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基于DSP的高速便携红外气体分析仪
发布日期: 2021-02-23 18:49 发布人:蒙特利尔赌场 观注度:

  器,是典型的光、机、电一体化智能传感器系统。与其他气敏传感器系统相比,具有灵敏度高、响应快、分析种类多、量程范围宽、可连续测量等特点。在地震预报、矿井安全、石油勘探、大气物理、医疗卫生、污染源监测、高压设备故障诊断、化工过程控制、冶金等传统工业乃至现在所有的新技术革命带头学科如生物科学、微电子学、新型材料等领域均有着越来越广泛的应用。

  从国内现有的红外分析器来看,大部分在线监测仪需上位机配合完成数据的后期处理和保存,前端仅仅完成信号探测和采集的功能,这样的设计在一些安装受限或长期无人监管(如污染源监测)的场合就不能适用了,针对这种状况,本文研究开发一种基于TI公司的DSP的非分光红外气体分析仪,能够独立完成监测工作,并可将数据储存在大容量闪存中或通过GPRS远程传输,该仪器的简洁人机接口使无论测量还是仪器标定都可方便完成,同时USB接口的添加使仪器有了更大的扩展空间,并且仪器拥有多种信号输出方式,可以轻松与各种系统连接。

  红外分析仪的系统结构框图如图1所示,TMS320F2812DSP发送一定频率的调制信号控制红外光源。红外光源出射的红外光,经过充满待测气体的气室被特定气体吸收,经过滤光片的选择性透过,最后到达对应红外探测器,探测器测得吸收后的光能量的强度,反映了气体吸收红外光的强弱,也就反映了气体的浓度。红外探测器输出的微弱信号,经过精密的前置放大及二级放大滤波电路,得到稳定的信号,信号经过A/D转换,送到DSP进行分析和处理,经过滤波和非线性校正,最终的测量数据将按系统设定和当前仪器状态进行传输,保存,或显示刷新。注意,这里探测器测量通道最少有2路,其中,1路为测量道,1路为参比道,这样可以达到差分测量的效果,形成对系统噪声和干扰的抑制,其他几路传感器和A/D通道用于测量温度、湿度及气体压力,参与浓度的补偿计算。

  在仪器的硬件设计中红外光源,探测器,DSP系统及外围电路,信号放大电路的选择是关键。本仪器红外光源选择了IRL715红外光源,该光源的波长范围为从可见的光波长到5μm,5 V电压驱动下工作寿命可达40 000 h。探测器选择了有两路测量通路的TPS2534G2。DSP采用了美国TI公司的TMS320F2812数字信号处理器,为32位定点DSP,内核提供高达150 MIPS的计算带宽,大大提高了控制系统的控制精度和数据处理能力,其外围电路主要包括:数据采集、开关量输出、人机接口。存储系统和USB通讯接口。信号放大电路使用了两级AD8552运放电路串联,AD855X系列有自动偏置调整的功能,是低频微弱信号检测放大器系统的首选。因本仪器重在高速DSP系统在红外分析仪器上的应用,所以下面特别对DSP的外围电路做个说明。

  数据采集主要负责模数转换和信号采集,将各种需要测量的模拟量通过.A/D转换后送到DSP。其中测量通道和参考通道的信号由红外探测器产生,由一个A/D转换器转换,转换精度为16 bit,根据要求选择可直接与TMS320F2812接口的串行16 bit A/D转换器;其他参与气体浓度补偿计算的信号,包括湿度、温度和大气压力信号由TMS320F2812自带的A/D分时转换,转换精度为12 bit。以上信号转换后送到DSP处理器缓存。经系列复杂计算处理最终得到被测气体的浓度值。这里给出用于测量通道和参考通道信号采集的电路设计,如图2所示。

  开关量输出主要包括探测器温度控制信号、光学镜头窗温控信号、要素报警触发信号(浓度,温度,湿度)3路和1路时间触发信号。利用DSP处理器的通用I/O口可实现数字量的输出,74HC244实现各控制信号的驱动输出。图3为数字量输出电路图。需要注意的是:TMS320F2812处理器的电源电压为3.3 V,而74HC244的电源电压为5 V,两个器件存在接口电路的电平转换问题,不能直接连接,采用LVCl6245作为电平转换器,实现TMS320F2812和74HC244之间的电平匹配。


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