基于DSP技术的气体传感器阵列信号采集系统设计

2018-04-08

福建质量管理 2018年7期

(舞阳钢铁有限责任公司　河南　舞钢　462500)

一、引言

气体传感器是一种把气体中特定成分检测出来，并将其转化为适当电信号的器件。随着检测技术的不断发展及人们对生活水平的不断提高，对气体样本的检测已经从对单一气体的定性定量识别扩展到对混合气体成分分析。由于气体传感器工作特性的非线性和非单一选择性，使用一种气体传感器来识别某种气体或混合气体非常困难。因此科研工作者们利用气体传感器阵列中不同传感器的交叉选择性来确定混合气体中的特定成分。使用气体传感器阵列需要对大量气体传感器同时进行检测，并应用较复杂的模式识别算法对传感器响应进行计算，而国内的气体传感器阵列应用还处于实验室阶段，需要依靠多通道数据采集设备及计算机的支持。

二、系统硬件结构设计

(一)硬件主体

该系统采用DSP+CPLD设计结构，依靠DSP的对数据进行高速处理，CPLD协助DSP完成对外部设备的控制，硬件结构设计主要包含以下几个方面。由高速浮点DSP执行模式识别程序并对外设芯片进行的逻辑控制。CPLD负责对DSP和外设之间的控制信号的时序及逻辑进行协调。信号采样部分由AD芯片、多路模拟开关及信号调理电路组成，对传感器列阵产生的模拟信号进行采样。

TMS320C6720是德州仪器公司基于C67X系列DSP开发出的新一代32位低功率浮点处理芯片，工作频率最高可以达到350MHZ，自带32K内部ROM，384K内部SRAM、64K内部RAM及1个内部定时器。作为系统核心部件，DSP的性能决定了系统的整体性能，选用TMS320C6720是应为其高速浮点运算功能可以满足神经网络、聚类分析等复杂识别算法的要求。由于工作中DSP要对AD芯片、Flash及多通道模拟开关等外设进行控制，并对模拟开关的通道进行选择，而6720的I/O管脚有限，因此需要通过CPLD对控制管脚进行扩展。

该信号采集系统采用的Altera公司出品的MAX7128，协助DSP对外设逻辑和时序进行管理。

(二)AD模块

信号采集模块由单通道AD芯片、多路模拟开关及辅助电路组成，采用美国AD公司生产的AD7899单通道芯片进行模数转换。AD7899芯片采样精度14位，最高采样频率可达400KHZ。通过8路模拟开关SN74LV4051的传感器的通道选择实现单通道模数芯片对多个传感器的同时采样。通过8路模拟开关的分频，每个通道的采样频率理论上为50KHZ，考虑到开关时间损耗实际最高采样频率要低于理论值。而常用的金属氧化物气体传感器达到稳态一般需要近20秒的反应时间，因此这样的设计可以完全满足对8个金属氧化物气体传感器的同时采样。

图1　采样程序设计

三、程序设计

TI公司为DSP用户提供了CCS系列软件开发环境，支持C语言、汇编语言及两种语言的混合编程[2]。用户可以根据需要编写应用程序对DSP进行控制。CCS将应用程序编译生成.out文件，在仿真器的帮助下用户可以实现对DSP进行的在线调试。本文所设计的信号采集系统采样程序流程如图1所示。

四、系统采样实验

采样实验使用炜盛公司生产的半导体气体传感器，将4个mp-3及4个mp-4气体传感器组成的传感器阵列与DSP系统的采样通道连接，然后将阵列置入采样室。将金属氧化物传感器预热半小时，然后各个通道的采样频率设置为5HZ启动DSP系统运行采样程序，采样半分钟后开启气流阀将预先配置的200ppm甲烷气体充入采样室进行动态采样，并继续进行5分钟采样。

通过仿真器将DSP内存储的采样数据上传至计算机，得到阀门开启前后的8通道2000点采样数据如同2所示。