一种基于FPGA的新型光数据分析仪设计

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基于FPGA的光电数据采集和处理采集系统设计毕业设计

武汉理工大学毕业设计（论文）基于FPGA的光电数据采集和处理采集系统设计学院（系）：专业班级：学生姓名：指导教师：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

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作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

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本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。

（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名：专业班级：指导教师：工作单位：设计（论文）题目：基于FPGA的光电数据采集与处理系统设计设计（论文）主要内容：1.文献调研，较全面的了解光电转换机理以及信号数据的处理2.掌握可编程逻辑器件的编程使用技巧3.设计一套数据采集系统，并完成对光信号的实时检测要求完成的主要任务：1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。

2、完成基于FPGA的光电数据采集系统的搭建与调试3、通过实验验证该系统的稳定与可靠4、完成不少于5000汉字的英文文献翻译；完成不少于12000字的论文。

必读参考资料：[1] 张洪润，张亚凡. FPGA/CPLD应用设计200例. 北京航空航天大学出版社.[2] 何宾. EDA原理及Verilog实现. 清华大学出版社.指导教师签名：系主任签名：院长签名（章）武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）毕业设计的目的是研究基于FPGA的光电数据采集和处理系统，主要是分析光电转换机理以及信号数据的处理，然后根据可编程逻辑器件的编程技巧设计一套数据采集系统并完成对关心好的实时监测。

基于FPGA的激光数据采集系统的设计

测试测量技术
基于ＦＰＧＡ的激光数据采集系统的设计
ＢａｓｄｅｏｎＦＰＧＡｅｓｇｎｏｆＬａｓｒＤａｔｃｑｕｉｉｉＤｉｅａＡｔｏｎＳｙｓｅｍｓｔ
杨义台未，义栋（都理Ｔ大学核技术自动化学院，张成ｊ四川成
关键词：ＰＡ；ｅｉｇ［ＵＢ接口芯片；Ｃ机ＦＧＶｒ类号：Ｈ４Ｔ７１
文献标识码：Ａ
文章编号ｔ０３００（１） — ０５０１０ — １７２１５０２— ４００
Ａｂｔａｔｒｃ：ＵｓｎｈＰＧＡｈａｉｏｎｒｌｅｓｇｎｏｔｃｉｇｔｅＦａｓｔｅｍｎｃｔｏｌｄｉｆｄａａａｑｕｉｉｏｙｔｍ．ｎｈｒｄｉｏｃｔｔｎｓｓｅｏｍｐｅｄｅｒｓｔｎｓｓｅａｄｔｅｔａｔｎａＩｏｌｉｙｔｍｃｉｉｅｃｏａｒ
摘要：用ＦＧ利ＰＡ作为主控制器设计数据采集系统，传统的采集系统利用单片机或ＤＰ相比有着较为明恩与Ｓ
的优势。利用ＦＧＰＡ丰富的Ｉ／Ｏ资源、行处理能力和用户可定义的逻辑优势，用片存储器进行数据暂时并利缓存，通过ＵＢ接口芯片与ＰＳＣ机通信，完成对数据采集的全过程。
者１０９）Ｂ６０５
ＹａｇＹｉｔｉｎＷｅ，ｈａｇＹｉｄｇ，ｌｇｆＪｅｒｔｈｌｅ｝ａｄＡｕｏａｉｎｎ — ａ，ｉＳｕＺｎ — ｏｎ（ｏｌｅｏＩａｃｎｄｇｎｔｍｔ，ｅＮＩｌｅｏ

基于FPGA逻辑分析仪的设计

基于FPGA逻辑分析仪的设计摘要本文介绍了一种基于FPGA（Field-Programmable Gate Array）的逻辑分析仪的设计。

逻辑分析仪是一种用于分析和调试数字信号的仪器。

设计中采用了FPGA作为核心逻辑芯片，实现了高速采集和处理数字信号的功能。

通过对比传统逻辑分析仪和FPGA逻辑分析仪的性能和优缺点，说明了该设计的重要性和实用性。

引言逻辑分析仪是一种非常重要的测试和调试工具，用于诊断数字信号的问题。

传统的逻辑分析仪采用SRAM作为存储原件，存储容量非常有限，难以满足现代数字系统复杂性的测试需要。

FPGA逻辑分析仪则采用FPGA芯片作为逻辑处理器，在实现高速采集和处理数字信号的同时，具有更高的存储容量和更快的测试速度，能够有效应对现代数字系统的测试需求。

FPGA逻辑分析仪的设计系统框图概述FPGA逻辑分析仪的系统框图如图1所示。

_________________| || FPGA逻辑 || 核心 ||_________________|||||PC信号采集 ||________||_________| || 数字信号采集模块 ||____________________|图1 FPGA逻辑分析仪系统框图FPGA逻辑处理器设计FPGA逻辑处理器需要具备高速采集和处理数字信号的能力。

设计中采用高速ADC（Analog-to-Digital Converter）进行信号采集，经过FPGA逻辑核心的处理之后，将数据传输至PC上进行分析和显示。

信号采集采用高速ADC进行数字信号采集，通过电缆连接至FPGA芯片，利用芯片内部的高速I/O口，实现数字信号采集与处理。

FPGA逻辑处理采用Verilog进行FPGA逻辑处理器设计，将逻辑核心分为两部分：一部分负责ADC信号采集，另一部分负责信号处理和转换。

其中，采集部分采用FPGA内置模块实现，处理部分采用自行设计的模块，实现对数字信号的快速处理和转换。

基于FPGA的FTIR光谱仪采集系统的设计

㊀２０２１年㊀第２期仪表技术与传感器Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ㊀Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ㊀ａｎｄ㊀Ｓｅｎｓｏｒ２０２１㊀Ｎｏ．２㊀基金项目：国家自然科学基金项目（６１８６５００２）；贵州省科技支撑计划项目（ＳＹ［２０１７］２８８１）；贵州大学引进人才项目（２０１６０２）；中央引导地方科技发展专项项目（［２０１７］４００４）收稿日期：２０２０－０９－２６基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计贾明俊１，陆安江１，赵㊀麒２，白忠臣１，卢学敏１，袁钱图１（１贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳㊀５５００２５；２贵州民族大学机械电子工程学院，贵州贵阳㊀５５００２５）㊀㊀摘要：为了满足人们对于食品药品安全检测快速便携的需要，团队设计一种高速便携，延时低㊁精度高的新型ＦＴＩＲ光谱仪㊂光谱采集系统分为上位机和下位机２部分，系统的上位机软件设计是采用跨平台的Ｃ＋＋图形用户界面应用程序，该框架（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）是由编程实现的，下位机的光电部分采用了ＭＥＭＳ微镜使仪器小型化，而下位机采集部分控制主板使用了ＺＹＢＯ㊂使用了ＤＡＣ驱动动镜移动以及ＡＤＣ用于参考光和样本光数据的同步采集，进而利用多个串口实现了与上位机的完成指令控制以及采集数据传输㊂低波特率串口用于接收上位机控制指令㊂２个高波特率串口发送ＦＩＦＯ缓存的光谱数据㊂经试验验证采集系统的ＡＤＣ㊁ＤＡＣ及ＵＡＲＴ的时序控制满足了高速高效的需求㊂但是在便携上可进一步提高，下一步考虑通过利用Ｌｉｎｕｘ将上位机部分移植ＺＹＢＯ内㊂采集控制设计完全使用了ｖｅｒｉｌｏｇ代码进行了仿真与实测，发挥了ＦＰＧＡ的灵活特性，利用例化法提高了采集速率㊂关键词：ＦＴＩＲ；光谱仪；采集；ＦＰＧＡ；ＡＤＣ；ＤＡＣ；ＵＡＲＴ；ＭＥＭＳ；ＺＹＢＯ中图分类号：ＴＨ７４４㊀㊀㊀文献标识码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１００２－１８４１（２０２１）０２－００４７－０５ＤｅｓｉｇｎｏｆＦＴＩＲＳｐｅｃｔｒｕｍＡｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＦＰＧＡＪＩＡＭｉｎｇ⁃ｊｕｎ１，ＬＵＡｎ⁃ｊｉａｎｇ１，ＺＨＡＯＱｉ２，ＢＡＩＺｈｏｎｇ⁃ｃｈｅｎ１，ＬＵＸｕｅ⁃ｍｉｎ１，ＹＵＡＮＱｉａｎ⁃ｔｕ１（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＢｉｇＤａｔａａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕｉｚｈｏｕＭｉｎｚｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕｉｙａｎｇ５５００２５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｐｅｏｐｌｅｆｏｒｆｏｏｄａｎｄｄｒｕｇｓａｆｅｔｙｄｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎｆａｓｔａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅｗａｙ，ａｎｅｗＦＴＩＲｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｐｏｒｔａｂｌｅ，ｌｏｗｄｅｌａｙａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙｔｈｅｔｅａｍ．Ｓｐｅｃｔｒａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｉ⁃ｖｉｄｅｄｉｎｔｏｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｌｏｗｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｆｏｒｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ，ｉｔｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｃｒｏｓｓ⁃ｐｌａｔｆｏｒｍＣ＋＋ｇｒａｐｈｉｃａｌｕｓｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋ（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）ｔｏｍａｋｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ．Ｆｏｒｔｈｅｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒｔｏｆｌｏｗｅｒｕｎｉｔ，ｉｔｕｓｅｄＭＥＭＳｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅｓｔｏｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ａｎｄａｐａｒｔｏｆｔｈｅｌｏｗｅｒｍｏｎｉｔｏｒａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｂｏａｒｄｔｏｏｋａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅＺＹＢＯｏｆＸｉｌｉｎｘ．ＤＡＣｄｒｏｖｅｍｏｔｉｏｎｍｉｒｒｏｒｍｏｖｉｎｇａｎｄＡＤＣｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｒｅｆｅｒｔｏｔｈｅｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｒｅｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｓａｍｐｌｅｌｉｇｈｔｄａｔａ，ｓｏｔｈａｔｍｕｌｔｉｐｌｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｌｅｔｅｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄａｔａａｃｑｕｉ⁃ｓｉｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒ．Ｌｏｗｂａｕｄｒａｔｅｓｅｒｉａｌｐｏｒｔｗａｓｕｓｅｄｔｏｒｅｃｅｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｏｆｕｐｐｅｒｍｏｎｉｔｏｒ．ＴｗｏｈｉｇｈｂａｕｄｒａｔｅｓｍｅｔｔｈｅｄｅｍａｎｄｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｂｙｔｅｓｔｉｎｇａｎｄｖｅｒｉｆｙｉｎｇｔｈｅＡＤＣ．ＴｈｅｔｉｍｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｏｆＤＡＣａｎｄＵＡＲＴｍｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｓｐｏｒｔａｂｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎｎｅｅｄｓｔｏｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｆｏｒｔｈｅｎｅｘｔｓｔｅｐ，ｉｔｓｃｏｎ⁃ｓｉｄｅｒｅｄｔｈａｔｔｈｅｕｐｐｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒｐａｒｔｉｓｔｒａｎｓｐｌａｎｔｅｄｉｎｔｏｔｈｅＺＹＢＯｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＬｉｎｕｘ．Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｏｆｃｏｎｔｒｏｌｄｅｓｉｇｎｍａｄｅｆｕｌｌｕｓｅｏｆｖｅｒｉｌｏｇｃｏｄｅｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｗｈｉｃｈｅｘｅｒｔｓｔｈｅｆｌｅｘｉｂｌｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅＦＰＧＡ，ａｎｄｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｒａｔｅｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＴＩＲ；ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ；ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ；ＦＰＧＡ；ＡＤＣ；ＤＡＣ；ＵＡＲＴ；ＭＥＭＳ；ＺＹＢＯ０㊀引言因为不同物质对于红外光谱的吸收与反射情况不同，近红外光谱分析便成了分析物质的重要方法㊂ＦＴＩＲ光谱仪就是其中重要使用工具之一［１－３］，此类光谱仪广泛用于化工㊁军事㊁农牧业㊁林业㊁环保㊁制药工艺等领域㊂由于传统的光谱仪体积庞大㊁延时高㊁便携性差等缺点［４－８］，无法满足实时在线测试的需求㊂本文研究了一种实时在线的ＦＴＩＲ光谱仪［９－１０］，国内很多光谱仪都是ＣＣＤ光谱采集系统，本文利用ＦＰＧＡ高速㊁高效㊁灵活性强的优势设计了一种硬件描述语言的采集系统［１１－１５］㊂通过使用ＡＤ７９０３将采集的光ＰＤ信号转换为数字量，利用ＤＡＣ８５６８将存入ＲＯＭ的㊀㊀㊀㊀㊀４８㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀预制电压数字量转换为模拟量从而驱动ＭＥＭＳ微镜，最终实现的快速ＦＴＩＲ光谱仪最高分辨率达到了０．０６ｃｍ－１，具有１６位的采样精度与１ＭＳＰＳ的转换速度㊂经验证，基本满足了现场在线测试需求㊂１㊀原理分析如图１所示，本次设计的干涉仪基于迈克尔逊干涉仪原理，采用分波阵面法产生干涉信号，图中虚线表示动镜移动时的位置，整个系统由动镜㊁定镜㊁窄带光源㊁分束器以及探测器构成㊂动镜与定镜相互垂直且到分束器初始距离相同，且分束器与动镜和定镜分别构成４５ʎ夹角㊂整个工作过程由光源发出入射光，入射光经过分束器，一半的入射光反射到定镜上再经过定镜全反射回分束器经透射到达光电探测器，于此同时，另一半的入射光经过透射到达ＭＥＭＳ动镜，由于动镜的移动而产生光程差，这样就会导致经过动镜全反射的光再经过分束器反射后汇聚在探测器时产生干涉，探测器将干涉信号采集下来㊂动镜的移动距离决定着干涉仪的性能㊂理想情况下，动镜的移动距离是匀速变化的，但是ＭＥＭＳ电热式微镜在不同电压情况下其弯曲度不是理想的线性，因此会导致附加谱线㊂因此本次设计的光谱仪通过增加同步采集参考光，经过ＣＰＵ利用Ｂａｕｌｔ方法最终提高采样精度㊂图１㊀干涉仪框图２㊀模块设计如图２所示，整个系统由２部分组成，分别是上位机跨平台的Ｃ＋＋图形用户界面应用程序，该框架（ＱＴＣｒｅａｔｏｒ）通过编程形成，主要功能是对下位机输送操作指令㊁对于发回的光谱数字数据进行分析并绘制光谱图㊂下位机部分有３个细分模块，第一部分是光电生成部分，系统有２路光源，分别是参考光源和样本光源，它们通过迈克尔逊干涉原理的干涉仪产生等光程差的相干干涉；由此产生的不同光强同步转换为数字量㊂第二部分由硬件底层采集电路组成，主要完成Ｉ／Ｖ转换㊁放大㊁滤波得到稳定的数据信号㊂第三部分是ＦＰＧＡ控制处理部分，用于实现对ＡＤＣ㊁ＤＡＣ㊁ＲＳ２３２的时序控制，设计出符合器件技术手册要求的ｖｅｒｉｌｏｇ时序代码，最后要将每个模块整合在一个ｔｏｐ文件下，所有时序都按要求的方式运行㊂最终通过引脚绑定至ＥＭＩＯ引出㊂最后整个系统密切配合完成光谱绘制㊂图２㊀光谱仪系统３㊀模块设计３．１㊀ＤＡＣ光谱仪分辨率可以表示一个仪器的分辨能力，对于波长为ａ１和ａ２的２个单色光，定义Δａ＝ａ１－ａ２为分辨率㊂在最大光程差ｌ处，ａ１，ａ２分别有ｎ和ｎ＋１个余弦波，定义动镜最远位移为ｌ，则有：２ｌ＝ｎ／ａ１＝（ｎ＋１）／ａ２（１）Δａ＝ａ１－ａ２（２）Δａ＝１２ｌ（３）不难得出，动镜的移动距离决定着光谱仪的分辨率，设置多分辨率的光谱仪，就需要不同最大光程差移动距离，本系统的光程差有０．０３３㊁０．０１５㊁０．０２４ｃｍ，所以驱动ＭＥＭＳ微镜就需要给出不同的电压㊂分别对应８㊁４㊁６Ｖ，这是由ＭＥＭＳ微镜移动与电压关系决定的，而且由于驱动速度不同直接影响着光谱仪动镜加速度，所以驱动频率应在建议频率之下㊂为此设置了１－２－５Ｈｚ的频率以验证最好效果㊂为了满足多通道㊁高精度㊁低延时的要求㊂选用了ＤＡＣ８５６８器件，ＤＡＣ８５６８具有８个通道㊁１６位精度㊂满足了本采集系统驱动设计需求㊂设计ＭＥＭＳ四通道等距移动即可㊂ＤＡＣ控制时序相对复杂㊂对于参考电压外接口，如果不使用就需要接电容后再接地滤波㊂ＤＡＣ８５６８的使用需要一些指令的输入，首先是将器件复位，设计选用所有通道复位到０㊂接着把ｌＤＡＣ加载引脚设置为无效㊂因为使用同步加载模式不需要加载控制㊂接下来就是ｐｏｗｅｒｏｎ步骤了，这里有２点须注意，一个就是选择ＦｌｅｘｉｂｌｅＭｏｄｅ，因为ＳｔａｔｉｃＭｏｄｅ会不断关闭内㊀㊀㊀㊀㊀第２期贾明俊等：基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计４９㊀㊀部参考，还有一个就是使用稳定的内部参考，故此选择０９０Ａ操作语句㊂在这种语句控制下，器件一直使用内部参考电压并且无需反复重启㊂最后一个语句是所有寄存器写０，输入所有指令后ＤＡＣ８５６８与普通ＤＡＣ工作方式相同，控制命令如图３定位流程㊂再通过技术手册得知主要问题在于同步脚ＳＹＮＣ何时拉高拉低和３２个ｓｃｌｋ给入㊂Ｃｌｒ直接拉高即可㊂图３㊀指令图３．２㊀ＡＤＣＡＤＣ采集数据的频率需要根据所采信号的最大频率设定，根据奈奎斯特采样定理，采样频率应该为被采频率的２倍以上，而我们一般习惯使用过采样㊂所以需要计算被采信号的最高频率ｆｍａｘ㊂根据本次设计的光谱探测范围为９００２６００ｎｍ，则相应的波数υ为：１／２６００１／９００ｎｍ－１㊂根据最大移动距离Ｌ值为０．０３３ｃｍ，完成一次扫描的时间（Ｔ）在最快驱动频率５Ｈｚ情况下为０．２ｓ㊂设速度为ｖ，根据式（４）：ｆｍａｘ＝２υｖ＝２υＬＴ（４）得到最大信号频率为３．６ｋＨｚ，据此综合考虑选择了ＤＡＣ８５６８型号的ＡＤＣ器件㊂该器件具有１６位的高精度双通道模拟输入㊁吞吐速率为１ＭＳＰＳ㊁支持轨到轨的转换㊂查看技术手册，选用了符合要求的四线同步采样模式（ＣＳ模式），根据设计要求，主机通过一个片选ＣＯＮＶＥＲＴ和同一个时钟ＳＣＬＫ同时控制２个从机工作实现同步采集㊂通常所有的ＡＤＣ时序设计都是围绕技术手册进行的，第一步看ｓｃｌｋ，查看得知ｓｃｌｋ最小周期为１１．５１６ｎｓ，但是一般选用典型时钟速率，故而选用５０ＭＨｚ时钟作为串行时钟㊂接着看ＣＮＶ，设计主要关注何时拉低拉高，同时要明确这是一个先转换后采集的过程，另外要关注保持建立时间㊂最后，ＡＤ７９０３也和大部分器件一样，下降沿数据逐渐输入，所以上升沿串行取出㊂最终利用ｖｉｖａｄｏ编写的主体代码如图４所示㊂３．３㊀ＵＡＲＴ及数据缓存设计选用了ＣＰ２１０１串口并设置４６０８００的最大图４㊀代码图波特率传输机制㊂数据采集和数据控制字宽度不一样，所以对于ＵＡＲＴ做了不同的处理，对于下位机接收ＵＡＲＴ采用普通的ＵＡＲＴ机制，１０ｂｉｔ数据，包括１个起始㊁１个结束和８ｂｉｔ数据㊂ＵＡＲＴ＿ｒｘ时刻保持等待状态，等着上位机指令㊂只要上位机有指令发出，则立刻分析㊂对于采集的数据，下位机ＵＡＲＴ＿ｔｘ采用了１６位发送方式并且例化了２个发送ｔｘ，这样做有助于提高传输速率，ＡＤＣ的数据是１６位的，所以设计１６位发送更有利于理解㊂这样做也发挥了ＦＰＧＡ灵活多变的特点㊂在数据缓冲时，利用了比较常用的ＦＩＦＯ，ＦＩＦＯ深度很大，达到１００００ｂｉｔ，之所以这样做是因为串口相对于采集的吞吐率过大，所以１ｓ内数据也需要大的缓存空间，在ＦＩＦＯ设计中最重要的是关注读写使能的设置，ＦＩＦＯ的写使能选用Ａ／Ｄ采集的ｄａｔａｒｅａｄｙ，保障了写入数据的可靠，读使能选用ｔｘ＿ｂｕｓｙ，保证了发送的有序㊂ＦＩＦＯ的空ｅｍｐｔｙ也作为ｔｘ的数据有效标识，保证了ｔｘ不传输空数据和无效数据㊂４㊀系统仿真对于整个系统的设计，遵循着自顶向下的设计方式，即首先给出设计方案整体架构，然后依据需求将系统各部分模块化，每个接口放在顶层，每个模块单独设计好，设计出满足需要的模块小单元㊂正是基于这样的原因，必须在仿真时先对模块测试是否符合需求，然后再对整体仿真，对每个用例都要测试㊂保证系统的可靠性㊂㊀㊀㊀㊀㊀５０㊀ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒＦｅｂ．２０２１㊀４．１㊀ＡＤＣ仿真对于ＡＤＣ测试代码，需要给出的激励有时钟ａｄ＿ｓｃｌｋ和输入的数字数据ａｄ＿ｓｄｏ１（２）以及启动信号ａｄ＿ｓｔａｒｔ㊂经过查看仿真图５可以看出，在时钟与信号有效时，Ａ／Ｄ数据转换并没有立即开始，直到ａｄ＿ｓｔａｒｔ启动后，数据采集才开始，片选ａｄ＿ｃｎｖ拉高㊁采集过程循环进行，ａｄ＿ｄａｔａ也输出了寄存的数值，得出结论满足时序要求㊂图５㊀ＡＤＣ仿真时序４．２㊀ＤＡＣ仿真ＤＡＣ时序首先必须有时钟ｃｌｋ㊁复位ｒｓｔ以及启动ｄａ＿ｓｔａｒｔ指令㊂查看仿真图６可以看到，在ｒｓｔ无效㊁ｃｌｋ有效时，ＤＡＣ并没有立即输出信码Ｄｉｎ，这是因为ｄａ＿ｓｔａｒｔ没有启动，时序仿真在启动ｓｔａｒｔ有效后立即进入工作状态㊂在启动信号有效时，持续进行信码输出㊂图６㊀ＤＡＣ仿真时序４．３㊀系统仿真对于ＵＡＲＴ串口没有单独测试㊂把它作为系统代码测试的一部分进行了综合仿真㊂在系统仿真图７中，仿真了上位机发送代码ｓｅｎｄｄａｔａ为８ｈ１０指令，即ＡＤＣ㊁ＤＡＣ同时工作，可以从图７看到ｒｘｄ拉低发生了接收，最后可以看到寄存器ｒｘ＿ｄａｔａ成功接收了８ｈ１０㊂可见指令正确接收㊂紧接着系统在得到ｒｘ＿ｄａｔａ的信息码后，ＡＤＣ和ＤＡＣ的ｓｔａｒｔ都拉高启动㊂ＡＤＣ和ＤＡＣ随后都进入工作模式㊂在数据有效后采集数据通过２个ＵＡＲＴ发送到发送线ｔｘｄ１和ｔｘｄ２㊂最终得出时序仿真符合要求㊂５㊀实际测试本次设计主要测试有ＤＡＣ驱动测试㊁ＡＤＣ采集测试㊂主要用到仪器有ＧＤＳ－２２０４Ａ（２００ＭＨｚ）㊁小型ＭＥＭＳ干涉仪㊁１３１０ｎｍ的近红外作为参考光源㊁ＣＰＵ主机㊂整体布局图如图８所示，示波器主要为了观察ＡＤＣ采集输入信号与ＤＡＣ的输出信号，首先测试图７㊀采集系统仿真时序ＦＰＧＡ输出电压数据与频率是否符合要求，图９是１Ｈｚ与６．６Ｖ的测试结果，可以看出三角波十分标准㊂验证了驱动没有问题，下一步就可以进行采集设置了，首先利用信号发生器产生一个三角波，然后利用ＭＡＴＬＡＢ将串口发回数据绘制出来，结果如图１０所示，虽然有少许毛刺，但是经计算是输入的２０ｋＨｚ三角波，最后在ＡＤＣ和ＤＡＣ都符合要求时，进行系统连接，最终采集的光谱信号如图１１所示，可以看出水和空气的光谱具有明显的特征差别㊂最终得出，光谱仪采集部分结果基本符合设计要求，后期进一步的光谱数据处理交由ＣＰＵ部分处理㊂图８㊀布局图图９㊀驱动电压图１０㊀采集三角波㊀㊀㊀㊀㊀第２期贾明俊等：基于ＦＰＧＡ的ＦＴＩＲ光谱仪采集系统的设计５１㊀㊀图１１㊀水和空气采集的相对强度图６㊀结论与不足设计的基于ＦＰＧＡ的光谱采集系统，经仿真论证设计满足要求，并且改变了多数利用ＡＲＭ设计驱动底层器件的现状，为广大科研人员提供了一个更为可靠的路线㊂与此同时，采用ＦＰＧＡ设计整个下位机系统，不仅缩短了开发周期，而且节约了成本㊂利用ＦＰＧＡ开发的系统不仅更加高速高效灵活，而且便携升级换代也可以发挥技术沉淀的优势㊂但是整套系统还可以进一步提高，集成度也可进一步优化㊂在下一步设计中，从ＡＲＭ与ＦＰＧＡ结合的角度出发，开发更加小型化的设备㊂参考文献：［１］㊀王国龙，高少华，朱胜杰，等．基于开路式傅里叶变换红外光谱仪现场实测法的污水处理单元ＶＯＣｓ排放核算研究［Ｊ］．环境科学学报，２０２０，４０（３）：８６５－８７０．［２］㊀李忠兵，许贤泽，乐意，等．ＦＴＩＲ光谱仪中基于定镜调整的动镜运动控制研究［Ｊ］．光谱学与光谱分析，２０１２（８）：２８１－２８４．［３］㊀李妍，李胜，高闽光，等．ＦＴＩＲ光谱仪中傅里叶插值采样方法的研究［Ｊ］．红外与激光工程，２０１８，２７９（１）：２７６－２８１．［４］㊀ＧＥＩＳＳＥＬＨ，ＷＩＮＦＩＥＬＤＪＳ，ＢＥＲＧＧＰＡ，ｅｔａｌ．Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ⁃ｍａｔｃｈｅｄｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｎｔｈｅｌｏｗ⁃ｅｎｅｒｇｙｂｒａｎｃｈｏｆｔｈｅＳｕｐｅｒ⁃ＦＲＳｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｌａｒｇｅ⁃ｅｍｉｔｔａｎｃｅｒｅｌａｔｉｖｉｓｔｉｃｆｒａｇｍｅｎｔｂｅａｍｓ［Ｊ］．ＮｕｃｌｅａｒＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ＆ＭｅｔｈｏｄｓｉｎＰｈｙｓｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈ．Ｂ，ＢｅａｍＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｗｉｔｈＭａｔｅ⁃ｒｉａｌｓａｎｄＡｔｏｍｓ，Ｂ，２０１３，３１７：１０．１０１６／ｊ．ｉｍｂ．２０１３．０７．０６４．［５］㊀ＹＵＸＩＮＭ，ＹＡＮＧＰ，ＸＵＡＮＬ，ｅｔａｌ．Ｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｄｉｇｉｔａｌｄｒｏｐｌｅｔｐｉｐｅｔｔｉｎｇｅｎａｂｌｅｄｂｙａｐｌｕｇ⁃ａｎｄ⁃ｐｌａｙｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｐｉ⁃ｐｅｔｔｉｎｇｃｈｉｐ［Ｊ］．ＬａｂｏｎａＣｈｉｐ，２０１８，１０：１０３９［６］㊀ＭＩＬＨＯＮＥＪ，ＦＬＡＮＡＧＡＮＫ，ＮＯＲＮＢＥＲＧＭＤ，ｅｔａｌ．Ａｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｆｏｒｈｉｇｈ⁃ｐｒｅｃｉｓｉｏｎｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｎｄｖｅｌｏｃｉｔｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｉｎｌｏｗ⁃ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｐｌａｓｍａｓ［Ｊ］．ＲｅｖｉｅｗｏｆＳｃｉ⁃ｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，２０１９，９０（６）：０６３５０２．［７］㊀ＢＡＢＵＮＴＳＲＡ，ＢＡＤＡＬＹＡＮＡＧ，ＧＵＲＩＮＡＳ，ｅｔａｌ．Ｃａｐａ⁃ｂｉｌｉｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐａｃｔｈｉｇｈ⁃ｆｒｅｑｕｅｎｃｙＥＰＲ／ＥＳＥ／ＯＤＭＲｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｂｒｉｄｇｅｓａｎｄａｃｒｙｏ⁃ｇｅｎ⁃ｆｒｅｅｍａｇｎｅｔｏ⁃ｏｐｔｉｃａｌｃｒｙｏｓｔａｔ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＭａｇｎｅｔｉｃＲｅｓ⁃ｏｎａｎｃｅ，２０２０，５１：１０．１００７／ｓ００７２３－０２０－０１２３５－９．［８］㊀ＧＺＡＵＫＵＵＪＬＺ，ＡＯＵＡＤＩＢ，ＭÁＴＹÁＳＬＵＫÁＣＳ，ｅｔａｌ．Ｄｅｔｅｃ⁃ｔｉｎｇｌｏｗｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｏｆｎｉｔｒｏｇｅｎ⁃ｂａｓｅｄａｄｕｌｔｅｒａｎｔｓｉｎｗｈｅｙｐｒｏｔｅｉｎｐｏｗｄｅｒｕｓｉｎｇｂｅｎｃｈｔｏｐａｎｄｈａｎｄｈｅｌｄＮＩＲｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｓｃａｎｎｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈｐｌａｓｔｉｃＢａｇ［Ｊ］．Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，２０２０，２５（１１）：１０．３３９０／ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ２５１１２５２２．［９］㊀ＫＲＩＳＴＥＮＳＥＮＧＨ，ＫＬＡＵＳＥＮＭＭ，ＨＡＮＳＥＮＶＡ，ｅｔａｌ．Ｏｎ⁃ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｔｒｉｈａｌｏｍｅｔｈａｎｅｃｏｎ⁃ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓｉｎａｗａｒｍｐｕｂｌｉｃｓｗｉｍｍｉｎｇｐｏｏｌｕｓｉｎｇａｎｕｎｓｕ⁃ｐｅｒｖｉｓｅｄｍｅｍｂｒａｎｅｉｎｌｅｔｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｏｆｆ⁃ｓｉｔｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ［Ｊ］．ＲａｐｉｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｉｎＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ，２０１０，２４（１）：３０－３４．［１０］㊀ＺＨＥＮＧＢＷ，ＺＨＡＮＧＷ，ＷＵＴＹ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｒｅａｌ⁃ｔｉｍｅｄｏｕｂｌｅ⁃ｒｉｎｇｆｕｓｉｏｎｎｅｕｔｒｏｎｔｉｍｅ⁃ｏｆ⁃ｆｌｉｇｈｔｓｐｅｃ⁃ｔｒｏｍｅｔｅｒｓｙｓｔｅｍａｔＨＬ－２Ｍ［Ｊ］．ＮｕｃｌｅａｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ⁃ｎｉｑｕｅｓ，２０１９，３０（１２）：１７５．［１１］㊀ＴÜＲＫ，ＭＵＳＴＡＦＡ，ＴＵＮＣＥＲ，ｅｔａｌ．Ｓａｈａｄａｐｒｏｇｒａｍｌａｎａｂｉｌｉｒｋａｐｄｉｚｉｌｅｒｉｋｕｌｌａｎｌａｒａｋｋｉｋａｎａｌｌｄａｒｂｅｇｅｎｉｌｉｋｍｏｄüｌａｓｙｏｎｌｕｓｉｎｙａｌｌｅｒｉｎｒｅｔｉｍｉ：ｂｉｒＨ－Ｋｐｒüｄｎüｔüｒüｃü．（Ｔｕｒｋｉｓｈ）．［Ｊ］．ＦｉｒａｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００９，２１（２）：１３３－１４０．［１２］㊀ＺＥＮＧＨ，ＣＨＥＮＲ，ＺＨＡＮＧＣ，ｅｔａｌ．［ＡＣＭＰｒｅｓｓｔｈｅ２０１８ＡＣＭ／ＳＩＧＤＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ⁃Ｍｏｎｔｅｒｅｙ，ＣＡＬＩ⁃ＦＯＲＮＩＡ，ＵＳＡ（２０１８．０２．２５－２０１８．０２．２７）］Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅ２０１８ＡＣＭ／ＳＩＧＤＡＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＦｉｅｌｄ⁃ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙｓ⁃ＦＰＧＡ＼ᵡ１８－ＡＦｒａｍｅｗｏｒｋｆｏｒＧｅｎｅｒａｔｉｎｇＨｉｇｈＴｈｒｏｕｇｈｐｕｔＣＮＮＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｓｏｎＦＰ⁃ＧＡｓ［Ｃ］／／Ａｃｍ／ｓｉｇｄａＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍ．ＡＣＭ，２０１８：１１７－１２６．［１３］㊀ＤＵＤ，ＸＵＸ，ＹＡＭＡＺＡＫＩＫ．Ａｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｉｌｉｃｏｎ⁃ｂａｓｅｄｈａｒｄｗａｒｅＰｌｃｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｈｅｄｉｒｅｃｔｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｏｆｔｈｅｌａｄｄｅｒｄｉａｇｒａｍｔｏｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｌａｎｇｕａｇｅ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｄｖａｎｃｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈ⁃ｎｏｌｏｇｙ，２０１０，４９（５－８）：６１５－６２６．［１４］㊀ＬＡＮＤＭＡＮＮＣ，ＫＡＬＬＲ．Ｇｒａｐｈｉｃａｌｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎａｓａｈｉｇｈ⁃ｌｅｖｅｌｄｅｓｉｇｎｅｎｔｒｙｍｅｔｈｏｄｆｏｒＦＰＧＡ⁃ｂａｓｅｄｄａｔａａｃ⁃ｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＫｅｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０１４，６１３：２９６－３０６．［１５］㊀ＣＨＯＩＤＧ，ＫＩＭＭＨ，ＪＥＯＮＧＪＨ，ｅｔａｌ．ＡｎＦＰＧＡｌｍｐｌｅ⁃ｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｈｉｇｈ⁃ｓｐｅｅｄｆｌｅｘｉｂｌｅ２７－Ｍｂｐｓ８－ｓｔａｔｅＴｕｒｂｏｄｅ⁃ｃｏｄｅｒ［Ｊ］．ＥｔｒｉＪｏｕｒｎａｌ，２００７，２９（３）：３６３－３７０．作者简介：贾明俊（１９９５），硕士研究生，主要研究ＦＰＧＡ应用及嵌入式开发㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：５２８１９４６２１＠ｑｑ．ｃｏｍ陆安江（１９７８），副教授，博士，现主要从事光电子技术应用方面的研究㊂Ｅ⁃ｍａｉｌ：３９１４６５６５＠ｑｑ．ｃｏｍ。

基于FPGA的光谱仪数据采集系统

第42卷第3期激光杂志 Vol.42，No_3 2021 年3 月L A S E R J O U R N A L M a rc h,2021•光电技术与应用•基于F P G A的光谱仪数据采集系统袁洪平，曾立波，林志鹏武汉大学电子信息学院，武汉430072摘要:傅里叶红外光谱仪高效、可靠地获得光谱数据对于后续定性和定量分析物质有着重大的意义。

使用F P G A的并行处理能力和可自定义外设构建灵活的片内系统，配合外部硬件电路设计，提出了一种基于FP- G A的可定制高效稳定地采集、存储和传输光谱数据的系统实现方法。

阐述了基于F P G A完全使用硬件实现干涉信号采集和存储的方法,用以提高数据采集的可靠性。

通过最终的实验结果表明，系统可以长时间稳定的运行，解决了使用ARM进行数据采集和传输出现数据丢失的问题。

关键词：光谱仪;F P G A;自定义外设；数据采集中图分类号:TN216 文献标识码：A d o i：10. 14016/j. cnki. jgzz. 2021. 03. 153Data acquisition system of spectrometer based on FPGAYUAN Hongping,ZENG Libo,LIN ZhipengSchool o f Electronics a n d In fo rm a tio n,W uhan U niversity,W uhan430072, C hinaAbstract：The efficient and reliable acquisition of spectral data by Fourier infrared spectrom eter is significant for the subsequent qualitative and quantitative analysis of substances. Using the parallel processing capability of FPGA and the characteristic of building flexible in-c h ip system with custom izable peripheral and com bining with the design of external hardware circ u it, a system im plem entation m ethod based on FPGA can be custom ized and efficiently and stably co llec t, store and transm it spectral data was proposed. The method of interference signal acquisition and storage based on FPGA was described to improve data acquisition reliability. The final experim ental results show that the system can run stably for a long time and solve data loss in ARM data acquisition and transm ission.Key words：spectrom eter；F PG A；custom izable p e rip h e ra ls；data acquisitioni引言傅里叶红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTS)能够对物质进行定性和定量分析，因此被广泛地应用于医药化工、石油、煤炭、环保等领域[|4]。

基于FPGA逻辑分析仪的设计

本系统是一个典型的多层Ｂ／Ｓ架构的系统，中间层是业务逻辑层．应用服务器处理所有的业务逻辑。比较详细地介绍了数据库的设计和进行数据库连接的代码，并给出了客户表和定单表的详细内容。比较清晰地介绍了该系统的流程和一部分代码。由于篇幅所限．读者可以在此基础上，进行改进和完善。
参考文献
【１】汤兵勇，陈梅梅．中小企业电子商务之路．清华大学出版社．２００７．
电脑编程技巧与维护
基于ＦＰＧＡ逻辑分析仪的设计
李莉，雷加
（桂林电子科技大学电子工程学院，桂林５４１００４）
摘要：研制了一种基于ＦＰＧＡ逻辑分析仪的实现方案，系统包含简易逻辑序列发生器和逻辑分析仪两部份。硬件采用了ＡＶＲ单片机控制模块、ＦＰＧＡ采样模块和外部电路作输入，输出信号调理模块，通过较为合理的设计，完成了简易逻辑分析仪系统。关键词：ＡＶＲ单片机；ＦＰＧＡ；逻辑分析仪
２００９．
【６】马潮．高档８位单片机ＡＴｍｅｇａｌ２８原理与开发应用指南．北京航空航天大学出版社。２００４．
【７】夏宇闻．Ｖｅｒｉｌｏｇ数字系统设计教程．北京航空航天大学出版社．２００８．
一９２一
万方数据
为了更好地展示系统功能，本系统样机使用了两套以上平台分别时现了逻辑分析仪和数字序列发生器。得益于平台的充足资源。系统可方便地整合到一个平台上，将成本缩减。在核心平台外．对应该逻辑分析仪和数字序列发生器，本系统还分别设计了数控输出电平／输入门限电压的输入／输出整形
系统框图
图１系统原理框图电路。
图５为数字序列发生器输出：５５ＡＡ００Ｈ移位序列，２０ＭＨｚ。
图６为数字序列发生器输出：分频时钟输出，１０ＭＨｚ。
图２信号发生器原理框图
分频。经分频后输出时钟范嗣为１００Ｈｚ一２０ＭＨｚ。分频后的时钟经缓冲后分别送到计数器和移位寄存器里。移位寄存器为２４位，可以控制选择输出１—３个８位的移位字。２．２逻辑分析仪

基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计

基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计摘要：本文介绍了一种基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计。

该系统采用FPGA作为主控制器，实现了X射线荧光光谱仪的数据采集和实时控制。

通过该系统，我们可以实现对样品的X射线照射、荧光光谱数据的快速采集和分析，为材料表征和分析提供了一种高效、精确的方法。

引言1. 系统架构设计[插入图1：系统架构图]该系统由FPGA芯片、X射线源、光电探测器、荧光信号处理模块、控制器和PC机组成。

FPGA芯片作为系统的主控制器，负责控制X射线源的开关、荧光信号的采集和信号处理、以及与PC机的数据传输和通信。

X射线源用于照射样品，使其产生X射线荧光。

光电探测器负责探测并采集样品产生的X射线荧光信号。

荧光信号处理模块对采集到的信号进行放大、滤波和数字化处理。

控制器用于控制整个系统的工作模式和参数设置。

PC机用于显示荧光光谱数据、进行数据分析和处理。

2. FPGA主控制器设计FPGA主控制器是整个系统的核心部分，它负责实时控制X射线源的开关、对光电探测器采集到的荧光信号进行数字化处理和数据传输等功能。

在系统设计中，我们选用了Xilinx 公司的Spartan系列FPGA芯片作为主控制器，其具有低功耗、高性能和灵活性等特点，非常适合用于X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统。

(1) 控制逻辑设计FPGA主控制器的控制逻辑包括X射线源的开关控制、光电探测器的采集控制、荧光信号的数字化处理和数据传输控制等。

控制逻辑采用Verilog硬件描述语言进行设计和实现。

具体包括状态机的设计、时序控制的设计、协议的设计等。

(2) 数据传输设计FPGA主控制器与PC机之间采用高速串行通信接口进行数据传输。

为了提高数据传输速度和稳定性，我们采用了高速差分信号传输技术，并对通信协议进行了优化和定制。

3. 实验结果与分析。

基于FPGA简易逻辑分析仪的设计与实现

ｘ信号由１０位串行输入的ＤＡ转换芯片／
ＴＣ６５产生。通过控制模块控制ＴＣ６５产生Ｌ５１Ｌ５１锯齿波，以提供波形显示所需要的周期性扫描信
号，同时利用ＦＧＰＡ的并行能力，输出扫描信号在
频率设计为１２８８ｚ．２ＭＨ。
在实际应用中，需要采样不同频率的信号，因此设计了１不同的采样频率（２。采样频６种表）
率可以通过按键进行选择。表２１６种采集频率表
３２合成Ｙ信号．
显示出对应的逻辑值。时钟频率扫描速度足够快时，由于人眼的视觉暂留现象，在示波器上可显示
参考文献
［］王建国，新新．于ＦＧ的简易逻辑分析仪的１汪基ＰＡ
设计［］微计算机信息，０８２（８：１２６Ｊ．２０，４２）２４— １．［］王景存，炳生，国法．ＦＧ实现数字逻辑分２李赫用ＰＡ析仪设计［］武汉科技大学学报，００２３，Ｊ。２０，４（）
题，以便实验室应用，时采用纯硬件设计，而同因
逻辑分析仪硬件系统（２由５部分构成：图）
电平输入接Ｉ、键、／＝按１ＤＡ转换器、码显示电路数和ＦＧＰＡ最小系统。其中ＤＡ转换器为两路，／用

基于FPGA的数字频谱分析仪

目录1. 设计概述 (1)2. 设计目标 (2)3. 设计思想 (3)4. 系统结构 (4)4.1系统硬件结构框图 (4)4.2系统软件结构框图 (5)5. 系统单元电路的设计 (5)5.1ADC采样模块设计 (5)5.1.1 WM7831芯片简介 (5)5.1.2 WM8731芯片控制 (6)5.1.3 ADC单元硬件电路 (7)5.2FFT模块的设计 (9)5.2.1 FFT算法 (9)5.2.2 FFT算法的FPGA实现整体结构 (10)5.3中断的实现 (11)5.4液晶显示模块的设计 (11)5.4.1 方案论证 (12)5.4.2 方案设计过程 (12)5.5VGA显示模块的设计 (18)5.5.1 VGA显示原理及时序 (18)5.5.2 方案论证 (19)5.5.3 方案设计过程 (20)5.6音频前置放大器的设计 (22)5.7音频输出 (22)6. 系统实验结果分析 (23)6.1分辨率实验 (23)6.2频率的测量范围实验 (24)6.3M ATLAB对正弦波进行频谱分析的仿真结果 (25)6.4音频信号的相关实验 (26)6.5系统运算速度测试 (26)6.6实验结果分析 (26)6.7系统资源使用情况 (26)7. 设计特点与不足 (27)7.1设计特点 (27)7.2设计不足 (27)8. 设计过程中出现的问题及解决 (28)9．总结 (28)参考文献 (29)数字频谱分析仪Digital Spectrum Analyzer(陕西科技大学王鹏，李明艳，刘波指导教师：马令坤)摘要：随着科学技术的发展，频谱分析作为近代的信号分析方法在各个学科研究中已经广泛应用，是从事各种电子产品研发、生产、检验的重要依据。

高分辨率、宽频带实时的数字频谱分析的方法和实现一直是该领域的研究热点，我们设计了一种基于NIOS II的嵌入式频谱分析仪。

充分利用NIOSII强的运算能力和FPGA易于系统集成的特点，实现了硬件开销小、实时性较强和分辨率高的语音频谱分析仪。

基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计

基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计一、引言X射线荧光光谱仪是一种用于分析物质成分的仪器，它通过激发样品产生的X射线，并测量其荧光辐射强度，从而确定样品的元素组成。

在X射线荧光光谱仪中，数据采集与控制系统是至关重要的组成部分，它负责采集光谱数据并控制仪器的运行。

本文将介绍一种基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统的设计，以及系统的工作原理和性能特点。

二、系统设计1. 系统框架基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统主要由FPGA芯片、AD转换器、控制器、存储器和通信接口等组成。

FPGA芯片作为系统的核心处理器，负责数据采集和实时控制；AD转换器用于将模拟信号转换为数字信号；控制器负责控制整个系统的运行；存储器用于存储采集到的光谱数据；通信接口用于与外部设备的数据交换。

2. 数据采集数据采集是X射线荧光光谱仪的核心功能之一，它通过对样品的X射线荧光辐射进行探测和测量，得到样品的光谱数据。

在基于FPGA的数据采集系统中，AD转换器将模拟信号转换为数字信号，并将其传输给FPGA芯片进行处理。

FPGA芯片通过预设的算法对数据进行处理和分析，并将处理后的数据传输至存储器进行存储。

采集系统还需要与控制系统进行同步，实现数据的准确采集和处理。

3. 控制系统控制系统是X射线荧光光谱仪的重要组成部分，它负责对仪器的各个部件进行控制和调节，以保证仪器的正常运行。

在基于FPGA的控制系统中，FPGA芯片作为主控制器，通过预设的逻辑电路对光谱仪的各个部件进行实时控制。

控制系统还需要与数据采集系统进行同步，保证数据的实时采集和处理。

4. 通信接口通信接口是X射线荧光光谱仪与外部设备进行数据交换的重要途径，它负责与计算机、显示器、打印机等外部设备进行数据传输和控制。

在基于FPGA的通信接口设计中，需要考虑接口的稳定性、速度和兼容性，以保证与外部设备的良好通信。

三、系统工作原理四、系统性能特点基于FPGA的X射线荧光光谱仪数据采集与控制系统具有以下性能特点：系统的数据采集速度快，能够实现高精度的数据采集和处理；系统的控制精度高，能够实现对仪器的多种部件进行精确控制；系统的可靠性高，能够保证长时间稳定运行；系统的灵活性好，能够适应不同样品的分析需求。

基于FPGA便携式光谱分析仪设计

基于FPGA便携式光谱分析仪设计彭馨仪;张丽娟【摘要】为了大幅提高光谱检测的抗干扰能力和实时数据处理能力,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的静态光谱分析系统.选用静态干涉具取代机械扫描,从而提高系统的抗震动能力,使其适用于便携式光谱仪的设计要求.采用FPGA芯片完成干涉数据的高速处理,从而达到实时响应的设计要求.设计了系统的结构、硬件电路以及光谱分析算法,给出了光谱还原的理论推导与计算过程.实验采用Virtex2-pro型FPGA开发板,对660 nm激光光谱进行测试,频谱计算效果与Matlab仿真数据作对比.实验结果显示:本系统可以有效地将被测激光光谱分布函数解出,速度快,准确度高,并具有较好的抗干扰能力,适合于便携式光谱分析仪的应用特点.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2015(034)009【总页数】4页(P58-60,64)【关键词】光谱分析仪;便携式设计;抗干扰能力;现场可编程门阵列【作者】彭馨仪;张丽娟【作者单位】长春工业大学应用技术学院,吉林长春130000;长春工业大学计算机科学与工程学院,吉林长春130000【正文语种】中文【中图分类】TN247光谱分析仪已被广泛地应用于生活中的诸多领域，例如:物质检测、气体浓度分析、激光成分探测等[1]。

常见的光谱分析仪主要分为色散型和干涉型。

色散型系统通常利用衍射效应获取入射光光谱信息，其结构简单、可靠度高，但其入射光需要通过狭缝，分辨率与光通量为对立关系，故为了保证一定的分辨能力，往往使系统的信噪比较低，并且不适合检测微弱信号。

干涉型系统通过干涉获取干涉条纹，再由傅氏变换求解光谱分布函数，其具有高光通量、结构稳定的特点。

早期的光谱分析仪常采用迈克尔逊干涉模块，虽然精度很高，但对震动非常敏感，所以，不适用于便携式设计与应用[2]。

为了克服机械扫描的缺陷，静态光谱分析仪问世，通过对空域相干条纹的解析完成光谱分布数据的获取，具有实时性、高稳定性等优点[3]。

基于FPGA逻辑分析仪设计

摘要逻辑分析仪是一种新型的数字测试仪器。

它应用于微机等数字系统的软件、硬件调试，故障检查，性能分析等过程中。

它可以监测硬件电路工作时的逻辑电平，并加以存储，用图形的方式直观地表达出来，便于用户检测，分析电路设计中的错误。

在数字电路调试中，往往要测试多路信号波形，分析其逻辑关系。

而普通示波器最多只能测试两路信号波形。

在很多数字电路的研究和实验中,往往需要同时查看多路数字信号的时序关系,并且有时信号不是周期性的,只用示波器无法完整的观察了解信号之间的关系,因此需要用到逻辑分析仪(LA)。

逻辑分析仪是数据领域测试仪器中最有效、最有代表性的仪器。

然而自1973年诞生第一台逻辑分析仪至今,逻辑分析仪的普及率仍很低,30%以上的数字设计师没有使用逻辑分析仪,最重要的原因在于其高昂的价格。

基于此，本文提出一种新型的简易逻辑分析仪的设计方法。

本设计以Altera 公司高性能FPGA 芯片为平台, 以VHDL语言为设计工具, 用自上而下的设计方法先对整个系统进行功能划分和定义，然后对划分的每个模块的行为级用ＶＨＤＬ进行描述，LCD 12864液晶显示器为显示工具的简易逻辑分析仪的设计方法。

它具有功能全面,价格低廉,能够实时分析8路数字信号的优点,因此具有很高的实用价值。

关键词:逻辑分析仪;FPGA;VHDL;ABSTRACTLogic analyzer is a new type of digital test equipment. It applies to computer software and other digital systems, hardware debugging, troubleshooting, performance analysis process. It can monitor the hardware circuit when the logic level, and stores, with an intuitive graphical way to express it, to facilitate detection, analysis of the circuit design error. In the digital circuit debugging, often multiple waveforms to test and analyze the logic. Ordinary oscilloscope can only test two-way signal waveform. Digital circuits in many studies and experiments, often need to simultaneously view multiple digital signals, timing relationships, and sometimes the signal is not periodic, only the observation of the oscilloscope can not be the complete understanding of the relationship between the signal and therefore need to use logical analysis Miriam (LA). Logic analyzer data field is the most effective test instruments, the most representative instruments.However, since 1973 the birth of the first logic analyzer so far, the logic analyzer rate is still low, more than 30% of the number of designers are not using logic analyzer, because of its high price.Based on this, we propose a new simple design method of the logic analyzer. The design for Altera's high performance FPGA chip as a platform to VHDL language design tools, top-down design with the first division of the whole system functions and definitions, and then divide each of the modules using VHDL for behavioral description, LCD 12864 LCD display tool for the simple logic analyzer design methods. It has a full-featured, low cost, real-time-channel digital signals, so it can have high practical value.KEY WORDS: logic analyzer; FPGA;VHDL目录摘要 (1)ABSTRACT (2)第1 章绪论 (4)1.1逻辑分析仪在数字科技中的重要地位 (4)1.2逻辑分析仪的发展状况 (7)1.3课题背景及意义 (8)1.4研究目标 (9)1.5工作内容 (9)1.6论文结构 (9)第二章逻辑分析仪硬件设计 (10)2.1硬件组成部分 (10)2.2FPGA的介绍 (10)2.3FPGA优势 (11)2.4FPGA特点 (12)2.5FPGA引脚配置 (14)2.5液晶显示器介绍 (15)2.6硬件描述语言概述 (18)第三章逻辑分析系统设计 (21)3.1统总体结构设计 (21)3.4数据捕获部分 (22)3.5数据显部分 (25)3．6逻辑分析仪系统的仿真 (29)第四章结论与展望 (32)5.1本次毕业设计的总结 (32)5.2基于FPGA逻辑分析仪的展望 (32)参考文献 (34)致谢 (36)附录 (37)第1 章绪论1.1 逻辑分析仪在数字科技中的重要地位一：数字科技对检测仪器的需求20 世纪70 年代以来，大规模集成电路、可编程逻辑器件、高速数据信号处理器和计算机技术等高新技术得到迅猛发展，为解决数字设备、计算机及VLSI 等电路在研制、生产、检修和维护中的测试问题，出现了一类新的测试设备。

基于FPGA的简易逻辑分析仪设计

1引言在设计和测试数字系统时，往往需要借助逻辑分析仪来观察多路数字信号波形，以分析其逻辑关系。

然而，现有的逻辑分析仪不仅价格昂贵，也很难普及和推广。

为此，设计了一个基于现场可编程门阵列（FPGA ）和单片机的简易逻辑分析仪。

它具有功能全面，价格低廉，能够实时分析8路数字信号的优点，因此实用价值很高。

2系统总体方案设计将8路待分析的并行数字信号经过模拟开关分时选通成为串行信号，再由A/D 采样为逻辑电平值后，通过FPGA 读取并暂存，如果存满了，则用最近输入的数字覆盖掉最早存入的数字，等到满足触发条件后，再存入设定位数的数字。

最后将这些数字存入FPGA 内部的双口RAM 中，由DAC 输出显示在模拟示波器上。

其中，触发电平、触发字、触发方式都由用户通过键盘输入，再由FPGA 解析为相应的逻辑，以控制A/D 转换结果和存储器的写入。

触发位置和可移动光标处的逻辑状态均由LCD 同步显示，其系统框图如图1所示。

3模拟电路的设计3.1输入阻抗变换电路为了尽可能地不影响输入信号，要求采样电路的输入阻抗要大于50k Ω，所以将各路信号先经射极跟随器，再由A/D 采样，但对于8路信号就需要8个射极跟随器，因而给电路带来复杂问题。

将8路信号输入模拟开关AD7501的8个输入端，并由控制电路控制8路信号顺序输出，再经过一个射极跟随器进入A/D 转换器的输入端[1]，再在FPGA 内部将这8路数据分离开来。

图2给出具体电路。

3.2门限电压控制及数据采集电路采用的门限电压控制方法是将待测信号通过A/D 转换器转换为数字量，并与预设数字进行比较，以决定信号的逻收稿日期：2008-08-04稿件编号：200808004作者简介：程达（1987-），男，湖北黄冈人。

研究方向：电子设计。

基于FPGA 的简易逻辑分析仪设计程达，唐宏昊，邢玉秀（武汉大学电子信息学院，湖北武汉430079）摘要:基于数字信号采集及数字示波器存储显示原理，并以AT89S52单片机和现场可编程门阵列（FPGA ）组成的最小系统为核心，采用数字信号发生器模块、由模拟开关和A/D 采样组成的信号并行采集电路、触发模块、数据储存模块和显示电路等构成简易逻辑分析仪。

基于FPGA的数字信号传输性能分析仪的设计与实现

基于FPGA的数字信号传输性能分析仪的设计与实现FPGA即可编程逻辑门阵列，是一种数字电路设计的先进平台，具有灵活、高速、低功耗等优势。

数字信号传输性能分析仪是一种用于测试数字信号传输质量的仪器，其设计和实现过程中，可以采用FPGA技术来实现高速、精确的数据采集和处理，以提高测试效率和准确度。

FPGA数字信号传输性能分析仪的设计和实现需要注意以下几点：1、选用高速AD转换器和FPGA芯片：由于数字信号传输具有高速性质，需要采用高速AD转换器和FPGA芯片来实现快速的数据采集和处理。

选用高速AD转换器可以提高采样速率和精度，选用高性能FPGA芯片可以保证处理速度和计算精度。

2、使用高速通信接口：数字信号通常采用高速通信接口进行传输，如PCIe、Gigabit Ethernet等，这需要设计和实现与这些接口兼容的硬件和软件。

3、编写可重用的IP核：为了提高开发效率和代码可重用性，可以采用FPGA IP核（Intellectual Property）技术来实现各种功能模块，如AD转换器接口、数据传输控制、数据处理算法等，这些IP核可以被多个项目共享使用。

4、设计高效的算法：数字信号处理通常使用FFT（Fast Fourier Transform）、滤波、差分、卷积等算法，这些算法需要设计高效的硬件来实现。

可以采用流水线技术、并行计算等技术来提高算法的并行性和效率。

FPGA数字信号传输性能分析仪的实现过程可以分为硬件设计和软件编写两个阶段。

硬件设计包括电路原理图设计、PCB 布线、元器件选取等；软件编写包括FPGA的逻辑设计、IP 核调用、数据采集和处理算法的开发等。

最后，FPGA数字信号传输性能分析仪的设计和实现可以广泛应用于数字通信、网络、信号处理等领域，具有广泛的应用前景。

基于ARM和FPGA的电力光纤信号分析仪的设计

Abstract: In order t o implement the auto mat izat ion and digitizatio n, achieve t he real t ime super visio n and test ing o f the substation system, and obtain the running st at us of the electr ic equipments quickly , the research prog ress of an electricity fi ber signal analy zer based on A RM and FPG A ar e intr oduced, and a no vel design scheme of the hardwa re o f the electricity fiber signal analyzer is proposed. T his analy zer has the functio ns of capturing v ario us messag es tranmitt ed thr ough 100 M BaseFX in digit ized substatio n, ext racting info rmation, deco ding messag es, perfor ming r eal time memo ry and w avefor m displa y. Keywords: A RM ; F PG A ; hig h - speed A / D co nv ersio n; IEC61850
图1
收稿日期 : 2010 -09 -29
光纤数字信号分析仪框图
第4期