光谱仪信号采集系统设计方案

1、光 谱 仪 信 号 采 集 处 理 系 统 方 案 设 计一 、整 体 方 案 设 计本 设 计 采 用 的 是 基 于 东 芝 的 线 阵 ccd模 块 tcd1304dg的 光 谱 仪 信 号 采集 系 统 的 设 计 方 案 。 按 照 信 号 流 可 以 分 为 三 个 大 的 模 块 ， 既 ccd驱 动 模 块 ，ccd 信 号 处 理 模 块 ， 数 据 处 理 （ 存 储 和 传 输 ） 模 块 。系 统 核 心 是 一 片 atmega32l单 片 机 ，它 不 仅 负 责 产 生 ccd驱 动 的 三 个基 准 信 号 ， 同 时 还 负 责 与 上 位 机 的 交 互 ，

2、 控 制 ccd的 数 据 存 储 和 数 据 传 输 。ccd驱 动 模 块 向 线 阵ccd模 块 芯 片 提 供 符 合 时 序 要 求 的 脉 冲 信 号 并 且 产 生其 它 模 块 （ adc ） 需 要 的 逻 辑 电 平 控 制 信 号 。 ccd信 号 处 理 模 块 负 责 对 线 阵ccd 输 出 的 模 拟 信 号 进 行 缓 冲 、放 大 、滤 波 ，然 后 转 换 为 12 位 数 字 信 号 。数据 模 块 则 把 转 换 好 的 12 位 数 字 信 号 按 ccd 的 单 帧 格 式 进 行 存 储 ， 并 通 过 usb桥 接 接 口 向 上 位 机 逐 帧

3、 传 输 。上 位 机 可 以 通 过 usb接 口 向 atmega32l单 片机 发 送 指 令 控 制 光 谱 测 量 数 据 的 采 集 ， 还 可 以 发 送 指 令 实 现 积 分 时 间 的 实 时线阵 ccd tcd1304dg 前置放大器adc 数据采集fifo数 据 缓存mcu数 据处理ccd 驱动usb 接口上位机ccd 驱动模块ccd 信号处理模块数据处理模块调 整 。 整 个 方 案 各 个 模 块 用5v 和4v 直 流 供 电 ， 电 源 从 usb口 获 得 ， 这 使得 系 统 设 计 更 紧 凑 、 更 简 洁 。 下 面 分 别 介 绍 各 模 块 的 设

4、 计 。二 、电 源 和 地 线 设 计由 于 此 采 集 系 统 同 时 存 在 模 拟 和 数 字 混 合 信 号 ， 所 以 恰 当 合 理 的 设 计 模拟 部 分 和 数 字 部 分 的 的 电 源 和 地 平 面 是 保 证 测 量 精 度 、 系 统 灵 敏 度 和 抗 干 扰性 的 必 要 条 件 。 根 据 每 个 芯 片 和 模 块 的 电 源 要 求 ， 此 系 统 采 用 +5v 、 +4v的设 计 ， 这 些 直 流 电 源 从 usb的 电 源 取 电 和 生 成 。由 于 此 系 统 是 数 模 混 合 信 号 系 统 ， 所 以 合 理 和 准 确 的 地 线

5、的 设 计 对 减 少数 字 信 号 对 模 拟 信 号 的 干 扰 、数 字 地 平 面 的 高 频 噪 声 对 模 拟 信 号 的 干 扰 和 rf信 号 对 模 拟 信 号 的 干 扰 起 到 很 好 的 作 用 ，具 体 的 地 线 设 计 要 在 pcb 设 计 当 中体 现 。三 、ccd驱 动 模 块 的 设 计tcdl304dg是 一 款 灵 敏 度 高 、 暗 电 流 小 的 线 阵ccd ， 具 有 3648个 有 效像 素 ，每 个 像 素 大 小 为 8umx200um，由 于 以 上 优 点 ，它 比 较 适 合 作 为 光 谱 仪信 号 检 测 元 件 。 它 的

6、驱 动 波 形 的 时 序 要 求 如 下 图 。ccd tcd1304dg驱 动 时 序 图ccd tcd1304dg内 部 结 构 图从 上 面 时 序 图 中 可 以 看 出 ， 该ccd需 要 三 个 驱 动 信 号 ： 转 移 脉 冲sh 、光 积 分 控 制 脉 冲icg和 主 时 钟mclk。 在sh 高 电 平 期 间 光 敏 区 信 号 电 荷 被并 行 转 移 到 模 拟 移 位 寄 存 器 中（ 上 面 ccd 内 部 结 构 图 ） ，而 在 sh 低 电 平 期 间光 敏 区 与 模 拟 移 位 寄 存 器 隔 离 ， 既 停 止 光 敏 二 极 管 曝 光 。 只

7、有 在 icg为 高 电平 期 间 ，才 能 在 光 积 分 栅 建 立 深 势 阱 ，进 行 光 积 分 tint 。sh 和 icg 是 紧 密 相关 的 ， 它 们 之 间 有 特 定 的 时 序 要 求 。 通 过 资 料 查 找 和 技 术 咨 询 总 结 得 知 ， 目前 ccd有 三 种 驱 动 方 法 ：1）直 接 数 字 电 路 驱 动 法 。驱 动 电 路 通 常 由 振 荡 电 路 、逻 辑 门 电 路 、计 数器 电 路 、 单 稳 态 触 发 电 路 等 构 成 。 这 种 方 法 可 以 产 生 高 频 的 驱 动 脉 冲 、 稳 定性 好 ， 但 是 逻 辑 设

8、计 较 复 杂 ， 调 试 非 常 困 难 ， 基 于 我 们 公 司 目 前 的 情 况 和 项目 时 间 要 求 ， 不 采 用 这 种 驱 动 方 式 。2） fpga驱 动 法 。 主 要 利 用 逻 辑 器 件 对 高 频 时 钟 进 行 计 数 来 控 制 各 驱 动波 形 的 时 序 ，这 种 方 法 优 点 在 于 时 序 控 制 灵 活 、准 确 ，可 通 过 重 新 配 置 fpga的 内 部 电 路 结 构 来 修 改 ccd的 驱 动 波 形 ，但 是 存 在 开 发 价 格 高 、引 入 了 新 的编 程 器 件 的 特 点 ， 一 般 用 的 不 多 。3） mcu

9、端 口 驱 动 法 。 该 方 法 是 编 程mcu的 i/o口 来 获 得 驱 动 ccd所需 要 的 脉 冲 信 号 ，这 种 方 法 是 灵 活 性 好 ，对 不 同 的 ccd器 件 可 以 通 过 程 序 中的 选 择 来 采 用 相 应 的 驱 动 模 块 即 可 ， 但 是 要 求 单 片 机 速 度 快 ， 性 能 高 。本 设 计 第 3 种 的 驱 动 方 法 ，产 生 了 一 种 新 的 ccd驱 动 方 法 ，以 期 保 留 直接 数 字 电 路 驱 动 法 的 高 频 特 性 ， 同 时 保 留 单 片 机 口 驱 动 法 灵 活 性 好 的 优 点 ，使 整 个 驱

10、 动 电 路 编 程 简 便 、 电 路 简 单 ， 大 大 缩 短 调 试 周 期 ， 降 低 研 制 成 本 。具 体 的 设 计 方 法 概 述 为 ： 利 用 mcu的 pwm功 能 产 生 2mhz固 定 的 频 率 ，通 过 mcu管 脚 调 整 延 时 以 满 足 时 序 sh 和 icg的 要 求 ， 并 且 根 据 需 要 进 行 积分 时 间 调 整 和 曝 光 时 间 调 整 等 操 作 ， 以 提 高 测 量 精 度 和 改 善 曝 光 效 果 。四 、 ccd信 号 处 理 模 块 的 设 计在 转 移 脉 冲 sh 的 作 用 下 ， ccd每 个 像 素 对 应

11、输 出 一 个 0 2.5v范 围 的 模拟 信 号 ， 经 过 一 片 由 ad8031 组 成 的 前 置 高 速 缓 冲 放 大 器 后 再 进 行 a/d转 换 。由 于 ccd 主 时 钟 mclk的 频 率 为 2mhz ，ccd数 据 率 为 500khz，一 般 的 ad芯 片 转 换 速 率 约 为 10us ， 不 能 满 足 方 案 要 求 ， 因 此 需 要 采 用 高 速a d 转 换器 件 才 能 将 ccd输 出 信 号 转 换 为 数 字 信 号 。这 里 选 用 的 是 ad9220高 速 a d 芯 片 ， 它 具 有12 位 并 行 数 字 信 号 输 出

12、 ， 最 高 允 许 的 转 换 频 率 为10mhz。ad9220的 时 钟 来 自 于 有 源 晶 振 管 脚 经 过 四 分 频 产 生 。（ 下 两 图 为 运 放 ad8031与 adc ad9220的 管 脚 分 布 图 ）五 、 数据处理模块的设计a/d转 换 后 的 12 位 并 行 数 字 信 号 不 仅 包 含 了 ccd有 效 像 素 的 输 出 ， 也 包含 了 哑 像 元（ 无 效 像 素 ，此ccd含 有 3692 个 像 素 ，有 效 像 素 3648个 ，无 效像 素 46 个 ）以 及 icg 为 低 电 平 时 的 无 效 信 号 。然 而 ，在 光 谱 仪

13、 应 用 中 光 谱 测量 数 据 要 求 按 帧 采 集 ， 即 各 像 素 在 每 次 采 集 的 帧 信 号 中 的 顺 序 和 位 置 必 须 保持 严 格 一 致 ， 只 有 这 样 才 能 保 证 多 次 测 量 时 光 谱 图 的 重 复 性 ， 保 证 谱 线 不 会发 生 左 右 漂 移 。 解 决 方 法 是 允 许a d转 换 一 直 进 行 ， 但 是 对 数 据 的 缓 存 进行 准 确 的 控 制 ， 使 得 每 次 向 缓 存 中 存 储 的 第 一 个 数 据 都 对 应 于 icg上 升 沿 后的 第 一 个 像 素 。 在 数 据 模 块 中 使 用fifo

14、缓 存 芯 片 (idt7204)来 保 存 每 一 帧 采集 到 的 信 号 ， fifo芯 片 的 写 使 能 、读 使 能 和 清 零 信 号 电 平 在 单 片 机 中 进 行 了程 序 处 理 ， 使 得 在 icg上 升 沿 出 现 后 使 能 fifo的 写 操 作 ， 而 在 icg下 降 沿清 空 fifo中 的 所 有 数 据 ， 这 样 就 能 保 证 fifo每 次 存 储 的 是 完 整 的 一 帧 ， 而且 各 像 素 信 号 在 帧 数 据 中 的 位 置 始 终 不 变 。fifo输 出 端 口 与pic单 片 机 的 数 据 口 相 连 。 当 上 位 机 通

15、 过usb接 口 发出 数 据 采 集 命 令 时 ，单 片 机 就 启 动 采 集 程 序 ，从 fifo输 出 端 口 顺 序 读 取 一 帧数 据 ， 然 后 通 过 usb回 传 给 主 机 。 usb采 用 uart转 usb桥 接 芯 片 。六 、 方 案 估 计为 了 满 足 光 谱 仪 结 构 小 型 化 的 需 要 ， 方 案 大 部 分 采 用 贴 片 芯 片 和 器 件 ，将 上 述 几 个 模 块 构 成 的 ccd数 据 采 集 系 统 布 置 在 单 独 的 pcb上 。 在 该 pcb上 面 usb接 口 不 仅 充 当 采 集 系 统 与 上 位 机 之 间 的 控 制 接 口 和 数 据 接 口 ，而 且为 采 集 系 统 提 供 电 源 。 该 光 谱 仪 只 需 向 外 引 出 一 根 u