探討一種新型紅外氣體分析裝置的硬件設(shè)計

　　摘 要：氣體與我們的生活息息相關(guān)，在對氣體進(jìn)行檢測的眾多方法中，紅外氣體分析法是一種精確又實惠的方法。但是目前由于多種原因，我國的紅外氣體分析方面的技術(shù)還比較落后，大多精密大型的紅外氣體分析裝置都依賴進(jìn)口。本問探討了一種新型的紅外氣體分析裝置硬件方面的設(shè)計。它包括：光源、模數(shù)轉(zhuǎn)換、光電探測器、DSP系統(tǒng)、串行通信界面以及液晶顯示模塊等部分的設(shè)計。
　　關(guān)鍵詞：新型 紅外氣體 分析裝置 硬件設(shè)計
　　中圖分類號：TH744.41文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0017-02
　　在我們的生產(chǎn)生活中，氣體無處不在，與我們生活息息相關(guān)。氣體的檢測對工業(yè)的生產(chǎn)、能源的利用、環(huán)境的監(jiān)測以及對安全的控制等都有重要意義。目前，在對氣體檢測的眾多方法中，紅外氣體分析法以自身較高的分辨率、精確的測量、耗費較低以及簡單的操作等優(yōu)點，受到了人們的青睞，成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的氣體分析方法。
　　目前，我國由于資金技術(shù)等方面的原因，紅外氣體分析儀器相關(guān)方面的發(fā)展比較落后，大部分精密、大型的紅外氣體分析裝置儀器都依賴于從國外進(jìn)口，而在國內(nèi)只有很少的幾家工廠能夠生產(chǎn)紅外氣體分析裝置儀器。國內(nèi)的紅外氣體分析儀器多數(shù)是用鎳鉻絲作為輻射源，精確度不是很高，并且在防震、密封以及可靠性等多方面都有不少缺陷。文本介紹的是一種新型的紅外氣體分析裝置的硬件設(shè)計。這個裝置使用的是電調(diào)制脈沖紅外光源和四元熱電堆探測器，處理器是TMS320F240 DSP，顯示器是圖形液晶顯示型模型。這種新型的裝置可以同時測量氣體中的一氧化碳、二氧化碳以及碳?xì)浠衔锶N成分的濃度，使用起來也很簡單方便，而且精確度比較高，穩(wěn)定性較好，抗干擾能力也比較強(qiáng)。下面，本文就對這種新型分體分析裝置的硬件設(shè)計方面展開分析探討。
　　1 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計
　　1.1 光源以及驅(qū)動電路
　　選擇合適的紅外光源，首先要考慮到光源發(fā)光的波長要覆蓋全部待測氣體的吸收波長，其次還是注意光源的功率要大一些，以方便使用。綜合各個方面的因素，新型紅外氣體分析裝置設(shè)計選擇的是IRL715紅外線光源。因為這種光源的的可靠性比較高，壽命將達(dá)到40000h，輸出功率將達(dá)500mW，完全可以滿足分析二氧化碳、一氧化碳以及碳?xì)浠衔锏男枰Ｎ覀冎?，紅外探測儀對光強(qiáng)變化是十分敏感的，但是對光的絕對強(qiáng)度卻不那么敏感，因此我們要調(diào)制紅外光源。本文介紹的新型紅外氣體分析裝置，通過微處理器輸出PWM來操控紅外光源脈動式開關(guān)，從而達(dá)到對光強(qiáng)的調(diào)制。
　　1.2 熱電推探測儀
　　這種新型的紅外氣體分析裝置的探測儀選用的是生產(chǎn)自德國Perkinelmer公司的TPS4339四元熱電堆探測儀。這種傳感器是專門為了分析多組份氣體而設(shè)計的。其中的四個單元中的每一個都裝置了中心波長是4.43μm、4.66μm、3.46μm、3.93μm的窄帶干涉型濾光片。其中的4.43μm、4.66μm、3.46μm分別對應(yīng)的是二氧化碳、一氧化碳以及碳?xì)浠衔锏奶卣魑詹ㄩL。3.93μm是一個參考波長，在這個參考波長段內(nèi)，二氧化碳、一氧化碳、以及碳?xì)浠衔锒紵o吸收峰，因此用它來作參考，可以消除由于雜散氣體吸收以及光源光強(qiáng)波動帶來的干擾，與此同時，這種探測儀還自帶了一個有很高精確度的熱敏電阻，這就可以用來測量環(huán)境溫度。
　　1.3 信號調(diào)理電路
　　由于熱電堆產(chǎn)生十分微弱的電壓信號不能滿足需要，因此我們必須對它作進(jìn)一步處理。我們知道，熱電堆的內(nèi)阻約55kΩ，然而輸出的電壓又比較小，因此就必須要使用低失調(diào)、低漂移、以及高輸阻抗的前置放大器。對此我們選用的是Intersil Harris公司出產(chǎn)的ICL7650，它是采用CMOS技術(shù)研制的斬波穩(wěn)零高精確度的運算放大器，它的輸入電阻是1012Ω，輸入的失調(diào)電壓為1μV，失調(diào)電壓的溫漂系數(shù)是0.01μV/℃，同時它還具有自動穩(wěn)零優(yōu)點，這是其他高阻抗運放不能達(dá)到的。我們在設(shè)計中，為了確保放大器的精確度，記憶電容選取了漏電流小和阻抗高的聚脂薄膜型電容，選用了精確度為0.1%，溫漂是50ppm/℃的金屬膜電阻作為增益電阻。
　　2 微處理器系統(tǒng)的設(shè)計
　　紅外氣體分析裝置的核心是微處理器系統(tǒng)。它是完成氣體分析裝置的功能設(shè)定、選擇測量對象、采集處理存儲數(shù)據(jù)、顯示測量結(jié)果和上位機(jī)數(shù)據(jù)通訊的重要裝置。它的硬件部分主要有DSP以及A/D轉(zhuǎn)化器、串行通信模塊和液晶顯示模塊的界面路線。下面，我們對此進(jìn)行分析探討。
　　2.1 DSP系統(tǒng)
　　相較于一般的MCS96和MCS51i系列的單片機(jī)來說，TI公司研發(fā)的TMS320C2000系列的16位定點DPS具有較快的處理速度、更加靈活的指令系統(tǒng)、更好的抗干擾能力以及更加豐富的片外設(shè)計。本文介紹的新型紅外氣體分析裝置采用的是TMS320F240，它主要有以下優(yōu)點。
　　經(jīng)過改進(jìn)的結(jié)構(gòu)以及50ns的周期指令；擁有強(qiáng)大功能的指令系統(tǒng)，有單指令的重復(fù)操作、單周期的加法/乘法指令，以及專于FFT的間接尋址功能。片內(nèi)有544字的雙口RAM、16K字的閃存Flash。擁有3個16位通用版定時器以及12個比較/PWM通道。有28個獨立地可編程多路復(fù)用的I/O引腳?？撮T狗（WD）以及實行中斷（RTI）有SCI異步串行通信界面以及SPI同步串行外設(shè)界面支持JTAG硬件的仿真，方便程序下載以及調(diào)試。
　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換器
　　雖然F240 DSP的片內(nèi)集成了模擬多路的轉(zhuǎn)換開關(guān)以及帶采樣的保持電路設(shè)計的雙十位A/D轉(zhuǎn)換器，但是為了更加完美精確度的設(shè)計，我們外擴(kuò)了一個A/D的轉(zhuǎn)換芯片MAX1270。這是12位的多條通道的串行模擬轉(zhuǎn)換器，它的內(nèi)部設(shè)置有8個通道的寬帶跟蹤、多路轉(zhuǎn)換器、串行界面。它的四線制的串行界面可以不通過外部邏輯就可以直接和SPI相連接，而且它的串行選通的輸出允許和TMS320的DSP相連接，因而對于界面的處理十分簡單。對于微處理器的接口有直接訪問與間接控制兩種形式。
　　2.3 液晶顯示器以及串口擴(kuò)展電路
　　這種新型的紅外氣體分析裝置的液晶顯示器是由北京精電蓬遠(yuǎn)公司研制的VPG12864液晶顯示模塊，這種模塊內(nèi)部設(shè)置了T6963C控制器，實現(xiàn)了同列驅(qū)動器、行驅(qū)動器、以及顯示緩沖區(qū)的RAM的界面。同時用硬件構(gòu)建了液晶屏的單雙屏結(jié)構(gòu)、用數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞斤@示窗口的長度及寬度等等。所以，它外部的界面十分簡單，使用起來非常的方便，大大提高了我們的工作效率。
　　在現(xiàn)代化的測量系統(tǒng)中，為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層次的分析和儲存，這就要求測量的系統(tǒng)要和上位機(jī)進(jìn)行通信。因為F240自身具備了一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信界面即SCI，我們只需要用電平轉(zhuǎn)換芯片就能實現(xiàn)與其他的計算以及設(shè)備之間的異步串行通信。這種新型的設(shè)計采用了MAX232的界面芯片，可以通過RS-232的串行標(biāo)準(zhǔn)接口的總線和PC機(jī)實現(xiàn)異步通信。
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