CN205484178U - 一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，采用氧气传感器来实时采集氧浓度信号，氧气传感器输出信号进入系统内部，经过调理电路后，进入中央控制芯片，数据经过模数转换和处理后，将结果经通信电路发送到PC机，用一个可视化窗口显示出来，同时为中央控制芯片控制执行机构提供数据依据。与现有技术相比，本实用新型的氧浓度检测系统采用高性能的电化学氧气传感器和数字信号处理器DSP作为中央控制芯片，能够实现氧气浓度的实时检测、显示等功能，为植物制氧提供数据支持，具有较高的灵敏性、检测精度和抗干扰性能。

Description

一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种氧浓度检测系统，特别是一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统。

背景技术

西藏边防部队驻地自然环境恶劣，路况复杂，为他们输送氧气极其困难，目前可以通过高原的制氧方法进行制氧，然而根据植物制氧系统的要求，综合考虑西藏自然环境对电气设备的影响，确定氧浓度检测系统应该具备以下技术指标：

(1)氧浓度检测范围为0～30％体积分数。高原上室内氧气浓度有安全体积上限，过高会威胁边防部队官兵的人身和财产安全。青藏铁路客车的供氧系统将车厢内的氧浓度控制在23～25％[73]范围内。研究发现，高原低压环境下室内富氧是有安全氧体积分数上限的，在海拔高度大于1225m时该上限可通过公式(4.1)计算[74]：

Y＝8.28％×exp(H/10.41)+14.69％ (4.1)

式中，H为海拔高度，单位km；Y为安全氧浓度体积上限。海拔3000米时，安全氧体积分数上限为25.733％；海拔6000米时，室内安全氧体积分数为29.42％。海拔6000米以上人类几乎无法生存，而西藏边防部队驻地最高5000多米，因此，氧气检测系统的检测范围定为0～30％。

(2)氧气浓度检测基本误差在±0.3％范围内。海拔4000米地区，室内氧浓度升高0.3％相当于海拔降低100米，而且海拔越高降低的高度越少。因此，±0.3％的误差范围足以满足要求，过高的检测精度没有实际意义且成本较高。

(3)数据处理要快速，误差较小。快速、准确数据处理能够让氧气检测系统及时正确地为植物制氧系统提供氧气数据，以便制氧系统控制环境指标和氧气的输送，达到控制产氧量和为官兵提供富氧空气的目的。

(4)能适应较高的湿度和较小的压力。植物制氧系统地处高原，大气压力小，而且制氧系统内部湿度较高，这就要求氧浓度检测系统的仪器能够适应较小的压力和较高的湿度。

因此，亟待开发一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统。

实用新型内容

本实用新型的目的就是解决现有技术的问题，提供一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统。

本实用新型的目的是通过这样的技术方案实现的：一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，包括氧传感器、信号调理电路、主控制芯片、串行通信电路和PC机，所述氧传感器用于实时采集氧浓度信号，氧传感器输出信号经过信号调理电路进行整形、滤波和放大后，将调理后的信号送入主控制芯片，数据经过A/D转换和处理后，将结果经串行通信电路发送到PC机，PC机用一个可视化窗口显示出来，同时PC机为主控制芯片提供数据依据。

进一步，所述主控制芯片为TMS320F2812型号的DSP，所述TMS320F2812外围电路包括时序电路、电源电路、复位电路及JTAG电路和ADC保护及校正电路。

进一步，所述氧传感器为英国City公司的7OX-V原电池式氧气传感器。

进一步，所述信号调理电路为三个运算放大器LM358P构成的两级放大电路，在U1A、U1B和U2A的反馈回路并联一个100pF的去耦电容。

进一步，所述串行通信电路采用MAX3232芯片。

由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：

本实用新型的氧浓度检测系统采用高性能的电化学氧气传感器和数字信号处理器DSP作为中央控制芯片，能够实现氧气浓度的实时检测、显示等功能，为植物制氧提供数据支持，具有较高的灵敏性、检测精度和抗干扰性能。

本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本实用新型的附图说明如下：

图1为本实用新型的系统结构图；

图2为本实用新型的主控制芯片的外围电路；

图3为本实用新型的信号调理电路；

图4为本实用新型的主控制芯片的电源电路；

图5为本实用新型的主控制芯片的复位电路及JTAG下载口电路；

图6为本实用新型的主控制芯片的时序电路；

图7为本实用新型的主控制芯片的时序电路实现过程图；

图8为本实用新型的主控制芯片的串行通信电路；

图9为本实用新型的主控制芯片的A/D保护电路；

图10为本实用新型的主控制芯片的A/D保校正电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例的一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，包括氧传感器、信号调理电路、主控制芯片、串行通信电路和PC机，所述氧传感器用于实时采集氧浓度信号，氧传感器输出信号经过信号调理电路进行整形、滤波和放大后，将调理后的信号送入主控制芯片，数据经过A/D转换和处理后，将结果经串行通信电路发送到PC机，PC机用一个可视化窗口显示出来，同时PC机为主控制芯片提供数据依据。

由于TMS320F2812有以下主要特点：

1)可通过JTAG口实现在线仿真。

2)采用高性能的CMOS技术：较低的功耗，1.8V的内核电压，3.3V的Flash编程电压和I/O引脚电压，高达150MHZ的CPU主频，6.67ns的时钟周期。

3)高性能的32位中央处理器：采用速度较快的哈弗总线结构形式；32位×32位的乘法累加运算和两个16位×16位的乘法累加运算可在一个周期内完成；通过编程实现对寄存器的操作；中断的响应和处理快速；用C/C++语言及汇编语言编程，操作性较强。

4)存储空间：一个128K×16位的闪存，一个1K×16位的OTP ROM空间，3块4K×16位和1块8K×16位的随机存储器(SARAM)。

5)大小为4K×16位的Boot ROM空间，内含标准的数学函数库和软件启动模式。

6)外部存储器接口：3个独立片选信号，1M×16位的总存储空间，可编程的等待时间和读/写时序。

7)时钟和系统控制模块：内含能够产生时钟信号的片内振荡器和看门狗模块，有动态锁相环倍频功能。

8)3个32位CPU定时器

9)有可以保护Flash/ROM、OTP ROM、SARAM和防止修改或读取系统中的软件程序的128位安全秘钥。

10)先进的仿真模式，可实现断点的实时分析、设置和硬件仿真。

11)低功耗模式和节能模式：可独立禁止/使能各个外设的时钟，支持空闲模式、等待模式以及挂起模式。

12)事件管理器：具有EVA、EVB两个功能完全相同的事件管理器，4个通用定时器，6个捕获单元具有可编程定时采样的功能，6个全比较单元具有可编程死区单元的特性，片内具有正交编码电路，产生4路独立和6对12路互补的PWM波形。

13)串行通信接口SCI

14)ADC模块有12位的理论采样精度，但是实际使用精度只有9位或10位，不过精度可以通过硬件、软件校正来有效提高，并且ADC模块有硬件校正电路；最高转换速率为80ns(12.5MSPS)；16路输入通道；2个采样保持器(Sample—Hold Controller)；具有单一或者级联两种转换模式。

如图2所示，所述主控制芯片为TMS320F2812型号的DSP，所述TMS320F2812外围电路包括时序电路、电源电路、复位电路及JTAG电路和ADC保护及校正电路。

3.3V的闪存电压和1.8V的内核电压是TMS320F2812需要的两种工作电压。TPS767D318作为一款电压精度较高的电源芯片可以满足TMS320F2812电源的敏感性要求。在为TPS767D318芯片输入+5V电压后，芯片起振正常工作，可产生供DSP使用的3.3V和1.8V两种电压，电源电路如图4所示。

专门为TMS320F2812设置复位芯片是没有必要的，因为直接供给DSP芯片使用的复位信号可由TPS767D318芯片自身产生。图4中已经标出了复位信号与F2812芯片的连接方式。在JTAG下载口与DSP相连的端口均采用上拉设计是出于提高其抗干扰性能的考虑，复位电路及JTAG下载口电路如图5所示。

时序电路采用内部振荡器的方式为CPU提供时钟源，时钟电路图如图6所示，使用内部时钟源来实现为CPU提供可变时钟的功能是通过对PLL模块进行编程来实现的。在外部晶振为30MHZ时，对PLL模块进行编程，可为CPU提供在15～150MHZ范围内变动的时钟频率，该功能的实现过程如图7所示。

所述串行通信电路采用MAX3232芯片，电路图如图8所示，TMS320F2812与PC数据传输距离较短，且要实现数据双向传输，因此将SCI模块设计成串口RS232。考虑到F2812有两组SCI通信端口，所以选用符合RS232标准的MAX3232驱动芯片，进行串行通信。MAX3232芯片供电电源为3V～5V，可以直接与3.3V供电的DSP直接相连。除此之外还具有低功耗，高集成度等优点。

由于TMS320F2812内部有16路12位的A/D转换器，模拟电压输入范围为0～3V，但在实际使用A/D模块时不能保证采样信号在输入范围之内。由于A/D模块非常脆弱，输入信号大于3V或者小于0V时可能会损坏A/D端口，使A/D采样端口不能正常工作。因此，给A/D端口增加一个钳位电路，使输入信号保持在0V～3.3V范围内，达到保护A/D模块的目的。保护电路如图9所示。

由于采样存在增益误差和偏移误差，TMS320F2812的A/D采样精度并没有达到12位精度，实际上在采样比较好的情况下只能达到9位精度，要提高精度必须对这两种误差进行补偿。

A/D的增益误差和偏移误差是ADC模块自身存在的，可以采用提供两路精准电压给ADC模块两路采样通道的方法，求得ADC模块的增益误差和偏移误差，用以校正其余14路采样通道。两路校正通道的输入电压信号精度要求较高，因此选用CJ431电压基准芯片产生两路基准电压，提供给两路校正通道(ADCINA0和ADCINB0，即ADC0和ADC8两路采样通道)。校正电路图如图10所示。

从图10可知：

$V_{REF\_A}=\frac{R_{74}}{R_{74}+R_{88}+R_{80}+R_{87}}\×V_{REF}$

$V_{REF\_B}\frac{R_{74}+R_{88}+R_{80}}{R_{74}+R_{88}+R_{80}+R_{87}}\×V_{REF}$

CJ431的V_REF端输出的电压为2.5V，由上述公式可以得到V_{REF_A}的值为0.417V，V_{REF_B}的值为1.667V。由于实际电路中的电阻阻值有差异，因此实际电路中的两路基准电压和理论值会有误差，具体的电压值需要实际测量。当分别将J5、J6短接时，供给ADCINA0通道的是基准电压V_{REF_A}，而供给ADCINB0通道的基准电压为V_{REF_B}。

所述氧传感器为英国City公司的7OX-V原电池式氧气传感器，该氧传感器是两电极紧凑结构，可在极端环境下使用，可以作为便携或者固定应用的微型氧气传感器。

如图3所示，所述信号调理电路为三个运算放大器LM358P构成的两级放大电路，在U1A、U1B和U2A的反馈回路并联一个100pF的去耦电容。图中R₀＝47Ω，R₁＝10KΩ，R₂＝R₃＝270KΩ，R₄＝R₅＝40KΩ，R₆＝R₇＝200KΩ，则闭环差模增益为

$A_{uf}=\frac{U_o}{U_{i2}-U_{i1}}=\frac{R_6}{R_4}(1+\frac{2R_2}{R_1})=\frac{200}{40}\×(1+\frac{2\×270}{10})=275$

若传感器输出信号为0.25mA，则放大电路的输入电压为0.25×47＝11.75mV，放大电路输出U₀＝11.75×10^-3×275＝3.23V，满足DSP对电压的要求。在U1A、U1B和U2A的反馈回路并联一个100pF的去耦电容，起到滤波作用。

从氧传感器输出的信号为0.19～0.25mA，经过调理电路后，转换为相应的电压信号，由集成运算放大器U2A的1引脚，传输至数字信号处理器F2812的ADCINA1引脚。由于电化学氧气传感器的响应时间为15s，在15s内可能传感器的输出会高于3V，为了避免此高于3V电压对DSP的ADC模块的破坏，在首次使用系统时要延迟15s在对数据进行采样。

另外，氧气浓度检测系统在实际使用过程中总会遇到这样或者那样的干扰因素的影响，使其无法达到规定的测量精度，甚至系统的元器件和程序会遭到严重干扰的破坏。比如，一个尖峰干扰会使A/D转换的电平突然升高超过3V，很有可能就把DSP的ADC模块甚至DSP本身烧坏。因此，为了保证检测系统可以稳定可靠地工作，在进行系统设计时必须采取一定的抑制干扰措施。

噪声源、噪声的耦合通道及接收电路是噪声传递的三个基本途径。因此，噪声源的消除或者隔离，接收电路的噪声干扰敏感性的降低，噪声干扰通道的阻碍及切断是硬件抑制干扰的基本思想。在多数情况下需要同时从以上三个方面采取有效地抑制干扰措施，尽可能降低或消除干扰的影响。

(1)消除或者隔离噪声源

内部噪声和外部噪声是噪声的两种来源。其中，系统内部产生的是内部噪声，也可称为固有噪声，接触噪声、散粒噪声和热噪声是其主要表现形式；电子系统外部产生的噪声称为外部噪声，主要有自然界噪声和来自其他设备的噪声三类。针对噪声来源，主要采用以下四个方面来消除或隔离噪声源：

1)信号调理电路的集成运算放大器选择温漂较小、噪声较小、低输入偏流、低功耗电流、低输入失调电压和电流及高共模抑制比的运算放大器LM358P。

2)信号调理电路采用一点接地方法接地，各个接地点分别设置接地线，最后在氧传感器的负极输入端接地点并联接地，可消除因公共阻抗耦合而引起干扰。

3)系统使用数字电源，抑制电源线传入的干扰，防止电网波动影响仪器的正常工作。

4)减少布线的环路面积和两环路的交链面积，接地线要粗。

(2)噪声干扰通道的阻碍及切断

噪声源通过不同的耦合通道可形成不同形式的干扰，一般可将其分为以“路”的形式耦合形成的干扰和以“场”的形式耦合形成的干扰。抑制以“路”形式耦合形成的干扰的方法是切断传输通道，本设计中采用了滤波的方法将干扰信号滤掉。对于以“场”的形式耦合产生的干扰可采取屏蔽及接地的方法加以滤除。具体的方法如下：

1)信号调理电路中氧传感器输出端接一个去耦电容和负载电阻构成无源滤波电路；在三个集成运算放大器的反馈电路中并联一个去耦电容，构成一阶低通滤波器，达到抑制或衰减噪声、干扰等非工信号。

2)在两个集成运算放大器之间增加一条隔离地线，减少相互间的干扰。

(3)接收电路对噪声干扰敏感性的降低

接收电路对噪声干扰敏感性的降低就是从接收电路方面考虑尽量提升对有用信号的敏感性，减少对干扰噪声的敏感性。

为了减少接收电路对噪声干扰的敏感性，硬件设计时考虑了如下方面：

1)提高敏感元器件的抗干扰性能。对于DSP闲置的A/D采样端口，输入引脚不要悬空，要接地。

2)系统中采取适当隔离技术，将模拟电源和数字电源进行隔离，避免产生串扰。同时，对数字地和模拟地分别设置，避免数字地对模拟地或信号源地产生干扰。

3)在满足时间要求的情况下，将DSP的时钟频率尽量降低，选择低速数字电路。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，其特征在于，包括氧传感器、信号调理电路、主控制芯片、串行通信电路和PC机，所述氧传感器用于实时采集氧浓度信号，氧传感器输出信号经过信号调理电路进行整形、滤波和放大后，将调理后的信号送入主控制芯片，数据经过A/D转换和处理后，将结果经串行通信电路发送到PC机，PC机用一个可视化窗口显示出来，同时PC机为主控制芯片提供数据依据。

2.如权利要求1所述的一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，其特征在于：所述主控制芯片为TMS320F2812型号的DSP，所述TMS320F2812外围电路包括时序电路、电源电路、复位电路及JTAG电路和ADC保护及校正电路。

3.如权利要求1所述的一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，其特征在于：所述氧传感器为英国City公司的7OX-V原电池式氧气传感器。

4.如权利要求1所述的一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，其特征在于：所述信号调理电路为三个运算放大器LM358P构成的两级放大电路，在U1A、U1B和U2A的反馈回路并联一个100pF的去耦电容。

5.如权利要求1所述的一种用于西藏边防部队驻地制氧系统的氧浓度检测系统，其特征在于：所述串行通信电路采用MAX3232芯片。