基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制

发布时间：2017-03-18 15:06

  本文关键词：基于FPGA的微型光谱仪探测系统的研制，，由笔耕文化传播整理发布。

【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。
【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
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 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 TCD1703C26-28
• 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

【引证文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 郝健;基于FPGA和ARM的实时红外光谱分析仪关键技术研究[D];中北大学;2012年

2 魏旭可;基于STM32单片机的光谱仪数据采集与处理系统[D];中国海洋大学;2012年

3 陈伟军;基于NiosⅡ的傅里叶光谱仪信号采集处理系统的设计[D];重庆大学;2012年

4 徐正安;基于FPGA的线阵CCD测量系统的设计[D];重庆大学;2012年

5 韩丹翱;基于处理器与CPLD架构的线阵CCD信号采集系统设计[D];吉林大学;2013年

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本文编号：254617