熊顯名，劉國(guó)棟

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西高校光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

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基于FPGA的可見(jiàn)光及近紅外微型光譜儀研制

熊顯名1,2，劉國(guó)棟1,2

(1.桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西高校光電信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004)

研制了一款基于FPGA的可見(jiàn)光及近紅外微型光譜儀，介紹了其研究方案及實(shí)現(xiàn)功能。該微型光譜儀采用濱松公司的MS系列CMOS圖像傳感器，波長(zhǎng)探測(cè)范圍340 nm～1 050 nm，光譜分辨率約10 nm;功耗低于600 mW，可USB直接供電，通過(guò)USB2.0與PC及手機(jī)通信，積分時(shí)間5 ms，掃描次數(shù)、積分時(shí)間可調(diào)。實(shí)驗(yàn)表明，該微型光譜儀輸出光譜波形穩(wěn)定，工作可靠，響應(yīng)速度快，可應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品無(wú)損檢測(cè)等方面。

微型光譜儀；FPGA；CMOS；可見(jiàn)光及近紅外

引用格式：熊顯名，劉國(guó)棟.基于FPGA的可見(jiàn)光及近紅外微型光譜儀研制[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(11)：25-27,30.

0　引言

光譜儀是分析物質(zhì)組成的重要儀器，傳統(tǒng)光譜儀具有較高精度，但是其體積大，價(jià)格高昂，在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用等方面存在便攜性差、普及困難等問(wèn)題。隨著微型光機(jī)電系統(tǒng)和寬波段探測(cè)器的發(fā)展，微型光譜儀得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]，近年來(lái)商用微型光譜儀層出不窮，通過(guò)選配不同的探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)寬波段、高精度的光譜測(cè)量[2]。微型光譜儀集成度高、功耗低、靈活方便、性價(jià)比高，在性能上能滿足一定的要求[3]，使得其得到了廣泛的重視。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本微型光譜儀主要由互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS)圖像傳感器、驅(qū)動(dòng)與采集、通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)通信等模塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。光源照到被測(cè)物體，在其表面和淺層發(fā)生漫反射，帶有內(nèi)部信息的反射或者透射光為圖像傳感器所接收[4]，傳送至現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)，經(jīng)過(guò)平滑處理，再通過(guò)USB上傳至電腦或者手持設(shè)備進(jìn)行顯示或作進(jìn)一步處理[5-8]。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1圖像傳感器

設(shè)計(jì)中采用日本濱松公司的MS系列CMOS圖像傳感器。MS系列包括C10822MA-01(340 nm～750 nm)和C11708MA(640 nm～1 050 nm)兩款，涵蓋了可見(jiàn)光和近紅外的探測(cè)范圍。MS系列圖像傳感器包含256個(gè)像素點(diǎn)，狹縫尺寸75 μm×750 μm，像元尺寸12.5 μm×1 000 μm，其光學(xué)結(jié)構(gòu)為一凸面閃耀光柵，光線經(jīng)狹縫入射，經(jīng)過(guò)凸面閃耀光柵分光[9]，反射至CMOS傳感器上,如圖2所示。其結(jié)構(gòu)緊湊，外觀小巧，重量?jī)H9 g，功耗低，僅有30 mW，在與手持設(shè)備連接時(shí)，低功耗有著更大的優(yōu)勢(shì)。

圖2　CMOS圖像傳感器結(jié)構(gòu)

1.2硬件電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的硬件電路主要包括前端信號(hào)處理電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA最小系統(tǒng)以及USB通信電路[7]。

CMOS圖像傳感器輸出的光譜數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)多級(jí)緩沖放大濾波后再輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog to Digital Converter, ADC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中采用了三級(jí)緩沖放大電路：第一級(jí)跟隨，第二級(jí)緩沖、濾波，第三級(jí)放大、濾波，如圖3所示。

圖3　三級(jí)緩沖放大電路

CMOS圖像傳感器輸出的模擬信號(hào)頻率為200 kHz,最大輸出電壓為2.76 V，經(jīng)過(guò)放大濾波，輸出電壓最大可達(dá)5 V，信噪比明顯提高，如圖4所示。

圖4　LED燈光照射下的模擬信號(hào)處理前后對(duì)比

設(shè)計(jì)中采用AD7671作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器，AD7671是16位的逐次逼近型高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，最大積分非線性誤差±2.5 LSB (±190 μV)，采樣速率最高達(dá)1 MS/s，精度高，速度快，滿足應(yīng)用要求。該ADC具有三種工作模式：Warp、正常和脈沖模式。本系統(tǒng)中采用正常模式，轉(zhuǎn)換速率為800 kS/s。ADC配置為主機(jī)模式，在轉(zhuǎn)換期間輸出前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果，電路連接圖如圖5所示。

圖5　AD7671連接電路圖

設(shè)計(jì)中的主控芯片采用的是ALTERA公司的EP2C5T144C8N，其邏輯資源豐富，配置靈活，滿足設(shè)計(jì)需求[10]。USB通信采用Cypress公司的CY7C68013，其由集成了USB2.0收發(fā)器的增強(qiáng)型8051微控制器組成。在設(shè)計(jì)中將CY7C68013配置為Slave FIFO模式。USB在此模式下，CPU不參與數(shù)據(jù)傳輸，直接由內(nèi)部端點(diǎn)進(jìn)行傳輸，由外部控制器來(lái)對(duì)端點(diǎn)進(jìn)行讀寫操作。FPGA與各模塊之間的連接示意圖如圖6所示。

圖6　各模塊連接示意圖

FPGA最小系統(tǒng)及USB通信電路均按照芯片手冊(cè)設(shè)計(jì)，最后繪制并制作PCB板。4層PCB板尺寸為45 mm×84 mm。

1.3程序設(shè)計(jì)

FPGA負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和傳輸，程序采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫，采用自上而下的設(shè)計(jì)思路，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分塊設(shè)計(jì)[11-12]，最終整合。系統(tǒng)主要分為3個(gè)子模塊[13]： COMS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊、AD數(shù)據(jù)緩存模塊以及USB讀寫控制模塊。COMS圖像傳感器驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)翻譯指令并控制Sensor的工作狀態(tài)；AD緩存模塊負(fù)責(zé)接收光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行平滑濾波處理，然后分時(shí)發(fā)送到USB讀寫模塊；USB讀寫控制模塊負(fù)責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，獲取USB的狀態(tài)并建立通信[14-15]。系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

CMOS圖像傳感器的正常使用需要施以正確的驅(qū)動(dòng)時(shí)序，設(shè)計(jì)中由FPGA產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)時(shí)序，驅(qū)動(dòng)時(shí)序須嚴(yán)格按照?qǐng)D像傳感器的時(shí)序來(lái)設(shè)計(jì)，MS系列圖像傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘為800 kHz，輸出頻率200 kHz，輸出完成會(huì)給出EOS信號(hào)，ST信號(hào)控制傳感器的工作狀態(tài)。編寫好驅(qū)動(dòng)程序后聯(lián)合ModelSim仿真，結(jié)果表明驅(qū)動(dòng)時(shí)序符合設(shè)計(jì)要求。

圖像傳感器在ST信號(hào)到來(lái)后開始工作，輸出光譜數(shù)據(jù)，在程序中控制ST信號(hào)的觸發(fā)次數(shù)和觸發(fā)周期就能實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描次數(shù)和積分時(shí)間的控制[16]。光譜模擬量輸出后，經(jīng)過(guò)緩沖放大，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，CNVST信號(hào)為AD轉(zhuǎn)換使能信號(hào)，CNVST信號(hào)節(jié)拍須與傳感器輸出頻率一致，并且在波形建立穩(wěn)定后進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)CNVST信號(hào)到來(lái)后，ADC開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，在此期間，輸出前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)BUSY信號(hào)到來(lái)時(shí)，F(xiàn)PGA開始以SCLK為時(shí)鐘讀取串行數(shù)據(jù)，高位在前，存于寄存器中，然后平滑濾波處理，最后告知USB讀寫模塊數(shù)據(jù)已經(jīng)就緒，USB將數(shù)據(jù)輸出至上位機(jī)[17-18]。

USB讀寫模塊監(jiān)視CY7C68013的狀態(tài)，F(xiàn)LAGA為EP2的空標(biāo)識(shí)，F(xiàn)LAGC為EP6的滿標(biāo)識(shí)，當(dāng)EP2為空時(shí)，F(xiàn)PGA不再讀FIFO，當(dāng)EP6為滿時(shí)，F(xiàn)PGA不再寫入FIFO。USB與FPGA的連接如圖8所示。

圖8　FIFO接口

固件程序是CY7C68013能正常運(yùn)行的核心，Cypress公司提供了固件程序框架，包括fw.c、periph.c、dscr.a51、USBJmptb.OBJ、Ezusb.lib五個(gè)部分，在本設(shè)計(jì)中主要對(duì)periph.c進(jìn)行了修改，使能EP2和EP6兩個(gè)端點(diǎn)，設(shè)置EP2端點(diǎn)為OUT，緩存區(qū)大小為512 B，2倍緩存，EP6端點(diǎn)為IN，緩存區(qū)大小為512 B，4倍緩存。端點(diǎn)均為塊傳輸，自動(dòng)提交包方式[19-20]。

2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

開機(jī)后系統(tǒng)首先處于待機(jī)狀態(tài)，Sensor沒(méi)有工作，等待上位機(jī)發(fā)送指令。指令碼為16位二進(jìn)制數(shù)，包含積分時(shí)間、掃描次數(shù)、默認(rèn)/用戶選擇位三個(gè)信息，F(xiàn)PGA收到上位機(jī)發(fā)送的指令碼之后進(jìn)行判斷，然后執(zhí)行相應(yīng)的操作，Sensor工作，數(shù)據(jù)上傳。

上位機(jī)連接成功后將會(huì)進(jìn)入模式選擇窗口，默認(rèn)模式下積分時(shí)間為100 ms，發(fā)送次數(shù)為無(wú)限，系統(tǒng)將會(huì)一直工作，持續(xù)探測(cè)光譜。用戶模式下可以選擇積分時(shí)間和掃描次數(shù)，掃描次數(shù)最低可以選擇1次，步進(jìn)為1，用戶最多可以選擇100次，積分時(shí)間最低為5 ms，最高為100 ms，步進(jìn)為5 ms。用戶配置好參數(shù)之后，上位機(jī)將指令發(fā)送到系統(tǒng)，系統(tǒng)將按照設(shè)置的參數(shù)工作。

實(shí)驗(yàn)中用LED臺(tái)燈和532 nm激光分別照射探測(cè)頭，在上位機(jī)上可以觀察到光譜，如圖9所示。

圖9　光譜實(shí)測(cè)(橫坐標(biāo)為像素點(diǎn)序號(hào))

3　結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用以FPGA為核心的系統(tǒng)硬件平臺(tái)，結(jié)合MS系列CMOS圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)可見(jiàn)光和近紅外光譜快速準(zhǔn)確的測(cè)量，通過(guò)USB2.0通信使光譜數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，該微型光譜儀能夠準(zhǔn)確地測(cè)量光譜波長(zhǎng)，實(shí)時(shí)性好；功耗低，可通過(guò)USB與手機(jī)直連，便攜性、實(shí)用性好；其結(jié)構(gòu)小巧，成本低廉，可以普及使用。

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Design and implementation of VIS-NIR micro spectrometer based on FPGA

Xiong Xianming1,2, Liu Guodong1,2

(1.Institute of Electrical Engineering and Automation, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004, China；2.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Optoelectronic Information Processing, Guilin 541004, China)

This paper considers the desgin and implementation of a VIS-NIR micro spectrometer based on FPGA. A CMOS image sensor of the Hamamstu′s MS series, with a detection range of 340 mm～1 050 mm and a spectral resolution of nearly 10 nm, is adopted in the approach. The power consumption of the spectrometer is less than 600 mW. In addition, the USB port is designed to be available for both direct supply and communicating with PC devices and mobile phones. The inegration time of the system is 5 ms, and the scan times as well as the integration time is tunable. Experiment results show that the output spectra′s waveforms of the spectrometer is stable and its response speed is fast, which indicates the reliablity of the micro spectrometer. It could be widely uesd in the fields of agricultural products quality detection.

mirco spectrometer; FPGA; CMOS; VIS-NIR

TN215

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.11.008

2016-01-07)

熊顯名(1964-)，男，學(xué)士，研究員，主要研究方面：光電測(cè)試，計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試，光學(xué)遙感測(cè)試。

劉國(guó)棟(1991-)，男，碩士，主要研究方向：光電測(cè)試。