基于CAN總線和MSP430的CO紅外檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：提出一種基于CAN總線接口的紅外檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。該檢測系統(tǒng)以MSP430超低功耗單片機(jī)為核心，采用SM-CO H／M紅外線CO氣體探測器，結(jié)合數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償?shù)?a target="_blank">算法，達(dá)到精確測量CO濃度的目的，利用CAN總線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，同時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場和遠(yuǎn)程監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：MSP430；CAN總線；數(shù)字濾波；溫度補(bǔ)償；Delphi


1 引言
??? 一氧化碳(CO)是劇毒性氣體，人體吸人后造成人體組織和細(xì)胞缺氧，導(dǎo)致引起中毒窒息。在煤礦井下，CO也是引起瓦斯爆炸的主要?dú)怏w之一。CO無論是對工業(yè)生產(chǎn)還是人類都造成巨大的損害，因此，CO檢測尤為重要，特別在煤礦井下，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，井下作業(yè)場所的CO濃度應(yīng)控制在0．002 4％以下。因此，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測出井下CO氣體濃度，對保障煤礦工業(yè)安全生產(chǎn)具有重要意義。
??? 目前檢測CO的方法主要有化學(xué)法、電化學(xué)法、氣相色譜法等。這些方法普遍存在價(jià)格高、普適性差等問題，且測量精度較低。這里設(shè)計(jì)一種新的檢測系統(tǒng)，選用紅外CO傳感器和MSP430單片機(jī)作為核心信號處理電路，結(jié)合數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償運(yùn)算．具有檢測濃度范圍寬、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。CAN總線通信距離長、可靠性高等特點(diǎn)，通過擴(kuò)展CAN總線接口使檢測儀具有遠(yuǎn)程通信能力，可方便地與監(jiān)控中心進(jìn)行對接聯(lián)絡(luò)，有效降低事故發(fā)生率，具有推廣和應(yīng)用價(jià)值。

2 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計(jì)
??? 該系統(tǒng)由紅外CO氣體傳感器、MSP430單片機(jī)、CAN總線接口及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)在檢測現(xiàn)場通過單片機(jī)處理檢測的數(shù)據(jù)、控制LCD顯示、聲光報(bào)警，同時(shí)還配備CAN總線控制器，可以輕松獲取濃度、溫度以及報(bào)警記錄等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)了智能化的工業(yè)現(xiàn)場、遠(yuǎn)程同時(shí)監(jiān)控功能。系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

2．1 傳感器的原理及選擇
??? 每種物質(zhì)都有特定的吸收光譜(如CO氣體在光波波長4．5μm處有一個(gè)極強(qiáng)的吸收峰)，該特性可用于測量。可根據(jù)各種氣體光譜曲線上某些特定波長處吸收峰值的變化判斷氣體的濃度。當(dāng)紅外光通過待測氣體時(shí)，這些氣體分子對特定波長紅外光有吸收作用，吸收規(guī)律遵循朗泊-比爾定律

式中，I為透射光的能量，L/mol·cm；Io為紅外輻射被氣體吸收的能量，L／mol．cm；K為與氣體及輻射波長有關(guān)的常數(shù)，L/mol·cm：C為被測氣體的濃度．mol／L；L為輻射通過氣體層的厚度，cm。
??? 由式(1)可知，通過檢測紅外輻射經(jīng)氣體吸收后的輻射強(qiáng)度，就可計(jì)算出被測氣體的濃度。采用SM-C0 H／M傳感器，該系列模擬輸出型CO采用雙光束非分光紅外線(NDIR)檢測技術(shù)．具有抗其他氣體干擾、保養(yǎng)維護(hù)簡便、穩(wěn)定性好、自帶溫度補(bǔ)償、Modbus ASCII協(xié)議數(shù)字輸出和模擬輸出等優(yōu)點(diǎn)。適用于泄漏報(bào)警、現(xiàn)場施工防護(hù)、簡單氣體分析氣體、在線監(jiān)測、工業(yè)過程分析等場合。
2．2 MSP430單片機(jī)工作原理及數(shù)據(jù)處理
??? MSP430單片機(jī)是德州儀器(TI)公司生產(chǎn)的超低功耗Flash型16位單片機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)功能及外圍電路接口要求，選用MSP430F449型單片機(jī)，該單片機(jī)具有豐富的內(nèi)部硬件資源；內(nèi)置的溫度傳感器用于檢測環(huán)境溫度，補(bǔ)償紅外傳感器檢測的數(shù)據(jù)；其內(nèi)置A／D轉(zhuǎn)換器用于將傳感器輸出的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量；通過硬件乘法器，實(shí)現(xiàn)對被測量的A／D采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行高速數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償?shù)冗\(yùn)算。數(shù)字濾波法采用去極值平均濾波法。在脈沖干擾較嚴(yán)重的場合，如采用一般的平均值法，則干擾將會(huì)平均到結(jié)果中去，不易消除由干擾引起的誤差。首先把Ⅳ次采樣值按大小順序排成一列，采用“冒泡排序法”，可去掉N個(gè)數(shù)據(jù)中的最大值和最小值，再計(jì)算(N-2)個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，即為去極值平均濾波法。溫度補(bǔ)償?shù)奶幚矸椒ǎ粋鞲衅鞯撵o態(tài)特性為線性時(shí)，則溫度補(bǔ)償前的特性可表示為：

式中，x為傳感器的輸入量，y為輸出量，Y為特性曲線在y軸上的截距(即環(huán)境溫度引起的輸出增益)，k為比例系數(shù)。
??? 溫度補(bǔ)償公式法的步驟如下：
??? (1)給定(m+1)個(gè)溫度值：T0，T1，T2，…，Tn，…，Tm，測出每一溫度下傳感器靜態(tài)特性曲線在y軸上的截距Y0，Y1，Y2，…，Yn，…Ym；
??? (2)將Y表示成以溫度T為自變量的n次代數(shù)多項(xiàng)式(n
用最小二乘曲線擬合法確定a0，a1，a2，…an。
??? (3)在測得每一個(gè)y值及相應(yīng)T值時(shí)，首先計(jì)算出Y值，然后再求出x值

??? 采用數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償算法可使測量更精確，受環(huán)境溫度影響減少到最小。

2．3 按鍵、LCD顯示及報(bào)警系統(tǒng)
??? 按鍵用于設(shè)定系統(tǒng)時(shí)間、聲光報(bào)警值以及對應(yīng)的CAN總線通信地址等參數(shù)，如果按鍵較少采用一端口對應(yīng)一按鍵，使用捕獲中斷。如果按鍵較多，則可采用行列式鍵盤以節(jié)省端口資源。LCD顯示采用LSD12864CT顯示模塊，該模塊由一組行驅(qū)動(dòng)信號IC3及兩組列驅(qū)動(dòng)信號IC2(控制左半屏)和IC1(控制右半屏)組成，其顯示點(diǎn)陣是128x64，可顯示圖形或漢字。其內(nèi)部集成行、列驅(qū)動(dòng)及顯示器緩沖區(qū)RAM的接口，同時(shí)硬件可設(shè)置顯示屏的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸方式、顯示窗口的長寬等。MSP430F449內(nèi)部自帶60 KB Flash用于記錄紅外測量數(shù)據(jù)超限時(shí)刻和對應(yīng)的設(shè)置值，保存CAN接口相關(guān)參數(shù)。當(dāng)CO濃度超出設(shè)定范圍時(shí)，由聲光報(bào)警裝置提醒井下工作人員。
2．4 CAN總線接口設(shè)計(jì)
??? 該系統(tǒng)CAN接口由獨(dú)立的CAN總線控制器SJA1000、CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器TJA1050組成。SJA1000是獨(dú)立CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000的AD0-AD7接MSP430的P2端口，P3．4和P3．5分別控制SJA1000的讀寫操作。MSP430初始化SJA1000，通過控制SJA1000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，是一種標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器。TJA1050可為總線提供差動(dòng)發(fā)送功能，為CAN控制器SJA1000提供差動(dòng)接收功能。TJA1050提供CAN節(jié)點(diǎn)接口，實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的傳輸。其中CANH和CANL接到外部CAN總線網(wǎng)絡(luò)上。MSP430、SJA1000與TJA1050的連接電路如圖2所示。


3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)上電復(fù)位后首先初始化，主要包括系統(tǒng)硬件初始化及從MSP430 Flash中讀取CAN相關(guān)參數(shù)，并進(jìn)行設(shè)置；然后系統(tǒng)進(jìn)行按鍵掃描：如有鍵按下則進(jìn)行相應(yīng)的操作，如設(shè)置時(shí)間和CO報(bào)警濃度值、修改CAN參數(shù)、查閱報(bào)警記錄等；若無鍵按下，則采集CO濃度并進(jìn)行軟件處理，軟件處理包括數(shù)字濾波和溫度補(bǔ)償，用以校準(zhǔn)濃度數(shù)據(jù)。若CO濃度超限，則聲光報(bào)警通知井下工作人員并記錄報(bào)警時(shí)刻和報(bào)警值到存儲(chǔ)器中，若濃度正常則循環(huán)檢測并顯示。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。氣體濃度數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸由CAN總線接口完成。當(dāng)上位機(jī)給該站發(fā)送報(bào)文時(shí)，即要求本站傳送數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)才向上位機(jī)傳送數(shù)據(jù)，這樣可減輕單片機(jī)的負(fù)擔(dān)，降低功耗。因此，CAN通信程序流程大致為：當(dāng)檢測儀接收到有效的報(bào)文時(shí)產(chǎn)生接收中斷，在中斷服務(wù)子程序中，以CAN報(bào)文形式發(fā)送C0濃度數(shù)據(jù)，采用非中斷方式發(fā)送報(bào)文，具體工作流程如圖4所示。

?


??? 上位機(jī)采用Delphi編寫的Windows下的可視化操作界面。Delphi是一種采用事件驅(qū)動(dòng)方式、面向?qū)ο蟮目梢暬呒?a target="_blank">編程語言，該系統(tǒng)的通訊軟件設(shè)計(jì)采用Delphi7．0。在Del-phi可利用的眾多串行通信控件中，SPComm控件是最簡單、功能比較強(qiáng)大的一種。該控件具有豐富的與串口通信密切相關(guān)的屬性及事件，提供對串口的各種操作。通過Delphi的設(shè)計(jì)可在上位機(jī)中直觀顯示當(dāng)前時(shí)間、氣體濃度。通過串口通訊還可執(zhí)行遠(yuǎn)程操作。采用采樣定時(shí)器可每隔一段時(shí)間刷新顯示的數(shù)據(jù)，從而及時(shí)檢測數(shù)據(jù)變化。

4 結(jié)束語
??? 采用紅外光學(xué)傳感器件取代傳統(tǒng)的傳感器．安全性大大提高；結(jié)合CAN總線技術(shù)，取代傳統(tǒng)的RS232、RS485，大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。與其他現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線具有通信速率高、易實(shí)現(xiàn)、性價(jià)比高等特點(diǎn)。采用TI的MSP430單片機(jī)，有較多的集成外設(shè)，降低了開發(fā)難度，且具有超低功耗。有利于節(jié)約能源。
??? 所設(shè)計(jì)的紅外CO檢測系統(tǒng)，檢測氣體濃度范圍寬、設(shè)備維護(hù)性好。利用MSP430F449的低功耗特性及其內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換器、乘法器、溫度傳感器等硬件資源，測量精密度大大提高。通過CAN總線接口，系統(tǒng)既可在現(xiàn)場顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又可實(shí)現(xiàn)儀器的遠(yuǎn)距離、高可靠性地通信功能和遠(yuǎn)程監(jiān)控。因此，該系統(tǒng)具有很好的應(yīng)用前景。