻变化值将会通过串联电阻RL的电压Uout体现。由此可通过式(1)、式(2)推导出输出电压Uout和半导体电阻Rs的关系[3]：

(1)

(2)

Rs=A[C]-α

(3)

式中：A为常数;C为气体浓度;α为曲线斜率。

2.2 SL393相关说明

①SL393引脚分配。

根据TGS2442的工作机理可知，CO气体浓度的测量值通过式(2)体现，而FPGA芯片只能处理电频信号，所以要在两者中间加上一个电压电频转化器SL393(它同时也是电压比较器)，从而判断高低电频[4]。SL393引脚分配如图2所示。

图2 SL393引脚分配图

图2中：OUT1接FPGA芯片；GND 接地；IN1(+)接TGS2442CO传感器的输出值；IN1(-)输入设定的CO浓度阈值对应的参考电压值。

②SL393运行机理。

SL393有两个输入端和一个输出端，其中一个输入端称为同相输入端，用“+”表示；另一个输入端称为反相输入端，用“-”表示。比较两个电压时，以任意一个输入端加一个固定电压作为参考电压(也称为门限电平，可选择SL393输入共模范围内的任何一点)，另一端加一个待比较的电压信号。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路，处于高电位。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。当两个输入端电压差大于10 mV时，就能确保输出从一种状态可靠地转换到另一种状态[5]。

2.3 Xilinx FPGA芯片

经过SL393处理后的电频信号，可以直接传送给FPGA芯片[6]。在本次设计中，选择Xilinx FPGA芯片作为整个监测节点的数据处理模块，用以接收从SL393的OUT1接口发送现场检测到的CO浓度所对应的电频值，然后根据相应的电频值作出相应的判断。在FPGA芯片与其串口电路之间，增加一个SL393电压转换芯片。

2.4 LED灯设计

LED接收到FPGA芯片传送过来的信息，根据具体的指令亮灯，以此来预警。PCB板上共有四个LED数码管，电路原理如图3所示[7]。

图3 LED电路原理图

LED的管脚映射如表1所示。

表1 LED的管脚映射

3 传感器节点的软件设计

3.1 源程序

完成硬件设计后，利用Verilog HDL语言编写程序[8]，并在Xilinx公司的Xilinx ise14.2上进行程序模拟。由于程序编写内容较多，在此不再列举。因为整个过程可能出现虚假警示的情况，所以设置LED0、LED1、LED2、LED3四个LED灯作为CO浓度的警示灯，分别为绿灯、红灯、绿灯、红灯。报警结构如图4所示。只有当LED1和LED3两个红灯同时亮时，才表示CO浓度超标;反之，如果两个绿灯或者一红灯一绿灯亮，则是安全状态，由此可防止虚假警示。

图4 报警结构图

图4中，SW0、SW1为模拟高低电频的开关，分别对应00、01、10、11四种状态,并分别表示两个绿灯、一个绿灯和一个红灯、一个红灯和一个绿灯、两个红灯。SW0控制LED0和LED1,SW1控制LED2和LED3。只有当SW0和SW1都为1时，即两者都是高电频，才能显示为CO超标预警。

当SW0为1时，LED1亮;当SW0为0时，LED0亮。SW1原理与SW0相同。

3.2 测试程序

整个程序编写完成后，分别将时钟设置为100 ns、200 ns、300 ns,利用Xilinx ise14.2对源程序进行测试与模拟，查看源程序是否如理论上的情况执行，模拟的最终结果采用波形图显示。

①当时钟为100 ns时的测试结果。

当SW0=1且SW1=0时，即SW0为高电频，LED1红灯亮，SW1为低电频，LED2绿灯亮，所以显示为一个红灯、一个绿灯，CO浓度处于安全状态，测试结果与理论分析一致，故程序可行。

②当时钟为200 ns时的测试结果。

当SW0=0且SW1=1时，即SW0为低电频，LED0绿灯亮，SW1为高电频，LED3红灯亮，所以也显示为一个红灯、一个绿灯，CO浓度处于安全状态。测试结果与理论分析一致，故程序可行。

③当时钟为300 ns时的测试结果。

当SW0=1且SW1=1时，即SW0、SW1都为高电频时，LED1红灯和LED3红灯亮，所以显示为两个红灯，CO浓度处于预警状态，即CO浓度超标。测试结果与理论分析一致，故程序可行。

经过测试程序检测，所写程序完全达到预期效果。从FPGA芯片可分别收到RST、CLK、SW0、SW1信号，控制LED0、LED1、LED2、LED3的亮暗。

综上所述，所设计的试验室CO浓度监测的智能控制系统程序编写正确，配套相应的硬件设备即可达到预定的目的。

4 结束语

本设计首次提出利用FPGA技术来开发一套可用于试验室CO浓度监测的智能控制系统。由于FPGA芯片兼容了可编程逻辑器件(programmable logic device,PLD)和通用门阵列的优点，并能排除程序中的错误，在监测过程中能及时反映现场CO浓度含量的信息。相比于其他CO浓度监测系统，本系统可靠性高、成本低、功耗小、实时性强，不易出现监测盲区。当CO发生泄漏的时候，系统可及时自动发出报警信号，

提醒人们注意，以免事故发生，因此该系统具有重要的实际使用价值。

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Design of the FPGA-Based Control System for CO Concentration Monitoring in Laboratory

WANG Rui1,2,FU Jialu1,2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Yan’an University,Yan’an 716000,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Chemical Resction Engineering,Yan’an 716000,China)

CO gas is one of the common seen toxic gases to be researched in laboratory,the accidents caused by CO poisoning occur frequently,so it is necessary to monitor the concentration of CO in laboratory.However,the study on CO detection starts late in China,and lack of relevant detection methods,techniques and instruments,the types of the gas detectors used in practice is not many either.Thus,based on field programmable gate array (FPGA) technology,the CO concentration monitoring and control system in the laboratory has been built.In the system,with FPGA programmable chip as the core,the TGS2442 is used as CO monitoring sensors,the CO concentration on site is collected in real time,then the voltage signals sent from TDS2442 are converted into the electrical signal through SL393,and the electrical signal is transmitted to FPGA chip.The FPGA receives and deal with the electric frequency information,to timely reflect the content of the CO concentration and the alarm signal of LED is flashing.Test results show that the system has advantages of high reliability and real-time performance,low cost,small power consumption,and the blind areas of monitoring are not appearing often,when CO leakage occurs,it can automatically issue alarm signals in time,and warn people to avoid the accident,it has great applicable value.

Field programmable gate array(FPGA)； Sensor； Intelligence control system； Alarm; Data communication; Safety production

国家自然科学基金资助项目(21377107)、国家级大学生创新创业训练计划基金资助项目(201610719032)、延安大学校级科研计划基金资助项目(YDQ2014—31)、延安大学化学与化工学院专项科研计划基金资助项目(YDHG2014-Z05)

王瑞(1981—)，女，硕士，讲师，主要从事过程装备与控制工程专业的教学工作。E-mail:52016768@qq.com。

TH-39;TP342

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703014

修改稿收到日期：2016-10-23