专利名称：多功能气体分析仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及分析化学专业中的分析仪器领域，具体是一种多功能气 体分析仪。
背景技术：
随着社会经济的发展，目前在各大型工业企业(如煤矿、石油、空分 等行业)的生产过程中，某些生产环节下需要对特定的生产过程所产生的气 体(如NOx、 <32、 CO、 C02等气体)进行纟企测，以此维护正常的生产需要。 检测气体的原理是采用朗伯-比尔定理，通过吸收物质对不同气体的不同吸 收而检测得到信号，经过分析仪器对信号处理得出分析结果。
现有技术的气体分析仪结构复杂，分析精度差，操作复杂，仪器的使用 人员需要经过专门培训才可以上岗。如专利号200710168卯2.6号专利公开的 一种气体分析仪，由气压输送泵、气压输送管、进样计量装置和气体成分吸 收装置组成，其中计量装置包括第一增压阀、第一减压阀、第一阻隔定位器、 气体体积计量器、第一平衡瓶、第一吸收瓶、进样阀、排空阀等等。由于结
构的复杂必定导致操作繁瑣、误差增大。
现有技术也有少数电子化程度较高的气体分析仪，国内市场主要依赖国 外进口，但是都存在分析数据精度低、稳定性差、显示界面单一、通用性差， 以及采用4-20mA的模拟信号传输数据等缺点。
实用新型内容
本实用新型的发明目的在于克服现有技术的缺点，提供一种通用性强、 分析数据精度较高的多功能气体分析仪。为达到以上发明目的，本实用新型多功能气体分析仪由包括主板子系统、 副板子系统、"电源及功率输出"、"显示和操作，，四个模块组成微机系统。微
机系统的操作系统采用开放式的操作系统Linux或者Windows CE,安装在主 板子系统；预置了在操作系统基础上开发的气体分析软件、各种传感器的非 线性误差补偿参数和其他运行参数，可以通过计算机在线刷到主板子系统的 FlashROM中，气体分析软件的操作界面开发为多种语言，至少包括筒体中文 和英文。其中主板子系统为采用ARM9微处理器为核心的嵌入式系统，包括 CPU、 FlashROM、 RAM和掉电存储器。副板子系统为采用SOC芯片的嵌入 式系统，实现微弱信号的数据采集和简单的数据处理。
微机系统设有多个模拟信号输入通道，可以输入如专利申请 2008100299075、 2008100300316、 2008100300320、 2008100300335所/>开的 传感器采集的关于气体的模拟信号。
主板子系统在结构上包括核心板和副板，核心板和副板之间的通讯釆用 SPI或者I2C方式。核心板包括ARM9微处理器、可编程增益放大模块、电 源变换与时钟电路模块、键盘接口模块、输出控制接口模块、报警接口模块、 显示接口模块、音频输出模块、红外通讯模块、RS232/RS485接口模块、USB 接口模块、GSM/GPRS模块接口模块、蓝牙输出通讯模块、以太网接口模块。
副板子系统包括精简型副板子系统和增强型副板子系统两种组态模式。 精简型副板子系统包括C8051F350芯片、模拟信号输入模块、电源变换与时 钟电路模块、键盘接口模块、RS232/RS485接口模块、报警接口模块、显示 接口模块、输出控制接口模块；增强型副板子系统包括SOC芯片、模拟信号 输入模块、电源变换与时钟电路模块、声音输出模块、键盘接口模块、输出 控制接口模块、显示接口模块、报警接口模块、红外通讯接口模块、
RS232/RS485接口模块、USB接口模块。
本实用新型多功能气体分析仪的^f效机系统可以以三种组态方式工作 (l)微弱信号标准系统，包括主板子系统、副板子系统、"电源及功率
5输出"、"显示和操作"四个模块。
(2) 标准信号系统，包括主板子系统、"电源及功率输出"、"显示和操
作"三个模块。
(3) 微弱信号小系统，包括副板子系统、"电源及功率输出"、"显示和 操作"三个模块。
本实用新型多功能气体分析仪设计成微机系统的形式，具备强大的计算 能力和自检功能， 一般技术人员经过简单培训即可上岗操作；通过模块化的 设计，仪器可以适应多种环境下工作，也方便维修；多种类的模拟信号输入 通道，外接各种传感器，增强了仪器的通用性；强大的外界通讯功能，可以 通过RS232接口、 RS485接口、 USB 口、蓝牙、GPRS网络、GSM网络或 者以太网络与外界设备实现数据交换。
图1为本实用新型多功能气体分析仪的微弱信号标准系统工作组态的框 架图。
图2为本实用新型多功能气体分析仪的标准信号系统工作组态的框架图。 图3为本实用新型多功能气体分析仪的微弱信号小系统工作组态的框架图。
图4为本实用新型多功能气体分析仪的主板子系统的框架图。
图5为本实用新型多功能气体分析仪的精简型副板子系统的框架图。
图6为本实用新型多功能气体分析仪的增强型副板子系统的框架图。
具体实施方式
本实用新型多功能气体分析仪由包括主板子系统、副板子系统、"电源及 功率输出"、"显示和操作"四个模块组成微机系统。微机系统的操作系统采用开放式的操作系统Linux或者Windows CE,安装在主板子系统。微机系统 预置了在操作系统基础上开发的气体分析软件、各种传感器的非线性误差补 偿参数和其他运行参数。气体分析软件和各种参数可以通过计算机在线刷到 主板子系统的FlashROM中。气体分析软件的操作界面开发为多种语言，至 少包括简体中文和英文。其中主板子系统为采用ARM9微处理器为核心的嵌 入式系统，包括CPU、 FlashROM、 RAM和掉电存储器。副板子系统为采用 SOC芯片的嵌入式系统，实现微弱信号的数据采集和简单的数据处理。
微机系统设有八个拟信号输入通道，可以输入如专利申请 2008100299075、 2008100300316、 2008100300320、 2008100300335所/>开的 传感器采集的关于气体的模拟信号
通道1,4 20mA电流信号通道;
通道2,0 5V电压4f号通道；
通道3，弱电流信号通道；
通道4,弱电流信号通道；
通道5,弱电压信号通道；
通道6,弱电压信号通道；
通道7，温度补偿信号输入端；
通道8，备用通道。
其中通道3和通道4可组成电流差分信号输入端，通道5和通道6可组 成电压差分信号输入端。温度补偿信号输入端是对环境温度进行监控的温度 传感器的输入端。
主板子系统(如图4)在结构上包括核心板和副板，核心板和副板之间的 通讯釆用SPI或者I2C方式。核心板包括ARM9微处理器、可编程增益放大 模块、电源变换与时钟电路模块、键盘接口模块、输出控制接口模块、报警接口模块、显示接口模块、音频输出模块、红外通讯模块、RS232/RS485接 口模块、USB接口模块、GSM/GPRS模块接口模块、蓝牙输出通讯模块、以 太网接口模块。
主板子系统的重要原件配置的较佳方案为CPU采用三星公司的s3c410 芯片，主频266MHz ; FlashROM容量为256MB 4GB ; RAM容量为 128MB 512MB; 4卓电存4诸器容量为256B 512KB。
主板子系统各才莫块详细说明如下
1、 模块0:可编程增益放大器
模拟信号经过信号调理后进入可编程增益放大器，再经过信号调理进入 ARM9微处理器的A/D转换部分，以实现3种功能①量程自动转换；②零 点偏移校准；③满量程自动校准。开机后该模块的软件能自动检测"输入端 开路"等异常状态；能够自动校准零点和增益；能预置各种传感器的温度、 压力非线性补偿曲线；能超限报警。
2、 模块l:电源变换与时钟电路
"电源及功率输出"模块提供5V、(不大于)1.2A的直流电源，并提供 不小于100mAh的后备电源。该模块的软件，能检测电源的运行状态(充电、 交流供电或后备电池供电)，和电池当前容量百分比。
时钟电路还包括时间晶振，必须保证(l)在"电源及功率输出，，模块完 全不供电的情况下，半年内不丢失时间；(2)使用的纽扣电池5年内不损坏。
3. 模块2:键盘接口
输入的按键包括2个电源键、 一个复位键、四个方向键、 一个菜单键和一 个确定键。再检测状态下软件能够屏蔽方向键、菜单键和确定键和触摸屏， 不会导致误操作。
4. 模块3:输出控制接口
该模块提供六路信号输出两路无触点继电器控制信号输出，两路继电器 信号输出，两路MOSFET功率(PWM信号)输出， 一路4 ~ 20mA标准信号输出， 一路报警输出。
5. 模块4:报警接口
该模块为主板子系统提供一路内部报警信号接口 ，可以驱动蜂鸣器或者 二极管实现报警功能。
6. 模块5:显示接口
显示接口模块包括LCD显示屏和触摸屏。LCD显示屏包括STN屏和真彩 的LCD屏幕以及带触摸屏的LCD,已经写入相应的驱动程序。
7. 模块6:音频输出
该模块提供200mW双声道的扬声器声音输出。
8. 模块7:红外通讯模块
红外通讯模块要求使用功耗低、符合IrDA1.2(FIR,快速红外)串行红外传 输标准的红外模块，其最高的红外传输速度可达4Mbps。
9. 模块8: RS232/RS485接口
RS232接口可通过接口转换电路转换为RS485接口。
10. 模块9: USB接口
USB接口可接U盘、USB 口打印机等通过USB 口传送数据的设备。USB 口能外接计算机，用外接计算机来实现主板子系统的应用软件安装、操作系 统升级等操作。
11 、模块10: GSM/GPRS模块接口
GSM/GPRS模块接口模块可以实现无线通讯。
12. 模块11:蓝牙通讯模块
蓝牙通讯模块可实现无线数据交换
13. 才莫块12:以太网接口
10M以太网接口模块方便系统组成局域网
副板子系统包括精简型副板子系统(如图5)和增强型副板子系统(如图 6)两种组态模式。精简型副板子系统包括C8051F350芯片、模拟信号输入模
9块、电源变换与时钟电路模块、键盘接口模块、RS232/RS485接口模块、报 警接口模块、显示接口模块、输出控制接口模块；增强型副板子系统包括SOC 芯片、模拟信号输入模块、电源变换与时钟电路模块、声音输出模块、键盘 接口模块、输出控制接口模块、显示接口模块、报警接口模块、红外通讯接 口模块、RS232/RS485接口模块、USB接口模块。
精简型副板子系统各模块的功能如下
(1) 、模拟输入电路
输入通道包括 一路弱电流差分信号端， 一路弱电压差分信号端， 一路0 ~ 5V电压信号通道，一^各4 20mA电流信号通道，一^各温度补偿信号输入端。
换部分。
开机时软件能自动检测输入端开路等异常状况；能自动校准零点和增益； 能预置各种传感器的温度、压力非线性补偿曲线;超限报警。
(2) 、电源变换与时钟电路
"电源及功率输出"模块提供5V的直流电源，并提供不小于1000mAh 的后备电源。电源变换与时钟电路模块利用软件能够检测电源的运行状态(如 充电、交流供电或者后备电池供电等)和后备电池当前容量百分比。
时钟电路还包括时间晶振，能够保证(A)在"电源及功率输出"模块 完全不供电的情况下，半年内时间不丟失。(B)使用的钮扣电池5年内不损 坏。
(3) 键盘接口
输入的按键由电源键、复位键、四个方向键、菜单键和确定键组成，在 检测状态下可以通过软件屏蔽按键，防止误操作按键或触摸屏。 (4)输出控制接口
输出控制接口具备两路继电器控制，两路无触电继电器控制，两路 MOSFET ( PWM)输出， 一路4 ~ 20mA标准信号输出。
10(5) 报警接口报警接口模块为副板子系统提供一路报警信号接口 ，驱动蜂鸣器或者二极管实现报警。(6) 显示4妻口 显示接口模块为LED显示模块。(7 )模块7: RS232/RS485接口RS232接口可通过接口转换电路转换为RS485接口 。增强型副板子系统各模块的功能如下(1 )模拟输入电路 输入通道包括 一路弱电流差分信号端， 一路弱电压差分信号端， 一路0 ~ 5V电压信号通道， 一路4 20mA电流信号通道， 一路温度补偿信号输入端。(A) 可以实现量程自动转换功能，模拟信号经过信号调理后进入SOC 芯片的A/D转换部分。(B) 具备零点和满刻度测量的硬件处理功能。 软件具有如下功能a、 开机自检能自动检测输入端开路等异常状况。b、 能自动校准零点和增益。c、 能预置各种传感器的温度、压力非线性补偿曲线。d、 超限报警。(2) 电源变纟奂与时4f电^各"电源及功率输出，，模块提供5V的直流电源，并提供不小于1000mAh的后 备电源。电源变换与时钟电路模块利用软件能够检测电源的运行状态(如充 电、交流供电或者后备电池供电等)和后备电池当前容量百分比。时钟电路还包括时间晶振，能够保证(A)在"电源及功率输出"模块 完全不供电的情况下，半年内时间不丢失。(B)钮扣电池5年内不损坏。(3) 键盘接口输入的按键由电源键、复位键、四个方向键、菜单键和确定键组成，在检测状态下可以通过软件屏蔽按键，防止误操作按键或触摸屏。(4) 输出控制接口输出控制接口具备两路继电器控制，两路无触电继电器控制，两路MOSFET ( PWM)输出， 一路4 ~ 20mA标准信号输出。(5) 报警接口报警接口模块为副板子系统提供一路报警信号接口 ，驱动蜂鸣器或者二 极管实现报警。(6) 显示接口显示接口模块包括LCD和LED显示模块，具有相应的驱动程序。 (7 )红外通讯模块 红外通讯;f莫块符合IrDA1.2(FIR,快速红外)串行红外传输标准的红外 收发4莫块，其最高的红外传输速度可达4Mbps。(8) RS232/RS485接口 RS232接口可通过接口转换电路转换为RS485接口。 可接串口票据打印机，具有相应的软件驱动程序。 RS232接口可用来组成总线结构的网络。(9) USB接口USB接口可接U盘、USB 口打印机等通过USB 口传送数据的设备。软 件上具有相应的驱动程序。本实用新型多功能气体分析仪的孩i机系统可以以三种组态方式工作(1 )微弱信号标准系统(如图1),包括主板子系统、副板子系统、"电 源及功率输出"、"显示和操作，，四个模块。(2) 标准信号系统(如图2),包括主板子系统、"电源及功率输出"、"显 示和操作"三个模块。(3) 微弱信号小系统(如图3)，包括副板子系统、"电源及功率输出"、 "显示和操作"三个模块。
权利要求1、多功能气体分析仪，其特征是包括主板子系统、副板子系统、“电源及功率输出”、“显示和操作”四个模块组成的微机系统；所述的主板子系统为采用ARM9微处理器为核心的嵌入式系统，包括CPU、FlashROM、RAM和掉电存储器；所述的副板子系统为采用SOC芯片的嵌入式系统，实现微弱信号的数据采集和简单的数据处理；所述的微机系统的操作系统采用开放式的操作系统Linux或者WindowsCE，安装在主板子系统。
2、 如权利要求l所述的多功能气体分析仪，其特征是所述的主板子系 统的CPU采用三星公司的s3c410芯片，主频266MHz;FlashROM容量为256MB 4GB;RAM容量为128MB 512MB;掉电存储器容量为256B 512KB。
3、 如权利要求l所述的多功能气体分析仪，其特征是所述的主板子系 统包括核心板和副板；所述核心板包括ARM9微处理器、可编程增益放大模块、电源变换与时 钟电路模块、键盘接口模块、输出控制接口模块、报警接口模块、显示接口 模块、音频输出模块、红外通讯模块、RS232/RS485接口模块、USB接口模 块、GSM/GPRS模块接口模块、蓝牙输出通讯模块、以太网接口模块。
4、 如权利要求3所迷的多功能气体分析仪，其特征是所述的核心板和 副板之间的通讯采用SPI或者I2C方式。
5、 如权利要求l所述的多功能气体分析仪，其特征是所述的副板子系 统包括精筒型副板子系统和增强型副板子系统两种组态模式；精筒型副板子系统包括C8051F350芯片、模拟信号输入模块、电源变换与时钟电路模块、键盘接口模块、RS232/RS485接口模块、报警接口模块、 显示接口模块、输出控制接口模块；增强型副板子系统包括SOC芯片、模拟信号输入模块、电源变换与时钟 电路模块、声音输出模块、键盘接口模块、输出控制接口模块、显示接口模 块、报警接口模块、红外通讯接口模块、RS232/RS485接口模块、USB接口 模块。
6、 如权利要求l所述的多功能气体分析仪，其特征是所述的微机系统 可以以三种组态方式工作微弱信号标准系统，包括主板子系统、副板子系统、"电源及功率输出"、"显示和:^作，，四个模块；标准信号系统，包括主板子系统、"电源及功率输出"、"显示和操作，，三个模块；微弱信号小系统，包括副板子系统、"电源及功率输出"、"显示和操作" 三个模块。
7、 如权利要求l所述的多功能气体分析仪，其特征是所述的微机系统 包括八个^t拟信号输入通道通道1,4~20mA电流信号通道;通道2,0~5V电压信号通道；通道3,弱电流信号通道；通道4,弱电流信号通道；通道5,弱电压信号通道；通道6，弱电压4言号通道；通道7，温度补偿信号输入端；通道8,备用通道。
专利摘要本实用新型涉及分析化学专业中的分析仪器领域，具体是一种多功能气体分析仪，由包括主板子系统、副板子系统、“电源及功率输出”、“显示和操作”四个模块组成微机系统，可以以三种组态方式工作。本实用新型多功能气体分析仪具备强大的计算能力和自检功能，一般技术人员经过简单培训即可上岗操作；通过模块化的设计，仪器可以适应多种环境下工作，也方便维修；多种类的模拟信号输入通道，外接各种传感器，增强了仪器的通用性；强大的外界通讯功能，可以通过RS232接口、RS485接口、USB口、蓝牙、GPRS网络、GSM网络或者以太网络与外界设备实现数据交换，是一种通用性强、分析数据精度较高的多功能气体分析仪。
文档编号G01N31/00GK201392333SQ20092005011
公开日2010年1月27日 申请日期2009年1月14日 优先权日2009年1月14日
发明者石兆奇 申请人:石兆奇