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)測量等特點。在地震預(yù)報、礦井安全、石油勘探、大氣物理、醫(yī)療衛(wèi)生、污染源監(jiān)測、高壓設(shè)備故障診斷、化工過程控制、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)域均有著越來越廣泛的應(yīng)用。

從國內(nèi)現(xiàn)有的紅外分析器來看，大部分在線監(jiān)測儀需上位機(jī)配合完成數(shù)據(jù)的后期處理和保存，前端僅僅完成信號探測和采集的功能，這樣的設(shè)計在一些安裝受限或長期無人監(jiān)管(如污染源監(jiān)測)的場合就不能適用了，針對這種狀況，本文研究開發(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(jiān)測工作，并可將數(shù)據(jù)儲存在大容量閃存中或通過GPRS遠(yuǎn)程傳輸，該儀器的簡潔人機(jī)接口使無論測量還是儀器標(biāo)定都可方便完成，同時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)制信號控制紅外光源。紅外光源出射的紅外光，經(jīng)過充滿待測氣體的氣室被特定氣體吸收，經(jīng)過濾光片的選擇性透過，最后到達(dá)對應(yīng)紅外探測器，探測器測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。紅外探測器輸出的微弱信號，經(jīng)過精密的前置放大及二級放大濾波電路，得到穩(wěn)定的信號，信號經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換，送到DSP進(jìn)行分析和處理，經(jīng)過濾波和非線性校正，最終的測量數(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(dá)到差分測量的效果，形成對系統(tǒng)噪聲和干擾的抑制，其他幾路傳感器和A／D通道用于測量溫度、濕度及氣體壓力，參與濃度的補(bǔ)償計算。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在儀器的硬件設(shè)計中紅外光源，探測器，DSP系統(tǒng)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，該光源的波長范圍為從可見的光波長到5μm，5 V電壓驅(qū)動下工作壽命可達(dá)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(shù)字信號處理器，為32位定點DSP，內(nèi)核提供高達(dá)150 MIPS的計算帶寬，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、開關(guān)量輸出、人機(jī)接口。存儲系統(tǒng)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系列有自動偏置調(diào)整的功能，是低頻微弱信號檢測放大器系統(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DSP的外圍電路做個說明。

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)換和信號采集，將各種需要測量的模擬量通過．A／D轉(zhuǎn)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分時轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度為12 bit。以上信號轉(zhuǎn)換后送到DSP處理器緩存。經(jīng)系列復(fù)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(shè)計，如圖2所示。

2．2 開關(guān)置輸出

開關(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路時間觸發(fā)信號。利用DSP處理器的通用I／O口可實現(xiàn)數(shù)字量的輸出，74HC244實現(xiàn)各控制信號的驅(qū)動輸出。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，兩個器件存在接口電路的電平轉(zhuǎn)換問題，不能直接連接，采用LVCl*5作為電平轉(zhuǎn)換器，實現(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，人機(jī)接口的任務(wù)主要是接收鍵盤指令，完成儀器的設(shè)置，標(biāo)定，測量等操作，提供實時的濃度變化曲線圖繪制，并提供對歷史數(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，所以不僅可以用來傳送命令，而且可以實時傳輸數(shù)據(jù)，包括原始測量值，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

紅外分析儀需要存儲的數(shù)據(jù)包括：氣體測量記錄號，日期、時間、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，保存頻度及保存時長，考慮到在線測量和無人管理測量的要求，采用大容量閃存K9F1G08UOA作為儀器的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)，總數(shù)據(jù)存儲量大于128 MB。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件處理的好壞直接決定系統(tǒng)處理速度的高低和計算結(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)到更高速的測量和數(shù)據(jù)傳輸。在軟件的整個處理過程中最耗時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DSP做了專門的優(yōu)化，從而保證系統(tǒng)的快速運行。

系統(tǒng)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(shè)置原始數(shù)據(jù)，目標(biāo)數(shù)據(jù)，鍵盤等信息的環(huán)形緩沖區(qū)等等。設(shè)定紅外光的調(diào)制頻率并啟動，儀器進(jìn)入等待狀態(tài)，用戶可在此時對儀器做參數(shù)設(shè)定，按鍵或遠(yuǎn)程開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)計算，按鍵命令執(zhí)行，目標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸和存儲，LCD界面刷新等。

各種原始數(shù)據(jù)會按照設(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)包括測量通道和參考通道的讀數(shù)，各種補(bǔ)償信號，測量時間等。原始數(shù)據(jù)被使用處理后。將計算得到的目標(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)都會維護(hù)自己的讀寫指針，并在相應(yīng)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，如停止命令等類似這樣的操作會在中斷中直接處理。

4 實驗結(jié)果

前文中并未提到本儀器具體測量的氣體種類，原因是該儀器在換用不同波長的濾光片并做相應(yīng)的參數(shù)修改的情況下可以用來測量多種氣體的濃度，如CO2，CO和HC等。在實驗中選擇CO2作為測試的氣體種類，在環(huán)境溫度為25℃、一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，對國家計量部門檢定合格的多種標(biāo)準(zhǔn)濃度CO2氣體使用本儀器測量，實際結(jié)果顯示，絕對誤差在0．3％，相對誤差在2％以內(nèi)，具有較好的測量精度。

5 結(jié)論

紅外氣體分析儀涉及光學(xué)、機(jī)械、電子、計算機(jī)、通信、信息融合等多學(xué)科領(lǐng)域，對軟硬件的設(shè)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(qiáng)大運算能力，不僅滿足了高速測量的要求，而且因為脫離了上位機(jī)使儀器的便攜性和安裝性大大增強(qiáng)，通過現(xiàn)場的運行和調(diào)試，儀器的諸多優(yōu)點得到了展現(xiàn)，如結(jié)構(gòu)簡單可靠，安裝維護(hù)方便，操作便捷，可長時保存數(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)用前景越來越寬。