基于CAN總線和MSP430的CO紅外檢測系統設計
張美琪 胡國文 周格倫 魯通
摘要： 設計一種新的檢測系統，選用紅外CO傳感器和MSP430單片機作為核心信號處理電路，結合數字濾波、溫度補償運算．具有檢測濃度范圍寬、使用壽命長等優點。CAN總線通信距離長、可靠性高等特點，通過擴展CAN總線接口使檢測儀具有遠程通信能力，可方便地與監控中心進行對接聯絡，有效降低事故發生率，具有推廣和應用價值。
Abstract：
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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胞缺氧，導致引起中毒窒息。在煤礦井下，CO也是引起瓦斯爆炸的主要氣體之一。CO無論是對工業生產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，《煤礦安全規程》規定，井下作業場所的CO濃度應控制在0．002 4％以下。因此，實時、準確地測出井下CO氣體濃度，對保障煤礦工業安全生產具有重要意義。
目前檢測CO的方法主要有化學法、電化學法、氣相色譜法等。這些方法普遍存在價格高、普適性差等問題，且測量精度較低。這里設計一種新的檢測系統，選用紅外CO傳感器和title="MSP430">MSP430單片機作為核心信號處理電路，結合數字濾波、溫度補償運算．具有檢測濃度范圍寬、使用壽命長等優點。CAN總線通信距離長、可靠性高等特點，通過擴展CAN總線接口使檢測儀具有遠程通信能力，可方便地與監控中心進行對接聯絡，有效降低事故發生率，具有推廣和應用價值。
2 系統組成及硬件設計
該系統由紅外CO氣體傳感器、MSP430單片機、CAN總線接口及遠程監控系統組成。該系統在檢測現場通過單片機處理檢測的數據、控制LCD顯示、聲光報警，同時還配備CAN總線控制器，可以輕松獲取濃度、溫度以及報警記錄等相關信息，實現了智能化的工業現場、遠程同時監控功能。系統的組成框圖如圖1所示。
2．1 傳感器的原理及選擇
每種物質都有特定的吸收光譜(如CO氣體在光波波長4．5μm處有一個極強的吸收峰)，該特性可用于測量?？筛鶕鞣N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。當紅外光通過待測氣體時，這些氣體分子對特定波長紅外光有吸收作用，吸收規律遵循朗泊-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的常數，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氣體吸收后的輻射強度，就可計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．具有抗其他氣體干擾、保養維護簡便、穩定性好、自帶溫度補償、Modbus ASCII協議數字輸出和模擬輸出等優點。適用于泄漏報警、現場施工防護、簡單氣體分析氣體、在線監測、工業過程分析等場合。
2．2 MSP430單片機工作原理及數據處理
MSP430單片機是德州儀器(TI)公司生產的超低功耗Flash型16位單片機。根據系統功能及外圍電路接口要求，選用MSP430F449型單片機，該單片機具有豐富的內部硬件資源；內置的溫度傳感器用于檢測環境溫度，補償紅外傳感器檢測的數據；其內置A／D轉換器用于將傳感器輸出的模擬量轉換為數字量；通過硬件乘法器，實現對被測量的A／D采樣數據進行高速數字濾波和溫度補償等運算。數字濾波法采用去極值平均濾波法。在脈沖干擾較嚴重的場合，如采用一般的平均值法，則干擾將會平均到結果中去，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個數據中的最大值和最小值，再計算(N-2)個數據的平均值，即為去極值平均濾波法。溫度補償的處理方法；傳感器的靜態特性為線性時，則溫度補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(即環境溫度引起的輸出增益)，k為比例系數。
溫度補償公式法的步驟如下：
(1)給定(m+1)個溫度值：T0，T1，T2，…，Tn，…，Tm，測出每一溫度下傳感器靜態特性曲線在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次代數多項式(n<m)
用最小二乘曲線擬合法確定a0，a1，a2，…an。
(3)在測得每一個y值及相應T值時，首先計算出Y值，然后再求出x值
采用數字濾波和溫度補償算法可使測量更精確，受環境溫度影響減少到最小。
2．3 按鍵、LCD顯示及報警系統
按鍵用于設定系統時間、聲光報警值以及對應的CAN總線通信地址等參數，如果按鍵較少采用一端口對應一按鍵，使用捕獲中斷。如果按鍵較多，則可采用行列式鍵盤以節省端口資源。LCD顯示采用LSD12864CT顯示模塊，該模塊由一組行驅動信號IC3及兩組列驅動信號IC2(控制左半屏)和IC1(控制右半屏)組成，其顯示點陣是128x64，可顯示圖形或漢字。其內部集成行、列驅動及顯示器緩沖區RAM的接口，同時硬件可設置顯示屏的結構、數據傳輸方式、顯示窗口的長寬等。MSP430F449內部自帶60 KB Flash用于記錄紅外測量數據超限時刻和對應的設置值，保存CAN接口相關參數。當CO濃度超出設定范圍時，由聲光報警裝置提醒井下工作人員。
2．4 CAN總線接口設計
該系統CAN接口由獨立的CAN總線控制器SJA1000、CAN數據收發器TJA1050組成。SJA1000是獨立CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業環境中區域網絡控制。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實現數據的收發。TJA1050是控制器區域網絡(CAN)協議控制器和物理總線之間的接口，是一種標準的高速CAN收發器。TJA1050可為總線提供差動發送功能，為CAN控制器SJA1000提供差動接收功能。TJA1050提供CAN節點接口，實現CAN總線數據的傳輸。其中CANH和CANL接到外部CAN總線網絡上。MSP430、SJA1000與TJA1050的連接電路如圖2所示。
3 系統軟件設計
系統上電復位后首先初始化，主要包括系統硬件初始化及從MSP430 Flash中讀取CAN相關參數，并進行設置；然后系統進行按鍵掃描：如有鍵按下則進行相應的操作，如設置時間和CO報警濃度值、修改CAN參數、查閱報警記錄等；若無鍵按下，則采集CO濃度并進行軟件處理，軟件處理包括數字濾波和溫度補償，用以校準濃度數據。若CO濃度超限，則聲光報警通知井下工作人員并記錄報警時刻和報警值到存儲器中，若濃度正常則循環檢測并顯示。系統軟件流程如圖3所示。氣體濃度數據的遠程傳輸由CAN總線接口完成。當上位機給該站發送報文時，即要求本站傳送數據時，系統才向上位機傳送數據，這樣可減輕單片機的負擔，降低功耗。因此，CAN通信程序流程大致為：當檢測儀接收到有效的報文時產生接收中斷，在中斷服務子程序中，以CAN報文形式發送C0濃度數據，采用非中斷方式發送報文，具體工作流程如圖4所示。
上位機采用Delphi編寫的Windows下的可視化操作界面。Delphi是一種采用事件驅動方式、面向對象的可視化高級編程語言，該系統的通訊軟件設計采用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、功能比較強大的一種。該控件具有豐富的與串口通信密切相關的屬性及事件，提供對串口的各種操作。通過Delphi的設計可在上位機中直觀顯示當前時間、氣體濃度。通過串口通訊還可執行遠程操作。采用采樣定時器可每隔一段時間刷新顯示的數據，從而及時檢測數據變化。
4 結束語
采用紅外光學傳感器件取代傳統的傳感器．安全性大大提高；結合CAN總線技術，取代傳統的RS232、RS485，大大降低系統開發難度，縮短開發周期。與其他現場總線比較而言，CAN總線具有通信速率高、易實現、性價比高等特點。采用TI的MSP430單片機，有較多的集成外設，降低了開發難度，且具有超低功耗。有利于節約能源。
所設計的紅外CO檢測系統，檢測氣體濃度范圍寬、設備維護性好。利用MSP430F449的低功耗特性及其內部集成的A／D轉換器、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，系統既可在現場顯示實時數據，又可實現儀器的遠距離、高可靠性地通信功能和遠程監控。因此，該系統具有很好的應用前景。
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