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以纮康HY16F184实现Gas Sensor量测应用设计

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1. 内容简介

　　近年来由于日趋严重的环境污染及工业上之需求，使得传感器的发展倍受重视。在空气污染防治日益复杂及工业上迫切需要的今日，高效能的气体传感器愈来愈受重视。以金属氧化物半导体(MOS)为材料之气体传感器，由于其耐热性及耐蚀性佳、应答速率快、组件制作容易，以及易与微处理器组合成气体感测系统或携带式监测器，因此被广泛的使用在家庭、工厂环境中以侦测毒性气体及燃烧爆炸性气体。而本文将介绍以HY16F184内建高精密Sigma-Delta 24 Bit ADC搭配CCS801 CMOS Sensor来实现一个Gas Sensor应用电路。在本文中的Gas Sensor应用电路上，主要的组件有：气体传感器(CCS801 Gas Sensor)、ADC和MCU控制芯片。而纮康HY16F184控制芯片内建高精密Sigma-delta 24 Bit ADC、可程序放大PGA和多段式稳压输出等功能，可以很大幅简化PCB周边线路，精准完成由模拟到数字的讯号转换。

　　本文Gas Sensor应用电路是由纮康HY16F184芯片之内建ADC精确的量测到CCS801 CMOS Sensor内的RS电阻变化量，并且透搭配CCS801 CMOS Sensor所提供的C Library算法，可以换算出相对应的PPM浓度数值。而在加热驱动器(Heater)回路上的微小电流变化量(RH_Current)，同样也可使用HY16F184内建ADC精准的量测到。本文内也提供了GUI软件接口，透过I2C通讯来输出实时的PPM与RS和RH_Current数据变化量。使用I2C转USB网桥与计算机连接，由计算机端GUI做实时三个信道的数据变化量显示。

　　2. 原理说明

　　2.1. 量测原理

　　CCS801 Gas sensor半导体气体感测材料在侦测气体时，RS电阻会产生变化，如下图1。此情况主要导因于侦测可燃性气体如一氧化碳(CO)及多种挥发性有机化合物(VOC)与吸附在半导体氧化物且带负电荷的氧离子产生反应。当空气侦测到可燃性气体时候，RS电阻会产生变化，此时可测量到RS两端的电压会有所改变。典型的RS电阻值范围在100k~2M奥姆之间. RH电阻则是可当温度反应电阻，当Gas Sensor有一电流回路流经Heater+与Heater GND，则可视为加热现象，随着Heater温度的变化，RH端的电阻也会有所改变，典型的RH电阻值范围在20~100奥姆之间。

　　图1 CCS801 CMOS Sensor

　　2.2. Gas Sesnor应用电路基本架构

　　本文Gas Sensor的基本架构如下图2所示，包含一个气体传感器(CCS801 Gas Sensor)、PMOS NX2301、ADC和MCU单芯片。HY16F184可输出PWM来控制PMOS NX2301做为电流开关控制。当PWM输出为High时候，则是关闭PMOS，此时较为省电，不会有电流流经过Heater端。而当PWM输出为Low时候，则是导通PMOS，会有电流流经过Heater端，此时则开始做Gas Sensor加热动作，当Gas Sensor再加热的时相对来说也会比较耗电。本文的电路应用架构即是利用PWM来做整体消耗电流功耗控制，设定PWM输出周期为97us，PWM输出Low的时间为比57us而PWM输出High的时间为40us。PWM On的输出持续时间是100ms，此时为CCS801的加热时间，之后PWM Off的时间为持续400ms，当PWM Off时候，此时会输出保持High，以500ms为一个控制周期不断的循环控制PMOS NX2301开关，做为加驱动器(Heater)的控制。详细的PWM控制时间图，可以参考以下图3。 HY16F184除了使用PWM做PMOS开关控制来达到功耗控制与省电的设计效果，还使用了高精度ADC来做RS与RH_Current变化量测量，而撷取到的数据可以由I2C来做数据的输出与读取，详细HY16F184 ADC规格可以参考下图4。

　　图2 HY16F184 Gas Sensor基本架构图

　　图3 HY16F184 PWM输出控制时序图

　　2.3. 控制芯片

　　单片机简介：HY16F系列32位高性能Flash单片机(HY16F184)

　　图4 纮康HY16F系列32位高性能Flash单片机(HY16F184)

　　(1)采用最新Andes 32位CPU核心N801处理器。

　　(2)电压操作范围2.4~3.6V，以及-40℃~85℃工作温度范围。

　　(3)支持外部16MHz石英震荡器或内部20MHz高精度RC震荡器，

　　拥有多种CPU工作频率切换选择，可让使用者达到最佳省电规划。

　　(3.1)运行模式 350uA@2MHz/2(3.2)待机模式 10uA@32KHz/2(3.3)休眠模式 2.5uA

　　(4)程序内存64KBytes Flash ROM

　　(5)数据存储器8KBytes SRAM。

　　(6)拥有BOR and WDT功能，可防止CPU死机。

　　(7)24-bit高精准度ΣΔADC模拟数字转换器

　　(7.1)内置PGA (Programmable Gain Amplifier)最高可达128倍放大。

　　(7.2)内置温度传感器TPS。

　　(8)超低输入噪声运算放大器OPAMP。

　　(9)16-bit Timer A

　　(10)16-bit Timer B模块具PWM波形产生功能

　　(11)16-bit Timer C 模块具数字Capture/Compare 功能

　　(12)硬件串行通讯SPI模块

　　(13)硬件串行通讯I2C模块

　　(14)硬件串行通讯UART模块

　　(15)硬件RTC时钟功能模块

　　(16)硬件Touch KEY功能模块

　　(17)Sigma-delta 24 Bit ADC ENOB & RMS Noise

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　　3. 系统设计

　　3.1. 硬件说明

　　使用HY16F184内建ADC搭配CCS801 CMOS Sensor做Gas Sensor应用电路。 HY16F184的ADC通道模拟脚位会使用到AIO0/AIO1/AIO2/AIO3。 AIO0与AIO3主要负责做流经过RH电阻的RH_Current电流变化量测量，AIO1与AIO2负责做RS电阻的电压变化量测量，因为RS电阻本身为高阻抗(100k~2M奥姆)，而ADC的输入阻抗大约只有200k奥姆, 所以在AIO2的输入脚位部份会先经过HY16F184内建R2ROP做一个Unit Gain buffer输出，再由OPOI输出到ADC当作输入参考引脚，这样可以避免量测讯号时负载效应的产生，详细关于AIO1与AIO2的通道设置，可以参考下图5。完整硬件线路图可以参考下图6。

　　图5 HY16F184 ADC通道设置AIO2与AIO1

　　图6 HY16F184 Gas Sensor硬件线路连接图(TOP)

　　图7 HY16F184 Gas Sensor硬件线路连接图(Bottom)

　　主要组件介绍

　　(1)HY16F184 : 数据处理与运算核心，主要负责执行PWM输出与运算CCS801 Gas Sensor的PPM, RS, RH_Current数据，并且透过I2C通讯做数据输出。

　　(2)ADC：HY16F184内建之模拟数字转换器，能够精确的将Gas sensor上的RS与RH_Current讯号，做模拟数字电压讯号转换。

　　(3)CCS801 Gas Sensor :气体传感器，负责侦测环境中气体变化量，内部的RS电阻值会随着气体中可燃性气体浓度的不同而产生变化量。

　　(4)NX2301 PMOS : 在此主要当作开关使用，由HY16F184的PWM来做开关控制使用。开启时候可对Heater做加热动作，关闭时候没有电流经过不做加热动作。

　　3.2. 软件说明

　　程序流程图 :

　　图8 Gas Sensor程序流程图

　　4. 数据规格与总结

　　4.1. 耗电流测量

　　在CPU频率设定为2MHz与工作电压VDD=3V, VDDA=2.4V, 使用PWM做PMOS开关控制. PWM On的输出持续时间是100ms，此时为CCS801的加热时间，之后PWM Off的时间为持续400ms，以500ms为一个控制周期不断的循环控制PMOS，在此情况下所测得到的耗电流约0.89mA。

　　4.2. ADC Raw Data与I2C通讯格式说明

　　I2C Slave Address:0x20

　　I2C Command:0x80

　　S+Addr+0x80+rS+(Addr+1)+CH1Data_L+CH1Data_M+CH1Data_H+CH2Data_L+CH2Data_M+CH2Data_H+CH3Data_L+CH3Data_M+CH3Data_H+CH4Data_L+CH4Data_M+CH4Data_H+P

　　S: Star; Addr: Slave address; rS: repeat start; P: stop.

　　CH1: RS 的ADC RawData经过ccsmox_set_data_iaq计算后所得PPM

　　CH2: RS端的ADC RawData

　　CH3: RH_Current端的ADC RawData

　　CH4: NC

　　L: ADC Low byte; M: ADC Middle byte; H: ADC High byte;

　　每个信道数据(Chx)共8*3=24bit

　　Bit0，统一为旗标，Bit0=0b，代表为旧资料; Bit0=1b，代表为新资料;

　　使用者应该在Bit0=1b时，取得数据才有效.

　　Bit23，统一为Sign bit，

　　Bit23=0b，代表正数; Bit23=1b，代表负数

　　4.3. ADC Raw Data数据显示界面介绍

　　扫描Gas Sensor所输出的ADC Raw Data可透过I2C接口来做数据的传输与读取，搭配纮康设计的I2C转USB的网桥配合PC端的GUI，可以做为实时的ADC Raw Data数据显示。详细数据画面显示GUI操作说明，可以参考如下 :

　　1.Connect : USB连接状态，如果有正常连接会显示 Connect，如果连接不正常，会显示control board connect fail

　　2.I2C Slave addr: 预设为0x20.

　　3.Chart: 显示四个信道的Gas sensor扫描数据。

　　4.Scan: 开始读取四个信道的Gas sensor扫描数据。

　　5.Save: 存取四个信道的Gas sensor扫描数据。

　　图9 HY16F184 Gas Sensor与USB转I2C Board硬件接线图

　　图10 ADC Raw Data数据显示界面

　　连上GUI观察CH1~CH3的数据显示画面如下图，因为PWM On与PWM Off的周期为500ms，所以换算频率约每2秒在GUI画面做一次数据的更新。CH1的数据为气体浓度PPM，当Gas Sensor没有侦测到任何的可燃性气体时候，可以看到都为平稳数值不会跳动，CH2的数据为RS，一开始的ADC Raw Data会呈现平稳的上升，CH3则为RH_Current数据，一开始的ADC Raw data会呈现平稳的下降。

　　图11 Gas Sensor无侦测到任何可燃性气体时候的ADC Raw Data变化量

　　当有挥发性有机化合物接近Gas Sensor时候，在此是拿奇异笔接近Gas Sesnor，可以看到CH1的PPM数据会透过算法算出变化量，同时CH2的RS ADC Raw data会呈现明显下降状态，CH3的RH_Current ADC Raw data也会呈现明显下降状态，在奇异笔离开Gas Sensor之后才会慢慢回复平稳状态。