基于DSP的非分光便攜紅外氣體分析儀設計
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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。
2．3 人機接口
人機接口采用LCMl68651液晶模塊作為顯示，采用中斷方式的矩陣鍵盤(pán)，人機接口的任務(wù)主要是接收鍵盤(pán)指令，完成儀器的設置，標定，測量等操作，提供實(shí)時(shí)的濃度變化曲線(xiàn)圖繪制，并提供對歷史數據的查詢(xún)和顯示功能。
2．4 USB接口電路
USB接口用于下位機與上位機通訊。USB的數據傳輸率很高，所以不僅可以用來(lái)傳送命令，而且可以實(shí)時(shí)傳輸數據，包括原始測量值，當前濃度值，或歷史記錄值，圖4給出 USB的接口電路原理圖。
2．5 數據存儲
紅外分析儀需要存儲的數據包括：氣體測量記錄號，日期、時(shí)間、濃度值，溫度，濕度，大氣壓力等，記錄數據量的大小取決于保存條目大小，保存種類(lèi)，保存頻度及保存時(shí)長(cháng)，考慮到在線(xiàn)測量和無(wú)人管理測量的要求，采用大容量閃存K9F1G08UOA作為儀器的數據存儲介質(zhì)，總數據存儲量大于128 MB。
3 系統軟件設計
軟件處理的好壞直接決定系統處理速度的高低和計算結果的準確性，圖5給出儀器軟件的主流程，基本原則是利用環(huán)形緩沖區對數據等信息進(jìn)行必要的緩存，在不影響系統人機交互感受的情況下達到更高速的測量和數據傳輸。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據的處理，其中涉及到濾波，環(huán)境和探測器補償校正，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DSP做了專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化，從而保證系統的快速運行。
系統首先完成初始化，包括對DSP及其外圍電路初始化，創(chuàng )建和設置原始數據，目標數據，鍵盤(pán)等信息的環(huán)形緩沖區等等。設定紅外光的調制頻率并啟動(dòng)，儀器進(jìn)入等待狀態(tài)，用戶(hù)可在此時(shí)對儀器做參數設定，按鍵或遠程開(kāi)始命令都將使儀器進(jìn)入測量狀態(tài)。在測量狀態(tài)儀器依次循環(huán)判別有無(wú)要處理的數據或命令，然后進(jìn)行相應的處理，如遠程命令執行，原始數據計算，按鍵命令執行，目標數據傳輸和存儲，LCD界面刷新等。
各種原始數據會(huì )按照設定的采樣率被中斷程序讀取并存入原始數據環(huán)形緩沖區，原始數據包括測量通道和參考通道的讀數，各種補償信號，測量時(shí)間等。原始數據被使用處理后。將計算得到的目標值放入目標數據緩沖區，如果系統有傳輸，顯示或保存的設置，目標數據緩沖區的數據將被依次使用。所有的環(huán)形緩沖區都會(huì )維護自己的讀寫(xiě)指針，并在相應的操作完成后進(jìn)行修改。有些優(yōu)先級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(lèi)似這樣的操作會(huì )在中斷中直接處理。
4 實(shí)驗結果
前文中并未提到本儀器具體測量的氣體種類(lèi)，原因是該儀器在換用不同波長(cháng)的濾光片并做相應的參數修改的情況下可以用來(lái)測量多種氣體的濃度，如CO2，CO和HC等。在實(shí)驗中選擇CO2作為測試的氣體種類(lèi)，在環(huán)境溫度為25℃、一個(gè)標準大氣壓下，對國家計量部門(mén)檢定合格的多種標準濃度CO2氣體使用本儀器測量，實(shí)際結果顯示，絕對誤差在0．3％，相對誤差在2％以?xún)?，具有較好的測量精度。
5 結論
紅外氣體分析儀涉及光學(xué)、機械、電子、計算機、通信、信息融合等多學(xué)科領(lǐng)域，對軟硬件的設計和集成能力要求相對較高，本文所述的紅外氣體分析儀借助于SP的強大運算能力，不僅滿(mǎn)足了高速測量的要求，而且因為脫離了上位機使儀器的便攜性和安裝性大大增強，通過(guò)現場(chǎng)的運行和調試，儀器的諸多優(yōu)點(diǎn)得到了展現，如結構簡(jiǎn)單可靠，安裝維護方便，操作便捷，可長(cháng)時(shí)保存數據，USB擴展等，相信隨著(zhù)在線(xiàn)氣體分析儀的更新?lián)Q代，本儀器應用前景越來(lái)越寬。
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