艦艇艙室二氧化碳檢測裝置

郝毫毫

(武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

艦艇艙室是人員休息和工作或在核化條件以及生化污染條件下用于集體防護的場所，環(huán)境相對封閉，人員高度集中，艙內排出的廢氣濃度高，尤其是晚間門窗緊閉，艙內空氣質量差，其中二氧化碳的含量對艦員的生理影響表現為：當CO2濃度小于0.05%時，人員感覺舒適；當CO2濃度大于0.05%小于1.55%時，人員短期無明顯影響，但長期會影響戰(zhàn)斗力；當CO2濃度大于1.55%小于2.00%時，人員會出現輕微反應(疲勞、煩悶、頭暈、氣喘)，使用武器裝備困難；當CO2濃度大于3.00%時，人員會有劇烈反應(呼吸困難)，不能使用武器裝備甚至引起死亡[1].

由此可見，二氧化碳的濃度測量是十分重要的.艦船艙室氣體檢測裝置多采用質譜儀[2]，雖具有檢測范圍廣、運行穩(wěn)定、分析速度快等優(yōu)點，但其體積大、價格昂貴，因此不便攜帶和安裝.本文采用低功耗器件并采用合適的軟件方案設計了一種二氧化碳濃度和溫濕度檢測裝置，采用電池供電，具有功耗低、體積小、便于攜帶和安裝、接口靈活等特點，適合艦艇艙室環(huán)境應用.

1 硬件設計

檢測裝置的電路原理圖如圖1所示.它主要由MCU(微控制器)控制單元、通信接口、溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器等構成.所有單元均采用低功耗器件，MCU采用TI的具有休眠功能的MSP430F449單片機，溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT21溫濕度傳感器，CO2濃度測量采用GSS公司的功率僅為3.5 mW的COZIR傳感器.所有器件均采用3.3 V供電，便于電池集中供電.

圖1 檢測裝置的電路結構圖Fig.1 Structure diagram of the acquisition system

1.1 MCU單元

MSP430F449是IT公司推出的一種超低功耗單片機，其主要特點有：

a) 超低功耗：其供電電壓為1.8～3.6 V，工作在LPM3(低功耗模式3)模式時電流為0.7～0.9 μA，工作在活動模式時電流為0.2～0.3 mA，I/O(數字輸入/輸出口)口的漏電流不超過50nA[3].它的矢量中斷支持多個中斷源，并可以任意嵌套.當MSP430F449工作在低功耗模式時，外部事件所引起的中斷請求最短只需1 μs喚醒系統(tǒng).

b) 處理能力強大：MSP430(單片機)系列為16位單片機，使用精簡指令集，它的機器周期為一個振蕩周期.同時它還采用了16位多功能硬件乘法器等一系列先進的體系結構.

c) 高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊：MSP430F449組合了許多功能模塊，其中包括LCD(液晶顯示器)驅動器，這大大節(jié)省了外圍硬件的開銷.

d) 系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠：上電復位后，先由其內置的DCO(數字控制振蕩器)時鐘啟動CPU(中央處理器)，在外接的晶振穩(wěn)定后，通過軟件編程來確定系統(tǒng)時鐘頻率.如果外接晶體振蕩器在用作主時鐘時發(fā)生故障，內置DCO會自動啟動，以保證系統(tǒng)正常工作.

在本應用中，MCU是檢測裝置的核心，在無事件發(fā)生的情況下工作于LPM3低功耗狀態(tài).此時，高速時鐘和CPU停止，32768 Hz低速時鐘處于活動狀態(tài)，將UART0和TIMER0(定時器0)的時鐘源設為ACLK(輔助系統(tǒng)時鐘)，當USART0有數據接收或TIMER0定時發(fā)生時，MCU可響應并退出LPM3狀態(tài)進入活動工作狀態(tài).MSP430F449功能豐富，編程方式靈活，完全可滿足檢測裝置的設計要求.

1.2 低功耗傳感器單元

溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT21溫濕度傳感器，休眠時的電流僅為0.15 μA左右.SHT21配有一個全新設計的CMOSens?(芯片的一種結構)芯片、一個經過改進的電容式濕度傳感元件和一個標準的能隙溫度傳感元件，其性能已經大大提升甚至超出了前一代傳感器(SHT1x和SHT7x型號)的可靠性水平.SHT21的測量分辨率高，可以達到14 bit(溫度)、12 bit(濕度).量程范圍廣，溫度為-40～120 ℃，濕度為：0～l00%RH[4].通信采用標準I2C接口，便于微控制器訪問.在每次測量和通訊結束后，SHT21會自動轉入休眠模式，大大降低了功耗.

這里對SHT21采用3.3 V供電，SHT21的SCL腳接單片機的P2.0口，SDA腳接單片機的P2.1口，單片機模擬I2C(一種串行通信的標準)口.

CO2濃度測量采用GSS公司的COZIR-A型傳感器，其功耗僅3.5 mW，可溫度補償，濕度補償，以及感知白天黑夜的環(huán)境狀態(tài)[5].預熱時間僅10 s，量程2 %.性能： 1)功耗3.5 mW；2)峰值電

流33 mA；3)平均電流小于1.1 mA；4)電源3.3 V；5)響應時間30 s；6)標準型號溫度范圍0 ～ 50 ℃(可擴展-25 ℃～55 ℃)；7) 濕度適用范圍 0～95 % RH；8)存儲溫度-30 °C～+70 ℃；9)尺寸：傳感器18 mm×20 mm.

COZIR連接簡單，除了3.3 V電源和地線外，還有RX(引腳名稱)和TX(引腳名稱)引腳可直接連接單片機的USART1(串口1)口.所有的通信均使用ASCII(編碼名稱)碼，命令格式按照文獻[6]的規(guī)定執(zhí)行.傳感器有三種工作模式：命令模式(Command Mode)，流模式(Streaming Mode)和查詢模式(Polling Mode).

其中工作于查詢模式時傳感器并不產生數據，但是周期性的測量在后臺繼續(xù)，當傳感器收到讀取命令時，會將最近的測量值轉換成數據送出.查詢模式的功耗與查詢頻率有關，但是幾乎接近3.5 mW.

該設計將COZIR的通訊口接到單片機的USART1(串口1)口，COZIR工作在查詢模式(Polling Mode).

2 軟件設計

軟件的開發(fā)環(huán)境為IAR Embedded Workbench(一種軟件開發(fā)環(huán)境)，使用C430語言.檢測裝置作為從機其USART0口執(zhí)行標準MODBUS協議，為點對多點的通信方式.MODBUS協議是免費的用于工業(yè)現場的總線協議.在我國，MODBUS已經成為國家標準GB/T19582-2008[7].可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等[8].每一個檢測裝置都擁有一個唯一的MODBUS地址，工作方式為主站輪詢，從站監(jiān)聽的方式.檢測裝置軟件的主要流程如圖2所示.

2.1 程序流程

系統(tǒng)初始化時，MCU進入LPM3模式，Timer0(定時器0)選擇32.768 kHz晶振作時鐘源，定時1 min中斷.有兩個事件會將MCU喚醒：Timer0定時和USART0數據接收.

在Timer0(定時器口)的中斷服務子程序中做兩件工作：1、軟時鐘計時.由于系統(tǒng)對實時性要求不高，時鐘可以分鐘為最低計時單位.并且上位機可定期通過寫指令對時鐘進行校準；2、采集數據.從溫濕度傳感器和二氧化碳濃度傳感器讀取數據并按規(guī)定格式存放在規(guī)定緩沖區(qū)，等待上位機讀取，刷新LCD顯示器.

圖2 系統(tǒng)程序框圖Fig.2 Program flow chart

2.2 數據存儲

MSP430F449擁有較大的存儲區(qū)，其FLASH區(qū)有60KB+256B.本系統(tǒng)地址分配如下：

USART0配置參數 0X1000～0X107F

MOBUS通信協議配置參數 0X1080～0X10FF

用戶參數(用戶信息等) 0X1100～0X1FFF

用戶程序區(qū) 0X2000～0X6FFF

升級程序區(qū) 0XE000～0XFDFF

實時數據區(qū)位于RAM(隨機存取存儲器)區(qū)，在MCU處于LPM3模式下能夠得到保存.實時數據的存放格式如表1所示.每次讀取的采樣數據和時間存放在兩個位置，一是地址0x7003～0x7008，二是沿地址0x7009～0x707A順序循環(huán)存放.

2.3 程序升級

MSP430F系列單片機的FLASH(存儲器的類型)存儲器模塊是可以通過程序擦寫的.由于采用的是普林斯頓結構，所有存儲器安排在同一個線性地址空間中，地址結構清晰，便于訪問.FLASH部分被分為多個可單獨擦除的段(512字節(jié)，信息段大小為128/64字節(jié))，因此特別適合在線程序升級(in-system program).

表1 實時數據的存放格式

程序升級的原理是在單片機中放置2段地址不重疊的相互獨立的程序代碼：一段為升級程序，另一段為用戶應用程序.同時為兩者的特殊功能寄存器分配兩個不同的區(qū)域用于保存寄存器內容，以便在程序跳轉時使用.

單片機復位后先進入引導程序，由它判斷應用程序是否存在或錯誤.若有正確的應用程序則引導程序指針跳入應用程序，恢復特殊功能寄存器內容.否則進入升級程序，開放通信接口，等待升級.

引導程序的C430語言描述如下

Void main()

{

While(1)

{

If(App_Valid()) // 判斷應用程序是否存在，或存在錯誤

Application(); // 進入應用程序

else

Updata(); // 進入升級程序

}

}

在編寫應用程序時，要在鏈接文件(*.XCL)中指定應用程序的地址范圍，編譯完成后輸出TXT(文本)文件.在應用程序和升級程序之間跳轉時，可通過使用“asm(" mov &0xXXXX, PC;");”語句改變程序指針，同時注意保存必要的寄存器的值.

3 實驗測試

經測量，系統(tǒng)在絕大部分時間段工作電流為1.4 mA，采用ER18505H型(3 500 mAh)鋰電池可連續(xù)工作3個月左右.

采用MF-4B型標準氣體稀釋裝置，用高純氮作稀釋氣體對1%的標準CO2氣體稀釋得到6組不同濃度的CO2氣體.分別用氣相色譜儀和本裝置對配置的6組氣體進行測量比較，結果如表2所示.

表2 測量數據比較

4 結 語

上述所設計的艦艇艙室二氧化碳檢測裝置硬件結構簡單，成本低，技術開發(fā)成熟，所采用的器件均為超低功耗器件，使得整個系統(tǒng)的功耗很低，可采用鋰電池供電，因此安裝方便，也便于攜帶.檢測裝置每分鐘更換一次數據并在LCD上顯示，預留的USART0口可以對外通信，服從MODBUS協議，用戶可根據需要升級用戶程序.由于體積小，安裝屏蔽罩容易，安裝屏蔽罩的檢測裝置在艦艇艙室復雜電磁環(huán)境下可正常工作.

另外，依據MODBUS協議可通過USART0口對裝置的采樣時間等工作參數進行修改，以滿足用戶需求.同時由于檢測裝置具有升級功能，經過改動可適用于其它多種應用場合，如蔬菜大棚的空氣質量監(jiān)測等，具有較大的推廣價值和廣闊的市場前景.

參考文獻：

[1] 王武田，楊洪禹. 艦艇艙室毒害氣體的危害及消除[J]. 海軍大連艦艇學院學報，2003,26(4)：50-52.

[2] 彭光明. AIP潛艇艙室大氣環(huán)境控制系統(tǒng)研究[J]. 中國艦船研究，2006,1(2): 62-65.

[3] 沈建華，楊艷琴. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4] Sensirion Inc. Datasheet SHT21 [EB/OL]. http://www.sensirion.com/en/pdf/ product_information/Datasheet-humidity-sensor-SHT21.pdf.2011-05-09/2011-11-18.

[5] GSS Ltd. COZIRTMUltra Low Power Carbon Dioxide Sensor [EB/OL]. http:// www. apollounion.com/Upload/DownFiles/GSS%20COZIR%20Wide%20Range%20Data%20Sheet.pdf.2010-01-01/2011-11-18.

[6] GSS Ltd. COZIRTMSoftware User’s Guide [Z]. Glasgow United Kingdom: GSS Ltd., 2011.

[7] GB/T19582-2008.基于Modbus協議的工業(yè)自動化網絡規(guī)范[S].

[8] 王欣，文小玲，劉義亭,等. 基于MODBUS協議的TMS32OLF24O7A與PC機串口通信軟件設計[J]. 武漢工程大學學報，2011,33(1)：75-78.