本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的腔衰蕩信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：腔衰蕩光譜(Cavity ringdown spectroscopy, CRDS)技術(shù)是一種不受光源起伏影響、可自定標(biāo)、可絕對(duì)定量測(cè)量、新穎的吸收光譜檢測(cè)技術(shù),已廣泛應(yīng)用于痕量氣體濃度檢測(cè)等領(lǐng)域。而準(zhǔn)確、快速采集與處理腔衰蕩信號(hào)是腔衰蕩光譜技術(shù)定量探測(cè)氣體濃度的基礎(chǔ),因此,需要研制一種適用用于腔衰蕩信號(hào)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。FPGA(Field Programmable Gate Array)是一種密度高、集成度高的可編程邏輯陣列,具有強(qiáng)大的在系統(tǒng)編程和并行數(shù)據(jù)處理能力；USB2.0是一種高速、串行數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn),具有造價(jià)低、數(shù)據(jù)傳輸速度怏、支持熱插拔的性能。基于此,本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的腔衰蕩信號(hào)采集與處理系統(tǒng)。系統(tǒng)以FPGA作為：主控制器。首先系統(tǒng)通過(guò)FPGA內(nèi)部的高速AD接口模塊,控制AD采集腔衰蕩信號(hào)并緩存至FPGA:通過(guò)數(shù)據(jù)累加平均處理模塊,對(duì)連續(xù)采集的多個(gè)腔衰蕩信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)應(yīng)點(diǎn)累加平均處理；通過(guò)USB2.0接口模塊將處理后的有效腔衰蕩信號(hào)數(shù)據(jù)和用于判斷衰蕩腔中有無(wú)氣體吸收的命令信息數(shù)據(jù)寫(xiě)入U(xiǎn)SB2.0芯片。然后由上位機(jī)軟件通過(guò)數(shù)據(jù)接收線程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),接收經(jīng)USB2.0總線傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合；通過(guò)接收到的命令信息判斷接收到的有效CRDS信號(hào)數(shù)據(jù)是在衰蕩腔中有氣體吸收還是無(wú)氣體吸收時(shí)獲得的,并分別保存數(shù)據(jù),選擇合適的點(diǎn)擬合數(shù)據(jù)得到腔衰蕩時(shí)間。最終通過(guò)分別得到衰蕩腔中有無(wú)氣體吸收時(shí)的腔衰蕩時(shí)間推導(dǎo)出衰蕩腔中待測(cè)氣體的濃度。論文首先介紹了腔衰蕩信號(hào)的基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)室搭建好的腔衰蕩系統(tǒng),并在此基礎(chǔ)上,給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案；接著設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件電路,包括電源供電電路、FPGA外圍電路、模擬信號(hào)調(diào)理電路、高速AD接口電路以及USB2.0接口電路等；然后重點(diǎn)介紹了FPGA內(nèi)部數(shù)字邏輯設(shè)計(jì),在說(shuō)明了FPGA設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)步驟的基礎(chǔ)上,采用VerilogHDL語(yǔ)言完成了FPGA主要程序模塊的設(shè)計(jì)和仿真；再接著給出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì),主要介紹了實(shí)現(xiàn)USB2.0與上位機(jī)通信的固件程序、驅(qū)動(dòng)程序以及上位機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等；最后,通過(guò)軟硬件聯(lián)調(diào)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了功能和性能測(cè)試,并應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室搭建的腔衰蕩系統(tǒng)中進(jìn)行實(shí)際腔衰蕩信號(hào)采集和處理測(cè)試。
【關(guān)鍵詞】：腔衰蕩光譜技術(shù) 數(shù)據(jù)采集與處理 FPGA USB2.0 上位機(jī)軟件
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP274.2;TN791
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 緒論10-14
• 1.1 研究背景及意義10-11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究歷史和現(xiàn)狀11-13
• 1.2.1 國(guó)內(nèi)外腔衰蕩光譜技術(shù)的研究歷史和現(xiàn)狀11-12
• 1.2.2 國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀12-13
• 1.3 本論文的內(nèi)容安排13-14
• 第2章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)14-22
• 2.1 腔衰蕩信號(hào)的基礎(chǔ)理論14-17
• 2.1.1 CRDS技術(shù)測(cè)量原理14-16
• 2.1.2 CRDS信號(hào)特征16-17
• 2.2 實(shí)驗(yàn)室搭建的CRDS系統(tǒng)簡(jiǎn)介17-18
• 2.3 腔衰蕩信號(hào)采集與處理系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)18-22
• 2.3.1 系統(tǒng)性能參數(shù)設(shè)計(jì)要求18-19
• 2.3.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖19-22
• 第3章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)22-38
• 3.1 高速AD接口電路設(shè)計(jì)22-24
• 3.1.1 AD芯片選擇22-23
• 3.1.2 高速AD接口電路23-24
• 3.2 CRD8模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)24-25
• 3.3 USB2.0接口電路設(shè)計(jì)25-28
• 3.3.1 USB2.0芯片25-26
• 3.3.2 USB2.0芯片接口電路26-28
• 3.4 FPGA外圍電路設(shè)計(jì)28-34
• 3.4.1 Cyclone Ⅲ系列FPGA器件介紹28-31
• 3.4.2 FPGA配置電路31-32
• 3.4.3 FPGA時(shí)鐘和復(fù)位電路32-33
• 3.4.4 FPGA的I/O分配電路33-34
• 3.5 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)34-38
• 3.5.1 數(shù)字電源電路34-35
• 3.5.2 模擬電源電路35-38
• 第4章 系統(tǒng)FPGA數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)38-60
• 4.1 FPGA設(shè)計(jì)方法和開(kāi)發(fā)流程38-41
• 4.2 FPGA數(shù)字邏輯總體設(shè)計(jì)41-45
• 4.3 各功能模塊的設(shè)計(jì)和仿真45-60
• 4.3.1 AD采集控制模塊45-48
• 4.3.2 數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)累加平均處理模塊48-53
• 4.3.3 USB數(shù)據(jù)傳輸控制模塊53-57
• 4.3.4 整個(gè)FPGA數(shù)字邏輯原理圖及其仿真57-60
• 第5章 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)60-68
• 5.1 USB通信過(guò)程60-61
• 5.2 USB2.0固件程序61-64
• 5.3 USB2.0驅(qū)動(dòng)程序64-65
• 5.4 上位機(jī)應(yīng)用程序65-68
• 第6章 系統(tǒng)測(cè)試68-74
• 6.1 系統(tǒng)功能和性能測(cè)試68-71
• 6.2 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試71-74
• 第7章 總結(jié)和展望74-76
• 7.1 總結(jié)74
• 7.2 展望74-76
• 參考文獻(xiàn)76-80
• 致謝80-82
• 在讀期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與取得的研究成果82

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6 胡濤;源頭數(shù)據(jù)采集單軌運(yùn)行[N];中國(guó)石化報(bào);2010年

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本文編號(hào)：432108