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紅外氣體分析儀的系統結構
日期：2024-12-23 14:33
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摘要：
紅外氣體分析儀的系統結構
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表，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、分析氣體種類多、量程范圍寬、可連續量測等特點。在地震預報、礦井**、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、化工過程控制、冶金等傳統工業乃至現在所有的新技術**帶頭學科如生物科學、微電子學、新型材料等領域均有著越來越廣泛的應用。
從國內現有的紅外分析器來看，大部分在線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期無人監管(如污染源監測)的場合就不能適用了，針對這種狀況，本文研究開發一種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GPRS遠程傳輸，該儀表的簡潔人機接口使無論量測還是儀表標定都可方便完成，同時USB接口的添加使儀表有了更大的擴展空間，并且儀表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，經過充滿待測氣體的氣室被特定氣體吸收，經過濾光片的選擇性透過，*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，經過精密的前置放大及二級放大濾波電路，得到穩定的信號，信號經過A／D轉換，送到DSP進行分析和處理，經過濾波和非線性校正，*終的量測數據將按系統設定和當前儀表狀態進行傳輸，保存，或顯示刷新。注意，這里探測器量測通道*少有2路，其中，1路為量測道，1路為參比道，這樣可以達到差分量測的效果，形成對系統噪聲和干擾的抑制，其他幾路傳感器和A／D通道用于量測溫度、濕度及氣體壓力，參與濃度的補償計算。
2 系統硬件設計
在儀表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鍵。本儀表紅外光源選擇了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電壓驅動下工作壽命可達40 000 h。探測器選擇了有兩路量測通路的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、開關量輸出、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，AD855X系列有自動偏置調整的功能，是低頻微弱信號檢測放大器系統的優選。因本儀表重在高速DSP系統在紅外分析儀表上的應用，所以下面特別對DSP的外圍電路做個說明。
2．1 數據采集
數據采集主要負責模數轉換和信號采集，將各種需要量測的模擬量通過．A／D轉換后送到DSP。其中量測通道和參考通道的信號由紅外探測器產生，由一個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。經系列復雜計算處理*終得到被測氣體的濃度值。這里給出用于量測通道和參考通道信號采集的電路設計，如圖2所示。
2．2 開關置輸出
開關量輸出主要包括探測器溫度控制信號、光學鏡頭窗溫控信號、要素報警觸發信號(濃度，溫度，濕度)3路和1路時間觸發信號。利用DSP處理器的通用I／O口可實現數字量的輸出，74HC244實現各控制信號的驅動輸出。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，兩個器件存在接口電路的電平轉換問題，不能直接連接，采用LVCl6245作為電平轉換器，實現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，人機接口的任務主要是接收鍵盤指令，完成儀表的設置，標定，量測等操作，提供實時的濃度變化曲線圖繪制，并提供對歷史數據的查詢和顯示功能。
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，所以不僅可以用來傳送命令，而且可以實時傳輸數據，包括原始量測值，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：氣體量測記錄號，日期、時間、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，保存頻度及保存時長，考慮到在線量測和無人管理量測的要求，采用大容量閃存K9F1G08UOA作為儀表的數據存儲介質，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給出儀表軟件的主流程，基本原則是利用環形緩沖區對數據等信息進行必要的緩存，在不影響系統人機交互感受的情況下達到更高速的量測和數據傳輸。在軟件的整個處理過程中*耗時也是*影響性能的地方是原始數據的處理，其中涉及到濾波，環境和探測器補償校正，消除氣體吸收交叉干擾等多種算法，在本儀表中這些算法都針對DSP做了專門的優化，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，創建和設置原始數據，目標數據，鍵盤等信息的環形緩沖區等等。設定紅外光的調制頻率并啟動，儀表進入等待狀態，用戶可在此時對儀表做參數設定，按鍵或遠程開始命令都將使儀表進入量測狀態。在量測狀態儀表依次循環判別有無要處理的數據或命令，然后進行相應的處理，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。
各種原始數據會按照設定的采樣率被中斷程序讀取并存入原始數據環形緩沖區，原始數據包括量測通道和參考通道的讀數，各種補償信號，量測時間等。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。所有的環形緩沖區都會維護自己的讀寫指針，并在相應的操作完成后進行修改。有些優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 實驗結果
前文中并未提到本儀表具體量測的氣體種類，原因是該儀表在換用不同波長的濾光片并做相應的參數修改的情況下可以用來量測多種氣體的濃度，如CO2，CO和HC等。在實驗中選擇CO2作為測試的氣體種類，在環境溫度為25℃、一個標準大氣壓下，對國家計量部門檢定合格的多種標準濃度CO2氣體使用本儀表量測，實際結果顯示，**誤差在0．3％，相對誤差在2％以內，具有較好的量測精度。
5 結論
紅外氣體分析儀涉及光學、機械、電子、計算機、通信、信息融合等多學科領域，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，不僅滿足了高速量測的要求，而且因為脫離了上位機使儀表的便攜性和安裝性大大增強，通過現場的運行和調試，儀表的諸多優點得到了展現，如結構簡單可靠，安裝維護方便，操作便捷，可長時保存數據，USB擴展等，相信隨著在線氣體分析儀的更新換代，本儀表應用前景越來越寬。
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表，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、分析氣體種類多、量程范圍寬、可連續量測等特點。在地震預報、礦井**、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、化工過程控制、冶金等傳統工業乃至現在所有的新技術**帶頭學科如生物科學、微電子學、新型材料等領域均有著越來越廣泛的應用。
從國內現有的紅外分析器來看，大部分在線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期無人監管(如污染源監測)的場合就不能適用了，針對這種狀況，本文研究開發一種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GPRS遠程傳輸，該儀表的簡潔人機接口使無論量測還是儀表標定都可方便完成，同時USB接口的添加使儀表有了更大的擴展空間，并且儀表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，經過充滿待測氣體的氣室被特定氣體吸收，經過濾光片的選擇性透過，*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，經過精密的前置放大及二級放大濾波電路，得到穩定的信號，信號經過A／D轉換，送到DSP進行分析和處理，經過濾波和非線性校正，*終的量測數據將按系統設定和當前儀表狀態進行傳輸，保存，或顯示刷新。注意，這里探測器量測通道*少有2路，其中，1路為量測道，1路為參比道，這樣可以達到差分量測的效果，形成對系統噪聲和干擾的抑制，其他幾路傳感器和A／D通道用于量測溫度、濕度及氣體壓力，參與濃度的補償計算。
2 系統硬件設計
在儀表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鍵。本儀表紅外光源選擇了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電壓驅動下工作壽命可達40 000 h。探測器選擇了有兩路量測通路的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、開關量輸出、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，AD855X系列有自動偏置調整的功能，是低頻微弱信號檢測放大器系統的優選。因本儀表重在高速DSP系統在紅外分析儀表上的應用，所以下面特別對DSP的外圍電路做個說明。
2．1 數據采集
數據采集主要負責模數轉換和信號采集，將各種需要量測的模擬量通過．A／D轉換后送到DSP。其中量測通道和參考通道的信號由紅外探測器產生，由一個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。經系列復雜計算處理*終得到被測氣體的濃度值。這里給出用于量測通道和參考通道信號采集的電路設計，如圖2所示。
2．2 開關置輸出
開關量輸出主要包括探測器溫度控制信號、光學鏡頭窗溫控信號、要素報警觸發信號(濃度，溫度，濕度)3路和1路時間觸發信號。利用DSP處理器的通用I／O口可實現數字量的輸出，74HC244實現各控制信號的驅動輸出。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，兩個器件存在接口電路的電平轉換問題，不能直接連接，采用LVCl6245作為電平轉換器，實現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，人機接口的任務主要是接收鍵盤指令，完成儀表的設置，標定，量測等操作，提供實時的濃度變化曲線圖繪制，并提供對歷史數據的查詢和顯示功能。
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，所以不僅可以用來傳送命令，而且可以實時傳輸數據，包括原始量測值，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：氣體量測記錄號，日期、時間、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，保存頻度及保存時長，考慮到在線量測和無人管理量測的要求，采用大容量閃存K9F1G08UOA作為儀表的數據存儲介質，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給出儀表軟件的主流程，基本原則是利用環形緩沖區對數據等信息進行必要的緩存，在不影響系統人機交互感受的情況下達到更高速的量測和數據傳輸。在軟件的整個處理過程中*耗時也是*影響性能的地方是原始數據的處理，其中涉及到濾波，環境和探測器補償校正，消除氣體吸收交叉干擾等多種算法，在本儀表中這些算法都針對DSP做了專門的優化，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，創建和設置原始數據，目標數據，鍵盤等信息的環形緩沖區等等。設定紅外光的調制頻率并啟動，儀表進入等待狀態，用戶可在此時對儀表做參數設定，按鍵或遠程開始命令都將使儀表進入量測狀態。在量測狀態儀表依次循環判別有無要處理的數據或命令，然后進行相應的處理，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。
各種原始數據會按照設定的采樣率被中斷程序讀取并存入原始數據環形緩沖區，原始數據包括量測通道和參考通道的讀數，各種補償信號，量測時間等。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。所有的環形緩沖區都會維護自己的讀寫指針，并在相應的操作完成后進行修改。有些優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 實驗結果
前文中并未提到本儀表具體量測的氣體種類，原因是該儀表在換用不同波長的濾光片并做相應的參數修改的情況下可以用來量測多種氣體的濃度，如CO2，CO和HC等。在實驗中選擇CO2作為測試的氣體種類，在環境溫度為25℃、一個標準大氣壓下，對國家計量部門檢定合格的多種標準濃度CO2氣體使用本儀表量測，實際結果顯示，**誤差在0．3％，相對誤差在2％以內，具有較好的量測精度。
5 結論
紅外氣體分析儀涉及光學、機械、電子、計算機、通信、信息融合等多學科領域，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，不僅滿足了高速量測的要求，而且因為脫離了上位機使儀表的便攜性和安裝性大大增強，通過現場的運行和調試，儀表的諸多優點得到了展現，如結構簡單可靠，安裝維護方便，操作便捷，可長時保存數據，USB擴展等，相信隨著在線氣體分析儀的更新換代，本儀表應用前景越來越寬。
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