智能酒精測試儀中信息處理模塊的設(shè)計與測試*

李耀輝

（許昌學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院 河南許昌 461000）

1 設(shè)計思想

信息處理模塊的設(shè)計與實現(xiàn)是智能酒精測試儀(也稱電子鼻)[1]的核心模塊，其完成了對酒精氣體的信號采集和預(yù)處理。該模塊主要包括燃料電池（Fuel Cell）傳感器電路、壓力傳感器電路、加熱、溫度傳感電路及信號濾波放大電路[2]。基本設(shè)計思路如圖1所示。

圖1 信息處理模塊的設(shè)計思路

2 信息處理模塊的硬件設(shè)計

2.1 壓力傳感器電路

壓力傳感器電路是使能數(shù)據(jù)采樣的關(guān)鍵，為實現(xiàn)電壓變化與酒精氣體濃度之間的近似線性關(guān)系，當(dāng)呼氣壓力達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)的時候，才能保證采樣有效。當(dāng)人體呼氣經(jīng)過燃燒室后，壓力傳感器檢測氣流壓力，轉(zhuǎn)化為電信號，通過CMOS運算放大器[3]放大輸出給PSENSE引腳。其中該引腳連接到LPC2210的P2.25，當(dāng)氣流壓力達(dá)到預(yù)定的數(shù)值時，PSENSE輸出高電平，LPC2210發(fā)出指令讓信息處理模塊開始采樣，從而將氣體中的酒精濃度轉(zhuǎn)化為電量輸出。

2.2 Fuel Cell傳感器電路和加熱、溫度傳感電路

圖2 Fuel Cell（上）及加熱、溫度傳感器電路（下）

Fuel Cell傳感器電路采用7位排針排母的接口方式，其中附有7位的排母，如圖2所示。兩端的1、7位是Fuel Cell的正負(fù)極，2和6引腳控制加熱電阻，3、4、5引腳主要完成Fuel Cell的溫度控制。其中要說明的是HEAT通過場效應(yīng)管Q1連接到6引腳用來控制加熱電阻工作，HEAT是由LPC2210通過74LCX373擴(kuò)展出的埠。加熱、溫度傳感電路是Fuel Cell傳感器電路的輔助電路， 輔助完成加熱和溫度控制功能。在7位排針接口中，兩端的1和7位連接到Fuel Cell傳感器的正負(fù)極，2和6位接加熱電阻板兩端，加熱電阻板采用4×120 ?的貼片電阻，用來加熱燃燒室，控制其工作的在Fuel Cell傳感器電路；此電路的溫度測量芯片采用的是LM60，測量范圍在-40～+125°C，LM60的輸出電壓與溫度基本成線性關(guān)系（+6.25 mV/°C），并且存在一個直流偏移（+424 mV），因此，在-40～25°C的范圍內(nèi)，正常的輸出電壓范圍應(yīng)該是+174 mV～+1 205 mV。

3 信息處理模塊中 A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動的開發(fā)

LPC2210具有1個10位逐次比較的A/D轉(zhuǎn)換器，有8個A/D輸入引腳。系統(tǒng)設(shè)計用到了AIN0~AIN3四個引腳為FuelCell信號輸入，AIN4和AIN5為溫度信號輸入。

首先建立設(shè)備文件，驅(qū)動程序默認(rèn)的主設(shè)備號為124，從設(shè)備號來標(biāo)識A/D的輸入通道號，0代表通道0，1代表通道1，以此類推，代碼為：mknod/dev/ADC0.0 c 124 0，mknod /dev/ADC0.1 c 124 1，mknod /dev/ADC0.2 c 124 2，mknod /dev/ADC0.3 c 124 3。然后編寫adc.h頭文件，在頭文件中定義了兩個宏，對應(yīng)ioctl()函數(shù)體中的特殊命令，即設(shè)置A/D工作頻率和設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換精度。編寫內(nèi)核接口函數(shù)adc_init()、open()、close()、ioctl()和read()，注意對于A/D來說，每次讀的數(shù)據(jù)量是相對確定的，每次read()調(diào)用是不可分割的。

最后建立Makefile文件，通過make命令編譯驅(qū)動程序，得到ADC驅(qū)動模塊文件adc，在操作系統(tǒng)中執(zhí)行“insmod adc”，就可以使用ADC轉(zhuǎn)換功能了。

在使用ADC之前，先調(diào)用adc_init()進(jìn)行初始化，然后用open()打開設(shè)備獲取設(shè)備節(jié)點的從設(shè)備號，并判斷A/D通道的被使用情況；接著用ioctl()函數(shù)設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換的時鐘和轉(zhuǎn)換精度，代碼如下：ioctl(fd，ADC_SET_CLKDIV， (Fpclk + fadc - 1) /fadc - 1)；ioctl(fd， ADC_SET_BITS，10)。其中VPB總線的頻率為11.059 2 MHz，fadc設(shè)置為4.5 MHz，精度設(shè)為10。

最后，等待Fuel Cell信號觸發(fā)，讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，即：read(fd， &ad_data， sizeof(ad_data))。

隨著智能酒精測試儀系統(tǒng)的硬件及軟件設(shè)計的完成，接著要對系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行評價。這就需要明確測試標(biāo)準(zhǔn)，配制出復(fù)合標(biāo)準(zhǔn)的定量酒精氣體是系統(tǒng)測試的關(guān)鍵，測試標(biāo)準(zhǔn)是對測試結(jié)果分析的唯一依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的明確是系統(tǒng)分析的關(guān)鍵。

4 信息處理模塊的測試

模塊測試儀用到酒精氣體模擬器、≥99.7%的無水酒精、數(shù)字萬用表、微量取樣器、U型液體壓力計、數(shù)顯溫濕度計、電子秒表及量筒、燒杯、滴管等化學(xué)容器。其中酒精氣體模擬器采用美國生產(chǎn)的Guth 34C模擬器，它能夠配置產(chǎn)生定量的標(biāo)準(zhǔn)酒精與空氣的混合氣體，并將溫度控制在33.8～34.2℃范圍內(nèi)，最大允許誤差在0.090～0.105 g/220 L。另外，數(shù)顯溫濕度計的測量濕度在 10%RH至90%RH之間， 最大允許誤差1.9%RH，溫度在0～50℃，最大允許誤差0.4℃。

4.1 系統(tǒng)的測試流程

首先為系統(tǒng)測試準(zhǔn)備良好的環(huán)境條件，如室內(nèi)溫度要控制在（25±2）℃，相對濕度控制到≤80%RH。要清理Guth 34C模擬器的容器，準(zhǔn)備好無水酒精及取樣器具等，接著配置定量的標(biāo)準(zhǔn)酒精混合氣體。用量筒取純凈水 500 mL，倒入模擬器的配液容器中，用微量取樣器取定量的酒精液體，放入模擬器配液容器，裝配好模擬器，預(yù)熱 30分鐘左右，調(diào)節(jié)好氣體流量范圍；然后吹氣檢測，模擬器的進(jìn)氣端接外部氣泵，排氣端接智能酒精測試儀的進(jìn)氣口，通過外部氣泵的氣流壓力，將空氣和模擬器中的酒精氣體混合并壓出，進(jìn)入智能酒精測試儀進(jìn)行檢測，最后讀取測試數(shù)據(jù)，并分析結(jié)果。

4.2 系統(tǒng)測試標(biāo)準(zhǔn)

針對測試標(biāo)準(zhǔn)，要說明的是智能酒精測試儀對檢測酒精濃度的計算方法。由于研究開發(fā)的智能酒精測試儀是針對檢測人醉酒程度的，因此要判斷顯示人體內(nèi)血液中的酒精含量。大量的統(tǒng)計研究結(jié)果表明，如果被測者深吸氣后以中等力度呼氣達(dá)3秒鐘以上，這時呼出的氣就是從肺部深處出來的氣體，而呼氣中的酒精含量與血液中的酒精含量有如下關(guān)系：

此外，系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)為血液酒精濃度，采用mg/100 mL為單位，換算關(guān)系為：血液酒精濃度（mg/100 mL) = 呼氣酒精濃度 (mg/L)×220，這樣， 50 mg/100 mL的血液酒精濃度相當(dāng)于0.227 mg/L的呼氣酒精濃度。除了血液酒精濃度與呼氣酒精濃度之間存在系數(shù)換算關(guān)系，呼氣酒精濃度與FuelCell所產(chǎn)生的電壓值也有系數(shù)關(guān)系，處理器將FuelCell通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電壓VOL取到，通過換算得到呼氣酒精濃度的值，即呼氣酒精濃度(mg/L)=Z×VOL（mV），其中系數(shù)Z就是FuelCell的增益系數(shù)。由于FuelCell本身特性會因時間及化學(xué)反應(yīng)等因素的影響而衰減，因此在校核時要校準(zhǔn)這個增益系數(shù)Z。至此，智能酒精測試儀系統(tǒng)所顯示的血液酒精濃度（mg/100 mL）的計算公式為：

在“車輛駕駛?cè)藛T血液、呼氣酒精含量閥值與檢驗”的國家標(biāo)準(zhǔn)[4]中，對飲酒駕車和醉酒駕車有明確的定義：飲酒駕車指的是車輛駕駛?cè)藛T血液中的酒精含量大于或者等于20 mg/100 ml，小于80 mg/100 ml的駕駛行為；醉酒駕車指的是車輛駕駛?cè)藛T血液中的酒精含量大于或者等于80 mg/100 ml的駕駛行為。這就決定了飲酒駕車血液酒精濃度的臨界值為20 mg/100 mL，而醉酒駕車血液酒精濃度的臨界值為80 mg/100 mL，其誤差范圍和重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)按國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)[5]，見表1。

表1 示值誤差與重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)

5 系統(tǒng)系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

對于示值誤差及重復(fù)性檢測采取的方案及數(shù)學(xué)模型為：配置濃度在0.07 mg/L～0.4 mg/L（取0.1 mg/L）的酒精氣體，在3個不同時間用智能酒精測試儀連續(xù)測量10次。

式(4)中： C0為標(biāo)準(zhǔn)酒精氣體濃度，mg/L；為酒精測試儀示值的平均值，mg/L。

式(5)中： Ci為第i次測量結(jié)果，mg/L；為酒精測試儀n次測量值平均值，mg/L。

配置示值濃度和氣體濃度為22 mg/100 mL和0.100 mg/L的酒精溶液，通過3個不同的時間段對其進(jìn)行了3次數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并根據(jù)配比和公式計算得到其均值，見表2。

表2 測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

根據(jù)表2可知，第一次對于示值誤差：

當(dāng)C0= 0.100 mg/L時，

對于重復(fù)性：當(dāng)C0= 0.1 mg/L時，

第二次對于示值誤差：當(dāng)0C= 0.100 mg/L時，

對于重復(fù)性：當(dāng)0C= 0.100 mg/L時，

對于重復(fù)性：當(dāng)0C= 0.100 mg/L時，

該濃度的氣體經(jīng)過3次檢測后，示值誤差和重復(fù)性均超出了范圍，但都在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)。圖3所示是3次對濃度為0.1 mg/L酒精氣體的檢測比較，陰影數(shù)據(jù)表示沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，其中包括示值誤差和重復(fù)性。從圖3中可以看出，第2次曲線呈基本平穩(wěn)并略有上升，而第1次和第3次曲線基本呈下降趨勢；從點劃線的平均值可以看出，測試結(jié)果隨時間呈下降趨勢，其中第2次測試的結(jié)果最靠近原始值，當(dāng)然這也受原始配氣的不確定性影響；在第3次測試時，測試結(jié)果一部分超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的區(qū)域，而且平均值也超出了誤差范圍。系統(tǒng)測試低濃度酒精氣體時，存在不確定性，準(zhǔn)確度為80%，說明系統(tǒng)在檢測時，特別是檢測低濃度氣體時，存在著不穩(wěn)定性。

圖3 濃度為0.1 mg/L酒精氣體檢測比較

6 結(jié)語

經(jīng)過對系統(tǒng)分析后發(fā)現(xiàn)，智能酒精測試儀系統(tǒng)總體的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性良好，并證實了FuelCell傳感器的性能品質(zhì)隨著時間而衰減，當(dāng)產(chǎn)生明顯的測量誤差時，就應(yīng)該對FuelCell進(jìn)行校核，以避免產(chǎn)生誤差。

[1] 劉輝，牛智有.電子鼻技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國測試， 2009.

[2] 森榮二(日). LC 濾波器設(shè)計與制作[M].薛培鼎，譯.北京： 科學(xué)出版社， 2006.

[3] 童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社， 2006.

[4] 重慶市公安局交通管理局.GB 19522-2004車輛駕駛?cè)藛T血液、呼氣酒精含量閾值與檢驗[S].國家質(zhì)檢總局(SBTS)， 2004.

[5] 公安部交通管理科學(xué)研究所，上海市計量測試技術(shù)研究院.GA 307-2001呼出氣體酒精含量探測器[S].行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-公安(CSIC-GA)， 2001.