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[]={-1.0,-1.0};
   CalcMeasuredValue(currentValue);
    if(smoothIndex>=SmoothCount)
   {
     smoothIndex=;
   }

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

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

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

（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+;
  uint8_t cmd_VAR_Write[];
  cmd_VAR_Write[]=0x5A;
  cmd_VAR_Write[]=0xA5;
  cmd_VAR_Write[]=(uint8_t)(length+);
  cmd_VAR_Write[]= FC_VAR_Write;
  cmd_VAR_Write[]=(uint8_t)(startAddress>>);//起始地址
  cmd_VAR_Write[]=(uint8_t)startAddress;//起始地址
  for(int dataIndex=;dataIndex<length;dataIndex++)
  {
    cmd_VAR_Write[dataIndex+]=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[];
   txData[]=moduleAddress;
   txData[]=ReadRegisterFC;
   txData[]=0x00;//起始地址高位
   txData[]=0x0A;//起始地址低位
   txData[]=0x00;//寄存器数量高位
   txData[]=0x01;//寄存器数量低位

   NDIR_SendData(txData,,SendByteToNdir);
 //  Delayms(100);                 //延时100毫秒等待处理响应
   uint8_t result[]={0xFF,0xFF};
   ParseReceiveData(receiveDataBuffer,result);
   uint16_t conc=result[];
   conc=(conc<<)+result[];
   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 = ;
   uint16_t PWM1Pulse = ;
   uint16_t PWM2Pulse = ;

   //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==)
   {
     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 - )*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 - )*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=;
   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 ;
   }
   Delayms();//延时50ms以便进入下一步操作

  //创建文件
   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
   num=;
   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
   {
     Delayms();//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 ;
     }
   }
   Delayms();//延时50ms以便进入下一步操作

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

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

   uint8_t address[];
   address[]=rxData[];
   address[]=rxData[];
   address[]=rxData[];
   address[]=rxData[];
   uint8_t result[];
   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 ;
   }
   Delayms();//延时50ms以便进入下一步操作

   //保存文件
   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
   num=;
   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
   {
     Delayms();//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 ;
   }
   Delayms();//延时50ms以便进入下一步操作

   //关闭文件
   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
   num=;
   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
   {
     Delayms();//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 ;
   }
   Delayms();//延时50ms以便进入下一步操作
   return ;
 }

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。