摘 要：氣體與我們的生活息息相關(guān)，在對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)的眾多方法中，紅外氣體分析法是一種精確又實(shí)惠的方法。但是目前由于多種原因，我國(guó)的紅外氣體分析方面的技術(shù)還比較落后，大多精密大型的紅外氣體分析裝置都依賴(lài)進(jìn)口。本問(wèn)探討了一種新型的紅外氣體分析裝置硬件方面的設(shè)計(jì)。它包括：光源、模數(shù)轉(zhuǎn)換、光電探測(cè)器、DSP系統(tǒng)、串行通信界面以及液晶顯示模塊等部分的設(shè)計(jì)。
　　關(guān)鍵詞：新型 紅外氣體 分析裝置 硬件設(shè)計(jì)
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TH744.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-3791（2012）09（a）-0017-02
　　在我們的生產(chǎn)生活中，氣體無(wú)處不在，與我們生活息息相關(guān)。氣體的檢測(cè)對(duì)工業(yè)的生產(chǎn)、能源的利用、環(huán)境的監(jiān)測(cè)以及對(duì)安全的控制等都有重要意義。目前，在對(duì)氣體檢測(cè)的眾多方法中，紅外氣體分析法以自身較高的分辨率、精確的測(cè)量、耗費(fèi)較低以及簡(jiǎn)單的操作等優(yōu)點(diǎn)，受到了人們的青睞，成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的氣體分析方法。
　　目前，我國(guó)由于資金技術(shù)等方面的原因，紅外氣體分析儀器相關(guān)方面的發(fā)展比較落后，大部分精密、大型的紅外氣體分析裝置儀器都依賴(lài)于從國(guó)外進(jìn)口，而在國(guó)內(nèi)只有很少的幾家工廠能夠生產(chǎn)紅外氣體分析裝置儀器。國(guó)內(nèi)的紅外氣體分析儀器多數(shù)是用鎳鉻絲作為輻射源，精確度不是很高，并且在防震、密封以及可靠性等多方面都有不少缺陷。文本介紹的是一種新型的紅外氣體分析裝置的硬件設(shè)計(jì)。這個(gè)裝置使用的是電調(diào)制脈沖紅外光源和四元熱電堆探測(cè)器，處理器是TMS320F240 DSP，顯示器是圖形液晶顯示型模型。這種新型的裝置可以同時(shí)測(cè)量氣體中的一氧化碳、二氧化碳以及碳?xì)浠衔锶N成分的濃度，使用起來(lái)也很簡(jiǎn)單方便，而且精確度比較高，穩(wěn)定性較好，抗干擾能力也比較強(qiáng)。下面，本文就對(duì)這種新型分體分析裝置的硬件設(shè)計(jì)方面展開(kāi)分析探討。
　　1 傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　1.1 光源以及驅(qū)動(dòng)電路
　　選擇合適的紅外光源，首先要考慮到光源發(fā)光的波長(zhǎng)要覆蓋全部待測(cè)氣體的吸收波長(zhǎng)，其次還是注意光源的功率要大一些，以方便使用。綜合各個(gè)方面的因素，新型紅外氣體分析裝置設(shè)計(jì)選擇的是IRL715紅外線光源。因?yàn)檫@種光源的的可靠性比較高，壽命將達(dá)到40000h，輸出功率將達(dá)500mW，完全可以滿(mǎn)足分析二氧化碳、一氧化碳以及碳?xì)浠衔锏男枰Ｎ覀冎?，紅外探測(cè)儀對(duì)光強(qiáng)變化是十分敏感的，但是對(duì)光的絕對(duì)強(qiáng)度卻不那么敏感，因此我們要調(diào)制紅外光源。本文介紹的新型紅外氣體分析裝置，通過(guò)微處理器輸出PWM來(lái)操控紅外光源脈動(dòng)式開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。
　　1.2 熱電推探測(cè)儀
　　這種新型的紅外氣體分析裝置的探測(cè)儀選用的是生產(chǎn)自德國(guó)Perkinelmer公司的TPS4339四元熱電堆探測(cè)儀。這種傳感器是專(zhuān)門(mén)為了分析多組份氣體而設(shè)計(jì)的。其中的四個(gè)單元中的每一個(gè)都裝置了中心波長(zhǎng)是4.43μm、4.66μm、3.46μm、3.93μm的窄帶干涉型濾光片。其中的4.43μm、4.66μm、3.46μm分別對(duì)應(yīng)的是二氧化碳、一氧化碳以及碳?xì)浠衔锏奶卣魑詹ㄩL(zhǎng)。3.93μm是一個(gè)參考波長(zhǎng)，在這個(gè)參考波長(zhǎng)段內(nèi)，二氧化碳、一氧化碳、以及碳?xì)浠衔锒紵o(wú)吸收峰，因此用它來(lái)作參考，可以消除由于雜散氣體吸收以及光源光強(qiáng)波動(dòng)帶來(lái)的干擾，與此同時(shí)，這種探測(cè)儀還自帶了一個(gè)有很高精確度的熱敏電阻，這就可以用來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度。
　　1.3 信號(hào)調(diào)理電路
　　由于熱電堆產(chǎn)生十分微弱的電壓信號(hào)不能滿(mǎn)足需要，因此我們必須對(duì)它作進(jìn)一步處理。我們知道，熱電堆的內(nèi)阻約55kΩ，然而輸出的電壓又比較小，因此就必須要使用低失調(diào)、低漂移、以及高輸阻抗的前置放大器。對(duì)此我們選用的是Intersil Harris公司出產(chǎn)的ICL7650，它是采用CMOS技術(shù)研制的斬波穩(wěn)零高精確度的運(yùn)算放大器，它的輸入電阻是1012Ω，輸入的失調(diào)電壓為1μV，失調(diào)電壓的溫漂系數(shù)是0.01μV/℃，同時(shí)它還具有自動(dòng)穩(wěn)零優(yōu)點(diǎn)，這是其他高阻抗運(yùn)放不能達(dá)到的。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中，為了確保放大器的精確度，記憶電容選取了漏電流小和阻抗高的聚脂薄膜型電容，選用了精確度為0.1%，溫漂是50ppm/℃的金屬膜電阻作為增益電阻。
　　2 微處理器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
　　紅外氣體分析裝置的核心是微處理器系統(tǒng)。它是完成氣體分析裝置的功能設(shè)定、選擇測(cè)量對(duì)象、采集處理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、顯示測(cè)量結(jié)果和上位機(jī)數(shù)據(jù)通訊的重要裝置。它的硬件部分主要有DSP以及A/D轉(zhuǎn)化器、串行通信模塊和液晶顯示模塊的界面路線。下面，我們對(duì)此進(jìn)行分析探討。
　　2.1 DSP系統(tǒng)
　　相較于一般的MCS96和MCS51i系列的單片機(jī)來(lái)說(shuō)，TI公司研發(fā)的TMS320C2000系列的16位定點(diǎn)DPS具有較快的處理速度、更加靈活的指令系統(tǒng)、更好的抗干擾能力以及更加豐富的片外設(shè)計(jì)。本文介紹的新型紅外氣體分析裝置采用的是TMS320F240，它主要有以下優(yōu)點(diǎn)。
　　經(jīng)過(guò)改進(jìn)的結(jié)構(gòu)以及50ns的周期指令；擁有強(qiáng)大功能的指令系統(tǒng)，有單指令的重復(fù)操作、單周期的加法/乘法指令，以及專(zhuān)于FFT的間接尋址功能。片內(nèi)有544字的雙口RAM、16K字的閃存Flash。擁有3個(gè)16位通用版定時(shí)器以及12個(gè)比較/PWM通道。有28個(gè)獨(dú)立地可編程多路復(fù)用的I/O引腳?？撮T(mén)狗（WD）以及實(shí)行中斷（RTI）有SCI異步串行通信界面以及SPI同步串行外設(shè)界面支持JTAG硬件的仿真，方便程序下載以及調(diào)試。
　　2.2 A/D轉(zhuǎn)換器
　　雖然F240 DSP的片內(nèi)集成了模擬多路的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)以及帶采樣的保持電路設(shè)計(jì)的雙十位A/D轉(zhuǎn)換器，但是為了更加完美精確度的設(shè)計(jì)，我們外擴(kuò)了一個(gè)A/D的轉(zhuǎn)換芯片MAX1270。這是12位的多條通道的串行模擬轉(zhuǎn)換器，它的內(nèi)部設(shè)置有8個(gè)通道的寬帶跟蹤、多路轉(zhuǎn)換器、串行界面。它的四線制的串行界面可以不通過(guò)外部邏輯就可以直接和SPI相連接，而且它的串行選通的輸出允許和TMS320的DSP相連接，因而對(duì)于界面的處理十分簡(jiǎn)單。對(duì)于微處理器的接口有直接訪問(wèn)與間接控制兩種形式。
　　2.3 液晶顯示器以及串口擴(kuò)展電路
　　這種新型的紅外氣體分析裝置的液晶顯示器是由北京精電蓬遠(yuǎn)公司研制的VPG12864液晶顯示模塊，這種模塊內(nèi)部設(shè)置了T6963C控制器，實(shí)現(xiàn)了同列驅(qū)動(dòng)器、行驅(qū)動(dòng)器、以及顯示緩沖區(qū)的RAM的界面。同時(shí)用硬件構(gòu)建了液晶屏的單雙屏結(jié)構(gòu)、用數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞斤@示窗口的長(zhǎng)度及寬度等等。所以，它外部的界面十分簡(jiǎn)單，使用起來(lái)非常的方便，大大提高了我們的工作效率。
　　在現(xiàn)代化的測(cè)量系統(tǒng)中，為了對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深層次的分析和儲(chǔ)存，這就要求測(cè)量的系統(tǒng)要和上位機(jī)進(jìn)行通信。因?yàn)镕240自身具備了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信界面即SCI，我們只需要用電平轉(zhuǎn)換芯片就能實(shí)現(xiàn)與其他的計(jì)算以及設(shè)備之間的異步串行通信。這種新型的設(shè)計(jì)采用了MAX232的界面芯片，可以通過(guò)RS-232的串行標(biāo)準(zhǔn)接口的總線和PC機(jī)實(shí)現(xiàn)異步通信。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]張長(zhǎng)江，丁萬(wàn)山.一種新型紅外氣體分析裝置的硬件設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶(hù)，2004，11（5）：23-25.
　　[2]周紹榮，杜朝輝，陳漢平，等.艦船排氣系統(tǒng)紅外抑制裝置的湍流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分析[J].紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2000，19（2）：134-138.
　　[3]王浩川，張志強(qiáng).CH4氣體濃度分布式監(jiān)控系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2009，29（3）：705-709.
　　[4]張耀文.機(jī)車(chē)閘瓦測(cè)溫原理及應(yīng)用研究[D].西南交通大學(xué)，2006.
　　[5]汪金積.基于寬帶網(wǎng)絡(luò)的智能社區(qū)信息監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[D].華東理工大學(xué)，2002.
　　[6]常勝.大型發(fā)電機(jī)組專(zhuān)用故障記錄與分析裝置的研制[D].西安交通大學(xué)，200