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探究对高精度矿用粉尘监测系统数据采集模块的设计
摘要：为了防止发生煤矿粉尘爆炸，改善工人的工作环境，针对粉尘监测系统的高精度要求，对其数据采集模块进行设计。数据采集模块选用芯片AD8249构成差分输入信号电桥电路，能够进行温度补偿，消除温度波动引起的粉尘传感器输出电压误差，采用低频测量A/D转换器Σ-ΔADC芯片AD7712实现对粉尘传感器探头的高精度采集，再对采集的数据进行傅里叶变换，进一步提高精度。测试结果表明，该方案有效且可行，提高了粉尘监测系统的测量精度，具有一定的实用性。
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引言
随着煤矿井下机械化程度不断提高，粉尘污染越来越严重，实时监测粉尘浓度、及时通风除尘可有效防止发生粉尘爆炸，改善人员工作环境。随着电子技术的发展，煤矿井下对粉尘监测系统的数据采集速度和精度有了更高的要求。粉尘监测系统的精度往往会受到粉尘传感器及模数转换器（ADC）性能的影响。目前使用的粉尘传感器大多运用光学原理或者静电感应原理设计，在采集微小电压信号进行放大时，煤矿井下的复杂环境导致的温度波动会对电压信号的放大稳定性及系统测量精度产生影响，且存在设备的免维修时间短、设备维修较为复杂等问题。
为解决煤矿井下粉尘监测系统精度不高的问题，文献[5,6]中提到运用静电感应原理对粉尘浓度进行测量，传感器探头测到带电的粉尘会出现微弱的电信号，检测到粉尘的浓度情况，若不考虑外界干扰，该方案有很好的效果，但外界干扰必不可少，粉尘携带的极其微小的电荷量使得粉尘传感器在出现少量噪声的情况下监测电压不稳定；文献[7,8]中提到了基于单片机的空气粉尘监测系统，但其主要用于室内和户外的空气质量（主要是PM2.5）的监测。随着数字传感器实时性、稳定性的不断提高，可将数字传感器用于煤矿粉尘监测系统。
1、数据采集模块硬件电路设计
数据采集模块完成对煤矿井下粉尘浓度的精准采样，主要由模拟开关、基于AD8429的温度补偿电路、高精度数模转化及串并转换电路组成，如图1所示。由粉尘传感器输出的两路低频模拟电信号经模拟开关校准，差分输入至超低噪声仪表放大器AD8429构成的电路中进行温度补偿，后送入AD7712，由AD7712转换器转换为数字量，再经24位串并转换与处理器完成通信。
图1数据采集模块结构框
1.1温度补偿电路的设计
温度补偿电路用来精准测量数据采集点周围及芯片AD8249的温度，计算出衰减倍数，进行温度补偿，消除温度波动引起粉尘传感器输出电压的误差。
温度补偿电路如图2所示，首先是一个电桥电路，电路采用差分输入方案，将粉尘传感器采集到的两路电压信号（分别为V1、V2）经模拟开关后求差值作为单端信号，即V1-V2，电桥电路是由2个Pt100和2个电阻（温度系数极小）组成，其中一个Pt100测试粉尘的热端，另一个测试其冷端，为了满足Pt100自身的温度补偿，按照其规律放置。为了避免整个数据采集模块工作电压出现不稳定的现象，满足电桥电压与AD7712的基准电压使用同源电压的要求。
根据测得的温度信号，采用两级放大电路（放大倍数为2500）将其放大至有效范围。在该放大电路中，采用了AD8429和OP07（低噪声、低温漂及低失调电压）芯片，其中AD8429在周围环境为-40～125℃内测量到极其微小的噪声信号，具有高精度的直流性能，CMRR=90dB（最小值，差动放大增益G=1），且G增大，CMRR也增大。
公式1
公式2
公式3
式（1）中RC为增益反馈电阻，要求选用热噪音小的电阻。式（2）是第一级放大电路的输出电压。式（3）是第二级放大电路的输出电压，电路为同向比例放大。
图2温度补偿电路
温度补偿电路的核心部分是图2虚线框内的电路，其分为两部分，电阻分压电路和电压衰减电路（即用OP07构成的反向比例放大电路）。电阻分压电路由一个大阻值滑动电阻、Pt100（与AD8429粘贴）和两个定值电阻构成，选用温度系数为5ppm/℃的电阻。其中VCC=15，其输出电压：
公式4
电压衰减电路的输出电压为：
公式5
由式（1）至（5）可知，补偿后的输出电压为：
公式6
运用MATLAB绘制出温度补偿电路的温漂曲线图，找到两级输出为0的所对应的临界温度，计算出温度补偿电路电压衰减倍数。
1.2A/D转化方案
AD7712是一种低频测量高精度A/D转换器，图3为AD7712的管脚图，其内置2个模拟输入通道的CMOS，可利用Σ-Δ技术对噪声进行整型，提供16位精度（0.0015%FSR）、24位无失码性能。AD7712转换器的采样速率由主时钟fCLKIN决定，在对电压输入信号进行连续采样时速率可高达20kHz以上。AD7712在通电的情况下，由RFS、SCLK控制，对输入的电压信号进行连续采样，经Σ-ΔADC转化为数字信号。AD7712内置的数字低通滤波器完成数字信号的低通滤波和抽取任务，然后以固定的速率对24位数据进行更新，输送至寄存器。寄存器中的数据按内部时钟模式从双向串行口随机读取，在开始数字周期时，确认RFS的状态，如果为低电平，激活SCLK，从SDATA管脚把寄存器中的现行数据输出，先MSB后LSB，完成后，DYDR信号转为高电平，SDATA和DYDR均为三态输出，在采集过程中成功实现了数据的转化。
图3AD7712管脚图
2、快速傅里叶变换（FFT）数据处理方案
FFT是数字信号处理中常见的算法之一，其目的是把信号由时域变换至频域进行分析处理，在通过逆变换到时域。采用基于2-FFT时间抽取算法，假设序列X(n）的长度N=2m(m为整数），按奇偶抽取分为短序列，以最小运算单位为点，又可称作基，把N点离散傅里叶变换（DFT）分为两组，即点计算，最终求和。下面假设N为2的整数次方，把X(n）分解成下式：
公式7
以2a表示偶数，表示奇数，那式（7）可变换为：
公式8
式（8）中：
表达式
以上述方法类推，把每个的DFT分解为的DFT……，便形成了基于2-FFT时间抽取算法，这种算法可使乘法次数减少，提高运算速度。
由于FFT算法的数据输入要把经A/D转化过的信号经过归一化处理，所以首先根据式（9）把数字量转化为模拟量，然后按照式（10）进行归一化，将V归一限制在-1～1。
公式9
公式10
采样点数越多，FFT计算精度就会越高，但计算量也会增大，故要选择合适的采样点数。
3、实验结果分析
在AD8429的输入端输入0，在不同温度下，用两级放大电路对输入电压进行放大后采集，进行2次试验，每次采集100个点，用MATLAB进行曲线拟合，完成后，加入温度补偿电路，拟合曲线差别如图4所示，可以看出加入补偿电路后温度的干扰明显降低了。
图4补偿效果
对模拟环境下不同程度的粉尘浓度进行数据采集和处理，完成快速傅里叶变换（FFT）后，结果见表1，测量数据校准后，和标准值更接近且误差较小，表明本文设计的数据采集模块满足煤矿井下对粉尘浓度高精度测量的要求。
4、结语
针对煤矿粉尘浓度过高易产生危险爆炸的问题，本文在设计高精度粉尘监测数据采集模块问题上，详细介绍了数据采集模块硬件电路设计、温度补偿电路的设计、使用低频测量高精度转换器AD7712进行A/D转换及傅里叶变换过程，结合对应的应用软件对采集数据进行分析处理，提高了数据采集的效率及精确度。
表1实验校准对比
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