一种基于FPGA的气体检测锁相放大器的设计

本发明属于气体检测领域，更为具体地讲，涉及一种基于fpga的气体检测锁相放大器的设计。

背景技术：

1、天然气在长距离运输时通常选用的是高压管道运输方式，为了检测天然气管道是否发生微小泄漏，需要采用痕量气体检测技术防止运输过程出现安全隐患。基于波长调制的气体检测技术由于具有较高的灵敏度和较低的检出限因此被广泛使用。该检测技术采用低频三角波和高频正弦波对激光器光强进行调制，激光穿过待测气体后，通过锁相放大器对光强信号进行二次谐波解调，二次谐波的峰值与待测气体浓度呈正比。该方法具有较低的检出限，但是检测精度容易受到激光器光强波动的影响。

2、在现有的技术中，克服激光器光强波动影响主要方式：将采集到的光强信号同时进行一次谐波和二次谐波进行解调，通过二次谐波除以一次谐波的方式来消除光强波动的影响，但是该方法需要将光强信号采集至上位机进行处理，检测时间较长，难以及时获取待测气体浓度；部分锁相放大器虽然支持同时对多路参考信号进行解调，但是仍然需要把多路解调数据全部发送至上位机，在上位机中完成后续运算，该方法造成数据传输量增大，并且检测时间较长，难以满足ms级气体浓度响应。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有检测系统的不足，提出一种基于fpga的气体检测锁相放大器的设计。该检测技术将采集到的光强数据在fpga中同时进行一次谐波和二次谐波的解调，并且将吸收峰处的一次谐波和二次谐波的信号值提取，进行2f/1f的归一化处理。该方法避免将大批量检测数据传输至上位机，可以有效提高检测速度。

2、为实现上述发明，本发明一种基于fpga的气体检测锁相放大器的设计包括adc模块，驱动模块，fir_1模块，rom_1模块，rom_2模块，fir_2模块，sqrt_1模块，zoom_1模块，fir_3模块，zoom_2模块，fir_4模块，sqrt_2模块，dac模块，dac驱动模块，2f_1f模块，上位机模块，其中：

3、adc模块用于对光电探测器输出的电压信号进行采集，adc采样率记为f1，采集数据adc_data和对应的数据使能data_valid发送到驱动模块；

4、驱动模块用于驱动adc进行正常的数据采集，并将收到的数据adc_data和数据使能信号data_valid同时发送至fir_1模块，fir_2模块，fir_3模块，fir_4模块；

5、fir_1模块用于当data_valid有效时，将接收到的adc_data与rom_1模块输出的sin_data数据相乘，将计算结果通过一个fir滤波器，滤波后的数据data_ch1发送至sqrt_1模块；

6、rom_1模块用于输出一个频率为f_sin的正弦参考数据sin_data给fir_1模块和zoom_1模块；

7、rom_2模块用于输出一个频率为f_cos的余弦参考数据cos_data给fir_2模块和zoom_2模块，f_cos＝f_sin；

8、fir_2模块用于当data_valid有效时，将接收到的adc_data与rom_2模块输出的cos_data数据相乘，将计算结果通过一个fir滤波器，滤波后的数据data_ch2发送至sqrt_1模块；

9、sqrt_1模块用于将接收到的sin_data和cos_data数据进行方和根运算，并将计算结果在t时间内的最大值max_1f发给2f_1f模块；

10、zoom_1模块用于对rom_1模块输出的数据sin_data进行2抽点，并将抽点后的数据sin_2data发送至fir_3模块；

11、fir_3模块用于当data_valid有效时，将接收到的adc_data与zoom_1模块输出的sin_2data数据相乘，将计算结果通过一个fir滤波器，滤波后的数据data_ch3发送至sqrt_2模块；

12、zoom_2模块用于对rom_2模块输出的数据cos_data进行2抽点，并将抽点后的数据cos_2data发送至fir_4模块；

13、fir_4模块用于当data_valid有效时，将接收到的adc_data与zoom_2模块输出的cos_2data数据相乘，将计算结果通过一个fir滤波器，滤波后的数据data_ch4发送至sqrt_2模块；

14、sqrt_2模块用于将接收到的sin_2data和cos_2data数据进行方和根运算，并将计算结果在t时间内的最大值max_2f发给2f_1f模块；

15、dac模块用于将dac驱动模块输出的dac_data转成电压信号进行激光器的光强调制；

16、dac驱动模块用于输出dac_data给dac模块，dac_data是一个周期为t的低频三角波信号叠加一个频率为f_sin的高频正弦信号；

17、2f_1f模块用于将接收到的max_1f和max_2f数据进行除法运算，即max_2f/max_1f＝data_c，并将运算结果data_c发送至上位机模块；

18、上位机模块用于将接收到的数据data_c转换成浓度并进行显示。

19、本发明一种基于fpga的气体检测锁相放大器的设计。该检测技术将采集到的光强数据在fpga中同时进行一次谐波和二次谐波的解调，并且将吸收峰处的一次谐波和二次谐波的信号值提取，再fpga中完成进行2f/1f的归一化处理，并将最终的结果直接发送至上位机进行显示。

20、本发明相较于现有锁相放大器的设计，具有以下优势：

21、(1)本发明提出的应用于气体检测领域的锁相放大技术，可以同时进行一次和二次谐波信号的解调，由于是使用同源数据，因此多路解调结果不会出现时差。

22、(2)本发明针对一次、二次解调结果直接取吸收峰处信号值，并进行2f/1f的归一化处理，最终结果直接发送至上位机进行浓度显示，传输过程无需发送原始数据，无需上位机进行数据处理，因此检测速度快。

技术特征：

1.一种基于fpga的气体检测锁相放大器的设计，其特征在于包括adc模块，驱动模块，fir_1模块，rom_1模块，rom_2模块，fir_2模块，sqrt_1模块，zoom_1模块，fir_3模块，zoom_2模块，fir_4模块，sqrt_2模块，dac模块，dac驱动模块，2f_1f模块，上位机模块，其中：

技术总结
本发明公开了一种基于FPGA的气体检测锁相放大器的设计。该检测技术将采集到的光强数据在FPGA中同时进行一次谐波和二次谐波的解调，并且将吸收峰处的一次谐波和二次谐波的信号值提取，进行2f/1f的归一化处理。该方法可以避免因光强抖动导致的测量误差，同时可以将计算结果直接发送至上位机进行处理，具有检测响应速度、检测结果准确的优点。

技术研发人员：李奇峰,吴佳宁,杨云鹏,马翔云,李怡书,傅潇然,夏华,刘新楠,贾俊杰
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29