一種低功耗通用型的有毒氣體檢測器設(shè)計(jì) ①

周 超， 陶 沙

(銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院,安徽 銅陵 244000)

0 引 言

工業(yè)生產(chǎn)過程涉及各類有害氣體，長時(shí)間接觸限制(TLV-TWA)和短時(shí)間接觸限制(TLV-TWA)給出了不同時(shí)間長度的安全濃度數(shù)據(jù)。因此，隨時(shí)了解氣體濃度對安全生產(chǎn)十分重要，低功耗通用型的有毒氣體檢測器具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。電化學(xué)傳感器的功耗電流極低，可分辨小于氣體濃度的百萬分之一的有毒氣體[1-5]，非常適合低功耗的應(yīng)用場合。本文基于電化學(xué)傳感器設(shè)計(jì)了一種低功耗、通用型的氣體檢測器，采用Alphasense公司的COH-A2傳感器進(jìn)行了測試，可應(yīng)用到多通道、便攜式的氣體檢測中去，進(jìn)一步完善了氣體檢測器的設(shè)計(jì)方法。

1 設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

電化學(xué)傳感器包括工作電極(WE)、參考電極(RE)和反電極(CE)三種電極，WE通過薄膜與檢測氣體作用，CE連接恒電位電路，該電路向CE提供電流并檢測RE電壓，使得WE與RE端的電壓保持恒定，這樣RE就沒有電流流入或流出，流出CE的電流流入WE，數(shù)值與氣體濃度成正比。再通過IV電路轉(zhuǎn)換成電壓采樣就可以計(jì)算出檢測氣體的濃度。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵包括以下幾點(diǎn)：(1)傳感器電流數(shù)值極低，低于100nA/ppm，所以電路運(yùn)算放大器要選用極低輸入偏置電流的器件，配合高值電阻和低頻濾波器，將1/f噪聲和約翰遜噪聲降至最低。(2)運(yùn)算放大器采用單電源供電適應(yīng)低功耗設(shè)計(jì)，避免功率浪費(fèi)。(3)流入WE的電流會(huì)導(dǎo)致恒電位電路輸出端產(chǎn)生相對WE的負(fù)電壓，不同類型氣體傳感器產(chǎn)生的負(fù)電壓值不同，最大約1V。為了使氣體檢測器的設(shè)計(jì)具備普適應(yīng)，適應(yīng)不同的氣體傳感器，采用2.5V電壓為恒電位電路輸入，IV轉(zhuǎn)換電路的反饋電阻采用可調(diào)電阻器而不是固定電阻器。(4)氣體檢測對溫度較敏感，所以要包含溫度采樣電路考慮溫度補(bǔ)償作用。(5)考慮到設(shè)備測試等與上位機(jī)的通信需求，提供帶隔離的串口、USB并預(yù)留無線網(wǎng)絡(luò)接口。(6)所有器件均要選用低功耗型。

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括供電模塊、信號處理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊的硬件部分和上下位機(jī)軟件部分：供電模塊采用電池/USB供電，當(dāng)接入U(xiǎn)SB供電時(shí)應(yīng)自動(dòng)斷開電池，所以使用了具有機(jī)械斷開特性的內(nèi)置開關(guān)。信號處理模塊[6-8]包括氣體傳感器電路、IV轉(zhuǎn)換電路和低通濾波電路，把與氣體濃度成正比的電流轉(zhuǎn)換成電壓。數(shù)據(jù)處理模塊包括AD、MCU和溫度傳感器和聲光、LED指示電路，AD和溫度傳感器把采樣電壓和溫度數(shù)值發(fā)送給MCU處理，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償[9]和LED顯示并進(jìn)行數(shù)值判斷，如果超出閾值則進(jìn)行聲光指示。MCU采用基于Cortex-M3的ADuCM3027，提供了多個(gè)SPI接口可與多種傳感器方便連接，具備超低功耗活動(dòng)和休眠模式，全開活動(dòng)時(shí)功耗小于30uA/MHz。通信模塊提供了串口和USB，用戶可根據(jù)測試需求選擇不同的方式與檢測器通信。MCU執(zhí)行下位機(jī)程序，用于帶溫度補(bǔ)償?shù)臍怏w濃度計(jì)算、顯示、傳輸和指令執(zhí)行，上位機(jī)用于顯示氣體濃度和發(fā)送指令。

圖1 檢測器結(jié)構(gòu)

圖2 供電模塊結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 供電模塊

供電模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，提供了四路供電：(1)運(yùn)算放大器，串口和USB的5V供電；(2)ADC,MCU、溫度傳感器和可編程電阻器的3.3V供電；(3)氣體傳感器、AD的2.5V基準(zhǔn)電壓；(4)隔離側(cè)供電。如圖3所示，ADP2503輸出5V供給運(yùn)放，串口和USB工作，Q1提供反向電壓保護(hù)。輸入范圍2.3～5.5V，可使用電池、USB等其他標(biāo)準(zhǔn)電源，很適合低功耗便攜式氣體檢測器設(shè)計(jì)。輸出電壓與外接電阻相關(guān)，輸出5V，R1+R2的阻值要接近400kΩ，R1取值330 kΩ，R2取值36.5 kΩ。考慮到低功耗應(yīng)用，SYNC引腳置低設(shè)置為正常模式，此時(shí)會(huì)根據(jù)負(fù)載情況調(diào)整功耗，輕負(fù)載時(shí)功耗僅38μA。EN是使能引腳，置高電平。為保證電路可靠工作，要確定電感和電容參數(shù)的數(shù)值：(1)電感，ADP2503開關(guān)頻率達(dá)到2.5MHz，合適的電感取值可以提高效率并減小EMI，采用1.5μH電感減小電流紋波和電感峰值電流。(2)電容，輸入電容采用6.3V,10μF的陶瓷電容濾除噪聲保持電壓穩(wěn)定，輸出電容采用6.3V,22μF的陶瓷電容保證電路穩(wěn)定和較好的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3 ADP2503電路圖

圖4 LT1763電路圖

2.5V基準(zhǔn)電壓采用低功耗、低噪聲的ADR291提供，最大功耗僅15μA。考慮到驅(qū)動(dòng)源的負(fù)載電流可能會(huì)在線路上產(chǎn)生壓降，為了進(jìn)一步提高基準(zhǔn)電路的輸出精度，在基準(zhǔn)電源輸出端進(jìn)行開爾文連接，如圖5所示，運(yùn)算放大器的輸出是VOUT_2.5+電流* RLOAD1，電流流過RLOAD2又產(chǎn)生了電流*RLOAD2的壓降，RLOAD1= RLOAD2，這樣就消除了在導(dǎo)線上產(chǎn)生的誤差壓降，獲得2.5V基準(zhǔn)電壓VREF。

圖5 ADR291參考電壓電路

圖6 信號處理模塊電路

2.2 信號處理模塊

圖7 下位機(jī)流程圖

2.3 數(shù)據(jù)處理模塊

2.3.1 溫度傳感器電路

采用不需線性和溫度校準(zhǔn)的ADT7310數(shù)字傳感器采樣環(huán)境溫度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，校正溫度變化對氣體傳感器性能的影響。正常工作時(shí)功耗約200μA，節(jié)能情況下功耗僅2μA。ADT7310與MCU之間通過SPI通信，DIN用于向傳感器輸入數(shù)據(jù)、DOUT讀取數(shù)據(jù)、SCLK用于輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘、CS片選用于通信使能。數(shù)據(jù)通信從CS片選引腳拉低并發(fā)送命令開始，到CS引腳被拉高結(jié)束。ADT7310的SPI命令字節(jié)由0+讀/寫+寄存器+連續(xù)讀取+0+0組成：第8位必須為0，否則不能正常工作；第7位是讀寫位；第6到第4位是寄存器地址位，ADT7310共有8個(gè)寄存器，其中關(guān)鍵的有配置寄存器(0x01)用于器件配置(如選擇采樣模式等)、溫度值寄存器(0x02)存儲溫度數(shù)值。第3位用于設(shè)置連續(xù)讀取功能，該功能下只需發(fā)送16個(gè)SCLK時(shí)鐘就可以通過DOUT引腳讀取溫度數(shù)值。第2位和第1位都是0。以讀取溫度為例，采用默認(rèn)連續(xù)轉(zhuǎn)換和連續(xù)讀取模式，16位數(shù)據(jù)輸出。CS片選信號拉低，DIN引腳寫入0x0c，后面跟0x80，設(shè)置配置寄存器。之后寫入0x54，激活從溫度值寄存器連續(xù)讀取數(shù)據(jù)模式，再向SCLK引腳寫入16個(gè)時(shí)鐘就可以從DOUT引腳讀取數(shù)據(jù)，完成后拉高CS信號，操作結(jié)束，兩次數(shù)據(jù)傳輸之間最好將SCLK引腳置高電平,之后通過查找表或公式執(zhí)行氣體傳感器的溫度補(bǔ)償操作。

圖8 上位機(jī)顯示圖

2.3.2 ADC

根據(jù)信號處理模塊的分析采用16/24位、低功耗、帶可調(diào)增益的AD7798，節(jié)能模式下功耗僅1μA。DIN向寄存器寫入數(shù)據(jù)，DOUT/RDY從寄存器讀取數(shù)據(jù)，當(dāng)輸出寄存器有新的數(shù)據(jù)時(shí)DOUT/RDY被拉低，數(shù)據(jù)讀取完畢DOUT/RDY重新被拉高。SCLK是串行時(shí)鐘引腳，所有的數(shù)據(jù)操作都是基于時(shí)鐘進(jìn)行的，CS用于器件選擇。AD7798包含多個(gè)寄存器，它的操作必須以寫入通信寄存器開始，決定下一步是讀還是寫操作和要操作的寄存器對象。AD7798提供了連續(xù)轉(zhuǎn)換和單次轉(zhuǎn)換模式，連續(xù)轉(zhuǎn)換是默認(rèn)模式，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)寄存器的RDY位被拉低。流程如下：轉(zhuǎn)換完成DOUT/RDY引腳拉低，向DIN寫入0x58，表明下一步操作是從數(shù)據(jù)寄存器讀取數(shù)據(jù)，之后從DOUT/RDY引腳讀取數(shù)據(jù)，完成操作。單次轉(zhuǎn)換模式通過設(shè)置模式寄存器的MD2-MD0位為001啟用，AD7798上電啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，之后進(jìn)入掉電模式。每次轉(zhuǎn)換周期在2×tADC，轉(zhuǎn)換完成DOUT/RDY引腳拉低，讀取結(jié)束再置高電平。單次轉(zhuǎn)換讀取流程如下：先向DIN寫入0x08，表明下一步寫入模式寄存器，接著寫入0X200A配置單次轉(zhuǎn)換模式。單次轉(zhuǎn)換完成后DOUT/RDY引腳拉低，向DIN寫入0x58，從DOUT/RDY引腳讀取數(shù)據(jù)，完成操作。AD7798還提供了連續(xù)讀取功能，不需要每次讀取數(shù)據(jù)前都要寫入通信寄存器，流程如下：向DIN引腳寫入0x5c配置為連續(xù)讀取，當(dāng)DOUT/RDY引腳拉低，就可以從DOUT/RDY引腳讀取數(shù)據(jù)。本文使能緩沖器，增益設(shè)為1，采用連續(xù)轉(zhuǎn)換模式，向DIN寫入0x08，之后寫入0x1010，采樣AIN1通道(如果采樣AIN2通道，寫入0x1011)，待DOUT/RDY引腳拉低轉(zhuǎn)換完成，向DIN寫入0x58，從DOUT/RDY讀取通道1的采樣數(shù)據(jù)，完成操作，器件功耗約180μA。

2.4 帶隔離的通信模塊

設(shè)計(jì)了帶隔離的串口和USB通信，串口通信采用單電源供電的ADM3251E，其內(nèi)部集成了DC/DC轉(zhuǎn)換電路，DC/DC的振蕩電路把開關(guān)電流通過芯片級的變壓器傳輸?shù)礁边叢⑦M(jìn)行整流操作，線性調(diào)整為5V供給VISO和副邊模塊，實(shí)現(xiàn)單電源的隔離通信。DC/DC由VCC引腳輸入電壓控制：當(dāng)輸入電壓在4.5～5.5V時(shí)使能DC/DC，如果在3.0～3.7V時(shí)DC/DC將被禁止，此時(shí)需要通過VISO引腳為隔離的另一端供電。C1+與C1-間的電容用于存儲電荷，把5V的輸入電壓增大到10V。C2+與C2-間的電容也是存儲電荷，把10V電壓反轉(zhuǎn)成-10V。帶隔離的USB通信采用ADuM121N+MCP2200搭建，ADuM121N是雙通道數(shù)字隔離器，具有低動(dòng)態(tài)功耗。高達(dá)100kV/μs的共模瞬變抗擾度，數(shù)據(jù)速率最小值150Mbps，電路連接簡單。

3 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)電壓和溫度采樣、氣體濃度計(jì)算、LED聲光指示、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽鞒倘鐖D7所示。上電下位機(jī)運(yùn)行，首先進(jìn)行初始化，包括晶振、IO口、定時(shí)器、AD、串口、可調(diào)電阻器等。之后進(jìn)入循環(huán)，定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)采樣，采用多次采樣求平均的方式提高計(jì)算精度，求出溫度補(bǔ)償后的氣體濃度通過LED顯示并借助通信接口傳輸給上位機(jī)，如果濃度超出閾值則進(jìn)行聲光指示。同時(shí)接收來自上位機(jī)的指令并執(zhí)行相關(guān)操作，自定義指令形式為：A B C D E，A表示要做的操作(01表示開始采樣，02表示停止采樣)，B C D表示操作的數(shù)值，E表示指令結(jié)尾(0D)。以停止采樣為例，上位機(jī)指令通過通信接口傳輸?shù)较挛粰C(jī)，當(dāng)下位機(jī)接收到0D表示指令結(jié)束，再分析A的數(shù)值，等于02表示停止采樣，通過置標(biāo)志位或停止定時(shí)器的方式實(shí)現(xiàn)。LabVIEW NXG是下一代的LabVIEW版本，在延續(xù)LabVIEW可視化開發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，尤其在網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用方面，提供了基于web的界面，無需插件或應(yīng)用程序就可以把這些界面部署到web瀏覽器上，較LabVIEW使用更為便利。考慮到未來可能接入無線網(wǎng)絡(luò)通信需求，采用LabVIEW NXG設(shè)計(jì)上位機(jī)。

4 測試與小結(jié)

采用COH-A2氣體傳感器+經(jīng)校準(zhǔn)的CO氣體腔+串口通信進(jìn)行設(shè)備測試，COH-A2傳感器因固有誤差和氣體腔校準(zhǔn)精度的影響，滿量程增益誤差約80ppm，出現(xiàn)在濃度超過400ppm后，且CO濃度高于250ppm會(huì)有危險(xiǎn)，測試最大濃度取值50ppm。上位機(jī)采用NI-VISA實(shí)現(xiàn)串口通信，LabVIEW NXG下的VISA開發(fā)與LabVIEW基本相同：打開session，選中VISA資源，配置VISA，從串口讀取數(shù)據(jù)，關(guān)閉session，采樣測試效果如圖8所示。正常條件下，未檢測到CO氣體時(shí)功耗約443μA，極限情況下約1.17mA，功耗較低。

設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)牡凸耐ㄓ眯蜌怏w檢測器，電池+USB的多供電方式帶來了使用的靈活性，溫度補(bǔ)償提高了采樣精度，低功耗通用型設(shè)計(jì)降低了應(yīng)用成本，帶隔離的通信方式提升了可靠性。測試表明設(shè)備具有良好的穩(wěn)定性，滿足應(yīng)用需求。