一種氣體吸阻檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

符濤濤， 趙宏生

（1.中國電子科技集團(tuán)第四十一研究所，　安徽　蚌埠　233010；2.紅塔遼寧煙草有限責(zé)任公司沈陽卷煙廠，　遼寧　沈陽　110100）

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一種氣體吸阻檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

符濤濤1， 趙宏生2

（1.中國電子科技集團(tuán)第四十一研究所，安徽蚌埠233010；2.紅塔遼寧煙草有限責(zé)任公司沈陽卷煙廠，遼寧沈陽110100）

摘要：本系統(tǒng)以STM32F407單片機(jī)為核心，采用控制直線電機(jī)壓縮氣缸產(chǎn)生氣流作為本系統(tǒng)的氣源，流量傳感器和壓降傳感器分別采集流向?yàn)V棒的氣體瞬時(shí)流量和瞬時(shí)壓力，經(jīng)STM32F407單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)處理并存儲。本系統(tǒng)具有吸阻測量精度高，操作簡單，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：直線電機(jī)；吸阻；濾棒；流量傳感器；壓降傳感器

一、引言

氣體流量測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域[1]，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化程度的不斷提高，對該技術(shù)提出的要求也越來越高，傳統(tǒng)的氣體流量檢測往往需要借助外部氣源才可以進(jìn)行檢測，且檢測瞬時(shí)流量精度低，可靠性差，已經(jīng)無法滿足人們對氣體流量檢測的要求。因此，設(shè)計(jì)具有氣源與檢測一體，且檢測精度高，可靠性好，操作簡單的氣體吸阻檢測系統(tǒng)具有十分重要的意義。

二、系統(tǒng)構(gòu)成

（一）氣體吸阻檢測系統(tǒng)原理

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想如圖1，系統(tǒng)包括控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和數(shù)據(jù)采集模塊?？刂颇K主要由STM32F407單片機(jī)構(gòu)成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直線電機(jī)和氣缸，數(shù)據(jù)采集模塊包括流量傳感器、壓降傳感器及與之對應(yīng)的信號調(diào)理電路?？刂颇K輸出PWM脈沖經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)壓縮氣缸產(chǎn)生氣流，流向?yàn)V棒，同時(shí)控制流量傳感器和壓降傳感器采集這個(gè)過程中氣流的瞬時(shí)流量和壓降，最終對采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行一定的處理后可輸出、顯示和存儲。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

本系統(tǒng)的關(guān)鍵是氣源的設(shè)計(jì)，控制模塊產(chǎn)生可調(diào)頻率和脈沖數(shù)的PWM脈沖信號經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)做出直線運(yùn)動(dòng)最終壓縮氣缸產(chǎn)生氣流形成氣源。脈沖信號的頻率高低直接決定直線電機(jī)作出直線運(yùn)動(dòng)的快慢，進(jìn)而影響到氣源的流速，脈沖數(shù)決定了步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的步數(shù)即直線電機(jī)作出直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。脈沖信號的頻率變化大，脈沖數(shù)設(shè)置不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致直線電機(jī)運(yùn)行不連續(xù)并產(chǎn)生電機(jī)抖動(dòng)的現(xiàn)象，因此脈沖的頻率和該頻率下需要的脈沖數(shù)不可以隨意設(shè)計(jì)，這里是通過構(gòu)造函數(shù)的方法產(chǎn)生不同的頻率值最終實(shí)現(xiàn)頻率和脈沖數(shù)的變化，設(shè)計(jì)不同的函數(shù)會(huì)得到不同的結(jié)果。本系統(tǒng)構(gòu)造的是一元二次函數(shù)y=f(x)作為脈沖信號的頻率，對f(x)曲線進(jìn)行細(xì)分，將整個(gè)曲線細(xì)分為n等份，如圖2，對應(yīng)了n個(gè)頻率值，直線電機(jī)對氣缸壓縮一次需要的時(shí)間為T，單位為秒，假設(shè)每個(gè)頻率下直線電機(jī)運(yùn)行相等的時(shí)間間隔，每個(gè)頻率f(x)對應(yīng)著的脈沖數(shù)m(x)=△T*f(x)，頻率f(x)與該頻率下的脈沖數(shù)m(x)共同決定了直線電機(jī)在該頻率下運(yùn)行的時(shí)間間隔，直線電機(jī)運(yùn)行的總時(shí)間，由于PWM脈沖信號的頻率f ( x)與直線電機(jī)速度Va( x)成線性關(guān)系，脈沖數(shù)m ( x)與步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)S ( x)成線性關(guān)系，直線電機(jī)速度Va( x)與最終輸出的氣源流速Vb( x)成線性關(guān)系，K1、K2和K3為線性系數(shù)，則

因此流量傳感器和壓降傳感器采集的數(shù)據(jù)最終也是趨于一元二次函數(shù)的曲線圖。

圖2　曲線細(xì)分n等份

1.控制模塊

控制模塊主要功能包括PWM輸出、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)傳輸、復(fù)位、鍵盤、通信、顯示和存儲。

控制模塊以STM32F407單片機(jī)為核心，該單片機(jī)基于ARM CortexTM-M4內(nèi)核，具有內(nèi)核時(shí)鐘頻率高，支持浮點(diǎn)運(yùn)算，處理能力強(qiáng)，內(nèi)部資源豐富等特點(diǎn)。具有三個(gè)獨(dú)立ADC，每個(gè)ADC多達(dá)19路采集通道，其中16路用于采集外部源信號，3路用于采集內(nèi)部源信號，分辨率配置靈活，可選配置為6、8、10或12bit，單通道12bit分辨率最高采樣速率為2.4Msps，可通過犧牲采樣精度來提高采用速率。多達(dá)14個(gè)定時(shí)器，包含2個(gè)高級定時(shí)器、10個(gè)通用定時(shí)器和2個(gè)基本定時(shí)器，使用靈活，配置方便。包含兩個(gè)DMA（直接存儲器訪問）控制器，用于外設(shè)與存儲器之間以及存儲器與存儲器之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)作出直線運(yùn)動(dòng)?？刂颇K輸出給定的頻率脈沖信號，經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)以設(shè)定的啟動(dòng)、停止加速度和運(yùn)行速度壓縮氣缸產(chǎn)生特定流速的氣流，該氣流作為本系統(tǒng)吸阻檢測的氣源。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制模式多樣，包括通信控制、脈沖輸入控制和模擬輸入控制。本系統(tǒng)采用脈沖輸入信號控制，內(nèi)部帶有光耦隔離功能，抗干擾能力強(qiáng)，最大脈沖輸入信號頻率為10KHz，支持外部限位傳感器輸入信號，有利于對直線電機(jī)運(yùn)行極限位置的控制。直線電機(jī)以步進(jìn)電機(jī)為核心，精度高且可控性好。

3.數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)對氣源流速和壓降信息的采集。本系統(tǒng)所采用的流量傳感器具有采集微小氣體瞬時(shí)流量的能力，檢測氣體瞬時(shí)流量范圍在0SLPM~ 2.0SLPM，對應(yīng)的模擬輸出在0.5V~2V。壓降傳感器檢測氣體壓力范圍在0psi~2.5psi，對應(yīng)的模擬輸出在0V~5V，具有高精度，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

圖3　氣源產(chǎn)生軟件流程圖

圖4　數(shù)據(jù)采集軟件流程圖

（二）軟件

系統(tǒng)產(chǎn)生氣源軟件流程圖如圖3，通過在單片機(jī)內(nèi)部配置定時(shí)器TIM8產(chǎn)生頻率和脈沖數(shù)均可調(diào)的PWM脈沖經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)運(yùn)行，不同的頻率對應(yīng)著不同的電機(jī)運(yùn)行速度，頻率越高，電機(jī)運(yùn)行速度越快。

使用STM32F407內(nèi)部高級定時(shí)器TIM8設(shè)計(jì)輸出可調(diào)頻率和脈沖數(shù)的PWM，該定時(shí)器包含一個(gè)8位重復(fù)計(jì)數(shù)器，通過對此重復(fù)計(jì)數(shù)器的設(shè)置可以輸出可調(diào)的PWM脈沖數(shù)m，最多可設(shè)置輸出256個(gè)PWM脈沖數(shù)。

A/D轉(zhuǎn)換涉及到單片機(jī)內(nèi)部TIM3、ADC3、DMA2、FSMC和NVIC的配置，首先設(shè)置定時(shí)器TIM3產(chǎn)生頻率為1KHz的PWM脈沖信號觸發(fā)并轉(zhuǎn)換ADC3，每次觸發(fā)ADC3后單片機(jī)會(huì)依次進(jìn)行掃描被配置的ADC3各個(gè)通道，配置單片機(jī)內(nèi)部ADC3的通道1和通道2作為流量傳感器和壓降傳感器模擬信號采集入口，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束立即關(guān)閉ADC同時(shí)向DMA發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸請求，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DMA保存到內(nèi)部SRAM中。

當(dāng)電機(jī)產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部ADC3，圖4為數(shù)據(jù)采集軟件流程圖，定時(shí)器產(chǎn)生1ms脈沖信號，觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換通道1和通道2，轉(zhuǎn)換結(jié)束后關(guān)閉ADC3，保證了每個(gè)定時(shí)器脈沖信號只觸發(fā)一次A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果通過DMA保存到單片機(jī)內(nèi)部SRAM中，采樣結(jié)束后對所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波處理，最終結(jié)果可以顯示、通信和存儲。

三、實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)構(gòu)造的函數(shù)為一元二次函數(shù)，表現(xiàn)為拋物線的形狀，對該函數(shù)值進(jìn)行細(xì)分作為后級直線電機(jī)工作的頻率，根據(jù)固定的時(shí)間間隔計(jì)算得到某頻率下的周期數(shù)共同控制直線電機(jī)完成抽吸過程，氣源分別經(jīng)過1.965k濾棒和4.06k濾棒，圖5-圖8為系統(tǒng)中流量傳感器與壓降傳感器采集的數(shù)據(jù)，采集了5000個(gè)點(diǎn)，時(shí)間間隔為1ms，采集后的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為拋物線形狀，流量傳感器與壓降傳感器采集的數(shù)據(jù)表現(xiàn)的趨勢一致。

圖5　對1.965K濾棒進(jìn)行瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)采集

圖6　對1.965K濾棒進(jìn)行壓降數(shù)據(jù)采集

圖7　對4.06K濾棒進(jìn)行瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)采集

圖8　對4.06K濾棒進(jìn)行壓降數(shù)據(jù)采集

四、結(jié)論

該系統(tǒng)是通過在單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造函數(shù)使其產(chǎn)生不同頻率和不同數(shù)目的PWM脈沖信號經(jīng)過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直線電機(jī)做出直線運(yùn)動(dòng)壓縮氣缸產(chǎn)生氣流，該氣流作為本系統(tǒng)中對氣體檢測的氣源，流量傳感器和壓降傳感器完成整個(gè)過程對數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)最終表現(xiàn)的趨勢會(huì)與所構(gòu)造函數(shù)曲線表現(xiàn)一致，且系統(tǒng)具有精度高，穩(wěn)定性好和操作簡單方便等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李得天,馮焱，等.極小氣體流量測量技術(shù)研究.真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2011，（7、8）.

[2]STMicroelectronics.STM32F405xx STM32F407xx Datasheet production data.http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/DM0003 7051.pdf,2012.

（責(zé)任編輯：袁媛）

中圖分類號：TP368.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

[文章編號]1671－802X(2016)02－0042－04

收稿日期：＊2016－03－08

作者簡介：符濤濤(1986-)，男，安徽蚌埠人，助理工程師。研究方向：自動(dòng)控制。E-mail:317987632@qq.com.

Design of Gas Draw Resistance Measurement System

FU Tao-tao1,ZHAO Hong-sheng2
(1.The 41st Institute of CECT,Bengbu 233010,Anhui；2.Shenyang Cigarette Factory,Hongta Liaoning Tobacco Co.,Ltd.，Shenyang 110100,Liaoning）

Abstract：Based on the Singlechip STM32F407,a new gas draw resistance measurement system is designed.In the design,the gas flow generated by compressed air cylinder controlled by linear motor is used as the gas flow source.The instantaneous flow and pressure of the gas flowing to the filter rod can be acquired by flow sensor and pressure sensor in the system,which are finally converted,processed and stored by the Singlechip STM32F407.The system has characteristics of high measurement precision,simple operation and good stability. Key words：linear motor;draw resistance;filter rod;flow sensor;pressure sensor