（通信与信息系统专业论文）基于fpga的ccd光谱数据采集系统.pdf

摘要 论文题目：基于f p g a 的c c d 光谱数据采集系统 学科专业：通信与信息系统 研究生：兰婧签名：兰必 指导教师：蒲红斌副教授 签名：j 率丘望峦 摘要 光谱仪是进行光谱研究和分析的重要光学检测仪器，其应用覆盖医学、化学、生物 学、天文学等各种领域，传统的光谱仪体积较大、价格昂贵，制约了光谱仪在一些领域 的应用，因此现在迫切需要小型化、智能化、使用方便灵活、性价比高的微型光谱仪， 使得微型化光谱仪就成了目前光谱仪发展的重要趋势之一。 本文在现有光谱仪基础上研究设计一种可视化微型光谱仪，主要完成了光谱数据采 集系统的硬件设计，包括对c c d 信号输出预处理电路板、c c d 信号采集电路板的设计， 其中c c d 信号采集电路板又包括f p g a 核心板，a d 转换电路，u s b 2 0 传输电路，液 晶显示电路和系统电源电路，并对各芯片作了相关介绍。然后利用f p g a 的复杂逻辑可 编程特性，采用自上而下的设计方法，依据功能将c c d 采集系统进行模块划分，使用 v e r i l o g 硬件描述语言，在q u a r t u s i i9 0 软件中进行各模块程序的编写和仿真，包括c c d 驱动模块，高速a d 转换控制模块，双端口r a m 数据存储模块，l c d 驱动控制模块， 时钟产生模块，并对各模块进行仿真验证。最后使用原理图设计输入法将各模块连接在 一起，实现整个c c d 光谱数据采集系统的设计。 采用a l t i u md e s i g n e r 完成c c d 光谱数据采集系统的原理图绘制，制作出双面p c b 板，上电调试，并用示波器对芯片的引脚进行观察，各模块均能正常工作，这对光谱仪 的微型化具有重要的意义。 关键词：微型光谱仪；c c d ；f p g a ；液晶显示屏；u s b 2 。0 传输 i i 西安理工大学硕士学位论文 一一 a b s t r a c t一_ 一t i t l e ：b a s e do nf p g ao fc c ds p e c t r a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mm a j o r ：c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e mn a m e ：j i n gl a ns u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f h o n g b i np ua b s t r a c ts i g n a t u r e ：s i g n a t u r e ：s p e c t r o g r a p h ，w h i c hi sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d sl i k em e d i c a ls c i e n c e ，c h e m i s t r y ,b i o g r a p h y , a s t r o n o m ya n de t c ，i sa ni m p o r t a n to p t i c a ld e t e c t i n gi n s t r u m e n ti ns p e c t r u mr e s e a r c ha n da n a l y z a t i o n t r a d i t i o n a ls p e c t r o g r a p hi sh u g ea n de x p e n s i v e ，w h i c hr e s t r i c t e dt h ea p p l i c a t i o ni ns o m ef i e l d s t h e r e f o r e ，t h e r e sa nu r g ef o rs m a l l ，i n t e l l i g e n t ，c o n v e n i e n ta n df l e x i b l es p e c t r o g r a p hw i t hh i g hc o s tp e r f o r m a n c e a l lt h e s em a d em i c r os p e c t r o g r a p hb e c o m eo n eo ft h ei m p o r t a n tt r e n d so fs p e c t r o g r a p hd e v e l o p m e n t t h et h e s i sd e v e l o p sam i c r o ，v i s u a l i z a b l es p e c t r o g r a p hb a s e do ne x i s t i n gs p e c t r o g r a p h i ta c c o m p l i s h e ss p e c t n m ad a t ac o l l e c t i o ns y s t e mh a r d w a r ed e s i g n ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fc c dd a t ao u t p u tp r e t r e a t m e n tc i r c u i tb o a r da n dc c dd a t ac o l l e c t i o nc i r c u i tb o a r d t h ec c dd a t ac o l l e c t i o nc i r c u i tb o a r dc o n s i s t so ff p g ac o r eb o a r d ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，u s b2 0t r a n s m i s s i o nc i r c u i t ，l c dd i s p l a yc i r c u i ta n ds y s t e mp o w e rs u p p l yc i r c u i t m e a n w h i l e ，t h et h e s i sp r e s e n t sc o r r e s p o n d i n gi n t r o d u c t i o nt ot h ec h i p sr e l a t e d a f t e r w a r d s ，e m p l o y i n gc o m p l i c a t e dl o g i cp r o g r a m m i n gf e a t u r eo ff p g a ，t h et h e s i sd i v i d e sc c dc o l l e c t i o ns y s t e mi n t om o d u l e sf r o mt o pt ob o t t o ma c c o r d i n gt ot h e i rf u n c t i o n s e m p l o y i n gv e r i l o gh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea si n p u tm e t h o d ，t h et h e s i sc o m p o s e sa n de m u l a t e st h em o d u l ep r o g r a m si nq u a r t u si i9 0s o f t w a r ei n c l u d i n gc c dd r i v e rm o d u l e ，h i g h s p e e da dc o n v e r s i o nm o d u l e ，d u a l - p o r tr a md a t as t o r a g em o d u l e ，l c dd r i v e rm o d u l e ，c l o c kg e n e r a t i n gm o d u l e a f t e rt h a t ，t h et h e s i sd o e ss i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o nt oa l lt h em o d u l e s i nt h ee n d ，t h et h e s i sc o n n e c t sa l lm o d u l e st o g e t h e rb ys c h e m a t i cd e s i g ni n p u tm e t h o d ，r e a l i z i n gt h ec o m p l e t ed e s i g no fc c ds p e c t r u md a t ac o l l e c t i o ns y s t e m t h et h e s i se m p l o y sa l t i u md e s i n g e rt of i n i s ht h es c h e m a t i cd i a g r a mo fc c ds p e c t r u md a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，d e s i g n sd u a l l a y e rp c b a f t e ra d j u s t i n gi np o w e ro ns t a t u s ，t h et h e s i si n s p e c t st h ep i n so fc h i p sw i t ho s c i l l o g r a p ha n dp r o v e st h a ta l lm o d u l e sa r ew o r k i n gp r o p e r l y a l lo ft h ea b o v ea r ev e r yi m p o r t a n tt ot h em i c r o m a t i o no fs p e c t r o g r a p h i i i 西安理工大学硕士学位论文 一一一 k e yw o r d s ：m i c r os p e c t r o g r a p h ；c c d ；f p g a ；l c dd i s p l a y ；u s b2 0t r a n s m i s s i o n i v 目录 目录 1 绪论1 1 1 课题研究背景1 1 1 1 光谱仪的发展简介1 1 1 2c c d 发展简介1 1 2 国内外研究进展2 1 3 本课题的研究意义5 1 4 数据采集系统介绍。5 1 5 本论文的研究内容及结构安排7 1 5 1 本论文的研究内容7 1 5 2 本论文的结构安排8 2 线阵c c d 光谱数据采集系统的基本原理9 2 1 光谱数据采集系统原理9 2 2c c d 的工作原理9 2 2 1 电荷的存储1 0 2 2 2 电荷的耦合10 2 2 3 电荷的检测和输出11 2 3 线阵c c d 的主要性能指标1 2 2 4 线阵c c d 器件t c d l 3 0 4 d g 1 3 2 4 1t c d l 3 0 4 1 9 ( 3 的基本结构1 4 2 4 3 t c d l 3 0 4 d g 的驱动电路1 5 3c c d 数据采集系统硬件电路设计1 7 3 1 数据采集系统的总体结构1 7 3 2 f p g a 核心电路17 3 2 1c y c l o n ei i 系列f p g a 介绍1 7 3 2 2 j t a g 接口以及a s 模式接口1 8 3 3c c d 输出信号处理电路1 8 3 4 a d 转换电路设计1 9 3 4 1a d 转换器件的要求1 9 3 4 2a d s 8 0 4 e 概述2 0 3 4 3a d s 8 0 4 e 的电路设计2 2 3 5 液晶显示电路2 3 3 6u s b 接口电路2 4 西安理工大学硕士学位论文 3 7 系统电源电路2 6 3 7 1 采集板电源电路2 6 3 7 2 液晶背光电源电路2 7 4c c d 采集系统的软件设计2 9 4 1 开发环境q u a r t u si i9 0 介绍2 9 4 2v e r i l o g 硬件描述语言介绍2 9 4 3 驱动与控制模块整体结构2 9 4 4 c c d 驱动模块2 9 4 4 1 t c d l 3 0 4 d g 的工作时序2 9 4 4 2 时序仿真31 4 5a d 控制模块3 2 4 6 数据存储模块3 4 4 7l c d 控制显示模块3 7 4 7 时钟产生模块4 2 4 8 采集系统顶层设计4 3 5 系统实现及实验结果4 7 5 1 电路板的设计4 7 5 1 1 电磁兼容性设计4 7 5 1 2 电磁干扰设计4 8 5 2c c d 信号采集系统p c b 的实现4 8 5 3 系统硬件调试5 0 6 总结5 3 致谢5 5 参考文献5 7 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 1 1 光谱仪的发展简介 光谱仪是利用光的色散原理、衍射原理和调制原理而制成的可将复杂的光分解成光谱 线的光学仪器。光谱仪可以用于分析光的成分，测量材料的光学属性和鉴定物质成分等。 光谱仪不仅能测量人眼所能感受到的可见光辐射，而且还能测量从远红外区到远紫外区的 不可见光辐射【l j 。 自从1 6 6 6 年牛顿将太阳光分解为七色光，之后又用棱镜将七色光转换成复合光的实 验，到1 8 5 9 年克希霍夫制成世界上第一台结构完整的光谱仪【2 1 ，再到目前多规格多用途的 大型精密光谱仪设备，在这3 0 0 多年的发展中，随着新技术如计算机、光电子学、先进的 加工制造技术的不断引入，以及光谱学和光谱分析学自身的迅速发展，光谱仪器的性能得 到不断提高，其适用范围也在不断扩大。 近年来，由于探测器c c d 、光纤、光栅等技术的引进发展，使得光谱仪的结构发生了 巨大的变化，传统的光谱仪体积较大、造价昂贵，制约了光谱仪在众多领域的应用，诸如 在地质勘探、环境监测等领域，这些领域迫切需要性能稳定、小型化、智能化、使用方便 灵活、性价比高的可视化微型光谱仪。因此小型化、微型化光谱仪就成了目前光谱仪发展 的重要趋势之一。 1 1 2c c d 发展简介 c c d ( c h a r g ec o u p l ed e v i e c ，电荷耦合元件) 是一种光电转换传感器，于1 9 世纪6 0 年 代末由贝尔( b e l l ) 实验室的w s b o y l e 与g e s m i t h 发明，并在次年发表p j 。最初c c d 被 认为是一种新型的计算机存储电路，并且在1 9 7 0 年以该用途做了演示。很快人们认为c c d 可以用在很多其它潜在应用中，包括信号处理和成像，用于成像是因为硅的感光度可以对 1 1 u m 波长以下的光线做出响应( 可见光的光谱在0 4 到0 7 u m 之间) 。c c d 早期作为存储 元素的应用消失了，但是其超强检测光线的能力将c c d 变成了主要的图像传感器。c c d 的主要原理是将光信号直接转换成电信号，将待测物入射到c c d 光敏摄像面的按空间分 布的光强信息转换成一定时序输出的电荷量信息，经过调理转换电路和软件处理后，电荷 量信号变成原待测物的信息，从而实现了光电荷的电测量【4 j 。 随着半导体技术的发展，c c d 器件的性能也大幅提高，像素个数由最初的8 个发展到 现在的数千个，其分辨率和灵敏度等都比以前有较大的改善，工作频段显著增加，能够实 现对高速动态物体的检测和识别，并以其光谱响应宽、体积小、动态范围大、噪声低、重 量轻、灵敏度和几何精度高、低功耗、耐震动、抗电磁干扰能力强、坚固耐用，同时可以 长时间工作于恶劣环境，便于进行数字化处理等优点，在图像采集、实时监控和非接触测 西安理工大学硕士学位论文 量等领域得到了广泛应用。c c d 成为7 0 年代以来，最重要的半导体器件之一，也是测试 技术和光电子学中最富有成果的研究领域之一。 因此c c d 应用技术已成为集光学、精密机械、电子学与计算机技术为一体的综合性 技术，伴随c c d 的广泛应用，对c c d 的要求也越来越多，尤其是对c c d 图像采集系统， 传统的c c d 采集系统处理速度慢、功能单一，已不能很好的用于一些特殊场合，现在将 c c d 技术、计算机图像处理技术与传统测量方法相结合，来实现快速、准确的无接触测量， 已获取被测对象的更多信息。因此，c c d 技术必将以其突出的优点而在工业测控、多媒体 技术、机器视觉、虚拟现实技术等越来越多的领域广泛应用。 1 2 国内外研究进展 微型光谱仪可应用多种技术实现，包括当前发展比较迅速的微细加工技术，m o e m s ( m i c r oo p t o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s 微型光机电系统) 、l i g a ( l i t h o g r a p h i e ， g a l v a n o f o r m u n g 、a b f o r m u n g 光刻、电铸、注塑) 技术、应用二元光学和集成光学光波导 等制造技术p 峭j 。目前最常见的光谱仪是基于光栅色散和微型傅立叶变换的，这类仪器体 积小、性能良好，能满足很多实际应用，在一定程度上推动了光谱仪在众多领域的发展。 其中具有代表性的是基于光栅色散的光谱系统，目前商品类的微型光谱仪器中大都采 用此类系统。光栅色散型光谱系统是以衍射光栅作为色散系统的核心元件。如图1 - 1 所示， 光栅光谱仪通常由照明系统、分光系统和接收系统组成【9 】。 成像物镜 图1 1 光栅光谱仪的基本结构 f i g 1 1t h eb a s i cc o m p o n e n to fg r a t i n gs p e c t r o g r a p h 照明系统尽可能将光源辐射的能量汇聚在一起，再传递到分光系统。一般而言，发射 光谱中的光源是被研究对象；而吸收光谱中的光源作为一种照射工具被研究。 分光系统是光谱仪的核心部分，由准直系统、色散系统和成像系统组成。入射狭缝和 准直物镜构成准直系统，光源发出的光经过聚光镜后通过狭缝射向准直物镜，光束通过准 直物镜后变成平行光投向色散系统。色散系统由棱镜、光栅等色散元件构成，其作用是将 入射的复合光按空间分解为单色光，单色光再经成像物镜后按一定的波长顺序成像于探测 器上，此时，入射光的复合光经过分光系统后就变成了若干个单色光的像。这种色散原理 是按光谱的波长顺序而进行空间分离。成像系统的作用是将空间上分离的各波长的光会聚 在探测器上，形成一系列按波长排列的单色像，并由探测器进行接收。 ， 绪论 接收系统的作用是接收探测器上的光谱能量，并检测光谱组成部分的波长和强度，进 而获得所研究物质的参数。光谱仪的接收系统可以分为目视系统、感光摄影系统、光电系 统。目前，绝大多数的光谱仪器采用光电接收系统。应用光电接收系统扩大了能够检测的 工作光谱范围；提高了测量的精度、灵敏度和速度，实现了数字化和自动化。以下就目前 国内外的发展情况做以介绍： 国外最流行、应用范围最广的是美国o c e a no p t i c s 公司和荷兰a v a n t e s 公司的微型光 谱仪器。公司产品在此领域处于领先的地位，产品性能良好、系统化程度高，占有极高的 市场份额。 美国的o c e a no p t i c s 公司出了一款掌上光纤光谱仪，利用光纤来传输光，使光谱仪脱 离了样品池，将要进行光谱测量和分析的样品光源通过远离光谱仪的光纤探头引入。采用 如图1 2 所示的交叉非对称式c z e m y t u r n e r 光学结构进行接收。 图1 - 2o c e a no p t i c s 公司光纤光谱仪结构图 f i g 1 - 2f i b e rs p e c t r o m e t e rs t r u c t u r eo fo c e a no p t i c sc o m p a n y 被测光通过光纤导入，经准直镜反射到平面光栅，由光栅分光后再经过成像物镜聚焦， 最终由c c d 探测器进行探测接收，该方案的特点是光学元件都采用反射式，可在一定程 度上减少象差，并使工作光谱范围不受材料特性的影响。其中u s b 2 0 0 0 型号微型光纤光谱 仪是较为成功的商品化产品，u s b 4 0 0 0 是其最新的改进型号【l 川，如图1 3 所示： 图1 - 3o c e a no p t i c s 公司的微型光谱仪 f i g 1 3m i c r os p e c t r o m e t e ro fo c e a no p t i c sc o m p a n y u s b 4 0 0 0 系统体积小巧，工作波长范围可覆盖2 0 0 1 1 0 0 n m ，适用于多种波段的光谱 测量，使用具有3 6 4 8 个像素的c c d 探测器，具有很高的信噪比和较大的积分时间范围， 在接口方面，该产品采用u s b 2 0 接口，直接接入计算机，也可通过串口与其它设备连接， 3 西安理工大学硕士学位论文 不需外部供电，光源和样品池等也可直接接到u s b 4 0 0 0 对应的接口上，系统性能良好、使 用方便、操作性和扩展性强。 荷兰a v a n t e s 公司的系列微型光纤光谱仪1 1 1 采用对称式c z e m y t u r n e r 光学结构，如图 1 4 所示，在不必移动光栅的情况下便可以对整个光谱进行快速扫描，测量速度快，可用 于在线分析【1 2 】。 幽1 4a v a n t e s 公司微型光谱仪结构图 f i g 1 4m i c r os p e c t r o m e t e rs t r u c t u r eo f a v a n t e sc o m p a n y 被测光由光纤导入，通过一个球面准直镜准直后由平面光栅接收分光，再经球面聚焦 镜变成平行光束聚焦到线阵c c d 探测器上进行探测。 在国内，1 9 9 5 年重庆大学率先提出了一种反射式混合集成微型光谱仪，并于1 9 9 7 年 制作了样机l l 卜d j 。如图l 一5 所示，该光谱仪光学部分由入射光纤、平场凹面光栅和平面反 射镜组成。使用平场凹面光栅可以对被检测光即分光又成像，避免了使用平面光栅时的准 直物和成像物镜，这样就大大的简化了系统结构。这种结构具有体积小、简单紧凑、光能 利用率高、光学面小、便于系统的一体化混合集成等特点。 g 图1 5 重厌大学的光纤光谱仪结构图 f i g 1 _ 5f i b e rs p e c t r o m e t e rs t r u c t u r eo fc h o n g q i n gu n i v e r s i t y 此外还有一种基于平场全息凹面光栅的商品化微型光谱仪系统，如图1 - 6 所示，平场 全息凹面光栅1 1 6 1 即具有准直、色散和成像功能，还具有平直成像光谱面的功能。配合线阵 或面阵c c d 光电探测器，便可以直接读取成像光谱的信息，整体光学系统只包含平场全 息凹面光栅一个元件，系统结构最简单，有利于光谱仪的微型化1 1 7 1 圳。 4 绪论图1 6 平场全思凹面光栅光谱仪结构图f i g 1 6f l a tf i e l dh o l o g r a p h i cc o n c a v eg r a t i n gs p e c t r o s c o p es t r u c t u r e1 3 本课题的研究意义由于c c d 阵列接收机、低损耗光纤、计算机、全息光栅和小型高效半导体激光器等新型光子器件的引入，不仅使光谱仪器性能明显提高，体积大大减小，价格大大降低，而且使光谱仪器的使用方式发生极大改变。首先，全息光栅的引入，改变了光路系统，接近实用化的微型光谱仪大都采用无透镜系统，有的采用反射式准直和成像系统，也有的取消了成像系统；其二，光纤技术的引入，改变了光谱信息的收集方式，利用光纤探头将样品的光源引到光谱仪器中，使得光谱仪器远离样品池；其三，c c d 阵列器件的引入，改变了光谱接收方式，以往的光谱仪器是光谱在出射狭缝处扫描或照相干板摄谱，速度慢，c c d可进行瞬态和弱光光谱的采集，并实现实时传输；最后，现场可编程门阵列( f p g a ) 的引入，改变了光谱数据的传输和处理方式，f p g a 的结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，从而能提高算法效率，同时其开发周期较短，系统易于维护，解决了对c c d扫描结果的大量数据传输和处理1 2 u j 。因此，在光谱仪未来的发展中，典型专用的微小型光谱仪是一种重要的发展趋势。而采用光纤传导光信号后，便可以在不同的环境下灵活方便的使用，更是拓展了微型光谱仪的应用范围，为专用微型光谱仪器开辟了新的制造途径，具有重要的科学意义和巨大的市场潜力。同时纵观国内外光谱仪的发展可知目前光谱都是先经过光学系统成像，再经光电探测和a d 转换过程将其转换为在空间和幅值上的离散的图像，然后利用p c 机进行信号处理和显示，其弊端是光谱分光采集模块与p c 机的数据处理和显示部分都是两个独立的系统，且体积较大，不便携带。本课题在分析以上系统的不足提出了一种基于f p g a 为处理单元的便携可视化光谱仪。主要采用基于光栅色散的光谱系统，被测光由光纤导入光学平台，经线阵c c d 、a d模数转换后，送入f p g a 中进行处理后在l c d 显示屏上显示光谱信息，同时可通过u s b 2 0将数据输出，方便数据的存储。1 4 数据采集系统介绍数据采集瞳1 1 4 1 主要是对模拟信号的采集。将模拟信号转换为数字信号，送往计算机并5 西安理工大学硕士学位论文 对其进行相应处理的过程，称为数据采集。数据采集系统如图卜7 所示。 信巡懦鼾f 订啃凋掣出 图1 7 数据采集系统框图 f i g 1 7d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e md i a g r a m 由采样定理可知，采样频率必须大于原始信号频率的两倍。也就是说，在采样频率一 定的前提下，要想正确显示原始信号却不发生畸变的最大频率是采样频率的一半，被称作 奈奎斯特( n y q u i s t ) 频率。如若信号中有包含高于n y q u i s t 频率的成分，原始信号将会在直流 和n y q u i s t 频率之间发生畸变。若采样频率过低，原始信号将不能被分离出来，会出现信 号的混叠，其中的混频偏差是输入信号频率和采样频率的最近整数倍的差的绝对值。 一般会先考虑使用采集卡的最大频率作为采样频率。然而，长时间的使用高采样率会 占用很大的内存空间，使得数据的存储变慢。理论上，采样频率设置为被采样信号最大频 率的两倍就行，但实际工程中一般选用5 1 0 倍，有时为了得到较理想的信号波形，采样 频率会选的更高一些。 下图1 - 8 为冲激采样原理图。 6 p ( t ) 是单位冲击序列： 图1 8 冲激采样原理图 f i g 1 8i m p u l s es a m p l i n gs c h e m a t i cd i a g r a m p ( f ) = 6 ，( f ) = 6 ( 卜刀正) f ( t ) 是原始信号源， 抽样信号f s ( t ) 为： z o ) = o ) 6 ，( f ) = f ( t ) 5 ( t - n t s ) = 厂( ，2 i ) 6 r o 一即z ) 冲激串的频谱为： ”1 ”“ 2 生 6 。q ) = ，6 ( 一k c o ，) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 由卷积定律可知： e ) = 等旷 ) ：c 艺6 一崩s ) 】- - f 1 o of 一崩。) 创。 k = - 1sk = - m ( 1 4 ) 系统采用了实时采样的方式进行数据采集【2 5 2 8 】，实时采样是按固定的顺序，信号一来 绪论一_ _就进行采样，采样点一般以时间为顺序，容易进行数据的存储与波形显示【2 9 1 。实时采样的原理图如1 - 9 所示。输入信号输出信号人撅一r图1 - 9 实时采样原理图f i g 1 - 9r e a l - t i m es a m p l i n gs c h e m a t i cd i a g r a m1 5 本论文的研究内容及结构安排本论文的设计主要侧重于光谱仪中光谱数据的采集显示部分。基于f p g a 的c c d 光谱数据采集系统的整体结构包括c c d 驱动、输出模拟信号的a d 转换、数据存储、数据的l c d 显示和数据的传输五个部分组成，总体结构示意图如图1 1 0 所示：图1 - 1 0 采集系统的总体结构不意图f i g 1 - 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h eo v e r a l la c q u i s i t i o ns y s t e m具体来讲是采用f p g a 器件产生提供给c c d 的驱动脉冲信号，c c d 在驱动脉冲的作用下开始对光信号采集，然后将采集到的模拟信号通过a d 转换变成适合于处理的数字信号，再将数据经过f p g a 内部定制的双端口r a m 进行存储，最后以一定的时序将存储的数据通过液晶显示屏将数据进行显示或通过u s b 接口传输至上位机。1 5 1 本论文的研究内容( 1 ) 设计c c d 信号预处理电路和c c d 信号采集电路，并制作相应的p c b 板；( 2 ) 采用v e r i l o gh d l 硬件描述语言通过自上向下的设计方法，编写c c d 驱动模块，a d7 西安理工大学硕士学位论叉 转换模块，数据存储模块，l c d 显示模块，并对各个模块进行仿真。 ( 3 ) 将各个模块进行连接，引脚分配，编译后将程序下载到f p g a 芯片中，使用示波器 对各引脚进行检测。 1 5 2 本论文的结构安排 论文章节安排如下： 第一章介绍了本课题的研究背景及意义，光谱仪和c c d 信号采集系统的研究现状， 提出了本论文的具体研究内容； 第二章首先介绍了c c d 的基本结构和工作原理，对c c d 的性能指标进行了详细描述， 其次选择了适合本课题的线阵c c dt c d l 3 0 4 d g ，并对t c d l 3 0 4 d g 进行了深入的分析。 第三章介绍了c c d 信号输出预处理电路板、c c d 信号采集电路板的设计，c c d 信号 采集电路板包括f p g a 核心板，a d 转换电路，u s b 2 0 传输电路，液晶显示电路和系统电 源电路，并对各芯片作了相关介绍。 第四章首先介绍了c c d 采集系统的软件开发环境q u a r t u si i9 0 和v e r i l o g 硬件描述语 言，其次对各个模块进行了程序编写，包括c c d 驱动模块、a d 控制模块、数据存储模块、 l c d 驱动控制模块、时钟产生模块，并对各模块进行仿真验证，最后以原理图的形式将各 个模块连接起来，引脚分配后进行全编译下载到f p g a 中。 第五章为整个系统的p c b 板级实现，介绍了设计电路板的电磁兼容性和电磁干扰问 题，并用示波器观察了实验结果。 第六章对本论文进行了总结与展望。 8 线阵c c d 光谱数据采集系统的基本原理图2 线阵c c d 光谱数据采集系统的基本原理2 1 光谱数据采集系统原理本文主要是基于光栅色散的光谱系统，如图2 1 所示为一简单的光谱数据采集系统，光源发出的光经准直物镜变成平行光入射到平面光栅上，经平面光栅的色散后变成空间分离的单色光的像，再经成像物镜将空间离散的单色光的像按波长顺序排列后聚集在线阵c c d 探测器上，c c d 不同像素点即为不同波长的光信号，信号的幅值便为该波长光的辐射能量，由此可在液晶上获得光谱分布曲线。图2 1c c d 光谱数据采集系统f i g 2 1c c ds p e c t r a ld a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m2 2c c d 的工作原理c c d 主要是以电荷为信号，不同于大多数以电压和电流为信号的器件。c c d 的主要工作过程是电荷信号的产生、存储、转移和检测【3 0 】。c c d 的基本类型有两种，一种是c c d存储和转移的电荷信号都位于硅二氧化硅界面处，称为表面沟道c c d ，简称s c c d ( s u r f a c ec h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ；另一种是c c d 存储和转移的电荷信号在离开半导体表面有一定距离的体内形成，称为埋沟道c c d ，简称b c c d ( b o d yc h a r g ec o u p l ed e v i c e ) 3 1 - 3 2 o 本文主要以埋沟道c c d 为例，介绍c c d 的基本工作原理。c c d 的工作过程分为三个阶段，分别是电荷的存储、电荷的耦合、电荷的检测【3 3 3 4 1 。9 西安理工大学硕士学位论文 2 2 1 电荷的存储 电荷存储是将光或电激励产生的电荷信号进行存储的过程。m o s ( 金属一氧化物- 半导 体) 电容器( 多数为光电二极管) 是构成c c d 的基本单元，这种电容器能存储电荷，其 结构如图2 3 所示，通过氧化在p 型硅衬底的表面上形成一层二氧化硅，并在其上淀积一 层金属为栅极。在p 型硅里有少数带负电荷的载流子，大多数是带正电荷的空穴。当给金 属电极加上正电压时，产生的电场便能穿过二氧化硅对载流子进行排斥或者吸引，使带负 电的电子与带正电的空穴相分离，其中空穴被排斥，少量带负电的电子在紧靠二氧化硅层 上形成耗尽区，这是势能特别低的区域，对电子而言就是一个势阱，光生电子一旦进入就 不能出来，这样就达到存储电荷的目的，存储电荷的最大容量为势阱容量。 震 图2 - 3m o s 电容器 f i g 2 3m o sc a p a c i t o r 2 2 2 电荷的耦合 c c d 势阱中的电荷能随着栅极电压的变化作定向移动，转移方式如图2 4 所示，c a b 是三个相互靠得很近的电极，如图2 4c a ) 所示，在零时刻时，在偏压为1 0 v 的电极a 下 的势阱中存有一些电荷，其它电极最少要加上大于开启电压2 v 的电压，如图2 4 ( b ) 所 示，电极a 的电压保持不变，电极b 的电压由2 v 增加到1 0 v ，此时a 和b 电极下的势阱 具有相同的深度，存储在电极a 下的电荷就平均分到电极a 和电极b 下，如图2 4 ( c ) 所示。再将电极a 的电压降到2 v ，则之前共有的电荷全部转移到电极b 下的势阱中，转 移过程如图2 4 ( d ) 和2 4 ( e ) 所示，这就是电荷转移的全部过程。 在实际线阵c c d 中，通常在电极a 、b 、c 上加不同的电压，一个电极为一组，每一 组称为一相，每组加同样的时钟脉冲，这样电极下的电荷根据时钟脉冲的变化按一定方向 移动。图2 4 ( f ) 为三相c c d 的驱动时序。 1 0 线阵c c d 光谱数据采集系统的基本原理图ca8cc 庶客cc灰bc搿缈秽咎搿t o y 2 v 甍 o v _ 2 v 张l 科| 弦点篓舅曼曼曼敷崖璺曼曼! 烹曼敷是然妻曼曼烹裹憋b 妒毫安箩豹i ：二蛊 胬势瓣b = = = = 习i 垮辫b 恕支。j 较譬= ：= = ：= 纛) 脍羧lb 输融o ) 掰孺醛轰a2 v 1 1 0 v - - 2 v i o b v 丢嘉窘，昙呶= 奎垦於，黔r2 v2 vl o v2 vq ! 圣兰兰豢是曼璺：曼戛是蹩黑。冀嬲袅魄l lnr秀嘏懿转骖圈钒童旦且纛) 辫覆4量黔段5黔驱动辩序2 2 3 电荷的检测和输出图2 - 4 c c d 电荷的转移过程f i g 2 4c c dc h a r g e 仃a n s f e rp r o c e s s电荷的检测是c c d 的重要特性之一，因为在信号电荷转移时与时钟脉冲没有任何的耦合方式，但在输出端是不可避免的，因此要选择适当检测输出电路来减小输出脉冲对信号的干扰。目前常见的输出方式有电流输出、浮置栅放大器输出、浮置扩散放大输出。如图2 5 所示为电流输出方式的电荷检测电路图。图2 - 5 电流输出方式的电荷检测图f i g 2 5o u t p u tc u r r e n tw a yo fc h a r g eo ft h ed e t e c t i o nf i g u r e当信号电荷在转移脉冲的驱动下由左向右移动到电极c r 2 的势阱后，电极c r 2 上的电压由高变低，信号电荷将通过输出栅下的势阱进入图中的区，进入n + 区的电荷，会产生输出电流i ，电流的大小与二极管中信号的电荷量成正比，与电阻成反比。由于i 的存在，使得a 点的电位随着i 的增大而降低，所以可以通过a 点的电位变化来检测电流的输出。 西安理工大学硕士学位论文 u d d 图2 6 浮置扩散放大器输出方式 f i g 2 - 6f l o a tb u y d i f f u s i o na m p l i f i e ro u t p u