摘 要： 一種以ARM" title="ARM">ARM處理器為核心的汽車尾氣遙測儀的設(shè)計(jì),。對該遙測儀的工作原理,、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與嵌入式軟硬件實(shí)現(xiàn)作了較詳細(xì)的分析。實(shí)踐表明,該系統(tǒng)在性價(jià)比,、響應(yīng)速度,、可攜帶性及功耗等方面均有明顯優(yōu)勢。
關(guān)鍵詞： ARM 可調(diào)諧激光二極管" title="可調(diào)諧激光二極管">可調(diào)諧激光二極管 遙感" title="遙感">遙感 二次諧波檢測
汽車行駛時(shí)排出的大量有害廢氣是污染大氣環(huán)境的主要流動污染源,，占城市大氣污染的50%～80%,。汽車尾氣監(jiān)測是大氣污染監(jiān)測的重要組成部分。目前應(yīng)用的監(jiān)測方法中,，以氣體吸收光譜為理論背景的檢測手段應(yīng)用最多,。其主要過程是：將可調(diào)諧激光二極管激光(TDL)的發(fā)射波長調(diào)整至被測氣體某一吸收譜線，激光經(jīng)過氣體時(shí)被部分吸收,，通過檢測光強(qiáng)的變化,，即可計(jì)算出氣體的濃度。采用可調(diào)諧激光二極管氣體吸收光譜學(xué)(TDLAS)監(jiān)測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：能快速掃描各種目標(biāo)氣體濃度,，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速非接觸多種氣體的自動監(jiān)測,；靈敏度高，選取較強(qiáng)的吸收譜線,，可以測出低于1ppb的濃度,；遙感測量距離可以從幾米到數(shù)公里，無需多點(diǎn)采樣,，就可以測出一個(gè)區(qū)域的平均污染程度,；壽命長，無耗材,，系統(tǒng)易于更新維護(hù),。激光檢測可以極大提高尾氣監(jiān)測工作效率，快速獲取城市機(jī)動車尾氣排放數(shù)據(jù),，為政府決策提供依據(jù),。
TDLAS因具有上述優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年,，TDLAS檢測系統(tǒng)向低成本,、低功耗、體積小的方向發(fā)展,，將原有的基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的遙測系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)楸銛y式是目前應(yīng)用的迫切需求,。在改造機(jī)型的過程中，本文提出一種基于ARM處理器的CO和CO2遙測儀,，其使用方便,、體積小、功耗低,，適合室外無人值守使用,。汽車尾氣遙測儀如圖1所示,。
1 二次諧波測量原理
簡單地用檢測光強(qiáng)變化測量氣體濃度，會因?yàn)槠渌麣怏w,、塵埃的吸收而受到干擾,。在實(shí)踐中，更多地運(yùn)用二次諧波測量法,。
1.1 接收信號中的頻譜
二次諧波光譜檢測氣體的方法,，可以排除很強(qiáng)的干擾信號，且所得檢測的污染物濃度與二次諧波的信號成正比,。對發(fā)射激光進(jìn)行頻率為f的信號調(diào)制,，經(jīng)被測氣體后，氣體產(chǎn)生非線性吸收,，在所接收光強(qiáng)信號中(經(jīng)傅立葉變換)有以下表達(dá)式成立：
1.2 基頻及二次諧波信號的提取
用鎖相放大器能夠提取上述信號,，其原理如圖2所示。
圖2中u1(t)是激光光電轉(zhuǎn)換器輸出的信號,，若輸入u2(t)是本地正弦調(diào)制信號,，頻率為f，則經(jīng)過鎖相放大器后的輸出u0(t)為基頻分量If,；若u2(t)是本地正弦調(diào)制信號的二倍頻,，即頻率為2f，則經(jīng)過鎖相放大器后的輸出u0(t)為二次諧波分量I2f,。證明如下：
其中：K(系統(tǒng)增益),、cos(φ1-φ2)、U2m(參考信號幅值)均為固定值,。顯然,，鎖定放大器輸出一個(gè)與被測信號幅值U1m成正比的直流電壓，同時(shí)抑制了絕大部分的噪聲,。
2 系統(tǒng)構(gòu)建
依據(jù)上述理論設(shè)計(jì)了以ARM處理器為核心的硬件電路，如圖3所示,。
2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
在硬件結(jié)構(gòu)上,，系統(tǒng)分為激光調(diào)制電路、模擬信號采集,、數(shù)據(jù)處理單元,、通信等模塊。
2.1.1 激光調(diào)制電路
為了掃描CO和CO2的吸收譜線,，需對TDL的波長進(jìn)行調(diào)節(jié)(CO檢測波長為1579.737nm,，取鄰近的1579.574nm作為CO2的檢測工作波長)。
TDL激光器有溫度調(diào)節(jié),、電流調(diào)節(jié)兩種主要的波長調(diào)節(jié)方法,。本設(shè)計(jì)的電流調(diào)節(jié)相對于溫度調(diào)節(jié)具有線性好,、可調(diào)節(jié)性好、掃描速度快的特點(diǎn),，因此采用室溫溫度調(diào)制TDL注入電流的方案,。在室溫變化的范圍內(nèi)，始終以參考?xì)馐医o出的最大信號為準(zhǔn),，避免了溫度造成的影響,。調(diào)制電流分為兩個(gè)階段：(1)直流電被調(diào)制成鋸齒形電流，用于掃描CO和CO2的吸收譜線,；(2)在鋸齒波電流的基礎(chǔ)上再疊加波譜調(diào)頻,。如圖4所示。
此電流注入TDL轉(zhuǎn)化為被調(diào)制激光輸出,，激光經(jīng)過被測氣體,，經(jīng)反射鏡被透鏡收集在InGaAs PIN光電管位置上(如圖1)。光電管把接收到的攜帶氣體濃度等信息的光信號轉(zhuǎn)換為電信號,。后繼信號經(jīng)鎖相放大,、防混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換,、數(shù)字信號處理,，分別解讀出CO、CO2的濃度信息,。
2.1.2 模擬信號采集
為了獲得極強(qiáng)的抗噪聲性能和極高的放大倍數(shù),，模擬電路主要由起頻率選擇放大功能的鎖相環(huán)組成，參考頻率分別為f=5Hz和2f=10kHz,。鎖相放大器電路采用互相關(guān)檢測設(shè)計(jì),，由一個(gè)乘法器與一個(gè)低通濾波器組成(低通濾波器相當(dāng)于積分器)，它直接測出淹沒在噪聲中的調(diào)幅信號,，輸出一個(gè)與被測信號成正比的直流電壓,，相敏檢波器采用高精度同步解調(diào)器AD630。在電路中,，AD630相當(dāng)于模擬乘法器,，將諧波信號與參考信號相乘，從含有噪聲的調(diào)幅波中精密檢出被調(diào)制的信號,。
系統(tǒng)使用兩路鎖相放大器,，如前所述，分別檢測基頻分量獲取二次諧波信號,。2f信號在吸收中心具有最大值,，需將調(diào)制頻率鎖定到吸收峰處以獲得最大的靈敏度。這可由調(diào)節(jié)鋸齒波偏置電流實(shí)現(xiàn),，反饋通過參考?xì)怏w室光路的信號采集實(shí)現(xiàn)(參考?xì)馐覛怏w由20% CO,、20%CO2和60%N2組成,，當(dāng)參考信號最大時(shí)開始檢測，以達(dá)到更高的靈敏度),。
2.1.3 數(shù)據(jù)處理單元
中央處理單元采用基于ARM7TDMI-S內(nèi)核的低功耗ARM處理器S3C44B0X,，它是三星公司專為手持設(shè)備和一般應(yīng)用提供的高性價(jià)比的微控制器解決方案。S3C44B0X具有ARM處理器的所有優(yōu)點(diǎn)：低功耗,、高性能,；同時(shí)又具有豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā),。它支持軟件使能休眠模式,，適合以電池為電源的設(shè)備。內(nèi)部集成了8路10位的A/D控制器,，可以精確測出傳感器的信號,，在本系統(tǒng)中分別應(yīng)用于鎖相放大器1、2的Pf,、P2f信號,、溫度檢測、觸模屏輸出及電源電壓檢測,。
S3C44B0X集成了LCD控制器,，可以將顯示緩存中的數(shù)據(jù)傳送到外部的LCD驅(qū)動電路中。本設(shè)計(jì)支持單色4級灰度,、320×240分辨率的SYM320240C顯示,，并且通過S3C44B0X RS-232串口接無線收發(fā)模塊與上位機(jī)通信。使用該處理器眾多功能模塊使得本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度,。
2.1.4 通信模塊
由于汽車尾氣檢測場地一般選擇在邊遠(yuǎn)郊區(qū)，在汽車發(fā)動機(jī)電磁干擾下,，無線發(fā)射設(shè)備通常不能滿足要求,，所以使用CAN總線與上位機(jī)通信，將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心,。CAN總線是現(xiàn)場總線中的應(yīng)用熱點(diǎn),，其通信速率高、開放性好,、通信距離長(10km)，具有多主站運(yùn)行和分散仲裁的串行總線以及廣播通信的特點(diǎn),。另外,，采用CAN總線是因?yàn)槠渌囄矚鈾z測模塊，如牌照識別,、速度,、加速度測量等均使用CAN與上位機(jī)通信,。
2.2 操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序
由于本系統(tǒng)應(yīng)用尚處于完善階段，任務(wù)多,、實(shí)時(shí)性要求高,，且硬件配置有所限制，在比較當(dāng)前流行的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的硬件需求,、資源獲取難易程度后,，選用了嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II及圖形界面μC/GUI。μC/OS-II是一個(gè)源代碼公開,、可移植,、可固化、可剪裁,、占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng),。其絕大部分源代碼是用ANSIC編寫，可讀性強(qiáng),、移植方便,、運(yùn)行穩(wěn)定可靠。μC/GUI具有完善的圖形函數(shù)庫和窗口管理功能,、可移植性好,、占用RAM和ROM的空間小等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用,。
應(yīng)用程序由三個(gè)任務(wù)構(gòu)成：
(1)TaskMeasureGas()：汽車駛過后,，立即檢測氣體濃度。將此任務(wù)作為一個(gè)最高優(yōu)先級的任務(wù)運(yùn)行,，它的啟動取決于TaskCANcom()提供的信號量,。
(2)TaskCANcom()：主要將測量結(jié)果送至上位機(jī)數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)速度測量模塊經(jīng)CAN總線送出新數(shù)據(jù)時(shí),，它接收并啟動TaskMeasureGas(),。優(yōu)先級較低。
(3)TaskuCGUI()：顯示刷新模塊,。它作為一個(gè)低優(yōu)先級的任務(wù)運(yùn)行,。
此汽車尾氣遙測儀以ARM處理器為核心，注重抗干擾設(shè)計(jì),，通過相對簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)快速測量CO,、CO2汽車氣體的濃度。實(shí)踐表明,，定標(biāo)后對這兩種氣體的測量精度達(dá)到10ppb級,，完全可以代替基于工控機(jī)的尾氣檢測系統(tǒng)。適當(dāng)改造結(jié)構(gòu)后，此檢測儀在環(huán)境污染氣體監(jiān)測,、工業(yè)管道氣體泄漏,、煤氣泄漏等方面有廣泛的應(yīng)用前景。
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