基于FPGA在线气体检测系统设计

　　随着我国经济的发展，人们生活水平的提高，汽车逐渐成为重要的交通工具，同时汽车排放的大量有害气体日益威胁着人类健康和生存环境，是城市环境最主要的污染源之一。汽车排放污染物主要包括 : 二氧化碳 (CO2)、一氧化碳 (CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化合物 (NOx)、微粒物 ( 由碳烟、铅氧化物等重金属氧化物等组成 ) 和硫化物等。随着城市化进程加快 , 对气体进行在线检测与控制 , 是环境与生态保护的重要现实课题。

　　目前，常见的气体检测技术主要有气相色谱法[1,2]、傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)[3,4]、光声光谱 PAS 技术[5-7]、化学催化传感器等，色谱分析要求对污染气体进行采样、处理，难以进行实时探测分析，而化学催化传感器的寿命短，稳定性较差，受环境影响较大。近年来发展起来的基于 TDLAS(Tunable Diode-Laser Absorption Spectroscopy，可调谐二极管吸收光谱学，) 技术的气体遥感检测引起了国内外关注[8-10]。它具有选择性好、灵敏度高、精度高、快速在线非接触测量、操作简单、不需对样品进行任何预处理等优点。所使用的可调谐激光二极管功耗低，体积小，有利于系统的便携化、小型化;另外，这种技术还可以同时检测多种气体成份。基于 TDLAS 气体检测技术的这些特点特别适合在线实时的环境监测。

　　在线实时检测，传感器所采集的信息量非常大，需要后端进行即时有效地分析和处理。相比于单片机与传统电路，FPGA(Field Programmable GateArray，现场可编程门阵列)在工作速度以及功耗等方面都具有很大优势。结合 FPGA 及 TDLAS 两方面的优势，我们设计了一套在线实时尾气监测系统。

　　1 检测原理

　　1.1　红外气体检测基本原理

　　气体检测最基本的原理是 Lambert-Beer 定律：

　　式中：I(λ)——出射光强度;I0(λ)——入射光强度;k(λ)——波长 λ 处气体吸收截面系数;C——气体浓度;L——光程长度

　　根据这个原理，理论上只要知道 I0(λ)、k(λ) 以及气室的长度，检测出射光强度就可以准确地推算出气体的浓度。但在实际过程中，这种直接检测技术往往会受到光源噪声以及其它的干扰因素的影响，灵敏度和精度很难提高，不适合在线实时检测。为了减少噪声影响，提高检测准确度，谐波检测是有效途径之一。

　　1.2　基于 TDLAS 二次谐波检测原理

　　TDLAS 技术优点之一是可能通过调节温度或驱动电流改变输出光的频率，从而方便地实现多目标气体的检测。相对于温度调节，电流调节的扫描速度快、易调节，适合在线实时检测。因此，在我们的系统中，采用的是电流调制的方法。首先用锯齿波扫描信号使 TDL(可调二极管激光器)产生目标气体的特征吸收谱，这一过程不易受其它气体分子干扰，对目标气体的检测十分有利;同时，在锯齿波信号的基础上施加调频信号，使 TDL 的输出光被调制，产生需要的二次谐波，再送往气室。整个过程说明如下。