陳 燕，王曉榮，張進(jìn)明，孔德鴻，張 磊

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

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基于DSP的動(dòng)態(tài)智能配氣儀的設(shè)計(jì)

陳 燕，王曉榮，張進(jìn)明，孔德鴻，張 磊

(南京工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

針對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)配制標(biāo)準(zhǔn)氣的設(shè)備大多采用開(kāi)環(huán)控制、控制精度較差的現(xiàn)狀，在結(jié)合氣體質(zhì)量流量控制器原理、紅外氣體檢測(cè)原理、模糊PID控制原理等理論基礎(chǔ)上，構(gòu)建了以DSP TMS320F2812為主控芯片的動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并給出了紅外檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)、配氣過(guò)程中模糊PID的軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)整體的軟件設(shè)計(jì)。結(jié)果表明：此配氣儀配氣精度達(dá)1%，穩(wěn)定性良好、響應(yīng)快，且操作簡(jiǎn)單方便、體積小，可以實(shí)現(xiàn)任意低濃度標(biāo)準(zhǔn)氣的配制，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以推廣使用。

紅外氣體檢測(cè)；模糊PID；DSP；質(zhì)量流量；標(biāo)準(zhǔn)氣

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)氣體作為參考量，在工業(yè)上被廣泛用來(lái)校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x器，評(píng)價(jià)測(cè)量方法準(zhǔn)確度和檢驗(yàn)儀器檢測(cè)能力。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)氣體的配制大多是采用簡(jiǎn)單且可靠性高的靜態(tài)配氣法，但其成本高，技術(shù)步驟復(fù)雜嚴(yán)密，不適用于連續(xù)用氣的設(shè)備。針對(duì)這一現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)的配氣儀，該儀器以DSP為主控芯片，結(jié)合氣體質(zhì)量流量控制器的原理、紅外氣體檢測(cè)原理以及配氣過(guò)程的模糊PID控制原理，給出了一種閉環(huán)控制的便攜式智能配氣儀[1]的設(shè)計(jì)。

1 智能配氣系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體設(shè)計(jì)思路為，選用鋼瓶存儲(chǔ)的樣氣標(biāo)準(zhǔn)氣和稀釋標(biāo)準(zhǔn)氣作為2路源氣。比如：樣氣標(biāo)準(zhǔn)氣為一定濃度的CH4/N2，稀釋標(biāo)準(zhǔn)氣為高純度N2。2路源氣分別經(jīng)過(guò)過(guò)濾器后，與質(zhì)量流量控制器相連接，主控芯片通過(guò)數(shù)字通訊控制質(zhì)量流量控制器，從而對(duì)氣體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。氣體通過(guò)質(zhì)量流量控制器，在混合室進(jìn)行充分混合后，進(jìn)入紅外檢測(cè)氣室。此時(shí)，紅外氣體濃度檢測(cè)儀會(huì)根據(jù)此時(shí)的混合氣濃度，反饋給主控芯片一定的電壓信號(hào)，主控芯片再根據(jù)設(shè)定值與反饋值相比較，通過(guò)一定的控制算法實(shí)時(shí)調(diào)控兩路氣體流量，從而配制出一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣[1-2]。總體框圖如圖1所示。

圖1 智能配氣儀設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

采用Red-y Smart智能系列氣體熱式質(zhì)量流量控制器[2]，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是其卓越的高精度傳感器，快速響應(yīng)以及動(dòng)態(tài)的測(cè)量，另外其信號(hào)模式可以為數(shù)字信號(hào)模式，方便了配氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外Smart質(zhì)量流量控制器還可以控制多種氣體，如：N2、CO2、CO、N2O、H2和CH4等。

1.1 紅外氣體檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

紅外氣體濃度檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)主要包括紅外光源、紅外濾光片、檢測(cè)氣室、紅外傳感器、信號(hào)處理模塊、氣室溫控電路。

紅外氣體檢測(cè)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，紅外光源發(fā)出紅外光，經(jīng)紅外濾光片的濾透，進(jìn)入充滿了待測(cè)氣體的氣室，紅外光經(jīng)過(guò)氣體的吸收，最后到達(dá)紅外傳感器。紅外傳感器檢測(cè)得吸收后光能量的強(qiáng)度，從而反映了氣體吸收紅外光的強(qiáng)弱。由于紅外探測(cè)器輸出的信號(hào)非常微弱，需要經(jīng)過(guò)精密的前置放大電路和整流濾波電路，才能獲得穩(wěn)定信號(hào)，得到的信號(hào)和氣體濃度呈一定的關(guān)系。信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，送到主控芯片進(jìn)行控制處理。

1.2 主要硬件的選擇

1.2.1 DSP TMS320F2812簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)選用DSP芯片TMS320F2812[3]作為主控芯片。該芯片是一款用于控制領(lǐng)域的32位低功耗定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器，采用先進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)，將程序和數(shù)據(jù)存放在不同的存儲(chǔ)空間，每個(gè)存儲(chǔ)空間都可以獨(dú)立訪問(wèn)，而且程序總線和數(shù)據(jù)總線分開(kāi)，在處理速度和處理精度方面占有極大優(yōu)勢(shì)。它既具有數(shù)字信號(hào)處理能力，又具有強(qiáng)大的事件管理能力和嵌入式控制功能。該主芯片采用32位中央處理器，主頻可達(dá)150 MHz，CPU可尋址高達(dá)4G字的數(shù)據(jù)地址空間和4M字的程序地址空間；16通道高性能12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)提供了2個(gè)采樣保持器，可以實(shí)現(xiàn)雙通道信號(hào)同步采樣；具有2個(gè)事件管理器(EVA，EVB)，56個(gè)獨(dú)立的可編程、多用途通用I/O口(GPIO)。

1.2.2 紅外傳感器

紅外傳感器是紅外檢測(cè)系統(tǒng)中的核心元件，它將通過(guò)測(cè)量氣室的待測(cè)氣體吸收后剩余的光能轉(zhuǎn)換為某種形式的信號(hào)供測(cè)量使用。由于檢測(cè)的精度很大程度上取決于傳感器性能。系統(tǒng)采用PYS3228TC G20傳感器。該傳感器吸收峰銳利突出，吸收效果好，且其截止區(qū)域?qū)?，故是理想的紅外傳感器。

該傳感器的工作原理[4]：在中紅外波段，CH4、CO、H2、SO2、NO和CO2等非對(duì)稱雙原子和多原子分子都有特征吸收光譜區(qū)，當(dāng)紅外光通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，其分子就會(huì)有選擇性地吸收紅外輻射，也就是說(shuō)如果氣體吸收譜線在入射光譜范圍內(nèi)，那么光通過(guò)氣體以后，在相應(yīng)譜線波段處會(huì)發(fā)生光強(qiáng)的衰減，氣體對(duì)紅外輻射的吸收遵循Lamber-Beer定律：

I=I0e-KLc

(1)

式中:I為紅外光通過(guò)被測(cè)氣體后的光強(qiáng);I0為入射光的強(qiáng)度;L為輻射透過(guò)氣體層的厚度;c為氣體的濃度;K為吸收常數(shù)。

所以，當(dāng)氣室長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)，也就是氣體的厚度被定為L(zhǎng)。吸收常數(shù)K與氣體的特性有關(guān)，也就是說(shuō)當(dāng)被測(cè)氣體被確定時(shí)，吸收常數(shù)K也就被確定了。所以，氣體的濃度c只和I有關(guān)，只要測(cè)出I就可以確定氣體的濃度了。在這里I被轉(zhuǎn)換成了電壓信號(hào)，所以測(cè)出電壓信號(hào)就確定了氣體的濃度。

早在夏天，白玉兒為公公爛眼阿根哭得賊傷心，就有人說(shuō)東道西，張翔就跟白玉兒鬧，白玉兒一氣之下跟蘇秋琴走了；現(xiàn)在男人婆就地正法，吃了鋼花生，張翔去收尸前，找過(guò)白玉兒，要她一起回來(lái)給他娘辦喪事，但白玉兒死活不肯，她說(shuō)她已經(jīng)決定跟他離婚了，從此跟他們家渾身渾腦不搭界了。

1.3 主要檢測(cè)補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

1.3.1 前置放大電路的設(shè)計(jì)

紅外傳感器輸出的信號(hào)很微弱，必須放大后才能對(duì)其進(jìn)行處理。由于物理特性的原因，紅外傳感器的測(cè)量精度難以提高，為了使測(cè)量精度滿足要求，對(duì)前置放大電路的精度就要有較大的提高。如圖3所示，本設(shè)計(jì)采用放大器AD707和AD708構(gòu)建了二級(jí)放大電路。第一級(jí)選用放大器AD707，它適合于小信號(hào)的放大，具有低溫漂、低失調(diào)、高增益及高共模抑制比等特點(diǎn)，配合電阻反饋式放大電路使用，放大精度高，還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)放大，更好地滿足了本系統(tǒng)的性能要求。第二級(jí)放大器選用AD708放大器，其失調(diào)電壓漂移典型值為0.1 μV/℃，最大輸入偏置電流漂移為25 pA/℃，共模抑制比為130 dB。

圖3 前置放大電路

1.3.2 檢波整流電路的設(shè)計(jì)

如圖4所示，由加法運(yùn)算放大器與半波精密整流電路構(gòu)成了全波精密整流電路[5]。在半波精密整流電路中，當(dāng)Ui小于0時(shí)，AD708的輸出電壓大于0，二極管D8導(dǎo)通，D9截止，流過(guò)R43的電流為0，因此半波精密整流電路的輸出電壓UO1=0。當(dāng)Ui大于0時(shí)，AD708的輸出電壓小于0，二極管D8截止，D9導(dǎo)通，電路實(shí)現(xiàn)反向比例運(yùn)算，輸出電壓為UO1=-2Ui；在加法運(yùn)算放大器電路中UO=-(UO1+Uin)，當(dāng)Uin<0時(shí)，UO1=0，UO=-(0+Ui)=-Uin；當(dāng)Uin>0時(shí)，UO1=-2Uin，UO=-(-2Uin+Uin)=Uin。所以UO=|Uin|。由于輸出電壓等于輸入電壓的絕對(duì)值，從而此電路又被稱為絕對(duì)值整流電路。

圖4 檢波整流電路

1.3.3 溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)

圖5為檢測(cè)器的溫度補(bǔ)償電路，LM35的輸出電壓與攝氏溫度呈線形關(guān)系，0 ℃時(shí)輸出電壓為0 V，每升高1 ℃，輸出電壓增加10 mV，通過(guò)調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R64可以使得每升高1 ℃輸出電壓的變化范圍為0～10 mV。CON5的作用是調(diào)節(jié)正負(fù)溫度補(bǔ)償，即當(dāng)CON5的1腳和2腳連接時(shí)，U2輸出負(fù)電壓，當(dāng)CON5的1腳和2腳不連接時(shí)，U2輸出正電壓。在對(duì)整個(gè)儀器的調(diào)試基本完成后，需要對(duì)整個(gè)儀器做溫度測(cè)試，即把整個(gè)儀器分別放在不同的溫度環(huán)境下來(lái)測(cè)試它的輸出，以此來(lái)決定是否需要溫度補(bǔ)償，以及到底需要多大的溫度補(bǔ)償[4]。

圖5 檢測(cè)器的溫度補(bǔ)償電路

2 智能配氣系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)軟件的總體設(shè)計(jì)

該智能配氣系統(tǒng)的軟件主要由C語(yǔ)言編寫，開(kāi)發(fā)環(huán)境為CCS 3.3，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)。如圖6所示，開(kāi)機(jī)后首先系統(tǒng)初始化，如果參數(shù)設(shè)置不更改，則自動(dòng)初始默認(rèn)為上次操作時(shí)的參數(shù)(包括氣體總流量、配制低標(biāo)準(zhǔn)氣濃度等)，根據(jù)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行計(jì)算分配氣體質(zhì)量流量，然后按照MODBUS-RTU通信協(xié)議發(fā)送給兩個(gè)質(zhì)量流量控制器。當(dāng)一路樣氣為5%的CH4與一路稀釋氣99.99%N2充分混合后，流過(guò)紅外氣體濃度檢測(cè)儀，此時(shí)該檢測(cè)儀根據(jù)氣體濃度輸出對(duì)應(yīng)的電壓(輸出電壓范圍0～1 V)反饋到主控芯片，此電壓經(jīng)過(guò)主控芯片A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的CH4氣體濃度，與設(shè)定濃度參數(shù)對(duì)比，再經(jīng)過(guò)模糊PID控制算法處理，計(jì)算分配氣體質(zhì)量流量，從而實(shí)時(shí)控制氣體質(zhì)量流量，以使氣體濃度穩(wěn)定達(dá)到設(shè)定濃度值。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 模糊PID控制算法軟件設(shè)計(jì)

圖7 模糊PID控制算法流程圖

3 結(jié)果分析

將CH4摩爾分?jǐn)?shù)為4.98%的CH4/N2標(biāo)準(zhǔn)氣體和純度為99.999%的高純氮?dú)獍礃託夂拖♂寶夥謩e連接配氣儀，打開(kāi)鋼瓶使氣壓值在0.2 MPa，通過(guò)設(shè)置配氣儀均比例等分滿量程，配制低濃度的混合氣體，分別使配氣儀連續(xù)30 min后，待其配氣充分穩(wěn)定再進(jìn)行記錄。其中量程氣為CH4/N2標(biāo)準(zhǔn)氣體。

通過(guò)表1可以看出配氣精度可以達(dá)到1%，達(dá)到國(guó)家一級(jí)儀表的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了儀器精度的設(shè)計(jì)預(yù)期[7-8]。同時(shí)依據(jù)表中數(shù)據(jù)，利用最小二乘法在Matlab中做線性擬合，以理論標(biāo)準(zhǔn)值為橫軸，以顯示值為縱軸繪制反應(yīng)具有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)氣體同本儀器配制氣體的相關(guān)程度的擬合曲線。

表1 配置數(shù)據(jù)表

如圖8所示可以分析得出理論標(biāo)準(zhǔn)值同顯示值較好地?cái)M合，兩者趨于線性關(guān)系，利用Matlab軟件得到擬合結(jié)果為

y=1.012x-0.02

(2)

由線性相關(guān)系數(shù)公式：

(3)

圖8 擬合曲線圖

根據(jù)式(2)和表(1)在Matlab[8]中編譯相關(guān)程序得到線性相關(guān)系數(shù)R=0.994，擬合效果理想，線性相關(guān)程度較高，表明配氣儀配出的氣體與具有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)的標(biāo)準(zhǔn)氣體高度線性相關(guān)，證明該智能配氣儀能有效地溯源至國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)配氣儀都采用開(kāi)環(huán)控制的問(wèn)題，研制了閉環(huán)的便攜式智能配氣儀，該儀器采用紅外檢測(cè)原理，配合高性能的主控芯片DSP TMS320F2812和Red-y Smart智能系列氣體熱式質(zhì)量流量控制器，再用模糊PID控制算法對(duì)其系統(tǒng)優(yōu)化，從而保證了配置的氣體達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該配氣儀可以在現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)配制任意低濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，用于對(duì)氣體濃度監(jiān)測(cè)設(shè)備的標(biāo)定校準(zhǔn)時(shí)非常方便，在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、化工產(chǎn)品檢驗(yàn)、儀器儀表校準(zhǔn)等領(lǐng)域也有很好的實(shí)用價(jià)值。

[1] 陸國(guó)強(qiáng)．高精度自動(dòng)配氣系統(tǒng)研究:[學(xué)位論文]．南京：南京航空航天大學(xué)，2008.

[2] 趙建化．基于質(zhì)量流量控制器的多組分動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)研究．自動(dòng)化儀表，2008，29(2):45-47.

[3] 孫麗明.TMS320F2812原理及其C語(yǔ)言程序開(kāi)發(fā).北京：清華大學(xué)出版社,2008:5-30.

[4] 劉中奇.基于紅外吸收原理的氣體檢測(cè).煤炭科學(xué)技術(shù),2005(1):11-13.

[5] 高晉占.微弱信號(hào)檢測(cè).北京：清華大學(xué)出版社，2004：154-182.

[6] 張魏.在線自調(diào)整模糊PID控制器的設(shè)計(jì).自動(dòng)化儀表，2000(3):12-14.

[7] 黃一祥.多元?dú)怏w配氣儀設(shè)計(jì)及精度分析.現(xiàn)代科學(xué)儀器，2009，6(3)：44-46.

[8] 王中鮮.MATLAB建模與仿真應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010:258-270.

Design of Dynamic Intelligent Gas Meter Based on DSP

CHEN Yan，WANG Xiao-rong，ZHANG Jin-ming，KONG De-hong，ZHANG Lei

(College of Automation and Electrical Engineering，Nanjing 211816，China)

In view of the present situation that the domestic equipments for the configuration of the standard gas mostly adopt open loop control and have poor accuracy control,combined with theories such as gas mass flow controller principle,infrared gas detection principle and fuzzy PID control principle,the whole structure of dynamic gas distribution system using DSP TMS320F2812 as the main control chip was constructed,and the hardware design of the infrared detector,the software design of fuzzy PID in distributing gas and system software design were given.The results show that the gas meter has the accuracy of 1%,good stability,fast response,simple and convenient operation,and small volume.The gas meter can achieve configuration of arbitrary low concentration standard gas,realize the desired design goals and can be widely used.

infrared gas detection；fuzzy PID；DSP；mass flow；standard gas

2014-03-31 收修改稿日期：2014-11-30

TP212

A

1002-1841(2015)04-0017-04

陳燕(1990—)，碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、分析儀器設(shè)計(jì)。E-mail：774367607@qq.com