基于FPGA的光纤光栅传感器解调系统研究

发布时间：2017-06-13 22:01

  本文关键词：基于FPGA的光纤光栅传感器解调系统研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：我国的机械装备急需能够提供多参量、多测点、稳定可靠的状态监测手段,光纤光栅传感器众多优势正好为机械装备状态监测提供了有效的监测途径。但是,传统的光纤光栅传感器解调设备,存在体积较大、价格昂贵,使用条件受限制等不足,而且波长解调分辨率等难以满足机械装备状态监测的要求,限制了光纤光栅在此领域的工程应用。针对目前光纤光栅传感器解调设备存在的问题,研究设计了更低成本、便携化、性能稳定的传感器解调设备,通过比较各种传感器信号解调方案,选择系统集成度高,环境适应性强的线阵CCD光谱成像法作为解调设备整体方案,以SOPC作为嵌入式解调内核,构建了本课题所需的传感器解调系统。本课题设计的光纤光栅传感器解调系统硬件部分以FPGA为控制电路核心,采用Nios II技术构建软核微处理器,其结合了FPGA在逻辑控制方面的优势和嵌入式软核强大的数字信号处理能力。在SOPC Builder开发环境中定制所需的CPU、PIO、存储器、UART等组件,设计开发了数据采集及存储电路、线阵CCD驱动电路和多通道光开关驱动电路,并在FPGA中使用Verilog HDL开发了驱动逻辑,实现了光开关切换、光电转换、光谱信号调理、数据采集和存储的功能;解调系统软件部分,在Nios II软件中实现了高斯拟合寻峰算法和频谱相关寻峰算法及其对应的波长解调方案;开发了LabVIEW上位机测试软件,为解调系统的功能验证提供便利。实验证明,基于FPGA的光纤光栅传感器解调系统实现了高集成度、高分辨率的解调系统要求,同时证明高斯拟合和频谱相关这两种波长解调算法都可以达到精度要求,有效提高了光纤光栅传感器中心波长的解调分辨力,相比之下,频谱相关寻峰算法具有更高的稳定性,精度也更高,而高斯拟合寻峰算法的优势在于具有更少的运算量。采用频谱相关波长解调算法,波长解调精度达到了±3pm,光纤光栅温度传感器测温精度达到了±0.4℃。这种高集成度、高分辨力的解调系统将促进光纤光栅传感器在机械装备状态监测等领域中的应用。
【关键词】：FPGA SOPC 光纤光栅 高斯拟合 频谱相关
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1. 绪论10-18
• 1.1. 课题研究的背景10
• 1.2. 光纤光栅结构及传感原理10-13
• 1.2.1. 光纤光栅结构11
• 1.2.2. 光纤光栅传感原理11-13
• 1.3. 国内外研究现状及发展动态13-16
• 1.3.1. 光纤光栅传感器在机械装备状态监测领域的应用13-15
• 1.3.2. 光纤光栅传感器嵌入式解调平台的发展15-16
• 1.4. 本课题主要研究的内容及意义16-18
• 2. 光纤光栅传感器解调系统方案设计18-32
• 2.1. 光纤光栅传感器解调方案对比与选择18-22
• 2.1.1. 光纤光栅传感器解调方案18-21
• 2.1.2. 光纤光栅传感器解调系统整体结构21-22
• 2.2. 光纤光栅传感器波长解调算法22-26
• 2.2.1. 高斯拟合寻峰算法24-25
• 2.2.2. 频谱相关寻峰算法25-26
• 2.3. SOPC嵌入式平台简介26-31
• 2.3.1. Nios II嵌入式处理器27-28
• 2.3.2. Avalon总线28-29
• 2.3.3. SOPC系统开发流程29-31
• 2.4. 本章小结31-32
• 3. 光纤光栅传感器解调系统硬件设计32-43
• 3.1. 基于SOPC技术的嵌入式电路整体构架32-33
• 3.2. Nios II硬件系统开发33-39
• 3.2.1. 定制硬件系统33-37
• 3.2.2. 自定义 2-PORT RAM控制器组件37-38
• 3.2.3. 集成Nios II系统到Quartus II工程38-39
• 3.3. A/D数据采集及存储电路设计39-40
• 3.4. 线阵CCD驱动电路设计40-41
• 3.5. 多通道光开关驱动电路设计41-42
• 3.6. 本章小结42-43
• 4. 光纤光栅传感器解调系统软件设计43-55
• 4.1. Nios II软件设计方案43-45
• 4.1.1. Nios II EDS嵌入式设计包43
• 4.1.2. HAL系统库43-45
• 4.2. Nios II嵌入式软件设计45-47
• 4.3. 波长解调算法的实现47-54
• 4.3.1. 高斯拟合寻峰算法软件设计48-49
• 4.3.2. 频谱相关寻峰算法软件设计49-52
• 4.3.3. 像素点位置与中心波长值转换52-54
• 4.4. 本章小结54-55
• 5. 系统测试与分析55-64
• 5.1. Lab VIEW上位机测试软件设计55-58
• 5.1.1. Lab VIEW简介55-56
• 5.1.2. 上位机测试软件设计56-58
• 5.2. 测试结果与分析58-64
• 5.2.1. 光纤光栅传感器波长解调实验58-61
• 5.2.2. 光纤光栅温度传感器实验61-64
• 6. 结论与展望64-66
• 6.1. 总结64-65
• 6.2. 展望65-66
• 附录1 寻峰算法相关程序66-70
• 附录2 PCB图70-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果76-77
• 致谢77-78

【参考文献】

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本文编号：447666