毛新如,田 野

(1.安徽淮北煤電技師學(xué)院,安徽淮北 235000;2.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽淮北 235000)

·實用技術(shù)與醫(yī)學(xué)研究·

基于線陣CCD的光譜檢測系統(tǒng)設(shè)計

毛新如1,2,田 野1,2

(1.安徽淮北煤電技師學(xué)院,安徽淮北 235000;2.安徽礦業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽淮北 235000)

系統(tǒng)采用線陣CCD對光譜進行檢測,圍繞CCD的驅(qū)動時序電路、CCD的數(shù)據(jù)高速采集電路、高速A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲和結(jié)果顯示做了較深入的研究。采用FPGA芯片進行編程實現(xiàn),數(shù)據(jù)采集電路由FPGA與AD芯片TLC5510共同完成,數(shù)據(jù)的存儲由SDRAM來完成,LCD12864的顯示電路采用的也是FPGA的驅(qū)動;產(chǎn)生光譜的光路部分采用的是三角棱鏡來進行分光,將白光分為我們所需要的光譜并進行測量,并檢測了物質(zhì)對入射光吸收后,光譜的改變。

光譜檢測;CCD;線陣;FPGA;檢測系統(tǒng)

光譜檢測系統(tǒng)是光電測量儀器的重要組成部分。采用線陣CCD對光譜進行檢測,線陣CCD是電荷耦合新型半導(dǎo)體集成光電器件,線陣CCD器件的優(yōu)越性在多個學(xué)科領(lǐng)域均具有廣泛應(yīng)用。光譜檢測是線陣CCD圖像傳感器的基礎(chǔ)上,根據(jù)光電轉(zhuǎn)換原理和移位存儲功能進行圖像傳感和信息處理。因為CCD傳感器的工作方式是以時間積分的方式工作,光積分時間調(diào)節(jié)寬度比較寬,所以采用線陣CCD圖像傳感器對光譜進行檢測。[1]69

1 系統(tǒng)光路的設(shè)計

標(biāo)定光譜的光路設(shè)計在測量光譜前,需要對光譜進行標(biāo)定,實質(zhì)上就是測量沒有物質(zhì)吸收的光譜。讓光源發(fā)出來的光先通過狹縫,出來的光經(jīng)過凸透鏡在用三棱鏡對測量光進行分光,三棱鏡分出來的光譜照在狹縫上,狹縫的下面放上線陣CCD。在標(biāo)定光譜后,就可以測量物質(zhì)吸收入射光的光譜。同樣的讓光源發(fā)出來的光先通過狹縫,出來的光經(jīng)過凸透鏡在用三棱鏡對測量光進行分光,三棱鏡分出來的光譜照在待測物上,讓被吸收后光通過狹縫照在線陣CCD上。[2]156

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

硬件電路的設(shè)計包括以下5個模塊。

(1)控制模塊：控制模塊是用于對系統(tǒng)其他所必須要求的模塊進行控制和調(diào)度,以實現(xiàn)系統(tǒng)所要求的功能,這里用到的是FPGA作為控制芯片。[3]12

(2)電源模塊：給予整機系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源,包括控制模塊所需的正電源5V電壓和CCD所需的正12 V電壓等。

(3)數(shù)據(jù)采集模塊：用TLC5510將所檢測的模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并傳遞給控制模塊。

(4)CCD的驅(qū)動模塊：采用FPGA編程來進行驅(qū)動。[4]113

(5)顯示模塊：用于顯示檢測結(jié)果。

2.1 FPGA的電源電路

FPGA系統(tǒng)一般都要多電源供電。以本系統(tǒng)所用的CycloneIII系列的EP3C16Q240的芯片構(gòu)成的FPGA的核心板為例：外圍輸出/輸入電壓為3.3 V,內(nèi)核電壓為1.2V,輔助電壓為2.5V。本系統(tǒng)中使用5V電源輸入,采用LT1085-3.3、LM1117-2.5和LM1117-1.2分別來提供3.3V、2.5V、1.2V的直流電壓。[5]237電源電路的部分連接電路,由于FPGA工作頻率較高,所以對電源的要求比較高,需要加上電容進行濾波。

2.2 全局時鐘發(fā)生電路

FPGA的全局時鐘引腳直接接入有源石英晶振輸出信號。

2.3 JTAG接口電路

JTAG接口電路在沒有PROM芯片時,JTAG接口的四根數(shù)據(jù)線分別是TDI、TDO、TCK、TMS直接和FPGA對應(yīng)的引腳連接,就可以直接對FPGA進行JTAG方式下載。[6]23

2.4 系統(tǒng)電源電路的設(shè)計

系統(tǒng)的電源部分主要是提供+12 V和+5V的直流電源,所以在設(shè)計中先將頻率為50Hz、有效值為220V的單相交流電通過變壓器轉(zhuǎn)換為15V的交流電,再通過單相橋式整流電路和電容濾波電路,分別接著通過穩(wěn)壓模塊7805和7812,即可輸出來的幅值穩(wěn)定的+12 V和+5V直流電壓。

2.5 CCD的驅(qū)動電路的設(shè)計

由驅(qū)動電路提供TCD1500C工作必須的移位脈沖信號(SH)、復(fù)位脈沖信號(RS)、驅(qū)動脈沖信號(Φ)采樣保持脈沖信號(SP)。CCD驅(qū)動電路如圖1所示[7]121。

圖1 CCD驅(qū)動電路圖

2.6 CCD的高速數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計

采集數(shù)據(jù)的電路包括模擬信號的處理和模數(shù)轉(zhuǎn)換的處理,模擬信號的處理采用了運放組成的減法器來進行處理, A/D轉(zhuǎn)換采用TLC5510來進行處理。[8]11

2.7 CCD模擬輸出信號處理電路設(shè)計

由運放組成的減法器電路,輸入信號Vin1通過電阻R1加到反相輸入端;輸入信號Vin2通過電阻R2加到同相輸入端。通過運算可得：Vout=(Vin1-Vin2)可知,輸出電壓正比于兩個輸入電壓之差。如果取Rf=R1,則Vout= Vin1-Vin2。[9]79

2.8 TLC5510模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集的硬件是由A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器、靜態(tài)變量存儲器、地址產(chǎn)生電路、數(shù)據(jù)總線接口電路和A/D啟動電路、數(shù)據(jù)讀寫位控制電路等構(gòu)成。整個數(shù)據(jù)采集工作均在驅(qū)動器的時鐘統(tǒng)一支配下同步工作,屬同步數(shù)據(jù)采集,具有采樣速度快、采樣點特好、數(shù)據(jù)穩(wěn)定性高等特點。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)著眼于建立一個基于線陣CCD的光譜檢測系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)對光譜的檢測。在一定程度上加強了理論學(xué)習(xí)和工程實踐相融合、鞏固基礎(chǔ)知識與培養(yǎng)創(chuàng)新意識相結(jié)合等方面的能力。經(jīng)過此次的設(shè)計培養(yǎng)了一種嚴(yán)肅認真和實事求是的科學(xué)態(tài)度,更熟悉了對一項課題研究、設(shè)計和實驗的過程。本次還有很多可以完善的地方,可以從下面幾個方面繼續(xù)擴展：

(1)本設(shè)計可以采用USB接口技術(shù)與上位機進行通信;

(2)本設(shè)計應(yīng)用和擴展的空間很大?？赏ㄟ^不同的物質(zhì)的吸收光譜來檢測位置物質(zhì)的成分;

(3)通過MATLAB對測量數(shù)據(jù)進行處理。

[1] 張銀橋,趙博,等.基于固定光柵和CCD技術(shù)的近紅外光譜分析系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009(9).

[2] 王慶有.圖像傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003：30-100.

[3] 華成英,童詩白,等.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社,2006.

[4] 潘松,黃繼業(yè),等.EDA技術(shù)實用教程[M].北京：科技出版社,2006.

[5] 崔葛瑾.基于FPGA的數(shù)字電路系統(tǒng)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2008.

[6] 李永遠,謝小平,等.CCD輸出信號處理[J].應(yīng)用光學(xué),1997,18(1)：20-23.

[7] 劉文濤.Protel2004完全學(xué)習(xí)手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[8] 李剛,王焱,等.基于CPLD的線陣CCD光譜檢測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析,2007 (10).

[9] 王以銘.電荷耦合器件原理及應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社,1987：68-159.

責(zé)任編輯：訾興建

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1671-8275(2014)05-0131-02

2014-08-30

毛新如(1985-),女,安徽碭山人,安徽淮北煤電技師學(xué)院助理講師,研究方向為電氣控制、電工電子;田野(1983-),男,安徽宿州人,安徽淮北煤電技師學(xué)院二級實習(xí)指導(dǎo)教師,研究方向為無線電、自動控制。