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DSP高速便携红外气体分析仪解析
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2017-11-01
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红外气体分析仪是基于不同气体分子对特定波长红外光有选择性吸收的原理制成的一种物理式分析仪器，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、分析气体种类多、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。
1 红外分析仪的系统结构
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。
2 系统硬件设计
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。
2．1 数据采集
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。
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。
1 红外分析仪的系统结构
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。
2 系统硬件设计
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。
2．1 数据采集
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。
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