摘要緒論1.1研究背景及意義隨著工業(yè)和農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越多，其中大氣污染尤為嚴(yán)峻。工業(yè)廢氣及汽車尾氣將大量的不完全燃燒物和漂浮顆粒物排放入空氣中，造成了空氣中一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔锖涂晌腩w粒物嚴(yán)重超標(biāo)，其中一氧化碳是眾多污染物中數(shù)量最多，分布最廣的污染物之一。一氧化碳是一種有毒、可燃、可爆燃?xì)怏w，是含碳燃燒物在發(fā)生不完全燃燒時(shí)生成的中間產(chǎn)物，主要來(lái)源于內(nèi)燃機(jī)排氣及鍋爐燃燒。在煤層自燃的發(fā)火過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生很多氣體可以作為指標(biāo)氣體來(lái)反映煤轉(zhuǎn)化和燃燒程度?？梢酝ㄟ^(guò)觀察比對(duì)指標(biāo)氣體生成量和變化率的關(guān)聯(lián)關(guān)系，進(jìn)行煤層自燃的早期預(yù)報(bào)。在眾多可以作為指標(biāo)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)的燃燒生成物中，一氧化碳以其濃度變化明顯易檢測(cè)、生成量與煤層溫度密切相關(guān)的特點(diǎn)，得到廣泛關(guān)注，被國(guó)內(nèi)外普遍選用為煤層火災(zāi)預(yù)警的主要指標(biāo)氣體。另外，煤礦的井下作業(yè)安全是工業(yè)領(lǐng)域一直以來(lái)備受關(guān)注的問(wèn)題，瓦斯監(jiān)測(cè)作為一種避免事故發(fā)生的主要手段，現(xiàn)有的瓦斯主要?dú)怏w的檢測(cè)技術(shù)如甲烷、二氧化碳等，已經(jīng)十分完善成熟并得以廣泛應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展和人們安全意識(shí)的增強(qiáng)，檢測(cè)精度要求越來(lái)越高，檢測(cè)成分要求更加全面，一氧化碳檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)主要用非光學(xué)法和光學(xué)法兩種方法用于氣體濃度檢測(cè)。非光學(xué)法檢測(cè)方法主要包括氣相色譜法測(cè)氣體濃度、電化學(xué)法測(cè)氣體濃度等。但它們普遍存在干擾成分多、穩(wěn)定性較差、系統(tǒng)維護(hù)量大等缺點(diǎn)。近年來(lái)，可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)的發(fā)展以及近紅外DFB和VCSEL等激光器生產(chǎn)的突破，為一氧化碳濃度的檢測(cè)開(kāi)辟了新的路徑。可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器具有窄線寬和波長(zhǎng)的特征，會(huì)隨著注入電流發(fā)生改變，TDLAS技術(shù)使用窄線寬和波長(zhǎng)特性與隨注入電流產(chǎn)生改變波長(zhǎng)測(cè)量分子的一個(gè)或多個(gè)距離近但是難以區(qū)分的吸收線。它結(jié)合波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)（WMS）廣泛應(yīng)用在大氣污染物監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)療、航空航天等領(lǐng)域?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜TDLAS是一種具有高選擇性、高靈敏度、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)的氣體檢測(cè)技術(shù)。該技術(shù)利用半導(dǎo)體激光器的可調(diào)諧、窄線寬性，有效的提高了氣體測(cè)量的抗干擾性。與長(zhǎng)光程氣體吸收池[10]技術(shù)相結(jié)合可以明顯提高TDLAS系統(tǒng)性能，有助于在近紅外的弱吸收線處實(shí)現(xiàn)一氧化碳濃度精確靈敏測(cè)量。本文介紹了一種用于檢測(cè)CO氣體的TDLAS系統(tǒng)，利用中心波長(zhǎng)為2332nm的DFB激光器，結(jié)合14.4m的多次反射長(zhǎng)光程池，經(jīng)過(guò)平衡檢測(cè)光路實(shí)現(xiàn)對(duì)不同濃度的一氧化碳?xì)怏w進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量，對(duì)檢測(cè)儀器的線性度和重復(fù)性進(jìn)行分析。本課題提出了基于TDLAS技術(shù)的一氧化碳?xì)怏w濃度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有經(jīng)濟(jì)和環(huán)境雙重效益。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在氣體濃度檢測(cè)方面，目前主要有非光學(xué)測(cè)量法和光學(xué)測(cè)量法兩種方法。常用的非光學(xué)法測(cè)量氣體濃度主要包含有汞置換法測(cè)氣體濃度、電化學(xué)法測(cè)氣體濃度、氣相色譜法測(cè)氣體濃度。其中，汞置換法測(cè)氣體濃度是將凈化后的含有待測(cè)氣體的空氣與熱的氧化汞溫度約為180℃～200℃產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，將置換出來(lái)的汞蒸汽，使用光電器件檢測(cè)其中汞的含量，進(jìn)而計(jì)算出改被測(cè)氣體的濃度。但當(dāng)氧化汞加熱時(shí)，自身熱解會(huì)引起高而不穩(wěn)定的汞蒸汽，造成基線漂移和噪聲干擾，影響測(cè)量的精確度；在使用電化學(xué)的方法進(jìn)行氣體濃度測(cè)量時(shí)，如果背景氣體有多重組份，背景氣體中的其他氣體會(huì)與待測(cè)氣體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，最終造成氣體濃度測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確；氣相色譜法的原理是色譜原理，使用氣相色譜理論來(lái)分析華潤(rùn)分離多組分混合物，它的具有范圍廣、選擇性和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是受到復(fù)雜環(huán)境的影響比較大。這些非光學(xué)測(cè)量方法干擾成分多，穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)維護(hù)工作量大。光學(xué)法測(cè)氣體濃度是利用激光和氣體分子之間發(fā)生相互的作用機(jī)理來(lái)進(jìn)行探測(cè)的。光學(xué)法是當(dāng)前比較流行的光譜氣體檢測(cè)技術(shù)，它能夠?qū)崿F(xiàn)比較準(zhǔn)確的在線檢測(cè)和測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)具有比較好的穩(wěn)定性和維護(hù)工作量較小的特點(diǎn)。國(guó)外對(duì)TDLAS技術(shù)的研究起步比較早，開(kāi)始研究大約在20世紀(jì)70年代，由Ed.Hinkley等人提出因該技術(shù)以激光作為光源，所以激光器的發(fā)展在很大程度上影響了TDLAS技術(shù)的發(fā)展。到20世紀(jì)70年代，應(yīng)用到TDLAS技術(shù)上的激光器主要是鉛鹽激光器，但這類激光器在當(dāng)時(shí)只能在非常低的液氮甚至是液氦溫度下運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備復(fù)雜且價(jià)格昂貴，從而限制了該技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。海德?tīng)柋ご髮W(xué)的P.Werle等人于1998年設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)O2濃度的垂直外腔面發(fā)射激光器；2001年，斯坦福大學(xué)的J.Wang等人利用二極管吸收技術(shù)在760nm處附近探測(cè)了O2濃度，但主要是在實(shí)驗(yàn)室階段。除此之外，日本索尼公司、愛(ài)爾蘭trinity大學(xué)等均在這一方面進(jìn)行了研究。如今，德國(guó)西門子公司在過(guò)程分析儀器產(chǎn)品中又推出了LDS6二極管激光氣體分析儀，響應(yīng)時(shí)間達(dá)到1s，可適應(yīng)條件苛刻的環(huán)境。AndreasHangauer等人研制了以VCSEL激光器為光源的TDLAS技術(shù)來(lái)探測(cè)O2濃度，并將其作為燃燒傳感儀應(yīng)用于汽車排氣管系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高性能低成本的目標(biāo)氣體探測(cè)[24][25]。瑞典的U.Gustafsson等人應(yīng)用激光器實(shí)現(xiàn)了混合氣體的監(jiān)測(cè)，同時(shí)對(duì)O2、H2O等的檢測(cè)[26]。國(guó)內(nèi)利用TDLAS技術(shù)檢測(cè)氣體的濃度起步較晚，以20世紀(jì)80年代末中國(guó)科學(xué)院和安徽光學(xué)機(jī)械精密研究所的先進(jìn)研究成果作為起步，我國(guó)在近20年間對(duì)利用TDLAS技術(shù)進(jìn)行氣體檢測(cè)做了深入的研究并且效果顯著。中科院安徽光學(xué)機(jī)所早在2001年就完成了基于長(zhǎng)光程差分吸收光空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)工作，從2004年到2007年，我國(guó)的首套基于TDLAS技術(shù)的機(jī)動(dòng)車尾氣排放監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、溫室氣體在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、城市地下燃?xì)夤芫W(wǎng)泄漏監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也先后問(wèn)世。聚光科技（杭州）有限公司采用的基于TDLAS技術(shù)的LGA系列半導(dǎo)體激光現(xiàn)場(chǎng)在線氣體分析儀，解決了背景氣體交叉干擾、粉塵污染等問(wèn)題，在鋼鐵、水泥、石化、航天等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用[29][30]；西安聚能公司、凱爾科技（北京）發(fā)展有限公司、北斗星工業(yè)化學(xué)研究所這些單位也對(duì)氣體分析儀做了相應(yīng)的研制。除此之外，對(duì)TDLAS技術(shù)應(yīng)用于氣體檢測(cè)的研究在國(guó)內(nèi)高校中掀起了熱潮。1.3本課題研究的內(nèi)容及技術(shù)方案本課題主要借助近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的可調(diào)諧激光二極管吸收光譜技術(shù)（TDLAS）來(lái)研制一種低濃度一氧化碳?xì)怏w在線檢測(cè)儀器。如圖1-1系統(tǒng)框架圖所示，儀器主要分為4個(gè)大的功能模塊，其中發(fā)射裝置主要是由激光驅(qū)動(dòng)控制器來(lái)控制激光器產(chǎn)生調(diào)制光信號(hào)；氣室以及吸收池主要是用來(lái)存儲(chǔ)氣體，光路在吸收池接觸氣體；接收裝置是用來(lái)接收光信號(hào)的光電探測(cè)器主要作用是將被氣體吸收后的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；主控單元是由STM32單片機(jī)和FPGA組成的數(shù)字鎖相放大電路，用來(lái)放大光電探測(cè)器探測(cè)到的光信號(hào)以及鎖相處理信號(hào)和數(shù)據(jù)分析，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)儀器性能并對(duì)在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題采用多項(xiàng)式擬合的方法進(jìn)行修正，最終設(shè)計(jì)出一臺(tái)基于TDLAS技術(shù)的低濃度一氧化碳在線檢測(cè)儀器。圖1-1系統(tǒng)框架圖2CO氣體濃度檢測(cè)儀硬件設(shè)計(jì)2.1硬件平臺(tái)的選擇硬件分為兩部分，激光驅(qū)動(dòng)器電路和數(shù)字鎖相放大器電路部分，為了減小儀器的尺寸兩部分均采用嵌入式的設(shè)計(jì)，激光驅(qū)動(dòng)器電路采用STM32F103單片機(jī)為核心控制器，設(shè)計(jì)了掃描波產(chǎn)生的電路，用來(lái)驅(qū)動(dòng)激光器。以FPGA和STM32F407為核心控制器設(shè)計(jì)了放大電路和數(shù)字鎖相電路。2.2激光驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)以STM32F103單片機(jī)為核心MCU，設(shè)計(jì)激光驅(qū)動(dòng)器電路來(lái)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生特殊的掃描波。信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)產(chǎn)生的三角波與正弦波將完成波長(zhǎng)掃描和波長(zhǎng)調(diào)制，設(shè)計(jì)一種同向加法電路使得掃描波的正弦波和三腳波進(jìn)行疊加，同時(shí)，使用MAX1968設(shè)計(jì)一種TEC控制電路，可以對(duì)激光器進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，如圖2-1所示為激光控制器系統(tǒng)框圖。圖2-1驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)框圖如果控制激光器的波長(zhǎng)需要改變激光器的溫度和電流。溫度控制采用雙路溫控電路，包括LD內(nèi)部溫控精確控制以及外部TEC輔助控制功能。內(nèi)部高精度溫控讓激光器輸出波長(zhǎng)穩(wěn)定。外部溫控則讓激光器工作溫度與環(huán)境溫差過(guò)大時(shí)，激光器依然處于長(zhǎng)期高性能穩(wěn)定工作狀態(tài)，不至于激光器散熱過(guò)慢導(dǎo)致溫控失控甚至損壞激光器。電流控制采用內(nèi)部調(diào)節(jié)偏置電流與外部輸入輸入電壓控制電流波形功能。MAX1968是一款用于激光器驅(qū)動(dòng)的芯片，采用單電源供電能夠提供雙極性輸出能達(dá)到±3A，在本設(shè)計(jì)中使用MAX1968用與設(shè)定和穩(wěn)定TEC的溫度。溫度監(jiān)控通常選用溫度傳感器，選擇溫度傳感器要考慮至少4個(gè)方面的因素：測(cè)溫范圍、測(cè)溫精度、線性度以及靈敏度。最長(zhǎng)用的溫度傳感器是熱敏電阻，它具有價(jià)格低靈敏度高、體積小等的特點(diǎn)，其測(cè)量等效原理圖如圖2-2熱敏電阻監(jiān)控端等效原理圖所示。溫度傳感器提供反饋信號(hào)跟設(shè)定的溫度值做比較得到的誤差放大后送給控制單元電路，然后使用PID算法對(duì)溫度進(jìn)行控制。圖2-2熱敏電阻監(jiān)控端等效原理圖實(shí)際使用中難免存在電流波動(dòng)，電流的波動(dòng)會(huì)引起激光器性能的不穩(wěn)定，嚴(yán)重的情況下會(huì)損壞激光器，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮對(duì)激光器的保護(hù)，所以需要設(shè)計(jì)電流監(jiān)控電路，當(dāng)電流超過(guò)激光器的額定工作電流時(shí)需要及時(shí)切斷激光器的輸入電流從而保護(hù)激光不被損壞，電流監(jiān)控等效電路如圖2-3電流監(jiān)控輸出等效電路圖所示。圖2-3電流監(jiān)控輸出等效電路圖2.3數(shù)字鎖相處理設(shè)計(jì)數(shù)字鎖相放大器按功能分為兩大部分：前置運(yùn)算放大電路模塊、FPGA數(shù)字鎖相模塊。待檢測(cè)的微弱信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后，再經(jīng)過(guò)前置運(yùn)算放大和模數(shù)電路轉(zhuǎn)換后進(jìn)入FPGA模塊，微弱的信號(hào)被數(shù)字鎖相放大電路提取出來(lái)，然后由主控單片機(jī)處理信號(hào)，因?yàn)榛贔PGA的數(shù)字鎖相放大器設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，限于篇幅這里只介紹了光電信號(hào)的放大和AD轉(zhuǎn)換電路。一氧化碳吸收譜線選擇了波長(zhǎng)為2332nmDFB激光器，接收單元即光電探測(cè)器是用來(lái)將接收到的激光的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，根據(jù)選定的激光器的輸出波長(zhǎng)選擇適合的光電探測(cè)器，選型當(dāng)中也要考慮光電探測(cè)器可以接收的波長(zhǎng)響應(yīng)范圍和靈敏度以及等效功率等。本次設(shè)計(jì)選用的是索雷博公司的FDPS3X3-PbS光電導(dǎo)探測(cè)器如圖2-4所示，有效區(qū)域是3mmx3mm，上升時(shí)間200us，探測(cè)波長(zhǎng)1.0-2.9μm。如圖2-5為光電探測(cè)器的波長(zhǎng)響應(yīng)曲線，從圖中可以看到這款光電探測(cè)器能夠檢測(cè)到選中激光器波長(zhǎng)完全符合設(shè)計(jì)需要。圖2-4FDPS3X3-PbS光電導(dǎo)探測(cè)器圖2-5FDPS3X3-PbS光電導(dǎo)探測(cè)器波長(zhǎng)響應(yīng)曲線放大電路采用OP27精密運(yùn)算放大器，OP27具有低失調(diào)電壓低噪聲、高速等特點(diǎn)。失調(diào)電壓低至25微伏，最大漂移低至0.6uV/℃，放大電路將微弱的光電信號(hào)放大后送入乘法器。AD轉(zhuǎn)換采用24位的ADS1675模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它是由一個(gè)低飄移調(diào)制器與超出檢測(cè)范圍的檢測(cè)和雙路徑可編程數(shù)字濾波器組成，運(yùn)行速度高達(dá)4MSPS具有出色的AC性能和直流精度，使用該轉(zhuǎn)換電路使得將探測(cè)到的光信號(hào)裝換為數(shù)字信號(hào)，再由FPGA運(yùn)算。3CO氣體濃度檢測(cè)儀軟件設(shè)計(jì)3.1軟件平臺(tái)的選擇軟件開(kāi)發(fā)使用C語(yǔ)言，編輯和編譯平臺(tái)選擇的是MDK5，MDK是RealViewMDK或MDK-ARM（MicrocontrollerDevelopmentkit），它是在Keil公式被ARM公司收購(gòu)之后，由ARM公司主導(dǎo)開(kāi)發(fā)的基于uVision圖形界面推出的針對(duì)于ARM7、ARM9、Cortex-M0/M1/M2/M3/R4等這些系列ARM微控制器的嵌入式開(kāi)發(fā)工具。MDK-ARM集成了軟件開(kāi)發(fā)界公認(rèn)的最領(lǐng)先的技術(shù)，MDK-ARM包括uVision4和RealView的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和編譯器。并支持基于Cortex-M3/M1/M0核處理器的ARM7、ARM9，并且能夠自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成了Flash燒寫模塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬器，性能分析等的功能，與ADS（ARM之前的工具包)相比，RealView編譯器的最新版本性能改善超過(guò)20%，更加的方便了軟件開(kāi)發(fā)人員的使用。3.2下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)下位機(jī)主控芯片采用的是STM公司的STM32F407單片機(jī)，STM32F407ZG系列的單片機(jī)是基于高性能的ARM?Cortex?-M4F的32位的RISC內(nèi)核，單片機(jī)的最高工作頻率可以達(dá)到168MHz。所有ARM單精度浮點(diǎn)單元（FPU）和單精度的處理指令都受到Cortex-M4F核心功能支持。并且實(shí)現(xiàn)了一套完整的內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）與DSP指令，因而提高應(yīng)用程序的可靠性和安全性。該STM32F407ZG系列單片機(jī)應(yīng)用了高速嵌入式存儲(chǔ)器（SRAM高達(dá)192KB，閃存多達(dá)1MB），最多包含有4byte的備份SRAM，還包括廣泛的增強(qiáng)I/O的連接到外設(shè)和兩條APB總線，一個(gè)32位的多AHB總線矩陣和兩個(gè)AHB總線。STM32F407ZG單片機(jī)還提供兩路DAC，3路12位ADC，2個(gè)通用的16位定時(shí)器，兩路PWM定時(shí)器，1個(gè)低功耗的RTC，其中還包括兩個(gè)通用的32位定時(shí)器。同時(shí)還配備了標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口。數(shù)據(jù)采集以及濃度反演都由該單片機(jī)來(lái)處理，包括驅(qū)動(dòng)人機(jī)交互用的觸摸屏。如圖3-1為下位機(jī)軟件流程圖，電路板通電之后首先是系統(tǒng)初始化，Stm32內(nèi)核開(kāi)始初始化，從Flash中讀取鎖相放大器及信號(hào)發(fā)生器參數(shù)，然后是信號(hào)發(fā)生器參數(shù)初始化，系統(tǒng)初始化的最后一步是校準(zhǔn)參數(shù)的初始化用于濃度反演。圖3-1下位機(jī)軟件框架以下通過(guò)對(duì)程序運(yùn)行步驟進(jìn)行分析，說(shuō)明數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)采集并行運(yùn)行程序結(jié)構(gòu)的必要性：本次儀器設(shè)計(jì)中由FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字鎖相放大器功能，數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能由ARM微處理器實(shí)現(xiàn)；數(shù)字鎖相放大器的鎖相結(jié)果以中斷方式并且以5kHz速率的傳輸給ARM微處理器，ARM微處理器對(duì)數(shù)據(jù)采集的鎖相結(jié)果進(jìn)行顯示和處理；在這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，激光控制器以10Hz的鋸齒波對(duì)目標(biāo)譜線進(jìn)行掃描，根據(jù)鋸齒波的發(fā)出的中斷信號(hào)開(kāi)始采集新的數(shù)據(jù)，所以一個(gè)周期會(huì)采樣到500個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)FPGA數(shù)據(jù)采集完成之后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)給STM32單片機(jī)，STM32單片機(jī)接收到中斷信號(hào)之后從FPGA中獲取1f，2f返回值進(jìn)行IIR濾波，將1f（2f）信號(hào)存入數(shù)組中，判斷是否達(dá)到一階求和平均值的次數(shù)，如果沒(méi)有達(dá)到則繼續(xù)獲取，如果已經(jīng)達(dá)到則計(jì)算平均值，將得到的1f，2f平均結(jié)果存放在數(shù)組中，采樣點(diǎn)數(shù)加1，判斷是否采集一個(gè)周期的數(shù)據(jù)如果是則令采樣點(diǎn)數(shù)為0，一階平均計(jì)數(shù)自加1，判斷一階求和平均計(jì)數(shù)是否溢出，如果溢出一階和二階平均計(jì)數(shù)均自加1，最后再判定二階平均計(jì)數(shù)是否溢出，如果溢出則二階平均計(jì)數(shù)為0.假如使用傳統(tǒng)的面向過(guò)程的編程思想：開(kāi)始要采集每個(gè)掃描周期的鎖相結(jié)果，而每個(gè)周期采集數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間是100ms（即一個(gè)鋸齒波掃描周期所需要的時(shí)間）；然后用來(lái)數(shù)據(jù)顯示和處理這些功能，而這段時(shí)間僅僅有0.2ms（即一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間），但是數(shù)據(jù)顯示和處理需要一定的時(shí)間一般情況下處理時(shí)間需要大于0.2ms，因此下一個(gè)周期的鋸齒波的中斷信號(hào)就會(huì)被丟掉，依照面向過(guò)程的編程思想來(lái)編寫數(shù)據(jù)處理和采集程序，必定會(huì)丟失光譜數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)對(duì)上述問(wèn)題分析發(fā)現(xiàn)，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間大約是20us，數(shù)據(jù)采集時(shí)在中斷中進(jìn)行，然后程序開(kāi)始等待下一個(gè)中斷間隔進(jìn)行采樣，由于數(shù)據(jù)采集周期是200us（頻率為5kHz），所以會(huì)白白浪費(fèi)等待下一個(gè)采樣點(diǎn)中斷的時(shí)間；由此可知程序大約90%的時(shí)間會(huì)被浪費(fèi)掉，為了充分利用CPU這一段時(shí)間可以用來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和處理。所以激光一氧化碳分析儀使用數(shù)據(jù)處理、采集并行的程序結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集放在中斷程序中進(jìn)行，在等待采樣點(diǎn)中斷的時(shí)間間隔里進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。時(shí)間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法是一種可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的算法機(jī)制，每個(gè)單獨(dú)的任務(wù)會(huì)被分配一個(gè)很小的時(shí)間段，叫做這個(gè)任務(wù)的時(shí)間片，就是讓這個(gè)任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間，使用輪詢的算法對(duì)每個(gè)任務(wù)進(jìn)行調(diào)度；CPU會(huì)給每個(gè)任務(wù)分配一個(gè)獨(dú)有的時(shí)間片，這個(gè)任務(wù)就只能在被分配的這個(gè)時(shí)間片內(nèi)運(yùn)行，多個(gè)時(shí)間片同時(shí)構(gòu)成一個(gè)循環(huán)，如果這些時(shí)間片的時(shí)間足夠短，從宏觀上看來(lái)，就像是多個(gè)任務(wù)在同時(shí)運(yùn)行一樣；基于這種時(shí)間片輪轉(zhuǎn)算法的多任務(wù)機(jī)制，就會(huì)使得程序的運(yùn)行結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化，就會(huì)滿足多任務(wù)運(yùn)行的需要。激光一氧化碳分析儀的數(shù)據(jù)處理主要是以下4個(gè)任務(wù)：1、對(duì)采集到的光譜數(shù)據(jù)使用最小二乘法進(jìn)行濃度反演；2、光能量和反演的濃度和1f、2f諧波信號(hào)等信息上傳給上位機(jī)；3、將歸一化后的2f諧波信號(hào)以及各種信息傳輸?shù)接|控液晶屏上面進(jìn)行展示；3.3觸摸屏人機(jī)交互設(shè)計(jì)人機(jī)交互采用迪文科技的電容式觸摸組態(tài)屏，該觸摸液晶顯示屏采用直接變量驅(qū)動(dòng)的顯示方式，要預(yù)先設(shè)置好變量和圖片以及配置文件，然后顯示和操作才能運(yùn)行。使用迪文的電容式觸摸顯示屏來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)界面，開(kāi)發(fā)全圖形的觸摸屏人機(jī)交互界面會(huì)變的非常迅速和高效，可以借助電腦的圖形處理軟件輕松的電容觸摸屏的彈出菜單、輸入法、增量調(diào)節(jié)、滑塊拖動(dòng)等的觸摸屏人機(jī)交互方式以及藝術(shù)字、變量圖標(biāo)、時(shí)間變量、曲線的顯示等的一些變量顯示可以借助電腦輕松完成，可以大大減少很多的觸摸屏編程工作。本設(shè)計(jì)采用該顯示屏作為人機(jī)交互的主要方式，可以通過(guò)觸摸屏來(lái)查看濃度信息，校準(zhǔn)背景等工作。人機(jī)接口是基于迪文電容式觸摸液晶顯示屏控制的儀器菜單。本節(jié)主要講本設(shè)計(jì)中的主菜單設(shè)計(jì)部分，菜單結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。圖3-2菜單結(jié)構(gòu)圖除了開(kāi)機(jī)方框以外，每個(gè)方框都是一個(gè)菜單項(xiàng)，在單片機(jī)中將菜單項(xiàng)定義為Struct結(jié)構(gòu)體的實(shí)例，這類似于C++中的類和對(duì)象的性質(zhì)。根據(jù)本設(shè)計(jì)中的功能選項(xiàng)將每個(gè)功能項(xiàng)設(shè)計(jì)為一個(gè)圖標(biāo)，按下桌面圖標(biāo)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能，定義菜單類的C代碼如圖3-3所示。圖3-3菜單項(xiàng)結(jié)構(gòu)體源碼儀器的界面圖片比較比較多一下只展示測(cè)量模式和主界面圖，如圖3-4。圖3-4測(cè)量模式4數(shù)據(jù)的處理方法TDLAS數(shù)據(jù)處理包括對(duì)測(cè)量過(guò)程的預(yù)處理和后續(xù)算法處理。對(duì)測(cè)量過(guò)程中數(shù)據(jù)的處理包括多周期疊加、平均，基線矯正，S-G平滑濾波，這些屬于實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)預(yù)處理工作，根據(jù)后續(xù)算法的不同還可能包括減背景，提取特征點(diǎn)，線型擬合等進(jìn)一步處理工作。在測(cè)量過(guò)程中，為了提高數(shù)據(jù)的信噪比，通常使用多組數(shù)據(jù)平均值來(lái)抑制噪聲信號(hào)，從而獲得更好的探測(cè)靈敏度。但是對(duì)于一個(gè)理想的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了獲得無(wú)限大的信噪比積分時(shí)間可以無(wú)限長(zhǎng)。但是在實(shí)際中并沒(méi)有這樣的無(wú)限穩(wěn)定系統(tǒng)。對(duì)于一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)，往往需要選擇最佳積分時(shí)間以獲得更好的靈敏度。在測(cè)量中，為了使測(cè)量結(jié)果的示值穩(wěn)定，常采用多次平均的方法，由于存儲(chǔ)空間有限，且示值隨時(shí)間存在一定的漂移，多次平均的平均次數(shù)就不能無(wú)限大。于是，一個(gè)明顯的思路是僅將一段時(shí)間內(nèi)的多次測(cè)量結(jié)果做平均，然后將平均下一段，以此類推，但是，按照這樣的不重疊分段平均，每個(gè)平均結(jié)果都需要等這一段時(shí)間，當(dāng)平均次數(shù)較大，平均時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果的實(shí)時(shí)性明顯變差。實(shí)際測(cè)量中常采用“滑動(dòng)平均算法”，選定一個(gè)確定尺寸的窗口，將窗口內(nèi)的所有的異常值都做算術(shù)平均濾波，將算術(shù)平均值作為窗口中心點(diǎn)的異常數(shù)據(jù)。按點(diǎn)距或者線距挪動(dòng)窗口進(jìn)行挪動(dòng)，反復(fù)這個(gè)平均的方法，一直到對(duì)整幅圖完成上述過(guò)程，就完成了滑動(dòng)平均濾波。如果滑動(dòng)的窗長(zhǎng)度為n的話，滑動(dòng)平均濾波就是讓數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)n點(diǎn)的FIR濾波器，濾波器抽頭系數(shù)都是1，這樣取滑動(dòng)平均就是起到序列平滑的作用。如圖4-1所示，平均時(shí)間段的長(zhǎng)度取定，但平均時(shí)間段隨時(shí)間的增加而右移，即棄去平均時(shí)間段中的尾部，將新增加的時(shí)間部分添加到平均時(shí)間段的頭部，這有點(diǎn)像數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的“順序隊(duì)列”，只不過(guò)隊(duì)列中的元素不是單一的數(shù)，而是一維數(shù)組，數(shù)組的長(zhǎng)度即單周期采集的波形點(diǎn)數(shù)。圖4-1滑動(dòng)平均算法示意圖如在本設(shè)計(jì)中，平均次數(shù)為64次，由于波形每次的周期時(shí)間為1/16s，所以平均時(shí)間段的長(zhǎng)度為4s，如采用不重疊分段平均算法，則每4s顯示結(jié)果更新一次，若采用滑動(dòng)平均算法，且希望每秒更新一次顯示，應(yīng)當(dāng)在經(jīng)過(guò)一秒后，棄去第1s的16個(gè)周期數(shù)據(jù)，將第2s、第3s、第4s的數(shù)據(jù)與第5s的數(shù)據(jù)重新組成64個(gè)周期，并依此做64次平均并計(jì)算結(jié)果，下一秒過(guò)后，將使用第3s、第4s、第5s、第6s的數(shù)據(jù)，以此類推。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的算法實(shí)現(xiàn)上，考慮到存儲(chǔ)空間有限的因素，數(shù)據(jù)區(qū)也不能隨時(shí)間無(wú)限制的開(kāi)辟，由于已知后續(xù)算法為平均，于是可以在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)就將數(shù)據(jù)疊加起來(lái)。但是，為了區(qū)分第1s、第2s、第3s、第4s的數(shù)據(jù)，用于部分舍棄，不能將4秒疊加在一起，需要分別開(kāi)辟4塊同樣大小的區(qū)域，每塊區(qū)域疊加16個(gè)周期，即1s的疊加波形，疊加這16個(gè)周期之前，還需要先清空這塊區(qū)域，到下一秒后，再清空另一區(qū)域，并開(kāi)始向這塊區(qū)域疊加，以此類推，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4-2所示。圖4-2滑動(dòng)平均數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)圖為了測(cè)得較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在儀器開(kāi)始實(shí)驗(yàn)以前需要進(jìn)行對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。系統(tǒng)校準(zhǔn)的目的就是為了獲得在測(cè)量范圍內(nèi)一氧化碳濃度y與峰谷差x的線性系數(shù)a，b（輸入輸出相應(yīng)直線），由于在前面的章節(jié)中介紹了這二者是正比例關(guān)系，即y=ax，但是在實(shí)際過(guò)程中，由于噪聲和標(biāo)準(zhǔn)具效應(yīng)的原因，測(cè)量存在系統(tǒng)誤差和漂移，使二者變?yōu)榫€性關(guān)系，即y=ax+b。實(shí)際中的校準(zhǔn)可以通過(guò)測(cè)量?jī)煞N不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體（濃度已知為Y0和Y1）對(duì)應(yīng)的峰谷差X0和X1，通過(guò)聯(lián)立方程組，解得a，b，這種方法在本設(shè)計(jì)中被安排在標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)流程中；另外，如果已知系數(shù)a，b也可省略標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)流程，直接輸入，這種方法在本設(shè)計(jì)中被安排在手動(dòng)輸入校準(zhǔn)中；最后，還可以通過(guò)恢復(fù)默認(rèn)系數(shù)的方法將a，b快速恢復(fù)為保存在代碼中的默認(rèn)值。程序設(shè)計(jì)了校準(zhǔn)模式，校準(zhǔn)的時(shí)候先是通入背景氣氮?dú)鈱怏w吸收池中的廢氣吹掃干凈然后再通入標(biāo)氣進(jìn)行校準(zhǔn)，需要分兩步進(jìn)行。為了增強(qiáng)用戶體驗(yàn)又設(shè)計(jì)了一鍵校準(zhǔn)功能，按下一鍵校準(zhǔn)按鈕之后儀器按照定好的流程進(jìn)行校準(zhǔn)，一鍵校準(zhǔn)過(guò)程圖如圖4-3所示。圖4-3一鍵校準(zhǔn)過(guò)程簡(jiǎn)圖致謝致謝 對(duì)于本次論文的寫作首先我要感謝我的老師，在我對(duì)于論文感到迷茫的時(shí)候，是我的老師耐心的為我講解論文寫作的過(guò)程，積極的引導(dǎo)我如何思考并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，如何切實(shí)有效的解決問(wèn)題。其次感謝西安交大給了我一個(gè)良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)，在這里讓我接觸到專業(yè)的各方面的理論知識(shí)。在眾多的老師的教導(dǎo)下，讓我進(jìn)一步的深化認(rèn)識(shí)，打開(kāi)思路，將所學(xué)所想融會(huì)貫通，把學(xué)到的知識(shí)切實(shí)的落實(shí)到實(shí)踐中去，將知識(shí)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力。不僅如此，在這樣一個(gè)平臺(tái)上，還讓我結(jié)識(shí)了眾多志同道合的同學(xué)，我們彼此交流，相互促進(jìn)，思想在碰撞中擦出絢麗的光華，讓我們所接觸的知識(shí)在討論和模擬運(yùn)用中得到升華。最后感謝在我寫作期間幫助我的同事和領(lǐng)導(dǎo)，謝謝你們?yōu)槲姨岢龅闹锌系囊庖?jiàn)和建議。總之，感謝在這段學(xué)習(xí)期間在我身邊幫助過(guò)我的每個(gè)人，你們的鼓勵(lì)是我繼續(xù)前進(jìn)的動(dòng)力。感謝你們?cè)谖掖猴L(fēng)得意時(shí)的及時(shí)提醒，也感謝你們?cè)谖乙庵鞠習(xí)r候的每一次激勵(lì)。感謝有你們同在!參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]孫光民,劉杰,馬潘,施翀.室內(nèi)可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)報(bào)警與顯示系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀表,2019,34(12):61-67.[2]周泉,徐智.基于光聲光譜技術(shù)的氣體濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2019(12):73-76+81.[3]石錦濤.基于TDLAS技術(shù)的高精度有毒有害氣體的濃度檢測(cè)技術(shù)研究[D].電子科技大學(xué),2019.[4]亢艷芹,劉進(jìn).遺傳算法的多參數(shù)自適應(yīng)隨機(jī)共振低濃度氣體檢測(cè)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2019,32(03):332-338.[5]趙清.基于聲弛豫方法的混合氣體濃度檢測(cè)[D].華北電力大學(xué)(北京),2019.[6]陳坤.基于可調(diào)諧激光吸收光譜的高精度微量氣體濃度檢測(cè)[D].華北電力大學(xué),2