CN114200863A - 一种用于机动车尾气检测的双mcu实时数据采集控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统及方法，属于光谱采集控制技术领域，所述系统使用两个微控制器作为双核心，通过设计周边电路和利用微控制器内部集成功能模块完成对机动车尾气遥感检测设备中多种类、大体量光谱数据的采集和对每个检测子系统的控制和调节，本发明在控制器设置嵌入式操作系统，根据系统特性合理设置多任务的优先级来保证系统的实时性。应用本发明所述系统，能在45ms内上传一组包含红外吸收光谱、紫外光谱和不透光绿光光强的检测数据，污染气体浓度的检测误差远远低于国家相关法规要求，成本低、可靠高、工作稳定。

Description

一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统及 方法

技术领域

本发明涉及光谱采集控制技术领域，更具体地说，涉及一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统及方法。

背景技术

机动车尾气中主要污染物包括一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO₂)、氮氧化合物(NO_X)、碳氢化合物(HC)和其他微颗粒物。这些污染物对周边环境和人体均存在巨大的危害，为了实现对机动车尾气排放的有效治理，制定机动车尾气识别和控制的标准，机动车尾气污染物检测成为了必不可少的环节。

为了实现对机动车尾气中污染物的有效检测，应用不同检测技术的检测方法应运而生，如：工况法，怠速法，遥感法等。在诸多的检测方法中，采用光谱检测技术的遥感法因为其高检测精度、灵活性以及不影响车辆正常行驶等特性，得到了广泛的应用。

但是遥感法检测机动车尾气时，对于遥感检测设备的实时性要求较高，设备需要在车辆经过后较短的尾气扩散时间内及时获取多种检测光谱，以确保检测结果的准确性，故对机动车尾气遥感检测设备中光谱采集设备的实时性要求较高。

现有用于机动车尾气遥感检测设备的光谱采集系统多数只能针对一路或多路单一类型的光谱进行采集，如果要实现对多种光谱同时采集，则需要对多个系统进行整合，这就会导致成本提高，系统集成性变差，同时对前期设备调试和后期设备检修造成很多麻烦。

中国专利申请，申请号ZL201811186126.7，公开日2019年01月18日，公开了一种多光谱汽车尾气监测装置，包括多光谱检测单元、环境采集单元、车辆信息单元和主控单元；多光谱检测系统生成汽车尾气的红外光谱和紫外光谱；红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器、光谱分析模块、环境采集单元、摄像机、速度检测模块以及加速度检测模块分别与主控单元连接。本发明由红外紫外激光向检测路面发出激光，并由相应的多波段探测器进行成像，形成多光谱图像，通过分析光谱的数据，得到路面汽车的尾气排放数据。同时通过图像识别技术，识别对应的车牌号码，将车牌号码和尾气排放的数据对应，从而完成多辆汽车的尾气自动检测，该方法通过分析紫外光谱和红外光谱的数据，得到路面汽车的尾气排放数据，但是该方案并没有说明详细实现得到数据的方法，也没有具体说明得到哪些气体的数据，以及如何根据所得到数据进行检测和相应；因为机动车行驶速度较快，对于检测数据的响应时间要求很高，否则检测的精度不够。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的机动车尾气遥感监测设备的光谱采集系统只能对单一类型光谱采集问题，本发明提供一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统及方法，它可以实现利用双MCU实现实时光谱采集、传输多种光谱数据并兼顾控制功能的采集控制，系统成本低，可靠性高，响应时间快，检测误差小。

2.技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，包括第一微控制器、第二微控制器、紫外光谱检测单元、红外光谱检测单元、不透光检测单元、校准单元和网络单元；第一微控制器与紫外光谱检测单元和不透光检测单元连接，用于控制紫外光谱检测单元检测紫外光的光谱数据，和控制不透光检测单元检测不透光绿光光强数据；第二微控制器与红外光谱检测单元连接，用于控制红外光谱检测单元检测红外吸收光谱；第一控制器还与校准单元、网络单元和第二微控制器连接。第一微控制器与第二微控制器通讯连接，进行数据的传输。

本发明系统可以实时采集端口输入电压值、紫外光谱信号、红外光谱信号值，并对相关子系统进行控制和参数调整，本发明可以及时上传所有检测光谱给工控机等外部处理设备。系统成本低、可靠性高，集成度高，实时检测的响应时间快，运行稳定。

更进一步的，所述紫外光谱检测单元包括光谱仪；第一微控制器通过USB接口与紫外光谱检测单元连接，第一微控制器为紫外光谱检测单元供电。第一微控制器使用USB接口获取紫外光谱数据的数字信号。

更进一步的，所述红外光谱检测单元包括可调谐半导体激光器、数模转换单元和模数转换单元；第二微控制器通过数模转换单元获取所述可调谐半导体激光器检测到的红外吸收光谱，第二微控制器通过模数单元调节所述可调谐半导体激光器的参数。模数转换单元为14位及以上的并行输出单元，具有可更改的输入范围，允许负电压输入。数模转换单元为12位及以上的并行输入单元，具有两个及以上的输出口，可通过外部控制信号选择需要输出的端口。第二微控制器通过数模转换单元和模数转换单元转换并采集可调谐半导体激光器的连续电压信号，进而实现红外吸收光谱数据的快速获取。

第一微控制器和第二微控制器还通过CN口获取可调谐半导体激光器的挡光信号，进而获取车辆位置信息。

更进一步的，不透光检测单元与第一微控制器内部A/D端口连接，第一微控制器采集不透光检测单元的绿光光强数据。所述绿光光强数据通过电压值表示。

更进一步的，校准单元包括三极管、光耦继电器和校准模块，第一微控制器通过三极管、光耦继电器和校准模块连接校准模块，三极管和光耦继电器用于控制校准模块。

更进一步的，所述网络单元包括以太网模块，第一微控制器通过网络单元与工控机连接。以太网模块可将SPI转换为TCP/IP通信，且具有1KB及以上的数据收发缓冲区。

更进一步的，第一微控制器包括嵌入式操作系统。系统的资源的分配和任务调度由第一微控制器里运行的嵌入式实时操作系统FreeRTOS完成，根据系统特性合理设置多任务的优先级来保证系统的实时性，以确保系统实时性和数据采集的快速性。

本发明包括两个微控制器，实现双核心易购数据的采集和控制，其中，第一微控制器中设置多路A/D转换模块、支持主机模式以及仅总线供电模式的USB模块、两个及以上SPI模块、外部电平上升沿和下降沿变化的判断接口、较高的主频、除上述集成模块接口的额外13个及以上I/O口。第二微控制器与第一微控制器相同，具有良好的兼容性，第二微控制器集成一个以上的SPI模块、外部电平上升沿和下降沿变化的判断接口、包含DSP引擎或具有简单的数据处理能力、除上述集成模块接口的额外30个及以上I/O口。

一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制方法，第一微控制器中的嵌入式操作系统设置任务优先级；第一微控制器和第二微控制连接红外检测单元获取车辆位置信息；第一微控制器调节紫外检测单元光谱仪的积分时间，检测紫外光光谱；第二微控制器通过模数转换单元和数模转换单元获取红外吸收光谱，实现红外吸收光谱数据的采集。

更进一步的，第一微控制器通过网络单元与工控机进行通信，第一微控制器读取工控机的指令并做出相应，完成与工控机的交互。

更进一步的，第一微控制器通过三极管和光耦继电器控制校准单元，对检测结果进行校准。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

本发明方案通过第一微控制器和第二控制器双核心的设置，实现汽车尾气的数据采集和数据控制，第一微控制器通过USB接口获取紫外光谱数据，第二微控制器通过数模和模数转换单元获取红外光吸收光谱，双核心控制器采集异构数据，将不同污染气体的检测集成在一个检测系统中，大大提高检测效率，降低检测成本。

本发明可实现实时检测，使用本发明所述系统在45ms内上传一幅用于检测CO、CO2的红外吸收光谱，一幅用于检测NO、HC的紫外光谱，以及一组8个用于检测不透光度的电压值，本发明系统响应速度快，在保证较高检测效率的同时还能获取更高的检测精度，在机动车尾气遥感检测系统中工作，性能稳定、可靠，气体浓度检测准确。

附图说明

图1是本发明机动车尾气遥感检测的实时数据采集控制系统结构示意图；

图2是本发明FM-TDLAS子系统挡光信号示意图；

图中标号表示：

1、第一微控制器；2、第二微控制器；3、ADC单元；4、FM-TDLAS子系统；5、DAC单元；6、DOAS子系统；7、不透光子系统；8、三极管；9、光耦继电器；10、校准子系统；11、以太网模块；12、工控机。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。

实施例

图1为本实施例的系统结构图，所述系统包括第一微控制器1和第二微控制器2作为双核心，用于应对复杂的光谱传输、系统控制和参数调节。

本实施例第一微控制器1和第二微控制器2分别采用Microchip公司的PIC24FJ256GB210微控制器和dsPIC30F6014A微控制器，本实施例所述的两个控制器芯片均具有良好的兼容性，并可为后续升级省去不必要的麻烦。作为第一微控制器1的PIC24FJ256GB210微控制器内部具有24路的10位ADC，可以确保不透光度检测的精度，作为第二微控制器2的dsPIC30F6014A微控制器内部集成了DSP引擎，可以在必要时对红外吸收光谱做一些初步的信号处理。

如图1所示，所述控制系统包括第一微控制器1、第二微控制器2、ADC单元3、FM-TDLAS子系统4、DAC单元5、DOAS子系统6、不透光子系统7、三极管8、光耦继电器9、校准子系统10、以太网模块11和工控机12。其中，第一微控制器1和第二微控制器2通过内部集成的SPI模块进行通信，用于指令传递和数据传输。SPI信号线少，协议简单，传输速率快，对于提高系统的集成度，以及加强系统实时性均有较大帮助。

第一微控制器1通过USB接口与DOAS子系统6连接，DOAS子系统6主要包括差分吸收光谱光谱仪，第一微控制器1与DOAS子系统6的光源开关连接并实现控制，第一微控制器1内部USB模块采用仅总线供电模式，由第一微控制器1为DOAS子系统6的光谱仪供电。

第一微控制器器1与不透光系统7连接，将八路不透光系统7的电压输出调节在第一微控制器1端口允许输入范围内电压以下，并直连到第一微控制器1芯片模数转换引脚，将需要A/D转换的接口设置为模拟输入引脚，通过A/D输入扫描，系统时钟分频作为转换时钟，转换完成进入中断，进行数据存储的形式获取存储不透光度电压值数字量。

第一微控制器1通过三个I/O口连接三极管8，并通过三极管8和光耦继电器9实现与校准子系统9连接，利用第一微控制器1改变校准子系统10的电气设备的状态。

本实施例还包括网络模块，具体的，第一微控制器1与以太网模块11构成以太网通信平台，用以与工控机12之间进行远距离的指令传递和数据传输。

第二微控制器2通过ADC单元3和DAC单元5与FM-TDLAS子系统4连接，FM-TDLAS子系统4还直接连接第一微控制器1和第二微控制器2。第二微控制器2通过外部的ADC单元3获取FM-TDLAS子系统4输出的红外吸收光谱。外部ADC单元3的周边电路在设计时，需注意使ADC单元3的电压输入范围与红外吸收光谱相适应，以确保采集的红外吸收光谱数据准确不失真，保留原始信息。控制系统的定时器中断，使得第二微控制器2端口电平变化获得方波，作为ADC单元3的工作时钟，系统通过并行口获取采样，将获得的A/D转换结果并存储在第二微控制器2的RAM内。此外，第二微控制器2将FM-TDLAS子系统4需要调整的参数并行输出给DAC单元5转换为具体电压值直接作用于FM-TDLAS子系统4。

FM-TDLAS子系统4的挡光信号示意图如图2所示，在汽车尾气检测时，当没有机动车经过检测系统的时候，采集到的紫外光谱和红外光谱为背景谱；当有机动车经过检测系统，由于机动车的遮挡，系统采集到的紫外光谱和红外光谱均为零；当机动车经过检测系统后的瞬间，检测系统采集到的紫外光谱和红外光谱为吸收谱，通过无车时的背景谱与吸收谱的比较，就可以计算出各种检测污染气体的浓度数据。

第一微控制器1的芯片中设置轻量级开源实时操作系统FreeRTOS，用于进行资源调配，合理地设置任务优先级，本实施例设置的优先级为USB>A/D>SPI，确保获取更准确的数据。对各任务时间进行评估，通过任务设置，保证每轮满足将所有数据采集一次的时间。利用定时器计时中断再读取以太网模块11缓存的形式读取工控机指令做出响应，完成与工控机的交互。

本实施例外部ADC单元3选用14位精度的AD9243，AD9243可以通过周边电路的设计改变可输入范围，本次使其输入范围为-2.5V～2.5V，配合其14位并行输出可以尽可能保留红外吸收光谱的原始信息的同时提高实时性。而DAC单元5选用12位四通道的DAC7625，12位并行输入配合选通端可以在确保调节精度、调节实时性的同时对FM-TDLAS子系统4的多个参数进行调节。

以太网模块11选用W5500模块，通过硬件实现TCP/IP协议栈，一方面使得处理速度得到了较大的提升，另一方面获得更可靠的传输，同时也减轻了处理器处理TCP/IP的负担。W5500内部集成SPI模块，使得其能作为SPI通信从机与PIC24FJ256GB210微控制器进行数据交换。W5500再通过TCP/IP协议与工控机通信用以传递指令和数据交换。

第一微控制器1与DOAS子系统6中光谱仪通信，包括接收光谱仪发送的光谱数据，调节积分时间和传输光谱数据等。

本实施例所述系统实时采集端口输入电压值、USB数字紫外光谱信号、连续的模拟红外光谱信号值、对相关子系统进行控制和参数调整，并且能够及时上传所有检测光谱至工控机等外部处理设备工控机。本发明控制系统成本低，可靠性高，集成度高，可实现快速响应，在汽车尾气的检测控制中运行十分稳定。

检测汽车尾气时，系统使用第一微控制器1和第二微控制器2作为双核心，利用外部高精度A/D进行模数转换并通过连续电压信号采集FM-TDLAS子系统4的红外吸收光谱数据，第一微控制器1使用USB接口与DOAS子系统6的光谱仪通信获取紫外光谱数据的数字信号；本系统采用第一微控制器1内部A/D采集电压值获得不透光子系统7的绿光光强数据，再通过作为以太网模块11的W5500模块与工控机12进行TCP/IP通信。本系统还通过第一微控制器1和第二微控制器2的CN口与FM-TDLAS子系统4的挡光信号连接，用于获取车辆位置信息。第一微控制器1通过三极管8与光耦继电器9控制校准子系统10，通过高精度D/A调节FM-TDLAS子系统4参数。整个工作过程中资源的分配和任务调度由第二微控制器2里的嵌入式实时操作系统FreeRTOS完成，以确保系统实时性。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现，发明中所采用的器件和一些具体技术细节可以视具体机动车尾气遥感检测设备和技术参数要求做相应调整。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，其特征在于，包括第一微控制器、第二微控制器、紫外光谱检测单元、红外光谱检测单元、不透光检测单元、校准单元和网络单元；第一微控制器与紫外光谱检测单元和不透光检测单元连接，用于控制紫外光谱检测单元检测紫外光的光谱数据，和控制不透光检测单元检测不透光绿光光强数据；第二微控制器与红外光谱检测单元连接，用于控制红外光谱检测单元检测红外吸收光谱；第一控制器还与校准单元、网络单元和第二微控制器连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，其特征在于，所述紫外光谱检测单元包括光谱仪；第一微控制器通过USB接口与紫外光谱检测单元连接，第一微控制器为紫外光谱检测单元供电。

3.根据权利要求2所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，其特征在于，所述红外光谱检测单元包括可调谐半导体激光器、数模转换单元和模数转换单元；第二微控制器通过数模转换单元获取所述可调谐半导体激光器检测到的红外吸收光谱，第二微控制器通过模数单元调节所述可调谐半导体激光器的参数。

4.根据权利要求3所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，其特征在于，不透光检测单元与第一微控制器内部A/D端口连接，第一微控制器采集不透光检测单元的绿光光强数据。

5.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，其特征在于，校准单元包括三极管、光耦继电器和校准模块，第一微控制器通过三极管、光耦继电器和校准模块连接校准模块，三极管和光耦继电器用于控制校准模块。

6.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，其特征在于，所述网络单元包括以太网模块，第一微控制器通过网络单元与工控机连接。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制系统，其特征在于，第一微控制器包括嵌入式操作系统。

8.一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制方法，其特征在于，第一微控制器中的嵌入式操作系统设置任务优先级，第一微控制器和第二微控制连接红外检测单元获取车辆位置信息；第一微控制器调节紫外检测单元光谱仪的积分时间，检测紫外光光谱；第二微控制器通过模数转换单元和数模转换单元获取红外吸收光谱，实现红外吸收光谱数据的采集。

9.根据权利要求8所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制方法，其特征在于，第一微控制器通过网络单元与工控机进行通信，第一微控制器读取工控机的指令并做出相应，完成与工控机的交互。

10.根据权利要求9所述的一种用于机动车尾气检测的双MCU实时数据采集控制方法，其特征在于，第一微控制器通过三极管和光耦继电器控制校准单元，对检测结果进行校准。

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