基于FPGA和DSP的喷油器雾化粒径测量系统的设计

　　摘要：针对喷油器雾化粒径测量系统实时数据处理的特点，将FPGA技术与DSP技术相结合，研究一种基于FPGA和DSP的电控喷油器粒径检测系统;为满足动态测量的要求，设计了应用高性能的多路开关和超低输入偏置电流运放的多通道微电流高速采集板;详细介绍了检测系统中基于FPGA和DSP的软硬件设计和工作原理;设计了基于R-R分布的粒径反演算法，并给出了一个简单的测试实例;反演结果为尺寸参数X=49.15μm，分布参数N=1.96，拟合误差f=0.00384，符合对喷油器喷雾的预期估计，验证了系统的有效性。

　　在电控汽油喷射系统中，喷油器的喷雾特性对发动机的燃烧过程有着重要的影响。电控汽油机在工作过程中，控制器依据发动机的运行状态，控制喷油器喷出适量的燃油以满足发动机工况的要求。油滴颗粒直径直接影响着混合气的形成质量，因此需要对粒径进行精确测试。光学法已被确认为是一种先进的、最具有广泛发展前景的测粒方法。激光粒度仪采用的光电传感器的输出信号是31路微电流信号，但由于目前市场上的采集装置大多是针对于电压输入信号，且通道数较少，一般在16-24路，不能满足粒度仪的快速测量要求，所以有必要设计一个适用于激光粒度测试仪的多通道高速数据采集电路。

　　FPGA可以随时通过对外加或内置的RAM或EPROM编程改变器件的功能，已逐步成为复杂数字硬件电路设计的首选。目前大规模FPGA多数支持可编程片上系统（SOPC），与CPU或DSPCore的有机结合使FPGA不仅是传统硬件电路设计手段，而且逐步升华为系统级实现工具。由于FPGA具有可重复编程、可在线调试、逻辑资源丰富、设计周期短等优点，使得它非常适合用在各类数据接口和通讯协议的实现上。根据技术指标的高速采集要求，多通道数据的缓存是必须的，包括A/D采样数据的缓存，数据实时传输到处理器的缓存等，如果用其它传统的设计方法，势必增加了FIFO存储器，从而接口时序复杂，系统的可靠性很难保证，FPGA提供了丰富的RAM资源，只要合理配置，能提高系统的整体可靠性和稳定性，再加上其在线可编程功能，系统的灵活性和适应性要求也得到了保证。本文所设计的系统采用FPGA（EP2C70F672C8）作为主控制器，实现系统中所需要的数字逻辑，利用DSP进行快速数据处理，从而实现电控喷油器粒径的快速检测。

　　1976年，Swithenbank等人发表了基于Fraunhofer衍射原理的激光微粒测量方法［3］。根据弗朗和费衍射理论，假设喷雾中被测区域中同时有N个粒径为D的颗粒存在，则在第n个光环上所接收到的光能量将是一个颗粒时的N倍。进一步推论可得，当颗粒群中粒径为Di的颗粒共有Ni个时，颗粒群总的衍射光能将是所有颗粒衍射光能之和，即多元光电探测器第n环（环半径从Sn到Sn+1），对应的散射角从θn到θn+1接收到的激光衍射光能量为：

　　本文使用的现场激光粒度仪共有31个有效光能环，被测颗粒区间可按下式确定：

　　πDiSi/λf=1.357，i=1，2，3，…，31（2）

　　式中，I0为平行光入射光强度，J0为零阶Bessel函数，J1为一阶Bessel函数，X=πDsinθ/λ，λ为入射光的波长，θ为衍射角，Wi为尺寸分布的重量频率，ρ为颗粒物质的密度，f是接收透镜的焦距。

　　假设31个颗粒粒径区间中第n个区间上限为Dn，区间下限为Dn+1。则每个区间的颗粒粒径典型值取该粒级的算术平均值：Di=（Dn+Dn+1）/2，只要测出31个探测器环上的光能分布，通过对式（1）所列线性方程组的求解，就能得到颗粒尺寸的重量分布W。

　　本文以夫朗和费衍射理论为指导设计的激光粒度测量系统，其原理是根据不同粒径的颗粒产生的衍射光随角度的分布不同，衍射光由傅里叶透镜聚焦后被位于其后焦面上的多环同心圆环光电探测器接收后转换成电信号，经放大和A/D转换后送入处理器中按事先编好的反演程序即可求出被测颗粒的直径分布，由此反演出被测喷雾的粒径分布。其特点是被测颗粒粒径必须大于激光光波波长，这决定了此原理可测量的最低下限。针对此次使用的光电二极管阵列的尺寸，本文设计的仪器测量范围是6～360μm。

　　图1电控喷油器粒度检测系统原理图