摘要：針對(duì)噴油器霧化粒徑測(cè)量系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，將FPGA技術(shù)與DSP技術(shù)相結(jié)合，研究一種基于FPGA和DSP的電控噴油器粒徑檢測(cè)系統(tǒng);為滿足動(dòng)態(tài)測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了應(yīng)用高性能的多路開關(guān)和超低輸入偏置電流運(yùn)放的多通道微電流高速采集板;詳細(xì)介紹了檢測(cè)系統(tǒng)中基于FPGA和DSP的軟硬件設(shè)計(jì)和工作原理;設(shè)計(jì)了基于R-R分布的粒徑反演算法，并給出了一個(gè)簡單的測(cè)試實(shí)例;反演結(jié)果為尺寸參數(shù)X=49.15μm，分布參數(shù)N=1.96，擬合誤差f=0.00384，符合對(duì)噴油器噴霧的預(yù)期估計(jì)，驗(yàn)證了系統(tǒng)的有效性。

　　0、引言

　　在電控汽油噴射系統(tǒng)中，噴油器的噴霧特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程有著重要的影響。電控汽油機(jī)在工作過程中，控制器依據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，控制噴油器噴出適量的燃油以滿足發(fā)動(dòng)機(jī)工況的要求。油滴顆粒直徑直接影響著混合氣的形成質(zhì)量，因此需要對(duì)粒徑進(jìn)行精確測(cè)試。光學(xué)法已被確認(rèn)為是一種先進(jìn)的、最具有廣泛發(fā)展前景的測(cè)粒方法。激光粒度儀采用的光電傳感器的輸出信號(hào)是31路微電流信號(hào)，但由于目前市場(chǎng)上的采集裝置大多是針對(duì)于電壓輸入信號(hào)，且通道數(shù)較少，一般在16-24路，不能滿足粒度儀的快速測(cè)量要求，所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)適用于激光粒度測(cè)試儀的多通道高速數(shù)據(jù)采集電路。

　　FPGA可以隨時(shí)通過對(duì)外加或內(nèi)置的RAM或EPROM編程改變器件的功能，已逐步成為復(fù)雜數(shù)字硬件電路設(shè)計(jì)的首選。目前大規(guī)模FPGA多數(shù)支持可編程片上系統(tǒng)（SOPC），與CPU或DSPCore的有機(jī)結(jié)合使FPGA不僅是傳統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)手段，而且逐步升華為系統(tǒng)級(jí)實(shí)現(xiàn)工具。由于FPGA具有可重復(fù)編程、可在線調(diào)試、邏輯資源豐富、設(shè)計(jì)周期短等優(yōu)點(diǎn)，使得它非常適合用在各類數(shù)據(jù)接口和通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)上。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)的高速采集要求，多通道數(shù)據(jù)的緩存是必須的，包括A/D采樣數(shù)據(jù)的緩存，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)?a target="_blank">處理器的緩存等，如果用其它傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，勢(shì)必增加了FIFO存儲(chǔ)器，從而接口時(shí)序復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性很難保證，F(xiàn)PGA提供了豐富的RAM資源，只要合理配置，能提高系統(tǒng)的整體可靠性和穩(wěn)定性，再加上其在線可編程功能，系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)性要求也得到了保證。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用FPGA（EP2C70F672C8）作為主控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所需要的數(shù)字邏輯，利用DSP進(jìn)行快速數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)電控噴油器粒徑的快速檢測(cè)。

　　1、粒徑檢測(cè)原理

　　1976年，Swithenbank等人發(fā)表了基于Fraunhofer衍射原理的激光微粒測(cè)量方法［3］。根據(jù)弗朗和費(fèi)衍射理論，假設(shè)噴霧中被測(cè)區(qū)域中同時(shí)有N個(gè)粒徑為D的顆粒存在，則在第n個(gè)光環(huán)上所接收到的光能量將是一個(gè)顆粒時(shí)的N倍。進(jìn)一步推論可得，當(dāng)顆粒群中粒徑為Di的顆粒共有Ni個(gè)時(shí)，顆粒群總的衍射光能將是所有顆粒衍射光能之和，即多元光電探測(cè)器第n環(huán)（環(huán)半徑從Sn到Sn+1），對(duì)應(yīng)的散射角從θn到θn+1接收到的激光衍射光能量為：

　　本文使用的現(xiàn)場(chǎng)激光粒度儀共有31個(gè)有效光能環(huán)，被測(cè)顆粒區(qū)間可按下式確定：

　　πDiSi/λf=1.357，i=1，2，3，…，31（2）

　　式中，I0為平行光入射光強(qiáng)度，J0為零階Bessel函數(shù)，J1為一階Bessel函數(shù)，X=πDsinθ/λ，λ為入射光的波長，θ為衍射角，Wi為尺寸分布的重量頻率，ρ為顆粒物質(zhì)的密度，f是接收透鏡的焦距。

　　假設(shè)31個(gè)顆粒粒徑區(qū)間中第n個(gè)區(qū)間上限為Dn，區(qū)間下限為Dn+1。則每個(gè)區(qū)間的顆粒粒徑典型值取該粒級(jí)的算術(shù)平均值：Di=（Dn+Dn+1）/2，只要測(cè)出31個(gè)探測(cè)器環(huán)上的光能分布，通過對(duì)式（1）所列線性方程組的求解，就能得到顆粒尺寸的重量分布W。

　　本文以夫朗和費(fèi)衍射理論為指導(dǎo)設(shè)計(jì)的激光粒度測(cè)量系統(tǒng)，其原理是根據(jù)不同粒徑的顆粒產(chǎn)生的衍射光隨角度的分布不同，衍射光由傅里葉透鏡聚焦后被位于其后焦面上的多環(huán)同心圓環(huán)光電探測(cè)器接收后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后送入處理器中按事先編好的反演程序即可求出被測(cè)顆粒的直徑分布，由此反演出被測(cè)噴霧的粒徑分布。其特點(diǎn)是被測(cè)顆粒粒徑必須大于激光光波波長，這決定了此原理可測(cè)量的最低下限。針對(duì)此次使用的光電二極管陣列的尺寸，本文設(shè)計(jì)的儀器測(cè)量范圍是6～360μm。

　　圖1電控噴油器粒度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

　　2、整體設(shè)計(jì)方案

　　本文以夫朗和費(fèi)衍射理論為指導(dǎo)設(shè)計(jì)的激光粒度儀，原理如圖1所示。采用工作電壓5V，功率5mW，出口直徑40mm的半導(dǎo)體擴(kuò)束準(zhǔn)直激光器，其選用高品質(zhì)的原裝、進(jìn)口激光二極管，配以高性能的APC、ACC驅(qū)動(dòng)電路和光學(xué)鍍膜玻璃透鏡組或優(yōu)質(zhì)塑透鏡膠組成，發(fā)散角達(dá)到0.01mrad～0.1mrad，具有高可靠性、高穩(wěn)定性、抗干擾性強(qiáng)、一致性好、使用壽命長等特點(diǎn)。其發(fā)射的平行光經(jīng)10mm口徑的光闌后，得到直徑10mm的高質(zhì)量的平行光。平行光經(jīng)過噴霧場(chǎng)發(fā)生衍射后由D=60mm，f=300mm的傅里葉透鏡聚焦，后被位于其后焦面上的31環(huán)同心圓環(huán)光電探測(cè)器接收。光電探測(cè)器是由31個(gè)同心圓環(huán)光電二極管組成的陣列，將光能大小轉(zhuǎn)換成微電流信號(hào)。光電二極管陣列最外環(huán)半徑為15mm。

　　基于上述原理的顆粒測(cè)量儀器技術(shù)已較為成熟，但以英國Malvern公司為首生產(chǎn)的激光粒度儀基本都是針對(duì)化學(xué)粉末等微顆粒進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，在信號(hào)調(diào)理電路方面不需要考慮采集數(shù)據(jù)的同步性和信號(hào)處理的及時(shí)性，因此并不完全適用于噴油器的粒徑檢測(cè)。本文針對(duì)這一問題，提出了如圖2所示的電控噴油器粒度檢測(cè)系統(tǒng)框架。該系統(tǒng)利用精密運(yùn)放為微電流信號(hào)進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，并將DSP的靈活性和FPGA的高速、高效結(jié)合在一起，形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，并充分發(fā)揮兩者各自在軟、硬件上的可編程能力，具有信號(hào)高速采集，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理的特點(diǎn)。

　　圖2電控噴油器粒度檢測(cè)系統(tǒng)框架圖

　　3、硬件設(shè)計(jì)

　　本文采用上海宇志通信技術(shù)有限公司生產(chǎn)的高性能通信信號(hào)處理開發(fā)板GN0204作為基板。基板采用TI公司的高速浮點(diǎn)型處理器TMS320C6713B，F(xiàn)PGA采用的是ALTERA公司的CycloneII系列的EP2C70F672C8，門數(shù)資源非常豐富，滿足多路電流信號(hào)采集的控制與處理能力。此基板將FPGA的I/O接口及電源接口引出，方便為采集板提供控制信號(hào)與部分電源。

　　3.1FPGA設(shè)計(jì)

　　FPGA部分主要完成系統(tǒng)的邏輯控制以及信號(hào)的快速采集。

　　圖3FPGA軟件總體框圖

　　圖3為FPGA軟件總體框圖。噴油器控制模塊完成對(duì)噴油器噴射過程的控制;采集電路控制模塊主要完成采集電路中8個(gè)模擬開關(guān)的控制;A/D轉(zhuǎn)換模塊控制AD7865對(duì)放大后的信號(hào)的采集;數(shù)據(jù)緩存模塊采用FPGA內(nèi)部構(gòu)造的兩個(gè)雙口RAM對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行緩存，并在收發(fā)控制模塊的控制下利用EMIF總線完成FPGA與DSP之間數(shù)據(jù)的相互收發(fā);數(shù)據(jù)輸出模塊的作用是在收發(fā)控制模塊的控制下完成雙口RAM中獲得的DSP處理后的數(shù)據(jù)的輸出;時(shí)鐘模塊給程序當(dāng)中的各模塊提供時(shí)鐘。

　　將31路輸入信號(hào)分為4組，每組2個(gè)8路復(fù)選開關(guān)ISL43681。以其中一組為例，其中開關(guān)Kx1是正常的電流切換需要的開關(guān)，開關(guān)Kx2經(jīng)電阻接地，在Kx1閉合之前，Kx2一直是閉合的，信號(hào)源的電流通過Kx2流向地。當(dāng)Kx1閉合時(shí)，Kx2打開，由于分布電容上的電荷在前一周期沒有儲(chǔ)存多余的電荷，所以在閉合后就不會(huì)存在電容放電的現(xiàn)象了。當(dāng)每組的Kx1選通后分別由4個(gè)高精度放大器的超低輸入偏置電流運(yùn)放LMP7721進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，得到的4路電壓信號(hào)由14bit的芯片AD7865進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。AD7865是一款快速、低功耗、4通道、14位同時(shí)采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），采用+5V單電源供電。采用流水式傳輸方式，4個(gè)通道上的輸入信號(hào)同時(shí)進(jìn)行采樣，因而可保留4個(gè)模擬輸入上的信號(hào)相對(duì)相位信息，4路信號(hào)依次進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，完成4路的周期為10μs，因此I/V轉(zhuǎn)換的周期均設(shè)計(jì)為10μs，完成31路數(shù)據(jù)采集的總周期為80μs。控制信號(hào)均由FPGA完成。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA的內(nèi)部RAM緩存后，送入DSP中按事先編好的反演程序即可反演出被測(cè)噴霧的粒徑分布。

　　圖4DSP與FPGA之間的接口連接圖

　　3.2DSP設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的DSP部分主要完成快速的數(shù)據(jù)處理。

　　TMS320C6713芯片的片上外設(shè)包括一個(gè)可進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展的32bit外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）、具有增強(qiáng)型直接存儲(chǔ)器訪問（EDMA）和快速直接存儲(chǔ)器訪問（QDMA）［8］。EMIF具有很強(qiáng)的接口能力，可以與目前幾乎所有類型的存儲(chǔ)器直接接口，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器地址的無縫連接。EDMA是DSP中一種重要的數(shù)據(jù)訪問方式，可以在沒有CPU參與的情況下，由EDMA控制器完成DSP存儲(chǔ)空間內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的源/目可以是片內(nèi)存儲(chǔ)器、片內(nèi)外設(shè)或外部器件。QDMA主要是用來進(jìn)行一次性的數(shù)據(jù)傳輸，由CPU執(zhí)行代碼來直接控制一段數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移，僅僅需要1～5個(gè)CPU周期遞交傳輸請(qǐng)求。QDMA支持幾乎所有EDMA具有的傳輸模式，但是QDMA提交傳輸?shù)乃俣纫菶DMA快的多。本系統(tǒng)將FPGA通過DSP的EMIF總線，連接在CE2口，這樣就可以利用QDMA完成FPGA與DSP的數(shù)據(jù)通信。FPGA內(nèi)設(shè)置兩塊64×32位的雙口RAM，可直接調(diào)用QuartusII中的宏單元模塊實(shí)現(xiàn)。通過DSP的QDMA控制其讀和寫來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。圖4中DSP與FPGA之間的讀寫信號(hào)之間連接有反相器，當(dāng)為高電平時(shí)選通讀寫信號(hào)端。

　　圖5為DSP與FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖。A/D采樣的數(shù)據(jù)傳送到RAM1中，然后RAM1中的數(shù)據(jù)經(jīng)過EMIF被讀入到DSP中進(jìn)行實(shí)時(shí)處理運(yùn)算，處理后的結(jié)果數(shù)據(jù)在經(jīng)過EMIF寫入到RAM2中，RAM2可以外接LCD顯示屏顯示處理運(yùn)算結(jié)果。在此過程中，RAM1和RAM2共用地址總線和數(shù)據(jù)總線，在RAM1讀和RAM2寫數(shù)據(jù)總線之間插入高阻模塊，以防止數(shù)據(jù)總線沖突。

　　4、粒徑反演算法

　　散射衍射式激光粒度儀所采用的數(shù)據(jù)處理方法大致可以分為兩類，即分布函數(shù)限定法和自由分布法。分布函數(shù)限定法就是預(yù)先假設(shè)被測(cè)顆粒群的尺寸分布符合某個(gè)特定的函數(shù)，自由分布法就是對(duì)被測(cè)顆粒的粒徑分布不做任何假設(shè)。其中分布函數(shù)限定法具有計(jì)算速度快的特點(diǎn)，比較適合于現(xiàn)場(chǎng)顆粒的實(shí)時(shí)測(cè)試分析。自由分布法適用于被測(cè)顆粒的粒徑分布規(guī)律未知或分布規(guī)律較復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合這一點(diǎn)比起分布函數(shù)法來有不可比擬的優(yōu)越性，但該算法的計(jì)算時(shí)間比分布函數(shù)限定法要長一些，并且由于求解方程組的病態(tài)性，因此對(duì)多元光電傳感器的測(cè)量精度要求也要高一些，否則測(cè)量誤差對(duì)解的影響較大。

　　圖5DSP與FPGA數(shù)據(jù)傳輸模塊流程圖

　　R-R（Rosin-Rammler）分布函數(shù)是1933年由Rosin和Rammler研究磨碎煤粉顆粒的分布時(shí)提出的，研究表明很多小顆粒可用此函數(shù)來表示尺寸分布，它的表達(dá)式為：

　　R=exp（-D/X）N（3）

　　式中：R表示顆粒粒徑在D以上的累積重量分?jǐn)?shù);X為尺寸參數(shù);N為分布參數(shù)，反映了顆粒粒徑的分散程度。

　　綜上所述，本文假定噴霧粒徑分布基于R-R分布，算法運(yùn)行環(huán)境為DSP，其中在DSP開發(fā)環(huán)境CCS中編寫的代碼使用了由Matlab前期計(jì)算出的參數(shù)。具體步驟為：

　　（1）根據(jù)光電探測(cè)器的內(nèi)外環(huán)大小以及公式

　　（2），將粒徑尺寸分為30個(gè)區(qū)間，求得代表各區(qū)間大小的平均值Di。

　　（3）在Matlab平臺(tái)上，根據(jù)各已知參數(shù)，求得能量分布的系數(shù)矩陣T（30，30）。（3）采集光電探測(cè)器30個(gè)環(huán)的衍射光能量測(cè)量值，并進(jìn)行歸一化，得到能量矩陣e（30）。

　　（4）二維搜索待定參數(shù)X，N。依次取X=Di，然后在一維空間（0，10）中利用黃金分割法求得每個(gè)環(huán)的歸一化光能計(jì)算值Ei（30），得到對(duì)應(yīng)的Nj值及目標(biāo)函數(shù)值Fi=abs（Ei-e）。

　　（5）比較各Fi的大小，值最小的目標(biāo)函數(shù)值對(duì)應(yīng)的X和N即為最佳的待定參數(shù)值。此時(shí)對(duì)應(yīng)的R-R分布即為所求的分布函數(shù)。

　　5、測(cè)試實(shí)例

　　結(jié)合粒徑反演算法，我們對(duì)一組數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)試計(jì)算，將得到的30路電壓值歸一化，得到：

　　e（30）={0.0042，0.0068，0.0100，0.0136，0.0176，0.0217，0.0258，0.0316，0.0371，0.0418，0.0455，0.0478，0.0488，0.0503，0.0503，0.0493，0.0475，0.0453，0.0436，0.0407，0.0392，0.0373，0.0367，0.0357，0.0343，0.0324，0.0301，0.0275，0.0250，0.0225}。

　　反演算法的運(yùn)行結(jié)果為：尺寸參數(shù)X=49.15μm，分布參數(shù)N=1.96;目標(biāo)函數(shù)（擬合誤差）f=0.00384，DSP運(yùn)算時(shí)間為124s。如圖6所示，由式（3）得到了30個(gè)代表尺寸的顆粒分布：

　　WDi={0.0110，0.2425，1.1583，2.7117，4.3664，5.6762，6.4772，7.2438，7.5328，7.4197，7.0210，6.4515，5.8031，5.3078，4.7480，4.1773，3.6310，3.1294，2.7363，2.3230，2.0391，1.7675，1.5825，1.4002，1.2237，1.0472，0.8905，0.7413，0.6223，0.5177}。

　　圖6擬合粒徑分布圖

　　結(jié)果可以表明，尺寸參數(shù)符合對(duì)噴油器噴霧的預(yù)期估計(jì)，擬合程度高。驗(yàn)證了算法的有效性，也預(yù)示了系統(tǒng)的可行性。

　　6、結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了基于激光衍射理論的電控噴油器測(cè)粒系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的FPGA和DSP部分設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)論述，并給出了粒徑反演算法。應(yīng)用高性能的DSP芯片對(duì)采集到的激光衍射后的能量分布進(jìn)行了在線實(shí)時(shí)處理，處理算法要兼顧準(zhǔn)確和高效的特點(diǎn)，得到的處理結(jié)果即為噴油器在采集區(qū)的空間粒徑分布。

　　目前的激光測(cè)粒裝置平臺(tái)設(shè)計(jì)已經(jīng)初步完成，但是平臺(tái)的性能還需進(jìn)一步完善以便達(dá)到更加精確的測(cè)量精度，如需考慮到多重顆粒衍射的影響而改進(jìn)反演算法，以及為提高處理速度進(jìn)行的DSP代碼優(yōu)化等。下一步，我們將在進(jìn)一步考慮影響平臺(tái)的測(cè)量精度因素上改進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)，從而最終開發(fā)出通用性的樣機(jī)。