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基于DSP的高速便攜紅外氣體分析儀
2015-08-22
從國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的紅外分析器來(lái)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(zhǎng)期無(wú)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(kāi)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(guò)GPRS遠(yuǎn)程傳輸，該儀器的簡(jiǎn)潔人機(jī)接口使無(wú)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(guò)充滿待測(cè)氣體的氣室被特定氣體吸收，經(jīng)過(guò)濾光片的選擇性透過(guò)，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(guò)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(guò)A／D轉(zhuǎn)換，送到DSP進(jìn)行分析和處理，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)范圍為從可見(jiàn)的光波長(zhǎng)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(guó)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(kāi)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(shuō)明。
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