發(fā)布時(shí)間：2017-06-13 22:01

  本文關(guān)鍵詞：基于FPGA的光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：我國(guó)的機(jī)械裝備急需能夠提供多參量、多測(cè)點(diǎn)、穩(wěn)定可靠的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段,光纖光柵傳感器眾多優(yōu)勢(shì)正好為機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了有效的監(jiān)測(cè)途徑。但是,傳統(tǒng)的光纖光柵傳感器解調(diào)設(shè)備,存在體積較大、價(jià)格昂貴,使用條件受限制等不足,而且波長(zhǎng)解調(diào)分辨率等難以滿足機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求,限制了光纖光柵在此領(lǐng)域的工程應(yīng)用。針對(duì)目前光纖光柵傳感器解調(diào)設(shè)備存在的問(wèn)題,研究設(shè)計(jì)了更低成本、便攜化、性能穩(wěn)定的傳感器解調(diào)設(shè)備,通過(guò)比較各種傳感器信號(hào)解調(diào)方案,選擇系統(tǒng)集成度高,環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的線陣CCD光譜成像法作為解調(diào)設(shè)備整體方案,以SOPC作為嵌入式解調(diào)內(nèi)核,構(gòu)建了本課題所需的傳感器解調(diào)系統(tǒng)。本課題設(shè)計(jì)的光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)硬件部分以FPGA為控制電路核心,采用Nios II技術(shù)構(gòu)建軟核微處理器,其結(jié)合了FPGA在邏輯控制方面的優(yōu)勢(shì)和嵌入式軟核強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理能力。在SOPC Builder開(kāi)發(fā)環(huán)境中定制所需的CPU、PIO、存儲(chǔ)器、UART等組件,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)電路、線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路和多通道光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路,并在FPGA中使用Verilog HDL開(kāi)發(fā)了驅(qū)動(dòng)邏輯,實(shí)現(xiàn)了光開(kāi)關(guān)切換、光電轉(zhuǎn)換、光譜信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的功能;解調(diào)系統(tǒng)軟件部分,在Nios II軟件中實(shí)現(xiàn)了高斯擬合尋峰算法和頻譜相關(guān)尋峰算法及其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)解調(diào)方案;開(kāi)發(fā)了LabVIEW上位機(jī)測(cè)試軟件,為解調(diào)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證提供便利。實(shí)驗(yàn)證明,基于FPGA的光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高集成度、高分辨率的解調(diào)系統(tǒng)要求,同時(shí)證明高斯擬合和頻譜相關(guān)這兩種波長(zhǎng)解調(diào)算法都可以達(dá)到精度要求,有效提高了光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)的解調(diào)分辨力,相比之下,頻譜相關(guān)尋峰算法具有更高的穩(wěn)定性,精度也更高,而高斯擬合尋峰算法的優(yōu)勢(shì)在于具有更少的運(yùn)算量。采用頻譜相關(guān)波長(zhǎng)解調(diào)算法,波長(zhǎng)解調(diào)精度達(dá)到了±3pm,光纖光柵溫度傳感器測(cè)溫精度達(dá)到了±0.4℃。這種高集成度、高分辨力的解調(diào)系統(tǒng)將促進(jìn)光纖光柵傳感器在機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：FPGA SOPC 光纖光柵 高斯擬合 頻譜相關(guān)
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TP212
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1. 緒論10-18
• 1.1. 課題研究的背景10
• 1.2. 光纖光柵結(jié)構(gòu)及傳感原理10-13
• 1.2.1. 光纖光柵結(jié)構(gòu)11
• 1.2.2. 光纖光柵傳感原理11-13
• 1.3. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)13-16
• 1.3.1. 光纖光柵傳感器在機(jī)械裝備狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用13-15
• 1.3.2. 光纖光柵傳感器嵌入式解調(diào)平臺(tái)的發(fā)展15-16
• 1.4. 本課題主要研究的內(nèi)容及意義16-18
• 2. 光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)18-32
• 2.1. 光纖光柵傳感器解調(diào)方案對(duì)比與選擇18-22
• 2.1.1. 光纖光柵傳感器解調(diào)方案18-21
• 2.1.2. 光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)21-22
• 2.2. 光纖光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)算法22-26
• 2.2.1. 高斯擬合尋峰算法24-25
• 2.2.2. 頻譜相關(guān)尋峰算法25-26
• 2.3. SOPC嵌入式平臺(tái)簡(jiǎn)介26-31
• 2.3.1. Nios II嵌入式處理器27-28
• 2.3.2. Avalon總線28-29
• 2.3.3. SOPC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程29-31
• 2.4. 本章小結(jié)31-32
• 3. 光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)32-43
• 3.1. 基于SOPC技術(shù)的嵌入式電路整體構(gòu)架32-33
• 3.2. Nios II硬件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)33-39
• 3.2.1. 定制硬件系統(tǒng)33-37
• 3.2.2. 自定義 2-PORT RAM控制器組件37-38
• 3.2.3. 集成Nios II系統(tǒng)到Quartus II工程38-39
• 3.3. A/D數(shù)據(jù)采集及存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)39-40
• 3.4. 線陣CCD驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)40-41
• 3.5. 多通道光開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)41-42
• 3.6. 本章小結(jié)42-43
• 4. 光纖光柵傳感器解調(diào)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)43-55
• 4.1. Nios II軟件設(shè)計(jì)方案43-45
• 4.1.1. Nios II EDS嵌入式設(shè)計(jì)包43
• 4.1.2. HAL系統(tǒng)庫(kù)43-45
• 4.2. Nios II嵌入式軟件設(shè)計(jì)45-47
• 4.3. 波長(zhǎng)解調(diào)算法的實(shí)現(xiàn)47-54
• 4.3.1. 高斯擬合尋峰算法軟件設(shè)計(jì)48-49
• 4.3.2. 頻譜相關(guān)尋峰算法軟件設(shè)計(jì)49-52
• 4.3.3. 像素點(diǎn)位置與中心波長(zhǎng)值轉(zhuǎn)換52-54
• 4.4. 本章小結(jié)54-55
• 5. 系統(tǒng)測(cè)試與分析55-64
• 5.1. Lab VIEW上位機(jī)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)55-58
• 5.1.1. Lab VIEW簡(jiǎn)介55-56
• 5.1.2. 上位機(jī)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)56-58
• 5.2. 測(cè)試結(jié)果與分析58-64
• 5.2.1. 光纖光柵傳感器波長(zhǎng)解調(diào)實(shí)驗(yàn)58-61
• 5.2.2. 光纖光柵溫度傳感器實(shí)驗(yàn)61-64
• 6. 結(jié)論與展望64-66
• 6.1. 總結(jié)64-65
• 6.2. 展望65-66
• 附錄1 尋峰算法相關(guān)程序66-70
• 附錄2 PCB圖70-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 攻讀碩士學(xué)位期間取得的研究成果76-77
• 致謝77-78

【參考文獻(xiàn)】

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