石英晶体微天平气敏传感器阵列测量系统

孙 鹏，李 磊，郭茂田，蔡玉宝，陈云鹏，闫永立

(郑州大学物理工程学院，河南郑州 450001)



石英晶体微天平气敏传感器阵列测量系统

孙 鹏，李 磊，郭茂田，蔡玉宝，陈云鹏，闫永立

(郑州大学物理工程学院，河南郑州 450001)

为克服现有单气敏传感器测量系统非自动识别气体种类和浓度的缺陷，采用一种基于以太网传输协议的32通道石英晶体微天平(QCM)测量系统。该系统由QCM气敏传感器阵列起振模块和高精度频率计数卡组成。起振模块产生32路石英晶体频率信号；高精度频率计数卡通过FPGA内部计数器直接采样频率信号，通过以太网高速传输到上位机进行数据存储、数据处理及信号波形显示。测试结果表明：系统可以实现实时、多通道、高速、高精度采集和发送数据。

石英晶体微天平；以太网传输协议；高精度频率计数卡；FPGA

0 引言

气敏传感器是一种检测特定气体的传感器。主要包括半导体气敏传感器、接触燃烧式气敏传感器和电化学气敏传感器，但这些气敏传感器不能满足对低浓度气体的检测。石英晶体微天平[1-4](Quartz Crystal Microbalance，QCM)气敏传感器是一种灵敏度可以达到ng级质量型传感器。其可用于气体化学成分和浓度的分析，其测量原理是：涂于QCM金属电极表面上的选择性吸附膜吸附被测气体后，其晶振频率发生变化,通过测量QCM晶振频率变化以推断有毒气体种类及其浓度变化。QCM利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过频率信号采集系统获得高精度的数据。

研究表明，现有单通道QCM以其功能有限正逐渐被淘汰。目前还没有发现只对单一气体敏感的传感器材料，而单个传感器对不同气体敏感响应会有变化，但不具备自识别气体种类和数量的特性。采用多通道QCM气敏传感器阵列可解决以上问题。频率信号采集主要采用USB、PCI、以太网3种传输方式。相对于USB、PCI传输方式，以太网[5-8]传输方式具有价格低廉、稳定可靠、传输速度快、传输距离远等特点。本设计提供一种32通道QCM频率信号采集系统，通过该系统检测室内有害气体的种类和浓度，克服了单一气敏传感器不具备自识别气体种类和数量的缺陷。同时，通过以太网远程传输测量数据到上位机，并将数据在上位机中存储、处理、显示，解决了需要人现场长时间测量的问题，保证了人身安全。

1 系统设计

1.1 硬件系统设计

系统主要由QCM气敏传感器阵列起振模块和高精度频率计数卡组成。QCM起振电路模块实现32路频率信号的输出。FPGA高精度频率计数卡模块能够对32路频率信号实时计数，并将采集的频率数据封装成UDP包，通过控制百兆以太网芯片将UDP数据包高速、精准地发送至上位机。系统的整体结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

频率信号是由石英晶体振荡电路产生，振荡电路基本组成部分包括放大电路、反馈网络和选频网络3个部分，具体电路如图2所示。

图2 晶振振荡电路

电阻R1接在反相器的两端，将反相器偏置在线性放大区，构成放大器，同时R1还具有负反馈作用，可以减少温度变化引起的工作点变化。R2为阻尼电阻，用来控制反馈强度。C1、C2通过接地形成串联电容然后与晶体并联构成谐振电路，该谐振电路同时形成了π型选频网络反馈通道，放大器输出端信号通过该谐振电路返回到放大器的输入端，形成反馈振荡。谐振电路中的相角会使振荡器不满足相位平衡条件，因而振荡器将工作在与谐振器无关的频率上，利用32个相同的QCM振荡电路构成QCM阵列，并且在实际电路中增加了参比电路，从而进一步提高了测量频率的准确度。

信号发送端通过以FPGA为核心芯片的高精度频率计数卡进行发送。起振电路产生的32路正弦信号通过排线与FPGA高精度频率计数卡相连，高精度频率计数卡完成对正弦信号频率的计数，然后通过FPGA控制百兆以太网芯片将32路频率信号打包成UDP数据包发送到PC机，高精度数据采集卡硬件结构框图如图3所示。

图3 高精度数据采集卡硬件结构框图

高精度频率计数卡的主芯片选用Cyclone IV系列的EP4CE6F17C8N。该芯片为256脚BGA封装,内部有15 408个逻辑单元，2个锁相环，用户可自由定义的I/O管脚179个。主要负责系统的逻辑控制以及NIOSII处理器的搭建，充分发挥了FPGA快速灵活的特点。FPGA的外围电路包括存储系统电路、时钟电路、电源控制电路、网络控制电路。

存储系统电路所用的存储器为FLASH、SDRAM、EPCS。其中FLASH选用芯片AM29LV320B，该芯片容量为4 MByte，并行工作方式，具有灵活的页面方式，可以用来存储FPGA用户非易失性数据或者NIOSII镜像文件。SDRAM选用芯片K4S281632，该芯片容量为128 Mbit，大存储容量保证为NIOSII提供充足空间。EPCS选用芯片EPCS64，该芯片容量为64 Mbit,串行工作方式，为逻辑存储烧写提供了足够的空间。时钟电路所用到的晶振是一块频率为50 MHz的有源石英晶体振荡器，输出的波形幅度和频率都比较稳定，为FPGA稳定工作提供了一个很好的条件。FPGA以及其外围电路需要不同的工作电压，分别为3.3 V、2.5 V、1.2 V，设计采用稳压芯片AMS1117-3.3、AMS1117-2.5、AMS1117-1.2分别得到所需要的稳定电压，保证了高精度频率计数卡对电压的需求。

作为FPGA高精度频率计数卡最核心的部分，网络控制电路所用到的核心芯片为百兆网络芯片DM9000A，此芯片是一款集成度高、性价比高、引脚数少、带有通用处理器接口的单芯片快速以太网控制器。一个10/100 M PHY和4 K双字的SRAM。DM9000A可以很方便地与目前主流的嵌入式CPU以8位或16位的总线方式连接，DM9000A的外部总线符合ISA标准，可通过ISA总线直接与FPGA无缝连接。

1.2 以太网协议设计

DM9000A网络芯片只包含物理层与数据链路层的功能，如果要传输自己产生的数据，那么必须由用户自己完成组包的工作，然后将组成的数据包，送给DM9000A,让其传送给计算机。根据实际工程的需求，采用UDP协议实现数据的传输，其以太网帧格式如图4所示。

图4 以太网帧格式

以太网首部表示数据链路层数据首部，一般包括目的地址、源地址、类型；IP首部表示网络层IP协议的数据首部，一般包括版本、首部长度、区分服务、总长度、标识、片偏移、生存时间、协议、首部检验和、源地址、目的地址；UDP首部表示传输层UDP协议的数据首部，一般包括源端口、目标端口、长度、校验和；应用数据在本设计中表示32通道的频率值，每路通道有一个频率值，每个频率值包含2个字节，所以应用数据共64字节；以太网尾部表示整个以太网帧的校验位，共包含4个字节。以太网首部、IP首部、UDP首部共42个字节组成了UDP包头，组包时必须严格按照协议要求，这一帧数据共计110个字节，组包的过程中完全按照UDP协议的要求。

2 FPGA逻辑控制与SOPC控制

2.1 FPGA逻辑控制

QCM起振电路模块实现输出32通道频率信号之后，FPGA高精度频率计数卡实现32通道实时计数器，其中计数器模块在Signal Tap II下的波形图如图5所示。

图5 计数器模块在Signal Tap II下的波形图

图中，clk_test表示QCM起振电路中一个通道的输出频率，其经示波器测得为10MHz；fre_test表示在FPGA内部经过计数器所测得的频率，其十六进制数为989680,转化成十进制数为10 000 000，和示波器所测得的频率完全吻合；rst表示计数器模块的复位信号。从中得出，设计的QCM起振电路模块和FPGA中的计数器模块是符合设计要求的，为下面FPGA控制网络芯片发送数据打下了很好的基础。

2.2 系统的SOPC设计

SOPC技术是FPGA和ASIC技术融合的结果，是一种特殊的嵌入式系统。SOPC Builder系统的开发分为硬件开发和软件开发两个流程。硬件开发包括由用户定制系统硬件构建，然后由计算机完成硬件系统和对应的开发软件系统生成。SOPC Builder提供图形化配置界面，备有一些常用外设的IP模块，如CPU、SRAM、Flash RAM 、Parallel I/O等。用户还可以加入自己的外设设计文件。对于本设计来说，就是将系统所需要的控制接口模块和数据总线接口模块以用户自定义接口的方式添加进来，其中包括CPU、SDRAM控制器、EPCS控制器、DM9000A IP核以及I/O口。

在NiosII的硬件系统生成后，可以直接使用NiosII IDE开始设计C/C++应用程序代码。Altera提供了外设驱动程序和硬件抽象层(HAL)，使得用户能够快速编写与硬件细节无关的NiosII IDE控制程序。此外，用户还可以在NiosII IDE工程中设计和重新使用定制库。最终使用NiosII IDE进行程序的编译连接以及调试运行即可。系统软件流程图如图6所示。

图6 系统软件流程图

具体实现方式为：上位机软件通过UDP协议发送启动命令，系统接收UDP数据包后判断IP地址是否为系统IP，如果是本机IP，则通过UDP协议回复“on”到上位机，并启动硬件采集和发送模块。如果上位机软件发送关闭命令，系统接送UDP数据包后判断IP地址是否为系统IP，如果是本机IP，则通过UDP协议回复“off”到上位机，并关闭硬件采集和发送模块。如果下位机捕获到切换定时时间的指令，则修改定时时间。由于UDP协议没有3次握手的过程，则可以保证发送速度比TCP协议快很多。

3 性能测试

石英晶体振荡频率一般在几MHz至几十MHz之间，且易受到外界条件的干扰，特别是多通道的振荡频率，各通道之间容易形成串扰，这给石英晶体振荡频率的电信号采集和处理造成了一定的困难。经过对电路板的不断改进，消除了信号之间相互串扰的难题。整个硬件系统由2块板卡组成，分别为32路石英微天平起振板和FPGA高精度频率计数卡，两者之间通过40根排线相连接，信号采集的过程中通过网线连接至PC机，进行实时数据传输。PC机端界面显示程序基于C#语言开发，实现32通道数据的实时显示，同时对数据进行文本格式存储，数据采集实时界面如图7所示。

图7 系统实物图及上位机实时显示界面

测量的过程中，石英晶体表面涂的化学物质为功能化介孔材料SAB-15,该物质为甲醛气体敏感的传感器材料，石英晶体振荡频率随甲醛气体浓度的变化曲线如图8所示。

图8 晶体振荡频率随甲醛气体浓度的变化曲线

石英晶体表面涂SAB-15时，其频率为9 971 200 Hz，并将其作为基准频率，对甲醛气体浓度分别是2.5 ppm、10 ppm、20 ppm、40 ppm进行测量，结果表明石英晶体的采样频率随着气体浓度的增加而降低，同时，多次测量某一浓度的甲醛气体时，对应的采样频率基本不变，表明QCM测量系统对气体浓度测量具有可重复性。

4 结束语

提出了一套以太网通信传输的32通道石英微天平气敏传感器阵列频率信号采集系统，该系统采用硬件描述语言实现了频率的计数，采用SOPC技术实现了对系统的整体控制，充分发挥了FPGA快速灵活的特点。系统具有较强的稳定性和可重复性，克服单个气敏传感器测量系统不能识别气体种类和数量的缺陷，不仅广泛应用到有毒气体的测量，而且适用于数据的高速采集。

[1] BRIAND E,SALMAIN M,COMPERE C,et al.Anti-rabbit immunoglobulin G detection in complex medium by PM-RAIRS and QCM Influence of the antibody immobilisation method.Biosensors & Bioelectronics,2007，22(12)：2884-2890.

[2] VIITALA T,HAUTALA J T,VUORINEN J,et al.Structure of anionic phospholipid coatings on silica by dissipative quartz crystal microbalance.Langmuir,2007,23(2)：609-618.

[3] SUN P,JIANG Y D,XIE G Z,et al.A room temperature supramolecular-based quartz crystal microbalance(QCM)methane gas sensor.Sensors and Actuators B：Chemical,2009,141(1)：104-108.

[4] DU X S,WANG Z D,HUANG J,et al.A new polysiloxane coating on QCM sensor for DMMP vapor detection.J Mater Sci,2009,44(21)：5872-5876.

[5] 王剑雄,王玉兰,孙晧月,等.基于以太网的电能质量计算机监测系统设计.电源技术,2013,37(7)：1237-1238,1261.

[6] 鲁力,张博.嵌入式TCP/IP协议的高速电网络数据采集系统.仪器仪表学报,2009,30(2)：405-409.

[7] 詹俊鹏,李鹏.基于Alter FPGA的千兆以太网实现方案.电子设计工程,2009,17(2)：50-52.

[8] 徐洪波,俞承芳.基于FPGA的以太网MAC子层协议设计实现.复旦学报(自然科学版),2004,43(1),50-53.

Design of Quartz Crystal Microbalance Gas Sensor Array Measurement System

SUN Peng,LI Lei,GUO Mao-tian,CAI Yu-bao,CHEN Yun-peng,YAN Yong-li

(School of Physics Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001,China)

A quartz crystal microbalance(QCM)measurement system is designed based on 32 channels of ethernet transmission protocol,in order to overcome the defects of existing single gas sensor measuring systems which cannot automatically identify the gas type and concentration.The system consisted of an array of QCM gas sensor start-up module and high-precision frequency counter card.The start-up module produced 32 quartz crystal frequency signals;Precision frequency counter card directly collected the frequency of the signal by FPGA internal counter via the ethernet speed transmission to the host computer for data storage,data processing and signal waveform display.The test results show that the system can achieve real-time,multi-channel,high-speed and-precision of data acquisition and sending.

quartz crystal microbalance;ethernet transmission protocol;high-precision frequency counting cards;FPGA

河南省教育厅科学技术研究重点项目(13A140661)

2014-01-02 收修改稿日期：2014-10-09

TP274

A

1002-1841(2015)02-0057-03

孙鹏(1989—)，硕士研究生，研究方向为FPGA逻辑设计、硬件电路设计。E-mail：spwqpq@163.com 李磊(1981—)，讲师，博士研究生，研究方向为嵌入式系统设计。E-mail：lilei@zzu.edu.cn