基于LPC221的瓦斯檢測儀的設計

　　引言

　　近年來，隨著瓦斯檢測技術得到大力研究和開發。為開發新一代微處理器控制的智能化瓦斯檢測報警儀創造了條件。本次設計的瓦斯檢測儀是采用了以ARM微處理器為核心的智能檢測控制設備，它不僅采用20世紀90年代國際先進的單片機微處理技術，還具有下列特點：

　　①集瓦斯檢測、時鐘顯示于一體;

　　② 實現了自動調零和校準;

　　③采用儀用放大器，可自動轉換量程，提高了測量精度，測值報警準確;

　　④采用USB 通信接口實現采集數據上傳，具備通信功能;

　　⑤采用大容量FLASH作存儲體，可存放上萬檢測數據;

　　⑥ 采用按鍵實現功能選擇和數據輸入，操作簡單，便于使用;

　　⑦采用本安型電源，實現充電自控管理。

　　1 引入嵌入式實時操作系統μCIOS—II的意義

　　智能瓦斯檢測設備集各種功能于一身，不僅要實現瓦斯濃度的數據采集、控制報警等基本功能，而且還要實時顯示檢測數據、隨時接受鍵盤輸入。除此之外，還要具有友好的人機界面以及上傳數據等通信功能。如果采用傳統的順序結構編程思想，將很難保證數據采集的實時性要求，無法對各個對象的實時信息以足夠快的速度處理并做出快速響應.

　　其程序設計的復雜性也將大大提高，不利于程序的后期維護和修改。而實時操作系統能對運行情況的最好和最壞等情況作出精確的估計。其實時性要比前后臺系統要好得多，系統能及時響應外部異步事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協調一致地運行。

　　本次從實際情況出發，選擇μC/OS—II作為實時操作系統，讓它管理各個應用程序，達到優化系統資源的目的。

　　2 硬件設計

　　2.1 手持瓦斯檢測儀的組成和工作原理

　　手持瓦斯檢測儀的原理框圖如圖1所示。

　　工作時，瓦斯濃度經檢測單元轉化為電信號，再經過運放單元的放大調理，然后送入CPU的模數轉換模塊;CPU根據A/D轉換的結果進行邏輯分析判斷，和預先設計的報警閾值進行比較，若超出閾值則進行聲光報警。而后可通過鍵盤的操作實現檢測地點的輸入、檢測數據的存儲和系統參數的設置等功能。檢測的濃度、檢測時間、輸入的地點、相應功能界面等數據參數通過LCD顯示出來。各種數據通過鍵盤進行設定，并保存在FLASH中，隨時可進行更改和查看。檢測儀還可以通過USB通信協議和Pc機雙向通信，實現歷史數據的傳輸、濃度變化態勢的分析等功能。電源單元為以上各個單元模塊提供能量。

　　2.2 關鍵電路單元設計

　　2.2.1 檢測單元

　　檢測單元電路也就是傳感器電路，由催化元件和電阻組成的橋路，實現濃度非電信號轉化為電信號功能。其檢測原理為：利用敏感元件(俗稱黑白元件)對瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上發生無焰燃燒，放出熱量使元件溫度上升，增加了敏感元件鉑絲的電阻值，通過惠斯登電橋測量電路，可以測量其敏感元件電阻值變化量。

　　2.2.2 運放單元

　　運放單元由放大電路和量程轉換電路組成，實現信號放大、調理和量程轉換功能。如圖2所示。

　　2.2.3 鍵盤單元

　　本次設計中采用專用的鍵盤接口芯片ZLG7290。ZLG7290采用I2C串行接口，提供鍵盤中斷信號，方便與處理：器連接，可采用多達64個按鍵，可檢測每個按鍵的連擊次數，具備鍵盤去抖處理、雙鍵互鎖處理、連擊處理和功能鍵處理等功能。具體的連接電路圖如圖3所示。

　　2.2.4 顯示單元

　　顯示單元是實現人機交互的一個重要手段，本次設計中采用液晶顯示屏實現人機交互。本次設計使用的MG12864A點陣圖形液晶模塊的點像素為128×64點。黑色字，白色底，STN液晶屏，視角為6：00，內嵌控制器為ksO107/ks0108，外部顯示存儲器為32K字節。采用8位總線接口與微控制器連接，內部集成了負壓DC—DC電路，使用負壓DC—DC電路，使用單5 V電源。

　　2.2.5 存儲單元

　　由于LPC2210微控制器沒有片內程序存儲和數據存儲，根據系統的需要，必須設計存儲系統。本次設計通過微控制器的外部總線接口來實現，采用SST公司的CMOS多功能FLASH器件SST39VF160，存儲容量為2M字節(容量大小的計算具體詳見軟件部分)，l6位數據寬度(即一個字為2個字節)，工作電壓為2.7—3.6 V。該芯片采用高性能的Super.

　　Flash技術(該技術提供了固定的擦除和編程時間)制造而成，與擦除/編程周期數無關。該芯片采用48腳TSOP封裝，十分適合做手持設備的數據和程序積存器。

　　3 軟件設計

　　檢測儀的軟件實際主要包括嵌入式實時操作系統內核設計、用戶應用程序設計、通信程序3部分。

　　3.1 總體設計思想

　　軟件系統引入嵌入式實時操作系統μC/OS—II，整個系統都在μC/OS—II的管理下運行。程序設計有別于傳統的順序結構的設計思想，程序雖然有主程序，但主程序并不完成某種特定的功能，而只是對一些軟硬件、實時變量、全局變量以及操作系統進行初始化，并且建立一個任務，然后啟動操作系統而已;最后系統就把CPμ控制權交給操作系統，永遠不會返回主程序。通過操作系統調度，實時采集的外部CH4濃度轉變成的電壓電流信號，并對其進行計算、判斷，輸出控制信號或者報警，實現儀器的檢測功能;而且操作系統實時跟蹤鍵盤輸入時間的中斷，實現輸入功能;實時跟蹤外部USB(或UART0)通信事件中斷，可保持和外部Pc機的通信。

　　3.2 實時操作系統核心的具體實現

　　本程序采用實時系統設計方法中的功能內聚和時間內聚方法，根據各個任務的重要性和實時性把應用程序分成9個不同優先級的任務。包括傳感器啟動、AD采樣、數據計算、聲光報警、數據存儲、機器白檢、鍵盤處理、LCD顯示、數據通信、空閑任務等，優先級依次由高到低。任務越重要，實時性越強，其任務優先級就越高，相反就越低。

　　3.3 USB通信

　　USB總線主要用于USB設備與USB主機之間的數據通信，特別為USB設備與USB主機之間大量數據的傳輸提供了高速、可靠的傳輸協議。采用飛利普的PDIUSBD12，它是一款性價比很高的USB器件，完全符合USB1.1版規范。PDIUSBD12具有8bit的數據總線接口DATA0～DATA7，片選引腳CS—N以及讀選通引腳RD.N和寫選通引腳WR，N。由此可見，PIDUSBD12的硬件接口和外部存儲器接口很相似，因此，可以當作一片外部RAM芯片來進行訪問。對于工JPc2210微控制器，它的外部數據總線與地址總線是分開的。這時，PDIUSBD12的DATA0一DATA7可以直接與LPC2210的數據總線D0一D7直接相連就可以構成訪問PDIUSBD12的數據總線了。

　　如圖4所示。