朱傳雨，劉建國，陸亦懷，桂華僑，黃書華

(中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所環(huán)境光學(xué)與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031)

大氣氣溶膠在大氣輻射、空氣污染、大氣物理化學(xué)性質(zhì)、人類健康狀況等方面扮演著重要角色，是衡量大氣污染狀況的重要指標(biāo)[1]。研究表明，氣溶膠粒子因其空氣動(dòng)力學(xué)粒徑不同而滯留在人體呼吸道的不同部位，大于5 μm的氣溶膠粒子滯留在上呼吸道,小于5 μm多滯留在氣管、支氣管和肺泡內(nèi)，對人類的健康危害很大[2]。因此，持續(xù)有效地監(jiān)測氣溶膠粒子粒徑分布信息具有重要意義。為了連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線測量氣溶膠粒徑分布，本課題組開展了基于飛行時(shí)間ToF（Time-of-Flight）測量原理[2]的氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀系統(tǒng)的研制。

空氣動(dòng)力學(xué)粒徑是一當(dāng)量概念，它是指在低雷諾數(shù)的氣流中與單位密度球（ρ=1 g/cm3）具有相同終末沉降速度的顆粒直徑,也就是指在較平穩(wěn)的氣流中被測顆粒物的直徑相當(dāng)于與其具有相同終末沉降速度的密度為1 g/cm3的球形標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的直徑[3]。氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀不僅可以精確測量氣溶膠顆粒物的空氣動(dòng)力學(xué)粒徑，還可以記錄、統(tǒng)計(jì)相同粒徑大小的粒子數(shù)目。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求粒徑0.5 μm的氣溶膠粒子檢測濃度最高可達(dá)1 500 pt/cm3，當(dāng)儀器的采樣氣流量控制在1 L/min時(shí)，粒徑0.5 μm的粒子數(shù)目每分鐘最高可達(dá)到1.5×106個(gè),則每秒鐘需要檢測的氣溶膠顆粒物最高達(dá)25 000個(gè)。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線測量，大量粒子的快速識(shí)別和存儲(chǔ)對電子學(xué)信號(hào)處理提出了較高的要求。這里以FPGA（Filed-Programmable Gate Array）為核心控制器來設(shè)計(jì)高速大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。FPGA技術(shù)已廣泛應(yīng)用于當(dāng)今數(shù)字電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，而基于FPGA的數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)就是其典型應(yīng)用[4]。

當(dāng)前，數(shù)字系統(tǒng)的核心控制芯片通常為單片機(jī)、DSP和FPGA等[4]，單片機(jī)的速度較慢，效率低，DSP不擅長對外圍復(fù)雜電路的控制，與單片機(jī)和DSP相比，采用FPGA作為控制芯片具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)PGA時(shí)鐘頻率高，硬件邏輯可編程，運(yùn)行速度快，且功耗低、能夠控制較為復(fù)雜的外圍器件等[5]，因此FPGA成為目前高性能數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)主要使用的控制芯片。

本文針對空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀系統(tǒng)研制的需要，采用電子學(xué)多道存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于大規(guī)模可編程邏輯控制器FPGA和雙口RAM的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對氣溶膠粒子快速識(shí)別和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑信息的分類計(jì)數(shù)存儲(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

氣溶膠空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀通過復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)與精確的時(shí)序控制技術(shù)的結(jié)合來完成其測量過程。氣溶膠顆粒物經(jīng)過根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理設(shè)計(jì)的噴口加速進(jìn)入如圖1所示的光學(xué)整形部件中，光學(xué)整形部件產(chǎn)生兩束距離約為100 μm的激光。顆粒物垂直飛行通過，發(fā)生光散射形成雙峰信號(hào)，如圖1?；陲w行時(shí)間測量方法的空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀就是通過測量雙峰信號(hào)的峰峰間隔，即飛行時(shí)間ToF，從而計(jì)算出該氣溶膠粒子的飛行速度。因?yàn)椴煌諝鈩?dòng)力學(xué)粒徑的顆粒物具有不同的飛行速度[2]，通過對顆粒物飛行時(shí)間的直接測量，計(jì)算出該顆粒物的飛行速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)該粒子空氣動(dòng)力學(xué)粒徑大小的測量。

圖1 空氣動(dòng)力學(xué)飛行時(shí)間粒譜測量原理圖

通過對氣溶膠粒子采樣系統(tǒng)中的殼氣流量和總氣流量的控制[3]，可以使氣溶膠粒子經(jīng)空氣動(dòng)力學(xué)噴口加速后絕大多數(shù)單個(gè)依次通過目標(biāo)光斑測量區(qū)，粒子散射產(chǎn)生連續(xù)雙峰信號(hào)，此即為有效粒子，其波形如圖2(a)所示?？赡苡行┝Ｗ雍苄∑渖⑸鋸?qiáng)度不夠大，所產(chǎn)生的信號(hào)不能穩(wěn)定在檢測線以上，因此造成單峰信號(hào)和虛假的飛行時(shí)間，其轉(zhuǎn)換成電脈沖波形如圖2(b)所示。偶爾也會(huì)有粒子重疊產(chǎn)生多于兩峰的情況，所謂粒子重疊就是指在測量時(shí)2個(gè)或多個(gè)粒子同時(shí)進(jìn)入檢測區(qū)域，其波形如圖2(c)所示。重疊事件的結(jié)果產(chǎn)生會(huì)干擾粒徑信息并導(dǎo)致粒子濃度測量結(jié)果偏低。同時(shí)儀器還有粒徑測量范圍，對粒子粒徑很大(或者在檢測器內(nèi)紊流或弧線飛行),所需要的飛行時(shí)間超過儀器自身的檢測時(shí)鐘(4 096 ns)，造成單獨(dú)的寬峰譜圖，波形圖如圖2(d)所示。單峰、粒子重疊多峰以及大粒子超過檢測時(shí)鐘的粒子都被認(rèn)為是無效粒子，只有雙峰信號(hào)是關(guān)心和檢測的重點(diǎn)。為此電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需增加對有效粒子的識(shí)別，剔除干擾。粒子識(shí)別之后，方可進(jìn)行飛行時(shí)間的快速轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)，進(jìn)而進(jìn)行粒徑大小反演。

如前所述，1 s內(nèi)需檢測和存儲(chǔ)上萬個(gè)粒子，且粒子的飛行時(shí)間在納秒級，為此作為主控制器的FPGA，要進(jìn)行粒子的快速識(shí)別和存儲(chǔ)。系統(tǒng)電子學(xué)整體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

粒子的散射光信號(hào)通過光信號(hào)采集電路由信號(hào)調(diào)理電路[3]進(jìn)行調(diào)理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)(GATE、DIFF)，波形如圖4所示，GATE信號(hào)為高電平時(shí)有效，表示有粒子經(jīng)過。圖4為有效粒子的波形情況。相應(yīng)的，如果單峰、多峰情況，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)時(shí)，在GATE為高電平期間，DIFF信號(hào)分別為單脈沖和多脈沖，此作為粒子識(shí)別的依據(jù)，對于超大粒子，超過儀器檢測范圍的情況，可以通過定時(shí)計(jì)數(shù)器最高位的溢出進(jìn)行識(shí)別。GATE和DIFF分別送至FPGA和高速計(jì)時(shí)邏輯單元。高速計(jì)時(shí)邏輯單元由500 MHz時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)器控制、ECL-TTL高速計(jì)數(shù)器電路所組成，用來測定氣溶膠粒子的飛行時(shí)間，由于時(shí)鐘頻率為500 MHz，計(jì)時(shí)的時(shí)間分辨可達(dá)2 ns物理精度，將測量ECL電平的飛行時(shí)間經(jīng)電平轉(zhuǎn)換成TTL電平后，送至大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA。

圖4 信號(hào)調(diào)理輸出數(shù)字信號(hào)(GATE、DIFF)

GATE和DIFF信號(hào),一方面送至FPGA作為粒子識(shí)別依據(jù)，當(dāng)有粒子經(jīng)過時(shí)，即GATE為高電平有效時(shí)，便對DIFF信號(hào)計(jì)數(shù)，如果有單個(gè)脈沖識(shí)別為事件1，如果有兩個(gè)脈沖識(shí)別為事件2，多于兩個(gè)脈沖識(shí)別為事件3，另一方面送至高速計(jì)時(shí)邏輯單元，在GATE信號(hào)有效期間，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)DIFF信號(hào)到來時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器，第二個(gè)DIFF信號(hào)關(guān)閉計(jì)數(shù)器。在計(jì)數(shù)器沒有溢出的情況下(如果是超大粒子，計(jì)數(shù)器溢出，識(shí)別為事件4)，所記錄的飛行時(shí)間(定時(shí)器值)，在GATE的下降沿被鎖存，作為FPGA的輸入信號(hào)，由FPGA將其轉(zhuǎn)化成相應(yīng)存儲(chǔ)器地址，以便完成電子學(xué)道道存儲(chǔ)[3]。

具有同一飛行時(shí)間的粒子是具有同一電子學(xué)特征的粒子，反之不同飛行時(shí)間的粒子對應(yīng)不同電子學(xué)特征。所謂電子學(xué)多道存儲(chǔ)是指對具有不同電子學(xué)特征信號(hào)的氣溶膠粒子進(jìn)行分類計(jì)數(shù)，在所分析信號(hào)特征范圍內(nèi)，將粒子的特征信號(hào)按一定規(guī)則分類，每一類稱為一道，每一道有一個(gè)相應(yīng)的子存儲(chǔ)單元，用來記錄具有該類特征信號(hào)的粒子個(gè)數(shù)。一個(gè)子存儲(chǔ)單元對應(yīng)一種飛行時(shí)間的粒子，而子存儲(chǔ)單元的內(nèi)容存儲(chǔ)了該飛行時(shí)間的粒子數(shù)目，因此一個(gè)子存儲(chǔ)單元以及子存儲(chǔ)單元里的內(nèi)容則記錄了該粒子的全部信息。設(shè)計(jì)要求記錄的氣溶膠粒子電子學(xué)特征種數(shù)為32 768種，故至少需具有32 768道(即32 k，地址線數(shù)據(jù)寬度為15位)存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)這些氣溶膠粒子信息。因此作為高速核心控制器的FPGA完成的功能如下：

(1)高速粒子模式識(shí)別邏輯;

(2)飛行時(shí)間與電子學(xué)多道地址信息的高速轉(zhuǎn)換;

(3)高速存儲(chǔ)器控制信號(hào)邏輯,控制高達(dá)32 768道計(jì)數(shù)存儲(chǔ)器以便按空氣動(dòng)力粒徑大小分類計(jì)數(shù)存儲(chǔ)。

可見,不同飛行時(shí)間對應(yīng)存儲(chǔ)器RAM的不同存儲(chǔ)單元，具有相同飛行時(shí)間的粒子被統(tǒng)計(jì)在同一存儲(chǔ)單元中。FPGA先快速將不同的電子學(xué)特征粒子信息鎖存在雙口RAM中，然后單片機(jī)從另外一端定時(shí)（單片機(jī)的定時(shí)器2實(shí)現(xiàn)）讀取，通過RS232串口傳至上位機(jī)，由上位機(jī)完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、保存，加以雙端口可以簡化硬件電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)單片機(jī)還完成獲取儀器狀態(tài)參數(shù)和進(jìn)行相應(yīng)的控制，以及中斷等。

2 電路實(shí)現(xiàn)

核心控制器FPGA選用ALTERA公司CycloneⅡ系列EP2C8T144C8N芯片，配置芯片為EPCS4，開發(fā)環(huán)境為Quartus II，設(shè)計(jì)采用硬件編程語言VHDL。整個(gè)邏輯控制分為4個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別為時(shí)鐘分頻模塊（Freq）、粒子事件識(shí)別模塊（ShiBie）、飛行時(shí)間地址轉(zhuǎn)換模塊（T-Address）和雙端口RAM的存儲(chǔ)控制模塊（SRAMCtrl）。頂層電路的設(shè)計(jì)如圖5所示。

時(shí)鐘分頻模塊（Freq）：時(shí)鐘輸入clk為50 MHz的有源晶振提供，經(jīng)分頻轉(zhuǎn)化合適時(shí)鐘clock供給存儲(chǔ)控制模塊使用。

粒子事件識(shí)別模塊：在GATE為有效電平期間，對DIFF信號(hào)計(jì)數(shù)，識(shí)別出事件1、事件2和事件3。

飛行時(shí)間地址轉(zhuǎn)換模塊：ECL-TTL高速計(jì)數(shù)器的最高位T[12]位為1時(shí)，飛行時(shí)間為4 096 ns，被認(rèn)為是超大粒子，超出儀器的測量范圍，該信號(hào)是以O(shè)RR作為飛行時(shí)間地址轉(zhuǎn)換模塊的一個(gè)輸入信號(hào)，用于識(shí)別事件4。該模塊在識(shí)別出事件1、事件2、事件3和事件4之后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的地址，其中事件2為有效粒子情況，識(shí)別為該事件時(shí)，將不同飛行時(shí)間T[11..0]輸入轉(zhuǎn)換成不同的存儲(chǔ)器地址信號(hào)輸出，識(shí)別為事件1、事件3和事件4時(shí)為少數(shù)粒子的干擾情況，分別產(chǎn)生一固定的存儲(chǔ)器地址信號(hào)輸出。

圖5 FPGA頂層控制電路設(shè)計(jì)

雙端口RAM的存儲(chǔ)控制模塊：該模塊的主要功能是完成對內(nèi)存RAM的控制[6-10]。由于兩粒子之間的時(shí)間間隔很短（GATE為低電平期間），在納秒量級，在如此短的時(shí)間內(nèi)完成內(nèi)存的讀寫控制以及復(fù)位等，是存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。CYPRESS公司研制的64 K×16位高速低功耗CMOS型靜態(tài)雙口RAM芯片CY7C028可以滿足存儲(chǔ)設(shè)計(jì)的要求，一方面其存儲(chǔ)器的最大訪問時(shí)間12/15/20 ns，另一方面由于其容量高達(dá)64 KB，可以滿足存儲(chǔ)具有32 768種電子學(xué)特征信號(hào)的粒子信息，同時(shí)數(shù)據(jù)總線寬度為16位，故每一內(nèi)存單元可以記錄的同一特征粒子數(shù)高達(dá)65 535個(gè)。而且配有雙端口，可以不必修改已設(shè)計(jì)完成的單片機(jī)端而擴(kuò)展存儲(chǔ)器訪問控制功能，縮短開發(fā)周期[11]。出于儀器開發(fā)成本的考慮，下一目標(biāo)是在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)雙口RAM的功能,節(jié)省硬件雙口RAM成本消耗。目前，為縮短開發(fā)周期，使用外部雙口RAM，在FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行內(nèi)存的訪問控制。雙口RAM訪問控制時(shí)，首先要注意最重要的問題是RAM兩端的控制器同時(shí)訪問同一內(nèi)存單元而產(chǎn)生的競爭問題，其次就是要注意由于FPGA端與RAM連接的數(shù)據(jù)總線是雙向的，在空閑和讀取之前要注意賦值為高阻態(tài)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程如圖6所示。

圖6 FPGA設(shè)計(jì)流程圖

Quartus II仿真波形結(jié)果如圖7所示。

在GATE信號(hào)為高電平期間對DIFF信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果DIFF脈沖數(shù)為2，粒子識(shí)別為事件2,便在DATE信號(hào)的下降沿鎖存飛行時(shí)間T,由T-Address模塊將其轉(zhuǎn)換成地址信號(hào)的輸出ADDR(如圖7中的192和512)，然后由存儲(chǔ)控制模塊完成讀寫控制后，發(fā)出復(fù)位信號(hào)對時(shí)間T進(jìn)行清零,從而完成一次操作。如果GATE為高電平時(shí)，DIFF脈沖的個(gè)數(shù)為1或者3時(shí)，分別產(chǎn)生一固定地址輸出。如圖7中所示，DIFF為3時(shí),地址固定輸出為1 023，盡管T值為384，DIFF為1時(shí)同理?？梢?，仿真波形結(jié)果與實(shí)際設(shè)計(jì)要求結(jié)果一致。

圖7 波形仿真結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

目前，該存儲(chǔ)系統(tǒng)已運(yùn)行于本研究所自行研發(fā)的空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀中。圖8給出了實(shí)測的顆粒物飛行時(shí)間譜分布結(jié)果，測量時(shí)間為2010年6月18日，地點(diǎn)為安徽省合肥市科學(xué)島中科院安徽光機(jī)所大樓室內(nèi)，圖中橫坐標(biāo)代表氣溶膠粒子的飛行時(shí)間，單位為納秒（ns），縱坐標(biāo)代表各個(gè)不同飛行時(shí)間對應(yīng)的氣溶膠粒子數(shù)，單位為個(gè)（pt）。其中，采樣氣流1 L/min（總氣流51 L/min，殼氣流41 L/min），采樣時(shí)間為30 s，將各個(gè)飛行時(shí)間粒子的粒子數(shù)相加求和得粒子總數(shù)為233 047個(gè)。圖中，實(shí)測氣溶膠粒子飛行時(shí)間譜的分布符合大氣氣溶膠常規(guī)分布這一特征，即氣溶膠粒子粒徑分布不完全是正態(tài)分布，而只是接近正態(tài)分布的特征[4]。

圖8 不同飛行時(shí)間的粒徑譜分布

針對空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀系統(tǒng)研制的需要，采用電子學(xué)多道存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于核心控制器FPGA和雙口RAM的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對氣溶膠粒子的識(shí)別和空氣動(dòng)力學(xué)粒徑信息的分類計(jì)數(shù)、存儲(chǔ)，存儲(chǔ)容量高達(dá)32 768道,每道計(jì)數(shù)深度達(dá)65 535個(gè)(16 bit)，完全滿足氣溶膠粒子的特征和個(gè)數(shù)要求。FPGA時(shí)鐘頻率高達(dá)50 MHz,完全能夠?qū)崿F(xiàn)對大量粒子的快速識(shí)別和飛行時(shí)間在納秒級的地址轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)，另外FPGA采用內(nèi)部硬件電路完成邏輯控制，所以工作穩(wěn)定可靠，且功耗低。經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，該存儲(chǔ)系統(tǒng)完全滿足儀器連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測的要求，工作穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了對氣溶膠粒徑測量，廣泛應(yīng)用于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測、潔凈室檢測、氣溶膠特性研究及對大氣傳輸特性的研究等領(lǐng)域。

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