NDIR紅外探測(cè)器的嵌入式軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

許言午+鄧新欣+張濤+王健

摘 要：催化燃燒式氣體探測(cè)器具有選擇性差、易中毒、使用壽命短等缺點(diǎn)，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了具有選擇性好、不會(huì)中毒、使用壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)的新型氣體探測(cè)器——NDIR紅外探測(cè)器。針對(duì)該探測(cè)器結(jié)合STM32單片機(jī)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的嵌入式軟件系統(tǒng)，介紹了軟件方面的整體框架和各模塊的構(gòu)成。重點(diǎn)描述了對(duì)通過放大器后的信號(hào)進(jìn)行采樣、濾波，再通過相應(yīng)的算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，并最終獲得氣體的濃度的過程。

關(guān)鍵詞：STM32;NDIR紅外探測(cè)器;嵌入式軟件系統(tǒng);濃度算法

中圖分類號(hào)：TN92 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-1302（2015）01-00-04

0 ?引 ?言

在石油石化行業(yè)，碳?xì)漕悮怏w（甲烷、乙烷等）是最為常見的可燃性氣體，油氣管道和儲(chǔ)罐的日常操作和設(shè)備的腐蝕老化等會(huì)導(dǎo)致此類氣體的泄漏，石油石化的安全生產(chǎn)事故有很多都是可燃?xì)怏w的燃燒爆炸引起的。因此，對(duì)這類氣體進(jìn)行在線探測(cè)、濃度預(yù)警和報(bào)警非常重要。傳統(tǒng)的氣體探測(cè)器如催化燃燒式探測(cè)器，其傳感器易中毒，對(duì)氣體的選擇性差，使用壽命不長，平時(shí)維護(hù)的工作量大，也無法長期暴露在高濃度可燃?xì)怏w中。而NDIR（Non-Dispersive Infrared）紅外探測(cè)器則具有選擇性好、使用壽命長、不會(huì)中毒、維護(hù)工作量小、響應(yīng)時(shí)間快、能長期工作在高濃度氣體中等諸多優(yōu)點(diǎn)。因而開發(fā)這種新型的氣體探測(cè)器，對(duì)確保石油石化安全生產(chǎn)意義重大，同時(shí)也減少了對(duì)相關(guān)進(jìn)口產(chǎn)品的依賴。

1 ?基本原理

1.1 ?光譜吸收理論

光譜學(xué)研究表明當(dāng)氣體受到紅外光束的照射時(shí)，氣體分子會(huì)產(chǎn)生對(duì)紅外光的吸收，將光能量轉(zhuǎn)化為分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能量。在吸收過程中，氣體分子只能吸收那些能量正好等于它的某兩個(gè)能級(jí)之差的光子（ΔE=hv），所以不同分子結(jié)構(gòu)的氣體會(huì)吸收不同頻率（能量）的光子，也就是說不同氣體會(huì)對(duì)某個(gè)特定波段的紅外光產(chǎn)生特征吸收。

1.2 ?NDIR探測(cè)器測(cè)量氣體濃度原理

NDIR意為非分散紅外光譜。NDIR探測(cè)器利用了不同氣體在中紅外波段（波長在2.5～25 μm間）的特征吸收原理。不同氣體吸收紅外光的強(qiáng)度與其本身的濃度有關(guān)，其吸收關(guān)系滿足朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律，具體表現(xiàn)形式如下：

I1=I0*e-aLC

式中，I0代表入射光強(qiáng)，I2是通過待測(cè)氣體后的透射光強(qiáng)，L是光程，C是待測(cè)氣體的濃度，α是吸收系數(shù)。當(dāng)一定濃度的氣體通過連續(xù)的中紅外光譜時(shí)，由于氣體對(duì)特定頻率光的吸收，會(huì)使得傳感器檢測(cè)到該頻率光強(qiáng)的減弱，而其他頻率的光強(qiáng)不變，于是通過傳感器得到的參考和測(cè)量通道的電信號(hào)，分別代表了原始光強(qiáng)和被待測(cè)氣體吸收之后的光強(qiáng)，通過傳感器的電信號(hào)，再經(jīng)過后續(xù)的硬件與軟件算法上的處理，我們最終便能得出氣體的濃度。

2 ?探測(cè)器光路設(shè)計(jì)

在光路設(shè)計(jì)中我們選擇了單光源、單探測(cè)器的對(duì)射式方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 ?整體光路設(shè)計(jì)

如圖1所示，探測(cè)器的光路由紅外光源、準(zhǔn)直透鏡、發(fā)射視窗、氣室、接收視窗、接收透鏡及PbSe探測(cè)器組成。紅外光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡得到與氣室平行的光線，紅外光通過氣室中，氣室中的氣體對(duì)紅外光進(jìn)行吸收，在接收端，通過接收透鏡使光聚集成為一個(gè)光斑，在光斑打在熱釋電探測(cè)器上之前，需經(jīng)過3～5 μm寬帶濾光片，由此，通過探測(cè)器可以觀察到兩個(gè)信號(hào)的大小。

準(zhǔn)直透鏡使進(jìn)入氣室的光成為平行光，排除由于光路對(duì)測(cè)量造成的影響。在氣室兩端我們安裝了視窗，視窗要求有足夠高的透過率，視窗的作用是使氣室與發(fā)射/接收端隔離，避免氣體進(jìn)入發(fā)射端/接收端，對(duì)光源/探測(cè)器造成影響，從而對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。在接收端，接收透鏡可以把打過來的平行光聚集成為一個(gè)光斑打在探測(cè)器上，這時(shí)要求探測(cè)器在透鏡的中心軸上，探測(cè)器放置的位置在透鏡的焦點(diǎn)附近得到最大的光強(qiáng)，同時(shí)在透鏡和探測(cè)器中間放置一個(gè)3～5 μm的寬帶濾波片，濾除可見光對(duì)探測(cè)結(jié)果造成的影響。

采用此種單光源對(duì)射式光路，有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）光路簡單，可控性高，相比于雙光源，不需要考慮光源同步性帶來的誤差，能更好地結(jié)合實(shí)際排除干擾的因素;（2）PbSe傳感器相比傳統(tǒng)的紅外熱釋電探測(cè)器，靈敏度更高，響應(yīng)速度更快，溫漂很小，可以提高探測(cè)下限和測(cè)量精度。

3 ?基本硬件電路設(shè)計(jì)

紅外氣體探測(cè)器一般由以下幾部分組成（如圖2）：光源驅(qū)動(dòng)電路，探測(cè)器電路，信號(hào)處理電路，ADC采樣以及MCU，輸出電路構(gòu)成。MCU控制光源發(fā)光，使測(cè)量光源和參考光源交替閃爍，使探測(cè)器可以在一個(gè)周期內(nèi)得到測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)兩個(gè)完整的信號(hào)。探測(cè)器得到的信號(hào)通信號(hào)處理模塊進(jìn)行放大和濾波。最后通過ADC進(jìn)行采樣并傳入MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到濃度，并通過4～20 mA電路和RS 485電路對(duì)外輸出。

3.1 ?光源驅(qū)動(dòng)電路

光源由MCU定時(shí)器產(chǎn)生的方波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，方波的頻率為2 Hz，占空比為50%（如圖3）。

圖3 ?光源驅(qū)動(dòng)波形

在上位機(jī)上顯示的AD采樣波形圖如圖4所示，采樣頻率為2 kHz：

圖4 ?測(cè)量信號(hào)

由圖可以知道光源驅(qū)動(dòng)頻率和占空比的設(shè)置可以保證采到信號(hào)的最大最小值。

3.2 ?探測(cè)器接收電路

探測(cè)器方面我們選擇的是PbSe探測(cè)器，這種探測(cè)器對(duì)于1～5 μm的紅外信號(hào)有較寬的探測(cè)域，較快的響應(yīng)速度，以及較好的溫度特性，使其可以工作在室溫的環(huán)境下。PbSe探測(cè)器的主要原理是光傳導(dǎo)效應(yīng)，是光打在探測(cè)器上，由于光傳導(dǎo)效應(yīng)使PbSe探測(cè)器的阻值發(fā)生變化，隨著光強(qiáng)度增加，PbSe探測(cè)器的阻值會(huì)降低。

3.3 ?信號(hào)處理、采樣與處理器

傳感器的信號(hào)經(jīng)前放電路、帶通電路進(jìn)行放大，然后用ADC對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行采樣，給微處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，微處理器將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行軟件濾波以及峰峰值的采集，并通過算法進(jìn)行最后濃度的計(jì)算。微處理器對(duì)采樣得到的信號(hào)進(jìn)行處理，算法計(jì)算等工作，根據(jù)完成的功能要求等選擇不同的單片機(jī)進(jìn)行控制。

3.4 ?輸出電路

輸出電路我們選擇了工業(yè)常用的4～20 mA輸出電路，連接控制器，可以直觀地顯示計(jì)算出來的氣體濃度;同時(shí)我們使用RS 485總線與PC通信，通過上位機(jī)對(duì)儀器參數(shù)進(jìn)行更改，以及對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察。

4 ?軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?主處理器

NDIR主處理器為ST的32位單片機(jī)STM32F407VGT6， 主處理器在主板上的原理框圖如圖5所示。

4.2 ?嵌入式軟件總體設(shè)計(jì)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用組件化編程，程序總體結(jié)構(gòu)主要由以下3部分組成（如圖6）。

圖5 ?NDIR紅外探測(cè)器主板原理框圖

主控層：主要由系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)自檢及主流程控制模塊組成。主體流程遵從：信號(hào)采集、信號(hào)處理、報(bào)警診斷、4～20mA輸出。系統(tǒng)完成初始化及自檢后，進(jìn)入一套定義好的流程執(zhí)行，即主流程。運(yùn)行期間，前臺(tái)處理程序：串口中斷、定時(shí)器中斷實(shí)時(shí)的執(zhí)行，即只要發(fā)生中斷，馬上進(jìn)入中斷服務(wù)程序，若無中斷的發(fā)生，則系統(tǒng)運(yùn)行主流程（后臺(tái)程序），見圖中的MainProcess處理。應(yīng)用層的流程圖如圖7所示。

圖6 ?程序總體結(jié)構(gòu)圖

圖7 ?應(yīng)用層的流程圖

組件層：主要是各個(gè)子模塊組成，它們都是一個(gè)獨(dú)立的功能模塊，各模塊之間不允許相互調(diào)用。組件層包含眾多模塊，各個(gè)模塊又可以有多子模塊組成。在模塊劃分上，按照實(shí)現(xiàn)功能的不同，來劃分不同的模塊，每個(gè)模塊可以獨(dú)立進(jìn)行工作，也可以像搭積木一樣和其他模塊組合起來完成一個(gè)特定的功能。

Modbus通訊處理模塊：實(shí)現(xiàn)接收、解析及發(fā)送通訊命令。

光源驅(qū)動(dòng)管理模塊：產(chǎn)生頻率、占空比可調(diào)的PWM波形，驅(qū)動(dòng)光源打開、關(guān)閉。

加熱棒驅(qū)動(dòng)管理模塊：產(chǎn)生頻率、占空比可調(diào)的PWM波形，驅(qū)動(dòng)加熱棒開啟、關(guān)閉加熱。

采樣及數(shù)據(jù)處理模塊：對(duì)信號(hào)采樣、濾波處理后計(jì)算濃度，4～20 mA輸出。

報(bào)警輸出：報(bào)警判斷，并輸出自檢、過程檢測(cè)，及濃度、溫度報(bào)警信息。

驅(qū)動(dòng)層：主要提供一些底層驅(qū)動(dòng)的API接口函數(shù)，供組件層的各個(gè)模塊調(diào)用。驅(qū)動(dòng)層又可以分為兩級(jí)：

底層驅(qū)動(dòng)（芯片級(jí)）：項(xiàng)目所需的芯片級(jí)驅(qū)動(dòng)。底層驅(qū)動(dòng)（芯片級(jí)）又可以劃分為單片機(jī)片內(nèi)驅(qū)動(dòng)和單片機(jī)片外驅(qū)動(dòng)。片內(nèi)驅(qū)動(dòng)主要有內(nèi)部Flash驅(qū)動(dòng)、內(nèi)部ADC驅(qū)動(dòng)、內(nèi)部DAC驅(qū)動(dòng)、內(nèi)部定時(shí)器驅(qū)動(dòng)、SCI串口驅(qū)動(dòng)等。片外驅(qū)動(dòng)主要EEPROM驅(qū)動(dòng)、AD7689、DAC121S101。底層驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是通用性，可在各個(gè)項(xiàng)目中共享。

底層驅(qū)動(dòng)（項(xiàng)目級(jí)）： 底層驅(qū)動(dòng)（項(xiàng)目級(jí)）直接面向組件層的各個(gè)組件，完成項(xiàng)目功能的芯片級(jí)驅(qū)動(dòng)的封裝和擴(kuò)展。在NDIR原型機(jī)項(xiàng)目中，項(xiàng)目級(jí)驅(qū)動(dòng)主要包括：光源驅(qū)動(dòng)、加熱棒驅(qū)動(dòng)。一般而言，底層驅(qū)動(dòng)（項(xiàng)目級(jí)）與項(xiàng)目相關(guān)性比較大。

5 ?信號(hào)處理算法

信號(hào)處理算法的關(guān)鍵是提高信噪比，提高檢測(cè)精度，本項(xiàng)目采用了滑動(dòng)平均算法。

5.1 ?算法說明

對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動(dòng)濾波處理，顯示的數(shù)據(jù)不會(huì)出現(xiàn)劇烈跳變。緩沖區(qū)大小不變，每采樣一次，數(shù)據(jù)向左滑動(dòng)一個(gè)，先入先出，之后數(shù)據(jù)取均值。如圖8所示。

圖8 ?數(shù)據(jù)滑動(dòng)示意圖

5.2 ?算法評(píng)估

算法時(shí)間與所采用的濾波緩沖N大小有關(guān)，一般會(huì)采用10個(gè)緩沖。

5.3 ?算法實(shí)現(xiàn)

首先，多個(gè)波形周期滑動(dòng)平均，滑動(dòng)的是一個(gè)或幾個(gè)相鄰的波形周期。然后，對(duì)求出的濃度再次滑動(dòng)或累加平均。具體流程如下：

采樣原始波形，采集n個(gè)信號(hào)周期。

在采集第n+1個(gè)波形的同時(shí)，將波形[0～n]做累加平均，求出第一個(gè)滑動(dòng)平均后的波形數(shù)據(jù)。

在采集第n+2個(gè)波形的同時(shí)，則將波形[1，n+1]做累加平均。

正常情況下，持續(xù)采集波形數(shù)據(jù)，然后滑動(dòng)平均，在采集新波形的同時(shí)，就會(huì)流水輸出滑動(dòng)平均后的波形數(shù)據(jù)。

在滑動(dòng)平均后的第一個(gè)波形數(shù)據(jù)中，計(jì)算出Im1，Ir1;

之后，每過一個(gè)采集周期，在新流水輸出的滑動(dòng)平均后的波形數(shù)據(jù)中，計(jì)算出Imn，Im。

1 s/2 s/3 s/4 s時(shí)間后，計(jì)算Im=（Im1+Im2+…+Imn）/n;Ir=（Ir1+Ir2+…+Irn）/n;Im/Ir，并計(jì)算濃度C1平均次數(shù)n = T/T1;（T為濃度輸出間隔時(shí)間，T1為信號(hào)周期）

1 s/2 s/3 s/4 s時(shí)間后，計(jì)算濃度C2;

依次重復(fù)此過程。

6 ?甲烷濃度計(jì)算算法

光強(qiáng)和氣體濃度的關(guān)系符合Lbert-Beer定律：

Im=I1e-k1Cl ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

Ir=I2e-k2Cl ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：I1和I2分別為測(cè)量光和參考光的出射光強(qiáng);Im和Ir分別為產(chǎn)生吸收后，在接收側(cè)接收到的測(cè)量光強(qiáng)和參考光;k1和k2分別為測(cè)量光波長和參考光波長的吸收系數(shù);C為氣室內(nèi)的待測(cè)氣體濃度;l為氣室長度;為消除光源變化和部分溫度變化的影響，由式（1），式（2）可得：

C = a*In（Im/Ir） – a*In b ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

其中：a =1/[1（k2-k1）];b =I1/I2

根據(jù)式（3）：

調(diào)零時(shí)（C=0%LEL），有：

In（Im0/Ir0）= In b ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

標(biāo)定時(shí)（C=50%LEL），有：

50%LEL =a*In（Im1/Ir1） – a*In b ? ? ? ? ? ? ?（5）

根據(jù)式（4）和（5），即可求得a和b。

由理論公式可知，濃度C是關(guān)于Imcalib/Ircalib的關(guān)系式，即C（Imcalib/Ircalib），則其一階關(guān)系是關(guān)于Imcalib/Ircalib的一次式。如圖9所示。

圖9 ?濃度C與Imcalib/Ircalib關(guān)系的具體示圖

一次函數(shù)只有兩個(gè)未知系數(shù)，只需調(diào)零和標(biāo)定一次即可確定所有參數(shù)。調(diào)零后確定b值：

b = Imzero/Irzero

標(biāo)定后確定K值：

這樣我們便得到最終的濃度值。

7 ?通氣測(cè)試結(jié)果

NDIR探測(cè)器最終通氣結(jié)果如表1所示。

8 ?結(jié) ?語

通過試驗(yàn)可知，NDIR探測(cè)器能準(zhǔn)確探測(cè)氣體濃度，符合預(yù)期，能夠適應(yīng)市場(chǎng)需求，本設(shè)計(jì)是基于氣體紅外光譜吸收原理的一種單光源單探測(cè)器的甲烷氣體檢測(cè)裝置，相較于傳統(tǒng)的電化學(xué)，催化燃燒探測(cè)器，該設(shè)計(jì)具有響應(yīng)快、精度高，使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保、化工、以及放置氣體泄漏等領(lǐng)域?qū)?huì)有較好的應(yīng)用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

參考文獻(xiàn)

[1] STMicroelectronics Ltd. Cortex-M4 programming manual：STM32F4xxx[S].2012.

[2] STMicroelectronics Ltd. Reference manual：STM32F4xxx[S].2012

[3]劉火良，楊森.STM32庫開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4]王汝琳，王詠濤.紅外檢測(cè)技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[5] Joseph Yin.ARM Cortex-M3 權(quán)威指南[M].宋巖，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2014.

[6]張德富.算法設(shè)計(jì)與分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.