基于FPGA的气溶胶粒径信息存储系统的设计与实现

摘  要： 利用电子学时间多道存储技术，结合大规模可编程逻辑控制器FPGA和高速大容量双端口内存芯片，设计了一种高速大容量气溶胶粒子信息分类计数存储系统，实现了气溶胶粒子的快速识别与分类存储。时间多道系统存储容量高达32 768道，每道计数深度65 536个（16 bit）。
关键词： 气溶胶; 空气动力学粒径; FPGA;多道存储技术
   　大气气溶胶在大气辐射、空气污染、大气物理化学性质、人类健康状况等方面扮演着重要角色，是衡量大气污染状况的重要指标[1]。研究表明，气溶胶粒子因其空气动力学粒径不同而滞留在人体呼吸道的不同部位，大于5 μm的气溶胶粒子滞留在上呼吸道,小于5 μm多滞留在气管、支气管和肺泡内，对人类的健康危害很大[2]。因此，持续有效地监测气溶胶粒子粒径分布信息具有重要意义。为了连续、实时、在线测量气溶胶粒径分布，本课题组开展了基于飞行时间ToF（Time-of-Flight）测量原理[2]的气溶胶空气动力学粒径谱仪系统的研制。
　空气动力学粒径是一当量概念，它是指在低雷诺数的气流中与单位密度球（ρ=1 g/cm3）具有相同终末沉降速度的颗粒直径,也就是指在较平稳的气流中被测颗粒物的直径相当于与其具有相同终末沉降速度的密度为1 g/cm3的球形标准颗粒物的直径[3]。气溶胶空气动力学粒谱仪不仅可以精确测量气溶胶颗粒物的空气动力学粒径，还可以记录、统计相同粒径大小的粒子数目。系统设计要求粒径0.5 μm的气溶胶粒子检测浓度最高可达1 500 pt/cm3，当仪器的采样气流量控制在1 L/min时，粒径0.5 μm的粒子数目每分钟最高可达到1.5×106个,则每秒钟需要检测的气溶胶颗粒物最高达25 000个。为了实现连续、实时、在线测量，大量粒子的快速识别和存储对电子学信号处理提出了较高的要求。这里以FPGA（Filed-Programmable Gate Array）为核心控制器来设计高速大容量数据存储系统。FPGA技术已广泛应用于当今数字电路设计领域，而基于FPGA的数据采集存储系统就是其典型应用[4]。
　当前，数字系统的核心控制芯片通常为单片机、DSP和FPGA等[4]，单片机的速度较慢，效率低，DSP不擅长对外围复杂电路的控制，与单片机和DSP相比，采用FPGA作为控制芯片具有明显的优点，FPGA时钟频率高，硬件逻辑可编程，运行速度快，且功耗低、能够控制较为复杂的外围器件等[5]，因此FPGA成为目前高性能数据采集存储系统主要使用的控制芯片。
　本文针对空气动力学粒谱仪系统研制的需要，采用电子学多道存储技术设计了一种基于大规模可编程逻辑控制器FPGA和双口RAM的高速大容量存储系统，实现了对气溶胶粒子快速识别和空气动力学粒径信息的分类计数存储。
1 系统总体设计
　气溶胶空气动力学粒谱仪通过复杂的光学系统与精确的时序控制技术的结合来完成其测量过程。气溶胶颗粒物经过根据空气动力学原理设计的喷口加速进入如图1所示的光学整形部件中，光学整形部件产生两束距离约为100 μm的激光。颗粒物垂直飞行通过，发生光散射形成双峰信号，如图1。基于飞行时间测量方法的空气动力学粒谱仪就是通过测量双峰信号的峰峰间隔，即飞行时间 ToF，从而计算出该气溶胶粒子的飞行速度。因为不同空气动力学粒径的颗粒物具有不同的飞行速度[2]，通过对颗粒物飞行时间的直接测量，计算出该颗粒物的飞行速度，进而实现该粒子空气动力学粒径大小的测量。
   
   　通过对气溶胶粒子采样系统中的壳气流量和总气流量的控制[3]，可以使气溶胶粒子经空气动力学喷口加速后绝大多数单个依次通过目标光斑测量区，粒子散射产生连续双峰信号，此即为有效粒子，其波形如图2(a)所示。可能有些粒子很小其散射强度不够大，所产生的信号不能稳定在检测线以上，因此造成单峰信号和虚假的飞行时间，其转换成电脉冲波形如图2(b)所示。偶尔也会有粒子重叠产生多于两峰的情况，所谓粒子重叠就是指在测量时2个或多个粒子同时进入检测区域，其波形如图2(c)所示。重叠事件的结果产生会干扰粒径信息并导致粒子浓度测量结果偏低。同时仪器还有粒径测量范围，对粒子粒径很大(或者在检测器内紊流或弧线飞行),所需要的飞行时间超过仪器自身的检测时钟(4 096 ns)，造成单独的宽峰谱图，波形图如图2(d)所示。单峰、粒子重叠多峰以及大粒子超过检测时钟的粒子都被认为是无效粒子，只有双峰信号是关心和检测的重点。为此电子学系统的设计需增加对有效粒子的识别，剔除干扰。粒子识别之后，方可进行飞行时间的快速转化与存储，进而进行粒径大小反演。
   
       如前所述，1 s内需检测和存储上万个粒子，且粒子的飞行时间在纳秒级，为此作为主控制器的FPGA，要进行粒子的快速识别和存储。系统电子学整体设计框图如图3所示。