摘要：提出一種基于微處理器S3C2410的氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。針對(duì)由傳感器輸出的微弱電流信號(hào)，設(shè)計(jì)了低噪聲、高抗干擾的前端信號(hào)調(diào)理電路，并利用SPI實(shí)現(xiàn)了ADC與S3C2410的數(shù)據(jù)傳輸。為微模壓電感器處理器S3C2410移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)搭建了軟件操作平臺(tái)，完成了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外圍設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、數(shù)據(jù)處理程序以及圖形界面程共模電感序等軟件設(shè)計(jì)。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和靈活性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)；調(diào)理電路；S3C2410；嵌入式Linux；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；AD7888；H2／C-1000
引言
零碳排放的氫燃料作為一種高效、清潔、可再生的能源，得到了國際能源界的廣泛認(rèn)同。氫氣也在石油化工、電子工業(yè)、食品工業(yè)、航空航天工業(yè)等領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用。然而，氫氣是一種無色無味、攜帶極不方便、極易泄漏的氣體，在室溫和標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，氫氣與空氣的混合比例達(dá)到4．1％～74．1％時(shí)遇明火極易爆炸。為了減小使用氫氣的安全隱患，開發(fā)出一套安全、可靠、靈敏度高的氫氣濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有十分重要的意義。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
采集到的氫傳感信號(hào)經(jīng)過低噪聲放大電路進(jìn)行放大處理，并在低通濾波器濾除信號(hào)中的高頻噪聲。然后，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器電感送入ARM處理器S3C2410，ARM處理器再調(diào)用應(yīng)用程序?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理，模壓電感最后實(shí)時(shí)顯示濃度值，并在濃度超出限定值時(shí)做出報(bào)警處理。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)中所選氫氣傳感器為瑞士Membrapor生產(chǎn)的H2／C-1000。它的主要指標(biāo)有：測(cè)量范圍O～1 000 mg／m3，最大負(fù)載2000 mg／m3，輸出信號(hào)為30±10 nA每mg／m3，分辨率2 mg／m3，響應(yīng)時(shí)間<45 s，溫度范圍-20～40℃，典型信號(hào)漂移<2％／月。可見，傳感器輸出的信號(hào)范圍為0～40μA甚至nA級(jí)的微弱直流信號(hào)。這里首先利用I／V轉(zhuǎn)換電路將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再利用后級(jí)的差動(dòng)放大電路將其放大到A／D能采集的電壓范圍。然后，將其經(jīng)過二階低通濾波處理后送入A／D轉(zhuǎn)換器。最后由微處理器S3C2410處理采集到的數(shù)值信號(hào)。
2．1 微弱信號(hào)放大電路
根據(jù)弗里斯定理可知，I／V轉(zhuǎn)換引入的外界干擾和噪聲，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)性能影響最顯著，為此必須選用開環(huán)輸入電阻高、輸入偏置電流小、噪聲小的精密運(yùn)算放大器。這里選用斬波穩(wěn)零的高精度運(yùn)放ICL7650，其輸入電阻為1012Ω，偏置電流為1．5 pA，輸入失調(diào)電壓為1μV，失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0．01μV／℃，共模抑制比為130 dB。后級(jí)的差動(dòng)放大選用內(nèi)部具有三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的儀用放大器AD620AN。它具有共模抑制比高，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小、功耗低，差動(dòng)輸入、單端輸出，電壓增益由電阻RG確定，且連續(xù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的前端信號(hào)放大電路如圖2所示。
輸入電流I1進(jìn)入放大器ICL7650的反向端，輸出電壓正比于輸入電流，電壓U1=I1R2。為防止產(chǎn)生高頻振蕩，在電阻R2上并接了電容C1。R1為ICL7650的限電感器廠家流保護(hù)電阻。經(jīng)過I／V轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)U1和R4上所分得的電壓一起，作為差動(dòng)輸入進(jìn)入儀用放大器AD620AN，它的放大倍數(shù)僅由電阻RG(即R6)決定，增益公式為G=(49．4 kΩ／R6)+1。由于R4上所得的電壓為一恒定值，而U1會(huì)隨著輸入信號(hào)的變化而變化，那么AD620AN的輸出端電壓信號(hào)U2即包含了一定的基底電壓和被測(cè)信號(hào)量，對(duì)其進(jìn)行濾波采樣后，進(jìn)行處理，可以從中分離出需要補(bǔ)償?shù)幕纂妷海玫綄?shí)際的被測(cè)信號(hào)。由于基底電壓是緩變的直流信號(hào)，在一定的時(shí)間(min級(jí))內(nèi)為定值，因此可以忽略處理時(shí)間(ms級(jí))，保證實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。電路中的R3和R5與G2組成低通濾波電路，可以防止高頻噪聲進(jìn)入放大器，減小噪聲干擾。
2．2 濾波電路
經(jīng)過放大后的直流信號(hào)附有噪聲干擾，對(duì)于傳感器信號(hào)濾波最常用的是RC有源模擬濾波器，即用運(yùn)算放大器和電阻、電容構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、成本低的特點(diǎn)。因此采用由2個(gè)2階巴特沃斯有源濾波電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成的截止頻率為50 Hz的4階巴特沃斯低通濾波器。
2．3 ADC與微處理器接口電路
氫氣傳感器輸出信號(hào)頻率一般都遠(yuǎn)小于1 kHz。根據(jù)香農(nóng)采樣定理可知，采樣頻率至少要大于信號(hào)最高頻率的2倍。另外，為了滿足最小2 mg／m3的分辨率，這里采用美國ADI公司推出的一款高速低功耗串行12位8 通道A／D轉(zhuǎn)換器AD7888。它是單電源工作，電壓VDD范圍為2．7～5．25 V。AD7888有2．5 V的片內(nèi)基準(zhǔn)電壓，也可以使用外部基準(zhǔn)電壓，范圍從1．2 V到VDD。模擬輸入電壓從O到VREF，采樣頻率可高達(dá)125 kHz，可與多種串行接口(SPI／QSPI／MICROWIRE／DSP)兼容。
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