光谱仪采样数据实时传输的研究

摘要

近红外光谱的血液成分无创检测是临床检测研究的热点，动态光谱法能消除个体差异和测量条件的影响，推动了无创检测向临床应用的迈进。动态光谱法要求光谱信号应具有相等的采样间隔，采样间隔不等会造成分析结果不理想甚至失真，然而实时传输光谱仪系统的采样时间间隔一般不等，因此，实时传输光谱采集系统采样时间间隔的改善意义重大。
　　本课题对实时传输光谱仪系统采样时间间隔不等的问题进行了探讨与研究，在动态光谱分析的基础上对近红外光谱仪工作原理和重要性能指标从理论的角度进行了介绍，经过严密的分析和总结，提出了实时传输光谱采集系统的设计方案。课题主要设计包括:(1)分析了动态光谱检测法的理论，在多波长系统设计方案的基础上设计了等比关系的多频率载波信号，使其更能满足动态光谱法同时检测多个波长脉搏波的要求;(2)基于光谱信号是强噪声背景下微弱信号的特性，设计了多频率正弦载波信号，把对光谱信号的检测变成易于检测的微弱正弦信号的检测，提高了系统的检测精度;(3)针对微弱正弦信号的特点，采用过采样快速锁相算法实现信号的检测与解调，分解出各波长的光谱信号，并对光谱数据量进行处理，减小了需要上传的数据量同时降低了对上传速度的要求，实现了光谱采集系统实时等间隔传输的要求;(4)在理论和实际要求的基础上，进行了具有高速数据处理能力的实时传输光谱采集系统的设计。系统硬件上采用FPGA作为主控单元，以多路DAC结合压控恒流源电路为多波长光源信号产生单元，OPT101为单点光电检测单元，高速高精度AD模块为数据采集单元。软件处理上，通过过采样技术和快速数字锁相技术实现数据的高速处理。
　　在完成了系统设计之后，为了验证本设计光谱采集系统等间隔实时传输的特性，对整个系统进行了实验。实验结果表明，本课题解决了实时传输光谱仪系统采样时间间隔不等的问题，且系统满足处理速度快、检测精度高、运行稳定等要求。

目录

声明

学位论文的主要创新点

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 课题研究背景

1．3 课题提出及研究的意义

1．4 课题研究现状

1．5 论文主要研究内容和结构安排

1．6 本章小结

第二章 系统设计理论基础及总方案

2．1 近红外光谱分析技术基本理论

2．1．1 近红外光谱分析的理论基础

2．1．2 近红外光谱分析方法

2．2 近红外光谱仪

2．2．1 近红外光谱仪工作原理

2．2．2 近红外光谱仪主要性能指标

2．3 动态光谱理论

2．4 课题设计总方案

2．4．1 设计构思

2．4．2 总方案设计

2．4．3 方案设计各部分说明

2．5 本章小结

第三章 系统硬件平台设计与实现

3．1 多波长近红外光源产生平台的设计

3．1．1 多路驱动信号的设计

3．1．2 多波长驱动电路的设计

3．2 光电检测系统的设计

3．2．1 OPT101型光电传感器特性

3．2．2 OPT101型光电传感器工作模式设计

3．3 核心处理单元的设计

3．3．1 系统核心处理单元——FPGA

3．3．2 FPGA-EP2C5Q208C8介绍

3．3．3 FPGA在系统设计中主要的功能

3．3．4 各模块时序信号和控制信号的FPGA设计

3．4 系统外围电路设计

3．4．1 AD转换模块设计

3．4．2 系统电源设计

3．4．3 数据传输的设计

3．5 本章小结

第四章 信号解调与处理

4．1 过采样快速数字锁相算法相干解调

4．1．1 过采样原理

4．1．2 数字锁相放大原理

4．1．3 过采样快速锁相算法

4．2 信号处理其他算法

4．3 本章小结

第五章 系统实验与分析

5．1 系统整体设计

5．2 系统设计中遇到问题的分析

5．2．1 八路驱动信号设计问题分析

5．3 实验与结果分析

5．3．1 各模块单独实验与分析

5．3．2 系统整体实验与分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢