基于FPGA的多氣體智能監測系統設計與研究

郝智皓，黃釘勁，王錦濤

(西安工業大學 光電工程學院，西安 710021)

0 引言

隨著我國近幾年來大氣污染越來越嚴重，大氣監測與治理任務越來越重。無人機遙感技術作為繼航空、航天之后的第 3 代遙感技術, 具有立體監測、響應速度快、監測范圍廣、地形干擾小等優點, 是今后進行大氣突發事件污染源識別和濃度監測的重要發展方向之一[1]?？捎糜趦逇怏w泄漏、火災現場檢測、煙道檢測、工業園區檢測、石油管道檢測的監測任務中。

但由于無人機載荷有限，要完成多種氣體監測工作需要搭載多種類型的氣體傳感器。而現在使用的氣體監測系統多以ARM處理器作為中控芯片，由于ARM(Advanced RISC Machine,ARM)處理器外設固定，并且氣體監測時所使用的各類傳感器的通訊形式與協議各不相同，實現多種氣體同步采集，必須另外設計擴展電路，這就導致大氣監測系統的功耗與重量極大增加，對其研發過程帶來了一定挑戰[2]。此外，當氣體監測系統中的數據采集模塊以ARM處理器或數字信號處理器(Digital Signal Processing,DSP)為控制核心時，并不能有效解決高速數據采集處理過程中存在的實時性和同步性差的技術難題[3]。因此需要設計一種適用于以無人機為搭載平臺實現多種氣體實時同步檢測的大氣監測系統。

FPGA芯片具有引腳數目多，編程配置靈活、純硬件并行控制、時鐘頻率高、抗干擾能力強、功耗低(相比于ARM芯片)，邏輯控制能力強等優點[4-5]。本文設計了一種以FPGA為主控芯片的多通道同步氣體監測系統，在簡化系統電路結構的同時增加了系統的靈活性、擴展性，且兼容多種氣體傳感器，可完成對前端數據的采集，存儲、各通道的選通控制、以及數據的無線傳輸等，實現了多種有毒有害可燃氣體的遠程實時、同步采集。

1 系統結構及原理

該系統由傳感器陣列，空氣泵、主控制器、無線串口模塊、GPRS無線數據模塊、Flash存儲、上位機組成。總體結構設計如圖1所示。傳感器陣列可掛載6個7NE系列智能氣體傳感器、PM2.5PM10傳感器、溫濕度傳感器，完成對溫濕度、PM2.5/10、二氧化氮、二氧化硫、臭氧等8種氣體濃度的同步實時采集；空氣泵通過控制電路與FPGA主控芯片相連，當該系統到達檢測現場時，遠程控制空氣泵的開閉狀態，為各個氣體傳感器泵吸大氣實現氣體的泵吸式檢測的同時減小了系統的功耗；主控制器采用Xilinx公司的Spartan6系列的FPGA，通過控制空氣泵的開閉、端口的通斷、循環采集時間、傳感器的工作狀態等，實現了數據同步處理、實時采集、數據緩存、時序約束、端口控制、數據存儲、數據傳輸等功能；無線串口模塊與GPRS模塊均用于數據的遠程無線傳輸，對于較近距離的檢測任務可使用無線串口模塊對監測系統進行指令下發和實時監測數據的接收，在進行遠距離監測任務時可使用GPRS無線傳輸模塊通過服務器對監測系統進行指令下發和實時監測數據的接收；上位機為遠程端，用于實時顯示監控數據生成相應的趨勢曲線。本系統需要對傳感器陣列進行同步實時循環測量與控制，并對測量數據進行緩存、判斷、處理、存儲與傳輸。主要包括命令解析、傳感器狀態管理、信號通道切換、數據存儲、數據上傳等功能。

圖1 系統總體結構

2 系統硬件設計

采集系統硬件設計主要分為FPGA與傳感器陣列的硬件連接、空氣泵控制電路、無線通訊模塊等。硬件設計連接如圖2所示。

圖2 硬件連接

傳感器陣列共設有8組接口，可連接6個圣凱安公司所生產的7NE系列傳感器，一個攀升科技有限公司生產的PMSA003 PM2.5/10傳感器，一個DHT11數字式溫濕度傳感器。

該系統使用的DHT11數字溫濕度傳感器，使用數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術。該產品體積小、功耗低、濕度測量范圍20%～90%、測濕精度±5%、溫度測量范圍0～50 ℃、測溫精度±2 ℃。它包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，輸出經過內置的高性能8位單片機進行校準。其經過實驗室校準，將校準系數存儲于OTP內存之中，在檢測過程中調用這些系數對測量結果進行校準。由于其為單總線數字式數據輸出，因此可減少模擬信號與數字信號的轉換電路設計，提高了檢測速率。

PMSA003是一款基于激光散射原理的數字式通用顆粒物傳感器，令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強度隨時間變化的曲線。進而微處理器基于米氏(MIE)理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內不同粒徑的顆粒物數量，進而換算成為質量濃度，并以通用數字接口形式輸出。其顆粒物質量濃度有效量程(PM2.5標準值)為0～500 μg/m3，顆粒物質量濃度分辨率為1 μg/m3，工作溫度范圍為-10～+60℃，工作濕度范圍為0～99%。

7NE系列氣體傳感器是由圣凱安科技公司生產的專門針對氣體檢測的新型智能傳感器，可滿足對不同種類氣體探測的需求。該類傳感器工作電壓為DC5V±1%，采用電化學檢測原理，采樣精度±2%FS，重復性±1%FS，工作溫度-20～70℃，工作濕度10～95%RH(非凝結)，適用于工業現場或實驗室場景中。并且該類傳感器具有模擬電壓和串口輸出特點，本系統中使用串口輸出，不用為此設計專門的數模轉換電路。并且該類傳感器采用本安電路設計，可帶電熱插拔操作，增加了系統的靈活性，有利于系統的拆裝和擴展。

空氣泵控制電路用于實現空氣泵的開關控制。其控制電路如圖3所示。其中繼電器選用SRD-05VDC，吸合電壓為5 V，光耦EL817C845對FPGA芯片與控制電路進行光電隔離，從而實現了對主控芯片進行保護，增強了主控芯片的穩定性。

圖3 空氣泵控制電路

無線通訊方式可選用GPRS無線通訊模塊或無線串口模塊。GPRS模塊使用RS-232電平標準，而FPGA的I/O接口只支持LVTTL電平標準與LVCMOS電平標準。為解決FPGA與GPRS無線串口模塊的電平匹配問題，該系統使用MAXIM公司生產的MAX3232ESE芯片完成RS232信號的收發驅動，實現了電平匹配。無線串口模塊使用TTL電平標準則可直接與FPGA芯片連接實現電平匹配，通過FPGA內部時序設計實現對無線串口模塊的收發控制。

3 FPGA軟件設計

FPGA軟件設計主要分為系統同步時鐘、通用異步收發器(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，UART)時序配置、DHT11驅動時序配置、指令解析、數據緩存處理模塊等?？傮w框架設計如圖4所示。

圖4 FPGA設計總體框架

3.1 同步時鐘模塊

該系統硬件使用50 MHz的有源晶振，通過FPGA芯片的外圍I/O引腳將時鐘引入到芯片內部。本系統中使用FPGA內部的鎖相環(Phase Locked Loop，PLL)采用分頻的方法將50 MHz時鐘生成為25 MHz的時鐘。通過FPGA內部的PLL生成的系統時鐘具有低抖動、低延遲的特點，保證了系統各模塊之間數據傳輸與處理的同步性，提高了時鐘的穩定性[6-7]。同時運用時序約束的方法約束時鐘的占空比，建立時間，保持時間等，從而減小數據與時鐘之間的偏斜，避免了數據傳輸錯誤[8]。

3.2 UART時序配置模塊

本模塊由4個部分組成，分別為baud_gen_tx發送時鐘產生模塊、baud_gen_rx接收時鐘產生模塊、uart_tx發送控制模塊、uart_rx接收控制模塊。模塊框圖及數據流如圖5所示。

圖5 UART時序配置模塊框圖

該系統中，UART信號幀由10bit構成，其中包括1個起始位，8個數據位，1個停止位，串口速率9.6 kbps，TTL電平。其中div_en為數據發送使能信號，當需要發送數據時，將div_en信號置高一個時鐘周期，同時使tx_busy信號置高，按照baud_gen_tx信號周期開始傳輸數據，當數據傳輸結束后，tx_busy信號置零。時序如圖6所示。因為UART為異步通訊模式，UART收發每一個數據的時間寬度需要以所設定的波特率進行計算，該系統中系統時鐘為25 MHz，系統時鐘周期為40 ns，當波特率為9 600 bit/s，每個數據的時間寬度則為(1*109/9 600)/40個系統時鐘周期[9]。

圖6 數據發送時序圖

當接收端口檢測到信號下降沿時，此刻將start_grx信號置高，因為數據信號邊沿存在亞穩態與信號毛刺的現象，為了防止讀取數據準確，則選擇在每個波特率周期中心點對電平信號進行判讀，讀取完成后start_grx信號拉低，并產生dout_en信號輸出所讀數據。其時序如圖7所示。

圖7 數據接收時序圖

使用ModelSim仿真軟件對該模塊進行仿真測試。仿真結果如圖8所示。

圖8 UART時序仿真圖

3.3 DHT11驅動時序設計

DHT11溫濕度傳感器與主控芯片之間的通訊并不是標準的通訊協議，而是廠家自定義的一種通訊格式。DHT11的DATA引腳采用單總線的數據格式，一次通訊時間為4 ms左右，具體時序可參考DHT11時序圖[10]?？偩€空閑時保持高電平，FPGA先將總線電平拉低20 ms，再將總線拉高40 μs。此時將總線設置為輸入，DHT11將總線拉低80 μs再拉高80 μs作為相應信號，接下來開始傳輸40 bit數據。每bit數據傳輸時序為總線先拉低50 μs，再將總線拉高，總線拉高時間為26～28 μs時為數據0，總線拉高時間為70 μs時為數據1。

根據DHT11溫濕度傳感器工作時序使用verliog語言設計狀態機。系統上電后，該模塊處于st_power_wait狀態，此狀態下需要等待一段時間用于DHT11溫濕度傳感器對傳感器參數進行初始化，所以在該狀態下設定等待10 μs進入IDLE狀態。在IDLE狀態下，當該模塊收到start信號時，啟動DHT11溫濕度傳感器，對大氣溫濕度進行測量。st_low_20 ms狀態下FPGA芯片將DATA總線電平拉低20 ms后進入下一狀態。st_high_40 μs狀態下FPGA芯片將DATA總線置高40 μs。st_rec_ack狀態下，總線由DHT11溫濕度傳感器控制，FPGA芯片等待檢測總線電平上升沿信號sda_pos，當檢測到sda_pos置高時則進入下一狀態。st_rec_data狀態下該模塊開始接收DHT11溫濕度傳感器發送來的40 bit數據，當數據全部接收完畢后，進入IDLE狀態。狀態機設計如圖9所示。

圖9 DHT11狀態機設計圖

3.4 指令解析模塊

無線模塊將從上位機接收到的指令，以串口通訊的方式傳輸給FPGA主控芯片，FPGA內部需要對接收到的指令進行緩存、判讀、解析與狀態更新。通過利用FPGA的內部資源配置串口時序，在其時序下，將接收到的8 bit數據緩存到8 byte的移位寄存器中并不斷對移位寄存器中的8 byte數據進行判讀，判斷移位寄存器中的高2 byte與低2 byte是否符合預先設定的指令頭、指令尾的固定格式，如果符合則可將其存入RAM中等待下一步對命令進行解析。在命令解析過程中RAM的高16 bit為操作地址，低16 bit為操作指令。另外程序中專門設置了一塊8 bit的片上RAM用于記錄每次指令對各個傳感器的操作狀態，每一位分別代表各個傳感器的工作狀態，置一為工作，置零位停止。在對命令解析后，實時更新每個傳感器的工作狀態。

3.5 數據緩存處理模塊

由于該系統為多通道的同步數據采集，每進行一次采集任務會產生大量的數據需要處理，同時FPGA與外部通信模塊之間存在硬件差異，會導致數據傳輸速度不匹配。因此，為了解決數據存儲與傳輸的實時性問題，該系統利用FPGA內置的知識產權核(Intellectual Property core，IP)資源，調用FIFO核，對數據進行緩存。數據緩存處理過程如圖10所示。

圖10 數據緩存處理過程

在進行檢測時，每個智能氣體傳感器回傳18 byte采集數據，PMSA003顆粒物傳感器回傳32 byte采集數據，DHT11溫濕度傳感器傳回5 byte采集數據，可分別將其采集到的信息存入各自通道預設好的RAM片上存儲器中，對采集到的數據進行緩存，并實時判讀RAM中存儲的數據，例如傳感器的工作狀態，檢測物種類，濃度值等。之后通過數據選通模塊與數據處理模塊將正常工作的傳感器采集到的信息數據進行重新編碼，按照通訊協議格式依次將數據存入FIFO中等待無線傳輸模塊將數據上傳。

4 測試驗證

搭建氣體檢測系統，使用12 V 4800 mA聚合物鋰電池為供電電源，掛載6個智能氣體傳感器、1個PM2.5/10傳感器、1個溫濕度傳感器的情況下，通過上位機遠程控制對本系統的實際功能進行測試，測試時間為25 min。測試內容為別為循環檢測時間間隔更改、各傳感器工作的狀態控制、傳感器數據采集通道的選擇性開閉。測試結果如表1所示。測試結果表明，本系統符合實際應用要求，滿足設計要求，系統穩定性高，在簡化系統電路結構的同時可實現對大氣多參數的實時、準確、同步監測。

表1 測試結果

5 結論

針對傳統數據采集系統需要設計外圍擴展電路以及在數據傳輸存儲過程中不能有效地解決同時性和實時性的問題。本文采用Xilinx公司Spartan6系列的FPGA作為核心控制器件，發揮其并行處理能力和時序約束能力?？刂茪怏w傳感器的數據傳輸，運用FPGA內部資源，實現數據的采集緩存傳輸的模式，完成了大氣多參數的同步實時采集，存儲，處理，傳輸。增強了系統的可靠性，有效性和穩定性。整套方案基于通用架構，并針對氣體傳感器多通道處理的特殊之處，使得整套系統同時具有針對性以及普適性。