基于线阵CCD和FPGA干涉型甲烷测量仪的研究

【摘要】： 近年来,瓦斯事故在煤矿生产事故中所占比例越来越高,给矿工的生产生活带来了极大的灾难,必须加强对瓦斯的监测监控,避免瓦斯爆炸事故。因此对瓦斯气体进行快速、实时检测对于煤矿安全生产及环境保护有特别重要的意义。便携式甲烷检测报警仪是各国应用最早最普遍的一种甲烷浓度检测仪表,可随时检测作业场所的甲烷浓度,也可使用甲烷传感器对甲烷浓度进行连续实时地监测。大体上当前应用的便携式甲烷检测仪器,按检测原理分为光学甲烷检测仪、热导型甲烷检测仪、热催化型甲烷检测报警仪、气敏半导体式甲烷检测仪等几种。 光干涉甲烷检测仪性能稳定、使用寿命长,测量准确,是我国煤矿主要的便携式甲烷检测仪器。但现有的光干涉甲烷检测仪存在自动化程度低、测量方法繁琐、读数不直观,人为误差较大、不能存储数据等缺点。为此本文在干涉型甲烷检测仪实现的原理上提出利用线阵型电荷耦合器件(CCD)对干涉条纹进行非接触式的自动测量,获得条纹信息,通过CCD驱动、高速模数转换、数据采集等关键技术,实现了干涉条纹位移的精确测量,由单片机对量化后的测量信号进行智能处理,数字化显示甲烷含量的测量结果。 光干涉甲烷检测的关键是对干涉条纹中白基线以及黑色条纹位置的检测,本设计采用线阵CCD成像获取条纹信息判别其位置。CCD是一种性能独特的半导体光电器件,近年来在摄像、工业检测等科技领域里得到了广泛的应用。将CCD技术应用于位置测量可以实现高精度和非接触测量的要求;运用FPGA实现CCD芯片的驱动具有速度快、稳定高等优点;模数转换之后的数据没有采用专用存储芯片进行存储,而采用FPGA硬件开发平台和Verilog HDL硬件描述语言编写代码实现数据采集模块系统,同时提高数据采集精准度,既降低成本又提高了存储效率。 本文设计的新系统使用方便、精度高、数据可储存,克服了传统光干涉甲烷检测仪的缺点,技术指标和功能都得到较大改善。 【关键词】：光干涉 甲烷检测 数据采集 电荷耦合器件 可编程门阵列
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：TH83
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-14
• 1.1 课题背景及国内外研究的发展现状8-11
• 1.2 传统光干涉甲烷测量仪11-12
• 1.3 本论文主要工作和章节安排12-14
• 第二章 光干涉型甲烷检测仪设计原理14-19
• 2.1 光干涉甲烷检测仪应用的光学原理14-17
• 2.2 光干涉甲烷检测仪测量原理17-18
• 2.3 本章小结18-19
• 第三章 基于线阵CCD和FPGA的光干涉甲烷检测仪设计19-41
• 3.1 非目测型光干涉甲烷检测仪设计19-20
• 3.2 非目测型甲烷检测仪系统构架框图20-21
• 3.3 CCD概述21-24
• 3.4 CCD驱动模块设计与仿真验证24-30
• 3.4.1 μPD3575D驱动时序要求24-25
• 3.4.2 CCD驱动方法简介25-27
• 3.4.3 驱动设计与仿真27-30
• 3.5 ADC选择30-35
• 3.5.1 AD9235 的主要特点30-32
• 3.5.2 AD9235 的特性32-35
• 3.6 微控制器与数据采集模块接口35-38
• 3.6.1 微控制器选择35-37
• 3.6.2 与外部存储器接口通信37-38
• 3.6.3 键盘接口38
• 3.7 电源模块设计38-40
• 3.8 本章小结40-41
• 第四章 数据采集模块的设计与验证41-51
• 4.1 系统硬件电路的整体构架41
• 4.2 数据采集模块设计41-45
• 4.2.1 数据采集模块设计思想41-43
• 4.2.2 数据采集模块硬件架构及工作过程43-45
• 4.3 状态机状态验证45-50
• 4.3.1 状态转移图45-46
• 4.3.2 状态分析及验证46-50
• 4.4 本章小结50-51
• 第五章 系统软件设计51-58
• 5.1 应用软件功能模块构成51
• 5.2 软件流程及算法51-57
• 5.2.1 软件流程51-52
• 5.2.2 外接RAM接口软件流程52-55
• 5.2.3 矩阵式键盘流程图55-56
• 5.2.4 位置偏移的软件算法56-57
• 5.3 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 课题研究总结58
• 6.2 对未来发展的展望58-60
• 参考文献60-62
• 参加科研情况说明62-63
• 致谢63

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