基于SPCE061A的传感器测试系统应用与设计

XJzy · 发表于 2015-10-31 14:19:54

引言

　　近些年来，气敏传感器研究发展迅速，对气敏传感器的测试也越来越普遍。传感器测试主要是为了检测传感器的指标从而判断该传感器是否为合格产品，传感器的性能指标一般包括静态指标和动态指标，静态指标的检测是必需要进行的一道工序。采用传感器自动测试系统可以解决人工检测造成的效率低下、人为造成的误差及操作人员劳动强度大等诸多问题。气敏传感器在工业及日常生活中有着广泛的应用，尤其是可燃气体传感器在防火防爆方面起着举足轻重的作用，这类传感器主要用来测定环境中易燃性气体比如氢气、天然气、瓦斯等的浓度，通常制成报警器用来对空气中的可燃气体浓度进行监控，当浓度超过指标时，传感器就会输出警告信号触发报警装置。传感器的指标检测非常重要，因为一旦指标有偏差，那么传感器将会在非指定浓度误报警，报警过早和过迟都是不可取的。而语音信号是信息的又一主要载体，如果在测量场合能用语音直接报出结果，将给操作人员带来极大方便。为准确快速大量地对气敏传感器进行指标检测，本文采用SPCE061A单片机结合逻辑电路设计出一套测试精度高、速度快、可与计算机通信的多通道气敏传感器测试系统。

　　SPCE061A概述

　　凌阳科技推出的性价比很高的16位单片机SPCE061A，具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境（μ'nsp IDE）。此开发环境支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且提供了语音录放的库函数，可方便实现语音播放、录制、合成和辨识等功能。SPCE061A片内还集成了一个ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而ICE接口不占用芯片上的硬件资源，结合集成开发环境（μ'nsp IDE）用户可以利用它对芯片进行真实的仿真，而程序的下载也是通过该接口进行下载。它具有两个16位通用可编程I/O端口，相当于32个通用I/O口，可以轻易连接并驱动液晶显示模块（LCD），实现字符和图形的显示。

　　SPCE061A性能特点

　　16位微处理器；

　　工作电压：（CPU）VDD：3.0V~3.6V，

　　（I/O）VDDH为3.0V~5.5V；

　　CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz；

　　内置2K字SRAM；

　　内置32K字FLASH；

　　可编程音频处理；

　　晶体振荡器；

　　系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μA/3.6V；

　　2个16位可编程定时器计数器（可自动预置初始计数值）；

　　2个10位DAC（数/模转换）输出通道；

　　32位通用可编程输入/输出通道；

　　14个中断源可来自定时器A/B、时基、2个外部时钟源输入和键唤醒；

　　具备触键唤醒的功能；

　　使用凌阳音频编码SACM_S480、SACM_A2000可以播放压缩的语音资源；

　　锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；

　　32768Hz实时时钟；

　　7通道10位电压模/数转换器（ADC）和单通道声音模/数转换器；

　　声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器，并具有自动增益控制（AGC）功能；

　　具备串行设备接口；

　　具备低电压复位功能和低电压检测功能；

　　内置在线仿真电路接口；

　　具有Watchdog功能。

　　气敏传感器工作原理和系统测试原理

　　气敏传感器主要有半导体式、接触燃烧方式、化学反应式、光干涉式、热传导式、红外线吸收散式等。而半导体气敏传感器应用更为广泛。

　　气敏传感器工作原理

　　半导体气敏传感器由气敏部分、加热丝以及防爆网等构成，它是在气敏部分的SnO2、Fe2O2、ZnO2等金属氧化物中添加Pt、Pd等敏化剂的传感器。传感器的选择性由添加敏化剂的多少进行控制，例如，对于ZnO2系列传感器，若添加Pt，则传感器对丙烷与异丁烷有较高的灵敏度；若添加Pd，则对CO与H2比较敏感。

　　气敏传感器以陶瓷管为框架，外覆一层敏感膜的材料，利用膜两端的镀金引脚进行测量。敏感膜的材料最常用的有金属氧化物、高分子聚合物材料和胶体敏感膜等。它的两个关键部分是加热电阻和气体敏感膜，其结构原理如图1所示。金电极连接气敏材料的两端，使其等效为一个阻值随外部待测气体浓度变化的电阻。由于金属氧化物有很高的热稳定性，而且这种传感器仅在半导体表面层产生可逆氧化还原反应，半导体内部化学结构不变，因此，长期使用也可获得较高的稳定性。原理简介如下：金属氧化物一旦加热，空气中的氧就会从金属氧化物半导体结晶粒子的施主能级中夺走电子，而在结晶表面上吸附负电子，使表面电位增高，从而阻碍导电电子的移动，所以，气敏传感器在空气中为恒定的电阻值。这时还原性气体与半导体表面吸附的氧发生氧化反应，由于气体分子的离吸作用使其表面电位高低发生变化，因此，传感器的电阻值要发生变化。对于还原性气体，电阻值减小；对于氧化性气体，则电阻值增大。这样，根据电阻值的变化就能检测气体的浓度。

系统测试原理

　　作为气体敏感材料的半导体氧化物的气—电转换机理是：在不同气体中，半导体氧化物材料发生的氧化—还原反应不同，从而引起材料电导（电导与电阻互为倒数）的不同变化，使传感器分辨出被测气体。因此，只要能测量出已知气体中气体传感器电导的变化，就可测量出该气敏传感器的性能指标。气敏传感器的测试电路如图1所示，负载电阻RL串联在传感器中，串联回路施加工作电压VC，VF为热丝两端加热电压。在洁净空气中，传感器的电阻RO较大，在负载电阻RL上的输出电压较小；当在待测气体中时，传感器的电阻RO变得较小，则负载电阻RL上的输出电压较大，其电压值与VRL器件的电阻值RO之间的关系如下：

　　（1）

　　式中：为VC测量电压，一般为5V；VRL为负载电压；为RL负载电阻（已知）；RO为元件的电阻值。随着已知气体浓度不同，负载电压产生不同变化，传感器的元件阻值也会产生相应的变化，而根据不同气体环境下元件电阻的阻值，就可判断出该传感器的指标是否符合标准值。

　　系统硬件设计

　　气敏传感器测试系统以测量传感器的电阻值为基础，采用单片机SPCE061A进行数据处理。气敏传感器测试系统如图2所示，由元件测试箱和PC微机两部分组成。元件测试箱主要包括了元件箱和单片机系统两部分。元件箱的主要作用是模拟气敏元件的各种现场使用环境，所有被测传感器就放置在元件板上，可由单片机系统中的电子开关巡回选择。当充入某种浓度气体时，被测传感器的阻值发生相应的变化，引起传感器负载输出电压也发生变化，该电压信号被采样保持后，送入单片机系统进行处理。

　　在单片机系统中选用SPCE061A单片机，其内部具有7通道10位电压A/D模数转换器和两个10位D/A数模转换通道，这样节省电路板面积，简化了硬件电路。使用者只需在软件编程时加入启动A/D转换的指令即可完成操作。为了保持数据采集的准确性，需要进行N次数据采集然后取平均值，即每次采集进来的负载电压VRL经过A/D转换后要送给单片机的算术逻辑单元，同N-1次的A/D转化结果进行取算术平均值运算。把最终结果放到存储区，等待上位机进行数据分析和判断。SPCE061A内部自带两个10位D/A转换通道，对于语音功能的实现，可以利用单片机内部的D/A数模转换器，把事先已设置好的语音信号如“开始测量”、“测量结束”等经过该数模转换通道送到扬声器。

　　图1 气敏传感器结构原理和测试电路

　　图2 测试系统

　　表1 9芯RS232接口

　　图3 主程序框图

　　系统软件设计

　　系统的软件包括下位机的软件和数据分析软件两部分。

　　下位机的软件主要完成对传感器输入信号的采集、存储以及定时，通过RS-232串行接口向PC机发送数据，同时实现语音数据编码处理、存储、解码处理以及D/A转换等功能。下位机主程序框图如图3所示，而中断子程序和语音子程序在此不再赘述。目前RS232是PC与通信工业中应用最广泛的一种串行接口，RS代表推荐标准，232是标识号。RS232采取单端通信传输方式。一个完整的RS232接口有22根线，采用标准的25芯插头座。除此之外，目前广泛应用的还有一种9芯的RS232接口。

　　RS232标准中定义了逻辑1和逻辑0电压级数，以及标准的传输速率和连接器类型。信号大小在正的和负的3V~15V之间。RS232规定接近0的电平是无效的，逻辑1规定为负电平，有效负电平的信号状态称为传号（Marking），它的功能意义为OFF；逻辑0规定为正电平，有效正电平的信号状态称为空号（Spacing），它的功能意义为ON。在RS232标准中规定的设备可以分为数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）两类，这种分类定义了不同的线路用来发送和接收信号。一般来说，计算机和终端设备有DTE连接器，调制解调器和打印机有DCE连接器。本文采用被广泛使用的9芯RS232接口进行数据采集。表1所示为在PC机网络设备中使用的9芯RS232接口的信号和管脚分配。

　　数据分析软件采用Visual C++6.0开发系统，具有一个良好的人机操作界面，可以随时测量和采集传感器的任意参数，并可查看系统任一通道的响应曲线以及历史运行记录。

　　图4是本系统的PC机虚拟仪器中的测量结果和数据分析窗口，其中显示出的8个通道的传感器在正常空气中的元件电阻阻值为RO，当注入两种已知浓度不同的气体时，元件电阻阻值分别为R1和R2，以此可计算出它在这两种情况下的灵敏度。图5是随机抽取的第一通道传感器的响应曲线，它能较全面地反映出某一通道的传感器在设定时间内的输出特性。从图中可看出，第一通道的被测气敏元件在注入已知浓度气体的情况下，在1.7s左右阻值达到稳定，即传感器输出开始稳定。输出特性参数见图5窗口显示数据，可判断、比较该传感器的指标是否符合标准值。

气敏传感器测试系统的语音功能的实现，主要体现在当测量传感器数据的同时，扬声器中会发出语音提示，如“开始测量”、“开始测量电阻RO”、“开始测量电阻R1”、“开始测量电阻R2”、“开始响应曲线绘制”、“复位”等。当测量结束后，系统会播报：“RO测量完毕”、“R1测量完毕”、“R2测量完毕”等。语音播报电路如图6所示。

　　图6 语音播报电路

　　凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出（DAC1、DAC2为SPCE061A单片机的（21）（22）脚），DAC1、DAC2的模拟信号分别通过插件CON3①③管脚输出，由于DAC输出为电流型，所以DAC输出经过SPY0030音频放大，便可驱动喇叭发音，这为单片机的音频设计提供了极大方便，而语音的具体功能主要通过程序来实现。语音处理大致可以分为A/D转换、编码处理、存储、解码处理以及D/A转换等步骤。SPCE061A的开发软件具有一个SACM-LI库，可以将A/D、编码、解码、存储、D/A做成相应的模块，对于每个模块都有其应用程序接口API，在了解每个模块所要实现的功能及其参数的内容后，调用该API函数即可实现语音处理功能。对于常用的SACM_S480和SACM_A2000两种放音算法则要涉及到语音资源的添加问题，即将所需要的WAV文件按照需要的压缩比进行压缩，变成资源表形式在程序中调用。这样，当把录制好的语音文件经过压缩存入存储器后，在程序执行过程中调用该语音模块的API函数即可实现语音输出功能。

　　结束语

　　将SPCE061A单片机应用于气敏传感器测试系统中，并对传感器测试系统进行了设计，实现了传感器测试系统对待测传感器信号的精确测量，满足了使用要求。该系统具有测量精度高、速度快、硬件电路简单等优点，克服了原来使用手工测量精度低、速度慢的缺点。同时，采用了与计算机相连接的方式，操作方便、通用性强、智能程度高，为传感器测试的自动化奠定了良好的基础，对其它同类测试系统的设计开发也有一定的参考价值。