談ARM對多傳感器的精確定時

劉敦放

(重慶普天通信設備有限公司,重慶400050)

煤礦井下環境十分惡劣,隨時可能遇到的塌方和煤粉塵大等情況,影響固定報警器檢查瓦斯濃度的正常工作。安全檢查最可靠的方式是,所有的下井人員人人都隨身攜帶煤礦瓦斯報警器,隨時檢查井下瓦斯濃度;但僅檢查瓦斯濃度往往是不夠的,當井下的一氧化碳的濃度升高時對人體也是十分有害的。為了確保下井人員的安全,不僅隨時要檢查瓦斯濃度,同時也要檢查一氧化碳濃度。

能同時檢查兩種以上有害氣體的裝置,既要便于攜帶,又要精確定時檢查多種有害氣體,這里選用32位ARM微處理器來實現該功能。

利用32位ARM微處理器的優勢,可以滿足便于攜帶與精確定時報警的要求。本文將針對精確定時這一問題進行一些探討。

1 ARM嵌入式隨身瓦斯報警器的基本原理

如圖1所示,瓦斯報警器主要包括:ARM芯片外部的輸入輸出部分,ARM芯片內部與外部輸入連接的A/D轉換部分和與芯片內部與外部輸出連接的GPIO部分。

圖1 ARM隨身帶瓦斯報警器原理圖

1.1 輸入輸出部分

輸入部分:由瓦斯傳感器與一個模擬信號放大器通過跳線連接到P0.22引腳,將瓦斯模擬信號送入AIN0模擬輸入通道0;一氧化碳傳感器與另一個模擬信號放大器連接到P0.23引腳,將一氧化碳模擬信號送入AIN1模擬輸入通道1。

輸出部分:由P0.17和P0.18引腳通過470 Ω電阻與LED發光告警二極管連接;P0.19引腳通過470 Ω電阻與一個蜂鳴器相連,電阻的作用是分壓,以便產生中度蜂鳴告警;P0.20引腳直接與另一蜂鳴器相連,以便產生強度蜂鳴告警。

ARM LPC2103微處理器A/D轉換器的特性是:10位逐次逼近式模數轉換器;測量范圍為0～3.3 V;10位轉換時間≥2.44 μ s;1路或多路輸入的Burst轉換模式;轉換觸發信號可選擇輸入引腳的跳變或定時器的匹配情況;A/D轉換器的基本時鐘由VPB時鐘提供,可編程分頻器將時鐘調整至4.5 MHz(逐次逼近轉換的最大時鐘),10位精度要求的轉換需要11個A/D轉換時鐘。

ARM微處理器運行程序在A/D控制寄存器參數的控制下,將AIN0采集到的瓦斯模擬信號送入10位逐次逼近式模數轉換器,轉換后的數字信號值存入ADDR 0 A/D數字寄存器0。將這一值與瓦斯初告警值、瓦斯中度告警值、瓦斯強度告警值進行比較,在哪一種告警范圍,立即進行哪一種告警。

將AIN1采集到的一氧化碳模擬信號送入10位逐次逼近式模數轉換器,轉換后的數字信號值存入ADDR1 A/D數字寄存器1。將這一值與一氧化碳初告警值、一氧化碳中度告警值、一氧化碳強度告警值進行比較,在哪一種告警范圍,立即進行哪一種告警。

1.2 模擬信號采集通道的選擇與設置

從圖1可看到,P0.22引腳連接AIN0通道,通過設置AD0CR A/D控制寄存器,選擇通道0采集瓦斯濃度信息,并設置轉換時鐘頻率為1 MHz;BURST=0,軟件控制轉換操作;CLKS=0,使用11clock轉換;PDN=1,正常工作模式;START=4,當EDGE選擇的邊沿出現在MAT0.1時啟動A/D轉換;EDGE=0,MAT0.1下降沿觸發。

P0.23引腳連接 AIN1通道,通過設置AD0CR A/D控制寄存器,選擇通道1采集一氧化碳濃度信息,設置轉換時鐘頻率為1 M Hz;BURST=0,軟件控制轉換操作;CLKS=0,使用11clock轉換;PDN=1,正常工作模式;START=5,當EDGE選擇的邊沿出現在MAT0.3時啟動A/D轉換;EDGE=0,MAT0.3下降沿觸發。

2 精確的定時觸發

A/D轉換的硬件觸發可通過定時器翻轉功能觸發A/D轉換,這樣無需CPU干預就能精確地定時觸發(這是本文主要討論的問題)。ARM LPC2103定時器0寄存器結構框圖如圖2所示。

圖2 定時器0寄存器結構框圖

初始化定時器0時,使定時器0匹配1(T0MR1)每逢第5 s時MAT0.1輸出翻轉;同時使定時器 0匹配 3(T0MR1)每逢第10 s時MAT0.3輸出翻轉。對定時器0設置代碼如下:

因對于ADCR A/D轉換控制寄存器的START位選擇100～111時,MAT信號不必輸出到引腳上。對于上述代碼初始化定時器需要說明,MAT 0.1的START=4即十六進制的100,下降沿觸發啟動A/D轉換。對于MAT0.3的START=5即二進制的101,下降沿觸發啟動A/D轉換器。

怎樣精確地定時觸發呢?先設置定時器0清零復位(Fpclk=1 s),每隔5 s,定時器計數器 TC的值與T0MR1設置值相等時,MAT0.1輸出信號翻轉;每隔10 s時,定時器 0復位。這樣在定時器 0復位后的第 5 s時,MAT0.1輸出再次翻轉;MAT0.1每隔10 s輸出翻轉一次,它的精確匹配值是:

Fpclk×10 s(復位時間)-Fpclk×5 s(翻轉時間)+Fpclk×5(再次翻轉時間)=10 s

因為MAT0.1翻轉2次才會有1次下降沿觸發A/D轉換,采集瓦斯濃度信息定時觸發,即可精確地計算出MAT0.1每隔20 s產生1次下降沿,定時觸發1次,采集一次新的瓦斯濃度信息。

同理,每隔10 s定時器計數器TC的值與T0M R3設置值相等時,MAT0.3輸出翻轉,并且定時器0復位。這樣在定時器0復位后的第10 s時,MAT0.3輸出再次翻轉。MAT0.3每隔10 s輸出翻轉1次,因為MAT0.3翻轉2次才會有1次采集一氧化碳濃度信息,即可精確地計算出MAT0.3,也是每隔20 s產生1次下降沿,定時觸發1次,產生1次新的一氧化碳濃度信息。這樣會給報警留有較長的時間。

上述兩段就是通過程序設置,無需CPU干預就能精確地定時觸發(是本文主要討論的問題)。這里的每隔20 s定時觸發1次,“20 s”這一數據可根據實際需求修改設定。

3 報警服務的實現

數字數據的提取、報警與A/D控制寄存器的設置均可通過中斷服務程序來完成。

定時器0為4號中斷源,如圖3所示,所以需要用中斷使能寄存器對4號中斷源進行使能。采用向量IRQ中斷,需要用VICIntSelect將4號中斷源選擇為向量IRQ,即第 4位置 1。然后將中斷服務程序地址賦給VICVectAddr0(因為向量通道0是最快的),最后用向量控制寄存器對向量通道0分配中斷源并使能。

圖3 定時器0中斷原理框圖

在初始化定時器0時,將匹配控制寄存器T0MCR賦值;它的二進制賦值是10001000001,即它的十六進制賦值是0x441,每3位設置一個匹配;設置的是當定時器0計數器的值與匹配0寄存器值相等時產生一個中斷,當定時器0計數器的值與匹配2寄存器值相等時又產生1次中斷,當定時器0計數器的值與匹配3寄存器值相等時定時器0計數器TC清零復位。

TC每次復位后將產生2次中斷,產生第1次中斷后,中斷服務程序將讀取A/D數據寄存器 ADDR1的值,并提取10位A/D轉換的結果(即一氧化碳濃度值);再將這一數據與初告警、中度告警和強度告警值進行比較,滿足這3種告警的某一種,就立刻進行聲光報警。因A/D控制寄存器 ADCR的 MAT信號不必輸出到引腳上的START位設置是唯一的,中斷服務程序還需對A/D控制寄存器ADCR進行設置。設置START=4,當EDGE選擇的邊沿出現在MAT0.1時啟動A/D轉換;EDGE=0,MAT0.1為下降沿觸發。通過中斷服務程序來完成對AIN0通道(即瓦斯濃度信號通道)A/D轉換器的啟動。

產生第2次中斷后,中斷服務程序將讀取A/D數據寄存器ADDR0的值,并提取10位A/D轉換的結果(即瓦斯濃度值);再將這一數據與初度告警、中度告警和強度告警值進行比較,滿足這3種告警的某一種,就立刻進行該聲光報警。因A/D控制寄存器的MAT信號不必輸出到引腳上的START位置是唯一的,因此還需對A/D控制寄存器進行設置。設置START=5,當EDGE選擇的邊沿出現在MAT 0.3時啟動ADC轉換;EDGE=0,MAT0.3為下降沿觸發。通過中斷服務程序來完成對AIN1通道(即一氧化碳濃度信號通道)A/D轉換器的啟動。

這樣,當TC值與M R0值相等時,響應中斷服務進行一氧化碳值判斷與告警并設置MAT0.1的啟動轉換。當TC值與 MR1值相等時,設置MAT1輸出信號翻轉;當TC值與MR2值相等時,響應中斷服務進行瓦斯值判斷與告警并設置MAT0.3的啟動轉換;當TC值與M R3值相等時,設置MAT3輸出信號翻轉并同時TC復位。這樣循環往復,可以無需CPU干預就能精確地定時觸發,精確地按時進行多個傳感器的觸發和多個判斷告警,即通過中斷服務程序實現了有害氣體檢測告警服務。

結 語

根據上述原理,使用ARM LPC2103芯片,已完成了一個可隨身攜帶的煤礦瓦斯報警器。它能及時檢測與顯示煤礦、隧道及各種地下工程等環境中的瓦斯(即甲烷)及一氧化碳濃度。當達到有害濃度值時,可進行不同級別的聲光報警。

此種報警器不僅適用于煤礦,安裝其他傳感器后也可用于其他礦山、化工重地、倉庫等具有爆炸危險的氣體環境中,提高安全監控能力。

將煤礦瓦斯報警器CH4、C2O傳感器換成可燃氣體、甲醛傳感器,就可用在廚房和居室,對有害氣體的超標情況進行報警。它的用途還可進一步擴展。

[1]周立功.ARM嵌入式系統基礎教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2004.

[2]Philips公司.LPC2101_02_03數據手冊,2006-04-11.