（生物医学工程专业论文）基于FPGA和面阵CCD摄像头的动态光谱数据采集与预处理.pdf

a b s t r a c t n o n i n v a s i v em e a s u r e m e n to fh u m 锄b l o o dc o m p o s i t i o n si saf o r e l 锄di nt h e b i o m e d i c a le n g i n e 舐n gf i e l d 也a ts t i l ln o tb e e nt o t a l l y 如l f i l l e d d y n 鼬i cs p e c 缸d s c o p y i san e w m e 也o dc o n q u e r st 1 1 ei n t e r f e r e n c eo f 也ei n d i v i d l l a ld i s c r c p a n c ya n d m e a s u r e m e n tc o n d i t i o n st h a to t h e rd e t e c t a t i o nm e 也o dc a nn o to v e r c 锄e t h e a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n go f m u l t i c h a n n e lp u l s ew a v ei st h e 五r s ta n di m p o n a n ts t e p f 0 r r e a l i z i n gd y n a m i cs p e c t r o s c o p y a i ma t t h ef - e e b l e n e s s ，l o w 弧a n dl a 唱e q u a n 廿锣o ft h ed ) ，i l a m i cs p e c 仇珊s i g n a l ，ad e t e c t i o n 趾dp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do n f p g a 锄da r e ac c dc 锄e mi sd e s i 印e dt o 帅r o v ed e t e c 切l t i o np r e c i s i o n 孤dr e a l i z e 也ea c q u i s 撕o no fp u l s ew a v e t h ec r i t i c a l 灿g o r i 也mo fd y n a n l i cs p e c 仃s c 叩yp i c k 印 i n r e q u e n c ya r e a ，f a s tf 0 l i r i e rt r 锄s f o m la l g o r i t h m b a s e do nf p g ai sa l s od e s i g n e d t 址ss y s t e ml l s e s 盯e ac c dc a m e r at 0g u _ b s t i t u t et 1 1 el i g h tr e c e i v e ro fg e n e r a lr 舔t e r s p e c 协l md e v i c e ，r e a l i z et 1 1 ed e t e c t a t i o no fm l l l t i c h 锄e lp u l s ew a v e f 0 rt h e ，伽o d i i n e 璐i 叩f c a t u r eo fa r e ac c d ，s i g n a l i n t e 酬m e m o di s 而l i z e dt oe l i m i n a t et h e n o i s e 蛐di m p r o v et h es n r a ni n n o v a t i v em e m o dt or e a l i z es i g n a l i n t e g r a l i su s e d ，谢t hw h i c h 也ep 议e ld a t a s i ne v e 巧r o wi sa d d e do n eb y0 n ei n 也ep r o c e s so f d a t ac o u e c 廿0 n ，缸dt h c nt 1 1 er c s u l t i s 由眦s f e r r e da n ds t o r e d ，n l r o u g h 也i sm e t l l o d ，s n rc 姐b er a i s e ds h a 印l y ，姐dm e 仃姐s 血ts p e e d ，q u 姐t 崎o fd a t aa n d 也ec a p a c 埘o fm 锄。巧i sd e c r e a s e da t 也es 锄e t i m et o 呻r o v es y s t e n lp e r f 0 皿a n c e b a s e do nt h ec h a r a c t e r so fc 伽叩o u n dv i d e os i 目m lp u t o u t 缸粕a r e ao c dc 锄e r a ， 仕l ev i d e 0s i 弘a ld e m o d u l a t i o nc i r c 血ti sd e s i g n e df o rg e t t i n gd i g 妇l 讥d e od a t ao fh i 曲 s p e e d 蚰dh i g hp r e c i s i o n 粕de x a c tv i d e os y n c h r o n o l l ss i 弘a l s f o rt h er e q u i r e 衄t so fd y n a l i cs p e c 仃o s c o p ys i 乒a ld e t e c t a t i o n 蛆dv i d e os i 印a l c o u e c t i o n ，p r o g 咖n m b i el o 舀cd e v i c ef p g a i ss e l e c t e d 雒t h eh 鲫押a r ep l a 怕n n d e s i g n 髓dr e a l i z ea m l t i c h a 皿e lp u l s ew a v ea c q u s i t i a n dp r o c e s s i n gs y s t e m t h i s s y s t e mr e a l 娩e dt 1 1 en i c e t ) ，o r i e n t a t i o no f 啊d e os i 伊a l ，衄d 也em n c t i o no fa d d i n g o f e v e 口r o wi nh i 曲s p e e di sa c h i e v e d i tu s e sn i o si i s o rc o r eb a s e do n ：f p g a 硒 c p u ，锄dt h ea p p l i c a t i o np r o g r a l ni sd e s i g n e dt oc o n 臼0 l 也ep r o c e s so f d a t ac o u e c t i o n 衄dp r o c e s s i n gd 印e n d a b l y 髓di m p r o v e ss y s t e mi n t e 伊a t i o n s a v e st h ec o s t f o r 也er e a l i z a t i o fd ) r n a 缸cs p e c t r s c o p yp i c k 砸丘e q u e n c ya r e a ，t h e r c a l i z a t i o no ff f tb a s e d0 nf p g ai sr c s e a r c h e d ，w h i c hp r o v i d e sa 白l v o r a 【b l ed e s i g n s c h e m ef 0 rt h ed y n a i i l i cs p e c t n j n ls i g n a lp r o c e s s i n g a tl a s t ，t h ec o r r e c t i l e s sa n df e a s i b i l i t ) ，o ft h i ss y s t 锄i sp r a v e dm r o u g h e x p e r i m e n t s ，锄dt h ep u l s ew a v e i sr e q u i r e dw h i c hi su pt om u s 伽i s a c q u i r e d yw o l m s ：b l o o dc o m p o s i t i o n s ，n o n i i l v 心v em e 懿u r e m e n t ，d ) r n 锄i c s p e c 仇l m ，v i d e os i g n a lc o l l e c t i o n ，s i g l l a l i n t e 触l ，f p g a ，f f t 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，也不包含为获得苤鲞盘堂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。 学位论文作者签名：冶签字吼纱7 年6 月”日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂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： 彦静 签字日期：乙卯7 年厶月乡日 导师弛易唼! j 签字日期：州年6 月肜日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 血液蕴藏着人体生命活动的重要信息，检测人体血液中各成份的含量对疾病 的诊断和治疗有着极为重要的意义，是医学临床的一个重要诊断依据n 。4 1 。血液成 份的无创检测技术具有测量快速、无创伤、无疼痛、无需试剂等优点，目前发展 出的方法有微波法隋1 、近红外光谱法哺1 、中远红外光谱法n 、旋光法阻1 、拉曼光谱 法四1 、光声法n 们等。其中，最具代表性的近红外光谱无创检测方法成为主流的研 究方向，是最有发展前途的血液成份无创检测方法之一n 1 。1 别。 从目前国际和国内的研究现状来看，近红外血液成份无创检测的研究已经取 得了诸多理论基础研究和阶段性的实验成果。a m e r o v 等人n 3 1 证实了散射和吸收对 于血糖浓度的漫反射的影响程度；s t e p h e n 等人n 钔应用近红外漫反射方式，进行 了无创性葡萄糖检测的研究。s a p t a r i 等人n 5 1 的研究指出信号的信噪比低是应用 近红外光吸收技术进行生理血糖浓度检测的主要困难。g o w d a 等人幢6 1 考察了漫反 射光谱学方法用于无创血糖检测的诸多影响光谱接受的因素。除了血糖的近红外 无创检测，对血氧的近红外无创检测也是人们研究的热点方向。另外，对于血液 其它成份如血红蛋白，血清中的葡萄糖、脂类、蛋白质等应用近红外光谱法进行 测量均有研究报道n h 钔。我国对近红外光谱技术的研究及应用起步相对较晚。北 京大学的孙颖、吴瑾光乜们，清华大学丁海曙幢，天津大学徐可欣教授池1 等人均 对血液成份的无创检测法进行了专项的研究。但是，目前除了血氧饱和度的检测 得到了临床应用，其它血液成份的近红外无创检测方法仍处于研究阶段，不能真 正的达到临床诊断和治疗的精度要求。 测量条件和个体差异是研究者公认的近红外光谱测量血液成分的最大难题。 为了突破这个难题，本课题组的李刚教授提出了基于近红外光谱检测的动态光谱 法，通过该方法进行无创血液成分检测法，在理论上能够消除测量对象的个体差 异，降低对测量条件的要求。 动态光谱信号的提取需要多波长的脉搏波检测，需要高性能的多通道动态光 谱检测仪器。通过比较乜劓，在各种类型的近红外光谱仪中，基于电荷耦合器件 ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s ，c c d ) 的多通道检测器件生产技术的日趋成熟，采用固 定光路、光栅分光、多通道检测器构成的近红外光谱仪，具有性能稳定、扫描速 度快、分辨率高、性能价格比好等特点，这也正是动态光谱检测仪器所应具备的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 条件。 然而，由于人体血液成份复杂，在近红外光谱区没有尖锐的吸收峰，各血液 成份之间光谱重叠和交叉干扰的问题较为严重；而且人体组织是一个强散射介 质，在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。 另外，多波长脉搏波的实时采集，需要检测仪器能够完成高数据流的处理、传输 和存储。因此，对光谱检测的灵敏度、精度，以及光谱仪的数据处理性能均提出 了很高的要求，是普通的光谱仪远不能达到的，成为实现动态光谱法无创血液成 份检测亟需解决的问题。 1 2 课题的主要工作 动态光谱法对血液成份的检测要求得到多波长的光电脉搏波，由于其检测信 号的光强微弱、信噪比低、数据传输速度快、数据量大，必须使用高精度、高速 度的光谱检测仪器。所以，无论是对光电接收器，还是后续的信号处理硬件平台 的性能都有很高的要求。 课题的主要工作有： ( 1 ) 结合动态光谱信号检测的特点和需要，比较了使用面阵c c d 相对于线阵 c c d 的优势，提出了基于f p g a 和面阵c c d 摄像头的动态光谱信号采集和预处 理系统；设计符合动态光谱检测精度要求的视频信号解调电路，得到高速、高精 度的数字信号和准确的视频同步信号； ( 2 ) 结合面阵c c d 二维图像的特点，采用信号累加法去除噪声，并根据f p g a 的高速处理性能，创新性的提出不同于以往的信号累加法一同行累加，将处于 同一行的视频信号在采样过程中直接叠加，然后再进行传输和存储。该方法在提 高信号信噪比的同时，大大的减小了数据的传输速度和传输量，进而减小了对存 储器容量的要求； ( 3 ) 根据视频信号采集的特点和动态光谱检测的要求，选用了f p g a 作为脉 搏波信号采集和处理的平台，构建了基于视频信号的光电脉搏波检测系统。通过 该系统对视频信号的处理，实现了视频信号的精确定位，其内部的叠加模块完成 了高速的同行累加功能。采用了基于f p g a 的n i o si i 嵌入式处理器管理数据的 采集流程，通过1 7 a r t 串口和s d r a m 控制器接口，可靠的实现了数据的传输 和存储。该视频采集系统不仅能够实现动态光谱信号的检测，而且对其它微弱光 源信号的检测也具有一定的借鉴意义： ( 4 ) 对动态光谱频域提取法的核心算法f f t 基于f p g a 的实现方案进行 了研究：设计了高效的蝶形运算单元，采用加、减法单元复用的方式，在提高计 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 算效率的同时节省了f p g a 内部资源；根据旋转因子的特性设计r o m 寻址控制 方式，将存放旋转因子的r o m 空间节省了一半；对存放数据的洲寻址控制 分为数据输入、计算阶段、倒序输出三阶段分别进行设计，使得寻址方式简洁明 了。对f f t 算法的f p g a 实现方法研究，为动态光谱信号进一步的处理打下良 好的基础： ( 5 ) 通过系统评估实验，验证了视频信号采集系统去噪方案的可行性和数据 采集的正确性；通过光电脉搏波采集实验，分别完成了单通道和多通道的脉搏采 集。 1 3 论文的内容和结构 本课题以动态光谱频域提取法为设计的理论依据，根据动态光谱信号检测的 要求，构建了基于f p g a 和面阵c c d 摄像头的动态光谱数据采集与预处理系统， 并对动态光谱频域提取法的核心算法f f t 的f p g a 实现进行了研究。具体的结 构安排如下： ( 1 ) 第一章为绪论部分。首先，根据国内外人体血液成份无创检测的研究现 状，表明了动态光谱血液成份无创检测法的优势；阐明了普通的光谱检测仪器无 法满足动态光谱检测的要求；提出了实现动态光谱检测亟待解决的问题，从而明 确了本课题所要完成的主要工作；最后，介绍了论文的主要研究内容和结构。 ( 2 ) 第二章介绍了动态光谱及其频域提取法的原理；概述了课题的总体设计 方案；阐明了面阵c c d 比线阵c c d 更适合于动态光谱检测的原因，说明了面阵 c c d 摄像头用于光谱检测量时所需的参数调整；阐述了选用f p g a 作为系统硬 件平台的优势，并对f p g a 及课题将要用到的的基于f p g a 的s o p c 技术和n i o s 嵌入式处理器做了简要的介绍；最后，介绍了系统所使用的f p g a 开发板的资源 和结构。 ( 3 ) 第三章介绍了视频信号解调电路的设计与实现。从视频信号的结构、箝 位、采样的原理入手，详细阐述了视频解调电路的设计方案：依据动态光谱检测 需要高精度、高速度的特点，对电路中的主要芯片进行了选择；实现了符合动态 光谱检测要求的视频解调电路，为后续数字视频信号的处理做好准备。 ( 4 ) 第四章详细的阐述了针对光电脉搏波检测的视频信号采集系统的实现。 首先，根据动态光谱信号信噪比低的特点，创新型的提出视频信号同行累加方法， 不但更好的满足动态光谱检测的精度要求，而且解决了数据传输速度快，处理数 据量大的问题。然后，对基于f p g a 的视频信号采集系统中的各个模块做了着重 的介绍；最后详细的分析了系统的信噪比、传输速度、数据量、对存储器容量的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 要求等，证明了基于视频信号的光电脉搏采集系统满足动态光谱检测的要求。 ( 5 ) 第五章主要介绍了动态光谱频域提取法的核心算法- f f t 的f p g a 实 现方案。对f f t 算法的关键模块包括蝶形运算单元、删和r o m 的寻址控制 方法做了详细的介绍。 ( 6 ) 第六章是实验部分，通过实验充分的证明了动态光谱信号采集系统数据 采集的正确性，去噪方案的可行性。并采集出满足要求光电脉搏波信号，为动态 光谱信号进一步处理打下良好基础。 ( 7 ) 第七章总结了课题所完成的工作，并对动态光谱频域提取法的最终实现 提出了可行的建议。 天津大学硕士学位论文 第二章课题总体设计 第二章动态光谱原理与课题总体设计 人体血液成份的无创检测是生物医学领域尚未攻克的前沿课题之一，动态光 谱法在理论上克服了其它检测方法难以逾越的障碍个体差异和测量条件对 检测结果的影响。然而，由于血液成份和人体组织的特点，对动态光谱检测仪器 的灵敏度和检测精度提出了较高的要求；而且，多波长脉搏波的实时采集，需要 检测仪器能够完成高数据流的传输和处理，这些都是动态光谱数据采集系统设计 过程中需要研究和解决的问题。本章首先介绍了课题的理论基础动态光谱法 及其频域提取的原理，根据动态光谱信号检测的特点，系统的总结了实现动态光 谱频域提取法所要解决的问题，详尽的阐述了课题的总体设计方案，并对课题所 使用的关键器件做了详细的介绍： 2 1 课题理论基础 2 1 1 动态光谱原理 动态光谱法是一种全新的检测人体血液成份浓度的方法，它是根据光电脉 搏波的产生原理利用动脉充盈与动脉收缩时吸光度的变化量，来消除测量中由于 皮肤组织和肌肉组织产生的个体差异踟刀。 由于动脉的脉动现象，使血管中血流量呈周期性变化，而血液是高度不透 明液体，光照在一般组织中的穿透性比在血液中大几十倍。因此，脉搏搏动的变 化必然引起近红外光谱吸光度的变化，如图2 1 所示。动脉血管充盈度最低状态 时，来自光源的入射光没有受到脉动动脉血液的作用，此时的出射光强i n 瞰最强， 可视为脉动动脉血液的入射光i o ；而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i 曲最弱，为脉动动脉血 液的最小出射光强i ，所以通过记录动脉充盈至最大和动脉收缩至最小时的吸光 度值，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。 根据朗伯一比尔定律得： 一兰c f d = l n 冬罢芸：l n 哑：彳 。1 j 哦 ( 2 1 ) 式中a 为脉动动脉血液吸光度，硝最大充盈状态下脉动动脉血液的等效光程长。 天津大学硕士学位论文第二章课题总体设计 因此，得出动态光谱的定义是：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c j 。 入射光 壁型! 图2 1 光电脉搏信号 2 1 2 动态光谱频域提取法 动态光谱信号的提取方法分为时域提取和频域提取【2 孓3 0 】。动态光谱在时域中 提取的关键是准确提取光电脉搏波的最高点和最低点，经过实验验证，在时域上 测量脉搏波光谱数据，光谱精度受到测量系统的采样率和采样精度的影响，采样 点不一定能够采到脉搏的最大值点或最小值点。要想在时域上光谱数据提取的精 度高，就会对硬件的要求很高，目前的测量仪器很难达到要求。而频域提取法在 改善测量条件，提高信号的信噪比；设计高性能的光谱测量系统，尽量提高系统 的采样率和采样精度的前提下，利用f f t 算法来处理光谱数据，提取动态光谱， 以达到提高信号信噪比，降低光谱测量系统要求的目的，从而改善整个测量系统 的性能。 快速傅立叶变换( f i 叮) 是一种常用的信号处理工具，它具有滤波作用，对 信号的信噪比产生增益。按照朗伯比尔定律，当被测成分浓度不变时，各波长 下的脉搏波应该具有相似性。而对于光谱而言，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。而且傅立叶变换本身的特性是线性的，所以，将时 天津大学硕士学位论文 第二章课题总体设计 域中的信号变换到频域中时，具有时j 葑一频域的线性关系变化。由于傅里叶变 换本身具有的线性的特性，且各个波长下的脉搏波具有相似性，所以对脉搏波进 行傅里叶变换后，不会改变光谱数据之间的比例关系。 根据公式( 2 1 ) 进一步的推导，得到： ， 彳= l n 等= l n ，m i n h j 一 ( 2 _ 2 ) 叫x 在只取信号之间的比例关系，而不涉及具体数值的要求下，我们考虑用信号 其它的便于提取的特征量来代替峰峰值的提取。根据脉搏波波形之间的相似性和 傅里叶的线性变换特征，用频域中的基波幅度分量之间的比例关系，代替时域中 的信号峰峰值之间的比例关系。 ，、 彳= l n 墅l = l n 血一l n ，一= 七r u ) ( 2 - 3 ) m “ 式中，x ( 1 ) 为对数脉搏波f f t 变换后提取的基波幅度值，k 为比例系数， 它表征了信号两种特征量：峰峰值和基波值之间的比例关系。对公式( 2 3 ) 分 析如下：对检测到的脉搏波信号取自然对数，并不会改变其极值与原信号极值之 间的对应关系，检测出取对数后的光电脉搏波的峰峰值( ) ，即可得 到动态光渤的值。第二，| j 表征了信号的峰峰值和其频域的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一频域的线性关系。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。所以尼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( 2 3 ) 组成吸光度光谱，这就是动态光谱的频域提 取方法。 动态光谱的频域提取法利用f f t 将动态光谱数据的提取从时域转换到频域， 首先，提高了检测信号的信噪比；其次，f f t 相当于一种加权平均的变换方法， 个别数据点的采样情况，对整个测量结果的影响很小，所以频域动态光谱的提取 方法，并不要求对极值点的准确采样，从而提高了光谱测量的精度，同时降低了 测量系统中对硬件采样率，采样精度等性能的要求。 2 2 课题总体设计 动态光谱法对血液成份的检测采用光栅分光系统，要求得到多波长的光电脉 搏波，由于其检测信号的光强微弱、信噪比低、数据传输速度快、数据量大，必 天津大学硕士学位论文第二章课题总体设计 须使用高精度、高速度的光谱检测仪器。所以，无论是对光电接收器还是后续的 信号处理硬件平台的性能都有很高的要求。 根据动态光谱的的频域提取法原理，需要进行光电脉搏波的检测、光谱数据 预处理与提取、光谱数据的分析三部分t 总结出其实现步骤为：( 1 ) 得到多波长 的光电脉搏波；( 2 ) 对脉搏波信号实现去噪处理( 3 ) 对光电脉搏波数据取对数和 f f t 处理；( 4 ) 提取基波分量，组成动态光谱。如图2 2 所示。 图2 2 动态光谱频域提取法的实现 根据动态光谱信号检测的要求和频域提取法的特点，有以下四个需要解决的 问题： ( 1 ) 光电脉搏波信号能量微弱，需要检测仪器具有很高的灵敏度和分辨率： ( 2 ) 光电脉搏波信号信噪比低，不仅要求检测仪器本身要实现高精度的数据采 集，而且需要采用适当的去噪声方法来提高信号信噪比； ( 3 ) 多波长的脉搏波信号采集和处理，其数据量大、速度快，对存储器容量的 要求也高； ( 4 ) 对光电脉搏波信号的f f t 处理，需要系统硬件能够实现大规模的高速并 行处理。 因此，选择合适的光电接收器和高性能的硬件处理平台构建高速度、高精度 的动态光谱信号检测和预处理系统，正是本课题所要做的工作。课题的总体设计 遵从以下思想：首先，选用高灵敏度的光电接收器检测光强微弱的信号；其次， 通过适当的信号处理方法减少噪声，提高信号信噪比；第三，选用运算速度快， 处理性能高的硬件组建系统，实现信号的高速采集与预处理；最后，选用合适的 嵌入式处理器管理系统的信号采集、处理与存储。 根据以上思想，完整的动态光谱频域提取法数据采集与预处理系统如图2 3 所示。系统分为三大模块：c c d 摄像头、视频信号前端解调电路、基于f p g a 的 光电脉搏波采集与预处理系统。课题的总体设计方案如下：选用高分辨率、高灵 敏度的面阵c c d 作为系统的光电接收装置；根据视频信号的特点，设计符合动态 光谱信号检测精度的视频信号解调电路；选用高性能的f p g a 作为信号采集与预 处理平台，构建基于视频信号采集的光电脉搏波采集系统；采用信号积分去噪法， 天津大学硕士学位论文第二章课题总体设计 对光电脉搏波进行去噪预处理方，提高检测信号的信噪比；设计基于f p g a 的f f t 实现方案；选择基于f p g a 的n i o s1 i 嵌入式微处理器作为系统的c p u ，实现对基 于f p g a 的视频信号采集与处理系统的控制和管理。 图2 - 3 动态光谱数据采集与预处理系统框图 2 3 面阵c c d 摄像头 在动态光谱信号检测系统中，光电接收器灵敏度的高低对能否测得满足要求 的光电脉搏波信号有着至关重要的影响。在光谱检测仪器中，目前应用较多的是 光电倍增管( p m t ，p h o t o m u l t i p l i e rt u b e ) 【3 l 】，它的优点是结构简单、体积小、 操作容易、灵敏度高；但它的致命缺点是寿命短、只能实现单道检测。随着光电 半导体技术的发展，电荷耦合器件( c c d ，c h a 唱ec o u p l e dd e v i c e ) 、光电二极管 阵列( p d a ，p h o t o d i o d e a a n 可s ，) 、电荷注入器件( c ，c h a r g ei n j e c t i o nd e v i c e ，) 等检测器逐渐应用于光谱分析中，它们的性能不但可以与p m t 媲美，而且能够实 现多通道的同时检测。其中，又以c c d 的性能最为突出，与其它接收器相比，它 具有灵敏度高、噪声低、速度快、动态范围高、光谱响应范围宽，可实现多通道 检测等优点，被广泛的应用于光谱检测中【3 2 3 3 1 。 2 3 1 面阵c c d 与线阵c c d 的比较 c c d 是2 0 世纪7 0 年代迅速发展起来的一种新型半导体探测器件，它能存储 由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存贮的信号电 荷便能在c c d 内作定向传输而实现自扫描。c c d 传感器不但具有体积小、重量轻、 功耗小、工作电压低和抗烧毁等优点，而且在分辨率、动态范围、灵敏度、实时 天津大学硕士学位论文 第二章课题总体设计 传输和自扫描等方面的优越性，也是其它光电传感器无法比拟的1 3 4 】。 c c d 分为线阵c c d 和面阵c c d 两种。针对光栅光谱仪的特点，为了更好的 实现动态光谱信号的高精度检测，课题选用了面阵c c d 。其主要原因如下：线阵 c c d 像敏元为一维线性排列，光谱色散分布方向与线阵c c d 像元的排列方向一 致，因而只可以通过一个( 或几个) 像敏元采集一个频带光源的信号；而面阵 c c d 的像敏元为空间二维矩阵分布，可以把其中一个排列方向作为光谱色散方 向，另一个方向平行于频带光源的分布方向，这样的面阵c c d 就可以实现空间线 状光源的光谱分布，可以获得更多的信息【”】，提高了有效光强的利用率。如图 2 - 4 所示。而且，面阵c c d 对每个频率的光带采集出n 个像素点( n 与a d c 的采样 速度成正比) ，可以采用一种信号累加法来提高检测信号的信噪，在提高检测精 度的同时，减小数据传输速度和数据量，以及对存储器容量的要求，这将在第三 章中介绍。 频 带 光 源 分 ：佑 方 冉 频 带 光 塬 分 布 方 向 7 一咖一 光谱色散方向7 一o 一光谱色散方向 ( 1 )( 2 ) 图2 - 4 面阵c c d 和线阵c c d 比较 2 3 2c c d 摄像头的选择与参数调整 为了更好的满足动态光谱信号的检测，还需对摄像头的类型进行选择。c c d 摄像头有黑白和彩色两种，黑白摄像头输出的信号是灰度图像，每个像素的信息 由一个量化的灰度级来描述的图像，没有彩色信息；彩色摄像头每个像素的信息 由r g b ( 红、绿、蓝) 三原色构成的图像，r g b 是由不同的灰度级来描述的。一 般，黑白摄像头的灵敏度高于彩色摄像头，适合用于对微弱光源的检测，因此选 用了黑白摄像头。 课题选用了台湾敏通公司的高灵敏度、高分辨率黑白摄像头删1 3 v 5 h 。 其主要特性如下： ( 1 ) 扫描制式为p a j l 制 ( 2 ) 面阵c c d 的靶面尺寸为1 3 英寸，拥有较高的视场角和图像清晰度； 天津大学硕士学位论文 第二章课题总体设计 ( 3 )c c d 总像素数为7 9 5 ( h ) 5 9 6 ) ，有效像素4 4 万，属于高分辨率型 摄像头； ( 4 )其光敏单元的尺寸为6 5 0 ( 哪) 6 2 5 ( u m ) ； ( 5 ) 光谱响应范围：5 0 0 砌1 1 0 0 l l n l ； ( 6 )正常工作模式下的最小响应照度为o 0 8 l u x ： ( 7 ) 信号自动增益可关闭 ( 8 ) 图像信号信噪比增益为6 0 d b ，图像质量优良； ( 9 )电子快门可调范围：1 5 0 一1 1 2 0 0 0 0 秒。 值得注意的是，摄像头应用于对光谱信号的检测是与对普通物体的拍摄有很 大不同，需要对摄像头的参数进行一些设置： ( 1 ) 工作模式：m r 1 3 v 5 h 具有帧累积功能。在帧累积模式下，目标图 像信号按照c c d 自身扫描方式，仍以每秒2 5 帧被采集，摄像头内部触发器根据 帧累积数的设定，如2 、4 、8 、1 6 、3 2 ，1 2 8 帧才被触发输出一次，相当于 图像经过c c d 摄像机物镜在c c d 光敏面上不断累积，信号在被累积n 次以后才 被输出。这种帧累积方式在静态被光测物的光照非常微弱时使用，可以大大的提 高摄像头对微光的响应，但是对于动态光信号却不能使用这种方法，因为，帧经 过累积后输出，相当于将采样速度除以了累积数。例如，对脉搏波信号的频率为 1 h z ，帧频是2 5 h z ，假设累积了8 帧，那么帧频仅位3 h z ，根本无法满足脉搏波 的采样要求。因此，不采用帧累积工作模式。摄像头的工作模式设定为正常工作 模式即可。 ( 2 ) 电子快门：只有在拍摄快速运动的物体时才使用电子快门，物体运动 速度越快，需要的电子快门曝光时间就越短，与此同时c c d 的积分时间就越短， 被利用的有效光量就越小。在检测动态光谱信号时，信号光强已经非常微弱，应 该将快门时间尽量调大，达到增加c c d 积分时间的效果，尽可能得到更多的有 效光量。因此，根据所选用的摄像头的参数范围，将快门时间调到1 5 0 秒。 ( 3 ) 自动增益：摄像头设有手动、自动增益。在自动增益时，摄像头会根 据接收到的光强自动调整信号的幅值，图像的亮度不能跟随景物的亮度变化，以 达到稳定的视觉状态。动态光谱检测需要的就是对光强变化的检测，因此应该将 摄像头设为手动增益，测量到真实的光强变化。 ( 4 ) 丫值：丫值可设置为0 4 5 和1 。选择0 4 5 时摄像头所拍摄图像与显示 荧光屏的光电转换y 值相匹配，图像层次丰富、逼真，可以获得理想的图像效果。 在对光强进行测量时，丫值应设为1 时，此时图像的层次感变差，对比度非常强， 但是图像的灰度变化是线性的，便于信号的数字化处理。 天津大学硕士学位论文 第二章课题总体设计 2 4 可编程逻辑器件f p g a 2 4 1 选择f p g a 的原因 在选择信号采集与处理平台时，主要考虑了以下四个方面： 第一。课题选用了面阵c c d 摄像头作为光电接收器，为了实现基于视频 信号的动态光谱信号检测，必须要针对视频信号采集的特点选择合适的硬件构建 视频信号采集系统，实现图像数据的精确定位； 第二，基于信号积分法的信号累加去噪处理，要求将处于同一行的视频 信号在采集的过程中直接叠加来达到提高信号信噪比的目的，此时的数据的累加 速度很快，需要硬件具有较高的处理能力； 第三，经过累加处理后，数据量和传输速度都得到了很大程度的减小， 需要通过c p u 来完成数据的存储与输出，需要硬件平台能提供一个处理器实现控 制功能； 第四，动态光谱信号的f f t 处理需要硬件能进行大规模的并行运算，对 硬件平台的速度有很高的要求。 目前，比较流行的硬件有单片机、f p g a ( f i e l dp r 0 舯a n ：匝a b l eg a t ea m y ) 、 d s p ( d i g i t a ls i n 印a lp r o c e s s o r ) 、6 l i 己m ( a “a n c e dr j s cm a c h i n e s ) 。相比而言， 单片机指令简单，易于开发，但是处理速度很低，根本无法满足高速视频数据采 集的要求：d s p 指令丰富，但是只适合串行运算，通过d s p 实现的f f t 算法时， 因其没有f f t 运算所需要的大容量存储器，需外接存储器，控制芯片等，限制了 运算速度【3 6 】；删具有比较强的事务管理能力，可以实现界面显示和应用程序 等，但不适合实现复杂的算法。 一经过各方面比较和考虑，选择f p g a 作为视频信号采集和动态光谱信号处理 的硬件平台。f p g a 即现场可编程门阵列，是当今应用极为广泛的可编程专用集 成电路( a s i c ) 【y 7 1 。课题选择f p g a 的主要原因如下： ( 1 ) f p g a 可完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，能够很好的满足视 频信号采集的设计的要求； ( 2 ) f p g a 运行速度快，适用于高速数据采集与处理系统。f p g a 的高速并行 处理能力尤为突出，可设计f f t 算法高速模块，实现对数据的高速处理。 ( 3 ) 设计灵活强，利用f p g a 不仅可以方便地设计出所需的硬件逻辑，而且可 以进行静态重复编程和动态在系统重配置，使系统的硬件功能可以像软件 一样编程来修改，从而可以实时地进行灵活而方便的更新和开发，大大提 高了系统设计的灵活性和通用性。 天津大学硕士学位论文 第二章课题总体设计 ( 4 ) 可实现嵌入式系统管理。基于f p g a 的s o p c 技术将n i o s i i 嵌入式处理器、 存储器接口、接口等系统设计所需要的模块集成在一起，系统完善了 f p g a 的管理控制性能，使基于f p g a 的设计和应用更加灵活，实现了软件、 硬件在系统可编程的功能，而且可剪裁性可扩充、可升级； ( 5 ) 在单个f p g a 中实现处理器、外设、存储器和i o 接口，增加了系统设计的 集成度，降低了开发成本低。 2 4 2f p g a 及其开发环境 可编程逻辑器件( p l d ，p r o 野锄1 m a b l el o g i cd e v i c e ) 是2 0 世纪7 0 年代发展 起来的一种新型器件，它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低了开发成本， 提高了系统的可靠性，而且给数字系统的设计带来了革命性的变化。现场可编程 门阵列( f p g a ，f i e l dp r 0 目a m m a b l eg a t ea r r a y ) 是一种采用单元型结构的p l d 器件，它采用c m o s 、s 删工艺制作，在结构和阵列型上与p l d 不同，它的内 部由许多独立的可编程单元构成，各个逻辑单元之间可以灵活的互相连接，具有 密度高、速度快、编程灵活、可重新配置等优点【3 。7 1 。目前，世界上最大的f p g a 生产厂家为x i l i l 公司、灿t e r a 公司、l a t t i c e 公司。以灿t e m 公司的f p g a 为例，介 绍f p g a 的内部基本结构。f p g a 基本由6 部分组成，分别为可编程输入输出单元、 基本可编程逻辑单元、嵌入式块洲、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和 内嵌专用硬核p 引，如图2 5 所示。 ( 1 ) 可编程输入输出单元 输入输出( 酬o u 印u t ) 单元简称i o 单元，它们是芯片与外界电路的接 口部分，完成不同电气特性下对输入输出信号的驱动与匹配需求。 ( 2 ) 基本可编程逻辑单元 基本可编程单元是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部连接 与配置，完成不同的逻辑功能。f p g a 一般是基于s 洲工艺的，其基本可编 程单元几乎都是由查找表( u 丌，l 0 0 ku pt a b l e ) 和寄存器( r e g i s t e r ) 组成的。 ( 3 ) 嵌入式块r a m f p g a 内部嵌入可编程r a m 模块，大大地拓展了f p g a 的应用范围和使用 灵活性。f p g a 内嵌的块洲一般可以灵活配置为单端口洲( s p 洲，s i g n a l p 0 n 洲) 、双端口洲( d p 删，d o u b l ep o r t s 凡) 、伪双端口r a m ( p s e u d o d p 洲) 、f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 等常用存储结构。 ( 4 ) 丰富的布线资源 f p g a 内部有着非常丰富的布线资源，这些布线资源根据工艺、长度、宽度 和分布位置的不同而被划分为不同的等级，布线资源连通f p g a 内部所有单元， 天律大学硕士学位论文第二章课题总体设计 连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。 ( 5 ) 底层嵌入功能单元 底层嵌入功能单元指的是那些通用程度较高的嵌入式功能模块，比如p l l ( p h a s e l o c k e d l o o p ) 、d l l ( d e l 8 y l o c k e dl o o p ) 、d s p 、c p u 等。这些模块可 以在 d l 代码和原理图中直接例化，也可以在i p 核生成器m e g aw z 盯d 中 配置相关参数，自动生成i p 。 ( 6 ) 内嵌专用硬核 这里所说的内嵌专用硬核与前面所说的“底层嵌入单元”是不同的，这里将 的内嵌专用硬核是指那些通用性相对较弱，不是所有f p g a 其器件都包含的硬核 ( h a r dc o r e ) 这与f p g a 的性能和价格直接挂钩。例如，a 1 t m 公司的低成本 f p g a c y c l o 器件就没有其高密度f p g as t m t 所拥有的3 1 8 7 5 g b l 讹的高速串 并收发单元。 ：? 嚣 茹；! 。 i i l r i t 丽1 t n i i t _ 三晶- i - i - 甜篙骠 洲终：兰 = 一二 ：二= = - i7 _ - i i i = 斟= ：_ _ ：。州暑一 三! 蠹山山! - - l 弓 在了解了f p g a 的内部结构以后我们再来看一下f p g a 的开发环境。仍以 a l t e r a 公司的f p g a 开发环境q u a r n 站i i 为例。图2 - 6 所为典型的o u a r c i l s i i 界面。设 计软件提供了f p g a 的多平台设计环境，能够满足特定的设计要求不但可以通 过v m l ，v e n l o g 如) l 对f p g a 的内部逻辑设计设计，而且能为可编程芯片系统 ( s o p c ) 提供了全面的设计环境。一般而言，0 u a 咖s i i 的设计流程为：设计输 入一 综合一，布局布线一 时序分析一 仿真一，编程和配置。在电路设计过程 中，应使用“自底向上”( b o n o m u p ) 和“自顶向下”( t b p d 0 w ) 设计相结合 “逻辑设计”与“功能仿真”交替进行的设计技巧，以保证逻辑电路的层次化、 模块化以及功能的正确性。首先，f p g a 的设计从系统级设