【摘要】：為監(jiān)測近地面氣溶膠顆粒,設(shè)計了基于單粒子光散射法的氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)。通過高速AD9656轉(zhuǎn)換器與FPGA多通道采集卡對前端光學(xué)傳感器輸出信號進(jìn)行采集,并由STM32微控制器結(jié)合分形反演模型完成氣溶膠質(zhì)量濃度的測定,測量結(jié)果通過無線模塊傳輸至云端。實(shí)驗表明:對于煙塵和空氣樣品,分形模型反演的質(zhì)量濃度值與標(biāo)準(zhǔn)值吻合較好,擬合直線斜率分別為0.962 57和0.906 38,相關(guān)系數(shù)均高于0.99,表明提出的氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價值。
【圖文】：

?號，為了保證高采樣速率的同時提高電壓測量的準(zhǔn)確性，本文實(shí)現(xiàn)的氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)運(yùn)用FPGA控制125Msample/s采樣速率的16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD9656，電壓幅度測量電路共設(shè)置有16個通道，充分利用Altera的IP內(nèi)核(包含LPM和MegaFuncton宏功能的模塊庫)完成相關(guān)計數(shù)以及通信控制功能的設(shè)計，可滿足氣溶膠質(zhì)量濃度的高精度測量［8］。同時本設(shè)計由STM32微控制器完成相關(guān)數(shù)據(jù)處理和控制TFT-LCD顯示，并且通過WIFI模塊將測量數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，用戶可通過PC機(jī)或手機(jī)查看實(shí)時測量結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。圖1氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)硬件總體框圖1系統(tǒng)硬件設(shè)計圖1為本文提出的基于單粒子光散射法的氣溶膠質(zhì)量濃度測量系統(tǒng)硬件的總體框圖，它主要由光學(xué)傳感器、高速AD轉(zhuǎn)換電路、基于FPGA的多通道采集卡、基于STM32的數(shù)據(jù)處理電路、電源模塊等構(gòu)成。系統(tǒng)由12V電源提供總電源，為了滿足整個電路系統(tǒng)各個部分的電源需求，需經(jīng)過一系列的電壓轉(zhuǎn)換后，輸出的電壓有+5V、+3．3V、+1．8V、－12V。光學(xué)傳感器輸出電壓范圍為0～5V，能根據(jù)氣溶膠顆粒大小不同輸出與之對應(yīng)的電壓值，本文主要測量大氣環(huán)境中的小顆粒，所以光學(xué)傳感器的輸出為相對較小的電壓值。高速AD轉(zhuǎn)換電路負(fù)責(zé)對光學(xué)傳感器輸出的高速模擬電壓信號進(jìn)行采樣保持，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號�；贔PGA的多通道數(shù)據(jù)采集卡主要負(fù)責(zé)對前端高速AD轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分通道計數(shù)，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)采集緩存功能模塊�；赟TM32微控制器的數(shù)據(jù)處理模塊主要負(fù)責(zé)與前端采集卡進(jìn)行通信，發(fā)送控制命令，完成多通道計數(shù)結(jié)果的處理，并且控制液晶顯示數(shù)據(jù)。同時，微控制器能夠通過WIFI模塊(W5500)將數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，用戶可通過PC機(jī)或手機(jī)瀏覽與下載測量數(shù)據(jù)。1．1高速AD轉(zhuǎn)換電路

電子器件第40卷圖2高速AD轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示，利用FPGA最顯著的并行特性，使用VHDL語言和Quartus軟件提供的IPcore，設(shè)計了一個雙FIFO結(jié)構(gòu)對高速數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，然后將兩個16bit的FIFO輸出數(shù)值拼接成32位后放入一個雙端雙時鐘的ＲAM中。由STM32微控制器通過FSMC總線管理該ＲAM中的資源，若ＲAM中寫入的數(shù)據(jù)量超過閾值，則產(chǎn)生AＲM平臺的外部IＲQ中斷信號，然后AＲM通過FPGA驅(qū)動程序處理ＲAM中數(shù)據(jù)。FPGA數(shù)據(jù)采集卡充分利用FPGA在并行處理和時序邏輯設(shè)計方面的優(yōu)勢，利用乒乓操作方式達(dá)到用低速模塊處理高速數(shù)據(jù)流的效果。FPGA將采集到的數(shù)據(jù)存儲到一塊雙端雙時鐘的片上ＲAM中，該ＲAM單元由FPGA內(nèi)部的ＲAM控制塊單獨(dú)控制。STM32微控制器通過FSMC總線掛架到FPGA采集卡上的ＲAM上，采用這種結(jié)構(gòu)相當(dāng)于將采集到的數(shù)據(jù)直接存儲到STM32微控制器的系統(tǒng)內(nèi)存中，從而節(jié)省了數(shù)據(jù)傳輸時間，顯著提高了系統(tǒng)的效率。FSMC總線總共管理1Gbyte的存儲空間，包含4個存儲塊(BANK)。TFT-LCD液晶屏連接FSMC總線BANK1第4區(qū)的片選信號，微控制器通過FSMC_NOE和FSMC_NEW讀寫信號線向液晶屏發(fā)送讀寫控制命令，完成相關(guān)項的顯示工作。圖3FPGA多通道采樣電路與STM32微控制器電路框圖2系統(tǒng)軟件設(shè)計2．1QuartusⅡ與FPGA的開發(fā)本設(shè)計充分利用Altera的IP內(nèi)核，包含有LPM和MegaFuncton宏功能的模塊庫，采用自頂向下設(shè)計流程，完成FPGA多通道模塊部分軟件設(shè)計。為了讓顆粒計數(shù)器模塊精確記錄各通道的脈沖數(shù)，本系統(tǒng)采用被測試脈沖信號替代時鐘信號來驅(qū)動模塊工作。計數(shù)模塊測得的計數(shù)結(jié)果發(fā)送給ＲAM緩沖器通過FSMC總線的形式連接到后端STM32微處理器。圖4所示的計數(shù)模塊是由VHDL語言實(shí)現(xiàn)的16位二進(jìn)制加法計數(shù)器，它們分別對16個通道(對應(yīng)于不同的

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本文編號：2598149