紅外氣體在線分析專用處理器的研究.pdf

1、多組分混合氣體定量分析在諸如煤礦安全預(yù)警、變壓器故障檢測(cè)、石化分析和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域有著十分重要的意義，特別是隨著科技和工業(yè)化的發(fā)展，對(duì)混合氣體的實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)要求越來(lái)越高。氣體檢測(cè)的主要方法主要有氣相色譜法、傳感器法、光譜吸收法等，暫時(shí)不能應(yīng)用于野外現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)在線定量分析，傅里葉變換光譜技術(shù)以其特有的優(yōu)勢(shì)成為研究熱點(diǎn)，而商用傅里葉變換紅外光譜儀還停留在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用階段，要實(shí)現(xiàn)野外在線分析需要解決掃描分辨率和掃描速度矛盾的問(wèn)題，而其重中之重

2、是信號(hào)處理問(wèn)題。傅里葉變換光譜儀信號(hào)處理的核心部分是傅里葉變換算法的實(shí)現(xiàn)，絕大部分儀器采用PC機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也有少量的采用專用FFT處理芯片與通用片上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。但是，由于FFT專用處理芯片價(jià)格昂貴，且只能用于數(shù)據(jù)處理，無(wú)法實(shí)現(xiàn)控制功能，設(shè)計(jì)時(shí)還需要加入一個(gè)控制芯片，設(shè)計(jì)成本較高。鑒于上述情況，本論文從信號(hào)處理電路的角度出發(fā)，采用FPGA技術(shù)，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一種適用于氣體在線分析的傅里葉變換光譜儀專用信號(hào)處理器。它集信號(hào)調(diào)理與變換、高速數(shù)據(jù)采樣

3、、傅里葉變換算法、數(shù)據(jù)分析與處理、系統(tǒng)邏輯控制于一體的高集成的32位片上系統(tǒng)，解決傅里葉變換紅外光譜儀應(yīng)用于氣體在線分析的信號(hào)處理難題。
　　 本文在分析傅立葉變換紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)與原理的基礎(chǔ)上，對(duì)比選取了砷化鎵探測(cè)器作為本文的光電探測(cè)器、EF2C8Q208作為32位片上系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理芯片構(gòu)建信號(hào)處理系統(tǒng)。理論計(jì)算和對(duì)比分析了Cooley-Tukey FFT算法、Good-Thomas FFT算法、Winograd FFT算法在

4、FPGA實(shí)現(xiàn)的優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于Cooley-Tukey FFT算法具有結(jié)構(gòu)相對(duì)固定，應(yīng)用靈活的優(yōu)點(diǎn)，只需要少量的修改相關(guān)參數(shù)就可以靈活的獲得不同點(diǎn)數(shù)和不同位寬的FFT運(yùn)算，故選取Cooley-Tukey FFT算法作為理論設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，并進(jìn)行FFT的硬件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)利用Quartus開(kāi)發(fā)平臺(tái)與Verilog HDL語(yǔ)言進(jìn)行算法描述和硬件編程，給出了開(kāi)發(fā)流程和主要部分的功能仿真圖。此外，采用直流信號(hào)和傅里葉變換光譜儀干涉信號(hào)進(jìn)行了硬件測(cè)試，并