基于DSP的高速便携红外气体分析仪

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。

2．2 开关置输出
    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。

2．3 人机接口
    人机接口采用LCMl68651液晶模块作为显示，采用中断方式的矩阵键盘，人机接口的任务主要是接收键盘指令，完成仪器的设置，标定，测量等操作，提供实时的浓度变化曲线图绘制，并提供对历史数据的查询和显示功能。
2．4 USB接口电路
    USB接口用于下位机与上位机通讯。USB的数据传输率很高，所以不仅可以用来传送命令，而且可以实时传输数据，包括原始测量值，当前浓度值，或历史记录值，图4给出 USB的接口电路原理图。

2．5 数据存储
    红外分析仪需要存储的数据包括：气体测量记录号，日期、时间、浓度值，温度，湿度，大气压力等，记录数据量的大小取决于保存条目大小，保存种类，保存频度及保存时长，考虑到在线测量和无人管理测量的要求，采用大容量闪存K9F1G08UOA作为仪器的数据存储介质，总数据存储量大于128 MB。

3 系统软件设计
    软件处理的好坏直接决定系统处理速度的高低和计算结果的准确性，图5给出仪器软件的主流程，基本原则是利用环形缓冲区对数据等信息进行必要的缓存，在不影响系统人机交互感受的情况下达到更高速的测量和数据传输。在软件的整个处理过程中最耗时也是最影响性能的地方是原始数据的处理，其中涉及到滤波，环境和探测器补偿校正，消除气体吸收交叉干扰等多种算法，在本仪器中这些算法都针对DSP做了专门的优化，从而保证系统的快速运行。

    系统首先完成初始化，包括对DSP及其外围电路初始化，创建和设置原始数据，目标数据，键盘等信息的环形缓冲区等等。设定红外光的调制频率并启动，仪器进入等待状态，用户可在此时对仪器做参数设定，按键或远程开始命令都将使仪器进入测量状态。在测量状态仪器依次循环判别有无要处理的数据或命令，然后进行相应的处理，如远程命令执行，原始数据计算，按键命令执行，目标数据传输和存储，LCD界面刷新等。
    各种原始数据会按照设定的采样率被中断程序读取并存入原始数据环形缓冲区，原始数据包括测量通道和参考通道的读数，各种补偿信号，测量时间等。原始数据被使用处理后。将计算得到的目标值放入目标数据缓冲区，如果系统有传输，显示或保存的设置，目标数据缓冲区的数据将被依次使用。所有的环形缓冲区都会维护自己的读写指针，并在相应的操作完成后进行修改。有些优先级较高的命令和特殊情况不受以上流程限制，如停止命令等类似这样的操作会在中断中直接处理。

4 实验结果
    前文中并未提到本仪器具体测量的气体种类，原因是该仪器在换用不同波长的滤光片并做相应的参数修改的情况下可以用来测量多种气体的浓度，如CO2，CO和HC等。在实验中选择CO2作为测试的气体种类，在环境温度为25℃、一个标准大气压下，对国家计量部门检定合格的多种标准浓度CO2气体使用本仪器测量，实际结果显示，绝对误差在0．3％，相对误差在2％以内，具有较好的测量精度。

5 结论
    红外气体分析仪涉及光学、机械、电子、计算机、通信、信息融合等多学科领域，对软硬件的设计和集成能力要求相对较高，本文所述的红外气体分析仪借助于SP的强大运算能力，不仅满足了高速测量的要求，而且因为脱离了上位机使仪器的便携性和安装性大大增强，通过现场的运行和调试，仪器的诸多优点得到了展现，如结构简单可靠，安装维护方便，操作便捷，可长时保存数据，USB扩展等，相信随着在线气体分析仪的更新换代，本仪器应用前景越来越宽。