基于硬件加速的矿井煤尘浓度高速在线检测系统

2023-11-29张俸源张叶民姚贵彬

煤矿安全 2023年11期

张俸源，张叶民，姚贵彬

（1.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590；2.山东科技大学智能装备学院，山东泰安 271001）

煤尘不仅对采煤工作人员的肺部造成了污染，同时也带来了井下煤尘爆炸的隐患。为了对矿井下煤尘浓度进行实时检测，国内研究者基于机器视觉检测法[1-2]、消光统计法[3]、光散射法[4-5]对其做出了大量研究，而上述检测方法所使用的主控制芯片基本都是软核STM32 系列芯片或其他类型软核芯片。为此，在基于光散射法理论和ARM 软核芯片的研究基础上，一方面通过优化电路设计解决了光源输出不稳定和检测精度不高的问题，另一方面通过运用FPGA（可编程逻辑门阵列）模块将数据处理部分封装成IP 核，完成了检测系统的加速，从而设计了一种矿井煤尘浓度高速在线检测系统。

1 煤尘浓度检测原理

1.1 Mie 散射理论原理

当一束光束照射在球形颗粒上，光束会在基于Mie 散射理论的基础下发生光的散射现象。入射光为完全偏振光时，1 个直径为d的微粒散射到θ方向的散射光强可以分解为平行于散射微粒的光强和垂直于散射微粒的光强，且其强度分别为Ic和Ir。由Mie 散射理论得[6]，当一束光强为I0的光束照射到煤尘颗粒上时，此时颗粒产生的散射光强度I（θ）为：

式中：θ为颗粒光散射角的观测角度，（°），根据接收光强较集中的光电探测器位置而定；β为入射光的偏振角，（°），根据入射光的性质而定；λ为入射光的波长，mm，根据所选用光源的型号参数而定；r为散射体颗粒与散射光观测点之间的距离，mm，根据光电元件的位置而定；I0为光源所发出入射光的光照强度，lx，根据所选用光源的型号参数而定；i1、i2为强度函数。

1.2 煤尘微粒质量浓度检测原理

由于待测颗粒的粒度远小于每个颗粒之间的距离，即煤尘颗粒之间具有不相关性，则认为各微粒散射光的强度是可叠加计算的。假设在单位体积内共分布着K个待测颗粒，那么总散射光强的计算方法为单个微粒散射光强的值乘K。

角散射截面对于单个微粒来说是无法直接测量的，由此引入一个可测量的角散射系数 βp（θ），其物理含义为单位体积内微粒的角散射特性。

当入射光为非偏振光时，有：

式中：L为单位体积内的煤尘微粒数。

若一束光强为I0的入射光平行照射在单个煤尘颗粒上，距此微粒距离为r的观测点P处的散射光强I（θ）为：

式中：ρ为煤尘颗粒的密度， g/cm3；W为煤尘微粒质量浓度，m g/m3。

将式（7）代入式（6）得：

将式（8）进行变形，可得到：

其中，煤尘密度ρ、散射体煤尘颗粒的待测粒度d、入射光的光源强度I0以及入射光的波长λ都是可以确定的。

1.3 基于Matlab 的Mie 散射理论实现

由于煤尘微粒的相对折射率N以及煤尘密度ρ是一定的，通过控制变量法，利用Matlab 软件结合Mie 散射理论，改变其中1 个影响因素，研究散射光强的大小I（θ）与观测角度θ和微粒的粒度d的关系，为浓度检测做好准备。

当颗粒折射率N=1.57-0.56j、入射光波长λ为980 nm、随机选取煤尘颗粒粒径为1 μm 时，利用Matlab 结合Mie 散射理论计算出的散射光强度随观测角度变化曲线如图1。当颗粒相对折射率N=1.57-0.56j、入射光波长λ为980 mm、散射角度为45°时，利用Matlab 结合Mie 散射理论计算出的散射光强度随煤尘颗粒粒径变化曲线如图2。

图1 散射光强与观测角度关系图Fig.1 Relationship between scattering light intensity and observed angle

图2 散射光强与煤尘颗粒粒径关系图Fig.2 Relationship between scattering light intensity and coal dust particle size

由图1 可知：在散射角度为45°时的散射光强最强（舍去90°），即此处接收效果最好，其位置也便于光电元件的摆放，因此确定散射角θ为45°。

由图2 可知：通过散射光浓度就可以推出与其对应的煤尘颗粒粒径值。

2 系统检测方案

检测系统主要基于ZYNQ 芯片，其是集微处理器（ARM）与可编程逻辑电路（FPGA）于一体的可拓展处理平台，可以实现多核处理且具有高性能、低功耗的特点，检测系统总体架构框图如图3。

图3 检测系统总体架构框图Fig.3 Overall architecture block diagram of detection system

首先，最小系统模块完成整个系统的供电及JTAG 下载程序工作，利用ARM 软核芯片对风量为1.68 m3/min的风机与入射光波长为980 nm 的光源进行控制，完成煤尘颗粒的收集与光源的获取。光束照射到煤尘颗粒上会发生光散射现象，采用FB980-10 滤光片过滤掉除波长为980 nm 以外的光源，排除环境光的干扰，并利用透镜实现光束的汇聚与发散，基于光电效应原理的光电检测模块实现由光信号到电信号的转换，信号处理模块完成对信号的转换、放大、滤波以及模-数转换处理[7]，其中模数转换采用AD9280 芯片。接着，软核控制模块通过GP0 接口完成处理器对数据传输的监控，数据经AXI DMA IP 核通过高速HP0 接口先存储在DDR3 中，再经AXI Stream Data FIFO IP 核乒乓缓存读取后送入算法加速模块，此时将电压值数据转化成光强值，并读取预先存储在SD卡中的煤尘粒径与散射光强对应表[8]，通过二分查找法找出第1 个大于已知光强值，完成粒度反推后即可进行浓度计算。最终浓度数值经显示模块显示，且若数值超过预警值，PS 端调动报警模块进行声光报警。

为了便于后续煤尘浓度的计算，需使光源输出光强值达到恒定，因此设计了新型恒流激光二极管驱动电路，光源调制电路原理图如图4。

图4 光源调制电路原理图Fig.4 Schematic diagram of light source modulation circuit

首先采用滨松的L9418-42 连续激光二极管作为光源，其典型峰值发射波长为980 nm，发射功率P为1 W，发射面积A为1 0-8m2，故其入射光辐照度E为1 08w/m2。采用德州科技的LM324 运算放大器以及三极管S8050 来保持激光光源两端的电流不变，因其工作时处于正常工作电压，进而维持其输出功率不变。

根据运放的“虚短”与“虚断”可得：

式中：UX为激光光源的工作电压，2 V；RLD1为激光光源的理想阻值，Ω；Ui为外端输入的基准电压，V。

式（11）表明激光光源两端的电流只与值固定的基准电压相关，故流过激光光源两端的电流恒定，且始终为其正常工作电流1.2 A。

仿真及试验结果表明恒流光源的电压、电流输出值恒定，符合输出要求。同时对反馈运放进行定性分析可得，经过反馈电阻 R22加在运放反相输入端电压的瞬时极性与输入电压相同，且反馈信号也不受输出端交流短路的影响，因此构成了电流负反馈，而当电流发生波动时，其作用可以保持波动较小，进而减小了对煤尘检测精度的影响。

由光电检测、信号转换、放大以及滤波组成的信号转换及其处理电路，信号转换及其处理电路原理图如图5。

图5 信号转换及其处理电路原理图Fig.5 Schematic diagram of signal conversion and processing circuit

采用滨松生产的S6967 硅PIN 光电二极管作为光电器件，其峰值波长为900 nm，与光源波长980 nm 较为接近，且光谱响应范围也符合要求，其应处于反向偏置状态。型号为OPA657 的集成运算放大器不仅完成了电流信号到电压信号的转化，而且将电压信号进行了放大。在信号的转换及其放大过程中，对电压偏置、带宽限制、稳定性波动以及噪声4 部分影响因素做出了优化处理[9]。利用双T 型带阻滤波电路实现了对50 Hz 工频干扰频率分量的滤波，保留了有效的频率分量。

3 浓度检测算法的硬件化移植

使用并行三级流水线结构对浓度算法模块进行优化设计，每一个处理单元被独立成一块单独的部分，不仅实现了数据计算的并行操作，同时兼顾了算法的精度与动态范围，保证运算速度，满足检测系统的实时性要求。

采用异步FIFO 实现跨时钟域的数据信号传递与乒乓缓存操作，将数据进行交替存储与提取，保证了写FIFO 和读FIFO 与DDR 存储器之间一直有数据传输。

FPGA 端利用坐标旋转数字计算机算法（Cordic）可以计算均方根和反正切[10]，故浓度算法程序利用Cordic 算法并进行局部异常处理[11]。

基于ZYNQ 的煤尘浓度测量系统PL 端各资源消耗占比情况，LUT（查找表）资源占用较小，由于使用了模式时钟管理器，所以MMCM 资源占比也较大。

经软件配置后进行软硬件调试运行，初始化系统程序，ARM 控制端重复发出命令信号，系统从开始收集煤尘直至计算出煤尘质量浓度，系统软硬件协同运行流程如图6。

图6 ARM+FPGA 协同测量流程图Fig.6 Flow chart of ARM + FPGA coordinated measurement

AXI 为高级拓展接口（Advanced eXtensible Interface），其是基于猝发式传输机制的一种高性能、高带宽、低延迟的片内总线，总线由5 个独立的通道构成[12]。ZYNQ 的PS 端与PL 端之间通过AXI 总线协议进行片内数据通信，AXI 总线的AXI4-Lite 接口用于控制流的传输，PS 端通过AXI 接口控制PL 端的计算参数[13]，而AXI 总线的AXI4-Stream 接口能够传输高速数据流，保证了测量装置的检测速率。

基于Qt5.9.8 软件设计了用于操作命令控制、参数设定以及数据监测的交互界面，使用armlinux-gnueabihf-gcc 交叉编译工具链对代码进行交叉编译，将其移植挂载并运行于ZYNQ 芯片上的PS 端系统中[14]。

4 试验结果

试验采用滤膜称重法，根据GB 5748—85 标准空气中粉尘标准测定方法进行标定，将滤膜法测量仪与本检测系统装置放在相同的环境下，使用高精度的天平对小于0.01 mg 的滤膜进行称重，计算出采样前后的差值，则有：

式中：ρm为质量浓度；m1为采样后质量；m0为采样前质量；Q为气流量；t为采样时间。

根据系统装置的煤尘粒径检测上限，利用煤样筛分设备选出粒度直径小于50 μm 的煤尘微粒并对其进行浓度检测。为了提升测量的精确度，采用中位值平均滤波法，在连续检测到的几个数据中，去掉最大值和最小值后，再求余下数据的平均数，并将式（12）算出的结果与本检测系统的测量结果进行拟合。试验测量值及其拟合度结果见表1。由表1 可知，拟合结果平均值约为91%。