基于STM32的微型光纤光谱仪数据采集系统的设计

发布时间：2017-05-24 18:00

  本文关键词：基于STM32的微型光纤光谱仪数据采集系统的设计，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：光谱仪器作为是一种分析物质化学组成及其含量的光学分析仪器,广泛用于物理化学、生物医学以及工农业生产、国防等各个科学领域。随着科学技术的发展,光谱仪的微型化和实现快速、实时及现场检测成为了一个重要的发展趋势。数据采集与传输系统是微型光谱仪的一个重要组成部分,也是实现上述技术要求的关键之一。本文在了解了目前最流行的微型光谱仪的光学结构与电路系统的基础上,开发了一种基于STM32的微型光谱仪的数据采集与传输系统,配合光学系统,构成一款微型光纤光谱仪,其工作波长为300-800nm,分辨率约为1.5nm,实现光谱仪的微型化的同时还满足了实时快速检测的要求。 针对设计要求,首先搭建光学系统平台,采用闪耀光栅和两个球面反射镜构成基于折叠Czenry-Turner结构的光学系统。根据光谱测量的要求,CCD探测器选用东芝公司的线阵CCD TCD1304DG,它可以一次性接收整个光谱,并将接收到得光信号转换为电信号。电信号经过高速A/D转换后,数据暂存于外部静态RAM中,然后由微控制器控制通过USB口把数据传输到PC主机,经过处理、分析并绘图显示,解决了CCD输出的大量数据与数据传输速度不够快之间的矛盾。为保证整个系统时序的精确性与控制的灵活性,由复杂可编程逻辑器件CPLD配合微控制器产生CCD的驱动时序、AD采样时序、存储电路和数据传输时序。CPLD采用硬件编程语言VHDL实现模块化编程,并在Quartus Ⅱ开发环境中编译与仿真。微处理器选用的是STM32F103系列芯片,自带USB口,完全兼容USB2.0全速传输协议,保证微型光谱仪的数据传输速度同时,还可以使微型光谱仪利用总线供电、即插即用,达到了体积小、重量轻、结构紧凑的效果,适合野外作业的目的。
【关键词】：微型光纤光谱仪 线阵CCD CPLD STM32系列微控制器 USB
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-11
• 第一章 绪论11-18
• 1.1 引言11
• 1.2 微型光谱仪的发展现状11-14
• 1.3 本次设计的研究意义14-15
• 1.4 本次设计的主要内容15-16
• 1.5 论文的基本结构16-18
• 第二章 系统总体设计方案18-28
• 2.1 光谱仪的工作原理及基本结构18-20
• 2.1.1 光源和照明系统18
• 2.1.2 光学系统18-19
• 2.1.3 接收系统19-20
• 2.2 微型光纤光谱仪系统设计20-23
• 2.2.1 光学系统20-21
• 2.2.2 微型光谱仪的数据采集系统21-23
• 2.3 主要芯片的选择23-28
• 2.3.1 线阵CCD的选择23-25
• 2.3.2 AD芯片的选择25-26
• 2.3.3 驱动芯片的选择26-27
• 2.3.4 主控芯片的选择27-28
• 第三章 基于CCD的数据采集系统的设计28-45
• 3.1 CCD的工作原理28-31
• 3.1.1 电荷的注入与存储29
• 3.1.2 电荷的转移29-30
• 3.1.3 电荷的检测30-31
• 3.2 CCD采集电路的设计31-37
• 3.2.1 TCD1304DG简介31-32
• 3.2.2 TCD1304DG基本结构32-33
• 3.2.3 TCD1304DG的驱动时序33-35
• 3.2.4 CCD驱动电路设计35-37
• 3.3 信号调理电路的设计37-38
• 3.3.1 AD8041与OP07芯片简介37-38
• 3.3.2 信号调理电路的设计38
• 3.4 A/D转换电路的设计38-42
• 3.5 采集后的数据存储系统设计42-44
• 3.5.1 存储方案的选择42-43
• 3.5.2 存储芯片的介绍及工作模式选择43-44
• 3.6 DMA电路设计44-45
• 第四章 系统驱动的设计45-54
• 4.1 CPLD器件EPM7064AE简介45-46
• 4.2 CPLD的开发环境46-47
• 4.3 VHDL硬件描述语言简介47-48
• 4.4 EPM7064AE驱动时序的产生48-52
• 4.4.1 2分频与4分频模块的设计49-50
• 4.4.2 可预置数为1101的4位二进制计数器50-51
• 4.4.3 13位地址线计数器51-52
• 4.5 CCD时序脉冲的产生52-54
• 第五章 主控单元及数据传输54-67
• 5.1 STM32F103的简介54-57
• 5.1.1 STM32F103C8功能特点55
• 5.1.2 STM32F103软件开发平台55-56
• 5.1.3 STM32F103C8引脚的分配56-57
• 5.2 系统的整个控制过程57-59
• 5.3 STM32与PC主机的USB通信59-61
• 5.4 电路板的设计61-63
• 5.5 波长定标63-67
• 5.5.1 波长定标的原理63-64
• 5.5.2 实验及分析64-67
• 第六章 总结与展望67-72
• 6.1 研究成果67-71
• 6.2 本次设计存在的不足和未来的研究方向71-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 硕士期间发表的论文77

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本文编号：391518