基于FPGA的多氣體智能監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究

郝智皓，黃釘勁，王錦濤

(西安工業(yè)大學 光電工程學院，西安 710021)

0 引言

隨著我國近幾年來大氣污染越來越嚴重，大氣監(jiān)測與治理任務越來越重。無人機遙感技術作為繼航空、航天之后的第 3 代遙感技術, 具有立體監(jiān)測、響應速度快、監(jiān)測范圍廣、地形干擾小等優(yōu)點, 是今后進行大氣突發(fā)事件污染源識別和濃度監(jiān)測的重要發(fā)展方向之一[1]?？捎糜趦逇怏w泄漏、火災現(xiàn)場檢測、煙道檢測、工業(yè)園區(qū)檢測、石油管道檢測的監(jiān)測任務中。

但由于無人機載荷有限，要完成多種氣體監(jiān)測工作需要搭載多種類型的氣體傳感器。而現(xiàn)在使用的氣體監(jiān)測系統(tǒng)多以ARM處理器作為中控芯片，由于ARM(Advanced RISC Machine,ARM)處理器外設固定，并且氣體監(jiān)測時所使用的各類傳感器的通訊形式與協(xié)議各不相同，實現(xiàn)多種氣體同步采集，必須另外設計擴展電路，這就導致大氣監(jiān)測系統(tǒng)的功耗與重量極大增加，對其研發(fā)過程帶來了一定挑戰(zhàn)[2]。此外，當氣體監(jiān)測系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊以ARM處理器或數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processing,DSP)為控制核心時，并不能有效解決高速數(shù)據(jù)采集處理過程中存在的實時性和同步性差的技術難題[3]。因此需要設計一種適用于以無人機為搭載平臺實現(xiàn)多種氣體實時同步檢測的大氣監(jiān)測系統(tǒng)。

FPGA芯片具有引腳數(shù)目多，編程配置靈活、純硬件并行控制、時鐘頻率高、抗干擾能力強、功耗低(相比于ARM芯片)，邏輯控制能力強等優(yōu)點[4-5]。本文設計了一種以FPGA為主控芯片的多通道同步氣體監(jiān)測系統(tǒng)，在簡化系統(tǒng)電路結構的同時增加了系統(tǒng)的靈活性、擴展性，且兼容多種氣體傳感器，可完成對前端數(shù)據(jù)的采集，存儲、各通道的選通控制、以及數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)?，實現(xiàn)了多種有毒有害可燃氣體的遠程實時、同步采集。

1 系統(tǒng)結構及原理

該系統(tǒng)由傳感器陣列，空氣泵、主控制器、無線串口模塊、GPRS無線數(shù)據(jù)模塊、Flash存儲、上位機組成?？傮w結構設計如圖1所示。傳感器陣列可掛載6個7NE系列智能氣體傳感器、PM2.5PM10傳感器、溫濕度傳感器，完成對溫濕度、PM2.5/10、二氧化氮、二氧化硫、臭氧等8種氣體濃度的同步實時采集；空氣泵通過控制電路與FPGA主控芯片相連，當該系統(tǒng)到達檢測現(xiàn)場時，遠程控制空氣泵的開閉狀態(tài)，為各個氣體傳感器泵吸大氣實現(xiàn)氣體的泵吸式檢測的同時減小了系統(tǒng)的功耗；主控制器采用Xilinx公司的Spartan6系列的FPGA，通過控制空氣泵的開閉、端口的通斷、循環(huán)采集時間、傳感器的工作狀態(tài)等，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)同步處理、實時采集、數(shù)據(jù)緩存、時序約束、端口控制、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?；無線串口模塊與GPRS模塊均用于數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸，對于較近距離的檢測任務可使用無線串口模塊對監(jiān)測系統(tǒng)進行指令下發(fā)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收，在進行遠距離監(jiān)測任務時可使用GPRS無線傳輸模塊通過服務器對監(jiān)測系統(tǒng)進行指令下發(fā)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的接收；上位機為遠程端，用于實時顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)生成相應的趨勢曲線。本系統(tǒng)需要對傳感器陣列進行同步實時循環(huán)測量與控制，并對測量數(shù)據(jù)進行緩存、判斷、處理、存儲與傳輸。主要包括命令解析、傳感器狀態(tài)管理、信號通道切換、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)上傳等功能。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 系統(tǒng)硬件設計

采集系統(tǒng)硬件設計主要分為FPGA與傳感器陣列的硬件連接、空氣泵控制電路、無線通訊模塊等。硬件設計連接如圖2所示。

圖2 硬件連接

傳感器陣列共設有8組接口，可連接6個圣凱安公司所生產(chǎn)的7NE系列傳感器，一個攀升科技有限公司生產(chǎn)的PMSA003 PM2.5/10傳感器，一個DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器。

該系統(tǒng)使用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，使用數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術。該產(chǎn)品體積小、功耗低、濕度測量范圍20%～90%、測濕精度±5%、溫度測量范圍0～50 ℃、測溫精度±2 ℃。它包含一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，輸出經(jīng)過內(nèi)置的高性能8位單片機進行校準。其經(jīng)過實驗室校準，將校準系數(shù)存儲于OTP內(nèi)存之中，在檢測過程中調(diào)用這些系數(shù)對測量結果進行校準。由于其為單總線數(shù)字式數(shù)據(jù)輸出，因此可減少模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換電路設計，提高了檢測速率。

PMSA003是一款基于激光散射原理的數(shù)字式通用顆粒物傳感器，令激光照射在空氣中的懸浮顆粒物上產(chǎn)生散射，同時在某一特定角度收集散射光，得到散射光強度隨時間變化的曲線。進而微處理器基于米氏(MIE)理論的算法，得出顆粒物的等效粒徑及單位體積內(nèi)不同粒徑的顆粒物數(shù)量，進而換算成為質(zhì)量濃度，并以通用數(shù)字接口形式輸出。其顆粒物質(zhì)量濃度有效量程(PM2.5標準值)為0～500 μg/m3，顆粒物質(zhì)量濃度分辨率為1 μg/m3，工作溫度范圍為-10～+60℃，工作濕度范圍為0～99%。

7NE系列氣體傳感器是由圣凱安科技公司生產(chǎn)的專門針對氣體檢測的新型智能傳感器，可滿足對不同種類氣體探測的需求。該類傳感器工作電壓為DC5V±1%，采用電化學檢測原理，采樣精度±2%FS，重復性±1%FS，工作溫度-20～70℃，工作濕度10～95%RH(非凝結)，適用于工業(yè)現(xiàn)場或?qū)嶒炇覉鼍爸?。并且該類傳感器具有模擬電壓和串口輸出特點，本系統(tǒng)中使用串口輸出，不用為此設計專門的數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。并且該類傳感器采用本安電路設計，可帶電熱插拔操作，增加了系統(tǒng)的靈活性，有利于系統(tǒng)的拆裝和擴展。

空氣泵控制電路用于實現(xiàn)空氣泵的開關控制。其控制電路如圖3所示。其中繼電器選用SRD-05VDC，吸合電壓為5 V，光耦EL817C845對FPGA芯片與控制電路進行光電隔離，從而實現(xiàn)了對主控芯片進行保護，增強了主控芯片的穩(wěn)定性。

圖3 空氣泵控制電路

無線通訊方式可選用GPRS無線通訊模塊或無線串口模塊。GPRS模塊使用RS-232電平標準，而FPGA的I/O接口只支持LVTTL電平標準與LVCMOS電平標準。為解決FPGA與GPRS無線串口模塊的電平匹配問題，該系統(tǒng)使用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX3232ESE芯片完成RS232信號的收發(fā)驅(qū)動，實現(xiàn)了電平匹配。無線串口模塊使用TTL電平標準則可直接與FPGA芯片連接實現(xiàn)電平匹配，通過FPGA內(nèi)部時序設計實現(xiàn)對無線串口模塊的收發(fā)控制。

3 FPGA軟件設計

FPGA軟件設計主要分為系統(tǒng)同步時鐘、通用異步收發(fā)器(Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，UART)時序配置、DHT11驅(qū)動時序配置、指令解析、數(shù)據(jù)緩存處理模塊等?？傮w框架設計如圖4所示。

圖4 FPGA設計總體框架

3.1 同步時鐘模塊

該系統(tǒng)硬件使用50 MHz的有源晶振，通過FPGA芯片的外圍I/O引腳將時鐘引入到芯片內(nèi)部。本系統(tǒng)中使用FPGA內(nèi)部的鎖相環(huán)(Phase Locked Loop，PLL)采用分頻的方法將50 MHz時鐘生成為25 MHz的時鐘。通過FPGA內(nèi)部的PLL生成的系統(tǒng)時鐘具有低抖動、低延遲的特點，保證了系統(tǒng)各模塊之間數(shù)據(jù)傳輸與處理的同步性，提高了時鐘的穩(wěn)定性[6-7]。同時運用時序約束的方法約束時鐘的占空比，建立時間，保持時間等，從而減小數(shù)據(jù)與時鐘之間的偏斜，避免了數(shù)據(jù)傳輸錯誤[8]。

3.2 UART時序配置模塊

本模塊由4個部分組成，分別為baud_gen_tx發(fā)送時鐘產(chǎn)生模塊、baud_gen_rx接收時鐘產(chǎn)生模塊、uart_tx發(fā)送控制模塊、uart_rx接收控制模塊。模塊框圖及數(shù)據(jù)流如圖5所示。

圖5 UART時序配置模塊框圖

該系統(tǒng)中，UART信號幀由10bit構成，其中包括1個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位，串口速率9.6 kbps，TTL電平。其中div_en為數(shù)據(jù)發(fā)送使能信號，當需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，將div_en信號置高一個時鐘周期，同時使tx_busy信號置高，按照baud_gen_tx信號周期開始傳輸數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)傳輸結束后，tx_busy信號置零。時序如圖6所示。因為UART為異步通訊模式，UART收發(fā)每一個數(shù)據(jù)的時間寬度需要以所設定的波特率進行計算，該系統(tǒng)中系統(tǒng)時鐘為25 MHz，系統(tǒng)時鐘周期為40 ns，當波特率為9 600 bit/s，每個數(shù)據(jù)的時間寬度則為(1*109/9 600)/40個系統(tǒng)時鐘周期[9]。

圖6 數(shù)據(jù)發(fā)送時序圖

當接收端口檢測到信號下降沿時，此刻將start_grx信號置高，因為數(shù)據(jù)信號邊沿存在亞穩(wěn)態(tài)與信號毛刺的現(xiàn)象，為了防止讀取數(shù)據(jù)準確，則選擇在每個波特率周期中心點對電平信號進行判讀，讀取完成后start_grx信號拉低，并產(chǎn)生dout_en信號輸出所讀數(shù)據(jù)。其時序如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)接收時序圖

使用ModelSim仿真軟件對該模塊進行仿真測試。仿真結果如圖8所示。

圖8 UART時序仿真圖

3.3 DHT11驅(qū)動時序設計

DHT11溫濕度傳感器與主控芯片之間的通訊并不是標準的通訊協(xié)議，而是廠家自定義的一種通訊格式。DHT11的DATA引腳采用單總線的數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間為4 ms左右，具體時序可參考DHT11時序圖[10]。總線空閑時保持高電平，F(xiàn)PGA先將總線電平拉低20 ms，再將總線拉高40 μs。此時將總線設置為輸入，DHT11將總線拉低80 μs再拉高80 μs作為相應信號，接下來開始傳輸40 bit數(shù)據(jù)。每bit數(shù)據(jù)傳輸時序為總線先拉低50 μs，再將總線拉高，總線拉高時間為26～28 μs時為數(shù)據(jù)0，總線拉高時間為70 μs時為數(shù)據(jù)1。

根據(jù)DHT11溫濕度傳感器工作時序使用verliog語言設計狀態(tài)機。系統(tǒng)上電后，該模塊處于st_power_wait狀態(tài)，此狀態(tài)下需要等待一段時間用于DHT11溫濕度傳感器對傳感器參數(shù)進行初始化，所以在該狀態(tài)下設定等待10 μs進入IDLE狀態(tài)。在IDLE狀態(tài)下，當該模塊收到start信號時，啟動DHT11溫濕度傳感器，對大氣溫濕度進行測量。st_low_20 ms狀態(tài)下FPGA芯片將DATA總線電平拉低20 ms后進入下一狀態(tài)。st_high_40 μs狀態(tài)下FPGA芯片將DATA總線置高40 μs。st_rec_ack狀態(tài)下，總線由DHT11溫濕度傳感器控制，F(xiàn)PGA芯片等待檢測總線電平上升沿信號sda_pos，當檢測到sda_pos置高時則進入下一狀態(tài)。st_rec_data狀態(tài)下該模塊開始接收DHT11溫濕度傳感器發(fā)送來的40 bit數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)全部接收完畢后，進入IDLE狀態(tài)。狀態(tài)機設計如圖9所示。

圖9 DHT11狀態(tài)機設計圖

3.4 指令解析模塊

無線模塊將從上位機接收到的指令，以串口通訊的方式傳輸給FPGA主控芯片，F(xiàn)PGA內(nèi)部需要對接收到的指令進行緩存、判讀、解析與狀態(tài)更新。通過利用FPGA的內(nèi)部資源配置串口時序，在其時序下，將接收到的8 bit數(shù)據(jù)緩存到8 byte的移位寄存器中并不斷對移位寄存器中的8 byte數(shù)據(jù)進行判讀，判斷移位寄存器中的高2 byte與低2 byte是否符合預先設定的指令頭、指令尾的固定格式，如果符合則可將其存入RAM中等待下一步對命令進行解析。在命令解析過程中RAM的高16 bit為操作地址，低16 bit為操作指令。另外程序中專門設置了一塊8 bit的片上RAM用于記錄每次指令對各個傳感器的操作狀態(tài)，每一位分別代表各個傳感器的工作狀態(tài)，置一為工作，置零位停止。在對命令解析后，實時更新每個傳感器的工作狀態(tài)。

3.5 數(shù)據(jù)緩存處理模塊

由于該系統(tǒng)為多通道的同步數(shù)據(jù)采集，每進行一次采集任務會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)需要處理，同時FPGA與外部通信模塊之間存在硬件差異，會導致數(shù)據(jù)傳輸速度不匹配。因此，為了解決數(shù)據(jù)存儲與傳輸?shù)膶崟r性問題，該系統(tǒng)利用FPGA內(nèi)置的知識產(chǎn)權核(Intellectual Property core，IP)資源，調(diào)用FIFO核，對數(shù)據(jù)進行緩存。數(shù)據(jù)緩存處理過程如圖10所示。

圖10 數(shù)據(jù)緩存處理過程

在進行檢測時，每個智能氣體傳感器回傳18 byte采集數(shù)據(jù)，PMSA003顆粒物傳感器回傳32 byte采集數(shù)據(jù)，DHT11溫濕度傳感器傳回5 byte采集數(shù)據(jù)，可分別將其采集到的信息存入各自通道預設好的RAM片上存儲器中，對采集到的數(shù)據(jù)進行緩存，并實時判讀RAM中存儲的數(shù)據(jù)，例如傳感器的工作狀態(tài)，檢測物種類，濃度值等。之后通過數(shù)據(jù)選通模塊與數(shù)據(jù)處理模塊將正常工作的傳感器采集到的信息數(shù)據(jù)進行重新編碼，按照通訊協(xié)議格式依次將數(shù)據(jù)存入FIFO中等待無線傳輸模塊將數(shù)據(jù)上傳。

4 測試驗證

搭建氣體檢測系統(tǒng)，使用12 V 4800 mA聚合物鋰電池為供電電源，掛載6個智能氣體傳感器、1個PM2.5/10傳感器、1個溫濕度傳感器的情況下，通過上位機遠程控制對本系統(tǒng)的實際功能進行測試，測試時間為25 min。測試內(nèi)容為別為循環(huán)檢測時間間隔更改、各傳感器工作的狀態(tài)控制、傳感器數(shù)據(jù)采集通道的選擇性開閉。測試結果如表1所示。測試結果表明，本系統(tǒng)符合實際應用要求，滿足設計要求，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，在簡化系統(tǒng)電路結構的同時可實現(xiàn)對大氣多參數(shù)的實時、準確、同步監(jiān)測。

表1 測試結果

5 結論

針對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要設計外圍擴展電路以及在數(shù)據(jù)傳輸存儲過程中不能有效地解決同時性和實時性的問題。本文采用Xilinx公司Spartan6系列的FPGA作為核心控制器件，發(fā)揮其并行處理能力和時序約束能力?？刂茪怏w傳感器的數(shù)據(jù)傳輸，運用FPGA內(nèi)部資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集緩存?zhèn)鬏數(shù)哪Ｊ?，完成了大氣多參?shù)的同步實時采集，存儲，處理，傳輸。增強了系統(tǒng)的可靠性，有效性和穩(wěn)定性。整套方案基于通用架構，并針對氣體傳感器多通道處理的特殊之處，使得整套系統(tǒng)同時具有針對性以及普適性。