基于FPGA的氣溶膠粒徑信息存儲系統的設計與實(shí)現

摘 要： 利用電子學(xué)時(shí)間多道存儲技術(shù)，結合大規?？删幊踢壿嬁刂破?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA和高速大容量雙端口內存芯片，設計了一種高速大容量氣溶膠粒子信息分類(lèi)計數存儲系統，實(shí)現了氣溶膠粒子的快速識別與分類(lèi)存儲。時(shí)間多道系統存儲容量高達32 768道，每道計數深度65 536個(gè)（16 bit）。
關(guān)鍵詞： 氣溶膠; 空氣動(dòng)力學(xué)粒徑; FPGA;多道存儲技術(shù)

　大氣氣溶膠在大氣輻射、空氣污染、大氣物理化學(xué)性質(zhì)、人類(lèi)健康狀況等方面扮演著(zhù)重要角色，是衡量大氣污染狀況的重要指標[1]。研究表明，氣溶膠粒子因其空氣動(dòng)力學(xué)粒徑不同而滯留在人體呼吸道的不同部位，大于5 μm的氣溶膠粒子滯留在上呼吸道,小于5 μm多滯留在氣管、支氣管和肺泡內，對人類(lèi)的健康危害很大[2]。因此，持續有效地監測氣溶膠粒子粒徑分布信息具有重要意義。為了連續、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)測量氣溶膠粒徑分布，本課題組開(kāi)展了基于飛行時(shí)間ToF（Time-of-Flight）測量原理[2]的氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀系統的研制。
　空氣動(dòng)力學(xué)粒徑是一當量概念，它是指在低雷諾數的氣流中與單位密度球（ρ=1 g/cm3）具有相同終末沉降速度的顆粒直徑,也就是指在較平穩的氣流中被測顆粒物的直徑相當于與其具有相同終末沉降速度的密度為1 g/cm3的球形標準顆粒物的直徑[3]。氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀不僅可以精確測量氣溶膠顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑，還可以記錄、統計相同粒徑大小的粒子數目。系統設計要求粒徑0.5 μm的氣溶膠粒子檢測濃度最高可達1 500 pt/cm3，當儀器的采樣氣流量控制在1 L/min時(shí)，粒徑0.5 μm的粒子數目每分鐘最高可達到1.5×106個(gè),則每秒鐘需要檢測的氣溶膠顆粒物最高達25 000個(gè)。為了實(shí)現連續、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)測量，大量粒子的快速識別和存儲對電子學(xué)信號處理提出了較高的要求。這里以FPGA（Filed-Programmable Gate Array）為核心控制器來(lái)設計高速大容量數據存儲系統。FPGA技術(shù)已廣泛應用于當今數字電路設計領(lǐng)域，而基于FPGA的數據采集存儲系統就是其典型應用[4]。
　當前，數字系統的核心控制芯片通常為單片機、DSP和FPGA等[4]，單片機的速度較慢，效率低，DSP不擅長(cháng)對外圍復雜電路的控制，與單片機和DSP相比，采用FPGA作為控制芯片具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，FPGA時(shí)鐘頻率高，硬件邏輯可編程，運行速度快，且功耗低、能夠控制較為復雜的外圍器件等[5]，因此FPGA成為目前高性能數據采集存儲系統主要使用的控制芯片。
　本文針對空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀系統研制的需要，采用電子學(xué)多道存儲技術(shù)設計了一種基于大規?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA和雙口RAM的高速大容量存儲系統，實(shí)現了對氣溶膠粒子快速識別和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑信息的分類(lèi)計數存儲。

1 系統總體設計
　氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀通過(guò)復雜的光學(xué)系統與精確的時(shí)序控制技術(shù)的結合來(lái)完成其測量過(guò)程。氣溶膠顆粒物經(jīng)過(guò)根據空氣動(dòng)力學(xué)原理設計的噴口加速進(jìn)入如圖1所示的光學(xué)整形部件中，光學(xué)整形部件產(chǎn)生兩束距離約為100 μm的激光。顆粒物垂直飛行通過(guò)，發(fā)生光散射形成雙峰信號，如圖1?；陲w行時(shí)間測量方法的空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀就是通過(guò)測量雙峰信號的峰峰間隔，即飛行時(shí)間 ToF，從而計算出該氣溶膠粒子的飛行速度。因為不同空氣動(dòng)力學(xué)粒徑的顆粒物具有不同的飛行速度[2]，通過(guò)對顆粒物飛行時(shí)間的直接測量，計算出該顆粒物的飛行速度，進(jìn)而實(shí)現該粒子空氣動(dòng)力學(xué)粒徑大小的測量。

　通過(guò)對氣溶膠粒子采樣系統中的殼氣流量和總氣流量的控制[3]，可以使氣溶膠粒子經(jīng)空氣動(dòng)力學(xué)噴口加速后絕大多數單個(gè)依次通過(guò)目標光斑測量區，粒子散射產(chǎn)生連續雙峰信號，此即為有效粒子，其波形如圖2(a)所示?？赡苡行┝Ｗ雍苄∑渖⑸鋸姸炔粔虼?，所產(chǎn)生的信號不能穩定在檢測線(xiàn)以上，因此造成單峰信號和虛假的飛行時(shí)間，其轉換成電脈沖波形如圖2(b)所示。偶爾也會(huì )有粒子重疊產(chǎn)生多于兩峰的情況，所謂粒子重疊就是指在測量時(shí)2個(gè)或多個(gè)粒子同時(shí)進(jìn)入檢測區域，其波形如圖2(c)所示。重疊事件的結果產(chǎn)生會(huì )干擾粒徑信息并導致粒子濃度測量結果偏低。同時(shí)儀器還有粒徑測量范圍，對粒子粒徑很大(或者在檢測器內紊流或弧線(xiàn)飛行),所需要的飛行時(shí)間超過(guò)儀器自身的檢測時(shí)鐘(4 096 ns)，造成單獨的寬峰譜圖，波形圖如圖2(d)所示。單峰、粒子重疊多峰以及大粒子超過(guò)檢測時(shí)鐘的粒子都被認為是無(wú)效粒子，只有雙峰信號是關(guān)心和檢測的重點(diǎn)。為此電子學(xué)系統的設計需增加對有效粒子的識別，剔除干擾。粒子識別之后，方可進(jìn)行飛行時(shí)間的快速轉化與存儲，進(jìn)而進(jìn)行粒徑大小反演。

如前所述，1 s內需檢測和存儲上萬(wàn)個(gè)粒子，且粒子的飛行時(shí)間在納秒級，為此作為主控制器的FPGA，要進(jìn)行粒子的快速識別和存儲。系統電子學(xué)整體設計框圖如圖3所示。

粒子的散射光信號通過(guò)光信號采集電路由信號調理電路[3]進(jìn)行調理轉換成數字信號(GATE、DIFF)，波形如圖4所示，GATE信號為高電平時(shí)有效，表示有粒子經(jīng)過(guò)。圖4為有效粒子的波形情況。相應的，如果單峰、多峰情況，轉化成數字信號時(shí)，在GATE為高電平期間，DIFF信號分別為單脈沖和多脈沖，此作為粒子識別的依據，對于超大粒子，超過(guò)儀器檢測范圍的情況，可以通過(guò)定時(shí)計數器最高位的溢出進(jìn)行識別。GATE和DIFF分別送至FPGA和高速計時(shí)邏輯單元。高速計時(shí)邏輯單元由500 MHz時(shí)鐘電路、計數器控制、ECL-TTL高速計數器電路所組成，用來(lái)測定氣溶膠粒子的飛行時(shí)間，由于時(shí)鐘頻率為500 MHz，計時(shí)的時(shí)間分辨可達2 ns物理精度，將測量ECL電平的飛行時(shí)間經(jīng)電平轉換成TTL電平后，送至大規?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA。

GATE和DIFF信號,一方面送至FPGA作為粒子識別依據，當有粒子經(jīng)過(guò)時(shí)，即GATE為高電平有效時(shí)，便對DIFF信號計數，如果有單個(gè)脈沖識別為事件1，如果有兩個(gè)脈沖識別為事件2，多于兩個(gè)脈沖識別為事件3，另一方面送至高速計時(shí)邏輯單元，在GATE信號有效期間，當第一個(gè)DIFF信號到來(lái)時(shí)，啟動(dòng)計數器，第二個(gè)DIFF信號關(guān)閉計數器。在計數器沒(méi)有溢出的情況下(如果是超大粒子，計數器溢出，識別為事件4)，所記錄的飛行時(shí)間(定時(shí)器值)，在GATE的下降沿被鎖存，作為FPGA的輸入信號，由FPGA將其轉化成相應存儲器地址，以便完成電子學(xué)道道存儲[3]。

　具有同一飛行時(shí)間的粒子是具有同一電子學(xué)特征的粒子，反之不同飛行時(shí)間的粒子對應不同電子學(xué)特征。所謂電子學(xué)多道存儲是指對具有不同電子學(xué)特征信號的氣溶膠粒子進(jìn)行分類(lèi)計數，在所分析信號特征范圍內，將粒子的特征信號按一定規則分類(lèi)，每一類(lèi)稱(chēng)為一道，每一道有一個(gè)相應的子存儲單元，用來(lái)記錄具有該類(lèi)特征信號的粒子個(gè)數。一個(gè)子存儲單元對應一種飛行時(shí)間的粒子，而子存儲單元的內容存儲了該飛行時(shí)間的粒子數目，因此一個(gè)子存儲單元以及子存儲單元里的內容則記錄了該粒子的全部信息。設計要求記錄的氣溶膠粒子電子學(xué)特征種數為32 768種，故至少需具有32 768道(即32 k，地址線(xiàn)數據寬度為15位)存儲容量的存儲器來(lái)存儲這些氣溶膠粒子信息。因此作為高速核心控制器的FPGA完成的功能如下：
(1)高速粒子模式識別邏輯;
(2)飛行時(shí)間與電子學(xué)多道地址信息的高速轉換;
(3)高速存儲器控制信號邏輯,控制高達32 768道計數存儲器以便按空氣動(dòng)力粒徑大小分類(lèi)計數存儲。
　可見(jiàn),不同飛行時(shí)間對應存儲器RAM的不同存儲單元，具有相同飛行時(shí)間的粒子被統計在同一存儲單元中。FPGA先快速將不同的電子學(xué)特征粒子信息鎖存在雙口RAM中，然后單片機從另外一端定時(shí)（單片機的定時(shí)器2實(shí)現）讀取，通過(guò)RS232串口傳至上位機，由上位機完成數據實(shí)時(shí)顯示、保存，加以雙端口可以簡(jiǎn)化硬件電路的設計。同時(shí)單片機還完成獲取儀器狀態(tài)參數和進(jìn)行相應的控制，以及中斷等。