石英晶体微天平气敏传感器阵列测量系统设计

摘要

石英晶体微天平(QuartzCrystalMicrobalance—QCM)气敏传感器是一种灵敏度可以达到纳克级质量型传感器，QCM传感器具有选择性好、灵敏度高、便于实现自动化等优点，并且仪器简单、操作方便。研究发现，当石英晶体吸附其他物质时，其固有频率会发生变化，利用石英晶体这一特性，在石英晶体表面涂一层待测气体敏感膜，选择性气体敏感膜吸附待测气体后，晶振频率会发生变化，通过测量QCM晶振频率变化以推断有毒气体种类及其浓度变化。根据上述原理，QCM气敏传感器可用于气体化学成分和浓度的分析。
　　研究表明，现有单通道QCM以其功能有限正逐渐被淘汰。目前还没有发现只对单一气体敏感的传感器材料。单个传感器对不同气体敏感响应可能会有变化，但不具备自动识别气体种类和浓度的能力。采用多通道QCM气敏传感器阵列可解决以上问题。
　　频率信号采集主要采用USB、PCI、以太网三种传输方式。相对于USB、PCI传输方式，以太网传输方式具有稳定性高、价格低廉、传输速度快、传输距离远等特点。
　　本设计采用一种基于以太网传输协议的32通道石英晶体微天平(QCM)测量系统。该系统由QCM气敏传感器阵列起振模块和高精度频率采集卡组成。起振模块包括石英晶体振荡电路和32路石英晶体，起振模块产生32路石英晶体频率信号;高精度频率采集卡包括FPGA模块、EPCS模块、SDRAM模块、FLASH模块、百兆以太网模块等，高精度频率采集卡通过FPGA内部计数器直接采样频率信号，同时将频率信号数据封装成UDP数据包，通过以太网高速传输给上位机进行数据存储、处理及信号波形显示。
　　本文使用Verilog语言完成FPGA内部计数器及定时器逻辑的编写;在NIOS(Ⅱ)IDE中使用C语言完成以太网传输协议及百兆以太网的控制;使用VisualC＃实现PC机界面显示程序，用于整个测量系统应用程序的开发。
　　测试结果表明，本系统可以实现实时、多通道、高速、高精度的采集和发送数据。基于以上功能，本系统可应用于室内有毒气体的测量、数据采集等科学研究领域。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 研究状况

1．3 论文的研究内容

2 系统硬件设计

2．1 系统设计的技术要求

2．2 系统硬件总体设计

2．3 石英晶体振荡电路的设计

2．3．1 石英晶体振荡电路简介

2．3．2 振荡电路设计方案

2．4 高精度频率采集卡的硬件设计

2．4．1 研究方案的选择

2．4．2 高精度频率采集卡的硬件结构

2．5 本章小结

3 以太网传输协议

3．1 系统频率信号传输方式-以太网

3．2 基于DM9000A的UDP传输协议的实现

3．3 FPGA和DM9000A网络接口设计与实现

3．4 本章小结

4 FPGA逻辑控制与SOPC控制

4．1 FPGA技术简介

4．1．1 FPGA的基本特点与结构

4．1．2 FPGA的应用领域

4．1．3 FPGA开发流程

4．2 FPGA逻辑设计

4．3 系统的SOPC设计

4．4 本章小结

5 系统性能测试

5．1 32路石英晶体起振板卡测试

5．2 高精度频率采集卡的测试

5．3 上位机软件测试

5．4 本章小结

6 总结与展望

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果

致谢