刘敦放(重庆普天通信设备有限公司,重庆400050)煤矿井下环境十分恶劣,随时可能遇到的塌方和煤粉尘大等情况,影响固定报警器检查瓦斯浓度的正常工作。安全检查最可靠的方式是,所有的下井人员人人都随身携带煤矿瓦斯报警器,随时检查井下瓦斯浓度;但仅检查瓦斯浓度往往是不够的,当井下的一氧化碳的浓度升高时对人体也是十分有害的。为了确保下井人员的安全,不仅随时要检查瓦斯浓度,同时也要检查一氧化碳浓度。能同时检查两种
刘敦放
(重庆普天通信设备有限公司,重庆 400050)
煤矿井下环境十分恶劣,随时可能遇到的塌方和煤粉尘大等情况,影响固定报警器检查瓦斯浓度的正常工作。安全检查最可靠的方式是,所有的下井人员人人都随身携带煤矿瓦斯报警器,随时检查井下瓦斯浓度;但仅检查瓦斯浓度往往是不够的,当井下的一氧化碳的浓度升高时对人体也是十分有害的。为了确保下井人员的安全,不仅随时要检查瓦斯浓度,同时也要检查一氧化碳浓度。
能同时检查两种以上有害气体的装置,既要便于携带,又要精确定时检查多种有害气体,这里选用32位ARM微处理器来实现该功能。
利用32位ARM微处理器的优势,可以满足便于携带与精确定时报警的要求。本文将针对精确定时这一问题进行一些探讨。
1 ARM嵌入式随身瓦斯报警器的基本原理
如图1所示,瓦斯报警器主要包括:ARM芯片外部的输入输出部分,ARM芯片内部与外部输入连接的A/D转换部分和与芯片内部与外部输出连接的GPIO部分。
1.1输入输出部分
输入部分:由瓦斯传感器与一个模拟信号放大器通过跳线连接到P0.22引脚,将瓦斯模拟信号送入AIN0模拟输入通道0;一氧化碳传感器与另一个模拟信号放大器连接到P0.23引脚,将一氧化碳模拟信号送人AIN1模拟输入通道1。
输出部分:由P0.17和P0.18引脚通过470 Ω电阻与LED发光告警二极管连接;P0.19引脚通过470 Ω电阻与一个蜂鸣器相连,电阻的作用是分压,以便产生中度蜂鸣告警;P0.20引脚直接与另一蜂鸣器相连,以便产生强度蜂鸣告警。
ARM LPC2103微处理器A/D转换器的特性是:10位逐次逼近式模数转换器;测量范围为0~3.3 V;10位转换时间≥2.44μs;1路或多路输入的Burst转换模式;转换触发信号可选择输人引脚的跳变或定时器的匹配情况;A/D转换器的基本时钟由VPB时钟提供,可编程分频器将时钟调整至4.5 MHz(逐次逼近转换的最大时钟),10位精度要求的转换需要11个A/D转换时钟。
ARM微处理器运行程序在A/D控制寄存器参数的控制下,将AIN0采集到的瓦斯模拟信号送入10位逐次逼近式模数转换器,转换后的数字信号值存入ADDR 0 A/D数字寄存器0。将这一值与瓦斯初告警值、瓦斯中度告警值、瓦斯强度告警值进行比较,在哪一种告警范围,立即进行哪一种告警。
将AIN1采集到的一氧化碳模拟信号送入10位逐次逼近式模数转换器,转换后的数字信号值存入ADDR1A/D数字寄存器1。将这一值与一氧化碳初告警值、一氧化碳中度告警值、一氧化碳强度告警值进行比较,在哪一种告警范围,立即进行哪一种告警。
1.2模拟信号采集通道的选择与设置
从图1可看到,P0.22引脚连接AIN0通道,通过设置ADOCR A/D控制寄存器,选择通道0采集瓦斯浓度信息,并设置转换时钟频率为1 MHz;BURST=0,软件控制转换操作;CLKS=0,使用11clock转换;PDN=1,正常工作模式;START=4,当EDGE选择的边沿出现在MAT0.1时启动A/D转换;EDGE=0,MAT0.1下降沿触发。
P0.23引脚连接AIN1通道,通过设置ADOCR A/D控制寄存器,选择通道1采集一氧化碳浓度信息,设置转换时钟频率为1 MHz;BURST=0,软件控制转换操作;CLKS=0,使用11clock转换;PDN=1,正常工作模式;START=5,当EDGE选择的边沿出现在MAT0.3时启动A/D转换;EDGE=0,MAT0.3下降沿触发。
2精确的定时触发
A/D转换的硬件触发可通过定时器翻转功能触发A/D转换,这样无需CPU干预就能精确地定时触发(这是本文主要讨论的问题)。ARM LPC2103定时器0寄存器结构框图如图2所示。
初始化定时器0时,使定时器0匹配1(TOMR1)每逢第5 s时MAT0.1输出翻转;同时使定时器0匹配3(TOMR1)每逢第10 s时MAT0.3输出翻转。对定时器0设置代码如下:
因对于ADCR A/D转换控制寄存器的START位选择100~111时,MAT信号不必输出到引脚上。对于上述代码初始化定时器需要说明,MAT0.1的START=4即十六进制的100,下降沿触发启动A/D转换。对于MAT0.3的START=5即二进制的101,下降沿触发启动A/D转换器。
怎样精确地定时触发呢?先设置定时器0清零复位(Fpclk=1 s),每隔5 s,定时器计数器TC的值与TOMR1设置值相等时,MAT0.1输出信号翻转;每隔10 s时,定时器0复位。这样在定时器0复位后的第5 s时,MAT0.1输出再次翻转;MAT0.1每隔10 s输出翻转一次,它的精确匹配值是:
Fpclk×10 s(复位时间)-Fpclk×5 s(翻转时间)+Fpclk×5(再次翻转时间)=10 s
因为MAT0.1翻转2次才会有1次下降沿触发A/D转换,采集瓦斯浓度信息定时触发,即可精确地计算出MAT0.1每隔20 s产生1次下降沿,定时触发1次,采集一次新的瓦斯浓度信息。
同理,每隔10 s定时器计数器TC的值与TOMR3设置值相等时,MAT0.3输出翻转,并且定时器0复位。这样在定时器0复位后的第10 s时,MAT0.3输出再次翻转。MAT0.3每隔10 s输出翻转1次,因为MAT0.3翻转2次才会有1次采集一氧化碳浓度信息,即可精确地计算出MAT0.3,也是每隔20 s产生1次下降沿,定时触发1次,产生1次新的一氧化碳浓度信息。这样会给报警留有较长的时间。
上述两段就是通过程序设置,无需CPU干预就能精确地定时触发(是本文主要讨论的问题)。这里的每隔20 s定时触发1次,“20 s”这一数据可根据实际需求修改设定。
3报警服务的实现
数字数据的提取、报警与A/D控制寄存器的设置均可通过中断服务程序来完成。
定时器0为4号中断源,如图3所示,所以需要用中断使能寄存器对4号中断源进行使能。采用向量IRQ中断,需要用VICIntSelect将4号中断源选择为向量IRQ,即第4位置1。然后将中断服务程序地址赋给VICVectAddr0(因为向量通道0是最快的),最后用向量控制寄存器对向量通道0分配中断源并使能。
在初始化定时器0时,将匹配控制寄存器TOMCR赋值;它的二进制赋值是10001000001,即它的十六进制赋值是0x441,每3位设置一个匹配;设置的是当定时器0计数器的值与匹配0寄存器值相等时产生一个中断,当定时器0计数器的值与匹配2寄存器值相等时又产生1次中断,当定时器0计数器的值与匹配3寄存器值相等时定时器0计数器TC清零复位。
TC每次复位后将产生2次中断,产生第1次中断后,中断服务程序将读取A/D数据寄存器ADDR1的值,并提取10位A/D转换的结果(即一氧化碳浓度值);再将这一数据与初告警、中度告警和强度告警值进行比较,满足这3种告警的某一种,就立刻进行声光报警。因A/D控制寄存器ADCR的MAT信号不必输出到引脚上的START位设置是唯一的,中断服务程序还需对A/D控制寄存器ADCR进行设置。设置START=4,当EDGE选择的边沿出现在MAT0.1时启动A/D转换;EDGE=0,MAT0.1为下降沿触发。通过中断服务程序来完成对AIN0通道(即瓦斯浓度信号通道)A/D转换器的启动。
产生第2次中断后,中断服务程序将读取A/D数据寄存器ADDR0的值,并提取10位A/D转换的结果(即瓦斯浓度值);再将这一数据与初度告警、中度告警和强度告警值进行比较,满足这3种告警的某一种,就立刻进行该声光报警。因A/D控制寄存器的MAT信号不必输出到引脚上的START位置是唯一的,因此还需对A/D控制寄存器进行设置。设置START=5,当EDGE选择的边沿出现在MAT0.3时启动ADC转换;EDGE=0,MAT0.3为下降沿触发。通过中断服务程序来完成对AINl通道(即一氧化碳浓度信号通道)A/D转换器的启动。
这样,当TC值与MR0值相等时,响应中断服务进行一氧化碳值判断与告警并设置MAT0.1的启动转换。当TC值与MR1值相等时,设置MAT1输出信号翻转;当TC值与MR2值相等时,响应中断服务进行瓦斯值判断与告警并设置MAT0.3的启动转换;当TC值与MR3值相等时,设置MAT3输出信号翻转并同时TC复位。这样循环往复,可以无需CPU干预就能精确地定时触发,精确地按时进行多个传感器的触发和多个判断告警,即通过中断服务程序实现了有害气体检测告警服务。
结 语
根据上述原理,使用ARM LPC2103芯片,已完成了一个可随身携带的煤矿瓦斯报警器。它能及时检测与显示煤矿、隧道及各种地下工程等环境中的瓦斯(即甲烷)及一氧化碳浓度。当达到有害浓度值时,可进行不同级别的声光报警。
此种报警器不仅适用于煤矿,安装其他传感器后也可用于其他矿山、化工重地、仓库等具有爆炸危险的气体环境中,提高安全监控能力。
将煤矿瓦斯报警器CH4、C20传感器换成可燃气体、甲醛传感器,就可用在厨房和居室,对有害气体的超标情况进行报警。它的用途还可进一步扩展。 |