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、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LVCl6245作為電平轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)TMS320F2812和74HC244之間的電平匹配。