单光子成像光谱仪逻辑控制系统的研制

发布时间：2017-08-14 22:04

  本文关键词：单光子成像光谱仪逻辑控制系统的研制

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【摘要】：近年来,由于在航空、军事和医疗领域,对于光谱探测精度有着极高的要求,普通的光谱仪已无法满足需求,单光子成像光谱仪则在此环境下蕴育而生。单光子成像光谱仪采用了单光子探测技术,目前一般使用单光子计数器和单光子雪崩二极管作为核心探测器件。利用这一技术,我们可以探测到普通光谱仪无法探测到的几个甚至是单个光子的光谱,并通过成像技术将其呈现在荧光屏上。本文就单光子成像光谱仪的组成结构进行展开,为其设计研制一款逻辑控制系统,着重研究了如下内容：1.进行了完整的硬件电路设计,系统采用Xilinx Spartan6系列的XC6SLX9 FPGA芯片作为主控芯片,配合使用高速USB芯片CY7C68013以及MAX3232等集成芯片完成相应的设计,最终绘制出原理图以及对应的PCB图,进行加工焊接,制作出实物。2.在硬件电路设计的基础上,对系统进行了详细软件设计,其中包括FPGA的硬件描述以及USB芯片的固件开发。FPGA的硬件描述采用了自顶而下的设计方法,通过模块例化的形式将顶层模块与各功能模块连接起来,从而实现整个系统的功能。3.完成了软硬件的联合调试,并在此基础上搭建出测试环境,对系统功能进行测试分析。
【关键词】：光谱仪 单光子计数 FPGA USB
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 致谢7-8
• 摘要8-9
• ABSTRACT9-15
• 第一章 绪论15-20
• 1.1 光谱仪的发展历史15-17
• 1.1.1 国外发展历史15-17
• 1.1.2 国内发展状况17
• 1.2 单光子成像技术17-18
• 1.3 课题来源18-19
• 1.4 本文章节安排19
• 1.5 本章小结19-20
• 第二章 系统总体设计20-27
• 2.1 总体设计目标20-21
• 2.1.1 功能目标20-21
• 2.1.2 性能指标21
• 2.2 系统需求分析21-22
• 2.3 接口要求22-23
• 2.3.1 总线接口23
• 2.3.2 机械接口23
• 2.4 系统规格说明23-24
• 2.5 关键技术及解决方案24-26
• 2.6 本章小结26-27
• 第三章 硬件电路设计27-45
• 3.1 硬件电路总体设计27-28
• 3.2 电源电路设计28-29
• 3.3 FPGA控制电路设计29-32
• 3.3.1 FPGA芯片选型29-30
• 3.3.2 FPGA下载电路的设计30-31
• 3.3.3 时钟电路设计31-32
• 3.3.4 FPGA电源电路32
• 3.4 USB接口电路设计32-39
• 3.4.1 USB 2.0芯片选型32-33
• 3.4.2 CY7C68013A芯片的介绍33-36
• 3.4.3 CY7C68013A的外围电路设计36-39
• 3.5 串口通信接口电路设计39-40
• 3.6 逻辑控制电路设计40-42
• 3.7 硬件电路板的设计42-44
• 3.7.1 PCB设计的流程42
• 3.7.2 PCB的布局和布线42-44
• 3.8 本章小结44-45
• 第四章 系统软件设计45-62
• 4.1 FPGA开发流程45-46
• 4.2 顶层模块设计46-47
• 4.3 USB 2.0接口控制模块设计47-53
• 4.3.1 同步Slave FIFO读48-50
• 4.3.2 同步Slave FIFO写50-52
• 4.3.3 同步Slave FIFO读写52-53
• 4.4 RS232串口通信模块设计53-54
• 4.4.1 串口接收模块54
• 4.4.2 串口发送模块54
• 4.5 FIFO模块设计54-56
• 4.6 分频模块设计56-57
• 4.7 脉冲计数模块设计57-58
• 4.8 CY7C68013A的固件程序设计58-61
• 4.9 本章小结61-62
• 第五章 系统测试与分析62-69
• 5.1 测试目标62
• 5.2 测试方法62-63
• 5.2.1 测试系统框图62-63
• 5.2.2 测试环境63
• 5.3 测试过程63-64
• 5.4 测试结果及分析64-68
• 5.5 测试结论68
• 5.6 本章小结68-69
• 第六章 结束语69-71
• 6.1 论文总结69
• 6.2 不足与展望69-71
• 参考文献71-74
• 附录1 电路原理图74-75
• 附录2 电路PCB图75-76
• 攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况76-77

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