基于DSP的高速便攜紅外氣體分析儀

紅外氣體分析儀是基于不同氣體分子對特定波長(cháng)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、電一體化智能傳感器系統。與其他氣敏傳感器系統相比，具有靈敏度高、響應快、分析氣體種類(lèi)多、量程范圍寬、可連續測量等特點(diǎn)。在地震預報、礦井安全、石油勘探、大氣物理、醫療衛生、污染源監測、高壓設備故障診斷、化工過(guò)程控制、冶金等傳統工業(yè)乃至現在所有的新技術(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(zhù)越來(lái)越廣泛的應用。
從國內現有的紅外分析器來(lái)看，大部分在線(xiàn)監測儀需上位機配合完成數據的后期處理和保存，前端僅僅完成信號探測和采集的功能，這樣的設計在一些安裝受限或長(cháng)期無(wú)人監管(如污染源監測)的場(chǎng)合就不能適用了，針對這種狀況，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，能夠獨立完成監測工作，并可將數據儲存在大容量閃存中或通過(guò)GPRS遠程傳輸，該儀器的簡(jiǎn)潔人機接口使無(wú)論測量還是儀器標定都可方便完成，同時(shí)USB接口的添加使儀器有了更大的擴展空間，并且儀器擁有多種信號輸出方式，可以輕松與各種系統連接。

1 紅外分析儀的系統結構
紅外分析儀的系統結構框圖如圖1所示，TMS320F2812DSP發(fā)送一定頻率的調制信號控制紅外光源。紅外光源出射的紅外光，經(jīng)過(guò)充滿(mǎn)待測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)，最后到達對應紅外探測器，探測器測得吸收后的光能量的強度，反映了氣體吸收紅外光的強弱，也就反映了氣體的濃度。紅外探測器輸出的微弱信號，經(jīng)過(guò)精密的前置放大及二級放大濾波電路，得到穩定的信號，信號經(jīng)過(guò)A／D轉換，送到DSP進(jìn)行分析和處理，經(jīng)過(guò)濾波和非線(xiàn)性校正，最終的測量數據將按系統設定和當前儀器狀態(tài)進(jìn)行傳輸，保存，或顯示刷新。注意，這里探測器測量通道最少有2路，其中，1路為測量道，1路為參比道，這樣可以達到差分測量的效果，形成對系統噪聲和干擾的抑制，其他幾路傳感器和A／D通道用于測量溫度、濕度及氣體壓力，參與濃度的補償計算。

2 系統硬件設計
在儀器的硬件設計中紅外光源，探測器，DSP系統及外圍電路，信號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(cháng)范圍為從可見(jiàn)的光波長(cháng)到5μm，5 V電壓驅動(dòng)下工作壽命可達40 000 h。探測器選擇了有兩路測量通路的TPS2534G2。DSP采用了美國TI公司的TMS320F2812數字信號處理器，為32位定點(diǎn)DSP，內核提供高達150 MIPS的計算帶寬，大大提高了控制系統的控制精度和數據處理能力，其外圍電路主要包括：數據采集、開(kāi)關(guān)量輸出、人機接口。存儲系統和USB通訊接口。信號放大電路使用了兩級AD8552運放電路串聯(lián)，AD855X系列有自動(dòng)偏置調整的功能，是低頻微弱信號檢測放大器系統的首選。因本儀器重在高速DSP系統在紅外分析儀器上的應用，所以下面特別對DSP的外圍電路做個(gè)說(shuō)明。
2．1 數據采集
數據采集主要負責模數轉換和信號采集，將各種需要測量的模擬量通過(guò)．A／D轉換后送到DSP。其中測量通道和參考通道的信號由紅外探測器產(chǎn)生，由一個(gè)A／D轉換器轉換，轉換精度為16 bit，根據要求選擇可直接與TMS320F2812接口的串行16 bit A／D轉換器；其他參與氣體濃度補償計算的信號，包括濕度、溫度和大氣壓力信號由TMS320F2812自帶的A／D分時(shí)轉換，轉換精度為12 bit。以上信號轉換后送到DSP處理器緩存。經(jīng)系列復雜計算處理最終得到被測氣體的濃度值。這里給出用于測量通道和參考通道信號采集的電路設計，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器溫度控制信號、光學(xué)鏡頭窗溫控信號、要素報警觸發(fā)信號(濃度，溫度，濕度)3路和1路時(shí)間觸發(fā)信號。利用DSP處理器的通用I／O口可實(shí)現數字量的輸出，74HC244實(shí)現各控制信號的驅動(dòng)輸出。圖3為數字量輸出電路圖。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換問(wèn)題，不能直接連接，采用LVCl6245作為電平轉換器，實(shí)現TMS320F2812和74HC244之間的電平匹配。