基于硬件加速的礦井煤塵濃度高速在線檢測(cè)系統(tǒng)

張俸源 ，張葉民 ，姚貴彬

（1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 智能裝備學(xué)院，山東 泰安 271001）

煤塵不僅對(duì)采煤工作人員的肺部造成了污染，同時(shí)也帶來(lái)了井下煤塵爆炸的隱患。為了對(duì)礦井下煤塵濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，國(guó)內(nèi)研究者基于機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法[1-2]、消光統(tǒng)計(jì)法[3]、光散射法[4-5]對(duì)其做出了大量研究，而上述檢測(cè)方法所使用的主控制芯片基本都是軟核STM32 系列芯片或其他類(lèi)型軟核芯片。為此，在基于光散射法理論和ARM 軟核芯片的研究基礎(chǔ)上，一方面通過(guò)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)解決了光源輸出不穩(wěn)定和檢測(cè)精度不高的問(wèn)題，另一方面通過(guò)運(yùn)用FPGA（可編程邏輯門(mén)陣列）模塊將數(shù)據(jù)處理部分封裝成IP 核，完成了檢測(cè)系統(tǒng)的加速，從而設(shè)計(jì)了一種礦井煤塵濃度高速在線檢測(cè)系統(tǒng)。

1 煤塵濃度檢測(cè)原理

1.1 Mie 散射理論原理

當(dāng)一束光束照射在球形顆粒上，光束會(huì)在基于Mie 散射理論的基礎(chǔ)下發(fā)生光的散射現(xiàn)象。入射光為完全偏振光時(shí)，1 個(gè)直徑為d的微粒散射到θ方向的散射光強(qiáng)可以分解為平行于散射微粒的光強(qiáng)和垂直于散射微粒的光強(qiáng)，且其強(qiáng)度分別為Ic和Ir。由Mie 散射理論得[6]，當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的光束照射到煤塵顆粒上時(shí)，此時(shí)顆粒產(chǎn)生的散射光強(qiáng)度I（θ）為：

式中：θ為顆粒光散射角的觀測(cè)角度，（°），根據(jù)接收光強(qiáng)較集中的光電探測(cè)器位置而定；β為入射光的偏振角，（°），根據(jù)入射光的性質(zhì)而定；λ為入射光的波長(zhǎng)，mm，根據(jù)所選用光源的型號(hào)參數(shù)而定；r為散射體顆粒與散射光觀測(cè)點(diǎn)之間的距離，mm，根據(jù)光電元件的位置而定；I0為光源所發(fā)出入射光的光照強(qiáng)度，lx，根據(jù)所選用光源的型號(hào)參數(shù)而定；i1、i2為強(qiáng)度函數(shù)。

1.2 煤塵微粒質(zhì)量濃度檢測(cè)原理

由于待測(cè)顆粒的粒度遠(yuǎn)小于每個(gè)顆粒之間的距離，即煤塵顆粒之間具有不相關(guān)性，則認(rèn)為各微粒散射光的強(qiáng)度是可疊加計(jì)算的。假設(shè)在單位體積內(nèi)共分布著K個(gè)待測(cè)顆粒，那么總散射光強(qiáng)的計(jì)算方法為單個(gè)微粒散射光強(qiáng)的值乘K。

角散射截面對(duì)于單個(gè)微粒來(lái)說(shuō)是無(wú)法直接測(cè)量的，由此引入一個(gè)可測(cè)量的角散射系數(shù) βp（θ），其物理含義為單位體積內(nèi)微粒的角散射特性。

當(dāng)入射光為非偏振光時(shí)，有：

式中：L為單位體積內(nèi)的煤塵微粒數(shù)。

若一束光強(qiáng)為I0的入射光平行照射在單個(gè)煤塵顆粒上，距此微粒距離為r的觀測(cè)點(diǎn)P處的散射光強(qiáng)I（θ）為：

式中：ρ為煤塵顆粒的密度， g/cm3；W為煤塵微粒質(zhì)量濃度，m g/m3。

將式（7）代入式（6）得：

將式（8）進(jìn)行變形，可得到：

其中，煤塵密度ρ、散射體煤塵顆粒的待測(cè)粒度d、入射光的光源強(qiáng)度I0以及入射光的波長(zhǎng)λ都是可以確定的。

1.3 基于Matlab 的Mie 散射理論實(shí)現(xiàn)

由于煤塵微粒的相對(duì)折射率N以及煤塵密度ρ是一定的，通過(guò)控制變量法，利用Matlab 軟件結(jié)合Mie 散射理論，改變其中1 個(gè)影響因素，研究散射光強(qiáng)的大小I（θ）與觀測(cè)角度θ和微粒的粒度d的關(guān)系，為濃度檢測(cè)做好準(zhǔn)備。

當(dāng)顆粒折射率N=1.57-0.56j、入射光波長(zhǎng)λ為980 nm、隨機(jī)選取煤塵顆粒粒徑為1 μm 時(shí)，利用Matlab 結(jié)合Mie 散射理論計(jì)算出的散射光強(qiáng)度隨觀測(cè)角度變化曲線如圖1。當(dāng)顆粒相對(duì)折射率N=1.57-0.56j、入射光波長(zhǎng)λ為980 mm、散射角度為45°時(shí)，利用Matlab 結(jié)合Mie 散射理論計(jì)算出的散射光強(qiáng)度隨煤塵顆粒粒徑變化曲線如圖2。

圖1 散射光強(qiáng)與觀測(cè)角度關(guān)系圖Fig.1 Relationship between scattering light intensity and observed angle

圖2 散射光強(qiáng)與煤塵顆粒粒徑關(guān)系圖Fig.2 Relationship between scattering light intensity and coal dust particle size

由圖1 可知：在散射角度為45°時(shí)的散射光強(qiáng)最強(qiáng)（舍去90°），即此處接收效果最好，其位置也便于光電元件的擺放，因此確定散射角θ為45°。

由圖2 可知：通過(guò)散射光濃度就可以推出與其對(duì)應(yīng)的煤塵顆粒粒徑值。

2 系統(tǒng)檢測(cè)方案

檢測(cè)系統(tǒng)主要基于ZYNQ 芯片，其是集微處理器（ARM）與可編程邏輯電路（FPGA）于一體的可拓展處理平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)多核處理且具有高性能、低功耗的特點(diǎn)，檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖如圖3。

圖3 檢測(cè)系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖Fig.3 Overall architecture block diagram of detection system

首先，最小系統(tǒng)模塊完成整個(gè)系統(tǒng)的供電及JTAG 下載程序工作，利用ARM 軟核芯片對(duì)風(fēng)量為1.68 m3/min的風(fēng)機(jī)與入射光波長(zhǎng)為980 nm 的光源進(jìn)行控制，完成煤塵顆粒的收集與光源的獲取。光束照射到煤塵顆粒上會(huì)發(fā)生光散射現(xiàn)象，采用FB980-10 濾光片過(guò)濾掉除波長(zhǎng)為980 nm 以外的光源，排除環(huán)境光的干擾，并利用透鏡實(shí)現(xiàn)光束的匯聚與發(fā)散，基于光電效應(yīng)原理的光電檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)由光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理模塊完成對(duì)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大、濾波以及模-數(shù)轉(zhuǎn)換處理[7]，其中模數(shù)轉(zhuǎn)換采用AD9280 芯片。接著，軟核控制模塊通過(guò)GP0 接口完成處理器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋O(jiān)控，數(shù)據(jù)經(jīng)AXI DMA IP 核通過(guò)高速HP0 接口先存儲(chǔ)在DDR3 中，再經(jīng)AXI Stream Data FIFO IP 核乒乓緩存讀取后送入算法加速模塊，此時(shí)將電壓值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成光強(qiáng)值，并讀取預(yù)先存儲(chǔ)在SD卡中的煤塵粒徑與散射光強(qiáng)對(duì)應(yīng)表[8]，通過(guò)二分查找法找出第1 個(gè)大于已知光強(qiáng)值，完成粒度反推后即可進(jìn)行濃度計(jì)算。最終濃度數(shù)值經(jīng)顯示模塊顯示，且若數(shù)值超過(guò)預(yù)警值，PS 端調(diào)動(dòng)報(bào)警模塊進(jìn)行聲光報(bào)警。

為了便于后續(xù)煤塵濃度的計(jì)算，需使光源輸出光強(qiáng)值達(dá)到恒定，因此設(shè)計(jì)了新型恒流激光二極管驅(qū)動(dòng)電路，光源調(diào)制電路原理圖如圖4。

圖4 光源調(diào)制電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of light source modulation circuit

首先采用濱松的L9418-42 連續(xù)激光二極管作為光源，其典型峰值發(fā)射波長(zhǎng)為980 nm，發(fā)射功率P為1 W，發(fā)射面積A為1 0-8m2，故其入射光輻照度E為1 08w/m2。采用德州科技的LM324 運(yùn)算放大器以及三極管S8050 來(lái)保持激光光源兩端的電流不變，因其工作時(shí)處于正常工作電壓，進(jìn)而維持其輸出功率不變。

根據(jù)運(yùn)放的“虛短”與“虛斷”可得：

式中：UX為激光光源的工作電壓，2 V；RLD1為激光光源的理想阻值，Ω；Ui為外端輸入的基準(zhǔn)電壓，V。

式（11）表明激光光源兩端的電流只與值固定的基準(zhǔn)電壓相關(guān)，故流過(guò)激光光源兩端的電流恒定，且始終為其正常工作電流1.2 A。

仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明恒流光源的電壓、電流輸出值恒定，符合輸出要求。同時(shí)對(duì)反饋運(yùn)放進(jìn)行定性分析可得，經(jīng)過(guò)反饋電阻 R22加在運(yùn)放反相輸入端電壓的瞬時(shí)極性與輸入電壓相同，且反饋信號(hào)也不受輸出端交流短路的影響，因此構(gòu)成了電流負(fù)反饋，而當(dāng)電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)，其作用可以保持波動(dòng)較小，進(jìn)而減小了對(duì)煤塵檢測(cè)精度的影響。

由光電檢測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大以及濾波組成的信號(hào)轉(zhuǎn)換及其處理電路，信號(hào)轉(zhuǎn)換及其處理電路原理圖如圖5。

圖5 信號(hào)轉(zhuǎn)換及其處理電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of signal conversion and processing circuit

采用濱松生產(chǎn)的S6967 硅PIN 光電二極管作為光電器件，其峰值波長(zhǎng)為900 nm，與光源波長(zhǎng)980 nm 較為接近，且光譜響應(yīng)范圍也符合要求，其應(yīng)處于反向偏置狀態(tài)。型號(hào)為OPA657 的集成運(yùn)算放大器不僅完成了電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)化，而且將電壓信號(hào)進(jìn)行了放大。在信號(hào)的轉(zhuǎn)換及其放大過(guò)程中，對(duì)電壓偏置、帶寬限制、穩(wěn)定性波動(dòng)以及噪聲4 部分影響因素做出了優(yōu)化處理[9]。利用雙T 型帶阻濾波電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)50 Hz 工頻干擾頻率分量的濾波，保留了有效的頻率分量。

3 濃度檢測(cè)算法的硬件化移植

使用并行三級(jí)流水線結(jié)構(gòu)對(duì)濃度算法模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，每一個(gè)處理單元被獨(dú)立成一塊單獨(dú)的部分，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)計(jì)算的并行操作，同時(shí)兼顧了算法的精度與動(dòng)態(tài)范圍，保證運(yùn)算速度，滿足檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。

采用異步FIFO 實(shí)現(xiàn)跨時(shí)鐘域的數(shù)據(jù)信號(hào)傳遞與乒乓緩存操作，將數(shù)據(jù)進(jìn)行交替存儲(chǔ)與提取，保證了寫(xiě)FIFO 和讀FIFO 與DDR 存儲(chǔ)器之間一直有數(shù)據(jù)傳輸。

FPGA 端利用坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算機(jī)算法（Cordic）可以計(jì)算均方根和反正切[10]，故濃度算法程序利用Cordic 算法并進(jìn)行局部異常處理[11]。

基于ZYNQ 的煤塵濃度測(cè)量系統(tǒng)PL 端各資源消耗占比情況，LUT（查找表）資源占用較小，由于使用了模式時(shí)鐘管理器，所以MMCM 資源占比也較大。

經(jīng)軟件配置后進(jìn)行軟硬件調(diào)試運(yùn)行，初始化系統(tǒng)程序，ARM 控制端重復(fù)發(fā)出命令信號(hào)，系統(tǒng)從開(kāi)始收集煤塵直至計(jì)算出煤塵質(zhì)量濃度，系統(tǒng)軟硬件協(xié)同運(yùn)行流程如圖6。

圖6 ARM+FPGA 協(xié)同測(cè)量流程圖Fig.6 Flow chart of ARM + FPGA coordinated measurement

AXI 為高級(jí)拓展接口（Advanced eXtensible Interface），其是基于猝發(fā)式傳輸機(jī)制的一種高性能、高帶寬、低延遲的片內(nèi)總線，總線由5 個(gè)獨(dú)立的通道構(gòu)成[12]。ZYNQ 的PS 端與PL 端之間通過(guò)AXI 總線協(xié)議進(jìn)行片內(nèi)數(shù)據(jù)通信，AXI 總線的AXI4-Lite 接口用于控制流的傳輸，PS 端通過(guò)AXI 接口控制PL 端的計(jì)算參數(shù)[13]，而AXI 總線的AXI4-Stream 接口能夠傳輸高速數(shù)據(jù)流，保證了測(cè)量裝置的檢測(cè)速率。

基于Qt5.9.8 軟件設(shè)計(jì)了用于操作命令控制、參數(shù)設(shè)定以及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的交互界面，使用armlinux-gnueabihf-gcc 交叉編譯工具鏈對(duì)代碼進(jìn)行交叉編譯，將其移植掛載并運(yùn)行于ZYNQ 芯片上的PS 端系統(tǒng)中[14]。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)采用濾膜稱重法，根據(jù)GB 5748—85 標(biāo)準(zhǔn)空氣中粉塵標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定方法進(jìn)行標(biāo)定，將濾膜法測(cè)量?jī)x與本檢測(cè)系統(tǒng)裝置放在相同的環(huán)境下，使用高精度的天平對(duì)小于0.01 mg 的濾膜進(jìn)行稱重，計(jì)算出采樣前后的差值，則有：

式中：ρm為質(zhì)量濃度；m1為采樣后質(zhì)量；m0為采樣前質(zhì)量；Q為氣流量；t為采樣時(shí)間。

根據(jù)系統(tǒng)裝置的煤塵粒徑檢測(cè)上限，利用煤樣篩分設(shè)備選出粒度直徑小于50 μm 的煤塵微粒并對(duì)其進(jìn)行濃度檢測(cè)。為了提升測(cè)量的精確度，采用中位值平均濾波法，在連續(xù)檢測(cè)到的幾個(gè)數(shù)據(jù)中，去掉最大值和最小值后，再求余下數(shù)據(jù)的平均數(shù)，并將式（12）算出的結(jié)果與本檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行擬合。試驗(yàn)測(cè)量值及其擬合度結(jié)果見(jiàn)表1。由表1 可知，擬合結(jié)果平均值約為91%。

表1 粒徑小于50 μm 煤塵的試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results for dust with particle size less than 50 μm

5 結(jié) 語(yǔ)

基于煤礦井下煤塵產(chǎn)出的工業(yè)背景，利用光散射原理設(shè)計(jì)了煤塵濃度在線高速測(cè)量系統(tǒng)，并選取了粒徑小于50 μm 的煤塵顆粒進(jìn)行濃度測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可完成對(duì)煤塵濃度的在線檢測(cè)，且其檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率能達(dá)到91%。

通過(guò)FPGA 硬核模塊的數(shù)據(jù)加速處理，使得系統(tǒng)裝置檢測(cè)效率得到提高。綜合驗(yàn)證了該測(cè)量裝置能夠在保證相對(duì)準(zhǔn)確率的前提下，達(dá)到了預(yù)防井下煤塵爆炸事故發(fā)生的目的。