基于FPGA對(duì)試驗(yàn)室CO濃度監(jiān)測(cè)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 瑞,傅佳璐

(1.延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 延安 716000)

基于FPGA對(duì)試驗(yàn)室CO濃度監(jiān)測(cè)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 瑞1,2,傅佳璐1,2

(1.延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西 延安 716000；2.陜西省化學(xué)反應(yīng)工程重點(diǎn)試驗(yàn)室，陜西 延安 716000)

CO氣體是試驗(yàn)室研究中常見(jiàn)的有毒氣體，因CO中毒引發(fā)的事故不斷發(fā)生，故對(duì)試驗(yàn)室CO濃度的監(jiān)測(cè)是非常有必要的。然而，國(guó)內(nèi)對(duì)CO檢測(cè)的研究起步較晚，各種檢測(cè)方法、技術(shù)和儀器相對(duì)較少，應(yīng)用于實(shí)際中的氣體檢測(cè)儀種類也不多。因此，基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)技術(shù)，構(gòu)建了一個(gè)試驗(yàn)室CO濃度監(jiān)測(cè)的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以FPGA可編程芯片為核心，利用TGS2442作為CO監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)CO的濃度，通過(guò)SL393將TGS2442傳送過(guò)來(lái)的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電頻信號(hào)，再將電頻信號(hào)傳遞給FPGA芯片。FPGA接收電頻信息后，對(duì)信息進(jìn)行處理，及時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)CO濃度的含量，并以LED燈閃爍為報(bào)警信號(hào)。試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)可靠性高、成本低、功耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，不易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)。當(dāng)CO發(fā)生泄漏時(shí)，可及時(shí)自動(dòng)生成報(bào)警信號(hào)，提醒人們注意，以免發(fā)生事故。該系統(tǒng)具有重要的使用價(jià)值。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列； 傳感器； 智能控制系統(tǒng)； 報(bào)警； 數(shù)據(jù)通信； 安全生產(chǎn)

0 引言

隨著科技的不斷發(fā)展，CO氣體的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但不可避免地在安全生產(chǎn)上存在潛在危害。比如，在試驗(yàn)室制甲酸鈉或者還原氧化鐵的時(shí)候都會(huì)使用到CO，而試驗(yàn)室空氣一般是不流通的，當(dāng)發(fā)生CO泄漏的時(shí)候，試驗(yàn)人員很難察覺(jué)到。長(zhǎng)時(shí)間處在CO泄漏的空間里，人們就會(huì)將其吸入體內(nèi)，進(jìn)而CO氣體迅速與人體血液中的紅細(xì)胞相結(jié)合致人中毒昏迷，如果不及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行救治，將會(huì)危及生命[1]。因此，無(wú)論在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，還是日常生活中，CO氣體的泄漏都會(huì)給人們帶來(lái)身體和物質(zhì)上的巨大損失。

相對(duì)于國(guó)外，國(guó)內(nèi)的CO檢測(cè)研究起步較晚。各種檢測(cè)方法、技術(shù)和儀器相對(duì)較少，應(yīng)用于實(shí)際的氣體檢測(cè)儀種類也不多；其用途也相對(duì)集中，主要是針對(duì)已知?dú)怏w的檢測(cè)和控制[1]。其中，金屬氣敏傳感器的氣體識(shí)別技術(shù)相對(duì)成熟，其原理是利用一個(gè)帶有金屬氣敏傳感器的檢測(cè)電路對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)氣體作用于金屬傳感器，導(dǎo)致傳感器電阻性質(zhì)發(fā)生變化，從而對(duì)被測(cè)氣體進(jìn)行定性和定量檢測(cè)[2]。我國(guó)采用傅里葉變換紅外光譜(fourier transform infrared spectrometer,FTIR)以及可調(diào)諧二極管激光吸收光譜(tunable diode laser absorption spectroscopy,TDLAS)技術(shù)對(duì)氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)也處于起步階段，僅有少數(shù)學(xué)者進(jìn)行相關(guān)方面的研究[3]。因此，本文主要基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmable gate agrray,FPGA)技術(shù)來(lái)構(gòu)建試驗(yàn)室CO濃度監(jiān)測(cè)的控制系統(tǒng)。

1 CO濃度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

由于試驗(yàn)樓的各個(gè)試驗(yàn)室傳感器節(jié)點(diǎn)分布位置是不變的，因此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以靜態(tài)傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)。各試驗(yàn)室采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)試驗(yàn)室安全監(jiān)控的需要，在所需監(jiān)測(cè)的區(qū)域隨機(jī)部署大量的傳感器節(jié)點(diǎn)，使監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)自組織形成網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)地方的情況。然后在試驗(yàn)室中安裝一個(gè)主協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)以試驗(yàn)室為單位的星型網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)，對(duì)無(wú)線信號(hào)的中繼傳輸，將節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)，以保證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確傳輸并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。如果試驗(yàn)室監(jiān)測(cè)的CO濃度超過(guò)設(shè)定的閾值，就能驅(qū)動(dòng)警示燈發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將該節(jié)點(diǎn)所監(jiān)測(cè)到的信息上傳至計(jì)算機(jī)，從而及時(shí)通知相關(guān)人員。

2 CO濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

CO濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前端，它需要在試驗(yàn)室小范圍內(nèi)進(jìn)行CO氣體濃度信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理、節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)主要包括氣體傳感器、電壓電頻轉(zhuǎn)換器、FPGA芯片、聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)等。本系統(tǒng)以TGS2442為氣體傳感器，SL393為電壓電頻轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA為數(shù)據(jù)處理芯片。利用TGS2442采集試驗(yàn)室 CO濃度，然后通過(guò)SL393將濃度的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為電頻信號(hào)，傳送給FPGA芯片。在FPGA芯片中，對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行處理后，通過(guò)控制LED燈的閃爍來(lái)顯示結(jié)果。

CO濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 CO濃度監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)框圖

2.1 CO檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

①傳感器的選型。

本控制系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)試驗(yàn)室的CO濃度，因?yàn)門(mén)GS2442傳感器具有壽命長(zhǎng)、成本低、功耗小、后期電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，能檢測(cè)出(30～100)×10-6mg/L范圍內(nèi)的可燃?xì)怏w，且對(duì)CO有很高的靈敏度[2]，所以CO網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)選擇TGS2442傳感器。

②TGS2442的工作機(jī)理。

傳感器TGS2442在通電初期有一個(gè)被加熱過(guò)程，與封裝在一起的加熱電阻Rs將被加熱，從而改變傳感器的工作溫度，使它工作在對(duì)CO氣體敏感的溫度。Rs會(huì)與CO發(fā)生吸附反應(yīng)。金屬氧化物半導(dǎo)體的電阻變化值將會(huì)通過(guò)串聯(lián)電阻RL的電壓Uout體現(xiàn)。由此可通過(guò)式(1)、式(2)推導(dǎo)出輸出電壓Uout和半導(dǎo)體電阻Rs的關(guān)系[3]：

(1)

(2)

Rs=A[C]-α

(3)

式中：A為常數(shù);C為氣體濃度;α為曲線斜率。

2.2 SL393相關(guān)說(shuō)明

①SL393引腳分配。

根據(jù)TGS2442的工作機(jī)理可知，CO氣體濃度的測(cè)量值通過(guò)式(2)體現(xiàn)，而FPGA芯片只能處理電頻信號(hào)，所以要在兩者中間加上一個(gè)電壓電頻轉(zhuǎn)化器SL393(它同時(shí)也是電壓比較器)，從而判斷高低電頻[4]。SL393引腳分配如圖2所示。

圖2 SL393引腳分配圖

圖2中：OUT1接FPGA芯片；GND 接地；IN1(+)接TGS2442CO傳感器的輸出值；IN1(-)輸入設(shè)定的CO濃度閾值對(duì)應(yīng)的參考電壓值。

②SL393運(yùn)行機(jī)理。

SL393有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，其中一個(gè)輸入端稱為同相輸入端，用“+”表示；另一個(gè)輸入端稱為反相輸入端，用“-”表示。比較兩個(gè)電壓時(shí)，以任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓作為參考電壓(也稱為門(mén)限電平，可選擇SL393輸入共模范圍內(nèi)的任何一點(diǎn))，另一端加一個(gè)待比較的電壓信號(hào)。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路，處于高電位。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。當(dāng)兩個(gè)輸入端電壓差大于10 mV時(shí)，就能確保輸出從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)[5]。

2.3 Xilinx FPGA芯片

經(jīng)過(guò)SL393處理后的電頻信號(hào)，可以直接傳送給FPGA芯片[6]。在本次設(shè)計(jì)中，選擇Xilinx FPGA芯片作為整個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理模塊，用以接收從SL393的OUT1接口發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)到的CO濃度所對(duì)應(yīng)的電頻值，然后根據(jù)相應(yīng)的電頻值作出相應(yīng)的判斷。在FPGA芯片與其串口電路之間，增加一個(gè)SL393電壓轉(zhuǎn)換芯片。

2.4 LED燈設(shè)計(jì)

LED接收到FPGA芯片傳送過(guò)來(lái)的信息，根據(jù)具體的指令亮燈，以此來(lái)預(yù)警。PCB板上共有四個(gè)LED數(shù)碼管，電路原理如圖3所示[7]。

圖3 LED電路原理圖

LED的管腳映射如表1所示。

表1 LED的管腳映射

3 傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 源程序

完成硬件設(shè)計(jì)后，利用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)程序[8]，并在Xilinx公司的Xilinx ise14.2上進(jìn)行程序模擬。由于程序編寫(xiě)內(nèi)容較多，在此不再列舉。因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程可能出現(xiàn)虛假警示的情況，所以設(shè)置LED0、LED1、LED2、LED3四個(gè)LED燈作為CO濃度的警示燈，分別為綠燈、紅燈、綠燈、紅燈。報(bào)警結(jié)構(gòu)如圖4所示。只有當(dāng)LED1和LED3兩個(gè)紅燈同時(shí)亮?xí)r，才表示CO濃度超標(biāo);反之，如果兩個(gè)綠燈或者一紅燈一綠燈亮，則是安全狀態(tài)，由此可防止虛假警示。

圖4 報(bào)警結(jié)構(gòu)圖

圖4中，SW0、SW1為模擬高低電頻的開(kāi)關(guān)，分別對(duì)應(yīng)00、01、10、11四種狀態(tài),并分別表示兩個(gè)綠燈、一個(gè)綠燈和一個(gè)紅燈、一個(gè)紅燈和一個(gè)綠燈、兩個(gè)紅燈。SW0控制LED0和LED1,SW1控制LED2和LED3。只有當(dāng)SW0和SW1都為1時(shí)，即兩者都是高電頻，才能顯示為CO超標(biāo)預(yù)警。

當(dāng)SW0為1時(shí)，LED1亮;當(dāng)SW0為0時(shí)，LED0亮。SW1原理與SW0相同。

3.2 測(cè)試程序

整個(gè)程序編寫(xiě)完成后，分別將時(shí)鐘設(shè)置為100 ns、200 ns、300 ns,利用Xilinx ise14.2對(duì)源程序進(jìn)行測(cè)試與模擬，查看源程序是否如理論上的情況執(zhí)行，模擬的最終結(jié)果采用波形圖顯示。

①當(dāng)時(shí)鐘為100 ns時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

當(dāng)SW0=1且SW1=0時(shí)，即SW0為高電頻，LED1紅燈亮，SW1為低電頻，LED2綠燈亮，所以顯示為一個(gè)紅燈、一個(gè)綠燈，CO濃度處于安全狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果與理論分析一致，故程序可行。

②當(dāng)時(shí)鐘為200 ns時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

當(dāng)SW0=0且SW1=1時(shí)，即SW0為低電頻，LED0綠燈亮，SW1為高電頻，LED3紅燈亮，所以也顯示為一個(gè)紅燈、一個(gè)綠燈，CO濃度處于安全狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果與理論分析一致，故程序可行。

③當(dāng)時(shí)鐘為300 ns時(shí)的測(cè)試結(jié)果。

當(dāng)SW0=1且SW1=1時(shí)，即SW0、SW1都為高電頻時(shí)，LED1紅燈和LED3紅燈亮，所以顯示為兩個(gè)紅燈，CO濃度處于預(yù)警狀態(tài)，即CO濃度超標(biāo)。測(cè)試結(jié)果與理論分析一致，故程序可行。

經(jīng)過(guò)測(cè)試程序檢測(cè)，所寫(xiě)程序完全達(dá)到預(yù)期效果。從FPGA芯片可分別收到RST、CLK、SW0、SW1信號(hào)，控制LED0、LED1、LED2、LED3的亮暗。

綜上所述，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)室CO濃度監(jiān)測(cè)的智能控制系統(tǒng)程序編寫(xiě)正確，配套相應(yīng)的硬件設(shè)備即可達(dá)到預(yù)定的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)首次提出利用FPGA技術(shù)來(lái)開(kāi)發(fā)一套可用于試驗(yàn)室CO濃度監(jiān)測(cè)的智能控制系統(tǒng)。由于FPGA芯片兼容了可編程邏輯器件(programmable logic device,PLD)和通用門(mén)陣列的優(yōu)點(diǎn)，并能排除程序中的錯(cuò)誤，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中能及時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)CO濃度含量的信息。相比于其他CO濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)可靠性高、成本低、功耗小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，不易出現(xiàn)監(jiān)測(cè)盲區(qū)。當(dāng)CO發(fā)生泄漏的時(shí)候，系統(tǒng)可及時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，

提醒人們注意，以免事故發(fā)生，因此該系統(tǒng)具有重要的實(shí)際使用價(jià)值。

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Design of the FPGA-Based Control System for CO Concentration Monitoring in Laboratory

WANG Rui1,2,FU Jialu1,2

(1.College of Chemistry and Chemical Engineering,Yan’an University,Yan’an 716000,China;2.Shaanxi Key Laboratory of Chemical Resction Engineering,Yan’an 716000,China)

CO gas is one of the common seen toxic gases to be researched in laboratory,the accidents caused by CO poisoning occur frequently,so it is necessary to monitor the concentration of CO in laboratory.However,the study on CO detection starts late in China,and lack of relevant detection methods,techniques and instruments,the types of the gas detectors used in practice is not many either.Thus,based on field programmable gate array (FPGA) technology,the CO concentration monitoring and control system in the laboratory has been built.In the system,with FPGA programmable chip as the core,the TGS2442 is used as CO monitoring sensors,the CO concentration on site is collected in real time,then the voltage signals sent from TDS2442 are converted into the electrical signal through SL393,and the electrical signal is transmitted to FPGA chip.The FPGA receives and deal with the electric frequency information,to timely reflect the content of the CO concentration and the alarm signal of LED is flashing.Test results show that the system has advantages of high reliability and real-time performance,low cost,small power consumption,and the blind areas of monitoring are not appearing often,when CO leakage occurs,it can automatically issue alarm signals in time,and warn people to avoid the accident,it has great applicable value.

Field programmable gate array(FPGA)； Sensor； Intelligence control system； Alarm; Data communication; Safety production

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21377107)、國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(201610719032)、延安大學(xué)校級(jí)科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(YDQ2014—31)、延安大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院專項(xiàng)科研計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(YDHG2014-Z05)

王瑞(1981—)，女，碩士，講師，主要從事過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的教學(xué)工作。E-mail:52016768@qq.com。

TH-39;TP342

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703014

修改稿收到日期：2016-10-23