（通信与信息系统专业论文）基于超声与CPLD技术的SFlt6gt气体浓度智能监控.pdf

摘要 本论文围绕2 0 0 5 年常州市科技攻关计划( c e 2 0 0 5 0 2 6 ) 和江苏省高新技术产业发展 ( j h b 0 5 0 8 ) 资助项目中的部分问题展开研究，有关成果已包含于成功申请的国家发明专 利( 2 0 0 5 1 0 0 3 7 6 2 ) 和国家实用新型专利( 2 0 0 5 2 0 0 6 9 4 0 3 8 ) 之中。 作者在正式攻硕前的半年时间里，有幸进入了国家重点实验室，进行声场仿真的理论 学习及超声二元气体浓度检测的基础试验，为完成本论文奠定了良好的基础。接本课题后， 结合实际工程项目并基于作者及他人的前期工作，对测量s f 6 气体浓度的监控系统进行研 究。本文采用参比法设计现场s f 6 气体浓度变送器，考虑到精度与实时性要求，采用了 c p l d & m c u 应用技术，可实现实时的高精度、宽量程s f 6 气体浓度测量，并集成了氧气 含量、温湿度的测量功能，符合相应规范。上位机根据现场测量的各个参数情况做出判定， 并做出对s f 6 气体超标报警、缺氧报警并启动风机等动作的控制决策，上位机还负责对历 史数据的追忆及其整个系统的管理。由于是高强电磁场现场的应用，本论文从p c b 、接口 电路、软件设计等几个方面寻求能提高系统抗干扰能力的方法。本文中的集散控制系统， 基于r s 4 8 5 总线构建，并结合变送器及集中控制器的硬件特征，自定义了通信协议。本系 统还相对独立( 也可和上位机互连) 的配有一红外感应语音提示装置，以提醒要进入现场 的工作人员察看各个现场测试参数，并确认安全后再进入现场，当工作人员离开现场时也 作相应的安全提示。以加强现场安全管理。 本文综合应用了超声检测、c p l d 及m c u 综合应用技术、串行通信、语音及软硬件 抗干扰等技术，基本完成了变送器、通信网络、集中控制器、语音安全提示装置的设计与 实现，并致力于探索在实际工程中应用的途径。 关键词：超声检测气体浓度c p l d r s 4 8 5 智能监控 a b s t r a c t s o m ep r o b l e m so nt h ep r o j e c t ，w h i c hi sa i d e db yt h ef o r t hs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp r o g r a m o fc h a n g z h o ua n dt h ed e v e l o p m e n tp r o g r a mo fh i g ha n dn e wt e c h n o l o g yi n d u s t r i a lo f j i a n g s u ， a r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n ds o m et e c h n o l o g i e so ft h ep r o j e c ti sp r o t e c t e db yt w op a t e n t s ：a p a t e n tf o ri n v e n t i o n ( 2 0 0 5 1 0 0 3 7 9 3 6 2 ) a n da p a t e n to f u t i l i t ym o d e l ( 2 0 0 5 2 0 0 6 9 4 0 3 8 ) i nh a l fy e a rb e f o r em ym a s t e rd e g r e es t u d y i n g ，t h ea u t h o rw a sl u c kt os t u d ya n d e x p e r i m e n t i nt h es t a t ek e yl a b o r a t o r yf o rt h es o u n df i e l ds i m u l a t i o na n dg a sc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o na n d e s t a b l i s h e dt h eg o o db a s eo ft h ep a p e r a f t e rp r o j e c tb e i n gr e c e i v e d ，a u t h o rr e s e a r c h e dt h es f 6 c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i n gs 3 ，s t e mb a s e do nt h ef o r m e rw o r ko fm i n ea n do t h e r s t h ed e t e c t i n g t h e o r yo ft l l i ss y s t e mi sb i n a r yg a sm i x t u r e st h e o r yo fu l t r a s o n i c s f 6c o n c e n t r a t i o nt r a n s d u c e ri s d e v e l o p e da d o p t i n gn o r m c o n t r a s tm e t h o d g i v e nt h er e s o l u t i o na n d 廿l er e q u e s to fr e a l t i m e p r o c e s s i n g t h ec p l d & m c ut e c h n o l o g yi su s e dt or e a c hh i g h r e s o l u t i o na n dh i g h - r a n g e a b i l i t y n l et r a n s m i t t e rc a l ld e t e c t so x y g e nc o n c e n t r a t i o n ，t e m p e r a t u r ea n dr e l a t i v eh u m i d i t y ( r h ) ，w h i c h i sr e g u l a t e db yc r i t e r i o n b a s i n go nt h ed a t as e n tf r o mt r a n s d u c e r s ，m a s t e rc o n t r o l l e rm a k e s c o r r e s p o n d i n gd e c i s i o ns u c ha se x c e e d i n gs f 6c o n c e n t r a t i o na l a r m i n g ，l a c k i n go x y g e na l a r m i n g a n df a nr u n n i n ga n ds oo n ，a n dt h em a s t e ri st h em a n a g e ro ft h ew h o l es y s t e mw i t ht h ef u n c t i o n o fd a t ae n q u i r y i no r d e rt or e d u c et h ed i s t u r b a n c ea tm a x i m a ld e g r e e ，t h ep a p e rd e v e l o p e da a n t i - j a m m i n gs o l u t i o nt h a tt a k ea c c o u n to fp c b ，i n t e r f a c e s ， s o f t w a r ea n ds oo nt oi m p r o v et h e a n t i d a m m i n gq u a l i t yo fw h o l es y s t e m t h er s 4 8 5b u si su s e dt oc o n s t r u c tt h ec o m m u n i c a t i o n n e t w o r ko ft h es y s t e m ，a n db a s i n go nt h ec h a r a c t e r so fm a s t e ra n ds l a v e s ，au s e r - d e f i n e df a c i n g t os h a k e h a n d sc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb a s e do nl a y e r i n gi sd e v e l o p e d ar e l a t i v ei n d e p e n d e n t v o i c ep r o c e s s i n gs y s t e mi sd e s i g n e dt oa s s i s tt h es y s t e mb yr e m i n d i n gt h ew o r k e re n t e r i n gt h e g i sf i e l dt ol o o ko v e rd e t e c t i n gd a t a ，a v o i d i n gs o m ed a n g e r sa n de n h a n c i n gt h es e c l l r i t y m a n a g e m e n t t h i ss y s t e mi sc o n s i s t e do ft r a n s d u c e r s ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m a s t e rc o n t r o l l e ra n d p r o t e c t i o ns e t t i n gf o rw o r k e ra n di n t e g r a t e sm a n yh i g ht e c h n o l o g i e ss u c ha su l t r a s o n i cd e t e c t i n g ， c p l d & m c u ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，v o i c ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dm c ua n t i - j a m m i n g t e c h n o l o g y t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f t r a n s m i t t e r , c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k ，m a s t e r - c o n t r o l l e r , l i f e s a f e t yp r o t e c t i o nd e v i c e a r eb ya n dl a r g ef i n i s h e d a n dt h ep a p e ri sg r o p i n gf o rt h e p r o j e c t a p p l y i n gw a y so t t h i ss y s t e m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cd e t e c t i o n ，g a sc o n c e n t r a t i o n ，c p l d ，r s 4 8 5 ，i n t e l l i g e n tm o n i t o r a n dc o n t r o i 2 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，与我同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：沙g 年7 , e l _ 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括干玎登) 授权河 海大学研究生院办理。 、 ? 一 论文作者( 签名) 辨簋等二沙f 年 7 月曰 一 河海大学硕士论文 第一章绪论 1 1 超声检测 第一章绪论 超声波是一种弹性振动波，与电磁波、光波等不一样。只要是其有弹性的材料，它都 可以传播进去，所以，超声被广泛地应用到检测领域。 超声检测的第一个优势是，超声能进入任何弹性材料，而不管材料的导电性、导磁性、 透光性、导热性等性能如何。所有的气体、液体、固体等材料都是弹性材料，因此能利用 超声波检查的对象几乎遍及到整个物质世界。超声检测的第二个优势是，超声波在其传播 过程中，它的某些传播特征和材料的弹性有关，如果物件的弹性性质有所改变，超声波的 传播情况就会受到扰动。根据这种扰动的情况，可以了解材料的内部结构状况。还值得我 们注意的是，利用超声波做为一种检测工具来对材料或物件进行检测时，一般都不需要改 变被测物体，既不需要改变它的形状、大小，也不需要改变它的结构、成分。也就是说， 超声对固体材料的检测是一种无损检查方法。超声检测的基本原理如图1 1 所示，当然， 得到含有被测物质特性的方式有多种，如穿透、反射、声波干涉、物质声发射等。 图1 1 超声波检测原理 f i g 1 1p r i n c i p l eo f u l t r a s o n i cd e t e c t i o n 超声检测技术从上个世纪二十年代末至今，近八十年的时间里，已发展出了针对固、 液、气态各种物质、各种特征参数的多种检测方法【1 】。超声探伤可以说是超声检测方面开 发得最早、发展得最广的一个项目。早在2 0 年代末，就有人想到利用超声来检查金属物 件中的缺陷情况，这个方法就是超声探伤。3 0 年代初就有了以此为目的的专用仪器的设计 方案。到第二次世界大战后，已开始在工厂生产中实际应用了。超声检测中还有一种称为 声发射检测的技术。当材料受到拉伸或者压缩时，尽管外加应力远没有达到使它宏观破损 的程度，由于材料内部结构的变动，会在它内部发射出一串列脉冲超声。这种发声现象称 为声发射。通过声发射的测定，有可能发现物件的内部的哪些部位受载荷较严重或者已有 微裂纹破损等等。这就成为又一种类型的超声无损检测技术。它的特点是做为探测工具的 超声波不是从外界提供，而是由被测物件自身产生。所以声发射检测在有些情况下显得特 别有用。超声调厚是一个比较成熟的应用项目，已经有好多种形式的超声厚度计在市场上 流行。利用超声波来测定物件中实际承受的应力是又一项比较独持的应用。当有超声波在 材料中传播时，若此材料同时还受到一定的荷载静应力、张应力或压应力，则超声波的传 基于超声与c p l d 撞术的s f 6 气体浓度智能 忱控 播谜度会发生变化。声速变化值盼大小与荷载应力的大小有一定的比例关系。还有一种称 为超声显微镜，是用超声波来检测物件内部的微小结构情况的装置。这叫所用超声波的工 作频率选取得很高，几十兆赫或几百兆赫甚至更高，从而它在物件内传播时的波长就很小， 达到十分之几毫米、百分之几毫米甚至更小。所阻物体内部如果有这么细小的结构变化， 对超声波造成的反射、散射等情况，也能足够明显地探测出来。上面我们只是列攀了少数 几个超声检测项目来窥视一下超卢无损检测方面的大致情况，就实用来说，这方而的项目 还是相当繁多的。 至于超声检测在气体中的应用情况，做为盲人助视的工具，已是个获得实际应用的 项目。当盲人行走时，可以向前方或周围的空中发射超声脉冲，当超声波碰到障碍物时就 会产生反射波，根据反射波的情况，可以帮助盲人来了解道路上的障碍物状况。就原理上 来说，这与固体物件中的超声探伤极其相似。不过这时对探测结果的指示一般采用声响的 办法，以适应盲人的特点。在机器人的设计中，也可以采用类似的原理和办法，来构成机 器人的眼睛。用这种方法进行测距的精度可以是很高的有可能达到毫米的量级。此外， 超卢检测在工业t 还有被用来测量生产过程的某些情况，例如，用来对流水生产线上所通 过产品的计数，在工厂车间行车运行中相互间距离的测定和控制等。这些应用在某些情况 下对促进现代工业的自动化方面会起到十分有意义的作用。超声检测在空气中的应用还有 大气监测、距离测定、温度测定、声源探知和污染监测等等，其中气体浓度的微量检测也 是一个正在发展的领域。 做为一种高科技的检测手段，超声检测在现代工业生产以及科学研究中的应用，可以 算得上多姿多态，大显身手【2 j 。同时，随着电子技术与信息处理技术的发展和科研工作者 的努力，超声检测将继续拓展其在检测领域的应用。 1 2 课题背景及研究意义 本项目基于超声检测的理论和先进电子电路、信息处理技术，研究了一二元气体微量 浓度检测系统。本系统主要是在使用g i s ( g a si n s u l a t e ds w i t c h g e a r ，空气绝缘开关) 的高 压现场对多路信号包括超声信号( 含气体浓度信息) 、温湿度信号、古氧量信号 进行采集与传输。本文所研究的采集系统旨在实时地监控使用6 i s 的高压现场中六氟化硫 气体浓度及其它环境参数，以保证高压变电现场设备正常运行和现场工作人员的安全。当 现场参数超标时，产生相应的声光报警和对应的控制动作，使现场参数达到有关法规规定 的要求。 六氟化硫( s f 。1 是具有卓越的电绝缘性和灭弧特性的气体。在电力工业中，s f 6 广泛应 用于电导设备系列，如电源开关、封闭式电容器组、变压器等1 3 1 。运行中，s f 6 气体的泄漏 不可避免，当有大电流开断时，由于强烈的电弧放电会在泄漏现场中产生一些含硫的低氟 化物。这些物质反应能力较强，当有水和氧气时又会与电极材料、水分子进一步反应，从 而分解产生有毒或b q 毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似 而分解产生有毒或剧毒气体。这些有毒气体主要损害人体的呼吸系统，中毒后会出现类似 河海大学硕士论文第一章绪论 于感冒、皮肤过敏、恶心呕吐、疲劳等不良反应，吸入剂量大时，会出现更加严重的后果。 另外由于s f 6 气体比重比空气大，泄漏易聚集，易造成低层空间缺氧，造成现场工作人员 窒息。因此，准确检测空气中s f 6 气体浓度是设备安全可靠运行的保障，并目其安全性也 受到全球性的关注1 4 】。针对s f s 设备现场环境对人类健康的威胁，国家已经制定了相关标 准一六氟化硫电气设备中气体管理和检测导则( g b t8 9 0 5 1 9 9 6 ) ，其中7 3 3 中讲到： 在户内设备安装场所的地面层应安装带报警装置的氧量仪和六氟化硫浓度仪六氟化 硫浓度仪在空气中六氟化硫含量达到1 0 0 0ul l 时发出报警如发现不合格时应通风、 换气。 从物理性质上看，s f 6 常态下是一种无色，无味，无毒的不易燃气体，比重约为空气 的5 倍。从化学性质上看，其化学成分稳定，具有极好的热稳定性。因此检测s f 6 气体浓 度难以像检测0 2 或者c 0 2 一样采用化学传感器。人们也曾研究运用另外一些测量气体浓 度的方法晰，7 ，8 ，1 ，如：气相色谱法、导热系数法、电子漂移法、光谱法、负电晕放电法等。 但这些方法都需要昂贵的仪器设备，并要求操作者具有相当高的操作水平，显然都不适宜。 现行的用于高压变电现场的六氟化硫检测系统多基于三种原理，一种是基于高压电晕放电 的原理，当空气中含有不同浓度的六氟化硫气体时，高压电晕放电的电流就有所改变，通 过测量此放电电流的大小而确定空气中泄漏的六氟化硫的浓度的大小。此类设备体积小， 便于构建网络，但其高压电晕放电传感器寿命较短，不能长期稳定的工作，而且难于达到 较高的稳定性，其标定工作也比较困难【1 0 l 。第二种方法是利用s f 6 气体对红外线具有强烈 的吸收作用的特征，来定性或定量地检测s f 6 的泄漏情况，目前此类设备的检测精度已达 到1 0 0 p p m ，但是。这种设备的体积庞大，检测周期长，不适合构建网络和实时检测，且 成本很高。所以，市场非常需要一种简易经济、高实时性、稳定小巧、高寿命的测量设备 进行高压现场六氟化硫浓度的检测，于是产生了第三种方法。第三种就是本文运用的超声 相关检测技术来检测s f 6 的浓度，它利用了这样的原理：当构成二元混合气体的两种气体 的分子量相差较大时，声音传播速度随两种气体组分的不同而变化【1 l ，”j 。在此所讨论的s f 6 气体浓度的在线超声检测是超声技术在气体浓度检测中的应用。这种检测方法具有精度 高、操作简单、成本低、稳定性高等优点，另外容易实现系统的在线实时测量，实现监测 自动化，适合在工业现场环境中使用，经实验证明原理简单可行。 为了正确检测s f 6 气体浓度，还需要采集s f 6 配电装置室内的环境参数，包括：温度、 湿度、含氧量。由于在配电装置室内的这些参数采集点距离中心控制室远，比较分散，不 利于观察、监视，而且从成本考虑，现场采集设备的资源、功能都很有限，所以要有一台 控制器，建立一个r s 4 8 5 网络，把控制器和数台传感器变送器( 即现场采集设备) 连接上 网，组成一个测控系统。控制器对采集来的数据进行复杂的数据处理，并将历史记录下来。 通过控制器友好的人机交互界面，工作人员可以直观、全面地了解配电室内的s f 6 气体浓 度水平以及温度、湿度、氧气含量。还有一套语音辅助系统，用于提醒欲进入现场的人员 注意蠢看系统所测量的现场参数，以保证进入人员的安全，加强了管理。 本项目的成功研制将会产生较大的社会和经济效益。六氟化硫检测仪的市场尚处于起 募于超声与c p l d 技术的s r 气体浓度智能监控 步阶段，有待于丌发。由于国家相关规定的要求，安装六氟化硫检测仪是必然的趋势，又 由于六氟化硫设备的优越性，六氟化硫高压开关、封闭式组合电气、变压器、大功率电缆、 互感器、避雷器等大量地应用于电力系统，因此，本项目的研究成果将有良好开发前景和 市场需求。目前行业标准也尚未出台，高技术含量、拥有自主知识产权的高性能产品有望 能为行业标准的制定提供一定的参考。 本论文围绕2 0 0 5 年常州市科技攻关计划( c e 2 0 0 5 0 2 6 ) 和江苏省高新技术产业发展 ( j h b 0 5 0 8 ) 资助项目中的部分问题展开研究，有关成果已包含于成功申请的国家发明专 利( 2 0 0 5 1 0 0 3 7 6 2 ) 和国家实用新型专利( 2 0 0 5 2 0 0 6 9 4 0 3 8 ) 之中。 1 3 本章小结 本章从本文所牵涉到的超声检测技术介绍入手，对超声检测与应用研究的领域进行了 综述报道，进而对本文研究课题的来源、研究内容、研究意义关键问题进行了概述，明确 了本课题在学术及应用中的研究价值和定位。 河海人学硕上论文 第二章超声榆测朦理分析及方案确定 第二章超声检测原理分析及方案确定 2 1 二元气体浓度超声检测原理 液体或气体材料的成分、浓度不同，固体材料的晶态结构情况有所改变，以及外界环 境条件如温度、压力等情况变化时，在其中传播的超声波的声速会发生改变，尽管这种声 速变化的数值一般都不是很大，但在超声检测中，这种声速变化值测量的方法，已是不少 应用项目的强有力的手段。二元气体浓度检测的基础理论也是基于超声的这一特性发展来 的。本课题的s f 6 气体浓度测量方法是整个课题的技术关键。 超声波测量混合气体浓度的传统方法一般是采用脉冲时间间隔法：通常采用一对固定 距离的超声换能器，从一个换能器向另一个换能器发射脉冲，测量脉冲传播的时间，进而 计算出声速，然后根据声速、温度传感器测得的温度与气体介质混合比例之间的函数关系 推算出气体的浓度。s t a n d f o r du n i v e r s i t y 的g h a l l e w e l l 等【嵋】、j o o sr n 等和e i s l a b 的 t o r b j 6 ml o f q v i s t 等t “】1 1 5 j ，以及同济大学的阎玉舜等都报道了这种测量方法的运用研究成果 1 6 1 。这种方法的缺点是测量精度不够高，不能满足检测混合气体中微量浓度s f 6 气体的要 求( 最高报警限1 0 0 0 p p m ，精度 5 f s ) 。本文所提出的方法是将超声波声速测量与相位测 量结合起来的新方法，对s f 6 气体的测量灵敏度可达至u 5 0 p p m ，可用于微量气体浓度的精确 测量。本课题与传统的气相色谱法、导热系数法、电子漂移法等方法相比较，具有测量简 便，成本低廉，容易实现在线监测等优点。将它与类似装置相比较，具有动态范围大，测 量精度高，测量结果稳定，工艺性好等优点。下面将从理论推导的角度介绍这种方法。虽 然本方法是为了研究如何检测空气中含有微量s f 6 气体浓度时提出的，但理论上它也适用于 其他一些二元混合气体浓度的测量。 图2 1 气体浓度超声检测方法 f i g 2 1m e t h o do fg a sc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o n 检测方法如图2 1 所示，在这种方法中，较之传统的超声气体检测方法增加了一对超 声传感器，这对传感器置于没有混合的背景气体中，间距与另一对超声传感器完全相同。 这样同步发射的超声波就分别经两条等距路径到达接收端，一条路径经过待测浓度的混合 5 基于超声与c p l d 技术的s r 气体浓度智自e 监控 气体，例如s f 6 和n 2 混合气体，欲测s f 6 气体浓度，则s f 6 是目标气体，n 2 是背景气体； 另一条路径经过做为参比的纯净背景气体，例如氮气。在接收端测量两路接收信号的相位 差和声音传播时间，即& 和口，相位差与时间信息经过运算处理后便可获得背景气体中 s f 6 气体的浓度值。下面介绍这种方法的测量原理。 二元混合气体在常温常压下可以看作是理想气体，超声波是以很高速度作小振幅振动 在气体中传播的，其过程可以看作是绝热过程。理想气体中声速可以表示为： “= ( 皿。t m ) “2 式( 2 - 1 ) 其中，心是气体常数，r 是绝对气体温度，是气体定压比热与定容比热的比值，m 是一摩尔气体的质量。对于二元混合气体【1 3 】， i ：! 亟! ! 二! ! 曼生 一 。 珂c + ( 1 一n ) c mm = n m 。+ ( 1 一n ) m 6 a 、b 分别代表目标气体和背景气体，丹是气体口的浓度，l 一1 7 是气体b 的浓度，c 。和 c 。分别是气体口、b 的定容比热，c ，和c 础分别是气体口、b 的定压比热，并且有 巴= c 。一r o ，f 代表a 、b 。 等温等压条件下，第一对换能器之间的气体介质为一定浓度的目标气体a 与背景气体 b 组成的混合气体，另一对换能器之间的气体介质为做为参照的纯净背景气体b 。发射换 能器与接收换能器均相距上长。超声波信号为脉冲波，频率为，。两路发射信号同相位， 则两路接收信号相位差为 牡告专心6 0 0 c ，是一定浓度a 与b 混合气体中的声速。c 2 是单一气体b 中的声速。同时测量超声 脉冲在第二个通道中传播时间为t ， 三 c 2 式( 2 3 ) 由( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 可得： 怛丝! ! = ! 些丝一1 _ j l 1 j 心糕13 6 加圳 通过测量两条路径信号的相位差和充有纯净背景空气的参考路径中超声脉冲的传播 时问就可以确定目标气体的浓度值。( 4 ) 式左边较复杂，无法进一步化简，应用该公式时 6 河海大学硕十论文 第二章超声检测原理分析及方案确定 当然可以采取查表的方式获得n 值。对于气体浓度很低( 2 0 0 0 p p m ) ， l 时，( 4 ) 式可 简化为： 。：l 。丝1 1 8 0 。m 。一m 式( 2 5 ) 可见，对于二元混合气体，当n 在小范围内时，n 与臼之间呈现线性关系，而且不必 考虑比热系数，这样就可以非常方便地将该公式应用于气体浓度的测量。 用这种方法测量气体密度，测量误差公式可写为： 瓯= 隰38 n 劈j 1 ”枷删 蟛、臂：、鸳，分别表示口、f 、f 的测量不确定性。当盯 i ! ! ! y 1 图2 2 异步通信数据帧格式 f i g 2 2d a t af r a m eo f a s y n c h r o n o u sc o m m u n i c a t i o n 2 4 语音辅助设备 根据项目要求，为了加强安全管理，本系统需配套一语音设备，用以语音提示欲进入 现场人员，在进入现场之前首先要从系统的输出显示查看现场参数，以保证进入人员的人 身安全。具体要求为： a 当欲进入现场的人员离入口处大概两米处时语音系统自动启动； 河海大学硕1 论文第二章超声榆测豫理分析及方桌确定 b 提示欲进入人员查看现场参数： c 自动语音报出现场参数，包括s f 6 浓度、氧气浓度、温湿度等，并且报出精度要和 系统测量精度相同； d 自动判断现场是否安全，是否同意人员进入； e 有实时性，有较强抗干扰能力，人性化设计； 此语音辅助设备不仅要语音提示进入人员注意安全，还要报出现场参数，所以不可能 独立工作，要和主系统联合工作，主系统要向此语音设备提供现场参数的实时数据，语音 设备则要正确接收并理解此数据，然后转化为语音信号输出。 2 5 本章小结 本章具体介绍了被测背景气体中s f 6 气体浓度、温度、湿度、含氧量等参数的测量方 法，特别地从原理上分析了本课题的关键技术气体浓度的超声检测方案，同时与目前 的其他检测方法作比较，说明了该检测方法的优点。根据系统的要求确定了通信网络结构 和通信方式，并简述了对辅助语音设备的要求。 基于超声与c p l d 技术的s r o 气体怅度智能监柠 第三章气体浓度监控系统总体设计 3 1 变送器设计 变送器是本系统的核心部分，其性能的好坏直接决定了所讨论方法的可行性，也直接 影响着系统的性能和可靠性，所以，变送器的设计是本系统中技术含量最大，难度最高的 一部分，非常重要。利用第二章讲述的测量原理，作者设计了s f 6 气体浓度变送器，它的 作用是检测空气绝缘开关( g i s ) 配电室内各隔离气室泄漏的s f 6 气体浓度、室内现场温度、 湿度、氧气古量。= ! 将检测得到的数据值通过通信总线传送给集r 寸1 控制器。变送器的整体 设计框图如图3 1 所示。 图3 1 变送器设计框图 f i g 3 1b l o c kd i a g r a mo f t r a n s m i u e r 河海大学硕士论文 第三章气体浓度他拧系统总体设计 可以把变送器划分为三个部分：超声驱动与接收电路模块、c p l d 数字信号处理模块和 环境参数采集与数据处理通信模块。s f 6 气体浓度的测量主要是靠超声驱动与接收电路模 块和c p l d 数字信号处理模块完成的，是重中之重。环境参数采集与数据处理通信模块主 要完成现场其它参数的采集、处理和传输。 3 1 1s f 6 浓度超声检测的实现 s f 6 气体浓度的测量主要是靠超声驱动与接收电路模块和c p l d 数字信号处理模块完成 的。超声驱动与接收电路模块主要由两个超声气体腔和驱动、接收电路组成。两个气腔一个 称为参考腔，另一个称为采样腔。参考腔密闭，充有现场空气，内部安装一对接收发射超 声波传感器，这一对传感器间隔一定的距离；采样腔与参考腔内部空间大小严格相同，但它 表面开孔或者可以通过微型泵抽气与外界环境连通，即时刻保持与周围环境一致，它内部同 样也安装一对超声传感器，两对传感器之间的距离严格相等。发射超声传感器将电能转换为 声能，接收传感器再将声能转换为电信号。参考腔由于密闭，内部气体不会被外界s f 6 的泄 漏干扰。采样腔则从周围环境中对混合气体进行采样。由于传感器间传播介质的不同会引起 超声波传播速度的不同，因此比较在两个腔中超声传播时间的差异，就可以获取周围环境中 气体成分变化的信息。以此来实现第二章讨论的方法。 为了能够实时监控和微量检测，指令处理周期长的单片机已不能满足精细测量的要求， 需要使用快速芯片做为数据处理的核心部件，所以在变送器的设计中采用c p l d 。 c p l d 芯片是特殊的a s i c 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点 1 7 , 1 8 1 ： ( 1 ) 随着v i s i ( v e r yl a r g es o m ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高单一芯片内部 可以容纳上百万个晶体管，c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门， 它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 f 2 ) c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费 用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设 计。所以，c p l d 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 f 3 1 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实 现不同的功能。所以，用c p l d 试制样片，能以最快的速度占领市场。c p l d 软件包中有各种 输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内 就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更 能显示出c p l d 的优势。电路设计人员使用c p l d 进行电路设计时，不需要具备专门的i c 深层 次的知识，c p l d 软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品 推向市场。 当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。科技的不断创新及中国半 导体工业的发展使得我们将可编程逻辑器件的技术应用到越来越多的行业，包括有线电视， 基于超声与c p l d 技术的s f 6 气体浓度智能监控 d s l 调制解调器，移动电话，手提式电子游戏机，d v d 播放机等1 1 7 1 。并且c p l d 也渐渐走入 了传感器领域，在超声流量计 1 9 , 2 0 、图像传感器【2 1 , 2 2 , 2 3 】、电容类传感器等方面都已经有了 成功应用，在控制领域 2 5 , 2 6 、数据采集和处理方面 2 7 , 2 8 , 2 9 1 也越来越多的使用c p l d ，但在国内 未见有基于超声与c p l d 技术的气体浓度检测仪报道。基于c p l d 的众多优点并结合变送器的 功能和性能考虑，选择了c p l d 做为变送器中数字电路部分的设计器件，并希望设计出能够 满足变送器特定要求的a s i c 。本文采用c p l d 做为本变送器的数据处理核心部件，设计而成 了超声气体浓度检测仪，这也是本设计的一个大的创新点之一。此设计可以把变送器所需数 字电路部分全部包括其中，使之集分频器、超声换能器驱动信号发生、计数、比较器、频率 测量、数字相位测量和数字滤波等多功能于一身，其中，数字相位测量是此单元的核心功能， 这个功能要完成超声传播时间差异的测量，并以相位的形式输出。较之于传统实现方法，此 设计大大缩小了整个变送器的尺寸，提高了可靠性和抗干扰性。 3 1 2 其它现场参数采集和传输 其它参数的采集、处理和传输任务是靠环境参数采集和处理通信模块完成的。为了方 便数据的处理和传输，以及各参数的管理、存储，一个具有c p u 的器件是必需的。在环境 参数采集与数据处理通信模块中，单片机是此模块的核心，其任务有四个： a 收集c p l d 传来的s f 6 浓度和湿度数据； b 接收经过a d 转换过的温度和氧气浓度数据： c 对数据处理存储； d 建立通信协议并通过通信模块把数据传送出去。 由于湿度传感器的输出是频率信号，把这一测量任务交给c p l d 对接个变送器来讲会 更合理一些，一方面可以更快、更准确的测量出传感器输出的频率值，另一方面也减轻了 m c u 的负担。温度传感器和氧气浓度传感器输出的都是电压信号，信号经调理放大后进 行a d 转换，然后把数字量按照一定的通信协议传送给m c u ，这里可以使用单片机i o 口软件模拟的s p i 总线，如果有的话也可以使用单片机本身所带的s p i 接口，后面章节将 有详细介绍。 3 1 3 变送器通信接口 1 单片机的增强型u a r t 8 0 5 1 单片机及其兼容型的单片机都至少带有一个可编程的全双工串行口，它可以用做 通用异步接收发送器，即u a r t ( u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) ，也可以做 为同步移位寄存器。 8 0 5 1 的u a r t 有四种工作方式，其中方式2 及方式3 有一个专门的应用领域即多机通 信，并且由于方式3 的波特率的可变性，多选择方式3 来构建单片机的多机通信。在这些 河海大学硕士论文第三章气体浓度监控系统总体设计 模式时，发送及接收均为9 位数据。接收时第9 位数据存入r b 8 。u a r t 可编程为：接收 到停止位时，仅当r b 8 = i 时串口接收中断才激活。可通过置位s c o n 内s m 2 位来使能这 一特性。下面讲述多机系统使用该特性的一种方法： 当主机需要发送一数据块给某一台从机时，首先发送一个地址字节以识别目标从机。 地址字节与数据字节的区别在于第9 位数据，地址字节的第9 位为1 ，而数据字节的第9 位为0 。s m 2 = i 时，数据字节不会使从机产生中断，而地址字节则会使所有从机都产生中 断，这样每个从机可以检查接收到的字节并判断是否被寻址。被寻址的从机将清零s m 2 位以准备接收随后的数据字节。未被寻址的从机的s m 2 位仍为1 ，这样就忽略随后的数据 继续各自工作。 变送器所使用单片机为p h i l p s 的p 8 9 l p c 9 3 0 单片机，此型单片机具有增强型u a r t 。 它和传统的8 0 c 5 1u a r t 兼容，但有一点除外，即定时器2 的溢出不能用于产生波特率。 p 8 9 l p c 9 3 0 还带有一个独立的波特率发生器。波特率可以选择由振荡器( 由一个常数分 频) ，定时器1 溢出或者独立的波特率发生器产生。除了产生波特率以外，在标准8 0 c 5 1 u a r t 基础上还增加了帧错误检测、间隔检测、自动地址识别、可选的双缓冲以及几个中 断选项。自动地址识别是个很重要的硬件功能，由于自动地址识别功能的存在使得多机通 信编程变的更加容易。 自动地址识别允许u a r t 使用硬件进行比较，从串行数据流中识别出特定的地址。这 样就不必花费大量软件资源去检查每一个从串口输入的串行地址。将s c o n 内s m 2 置位 可使能该特性。在9 位u a r t 模式( 模式2 和模式3 ) 下，如果接收的字节中包含“给定” 地址或“广播”地址，接收中断标志( r j ) 将自动置位。在9 位模式下要求第9 个信息位 为l 以表明该信息内容是地址而非数据。 使用自动地址识别特性时，主机通过调用给定的从机地址选择与一个( 或多个) 从机 通信。使用广播地址可以联系所有的从机。有两个特殊功能寄存器用来定义从机地址 s a d d r 和地址屏蔽s a d e n 。s a d e n 用于定义s a d d r 内哪几位需要使用而哪几位是无 关位。s a d e n 可以与s a d d r 逻辑“与”得出给定的地址，主机使用该地址对每一从机进 行寻址。使用给定地址可以识别多个从机而排除另外的从机。下面的例子就显示了该方案 的通用性： 从机0s a d d r = l1 0 00 0 0 0 s a d e n = 1 l1 l1 1 0 l 给定地址= 11 0 00 0 x 0 从机1s a d d r = i1 0 00 0 0 0 s a d e n = 1 1 l l1 l l o 给定地址= 1 1 0 00 0 0 x 上例中s a d d r 相同，而s a d e n 的数据用于区分两个从机。从机0 要求位0 为0 而 忽略位1 。从机l 则要求位1 为0 而忽略位0 。由于从机1 要求位1 必须为0 ，从机0 唯 一的地址应当是1 1 0 00 0 1 0 。由于从机1 的位0 必须为1 来排除从机0 ，从机1 唯一的地址 基于超声与c p l d 技术的s f # 气体浓度智能监拄 应当为1 1 0 00 0 0 1 。通过给定一个位0 = 0 ( 从机o ) 和位1 = 0 ( 从机1 ) 的地址可同时选择 两个从机，从而取地址1 1 0 00 0 0 0 时两从机都可被寻址。 下例所示为选择从机0 、1 而不选从机2 ： 从机0s a d d r 产11 0 00 0 0 0 s a d e n = 1 1 1 11 0 0 1 给定地址= 1 1 1 00 x x 0 从机1s a d d r = 1 1 1 00 0 0 0 s a d e n = 1 1 1 11 0 1 0 给定地址= 1 1 1 00 x o x 从机2s a d d r = 1 1 1 00 0 0 0 s a d e n = 1 1 1 11 1 0 0 给定地址= 1 1 1 00 0 x x 上述三个从地址只有低3 位不同。从机0 要求位0 = 0 ，它可通过1 1 1 00 1 1 0 单独寻址； 从机1 要求位1 = 0 ，可通过1 1 1 00 1 0 1 单独寻址；从机2 要求位2 为0 ，可通过1 1 1 00 0 1 1 单独寻址。由于必须使地址字节的位2 为“1 ”以屏蔽从机2 ，因此使用地址