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用于气体定量分析的FTIRI光谱信息处理系统研究

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摘要

1 概述

1.1 FTIR光谱仪在气体定量分析中的国内外研究概述

1.1.1 国外之FTIR光谱仪在气体定量分析中的研究状况

1.1.2 国内之FTIR光谱仪在气体定量分析中的研究状况

1.1.3 目前所面临之问题

1.2 气体分析用FTIR光谱仪的工作原理

1.2.1 FTIR光谱仪工作原理

1.2.2 气体分析用FTIR光谱仪的组成

1.3 课题主要研究内容及意义

1.3.1 课题研究的主要内容

1.3.2 课题研究的意义

1.3.3 论文结构说明

2 FTIR光谱信息处理系统方案论证

2.1 FTIR光谱信息处理系统的理论基础

2.1.1 FTIR光谱仪信号处理流程

2.1.2 气体分析用FTIR光谱信号分析流程

2.1.3 FTIR光谱仪信号模拟仿真

2.2 嵌入式光谱信息处理系统可行性分析

2.2.1 嵌入式系统设计优劣性分析

2.2.2 嵌入式系统总体框图

2.2.3 硬件系统关键技术分析

2.2.4 嵌入式软件系统分析

3 嵌入式光谱信息处理系统的硬件设计

3.1 应用PIC32的精密电机控制系统

3.2 微弱信号放大电路

3.3 倍频电路

3.4 高速数据采集及信号发生电路

3.4.1 高速数据采集系统电路设计

3.4.2 信号发生电路设计

3.5 ARM嵌入式硬件系统设计

4 嵌入式光谱信息处理系统的软件设计

4.1 应用PIC32单片机的精密电机驱动程序

4.2 应用FPGA的AD及DA时序控制程序

4.3 ARM嵌入式软件设计

4.3.1 开发平台搭建

4.3.2 运用Linux内核实现的快速傅里叶变换

4.3.3 光谱图形显示

4.3.4 嵌入式网络通信

5 嵌入式光谱信息处理系统的实验及结果分析

5.1 嵌入式系统光谱信号发生实验及结果分析

5.2 嵌入式系统光谱信号接收实验及结果分析

5.3 系统存在的不足及改进措施

6 结论

6.1 研究获得的阶段性成果

6.2 现阶段研究存在的问题

6.3 后续研究的重点和难点探索

致谢

参考文献

附录

附录1 PIC32系统电路图

附录2 倍频电路

附录3 AD7760系统电路图

附录4-1 FPGA系统电路图-1

附录4-2 FPGA系统电路图-2

附录4-3 FPGA系统电路图-3

附录5 ARM系统电路图

论文发表情况

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摘要

如果不研究矛盾的特殊性,就无从确定一事物不同于他事物的特殊的本质,就无从发现事物运动发展的特殊的原因,或特殊的根据,也就无从辨别事物,无从区分科学研究的领域。这是毛泽东的一句名言,它表明了研究矛盾的特殊性的重要意义。气体的定量分析,即对矛盾的特殊性进行研究,其在煤矿安全预警、石油开采、化工分析等诸多现实领域有着非常重要的意义。
  傅里叶变换红外光谱法(FTIR)用于气体分析时,是通过获得气体的红外吸收光谱来获取信息,与传统的气相色谱法相比,具有信噪比高、分辨率高、测量速度快、噪声低、光通量高等优点。本文将FTIR光谱仪应用于气体分析,设计了光谱信息处理系统的硬件与软件模块,最后对系统进行了实验验证。
  首先,调研了FTIR光谱仪在气体定量分析中的国内外研究情况及存在的不足,为课题的研究做铺垫。然后分析了气体用FTIR光谱仪的工作原理,对FTIR光谱信息处理的方案进行了论证。结合现阶段存在的不足,提出将嵌入式设计的理念引入其中,设计了用于气体定量分析的FTIR光谱信息处理系统的硬件模块,主要包括精密电机控制硬件系统、高速AD采样系统、倍频及信号发生电路、嵌入式硬件系统等。并针对不同的硬件系统编写了相应的软件。
  最后,本文进行了系统测试实验。先进行了MATLAB仿真实验,然后对嵌入式系统所得实验数据进行分析。结果表明该信息处理系统能满足实际要求,且由课题设计出的信息处理系统验证得到,在变换点数为131072时效果最好,这一结论可为后续的研究工作提供依据。

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