（电路与系统专业论文）小型瞬态光谱仪的软件设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 光谱仪是一种应用光学原理对物质的结构和成分等进行测量和分析的基本设 备。目前广泛使用的光谱仪虽然具有较高精度，但普遍存在体积大、价格昂贵、安 装调试困难、使用条件苛刻等不足。为了弥补现代光谱仪这些不足，国外各大公司 相继生产与计算机接口的小型光谱仪，并开发相关的光谱仪软件，我们称之为虚拟 光谱仪。它是基于计算机的软硬件平台，由计算机、模块化功能硬件和控制专用软 件组成，用户能够根据自己的需要设计和扩展仪器的测试功能。 本文首先介绍了光谱仪的发展现状以及研究小型虚拟光谱仪的重要意义；接着 介绍光谱仪的硬件系统，包括线阵c c d ，a d 转换器，光学器件。紧接着介绍了在 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 平台上开发出的之相匹配的软件。该软件具有美观实用的三 维操作界面和强大的功能。包括经过平滑后各种谱线的实时显示；多通道读取和保 存光谱；谱线系数标定；设备参数的设定。与传统仪器相比，它在开放性、灵活性、 智能化程度、处理能力、性价比、可操作性、可扩展性等方面有着明显的优势。 本文提出了中心点法进行谱线系数标定：运用小型虚拟光谱仪准确测出未知高 锰酸钾溶液的浓度值，五组数据进行验证，最大偏差一5 3 ，最小偏差+ o 6 o ，且 方法简单、易操作、准确性高。 关键词：v c + + ；中心点法；曲线平滑；切比雪肤曲线拟合；高锰酸钾浓度 a b s t r a c t s p e c t r o s c o p ei so n ek i l l do ff u n d a m e n t a ls e tt h a ta p p l i e do p t i c sp r i n c i p l et oa n a l y s i s t h em a t e r i a ls t r u c t u r ea n dt h ei n g r e d i e n t a tp r e s e n tt h es p e c t r o s c o p ew i d e l yu s e di s p r e c i s e ，b u ti ta l s oh a si n s u f f i c i e n c i e ss u c ha st h ev o l u m ei sb i g ，t h ep r i c ei sh i g h ，t h e i n s t a l l a t i o na n dt r i a lr u nd i f f i c u l t y , t h ee x p l o i t a t i o nc o n d i t i o n si sh a r s h l ya n ds oo n i n o r d e rt om a k eu pt h e s ei n s u f f i c i e n c i e so fm o d e ms p e c t r o s c o p e ，t h eb i gc o m p a n yo v e r s e a s p r o d u c e ss m a l ls p e c t r o s c o p ew i t ht h ec o m p u t e rc o n n e c t i o no n ea f t e ra n o t h e r , a n d d e v e l o p st h er e l a t e ds p e c t r o s c o p es o f t w a r e ，w ec a l li th y p o t h e s i z e ds p e c t r o s c o p e i ti s c o m p o s e db yt h ec a l c u l a t o r , m o d u l a rf u n c t i o nh a r d w a r ea n dt h ec o n t r o ls p e c i a l - p u r p o s e s o f t w a r e ，t h eu s e rc a nd e s i g na n de x p a n dt h ei n s t r u m e n t st e s tf u n c t i o na c c o r d i n gt oo w n n e e d t h i sa r t i c l ef i r s tb r i e f e ds p e c t r o s c o p e s p r e s e n td e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n dt h e i m p o r t a n tm e a n i n go fr e s e a r c ho ns m a l lh y p o t h e s i z e ds p e c t r o s c o p e ；t h e ni n t r o d u c t i o n s p e c t r o s c o p e sh a r d w a r es y s t e m ，i n c l u d i n gt h ea r r a yc c d ，a n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e r , o p t i c a ld e v i c e a f t e rt h a ti ti n t r o d u c e st h em a t c h e ds o f t w a r ed e v e l o p e dw i t l lm i c r o s o f t v i s u a lc + + 6 0 i th a st h ea r t i s t i c p r a c t i c a l3 do p e r a t i o nc o n t a c ts u r f a c ea n dt h e f o r m i d a b l ef u n c t i o n t h es o f t w a r ec a nr e a l - t i m ed i s p l a yt h es p e c t r a ll i n ea f t e rs m o o t hi t ； i tc a nr e a da n dw r i t et h es p e c t r u mo nm u l t i c h a n n e l ；t h ef a c t o rd e f i n i t i o no ft h es p e c t r a l l i n e ；t h ep a r a m e t e r se n a c t m e n t o ft h ee q u i p m e n t t h es o f 如a r eh a sp r a c t i c a l i t y , a n d h a sa d v a n t a g ec o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a li n s t r u m e n t ，s u c ha st h eo p e n n e s s ，t h ef l e x i b i l i t y , t h e i n t e l l e c t u a l i z e d d e g r e e ，t h eh a n d l i n ga b i l i t y , t h ep e r f o r m a n c ep r i c e ，t h e m a n e u v e r a b i l i t ya n d t h ee x t e n d i b i l i t y t h i sa r t i c l ep r o p o s e dt h ec e n t r a lp o i n tl a wc a r r i e so nt h es p e c t r a ll i n ec o e f f i c i e n t d e m a r c a t i o n ；u t i l i z e st h es m a l lh y p o t h e s i z e ds p e c t r o s c o p et od e t e r m i n et h ec o n c e n t r a t i o n o fp o t a s s i u mp e r m a n g a n a t es o l u t i o na c c u r a t e l y w eu s e sf i v eg r o u p so fd a t at oc a r r yo n t h ec o n f i r m a t i o n t h em a x i m u md e v i a t i o ni s - 5 3 m i n i n l u n ld e v i a t i o ni s + o 6 t h e m e t h o di ss i m p l e ，e a s yt oo p e r a t e ，a n dt h ea c c u r a c yt ob eh i g h k e yw o r d s ：v c + + ；c e n t r a lp o i n tl a w ；c u r v es m o o t h i n g ；c h e b y c h e vc u r v ef i t t i n g ； p o t a s s i u mp e r m a n g a n a t es o l u t i o n l i 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所取 得的成果。据我所知，除了特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中作了明确的说明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：吴风 日期：塑呈? ：兰! j ! 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全 文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全文数据库( 中 国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发行和提供信息服 务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 厂 z 、 学位论文作者签名：墨亟兰指导教师签名一2 塑 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 日期：砂口7 l 毡 电话： 邮编： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 东北师范大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 研究背景 光谱仪是一种重要的光学仪器，它是应用光学原理对物质的结构和成分等进行测量 和分析的基本设备，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。光谱仪器出现之后很快应用在许多科研领域中，并起着重 要的作用。 在激光技术、电子技术、信息处理技术、计算机技术以及新型元件的推动下，光 谱仪器有了很大发展。特别是应用了微处理技术，使光谱仪器向高精度、高分辨率、高 效益、多功能、自动检测和人工智能化方向发展【1 j 。从静态到动态，从大型n d , 型，从 目视观测、摄谱对比到采用计算机进行模式识别【2 】，光谱仪器的操作也更加简便，使工 作人员可集中精力于对结果的分析处理上。同时，激光光谱仪、调制光谱仪、光谱一色 谱技术、光谱一声谱技术也有相当大的进展，使该技术领域具有广阔的发展前景。 1 2 光谱仪的发展现状 目前广泛使用的光谱仪虽然具有较高精度，但普遍存在体积大、价格昂贵、安装调 试困难、使用条件苛刻等不足。随着现代科学技术的飞速发展，许多应用领域对光谱仪 提出了更高要求。特别是随着航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测等众多领域的发 展，迫切需要一种小型化、微型化、集成化、智能化、功耗小、电压低、抗振动干扰能 力强、性能稳定可靠、使用方便灵活、性能价格比高，且能快速、实时、直观地获取光 谱信号的微型光谱仪瞄j 。 为了弥补现代光谱仪使用条件苛刻等不足，国外各大公司相继生产与计算机接口的 光谱仪，并开发相关的光谱仪软件。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，计算机的使用大大降低高速获得和处理光谱数据的成本，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分析的各种 功能，使这一件事情变得很容易。 1 3 本论文的主要工作以及章节安排 本文在m i c r o s o f tv i s u a lc 抖6 0 开发平台上，编写与u s b 线性采集卡接口的软 件，实现所采集数据经预处理后实时显示，包括透过光谱、透过率谱、吸光度谱，以及 多通道读写、参数设定、光谱系数标定等功能。实现波长与屏幕像素坐标的精确定位， 东北师范大学硕士学位论文 误差小于i n m ，以便进行二次开发。实现点击屏幕的任意位置，软件自动给出该点位置、 强度、波长。面板为三维美观界面，运用切比雪肤曲线拟合进行标定，五点三次平滑进 行预处理，使软件不仅美观实用，而且精准。将标定准确的光谱仪应用于实际生产中， 实验准确测定了未知高锰酸钾溶液浓度，并可以推广应用到其他物质浓度的测量中。 主要工作包括以下内容： ( 1 ) 学习u s b 数据采集卡的工作原理。根据硬件设备和实际开发需求，设计出示波 器的外观、需要具备的功能等，保证整个画面布局合理，背景图片及按钮图片的设计。 ( 2 ) 由于现阶段各种光谱仪外观各异，功能也不一样，我们根据( 1 ) 设计出的光谱仪 画立体图，包括显示屏部分、按钮按下、按钮弹起时的三维图片，要求外观尽量接近传 统示波器的外观。再利用v i s u a lc + + 6 0 编写对话框程序，实现实时显示。实现软件 的读写功能，要求多通道读写，读数并显示在光谱仪面板上。 ( 3 ) 由于显示界面横坐标是像素，纵坐标是光强量化即电压值，需要将每个位置对 应的光谱波长计算出，运用光栅衍射的相关知识进行计算出3 6 4 8 个点对应的波长。由 于光学系统入射光不是垂直入射，且斜入射角未知，需要查阅大量资料，寻求最优解决 方法来确定曲线上各个像素点对应的波长。将计算结果进行校正，用标准灯进行校对， 修正偏差，直到偏差小于i n m 。将“标定 按钮设置在面板上，实现半自动标定。 ( 4 ) 标定完成后添加吸光度、透过率谱线、吸光度按钮，实现不同功能不同界面， 并运用图像预处理技术使曲线平滑。 ( 5 ) 试验：用该软件测试高锰酸钾溶液浓度。 第一章分析现阶段的光谱仪的研究手段、研究成果以及存在的问题，说明研究小型 虚拟光谱仪的意义。 ( 1 ) 光谱仪在现实生活中各个领域的应用以及现阶段发展状况。 ( 2 ) 例举现阶段研究手段取得的成绩，得出光谱仪有广阔发展前景的结论。分析现 阶段光谱仪存在的不利于实际应用的缺憾，分析光谱仪应用软件的研究现状，说明研究 虚拟光谱仪的重大意义。 ( 3 ) 本文主要研究内容以及文章各章节的安排 第二章介绍该软件的硬件平台，光谱仪的发展及研究意义，系统的硬件组成，光谱 的相关知识。 ( 1 ) 光谱仪的发展史、应用、分类及研究的意义。 ( 2 ) 介绍系统的硬件系统，线阵c c d 在光谱仪中的应用，模数转换器的原理、性能， 及本文选取的a d 9 2 2 0 转换器的相关性质，光学系统部分介绍光栅原理、光栅方程等。 ( 3 ) 介绍光谱分析的相关知识，包括吸收曲线、物质的定性分析、定量分析及吸光 光度法的应用。 第三章完成光谱仪的软件设计。利用v c 编写程序，实现主要功能，完成初步功能。 软件开发的基本思想、面向对象的开发软件、在本软件开发过程中v c + + 体现出的优越 性 ( 1 ) 根据用户需求设计软件的性能。 2 东北师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 介绍软件的应用功能，主要有实时显示，存储读取、参数设置、谱线系数标定 等功能。 ( 3 ) 分别介绍用v c + + 平台实现各个功能具体过程。 第四章用该仪器测试高锰酸钾溶液的浓度，并可推广应用到其他方面。 ( 1 ) 介绍实验仪器和和实验药品。 ( 2 ) 实验过程方法与试验结果。 ( 3 ) 对于实验进行分析。 第五章结语 3 东北师范大学硕士学位论文 第二章光栅光谱仪 2 1 光谱仪应用 小型光谱仪被广泛应用在包括食品检测，生物医学，医药卫生，化工，半导体， l e d 及激光光学成分特征，涂料配色，纸张生产等领域。主要用于测量吸收、反射、颜 色、透射、辐射度、拉曼散射，荧光等的光谱测量与分析。 2 1 1 光谱仪的发展史 光谱仪是应用光学原理对物质的结构和成分等进行测量和分析的基本设备，对光谱 的研究最早可以追溯到2 5 0 年前 4 】，英国物理学家牛顿进行了著名的棱镜分光试验，但 现代光谱技术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 nd 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。 1 8 5 9 年是光谱仪发展的第一阶段。这个阶段的主要工作是研制了后来在实验室光 谱仪器中使用的色散系统。这个阶段的光谱分析仅是定性分析。从那时起，光谱仪器不 断完善，但原理图仍和基尔霍夫的第一台光谱仪相同。到上世纪的三十年代，在科学研 究中己获得了光谱分析的极为丰富的资料，将实验室范围内累积起来的经验运用于工业 部门和地质队勘探之中的时期开始到来。实验室光谱仪器结构装置从非常精细的、具有 高分辨率的逐步向较为单一的、可取的和便于工业部门使用的批量生产的光谱仪器过 渡。 在光谱仪发展的第二阶段，开始创造出在实验室、工厂和野外条件下进行光谱定量 分析的批量生产的光谱仪器和装置。光谱仪器开始应用于工业分析用，首先是发射光谱 分析仪器，它保证了机器制造和冶金工业的发展，然后是电子振动和精细振动的光谱吸 收分析仪器，它保证了化学和与化学相近的工业的发展。在化学工业中，光谱学很久未 能得到应用，这是由于分子光谱理论的发展比较迟缓，因而相应仪器的制造也就迟后一 些时间。 现在光谱仪发展到了第三阶段，它的特点是测量自动化和测量精度高。对仪器的部 件，从照明部分到自动记录器，不仅要选择得使整台仪器与所提出的技术指标很好适应， 同时还要根据获得的信息进行光谱仪器特性的计算。可以预期，新型光谱仪器的研究和 完善，将解决光电记录光谱仪器的最优化问题。 2 1 2 光谱仪的应用 随着科学实验的进展，光谱仪器在各行各业中越来越得到广泛的应用。 1 光谱仪器在工业中的应用。 重工业是先行工业，它包括采矿、冶金、石油、机器制造等。光谱仪器是这些工业 4 东北师范大学硕士学位论文 中作为定性和定量光谱分析不可少的工具。在地质采矿中需要轻便的一次摄谱，要求有 较宽光谱范围的摄谱仪和看谱仪。在地质勘探部门都设立了光谱实验室，有不同数量的 中小型光谱仪器，它们主要是用于快速光谱分析。由于有色金属和稀土元素研究的发展， 地质采矿业逐渐需要具有大色散率的光谱仪器。 2 光谱仪器在生物学和医学中的应用 微量元素在生物和人体中的作用是很大的。分析这些微量元素，其工具必是各种光 谱仪器。在这之中，虽然原子吸收分光光度计前途最大，但也不可排除火焰分光光度计 和荧光光度计的应用，在生物细胞和各种维生素的分析工作中也广泛地采用了各种吸收 光谱仪器。显微分光光度计在微生物和医学研究工作中起着重要的作用。可见紫外分光 光度计、红外分光光度计、赖曼分光光度计常常被用来研究生物和微生物复杂的大分子 结构，它们对于解决生物学和医学中的一些基本问题己经起了并将继续起着重大的作 用。必须指出的是生物学已进入分子生物学时期。分子生物学是以蛋白质和核酸的结构 和功能为基础来研究生命现象基本规律的学科。吸收光谱仪器将在分子生物学中成为一 个有力的研究工具。在制药工业中，各种光谱仪器也得到了广泛的应用。 三鹿牌婴儿配方奶粉造成数千名婴儿患上肾结石，主要原因是奶粉中含有超标的工 业原料三聚氰胺，要检测乳与乳制品中的三聚氰胺最准的方法是先用红外光谱仪( 振动 光谱) 对样品中含有的三聚氢胺的结构进行定性检测后( 这种检测是非常规检测，只在 极少数情况下采用) ，再利用普通显微镜对形态进行观察，这样就可以准确判定其是否 含有三聚氰胺。 3 光谱仪器在物理学和化学中的应用 光谱仪器在物理学和化学中的作用主要是研究物质的辐射、物质的结构以及光和物 质的相互作用。光谱仪器在物理学和化学( 尤其是结构化学) 的发展历史上曾起过决定性 的作用，它对现代物质结构理论的形成做出了重大的贡献。光谱仪器是研究原子和分子 的能级分布、精细结构和超精细结构的适用工具。原子物理学和核子物理学促使了高分 辨率光谱仪器的发展。固体物理学的发展需要远红外光谱仪器的帮助。因为固体物理学 中的基本问题都与远红外光谱发生直接关系，干涉调制光谱仪器就是在这个条件下逐步 形成和发展起来的。 4 光谱仪器在天文学和空间物理学中的应用 天文学的发展有几千年的历史，光谱仪器的出现给它以飞跃的发展，从而形成了近 代天文学的主要学科一天体物理学。人们利用光谱仪器测量了星体的成分、大小、重量、 运动方向和速度以及温度等。在射电天文技术诞生之前，光谱仪器和光学望远镜是天文 研究中的最强大的武器。天文光谱仪器多数是无狭缝的( 经典式) 光谱仪器，因此天体物 理学的发展也促进了光谱仪器的发展和改进。 2 1 3 光谱仪的分类 光谱仪器的种类很多，分类方法也很多，它与分类者的出发点有关。设计、制造者 往往从仪器的原理、结构等方面进行分类，学者们则喜欢从使用和仪器特性等方面进行 分类。 5 东北师范大学硕士学位论文 根据光谱仪器所采用的分解光谱的工作原理，它可以分成两大类：经典光谱仪器和 新型光谱仪器。经典光谱仪器是建立在空间色散( 分光) 原理上的仪器，新型光谱仪器是 建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光谱仪。经典的光谱仪器依据其色散原理可将 仪器分为：棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪、反射式光谱仪和干涉光谱仪。根据接收和记 录光谱的方法不同可分为：看谱仪、摄谱仪和光电光谱仪。根据光谱仪器所能正常工作 的光谱范围，光谱仪器可分为： ( 1 ) 真空紫外( 即远紫外) 光谱仪：工作光谱范围为6 - 2 0 0 n m ； ( 2 ) 紫外光谱仪：工作光谱范围为1 8 5 - 4 0 0 n m ； ( 3 ) 可见光光谱仪：工作光谱范围为3 8 0 - 7 8 0 n m ； ( 4 ) 近红外光谱仪：工作光谱范围从可见光区至2 5um ； ( 5 ) 红外光谱仪：工作光谱范围为2 5um - 5 0l am ； ( 6 ) 远红外光谱仪：工作光谱范围为5 01 1m - l m m 。 根据仪器的功能及结构特点，光谱仪器也可以分为下列类型：单色仪、发射光谱仪、吸 收光谱仪、荧光光谱仪、调制光谱仪等。 2 1 4 研究小型光谱仪的意义 目前广泛使用的光谱仪虽然具有较高精度，但普遍存在体积大、价格昂贵、安装调 试困难、使用条件苛刻等不足。随着现代科学技术的飞速发展，许多应用领域对光谱仪 提出了更高要求。特别是随着航天遥感遥测、地质矿藏勘探、环境监测等众多领域的发 展，迫切需要一种小型化、微型化、集成化、智能化、功耗小、电压低、抗振动干扰能 力强、性能稳定可靠、使用方便灵活、性能价格比高，且能快速、实时、直观地获取光 谱信号的微型光谱仪【5 】。 计算机硬件技术的发展速度是惊人的，现在计算机速度越来越快，反应越来越灵敏， 体积越来越小，笔记本电脑加上光纤c c d 光谱仪，完全可以放在一个小的手提箱里，使 得研究人员对样品的测试变得更容易，并可以在线实时收集数据。越来越流行的通用串 行总线( u s b ) 接口可以使研究人员在使用光谱仪时不必打开主机箱。光谱分析软件功能 越来越强大，图形用户界面也越来越美观，形成了”虚拟仪器”( v i r t u a li n s t r u m e n t s ) 技术【6 】，目前已有不少学者利用这一技术进行研究，如生物医学、检测测试等。本文使用 软件来替代传统仪器的大部分功能：提供一套直接面向用户的操作面板，其外观和操作 几乎与实际仪器无异，而程序的源代码则对用户隐藏，用软件来代替硬件，可充分利用 现有资源，极大地节省成本。该软件是在微软公司的v i s u a lc + + 开发平台上开发的软 件。 2 2 统硬件组成 本光谱仪硬件采用基于u s b 数据接口的1 2 单路高速线阵c c d 驱动系列配合的a d 数据采集卡。线阵c c d 型号为t c d l 3 0 4 a p 。该采集卡采用高性能a d c 器件作为核心器 6 东北师范大学硕士学位论文 件，忙上自带静态缓存，适用于各种测量、测试和分析应用场合。采样精度为1 2 b il 最高采样频率5 m h z ，缓存3 2 k b y t e 。光敏元数为3 6 4 8 个，光敏元大小为8pm ，采样精 度为1 2 b i t 。光栅总长度2 9 1 8 4 n w n ，有效长度未知，光栅常数为d = 1 6 0 0 m m 。 图2 - 1 光谱仪的原理结构幽 图2 2 为c c d 驱动器接口，管脚功能参见表2 1 ，f c 、s p 、u 0 的时序简图参见 圈2 3 。 斟2 - 2c o ) 驱动器接口 軎 分时唧 12a45 n 。p 删j u u l f u l j u l 删删u l j u i j u | j u u l 皿_ i u | j u u l 鬲豁日j 晶 幽2 - 3f c 、s p 、u 0 的时序简幽 东北师范大学硕士学位论文 表2 1 管脚功能 信号名称管脚号功能描述输入输出 s p3像元同步信号 输入 s p ol 像元同步信号( 暂不使用)输入 f c2 行同步信号 输入 m 3 - m o6 ，7 ，8 ，9 积分时间设置电平信号输出 c l k o ，c l k l 4 ，5 驱动频率设置电信号输出 u o1 3 c c d 模拟输出信号输入 v c c1 5 5 v 直流稳压电源输出 + 1 2 v1 61 2 v 直流稳压电源 输出 g n d1 4 地线公共端 行同步脉冲f c 的上升沿对应于c c d 有效像元输出的开始，像元同步脉冲s p 的上升 沿则对应于每个像元的输出有效部分。f c 的周期则是积分时间，m 3 m o 作为积分时间 控制电平，只影响f c 的周期长短而不影响s p 的频率。 本采集卡支持多种用户设定功能，这些功能包括设定c c d 驱动器的积分时间。积分 时间的设定是由软件给出，由本采集卡输出至c c d 驱动器，从而达到控制积分时间的目 的。设定的积分时间控制电平 m 3 ：m o 的范围从：0 0 0 0 1 1 1 1 ( o 代表低电平，l 代表高 电平) 共1 6 档。 2 2 1 线阵c c d c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，电荷耦合器件，是2 0 世纪7 0 年代初发展起 来的新型半导体集成光电器件。与其他大多数光电转换器件不同，它是基于电荷 存储和电荷转移来工作的【_ 。也是本实验的光电转换器。c c d 经过长达近4 0 年的发 展，大致的形状和运作方式都已经定型。c c d 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、 聚光镜片以及最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产c c d 的公司分别为：s o n y ， p h i l i p s ，k o d a k ，m a t s u s h i t a ，f u j i ，s a n y o 和s h a r p 嗍。c c d 器件按其感光单元的 排列方式分为线阵c c d 和面阵c c d 两类，本实验采用的为线阵c c d 探测器。 2 2 1 1 线阵c c d 与面阵c c d 的比较 线阵c c d 结构简单，成本较低。可以同时储存一行电视信号。由于其单排感光 单元的数目可以做得很多，在同等测量精度的前提下，其测量范围可以做的较大， 并且由于线阵c c d 实时传输光电变换信号和自扫描速度快、频率响应高，能够实 现动态测量，并能在低照度下工作，所以线阵c c d 广泛地应用在产品尺寸测量和 分类、非接触尺寸测量、条形码等许多领域。 面阵c c d 可以同时接受一幅完整的光像面阵c c d 有行间转移( i t ) 型、帧间 8 东北师范大学硕士学位论文 转移( f t ) 型和行帧间转移( f i t ) 型三种 9 10 对于面阵c c d 来说，应用面较广， 如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量。面阵c c d 的优点是可以获取二 维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数般较线阵少， 帧幅率受到限制，而线阵c c i ) 的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数角 较面阵c c d 相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目 标的测量。以线阵c c d 在线测量线径为例，就在不少论文中有所介绍，但在涉及 到图像处理时都是基于理想的条件下，而从实际工程应用的角度来讲，线阵c c d 图像处理算法还是相当复杂的。 由于生产技术的制约，单个面阵c c d 的面积很难达到一般工业测量对视场的 需求。线阵c c d 的优点是分辨力高，价格低廉，如t c d l 5 0 1 c 型线阵c c d ，光敏像 元数目为5 0 0 0 ，像元尺寸为7 1 tm 7umx 7 ui n ( 相邻像元中心距) ，该线阵c c d 一维成像长度3 5 m m ，可满足大多数测量视场的要求，但要用线阵c c d 获取二维 图像，必须配以扫描运动，而且为了能确定图像每一像素点在被测件上的对应位 置，还必须配以光栅等器件以记录线阵c c d 每一扫描行的坐标。一般看来，这两 方面的要求导致用线阵c c d 获取图像有以下不足：图像获取时间长，测量效率低； 由于扫描运动及相应的位置反馈环节的存在，增加了系统复杂性和成本；图像精 度可能受扫描运动精度的影响而降低，最终影响测量精度。 即使如此，线阵c c d 获取图像的方案在以下几方面仍有其特有的优势：线阵 c c d 加上扫描机构及位置反馈环节，其成本仍然大大低于同等面积、同等分辨率的 面阵c c d , 扫描行的坐标由光栅提供，高精度的光栅尺的示值精度可高于面阵c c d 像元间距的制造精度，从这个意义上讲，线阵c c d 获取的图像在扫描方向上的精 度可高于面阵c c d 图像；新近出现的线阵c c d 亚像元的拼接技术可将两个c c d 芯 片的像元在线阵的排列长度方向上用光学的方法使之相互错位1 2 个像元，相当 于将第二片c c d 的所有像元依次插入第一片c c d 的像元间隙中，间接“减小”线 阵c c d 像元尺寸，提高了c c d 的分辨率，缓解了由于受工艺和材料影响而很难减 小c c d 像元尺寸的难题，在理论上可获得比面阵c c d 更高的分辨率和精度。 因此，线阵c c d 加扫描运动获取图像的方案目前仍使用广泛，尤其是在要求 视场大，图像分辨率高的情况下甚至不能用面阵c c d 替代。但是，仅有高的分辨 率还不能保证有高的图像识别精度，特别是线阵c c d 获取的图像虽然分辨率高， 但由于受扫描运动精度的影响，其图像较面阵c c d 图像更具特殊性。因此，图像 识别时不仅要充分利用分辨率高的优势，还必须从算法上克服扫描运动的影响， 使机械传动的误差不致直接影响最终的图像识别精度。 由于c c d 像元是有间隔的，不论面阵还是线阵c c d 获取的图像外观虽然是致 密的，但实质上都是离散图像，但面阵c c d 像元在纵横两个方向间隔一致，其图 像的离散度是一致的，而线阵c c d 图像由于存在像元间距和扫描行距，像素点在 两个坐标方向上的距离分别是像元间距和扫描行距，一般来说扫描行距受机械传 动部分的限制，远大于像元间距。 o 东北师范大学硕士学位论文 线阵c c d 获取二维图像，必须配以扫描运动，在此过程中，线阵c c d 在电机驱 动下水平前移，按照固定的时间间隔采集一行图像。从理论上讲，电机运动速度 应该是匀速的；c c d 采集图像的时间间隔主要取决于光积分时间，也应该是相等的， 因此行距应该是相等的，但由于电机运动产生的振动、启停过程中速度的变化， 特别是机械传部分的误差都会影响采集行距的一致性，同时，线阵c c d 自身光积 分时间也会影响采集行距。 2 2 1 2c c d 的噪声 在c c d 中有以下几种噪声源【lo 】：由于电荷注入器件引起的噪声；电荷转移过程中， 电荷量的变化引起的噪声；由检测时产生的噪声。 1 光子噪声，由于光子发射是随机过程，因而势阱中收集的光电荷也是随机的，就 成为噪声源。由于这种噪声源与c c d 传感器无关，而取决于光子的性质，因而成为摄像 器件的基本限制因素。这种噪声主要对低光强下的摄像有影响。 2 暗电流噪声，与光子发射一样，暗电流也是一个随机过程，因而也成为噪声源。 而且，若每个c c d 单元的暗电流也不一样，就会产生图形噪声。 3 胖零电流包括光学胖零电流噪声和电子胖零噪声，光学胖零噪声由使用时的偏置 光的大小决定，电子胖零由电子注入胖零机构决定。 4 俘获噪声在s c c d 中起因于界面缺陷，在b c c d 中起因于体缺陷，但b c c d 中俘获 噪声小。 5 输出噪声这种噪声起因于输出电路复位过程中产生的热噪声。该噪声若换算成均 方根值就可以与c c d 的噪声相比较【1 1 1 。 此外，器件的单元尺寸不同或间隔不同也会成为噪声源，但这种噪声源可以通过改 进光刻技术而减少。 2 2 1 3c c d 在光谱仪中的应用 在c c d 中，电荷注入的方法有很多，归纳起来，可分为光注入和电注入两类，在光 谱用c c d 中采用光注入方式，当光照射到c c d 硅片上时，半导体体内产生电子空穴对， 其中多数载流子被栅极电压排开，被收集在势阱中形成信号电荷。在栅极附近的少数载 流子则被收集到势阱中形成信号电荷。 光注入方式又可分为正面照射式和背面照射式。由于c c d 的正面布置着许多电极， 电极的反射和散射作用使得正面照射的光谱灵敏度比背面照射时低，即使是透明的多晶 硅电极也会因为电极的吸收以及在整个二氧化硅界面上的多次反射引起某些波长的光 产生干涉现象，出现若干个明暗条纹，使光谱响应曲线出现若干个峰与谷，即发生起伏。 为此光谱测量用c c d 常采用背面照射的方法。 具有高灵敏度、良好的空间分辨力、宽的光谱响应、宽的动态范围的c c d 是提高检 测和度量光信号能力的理想工具。如今硅集成电路的制作工艺已经非常先进，使c c d 检 测器具有极优秀的性能，并且价格降至与其它检测器如视像管、p d a 相当或更低。而c c d 的平面阵列结构，使其具有天然的多通道同时分析的优点。随着对c c d 研究的深入【1 2 】【l3 1 ， 以及高性能低价位新型c c d 1 4 】【1 5 1 的出现以及单片机的迅速发展，c c d 在国防及民用工业 1 0 东北师范大学硕士学位论文 等部门都引起人们的极大关注。与c c d 应用相关的另一个重要领域是智能化软件系统， 用以提取由大量检测像元提供的庞大的信息量，从而完成定量、定性、背景校正、操作 条件的优化等工作。仪器的商品化和能对大量图像和数据进行处理的计算机硬件和软 件，使c c d 在光谱分析中的应用逐渐普及。 2 2 1 4 本论文光谱仪c c d 的选择 光谱仪使用的c c d 1 6 】参数需要关注如下几个方面：像元数及像元尺寸，光谱响应范 围，灵敏度，动态范围，不均匀性。经过比较选用的是t o s h i b a 公司的型号为t c d l 3 0 4 a p 的线阵c c d 。t c d l 3 0 4 a p 是一款高灵敏度、低暗电流的线阵传感器。内部除了拥有高灵 敏度的c c d 芯片以外，t c d l 3 0 4 a p 还具有电子快门功能( i c g ) 。电子快门功能使得器件 能够实现输出的电压随着接收光强的变化而稳定变化的功能。 表2 2t c d l 3 0 4 a p 基本特性 帅 呐 特性最小值典型值最大值单位 像素数 3 6 4 8 像素大小 8 * 2 0 0m m 灵敏度 1 1 01 6 0 v l x s 像敏元不均匀性 1 0 寄存器不均衡度3 饱和输出电压 4 5 06 0 0m v 暗信号电压 25m v 总传输效率 9 2 9 5 动态范围 3 0 0 饱和曝光量0 0 0 4l x s k 瞄纠 ， 图2 4t c d l 3 0 4 a p 的结构 l l 东北师范大学硕士学位论文 中央光敏阵列共有3 6 7 8 个光电二极管，实际有效的光敏单元为中间3 6 4 8 个光电二极管， 用s n 表示。前后共3 0 个标为d n 的光点二极管主要是被遮蔽的用于暗电流检测的光电 二极管。每个光敏单元的尺寸为8um x 2 0 0um ，相邻两光敏单元的中心距为8um ，光 敏单元的总长度为2 9 1 8 4 m m 。光敏单元两侧是分清除门( i c g ，i n t e g r a t i o nc l e a r g a t e ) ，再接着是转移栅电极( s h i f tg a t e ) ，转移栅的两侧为c c d 模拟移位寄存器。移 位寄存器输出端带有信号输出缓存。图2 4 中，中央是器件的摄像机构或者称摄像区， 在摄像区的两侧为积分清除门和c c d 移位寄存器。c c d 移位寄存器由一系列的m o s 电容 器组成，它们对光不敏感，只是接受摄像区转移来的电荷包，把它们逐个移位到信号处 理电路中去，最后送到器件外部。积分清除门控制摄像区光积分电荷到c c d 移位寄存器 的转移。摄像区1 0 2 4 个m o s 电容器在光照下获得光生载流子形成电荷包。当积分清除 门允许电荷转移时，摄像区的电荷包，按奇偶序号分开，分别转移到两侧的移位寄存器 中去。转移完成后，摄像区开始下一次光积分，而c c d 移位寄存器中的电荷包在驱动脉 冲的控制下，由右向左移位。在输出端，两个移位寄存器中的电荷包经信号检测电路后， 以奇偶序号交替的方式把信号存入缓存中等待输出，以恢复摄像时的次序。由于 t c d l 3 0 4 a p 在器件内部对输出信号进行了采样，所以0 s 引脚输出的信号为离散时间模 拟信号，采样频率为o 5 艘z 。 2 2 2 模数转换模块 2 2 2 1a d 转换器原理及性能指标 a d 转换器是一种能把输入模拟电压或电流转变成与它成正比的数字量【1 7 1 ，即能把 被控对象的各种模拟信息变成计算机可以识别的数字信息。a d 转换器种类很多，但从 原理上通常可以分为以下四种：计数器式a d 转换器，双积分式a d 转换器，逐次逼近 式a d 转换器和并行a d 转换器【1 8 】。计数器式a d 转换器结构很简单，但转换速度也很 慢，所以很少采用。双积分式a d 转换器抗干扰能力强，转换精度也很高，但速度不够 理想，常用于数字式测量仪表中。计算机中广泛采用逐次逼近式a d 转换器作为接口电 路，它的结构不够复杂，转换速度也高。并行a d 转换器的转换速度最快，但因为结构 复杂而造价较高，故只用于那些转换速度极高的场合【1 9 1 。 a d c ( a n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e r ，模数转换器) 的性能指标是正确选用a d c 芯片的 基本依据，也是衡量a d c 质量的关键问题。a d c 的性能指标很多，包括分辨率、线性度、 偏移误差、温度灵敏度和功耗等掣2 0 】。这里说明两点： 1 转换速度( c o n v e r sio nr a t e ) 转换速度是指完成一次a d 转换所需要时间的倒数，是一个很重要的指标。a d c 型 号不同，转换速度差别很大。通常，8 位逐次比较式a d c 的转换时间为1 0 0ps 左右。 选用a d c 型号应视现场需要而定，在被控系统的控制时间允许的情况下，应尽量选用便 宜的a d 转换器。 2 转换精度( c o n v e r s i o na c c u r a c y ) a d c 的转换精度由模拟误差和数字误差组成。模拟误差是比较器、解码网络中的电 1 2 东北师范大学硕士学位论文 阻值以及基准电压波动等引起的误差，前者属于非固定误差，由器件质量决定，后者和 a d c 输出数字量的位数有关，位数越多，误差越小。 在a d 转换过程中，模拟量是一种连续变化的量，数字量是断续的量。因此，a d 转换位数固定下来以后，并不是所有模拟电压都能用数字量精确表示。例如，假定3 位 二进制a d 转换器的满量程值w s 为7 v ，即输入模拟电压都能用数字量精确表示。如果 模拟输入电压为：o v 、i v 、2 v 、3 v 、4 v 、5 v 、6 v 和7 v 时，3 位数字恰好能精确表示， 不会出现量化误差。如果输入模拟电压为其余值，则会产生量化误差，输入模拟电压为： 0 5 v 、1 5 v 、2 5 v 、3 5 v 、4 5 v 、5 5 v 和6 5 v 时量化误差最大，应当是0 5 v ，故量化 误差的定义是分辨率的一半，其计算公式为： l ， 9 = l ( 2 1 ) 一 ( 2 “一1 ) x 2 上式中：n 为a d c 的二进制数。 2 2 2 2 本论文选用的a d 9 2 2 0 转换器 a d 9 2 2 0 是a n a l o gd e v i c e s 公司生产的高精度、高动态范围、高速度的单块集成1 2 位动态范围并行模块的模数转换器。噪声7 0 d b ，可选通过率1