一种基于FPGA的光谱信号调制和解调系统及气体检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于FPGA的光谱信号调制和解调系统及气体检测方法，所述系统包括FPGA、嵌入式处理器、数字信号采样器和数字模拟转换器，所述FPGA包括AXI控制字寄存器模块、时钟分频器组、DDS信号调制模块、DDS信号参数设置模块、锁相放大模块、多级滤波模块以及并行信号存储模块，所述AXI控制字寄存器模块用于寄存嵌入式处理器通过AXI总线发送的参数，并输出多种参数从而控制各模块的信号频率及幅值；所述时钟分频器组用于将系统时钟按照参数分频成不同频率的时钟供给各个模块使用，所述参数可配置；本申请提供的光谱信号调制和解调系统，模块可扩展、参数可配置、通道数可重构，且能够适配不同频率的高次谐波的解调与气体浓度反演。体浓度反演。体浓度反演。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的光谱信号调制和解调系统及气体检测方法


[0001]本专利技术涉及光谱信号调制和解调领域，特别是属于一种基于FPGA的光谱信号调制和解调系统及气体检测方法。

技术介绍

[0002]目前，光谱信号检测技术在气体检测等领域得到了广泛的应用，应用领域的拓展催生了提高系统适应性的要求，光谱信号的特点也逐步变为高速、高精度和并行。以西林药瓶泄漏残氧检测为例，为了实现西林药瓶泄漏残氧的高速高精度检测，一种常用的方法是直接在产线上安装多套激光发射器与接收器系统，采用多通道的策略扩展单个系统可以检测的西林药瓶数量。这提出了一个问题，应该如何提高光谱检测系统对多通道采集与输出具有更高的重构性和适配性，使得每当产线速度需求提升时，无需对系统大范围修改就可以扩展原有的通道数与功能。
[0003]伴随着速度需求的提高，更高的气体浓度反演精准度的需求也随之而来。研究表明，高次谐波特别是偶次谐波，在气体浓度反演过程中具备更明显的特征，更容易反演出精确的残氧浓度。因此，基于FPGA的光谱信号调制和解调系统存在着提高适用性的方向，特别是对不同频率的高次谐波都能精确地解调出结果。

技术实现思路

[0004]鉴于所述，本申请的目的在于解决现有的光谱信号调制与解调系统集成度和通用性低的问题，提出了一种基于FPGA，模块可扩展、参数可配置和通道数可重构的光谱信号调制和解调系统，适配不同频率的高次谐波的解调与气体浓度反演。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下方案：
[0006]一方面，本申请提供一种基于FPGA的光谱信号调制和解调系统，所述系统包括FPGA、嵌入式处理器、数字信号采样器和数字模拟转换器，所述FPGA包括AXI控制字寄存器模块、时钟分频器组、DDS信号调制模块、DDS信号参数设置模块、锁相放大模块、多级滤波模块以及并行信号存储模块；
[0007]所述AXI控制字寄存器模块用于寄存嵌入式处理器通过AXI总线发送的参数，并输出多种参数从而控制各模块的信号频率及幅值；
[0008]所述时钟分频器组用于将系统时钟按照参数分频成不同频率的时钟供给各个模块使用，所述参数可配置；
[0009]所述DDS信号调制模块用于调制正弦信号和斜坡信号，将调制完成的DDS信号发送给DDS信号参数设置模块；
[0010]所述DDS信号参数设置模块用于对DDS信号进行幅值的倍乘以及搬移，并将处理完成的DDS信号发送给数字模拟转换器从而产生模拟信号；
[0011]所述锁相放大模块用于对数字采集器的数字信号进行锁相放大，将信号解调为高次谐波，并将粗处理的高次谐波发送给多级滤波模块；
[0012]所述多级滤波模块用于对高次谐波进行低通滤波、均值滤波、数据截位处理，并将处理完成的高次谐波发送给并行信号存储模块进行存储；
[0013]所述并行信号存储模块用于将并行的多个信号存储入相同数量的BlockRAM中，再将缓存的数据通过DMA串行地传送至DDR内。
[0014]可选地，所述DDS信号调制模块包括斜坡信号发生单元和正弦信号发生单元；所述斜坡信号发生单元用于产生控制激光器电流大小的斜坡信号，斜坡信号的数据通过数字累加的方式形成，累加器的位数S2可以配置且具有如下的数学关系：
[0015][0016]其中，n为累加器的位数S2，N
max
为激光器电流波动上限对应的数字模拟转换器数据，N
min
为激光器电流波动下限对应的数字模拟转换器数据，N为所述DDS信号参数设置模块中斜坡信号幅值倍乘单元的系数；所述正弦信号发生单元用于产生作为载波的正弦信号，所述正弦信号的频率与锁相放大器的正弦信号频率严格保持整数倍关系，从而严格解调出相应频次的高次谐波。
[0017]可选地，所述DDS信号参数设置模块包括斜坡信号幅值倍乘单元、正弦信号幅值倍乘单元和DDS信号搬移单元。
[0018]可选地，所述锁相放大模块用于将数字采集器发送的电流信号与N倍频的正弦信号进行正交解调，提取出高次谐波信号，所述正弦信号的频率与DDS信号调制模块中的正弦信号频率严格保持整数倍关系，从而严格解调出相应频次的高次谐波。
[0019]可选地，所述多级滤波模块包括CIC滤波单元、多级滑动平均单元和数据截位单元，所述CIC滤波单元对高次谐波信号进行初步的低通滤波处理，所述多级滑动平均单元是由三个滑动平均器组成，对高次谐波信号做三次均值滤波，所述数据截位单元可对最多128位的数据进行截位，从而适应固定位数的数字信号采集器。
[0020]可选地，所述并行信号存储模块包括BlockRAM模块、AXIBlockRAM控制模块、DMA模块以及DDR内存。
[0021]可选地，所述嵌入式处理器在工作的任意时间段内对AXI控制字寄存器模块进行配置，完成初始化和参数实时控制。
[0022]可选地，所述嵌入式处理器对并行信号处理模块的DMA传输进行智能管理，以串行的方式将缓存数据传送至DDR中。
[0023]可选地，所述嵌入式处理器对DDR内的波形数据进行算法处理，并将计算结果输出到AXI控制字寄存器模块内。
[0024]另一方面，本申请提供一种基于光谱信号调制和解调系统的气体检测方法，包括如下步骤：
[0025]a.对数字采集器输入的双通道光谱信号进行处理，将其解调为二次谐波并存入DDR内，嵌入式处理器的算法求取其峰值并输出一定结果；
[0026]b.嵌入式处理器接收到外部检测请求信号拉高时，开始将解调后的二次谐波数据缓存入BlockRAM模块中，所述外部检测请求信号为气体瓶的位置传感器触发信号；当缓存满时，触发溢出中断，嵌入式处理器发出DMA传输请求，开始第一次传输；在传输未完成时，程序一直处于等待状态；
[0027]c.当DMA对第一个BlockRAM传输完成后，发出下一个BlockRAM的DMA传输请求，当存在两个以上的BlockRAM时，一直循环至最后一个BlockRAM传输完成；
[0028]d.当所有并行通道上的BlockRAM缓存数据传输完毕后，程序读取DDR内的所有数据包，进行寻找峰值算法处理，即对所有波形数据求最大值；
[0029]e.算法处理完成后，嵌入式处理器将算法结果输出到AXI控制字寄存器模块中。
[0030]综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
[0031]本专利技术所述FPGA系统功能包括能产生控制激光器电流的DDS调制信号以及能解调数字采集器采集到的光谱信号，通过将两种主要功能集成到同一个系统的方式，既方便了功能实现，也能严格保证DDS信号与锁相放大器的信号保持倍频的关系，确保高次谐波的准确性与可信度；
[0032]系统将主要功能细分成能调整参数的模块，模块之间的架构可以重新配置，对多路的信号输出和信号输入都具有可重构性，为满足不同的气体浓度反演方法的需求，在所述锁相放大器模块中设置了提取不同频率的高次谐波的方法，从而提高了系统在光谱信号检测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的光谱信号调制和解调系统，其特征在于：所述系统包括FPGA、嵌入式处理器、数字信号采样器和数字模拟转换器，所述FPGA包括AXI控制字寄存器模块、时钟分频器组、DDS信号调制模块、DDS信号参数设置模块、锁相放大模块、多级滤波模块以及并行信号存储模块；所述AXI控制字寄存器模块用于寄存嵌入式处理器通过AXI总线发送的参数，并输出多种参数从而控制各模块的信号频率及幅值；所述时钟分频器组用于将系统时钟按照参数分频成不同频率的时钟供给各个模块使用，所述参数可配置；所述DDS信号调制模块用于调制正弦信号和斜坡信号，将调制完成的DDS信号发送给DDS信号参数设置模块；所述DDS信号参数设置模块用于对DDS信号进行幅值的倍乘以及搬移，并将处理完成的DDS信号发送给数字模拟转换器从而产生模拟信号；所述锁相放大模块用于对数字采集器的数字信号进行锁相放大，将信号解调为高次谐波，并将粗处理的高次谐波发送给多级滤波模块；所述多级滤波模块用于对高次谐波进行低通滤波、均值滤波、数据截位处理，并将处理完成的高次谐波发送给并行信号存储模块进行存储；所述并行信号存储模块用于将并行的多个信号存储入相同数量的BlockRAM中，再将缓存的数据通过DMA串行地传送至DDR内。2.根据权利要求1所述的基于FPGA的光谱信号调制和解调系统，其特征在于：所述DDS信号调制模块包括斜坡信号发生单元和正弦信号发生单元；所述斜坡信号发生单元用于产生控制激光器电流大小的斜坡信号，斜坡信号的数据通过数字累加的方式形成，累加器的位数S2可以配置且具有如下的数学关系：其中，n为累加器的位数S2，N
max
为激光器电流波动上限对应的数字模拟转换器数据，N
min
为激光器电流波动下限对应的数字模拟转换器数据，N为所述DDS信号参数设置模块中斜坡信号幅值倍乘单元的系数；所述正弦信号发生单元用于产生作为载波的正弦信号，所述正弦信号的频率与锁相放大器的正弦信号频率严格保持整数倍关系，从而严格解调出相应频次的高次谐波。3.根据权利要求2所述的基于FPGA的光谱信号调制和解调系统，其特征在于：所述DDS信号参数设置模块包括斜坡信号幅值倍乘单元、正弦信号幅值倍乘单元和DDS信号搬移单元。4.根据权利要求1所述的基于FPGA的光谱信号调制和解调系统，其特征在于：所述锁相放大模块用于将数字采集器发送的电流信号与N倍频的正弦信号进行正交解调，提取...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗旗舞，张钰强，阳春华，王一博，桂卫华，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：