氣溶膠質量濃度測量系統的設計與實現*

沈 雷,顧 芳,張加宏,冒曉莉,劉 毅

(1.南京信息工程大學,江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學,江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京 210044;3.南京信息工程大學,物理與光電工程學院,南京 210044;4.南京信息工程大學,電子與信息工程學院,南京 210044)

氣溶膠質量濃度測量系統的設計與實現*

沈 雷1,2,4,顧 芳3*,張加宏1,2,4,冒曉莉2,4,劉 毅2,4

(1.南京信息工程大學,江蘇省大氣環境與裝備技術協同創新中心,南京 210044;2.南京信息工程大學,江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室,南京 210044;3.南京信息工程大學,物理與光電工程學院,南京 210044;4.南京信息工程大學,電子與信息工程學院,南京 210044)

為監測近地面氣溶膠顆粒,設計了基于單粒子光散射法的氣溶膠質量濃度測量系統。通過高速AD9656轉換器與FPGA多通道采集卡對前端光學傳感器輸出信號進行采集,并由STM32微控制器結合分形反演模型完成氣溶膠質量濃度的測定,測量結果通過無線模塊傳輸至云端。實驗表明:對于煙塵和空氣樣品,分形模型反演的質量濃度值與標準值吻合較好,擬合直線斜率分別為0.962 57和0.906 38,相關系數均高于0.99,表明提出的氣溶膠質量濃度測量系統具有一定的實用價值。

氣溶膠質量濃度;光散射;高速AD轉換器;多通道信號采集電路;信號幅度分布

氣溶膠顆粒物是近地面大氣中的重要組成部分,其成分和濃度與大氣環境氣候及人體健康密切相關[1-2]。它們不僅能通過對太陽光吸收和散射改變地面的溫度分布,同時也可能成為各種病毒和細菌的傳播載體,因而近些年來人們對大氣氣溶膠的監測十分重視。目前氣溶膠質量濃度測量方法[3-5]主要包括濾膜稱重法、壓電晶體法、光散射法、β 射線吸收法和微量震蕩天平法。鑒于光散射法具有靈敏度高、可在線非接觸測量、測量速度快等優點,本文設計的氣溶膠質量濃度測量系統采用單顆粒光散射測量方法[6-7]。在光散射法中光學傳感器根據氣溶膠顆粒大小輸出0～5 V的電壓信號,不等的電壓信號對應不同的氣溶膠顆粒。值得注意的是,當被測大氣環境中氣溶膠顆粒物濃度較大時,氣溶膠顆粒物聚集在一起密集通過光學傳感器,前后顆粒物之間的間隔時間非常短,光學傳感器輸出的電壓信號為高速離散信號,為了保證高采樣速率的同時提高電壓測量的準確性,本文實現的氣溶膠質量濃度測量系統運用FPGA控制125 Msample/s采樣速率的16位模數轉換器AD9656,電壓幅度測量電路共設置有16個通道,充分利用Altera的IP內核(包含LPM和MegaFuncton宏功能的模塊庫)完成相關計數以及通信控制功能的設計,可滿足氣溶膠質量濃度的高精度測量[8]。同時本設計由STM32微控制器完成相關數據處理和控制TFT-LCD顯示,并且通過WIFI模塊將測量數據傳輸至云端服務器,用戶可通過PC機或手機查看實時測量結果,從而實現遠程監測的目的。

圖1 氣溶膠質量濃度測量系統硬件總體框圖

1 系統硬件設計

圖1為本文提出的基于單粒子光散射法的氣溶膠質量濃度測量系統硬件的總體框圖,它主要由光學傳感器、高速AD轉換電路、基于FPGA的多通道采集卡、基于STM32的數據處理電路、電源模塊等構成。系統由12 V電源提供總電源,為了滿足整個電路系統各個部分的電源需求,需經過一系列的電壓轉換后,輸出的電壓有+5 V、+3.3 V、+1.8 V、-12 V。光學傳感器輸出電壓范圍為0～5 V,能根據氣溶膠顆粒大小不同輸出與之對應的電壓值,本文主要測量大氣環境中的小顆粒,所以光學傳感器的輸出為相對較小的電壓值。高速AD轉換電路負責對光學傳感器輸出的高速模擬電壓信號進行采樣保持,并轉換為數字信號。基于FPGA的多通道數據采集卡主要負責對前端高速AD轉換器輸出的數據進行分通道計數,內部實現采集緩存功能模塊。基于STM32微控制器的數據處理模塊主要負責與前端采集卡進行通信,發送控制命令,完成多通道計數結果的處理,并且控制液晶顯示數據。同時,微控制器能夠通過WIFI模塊(W5500)將數據傳輸至云端服務器,用戶可通過PC機或手機瀏覽與下載測量數據。

1.1 高速AD轉換電路

為了解決氣溶膠顆粒密集通過光學傳感器時輸出電壓信號有可能出現漏采的問題,本系統采用高速AD采樣器方案,由輸入濾波電路和16位高速AD轉換器AD9656組成。AD9656的模擬輸入端無內部直流偏置,在本系統應用中為獲得最佳性能,采用差分方式驅動模擬輸入。如圖2所示,利用差分雙巴倫輸入配置驅動AD9656使ADC在更寬的共模電壓范圍內獲得出色的性能和靈活的接口。將光學傳感器輸出的電壓信號轉換為差分信號后輸入至雙巴倫輸入電路中,根據電壓信號的頻率調整分流電容值C,使得AD9656芯片的動態特性達到最佳。圖2中AVDD,AGND分別為1.8 V模擬電源和模擬地引腳;DVDD和DVSS分別為數字電源和數字地引腳;CLK+和CLK-為差模編碼時鐘;VINA+和VINA-分別為ADC A通道的模擬正、負輸入,與光學傳感器的差分輸出信號相連,為了達到最好的動態效果,兩個模擬輸入口的阻抗需要匹配;SERDOUT0+和SERDOUT0-分別為通道A的數字輸出端;SVDD、SCLK、SDIO和CSB分別為SPI總線的電源引腳、時鐘輸入、數據輸出和片選信號,用來與后級數據采集卡實現SPI通信和數據傳輸。AD9656作為一款16位、125 Msample/s模數轉換器,內置片內采樣保持電路,在擁有較高采樣率的同時,也保證了轉換精度。同時,用戶可根據實際使用場景的需要改變其外部基準電壓,充分提高其轉換性能。也可根據需要獨立開關通道,實現低功耗,完成在極端情況下的氣溶膠質量濃度測量的需求。

1.2 多通道采樣卡與微控制器電路

前端高速AD轉換電路連接到基于FPGA的數據采集卡電路[9-10],分16個通道進行不同大小的粒子數目(信號幅度分布)的測量以及實現后續的緩沖連接。本測量系統采用Altera公司的Cyclone系列型號為EP4CE10E22C8的芯片。該系列芯片包含許多特性,主要有嵌入存儲器、嵌入乘法器、NIOS Ⅱ嵌入處理軟核以及更加豐富的外設接口和可編程邏輯塊等。前端FPGA采集電路通過FSMC(靈活的靜態存儲控制器)總線[11]的形式連接到具有ARM Cortex-M3內核的STM32F103ZET6微控制器進行數據處理,并通過FSMC總線來控制TFT-LCD液晶屏。

圖2 高速AD轉換電路原理圖

如圖3所示,利用FPGA最顯著的并行特性,使用VHDL語言和Quartus軟件提供的IP core,設計了一個雙FIFO結構對高速數據進行緩沖,然后將兩個16 bit的FIFO輸出數值拼接成32位后放入一個雙端雙時鐘的RAM中。由STM32微控制器通過FSMC總線管理該RAM中的資源,若RAM中寫入的數據量超過閾值,則產生ARM平臺的外部IRQ中斷信號,然后ARM通過FPGA驅動程序處理RAM中數據。FPGA數據采集卡充分利用FPGA在并行處理和時序邏輯設計方面的優勢,利用乒乓操作方式達到用低速模塊處理高速數據流的效果。FPGA將采集到的數據存儲到一塊雙端雙時鐘的片上RAM中,該RAM單元由FPGA內部的RAM控制塊單獨控制。STM32微控制器通過FSMC總線掛架到FPGA采集卡上的RAM上,采用這種結構相當于將采集到的數據直接存儲到STM32微控制器的系統內存中,從而節省了數據傳輸時間,顯著提高了系統的效率。FSMC總線總共管理1 Gbyte的存儲空間,包含4個存儲塊(BANK)。TFT-LCD液晶屏連接FSMC總線BANK1第4區的片選信號,微控制器通過FSMC_NOE和FSMC_NEW讀寫信號線向液晶屏發送讀寫控制命令,完成相關項的顯示工作。

圖3 FPGA多通道采樣電路與STM32微控制器電路框圖

2 系統軟件設計

2.1 Quartus Ⅱ與FPGA的開發

本設計充分利用Altera的IP內核,包含有LPM和MegaFuncton宏功能的模塊庫,采用自頂向下設計流程,完成FPGA多通道模塊部分軟件設計。為了讓顆粒計數器模塊精確記錄各通道的脈沖數,本系統采用被測試脈沖信號替代時鐘信號來驅動模塊工作。計數模塊測得的計數結果發送給RAM緩沖器通過FSMC總線的形式連接到后端STM32微處理器。圖4所示的計數模塊是由VHDL語言實現的16位二進制加法計數器,它們分別對16個通道(對應于不同的信號幅度大小vi)實現加法計數,以獲得信號的幅度分布N(vi)的情況。數據緩沖模塊采用雙口RAM模塊可使用RAM作為數據接口進行信息的傳輸,采用RAM還可有效解決速度匹配問題。在本系統設計中使用FPGA內部的雙口RAM作為數據緩存[12],由Quartus Ⅱ軟件自帶的IP核生成,其中雙口RAM的讀取數據端口連接FSMC接口模塊,寫入端口連接前端的計數器模塊。

圖4 基于FPGA的計數器模塊

圖5 STM32控制器程序設計流程圖

2.2 Keil MDK與STM32的開發

本設計STM32使用的開發環境是Keil MDK軟件,并且使用J-Link下載和調試。如圖5所示,本文中STM32控制器程序設計主要包括以下部分[13]:STM32的初始化配置;通過FSMC總線接收前端數據;STM32微控制器進行數據處理,獲取氣溶膠顆粒對應的電壓脈沖信號幅度分布;通過LCD顯示采集的數據;通過W5500無線模塊將數據傳輸至云端。系統初始化主要包括對微控制器的I/O端口、中斷、時鐘、定時器、串口等部分功能進行初始化工作。FSMC既要控制前端的FPGA,又要控制液晶顯示部分,在使用中需要用到不同的Bank部分,前端的FPGA連接的是FSMC-NE3片選信號,LCD連接的是FSMC-NE4片選信號。LCD本身讀的較慢,寫的較快,為了讓讀寫之間不相互影響,使用異步模式A(Mode A)來控制LCD,將讀寫時序分開,實現獨立的讀寫時序控制,只需在初始化的時候配置好,之后使用時無需再配置。

3 實驗標定與結果分析

3.1 信號幅度分布反演濃度的標定實驗

在完成系統軟硬件的搭建后,本文采用美國TSI公司生產的8 530臺式粉塵儀作為標定裝置,從實驗的角度測量和反演在不同環境下氣溶膠的質量濃度值,然后對所獲得的反演結果進行分析研究。本文標定實驗中,在不同的時間對同種類的煙塵進行了5次采樣,獲得5個小樣本,分別記錄了標定儀器測量的煙塵質量濃度CTSI與本文設計的電路測量的電壓脈沖信號幅度分布N(vi)。如圖6所示的信號幅度分布中有很多相對較小的電壓值,表明大氣中存在的氣溶膠小顆粒較多。

圖6 氣溶膠顆粒物的電壓脈沖信號幅度分布圖

實驗過程中,對測量環境的溫度和相對濕度進行了控制與實時監測,從而避免環境因素對標定實驗產生不良影響。氣溶膠質量濃度系統用于標定參數的方程組為[14]:

(1)

根據式(1),利用交集點標定方法對氣溶膠質量濃度分形模型中的系數k和b進行標定,標定結果如表1所示。

表1 氣溶膠質量濃度測量系統的標定結果

3.2 實驗測試結果與分析

為了驗證上述標定方法的可靠性,在0.001 mg/m3～5.000 mg/m3質量濃度范圍內,利用標定之后的氣溶膠質量濃度測量系統對煙塵和空氣進行了測試,記錄了氣溶膠顆粒物的電壓脈沖信號幅度分布N(vi)及標定儀器質量濃度值CTSI。將表1中的b和k代入到氣溶膠質量濃度分形模型的反演算法公式(式(2))即可求出本系統測量的煙塵和空氣質量濃度C,并將C與CTSI進行比較。

(2)

式中:A為顆粒散射光信號與電壓信號之間的轉換系數,ρ為顆粒密度。

圖7 本系統反演值C與標準儀器測量值CTSI之間的關系

圖7(a)和圖7(b)是本系統分形模型的反演值C與CTSI的關系圖,從圖7數據點的分布可以看出,隨著質量濃度的變化,兩臺儀器測量值存在明顯的線性關系,故對這些數據點進行了線性回歸計算。不難發現兩次實驗擬合直線的斜率分別為0.962 57和0.906 38,相關系數R2分別為0.999 82和0.997 54。由此可見,兩次實驗擬合直線的斜率均與1比較接近,相關系數都在0.99以上,表明本系統基于電壓脈沖信號幅度分布的分形模型反演的煙塵質量濃度值C與標定儀器的測量值CTSI基本一致,且兩者具有很高的相關性。上述實驗結果證實了本文提出的采用顆粒散射光信號幅度分布反演氣溶膠質量濃度的方法是正確有效的,設計的基于高速AD轉換器AD9656、FPGA以及STM32的采集處理電路能夠有效應用于實際測量。

4 結論

本文采用單粒子光散射法作為測量方法,通過高速AD轉換器以及基于FPGA的多通道信號采集電路實現對前端光學傳感器輸出信號的采集,由STM32微控制器系統結合氣溶膠質量濃度的分形反演模型,完成對顆粒物質量濃度的測量。實驗測量結果表明,本文氣溶膠質量濃度測量系統得到的測量值與實際值吻合較好,擬合直線斜率與1的絕對差分別為0.037 43和0.093 62,相關系數達到0.99以上,因此,本系統在大氣氣溶膠質量濃度的測量上具有較高精度。本文對氣溶膠濃度測量的研究,符合國家當前對大氣環境監測的實際需求,同時也使得基于單粒子光散射的質量濃度測量方法更為完善。

[1] Adachi K,Chung S H,Buseck P R. Shapes of Soot Aerosol Particles and Implications for Their Effects on Climate[J]. Journal of Geophysical Research,2010,115(D15):D15206.

[2] 麻云鑫,王爾申,姚愛華,等. 霧霾濃度監測與定位系統的研究與設計[J]. 電子器件,2016,39(6):1477-1481.

[3] 鄒麗新,季晶晶,朱桂榮,等. 空氣懸浮顆粒物粒徑分布及質量濃度一體化測量系統的研制[J]. 傳感技術學報,2007,20(8):1788-1792.

[4] 梁艷,張增福,陳文亮,等. 基于β射線法的新型PM2.5自動檢測系統研究[J]. 傳感技術學報,2014,27(10):1418-1422.

[5] Winkel A,Rubio J L,Huis in’t Veld J W H,et al. Equivalence Testing of Filter-Based,Beta-Attenuation,TEOM,and Light-Scattering Devices for Measurement of PM10 Concentration in Animal Houses[J]. Journal of Aerosol Science,2015,80:11-26.

[6] G?rner P,Simon X,Bémer D,et al. Workplace Aerosol Mass Concentration Measurement Using Optical Particle Counters[J]. Journal of Environmental Monitoring,2012,14(2):420-428.

[7] Peters T M,Ott D,O’shaughnessy P T. Comparison of the Grimm 1.108 and 1.109 Portable Aerosol Spectrometer to the TSI 3321 Aerodynamic Particle Sizer for Dry Particles[J]. Annals of Occupational Hygiene,2006,50:843-850.

[8] 顧芳,楊娟,卞保民,等. 懸浮顆粒物信號幅度分布提取及信息熵的應用[J]. 儀器儀表學報,2008,29(11):2341-2345.

[9] 焦佳偉,石云波,鄒坤. 基于FPGA和以太網的多通道數據采集系統[J]. 電子器件,2016,39(1):168-171.

[10] 郝曉明,李杰,黃玉崗. 基于ADS8568的八路數據采集系統設計[J]. 傳感技術學報,2016,29(1):150-154.

[11] 潘輝. STM32-FSMC機制的NOR Flash存儲器擴展技術[J]. 單片機與嵌入式系統應用,2009(10):31-33.

[12] 秦鴻剛,劉京科,吳迪. 基于FPGA的雙口RAM實現及應用[J]. 電子設計工程,2010,18(2):72-74.

[13] 顧芳,付洋,張仙玲,等. 基于STM32的空調散熱片粉塵自動監測儀的設計[J]. 現代電子技術,2014,37(14):93-97.

[14] 張加宏,韋圓圓,顧芳,等. 高精度光散射氣溶膠質量濃度測量系統的信號處理研究[J]. 傳感技術學報,2016,29(4):536-544.

TheDesignandImplementationoftheAerosolMassConcentrationMeasurementSystem*

SHENLei1,2,4,GUFang3*,ZHANGJiahong1,2,4,MAOXiaoli2,4,LIUYi2,4

(1.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Signal Processing,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;3.School of Physics and Optoelectronic Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;4.School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)

In order to detect near-surface aerosol particles,an aerosol mass concentration measurement system based on single-particle light scattering method was designed. The high-speed AD9656 converter and FPGA multi-channel acquisition circuit were used to collect the output signal of the front optical sensor. The STM32 micro-controller combing with the aerosol concentration fractal inversion model was applied to calculate the aerosol mass concentration. The measurement result was transmitted by wireless module to the cloud service platform. The experimental results show that the mass concentration values obtained by the fractal inversion model are in agreement with the standard values for smoke and air samples,and the fitting slope is 0.962 57 and 0.906 38,respectively,and the correlation coefficients are higher than 0.99,which indicates that the proposed aerosol mass concentration measurement system has a certain practical value.

aerosol mass concentration;light scattering;high-speed AD converter;multi-channel signal acquisition circuit;signal amplitude distribution

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.05.037

項目來源:國家自然科學基金項目(61307113,61306138,41605120);江蘇省自然科學基金項目(BK2012460);江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目(201510300034);江蘇高校品牌專業建設工程項目(TAPP)

2017-01-06修改日期2017-03-20

TN247;TN911.7

A

1005-9490(2017)05-1244-06

沈雷(1996-),男,漢族,江蘇宜興人,南京信息工程大學本科在讀,主要研究方向為嵌入式開發和光電傳感器探測技術,736528305@qq.com;

顧芳(1981-),女,通信作者,漢族,江蘇鹽城人,南京信息工程大學副教授,博士,碩士生導師,主要研究方向為大氣顆粒物的激光檢測技術和光電功能材料性能表征技術,gfnuist@163.com;

張加宏(1979-),男,漢族,江蘇東臺人,南京信息工程大學副教授,博士,碩士生導師,主要研究方向是微納電子機械系統與氣象傳感器探測技術,zjhnuist@163.com。