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基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制

作　者: 戴笠
导　师: 王岩国；谢中
学　校: 湖南大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 微型光谱仪 FPGA 线阵CCD USB 相关双采样自适应调节平滑滤波
分类号: TH744.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 285次
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内容摘要

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7500像素的线阵CCD作为探测器件。采用模拟前端芯片AD9822对CCD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FPGA中,经处理后通过USB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。FPGA为整个系统的核心,主要功能有:CCD驱动时序、AD9822采样时序和控制接口时序的产生以及USB通讯控制;12位采样数据的存储以及多次测量的累加平均、Savitzky-Golay平滑滤波等预处理,减少了USB通讯量,提高了系统信噪比;CCD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CCD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Protel DXP完成了系统的原理图和PCB设计,利用Quartus、Modelsim和Synplify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。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题研究背景  10
  1.2 微型光谱仪国内外的发展现状  10-12
  1.3 光谱探测系统的发展现状  12-15
  1.4 本文的研究意义和主要工作  15-17
    1.4.1 研究意义  15
    1.4.2 本论文主要内容  15-17
第2章微型光谱仪的光学系统  17-22
  2.1 光谱仪基本原理  17-19
    2.1.1 色散元件及分光原理  18
    2.1.2 光谱仪的性能参数  18-19
  2.2 微型光谱仪光学系统结构  19-22
第3章探测系统的硬件电路设计  22-40
  3.1 探测系统的整体框架  22-24
    3.1.1 控制器的选择  22-23
    3.1.2 系统框架的提出  23-24
  3.2 CCD 驱动电路设计  24-29
    3.2.1 CCD 工作原理分析  24-26
    3.2.2 线阵CCD TCD1703C  26-28
    3.2.3 CCD 驱动电路设计  28-29
  3.3 CCD 模拟信号处理电路设计  29-32
    3.3.1 CCD 输出信号特性及处理的分析  29-30
    3.3.2 模拟前端AD9822 及应用设计  30-32
  3.4 USB 总线接口设计  32-35
    3.4.1 USB 总线接口芯片选择  32-34
    3.4.2 USB 通讯电路设计  34-35
  3.5 FPGA 电路设计  35-37
    3.5.1 FPGA 配置电路设计  35-36
    3.5.2 FPGA 时钟及电源设计  36-37
  3.6 电源模块设计  37-38
  3.7 PCB 设计  38-40
第4章探测系统的逻辑设计  40-65
  4.1 开发工具及模块划分  40-43
    4.1.1 FPGA 开发工具简介  40-41
    4.1.2 模块划分  41-43
  4.2 驱动模块设计  43-47
    4.2.1 CCD 驱动时序设计  43-45
    4.2.2 采样时序设计  45-47
  4.3 模拟前端控制接口设计  47-50
    4.3.1 接口读写时序设计  48-50
    4.3.2 模拟前端状态更新  50
  4.4 数据存储和处理模块设计  50-55
    4.4.1 数据存储和累加的设计  51-52
    4.4.2 Savitzky-Golay 平滑滤波器的设计  52-54
    4.4.3 处理后的数据输出操作  54-55
  4.5 USB 通讯模块设计  55-59
    4.5.1 CH375 的读写时序设计及命令码  55-56
    4.5.2 CH375 初始化设计  56-57
    4.5.3 数据接收和传送的设计  57-59
  4.6 控制模块设计  59-64
    4.6.1 自适应调节模块的设计  59-62
    4.6.2 数据上传控制  62-63
    4.6.3 接收上位机指令  63-64
  4.7 逻辑实现  64-65
第5章微型光谱仪的应用程序及系统调试  65-72
  5.1 应用程序  65-66
    5.1.1 应用程序开发  65-66
    5.1.2 波长标定  66
  5.2 系统调试  66-72
    5.2.1 调试工具  66-68
    5.2.2 调试过程及结果  68-72
结论  72-74
参考文献  74-77
致谢  77-78
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文  78-79
附录B 探测系统的实物图  79-80
附录C 平滑滤波代码  80-83
附录D 顶层模块综合结果  83

基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制

内容摘要

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