基于DSP的非分光便攜紅外氣體分析儀設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]紅外氣體分析儀是基于不同氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光有選擇性吸收的原理制成的一種物理式分析儀器，是典型的光、機(jī)、電一體化智能傳感器系統(tǒng)。與其他氣敏傳感器系統(tǒng)相比，具有靈敏度高、響應(yīng)快、分析氣體種類多、量程
紅外氣體分析儀是基于不同氣體分子對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光有選擇性吸收的原理制成的一種物理式分析儀器，是典型的光、機(jī)、電一體化智能傳感器系統(tǒng)。與其他氣敏傳感器系統(tǒng)相比，具有靈敏度高、響應(yīng)快、分析氣體種類多、量程范圍寬、可連續(xù)測(cè)量等特點(diǎn)。在地震預(yù)報(bào)、礦井安全、石油勘探、大氣物理、醫(yī)療衛(wèi)生、污染源監(jiān)測(cè)、高壓設(shè)備故障診斷、化工過(guò)程控制、冶金等傳統(tǒng)工業(yè)乃至現(xiàn)在所有的新技術(shù)革命帶頭學(xué)科如生物科學(xué)、微電子學(xué)、新型材料等領(lǐng)域均有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的紅外分析器來(lái)看，大部分在線監(jiān)測(cè)儀需上位機(jī)配合完成數(shù)據(jù)的后期處理和保存，前端僅僅完成信號(hào)探測(cè)和采集的功能，這樣的設(shè)計(jì)在一些安裝受限或長(zhǎng)期無(wú)人監(jiān)管(如污染源監(jiān)測(cè))的場(chǎng)合就不能適用了，針對(duì)這種狀況，本文研究開(kāi)發(fā)一種基于TI公司的DSP的非分光紅外氣體分析儀，能夠獨(dú)立完成監(jiān)測(cè)工作，并可將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在大容量閃存中或通過(guò)GPRS遠(yuǎn)程傳輸，該儀器的簡(jiǎn)潔人機(jī)接口使無(wú)論測(cè)量還是儀器標(biāo)定都可方便完成，同時(shí)USB接口的添加使儀器有了更大的擴(kuò)展空間，并且儀器擁有多種信號(hào)輸出方式，可以輕松與各種系統(tǒng)連接。
1 紅外分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
紅外分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，TMS320F2812DSP發(fā)送一定頻率的調(diào)制信號(hào)控制紅外光源。紅外光源出射的紅外光，經(jīng)過(guò)充滿待測(cè)氣體的氣室被特定氣體吸收，經(jīng)過(guò)濾光片的選擇性透過(guò)，最后到達(dá)對(duì)應(yīng)紅外探測(cè)器，探測(cè)器測(cè)得吸收后的光能量的強(qiáng)度，反映了氣體吸收紅外光的強(qiáng)弱，也就反映了氣體的濃度。紅外探測(cè)器輸出的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)精密的前置放大及二級(jí)放大濾波電路，得到穩(wěn)定的信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過(guò)A／D轉(zhuǎn)換，送到DSP進(jìn)行分析和處理，經(jīng)過(guò)濾波和非線性校正，最終的測(cè)量數(shù)據(jù)將按系統(tǒng)設(shè)定和當(dāng)前儀器狀態(tài)進(jìn)行傳輸，保存，或顯示刷新。注意，這里探測(cè)器測(cè)量通道最少有2路，其中，1路為測(cè)量道，1路為參比道，這樣可以達(dá)到差分測(cè)量的效果，形成對(duì)系統(tǒng)噪聲和干擾的抑制，其他幾路傳感器和A／D通道用于測(cè)量溫度、濕度及氣體壓力，參與濃度的補(bǔ)償計(jì)算。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在儀器的硬件設(shè)計(jì)中紅外光源，探測(cè)器，DSP系統(tǒng)及外圍電路，信號(hào)放大電路的選擇是關(guān)鍵。本儀器紅外光源選擇了IRL715紅外光源，該光源的波長(zhǎng)范圍為從可見(jiàn)的光波長(zhǎng)到5μm，5 V電壓驅(qū)動(dòng)下工作壽命可達(dá)40 000 h。探測(cè)器選擇了有兩路測(cè)量通路的TPS2534G2。DSP采用了美國(guó)TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器，為32位定點(diǎn)DSP，內(nèi)核提供高達(dá)150 MIPS的計(jì)算帶寬，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和數(shù)據(jù)處理能力，其外圍電路主要包括：數(shù)據(jù)采集、開(kāi)關(guān)量輸出、人機(jī)接口。存儲(chǔ)系統(tǒng)和USB通訊接口。信號(hào)放大電路使用了兩級(jí)AD8552運(yùn)放電路串聯(lián)，AD855X系列有自動(dòng)偏置調(diào)整的功能，是低頻微弱信號(hào)檢測(cè)放大器系統(tǒng)的首選。因本儀器重在高速DSP系統(tǒng)在紅外分析儀器上的應(yīng)用，所以下面特別對(duì)DSP的外圍電路做個(gè)說(shuō)明。
2．1 數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集主要負(fù)責(zé)模數(shù)轉(zhuǎn)換和信號(hào)采集，將各種需要測(cè)量的模擬量通過(guò)．A／D轉(zhuǎn)換后送到DSP。其中測(cè)量通道和參考通道的信號(hào)由紅外探測(cè)器產(chǎn)生，由一個(gè)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度為16 bit，根據(jù)要求選擇可直接與TMS320F2812接口的串行16 bit A／D轉(zhuǎn)換器；其他參與氣體濃度補(bǔ)償計(jì)算的信號(hào)，包括濕度、溫度和大氣壓力信號(hào)由TMS320F2812自帶的A／D分時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度為12 bit。以上信號(hào)轉(zhuǎn)換后送到DSP處理器緩存。經(jīng)系列復(fù)雜計(jì)算處理最終得到被測(cè)氣體的濃度值。這里給出用于測(cè)量通道和參考通道信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)，如圖2所示。
2．2 開(kāi)關(guān)置輸出
開(kāi)關(guān)量輸出主要包括探測(cè)器溫度控制信號(hào)、光學(xué)鏡頭窗溫控信號(hào)、要素報(bào)警觸發(fā)信號(hào)(濃度，溫度，濕度)3路和1路時(shí)間觸發(fā)信號(hào)。利用DSP處理器的通用I／O口可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出，74HC244實(shí)現(xiàn)各控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)輸出。圖3為數(shù)字量輸出電路圖。需要注意的是：TMS320F2812處理器的電源電壓為3．3 V，而74HC244的電源電壓為5 V，兩個(gè)器件存在接口電路的電平轉(zhuǎn)換問(wèn)題，不能直接連接，采用LVCl6245作為電平轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)TMS320F2812和74HC244之間的電平匹配。
2．3 人機(jī)接口
人機(jī)接口采用LCMl68651液晶模塊作為顯示，采用中斷方式的矩陣鍵盤(pán)，人機(jī)接口的任務(wù)主要是接收鍵盤(pán)指令，完成儀器的設(shè)置，標(biāo)定，測(cè)量等操作，提供實(shí)時(shí)的濃度變化曲線圖繪制，并提供對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢和顯示功能。
2．4 USB接口電路
USB接口用于下位機(jī)與上位機(jī)通訊。USB的數(shù)據(jù)傳輸率很高，所以不僅可以用來(lái)傳送命令，而且可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，包括原始測(cè)量值，當(dāng)前濃度值，或歷史記錄值，圖4給出 USB的接口電路原理圖。
2．5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)
紅外分析儀需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括：氣體測(cè)量記錄號(hào)，日期、時(shí)間、濃度值，溫度，濕度，大氣壓力等，記錄數(shù)據(jù)量的大小取決于保存條目大小，保存種類，保存頻度及保存時(shí)長(zhǎng)，考慮到在線測(cè)量和無(wú)人管理測(cè)量的要求，采用大容量閃存K9F1G08UOA作為儀器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，總數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大于128 MB。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件處理的好壞直接決定系統(tǒng)處理速度的高低和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，圖5給出儀器軟件的主流程，基本原則是利用環(huán)形緩沖區(qū)對(duì)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行必要的緩存，在不影響系統(tǒng)人機(jī)交互感受的情況下達(dá)到更高速的測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。在軟件的整個(gè)處理過(guò)程中最耗時(shí)也是最影響性能的地方是原始數(shù)據(jù)的處理，其中涉及到濾波，環(huán)境和探測(cè)器補(bǔ)償校正，消除氣體吸收交叉干擾等多種算法，在本儀器中這些算法都針對(duì)DSP做了專門(mén)的優(yōu)化，從而保證系統(tǒng)的快速運(yùn)行。
系統(tǒng)首先完成初始化，包括對(duì)DSP及其外圍電路初始化，創(chuàng)建和設(shè)置原始數(shù)據(jù)，目標(biāo)數(shù)據(jù)，鍵盤(pán)等信息的環(huán)形緩沖區(qū)等等。設(shè)定紅外光的調(diào)制頻率并啟動(dòng)，儀器進(jìn)入等待狀態(tài)，用戶可在此時(shí)對(duì)儀器做參數(shù)設(shè)定，按鍵或遠(yuǎn)程開(kāi)始命令都將使儀器進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。在測(cè)量狀態(tài)儀器依次循環(huán)判別有無(wú)要處理的數(shù)據(jù)或命令，然后進(jìn)行相應(yīng)的處理，如遠(yuǎn)程命令執(zhí)行，原始數(shù)據(jù)計(jì)算，按鍵命令執(zhí)行，目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)，LCD界面刷新等。
各種原始數(shù)據(jù)會(huì)按照設(shè)定的采樣率被中斷程序讀取并存入原始數(shù)據(jù)環(huán)形緩沖區(qū)，原始數(shù)據(jù)包括測(cè)量通道和參考通道的讀數(shù)，各種補(bǔ)償信號(hào)，測(cè)量時(shí)間等。原始數(shù)據(jù)被使用處理后。將計(jì)算得到的目標(biāo)值放入目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，如果系統(tǒng)有傳輸，顯示或保存的設(shè)置，目標(biāo)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)將被依次使用。所有的環(huán)形緩沖區(qū)都會(huì)維護(hù)自己的讀寫(xiě)指針，并在相應(yīng)的操作完成后進(jìn)行修改。有些優(yōu)先級(jí)較高的命令和特殊情況不受以上流程限制，如停止命令等類似這樣的操作會(huì)在中斷中直接處理。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
前文中并未提到本儀器具體測(cè)量的氣體種類，原因是該儀器在換用不同波長(zhǎng)的濾光片并做相應(yīng)的參數(shù)修改的情況下可以用來(lái)測(cè)量多種氣體的濃度，如CO2，CO和HC等。在實(shí)驗(yàn)中選擇CO2作為測(cè)試的氣體種類，在環(huán)境溫度為25℃、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，對(duì)國(guó)家計(jì)量部門(mén)檢定合格的多種標(biāo)準(zhǔn)濃度CO2氣體使用本儀器測(cè)量，實(shí)際結(jié)果顯示，絕對(duì)誤差在0．3％，相對(duì)誤差在2％以內(nèi)，具有較好的測(cè)量精度。
5 結(jié)論
紅外氣體分析儀涉及光學(xué)、機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、通信、信息融合等多學(xué)科領(lǐng)域，對(duì)軟硬件的設(shè)計(jì)和集成能力要求相對(duì)較高，本文所述的紅外氣體分析儀借助于SP的強(qiáng)大運(yùn)算能力，不僅滿足了高速測(cè)量的要求，而且因?yàn)槊撾x了上位機(jī)使儀器的便攜性和安裝性大大增強(qiáng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行和調(diào)試，儀器的諸多優(yōu)點(diǎn)得到了展現(xiàn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，安裝維護(hù)方便，操作便捷，可長(zhǎng)時(shí)保存數(shù)據(jù)，USB擴(kuò)展等，相信隨著在線氣體分析儀的更新?lián)Q代，本儀器應(yīng)用前景越來(lái)越寬。
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