一種用于溫濕度批量自動校準系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

在顆粒物檢測系統(tǒng)中，溫濕度參數(shù)的一致性，不僅影響顆粒物檢測設(shè)備間的一致性，還影響顆粒物測量的準確性^[1]。因此在設(shè)備出廠前需要對各溫濕度傳感器進行一致性校準。以前溫濕度的校準采用單點校準，設(shè)備長期運行，溫濕度又會跑偏，因此本系統(tǒng)采用多點線性擬合校準。而溫濕度的線性校準需要對多個溫度點和濕度點進行測量。如果一次只能同時測量幾個溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，再手動擬合，效率低下，需要投入大量的人工，不能滿足生產(chǎn)的大量需求。為提高溫濕度傳感器的校準效率，需要同時對多個傳感器進行批量校準，這就需要多個串口。

目前一般的單片機最多只有3~4 個UART，不能滿足同時校準的要求。雖然串口的擴展可以通過分時復(fù)用、軟件編程、使用專用芯片等方法解決，但這些方法都會增加處理器的占用時間或者增加外圍電路的復(fù)雜程度。針對上述問題，本文設(shè)計了一種基于FPGA 的多串口擴展自動校準系統(tǒng)，滿足批量校準系統(tǒng)多串口擴展的需求，無需額外的硬件串口擴展^[2]。該批量校準系統(tǒng)還可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動處理，自動線性擬合，輸出校準系數(shù)，免去手動擬合的麻煩。在提升溫濕度校準的效率的同時，也提高了設(shè)備之間數(shù)據(jù)的一致性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

溫濕度批量自動校準系統(tǒng)的基礎(chǔ)是FPGA 的多串口擴展^[3]。圖1 為設(shè)計的總體框圖。使用FPGA 內(nèi)部的UART IP 核進行16 路UART 擴展，其中15 路UART接口分別與15 路溫濕度傳感器進行通信，15 路通信數(shù)據(jù)通過緩沖寄存器存儲后，由處理器仲裁，經(jīng)另一路UART 上傳至PC 機。PC 機程序通過不同幀頭識別不同通道的溫濕度傳感器數(shù)據(jù)，并分別存儲，實現(xiàn)溫濕度的批量自動校準。

1.1 FPGA的多UART擴展

本設(shè)計選擇的FPGA 型號為Altera 公司的CycloneII 系列EP4CE6E22C8 芯片。使用FPGA 內(nèi)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 進行電平轉(zhuǎn)換。

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

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

1.2 數(shù)據(jù)的仲裁傳輸

FPGA 串口與PC 機的數(shù)據(jù)交互采用輪詢的方式。FPGA 的15 個串口采集到的數(shù)據(jù)存儲在緩沖寄存器中，每個UART 通道在數(shù)據(jù)接收完成時，會產(chǎn)生1 個接收完成標志信號fl ag。數(shù)據(jù)仲裁模塊由兩個3-8 譯碼器組成，串口每次接收到PC 機的數(shù)據(jù)命令時，會輪詢每個UART 通道的接收完成標志。如果標志為1，代表此通道有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，設(shè)置串口發(fā)送模塊的發(fā)送開始標志位，發(fā)送對應(yīng)通道寄存器的數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)發(fā)送完成，把此通道標志位置0。采用輪詢的方式，不會遺漏每個uart 通道的數(shù)據(jù)。

2 自動校準的實現(xiàn)

2.1 PC機自動校準界面

批量自動校準在PC 機上實現(xiàn)，上位機的數(shù)據(jù)采集處理程序用C# 編寫^[6]。如圖3 所示，“主界面”顯示各通道的實時傳輸數(shù)據(jù)；“設(shè)置”界面可以設(shè)置串口的波特率等參數(shù)，同時該軟件也支持TCP 傳輸，設(shè)置界面同樣可以設(shè)置IP、端口號等?！靶省苯缑婵梢猿跏蓟瘍?nèi)部參數(shù)、保存、查詢、校準KB 參數(shù)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(nèi)，使用溫濕度控制倉從低到高依次設(shè)置5 組溫度和5組濕度，待每次溫濕度控制倉示值穩(wěn)定后，通過PC 機發(fā)送命令給FPGA 擴展口16 把各通道數(shù)據(jù)輪詢傳送至PC 機。每組數(shù)據(jù)測量10 次，程序中對每組數(shù)據(jù)使用中值濾波取平均值^[7]。待所有數(shù)據(jù)測量結(jié)束，分別點擊溫度校準和濕度校準，程序自動完成每組數(shù)據(jù)的平均和線性校準。程序界面可以選擇單個通道的自動校準，也可以選擇所有通道同時完成自動校準。

2.2 校準數(shù)據(jù)處理

PC 上位機通過FPGA 擴展的第16 個UART，接收所有通道采集的傳感器數(shù)據(jù)，程序通過幀頭判斷數(shù)據(jù)對應(yīng)的通道。對于每一個控制倉設(shè)置點，程序自動讀取10 組數(shù)據(jù)，并把對應(yīng)通道的數(shù)據(jù)分別存儲。然后使用中值濾波算法自動計算得到每個通道10 組數(shù)據(jù)的平均值另外外存。依次把所有控制倉設(shè)置點的數(shù)據(jù)測量結(jié)束，就會得到5 組溫度值和5 組濕度值的平均值，分別點擊溫度校準和濕度校準，程序會自動調(diào)用線性擬合函數(shù)完成15 個通道的溫度和濕度校準，點擊“KB 查詢”可以看到當前的校準系數(shù)。如圖4 所示為傳感器出廠校準得到的校準系數(shù)，這與之前對每組數(shù)據(jù)手動求平均，再線性擬合，效率得到大幅提升。

圖3 自動校準界面

圖4 校準系數(shù)查詢

3 數(shù)據(jù)測試與分析

在顆粒物測量設(shè)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。在線顆粒物設(shè)備的濃度與標準的手工設(shè)備相比，會受到不同地區(qū)、不同季節(jié)氣候的影響，因此設(shè)備顆粒物的濃度需要使用環(huán)境溫度濕度對其進行修正^[8]。同時溫濕度不一致也會直接影響各設(shè)備的加熱策略，所以溫濕度的校準直接影響設(shè)備之間顆粒物濃度的一致性。圖5 和圖6 為兩臺設(shè)備分別選取26 d 的運行數(shù)據(jù)，溫濕度沒有校準和校準后的數(shù)據(jù)擬合效果，根據(jù)“環(huán)境空氣顆粒物（PM10 和PM2.5）連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法”^[9]，從擬合系數(shù)系數(shù)看，K 值從1.02 降到了1，兩臺數(shù)據(jù)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門的課題來研究，在此不做詳細的分析。

圖5 溫濕度未校準的擬合系數(shù)

圖6 溫濕度校準后的擬合系數(shù)

4 結(jié)束語

基于FPGA設(shè)計的多UART擴展批量自動校準系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了多通道溫濕度數(shù)據(jù)的批量采集，又實現(xiàn)了批量數(shù)據(jù)的自動處理，自動線性擬合校準，該設(shè)計已經(jīng)成功應(yīng)用于設(shè)備生產(chǎn)的出廠校準中，且性能穩(wěn)定。此校準系統(tǒng)的設(shè)計方法和設(shè)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(shù)據(jù)采集，批量數(shù)據(jù)自動處理的場合，來提高工作效率。

參考文獻：

[1] 靳燕,王曉東.基于β射線和光散射法的顆粒物測量系統(tǒng)[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(shè)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(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)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(shè)計算法與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2022,45(20):41-44.

[5] 蘇長青,賀楠,李大琦,等.FPGA在應(yīng)用編程技術(shù)的一種低成本實現(xiàn)[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(yù)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(jiān)測的影響[J].中國環(huán)境監(jiān)測,2018,34(4):124-132.HJ653-2019.

[9] 環(huán)境空氣顆粒物(PM10和PM2.5)連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法[S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年5月期）