一種用于溫濕度批量自動(dòng)校準系統的設計與實(shí)現

0 引言

在顆粒物檢測系統中，溫濕度參數的一致性，不僅影響顆粒物檢測設備間的一致性，還影響顆粒物測量的準確性^[1]。因此在設備出廠(chǎng)前需要對各溫濕度傳感器進(jìn)行一致性校準。以前溫濕度的校準采用單點(diǎn)校準，設備長(cháng)期運行，溫濕度又會(huì )跑偏，因此本系統采用多點(diǎn)線(xiàn)性擬合校準。而溫濕度的線(xiàn)性校準需要對多個(gè)溫度點(diǎn)和濕度點(diǎn)進(jìn)行測量。如果一次只能同時(shí)測量幾個(gè)溫濕度傳感器數據，再手動(dòng)擬合，效率低下，需要投入大量的人工，不能滿(mǎn)足生產(chǎn)的大量需求。為提高溫濕度傳感器的校準效率，需要同時(shí)對多個(gè)傳感器進(jìn)行批量校準，這就需要多個(gè)串口。

目前一般的單片機最多只有3~4 個(gè)UART，不能滿(mǎn)足同時(shí)校準的要求。雖然串口的擴展可以通過(guò)分時(shí)復用、軟件編程、使用專(zhuān)用芯片等方法解決，但這些方法都會(huì )增加處理器的占用時(shí)間或者增加外圍電路的復雜程度。針對上述問(wèn)題，本文設計了一種基于FPGA 的多串口擴展自動(dòng)校準系統，滿(mǎn)足批量校準系統多串口擴展的需求，無(wú)需額外的硬件串口擴展^[2]。該批量校準系統還可以實(shí)現數據自動(dòng)處理，自動(dòng)線(xiàn)性擬合，輸出校準系數，免去手動(dòng)擬合的麻煩。在提升溫濕度校準的效率的同時(shí)，也提高了設備之間數據的一致性。

1 系統設計

溫濕度批量自動(dòng)校準系統的基礎是FPGA 的多串口擴展^[3]。圖1 為設計的總體框圖。使用FPGA 內部的UART IP 核進(jìn)行16 路UART 擴展，其中15 路UART接口分別與15 路溫濕度傳感器進(jìn)行通信，15 路通信數據通過(guò)緩沖寄存器存儲后，由處理器仲裁，經(jīng)另一路UART 上傳至PC 機。PC 機程序通過(guò)不同幀頭識別不同通道的溫濕度傳感器數據，并分別存儲，實(shí)現溫濕度的批量自動(dòng)校準。

1.1 FPGA的多UART擴展

本設計選擇的FPGA 型號為Altera 公司的CycloneII 系列EP4CE6E22C8 芯片。使用FPGA 內部的UARTIP 核擴展16 路串口^[4]，為與溫濕度傳感器接口相匹配，串行端口采用RS3485 對UART 進(jìn)行電平轉換。

使用UART IP 核擴展串口，方便快捷，可以調用同一個(gè)IP 核生成模塊使不同擴展串口設置相同的波特率、數據位、停止位等，也可以調用不同IP 核生成模塊對不同串口設置不同的波特率、數據位等。本設計中使用UART IP 擴展生成16 路串口，其中15 路串口設置相同，波特率9 600，8 位數據位，1 位停止位，無(wú)奇偶校驗，它們分別接收對應的溫濕度傳感器數據。另一路串口波特率設置115 200，與PC 機相連，傳輸采集到的溫濕度數據。

使用Quartus II 對整個(gè)系統進(jìn)行綜合仿真，圖2 為FPGA 綜合后的資源消耗情況，邏輯單元消耗占整個(gè)資源的33%，還有大量的資源沒(méi)有使用。根據FPGA 可編程器件的特性，只要選用芯片的資源足夠，可以根據需求擴展更多的UART 接口^[5]。

1.2 數據的仲裁傳輸

FPGA 串口與PC 機的數據交互采用輪詢(xún)的方式。FPGA 的15 個(gè)串口采集到的數據存儲在緩沖寄存器中，每個(gè)UART 通道在數據接收完成時(shí)，會(huì )產(chǎn)生1 個(gè)接收完成標志信號fl ag。數據仲裁模塊由兩個(gè)3-8 譯碼器組成，串口每次接收到PC 機的數據命令時(shí)，會(huì )輪詢(xún)每個(gè)UART 通道的接收完成標志。如果標志為1，代表此通道有數據需要發(fā)送，設置串口發(fā)送模塊的發(fā)送開(kāi)始標志位，發(fā)送對應通道寄存器的數據，待數據發(fā)送完成，把此通道標志位置0。采用輪詢(xún)的方式，不會(huì )遺漏每個(gè)uart 通道的數據。

2 自動(dòng)校準的實(shí)現

2.1 PC機自動(dòng)校準界面

批量自動(dòng)校準在PC 機上實(shí)現，上位機的數據采集處理程序用C# 編寫(xiě)^[6]。如圖3 所示，“主界面”顯示各通道的實(shí)時(shí)傳輸數據；“設置”界面可以設置串口的波特率等參數，同時(shí)該軟件也支持TCP 傳輸，設置界面同樣可以設置IP、端口號等?！靶省苯缑婵梢猿跏蓟瘍炔繀?、保存、查詢(xún)、校準KB 參數等。

圖2 FPGA資源消耗情況

把各通道的溫濕度傳感器一起放入溫濕度控制倉內，使用溫濕度控制倉從低到高依次設置5 組溫度和5組濕度，待每次溫濕度控制倉示值穩定后，通過(guò)PC 機發(fā)送命令給FPGA 擴展口16 把各通道數據輪詢(xún)傳送至PC 機。每組數據測量10 次，程序中對每組數據使用中值濾波取平均值^[7]。待所有數據測量結束，分別點(diǎn)擊溫度校準和濕度校準，程序自動(dòng)完成每組數據的平均和線(xiàn)性校準。程序界面可以選擇單個(gè)通道的自動(dòng)校準，也可以選擇所有通道同時(shí)完成自動(dòng)校準。

2.2 校準數據處理

PC 上位機通過(guò)FPGA 擴展的第16 個(gè)UART，接收所有通道采集的傳感器數據，程序通過(guò)幀頭判斷數據對應的通道。對于每一個(gè)控制倉設置點(diǎn)，程序自動(dòng)讀取10 組數據，并把對應通道的數據分別存儲。然后使用中值濾波算法自動(dòng)計算得到每個(gè)通道10 組數據的平均值另外外存。依次把所有控制倉設置點(diǎn)的數據測量結束，就會(huì )得到5 組溫度值和5 組濕度值的平均值，分別點(diǎn)擊溫度校準和濕度校準，程序會(huì )自動(dòng)調用線(xiàn)性擬合函數完成15 個(gè)通道的溫度和濕度校準，點(diǎn)擊“KB 查詢(xún)”可以看到當前的校準系數。如圖4 所示為傳感器出廠(chǎng)校準得到的校準系數，這與之前對每組數據手動(dòng)求平均，再線(xiàn)性擬合，效率得到大幅提升。

圖3 自動(dòng)校準界面

圖4 校準系數查詢(xún)

3 數據測試與分析

在顆粒物測量設備中，溫濕度傳感器用于環(huán)境溫濕度和采樣氣體溫濕度的測量。在線(xiàn)顆粒物設備的濃度與標準的手工設備相比，會(huì )受到不同地區、不同季節氣候的影響，因此設備顆粒物的濃度需要使用環(huán)境溫度濕度對其進(jìn)行修正^[8]。同時(shí)溫濕度不一致也會(huì )直接影響各設備的加熱策略，所以溫濕度的校準直接影響設備之間顆粒物濃度的一致性。圖5 和圖6 為兩臺設備分別選取26 d 的運行數據，溫濕度沒(méi)有校準和校準后的數據擬合效果，根據“環(huán)境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）連續自動(dòng)監測系統技術(shù)要求及檢測方法”^[9]，從擬合系數系數看，K 值從1.02 降到了1，兩臺數據的一致性有很大提高。而溫濕度對顆粒物濃度修正的影響有專(zhuān)門(mén)的課題來(lái)研究，在此不做詳細的分析。

圖5 溫濕度未校準的擬合系數

圖6 溫濕度校準后的擬合系數

4 結束語(yǔ)

基于FPGA設計的多UART擴展批量自動(dòng)校準系統，不僅實(shí)現了多通道溫濕度數據的批量采集，又實(shí)現了批量數據的自動(dòng)處理，自動(dòng)線(xiàn)性擬合校準，該設計已經(jīng)成功應用于設備生產(chǎn)的出廠(chǎng)校準中，且性能穩定。此校準系統的設計方法和設計思想并不局限于溫濕度的批量校準，也可以推廣到其他需要批量數據采集，批量數據自動(dòng)處理的場(chǎng)合，來(lái)提高工作效率。

參考文獻：

[1] 靳燕,王曉東.基于β射線(xiàn)和光散射法的顆粒物測量系統[J].山西電子技術(shù),2022,27(4):27-35.

[2] 顏世威,馮沖,施展,等.基于FPGA的多串口傳輸電路設計及驗證[J].電子測試,2019,19(4):16-18.

[3] 殷安龍,張持健,陳林,等.基于FPGA的多串口通信設計與實(shí)現[J].電子設計工程,2016,24(17):45-47.

[4] 吳朝暉,曲立國.UART波特率檢測電路的FPGA設計算法與實(shí)現[J].現代電子技術(shù),2022,45(20):41-44.

[5] 蘇長(cháng)青,賀楠,李大琦,等.FPGA在應用編程技術(shù)的一種低成本實(shí)現[J].電子世界,2021,3(48):114-116.

[6] DANIEL S,CAL S.C#圖解教程[M].北京:人民郵電出版社,2019:102-153.

[7] 安春蓮,楊古月,楊延菊,等.基于中值濾波預處理的強沖擊噪聲背景測向方法[J].電子學(xué)報,2021,49(6):1159-1166.

[8] 景寬,劉保獻,王焱,等.溫濕度對PM2.5質(zhì)量濃度監測的影響[J].中國環(huán)境監測,2018,34(4):124-132.HJ653-2019.

[9] 環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續自動(dòng)監測系統技術(shù)要求及檢測方法[S].

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）