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(duì)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(cè)量等特點(diǎn)。在地震預(yù)報(bào)、礦井安全、石油勘探、大氣物理、醫(yī)療衛(wèi)生、污染源監(jiān)測(cè)、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(cè)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(hào)探測(cè)和采集的功能，這樣的設(shè)計(jì)在一些安裝受限或長期無人監(jiān)管(如污染源監(jiān)測(cè))的場(chǎng)合就不能適用了，針對(duì)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(dú)立完成監(jiān)測(cè)工作，并可將數(shù)據(jù)儲(chǔ)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(cè)量還是儀器標(biāo)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(kuò)展空間，并且儀器擁有多種信號(hào)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(hào)控制紅外光源。紅外光源出射的紅外光，經(jīng)過充滿待測(cè)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(duì)應(yīng)紅外探測(cè)器，探測(cè)器測(cè)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(cè)器輸出的微弱信號(hào)，經(jīng)過精密的前置放大及二級(jí)放大濾波電路，得到穩(wěn)定的信號(hào)，信號(hào)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(cè)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(cè)器測(cè)量通道最少有2路，其中，1路為測(cè)量道，1路為參比道，這樣可以達(dá)到差分測(cè)量的效果，形成對(duì)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(cè)量溫度、濕度及氣體壓力，參與濃度的補(bǔ)償計(jì)算。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在儀器的硬件設(shè)計(jì)中紅外光源，探測(cè)器，DSP系統(tǒng)及外圍電路，信號(hào)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(dòng)下工作壽命可達(dá)40 000 h。探測(cè)器選擇了有兩路測(cè)量通路的TPS2534G2。DSP采用了美國TI公司的TMS320F2812數(shù)字信號(hào)處理器，為32位定點(diǎn)DSP，內(nèi)核提供高達(dá)150 MIPS的計(jì)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(chǔ)系統(tǒng)和USB通訊接口。信號(hào)放大電路使用了兩級(jí)AD8552運(yùn)放電路串聯(lián)，AD855X系列有自動(dòng)偏置調(diào)整的功能，是低頻微弱信號(hào)檢測(cè)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(duì)DSP的外圍電路做個(gè)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(hào)采集，將各種需要測(cè)量的模擬量通過．A／D轉(zhuǎn)換后送到DSP。其中測(cè)量通道和參考通道的信號(hào)由紅外探測(cè)器產(chǎn)生，由一個(gè)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(jì)算的信號(hào)，包括濕度、溫度和大氣壓力信號(hào)由TMS320F2812自帶的A／D分時(shí)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換精度為12 bit。以上信號(hào)轉(zhuǎn)換后送到DSP處理器緩存。經(jīng)系列復(fù)雜計(jì)算處理最終得到被測(cè)氣體的濃度值。這里給出用于測(cè)量通道和參考通道信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)，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(cè)器溫度控制信號(hào)、光學(xué)鏡頭窗溫控信號(hào)、要素報(bào)警觸發(fā)信號(hào)(濃度，溫度，濕度)3路和1路時(shí)間觸發(fā)信號(hào)。利用DSP處理器的通用I／O口可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的輸出，74HC244實(shí)現(xiàn)各控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)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(gè)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(shí)現(xiàn)TMS320F2812和74HC244之間的電平匹配。