基于FPGA的腔衰荡信号采集与处理系统的设计和实现

发布时间：2017-06-08 10:00

  本文关键词：基于FPGA的腔衰荡信号采集与处理系统的设计和实现，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：腔衰荡光谱(Cavity ringdown spectroscopy, CRDS)技术是一种不受光源起伏影响、可自定标、可绝对定量测量、新颖的吸收光谱检测技术,已广泛应用于痕量气体浓度检测等领域。而准确、快速采集与处理腔衰荡信号是腔衰荡光谱技术定量探测气体浓度的基础,因此,需要研制一种适用用于腔衰荡信号的数据采集与处理系统。FPGA(Field Programmable Gate Array)是一种密度高、集成度高的可编程逻辑阵列,具有强大的在系统编程和并行数据处理能力；USB2.0是一种高速、串行数据通信标准,具有造价低、数据传输速度怏、支持热插拔的性能。基于此,本文设计了一种基于FPGA的腔衰荡信号采集与处理系统。系统以FPGA作为：主控制器。首先系统通过FPGA内部的高速AD接口模块,控制AD采集腔衰荡信号并缓存至FPGA:通过数据累加平均处理模块,对连续采集的多个腔衰荡信号数据进行对应点累加平均处理；通过USB2.0接口模块将处理后的有效腔衰荡信号数据和用于判断衰荡腔中有无气体吸收的命令信息数据写入USB2.0芯片。然后由上位机软件通过数据接收线程实时监测,接收经USB2.0总线传输来的数据并对数据进行整合；通过接收到的命令信息判断接收到的有效CRDS信号数据是在衰荡腔中有气体吸收还是无气体吸收时获得的,并分别保存数据,选择合适的点拟合数据得到腔衰荡时间。最终通过分别得到衰荡腔中有无气体吸收时的腔衰荡时间推导出衰荡腔中待测气体的浓度。论文首先介绍了腔衰荡信号的基础理论和实验室搭建好的腔衰荡系统,并在此基础上,给出了系统的总体设计方案；接着设计了系统的硬件电路,包括电源供电电路、FPGA外围电路、模拟信号调理电路、高速AD接口电路以及USB2.0接口电路等；然后重点介绍了FPGA内部数字逻辑设计,在说明了FPGA设计方法和开发步骤的基础上,采用VerilogHDL语言完成了FPGA主要程序模块的设计和仿真；再接着给出了系统的软件设计,主要介绍了实现USB2.0与上位机通信的固件程序、驱动程序以及上位机应用程序开发等；最后,通过软硬件联调对系统进行了功能和性能测试,并应用于实验室搭建的腔衰荡系统中进行实际腔衰荡信号采集和处理测试。
【关键词】：腔衰荡光谱技术 数据采集与处理 FPGA USB2.0 上位机软件
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP274.2;TN791
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-14
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 国内外研究历史和现状11-13
• 1.2.1 国内外腔衰荡光谱技术的研究历史和现状11-12
• 1.2.2 国内外数据采集系统的发展现状12-13
• 1.3 本论文的内容安排13-14
• 第2章 系统的总体设计14-22
• 2.1 腔衰荡信号的基础理论14-17
• 2.1.1 CRDS技术测量原理14-16
• 2.1.2 CRDS信号特征16-17
• 2.2 实验室搭建的CRDS系统简介17-18
• 2.3 腔衰荡信号采集与处理系统的总体设计18-22
• 2.3.1 系统性能参数设计要求18-19
• 2.3.2 系统总体结构框图19-22
• 第3章 系统的硬件电路设计22-38
• 3.1 高速AD接口电路设计22-24
• 3.1.1 AD芯片选择22-23
• 3.1.2 高速AD接口电路23-24
• 3.2 CRD8模拟信号调理电路设计24-25
• 3.3 USB2.0接口电路设计25-28
• 3.3.1 USB2.0芯片25-26
• 3.3.2 USB2.0芯片接口电路26-28
• 3.4 FPGA外围电路设计28-34
• 3.4.1 Cyclone Ⅲ系列FPGA器件介绍28-31
• 3.4.2 FPGA配置电路31-32
• 3.4.3 FPGA时钟和复位电路32-33
• 3.4.4 FPGA的I/O分配电路33-34
• 3.5 系统电源电路设计34-38
• 3.5.1 数字电源电路34-35
• 3.5.2 模拟电源电路35-38
• 第4章 系统FPGA数字逻辑设计38-60
• 4.1 FPGA设计方法和开发流程38-41
• 4.2 FPGA数字逻辑总体设计41-45
• 4.3 各功能模块的设计和仿真45-60
• 4.3.1 AD采集控制模块45-48
• 4.3.2 数据对应点累加平均处理模块48-53
• 4.3.3 USB数据传输控制模块53-57
• 4.3.4 整个FPGA数字逻辑原理图及其仿真57-60
• 第5章 上位机软件设计60-68
• 5.1 USB通信过程60-61
• 5.2 USB2.0固件程序61-64
• 5.3 USB2.0驱动程序64-65
• 5.4 上位机应用程序65-68
• 第6章 系统测试68-74
• 6.1 系统功能和性能测试68-71
• 6.2 系统实际应用测试71-74
• 第7章 总结和展望74-76
• 7.1 总结74
• 7.2 展望74-76
• 参考文献76-80
• 致谢80-82
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果82

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 ;《数据采集与处理》已成立第五届编委会[J];数据采集与处理;2000年03期

2 ;数据采集与处理2005年(第20卷1一4期)总目次[J];数据采集与处理;2005年04期

3 ;降低数据采集的成本[J];电子测量技术;2005年01期

4 谷波;;数据采集积极性不高[J];施工企业管理;2012年04期

5 ;致谢[J];数据采集与处理;2012年06期

6 ;数据采集与处理2012年(第27卷1～6期)总目次[J];数据采集与处理;2012年06期

7 王丽;;通信计费数据采集网络的模式探讨[J];科技传播;2013年09期

8 ;《数据采集与处理》1987年总目录[J];数据采集与处理;1987年03期

9 ;《数据采集与处理》1988年总目录[J];数据采集与处理;1988年03期

10 ;1995年《中国电子科技文摘》收录1994年《数据采集与处理》文摘情况[J];数据采集与处理;1996年02期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 陈福;周树杰;林小竹;杨跃翔;;应用嵌入式系统进行数据采集的研究[A];2004全国测控、计量与仪器仪表学术年会论文集（下册）[C];2004年

2 王艳萍;李道武;章志明;李可;陈亚微;高俊雄;单保慈;魏龙;;用于小动物PET的数据采集和符合系统[A];第九届全国正电子谱学会议论文集[C];2005年

3 陈青;;侦听模式在数据采集中的应用[A];中国计量协会冶金分会2007年会论文集[C];2007年

4 蔡尹楚;王立校;;多种新型数据采集方式在化工企业能源数据采集中的组合应用[A];中国计量协会冶金分会2014年会暨能源计量与绿色冶金论坛论文集[C];2014年

5 周威;陈五一;;切削数据采集研究[A];大型飞机关键技术高层论坛暨中国航空学会2007年学术年会论文集[C];2007年

6 王磊;马婉丽;姚成虎;;U盘功能在数据采集仪器中的应用和设计[A];第二届全国信息获取与处理学术会议论文集[C];2004年

7 王泽保;;智能化数据采集记录仪[A];1996年中国智能自动化学术会议论文集（下册）[C];1996年

8 迟晓珠;王劲松;;三维加速度数据采集及通讯系统[A];2000全国力学量传感器及测试、计量学术交流会论文集[C];2000年

9 孙嘉兴;刘艳侠;;数据采集中微弱信号处理[A];中国仪器仪表学会第三届青年学术会议论文集（下）[C];2001年

10 华泽玺;王长林;肖鹏;;改善传统通信模式提高数据采集的实时性[A];四川省通信学会2004年通信技术论文集(一)[C];2004年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 浙江省杭州市桐庐县烟草专卖局（分公司） 张韬;客户经理数据采集“小贴士”[N];东方烟草报;2011年

2 佟伟;做好数据采集 强化税收征管[N];长白山日报;2005年

3 葛学忠;我州旅游数据采集任务如期完成[N];民族日报;2008年

4 记者 温跃邋朱锋 通讯员 姜春;人行威海中心支行创新贷款数据采集流程见实效[N];金融时报;2008年

5 刘亚迅　特约记者 方立华;数据采集表评判训练短长[N];解放军报;2010年

6 胡涛;源头数据采集单轨运行[N];中国石化报;2010年

7 王显锋;兰西国税局力争数据采集“开门红”[N];黑龙江经济报;2005年

8 孙红伟 特约记者 程永亮;34个数据采集组嵌入演练场[N];解放军报;2012年

9 张黎明 马敬辉;让胡路国税局做好动态数据采集准备工作[N];黑龙江经济报;2005年

10 张黎明 马敬辉;让胡路国税局动态数据采集进展顺利[N];黑龙江经济报;2005年

中国博士学位论文全文数据库 前6条

1 邵苏杰;面向智能配用电网数据懫集的流量调度机制[D];北京邮电大学;2015年

2 马英杰;基于3GS的核勘查数据采集及处理系统研究[D];成都理工大学;2010年

3 齐林;面向可追溯的物联网数据采集与建模方法研究[D];中国农业大学;2014年

4 刘传波;列车纵向冲动的机理研究及检测仪器的开发[D];武汉理工大学;2009年

5 牛田野;特殊等离子体环境物理信息获取与处理的研究[D];中国科学技术大学;2008年

6 李忠龙;基于现有传感器的桥梁无线检测技术的研究[D];哈尔滨工业大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 胡延凯;公共建筑能耗数据懫集与信息处理一体化集成技术研究[D];山东建筑大学;2015年

2 张丽萍;雷电三维电场数据采集与分析[D];南京信息工程大学;2015年

3 张元;物流运输跟踪数据采集与可视化监控的研究与实现[D];西南交通大学;2015年

4 吴涛;基于宽带卫星的海洋海事信息数据懫集装置研发[D];集美大学;2015年

5 梁佩;实时数据采集系统方案设计与实现[D];西南交通大学;2015年

6 李晓红;基于SOA架构的中职教育数据采集与KPI决策支持系统的构建[D];复旦大学;2013年

7 徐硕硕;基于LabVIEW的燃气能源瞬态数据采集与处理[D];北华航天工业学院;2015年

8 隋玉涛;惠民县民生信息数据采集与分析系统的设计与实现[D];山东大学;2015年

9 李彬雅;基于智能手机的泊车位判寻系统设计[D];福建师范大学;2015年

10 王政;4通道数据采集中频接收机的设计和实现[D];哈尔滨工业大学;2015年

  本文关键词：基于FPGA的腔衰荡信号采集与处理系统的设计和实现，由笔耕文化传播整理发布。

，

本文编号：432108