1 引言
工業(yè)燃燒過程所釋放出的煙氣是現(xiàn)代城市大氣污染源,，煙氣檢測是大氣環(huán)境檢測中必要的項目,，它是確定重點污染源并對污染源進行檢測和控制的基本手段。為了控制燃燒過程的燃燒空氣比,，提高燃燒效率,，節(jié)約能源，減少大氣污染,，必須可靠地測量煙氣中各種氣體的含量,。本文針對煙氣分析，介紹了一種基于Intel單片機的智能儀器監(jiān)控平臺,。
2 監(jiān)控平臺的硬件結構設計
硬件配置應針對分析檢測器的不同組合方式可在各模塊中選擇,，如該平臺用于二組分分析時，則只接入兩路的操作回路和信號回路,，其他兩路不接,，由于硬件模塊的獨立特性，配合軟件的系統(tǒng)參數(shù)設置功能,，系統(tǒng)完全可以正常工作,，未接入的回路對工作回路不產(chǎn)生影響。監(jiān)控平臺的硬件結構如圖1所示,。
圖1 監(jiān)控平臺硬件結構圖
3 各功能模塊硬件詳細設計
3.1 單片機的選擇與存儲器模塊設計
智能儀器的核心是單片微機,，其性能對整個嵌入系統(tǒng)性能有重要影響,。選擇時既要考慮到工業(yè)應用的背景,、功能具有一定先進性和高可靠性，又須滿足分析儀器多品種,、小批量的功能平臺要求,，易于開發(fā)移植和更新?lián)Q代。為此,，確定Intel公司的80C196kc芯片作為分析儀器信息處理單片,，構造便攜式儀器監(jiān)控平臺。
本監(jiān)控平臺選用的是ATMEL公司生產(chǎn)的32k字節(jié)的閃速存儲器29C256,，工作電壓為5v,，一旦工作電壓低于3.8V時禁止編程功能。它既有SRAM的速度和易擦寫性,，又能像EEPROM那樣掉電后保持數(shù)據(jù)和在線可寫特性,，具有讀寫功能，掉電下可保存數(shù)據(jù),。硬件設計方法如圖2所示,。80C196kc的P4口作為地址的高位使用,，P3口作為地址的低位和8位數(shù)據(jù)線分時使用，74LS373用于低位地址鎖存,。
圖2 存儲器硬件電路設計
3.2 A/D采樣及數(shù)據(jù)處理模塊
80C196kc片內A/D模塊共有8路采樣通道,，精度為10位（其中可靠精度為8位），本監(jiān)控平臺已用其中兩路：其中一路用于熱電偶測溫,，若檢測到熱電偶通道電壓異常,，即報警提示熱電偶開路;另一路用于儀器電池電壓檢測，檢測結果通過液晶顯示器顯示,，便于用戶隨時了解電池電量,，以免電壓過低對傳感器造成損害;其余六路待用。片外選用的是MAXIM公司生產(chǎn)的12位A/D采樣芯片——MAX197,，負責完成6路不同傳感器的信號采樣及環(huán)境溫度,、煙氣溫度的檢測。該芯片是28腳的雙列直插封裝,，工作電壓為5V,，有8個模擬輸入口，完成一次轉化的時間為6μS,。
由于經(jīng)分析儀器傳感器轉換后的電信號是0～1V,，顯然不能用內部參考電壓模式進行采樣，所以系統(tǒng)選用外部參考電壓方式,。但是作者在實際使用中發(fā)現(xiàn),，外部參考電壓不能過低。試驗表明,，當外部參考低于1V時,，在輸入的模擬量在90 mV以下時，采樣的結果明顯不準確,，有很嚴重的非線性,，甚至出現(xiàn)明顯死區(qū)。所以監(jiān)控平臺在傳感器與A/D采樣芯片之間加入了放大器,，將傳感器傳給A/D采樣芯片的信號放大至0～2V,，通過計算可知此時的外部參考電壓VREF=2/1.2207=1.6384V，事實證明這種方法起到了良好的作用,，A/D采樣芯片發(fā)揮了良好的性能,，滿足了監(jiān)控平臺的要求。
3.3 LCD液晶顯示模塊
LCD液晶顯示器是人機界面的重要窗口,，也是本監(jiān)控平臺的特色之一,，本平臺所有人機交互功能皆通過LCD結合鍵盤完成,。鍵盤采用的是2×4觸摸按鍵設計,，占用CPU的6個I/O口,，其中一個按鍵與儀器啟動電路相連，成為該分析儀器的啟動鍵,。液晶顯示器采用的是240×128點陣式大屏幕寬視角液晶顯示器（LCD）,，顯示模塊的外部接口引腳共有21個，其中Pin18腳為顯示字符的字體選擇引腳,，接高電平則顯示的字體為8×6,，接低電平則顯示的字體為8×8。該液晶屏內置驅動器T6963C及周邊電路,，具有硬件初始化功能,。
LCD的Pin4腳為顯示區(qū)域對比度調節(jié)管腳，接入電壓可以在-6V～18V之間調節(jié),。本監(jiān)控平臺選用MAXIM公司生產(chǎn)8引腳雙列直插封裝的MAX749芯片來提供液晶屏的輝度調節(jié)的震蕩電壓,。該芯片是專為LCD對比度電壓調節(jié)而設計的，其輸出電壓具有良好的可調性,，可以通過數(shù)字控制,、電位調節(jié)、PWM控制工三種方法實現(xiàn),。起工作電路如圖3,。
圖3 MAX749工作電路設計
3.4 紅外打印及串口通訊模塊
根據(jù)紅外打印協(xié)議，打印模塊硬件部分主要由紅外物理層包括紅外收發(fā)器及編解碼硬件電路實現(xiàn),。其中物理層編解碼采用了惠普公司紅外3/16的編解碼芯片——hp-7001,，此芯片使用1.63μs或者3/16脈沖模式收發(fā)信號，可對波特率編程,。紅外收發(fā)器采用安捷倫的hsdl-3610,，它全兼容IrDA 1.1，最高傳輸速率可達4Mbps,連接距離大于1.5米且耗電較少,?？紤]到單片機80C196kc的串行接口要用于數(shù)據(jù)通訊,所以改用HSO、HSI實現(xiàn)紅外打印的類串口數(shù)據(jù)輸出輸入,。由于80C196kc和hp7001的接收發(fā)送腳都是TTL電平,，可直接相連，無需MAX232等電平轉換芯片,?？紤]到9600bps是紅外通訊協(xié)議的基本波特率，故80C196kc以及hp-7001和hsdl-3610都采用9600bps進行通訊,。
串口通信使用了80C196kc的串行數(shù)據(jù)接口,，采用RS-232方式，由MAX232實現(xiàn)串行信號的電平轉換,。采用8位數(shù)據(jù)位,、一位停止位,、無奇偶校驗位的傳輸方式，提供4800,、9600,、19200三種波特率供用戶選擇，以適用于計算機通訊的需要,。通訊時只需用在儀器與計算機之間用串口線連接,，運行相應程序，即可完成數(shù)據(jù)的傳輸,。該通信只傳送已存入flash中的歷史采樣數(shù)據(jù),，最多一次可傳送40組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)均包括所有采樣參數(shù),、計算參數(shù)及數(shù)據(jù)存儲時的系統(tǒng)參數(shù)（如日期時間,、燃料類型等）。
3.5 電源啟動及轉換模塊
由于便攜式分析儀器采用蓄電池供電,，減少整機電流和待機電流,、降低損耗變得極為重要。傳感器部分的工作電壓為12V,，而單片系統(tǒng)采用5V供電,，因此，控制平臺選用了直-交-直變換模塊完成電源轉換,。選用XR031電壓轉換模塊,，其轉換效率達80%。啟動電路采用CMOS芯片,，組成帶施密特整形的flip-flop電路,，由儀器鍵盤上的啟動鍵控制開、關機,。關機狀態(tài)下電池仍對該部分電路供電,，其電流極小，約為4～8微安,，工作狀態(tài)下CPU內部A/D采樣模塊對其進行電壓檢測,，當電壓低于設定時，置輸出端口為有效電平,，該電平經(jīng)微分電路產(chǎn)生+12V尖脈沖觸發(fā)flip-flop電路翻轉,，實現(xiàn)強行關機。本監(jiān)控系統(tǒng)正常工作時功耗電流為50～60mA（LCD背光關閉,，不包括泵電流）,，整機電流最大為140mA（LCD背光開啟）。電源轉換及啟動硬件設計如圖4,。
圖4 電源啟動及轉換電路
3.6 時鐘模塊
本次設計采用了一塊實時鐘芯片DS12C887,，它是微機中常用的時鐘芯片,。該芯片是24腳雙列直插封裝的一個集成組件，組件中包含石英晶體,、鋰電池、實時時鐘,、日歷時鐘,、報警時鐘、和128個字節(jié)的RAM,，其中15個字節(jié)用作實時鐘的控制寄存器,，其余113個字節(jié)可作普通RAM使用，其中數(shù)據(jù)也可以十年不丟失,，DS12C887的年月日,、時分秒等信息都放在內部寄存器中。
4 監(jiān)控平臺的軟件設計
監(jiān)控平臺的軟件系統(tǒng)采用C程序設計,，使用C96編譯器,，版本為5.3版。盡管該編譯器占用程序空間比匯編語言編譯器大,，但程序開發(fā)周期大大減少,，調試效率及可讀性均明顯優(yōu)于匯編語言，且原程序可更加方便地移植于其他型號芯片中,，便于產(chǎn)品的更新?lián)Q代,。
本監(jiān)控平臺軟件系統(tǒng)為多任務實時操作系統(tǒng)，主要分為人機界面,、串口通訊,、數(shù)據(jù)處理、紅外打印,、操作控制五大功能模塊,，軟件結構框圖如圖5所示。由于系統(tǒng)采用模塊化設計,，各模塊自成體系,，可獨立調試，有利于系統(tǒng)集成也便于形成其他分析儀器的監(jiān)控程序,。本軟件系統(tǒng)支持中英文兩種版本的界面供用戶操作選擇,，其LCD顯示頁面達60多個，字庫漢字超過250個,，編譯后程序代碼約為52Kb,。
圖5 軟件系統(tǒng)設計
整個軟件系統(tǒng)使用超循環(huán)系統(tǒng)（Super-Loops）結構，應用程序是一個無限循環(huán),，循環(huán)中調用相應的函數(shù)完成規(guī)定的操作,，程序依次檢查系統(tǒng)的每一個輸入條件,，一旦條件成立就進行相應的處理，這部分可以看成任務級處理,。中斷服務程序處理異步事件,，這部分看成中斷級處理。本系統(tǒng)包括A/D采樣,、HSO實時中斷,、HSO事件中斷、串行通訊等模塊,，為保證實時性,，中斷服務程序只包含標志處理，其隱含功能如采樣值的濾波,，HSO事件排隊均由任務級處理,。實時多任務按任務級別分類處理，在各界面處理模塊中均包含時間事件處理模塊,，以確保定時事件處理,。
本文作者創(chuàng)新點：
強大的CPU和良好的模塊性使本監(jiān)控平臺的研究為智能分析儀器提供了具有ARC功能的設計平臺，通過軟硬件模塊的選擇可基本實現(xiàn)各種不同需求的組合式分析儀,。系統(tǒng)提高了分析儀器本身的自動化水平,，分析儀器的自動校準和診斷。