STM32L476应用开发之八：便携式气体分析仪项目总结

在本次项目中，我们实现的实际上是2套设备：便携式氧气分析仪以及便携式甲烷分析仪。但这两台仪器实际使用的主控板我们是设计了一套，所以主控板是适合于这两个设备的。

1、硬件设计

便携式气体分析仪的功能比较专一，主要涉及数据采集，输出控制、数据交互与显示、数据持久化等，在完成测试的过程中我们的设计也就基本形成了。

（1）模拟量电路

对于模拟量采集前面已经描述过，这次我们需要精度较高的采集有2路，其他的采用单片机自带的ADC就可以了，所以在这里我们只考虑AD7705的电路设计。具体如下：

（2）开关量控制电路

开关量主要用于气路中的电磁阀和气泵的控制，采用继电器输出控制，可以选择输出干触点或者24VDC的湿触点。具体电路如下图：

 

（3）串口通讯电路

串行通讯前面已经有所描述。串行通讯一个采用RS232接口，另一个直接采用TTL方式。采用RS232通讯的电路如下：

 

使用TTL通讯的电路如下：

 

（4）PWM输出电路

PWM是用来控制气路采样气体的流量的，比例调节阀采用24V电源，所以我们采用L6207D驱动电路来实现，如下图。

 

（5）SD卡读写电路

为了设计简便和安装方便，SD卡读卡器我们选择独立的小板。该读卡器与主控板之间的接口采用10Pin的DC3简易牛角座，所以设计连接图如下：

 

2、软件设计

硬件确定后，根据功能需求编写为软件就是一件顺理成章的事情了。软件我们也是按不同的功能模块来设计，在这里我们主要说一说如下几个方面：

（1）模拟量采集操作

模拟量的采集相对简单，就是通过SPI总线操作ADC采样并获取相应的值。硬件配置等再次不用多说，我们主要看一看ADC的操作以及数据获取与转化，并对采集到的数据做滤波处理，滤波的目的是在数据稳定时，避免数据小数点后的微小变化。

/*获取采集的物理量值，并作平滑处理*/
void GetMeasuredValue(void)
{
  float currentValue[2]={-1.0,-1.0};
  CalcMeasuredValue(currentValue);
   if(smoothIndex>=SmoothCount)
  {
    smoothIndex=0;
  }

  aPara.phyPara.o2Concentration=SmoothingFilter(currentValue[0],AD1Value,smoothIndex,SmoothCount,(O2RANGE-O2ZERO),2.0,0.2);
  aPara.phyPara.h2Concentration=SmoothingFilter(currentValue[1],AD2Value,smoothIndex,SmoothCount,(H2RANGE-H2ZERO),2.0,0.2);

  smoothIndex++;
}

/*计算测量值，将AD转换的值转为物理量的对应值*/
static void CalcMeasuredValue(float *newValue)
{
  uint16_t measuredValue=0;

  /*转化通道1的值*/
  ADDA_AD7705_ENABLE();//使能器件
  Delayus(200);
  measuredValue=GetAD7705ChannelValue(Channel1,SPIReadWriteByte,CheckDataIsReady);
  ADDA_AD7705_DISABLE();//片选取消
  newValue[0]=PowerNPolyfit(((float)(measuredValue-AD1Zero)/(float)(AD1Scale-AD1Zero)),ADFactor[0],3)*(O2RANGE-O2ZERO)+O2ZERO;
  Delayms(1);

  /*转化通道2的值*/
  ADDA_AD7705_ENABLE();//使能器件
  Delayus(200);
  measuredValue=GetAD7705ChannelValue(Channel2,SPIReadWriteByte,CheckDataIsReady);
  ADDA_AD7705_DISABLE();//片选取消
  newValue[1]=PowerNPolyfit(((float)(measuredValue-AD2Zero)/(float)(AD2Scale-AD2Zero)),ADFactor[1],3)*(H2RANGE-H2ZERO)+H2ZERO;
  Delayms(1);
}

（2）开关量控制操作

开关量的操作就更为通用一点，我们定义了DI、DO的一般性操作，然后需要操作哪一个DI和DO直接调用就好了。具体的实现如下，使用了HAL库。

/*获取全部DI量状态输入值*/
/*输入参数TargetPin *diPin为需要读取的DI通道列表*/
/*输入参数BOOL *result为读取的通道值返回列表*/
void GetAllDIStatusInput(TargetPin *diPin,bool *result)
{
  DigitalInput DIChannel;
  for(DIChannel=DIChannel1;DIChannel<DIChannelNum;DIChannel++)
  {
    result[DIChannel]=GetSingleDigitalInput(diPin[DIChannel]);
  }
}

/*操作全部继电器DO通道*/
/*输入参数TargetPin *doPin为要操作的DO通道列表*/
/*输入参数BOOL *commands欲写给DO通道的值列表*/
void OperationAllDOChannel(TargetPin *doPin,bool *commands)
{
  DigitalOutput DOChannel;
  for(DOChannel=DOChannel1;DOChannel<DOChannelNum;DOChannel++)
  {
    OperationSingleDigitalOutput(doPin[DOChannel],commands[DOChannel]);
  }
}

（3）数据通讯操作

正如前面硬件设计中提到了，本次需要的串行通讯有2个方面，显示屏和甲烷传感器，我们先来看看如何通过串口向屏发送数据：

/*写数据变量存储器，一次最多允许写47个字，即length<=94*/
void WriteFlashDataToDwinLCD(uint16_t startAddress,uint8_t *txData,uint16_t length,SendDataForDwinType SendData)
{
  /*命令的长度由帧头（2个字节）+数据长度（1个字节）+指令（1个字节）+起始地址（2个字节）+数据（长度为length）*/
  uint16_t cmd_Length=length+6;
  uint8_t cmd_VAR_Write[100];
  cmd_VAR_Write[0]=0x5A;
  cmd_VAR_Write[1]=0xA5;
  cmd_VAR_Write[2]=(uint8_t)(length+3);
  cmd_VAR_Write[3]= FC_VAR_Write;
  cmd_VAR_Write[4]=(uint8_t)(startAddress>>8);//起始地址
  cmd_VAR_Write[5]=(uint8_t)startAddress;//起始地址
  for(int dataIndex=0;dataIndex<length;dataIndex++)
  {
    cmd_VAR_Write[dataIndex+6]=txData[dataIndex];
  }

  SendData(cmd_VAR_Write,cmd_Length);
}

甲烷传感器通讯只在便携式甲烷分析仪中才会用到。它是一种收发单总线的方式，我们前面已经设计了它的通讯电路。这里我们讨论一下它的软件实现，该传感器采用了一种类式于Modbus ASCII的编码格式，所以我们按照其要求编写代码就好了。

/*从非分光红外气体检测模块读取浓度值*/
float ReadConcentrationData(uint8_t moduleAddress,SendByteToNdirType SendByteToNdir,uint8_t * receiveDataBuffer)
{
  uint8_t txData[6];
  txData[0]=moduleAddress;
  txData[1]=ReadRegisterFC;
  txData[2]=0x00;//起始地址高位
  txData[3]=0x0A;//起始地址低位
  txData[4]=0x00;//寄存器数量高位
  txData[5]=0x01;//寄存器数量低位

  NDIR_SendData(txData,6,SendByteToNdir);
//  Delayms(100);                 //延时100毫秒等待处理响应
  uint8_t result[2]={0xFF,0xFF};
  ParseReceiveData(receiveDataBuffer,result);
  uint16_t conc=result[0];
  conc=(conc<<8)+result[1];
  return ((float)conc*0.01);    /*浓度包含2位小数*/

（4）流量控制操作

流量的控制操作其实就是采集流量的实时值，与设定值一起作为输入送给PID控制器。PID控制器的具体实现我们在前面已经测试好了。对于PID控制器的输出，用于计算PWM的占空比，以此来调节阀门开度。具体实现如下：

void PMWControl(void)
{
  uint16_t TimerPeriod = 0;
  uint16_t PWM1Pulse = 0;
  uint16_t PWM2Pulse = 0;
  

  //PID设定值赋值,系统运行时，设定值由屏幕设定，系统不运行时，设定值为0
  if(runningStatus==1)
  {
    vPID1.setpoint=stdSetVolume(FlowRateA,presProcessValue,tempProcessValue);

    vPID2.setpoint=stdSetVolume(FlowRateB,presProcessValue,tempProcessValue);
  }
  else
  {
    vPID1.setpoint=0.0;
    vPID2.setpoint=0.0;
  }

  //PID调节
  PIDRegulation(&vPID1, flowProcessValue1);
  PIDRegulation(&vPID2, flowProcessValue2);

  dutyfactor1=vPID1.result/flowScale1;
  dutyfactor2=vPID2.result/flowScale2;
//计算初始化的频率和占空比
  TimerPeriod = PWMTimePeriod;//计算用于设置ARR寄存器的值使产生信号的频率为17.57 Khz
  PWM1Pulse = (uint16_t) ((TimerPeriod - 1)*dutyfactor1);//计算CCR1寄存器的值在通道1和1N产生50%占空比，用于TIM1
  TIM_SetCompare1 (TIM1,PWM1Pulse);//修改TIM1 PWM占空比
  PWM2Pulse = (uint16_t) ((TimerPeriod - 1)*dutyfactor2);//计算CCR1寄存器的值在通道1和1N产生50%占空比，用于TIM8
  TIM_SetCompare1 (TIM8,PWM2Pulse);//修改TIM8 PWM占空比
}

对于PID控制器前面已经有详细的叙述再次不多说了，该PID控制器的输出既有物理量值也有百分比，可根据需要选择。

（5）数据存取操作

数据存储到SD卡的操作，我们已经在前面封装过SD卡的操作命令，所以在这里我们只需要按照SD卡的数据读写过程要求调用相关命令就能完成，据提的实现代码如下：

//向SD卡中写数据
uint8_t SDCardFileOperation(void)
{
  uint8_t busy;
  int8_t status=0x00;
  //读取SD卡的状态
  uint8_t num=0;
  status=GetSDCardStatus();//获取SD卡的状态
  if((status & 0xC0)!=0x00)//如果命令执行不成功则返回
  {
    sderror=status;
    return 1;
  }
  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
 
 //创建文件
  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  num=0;
  while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
  {
    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
    num++;
    busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  }
  GenerateFileName();//生成文件名
  status=CreateFile(fileName);//创建文件
  if((status & 0xEF)!=0x00)//创建文件故障，退出
  {
    if((status & 0x04)==0x04)//文件处于打开状态
    {
      CloseFile();
    }
    else
    {
    sderror=status;
    return 2;
    }
  }
  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
      
  //打开文件
  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  num=0;
  while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
  {
    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
    num++;
    busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  }
  status=OpenFile(fileName);//打开文件

  if((status & 0x80)!=0x00)
  {
    sderror=status;
    return 4;
  }
  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  //获取文件信息
  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  num=0;
  while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
  {
    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
    num++;
    busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  }
  uint8_t rxData[9];
  GetFileStatus(rxData);//获取文件信息
  status=rxData[0];
  if((status & 0x80)!=0x00)
  {
    sderror=status;
    return 8;
  }
  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  //写文件
  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  num=0;
  while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
  {
    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
    num++;
    busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  }

  uint8_t address[4];
  address[0]=rxData[1];
  address[1]=rxData[2];
  address[2]=rxData[3];
  address[3]=rxData[4];
  uint8_t result[120];
  uint8_t datalength=DataProcess(saveData,result);//格式化将要写入的数据
  status=WriteToFile(address,result,datalength); //写文件
  if((status & 0xFF)!=0x00)
  {
    sderror=status;
    return 16;
  }
  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  //保存文件
  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  num=0;
  while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
  {
    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
    num++;
    busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  }
  status=SaveFile();//保存文件

  if((status & 0xFF)!=0x00)
  {
    sderror=status;
    return 32;
  }
  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作

  //关闭文件
  busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  num=0;
  while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
  {
    Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
    num++;
    busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
  }
  status=CloseFile();
  if((status & 0xFF)!=0x00)
  {
    sderror=status;
    return 64;
  }
  Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
  return 0;
}

3、测试结果

本次项目我们实际上是2个设备，其一是便携式氧气分析仪，其二是便携式甲烷分析仪。不过他们仅是内部传感器不一样，外观和主控板是一样的。完成后的外观如下：

 

运行界面如下：

 

 

 

 

最后再次感谢ST公司和电子发烧友网站提供的试用服务。对我们项目的进展有非常大的帮助。