（电路与系统专业论文）基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 摘要 随着现代集成电路速度和处理能力的提高，使得把嵌入式芯片应用予混合气 体识别系统中成为可能。论文在简单的介绍了经典气体识别技术和嵌入式系统的 特点之后，分析了气体识别技术的发展现状和在嵌入式系统中应用的可能，根据 两者的应用特点提出了基于无线传输的气体识别系统的设计方案。 论文中提出的系统集数据采集，传输，识别，存储于体。该系统的主要功 能是数据采集模块把气敏传感器的输出通过无线模块传输给识别模块，经过训练 的识别模块基于当前数据把目标气体判断为已知气体( 训练过的) 或者未知气体。 由于采集和识别模块的分离，使得该系统既可以应用一般要求的场合，也可以用 于环境恶劣或者危险的场合。 该系统采集模块采用带8 路a d 转换器的中央控制器，实现了数据采集和传 输。识别模块的处理器选择了基于a r m 7 t d m i 的a r m 处理器，主要用于神经 网络的训练和气体的识别。 最后论文设计实现了采集模块和处理模块的软件。通过在采集模块粗略地提 取特征，简化传输数据提高了无线传输的效率；针对经典b p 网络收敛速度慢， 容易产生振荡的缺点识别程序设计中加以了改进。 关键词：嵌入式系统，混合气体识别，b p 神经网络，无线传输 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 a b s t r a e t w i t ht h ei m p r o v e m e n to f t h es p e e da n dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo f i n t e g r a t e dc i r c u i t s ， i ti sf e a s i b l et oa p p l yt h ee m b e d d e dc h i p si n t om i x e dg a sr e c o g n i t i o ns y s t e r n s a f t e ra b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l a s s i cg a sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g ya n d e m b e d d e ds y s t e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e v i e w e dt h ec u r r e n ts t a l l l so f t h eg a sr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g ya n da n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gt h i st e c h n o l o g yi n t oe m b e d d e d s y s t e m s a c c o r d i n gt ot h e i ra p p l y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，ag a sr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e d o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nw a sp u t 鼬a r d l t h eg a sr e c o g u i t i o ns y s t e mp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ，r e c o g n i t i o nm o d u l ea n dd a t as t o r a g em o d u l e t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ec o n v e r t st h eo u t p u t so fg a s 副奠i s o ri n t od i g i t a lv a l u e s w h i c ha r et r a n s m i t t e dt ot h er e c o g n i t i o nm o d u l ev i aw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e t h e nt h et r a i n e dr e c o g n i t i o nm o d u l ec a ni d e n t i f yt a r g e tg a sa st h ek n o w ng a so r n n k n o w ng a sb a s e do nt h ec u r r e n td a t a d u et ot h es e p a r a t i o nb o t w e e nd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ea n dr e c o g n i t i o nm o d u l e , t h es y s t e mi ss u i t a b l et ob ea p p l i e di n h a r s ho fd a n g e r o u sc o n d i t i o n sa sw e l la sc o m m o nc o n d i t i o n s m c uw h i c hi n t e g r a t e sa n8 - c h a n n e la dc o n v 酿e ri su s e di nt h i ss y s t e mf o rd a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n aa r mp r o c e s s o rb a s e do na r m 7 t d m i i su s e df o rt h e t r a i n i n go f n e u r a ln e t w o r k sa n dg a sr e c o g n i t i o n ， 弛a 1 堍t h es o f t w a r ef o ra c q u i s i t i o nm o d u l ea n dr e c o g n i t i o nm o d u l ew a sd e v e l o p e d t oi m p r o v et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , s o m ec h a r a c t e r sw a se x t r a c t e di n a c q u i s i t i o nm o d u l e i na d d i t i o n , t h es o f t w a r em o d i f i e st h eb pn e u r a l - n e t w o r kt o i m p r o v e d i t sd i s a d v a n t a g e ，s u c ha sc o n v e r g e n ts p e e dt o os l o w , e a s i l yo s c i l l a t e d k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t v m , m i x e dg a sr e c o g n i t i o n , b pn e u r a l - n e t w o r k , w i r e l e s s u a n s m i s s i o n 2 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 1 1 嵌入式系统 第一章绪论 嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。它是先进的 计算机技术、半导体技术、电子技术与各行业具体应用相结合的产物，这一点决 定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的支持集成系统。 由嵌入式系统的定义可知嵌入式系统具有以下特征参数【m 】： 1 ) 性能：一般就用特征工作频率来描述，如微处理器的时钟频率或者峰值 处理能力，或者是每秒能执行的指令数( m e g ai n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ， s ) 。 2 ) 功耗：工作电压、工作电流、引脚上的驱动电流、工作频率都能反映了 这个特征。 3 ) 可靠性：连续工作时间是描述可靠性的常用参数，另外对震动、潮湿、 高温或低温等条件的适应能力也反映了其可靠性。零部件的数量、结构 的复杂性一定程度上也可以用来估计系统的可靠性，越复杂、零部件越 多，越不可靠，所以简单的总是好的。 4 ) 体积：嵌入式系统的大小和外形一般都要和外部设备的体积和外形相适 应。 5 ) 成本：嵌入式系统的成本总是越低越好。 6 ) 功能：功能不是越多越好，因为功能越多可靠性通常也越差，成本也越 高。功能是严格根据产品的需要来设计的。 7 ) m p u ：采用什么样的m p u ，由应用的性能要求来决定。m p u 的频率和 成本都是越低越好，频率越低，系统可靠性越好。不能简单的说3 2 位、 4 0 0 m h z 的删比8 位1 2 m h z 的舡8 9 c 5 1 更好。 8 ) 操作系统：并非所有的嵌入式应用都要操作系统，只有需要多进程管理 5 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 的时候才有必要加载操作系统。 9 ) 用户界面：用户界面非常重要，图形化的用户界面是大势所趋。但是复 杂的用户界面会降低系统性能和可靠性。增加功耗和成本。很多嵌入式 应用中图形界面会占去一半以上的功耗。 描述上述特征的参数就叫特征参数，特征参数之闻相互制约，需要综合考虑， 通常会先从性能、功耗、成本这三个角度入手，其他参数多是对这三个参数的延 伸。本文在设计系统的过程充分考虑以上各个参数，以期在设计中达到最优化。 1 2 气体识别的发展及现状 目前气体识别主要分单一气体识别和混合气体识别。市场上单一气体识别仪 的种类很多，般利用传感器对某一己知气体的浓度的线性响应进行量的分析， 超过一定阈值就输出提示信息。混合气体的识别系统很少见，但我们日常生活中 许多气味都是由混合气体组成的。这不能通过单一传感器的阈值来识别了，它需 要模拟人类思维和判断决策过程来识别。目前发展起来的电子鼻是混合气体识别 比较有效且比较成熟的理论。 电子鼻 4 1 也称人工嗅觉系统，是模仿生物鼻的一种电子系统，主要用来分析、 识别和检测复杂嗅味和大多数挥发性化学成分。1 9 6 4 年w i l k e n s 和h a t m a n 利用 气体在电极上的氧化一还原反应对嗅觉过程进行了电子模拟，这是关于电子鼻的 最早报道。1 9 6 5 年，b u c k 等利用金属和半导体电导的变化对气体进行了测量， d r a v i e k s 等则利用接触电势的变化实现了气体的测量。然而，作为气体分类用的 智能化学传感器阵列的概念直到1 9 8 2 年由英国w a r w i c k 大学的p e r s u a d 等人提 出，他们的电子鼻系统包括气敏传感器阵列和模式识别系统两部分。其中传感器 阵列部分山三个半导体气敏传感器组成。这一简单的系统可以分辨按树脑、玫瑰 油、丁香牙油等挥发性化学物质的气味。随后的5 年，电子鼻研究并没有引起国 际上学术界的广泛重视。1 9 8 7 年在英国w a r w i c k 大学召开的第八届欧洲化学传 感研究组织年会是电子鼻研究的转机。在本次会议上，以g a r d n e r 为首的w a r w i c k 大学气敏传感研究小组发表了传感器在气体测量方而应用的论文，重点提出了模 式识别的概念，引起了学术界广泛的兴趣。1 9 8 9 年，北大西洋公约研究组织专 门召开了化学传感器信息处理高级专题讨论会，致力于人工嗅觉及其系统设计这 6 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 两个专题。1 9 9 1 年8 月，北大西洋公约研究组织在冰岛召开了第一次电子鼻专 题会议。电子鼻研究从此得到快速发展。1 9 9 4 年g a r d n e r 发表了关于电子鼻的综 述性文章，正式提出了“电子鼻”的概念，标志着电子鼻技术进入至4 成熟、发展阶 段。 目前对电子鼻的研究主要集中在设计分辨率高、收敛速度快、泛化性好的神 经网络。近二十年的发展中，出现了各种各样的神经网络，常见的有反向误差传 播神经网络( b p ) ，自组织映射( s o m ) ，径向基函数( r b f ) ，模糊神经网络( f n n ) 和遗传神经网络( c 执) 等。 1 2 1 经典混合气体识别系统 电子鼻是模拟生物鼻的工作原理【5 川进行工作的。它的工作过程可简单地归 纳为：传感器阵列一预处理电路一神经网络和各种算法一计算机识别。电子鼻一 般由气敏传感器阵列，信号预处理单元和模式识别单元等三大部分组成，如图1 1 所示：气敏传感器阵列。它相当于哺乳动物鼻子的嗅觉受体细胞， 由具有广 普响应特性、较大的交叉灵敏度以及对不同气体有不同灵敏度的气敏元件组成。 工作时气敏元件对接触的气体能产生响应并且形成定的响应模式。信号预处 理单元。它对传感器的响应模式进行预加工，完成特征提取的作用；模式识别 单元。它相当于哺乳动物和人的大脑，对信号预处理单元发出的信号作进一步的 处理，完成对气体定性和定量的辨识。电子鼻嗅觉气味的过程可简示如下： 竺巨亘哥鼍亘亟产匝乎 图1 1 电子鼻系统的组成框图 1 2 2 气敏传感器阵列单元 在电子鼻中，最重要的部分是相当于嗅觉系统中嗅觉受体细胞的气敏传感器 阵列单元，它可以由单个或多个气敏传感器组合而成。这些气敏传感器要具有广 普的响应特性，并且对特定种类的气体具有某种程度的择优响应。目前，己开发 出了氧化物半导体、固体电解质、有机半导体、石英振子、场效应、热催化、表 7 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 面声波七种气敏传感器及光学气体传感器f ”。其中对氧化物半导体气敏传感器的 研究最为广泛和深入。目前已形成以s n 0 2 、z n o 、f e 2 0 3 为主的氧化物半导体三 大体系。图1 2 是s n 0 2 金属氧化物气敏传感器的基本构造示意图。 用这些氧化物半导体气敏传感器可检测空气中有毒有害气体，包括s 0 x 系 列、n o x 系列、h s 、n h 3 及一些烷烃、醇类和醛类等气体。由于气敏传感器工作 特性的非线性和非单一选择性，用一种气敏传感器来鉴别某种气体或定量测试混 合气体的浓度是十分困难的，若把不同响应的气敏传感器组成阵列来测量气味分 趣搬拽子辆o l 麓 ；尹l 一笋 卜圆 丁 加热电阻t 簸度撩铡 图1 2s n 0 2 粒子气敏传感器结构示意图 子，并将测得的数据进行如下两个步骤( 信号预处理单元和模式识别单元) 的处 理，就能用气敏传感器准确地进行单一气体或混合气体的定性或定量组分分析。 1 2 3 信号预处理单元 信号预处理单元的作用是对传感器阵列传入的信号进行滤波、交换和特征提 取，其中最重要的就是特征提取。目前，常用的特征提取方法有相对法、差分法、 对数法和归一法等1 9 1 。这些方法既可以处理信号，为模式识别过程做好数据准备， 也可以利用传感器信号中的瞬态信息检测、校正传感器阵列。大量实验表明，相 对法有助于补偿传感器的敏感性；部分差分模型除了可以补偿敏感性外，还能使 传感器电阻与浓度参数的关系线性化；对数法可以使高度非线性的浓度依赖关系 线性化；归一法则不仅可以减小化学计量分类器的计量误差，还可以为人工神经 网络分类器的输入准备适当的数据。由此可见，不同的信号预处理子系统往往与 某个模式识别子系统结合在一起进行开发，将其设计成一套软件系统的两个过 程，这样可以方便数据转换并保证模式识别过程的准确性。 8 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 1 2 4 模式识别单元 模式识别是对输入信号再进行适当的处理，以获得混合气体的组成成分和浓 度的信息，即对特征提取后得到的信息进行再处理。电子鼻中常用的模式识别方 法主要有三种：主成分分析法( p c a ) 、偏最t b - - 乘法( p l s ) 和人工神经网络法 ( a n ，其中最常用和有效的方法是人工神经网络法。 随着神经网络和模糊理论等新一代信息处理思想的兴起，利用基于人工神经 网络的模式识别方法实现多种气体、特别是混合气体成分的检测与识别已成为目 前电予鼻的发展趋势。a n n t t 术最大的优点就是可以实现复杂的非线性映射， 能较好地解决交叉响应带来的非线性严重等问题。它具有良好的容错性能，有助 于提高检测的精度。在神经网络的训练中，最普遍的是b p 算法、径向基函数法 ( r b f ) 和引入模糊概念的模糊c 均值算法f f c m a ) 。此外，针对b p 算法的学习时间 太长的问题，王平等于1 9 9 6 年开发了具有侧向联想能力和较强识别能力的s o m 网络，实现了香( 香水) 、臭( 尿氨) 、酸( 盐酸) 、酒精、汽油、煤油和柴油等7 种典 型气味的自动识别，平均识别率在9 1 以上。王平、刘晓东等于1 9 9 8 年提出的 基于奇异值分解的人工神经网络动态构造统一算法，有效地完成了神经网络的动 态压缩、扩展和自我修复，实现了神经网络的柔性构造。该算法使电子鼻学习速 度更快，检测精度更高，可靠性和抗干扰能力更好。 1 2 5 气体识别技术的发展趋势 随着新型传感器技术、微细加工技术、纳米技术、先进的信号处理算法等 的快速发展，电子鼻技术出现了跳跃式发展，近年来取得了一系列可喜的成就； 但与人们的期望还存在着较大距离，因此还有许多研究工作要做。下面就其未来 的发展趋势进行扼要的展望。 ( 1 ) 光纤传感器对气体化合物的响应形式是光谱色彩发生变化。传感器的主 干部分是玻璃纤维，在玻璃纤维的表面敷有很薄的化学活性材料涂层，有极高的 灵敏度。它的缺点是成本较高，使用寿命有限，其设备控制系统较复杂【1 们。 ( 2 ) 电子鼻与人和动物的鼻子一样，得到的不是被测样品中某种或某几种成 分的定性或定量结果，而是样品中挥发成分的总体信息。因此，模糊理论和人工 9 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 神经网络等能完成从输入模式到输出模式的复杂映射。模拟人的思维过程的信号 处理方法的深入应用是电子鼻技术发展的必然i l “。 ( 3 ) 传感器数据融合是传感器技术、模式识别、人工智能、模糊理论、概率 统计等交叉的新兴学科【1 2 】。数据融合技术能够充分发挥各个传感器的特长，利用 其互补性、冗余性提高测量信息的精度和可靠性，以延长系统的使用寿命，进而 实现识别、判断和决策。 ( 4 ) 随着生物芯片( 基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片、生物传感器芯片) 和 生物信息学的发展，以及生物计算机的出现，电子鼻的功能将逐步增强，将具有 更高级的智能f 戡，能够进行分析、判断、自适应、自学习，最终发展到具有创造 力，可以完成图像识别、特征值提取、多维检测等复杂任务。 1 3 论文的主要研究内容 综上所述，目前的绝大多数混合气体识别研究主要是理论研究，特别是神 经网络的研究，尝试把其中比较成熟的b p 神经网络等应用于嵌入式芯片中用于 识别混合气体也是很有必要的。同时，随着现代集成电路开发能力的提高，嵌入 式芯片的处理速度和能力大大增强，使得把神经网络算法应用于嵌入式芯片中成 为可能。 论文的主要研究内容分为硬件和软件两个方面：在硬件方面完成m c u 芯片 的选择，无线收发芯片的选择，气敏传感器的选择，电源芯片的选择。以及这些 芯片之间的接口设计。 其中无线i cr f 9 0 5 为n o r d i c 公司的最新推出产品，它相对该公司原无线i c r f 4 0 1 ，码率上升了为1 0 0 k b i t s ，并且增加了载波监听功能和c r c 校验码，这 样有利于方便的组建一个无线通信网络【悼嘲。 在软件方面主要完成了b p 神经网络的嵌入式化，b 列l i 练快速收敛，无线收 发等。这里实现b p 训练的快速收敛是程序设计方面的重点。为了使收敛速率足 够大，又不易产生振荡，在权值调整算式中，加入“动量项”；另外针对固定学 习步长存在的弊端，在程序中利用误差变化率来改变学习步长，以达到快速收敛 的目的。 1 0 浙江大学硕士学位论文 基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 第二章系统整体硬件设计 本系统是将嵌入式芯片应用于混合气体识别中，集数据采集、传输、识别、 存储于一体的系统。该系统的主要功能是数据采集模块把气敏传感器的输出经过 特征提取，然后通过无线模块传输给识别模块，经过训练的识别模块基于当前数 据把目标气体判断为已知气体( 训练过的) 或者未知气体。由于采集和识别模块 的分离，使得该系统既可以应用一般要求的场合，也可以用于环境恶劣或者危险 的场合。 因此本系统主要分为数据采集、传输、处理三个模块。 圉凸圈凸曰 图2 1 核心系统框图 系统中的关键器件选择如下：采集部分核心c p u 采用n 公司推出的超低功 耗1 6 位r j s c 混合信号处理器的m s p 4 3 0 f 1 3 5 ，片上集成了8 路1 2 位a d 转 换器、一路s p i ，iy a r t 接口；无线传输芯片是挪威n o r d i c v l s i 公司推出的单片 射频收发器n r f 9 0 5 ，工作电压为1 9 3 6 v ，3 2 引脚q f n 封装( 5 5 r a m ) ，工作 于4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 三个i s m ( i 业、科学和医学) 频道；识别部分核心c p u 采用 p h i l i p s 公司推出的基于a r m 7 t d m i 核的精简指令系统的3 2 位高速微处理器， 它是一款高性能、低功耗、低成本的芯片，带有2 5 6 k b 内部高速f l a s h 存储器， 具有丰富的外围接口及通用的i d 接口。 下面将分模块详细介绍这个系统的设计。 2 1 数据采集模块 如果说气敏传感器阵列对应于生物体嗅觉系统中的嗅觉感受器，那么对气敏 传感器阵列产生的信号进行采集和预处理则等同于生物体对嗅觉刺激产生的神 经冲动的传导和整合，这两部分都是电子鼻系统中非常重要的组成部分，也是本 系统正常工作的基石。 在设计数据采集模块时，我们采用1 1 公司的1 6 位单片机m s p 4 3 0 f 1 3 5 作为 核心。该单片机的最大特点是超低功耗( 典型功耗：2 2 v 及时钟频率1 m h z 时活动 t 1 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 模式下为2 0 0ua ：关闭模式下为0 1pa ) ，并且具有低而宽的工作电源范围 f 1 8 v 一3 6 v ) 。这个特点使其广泛地应用于便携式仪表、智能传感器和实用检测仪 器等领域中。同时，该片整合了大量的外围模块，特别是自带采样保持的8 通道 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 转换器和一路可复用为s p i 接口和串行通信接口的通道， 非常适合本模块设计的要求。数据采集模块的整体框图如图2 2 所示： 5 伏 图2 2 采集模块框图 其中传感器阵列由8 个对不同气体敏感的传感器组成，统一由4 3 0 控制加热 时间；加热电路的控制信号在处理模块传输采集开始信号后由4 3 0 施加，从而控 制传感器的工作时间，达到控制功耗的目的；电源部分由4 v 电压经过一系列变 换供电。输入输出部分由三个按键和两个发光二极管构成，主要用于程序调试和 显示运行状态。 图2 3 采集模块原理图 1 2 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 图2 3 为数据采集模块整个的s c h 图。图中居中的是m s p 4 3 0 f 1 3 5 ；左上为 电源电路部分，左下为a d 前的低通滤波和射极跟随器；右上是与传感器阵列 的接口和加热电路部分，右下是无线传输接口和j t a g 接口i 正下为输入输出部 分。 2 1 1 电源部分 本系统由于采集部分需要独立工作，因此需要使用电池，实际电路中使用了 一个大容量的4 v 蓄电池为采集模块的供电。模块的电源设计为节约功耗以3 3 v 为核心，m s p 4 3 0 f 1 3 5 、传感器工作电压、无线传输等主要芯片的供电都采用 3 3 v ，但传感器加热必须用5 v 电压。因此，模块中需要把4 v 变到5 v ，再由5 v 变压3 3 v 。图2 4 中，5 v 电源和3 3 v 电源由m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 和t p s 7 9 3 3 3 电 源调节芯片产生。m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 是m a x i m 公司的电源调节芯片，其输入为 2 7 5 5 v ，最大输出电流可达l a ，符合本系统的要求。t p s 7 9 3 3 3 是t i 公司的 产品，物理体积小，而且外围应用电路简单。 c 弼 u 图2 4 模块电源电路 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 2 1 2 传感器测量电路 本系统用8 个对不同气体敏感的气敏传感器组成传感器阵列，以提高对混合 气体的反应范围，增加识别的准确性。 具体器件采用了日本f i g a r o 公司的t g s 系列和昆明贵金属研究所的m q 系 列气敏传感头，它们都是s n 0 2 金属氧化物半导体传感器，结构上两个关键部分 是气体敏感膜和加热电阻。在清洁空气中，气体敏感膜呈现低阻抗；加热电阻用 以改变传感器的工作温度，使其在被测气体中，让敏感材料的阻抗随该气体浓度 的交化而变化。通过比较简单的测量电路可以将这种变化转换成电信号输出，如 图2 5 所示。 图中，传感头的1 、3 和4 、6 是传感引脚，2 、5 是加热引脚。v c 是外部电 压，最大允许值2 4 v 。v c 电压的稳定性直接影响到传感电压v r l 的精度，在设 计中应该考虑使用比较精密的电源。在实际设计中使用的m a x 8 8 6 9 电源转换芯 片，其最大误差范围为0 0 5 v ，考虑到传感头本身的精度范围和模数转换的精 度要求，这个误差是可以接受的。图中r l 是一个精密电位器，与传感器敏感电 阻串联，调节r l 使分压输出v r l 满足后面模数转换输入范围( o 3 、，) 。 图2 5 气敏传感器测量电路 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 2 1 3 传感器加热电路 在2 1 1 节中提到m o s 型气敏传感头只有在加热的条件下，才能对被测气 体表现出敏感。一般地，在2 、5 引脚间直接联入5 0 v _ 0 2 v 的a c 或d c 电压 即可。但考虑到传感器的绝大部分功耗都在对其进行加热过程中了，故为了方便 对气敏传感器工作状态的控制以达到控制功耗的目的，我们在设计中使用单片机 来控制加热电路，如图2 6 所示。 图2 6 传感头加热电路 图中所用继电器为o m r o n 公司的g 5 v - 2 ，5 v 时线圈端( 1 1 6 ) 陡j 阻为5 0 q ， 允许电流为1 0 0 m a ；接触端( 9 - 1 3 或4 - s ) 允许最大电流为3 0 v d c 时2 a 。该继电 器负担了8 路传感头的供电，每个传感头的加热电阻按3 0q 计算，接触端实际 电流为( 5 3 0 ) x 8 = 1 3 a 2 a ，因此是可行的。图中9 0 1 3 n p n 型三极管用于驱动 继电器，当单片机p 1 3 引脚为高电平时，开始对传感头通电加热。当p 1 3 为低 电平时，继电器的金触头处于和l l 脚的常闭状态。 2 1 4 模数转换电路 由于传感器对气体的响应变化速度不会太快，采样率可以较低，因此 m s p 4 3 0 f 1 3 5 自带的8 路1 2 位2 0 0 k b p s a d c 完全够用了。4 3 0 系列的1 2 位模数 转换器使用一个l o 位加权电容阵列加一个2 位电阻串列，逐次逼近转换器中的 c m o s 门限检测器通过检查一连串二进制加权电容上的电荷，确定每一位。如果 把传感器的输出直接与m s p 4 3 0 f 1 3 5 的a d 管脚相连，传感器的工作过程中的 电阻变化或者一些不可预见的容性变化就会对a d 的采样产生影响，因此必须 1 5 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 在两者之间加上隔离级。图2 7 中，a 肚a 7 为4 3 0 数模转换器的输入端，s n o s n 7 为气敏传感器的输出端。每位前面的电阻与电容构成低通滤波器，州3 2 4 是飞 利浦公司生产的集成运放，通过运放负端与输出连接起来构成射极跟随器。这样 使得a d c 的输入阻抗很大，从而隔离的传感器输出端与a d c 的输入端。 琶髓1 垂睾 1 0 u t4 0 u t lin4in- ! 兰l l 琳+ 4 i n + 1 2s n 3= 戳ng 并d l la 翻d 2 i m 4 -嬲+ 1 0掰2 置磐十 盈n 3 瑚- 船 2 0 u t3 0 i r i _ 吾翟 t 羹。1i2 l o u t4 0 t u n 一4 l h 一 一哪土 1 i n + 4 琳+ 1 1 g i c d v c c 1 1 g n d 10$n6k g i n 43 i n + 7 髓十 盈n 3 瑙 耵 u t3 0 u t - i “ 一 2 1 5 无线模块接口 图2 7a d 转换的隔离级 在本模块中，通讯接口主要是无线传输接口，一个h e a d e r7 2 的接插件。 其中四个管脚是标准的s p i 接口，与m s p 4 3 0 f 1 3 5 的s p i 口相连；三个管脚控制 无线传输模块的工作模式，三个管脚是无线模块的状态输出，这六个管脚都与 m s p 4 3 0 f 1 3 5 的通用i o 口相连。 2 2 气体识别模块 识别模块主要包括：核心c p u 模块、数据存储模块、输入输出模块、通讯 接口模块、电源模块等几个模块，图2 8 是一个简化的模块示意图。 核心部分由c p u 、数据f l a s h 、s r a m 等部分组成的最小系统，它是整个 应用系统的核心，负责系统的启动、数据接受及处理、结果的存储、与p c 数据 1 6 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式苍片的无线混合气体识别系统 图2 8 系统模块电路示意图 的交换，同时也是人机界面的桥梁。具体的硬件设计见图2 9 。 输入输出模块由按键和l c d 液晶块组成。l c d 采用菜单模式，方便对系统 的管理。本模块需要三种电源，分别是1 8 v 、3 3 v 和5 v ，这些都由电源模块 部分提供。 通讯模块主要有无线传输接口，通过s p l l 口和c p u 通信，接受传感器数据 或向采集模块发送命令：r s 2 3 2 串行通信接口，作用主要是将数据传输到p c 以 及供系统调试用。 图2 9 识别模块的原理图 1 7 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 图2 9 为气体识别模块整个的s c h 图。图中居中的是l p c 2 2 1 4 ；右上为电源 电路部分，右下是各种外设接口，包括是无线传输接口、j t a g 接口和串口等； 左上是l c d 接口部分，左下是扩展的s r a m 和串口f l a s h ；左中为输入输出 部分。 2 2 1 核心c p u 及存储器部分 s r a m州c p u 扒 串行f l a s h n ir 枷f u 惦h 图2 1 0 核心模块框图 由图2 1 0 ，核心部分由c p u 、s r a m 、串行f l a s h 组成，它是系统软件运 行的硬件平台，同时也是系统能量消耗的重要组成部分。 在考虑实用性及其功耗等因素下，这里选择了p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4 作 为系统的核心处理器。该芯片是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i s 内核的微处理器，并带有2 5 6 k b 内部高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构可以使3 2 位的代码在最大时钟速率下运 行。该芯片拥有丰富的外围接口及通用的i o 接口，方便系统的设计及扩展，同 时也降低了系统设计的成本。该片上系统的功能描述如下： 基于1 6 3 2 位6 4 1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器。 1 6 k 字节静态r a m 。 1 2 8 2 5 6 k 字节片内f l a s h 程序存储器( 在工作温度范围内，片内f l a s h 存储器至少可擦除和写1 0 ，0 0 0 次) 。1 2 8 位宽度接口加速器实现高达 6 0 m h z 的操作频率。 外部8 、1 6 或3 2 位总线 片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 。 f l a s h 编程时间：l m s 可编程5 1 2 字节，扇区擦除或整片擦除只需 4 0 0 m s 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路 输出) 、实时时钟和看门狗。 i s 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a i 玎、高速1 2 c 接口 ( 4 0 0 k b i t s ) 和2 个s p i 接口。 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 多达4 6 个( 6 4 脚封装) 或1 1 2 个( 1 4 4 脚封装) 通用i o 口( 可承 受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚( e 珊和c a p 功能) 。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过个别使能，禁止外部功能来优化功耗。 与删o 盏甚 囊裢用科唬溺试控臼时，共羽这荣管辨鹅a 帕供它动能捧葶辫用一 2 霞l j ，c 蕊1 2 ，嚣h 图2 1 1l p c 2 2 1 4 内部结 1 9 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 l p c 2 2 1 4 在整个系统中主要完成各个模块的协调、= d 的显示、键盘的扫 描、外围通信接口的管理和神经网络识别算法的实现等任务。l p c 2 2 1 4 集成了 2 5 6 k b 片上的f l a s h ，1 2 8 b i t 的位宽使得f l a s h 运行可以达到c p u 的最高速率， 这使得系统不需要外接专门的程序存储器，而将代码直接放置于片上f l a s h 中， 从而简化了系统，是系统更加紧凑。对f l a s h 存储器的编程可通过几种方法来 实现：通过内置的串行j t a g 接口，通过在系统编程( i s p ) 和u a r t 0 ，或通 过在应用编程( i a p ) 。 使用在应用编程的应用程序也可以在应用程序运行时对f l a h 进行擦除和 或编程，这样就为数据存储和现场固件的升级都带来了极大的灵活性。1 6 k 的高 速片上s r a m 支持8 位、1 6 位和3 2 位访问，可用作代码和或数据的存储。在 本系统中作为堆栈、常用变量及中间变量的存储空间。此外s r a m 控制器包含 一个回写缓冲区，它用于防止c p u 在连续的写操作时停止运行。 在系统运行时，由于根据采样频率的不同，数据规模可能比较大，算法实现 时交换的数据量也比较大，所以放在外部s r a m 中，根据要求外部s r a m 选用 了h y a i x 的6 2 8 4 0 0 ，它的容量为8 5 1 2 k 。 外部的串行数据f l a s h 用来存放汉字字库、a s c 码字库及图像识别的结果。 在系统人机交互界面设计中，使用了中文的菜单和提示。汉字点阵库使用g b 2 3 1 2 标准的1 6 1 6 汉字点阵库，二进制文件大小为2 5 6 1 ( 。串行f l a s h 存储芯片 a t 4 5 d b 0 8 1 共有1 m x8 b i t 的容量，其空间分配如下：汉字点阵库( o 2 5 6 k ) ， 构成神经网络的特征值及已学习的气体信息等( 2 5 6 k 5 1 2 k ) 。 l p c 2 2 1 4 芯片提供丰富的外部接口，方便系统设计。系统采用l p c 2 2 1 4 自 带的s p i 总线来连接串行的f l a s h 芯片，在核心系统与其他模块连接时采用专用 接口与通用i o 口并用的方式，以便达到更高的效率。 l p c 2 2 1 4 的系统存储地址分配如图2 1 2 。l p c 2 2 1 4 的外部存储器控制器 ( e m c ) 提供4 个外部存储器接口，支持静态存储器映射器件，包括r a m 、r o m 、 f l a s h 、b u r s tr o m 和一些外部i o 器件，可对4 个存储器组进行单独配置，每 个存储器组可包含多达1 6 m 字节，可对总线宽度进行8 、1 6 、3 2 b i t 进行编程选。 本模块扩展的5 1 2 k b 的s r a m 与接口一相连。 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 外部i 回帕珊畏口3 外部朐尉揍q 2 ，嘟班珊瑚喏口1 外部艇m 嗾n o 片内s r 蛆 保留个片内f l e s h 内吉阳1 m i h 2 2 2 输入输出部分 图2 1 2l p c 2 2 1 4 存储地址 0 妇枷0 咖 嘲0 咖 嘲卿 函聊即 西日咖4 咖 阻4 咖啊a 啪2o 咖 口删哪 系统的输入输出主要是按键输入和l c d 显示输出组成。在此键盘和l c d 构 成了人机对话界面，总共有五个功能按键，其中两个为“上下”方向选择，两个 为“确定”和“取消”功能，剩余一个暂留。l c d 采用了1 2 9 x 6 4 图形点阵型 集成模块c o m l 2 8 6 4 c b 。 由于按键数量不大，设计上直接占用c p u4 个i o 口，并通过一个电阻拉高， 另一端接地。通过检测i o 口是否为低电平来判断是否有键按下，因此键盘扫描 程序只能采用查询的方式。 l c d 模块c g m l 2 8 6 4 c b 集成了l c d 控制器和驱动电路，所需工作电源电 压为5 v ，内部自带一1 0 v 负压用于l c d 的驱动，显示内容为1 2 9 ( 列) x 6 4 ( 行) 点，与c p u 接口采用8 位数据总线并行输入输出和8 条控制线，控制十分简单， 同时也简化了应用系统的硬件电路。 c o m l 2 5 6 4 c b 用d d r a m 存贮图形显示数据，数据为l 表示显示选择，数 2 1 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 据为0 表示显示非选择。内部d d r a m 图形显示存储器分为左右两块，每块6 4 列，分别由c s l 和c s 2 负责片选，每块又由8 行组成一页，总共为8 页。这样， 液晶屏上显示的位置就由片选线+ 列地址+ 页地址所决定。结合l c d 模块本身 的显示命令和显示地址，就可以在液晶屏上的任何位置显示任何字符或者符号。 实际硬件连接如图2 1 3 所示。由于从l p c 2 2 1 4 出来的信号电平为3 3 v ，而 铂赋三 c s l6 c s 27 躅e 9 l o 1 l 亨们下彳i们lf i = 2 一洲 4 = ：= 二_ 并 k“ 圈2 1 3 液晶屏硬件连接 液晶屏的工作电压为5 v ，因此需要在二者之间进行电平转换。t c 7 4 l 、，x c 3 2 4 5 是东芝公司的电平转换产品，它实现3 3 v 与5 v 之间的转换，转换速度在个位 纳秒级，功耗很低，适合本系统的要求。c p u 对l c d 显示控制通过c p u 的i o 口模拟l c d 模块接口时序来实现，共用1 5 个i o 口，6 根模拟控制信号时序，8 根用作数据线，1 根控制l c d 的背光。具体各接口信号意义如下： g p d 7 g p d o ：8 位数据线 d i ：h ：表示g p d 7 g p d 0 为显示数据； l 表示g p d 7 g p d 0 为显示指令； e ，r ，w ：r 、7 l ，- “h ”，e = “h ”，内部显示数据被读到g p d 7 g p d 0 ： r , f w = “l ”，庐“h l ”，g p d 7 g p d 0 的数据被写入l c d 内部相应单元； c s l ，c s 2 ：h ：分别选择右半屏和左半屏显示； r e s t 复位信号，低电平有效 2 2 3 电源模块设计 本模块在设计之初就着重于便携和低功耗的考虑。基于此，模块的电源设计 夔篮拦一 一一一一一一一一” 瑚孵gm掘髓斟撕耵髓粉 咒 g嘲强舡船“舡雠胛蚰 u；i；|；i；1；一 銎粉 岫虻omm毋m耶m盯嚣嘲溉“般“舡址盯柚 浙江大学硕士学位论文基于嵌入式芯片的无线混合气体识别系统 以3 3 v 为核心，核心c p u 等主要芯片的供电采用3 ，3 v ，外围器件尽量采用3 3 v 。 另一个方面，整个识别模块工作的主频率在5 0 m h z 以上，对电源的纹、彼有较高 的要求。 图2 1 4 是电源模块的