基于STM32与FPGA的背照式CCD光谱采集系统设计
发布时间：2021-04-01 00:17
为满足微型光谱数据采集系统要求,在选用量子效率更高的背照式面阵CCD基础上,设计一种基于STM32F4与FPGA双核工作模式的光谱数据采集系统。使用STM32F4完成主控制逻辑和DMA传输,FPGA实现对CCD及相关器件的驱动,运用相关双采样模式对CCD输出的模拟信号进行采集,最终通过串口功能模块与上位机通讯,实时显示采集光谱。测试结果表明,该系统具有清空CCD内部残留电荷和积分时间可调（8ms-60s）的能力,采集效果良好,实用性极高。
【文章来源】：软件导刊. 2020,19(01)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
CCD暗噪声水平
背照式CCD采用Hamamatsu公司的S10420—1006-01，其有效像素为64行′2 048列，共131 072个。根据S10420-1006-01芯片手册，具体时序如图1所示。一次完整的CCD积分输出流程需七路驱动信号，两路垂直驱动信号P1V和P2V，四路水平驱动信号P1H、P2H、P3H和P4H，以及一路复位信号RG。同时CCD积分输出过程分为Integration time、Vertical binning period和Readout period三个阶段：(1)Integration time阶段。在一路垂直信号P1V和四路水平信号驱动下，CCD像素快门打开，CCD对入射光进行曝光，同时进行光电转换；(2)Vertical binning period阶段。在垂直信号驱动下，CCD对其内部一列像素进行垂直装箱操作，即每一列64个像素存储的信号电荷被转移到同一像素中，等待水平转移输出；(3)Readout period阶段。在水平信号和复位信号的驱动下，CCD将已垂直装箱的信号电荷依次转移输出，此时A/D和DMA同步对CCD输出的OS信号进行采集和存储，最后通过串口发送至上位机图形界面，可直接观察入射光的相对光谱强度。2 光谱采集系统设计
CCD的光谱采集系统设计如图2所示。系统流程为：上位机通过串口1发送控制指令集到STM32F4,STM32F4将指令解码，得到积分时间；而后通过串口2将积分时间发送至FPGA以驱动CCD和A/D9826。CCD输出的OS模拟信号通过A/D9826同步采集，采集后的数据通过8个GPIO口的DMA同步发送至STM32F4缓存中；最后由串口1发送至上位机中，用C#编写上位机图形软件同步显示，绘制出相对光谱强度分布曲线。2.1 CCD驱动设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]CCD相机视频处理电路设计[J]. 魏伟,刘恩海,郑中印. 光电工程. 2012(06)
[2]CCD信号处理集成化方案[J]. 白喆,张伯珩,屈有山,李爱玲. 微计算机信息. 2012(06)
[3]CCD视频采集系统设计和实现[J]. 于庆广,张晓明,王浩,白彬. 仪器仪表学报. 2006(S2)
[4]CCD噪声分析及处理技术[J]. 许秀贞,李自田,薛利军. 红外与激光工程. 2004(04)
博士论文
[1]空间高帧频背照式CCD驱动与信息处理技术研究[D]. 陈剑武.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[2]微型光谱仪系统的研究及其应用[D]. 程梁.浙江大学 2008
本文编号：3112323
【文章来源】：软件导刊. 2020,19(01)
【文章页数】：4 页
【部分图文】：
CCD暗噪声水平
背照式CCD采用Hamamatsu公司的S10420—1006-01，其有效像素为64行′2 048列，共131 072个。根据S10420-1006-01芯片手册，具体时序如图1所示。一次完整的CCD积分输出流程需七路驱动信号，两路垂直驱动信号P1V和P2V，四路水平驱动信号P1H、P2H、P3H和P4H，以及一路复位信号RG。同时CCD积分输出过程分为Integration time、Vertical binning period和Readout period三个阶段：(1)Integration time阶段。在一路垂直信号P1V和四路水平信号驱动下，CCD像素快门打开，CCD对入射光进行曝光，同时进行光电转换；(2)Vertical binning period阶段。在垂直信号驱动下，CCD对其内部一列像素进行垂直装箱操作，即每一列64个像素存储的信号电荷被转移到同一像素中，等待水平转移输出；(3)Readout period阶段。在水平信号和复位信号的驱动下，CCD将已垂直装箱的信号电荷依次转移输出，此时A/D和DMA同步对CCD输出的OS信号进行采集和存储，最后通过串口发送至上位机图形界面，可直接观察入射光的相对光谱强度。2 光谱采集系统设计
CCD的光谱采集系统设计如图2所示。系统流程为：上位机通过串口1发送控制指令集到STM32F4,STM32F4将指令解码，得到积分时间；而后通过串口2将积分时间发送至FPGA以驱动CCD和A/D9826。CCD输出的OS模拟信号通过A/D9826同步采集，采集后的数据通过8个GPIO口的DMA同步发送至STM32F4缓存中；最后由串口1发送至上位机中，用C#编写上位机图形软件同步显示，绘制出相对光谱强度分布曲线。2.1 CCD驱动设计
【参考文献】：
期刊论文
[1]CCD相机视频处理电路设计[J]. 魏伟,刘恩海,郑中印. 光电工程. 2012(06)
[2]CCD信号处理集成化方案[J]. 白喆,张伯珩,屈有山,李爱玲. 微计算机信息. 2012(06)
[3]CCD视频采集系统设计和实现[J]. 于庆广,张晓明,王浩,白彬. 仪器仪表学报. 2006(S2)
[4]CCD噪声分析及处理技术[J]. 许秀贞,李自田,薛利军. 红外与激光工程. 2004(04)
博士论文
[1]空间高帧频背照式CCD驱动与信息处理技术研究[D]. 陈剑武.中国科学院研究生院(上海技术物理研究所) 2015
[2]微型光谱仪系统的研究及其应用[D]. 程梁.浙江大学 2008
本文编号：3112323
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