基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制

微型光谱仪

湖南大学

硕士学位论文

基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制

姓名：戴笠

申请学位级别：硕士

专业：微电子学与固体电子学

指导教师：王岩国;谢中

20090409

微型光谱仪

基于ＦＰＧＡ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ＰｒｏｔｅｌＤＸＰ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。

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ＩＩ

微型光谱仪

硕上学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓａｎｏｐｔｉｃａｌｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｕｓｅｄｉｎｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃａｎａｌｙｓｉｓｔｏｉｄｅｎｔｉｆｙ

ａｓｍａｔｅｒｉａｌｓ．ｗｈｉｃｈｉＳａｐｐｌｉｅｄｉｎａｌｍｏｓｔａｌｌｆｉｅｌｄｓｏｆｓｃｉｅｎｃｅ，ｓｕｃｈ

ｇｅｏｌｏｇｙ，ｐｈｙｓｉｃｓａｎｄｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，ａｓｔｒｏｎｏｍｙ，ｅｔｃ．Ｗｉｔｈ

ａｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｍｏｄｅｍｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ，ｍｉｎｉａｔｕｒｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｈａｓｂｅｃｏｍｅ

ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ．Ａｓ

ｓｙｓｔｅｍｉｓｏｎｅａｎｒｅｓｅａｒｃｈｆｏＣＵＳｗｏｒｌｄｗｉｄｅａｎｄｉｓｔｈｅｔｒｅｎｄｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｔｏｒｅａｌｉｚｅｍｉｎｉａｔｕｒｉｚｅｄｒｅｑｕｅｓｔ．

Ｉｎｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ，ａｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈｓｐｅｃｔｒａｌｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｆｏｒｍｉｎｉａｔｕｒｅｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｔｏｇｅｔａｈｉｇｈｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉｔｈ

ａｓｗｉｄｅｒｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｒａｎｇｅ．ａ７５００ｐｉｘｅｌｓｌｉｎｅａｒＣＣＤｉＳｃｈｏｏｓｅｄ

ｏｕｔｐｕｔｓｉｇｎａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｄｔｏｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｗｉｔｈｃｏｒｒｅｌａｔｅｄｔｈｅｄｅｔｅｃｔｏｒ．ＣＣＤｄｏｕｂｌｅｓａｍｐｌｉｎｇａｎｄｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｉｎａｍｐｌｉｆｉｅｒｂｙａｎａｌｏｇｆｒｏｎｔｅｎｄＡＤ９８２２．ＴｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｄｄａｔａｗｈｉｃｈｓｔｏｒｅｄｉｎＦＰＧＡｔｒａｎｓｍｉｔｓｔｏＰＣｔｈｒｏｕｇｈＵＳＢａｆｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｅｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｗａｒｅ

ｃｏｒｅｃｏｍｐｌｅｔｅｓｆｕｒｔｈｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉｓｐｌａｙ．ＦＰＧＡｉｓｔｈｅｏｆａｌｌｓｙｓｔｅｍ，

ｗｈｉｃｈｇｅｎｅｒａｔｅｓｔｈｅｔｉｍｉｎｇｏｆＣＣＤ．ＡＤ９８２２ａｎｄｉｔｓｓｅｒｉａｌｉｎｔｅｒｆａｃｅ．ＦＰＧＡｉＳａｌｓｏｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆＵＳＢｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｈｉｐＣＨ３７５ａｎｄｍｅｍｏｒｙｕｎｉｔｆｏｒ１２ｂｉｔｓｓａｍｐｌｅｄａｔａ．Ｔｏ …… 此处隐藏：11409字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……