一種用于溫濕度批量自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 引言

在顆粒物檢測系統(tǒng)中，溫濕度參數(shù)的一致性，不僅影響顆粒物檢測設(shè)備間的一致性，還影響顆粒物測量的準(zhǔn)確性^[1]。因此在設(shè)備出廠前需要對(duì)各溫濕度傳感器進(jìn)行一致性校準(zhǔn)。以前溫濕度的校準(zhǔn)采用單點(diǎn)校準(zhǔn)，設(shè)備長期運(yùn)行，溫濕度又會(huì)跑偏，因此本系統(tǒng)采用多點(diǎn)線性擬合校準(zhǔn)。而溫濕度的線性校準(zhǔn)需要對(duì)多個(gè)溫度點(diǎn)和濕度點(diǎn)進(jìn)行測量。如果一次只能同時(shí)測量幾個(gè)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，再手動(dòng)擬合，效率低下，需要投入大量的人工，不能滿足生產(chǎn)的大量需求。為提高溫濕度傳感器的校準(zhǔn)效率，需要同時(shí)對(duì)多個(gè)傳感器進(jìn)行批量校準(zhǔn)，這就需要多個(gè)串口。

目前一般的單片機(jī)最多只有3~4 個(gè)UART，不能滿足同時(shí)校準(zhǔn)的要求。雖然串口的擴(kuò)展可以通過分時(shí)復(fù)用、軟件編程、使用專用芯片等方法解決，但這些方法都會(huì)增加處理器的占用時(shí)間或者增加外圍電路的復(fù)雜程度。針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA 的多串口擴(kuò)展自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，滿足批量校準(zhǔn)系統(tǒng)多串口擴(kuò)展的需求，無需額外的硬件串口擴(kuò)展^[2]。該批量校準(zhǔn)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)處理，自動(dòng)線性擬合，輸出校準(zhǔn)系數(shù)，免去手動(dòng)擬合的麻煩。在提升溫濕度校準(zhǔn)的效率的同時(shí)，也提高了設(shè)備之間數(shù)據(jù)的一致性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

溫濕度批量自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是FPGA 的多串口擴(kuò)展^[3]。圖1 為設(shè)計(jì)的總體框圖。使用FPGA 內(nèi)部的UART IP 核進(jìn)行16 路UART 擴(kuò)展，其中15 路UART接口分別與15 路溫濕度傳感器進(jìn)行通信，15 路通信數(shù)據(jù)通過緩沖寄存器存儲(chǔ)后，由處理器仲裁，經(jīng)另一路UART 上傳至PC 機(jī)。PC 機(jī)程序通過不同幀頭識(shí)別不同通道的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，并分別存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)溫濕度的批量自動(dòng)校準(zhǔn)。

1.1 FPGA的多UART擴(kuò)展

本設(shè)計(jì)選擇的FPGA 型號(hào)為Altera 公司的CycloneII 系列EP4CE6E22C8 芯片。使用FPGA 內(nèi)部的UARTIP 核擴(kuò)展16 路串口^[4]，為與溫濕度傳感器接口相匹配，串行端口采用RS3485 對(duì)UART 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

使用UART IP 核擴(kuò)展串口，方便快捷，可以調(diào)用同一個(gè)IP 核生成模塊使不同擴(kuò)展串口設(shè)置相同的波特率、數(shù)據(jù)位、停止位等，也可以調(diào)用不同IP 核生成模塊對(duì)不同串口設(shè)置不同的波特率、數(shù)據(jù)位等。本設(shè)計(jì)中使用UART IP 擴(kuò)展生成16 路串口，其中15 路串口設(shè)置相同，波特率9 600，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無奇偶校驗(yàn)，它們分別接收對(duì)應(yīng)的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)。另一路串口波特率設(shè)置115 200，與PC 機(jī)相連，傳輸采集到的溫濕度數(shù)據(jù)。

使用Quartus II 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合仿真，圖2 為FPGA 綜合后的資源消耗情況，邏輯單元消耗占整個(gè)資源的33%，還有大量的資源沒有使用。根據(jù)FPGA 可編程器件的特性，只要選用芯片的資源足夠，可以根據(jù)需求擴(kuò)展更多的UART 接口^[5]。

1.2 數(shù)據(jù)的仲裁傳輸

FPGA 串口與PC 機(jī)的數(shù)據(jù)交互采用輪詢的方式。FPGA 的15 個(gè)串口采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在緩沖寄存器中，每個(gè)UART 通道在數(shù)據(jù)接收完成時(shí)，會(huì)產(chǎn)生1 個(gè)接收完成標(biāo)志信號(hào)fl ag。數(shù)據(jù)仲裁模塊由兩個(gè)3-8 譯碼器組成，串口每次接收到PC 機(jī)的數(shù)據(jù)命令時(shí)，會(huì)輪詢每個(gè)UART 通道的接收完成標(biāo)志。如果標(biāo)志為1，代表此通道有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，設(shè)置串口發(fā)送模塊的發(fā)送開始標(biāo)志位，發(fā)送對(duì)應(yīng)通道寄存器的數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)發(fā)送完成，把此通道標(biāo)志位置0。采用輪詢的方式，不會(huì)遺漏每個(gè)uart 通道的數(shù)據(jù)。

2 自動(dòng)校準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)

2.1 PC機(jī)自動(dòng)校準(zhǔn)界面

批量自動(dòng)校準(zhǔn)在PC 機(jī)上實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)的數(shù)據(jù)采集處理程序用C# 編寫^[6]。如圖3 所示，“主界面”顯示各通道的實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)；“設(shè)置”界面可以設(shè)置串口的波特率等參數(shù)，同時(shí)該軟件也支持TCP 傳輸，設(shè)置界面同樣可以設(shè)置IP、端口號(hào)等?！靶?zhǔn)”界面可以初始化內(nèi)部參數(shù)、保存、查詢、校準(zhǔn)KB 參數(shù)等。

圖2 FPGA資源消耗情況

把各通道的溫濕度傳感器一起放入溫濕度控制倉內(nèi)，使用溫濕度控制倉從低到高依次設(shè)置5 組溫度和5組濕度，待每次溫濕度控制倉示值穩(wěn)定后，通過PC 機(jī)發(fā)送命令給FPGA 擴(kuò)展口16 把各通道數(shù)據(jù)輪詢傳送至PC 機(jī)。每組數(shù)據(jù)測量10 次，程序中對(duì)每組數(shù)據(jù)使用中值濾波取平均值^[7]。待所有數(shù)據(jù)測量結(jié)束，分別點(diǎn)擊溫度校準(zhǔn)和濕度校準(zhǔn)，程序自動(dòng)完成每組數(shù)據(jù)的平均和線性校準(zhǔn)。程序界面可以選擇單個(gè)通道的自動(dòng)校準(zhǔn)，也可以選擇所有通道同時(shí)完成自動(dòng)校準(zhǔn)。

2.2 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)處理

PC 上位機(jī)通過FPGA 擴(kuò)展的第16 個(gè)UART，接收所有通道采集的傳感器數(shù)據(jù)，程序通過幀頭判斷數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的通道。對(duì)于每一個(gè)控制倉設(shè)置點(diǎn)，程序自動(dòng)讀取10 組數(shù)據(jù)，并把對(duì)應(yīng)通道的數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)。然后使用中值濾波算法自動(dòng)計(jì)算得到每個(gè)通道10 組數(shù)據(jù)的平均值另外外存。依次把所有控制倉設(shè)置點(diǎn)的數(shù)據(jù)測量結(jié)束，就會(huì)得到5 組溫度值和5 組濕度值的平均值，分別點(diǎn)擊溫度校準(zhǔn)和濕度校準(zhǔn)，程序會(huì)自動(dòng)調(diào)用線性擬合函數(shù)完成15 個(gè)通道的溫度和濕度校準(zhǔn)，點(diǎn)擊“KB 查詢”可以看到當(dāng)前的校準(zhǔn)系數(shù)。如圖4 所示為傳感器出廠校準(zhǔn)得到的校準(zhǔn)系數(shù)，這與之前對(duì)每組數(shù)據(jù)手動(dòng)求平均，再線性擬合，效率得到大幅提升。

圖3 自動(dòng)校準(zhǔn)界面

圖4 校準(zhǔn)系數(shù)查詢

3 數(shù)據(jù)測試與分析

在顆粒物測量設(shè)備中，溫濕度傳感器用于環(huán)境溫濕度和采樣氣體溫濕度的測量。在線顆粒物設(shè)備的濃度與標(biāo)準(zhǔn)的手工設(shè)備相比，會(huì)受到不同地區(qū)、不同季節(jié)氣候的影響，因此設(shè)備顆粒物的濃度需要使用環(huán)境溫度濕度對(duì)其進(jìn)行修正^[8]。同時(shí)溫濕度不一致也會(huì)直接影響各設(shè)備的加熱策略，所以溫濕度的校準(zhǔn)直接影響設(shè)備之間顆粒物濃度的一致性。圖5 和圖6 為兩臺(tái)設(shè)備分別選取26 d 的運(yùn)行數(shù)據(jù)，溫濕度沒有校準(zhǔn)和校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)擬合效果，根據(jù)“環(huán)境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法”^[9]，從擬合系數(shù)系數(shù)看，K 值從1.02 降到了1，兩臺(tái)數(shù)據(jù)的一致性有很大提高。而溫濕度對(duì)顆粒物濃度修正的影響有專門的課題來研究，在此不做詳細(xì)的分析。

圖5 溫濕度未校準(zhǔn)的擬合系數(shù)

圖6 溫濕度校準(zhǔn)后的擬合系數(shù)

4 結(jié)束語

基于FPGA設(shè)計(jì)的多UART擴(kuò)展批量自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了多通道溫濕度數(shù)據(jù)的批量采集，又實(shí)現(xiàn)了批量數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理，自動(dòng)線性擬合校準(zhǔn)，該設(shè)計(jì)已經(jīng)成功應(yīng)用于設(shè)備生產(chǎn)的出廠校準(zhǔn)中，且性能穩(wěn)定。此校準(zhǔn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)思想并不局限于溫濕度的批量校準(zhǔn)，也可以推廣到其他需要批量數(shù)據(jù)采集，批量數(shù)據(jù)自動(dòng)處理的場合，來提高工作效率。

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[9] 環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法[S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）