摘要：針對噴油器霧化粒徑測量系統(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系統(tǒng);為滿足動態(tài)測量的要求，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發(fā)動機(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，因此需要對粒徑進(jìn)行精確測試。光學(xué)法已被確認(rèn)為是一種先進(jìn)的、最具有廣泛發(fā)展前景的測粒方法。激光粒度儀采用的光電傳感器的輸出信號是31路微電流信號，但由于目前市場上的采集裝置大多是針對于電壓輸入信號，且通道數(shù)較少，一般在16-24路，不能滿足粒度儀的快速測量要求，所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)適用于激光粒度測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，勢必增加了FIFO存儲器，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。

　　1、粒徑檢測原理

　　1976年，Swithenbank等人發(fā)表了基于Fraunhofer衍射原理的激光微粒測量方法［3］。根據(jù)弗朗和費(fèi)衍射理論，假設(shè)噴霧中被測區(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，即多元光電探測器第n環(huán)（環(huán)半徑從Sn到Sn+1），對應(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)場激光粒度儀共有31個(gè)有效光能環(huán)，被測顆粒區(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的算術(shù)平均值：Di=（Dn+Dn+1）/2，只要測出31個(gè)探測器環(huán)上的光能分布，通過對式（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)光電探測器接收后轉(zhuǎn)換成電信號，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顆粒的直徑分布，由此反演出被測噴霧的粒徑分布。其特點(diǎn)是被測顆粒粒徑必須大于激光光波波長，這決定了此原理可測量的最低下限。針對此次使用的光電二極管陣列的尺寸，本文設(shè)計(jì)的儀器測量范圍是6～360μm。

　　圖1電控噴油器粒度檢測系統(tǒng)原理圖