（信号与信息处理专业论文）基于dsp的鞋厂环境监测装置的设计与研究.pdf

硕士论文基于o s p 的鞋1 一 环境监侧装1的设计与 研究 abs tract s h oefa 以 o ries vely叹 c 为 el 苗 calliq盯 五 习 mw b i chpol so ddusand h a rmfi 日 gas with fl 盆 田 m abi l ityis eval 幻 而ed. lfl ai 沁 r 日 旧 叭 心 比也 记 “， k h k i耐ofe n 叨 r o . . ent o ver alo 飞伴n ed oft 访 货 ， 吐 比 七 h ea 】thwill 比歇 幻 。 璐 ly a 价c t ed. c 冶 ns i d e 山 堪此 印说 拍 山 力 。 戒 d戏面ty代 习 以 滋 ofs h oe佃加ri esan d p 耐 1司 p 倒即 妈 we b as如i gn 曰anen v 加m 刀 翩t m o 垃 t o n n g in 汕 山 拍 周 吐 on the b asi s o f ds p t b 七钾钾r s 衅苗 巨即 过 饥 劝 世 留 即 仕 w 毗 出 记加 记 ， 周.d es i gn for s h oe 丘 to d es 叮血。 皿即 回m o 苗 t o ri n g in 劝 山 m 目 残明d 目 即gi ves a l 协 iys isa j ld co淤l uslo n toailki n dsof q u 。 而 ons 叭 由 1比侧ll m 。 以 in此 p 八 x 义 污 s of如1 乎 in 此 r 改 p 伙 t of h 田 过 w ar ed es l gn， 川 助 gtothe 众 翔 tu r es of the envudlun即回 m o 苗 t 州的 gd a t a 舀 闷 切 sition an d脚 oc 曰 粥 止 呜 : 毛 水 加 gd sp as阮 价 ; 八 n 己 。 9 . to一 压9 1因 c 匀 幻 v 。 为 盯 m a x 1 96伪 口 甲 letear 因 0 9 滋 9 飞 目 “ 月 山 s i tio代 c p l d 助gi c 山咖访 g a 义 刊 口 l e 吐 . t 此 c h 切 g e ofcont 拍 1 和 。 币 o ns ， 山 斑脉 目 山 胎 s d “ 众 北 r， l/oex 脚 璐1 眠 the 山比uncec 政血of the k 叮 bo出 劝 ， 5 俪 加 h “ofa c 州5 币 onand c 劝 n 如! ， d sp一 m ul ti pl exedd 副 比b usan d sj ai 兀 旧 m 川 t i p le x edd a 扭b usin 加 d 泳 笼阳d co n 叭 二 匀 0 代c a n夕 ro v ， dec o n u n 叨 m 。 吐 1 0 n访 加 击此 for 伽过 句 血g in 动 山 m 。 滋 的d up户 努 m o 苗 t o r 翻伪 邢 暇翻1 叭 itin 恤 xl 切 以 活so ft w 翻 ”习 ， 比 心 on此 叨 m 侧 招 i ti o n an d de v e l o p m en t 户 . 哭 韶 ， 胡 d d l vi d ed加d sp eci 反d a l a aa种s itio氏d a ta协 翔 笼 55 止 嗯 ， d 时 a tr 出 招 m j ssionon吐 斌 ee m州1 1 1 邸. k e yw0 r d s : e n v ir 。 钊 m enta 1 mo ni to ring ， poi so n o u s and h a rl n 彻g as ， d s p，c p l d ， c anb us 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了 加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己 经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 己 在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 纳嵘草 象， 回 年7 月乙 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:) 耐年 7 月 乙 日 硕士论文墓于o s p 的鞋1环境监测装1的设计与研究 1绪论 l ll程背景及意义 随着我国制鞋业的迅速发展， 制鞋工人的大量增加， 胶勃剂的使用量也越来越多， 而 胶 乳 剂中 含 有 大量 有毒 有害 物 质， 其中 主 要 是 有 机溶 剂 l 。 国内 外 报道胶猫 剂 中 的 这 些 有害 物质可引 起作业 工人身 体多 个系统损害 121 叭 仅以浙江一省为例， 该省2 005 年统计， 全省制鞋企业约为5 科3 家， 从业人员8 8147 人。 浙江省卫生监督所对281 家企业及其使用的10种胶粘剂进行了 调查分析。 对其中 28 家企业 1 40 个工作岗位的有害因素进行监测，监测合格率 65石 %。苯浓度最高为 89 5 .s m 留 巾 3 ， 超 标21倍 。 抽 检 正 在 使 用 的10种 胶 粘 剂 ， 分 别 由 广 东 、 海 南 、 上 海 及 该 省 企 业 生产. 苯含 量 最高的 为5 74 昨9 ， 6 种未 检出 苯; 正己 烷含 量最高 的为60 5 砂9 ， 3 种 未 检出 正 己 烷 ; 甲 苯 和 二 甲 苯 含 量 平 均 为1 91 妙9 ( 范 围54 3 79 9/k乡。 综 合4 种 毒 物 含 量 分 析， 10种 胶粘剂中 苯 和 正己 烷 含 量 都较 低的 有3 种141 . 在对员工身体检查表明长期接触鞋胶中的混合苯会引起神经、 血液等多系统的损害. 刷鞋车间职工神经系统症状，检出的咽炎、皮肤粘膜出血倾向、 外周血象白细胞、血小 板减少率和其它非化学接触的车间比 较差别都有显著性。 为了降 低鞋厂的职业危害， 我们不仅要在操作中 加强 个人防护，还要采用技术的 手 段对空气质量进行检测，加强通风排毒，尽可能阳氏 车间的“ 三苯”等气体的 浓度。 结 合安全生产要求，针对当 前工厂空气质量的 现状， 研究开发一套具有实时 性、 可 以 实 现软硬件的 优化集成， 并 具 备多 任务网 络 化， 可以 对苯、 甲 苯、 二甲 苯、 温度、 湿 度、烟等进行监控的数字化自 动化系统具有重要意义. i j国内 外现状 从技术发展角度来看，新世纪环境监测技术可以说正在经历一场革命性的变化。 传 统的 光 学、 热学、电 化学、 色谱、 波谱类分析技 术都己 从经典的 化学精密机械电 子学结 构、实验室内人工操作应用模式，转化为光、 机、电、算( 计算机) 一体化、自 动化的结 构， 并正向 更名副 其实的智能 系 统发 展( 带有自 诊断、自 控、 自 调、自 行判断决策 等高智 能功脚 。 国 外监测仪器都普遍采用嵌 入式控制系统实现对在线分析的自 动化过程进行控制。 具 有体 积小、 功 耗低、 可靠性高、 配置灵活方 便等 优点， 可以 大幅度的 提高监测装置的 分 析 精 度 和可 靠 性 阁 。 l 硕士论文基于d s p 的鞋厂环境监测装1的设计与研究 而国内 对空 气中 有机污染物的监测，主要为手工采样， 实验室分析。 其获 取的样本 量无法和自 动监测系统相比，同时由 于其采样方式的原巴， 使监测误差较大。 对于测试关键部 件传感器， 敏感元件及传感器是人类探知自 然界信息的触角。由 于 国内 传感器技术起步晚，发展较慢，因此和美国、日 本等发达国家产生了一定的差距。 国内 和国外的敏感元件与传感器作为信息系统的关键基础元器件，在国外一直得到了高 度重视，很多发达国家为了 夺取未来经济发展制高点，大力投入人力、物力和财力来发 展它。国外在敏感元件与传感器的研究、开发、生产和应用主要表现为: (l) 自 动 化 技 术中 经典 的 传感 器正 在 被 新 材 料、 新 原理、 多 功能、 微 结 构 所 取 代; (2) 与 数 字 化技 术 、 通信 技术 的 紧 密 结 合: (3 )集成 化、 智 能 化 和 微型 化 进 展. 随着我国 环境保护工作的发展，我国 环境监测技术也取得了 较大的 进步， 环境监测 仪器生产形成了 一定的规模. 但由 于我国 环境监测仪器多是中小型企业生产， 产品基本 集中 在中低档的环境监测仪器， 远不能适应我国 环境监测工作发展的需要。主要存在: (l )技术档次 低， 低水平、 重复 生 产严重， 规 模效益差: (2) 产 品 质 量 不 高 ， 性能 不 稳 定 ， 一 致 性 较 差， 使 用 寿 命 短， 故 障 率 高 ; (3) 研究开 发能 力较低， 在线监测 仪 器的 系统配套生产能 力较低， 不能 适应市 场的 需要。 针对当 前现状， 很多利 研院所公司都加大投 入，推出 适应社会发展的 产品， 使我国 的检测技术朝着良 好的 趋势发展: ( 1) 以目 前 人 工 采 样 和实 验室 分 析为 主， 向自 动化、 智能 化 和网 络 化为 主的 监 测 方 向发展; (2 )由 劳 动 密 集 型向 技 术密 集 型 方向 发 展; (3 )由 较窄 领域 监测向 全方位领域 监测的 方向 发展; (4) 由 单纯的 地面 环境监测向 与 遥感 环境监 测相结合的 方向 发 展; (5) 环境监测仪 器将向 高 质量、 多 功能、 集 成化、自 动化、 系统化和智能 化的 方面 发展; ( 句 环境监 测仪 器向 物理、 化学、 生物、电 子、 光学等技术综合应用的高 技术 领域 发展。 1 3本课题研究的内 容 本课题来源于温州某鞋厂，主要针对鞋厂环境中“ 三苯” 含量的监测， 并可以 实时 显示 鞋厂温湿度， 以 及 对易 燃易 爆的 化学 用品 危险 性预普.同时 还配备排风系统， 安 全 门 等安全设施，以 降 低各种危害，为鞋厂员工提供良 好安全工作环境。 硕 士论文墓于d s p 的鞋厂环境监侧装置的设计与 研究 鞋厂环境监测装置具有4 大功能:数据采集功能， 数据处理功能，数据通信功能以 及安全控制功能。本文总共分为6 章对其软硬件设计和研究进行阐述: 第 1 章:介绍选题的背景、 意义以 及国内外监测装置的基本情况。 第2 章:对监测装置的总体设计进行概述，介绍系统各器件选型情况。 第 3 章:介绍监测装置的具体硬件设计. 第4 章:介绍监测装置的软件总体设计和各个功能模块流程。 第5 章:总结系统软硬件调试遇到的问题和需要注意的事项。 第6 章:全文总结，并提出系统进一步研究的方向。 硕士论文基于dsp 的鞋厂环境监侧装里的设计与研究 2监测装置总体概述 2. 1监测装置总体结构 如图2. 1 . 1 所示， 本装置分为5 大模块: 采集模块包括前端传感器、 调理电 路、 模数 转换电 路;中央处理模块是整 个装置的核心，主要负责数据处理，对整个 装置整合控制 调配;开关控制模块输入输出 各个开关量; 通信模块用于和上位机通信: 人机接口 主要 是方便现场查看和修改各个参数。 图 2. l i监测装置五大摸块 本装置主要用于鞋厂有毒气体的监测， 生产安全的防范。 下面几节将分别对本装置 中用到的气体传感器、 感烟传感器、 数字型号处理器、可编程逻辑器件、 现场总线进行 基本的介绍。 z j传感器介绍 2 么1气体传感器 气体传感器是气体检测的关键元件， 根据气体传感器气敏特性， 可以 分为6 大类: (l )半导 体 气体传感器 半导 体 气体 传感器是利用气体与半导 体接触引 起半导 体性质发生变化而测量 气体 的. 自1 9 6 2 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以 来， 半导体气体传感器己 成为 世 界上产量最大、应用最广的传感器之一， 按照其检测气敏特征量的不同方式可以 分为电 硕士论文荃于d s p 的鞋厂环境监侧装里的设计与 研究 阻式和非电阻式两种. 金属氧化物， 如s n oz， z n o ， 残伪， 五 仇， w 伪等做成的电 阻式半导体气 敏元件 是利用气体与半导体接触引 起半导体性质发生变化而测量气体的。 它对气味和气体( 尤其 是可 燃 性气体 和某 些有毒 气体 ) 具 有较高的 灵 敏度， 具有制作 简单、 成本低廉、 响 应速度 快等优点， 但也存在着对气体选择性差、 元件参数分散、 使用时 需加热、 易中 毒等缺点。 通过在半导体内添加少量pt ， pd， au 等贵重金属催化剂 和改善制作工艺、 改变工作温 度可以 在一定程度上提高传感器的灵敏度和选择性. 例如， 掺an 的w伪传感器对空气 中 的 微量n h j 很 敏 感， 检 测 范围 从5 即卜s o p p m ; pd的s n 仇传感 器对凡 2 双 chc if z ) 相 当 敏 感， 再 掺5 ， 对r-ll 3 (c c l 刃 c i fz)和r-1 34 碱 c l l z f e f 3 ) 的 灵 敏 度大 大提 高. 利 用 薄 膜 技 术、 超 粒子薄 膜 技 术 制 造的 金 属 氧 化物 气 敏 传 感 器具 有 灵 敏 度高( 可达p p b 级 ) 、 一 致性 好、小型化、易集成等 特点;将超微粒子膜技术与集成技术相结合可以制作集成化 超微 粒子气敏传感器， 这种 传感 器与 模式识别 技术 相结 合可 研制冷化学电阻 型 装置 161 . 另一类半导体气体传感器是m o s 二极管式， 结型二 极管式以 及场效应管式的非电 阻气体传感器。 其电流或电 压随着气体含量而变化，主要用于检测氢和硅烷气等可姗性 气体， 例如用半导体材料6 h . s ic制成的pt-s 0 2 . s ic气体传感器， 可用来测量内 烷和j- 烷等。 其主要优点是灵敏度高， 但制作工艺比较复杂，成本高。 (2) 固体电 解质气体传 感器 固 体电 解质气体传感器是一种以 离子导体为电 解质的化学电 池。 从70年代开始， 由 于固 体电 解质气体传感器导电 率高， 灵敏度和选择性好，获得了 迅速的发展， 现在几乎 在环保、节能、 矿业、 汽车工 业等各个领域得到了 广泛应用， 其产量和应用仅次于金属 氧化物半导体气体传感器。 该种传感器主要分以 下三类: 材料中 吸附由 待 测气体派生的 离子与电 解质中的 移动离子 相同的传感 器， 例如 氧传感器等; 材料中 吸附由 待测气体 派生的离子 与电 解质中的 移动离子 不相同的 传感 器， 例 如用于测量氧气的由 固体电 解质s r f z h 和pt电 极组成的气体传感器; 材料中 吸附由 待测 气体派生的离子与电 解质中 的 移动离 子以 及材料中的固 定离 子都不 相同 的 传感 器: 例如新开发的高 质量c q固 体电 解质气体传感器是由 固 体电 解质n asic o n和 辅助电 极材料n an伪 . b ac伪或lizc 伪 (副 c 场， lizc 场一 b a c 氏组成的。 目 前开 发的高 质量固 体 传感器绝大多 数属于 第3 类， 又如用于 测量n oz的由 固 体电 解质n asic o n和辅助电 极n 司 附 伪几 1 2 c 伪制 成的 传感器， 用于 测量珑5 的由 固 体电 解质 yst- a u 一 w0 3 制成的传感器， 用于测量n h j 的由 固 体电 解质n l 公 c . c 匆 伪制成的 传感器 等。 (3 )接触燃烧式气体传感器 硕士论文 基于d s p 的鞋厂环境监侧装里的设计与研究 接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃 烧式和催化接触燃烧式，其工作原理是气 敏材料如 pt 电热丝等在通电状态下，可燃性气体氧化燃烧或者在催化剂作用下氧化嫩 烧，电 热丝由于 燃烧而生温， 从而使其电 阻值发生变化， 这种传感器对不嫩烧气体不敏 感。 例如在铂丝上涂敷活性催化剂rh和pd等制成的 传感器， 具有广谱特性即能 检测各 种可燃气体， 这种传感器有时称之为 热导 性传感器， 普遍 适用于石油化工厂、 造船厂、 矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的 检测和报警。该传感器在坏境温度下非常稳定， 并 能对爆炸下限的绝大多数可燃性气体进行检测。 (4) 电 化学 式气体传感器 电化学式气体传感器可分为原电 池式、定电 位电解式、电量式、离子电极式四种类 型。 原电 池式气体传感器通过检测电 流来检测 气体的浓度， 市场上销售的检测缺氧的仪 器几乎都配有这种传感器。近年来，又开发了 检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感 器.定电位式传感器是通过测量电 解时流 过的电 流来检测气体的 浓度， 和原电 池式不同 的是， 它需 要由 外界施加 特定电 压， 它除了 能 检测c o 、 n o 、 n 仇、 仇、 s q等 气体外， 还能检测血液中的 氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反应产生的电流 来检测 气体的 浓度。 离子电 极式气体传感器出 现得比 较早， 可以 通过测量离子极化电流 来检测 气体的浓度。电 化学式气体传感器主要的 优点是检测气体的灵敏度高， 选择性比 较好。 (5 )光学式 气体传感器 光学式气体传感器主要是以 红外吸收式气体分析仪为主，由 于不同气体的红外吸收 峰不同， 通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目 前的 最新动向 是研制开 发流体切 换 式、 流 程直 接测定 式和傅立叶 变换式 在线 红外分析 仪。 该 传感器具有高 抗振能 力 和抗污 染能力， 与计算 机相结合，能连续测试分析气体，具有自 动校正、自 动运行的 功能. 光 学式气体传感器还 包括化学发光式、 光纤荧光式和光纤波导 式传感器， 其主 要优点是灵 敏度高，可靠性好。 (6) 高 分 子 气体 传感 器 近年来，国 外在高分子气敏材料的 研究和开发上有了 很大的 进展， 高分子 气敏材料 由 于具有易操作 性、 工艺简单、 常温选择性好、 价格低 廉、 易与 微结构传感器和声表面 波器件相结合， 在毒性气体和食品 鲜度等方面的 检测具有重要作用。 2. 2 )离子感烟传感器 鞋厂中大量使用的化学用品，易嫩易爆， 存在极大的消防安全隐患。对此，本装置 特别配备离子感烟传感器。 离子感 烟传 感器是由 两片 放射性物质 锢241 (24i a m 沁 源， 构成检测电 离室和 补偿电 硕士论文 基于d s p的鞋厂环境监测装里的设计与 研究 离室， 它可把物质燃烧初期产生的 烟雾转换为电 信号， 构成火灾报警的传感器 网。 图 2 2 . 1 是单电离室的工作原理图。pl 和pz是一相对的电极，在电极之间放有放射性 源241 a 刀 1 。由于它不断地放出“ 射线， a 离子以高速运动撞击空气分子，从而使极板间空 气分子电离为正离子和负离子， 使电 极之间原来不导电的空气而具有导电 性。 如果在极板p 脚咒之间加上一个电压e 。 极板间原来杂乱无章运动的正负离子， 在电 场的作用下作有规则的 运动， 从而在极板间形成电离电 流1 生 。施加的电压越高， 则电离 电流越大，当电离电流增加到一定值时，外加电 压再高，电离电流也不会再增加，此电 流称为饱和电湘日 . 2 4 1 声 口 图2 2.1电离室工作原理图 在实际 使用的 传感器中， 将两个电 离室串 接 起来与电 源相接， 如图 2 .2. 2 所示。 检测 电 离室 在结 构上要做成 烟雾 容易 进入的型式， 而补 偿电 离室 则 做成烟粒子很 难进入、 而 空 气又能 慢慢进入的型 式。 采用两个电 离 室串 接的目 的是为了 减少环境 温度、 湿度等条 件变化对电离电流带来的影响，以提高传感器工作的稳定性。 图2. 2 2 检测电离室与补偿电离室连接示意图 硕士论文荃于d s p 的 鞋环境监侧装里的设计与 研究 当有火灾发生时，烟雾进入检测电离室后，电离后的正负离子被烟雾粒子所吸附、 使离子在电 场中的运动速度降 低。另一方面， 在受烟粒子的作用下， 。 射线被阻挡，使 电离能力降低。 由于这些原因， 使电离电流减小，引起两个电离室分压比的变化，如图 2. 2. 3 所示。 无烟 八一11 补侣 电离室 / f，y ，lf :犷 玉 图2 2 3 两电离室的电流与电压特性曲线 从图 2. 2. 3 可以 看出， 在无火灾时， 传感器两 端的 外加电 压为va， v 。 等于两电 离室电 压之和，即: 气= k+ 砚(2 .2 . 1) 当 有火 灾发 生时， 烟雾进入 检 测电 离室， 检 测室的电 离电 流从正常的 1 ! 降到 b ， 此时 检测电 离室的内 阻 增大， 其两端的电 压从 叭增 加到 巧 .由 于分压比 的变化， 检测室 增 加了一个电 压差，即: v = 气一 k(2. 2. 2 ) 幼 数字信号处理器 美国 德州仪 器公司m) 自1 9 82年成功推出 第一 代d sp芯片 及其系列产品以 来，是 这一领域发展最快、 最成功的 厂商， 也是世界最大的d s p 芯片供应商， 其市场份额占 全 世界近5 创 毛 . 经过多年的发展， 皿不断推出 适应需要的d s p 系列产品，其中cz峨洲 洲 ) 系 列主要应用于控制装置， c s 仪 旧系列主要应用于高 性能便携式设备， c 6 0( 犯系列组要 应 用于 数 字信号处 理的高 端领域。 美国刀公司 的t m s 3 加系列数字 信号 微处 理器包 括定 点、 浮点和多 微处理器的d sp， 是产量最高、品 种最多、 性能最强的数字信号处 理器。 在数 据采集装置的 设计中， 对d s p 芯片 选型首先考 虑装置 对速度、 精度、 动态范围、 实 日 硕士论文荃于dsp 的鞋厂环境监侧装置的设计与研究 时 性方面的要求， 同时减 小装 置体 积、降低 功耗 和成 本。 综合考 虑芯 片的 运算 速度、 总 线结 构、直接内 存存取山m 人 ) 、 如 总线是 否便 于连 接，片内 外 存储 器容量大 小等多 方 面因素，最终选用了t 加 1 5 犯0 尺06芯片f们 功 5 犯o f206 的技术指标、 存储器资源、 价格 方面均可满足装置的要求， 片内的犯k *l6 位的f l a s h存储器可以来固化程序， 给开发 调 试工 作带来 极大的方 便，同 时还 可以降 低成了 成本 阅pi。 刃 讨 5 320f2 06 是采用高性能静态 c m o s集成电路工艺制造的，结构是以 r m s 32ocz 洲系列为基 础的d s p ， 它 操作灵活， 具 有以 下优点 口 钱 ( 1) 速 度快 单 周期 指令执 行时 间为 5 0 ns 、 35ns、 25ns， 处 理速 度可以 高达 20 m 】 p s 、 28.5 m ip s 或40卜 1 1 p s( 每秒百万条指令)o (2 )可 存储空间 大 224 k字的 可寻 址空间 ( 翻k字程 序空间 、 64k字 数据空间 、 64k字拍 空 间以及 32k字全局空间) 。 5 44字的 双口 片 上r a m( 2 88字 用于 数据 存储器， 2 56字用于 程序或 数据 存 储器) 。 4k 字的 片上r o m或3 2 k字的 片 上f l a s h存储 器 ( 3 )c p u 3 2 位算术 逻辑 单元 ( c a l u ) 3 2 位累 加器 16位、 16位并行 乘法 器， 带32位输出 能 力. 3 个定 标移位 器 8 个16位辅 助寄存 器以 及一个用 于数 据存 储器间 接寻 址的 专用算 术单 元。 ( 4) 程序 控制 4 级流 水线操 作 8 级 硬件堆栈 用户 可屏蔽中 断 (5 )含有强大的 指令集 单 指令重复 操作 单周期乘肋口 指令 存储块 移动指 令、 便于实 现更好的 程 序/ 数 据存储管 理 变址寻 址能力 位反 转变址寻 址能 力， 适合用于 基一 z f f t 的运 算 网 含有丰富 的片内 外设 软件可 编程定时 器 9 硕 士 论 文基于os p的鞋厂环境监翻装里的设计与研究 软 件可 编程等待 状态发生 器， 可用 于程 序、数 据和阳 存 储器空 间 用 于实 现时 钟选项的 振荡 器和 锁相 环 (pll) :xl ， 心 ， x4， 粗 控 制c l k o 兀 1 弓1 脚开 / 关状 态的c l k寄 存器 同步串口异步串口。下 m 3 2 o f206 拥有一个标准的异步串口 ( u a 卫 t ) ，这 是它区别于其它t ms320 系列芯片的特征之一。 u a 卫 j的发送器和接收器是 双缓 冲方式， 由 可 屏蔽的 外部中 断 信号分 别控 制， 具有自 动波 特率检 测功能， 为 实 现人机交互 提供了 方便。 ( 乃 功 耗低 s v 或3. 3 v静态c m o s 技 术 节电 方式， 减小 功耗 (8) 刀 沐g口 1 ，m3 20f206有一个刀 沐g扫描逻辑电路( 正e e标准 11 49. 1 ) ， 用于仿真和测试j阶 乃 扫描逻 辑可以 提 供对 接口 器件的 边界 扫描; 并且， 它 可以 提 供管脚到 管脚的 连续 检查和 t m 3 加fz肠的 外围 器件的 操作检查. 它可以 与处 理器内 部逻 辑电 路接口， 从 而访问 所有 的片内资源。这样，t m3 2 0 f2% 通过j t a g序列扫描和仿真管脚就可以完成板上仿真。 s v或3 . 3 v 静态c m o s 工艺， 可以 以降 功耗 模式 工作 减少功 率消耗， 封装 形式为1 的线 薄型四 边有引 线扁 平封装 ( tq fp)o 2.4 可 编程逻 辑控 制器 本装置中， 选 用x 创 l in x公司 的c p l d芯片x c 9 51 44. 它的 宏单元为1 44个， 最 大阳 为1 33个， 系 统时 钟可 达2 00 11 忆， 采 用快闪 存储技 术( f a st f l a s h ) ， 与e z c m o s 工 艺 相比， 功 耗明 显降 低。 系 统采用 可编 程逻 辑器 件语言从 幼 】 。 g h d l 来进行设 计， 完 成外围 扩展和 控制 功能 、接口 转换等 功能 1 3 3 】 。 采用可编程逻辑器件实现数字系统设计有很多优点，最明显的是系统的器件使用数 大大 减少。 除了 能 节省器 件数量外， 使 用可编 程逻 辑器件 也可以 节约昂 贵的p cb 板面积、 电源功耗、调试时间，并且，还能改善系统的性能和对设计实施加密。可编程逻辑的最 大优点 就是设 计的 灵活性， 这是 分立元 件所 无法 具备的 特征。 因为 采用t t l 分立 元件一 旦构 成pcb板级 设计，任 何逻辑改 动必 将 采用跳线 和钻 孔的方式。 如果p cb 板 生产量 较大， 任何 逻辑的 改动 必将导致 前期投资 的大 大 提高， 并使 产品 上市时间 推迟: 而采 用 c p ld 进行同 样的设 计则不然， 其p c b 板依然 可用， 无须 破坏板上的 连线结 构， 只需 修 改逻 辑、 修改内 容的连 接关系即 可.可 编 程逻辑的 另一 个优点 就在于允 许设计 工具帮 助 你自 动的 进行 设计， 不是象 采用t t l 器件那 样， 需要 人工的建 立一系列 等效 布尔表 达式 来进行逻辑设计，而是创建一个设计描述，借助于逻辑综合和优化软件，来实现适当的 硕士论文基于d sp 的鞋厂环境监侧装t的设计与研究 设计。 在可编 程逻辑设计过程中实质性的工作是根据设计要求来生成设计描述，而设计 过程的其它部分均由软件自 动地进行。 2 . 5现场总线 2. 5. 1 现场总线概述 现场总线( fiel db创) 是80年代末、 00年代初国际上发展形成的， 用于 过程自 动化、 制造自 动化、 楼宇自 动化等领域的现场智能设备互 连通讯网 络。它作为工厂数字通信网 络的基础， 沟通了 生产过程现场及控制设备之间及其与更高控制管理层次之间的联系。 它小仅是一个基层网 络， 而且还是一种开放式、 新型 全分布控制系统。 这项以 智能传感、 控制、 计算机、 数字通讯等技术为主要内容的综合技术，已 经受到世界范围的关注， 成 为自 动化技术发展的 热点， 并将导致自 动化系统结构与设备的深刻变革。国际上许多 有 实 力、 有影响的公司 都先 后在不同 程度上进行了 现场总线技术与 产品的开发。 现场总 线 设 备的 工作 环境处 于过程设 备的 底 层， 作为工 厂设 备级基础通讯网 络， 要求具有 协议 简 单、容错能力强、安全性好、成本低的特点:具有一定的时间确定性和较高的实时性要 求， 还具有网 络负载稳定， 多数为 短帧传送、 信息交换频繁等 特点。由 于上 述特点， 现 场总线系统从网 络结构到通讯技术，都具有不同 上层高速数 据通信网的 特色。 比 较典 型的 现场总线有c a n总 线、 cc. l 汕 改 (c o ni 功 1 防爆外壳，坚固耐用;高可靠性和准确性，良 好的 抗干扰性;良 好的性能 价 格比 。 其 性 能 特点 如 表3 .2.1 . 表 j 2 1 苯检测探头性能指标 项目说明 工作原理半导体 检测气体苯 检测范围 0- 5 印ppm 最大功耗1 团n 该 输出信号今 2 0 m a标准信号输出 工作温度一 1 0 70 环境湿度 1 说 9 5 % r h ( 非 冷 凝 ) 检测精度士5 % 零 漂 移0 5 %f ， s j 月 反应时间5 加 (2) 甲 苯传 感器 甲苯检测探头是奥德姆公司的0 优几0 型探头。 它适用于各种工业环境， 具有小巧、 坚固、 精确和o u 加 陀 0 的 预标定 传感器更便于现场安装等特点。 可分为隔爆型和本安型 二 大类。采用最先进的 传感器技术， 检测精度高、反 应时间 短、 使用寿命长:防腐蚀外 壳，坚固耐用;体积小巧，安装方便;可更换的预标定传感器， 无须现场标定。 硕 l 论文葵于o s p 的鞋1环境监测装置的设计与研究 表 3 2 2 甲苯检 钡 业 探头性能指标 项目说明 工作原理电化学 检测气体甲苯气体 检测范围 压1 00即m ; 0-3阅p p m ; 0-1 田卯p m 最大功耗 2 5 ma 输出信号今 2 伪 口 a标准信号输出 工作温度 一0 60 环境湿度 1 创 令 9 5 % rh( 非 冷 物 检测精度士1 . 5 % f. s. 零 漂 移0. 5 %f .5 . / 月 反应时间心 0s (3 )二甲 苯传感器 d e t con 公司的fp礴 2 4c 型是带暗盖的防曝型传感器. 操作是通过信号发送器端面板 上的 跨度电 位计。 这种型号的 传感器结实耐用， 传感器信号发生回路的 插入式模块方便 了 产品的升级换代。 表3 2 3二甲 苯检测探头性能指标 项目说明 工作原理催化嫩烧式 检测气体二甲苯 检测范围0 . 5 叨p p m 最人功耗 ! 阅 n 认 输出信号今 2 0 n 叭标准信号输出 工作温度 确0 7 5 环境湿度 闪仪 冷 识 妇 ( 非 冷 衡 检测精度士3 今 闭一 s o l e l 零 漂 移0. 5 % f . s j 月 反应时间 5 05 3 j 2气体传感器的转化电路 由 上一节可知， 本装置选用的 苯、 甲 苯、 二甲 苯三种气体传感器输出 均为 直流电 流. 硕 士 论 文基于d s p的鞋厂环境监侧装置的设计与研究 为了保证精度要求，选用了美国 r u r r . b r o w n 公司生产的精密电流环接收器芯片 rcv420， 可将4 、 2 0 n 1 a输入信 号转换 成为卜s v输出 信号， 具有 很高 的 性能价 格比 。 r c v 42o包含一个高级运算放大器、 一个片内精密电阻网络和一个精密 1 0v 电压基准。 其总转换精度为0.1 %，共模抑制比c m r达8 曰b ，共模输入范围达士4 0v。 r c v 4 20 在满量程时的电压下降仅为1 .sv ，在环路中串有其它仪表负载，或者在对 变送器电压有严格限制的应用场合非常有用。1 0v电压基准提供了一个典型温漂 s p p 耐的 精密1 0v 输出。 r c v 4 2 o 无需 其它外围器 件辅 助， 就 能实 现诸多功能 。 增益、偏置 和 c 侧 r无需调 节， 较之由 分 立器 件设计的印 制板电 路， r c v 4 2 0具 有更低的开 发成本、 制 造成本 和现 场维护费用。其内部结构图如图3. 2. 带 l 。 v 一r自 f l n 刀爪 刀 门c丫4 2 0 9 2比j 1 15 k 口 r v re 丫0 臼 t 盘 1 月1 她j+ 思 日目 0 璐 r时、 n et t 行 m r . f n o 匕 . 飞 d u e 加 n 3 d 司k u1 00 目 黑黑 图3 llr c v 4 2 0 内部结构图 当冬2 0 i l l a电流 输入对应卜s v电 压 输出 时 ， 要求电 路的传 输阻 抗为: 叹 = 笼 、。 .3 25 犷 耐 ( 3 2 1 ) 为了 得到 期望的 输出 ( 4 m a时ov， 2 0 1 l l a时s v ) ， 放大 器的 输出 必 须有 个偏置: 编 二 卜 4 耐)x(0. 引 2 5 犷 / 耐) = 一 l 2 5 犷(3 2 .2) 输入电流信号接至 + in 端还是接至 一 in 端取决与信号的极性， 并经过中心抽头c l ， 返回地端。两个匹配的75 欧检测电阻rs 构成对称输入，可最程度地抑制c t脚的共模 电 压 信号，消 除不同 输入端电 流在 差分电 压转 换时的不 均衡。 检测电 阻将 输入的电 流信 号 经差 分放大 器放大， 转换成 一个与 之成 正比 的电 压。 位于放大 器反 馈通道中的t 型网 络节 点用于 产生 所需 要的 一 1 ， 25v 偏置电 压 输 入电 阻网 络 提供了 很高的 输入阻抗， 并将 共模输 入电 压衰减 至运算放大 器的 共模 信号容限内 . 电路原理图如下图 3 .2.2 。 硕 士 论 文基于d s p的鞋厂环境监测装里的设计与研究 g n d 纂 -1n溯 子一一 二 产 亨 牡 一 上uf 医 班 w 月 2 0 协 施 甲fb 万 匕 ，。 创 施 ，c o 爪 施 f 认 re f o u 门 施 r 正 n c 1 毛 + 1 5 v 笠 寸 1 亏1切 l 2 1 1 1 d 9 :;4纽万一3戈一5-一7毛 图3 22化 臼 网2 0 应用电路 1 2 ) 温湿度传感器 如图3. 2. 3 是 本装置选 用的 温度传 感器a d 5 90用于温 度测 量的电路。 测量电路主要由集成温度传感器a d 5 90、 放大器芯片l 加 口 24、 稳压管及一些电阻组 成。 稳 压管岛钳 制了由 电 源 提供的电 流电 压， 经可 调电 阻凡 7 调节后， 保持p 点电 压， 即放大器的同相端输入电压为2. 73 v 。 a d 5 90 的电源电压范围为4 一30v ， 可以承受明v 正向电 压和2 0v 反向 电 压， 因 而 器件即使 反接 也不 会被 损坏， 因 此氏的 作用是 使a d 5 90 在稳定的工 作电压范 围下工 作。 调节可 调电 阻翰 为 1 0k0 ，由 稳压管氏稳压 后， 用以 保证q点电 压，即 放大器的 反 相端输 入电 压 为 (2 73 + t ) 功 人 、 1 。 吩。 其中 ， t 为被 测温度 的 摄氏 表示值。 集成芯片l m 3 24 经过电 阻肠 、 凡 ， 分 压 后直接 从电 源获 得了 正常的 工 作电 压， 将同相端 和反相 端的 输入电压 值作 差， 运算后 进行 线形 放大， 作为整 个设 计电 路的输出. 适当 地改 变凡。 以 及凡 ， 的电 阻 值可以 改 变输出电 压的 放大倍数。 根据 a d5 90 特性可知，流过器件的电流与温度关系为: 丫= 1 输出电 流是以 绝对 温度零 度 2 73 ) 为 基准。因 此， 气= io x 左 = (2 7 3 + r ) x l o ( 3 . 3 3 ) 图3. 2. 3 中a点的电 压值为: (3 一 3 4) 此时， 际 和凡7 构 成分 压电 路， 调节p 点电 压使 其达到v 卢 2 .7 3 v 。 l m 3 24、 凡卜 凡 ， 、 r 叨 、 r41 构成运放 差动输 入减法 运算电 路， 因 此， 输出电 压为: : = (卜 从。) 爪 。 十 ， ;1) 。 一 从: 。 = 希， 式中， t为被测 温度的 摄氏 表 示值. 因此， 可 根据电 压表的 读数直接 得出 被 测温度 为卜1 0 v o 。 由 于a d 5 90的 增益 有偏差， 电 阻 也有 误差， 因 此应 对电路 进行调整。 将a d 5 90 置于室 温下 (2 5 ) ，调 整电 位 器使: t 7 硕士论文墓于d s p 的鞋厂环境监测装置的设计与研究 vo= ( 2 7 3 + 2 5 ) x l o = 2 9 8 v(3 一3. 6) 而根据本实验所取元器件的电 参数， 输出电 压示数乘以 读数，即卜1 0v0o ro将正好是待测温度的摄氏 图 3 2 3 温 度测量电 路 相对湿 度传感器选用的 是美国加 n 灼 丹 爬 u 公司的 出的三端集成湿度传感器， 具有线性 度好， 精度高， 范围可测量等突出优点。 湿度传感器输出 特性如图 h ih3 6lo 。 h ih3 6lo 是一个电压输 性能稳定，小1 (x)% r h非凝结态全 3 一 2 一 4 0 硕士论文基于o s p的鞋厂环境监测装置的设计与研究 4 . 0 7 390 ， 350 454d朽3.0幼劲1.51-00.500 召之吕县多只蔺6 0加4 0 60801 0 d r 叫 目 加 e h 明 记 砂( % 图 3 1 4湿 度传感器输出 特性 刊旧 610 的电压输出对应湿度关系为: 味= 踢砷 0 .0 0 6 2 (s e ns o rrh ) + 0 .1 6 1o .3 .刀 其中 : v 时 为 输 出 电 压 值 ， v 动 是实 测 供电 电 压 值sv， 脚 筋 幻 识 ”是 环 境 温度 在25 时的相对湿度. 温度补偿关系为: ; 二 = (serso咄 .o546 一 。 。2 16: ) (3.3 .8) r h为经过温度补偿的 湿度值， t为实际环境温度值. 3 j模数转化 人 刃转化器品种繁多， 从性能 上来讲， 其主要有分辨率，绝对精度，相对精度， 线 形误差等方面的要求。综合性能要求及本装置实际需要，选用了 ma x n 公司的 max1 9 6 。 m a x l %是m a xin公司 基于 数字系 统的 新 要求开发的系列单片数据采集系 统 同 . 能节省印制板面积、 减小功 耗、 缩短设计时间。 只需要少 数外部元件 ( 某些情况下甚 至 不需要任何外部元件)，能对目 前普遍使用的大多数标准信号进行转换. 每个芯片包含12位a d c 、 内部4. 的6 v参考电 压或外部参考电 压， 最小分辨电 压为 4. 096 v 泛 12 为l m v ， 完全能 够满足传感器最低 精度要 求。 l 9 硕士论文荃于d sp 的鞋厂环境监测装置的设计与研究 该芯片有六个单端模拟输入通道， 它们通过具有故障保护功能的多路复用器与内部 的 a d c相连接。 每一个通道能承受高达165 v 的 输入电 压， 并且每一个通道的故障不影 响任何其它通道。具有串 行或并行的数字接口，可方便地与微处理器联接。 其典型结构 图如图3. 3 . 1 。 印口阳 5 贬 冷叭l c 仓 阳创仆:喇仲怕 氏)滚 吕 口眨甘 以 笼下 州班 1 优 曰洲盯 峥j 万 牙 不 丫 2 习1 1n n : 饰湘洲能哪洲 夕哎岌 5 夕呢 ， 月 茸吸o x 卜叭no n 旧 生 卜了 叹 c 创叮曰笼 侧盆 吕 谈 下 片巴 己一睐一网 1 协盯 s t 盯!叫 下 堆口帕 .从 尸 01 价 e p f 九 二 e 淡;寡 如 少 柳 0 心 翻0 助 刁1 ， 2 习 t d 山祛 目 石 图3 久im 峨 x l %典型结构 图3. 3 1 中 各通道能独立地编 程为 任一 个 标准输入范围: 卜s v 、 1 0v仕s v或 士 1 0v， 士 v r e f 左 ， 土 v 卫 e f ， 采用单sv 供电。 增益可调范围为2 倍， 输入偏移量可调