激光粒度仪嵌入式数据采集系统的设计与实现

　　0　引　　言

　　燃烧工程、化学工业、环境污染物检测等许多领域中,人们会遇到液体喷雾及固体颗粒的特征问题,比如颗粒粒径等。测量粒径的方法很多:光学法、电子显微镜法、静电集尘法、沉淀法、全息摄影法等,其中基于光散射法的激光粒度仪由于具有非接触、速度快、测量范围广、数据可靠、重复性好、自动化程度高、便于在线测量等优点而被广泛应用[1-2]。

　　1　激光粒度仪基本原理

　　激光粒度仪是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的[2]。激光器发出的光束经扩束器后形成一平行的准直相干光束,此光束照射到待测粒子发生散射现象。散射光的强度分布与测试区中被照射的颗粒直径和颗粒数相关,其强度分布信息被探测器接收并传送给计算机进行处理。这里的探测器采用32环的光电接收阵列,每环对应一个角度范围,每环收集的能量正是透镜前具有相同角度范围的一个圆锥光线族所发出的衍射能量,根据这32环探测器所采集到数据可以反演出待测粒子的粒径大小[3-4]。

　　对于任何给定的颗粒尺寸分布,将有一个相对应的唯一的光能分布,用矩阵形式表示为[4]:

　　E=TW(1)

　　式中:E是光能分布,W是体积分布,T是对每个粒子尺寸范围表示光能分布的系数,由环形探测器的参数决定。

　　2　系统总体硬件设计

　　2.1　嵌入式系统硬件设计

　　本系统硬件由数据采集和主机数据处理2个部分组成。系统框图如图2所示。

　　数据采集部分是以微控制器为核心,控制外围电路进行数据采集,并通过USB方式负责与主机进行通信。其外围器件主要包括环形光电探测器、电信号放大器阵列、多路选通电路、A/D转换等。

　　主机数据处理部分采用研华PCM-9581工控主板,它很适合在工业现场的连续作业,且具有抗震动、抗灰尘,和很高的抗电磁干扰等特点。另外本仪器采用触摸屏的方式实现人机界面的交互,操作人员可以很直观、很方便地操作仪器,控制数据的读取和处理计算等。

　　2.2　系统工作概况

　　32路数据信号再加上1个位置调整信号一共有33路光信号,这些信号经过光电探测器转换成33路模拟信号以后,连接到由5片8选1模拟开关所组成的多路选通输入端。USB控制核通过控制6条地址线的输出,使用从0到32依次增量加1的方法实现模拟信号的顺序选通,然后控制A/D将选通的模拟信号转换成数字信号,并保存到USB内部的FIFO中。当每组33个数据采集完毕以后,判断是否获得主机数据传输请求,如果已经获得主机请求,那么作为响应,USB核将采集完的数据传送给主机;如果没有获得请求,USB核将控制进行下一个数据的采集,并刷新FIFO中的数据,如此反复。