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天津工业大学毕业论文XXXXXXXXXXXXXXXXXXX姓 名： 学 院： 专 业： 班 级： 指 导 教 师： 201X 年 X 月 X 日天津工业大学毕业论文任务书课题类型：指导教师根据实际情况确定 题目XXXXXXXXXXXXXXXXX学生姓名XXX学院名称电子与信息工程学院专业班级XXX课题类型生产实际课题、教师科研课题课题意义钢丝绳芯输送带是带式输送机牵引和运载的关键部件，已广泛应用于煤炭、矿山、港口、电力、冶金、化工等领域，在使用过程中由于其荷载量增加，被障碍物划伤、老化和接头伸长等原因，经常产生钢丝绳芯故障，由于得不到有效检测和处理，会造成重大断带安全事故而停产，运输物料的损耗，设备的损坏，巨大的经济损失和人员伤亡，严重影响安全生产。X射线检测方法是利用不同物质对X射线衰减不同，实现对物体内部检测的一种无损检测方法。基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统能够远程在线检测钢丝绳芯输送带的图像，自动识别丝绳芯锈蚀、断裂或接头伸长等故障，及时报警，避免重大安全事故的发生、设备的损坏、停产和人员伤亡，减少运输物料的损耗和经济损失，提高生产效率。该系统关键部件为高速X光探测器，具有对输送带钢丝绳芯图像的采集、处理与传输功能。本毕业设计是设计XXXXXX，实现X光信号的高速采集功能，不仅能够应用于基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统，而且可用于物流中货物和生产线中高速运行产品的无损检测，具有较高的应用价值。任务与进度要求 本设计的任务是设计一种高速X光探测器的信号采集模块，实现X光信号的高速采集功能。201X.X.X-201X.X 调研，确定信号采集模块设计方案；201X.X.X-201X.X 设计信号采集模块硬件电路；201X.X.X-201X.X 设计信号采集模块软件；201X.X.X-201X.X 制作电路板、实验及测试；201X.X.X-201X.X 整理资料，撰写设计论文，准备答辩。主要参考文献1 陈刚. 高能X射线ICT数据采集系统(DAS)的研究D. 重庆: 重庆大学, 2007.2 Yue Dai，Changyun Miao，Feng Rong. Design of dual energy x-ray detector for conveyor belt with steel wire ropesC. ISPDI, 2009.起止日期201X.X.XX201X.X.XX备注院长 教研室主任 指导教师 天津工业大学毕业论文开题报告表 201X 年 X 月XX 日姓名学院电子与信息工程学院专业班级题目指导教师一、 与本课题有关的国内外研究情况、课题研究的主要内容、目的和意义：与本课题有关的国内外研究情况：钢丝绳芯输送带是带式输送机牵引和运载的关键部件，已广泛应用于煤炭、矿山、港口、电力、冶金、化工等领域，在使用过程中由于其荷载量增加，被障碍物划伤、老化和接头伸长等原因，经常产生钢丝绳芯故障，由于得不到有效检测和处理，会造成重大断带安全事故而停产，运输物料的损耗，设备的损坏，巨大的经济损失和人员伤亡，严重影响安全生产。X射线检测方法是利用不同物质对X射线衰减不同，实现对物体内部检测的一种无损检测方法。基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统能够远程在线检测钢丝绳芯输送带的图像，自动识别丝绳芯锈蚀、断裂或接头伸长等故障，及时报警，避免重大安全事故的发生、设备的损坏、停产和人员伤亡，减少运输物料的损耗和经济损失，提高生产效率。该系统关键部件为高速X光探测器，具有对输送带钢丝绳芯图像的采集、处理与传输功能。课题研究的主要内容：1、信号采集模块设计方案；2、信号采集模块硬件电路及软件设计；3、信号采集模块实验及测试。目的和意义: 本毕业设计的目的是设计一种高速X光探测器的信号采集模块，实现X光信号的高速采集功能，不仅能够应用于基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统，而且可用于物流中货物和生产线中高速运行产品的无损检测，具有较高的应用价值。二、进度及预期结果：起止日期主要内容预期结果201X.X.X-201X.X201X.X.X-201X.X201X.X.X-201X.X201X.X.X-201X.X201X.X.X-201X.X调研，信号采集模块设计方案；设计信号采集模块硬件电路；设计信号采集模块软件；制作电路板、实验及测试；撰写设计论文，准备答辩。提出信号采集模块设计方案；提供信号采集模块电路原理图；提供信号采集模块软件；制作出电路板，通过实验、调试；提供毕业设计论文，通过答辩。完成课题的现有条件1、已有部分相关资料；2、已有示波器、万用表、FPGA开发板、X光实验系统等实验设备；3、已有设计所需软件。审查意见指导教师： 年 月 日学院意见主管领导： 年 月 日毕业设计时间内每周一次，（从下达任务书开始，必需手填）天津工业大学毕业论文进度检查记录 题目学生姓名学院名称专业班级指导教师姓名指导教师职称日 期指 导 记 录天津工业大学本科毕业论文评阅表（论文类）题目学生姓名学生班级指导教师姓名评审项目指标满分评分选题能体现本专业培养目标，使学生得到较全面训练。题目大小、难度适中，学生工作量饱满，经努力能完成。10题目与生产、科研等实际问题结合紧密。10课题调研、文献检索能独立查阅文献以及从事其他形式的调研，能较好地理解课题任务并提出实施方案；有分析整理各类信息，从中获取新知识的能力。15论文撰写结构严谨，理论、观点、概念表达准确、清晰。10文字通顺，用语正确，基本无错别字和病句，图表清楚，书写格式符合规范。10外文应用能正确引用外文文献，翻译准确，文字流畅。5论文水平论文论点正确，论点与论据协调一致，论据充分支持论点，论证过程有说服力。15有必要的数据、资料支持，数据、资料翔实可靠，得出的结论有可验性。15论文有独到见解或有一定实用价值。10合计100意见及建议：评阅人签名： 2014年 6 月 X 日天津工业大学毕业论文成绩考核表学生姓名学院名称专业班级题目1毕业设计（论文）指导教师评语及成绩：成绩： 指导教师签字： 2014年6 月XX日2毕业设计（论文）答辩委员会评语及成绩：成绩：答辩主席（或组长）签字： 2014 年6月XX日3毕业设计（论文）总成绩：a.指导教师给定成绩b.评阅教师给定成绩c.毕业答辩成绩总成绩(a0.5+b0.2+c0.3)摘 要钢丝绳芯输送带是带式输送机牵引和运载的关键部件，已广泛应用于煤炭、矿山、港口、电力、冶金、化工等领域。在使用过程中经常产生钢丝绳芯故障，由于得不到有效检测和处理，会造成重大断带安全事故而停产。为了保证钢丝绳芯输送带的安全运行，需要研制一种基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统，其系统的关键部件为高速X光探测器。本论文设计了一种高速X光探测器的信号采集模块。在给出了高速X光探测器及其信号采集模块设计方案基础上，设计了信号采集模块的硬件电路，包括信号调理电路、A/D转换电路和FPGA采集电路等；采用VHDL语言编写了FPGA采集电路软件；制作了电路板，并进行了实验与调试。本论文所设计的信号采集模块能够实现X光信号的高速采集功能，为高速X光探测器主要组成部分。该高速X光探测器不仅能够用于基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统，而且可用于物流中货物和生产线中高速运行产品的无损检测，具有较高的应用价值。关键词：高速X光探测器；信号采集；FPGA；VHDL；无损检测系统ABSTRACTThe conveyer belt with steel wire rope core, as the key component of the traction and delivery, has been widely used in coal, mining, ports, power, metallurgy, chemical and other fields. In the process of using it, there is always some steel wire rope core fault, due to the lack of effective detection and processing, it can cause significant safety accidents of fault belt to stop the production. In order to ensure the conveyer belt is operated safely, we need to develop a nondestructive testing system of the conveyer belt with steel wire rope core based on X-Ray, and is key component is the high-speed X-Ray detector.This paper designs a signal acquisition module of the high-speed X-Ray detector. On the basis of the design of the high-speed X-Ray detector and the signal acquisition module, the hardware circuit of the signal acquisition module is designed, including the signal conditioning circuit, the A/D conversion circuit and the FPGA acquisition circuit etc; the FPGA acquisition circuit software is wrote by using the VHDL language; the circuit board is manufactured, and it is has been experimented and tested.The design of the signal acquisition module of this paper can achieve the high-speed data acquisition function of the X-Ray signal, which is the main part of the high-speed X-Ray detector. This high-speed X-Ray detector not only can be used in the nondestructive testing system of the conveyer belt with steel wire rope core based on X-Ray, but also it can be used in the nondestructive testing of goods in logistics and high-speed operation products in production line, which has some higher application value.Keywords: High-Speed X-Ray Detector; Signal Acquisition; FPGA; VHDL; Nondestructive Test目 录第一章 绪 论11.1 本设计的背景11.2 本设计的目的及意义41.3 本设计的主要内容4第二章 X光钢绳芯输送带无损检测系统及高速X光探测器设计方案52.1 基于X光钢绳芯输送带无损检测系统设计方案52.2 高速X光探测器设计方案52.2.1 光电转换模块62.2.2 信号采集模块72.2.3 信号处理传输模块82.2.4 电源模块8第三章 信号采集模块设计方案及硬件电路设计103.1 信号采集模块设计方案103.2 硬件电路设计113.2.1 信号调理电路设计113.2.2 A/D转换电路设计153.2.3 FPGA采集电路设计173.2.4 电源电路设计20第四章 FPGA采集电路软件设计254.1 FPGA采集电路软件设计思路254.2 FPGA采集电路软件27第五章 实验及调试285.1 电路板设计及制作285.2 实验条件285.3 实验结果29第六章 结束语38参考文献39附 录41外文资料45中文翻译49谢 辞52第一章 绪 论1.3 本设计的背景钢丝绳芯输送带是以纵向等间距排列的钢丝绳作为基础骨架，外包裹一定厚度的橡胶层，再经过成型和硫化等工序制成的输送带，是带式输送机牵引和运载的关键部件。由于钢绳芯输送带具有伸长率较小，承载能力强，抗拉强度高以及运输量大等优点，目前已广泛应用于煤炭、矿山、港口、电力、冶金、化工等领域。随着工业化发展的加速，钢丝绳芯输送带的装机量在逐年增加。陕西某化工企业从2000年至今，为扩大生产规模、提高原料运输效率，连续搭建多条原料转运通道，均使用钢丝绳芯输送带作为运载部件，钢丝绳芯输送带装机量达50公里。在煤炭行业中年生产能力达到百万吨及以上的特大型煤炭企业中，煤炭的运输主要依靠钢丝绳芯输送带来传送。而且随着煤矿工业的发展，机械化程度的不断提高、开采量的不断加大，钢丝绳芯输送带的使用量也在逐渐增加。山西某煤矿集团从90年代初期就开始大规模的使用钢丝绳芯输送带，至今输送带已达700条，输送带长度共计500公里之多。正文20磅行间距在我国煤矿钢丝绳芯输送带运输系统设计时，安全规程要求对钢丝绳芯输送带进行检测2。目前常用的输送带检测方法有人工检测法和电磁检测法。(a) 模拟图像 (b) 曲线图1-1 CORD GUARDTM输送带连续监测系统检测钢丝绳芯故障的模拟图像和曲线第一，图表和上下文之间空1行；第二，如果图是“嵌入型”，则图所在的行，行间距用单倍行距，不然的话无法完整显示，公式所在行也是如此。上述二种方法需要借助于小型X光探伤仪辅助对输送带钢丝绳芯故障进行停机检测。它检测范围小，效率低、准确性差，影响生产；检测人员需要手持X光探伤仪进行检测，劳动强度大，与X光的距离近，易对检测人员造成伤害。 目前，由于不能安全、可靠和准确的检测输送带钢丝绳芯故障，为了保证钢丝绳芯输送带运行的安全，需要将可继续使用的、价格（2000-10000元/米）昂贵的输送带定期或提前更换，更换下来的钢丝绳芯输送带有70%的强度损耗很小，可以继续使用，造成了巨大的浪费。1.4 本设计的目的及意义本论文的目的是采用FPGA、高速A/D转换器设计一种基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统中高速X光探测器的信号采集模块。在给出了高速X光探测器及其信号采集模块设计方案基础上，设计了信号采集模块的硬件电路，包括信号调理电路、A/D转换电路和FPGA采集电路等；采用VHDL语言编写了FPGA采集电路软件；制作了电路板，并进行了实验与调试。本论文所设计的信号采集模块是高速X光探测器主要组成部分，能够实现X光信号的高速采集，采样频率为4 MSPS。该高速X光探测器不仅能够用于基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统，而且可用于物流中货物和生产线中高速运行产品的无损检测，具有较高的应用价值。1.5 本设计的主要内容本论文设计了一种基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统中高速X光探测器的信号采集模块，主要内容如下：（1）X光钢丝绳芯输送带无损检测系统及高速X光探测器设计方案；（2）信号采集模块设计方案及硬件电路设计；（3）FPGA采集电路软件的设计；（4）硬件电路实验、软件实验和系统调试。第二章 X光钢绳芯输送带无损检测系统及高速X光探测器设计方案2.3 基于X光钢绳芯输送带无损检测系统设计方案基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统是由X光发生器、高速X光探测器、计算机及软件和供电电源等组成，其组成框图如图2-1所示。图2-1 基于X光的钢丝绳芯输送带无损检测系统组成框图该系统的工作过程是X光发生器发射的X光穿过运行着的钢丝绳芯输送带照射到高速X光探测器上；高速X光探测器将接收到的X光经过光电转换、信号采集、信号处理后通过以太网传输到计算机（PC机）；计算机接收到高速X光探测器的信号后，通过软件实时显示、存储输送带钢丝绳芯图像，运用图像处理、识别算法对输送带钢丝绳芯的断裂、划伤、锈蚀、接头伸长或接头搭接不规范等故障进行提取、分析和判断，及时报警，给出强度性能分析结果6。2.4 高速X光探测器设计方案高速X光探测器是由光电转换模块、信号采集模块、信号处理传输模块和以太网传输模块等组成，其组成框图如图2-2所示。图2-2 高速X光探测器组成框图高速X光探测器的工作过程是光电转换模块将接收到的输送带钢丝绳芯图像的光信号转换为电信号；该电信号通过信号采集模块转换为数字信号，送给信号处理传输模块；信号处理传输模块对该数字信号进行处理后，通过以太网传输到计算机（PC机）。2.4.1 光电转换模块光电转换模块由光电二极管阵列、预放大与积分电路、缓冲电路、差分驱动电路及接口电路组成，其组成框图如图2-3所示。图2-3光电转换模块组成框图图和图题必须在同一页，如果图题已经是在本页的最后一行，则此图题后无需再空行。当X光穿过发光物质时，X射线被转换为可见光,该可见光经光电二极管转换为电流信号，再经过放大倍数可以动态调整的预放大与积分电路，转化为电压信号，电压信号经过缓冲、差分电路处理后转换为差分电压信号。在外部控制信号的触发下所有像素的电压差分信号通过时分复用模式从光电转换模块中依次读出。本课题所选定的光电转换模块为芬兰DT公司生产的型号为X-Card 1.5-64+64HE的高速X光探测卡。此探测卡的制造工艺可以确保其能承受高能量的 X 射线的照射，其中，每个 Si 光电二极管的受光面积为 1.5mm1.5mm（决定了探测器的检测精度值）、0.2msT10ms（T为积分时间）、每块像素为 64、信号读出速率最大值为 1MHz，其具体参数如表 2-1 所示。 表2-1 探测卡工作参数表标题要放在表格上方X射线管电压范围（KV）30160KV晶体材料GOS转换屏像素中心间距1.5mm像素宽度1.5mm像素数目64感光区总长96mm图像像素最大输出频率1MHz最大时钟频率4MHz工作电压+/-5.5V、+5V功耗最大值：400mW工作温度040存储和工作的相对湿度30%80% 第三章 信号采集模块设计方案及硬件电路设计3.3 信号采集模块设计方案在X光钢绳芯输送带无损检测系统中，高速X光探测器的信号采集模块是整个系统的核心。检测系统的性能好坏主要取决于信号采集模块的性能参数。如何提高信号采集模块的性能是提高检测系统性能的关键。其中信号调理电路的设计和A/D转换电路的设计会直接影响系统性能。3.4 硬件电路设计3.4.1 信号调理电路设计信号调理模块整体结构如图3-2所示，X-Card输出的差分信号经过电压跟随电路隔离后，进入差分转单端电路变换成单端信号；单端信号经过减法电路调整信号幅值，使其幅值限定在A/D转换器有效采集电压范围之内输入到A/D转换电路。图3-2信号调理电路整体结构框图差分转单端电路输出电压计算公式为： (3-1)因为差分信号为等大反向的两个同源信号所以对于任意时刻都有： (3-2)表3-2 输出管脚功能定义根据具体表格内容，表格可以考虑用三线格。VS2:0读命令字代表厂商地址位虚字节11100BNexFlash、SST、PMC24位1字节101003STMicro、Atmel、Saifun、Sanyo24位0字节1100E8Atmel24位3字节第四章 结束语本设计根据国内外钢绳芯无损检测系统的研究现状，分析了高速X光探测器的信号采集原理，提出了实现信号采集系统的一种方法，并实现了一种高速X光探测器的信号采集模块的设计。论文按照高速X光探测器的信号走向对系统的各个功能模块进行了详细的介绍。还对系统进行了仿真和测试，验证了设计的可行性。信号调理模块的差分转单端电路处理的是差分信号，灵活的参考电压调整电路处理的是单端信号，两者结合使得模块即可以处理差分信号，又可以处理单端信号。ADC电路灵活的多种选择，使得系统可以根据实际需要进行设置和编程实现。灵活的设计使得本系统具有很强的兼容性，运用范围更广。在本系统的调试过程中，发现一些不足和有待改进之处。我将在以后研究中对本系统做进一步的改进。基于X光的钢绳芯输送带无损检测系统已经得到了广泛应用，而高速X光探测器的信号采集模块作为系统的核心部分，其性能在近年来一直被不断改善和提升。高速X光探测器的信号采集模块以其优越的性能和卓越的表现将被更加广泛的应用于其它高速信号采集系统，从而使其产生更大的经济效益和社会价值。参考文献参考文献中，前3篇是期刊论文，有中文有英文；第4篇是学位论文；第5篇是书；第6篇是会议论文。1 毛君, 赵永生, 王淑娇. 矿用输送带纵向撕裂原因分析及其预防J. 煤矿机械. 2007, 28(10): 182-183. 2 A. Harrison. A new technique for measuring loss of adhesion in conveyor belt splices J. Australian J. Coal Mining Technology and Research. 1983 (4): 27-34. 3 S.J. Osher, J.A. Sethian, Fronts propagation with curvature dependent speed: Algorithms based on Numerical Analysis archiveJ. 1990, 27(4): 919-940.4 陆小翠. X 光强力输送带无损检测系统通信和图像处理软件的研究D. 天津工业大学, 2008.5 华成英, 童诗白. 模拟电子技术基础. 北京: 高等教育出版社, 2006.6 L. Condat, V.V. Dimitri, T. Blu. Hexagonal versus orthogonal lattices: a new comparison using approximation theory C. ICIP: IEEE International Conference on Image Processing, 2005, vol. 3, pp. 11-14.参考文献17磅行间距附 录 附录一：信号采集模块电路原理图图a 信号调理电路图b X-card接口电路附录二：系统实物图图A 电源裸板图B 电源实物图外文资料 Reliable High Speed Data Acquisition System using FPGAI. INTRODUCTIONDAS plays a major role in modern electronic instruments. As the technology advances DASs are simplied and made more accurate, versatile, and reliable through electronic equipment. It is always a challenge to design high speed and reliable DAS for acquiring signal from acoustic, radar and sonar signal sources. In recent years FPGA are found signicant applications in these elds. In earlier days FPGAs were used to implement glue logic, carry out signal processing, and even for prototyping a system using SoC. Nowadays, due to technology development and huge market demand, FPGA are equipped with many feature such as soft and hard core processors, millions of logic gates, dedicated multipliers etc. This leads to use FPGA in many cost effective embedded system design and applications1. For high speed data communication Xilinx has developed Aurora protocol which supports the data rate of 1.25Gbps. The existing Aurora protocol does not have error correction mechanism. For applications like Electronics Warfare and Sonar signal processing, error detection is an important factor for reliable data transmission. If any error occurred in data frame then necessary action has to be taken for generating handshaking signals. This paper presents a design and implementation of a data acquisition system that supports error checking mechanism using cyclic redundancy check (CRC) technique.中文翻译可靠的高速数据采集系统的FPGA实现一 引 言数据采集系统在现代电子仪器的起着主要作用。随着技术的进步，数据采集系统简化和制作得更加准确、灵活和可靠。设计一种用于采集音频、雷达和声纳等信号的高速和可靠的数据采集系统一直是一个难题。近年来发现FPGA在这些领域有着重要的作用。FPGA的早期被用作组合逻辑，实现信号处理，甚至是使用SoC实现原型系统。如今，由于技术的发展和巨大的市场需求，FPGA增加了许多功能，如软核和硬核处理器，上万的逻辑门单元，专用乘法器等。这导致在许多符合成本效益的嵌入式系统设计和应用使用FPGA。对于高速数据通信，Xilinx提出了一种支持1.25Gbps的数据速率的Aurora协议。现有的Aurora协议并没有纠错机制。对于像电子战和声纳信号处理的应用，错误检测是数据传输可靠性的一个重要因素。如果在数据帧中有任何错误发生，必须采取必要的措施产生握手信号。本文介绍了一种利用循环冗余校验（CRC）技术，支持错误检查机制的数据采集系统的设计和实现方法。 谢 辞本论文的工作是在我的导师苗长云的悉心指导下完成的，苗老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢苗老师对我的关心和指导。苗老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向苗老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，安彩花、张勇平等同学对我论文中的软件和调试研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。
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