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。

 1 /*获取采集的物理量值，并作平滑处理*/
 2 void GetMeasuredValue(void)
 3 {
 4   float currentValue[2]={-1.0,-1.0};
 5   CalcMeasuredValue(currentValue);
 6    if(smoothIndex>=SmoothCount)
 7   {
 8     smoothIndex=0;
 9   }
10 
11   aPara.phyPara.o2Concentration=SmoothingFilter(currentValue[0],AD1Value,smoothIndex,SmoothCount,(O2RANGE-O2ZERO),2.0,0.2);
12   aPara.phyPara.h2Concentration=SmoothingFilter(currentValue[1],AD2Value,smoothIndex,SmoothCount,(H2RANGE-H2ZERO),2.0,0.2);
13 
14   smoothIndex++;
15 }
16 
17 /*计算测量值，将AD转换的值转为物理量的对应值*/
18 static void CalcMeasuredValue(float *newValue)
19 {
20   uint16_t measuredValue=0;
21 
22   /*转化通道1的值*/
23   ADDA_AD7705_ENABLE();//使能器件
24   Delayus(200);
25   measuredValue=GetAD7705ChannelValue(Channel1,SPIReadWriteByte,CheckDataIsReady);
26   ADDA_AD7705_DISABLE();//片选取消
27   newValue[0]=PowerNPolyfit(((float)(measuredValue-AD1Zero)/(float)(AD1Scale-AD1Zero)),ADFactor[0],3)*(O2RANGE-O2ZERO)+O2ZERO;
28   Delayms(1);
29 
30   /*转化通道2的值*/
31   ADDA_AD7705_ENABLE();//使能器件
32   Delayus(200);
33   measuredValue=GetAD7705ChannelValue(Channel2,SPIReadWriteByte,CheckDataIsReady);
34   ADDA_AD7705_DISABLE();//片选取消
35   newValue[1]=PowerNPolyfit(((float)(measuredValue-AD2Zero)/(float)(AD2Scale-AD2Zero)),ADFactor[1],3)*(H2RANGE-H2ZERO)+H2ZERO;
36   Delayms(1);
37 }

（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。

 1 /*获取全部DI量状态输入值*/
 2 /*输入参数TargetPin *diPin为需要读取的DI通道列表*/
 3 /*输入参数BOOL *result为读取的通道值返回列表*/
 4 void GetAllDIStatusInput(TargetPin *diPin,bool *result)
 5 {
 6   DigitalInput DIChannel;
 7   for(DIChannel=DIChannel1;DIChannel<DIChannelNum;DIChannel++)
 8   {
 9     result[DIChannel]=GetSingleDigitalInput(diPin[DIChannel]);
10   }
11 }
12 
13 /*操作全部继电器DO通道*/
14 /*输入参数TargetPin *doPin为要操作的DO通道列表*/
15 /*输入参数BOOL *commands欲写给DO通道的值列表*/
16 void OperationAllDOChannel(TargetPin *doPin,bool *commands)
17 {
18   DigitalOutput DOChannel;
19   for(DOChannel=DOChannel1;DOChannel<DOChannelNum;DOChannel++)
20   {
21     OperationSingleDigitalOutput(doPin[DOChannel],commands[DOChannel]);
22   }
23 }

（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。

 1 /*从非分光红外气体检测模块读取浓度值*/
 2 float ReadConcentrationData(uint8_t moduleAddress,SendByteToNdirType SendByteToNdir,uint8_t * receiveDataBuffer)
 3 {
 4   uint8_t txData[6];
 5   txData[0]=moduleAddress;
 6   txData[1]=ReadRegisterFC;
 7   txData[2]=0x00;//起始地址高位
 8   txData[3]=0x0A;//起始地址低位
 9   txData[4]=0x00;//寄存器数量高位
10   txData[5]=0x01;//寄存器数量低位
11 
12   NDIR_SendData(txData,6,SendByteToNdir);
13 //  Delayms(100);                 //延时100毫秒等待处理响应
14   uint8_t result[2]={0xFF,0xFF};
15   ParseReceiveData(receiveDataBuffer,result);
16   uint16_t conc=result[0];
17   conc=(conc<<8)+result[1];
18   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：

 1 void PMWControl(void)
 2 {
 3   uint16_t TimerPeriod = 0;
 4   uint16_t PWM1Pulse = 0;
 5   uint16_t PWM2Pulse = 0;
 6   
 7 
 8   //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
 9   if(runningStatus==1)
10   {
11     vPID1.setpoint=stdSetVolume(FlowRateA,presProcessValue,tempProcessValue);
12 
13     vPID2.setpoint=stdSetVolume(FlowRateB,presProcessValue,tempProcessValue);
14   }
15   else
16   {
17     vPID1.setpoint=0.0;
18     vPID2.setpoint=0.0;
19   }
20 
21   //PID调节
22   PIDRegulation(&vPID1, flowProcessValue1);
23   PIDRegulation(&vPID2, flowProcessValue2);
24 
25   dutyfactor1=vPID1.result/flowScale1;
26   dutyfactor2=vPID2.result/flowScale2;
27 //计算初始化的频率和占空比
28   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
29   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
30   TIM_SetCompare1 (TIM1,PWM1Pulse);//修改TIM1 PWM占空比
31   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
32   TIM_SetCompare1 (TIM8,PWM2Pulse);//修改TIM8 PWM占空比
33 }

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：

  1 //向SD卡中写数据
  2 uint8_t SDCardFileOperation(void)
  3 {
  4   uint8_t busy;
  5   int8_t status=0x00;
  6   //读取SD卡的状态
  7   uint8_t num=0;
  8   status=GetSDCardStatus();//获取SD卡的状态
  9   if((status & 0xC0)!=0x00)//如果命令执行不成功则返回
 10   {
 11     sderror=status;
 12     return 1;
 13   }
 14   Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
 15  
 16  //创建文件
 17   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 18   num=0;
 19   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
 20   {
 21     Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
 22     num++;
 23     busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 24   }
 25   GenerateFileName();//生成文件名
 26   status=CreateFile(fileName);//创建文件
 27   if((status & 0xEF)!=0x00)//创建文件故障，退出
 28   {
 29     if((status & 0x04)==0x04)//文件处于打开状态
 30     {
 31       CloseFile();
 32     }
 33     else
 34     {
 35     sderror=status;
 36     return 2;
 37     }
 38   }
 39   Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
 40       
 41   //打开文件
 42   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 43   num=0;
 44   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
 45   {
 46     Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
 47     num++;
 48     busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 49   }
 50   status=OpenFile(fileName);//打开文件
 51 
 52   if((status & 0x80)!=0x00)
 53   {
 54     sderror=status;
 55     return 4;
 56   }
 57   Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
 58 
 59   //获取文件信息
 60   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 61   num=0;
 62   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
 63   {
 64     Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
 65     num++;
 66     busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 67   }
 68   uint8_t rxData[9];
 69   GetFileStatus(rxData);//获取文件信息
 70   status=rxData[0];
 71   if((status & 0x80)!=0x00)
 72   {
 73     sderror=status;
 74     return 8;
 75   }
 76   Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
 77 
 78   //写文件
 79   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 80   num=0;
 81   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
 82   {
 83     Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
 84     num++;
 85     busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
 86   }
 87 
 88   uint8_t address[4];
 89   address[0]=rxData[1];
 90   address[1]=rxData[2];
 91   address[2]=rxData[3];
 92   address[3]=rxData[4];
 93   uint8_t result[120];
 94   uint8_t datalength=DataProcess(saveData,result);//格式化将要写入的数据
 95   status=WriteToFile(address,result,datalength); //写文件
 96   if((status & 0xFF)!=0x00)
 97   {
 98     sderror=status;
 99     return 16;
100   }
101   Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
102 
103   //保存文件
104   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
105   num=0;
106   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
107   {
108     Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
109     num++;
110     busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
111   }
112   status=SaveFile();//保存文件
113 
114   if((status & 0xFF)!=0x00)
115   {
116     sderror=status;
117     return 32;
118   }
119   Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
120 
121   //关闭文件
122   busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
123   num=0;
124   while(busy&&(num<RepeatCount))//系统忙则等待
125   {
126     Delayms(10);//延时10ms等待系统空闲
127     num++;
128     busy=GPIO_ReadInputDataBit(GPIOD, GPIO_Pin_7);
129   }
130   status=CloseFile();
131   if((status & 0xFF)!=0x00)
132   {
133     sderror=status;
134     return 64;
135   }
136   Delayms(50);//延时50ms以便进入下一步操作
137   return 0;
138 }

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。