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(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(hào)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(hào)，且所得檢測的污染物濃度與二次諧波的信號(hào)成正比。對(duì)發(fā)射激光進(jìn)行頻率為f的信號(hào)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(hào)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(hào)的提取
用鎖相放大器能夠提取上述信號(hào)，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(hào)，若輸入u2(t)是本地正弦調(diào)制信號(hào)，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(hào)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(hào)幅值)均為固定值。顯然，鎖定放大器輸出一個(gè)與被測信號(hào)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(hào)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。后繼信號(hào)經(jīng)鎖相放大、防混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號(hào)處理，分別解讀出CO、CO2的濃度信息。
2.1.2 模擬信號(hào)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(hào)，輸出一個(gè)與被測信號(hào)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(hào)與參考信號(hào)相乘，從含有噪聲的調(diào)幅波中精密檢出被調(diào)制的信號(hào)。
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(hào)。2f信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)，在本系統(tǒng)中分別應(yīng)用于鎖相放大器1、2的Pf、P2f信號(hào)、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(dòng)電路中。本設(shè)計(jì)支持單色4級(jí)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(dòng)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(shí)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(jí)的任務(wù)運(yùn)行，它的啟動(dòng)取決于TaskCANcom()提供的信號(hào)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(dòng)TaskMeasureGas()。優(yōu)先級(jí)較低。
(3)TaskuCGUI()：顯示刷新模塊。它作為一個(gè)低優(yōu)先級(jí)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(duì)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(duì)這兩種氣體的測量精度達(dá)到10ppb級(jí)，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。
參考文獻(xiàn)
1 Darton L，Margolis J S.The temperature dependence of the half widths of some self and foreign-gas-broadened lines of methane.Quant Spectrosc Radiat Transfer，1973；13
2 Jian Wang.NEW STRATEGIES OF DIODE LASER ABSORP-TION SENSORS.No.TSD141.Stanford：Stanford University，2001
3 吳道悌.非電量電測技術(shù)(第2版).西安：西安交通大學(xué)出版社，2001
4 Margolis J S.Line strength measurements of the 2ν3 band of methane.Quant Spectrosc Radiat Transfer，1973；13
5 Uehara K，Tai H.Remote detection of methane with a 1.66 μm diode laser.Appl Opt，1992；31
6 Reid J，Labrie D.Second-harmonic detection with tunable diode lasers-comparison of experiment and theory.Appl Phys，1981；26