CN114544449B - 高精度测量与数据高速传输的多通道pm2.5检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置和方法。本发明所述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置包括：液体恒流注射泵、PM2.5检测池、检测池驱动电路、波形整形电路、等精度超长门限频率测量模块、数据缓冲模块和数据高速传输模块；所述PM2.5检测池内设有石英晶体微天平；所述等精度超长门限频率测量模块用于计算所述石英晶体微天平产生的方波信号的频率，得到所述PM2.5检测池的频率数据，并将所述频率数据依次通过所述数据缓冲模块和所述数据高速传输模块传输至上位机。本发明所述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，基于可调的超长门限时间，可实现高于0.1Hz频率检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及信息处理技术领域，尤其涉及一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置和方法。
背景技术
PM2.5是主要的空气污染物之一，其重量可达到纳克级，若要检测PM2.5则需要精度达到纳克级的检测装置；此外，为了同时检测空气中的不同污染物的浓度，则需要多通道的检测装置。
石英晶体微天平(QCM,Quartz Crystal Microbalance)是一种以AT切型石英晶片为核心，具有极高的分辨率和灵敏度的谐振式质量传感器。石英晶片电极表面吸附的质量的变化与其谐振频率变化呈正比例关系，因此其振荡频率的变化能够反映出晶体电极表面所吸附的质量变化，理论测量精度可达纳克级。
目前，检测空气污染物浓度的装置，主要有美国ESC公司的ZDL系列手持式气体检测仪、美国TSI仪器公司的室内环境综合检测仪、德国希尔斯S601压缩空气质量检测分析仪、以及国内的绿驰空气质量检测仪等装置。
上述装置都是仅支持少数有限种类的空气污染物测量，灵活性差，无法根据环境的变化添加各种相应的空气污染物测量方法；或者空气污染物浓度的测量精度无法达到μg/m3；或者成本高，便携性差，检测时间长；或者传输数据量小，传输速度慢。
发明内容
基于此，本发明的目的在于，提供一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置和方法，可实现高于0.1Hz的频率检测精度。
第一方面，本发明提供一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置：
包括液体恒流注射泵、PM2.5检测池、检测池驱动电路、波形整形电路、等精度超长门限频率测量模块、数据缓冲模块和数据高速传输模块；
所述液体恒流注射泵用于接收待检测的液体和/或纯净水，并将所述待检测的液体和/或所述纯净水注入所述PM2.5检测池；
所述PM2.5检测池内设有石英晶体微天平，所述石英晶体微天平的两极与所述检测池驱动电路和所述波形整形电路连接；
所述检测池驱动电路为串联型石英晶体振荡电路，所述检测池驱动电路与所述波形整形电路连接；所述波形整形电路用于将所述石英晶体微天平产生的信号进行整形处理，得到稳定的方波信号，并将所述稳定的方波信号传输至所述等精度超长门限频率测量模块；
所述等精度超长门限频率测量模块用于计算各路所述方波信号的频率，得到所述PM2.5检测池的频率数据；
所述数据缓冲模块用于接收来自所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据，将所述频率数据存储于寄存器中，以及将所述频率数据串行输出至所述数据高速传输模块；
所述数据高速传输模块用于将所述频率数据传输至上位机。
进一步地，所述数据高速传输模块包括标志控制器、状态机、串口传输器和数据高速传输器；
所述状态机包括：初始化状态、等待数据准备状态、写数据状态、数据传输状态。
进一步地，所述波形整形电路包括方波信号输出端Square_wave_out[0…n]；
所述等精度超长门限频率测量模块包括信号输入端Signal_in[0…n]、读数据完成信号输入端Read_done_in、频率数据输出端Fre_data_out[0…n]和计数完成标志输出端Flag_done_out；
所述数据缓冲模块包括计数完成标志输入端Flag_done_in、频率数据输入端Fre_data_in[0…n]、读数据标志输入端Flag_read_in、频率数据输出端Fre_data_out、数据准备信号输出端Data_ready_out和读数据完成信号输出端Read_done_out；
所述高速传输模块包括数据准备信号输入端Data_ready_in、频率数据输入端Fre_data_in、数据读标志输出端Flag_read_out、频率数据输出端Fre_data_out；
所述波形整形电路的方波信号输出端Square_wave_out[0…n]与所述等精度超长门限频率测量模块的信号输入端Signal_in[0…n]连接；
所述等精度超长门限频率测量模块的信号输入端Signal_in[0…n]与所述波形整形电路的方波信号输出端Square_wave_out[0…n]连接，所述等精度超长门限频率测量模块的读数据完成信号输入端Read_done_in与所述数据缓冲模块的读数据完成信号输出端Read_done_out连接，所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据输出端Fre_data_out[0…n]与所述数据缓冲模块的频率数据输入端Fre_data_in[0…n]连接，所述等精度超长门限频率测量模块的计数完成标志输出端Flag_done_out与所述数据缓冲模块的计数完成标志输入端Flag_done_in连接；
所述数据缓冲模块的计数完成标志输入端Flag_done_in与所述等精度超长门限频率测量模块的计数完成标志输出端Flag_done_out连接，所述数据缓冲模块的频率数据输入端Fre_data_in[0…n]与所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据输出端Fre_data_out[0…n]连接，所述数据缓冲模块的读数据标志输入端Flag_read_in与所述高速传输模块的数据读标志输出端Flag_read_out连接，所述数据缓冲模块的频率数据输出端Fre_data_out与所述高速传输模块的频率数据输入端Fre_data_in连接，所述数据缓冲模块的数据准备信号输出端Data_ready_out与所述高速传输模块的数据准备信号输入端Data_ready_in连接，所述数据缓冲模块的读数据完成信号输出端Read_done_out与所述等精度超长门限频率测量模块的读数据完成信号输入端Read_done_in连接；
所述高速传输模块的数据准备信号输入端Data_ready_in与所述数据缓冲模块的数据准备信号输出端Data_ready_out连接，所述高速传输模块的频率数据输入端Fre_data_in与所述数据缓冲模块的频率数据输出端Fre_data_out连接，所述高速传输模块的数据读标志输出端Flag_read_out与所述数据缓冲模块的读数据标志输入端Flag_read_in连接。
进一步地，所述等精度超长门限频率测量模块的工作过程包括：
电路通电后，所述等精度超长门限频率测量模块在10秒钟内计算所测方波信号的上升沿个数，并将所述上升沿个数存储于寄存器中；
当10秒钟到达时，所述等精度超长门限频率测量模块将所述上升沿个数的十分之一于频率数据输出端Fre_data_out[0…n]输出；并将计数完成标志Flag_done的值置1；
之后，每过1秒钟均输出一次前10秒钟的频率数据的十分之一，并将所述计数完成标志Flag_done的值置1；
当读数据完成信号Read_done的值为1时，所述计数完成标志Flag_done的值清0。
进一步地，所述数据缓冲模块包括一个数据选择器，所述数据选择器的初始值为0；
当读数据标志Flag_read从1跳变为0时，若所述数据选择器的值为35，则将所述数据选择器的值清0；若所述数据选择器的值不为35，则将所述数据选择器的值自加一；
当所述计数完成标志Flag_done的值为1时，将所述频率数据输入端Fre_data_in[0…n]接收到的频率数据Fre_data[0…n]存储于寄存器中，同时，所述读数据完成信号Read_done与所述数据准备信号Data_ready的值置1；
其中，数据完成信号Read_done的值在下一个时钟上升沿到来时清0；当数据选择器的值跳变为0时，数据准备信号Data_ready的值清0。
进一步地，所述状态机的状态转换包括：
当电路通电时或Rst_n＝0时，所述状态机转换为初始化状态；
当Rst_n不为0，所述状态机转换为等待数据准备状态；
当数据准备信号Data_ready＝1，所述状态机转换为写数据状态，数据读标志Flag_read置1；
当写入数据后，所述状态机转换为数据传输状态，数据读标志Flag_read清0；
当数据传输完成后，若数据准备信号Data_ready＝1，所述状态机转换为写数据状态；若数据准备信号Data_ready＝0，所述状态机转换为等待数据准备状态。
进一步地，所述数据高速传输模块通过串口传输和/或USB3.0/USB2.0传输方式，将多路PM2.5检测池的频率数据传输至上位机。
进一步地，所述数据高速传输模块还包括FX3标志输入端FLAGA/FLAGB、短数据包或零长度数据包选择输出端PKTEND、芯片选择信号输出端SLCS、写入选通信号输出端SLWR、读取选通信号输出端SLRD、输出使能信号输出端SLOE、地址总线输出端Address[0:1]和频率数据输出端Fre_data_out；
在串口传输方式中，所述数据高速传输模块还包括串口数据输出端Uart_tx，所述串口数据输出端Uart_tx与UART控制器连接。
第二方面，本发明还提供一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测方法，包括以下步骤：
通过检测池驱动电路驱动PM2.5检测池中的石英晶体微天平产生信号，波形整形电路将所述石英晶体微天平产生的信号进行整形处理，得到稳定的方波信号，并将所述稳定的方波信号传输至等精度超长门限频率测量模块；
所述等精度超长门限频率测量模块接收所述方波信号，计算所述方波信号的频率，并将频率数据传输至数据缓冲模块；
所述数据缓冲模块接收所述频率数据，将所述频率数据存储于寄存器中；
所述数据高速传输模块从所述数据缓冲模块读取所述频率数据，并将所述频率数据输出至上位机。
本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置及方法，得益于USB3.0的高带宽及FPGA的可拓展性，可拓展至上百通道PM2.5的同时测量与传输；基于可调的超长门限时间，可实现高于0.1Hz频率检测精度。
为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本发明。
附图说明
图1为本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的检测池驱动电路结构示意图；
图3为本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的等精度超长门限频率测量模块结构示意图；
图4为本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的数据缓冲模块的结构示意图；
图5为本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的数据高速传输模块及其与USB3.0控制器EZ-USB FX3、UART连接的结构示意图；
图6为本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置对PM2.5悬浮液的一次测量结果示意图；
图7为本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置对一天中不同时间段的PM2.5悬浮液的测量结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以是直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
下面给出几个具体的实施例，用于详细介绍本申请的技术方案。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
针对背景技术中的问题，本申请实施例提供一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，如图1所示，该装置包括液体恒流注射泵、PM2.5检测池、检测池驱动电路、波形整形电路、等精度超长门限频率测量模块、数据缓冲模块和数据高速传输模块。
所述液体恒流注射泵用于接收待检测的液体和/或纯净水，并将所述待检测的液体和/或所述纯净水注入所述PM2.5检测池。
在一个具体的实施例中，液体恒流注射泵1用于将衡量的PM2.5悬浮液或纯净水注入到多路PM2.5检测池中，达到PM2.5浓度检测或清洗的作用。
所述PM2.5检测池内设有石英晶体微天平，所述石英晶体微天平的两极与所述检测池驱动电路和所述波形整形电路连接。
石英晶体微天平(QCM,Quartz Crystal Microbalance)是一种以AT切型石英晶片为核心，具有极高的分辨率和灵敏度的谐振式质量传感器。石英晶片电极表面吸附的质量的变化与其谐振频率变化呈正比例关系，因此其振荡频率的变化能够反映出晶体电极表面所吸附的质量变化。通过Sauerbrey方程，吸附在晶体传感器上的物质质量可以和频率的改变建立以下关系：
其中，f0是指芯片固有的振荡频率，A和m是电极的有效工作面积和质量，ρq和μq是石英晶体的密度和剪切模量。由于芯片的固有振荡频率、工作面积和质量等都是已知数，所以上述公式可以简写为：
Δf＝-c×Δm
C是与芯片有关的常数。由此公式可以直观地看出频率的降低和质量的改变是线性变化。其中，Δf存在一定可变范围，如图2，通过改变阻尼电阻R的阻值，可改变该Δf的可变范围，相应地改变质量测量精度。
所述检测池驱动电路为串联型石英晶体振荡电路，所述检测池驱动电路与所述波形整形电路连接；所述波形整形电路用于将所述石英晶体微天平产生的信号进行整形处理，得到稳定的方波信号，并将所述稳定的方波信号传输至所述等精度超长门限频率测量模块。
如图2所示，石英晶体微天平(QCM)能在检测池驱动电路及波形整形电路的作用下，产生方波信号。此方波信号的频率变化Δf与所测悬浮液中的PM2.5浓度呈正相关关系，即PM2.5浓度越高，则各路PM2.5检测池的方波信号频率变化越大；PM2.5浓度越低，则各路PM2.5检测池的方波信号频率变化越小。
在一个优选的实施例中，PM2.5检测池为串联的多路PM2.5检测池。其中，第一个检测池的入口连接液体恒流注射泵1，出口连接第二个检测池的入口；同理，第二个检测池的出口连接第三个检测池的入口，以此类推，形成PM2.5检测池串。每一个PM2.5检测池中的石英晶体微天平均和检测池驱动电路与波形整形电路连接。波形整形电路用于将稳定的方波信号发送至等精度超长门限频率测量模块。
所述等精度超长门限频率测量模块用于计算各路所述方波信号的频率，得到所述PM2.5检测池的频率数据。
优选的，等精度超长门限频率测量模块所用测量方法为等精度测量法。假设超长门限时间为N秒：前N秒内，计算该N秒钟内的频率数据总和，不输出频率数据；在第N秒结束后，开始且每秒钟输出一次高精度频率数据。
所述高精度频率数据为N秒钟内的频率数据总和的1/N。
若所述超长门限时间为10秒，则所述高精度频率数据的精度为0.1Hz；若所述超长门限时间大于10秒，则所述高精度频率数据的精度高于0.1Hz。
所述数据缓冲模块用于接收来自所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据，将所述频率数据存储于寄存器中，以及将所述频率数据串行输出至所述数据高速传输模块。
所述数据高速传输模块用于将所述频率数据传输至上位机。
在一个优选的实施例中，所述数据高速传输模块包括标志控制器与状态机、串口传输器、数据高速传输器。所述状态机包括：初始化状态、等待数据准备状态、写数据状态、数据传输状态。
优选的，数据高速传输模块的状态机的状态转换包括：
当电路通电时或Rst_n＝0时，所述状态机转换为初始化状态；
当Rst_n不为0，所述状态机转换为等待数据准备状态；
当数据准备信号Data_ready＝1，所述状态机转换为写数据状态，数据读标志Flag_read置1；
当写入数据后，所述状态机转换为数据传输状态，数据读标志Flag_read清0；
当数据传输完成后，若数据准备信号Data_ready＝1，所述状态机转换为写数据状态；若数据准备信号Data_ready＝0，所述状态机转换为等待数据准备状态。
所述数据高速传输模块的数据传输方式包括串口传输、数据高速传输。具体的，是通过GPIF II接口以同步Slave FIFO的方式与EZ-USB FX3控制器之间的通信，与上位机USB3.0、USB2.0接口进行数据传输。
在一个优选的实施例中，由等精度超长门限频率测量模块、数据缓冲模块、数据高速传输模块的数据传输过程，具体如下：
S01:当电路开始通电时，所述等精度超长门限频率测量模块开始测量各路方波信号的频率；
S02:计数完成后，所述等精度超长门限频率测量模块向所述数据缓冲模块发出计数完成信号，并将各路高精度频率数据输出至所述数据缓冲模块；
S03:所述数据缓冲模块将接收到的各路高精度频率数据存储于寄存器中，并向数据高速传输模块发出数据准备信号；
S04:若所述数据高速传输模块处于等待数据准备状态，转换为写数据状态，向数据缓冲模块读信号，并从所述数据缓冲模块读取各路高精度频率数据。
在一个具体的实施例中，请参阅图2-图5，本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的各个模块包括以下端口：
所述波形整形电路包括方波信号输出端Square_wave_out[0…n]；
所述等精度超长门限频率测量模块包括信号输入端Signal_in[0…n]、读数据完成信号输入端Read_done_in、频率数据输出端Fre_data_out[0…n]和计数完成标志输出端Flag_done_out；
所述数据缓冲模块包括计数完成标志输入端Flag_done_in、频率数据输入端Fre_data_in[0…n]、读数据标志输入端Flag_read_in、频率数据输出端Fre_data_out、数据准备信号输出端Data_ready_out和读数据完成信号输出端Read_done_out；
所述高速传输模块包括数据准备信号输入端Data_ready_in、频率数据输入端Fre_data_in、数据读标志输出端Flag_read_out、频率数据输出端Fre_data_out；
所述波形整形电路的方波信号输出端Square_wave_out[0…n]与所述等精度超长门限频率测量模块的信号输入端Signal_in[0…n]连接；
所述等精度超长门限频率测量模块的信号输入端Signal_in[0…n]与所述波形整形电路的方波信号输出端Square_wave_out[0…n]连接，所述等精度超长门限频率测量模块的读数据完成信号输入端Read_done_in与所述数据缓冲模块的读数据完成信号输出端Read_done_out连接，所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据输出端Fre_data_out[0…n]与所述数据缓冲模块的频率数据输入端Fre_data_in[0…n]连接，所述等精度超长门限频率测量模块的计数完成标志输出端Flag_done_out与所述数据缓冲模块的计数完成标志输入端Flag_done_in连接；
所述数据缓冲模块的计数完成标志输入端Flag_done_in与所述等精度超长门限频率测量模块的计数完成标志输出端Flag_done_out连接，所述数据缓冲模块的频率数据输入端Fre_data_in[0…n]与所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据输出端Fre_data_out[0…n]连接，所述数据缓冲模块的读数据标志输入端Flag_read_in与所述高速传输模块的数据读标志输出端Flag_read_out连接，所述数据缓冲模块的频率数据输出端Fre_data_out与所述高速传输模块的频率数据输入端Fre_data_in连接，所述数据缓冲模块的数据准备信号输出端Data_ready_out与所述高速传输模块的数据准备信号输入端Data_ready_in连接，所述数据缓冲模块的读数据完成信号输出端Read_done_out与所述等精度超长门限频率测量模块的读数据完成信号输入端Read_done_in连接；
所述高速传输模块的数据准备信号输入端Data_ready_in与所述数据缓冲模块的数据准备信号输出端Data_ready_out连接，所述高速传输模块的频率数据输入端Fre_data_in与所述数据缓冲模块的频率数据输出端Fre_data_out连接，所述高速传输模块的数据读标志输出端Flag_read_out与所述数据缓冲模块的读数据标志输入端Flag_read_in连接。
基于上述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，等精度超长门限频率测量模块的工作过程包括：
电路通电后，所述等精度超长门限频率测量模块在10秒钟内计算所测方波信号的上升沿个数，并将所述上升沿个数存储于寄存器中；
当10秒钟到达时，所述等精度超长门限频率测量模块将所述上升沿个数的十分之一于频率数据输出端Fre_data_out[0…n]输出；并将计数完成标志Flag_done的值置1；
之后，每过1秒钟均输出一次前10秒钟的频率数据的十分之一，并将所述计数完成标志Flag_done的值置1；
当读数据完成信号Read_done的值为1时，所述计数完成标志Flag_done的值清0。
优选的，数据缓冲模块包括一个数据选择器，所述数据选择器的初始值为0；
当读数据标志Flag_read从1跳变为0时，若所述数据选择器的值为35，则将所述数据选择器的值清0；若所述数据选择器的值不为35，则将所述数据选择器的值自加一；
当所述计数完成标志Flag_done的值为1时，将所述频率数据输入端Fre_data_in[0…n]接收到的频率数据Fre_data[0…n]存储于寄存器中，同时，所述读数据完成信号Read_done与所述数据准备信号Data_ready的值置1；
其中，数据完成信号Read_done的值在下一个时钟上升沿到来时清0；当数据选择器的值跳变为0时，数据准备信号Data_ready的值清0。
优选的，数据高速传输模块的状态机的状态转换包括：
当电路通电时或Rst_n＝0时，所述状态机转换为初始化状态；
当Rst_n不为0，所述状态机转换为等待数据准备状态；
当数据准备信号Data_ready＝1，所述状态机转换为写数据状态，数据读标志Flag_read置1；
当写入数据后，所述状态机转换为数据传输状态，数据读标志Flag_read清0；
当数据传输完成后，若数据准备信号Data_ready＝1，所述状态机转换为写数据状态；若数据准备信号Data_ready＝0，所述状态机转换为等待数据准备状态。
本申请实施例还提供一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测方法，包括以下步骤：
S1：通过检测池驱动电路驱动PM2.5检测池中的石英晶体微天平产生信号，波形整形电路将所述石英晶体微天平产生的信号进行整形处理，得到稳定的方波信号，并将所述稳定的方波信号传输至等精度超长门限频率测量模块；
S2：所述等精度超长门限频率测量模块接收所述方波信号，计算所述方波信号的频率，并将频率数据传输至数据缓冲模块；
S3：所述数据缓冲模块接收所述频率数据，将所述频率数据存储于寄存器中；
S4：所述数据高速传输模块从所述数据缓冲模块读取所述频率数据，并将所述频率数据输出至上位机。
在一个优选的实施例中，假设：n＝35、超长门限时间为10秒、选择数据传输方式(串口/USB3.0/USB2.0)，电路通电后，本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的检测过程包括：
C01：在检测池驱动电路及波形整形电路的驱动下，PM2.5检测池串产生36路稳定的方波信号Square_wave[0…35]，此信号输出至等精度超长门限频率测量模块的信号输入端Signal_in[0…35]；
C02：等精度超长门限频率测量模块计算36路方波信号的频率。在相应的频率数据输出端Fre_data_out[0…35]输出对应路的频率数据，且计数完成标志Flag_done的值置1。
C03：当数据缓冲模块的计数完成输入端Flag_done_in接收到Flag_done的值为1时，则读取Fre_data[0…35]，并将其分别存储于寄存器中，同时，数据准备信号Data_ready的值置1，读数据完成信号Read_done的值置1(并在下一个时钟上升沿清0)，则等精度超长门限频率测量模块的Fre_data_out[0…35]及Flag_done的值清0。
C04：若数据准备信号Data_ready的值为1，数据高速传输模块转换为写数据状态，数据读标志Flag_read的值置1，读取第X路数据；读取完成后，转换为数据传输状态，Flag_read的值清0，通过串口或USB3.0/USB2.0输出至上位机。
C05：若X＝35，则清零；否则，X自加一。
C06：重复C04-C05，直至数据缓冲模块的寄存器中的36路频率数据输出完毕。
输出的数据经过上位机处理，得到的测量结果如图6所示。
在一个具体的实施例中，整个装置的测量过程包括：
电路通电，电路及模块如上述C01-C06所示工作，10秒钟后：
P01:持续通入纯净水60秒。
P02:停止通入纯净水，静止150秒。
P03:持续通入PM2.5悬浮液60秒。
P04:停止通入PM2.5悬浮液，静止150秒。
P05:记录数据。
取通入纯净水及PM2.5悬浮液时的频率最小值的差值为QCM的频率变化△f,如图6。按此方法，对同一组样品进行3次测量(P01-P05)，得到该组样品的QCM频率变化平均值。同理，对不同时间段的PM2.5悬浮液样品进行测量，得到图7所示的测量结果。
需要特别说明的是，通入纯净水、PM2.5悬浮液及静止的时间不固定，可根据实际情况进行调整。
在其他优选的实施例中，利用FPGA的拓展性以及USB3.0的高带宽，所述PM2.5检测池的所述石英晶体微天平及所述串联型石英晶体振荡电路的数量可成倍增加，且可相应拓展更多测量方波信号频率的通道，以同时测量更多路PM2.5。
所述可相应拓展更多测量方波信号频率的通道的方式包括：1、在所述等精度超长门限频率测量模块增加通道数；2、增加FPGA芯片的数量。
本发明提供的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置和方法，可实现高于0.1Hz的频率检测精度，并具有可拓展至上百通道PM2.5的质量的同时测量与传输。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，其特征在于：
包括液体恒流注射泵、PM2.5检测池、检测池驱动电路、波形整形电路、等精度超长门限频率测量模块、数据缓冲模块和数据高速传输模块；
所述液体恒流注射泵用于接收待检测的液体和/或纯净水，并将所述待检测的液体和/或所述纯净水注入所述PM2.5检测池；
所述PM2.5检测池内设有石英晶体微天平，所述石英晶体微天平的两极与所述检测池驱动电路和所述波形整形电路连接；
所述检测池驱动电路包含串联型石英晶体振荡电路，所述检测池驱动电路与所述波形整形电路连接；所述波形整形电路用于将所述石英晶体微天平产生的信号进行整形处理，得到稳定的方波信号，并将所述稳定的方波信号传输至所述等精度超长门限频率测量模块；
所述等精度超长门限频率测量模块用于计算各路所述方波信号的频率，得到所述PM2.5检测池的频率数据；
所述数据缓冲模块用于接收来自所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据，将所述频率数据存储于寄存器中，以及将所述频率数据串行输出至所述数据高速传输模块；
所述数据高速传输模块用于将所述频率数据传输至上位机；
所述数据高速传输模块包括标志控制器、状态机、串口传输器和数据高速传输器；
所述状态机包括：初始化状态、等待数据准备状态、写数据状态、数据传输状态；
所述波形整形电路包括方波信号输出端Square_wave_out[0…n]；
所述等精度超长门限频率测量模块包括信号输入端Signal_in[0…n]、读数据完成信号输入端Read_done_in、频率数据输出端Fre_data_out[0…n]和计数完成标志输出端Flag_done_out；
所述数据缓冲模块包括计数完成标志输入端Flag_done_in、频率数据输入端Fre_data_in[0…n]、读数据标志输入端Flag_read_in、频率数据输出端Fre_data_out、数据准备信号输出端Data_ready_out和读数据完成信号输出端Read_done_out；
所述数据高速传输模块包括数据准备信号输入端Data_ready_in、频率数据输入端Fre_data_in、数据读标志输出端Flag_read_out、频率数据输出端Fre_data_out；
所述波形整形电路的方波信号输出端Square_wave_out[0…n]与所述等精度超长门限频率测量模块的信号输入端Signal_in[0…n]连接；
所述等精度超长门限频率测量模块的信号输入端Signal_in[0…n]与所述波形整形电路的方波信号输出端Square_wave_out[0…n]连接，所述等精度超长门限频率测量模块的读数据完成信号输入端Read_done_in与所述数据缓冲模块的读数据完成信号输出端Read_done_out连接，所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据输出端Fre_data_out[0…n]与所述数据缓冲模块的频率数据输入端Fre_data_in[0…n]连接，所述等精度超长门限频率测量模块的计数完成标志输出端Flag_done_out与所述数据缓冲模块的计数完成标志输入端Flag_done_in连接；
所述数据缓冲模块的计数完成标志输入端Flag_done_in与所述等精度超长门限频率测量模块的计数完成标志输出端Flag_done_out连接，所述数据缓冲模块的频率数据输入端Fre_data_in[0…n]与所述等精度超长门限频率测量模块的频率数据输出端Fre_data_out[0…n]连接，所述数据缓冲模块的读数据标志输入端Flag_read_in与所述高速传输模块的数据读标志输出端Flag_read_out连接，所述数据缓冲模块的频率数据输出端Fre_data_out与所述高速传输模块的频率数据输入端Fre_data_in连接，所述数据缓冲模块的数据准备信号输出端Data_ready_out与所述高速传输模块的数据准备信号输入端Data_ready_in连接，所述数据缓冲模块的读数据完成信号输出端Read_done_out与所述等精度超长门限频率测量模块的读数据完成信号输入端Read_done_in连接；
所述高速传输模块的数据准备信号输入端Data_ready_in与所述数据缓冲模块的数据准备信号输出端Data_ready_out连接，所述高速传输模块的频率数据输入端Fre_data_in与所述数据缓冲模块的频率数据输出端Fre_data_out连接，所述高速传输模块的数据读标志输出端Flag_read_out与所述数据缓冲模块的读数据标志输入端Flag_read_in连接；
所述等精度超长门限频率测量模块的工作过程包括：
电路通电后，所述等精度超长门限频率测量模块在10秒钟内计算所测方波信号的上升沿个数，并将所述上升沿个数存储于寄存器中；
当10秒钟到达时，所述等精度超长门限频率测量模块将所述上升沿个数的十分之一于频率数据输出端Fre_data_out[0…n]输出；并将计数完成标志Flag_done的值置1；
之后，每过1秒钟均输出一次前10秒钟的频率数据的十分之一，并将所述计数完成标志Flag_done的值置1；
当读数据完成信号Read_done的值为1时，所述计数完成标志Flag_done的值清0。
2.根据权利要求1所述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，其特征在于：
所述数据缓冲模块包括一个数据选择器，所述数据选择器的初始值为0；
当读数据标志Flag_read从1跳变为0时，若所述数据选择器的值为35，则将所述数据选择器的值清0；若所述数据选择器的值不为35，则将所述数据选择器的值自加一；
当所述计数完成标志Flag_done的值为1时，将所述频率数据输入端Fre_data_in[0…n]接收到的频率数据Fre_data[0…n]存储于寄存器中，同时，所述读数据完成信号Read_done与所述数据准备信号Data_ready的值置1；
其中，数据完成信号Read_done的值在下一个时钟上升沿到来时清0；当数据选择器的值跳变为0时，数据准备信号Data_ready的值清0。
3.根据权利要求2所述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，其特征在于，所述状态机的状态转换包括：
当电路通电时或Rst_n=0时，所述状态机转换为初始化状态；
当Rst_n不为0，所述状态机转换为等待数据准备状态；
当数据准备信号Data_ready=1，所述状态机转换为写数据状态，数据读标志Flag_read置1；
当写入数据后，所述状态机转换为数据传输状态，数据读标志Flag_read清0；
当数据传输完成后，若数据准备信号Data_ready=1，所述状态机转换为写数据状态；若数据准备信号Data_ready=0，所述状态机转换为等待数据准备状态。
4.根据权利要求3所述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，其特征在于：
所述数据高速传输模块通过串口传输和/或USB3.0/USB2.0传输方式，将多路PM2.5检测池的频率数据传输至上位机。
5.根据权利要求4所述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置，其特征在于：
所述数据高速传输模块还包括FX3标志输入端FLAGA/FLAGB、短数据包或零长度数据包选择输出端PKTEND、芯片选择信号输出端SLCS、写入选通信号输出端SLWR、读取选通信号输出端SLRD、输出使能信号输出端SLOE、地址总线输出端Address[0:1]和频率数据输出端Fre_data_out；
在串口传输方式中，所述数据高速传输模块还包括串口数据输出端Uart_tx，所述串口数据输出端Uart_tx与UART控制器连接。
6.如权利要求1所述的一种高精度测量与数据高速传输的多通道PM2.5检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过检测池驱动电路驱动PM2.5检测池中的石英晶体微天平产生信号，波形整形电路将所述石英晶体微天平产生的信号进行整形处理，得到稳定的方波信号，并将所述稳定的方波信号传输至等精度超长门限频率测量模块；
所述等精度超长门限频率测量模块接收所述方波信号，计算所述方波信号的频率，并将频率数据传输至数据缓冲模块；
所述数据缓冲模块接收所述频率数据，将所述频率数据存储于寄存器中；
所述数据高速传输模块从所述数据缓冲模块读取所述频率数据，并将所述频率数据输出至上位机。
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Citations (5)
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|---|---|---|---|---|
| JP2005189133A (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 水晶振動子センサーシステム |
| CN102890037A (zh) * | 2012-10-16 | 2013-01-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种石英晶体微天平乙基对氧磷流动检测装置 |
| CN103196769A (zh) * | 2013-03-19 | 2013-07-10 | 上海博物馆 | 一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置 |
| CN104390901A (zh) * | 2014-11-17 | 2015-03-04 | 成都柏森松传感技术有限公司 | 一种空气中微颗粒物浓度的监测方法及系统 |
| CN105991133A (zh) * | 2015-02-02 | 2016-10-05 | 北京大学 | 同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005189133A (ja) * | 2003-12-26 | 2005-07-14 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 水晶振動子センサーシステム |
| CN102890037A (zh) * | 2012-10-16 | 2013-01-23 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种石英晶体微天平乙基对氧磷流动检测装置 |
| CN103196769A (zh) * | 2013-03-19 | 2013-07-10 | 上海博物馆 | 一种基于石英晶体微天平的博物馆微环境监测装置 |
| CN104390901A (zh) * | 2014-11-17 | 2015-03-04 | 成都柏森松传感技术有限公司 | 一种空气中微颗粒物浓度的监测方法及系统 |
| CN105991133A (zh) * | 2015-02-02 | 2016-10-05 | 北京大学 | 同步相干光场激励的相干布居数拍频原子钟及其实现方法 |
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