大氣氣溶膠在大氣輻射、空氣污染,、大氣物理化學(xué)性質(zhì),、人類(lèi)健康狀況等方面扮演著重要角色，是衡量大氣污染狀況的重要指標(biāo)[1],。研究表明,，氣溶膠粒子因其空氣動(dòng)力學(xué)粒徑不同而滯留在人體呼吸道的不同部位，大于5 μm的氣溶膠粒子滯留在上呼吸道,小于5 μm多滯留在氣管、支氣管和肺泡內(nèi),，對(duì)人類(lèi)的健康危害很大[2],。因此，持續(xù)有效地監(jiān)測(cè)氣溶膠粒子粒徑分布信息具有重要意義,。為了連續(xù),、實(shí)時(shí)、在線(xiàn)測(cè)量氣溶膠粒徑分布,，本課題組開(kāi)展了基于飛行時(shí)間ToF（Time-of-Flight）測(cè)量原理[2]的氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀系統(tǒng)的研制,。
　空氣動(dòng)力學(xué)粒徑是一當(dāng)量概念，它是指在低雷諾數(shù)的氣流中與單位密度球（ρ=1 g/cm3）具有相同終末沉降速度的顆粒直徑,也就是指在較平穩(wěn)的氣流中被測(cè)顆粒物的直徑相當(dāng)于與其具有相同終末沉降速度的密度為1 g/cm3的球形標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的直徑[3],。氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀不僅可以精確測(cè)量氣溶膠顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑，還可以記錄,、統(tǒng)計(jì)相同粒徑大小的粒子數(shù)目,。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求粒徑0.5 μm的氣溶膠粒子檢測(cè)濃度最高可達(dá)1 500 pt/cm3，當(dāng)儀器的采樣氣流量控制在1 L/min時(shí),，粒徑0.5 μm的粒子數(shù)目每分鐘最高可達(dá)到1.5×106個(gè),則每秒鐘需要檢測(cè)的氣溶膠顆粒物最高達(dá)25 000個(gè),。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí),、在線(xiàn)測(cè)量,，大量粒子的快速識(shí)別和存儲(chǔ)對(duì)電子學(xué)信號(hào)處理提出了較高的要求。這里以FPGA（Filed-Programmable Gate Array）為核心控制器來(lái)設(shè)計(jì)高速大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng),。FPGA技術(shù)已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域,，而基于FPGA的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)就是其典型應(yīng)用[4]。
　當(dāng)前,，數(shù)字系統(tǒng)的核心控制芯片通常為單片機(jī),、DSP和FPGA等[4]，單片機(jī)的速度較慢,，效率低,，DSP不擅長(zhǎng)對(duì)外圍復(fù)雜電路的控制，與單片機(jī)和DSP相比,，采用FPGA作為控制芯片具有明顯的優(yōu)點(diǎn),，F(xiàn)PGA時(shí)鐘頻率高，硬件邏輯可編程,，運(yùn)行速度快,，且功耗低、能夠控制較為復(fù)雜的外圍器件等[5],，因此FPGA成為目前高性能數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)主要使用的控制芯片,。
　本文針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀系統(tǒng)研制的需要，采用電子學(xué)多道存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA和雙口RAM的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣溶膠粒子快速識(shí)別和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑信息的分類(lèi)計(jì)數(shù)存儲(chǔ),。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀通過(guò)復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)與精確的時(shí)序控制技術(shù)的結(jié)合來(lái)完成其測(cè)量過(guò)程。氣溶膠顆粒物經(jīng)過(guò)根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的噴口加速進(jìn)入如圖1所示的光學(xué)整形部件中,，光學(xué)整形部件產(chǎn)生兩束距離約為100 μm的激光,。顆粒物垂直飛行通過(guò)，發(fā)生光散射形成雙峰信號(hào),，如圖1,。基于飛行時(shí)間測(cè)量方法的空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀就是通過(guò)測(cè)量雙峰信號(hào)的峰峰間隔,，即飛行時(shí)間 ToF,，從而計(jì)算出該氣溶膠粒子的飛行速度。因?yàn)椴煌諝鈩?dòng)力學(xué)粒徑的顆粒物具有不同的飛行速度[2],，通過(guò)對(duì)顆粒物飛行時(shí)間的直接測(cè)量,，計(jì)算出該顆粒物的飛行速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該粒子空氣動(dòng)力學(xué)粒徑大小的測(cè)量,。

　通過(guò)對(duì)氣溶膠粒子采樣系統(tǒng)中的殼氣流量和總氣流量的控制[3],，可以使氣溶膠粒子經(jīng)空氣動(dòng)力學(xué)噴口加速后絕大多數(shù)單個(gè)依次通過(guò)目標(biāo)光斑測(cè)量區(qū)，粒子散射產(chǎn)生連續(xù)雙峰信號(hào),，此即為有效粒子,，其波形如圖2(a)所示?？赡苡行┝Ｗ雍苄∑渖⑸鋸?qiáng)度不夠大,，所產(chǎn)生的信號(hào)不能穩(wěn)定在檢測(cè)線(xiàn)以上，因此造成單峰信號(hào)和虛假的飛行時(shí)間,，其轉(zhuǎn)換成電脈沖波形如圖2(b)所示,。偶爾也會(huì)有粒子重疊產(chǎn)生多于兩峰的情況，所謂粒子重疊就是指在測(cè)量時(shí)2個(gè)或多個(gè)粒子同時(shí)進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域,，其波形如圖2(c)所示,。重疊事件的結(jié)果產(chǎn)生會(huì)干擾粒徑信息并導(dǎo)致粒子濃度測(cè)量結(jié)果偏低。同時(shí)儀器還有粒徑測(cè)量范圍,，對(duì)粒子粒徑很大(或者在檢測(cè)器內(nèi)紊流或弧線(xiàn)飛行),所需要的飛行時(shí)間超過(guò)儀器自身的檢測(cè)時(shí)鐘(4 096 ns),，造成單獨(dú)的寬峰譜圖，波形圖如圖2(d)所示,。單峰,、粒子重疊多峰以及大粒子超過(guò)檢測(cè)時(shí)鐘的粒子都被認(rèn)為是無(wú)效粒子，只有雙峰信號(hào)是關(guān)心和檢測(cè)的重點(diǎn),。為此電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需增加對(duì)有效粒子的識(shí)別,，剔除干擾。粒子識(shí)別之后，方可進(jìn)行飛行時(shí)間的快速轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ),，進(jìn)而進(jìn)行粒徑大小反演,。

    如前所述，1 s內(nèi)需檢測(cè)和存儲(chǔ)上萬(wàn)個(gè)粒子,，且粒子的飛行時(shí)間在納秒級(jí),，為此作為主控制器的FPGA，要進(jìn)行粒子的快速識(shí)別和存儲(chǔ),。系統(tǒng)電子學(xué)整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示,。

    粒子的散射光信號(hào)通過(guò)光信號(hào)采集電路由信號(hào)調(diào)理電路[3]進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(GATE、DIFF),，波形如圖4所示,，GATE信號(hào)為高電平時(shí)有效，表示有粒子經(jīng)過(guò),。圖4為有效粒子的波形情況,。相應(yīng)的，如果單峰,、多峰情況，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)時(shí),，在GATE為高電平期間,，DIFF信號(hào)分別為單脈沖和多脈沖，此作為粒子識(shí)別的依據(jù),，對(duì)于超大粒子,，超過(guò)儀器檢測(cè)范圍的情況，可以通過(guò)定時(shí)計(jì)數(shù)器最高位的溢出進(jìn)行識(shí)別,。GATE和DIFF分別送至FPGA和高速計(jì)時(shí)邏輯單元,。高速計(jì)時(shí)邏輯單元由500 MHz時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)器控制,、ECL-TTL高速計(jì)數(shù)器電路所組成,，用來(lái)測(cè)定氣溶膠粒子的飛行時(shí)間，由于時(shí)鐘頻率為500 MHz,，計(jì)時(shí)的時(shí)間分辨可達(dá)2 ns物理精度,，將測(cè)量ECL電平的飛行時(shí)間經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平后，送至大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA,。

    GATE和DIFF信號(hào),一方面送至FPGA作為粒子識(shí)別依據(jù)，當(dāng)有粒子經(jīng)過(guò)時(shí),，即GATE為高電平有效時(shí),，便對(duì)DIFF信號(hào)計(jì)數(shù)，如果有單個(gè)脈沖識(shí)別為事件1，如果有兩個(gè)脈沖識(shí)別為事件2,，多于兩個(gè)脈沖識(shí)別為事件3,，另一方面送至高速計(jì)時(shí)邏輯單元，在GATE信號(hào)有效期間,，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)DIFF信號(hào)到來(lái)時(shí),，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，第二個(gè)DIFF信號(hào)關(guān)閉計(jì)數(shù)器,。在計(jì)數(shù)器沒(méi)有溢出的情況下(如果是超大粒子,，計(jì)數(shù)器溢出，識(shí)別為事件4),，所記錄的飛行時(shí)間(定時(shí)器值),，在GATE的下降沿被鎖存，作為FPGA的輸入信號(hào),，由FPGA將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)存儲(chǔ)器地址,，以便完成電子學(xué)道道存儲(chǔ)[3]。
　具有同一飛行時(shí)間的粒子是具有同一電子學(xué)特征的粒子,，反之不同飛行時(shí)間的粒子對(duì)應(yīng)不同電子學(xué)特征,。所謂電子學(xué)多道存儲(chǔ)是指對(duì)具有不同電子學(xué)特征信號(hào)的氣溶膠粒子進(jìn)行分類(lèi)計(jì)數(shù)，在所分析信號(hào)特征范圍內(nèi),，將粒子的特征信號(hào)按一定規(guī)則分類(lèi),，每一類(lèi)稱(chēng)為一道，每一道有一個(gè)相應(yīng)的子存儲(chǔ)單元,，用來(lái)記錄具有該類(lèi)特征信號(hào)的粒子個(gè)數(shù),。一個(gè)子存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)一種飛行時(shí)間的粒子，而子存儲(chǔ)單元的內(nèi)容存儲(chǔ)了該飛行時(shí)間的粒子數(shù)目,，因此一個(gè)子存儲(chǔ)單元以及子存儲(chǔ)單元里的內(nèi)容則記錄了該粒子的全部信息,。設(shè)計(jì)要求記錄的氣溶膠粒子電子學(xué)特征種數(shù)為32 768種，故至少需具有32 768道(即32 k,，地址線(xiàn)數(shù)據(jù)寬度為15位)存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器來(lái)存儲(chǔ)這些氣溶膠粒子信息,。因此作為高速核心控制器的FPGA完成的功能如下：
   (1)高速粒子模式識(shí)別邏輯;
   (2)飛行時(shí)間與電子學(xué)多道地址信息的高速轉(zhuǎn)換;
   (3)高速存儲(chǔ)器控制信號(hào)邏輯,控制高達(dá)32 768道計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器以便按空氣動(dòng)力粒徑大小分類(lèi)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)。
　可見(jiàn),不同飛行時(shí)間對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)器RAM的不同存儲(chǔ)單元,，具有相同飛行時(shí)間的粒子被統(tǒng)計(jì)在同一存儲(chǔ)單元中,。FPGA先快速將不同的電子學(xué)特征粒子信息鎖存在雙口RAM中，然后單片機(jī)從另外一端定時(shí)（單片機(jī)的定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)）讀取,，通過(guò)RS232串口傳至上位機(jī),，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、保存,，加以雙端口可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì),。同時(shí)單片機(jī)還完成獲取儀器狀態(tài)參數(shù)和進(jìn)行相應(yīng)的控制,，以及中斷等。
2 電路實(shí)現(xiàn)
    核心控制器FPGA選用ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列EP2C8T144C8N芯片,，配置芯片為EPCS4,，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Quartus II，設(shè)計(jì)采用硬件編程語(yǔ)言VHDL,。整個(gè)邏輯控制分為4個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),，分別為時(shí)鐘分頻模塊（Freq）、粒子事件識(shí)別模塊（ShiBie）,、飛行時(shí)間地址轉(zhuǎn)換模塊（T-Address）和雙端口RAM的存儲(chǔ)控制模塊（SRAMCtrl）,。頂層電路的設(shè)計(jì)如圖5所示。

　時(shí)鐘分頻模塊（Freq）：時(shí)鐘輸入clk為50 MHz的有源晶振提供,，經(jīng)分頻轉(zhuǎn)化合適時(shí)鐘clock供給存儲(chǔ)控制模塊使用,。
　粒子事件識(shí)別模塊：在GATE為有效電平期間，對(duì)DIFF信號(hào)計(jì)數(shù),，識(shí)別出事件1,、事件2和事件3。
　飛行時(shí)間地址轉(zhuǎn)換模塊：ECL-TTL高速計(jì)數(shù)器的最高位T[12]位為1時(shí),，飛行時(shí)間為4 096 ns,，被認(rèn)為是超大粒子，超出儀器的測(cè)量范圍,，該信號(hào)是以O(shè)RR作為飛行時(shí)間地址轉(zhuǎn)換模塊的一個(gè)輸入信號(hào),，用于識(shí)別事件4。該模塊在識(shí)別出事件1,、事件2、事件3和事件4之后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的地址,，其中事件2為有效粒子情況,，識(shí)別為該事件時(shí)，將不同飛行時(shí)間T[11..0]輸入轉(zhuǎn)換成不同的存儲(chǔ)器地址信號(hào)輸出,，識(shí)別為事件1,、事件3和事件4時(shí)為少數(shù)粒子的干擾情況，分別產(chǎn)生一固定的存儲(chǔ)器地址信號(hào)輸出,。
    雙端口RAM的存儲(chǔ)控制模塊：該模塊的主要功能是完成對(duì)內(nèi)存RAM的控制[6-10],。由于兩粒子之間的時(shí)間間隔很短（GATE為低電平期間），在納秒量級(jí),，在如此短的時(shí)間內(nèi)完成內(nèi)存的讀寫(xiě)控制以及復(fù)位等,，是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。CYPRESS公司研制的64 K×16位高速低功耗CMOS型靜態(tài)雙口RAM芯片CY7C028可以滿(mǎn)足存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的要求,，一方面其存儲(chǔ)器的最大訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間12/15/20 ns,，另一方面由于其容量高達(dá)64 KB,，可以滿(mǎn)足存儲(chǔ)具有32 768種電子學(xué)特征信號(hào)的粒子信息，同時(shí)數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度為16位,，故每一內(nèi)存單元可以記錄的同一特征粒子數(shù)高達(dá)65 535個(gè),。而且配有雙端口，可以不必修改已設(shè)計(jì)完成的單片機(jī)端而擴(kuò)展存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)控制功能,，縮短開(kāi)發(fā)周期[11],。出于儀器開(kāi)發(fā)成本的考慮，下一目標(biāo)是在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)雙口RAM的功能,節(jié)省硬件雙口RAM成本消耗,。目前,，為縮短開(kāi)發(fā)周期，使用外部雙口RAM,，在FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)控制,。雙口RAM訪(fǎng)問(wèn)控制時(shí)，首先要注意最重要的問(wèn)題是RAM兩端的控制器同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一內(nèi)存單元而產(chǎn)生的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題,，其次就是要注意由于FPGA端與RAM連接的數(shù)據(jù)總線(xiàn)是雙向的,，在空閑和讀取之前要注意賦值為高阻態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程如圖6所示,。

     Quartus II仿真波形結(jié)果如圖7所示,。

    在GATE信號(hào)為高電平期間對(duì)DIFF信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果DIFF脈沖數(shù)為2,，粒子識(shí)別為事件2,便在DATE信號(hào)的下降沿鎖存飛行時(shí)間T,由T-Address模塊將其轉(zhuǎn)換成地址信號(hào)的輸出ADDR(如圖7中的192和512),，然后由存儲(chǔ)控制模塊完成讀寫(xiě)控制后，發(fā)出復(fù)位信號(hào)對(duì)時(shí)間T進(jìn)行清零,從而完成一次操作,。如果GATE為高電平時(shí),，DIFF脈沖的個(gè)數(shù)為1或者3時(shí)，分別產(chǎn)生一固定地址輸出,。如圖7中所示,，DIFF為3時(shí),地址固定輸出為1 023，盡管T值為384,，DIFF為1時(shí)同理,。可見(jiàn),，仿真波形結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)要求結(jié)果一致,。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
    目前，該存儲(chǔ)系統(tǒng)已運(yùn)行于本研究所自行研發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀中,。圖8給出了實(shí)測(cè)的顆粒物飛行時(shí)間譜分布結(jié)果,，測(cè)量時(shí)間為2010年6月18日，地點(diǎn)為安徽省合肥市科學(xué)島中科院安徽光機(jī)所大樓室內(nèi),，圖中橫坐標(biāo)代表氣溶膠粒子的飛行時(shí)間,，單位為納秒（ns）,，縱坐標(biāo)代表各個(gè)不同飛行時(shí)間對(duì)應(yīng)的氣溶膠粒子數(shù)，單位為個(gè)（pt）,。其中,，采樣氣流1 L/min（總氣流51 L/min，殼氣流41 L/min）,，采樣時(shí)間為30 s,，將各個(gè)飛行時(shí)間粒子的粒子數(shù)相加求和得粒子總數(shù)為233 047個(gè)。圖中,，實(shí)測(cè)氣溶膠粒子飛行時(shí)間譜的分布符合大氣氣溶膠常規(guī)分布這一特征,，即氣溶膠粒子粒徑分布不完全是正態(tài)分布，而只是接近正態(tài)分布的特征[4],。

    針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀系統(tǒng)研制的需要,，采用電子學(xué)多道存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于核心控制器FPGA和雙口RAM的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣溶膠粒子的識(shí)別和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑信息的分類(lèi)計(jì)數(shù)、存儲(chǔ),，存儲(chǔ)容量高達(dá)32 768道,每道計(jì)數(shù)深度達(dá)65 535個(gè)(16 bit),，完全滿(mǎn)足氣溶膠粒子的特征和個(gè)數(shù)要求。FPGA時(shí)鐘頻率高達(dá)50 MHz,完全能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大量粒子的快速識(shí)別和飛行時(shí)間在納秒級(jí)的地址轉(zhuǎn)換存儲(chǔ),，另外FPGA采用內(nèi)部硬件電路完成邏輯控制,，所以工作穩(wěn)定可靠，且功耗低,。經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證,，該存儲(chǔ)系統(tǒng)完全滿(mǎn)足儀器連續(xù)、實(shí)時(shí),、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的要求,，工作穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣溶膠粒徑測(cè)量,，廣泛應(yīng)用于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè),、潔凈室檢測(cè)、氣溶膠特性研究及對(duì)大氣傳輸特性的研究等領(lǐng)域,。
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