解佳洛,胡芳仁,尤敦喜,戴忠玉

(南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程、柔性電子(未來(lái)技術(shù))學(xué)院,江蘇南京 210003)

0 引言

痕量氣體檢測(cè)是指對(duì)氣體中極微量的化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行定量分析的一種技術(shù)。如氮氧化合物、碳?xì)浠衔?、硫化物?其含量往往非常低,只有ppb(1 ppb=10-9)甚至更低的水平[1]。這些化學(xué)物質(zhì)參與生物地球化學(xué)的循環(huán),對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了重大破壞,如酸雨、溫室效應(yīng)、臭氧層破壞等。因此痕量氣體檢測(cè)技術(shù)在監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境污染、開(kāi)展醫(yī)學(xué)檢測(cè)和診斷、保障食品安全等方面具有重要意義。

美國(guó)Picarro公司研發(fā)的Picarro G-2401型分析儀采用腔衰蕩光譜技術(shù)(CRDS),具有超高靈敏度的同時(shí)還能兼顧檢測(cè)范圍[2]。但由于該設(shè)備制造成本昂貴,需要精細(xì)的光學(xué)元件和復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。國(guó)內(nèi)在痕量氣體檢測(cè)領(lǐng)域主要采用激光吸收光譜法、氣相色譜法、紅外吸收光譜技術(shù)。這些技術(shù)成本較低,具有較高的靈敏度、精度。比較有代表性的國(guó)產(chǎn)儀器有捷德 LD-5H、環(huán)球精密 GC-2014C[3]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)痕量氣體檢測(cè)儀器需要進(jìn)一步提高氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)精度。

目前國(guó)內(nèi)主流痕量氣體檢測(cè)儀器主控芯片通常采用微處理器或微控制器,如ARM、STM32、PIC等。為了進(jìn)一步提升氣體痕量檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、精度、可靠性和靈活性,本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的高靈敏度的痕量氣體檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)采用腔衰蕩光譜技術(shù)原理(CRDS),使用具有高速、豐富資源且功耗較低的K7325T作為主控芯片,信號(hào)采集傳輸使用14 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片和千兆網(wǎng)口芯片。實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光器的精確穩(wěn)頻,穩(wěn)頻精度能達(dá)到6 MHz,而一般采用CPU實(shí)現(xiàn)穩(wěn)頻只能達(dá)到20 MHz[4]。同時(shí)本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)衰蕩腔衰蕩信號(hào)的高速采集,最終通過(guò)上位機(jī)擬合得到當(dāng)前氣體體積分?jǐn)?shù),通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：5 min平均數(shù)據(jù)測(cè)量精度小于40 ppb,達(dá)到國(guó)外PicarroG2301的技術(shù)指標(biāo)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要基于腔衰蕩光譜技術(shù),通過(guò)光對(duì)氣體分子的吸收和散射產(chǎn)生損耗從而實(shí)現(xiàn)高靈敏光譜監(jiān)測(cè)。激光脈沖在衰蕩腔中的2塊高反鏡之間來(lái)回彈射,從高反鏡中透射出的激光強(qiáng)度因腔內(nèi)待測(cè)氣體的吸收在時(shí)間上呈現(xiàn)指數(shù)衰減。根據(jù)Beer-Lambert定律,利用無(wú)吸收條件下空腔的衰蕩時(shí)間τ0和有吸收條件下的時(shí)間計(jì)算出分子吸收率α(v),由吸收率α和吸收截面σ計(jì)算得到待測(cè)氣體分子數(shù)密度,最終根據(jù)道爾頓分壓定律得出體積分?jǐn)?shù),主要公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：τ為有吸收條件衰蕩時(shí)間;c為光速;R為反射率;L為腔長(zhǎng);τ0為無(wú)吸收條件衰蕩時(shí)間;α(v)為分子吸收率,L/g·cm-1;X為氣體體積分?jǐn)?shù),ppm(1 ppm=10-6);p、T為測(cè)量壓力和溫度;kb為玻爾茲曼常數(shù);S為譜線強(qiáng)度(hitran數(shù)據(jù)庫(kù)直接給出);φ為分子吸收的線性函數(shù)(高斯函數(shù)和洛倫茲函數(shù)卷積得到)。

根據(jù)上述光腔衰蕩光譜原理,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體框圖如圖1所示,主要由光學(xué)模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸模塊、激光穩(wěn)頻模塊組成。前端光學(xué)模塊包括激光器、衰蕩腔、標(biāo)準(zhǔn)具等光學(xué)器件,其主要功能是通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的電流和溫度,使固定波長(zhǎng)的激光到達(dá)衰蕩腔,并通過(guò)切斷激光輸入獲得衰蕩信號(hào)。采集模塊和穩(wěn)頻控制模塊是由以FPGA為核心的硬件開(kāi)發(fā)板構(gòu)成。通過(guò)FPGA數(shù)字邏輯設(shè)計(jì),衰蕩信號(hào)傳入信號(hào)處理模塊,經(jīng)AD9245轉(zhuǎn)換后,傳入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸模塊中的FIFO中,再通過(guò)網(wǎng)口將衰蕩信號(hào)高速傳輸至上位機(jī);光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)AD7989轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)郊す夥€(wěn)頻模塊,得到需要的調(diào)諧電流數(shù)字信號(hào),最終通過(guò)DAC8830進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,反饋調(diào)節(jié)激光器的電流值,使其達(dá)到穩(wěn)頻效果。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)模塊

光學(xué)模塊主要由激光器、衰蕩腔、F-P標(biāo)準(zhǔn)具組成,如圖2所示。系統(tǒng)選用中心波長(zhǎng)(1 572.3±1)nm DFB激光器作為測(cè)試光源,該激光器具有體積小、性能穩(wěn)定、噪聲低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)。其中衰蕩腔和標(biāo)準(zhǔn)具均是由2塊高反鏡組成的密閉腔體。

圖2 光學(xué)模塊設(shè)計(jì)

通過(guò)調(diào)制電流和溫度得到與待測(cè)氣體的吸收峰波長(zhǎng)匹配的激光。該激光經(jīng)過(guò)分束器分成兩束,一束通過(guò)光纖經(jīng)隔離器、聲光調(diào)制器(AOM)、準(zhǔn)直鏡、分束器和模式匹配透鏡進(jìn)入光腔。激光在腔內(nèi)來(lái)回反射使光程超過(guò)10 km。衰蕩腔腔長(zhǎng)L約為300 mm,高反鏡反射率R為99.999 99%,根據(jù)公式計(jì)算出衰蕩時(shí)間τ,得到基于時(shí)間的衰蕩光信號(hào)。光信號(hào)經(jīng)光腔后端的光電二極管(PD2)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并分成兩路。一路電信號(hào)傳入AOM控制激光信號(hào)的關(guān)斷。當(dāng)衰蕩腔中透射出的激光最大功率達(dá)到關(guān)斷閾值時(shí),AOM可以快速切斷激光輸入,此時(shí)光腔進(jìn)入衰蕩期。另一路電信號(hào)作為衰蕩信號(hào)進(jìn)入主控板,再由網(wǎng)口上傳至上位機(jī)計(jì)算當(dāng)前氣體體積分?jǐn)?shù)。此外激光與衰蕩腔需要進(jìn)行模式匹配,使得激光的入射功率能夠達(dá)到AOM的關(guān)斷閾值。激光通過(guò)模式匹配透鏡大幅提高模式匹配的效率,為系統(tǒng)連續(xù)獲得衰蕩信號(hào)提供了可靠性。為了保證系統(tǒng)的安全性,利用隔離器防止后續(xù)器件回光對(duì)激光器造成損傷或干擾。分束器分離的另一束激光被標(biāo)準(zhǔn)具后的光電二極管(PD1)探測(cè)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。該電信號(hào)經(jīng)主控板上的AD轉(zhuǎn)換作為穩(wěn)頻模塊的數(shù)字輸入信號(hào)。

由于DFB激光器一般輸出功率<20 mW,系統(tǒng)開(kāi)啟后,從衰蕩腔中透射出的衰蕩光信號(hào)最大功率達(dá)不到AOM關(guān)斷閾值,無(wú)法得到衰蕩信號(hào)。只有在激光與衰蕩光腔匹配的情況下,激光透過(guò)衰蕩腔的功率才會(huì)提升,達(dá)到AOM關(guān)斷閾值。通過(guò)促進(jìn)激光基模與腔共振實(shí)現(xiàn)模式匹配,同時(shí)抑制高階橫模,獲得最大的激光透過(guò)功率。為減小偏差,需要在衰蕩腔末端設(shè)置一個(gè)可以細(xì)微調(diào)節(jié)腔長(zhǎng)的壓電陶瓷(PZT),通過(guò)微調(diào)PZT的電壓使模式匹配達(dá)到最優(yōu)。

此外光腔內(nèi)部配有壓力傳感器、溫度傳感器和加熱片。通過(guò)這些器件和溫壓控制電路可以精確控制光腔內(nèi)被測(cè)氣體的溫度和壓力,從而保證高精度測(cè)量氣體體積分?jǐn)?shù)。

2.2 激光穩(wěn)頻模塊

激光器與光腔的匹配結(jié)果很大程度上影響了系統(tǒng)的測(cè)量靈敏度,理想情況下,任意一次的衰蕩事件是中心頻率處的激光與腔縱模匹配,高階模被完全抑制[5]。在激光器進(jìn)行縱模匹配的過(guò)程中,激光器由于本身存在的機(jī)械振動(dòng)、受熱等物理因素,長(zhǎng)時(shí)間工作下會(huì)導(dǎo)致出光的頻率產(chǎn)生一定的漂移,因此無(wú)法使激光穩(wěn)定工作在固定頻率,從而使得與衰蕩腔的匹配效率下降。為了獲得最佳靈敏度,以法布里-珀羅(Fabry-Perot,F-P)腔標(biāo)定氣體吸收峰激光頻率,利用FPGA高速處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì),通過(guò)判斷實(shí)際透過(guò)率與設(shè)置透過(guò)率的誤差,采用PID算法和掃頻的方式對(duì)漂移頻率進(jìn)行補(bǔ)償,最終將激光頻率穩(wěn)定在F-P腔標(biāo)定頻率[6]。

本系統(tǒng)通過(guò)F-P標(biāo)準(zhǔn)具對(duì)不同波長(zhǎng)光透過(guò)率的變化來(lái)標(biāo)定實(shí)際波長(zhǎng)。控制F-P標(biāo)準(zhǔn)具溫度,使得激光波長(zhǎng)中心值穩(wěn)定可控。當(dāng)控制溫度為25 ℃,電流為130 mA,精密波長(zhǎng)計(jì)測(cè)得激光波長(zhǎng)為1572.300 nm。本文FPGA設(shè)計(jì)將原始光強(qiáng)與透過(guò)光強(qiáng)作為除法器IP輸入信號(hào)測(cè)得的實(shí)際透過(guò)率為165 000。將165 000設(shè)定為初始透過(guò)率,作為穩(wěn)頻的參考值。由于實(shí)際透過(guò)率隨著激光頻率漂移會(huì)發(fā)生變化,該變化量即為實(shí)際透過(guò)率與設(shè)定透過(guò)率之間的誤差。

為實(shí)現(xiàn)激光器的精確穩(wěn)頻,系統(tǒng)采用數(shù)字增量式PID算法對(duì)激光器電流進(jìn)行調(diào)諧[7]。如式(5)、式(6)所示：

uk=uk-1+Δuk

(5)

Δuk=uk-uk-1

=Kp(ek-ek-1)+Kiek+Kd(ek-2ek-1+ek-2)

(6)

式中：ek為誤差;uk為輸出調(diào)諧電流;uk-1為系統(tǒng)中前次的PID輸出調(diào)諧電流;Δuk為兩次相鄰調(diào)諧電流差值;Kp、Ki、Kd分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)。

穩(wěn)頻開(kāi)始后,通過(guò)計(jì)算當(dāng)前透過(guò)率與設(shè)定透過(guò)率的差值得到初始ek,第1次輸出調(diào)諧電流uk=Δuk,uk作為調(diào)諧電流對(duì)激光器進(jìn)行初次穩(wěn)頻。觸發(fā)信號(hào)啟動(dòng)后,系統(tǒng)檢測(cè)ek,穩(wěn)頻系統(tǒng)持續(xù)輸出uk,實(shí)現(xiàn)高精度穩(wěn)頻。為保證穩(wěn)頻系統(tǒng)的真實(shí)性,實(shí)驗(yàn)中通過(guò)精密波長(zhǎng)計(jì)監(jiān)測(cè)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)具的激光波長(zhǎng)。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸模塊

本設(shè)計(jì)采用UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)衰蕩信號(hào)的傳輸。 這種通信方式在通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí),需要對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行層級(jí)封裝操作。以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。在應(yīng)用層,獲得用戶數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳輸層,對(duì)用戶數(shù)據(jù)封裝UDP首部作為下一層的數(shù)據(jù)段。在IP層,對(duì)數(shù)據(jù)段同樣封裝IP首部作為MAC層數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)每一層的首部信息累加,最終以標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)幀格式將數(shù)據(jù)打包完成[8]。通信開(kāi)始后,主機(jī)接收從機(jī)發(fā)送的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀,封裝好的幀數(shù)據(jù)從物理層鏈路層進(jìn)行傳輸,從下而上,主機(jī)對(duì)封裝好的數(shù)據(jù)逐層解析,檢驗(yàn)每一層是否匹配當(dāng)前的首部數(shù)據(jù),如果數(shù)據(jù)解析成功,主機(jī)最終獲得從機(jī)最初封裝前的用戶數(shù)據(jù)[9]。

圖3 以太網(wǎng)UDP傳輸數(shù)據(jù)包格式

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸模塊分為硬件和軟件設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的千兆通信,硬件選擇支持千兆傳輸?shù)腞TL8211EG-VB網(wǎng)卡芯片,采用FPGA對(duì)網(wǎng)卡芯片的GTX端口提供125 MHz的時(shí)鐘,使其能正常工作在GMII模式下。在通過(guò)FPGA對(duì)衰蕩信號(hào)傳輸之前,需要對(duì)衰蕩信號(hào)采樣、量化、編碼得到FPGA輸入端的數(shù)字信號(hào)。經(jīng)計(jì)算得出腔衰蕩時(shí)間大約十幾μs,衰蕩光信號(hào)強(qiáng)度最大9 600,根據(jù)采樣定理選擇10 MHz采樣率、14位的AD9245作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。

軟件上,通過(guò)ISE對(duì)以太網(wǎng)存儲(chǔ)傳輸模塊進(jìn)行數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)。以太網(wǎng)存儲(chǔ)傳輸模塊包含傳輸控制模塊、UDP傳輸模塊。數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)如圖4所示。在傳輸控制模塊中,由于以太網(wǎng)芯片在GMII模式下一次傳輸數(shù)據(jù)位寬是8 bit,為方便衰蕩數(shù)據(jù)的傳輸以及上位機(jī)的解析,將14位采集到的數(shù)字信號(hào)存入16位寄存器,對(duì)其高兩位進(jìn)行編碼,高兩位代表的是本次采集編號(hào),低14位代表采集的衰蕩信號(hào)。由于AD采集與以太網(wǎng)傳輸屬于跨時(shí)鐘操作,采用例化FIFO的方式對(duì)16位數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存。腔衰蕩時(shí)間由腔衰蕩信號(hào)擬合計(jì)算得到,為此需要保證足夠多的衰蕩信號(hào)采集點(diǎn)數(shù),在本設(shè)計(jì)中,采集4 096個(gè)點(diǎn)為系統(tǒng)檢測(cè)靈敏度提供良好的可靠性。為保證衰蕩曲線傳輸?shù)耐暾耘c準(zhǔn)確性,在FIFO的設(shè)置界面中對(duì)Program Flag功能設(shè)置,使其在存滿8 000字節(jié)的數(shù)據(jù)時(shí),拉高prog_full信號(hào)。prog_full信號(hào)作為數(shù)據(jù)發(fā)送的使能信號(hào)標(biāo)志一條衰蕩曲線存儲(chǔ)完畢可以發(fā)送。此外,在實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)的過(guò)程中,為保證以太網(wǎng)傳輸?shù)目尚行?需打開(kāi)網(wǎng)卡設(shè)置中的巨型幀選項(xiàng),從而保證大于1522字節(jié)的數(shù)據(jù)能正常通過(guò)UDP協(xié)議傳輸。

圖4 UDP數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)

UDP傳輸模塊主要包括發(fā)送模塊、CRC校驗(yàn)?zāi)K、接收模塊。發(fā)送模塊通過(guò)狀態(tài)機(jī)對(duì)FIFO讀出的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送。狀態(tài)機(jī)未開(kāi)始時(shí),首先對(duì)7字節(jié)的前導(dǎo)碼、1字節(jié)的開(kāi)始符和14字節(jié)的以太網(wǎng)幀頭進(jìn)行提前寄存。其中以太網(wǎng)幀頭包括目的MAC地址、源MAC地址、IP類型。通過(guò)檢測(cè)FIFO使能信號(hào)作為狀態(tài)機(jī)開(kāi)始標(biāo)志,狀態(tài)機(jī)分為以下6個(gè)狀態(tài)依次進(jìn)行,分別為Start(開(kāi)始)、Make(計(jì)算校驗(yàn)和)、Sendmac(發(fā)送mac地址)、Sendheader(發(fā)送首部)、Senddata(發(fā)送數(shù)據(jù))、Sendcrc(發(fā)送CRC校驗(yàn))。通信開(kāi)始后,在Start狀態(tài),對(duì)IP首部和UDP首部共28字節(jié)的數(shù)據(jù)進(jìn)行寄存,其中包括包頭長(zhǎng)度、IP包總長(zhǎng)度、包序號(hào)、校驗(yàn)和等數(shù)據(jù)。進(jìn)入Make狀態(tài),通過(guò)對(duì)IP首部數(shù)據(jù)的解析計(jì)算,得到校驗(yàn)和并進(jìn)行賦值。依次進(jìn)入Sendmac、Sendheader狀態(tài)將寄存的數(shù)據(jù)依次傳輸?shù)桨l(fā)送端口,待發(fā)送完畢后,此時(shí)已經(jīng)滿足以太網(wǎng)傳輸幀格式,進(jìn)入Senddata狀態(tài),從低字節(jié)開(kāi)始發(fā)送,每發(fā)送一字節(jié)數(shù)據(jù)則跳轉(zhuǎn)至Sendcrc狀態(tài)進(jìn)行CRC校驗(yàn),校驗(yàn)成功的數(shù)據(jù)將作為數(shù)字信號(hào)通過(guò)網(wǎng)卡芯片發(fā)送至上位機(jī)。直至8000字節(jié)的衰蕩信號(hào)發(fā)送完畢。通過(guò)對(duì)FIFO的發(fā)送控制,可以不斷完成衰蕩信號(hào)的存儲(chǔ)傳輸,上位機(jī)持續(xù)獲得衰蕩曲線,計(jì)算當(dāng)前氣體體積分?jǐn)?shù)。接收模塊是發(fā)送模塊的逆過(guò)程,對(duì)接收的數(shù)據(jù)逐層解析,核對(duì)前導(dǎo)碼、以太網(wǎng)幀頭、源地址、目的MAC地址是否一致,無(wú)誤后則繼續(xù)接收IP地址以及UDP數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)接收無(wú)誤,完成數(shù)據(jù)的接收。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試結(jié)果

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

文中制作了基于FPGA的系統(tǒng)硬件電路、光學(xué)衰蕩腔和標(biāo)準(zhǔn)具,并搭建完成痕量氣體檢測(cè)系統(tǒng),如圖5所示。衰蕩腔以及標(biāo)準(zhǔn)具如圖6、圖7所示。

圖5 痕量氣體檢測(cè)系統(tǒng)

圖6 衰蕩腔

圖7 標(biāo)準(zhǔn)具

3.2 測(cè)試結(jié)果

穩(wěn)頻采用高精度波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。等待控溫系統(tǒng)穩(wěn)定后,采用上位機(jī)輸入初始穩(wěn)頻點(diǎn),發(fā)送開(kāi)啟穩(wěn)頻、搜索工作點(diǎn)、多點(diǎn)掃描指令,通過(guò)波長(zhǎng)計(jì)進(jìn)行觀測(cè),波長(zhǎng)穩(wěn)定在(1 572.303±0.001)nm,如圖8所示。同時(shí)采用ISE中的在線調(diào)試工具抓取當(dāng)前透過(guò)率與設(shè)定透過(guò)率以及Error信號(hào),如圖9所示。

圖8 激光穩(wěn)頻

圖9 實(shí)際透過(guò)率與設(shè)定透過(guò)率

穩(wěn)頻開(kāi)始后,觀察到Error信號(hào)偏差絕對(duì)值能在±10以內(nèi),說(shuō)明穩(wěn)頻系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。

在測(cè)試以太網(wǎng)傳輸衰蕩信號(hào)之前,為保證能正確識(shí)別以太網(wǎng)傳輸幀格式中的首部信息,需對(duì)計(jì)算機(jī)的IP地址進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)命令指示符將計(jì)算機(jī)與采集板的靜態(tài)mac地址進(jìn)行綁定,同時(shí)在設(shè)備管理器中設(shè)置網(wǎng)卡為巨型幀、1G全雙工的工作模式。準(zhǔn)備工作完成后,將程序燒錄至采集板,為保證測(cè)試準(zhǔn)確性,同時(shí)打開(kāi)網(wǎng)口調(diào)試助手與Wireshark監(jiān)測(cè)信號(hào)的接收情況,數(shù)據(jù)傳輸結(jié)果如圖10、圖11所示。

系統(tǒng)最終的測(cè)試在常溫干燥的環(huán)境下進(jìn)行,避免了周圍環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。采用約300 ppm標(biāo)準(zhǔn)濃度的二氧化碳?xì)馄孔鳛闇y(cè)試對(duì)象,并進(jìn)行10 min以上的測(cè)試,通過(guò)上位機(jī)擬合計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果,如圖12所示。系統(tǒng)測(cè)得5 s數(shù)據(jù)測(cè)量精度小于70 ppb,5 min平均數(shù)據(jù)精度小于40 ppb,接近PicarroG2301的性能指標(biāo)。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,在實(shí)際空氣中通過(guò)與PicarroG2301進(jìn)行24 h的對(duì)比測(cè)試,如圖13所示,其中本系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差約為0.075 09,PicarroG2301標(biāo)準(zhǔn)差為0.053 42,兩系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差較小且接近,說(shuō)明本系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及準(zhǔn)確性較好[10]。以上測(cè)試表明,設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足國(guó)家痕量氣體檢測(cè)的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了以FPGA為核心的痕量氣體檢測(cè)系統(tǒng)。采用FPGA數(shù)字設(shè)計(jì),將激光頻率漂移的影響降至最低,同時(shí)采用以太網(wǎng)傳輸衰蕩信號(hào),提高了數(shù)據(jù)量傳輸速率的同時(shí)確保CRDS檢測(cè)痕量氣體的靈敏度。具體測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有可靠性,穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此,該系統(tǒng)可作為痕量氣體檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用。

圖10 網(wǎng)口調(diào)試助手

圖11 Wireshark在線抓包

圖12 二氧化碳體積分?jǐn)?shù)

圖13 樣機(jī)與picarro的對(duì)比測(cè)試