基于S3C2410的氢气浓度监测系统设计

摘要：提出一种基于微处理器S3C2410的氢气浓度监测系统设计方案。针对由传感器输出的微弱电流信号，设计了低噪声、高抗干扰的前端信号调理电路，并利用SPI实现了ADC与S3C2410的数据传输。为微处理器S3C2410移植嵌入式Linux操作系统搭建了软件操作平台，完成了监测系统的外围设备驱动程序、数据处理程序以及图形界面程序等软件设计。通过实验验证，该系统具有良好的实时性、稳定性和灵活性，达到了设计要求。
关键词：微弱信号；调理电路；S3C2410；嵌入式Linux；监测系统；AD7888；H2／C-1000

引言
零碳排放的氢燃料作为一种高效、清洁、可再生的能源，得到了国际能源界的广泛认同。氢气也在石油化工、电子工业、食品工业、航空航天工业等领域有了广泛应用。然而，氢气是一种无色无味、携带极不方便、极易泄漏的气体，在室温和标准大气压下，氢气与空气的混合比例达到4．1％～74．1％时遇明火极易爆炸。为了减小使用氢气的安全隐患，开发出一套安全、可靠、灵敏度高的氢气浓度监测系统具有十分重要的意义。

1 系统总体结构设计
采集到的氢传感信号经过低噪声放大电路进行放大处理，并在低通滤波器滤除信号中的高频噪声。然后，经A／D转换器送入ARM处理器S3C2410，ARM处理器再调用应用程序对采集到的数据进行数字处理，最后实时显示浓度值，并在浓度超出限定值时做出报警处理。整个系统框图如图1所示。

2 系统硬件结构设计
本系统中所选氢气传感器为瑞士Membrapor生产的H2／C-1000。它的主要指标有：测量范围O～1 000 mg／m3，最大负载2000 mg／m3，输出信号为30±10 nA每mg／m3，分辨率2 mg／m3，响应时间45 s，温度范围-20～40℃，典型信号漂移2％／月。可见，传感器输出的信号范围为0～40μA甚至nA级的微弱直流信号。这里首先利用I／V转换电路将微弱的电流信号转换为电压信号，再利用后级的差动放大电路将其放大到A／D能采集的电压范围。然后，将其经过二阶低通滤波处理后送入A／D转换器。最后由微处理器S3C2410处理采集到的数值信号。
2．1 微弱信号放大电路
根据弗里斯定理可知，I／V转换引入的外界干扰和噪声，对整个系统性能影响最显著，为此必须选用开环输入电阻高、输入偏置电流小、噪声小的精密运算放大器。这里选用斩波稳零的高精度运放ICL7650，其输入电阻为1012Ω，偏置电流为1．5 pA，输入失调电压为1μV，失调电压温度系数为0．01μV／℃，共模抑制比为130 dB。后级的差动放大选用内部具有三运放结构的仪用放大器AD620AN。它具有共模抑制比高，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小、功耗低，差动输入、单端输出，电压增益由电阻RG确定，且连续可调等优点。系统的前端信号放大电路如图2所示。