摘要：針對噴油器霧化粒徑測量系統實時數據處理的特點，將FPGA技術與DSP技術相結合，研究一種基于FPGA和DSP的電控噴油器粒徑檢測系統;為滿足動態測量的要求，設計了應用高性能的多路開關和超低輸入偏置電流運放的多通道微電流高速采集板;詳細介紹了檢測系統中基于FPGA和DSP的軟硬件設計和工作原理;設計了基于R-R分布的粒徑反演算法，并給出了一個簡單的測試實例;反演結果為尺寸參數X=49.15μm，分布參數N=1.96，擬合誤差f=0.00384，符合對噴油器噴霧的預期估計，驗證了系統的有效性。

　　0、引言

　　在電控汽油噴射系統中，噴油器的噴霧特性對發動機的燃燒過程有著重要的影響。電控汽油機在工作過程中，控制器依據發動機的運行狀態，控制噴油器噴出適量的燃油以滿足發動機工況的要求。油滴顆粒直徑直接影響著混合氣的形成質量，因此需要對粒徑進行精確測試。光學法已被確認為是一種先進的、最具有廣泛發展前景的測粒方法。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，所以有必要設計一個適用于激光粒度測試儀的多通道高速數據采集電路。

　　FPGA可以隨時通過對外加或內置的RAM或EPROM編程改變器件的功能，已逐步成為復雜數字硬件電路設計的首選。目前大規模FPGA多數支持可編程片上系統（SOPC），與CPU或DSPCore的有機結合使FPGA不僅是傳統硬件電路設計手段，而且逐步升華為系統級實現工具。由于FPGA具有可重復編程、可在線調試、邏輯資源豐富、設計周期短等優點，使得它非常適合用在各類數據接口和通訊協議的實現上。根據技術指標的高速采集要求，多通道數據的緩存是必須的，包括A/D采樣數據的緩存，數據實時傳輸到處理器的緩存等，如果用其它傳統的設計方法，勢必增加了FIFO存儲器，從而接口時序復雜，系統的可靠性很難保證，FPGA提供了豐富的RAM資源，只要合理配置，能提高系統的整體可靠性和穩定性，再加上其在線可編程功能，系統的靈活性和適應性要求也得到了保證。本文所設計的系統采用FPGA（EP2C70F672C8）作為主控制器，實現系統中所需要的數字邏輯，利用DSP進行快速數據處理，從而實現電控噴油器粒徑的快速檢測。

　　1、粒徑檢測原理

　　1976年，Swithenbank等人發表了基于Fraunhofer衍射原理的激光微粒測量方法［3］。根據弗朗和費衍射理論，假設噴霧中被測區域中同時有N個粒徑為D的顆粒存在，則在第n個光環上所接收到的光能量將是一個顆粒時的N倍。進一步推論可得，當顆粒群中粒徑為Di的顆粒共有Ni個時，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（環半徑從Sn到Sn+1），對應的散射角從θn到θn+1接收到的激光衍射光能量為：

　　本文使用的現場激光粒度儀共有31個有效光能環，被測顆粒區間可按下式確定：

　　πDiSi/λf=1.357，i=1，2，3，…，31（2）

　　式中，I0為平行光入射光強度，J0為零階Bessel函數，J1為一階Bessel函數，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為顆粒物質的密度，f是接收透鏡的焦距。

　　假設31個顆粒粒徑區間中第n個區間上限為Dn，區間下限為Dn+1。則每個區間的顆粒粒徑典型值取該粒級的算術平均值：Di=（Dn+Dn+1）/2，只要測出31個探測器環上的光能分布，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。

　　本文以夫朗和費衍射理論為指導設計的激光粒度測量系統，其原理是根據不同粒徑的顆粒產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同心圓環光電探測器接收后轉換成電信號，經放大和A/D轉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，本文設計的儀器測量范圍是6～360μm。

　　圖1電控噴油器粒度檢測系統原理圖