摘　要： 一種以ARM處理器為核心的汽車尾氣遙測儀的設計。對該遙測儀的工作原理、系統(tǒng)設計與嵌入式軟硬件實現(xiàn)作了較詳細的分析。實踐表明,該系統(tǒng)在性價比、響應速度、可攜帶性及功耗等方面均有明顯優(yōu)勢。
　　關鍵詞： ARM 可調諧激光二極管 遙感 二次諧波檢測

　　汽車行駛時排出的大量有害廢氣是污染大氣環(huán)境的主要流動污染源，占城市大氣污染的50%～80%。汽車尾氣監(jiān)測是大氣污染監(jiān)測的重要組成部分。目前應用的監(jiān)測方法中，以氣體吸收光譜為理論背景的檢測手段應用最多。其主要過程是：將可調諧激光二極管激光(TDL)的發(fā)射波長調整至被測氣體某一吸收譜線，激光經(jīng)過氣體時被部分吸收，通過檢測光強的變化，即可計算出氣體的濃度。采用可調諧激光二極管氣體吸收光譜學(TDLAS)監(jiān)測技術的優(yōu)點是：能快速掃描各種目標氣體濃度，實現(xiàn)實時快速非接觸多種氣體的自動監(jiān)測；靈敏度高，選取較強的吸收譜線，可以測出低于1ppb的濃度；遙感測量距離可以從幾米到數(shù)公里，無需多點采樣，就可以測出一個區(qū)域的平均污染程度；壽命長，無耗材，系統(tǒng)易于更新維護。激光檢測可以極大提高尾氣監(jiān)測工作效率，快速獲取城市機動車尾氣排放數(shù)據(jù)，為政府決策提供依據(jù)。
　　TDLAS因具有上述優(yōu)點而得到了廣泛的應用。近幾年，TDLAS檢測系統(tǒng)向低成本、低功耗、體積小的方向發(fā)展，將原有的基于工業(yè)控制計算機的遙測系統(tǒng)轉變?yōu)楸銛y式是目前應用的迫切需求。在改造機型的過程中，本文提出一種基于ARM處理器的CO和CO₂遙測儀，其使用方便、體積小、功耗低，適合室外無人值守使用。汽車尾氣遙測儀如圖1所示。

1 二次諧波測量原理
　　簡單地用檢測光強變化測量氣體濃度，會因為其他氣體、塵埃的吸收而受到干擾。在實踐中，更多地運用二次諧波測量法。
1.1 接收信號中的頻譜
　　二次諧波光譜檢測氣體的方法，可以排除很強的干擾信號，且所得檢測的污染物濃度與二次諧波的信號成正比。對發(fā)射激光進行頻率為f的信號調制，經(jīng)被測氣體后，氣體產(chǎn)生非線性吸收，在所接收光強信號中(經(jīng)傅立葉變換)有以下表達式成立：

1.2 基頻及二次諧波信號的提取
　　用鎖相放大器能夠提取上述信號，其原理如圖2所示。

　　圖2中u₁(t)是激光光電轉換器輸出的信號，若輸入u₂(t)是本地正弦調制信號，頻率為f，則經(jīng)過鎖相放大器后的輸出u₀(t)為基頻分量I_f；若u₂(t)是本地正弦調制信號的二倍頻，即頻率為2f，則經(jīng)過鎖相放大器后的輸出u₀(t)為二次諧波分量I_2f。證明如下：
　　
　　其中：K(系統(tǒng)增益)、cos(φ₁-φ₂)、U_2m(參考信號幅值)均為固定值。顯然，鎖定放大器輸出一個與被測信號幅值U1m成正比的直流電壓，同時抑制了絕大部分的噪聲。
2 系統(tǒng)構建
　　依據(jù)上述理論設計了以ARM處理器為核心的硬件電路，如圖3所示。

2.1 系統(tǒng)硬件設計
　　在硬件結構上，系統(tǒng)分為激光調制電路、模擬信號采集、數(shù)據(jù)處理單元、通信等模塊。
2.1.1 激光調制電路
　　為了掃描CO和CO₂的吸收譜線，需對TDL的波長進行調節(jié)(CO檢測波長為1579.737nm，取鄰近的1579.574nm作為CO₂的檢測工作波長)。
　　TDL激光器有溫度調節(jié)、電流調節(jié)兩種主要的波長調節(jié)方法。本設計的電流調節(jié)相對于溫度調節(jié)具有線性好、可調節(jié)性好、掃描速度快的特點，因此采用室溫溫度調制TDL注入電流的方案。在室溫變化的范圍內，始終以參考氣室給出的最大信號為準，避免了溫度造成的影響。調制電流分為兩個階段：(1)直流電被調制成鋸齒形電流，用于掃描CO和CO₂的吸收譜線；(2)在鋸齒波電流的基礎上再疊加波譜調頻。如圖4所示。

　　此電流注入TDL轉化為被調制激光輸出，激光經(jīng)過被測氣體，經(jīng)反射鏡被透鏡收集在InGaAs PIN光電管位置上(如圖1)。光電管把接收到的攜帶氣體濃度等信息的光信號轉換為電信號。后繼信號經(jīng)鎖相放大、防混疊濾波、A/D轉換、數(shù)字信號處理，分別解讀出CO、CO₂的濃度信息。
2.1.2 模擬信號采集
　　為了獲得極強的抗噪聲性能和極高的放大倍數(shù)，模擬電路主要由起頻率選擇放大功能的鎖相環(huán)組成，參考頻率分別為f=5Hz和2f=10kHz。鎖相放大器電路采用互相關檢測設計，由一個乘法器與一個低通濾波器組成(低通濾波器相當于積分器)，它直接測出淹沒在噪聲中的調幅信號，輸出一個與被測信號成正比的直流電壓，相敏檢波器采用高精度同步解調器AD630。在電路中，AD630相當于模擬乘法器，將諧波信號與參考信號相乘，從含有噪聲的調幅波中精密檢出被調制的信號。
　　系統(tǒng)使用兩路鎖相放大器，如前所述，分別檢測基頻分量獲取二次諧波信號。2f信號在吸收中心具有最大值，需將調制頻率鎖定到吸收峰處以獲得最大的靈敏度。這可由調節(jié)鋸齒波偏置電流實現(xiàn)，反饋通過參考氣體室光路的信號采集實現(xiàn)(參考氣室氣體由20% CO、20%CO₂和60%N2組成，當參考信號最大時開始檢測，以達到更高的靈敏度)。
2.1.3 數(shù)據(jù)處理單元
　　中央處理單元采用基于ARM7TDMI-S內核的低功耗ARM處理器S3C44B0X，它是三星公司專為手持設備和一般應用提供的高性價比的微控制器解決方案。S3C44B0X具有ARM處理器的所有優(yōu)點：低功耗、高性能；同時又具有豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。它支持軟件使能休眠模式，適合以電池為電源的設備。內部集成了8路10位的A/D控制器，可以精確測出傳感器的信號，在本系統(tǒng)中分別應用于鎖相放大器1、2的P_f、P_2f信號、溫度檢測、觸模屏輸出及電源電壓檢測。
　　S3C44B0X集成了LCD控制器，可以將顯示緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅動電路中。本設計支持單色4級灰度、320×240分辨率的SYM320240C顯示，并且通過S3C44B0X RS-232串口接無線收發(fā)模塊與上位機通信。使用該處理器眾多功能模塊使得本系統(tǒng)結構緊湊，減少了系統(tǒng)的復雜度。
2.1.4 通信模塊
　　由于汽車尾氣檢測場地一般選擇在邊遠郊區(qū)，在汽車發(fā)動機電磁干擾下，無線發(fā)射設備通常不能滿足要求，所以使用CAN總線與上位機通信，將實時采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心。CAN總線是現(xiàn)場總線中的應用熱點，其通信速率高、開放性好、通信距離長(10km)，具有多主站運行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點。另外，采用CAN總線是因為其他汽車尾氣檢測模塊，如牌照識別、速度、加速度測量等均使用CAN與上位機通信。
2.2 操作系統(tǒng)與應用程序
　　由于本系統(tǒng)應用尚處于完善階段，任務多、實時性要求高，且硬件配置有所限制，在比較當前流行的實時操作系統(tǒng)的硬件需求、資源獲取難易程度后，選用了嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)μC/OS-II及圖形界面μC/GUI。μC/OS-II是一個源代碼公開、可移植、可固化、可剪裁、占先式的實時多任務操作系統(tǒng)。其絕大部分源代碼是用ANSIC編寫，可讀性強、移植方便、運行穩(wěn)定可靠。μC/GUI具有完善的圖形函數(shù)庫和窗口管理功能、可移植性好、占用RAM和ROM的空間小等諸多優(yōu)點，非常適合嵌入式系統(tǒng)的應用。
　　應用程序由三個任務構成：
　　(1)TaskMeasureGas()：汽車駛過后，立即檢測氣體濃度。將此任務作為一個最高優(yōu)先級的任務運行，它的啟動取決于TaskCANcom()提供的信號量。
　　(2)TaskCANcom()：主要將測量結果送至上位機數(shù)據(jù)庫中。當速度測量模塊經(jīng)CAN總線送出新數(shù)據(jù)時，它接收并啟動TaskMeasureGas()。優(yōu)先級較低。
　　(3)TaskuCGUI()：顯示刷新模塊。它作為一個低優(yōu)先級的任務運行。
　　此汽車尾氣遙測儀以ARM處理器為核心，注重抗干擾設計，通過相對簡單的系統(tǒng)結構實現(xiàn)高精度實時快速測量CO、CO₂汽車氣體的濃度。實踐表明，定標后對這兩種氣體的測量精度達到10ppb級，完全可以代替基于工控機的尾氣檢測系統(tǒng)。適當改造結構后，此檢測儀在環(huán)境污染氣體監(jiān)測、工業(yè)管道氣體泄漏、煤氣泄漏等方面有廣泛的應用前景。
參考文獻
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