CN202092948U - 红外气体分析装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种红外气体分析装置，包括传感器信号前置调理小板、第一AD芯片、用于供电的电源模块、用于人机交互的液晶屏/键盘、数据通讯模块，传感器信号前置调理小板与第一AD芯片连接，还包括用于处理核心算法的DSP内核、用于实现操作系统的ARM9内核、用于两路数据流架接桥梁的FPGA芯片；DSP内核和ARM9内核为单芯片双核架构；FPGA芯片通过SPI接口与DSP内核连接、通过EMIF接口与ARM9内核连接；第一AD芯片通过SPI接口与FPGA芯片连接；数据通讯模块与ARM9内核连接。本实用新型能够完成更精确、更复杂的实时算法处理，实现多组分同时测量；提升了数据吞吐能力，进一步增强了系统稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种红外气体分析装置。
背景技术
气体无处不在，而且与人们的生产、生活密切相关。气体的检测，在工业生产、能源利用、环保监测和安全控制等领域具有非常重要的现实作用。在众多的气体检测方法中，基于分子辐射吸收理论的红外分析法，以其较高的测量精度和分辨率、较低的耗费和使用操作简单等优点，成为了一种应用广泛的气体分析方法。然而，目前的红外气体分析装置内部通常采用单核来实现算法处理和外部功能等，使得在多组分的同时测量和实时计算时会遇到瓶颈，而且扩展性较差，人机交互功能比也不够丰富。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于提供一种红外气体分析装置，具有较强的算法处理能力和可扩展性。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种红外气体分析装置，包括传感器信号前置调理小板、第一AD芯片、用于供电的电源模块、用于人机交互的液晶屏/键盘、数据通讯模块，所述传感器信号前置调理小板与第一AD芯片连接，还包括用于处理核心算法的DSP内核、用于实现操作系统的ARM9内核、用于两路数据流架接桥梁的FPGA芯片；所述DSP内核和ARM9内核为单芯片双核架构；
所述FPGA芯片通过SPI接口与DSP内核连接、通过EMIF接口与ARM9内核连接；所述第一AD芯片通过SPI接口与FPGA芯片连接；
所述数据通讯模块与ARM9内核连接。
其中，所述电源模块包括提供±15V和5V三路输出的开关电源模块、用于将±15V输出转化成模拟电路部分需要的供电电压和将5V输出转换成数字电路部分需要的供电电压的电源芯片，电源芯片与开关电源模块相连。
其中，所述装置还包括用于机机交互的开关量和DAC芯片，通过SPI接口与FPGA芯片连接。
其中，所述装置还包括光电隔离电路，所述FPGA芯片还包括GPIO扩展接口；所述光电隔离电路通过GPIO扩展接口与FPGA芯片连接。
其中，所述传感器信号前置调理小板包括4路红外传感器、1路氧传感器以及5路前置调理电路，各红外传感器和氧传感器分别与各前置调理电路一一对应连接，各路前置调理电路分别与所述第一AD芯片连接。
其中，所述装置还包括5路温度传感器和第二AD芯片，所述5路温度传感器分别与第二AD芯片连接，且第二AD芯片通过SPI接口与FPGA芯片连接。
其中，所述数据通讯模块包括RS485通讯模块、以太网通讯模块和RS232通讯模块。
本实用新型的有益效果是：
1）本实用新型中采用ARM9+DSP双核架构的处理器，其中DSP内核专门用来做核心的算法处理，ARM9内核则用来实现操作系统和其他的外设功能，比如人机交互（键盘操作和显示屏显示）、模拟量输出、数字开关量输入输出控制、USB以及通讯功能模块。此架构解放了DSP内核，真正做到了单核专用，因此可以大大提高系统处理算法的能力，为实现更精确、更复杂的算法处理和多组分同时测量打下了硬件平台基础，多组分的同时测量和实时计算将不再是一个瓶颈；ARM9内核则进一步提升了系统的可扩展性，非常方便移植嵌入式操作系统，人机交互功能也更加丰富。
2）本实用新型采用FPGA作为系统的两路主要数据流的架接桥梁，分别为传感器采集的信号经AD芯片转化后进入DSP内核做浓度算法处理的一路数据流，和信号经DSP内核处理后把结果传给ARM内核用作模拟量输出和数字开关量开入开出控制的数据流。这样真正实现了数据流通道的专用化，大大提升了系统的数据吞吐能力，做到了两组数据流的互不影响和互不干涉，进一步增强了系统的稳定性和可靠性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型实施例提供的红外气体分析装置结构图。
具体实施方式
本实用新型的核心思想为：采用ARM9+DSP双核架构的处理器，其中的DSP内核专门用来做核心的算法处理，ARM9内核则用来实现操作系统和其他的外设功能，以实现更复杂的算法处理和更多组分的同时测量、并增强系统的可扩展性，进一步丰富人机交互功能；同时，采用FPGA作为系统的两路主要数据流的架接桥梁以提高系统的数据吞吐能力。
本实施例中，红外气体分析装置的硬件结构如图1所示，包括电源模块、DSP内核、ARM9内核、FPGA芯片、传感器信号前置调理小板、AD芯片、DAC芯片等。
其中，DSP内核与ARM9内核为单芯片双核架构；DSP内核与ARM9内核分别通过SPI主模式接口、EMIFA接口与FPGA芯片连接；红外传感器1—红外传感器4以及氧传感器通过前置调理电路、AD芯片1接入FPGA芯片；5路温度传感器通过AD芯片2接入FPGA芯片。
上述装置的工作过程如下。
电源模块包括开关电源模块和电源芯片：整个硬件系统采用开关电源模块进行供电，开关电源提供±15V和5V三路输出，其中±15V为模拟供电部分，经过电源芯片进一步转化成模拟电路部分需要的供电电压；5V为数字供电部分，经过电源芯片进一步转化成数字电路部分需要的供电电压。
传感器分为红外传感器（空气质量流量传感器）和温度传感器两种，其中红外传感器的信号为主信号，温度传感器的信号主要用来做算法校正的。硬件平台上共有4路红外传感器、1路氧传感器和5路温度传感器，可同时实现5种气体组分的测量（包括氧气），这些传感器信号经AD芯片后由模拟信号变成数字信号，进入FPGA中再由专门的数据通道（SPI接口）传送给DSP内核做算法运算处理后，可得到被测气体组分的浓度值。
DSP内核计算出浓度值后传给ARM内核，分别实现浓度值的实时显示（液晶屏）、模拟量的输出、数字开关量的开入开出控制、以及数据传输通讯。其中液晶屏可实时显示被测气体组分的浓度值，并可以通过键盘（或触摸屏）做一些显示切换和参数设置；通讯模块分为RS485通讯模块、以太网通讯模块和RS232通讯模块，可实时把浓度数据和其他信息传送给上位机或者远程服务器；模拟量的输出（把浓度值转换成模拟量）和数字开关量的开入开出则是ARM内核通过EMIF接口把数据信息传给FPGA芯片， FPGA芯片再通过DAC芯片转换成模拟量输出（可配置成电压输出或者电流环输出）和GPIO扩展口做数字开关量的开入开出控制。
本实施例中，硬件平台还设计有DDR2 SDRAM用来运行程序，NAND FLASH用来存储用户应用程序，EEPROM用来存储参数、定值和基本配置；所有数字开关量都采用光电隔离，提高系统的抗干扰能力和稳定性。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种红外气体分析装置，包括传感器信号前置调理小板、第一AD芯片、电源模块、液晶屏/键盘、数据通讯模块，所述传感器信号前置调理小板与第一AD芯片连接，其特征在于，还包括用于处理核心算法的DSP内核、用于实现操作系统的ARM9内核、用于两路数据流架接桥梁的FPGA芯片；所述DSP内核和ARM9内核为单芯片双核架构；
所述FPGA芯片通过SPI接口与DSP内核连接、通过EMIF接口与ARM9内核连接；所述第一AD芯片通过SPI接口与FPGA芯片连接；所述数据通讯模块与ARM9内核连接。
2.如权利要求1所述的红外气体分析装置，其特征在于，所述电源模块包括相连的电源芯片和提供±15V和5V三路输出的开关电源模块。
3.如权利要求1所述的红外气体分析装置，其特征在于，该装置还包括用于机机交互的开关量和DAC芯片，通过SPI接口与FPGA芯片连接。
4.如权利要求1所述的红外气体分析装置，其特征在于，该装置还包括光电隔离电路，所述FPGA芯片还包括GPIO扩展接口；
所述光电隔离电路通过GPIO扩展接口与FPGA芯片连接。
5.如权利要求1所述的红外气体分析装置，其特征在于，所述传感器信号前置调理小板包括4路红外传感器、1路氧传感器以及5路前置调理电路，各红外传感器和氧传感器分别与各前置调理电路一一对应连接，各路前置调理电路分别与所述第一AD芯片连接。
6.如权利要求5所述的红外气体分析装置，其特征在于，该装置还包括5路温度传感器和第二AD芯片，所述5路温度传感器分别与第二AD芯片连接，且第二AD芯片通过SPI接口与FPGA芯片连接。
7.如权利要求1所述的红外气体分析装置，其特征在于，所述数据通讯模块包括RS485通讯模块、以太网通讯模块和RS232通讯模块。
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Publications (1)
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102879354A (zh) * | 2012-09-24 | 2013-01-16 | 合肥工业大学 | 一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统 |
| CN114323096A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-04-12 | 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 | 一种通用型过程参数显示仪表 |
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2010
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| CN102879354B (zh) * | 2012-09-24 | 2015-08-12 | 合肥工业大学 | 一种不分光红外气体分析仪的数字信号处理和控制系统 |
| CN114323096A (zh) * | 2021-12-10 | 2022-04-12 | 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 | 一种通用型过程参数显示仪表 |
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