2、整体设计方案 - 基于FPGA和DSP的喷油器雾化粒径测量系统的设计

　　2、整体设计方案

　　本文以夫朗和费衍射理论为指导设计的激光粒度仪，原理如图1所示。采用工作电压5V，功率5mW，出口直径40mm的半导体扩束准直激光器，其选用高品质的原装、进口激光二极管，配以高性能的APC、ACC驱动电路和光学镀膜玻璃透镜组或优质塑透镜胶组成，发散角达到0.01mrad～0.1mrad，具有高可靠性、高稳定性、抗干扰性强、一致性好、使用寿命长等特点。其发射的平行光经10mm口径的光阑后，得到直径10mm的高质量的平行光。平行光经过喷雾场发生衍射后由D=60mm，f=300mm的傅里叶透镜聚焦，后被位于其后焦面上的31环同心圆环光电探测器接收。光电探测器是由31个同心圆环光电二极管组成的阵列，将光能大小转换成微电流信号。光电二极管阵列最外环半径为15mm。

　　基于上述原理的颗粒测量仪器技术已较为成熟，但以英国Malvern公司为首生产的激光粒度仪基本都是针对化学粉末等微颗粒进行静态测量，在信号调理电路方面不需要考虑采集数据的同步性和信号处理的及时性，因此并不完全适用于喷油器的粒径检测。本文针对这一问题，提出了如图2所示的电控喷油器粒度检测系统框架。该系统利用精密运放为微电流信号进行I/V转换，并将DSP的灵活性和FPGA的高速、高效结合在一起，形成优势互补，并充分发挥两者各自在软、硬件上的可编程能力，具有信号高速采集，数据实时处理的特点。

　　

　　图2电控喷油器粒度检测系统框架图

　　3、硬件设计

　　本文采用上海宇志通信技术有限公司生产的高性能通信信号处理开发板GN0204作为基板。基板采用TI公司的高速浮点型处理器TMS320C6713B，FPGA采用的是ALTERA公司的CycloneII系列的EP2C70F672C8，门数资源非常丰富，满足多路电流信号采集的控制与处理能力。此基板将FPGA的I/O接口及电源接口引出，方便为采集板提供控制信号与部分电源。

　　3.1FPGA设计

　　FPGA部分主要完成系统的逻辑控制以及信号的快速采集。

　

　　图3FPGA软件总体框图

　　图3为FPGA软件总体框图。喷油器控制模块完成对喷油器喷射过程的控制;采集电路控制模块主要完成采集电路中8个模拟开关的控制;A/D转换模块控制AD7865对放大后的信号的采集;数据缓存模块采用FPGA内部构造的两个双口RAM对采集到的信号进行缓存，并在收发控制模块的控制下利用EMIF总线完成FPGA与DSP之间数据的相互收发;数据输出模块的作用是在收发控制模块的控制下完成双口RAM中获得的DSP处理后的数据的输出;时钟模块给程序当中的各模块提供时钟。

　　将31路输入信号分为4组，每组2个8路复选开关ISL43681。以其中一组为例，其中开关Kx1是正常的电流切换需要的开关，开关Kx2经电阻接地，在Kx1闭合之前，Kx2一直是闭合的，信号源的电流通过Kx2流向地。当Kx1闭合时，Kx2打开，由于分布电容上的电荷在前一周期没有储存多余的电荷，所以在闭合后就不会存在电容放电的现象了。当每组的Kx1选通后分别由4个高精度放大器的超低输入偏置电流运放LMP7721进行I/V转换，得到的4路电压信号由14bit的芯片AD7865进行A/D转换。AD7865是一款快速、低功耗、4通道、14位同时采样模数转换器（ADC），采用+5V单电源供电。采用流水式传输方式，4个通道上的输入信号同时进行采样，因而可保留4个模拟输入上的信号相对相位信息，4路信号依次进行A/D转换，完成4路的周期为10μs，因此I/V转换的周期均设计为10μs，完成31路数据采集的总周期为80μs。控制信号均由FPGA完成。转换后的数据经FPGA的内部RAM缓存后，送入DSP中按事先编好的反演程序即可反演出被测喷雾的粒径分布。

　　

　　图4DSP与FPGA之间的接口连接图