（计算机科学与技术专业论文）手持式氧浓度测量仪的设计与实现.pdf

学位论文版权使用授权书 jiijjir liflr l l l i f i irr frr i l i i i j y 17 8 0 6 6 7 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。 同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：史这涛 签字日期：如口年7 月千日 导师签名：褊金山 导师签名：饧山 签字嗍母年7 月伊 中图分类号：t p 2 1 6 u d c ： 学校代码：1 0 0 0 4 密级：公开 北京交通大学 硕士学位论文 手持式氧浓度测量仪的设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fh a n d h e l do x y g e nm o n i t o r 作者姓名：史运涛 导师姓名：高金山 学位类别：工学 学科专业：计算机科学与技术 学号：0 8 1 2 0 4 9 6 职称：副教授 学位级别：硕士研究生 研究方向：嵌入式系统 北京交通大学 2 0 1 0 年6 月 致谢 本论文的工作是在我的导师高金山副教授的悉心指导下完成的。高老师严谨 的治学态度，深厚的理论基础，丰富的实践经验和忘我的工作精神使我受益匪浅。 在两年多的时间里，高老师不仅给我提供了学习实践的机会，并且在整个研究过 程中给予了我细心指导，帮助我解决了很多实践中的难题。在生活上高老师也给 予我很多帮助。在此对高老师两年来给予我的关心和指导表示衷心的感谢。 感谢所有教过我的老师们，他们的谆谆教导不仅使我积累了丰富的专业技能， 而且他们严谨的治学态度深深地影响着我，为我的课题研究以及将来的工作打下 了坚实的基础。 感谢一直以来所有关心我，支持我，帮助我的朋友们，是他们的无私帮助， 让我时刻充满了动力。 感谢英式智博有限公司的曹经理，在课题的研究过程中，他给予了我很多帮 助，也正是在他的帮助下我的研究工作才得以顺利进行。 在实验室工作和论文撰写过程中，宋超、马思宇两位师兄给我很多的指点。 杨春勇、陶思敏、冯知非和董秀彩等同学给我很多帮助，在此向他们表达我的感 激之情。 最后，感谢我亲爱的父母，他们对我的信任和支持让我充满信心，我会一直 努力，谢谢爸爸妈妈。 l n - 北京交通大学硕 士学 位 论 文摘要 摘要 氧气在医疗、冶金和化学工业等领域有着广泛的应用，而这些应用，对氧气 的浓度都有着严格的要求。因此，以一种便于使用的方式，精确地测量氧气浓度， 对提高产品质量、保证生产环境安全等具有重要意义。 本课题设计了一种手持式的高精度氧浓度测量仪表。综合体积、功能、性能 和成本等多方面因素，设计了以下硬件电路：信号采集电路、恒流源电路、a d 转换电路、u s b 传输接口电路、键盘电路和l c d 显示电路。 为了简化电路结构，降低成本，在设计中采用了温度和氧浓度两路信号共用 前置放大电路和a d 转换器的方法；为了消除信号采集过程中的漂移现象，选用 了可以抑制信号漂移的运放芯片并设计了自动调零电路；为了提高对不同氧浓度 的检测精度，设计了动态调整放大倍数电路：为了降低功耗，选择了低功耗的1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 4 4 9 作为信号采集和处理的核心单元。 在软件设计方面，该项目课题实现了温度补偿算法、标定算法、线性拟合算 法等，并在统计测量数据的基础上，进行了误差分析和软件校正。为了便于操作， 项目中还设计了中文显示菜单。 该项目课题设计的仪表可以在键盘的控制下，实现对氧浓度检测、存储、通 讯和标定，并将结果显示在l c d 屏幕上。其测量精度平均为：+ o 5 ；三个测 量量程：o 0 1 - - 9 9 7 、0 0 1 - - 2 5 和0 0 1 5 ；供电电压：9 v ；电流：3 0 5 0 m a 。 关键词：氧浓度检测；嵌入式系统；电子测量；温度补偿；零点漂移 分类号：t p 2 1 6 k 卜 北京交通大学硕士学位论文 abstract a bs t r a c t o x y g e nh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h em e d i c a l ，m e t a l l u r g ya n dc h e m i c a li n d u s t r y a n do t h e rf i e l d s o x y g e nc o n c e n t r a t i o no ft h e s ea p p l i c a t i o n sh a ss t r i c tr e q u i r e m e n t s t o m e a s u r et h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o na c c u r a t e l ya n di nau s e r - f i i e n d l yw a yp l a y sa s i g n i f i c a n tr o l e i nt h e i m p r o v e m e n to fp r o d u c tq u a l i t y a n di nt h ee n s u r a i c eo f m a n u f a c t u r ee n v i r o n m e n ts a f e t y t l l i sp a p e rp r e s e n t sa na c c u r a t eh a n d - h e l do x y g e nc o n c e n t r a t i o ni n s t r u m e n t 1 1 1 e h a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e dc o n s i d e r i n go fi t sf u n c t i o n , s i z e ，a n dc o s t ，n l ef o l l o w i n g c i r c u i t sa r ed e s i g n e d ：as i g n a la c q u i s i t i o nc i r c u i t ，ac o n s t a n t - c u r r e n ts o u r c ec i r c u i t , a na dc o n v e r t e rc i r c u i t , au s bt r a n s m i s s i o nc i r c u i t , ak e y b o a r di n t e r f a c ea n dad i s p l a y i n t e r f a c ec i r c u i t s 1 1 l ep r e a m p l i f i e ra n da dc o n v e n e ra l es h a r e db yt e m p e r a t u r ea n do x y g e n c o n c e n t r a t i o ns i g n a lc h a n n e lt om a k et h ec i r c u i tc o m p a c ta n dt or e d u c ei t sc o s t s p e c i a l o p e r a t i o n ma m p l i f i e r sa r ec h o s e n t or e d u c et h es i g n a ld r i f ti nt h ea c q u i s i t i o np r o c e s s a n a u t o m a t i cz e r oa d j u s t m e n tc i r c u i ta n dad y n a m i ca d j u s t m e n to fa m p l i f i c a t i o nf a c t o r c i r c u i ta r e d e s i g n e d t o i m p r o v e t h e d e t e c t i o n a c c u r a c y o fd i f f e r e n t o x y g e n c o n c e n t r a t i o n s al o w - p o w e r1 6 - b i tm i c r o c o n t r o l l e rm s p 4 3 0 f 4 4 9i sc h o s e nt or e d u c ei t s p o w e rc o n s u m p t i o n i nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n ta s p e c t ，t h ef o l l o w i n ga l g o r i t h m sa r ea c c o m p l i s h e d s u c h 嬲t h et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o na l g o r i t h m ，t h ed e m a r c a t i o na l g o r i t h ma n dt h e l i n e a rf i t t i n ga l g o r i t h me t c a n di nt h es t a t i s t i c a ls u r v e yd a t af o u n d a t i o n , h a sc a r r i e do nt h ee r r o ra n a l y s i sa n d t h es o f t w a r ea d j u s t s f o re a s eo ft h eo p e r a t i o n ，h a sd e s i g n e dc h i n e s ed e m o n s t r a t i o n j 丑e n u 1 1 1 i sm e a s u r i n ga p p l i a n c em a yu n d e rt h ek e y b o a r dc o n t r o l ，r e a l i z et ot h eo x y g e n c o n c e n t r a t i o ne x a m i n a t i o n , t h em e m o r y , t h ec o m m u n i c a t i o na n dt h ed e m a r c a t i o n , t h e r e s u l tc a nd e m o n s t r a t eo nt h el e ds c r e e n t h ea v e r a g ea c c u r a c yi s + - 0 5 t h e r ea r et h r e em e a s u r i n gr a n g e s ：0 o1 - 9 9 7 ， 0 o1 2 5 ，0 o1 - 5 n l ep o w e rv o l t a g ei s9 v 硼1 eo p e r a t i n gc u r r e n ti s3 0 - - 一5 0 m a k e y w o r d s ：o x y g e nc o n c e n t r a t i o n ；e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n t ；e m b e d d e ds y s t e m ； t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ；z e r od r i f t c i 。a s s n o ：t p 2 】6 北京交通大学硕 士 学位论 文目录 目录 摘要i i i a b s l r a c t i v l 引言1 1 1课题背景及意义1 1 2氧浓度测量方法简介2 1 3课题国内外研究现状。3 1 3 1 国外研究现状i ：一3 1 3 2 国内研究现状3 1 3 3 研究方法简述3 1 4论文的主要内容和组织结构4 1 4 1 论文的主要内容4 1 4 2 论文的组织结构5 2系统设计目标和软件开发环境的选择6 2 1 系统设计目标一6 2 2处理器要求。7 2 3m s p 4 3 0 处理器简介8 2 4处理器平台的选定9 2 5软件丌发环境介绍lo 2 6 本章小结1 l 3 信号采集模块软硬件设计1 2 3 1 信号采集模块硬件组成1 2 3 1 1 器件选择1 3 3 1 2 信号采集硬件单元电路设计16 3 2 信号采集模块软件设计2 1 3 2 1 低压检测中零点漂移。2 1 3 2 2 氧浓度计算原理2 2 3 2 3a d 转换的程序设计2 5 3 3本章小结3 0 4 温度补偿的实现3 2 4 1 温度检测3 2 4 1 1 铂电阻温度传感器3 2 目录 3 2 。3 3 3 4 3 4 3 4 3 5 4 2 3 温度补偿计算3 6 4 3本章小结3 8 5键盘功能和l c d 显示的实现3 9 5 1键盘控制模块3 9 5 1 1 键盘操作介绍。3 9 5 1 2 键盘原理及函数实现4 2 5 2l c d 显示接口设计4 4 5 2 1 ( d 1 2 8 4 液晶屏介绍4 4 5 - 2 2y x d 工作原理及函数实现4 5 5 3本章小结5 0 6u s b 接口的设计。51 6 1接口转换芯片的应用51 6 2通讯模块工作流程5 3 6 3本章小结5 4 7测氧仪测试和数据分析5 6 8工作总结与展望5 9 8 1工作总结5 9 8 2工作展望6 0 参考文献 作者简历 独创性声明 学位论文数据 6 1 6 2 6 3 6 4 北京交通大学硕 士 学位论文 l 引言 1 1 课题背景及意义 氧气在医疗、冶金和化学工业等领域有着广泛的应用。在这些应用中，对于 氧气浓度都有着严格的要求。例如，人体进行新陈代谢离不开氧气，缺氧对人体 有害，严重缺氧会有生命危险。但正常人若较长时间吸入纯氧，非但对人体无益， 反而有可能引发氧中毒症。为了避免氧中毒，在长时间持续等压氧疗时，对成年 人要使用氧浓度低于6 0 和氧分压低于6 0 k p a ( 4 5 0 m m h g ) 的混合气体；治疗新 生儿或乳儿时所用的混合气体，其氧浓度不应超过6 0 ，其氧分压不应超过4 0 k p a ( 弋 3 0 0 m m h g ) 。在可燃气体存在的场所，当氧气浓度大于2 3 5 时极易燃烧； 在矿井等密闭空间，当氧含量降低到6 时，将致人死亡；在炼钢过程中吹以高纯 度氧气，不但可降低钢的含碳量，还有利于清除磷、硫、硅等杂质。在以上这些 应用中，都需要检测氧气的浓度。 市场上的测氧仪器很多，分为台式和手持式两种。一般而言，台式机的测量 数据稳定，精度高，在一些对氧浓度要求极其严格的场合应用较广。但台式机由 于价格昂贵、不便于携带等因素，使得很多要求实时移动测量的需求不能得到很 好的满足。例如矿井内氧气含量的测定，不同地点不同时间氧气含量极易发生变 化，从而对矿工生命安全造成极大威胁。台式机显然不能满足其便捷性和实时性 的要求。这就对手持式测氧设备提出了更高的要求。 随着科技的进步，手持式技术已经成为当今最热门的技术。它集通信、计算 机技术、电子技术之大成，并在处理器、存储、电源功耗、显示和嵌入式软件等 领域齐头并进，取得了长足的发展。而随着集成电路的十年来的发展所遵循的“摩 尔定律 ，即“集成度越高的同时，芯片越做越小 ，因此其发展结果是在不影响 功能和降低功耗的前提下，设备的体积越来越小，普及性越来越广。目前手持式 设备已经深入到家用电器、电子测量、医疗等各个行业，并在应用中带来了革命 式的变化，极大地方便了人们的应用。 手持式技术的发展为本次设备开发提供了坚实的技术支持。并且，手持式设 备的便携性为它的应用提供了广阔的空间。本课题开发的手持式测氧仪适用于燃 气、石油、化工、消防、冶金、宾馆、矿井等使用可燃气体的场所。它能有效地 避免因可燃气体、有毒气体泄漏而引起的火灾、爆炸、中毒等人身伤亡事故和财 产损失。在窒息风险的检测方面，由于密闭空间的长期不通风，当有生物或化学 北京交通大学硕 士 学 位 论文 耗氧时，可使氧含量降低，当氧含量降低到6 时，可即刻致人死亡。窒息的机率 虽然比火灾爆炸和中毒的机率低，但也不可忽视，国内也有相关事故的报道。 因此，以一种便于使用的方式精确地测量氧气浓度，对提高产品质量、保证 生产环境安全等等具有重要意义。因此开发一种能够实时移动测量氧气浓度的手 持式设备，在各种生产和应用中显得尤为重要。 1 2 氧浓度测量方法简介 目前常用的氧浓度检测方法有碘量法、电流测定法、电导测定法和荧光淬灭 法。 。 碘量法是检测溶解氧含量的基准方法。其原理是：在水样中加入硫酸锰和碱 性碘化钾，生成氢氧化锰沉淀。而氢氧化锰性质极不稳定，迅速与水中溶解氧化 合生成锰酸锰( m n m n o ) ，再加入浓硫酸使已化合的溶解氧( 以m n m n o 的形式存 在) 与溶液中所加入的碘化钾发生反应而析出碘，最后以淀粉作指示剂，用硫代 硫酸钠滴定释放出的碘。通过硫代硫酸钠的用量和浓度就可以计算出溶解氧的浓 度。碘量法是一种传统的溶解氧测量方法，适用于水源水、地面水等清洁水，测 量准确度高且重复性好。该法是一种纯化学检测方法，耗时长，程序繁琐，因此 无法满足现场测量的要求。 电流测定法是根据分子氧透过薄膜的扩散速率来测定氧浓度的大小。电流测 定法的测量速度较碘量法快，操作简便，干扰少( 不受水样色度、浊度及各种干扰 物质的影响) ，而且能够实现现场自动连续检测。但是由于它的透氧膜和电极容易 老化，透氧膜容易堵塞或损坏，因此需要注意保护和及时更换。本课题开发的设 备采用的就是电流测定的方法。 电导测定法是用导电的金属铊或其它化合物与水中溶解氧反应生成能导电的 铊离子。通过测定水样中电导率的增量，就能求得溶解氧的浓度。此方法是测定 溶解氧最灵敏的方法之一，并可连续监测。 荧光淬灭法是基于氧分子对荧光物质的荧光淬灭效应原理，某些光敏物质的 原子受激发后，会以发射荧光的形式返回基态，而氧的存在会干扰这一行为的进 行，因此可以根据试样溶液产生的荧光强度或荧光寿命来测定试样溶液中氧的含 量。即氧分子含量越多，荧光寿命越短，对应强度越低。实验证明：这种检测方 法具有很好的光化学稳定性、重现性，并且无延迟、精度高、寿命长，可对水中 溶解氧进行实时在线监测。 2 北 京交 通 大学硕 士 学位论 文 1 3 课题国内外的研究现状 1 3 1 国外研究现状 目前国际上发展的主流是基于荧光淬灭原理的光纤溶解氧传感器，仪器的性 能一般为：重复性误差0 3m g l ，零点漂移和量程漂移o 3m g l ，响应时间( t 9 0 ) 2 m i n ，温度补偿精度o 3m g l ，m t b f 7 2 0 h 次。根据上述荧光淬灭的特性， 使用下面的方法实现氧浓度检测仪：光源发出的光信号经滤光片送到有荧光指示 剂的区域，水中溶解氧与荧光指示剂相作用，引起光的强度、波长、频率、相位、 偏振态等光学特征发生变化后送到光探测器和信号处理装置，经过处理后便可得 到氧浓度的信息。鉴于基于荧光淬灭原理的光学氧传感器具有较高的测量精度和 较强的抗干扰能力，以及较好的重复性和稳定性，国外一般采用新型的基于荧光 淬灭效应的溶解氧测量仪，代表产品有瑞士d m p 公司的m i c r o x i 型的溶解氧测 量仪，美国o x y m o n 氧气测量系统等等，测量精确、快速，并可以远程测量。 1 3 2 国内研究现状 国内目前一些单位和研究机构已经研制出一些小型溶解氧检测仪。这些检测 仪一般都采用了电流测定法，如上海雷磁仪器厂生产的j p s j - - 6 0 5 型溶解氧分析 仪，北京北斗星工业化学研究所研制的h - - b d 5 w 手持式水质通用测试仪等。然 而在检测速度方面同国外同类仪器还有一定的差距；精度方面，最高分辨率为千 分之一；响应时间一般在1 0 秒钟能指示氧浓度的9 0 ( 2 0 时) 。国内对荧光溶 解氧传感器也有一些研究，技术已经达到国外平均水平，但实现商品化的较少。 我国气体分析技术方面的研究与发达国家相比还存在显著差距。目前国内的 气体分析仪器技术较为落后，大多数采用国外的设备和技术，但是国外的气体检 测设备和系统大多数价格高，体积大，有的还不完全符合中国的环境条件。据海 关统计，2 0 0 9 年仪器仪表类产业全年进口达2 0 8 7 0 亿美元左右，出口为1 0 6 5 5 亿 美元，逆差达1 0 2 1 5 亿美元。全国每年用于仪器仪表进口的费用大大超过用于购 买国产仪器的费用。同时由于价格昂贵、采购周期长以及各种配件难以获得等原 因，也严重地约束了我国科学技术的发展。因此我国急需研究开发自行生产的气 体监测仪器。 1 3 3 研究方法简述 北京交 通 大学硕 士 学位论文 为满足市场需求，实验室与北京英世智博测控技术有限公司合作设计了一种 手持式的高精度氧浓度测量仪器。它可以方便地应用于各种场合，而且便于携带 和测量。本课题从软件和硬件两方面着手，在缩小测量误差，保持数据稳定和测 量的精度等方面进行了研究，在一定程度上克服了手持式设备的缺点。 在对现行测氧仪的发展趋势、测量原理分析研究的基础上，结合现代电子技 术、数学计算和数据处理等进行系统设计和程序开发，逐步实现了仪表的测量、 校正、存储、通讯等一系列功能。在开发过程中，通过对比大量的测量数据，不 断调整开发方案和更换器件，并借鉴已有测氧仪的开发经验，结合仪表的测量要 求，对测量误差和数据稳定进行了软硬件上的调整和修改，最后提出了自己的解 决方案。从最终所得的测量数据来看，设备不仅实现了预定的功能，而且达到了 预期效果。 该仪器主要实现对于氧气浓度的检测、放大、变换，信号的采集存储和处理 等功能。为了完善功能，还增加了对测量参数的保存、u s b 通讯及l c d 显示等功 能。这些功能都是在中断工作模式工作的键盘控制下完成。所有模块集中于一个 嵌入式系统的平台中，以嵌入式处理器为核心，通过对手持式设备技术、电子测 量等技术的结合以及电路板科学化的设计，不仅保证设备的低功耗、高精确度的 要求，而且还满足了测量的实用化要求。 1 4 论文的主要内容和组织结构 1 4 1 论文的主要内容包括 研究工作包括硬件和软件两个方面： 硬件系统设计方面： 1 在熟悉测量原理的基础上，选择硬件测量结构； 2 设计硬件测量电路，包括信号采集电路、放大电路、a d 转换电路、键盘 电路、l c d 显示电路、通讯电路以及一些外围的驱动电路； 3 比较、选择使用器件。包括传感器、运放芯片、模拟开关芯片、电压转换 芯片和a d 转换芯片等等。掌握使用方法和工作原理，保证硬件电路正常 工作； 4 进行电路的原理图设计和p c d 制板设计。 软件设计方面： 1 熟悉运用软件开发环境，进行各模块的独立开发设计； 2 完成程序前后台的架构，将各个模块程序组织成整体测量程序；， 4 _ l 00lrtir 北京交 通 大学硕 士 学位论文 3 完成温度补偿算法、标定算法、线性拟合算法等： 4 对大量测试数据进行分处理，缩小误差。 1 4 2 论文的组织结构 论文共分为八章，具体组织结构如下： 第一章引言。主要介绍课题的研究背景、意义。氧浓度的几种测量方法以及 国内外的研究现状等。 第二章系统设计目标和软件开发环境的选择。分析设备在功能和功耗等各方 面的需求，对本次开发使用的处理器进行详细介绍，确定设备开发的信息处理平 台以及相应的软件开发环境。 第三章信号采集模块软硬件设计。根据设备功能需求，选定本次开发使用的 温度传感器和氧浓度传感器。介绍传感器的工作原理和在本开发验中的具体应用。 详细描述了信号的采集过程和对采集信号的处理。 第四章温度补偿的实现。叙述了温度信号采集的软硬件设计。重点介绍了温 度补偿的实现过程和最终实现结果。 第五章键盘功能和l c d 显示的实现。介绍了键盘响应的基本原理和软件实 现，描述了本次开放的设备中键盘的使用和功能等。介绍了本次开发的图形阵列 显示的实现。 第六章u s b 接口的设计。本章介绍了将传统的r e 2 3 2 传输转换成u s b 传输 的具体实现。介绍了转换过程中的转换芯片的使用和通讯模块的工作流程。 第七章设备测试和数据分析。本章给出了对不同氧气浓度的测量结果，通过 对精度的计算，介绍设备完成情况。 第八章工作总结和展望。总结本文的主要研究成果和在研究过程中遇到的问 题，对进一步的研究工作进行展望。 5 北京交通大学硕士学位论文2 系统设计目标和软件开发环境的选择 2 系统设计目标和软件开发环境的选择 本章主要介绍了系统的设计目标，并结合设备要求，详细介绍了所选处理器 硬件系统结构和相关软件开发环境。 2 1 系统设计目标 系统设计是以处理器为核心，控制相关几个模块的运行。各模块之间的连接 和逻辑关系如图2 一l 所示。 图2 - 1 系统模块逻辑图 f i g u r e2 - 1l o g i c a lp i c t u r eo fs y s t e mm o d u l e s 前端是温度信号和氧浓度模拟信号的采集，通过a d 转换后将数字信号送入 微处理器，处理器经过运算将结果送给l c d 显示模块进行显示。键盘模块和处理 器模块通过交互实现用户的各种需求。具体设计目标如下： 电源模块：提供+ 5 v 、5 v 、3 6 v 等直流电压输出。 信号采集：包括温度和氧浓度两路信号采集。温度的分辨率为0 1 ，测温 范围为2 0 , - - + 6 0 。氧浓度量程为0 0 1 - - 9 9 7 、0 0 1 - - 2 5 、0 0 1 5 。 6 北京交通大学硕士学位论文2 系统设计目标和软件开发环境的选择 精度为 2v 0 1 ：+ 1 - 0 1 ； 2 5v 0 1 ：+ 1 - 0 5 ： 1 0 0v 0 1 ：+ 1 - l 。 a d 转换模块：a d 转换速度每秒超过3 次，高于4 位b c d 码表示。 键盘模块：设计6 个按键，4 个方向键，选择菜单和不同参数，1 个确定键， 1 个退出键。 l c d 显示模块：完成图形化界面显示，实现菜单操作。 通讯电路：完成u s b 接口设计，传输速率为9 6 0 0 b s 。 晶振：为处理器提供频率为3 2 7 6 8 h z 的工作时钟频率。 如图2 1 所示，各个模块都是在处理器的统一协调下进行工作，在系统设计中， 处理器是核心，因此处理器的选择将关系到设备开发的成功与否。 2 2 对处理器的要求 本次开发的设备，对于处理器平台的实时性，功耗，体积等都提出了严格的 要求。要想达到设备测量精度高、测量稳定性好、体积小、功耗低等的要求，处 理器必须具备以下几点要求： 1 较强的信息处理能力 首先要考虑的是系统要完成对于氧气浓度、温度等信号的采集转换，以及各 种修正算法的实现。因此，要求处理器平台具备一定的信息处理能力。其次，设 备涉及到几个模块，模块之间的相互协调需要处理器的准确控制。最后，设备要 求处理器具各较好的响应能力，较小的时延等等。这些对处理器的信息处理都提 出了要求。 2 低功耗 本次开发的是手持式设备，对功耗的要求非常严格。作为核心模块的处理器， 必须要有很好的功耗性能，而且，需要对外围模块进行优化，去除不必要的模块， 保证设备对功耗的严格要求。 3 高集成度 手持式设备对于体积的要求同样比较严格，而且设备外壳磨具有较高的制作 成本。因此，要求处理器集成度要高，即处理器平台应集成有较多的功能模块， 从而减少外围模块的个数，从而使设备整体达到最小的体积。 4 一定的存储容量 设备功能上要求处理器能够存储以往的测量数据。这就对处理器平台的存储 7 北京交通大学硕士学位论文2 系统设计目标和软件开发环境的选择 容量提出一定的要求。 5 可扩展性强 系统包括了信号采集模块、数模转换模块、键盘模块、l c d 显示模块和通讯 模块等多个模块。因此要求处理器具备多种外围接口和扩展接口。 6 高效的软件开发环境 在处理器平台的选择过程中，软件工具的可获得性和高效性将直接影响到开 发的进度。据调查，开发人员在选择处理器时，第一位的并非看重处理器本身性 能，而是开发工具的可获得性。这也给我们初期研发选择处理器提供了宝贵的经 验和科学的判断标准。 2 3m s p 4 3 0 处理器简介 m s p 4 3 0 系列单片机是t i 公司推出的1 6 位单片机系列产品，迄今为止已经有 f 1 x x 、f 2 x x 、f 3 x x 、f 4 x x 等系列产品问世。 m s p 4 3 0 系列是一种具有集成度高、功能丰富、功耗低等特点的1 6 位单片 机。m s p 4 3 0 系列单片机采用r i s c 结构，性能价格比很高，大多数手持型、便携 型测量仪器也都选用这款芯片作为系统的核心处理器。 1 6 位r i s cm s p 4 3 0m c u 是业界公认的功耗最低的解决方案，适用于8 位到 1 6 位电池供电型测量应用，包括测量、手持式仪表、智能传感和消费类电子产品。 它的特点有： 超低功耗 能够在1 8 v 3 6 v 的电压下工作；具有工作模式和5 种低功耗模式 ( l p m ) 。在低功耗模式下，c p u 可以被中断唤醒，响应时间小于6 p s 。这一特点可 以满足系统对微处理器芯片低功耗和实时测量的要求。 强大的运算处理能力 1 6 位的r i s c 结构，丰富的寻址方式；具有1 6 个中断源，可以任意嵌套；在 8 m h z 时钟驱动下指令周期可达1 2 5 n s 。内部包含硬件乘法器和大量寄存器，以及 多达6 4 k b 的f l a s h 程序空间和2 k b 的r a m ，为系统进行数据存储和计算提供了 保证。 丰富的片上外设 8 北京交通大学硕士学位论文2 系统设计目标和软件开发环境的选择 包括看门狗定时器，基本定时器，比较器，1 6 位定时器( t a 、t b ) ，串口0 、 1 ，液晶显示驱动器，6 个8 位的i o 端口，1 2 位a d c ( 最高采样率2 0 0 k h z ) 等。 丰富的片上外设可以很方便地构建一个较为完整的系统。另外，充分利用计数器 的多路任意波形产生功能和中断控制功能，可以保证一些复杂的时序控制任务的 完成。 较大的存储空间 m s p 4 3 0 f 4 4 9 有多达6 0 k b 的f l a s h 存储器，有2 k b 的r a m 内存采用冯诺 依曼结构，可以满足本次开发对于存储容量的要求。 方便高效的开发环境 m s p 4 3 0 f 4 4 9 是f l a s h 型器件，片内有调试接口和电可擦写的f l a s h 存储器， 可以先下载程序到f l a s h 内，再在器件内通过软件控制程序的运行，由j t a g 接口 读取片内信息供设计师调试。这种方式不需要仿真器和编程器，调试十分方便。 可以满足大部分复杂控制的需要，同时也可以满足系统低功耗的需要。 2 4 处理器平台的选定 基于m s p 4 3 0 系列处理器优越的性能表现，针对本手持式设备开发的一系列 要求最终选择m s p 4 3 0 f 4 4 9 作为最终的处理器平台。f 4 x x 是2 0 0 2 年问世的一款 f l a s h 型单片机，也是目前整合性最好的型号，它具有6 0k b 程序存储( 可记录数 据) ，2k b 片内r a m ，6 个i o 端口( p 1 和p 2 具有中断能力) ，1 6 0 段液晶驱动， 2 个串行端口，4 个定时器( 其中t b 带有7 个捕获比较器，包括看门狗) ，模拟 比较器，硬件乘法器，8 路1 2 位a d 转换器，频率调整电路f l l + 以及系统复位 s v s 模块等。而基本型的m s p 4 3 0 f 1 1 0 1 和m s p 4 3 0c 1 1 0 1 只有1k b 程序存储、 1 2 8 字节片内r a m 、模拟比较器和2 个定时器等。图2 2 是f 4 x x 系列的系统功 能框图。 9 北京交通大学硕士学位论文2 系统设计目标和软件开发环境的选择 图2 2m s p 4 3 0 f 4 x x 系列系统功能框图 f i g u r e2 - 2 m s p 4 3 0 x 4 4 xf u n c t i o n a lb l o c kd i a g r a m 2 5 软件开发环境介绍 a q 4 3 0 a qt i 是公司专为( 德州仪器) 1 6 位单片机m s p 4 3 0 系列单片机开发的软 件环境，该开发环境包含项目管理，源代码编辑和强大的程序调试环境。该调试 器是一个强大的全特性调试器，允许用户在p c 机上完全模拟目标程序、指令集和 片内外功能。主要特性有： a q 4 3 0 软件开发工具是基于m s p 4 3 0 f l a s h 单片机的完整的软件环境。 用户可以在i d e 软件环境下建立工程文件、编辑、编译、链接和调试。 用户直接通过j i t a g 接口和目标板( m s p 4 3 0 f l a s h 开发工具) 连接调试用户 程序。 在非实时时钟调试中，a q 4 3 0 在c 和汇编语言中软件断点不受限制。在实 时时钟调试中，硬件断点保持通常个数。 用户可以自由地在c 语言和汇编语言窗口中切换，汇编代码由c 语言直接 产生。 不占用m s p 4 3 0 硬件资源。 支持多操作系统：w i n 9 8 m e n t 4 2 0 0 0 x p 。 1 0 韭塑望盔堂堡主堂位论文2 系统设计目标和软件开发环境的选择 2 6 本章小结 本章介绍了设备对处理器平台的要求，最终选择了m s p 4 3 0 f 4 4 9 作为开发平 台。重点介绍了4 4 9 处理器的各性能参数，结构组成等。最后介绍了本次开发的 软件开发环境的相关特点。本章主要讨论了设备开发所需的软硬件平台的选择问 题，从下一章开始，我们将详细介绍设备的各个模块实现。 北京交通大学硕士学位论文3 信号采集模块软硬件设计 3 信号采集模块软硬件设计 测量仪器中，信号采集是系统中重要的模块，它直接影响到测量的精确度和 准确度。我们在氧浓度信号和温度信号的采集中，采用了高精度的传感器，在信 号放大过程中采用了能够抑制零点漂移并具有较高性能的运放芯片。本章主要介 绍了信号采集模块的硬件组成，抑制信号零点漂移的方法等。详细描述了软件开 发过程。最后，借助于软件开发环境，得到了稳定的信号，为后面的数模转换提 供了数据源。 因为温度信号的采集的主要目的是进行温度补偿，而温度补偿是设备比较重 要的功能，因此，我们单独用一章来介绍。本章主要介绍的是氧浓度一路信号的 采集，对于温度信号采集，在下一章温度补偿中将详细介绍。 3 1 信号采集模块硬件组成 信号采集模块包括氧浓度采集模块、温度采集模块和a d 转换模块三部分。 在氧浓度采集过程中，我们采用模拟开关交替采集氧浓度信号和地信号，目的是 在每次采集氧浓度信号之后，让电路接地，这样可以实现自调零功能。采集到的 氧浓度信号和温度信号经过模拟开关送入a d 转换器进行模数转换，得到的数字 信号输出给处理器进行处理。在氧浓度信号送达a d 转换之前，我们添加了一 级放大电路。运放芯片通过模拟开关选择运放的放大倍数。这样做的目的是对于 浓度过低的氧浓度信号可以放大较大的倍数，从而避免因浓度小而造成误差增 大。信号采集模块框图如图3 1 所示。 图3 1 信号采集模块硬件框图 f i g u r e 3 1t h eh a r d w a r es t r u c to fs i g n a la c q u i s i t i o n 1 2 北京交通大学硕士学位论文3 信号采集模块软硬件设计 3 1 1 器件选择 1 ) 氧浓度传感器 设备使用的氧浓度传感器为a 0 2 。该传感器是专为汽车检测特别设计，并 具有响应特性好、传感器内阻小和线性性好的特点，适合设备对于氧浓度测量范 围的要求。 由于a 0 2 是按照c l a r k 原理制作的极谱型传感器。传感器部分是由金电极 ( 阴极) 和银电极( 阳极) 以及氯化钾或氢氧化钾电解液以及氧扩散膜组成，氧 通过膜扩散进入电解液与金电极和银电极构成测量回路。当给电极加上o 6 8v 的极化电压时，氧通过膜扩散阴极释放电子，阳极接受电子产生电流，整个反应 过程为： 阳极：4 a g + 4 c l 一，4 a g c l + 4 e 阴极：o ，+ 2 h ，0 + 4 r - 4 0 h a 0 2 是电池式氧气传感器。通过氧气与内部的电解质在阴阳极发生氧化还 原反应，使阳极金属离子化，释放出电子。因电流的大小与氧气的多少成正比， 从而输出不同的电流。当电流经过固定电阻时，就可以转换成电压信号。 表3 1 传感器参数 t a b l e s3 1s e n s o rp a r a m e t e r s 测量范围 o t o1 0 0 、，0 1 2 v 0 1 范围内：+ ，0 1 精度 2 5v 0 1 范围内：+ 乒0 5 1 0 0v 0 1 范围内：+ ，1 输出信号 7 - 1 3 5m v 在干燥环境空气中 反应时间 5s 工作温度 0 5 0 。c 推荐负载电阻 = 1 0k o h m 温度补偿 n t c 北京交通大学硕士学位论文3 信号采集模块软硬件设计 表3 1 显示本传感器的输出信号为7 1 2 5 m v ，表示的是正常的氧传感器输 出电压在这个范围之间，而不是7 m v 对应氧气浓度为0 ，1 2 5 对应氧气浓度为 1 0 0 。这只是表示一个良好的氧传感器的正常电压输出范围。而我们要检测的 正是不同浓度下的这个正常的电值。 我们检测的理论依据是氧气浓度不同传感器电压不同则传感器电压不同。根 据采集到的电压信号，反推氧浓度的值。 2 ) 运放芯片i c l 7 6 5 0 s 本次开发中我们采用i c l 7 6 5 0 s 运放芯片。i c l 7 6 5 0 s 是自稳零斩波运算放大 器，它是i n t c r s i l 公司利用动态校零技术和c m o s 工艺制作的斩波稳零式高精度 运放，它具有输入偏置电流小、失调小、增益高、共模抑制能力强、响应快、漂 移低、性能稳定及价格低廉等优点。 芯片结构 i c l 7 6 5 0 s 采用1 4 脚双列直插式和8 脚金属壳两种封装形式，我们采用8 脚 封装，各个引脚功能如表3 2 所示。 表3 2i c l 7 6 5 0 管脚定义 t a b l e3 2p i nd e f i n i t i o no fi c l 7 6 5 0 c 啪外接电容c 姗 c e r r 外接电容c e 姗a i n反相输入端 + l n同相输入端 v 一 负电源端 c e x r j 0c m r r a 的 c m r r n 公共端 o u t p u t 输出端 v + 正电源端 o e x r a 硼 + 椭 t - i c l 7 6 5 0 s ( p d i p , s o l e ) t o pv j b 彤 o e x t b v + o k u t p 毛| t o r 目骥 图3 2 i c l 7 6 5 0 引脚排列图 f i g u r e3 - 2 p i na r r a n g e