基于ARM的多功能气体微压计的设计

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随着经济的发展和人口的增加，人类生活和生产活动给环境带来的危害日趋严重，对大气环境的监测已经引起了全球的关注。烟气监测是大气环境监测的-部分，然而目前的烟气监测过程过于繁杂，且工作量大，容易带来二次污染，造成数据失真 J。

因此，如何提高检测效率并保证检测结果的准确性是需要重点解决的问题。该文设计的多功能气体微压计采用新技术，对烟气的压力、温度进行检测，并通过皮托管测速原理估算气体流速，有效地提高了检测效率和测量精度，是-种新型的烟气检测仪表。

1 系统结构原理系统采用 Philip公 司生产 的 ARM7系列收稿日期：2012-09-28作者简介：张中锋(1987)，男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统。

LPC2214作为核心处理器，利用 ARM的低功耗、高性能特性完成整个系统的控制和数据处理。系统结构框图如图 1所示。

图 1 系统结构框图被测气体经皮托管进入仪器，与气体压力、温度传感器充分接触，将气体的压力、温度转换成对应的模拟信号，经滤波、放 大后送人 LPC2214，在LPC2214中完成 A/D转换和数据处理，同时利用皮托管测速原理对气体流速进行估算，估算结果存人片外存储器 E PROM，也可通过 LCD显示，操作人员还能通过按键触发 LPC2214的外部中断，完成对2013年第 1期 工业仪表与 自动化装置 ·101·数据的查询，还可利用 RS232串口与上位机通信，实现上位机实时监控。

2 硬件结构设计2.1 LPC2214核心控制器系统选用飞利浦公司推出的32位 ARM7系列芯片 LPC2214作为主控芯片，利用其 2个 SPI接口分别对压力和温度传感器进行数据检测。通过LPC2214的I c接口控制键盘和外部存储芯片，P0口来控制 LCD显示，UART0口实现与上位机的串口通信。

2.2 气体信号采集处理部分2.2.1 SPI总线简介SPI是-个同步串行外设接 口，它以主从方式工作，通常有-个主设备和-个或多个从设备，通过片选 cs、串行输入 SI、串行输出SO和串行时钟 SCK这4条线完成 CPU与各外围器件的全双工、同步串行通信 J。它不仅能同时发送和接收串行数据，还具有写冲突保护，总线竞争保护，提供频率可编程时钟等功能。SPI总线有4种工作方式(SP0、SP1、SP2和SP3)，上升沿发送、下降沿接收，在 SCK的控制下，2个双向移位寄存器进行数据交换。

由于其简单易用的特性，SPI总线已经越来越多的集成于 LCD显示器、A/D转换器、E。PROM等芯片中。设计选用的气体压力传感器和温度传感器均采用 SPI总线接口与 LPC2214连接，采用 SPI总线的方式0完成对气体压力和温度信号的采集和处理。

2.2.2 气体压力信号采集处理电路系 统 选 用 霍 尼 韦 尔 (Honeywel1)公 司ASDXRRX010KDSB3压力传感器，它具有 3.3 V低功耗工作电压，提供-个 SPI兼容的 l4位数字输出，可测量 -10-10 kPa的压力范围，满量程误差为 ±2.0%，芯片内置专用集成电路(ASIC)可在 0～85℃范围内对传感器的零点、灵敏度和温度进行全面的校准和补偿。

ASDXRRX010KDSB3作为从机与主机 LPC2214的 SP10相连，主机通过 SP10的串行时钟引脚 P0..-SCK0给从机提供时钟信号，从机则 由数据输出引脚 MISO将转换的压力值输出至主机 SP10的数据输入引脚P0.5MISO0，这样就完成了压力信号的采集和处理。而压力传感器的从选择管脚 SS则被LPC2214的通用 I/O双向数字端口 P0.23控制，整个压力信号采集处理电路由3.3 V低功耗供电，具体接口电路如图2所示。

U10P 04 SCK0 2 SCK NCGND 3 GND VCC 6 VCC3-34 5 P0.23 IO图2 气体压力信号采集接口电路2.2.3 气体温度信号采集处理电路系统选用美国 MAXIM公司生产的 K型热电偶信号处理集成芯片 MAX6675，它内置 12位的 A/D转换器，拥有-个 SPI兼容接口，最小温度分辨力可达 0.25 c(，可测量0～1 024℃的温度范围，3.3 V工作电压，具有 ～20～80℃的片内冷端温度补偿、断线检测和线性校正的特性 J。

MAX6675连接在 LPC2214的 SPI1上，LPC2214作为主机通过 P0.17管脚输出-个 SPII串行时钟信号 SCK1给从机 MAX6675，MAX6675则由串行数据输出管脚 sO将温度信号传送至主机的SPI1数据输入引脚 P0.18-MISO1，从机的片选信号管脑 Cs则由LPC2214的P0.24控制，具体电路如图3所示。

图3 气体温度信号采集接El电路2.3 外部存储部分为满足大量数据存储的要求，系统选用由美国ATMEL公司生产的支持 I。C总线的低功耗 CMOS串行 E PROM芯片 AT24C04进行内存的扩充和数据的存储。它具有 4 kB的存储空间，有写保护功能，工作电压低至 1.8 V，高达 100万次的改写次数，数据可保持40年以上，采用分页式的存储方式，且可靠性高，抗干扰能力强等特点 J。

LPC2214和 AT24C04通过 I C总线连接，-个I c总线最多可挂接 4个 AT24C04器件，系统只需要-个地址为 0xA0。由于系统要对存储芯片进行读/写操作，则写保护管脚 wP必须接地，LPC2214经 PO.2给 AT24C04提供时钟输入信号，SDA则与LPC2214的P0.3相连，以完成数据的存储和传输，具体电路设计如图4所示。

图4 串行存储接口电路· 102· 工业仪表与自动化装置 2013年第 1期2.4 人机交互部分2.4.1 按键输入电路根据需要系统设置了 s ～S 4个功能按键，依次是MODE(菜单键)、UP(向上键)、DOWN(向下键)和 ENTER(确认键)，选用 12C接口键盘/LED驱动芯片 ZLG7290来驱动按键。该芯片可驱动64个按键，工作电压低至3.3 V，可检测每个按键的连击次数，其基本功能有键盘去抖动处理、双键互锁处理、连击处理和功能键处理。

接口电路如图 5所示。系统选用 4 MHz的晶振给ZLG7290提供内部时钟，由于是开路端口，在SDA和 SCL上需加 10 kQ 的上拉 电阻。ZLG7290通过中断输出引脚 INT触发 LPC2214外部中断 3，- 旦有按键按下，就会触发按键中断。

Sl S2 S3 54- - -. --- ·--图5 按键输入电路2.4.2 LCD显示电路系统选 用广 东金鹏 电子有 限公 司生产 的OCM12864系列 128×64点阵图形液晶显示芯片OCM12864-5。它可以显示各种字符和图形，低功耗，3.3 V供电，具有6条控制线，8位标准数据总线 。

OCM12864-5与 LPC2214的接口电路如图6所示，为了调整LCD电压需在 VO端接入 10 kO的电位器。

2.4.3 串口通信电路系统采用 RS232C总线标准实现微压计与上位机的通信。由于上位机的RS232C串行接口采用的是负逻辑电平(3～l5 V为逻辑0”；-3～- l5 V为逻辑1”)，而 LPC2214采用 1TrL和 CMOS电平，因此二者在进行通信时必须进行电平转换。

系统选用的是 SIPEX公司生产的RS232收发器芯片 SP3232EEY，满载最小数据速率为 120 kbps，是具有2驱动器/2接收器的低功耗器件。

：图6 LCD显示接口电路2013年第 1期 工业仪表与自动化装置 ·103·LPC2214经UART0接口控制串口通信，由P0.O发送数据至SP3232EEY的驱动器输入端TI IN，经转换后在 TIOUT端输出并送至上位机，上位机数据经接收器输入端 RIlN进入 SP3232EEY转换，后经接收器输出端 RIOUT传回给LPC2214。电路如图7所示。

VCC 33I 1 1 c-Cl5- C1 VCC104 . 2 -q- C1 V6TXD0C2 V-C2- GND -] J ： -1 L--J2 RXD0 l 14 T10UT T1lN7 103 T2OUT T2IN4 12 P0. 1 RXD( 13RlJN R1OUT $232 I EINFO 8 9 P1.16 IO R2IN R2OUTSP3232EEY图7 串口通信接 口电路3 软件设计3.1 系统软件总体设计系统软件主流程如图8所示。

未 囹医医壹圃NEINTI中断数据存 A/D转换中断 UART0中断通过储，送至液晶显示 渎取转换数值 UART0与 位机通信MiSo8eLKSS图8 系统软件主流程图系统采用嵌人式实时操作系统 IxC/OS-I拈化编程思想，通过 ADS1.2集成开发环境和 J-Link仿真调试工具共同完成系统软件的设计和调试。

3.2 压力检测软件设计图9为 ASDXRRX010KDSB3输出数据包，-旦时钟开始，压力传感器输出4个字节的数据，前 2个字节的B0～B13是补偿的压力输出，并带有传感器状态位 S0和S1，后2个字节则是可选的温度补偿输出。

在程序设计中，首先对LPC2214的SP10口进行操作 SPIOStart，然后选择从器件 ASDX，将 P0.23输出为低：IOOCLR IOOCLRlASDX-CS，接着分别对4个字节的数据进行读取：if(SPIORW (&tempbyte0，tempbyte4)! TRUE)return 0xf； //读取字节 1if(SPIORW (&tempbytel，tempbyte4)! TRUE)return 0xf； //读取字节 2其余字节读取与此类似，最后取消片选，结束SP10的操作。

传感器压力信号数字输出由传递函数式(1)得出：- (Output-Output )-( sH -尸 B站 邢 )～ - - - -- -～ mm(1)对于传感器 ASDXRRX010KDSB3，式中最大压力输出 Output 14 745，最小压力输出Output 1 638，传感器压力检测范围最大值 Pressuer 10 kPa，压 力 检 测 范 围 最 小 值 Pressuer i - 10 kPa，则每-个输出 Output就对应-个压力读数 Presure。

3.3 温度检测软件设计表 1为 MAX6675的 SO输出数据包，需要读取K型热电偶采集到的 16位数据，其中第 l5位为假的符号位 0，第 3位为温度信号最低位，最高位是第l4位。首先需要选中MAX6675，将 Po.24输出为低IOOCLRIOOCLR l MAX6675- CS，然后打开 SPI1接口SPI1Start，发送任意数据读取返回值：门1门几r]几几r]n门n n r]几r]n几n几r]n几n几几门几n r]几n几图 9 SPI压力和温度数据包· l04· 工业仪表与自动化装置 2013年第 1期if(SPI1RW(&temp0，temp2)!TRUE)re- turn 0xf； //读取低字节turn 0xf； //读取高字节 数据读柔束关 SPI1接口并取消片选，这样就if(SPI1RW(&templ，temp2)!TRUE)re- 完成了温度信号的读龋表 1 MAX6675SO输出3.4 皮托管测速原理该文采用皮托管配合微压计测量气体流速，皮托管上有总压头和静压头 2个凶，分别通过软胶管与微压计的正、负极相连。

皮托管测速原理：取流管中沿气体流向的靠近的两点 1和2，在2点安装-个正对气体流向并弯成90。的弯管，同时考虑到皮托管开孔及制造精度上的误差，特引入流速修正系数 (通常取 0.98～1.0)，当1和2无限靠近时，由伯努利方程可得气体流速 (mYs)： 2(P2-P1)/p 2卸/p (2)29 273 ， 、JD 乏 ×丽 Lj式中：p 是 1点的静压强(Pa)，P：是 2点的总压强(包括静压强和动压强)(Pa)；J9为常压温度 t下气体的密度(kg/m。)；ap为两点的压差(微压计的读数)(Pa)。

4 实验结果与分析表2所示为该多功能微压计在常温下测试的-组气体压力、温度以及估算的流速值，FL-100为标准压力值。

表2 -组气体各参数测试结果注：气体的流速计算中取 0.99。

由表2的测试结果可知气体的流速随着压差的增大而增大，这与伯努利方程中气体的流速与压差△p的平方成正比相-致。

5 结论该文以 LPC2214为核心控制器而设计出的多功能气体微压计，在检测气体压力、温度数据的同时，还可通过皮托管测速原理估算出气体的流速，测量数据皆可进行存储和 LCD显示。该多功能气体微压计低功耗、小巧轻便、功能强大、易于操作和维护，具有良好的使用价值，是-种新型的手持式气体检测仪器。