基于FPGA＋MCU的激光分析仪的系统设计与实现-论文.pdf

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1、舰船防化2015年第2期，3s~38CHEMICALDEFENCEoNSHIPS3~o．2'35—88基于FPGA+MCU的激光分析仪的系统设计与实现张军，裴彦军，王立娜(中国船舶重工集团公司第七一八研究所，河北邯郸056027)摘要：介绍了一种基于FPGA+MCU的激光分析仪的系统设计。全文先根据激光器特性设计出系统方案，然后分别对FPGA模块和MCU模块进行详细设计说明，最后通过板块连接来实现系统设计思路，并给出了核心板的实物图。通过对最后设计产品的测试，该系统设计是合理可行的。关键词：FPGA；MCU；激光器；算法；检测中

2、图分类号：TN248文献标识码：ADesignandImplementationofLaserAnalyzerSystemBasedonFPGA+MCUZhangJun，PeiYan-jun，WangLi—na(The718thResearchInstituteofCSIC，Handan056027，China)Abstract：ThispaperintroducedasystemdesignoflaseranalyzerbasedonFPGA+MCU．Accordingtothecharacteristicsoflaser，t

3、hesystemschemewasdesign，thentheFPGAmoduleandMCUmoduleweredesignedanddescribedindetail，andfinallythroughtheplateconnectionthesystemdesignideaswasrealized，andapictureofthecoreboardwasgiven．Afterthefinaldesignofproductwastested，thesystemdesignwasreasonableandfeasible．Ke

4、ywords：FPGA，MCU，Laser,Algorithm，DetectionDFB激光器是一种带宽较窄的单纵模激光器，可0引言以提供与某种气体吸收峰带宽相当或更窄的光谱，方DFB激光器具有转换效率高、体积小、重量轻、向性好，抗干扰能力和检测性能优于其他发光二极管，可靠性高、能直接调制特定波段的光谱等特点，易于通过改变驱动电流或管芯温度可以调节激光器中心驱动及控制，因此在气体检测领域获得了广泛的应用波长，使其能够在较窄带宽中提供几毫瓦至数十毫瓦窿]。但DFB激光器由于自身原理特性，使用要求是非的光功率，并利用波长或频率调制和

5、谐波检测技术可常苛刻的，其次DFB激光器的价格较高，所以如何以将波长稳定在吸收峰，能够得到较高检测精度【3]。根据其特点进行检测系统设计是非常重要的。由于激光器中心波长与电流和温度密切相关，所以需要对激光器的电流和温度进行精确控制。1激光器的基本使用条件·36·舰船防化20J5年第2期2检测系统方案设计⋯一⋯．．．一⋯一⋯一～⋯一～．]结合激光器的使用要求和检测方法的可实现性F以及可视性，设计了以FPGA为核心的微弱信号检测PG功能模块和以MCU为核心的常规参数检测控制及人A机交互模块相结合的系统方案。检测系统组成框图见图1。图

6、2FPGA模块设计图Fig．2DiagramofFPGAmoduledesign3．1．2FPGA模块算法设计激光器输出的有用信号是非常小的(微伏级)，完全淹没在噪声中，所以选择合理的器件并进行合理的布局降低噪声是很重要的，但仅仅如此还是无法得到有用信号的，所以必须进行数字锁相相关算法设计图1检测系统框图来解调出噪声中的有用信号。数字解调法是指在解调Fig．1Diagramofdetectionsystem过程中，利用A／D转换芯片对待测模拟信号采样，将其转换为数字信号，接着在数字芯片内部合成参考信3功能模块设计与实现号，利用采

7、样序列合成与待测信号同频率的参考序列，3．1FPGA模块使数字互相关运算实现有用信号的解调。系统中采用FPGA模块实现将激光器特定光谱信号转化为易双通道数字相关解调的方法，来消除参考信号与被测处理的电信号，并对电信号进行处理得到与气体浓度信号相位差0对测量结果的影响(算法的理论推导见相关的值的功能。当激光器在恒温控制器下正常工作文献[1])。具体设计见图3虚线框图中所示。时，该模块通过FPGA产生调制信号施加给恒流驱动_●‘互相。-关‘运-算-●‘‘。。。。‘一一^‘⋯一‘’‘‘‘‘‘--‘一：源，驱动激光器发出调制光束，然后通

8、过光电探测器将调制后的特定波段的光信号转为电压信号，经过信号调理反馈输入到FPGA中进行数字解调。3．1．1FPGA模块电路设计FPGA模块电路具体实现调制信号的产生及解调信号的输入通道的信号调理的功能。电路设计中互相关运算：1FPGA分别通过两个高精度DA产生