基于DSP的气体传感器温度调制模块的设计与实现

周君伟，魏广芬，魏书田

(山东工商学院信息与电子工程学院，山东烟台　264005)

0　引言

半导体气体传感器具有体积小、成本低、灵敏度高以及可实时检测分析被测气体等优点。但是，由于半导体气体传感器本身的特性，使得其在应用中存在着一些缺点，其中最显著的缺点就是气体选择性差。环境中的气体通常都是以多种气体的混和状态存在的，其物理化学性质还与环境的温、湿度密切相关，半导体气体传感器做不到只对一种气体响应而不受其它气体的干扰[1]。实验证明，金属氧化物半导体气体传感器的气敏特性受器件温度的影响和控制，在不同工作温度下，气敏材料对不同气体的选择性和灵敏度不同[2-10]。这是因为，各种气体的分子结构与化学键不同，物理、化学性质也不同，使得它们在气敏材料表面的最佳吸附响应温度不同[8]。在该背景下，研究人员提出了半导体气体传感器的温度调制技术，近年来发展迅速，成为气体检测领域的研究热点。该技术通过将半导体气体传感器调制在不同的温度模式下，测试传感器在给定温度模式下对不同气体的动态响应信号，结合信号处理技术，提取传感器对不同气体成分的响应特征，用于气体的识别、量化和分类[9]，进而组建基于单传感器温度调制技术的电子鼻系统[2，，9-10]。从系统组成上来看，基于单传感器的温度调制技术的电子鼻系统主要包括温度调制、信号采集和处理、模式识别等功能模块，其中温度调制模式的选择和设计是该技术的核心和关键部分[11]。

文中在上述研究背景下，为便于实现气体传感器温度调制模式的控制和气体响应信号的采集，以具有强大数字信号处理能力和控制能力的DSP芯片为基础，采用直接频率合成技术(DDS)合成所需温度模式，再通过功率放大，控制气体传感器的响应信号并进行检测。该设计可为气体传感器温度调制模式研究和电子鼻系统实现提供实验基础，能够实现传感器所需的温度调制模式的任意控制、温度调制模块的小型化和便携化，并可直接作为单传感器电子鼻系统的组成模块之一。

1　系统设计

1．1系统功能要求

该模块主要是为半导体气体传感器提供温度调制功能，要求实现独立控制两路气体传感器的工作温度，方波、正弦波、三角波、锯齿波等4种波形以及任意波形设置，每种波形频率控制范围为1～250 Hz，两路正弦波的相位差可调，方波的占空比可调。各温度调制模式的设置实时显示。

1．2系统结构及主要硬件设计

系统总体设计框图见图1，主要由DSP主控芯片、按键控制模块、D/A输出模块、功率放大模块、气体传感器和液晶显示模块组成。D/A模块实现数字信号到模拟电压的数模转换，功率放大模块实现信号的功放用于驱动传感器，液晶显示模块用于显示当前温度调制模式的信息，按键模块用于温度调制模式的波形、频率、相位等参数的设置。

图1　系统总体设计框图

1．2．1DSP芯片

DSP2407是C2000系列的主流产品。其主要特点包括：控制器的实时控制能力强，具有30 MIPS的执行速度；内有硬核乘法器，可以在一个指令周期内完成乘法运算；片内含有高达32 K字的FLASH程序存储器、高达1.5 K字的数据/程序RAM、544字双端口RAM和2 K字的单端口RAM；具有片内16路10位AD转换器，最小转换时间为500 ns；具有16位串行外设(SPI)模块；具有串行通信(SCI)模块。基于这些优点，并且价格便宜，系统选用DSP2407作为核心控制器。

1．2．2D/A模块

D/A模块选用了TLC5620芯片，可采用SPI接口实现数据传输，且包含2路8位DA转换，输出值为可编程1～2倍范围。硬件电路图如图2所示，DSP2407的SPISIMO端口与该芯片6号DATA引脚相连，SPICLK引脚与该芯片7号CLK引脚相连。DSP2407的IOPF5与8号LOAD引脚相连，当IOPF5=0更新模拟信号输出，当IOPF5=1时，锁存数据。

图2　DA输出硬件电路图

1．2．3功率放大模块

功率放大模块选用宽电源、高带宽的精密功放OPA551实现，该芯片采用正负电源供电，外加三极管8050进一步实现电流放大，功放增益G=1+R1/R2。

图3　功率放大模块

1．2．4气体传感器

采用TGS26系列金属氧化物气敏传感器作为控制对象，基本测试电路如图4所示，4号引脚接加热电压，2号引脚接DSP2407的AD采样引脚。

图4　气体传感器模块电路图

1．3软件设计

1．3．1参数设置

根据系统功能要求，设计了一个含10个按键的模块，分别为两个通道的频率设置按键K1和K2、幅度设置按键K3和K4、波形转换按键K5和K6、双通道正弦波相位差设置按键K7以及双通道的方波占空比设置按键K8和K9，外部中断按键。这10个按键共用一个外部中断，实现按键交互。中断流程图见图5。通过相位按键中断，改变读取波形的起始位置可实现正弦波相位可调，变化步进值为1%。通过方波占空比按键中断，改变波形表中高低电平所占比例可实现方波占空比可调，步进值为10%。

图5　参数设置中断流程图

1．3．2波形产生

综合考虑主控芯片和DA芯片的特点，设计中波形产生采用了两种方法。一般可通过中断定时方式设置DA的输出，但该种方法每次调用中断都会包含一次入栈出栈操作，会降低波形发生的速度。因此，系统中，低频信号采用定时中断的方式产生，高频信号采用无限循环方式产生。

图6　高频波形产生流程图

高频信号采用了无限循环的波形产生方式，实现方法是让CPU一直执行产生波形的操作，即将DA模块发生波形的程序无限循环在主程序里。软件流程图见图6。该种方式根据频率设置定义响应的波形数据表，然后根据该波形数据表无限循环控制DA产生波形。不足之处是高频信号波形的数据点数少，易失真。该模块中频率范围为10～250 Hz的信号由该种方式产生。

低频信号采用中断定时方式，由于信号频率低，中断的入栈出栈操作对波形发生速度的影响较小。低频波形产生的软件流程图见图7。模块频率范围为0.3～10 Hz的信号由该种方式产生。

图7　低频波形产生流程图

2　实验测试及结果分析

温度调制模块的实物照片如图8所示。为了测试模块的性能，采用TGS2610传感器使用该模块分别开展了下列实验。

图8　温度调制模块照片

2．1波形测试

通过该模块产生4种传感器温度调制信号，采用RIGOL-60MHz示波器检测，结果示于图9中，其中图9(a)为幅度为12.8 V，频率为42 Hz的正弦波；图9(b)为幅度为12.9 V，频率为42 Hz的方波；图9(c)为幅度为12.8 V，频率为42 Hz的三角波；图9(d)为幅度为12.8 V，频率为42 Hz的锯齿波。

(a)

(b)

(c)

(d)

2．2频率、相位、占空比测试

采用示波器分别测试了几种信号的频率、正弦波的相位差和方波的占空比等参数。图 9 给出了实际测试频率和通过按键控制的频率参数的对照结果。可以看出，波形频率的最大控制误差约为4 Hz，相对误差为5.3%(用最大差值除以当前控制的频率值计算)，频率按键步进值约为5 Hz．

通过占空比按键步进调整方波的占空比，从示波器上读数，测得占空比按键每步进1次，实测的实际方波占空比分别为10.1%，20.1%，30.2%，40.2%，50.1%，60.1%，70.1%，80.3%，90.3%。与理论设置有0.15%的误差。

图10　频率参数测试

设置两路独立输出45 Hz的正弦波，通过设置相位差按键调整两路信号的相位差，相位差按键每步进1次，使用示波器测试得到的相位差见表1。每步进1次，约调整0.05π的相位差。与理论设计值有约0.01π的误差。

表1　两路正弦波的相位差步进值测试结果

2．3气体传感器调制

将温度调制模块用于实际传感器的检测，选用TGS2610传感器，并将传感器的响应信号同时送入示波器显示。测试了气体传感器在53度牛栏山白酒中的响应，示于图11(a)到图11(c)中。图11(a)为0.3 Hz，4 V的正弦波温度调制模式及被控传感器的响应；图11(b)为0.3 Hz，4 V的方波温度调制模式及被控传感器的响应；图11(c)为0．3 Hz，4．2 V的锯齿波温度调制模式及被控传感器的响应。可以看出气体传感器在不同温度调制模式下的信号变化。

(a)

(b)

(c)

(d)

3　问题与讨论

实验时发现，为了得到较高的输出电压，功放模块的供电电压应设置在±20 V．此时DA输出峰值Vpp=3.2 V时，波形可调峰峰镇Vpp为12～19 V，偏置100%，无失真。而当OPA551供电电压为±12 V时，DA输出为Vpp=3.2 V时，经功放后输出电压超过9 V时出现失真，如图11(d)所示。

4　结束语

基于 TMS320LF2407芯片的温度调制平台实现了对两路气体传感器的分别控制，可实现两通道4种调制信号波形转换，频率、幅度、方波信号占空比以及正弦波信号相位均可调，从而可根据实际情况进行设置。文中的调制结果仅给出了低频信号的控制结果。相关的温度调制实验还在继续开展，将进一步报道。

参考文献：

[1]GARDNER J W，BARTLETT P N．Electronic noses principles and applications．London：Oxford University Press，1999．

[2]宋凯，王祈，张振平．基于单传感器温度调制的无线电子鼻系统设计．仪器仪表学报，2011，32(1)：150-156．

[3]LEE A P，REEDY B J．Temperature modulation in semiconductor gas sensing．Sensors and Actuators B，1999，60：35-42．

[4]黄行九，孟凡利，刘锦淮，等．二氧化锡气体传感器对有机磷农药残留的动态检测．分析化学，2004，32(9)：1262-1266．

[5]安文，魏广芬，杨春英．基于FFT雷达图的气体传感器温度调制模式．仪表技术与传感器，2012(2)：93-97．

[6]魏广芬，唐祯安，王永强，等．气体传感器的温度调制技术研究进展．传感器与微系统，2010，29(5)：1-4．

[7]VERGARA A，LLOBET E，BREZMES J et al．Optimized Temperature Modulation of Micro-Hotplate Gas Sensors through Pseudorandom Binary Sequences．IEEE Sensors Journal，2005，5(6)：1369-1378．

[8]，张正勇，张耀华，焦正，等．半导体氧化物气体传感器测试新原理与方法．传感技术学报，2000，13(2)：106-110．

[9]李熙，何秀丽，李建平，等．基于单个SnO2传感器的CO/H2混合气体定量分析．传感技术学报，2007，20(10)：2169-2173．

[10]黄家锐，李广义，徐伟宏，等．基于单传感器动态检测和神经网络的气体监测．传感器技术，2005，24(7)：72-76．

[11]魏广芬．基于微热板式气体传感器的混合气体检测及分析：[学位论文]．大连：大连理工大学，2005．

[12]钱胜斌．基于DDS技术的气体传感器温度调制实验平台：[学位论文]．大连：大连理工大学，2006．