探討一種新型紅外氣體分析裝置的硬件設計

　　摘 要：氣體與我們的生活息息相關，在對氣體進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還比較落后，大多精密大型的紅外氣體分析裝置都依賴進口。本問探討了一種新型的紅外氣體分析裝置硬件方面的設計。它包括：光源、模數轉換、光電探測器、DSP系統、串行通信界面以及液晶顯示模塊等部分的設計。
　　關鍵詞：新型 紅外氣體 分析裝置 硬件設計
　　中圖分類號：TH744.41文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2012）09（a）-0017-02
　　在我們的生產生活中，氣體無處不在，與我們生活息息相關。氣體的檢測對工業的生產、能源的利用、環境的監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點，受到了人們的青睞，成為當前應用最為廣泛的氣體分析方法。
　　目前，我國由于資金技術等方面的原因，紅外氣體分析儀器相關方面的發展比較落后，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口，而在國內只有很少的幾家工廠能夠生產紅外氣體分析裝置儀器。國內的紅外氣體分析儀器多數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計。這個裝置使用的是電調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、二氧化碳以及碳氫化合物三種成分的濃度，使用起來也很簡單方便，而且精確度比較高，穩定性較好，抗干擾能力也比較強。下面，本文就對這種新型分體分析裝置的硬件設計方面展開分析探討。
　　1 傳感器系統的設計
　　1.1 光源以及驅動電路
　　選擇合適的紅外光源，首先要考慮到光源發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，壽命將達到40000h，輸出功率將達500mW，完全可以滿足分析二氧化碳、一氧化碳以及碳氫化合物的需要。我們知道，紅外探測儀對光強變化是十分敏感的，但是對光的絕對強度卻不那么敏感，因此我們要調制紅外光源。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，從而達到對光強的調制。
　　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分別對應的是二氧化碳、一氧化碳以及碳氫化合物的特征吸收波長。3.93μm是一個參考波長，在這個參考波長段內，二氧化碳、一氧化碳、以及碳氫化合物都無吸收峰，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境溫度。
　　1.3 信號調理電路
　　由于熱電堆產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一步處理。我們知道，熱電堆的內阻約55kΩ，然而輸出的電壓又比較小，因此就必須要使用低失調、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公司出產的ICL7650，它是采用CMOS技術研制的斬波穩零高精確度的運算放大器，它的輸入電阻是1012Ω，輸入的失調電壓為1μV，失調電壓的溫漂系數是0.01μV/℃，同時它還具有自動穩零優點，這是其他高阻抗運放不能達到的。我們在設計中，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 微處理器系統的設計
　　紅外氣體分析裝置的核心是微處理器系統。它是完成氣體分析裝置的功能設定、選擇測量對象、采集處理存儲數據、顯示測量結果和上位機數據通訊的重要裝置。它的硬件部分主要有DSP以及A/D轉化器、串行通信模塊和液晶顯示模塊的界面路線。下面，我們對此進行分析探討。
　　2.1 DSP系統
　　相較于一般的MCS96和MCS51i系列的單片機來說，TI公司研發的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、更好的抗干擾能力以及更加豐富的片外設計。本文介紹的新型紅外氣體分析裝置采用的是TMS320F240，它主要有以下優點。
　　經過改進的結構以及50ns的周期指令；擁有強大功能的指令系統，有單指令的重復操作、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用的I/O引腳。看門狗（WD）以及實行中斷（RTI）有SCI異步串行通信界面以及SPI同步串行外設界面支持JTAG硬件的仿真，方便程序下載以及調試。
　　2.2 A/D轉換器
　　雖然F240 DSP的片內集成了模擬多路的轉換開關以及帶采樣的保持電路設計的雙十位A/D轉換器，但是為了更加完美精確度的設計，我們外擴了一個A/D的轉換芯片MAX1270。這是12位的多條通道的串行模擬轉換器，它的內部設置有8個通道的寬帶跟蹤、多路轉換器、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公司研制的VPG12864液晶顯示模塊，這種模塊內部設置了T6963C控制器，實現了同列驅動器、行驅動器、以及顯示緩沖區的RAM的界面。同時用硬件構建了液晶屏的單雙屏結構、用數據傳輸的方式顯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。
　　在現代化的測量系統中，為了對數據進行更深層次的分析和儲存，這就要求測量的系統要和上位機進行通信。因為F240自身具備了一個標準的數字通信界面即SCI，我們只需要用電平轉換芯片就能實現與其他的計算以及設備之間的異步串行通信。這種新型的設計采用了MAX232的界面芯片，可以通過RS-232的串行標準接口的總線和PC機實現異步通信。
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