基于CANOpen网络的CO2浓度采集节点的设计与实现

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二氧化碳是-种温室气体，它的浓度是体现环境空气品质的-个很重要的指标，若大气中的CO 含量过高会对人类赖依生存的地球造成威胁，大气中CO：的正常含量是 0.03%，当 CO：的浓度达到 l%会使人感到气闷、头昏、心悸，达到4%～5%时人会感到气喘、头痛、眩晕 ，而达到10%的时候，会使人体机能严重混乱，使人丧失知觉、神志不清甚至呼吸停止而死亡 J。公共诚由人体呼吸排出的大量二氧化碳气体会使局部 CO：浓度变高，因此，在医院、学校等人 口密集 的环境中设置 CO，监控设备可以有效地监测和改善空气品质，为人们提供更好的生活环境 J。另外，在灾难后的救援环境 中，二氧化碳浓度也是用来检测某-区域内是否有生命活动的重要特征之-。

二氧化碳浓度测量主要用于环境监测和生命体征提龋工业现瞅大型公共场所需要通过多点监测的方式组成 CO：检测网络并进行长线传输 ；救援设备携带二氧化碳检测拈作为传感器网路从节点提取生命体征，但传统串口传输方式不能满足网络及长线传输 J。

最常用 的 CO：浓度检 测方法是非色 散红外 吸收法 J，该方法精度很高，但是体积庞大且造价昂贵，不适合用于便携设备上或者组成多传感器监测网络。本文选用固态电化学型传感器来进行 CO：浓度测量，该种类型传感器需要预热时间较长，但是体积孝成本低。

本文以飞思卡尔 MC9S08DZ128芯片为核心控制器，采用 TGS4160作为 CO 传感器 J，设计实现了基于 CAN。

Open协议的CO：浓度采集节点，提高数据传输的可靠性，方便组成传感器检测网络以及挂载到移动设备上对CO浓度进行检测。

1 系统硬件设计图 1所示为本系统硬件框图，CO：传感器 TGS4160输出信号通过信号调理电路送到 MC9S08DZI28的 AD端 口基金项目：国家自然科学基金资助项目(61075090) 图 1 系统硬件框图作者简介：王凯(1988-：)，男，江苏南通人，硕士研究生 ，研究方向为分布式控制。

Machine Building Automation， ”2013，42(3)：97～100 ·97·· 信息技术 · 王凯，等 ·基于CANOpen网络的 CO：浓度采集节点的设计与实现进行 AD转换，单片机对 Al1)转换的值进行处理滤波，最终计算得 到 CO：浓度 值。CANopen拈 负 责单片 机 与CANOpen总线之间的通信，并通过 PDO每隔 100 ms发送- 次 CO：浓度值。电源拈为单片机及信号调理拈提供3.3 V电源以及为 TGS4160提供 5 V加热电源。

1.1 CPU及外围接口电路设计系统采用飞思卡尔 8位低功耗单片机 MC9S08DZ128作为主控芯片，该芯片 自带 12位 AD采样拈，两个 CAN接 口，两 路 串行 通讯 接 口，8路定 时器，128 KFlash，8 KRAM，功耗低适合长时间运行 ，完全满足本系统需求。

外部晶振为 8 MHz，采用 SCI方式作为调试接 口，CAN接口用 82C250芯片作为 CAN总线通信芯片，CPU及外围接 口电路原理图如图2所示。

Sq u 8OND图2 主控制器及外围接口电路传感器拈 ID以及拈的工作方式通过拨码开关的形式设定，通过 LED指示拈工作状态。

1.2 传感器电路设计TGS4160是-种 固态 电化学型 CO，传感器 J，它 由- 只对二氧化碳敏感的固体电解质单元与-个用于温度补偿的内部热敏电阻组成。它的工作原理是当传感器暴露在 CO，气体中时，会发生如下的电化学反应使电极两端产生电势差，电势差与 CO：浓度曲线如图 3所示。

传感器输出信号为微弱的电压信号 ，因此在 AD采样之前需对原始信号进行调理、放大才能进行 AD采样。同时，TGS4160要求核心温度 450 oC时采样数据有效，需加热单元，加热单元采用 5 V供电。为保证加热电压的可靠性 ，对加热电压也需要进行监控，采用 ADO口采集传感器经调理放大后 的电压信号 ，AD1口采集加热 电压信号。

TGS4160对输入阻抗要求很高 ，为保证信号采集的精度，系统 中采 用高 输 入 阻抗，差 分 输入 的线性 运 放LMC6035作为运算放大器 J，传感器输出信号首先经过LMC6035通道 1放大 1O倍 ，再通过电压跟随器输出到单片机 AD端口进行模/数转换 ，传感器电路图如图 4所示。

· 98·鲁、 司 rn )/7/2/t////- ～ 气体浓度/×10图3 TGS4160电势差与 CO2浓度曲线AMP223Rl1。

l0 - - 23 IlAGNDAND图 4 传感器电路原理图1.3 电源电路设计为使传感器拈能够承受较宽电压范围的输人，采用开关电源芯片 CS51414作为主电源芯片，输入电压首先通过 CS51414输出6 V的电压，再分别经过 LM1117-3.3 V和 LM1117-5V产生 3.3V和5V的电压分别为CPU及其外设、信号调理电路以及传感器加热电路供电。本拈电压输入范围在 7-40 V范围内均能够正常工作。

电源电路原理图如图 5所示，其中 LED用来指示电源状态。

l2VC1330 p.F L.]104cSsG5NlD414 "SuIsHIC4l046V OUTl3 R101 I1o4R2 l I330 J lLM l117-3.3 s p sGND 而 - 业 。。

htp：fZZHD.chinouma1.net.ca E-mail：ZZHD###chainajouma1.net.cn《机械制造与 自动化》圭 · 信息技术 · 王凯，等 ·基于CANOpen网络的CO：浓度采集节点的设计与实现2 系统软件设计CANopen协议是基于 CAN-bus的高层协议 ，它是-个开放的、标准化的协议 。这个协议支持各种CAN厂商设备的互用性、互换性。它能够实现在 CAN网络中提供标准的系统、通信模式。利用对象字典可以提供设备功能描述和执行网络管理等功能 。

CANopen模型中共定义了4种通信对象(COB)：过程数据对象 PDO、服务数据对象 SDO、网络管理对象 NMO和特殊功能对象。同时 CANopen协议中为了对各对象进行规范化管理，定义了设备的对象字典 ，是-个有序的对象组 ]。CANopen网络 中每个 节点都有-个对象字典，它包含了描述这个设备和网络行为的所有参数 ，对象字典通过 l6位的索引值和 8位的子索引值来寻址。以PDO来传送 CO 浓度数据。

系统软件程序基于 Codewarrior集成开发环境编写，其主要包括两个功能拈：传感器校准拈和数据测量传输拈。校准拈的功能是获取传感器的参考电平--新鲜空气 中的传感器加热稳定后的电压输出值，每个TGS4160传感器特性不同参考电平也有少许差异2J，在第- 次使用传感器时需先进性校准以获得参考电平 E 。

数据测量传输拈：叻能即测量 CO：浓度并通过 CANOpen总线发送 CO：传感器数值，根据图3所示曲线，AE 与CO 浓度的对数近似成线性关系 J，则设该线性关系为log(CO2)Ct·zlEMF6 (1)取图3上两点代入式(1)计算 a，b，则取(350×10-，0 mv)，(5 000×10～，75 my)，两点计算 ，又由于在信号调理过程中传感器电压放大 10倍进行采样，则上两点对应为(350×10-，0 IlV)，(5 000×10-，750 mv)，代人式(1)：盅 a0bh)g5 00 750b 口·计算得：Ⅱ b2.544即可得到 CO，浓度计算公式 ：系统初始化I I皇rCANOpen始化否 堂 苎堡等待1 min定时到AD数据采集二二 二 转换为电压值 I 否是计算前10次电压转换平均值作为基准电平保存数据至Flash指示校准结束是 lAD数据采集二][ 转换为电压值 - - - 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 ' ' - - - - - 计算4 I土计算CO2浓度滤波并串口输出发送C0：浓度PD0图 6 系统软件流程图系统采用轮询的方式进行，在测量传输模式下系统循环检测 CO 浓度值 ，并每 100 ms通过 PDO发送-次当前CO：浓度数据；在校准模式下，每 1 min测量-组电平数据并通过串口向上位机发送，当启动时间超过 2 h，取最新10组的测量值的平均值作为传感器的基准电平，校准模式结束 ，等待系统重启。基准电平存储在 Flash中，在正常测量模式下每次调用该基准电平值以计算△E F。

CO ( m)1o ·△‰2.54J4 (3) 3 测试结果分析在传感器校准模式下，传感器拈不发送数据；在测量传输模式下，传感器通过 TPDO1每隔 100 ms发送-次CO 浓度值。CO 浓度值采用无符号的 l6位整形数表示，则该 PDO有效数据为 2个字节，PDO数据段第-个字节为CO：浓度值高位，第二个字节为CO 浓度值地位，该PDO格式如表 1所示。

表 1 CO：传感器拈发送 PDO数据格式COB-ID(11位) PDO数据段系统软件流程图如图6所示。

Machine Building Automation， 2013，42(3)：97-100在测试过程中，使用 RS232总线作为对比测试 CAN-Open网络 的性能，分别发送 100组数据，每组数据 间隔100 ms，其中 CAN总线通信速率设为 1 M，RS232波特率设为 115 200 biCs，传输介质均为双绞线，改变传输介质长度 ：当传输距离为 1.5 m时，RS232总线出现个别数据丢失，当传输距离为 2.5 m时数据丢失严重 ，当传输距离为 3.5 m时，RS232无法通信；对 CAN总线进行测试过程中即使介质长度增长到 10 m依然能够实现稳定的数据传输，完全能够满足长线传输的需要。

经过多次试验，本 CO：传感器拈能够较为准确的反应出所在环境中CO：浓度的变化 ，且反应时间为 3 S左右，如图7所示。

· 99·· 信息技术 · 王凯，等 ·基于CANOpen网络的 CO 浓度采集节点的设计与实现- JIII. IIIII. I- - 、 、- t/100ms图7 传感器拈响应时间测试曲线Ol0min图 9 6人房间CO：浓度变化 曲线综上所述 ，本文研究的 cO：传感器拈精度较高，测图8是传感器校准时传感器电压随时间变化曲线，传 量范围宽，响应时间短，传输距离长，可实现多传感器组感器开始加热工作 105min后传感器输出数据趋于稳定， 网，但是预热时间较长，故较适合长时间连续工作，适用于该稳定值的平均值可作为基准电平。 CO 浓度监测、生命信息探测等领域的应用。

图8 传感器拈校准时输出电压曲线O图9是在-个六个人房间内 (7 mx5 rex3.5 m)CO，浓度随时间变化的曲线，可看出人在房间内待的时间越长，房间内CO2浓度越高 ，4.5 h后到达 3 500×10 左右的稳定值。

图7所示曲线为使用碳酸饮料空瓶(CO：含量>1%)作为 CO 发生源测试传感器拈响应时的 CO 浓度随时间变化曲线，左侧虚线表示碳酸饮料瓶靠近传感器的时刻，右侧虚线表示碳酸饮料瓶远离传感器拈的时刻，反映出本拈的响应时间在3 s左右，且由低浓度向高浓度变化快，高浓度向低浓度变化过程稍长。但动态过程均小于2 s。