基于S3C2410的氢气浓度监测系统设计

摘要：提出一种基于微处理器S3C2410的氢气浓度监测系统设计方案。针对由传感器输出的微弱电流信号，设计了低噪声、高抗干扰的前端信号调理电路，并利用SPI实现了ADC与S3C2410的数据传输。为微处理器S3C2410移植嵌入式Linux操作系统搭建了软件操作平台，完成了监测系统的外围设备驱动程序、数据处理程序以及图形界面程序等软件设计。通过实验验证，该系统具有良好的实时性、稳定性和灵活性，达到了设计要求。
关键词：微弱信号；调理电路；S3C2410；嵌入式Linux；监测系统；AD7888；H2／C-1000

引言
零碳排放的氢燃料作为一种高效、清洁、可再生的能源，得到了国际能源界的广泛认同。氢气也在石油化工、电子工业、食品工业、航空航天工业等领域有了广泛应用。然而，氢气是一种无色无味、携带极不方便、极易泄漏的气体，在室温和标准大气压下，氢气与空气的混合比例达到4．1％～74．1％时遇明火极易爆炸。为了减小使用氢气的安全隐患，开发出一套安全、可靠、灵敏度高的氢气浓度监测系统具有十分重要的意义。

1 系统总体结构设计
采集到的氢传感信号经过低噪声放大电路进行放大处理，并在低通滤波器滤除信号中的高频噪声。然后，经A／D转换器送入ARM处理器S3C2410，ARM处理器再调用应用程序对采集到的数据进行数字处理，最后实时显示浓度值，并在浓度超出限定值时做出报警处理。整个系统框图如图1所示。

2 系统硬件结构设计
本系统中所选氢气传感器为瑞士Membrapor生产的H2／C-1000。它的主要指标有：测量范围O～1 000 mg／m3，最大负载2000 mg／m3，输出信号为30±10 nA每mg／m3，分辨率2 mg／m3，响应时间45 s，温度范围-20～40℃，典型信号漂移2％／月。可见，传感器输出的信号范围为0～40μA甚至nA级的微弱直流信号。这里首先利用I／V转换电路将微弱的电流信号转换为电压信号，再利用后级的差动放大电路将其放大到A／D能采集的电压范围。然后，将其经过二阶低通滤波处理后送入A／D转换器。最后由微处理器S3C2410处理采集到的数值信号。
2．1 微弱信号放大电路
根据弗里斯定理可知，I／V转换引入的外界干扰和噪声，对整个系统性能影响最显著，为此必须选用开环输入电阻高、输入偏置电流小、噪声小的精密运算放大器。这里选用斩波稳零的高精度运放ICL7650，其输入电阻为1012Ω，偏置电流为1．5 pA，输入失调电压为1μV，失调电压温度系数为0．01μV／℃，共模抑制比为130 dB。后级的差动放大选用内部具有三运放结构的仪用放大器AD620AN。它具有共模抑制比高，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小、功耗低，差动输入、单端输出，电压增益由电阻RG确定，且连续可调等优点。系统的前端信号放大电路如图2所示。

输入电流I1进入放大器ICL7650的反向端，输出电压正比于输入电流，电压U1=I1R2。为防止产生高频振荡，在电阻R2上并接了电容C1。R1为ICL7650的限流保护电阻。经过I／V转换后的电压信号U1和R4上所分得的电压一起，作为差动输入进入仪用放大器AD620AN，它的放大倍数仅由电阻RG(即R6)决定，增益公式为G=(49．4 kΩ／R6)+1。由于R4上所得的电压为一恒定值，而U1会随着输入信号的变化而变化，那么AD620AN的输出端电压信号U2即包含了一定的基底电压和被测信号量，对其进行滤波采样后，进行处理，可以从中分离出需要补偿的基底电压，得到实际的被测信号。由于基底电压是缓变的直流信号，在一定的时间(min级)内为定值，因此可以忽略处理时间(ms级)，保证实时动态补偿。电路中的R3和R5与G2组成低通滤波电路，可以防止高频噪声进入放大器，减小噪声干扰。
2．2 滤波电路
经过放大后的直流信号附有噪声干扰，对于传感器信号滤波最常用的是RC有源模拟滤波器，即用运算放大器和电阻、电容构成，具有结构简单、调整方便、成本低的特点。因此采用由2个2阶巴特沃斯有源滤波电路级联构成的截止频率为50 Hz的4阶巴特沃斯低通滤波器。
2．3 ADC与微处理器接口电路
氢气传感器输出信号频率一般都远小于1 kHz。根据香农采样定理可知，采样频率至少要大于信号最高频率的2倍。另外，为了满足最小2 mg／m3的分辨率，这里采用美国ADI公司推出的一款高速低功耗串行12位8 通道A／D转换器AD7888。它是单电源工作，电压VDD范围为2．7～5．25 V。AD7888有2．5 V的片内基准电压，也可以使用外部基准电压，范围从1．2 V到VDD。模拟输入电压从O到VREF，采样频率可高达125 kHz，可与多种串行接口(SPI／QSPI／MICROWIRE／DSP)兼容。
本监测系统的核心处理器是三星公司推出的16／32位RISC处理器S3C2410。它为手持设备和一般应用提供了低价格、低功耗、高性能的小型微控制器解决方案。S3C2410提供了丰富的内部设备：分开的16KB的指令Cache和16 KB的数据Cache，MMU虚拟存储器管理，LCD控制器，支持NAND Flash系统引导，系统管理器，3通道UART，4通道的DMA，4通道PWM定时器，I／O端口，RTC，8通道10位ADC和触摸屏接口，I2C总线接口，USB主从机，USB设备，SD主卡和MMC卡接口，2通道的SPI以及内部PLL时钟倍频器等。
该系统利用SPI实现A／D转换器与ARM处理器的数据传输，其接口电路如图3所示。SPlCLK0为SPI串行时钟信号，SPIMISO0和SPIMOSI0数
据引脚用来发送和接收串行数据。nSS0作为SPI的片选信号，低电平有效。