（生物医学工程专业论文）基于FPGA的动态光谱数据采集系统.pdf

a b s t r a c t n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p yr e c e i v e sg l o b a la t t e n t i o na sap r i n c i p a ln o n i n v a s i v e d i a g n o s t i cm e a n s h o w e v e r , i n d i v i d u a ld i f f e r e n c e sa n dm e a s u r i n gc o n d i t i o n sa l em o r e p r o m i n e n tp r o b l e mt h a ta f f e c tn o n i n v a s i v ed e t e c t i o no fb l o o dc o m p o n e n t sw h e n u s i n gn e a ri n f r a r e ds p e c t r u m t h e r e f o r e ，p h i 9l ip u tf o r w a r dt h ec o n c e p t i o no f d y n a m i cs p e c t r u mm e t h o d ，w i t hw m c hw ec a l lr e m o v et h ee f f e c to ft h ei n d i v i d u a l d i f f e r e n c e sa n dm e a s u r i n gc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ed y n a m i cs p e c t r u m m e t h o dw ed e s i g n e dad y n a m i cs p e c t r u md a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nf p g a a c c o r d i n gt op e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h ed y n a m i cs p e c t r u md a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m ，h i g h p e r f o r m a n c el i n e a rc c di l c 6 2 0 4 8 cw a ss e l e c t e da sp h o t o e l e c t r i c c o n v e r t e r ；h i g h - s p e e d ，h i g h p r e c i s i o n , a n dw i t hc d sa d ca d 9 8 2 6w a ss e l e c t e dt o a c q u i r ec c d sh i g hs p e e da n dw e a ks i g n a l ；f p g aa n dn i o si im i c r o p r o c e s s o rw e r e t h ec o r ec o n t r o l l e ra n dd a t aw e r ed i s p l a y e dw i t hl a b v i e w i nf p g a ，c c da n dt h ea d 9 8 2 6c o n t r o lt i m i n gw a sd e s i g n e db yv e r i l o gh d l l a n g u a g e s ；p i n g - p o n go p e r a t i n gu n i t sw e r em a d eu po fp a i ro fd u a l p o r tr a m ，w h i c h a v o i d e du s i n gn i o si ip r o c e s s o rd i r e c t l yr e a dd a t at h r o u g ht h ef r e q u e n ti n t e r r u p t i o n n i o si ip r o c e s s o rs y s t e me m b e d d e di nt h ef p g aa n dm a n a g e dt h ee n t i r es y s t e m i t u s e di n t e r r u p t e dw a yt or e a dt h ed a t ai nt h ec a c h eu n i t ，a f t e rn a t u r a ll o g a r i t h m t r a n s f o r mt h er e s u l t sw e r et r a n s m i t e dt ot h ec o m p u t e r t h ed a t ac a t c hr e a d i n gu n i ta n d n a t u r a ll o g a r i t h mt r a n s f o r mu n i tw e r ea d d e dt on i o si is y s t e ma su s e r - d e f i n e dl o g i c ， a n dc o u l db eu s e dd i r e c t l yw h i l ep r o g r a m m i n g n i o si is y s t e mt r a n s m i t e dd a t at o l a b v i e w t h r o u g ht h es e r i a lp o r t ，a n dl a b v i e wd i s p l a y e dt h ed a t a a tl a s t ，t h ec a p a b i l i t yo ft h es y s t e mi sa n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v i d e v e r i f i c a t i o no fi t sg o o ds a m p l i n ga n dd i s p l a y i n ga b i l i t y k e yw o r d s ：f p g a ，d y n a m i cs p e c t r u m ，n i o si i m i c r o p r o c e s s o r , u s e r - d e f i n e d l o g i c ，l o g a r i t h m i cc o n v e r t e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者姥7 j 里 签字日期硼妒年夕月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。 特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 刀里 签字日期：乞弼年岁月岁日 导师签名： 签字吼秒驴年? 月岁日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 人体血液成分无创检测的意义 随着社会经济与医药卫生事业的发展，人们生活水平的提高和人口老龄化过 程的加快，高血压、高血脂、高血糖等心血管疾病以及糖尿病呈现迅猛上升的趋 势，成为严重威胁人类健康的问题。保持患者血脂、血糖等浓度的稳定，是治疗 以上疾病的主要手段，这就要求能够经常地、成功地检测出人体血液成分。 目前临床上广泛应用的方法是从人体内抽取血样，通过生化检测进行分析， 这属于有创检测，不仅给病人带来痛苦，容易造成各种传染性疾病传播，且不可 能进行在体连续检测。无创血液成分检测是一种不需要收集血液样本进行血液成 分测量的技术，它不会给人体造成任何创伤，使用方便，不造成体液传染病传播， 近年来这方面的国际研究已经成为国际学术界的热点。其中，采用近红外光谱法 进行无创血液成分检测，已经成为世界上的研究热点之一【1 8 1 。它不仅能够实现 无创，无痛，安全的检测，而且可降低测试费用，实现快速实时测量，从而对精 准的控制血糖、血脂，改善现行血糖疾病治疗方法具有重要意义。 但是采用近红外光谱法进行无创血液成分检测时，由于生物内部组织结构及 组织成分复杂多样，近红外区域光谱吸收峰不显著，光谱测量时存在多种干扰因 素，导致光谱测量中信噪比和测量精度较低 9 - 1 1 】。因此，目前除了血氧饱和度以 外，还没有关于可应用于临床的血液成分检测仪器的报道。 在近红外光谱检测法所面临的诸多问题中，个体差异和检测条件对光谱测量 的影响，是突出的技术问题【l 扣1 3 】。个体差异是指不同个体或同一个体被测部位 生理结构上的差异，及生理状况的时变性，具体包括水合状态、毛发、角质层、 表皮、真皮、皮下组织、肌肉、骨骼、颜色、体温、营养状态等；检测条件包括 探头压力、检测位置、环境温度、光源光谱的平坦程度等。 为了消除个体差异和测量条件对光谱检测的影响。李刚【1 4 - 1 8 ( g l i ) 提出了 一种全新的基于近红外光谱的无创检测方法一动态光谱法。它从原理上消除了 个体差异和测量条件对光谱检测的影响，可望解决上述障碍，提高系统的检测精 度，为基于近红外光谱法的血液成分无创检测方法进入临床应用中去除一个关键 的障碍。 第一章绪论 1 2 动态光谱 1 2 1 动态光谱概念 脉搏是指随着心脏节律性收缩和舒张，主动脉内的压力引起血管壁相应的扩 张和回缩，血管中血流量也呈周期性变化。由于血液为高散射、强吸收的液体， 近红外光在血液中的吸收率比在一般组织中的吸收率大几十倍，所以用近红外光 透射法得到的吸光度变化主要反映动脉血液容积变化。检测透过指端、耳垂等部 位的近红外光就可队得到反映动脉血液吸光度变化情况的光电脉搏波。 若能通过某种方法同时获得多个波长对应的光电脉搏波，则不同波长对应的 光电脉搏波单个周期上吸光度的最大值与最小值的差值本质上反映了不同波长 下由脉动动脉血液容积变化引起的吸光度变化，从而获得与脉动动脉血液高度相 关的光谱。我们将这样得到的脉动动脉血的吸收光谱称为血液的动态光谱。 1 2 2 动态光谱去除个体差异影响 测量指端或耳垂的吸光度时，测得的吸光度应包括血液( 动脉血、静脉血1 的 贡献及非血 葭( 皮肤、骨骼，皮下组织等) 的贡献。非血液贡献不随脉动过程而变 化，而血液的贡献随脉动过程引起的血液流入与流出血管床的容量变化而变化， 前者( 非血液) 对吸光度的贡献是不变的，而后者对吸光度的贡献是脉动的。假 定吸光度的变化完全是由于动脉血脉动引起，从而可以从总吸光度中除去直流成 份，用余下的交流成份进行分光光度分析，计算出动脉血的血液成分。国卜l 是 光电脉搏波的吸光度构成。 日十闻t 刚1i 光电脉搏渡吸光度的构成 第一章绪论 光电脉搏波信号实际包含以下几部分： 周期变化的交流分量。它与心率同步，与动脉血容积相关，主要反映脉动的 动脉血的吸光度。 缓慢变化的直流分量。它是由动脉血的非脉动部分、静脉血、毛细血管血及 皮肤等其他组织的贡献，个体差异主要来源于这一部分。 背景光分量。这是遮光不严密或者光电转换器件本身性能( 如暗电流) 对光 电脉搏波的贡献。没有任何生理意义。可以在发光管没有发光时由光电转换器产 生的电压测得。 光电脉搏波的吸光度构成中，周期变化的交流分量幅值一般在直流分量幅值 的1 10 以内，且叠加在直流分量上。要进行血液成分分光光度分析，首先应去 除由动脉血的非脉动部分、静脉血、毛细血管血、表皮、真皮等贡献的缓慢变化 的直流分量，再去除背景光分量，获得剩余的由动脉血的脉动吸收贡献的光电脉 搏波脉动分量，如图1 2 所示，它反映脉动的动脉血的吸光度变化。由于各个波 长对应的吸光度最大值构成的光谱就是动态光谱，显然，动态光谱已经去除了由 表皮、真皮等其他组织所引起的个体差异及部分测量条件的影响，且该光谱与脉 动动脉血液高度相关。 动脉血管管床差异、静脉血脉动等因素会对动态光谱法血液成分检测有一定 的影响，但比起个体差异的影响来要小得多，对测量结果影响应很小。 图1 - 2 仅反映动脉血液成分吸光度的光电脉搏波脉动分量 1 2 3 动态光谱的检测原理 光谱学作为一种测量技术在成分无创光学检测中占有很重要的地位。最简单 的光谱分析是一般的比色分析，如果吸收峰的强度与某一物质的浓度成正比，即 符合朗伯比尔定律【1 9 】： i = o e 一叫 ( 1 1 ) 则 a = 6 c ，：h 地( 1 - 2 ) ( 力) 式中，彳为介质的吸光度，z o ( a , ) ，( 五) 分别为介质的入射光强和出射光强， 第一章绪论 s 为介质的吸光系数，c 为介质的浓度。 当被测介质为含有n 种组分的溶液，假设仍然满足朗伯一比尔定律，它在介 质的组成成分与其光谱之间就会建立简单的线性关系。 a a = ：c i ( 2 ) l c i ( 1 - 3 ) 式中，为第i 种吸收物在特定波长下的吸光系数；c ，为相应介质的浓度；z 为 光程长。 根据朗伯一比尔定律可知，近红外光谱仪所测吸光度与溶液的浓度及液层的 厚度成正比。因此脉搏搏动的变化必然引起近红外光谱吸光度的变化。因此通过 记录动脉充盈至最大时的吸光度值与动脉收缩至最小时的吸光度值的差，就可以 消除皮肤组织、皮下组织等一切具有恒定吸收特点的人体成分对于吸光度的影 响。 在光电容积脉搏波吸光度的测量过程中，可将经皮肤等其他组织结构以及静 脉血液、非脉动动脉血液衰减后的光视为脉动动脉血液的入射光，即将来自光源 的入射光，经除引起脉搏波吸光度变化的脉动动脉血液以外的组织成分作用后， 衰减了的光，。视作脉动动脉血液的入射光( 如图1 3 所示) ，所测得的随时间波动 的出射光为脉动动脉血液的出射光。如果视光电脉搏波为平稳周期变化波形，如 图2 3 所示，则其峰值点对应于动脉血管充盈度最低状态，来自光源的入射光没 有收到脉动动脉血液的作用，此时的出射光强，。，最强，可视为脉动动脉血液的 入射光，。；其它时刻的出射光将随动脉血液的搏动而变化，为提高检测精度， 取对应于动脉血管充盈度最高状态的光电脉搏波谷点，即脉动动脉血液作用最大 的时刻，此时的出射光强k 最弱，为脉动动脉血液的最小出射光强k 。 在测量过程中保持检测条件( 温度，压力，光源强度等) 不变时，可视整个 测量过程中，其k 值不变，若以某一单波长( 五) 光入射，有： q q d = a t = l n 惫( 惫。) ( 1 - 4 ) 式中，一为光电脉搏波峰点出射光强；k 为光电脉搏波谷点出射光强；为 脉动动脉血液的吸光系数，q 为脉动动脉血液各成分的浓度，彳。为脉动动脉血 液吸光度，d 为最大充盈状态下脉动动脉血液的等效光程长。 动态光谱是从多个波长入射光所对应的光电脉搏波中，提取相应的脉动动脉 血液的吸光度，再由这些吸光度组成的光谱，检测得到动态光谱后，根据已知的 血液各组分的吸光系数和脉动动脉血液的等效光程长d ，即可计算出各组分的浓 度g 。要实现对动态光谱的检测，需要通过检测手段获得不同波长所对应的 k k 和k 的值。 时间t 图1 3 动志光谱检测原理示意图 1 2 4 动态光谱频域提取法 血液成分无创检测中对光谱精度的要求很高。以血液成分中的最重要的血糖 成分检测为例，如果要实现临床血糖测量精度要求5 m g dl ，光谱精度至少要达 到1 00 0 0 ：l 以上 2 0 l 。如此高的光谱精度要求，必然为时域中的动态光谱提取带 来了较大的困难。因此在信号处理方面，需要采用一种可以提高信号信噪比， 降低对系统性能要求的处理方法。 对动态光谱定义公式1 _ 4 进一步的推导得到： ， a = i n 警= l n ，呲。一l n 一= i x ( 1 ) ( 1 - 5 ) j 帅 式中：x b 为对数脉搏渡f f t 变换后提取的基波幅度值，k 为比倒系数。 先对检测到的脉搏波光强信号取自然对数，取对数后的信号并不会改变其极值与 原信号极值之间的对应关系，即原信号中的极值。检测出取肘数后的光电脉搏波 的峰峰值( 1 l l ，胁一b ，一) 。印可得到动态光谱a 的值。 k 表征了信号两个特征量一一峰峰值和基波值之间的比例关系。由于傅立叶 变换本身的特性是线性的，所以，将时域中的信号变换到频域中时这两种信号 的特征量具有时域频域的线性关系。 由于各个波长下的脉搏波具有相似形，即它们的光强数值只相差一个系数。 这对于光谱而言，所有波长吸光度的值同时乘一个系数，并不改变光谱的性质。 第一章绪论 所以k 数值大小不会影响光谱测量的结果。 从多个波长入射光所对应的光电脉搏波中，分别提取出相应对数脉搏波的峰 峰值，再根据公式1 - 5 ，组成吸光度光谱，这就是动态光谱的频域提取方法。 1 3 动态光谱仪的组成方法 由上一节分析可知，在检测动态光谱时，需要识别每个波长下光电容积脉搏 波动态部分的幅值，是针对出射光强的瞬时值进行检测的。特别是结合傅立叶变 换方法提取动态光谱的系统中，须在一个脉搏周期时间内( 约为一秒) 对光谱进 行多次扫描，完成对每一个波长下光电容积脉搏波的描迹，对时间分辨特性有很 高的要求。而现有的光谱仪多采用长时间积分方法来提高每一个检测点的检测精 度，这并不适用于动态光谱的检测，需要设计专用的动态光谱仪。 动态光谱仪的组成有两种基本分光方案，即时域分光法和空域分光法。时域 分光法指的是，宽带光源发出的光在通过样品池之前由分光器件进行分光逐一分 时入射到被测组织。该方法是在时间域上进行分光，为了精确提取一个脉搏周期 时间内的检测光的最大值和最小值，对于硬件和软件的处理速度具有较高的要 求。 空域分光法是指宽带光源发出的光在通过样品池之后再进行分光操作，各种 波长的单色光在时间上同时得到，在空间上实现各种单色光的分离。最后通过光 电接收器件接收的光谱获得方法。该方法在空间域上进行分光，可同时产生多组 单色光。比较简单实用的空域分光法就是直接运用光栅光谱仪的方法。图1 4 是 选用c c d 为传感器的空域分光的动态光谱检测系统原理图。 图1 - 4 基于平场光栅的空域分光法动态光谱检测原理图 第一章绪论 本课题就是利用空域分光法原理来实现动态光谱的光电信号检测检测。我们 按照动态光谱测定的要求，结合光栅分光光谱的特点，最终选用c c d 传感器作 为光栅分光光谱的光电转换传感器，来实现多波长并行扫描。此种设计方法取代 了传统光谱仪中复杂的机械波长扫描机构，减少了误差来源，使测量更方便、准 确。 空域分光法中，光电转换信号的数据处理和采集类似时域分光法。如果采集 的数据精度足够高，就可以得到多个波长下吸光度的最大值和最小值。不同波长 对应的吸光度曲线中相应的血液成份吸光度的最大值与最小值的差值构成的光 谱就是反映脉动动脉血吸收的动态光谱。 1 4 论文的内容和结构 本课题以动态光谱理论为基础，采用空域分光法，利用线阵c c d 和f p g a 设计了一动态光谱信号检测系统。论文的具体安排如下： 第一章为绪论部分。首先介绍了无创血液成分检测的意思，然后根据近红外 血液成分检测的缺点介绍了动态光谱血液成分检测方法，并介绍了动态光谱信号 的频域提取法。最后给出了本系统使用的分光方法：空域分光法，以及论文的主 要研究内容和结构。 第二章从动态光谱检测系统的要求出发，介绍了系统选用的各器件，包括 c c d ，模数转换器以及核心处理器，并给出了系统最终的框图。 第三章详细描述了动态光谱数据采集系统硬件平台的设计和实现。首先介绍 了n i o si i 外围电路的设计，包括c c d 及a d 9 8 2 6 的时序设计以及数据缓存单 元的设计。然后介绍了n i o si i 系统的定制，包括处理器的定制、标准外设的定 制、r a m 自定义读取单元的定制和自然对数变换器自定义单元的定制。最后介 绍了整个硬件系统的生成。 第四章详细介绍了n i o si i 软核的软件开发。在介绍了开发环境和开发流程 的基础上，利用h a l a p i 与c 函数联合编程的方式开发了缓存数据读取、存储、 对数变换和传输等程序。 第五章介绍了l a b v i e w 数据显示模块。- 在介绍了l a b v i e w 开发环境之后，具 体介绍了l a b v i e w 与n i o si i 软核通讯的实现及数据的处理。 第六章总结了课题所完成的工作，并对下一步的研究提出了可行性建议，并 做出了展望。 第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 本章根据动态光谱检测系统的要求，对系统所需器件进行了选择和介绍，并 给出了最终的系统框图。主要介绍了系统硬件平台的选择和系统总体结构设计。 2 1 系统硬件平台的选择 动态光谱信号采集系统具有很高的精度、灵敏度和速度，同时需要处理大量 的数据，因此要求系统具有强大的控制与处理能力。c c d 是光谱检测系统中常 用的传感器之一，c c d 是以点阵的形式将光信号转变为电信号，具有较高的速 度，能够满足采集动态光谱信号的要求。为了实现c c d 的时序和满足后续数据 采集和处理的要求，以及算法的实现，在分析不同处理器的基础上选用了现场可 编程逻辑器件f p g a 和可嵌入其内部的n i o si i 微处理器作为核心处理芯片。 2 1 1c c d 的选择 c c d 中文通常将其译为“电荷藕合器件”。它是一种以电荷包的形式存储和 传递信息的半导体表面器件，它的基本结构是一种密排的m o s 电容器，能够存储 由入射光在c c d 像敏单元激发出的光信息电荷，并能在适当相序的时钟脉冲驱 动下，把存储的电荷以电荷包的形式定向传输转移，实现自扫描，- 从而完成光信 号到电信号的转移【2 。c c d 具有体积小、重量轻、分辨率高、灵敏度高、动态 范围宽、工作电压低、功耗小、寿命长、抗震性和抗冲击性好、不受电磁干扰和 可靠性高等一系列优点，因此得到了广泛的应用【2 2 1 。 本论文中，由于动态光谱信号本身的特点对检测系统的设计提出了高精度、 高灵敏度的要求，要求检测系统具有很好的时间分辨能力，并且达到高的检测精 度。同时由于动态光谱信号很微弱，而且不同受试者的个体差异很大，被检测的 信号衰减很快，因此在满足一定的采样速度前提下，要求传感器有较高灵敏度和 较大的动态范围。c c d 的高灵敏度和大的动态范围符合系统的要求，因此，。本， 设计中选择c c d 作为传感器。本设计选用了d a s a l 公司的线阵c c d i l c 6 2 0 4 8 c t 2 3 1 ，其最高工作频率可达2 5 m h z ，有效像元个数为2 0 4 8 ，像敏元尺 寸是1 3 u r n 5 0 0 u r n ，相邻像敏元中心距离1 3 u r n ，峰值响应达到3 6 0 v ( u j c m 2 ) ， 饱和曝光量为7 4 n j c m 2 ，动态范围最大至2 3 6 0 0 ：1 。根据动态光谱采集系统的 第二章系统总体方案设计 要求，主要考虑的c c d 性能参数如下： 灵敏度 灵敏度是c c d 最为重要的参数之一，它表示光电器件的光电转换能力，与 响应率的意义相同。严格说来，c c d 图像传感器的响应度，指的是单位曝光量 作用下所得到的有效信号电压，它反映了c c d 图像传感器的灵敏度和输出级的 电荷一电压转换能力。据研究c c d 器件的饱和曝光量应至少达到10 r d c m 2 时， 才有可能检测到动态光谱信号。而i l c 6 2 0 4 8 c 线阵c c d 的饱和曝光量达到 6 5 n j c m a ，完全满足系统测量需求。 动态范围 动态范围是衡量c c d 传感器性能的一项关键指标。c c d 的动态范围由饱和 信号输出电压和噪声之比决定。动态范围越大，c c d 输出信号中的有效信号所 占比例就越多，同时在动态光谱检测需要适当提高光源强度时，不至于使c c d 输出信号达到饱和，影响有效信号的输出。1 l c 6 2 0 4 8 c 线阵c c d 的动态范围 最高可达2 3 6 0 0 ：1 ，基本满足系统对传感器的要求。 光谱响应 c c d 的光谱响应特性表示其对于各种单色光能的相对响应能力，其中响应度 最大的波长称为峰值响应波长。通常把响应度等于峰值响应的5 0 所对应的波长 范围称为光谱响应范围。目前的大部分c c d 器件光谱响应范围均在4 0 0 1 1 0 0 n m 左右。考虑到动态光谱检测的光谱范围主要集中在红光与近红外附近，因此峰值 响应波长在8 0 0 n m 左右，适合动态光谱检测系统的要求，图2 1 为i l c 6 2 0 4 8 c 线阵c c d 的光谱响应特性。 s p e c t r a lr e s p o n s i v i t y 9 一1f v ， l 轰 1 k 4 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 01 1 0 0 w a v e l e n g t hl b m ) 图2 1i l c 6 - 2 0 4 8 c 线阵c c d 的光谱响应特性 0 4 3 3 2 2 1 1 寄3窆邑空去cod零芷 第二章系统总体方案设计 工作频率 正常人体的脉搏波频率为1 次秒1 5 次秒，i l c 6 2 0 4 8 c 线阵c c d 的其最 高工作频率可达2 5 m h z ，满足采样需要。 鉴于i l c 6 2 0 4 8 c 线阵c c d 的众多优点，本文选择它作为检测动态光谱信 号的光电转换器件，其控制时序的设计将在下一章中作详细的介绍。 2 1 2 模数转换器的选择 c c d 的输出需要转换为数字信号才能被处理器进一步处理，但是c c d 的输 出带有很多噪声 2 4 彩】，如注入噪声、转移噪声和输出噪声等，输出噪声主要包括 驱动脉冲的串扰和复位噪声。如果直接将c c d 的输出引入到模数转换器中，必 将把噪声也传递给下一级电路，因此需要对c c d 的输出进行去噪处理。以下将 讨论c c d 的主要的噪声及其去噪方法，在此基础上选择具有特殊功能的模数转 换器。 c c d 的主要噪声 脉冲信号的串扰和复位噪声是c c d 输出信号中最主要的两种干扰源，其存 在于c c d 输出的整个过程。通常c c d 的输出结构都采用选通电荷积分器结构， 以三相c c d 为例，图2 - 2 ( a ) 为c c d 输出电路结构，图2 - 2 ( b ) 为c c d 输出波形。 图中a 表示复位电压、b 表示馈通电压、c 表示参考电压、d 表示信号电压。 圣置 v “ w t 0t lt 2t 3 2 - 2 ( a ) c c d 输出电路结构2 - 2 ( b ) c c d 输出波形 信号电荷包在外加驱动脉冲的作用下，在c c d 移位寄存器中按顺序传送到 输出极。当电荷包进入最后一个势阱中时，复位脉冲为正，场效应管乃导通， 输出二极管d 处于很强的反向偏置下，电容c ( 电容c 是反偏二极管d 结电容 和源极跟随器电容之和) 被充电到一个固定的直流电平v c c 上，于是源极跟随器 t 2 的输出电平v 0 s 被复位到一个固定的略低于v c c 的正电平上，此电平称为复 第二章系统总体方案设计 位电平。当中。正脉冲结束后，乃截止，由于乃存在一定的漏电流，这个漏电流 在丁，上产生一个小的管压降，使输出点有一个下跳，此下跳值为馈通电压。当q 。 为正时，叩，也处于高电位，信号电荷被转移到叩，下的势阱中，由于输出栅v o o 是一个比( p ，低的正电压，因此信号电荷仍被保持在q ，下的势阱中，但随着q 。正 脉冲结束，并变得低于v o c 电平时，这时信号电荷进入电容c 后，立即使a 点 电位下降一个与信号电荷量成正比的电压，即信号电荷越多，彳点电位下降越多。 与此相应，乃输出电平v o s 也随之下降，其下降幅度才是真正的信号电压。c c d 的输出波形如图2 - 2 ( b ) 所示。 由以上分析可知每一像素输出周期都以复位脉冲开始( t o t 】) ，它可以清除前一 个像素的电荷，以迎接下一像素电荷包的到来。此阶段视频信号被浮置到复位电 平，并叠加复位脉冲串扰信号，同时产生复位噪声。在t l - - t 2 期间，由于乃截止 漏电流的影响，复位电平有微小的下降，称为复位失调电压。此期间的视频输出 为复位电平与复位噪声、复位失调电压的叠加。在t 2 t 3 期间是复位噪声、复位 失调电压和有用信号的叠加。因此，复位噪声贯穿于每一个像素输出周期的始末， 经研究在乃截至期间采样值中复位噪声是相关的，可以利用相关双采样的方法 去除复位噪声的影响【26 l 。 相关双采样 c c d 的噪声在t 1 截止期间具有相关性，c d s ( 相关双采样) 方法就是利用 这一特点，在输出电荷包之前和输出电荷包之时对c c d 的输出视频信号进行两 次采样，得到的都是带有复位噪声的信号电压，然后将两次采样得到的电压在电 路中进行相减处理，就可以将复位噪声抵消 2 7 - 2 8 】。图2 3 为典型的相关双采样电 路。在h - t 2 期间对复位电平进行第一次采样，电路通过电阻对c 2 充电，c 2 电容 保持的电压为复位噪声、复位失调电压与复位参考电平的叠加。第二次采样在 t 2 - t 3 期间，电路通过电阻对c 3 充电，电容c 3 保持的电压为复位噪声、复位失调 电压和有用视频信号的叠加。输出信号为两次采样值进行相减后所得的信号电 平。 r 2 图2 3 相关双采样电路原理图 1 1 第二章系统总体方案设计 a d c 的选择 以上采用的是用放大器和电阻、电容搭建的相关双采样电路，不仅放大器会 引入噪声，而且用到的电阻和电容的数值很难精确，影响采样效果。因此，本文 选用集成有c d s 的模数转换器。由于c d s 集成到a d c 当中，很容易控制c d s 的两次采样时间和a d c 的采集与转换时间，容易做到高速的采集。本文选用的 a d c 为a d i 公司生产的高速、高精度图像转换器a d 9 8 2 6 1 2 9 1 。 a d 9 8 2 6 是a d i 公司生产的带相关双采样的1 6 位图像信号处理器，最大采 样速率可达1 5 m s p s 。3 v 或5 v 供电，内部具有三路相同的可编程增益放大器( 放 大倍数1 - 6 ) 、可编程偏置电压( 范围为3 0 0 m v ) 、c c d 相关双采样电路、一个 模拟切换器及一个1 6 位2 0 m h za d 转换器。其1 6 位采样数据可以分高8 位和 低8 位两次并行输出，也可以只输出高8 位。其功能框图如图2 4 所示。 j 帅d 尚，s s c m l c p tc p b 鼬，l ，s s d i v i x ia 幅s c o s c u nc d 9 c l j aa d c c i k 图2 4a d 9 8 2 6 的功能框图 a d 9 8 2 6 可以工作在c c d 和s h a 模式下，每种模式又具有3 通道输入、2 通道输入和1 通道输入方式。c c d 模式用来对c c d 器件的输出进行采样。s h a 模式用来对接触式图像传感器( c i s ) 、c m o s 有源图像传感器及焦平面阵列等 的输出进行采样。本系统使用的是单通道c c d 模式，1 6 位数据分高8 位和低8 位两次输出。 。 ，由于c c d 的输出信号包含了一个较大的直流成分，容易引起后续电路如 a d c 等的饱和，一般采用交流耦合方式隔断直流。在后续电路中还需将直流恢 复，直流恢复目的是从信号中恢复出优化的信号直流分量，即将叠加在c c d 像 素上的直流电平恢复到一个希望的值。a d 9 8 2 6 输入部分就有直流钳拉电路，以 恢复c c d 的直流分量。图2 5 为a d 9 8 2 6 的输入结构。在c d s c l k l 的高电平 第二章系统总体方案设计 阶段，开关s 1 和s 4 闭合，内部参考电平对外部0 1 u f 的输入电容充电，将c c d 信号电压提升到a d 的输入范围，内部参考电平有4 v 和3 v 两种，通过配置寄 存器( c o n f i g u r a t i o nr e g i s t e r ) 的d 3 位选择。c d s c l k l 下降沿采样此参考电平， c d s c l k 2 高电平时s 2 毕合，下降沿时s 2 断开，内部4 p f 电容采得c c d 信号电 平，之后s 3 闭合，即得到c c d 复位电平和信号电平的差值。此差值经内部偏置 电压调节和放大器放大后，由1 6 位a d 转换为视频信号。 图2 5a d 9 8 2 6 的输入结构 利用a d 9 8 2 6 作为c c d 信号的模数转换器，不仅减免了c d s 电路的设计， 简化了电路，而且采样速度和精度都能满足动态光谱信号的采集需要。通过 a d 9 8 2 6 时序的设置，可以精确的控制c d s 两次采样的时间，能够很好的去除 复位噪声对信号的影响。其时序设计将在下一章中介绍。 2 1 3 处理器的选择 数据采集系统处理器的选择需要根据系统的功能、处理速度、成本、开发的 难易程度等因素选择，目前应用于数据采集系统的处理器主要有以下几种： 以单片机为核心的采集系统 它是以单片机为核心进行外部扩展，实现特定系统功能。单片机具有相对固 定的硬件组成，但是单片机集成的外设很有限、i o 口也非常有限，且没有针对 特殊用途的单片机，降低了开发的灵活性。另一方面，单片机的指令结构相对固 定，其指令是顺序执行的，实现并行时序信号比较困难，不利于驱动c c d ，且 指令执行时间和c p u 时钟都受到一定的限制，其采样速率往往不能满足高速系 统的需要 3 0 - 31 】。 以d s p 为核心的采集系统 d s p 芯片采用哈佛结构和流水线技术，使得数据总线和程序总线互相分离， 第二章系统总体方案设计 每条指令的执行又划分为取指，译码，取数等若干步骤，由片内多个功能单元分 别完成，这相当于多条指令并行执行，从而大大提高了运行速度。因此用d s p 芯片为数据采集系统的核心可以实现较高速的数据采集，但其速度提高的同时也 提高了系统的成本【3 2 | 。 以f p g a 为核心的采集系统 f p g a 即现场可编程逻辑器件，它的集成度很高，其器件密度从数万系统门 到数千万系统门不等，可以实现极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用于高 速、高密度的数字逻辑电路设计。f p g a 器件将半定制的门阵列电路的优点和可 编程逻辑器件的用户可编程性结合在一起，使其不仅包含大量的门电路、速度快、 功耗低，使设计的电子产品能够实现小型化、集成化和高可靠性，而且器件具有 用户可编程特性，大大缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险。随 着半导体技术的发展，构造许多电子系统仅用一片f p g a 芯片就可完成口3 1 。 a l t e r a 公司还为f p g a 设计了嵌入式软核n i o si i 3 4 】，它是一个用户可配置 的3 2 位精简指令集软核处理器。由于它采用了5 级流水线技术，其大多数指令 可以在一个时钟周期内完成，这就相应的提高了处理器的运算速度，并且利用 a l t e r a 公司提供的自定制元件功能，用户可以将自己设计的元件集成到系统中， 使得系统更精简。n i o si i 处理器本身是一个软件内核，只要芯片上有足够的空 间，它就可以不断进行升级而不用修改电路结构。n i o si i 处理器还是一个标准 的r i s c 处理器，执行标准的c 源代码，程序的可移植性强。 将软核处理器结合f p g a 使用比使用硬核处理器的优势在于，硬核实现没有 灵活性，通常无法使用最新的技术。随着系统日益先进，基于标准处理器的方案 会被淘汰，而基于n i o si i 处理器的方案是基于h d l 源码构建的，能够修改以 满足新的系统的要求，具有很大的可塑性、适应性，根据设计者的需要结合f p g a 芯片形成“新”的处理器。 因此，以f p g a 为核心构成数据采集系统，不仅可以满足采样速度的要求， 若集成n i o si i 嵌入式软核，还可以在一块f p g a 上实现时序运算与控制，简化 了电路，降低了成本。基于f p g a 的众多优点，本文采用a l t e r a 公司的f p g a 设计了动态光谱数据采集系统。选用的器件为低价高效的c y c l o n e 系列器件 e p l c 6 q 2 4 0 c 8 ”】。该芯片内部共有逻辑单元5 9 8 0 个，支持近1 2 万门的设计， 内部嵌有约1 2 k b y t e 的r a m ，包含2 个生成时钟的锁相环，最大用户i o 数1 8 5 个，满足系统设计要求。 2 1 4l a b v i e w 简介 本系统利用l a b v l e w 处理和显示采集得到的数据。l a b v i e w 是美国n i 公 第二章系统总体方案设计 司推出的基于图形编程的虚拟仪器软件，它不仅是一种开发语言，更是个具有 扩展性和通用性的软件开发平台。l a b v i e w 自1 9 8 6 年推出到现在2 0 多年的时 间内，已经从最初单一图形化编程功能、单运行平台发展到目前以最新版本 l a b v i e w 8 5 为核心，包括控制与仿真、高级数字信号处理、统计过程控制和模 糊控制等众多附件软件包，运行于各种平台的工业标准软件开发环境。从简单的 仪器控制、数据采集到尖端的测试和工业自动化，从大学实验室到工厂，都可以 发现应用l a b v i e w 的成果和开发产品。 l a b v i e w 已经成为测试与测量领域的工业标准，通过g p i b 、v x i 、p l c 、 串行设备和插卡式数据采集板卡可以构成实际的数据采集系统。它提供了工业界 最大的仪器驱动程序库，同时还支持通过i n t e m e t 、a c t i v e x 、d d e 和s q l 等交 互式通信方式实现数据共享，它提供的众多开发工具使复杂的测试与测量任务变 得简单易行。此外，l a b v i e w 强大的硬件驱动、图形显示能力和便捷的快速程 序设计，为过程控制和工业自动化应用提供了优秀的解决方案。同时，l a b v i e w 为科学家和工程师提供了功能强大的高级数学分析库，包括统计、估计、回归分 析、线性代数、信号生成算法、时域和频域算法众多科学领域，可满足各种计算 和分析需要。即使在联合时域分析、小波和数字滤波器设计等高级或特殊分析场 合，l a b e w 也为此提供了专门的附加软件包【3 6 i 。 2 2 动态光谱信号检测系统总体设计 本文根据空域分光法设计了动态光谱检测系统，选用c c d 传感器作为光栅 分光光谱的光电转换传感器，来实现多波长并行扫描，以f p g a 为核心器件，实 现c c d 和a d c 的时序管理以及数据的缓存，并且以n i o si i 嵌入式处理器控制 采样数据的存储与传输，以l a b v i e w 为p c 开发平台，对采样得到的数据进行显 示，总体框图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 系统总体框图 第二章系统总体方案设计 2 3 本章小结 本章根据动态光谱数据采集系统高精度、高灵敏度和高速的要求，介绍了系 统中选用的各器件。光电检测器件选用了高灵敏度、高精度的c c d ，模数转换 器选择了带有相关双采样功能的a d 9 8 2 6 ，简化了电路，并能有效的去除c c d 的复位噪声。在比较了各种处理器的优缺点后，最终选择f p g a 作为系统的核心 处理器。并给出了系统的最终整体框图。 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 上一章在分析系统要求的前提下，给出了所选择的主要器件及系统框图，本 章将比较详细的介绍各模块的设计。主要包括两部分：n i o si i 外围电路设计和 n i o si i 软核系统设计。n i o si i 外围电路设计主要包括c c d 时序设计、a d 9 8 2 6 电路设计及时序设计、数据缓存单元设计。n i o si i 软核系统设计模块利用a l t e r a 公司提供的s o p cb u i l d e r 用户图形界面，为系统定制所需的n i o si i 软核系统， 添加r a m 读组件、定时器、串行通信接口、通用i o 口、s d r a m 和f l a s h 控 制器、a v a l o n 三态桥以及n i o si i 软核等组件。 3 1n i o si i 外围电路设计 3 1 1c c d 时序设计 c c d 的时序是影响c c d 性能发挥的重要因素之一，因此c c d 时序的设计 成为c c d 应用中重点部分。本设计所采用的i l c 6 2 0 4 8 c 线阵c c d 为埋沟道、 四相线阵c c d ，其工作需要六路时序脉冲，分别为转移脉冲t c k 、输出复位脉 冲r s t ，电荷读出脉冲c r l 、c r 2 、c r 3 和c r 4 。各脉冲波形必须满足图3 1 的 时序关系。具体时序参数见表3 - 1 。 c r l c f 毪 c r 3 c r 4 t c k r s t o s o c m )i i g h t - s h i e l a d lp i x a l l j g h i s h 嘲d e dp i x e l2 图3 1i l c 6 - 2 0 4 8 c 的工作时序关系图 c c d 的一个工作周期分两个阶段：光积分阶段和