基于FPGA的氣溶膠粒徑信息存儲系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘 要： 利用電子學時間多道存儲技術，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，設計了一種高速大容量氣溶膠粒子信息分類計數(shù)存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了氣溶膠粒子的快速識別與分類存儲。時間多道系統(tǒng)存儲容量高達32 768道，每道計數(shù)深度65 536個（16 bit）。
關鍵詞： 氣溶膠; 空氣動力學粒徑; FPGA;多道存儲技術

　大氣氣溶膠在大氣輻射、空氣污染、大氣物理化學性質(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[1]。研究表明，氣溶膠粒子因其空氣動力學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)、實時、在線測量氣溶膠粒徑分布，本課題組開展了基于飛行時間ToF（Time-of-Flight）測量原理[2]的氣溶膠空氣動力學粒徑譜儀系統(tǒng)的研制。
　空氣動力學粒徑是一當量概念，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于與其具有相同終末沉降速度的密度為1 g/cm3的球形標準顆粒物的直徑[3]。氣溶膠空氣動力學粒譜儀不僅可以精確測量氣溶膠顆粒物的空氣動力學粒徑，還可以記錄、統(tǒng)計相同粒徑大小的粒子數(shù)目。系統(tǒng)設計要求粒徑0.5 μm的氣溶膠粒子檢測濃度最高可達1 500 pt/cm3，當儀器的采樣氣流量控制在1 L/min時，粒徑0.5 μm的粒子數(shù)目每分鐘最高可達到1.5×106個,則每秒鐘需要檢測的氣溶膠顆粒物最高達25 000個。為了實現(xiàn)連續(xù)、實時、在線測量，大量粒子的快速識別和存儲對電子學信號處理提出了較高的要求。這里以FPGA（Filed-Programmable Gate Array）為核心控制器來設計高速大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。FPGA技術已廣泛應用于當今數(shù)字電路設計領域，而基于FPGA的數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)就是其典型應用[4]。
　當前，數(shù)字系統(tǒng)的核心控制芯片通常為單片機、DSP和FPGA等[4]，單片機的速度較慢，效率低，DSP不擅長對外圍復雜電路的控制，與單片機和DSP相比，采用FPGA作為控制芯片具有明顯的優(yōu)點，F(xiàn)PGA時鐘頻率高，硬件邏輯可編程，運行速度快，且功耗低、能夠控制較為復雜的外圍器件等[5]，因此FPGA成為目前高性能數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)主要使用的控制芯片。
　本文針對空氣動力學粒譜儀系統(tǒng)研制的需要，采用電子學多道存儲技術設計了一種基于大規(guī)?？删幊踢壿嬁刂破鱂PGA和雙口RAM的高速大容量存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了對氣溶膠粒子快速識別和空氣動力學粒徑信息的分類計數(shù)存儲。

1 系統(tǒng)總體設計
　氣溶膠空氣動力學粒譜儀通過復雜的光學系統(tǒng)與精確的時序控制技術的結(jié)合來完成其測量過程。氣溶膠顆粒物經(jīng)過根據(jù)空氣動力學原理設計的噴口加速進入如圖1所示的光學整形部件中，光學整形部件產(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，如圖1?；陲w行時間測量方法的空氣動力學粒譜儀就是通過測量雙峰信號的峰峰間隔，即飛行時間 ToF，從而計算出該氣溶膠粒子的飛行速度。因為不同空氣動力學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間的直接測量，計算出該顆粒物的飛行速度，進而實現(xiàn)該粒子空氣動力學粒徑大小的測量。

　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)空氣動力學噴口加速后絕大多數(shù)單個依次通過目標光斑測量區(qū)，粒子散射產(chǎn)生連續(xù)雙峰信號，此即為有效粒子，其波形如圖2(a)所示?？赡苡行┝Ｗ雍苄∑渖⑸鋸姸炔粔虼?，所產(chǎn)生的信號不能穩(wěn)定在檢測線以上，因此造成單峰信號和虛假的飛行時間，其轉(zhuǎn)換成電脈沖波形如圖2(b)所示。偶爾也會有粒子重疊產(chǎn)生多于兩峰的情況，所謂粒子重疊就是指在測量時2個或多個粒子同時進入檢測區(qū)域，其波形如圖2(c)所示。重疊事件的結(jié)果產(chǎn)生會干擾粒徑信息并導致粒子濃度測量結(jié)果偏低。同時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),所需要的飛行時間超過儀器自身的檢測時鐘(4 096 ns)，造成單獨的寬峰譜圖，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鐘的粒子都被認為是無效粒子，只有雙峰信號是關心和檢測的重點。為此電子學系統(tǒng)的設計需增加對有效粒子的識別，剔除干擾。粒子識別之后，方可進行飛行時間的快速轉(zhuǎn)化與存儲，進而進行粒徑大小反演。

如前所述，1 s內(nèi)需檢測和存儲上萬個粒子，且粒子的飛行時間在納秒級，為此作為主控制器的FPGA，要進行粒子的快速識別和存儲。系統(tǒng)電子學整體設計框圖如圖3所示。

粒子的散射光信號通過光信號采集電路由信號調(diào)理電路[3]進行調(diào)理轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(GATE、DIFF)，波形如圖4所示，GATE信號為高電平時有效，表示有粒子經(jīng)過。圖4為有效粒子的波形情況。相應的，如果單峰、多峰情況，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號時，在GATE為高電平期間，DIFF信號分別為單脈沖和多脈沖，此作為粒子識別的依據(jù)，對于超大粒子，超過儀器檢測范圍的情況，可以通過定時計數(shù)器最高位的溢出進行識別。GATE和DIFF分別送至FPGA和高速計時邏輯單元。高速計時邏輯單元由500 MHz時鐘電路、計數(shù)器控制、ECL-TTL高速計數(shù)器電路所組成，用來測定氣溶膠粒子的飛行時間，由于時鐘頻率為500 MHz，計時的時間分辨可達2 ns物理精度，將測量ECL電平的飛行時間經(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。

GATE和DIFF信號,一方面送至FPGA作為粒子識別依據(jù)，當有粒子經(jīng)過時，即GATE為高電平有效時，便對DIFF信號計數(shù)，如果有單個脈沖識別為事件1，如果有兩個脈沖識別為事件2，多于兩個脈沖識別為事件3，另一方面送至高速計時邏輯單元，在GATE信號有效期間，當?shù)谝粋€DIFF信號到來時，啟動計數(shù)器，第二個DIFF信號關閉計數(shù)器。在計數(shù)器沒有溢出的情況下(如果是超大粒子，計數(shù)器溢出，識別為事件4)，所記錄的飛行時間(定時器值)，在GATE的下降沿被鎖存，作為FPGA的輸入信號，由FPGA將其轉(zhuǎn)化成相應存儲器地址，以便完成電子學道道存儲[3]。

　具有同一飛行時間的粒子是具有同一電子學特征的粒子，反之不同飛行時間的粒子對應不同電子學特征。所謂電子學多道存儲是指對具有不同電子學特征信號的氣溶膠粒子進行分類計數(shù)，在所分析信號特征范圍內(nèi)，將粒子的特征信號按一定規(guī)則分類，每一類稱為一道，每一道有一個相應的子存儲單元，用來記錄具有該類特征信號的粒子個數(shù)。一個子存儲單元對應一種飛行時間的粒子，而子存儲單元的內(nèi)容存儲了該飛行時間的粒子數(shù)目，因此一個子存儲單元以及子存儲單元里的內(nèi)容則記錄了該粒子的全部信息。設計要求記錄的氣溶膠粒子電子學特征種數(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)存儲容量的存儲器來存儲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)高速粒子模式識別邏輯;
(2)飛行時間與電子學多道地址信息的高速轉(zhuǎn)換;
(3)高速存儲器控制信號邏輯,控制高達32 768道計數(shù)存儲器以便按空氣動力粒徑大小分類計數(shù)存儲。
　可見,不同飛行時間對應存儲器RAM的不同存儲單元，具有相同飛行時間的粒子被統(tǒng)計在同一存儲單元中。FPGA先快速將不同的電子學特征粒子信息鎖存在雙口RAM中，然后單片機從另外一端定時（單片機的定時器2實現(xiàn)）讀取，通過RS232串口傳至上位機，由上位機完成數(shù)據(jù)實時顯示、保存，加以雙端口可以簡化硬件電路的設計。同時單片機還完成獲取儀器狀態(tài)參數(shù)和進行相應的控制，以及中斷等。