基于DSP的新型pH值和离子浓度测量控制系统

　　1　系统硬件设计

　　系统分为模拟和数字两部分,模拟部分为传感器信号处理装置,由偏置电路和电压调理电路组成。数字部分主要由DSP和LCD、EEPROM、键盘及串行通信接口等外围设备组成。传感器信号经过电压调理后送到DSP的A/D转换口。该系统的框图如图1所示。

　　1.1　主控制器

　　这里采用TMS320LF2407A DSP芯片为主控制器,其主要功能是负责A/D转换、对A/D转换后的信号进行分析处理、对LCD进行管理及与PC机通信。该芯片是一种具有特殊结构的微处理器,芯片内部采用程序和数据分开的哈佛结构,具有专门的硬件乘法器,采用流水线操作,并提供特殊的DSP指令,可以快速地实现各种数字信号处理算法。

　　1.2　传感器信号处理

　　本系统采用离子敏场效应晶体管ISFET作为检测用传感器,它可以将电解液的离子浓度用传感器的阈电压表示出来,具体表达式为:

　　式中,ΦI为电解液和栅介质层界面处的电化学势,VR为参考电压与电解液之间的结电势,QSS为等效界面陷阱和氧化层电荷,COX为单位面积的栅极电容,ΦF为P型衬底的体内费米能级,QE为耗尽区的单位面积电荷。对于特定结构的传感器,除ΦI外,其他各项均为常数,ΦI的大小决定于敏感膜的性质和电解液中离子活度(在稀溶液中离子的活度与浓度相等),所以可用阈值电压的变化测量电解液中离子的活度。系统在传感器与DSP之间还设计了如图2所示的偏置电路及电压调理电路,前者用于保证传感器的测量精度,后者将阈值电压放大到DSP的A/D转换器可处理的0~3.3V电压。

　　1.3　人机交互界面

　　人机交互界面是操作人员向系统发送指令以及由系统读出结果的平台,主要分为键盘、LCD和串行通信三部分。系统采用4×4矩阵键盘,除了监控、测量、回零、定时、缓冲和标定键外,操作人员可通过数字键0~9输入标定系数、缓冲系数、定时时间等参数,还可以由SHIFT键组合其他按键完成更为复杂的功能。LCD的作用是显示当前电解液的离子活度以及由键盘输入的数据。这里选用带有KS0713显示控制芯片的LCD显示模块,它具有128×64的点阵,其供电电压只需3.3V。KS0713芯片速度相当快,内部晶振频率可达2MHz,很适合使用高速CPU芯片的场合。系统采用DSP的数字I/O口来控制LCD模块,如图3所示。

　　在pH值和离子浓度测量过程中,有时要对参数设置或校准,并希望这些修改后的参数不因系统掉电而丢失,所以系统中增加了EEPROM存储器。我们选用Xicor公司生产的最高时钟速率为3.3MHz,带有块锁保护的4Kbits的串行存储器X5043。该器件内部组织阵列是X8位,具有串行外围接口(SPI)和软件协议的特点,允许在简单的四线总线上工作,提供最小为10万次擦写和最少100年的数据保存期。X5043与TMS320LF2407A型DSP的连接示意图如图3所示。