一種基于fpga的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，屬于一種基于FPGA的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像存儲(chǔ)模塊、FPGA模塊以及VGA顯示模塊順序電連接，SDRAM控制器控制讀寫。有益效果是：選用USB來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，極大的提高了采集到的光譜圖像信息的傳輸速度，而且采用運(yùn)算速率快，處理能力強(qiáng)的FPGA作為系統(tǒng)核心，加大了二維光譜圖像的處理速度，可以達(dá)到整個(gè)項(xiàng)目的處理速度要求，進(jìn)而使鋼水檢測(cè)系統(tǒng)能夠更加快速、實(shí)時(shí)、流暢的進(jìn)行。
【專利說(shuō)明】
一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于一種基于FPGA的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，具體涉及一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]國(guó)家科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步依賴于材料技術(shù)的發(fā)展，冶金技術(shù)直接影響到國(guó)家的國(guó)防、石化、能源、交通等多個(gè)方面的發(fā)展。合金的成分決定了合金的組織結(jié)構(gòu)和加工工藝，是合金性能的基礎(chǔ)。合金成分優(yōu)化設(shè)計(jì)后，能否通過(guò)冶煉等加工工藝得到期望的合金就成為材料制造的關(guān)鍵。因此在影響冶金水平的諸多因素中，合金成分的精確控制是主要因素之一，所以冶金分析對(duì)于金屬冶煉非常重要。
[0003]冶金分析在二十一世紀(jì)面臨三大問(wèn)題分別是復(fù)雜體系痕量分析、原位狀態(tài)定量分析以及在線分析。在這三大問(wèn)題中的重點(diǎn)是在線實(shí)時(shí)分析。目前國(guó)內(nèi)外的鋼鐵冶煉主要是采用爐前分析，采用直讀光譜儀等進(jìn)行臨線監(jiān)測(cè)，并沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)鋼鐵冶煉的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中需要取出鋼水、倒模、冷卻、拋磨等繁瑣的步驟，這些繁瑣的步驟不僅不能有效監(jiān)測(cè)鋼水的成分變化，隨時(shí)對(duì)鋼液成分進(jìn)行調(diào)整，也因?yàn)楹臅r(shí)而不符合節(jié)能降耗的宗匕曰ο
[0004]激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)(LaserInduCed Plasma SpeCtrosCopy，LIPS)也稱作激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser InduCed Breakdoffn SpeCtrosCopy，LIBS)，是基于激光和材料相互作用產(chǎn)生的發(fā)射光譜的一種定量分析技術(shù)，該方法在測(cè)量過(guò)程中只需幾微克即可，故可實(shí)現(xiàn)非破壞測(cè)量;無(wú)需樣品預(yù)處理即可實(shí)現(xiàn)對(duì)任何物理狀態(tài)物質(zhì)的元素分析，使LIPS技術(shù)應(yīng)用范圍非常廣泛;LIPS技術(shù)是光學(xué)技術(shù)應(yīng)用，可測(cè)量分析遠(yuǎn)達(dá)幾十米處的樣品，其遠(yuǎn)程分析能力對(duì)危險(xiǎn)、高溫環(huán)境或敵對(duì)環(huán)境中有非常大的吸引力；使用LIPS技術(shù)進(jìn)行成分分析，整個(gè)過(guò)程只需十秒左右，實(shí)時(shí)性和快速性非常良好;LIPS技術(shù)可通過(guò)定標(biāo)對(duì)物質(zhì)中痕量進(jìn)行定量分析，且檢測(cè)限和精度完全滿足應(yīng)用需求。這些LIPS技術(shù)本身所固有的優(yōu)勢(shì)已被越來(lái)越多的研究者所感知，使其在近十年來(lái)倍受關(guān)注，被應(yīng)用到工業(yè)控制、化學(xué)分析、環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、太空應(yīng)用和文物鑒定等眾多領(lǐng)域。
[0005]激光誘導(dǎo)等離子體光譜技術(shù)(LIPS技術(shù))應(yīng)用于金屬冶煉在線成分檢測(cè)因無(wú)需采樣離線測(cè)量，能有效縮短檢測(cè)時(shí)間，不僅可大大降低成本，節(jié)約能源，改善品質(zhì)，還可以提高生產(chǎn)速度，增加冶金產(chǎn)量，同時(shí)為冶煉工藝改進(jìn)提供契機(jī)，因此LIPS在線檢測(cè)設(shè)備在冶煉行業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用研究，不僅具有經(jīng)濟(jì)效益，還同樣具有重要的戰(zhàn)略意義。
[0006]項(xiàng)目研制主要分為兩大部分:超高分辨率高信噪比光學(xué)分光系統(tǒng)研制和光譜信息預(yù)處理系統(tǒng)研制。在光譜信息預(yù)處理研制中，如果使用純軟件進(jìn)行光譜信息處理，而沒(méi)有相應(yīng)的硬件部分，運(yùn)行速度慢，對(duì)光譜圖像的處理速度達(dá)不到預(yù)期的效果，從而影響鋼水的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，使項(xiàng)目的研發(fā)失去了該有的意義。而且如果使用的硬件部分，運(yùn)算速度不夠快，也同樣達(dá)不到預(yù)期的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明提供一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以解決目前光譜信息預(yù)處理研制中存在的問(wèn)題。
[0008]本發(fā)明采取的技術(shù)方案是，數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像存儲(chǔ)模塊、FPGA模塊以及VGA顯示模塊順序電連接，SDRAM控制器控制讀寫；
所述數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)USB接口接受通過(guò)光譜探測(cè)系統(tǒng)得到數(shù)字光譜信息；
所述圖像存儲(chǔ)模塊用于光譜圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用SDRAM存儲(chǔ)，SDRAM控制器控制讀寫；所述FPGA模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它對(duì)接受到的二維光譜圖像數(shù)據(jù)先進(jìn)行降噪與去閾值處理，然后再進(jìn)行算法處理，進(jìn)行光譜識(shí)別與波長(zhǎng)標(biāo)定；
所述VGA顯示模塊把接受到的處理過(guò)后的數(shù)字信號(hào)與量值進(jìn)行曲線表示。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:選用USB來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，極大的提高了采集到的光譜圖像信息的傳輸速度，而且采用運(yùn)算速率快，處理能力強(qiáng)的FPGA作為系統(tǒng)核心，加大了二維光譜圖像的處理速度，可以達(dá)到整個(gè)項(xiàng)目的處理速度要求，進(jìn)而使鋼水檢測(cè)系統(tǒng)能夠更加快速、實(shí)時(shí)、流暢的進(jìn)行。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1是本發(fā)明的電路原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像存儲(chǔ)模塊、FPGA模塊以及VGA顯示模塊順序電連接，SDRAM控制器控制讀寫；
所述數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)USB接口接受通過(guò)光譜探測(cè)系統(tǒng)得到數(shù)字光譜信息；
所述圖像存儲(chǔ)模塊用于光譜圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用SDRAM存儲(chǔ)，SDRAM控制器控制讀寫；所述FPGA模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它對(duì)接受到的二維光譜圖像數(shù)據(jù)先進(jìn)行降噪與去閾值處理，然后再進(jìn)行算法處理，進(jìn)行光譜識(shí)別與波長(zhǎng)標(biāo)定；
所述VGA顯示模塊把接受到的處理過(guò)后的數(shù)字信號(hào)與量值進(jìn)行曲線表示。
[0012]如圖1所示，該系統(tǒng)中包含數(shù)據(jù)傳輸模塊，圖像存儲(chǔ)模塊、FPGA模塊以及VGA顯示模塊，該系統(tǒng)使用USB接口使FPGA與光譜探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以便于獲取探測(cè)系統(tǒng)得到的光譜信息，在使用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，先對(duì)USB進(jìn)行固件程序與驅(qū)動(dòng)程序的編寫，確保USB接口能夠正常通信。接受到的二維光譜圖像信息存儲(chǔ)在圖像存儲(chǔ)模塊中，圖像存儲(chǔ)模塊中主要使用SDRAM芯片進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，因?yàn)镾DRAM具有價(jià)格低、體積小、速度快、容量大等優(yōu)勢(shì)，所以選用其作為圖像數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的芯片，但SDRAM的控制邏輯比較復(fù)雜，對(duì)時(shí)序要求也十分嚴(yán)格，不能和眾多器件進(jìn)行透明連接，使用很不方便。這就要求在FPGA中設(shè)計(jì)一個(gè)專門的控制器模塊，使系統(tǒng)中其它功能模塊能夠通過(guò)控制模塊的接口方便地對(duì)SDRAM進(jìn)行操作，而不必考慮SDRAM內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和時(shí)序關(guān)系，所以在圖像存儲(chǔ)模塊中還要設(shè)計(jì)一個(gè)SDRAM控制器，來(lái)控制存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀寫，SDRAM控制器具有上電初始化、自動(dòng)刷新、讀寫邏輯控制和仲裁機(jī)制功能，可以使SDRAM更加快捷方便被使用。然后所述FPGA模塊從SDRAM中讀取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理，F(xiàn)PGA模塊主要通過(guò)譜還原算法來(lái)使二維光譜圖像信息轉(zhuǎn)化為一維連續(xù)的無(wú)重疊光譜信息，也就是鋼水檢測(cè)項(xiàng)目中二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的目的，而在進(jìn)行此算法之前，可以先對(duì)二維光譜圖像進(jìn)行降噪與去閾值處理，通過(guò)FPGA模塊處理后光譜圖像的數(shù)字信號(hào)，進(jìn)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，通過(guò)VGA接口連接進(jìn)行VGA顯不O
[0013]本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(yǔ)(包括技術(shù)術(shù)語(yǔ)和科學(xué)術(shù)語(yǔ))具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語(yǔ)應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過(guò)于正式的含義來(lái)解釋。
[0014]以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以再不脫離本發(fā)明宗旨的前提下做出各種變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于:數(shù)據(jù)傳輸模塊、圖像存儲(chǔ)模塊、FPGA模塊以及VGA顯示模塊順序電連接，SDRAM控制器控制讀寫。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于:所述數(shù)據(jù)傳輸模塊通過(guò)USB接口接受通過(guò)光譜探測(cè)系統(tǒng)得到數(shù)字光譜信息。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于:所述圖像存儲(chǔ)模塊用于光譜圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，用SDRAM存儲(chǔ)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于:所述FPGA模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，它對(duì)接受到的二維光譜圖像數(shù)據(jù)先進(jìn)行降噪與去閾值處理，然后再進(jìn)行算法處理，進(jìn)行光譜識(shí)別與波長(zhǎng)標(biāo)定。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的二維光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，其特征在于:所述VGA顯示模塊把接受到的處理過(guò)后的數(shù)字信號(hào)與量值進(jìn)行曲線表示。
【文檔編號(hào)】G01N21/71GK105844652SQ201610232450
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】邱中中, 馬海濤, 劉忠禹
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)