夏 明，魏東興，姜 濤

(1.大連理工大學 信息與通信工程學院，遼寧 大連116024;2.大連歐瑞自動化有限公司，遼寧 大連116023)

0 引 言

在工業(yè)和民用領域中，如電力、機械制造、煉油、化工、輕工及供熱供暖等行業(yè)需要采用以燃油、燃氣或煤炭為燃料的熱能設備［1］。當此類設備處于點火不成功或意外熄滅狀態(tài)時，若未及時停止投送燃料，再次點火時，可能引起爆炸，造成重大安全生產(chǎn)事故。因此，對熱能設備燃燒狀態(tài)的有效檢測至關重要。燃燒狀態(tài)的檢測手段以火焰檢測為主，目前的火焰檢測方式主要有:溫度檢測、圖像檢測、紅外檢測、可見光檢測及紫外線檢測等［2］。其中，溫度檢測和圖像檢測分別基于溫度傳感器和圖像傳感器，紅外、可見光及紫外檢測則采用光電器件作為敏感元件，與溫度和圖像傳感器相比，光電器件以其響應速度快，硬件電路簡單，成本低，容易實現(xiàn)，體積小，在火焰檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應用。

基于光電器件檢測火焰的參量主要有火焰強度和火焰頻率，分別對應于火焰信號的“直流分量”和“交流分量”［3］?；鹧鎻姸却砹嘶鹧娴牧炼刃畔?，火焰強度值大于設定閾值，作為”“有火”的必要條件之一，該條件可以濾除強度相對恒定的背景光干擾，提高可靠性;而火焰頻率反映了火焰的脈動變化特征，當火焰頻率大于設定閾值作為“有火”必要條件之二，當上述兩個條件都滿足時，則表示“有火”。強度信息可以用火焰信號的統(tǒng)計平均值表示，頻率信息則需要對火焰信號進行頻域分析。

本系統(tǒng)前端采用光電管作為火焰信號檢測敏感元件，使用多級放大器結合多路ADC 通道，用成本低廉、可靠性高的單片機(micro controller unit，MCU)實現(xiàn)自適應增益調整和信號處理，并完成了512 點的定點快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)運算，系統(tǒng)軟件設計采用匯編語言完成，以提高代碼的執(zhí)行效率和相關硬件邏輯的可靠控制及系統(tǒng)資源的自主分配，保證了運算的實時性。

1 火焰檢測系統(tǒng)的基本組成

火焰檢測系統(tǒng)的信號檢測部分由信號采集單元和處理單元構成，如圖1 所示。信號采集單元將光電器件輸出的火焰信號通過有源帶限(低通)濾波、多級信號放大、多通道ADC，多通道ADC 是由MCU 內部自帶的多路ADC 單元實現(xiàn)，由MCU 對ADC 結果進行相應的處理，其中，多級信號放大結合多通道ADC 實現(xiàn)自適應增益調整功能。

圖1 火焰檢測系統(tǒng)框圖Fig 1 Block diagram of flame detection system

1.1 有源帶限濾波

研究表明:各種火焰閃爍頻率范圍處于2 ～600 Hz［4］或100 Hz ～1 kHz［5］之間。通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的分析，熱能設備的火焰頻率分量主要集中于200 Hz 內，本系統(tǒng)的信號頻率上限fH=200 Hz，奈奎斯特采樣頻率為2fH=400 Hz。因此，采樣前的防混疊濾波器的截止頻率為fH，該濾波器可使用阻容器件結合運算放大器構成的有源帶限濾波器實現(xiàn)，除了防止采樣混疊外，還可以濾除高頻干擾噪聲。

1.2 自適應增益調整

自適應增益調整的目的是為了增大火焰檢測的輸入動態(tài)范圍，即小信號能獲得足夠的靈敏度，輸入大信號時系統(tǒng)不會飽和，以適應各種火焰信號檢測應用場合。自適應增益調整電路由多級放大器和多通道ADC 組成，各級放大器的輸出分別接到一個ADC 通道上。

圖1 中，第一級放大器增益A1和ADC1對應于大信號輸入的數(shù)據(jù)采集，而第M 級放大器增益AM和ADCM對應于小信號的輸入采集，MCU 根據(jù)輸入信號的大小動態(tài)切換ADC 通道，實現(xiàn)增益的自適應調整。增益動態(tài)調整如式(1)所示

式中 gJ為前J 級放大器的總增益;Ai為第i 級放大器的增益;J 為ADC 值sin滿足范圍條件對應的放大器級數(shù)，即

式中 smax和smin分別為ADC 通道切換的上下限。

根據(jù)式(2)可以計算出M 級放大器的動態(tài)范圍為

設ADC 的輸入最小值為smin，最大值為smax，根據(jù)式(3)可以算出ADC 的動態(tài)范圍為

則自適應增益調整電路總動態(tài)范圍為

2 火焰信號的采集和處理

火焰檢測系統(tǒng)對火焰信號的處理流程如圖2 所示。

圖2 火焰信號的處理流程Fig 2 Flow chart of flame signal processing

信號處理主要完成三個功能:自適應增益調整、火焰信號參量的計算和火焰狀態(tài)的判決。其中，自適應增益調整根據(jù)式(1)實現(xiàn)，火焰狀態(tài)可通過計算ADC 采樣信號統(tǒng)計平均值和頻率分量獲得。判決規(guī)則為火焰強度I 和火焰頻率F 均大于設定的閾值，認為火焰信號正常，即，“有火”。

2.1 采樣窗口長度和采樣頻率

采樣窗口的時長決定了采樣頻率分辨率，窗口時長與分辨率呈反比，本系統(tǒng)的頻率分辨率設定為1 Hz，則窗口長度為1 s，采樣頻率應大于奈奎斯特采樣頻率，故采樣頻率fs=512 Hz，即在1 s 內采樣點數(shù)為512 個，以方便FFT 計算。

2.2 計算火焰強度

設ADC 的輸入值為s(n)，n=0，1，2，…，N－1，N 為采樣點數(shù)?；鹧鎻姸染褪沁@N 個AD 值的均值，即

當前的火焰強度與設置的火焰強度閾值的比較結果作為當前火焰狀態(tài)判決條件之一。

2.3 計算火焰頻率

計算火焰頻率的過程主要是通過對信號頻率分量進行統(tǒng)計實現(xiàn)的，即對信號進行傅里葉變換，可用FFT 實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，考慮到MCU 的內部資源和運算速度，F(xiàn)FT 計算過程采用定點運算實現(xiàn)，因為定點數(shù)運算可以有效降低運算過程對RAM 存貯器容量的要求，同時，定點運算的速度遠高于浮點運算。所以，必須對采樣信號進行預處理。

2.3.1 去除直流分量

信號中的直流分量占有很大比例，為了防止采用定點運算的FFT 計算結果在零頻率值溢出，需要將直流分量去除，對余下的交流分量進行FFT 運算，可以有效減小運算中間結果的數(shù)值，保證計算過程不出現(xiàn)數(shù)值溢出的情況。

2.3.2 旋轉因子的定點化和存儲

由FFT 運算過程中需要計算旋轉因子，即

如果實時的計算旋轉因子，會消耗RAM 空間和計算時間。因此，預先將旋轉因子中的實部cos(2πk/N)和虛部sin(2πk/N)計算出來，并在允許的精度范圍內用定點數(shù)表示，這里保留16 位(2 字節(jié))有效位，如式(8)和式(9)所示

與512 個采樣點相對應，旋轉因子總共需要占用2048 個字節(jié)的空間，該空間可以定義在程序存貯器(ROM)中作為一個查找表(look up table，LUT)，節(jié)省了MCU 的RAM 空間開銷。進行FFT 計算時，直接通過LUT 獲得旋轉因子的實部和虛部，簡化了計算過程，提高了計算速度。

2.3.3 碼位倒置

為了使FFT 運算結果依正序輸出，需要將FFT 要計算數(shù)據(jù)進行碼位倒置。將ADC 值s(n)的序號n 用9 位二進制數(shù)表示，對應與512 個采樣點，對這些二進制數(shù)進行位順序反轉，即可得到新序號，例如:(b0b1b2b3b4b5b6b7b8)變換為(b8b7b6b5b4b3b2b1b0)。倒置后的序號存放到ROM 中一個長度為1 024 個字節(jié)的LUT 中，在FFT 運算過程中，可以通過查表將AD 值按照該LUT 中的序號排好，實現(xiàn)火焰信號數(shù)據(jù)順序的倒序，節(jié)省計算時間。

2.3.4 FFT 運算

FFT 運算主要是計算蝶形運算單元，第m 級蝶形單元如式(10)所示［6］

式中 k=0，1，2，…，2m－1。

N(2L)個點的FFT 共有L 級蝶形，在每一級的蝶形圖當中共有2L－1個旋轉因子，并且每一級共有N/2L個蝶形組。每個蝶形組中根據(jù)每一個旋轉因子都會進行一次蝶形運算，因此，每一級的蝶形運算的個數(shù)共有2L－1×N/2L個，即N/2 個蝶形運算。

FFT 運算的基本思想是利用三層循環(huán)來完成的［7］:第一層循環(huán)是對蝶形圖級數(shù)L 的控制;第二層循環(huán)是根據(jù)第一層循環(huán)提供的級數(shù)來對旋轉因子個數(shù)2L－1進行控制;第三層循環(huán)是根據(jù)第二層循環(huán)提供的每一個旋轉因子進行一次N/2L個蝶形運算，第二層循環(huán)共2L－1次，因此，每一級的蝶形運算的個數(shù)為N/2。

在計算過程中，每進行一次蝶形結點與旋轉因子相乘后，都要對其結果右移15 次，如式(11)所示

式中 q 為參與本次蝶形運算的結點序號。經(jīng)過三層循環(huán)的計算后，完成FFT 計算。

2.3.5 獲得火焰頻率

FFT 的運算結果是N 個復數(shù)的集合，其中每個復數(shù)對應一個頻率點，第n 個頻率點的頻率為

火焰頻率的計算是對FFT 結果中每個頻點進行求模運算，即求信號頻譜的幅頻特性，然后從N 個幅值中找到最大值，其對應的頻率就是當前火焰信號的頻率，作為當前火焰狀態(tài)判決條件之二。

3 電路實驗結果與分析

3.1 電路主要參數(shù)與實驗條件

本系統(tǒng)采用的核心器件是Atmel 公司的AVR 系列單片機中的ATmega64L 芯片，系統(tǒng)時鐘頻率為8 MHz，放大器級數(shù)M=6，采用兩片四運放芯片LM2902 實現(xiàn)，ADC 通道M=6，每級放大器增益為Ai=2，ADC 通道切換閾值為smin=10，smax=1 023，根據(jù)式(5)可計算出系統(tǒng)的動態(tài)范圍G=76 dB;采樣時間為1 s;采樣點數(shù)N=512;采樣頻率fs=512 Hz;ADC 采樣值為10 位，用兩個字節(jié)表示，共占用1 024 字節(jié)RAM 空間;每個定點FFT 計算結果采用4 字節(jié)表示，實部、虛部分別占2 字節(jié)，一共需要2 048 字節(jié)，總RAM 使用空間為3 000 字節(jié)左右。系統(tǒng)的火焰參量計算刷新時間為1 s。

3.2 火焰頻率測量

為了驗證火焰檢測系統(tǒng)處理信號的結果，由火焰信號發(fā)生器提供100，150 Hz 的火焰測試信號，將MCU 進行FFT運算的結果數(shù)據(jù)取出，獲得兩個頻率的頻譜圖，如圖3 和圖4所示。

圖3 頻率為100 Hz 的火焰信號的頻譜分析Fig 3 Spectral analysis on flame signal on at frequency of 100 Hz

圖4 頻率為150 Hz 的火焰信號的頻譜分析Fig 4 Spectral analysis on flame signal on at frequency of 150 Hz

由圖3 和圖4 可知，零頻率分量較小，這是由于算法中消除了信號中的直流分量，有效避免了較大的直流分量在FFT 運算結果中產(chǎn)生溢出，兩圖中幅值最大的頻率分別為100，150 Hz，與輸入測試信號的頻率相同，說明本系統(tǒng)的頻率計算準確，并且圖中最大頻率分量對應的幅值約為2 400，8 000，均遠小于定點運算極值65 535，說明了本系統(tǒng)滿足定點FFT 運算的要求。

3.3 FFT 計算時間測量

本系統(tǒng)信號處理過程中最耗時的是FFT 運算，因此，有必要對其運行時間進行測量。當FFT 計算開始時，將一個通用IO 口輸出高電平，當計算結束時，輸出低電平，形成一個脈沖，通過用示波器測量該脈沖的寬度，測得在MCU時鐘為8 MHz 下的FFT 運算時間大約為300 ms，只占刷新時間的30%。

4 結束語

本文設計了一種基于8 位AVR 單片機的火焰檢測系統(tǒng)的信號處理方法。硬件放大處理電路結合多路ADC 通道實現(xiàn)了自適應增益調整，并獲得較大的輸入動態(tài)范圍;對火焰信號進行統(tǒng)計平均求取火焰強度;利用定點化和查表法簡化了FFT 運算并計算出火焰頻率，這樣，通過前文所述的兩個火焰判決條件就可以判斷出當前的火焰狀態(tài);系統(tǒng)時鐘為8 MHz 時，可在300 ms 內完成512 點FFT 運算，頻率分辨率為1 Hz。本火焰檢測系統(tǒng)可用于檢測不同類型的火焰信號，具有動態(tài)范圍大、實時性強、可靠性高的特點。

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