基于CANOpen網(wǎng)絡(luò)的CO2濃度采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王凱，曹靜雯，談?dòng)⒆?，許映秋

（1.東南大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京210096;2.南京信息工程大學(xué)信息與控制學(xué)院，江蘇南京210044;3.東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210096）

0 引言

二氧化碳是一種溫室氣體，它的濃度是體現(xiàn)環(huán)境空氣品質(zhì)的一個(gè)很重要的指標(biāo)，若大氣中的CO2含量過高會(huì)對(duì)人類賴依生存的地球造成威脅，大氣中CO2的正常含量是0.03%，當(dāng)CO2的濃度達(dá)到1%會(huì)使人感到氣悶、頭昏、心悸，達(dá)到4%5%時(shí)人會(huì)感到氣喘、頭痛、眩暈，而達(dá)到10%的時(shí)候，會(huì)使人體機(jī)能嚴(yán)重混亂，使人喪失知覺、神志不清甚至呼吸停止而死亡［1］。公共場(chǎng)合由人體呼吸排出的大量二氧化碳?xì)怏w會(huì)使局部CO2濃度變高，因此，在醫(yī)院、學(xué)校等人口密集的環(huán)境中設(shè)置CO2監(jiān)控設(shè)備可以有效地監(jiān)測(cè)和改善空氣品質(zhì)，為人們提供更好的生活環(huán)境［2］。另外，在災(zāi)難后的救援環(huán)境中，二氧化碳濃度也是用來檢測(cè)某一區(qū)域內(nèi)是否有生命活動(dòng)的重要特征之一。

二氧化碳濃度測(cè)量主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和生命體征提取。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或大型公共場(chǎng)所需要通過多點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方式組成CO2檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行長(zhǎng)線傳輸;救援設(shè)備攜帶二氧化碳檢測(cè)模塊作為傳感器網(wǎng)路從節(jié)點(diǎn)提取生命體征，但傳統(tǒng)串口傳輸方式不能滿足網(wǎng)絡(luò)及長(zhǎng)線傳輸［3］。

最常用的CO2濃度檢測(cè)方法是非色散紅外吸收法［4］，該方法精度很高，但是體積龐大且造價(jià)昂貴，不適合用于便攜設(shè)備上或者組成多傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。本文選用固態(tài)電化學(xué)型傳感器來進(jìn)行CO2濃度測(cè)量，該種類型傳感器需要預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，但是體積小、成本低。

本文以飛思卡爾MC9S08DZ128芯片為核心控制器，采用TGS4160作為CO2傳感器［2］，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于CANOpen協(xié)議的CO2濃度采集節(jié)點(diǎn)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，方便組成傳感器檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及掛載到移動(dòng)設(shè)備上對(duì)CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

圖1所示為本系統(tǒng)硬件框圖，CO2傳感器TGS4160輸出信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路送到MC9S08DZ128的AD端口進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，單片機(jī)對(duì)AD轉(zhuǎn)換的值進(jìn)行處理濾波，最終計(jì)算得到 CO2濃度值。CANopen模塊負(fù)責(zé)單片機(jī)與CANOpen總線之間的通信，并通過PDO每隔100 ms發(fā)送一次CO2濃度值。電源模塊為單片機(jī)及信號(hào)調(diào)理模塊提供3.3 V電源以及為TGS4160提供5 V加熱電源。

1.1 CPU及外圍接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用飛思卡爾8位低功耗單片機(jī)MC9S08DZ128作為主控芯片，該芯片自帶12位AD采樣模塊，兩個(gè)CAN接口，兩路串行通訊接口，8路定時(shí)器，128 KFlash，8 KRAM，功耗低適合長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，完全滿足本系統(tǒng)需求。

外部晶振為8 MHz，采用SCI方式作為調(diào)試接口，CAN接口用82C250芯片作為CAN總線通信芯片，CPU及外圍接口電路原理圖如圖2所示。

圖2 主控制器及外圍接口電路

傳感器模塊ID以及模塊的工作方式通過撥碼開關(guān)的形式設(shè)定，通過LED指示模塊工作狀態(tài)。

1.2 傳感器電路設(shè)計(jì)

TGS4160是一種固態(tài)電化學(xué)型 CO2傳感器［2］，它由一只對(duì)二氧化碳敏感的固體電解質(zhì)單元與一個(gè)用于溫度補(bǔ)償?shù)膬?nèi)部熱敏電阻組成。它的工作原理是當(dāng)傳感器暴露在CO2氣體中時(shí)，會(huì)發(fā)生如下的電化學(xué)反應(yīng)使電極兩端產(chǎn)生電勢(shì)差，電勢(shì)差與CO2濃度曲線如圖3所示。

傳感器輸出信號(hào)為微弱的電壓信號(hào)，因此在AD采樣之前需對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、放大才能進(jìn)行AD采樣。同時(shí)，TGS4160要求核心溫度450℃時(shí)采樣數(shù)據(jù)有效，需加熱單元，加熱單元采用5 V供電。為保證加熱電壓的可靠性，對(duì)加熱電壓也需要進(jìn)行監(jiān)控，采用AD0口采集傳感器經(jīng)調(diào)理放大后的電壓信號(hào)，AD1口采集加熱電壓信號(hào)。TGS4160對(duì)輸入阻抗要求很高［2，8］，為保證信號(hào)采集的精度，系統(tǒng)中采用高輸入阻抗，差分輸入的線性運(yùn)放LMC6035作為運(yùn)算放大器［5］，傳感器輸出信號(hào)首先經(jīng)過LMC6035通道1放大10倍，再通過電壓跟隨器輸出到單片機(jī)AD端口進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，傳感器電路圖如圖4所示。

1.3 電源電路設(shè)計(jì)

為使傳感器模塊能夠承受較寬電壓范圍的輸入，采用開關(guān)電源芯片CS51414作為主電源芯片，輸入電壓首先通過CS51414輸出6 V的電壓，再分別經(jīng)過LM1117－3.3 V和LM1117－5 V產(chǎn)生3.3 V和5 V的電壓分別為CPU及其外設(shè)、信號(hào)調(diào)理電路以及傳感器加熱電路供電。本模塊電壓輸入范圍在740 V范圍內(nèi)均能夠正常工作。

電源電路原理圖如圖5所示，其中LED用來指示電源狀態(tài)。

圖5 電源電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

CANopen協(xié)議是基于CAN－bus的高層協(xié)議，它是一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議［6］。這個(gè)協(xié)議支持各種CAN廠商設(shè)備的互用性、互換性。它能夠?qū)崿F(xiàn)在CAN網(wǎng)絡(luò)中提供標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)、通信模式。利用對(duì)象字典可以提供設(shè)備功能描述和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)管理等功能［7］［9］。

CANopen模型中共定義了4種通信對(duì)象（COB）:過程數(shù)據(jù)對(duì)象PDO、服務(wù)數(shù)據(jù)對(duì)象SDO、網(wǎng)絡(luò)管理對(duì)象NMO和特殊功能對(duì)象。同時(shí)CANopen協(xié)議中為了對(duì)各對(duì)象進(jìn)行規(guī)范化管理，定義了設(shè)備的對(duì)象字典，是一個(gè)有序的對(duì)象組［7］。CANopen網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)象字典，它包含了描述這個(gè)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)行為的所有參數(shù)，對(duì)象字典通過16位的索引值和8位的子索引值來尋址。以PDO來傳送CO2濃度數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)軟件程序基于Codewarrior集成開發(fā)環(huán)境編寫，其主要包括兩個(gè)功能模塊:傳感器校準(zhǔn)模塊和數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸模塊。校準(zhǔn)模塊的功能是獲取傳感器的參考電平——新鮮空氣中的傳感器加熱穩(wěn)定后的電壓輸出值，每個(gè)TGS4160傳感器特性不同參考電平也有少許差異［2］，在第一次使用傳感器時(shí)需先進(jìn)性校準(zhǔn)以獲得參考電平EMF1。數(shù)據(jù)測(cè)量傳輸模塊功能即測(cè)量CO2濃度并通過CANOpen總線發(fā)送CO2傳感器數(shù)值，根據(jù)圖3所示曲線，△EMF與CO2濃度的對(duì)數(shù)近似成線性關(guān)系［2］，則設(shè)該線性關(guān)系為

取圖3上兩點(diǎn)代入式（1）計(jì)算a，b，則?。?50 ×10－6，0 mv），（5 000 ×10－6，75 mv），兩點(diǎn)計(jì)算，又由于在信號(hào)調(diào)理過程中傳感器電壓放大10倍進(jìn)行采樣，則上兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)為（350 ×10－6，0 mv），（5 000 ×10－6，750 mv），代入式（1）:

即可得到CO2濃度計(jì)算公式:

在傳感器校準(zhǔn)模式下，傳感器模塊不發(fā)送數(shù)據(jù);在測(cè)量傳輸模式下，傳感器通過TPDO1每隔100 ms發(fā)送一次CO2濃度值。CO2濃度值采用無符號(hào)的16位整形數(shù)表示，則該P(yáng)DO有效數(shù)據(jù)為2個(gè)字節(jié)，PDO數(shù)據(jù)段第一個(gè)字節(jié)為CO2濃度值高位，第二個(gè)字節(jié)為CO2濃度值地位，該P(yáng)DO格式如表1所示。

表1 CO2傳感器模塊發(fā)送PDO數(shù)據(jù)格式

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)采用輪詢的方式進(jìn)行，在測(cè)量傳輸模式下系統(tǒng)循環(huán)檢測(cè)CO2濃度值，并每100 ms通過PDO發(fā)送一次當(dāng)前CO2濃度數(shù)據(jù);在校準(zhǔn)模式下，每1 min測(cè)量一組電平數(shù)據(jù)并通過串口向上位機(jī)發(fā)送，當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間超過2 h，取最新10組的測(cè)量值的平均值作為傳感器的基準(zhǔn)電平，校準(zhǔn)模式結(jié)束，等待系統(tǒng)重啟?；鶞?zhǔn)電平存儲(chǔ)在Flash中，在正常測(cè)量模式下每次調(diào)用該基準(zhǔn)電平值以計(jì)算△EMF。

3 測(cè)試結(jié)果分析

在測(cè)試過程中，使用RS232總線作為對(duì)比測(cè)試CANOpen網(wǎng)絡(luò)的性能，分別發(fā)送100組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)間隔100 ms，其中CAN總線通信速率設(shè)為1 M，RS232波特率設(shè)為115 200 bit/s，傳輸介質(zhì)均為雙絞線，改變傳輸介質(zhì)長(zhǎng)度:當(dāng)傳輸距離為1.5 m時(shí)，RS232總線出現(xiàn)個(gè)別數(shù)據(jù)丟失，當(dāng)傳輸距離為2.5 m時(shí)數(shù)據(jù)丟失嚴(yán)重，當(dāng)傳輸距離為3.5 m時(shí)，RS232無法通信;對(duì)CAN總線進(jìn)行測(cè)試過程中即使介質(zhì)長(zhǎng)度增長(zhǎng)到10 m依然能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，完全能夠滿足長(zhǎng)線傳輸?shù)男枰?/p>

經(jīng)過多次試驗(yàn)，本CO2傳感器模塊能夠較為準(zhǔn)確的反應(yīng)出所在環(huán)境中CO2濃度的變化，且反應(yīng)時(shí)間為3 s左右，如圖7所示。

圖7 傳感器模塊響應(yīng)時(shí)間測(cè)試曲線

圖8是傳感器校準(zhǔn)時(shí)傳感器電壓隨時(shí)間變化曲線，傳感器開始加熱工作105 min后傳感器輸出數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，該穩(wěn)定值的平均值可作為基準(zhǔn)電平。

圖8 傳感器模塊校準(zhǔn)時(shí)輸出電壓曲線

圖9是在一個(gè)六個(gè)人房間內(nèi) （7 m×5 m×3.5 m）CO2濃度隨時(shí)間變化的曲線，可看出人在房間內(nèi)待的時(shí)間越長(zhǎng)，房間內(nèi) CO2濃度越高，4.5 h后到達(dá)3 500 ×10－6左右的穩(wěn)定值。

圖7所示曲線為使用碳酸飲料空瓶（CO2含量＞1%）作為CO2發(fā)生源測(cè)試傳感器模塊響應(yīng)時(shí)的CO2濃度隨時(shí)間變化曲線，左側(cè)虛線表示碳酸飲料瓶靠近傳感器的時(shí)刻，右側(cè)虛線表示碳酸飲料瓶遠(yuǎn)離傳感器模塊的時(shí)刻，反映出本模塊的響應(yīng)時(shí)間在3 s左右，且由低濃度向高濃度變化快，高濃度向低濃度變化過程稍長(zhǎng)。但動(dòng)態(tài)過程均小于2 s。

圖9 6人房間CO2濃度變化曲線

綜上所述，本文研究的CO2傳感器模塊精度較高，測(cè)量范圍寬，響應(yīng)時(shí)間短，傳輸距離長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)多傳感器組網(wǎng)，但是預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)，故較適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)工作，適用于CO2濃度監(jiān)測(cè)、生命信息探測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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