一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统，该系统由CRDS模拟信号调理电路、高速AD转换电路、FPGA主控模块、独立按键模块、串行通信模块、LCD显示模块和上位机组成；其中FPGA主控模块是整个采集系统的核心，设计实现了分频模块PLL、按键检测模块key detection、CRDS触发信号检测模块crds trigger detection、主控模块control、AD控制模块ad control、存储控制模块ram control、存储模块ram、多路选择模块mux和串口通信模块uart，完成了对CRDS信号的采集处理。该实用新型专利技术可以实现不同精度下对于CRDS信号的实时采集，具有成本低，操作简单，集成度高，实时性高等优点，可以广泛应用于科研现场。可以广泛应用于科研现场。可以广泛应用于科研现场。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统


[0001]本技术属于利用腔衰荡光谱(CRDS)技术定量探测气体浓度领域的具体应用，尤其涉及一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统。

技术介绍

[0002]腔衰荡光谱(CRDS)技术是一种通过测量光学腔内由样品散射和吸收引起的光损耗而实现高灵敏度光谱检测的吸收光谱技术，其中的核心部分则是采集搭建的CRDS系统产生腔衰荡信号即CRDS信号，经数据处理后得到气体浓度，CRDS信号的采集直接影响所测气体浓度的准确度；而CRDS信号是呈指数衰减，有时要根据需求灵活改变采样精度，因此，实现CRDS信号的精确以及灵活的采集显得尤为重要。目前，对于CRDS信号的采集大多采用成熟的采集卡，但是，采集卡功能固定，无法进行软硬件的修改和升级，也无法适应采集需求的改变，且价格昂贵，无法很好满足CRDS信号采集的要求。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的不足，本技术提供了一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统。
[0004]本技术所采用的技术方案是：
[0005]一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统：其特征在于，该系统包括独立按键模块、LCD 显示模块、CRDS模拟信号调理电路、高速AD转换电路、FPGA主控模块、串行通信模块和上位机；所述独立按键模块、LCD显示模块均与FPGA主控模块相连接，独立按键模块用于设定系统的采集频率以及采集点数，LCD显示模块则用于显示当前系统所使用的采集频率以及采集点数；所述CRDS模拟信号调理电路与高速AD转换电路相连，使输出的CRDS 信号电压范围满足高速AD转换电路的电压输入范围；所述高速AD转换电路接在CRDS 模拟信号调理电路与FPGA主控模块之间，高速AD转换电路通过接收FPGA的时序控制信号，对输入的CRDS电压信号进行模数转换，并利用模数转换芯片的并行数据输出端将电压值的数字信号发送至FPGA中进行存储；所述串行通信模块接在FPGA主控模块与上位机之间，通过uart串行通信实现FPGA主控与上位机之间的数据传输；所述FPGA主控模块通过独立按键模块获得系统的采集频率以及采集点数，并将设置的参数通过LCD显示模块显示在LCD屏上，通过时序控制信号控制AD芯片将CRDS信号进行模数转换，将得到的数字信号经过内部的乒乓缓存操作存入ram模块中，同时将数字信号经串行通信模块发送至上位机，从而实现CRDS信号的实时采集和传输。
[0006]在该系统中，所述高速AD转换模块采用的模数转换芯片的型号为AD9226，该芯片为 12位并行输出，最高采样率可达到65MSPS，分辨率和采样率可达到系统需求。
[0007]在该系统中所述的FPGA主控模块中主控器使用的是型号为EP4CE15E22C8的数字逻辑电路集成芯片，该芯片运行速度快，功耗低，系统稳定，适合高速接口电路，支持在线编程，便于维护。
[0008]与现有技术相比，本技术的有益效果是：
[0009]本技术利用独立按键设定系统的采集频率和采集点数，可随时更改系采集参数，实现不同需求精度下CRDS信号的采集，且系统的设置参数通过LCD显示，方便使用者查看。选取FPGA做主控，具有丰富的逻辑资源以及时钟资源，使系统能实现CRDS信号的高速采集，同时具有体积小、集成度高、可编程能力强等诸多优点。
附图说明
[0010]图1是本技术CRDS信号采集系统的结构框图。
[0011]图2是本技术的FPGA逻辑结构图。
[0012]图3是本技术的FPGA逻辑功能流程图。
具体实施方式
[0013]下面结合附图对本技术作详细的说明：
[0014]一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统，其特征在于，该系统包括独立按键模块、LCD 显示模块、CRDS模拟信号调理电路、高速AD转换电路、FPGA主控模块、串行通信模块和上位机；所述独立按键模块、LCD显示模块均与FPGA主控模块相连接，独立按键模块用于设定系统的采集频率以及采集点数等系统参数，LCD显示模块则用于显示当前系统所使用的系统参数；所述CRDS模拟信号调理电路与高速AD转换电路相连，使输出的CRDS 信号电压范围满足高速AD转换电路的电压输入范围；所述高速AD转换电路接在CRDS 模拟信号调理电路与FPGA主控模块之间，高速AD转换电路通过接收FPGA的时序控制信号，对输入的CRDS电压信号进行模数转换，并利用模数转换芯片的并行数据输出端将电压值的数字信号发送至FPGA中进行存储；所述串行通信模块接在FPGA主控模块与上位机之间，通过uart串行通信实现FPGA主控与上位机之间的数据传输；所述FPGA主控模块通过独立按键模块获得系统的采集频率以及采集点数，并将设置的参数通过LCD显示模块显示在LCD屏上，同时协调各模块有序执行功能。
[0015]图1是CRDS信号采集系统的结构框图，系统初始设置流程为：通过独立按键模块设置系统的采集参数，包括采集频率、采集点数以及CRDS信号采集的次数等，所述独立按键有四个按键，一个按键控制系统进入设置状态以及切换设置的参数对象，其中两个按键控制相应设置参数的增加和减少，另外一个按键是确定键，确定系统设置完成。CRDS信号的处理流程为：在系统设置结束后，对于CRDS触发信号，通过FPGA主控模块检测CRDS 触发信号的上升沿，进而控制AD芯片开始CRDS信号的采集；对于CRDS信号：通过CRDS 模拟信号调理电路转换成符合高速AD转换电路输入电压，当FPGA主控模块检测到CRDS 触发信号上升沿时，FPGA主控模块输出控制时序控制高速AD采集电路将CRDS信号转化为数字信号，进而将CRDS数字信号传输至FPGA主控模块中进行存储，之后通过串行通信模块发送至上位机中。
[0016]图2是本采集系统的FPGA逻辑结构图，系统以FPGA为主控器件，实现按键检测、 CRDS触发信号的检测、CRDS信号采集的逻辑控制、数据的存储以及与上位机之间的数据通信五大功能。FPGA主控模块主要由十个子模块组成：分频模块PLL、按键检测模块keydetection、CRDS触发信号检测模块crds trigger detection、主控模块control、AD控制模块 ad control、存储控制模块ram control、存储模块ram、多路选择模块mux和串口通信模块 uart。分频模块一端与50M晶振引脚相连，另一端与主控模块control的时钟信号sys_
clk 相连，为整个FPGA控制系统提供基准时钟以及所需要的不同频率的时钟。按键检测模块的按键输入信号k_in与按键引脚相连，按键检测结果信号k_out与主控模块的按键信号key 相连，一共四个键值，主要检测按键抖动，确保按键准确按下。CRDS触发信号检测模块的信号输入端cs_tri与外部CRDS触发信号产生电路相连，检测结果信号cs_en与主控模块触发使能信号crds_en相连，主要用于检测CRDS触发信号的上升沿。AD控制模块的使能信号adc_en、时钟本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的腔衰荡信号采集系统，其特征在于：该系统包括独立按键模块、LCD显示模块、CRDS模拟信号调理电路、高速AD转换电路、FPGA主控模块、串行通信模块和上位机；所述独立按键模块、LCD显示模块均与FPGA主控模块相连接；所述CRDS模拟信号调理电路与高速AD转换电路相连；所述高速AD转换电路接在CRDS模拟信号调理电路与FPGA主控模块之间；所述串行通信模块接在FPGA主控模块与...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌六一，汪晴晴，张帅，韩涛，徐善永，施奇兵，邢丽坤，唐超礼，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：新型
国别省市：