便携式光栅光谱测量系统的研究
发布时间：2021-10-21 14:04
光谱仪器是开展光谱学研究和分析物质组成成分的重要装置。伴随着现代光谱学和电子学技术的发展,光谱仪器已广泛用于军事侦察、宇宙探索、资源探测、环境保护等领域。在航空遥感、地质勘探等使用空间受限以及需要现场实时检测应用场合,传统体积庞大、结构复杂的光谱仪器将很难甚至不能使用。因此,小体积、嵌入式一体化光谱测量仪器的开发成为业界的研究热点。本文在研究光栅分光、线阵CCD光谱测量、光谱信号滤波及光谱波长标定技术的理论基础上,采用平面光栅,结合凹面反射镜设计对称式Czerny-Turner光学结构,形成系统的小体积光机结构。以现场可编程门阵列（FPGA）技术为基础,采用硬件描述语言Verilog,在Quartus-II平台上实现了线阵CCD TCD1304AP的驱动时序、光谱信息采集过程控制、光谱数据信息存储与USB传输读写控制时序的功能仿真,并移植到EP4CE15F17C8 FPGA中。光谱数据采集单元选用内部带有采样保持器的12位高分辨率A/D,满足了CCD测量信号的量化需求,并简化了外围电路设计。文中设计了异步FIFO数据存储单元协调数据采集速度和USB总线的数据传输速度,解决两个不同时钟域...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 光谱测量系统的研究背景及意义
1.2 光谱测量系统的国内外研究现状
1.3 本论文所做的主要工作
第二章 光栅光谱测量系统相关理论研究
2.1 光谱仪器种类
2.1.1 基于工作原理的分类
2.1.2 基于探测器的分类
2.2 线阵CCD光谱测量原理
2.2.1 CCD光谱测量的基本原理
2.2.2 CCD的工作原理
2.2.3 线阵CCD的性能指标
2.3 光谱测量系统波长定标技术研究
2.3.1 线性插值拟合的方法定标
2.3.2 高阶多项式拟合定标
第三章 便携式光栅光谱测量系统总体设计
3.1 便携式光栅光谱测量系统的框架
3.2 光学分光单元设计
3.2.1 光栅分光原理
3.2.2 光谱测量系统的性能参数
3.2.3 分光光路设计
3.3 光谱采集和处理单元设计
3.3.1 线阵CCD TCD1304AP
3.3.2 CCD驱动电路设计
3.3.3 模拟信号预处理电路设计
3.3.4 A/D采样电路设计
3.3.5 USB数据传输电路设计
3.3.6 FPGA核心电路设计
3.4 数据处理和显示单元设计
3.4.1 嵌入式信息处理中心硬件平台设计
3.4.2 显示及触摸屏电路设计
3.5 供电电源电路设计
3.6 本章小结
第四章 光谱信号滤波方法的FPGA实现
4.1 光谱数据预处理
4.1.1 FIR数字滤波器的算法原理
4.1.2 FIR数字滤波器的线性相位条件
4.1.3 FIR数字滤波器的设计方法
4.2 FIR滤波算法的FPGA实现
4.3 本章小结
第五章 便携式光栅光谱测量系统的软件设计及调试
5.1 系统软件总体设计
5.2 基于FPGA的逻辑设计
5.2.1 FPGA设计简介
5.2.2 CCD驱动时序设计
5.2.3 A/D驱动控制软件设计
5.2.4 数据采集和存储软件设计
5.2.5 USB数据传输软件设计
5.3 嵌入式信息处理中心软件平台设计
5.3.1 嵌入式linux系统开发简介
5.3.2 搭建嵌入式Linux开发平台
5.3.3 人机交互界面设计及实现
5.3.4 软件界面功能模块的设计及实现
5.4 光谱数据处理
5.4.1 波长定标
5.4.2 光谱数据有效性处理
5.4.3 光谱曲线的平滑
5.5 调试及测量结果分析
5.5.1 系统实现
5.5.2 系统调试
5.5.3 测量结果分析
5.6 本章小结
总结
致谢
参考文献
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种在FPGA上实现的FIR滤波器的资源优化算法[J]. 曲仕茹,彭纪昌. 电子设计工程. 2013(14)
[2]基于FPGA的异步FIFO的研究和设计[J]. 程光伟,刘大伟. 工业仪表与自动化装置. 2013(02)
[3]ARM-Linux嵌入式系统的Boot Loader分析与设计[J]. 王世阳,余学才,梁锡宁,陈涛,朱良销,苏柯. 现代电子技术. 2010(22)
[4]基于分布式算法和查找表的FIR滤波器的优化设计[J]. 杨洪军,王振友. 山东理工大学学报(自然科学版). 2009(05)
[5]嵌入式Linux在专用通信设备中的移植方法研究[J]. 王子良,李春苗,叶永平. 飞行器测控学报. 2009(01)
[6]基于FPGA的16阶FIR滤波器的设计与实现[J]. 张海军. 安徽大学学报(自然科学版). 2009(01)
[7]PORS-15便携式光谱仪研制及其应用[J]. 马放均,陈联明,李东明. 现代科学仪器. 2008(04)
[8]U-Boot在S3C2440上的移植方法[J]. 张徽,张华春. 电子器件. 2007(04)
[9]试论科学仪器小型化发展[J]. 范世福. 现代科学仪器. 2007(05)
[10]基于流接口驱动模型设计USB设备的驱动程序[J]. 赵洪杰,刘琳岚. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2007(02)
博士论文
[1]微型光谱仪关键技术及其应用研究[D]. 刘康.浙江大学 2013
硕士论文
[1]线阵CCD光谱仪数据采集和处理方法研究[D]. 陈平.天津理工大学 2013
[2]基于FPGA的高速信号采集系统设计[D]. 甘定定.云南大学 2012
[3]基于FPGA的FIR数字滤波器实现[D]. 刘福泉.北京邮电大学 2012
[4]基于Qt的嵌入式GUI的研究与实现[D]. 黄超.吉林大学 2011
[5]基于S3C2440平台的Linux系统移植[D]. 杨星.北京交通大学 2011
[6]基于Qt的嵌入式Linux系统GUI的研究与实现[D]. 范朋.北京邮电大学 2011
[7]光栅数字信号采集技术研究[D]. 蒋连凤.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2010
[8]基于线阵CCD的微型光谱仪的设计[D]. 余钱平.湖南大学 2010
[9]基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制[D]. 戴笠.湖南大学 2009
[10]光谱仪的数字化及其关键技术[D]. 郭士林.天津科技大学 2009
本文编号：3449128
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 光谱测量系统的研究背景及意义
1.2 光谱测量系统的国内外研究现状
1.3 本论文所做的主要工作
第二章 光栅光谱测量系统相关理论研究
2.1 光谱仪器种类
2.1.1 基于工作原理的分类
2.1.2 基于探测器的分类
2.2 线阵CCD光谱测量原理
2.2.1 CCD光谱测量的基本原理
2.2.2 CCD的工作原理
2.2.3 线阵CCD的性能指标
2.3 光谱测量系统波长定标技术研究
2.3.1 线性插值拟合的方法定标
2.3.2 高阶多项式拟合定标
第三章 便携式光栅光谱测量系统总体设计
3.1 便携式光栅光谱测量系统的框架
3.2 光学分光单元设计
3.2.1 光栅分光原理
3.2.2 光谱测量系统的性能参数
3.2.3 分光光路设计
3.3 光谱采集和处理单元设计
3.3.1 线阵CCD TCD1304AP
3.3.2 CCD驱动电路设计
3.3.3 模拟信号预处理电路设计
3.3.4 A/D采样电路设计
3.3.5 USB数据传输电路设计
3.3.6 FPGA核心电路设计
3.4 数据处理和显示单元设计
3.4.1 嵌入式信息处理中心硬件平台设计
3.4.2 显示及触摸屏电路设计
3.5 供电电源电路设计
3.6 本章小结
第四章 光谱信号滤波方法的FPGA实现
4.1 光谱数据预处理
4.1.1 FIR数字滤波器的算法原理
4.1.2 FIR数字滤波器的线性相位条件
4.1.3 FIR数字滤波器的设计方法
4.2 FIR滤波算法的FPGA实现
4.3 本章小结
第五章 便携式光栅光谱测量系统的软件设计及调试
5.1 系统软件总体设计
5.2 基于FPGA的逻辑设计
5.2.1 FPGA设计简介
5.2.2 CCD驱动时序设计
5.2.3 A/D驱动控制软件设计
5.2.4 数据采集和存储软件设计
5.2.5 USB数据传输软件设计
5.3 嵌入式信息处理中心软件平台设计
5.3.1 嵌入式linux系统开发简介
5.3.2 搭建嵌入式Linux开发平台
5.3.3 人机交互界面设计及实现
5.3.4 软件界面功能模块的设计及实现
5.4 光谱数据处理
5.4.1 波长定标
5.4.2 光谱数据有效性处理
5.4.3 光谱曲线的平滑
5.5 调试及测量结果分析
5.5.1 系统实现
5.5.2 系统调试
5.5.3 测量结果分析
5.6 本章小结
总结
致谢
参考文献
【参考文献】：
期刊论文
[1]一种在FPGA上实现的FIR滤波器的资源优化算法[J]. 曲仕茹,彭纪昌. 电子设计工程. 2013(14)
[2]基于FPGA的异步FIFO的研究和设计[J]. 程光伟,刘大伟. 工业仪表与自动化装置. 2013(02)
[3]ARM-Linux嵌入式系统的Boot Loader分析与设计[J]. 王世阳,余学才,梁锡宁,陈涛,朱良销,苏柯. 现代电子技术. 2010(22)
[4]基于分布式算法和查找表的FIR滤波器的优化设计[J]. 杨洪军,王振友. 山东理工大学学报(自然科学版). 2009(05)
[5]嵌入式Linux在专用通信设备中的移植方法研究[J]. 王子良,李春苗,叶永平. 飞行器测控学报. 2009(01)
[6]基于FPGA的16阶FIR滤波器的设计与实现[J]. 张海军. 安徽大学学报(自然科学版). 2009(01)
[7]PORS-15便携式光谱仪研制及其应用[J]. 马放均,陈联明,李东明. 现代科学仪器. 2008(04)
[8]U-Boot在S3C2440上的移植方法[J]. 张徽,张华春. 电子器件. 2007(04)
[9]试论科学仪器小型化发展[J]. 范世福. 现代科学仪器. 2007(05)
[10]基于流接口驱动模型设计USB设备的驱动程序[J]. 赵洪杰,刘琳岚. 南昌航空大学学报(自然科学版). 2007(02)
博士论文
[1]微型光谱仪关键技术及其应用研究[D]. 刘康.浙江大学 2013
硕士论文
[1]线阵CCD光谱仪数据采集和处理方法研究[D]. 陈平.天津理工大学 2013
[2]基于FPGA的高速信号采集系统设计[D]. 甘定定.云南大学 2012
[3]基于FPGA的FIR数字滤波器实现[D]. 刘福泉.北京邮电大学 2012
[4]基于Qt的嵌入式GUI的研究与实现[D]. 黄超.吉林大学 2011
[5]基于S3C2440平台的Linux系统移植[D]. 杨星.北京交通大学 2011
[6]基于Qt的嵌入式Linux系统GUI的研究与实现[D]. 范朋.北京邮电大学 2011
[7]光栅数字信号采集技术研究[D]. 蒋连凤.中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 2010
[8]基于线阵CCD的微型光谱仪的设计[D]. 余钱平.湖南大学 2010
[9]基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制[D]. 戴笠.湖南大学 2009
[10]光谱仪的数字化及其关键技术[D]. 郭士林.天津科技大学 2009
本文编号：3449128
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