（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的微型光谱仪探测系统的研制.pdf

基于f p g a 的微型光谱仪探测系统的研制 摘要 光谱仪器是进行光谱研究和物质的光谱分析的装置，其应用范围几乎覆盖了 所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等。近年来，随着科 学技术的发展，微小型光谱仪已成为世界各国的研究热点，是光谱仪发展的重要 趋势。光谱探测系统是微型光谱仪的重要组成部分，是光谱仪微小型化的关键技 术之一。 本文主要对微型光谱仪的探测系统进行研究，设计并制作了光谱数据采集、 处理及传输系统。为在获得高分辨率的同时，探测系统单次能检测到较宽的光谱 范围，选择7 5 0 0 像素的线阵c c d 作为探测器件。采用模拟前端芯片a d 9 8 2 2 对 c c d 输出信号进行相关双采样、可编程放大及模数转换等处理，转换后的数字信 号暂时储存在f p g a 中，经处理后通过u s b 总线传送到计算机，由应用软件完成 光谱数据进一步的分析、处理和显示。f p g a 为整个系统的核心，主要功能有： c c d 驱动时序、a d 9 8 2 2 采样时序和控制接口时序的产生以及u s b 通讯控制；1 2 位采样数据的存储以及多次测量的累加平均、s a v i t z k y g o l a y 平滑滤波等预处理， 减少了u s b 通讯量，提高了系统信噪比；c c d 曝光时间及可编程放大器增益大 小的自适应调节，能根据待测光源将信号幅值调整到合适范围，并扣除c c d 暗电 平，提高了系统动态范围；指令接收，应用程序能控制探测系统的运行及参数， 增加了系统的灵活性。 采用p r o t e ld x p 完成了系统的原理图和p c b 设计，利用q u a r t u s 、m o d e l s i m 和s y n p l i f y 软件设计、仿真并实现了各逻辑模块。使用示波器及嵌入式逻辑分析 仪对制作的探测系统进行调试，各模块均能正常工作。结合光学平台和应用软件 的测试表明，探测系统能清晰分辨钠光谱的双黄线，成功地完成光谱数据的采集、 处理及传输。 关键词：微型光谱仪；f p g a ；线阵c c d ；u s b ；相关双采样；自适应调节；平 滑滤波 i i 硕上学位论文 a b s t r a c t a s p e c t r o m e t e ri sa no p t i c a li n s t r u m e n tu s e di ns p e c t r o s c o p i ca n a l y s i st oi d e n t i f y m a t e r i a l s w h i c hi sa p p l i e di na l m o s ta l lf i e l d so fs c i e n c e ，s u c ha sm e d i c i n e ，c h e m i s t r y ， g e o l o g y ，p h y s i c sa n da s t r o n o m y ，e t c w i t ht h ed e v e l o p m e n t o ft h em o d e mt e c h n i q u e s ， m i n i a t u r es p e c t r o m e t e rh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u sw o r l d w i d ea n di st h et r e n do ft h e s p e c t r o m e t e r a sa ni m p o r t a n tp a r to fs p e c t r o m e t e r ，d a t aa c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o n s y s t e mi so n eo f t h ek e yt e c h n i q u e st or e a l i z em i n i a t u r i z e dr e q u e s t i nt h i st h e s i s ，ad e t e c t i o ns y s t e mw i t hs p e c t r a ld a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o nf o rm i n i a t u r es p e c t r o m e t e ri sd e v e l o p e d t og e tah i g hr e s o l u t i o nw i t h w i d e rw a v e l e n g t hr a n g e a7 5 0 0p i x e l sl i n e a rc c di sc h o o s e da st h ed e t e c t o r c c d o u t p u ts i g n a lc o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a l w i t hc o r r e l a t e dd o u b l es a m p l i n ga n d p r o g r a m m a b l eg a i na m p l i f i e rb ya n a l o gf r o n te n da d 9 8 2 2 t h e c o n v e r t e dd a t aw h i c h s t o r e di nf p g at r a n s m i t st op ct h r o u g hu s ba f t e rp r o c e s s e d a p p l i c a t i o ns o f t w a r e c o m p l e t e sf u r t h e rp r o c e s s i n g ，a n a l y s i sa n dd i s p l a y f p g ai st h ec o r eo fa l ls y s t e m ， w h i c hg e n e r a t e st h et i m i n go fc c d a d 9 8 2 2a n di t ss e r i a li n t e r f a c e f p g ai sa l s ot h e c o n t r o l l e ro fu s bi n t e r f a c ec h i pc h 3 7 5a n dm e m o r yu n i tf o r1 2b i t ss a m p l ed a t a t o a d j u s t t h e s i g n a la m p l i t u d e t o a p p r o p r i a t er a n g e ，a d a p t i v ea d j u s t m e n to fc c d i n t e g r a t i o nt i m ea n dg a i no fp g aw i t hd a r k - l e v e lv o l t a g ec o r r e c t i o ni s r e a l i z e di n f p g a ，t h i sa l s oi m p r o v e st h ed y n a m i cr a n g eo fs y s t e m t oi m p r o v et h es i g n a lt o n o i s er a t i o ，c u m u l a t i v ea v e r a g ea n ds a v i t z k y - g o l a yf i l t e rs u i t i n gf o rs m o o t ho f s p e c t r a l d a t ai sa l s or e a l i z e d t h ea v e r a g ea l s or e d u c e st h en u m b e ro f d a t a c o m m u n i c a t i o n t h ed e c t e c t i o ns y s t e mc a ng e ti n s t r u n c t i o nf r o ma p p l i c a t i o ns o f t w a r e ， w h i c hi n c r e a s e df l e x i b i l i t yo ft h es y s t e m t h es c h e m a t i ca n dp c bi sd e s i g n e dw i t hp r o t e ld x p ，a n dt h ed e s i g n ，s i m u l t a t i o n a n dr e a l i z a t i o no fe a c hl o g i cm o d u l ei se o m p o l e t e du s i n ge d a t o o l ss u c ha sq u a r t u s ， m o d e l s i ma n ds y n p l i f y t h ea c t u a lc i r c u i ti sd e b u g g e du s i n go s c i l l o s c o p ea n d e m b e d d e dl o g i ca n a l y z e r ，e a c hm o d u l ei sn o r m a lw o r k i n g t e s tw i t ho p t i c a lp l a t f o r m a n da p p l i c a t i o ns o f t w a r es h o w st h a nt h ed e c t e c t i o ns y s t e mc a nb es u c c e s s f u l l y c o m p l e t e ds p e c t r a ld a t aa c q u i s i t i o n ，p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：m i n i a t u r es p e c t r o m e t e r ；f p g a ；l i n e a rc c d ；u s b ；c o r r e l a t e dd o u b l e s a m p l i n g ；a d a p t i v ea d ju s t m e n t ；s m o o t hf i l t e r i i i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期7 哆年g 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 。 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：似份南弓日 醐：确年月乡日 l 黟 ，7 1 i 一a 议 碜加 张谚 签签者师作导 硕j ：学位论文 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 光谱仪器是通过研究、测试物质的光谱来分析物质化学组成及其含量的重要 分析仪器，具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点，广泛应用于冶金、地 质、石油、化工、医药卫生、环境保护等领域，也是军事侦察、宇宙探索、资源 和水文探测等必不可少的遥感设备n ，。 对光谱的研究最早可以追溯到1 7 世纪，牛顿进行了著名的三棱镜分光实验。 1 8 5 9 年，k i r c h h o f f 和b u n s e n 制成世界上第一台结构完整的光谱仪器。现代光谱 技开始于二战期间的工业应用，在1 9 4 0 年，a r n o l db e c k m a n 制作出了叫做b e c k m a n d u 的仪器，被认为是第一台商业化的紫外一可见光分光光度计心1 。2 0 世纪6 0 年 代左右，已经建立了完整的光谱定性、定量分析方法以及整套光谱线谱、图谱， 并发展了与从真空紫外到远红外各波段光谱相适应的光谱仪器。此后一段时间光 谱仪的发展一度停滞，在原理、设计、应用各方面似乎已经满足了当时科技、产 业的需求。 传统的光谱仪存在着体积大、结构复杂、使用环境受限、价格昂贵等不足， 不能满足现场检测、实时监测的要求。近年来，随着现代科学技术的飞速发展， 许多研究、应用领域如航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测等对光谱仪器提 出了小型化、微型化、集成化、使用方便灵活、性能价格比高等更高的要求。因 此，微型光谱仪的研究已成为世界各国的热点，是光谱仪器发展的重要趋势之一。 微小型化的光谱仪器在一定程度上扩大了光谱仪的应用范围，在以往无法应用光 谱仪的领域，通过光谱仪的微小型化可以实现其许多新的应用口 7 1 。 1 2 微型光谱仪国内外的发展现状 光谱仪的微小型化趋势可以追溯到2 0 世纪9 0 年代初期，从那时起光谱仪器 才逐渐摆脱了实验室的局限。光纤的批量生产、高效低廉的光学元件及线性阵列 检测器件的出现，个人计算机的使用，m e m s 及二元光学等微制造技术，这些相 关技术的发展使得光谱技术的应用延展到实验室之外的更加广阔的领域1 。 近年来国内外出现了一些近紫外、可见光和近红外波长范围的微小型光谱仪， 最著名的是美国o c e a no p t i c s 公司的光纤光谱仪。o c e a no p t i c s 的u s b 4 0 0 0 光谱 仪是该公司的旗舰产品，如图1 1 所示。模块化的u s b 4 0 0 0 光谱仪有1 4 种不同 的光栅可供选择，采用非对称交叉c z e r n y t u r n e r 光路，可以响应紫外到近红外从 茎三坚! ! 塑堡呈耋童堡堑耋耋薹塑矍矍 2 0 0 h m 到i 1 0 0 n m 的光谱范围，半峰全宽( f w h m ，f u l l w i d t ha th a l f m a x i m u m ) 分辨率为o3 r i m 一1 00 n m ，取决于光栅的刻数和狭缝的太小”1 。 围11u s b 4 0 0 0 光谮仪 荷兰a v a n t e s 公司的a v a s p e c 光纤光谱仪系列采用c z e r n y t u r n e r 光学平台设 计，可以在更宽的谱段范围内实现更高的光学分辨率，更容易消除杂散光，而且 在近红外谱段有更好的色散效应等。光谱仪的焦距有4 5 r a m 或7 5 n u n 两种。信号 光由光纤传导并经一个标准的s m a 接口进入光学平台，经一个球面镜准直，然 后由一块平面光栅分光，经由第二块球面镜聚焦到一个一维线性探铡器阵列上， 如图1 2 所示。提供1 6 种不同色散系数和闪耀波长的光栅供用户选择，测量波长 范围2 0 0 h m - 1 1 0 0 n m ，分辨率同样取决于光栅和狭缝的选择，最高分辨率0 0 4 n m ， 此时的狭缝宽度为1 0 岍l ，疆盖的光谱范围为7 5 n m “1 。 掉测罂 光学连接譬 圈12a v a s p e e 系列光谱傥的光学平台 美国亚利桑那州立大学研制了一种微型热发射光谱仪( m i n it h e r m a l e m i s s i o ns p e c t r o m e t e r ，m i n i t e s ) 。m i n i t e s 是美国n a s a 在2 0 0 3 年发射的火 星登陆器中a t h e n a 探测装置的一部分，设计目的为矿物的遥感探测，是一种傅立 叶变换光谱仪“。这种以迈克尔逊干涉仪为基础的博里叶光谱技术广泛用于红外 光谱法，具有分辨率高、杂散光影响小且有利于弱光检测等优点，但色散系统结 构复杂。 国内，微型化、适合现场工作的光谱仪研究起步较晚，商品化的仪器不多。 一些高校和研究所在微小型光谱仪研制方面做了大量工作，并相继研制出一些微 型光谱仅样机。一些仪器公司也相继开发并研制出了小型化、现场应用的光谱仪 器。 中国科学院长春光学精密机械和物理研究所吴一辉等人研究的一种微型光谱 硕士学位论文 仪，采用微硅片狭缝代替传统机械狭缝和小型折叠c z e r n y t u r n e r 结构，通过内部 集成光阑来抑制杂散光，半峰全宽分辨率为0 8 5 n m ，波长标定精度小于o 2 n m n 。 重庆大学温志渝等人研制了一种微型光谱仪。采用全息凹面平场光栅作为分 光成像元件，波长准确度小于l n m ，在采用芯径为5 0 i t m 的多模光纤时，光谱分 辨率可以达到1 3 1 n m n 引。 北京普析通用仪器研制的p o r s 1 5 便携式快速光谱仪器，配合外置紫外可见 一体化光源，可进行2 0 0 8 0 0 n m 紫外可见光波段测量，是我国第一款拥有自有知 识产权的快速便携式光谱仪n 朝。该光谱仪采用凹面平场光栅，保证良好的谱线质 量，实现同步分光，n m o s 线性图象传感器作为接收器。数据分辨率为0 6 n m ， f w h m 分辨率为4 n m ，波长准确度小于1 0 n m ，测量精密度为2 n 引。该仪器最 主要的应用领域为水质快速测定。 从以上微型光谱仪的研究现状可以看出，其分光原理与传统光谱仪并无多大 区别，主要采用光栅分光，其优点是系统结构简单，通常为光栅、成像元件及探 测器组成，光谱仪很大部分采用c z e r n y t u r n e r 光学结构。凹面光栅兼有分光和成 像的功能，也运用的比较多，它可替代c z e r n y t u r n e r 结构中的两块凹面反射镜和 平面光栅，进一步简化了光谱仪的结构。而在红外波段，分光方式主要有：傅立 叶变换分光、声光可调谐滤光器分光以及移动光栅扫描分光等n 引。 绝大多数微型光谱仪都配有光纤接口作为狭缝。小巧的光纤探头可以直接插 入那些非准直空间和无法采样的小空间中，采样方式变得更为灵活，从而提高了 光谱仪的应用范围。由于从光源信号到光谱仪的入射点不会有太长的传播距离， 可以近似为零损耗，不仅使光谱仪性能明显提高，而且使光谱仪器的使用方式发 生极大改变，可利用光纤探头把远离光谱仪器的样品光谱源引入光谱仪器进行测 量n 们。 1 3 光谱探测系统的发展现状 当前，光谱仪基本采用光电系统作为光谱接收、探测装置：一个或多个出射 狭缝放在成像物镜的焦平面上分离出所需要的谱线，将这些谱线的能量传递到光 电元件上，变成电信号后经过放大、模数转化、记录得到光强随波长变化的谱图。 应用光电探测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。影响光谱仪微小型化的重要因素之一就是光谱 信号探测系统的硬件设计。微型光谱仪的光谱信号探测系统对微型光谱仪的实用 化有着关键的作用。 光电探测器件最早采用的是单个的光电元件，这种系统需要光栅转动机构与 之配合才能获得整段的光谱信号，这种需要机械扫描方式的系统已不能满足许多 领域对光谱仪的体积和速度的要求。随着微电子技术的飞速发展，光谱仪器中必 基于f p g a 的微型光谱仪探测系统的研制 需的探测器件、微电子器件、微处理器等等，如今都已有种种小型化、微型化、 全固态的产品可供应用，光谱仪器微小型化、高分辨、光电化才得以迅速发展， 其接收系统从最初的目视系统发展到如今的光电系统。同时，计算机技术与光谱 仪器的结合，推动了光谱仪器向简用化、自动化及智能化方向发展n 。 随着半导体技术的发展，各种光电阵列探测器不断涌现，它采用电扫描取代 了机械扫描，能快速、实时、直观、一次性的获取所需的整段光谱信号，并使光 谱仪小型化、集成化成为可能，因此在现代光谱仪中应用非常广泛。微型光谱仪 使用的线性探测器主要有以下几种阳1 ： l 、电荷耦合器件( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，c c d ) 。c c d 是1 9 6 9 年发明的 光电传感器，它的诞生使整个光谱仪器领域发生了革命，最早在1 9 8 8 年d e n t o n 等就应用c c d 进行原子光谱分析n 引。线阵c c d 是探测可见光最常用的一种光电 转换器件，它能把一幅空间域分布的光学图像转变成一列按时间域分布的离散信 号电压，具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性好、输出方便、寿命长等特点， 其重要特性如下n 9 2 ： 光谱响应范围宽。一般的c c d 器件可工作在4 0 0 n m 11 0 0 n m 波长范围内。 在紫外区，由于硅片自身的吸收，量子效率下降，但采用背部照射减薄的c c d ， 工作波长极限可达1 0 0 n m 。 灵敏度高。c c d 具有很高的单元光量子产率，正面照射的c c d 的量子产 率可达2 0 ，若采用背部照射减薄的c c d ，其单元量子产率高达9 0 以上。 动态响应范围宽。c c d 的动态响应范围在4 个数量级以上，最高可达8 个数量级。 光敏单元的几何位置精度高，空间分辨率高。 能在低光条件下采集信号。即使在低照度下，c c d 也能顺利完成光电转 换和信号输出。 积分时间可从几毫秒到上千秒。 抗过度曝光性能。过强的光会使光敏元饱和，但不会导致芯片毁坏。 c c d 器件由于具有卓越的光电响应量子效率以及对可见光的频率响应范围 宽的特性，成为光谱分析仪器理想的探测器。同时，c c d 在分辨率、动态范围、 和空间分辨力等方面具有优越性，是光谱仪中应用最广的探测器。当前使用最多 的是2 0 4 8 像素或3 6 4 8 像素的线阵c c d ，如u s b 4 0 0 0 光谱仪采用东芝t c d l 3 0 4 a p 型3 6 4 8 像素线性c c d 阵列探测器，1 6 位模数转换器，c c d 积分时间为3 8 m s 到1 0 s 旧1 。a v a n t e s 公司a v a s p e c 2 0 4 8 型光纤光谱仪采用索尼2 0 4 8 像素c c d ，工 作频率为1 3 3 m h z 的1 4 位a d ，积分时间为2 m s 到6 0 s 。 2 、光电二极管阵列( p h o t od i o d ea r r a y ，p d a ) 。一个硅光电二极管阵列是 一个由多个二极管单元组成的线性阵列，当信号光照射到光电二极管上时，电子 4 就会被激发并输出电信号。大部分光电二极管阵列都包括读出，积分放大器一体式 的集成化信号处理电路。光电二极管的优点是在近红外区灵敏度高，响应速度快： 缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。 3 、c m o s 线性成像传感器。c m o s 线性成像传感器比c c d 阵列传感器具有 较低的电荷一电压转换效率，因此光灵敏度较低，但是却具有较高的信噪比。 c m o s 的内部电路中有箝位电路，可以把噪声抑制到一个很低的水平。c m o s 探 测器的优点是信噪比高、紫外波段灵敏度高：缺点是读出速率低、灵敏度低。 a v a s p e c 1 0 2 4 型光纤光谱仪带有1 0 2 4 像素c m o s 探测器阵列，采用带1 4 位a d 转换卡的u s b l l 或新型的带1 6 位a d 转换卡的u s b 20 接口，特别适合需要低 噪声、高分辨率的应用领域。 4 、l n g a a s 线阵图像传感器。i n g a a s 线性成像传感器在近红外波长区域有着 极高的灵敏度。探测器包括一个c m o s 管的电荷放大阵列，一个移位寄存器和一 个定时脉冲发生器。o c e a no p t i c s 公司的n i r 5 1 2 温度可调的近红外( n i r ) 光谱 仪，配置有具有温度调节功能的5 1 2 像素i n g a a s 线阵探测器，波长检测范围为 09 17 u m ，并提供小于5 0 m nf w h m 光谱分辨率。 c c d 、p d a 、m o s 探测器适用于紫外可见一近红外( 2 0 0 1 1 0 0 r i m ) ，而i t t g a a s 传感器适用于近红外( 1 0 0 0 n m 2 5 0 0 n m ) 。对于紫外波段的应用，一般选用c m o s 探测器或者深紫外增强型c c d 探测器。在近红外区域，一般选择i n o a a s 探测器。 c m o s 探测器拥有最高的信噪比，一般用于要求低噪声的场合。 微型光谱仪光积分时间在几毫秒到几秒甚至几分钟范围内可调，一般由计算 机端的软件控制。光谱器探测器输出的模拟信号要经过模数转换才能做进一步的 处理，选用的a d 转换器一般为1 2 1 6 位。图1 3 为a v a n t e s 公司开发的一款具 有代表性的光谱仪数据电路板，它可以支持多种新型探测器和蓝牙( b l u c t o o 血) 通信。新型的a s 一5 2 1 6 电路板是基于功能强大的5 2 1 6c o l d f i r e 微处理器，运行频 率高达6 4 m h z ，有1 4 位a d 转换器和u s b 2 0 r s 2 3 2 接口，积分时间1 0 微秒一 1 0 分钟( 取决于探测器) ，内置s d r a m 卡。 图i3 a s 一5 2 1 6 微处理器电路扳 高分辨率c c d 阵列光谱仪需要处理大量复杂的光谱数据，计算机大大降低了 基于f p g a 的微型光谱仪探测系统的研制 高速获得和处理光谱数据的成本，同时使这一件事变得很容易。随着计算机技术 的发展，光谱仪可以通过便捷的接口与计算机连接，通过功能强大的w i n d o w s 操 作系统和光谱分析软件完成各种特定检测功能。而u s b 作为一种主流的接口技 术，加上它即插即用、支持热插拔以及相对较高的数据传输速度等特点，使得它 成为了扩展计算机功能、实现与计算机仪器相结合的最佳选择心2 23 1 。几乎所有的 光谱仪都提供u s b 接口，将采集到的数据送到计算机，由应用软件来完成光谱数 据的处理、分析、显示和存储等功能。 现代高集成度的探测器件和u s b 接口技术应用于微小型光谱仪器系统，对光 谱仪的微小型化、自动化及智能化起着重要作用。随着显示技术的发展，目前出 现了可脱离计算机独立工作的便携式微型光谱仪。如o c e a no p t i c s 公司的j a z 手 持式光谱仪自身带有微处理器无需计算机就可处理数据，带o l e d 显示屏，可连 接以太网，另外还有s d 内存卡接口。从光谱仪的屏幕上可以看到所测量的光谱 并能对数据进行存储，但光谱仪的屏幕上只能粗略地显示发光光谱，若想细致地 观察发光光谱只需把存储的数据输入到计算机中即可心钔。p o r s 1 5 便携式光谱仪 器采用独特的液晶触摸显示屏技术，将显示与输入集成，可独立完成光谱扫描、 光度测量、定量测定及峰值检出等功能n 们。 1 4 本文的研究意义和主要工作 1 4 1 研究意义 传统的光谱仪器，存在着体积、重量过大、对工作环境要求苛刻等因素，较 难进行在线实时测试和监控。微型光谱仪由于尺寸等因素的限制，虽然在分辨率 等参数上有一定的降低，但具有以下优点：易于实现模块化，嵌入许多其它系统； 由于采用新颖光电接收器件，可以进行实时及多通道分析，具有现场应用价值； 耐用、紧凑、易于校准、抗振动、抗环境温度压力变化的影响、操作简单；具有 二次开发性能，可以利用微小型光谱仪来制造其他分析仪器陋5 j 。 今天光谱及相关光传感技术己经发展成了几十亿美元的产业，光谱技术的应 用几乎覆盖了所有的科学领域，包括医药、化学、地质学、物理及天文学等心1 。 所以设计集成化、小体积、低成本的探测系统以满足光谱仪系统的需要是必需的。 1 4 2 本论文主要内容 微型光谱仪由光学系统、探测电路以及计算机端的应用程序三个部分组成。 本文主要目的是为微型光谱仪研制高分辨率、宽光谱范围的探测系统。当前以线 阵c c d 为探测器件的光谱仪基本上使用2 0 4 8 或3 8 4 6 像素c c d 。本设计选用7 5 0 0 像素线阵c c d ，为的是在满足高的光谱分辨率的同时，系统具有较高的波长准确 性和较宽的光谱范围。便携式光谱仪目前很少见，绝大多数微型光谱仪由计算机 6 硕十学位论文 完成数据处理及系统控制，本设计在完成光谱数据采集和传送的基础上，在探测 系统加入数据处理和自动控制模块，为便携式光谱仪的研制打下基础。 本文结构安排如下： 第1 章为绪论部分，介绍了本文的研究背景，阐述了微型光谱仪及其探测系 统的发展现状，并对本论文的研究意义及目的进行了描述。 第2 章介绍了光谱仪的原理和结构，分析了决定光谱仪性能的主要因素，在 此基础上给出了本微型光谱仪所采用的光学系统结构以及c c d 的选择。 第3 章先提出探测系统的整体框架，然后分析了c c d 工作原理以及输出信 号特性，并设计了c c d 驱动电路、c c d 模拟前端处理电路、u s b 接口电路、f p g a 核心电路以及整个系统的电源电路，最后为整个硬件系统设计了印刷电路板。 第4 章先介绍了f p g a 的开发工具，然后以自上而下的方法设计、仿真 并实现了各逻辑模块，包括c c d 的驱动时序、模拟前端的双采样时序，模 拟前端控制接口、数据存储和处理、u s b 通讯模块以及控制模块。 第5 章介绍了微型光谱仪的应用程序以及嵌入式逻辑分析仪，给出了实际电 路的调试结果，并用标准光源对系统进行测试。 最后对论文工作进行了总结，并展望进一步的研究工作。 7 萎震翟霉蠹毫产妻勰麓 硕士学位论文 使用线阵探测器件的光电探测系统。 2 1 1 色散元件及分光原理 色散系统的作用是将入射的复合光分解为光谱。经典光谱仪所采用的色散系 统，按其作用原理可以分为： 1 ) 物质色散：不同波长的辐射在同一介质中传播的速度不同，因而折射率不 同，例如光谱棱镜。 2 ) 多缝衍射：不同波长的辐射在同一入射角条件下射到多缝上，经衍射后其 主极大的方向不同，如光栅。 3 ) 多光束干涉：一束包含各种波长的辐射在平板上被分割成多支相干光束， 根据干涉光束互相加强的条件，各波长的干涉极大值位于空间上不同点。 随着光栅技术的成熟，棱镜已经很少用做分光系统中的色散元件，应用最广 泛的是反射式衍射光栅，通常简称为反射光栅。光谱仪器中常用的几种反射光栅 为：平面光栅，凹面光栅、平场凹面光栅。 平面反射光栅是在高精度平面上刻有一系列等宽并等间隔的刻痕而制成的， 刻线的间距d 称为光栅常数。光栅作为光谱仪的色散元件应该工作在平行光束之 中。如图2 2 所示，平行光束1 、2 射到平面光栅上时，光栅的每条刻线都起着衍 射的作用，而同时各刻线的同一波长的衍射光束1 、2 的方向一致，它们经过物 镜的聚合，并在焦平面上发生干涉，光栅的色散方程为： d ( s i n o + s i n i ) = 研五 ( 2 1 ) 式中，i 为入射角；口为反射角；r n 为光谱级次，取整数( m = o ，l ，2 ，) 。 可以看出当光栅常数和入射角一定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越长 的光束衍射角越大，这样不同的波长的同一级主最大，自零级开始向左右两侧， 按波长次序由小到大散开，在实际的光栅衍射图样中，由于总的刻线数很大，所 以主最大对应的角宽度很小，在透镜的后焦面上就形成非常明锐的细谱线。 图2 2 平面反射光栅色散原理 平面光栅的出射光谱为平面，不会产生像差，但是由于其本身不具有聚焦功 能，因此在设计相关的光路时，须要有相应的聚焦物镜加以配合。 2 1 2 光谱仪的性能参数 光谱范围指能被光谱仪检测到的光信号的波长范围。对于一具有固定光学成 9 基于f p g a 的微型光谱仪探测系统的研制 像系统，光谱覆盖范围取决于所有光栅的光栅常数和探测器阵列及其长度。 色散率可分为角色散率和线色散率，前者表明二条不同波长的光线彼此分开 的角距离，后者表明不同波长的二条谱线在成像焦平面上彼此分开的距离。 平面反射光栅的角色散率可由式( 2 1 ) 微分得到： 一d o ：竺 ( 22 ) 一一。一 、，j d 2d c o s 8 。 在靠近光栅平面法线的范围内，衍射角目很小，c o s 0 值近似等于1 ，于是d 0 d 2 近似于常数，即日与a 差不多成线性关系，这种色散为常数的光谱称为“正常光 谱”或“匀排光谱”，在实际使用中可简单地按线性比例关系求取谱线的位置。 平面反射光栅的线色散率为角色散率与成像物镜焦距疋的乘积。 分辨率的定义为谱线波长a 与邻近刚好能分开的两条谱线波长差龇的比值， 是表明光谱仪器分开波长极为接近的二条谱线的能力，这是光谱仪器极为重要的 性能指标。 在实际应用中，光谱分辨率常常定义为半峰全宽值( f w h m ) ，即一窄带谱 线在光谱仪中所测得的谱线轮廓下降到最大值的一半时的轮廓宽度，也称为光谱 带宽。光谱带宽越窄，则意昧着仪器的分辨力越高，理想条件下光谱带宽融为旺引： 8 2 ：a , d c o s i( 2 3 ) m f , 式中a 。为狭缝宽度，为准直物镜焦距。可以看出光谱带宽于入射狭缝的宽度及 光栅常数成正比；与准直物镜的焦距和光谱级次成反比；并且与成像物镜的焦距 无关，成像物镜焦距只影响线色散率，对焦面上光斑的光谱带宽并无影响。 波长准确度是光谱仪检测到的波长与实际波长的差别。 像元分辨力是采用阵列探测器作为探测系统的光电光谱仪所特有，指光谱仪 探测器单个像元所代表的光谱范围觑u 2 引： 觑：d p c o s v ( 2 4 ) m a 式中p 为探测器像元中心距，曰为某一波长的衍射角。觑与成象物镜的焦距、光 谱级次成反比，与光栅常数、像元中心距成正比。像元中心距越小则像元分辨力 越小，系统性能越好；但此时必须考虑到像元中心距减小所带来的负面影响：光 敏面减小，其响应灵敏度也随之减小。 2 2 微型光谱仪光学系统结构 微型光谱仪的光学系统依然利用传统光谱仪的色散及成像原理，但由于尺寸 要微小型化，结构设计上不会全部依照传统光谱仪进行设计。其光路设计采用对 称的c z e r n y t u n n e r 结构，如图2 3 所示。待测光从光纤耦合器导入，通过4 5 。 1 0 硕l 学位论文 平面反射镜a 投射到凹面反射镜b 上，凹面反射镜b 将待测光准直成平行光后投 射到平面反射光栅c ，光栅将复合光按波长顺序在空间分离，经凹面反射镜d 聚 焦后，再由反射镜e 反射到线阵c c d 上处成像。 图2 3 微型光谱仪的光学结构 采用这样对称结构的光路能在有限的空间使光程更长，可提高光学系统的色 散能力和分辨率。同时，该结构可以保证光线在光栅的主截面内发生色散，并且 反射镜系统没有色差，便于得到平直的谱面，实用的光谱范围更大。 因为凹面反射镜b 和d 是固定的，根据公式( 2 4 ) ，该系统的光学分辨率由 狭缝和光栅决定。平面反射光栅的总刻线数从根本上决定了光谱仪的光谱分辨力， 同时其衍射效率也影响着光谱仪的可用光谱范围和光通率。 c c d 是一种离散探测器，每个像敏单元不是数学上的点，而是具有一定面积 的，因此每个抽样点的值实际上是像敏单元内光能量的积分，对光谱信号的获取 是通过对探测面上的光谱信号积分抽样来得到的。文献 2 6 1 提出在满足奈奎斯抽 样定理，即一条高斯型谱线至少涵盖5 个像敏单元时，阵列器件对谱线的测量才 有较高的波长准确性，并对光谱带宽、光谱分辨力不会造成太大影响；为能同时 满足系统的光谱分辨力与波长准确性的要求，像敏单元的中心距在适当的范围内 越小越好。 微型光谱仪中光谱在探测器上是均匀分布的，单次测量的理论最大光谱范围 为单个像元所代表的光谱范围觑与c c d 有效像素的乘积。由公式( 2 4 ) 和( 2 5 ) ， 当c c d 的像元宽度确定时，像元分辨率和光谱分辨率是成正比的。因此，对于 一个带有确定的检测器阵列的光学平台来说，光谱分辨率和光谱覆盖范围是成反 比的。 本系统主要对可见光区近红外区的光谱进行探测，为在实现高分辨率的同 时，尽可能获得宽的光谱范围，应选择像元宽度小、有效像素多的线阵c c d 。本 课题选取日本东芝的t c d l 7 0 3 c ，是一款高灵敏度、低暗电平噪声线阵c c d ，像 元尺寸为7 “m 7 9 m ，中心距为7 “m ，有效像元数多达7 5 0 0 个。t c d l 7 0 3 c 与光 基于f p g a 的微型光i 譬仪探测系统的研制 谱探测一些相关的性能参数如下： 1 、光谱响应范围。光谱响应特性表示c c d 对于各种单色光的相对响应能力， 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。t c d l 7 0 3 c 光谱响应曲线如图2 4 所示，在 可见光区光谱的相对响应强度均大于5 0 。 t a - - 2 5 0 c ， i _i 、 。 图2 4t c d l 7 0 3 c 光谱响应曲线 2 、响应度：1 5v i x s 。c c d 的响应度可以定义为单位曝光量所得到的有效 信号电压( v l x s ) ，反映了c c d 像元的灵敏度和输出级的电荷电压转换能力。 3 、总体转移效率：9 8 。c c d 以电荷作为信号，所以电荷信号的转移效率 就成为其最重要的性能之一。把一次转移后，到达下一个势阱中的电荷与原来势 阱中的电荷之比称为电荷转移效率。 4 、像敏单元不均匀度：3 。c c d 的各个像元在均匀光源照射下，有可能输 出不相等的信号电压，这就是c c d 光响应的不均匀性。不均匀度p r n u 定义如 下： p r n u ：a z 1 0 0 ( 2 5 ) z 式中，z 为均匀光照下所有像元输出值的平均值，z 为所有像元与z 的最大偏差 值。 5 、暗电平：光积分时间为1 0 m s 时，暗信号电压典型值为1 2 m v 。暗电流是 由热生电荷载流子引起的，降低c c d 工作温度可以降低暗电流，同时暗电流大小 与积分时间成正比。由暗电流引起的输出电压称为暗电平。 6 、饱和输出电压：2 v 。当c c d 处于饱和曝光量时，所得到的输出电压叫饱 和输出电压。 7 、动态范围：1 6 6 0 。动态范围反映c c d 的工作范围，定义为饱和信号电压 与所有有效像元暗电流输出电压平均值之比。 1 2 硕上学位论文 第3 章探测系统的硬件电路设计 微型光谱仪是一个光电一体的系统，由光学系统分光后的光谱照射到c c d 上，在电路控制下才能完成光电信号转换。电信号经一系列的处理后以数字信号 的形式传输到计算机进行分析和显示。本章将介绍微型光谱仪探测系统的硬件电 路设计，包括原理图和印刷电路板。 3 1 探测系统的整体框架 3 1 1 控制器和处理器的选择 要采集c c d 的输出数据，首先就要正确驱动c c d ，目前驱动时序的产生方 法主要有两种凹7 1 ： i ) 软件驱动：利用单片机或d s p 通过程序直接在i o 口上输出所需的各路 驱动脉冲，硬件简单、调试方便、可在线调整驱动频率。但由于是依靠程序来产 生时序，如果程序设计不合理，会造成时序不均匀；而且往往会造成微处理器资 源浪费；通常驱动频率不高，除非采用高速微处理器。 2 ) 可编程逻辑器件驱动方法：利用可编程逻辑器件来产生时序驱动信号，硬 件简单、调试方便、可靠性好，而且可以得到较高的驱动频率。同样也可在线调 整驱动频率。电路设计完成以后，如果想更改驱动时序，只需将器件内部逻辑重 新编程即可。 需要多个并行计算的时候，单片机或d s p 必须分次实现，从而降低处理速度， 不适合数据的实时采集和处理。现场可编程门阵列( f i l e dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ，f p g a ) 是新型高性能可编程逻辑器件，它一般采用s r a m 工艺，其器件 密度从数万系统门到数千万系统门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电 路功能。f p g a 既继承了a s i c 的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服 了普通a s i c 设计设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字硬 件系统设计的理想首选心引。 f p g a 具有功能强大、集成度高、可靠性好、管脚丰富、设计灵活、调试方 便等优点，同时具有成熟的设计工具支持，可采用硬件描述语言或可视化的原理 图输入，与c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i ca r r a y ) 相比，具有更丰富的资源。 鉴于以上f p g a 的各种优点，本设计选用f p g a 作为核心，来实现系统的处理和 控制。 本设计方案中选取的f p g a 为e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 ，是a l t e r a 公司的低成本系列飓 基于f p g a 的微型光谱仪探测系统的研制 风二代( c y c l o n ei i ) f p g a ，具有以下特性阳引： 1 、成本优化的高密度架构：c y c l o n ei i 器件采用台积电( t s m c ) 9 0 n m 低k 介质工艺，在保证低成本的同时，还具有较高的性能和较低的功耗。e p 2 c 8 t 1 4 4 c 8 含有8 2 5 6 个查找表单元、使用1 4 4 脚t q f p 封装，共计8 5 个用户可用引脚。 2 、嵌入式存储器：含有3 6 个m 4 kr a m 块，提供总共1 6 2 k b i t s 存储容量， 能够配置成为r a m 、r o m 、f i