基于DSP技術的氣體傳感器陣列信號采集系統設計

(舞陽鋼鐵有限責任公司　河南　舞鋼　462500)

一、引言

氣體傳感器是一種把氣體中特定成分檢測出來，并將其轉化為適當電信號的器件。隨著檢測技術的不斷發展及人們對生活水平的不斷提高，對氣體樣本的檢測已經從對單一氣體的定性定量識別擴展到對混合氣體成分分析。由于氣體傳感器工作特性的非線性和非單一選擇性，使用一種氣體傳感器來識別某種氣體或混合氣體非常困難。因此科研工作者們利用氣體傳感器陣列中不同傳感器的交叉選擇性來確定混合氣體中的特定成分。使用氣體傳感器陣列需要對大量氣體傳感器同時進行檢測，并應用較復雜的模式識別算法對傳感器響應進行計算，而國內的氣體傳感器陣列應用還處于實驗室階段，需要依靠多通道數據采集設備及計算機的支持。

二、系統硬件結構設計

(一)硬件主體

該系統采用DSP+CPLD設計結構，依靠DSP的對數據進行高速處理，CPLD協助DSP完成對外部設備的控制，硬件結構設計主要包含以下幾個方面。由高速浮點DSP執行模式識別程序并對外設芯片進行的邏輯控制。CPLD負責對DSP和外設之間的控制信號的時序及邏輯進行協調。信號采樣部分由AD芯片、多路模擬開關及信號調理電路組成，對傳感器列陣產生的模擬信號進行采樣。

TMS320C6720是德州儀器公司基于C67X系列DSP開發出的新一代32位低功率浮點處理芯片，工作頻率最高可以達到350MHZ，自帶32K內部ROM，384K內部SRAM、64K內部RAM及1個內部定時器。作為系統核心部件，DSP的性能決定了系統的整體性能，選用TMS320C6720是應為其高速浮點運算功能可以滿足神經網絡、聚類分析等復雜識別算法的要求。由于工作中DSP要對AD芯片、Flash及多通道模擬開關等外設進行控制，并對模擬開關的通道進行選擇，而6720的I/O管腳有限，因此需要通過CPLD對控制管腳進行擴展。

該信號采集系統采用的Altera公司出品的MAX7128，協助DSP對外設邏輯和時序進行管理。

(二)AD模塊

信號采集模塊由單通道AD芯片、多路模擬開關及輔助電路組成，采用美國AD公司生產的AD7899單通道芯片進行模數轉換。AD7899芯片采樣精度14位，最高采樣頻率可達400KHZ。通過8路模擬開關SN74LV4051的傳感器的通道選擇實現單通道模數芯片對多個傳感器的同時采樣。通過8路模擬開關的分頻，每個通道的采樣頻率理論上為50KHZ，考慮到開關時間損耗實際最高采樣頻率要低于理論值。而常用的金屬氧化物氣體傳感器達到穩態一般需要近20秒的反應時間，因此這樣的設計可以完全滿足對8個金屬氧化物氣體傳感器的同時采樣。

圖1　采樣程序設計

三、程序設計

TI公司為DSP用戶提供了CCS系列軟件開發環境，支持C語言、匯編語言及兩種語言的混合編程[2]。用戶可以根據需要編寫應用程序對DSP進行控制。CCS將應用程序編譯生成.out文件，在仿真器的幫助下用戶可以實現對DSP進行的在線調試。本文所設計的信號采集系統采樣程序流程如圖1所示。

四、系統采樣實驗

采樣實驗使用煒盛公司生產的半導體氣體傳感器，將4個mp-3及4個mp-4氣體傳感器組成的傳感器陣列與DSP系統的采樣通道連接，然后將陣列置入采樣室。將金屬氧化物傳感器預熱半小時，然后各個通道的采樣頻率設置為5HZ啟動DSP系統運行采樣程序，采樣半分鐘后開啟氣流閥將預先配置的200ppm甲烷氣體充入采樣室進行動態采樣，并繼續進行5分鐘采樣。

通過仿真器將DSP內存儲的采樣數據上傳至計算機，得到閥門開啟前后的8通道2000點采樣數據如同2所示。

圖2　目標氣體充入前后傳感器響應曲線

五、結論

實驗證明該系統能夠完成多通道數據采樣任務。應用DSP技術設計的多通道數據采集系統依靠其強大的數據處理能力系統能夠完成復雜算法的運算及對片外設備的控制，能夠對多個傳感器組成的傳感器陣列進行采樣及數據處理。

【參考文獻】

[1]石志標,黃勝全.基于生物嗅覺的電子鼻研究[J].中國機械工程第18卷第23期.2007.12

[2]何國泉，劉木華.基于電子筆的氣敏傳感器及其陣列[J].傳感器世界 2008.(7)

[3]范超群，張順平.特征提取及其在電子鼻對可燃液體識別中的應用[J].傳感器與為系統2007.26(8)