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基于NiosⅡ的傅里叶光谱仪信号采集处理系统的设计

作　者: 陈伟军
导　师: 陶纯匡
学　校: 重庆大学
专　业: 光学工程
关键词: 傅里叶光谱仪 线阵CCD USB NiosⅡ处理器 数据采集
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


光谱仪是进行光谱研究和物质光谱分析的仪器。目前一些新的应用，低分辨率的微型化光谱仪已成为世界各国的研究热点，是光谱仪发展的重要趋势。傅里叶变换光谱仪现在是一种广泛应用的仪器。光谱信号的采集与处理是傅里叶变换光谱仪的重要组成部分，是该仪器的关键技术之一。NiosⅡ基本结构是由硬件实现的，其指令是并行执行的。具有处理速度快、性能强、系统的升级空间大等特点。本文基于NiosⅡ软核处理器进行傅里叶光谱仪信号采集处理系统的设计。论文首先对傅里叶变换光谱仪的基本组成和原理进行理论分析，根据分析，利用CCD和步进电机改进了迈克尔逊干涉光学系统。然后对线阵CCD图像传感器的应用进行分析，选择了东芝公司的5000像元线阵CCD图像传感器TCD1501D进行光谱信息采集。在确定了检测器和驱动方法后，确定了本课题的设计方案，完成了硬件电路设计和基于NiosⅡ软核处理器的应用程序设计。外围硬件电路设计包括步进电机驱动电路的设计、CCD驱动电路的设计、信号差分运放电路的设计、A/D转换电路的设计、USB数据传输电路的设计以及系统的电源设计。最后根据系统硬件电路，结合信号走向，采用Altium Designer DXP为系统设计了PCB电路板。FPGA作为整个硬件电路核心，使用Verilog HDL硬件描述语言实现了系统的逻辑设计。NiosⅡ作为系统的处理器，控制整个系统协调工作。光谱信号经CCD采集后变成电信号，经过差分运放后进行A/D转换，转换后的光谱数据由USB上传到计算机端。系统设计完成后对CCD、USB模块进行了测试，测试表明系统是可以利用的。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
1 绪论  8-11
  1.1 课题研究的背景  8
  1.2 光谱分析仪的研究现状  8-9
  1.3 光谱仪的信号采集处理系统的研究现状  9
  1.4 本设计研究内容和结构  9-11
    1.4.1 研究内容  9-10
    1.4.2 本论文的结构  10-11
2 系统概述  11-18
  2.1 傅里叶光谱仪的基本原理  11-13
    2.1.1 迈克尔逊干涉原理  11-12
    2.1.2 单色光干涉  12-13
    2.1.3 复色光的干涉图  13
  2.2 基于 NIOSⅡ的傅里叶光谱仪信号采集处理系统的方案确定  13-18
    2.2.1 探测器的选择  13-14
    2.2.2 分光成像系统  14-15
    2.2.3 控制器和处理器的选择  15-16
    2.2.4 NiosⅡ软核处理器概述  16-17
    2.2.5 系统框架的提出  17-18
3 信号采集处理系统的硬件电路设计  18-35
  3.1 电机控制电路的设计  18-20
  3.2 CCD 驱动电路设计  20-23
    3.2.1 线阵 CCD 芯片 TCD1501D  20-22
    3.2.2 CCD 驱动电路的设计  22-23
  3.3 前端差分器 AD623  23-24
  3.4 A/D 转换电路的设计  24-28
    3.4.1 A/D 芯片的选择  24-25
    3.4.2 AD9844A 及其应用设计  25-28
  3.5 USB 通讯电路设计  28-31
    3.5.1 USB 总线接口芯片 CH375  28-30
    3.5.2 CH375 电路的设计  30-31
  3.6 FPGA 电路的设计  31-33
    3.6.1 FPGA 配置电路设计  31-32
    3.6.2 FPGA 时钟及供电电路设计  32
    3.6.3 系统电源设计  32-33
  3.7 PCB 设计  33-35
4 信号采集处理系统的逻辑设计及仿真  35-53
  4.1 开发环境介绍  35
    4.1.1 QuartusⅡ简介  35
    4.1.2 SOPC Builder 简介  35
  4.2 设计流程及模块的划分  35-37
    4.2.1 FPGA 设计流程  35-36
    4.2.2 模块的划分  36-37
  4.3 电机模块的设计  37-38
  4.4 CCD 模块的设计  38-42
  4.5 A/D 模块的设计  42-45
  4.6 数据存储和处理模块的设计  45-47
    4.6.1 数据存储  45-46
    4.6.2 FIR 数字滤波器的设计  46-47
  4.7 USB 通讯模块的设计  47-50
    4.7.1 基于 SOPC 的 CH375 通讯系统的构建  47-49
    4.7.2 USB 通讯模块的 Verilog 代码编写  49-50
  4.8 控制模块的设计  50-52
    4.8.1 CCD 光积分时间的控制  50-51
    4.8.2 步进电机驱动脉冲的控制  51
    4.8.3 接收上位机指令控制  51-52
  4.9 FPGA 的逻辑实现  52-53
5 信号采集处理系统的应用程序及系统测试  53-58
  5.1 上位机软件程序的设计  53-54
    5.1.1 上位机程序的开发及功能介绍  53-54
    5.1.2 波长标定  54
  5.2 下位机软件程序的设计  54-56
    5.2.1 下位机开发工具 NiosⅡIDE 简介  54-55
    5.2.2 主程序设计  55
    5.2.3 采集数据  55
    5.2.4 数据传输  55-56
  5.3 系统测试  56-58
6 结论  58-60
致谢  60-61
参考文献  61-63
附录  63-64
  A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录  63
  B. 系统电路板  63-64
  C. 系统 RTL 结构图  64

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中图分类: > 工业技术 > 机械、仪表工业 > 仪器、仪表 > 光学仪器 > 物理光学仪器 > 光谱仪器
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