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基于FPGA高速光纤光栅解调仪硬件电路设计

收藏本文 2024-03-10 点赞:4124 浏览:9288 作者:网友投稿原创标记本站原创

摘要:光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)传感器是一种新型传感器,其具有很多常规传感器难以比拟的优良特性。近年来,基于光纤布拉格光栅的传感检测技术蓬勃进展,由于其电气绝缘、抗电磁干扰、耐酸碱腐蚀、体积小、重量轻、灵敏度高等优点而广泛运用于煤矿、石油、化工、航空航天、建筑物结构健康监测、复杂机械系统动态监测等领域。各种实用化的光纤光栅传感解调系统的解决案例应运而生。随着运用领域的不断扩展,对解调精度、解调频率等要求也越来越高,这极大的推动了国内外关于光纤光栅传感解调技术的探讨。目前国内外已出现基于不同解决案例的光纤光栅传感解调的相关产品。这些产品,或解调频率低,或结构复杂,或昂贵,以而极大的阻碍了光纤光栅传感技术的普及。相比较而言,基于FPGA(现场可编程门阵列,Field-Programmable Gate Array)的硬件系统能充分利用FPGA的高速、高写作性、结构简单等优点,实现光纤光栅的低成本高速解调。本论文浅析了光纤光栅传感的基本原理与解调策略,探讨了基于光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot, F-P)滤波解调法的光纤光栅解调系统的设计与实现,并根据解调系统的工业需求、接口以及扩展性要求等提出了采取嵌入式采集平台+PC机架构的解决案例,然后根据系统指标设计了基于FPGA的高速光纤光栅解调仪的嵌入式硬件平台。该平台分为FPGA系统模块、光学器件驱动模块、信号调理模块以及电源模块四个部分。在分述各个系统模块的硬件设计案例之后,提出各个硬件电路的调试、测试策略,并结合上位机软件进行系统整体测试。在进行系统相对精度测试、温度特性测试、光强衰减测试以及振动信号测试之后,结合光纤光栅传感器的特性并参考国外相关产品浅析测试数据,以而以解调精度、分辨率、温度特性、动态范围以及解调频率等方面论证基于FPGA的高速光纤光栅解调仪的硬件设计的可行性。最后,本论文对该硬件设计工作进行总结,指出本课题的探讨成果并浅析其中之不足,为下一步工作作出展望。关键词:光纤光栅论文传感解调论文FPGA论文硬件设计论文

    摘要4-5

    Abstract5-7

    目录7-9

    第1章 绪论9-13

    1.1 课题来源、探讨背景及作用9-10

    1.1.1 课题来源9

    1.1.2 课题探讨背景及作用9-10

    1.2 相关领域的国内外探讨与进展近况10-12

    1.3 本论文主要探讨工作和组织结构12-13

    第2章 高速光纤光栅解调系统原理13-20

    2.1 光纤传感器的分类13-14

    2.2 光纤光栅传感的基本原理14-16

    2.3 光纤光栅解调的基本策略16-18

    2.4 基于FPGA的高速光纤光栅解调系统18-19

    2.5 本章小结19-20

    第3章 高速光纤光栅解调系统案例设计20-27

    3.1 本系统的功能20

    3.2 本系统的架构20-21

    3.3 本系统的规划21-26

    3.3.1 硬件需求浅析21-23

    3.3.2 硬件模块规划23-25

    3.3.3 PC机运用程序25-26

    3.4 本章小结26-27

    第4章 高速光纤光栅解调仪硬件设计27-46

    4.1 FPGA系统模块设计27-34

    4.1.1 FPGA系统内核电源电路27-28

    4.1.2 FPGA系统调试接口、时钟及复位电路28-29

    4.1.3 FPGA系统存储器扩展29-30

    4.1.4 FPGA系统多路AD接口30-31

    4.1.5 FPGA系统DA输出扩展31-32

    4.1.6 FPGA系统通讯接口32-34

    4.2 光学器件驱动模块设计34-38

    4.2.1 半导体光放大器恒流驱动电路34-35

    4.2.2 半导体光放大器高精度恒温电路35-36

    4.2.3 光纤F-P滤波器驱动电路36-37

    4.2.4 梳状滤波器恒温电路37-38

    4.3 信号调理模块设计38-42

    4.3.1 光电转换电路38-39

    4.3.2 可编程增益放大电路39-40

    4.3.3 低通滤波电路40

    4.3.4 对数放大电路40-41

    4.3.5 信号偏置电路41-42

    4.4 电源模块设计42-45

    4.4.1 数字电路供电电源43-44

    4.4.2 模拟电路供电电源44-45

    4.4.3 光学器件驱动电源45

    4.5 本章小结45-46

    第5章 高速光纤光栅解调仪测试46-56

    5.1 硬件模块测试46-48

    5.1.1 电源测试46

    5.1.2 FPGA最小系统测试46-47

    5.1.3 AD采样及DA输出测试47

    5.1.4 LAN、USB、UART接口测试47

    5.1.5 半导体光放大器恒温及驱动测试47

    5.1.6 信号调理电路测试47-48

    5.2 系统整体测试48-55

    5.2.1 相对精度测试48-50

    5.2.2 温度特性测试50-51

    5.2.3 光强衰减测试51-52

    5.2.4 振动信号测试52-55

    5.3 本章小结55-56

    第6章 总结与展望56-58

    6.1 全文工作总结56

    6.2 下一步工作展望56-58

    致谢58-59

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