基于FPGA的光电数据采集和处理采集系统设计毕业设计 精品Word文件下载.docx
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1.文献调研，较全面的了解光电转换机理以及信号数据的处理
2.掌握可编程逻辑器件的编程使用技巧
3.设计一套数据采集系统，并完成对光信号的实时检测
要求完成的主要任务：
1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。
2、完成基于FPGA的光电数据采集系统的搭建与调试
3、通过实验验证该系统的稳定与可靠
4、完成不少于5000汉字的英文文献翻译；
完成不少于12000字的论文。
必读参考资料：
[1]张洪润，张亚凡.FPGA/CPLD应用设计200例.北京航空航天大学出版社.
[2]何宾.EDA原理及Verilog实现.清华大学出版社.
指导教师签名：
系主任签名：
院长签名（章）
本科生毕业设计（论文）开题报告
1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）
毕业设计的目的是研究基于FPGA的光电数据采集和处理系统，主要是分析光电转换机理以及信号数据的处理，然后根据可编程逻辑器件的编程技巧设计一套数据采集系统并完成对关心好的实时监测。
还要调查其目前的应用领域，及其在国内外的发展现状。
光电转换过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。
这一过程有两种解决途径，最常见的一种是使用以硅为主要材料的固体装置，另一种则是使用光敏染料分子来捕获光子的能量。
染料分子吸收光子能量后将使半导体中的带负电的电子和带正电的空穴分离。
数据采集系统是计算机、智能仪器与外界物理世界联系的桥梁，是获取信息的重要途径。
数据采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出的模拟信号并转换为FPGA能识别的数字信号，然后送入FPGA或相应的信号处理系统，根据不同需要进行相应的计算和处理，得出所需要的数据。
与此同时，将FPGA得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的监视，其中的一部分数据还将被控制生产过程中的FPGA控制系统用来控制某些物理量。
数据采集系统由以下几个部分组成：
数据采集、数据传输、数据存储、数据处理、分析和显示等。
数据采集几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。
数据采集器的研制在国外已经相当成熟，而且数据采集器的种类也不断增多，性能越来越好，功能越来越强大。
比如美国FLUKE公司的262XA系列数据采集器是一种小型、便携、操作简单、使用灵活的数据采集器，他可以单独使用，也可以和计算机连接使用。
它具有多种测量功能，多种数据存储方式和多种控制方式。
262XA共有21路模拟输入通道，它可以直接测量电压、电流、温度、频率和电阻等，8路数字输入/输出可以用于数字信号的处理，另外4路可以用于报警输入。
当某个模拟通道的输入信号超过设定报警限，在对应的I/O口就输出一个低电平，每个模拟通道可以设置两个报警限。
262XA系列有两种扫描速度：
4通道/秒（慢），17通道/秒（快）。
仪器可以使用90.264V交流电直接供电，也可以使用9-16V直流供电。
就直流电源还可以同时使用，断电时可以自动切换至直流。
RS232接口为标准配置，可以用于向计算机传输数据和控制。
采集的数据可随时通过接口打印，也可将数据用RS232接口传至计算机。
记录的数据包括：
通道号、测量值、时间、报警状态、累加计数等。
数据格式与LOTUS、Excel相兼容。
在国内，由于数据采集技术不断发展，市场上出现了各种新型的数据采集器。
北京测振仪器厂研制的HZ-9609数据采集/震动分析仪，它采用中文显示，直观醒目，操作简单；
因此国外的数据采集技术比较发达，但是成本高，国内的数据采集系统的精度不够，一般只有2%，为此需要设计一个精度高成本低的数据采集系统。
2、基本内容和技术方案
论文题目：
基于FPGA的光电数据采集和处理系统设计
论文主要内容：
通过调研查阅相关资料研究光电转换和FPGA的应用，以及其在各个领域的应用情况，国内外的研究现状及其发展前景，设计出比较实用的光电数据采集和处理系统。
技术方案：
首先是要收集查阅与光纤传感器，AD,DA,LD,FPGA等相关的一些资料，熟悉并掌握在自己的设计中所要用到的光纤传感器的使用方法，懂得AD，DA，LD等器件的使用，在了解芯片的一些特性之后，使用I2C器件使硬件电路更加的简单，设计好硬件电路，然后采用基于FPGA的可编程逻辑门阵列的verilog语言来实现芯片的驱动。
用Verilog语言实现数据采集和处理，就要针对性的学习和掌握verilog编程语言在数字电路中的应用，首先多看些书，弄懂它的核心思想，然后多看一些实际例子，相信这样更有助于一种新语言的学习，在这之中我们需要了解现场可编程门阵列的基本知识和应用情况。
学习好之后就开始编写程序，在编程之后利用quartus进行仿真模拟，得出正确的仿真图后，将程序下载到FPGA上，连接好外围电路进行调试，并多次检测并记录结果，并对实验的结果进行分析，最后整理并完成论文。
3、进度安排
第1－3周：
查阅相关文献资料，明确研究内容，了解研究所需光电转换数据采集和处理系统在国内外的现状和研究的目的意义。
确定方案，完成开题报告
第4－5周：
整理材料，编写文献综述和开题报告
第6－8周：
熟悉光电转换模块，并设局电路图和电路图进行设计
第9－10周：
巩固以前学习的编程知识以及学习FPGA的相关知识
第11－12周：
进行VerilogHDL编程仿真。
第13－14周：
完成并修改毕业论文。
第15周:
准备论文答辩。
4、指导教师意见
选题有很强的实际价值，学生综合利用所学知识，立论合理，论证充分。
该题目通过学生的努力，能在规定时间完成，并达到预期的目标。
课题有一定的难度，报告研究有探索性和深度，达到本科生必要论文的要求。
指导教师签名：
注：
1．开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写，在毕业设计开始后三周内完成。
2．“设计的目的及意义”至少800字，“基本内容和技术方案”至少400字。
进度安排应尽可能详细。
3．指导教师意见：
学生的调研是否充分？
基本内容和技术方案是否已明确？
是否已经具备开始设计（论文）的条件？
能否达到预期的目标？
是否同意进入设计（论文）阶段。
摘要
本文借助FPGA对光电数据进行采集和处理，通过对光电转换后的电信号进行模数转换，得到我们能够数值化处理的数字信号，利用FPGA来进行I2C协议的编写，使具有I2C协议的一些逻辑器件能够使用，使我们能够更加了解FPGA的集成化处理的优势，所得到的结果对于利用FPGA来进行数据采集和处理具有很重要指导意义。
论文的主要工作是利用Veilog语言编写I2C协议，并通过I2C协议对其他芯片进行控制，最终实现我们需要的光纤温度采集和处理如何更加精确的显示温度值。
研究结果表明，FPGA配合I2C协议使器件的集成性更加高，处理速度高，在可移植性方面的优势能够很好体现出来。
本文的特色在于利用FPGA的可精准控制时间，从而达到很准确的控制I2C协议实现通信。
关键词：
FPGA；
I2C协议；
光电数据转换
Abstract
WiththeFPGAtoacquisitionandprocessingofoptoelectronicdata,throughasthephotoelectricconversionsignalstodotheanalogtodigitalconversion,wecangetnumericaldigitalsignalswhichcanbeprocessed,useofFPGAtotheprogrammableofI2Cprotocol,sothatsomelogicdeviceswithI2Cprotocolcanbeused,sothatwecanbetterunderstandtheadvantagesoftheintegrationofFPGAprocessing,theresultsobtainedfortheuseofFPGAfordataacquisitionandprocessinghasveryimportantsignificance.
ThemainworkofthispaperistheuseofVeiloglanguagetoprogramI2CprotocolandthroughI2Cprotocoltocontrolofotherchips,andultimatelytorealizecollectingandprocessingthefibertemperatureweneededandhowtomoreaccuratelydisplaythetemperaturevalue.
Theresultsshowthat,FPGAwithI2Cprotocolcanmakedeviceshigherintegration,higherprocessingspeed,theadvantageinportabilitycanbewellreflected.
ThefeatureofthispaperisusingFPGAtocontroltimeprecisely,soastoachieveveryaccuratecontrolofI2Cprotocoltorealizecommunication.
Keywords:
FPGA;
I2Cprotocol;
opticaldataconversion
1绪论
随着科学的飞速发展，人们对很多东西的要求越来越高，在生活当中，很多电子产品都向着集成化的方向发展，FPGA的使用就是一个热门的课题。
1.1课题的研究背景及意义
这一接口接口即可过程有两种解决途径，最常见的一种是使用以硅为主要材料的固体装置，另一种则是使用光敏染料分子来捕获光子的能量。
RS232借口为标准配置，可以用于向计算机传输数据和控制。
数据格式与LOTUS、Excel相兼容[1]。
在国内，由于数据采集及技术不断发展，市场上出现了各种新型的数据采集器。
北京测振仪器厂研制的HZ-9609数据采集/震动分析仪，它采用中文显示，直观醒目，操作简单。
因此国外的数据采集技术比较发达，但是成本高，国内的数据采集系统的精度不够，一般只有2%，为此需要设计一个精度高成本低的数据采集系统。
1.2整体设计方案
提出系统整体设计方案，其系统框图如图1.1所示。
图1-1整体设计方案
整个系统由传感器模块、模数转换模块、FPGA中心控制模块、显示模块电路组成。
传感器模块是由DAC8571，LD,PIN管构成，形成一个能检测温度等信息的光电转换系统。
模数转换模块由ADS1115构成，由于传感器获得信号是模拟信号，需要转换成数字信号就能够对其进行具体数值的处理。
FPGA中心控制模块由FPGA及其外围电路组成。
FPGA是控制模块的核心部分。
主要完成A/D转换器的时钟选取、I2C协议的编写以及驱动传感器，ADS1115，DAC8571。
以及使获得的数据能够在显示部分能够显示出来。
显示模块用于显示此次设计中数据采集和处理的结果能够以一个可以让人看到的方式接收到。
1.3论文章节安排
论文首先从硬件系统的设计入手，先把光电数据采集和处理的硬件部分搭建起来，然后利用I2C协议对硬件中的各个器件进行程序的编写，最后对论文工作进行总结分析一下。
2系统硬件设计
上面提到这个设计总共包括三个部分：
第一个是传感模块，第二个是模数转换模块，第三个是显示。
在这些设计中我们会提到一些部分选择的原因然后再根据这些硬件来讲述怎么用FPGA来驱动和处理整个系统的数据。
2.1传感模块
传感模块包括三个主要的部分，一个是光源LD，GE薄膜，PIN管。
以下就对这三个部分做简要的介绍。
2.1.1光源器件
在这次设计实验之中我们选择LD，相对于LED而言他有许多的优点。
第一，发光谱线窄；
第二，与光纤的耦合效率高；
第三，它是阈值器件；
而光源的驱动是电流驱动的，我们就用DAC8571先进行电压控制，通过MAX4238对电压进行放大，然后通过三极管使电压信号能够变成电流信号，从而能够驱动LD，使我们能够得到比较稳定的光源。
在这个部分我们要用到的DAC8571实现方案图如下：
图2-1DAC8571驱动电路
此为我们在放大部分用到了MAX4238，对从DAC8571获得的电压信号进行放大;
图2-2MAX4238电路
最后把电压信号转换成电流源来控制LD，其电路图如下：
图2-3LD电源驱动电路图
以上三个部分仅仅只是完成了对光源信号的处理，然而需要对光电数据进行处理，因此需要把外界的温度或者其他的信号转化成我们需要的电信号。
在此我们使用XX老师的GE薄膜的光纤传感器来进行设计。
GE薄膜的一些参数特性：
它的折射率和吸收率能够温度具有一定关系，根据这个关系我们能够把它和温度之间建立一个对应的关系，然后根绝这个关系能够比较准确的设计出温度和接收到的光信号的关系。
由此可以得出温度值。
其对应关系如下：
图2-4反射率和温度之间关系
图2-5Ge薄膜的厚度不同反射率的差异
根据上面两个图可以从两个方面来理解光纤温度传感大体上是线性的但是在小的地方，大体的找出温度的变化，然后再根据薄膜厚度的通具体的找出温度的变化和反射率的关系，通过定标实验彻底的找出给出一个对应的关系，这样就能够得到一个比较准确的温度[2]。
在光电接收模块可以选择不同的器件，首先来说说光电器件接收的原理：
光电接收的器件是根据光电效应来获得的，首先我们先来了解一下光电效应，光电效应可以分为内光电效应和外光电效应，内光电效应可以分为光电导效应和光生伏特效应。
内光电效应：
被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。
外光电效应：
被光激发产生的电子溢出物质表面，形成真空中的电子的现象。
光电导效应：
某些物质吸收光子的能量产生本征吸收或杂质吸收从而改变物质电导率额现象。
光生伏特效应：
当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光生电流。
根据内光点效应我们可以得到光电导器件和光生伏特器件。
在光电导器件中常见的是光敏电阻，在光生伏特器件中比较常见的是硅光电二极管，PIN型光电二极管和APD雪崩二极管。
光敏电阻的优缺点：
1）优点：
其光谱响应范围相当宽；
工作电流大；
所测刚强范围宽，既可测光强，也可测弱光；
灵敏度高，光电导增益大于1；
偏置电压低，无极性之分，使用方便。
2）缺点：
在强光照射下光电转换线性交差；
光电弛豫过程较长；
频率响应很低。
硅光电二极管的优缺点：
响应频率低，容易受温度的影响，精度低。
PIN型光电二极管：
响应频率高，可高达10GHZ，响应速度快，供电电压低，工作十分稳定。
APD雪崩二极管：
灵敏度高，响应快，但雪崩二极管需要上百伏的工作电压，而且性能和入射光功率有关，当入射光功率大时，增益引起的噪声大，带来电流失真[3]。
通过以上的对比我们选择了PIN型光电二极管，由于其响应频率很高，速度快又比较容易实现。
所以其对应的电路图是：
图2-6PIN光电二极管的电路图及其放大电路
至此讲解了传感器的三个模块：
DAC8571，LD，Ge薄膜，PIN光电二极管，以及一些用于电路信号放大的电路图。
通过这三个模块就能够得到我们想要的信号外界一些参量的电信号。
然而FPGA不能够识别模拟信号所以需要把电信号转化成数字信号。
因此需要一个模数转换器。
2.2模数模块
模数转换器有许多种，一种经济节约型，例如ADC0809，另一种是高精度型，例如ADS1115。
下面就这两种类型的模数转换器做一下对比。
2.1.1ADC0809
这是大家在大学期间第一个学到的ADC器件，所以就首先来谈论一下他的特点。
ADC0809是8位的逼近式A/D转换器，其内部有一个8通道的多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片[4]。
他的一些主要特性如下：
1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。
2）具有转换起停控制端。
3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）。
4）单个+5V电源供电。
5）模拟输入电压范围0～+5V，不需零点和满刻度校准。
6）工作温度范围为-40～+85摄氏度。
7）低功耗，约15mW。
2.1.2ADS1115
ADS1115是业内尺寸最小的16位ADC，ADS1115在节省空间方面拥有无可比拟的优势，它增加了产品的可集成性。
而且它是专为实现精密、高功效且简便的系统设计的，ADS1115能够以高达860SPS的可编程数据数率执行转换，电流消耗仅为150µ
A（典型值），工作电压低至2V[5]。
它的主要特性如下：
1）QFN（RUG）封装：
2.0x1.5x0.4mm
2）数据数率：
8–860SPS
3）电源电流：
150µ
A（典型值）
4）电源电压：
2.0V–5.5V
5）片上集成：
6）振荡器和低漂移基准
7）偏移电压：
100µ
V
8）扩展温度范围：
-40°
C至+125°
C
由上面两种ADC0809和ADS1115的一些特性的了解我们可以知道，我们这个设计应该选择ADS1115。
有如下几个主要的原因：
1）它是16位的ADC，所以它的精度会更加高。
ADC0809的精度是8位。
2）它是I2C器件，可以通过I2C协议来实现驱动，方便集成处理；
3）它使用的温度范围是-40°
C；
而ADC0809只能在-40°
C至+80°
C
4）在实验的时候我们要尽量的获得更加精确实验数据才能够更好的减少批量生产的价格。
因为这是实验可以选择比较贵而且比较好的ADC，如果到了实际的使用之中就要根据实际的应用环境来选择我们需要的器件，以达到我们对特殊环境的要求。
至此选择出了模数转换器是ADS1115。
然后对其进行电路图的设计如下：
图2-7ADS1115的电路图设计
2.3显示模块
显示模块在FPGA的开发板自带了，基于方便考虑所以我们就直接选用FPGA上面的LCD1602。
所以方便使用和集成。
除此之外，它还有一些其他的优点：
1）显示质量高
由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。
因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。
2）数字式接口
液晶显示器都是数字式的，和FPGA系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。
3）体积小、重量轻
液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。
4）功耗低
相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多[6-7]。
3FPGA可编程逻辑器件
在本设计中的主要的重点就是FPGA，需要用它来驱动ADS1115和DAC8571，虽然用它实现的功能不是很多，用它实现的功能一个是I2C协议中的读信号，另外一个是I2C协议中的写信号，但是由于FPGA芯片的可复制性比较高，它运行程序可以并行运行，所以如果需要再用多加个模块的时候，就可以直接加到FPGA芯片之中，这样就可以增加系统的集成性和可操作性。
从而大大简化了电路板的复杂程度。
下面介绍一下他的结构、特点以及设计方法。
3.1FPGA简介
在可编程逻辑器件芯片内部，按一定的排列方式集成了大量的门和触发器等基本逻辑元件。
使用者可利用特定的计算机开发工具（软件包和硬件电路、编程电缆）对其进行加工，即按设计要求将这些芯片内部的元件连接起来（此过程称为编程或设置），使之实现完成某个数字逻辑电路或系统的功能，成为一个可在实际电子系统中使用的专用集成电路（ASIC）随着集成电路工艺的日臻完善，集成度急剧攀升，功能日益强大。
可编程逻辑器件广阔的应用前
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