基于FPGA的氣溶膠粒徑信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 利用電子學(xué)時(shí)間多道存儲(chǔ)技術(shù)，結(jié)合大規(guī)模可編程邏輯控制器FPGA和高速大容量雙端口內(nèi)存芯片，設(shè)計(jì)了一種高速大容量氣溶膠粒子信息分類(lèi)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了氣溶膠粒子的快速識(shí)別與分類(lèi)存儲(chǔ)。時(shí)間多道系統(tǒng)存儲(chǔ)容量高達(dá)32 768道，每道計(jì)數(shù)深度65 536個(gè)（16 bit）。
關(guān)鍵詞： 氣溶膠; 空氣動(dòng)力學(xué)粒徑; FPGA;多道存儲(chǔ)技術(shù)

　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(lèi)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(duì)人類(lèi)的健康危害很大[2]。因此，持續(xù)有效地監(jiān)測(cè)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(cè)量氣溶膠粒徑分布，本課題組開(kāi)展了基于飛行時(shí)間ToF（Time-of-Flight）測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量，大量粒子的快速識(shí)別和存儲(chǔ)對(duì)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(lái)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(zhǎng)對(duì)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(duì)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)?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA和雙口RAM的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(lèi)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(guò)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(lái)完成其測(cè)量過(guò)程。氣溶膠顆粒物經(jīng)過(guò)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(guò)，發(fā)生光散射形成雙峰信號(hào)，如圖1?；陲w行時(shí)間測(cè)量方法的空氣動(dòng)力學(xué)粒譜儀就是通過(guò)測(cè)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(guò)對(duì)顆粒物飛行時(shí)間的直接測(cè)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(cè)量。

　通過(guò)對(duì)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(guò)目標(biāo)光斑測(cè)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。可能有些粒子很小其散射強(qiáng)度不夠大，所產(chǎn)生的信號(hào)不能穩(wěn)定在檢測(cè)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(cè)量時(shí)2個(gè)或多個(gè)粒子同時(shí)進(jìn)入檢測(cè)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(cè)量結(jié)果偏低。同時(shí)儀器還有粒徑測(cè)量范圍，對(duì)粒子粒徑很大(或者在檢測(cè)器內(nèi)紊流或弧線飛行),所需要的飛行時(shí)間超過(guò)儀器自身的檢測(cè)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(guò)檢測(cè)時(shí)鐘的粒子都被認(rèn)為是無(wú)效粒子，只有雙峰信號(hào)是關(guān)心和檢測(cè)的重點(diǎn)。為此電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需增加對(duì)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(cè)和存儲(chǔ)上萬(wàn)個(gè)粒子，且粒子的飛行時(shí)間在納秒級(jí)，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(guò)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(guò)。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(duì)于超大粒子，超過(guò)儀器檢測(cè)范圍的情況，可以通過(guò)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(lái)測(cè)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(cè)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)模可編程邏輯控制器FPGA。

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(guò)時(shí)，即GATE為高電平有效時(shí)，便對(duì)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(lái)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(méi)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(duì)應(yīng)不同電子學(xué)特征。所謂電子學(xué)多道存儲(chǔ)是指對(duì)具有不同電子學(xué)特征信號(hào)的氣溶膠粒子進(jìn)行分類(lèi)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(lèi)，每一類(lèi)稱(chēng)為一道，每一道有一個(gè)相應(yīng)的子存儲(chǔ)單元，用來(lái)記錄具有該類(lèi)特征信號(hào)的粒子個(gè)數(shù)。一個(gè)子存儲(chǔ)單元對(duì)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(lái)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(lèi)計(jì)數(shù)存儲(chǔ)。
　可見(jiàn),不同飛行時(shí)間對(duì)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(guò)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(jiǎn)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。