多参数便携式仪表（精选5篇）

多参数便携式仪表 第1篇

井下作业环境中CO、CH4、H2S、O2等气体体积分数的高低, 直接威胁煤矿安全生产及矿工的生命安全。因此, 连续、准确地检测此类环境中的可燃性气体与有毒气体十分重要[1]。目前, 市场上的气体检测仪只能同时检测一种气体, 但安全作业员作业时必须检测多种气体参数, 因此不得不携带多种单一的气体检测仪, 使用起来繁琐且携带不便。鉴此, 笔者设计了一种能够准确、快速检测的矿用便携式多参数气体检测仪, 该检测仪能够对井下多种气体进行实时监测, 并通过无线上传实时数据, 在一定程度上保证了矿工的安全, 减少了事故的发生和国有资源的损失[2]。

1 检测仪总体结构

矿用便携式多参数气体检测仪总体结构如图1所示。其中, 催化元件及电化学传感器将气体体积分数转换为可测量的模拟信号, 信号的调理由高精度运算放大器完成, 并将调理后的电压信号送入单片机的AD采集端。温度传感器检测实时环境温度, 软件程序根据该温度进行气体体积分数的高低温补偿。液晶显示气体体积分数、时间、温度、电量等信息, 当所测气体的体积分数超过设定的报警点时, 液晶反白显示并声光报警。矿用便携式多参数气体检测仪将实时采集的数据通过无线上传至分站, 最终在上位机显示。

2 检测仪硬件设计

2.1 数字电位器电路

甲烷传感头调理电路采用仪表放大器电路, 一端接传感头, 一端接数字电位器的中心抽头。通过调节数字电位器的步进数, 控制数字电位器的中心抽头电压, 从而控制输入运放的差值电压。该电压的设定可以满足单片机在一定漂移下仍能检测出气体的体积分数。

当甲烷传感头零点漂移时, 可以通过调节数字电位器, 使运放输出电压为一个恒定的值, 从而实现传感器的自动调零。由于甲烷传感器自动调零需要在无CH4气体的环境内进行, 否则将会导致调零值无效, 所以检测仪只有在充电过程中进行调零才能够准确调校出传感器的真实零点。

2.2 充电器电路

充电器电路选用开关电源充电方式, 主要芯片为FSEZ1317, 该芯片待机功耗低, 高电压启动, 恒压和恒流控制而不需要次级反馈电路。采用该芯片的充电器电源利用率及可靠性高。充电器利用单片机控制MOSFET管的开启与关断来控制检测仪充电。

2.3 无线通信电路

无线通信选用ZigBee技术, 采用CC2520 芯片。该芯片是第2代的ZigBee/IEEE 802.15.4RF (Radio Frequency) 收发器, 主要用于2.4GHz的ISM频段, 其工作温度高达125 ℃, 可提供极好的灵敏度和共存性能, 有极好的连接性能且可低电压工作。此外, CC2520支持帧处理、数据缓冲、突发传输、数据加密、数据鉴权、空闲频道检测、连接质量指示以及帧定时信息等, 从而降低了主控制器的加载[3], 并且该芯片具有SPI通信接口, 非常适用于便携式检测仪。

2.4 电池组

为保证检测仪具有足够的使用时间并且能够达到芯片所需要的电压范围, 使用3节串联镍氢电池, 充满电后电压为4.2V, 容量为1 800mAh。目前检测仪工作电流为85mA, 利用该电池组供电, 检测仪可以使用18h以上, 满足日常工作需求。

电池组需要满足本质安全设计要求, 因此增加1Ω/16W的锰铜丝限流电阻, 将电池组与电池保护板组装后放入电池盒内用环氧树脂进行浇封, 从而构成本质安全电池组[4]。

3 检测仪软件设计

3.1 设计流程

检测仪软件包括主程序以及各个模块的子程序, 程序中用定时器设置计时标志, 相应任务程序的计时标志成立后, 主程序则执行该任务程序, 并清除计时标志。初始化程序中完成AD、SPI、I/O口等外部设备的初始化, 开机处理程序完成开机自检、倒计时等功能。开机后, 执行电池电量及温度检测程序, 电池电量及温度均在液晶显示器上显示, 并且温度为气体体积分数的高低温补偿提供依据。气体检测程序同时处理4种气体并计算出相应的体积分数, 通过SPI传输给无线通信电路, 程序在执行过程中按时刷新液晶显示, 并支持红外遥控的码值判断, 完成相应功能。气体检测程序的重要参数存储在单片机内部的Flash中并支持按键修改存储参数。开机与关机状态下均支持充电状态显示、提示充满功能。当关机时进入低功耗, 降低单片机本身的功耗。主程序流程如图2所示。

3.2 低功耗设计

为了减小关机后电池的损耗, 更大程度上提高电池的使用时间 (关机若干天后, 检测仪仍能正常开机, 不会出现按键无反应现象) , 需要进行低功耗设计, 主要从以下几方面入手:① 关机后整个检测仪模拟部分全部掉电;② 关机后单片机进入低功耗, 尽可能选择低功耗的单片机如MSP430;③ 单片机上不用的管脚应做相应的处理;④ 选用静态电流与关断电流小的LDO (Low Dropout Regulator, 低压差线性稳压器) 芯片;⑤ 条件允许的情况下增大电阻值。

4 实际应用

无线传输平台由多参数气体检测仪、监测分站、传输分站、数据接口、计算机、电源等组成, 如图3所示。

多参数气体检测仪将实时监测的数据通过ZigBee网络传输给监测分站, 为了让多台多参数气体检测仪能够与一台监测分站连接, 更好地利用其通信信道, 使用CC2520自带的CSMA/CA (CarrierSense Multiple Access/Collision Avoidance, 载波监听多重存取/冲突避免) 技术检测和避免当2个或2个以上的网络设备需要进行数据传送时的网络冲突[5]。

传输分站用来采集、处理从各个监测分站传来的气体体积分数数据;当地面监控主机发出巡检命令时, 各传输分站将所存数据通过传输电缆上传给监控主机, 由计算机完成实时数据的显示任务。

5 结语

介绍了矿用便携式多参数气体检测仪的总体结构和硬件电路、软件设计, 并在无线传输平台中进行了应用。应用结果表明, 该检测仪具有测量准确、实时性好、可视性好、低功耗等优点。目前该检测仪已经应用于煤矿井下, 同样适用于非煤矿山及其他需要检测气体的场合。

摘要：针对现有气体检测仪只能同时检测一种气体的问题, 设计了一种矿用便携式多参数气体检测仪。该检测仪采用低功耗单片机作为核心处理器, 可完成实时参数 (温度、CO、CH4、H2S、O2) 检测、信息 (气体体积分数、时间、温度、电量) 液晶显示、报警数据的存储及查询、无线数据传输等功能。实际应用表明, 该检测仪具有使用携带方便、测量准确、可视性好、低功耗等特点。

关键词：气体检测仪,便携式,多参数,低功耗,无线传输

参考文献

[1]师宝山.基于AT89S51的多参数气体检测仪的研制[J].微计算机信息, 2007, 23 (19) :190-191.

[2]黄强.煤矿智能多参数气体检测仪的研制[D].重庆:重庆大学, 2007.

[3]蒋玉华.一种矿用无线搜救仪的设计[J].工矿自动化, 2011, 37 (4) :34-37.

[4]GB 3836.4—2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分:本质安全型“i”[S].

多参数便携式仪表 第2篇

关键词：便携式 多参数 生理监护

前言

多参数重量监护仪能为医学临床诊断提供重要的病人信息，可实时检测人体的心电信号、心率、血氧饱和度、血压、呼吸频率和体温等重要参数，实现对各参数的监督报警。信息存储和传输，是一种监护病人的重要设备，但目前国内的监护仪一般功能单一，多为CRT显示，体积较大，移动不方便，存在着不足。

该便携式微电脑参数生理监护仪，检测参数多，设计紧凑，体积小巧，携带方便，既可用于病房，也可用于室外，可以定时、连续、长时间地检测病人的`重要生命特征参数，它在保障病人的生命安全方面具有重要的临床使用价值。

工作原理

便携式人体多参数体检箱的设计 第3篇

针对上述问题, 本文设计了一种集人体心电、体温、脉搏、血氧等常规生理参数检测于一体的便携式人体多参数体检箱, 其外观示意图如图1所示。

图1中:[1]壳体, [2]触摸液晶屏, [3]主机单元, [4]心电检测插孔, [5]血氧脉搏检测插孔, [6]血压检测插孔, [7]体温检测插孔, [8]打印机接口, [9]通信接口, [10]电源开关, [11]电源指示灯, [12]充电插孔。

1系统总体设计

本便携式人体多参数体检箱以ARM嵌入式处理器作为核心控制模块, 同时搭配自行设计的多参数信号采集模块、SD卡存储模块、触摸液晶屏模块、微型打印机模块、电源模块等, 实现对人体生理参数心电信号、血压信号、血氧信号、脉搏信号以及体温信号的采集, 通过A/D转换后, 将信号传输给ARM处理器模块进行处理, 实现数据的实时显示、存储、打印等, 另外, 此系统还可以通过串口通信方式与上位机进行数据通信, 实现体检人员的生理参数实时数据和波形显示, 其系统框图如图2所示。

2系统硬件设计

2.1控制模块

本作品的核心模块采用嵌入式ARM处理器STM32, STM32系列微控制器使用来自于ARM公司具有突破性的Cortex-M3内核, 工作频率为72 MHz, 内置高速存储器, 具有丰富的增强I/O端口和外设:包含3个12bit的ADC、8个高级16bit定时器, 还包含标准和先进的通信接口:多达2个I2C和SPI、5个USART、一个USB和一个CAN。专门应用于对性能要求较高、成本要求较低以及低功耗的场合, 是一款在医疗设备里比较常用的芯片。

2.2心电采集模块

心电信号是从人体体表拾取的微弱电信号, 一般只有0.05-5m V, 信号频率比较低, 频谱范围在0.05-100Hz, 具有微弱和易受干扰等特点。心电放大电路包括前置放大、RC高通滤波网络、100多倍后级放大等模块, 前置放大电路是心电放大单元的重点, 我们选用ANALOG DEVICES公司生产的低功耗、高精度仪表放大器AD8232作为前置放大的核心器件, 心电信号采集电路原理图如图3所示。

2.3血压采集模块

血压采集采用的振动法是目前国外大多数无创自动血压计所采用的测量方法。采用充气袖带阻断动脉血流, 缓慢放气时, 通过压力传感器检测动脉血流脉动所产生的袖带气压振动波。当袖带内气压等于收缩压时, 振动波幅开始增大;随后, 当袖带内气压等于平均动脉压时, 振动波幅达到最大;此后, 振动波幅不断减小, 袖带内气压低于舒张压时, 振动波幅降低到恒定的较低值, 血流恢复到正常。系统根据在不同的袖带压力下, 检测振动波幅的变化特征, 由血压算法来识别动脉收缩压、平均压及舒张压, 原理图如图4所示。

2.4血氧脉搏采集模块

血氧饱和度是血液中氧合血红蛋白 (Hb O2) 容量与总的血红蛋白容量之比。血氧饱和度 (Sa O2) 是反映人体呼吸循环系统状况的重要参数, 在健康监护中, 对血氧饱和度的监测是不可缺少的。血氧脉搏采集模块采用无创透射式方法进行人体脉搏以及血氧浓度的检测, 利用光电式传感器, 根据光电容积法原理, 进行血氧饱和度和脉搏的测量。

3系统软件设计

在软件系统设计中, 我们移植了嵌入式操作系统μC/OS-II, 由μC/OS-II操作系统来实现应用程序的多任务处理及调度。首先针对控制器的功能确定在μC/OS-II中建立Task的数量, 优先级和任务, IDLE Task是优先级最低的, 主要在系统空闲时运行, Task1是完成显示的功能, Task1是最高一级的任务, 主要用来响应中断和定时的作用, 所有的Task都在系统的调度下有序进行, 高优先级的任务可以终端低优先级的, 一个任务对应一个进程, 任务结束了进程也就结束了, 直到任务再次被调用, 主程序流程图如图5所示。

4上位机人机界面设计

为了在体检过程中实现数据信号的实时显示与分析, 或者后期的数据处理与解析过程, 本系统基于Lab View虚拟仪器技术设计了上位机人机界面分析系统。

虚拟仪器是一个高性能、低成本的测试和自动化系统运载平台, 将传统的仪器硬件功能集成, 即将硬件软件化, 大大突破了传统仪器在数据采集、处理、显示、存储等方面的限制, 摆脱了传统的以硬件为主的测量, 实现了以软件为中心的测量。

5结束语

本文提出一种基于ARM嵌入式技术的便携式人体多参数体检箱, 用于外出医疗体检人员进行人体体检, 能够完成人体心电、体温、脉搏与血氧浓度等生命指征参数信息的采集, 并且可以对数据进行解析实现实时显示、存储、打印等功能, 同时本作品基于Lab View虚拟仪器技术设计了良好的上位机监护界面, 完成数据信号的波形显示等, 具有体积小、成本低、操作简单等特点。本设计具有多个生理参数检测设备, 可以独立使用, 也可以共同使用, 采用标准化接口, 独立插拔, 自由测量, 体检箱内部的触摸液晶屏可以实时显示各种数据图形, 并实现简便的基本操作输入;同时具有信息处理、储存、管理、查询、紧急提示和辅助诊断功能, 帮助现场医生进行医疗诊断和救护, 配置微型打印机, 可以现场打印体检结果, 同时可以实时存储数据;具备独立的电源和电池模块, 具有防震、防潮、抗风沙、抗干扰措施, 使设备具有良好的可靠性由于本作品的科技含量高, 同时也是专利保护产品, 所以单件产品的产品附加值很高, 经济效益良好, 具有广阔的市场前景及巨大的推广优势。

参考文献

[1]李罗, 文军, 何为.基于嵌入式系统的便携式多参数监护仪的研究[J].电子技术应用, 2009, 35 (11) :71-74+78.

多参数便携式仪表 第4篇

呼吸系统疾病是临床上常见的疾病, 以肺功能障碍为明显特点, 典型的如慢性阻塞性肺疾病 (COPD) 在国内的各城市发病率高达5%~13%[1], 而且伴随中国老龄化的不断加剧其发病率将不断上升。临床证实常规肺功能检测的指标是诊断COPD的金标准, 是判断气流受限的客观依据, 对肺功能的诊断、疾病进展、预后及治疗反应等均有重要意义[2]。非常规指标用力呼气肺量图部分平均通过时间是一个全面反应容积-时间曲线特征的参数, 对小气道气流阻塞有更高的敏感性, 对探索慢性支气管炎、支气管哮喘等慢性阻塞性的早期诊断具有重要临床意义。

目前国外虽有少数的小型肺功能仪上市, 但因其显示界面简单、操作繁琐、仅有常规肺功能指标等缺点极大地限制了它们的应用, 本文研制的无线多参数肺功能测试仪可检测的常规肺功能指标有: (1) 用力肺活量 (FVC) :深吸气后, 用最大力量、最快速度所能呼出的最大气量; (2) 第1 s用力呼气容积 (FEV1.0) :最大呼气第1 s呼出的气量容积, 相应的还有FEV2.0和FEV3.0; (3) 1秒率:FEV1.0/FVC; (4) 2秒率:FEV2.0/FVC; (5) 最大分钟通气量 (MVV) :单位时间内以最快的速度做最大自主努力呼吸所得到的通气量; (6) 呼气峰流量 (PEF) :用力呼气时的最高流量; (7) 用力呼气25%肺活量时的瞬间流量 (MFE75) , 相应的还有MFE50和MFE25; (8) 最大呼气中期流量 (MMEF) :用力呼气量为25%~75%肺活量间的平均流量。仪器可检测的非常规肺功能指标有MTTp, 指将用力呼气肺量图分成10等份后每一等份的用力呼气肺量平均排出时间, 包含MTT20%~30% (20%~30%部分的用力呼气肺量图部分平均通过时间) , 相应的还有MTT45%~55%和MTT70%~80%。仪器可显示的曲线包含容积-时间曲线、流量-时间曲线、流量-容积曲线。另外测得数据还可通过GPRS模块无线传输到医院, 实现远程医疗。

1 系统总体结构

本系统由层流流量传感器、低通滤波电路、STM32控制模块、LCD触摸显示模块、SD卡存储模块、GSM/GPRS模块、上位机接收及处理模块组成。气流经层流流量传感器后的信号经低通滤波电路滤除外界干扰后由STM32的ADC模块采集, 采集的数据经处理后以波形的方式在LCD上实时显示;采集结束后肺功能参数将在LCD上显示, 并可以txt文档形式保存在SD卡中, 最后可由GPRS模块以无线方式传输到远端上位机;系统上位机界面用C#编程, 用于接收数据并保存数据到数据库中, 以及调取数据库数据来显示肺功能参数和曲线。系统结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 微处理器

本文使用ST公司基于Cortex-M3内核的32位STM-32F103RBT6单片机完成对气体流动引起的压力差电信号的采集、模/数转换、数据的处理、数据的无线发送、LCD触摸显示等功能。该单片机最高工作频率72 MHz, 具有CAN、SPI、7个定时器和2个ADC模块等外设资源。

2.2 层流流量传感器模块

层流流量传感器是一种常见的测量呼吸流量的设备, 其原理图如图2所示。该传感器由一定宽度的极薄的波纹钢板和平钢板叠放在一起绕制而成, 绕制好的层流发生体将气流分成很多细流, 形成泊肃叶流。由泊肃叶定律[3]:

式中, Q为通过流量计的气体体积流量, R为管径, η为流体的粘度, L为管子的长度。由式 (1) 可以得出气体通过层流流量传感器的流量与其在层流发生体两端的静压力差成正比。本文使用SM-5852-001-D-1压差式传感器将两端气体压力差转换为电信号, 该传感器测量量程为0~0.15 PSI, 电压信号输出范围为0.5~4.5 V, 电压输出与压力呈线性关系。

2.3 低通滤波电路

压差传感器SM-5852-001-D-1输出的电压信号混入了一定外界干扰噪声, 由于人的呼吸频率范围在0.2~35 Hz, 本文用二阶巴特沃思低通滤波电路, 滤除35 Hz以上的干扰信号。由于输入的电源电压是+5 V, 而放大器OP07D的额定工作电压为±5 V~±15 V, 故系统用MAX232将输入的+5 V转化为±10 V供其使用。

2.4 GSM/GPRS模块

通用分组无线业务 (GPRS) 是在现有的GSM系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务, 提供端到端的连接和广域的无线IP连接。系统采用的GPRS为SIMCom公司的SIM900A模块, 该模块体积小、功耗低, 内嵌TCP/IP协议。STM32处理器与无线模块的物理接口为RS232, 通过发送相应的“AT”指令即可完成对模块的操作。

3 系统软件设计

3.1 系统界面

采用C语言编写画图函数, 调用相应函数接口, 即可在LCD屏幕上显示UI界面。测试时用户只需触摸对应的控件即可进入相应的界面, 引导用户操作, 系统界面结构图如图3所示。

系统主界面由MVV测试、用力呼气测试、肺功能参数显示和无线上传控件组成。MVV测试控件:LCD实时显示流量-时间曲线, 采集流量数据, 得到MVV值;用力呼气测试控件:LCD实时显示流量-时间曲线, 采集结束后得到肺功能参数;无线上传控件:执行GPRS模块初始化, STM32将数据发送到GPRS模块, 通过GPRS模块将数据发送到上位机, 数据发送完毕则屏幕上显示数据发送成功;参数显示控件:主要显示常规肺功能参数和非常规肺功能参数;曲线显示控件:触摸V-T、MEFV和Flow-T控件可显示V-T、MEFV和Flow-T曲线。

3.2 采样及滤波设计

本文采用了平均滤波法, 对多次采样数据求平均。由于肺功能参数与时间有关, 测试起始点和结束点的判断非常关键, 这里通过设定流量阈值来排除外界干扰, 当流量超过了设定的阈值后才开始保存数据, 之后以200 Hz采集频率采集流量数据, 每采4次数据取平均值后保存到数组中, 在采集过程中若采样的时间超过1 s且采样值小于设定的阈值时则采集完毕, 保存数据。

3.3 肺功能参数算法实现

(1) 常规肺功能参数的计算:FVC为整个用力呼吸阶段流量的积分, 其表达式为:

其中, N为采样位数, △t为采样间隔, flow (k) 为每次采样的流量数据。MVV采集30 s的流量值并进行累加;FEV1.0利用定时采集累加当前流量, 当定时满1 s时的总流量值即为FEV1.0, 同样的方法可求得FEV2.0、FEV3.0、FEV1.0/FVC和FEV2.0/FVC;PEF通过寻找流量数组中最大值实现;MEF75通过在总流量数组中查找最接近25%的FVC的数组元素并获取其下标序号, 由下标序号来提取对应的流量数组元素, 同样的方法可求得MEF50、MEF25和MMEF。

(2) MTTp是根据Jordanoglou关于FVC-T曲线上每10%FVC段可考虑为线性的原则推导出计算公式[4]:

(3) 在LCD屏幕上画出MEFV曲线、V-T曲线、FlowT曲线, 界面如图4所示。上述3种曲线的引入可直观且几乎全面地反映肺通气的所有信息, 包括气流受限部位和程度等。

3.4 GPRS数据通信及上位机显示

该部分主要由三大部分组成, 分别是STM32通过GPRS发送数据、上位机接收程序设计和界面程序设计。用C#语言和SQL数据库开发来实现与下位机的通信和对接收到的数据进行保存、绘图等功能, 以达到采集系统与分析系统的良好交互性, 其流程图如图5所示。

4 实验

4.1 压差与流量标定

用空气压缩机与浮子流量计对其定标, 发现压差与流量成线性关系, 压差以电压形式表示, 如图6所示。由经验公式得知这是一元线性回归模型, 在MATLAB下调用最小二乘法polyfit () 函数对其进行评估拟合, 得到拟合曲线y=0.008 2+4.736 1x。再对已建立的一元线性回归数学模型用regress () 函数进行检验, 将超出期望值的点剔除后用剩余的点重新计算, 最终得到的曲线方程为

4.2 肺功能测试系统的效度分析

用医院肺功能室的标准肺功能仪 (耶格Master Screen Diffusion) 与本文研制的便携式肺功能仪进行对比来评价系统的效度。首先征集15例 (男10例, 女5例, 年龄20~30岁, 平均24岁) 受试者在技师的指导下分别在便携式肺功能仪和标准肺功能仪上测量3次, 并取其中最好的一次进行检验。用统计软件SPSS 19.0对数据进行相关分析和配对, 检验结果采用相关系数 (r) 和平均值±标准差表示, r≥0.9表示高度相关, p>0.05则表示差异不显著, 其结果见表1。

两种肺功能仪对同一病人所测得的肺功能参数值差异均不显著 (p>0.05) , 且相关系数大部分大于0.9, 两仪器测出的指标之间存在高度相关性。

本文以STM32单片机为主控芯片, 控制呼吸流量信号的采集、处理、显示和无线传输。实验结果表明仪器可以测试常规肺功能指标、用力呼气肺量图部分平均通过时间、显示容积-时间曲线、流量-时间曲线、流量-容积曲线, 提供的UI界面为用户提供可视化操作, 还具有远程传输等功能以实现远程医疗, 可为进一步研究肺功能测试仪在家用市场上发展提供参考。测量的常规肺功能指标与标准肺功能仪的测量值无显著差异, 与普通便携式肺功能仪相比差异小, 而且整个仪器体积小, 成本低, 非常适合推广到基层医院使用。

摘要：开发一种界面友好、可与医院联网的便携式无线多参数肺功能测试仪, 由层流流量传感器、STM32处理器、LCD触摸显示屏和GPRS模块设计而成。该仪器可以测试常规肺功能指标、用力呼气肺量图部分平均通过时间 (MTTp) 、显示容积-时间曲线、流量-时间曲线、流量-容积曲线, 采用的触摸液晶屏为用户提供可视化操作界面, 另外数据还可以通过GPRS传输到医院, 实现远程医疗。测量的常规肺功能指标与标准肺功能仪的测量值无显著差异。该仪器体积小, 成本低, 界面友好, 操作简单, 适合推广到家庭和中小型医院使用。

关键词：肺功能仪,STM32,便携,GPRS

参考文献

[1]Fang Xiaocong, Wang Xiangdong, Bai Chunxue.COPD in China:the burden and importance of proper management[J].CHEST, 2011, 139 (4) :920-929.

[2]SORIANO J B, ZIELINSKI J.Screening for and early detection of chronic obstructive pulmonary disease[J].The Lancet, 2009, 374 (9691) :721-732.

[3]胡新珉.医学物理学 (第六版) [M].北京:人民卫生出版社, 2008.

多参数便携式仪表 第5篇

水环境中的p H值、温度、盐度和浊度的检测与控制在生态环境、水产养殖、化工电解、国防军工、临床检验等领域中应用极其广泛。目前,水环境多参数检测仪表主要是单个仪表独立工作和直接控制,运行和维护成本都较高。而且,通信接口多采用简单的串行通信接口,通过RS-232或者RS-485和自定义的通信协议方式与监控计算机或者其他设备进行通信和远程管理。这些通信方式局限性大、不灵活、不易于扩展,难以适应工业生产快速发展的要求。C A N总线是一种多主方式的串行通信总线,由于其采用独特的设计,与一般的通信总线相比,具有特突出的可靠性、实时性和灵活性,在工业控制领域中占有重要地位[1]。鉴于此,设计一种基于C A N总线的智能仪表远程监控系统。

1 系统总体设计

在本系统中,以C8051F040单片机为核心的各个现场多参数检测仪表通过传感器获得水环境中各项参数信号,将处理后的信号显示在仪表上。检测仪表还设计了C A N总线接口,通过C A N总线组成现场网络,远程控制中心的上位机可通过C A N总线获得实时检测到的各项水质参数,从而帮助决策者做出决策。系统总体设计结构如图1所示。

2 系统硬件设计

仪表硬件设计主要包括:各种参数测量信号调理电路、C A N总线接口电路、键盘液晶电路、仪表主板电路和电源电路等。下面以p H值的测量为例介绍信号调理电路和C A N总线接口电路的设计。

2.1 pH信号调理电路

p H值的测量有多种方法,主要有化学分析法、试纸法和电位法。但精确测量时一般采用电位法[2]。本设计中选用的pH电极是上海雷磁公司生产的E-201-C型pH复合电极。由于E-201-C型pH复合电极的内阻大,要求前置放大器有较高的输入阻抗,本系统选用运算放大器CA3140,它具有输入阻抗高、低偏置电流、低噪声、高增益等特点,主要用来完成阻抗匹配、降低测量噪声、提高系统稳定性等。其余普通运放选用L M 7 4 1。硬件电路如图2所示。

在进行实际测量之前首先要对信号调理电路进行调试,方法为:断开p H电极的输入,R 3居中,原来接p H值信号输入的运放输入端接地,调节R 7,使得电路输出为700mV,此时相当于输出的pH值为7;原来接pH输入的运放输入端接-414.1mV的输入电压,调节R3,使得电路输出为1400mV,此时相对于输出的pH值为14。

2.2 CAN接口电路

由于C8051F040单片机内部集成的CAN控制器只是一个协议控制器,不提供物理层驱动,本设计采用PCA82C250芯片来设计CAN总线接口电路,它可提高总线的差动发送和接收能力[4]。CAN接口电路如图3所示。

为了增强系统的抗干扰能力,在单片机C A N控制器引脚CANTX、CANRX与收发器PCA82C250之间接入高速光耦6N137。在PCA82C250与CAN总线接口部分采用了一些安全和抗干扰措施:PCA82C250的CAN_H和CAN_L引脚各自通过一个5Ω的电阻与C A N总线相连,电阻可起到一定的限流作用,从而保护PCA82C250免受过流的冲击;在C A N_H和C A N_L与地之间各自接一个3 0 p F的小电容,可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的作用;在C A N_H和C A N_L之间并联一个1 5 V的瞬态电压抑制二极管(T V S),可以保护PCA82C250在瞬间高电压情况下而不受损坏。

3 系统软件设计

主程序的流程图如图4所示。

主循环程序流程图如图5所示。下面主要阐述数据采集与处理模块和C A N驱动模块的程序设计。

3.1 数据采集子程序的设计

C8051F040内部集成的ADC0最高转换速率为100ksps,ADC0转换时钟由系统时钟分频所得,分频数由ADC0CF寄存器控制。由于C8051F040最大SAR时钟频率为2.5MHz,而本设计中系统使用11.0592MHz的外部晶振,所以将ADC0CF设为0x78,即SAR时钟为系统时钟的16分频。

在数据处理子程序中,为了减少外界干扰的影响,使各项参数的显示更加平稳,便于观测和记录,应用了数字平滑滤波算法。程序调用不同温度下拟合的曲线来计算水环境中各参数的实时数据,将参数存入显示缓存区通过LCD显示,或者送CAN总线数据发送缓存区并发送。

3.2 CAN总线通信程序的设计

CAN总线通信程序主要包括:CAN初始化、数据的发送和接收[5]。初始化程序主要对CAN控制器进行必要的设置,包括波特率的设置、中断允许设置、消息对象的初始化等。根据实际情况,在本系统的设计中,为了兼顾CAN总线长度和通信速率,波特率设置为125kbps,与之对应的总线最长距离为500 m。数据是在各个参数的数据更新后立即发送,采用这种方式是因为系统在大部分时间里处于监视状态;而数据的接收采用中断方式,这是因为检测仪表接收的数据主要是监控中心发送来的命令,也就是说数据的接收和发送相比只占很少的一部分,所以采用中断方式接收数据以节约处理器资源。

4 结语

大量的实验测试证明,该系统测量精度高,抗干扰能力强,运行稳定,实时性较好,达到了设计要求。借助于基于C A N总线的智能仪表远程监控系统,便于企业内部的信息集成,为管理者的决策提供及时、全面、准确的信息资源,具有非常广阔的应用前景。

参考文献

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