（光学专业论文）微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化.pdf

华南师范人学硕士毕业论文摘要 部分，比较选择了替代数据采集卡的a d 芯片，完成了基于a d s 7 8 0 0 和f p g a 的 c 语言与v h d l 语言两个数据采集方案。 四、数据处理与显示的嵌入式优化工作。分析了原测量仪器系统的数据处 理与显示的实现方法，阐述了数据处理部分c 语言程序设计的流程。完成了以 f p g a 为核心的嵌入式系统的数据处理与显示，并进行相应的测试。提出了基于 a r m 的嵌入式系统的数据处理与显示方案。 在这些优化工作完成后实现了微米级颗粒物测量系统的小型嵌入式化。 关键词：嵌入式化、f p g a 、s o p c 、c s s p a 、颗粒测量 i i a b s t r a c t m e a s u rin gin s t r u m e n t m a j o r ：o p t i c s c a n d i d a t e ：z i n i n gh o n g s u p e r v i s o r ：g u a n l i n gy a n gp r o f e s s o r w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a si n d u s t r i a l ，t h ee n v i r o n m e n tp r o b l e mi s g e t t i n gw o v e ，a n dt h ec o n s i d e r a t i o n o ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o ni sg e t t i n gm o r e s e r i o u s l y t oe n s u r ec l e a na i r m es t r i c tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo nt h ee m i s s i o n so f d u s ti si m p o r t a n t f o rt h i s o u rg r o u pd e v e l o p e dt h em i c r op a r t i c l e sm e a s u r i n g m s t m m e n ts y s t e m t h i sm s t m m e n tc a l l o n l i n em o n i t o rt h ed u s tp a r t i c l e si nt h e a t m o s p h e r e t h i st h e s i s sw o r k i sa i mt oo p t i m i z et h i si n s t r u m e n t t h i st h e s i si sb a s e do nt h em e a s u r e m e n tt h e o r yo fm i c r op a r t i c l e sa n dt h e o r i g i n a lm i e r op a r t i c l e sm e a s u r i n gm s t m m e n ts y s t e m i no r d e r t os o l v et h eh a r d w a l e p r o b l e m s ：t h ec o m p l i c a t e dc s s p ad r i v i n gc i r c u i t ，t h en o ts y n c h r o n i z a t i o nb e t w e e n d r i v i n gc l o c ka n da c q u i s i t i o nc l o c k , a n dt h eb i g g i s hs y s t e mb a s e d o nc o m p u t e r ，t h i s t h e s i sp r o p o s eao p t i m i z a t i o ns c h e m eb a s e do nf p g aa n da r m e m b e d d e ds y s t e m t h i so p t i m i z a t i o np r o g r a mc a r r i e do u ti nf o u rm a i na r e a so f w o r k ： ( 1 ) a no p t i m i z a t i o ns c h e m e i sp r o p o s e d m i c r op a r t i c l e sm e a s u r e m e n tt h e o r yi s d e s c r i b e d t h es y s t e mc o n s t i t u t i o na n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h em i c r op a r t i c l e m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ta lei n t r o d u c e d t h ep r o b l e m so ft h i si n s t r u m e n t a l e i n t r o d u c e d af p g ao p t i m i z a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c h i sb a s e do n a s o p c ( s y s t e m o np r o g r a m m a b l ec h i p ) w i t hn i o sa sp r o c e s s o r i i i 撕2燃 彻既辫 泐馅鲰 l 一 昨= 华南师范大学硕上毕业论文 ( 2 ) t h ed r i v ea n dd e l a yc i r c u i to fc s s p a i se m b e d d e do p t i m i z e d t h ep r o b l e m s o fc s s p ad r i v e ra n dd e l a yc i r c u i ti no r i g i n a lm e a s u r i n gi n s t r u m e n ts y s t e ma l e a n a l y z e d af p g a - b a s e de m b e d d e do p t i m i z a t i o n i sc o m p l e t e d ，w h i c hm a k et h e s y s t e mc l o c ku n i f i e da n dt h ec i r c u i tc o n c i s e ( 3 ) d a t ac o l l e c t i o np a r to ft h ee m b e d d e do p t i m i z a t i o ni sc o m p l e t e d t h ed a t a a c q u i s i t i o np a r t o fo r i g i n a lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ts y s t e mi sa n a l y z e d t h e a d c h i pw h i c hs u b s t i t u t e so r i g i n a ld a t aa c q u i s i t i o n - c a r di s s e l e c t e d t w od a t a a c q u i s i t i o np r o g r a m ( c a n dv h d l ) b a s e do nf p g aa n da d s 7 8 0 0a l e a c c o m p l i s h e d ( 4 ) d a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a yp a r to fe m b e d d e do p t i m i z a t i o na l ec o m p l e t e d t h ed a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a yp a r to fo r i g i n a lm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ts y s t e ma l e a n a l y z e d t h ed a t ap r o c e s s i n gp r o g r a m m e db ycl a n g u a g ei sd i s c u s s e d t h ed a t a p r o c e s s i n ga n dd i s p l a ye m b e d d e ds y s t e mb a s e d o nf p g ai s c o m p l e t e d ，a n d c o r r e s p o n d i n gt e s ti sp e r f o r m e do ni t aa r m b a s e dd a t ap r o c e s s i n ga n dd i s p l a y e m b e d d e ds y s t e mi sp r o p o s e d u p o nc o m p l e t i o no ft h e s eo p t i m a lw o f k s ，t h e e m b e d d e dm i c r op a r t i c l e s m e a s u r e m e n ti n s t r u m e n ts y s t e mi sc o m p l e t e d k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , f p g a ，s o p c ，c s s p a ，p a r t i c l e sm e a s u r e m e n t i v 华南师范大学硕士毕业论文 目录 目录 摘要i 关键词i i a b s t r a c t i i i k e yw o r d s v 目录v i 第一章绪论1 i 1 引言1 1 2 粉尘颗粒浓度在线测量的常用方法1 1 2 1 电荷法1 1 2 2b 射线吸收法3 1 2 3 透射法3 1 2 4 反射法4 1 2 5 光散射法5 1 3 国内外粉尘颗粒物浓度在线监测仪器研究现状6 1 4 微米级颗粒测量仪器方案的选择9 1 5 研究的主要内容及意义9 1 6 本章小结1 0 第二章微米级颗粒测量仪器系统的组成与原理1 1 2 1 颗粒测量原理1 1 2 1 1 颗粒散射的一般理论1 1 2 1 2 基于夫朗和费衍射的颗粒测量原理l l 2 2 微米级颗粒测量仪器系统1 8 2 2 1 楔型自扫描光电二极管列阵( c s s p a ) 1 8 2 2 2 基于虚拟仪器l a b v i e w 的软件平台2 0 2 3 嵌入式系统的优化方案2 0 2 3 1 原微米级颗粒测量仪器系统存在的问题2 0 2 3 2 系统优化方案2 1 v 华南师范大学硕士毕业论文目录 2 4 本章小结2 l 第三章驱动电路和数据采集电路的嵌入式优化2 2 3 1 原仪器系统驱动电路与数据采集电路的分析2 2 3 1 1 原仪器系统驱动电路的分析2 2 3 2 基于f p g a 驱动电路的小型化方案2 4 3 2 1 驱动信号的产生与优化设计2 4 3 2 2 驱动信号的放大与整形优化2 7 3 3 本章小结2 8 第四章数据采集的嵌入式优化2 9 4 1c s s p a 输出信号峰值保持电路2 9 4 2 原仪器系统数据采集的分析3 0 4 3a d 芯片的比较与选择3 2 4 4 基于f p g a 的嵌入式的数据采集方案3 4 4 4 1 基于s o p c 与n i o si i 技术的数据采集3 4 4 4 2 用v h d l 语言与f i f o 实现数据采集方案4 0 4 5 本章小结4 l 第五章数据处理与显示的嵌入式优化4 2 5 1 原仪器系统的数据处理与显示4 2 5 2 嵌入式数据处理的程序设计4 3 5 3 基于f p g a 的嵌入式系统的数据处理与显示4 6 5 3 1l c d l 6 2 0 7 的人机交互界面4 6 5 3 2 计算机上的人机交互界面4 6 5 3 3a r m 的人机交互界面4 8 5 3 4 综合程序流程以及系统测试5 2 5 4 基于a r m 的嵌入式系统5 6 5 4 1 基于a r m 的嵌入式系统架构5 6 5 4 2 数据采集、处理、显示的实现5 7 5 5 本章小结5 8 第六章全文总结5 9 v i 华南师范人学硕上毕业论文 目录 6 1 本文的工作5 9 6 2 未来可继续改进的地方5 9 参考文献6 1 作者硕士期间参与的项目及撰写的学术论文目录6 3 致谢6 4 v l i v h i 华南师范大学硕士毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 1 1 引言 第一章绪论 随着我国工业建设的迅速发展，所产生的环境问题也日益严重，目前国内 主要大城市环境污染呈增长趋势，一年中的灰霾天气数量持续增加，影响人民 的健康。因此，国家对环保工作越来越重视，对环境污染的治理力度不断加强， 各种污染物排放的监测被摆到重要位置1 1 。其中，大气中的粉尘是主要的大气 污染之一，各种电站锅炉及燃煤工业锅炉产生的烟尘微粒是粉尘污染的最主要 来源。对这一类的大气污染源排放烟尘施行严格的监测和控制是保证大气洁净 的一个重要的措施心1 ，同时也可以为环保部门的决策提供重要的依据。粉尘的 粒径范围一般为0 1 u m 1 0 0 0 u m ，我们的课题研究是针对微米级( l u m ) 的粉 尘颗粒质量浓度的测量展开的。 1 2 粉尘颗粒浓度在线测量的常用方法 近年来被用于粉尘颗粒物浓度在线测量的常用方法有：电荷法、b 射线吸 收法、透射法( 即不透明度法) 、反射法和光散射法。其测量工作原理简介如下。 1 2 1 电荷法 电荷法主要用于烟气中颗粒物( 粉尘) 的监测3 。由于安装在烟道上探头的表 面积与烟道的截面积相比非常小，大部分接收到的电荷是由于颗粒群经过探头 附近所引起的静电感应而形成，通过探头进行信号放大并传送进监测控制系统。 利用产生的电荷感应确定颗粒物的在线排放量，再根据烟尘流速的实况变化输 出对应准确的粉尘颗粒物的浓度。浓度越高，感应、摩擦和撞击所产生的静电 荷就越强。由于不同的颗粒材料会产生不同的感应、 摩擦电流，此类设备必需在安装后进行须标定。电荷 法的主要技术有两种：交流耦合和直流耦合技术。 交流耦合技术测量电荷信号围绕着电荷平均值 图卜lg , o y i i i 肿7 型 华南师范大学硕士毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 的扰动量。在该测量技术中电荷的正负平均值被滤除，然后系统探测剩余扰动 信号的电场、波峰值、均方根值、以及其他各种混合变化。其中，均方根值能 够准确显示信号的标准偏移。所以交流耦合技术就是通过监测电荷信号的标准 偏移来确定交流信号的扰动量，并以即时扰动量的大小来确定粉尘颗粒物的排 放量，再根据其流量，可求得相应的浓度。国内应用比较普遍的交流耦合技术 烟尘在线监测系统为澳大利亚g o y e n ( 高原) 公司的e i | i p 7 型“3 ，如图卜l 所示。 e m p 7 装置提供了目前世界上最新的交流耦合技术。 根据完全相反原理，直流耦合技术完全滤除上面所说的交流信号，只根据 粉尘颗粒物对探头的撞击和摩擦以直流电导方式传进探头，这产生一个正负电 荷平均值，经过系统的放大、分析和处理来显示粉尘颗粒物的排放量及浓度。 国内应用比较普遍的直流耦合技术烟尘在线监测系统为英国c o d e l 公司的 m u l t i g a r d 连续粉尘监测系统悔1 ，如图1 - 2 所示。 t t ，b 1 r 图1 - 2c o d e l 公司的m u l t i g a r d 连续粉尘监测系统 由于直流耦合监测仪器的信号接收来自粉尘颗粒物与探头的直接撞击所产 生电子传导，电荷的正负平均值将接近零。易出现总直流电荷正负抵消导致直 流耦合监测系统完全失效。 2 华南师范大学硕士毕业论文微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 1 2 2 1 3 射线吸收法 1 3 射线吸收法畸1 ：1 9 9 9 年1 2 月，国家环保总局9 5 科技发展计划项目( 烟 道监测仪分题) ：b 传感器式快速烟尘浓度直读式测试仪通过了国家环保总局组 织的专家鉴定。1 3 射线是一种电子流，在穿过待测颗粒物时会和颗粒物内的电 子发生电离、散射和吸收，当能量恒定时，1 3 射线的吸收量与颗粒物的质量成 正比，因此通过测量b 射线透过粉尘颗粒物后的衰减程度即可测量烟尘质量浓 度。再结合电离室结构研制成具有无动力等速采样功能的传感器探头，因此， 能在烟道内进行在线测量，并立即出数据，免去滤膜法所需的分离器，调速装 置等复杂设备和繁琐操作。不受物质的粒径、分散度、颜色因素等的影响。自 动跟踪性强、精度高、高灵敏度并不存在滞后问题。但同时也存在不少缺点， 例如由于采用1 3 同位素源，如果封闭不好可能存在辐射；不适合现场恶劣环境 下长期在线连续监测盯1 等。 国外产品如法国e s a 公司b e t a 5 m 型测尘仪嗍，由内置的马达与流速调节 阀组成的系统完成等速采样。国内北京怡孚兴业有限公司引进法国e s a 公司同 型产品，北京地海天环境科技开发中心开发的b 射线烟道监测仪( bd y - i 型 1 3 传感式快速烟尘测试仪和bd y - i u 型烟道监测系统) ，该监测仪是国家环保局 科技发展计划项目，并被国家环保总局鉴定为：国内首创，国际先进，已取得 计量器具许可证，同位素使用许可证并列入国家技术标准，核心技术获得国家 发明专利。 1 2 3 透射法 透射法：当一束光通过含粉尘的介质时，其光强会因被吸收和散射而减弱， 通过测量入射光强i o 和透射光强i 的比来确定微粒群浓度的方法。根据 l a m b e r t b e e r 公式： 式中，i o 和i 可由光电探测器来测得，l 为光通过被测颗粒物的光程， l 【e 为平均消光系数，它与入射光波长入、尘粒直径d 和该颗粒物的折射率m 有关， 在工业应用中，对于颗粒直径比较大的( 大于5um ) 可以近似为2 m ；p 为颗 华南师范大学硕士毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 粒密度，d 3 2 为s m d ( 索太尔平均直径) ：c m 为被测颗粒物的质量浓度。 在实际在线烟尘浓度监测系统中，需要预设一个平均粒径值的方法来测定 烟尘浓度。但是，由于实际烟气中的粉尘颗粒物的粒径有一定的分布范围，并 且会随着烟气排放系统工作状况的变化而变化n 们；因此，预设粉尘粒径的办法 的可靠性和准确性不强。而实时提供粉尘粒径分布数据是解决这一问题最好的 办法。 透射法具有测量范围广，重复性好，不接触样品，测量时间较短，可实现 实时监测等优点。但该技术本身测量精度较低，尤其是在尘粒较大时，得用该 方法测量必须有大量假定和修正1 ，另外，现场监测易受干扰，因此测量结果 不能很好地符合实际应用的要求。 透射法的典型代表有英国c o d e l 公司的d - c e m 2 0 0 0 测尘仪( 如图1 3 所 示) 及t e 公司激光l m 3 1 8 8 测尘仪，仪器都安装在烟囱的两侧。 估处理单元 s p u 同 y信q 9 j s c u u1 r i 4 8 v 来l i i s c u i 1 2 4 反射法 图1 - 3c o d e l 公司d c e m 2 0 0 0 测尘仪 反射法：采用该法测量的典型代表有太原中绿t g 卜y x 型测尘仪、青岛佳明 测控仪器有限公司的y s b d 弋测尘仪及法国s e r e s 公司o p a s t o pt y p eg p2 0 0 0 h 型测尘仪。以下简单介绍一下法国的这一测尘仪，从中可以了解到反射法测 量技术基本的工作原理n 引。 4 系统的嵌入式优化 图1 - 4 法国s e r e s 公司o p a s t o pt y p eg p2 0 0 0h 型测尘仪 如图1 - 4 所示，在测量区域处，一个经过调制的光源以恒定的频率和振幅 发射出一束圆锥形的光柱，用一个接收器接收被烟道气中尘粒反射的光束，并 用一台电子过滤器去除衍生光源例如日光的干扰。通过光纤传送的反射光强度 的差异可以直接得出烟尘的浓度的变化。在测量孔中将光信号转化为电信号， 使其可以被记录。而内置的校准单元可与参考方法进行比较。当烟道气比较清 洁时，测量烟道气中颗粒物的反射光利用这一测量原理会导致检测器接收到的 光很微弱。这样，烟尘浓度微量的增加在检测器上就会出现相对较大的变化。 至于仪器的安装问题，固定在烟道上的检测器安装架只需一个洞孔，不需要校 准、清扫等预防措施。入口只需在烟道的一侧。而光纤传输技术的运用使得电 控单元部分可以远离烟道上的检测器进行安装。 1 2 5 光散射法 光散射法n 钊：建立在微粒的m i e 散射理论基础上，当光线通过不均匀介质 时，会发生偏离其直线传播方向的散射现象。散射光投射到光电探测器上，由 放大器放大输出电压或电流信号，在一定范围内信号与颗粒物浓度成比例。 光散射法主要分前向散射和后向散射。前向散射的典型代表德国s i c k 公 司的f w l 0 0 ( 如图1 5 所示) 。其特点是散射光强度和粉尘颗粒物浓度成正比， 浊度法的浓度与接收的光强成反比，测量灵敏度要高得多，该散射法测尘仪对 华南师范大学硕士毕业论文微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 测量低粉尘浓度具有明显的优越性。 瞄辛皇一一 r 一1 岍蚺 、? 吐：叶砺蒜 妇尊誉 ：， ； 一 。c 讼l 一一 图1 5 德国s i c k 公司的f w l 0 0 采用后向光散射法的如我国深圳市中兴新通讯设备有限公司生产的 d m 2 0 1 d m 2 0 2 ，如图1 6 所示。后向散射的光被聚焦经检测器检测，放大器放 大并转换为电压或电流信号输出，在一定范围内，此信号与颗粒物浓度成比例。 图1 6 中兴新通讯设备有限公司d m 2 0 1 烟尘监测仪 1 3 国内外粉尘颗粒物浓度在线监测仪器研究现状 粉尘颗粒物浓度的在线检测是污染源监测的主要任务之一。由于国外对粉 尘颗粒物浓度的在线监测方法监测仪器研究起步早，因此，相比于国内的情况， 国外的监测方法更加多样化；而对于运用相同方法的仪器开发，国外的仪器也 显得更加完善。迄今为止，美、英、法、德、日等国家推出了各种性能优良的 污染源粉尘监测系统。如美国的t e 公司、英国的c o d e l 公司、法国的s e r e s 公司、德国的s i c k 公司、d u r a g 公司、f o d i s c h 公司、日本的岛津公司、 y o k o g a w a ( 横河) 公司、h o b i b a ( 崛场) 、澳大利亚的c a ) y e n ( 高原) 等。这些公司在粉尘排放方面技术上多采用消光法，即l a m b e r t - b e e r 法，另外 6 华南师范人学硕上毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 还有电荷法、光散法、反射法、1 3 射线吸收法。我国近年来也有不少公司也在 开发并销售这一监测仪器。如：深圳市中兴环境仪器有限公司、北京长峰益来 自动化科技有限公司、太原中绿环保技术有限公司、青岛佳明测控仪器有限公 司等，这公司的污染源粉尘监测仪器为自主研发，并经国家环保总局质检中心 检定合格。还有其他一些公司在国内这一领域也受到了相当的关注。如：武汉 天虹、深圳摩特威尔公司、北京绿茵园等n 射。 我国仪器性能归纳如下： 公司 原理 粉尘颗粒物浓度在线监测仪器的基本情况 采用非对称光路结构，双光路结构，一路探测烟尘 散射信号、一路探测镜头污染信号，单端安装，无 深圳市中兴新通 光散射 需现场对中较直。测量范围：o - 2 0 0 0 0 m g 一：零点 讯设备有限公司 ( 激光后散射) 漂移：魁2 2 4 h ；跨度漂移：钍2 2 4 h ：灵敏度： d m 2 0 1 d m 2 0 25m g m 3 ；输出信号：r s 2 3 2 r $ 4 8 5 串行数字信号： 采样区长度：3 0 0 m m - 5 0 0 0 m m 可调：环境温度： 4 0 + 6 0 ；烟气温度：9 5 0 ( 高温可定制) 北京长峰益来 l a m b e r t m b e e r烟尘浓度：0 3 0 0 0 m g n m 3 ，烟尘流速( 流量) ：0 3 0 m s ，环境温度：2 5 4 5 ，烟气温度： 0 8 5 青岛佳明测控仪监测范围：o 1 0 0 0 m g m 3 ，测定方法：双光程参比 器有限公司光反射方法，零点漂移：2 ( 2 4 d 、时) ，满量程漂移： y s b d c 5 ( 2 4 d x 时) ，校准方式：手动自动校准方式 武汉天虹 l a m b e r t - b e e r 透过率：0 1 0 0 ( 可调节) ，准确度：l 0 4 ， 烟道直径：0 2 6 5 m ，环境温度：- 2 0 - + 5 0 ，以 t h o p a c1 0 0 ( 不透明度) m g m 3 显示含尘量。 深圳摩特 m u l t i - w e l l 公司为美国集团子公司( 主销德国s i c k 公司产品) 威尔公司 北京绿茵园 l a m b e n b e e r 代理长峰益来的c y a 一2 0 0 烟尘仪 环保技术( 不透明度) 国外仪器性能归纳如下： 7 华南师范大学硕士毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 辎 藉醛醛 陶 面 帕 h a _ c o 篱蜜 是鼍 葶 茸k 掣 蛔|蛔| 鲻 蚕誊 o 鲁 基 瑙 犀 蒋厘 d瑙 羹蒌 蓑 揍 燃 2 琴 嚣斗 7长慰 球 螂特刊 测t c = ： n 条堪寺幽神 删 r 倒键瓢螂 毒i辎皿譬1 l ；6 r 蜒瓣_ i 删 幽赠皤 拯 擦幅器迓毯幅 皿皿 删墨瓣 皿 璺镩 刨p ppppp pp p 赠 onooooo 卜价 i n 旧呻c o 卜 磐 2 22?2?22? 酶 ooooooo o o nnnnnnn n n l 创 u p p p 赠 oo o op p 禽 p o o p ooo 扩 o 寸 芝 p o nou ， n呻 n p o o 2? 璺 赠 n 趔 o on 趔oo 窿 2 o - n 2 髫 nn 蜷 o 警 n w o 皿口 o r 善 o 口 键 蠡 血 l c u 桨g gg 皇 裁班 l n桨* 2：2 2 麟删一 。n 7 + h a ?一一272 l n 鄢 乜2?q匕匕9 。o _ oo。o 匝 斗 _ 口至o u 上 鳘 口 一 【2 基剥 oz i 五殳 旧 毫甍 匈 冒 u h 喝 暑昌 n - n o m i 急 o 凸 _ 1 9 蟹 剥 o 卑盘 宙窃 n 稚 至 警 u 越 o 藩 旧 w 一 旧 q 口 o u 8 华南师范大学硕士毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 1 4 微米级颗粒测量仪器方案的选择 通过以上的调研，我们可以得出：对于电荷法，国内研究不多，目前还没 有国内公司开发出相应的仪器，而我们也不具备相应的研究基础。对于1 3 射线 吸收法，如前面所说的，这种方法存在很多缺点，所以也不作为我们的选择。 对于透射法和反射法，由于不能得到被测粉尘颗粒物的粒径分布，存在着可靠 性和准确性不强的问题。对于光散射技术来说，散射光信息包含有颗粒物的大 小、形状、结构等信息。光散射方法可以获得颗粒的尺寸、折射率大小、颗粒 群的质量浓度分布等信息，而且不干扰、不接触流场和粒子场。该方法还具有 测量的粒子尺寸范围宽、光电转换响应时间短和分辨率高等优点，能满足工业 领域中日益增长的在线实时监测要求。特别是利用了激光这种强相关源和计算 机进行数据处理，使激光散射法得到更大的发展。因此这种方法适合作为我们 的进行测量仪器研制的基础。 激光散射法的理论基础严格来说是m i e 散射理论，但m i e 散射理论的数学 表达式比较复杂，其数值计算的工作量很大，而由米氏效应可知，随着颗粒尺 寸的增大，前向散射迅速加强，要比后向散射的大得多，因而对大于一定尺寸 的颗粒，基本上所有散射光都出现在前向的小角度内，通过大量的理论推算及 实验表明，对颗粒直径d 3 u m 的粒子均可以用f r a u n h o f e r 衍射法来近似代替 m i e 散射n 。 在很多的火力发电场中，我们课题组已测得其粉尘颗粒物的尺寸分布基本上 满足r - r 分布叫。例如对于广州黄埔电厂的粉尘，我们测得其r - r 分布的特征参量 x b a r 是3 8 1 4 u m ，分布参量n 是1 卜3 o 。对于这样的大气污染源，我们可以通过 运用f r a u n h o f e r 衍射法来近似代替m i e 散射来开展我们的研究。 1 5 研究的主要内容及意义 我们课题组已经研制成了微米级颗粒测量仪器的样机。本论文的工作建立 在对微米级颗粒测量理论的了解、对以往工作熟悉的基础上，针对现有测量系 统电路部分存在问题：如楔形自扫描光电二极管( c s s p a ) 驱动电路复杂、驱 动时钟与采集时钟不同步的问题，基于计算机的系统较为庞大的问题，提出了 9 华南师范大学硕士毕业论文微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 一种f p g a 和a r m 的嵌入式系统优化方案，主要开展了以下六个方面的优化 工作t ( 1 ) 嵌入式系统设计：分别提出了基于s o p c 技术的以f p g a 为核心嵌入 式系统和基于u c o s 操作系统的以a r m 为核心嵌入式系统两套方案，完成测 量仪器小型嵌入式设计。 ( 2 ) 对光电探测器c s s p a 的驱动电路进行优化设计：用f p g a 通过v h d l 语言编程直接产生驱动信号，代替原系统硬件电路的分频、延时、计数电路， 达到简化c s s p a 的驱动电路，减少外部延时电路的硬件开销的目的，同时使驱 动信号时钟与数据采集时钟相统一。 ( 3 ) 数据采集的优化设计：使用一块小型贴片数模转换a d 芯片，代替原 有计算机上的p c i 数据采集卡，简化电路。 ( 4 ) 数据处理的优化设计：将原有计算机系统上面用l a b v i e w 编写数据采 集、数据处理的程序写成适合嵌入式系统的c 语言程序，移植在嵌入式系统上。 ( 5 ) 显示界面的设计：利用嵌入式操作系统u c o s 的界面系统u c g u i ，制 作人机交互界面。 ( 6 ) 对上述嵌入式仪器系统进行测试。 1 6 本章小结 本章介绍了大气污染源中粉尘颗粒物浓度测量研究的目的和意义，阐述了 大气污染源粉尘颗粒物浓度常用的在线测量方法，分析了国内外污染源粉尘颗 粒物浓度在线监测仪器的研究现状。在此基础上介绍了我们课题组研制的微米 级颗粒测量仪器的方案选择，最后简要地指出了该仪器系统存在的不足之处， 说明了本文针对这些不足所优化的主要内容。 1 0 粒物的粒度分布、浓度等等。若想从散射光中得到相关信息，就必须运用一套 光散射理论，对所接收到的散射光进行分析、处理。1 9 0 8 年，德国科学家g u s t a v m i e 创立了颗粒的m i e 散射理论。9 0 年代以来，随着计算机技术和算法的迅速 发展，m i e 散射理论逐步被运用于0 0 1 u m l u m 小粒子的测量。国内外的许多 公司实现了全颗粒段的m i e 测量，但对于大于l u m 颗粒来说m i e 系数的计算还 铀 是相当复杂，可能存在较大误差。通常来说，微米级至毫米级的大粒子光散射 可用夫朗和费衍射来近似表示n5 埔3 ，对于我们的微米级颗粒测量仪器来说，测 量的颗粒范围是大于1 微米的，所以可以用基于夫朗和费衍射的方法来进行粒 度测量。 2 1 2 基于夫朗和费衍射的颗粒测量原理 基于夫朗和费衍射的粒度测量需要利用适当的粒子尺寸分布函数进行迭代 运算。前面已经提到，在很多的火力发电场中，我们测得其粉尘颗粒物的尺寸 分布基本上满足r r 分布。以下分别介绍双r 分布和夫朗和费衍射测粒原理。 2 1 2 1 粉尘颗粒物分布函数一罗辛一拉姆勒( r r ) 分布 罗森一拉姆勒分布函数，又称双r 分布函数。它是1 9 3 3 年由罗森和拉姆勒 等人通过对煤粉、水泥等物料的粉碎实验研究提出来的，它实际上是一种概率 分布函数。其数学分布模型为： v = e x p 一( 专) 】 华南师范大学硕上毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 式中，v 是粒子群中直径大于d 的粒子的累积体积百分比；d 是粒子的直径； 当我们用v 对d 求导时，可得到粒子的频率分布；n 是粒子尺寸分布参数，它 表征粒子的分散程度，n 值越大，说明粒子的尺寸分布越集中，反之，n 越小， 说明粒子的尺寸分布越分散；夏是粒子群的特征尺寸，它表示粒子群中直径大 于又的粒子体积占总体积的3 6 8 。 在粉尘测量中还常用到下面两个尺寸参数：质量中间直径( m m d ) 和索太尔直 径( s m d ) 。其中m m d 是指大于和小于该尺寸的粒子的累积体积百分比都为5 0 。 而s m d 指的是用一个假想的单一尺寸的粒子群代替实际的粒子群时，保持总面 积不变的这个单一尺寸粒子的直径。它们可分别通过以下式子求得： m m d = x 书( o 6 9 3 ) “，s m d = 耳，其中f 表示伽- 5 函数。 r o 一亩) 2 1 2 2 单个粒子散射光强分布函数 图2 - 1 夫朗和费圆孔衍射 对于粒径大于照射光波长的单个粒子，我们可以根据夫朗和费衍射原理来 求得其散射光强分布函数。图2 1 ( a ) 为夫朗和费圆圆孔衍射光路图( 此时衍 射角为0 ) ，图2 1 ( b ) 为衍射图样。在单色平行光照射下，其衍射光通过一个 傅立叶变换透镜l ：将衍射图像成像在透镜的焦平面上，衍射光在焦平面上的图 样则是明暗相间，呈轴心对称的环形条纹( 如图2 1 ( b ) 所示) 。 图2 1 ( a ) 中x l o 。y 。为圆孔所在的平面，x o y 为平行光波的聚焦面，p 为聚 焦面上任意一点，它到焦点的距离为s ，f 为透镜l ：的焦距，0 为衍射角，则p 点的振幅函数为： 1 2 光强度的分布函数为：= 木w p ， 将( 2 一1 ) 式代入上式并令：s i n 。得到，p = ( x a 2 c ) 2 l 2 j 勋l ( k 国a c o ) - j 2 = 等 毪警 2 ( 2 栅 由巴比涅互补原理乜钔可知互补屏的衍射谱具有相反的位相和相同的能量分 布( 除中心外) ，所以得出的圆孔衍射光强分布同样适用于具有半径为a 的球形 颗粒衍射，即在焦平面上距离中心0 点为s 。的p 点的光强分布函数为： ，p ：i o 2 j 磐c o ) ，式中厶即为圆孔衍射时的中心光强。此时的散射角为吼， l w j 则有s i i l 吼= 争一= 向棚。 那么，p 点相对于0 点的相对光强分布为： = = 警 2 3 ， 当0 角较小时，可以认为秒= s h a 秒，若以x = 妇缈= 2 x a s 可为横坐标， 沙( 口) 为纵坐标，则相对光强分布如图2 - 2 所示。 1 3 华南师范大学硕士毕业论文微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 一 ： 图2 - 2 - 单颗粒子衍射的相对光强度分布 由图2 2 可以看出，单个粒子衍射的相对光强度分布是一个振荡的波形， 其振幅在中心达到最大值，随离中心的距离增大，振幅将急剧下降。 2 1 2 3 散射光能分布函数及颗粒物质量分布的确定 焦平面上半径o ) o = s o f 处的圆上，当0 角较小时， 咖) 训d ：l 掣型r l k , a t o j 那么该圆的相对光强度分布可由下式求得： 三( 绵) = r f j “函) 耐耐d = 2 田以甸耐 = 元“- r j o 吨嘎笋d 叻一f 4 邺叫 式中，a 为粒子半径，入为激光的波长，若令工= 勋彩= 宅警，则： 硒 ( c o o ) = 荔2f , 2 j , a ( x ) d ( x ) ( 2 4 ) 对于贝塞尔函数，由递推公式z af v 正( 功】- 工9 止。( z ) ，有兰 “( 工) 】- x j o ( x ) ， 戤 。 出。一 化简得： 华圳垆以( m 则掣= 埔w 矿舶) 以( 功 ( 2 - 5 ) 1 4 华南师范人学硕上毕业论文微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 又由递推公式_ dh v ，( x ) = 峭- - v 厶。( x ) ，且oj l ( x ) ：一j o ( 石) ，代入( 2 5 ) 式得： 互生= 厶( x ) 厶( x ) + 以o ) 。( z ) 】= 一j i 夏d 【厶2 ( 工) + 2 0 ) 】，代入( 2 - 4 ) 式： 又因j 。( o ) = 1 ，以( o ) = 0 ，有 ( c o o ) = 告【1 一，0 2 ( k a c o o ) 一彳( 勉砒 ( 2 - 6 ) 式中，j o 、以分别为零阶和一阶贝塞尔函数。 为讨论相对光强的变化规律，令：( 。) = 1 一以( k a c o 。) 一，? ( 勋) ( 2 - 7 ) 对上式两边求一阶导数得： 丢工：( 国) = 一丢k ( 工) + 彳( x ) 】_ 一型挚 ( 2 - 8 ) 该式表明了衍射光能量在焦平面上沿径向变化的规律。尽管对不同直径的 粒子，衍射能量沿径向分布不同，但是，若以特征参数x 为自变量，衍射能量 的变化遵从2 彳( x ) x 的规律，如图2 - 3 所示。 图2 3 衍射光能量在焦平面上沿径向的变化规律 对2 彳( x ) x 求导并令其为零，再根据贝塞尔函数递推公式计算，那么我 们可以得到曲线中能量极大值的位置为石嗽：譬：1 3 5 7 ，在激光波长元、透 勺 镜焦距f ，已确定的情况下( d 为粒子直径) 可以根据此式来推算粒子群中对某 环能量贡献最大的粒子特征直径。 华南师范大学硕士毕业论文 微米级颗粒测量仪器系统的嵌入式优化 根据式( 2 6 ) ，又因x ：勋国：_ 2 2 丁1 2 2 s ，所以可以得到半径分别为s 。和s 州 的两圆组成的环带内的相对光能量可由以下公式计算： 以s n , s n + l m 。砘，= t 2 降卜降卜引彳降肛， 当测量区域没有粒子存在时，由于没有散射光，光束在焦平面上所得到的 是一个集