专利名称：一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及成分检测领域，为不分光红外气体分析仪，特别是一种以DSP为核心的不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统。
背景技术：
红外气体分析仪是一种根据待测气体对红外光谱选择性吸收原理设计而成，用于测量气体体积浓度的仪器。它能够连续自动地测量、指示、记录工作流程中co、co2、ch4、so2、NO等多种待测气体的体积浓度。由于红外气体分析仪灵敏度高、稳定性好等诸多优点，因 此被广泛应用于电力、石油、化工、建材、轻工及其它各种炉、窑或烟道的气体分析，是环境监测、生物工程、医疗卫生等科研工作不可或缺的检测工具。红外光线是一种电磁波，红外辐射主要是热辐射。如果将红外光线射入一定厚度的待测气体层，红外光线的能量就会被待测气体吸收。根据朗伯-比尔(Lambert-Beer)吸收定律，待测组分按照指数规律对红外辐射能量进行吸收，如式(I)所示。据此，可以确定待测气体浓度与红外光线辐射强度的数学关系。采用检测器检测被气体吸收之后的红外光线辐射强度，即可计算出待测气体的体积浓度。I = I0e_ko1(I)式中，Itl为红外光线被气体吸收前的光强度；1为红外光线被气体吸收后的光强度；k为待测组分对红外光线的吸收系数；c为待测组分的摩尔百分比浓度；1为红外光线经过的待测气体层长度。近代物理学研究证明，待测气体对红外光线吸收现象的实质在于光辐射的能量转移到气体的分子或原子中去。量子理论指出，原子、分子或离子具有不连续的、数目有限的量子化能级。如果从外界吸收到能量，它们便会受到激发，从较低能级跃迁到较高能级，跃迁前后的能量之差为
heE7-E1 = hv = —{Ζ)
~ λ式中，E2为较高能级的能量屯为较低能级的能量；ν为辐射光的频率；c为光速；h为普朗克常数。如果某一波长的电磁辐射的能量恰好为某两个能级的能量之差E2-E1时，便会被某种粒子吸收并产生相应的能级跃迁，该电磁辐射的波长和频率分别称为该粒子的特征吸收波长和特征吸收频率。对于红外气体分析仪来讲，每种被测气体都有一种或几种特征波长的红外光谱。红外气体分析仪一般由光路部分和电路部分构成。光路部分主要由红外辐射光源、气室和检测器三大部件组成，而电路部分要根据光路部分的需求来进行设计。所以，红外气体分析仪一般都是根据其光路部分部件的结构特点进行分类的。根据光源类型可以将红外气体分析仪分为分光型(色散型)和不分光型(非色散型)两类。分光型红外气体分析仪，采用分光装置将入射红外光线的光谱进行分离，使入射光谱为待测气体的特征吸收光谱。分光型红外分析仪具有选择性好、灵敏度高等优点。其缺点是入射红外光线经过分光后能量很小，对电气系统和光能检测器要求较高；分光装置比较精密，应避免震动。因此传统的分光型红外气体分析仪大都用于实验室。不分光型红外气体分析仪(简称为不分光红外气体分析仪)，没有分光装置，连续光谱的红外光源直接射入气室，待测组分吸收各自特征光谱的红外辐射能量。由于入射光束辐射能量大，不分光型红外气体分析仪灵敏度相对于分光型的更高，而且信噪比高，稳定性好。缺点是吸收峰存在重叠现象，如果待测组分间有重叠的吸收峰，将会给测量带来干扰。目前，红外气体分析仪常用的光能检测器主要有薄膜电容检测器、微流量检测器和半导体检测器等。薄膜电容检测器，又叫薄膜微音检测器，核心部件由钛金属薄膜片动极和定极组成，定极固定不动，动极则根据气压变化而移动。由于待测气体的吸收作用，从气室射出的红外光线辐射能量就会出现差异。红外辐射能量是热能，检测器很容易将这个能量差转换为气压差，气压差就会推动薄膜电容的动极移动，这样就可以将待测气体浓度的变化转化为电容容量的变化。电路部分将薄膜电容容量的变化转换成电压幅值的变化，反映出待测气体的浓度。 微流量检测器工作原理与薄膜电容检测器类似，待测气体对红外光线的吸收作用会产生气压差，检测器将这个气压差转换为微量的气体流动。在微流量检测器中，传感元件是两个微型具有热敏特性的镍镉栅电阻和另外两个辅助电阻组成的惠斯通电桥。这两个镍镉栅电阻通电被加热到一定温度，当微流量流过它们时会带走热量，导致镍镉栅电阻的阻值发生变化，通过电桥转变成电压信号。红外气体分析仪的电路部分，根据微流量传感器输出的电压信号，可以反映出待测气体的浓度。半导体检测器采用能够直接将红外光线辐射强度转换为电信号的半导体传感器制作而成。例如，光电检测器能够利用光电效应将红外光线辐射强度转化为电信号，热释检测器通过热释电效应将红外光线辐射强度转化为电信号，进而来计算待测气体的浓度。本申请发明专利针对薄膜微音不分光红外气体分析仪。该仪器由不分光红外光源、薄膜微音型检测器(薄膜电容检测器)、测量池(包括分析气室和参比气室)以及接收器(包括参比接收室和测量接收室)等组成。由光源发出两束能量相等，经过切光片按照一定频率调制的平行光束，分别通过测量池的参比气室和分析气室。由于参比气室内封入的是不吸收红外线能量的氮气，红外线通过此气室后红外线能量不变，而分析气室通入被测气体，其对红外线有吸收作用，从而使原来能量相等的两束红外线产生了能量差；然后，再分别进入接收器的参比接收室和测量接收室。参比接收室和测量接收室都由前室和后室组成，前室和后室通过半透半反的光学镜片隔开，都充有吸收气体，吸收气体的吸收曲线近似于被测气体的消光曲线。由于进入接收器的两束红外线存在能量差，因此导致接收器的参比接收室和测量接收室中吸收气体的能量产生了差异，进而产生气压不同，从而推动薄膜电容的动极移动，导致薄膜电容的容量发生变化，这样薄膜电容器就将红外线的能量变化转换成了电容量的变化，再通过电荷放大器转换成电压的变化，送至红外信号调理电路，经放大滤波等各种处理，仪器就能输出一个与被测气体浓度变化相对应的信号，供显示或控制。如果分析气室中没有通待测气体(零点气)时，红外线经过分析气室后，能量不会衰减，两束红外线能量相同，薄膜电容的容量不会发生改变。而当分析气室中通有待测气体时，红外线的能量就会衰减，两束红外线存在能量差，导致接收器的参比接收室和测量接收室中吸收气体的能量产生了差异，进而产生气压不同，从而推动薄膜电容的动极移动，最终导致薄膜电容的容量发生变化。如果分析气室中连续通过一定浓度的待测气体，红外光线经过分析气室时辐射能量就会被连续地吸收。这样，由接收器的参比接收室和测量接收室中吸收气体的能量的不同而产生的薄膜电容的容量变化就与分析气室中待测气体的浓度有关。目前，国内用于在线分析的红外气体分析仪，光路部分大都采用成熟的传统技术，光源选用不分光单光源，光路为双光路结构，检测器用薄膜电容型检测器，而电路部分采用纯模拟的相敏检波电路，将检测器输出的交流信号转化为直流信号进行采集处理，得到信号的幅值，再通过模拟电路实现系统的线性化，建立幅值与浓度的关系。采用这种方法的电路在结构上往往比较复杂，而且测量精度不高，容易受噪声的干扰。国外将数字信号处理的方法应用到红外气体分析仪中，测量精度比较高，可以实现复杂的实时控制与通信功能。例如，ABB公司推出的改进型产品EL3020型红外气体分析仪，声称将数字信号处理的方法应用到红外气体分析仪中，但是，没有披露技术细节。·
发明内容
传统的红外气体分析仪一般采用相敏检波方案，使用纯模拟电路处理传感器输出信号，电路结构复杂，测量精度不高，对器件特性的依赖性较高。在温度控制方面，传统的红外气体分析仪采用可控硅进行温度控制，温度控制时间长，精度也不高。为克服这些缺点，本发明专利采用DSP研制数字式红外分析仪信号处理和控制系统，其硬件包括TMS320F28335 DSP芯片、红外信号调理电路、电压参考缓冲电路、24位ADC、温度采集电路、气压采集电路、16位ADC、外扩SRAM电路、铁电存储器(FRAM)电路、实时时钟(RTC)电路、带看门狗和电源监控的复位电路、热电阻驱动电路、按键电路、数字量输出电路、RS-232/485接口电路、液晶显示电路、4 20mA/0 20mA输出电路；软件包括主监控模块、初始化模块、中断模块、看门狗模块、人机接口模块、FRAM模块、RTC模块、红外信号处理模块、输出模块；其中，初始化模块包括系统初始化模块、外设初始化模块和变量初始化模块，中断模块包括红外信号采集模块、温度信号采集及控制模块、压力信号采集及处理模块和通信模块。本发明专利采用基于FFT的频谱分析方法求解信号的幅值，并进行重心校正，准确测量信号的幅值，保证信号处理的精度；建立满足工程应用需要的数学模型，对输入和输出关系进行非线性校正，确保非线性误差<±1%FS ;采用基于PWM的积分分离的PI控制算法进行温度控制，接收器的温度能在数分钟内稳定，其误差< ±0. 1°C。本发明专利可以大大简化模拟电路的结构，提高系统的测量精度和可靠性；温度控制稳定快，控制精度高。
图I是信号处理与控制系统硬件框图。图2是基于FFT幅值谱的信号处理过程。图3是积分分离的PI控制算法控制效果示意图。图4是临界振荡的响应曲线。
图5是DSP引脚连接电路。图6是带看门狗和电源监控的复位电路。图7是外扩SRAM电路。图8是铁电存储器(FRAM)电路。图9是按键电路。图10是液晶显示电路。图11是实时时钟(RTC)电路。
图12是红外信号调理电路。图13是24位ADC转换电路。图14是电压参考缓冲电路。图15是温度采集电路。图16是热敏电阻的非线性校正。图17是热电阻驱动电路。图18是气压采集电路。图19是16位ADC转换电路。图20是数字量输出电路。图21是系统电源方案。图22是系统软件框图。图23是主监控程序的流程图。图24是温度控制流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的说明。I)系统硬件方案根据不分光红外气体分析仪的特点以及数字信号处理和控制算法的需要，确定如图I所示的数字信号处理和控制系统的硬件方案。整个系统硬件电路包括TMS320F28335DSP芯片、红外信号调理电路、电压参考缓冲电路、24位ADC、温度采集电路、气压采集电路、16位ADC、外扩SRAM电路、铁电存储器(FRAM)电路、实时时钟(RTC)电路、带看门狗和电源监控的复位电路、热电阻驱动电路、按键电路、数字量输出电路、RS-232/485接口电路、液晶显示电路、4 20mA/0 20mA输出电路。红外信号调理电路接收电荷放大器的输出信号，经过放大、滤波，然后，经过24位ADC转化为数字信号送入DSP芯片进行处理，计算结果可以通过液晶显示电路、4 20mA/0 20mA输出电路、RS232/485接口电路输出。2)系统处理方法要得到待测气体的浓度，首先需要测量信号的幅值。测量信号幅值的方法有很多，本发明专利采用的是基于FFT的幅值谱的方法，其具体过程如图2所示。首先，信号经过矩形窗，被矩形窗截断，然后，对截断的数据进行FFT计算，并得到幅值谱，再进行频率校正和幅值校正，最后得到信号的幅值。其中FFT的算法有很多，本发明专利采用的是时间抽取(decimation-in-time, DIT)基-2FFT算法,此算法的具体过程如下
权利要求
1.一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，包括DSP芯片、红外信号调理电路、电压参考缓冲电路、24位ADC转换电路、温度采集电路、气压采集电路、16位ADC转换电路、外扩SRAM电路、铁电存储器电路、实时时钟电路、带看门狗和电源监控的复位电路、热电阻驱动电路、按键电路、数字量输出电路、RS-232/485接口电路、液晶显示电路、4 20mA/0 20mA输出电路和软件，其特征在于红外信号调理电路对红外信号放大和滤波，然后，经过24位ADC转化为数字信号送入DSP芯片进行处理，计算结果可以通过液晶显示电路、4 20mA/0 20mA输出电路、RS-232/485接口电路输出；采用基于FFT的幅值谱的方法，对数字信号进行处理，具体过程为，信号经过矩形窗，被矩形窗截断；然后，对截断的数据进行FFT计算，并得到幅值谱；再进行频率校正和幅值校正，得到信号的幅值。
2.如权利要求I所述的一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，其特征在于在红外信号调理电路中，C12、R13构成无源高通滤波器，用于滤除前端电荷放大器输出信号中的直流分量；U4A是电压跟随器，U4B构成差分放大电路；R15和C13构成一个低通滤波器，当负载变化，信号波动时，作为前级运放的隔离；正反并联的肖特基二极管对输 入24位ADC转换电路的模拟电位进行钳制，保证24位ADC转换电路正常的输入电压范围；由于红外信号调理电路接收到的红外信号与气体浓度不是线性关系，当对红外信号进行调理和模数转换后，需要建立红外信号幅值与气体浓度之间的关系，并根据这一关系进行线性化处理；采用最小二乘法拟合的方法，建立红外信号幅值与气体浓度之间的关系；为了降低成本和减小测试工作量，只采集零点、中点和终点的数据，采用幂级数展开，再对幂级数进行修正，去掉数值很小的系数项，得出红外信号幅值与气体浓度之间的关系；并且根据不同测量范围的传感器建立不同的数学模型。
3.如权利要求I所述的一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，其特征在于=DSP芯片采用TMS320F28335，实现系统中各电路模块的控制和信号处理工作；该芯片最高主频可达150MHz，带浮点运算核，32X32硬件乘法器，6个DMA控制器，片内512KB Flash和68KB SRAM,适合于实时实现运算量大、对精度要求高的数字信号处理算法，并拥有丰富的片上外设资源，包括eCAN、SCI、SPI,McBSP, ePWM、HRPWM、I2C, ADC模块；DSP采用积分分离的PI控制算法，控制温度在53+0.1 V内；若环境温度较高，就将温度控制在56±0_1 °C内；在A点之前采用P控制，在A点之后采用PI控制，即在第一个超调中，温度下降到53°c时加入积分项。
4.如权利要求I所述的一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，其特征在于由温度采集电路与热电阻驱动电路组成温度控制电路；在温度采集电路中，传感器选用NTC热敏电阻，采用比例法测量热敏电阻的阻值；由于热敏电阻非线性比较严重，通过并联电阻进行校正；传感器加热元件选用热电阻，将220V交流电进行整流、滤波之后得到3IOV直流电压，由DSP芯片的ePWM模块控制场效应管对3IOV直流供电进行斩波，得到一个可控的直流电压加载到热电阻上，以实现温度控制。
5.如权利要求I所述的一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，其特征在于软件采用模块化的设计方法，将系统各个功能组合成独立模块，由主监控程序统一调用；包括主监控模块、初始化模块、中断模块、看门狗模块、人机接口模块、FRAM模块、RTC模块、红外信号处理模块、输出模块，其中，初始化模块包括系统初始化模块、外设初始化模块和变量初始化模块，中断模块包括红外信号采集模块、温度信号采集及控制模块、压力信号采集及处理模块和通信模块；首先程序进行初始化，即系统初始化、外设初始化和变量初始化；之后就进入一个死循环，先判断没有进行计算的数据的长度是否大于等于循环数据的长度；当没有进行计算的数据的长度大于等于循环数据的长度时，重新对变量进行初始化；在第一次进行计算时，需要采集1200点及其以上的数据，当采集到1200点及其以上的数据后，开始计算标志位start_calcl置I,之后开始计算标志位start_calcl —直为I,并进入后续的过程；为了确保有足够的新数据参与计算，还需要设置一个判断标志位start_calc2 ;当这个判断标志位start_calc2=l时,表示采集到200点新数据,贝U进入算法程序。
6.如权利要求5所述的一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统的软件，其特征在于所述的算法程序包含calculate函数和mean函数；calculate函数的功能是进行5次包含校正处理的FFT计算，得到5个幅值，并把5个幅值存储在数组AmplitudeArrayl中；函数mean的功能是首先在calculate函数计算得到的5个幅值中去掉一个最大值和一个最小值，再平均得到一个幅值，并存储在数组AmplitudeArray2中；数组AmpIitudeArray2的大小为10,当在数组AmpIitudeArray2没有存满时，贝U把数组AmpIitudeArray2中所存的所有数据进行平均,得到信号的幅值；当数组AmpIitudeArray2 存满时，则把数组AmplitudeArray2中所存的数据去掉一个最大值和一个最小值，再进行 平均，得到信号的幅值；最后，利用信号的幅值计算出浓度，并通过液晶显示出来。
7.如权利要求I所述的一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，其特征在于16位ADC转换电路采用AD7792，用来采集红外气体分析仪的温度信息，采用连续转化模式，采样频率为4. 17Hz，每转化完一个数据，AD7792的端口 DOUT/55 都会置低，并通过与其直接相连的DSP端口 GPI055触发一个外部中断XINT4 ;考虑到端口 DOUT/ KDY是数据传输与数据转化完成信号的复用，为了防止在数据传输过程中传输数据O而触发中断，因此，在进入中断后必须关外部中断XINT4，出中断时开外部中断XINT4 ;AD7792转化完数据后，端口 DOUT/ 55 置低，触发外部中断XINT4 ;进入中断后，首先关外部中断XINT4，再利用AD7792所采集到的数据计算得到当时系统的温度。
8.如权利要求7所述的一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统,其特征在于所述计算得到当前系统的温度后，则进行计算delta_T2 ；delta_T2为系统所需要控制达到的温度减去当前系统的温度；计算delta_T2不仅可以为温度控制提供反馈量，而且可以为积分分离的PI控制算法提供依据；在加入积分项之前，即在采用PI控制之前，delta_T2经过了两次变化，即从大于O到小于O和从小于O再到大于O ;因此，在程序实现中，定义两个全局变量flagl和flag2，它们的初始值都为O ;当delta_T2第一次发生变化时，即从大于O到小于O时，flagl置I ;当delta_T2第二次发生变化时，即从小于O到大于O 时，flag2 置 I。
9.只有当flagl和flag2都为I时，系统采用PI进行温度控制；否则，系统采用P进行温度控制；在采用积分分离的PI控制算法之后，会得到一个所需要的PWM波占空比；再在DSP的ePWM模块中设置所需要的占空比；最后，开外部中断XINT4，使系统可以响应下一次外部中断XINT4。
全文摘要
本发明涉及成分检测领域，为一种以DSP为核心的不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统，包括DSP芯片、红外信号调理电路、24位ADC转换电路、温度采集电路及气压采集电路、16位ADC转换电路、外扩SRAM电路、铁电存储器电路、实时时钟电路、带看门狗和电源监控的复位电路、热电阻驱动电路、按键电路、数字量输出电路、RS-232/485接口、液晶显示电路、4～20mA/0～20mA输出电路以及软件。采用基于FFT的频谱分析方法求解信号的幅值，并进行重心校正，准确测量信号的幅值，保证信号处理的精度；建立满足工程应用需要的数学模型，对输入和输出关系进行非线性校正；采用基于PWM的积分分离的PI控制算法进行温度控制。
文档编号G01N21/35GK102879354SQ201210361159
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月24日 优先权日2012年9月24日
发明者徐科军, 张玉超, 陈桄红, 陶波波, 王刚, 朱仲文, 胡体宝 申请人:合肥工业大学, 重庆川仪自动化股份有限公司