0 引言

激光粒度儀(yi) 是一種最先進的、最具有廣泛發展前景的粒度測量儀(yi) 器，它的測量原理基於(yu) 米氏(Mie)散射理論。Mie散射理論是一個(ge) 經典的光散射理論，它最大的特點是可用於(yu) 任何尺寸段顆粒的測量，但它的計算相當複雜限製了數據處理速度及精度。

DSP技術實現MIE散射算法有很多優(you) 點：它是專(zhuan) 為(wei) 算法計算而設計的專(zhuan) 用CPU，所以它運算速度很快；與(yu) 通用CPU相比它成本低，所以有很好的性價(jia) 比；而且它的體(ti) 積小，能實現儀(yi) 器一體(ti) 化等等優(you) 點。ARM具有豐(feng) 富的片上資源，適合嵌入式係統的開發，主要負責操作係統的運行、任務管理和協調以及DSP的控製任務，外部可擴展多種外設，如通用串口、LCD顯示屏、以太網接口。

1 係統總體(ti) 設計及工作原理

1．1 激光粒度儀(yi) 工作原理

激光粒度儀(yi) 的組成框圖如圖1所示

激光粒度儀(yi) 中的光電探測器采集顆粒在一定角度範圍內(nei) 的散射光來得到顆粒的粒徑分布信息。由於(yu) 光電探測器處在傅裏葉透鏡的焦平麵上，因此探測器上的任一點都對應某一確定的散射角。光電探測器陣列由一係列同心環帶組成，每一環帶是一個(ge) 獨立的探測器，能將投射到上麵的散射光能線性地轉換成電壓，然後送給采集卡。該卡將電信號放大，再進行A／D轉換後送入計算機，按事先編製的程序根據米氏散射理論進行數據處理，把散射譜的空間分布反演為(wei) 顆粒大小的分布。

1．2 電路係統的總體(ti) 設計

激光粒度儀(yi) 電路總體(ti) 框圖如圖2所示。采集電路采集到的數據經過RS232串口傳(chuan) 輸給DSP，經過DSP的運算後，再把DSP處理後得到的結果數據RS232經過串口傳(chuan) 輸給ARM處理器，在ARM處理器的觸摸屏界麵上顯示結果。

2 電路係統具體(ti) 設計方案

2．1 數據采集電路設計

粒度儀(yi) 的光電探測器是用光電池做成多元環形，多元環形光電探測器接收散射光的光能量，環形光電池把光能量轉換為(wei) 光電流。然後經過電流電壓轉換器，把電流信號轉換為(wei) 電壓信號。再經過放大電路放大，然後輸入到A／D轉換器，將模擬信號轉換為(wei) 數字信號。然後把數字信號輸入到C805lF320單片機，單片機然後再傳(chuan) 給DSP進行處理，如圖3所示。

係統的硬件組成分為(wei) 以下幾個(ge) 部分：環形光電探測器、數據選擇部分、電流電壓轉換部分、運算放大部分、模數轉換部分和中央單片機控製部分。

①模擬多路選擇器選用ADG506，它精度高，為(wei) 1mV，抗幹擾能力強，功耗低，價(jia) 格便宜；

②電流電壓轉換電路有起濾波作用的電容及可調電阻，有利於(yu) 調整電路參數；

③濾波放大電路的二階Butterworth低通濾波器截止頻率為(wei) 10Hz，主要濾除工頻幹擾；

④模數轉換電路采用的芯片是TLC2551，此芯片是14位A／D，輸入電壓範圍為(wei) ：O～5V；理論采集精度可達0．3mV，受實際測試條件所限製實際測試精度可達0．8mV；A／D轉換時間為(wei) 10m，采集速度很高；此芯片抗幹擾能力強，功耗低，性價(jia) 比高；

⑤控製電路采用C8051F320作為(wei) 采集電路的控製芯片，它片上資源豐(feng) 富，主頻高可達25MHz，而且開發簡單，性價(jia) 比高。單片機采集來的數據通過串口發送給DSP芯片。

2．2 DSP運算電路的設計

DSP作為(wei) 一種用的數字信號處理器，自從(cong) 問世以來，DSP就以數字器件特有的穩定性，可重複性，可大規模集成，特別是可編程性和易於(yu) 實現自適應處理的特點，給數字信號處理的發展帶來了巨大的機遇。激光粒度儀(yi) 的采集電路采集來的數據通過RS232串口傳(chuan) 送給DSP處理器，經過DSP進行算法運算，運算完成後再通過RS232串口傳(chuan) 送給嵌入式ARM處理器顯示結果。原理框圖如下圖4所示：

①DSP芯片選用TMS320C5416，TMS320C5416采用改進的哈佛結構，具有以下優(you) 點：具有高度並行性和專(zhuan) 用硬件乘法器和加法器的CPU設計，芯片性能大大提高；程序存儲(chu) 器和數據存儲(chu) 器是相互獨立的存儲(chu) 器，每個(ge) 存儲(chu) 器獨立編址，獨立訪問。本係統中設置了16路數據總線，32路地址總線，其餘(yu) 的為(wei) 控製總線。

②串並數據轉換采用的芯片為(wei) TLl6C752B，此芯片有兩(liang) 個(ge) 串口控製器，控製器A和控製器B。D00到D07為(wei) 8位數據總線，RXA和TXA與(yu) RXB和TXB分別為(wei) A口與(yu) B口的數據發送端口和數據接收端口。CSA和CSB分別為(wei) A口和B口的片選端口。

③RS232電平轉換電路，采用的電平轉換芯片為(wei) MAX3160它把3．3V的TTL電平轉換為(wei) RS232電平。

2．3 ARM顯示電路的設計

三星公司開發的S3C2440A是一款以ARM920T為(wei) 內(nei) 核的嵌入式微處理器，它的最高工作頻率達433MHz，內(nei) 含3通道的異步串行口，USB主、從(cong) 單元設備接口，攝像頭接口，觸摸LCD／TFT控製器等眾(zhong) 多片上外設接口。LCD屏TD035STED2為(wei) 3．5英寸，屏幕分辨率為(wei) 320×240，能提供262K中色彩。

2．4 PCB設計

PCB設計采用的設計軟件為(wei) Protel99，PCB設計的關(guan) 鍵是：模擬電路部分要具有很好的抗幹擾能力和高可靠性。提高電路的抗幹擾能力的方法有：①元器件布局要合理；②布線要合理；③覆銅要合理；④金屬殼接地屏蔽等。

3 實驗結果分析

在完成電路係統設計的基礎上，進行激光粒度儀(yi) 實驗。在相同環境、相同采集電路、相同Mie算法條件下，分別用標準P4台式機和DSP+ARM電路進行實驗。實驗樣品采用滿足R-R單峰分布的粒徑範圍為(wei) O．1～100μm的碳酸鈣。

以上兩(liang) 種方式分別連續20次測試，相對於(yu) 標準樣品，實測d50誤差在±3％，d10和d90誤差在±5％之內(nei) ，重複精度在±3％以內(nei) ，說明采集精度達到了儀(yi) 器標準。實驗驗證，此係統設計方案比標準P4機運算至少快10s。

4 結束語

本文將DSP的高速處理能力和ARM得管理能力結合起來，使整個(ge) 係統在結構上獲得最大的靈活性。高性能DSP可以滿足運算性能方麵的需要，而ARM的可控性。可以解決(jue) 觸摸顯示采集結果。同時減小了儀(yi) 器體(ti) 積，提高了運算速度。#p#分頁標題#e#