基于FPGA的动态光谱数据采集系统

论文摘要

近红外光谱法是血液成分无创检测方法中的热点,也是取得成果最多的方法之一。但是,个体差异和测量条件是影响近红外光谱血液成分无创检测的一个较突出的问题。而动态光谱法就是针对这个问题而提出的一种全新的近红外无创血液成分浓度检测方法。它从原理上消除了个体差异和测量条件等对光谱检测的影响,为基于近红外光谱法的血液成分无创检测方法进入临床应用去除了一个较为关键的障碍。因此,本文根据动态光谱检测原理设计了基于FPGA的动态光谱数据采集系统。在分析了动态光谱数据采集系统的性能要求后,采用DALSA的高性能线阵CCD IL-C6-2048C作为光电转换器件;根据CCD输出数据的高速度和信号微弱及含有噪声等特点,选用了高速、高精度、并带有相关双采样芯片的图像处理芯片AD9826作为模数转换器件;以FPGA及其内嵌的NIOS II处理器作为核心控制器,并用LabVIEW对采集得到的数据进行显示。在FPGA中,利用Verilog HDL语言编写了CCD和AD9826的控制时序;利用两块双口RAM组成乒乓操作单元,实现高速数据的缓存,避免利用NIOS II处理器直接读取时的频繁中断。将NIOS II处理器系统嵌入到FPGA中,实现整个系统的管理。NIOS II处理器利用中断方式读取缓存单元中的数据、经对数变换后传递给计算机。其中缓存数据的读取及对数变换均采用自定义组件的方式将硬件单元添加到NIOS II系统中,编程时直接调用。NIOS II系统通过串口将处理后的数据传递给LabVIEW, LabVIEW对数据简单处理后显示,以实时观察采样数据是否正确。最后对系统进行了实验测试,实验结果表明,系统能够很好的采集并显示数据,能够初步完成光信号的检测。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 人体血液成分无创检测的意义
• 1.2 动态光谱
• 1.2.1 动态光谱概念
• 1.2.2 动态光谱去除个体差异影响
• 1.2.3 动态光谱的检测原理
• 1.2.4 动态光谱频域提取法
• 1.3 动态光谱仪的组成方法
• 1.4 论文的内容和结构
• 第二章 系统总体方案设计
• 2.1 系统硬件平台的选择
• 2.1.1 CCD的选择
• 2.1.2 模数转换器的选择
• 2.1.3 处理器的选择
• 2.1.4 LabVIEW简介
• 2.2 动态光谱信号检测系统总体设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 系统硬件设计
• 3.1 NIOS II外围电路设计
• 3.1.1 CCD时序设计
• 3.1.2 AD9826 电路及时序设计
• 3.1.3 数据缓存单元设计
• 3.2 NIOS II软核系统设计
• 3.2.1 定制处理器
• 3.2.2 定制标准外设
• 3.2.3 自然对数变换器自定义组件设计
• 3.2.4 RAM块读取自定义组件设计
• 3.2.5 NIOS II系统设置与生成
• 3.3 系统及SDRAM时钟
• 3.4 硬件系统整体实现
• 3.5 本章小节
• 第四章 NIOS II嵌入式软件设计
• 4.1 NIOS II软件设计简介
• 4.2 NIOS II软件设计
• 4.2.1 NIOS II处理器寄存器结构
• 4.2.2 系统启动代码
• 4.2.3 中断的控制
• 4.2.4 缓存数据的读取与存储
• 4.2.5 数据的自然对数变换
• 4.2.6 数据的传输
• 4.3 本章小结
• 第五章 Labview显示程序设计及实验分析
• 5.1 Labview软件设计简介
• 5.2 Labview串口通讯及显示
• 5.2.1 VISA简介
• 5.2.2 Labview串口通讯程序设计
• 5.3 实验结果及分析
• 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说明
• 致谢