【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光谱探测和数据采集，尤其是基于fpga+som的光谱探测数据采集系统及方法。
技术介绍
1、目前，随着半导体芯片技术的发展，光谱探测仪器逐渐向小型化、快速响应以及高灵敏度方向发展，因此数据采集系统的迭代发展对于光谱探测技术来说尤为重要。在数据采集系统中，通常使用单片机作为数据采集的核心，但随着近些年fpga芯片的发展，为响应高速处理的需求，逐渐将fpga作为数据采集系统的核心。
2、fpga作为一种可编程门电路，其既具有硬件电路的快速响应性也具有可编程性的特点，得到广泛应用。尽管fpga在并行处理数据的具有巨大优势但由于精度和吞吐量问题，在浮点运算上有一定的限制。光谱学应用中，需要一些复杂浮点运算包括数据的非线性拟合、指数拟合等，以实现系统的功能，因此应用在光谱技术的数据采集系统，架构上需要fpga搭配其他多核处理器，fpga负责快速并行处理数据，多核处理器负责复杂的浮点运算。
3、目前的系统架构方式主要是fpga+arm和fpga+dsp这两种架构方式。fpga+arm架构所具有的优点是集成度高，但其缺点是速度和数据处理能力一般。虽然在dsp上算法实现容易，开发成本低，基于dsp的处理技术在目标追踪、雷达、声纳、通信等领域具备了广泛的运用，但dsp的外部接口资源比较少，无法满足较复杂的控制需求。
4、中国专利公开号为cn115191989a提供了一种基于激光光谱的集成化人体呼气检测系统，其中，波长tdlas可调谐半导体激光光源发出经过波长调制的不同波段的红外光，经由光纤耦合器汇
5、中国专利公开号为cn116660899a提供了一种基于fpga+dsp的近场目标isar成像系统及设备，通过fpga芯片接收每个脉冲内的回波数据以及对应的参数信息；计算回波数据的时域补偿系数和频域补偿系数，并根据时域补偿系数以及频域补偿系数对回波数据进行补偿得到数据补偿结果；通过两片多核的dsp芯片循环交替接收一个周期内的数据补偿结果，并以多核同步并行化处理方式对每个周期内的数据补偿结果进行自聚焦处理得到成像波形数据，最终成像。该专利充分的利用了fpga并行处理数据的优势及多核dsp的复杂浮点运算及多核并行处理优势，使得成像算法处理任务分配尽可能达到最优。虽然fpga+dsp能够实现复杂浮点运算，但由于dsp的外部接口资源比较少，无法满足较复杂的控制需求，不适用于大部分需要实现复杂控制的应用场景，并且开发难度大。
6、som是指在单块印刷电路板(pcb)上提供嵌入式处理系统的各种核心组件包括cpu、gpu、内存、wi-fi、无线通信、可扩展的gpio和外设的一种模块系统。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术中的缺陷，本专利技术提供基于fpga+som的光谱探测数据采集系统，基于fpga+som架构方式，在满足快速数据处理的同时，也具有丰富的外部接口资源。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案，包括：
3、基于fpga+som的光谱探测数据采集系统，包括：光学系统、som模块、fpga模块；
4、所述光学系统包括沿光线传输方向设置的激光器、光学谐振腔、pmt即光电倍增管；激光器发出的激光经光学谐振腔振荡后传输给光电倍增管，光电倍增管用于将光信号转换为电信号即pmt信号，并将pmt信号发送给fpga模块；
5、所述fpga模块用于产生ttl信号，并将ttl信号发送给光学系统的激光器，用于调制激光器；
6、所述fpga模块对pmt信号进行预处理，将预处理后的数据发送给som模块；所述som模块中设有光谱算法，利用光谱算法对预处理后的数据进行计算。
7、优选的，所述fpga模块包括：ttl发生模块、ad采集模块、ttl状态判断模块、累加求和模块一；
8、所述ttl发生模块用于产生固定频率的ttl信号，并将周期性的ttl信号分别发送给激光器和ttl状态判断模块；
9、所述ttl状态判断模块用于判断每个周期中的ttl信号的状态，包括低电平、高低平、下降沿和上升沿的状态；所述ttl状态判断模块将判断结果发送给累加求和模块一；
10、所述ad采集模块用于接收pmt信号，并将pmt信号进行ad采集即模数转换，得到pmt数字信号；所述ad采集模块将pmt数字信号发送给累加求和模块一；
11、所述累加求和模块一根据每个周期中的ttl信号状态，从pmt数字信号中分别提取出每个周期中的有效pmt数字信号；累加求和模块一每累计得到n个周期中的有效pmt数字信号后，对n个周期中的有效pmt数字信号进行累加后取平均即累加后除以周期数n，得到平均后的有效pmt数字信号；所述累加求和模块一将平均后的有效pmt数字信号发送给som模块。
12、优选的，所述累加求和模块从pmt数字信号中分别提取出每个周期中ttl信号处于低电平时的第一有效pmt数字信号，并对n个周期的第一有效pmt数字信号进行平均，将平均后的第一有效pmt数字信号发送给som模块；
13、所述som模块中设有crds光谱算法，所述crds光谱算法利用衰荡时间计算待测物质的吸收系数；其中，som模块分别利用背景阶段和样品阶段接收的第一pmt数字信号进行指数拟合得到背景阶段和样品阶段的衰荡时间，并通过如下公式计算吸收系数：
14、
15、式中，α为待测物质的吸收系数，τ0为背景阶段的衰荡时间，τ为样品阶段的衰荡时间，c为光速；其中，在背景阶段，光学谐振腔中通入不含待测物质的气体；在样品阶段，光学谐振腔中通入含待测物质的气体。
16、优选的，所述累加求和模块从pmt数字信号中分别提取出每个周期中ttl信号处于上升沿时刻的第二有效pmt数字信号，并对n个周期的第二有效pmt数字信号进行平均，将平均后的第二有效pmt数字信号发送给som模块；
17、所述som模块中设有ceas光谱算法，所述ceas光谱算法利用直接透过光强计算待测物质的吸收系数；其中，som模块分别利用背景阶段和样品阶段接收的第二有效pmt数字信号的幅度值进行取均值得到背景阶段和样品阶段的直接透过光强值，并通过如下公式计算吸收系数：
18、
19、式中，α为待测物质的吸收系数，i0为背景阶段的直接透过光强值、i为样品阶段的直接透过光本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，包括：光学系统(1)、SOM模块(2)、FPGA模块(5)；
2.根据权利要求1所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述FPGA模块(5)包括：TTL发生模块(41)、AD采集模块(42)、TTL状态判断模块(47)、累加求和模块一(46)；
3.根据权利要求2所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述累加求和模块(46)从PMT数字信号中分别提取出每个周期中TTL信号处于低电平时的第一有效PMT数字信号，并对N个周期的第一有效PMT数字信号进行平均，将平均后的第一有效PMT数字信号发送给SOM模块(2)；
4.根据权利要求2所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述累加求和模块(46)从PMT数字信号中分别提取出每个周期中TTL信号处于上升沿时刻的第二有效PMT数字信号，并对N个周期的第二有效PMT数字信号进行平均，将平均后的第二有效PMT数字信号发送给SOM模块(2)；
5.根据权利要求1中任意一
6.根据权利要求5所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，在背景阶段，光学谐振腔(14)中通入不含待测物质的气体；在样品阶段，光学谐振腔(14)中通入含待测物质的气体；
7.根据权利要求1所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述SOM模块(2)将程序控制指令下发到FPGA模块(5)中，程序控制指令用于控制当前测试阶段为背景阶段或样品阶段；所述FPGA模块(5)根据程序控制指令控制光学系统(1)的背景阶段和样品阶段的切换，即控制光学系统(1)的光学谐振腔(14)的通入气体。
8.根据权利要求1所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，光学系统(1)沿光线传输方向具体设置有激光器(11)、光隔离(12)、高反镜一(13)、光学谐振腔(14)、高反镜二(15)、滤光片(16)和光电倍增管(17)；
9.根据权利要求1所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述FPGA模块通过传输模块(45)将预处理后的数据发送给SOM模块(2)；所述传输模块采用PCI_e IP核。
10.基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集方法，其特征在于，适用于上述权利要求1-9任意一项所述的基于FPGA+SOM的光谱探测数据采集系统，方法包括以下具体步骤：
...【技术特征摘要】
1.基于fpga+som的光谱探测数据采集系统，其特征在于，包括：光学系统(1)、som模块(2)、fpga模块(5)；
2.根据权利要求1所述的基于fpga+som的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述fpga模块(5)包括：ttl发生模块(41)、ad采集模块(42)、ttl状态判断模块(47)、累加求和模块一(46)；
3.根据权利要求2所述的基于fpga+som的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述累加求和模块(46)从pmt数字信号中分别提取出每个周期中ttl信号处于低电平时的第一有效pmt数字信号，并对n个周期的第一有效pmt数字信号进行平均，将平均后的第一有效pmt数字信号发送给som模块(2)；
4.根据权利要求2所述的基于fpga+som的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述累加求和模块(46)从pmt数字信号中分别提取出每个周期中ttl信号处于上升沿时刻的第二有效pmt数字信号，并对n个周期的第二有效pmt数字信号进行平均，将平均后的第二有效pmt数字信号发送给som模块(2)；
5.根据权利要求1中任意一项所述的基于fpga+som的光谱探测数据采集系统，其特征在于，所述fpga模块(5)包括：ttl发生模块(41)、ad采集模块(42)、数字锁相模块(43)、累加求和模块二(44)；
...【专利技术属性】
技术研发人员：赵卫雄，倪世传，周家成，崔卫华，张杨，张为俊，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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