引言

近年來，隨著微電子技術、自動控制技術、電力電子技術、通信技術和智能化技術的迅速發展，瓦斯檢測技術得到大力研究和開發。為開發新一代微處理器控制的智能化瓦斯檢測報警儀創造了條件。本次設計的瓦斯檢測儀是采用了以ARM微處理器為核心的智能檢測控制設備，它不僅采用20世紀90年代國際先進的單片機微處理技術，還具有下列特點：

①集瓦斯檢測、時鐘顯示于一體；

② 實現了自動調零和校準；

③采用儀用放大器，可自動轉換量程，提高了測量精度，測值報警準確；

④采用USB通信接口實現采集數據上傳，具備通信功能；

⑤采用大容量FLASH作存儲體，可存放上萬檢測數據；

⑥ 采用按鍵實現功能選擇和數據輸入，操作簡單，便于使用；

⑦采用本安型電源，實現充電自控管理。

1 引入嵌入式實時操作系統μCIOS—II的意義

智能瓦斯檢測設備集各種功能于一身，不僅要實現瓦斯濃度的數據采集、控制報警等基本功能，而且還要實時顯示檢測數據、隨時接受鍵盤輸入。除此之外，還要具有友好的人機界面以及上傳數據等通信功能。如果采用傳統的順序結構編程思想，將很難保證數據采集的實時性要求，無法對各個對象的實時信息以足夠快的速度處理并做出快速響應.

其程序設計的復雜性也將大大提高，不利于程序的后期維護和修改。而實時操作系統能對運行情況的最好和最壞等情況作出精確的估計。其實時性要比前后臺系統要好得多，系統能及時響應外部異步事件的請求，在規定的時間內完成對該事件的處理，并控制所有實時任務協調一致地運行。

本次從實際情況出發，選擇μC/OS—II作為實時操作系統，讓它管理各個應用程序，達到優化系統資源的目的。

2 硬件設計

2.1 手持瓦斯檢測儀的組成和工作原理

手持瓦斯檢測儀的原理框圖如圖1所示。

工作時，瓦斯濃度經檢測單元轉化為電信號，再經過運放單元的放大調理，然后送入CPU的模數轉換模塊；CPU根據A/D轉換的結果進行邏輯分析判斷，和預先設計的報警閾值進行比較，若超出閾值則進行聲光報警。而后可通過鍵盤的操作實現檢測地點的輸入、檢測數據的存儲和系統參數的設置等功能。檢測的濃度、檢測時間、輸入的地點、相應功能界面等數據參數通過LCD顯示出來。各種數據通過鍵盤進行設定，并保存在FLASH中，隨時可進行更改和查看。檢測儀還可以通過USB通信協議和Pc機雙向通信，實現歷史數據的傳輸、濃度變化態勢的分析等功能。電源單元為以上各個單元模塊提供能量。

2.2 關鍵電路單元設計

2.2.1 檢測單元

檢測單元電路也就是傳感器電路，由催化元件和電阻組成的橋路，實現濃度非電信號轉化為電信號功能。其檢測原理為：利用敏感元件（俗稱黑白元件）對瓦斯的催化作用使瓦斯在元件表面上發生無焰燃燒，放出熱量使元件溫度上升，增加了敏感元件鉑絲的電阻值，通過惠斯登電橋測量電路，可以測量其敏感元件電阻值變化量。

2.2.2 運放單元

運放單元由放大電路和量程轉換電路組成，實現信號放大、調理和量程轉換功能。如圖2所示。

2.2.3 鍵盤單元

本次設計中采用專用的鍵盤接口芯片ZLG7290。ZLG7290采用I2C串行接口，提供鍵盤中斷信號，方便與處理：器連接，可采用多達64個按鍵，可檢測每個按鍵的連擊次數，具備鍵盤去抖處理、雙鍵互鎖處理、連擊處理和功能鍵處理等功能。具體的連接電路圖如圖3所示。

2.2.4 顯示單元

顯示單元是實現人機交互的一個重要手段，本次設計中采用液晶顯示屏實現人機交互。本次設計使用的MG12864A點陣圖形液晶模塊的點像素為128×64點。黑色字，白色底，STN液晶屏，視角為6：00，內嵌控制器為ksO107/ks0108，外部顯示存儲器為32K字節。采用8位總線接口與微控制器連接，內部集成了負壓DC—DC電路，使用負壓DC—DC電路，使用單5 V電源。

2.2.5 存儲單元

由于LPC2210微控制器沒有片內程序存儲和數據存儲，根據系統的需要，必須設計存儲系統。本次設計通過微控制器的外部總線接口來實現，采用SST公司的CMOS多功能FLASH器件SST39VF160，存儲容量為2M字節（容量大小的計算具體詳見軟件部分），l6位數據寬度（即一個字為2個字節），工作電壓為2.7—3.6 V。該芯片采用高性能的Super.

Flash技術（該技術提供了固定的擦除和編程時間）制造而成，與擦除/編程周期數無關。該芯片采用48腳TSOP封裝，十分適合做手持設備的數據和程序積存器。

3 軟件設計

檢測儀的軟件實際主要包括嵌入式實時操作系統內核設計、用戶應用程序設計、通信程序3部分。

3.1 總體設計思想

軟件系統引入嵌入式實時操作系統μC/OS—II，整個系統都在μC/OS—II的管理下運行。程序設計有別于傳統的順序結構的設計思想，程序雖然有主程序，但主程序并不完成某種特定的功能，而只是對一些軟硬件、實時變量、全局變量以及操作系統進行初始化，并且建立一個任務，然后啟動操作系統而已；最后系統就把CPμ控制權交給操作系統，永遠不會返回主程序。通過操作系統調度，實時采集的外部CH4濃度轉變成的電壓電流信號，并對其進行計算、判斷，輸出控制信號或者報警，實現儀器的檢測功能；而且操作系統實時跟蹤鍵盤輸入時間的中斷，實現輸入功能；實時跟蹤外部USB（或UART0）通信事件中斷，可保持和外部Pc機的通信。

3.2 實時操作系統核心的具體實現

本程序采用實時系統設計方法中的功能內聚和時間內聚方法，根據各個任務的重要性和實時性把應用程序分成9個不同優先級的任務。包括傳感器啟動、AD采樣、數據計算、聲光報警、數據存儲、機器白檢、鍵盤處理、LCD顯示、數據通信、空閑任務等，優先級依次由高到低。任務越重要，實時性越強，其任務優先級就越高，相反就越低。

3.3 USB通信

USB總線主要用于USB設備與USB主機之間的數據通信，特別為USB設備與USB主機之間大量數據的傳輸提供了高速、可靠的傳輸協議。采用飛利普的PDIUSBD12，它是一款性價比很高的USB器件，完全符合USB1.1版規范。PDIUSBD12具有8bit的數據總線接口DATA0～DATA7，片選引腳CS—N以及讀選通引腳RD.N和寫選通引腳WR，N。由此可見，PIDUSBD12的硬件接口和外部存儲器接口很相似，因此，可以當作一片外部RAM芯片來進行訪問。對于工JPc2210微控制器，它的外部數據總線與地址總線是分開的。這時，PDIUSBD12的DATA0一DATA7可以直接與LPC2210的數據總線D0一D7直接相連就可以構成訪問PDIUSBD12的數據總線了。

如圖4所示。

3.4 上位機軟件設計及說明

所設計的上位機軟件是瓦斯報警儀數據管理系統，通過該系統可以方便地將各種實時檢測的數據存儲在上位機的數據庫中（主要數據包括“瓦斯濃度”、“檢測地點”、“檢測日期”及“檢測時間”），上位機的程序設計是通過Visual C++6.0完成的。

該軟件主要由數據通信模塊、數據存儲模塊、數據查詢模塊、數據回顯模塊、數據打印模塊等組成，各自主要完成的功能如下：

①數據采集模塊是利用USB通訊完成，將下位機中的數據（BCD碼的形式）讀出，并保存到數據庫中作為歷史記錄。

②數據存儲模塊是針對數據庫的操作，當采集出下位機中的數據后通過對數據庫一定的編程。將傳上來的數據按即定的格式存儲到數據庫中。

③數據查詢模塊是當存儲了一定的數據后。按所操作的需要進行查詢，將符合條件的記錄重新組合，并顯示出來。

④ 數據回顯將指定數據庫中的信息以2種形式呈現出來。

一種是數據表格的形式；另一種是圖表的形式，該圖表要給人以直觀的感覺，繪出的曲線應符合歷史曲線的要求。

⑤ 數據打印模塊是數據回顯的后續工作，可以將希望分析的表格或圖表打印出來，具體操作由操作人員定。

4 結語

隨著微電子技術的發展，檢測技術的提高，研發小型化、智能化、高性能的瓦斯檢測設備成為當務之急。本設計對便攜式瓦斯檢測儀進行了研究和探討，并已做出成型產品準備用于煤礦瓦斯檢測。