Excelpoint世健基于Microchip平台的气体检测参考设计方案

winniewei 提交于 周一, 03/12/2018
Excelpoint世健基于Microchip平台的气体检测参考设计方案

气体检测与人类生活息息相关,例如:石化厂、煤气站、油库等场所对可燃气体的监测;汽车尾气、工业废气、城市雾霾的监控;还有家用煤气、天然气的泄漏爆炸的监测;以及针对装修后有毒气体(苯和甲醛)残留浓度的检测等等。从工业到民用,针对各种可燃有毒气体的检测无一不会用到气体探测器。并且随着智能物联网的蓬勃发展,气体探测器也被广泛用在功能强大的物联网上实时监控前天环境,为人类的安全保驾护航。

然而目前市场上的气体探测器按原理可分为催化燃烧式电化学、半导体式以及红外四种。催化燃烧式探测器易中毒,电化学探测器寿命有限,半导体式探测器一致性较差。而红外探测器反应灵敏,精度高,寿命长,优势显著。世健公司作为技术分销商跟解决方案商,时刻关注市场需求,近期正式推出基于Microchip平台,采用Axetris的红外光源和Pyreos的传感器所组成的红外气体检测参考设计方案。通过此方案,客户可以快速地评估MCU、光源以及传感器的性能,缩短气体检测项目的设计周期。

该参考设计方案的原理:红外光源发射出2-14μm的红外光,通过一定长度的气室吸收后,由带4.26μm 波长的窄带滤光片的红外气体传感器进行探测,传感器内置15ADC,通过IIC进行数据采集,经过MicrochipCortex® M0+ SAM D20进行数据分析处理,分析出的采样数据通过通讯接口传输到上位机,然后通过配套软件观察不同探测器采集的数据及波形。方案框图如下:

图1 方案框图

图1 方案框图

整个方案的硬件连接方式是micro USBUSB线连接评估板和PC,选用12V直流电源适配器。作为一个参考设计,这个方案选用了Microchip公司的系列产品,包括基于Cortex M0+核的ATSAM D20作为的主控芯片,轨到轨的放大器MCP6H02用于驱动A红外光源和低噪声的电源芯片MIC5253提供系统电源及接口芯片MCP2200

而使用Pyreos公司的ezPyro是世界上最小的拥有数字接口超低功耗的热释电红外传感器ezPyro 系列数字接口型传感器内部集成了传感器、模拟前端、15Δ-Σ模数转换、数字滤波器、FIFO以及中断唤醒控制等部分,同时5.65_mm×3.7_mm×1.55_mm的封装也大幅减小了设计整体体积。ezPyro热释电红外传感器的响应时间在毫秒级,相比竞争对手几秒钟的响应时间,可谓是不可同日而语。

此方案中使用的红外光源EMIRS 50是通过紧凑的TO-46封装,它可以提供带保护帽或者带反射面,这些结构可以配置蓝宝石或氟化钙氟化钡锗等材料的滤光片。Axetris红外光源是紧凑型气体检测模块的理想选择。所有Axetris红外光源都是基于微机械加工,电调制技术的热辐射红外光源。这个专利的设计提供了真实黑体的辐射特性从2-14μm,高辐射率和一个很长的使用寿命,它还具备极其快速的调制和低功耗的特性。Axetris红外光源在这些年已经成功集成在各种医疗工业和安全应用上。典型的目标气体是COCO2制冷剂CH4Nox呼吸性酒精气体以及其他更多气体。

当然,要确保方案整体的性能、提升系统测量精度,只有传感器是不够的。世健在配套芯片的选择上也下了一番功夫。从方案的BOM清单中我们可以看到,世健的工程师特意选择了Microchip电源芯片MIC5253以及运算放大器MCP6H02等性能优异的外围电子元器件,使得传感器的特性最大限度发挥出来。

除了硬件方面,世健的设计工程师也开发出了配套的软件,开发者可以观测到方案中不同传感器通道的测试和分析数据。采样数据由串口传输到上位机,通过软件显示测量谱图,软件的左侧可以观察参考通道和CO2通道所测量的数据,其中白色曲线是参考信号,红色曲线是CO2检测信号。经过双通道的校准算法可以测量出气体浓度值等等,软件还可以保存采集数据。

运行NDIR.exe软件时,请确保已经安装NDIR驱动或者安装Labview2014运行引擎和Labview visa 驱动(visa540_full.exe),步骤如下:

1.配置串口

2.打开软件,选择对应的串口号,并选择如下设置:

3.波特率:115200

4.数据位:8

5.校验位:None

6.停止位:1

7.最后点击打开串口按钮,切换到显示数据

图2  软件界面

图2  软件界面

世健公司的现场应用总监仇嘉洋表示:“通过采用Microchip公司高性能的基于Cortex-M0+的MCU及电源和接口产品,结合MEMS技术的红外光源和传感器,世健公司为客户提供了完整的红外气体检测解决方案,可广泛应用于工业气体排放、煤矿可燃有毒气体泄漏监测环境监测医疗安全智能楼宇机车尾气排放检测等应用场景。”

关于世健——亚太区领先的元器件授权代理商

世健是完整解决方案的供应商为亚洲电子厂商包括原设备生产商OEM、原设计生产商(ODM)和电子制造服务提供商(EMS)提供优质的元器件、工程设计及供应链管理服务。

世健与供应商及电子厂商紧密协作为新的科技与趋势作出定位,并帮助客户把这些最先进的科技揉合于他们的产品当中。集团拥有三个研发中心,专业的研发团队不断创造新的解决方案,帮助客户提高成本效益并缩短产品上市时间世健研发的创新解决方案可应用于工业、无线通信及消费电子等领域。

世健的总部设于新加坡,是新加坡的主板上市公司,拥有超过650名员工,业务范围扩展至亚太区四40多个城市和地区,遍及新加坡、马来西亚、泰国、越南、中国、印度、印尼、菲律宾、新西兰及澳大利亚等国家。世健集团2017年的年营业额超过11亿4千万美元。世健在1993年开始发展中国业务中国区的总部设于香港,并拥有11个分公司及办事处2个研发中心及2个物流中心,遍及中国多个城市。