探讨一种新型红外气体分析装置的硬件设计

　　摘 要：气体与我们的生活息息相关，在对气体进行检测的众多方法中，红外气体分析法是一种精确又实惠的方法。但是目前由于多种原因，我国的红外气体分析方面的技术还比较落后，大多精密大型的红外气体分析装置都依赖进口。本问探讨了一种新型的红外气体分析装置硬件方面的设计。它包括：光源、模数转换、光电探测器、DSP系统、串行通信界面以及液晶显示模块等部分的设计。
　　关键词：新型 红外气体 分析装置 硬件设计
　　中图分类号：TH744.41文献标识码：A文章编号：1672-3791（2012）09（a）-0017-02
　　在我们的生产生活中，气体无处不在，与我们生活息息相关。气体的检测对工业的生产、能源的利用、环境的监测以及对安全的控制等都有重要意义。目前，在对气体检测的众多方法中，红外气体分析法以自身较高的分辨率、精确的测量、耗费较低以及简单的操作等优点，受到了人们的青睐，成为当前应用最为广泛的气体分析方法。
　　目前，我国由于资金技术等方面的原因，红外气体分析仪器相关方面的发展比较落后，大部分精密、大型的红外气体分析装置仪器都依赖于从国外进口，而在国内只有很少的几家工厂能够生产红外气体分析装置仪器。国内的红外气体分析仪器多数是用镍铬丝作为辐射源，精确度不是很高，并且在防震、密封以及可靠性等多方面都有不少缺陷。文本介绍的是一种新型的红外气体分析装置的硬件设计。这个装置使用的是电调制脉冲红外光源和四元热电堆探测器，处理器是TMS320F240 DSP，显示器是图形液晶显示型模型。这种新型的装置可以同时测量气体中的一氧化碳、二氧化碳以及碳氢化合物三种成分的浓度，使用起来也很简单方便，而且精确度比较高，稳定性较好，抗干扰能力也比较强。下面，本文就对这种新型分体分析装置的硬件设计方面展开分析探讨。
　　1 传感器系统的设计
　　1.1 光源以及驱动电路
　　选择合适的红外光源，首先要考虑到光源发光的波长要覆盖全部待测气体的吸收波长，其次还是注意光源的功率要大一些，以方便使用。综合各个方面的因素，新型红外气体分析装置设计选择的是IRL715红外线光源。因为这种光源的的可靠性比较高，寿命将达到40000h，输出功率将达500mW，完全可以满足分析二氧化碳、一氧化碳以及碳氢化合物的需要。我们知道，红外探测仪对光强变化是十分敏感的，但是对光的绝对强度却不那么敏感，因此我们要调制红外光源。本文介绍的新型红外气体分析装置，通过微处理器输出PWM来操控红外光源脉动式开关，从而达到对光强的调制。
　　1.2 热电推探测仪
　　这种新型的红外气体分析装置的探测仪选用的是生产自德国Perkinelmer公司的TPS4339四元热电堆探测仪。这种传感器是专门为了分析多组份气体而设计的。其中的四个单元中的每一个都装置了中心波长是4.43μm、4.66μm、3.46μm、3.93μm的窄带干涉型滤光片。其中的4.43μm、4.66μm、3.46μm分别对应的是二氧化碳、一氧化碳以及碳氢化合物的特征吸收波长。3.93μm是一个参考波长，在这个参考波长段内，二氧化碳、一氧化碳、以及碳氢化合物都无吸收峰，因此用它来作参考，可以消除由于杂散气体吸收以及光源光强波动带来的干扰，与此同时，这种探测仪还自带了一个有很高精确度的热敏电阻，这就可以用来测量环境温度。
　　1.3 信号调理电路
　　由于热电堆产生十分微弱的电压信号不能满足需要，因此我们必须对它作进一步处理。我们知道，热电堆的内阻约55kΩ，然而输出的电压又比较小，因此就必须要使用低失调、低漂移、以及高输阻抗的前置放大器。对此我们选用的是Intersil Harris公司出产的ICL7650，它是采用CMOS技术研制的斩波稳零高精确度的运算放大器，它的输入电阻是1012Ω，输入的失调电压为1μV，失调电压的温漂系数是0.01μV/℃，同时它还具有自动稳零优点，这是其他高阻抗运放不能达到的。我们在设计中，为了确保放大器的精确度，记忆电容选取了漏电流小和阻抗高的聚脂薄膜型电容，选用了精确度为0.1%，温漂是50ppm/℃的金属膜电阻作为增益电阻。
　　2 微处理器系统的设计
　　红外气体分析装置的核心是微处理器系统。它是完成气体分析装置的功能设定、选择测量对象、采集处理存储数据、显示测量结果和上位机数据通讯的重要装置。它的硬件部分主要有DSP以及A/D转化器、串行通信模块和液晶显示模块的界面路线。下面，我们对此进行分析探讨。
　　2.1 DSP系统
　　相较于一般的MCS96和MCS51i系列的单片机来说，TI公司研发的TMS320C2000系列的16位定点DPS具有较快的处理速度、更加灵活的指令系统、更好的抗干扰能力以及更加丰富的片外设计。本文介绍的新型红外气体分析装置采用的是TMS320F240，它主要有以下优点。
　　经过改进的结构以及50ns的周期指令；拥有强大功能的指令系统，有单指令的重复操作、单周期的加法/乘法指令，以及专于FFT的间接寻址功能。片内有544字的双口RAM、16K字的闪存Flash。拥有3个16位通用版定时器以及12个比较/PWM通道。有28个独立地可编程多路复用的I/O引脚。看门狗（WD）以及实行中断（RTI）有SCI异步串行通信界面以及SPI同步串行外设界面支持JTAG硬件的仿真，方便程序下载以及调试。
　　2.2 A/D转换器
　　虽然F240 DSP的片内集成了模拟多路的转换开关以及带采样的保持电路设计的双十位A/D转换器，但是为了更加完美精确度的设计，我们外扩了一个A/D的转换芯片MAX1270。这是12位的多条通道的串行模拟转换器，它的内部设置有8个通道的宽带跟踪、多路转换器、串行界面。它的四线制的串行界面可以不通过外部逻辑就可以直接和SPI相连接，而且它的串行选通的输出允许和TMS320的DSP相连接，因而对于界面的处理十分简单。对于微处理器的接口有直接访问与间接控制两种形式。
　　2.3 液晶显示器以及串口扩展电路
　　这种新型的红外气体分析装置的液晶显示器是由北京精电蓬远公司研制的VPG12864液晶显示模块，这种模块内部设置了T6963C控制器，实现了同列驱动器、行驱动器、以及显示缓冲区的RAM的界面。同时用硬件构建了液晶屏的单双屏结构、用数据传输的方式显示窗口的长度及宽度等等。所以，它外部的界面十分简单，使用起来非常的方便，大大提高了我们的工作效率。
　　在现代化的测量系统中，为了对数据进行更深层次的分析和储存，这就要求测量的系统要和上位机进行通信。因为F240自身具备了一个标准的数字通信界面即SCI，我们只需要用电平转换芯片就能实现与其他的计算以及设备之间的异步串行通信。这种新型的设计采用了MAX232的界面芯片，可以通过RS-232的串行标准接口的总线和PC机实现异步通信。
　　参考文献
　　[1]张长江，丁万山.一种新型红外气体分析装置的硬件设计[J].仪器仪表用户，2004，11（5）：23-25.
　　[2]周绍荣，杜朝辉，陈汉平，等.舰船排气系统红外抑制装置的湍流场及温度场分析[J].红外与毫米波学报，2000，19（2）：134-138.
　　[3]王浩川，张志强.CH4气体浓度分布式监控系统研究与设计[J].核电子学与探测技术，2009，29（3）：705-709.
　　[4]张耀文.机车闸瓦测温原理及应用研究[D].西南交通大学，2006.
　　[5]汪金积.基于宽带网络的智能社区信息监控系统的研究与开发[D].华东理工大学，2002.
　　[6]常胜.大型发电机组专用故障记录与分析装置的研制[D].西安交通大学，200