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1、郑州大学硕士学位论文基于DSP的光声效应粉煤灰碳含量检测仪的研究姓名：宋燕燕申请学位级别：硕士专业：测试计量技术及仪器指导教师：赵元黎20090520郑州大学硕士论文中文摘要摘要粉煤灰中未燃烧的碳的含量是燃煤锅炉燃烧效率的主要衡量参数和粉煤灰再利用的重要指标，精确简单快捷地检测出粉煤灰中的碳含量对于能源节约和环境保护都具有重要意义。本文应用光声效应基本原理结合D S P 技术设计了粉煤灰碳含量的检测仪。该系统以T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 为核心模块，将光声池中产生的光声信号经滤波放大电路调理后送入D S P ，由其中的A D 转换模块采集数据，再由D S P 进行数字处理。利用
2、D S P 的C P U 定时器0 产生1 2 5 H z 的方波信号作为激励源，激励红外发光二极管，照射光声池中的粉煤灰，产生1 2 5 H z 的光声信号。由麦克风将光声信号转换为电信号，经四级滤波放大，输入到D S P的A D C I N A 5 ，由E V A 的一个定时器G P l 启动A D 转换，采样频率设为4 0 0 H z ，每周期采样3 2 个点。由于微弱的光声信号淹没在噪声中，本文分别研究了采用F F T 、自相关、互相关等三种算法实现对微弱信号的处理，实验结果表明，F F r 算法测得幅值误差较大，并不能有效地从噪声中提取被淹没的有用信号。自相关算法测得的数据误差和方差
3、分别在0 0 5 v 和O 0 2v 2 以上，而采用以互相关算法实现的虚拟数字锁相放大器技术，应用在本系统中测得的数据方差为0 0 1 v 2 ，误差在0 0 2 v - - 0 0 3 v 之间，测量碳含量在0 5 _ 4 的粉煤灰样品时，光声信号随碳含量的变化有确定的线性关系，当碳含量超过4 时，光声信号趋于饱和。实验结果表明，利用本文所设计的这种粉煤灰碳含量检测仪能方便、快捷地测出粉煤灰中的碳含量，相对误差不超过5 ，具有很高的实用价值。该仪器具有快速、精确、性价比高、操作方法简单等优点。关键词：光声效应粉煤灰碳含量T M S 3 2 0 F 2 8 1 2数字锁相放大器微弱信号检测郑
4、州大学硕士论文A B S T R A C TT h ec o n t e n to fu n b u r n tc a r b o ni nf l ya s hi st h em a i nm e a s u r e dp a r a m e t e r si nc o m b u s t i o ne f f i c i e n c yo fc o a l - f i r e db o i l e ra n dt h ei m p o r t a n tt a r g e to ft h ef l ya s hr e u s i n g D e t e c t i n gt h eu n b
5、 u r n tc a r b o nc o n t e n ti nf l ya s ha c c u r a t e l y , s i m p l ya n df a s ti so fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o re n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n T h ea r t i c l eu t i l i z e df u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fp h o t o
6、 a c o u s t i cr e s p o n s ea n dD S Pt e c h n o l o g yt Od e s i g nt h eu n b u m tc a r b o nd e t e c t o ri nf l ya s h T h ee q u i p m e n tt a k e sT M S 3 2 0 F 2 8 1 2a st h ec o r em o d u l eo ft h ed e t e c t i o ns y s t e m P h o t o a c o u s t i cs i g n a l ，g e n e r a t e d
7、f r o mp h o t o a c o u s t i cc e l l ，i ss e n ti n t oD S Pf o rA Dc o n v e r t e rm o d u l e st oc o l l e c td a t aa f t e rd e a l tb yf i l t e ra m p l i f i e rc i r c u i t U s i n gC P UT I M E R 0p r o d u c e d1 2 5 H zs q u a r ew a v es i g n a la st h ee x c i t a t i o ns o u r
8、c et os t i m u l a t eI n f r a r e dl i g h t - e m i t t i n gd i o d e s ，g e n e r a t et h e1 2 5 H zp h o t o a c o u s t i cs i g n a l U s i n gm i c r o p h o n et oc o n v e r tp h o t o a c o u s t i cs i g n a lt ov o l t a g es i g n a l ，t h e na f t e rf o u r - s t e pf i l t e ra m
9、 p l i f i e r , t h es i g n a lw a sp u ti n t oD S P p i nA D C I N A 5 ，E V At i m e rG P ls t a r tA Dc o n v e r s i o n S a m p l i n gf r e q u e n c ys e tt o4 0 0 H z ，3 2s a m p l i n gp o i n t sp e rc y c l e A sar e s u l to fw e a kp h o t o a c o u s t i cs i g n a ls u b m e r g e d
10、i nn o i s e ，b a s e do ne a s eo fa l g o r i t h m ，u s i n gt h r e ea l g o r i t h m s ，H 吒a u t o c o r r e l a t i o n ，c r o s s - c o r r e l a t i o n ，t Of u r t h e rp r o c e s st h es i g n a l T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t 同盯a l g o r i t h mh a sl a r g e r
11、e r r o ri na m p l i t u d em e a s u r i n g U s i n gA u t o c o r r e l a t i o na l g o r i t h mt od e t e c t ，t h ed e v i a t i o na n dv a r i a n c eo ft h ed a t eo b t a i n e di nt h em e a s u r e m e n tw e r er e s p e c t i v e l ya b o v e0 0 5 a n d0 0 3 H o w e v e ru s i n gv i
12、 r t u a ld i g i t a ll o c k - i na m p l i f i e rt e c h n o l o g y , b a s e do nt h ec r O S S c o r r e l a t i o np r i n c i p l et om e a s u r e ，t h ed e v i a t i o ni s0 0 2 0 0 3 ，v a r i a n c ei so n l ya b o u t0 0 1 W h e nm e a s u r i n gt h ec a r b o nc o n t e n to f0 5 - 4
13、o ft h ef l ya s hs a m p l e ，p h o t o a c o u s t i cs i g n a lv o l t a g ev a l u eV S c a r b o nc o n t e n tW a sac l e a rl i n e a rr e l a t i o n s h i p W h e nt h ec a r b o nc o n t e n ta b o v e4 ，p h o t o a c o u s t i cs i g n a lb e g a nt os a t u r a t e T h ee x p e r i m e
14、n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ed e t e c t o rd e s i g n e di nt h i sp a p e rc a l lm e a s u r et h ec a r b o nc o n t e n ti nf l ya s hc o n v e n i e n t l ya n df a s t ，r e l a t i v ee r r o rn om o r et h a n5 T h em e t h o di so fh i g hp r a c t i c a lv a l u e T h ei n s t
15、 r u m e n th a st h ea d v a n t a g e so ff a s t 、a c c u r a t e 、h i 【g hp e r f o r m a n c e t o - p r i c er a t i o 、s i m p l eo p e r a t i o na n dS Oo n K e yw o r d s ：p h o t o a c o u s t i ce f f e c t ；c a r b o nc o n t e n ti nf l ya s h ；T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 ；d 蝤t a ll o c k -
16、i na m p l i f i e r ；w e a ks i g n a ld e t e c t i o nl l原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：日期：年月日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版
17、，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：日期：年月郑州大学硕士学位论文第一章绪论1 1 课题研究的背景和意义第一章绪论粉煤灰是火力发电厂煤炭燃烧过程中遗留下来的未充分燃烧的物质，其含量约占燃煤总量的5 - - - , 2 0 1 1 。粉煤灰排放目前大多是湿排，需耗用大量的水。粉煤灰方面可作为多元复合材料，广泛应用于建材、建工、筑路、农业、化工
18、、高性能陶瓷等众多领域；另一方面，大量粉煤灰堆积于灰场，不仅占用了大量的土地资源，而且由于粉煤灰携带的有害物质对人体健康和生态环境构成严重危害。发达国家已将粉煤灰作为一种新的资源来利用，其利用率高达8 0 1 2 。，而我国目前的利用率仅为3 0 左右。因此，粉煤灰的综合利用一直是环保领域中热门课题之一，加大对粉煤灰综合利用的研究和应用显得日益重要。制约粉煤灰大规模综合利用的重要原因之一，就是粉煤灰含碳量过高。在我国，大多数燃煤锅炉由于受其运行条件、煤种、技术等影响，煤炭燃烧往往不充分，致使粉煤灰中未燃尽碳含量较高，不能直接利用，造成大量资源浪费。在有关粉煤灰质量的各项指标中，含碳量决定着粉煤
19、灰的利用范围。粉煤灰等级的划分也是以含碳量为标准的。我国规定碳含量小于飞灰总质量5 为I 级灰I 引，5 8 之间为I I 级灰，8 1 5 为I I I 级灰。在国际市场上，当粉煤灰碳含量超过4 时，就很难进入市场。由此可见，粉煤灰中的碳是影响粉煤灰利用的决定性参数，如何能够准确检测粉煤灰碳含量是粉煤灰利用的关键技术。粉煤灰中未燃烧的碳的含量不仅是燃煤锅炉燃烧效率的主要衡量参数，也是粉煤灰综合利用的主要技术障碍，是评定粉煤灰等级的质量指标之一。因此精确简单快捷地检测出粉煤灰中的碳含量对于能源节约和环境保护都具有十分重要的意义。1 2 国内外研究现状通常采用“烧失法”( L o I ) 和热解
20、重量分析法( T G A ) 来测量粉煤灰中未燃烧的碳的含量。烧失法是目前检测粉煤灰中碳含量的标准方法。烧失法存在较大的系统误差，无法实现准确测量，而且要求高温环境，操作工作繁琐。热解重量分析法( T G A ) 是比较精确的检测粉煤灰中碳含量的方法，但是检测过程操作复杂，仪器价格昂贵，不易推广使用。一直以来，人们都在寻求一种能够简便精确的检测粉煤灰碳含量的方法。1 9 9 3 年，美国爱俄华州立大学的R o b e r tC B r o w n 和J e f f r e yR D y k s t r a 论述了用烧失法检测粉煤灰1郑州大学硕士学位论文第一章绪论中未燃烧碳含量的系统误差1 4
21、1 ，并与1 9 9 4 年提出了用光声效应检测粉煤灰的碳含量的方法【5 川，他们对粉煤灰进行了光声效应的实验检测，发现粉煤灰样品的颗粒大小、堆积密度、辐射频率在光声效应中对光声信号的影响规律，证明应用光声效应可方便、快捷、准确地检测出粉煤灰中的碳含量。他们于1 9 9 5 年研制出用红外激光二极管作为激励源的粉煤灰碳含量检测仪的样品机。在样品机的基础上，美国A m e t e k 公司设计出这种测量仪的商用型C a r b o n A n a l y z e r ( C A 2 0 0 ) 。在对光声信号的处理上，布朗教授等人采用型号为S R5 3 0的锁相放大器，激励源选用波长为9 4 0
22、 n m 的功率为2 4 m W 的红外发光二极管。但是由于实际的锁相放大器价格非常昂贵，不推广使用，而且布朗教授等人的研究只是论证了光声效应检测粉煤灰未燃烧碳含量的理论模型，并没有形成整套的检测仪器。河南省基金及应用科学研究所和美国爱俄华州立大学曾合作开展了这项基金项目的研究工作，由郑州大学的赵元黎教授M 0 】等人负责，并得到了布朗教授的帮助，他给郑州大学提供了一台C A 2 0 0 作为光声信号的产生装置。为了降低仪器成本，赵元黎教授等人决定采用虚拟的锁相放大器技术来取代实际的锁相放大器，他们设计了光声信号的前端放大滤波电路，并且采用研华8 1 1 2 数据采集控制卡来进行数据采集。利用
23、8 1 1 2 自带的1 2位的A D 转换模块将模拟信号转换为数字信号送入计算机，用软件实现了虚拟锁相放大器的功能，将淹没在噪声中的微弱信号检测出来，并在计算机中对数据进行处理。系统所需的调制脉冲信号也是由8 1 1 2 卡上的8 2 5 4 定时器输出经分频产生。虽然这种方法在一定程度上减少了成本，并把用光声效应检测粉煤灰碳含量的检测系统完整地搭建起来，但是由于对信号的处理是在个人计算机中进行的，系统比较庞大，使用起来具有一定的局限性。而且采用的数据采集卡是集成了很多功能的板卡，价格也比较昂贵，大约有三千多元，仅仅利用了其中的两三项功能，利用率较低，这也就降低了整个系统的性价比。整个系统加
24、起来费用要达到六七千，使用起来仍然很不经济，不便于推广。为了进一步提高仪器的性价比和实用性，在保证整个系统测量精度和准确度的前提下，本文对该系统做了一些改进工作。采用D S P 技术实现数据采集和处理功能，从而取代个人计算机和数据采集卡，大大降低了仪器的成本，为仪器的商品化使用创造了条件。本文在数据处理的算法上先是分析了三种不同的实现方法，根据处理结果，最后选择基于互相关原理的虚拟数字锁相放大器技术来实现。此算法与赵老师不同的是，锁定算法的实现上采用两路参考信号，一路作为同频参考，同时在D S P 内部对同频参考信号作9 0度相移生成另一路正交参考信号，同频参考信号由D S P 数字合成。实验
25、验证，系统检测粉煤灰未燃烧的碳的含量能够达到0 1 的精度。如果将本文所设计的仪器形成商品化，2郑州大学硕士学位论文第一章绪论则价格大大降低，体积大大缩小，能实现轻便、快捷、准确的检测粉煤灰碳含量的功能。1 3 论文的主要内容本文主要研究基于D S P 技术和光声效应原理的粉煤灰碳含量检测仪的设计，详细论述了对微弱光声信号的采集与处理。数据处理部分采用虚拟的数字锁相放大技术，从噪声中提取微弱信号。选用T I 公司的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2D S P 芯片作为数据采集系统的核心处理器件，充分利用D S P 的片上资源，由D S P 的C P U 定时器产生一个激励信号源( 1
26、2 5 H z 的方波信号) 来激励红外发光二极管。论文总共分为七章，各章内容安排如下：第一章绪论。对课题的研究背景和意义、国内外研究现状以及研究主要内容进行概述。第二章光声效应与粉煤灰。概述了光声技术的发展与应用、光声效应的基本原理和粉煤灰特点；详细介绍了粉煤灰中未燃烧碳含量的检测方法及对粉煤灰中光声效应的研究。第三章微弱信号检测及数字锁相放大器技术。对微弱信号检测的基本知识进行了概述；介绍了相关检测技术，重点论述了数字锁相放大器技术的工作原理、影响因素以及基于D S P 的数字锁相放大器的特点与设计。第四章系统硬件结构设计与分析。主要包括系统硬件电路总体设计框图、硬件电路各模块功能阐述、数
27、据处理芯片选择以及T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 芯片特点和C C S 集成开发环境等。第五章系统软件设计。介绍了文中所涉及的算法思想，包括固定频率激励信号的产生、A D 转换各参数确定以及功能实现，并对比研究了微弱信号处理的三种算法一F F r 、自相关、互相关。其中重点介绍了基于互相关原理的数字锁相放大器算法实现，它由D S P内部合成与输入信号频率一致的两路正交参考信号，分别与采样得到的输入信号进行相关运算，最后经过低通滤波，经过换算得到信号幅值信息，实现对微弱信号的提取。激励信号源由D S P 的C P U 定时器产生；直接采用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 自
28、带的1 2 位A D 转换器实现模拟信号向数字信号的转换。第六章实验数据处理。分析影响粉煤灰光声信号电压值测量的各个因素，讲述粉煤灰样品的制备过程以及测量过程。分别采用自相关算法和互相关算法各测得几组数据，并对数据进行分析对比，得出使用互相关算法能够实现更精确的测量。最后采用最小二乘法实现直线拟合，对所设计的基于D S P 的光声效应粉煤灰碳含量的检测仪进行标定和检验。第七章结论与展望。总结了课题所做的工作，并对以后可继续研究的内容做出说明。其中，第五章和第六章是本文的重点研究内容。3郑州大学硕七学位论文第二章光声效应与粉煤灰2 1 光声技术的发展第二章光声效应与粉煤灰当用光辐照某种吸收体时，
29、吸收体吸收光能量而产生温升，温度升降引起体积胀缩产生声音信号，这种现象称为光声效应。它的发现可以追溯到一百多年前。1 8 8 0 年美国著名科学家B e l l l l l 】首先在固体中发现了光声效应：一与听筒相连的密闭玻璃管中的固体材料在断续的太阳光照射下能从腔壁上的听筒里听到声音。B e l l 指出，如果用固体试样，则越是多孔的、海绵状的、黑色的试样，越能产生较强的声波。在随后的一系列实验中，B e l l 证明固体中的光声效应依赖于材料对光的吸收，因而声信号的强度依赖于盒中的材料吸收入射光的程度。1 8 8 1 年J T y n d a l l l l 2 l 和W R o e n
30、t g e n 1 3 】等人，观察到液体和气体中的光声效应。随着光声效应的发现，产生了一种利用“光吸收一诱导光声信号超声探测 进行测量的技术光声技术。光声技术的发展大致可分为四个阶段：第一阶段：1 9 世纪8 0 年代，这是光声效应的发现阶段，也是光声技术发展的初始阶段。第二阶段：2 0 世纪4 0 年代，光声效应、光声技术初步应用于气体分析。1 9 4 6 年苏联学者G o r e l i k l l 4 】首次提出应用光声信号的相位测量来研究气体分子振动和平动自由度间能量转移，以后各国学者陆续报道了有关气体的光声效应理论应用情况。但是由于探测仪器的灵敏度不够高，也缺乏合适的光源，光声技术
31、未得到充分的发展和应用。第三阶段：2 0 世纪7 0 年代光声技术开始蓬勃发展，建立了一维固体光声理论，出现了商品仪器，扩大了研究领域，初步确立了光声学和光声技术的地位。由于声电弱信号检测技术的不断发展，加之高灵敏度微音器和压电陶瓷检测器的出现以及强光源氙灯和各种激光器的相继问世，人们才真正对光声效应的研究产生了兴趣，同|时把研究对象扩大到固体和液体。1 9 6 8 年，K e r r 和A t w o o d 1 5 】等人以一个脉冲红宝石激光器做光源，应用光声光谱技术检测了空气中水分子的吸收光谱。1 9 7 1 年K r e u z e r 【1 6 1 等人用一台氦氖激光器检测氮气中甲烷
32、含量，检测极限达到了0 0 1 L L ，并且从理论上分析了光声光谱的检测极限可达到1 0 1 3 量级。1 9 7 6 年，R o s c n e w a i g 1 7 l 等人对大量不透明固体、粉末样品进行了测试，建立了一维固体光声效应理论R G 理论，它是凝聚态光声效应的经典理论。1 9 7 8 年，M c d o n a l d 和W e t s e l l l 8 】提出了光声效应理论的改进复合模型。但至今R G 理论仍是分析光声实验结果的重要依据之一。4郑州大学硕士学位论文第二章光声效应与粉煤灰第四阶段：2 0 世纪8 0 年代，固体光声理论更加完善，光声技术本身又派生出基于无辐
33、射激发机理的几种新的分析方法，应用范围不断扩大，特别是热波成像技术有了较大的发展，在高科技领域中的集成电路、光纤、太阳能电池以及功能薄膜的无损检测方面显示了诱人的前景。2 2 光声技术的在我国的研究应用随着国际上光声技术的发展，我国科学工作者从2 0 世纪7 0 年代开始也做了大量的研究工作。北京大学首先用光声技术开展了大气污染气体的检测工作。1 9 7 8 年以来，长春应用化学研究所研制了两种用于气体和固体检测的光声谱仪。从1 9 7 9 年开始，国内二十多个研究机构、单位相继开展了气体光声技术的应用研究，并取得了一系列实质性的突破。苏州大学在1 9 9 6 年研制成功了P 6 0 0 型光
34、声光谱仪，该光谱仪是国内首型商品化光声光谱仪，可广泛应用于表面、波谱、化学、材料、生物和医学研究。华南师范大学在癌变细胞的光声光谱检测、导数光声光谱、光声成像等方面做了大量的研究工作，并取得显著的成绩。大连理工大学对激光光声光谱系统的研制及在微量气体分析方面做了研究，并取得了一些专利成果。郑州大学利用光声效应对粉煤灰中未燃烧碳的含量的检测仪器做了研究。中国科学技术大学在内能量传递、稀土、量子效率等方面进行了光声方法的研究，并研制了高分辨激光光声光谱仪和高性能激光光声池。2 0 0 4 年哈尔滨工业大学王书涛1 1 9 j 等人将光声光谱技术与光纤技术相结合研制出基于光声光谱法的光纤气体传感器，
35、用光纤相位传感器代替了传统的微音器检测光声信号，对S 0 2 气体的最低检测灵敏度达到了1 2 X1 0 d o 。目前，光声技术与物理、化学、生物、医学等学科相互结合，广泛应用于波谱研究、化学研究、表面分析、生物研究和医学研究等许多领域，己经发展成为- - I 1 独立的学科分支，即光声学。光声技术的应用可以分为以下三种主要的类型I 光声光谱技术、激光光声检测技术和光声成像技术。光声光谱技术是研究物质光声信号的强度随入射光波长变化而变化的谱线，这种谱线称之为光声光谱。它和其它光谱一样反映了物质与光相互作用的特性，它还能反映物质内部结构及成分含量的情况，提供物质内部的热学、声学和光学方面信息。
36、激光光声检测技术是用光学的方法激发超声脉冲，当照射到试样表面的激光脉冲能量还不足以使表面熔化5郑州大学硕士学位论文第二章光声效应与粉煤灰时，试样内的超声脉冲主要是由试样吸收光能发生热弹性膨胀而产生的。激光光声检测技术主要研究对象是强吸收的固体物质，它己经应用于各种材料的弹性常数的测量、声速的测量、材料缺陷的无损检测和超声谱中。光声成像技术是基于物质的光声效应原理，采用“光吸收一诱导光声信号一超声波检测一图像重建 的方法进行成像。它将高灵敏度的光声技术与已经很成熟的超声成像技术有机地结合起来，是一种应用前景非常诱人的、适合应用于生物组织成像的新兴技术。2 3 光声效应的基本原理光照射到物质表面时
37、与物质产生相互作用，物质吸收光能后分子跃迁到激发态，在返回初始状态时，或者通过伴随发光的辐射跃迁过程，或者通过无辐射跃迁过程。无辐射跃迁部分的振动、转动能量是通过同其他分子碰撞以热的形式散逸的。R o s e n c w a i g 2 0 - 2 1 J 和G e r s h o 创立了关于凝聚态物质中光声效应基本理论R G 理论。通过分析各种材料的光声效应发现，光声信号的产生在一定条件下会达到饱和。应用光声效应时，常设计一个密封的光声池，被检测的样品放在密封的光声池中。入射密封光声池的光具有一定的频率，在样品吸收点上就产生一个周期性的热分布，固体样品的热量扩散至样品表面，传导给周围的耦合气
38、体，界层面的气体在密闭的光声池里起到气体活塞作用，在光声池内产生压力波动，被微音器检测为光声信号。针对光学不透明、热学较厚的样品，通过合理的近似可得到光声信号的幅值g 与相位妒的表达式如下。州高】j 姥】j旺。q 【1 + 瓦2 】( 2 2 )其中，c ；p ：密度；c ，：热容；K ：热传导系数；卢：光学吸收4 t I 耐b F 眦事系数；芦：热抽样深度；I o ：入射辐射强度；，：热容的比率；P o ：气体压强；1 ：光声池的长度：T o ：气体温度：，：入射辐射的调制频率；下标S 和g 分别表示固体和周围气体各自的性质。由上式可看出光声信号与辐射强度成正比，与周围温度和光声池容积成反比
39、，并依赖郑州大学硕士学位论文第二章光声效应与粉煤灰于样品与耦合气体的热物理性质。它是一个关于样品的光学性质、发热及调制频率之间的关系函数。励，是决定固体样品光声响应信号的关键参数。当饥 5 )郑州大学硕士学位论文第四章系统硬件结构设计与分析图4 7 可变状态选通滤波电路图为方便参数设计和主要性能的推导，可设：R 日，R R R ，c 3 一C 4 一C传递函数为：U _ 玑& o = 一三( 积c + 三皂R 2 两中心频率：电压放大倍数：( 4 1 0 )( 4 1 1 )由于设计的是一个可变状态的带通滤波电路，状态的改变是通过一个可变电阻坞来实现的，调节R 的阻值，从而改变放大倍数。鉴于本
40、课题，需要在这一级选取放大倍数为1 0 即能满足要求，所以在后期应用时选择R = 1 0 R a ，即H = 1 0 。根据( 4 1 0 ) 和( 4 1 1 )式可选B = R = 1 0 0 K f l ，咫- 民* , 1 3 0 K Q ，c l C 2 0 1 ，R - 1 3 K Q 。集成运放选择四运放的L F 3 2 4 。4 3 4 双T 带阻滤波器本文还专门设计了滤除5 0 I - L z 工频干扰信号的电路。结构如图4 8 所示：因电路像两个T 形网络并联而成，因此被称为双T 网络。双T 带阻滤波电路可以用R C 网络和集成运放组成。在双T 网络的后面加上两个运放构成的
41、电压跟随器就构成了基本的有源的双T 带阻滤波器。带阻滤波电路主要用来抑制干扰，滤掉信号中常含有不需要的交流电网频率。在我们周围的环境中存在最多的干扰信号的频率是5 0 H z 。因此，使用双T 带阻滤波电路陷波频率来抑制干扰，提高信噪比。一C掀鱼墨皇霉兀H郑州人学硕十学位论文第四章系统硬件结构设计与分析U D图4 8 狱T 市阻施 及电鼯图根据节点电流法，可以的到a ，b 两节点的电流方程：l 警“ 踞2 蛩( 4 1 2 ) o i 吨M + 警嘶。吨KL 警吨川s ) ( 4 1 4 )其中，K 为运算放大器A 2 的正输入端所取电压值对r i o 的倍数，且K 值不能过大或过小，K =
42、I 时会产生自激振荡，K - - 0 电路不能正常- I - 作，K 的大小可由滑动变阻器心来控制。为方便参数设计和主要性能推导，参数选择同样要考虑对称性：取墨一R 一2 恐，c 1 一c 2 一，R c l - 鹏一粥，代入上面方程组中，化简得传递函数为：丝；壁銎窖堕陬L 一一( 4 1 5 )- - = ：= - - - - - - - - - - 二- = - - = - = 2 ；- - - - - 二二二- Z L1 J阢。S 3 骨1 3 3 ( 一- , 3 3 + s 2 碍g ( 5 一懈) + 观c 3 ( 5 4 K ) + 1一“一中心频率：，02 面1( 4 1 6
43、)由于双T 网络滤除5 0 H z 工频干扰，所以设置中心频率t o 。5 0 H z 。选择参数c 3 0 2 J c F ，则G c 2 0 1 胪。由( 4 1 6 ) 得坞- 1 5 9 K f ，由墨一- R 2 2 B ，得出R 是一3 2 K f 2 。由于测得光声信号是微伏量级，而5 0 H z 的工频干扰信号也是微伏量级，对输出影响不大，在实际应用中并没有加入双T 带阻滤波器。设计此双T 网络的目的是为测量更弱的信号( 比如纳伏级) 准备的，相对于纳伏级信号，5 0 H z 工频干扰的影响相对要大的多，所以必须用此双T 陷波器滤除掉。实验证明，本文所设计的滤波放大电路稳定可靠
44、，放大倍数适当，有很宽的线性响应郑州大学硕士学位论文第四章系统硬件结构设计与分析范围，输出的光声信号具有很高的信噪比( 最高可以大于1 0 0 ) 。为了让电路具有更宽的适用范围，此设计对微弱信号处理有很大参考价值。4 3 5 电源电路由于电路中集成芯片的供电电压是9 V ，所以电源电路必须能够提供4 - 9 V 的直流稳压电源以保证集成芯片正常工作。直流稳压电源由变压部分、整流部分、滤波部分和稳压部分组成。D 1 一D 4 是稳压块的保护二极管，是为了防止输出或输入忽然开路而加的放电通路。电源电路的设计如图4 9 所示：图4 9 直流稳压电源电路4 3 6 电路中采取的一些抗干扰措施由于中心
45、频率小，为了减小电阻器产生的电流噪声，最好选取线绕电阻器，其次可以选取金属膜电阻。同时为了减小电阻器产生的热噪声，避免使用高阻值的电阻器。电解电容器选用钽电解电容，它在频率特性、漏电特性、温度特性方面优于铝电解电容。其它电容器可选取塑料或陶瓷电容器。集成运放选择比较常用的L M 3 5 3 和L F 3 2 4 两类芯片。电路在输入级采用差动放大电路，能对共模噪声起到较好的抑制作用。由于白噪声的功率频谱密度是均匀的，因此放大电路的频带宽度越大，噪声系数也越大。有用信号的频率往往在一定范围之内，因此采用了带通滤波电路来减小噪声，放大信号，提高信噪比。在周围的环境中存在最多的干扰信号的频率是5 0
46、 H z ，本文还设计了双T 网络带阻滤波器来专门滤除这种噪声。郑州大学硕士学位论文第四章系统硬件结构设计与分析4 4D S P 数据处理系统4 4 1 数据处理芯片选择随着信息化的进程、计算机科学与技术和信号处理理论与方法的迅速发展，系统需要处理的数据量越来越大，对实时性和精度的要求越来越高，单片机已不能满足要求。近年来，各种集成化的单片D S P 的性能得到很大改善，软件开发工具越来越多，越来越好，价格却大幅度下滑，使得D S P 器件及技术更容易使用，价格也能够为广大用户接受，越来越多的单片机用户开始选用D S P 器件来提高产品性能。D S P 器件采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和
47、数据空间，允许同时存取程序和数据。内置高速的硬件乘法器，增强的多级流水线，使D S P 器件具有高速的数据运算能力在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。D S P 器件比1 6 位单片机单指令执行时间快8 - 1 0 倍，完成一次乘加运算快1 6 3 0 倍。D S P 器件还提供了高度专业化的指令集，提高了F F T 快速傅里叶变换和滤波器的运算速度。此外，D S P 器件提供J T A G 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便，开发工具可实现全空间透明仿真，不占用用户任何资源。软件配有汇编链接C 编译器、C 源码调试器。目前国内应用最广泛的D S P 器件是美国德州仪器m )
48、 公司生产的T M S 3 2 0 系列。D S P开发系统的国产化工作已经完成，国产开发系统的价格至少比进口价格低一半，有的如T M S 3 2 0 C 2 X X 开发系统只有进口开发系统价格的1 5 ，这大大刺激了D S P 器件的应用。随着D S P 性能不断改善，用它来作实时处理已成为当今和未来技术发展的一个新热点。针对本课题的特点，在数据处理方面需要用到相关运算，有大量的乘加操作，这正是D S P 的优势所在，因此本文选用D S P 芯片进行数据处理。在选择D S P 芯片时综合考虑了这几个因素：需要一个1 0 位以上的A D 转换器； D S P 能够实现一些简单的控制，比如键盘
49、控制、显示控制等；价格要相对便宜，功耗低，数据处理速度适中。对比1 1 公司生产的几种系列D S P 芯片，T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 这一款最能满足要求。4 4 2T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 介绍T M S 3 2 0 C 2 0 0 0 系列D S P 是1 1 公司继第二代定点D S P 处理器T M S 3 2 0 C Y 2 X 和第三定点D S P 处理器T M S 3 2 0 C S X 之后出现的一种低价格、高性能的D S P 芯片。它集微控制器和高性能的D S P 特点于一身，具有强大的控制和信号处理能力，能实现复杂的控制算法。所配置的片内外设
50、为控制系统应用提供了一个理想的解决方案。其中通用定时器、脉宽调制P W M 电路、捕捉器、光电编码器、A 7 1 3 转换器、串行通信接口、C A N 控制器、看门狗3 0郑州大学硕士学位论文第四章系统硬件结构设计与分析等片内外设为将D S P 应用于智能测控、电机控制、电力电子技术等领域提供了丰富资源。T I2 0 0 3 年推出的T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 3 9 枷J 是2 0 0 0 系列中功能最强大的D S P 芯片，是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的3 2 位定点D S P 芯片，可兼顾控制和快速运算双重功能。其中的C 2 8 X 内核是目前在数字控制应用方
51、面性能最高的D S P 内核，它能提供高达1 5 0 M I P S 的计算带宽，因此能够实时处理许多复杂的控制算法。C 2 8 X 同时也是程序代码效率最高的D S P ，它的程序代码与目前所有的C 2 0 0 0D S P 的程序代码兼容，简化了产品升级工作。此D S P 现在已经非常成熟，其开发工具完备，购买渠道畅通，价格低廉，是一款非常适合我们需要的控制芯片。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 硬件结构框图如图4 1 0 所示：MUX外部中断控制器( X I N T l 2 1 3 ，X N M I )。r 一S C I A S C I BIF I F O 一S P II F
52、I F 0卜_M c B S PlF I F OJ 一e C A NX R SX l X C L K I N銎X FX P L L D I S1 6 通道) l1 2 位A D C系统控制( 振荡器和P L L+外部时钟+低功耗模块+看门狗)外围总线存储器总线I N T l 3N M Il 峪C L 日：N存储器总线一实时J T A G外部接口r( X I N T F ) kM 0S A I U Ml K 1 6M lS A R A Ml K x l 6F I a s h1 2 8 K 1 6 ( F 2 8 1 2 )6 4 K 1 6 ( F 2 8 l 控制= = = 地址( 1 9 )
53、数据( 1 6图4 1 0T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 硬件结构框图归纳起来，T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 具有以下特点：3 lI 薹瓣O一一2一=器器一器一=时一时一时一=”定一定一定If2=E嘶一一一一一TJ_一1tUUU=阿=P仆PPP=X一一一一一一丽一腿l l 越MM一一一4 一u4些兰搿鬈券郑州大学硕士学位论文第四章系统硬件结构设计与分析高性能静态C M O S ( S t a t i cC M O S ) 技术：1 5 0 M H z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ；低功耗( 核心电压1 8 V ，I O 口电压3 3 V ) ，F l a s
54、h 编程电压3 3 V 。J T A G 边界扫描( B o u n d a r yS c a n ) 支持。高性能的3 2 位中央处理器：1 6 位和3 2 位x 3 2 位乘且累加操作，1 6 x 1 6 位的双乘法累加器：统一寻址模式，4 M B 的程序数据寻址空间；哈佛总线结构，快速中断响应和处理能力；高效的代码转换功能( 支持C C + + 和汇编) ：与T M S 3 2 0 F 2 4 x L F 2 4 0 x 处理器的源代码兼容。片内存储器：最多达1 2 8 K x l 6 位的F l a s h 存储器；最多达1 2 8 K x l 6 位的R O M ，1 K x l 6
55、 位的O 开R O M ；L 0 和L I ：两块4 K x l 6 位的单周期访问R A M ( S 剐耻W ) ：H 0 ：一块8 K x l 6 位的单周期访问R A M ( S A R A M ) ：M 0 和M I ：两块1 K x l 6 位的单周期访问R A M ( S A R A M ) 。根只读存储器( B o o tR O M ) 4 K x l 6 位：带有软件启动模式，标准的数学运算表。外部存储器扩展接口：有多达1 M B 的存储器，三个独立的片选端；可编程等待周期，可编程读写选通选择时序。时钟与系统控制：支持动态改变锁相环的倍频系数；片内振荡器，看门狗定时器。三个外部
56、中断，外部中断扩展( P I E ) 模块，可支持9 6 个外部中断，当前仅使用了4 5 个外部中断。3 个3 2 位的C P U 定时器。电机控制外围设备，两个与F 2 4 0 x A 兼容的事件管理器( E V A 、E V B ) 模块，每一模块包括：两个1 6 位的通用目的定时器，8 通道1 6 位的P W M ；不对称、对称或四个空间矢量P W M 波形发生器；死区产生和配置单元，外部可屏蔽功率或驱动保护中断；三个捕捉单元，捕捉外部事件，三个完全比较单元；正交脉冲编码电路，同步模数转换单元。串口外围设备：串行外围接口( S P I ) ，两个U A R T 接口模块( S C I )
57、 ；增强的e C A N2 0 B 接口模块，多通道缓冲串行接口( M c B S P ) 。1 2 位模数转换模块：2 x 8 通道的输入多路选择器，两个采样保持器，单连续通道转换；流水线最快转换周期为6 0 n s ，单通道最快转换周期为2 0 0 n s ：可以使用两个事件管理器顺序触发8 对模数转换。最多有5 6 个独立的可编程、多用途通用输入输出( G P I O ) 引脚。高级的仿真特性：分析和设置断点的功能，硬件支持实时仿真功能。郑州大学硕士学位论文第四章系统硬什结构设计与分析开发工具：A N S IC C + + 编译器汇编程序连接器；支持T M S 3 2 0 C 2 4 x
58、 2 4 0 x 的指令，代码编辑集成环境，D S P B I O S ；J T A G 扫描控制器( T I 或第三方的) ，硬件评估板。低功耗模式和节能模式：支持空闲、等待、挂起三种模式，禁止外设独立时钟。1 7 9 引脚B G A 封装或1 7 6 引脚L Q F P 封装。- 4 0 + 8 5 或4 0 + 1 2 5 - 1 7 作温度。4 4 3C C S 简介T M S 3 2 0 F 2 8 1 2D S P 软件的设计和调试是在C C S 2 0 0 0 ( C o d eC o m p o s e rS t u d i o ) 1 4 2 - 4 3 1 - -现的。C
59、C S 是1 1 公司推出的用于开发D S P 芯片的集成开发环境，在W i n d o w s 操作系统下，采用图形接口界面，提供环境配置、源文件编辑、程序调试、跟踪和分析等工具，极大地方便了D S P 芯片的开发与设计，是目前使用最为广泛的D S P 开发软件之一。C C S 有两种工作模式：1 、软件仿真器模式：可以脱离D S P 芯片，在P C 机上模拟D S P 的指令集和工作机制，主要用于前期算法实现和调试。2 、硬件在线编程模式：可以实时运行在D S P 芯片上，与硬件开发板相结合在线编程和调试应用程序。C C S 提供了C 编译环境，使得在开发过程中可以使用C 语言进行开发。不
60、仅可以大大加快开发进度，缩短产品上市时间，而且开发出来的程序可读性和可移植性也大大增加，程序修改极为方便。但是，C 编译器的编译效率不高，有时它的编译效率只有采用汇编语言的2 0 - - 3 0 。所以，在D S P 芯片的运算能力比较紧张或算法比较复杂的情况下，完全采用C 语言进行开发是很不现实的。在造成性能瓶颈的地方，必须利用线性汇编进行改写。采用汇编代码可以弥补C 代码处理速度慢、代码长的缺点，具有响应快、直接控制硬件等优点。因此，很多情况下，D S P 应用程序往往需要用C 语言和汇编语言的混合编程方法来实现，既可缩短软件的开发周期，提高程序的可读性和可移植性，满足系统实时运算的要求，
61、又可以达到最佳利用D S P 芯片软硬件资源的目的。用C 语言和汇编语言的混合编程方法主要有以下三种：( 1 ) 独立编写C 程序和汇编程序，分开编译或汇编，形成各自的目标代码模块，然后用链接器将C 模块和汇编模块链接起来。( 2 ) 直接在C 语言程序的相应位置嵌入汇编语句。( 3 ) 对C 程序进行编译，生成相应的汇编程序，然后对汇编程序进行手工优化和修改。本设计选用直接在C 语言程序的相应位置嵌入汇编语句的方式编程。采用这种方法一3 3郑州大学硕士学位论文第四章系统硬件结构设计与分析方面可以在C 程序中实现用C 语言无法实现的一些硬件控制功能，如修改中断控制寄存器、中断使能或无效、读取状
62、态寄存器和中断标志寄存器等。另一方面，可以在C 程序中的关键部分用汇编语句代替C 语句以优化程序。C C S 软件开发流程如图4 1 1 所示：4 5 本章小结图4 1 1C C S 软件开发流程图本章主要是系统的硬件结构设计，包括光声信号产生部分、信号滤波放大部分和D S P信号处理部分，分别介绍了他们的结构和功能。滤波放大电路模块在参数选择和电路设计思想方面做了详细分析；简要介绍了T M S 3 2 0 F 2 8 1 2D S P 芯片及其C C S 集成开发环境。郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计第五章系统软件设计系统的软件设计是系统功能实现的核心部分，本文所设计的基于D S P
63、的光声效应粉煤灰碳含量的检测仪，其功能实现的软件部分主要包含三个子程序，它们所实现的功能分别为：用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2D S P 芯片的C P U 定时器产生1 2 5 H z 的方波信号作为激励源；用D S P 芯片自带的1 2 位A D 转换器实现模数转换功能，把经过放大滤波后的光声信号模拟量转换为数字量，以便于D S P 完成数据处理；D S P 芯片需要实现虚拟的数字锁相放大器功能，即要完成互相关运算，这需要D S P 内部合成参考信号，与采集到的实际信号进行互相关，最终得到光声信号的幅值信息。本章是本文的重点研究内容。5 1 固定频率的激励信号产生粉煤灰的光声信
64、号是由特定频率的光照射粉煤灰样品产生的，是光能转换为声能的物理过程。而光能又是由电能转换而来的，实验中是用激励信号源激励红外发光二极管发光，从而实现电能向光能的转换。因此激励信号源提供了实现整个物理过程转换所需的能量。而激励信号源的选取需要满足两个条件：一是能够产生固定频率的方波信号；二是当用固定频率的方波信号激励红外发光二极管时，产生的同频光信号能够被光声池中的粉煤灰样品吸收，并且产生的光声信号值最大。5 1 1 激励信号频率选择由于光声信号依赖调制频率，F a n 分别用不同频率的光照射同一粉煤灰样品和不同的粉煤灰样品，观测其产生光声信号值强弱的变化。通过大量实验证明，粉煤灰产生较强光声信
65、号的最佳频率范围为1 0 - - 一2 0 H z 。由于麦克风线性响应范围是5 H Z 到2 0 k H z ，它的灵敏度为5 0 m 、佃a ，虽然理论上认为光声信号是随着调制频率的降低而减少，但是由于受到麦克风动态范围的限制，并考虑到信噪比，初步确定激励信号频率为1 2 5 H z 。布朗等人通过分析典型粉煤灰样品的吸收光谱，发现频率为1 2 5 H z 的光主要是被炭黑体吸收，产生的光声信号相对较强。因此最终确定了1 2 5 H z 作为激励信号源的频率。5 1 2 激励信号产生实验中需产生一个频率为1 2 5 H z 的方波信号作为激励信号源。传统的产生方波信号的方法可通过时基电路5
66、 5 5 定时器或者分立元件或者波形发生器集成电路芯片等方法来郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计实现，但是为了节省系统硬件开销，降低仪器成本，本文充分利用了D S P 的片上资源。由于系统选用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2D S P 处理芯片，它有3 个3 2 位C P U 定时器( T I M E R 0 1 2 ) ，其中定时器1 和定时器2 预留给实时操作系统使用，只有C P U 定时器O用户可以在应用程序中使用。因此，就用定时器O 来产生1 2 5 H z 的方波脉冲信号。图5 1 激励信号产生程序流程图，主要程序段如下：C P U 定时器0 初始化程序段：E A L
67、L O W ；P i e V e c t T a b l e T I N T 0 = & c p u _ t i m e r 0 _ i s r ；E D I S ；C o n f i g C p u T t m e r ( & C p u T i m e r O ，1 0 0 , 8 0 0 0 0 ) ；第一个参数是选用那个计数器。第二个参数是S Y S C L O C K o u t 的频率( C P U 频率I O O M H z ) 。第三个参数是中断周期( 微妙) ，周期0 0 8 S 。S t a r t C p u T i m e r 0 ( ) ；产生1 2 5 H z 周期
68、方波的程序段，激励信号由管脚X F ( 在T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 中是1 4 0管脚X F 芴而) 输出。f o r ( ；)i f ( C p u T i m e r 0 I n t e r r u p t C o u n t 1 )a s m ( ”n o p ”) ；a s m ( ”c i t ex f ) ；)e l s ei f ( C p u T i m e r 0 I n t e r r u p t C o u n t 2 )a s m ( ”n o p ”) ；a s m ( ”s e t cx f ) ；)e l s e C p u T i m e r
69、0 I n t e r r u p t C o u n t = O ；)图5 1 激励信号产生流程图郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计i n t e r r u p tv o i dc p u _ t i m e I Oi s r ( v o i d )C p u T i m e r 0 I n t e r r u p t C o u n t + + ；P i e C t r l R e g s P I E A C K a l l = P I E A C K _ G R O U P l ；5 2T M S 3 2 0 F 2 8 1 2A D 采样5 2 1A D 转换器的主要技术指标(
70、1 ) 分辨率【删( R e s o l u t i o n ) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2 n 的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 分辨率为1 2 位，由其上的1 2 位A D C 决定。( 2 ) 转换速率( C o n v e r s i o nR a t e ) 是指完成一次从模拟转换到数字转换所需的时间的倒数。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率( S a m p l eR a t e ) 必, 须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等
71、同于采样速率也是可以接受的。常用单位是k s p s 和M s p s ，表示每秒采样千百万次( k i f o M i l l i o nS a m p l e sp e rS e c o n d ) 。F 2 8 1 2 的最高采样频率为1 2 5 M s p s ，这是由F 2 8 1 2 上A D C 的最快8 0 n s 的转换时间来决定的。( 3 ) 量化误差( O u a n t i z i n gE r r o r ) l 扫A D 的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A D的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A D ( 理想A D ) 的转移特性曲线( 直线) 之间的最大偏差。
72、通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为I L S B 、l 2 L S B 。对于8 位A D就是1 2 5 6 ，而1 6 位A D 就是1 6 5 5 3 6 。5 2 2T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 A D C 模块介绍T M S 3 2 0 F 2 8 1 2A D C 模块是一个1 2 位带流水线的模数转换器( A D c ) ，模数转换单元的模拟电路包括前向模拟多路复用开关( M U X s ) 、采样保持( S H ) 电路、变换内核、电压参考以及其他模拟辅助电路。模数转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口、与芯片外设总线的接
73、口以及同其他片上模块的接口。模数转换模块A D C 有1 6 个通道，可配置为2 个独立的8 通道模块，分别服务了事件管理器A 和B ，两个独立的8 通道模块也可以级联构成个1 6 通道模块。尽管在模数转换模块中有多个输入通道和两个排序器，但仅有一个转换器。两个8 通道模块能够自动排序，每个模块可以通过多路选择器( M U x ) 选择8 通道中的任何一个通道：在级联模式下，= 1 7郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计自动排序器将变成1 6 通道。对于每个通道而言，一旦A D C 转换完成，将会把转换结果存储到结果寄存器O 蛐C R E S U I 岫中。自动排序器允许对同一个通道进行多次
74、采样，用户可以完成过采样算法，这样可以获得更高的采样精度。T M S 3 2 D F 2 8 1 乙如C 模块主要包括以下特点：，1 2 位模数转换模块A D C ，1 6 通道模拟输入；两个采样和保持( S H ) 器，同时或顺序采样模式；模拟输入电压范围：0 v 一3 V ；快速的转换时间，A D C 时钟可以配置为2 5 M H Z ，最高采样带宽为1 2 5 M S P S ；自动排序功能支持1 6 通道独立循环“自动转换，每次转换的通道可用软件编程选择；排序器可以工作在两个独立的8 通道排序器模式，也可以工作在1 6 通道级联模式；允许“多个排序触发同步转换，可工作在启动停止模式；1
75、 6 个结果寄存器存放A D C 的转换结果，转好后的数字量表示为：数字值= 4 0 9 5 x 坠塑产( A D c L o 是A D 转换f 氐电压参考值) o有多个触发源启动A D C 转换( s o o ：S W 软件立即启动；E V A - 事件管理器A ( 在E V A 中有多个事件源可启动A D 转换) 启动；E V B - 事件管理器B ( 在E V B 中有多个事件源可启动A D 转换) 启动；外部引脚启动；灵活的中断控制，允许每个或每隔一个序列转换结束产生中断请求；E V A 和E V B 可以独立触发，工作在双触发模式；采样保持( S M ) 采集时间窗E l 有独立的预
76、定标控制。5 2 3A D 采样参数的确定5 2 3 1A I ) 采样频率的选择对于一个确定的系统，采样频率必然为有限个值。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 具有2 5 M H z 的A D C时钟频率。由奈圭斯特定律可知，采样频率必须大于2 倍的信号频率，系统可恢复的最大信号频率可为1 2 5 M H z ，最小信号频率理论上可为任意低的频率，通过D S P 的可编程性和数字信号重采样处理技术实现。但是基于大量的仿真实验，发现：A 在强噪声背景条件下，当采样频率f s 低于1 6 倍的信号频率f 时，取得一个较为满意的锁定结果需要耗费极大的时间常数，不能满足系统锁定要求；同时，在
77、采样频率高于3 2 f 时，锁定结果对于精度的改善很小，影响不大。B 尽量使采样频率f s 与被测信号f 比值为一个整数，即f s 最佳选取满足：骈等于整3 S郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计数。否则的话，由于非整周期采样将对数字锁定结果带来误差，而且这种误差效果随着信噪比S N R 变低将增大。因此，根据被测信号选择一个合适的采样频率，是影响系统锁定结果的一个非常重要因素。在某些具体的应用领域，要设计一个高性能的数字锁定放大器，建议采样频率满足下式要求：M L YE 1 6 ，3 2 】且M 为整数本文被采样的信号频率是1 2 5 H z ，为了满足整周期采样( M 为整数值) 以及采
78、样频率与D S P 速率的倍数关系，在实际应用中设定f d f = 3 2 ，即采样频率设为4 0 0 H z 。T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 实验板提供的时钟频率为1 5 0 H z ，信号输入到C P U 的A D C I N A 5( T M S 3 2 0 F 2 8 1 21 7 6 脚封装的1 6 9 管脚) 。采用事件管理器E V A 的一个定时器G P l 启动A D 转换。通过设置通用定时器1 的周期寄存器T 1 P R 得到A D C 的采样频率。A D C 初始化、采样频率设置以及中断程序段如下所示：S y s C t r l R e g s H I S P
79、 C P a l l = 0 x 3 ；H S P C L K = S Y S C L K O U T 6I n i t A d c 0 ；使能A D C 模块，该函数在D S P 2 8 _ A d c c 文件中P i e V e c t T a b l e A D C I N T = & a d ci s r ；肥用户中断服务的入口地址赋给中断向量表头文件中的对应向量P i e C t r l R e g s P I E I E R l b i t I N T l 6 = 1 ；1 吏能P I E 中的A D C I N T 中断I E Rl - M _ I N T l ；f 吏能C P
80、 U 中断1 ，使能全部I N T lA d c R e g s A D C T R L l b i t S E Q _ C A S C = 1 ；双序列级连选择：级连工作模式A d c R e g s A D C M A X C O N V a l l = 0 x 0 0 0 0 ；车专换通道数：S E Q l 序列通道数为1A d c R e g s A D C C H S E L S E Q l b i t C O N V 0 0 = 0 x 5 ；转换通道选择：A D C I N A 5A d c R e g s A D C T R L 2 b i t E V A _ S O C _
81、S E Q l = 1 ；使能E V A S O C 去启动S E Q lA d c R e g s A D C T R L 2 b i t I N T _ E N A _ S E Q l = 1 ；使能S E Q l 中断( 每次E O S )E v a R e g s T 1 C M P R = 0 x 0 3 8 0 ；设置T 1 比较寄存器的值E v a R e g s T 1 P R = 0 x F 4 2 4 ；设置周期寄存器E v a R e g s G P T C O N A b i t T 1 T O A D C = 1 ；使能E V A 中的E V A S O CE v a
82、 R e g s T 1 C O N a l l = 0 x 1 0 4 2 ；腋能定时器1 比较操作( 增计数模式)5 2 3 2A D 采样点数的确定本文研究对象是微伏级的光声信号，但是系统在充分满足微伏级信号测量要求的基础上，在保证系统的精度及性价比的前提下，参数选择、指标确定等方面都留有一定的裕度，便于以后对纳伏级信号的测量分析。3 9郑州大学硕十学位论文第五章系统软件设计系统在选择A D 采样点数时考虑了两个方面的因素：1 N 与D P S D 的关系。D P S D 的采样点数N 越大，即测量时间越长，经D P S D 运算后输出的信噪比越高，信号电压测量的越准确。因此要获得较高的
83、准确度就必须适当提高采样点数。对信号进行模数转换所需的采样点数N 决定了J l V 级电压测量所需的时问T ，即T =N T s 。其中T s 为每点的采样时间，T s = 1 f s 。N 值的大小应根据对输出信噪比的要求而定，即N 值直接决定了D P S D 输出的稳定性及对“v 级电压的测量精度。经过计算推导得出以下关系式：S N R o 。U s 2 Tc o s 2 。U , 2 T s N c o s 2( 5 1 )烈qNo其中，U 。是被测电压信号幅值，妒为参考信号与被测信号相位差。式( 5 1 ) 表明N 越大，S N R o 越大，D P S D 的测量就精度越高。若取S
84、N R o = 5 ，通过示波器观察，经1 2 5 0 0 0 倍放大后的光声信号电压幅值为1 V 左右，因此取U 。= 0 1 V ，N o = l O 一氏矿2 I - I z ，= 0 ，贝J J D P S D 的采样点数：N 。N Ox S N R o 一一三磐一。2 0(52)2U 。瓦( 1 0 1 ) 2 0 0 0 2 5其中T s = 1 f s = o 0 0 2 ，即f s = 4 0 0H z 。根据N 越大D P S D 的测量精度越高的关系，以及信号频率1 2 5 H z 的特点，设定每周期采样3 2 个点，总共采样五个周期，1 6 0 点， i i J N =
85、1 6 0 。2 采样点数必须满足整周期采样锁相放大器要求信号与参考信号同频，如果被测信号频率波动将会偏离参考信号频率，引起测量误差。为了解决被测信号频率波动的问题，可采用同步整周期采样的方法。所谓整周期采样是指采样频率动态地跟踪被测信号频率变化，使采样点空间均匀分布在一个信号周期内。实现整周期采样通常可以采用硬件或者软件两种形式实现【4 5 l 。软件整周期采样有两种方法：第一种在测量过程中实时测量信号周期，根据信号周期和每周期采样点数动态调整采样间隔，使实际采样时刻最大限度地逼近理想采样时刻；第二种对采集数据用一些算法进行修正减小测量误差。这些方法的硬件电路结构比较简单、成本较低，但是算法
86、的处理过程较复杂、测量时间较长，难以满足测量实时性要求。硬件整周期采样法是由硬件电路提供动态跟踪被测信号频率变化的采样脉冲信号，控制A ，D 实现整周期采样。本文激励信号采用1 2 5 H z 固定频率的方波脉冲，激励红外发光二极管，因此产生的光郑州大学硕七学位论文第五章系统软件设计M = h N + 入( 1 I 、入为自然数，h 表示采样周期数，入 4 ；A D C 结果寄存器的值右移4 位i f ( C o n v e r s i o n C o u n t = = 1 0 2 4 )C o n v e r s i o n C o u n t = 0 ；)e l s eC o n v e
87、 r s i o n C o u n t + + ；A d c R e g s A D C T R L 2 b i t R S TS E Q l = 1 ；4 1初始化下一个A D C 序列| | 复谴S E Q l郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计清S E Q l 中断标志位f 陌P I E A C K 位A d c R e g s A D C S T b i t I N T _ S E Q I _ C L R = 1 ；P i e C t r l R e g s P I E A C K a U - - 1 ；系统初始化关中断清除中断标志初始化P I E 控制寄存器初始化外设中断向量赋A
88、 D 中断地址给中断向量表5 3 微弱信号检测方法讨论否A D 初始化程序开中断A D 转换空闲?I启动A D 转换A D 中断服务程序图5 2A I ) 转换流程图由光声效应产生的光声信号经麦克风转换为电信号后仅仅只有微伏级，并被大量外界噪声淹没，经前置电路调理后，信号被放大的同时，噪声也得到了放大，仅仅经过放大滤波并不能得到有用信号的准确信息，需要对湮没在噪声中的微弱信号做进一步的处理。常规的微弱信号检测方法根据信号本身的特点不同，一般有三条途径：一是降低传感器与放大器的固有噪声，尽量提高其信噪比；二是研制适合微弱检测原理并能满足特殊需要的器件( 如锁相放大器) ；三是利用微弱信号检测技术
89、，通过各种手段提取信号。根据课题的特点，综合考虑各种因素，为了减少仪器成本，提高性价比，决定采用第三种途径实现微弱信号的检测处理。基于实现微弱信号检测的常用方法，本文采用三种方法快速傅里叶变换( F F r )频域分析法、自相关检测法以及虚拟数字锁相放大法，分别对光声信号进行处理，分析其测量结果，从中选择一种最优算法。5 3 1 快速傅里叶变换傅立叶变换是一种将信号从时域变换到频域的变换形式，是声学、语音等信号处理领域中的重要分析工具。离散傅立叶变换( D 田是对离散信号的频域分析，而F F T ( F a s tF o u r i e rT r a n s f o r m ) L 4 6 是
90、D F F 快速算法。由于D F T 的计算量很大，其应用在很长一段时间内受到4 2郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计限制。F F T 的出现使D F I 的运算大大简化，运算效率提高了1 2 个数量级。D S P 芯片的出现又使F F T 的实现变得更加方便。由于多数D S P 芯片都能在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法，而且提供专门的n 叮指令( 如实现F F T 所必须的比特反转等) ，使得F F T 算法在D S P 芯片上实现的速度更快。在一些信号检测仪器中，可直接对信号进行F F T 运算以得到有用信号的幅频特性曲线，从中读取幅值和频率等重要信息。因此F F r 也是检测有
91、用信号的一种方法。同时通过对信号进行D F T 或者F F F 分析，得到信号的频谱分布，可以为滤波的设计提供参数。光声信号经麦克风转换为电压信号后，只有微伏量级，经过滤波放大电路处理后送入D S P 中，由D S P 的A D 转换器采集，并把它变成离散信号进行3 2 点F F T 分析，经过调试运行之后，得到的输入信号幅值谱如下图5 3 ( a ) ( b ) 所示：图5 3 光声信号F F F 分析的幅值谱图( a ) 和图( b ) 是不同时间得到的分析结果，图中上部是光声信号经A D 采样之后得到的幅度谱，下部是光声信号经F F T 运算之后得到的幅度谱。本文设定的A D 采样频率是
92、4 0 0 I - I z ，采样五个周期共1 6 0 个点。从图中可以清晰地看到，两种幅度谱都是随着时间的变化而变化。由于信号中含有大量噪声，所以A D 采样后的幅度谱并没有按正弦规律变化，经过F F T 运算后得到的幅度谱并不是理想的谱线特征，并且它的幅度在不断地变化。在低频段，信号主要集中在5 I - I z 1 2 5 H z ，虽然在1 2 5 H z 左右幅值达到最大，但是受噪声影响比较严重，并不能得到准确的幅度值。因此用F F T 运算得到幅值误差较大，并不能有效地从噪声中提取被淹没的有用信号。但是它可以作为一种分析信号幅频特性的有用工具，从图中可以明显看到信号的中心频率是1 2
93、 5 H z ，这对后面的滤波器的设计提供了参数。4 3郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计5 3 2 自相关检测图5 4 是相关算法D S P 实现程序流程图，x 和v 为参与相关运算的两路信号，当x - y时，完成自相关函数的计算，而当x y 时，完成互相关函数的计算。通过在程序中修改相应参数，进行编译、加载、运行之后可以得到不同的实验结果。下面给出相关算法的C语言实现程序段，用函数C o r1表示：caculation(参数说明：x L c n g t h ，y 【k n 舀h 】为函数x ( t ) 和y ( t ) 经A D 转换以后存入D S P 寄存器中的一组数据；L e n
94、g t h 为输入数据长度；L e n g t h c o r 为相关计算结果长度；m o d e = 0 为无偏估计，m o d e = l 为有偏估计。v o i dC o r _ c a c u l a t i o n ( d o u b l ex L c n g t h ，d o u b l ef o r ( k - - - O ；k L e n g t h ；k + + )s u m - - 0 ；f o r ( j = O ；j = L e n g t h - 1 - k ；j + + )t = x 【j + k 】书y 【j 】；s u m = s u m + t ；)i f (
95、 m o d e = = O )c o r L c n g t h - 1 - k 】= s u m ( L e n g t h k ) ；)e l s ec o r L e n g t h 一1k 】= s u m I 上n g t h ；f o r ( k - - 0 ；k = L c n g t h 一1 ；k + + )s u m = O ；f o r ( j = O ；j = L e n g t h 一1 k ；j + + )t = x l j 毒y 【i + k 】；s u m = s u m + t ：y L c n g t h ，d o u b l ec o r L c n g
96、 t h c o r )i f ( m o d e = = O )c o r L e n g t h l + k 】= s u m ( L c n g t h k ) ；4 4郑州大学硕士学位论文)e l s ec o r L e n g t h l + k 】= s u m L e n g t h ；)】I下面给出实现自相关算法的主程序段：f o r ( m = 0 ；m 1 0 0 ；m + + )x a v g = 0 O ：f o r ( i = 0 ；i L e n g t h ；i + + )i n _ x I i = p x i ；x a v g = i n _ x i 】+ x
97、 a v g ；)x a v g = x a v g L e n g t h ；f o r ( i = 0 ；i L e n g t h ；i + + )x i 】= 1 0 宰( i n _ x i 卜x a v g ) ；C o r _ c a c u l a t i o n ( x ，y , c o O ；Z r n = c o r 1 5 9 ；S = 0 ；f o r ( n = O ；n 查表法：即事先将需要输出的数据计算好，存储在D S P 的内部R A M 中，然后依次循环输出，产生周期波形。优点：速度快，可产生频率较高的波形，且不占用D S P 的计算时间；缺点：需占用D S
98、 P 的内部存储空间，尤其对采样频率比较大的输出波形，所占用的空间更大，而D S P 内部的存储空间必定有限。在对精度要求不高的场合可以使用，当精度要求高时，采样的数据就会增多，需要的存储空间就比较大。 计算法：采用计算的方法依次计算数据然后输出。优缺点与查表法相反。优点：不占用D S P 存储空间，可根据信息随时改变或调整输出的周期波形，精度高；缺点：占用D S P 的计算时间，使得执行程序开销很大。本文需要合成的参考信号频率为1 2 5 H z ，幅值设置为单位一，初相位为零，这样就确定了参考信号的信息。在对输入信号进行A D 采样时，选择周期采样点数为3 2 ，采样5个周期，共采样1 6
99、 0 个点，所以对于系统而言只需对应存储1 6 0 个相关点的数据。数据量不大，不需要消耗D S P 很大的内存，因此选用查表法。数字锁相放大器中的参考信号由D S P 根据输入信号频率内部数字合成，同时还需对合成的参考信号进行9 0 。数字相移，生成另一路正交参考信号。由数字锁定放大器性能影响因素分析可知，其幅度、相位锁定原理是建立在两路参考信号同频且初始相位相差9 0 。的绝对正交基础上，而决定锁定结果的一个极其重要的因素就是参考信号与输入信号的同频性。因此必须确切知道信号频率，且要保证输入信号频率的在允许的范围内波动。5 3 3 2D S P 算法思想图5 6 是D S P 软件流程图，
100、D S P 作为数字信号处理核心，主要完成参考信号产生、移相算法和数字相关运算算法等，其中D S P 数字锁定算法是实现对弱信号检测的关键。4 6郑州大学硕十学位论文第五章系统软件设计在设计锁定核心算法，对信号进行相关运算时，信号采样次数和积分周期的选择必须恰当，因为在采集信号时会引入一个直流量，而这个直流量不消除的话，在长时间的积分情况下会累积，当采样的信号正好满足整周期时，直流量与信号的相关量为零，不影响锁定值，但在不满足整周期采样时，这个直流量就是一个系统误差。就锁定结果而言，该误差的影响效果与实际信号幅值和等效单周期累积量相关。因此采样时既要使采样结果完全具备原信号的特性，又要保证采样
101、的信号正好满足整周期。另外选取合适的积分时间也很重要，积分时间选的过短，就得不到准确的相关结果，而时问过长又可能不满足硬件要求。图5 6D S P 软件流程图5 3 3 3 数字锁定算法实现D S P 内部生成正弦余弦参考信号上I被测信号A 啭换1 L被测信号与参考信号进行相关运算上l低通滤波jI幅度相位计算图5 7 锁定算法流程图D S P 数字锁定放大器锁定算法实现流程如图5 7 所示：锁定算法程序如下：V o i dm a i n 0R c f W a v c ( ) ；膘统初始化等，略庐生频率为1 2 5 H z 的参考正弦和参考余弦郑州大学硕士学位论文第五章系统软件设计S i g f
102、 i l t ( ) ；运用T I 提供的滤波器库滤除噪声C o r r e l a t e ( ) ；相关运算l p f ( ) ；低通滤波A m p C a l c ( ) ；幅度计算P h a C a l c ( ) ；相位计算后续处理：显示输出等实验结果表明，此设计可以很好的将1 2 5 H Z 的微弱信号从强噪声信号中提取出来。实验所得数据及对数据的处理参见第六章。5 4 本章小结本章主要介绍系统的软件设计，这是本文的核心内容。文中分别阐述了激励信号产生、A D 转换和数据处理三个子程序的设计，每个子程序都分别给出了软件实现流程图及部分程序段，同时对软件中一些参数的选取与设置给出了说
103、明。激励信号产生子程序由D S P 的C P U 定时器O 产生一个1 2 5 H z 的周期方波信号，由管脚X F ( 在T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 中是1 4 0 管脚X F 面面：丽) 输出来激励红外发光二极管。A D 转换子程序中涉及的知识点比较多，包括A D 转换位数的选择、采样频率的确定以及采样点数的选择等，在文中都给出了相应说明。数据处理部分给出了三种不同的实现方法，根据方法实现的难易程度分别选择F F T 、自相关和互相关，通过对比它们的处理结果，分析它们的优缺点，从中选择一种最优的算法。其中以互相关算法的实现为重点，同时还讲述了D S P 内部合成参考信号的实
104、现过程。对数据的分析结果详见第六章。郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理第六章实验数据处理6 1 粉煤灰光声信号的影响因素由第二章介绍的光声效应的基本原理可知，光声信号与辐射强度成正比，与周围温度和光声池容积成反比，并依赖于样品与耦合气体的热物理性质，且在一定条件下会达到饱和。因此影响光声信号的因素有很多。布朗通过对粉煤灰光声效应的研究发现，粉煤灰的颗粒大小，容积密度是影响光声信号值大小的重要因素。粉煤灰产生的的光声信号与它的热扩散深度J l 。和热导率k 有关，而粉煤灰的这两个参数是由样品的容积密度决定的。因此，在测量中要保证粉煤灰样品的容积密度不发生变化。样品的颗粒大小的不均匀性也会严重
105、影响测量的精确性和可重复性。另外，他还发现周围环境温度和湿度也会对光声信号值产生波动，通过长期的实验观察得出：样品的光声信号值随着周围环境温度和湿度的增加而增大。S A S ( S t a t i s t i c a lA n a l y s i sS y s t e m ) 给出的线性衰减模型展示了光声信号对比周围环境温度的衰减比例，以及光声信号对比与实验室的相对湿度的比例。结果表明，周围环境温度的小的变动能很容易地引起光声信号值的波动，湿度的影响虽然没有温度影响大，但是当周围湿度变化比较大时同样能产生较大误差。S A S 结果还显示了温度和湿度对光声信号值不产生交互影响。基于以上原因，在实
106、验开始前必须做好两项工作：制备好实验所需的各种碳含量的标准样品；控制好周围环境条件( 湿度、温度) 。6 2 粉煤灰样品实验制备6 2 1 粉煤灰样品制备步骤粉煤灰样品的制备有三个步骤：稀释、研磨、称重压制。( 1 ) 稀释根据光声信号的饱和理论，布朗在对粉煤灰的光声效应进行了大量的实验检测，结果表明，当粉煤灰碳含量超过4 时，测得的光声信号发生饱和现象，在碳含量从0 5 - 3 5 这一段中，碳含量与输出信号之间有明显的线性关系。但是由于我国大部分锅炉排放的粉煤灰碳含量都在8 以上，因此在检测碳含量高于4 的粉煤灰时要对样品进行稀释。在稀释材料的选择方面，做了大量的对比实验，观察碳酸钙粉末的
107、吸收光谱发现，碳酸钙粉末在波长大于2 2 0 0 r i m 的红外波段有较强的吸收峰出现，在9 4 0 n r n - - 1 4 0 0 n m 波段，4 0郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理吸收较弱且较为平坦。在相同条件下，碳酸钙粉末产生的背景光声信号较小。通过实验对比，最终选取碳酸钙粉末作为粉煤灰样品的稀释材料。( 2 ) 研磨由于样品的不均匀性对光声信号影响很大，因此样品的制备就显得尤为重要，严重制约着测量的精确性与可重复性。由粉煤灰物理性质可知，粉煤灰通常由球状颗粒组成，直径从0 5 , u m 到1 0 0 , u m 不等。粉煤灰颗粒的大小是非均匀的，它的尺寸分布和总的表面
108、积变化很大。这些性质是造成样品不均匀性的最主要原因。布朗等人采用研磨的方法来消除粉煤灰颗粒大小对光声信号的影响。研磨过程要控制研磨力度和研磨时间。通过大量实验表明，同种粉煤灰样品，在相同的研磨力度下，光声信号随着研磨时间的增大而增大，且所测值的离散性在不断减小。当研磨2 0 分钟之后，测得的光声信号值相对误差和方差都比较小，在允许的范围之内。所以，实验所用的粉煤灰样品都是研磨2 0 分钟之后的，由于条件限制，只能使用手工研磨，但是在研磨过程中保证了研磨力度。如果能使用机器研磨，将更为省力和标准。( 3 ) 称重压制粉煤灰的容积密度是光声信号值的另一个重要的影响因素。要消除这个影响，采用称重压制
109、的方法。把一定质量( 只有几毫克) 的粉煤灰样品放入样品托中，并压制成片。压制成片是为了减小能影响光声效应的粉末间隙，降低所测数据的离散度，减小误差。实验表明容积密度对光声信号的强弱是一个重要的参量。6 2 2 粉煤灰标准样品配制要对检测仪进行标定必须采用标准碳含量的粉煤灰样品。T G 实验是目前最准确的测量粉煤灰中碳含量的方法。实验中采用T G 实验的方法精确测定粉煤灰样品中的碳含量，来制备标准样品。本文在第二章中已经介绍了T G 实验过程。实验中所用的粉煤灰来自平顶山姚孟电厂，将已通过T G 实验测得碳含量的粉煤灰样品与稀释材料按比例混合，分别配制成碳含量为0 5 、1 、1 5 、2 、
110、2 5 、3 、3 5 、4 、4 5 、5 、5 5 、6 、6 5 、7 、7 5 、8 、8 5 、9 、9 5 、1 0 的样品。每种样品分别在研钵中搅拌1 0 分钟，保证混合均匀。郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理6 3 粉煤灰样品光声测量结果利用研制的碳含量检测仪对碳含量从0 5 到1 0 的2 0 个标准粉煤灰样品进行测量，每种样品在实验前均经过了2 0 分钟的手工研磨，然后分别进行1 0 次完全独立的测量，每次测量采集1 0 个数据，再求平均值。实验条件：温度1 8 1 9 。C ，湿度4 0 - - 4 2 R H 。利用本文设计的基于D S P 的粉煤灰碳含量检测仪，分
111、别采用了自相关算法和互相关算法来测量已知碳含量的粉煤灰标准样品6 3 1 两种算法测量结果把配制好的己知碳含量的标准粉煤灰样品称重后放入样品托中，并压制成片，密封好光声池，启动测量系统开始测量。根据第五章介绍的算法思想，分别用自相关算法和互相关算法测量已知碳含量的标准粉煤灰样品的光声信号电压值，分析和对比测量结果。6 3 1 1 自相关算法测量结果利用自相关算法对0 5 一1 0 的2 0 种不同含量的粉煤灰标准样品进行测量，总共进行1 0 次测量，每次测量得到1 0 个数据，利用数据处理方法对这些数据进行了处理，分别求出了它们的均值、方差和误差，相应数据如表6 1 所示：表6 1自相关算法测
112、量结果及误差分析粉煤灰碳含量光声信号电压均值( V )方差( V 2 )误差( V )O 5 O 3 2 5 7O 0 1 2 70 0 4 8 21 O ，0 3 5 7 60 0 0 9 90 0 4 2 51 5 O 3 7 8 2O O l3 7O 0 50 22 O 0 5 0 3 5O 0 1 2 00 0 4 9 22 5 0 8 9 9 40 0 1 0 30 0 4 7 83 O 1 - 1 9 3 40 0 0 9 70 0 2 3 83 5 1 2 3 0 1O 0 1 2 90 0 4 8 74 O 1 2 5 4 60 0 0 9 20 0 3 0 54 5 1 2
113、7 3 60 0 0 8 50 0 3 1 55 O 1 3 0 7 3O 0 1 1 50 0 3 9 85 5 X1 3 6 5 0O 0 10 80 0 3 9 76 O 1 4 1 7 2O 0 1 1 50 0 4 5 36 5 1 4 4 7 60 0 0 8 50 0 3 3 77 O 1 - 4 5 7 80 0 0 7 90 0 2 9 85 1郑州大学硕十学位论文第六章实验数据处理7 5 ，1 4 7 0 40 0 0 8 90 0 2 7 98 O ，1 4 7 9 20 0 0 9 30 0 3 8 78 5 1 4 8 5 30 0 10 0O 0 3 539 O 1
114、 4 9 0 50 0 1 4 3O 0 5 139 5 1 4 9 3 2O 0 1 1 7O 0 3 9 810 O 1 4 9 7 0O 0 1 2 20 0 4 4 7图6 1 是利用表6 1 中的数据绘制的一幅光声信号电压值随碳含量变化图，从图中可以明显观测到，当碳含量超过4 时，光声信号值开始趋于饱和，而碳含量在0 5 一4 这一段，光声信号值有近似线性关系，图6 2 是对这一段线性关系进行直线拟合。价oI OoI - OoI OoI t 5oI - Oo价oI J 5ot Oooov - 4v - 4NN n 可甘I O o 卜卜仍仍o1 - I耪煤灰碳含量( X )图6 1自相
115、关算法检测粉煤灰光声信号值随碳含量变化图0 51 01 52 02 53 03 54 0粉煤灰碳含置( 誓)图6 2自相关算法检测0 5 州的粉煤灰光声信号值随碳含量变化图5 2642086420LLLL吼吼吼吼仉A)磐趟审咿姆舣求000000000642O86420l11l00000A)磐幽审巾颦段求郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理6 3 1 2 互相关算法测量结果表6 2 和图6 3 分别是利用互相关算法测得的数据和绘制的图形，图6 4 是对碳含量在O 5 _ 4 之间的这一段线性关系进行直线拟合。样品与自相关所用样品相同。表6 2 互相关算法测量结果及误差分析粉煤灰碳含量光声信号电
116、压均值( V )方差( V 2 )误差( V )O 5 0 3 0 7 20 0 0 7 20 0 3 8 51 0 0 3 8 1 50 0 0 5 90 0 3 0 31 5 0 4 3 8 20 0 0 9 80 0 3 1 92 0 0 7 0 3 30 0 0 5 40 0 1 9 72 5 0 7 8 9 50 0 0 4 2O 0 1 2 03 O 0 9 9 0 70 0 0 6 5O 0 2 5 73 5 1 1 6 3 70 0 0 4 30 0 13 04 0 1 2 0 4 50 0 0 7 00 0 2 4 94 5 1 2 6 7 6O 0 0 8 2O 0 2 6
117、 75 O 1 3 3 9 8O 0 1 0 50 0 2 9 75 5 1 3 9 8 90 0 0 9 8O 0 2 7 76 0 1 4 2 3 2O 0 0 7 50 0 2 2 36 5 ，1 4 4 7 6O 0 1 0 3O 0 2 8 57 0 1 4 5 2 10 0 0 9 80 0 2 8 97 5 1 4 6 5 2O 0 0 9 50 0 3 0 98 O 1 4 6 9 80 0 0 7 8O 0 2 7 88 5 1 4 6 8 2O 0 1 4 0O 0 3 4 59 0 1 4 7 0 3O 0 1 130 0 3 2 19 5 1 4 7 3 0O 0 1
118、0 2O 0 2 9 31 0 0 1 4 7 3 3O 0 1 1 2O 0 2 9 4郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理零、- ，趔础脚D p理 l L米价。价。价o o 价。价。价。一式式ddoo 卤访岱岱甜粉煤灰碳含量( 薯)图6 3 互相关算法检测粉煤灰光声信号值随碳含量变化图0 51 01 52 02 53 03 54 0耢煤灰碳含量( 鬈)图6 4 互相关算法检测0 5 盼4 的粉煤灰光声信号值随碳含量变化图6 3 2 测量结果对比与分析L oC )a o一对比表6 1 和6 2 的数据得出：用互相关算法测得的数据方差和误差都相对较小；对比图6 1 和6 2 得出：测量碳含量
119、在0 5 - 4 的粉煤灰样品，互相关算法测得的光声信号电压值线性较好。由此说明了，利用互相关算法能更好的抑制噪声，测得数据更准确。因此本文所设计的基于D S P 的粉煤灰碳含量检测仪所用的核心算法是采用以互相关原理为基础的虚拟数字锁相放大器技术来实现的。当检测的粉煤灰碳含量超过4 时，光声信号电压值与碳含量不再成线性关系增长，因此需要对样品稀释，稀释材料选择碳酸钙粉末，直到把样品稀释到它的线性范围内( 即O 5 _ 4 ) ，根据所测光声信号值，然后利用线性关系式得到粉煤灰碳含量。稀释时，要421864201100O0A)磐幽-审咿磐幔求郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理准确记录所用碳酸
120、钙粉末的量，以便于换算成原粉煤灰的碳含量。6 4 最小二乘法线性拟合本文就是利用0 5 叫粉煤灰光声信号电压值与碳含量成线性关系的特点来设计的粉煤灰碳含量检测仪。因此首先要准确找出这种线性关系，对所测得的标准样品的光声信号电压值进行线性拟合。由一组实验数据找出一条最佳的似合直线，常用的方法是最d , - - 乘法【4 8 1 。其原理是：成对等精度地测得一组数据X i ，y i ( i = l ，2 ，k ) ，若能找到一条最佳的似合直线，那么这条拟合直线上的各点的值与测量值的差( 残差) 的平方和在所有拟合直线中应是最小的。根据以上原理，设光声信号电压值与粉煤灰碳含量满足的线性关系式为：Y
121、a x + 6其中x 代表粉煤灰碳含量的百分比，Y 代表对应的光声信号电压值，a ，b 为线性回归系数。令残差的平方和为Q ，则有：Q 一( 戤i + 6 一Y 1 ) 2 + ( a x 2 + 6 - y 2 ) 2 + + ( 皿k + 6 一) ，) 2( 6 1 )1 1 为测得的n 组数据，根据残差平方和最小( 即Q 值最小) 的原则，分别对( 6 1 ) 中的a ，b 求偏微分，令偏导数为零：塑，o ，塑。oa 口a b把所测得的从0 5 - 4 的8 组粉煤灰碳含量与相应的光声信号电压值的数据代入a ，b 的偏微分方程中，由此求出线性回归系数a ，b 的值：a = O 2 8
122、4 2 ，b = O 1 0 7 9( 具体计算过程不再详述)因此，得到了所测碳含量在0 5 一4 范围的标准粉煤灰样品的碳含量与光声信号电压值的线性关系式：Y 0 2 8 4 2 x + 0 1 0 7 9( 6 2 )6 5 标定并检验检测仪根据标准粉煤灰样品得到的碳含量与光声信号电压值的线性关系式，用它的线性回归系数来标定检测仪，这样就可以用来测量同一种粉煤灰。只要碳含量在O 5 _ 4 之内就必然满足这种线性关系，那么当测量其它含量的粉煤灰时，只需把得到的光声信号电压值代入直线方程中，以求出粉煤灰的碳含量。注意，当含量超过4 时，要用碳酸钙粉末对粉煤灰进行稀释，并记下所用的量，以便换算
123、成稀释之前的粉煤灰碳含量值。5 5郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理下面就利用该检测仪对待测粉煤灰样品进行测量，以验证仪器的可行性和准确性。选用1 8 和3 2 的两种不同碳含量的标准粉煤灰样品，用标定过的检测仪对他们进行测量，由得到的光声信号电压值求的对应的碳含量值，以比较分析误差。注：待测粉煤灰样品和仪器标定中采用的样品都是同种粉煤灰。实验条件：温度1 8 1 9 。C ，湿度4 0 - - 4 2 R H 。( 1 ) 碳含量为1 8 的标准粉煤灰样品测得光声信号电压值为：0 6 0 6 3 ，将此值代入( 6 2 ) ：即y 。0 6 0 6 3 ，得至x y - 0 1 0 7
124、9 ；1 7 5 3 7相对误差：R ；1 8 - - 1 _ 7 5 3 7 0 0 2 5 71 8由此得出结论：碳含量为1 8 的标准样品用标定过的检测仪测得的含量值为1 7 5 3 7 ，相对误差不到3 。( 2 ) 碳含量为3 2 的标准粉煤灰样品测得光声信号电压值为：0 9 9 9 8 ，将此值代入( 6 2 ) ：即Y 。0 9 9 9 8 ，得至0 工。y - 0 1 0 7 9 ；3 1 3 8 30 2 8 4 2相对误差：R ，3 2 - 3 1 3 8 3 ；0 0 1 9 33 2得出结论：碳含量为3 2 的标准样品用标定过的检测仪测得的含量值为3 1 3 8 3 ，
125、相对误差也很小。通过大量实验验证发现，利用本文所设计的这种碳含量检测仪能满意地测出粉煤灰中的碳含量，相对误差不超过5 ，已具有很高的实用价值。6 6 本章小结本章首先分析了光声信号的影响因素，为消除这些影响所采取的措施，对粉煤灰进行研磨、称重、压制成片，并在实验的时候控制好周围的温度和湿度条件。并通过自相关算法和互相关算法各测得几组数据进行对比，得出互相关算法测量准确，0 5 一4 碳含量的线性度比较明显，最终确定采用虚拟数字锁相放大器技术对光声信号处理。在含量超过4 以后，可以明显看到光声信号电压值与碳含量已不再是线性关系，而是进入饱和状态。在对仪器标定的时候，首先对粉煤灰用T G 法测出它
126、的碳含量，并把它作为标准样品，用碳酸钙粉末进行稀释，配制成含量在0 5 - 4 的线性区间内。在测出标准样品对应的郑州大学硕士学位论文第六章实验数据处理光声信号电压值后，用最小二乘法进行线性拟合，找出线性方程，以便用得到的线性回归系数对仪器进行标定，标定后的仪器就可以用来测量其它碳含量的同种粉煤灰( 与标准粉煤灰煤质相同) 。注意，测量不同种类的粉煤灰时都要重新对仪器进行标定。下面总结一下用此检测仪检测粉煤灰碳含量的步骤：( 1 ) 首先要对仪器进行标定t采用T G 法精确测量粉煤灰中的碳含量。将已经精确测得碳含量的粉煤灰样品与碳酸钙粉末按比例稀释，配制成从0 5 一4 的不同百分比的标准样品
127、，每种样品要在研钵内搅拌1 0 分钟，保证混合均匀。对每个标准样品分别手工研磨2 0 分钟，要保证研磨样品的质量、研磨时间和研磨的力度的一致。将研磨后的样品称取一定重量( 几毫克) ，然后倒入样品托中，压制成片，密封光声池。( 注：称重是比较精确的做法，实验表明，若对样品不称重，将样品倒入样品托中，稍稍压实用刀片刮平，测得的结果误差在允许的范围内。)用检测仪对粉煤灰样品进行光声测量，每个样品分别进行1 0 次完全独立的测量，每次测量至少采集1 0 个数据，再求平均值。将测量结果做成曲线，选取线性较好的部分( 通常是碳含量较低的部分) 做线性或最d * - 乘拟合，得出碳含量与光声信号的关系方程
128、。( 2 ) 用标定后的检测仪对同种粉煤灰的其它碳含量进行检测。对待测样品进行研磨，做法同上面的。将待测样品倒入样品托中，做法同上面的。用标定好的检测仪对待测样品迸行检测，做法同上面的。如果光声信号幅值大于饱和阈值，说明待测样品的碳含量较高，需用稀释材料按比例对其进行稀释。将稀释后所得的样品重复和的步骤，然后再进行测量。将测得的光声信号值代入碳含量与光声信号的关系方程，得出碳含量。如果事前经过稀释，还需按稀释比例进行换算。由于锅炉燃烧条件和燃烧效率的不同、所用燃料煤成分不同以及技术的差异，粉煤灰材料的性质差别很大。每标定一种粉煤灰样品都可以在计算机中存储其碳含量和光声信号的线性关系方程，这样一
129、来便可以建立很多种粉煤灰样品的相关数据库，如果待测粉煤灰样品的标定信息已经入库，便可直接对仪器进行标定，而无需再制备标准样品找出线性方程。如果能对各种各样的粉煤灰样品做广泛的测试与研究，不断更新数据库，数据库越丰富，则碳含量检测仪的适用将越广泛。5 7第七章结论与展望7 1 论文工作总结第七章结论与展望本文论述了基于D S P 技术及光声效应原理的粉煤灰碳含量检测仪的设计，选择T I 公司的3 2 位定点芯片T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 作为核心处理器，实现数据处理和功能控制。由于光声设备产生的光声信号很微弱( 只有微伏级) ，被大量的噪声所淹没，因此本文需要提取淹没在噪声中的有
130、用信号。在对几种微弱信号检测方法进行对比之后，决定采用基于互相关原理的虚拟数字锁相放大器技术来进行数据处理。实验结果表明此种算法测量误差较小( 还不到5 ) ，且当碳含量在o 5 _ 4 之间时，测得的光声信号电压值有很明显的线性关系。在对标准样品测量之后，用最小二乘法拟合出光声信号电压值与碳含量的线性关系式，然后对检测仪进行标定，可以用标定后的仪器测量任意碳含量的同一种粉煤灰( 同一锅炉使用同种燃料煤) 。但是如果含量超过4 ，就需要用碳酸钙粉末稀释，把粉煤灰配置成含量在O 5 纷叫范围内。利用标准样品拟合的线性关系式，根据所测光声信号电压值得到相应粉煤灰的碳含量。经过实验验证，利用光声效应
131、检测粉煤灰中未燃烧碳的含量是可行的。本文所设计的这种碳含量检测仪和检测方法能够满意地测量出待测粉煤灰中的碳的含量，已经具有实用价值，有很大的发展潜力。对于同一种粉煤灰，利用标准样品拟合出线性关系后，我们只需对检测仪标定一次，即可测量任意的含碳量。但是于粉煤灰样品的成分非常复杂，不同粉煤灰样品的光声实验曲线是不一样的。因此由一种粉煤灰样品的测量得出的数据不能简单用来的对另一种粉煤灰样品进行标定与测量。如果要测量另外一种粉煤灰样品必须重新进行标定。7 2 展望本文所设计的基于D S P 技术及光声效应原理的粉煤灰碳含量检测仪基本已经成型，光声信号产生、前端滤波放大电路以及微弱信号处理这三部分工作基
132、本完善。但是，由于时间有限，还有许多工作有待深入进行，我想可以从以下两方面来展开：( 1 ) 液晶显示部分和键盘控制部分的设计和研究。一个成型的智能仪器，这两部分不可或缺。鉴于此仪器，液晶显示部分设计成能够显示粉煤灰碳含量百分比，以及输入的5 8郑州大学硕士学位论文第七章结论与展望标定值，另外，当碳含量超过4 时，能给出一个报警信号，或者在屏幕上显示说明。键盘除了设计十个数字键外和一个标点符号键外，还需要增设几个功能键，比如：标定键、确认键、修改键等。( 2 ) 关于D S P 软件编程方面的知识需要深入学习，对算法做进一步的改进，以达到更高的检测精度。总之，本文设计的基于D S P 技术的光
133、声效应粉煤灰碳含量检测仪，具有简便准确、性价比高、能实现在线检测等优点，相信在未来有很大的发展潜力。郑州大学硕+ 学位论文参考文献参考文献【1 】王富华，张祚徽，王力粉煤灰的特性及其在油田开发中的研究与应用现状【J 】中外能源，2 0 0 7 , 1 2 ( 1 ) ：9 2 9 6【2 】刘桂芝浅谈粉煤灰综合利用及发展建议甘肃科技，2 0 0 6 ，2 2 ( 6 ) ：1 2 3 1 2 4【3 】邵靖邦降低粉煤灰含碳量的途径【J 】粉煤灰综合利用，1 9 9 7 ，N o 2 ：6 1 6 4【4 】R C B r o w n , J D y k s t r a ，“S y s t e
134、m a t i ce r r o r si nt h eu s eo fl o s s - o n i g n i t i o nt om e a s u r eu n b u r n e dc a r b o ni nf l ya s h ”，F u e l ，1 9 9 4 ：7 4 ( 4 0 ) ：5 7 0 - 5 7 4【5 】5D J W a l l e r , “M e a s u r e m e n to fu n b u r n e dc a r b o ni nf l ya s hu s i n gi n f r a r e dp h o t o a c o u s t
135、i c ，M a s t e rD e g r e eT h e s i s ，I o w aS t a t eU n i v e r s i t y ，A m e s ，1 9 9 5【6 】D J W a l l e r , R C B r o w n ，“P h o t o a c o u s t i cr e s p o n s eo fu n b u r n e dc a r b o ni nf l ya s ht oi n f r a r e dr a d i a t i o n ”，F u e l ，1 9 9 6 ，7 5 ( 1 3 ) ：1 5 6 8 1 5 7 4【7
136、】M H F a n ，R C B r o w n ，“P r e c i s i o na n da c c u r a c yo fp h o t o a c o u s t i cm e a s u r e m e n t so fu n b u r n e dc a r b o nif l y 硒h ”，F u e l ，2 0 0 1 ，8 0 ：1 5 4 5 - 1 5 5 4【8 】赵元黎，袁斌，宁继英，胡国驹，应用光声效应检测粉煤灰中碳含量仪器的研究【J 】，仪表技术与传感器，2 0 0 2 ，6 ：1 6 1 7【9 】赵元黎，宁继英，袁斌，胡国驹应用光声效应检测粉煤灰中的
137、碳含量【J 】光学技术，2 0 0 3 ，2 9 ( 1 ) ：4 2 4 3【1 0 】职亚楠利用光声效应的粉煤灰中未燃烧碳的含量检测仪器的研制【D 】郑州大学硕士学位论文2 0 0 4【1 1 】B e l I A G ，P r o d u c t i o no fs o u n db yL i g h t t u n J S c i ，1 8 8 0 ，2 0 ，3 0 5【1 2 】T y n d a l l ，F l o a t i n gM a t t e ri nt h eA i r ，J P r o c R S o c L o n d ，1 8 8 1 ，3 1 ，3 0 7【
138、1 3 】R o e n t g e n ，W C ，O nT o n e sp r o d u c e db yt h eI n t e m i t t e n tI r r a d i a t i o no fa G a s ，P h i l o s M a g ，1 8 8 1 ，1 1 ( 5 ) ：3 0 8【1 4 】G G o r e l i k D o l d A k a d N a u k S S S R ，1 9 4 6 ，5 4 ：7 7 9【1 5 】K e r , E 1 , A t w o o d ，J G , A p p l O p t ，1 9 6 8 ，7 ：
139、9 1 5【1 6 】L B K r e u z e r , C 1 【N P a t e l ，S c i e n c e ，1 9 7 1 ，1 7 3 ：4 5【1 7 】A R o s e n c w a i g , O p t C o m ，1 9 7 6 ，7 ：3 0 5【1 8 】E A M c d o n a l d ，G C W e t s e l ，J r ，A p p l P h y s ，1 9 7 8 ，4 9 ：2 3 1 3【1 9 】王书涛，车仁生，王玉田，田庆国基于光声光谱法的光纤气体传感器研究【J 】中国激光2 0 0 4 ，8 ：9 7 9 - - 9
140、8 2【2 0 】A R o s e n c w a i g , A G e r s h o “T h e o r yo ft h ep h o t o a c o u s t i ce f f e c tw i t hs o l i d ”硼郑州大学硕士学位论文参考文献1 9 7 5 ，4 7 ( 1 ) ：6 4 。6 9【2 1 】A R o s e n c w a i g P h o t o a c o u s t i ca n dp h o t o a c o u s t i cs p e c t r o s c o p y J o h nW i l e y & s o n sN e
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143、0 6 ，3 5 ( 1 0 ) ：8 7 9 - 8 8 4【3 1 】M L M e a d e L o c k i nA m p l i f i e r s ：P r i n c i p l e sa n dA p p l i c a t i o n s P e t e rP e r e g r i n u sL t d ，L o n d o n ，1 9 8 3【3 2 】肖兵，蔡一波基于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 的数字锁定放大器设计【J 】数采与监测，2 0 0 7 ，2 3( 7 1 ) ：1 1 2 1 1 3【3 3 】郎健数字锁相放大器关键技术研究【D 】天
144、津大学硕士学位论文2 0 0 6【3 4 】钱黎平T M S 3 2 0 C 6 7 0 1 在弱信号检测中的应用【J 】计算机测量与控制，2 0 0 4 ，1 2 ( 7 ) ：6 0 6 6 0 9【3 5 】钱黎平基于T M S 3 2 0 C 6 7 0 1 E V M 的嵌入式数字锁定放大器设计【D 】吉林大学硕士学位论文2 0 0 5【3 6 】T h eD i g i t a lL o c k i nA m p l i f i e rS I G N A LR E C O V E R Y 2 0 0 6 9 5 9 8【3 7 胡绍明，张广发一种基于D S P 和采样A D C 的
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148、来，赵老师不仅在论文选题、实验设计、实施和论文撰写等多方面给予了详尽的指导；而且在学习和生活等诸多方面给予了亲切的关怀和帮助。赵老师渊博的知识、敏锐的思维、严谨的治学态度、求实的工作作风和宽厚待人、诲人不倦的精神使我受益匪浅。特别感谢宁震寰老师，宁老师虽然已经退休，但是仍然坚持学术工作，在我的课题方面给予了很大的指导和帮助，每当我遇到困难的时候，宁老师总是悉心为我解答，即使在身体不适的时候仍然坚持。宁老师这种对学术追求永无止境的治学态度让我终身钦佩。能够得到宁老师的帮助是我的荣幸! ! !感谢实验室的李云亭老师，在我课题的电路调试部分李老师给予了我很大帮助，为我准备了实验设备，给我传授调试电路
149、的经验，使我的电路能给顺利完成。感谢实验室的代攀同学，在我实验出现问题的时候帮我一起查找分析原因，克服一个个困难。在完成课题的过程中，薛妤、冯艳平、刘伟、常磊同学也给予了很大的帮助。感谢卫亚博、宋璐、孙艳敏等同学对我生活上的关怀，使我顺利地完成硕士学业! !最后，借此机会向所有关心、帮助、爱护我的人表示衷心的感谢!郑州人学硕士学位论文附录附录A作者简介附录宋燕燕，女，汉族，1 9 8 4 年6 月生，河南省信阳市淮滨县人。2 0 0 6 年6 月，毕业于郑州大学物理工程学院测控技术与仪器专业并获得工学学士学位。2 0 0 6 年9 月至今，就读于郑州大学物理工程学院，攻读测试计量技术及仪器专业硕士学位，研究方向为智能仪器设计。附录B作者在攻读硕士研究生期间发表的论文1 宋燕燕，赵元黎，代攀，冯艳平基于D S P 的光声效应粉煤灰碳含量检测仪的研究微计算机信息，2 0 0 9 ，82 冯艳平，赵元黎，宋燕燕，孙艳敏基于阈值分割的T H z 图像刀具识别微计算机信息，2 0 0 9 ，1 2基于DSP的光声效应粉煤灰碳含量检测仪的研究基于DSP的光声效应粉煤灰碳含量检测仪的研究作者：宋燕燕学位授予单位：郑州大学 本文链接：http:/
