數(shù)字信號處理技術在光纖氣體傳感技術中的應用小組成員：

雍建輝、董亮亮、侯建華、方金亮、何健、李明康引言：

由于光纖氣體傳感器具有本質安全、抗電磁干擾、靈敏度高、動態(tài)范圍大、響應速度快等特點,它在煤礦安全、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)控制等領域的應用十分廣闊。數(shù)字信號處理是利用計算機或專用處理設備，以數(shù)值計算的方法對信號進行濾波、變換、壓縮、識別、增強等加工處理以達到提取有用信息，便于應用的目的。隨著計算機和信息學科的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理理論和技術日益成熟。數(shù)字信號處理技術的優(yōu)勢可程控精度高，穩(wěn)定性好可重復性好抗干擾性能好實現(xiàn)自適應算法數(shù)據壓縮大規(guī)模集成基于DSP的光纖氫氣傳感器數(shù)字化最重要的基本技術之一便是DSP技術。DSP既可以翻譯成DigitalSignalProcessor，也可以翻譯成DigitalSignalProeessing，前者指用于數(shù)字信號處理的可編程微處理器，后者指數(shù)字信號處理的理論和方法，它需要通過前者變成實際產品。數(shù)字信號處理器(DSP)主要以連續(xù)的數(shù)字信號進行數(shù)學運算并得到相應的結果。這里所說的數(shù)學運算是以快速傅立葉變換(FFT)為基礎,對數(shù)字信號進行實時處理得到相對應的結果。

不同型號的DSP內部結構基本相同,都具有哈佛結構。DSP含有處理器內核、指令緩沖器、數(shù)據和程序存儲器、I/O接口控制器、程序地址和程序數(shù)據總線、直接讀取地址和數(shù)據總線等單元,處理器內核是最重要的。基于DSP的光纖氫氣傳感器數(shù)字信號處理系統(tǒng)的硬件基于DSP的光纖氫氣傳感器系統(tǒng)驅動光源的正弦載波在DSP內部直接數(shù)字合成并輸出至光源驅動器用于發(fā)出交流調制光。此光通過發(fā)射光纖被分為兩路:一路(傳感光信號)到達放置在待測氣體中鍍有敏感材料的光纖端面并被反射;另一路(參考光信號)不做處理作為參考信號。兩路接收光信號經各自的接收光纖被兩個光探測器轉換為微弱電流信號,經前置去噪,反相比例放大,同相求和及低通濾波后變?yōu)檎倚盘栍葾/D裝置進人DSP芯片。在DSP內對信號做相敏檢波(PSD)和濾波處理,得到的兩路解調信號的比值再經過線性化等處理即可得到所要求的氣體濃度的值。將此數(shù)據發(fā)送到與DSP相連接的顯示設備中即可。DSP的數(shù)字信號處理原理

相干檢測技術是從噪聲中提取弱信號的重要手段。當待檢測信號濾波后,將其與參考信號進行相敏檢波(PSD),經積分器積分成直流信號。設從PIN中得到的電信號為:S=Asin(2πft十θ)+N,其中f為載波頻率,A為被測信號的幅值,θ為載波的相位,N為噪聲。與載波信號同頻的兩個相位正交的參考信號為:I=sin(2πft),Q=cos(2πft)。它們均在DSP內部直接數(shù)字合成〔DDS),則兩路PSD的輸出分別為:UI=SI=A/2cosθ-A/2cos（4πft+θ）+N(t)sin(2πft)(1)

UQ=SQ=A/2sinθ+A/2sin（4πft+θ）+N(t)cos(2πft)(2)經低通濾波器濾去與參考信號無關的噪聲后即可得:UI=A/2cosθUQ=A/2sinθ然后進行如下運算:√(UI2+UQ2)=A/2兩路接收信號經過上述的運算所得A1與A2的比值即為所得值。相干檢測技術光源驅動接口電路光源驅動接口電路連接DSP與LED,DSP輸出頻率為2K的正弦波,其電壓范圍為0一5V,然后接一個二階壓控電壓源型低通濾波器以濾去高頻的雜波,然后通過一個同相的比例電路對弦波進行比例調整,再接一個光源驅動電路,它具有電壓轉電流功能,通過一個三極管將電壓轉為電流用以驅動LED。光電檢測接口電路檢測接口電路的設計是整個系統(tǒng)的一個重要問題。這關系到所有的后繼處理過程。由于要探測淹沒在噪聲信號中的微弱的光電流信號,此前放的增益必須足夠高。這里采用了PIN光電二極管探測光信號并將其轉換為電流,同時采用高阻負載有利于獲得大的電壓信號,故希望采用高阻抗放大器。運算放大器在前置放大電路中起核心作用,其性能指標如開環(huán)增益、輸人偏置電流、失調電流和失調電壓、頻率響應以及噪聲性能均對前放產生影響。

DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS包含了圖形接口，源代碼編輯工具、參數(shù)修改工具，代碼調試工具、可執(zhí)行代碼生成工具和實時分析工具等，支持匯編、C/C++及三者的混合編程，能對DSP進行指令級的仿真和可視化的實時數(shù)據分析，還有虛擬浮點數(shù)學函數(shù)庫提供支持，大大縮短了數(shù)學運算與控制程序的開發(fā)周期。集成開發(fā)環(huán)境CCS運用DSP的傳感系統(tǒng)可通過調節(jié)程序參數(shù)方便的調整濾波器類型,階數(shù),截止頻率,載波頻率等各項參數(shù),較好地解決了運用模擬電路所帶來的參數(shù)調節(jié)困難,噪聲影響大等困難,可廣泛運用于各種傳感器信號處理中。小結參考文獻[1]孫金林.數(shù)字信號處理技術的發(fā)展與思考.赤峰學院學報,2011.[2]張岡,包蕾,