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多通道环境下油样检测光谱分析系统的方案研究论文

发布时间：2023-09-20 14:52:27 文章来源：SCI论文网我要评论

SCI论文（www.lunwensci.com）

　　摘要：对于光谱仪的信号采集系统的两个关键技术指标是微弱光电信号的处理和多通道数据的同步采集和传输。在分析信号采集的工作原理基础上，结合工程应用，研究了用于直读光谱仪的多通道数据采集与处理系统。基于微弱光电信号的特性和系统性能指标的需求，设计了以FPGA为控制核心、信号调理模块增益可控、多通道数据并行采集、实现数据无损传输的系统总体设计方案。设计了实现数据采集系统各功能模块的硬件电路，以及FPGA对系统各个模块的控制逻辑，并完成系统硬件测试和功能测试。测试结果表明本系统能够采集光电倍增管输出的微弱电流信号。

　　关键词：FPGA；直读光谱仪；数据采集；多通道

　　Abstract:The two key technical indicators for the signal acquisition system of a spectrometer are the processing of weak photoelectric signals and the synchronous acquisition and transmission of multi-channel data.Based on the analysis of the working principle of signal acquisition and combined with engineering applications,a multi-channel data acquisition and processing system for direct reading spectrometers was studied.Based on the characteristics of weak optoelectronic signals and the requirements of system performance indicators,an overall system design scheme was designed with FPGA as the control core,signal conditioning module gain controllable,multi-channel data parallel acquisition,and data lossless transmission.Hardware circuits were designed to implement various functional modules of the data acquisition system,as well as the control logic of FPGA for each module of the system,and the hardware and functional testing of the system were completed.The test results show that the system can collect the weak current signal output by photomultiplier tube.

　　Key words:FPGA;direct-reading spectrometer;data acquisition;multi-channel

　　0引言

　　大型机械设备在使用过程中，齿轮、轴承等运行部件会因为啮合发生磨损，当磨损达到一定程度时，会引起设备故障。如果这些磨损故障没有及时排除，不仅影响设备的使用，而且缩短设备的使用寿命。但大多数精密机械设备是密封式装配的，拆卸比较复杂，如航空发动机、内燃机等，频繁拆卸会影响其密封性能，从而影响设备的运行[1-2]。随着对系统油液污染和摩擦学认知的逐渐加深，油液监控技术的研究和开发越来越活跃[3]。美国设计出可移动式的油料直读光谱仪来检测润滑油中的磨屑参数情况，从而排查设备的磨损情况，便于采取主动的维修措施，确保设备能够稳定运行。在国外，基于油液监控技术的故障诊断方法已经普及到航空、铁路运输、冶金和国防等各个领域[4-6]。

　　直读光谱仪可分为火花激发光源[7]、光学系统、光信号采集处理系统以及上位机虚拟仪器软件4个部分[8]。近年来，随着集成电子技术的不断发展，计算机技术实现通用化，芯片不断升级，出现了现场可编程逻辑门阵列(FPGA)等具备大量资源的高性能芯片，使得多任务并行工作成为可能。利用FPGA内嵌的功能模块设计的采集系统能够完美解决信号的分析与处理问题，这为光信号采集处理系统的设计开辟了一个崭新的发展愿景。

　　传统的直读光谱仪主要通过用步进电机对波长进行扫描来获得波长信号的参数，这种数据采集方式是对所有通道进行轮流采集，这样采集的数据会有时间差，缺乏时效性和科学性[9]。光谱仪中的光信号采集系统利用光电探测器接收光信号并将其转换为电信号，再进行处理得到有用信息[10]。由于元素激发产生的光谱信号属于极微弱光信号，通过光电探测器产生的输出电流为μA或nA级[11-12]，容易被淹没在噪声中[13]。因此需要根据光电倍增管的性能设置合理的前置放大电路和滤波电路，去除噪声，提取有用信号[14]。但传统的信号调理模块采用的是积分线性放大的方式处理微弱信号，无法同时检测μA级到nA级的微弱电流。

　　针对上述问题，本文设计了增益可控的信号调理模块，放大滤波输入的微弱电流信号，采用高精度的ADC信号采集模块，并以FPGA为架构搭建系统，利用FPGA并行处理的优势同步采集数据，最后通过USB串口传输给上位机，实现多通道数据的同步采集和处理。因此，本文设计的直读光谱仪的多通道同步实时采集与处理系统具有重要的技术和现实意义。

　　1系统总体方案设计

　　系统主要有以下5个要求：(1)具有采集微弱电流信号的能力，采集μA级到nA级的电流信号，因此要求具有参数可调的信号调理电路；(2)需要有效地滤除噪声，滤除采集信号中的干扰噪声，提取有用信号；(3)系统能实现多个通道输入信号的同步采集，并具有良好的可扩展性，具体体现在满足后期采集通道的扩展需求，同时保证同步采集功能；(4)数据无损存储和传输，要求在采集端、存储端和传输端都保证数据完整性；(5)上位机虚拟仪器数据显示。

　　根据要求提出的系统设计目标如下。(1)系统整体目标：通道可扩展；上位机软件显示。(2)信号调理模块技术目标：信号放大倍数可调(1/10/100/1 000)；信号输入范围为1；放大倍数106；采用低通滤波，滤波器截止频率。(3)采样目标：采样率、采样精度位、采样范围为、采样通道数。(4)通信目标：UART串口通信。

　　基于以上设计要求，本文采用以FPGA为核心的多通道同步实时采集与处理系统的实现方案，设计了信号调理电路，实现信号多级放大且参数可调，满足可程控增益的需求；选用16位高精度的8通道并行采集ADC芯片，采样速度200 kS/s，并将ADC采集电路集合在单独的板卡上，满足了系统的可扩展性，可根据需求增加ADC采集电路板卡的数量来增加采样通道。同时采用了SDRAM作为存储器，将采集数据先存储下来再传输给上位机，保证采集数据的不丢失。系统主要包括以下模块：信号调理模块、ADC采集模块、FPGA模块、数据存储模块、通信接口模块、供电电源模块和上位机虚拟仪器。系统架构如图1所示。

　　2系统主要组成模块

　　2.1微弱信号调理模块

　　微弱信号调理模块主要是对输入的微弱电流信号进行I/V转换、放大、滤波，通过I/V转换电路和可程控增益放大电路将电流信号转换为电压信号并增益到ADC的采集范围之内；同时通过信号调理电路将有用信号从噪声中提取出来，滤除干扰信号，提高信噪比[15-16]。其中可程控增益放大电路可通过FPGA控制增益大小，提高系统采集信号的输入范围，实现了不同量级信号的输入。本系统设计的信号调理模块包括I/V转换电路、可程控增益放大电路以及抗混叠滤波器电路3个部分[17]。微弱信号调理模块框图如图2所示。

　　2.2 ADC采集模块

　　ADC采集模块实现模拟信号转换为数字信号，便于信号的处理和传输。对于ADC采集模块，影响最大的部分就是ADC的性能，主要考虑的是采样精度、转换速度、通道数等参数。根据项目的设计需求，本系统最终选用的是美国亚德诺公司的AD7606，它是一款16位电荷再分配逐次逼近型ADC，支持8通道同步并行采样输入，所有通道的采样速率均可高达200 kS/s，并且有双极性模拟输入范围。使用AD7606降低了系统设计难度和硬件布局难度，其性能参数如下：8个转换通道；16位采样精度；200 kS/s采样速率；10 V/5 V模拟输入范围；串行、并行通信接口。

　　采集电路的性能是决定采集系统的上限，本模块使用AD7606芯片[18]，ADC采集电路包括基准电压的配置、采样范围的选择、供电、芯片通信接口模式选择、接口电平配置等，原理如图3所示。

　　2.3 FPGA模块

　　作为多通道同步实时采集与处理系统的核心，FPGA主要实现对整个系统各个模块的逻辑控制，包括信号调理模块增益控制、数据采集、处理、缓存和传输，以及通信接口模块的控制。FPGA的选型主要是根据逻辑单元的数量、I/O单元数量、RAM块容量、布线资源等。根据系统需求，本设计中采用的FPGA对逻辑资源的需求一般，但需要较多的I/O引脚资源用于外接硬件模块，因此本系统采用的是拥有低成本、低功耗的FPGA架构的EP4CE15F23C8芯片，逻辑单元多达5 K~150 K，I/O资源充足。本系统采用的EP4CE15F23C8芯片的主要参数如下：50 MHz工作频率、15 408个逻辑单元、6 272个可用IO口、512 Kb内部存储器、4个PLL及112个M9K。FPGA时钟电路如图4所示。

　　3系统功能测试

　　对系统整体功能进行测试，将通过两种方式来进行，分别是输入模拟信号和通过光电倍增管输入真实电流信号，然后通过上位机软件进行数据采集，显示信号采集结果，其中上位机软件窗口数据显示界面纵坐标为电压值，单位为mV，横坐标为采样点数量，每次采集54万个数据。信号采用的是抽样显示，要观看完整的波形需使用数据回放进行观察。实验室设备条件有限，只对一路通道进行测试。

　　3.1模拟信号采集和结果显示

　　利用信号发生器产生频率为1 kHz、幅值为-3~-1 V的正弦波信号与幅度为1 mV的噪声混叠构成的信号，通过BNC接口输入到信号调理模块中，将输出引脚连接多通道ADC采集模块的通道1，通过USB数据线将系统与PC端连接，将系统上电，运行上位机软件后，选择指定端口，点击ON，开始进行数据采样。采样结果如图5所示。从图中可以看出，本文设计的多通道数据采集系统能够将输入信号完整地采集，通过波形的完整度可以看出没有数据丢失，噪声也得到有效滤除。模拟信号的有效采集为后续光信号的成功采集奠定基础。

　　3.2光信号采集和结果显示

　　本节将采用元素灯光源模拟激发元素产生的光谱信号来进行本次测试，采用的元素灯光源为国产的元素灯激活器加Cu元素灯，波长为324.8 nm，在CR316-02光电倍增管的峰值波长附近，光电转换效益较高，采样结果如图6(a)所示，图中数据为抽样显示。从图中可以看出，数据采集系统能够对光电倍增管的输入信号进行采集并且将采集结果在上位机软件展现出来，但输出结果不是平滑的直线，存在一定波动。在系统上电测试元素灯光源之前，会先进行环境光的信号采集，采集结果如图6(b)所示，所以环境光的影响可以忽略不计。经方案有望用于轨道交通旧项目改造、新项目建设中，也可以用于替代其他工程项目的大功率风机，有较好的市场前景。但目前还没有应用案例，有待进一步试验验证。