气溶胶质量浓度测量系统的设计与实现
【图文】：
?号，为了保证高采样速率的同时提高电压测量的准确性，本文实现的气溶胶质量浓度测量系统运用FPGA控制125Msample/s采样速率的16位模数转换器AD9656，电压幅度测量电路共设置有16个通道，充分利用Altera的IP内核(包含LPM和MegaFuncton宏功能的模块库)完成相关计数以及通信控制功能的设计，可满足气溶胶质量浓度的高精度测量［8］。同时本设计由STM32微控制器完成相关数据处理和控制TFT-LCD显示，并且通过WIFI模块将测量数据传输至云端服务器，用户可通过PC机或手机查看实时测量结果，从而实现远程监测的目的。图1气溶胶质量浓度测量系统硬件总体框图1系统硬件设计图1为本文提出的基于单粒子光散射法的气溶胶质量浓度测量系统硬件的总体框图，它主要由光学传感器、高速AD转换电路、基于FPGA的多通道采集卡、基于STM32的数据处理电路、电源模块等构成。系统由12V电源提供总电源，为了满足整个电路系统各个部分的电源需求，需经过一系列的电压转换后，输出的电压有+5V、+3．3V、+1．8V、－12V。光学传感器输出电压范围为0～5V，能根据气溶胶颗粒大小不同输出与之对应的电压值，本文主要测量大气环境中的小颗粒，所以光学传感器的输出为相对较小的电压值。高速AD转换电路负责对光学传感器输出的高速模拟电压信号进行采样保持，并转换为数字信号。基于FPGA的多通道数据采集卡主要负责对前端高速AD转换器输出的数据进行分通道计数，内部实现采集缓存功能模块。基于STM32微控制器的数据处理模块主要负责与前端采集卡进行通信，发送控制命令，完成多通道计数结果的处理，并且控制液晶显示数据。同时，微控制器能够通过WIFI模块(W5500)将数据传输至云端服务器，用户可通过PC机或手机浏览与下载测量数据。1．1高速AD转换电路
电子器件第40卷图2高速AD转换电路原理图如图3所示，利用FPGA最显著的并行特性，使用VHDL语言和Quartus软件提供的IPcore，设计了一个双FIFO结构对高速数据进行缓冲，然后将两个16bit的FIFO输出数值拼接成32位后放入一个双端双时钟的ＲAM中。由STM32微控制器通过FSMC总线管理该ＲAM中的资源，若ＲAM中写入的数据量超过阈值，则产生AＲM平台的外部IＲQ中断信号，然后AＲM通过FPGA驱动程序处理ＲAM中数据。FPGA数据采集卡充分利用FPGA在并行处理和时序逻辑设计方面的优势，利用乒乓操作方式达到用低速模块处理高速数据流的效果。FPGA将采集到的数据存储到一块双端双时钟的片上ＲAM中，该ＲAM单元由FPGA内部的ＲAM控制块单独控制。STM32微控制器通过FSMC总线挂架到FPGA采集卡上的ＲAM上，采用这种结构相当于将采集到的数据直接存储到STM32微控制器的系统内存中，从而节省了数据传输时间，显著提高了系统的效率。FSMC总线总共管理1Gbyte的存储空间，包含4个存储块(BANK)。TFT-LCD液晶屏连接FSMC总线BANK1第4区的片选信号，微控制器通过FSMC_NOE和FSMC_NEW读写信号线向液晶屏发送读写控制命令，完成相关项的显示工作。图3FPGA多通道采样电路与STM32微控制器电路框图2系统软件设计2．1QuartusⅡ与FPGA的开发本设计充分利用Altera的IP内核，包含有LPM和MegaFuncton宏功能的模块库，采用自顶向下设计流程，完成FPGA多通道模块部分软件设计。为了让颗粒计数器模块精确记录各通道的脉冲数，本系统采用被测试脉冲信号替代时钟信号来驱动模块工作。计数模块测得的计数结果发送给ＲAM缓冲器通过FSMC总线的形式连接到后端STM32微处理器。图4所示的计数模块是由VHDL语言实现的16位二进制加法计数器，它们分别对16个通道(对应于不同的
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，本文编号：2598149
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