谈ARM对多传感器的精确定时 - 单片机/处理器 - 电子工程师

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煤矿井下环境十分恶劣，随时可能遇到的塌方和煤粉尘大等情况，影响固定报警器检查瓦斯浓度的正常工作。安全检查最可靠的方式是，所有的下井人员人人都随身携带煤矿瓦斯报警器，随时检查井下瓦斯浓度；但仅检查瓦斯浓度往往是不够的，当井下的一氧化碳的浓度升高时对人体也是十分有害的。为了确保下井人员的安全，不仅随时要检查瓦斯浓度，同时也要检查一氧化碳浓度。

能同时检查两种以上有害气体的装置，既要便于携带，又要精确定时检查多种有害气体，这里选用32位ARM微处理器来实现该功能。

利用32位 ARM微处理器的优势，可以满足便于携带与精确定时报警的要求。本文将针对精确定时这一问题进行一些探讨。

<strong>1ARM嵌入式随身瓦斯报警器的基本原理</strong>

如图1所示，瓦斯报警器主要包括：ARM芯片外部的输入输出部分，ARM芯片内部与外部输入连接的 A／D转换部分和与芯片内部与外部输出连接的GPIO部分。


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1.1 输入输出部分

输入部分：由瓦斯传感器与一个模拟信号放大器通过跳线连接到P0.22引脚，将瓦斯模拟信号送入AIN0模拟输入通道0；一氧化碳传感器与另一个模拟信号放大器连接到P0.23引脚，将一氧化碳模拟信号送人 AIN1模拟输入通道1。

输出部分：由P0.17和P0.18引脚通过470 Ω电阻与LED发光告警二极管连接；P0.19引脚通过470 Ω电阻与一个蜂鸣器相连，电阻的作用是分压，以便产生中度蜂鸣告警；P0.20引脚直接与另一蜂鸣器相连，以便产生强度蜂鸣告警。

ARM LPC2103微处理器A／D转换器的特性是：10位逐次逼近式模数转换器；测量范围为0～3.3 V；10位转换时间≥2.44μs；1路或多路输入的Burst转换模式；转换触发信号可选择输人引脚的跳变或定时器的匹配情况；A／D转换器的基本时钟由VPB时钟提供，可编程分频器将时钟调整至4.5 MHz(逐次逼近转换的最大时钟)，10位精度要求的转换需要11个A／D转换时钟。

ARM 微处理器运行程序在A／D控制寄存器参数的控制下，将AIN0采集到的瓦斯模拟信号送入10位逐次逼近式模数转换器，转换后的数字信号值存入ADDR 0 A／D数字寄存器0。将这一值与瓦斯初告警值、瓦斯中度告警值、瓦斯强度告警值进行比较，在哪一种告警范围，立即进行哪一种告警。

将 AIN1采集到的一氧化碳模拟信号送入10位逐次逼近式模数转换器，转换后的数字信号值存入ADDR1A／D数字寄存器1。将这一值与一氧化碳初告警值、一氧化碳中度告警值、一氧化碳强度告警值进行比较，在哪一种告警范围，立即进行哪一种告警。

1.2 模拟信号采集通道的选择与设置

从图1可看到，P0.22引脚连接AIN0通道，通过设置ADOCR A／D控制寄存器，选择通道0采集瓦斯浓度信息，并设置转换时钟频率为1 MHz；BURST=0，软件控制转换操作；CLKS=0，使用11clock转换；PDN=1，正常工作模式；START=4，当EDGE选择的边沿出现在MAT0.1时启动A／D转换；EDGE=0，MAT0.1下降沿触发。

P0.23引脚连接AIN1通道，通过设置ADOCR A／D控制寄存器，选择通道1采集一氧化碳浓度信息，设置转换时钟频率为1 MHz；BURST=0，软件控制转换操作；CLKS=0，使用11clock转换；PDN=1，正常工作模式；START=5，当EDGE选择的边沿出现在MAT0.3时启动A／D转换；EDGE=0，MAT0.3下降沿触发。

<strong>2 精确的定时触发</strong>

A／D转换的硬件触发可通过定时器翻转功能触发A／D转换，这样无需CPU干预就能精确地定时触发(这是本文主要讨论的问题)。ARM LPC2103定时器0寄存器结构框图如图2所示。


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初始化定时器0时，使定时器0匹配1(TOMR1)每逢第5 s时MAT0.1输出翻转；同时使定时器0匹配3(TOMR1)每逢第10 s时MAT0.3输出翻转。对定时器0设置代码如下：


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因对于ADCR A／D转换控制寄存器的START位选择100～111时，MAT信号不必输出到引脚上。对于上述代码初始化定时器需要说明，MAT0.1的 START=4即十六进制的100，下降沿触发启动A／D转换。对于MAT0.3的START=5即二进制的101，下降沿触发启动A／D转换器。

怎样精确地定时触发呢?先设置定时器0清零复位(Fpclk=1 s)，每隔5 s，定时器计数器TC的值与TOMR1设置值相等时，MAT0.1输出信号翻转；每隔10 s时，定时器0复位。这样在定时器0复位后的第5 s时，MAT0.1输出再次翻转；MAT0.1每隔10 s输出翻转一次，它的精确匹配值是：

Fpclk×10 s(复位时间)-Fpclk×5 s(翻转时间)+Fpclk×5(再次翻转时间)=10 s

因为MAT0.1翻转2次才会有1次下降沿触发A／D转换，采集瓦斯浓度信息定时触发，即可精确地计算出MAT0.1每隔20 s产生1次下降沿，定时触发1次，采集一次新的瓦斯浓度信息。

同理，每隔10 s定时器计数器TC的值与TOMR3设置值相等时，MAT0.3输出翻转，并且定时器0复位。这样在定时器0复位后的第10 s时，MAT0.3输出再次翻转。MAT0.3每隔10 s输出翻转1次，因为MAT0.3翻转2次才会有1次采集一氧化碳浓度信息，即可精确地计算出MAT0.3，也是每隔20 s产生1次下降沿，定时触发1次，产生1次新的一氧化碳浓度信息。这样会给报警留有较长的时间。

上述两段就是通过程序设置，无需CPU干预就能精确地定时触发(是本文主要讨论的问题)。这里的每隔20 s定时触发1次，“20 s”这一数据可根据实际需求修改设定。

<strong>3 报警服务的实现</strong>

数字数据的提取、报警与A／D控制寄存器的设置均可通过中断服务程序来完成。

定时器0为4号中断源，如图3所示，所以需要用中断使能寄存器对4号中断源进行使能。采用向量IRQ中断，需要用VICIntSelect将4号中断源选择为向量IRQ，即第4位置1。然后将中断服务程序地址赋给VICVectAddr0(因为向量通道0是最快的)，最后用向量控制寄存器对向量通道0分配中断源并使能。


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在初始化定时器0时，将匹配控制寄存器TOMCR赋值；它的二进制赋值是 10001000001，即它的十六进制赋值是0x441，每3位设置一个匹配；设置的是当定时器0计数器的值与匹配0寄存器值相等时产生一个中断，当定时器0计数器的值与匹配2寄存器值相等时又产生1次中断，当定时器0计数器的值与匹配3寄存器值相等时定时器0计数器TC清零复位。

TC 每次复位后将产生2次中断，产生第1次中断后，中断服务程序将读取A／D数据寄存器ADDR1的值，并提取10位A／D转换的结果(即一氧化碳浓度值)；再将这一数据与初告警、中度告警和强度告警值进行比较，满足这3种告警的某一种，就立刻进行声光报警。因A／D控制寄存器ADCR的MAT信号不必输出到引脚上的START位设置是唯一的，中断服务程序还需对A／D控制寄存器ADCR进行设置。设置START=4，当EDGE选择的边沿出现在MAT0.1 时启动A／D转换；EDGE=0，MAT0.1为下降沿触发。通过中断服务程序来完成对AIN0通道(即瓦斯浓度信号通道)A／D转换器的启动。

产生第2次中断后，中断服务程序将读取A／D数据寄存器ADDR0的值，并提取10位A／D转换的结果(即瓦斯浓度值)；再将这一数据与初度告警、中度告警和强度告警值进行比较，满足这3种告警的某一种，就立刻进行该声光报警。因A／D控制寄存器的MAT信号不必输出到引脚上的START位置是唯一的，因此还需对A／D控制寄存器进行设置。设置START=5，当EDGE选择的边沿出现在MAT0.3时启动ADC转换；EDGE=0，MAT0.3为下降沿触发。通过中断服务程序来完成对AINl通道(即一氧化碳浓度信号通道)A／D转换器的启动。

这样，当TC值与MR0值相等时，响应中断服务进行一氧化碳值判断与告警并设置MAT0.1的启动转换。当TC值与MR1值相等时，设置MAT1输出信号翻转；当TC值与MR2值相等时，响应中断服务进行瓦斯值判断与告警并设置MAT0.3的启动转换；当TC值与MR3值相等时，设置MAT3输出信号翻转并同时TC复位。这样循环往复，可以无需 CPU干预就能精确地定时触发，精确地按时进行多个传感器的触发和多个判断告警，即通过中断服务程序实现了有害气体检测告警服务。

<strong>结语</strong>

根据上述原理，使用ARM LPC2103芯片，已完成了一个可随身携带的煤矿瓦斯报警器。它能及时检测与显示煤矿、隧道及各种地下工程等环境中的瓦斯(即甲烷)及一氧化碳浓度。当达到有害浓度值时，可进行不同级别的声光报警。

此种报警器不仅适用于煤矿，安装其他传感器后也可用于其他矿山、化工重地、仓库等具有爆炸危险的气体环境中，提高安全监控能力。

将煤矿瓦斯报警器CH4、C20传感器换成可燃气体、甲醛传感器，就可用在厨房和居室，对有害气体的超标情况进行报警。它的用途还可进一步扩展。

刘敦放

（重庆普天通信设备有限公司，重庆 400050）

来源：《单片机与嵌入式系统应用》2010年01期