基于可编程逻辑器件FPGA的数字相关器

摘要

随着颗粒学受到国内外科技界越来越多的关注,对颗粒尺寸的大小分布和颗粒浓度的测量也日益受到人们的重视,颗粒粒度测量随之成为研究和生产的重要辅助手段。在颗粒测试中,动态光散射技术是国内外最常用的适用于亚微米、纳米级颗粒测量方法,它主要利用液体中微粒的布朗运动所造成的多普勒效应来对溶液中的微粒进行测量,多年来我国学者对动态光散射技术进行了广泛深入的研究,但由于该仪器的关键部件数字相关器必须从国外进口,利用该技术生产纳米粒度仪的研发工作未获突破。数字相关是纳米颗粒测量技术中的一个关键环节,兼有高速运算、实时处理等特点的数字相关器的响应快慢直接影响到最终的结果。因此需要能够精确计算出散射光强自相关函数,为计算机提供准确、可靠的纳米颗粒粒度分布信息的数字相关器,保证纳米粒度测试的准确性。研制数字相关器的主要难点在于对通道数要求较高,应在100以上,且处理数据量极大,要求处理速度快。
　　 本论文系统介绍了数字相关器的研究背景及进展,详细介绍了动态光散射技术的相关理论、动态光散射技术的典型装置及数据分析方法,并对已有数字相关器的主要实现方法进行详细阐述。在研究已有方法的基础上,对256通道数字相关器实现的方法进行了理论研究,提出了一种先采集数据再进行自相关运算的方法,来实现基于可编程逻辑器件FPGA的256通道数字相关器。
　　 基于FPGA的256通道数字相关器,采用自顶向下的设计方式将数字相关器分模块实现,分为采样计数模块、自相关控制模块、自相关运算模块和输出存储单元。利用Quartos、Modelsim等仿真工具对各个模块进行仿真验证,并利用Matlab的自相关函数与所得自相关运算仿真结果进行比较,得出此方法的可行性与正确性。本课题实现数字相关器使用CycloneⅡ的EP2C8Q208C8 FPGA器件,并利用单片机实现脉冲发生器,仿真粒度仪中颗粒运动次数,送入FPGA中进行整体测试,验证硬件系统设计。
　　 为进一步提高自相关运算的实时性,提出一种实时采样计算自相关函数的方法,该方法在少于64通道数时可行性与实时性较高,但同时资源占用率高,可从调用FPGA内部宏功能模块或并行运算方面考虑进一步改进。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 数字相关器的研究背景及意义

1.2 数字相关器的实现方法及研究进展

1.2.1 软件实现方法

1.2.2 单片机实现

1.2.3 DSP实现

1.2.4 FPGA实现的简单介绍

1.3 利用FPGA实现数字相关器的优点

1.4 本文的主要工作和内容安排

1.5 本论文的主要创新点

第二章 数字相关器的相关理论

2.1 动态光散射技术概况

2.1.1 动态光散射技术的起源及初步定型

2.1.2 动态光散射技术的发展现状及趋势

2.1.3 动态光散射技术的基本概念及关系

2.2 典型装置与数据分析方法

2.3 数字相关器的工作原理

2.3.1 自相关算法

2.3.2 数字相关器工作原理

2.4 本章小结

第三章 数字相关器的系统设计

3.1 系统总体结构

3.2 光电检测系统

3.2.1 高速宽带放大电路

3.2.2 甄别电路

3.2.3 整形电路

3.3 FPGA的器件选择及实现

3.3.1 基于查找表的FPGA结构

3.3.2 数字相关器的硬件系统

3.4 本章小结

第四章 数字相关器的FPGA实现

4.1 FPGA设计流程

4.1.1 设计输入

4.1.2 综合

4.1.3 适配

4.1.4 时序仿真与功能仿真

4.1.5 编程下载

4.2 数字相关器的模块实现

4.2.1 采样计数模块

4.2.2 自相关控制模块

4.2.3 自相关运算模块

4.2.4 输出模块

4.3 整体仿真测试

4.3.1 自相关算法验证

4.3.2 数字相关器整体仿真

4.4 数字相关器的硬件测试

4.5 本章小结

第五章 实时算法

5.1 实时算法介绍

5.2 实时算法仿真结果

5.3 实时算法的不足及改进方向

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

附录