發(fā)布時(shí)間：2020-03-24 09:45

【摘要】：為監(jiān)測(cè)近地面氣溶膠顆粒,設(shè)計(jì)了基于單粒子光散射法的氣溶膠質(zhì)量濃度測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)高速AD9656轉(zhuǎn)換器與FPGA多通道采集卡對(duì)前端光學(xué)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行采集,并由STM32微控制器結(jié)合分形反演模型完成氣溶膠質(zhì)量濃度的測(cè)定,測(cè)量結(jié)果通過(guò)無(wú)線模塊傳輸至云端。實(shí)驗(yàn)表明:對(duì)于煙塵和空氣樣品,分形模型反演的質(zhì)量濃度值與標(biāo)準(zhǔn)值吻合較好,擬合直線斜率分別為0.962 57和0.906 38,相關(guān)系數(shù)均高于0.99,表明提出的氣溶膠質(zhì)量濃度測(cè)量系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。
【圖文】：

?號(hào)，為了保證高采樣速率的同時(shí)提高電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性，本文實(shí)現(xiàn)的氣溶膠質(zhì)量濃度測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)用FPGA控制125Msample/s采樣速率的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9656，電壓幅度測(cè)量電路共設(shè)置有16個(gè)通道，充分利用Altera的IP內(nèi)核(包含LPM和MegaFuncton宏功能的模塊庫(kù))完成相關(guān)計(jì)數(shù)以及通信控制功能的設(shè)計(jì)，可滿足氣溶膠質(zhì)量濃度的高精度測(cè)量［8］。同時(shí)本設(shè)計(jì)由STM32微控制器完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理和控制TFT-LCD顯示，并且通過(guò)WIFI模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，用戶可通過(guò)PC機(jī)或手機(jī)查看實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。圖1氣溶膠質(zhì)量濃度測(cè)量系統(tǒng)硬件總體框圖1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖1為本文提出的基于單粒子光散射法的氣溶膠質(zhì)量濃度測(cè)量系統(tǒng)硬件的總體框圖，它主要由光學(xué)傳感器、高速AD轉(zhuǎn)換電路、基于FPGA的多通道采集卡、基于STM32的數(shù)據(jù)處理電路、電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)由12V電源提供總電源，為了滿足整個(gè)電路系統(tǒng)各個(gè)部分的電源需求，需經(jīng)過(guò)一系列的電壓轉(zhuǎn)換后，輸出的電壓有+5V、+3．3V、+1．8V、－12V。光學(xué)傳感器輸出電壓范圍為0～5V，能根據(jù)氣溶膠顆粒大小不同輸出與之對(duì)應(yīng)的電壓值，本文主要測(cè)量大氣環(huán)境中的小顆粒，所以光學(xué)傳感器的輸出為相對(duì)較小的電壓值。高速AD轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)對(duì)光學(xué)傳感器輸出的高速模擬電壓信號(hào)進(jìn)行采樣保持，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)�；贔PGA的多通道數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)對(duì)前端高速AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分通道計(jì)數(shù)，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)采集緩存功能模塊。基于STM32微控制器的數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)與前端采集卡進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令，完成多通道計(jì)數(shù)結(jié)果的處理，并且控制液晶顯示數(shù)據(jù)。同時(shí)，微控制器能夠通過(guò)WIFI模塊(W5500)將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，用戶可通過(guò)PC機(jī)或手機(jī)瀏覽與下載測(cè)量數(shù)據(jù)。1．1高速AD轉(zhuǎn)換電路

電子器件第40卷圖2高速AD轉(zhuǎn)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(yǔ)言和Quartus軟件提供的IPcore，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙FIFO結(jié)構(gòu)對(duì)高速數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，然后將兩個(gè)16bit的FIFO輸出數(shù)值拼接成32位后放入一個(gè)雙端雙時(shí)鐘的ＲAM中。由STM32微控制器通過(guò)FSMC總線管理該ＲAM中的資源，若ＲAM中寫(xiě)入的數(shù)據(jù)量超過(guò)閾值，則產(chǎn)生AＲM平臺(tái)的外部IＲQ中斷信號(hào)，然后AＲM通過(guò)FPGA驅(qū)動(dòng)程序處理ＲAM中數(shù)據(jù)。FPGA數(shù)據(jù)采集卡充分利用FPGA在并行處理和時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，利用乒乓操作方式達(dá)到用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的效果。FPGA將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到一塊雙端雙時(shí)鐘的片上ＲAM中，該ＲAM單元由FPGA內(nèi)部的ＲAM控制塊單獨(dú)控制。STM32微控制器通過(guò)FSMC總線掛架到FPGA采集卡上的ＲAM上，采用這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將采集到的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到STM32微控制器的系統(tǒng)內(nèi)存中，從而節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，顯著提高了系統(tǒng)的效率。FSMC總線總共管理1Gbyte的存儲(chǔ)空間，包含4個(gè)存儲(chǔ)塊(BANK)。TFT-LCD液晶屏連接FSMC總線BANK1第4區(qū)的片選信號(hào)，微控制器通過(guò)FSMC_NOE和FSMC_NEW讀寫(xiě)信號(hào)線向液晶屏發(fā)送讀寫(xiě)控制命令，完成相關(guān)項(xiàng)的顯示工作。圖3FPGA多通道采樣電路與STM32微控制器電路框圖2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2．1QuartusⅡ與FPGA的開(kāi)發(fā)本設(shè)計(jì)充分利用Altera的IP內(nèi)核，包含有LPM和MegaFuncton宏功能的模塊庫(kù)，采用自頂向下設(shè)計(jì)流程，完成FPGA多通道模塊部分軟件設(shè)計(jì)。為了讓顆粒計(jì)數(shù)器模塊精確記錄各通道的脈沖數(shù)，本系統(tǒng)采用被測(cè)試脈沖信號(hào)替代時(shí)鐘信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)模塊工作。計(jì)數(shù)模塊測(cè)得的計(jì)數(shù)結(jié)果發(fā)送給ＲAM緩沖器通過(guò)FSMC總線的形式連接到后端STM32微處理器。圖4所示的計(jì)數(shù)模塊是由VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的16位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，它們分別對(duì)16個(gè)通道(對(duì)應(yīng)于不同的

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