测量冲击波到达时间的阵列式光纤探针系统研究

论文摘要

光纤探针系统作为冲击波参数测量的设备之一,具有耐高温/高压、耐冲击、不易受电磁干扰、传输损耗小、频带宽、体积小、质量轻等优点,现已得到了广泛的应用。随着电子技术的发展,小型化、仪器化成为光纤探针系统发展的必然趋势。本文在深入研究传统光纤探针系统基本理论及实现方法的基础上,结合目前广泛应用的FPGA技术,对小型化、仪器化光纤探针系统的实现进行了研究,提出了一种可行方案,并给出了相应设计及仿真。该方案采用自主发光技术,以调制的激光信号作为冲击波波面信息的载波信号,增强了系统抗干扰能力;采用Xlinix公司Virtex IV系列FPGA芯片作为整个系统的控制中心,对数据流进行控制,将高速数据暂存在SRAM后再以低速传出,大大简化了逻辑控制电路的设计,且省去了价格高昂体积庞大的高速数字示波器,可降低系统成本,减小系统体积。以上方法在光纤探针系统中的应用在国内外均未见报道。另外,该方案还采用光纤阵列进行多路设计,使系统的空间分辨率可由传统光纤探针系统最高0.4 mm左右提高至130μm左右;且系统采用异步串口通信,将采集到的数据上传到PC机上进行处理,具有传输线少、成本低、可靠性高等优点。系统设计包括硬件及软件两个部分。硬件方面,根据所设计的系统方案框图选择元器件,并根据要求对各芯片进行了选型;构建电路系统,完成各部分电路的时钟电源设计、接口设计,以及FPGA的复位电路、配置电路等的设计,得到了硬件电路部分的原理图;在综合考虑高速信号的传输线理论,及反射、串扰及地弹等信号完整性问题的基础上,根据原理图绘制出八层PCB版图。软件方面,以Xlinix公司提供的ISE为开发平台,使用verilog硬件开发语言对FPGA内部各模块进行了设计,完成了各模块的RTL级代码编写。FPGA芯片作为数据流的控制中心,主要由DCM模块、MGT模块、SRAM控制模块、UART模块等组成,实现了对SRAM芯片、光收发模块、串口等的控制。由于DCM模块及MGT模块的原始设计比较复杂,本文采用了Xilinx公司成熟高效的IP(Intellectual Property)核来实现,可提高系统的稳定性。最后,采用ModelSim软件对各模块进行了仿真,验证了各模块的功能。本文所提出的系统方案可有效提高系统的空间分辨率,降低系统成本,减小系统体积,是对小型化、仪器化光纤探针系统大胆而有益的探索,为新型光纤探针系统项目的进一步开发奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 光纤探针技术
• 1.2.1 自发光光纤探针
• 1.2.2 气体发光光纤探针
• 1.3 光纤探针技术的发展现状
• 1.4 本文的主要工作及内容安排
• 第二章 新型光纤探针系统设计
• 2.1 系统方案设计
• 2.2 系统的电路实现
• 2.2.1 光收发模块
• 2.2.2 存储单元
• 2.2.3 控制单元
• 2.2.4 串行接口
• 第三章 系统硬件电路实现
• 3.1 电源电路设计
• 3.1.1 基于 TPS54610 的电源电路设计
• 3.1.2 基于MAX8557 的电源电路设计
• 3.1.3 基于TPS51100的电源电路设计
• 3.1.4 基于 TPS54310 的电源电路设计
• 3.2 光收发模块电路设计
• 3.3 SRAM 电路设计
• 3.3.1 各存储芯片的同步
• 3.3.2 SRAM 控制电路的设计
• 3.4 FPGA 芯片接口电路设计
• 3.4.1 Virtex IV 系列器件配置模式
• 3.4.2 Virtex IV 系列器件配置流程
• 3.4.3 XC4VFXXX 的配置电路设计
• 3.4.4 FPGA 的MGT 模块设计
• 3.5 RS232 接口电路设计
• 第四章 高速电路设计
• 4.1 信号完整性理论分析
• 4.1.1 传输线理论
• 4.1.2 反射
• 4.1.3 串扰
• 4.1.4 地弹
• 4.2 高速PCB 布局布线
• 4.2.1 PCB 布局
• 4.2.2 PCB 布线
• 4.3 高速PCB 设计中应注意的问题
• 第五章 FPGA 内部模块设计与仿真
• 5.1 FPGA 介绍
• 5.1.1 FPGA 设计流程
• 5.1.2 硬件开发语言Verilog HDL 简介
• 5.1.3 集成开发环境ISE
• 5.2 FPGA 内部功能的设计与实现
• 5.2.1 功能模块划分
• 5.2.2 数据流控制逻辑系统
• 5.2.3 中心控制模块
• 5.2.3.1 状态机设计简介
• 5.2.3.2 中心控制模块时序关系图
• 5.2.3.3 状态机设计
• 5.2.3.4 状态机的描述与综合
• 5.2.4 时钟管理模块
• 5.2.5 计数器模块
• 5.2.6 MGT 模块
• 5.2.7 SRAM 模块
• 5.2.8 UART 模块
• 第六章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果