基于FPGA的二维光谱数据处理系统

发布时间：2019-10-16 12:50

【摘要】：在影响冶金水平的诸多因素中,合金成分的精确控制是主要因素之一,所以冶金分析对于金属冶炼非常重要。但是在二十一世纪,冶金分析需要面临原位状态定量、复杂体系痕量分析和在线分析这三大问题。在这三大问题中的重点是在线实时分析。目前国内外的钢铁冶炼主要是采用炉前分析,采用直读光谱仪等进行临线监测,并没有完全实现钢铁冶炼的实时在线监测。而激光诱导等离子体光谱技术(Laser Induced Plasma Spectroscopy,LIPS),是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种定量分析技术,它主要应用于实时检测钢水中金属的成分。而且因为LIPS具有远程检测和在线检测的特点,使得它应用于钢水成分检测时,既能有效的缩短检测时间,还能够大大降低成本,节约能源,改善品质,还可以提高生产速度,增加冶金产量,同时为冶炼工艺改进提供契机。所以对光谱图像数据的高速实时处理和分析,对该技术应用成功非常关键。现场可编程门阵列(FPGA)因为其非常高的动态配置灵活性,而且处理运算速度非常快,所以很适合用于实时的图像处理。正因为如此,所以基于FPGA的图像处理系统在数字系统研究领域一直比较热门,应用非常广泛。为满足LIPS技术应用设备的速度要求,本文研究一种基于FPGA的二维光谱数据处理系统。本文采用ALTERA公司生产的高性能的Cyclone IV系列的FPGA芯片作为图像处理系统的主控芯片,数据传输时采用具有高速传输能力USB2.0芯片,使用DDR2 SDRAM来进行光谱图像数据的存储,以此来构建一种基于FPGA的二维光谱数据处理系统,实现光谱图像的高速实时处理。本文详细分析了各个模块的工作原理、通信特点和设计要求,并在此基础上进行了各个模块的设计。然后使用Verilog HDL硬件描述语言在Quartus II 11.0软件平台上实现了包括图像采集模块、图像存储模块和数据处理模块这些模块的功能。在借助EDA工具对这些结果进行分析和调试,最后达到系统设计要求。在进行光谱图像数据处理时,使用CORDIC算法进行三角函数实现来辅助谱图还原算法进行光谱图像数据的处理,把二维光谱图像数据还原成一维光谱信息,为LIPS项目中钢水的金属成分分析提供便利。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN791;TP274

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本文编号：2549995