基于FPGA的可见光波段便携式光谱仪的设计

关键词： 便携式光谱仪; 模块化设计; 去噪处理; 数据采集; 光谱测量; 谱线校验

中图分类号： TN919.5⁃34                  文献标识码： A                           文章编号： 1004⁃373X（2019）06⁃0100⁃05

Abstract： A practical portable spectrometer is established by adopting a modular design scheme combining the FPGA with the linear CCD， so as to effectively realize portable design of the spectrometer. The EP4CE30F23C8N chip of Altera′s CLCLONE IV series is used for the FPGA. Toshiba′s TCD1304 is used for the CCD. The CCD drive control， and acquisition and transmission of spectral data were completed in the system. The data transmitted to the PC is denoised with Matlab， and drawn into the spectral curve. The mercury lamp is selected as the standard light source for system calibration. The spectral line calibration coefficients of the spectrometer are determined by using five standard spectral characteristic peaks of the mercury lamp. The test results show that the spectral resolution ratio can reach 10 nm， and the system can realize spectral measurement of the visible light band， which has a good practicability.

Keywords： portable spectrometer; modular design; de⁃noising processing; data acquisition; spectral measurement; spectral⁃line validation

0  引  言

光谱仪是一种用于光谱分析的仪器，它主要应用光学的色散原理将不同频率的光按一定规律在空间中分开形成光谱，广泛应用于各个领域。目前使用的光谱仪种类主要有荧光光谱仪、傅里叶变换光谱仪、拉曼光谱仪和光纤光栅光谱仪等。

在国外，便携式光谱仪的研究较为成熟，设计了许多性能先进的便攜式光谱仪器，比较具有代表性的有美国海洋光学公司的HR2000+型高分辨率光谱仪，美国Photo Research公司的PR⁃650型光谱光度、色度计。在国内，便携式光谱仪的研究工作目前仍处于起步阶段，真正能够商品化的仪器有限。

由于市场上传统的光谱仪结构相对比较复杂，不仅价格昂贵，而且体积较大，因此将光谱仪做成便携式是其发展的必然趋势[1⁃2]。如何有效地实现光谱仪的便携式设计是一个难点，与传统的光谱仪相比，目前主要有以下三点改进方向。首先，采用较为小型且适用于光谱仪的CCD作为光电探测器。与传统的光电倍增管相比，采用CCD作为探测器，省去了光电倍增管及其高压电源和扫描机构。其次，采用模块化设计的方案，方便各个模块的调试和研究。最后，采用常用的光学技术和数据通信技术，保证仪器的便携性和实用性。

针对上述要求，本文提出一种选用线性CCD作为光电探测器，FPGA作为主控制器的技术方案，搭建了一套实用的便携式光谱仪。

1  光谱仪系统总体设计

本文中的便携式光谱仪使用了CCD及FPGA，增加了光谱数据传输的准确性和高效性。本系统主要由五部分组成：线性CCD、模/数转换模块、FPGA主控制器、USB接口、数据接收。

光源发出的光经过光栅分光后投射到线性CCD接收面上，进行光电转换，输出的电压值是模拟量，经过ADC进行模/数转换，将数字量送入FPGA中，再通过USB接口送入PC机中，由PC机接收光谱数据，将数据使用Matlab进行处理和绘图显示。系统采用FPGA主控制器驱动模/数转换模块和USB接口[3⁃7]。便携式光谱仪设计框图如图1所示。便携式光谱仪的实物图如图2所示。

2  光谱仪系统各模块设计

2.1  线性CCD

在本系统中采用日本东芝公司生产的线性CCD，型号为TCD1304，其芯片结构如图3所示。图中，VAD为模拟电源电压;VDD为模拟电源电压; SS为电源地， ICG为复位脉冲;[SH]为帧转移信号;[ϕM]为主时钟信号，NC为Non Connection，悬空即可;OS为输出电信号。

为了保证CCD能够正常工作，需要设计一个CCD驱动电路使每一个像素点产生的信号电荷能够顺利转移，输出电信号。线性CCD的驱动脉冲如图4所示。其中SH，ICG，[ϕM]是三个主要的驱动信号。CCD的信号工作流程如下：当ICG信号为低电平时，所有像素点的电荷被清空，在这段时间里，如果SH的下降沿被检测到，CCD中光敏区收集到的电荷将会被转移到移位寄存器中，并在ICG为高电平时通过移位寄存器移位输出。最后输出的模拟信号就是光谱信号。

CCD驱动电路的设计方法主要是采用数字电路，该方法采用具有数字逻辑功能的分离电路元器件设计驱动电路，设计框图如图5所示，最终产生图4所示的驱动时序。

2.2  模/数转换电路

TCD1304輸出的信号值是模拟量，要通过模/数转换电路转换为数字量再输送给FPGA。在本系统中使用的高速A/D芯片是AD9280芯片，其主要特征是输入电压范围的选择、参考电压的选择和采样时序。

由于AD9280输入电压在2 V之内噪声性能最佳，因此将AD9280的输入电压范围设置为0～2 V，一般来说接口的输入电压为-5～5 V，因此需要采用一块芯片AD8056实现电压信号调整，经过调整的电压信号满足A/D芯片的输入范围0～2 V。

2.3  主控制器FPGA

在本系统中，采用的FPGA芯片是Altera公司CLCLONE IV系列的EP4CE30F23C8N芯片。FPGA是本系统的核心部分，主要负责控制和分频功能。

控制功能：在系统中要用FPGA作为主控制器控制A/D转换电路、USB接口电路，FPGA产生控制信号实现数据的传输。

分频功能：采用50 MHz的时钟信号作为FPGA的外部时钟信号，50 MHz的时钟频率可以通过FPGA进行分频或者倍频，采用FPGA中的锁相环PLL模块实现该功能。

2.4  USB 2.0接口

在本系统中，采用的USB接口芯片是Cypress公司开发的CY7C68013芯片，并采用VHDL硬件描述语言设计完成了FPGA控制CY7C68013芯片。

CY7C68013芯片写事件的状态转换过程如下：

空闲状态：当写事件发生时，转到状态1。

状态1：指向IN FIFO，设置FIFOADR[1：0]，转向状态2。

状态2：如果FIFO满标志位为“真”，则停留在状态2，如果FIFO满标志位为“假”，则转向状态3。

状态3：驱动总线传输数据，设置SLWR，写数据到FIFO。

状态4：数据未写完则返回状态2，否则返回空闲状态。

2.5  数据接收

数据接收程序使用VC++ 6.0编写。程序代码的主要目的是能够和USB接口通信，得到USB接口传来的数据并将数据以文本的形式导出。其中主要使用到访问驱动程序的API函数，其主要功能有打开USB设备、设备I/O控制、设备关闭。

3  实验与数据分析

为了验证系统是否可行，需进行标准光谱校验实验。汞灯发出的光线经过光栅分光后在CCD相元上成像，CCD各像素分别对应于光栅分光后的不同波长[8⁃10]。将CCD采集到的数据导出，使用Matlab对数据进行去噪处理。

本次实验采用汞灯进行测试，测出的谱线如图8所示，发现其噪声比较大，因此采用一种简单的去噪算法，通过采集多组数据点后进行平均，降低波形的噪声。如图9所示，随着采集组数的增加，波形光滑程度不断提升，在采集60～100组数据进行处理时，波形基本达到去噪的效果。

图10是该系统测出的经过100组数据取平均处理后的汞灯光源光谱，表1是该汞灯厂家提供的标准谱线表，本系统测到的5条特征谱线分别是365.015 3 nm，404.656 3 nm，435.832 8 nm，546.073 5 nm，579.066 3 nm。分别对应CCD的第1 573，1 926，2 171，3 023，3 320个像素点。

本系统需要对光谱仪进行波长定标，即将像素点与光强的关系转变为波长与光强的关系，本文采用的方法是拟合法。拟合法是利用最小二乘法做曲线拟合，已知测出5个特征谱线的波长与像素点，采用其中3个特征谱线的参数建立一元二次方程拟合，然后采用另外2个特征谱线进行验证。

4  结  论

本文根据便携式光谱仪的采样效率快、可携带的要求，提出一种采用CCD及FPGA的光谱仪设计方法，并且介绍了其中各个模块的结构及工作原理，然后完成对各个模块的硬件及软件的设计。最后，采用汞灯作为标准光源对系统进行测试，实验结果证明：光谱分辨率可以达到10 nm，满足光谱分析的要求。

注：本文通讯作者为黄波。

参考文献

[1] 刘健鹏，唐义，黄刚，等.改进型Czerny⁃Turner成像光谱仪光学系统设计方法[J].光学学报，2012，32（3）：242⁃248.

LIU Yipeng， TANG Yi， HUANG Gang， et al. Design method of optical system of improved Czerny⁃Turner imaging spectrometer [J]. Acta Optica Sinica， 2012， 32（3）： 242⁃248.

[2] 马芳苑，王跃明.基于CMOS的轻小型高光谱仪的发展及应用[J].光学与光电技术，2016，14（4）：84⁃89.

MA Fangyuan， WANG Yueming. Development and application of the light and small CMOS hyperspectral camera [J]. Optics & optoelectronic technology， 2016， 14（4）： 84⁃89.

[3] 周海彬.基于Android的便携式平场凹面光栅光谱仪研究与设计[D].苏州：苏州大学，2016.

ZHOU Haibin. Study and design of portable flat field concave grating spectrometer based on Android [D]. Suzhou： Soochow University， 2016.

[4] SUN Y C， HUANG C， XIA G， et al. Accurate wavelength calibration method for compact CCD spectrometer [J]. Journal of the Optical Society of America， 2017， 34（4）： 498?505.

[5] OCAYA R O. A linear CCD spectrometer based on FPGA for light⁃source characterization [J]. Applied mechanics and materials， 2015， 763： 120⁃125.

[6] GU Yuhai， JIANG Jianming， XU Xiaoli. FPGA⁃based micro fiber⁃optic spectrometer hardware circuit system [J]. Advanced materials research， 2012， 422： 224⁃227.

[7] LIU Ming， LU Zhonghai， KUEHN Wolfgang， et al. A survey of FPGA dynamic reconfiguration design methodology and applications [J]. International journal of embedded and real⁃time communication systems， 2012， 3（2）： 23⁃39.

[8] CAI Chengtao， WEI Mingyan， LIANG Yanhua. FPGA⁃based array CCD sensor drive system design and implementation [J]. Sensors & transducers， 2014， 176（8）： 49⁃57.

[9] CHEN Ying， XU Wanpeng， ZHAO Rongsheng， et al. Design of a hardware/software FPGA⁃based driver system for a large area high resolution CCD image sensor [J]. Photonic sensors， 2014， 4（3）： 274⁃280.

[10] XU Ziyang， MA Guoxin. Design of the CCD⁃TCD2964BFG drive and sampling based on FPGA [C]// Proceedings of 3rd International Conference on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering. [S.l.： s.n.]， 2016： 158⁃161.

推荐访问： 光谱仪 可见光 波段 设计 FPGA

---