专业组_仪器仪表_天津大学_光干涉型甲烷检测仪

论文格式论文格式 注意 此为封面格式注意 此为封面格式 2011 2012 德州仪器 C2000 及 MCU 创新设计大赛 项目报告 题 目 光干涉型甲烷检测仪 学校 天津大学 指导教师 张瑞峰 组别 专业组 应用类别 仪器仪表组 平台 C2000 参赛队成员名单 含每人的邮箱地址 用于建立人才库 苏鑫 suxin 5768 suxin 5768 何超 hechao9988 hechao9988 谭宇华 yuhua tan24 yuhua tan24 视频文件观看地址 若未拍摄 请注明 邮寄地址和收件人联系方式 快递发送 请不要使用邮政信箱地址 题 目 光干涉型甲烷检测仪光干涉型甲烷检测仪 摘要 中英文 摘要 中英文 本文设计了一个光干涉型甲烷检测仪 使甲烷的检测变成数字化处理 该系 统由三部分组成 包括光路系统获取条纹信息 COMS 摄像采集干涉条纹以及 C2000 DSP 核心开发板进行数据处理 核心开发板计算出的甲烷浓度值通过串 口通信传输到 PC 端 以曲线方式显示在由 Borland C 编写的窗口程序中 同 时 当甲烷浓度值超过一定范围时 核心开发板会进行报警提示 This paper design a methane detector of light interference which is implemented by digital process This system is made up of three parts including light path system CMOS image acquisition system and C2000 DSP core development board Interference fringe is acquired by light path system and then sampled by image acquisition system The main program computes in core development board The methane value attained from C2000 board is sent to Personal Computer through serial communication It is available to show methane curve in window program which is written in Borland C At the same time the core development board will alarm when methane value exceeds a certain range 1 引言引言 我国是世界煤炭生产和消费大国 煤炭在今后相当长的时期内仍将是主要 能源 近年来 重大 特大瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高 1 避免瓦斯爆炸事故的一个重要措施就是要做好瓦斯的检测工作 掌握煤矿瓦斯 的变化情况 一旦出现异常 及时采取相应措施 保障煤矿的安全生产 瓦斯 的主要成分是甲烷 二氧化碳 一氧化碳等 瓦斯是一种无色 无味 无臭的 气体 与空气混合在一起后 既看不到 摸不着 也闻不出来 瓦斯在空气中 浓度增大时 能使空气中的氧气含量相对降低 而使人窒息 我国煤矿安全事 故中 瓦斯爆炸造成的伤亡占所有重大事故伤亡人数的50 以上 由于煤矿瓦 斯的主要成分为甲烷 因此对煤矿瓦斯的检测可以转化为对甲烷的检测 国内 外对甲烷检测的研究非常重视 实时检测甲烷气体浓度对于保障生产安全的意 义重大 甲烷检测主要是检测甲烷在空气中的体积浓度 以防止甲烷爆炸事故的发 生 便携式甲烷检测报警仪是各国应用最早最普遍的一种甲烷浓度检测仪表 可随时检测作业场所的甲烷浓度 当前应用的便携式甲烷检测仪 按检测原理 分为热导型甲烷检测仪 热催化型甲烷检测报警仪 气敏半导体式甲烷检测仪 光学甲烷检测仪等几种 在这几种检测仪中 光干涉甲烷检测仪由于其性能稳 定 使用寿命长 测量准确 成为我国煤矿应用最普遍的便携式甲烷检测仪器 光学甲烷检测仪是利用不同气体折射率不同的原理制成的光学检定仪器 它由光源 平面镜 空气室 气样室 折射棱镜 反射镜和望远镜组成 如果 以空气室和甲烷室都充入同密度的新鲜空气时产生的条纹为基准 对零 当 其它气体 如甲烷 进入气样室时 因其折射率与空气不同 使光路光程发生 变化 干涉条纹发生偏移 此偏移量即可用来表示甲烷浓度 甲烷浓度越高偏 移越多 当甲烷室充入含有甲烷的空气时 抽气测定 由于空气室和甲烷室 中含的甲烷气体的浓度不同 引起折射率变化 光程也随之发生变化 于是干 涉条纹产生位移 移动 从目镜可以看到干涉条纹移动的距离 可以根据干 涉条纹位移量就可以测得甲烷的浓度 从目镜中可以观察到干涉条纹移动后所 处的甲烷浓度刻度值 便可测得甲烷浓度 这种检测仪器采用了新型的光源结 构 便于调整 增大了条纹的视见度 舒适方便 整数和小数可以同时读出 性能良好 达到世界先进水平 现有的光干涉型甲烷检测仪大多都是目测型光干涉甲烷检测仪 它性能稳 定 使用寿命长 但由于采用人工读数 自动化程度低 温度 20 和标准大气 压条件下标定的刻度值的 检查前 必须在和待测地点温度相近的进风巷中 捏放吸气球清洗甲烷室 然后校零 防止由于温度气压变化较大而出现零点漂 移现象 读书不直观 人为误差较大 不能存储数据 为了克服传统光干涉式甲烷检测器的不足 本设计从图像分析和信息处理 的角度出发 提出了采用 CMOS 作为光电转换元件的非接触式测量方式 CMOS 是一种性能独特的半导体光电器件 其输出信号经过模数转换后成为高速的数 字图像数据 实现这些高速数据的大容量存储是数据采集系统的关键 本设计 以 TI 的 C2000 系列 DSP 为核心实现对 CMOS 数字图像数据的采集 存储以及对 干涉图像数据的算法分析得出结论 2 系统方案系统方案 本系统设计包括光路系统 CMOS 图像采集电路 报警模块 C2000 核心开 发板 PC 终端显示模块 以及对图像数据处理的算法模块 系统框图 系统框图 光路系统为甲烷检测仪系统提供信息源 产生系统处理所需要的干涉条纹 CMOS采集图像系统主要用于将光学信息数字化 由CMOS拍摄到的干涉条纹存储 在FIFO数据区内 以供后续处理需要 核心开发板是甲烷检测仪的计算处理中 心 当前环境中的甲烷浓度经过其分析处理数据后得到 PC监控端主要用于将 当前甲烷浓度以曲线方式显示出来 通过串口通信方式获得由核心开发板传送 过来的当前甲烷浓度信息 以便用户更加直观进行观察 光路系统 光路系统 本系统的光路建立在目前广泛使用的目测式光干涉甲烷检测仪基础上 光 路系统原理如下图所示 从光源发出的白光经聚光镜汇聚到平面镜点M处分为 两部分 一部分光 号光路 直接在平面镜表面M点反射 穿过下参考气室 在R处改变方向 经折光棱镜后 从上参考气室穿过 汇聚到平面镜P处 经平 面镜折射后从O点射出 最后汇聚于反射棱镜 另一部分光 号光路 在M点 射入 经平面镜折射 从N点射出 射出的光通过被测气室 装有被测气体 同样经折光棱镜 再回射入被测气室 最后在平面镜点O处经反射汇聚到反射棱 镜 两束光在反射棱镜处产生光干涉 平面镜的作用与薄膜干涉时薄膜的作用 相当 从产生的条纹来看是线状条纹 这是一个典型的等厚干涉光路 CMOS图像采集模块 图像采集模块 本模块的核心元件CMOS摄像头采用的是OV公司的OV6620摄像头 356 288像素 支持多种格式输出 图像数据逐行扫描读出 支持8 16位视频数 据输出 抗模糊 5V工作电压 适合大多数嵌入式系统开发 该摄像头支持 SCCB总线协议 总线速度最大400kb s 可对摄像头内部各参数进行编程 比 如图像的亮度 对比度 伽玛 饱和度 锐度 窗口输出等 本模块的另一重要的元件是图像缓冲存储器 由于OV6620摄像头输出帧率 为50帧每秒 像素时钟频率高达8 86MHz 不可能直接让处理器读取图像数据 否则将会出现漏读数据现象 所以这里采用IDT公司的FIFO存储器预先将摄像 头输出的图像数据存储下来 然后再将图像数据传输到处理器进行下一步的图 像处理 本模块采用的FIFO型号为IDT7205 8192 9bit 存储速度12ns 5V工 作电压与摄像头兼容 770mW 核心算法建立在以下物理光学原理下 已知纯空气气体折射率 1 000272 纯甲烷气体折射率 1 000411 假 0 n 1 n 设样品气室充入浓度为 x 的甲烷气体 则其折射率 210 100 100100 xx nnn 而标准气室为纯空气体 所以两光路的光程差 其中 为气室 20 2 nn l l 长度 甲烷检测仪显示的干涉条纹如上图 它是由白光产生的 中心是零级白色 亮纹 两边是若干条彩色条纹和两条零级黑色暗纹 我们认为零级白色亮纹为 白基线 假定样品气室未充入甲烷时 白基线对应的象素点为 当样品气室A 含有甲烷后 干涉条纹移动 设两条零级黑色暗纹对应的象素点分别为和 BC 那么就是一个条纹间距 我们只需识别出偏移后的白基线对应的象素点的CB 位置 记为 就可以得出干涉条纹移动的间距数D DA N CB 根据干涉原理 干涉条纹移动一个条纹间距 对应光程差变化量为 即 100 100 2 100100 xx Nnnn l 得出甲烷浓度的算法方程 10 100 2 DA x l nnCB 其中为光源波长 折射率与气温 气压有关 所以环境温度和气压的变化会影响测量结果 为了降低仪器的成本 采用人工键入环境温度 气压值 由微机根据计算公式 修正测量值后显示 修正公式为 101325 293 T K P T 和 P 分别为测定地点的绝对温度和大气压 Pa 只要进入甲烷室的气体成分与空气室的气体成分不一样 干涉条纹就会移 动 干涉条纹的移动量与气体成分有关系 因此 光干涉甲烷检测仪受外界气 体的影响较大 为保证光干涉甲烷检测仪测量的准确性 仪器外部都配有吸收 二氧化碳和水蒸气的吸收剂 另外 如果光干涉甲烷检测仪的检定地点与使用 地点的温差较大 或被测气体缺氧 则其测量结果都会受到影响 3 系统硬件设计系统硬件设计 OV6620摄像头输出时序如下图所示 VSYN代表一帧图像的开始 HREF信 号为高电平表示此时的图像数据是有效的 而PCLK信号为像素信号 在PCLK 上升沿 图像数据为有效的 由此可以分析得 只有在两个VSYN之间 而且在HREF为 高时 PCLK对应的输出才是有效的图像数据 因此 图像采集模块采用一个三 输入与门对HREF PCLK和处理器的控制写ENW进行与运算 得到正确的写时 序 OV6620摄像头的IO电压为5V 和IDT7205的IO电压一样 因而 OV6620 的图像数据可以和IDT7205的数据输入端直连 但是 本系统采用的是TIC2000 系列DSP处理器 该处理器的IO电压为3 3V 摄像头的VSYN中断信号不能直接 连到处理器上 IDT7205的数据输出也不能直接连接到处理器上 否则将可能 引起烧毁处理器的问题 问题的关键就是怎样将5V降到3 3V的安全电压 这里 可以采用专用的降压芯片 为了节约成本和简化设计 本系统并没有采用专用 的降压芯片 而是采用限流电阻 限流电阻的阻值可以根据IDT7205输出和DSP 的IO输入电气特性进行计算 这里选用4 7k的电阻作为VSYN信号的限流电阻和 3 3k的电阻作为IDT数据输出的限流电阻 这样就能很好的解决电平不兼容的问 题 另外 IDT7205需要DSP的一个读控制信号 由于IDT7205是TTL电平的器 件 当输入电平高于2 4V时则认为输入是高电平 因而不需要额外添加3 3V转 5V的升压模块 OV6620摄像头支持通过SCCB协议 DSP只需要通过两根控制线SDA和SCL 就可以对摄像头内部参数进行修改 在此 先讨论电平兼容性的问题 SCCB总 线电平为5V 同时 SCCB协议建议每一个终端的SDA和SCL都加上一个10k的上 拉电阻 因此 DSP的SDA和SCL控制线不能与摄像头的SDA和SCL直接连接 而通过一个与门作为缓冲增强输出 并加入上拉电阻 如下图 本系统的图像采集模块的原理图和PCB图如下所示 4 系统软件设计系统软件设计 核心开发板部分 核心开发板部分 干涉甲烷检测仪软件实现主要是在EasyDSP280X开发板上 软件需要控制 CMOS图像采集系统进行干涉条纹信息的读取 对条纹数据进行分析处理获得当 前甲烷浓度 当浓度超过一定范围时控制蜂鸣器进行报警 另一方面通过串口 将浓度信息实时传送到PC端 本设计中DSP采用TMS320Fx28027 是C2000家族中的高效32bit 60Mhz主 频处理器 最多支持96个中断处理 38个通用输入输出引脚 下表列出了本设 计用到输入输出引脚 以此说明核心开发板用于与CMOS图像采集系统和PC显示 终端通信的数据线和控制线 核心开发板应用的外设引脚分配 引脚类型用途 GPIO12输入采集摄像头提供VSYN信号 GPIO2 5输入摄像头采集图像信息灰度信号 GPIO16 19输入摄像头采集图像信息灰度信号 GPIO32输出控制信号ENW 控制图像信息写入FIFO GPIO33输出控制信号RD 控制FIFO数据信息读入 GPIO34输出控制信号SDA 控制摄像头参数 GPIO35输出控制信号SCL 控制摄像头参数 GPIO6输出为蜂鸣器报警提供脉冲信号 GPIO0输入连接电建 用于清除蜂鸣器报警信号 GPIO7输入采集摄像头提供HREF信号 GPIO28输出串口通信的TXD GPIO29输入串口通信的RXD 在给出软件设计框图之前 本文先对CMOS图像采集系统工作原理进行解释 以便于软件的理解 摄像头一上电 便不断有中断信号和图像信号输出 其中 每一帧图像到来开始前 VSYN都会有脉冲信号 如下图 可以通过捕捉VSYN 的上升沿来判断一帧图像的到来 在默认情况下 摄像头采集图像分辨率为356 292 在CMOS图像采集系统中 当ENW控制信号被置高时 系统中的FIFO便会自动地开始读取摄像头输出的数 据 这样 图像信息就会在FIFO缓存区中按顺序存储数据 如下图所示 由于缓冲区的存储空间有限 每一块8192 8bit 两块总共能够存储 16384 8bit 那么 在默认情况下FIFO中能够存储16384 356约为46行数据 另 一方面考虑到FIFO先入先出的特点 以免多余数据再次进入FIFO缓冲区中 需 要在第二次VSYN信号到来时将ENW信号置低 屏蔽图像信息向缓冲区内写入 当CMOS采集的数据信息写到FIFO中后 核心开发板可以简单地通过控制RD信号 来将灰度信号读入 时序如下图所示 DSP核心开发板软件代码主要由外设资源初始化模块 核心处理模块 中断 响应模块 图像扫描分析模块 串口通信以及警报控制模块组成 针对上述所 用到的开发板中引脚资源进行外设资源的初始化 以便为主程序中的各个模块 提供服务 核心处理模块是程序运算的核心 对系统待机和处理工作进行不同 状态的区别 保证系统正常运行以及低功耗的需求 中断响应模块是核心开发 板与COMS图像采集系统通信的关键 其中包括VSYN和HREF两个中断源 准 确对每一幅图像到来以及一幅图像每行信息到来进行识别 有助于主程序进行 图像分析处理 另一方面也能减少对系统存储空间的需求 图像扫描分析模块 是整个应用的核心 完成对条纹信息的识别以及计算得出当前甲烷浓度信息 串口通信以及警报控制模块是甲烷检测仪系统更加完善 以此达到精准控制的 目的 串口通信为DSP核心板和PC通信提供可能 使得核心开发板采集到的甲 烷浓度信息实时传输到PC端 并且以曲线图的方式进行实时绘制 警报模块主 要运用TMS320F28027提供的高效ePWN波来控制蜂鸣器报警 上图给出了核心开发板的软件流程框图 在对是否采集到有效图像进行判 断时 本文给出详细说明 如下图所示 本文中一帧图像采集的过程在两个VSYN的时间间隔内完成 第一个VSYN 作为图像到来的起始时刻 第二个VSYN作为一帧图像采集完成的标志 在两 个VSYN的时间段内会有几百个HREF上升沿信号 HREF的中断源在第一个 VSYN信号到来后被允能 为节省核心开发板的存储空间 本文只对有限范围 内的图像区域进行采集 即包括条纹信息的一段区域 图中检测第n个HREF信 号到来时刻后置高ENW便开始向FIFO中写入摄像头采集到的像素信息 n意味 从第n行开始采集像素信息 本系统中的FIFO采集大约40行摄像头拍摄的图像 信息 在系统实现过程中 核心开发板读取图像信息过程并没有放在 采集有效 图像判断 过程中 主要是考虑到摄像头采集图像信息速度较快 FIFO的读写 速度足以满足其要求 算法部分 算法部分 下图为干涉条纹的白基线打在线阵CMOS光敏面上时视频信号放大后的示意 图 白基线条纹 从图中的视频信号可以看出 白基线这样很细小的条纹 在CMOS的象素点 上仍有一定的尺度 一般覆盖几个至十几个光敏元 因而条纹中心光敏元位置 的检测算法便成为应用的关键技术 检测算法的精度 速度直接影响光学测量 的精度和速度 CMOS采集输出的是8位256阶的灰度图 0 255代表像素的灰度值 0为全黑 255为纯白 由甲烷浓度的算法方程可知计算甲烷浓度的关键是找到纯净空气干 涉条纹的白基线 0级亮纹 位置A 白基线两边零级暗纹的位置B C 以及混 合甲烷气体的干涉条纹的白基线位置D 参与计算的是白基线的位置变化与条 纹间距的比值 即 D A B C 由于面阵CMOS的像素位置是整齐排列的 因而 可以以像素点的位置代表A B C D点的位置 求得相对比值 那么图像处 理实际上就是在一个二维数组上寻找到A B C D 干涉条纹有明显的带状分布 而且白基线是最亮的部分 最亮的部分实际 上是有很多像素组成的 为了降低计算量 我们将面阵CMOS的简化为线阵 CMOS 即将一副图抽样若干行 独立求得各行的白基线和0级暗纹的位置 然后 再对求得相对距离计算平均值 求相对值的平均值 是因为采集的灰度图干涉 条纹并不是严格垂直水平线的 为了进一步降低误差 实际中每次采样中 不止采样一副灰度图 若干幅 图再求均值 使结果更接近真实值 在每行的运算中 由于条纹相同颜色部分是有很多像素构成的 要寻找到 一个亮纹带或暗纹带的中间位置 我们采用的方法是 把条纹的带区分出来 然后对各个带求均值 比较各个带的均值 最大者就是白基线 该带的中间值 就是白基线的位置 其相邻带就是0级暗纹 从而也得到其位置 所以对一张纯 净空气的采集图样的处理函数的流程图如下 开始 图像image 取样行数限制N 取样第n行 n 0 nshakei N ishake N j i N Y Y j N j i 2 结束 Y 条纹区分流程图 PC 终端显示 终端显示 为了动态的显示甲烷浓度 本设计将定时监控得到的甲烷浓度值通过串口 传给 PC 进行直观的显示 界面程序采用 Borland C 6 0 编写 主要使用的控件有串口控件 Victor YbCommDevice 定时控件 Timer 和图 像控件 Image 以及一些必