基于FPGA的多通道磁弹性传感器测试仪的设计

论文摘要

无线磁传感技术是近10年发展起来的新型传感技术。无线磁弹性传感器是一种基于磁致伸缩原理设计的无线无源传感器,传感器的信号驱动和激发与传送都是通过电磁场进行的,传感元件与检测仪器之间没有任何物理连接。磁弹性传感器无线无源的特点使其在生命科学活体检测、食品质量安全检测和环境检测等领域具有巨大的应用前景。随着嵌入式系统设计的不断发展,以FPGA为代表的SOPC技术也得到了高速的发展。相比于传统的专用集成电路而言,基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计具有灵活的设计方式,可裁剪、可扩充、可升级并具备软硬件系统可编程的功能。基于FPGA的SOPC嵌入式系统设计已成为嵌入式系统设计的主要研究方向。本文对带状磁弹性新型传感器测试仪进行了研究,针对生物化学测量领域对磁弹性传感器的应用需求,研制了基于FPGA的多通道磁弹性传感器测试仪。文章首先分析了研究磁弹性传感器的意义以及目前国内外的应用研究现状。在系统方案设计阶段,分析了4通道磁弹性传感器测试仪的整体功能需求,采用基于FPGA的SOPC嵌入式系统开发对仪器进行了系统设计。其次对磁弹性传感器的工作原理、制备以及扫频检测方法进行了介绍。在系统硬件设计部分选择Altera公司的Cyclone FPGA器件设计了一个FPGA小系统,同时设计了主要的功能电路:偏置电路、峰值检测电路、AD转换电路、USB电路和电源管理电路。软件设计采用Quartus II软件完成功能模块的设计实现,采用器件编程实现4通道的DDS模块。最后选用Nios II软处理器实现SOPC嵌入式系统开发并对软件工程进行了编译以及时序分析。课题所研制的4通道磁弹性传感器测试仪运行稳定可靠,4个测量通道的测量过程是独立的,可以并行的对磁弹性传感器的共振频率进行测量。通过LABVIEW软件可视化编程的上位机操作界面便于用户对测量参数的设置,与用户交互方便快捷,能实时显示测量结果,快速、准确地对测量结果进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 选题的背景与意义
• 1.2 相关技术及研究现状
• 1.2.1 磁弹性传感器材料及应用现状
• 1.2.2 FPGA 和SOPC 嵌入式系统的发展情况
• 1.3 本文主要内容
• 第2章 系统总体设计方案
• 2.1 系统构成及基本测量过程
• 2.1.1 仪器性能指标要求
• 2.1.2 系统构成
• 2.1.3 基本测量过程
• 2.2 磁弹性传感器的基本工作原理
• 2.3 磁弹性传感器的共振频率检测
• 2.4 开发工具介绍
• 2.4.1 开发流程简介
• 2.4.2 Nios Ⅱ 处理器
• 第3章 系统硬件电路设计
• 3.1 FPGA 简介
• 3.2 FPGA 小系统设计
• 3.3 功能模块的电路设计
• 3.3.1 偏置电路
• 3.3.2 峰值检测电路
• 3.3.3 AD 转换电路
• 3.3.4 USB 模块
• 3.3.5 电源模块电路
• 第4章 嵌入式系统模块的实现
• 4.1 模块的划分和规划
• 4.2 DDS 模块
• 4.3 NIOS Ⅱ 及其外围设备
• 4.4 基于Nios Ⅱ 的SOPC 系统实现
• 4.5 Quartus Ⅱ 工程编译分析和上位机界面设计
• 4.5.1 Quartus Ⅱ 工程编译分析
• 4.5.2 上位机界面设计及实验
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间所发表的学术论文