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警、變壓器故障檢測、石化分析和環(huán)境監(jiān)測等領(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，對混合氣體的實時、在線檢測要求越來越高。氣體檢測的主要方法主要有氣相色譜法、傳感器法、光譜吸收法等，暫時不能應用于野外現(xiàn)場的實時在線定量分析，傅里葉變換光譜技術(shù)以其特有的優(yōu)勢成為研究熱點，而商用傅里葉變換紅外光譜儀還停留在實驗室應用階段，要實現(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題，而其重中之重

2、是信號處理問題。傅里葉變換光譜儀信號處理的核心部分是傅里葉變換算法的實現(xiàn)，絕大部分儀器采用PC機軟件實現(xiàn)，也有少量的采用專用FFT處理芯片與通用片上系統(tǒng)實現(xiàn)。但是，由于FFT專用處理芯片價格昂貴，且只能用于數(shù)據(jù)處理，無法實現(xiàn)控制功能，設(shè)計時還需要加入一個控制芯片，設(shè)計成本較高。鑒于上述情況，本論文從信號處理電路的角度出發(fā)，采用FPGA技術(shù)，設(shè)計和開發(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處理器。它集信號調(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用于氣體在線分析的信號處理難題。
　　 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，對比選取了砷化鎵探測器作為本文的光電探測器、EF2C8Q208作為32位片上系統(tǒng)為數(shù)據(jù)處理芯片構(gòu)建信號處理系統(tǒng)。理論計算和對比分析了Cooley-Tukey FFT算法、Good-Thomas FFT算法、Winograd FFT算法在

4、FPGA實現(xiàn)的優(yōu)缺點，鑒于Cooley-Tukey FFT算法具有結(jié)構(gòu)相對固定，應用靈活的優(yōu)點，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數(shù)和不同位寬的FFT運算，故選取Cooley-Tukey FFT算法作為理論設(shè)計基礎(chǔ)，并進行FFT的硬件實現(xiàn)設(shè)計。本設(shè)計利用Quartus開發(fā)平臺與Verilog HDL語言進行算法描述和硬件編程，給出了開發(fā)流程和主要部分的功能仿真圖。此外，采用直流信號和傅里葉變換光譜儀干涉信號進行了硬件測試，并