（電路與系統(tǒng)專業(yè)論文）基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng)[電路與系統(tǒng)專業(yè)優(yōu)秀論文].pdf

浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 摘要 隨著現(xiàn)代集成電路速度和處理能力的提高，使得把嵌入式芯片應用予混合氣 體識別系統(tǒng)中成為可能。論文在簡單的介紹了經(jīng)典氣體識別技術和嵌入式系統(tǒng)的 特點之后，分析了氣體識別技術的發(fā)展現(xiàn)狀和在嵌入式系統(tǒng)中應用的可能，根據(jù) 兩者的應用特點提出了基于無線傳輸?shù)臍怏w識別系統(tǒng)的設計方案。 論文中提出的系統(tǒng)集數(shù)據(jù)采集，傳輸，識別，存儲于體。該系統(tǒng)的主要功 能是數(shù)據(jù)采集模塊把氣敏傳感器的輸出通過無線模塊傳輸給識別模塊，經(jīng)過訓練 的識別模塊基于當前數(shù)據(jù)把目標氣體判斷為已知氣體( 訓練過的) 或者未知氣體。 由于采集和識別模塊的分離，使得該系統(tǒng)既可以應用一般要求的場合，也可以用 于環(huán)境惡劣或者危險的場合。 該系統(tǒng)采集模塊采用帶8 路a d 轉(zhuǎn)換器的中央控制器，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和傳 輸。識別模塊的處理器選擇了基于a r m 7 t d m i 的a r m 處理器，主要用于神經(jīng) 網(wǎng)絡的訓練和氣體的識別。 最后論文設計實現(xiàn)了采集模塊和處理模塊的軟件。通過在采集模塊粗略地提 取特征，簡化傳輸數(shù)據(jù)提高了無線傳輸?shù)男?；針對?jīng)典b p 網(wǎng)絡收斂速度慢， 容易產(chǎn)生振蕩的缺點識別程序設計中加以了改進。 關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，混合氣體識別，b p 神經(jīng)網(wǎng)絡，無線傳輸 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) a b s t r a e t w i t ht h ei m p r o v e m e n to f t h es p e e da n dp r o c e s s i n gc a p a b i l i t yo f i n t e g r a t e dc i r c u i t s ， i ti sf e a s i b l et oa p p l yt h ee m b e d d e dc h i p si n t om i x e dg a sr e c o g n i t i o ns y s t e r n s a f t e ra b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ec h a r a c t e r i s t i c so fc l a s s i cg a sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g ya n d e m b e d d e ds y s t e m s ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e v i e w e dt h ec u r r e n ts t a l l l so f t h eg a sr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g ya n da n a l y z e dt h ef e a s i b i l i t yo fa p p l y i n gt h i st e c h n o l o g yi n t oe m b e d d e d s y s t e m s a c c o r d i n gt ot h e i ra p p l y i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，ag a sr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e d o nw i r e l e s st r a n s m i s s i o nw a sp u t 鼬a r d l t h eg a sr e c o g u i t i o ns y s t e mp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sd a t aa c q u i s i t i o n m o d u l e ，w i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ，r e c o g n i t i o nm o d u l ea n dd a t as t o r a g em o d u l e t h ed a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ec o n v e r t st h eo u t p u t so fg a s 副奠i s o ri n t od i g i t a lv a l u e s w h i c ha r et r a n s m i t t e dt ot h er e c o g n i t i o nm o d u l ev i aw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e t h e nt h et r a i n e dr e c o g n i t i o nm o d u l ec a ni d e n t i f yt a r g e tg a sa st h ek n o w ng a so r n n k n o w ng a sb a s e do nt h ec u r r e n td a t a d u et ot h es e p a r a t i o nb o t w e e nd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l ea n dr e c o g n i t i o nm o d u l e , t h es y s t e mi ss u i t a b l et ob ea p p l i e di n h a r s ho fd a n g e r o u sc o n d i t i o n sa sw e l la sc o m m o nc o n d i t i o n s m c uw h i c hi n t e g r a t e sa n8 - c h a n n e la dc o n v 釀e ri su s e di nt h i ss y s t e mf o rd a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n aa r mp r o c e s s o rb a s e do na r m 7 t d m i i su s e df o rt h e t r a i n i n go f n e u r a ln e t w o r k sa n dg a sr e c o g n i t i o n ， 弛a 1 堍t h es o f t w a r ef o ra c q u i s i t i o nm o d u l ea n dr e c o g n i t i o nm o d u l ew a sd e v e l o p e d t oi m p r o v et h ew i r e l e s st r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y , s o m ec h a r a c t e r sw a se x t r a c t e di n a c q u i s i t i o nm o d u l e i na d d i t i o n , t h es o f t w a r em o d i f i e st h eb pn e u r a l - n e t w o r kt o i m p r o v e d i t sd i s a d v a n t a g e ，s u c ha sc o n v e r g e n ts p e e dt o os l o w , e a s i l yo s c i l l a t e d k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t v m , m i x e dg a sr e c o g n i t i o n , b pn e u r a l - n e t w o r k , w i r e l e s s u a n s m i s s i o n 2 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 1 1 嵌入式系統(tǒng) 第一章緒論 嵌入式系統(tǒng)是指以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、 適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序 等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。它是先進的 計算機技術、半導體技術、電子技術與各行業(yè)具體應用相結合的產(chǎn)物，這一點決 定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的支持集成系統(tǒng)。 由嵌入式系統(tǒng)的定義可知嵌入式系統(tǒng)具有以下特征參數(shù)【m 】： 1 ) 性能：一般就用特征工作頻率來描述，如微處理器的時鐘頻率或者峰值 處理能力，或者是每秒能執(zhí)行的指令數(shù)( m e g ai n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ， s ) 。 2 ) 功耗：工作電壓、工作電流、引腳上的驅(qū)動電流、工作頻率都能反映了 這個特征。 3 ) 可靠性：連續(xù)工作時間是描述可靠性的常用參數(shù)，另外對震動、潮濕、 高溫或低溫等條件的適應能力也反映了其可靠性。零部件的數(shù)量、結構 的復雜性一定程度上也可以用來估計系統(tǒng)的可靠性，越復雜、零部件越 多，越不可靠，所以簡單的總是好的。 4 ) 體積：嵌入式系統(tǒng)的大小和外形一般都要和外部設備的體積和外形相適 應。 5 ) 成本：嵌入式系統(tǒng)的成本總是越低越好。 6 ) 功能：功能不是越多越好，因為功能越多可靠性通常也越差，成本也越 高。功能是嚴格根據(jù)產(chǎn)品的需要來設計的。 7 ) m p u ：采用什么樣的m p u ，由應用的性能要求來決定。m p u 的頻率和 成本都是越低越好，頻率越低，系統(tǒng)可靠性越好。不能簡單的說3 2 位、 4 0 0 m h z 的刪比8 位1 2 m h z 的舡8 9 c 5 1 更好。 8 ) 操作系統(tǒng)：并非所有的嵌入式應用都要操作系統(tǒng)，只有需要多進程管理 5 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 的時候才有必要加載操作系統(tǒng)。 9 ) 用戶界面：用戶界面非常重要，圖形化的用戶界面是大勢所趨。但是復 雜的用戶界面會降低系統(tǒng)性能和可靠性。增加功耗和成本。很多嵌入式 應用中圖形界面會占去一半以上的功耗。 描述上述特征的參數(shù)就叫特征參數(shù)，特征參數(shù)之聞相互制約，需要綜合考慮， 通常會先從性能、功耗、成本這三個角度入手，其他參數(shù)多是對這三個參數(shù)的延 伸。本文在設計系統(tǒng)的過程充分考慮以上各個參數(shù)，以期在設計中達到最優(yōu)化。 1 2 氣體識別的發(fā)展及現(xiàn)狀 目前氣體識別主要分單一氣體識別和混合氣體識別。市場上單一氣體識別儀 的種類很多，般利用傳感器對某一己知氣體的濃度的線性響應進行量的分析， 超過一定閾值就輸出提示信息?；旌蠚怏w的識別系統(tǒng)很少見，但我們?nèi)粘Ｉ钪?許多氣味都是由混合氣體組成的。這不能通過單一傳感器的閾值來識別了，它需 要模擬人類思維和判斷決策過程來識別。目前發(fā)展起來的電子鼻是混合氣體識別 比較有效且比較成熟的理論。 電子鼻 4 1 也稱人工嗅覺系統(tǒng)，是模仿生物鼻的一種電子系統(tǒng)，主要用來分析、 識別和檢測復雜嗅味和大多數(shù)揮發(fā)性化學成分。1 9 6 4 年w i l k e n s 和h a t m a n 利用 氣體在電極上的氧化一還原反應對嗅覺過程進行了電子模擬，這是關于電子鼻的 最早報道。1 9 6 5 年，b u c k 等利用金屬和半導體電導的變化對氣體進行了測量， d r a v i e k s 等則利用接觸電勢的變化實現(xiàn)了氣體的測量。然而，作為氣體分類用的 智能化學傳感器陣列的概念直到1 9 8 2 年由英國w a r w i c k 大學的p e r s u a d 等人提 出，他們的電子鼻系統(tǒng)包括氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)兩部分。其中傳感器 陣列部分山三個半導體氣敏傳感器組成。這一簡單的系統(tǒng)可以分辨按樹腦、玫瑰 油、丁香牙油等揮發(fā)性化學物質(zhì)的氣味。隨后的5 年，電子鼻研究并沒有引起國 際上學術界的廣泛重視。1 9 8 7 年在英國w a r w i c k 大學召開的第八屆歐洲化學傳 感研究組織年會是電子鼻研究的轉(zhuǎn)機。在本次會議上，以g a r d n e r 為首的w a r w i c k 大學氣敏傳感研究小組發(fā)表了傳感器在氣體測量方而應用的論文，重點提出了模 式識別的概念，引起了學術界廣泛的興趣。1 9 8 9 年，北大西洋公約研究組織專 門召開了化學傳感器信息處理高級專題討論會，致力于人工嗅覺及其系統(tǒng)設計這 6 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 兩個專題。1 9 9 1 年8 月，北大西洋公約研究組織在冰島召開了第一次電子鼻專 題會議。電子鼻研究從此得到快速發(fā)展。1 9 9 4 年g a r d n e r 發(fā)表了關于電子鼻的綜 述性文章，正式提出了“電子鼻”的概念，標志著電子鼻技術進入至4 成熟、發(fā)展階 段。 目前對電子鼻的研究主要集中在設計分辨率高、收斂速度快、泛化性好的神 經(jīng)網(wǎng)絡。近二十年的發(fā)展中，出現(xiàn)了各種各樣的神經(jīng)網(wǎng)絡，常見的有反向誤差傳 播神經(jīng)網(wǎng)絡( b p ) ，自組織映射( s o m ) ，徑向基函數(shù)( r b f ) ，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡( f n n ) 和遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡( c 執(zhí)) 等。 1 2 1 經(jīng)典混合氣體識別系統(tǒng) 電子鼻是模擬生物鼻的工作原理【5 川進行工作的。它的工作過程可簡單地歸 納為：傳感器陣列一預處理電路一神經(jīng)網(wǎng)絡和各種算法一計算機識別。電子鼻一 般由氣敏傳感器陣列，信號預處理單元和模式識別單元等三大部分組成，如圖1 1 所示：氣敏傳感器陣列。它相當于哺乳動物鼻子的嗅覺受體細胞， 由具有廣 普響應特性、較大的交叉靈敏度以及對不同氣體有不同靈敏度的氣敏元件組成。 工作時氣敏元件對接觸的氣體能產(chǎn)生響應并且形成定的響應模式。信號預處 理單元。它對傳感器的響應模式進行預加工，完成特征提取的作用；模式識別 單元。它相當于哺乳動物和人的大腦，對信號預處理單元發(fā)出的信號作進一步的 處理，完成對氣體定性和定量的辨識。電子鼻嗅覺氣味的過程可簡示如下： 竺巨亙哥鼉亙亟產(chǎn)匝乎 圖1 1 電子鼻系統(tǒng)的組成框圖 1 2 2 氣敏傳感器陣列單元 在電子鼻中，最重要的部分是相當于嗅覺系統(tǒng)中嗅覺受體細胞的氣敏傳感器 陣列單元，它可以由單個或多個氣敏傳感器組合而成。這些氣敏傳感器要具有廣 普的響應特性，并且對特定種類的氣體具有某種程度的擇優(yōu)響應。目前，己開發(fā) 出了氧化物半導體、固體電解質(zhì)、有機半導體、石英振子、場效應、熱催化、表 7 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 面聲波七種氣敏傳感器及光學氣體傳感器f ”。其中對氧化物半導體氣敏傳感器的 研究最為廣泛和深入。目前已形成以s n 0 2 、z n o 、f e 2 0 3 為主的氧化物半導體三 大體系。圖1 2 是s n 0 2 金屬氧化物氣敏傳感器的基本構造示意圖。 用這些氧化物半導體氣敏傳感器可檢測空氣中有毒有害氣體，包括s 0 x 系 列、n o x 系列、h s 、n h 3 及一些烷烴、醇類和醛類等氣體。由于氣敏傳感器工作 特性的非線性和非單一選擇性，用一種氣敏傳感器來鑒別某種氣體或定量測試混 合氣體的濃度是十分困難的，若把不同響應的氣敏傳感器組成陣列來測量氣味分 趣搬拽子輛o l 麓 ；尹l 一筍 卜圓 丁 加熱電阻t 簸度撩鍘 圖1 2s n 0 2 粒子氣敏傳感器結構示意圖 子，并將測得的數(shù)據(jù)進行如下兩個步驟( 信號預處理單元和模式識別單元) 的處 理，就能用氣敏傳感器準確地進行單一氣體或混合氣體的定性或定量組分分析。 1 2 3 信號預處理單元 信號預處理單元的作用是對傳感器陣列傳入的信號進行濾波、交換和特征提 取，其中最重要的就是特征提取。目前，常用的特征提取方法有相對法、差分法、 對數(shù)法和歸一法等1 9 1 。這些方法既可以處理信號，為模式識別過程做好數(shù)據(jù)準備， 也可以利用傳感器信號中的瞬態(tài)信息檢測、校正傳感器陣列。大量實驗表明，相 對法有助于補償傳感器的敏感性；部分差分模型除了可以補償敏感性外，還能使 傳感器電阻與濃度參數(shù)的關系線性化；對數(shù)法可以使高度非線性的濃度依賴關系 線性化；歸一法則不僅可以減小化學計量分類器的計量誤差，還可以為人工神經(jīng) 網(wǎng)絡分類器的輸入準備適當?shù)臄?shù)據(jù)。由此可見，不同的信號預處理子系統(tǒng)往往與 某個模式識別子系統(tǒng)結合在一起進行開發(fā)，將其設計成一套軟件系統(tǒng)的兩個過 程，這樣可以方便數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并保證模式識別過程的準確性。 8 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 1 2 4 模式識別單元 模式識別是對輸入信號再進行適當?shù)奶幚?，以獲得混合氣體的組成成分和濃 度的信息，即對特征提取后得到的信息進行再處理。電子鼻中常用的模式識別方 法主要有三種：主成分分析法( p c a ) 、偏最t b - - 乘法( p l s ) 和人工神經(jīng)網(wǎng)絡法 ( a n ，其中最常用和有效的方法是人工神經(jīng)網(wǎng)絡法。 隨著神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊理論等新一代信息處理思想的興起，利用基于人工神經(jīng) 網(wǎng)絡的模式識別方法實現(xiàn)多種氣體、特別是混合氣體成分的檢測與識別已成為目 前電予鼻的發(fā)展趨勢。a n n t t 術最大的優(yōu)點就是可以實現(xiàn)復雜的非線性映射， 能較好地解決交叉響應帶來的非線性嚴重等問題。它具有良好的容錯性能，有助 于提高檢測的精度。在神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練中，最普遍的是b p 算法、徑向基函數(shù)法 ( r b f ) 和引入模糊概念的模糊c 均值算法f f c m a ) 。此外，針對b p 算法的學習時間 太長的問題，王平等于1 9 9 6 年開發(fā)了具有側(cè)向聯(lián)想能力和較強識別能力的s o m 網(wǎng)絡，實現(xiàn)了香( 香水) 、臭( 尿氨) 、酸( 鹽酸) 、酒精、汽油、煤油和柴油等7 種典 型氣味的自動識別，平均識別率在9 1 以上。王平、劉曉東等于1 9 9 8 年提出的 基于奇異值分解的人工神經(jīng)網(wǎng)絡動態(tài)構造統(tǒng)一算法，有效地完成了神經(jīng)網(wǎng)絡的動 態(tài)壓縮、擴展和自我修復，實現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡的柔性構造。該算法使電子鼻學習速 度更快，檢測精度更高，可靠性和抗干擾能力更好。 1 2 5 氣體識別技術的發(fā)展趨勢 隨著新型傳感器技術、微細加工技術、納米技術、先進的信號處理算法等 的快速發(fā)展，電子鼻技術出現(xiàn)了跳躍式發(fā)展，近年來取得了一系列可喜的成就； 但與人們的期望還存在著較大距離，因此還有許多研究工作要做。下面就其未來 的發(fā)展趨勢進行扼要的展望。 ( 1 ) 光纖傳感器對氣體化合物的響應形式是光譜色彩發(fā)生變化。傳感器的主 干部分是玻璃纖維，在玻璃纖維的表面敷有很薄的化學活性材料涂層，有極高的 靈敏度。它的缺點是成本較高，使用壽命有限，其設備控制系統(tǒng)較復雜【1 們。 ( 2 ) 電子鼻與人和動物的鼻子一樣，得到的不是被測樣品中某種或某幾種成 分的定性或定量結果，而是樣品中揮發(fā)成分的總體信息。因此，模糊理論和人工 9 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 神經(jīng)網(wǎng)絡等能完成從輸入模式到輸出模式的復雜映射。模擬人的思維過程的信號 處理方法的深入應用是電子鼻技術發(fā)展的必然i l “。 ( 3 ) 傳感器數(shù)據(jù)融合是傳感器技術、模式識別、人工智能、模糊理論、概率 統(tǒng)計等交叉的新興學科【1 2 】。數(shù)據(jù)融合技術能夠充分發(fā)揮各個傳感器的特長，利用 其互補性、冗余性提高測量信息的精度和可靠性，以延長系統(tǒng)的使用壽命，進而 實現(xiàn)識別、判斷和決策。 ( 4 ) 隨著生物芯片( 基因芯片、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片、生物傳感器芯片) 和 生物信息學的發(fā)展，以及生物計算機的出現(xiàn)，電子鼻的功能將逐步增強，將具有 更高級的智能f 戡，能夠進行分析、判斷、自適應、自學習，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造 力，可以完成圖像識別、特征值提取、多維檢測等復雜任務。 1 3 論文的主要研究內(nèi)容 綜上所述，目前的絕大多數(shù)混合氣體識別研究主要是理論研究，特別是神 經(jīng)網(wǎng)絡的研究，嘗試把其中比較成熟的b p 神經(jīng)網(wǎng)絡等應用于嵌入式芯片中用于 識別混合氣體也是很有必要的。同時，隨著現(xiàn)代集成電路開發(fā)能力的提高，嵌入 式芯片的處理速度和能力大大增強，使得把神經(jīng)網(wǎng)絡算法應用于嵌入式芯片中成 為可能。 論文的主要研究內(nèi)容分為硬件和軟件兩個方面：在硬件方面完成m c u 芯片 的選擇，無線收發(fā)芯片的選擇，氣敏傳感器的選擇，電源芯片的選擇。以及這些 芯片之間的接口設計。 其中無線i cr f 9 0 5 為n o r d i c 公司的最新推出產(chǎn)品，它相對該公司原無線i c r f 4 0 1 ，碼率上升了為1 0 0 k b i t s ，并且增加了載波監(jiān)聽功能和c r c 校驗碼，這 樣有利于方便的組建一個無線通信網(wǎng)絡【悼嘲。 在軟件方面主要完成了b p 神經(jīng)網(wǎng)絡的嵌入式化，b 列l(wèi) i 練快速收斂，無線收 發(fā)等。這里實現(xiàn)b p 訓練的快速收斂是程序設計方面的重點。為了使收斂速率足 夠大，又不易產(chǎn)生振蕩，在權值調(diào)整算式中，加入“動量項”；另外針對固定學 習步長存在的弊端，在程序中利用誤差變化率來改變學習步長，以達到快速收斂 的目的。 1 0 浙江大學碩士學位論文 基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 第二章系統(tǒng)整體硬件設計 本系統(tǒng)是將嵌入式芯片應用于混合氣體識別中，集數(shù)據(jù)采集、傳輸、識別、 存儲于一體的系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能是數(shù)據(jù)采集模塊把氣敏傳感器的輸出經(jīng)過 特征提取，然后通過無線模塊傳輸給識別模塊，經(jīng)過訓練的識別模塊基于當前數(shù) 據(jù)把目標氣體判斷為已知氣體( 訓練過的) 或者未知氣體。由于采集和識別模塊 的分離，使得該系統(tǒng)既可以應用一般要求的場合，也可以用于環(huán)境惡劣或者危險 的場合。 因此本系統(tǒng)主要分為數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理三個模塊。 圉凸圈凸曰 圖2 1 核心系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)中的關鍵器件選擇如下：采集部分核心c p u 采用n 公司推出的超低功 耗1 6 位r j s c 混合信號處理器的m s p 4 3 0 f 1 3 5 ，片上集成了8 路1 2 位a d 轉(zhuǎn) 換器、一路s p i ，iy a r t 接口；無線傳輸芯片是挪威n o r d i c v l s i 公司推出的單片 射頻收發(fā)器n r f 9 0 5 ，工作電壓為1 9 3 6 v ，3 2 引腳q f n 封裝( 5 5 r a m ) ，工作 于4 3 3 8 6 8 9 1 5 m h z 三個i s m ( i 業(yè)、科學和醫(yī)學) 頻道；識別部分核心c p u 采用 p h i l i p s 公司推出的基于a r m 7 t d m i 核的精簡指令系統(tǒng)的3 2 位高速微處理器， 它是一款高性能、低功耗、低成本的芯片，帶有2 5 6 k b 內(nèi)部高速f l a s h 存儲器， 具有豐富的外圍接口及通用的i d 接口。 下面將分模塊詳細介紹這個系統(tǒng)的設計。 2 1 數(shù)據(jù)采集模塊 如果說氣敏傳感器陣列對應于生物體嗅覺系統(tǒng)中的嗅覺感受器，那么對氣敏 傳感器陣列產(chǎn)生的信號進行采集和預處理則等同于生物體對嗅覺刺激產(chǎn)生的神 經(jīng)沖動的傳導和整合，這兩部分都是電子鼻系統(tǒng)中非常重要的組成部分，也是本 系統(tǒng)正常工作的基石。 在設計數(shù)據(jù)采集模塊時，我們采用1 1 公司的1 6 位單片機m s p 4 3 0 f 1 3 5 作為 核心。該單片機的最大特點是超低功耗( 典型功耗：2 2 v 及時鐘頻率1 m h z 時活動 t 1 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 模式下為2 0 0ua ：關閉模式下為0 1pa ) ，并且具有低而寬的工作電源范圍 f 1 8 v 一3 6 v ) 。這個特點使其廣泛地應用于便攜式儀表、智能傳感器和實用檢測儀 器等領域中。同時，該片整合了大量的外圍模塊，特別是自帶采樣保持的8 通道 1 2 位2 0 0 k b p s 的a d 轉(zhuǎn)換器和一路可復用為s p i 接口和串行通信接口的通道， 非常適合本模塊設計的要求。數(shù)據(jù)采集模塊的整體框圖如圖2 2 所示： 5 伏 圖2 2 采集模塊框圖 其中傳感器陣列由8 個對不同氣體敏感的傳感器組成，統(tǒng)一由4 3 0 控制加熱 時間；加熱電路的控制信號在處理模塊傳輸采集開始信號后由4 3 0 施加，從而控 制傳感器的工作時間，達到控制功耗的目的；電源部分由4 v 電壓經(jīng)過一系列變 換供電。輸入輸出部分由三個按鍵和兩個發(fā)光二極管構成，主要用于程序調(diào)試和 顯示運行狀態(tài)。 圖2 3 采集模塊原理圖 1 2 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 圖2 3 為數(shù)據(jù)采集模塊整個的s c h 圖。圖中居中的是m s p 4 3 0 f 1 3 5 ；左上為 電源電路部分，左下為a d 前的低通濾波和射極跟隨器；右上是與傳感器陣列 的接口和加熱電路部分，右下是無線傳輸接口和j t a g 接口i 正下為輸入輸出部 分。 2 1 1 電源部分 本系統(tǒng)由于采集部分需要獨立工作，因此需要使用電池，實際電路中使用了 一個大容量的4 v 蓄電池為采集模塊的供電。模塊的電源設計為節(jié)約功耗以3 3 v 為核心，m s p 4 3 0 f 1 3 5 、傳感器工作電壓、無線傳輸?shù)戎饕酒墓╇姸疾捎?3 3 v ，但傳感器加熱必須用5 v 電壓。因此，模塊中需要把4 v 變到5 v ，再由5 v 變壓3 3 v 。圖2 4 中，5 v 電源和3 3 v 電源由m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 和t p s 7 9 3 3 3 電 源調(diào)節(jié)芯片產(chǎn)生。m a x 8 8 6 9 e u e 5 0 是m a x i m 公司的電源調(diào)節(jié)芯片，其輸入為 2 7 5 5 v ，最大輸出電流可達l a ，符合本系統(tǒng)的要求。t p s 7 9 3 3 3 是t i 公司的 產(chǎn)品，物理體積小，而且外圍應用電路簡單。 c 弼 u 圖2 4 模塊電源電路 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 2 1 2 傳感器測量電路 本系統(tǒng)用8 個對不同氣體敏感的氣敏傳感器組成傳感器陣列，以提高對混合 氣體的反應范圍，增加識別的準確性。 具體器件采用了日本f i g a r o 公司的t g s 系列和昆明貴金屬研究所的m q 系 列氣敏傳感頭，它們都是s n 0 2 金屬氧化物半導體傳感器，結構上兩個關鍵部分 是氣體敏感膜和加熱電阻。在清潔空氣中，氣體敏感膜呈現(xiàn)低阻抗；加熱電阻用 以改變傳感器的工作溫度，使其在被測氣體中，讓敏感材料的阻抗隨該氣體濃度 的交化而變化。通過比較簡單的測量電路可以將這種變化轉(zhuǎn)換成電信號輸出，如 圖2 5 所示。 圖中，傳感頭的1 、3 和4 、6 是傳感引腳，2 、5 是加熱引腳。v c 是外部電 壓，最大允許值2 4 v 。v c 電壓的穩(wěn)定性直接影響到傳感電壓v r l 的精度，在設 計中應該考慮使用比較精密的電源。在實際設計中使用的m a x 8 8 6 9 電源轉(zhuǎn)換芯 片，其最大誤差范圍為0 0 5 v ，考慮到傳感頭本身的精度范圍和模數(shù)轉(zhuǎn)換的精 度要求，這個誤差是可以接受的。圖中r l 是一個精密電位器，與傳感器敏感電 阻串聯(lián)，調(diào)節(jié)r l 使分壓輸出v r l 滿足后面模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入范圍( o 3 、，) 。 圖2 5 氣敏傳感器測量電路 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 2 1 3 傳感器加熱電路 在2 1 1 節(jié)中提到m o s 型氣敏傳感頭只有在加熱的條件下，才能對被測氣 體表現(xiàn)出敏感。一般地，在2 、5 引腳間直接聯(lián)入5 0 v _ 0 2 v 的a c 或d c 電壓 即可。但考慮到傳感器的絕大部分功耗都在對其進行加熱過程中了，故為了方便 對氣敏傳感器工作狀態(tài)的控制以達到控制功耗的目的，我們在設計中使用單片機 來控制加熱電路，如圖2 6 所示。 圖2 6 傳感頭加熱電路 圖中所用繼電器為o m r o n 公司的g 5 v - 2 ，5 v 時線圈端( 1 1 6 ) 陡j 阻為5 0 q ， 允許電流為1 0 0 m a ；接觸端( 9 - 1 3 或4 - s ) 允許最大電流為3 0 v d c 時2 a 。該繼電 器負擔了8 路傳感頭的供電，每個傳感頭的加熱電阻按3 0q 計算，接觸端實際 電流為( 5 3 0 ) x 8 = 1 3 a 2 a ，因此是可行的。圖中9 0 1 3 n p n 型三極管用于驅(qū)動 繼電器，當單片機p 1 3 引腳為高電平時，開始對傳感頭通電加熱。當p 1 3 為低 電平時，繼電器的金觸頭處于和l l 腳的常閉狀態(tài)。 2 1 4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 由于傳感器對氣體的響應變化速度不會太快，采樣率可以較低，因此 m s p 4 3 0 f 1 3 5 自帶的8 路1 2 位2 0 0 k b p s a d c 完全夠用了。4 3 0 系列的1 2 位模數(shù) 轉(zhuǎn)換器使用一個l o 位加權電容陣列加一個2 位電阻串列，逐次逼近轉(zhuǎn)換器中的 c m o s 門限檢測器通過檢查一連串二進制加權電容上的電荷，確定每一位。如果 把傳感器的輸出直接與m s p 4 3 0 f 1 3 5 的a d 管腳相連，傳感器的工作過程中的 電阻變化或者一些不可預見的容性變化就會對a d 的采樣產(chǎn)生影響，因此必須 1 5 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 在兩者之間加上隔離級。圖2 7 中，a 肚a 7 為4 3 0 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端，s n o s n 7 為氣敏傳感器的輸出端。每位前面的電阻與電容構成低通濾波器，州3 2 4 是飛 利浦公司生產(chǎn)的集成運放，通過運放負端與輸出連接起來構成射極跟隨器。這樣 使得a d c 的輸入阻抗很大，從而隔離的傳感器輸出端與a d c 的輸入端。 琶髓1 垂睪 1 0 u t4 0 u t lin4in- ! 蘭l l 琳+ 4 i n + 1 2s n 3= 戳ng 并d l la 翻d 2 i m 4 -嬲+ 1 0掰2 置磐十 盈n 3 瑚- 船 2 0 u t3 0 i r i _ 吾翟 t 羹。1i2 l o u t4 0 t u n 一4 l h 一 一哪土 1 i n + 4 琳+ 1 1 g i c d v c c 1 1 g n d 10$n6k g i n 43 i n + 7 髓十 盈n 3 瑙 耵 u t3 0 u t - i “ 一 2 1 5 無線模塊接口 圖2 7a d 轉(zhuǎn)換的隔離級 在本模塊中，通訊接口主要是無線傳輸接口，一個h e a d e r7 2 的接插件。 其中四個管腳是標準的s p i 接口，與m s p 4 3 0 f 1 3 5 的s p i 口相連；三個管腳控制 無線傳輸模塊的工作模式，三個管腳是無線模塊的狀態(tài)輸出，這六個管腳都與 m s p 4 3 0 f 1 3 5 的通用i o 口相連。 2 2 氣體識別模塊 識別模塊主要包括：核心c p u 模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、輸入輸出模塊、通訊 接口模塊、電源模塊等幾個模塊，圖2 8 是一個簡化的模塊示意圖。 核心部分由c p u 、數(shù)據(jù)f l a s h 、s r a m 等部分組成的最小系統(tǒng)，它是整個 應用系統(tǒng)的核心，負責系統(tǒng)的啟動、數(shù)據(jù)接受及處理、結果的存儲、與p c 數(shù)據(jù) 1 6 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式蒼片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 圖2 8 系統(tǒng)模塊電路示意圖 的交換，同時也是人機界面的橋梁。具體的硬件設計見圖2 9 。 輸入輸出模塊由按鍵和l c d 液晶塊組成。l c d 采用菜單模式，方便對系統(tǒng) 的管理。本模塊需要三種電源，分別是1 8 v 、3 3 v 和5 v ，這些都由電源模塊 部分提供。 通訊模塊主要有無線傳輸接口，通過s p l l 口和c p u 通信，接受傳感器數(shù)據(jù) 或向采集模塊發(fā)送命令：r s 2 3 2 串行通信接口，作用主要是將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絧 c 以 及供系統(tǒng)調(diào)試用。 圖2 9 識別模塊的原理圖 1 7 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 圖2 9 為氣體識別模塊整個的s c h 圖。圖中居中的是l p c 2 2 1 4 ；右上為電源 電路部分，右下是各種外設接口，包括是無線傳輸接口、j t a g 接口和串口等； 左上是l c d 接口部分，左下是擴展的s r a m 和串口f l a s h ；左中為輸入輸出 部分。 2 2 1 核心c p u 及存儲器部分 s r a m州c p u 扒 串行f l a s h n ir 枷f u 惦h 圖2 1 0 核心模塊框圖 由圖2 1 0 ，核心部分由c p u 、s r a m 、串行f l a s h 組成，它是系統(tǒng)軟件運 行的硬件平臺，同時也是系統(tǒng)能量消耗的重要組成部分。 在考慮實用性及其功耗等因素下，這里選擇了p h i l i p s 公司的l p c 2 2 1 4 作 為系統(tǒng)的核心處理器。該芯片是基于一個支持實時仿真和跟蹤的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m i s 內(nèi)核的微處理器，并帶有2 5 6 k b 內(nèi)部高速f l a s h 存儲器。1 2 8 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構可以使3 2 位的代碼在最大時鐘速率下運 行。該芯片擁有豐富的外圍接口及通用的i o 接口，方便系統(tǒng)的設計及擴展，同 時也降低了系統(tǒng)設計的成本。該片上系統(tǒng)的功能描述如下： 基于1 6 3 2 位6 4 1 4 4 腳a r m 7 t d m i s 微控制器。 1 6 k 字節(jié)靜態(tài)r a m 。 1 2 8 2 5 6 k 字節(jié)片內(nèi)f l a s h 程序存儲器( 在工作溫度范圍內(nèi)，片內(nèi)f l a s h 存儲器至少可擦除和寫1 0 ，0 0 0 次) 。1 2 8 位寬度接口加速器實現(xiàn)高達 6 0 m h z 的操作頻率。 外部8 、1 6 或3 2 位總線 片內(nèi)b o o t 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程( i s p ) 和在應用中編程( i a p ) 。 f l a s h 編程時間：l m s 可編程5 1 2 字節(jié)，扇區(qū)擦除或整片擦除只需 4 0 0 m s 。 2 個3 2 位定時器( 帶4 路捕獲和4 路比較通道) 、p w m 單元( 6 路 輸出) 、實時時鐘和看門狗。 i s 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 多個串行接口，包括2 個1 6 c 5 5 0 工業(yè)標準u a i 玎、高速1 2 c 接口 ( 4 0 0 k b i t s ) 和2 個s p i 接口。 通過片內(nèi)p l l 可實現(xiàn)最大為6 0 m h z 的c p u 操作頻率。 向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址。 多達4 6 個( 6 4 腳封裝) 或1 1 2 個( 1 4 4 腳封裝) 通用i o 口( 可承 受5 v 電壓) ，1 2 個獨立外部中斷引腳( e 珊和c a p 功能) 。 通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒。 可通過個別使能，禁止外部功能來優(yōu)化功耗。 與刪o 盞甚 囊褳用科唬溺試控臼時，共羽這榮管辨鵝a 帕供它動能捧葶辮用一 2 霞l j ，c 蕊1 2 ，囂h 圖2 1 1l p c 2 2 1 4 內(nèi)部結 1 9 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) l p c 2 2 1 4 在整個系統(tǒng)中主要完成各個模塊的協(xié)調(diào)、= d 的顯示、鍵盤的掃 描、外圍通信接口的管理和神經(jīng)網(wǎng)絡識別算法的實現(xiàn)等任務。l p c 2 2 1 4 集成了 2 5 6 k b 片上的f l a s h ，1 2 8 b i t 的位寬使得f l a s h 運行可以達到c p u 的最高速率， 這使得系統(tǒng)不需要外接專門的程序存儲器，而將代碼直接放置于片上f l a s h 中， 從而簡化了系統(tǒng)，是系統(tǒng)更加緊湊。對f l a s h 存儲器的編程可通過幾種方法來 實現(xiàn)：通過內(nèi)置的串行j t a g 接口，通過在系統(tǒng)編程( i s p ) 和u a r t 0 ，或通 過在應用編程( i a p ) 。 使用在應用編程的應用程序也可以在應用程序運行時對f l a h 進行擦除和 或編程，這樣就為數(shù)據(jù)存儲和現(xiàn)場固件的升級都帶來了極大的靈活性。1 6 k 的高 速片上s r a m 支持8 位、1 6 位和3 2 位訪問，可用作代碼和或數(shù)據(jù)的存儲。在 本系統(tǒng)中作為堆棧、常用變量及中間變量的存儲空間。此外s r a m 控制器包含 一個回寫緩沖區(qū)，它用于防止c p u 在連續(xù)的寫操作時停止運行。 在系統(tǒng)運行時，由于根據(jù)采樣頻率的不同，數(shù)據(jù)規(guī)?？赡鼙容^大，算法實現(xiàn) 時交換的數(shù)據(jù)量也比較大，所以放在外部s r a m 中，根據(jù)要求外部s r a m 選用 了h y a i x 的6 2 8 4 0 0 ，它的容量為8 5 1 2 k 。 外部的串行數(shù)據(jù)f l a s h 用來存放漢字字庫、a s c 碼字庫及圖像識別的結果。 在系統(tǒng)人機交互界面設計中，使用了中文的菜單和提示。漢字點陣庫使用g b 2 3 1 2 標準的1 6 1 6 漢字點陣庫，二進制文件大小為2 5 6 1 ( 。串行f l a s h 存儲芯片 a t 4 5 d b 0 8 1 共有1 m x8 b i t 的容量，其空間分配如下：漢字點陣庫( o 2 5 6 k ) ， 構成神經(jīng)網(wǎng)絡的特征值及已學習的氣體信息等( 2 5 6 k 5 1 2 k ) 。 l p c 2 2 1 4 芯片提供豐富的外部接口，方便系統(tǒng)設計。系統(tǒng)采用l p c 2 2 1 4 自 帶的s p i 總線來連接串行的f l a s h 芯片，在核心系統(tǒng)與其他模塊連接時采用專用 接口與通用i o 口并用的方式，以便達到更高的效率。 l p c 2 2 1 4 的系統(tǒng)存儲地址分配如圖2 1 2 。l p c 2 2 1 4 的外部存儲器控制器 ( e m c ) 提供4 個外部存儲器接口，支持靜態(tài)存儲器映射器件，包括r a m 、r o m 、 f l a s h 、b u r s tr o m 和一些外部i o 器件，可對4 個存儲器組進行單獨配置，每 個存儲器組可包含多達1 6 m 字節(jié)，可對總線寬度進行8 、1 6 、3 2 b i t 進行編程選。 本模塊擴展的5 1 2 k b 的s r a m 與接口一相連。 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 外部i 回帕珊畏口3 外部朐尉揍q 2 ，嘟班珊瑚喏口1 外部艇m 嗾n o 片內(nèi)s r 蛆 保留個片內(nèi)f l e s h 內(nèi)吉陽1 m i h 2 2 2 輸入輸出部分 圖2 1 2l p c 2 2 1 4 存儲地址 0 婦枷0 咖 嘲0 咖 嘲卿 函聊即 西日咖4 咖 阻4 咖啊a 啪2o 咖 口刪哪 系統(tǒng)的輸入輸出主要是按鍵輸入和l c d 顯示輸出組成。在此鍵盤和l c d 構 成了人機對話界面，總共有五個功能按鍵，其中兩個為“上下”方向選擇，兩個 為“確定”和“取消”功能，剩余一個暫留。l c d 采用了1 2 9 x 6 4 圖形點陣型 集成模塊c o m l 2 8 6 4 c b 。 由于按鍵數(shù)量不大，設計上直接占用c p u4 個i o 口，并通過一個電阻拉高， 另一端接地。通過檢測i o 口是否為低電平來判斷是否有鍵按下，因此鍵盤掃描 程序只能采用查詢的方式。 l c d 模塊c g m l 2 8 6 4 c b 集成了l c d 控制器和驅(qū)動電路，所需工作電源電 壓為5 v ，內(nèi)部自帶一1 0 v 負壓用于l c d 的驅(qū)動，顯示內(nèi)容為1 2 9 ( 列) x 6 4 ( 行) 點，與c p u 接口采用8 位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8 條控制線，控制十分簡單， 同時也簡化了應用系統(tǒng)的硬件電路。 c o m l 2 5 6 4 c b 用d d r a m 存貯圖形顯示數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)為l 表示顯示選擇，數(shù) 2 1 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 據(jù)為0 表示顯示非選擇。內(nèi)部d d r a m 圖形顯示存儲器分為左右兩塊，每塊6 4 列，分別由c s l 和c s 2 負責片選，每塊又由8 行組成一頁，總共為8 頁。這樣， 液晶屏上顯示的位置就由片選線+ 列地址+ 頁地址所決定。結合l c d 模塊本身 的顯示命令和顯示地址，就可以在液晶屏上的任何位置顯示任何字符或者符號。 實際硬件連接如圖2 1 3 所示。由于從l p c 2 2 1 4 出來的信號電平為3 3 v ，而 鉑賦三 c s l6 c s 27 躅e 9 l o 1 l 亨們下彳i們lf i = 2 一洲 4 = ：= 二_ 并 k“ 圈2 1 3 液晶屏硬件連接 液晶屏的工作電壓為5 v ，因此需要在二者之間進行電平轉(zhuǎn)換。t c 7 4 l 、，x c 3 2 4 5 是東芝公司的電平轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，它實現(xiàn)3 3 v 與5 v 之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換速度在個位 納秒級，功耗很低，適合本系統(tǒng)的要求。c p u 對l c d 顯示控制通過c p u 的i o 口模擬l c d 模塊接口時序來實現(xiàn)，共用1 5 個i o 口，6 根模擬控制信號時序，8 根用作數(shù)據(jù)線，1 根控制l c d 的背光。具體各接口信號意義如下： g p d 7 g p d o ：8 位數(shù)據(jù)線 d i ：h ：表示g p d 7 g p d 0 為顯示數(shù)據(jù)； l 表示g p d 7 g p d 0 為顯示指令； e ，r ，w ：r 、7 l ，- “h ”，e = “h ”，內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)被讀到g p d 7 g p d 0 ： r , f w = “l(fā) ”，廬“h l ”，g p d 7 g p d 0 的數(shù)據(jù)被寫入l c d 內(nèi)部相應單元； c s l ，c s 2 ：h ：分別選擇右半屏和左半屏顯示； r e s t 復位信號，低電平有效 2 2 3 電源模塊設計 本模塊在設計之初就著重于便攜和低功耗的考慮?；诖?，模塊的電源設計 夔籃攔一 一一一一一一一一” 瑚孵gm掘髓斟撕耵髓粉 咒 g嘲強舡船“舡讎胛蚰 u；i；|；i；1；一 銎粉 岫虻omm毋m耶m盯囂嘲溉“般“舡址盯柚 浙江大學碩士學位論文基于嵌入式芯片的無線混合氣體識別系統(tǒng) 以3 3 v 為核心，核心c p u 等主要芯片的供電采用3 ，3 v ，外圍器件盡量采用3 3 v 。 另一個方面，整個識別模塊工作的主頻率在5 0 m h z 以上，對電源的紋、彼有較高 的要求。 圖2 1 4 是電源模塊的