一种应用于痕量气体检测领域的波形截位与显示技术制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于痕量气体检测领域的波形截位与显示技术。该检测技术将数字正交锁相放大模块，DDS模块，ZOOM模块，FIFO模块，控制模块，MAX模块，选择模块，截位模块集成在FPGA中。FPGA首先将探测器接收到的光强信号采集，然后在FPGA中通过将信号数据在FIFO的缓存、读写以及截位位置的自动判断来实现波形点值的截取及显示。通过上位机的命令来实现多幅波形的同时显示以及痕量气体浓度的实时显示。波形的同时显示以及痕量气体浓度的实时显示。波形的同时显示以及痕量气体浓度的实时显示。

【技术实现步骤摘要】
一种应用于痕量气体检测领域的波形截位与显示技术


[0001]本专利技术属于气体检测领域，更为具体地讲，涉及一种应用于痕量气体检测领域的波形截位与显示技术。

技术介绍

[0002]目前，采用红外量子级联激光器(Infrared Quantum Cascade Laser，IR
‑
QCL)的气体吸收光谱检测技术成为新的研究方向。QCL线宽极窄并且QCL波长可根据注入电流发生改变，因此可实现气体的单线谱分析。由于量子级联激光器波长处于中远红外，并且气体在中远红外区的吸收峰强度要远高于近红外区，因此可以检测到较强的吸收信号，其检测分辨率和灵敏度更高，气体浓度检出限更低。
[0003][0004]现有的基于QCL气体检测方法中，波长调制技术因其具有较高的噪声抑制能力因此被广泛使用。其工作过程如下：首先将低频三角波叠加上高频正弦波输入到QCL驱动模块中，驱动模块将实现信号的压流转换来驱动QCL工作，激光穿过待测气体后会被吸收一部分，探测器将接收吸收后的光强信号转换成电压信号输出给锁相放大器，同时高频正弦波经过倍频器输出频率为2倍正弦信号作为参考信号，再经过锁相放大器进行二次谐波信号提取，最后将谐波信号转换为对应气体浓度信息。经过上面一系列操作后的数据序列位宽太宽，将近48位左右。
[0005]而由于显示波形的屏幕分辨率有限，不能将48bit全部显示到显示屏上，因此需要截位操作。现在的截位方式大概有三种，一种为对数据进行高位的截取，但对于波形数值较小的数值如0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111B有效位在截取位之外的数据截取16bit，则得到的波形数值均为0000 0000 0000 0000B，则没有任何意义；其二是对数据进行高位的截取，但对于波形数值较小的数值如1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 1111B，经高16位截取之后得到的波形数值均为1111 1111 1111 1111B，同样也没有任何意义；其三是对数据进行中间位的截取，但我们需要根据数据大小的变化来手动调整截位位置，比较麻烦，十分不便。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种应用于痕量气体检测领域的波形截位与显示技术，其可以根据波形数据的变化来使其自动调整截位位置，使其最大化利用多位数值信息同时根据不同的抽点倍数在屏幕上同时显示多幅谐波波形并显示实时浓度信息。
[0007]为实现上述专利技术，本专利技术一种应用于痕量气体检测领域的波形截位与显示技术，其特征在于包括ADC模块，数字正交锁相放大模块，DDS模块，ZOOM模块，FIFO模块，控制模块，MAX模块，选择模块，截位模块，上位机以及显示器，其中：
[0008]ADC模块用于对探测器输出的光强信号进行采集，采集位宽为D1的数据序列并将
采集到的数据序列ADC_DATA发送到数字正交锁相放大模块。由于在波长调制技术中，调制信号正弦波频率f通常在5KHz～20KHz之间，因此ADC采样率f1一般为几MSPS；
[0009]数字正交锁相放大模块用于对ADC模块发送的数据序列ADC_DATA进行信号的解调、处理及滤波得到较为干净的二次谐波信号。在该模块内信号经过乘法运算、加法运算、开方运算及滤波等输出的二次谐波信号位宽为W位；
[0010]DDS模块用于输出周期性信号给数字正交锁相放大模块进行调制解调，该模块将以模拟信号的形式输出，输出波形为周期为T_trig的低频三角信号叠加周期为T_sin的高频正弦信号。为了保证调制信号的信号质量，DAC的采样率f2一般为几百MSPS；当DDS模块接受到控制模块发送的Clock_sync＝1时，DDS模块产生波形。当三角信号周期结束时，该模块将反馈Clock_ready＝1信号给控制模块，该信号持续一个时钟周期，然后输出Clock_ready＝0；
[0011]ZOOM模块用于对数字正交锁相放大模块产生的二次谐波序列进行抽点，抽点倍数Zoom_mult可变，可进行Z_1倍、Z_2倍、Z_3倍以及Z_4倍抽点。抽点倍数根据上位机发送的信号Zoom_mult进行选择；抽点后的数据序列Zoom_out同时发送到FIFO模块以及MAX模块；
[0012]FIFO模块用于缓存经ZOOM模块抽点后的数据序列Zoom_out。其位宽为W，深度为D。该模块受控制模块所控制。当其接收到控制模块6产生的控制信号Wr_en＝1后开始写入有效数据；当其接收到控制模块6产生的控制信号Re_en＝1后输出其存储的波形数据序列Zoom_out到截位模块9进行截位；当其接收到控制模块6产生的控制信号Wr_en＝0后该FIFO模块停止写入；
[0013]控制模块用于产生各种控制信号。该模块共有4个不同的状态，分别为空闲状态IDLE、等待状态WAIT、写状态WRITE以及边读边写状态RAW，在不同状态下该模块产生不同的控制信号。
[0014]在上电初始阶段该模块一直处于IDLE状态且该模块内的计数器FIFO_count＝0；当接收到上位机发送来的控制信号Wait_sync＝1后，该模块处于WAIT状态下，且发送控制信号Clock_sync＝1到DDS模块3进行周期同步；
[0015]当其接收到DDS模块3反馈回来的信号Clock_ready＝1后，该模块进入WRITE状态并经过同步周期T1(T1为数据在数字正交锁相放大模块处理数据所用总时间)后发送控制信号Wr_en＝1给FIFO模块5，使此时进入FIFO模块5的数据开始写入数据；且FIFO模块5每存1个数，计数器FIFO_count进行加1操作；当FIFO_count＝D
‑
1后FIFO_count＝0且发送Re_en＝1到FIFO模块5同时发送T_valid＝1到MAX模块和截位模块，使MAX模块输出结果并复位为0，同时使截位模块接收到相邻的D个数据进行截位操作，信号T_valid＝1维持1个周期。该状态机进入RAW状态；
[0016]当FIFO_count首次等于D
‑
1时，该状态机进入RAW状态，在该状态下进行边读边写操作；
[0017]当该控制模块接收到上位机发送来的控制信号Wait_sync＝0后，该模块发送控制信号Wr_en＝0到FIFO模块使其停止写入，该状态机进入IDLE状态，等待下一次召唤。
[0018]MAX模块用来将经ZOOM模块抽取的二次谐波波形数据序列Zoom_out进行比较，选择出每D个点中波形最大数值点Zoom_out_max，其位宽为W位。当接收到控制模块发送的信号T_valid＝1后，MAX模块输出当前周期的最大值Zoom_out_max给选择模块，同时开始计算
下个周期的最大值；
[0019]选择模块用于将MAX模块发送来的W位数据Zoom_out_max从高位开始和1进行与运算，运其本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种应用于痕量气体检测领域的波形截位与显示技术，其特征在于包括ADC模块，数字正交锁相放大模块，DDS模块，ZOOM模块，FIFO模块，控制模块，MAX模块，选择模块，截位模块，上位机以及显示器，其中：ADC模块用于对探测器输出的光强信号进行采集，采集位宽为D1的数据序列并将采集到的数据序列ADC_DATA发送到数字正交锁相放大模块。由于在波长调制技术中，调制信号正弦波频率f通常在5KHz～20KHz之间，因此ADC采样率f1一般为几MSPS；数字正交锁相放大模块用于对ADC模块发送的数据序列ADC_DATA通过该模块进行信号的进行解调及处理、滤波得到较为干净的二次谐波信号。在该模块内信号经过乘法运算、加法运算、开方运算及滤波等输出的二次谐波信号位宽为W位；ZOOM模块用于对数字正交锁相放大模块产生的二次谐波序列进行抽点，抽点倍数Zoom_mult可变，可进行Z_1倍、Z_2倍、Z_3倍以及Z_4倍抽点。抽点倍数根据上位机发送的信号Zoom_mult进行选择；抽点后的数据序列Zoom_out同时发送到FIFO模块以及MAX模块；DDS模块用于输出周期性信号给数字正交锁相放大模块进行调制解调，该模块将以模拟信号输出，输出波形为周期为T_trig的低频三角信号叠加周期为T_sin的高频正弦信号。为了保证调制信号的信号质量，DAC的采样率f2一般为几百MSPS；当DDS模块接受到控制模块发送的Clock_sync＝1时，DDS模块产生波形。当三角信号周期结束时，该模块将反馈Clock_ready＝1信号给控制模块，该信号持续一个时钟周期，然后输出Clock_ready＝0；FIFO模块用于缓存经ZOOM模块抽点后的数据序列Zoom_out。其位宽为W，深度为D。该模块受控制模块所控制。当其接收到控制模块6产生的控制信号Wr_en＝1后开始写入有效数据；当其接收到控制模块6产生的控制信号Re_en＝1后输出其存储的波形数据序列Zoom_out到截位模块9进行截位；当其接收到控制模块6产生的控制信号Wr_en＝0后该FIFO模块停止写入；控制模块用于产生各种控制信号。该模块共有4个不同的状态，分别为空闲状态IDLE、等待状态WAIT、写状态WRITE以及边读边写状态RAW，在不同状态下该模块产生不同的控制信号。在上电初始阶段该模块一直处于IDLE状态且该模块内的计数器FIFO_count＝0；当接收到上位机发送来的控制信号Wait_sync＝1后，该模块处于WAIT状态下，且发送控制信号Clock_sync＝1到DDS模块3进行周期同步；当其接收到DDS模块3反馈回来的信号Clock_ready＝1后，该模块进入WRITE状态并经过同步周期T1(T1为数据在数字正交锁相放大模块处理数据所用总时间)后发送控制信号Wr_en＝1给FIFO模块5，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：李奇峰，杨云鹏，刘新楠，马翔云，贾俊杰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：