基于FPGA的腔衰蕩信號采集與處理系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn).pdf

1、腔衰蕩光譜(Cavityringdownspectroscopy，CRDS)技術(shù)是一種不受光源起伏影響、可自定標(biāo)、可絕對定量測量、新穎的吸收光譜檢測技術(shù)，已廣泛應(yīng)用于痕量氣體濃度檢測等領(lǐng)域。而準(zhǔn)確、快速采集與處理腔衰蕩信號是腔衰蕩光譜技術(shù)定量探測氣體濃度的基礎(chǔ)，因此，需要研制一種適用于腔衰蕩信號的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。FPGA(FieldProgrammableGateArray)是一種密度高、集成度高的可編程邏輯陣列，具有強(qiáng)大的在系統(tǒng)編

2、程和并行數(shù)據(jù)處理能力;USB2.0是一種高速、串行數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)，具有造價低、數(shù)據(jù)傳輸速度快、支持熱插拔的性能?；诖?，本文設(shè)計了一種基于FPGA的腔衰蕩信號采集與處理系統(tǒng)。
　　系統(tǒng)以FPGA作為主控制器。首先系統(tǒng)通過FPGA內(nèi)部的高速AD接口模塊，控制AD采集腔衰蕩信號并緩存至FPGA;通過數(shù)據(jù)累加平均處理模塊，對連續(xù)采集的多個腔衰蕩信號數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)點(diǎn)累加平均處理;通過USB2.0接口模塊將處理后的有效腔衰蕩信號數(shù)據(jù)和用于判斷衰

3、蕩腔中有無氣體吸收的命令信息數(shù)據(jù)寫入USB2.0芯片。然后由上位機(jī)軟件通過數(shù)據(jù)接收線程實時監(jiān)測，接收經(jīng)USB2.0總線傳輸來的數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進(jìn)行整合;通過接收到的命令信息判斷接收到的有效CRDS信號數(shù)據(jù)是在衰蕩腔中有氣體吸收還是無氣體吸收時獲得的，并分別保存數(shù)據(jù)，選擇合適的點(diǎn)擬合數(shù)據(jù)得到腔衰蕩時間。最終通過分別得到衰蕩腔中有無氣體吸收時的腔衰蕩時間推導(dǎo)出衰蕩腔中待測氣體的濃度。
　　論文首先介紹了腔衰蕩信號的基礎(chǔ)理論和實驗室搭建好的

4、腔衰蕩系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案;接著設(shè)計了系統(tǒng)的硬件電路，包括電源供電電路、FPGA外圍電路、模擬信號調(diào)理電路、高速AD接口電路以及USB2.0接口電路等;然后重點(diǎn)介紹了FPGA內(nèi)部數(shù)字邏輯設(shè)計，在說明了FPGA設(shè)計方法和開發(fā)步驟的基礎(chǔ)上，采用VerilogHDL語言完成了FPGA主要程序模塊的設(shè)計和仿真;再接著給出了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，主要介紹了實現(xiàn)USB2.0與上位機(jī)通信的固件程序、驅(qū)動程序以及上位機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)等;