线形CCD光谱仪系统的设计

发布时间：2017-10-04 05:32

  本文关键词：线形CCD光谱仪系统的设计

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【摘要】：电荷耦合器件(CCD)自产生以来的40多年里,其应用价值与日俱增,已经深入到传统摄像、光谱分析仪以及航空航天探测等领域。CCD一个很重要的应用就是运用在光谱分析仪器中,光谱分析仪器属于光学仪器的一种,它可以测量光辐射的强度、频率以及光谱的变化规律。随着科学技术的进步,光谱仪技术也取得了很大的发展。现代光谱仪朝着小型化,自动化,智能化,高精度和快速检测的方向发展,低廉的价格使得它得到了越来越广泛的应用于社会生产、生物医学、质谱分析、教学实验、环境监测、地质勘探等领域。 近年来,国内外都对光谱仪的研制做了大量的工作,国内光谱仪与国外的相比还存在一定的差距；国内光谱仪通用性差、信噪比低、精度不高、体积庞大、成本高昂,尤其在精确测量领域,对同步延时的精度非常高,要求在ns级别。如果精度不够高,就会导致测量不准确,得不到有效数据。这一系列问题都制约了其在科学实验和精确测量领域中的应用,为了提高光谱仪的测量精度和实现微型设计,分别使用FPGA和STM32单片机作为控制器实现光谱仪设计。 由于FPGA并行处理的特点,可以实现很高的延时精度和数据处理速度,这种方案的特点是灵活性强、延时精度高、实时显示。但FPGA工作需要基本的配置电路和外围芯片,使得电路板的尺寸不能做到微型化,成本相对较高。 STM32单片机内部集成了ADC、USB、定时器等功能,能够实现采集传输的要求,满足了微型化的设计目的。这种方案具有成本低、使用灵活、结构简单、体积小但由于单片机的串行处理和时钟的限制,同步延时控制精度不能做的太高。 驱动电路是CCD光谱仪设计中的关键点,驱动电路信号处理的流程如下,从CCD得到的电信号经过前端处理到达主控板,在主控板上进行ADC转换,把模拟信号转换成数字信号,数字信号可以通过通用接口传到上位机,考虑到如今USB接口的通用性,本文主要采用USB2.0接口作为数据上传接口。在Windows7系统Visual Studio2010环境下利用C语言和C++混合编程,再结合Teechart和MFC,开发了上位机控制界面,对下位机数据进行接收和处理。经过测试,线性CCD光谱仪系统的设计达到了预期的目标,部分参数领先同类产品。 本论文主要工作如下： 1.设计了基于FPGA和STM32的线性CCD光谱仪的硬件电路。 2.完成FPGA逻辑以及STM32程序的编写。 3.完成了上位机采集软件的编写。
【关键词】：CCD 光谱仪 FPGA STM32 C语言
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH744.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-9
• 目录9-11
• 第一章 引言11-21
• 1.1 研究的背景11-13
• 1.2 CCD光谱仪13-18
• 1.2.1 光学系统13-14
• 1.2.2 CCD简介14-18
• 1.3 论文的主要工作18-19
• 1.4 论文的结构19-20
• 1.5 本章总结20-21
• 第二章 基于FPGA的线性CCD光谱仪的设计21-39
• 2.1 整体设计21-22
• 2.2 硬件设计22-26
• 2.2.1 前端板设计23-24
• 2.2.2 ADC部分24
• 2.2.3 FPGA及其配置电路24-25
• 2.2.4 甄别器和USB25-26
• 2.3 逻辑设计26-36
• 2.3.1 同步延时触发28-29
• 2.3.2 USB通信逻辑29-30
• 2.3.3 CCD驱动时序30-33
• 2.3.4 ADC采集驱动33-36
• 2.4 测试结果36-37
• 2.5 本章小结37-39
• 第三章 基于STM32的线阵CCD光谱仪的设计39-52
• 3.1 STM32简介39-40
• 3.2 整体设计40
• 3.3 硬件设计40-42
• 3.3.1 前端板设计40-41
• 3.3.2 STM32主控硬件板设计41-42
• 3.4 单片机程序设计42-50
• 3.4.1 ADC和DMA42-43
• 3.4.2 CCD驱动时序43-45
• 3.4.3 USB通信程序45-50
• 3.5 测试结果50-51
• 3.6 本章小结51-52
• 第四章 上位机数据采集软件设计52-57
• 4.1 基于C++和LabVIEW的系统数据采集软件的设计52-53
• 4.2 C++编写的MFC界面53-55
• 4.2.1 CCD数据采集软件设计53-54
• 4.2.2 多任务设计54-55
• 4.2.3 用户界面设计55
• 4.3 本章小结55-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 参考文献59-61
• 致谢61-62
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果62

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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3 朱玲,武玉强,张启宇;TeeChart实现工控领域的实时曲线和历史曲线的方法[J];工业控制计算机;2005年08期

4 田明;徐平;黄国辉;姜周曙;;基于STM32和μC/OS-Ⅱ的USB数据采集系统[J];机电工程;2012年04期

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本文编号：968924